JPH02176455A - 熱伝導率測定方法および装置 - Google Patents

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」 本発明は断熱材料や保温材料等の各種材料の熱伝導率、
特に、高温かつ真空下における熱伝導率を測定する方法
およびそのための装置に関するものである。

「従来の技術」 一般に、断熱材や保温材として用いられる各種の材１１
の熱伝導率の値は、常に一定ではなく温度によって変化
するものであって、温度が高いほど熱伝導率も大きくな
る、すなわち熱を伝え易くなる傾向にある。したがって
、特にたとえば１，０００℃を越えるような温度条件で
使用される断熱材や保温材のように高温下における熱（
云導率が問題とされる材料にあっては、その熱伝導率の
測定は実際に使用温度まで加熱して行うことが必要とな
る。

そのような熱伝導率の測定を行う装置として、本出願人
は先に第３図に示す熱伝導率測定装置を提供した（特願
昭６３−２１１０１号）。第３図において符号１は炉容
器、２は断熱材３，４により彩成された計測室、５はヒ
ータ、６は熱伝導率を測定するべき試料、７は試料６の
上面に配された伝熱板、８は試料６の下面に接する下部
測温板、９は内部に測温ガスが流通するようにされた熱
流計測板、１０は炉容器ｌの下部空間を冷却して低温に
保持するための補償冷却板である。

この熱伝導率測定装置は、ヒータ５により計測室２内を
加熱して試料６を測定温度たとえばｌ。

０００℃に保持するとともに、炉容器ｌの下部空間を補
償冷却板１０により低温たとえば１００°Ｃに保持し、
試料６の上面（表面）から下面（裏面）に貫流する熱貫
流量を定常状態において熱流計測板９により計測すると
ともに、試料６の上面〆温度および下面温度をそれぞれ
計測して、それらの値から熱伝導率を６］す定するよう
にしたものである。

すなわち、第４図に模式的に示すように、熱流計測板９
に一定流量の測温ガスを流通させてその入口および出口
での温度を温度計１１．１２によりそれぞれ計測し、そ
れらの温度差と測温ガスの流量とから測温ガスの受熱量
すなわち試料６を通過した熱貫流量Ｑを求める。

また、伝熱板７内に挿入した温度計１３もしくは炉容器
ｌの上部に配した放射温度計１４（第１図参照）により
伝熱板７の内部温度Ｔｓを計測するとともに、下部測温
板８内に挿入した温度計１５によりその内部温度Ｔｏを
計測する。この伝熱板７の内部温度Ｔｓおよび下部測温
板８の内部温度Ｔｏは、厳密には試料６の下面温度Ｔｙ
、下面ｌ！ｉ！度Ｔ×と等しいものではないが、通常、
試料６と伝熱板７および下部測温板８との間には十分な
伝熱がなされてそれらの誤差は無視することができる程
度に小さく、また、試料６の表面温度を直接的に計測す
ることは極めて困難であることを考慮して、伝熱板７の
内部温度Ｔｓを試料６の上面温度Ｔｙとみなし、下部測
温板８の内部温度Ｔｏを試料６の下面温度Ｔｌ［とみな
す。

そして、上記の測定値と、試料６の厚み寸法、熱量計測
板９の面積とから、試料６の熱伝導率を（１）式に基づ
いて求める。

すなわち、熱貫流量Ｑ　（Ｋ　ｃａｌ／ｈ）、試料６の
厚み寸法Ｄ　（ａ＋）、熱流計測板９の面積Ａ（ａ＋１
）、試料６の上面温度Ｔｙとみなされる伝熱板７の内部
温度Ｔｓ（”Ｃ）、試料６の下面温度ＴＸとみなされる
下部測温板８の内部温度Ｔｏ（”Ｃ）と、求めるべき試
料６の熱伝導率λ（Ｋｃａｌ／閏・ｈ　−ｄｅｇ）との
間には、Ｑ＝（λ／Ｄ）−Ａ（Ｔｓ−Ｔｏ） の関係が成り立つから、この式から、 λ＝Ｑ−Ｄ／Ａ（Ｔｓ−Ｔｏ）　　　−−（１）として
求められる。

