JPH0625742B2 - 熱伝導率測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、断熱材料や保温材料等の各種材料の、特に
高温下における熱伝導率を測定する場合に用いて好適な
熱伝導率測定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料の
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
伝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は第４図に
示すものが知られている。この従来の熱伝導率測定装置
は、断熱性を有する保護円筒a内の上部、下部にそれぞ
れ主ヒータb、補助ヒータcを配して、保護円筒a内部に
下向きの定常的な熱流を生ぜしめるとともに、補助ヒー
タｃの上部にその定常熱流の熱流量を計測するための熱
流計測板dを備えたものである。この熱伝導率測定装置
は、保護円筒a内の中心位置に熱伝導率を測定するべき
試料Ｓを配するとともに、その上下に熱伝導率が既知の
標準電熱板s₁,s₂を配し、主ヒータb、補助ヒータcによ
って保護円筒ａ内部に図中破線Ａで示すような熱平衡状
態を作って、試料Ｓおよび標準伝熱板s₁,ｓ₂に折線Ｂの
ような温度勾配を形成させるものである。そして、試料
Ｓの平均内部温度を計測するべき温度に保持し、定常状
態において試料Ｓの上面、下面での温度を温度計e,eに
よって計測して、それらの温度差と、熱流計測板dによ
って計測された定常熱流の熱量すなわち試料Ｓを透過し
た熱貫流量とから、試料Ｓのその温度における熱伝導率
を算出するものである。

すなわち、熱貫流量をＱ(Ｋcal/h)、試料Ｓの熱伝導率
をλ(Ｋcal/m・h・deg)、試料Ｓの厚み寸法をt(m)、試料
Ｓの有効面積をＡ(m²)、試料Ｓの上面温度、下面温度を
それぞれθ_１，θ_２(℃)とすると、 Ｑ＝(λ／t)・Ａ(θ₁−θ₂) の関係が成り立つから、この式から、λは λ＝Ｑ・ｔ／Ａ(θ₁−θ₂)……(1) として求められる。

なお、上記の標準伝熱板s₁,s₂は、断熱性を有していて
試料Ｓの温度を高温に保持し、かつ熱流計測板を低温に
保持するためのものであるとともに、それらの表面温度
を温度計f…によって計測することによって、それらの
表面温度および上記の熱貫流量Ｑとから求められる熱伝
導率の値を既知の熱伝導率の値と比較することによっ
て、計測値を検証し、必要に応じて補正するためのもの
である。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、上記従来の熱伝導率測定装置にあっては、充
分な測定精度が得られるためには、試料Ｓを透過した熱
貫流量Ｑの値が正確に計測されなければならないことは
勿論であり、したがって、試料内部を通過する熱流が試
料内部で側方に流れてしまうことがなく、また、保護円
筒a内部の定常熱流が保護円筒a周面を通して外部に放熱
されてしまうことがない、つまり熱流が上から下に向か
ってのみ流れて側方に向かって流れてしまうことがない
ようにすることが重要である。

このため、上記従来の装置においては保護円筒aの外面
に壁面温度補償用の多数のヒータg…を設け、それらの
ヒータg…を各別に制御することによって保護円筒aの内
表面温度を保護円筒a内部の温度勾配に合致させるよう
にし、これにより保護円筒aとその内部空間との間の熱
授受を無くして内部熱流の円筒a周面からの放熱を防止
するようにしている。

しかしながら、上記従来の熱伝導率測定装置は、上記の
ような壁面温度補償用のヒータg…を多数設けるととも
に、それら多数のヒータg…を各別に正確に制御するた
めの制御装置や壁面温度センサ等も必要となることか
ら、大形かつ複雑、高価なものとならざるを得ないもの
であった。

