JPH059737B2

JPH059737B2 -

Info

Publication number: JPH059737B2
Application number: JP17206887A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Hatsuta
Original assignee: NAGOYA DAIGAKU GAKUCHO
Current assignee: NAGOYA DAIGAKU GAKUCHO
Priority date: 1987-07-11
Filing date: 1987-07-11
Publication date: 1993-02-05
Also published as: JPS6416953A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、acカロリメトリ（断熱加熱式熱測
定）を利用した液体材料の熱物性測定方法に関す
るものである。

（従来の技術）従来、種々の液体材料が種々の用途に使用され
ており、液体材料を使用する上で熱拡散率や熱伝
導率のような熱的物理量を高精度に測定し得る測
定方法の開発が重要な課題となつている。

従来、液体の熱定数を測定する方法として、測
定されるべき液体試料に向けて光照射を行い液体
試料によつて吸収されたエネルギー量と試料の温
度上昇とから液体試料の熱定数を求めるフラツシ
ユ法がある。この他、非定常細線法、ステツプ加
熱法、ラプラス変換法が提案されている。

最近提案された測定方法としてacカロリメト
リを利用して液体試料の√ここで、ｃは単位
体積当たりの比熱、κは熱伝導率である）を求め
る方法が報告されている。（1985年発行のフイジ
カルレビユーレターズ第54巻）。この測定方
法は、測定されるべき液体試料中にヒータ及び温
度検出器を共に浸漬し、ヒータに所定の周波数の
電力を与えて断続的に加熱し、ヒータ上の温度振
動を検出して液体試料の√を求めている。更
に、本発明者は、acカロリメトリを利用して固
体薄膜試料の熱拡散率測定方法を提案している
（1985年発行のレビユーオブサイエンテイフ
イツクインストルーメンツ第56巻第1643頁〜
第1647頁）。この測定方法では、固体試料に向け
て周波数ｆの断続光を照射し、試料の一部分をマ
スクによつて覆い、マスク下における試料の交流
温度の減衰曲線を解析して熱拡散率が求められて
いる。

（発明が解決しようとする問題点）液体試料の測定においては、測定されるべき液
体試料とセル等の周囲部材との間の熱拡散等につ
いても考慮しなければならず、解析が複雑化する
と共に高精度に測定しにくい不具合があつた。例
えば、フラツシユ法では放射した光エネルギーを
液体試料中で十分に吸収させる必要があり、光透
過性の液体試料について測定を行う場合光吸収材
を用いて多層構造にして測定しなければならず、
解析すべき処理因子が増大し解析が一層複雑化す
る不都合が生じていた。また、ステツプ状加熱法
及びラプラス変換法によつて測定する場合でも多
層構造状態にして測定しなければならず、同様に
解析が複雑化する欠点があつた。更に、非定常細
線法では電気的伝導性の測定には容易に適用され
にくく、電気的絶縁性液体試料の測定でも複雑な
解析が必要である。

一方、acカロリメトリを利用する方法は、解
析が比較的容易であり、高精度に測定できる利点
がある。しかし、上述した測定方法では液体試料
の比熱と熱伝導率の積が検出され、熱拡散率、熱
伝導率及び比熱をそれぞれ単独に測定できず、液
体試料の熱的物理量の測定として確立されるに到
つていない。また、本発明者が提案した光照射に
よる測定方法は、求めた熱拡散率から比熱及び熱
伝導率も求めることができ、熱測定方法として極
めて有用である。しかしながら、固体試料しか適
用できず、固体試料に限定される問題が依然とし
て残つている。

従つて、本発明の目的は上述した欠点を除去
し、種々の液体材料の熱的物理量を簡単な解析法
で且つ高精度に測定できる熱物性測定方法を提供
するものである。

（問題点を解決するための手段）本発明の液体材料の熱物性測定方法は、液体材
料の熱的物理量を測定するに当たり、測定される
べき液体材料中において、加熱源から所定の周波
数ｆの交流熱流Ｑを供給し、この交流熱流Ｑによ
つて発生し測定されるべき液体材料中を伝播する
温度波の交流温度振幅を温度センサにより測定
し、この交流温度振幅の測定を、前記加熱源と温
度センサとの間の距離ｄを変えながら複数回行
い、各距離ｄと対応する交流温度振幅との関係に
基づいて熱波数ｋを求め、求めた熱波数ｋに基づ
いて液体材料の熱的物理量を求めることを特徴と
するものである。