なお、第３図において符号１６はヒータ５の電極、１７
は計測室２の壁面温度を計′測室２の内部温度と同等に
するために設けられた良熱伝導性材料からなる壁面温度
浦償仮、１８は試料６の側部からの放熱を防止するため
の熱流補償筒、１９は熱流計測板９の周囲に配されてそ
の側方への放熱を防止するための補償冷却板である。

「発明が解決しようとする課題」 上記の装置によれば高温下における熱伝導率を高精度で
測定できるのであるが、上記装置には次のような解決す
るべき課題があった。

すなわち、各種材料の熱伝導率は温度によって変化する
のみならず、それが真空中において使用される場合には
、大気中あるいは雰囲気ガス中において使用される場合
のように対流の影響を受けることがないので、熱伝導率
が低下する（断熱性が向上する）傾向にある。

したがって、たとえば真空炉用の断熱材のように真空中
で使用される材料については真空中における熱伝導率を
求めたい、という要求があり、このため、上記装置の炉
容器ｌ内を真空とすることで、真空中における試料６の
熱伝導率を測定することが検討されているが、上記装置
の炉容器ｌ内を真空として測定を行った場合には、以下
のような理由から必ずしも十分な測定精度が得られない
ものである。

すなわち、上記の装置においては、試料６の上面に伝熱
板７を密着させるとともに、試料６の下面に下部測温板
８を密着させるようにしているが、それらの接触状態を
常に一定に保持することは困難であって、ときにはそれ
らの間に若干の隙間が生じるようなことが避けられない
ものである。そのような隙間が生じても、炉容器ｌ内が
真空でなければ殆ど影響はなく、上述したように伝熱板
７の内部温度Ｔｓを試料６の上面温度Ｔｙとみなし、下
部測温板８の内部温度Ｔｏを試料６の下面温度ＴＸとみ
なすことで同等支障はないが、炉容ｉｌｌ内が真空とさ
れた場合には、試料６と伝熱板７および下部１１１１１
　Ｍ板８との接触状態がそれらの間の伝熱に大きな影響
を及ぼし、その結果、伝熱板７や下部測温板８の内部温
度Ｔｓ、Ｔｏと試料６の実際の下面温度Ｔｙ、下面温度
Ｔｘとに大きな誤差が生じてしまうものである。このよ
うな誤差は、高温となっている試料６の上面側において
は十分な輻射伝熱が確保されて１％以下の小さなものと
なるから無視することも可能であるが、低温となってい
る試料６の下面側においては２０％にも及ぶ大きな誤差
が生じることがあるので、もはや無視することはできず
、下部測温板８の内部温度Ｔｏを試料６の下面温度Ｔｘ
とみなすことはできないものである。

そして、既に述べたように、試料６の下面と下部ｉ１１
＋１　温板８との間の接触状態を常に一定に保持するこ
とは困難であるし、また、試料６下面諷度を直接的に計
測することも困難であるので、上記の装置をそのまま用
いた場合には真空中における熱伝導率を高精度で測定す
ることはできないものであり、そのようなことを可能な
らしめる手段の提供が望まれていた。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、高温かつ
真空下における試料の熱伝導率を高精度で測定し得る方
法、わよびそのための装置を提供することを目的として
いる。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するため、本発明方法は、試料を真空中
に配置するとともに、その試料の内部を表面から裏面に
貫流する定常熱流を生ぜしめ、その定常熱流量と試料の
表面温度および裏面温度とから試料の真空中における熱
伝導率を測定するに際し、前記定常熱流量を試料の裏面
側に配置した熱流計測仮によって計測するとともに、そ
の熱流計測板の表面と試料の裏面との間に隙間を形成し
ておいてこの熱流計測板の表面温度を計測し、それら定
常熱流量と熱流計測板の表面温度の値から試料の裏面温
度を算出し、その試料の裏面温度に基づいて試料の熱伝
導率を求めることを特徴としている。

