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JPH0562295B2 - - Google Patents
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JPH0562295B2 - - Google Patents

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JPH0562295B2
JPH0562295B2 JP58011498A JP1149883A JPH0562295B2 JP H0562295 B2 JPH0562295 B2 JP H0562295B2 JP 58011498 A JP58011498 A JP 58011498A JP 1149883 A JP1149883 A JP 1149883A JP H0562295 B2 JPH0562295 B2 JP H0562295B2
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JP
Japan
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thermal conductivity
measurement
sample
temperature
heating wire
Prior art date
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JP58011498A
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JPS59137847A (ja
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Isamu Aoyanagi
Yoshiaki Arakawa
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Kyoto Electronics Manufacturing Co Ltd
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Kyoto Electronics Manufacturing Co Ltd
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Publication date
Application filed by Kyoto Electronics Manufacturing Co Ltd filed Critical Kyoto Electronics Manufacturing Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
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  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、非定常熱線法に基づく改良された熱
伝導率測定素子に関する。 公知の非定常熱線法についてまず説明する。 第1図の如く、無限長で直径の極めて大きい円
柱とみなせるような形状の試料1の中心部分に、
細い加熱線3を張る。次に時間t=oから加熱線
に一定の電力を供給し、加熱線から試料に熱を与
え続けると、加熱線から距離r離れた位置の温度
は、第2図に示したように、時間の経過と供に指
数函数的に上昇する。 この状態を数学的に解析すると次の通りであ
る。すなわち、円筒座標による熱伝導の式は(1)式
で与えられ、さらに条件式は(2)式で示される。 α(∂2T/∂r2+1/r ∂T/∂r)=∂T/
∂t(1) r→0の時 −2πrλ ∂T/∂r=q (2) ここで、 α;試料の熱拡散率(m2/S) λ;試料の熱伝導率〔W/(m・K)〕 T;温度(℃) r;半径(m) t;時間(S) q;加熱線の単位長さ当りの発熱量(W/m)q
=R×I2=V×I/L 但し、 V;電圧(V) I;電流(A) L;電圧Vを測定する加熱線の長さ(m) R;加熱線の単位長さ当りの抵抗(Ω/m) であり、この際求める解は次式で与えられる。 T=q/4πλ∫t pt-1exp(−r2/4αt)dt (3) さらに、r/2√<0.16なる条件の満たされ
る場合には、時間t1、t2における距離rにおける
温度上昇を、それぞれT1、T2とおくと、誤差1
%以内の近以式として次式が得られる。 λ=qln(t2/t1)/4π(T2−T1) (4) 第3図に(4)式の関係を示す。第3図は、有限寸
法の例えば並形耐火断熱レンガ2枚によつて、加
熱線と温度測定素子をはさみ実測したときの様子
を示すもので、同図中の範囲Aは、r/2√<
0.16の成立しない範囲、および、実際の加熱線で
は線自体に熱容量があるために、加熱線自身を熱
するために必要とされる時間範囲である。また、
範囲Bは、試料が有限寸法であるため、加熱線か
ら発した熱が材料を突き抜け、無限大の寸法を満
足しない時間範囲を示す。従つて、試料の熱伝導
率測定は、温度上昇Tと時間lntとの関係が直線
関係となる範囲Cによつて行なわれる。熱伝導率
λは、第3図の直線の勾配の逆数に比例する値と
して求められる。 さらに、第1図においては、温度測定素子2
は、加熱線から離れた位置に示したが、実際に