（作用）第１図ａ及びｂは本発明による液体材料の熱物
性測定方法の原理を説明するための原理図であ
る。第１図ａは測定されるべき液体試料が電気的
導電性及び絶縁性の場合に共に使用でき、第１図
ｂは液体試料が電気的絶縁性の場合に有用な例を
示す。はじめに第１図ａに示す例について説明す
る。試料容器１内に測定されるべき液体試料２を
収容する。この液体試料２内に熱電対３を浸漬配
置すると共に、熱電対３の上方にヒータ支持台４
を配置し、このヒータ支持台４の底面４ａ上にヒ
ータ５を装着する。ヒータ支持台４は電気的絶縁
材料より成り、その底面４ａの厚さを薄くしてヒ
ータ５で発生した熱を速やかに液体試料２中を伝
播させる。ヒータ５は電力発熱型の面状ヒータを
以て、例えば支持台底面４ａに金属薄膜を形成す
ることによつて構成する。ヒータ５に例えば0.5
Hz〜100Hz程度の矩形波電力を供給するとヒータ
５が発熱し、発生した熱量が支持台底面４ａを経
て交流熱流として液体試料２中を伝播する。この
交流熱流の振幅をＱ、周波数をｆとすると、液体
試料２中を伝播する温度波の熱波数ｋは次式で与
えられる。

ｋ＝√ ……(1) ここで、Ｄは液体試料２の熱拡散率である。一
方、ヒータ支持台底面４ａ中を伝播する熱端数k_s
は次式で与えられる。

k_s＝√_s ……(2) ここで、D_sはヒータ５が取り付けられている
支持台底面４ａの熱拡散率である。液体試料２中
を伝播する温度波は熱電対３によつて検出され、
検出される交流温度振幅T_acは次式により求めら
れる。

T_ac＝Ｑ／κ²k²＋（κ_sk_s＋2πfC_sＷ）²・e^-kd ……(3) ここで、Ｒ及びκはそれぞれ液体試料及びヒー
タ支持台底面４ａの熱伝導率であり、C_sはヒータ
支持台底面４ａの単位体積当たりの比熱、Ｗは支
持台底面４ａの厚さは、ｄは支持台底面から熱電
対までの距離をそれぞれ示す。(3)式の両辺を自然
対数で表わすと次式が得られる。

InT_ac＝Ａ−ｋ・ｄ ……(4) ここで、Ａは定数である。

従つて、(4)式から明かなように、lnT_acは支持
台底面４ａから熱電対３までの距離の１次関数で
表わされる。従つて、距離ｄを変えながら交流温
度振幅T_acを熱電対により検出し、横軸に距離ｄ
をプロツトし縦軸にlnT_acをプロツトすることに
より得られる曲線の傾きから熱波数ｋが求まるこ
とになる。得られた熱波数ｋを(1)式に代入するこ
とにより熱拡散率Ｄが得られる。

次に比熱Ｃ及び熱伝導率κを求める手法につい
て説明する。(3)式においてｄ＝０の場合、すなわ
ち熱電対３か支持台底面４ａと接触している場
合、k_s、k_s、ｆ、C_s及びＷは既知であるから(3)式
は次のように表わされる。

ここで、Ｂは既知の定数である。この場合、交
流熱流Ｑが既知であれば、ｄ＝０におけるT_acを
測定することにより熱伝導率κと熱波数ｋとの積
κ・ｋが求まる。交流熱流Ｑはヒータ電力やヒー
タ支持台の熱定数によりほぼ定まり既知のものと
することができ、未知の場合であつても標準試料
を用いて測定することによりＱを求めることがで
きる。従つて、Ｑが既知のものとすれば、ｄ＝０
においてT_acを測定することにより、κ・ｋの値
が求まる。よつて上述した方法で求めた熱波数ｋ
とｄ＝０で測定した熱伝導率κと熱波数ｋとの積
κ・ｋの値とから熱伝導率ｋが求まる。熱拡散率
Ｄと比熱Ｃ、熱伝導率ｋとの間で次式が成立す
る。

κ／Ｃ＝Ｄ ……(6) この(6)式にＤ及びκを代入することにより比熱
Ｃも求められることになる。従つて、距離ｄを変
えながら温度振幅T_acを検出し更にｄ＝０におけ
る温度振幅T_acを測定することにより、１回の測
定走査により熱拡散率Ｄ、比熱Ｃ及び熱伝導率κ
を自動的に求めることができる。

次に、第１図ｂについて説明する。本例は電気
的絶縁性液体試料の測定に好適であり、第１図ａ
に示す例よりも一層高精度に測定することができ
る。本例では、ヒータ支持台４に装着したヒータ
５を熱電対３と対向配置し、ヒータ５によつて発
生した交流熱流を直接液体試料２中で伝播させ
る。この場合、液体試料２中を伝播し熱電対３に
よつて検出される交流温度波の温度振幅T_acは次
式で与えられる。