また、本発明の装置は、真空を保持可能な炉容器の内部
に熱伝導率を測定するべき試料を配して、その試料の内
部を表面から裏面に貫流する定常熱流を生ぜしめ、その
定常熱流量と試料の表面温度および裏面温度とから試料
の真空中における熱伝導率を測定するための装置であっ
て、前記定常熱流量を測定するための熱流計測板を試料
の裏面側に設けるとともに、その熱流計測板の表面と試
料の裏面との間に隙間を形成するためのスペーサを設け
、かつ、熱流計測板の表面温度を計測するための温度計
を具備してなることを特徴としている。

「作用」 本発明では、試料の裏面と熱流計測板との間にスペーサ
によって隙間を形成し、炉容器内を真空として測定を行
う。このようにすることにより、試料裏面と熱流計測板
表面との間には輻射伝熱しか生じないので、ステファン
・ボルツマンの放射法則により、熱流計測板の表面温度
から試料の裏面温度を正確にかつ容易に算出し得る。

「実施例」 以下、本発明の実施例を第１図および第２図を参照して
説明する。第１図は本実施例の熱伝導率測定装置の概略
構成を示すものであるが、第３図に示した従来の装置と
同一の構成要素については同一符号を付してその説明は
略す。

本実施例の熱伝導率測定装置が従来の装置と異なるとこ
ろは、試料６の下面に配されていた下部ｉ１１＋１温板
８が省略されてそこに隙間が形成された点にある。

すなわち、本実施例の装置では、補償冷却板の１９上面
に環状のスペーサ３０が設けられてそのスペーサ３０に
よって試料６が支持されるようになっており、これによ
って試料６の下面と熱流計測板９との間に、スペーサ３
０の厚み分の隙間が形成されるようになっている。その
スペーサ３０の厚み寸法は試料６と熱流計測板９が接触
しない限りにおいて任意で良く、また、その材料は高温
に耐え得るものであれば特に限定されるものではない。

そして、従来の装置において下部測温板８内に挿入され
ていた温度計１５は省略され、それに代えて、第２図に
示すように熱流計測板９の下面温度を計測する温度計３
１が設けられている。

上記の装置によって試料６の真空中における熱伝導率を
測定するには、炉容器１内を真空とじた後、従来の装置
と同様にヒータ５により計測室２内を高温に加熱して試
料６を上面（表面）から下面（ｍ面）に貫流する定常熱
流を生ぜしめ、その定常熱流量Ｑを熱流計測板９により
計測する。また、温度計１３（もしくは温度計１４）に
より伝熱板７の内部温度Ｔｓを計測するとともに、温度
計３１により熱流計測板９の上面温度Ｔｏ’を計測し、
それらの値に基づいて試料６の真空中における熱伝導率
λを算出するのであるが、それに先立ち、まず、計測さ
れた熱流計測板９の上面温度Ｔ。

から試料６の実際の下面温度Ｔｌ［を算出する。

すなわち、上記の装置では、試料６下面と熱流計測板９
との間に隙間を形成したことにより、試料６の下面と熱
流計測板９の上面との間には輻射伝熱が生じるのみとな
り、その輻射伝熱量は試料６の熱貫流量すなわち熱流計
測板９によって計測される熱貫流量Ｑの値に他ならない
から、試料６の実際の下面温度Ｔｘはステファン・ボル
ツマンの輻射法則に基づく次の（２）式により求めるこ
とができる。

Ｑ　　　　２７３＋　Ｔ　ｏ’　）’１　”“Ｘ　１０
０〜２７３Ｔｘ＝ｌ　　　　　＋（ ε　・　σ　　　　　　１０Ｇ ・・（２） ここで、εは試料６と熱流計測板９との間の輻射率、σ
はステファン・ボルツマン定数に４８８）である。上記
の輻射率εの値は試＄４６の材質と熱流計測板９の材質
によって異なるが、たとえば試料６が炭素繊維であり、
熱流計測板９がステンレス製である場合にはε片０．４
程度である。