は、r/2√<0.16を短い時間に成立させるた
めには、rを小さくとることが必要となり、計測
時間を短縮する意味からも必要な措置である。従
つて、第4図に示すように熱電対や測温抵抗体や
サーミスタ等の温度測定素子2は、加熱線表面に
接触するように溶接なり接着なりして用いられ
る。この加熱線と温度測定素子の一体ものを、以
下に熱伝導率測定素子と呼び、略して単に測定素
子という事がある。 この測定法は、特に熱伝導率が0.01〜10W/
(m・K)程度の材料、すなわち一般の非金属材
料の熱伝導率測定に対して極めて有効な測定法で
あつて、さらに試料を適当な温度調節器付きの恒
温槽または、電気炉等の中に入れて測定すれば、
試料の熱伝導率の温度依存性を容易に求めること
のできる、簡便かつ、測定装置が比較的安価な実
用的測定法である。 以上によつて詳述して測定原理に基づいて、加
熱線1本と、温度測定素子1本から成る測定素子
を用いて、熱伝導率を測定する方法は、公知であ
つて、従来から行なわれている方法である。そし
て、通常、この温度測定素子付近の試料の熱伝導
率が、測定値として得られることがわかつてい
る。従つて、こうした従来の方法による熱伝導率
測定は、材料が均質であることを前提として行な
われるものであり、例えばガラス、プラスチツク
のように実際の試料が均質なものについては、上
述した測定素子による1点の温度計測を行なつ
て、(4)式から熱伝導率を求めれば、その熱伝導率
の値が試料の全体の性質を表わすものと言えた。 しかし、一般の材料例えばレンガ、コンクリー
トあるいはプラスチツク発泡体等はいわば混合材
料であつて、全体として一様な熱伝導率をもつて
いても、試料の細部における部位によつては、熱
伝導率が異なる。すなわち、試料の全体としての
熱伝導率を知ろうとするときに1点のみの温度上
昇から熱伝導率を求めることは危険である。これ
に対する方法として、第4図の測定素子または、
試料を1回測定する毎に移動して測定部位を変
え、各々の位置で測定した熱伝導率を平均し、そ
の試料の全体を表わす熱伝導率として求めること
を行なつていた。この方法は該当技術者であれば
気付くことでとりわけて述べることではないが、
実際には、たとえば試料が室内の机上に置かれて
いる場合は、上述の操作は容易に行なえる。しか
し、高温における熱伝導率を求めるために、試料
と測定素子を加熱炉内に入れて、炉内を一定温度
に保つて測定するような場合は、上述の測定部位
の移動は極めて困難な作業である。 また、既述した測定原理に基づく本測定法にお
いては、試料の温度が一定に保たれていることが
必要条件であり、試料の温度が変化している場合
は、測定誤差を生ずる。このため、一般的には、
本測定法により熱伝導率を求める場合はたとえば
JIS R 2618では試料の温度変化が、5分間で
0.1℃以内になつてから測定することになつてい
る。すなわち温度勾配が0.02℃/分以内という厳
しい条件が必要とされる。しかし、通常この条件
を得るためには、試料および測定素子を一定温度
の雰囲気内に長時間放置しておくことが必要であ
り、また、同一温度条件で、測定を繰り返す場合
においても、初回の測定によつて加熱された試料
の温度がもとの温度にもどり、上述の測定温度条
件になるまでには、数十分〜数時間を要する。さ
らに、高温あるいは低温における試料の熱伝導率
を求めるために加熱炉あるいは低温恒温槽を用い
て測定していて、上述の測定部位の移動操作によ
つて炉内あるいは槽内の温度が変つてしまうよう
な場合には、安定な測定条件を得るまでには、さ
らに長時間を要することになる。 本発明は、そのような事情を鑑みてなされたも
のであつて、その要旨は、試料に一定の熱供給可
能に取り付け得られる加熱線と、前記加熱線上の
離隔した位置に固着した複数の温度測定素子とか
らなる熱伝導率測定素子である。 以下に本発明を詳しく説明する。 第5図は、本発明の熱伝導率測定素子の一態様
の斜視図である。加熱線3は、0.35mmφの第一種
ニクロム線であり、温度測定素子は0.2mmのK熱
電対5の3対を50mm間隔でスポツト溶接した。電
圧を測定する加熱線の長さは150mmである。支持
枠7は、加熱線3と熱電対5を破損しないように
固定するためのものであり、無くても良い。この
熱伝導率測定素子を同一試料2枚で間隙なくはさ
む。(試料1は点線で示した。)第6図は、本発明
の熱伝導率測定素子と記録計または演算指示器と
の結線状態を示す図であるが、第6図のAに示す
ように、熱電対用切換器を用いて、順次熱電対信
号を記録計、または、直接、後述する演算指示器
に入力して熱伝導率を測定する。または、第6図
のBのように1回の測定で同時に3対の熱電対信
号を個別に、あるいは第6図のCのように1つの
演算指示器によつて計測時間をずらせて、(各熱
電対からの信号をtimeシエアリングでサンプリ
ング)各々の熱電対信号を記録、または、演算指
示器に入力して熱伝導率を測定する。第7図は第
6図のCにおけるタイムスケジユールを示してい
る。演算指示器は、たとえば特公昭53−29113、
特公昭53−29114、特願昭54−70804特願昭54−
137906に述べられているような回路を用いて自動
演算し、結果を直示する。 シリカバルーンとエポキシ樹脂の複合材、シリ
コーンゴム、アルミナ質レンガの3種類の試料の
測定の結果を第1表に示す。
【表】 表中の、、は、第5図に示す同番号の熱
電対信号から得たことを意味する。各々の