T_ac＝Ｑ／√２（κk＋κ_sk_s）−・e^-kd……(7) (7)式の両辺を自然対数で表示すると次式が得ら
れる。

lnT_ac＝Ａ−ｋ・ｄ ……(8) この(8)式から明かなように、前述した例と同様
に横軸にヒータ５から熱電対３までの距離をプロ
ツトし縦軸に熱電対３によつて検出した温度振幅
T_acのlnT_ac値をプロツトすれば、得られる直線の
傾きから熱波数ｋが求まる。求めた熱波数ｋを用
いて前述した手法を用いることにより液体試料の
熱拡散率Ｄ、比熱Ｃ及び熱伝導率κを自動的に求
めることができる。

（実施例）第２図は本発明による液体材料の熱物性測定方
法を実施するための測定装置の一例の構成を示す
線図である。容器１０内に測定されるべき液体試
料１１を収容する。容器１０内にｘ方向に微小距
離毎にステツプ状に駆動するＸステージ１２を配
置し、このＸステージ１２上に熱電対１３を支持
する熱電対支持台１４を配置する。熱電対１３
は、検出されるべき温度波に対する応答性を確保
するため、できるだけ熱容量の小さいものを用い
るのが望ましい。熱電対１３の上方にヒータ１４
が装着されているヒータ支持台１５を固定配置す
る。このヒータ１５は熱応答性を確保するため熱
容量の小さいことが望ましく、電気的絶縁性のヒ
ータ支持台１５の表面に金属被膜を形成した薄膜
ヒータを用いることができる。また、ヒータ１４
は熱電対の接合点より大きい面積の面状ヒータと
することが望ましい。例えば、ヒータ支持台１５
は厚さ100μｍのシリコンカーバイトセラミツク
で構成されヒータ１４で発生した熱流を速やかに
液体試料１１に伝播させる。このように、熱電対
１３の上方にヒータを配置することにより対流に
よる影響を低減することができる。中央処理装置
（CPU）１６の制御のもとで矩形波発振器１７及
び電力増幅器１８を介してヒータ１４に所定の周
波数ｆの矩形波電力を供給してヒータを断続的に
発熱させる。この周波数ｆは、例えば0.5Hz〜100
Hzとすることができる。ヒータ１４から放出され
た交流熱流Ｑは液体試料１１中を伝播する。この
交流熱流Ｑによつて交流温度波が発生し、この交
流温度波の温度振幅T_acを熱電対１３によつて検
出する。熱電対１３からの出力信号をリード線を
介してロツクイン増幅器１９に供給し、増幅して
からCPU１６に供給して演算処理を行う。熱電
対１３は、高感度の温度検出を行うためヒータの
発熱に基づく温度波と共に雑音も検出してしま
う。しかし、ヒータ１４に矩形波電力を供給する
と、ほぼ三角波の形態をした交流温度波が検出さ
れるため、ロツクイン増幅器１７において三角波
の正弦波成分の信号だけを取り込む機能を持たせ
雑音による影響を回避する。尚、熱電対１３によ
つて検出される交流温度波の形状は、ヒータ１４
に供給するヒータ電力によつて定められるため、
ヒータ電力波形と交流温度波の波形との関係を予
め求め、所定の波形の交流温度波だけを取り込む
ことにより測定精度を一層向上させることができ
る。従つて、ヒータに供給する電力波形は矩形波
に限定されず種々の形態のヒータ電力を供給する
ことができる。熱電対１３は別のリード線を介し
て零接点２０に接続され、この零接点２０からの
出力をデジタル電圧測定器２１を経てCPU１６
に供給して基準温度とする。CPU１６からＸス
テージ駆動用の制御信号をＸステージ駆動制御回
路２２に供給し、ここでＸステージ駆動用の駆動
信号を発生し、この駆動信号をＸステージ１２に
供給する。ステージ１２は１ピツチづつｘ方向
（下方から上方に向く方向）に間欠的に移動し、
従つて熱電対１３がヒータ１４に向けて１ピツチ
づつ移動する。１ピツチの移動量は、例えば1μ
ｍとすることができる。また、熱電対１３からヒ
ータ１４までの距離ｄはCPU１６によつて正確
に制御するものとする。測定に際し、CPU１６
の制御のもとで周波数ｆのヒータ電力をヒータに
断続的に供給して交流温度波を発生させると共
に、Ｘステージ１２を１ピツチづつ下方から上方
向に向けて移動させる。そして、各熱電対ヒータ
間距離ｄ毎に交流温度振幅を熱電対によつて検出
しロツクイン増幅器１９を介してCPU１６に供
給する。Ｘステージの移動は熱電対１３がヒータ
表面に当接するまで行う。CPU１６では、検出
した交流温度振幅T_acの値を用い、前述した式に
基づいて演算処理を行い熱波数ｋを求め、求めた
熱波数ｋに基づいて熱拡散率Ｄ、熱伝導率κ及び
比熱Ｃを求めて表示装置２３に表示する。

