JPS63201558A

JPS63201558A - 熱定数測定装置

Info

Publication number: JPS63201558A
Application number: JP3330887A
Authority: JP
Inventors: Teruaki Mitsuya; 輝章三矢; Takao Kumasaka; 熊坂　隆夫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-02-18
Filing date: 1987-02-18
Publication date: 1988-08-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は物質の熱定数を測定する装置に係り、特に粉体
、液体等の流動性物質の熱定数を精度よく測定するのに
好適な測定装置に関する。　　　　′〔従来の技術〕従来の装置は、日本機械学会論文集（Ｂｌｉ”）４６巻
４０７号１３１ｇ頁〜１３２６頁に記載のように、被測
定物質（本明細書では、以後試料と呼ぶ）の表面に方形
波パルス状の光エネルギーを加えることにより加熱し、
その際試料の背面の温度変化を計測し、その値から熱拡
散率を求める方法を用いていた。これを方形波パルス加
熱法と呼ぶ。第４図はその測定原理を示すモデル図であ
る。１は試料、Ｈは方形波パルス光のふく射熱流束（Ｊ
／ｒｒ？−ｓ　）　ｖ　ｑｒＯ（ｔ）は試料背面のふく
射熱損失（Ｊ／ボ・Ｓ）　ｓ　ｑｒｅ（ｔ）は試料表面
のふく射熱損失（Ｊ／ボ・ｓ）、　Ｑは試料の厚さくｍ
）　、　ｔは時間、又は試料厚さ方向の距離であ墨。試
料１は平板である。試料表面に方形波パルス光を照射す
ると、表面の温度が上昇し、同時に試料内部にも熱伝導
が生じて、試料背面をも含んだ試料全体の温度が上昇す
る。この温度変化は一次元熱伝導方程式を解くことによ
り与えられる。この基礎方程式および境界条件は、λを
試料の熱伝導率（５７ｍ−３・’Ｃ）、ａを試料の熱拡
散率（ｒｒｒ／ｓ）。

δを方形波パルス光のパルス幅（Ｓ）、θを試料の加熱
開始直前からの温度上昇（℃）とし、ｔ＝０で加熱開始
、試料背面をＸ＝０９表面をＸ＝９とすると、となる０以上式■〜式■を解くと、試料背面の温度上昇
は、で表わされる。αおよびβは、式０式■のｑｒｏ（ｔＬ
ｑ　ｒｅ（ｔ）を線形化して。

とし、弐〇９式■で定義されたＲｏ、Ｒｅを用いて、α
＝　（Ｒｏ＋Ｒｅ）Ｑ　　　　　　　　　　　・・・■
β＝ＲｏＲｅＱ”　　　　　　　　　　　　　”’■で
示される。さらにＰｎは、固有方程式を満足するｎ番目
の根を表す。

したがって、試料背面の温度上昇を実測し、ｔ＝ｔｌの
時θ＝θｚｓｔ＝ｔｚの時θ＝０２が得られれば、それ
ぞれ式■に代入して、辺々除してλ 分され、熱拡散率ａを求めることが出来る０以上述べた
様に方形波パルス加熱法を測定原理に用いた測定装置で
は、基礎式にふく射熱損失は考慮されているが、雰囲気
への伝導熱損失は考慮されていないため、雰囲気への伝
導熱損失が大きい場合には雰囲気を真空状態にして測定
される。

方形波パルス加熱法に類似な測定法として、加熱パルス
光にフラッシュ光を用いる方法も公知であり、フラッシ
ュ法と呼ばれる。フラッシュ法では、方形波パルス加熱
法の場合に式■で示された加熱の境界条件にデルタ関数
を用いる。また、加熱時間が短いため、方形波パルス加
熱の場合に示されたふく射熱損失ｑ　ｒｏ（ｔ）　、　
ｑ　ｒｅ（ｔ）をゼロとすることが多い、その他は、方
形波パルス加熱法と同様である。これ以外に、加熱パル
ス光にステップ波を用いた方法もよく知られている。

これらの方法を用いた測定装置の温度計測用のセンサー
には、主として熱電対が用いられる。試料と熱電対の接
触性が悪い場合には、赤外線放射温度計が用いられる場
合もある。さらに、試料１背面の温度変化を計測するた
め、基礎方程式の境界条件には有限長境界が用いられる
。それゆえ、熱拡散率導出に用いられる数式中には、た
とえば方形波パルス加熱法の場合式■に示される様に。