の値は同時に測定した結果であり、測定時間は、
60〜180秒の範囲で、測定温度は約40℃である。
いずれの試料も、かなり均質であるため、測定値
のバラツキは小さい。逆にこの結果から均質であ
ることが知られる。参考として、熱電対1対の方
式で求めた値を示したが、部位における測定値
と比較を行なうと1〜2.5%程度の誤差で一致し、
この差は、熱電対1対の方式による測定の再現性
のバラツキと同等である。すなわち、本発明の完
成前に強く懸念された加熱線に複数の熱電対を溶
接したことによる熱損失などの影響が無く、測定
精度は確保されている。しかも測定素子または、
試料を移動することなく試料の各部位の熱伝導率
が測定できるので、試料の熱伝導率を評価する上
で信頼性が高いものとなつた。 さらに、測定に要する時間を比較すると、当初
の測定条件を得るまでに要する時間は同じである
が、熱電対1対の方式では、3点の測定値を得る
ためには、さらに、2回の測定が必要で、このた
めに、測定部位の移動操作を含めてこの場合約2
時間を要する。すなわち、複数の熱電対を用いる
本発明では、測定時間を短縮する上でも有効であ
る。 第8図は、上述第5図の熱電対3対を熱電堆と
して結線し、一度に、平均的熱伝導率を求めるよ
うにした本発明の熱伝導率測定素子の別の態様を
示す図である。冷接点部9は、同一温度となる場
所に設けておく。熱電堆の熱起電力はn対の熱電
対を用いたときは、n倍となる。従つて、前述し
た様な演算器を用いるときは、演算器内部で入力
電圧を1/nとなるように処理して(4)式を用いて
熱伝導率λを計算させる。求まる熱伝導率は各
部位で求まる熱伝導率λ1、λ2……λnの単純平均
値ではなく、次の様になる。 各熱電対での時間t1、t2における温度をT1n、
T2nとおくと、 但し A=qln(t2/t1)/4π (6) λ1=A/(T21−T11) (7) λ2=A/(T22−T12) (8) λ3=A/T23−T13 (9) …… 従つて 1/λ=1/n(1/λ1+1/λ2+……+1/
λn(10) すなわち、(10)式で定義される熱伝導率が、一
度の測定で得られる。この(10)式で求められる値
は、単純平均値に比して同じか、小さい値を与え
るが、λ1、λ2……λnが近い値である場合は、単
純平均値とみなせる値となる。たとえばλ1=1、
λ2=2、λ3=3のとき=1.64となり、単純平均
値の2とは異なるが、λ1=1.2、λ2=1、λ3=0.8
では=0.97となり、単純平均値1に対し差異は
−3%となり、単純平均値とみても差しつかえな
い値を与える。 なお、この態様の熱伝導率測定素子では、通常
加熱線表面に塗装やセラミツクスの蒸着などを行
なつて絶縁皮膜を設けた後、複数熱電対を接着剤
などを用いて加熱線に固定する等、加熱線と熱電
対とが電気的に絶縁されることが必要である。た
だし、電気的に加熱線と熱電対が接続している場
合でも、加熱線に交流電流を通じて発熱させるこ
とを考えれば、演算指示器の入力側にlow pass
フイルターを設けておけば、熱電堆からの直流信
号のみが演算指示器へ入力され、計測が可能であ
る。 以上本発明によつて、試料、または熱伝導率測
定素子を動かすことなく、試料の複数の部位の熱
伝導率を求める、あるいは、一度に試料の平均熱
伝導率を求めることができた。さらに、熱伝導率
値の信頼性が増し、測定時間の短縮できると共
に、簡便に実施でき、しかも安価に行なえること
から、本発明の熱伝導率測定素子は、有用性が高
い。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図、第3図および第4図は、非定
常熱線法に基づく熱伝導率測定素子を説明する図
であり、第5図は本発明の熱伝導率測定素子の一
態様の斜視図、第6図は本発明の熱伝導率測定素
子と計録計又は指示器との結線状態を示す図、第
7図は第6図のCのタイムスケジユールを示す図
第8図は、本発明の熱伝導率測定素子の別の態様
と、それと指示器との結線状態を示す図である。 1……試料、2……温度測定素子、3……加熱
線、4……電圧測定リード線、5……熱電対、6
……ターミナル、7……支持枠、8……切換器、
9……冷接点部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 試料に一定の熱供給可能に取付けられる加熱
    線と、前記加熱線上の離隔した位置に固着した複
    数の温度測定素子とからなる熱伝導率測定素子。 2 温度測定素子が複数の熱電対で熱電堆となる
    ように結線し構成した特許請求の範囲第1項記載
    の熱伝導率測定素子。
JP1149883A 1983-01-28 1983-01-28 熱伝導率測定素子 Granted JPS59137847A (ja)

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JP1149883A JPS59137847A (ja) 1983-01-28 1983-01-28 熱伝導率測定素子

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Publication Number Publication Date
JPS59137847A JPS59137847A (ja) 1984-08-08
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