第３図ａ及びｂは、この測定装置によつて得た
距離ｄに対するlnT_acの関係を示す。ここで距離
ｄの原点は任意にとつてある。第３図ａは30℃に
おける純水のlnT_ac依存性を示し、第３図ｂは30
℃におけるグリセロールのlnT_ac依存性を示す。
第３図ａ及びｂより明かなように、ｘ≦150μｍ
で若干飽和する傾向が示されるが、ｘ＞150μｍ
においては、ほぼ直線性を示している。この直線
部分の勾配から求めた純水の熱拡散率は（1.41±
0.02）×10^-3cm²／ｓであり、グリセロールの熱拡
散率は（0.91±0.03）×10^-3cm²／ｓである。既知の
文献から求めた信頼性のある比熱及び熱伝導率を
用いて熱拡散率を計算したところ、純水の熱拡散
率1.45×10^-3cm²／ｓ、グリセロールの熱拡散率
0.93×10^-3cm²／ｓが得られた。これら文献から求
めた熱拡散率と本発明による熱物性測定装置によ
つて得た測定値はぼほ一致している。

ｘ≦150μｍにおけるlnT_acの飽和はヒータ支持
台に熱電対が接触したことを示し、このときの
T_acの読みと上で求めた熱拡散率から、比熱及び
熱伝導率を求めることができる。

本発明は上述した実施例だけに限定されるもの
ではなく種々の変形が可能である。例えば上述し
た実施例では、温度検出器として熱電対を用いた
が、熱電対に限定されるものではなく銅−コンス
タンタン等の種々の温度センサを用いることがで
きる。

（発明の効果）上述した本発明の効果を要約すると次の通りで
ある。

(1) ヒータから交流熱流を断続的に供給し、発生
する温度波の交流温度振幅T_acを温度センサで
検出し、ヒータ温度センサ間距離に対応する
lnT_acの関係に基づいて熱的物理量を求める構
成としているから従来の測定方法に比べて解析
を一層簡単化することができる。この結果、実
用化可能な熱物性測定装置を提供することがで
きる。

(2) 外部因子による影響を低減することができ、
従つて測定精度を一層向上させることができ
る。特に、ヒータから放出される交流熱量に対
応する交流温度の振幅だけをサンプリングする
構成としているので、ノイズを一層低減するこ
とができる。

(3) １回の測定操作によつて液体材料の熱拡散
率、比熱及び熱伝導率を同時に測定することが
でき、測定作業が一層簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ及びｂは本発明による液体材料の熱物
性測定方法の原理図、第２図は本発明による測定
方法を実施するための装置の一例の構成を示す線
図、第３図ａ及びｂは本発明によつて得た30℃に
おける純水及びグリセロールのヒータとlnT_acと
の関係をそれぞれ示すグラフである。１０……容器、１１……液体試料、１２……Ｘ
ステージ、１３……熱電対、１４……熱電対支持
台、１５……ヒータ支持台、１６……CPU、１
７……矩形波発振器、１８……電力増幅器、１９
……ロツクイン増幅器、２０……零接点、２１…
…デジタル電圧測定器、２２……Ｘステージ駆動
回路、２３……表示装置。

Claims

【特許請求の範囲】１液体材料の熱的物理量を測定するに当たり、
測定されるべき液体材料中において、加熱源から
所定の周波数ｆの交流熱流Ｑを供給し、この交流
熱流Ｑによつて発生し測定されるべき液体材料中
を伝播する温度波の交流温度振幅を温度センサに
より測定し、この交流温度振幅の測定を、前記加熱源と温度
センサとの間の距離ｄを変えながら複数回行い、各距離ｄと対応する交流温度振幅との関係に基
づいて熱波数ｋを求め、求めた熱波数ｋに基づい
て液体材料の熱的物理量を求めることを特徴とす
る液体材料の熱物性測定方法。２測定されるべき液体材料の熱拡散率をＤとし
た場合に、求めた熱波数ｋと、式ｋ＝√と
に基づいて熱拡散率Ｄを求めることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の液体材料の熱物性測
定方法。３Ｃを測定されるべき液体材料の単位体積当た
りの比熱、κを熱伝導率とした場合に、求めた熱
波数ｋと、ｄ＝０において求めた熱伝導率κと熱
波数ｋとの積κ・ｋの値と、式κ／Ｃ＝Ｄとに基
づいて液体材料の比熱及び熱伝導率を求めること
を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の液体材
料の熱物性測定方法。