必ず試料の厚さＱが含まれる。したがって、各々の測定
にはあらかじめ試料を平板状に加工し、その厚さＱを計
測しておく必要がある。通常試料の厚さは、１０−４〜
１０−３ｍオーダに設定されるので、精度の高い熱拡散
率測定値を得るには、厚さ計測精度、試料の表面と背面
の平行度等を１／１００ｍｍ以下にすることが必要であ
る。

（発明が解決しようとする問題点〕上記従来技術では、加工性の良い物質以外の熱拡散率測
定の点について配慮されておらず、加工性の悪い物質を
試料として用いる場合、平板状に厚さＱを均一に保つこ
とが難しく、特に粉体、液体等の流動性物質の熱拡散率
を測定する場合は、厚さＱの計測と精度の確保が難しい
という問題がある。さらに、流動性物質の場合、試料背
面に熱電対を設置することが不可能であるという問題も
ある。そのため、熱電対に代えて放射温度計を用いても
、放射率の低い物質や透明体、半透明体では試料背面の
温度を精度良く計測出来ないという問題もある。

本発明の目的は、粉体、液体等の流動性物質の熱拡散率
を容易に精度良く測定することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、基礎方程式である一次元熱伝導方程式の境
界条件を半無限長境界にし、この半無限長境界条件を満
たす様に試料の厚さを設定し、かつ温度変化計測用セン
サーを試料内部に設置することにより達成される。

〔作用〕

試料の厚さは半無限長境界条件を満たす様に設定されて
いる。それによって、加熱パルス光が照射される表面の
背面は、熱拡散率測定時間内において試料内部の熱伝導
と無関係になるので１表面からの距離を計測する必要が
なく、表面との平行度を保つ必要もない。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図により説明す
る。第１図は本発明の熱拡散率測定装置の断面側面図、
第２図は第１図の試料容器２の断面側面図、第３図は熱
電対の出力波形図である。

１が試料、２が試料容器、３が真空容器、４が測定用熱
電対、５がモニタ用熱電対、６が保持具。

７が光源、８が光透過窓、９が絞り、１０が真空パイプ
、１１が光透過フィルム、１２が加熱パルス光照射面、
１３が測定用熱電対出力波形、１４がモニタ用熱電対出
力波形、１５が加熱パルス光照射時間、Ｑが測定用熱電
対の加熱パルス光照射面１２からの距離、　ＱＬがモニ
タ用熱電対の加熱゛パパルス光照射面からの距離、Ｘは
加熱パルス光照射面を原点とした熱伝導方向の距離、ｔ
が経過時間、ｔｌ、ｔ、、δ、ｔしが加熱パルス光の立
ち上り時を０とした時間でδが加熱パルス光のパルス幅
を示す。θが加熱パルス光照射直前からの温度上昇、θ
０が加熱パルス光照射直前の温度上昇（θｏ　＝Ｏ）　
、　θｌ、θ２がそれぞれ１＝１１．１＝ｔｚの時の温
度上昇である。

以下本実施例の構成を説明する。第１図に示す様に、真
空容器３の中に試料容器２が保持具６に取り付けられて
おり、試料容器２の中に試料１が満たされており、試料
１の上面の表面状態は特に考慮されていない。ここで試
料１は後述するモニタ用熱電対５のジャンクション部の
位置より、高い位置まで満たされている０本実施例では
、試料１は炭素粉であるが、他の粉体、流体であっても
差しつかえない。真空容器３の下面には、フッ化カルシ
ウムから成る光透過窓８が設置されており、これら真空
容器の外面に取り付けられる部材は真空容器３の内側が
１０−６Ｔｏｒｒ程度の真空度であっても十分耐えられ
る様にシールされている。光透過窓８の下方には加熱パ
ルス光の光源７が取り付けられており、光源７はハロゲ
ンランプである。

第２図に示す様に測定用熱電対４およびモニタ用熱電対
５は、光照射面１２から、それぞれ距１１ｉＩ２および
ＱＬの水平位置における試料容器２の中心にジャンクシ
ョンが位置する様に取りつけられており、距離Ωおよび
ＯＬを保つ為試料容器の外壁に、素線に張力をかけられ
た状態で接着剤により継止されている。試料容器２の下
面に加熱パルス光を透過する光透過フィルム１１が取り
付けられており、光透過フィルム１１の上面が試料との
界面であり、この面が加熱パルス光照射面１２となる。