以上により試料６の実際の下面温度Ｔｘを正確に求め、
また、既に述べたように温度計１３によって測定された
伝熱板７の内部温度Ｔｓは試料６の上面温度Ｔｙとみな
すことができるので、それらの値から、上述の（１）式
に基づく次の（３）式により試料６の熱伝導率が求めら
れる。

λ＝　Ｑ−Ｄ／　Ａ　（Ｔ　ｓ　−Ｔ　１１）　　　−
−（３）このように、上記装置は、試料６下面と熱流計
測板９との間にスペーサ３０によって隙間を形成するよ
うにしたから、それらの間には輻射伝熱しか生じること
がなく、したがって測定条件を常に一定に保持すること
ができ、また、上記（２）式によって試料６の実際の下
面温度ＴＫを熱流計測板９の上面温度Ｔｏ’から正確に
かつ容易に求めることができ、したがって、真空中にお
ける試料６の熱伝導率λを高精度で求めることが可能と
なる。

なお、試料６上面と伝熱板７との間にも、試料６下面と
熱流計測板９との間と同様にして隙間を設けても良いが
、従来と同様に隙間を設けずにそれらを密着させること
でも良い。そして、いずれの場合も、既に述べたように
試料６の上面側においては伝熱板７の内部温度Ｔｓを試
料６上面温度Ｔｙとみなして差し支えないが、必要とあ
らば、上記と同様にして伝熱板７の内部温度Ｔｓから（
４）式により試料６の実際の上面温度Ｔｙを算出し、そ
の値を用いて（５）式により熱伝導率を求めても良い。

・・・・・（４） λ＝Ｑ　−Ｄ／Ａ（Ｔｙ−Ｔｘ）　　　　・・・・・・
（５）「発明の効果」 以上で詳細に説明したように、本発明によれば、真空中
における試料の熱伝導率を測定するに際して、試料の裏
面と熱流計４１板の表面との間に隙間を形成することで
それらの間に輻射伝熱しか生じないようにしたから、熱
流計測板の表面温度から試料の裏面温度を正確かつ容易
に求めることができることになり、その結果、試料の真
空中における熱伝導率を高精度で求めることが可能であ
る、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱伝導率測定装置の一実施例を示す概
略構成図、第２図はその要部の模式図である。 第３図は従来の熱伝導率測定装置を示す概略構成図、第
４図はその要部の模式図である。 １０・・・・・・補償冷却板、１１〜１５・・・・・・
温度計ＴＸ・・・・・・試料の下面温度、Ｔｙ・・・・
・・試料の上面温度、Ｔｓ・・・・伝熱板の内部温度、 Ｔｏ’・・・・・熱流計測板の表面温度。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料を真空中に配置するとともに、その試料の内
   部を表面から裏面に貫流する定常熱流を生ぜしめ、その
   定常熱流量と試料の表面温度および裏面温度とから試料
   の真空中における熱伝導率を測定するに際し、前記定常
   熱流量を試料の裏面側に配置した熱流計測板によって計
   測するとともに、その熱流計測板の表面と試料の裏面と
   の間に隙間を形成しておいてこの熱流計測板の表面温度
   を計測し、それら定常熱流量と熱流計測板の表面温度の
   値から試料の裏面温度を算出し、その試料の裏面温度に
   基づいて試料の熱伝導率を求めることを特徴とする熱伝
   導率測定方法。
2. （２）真空を保持可能な炉容器の内部に熱伝導率を測定
   するべき試料を配して、その試料の内部を表面から裏面
   に貫流する定常熱流を生ぜしめ、その定常熱流量と試料
   の表面温度および裏面温度とから試料の真空中における
   熱伝導率を測定するための装置であって、前記定常熱流
   量を測定するための熱流計測板を試料の裏面側に設ける
   とともに、その熱流計測板の表面と試料の裏面との間に
   隙間を形成するためのスペーサを設け、かつ、熱流計測
   板の表面温度を計測するための温度計を具備してなるこ
   とを特徴とする熱伝導率測定装置。