以下本実施例の動作を説明する。光源７は、時間ｔｏ＝
ｔａの開発光する。その間、光は光透過窓８を通り、絞
り９で絞られた後、光透過フィルム１２を介して、加熱
パルス光照射面１２の試料ｌを均一に照射する。なお、
発光中の光源７の光強度は一定に保たれる。その間真空
容器３内部は真空パイプ１０を介して真空ポンプにより
１０″″’Ｔｏｒｒに保たれている。これにより、試料
１から雰囲気への伝熱や対流による熱損失は無視しうる
値となる０本実施例では、常温付近（約２０℃）におけ
る熱拡散率を測定する。その場合、試料温度と雰囲気温
度との差が極めて小さいので、方形波パルス加熱法の説
明で述べた様なふく射熱損失ｑ、。。

ｑｒｅも無視出来る。加熱パルス光照射面１２を光源７
により加熱すると、照射面１２に近い面から順次温度上
昇し、測定用熱電対４の出力１３およびモニタ用熱電対
５の出力は第３図に示した様になる。ここでモニタ用熱
電対５は、半無限境界条件の成立確認用であり、モニタ
用熱電対５の出力１４が上昇開始する時間ｔＬより以前
の測定用熱電対４の出力１３を使用して熱拡散率を導出
すれば、加熱パルス光照射面１２を原点半無限境界条件
が成立していることになる。つまりこれは、モニタ用熱
電対５の設置位置に熱伝導が生じる以前に、測定用熱電
対４にて計測することを意味し、試料１内部に熱伝導が
生じていない部分が存在すれば、その熱伝導系は半無限
境界である。

以下、本実施例の測定原理について述べる。なお用いる
記号は特記なき限り、第１図〜第３図および前述の記号
と同様である。基礎方程式および境界条件は。

ｆ＝Ｈ（Ｘ＝Ｏ，Ｏ≦ｔ≦δ）　　　　　　・・・Ｏこ
こでｆは試料内部の熱伝導により生じる熱流束（３７ｍ
−５・℃）である。式０〜式Ｇを解くと。

０≦ｔ≦δの時ｘ＝Ｑにおける温度上昇は、となり、δ
≦ｔ≦ｔＬの時Ｘ＝Ｑにおける温度上昇は、となる。

したがって第３図に示すｔ＝ｔ１の時の温度上昇Ｏ＝θ
１のｔｌおよびθ工を式θに、ｔ　＝ｔ　２の時の温度
上昇０＝０２のｔ２およびθ２を式０すれば、Ｑおよび
δがあらかじめ計測されているので熱拡散率ａを求める
ことが出来る。

以上述べた方法により、試料１の加熱パルス光照射面１
２とその背面（試料１の上面）までの距離を計測する必
要がなく１両面間の平行度を保つ必要もなく、試料１の
熱拡散率を測定することが出来る。

本実施例によれば、熱雷対は測定装置に固定されでいる
ため、測定毎に取り付ける必要がないという効果がある
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半無限長境界条件を用いることにより
、試料の加熱パルス照射面の背面を熱伝導と無関係にす
ることが出来るので、背面の加熱パルス照射面からの距
離を計測する必要がなく、両面間の平行度を保つ必要も
ないという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の熱拡散率測定装置の説明図
、第２図は第１図の試料容器２の説明図。第３図は熱電対の出力波形図、第４図は従来の測定装置
の測定原理モデル図である。１・・・試料、２・・・試料容器、３・・・真空容器、
４・・・測定用熱電対、訃・・モニタ用熱電対、７・・
・光源、１２・・・加熱パルス光照射面、１３・・・測
定用熱電対出力波形、１４・・・モニタ用熱電対出力波
形、１５・・・加熱パルス光照射時間、ｔ・・・経過時
間、δ・・・加早　１１０１・・・へ糾２・・・試Ｈ各器３・・翼？咎４４・・・珊１足用熱電対５・・七ニタＦＩＡ誂を村７・・・Ｌシ東３・・・＃−透」Ｅミ９・・・絞　９第　２　　図早　３　■

Claims

【特許請求の範囲】１、ふく射加熱源を有し、被測定物質を該ふく射加熱源
により加熱し、該被測定物質内部に該加熱による熱伝導
を生じさせ、該被測定物質の変化途中の温度を少なくと
も一点計測し、該計測値を用いて該被測定物質の熱拡散
率を測定する熱定数測定装置において、該被測定物質の
熱伝導方向の厚さを規定しないことを特徴とする熱定数
測定装置。２、該被測定物質の熱伝導方向の厚さを用いることなく
該被測定物質の該熱拡散率を測定することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の熱定数測定装置。３、該熱拡散率算出に用いる熱伝導方程式の境界条件に
半無限長境界条件を用いたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の熱定数測定装置。