そして、測定温度が１，０００℃以上、特に１，７００
℃を越える温度以上にもなると、それらのヒータg…か
らの周囲への放熱量は急激に増大してしまうものであ
り、このため、保護円筒aの壁面温度を正確に制御する
ことが著しく困難になるばかりでなく、その放出熱によ
って周囲の温度が大きく上昇してしまうので、周囲を冷
却するための大掛がりな冷却手段が必要となり、また、
熱損失量も膨大になるので運転費がかさみ、省エネルギ
の観点からも好ましくない、という問題もあった。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、特に高
温下における熱伝導率を計測する場合に用いて好適な熱
伝導率測定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」 この発明は、炉容器の内部に周囲を断熱材で覆われた計
測室を設け、その計測室内に上部から下部に向かう定常
熱流を生ぜしめて前記計測室内に配した試料を所望の設
定温度に保持し、前記試料を透過した定常熱流の熱貫流
量およびその試料の上面温度と下面温度の温度差を計測
することによって、前記熱貫流量と前記温度差の値から
その試料の前記設定温度における熱伝導率を測定するよ
うに構成された熱伝導率測定装置であって、前記計測室
の側壁を形成している断熱材の内面を、耐熱性を有しか
つその断熱材に比して熱伝導性が大きい材料からなる壁
面温度補償板によって覆ってなることを特徴としてい
る。

「作用」 この発明の熱伝導率測定装置は、計測室の側壁を形成す
る断熱材の内面を良導性材料からなる壁面温度補償板に
よって覆うことにより、その壁面温度補償板は計測室内
の熱を受け、それ自身の伝熱作用によって計測室内の部
分の温度は計測室内の温度と同一に、距離が離れるにし
たがって断熱材への放熱のためにその温度が低下して試
料の温度とほぼ同一に自ずと保持され、径方向への熱授
受はなくなって定常熱流が側壁を通して放熱されること
が防止され、充分な測定精度が得られる。

「実施例」 以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図はこの発明の一実施例の熱伝導率測定装置の概略
構成を示す立断面図、第２図はその要部の拡大図であっ
て、図中符号１は炉容器である。この炉容器１は、それ
ぞれ水冷ジャケットを有する本発明２および本体２にヒ
ンジ３によって連結された蓋体４から構成されている。

その炉容器１内には、それぞれ円板状の下部断熱材５、
上部断熱材６、および円筒状の側部断熱材７によって、
内部には試料Ｓが配される計測室８が形成されている。
この計測室８内の上部空間には、計測室８内を所定の温
度に保持するための主ヒータ９が取り付けられていると
ともに、下部断熱材料中５にはこの下部断熱材５の内面
温度を熱流計測板１５(後述)の温度と同等に保持するた
めの補償ヒータ１０が埋め込まれており、それらの主ヒ
ータ９、補償ヒータ１０に炉容器１の蓋体４および本体
２を貫通している電極１１，１２が接続されている。な
お、符号１３は計測室８内の温度を計測するための放射
温度計である。

また、計測室８の側壁を形成している上記の側部断熱材
７の内面は、充分な耐熱性を有しかつ熱伝導性に優れた
材料、たとえば、グラファイト、耐熱鋼、モリブデン
等、によって筒状に形成された壁面温度補償板（以下で
は単に補償板という）１４によって覆われている。この
補償板１４は、詳細は後述するが、その優れた熱伝導性
によって計測室８内の熱を側部断熱材７の内面下部へ伝
達し、もって、試料Ｓや標準伝熱板２４（後述）からの
周辺方向への放熱を防止するためのものである。

また、下部断熱材５の上面中央部には円筒形状の熱流計
測板１５が配され、その周囲には環状の補償冷却板１６
が配されている。熱流計測板１５は、内部に熱貫流量を
計測するための計測用ガスの流通路が渦巻き状に形成さ
れており、その流通路に計測用ガスを図中の矢印で示す
ように流通させるためのガス導入管１７およびガス導出
管１８がそれぞれ接続されている。また、補償冷却板１
６は、内部に冷却ガスを流通させるための流通路が渦巻
き状に形成されていて、冷却用ガスを図中の矢印のよう
に流通させるための冷却ガス導入管１９、冷却ガス導出
管２０がそれぞれ接続されている。

上記の計測用ガス、冷却用ガスは、下部断熱材５中に埋
め込まれいるガス予熱器２１，２２によって所定の温度
とされた後に、それぞれ熱流計側板１５、補償冷却板１
６に導入されるようになっている。また、図示は省略し
たが計測用ガスの入口温度と出口温度、冷却用ガスの入
口温度と出口温度を計測するための温度計がそれぞれ設
けられている。

上記の熱流計測板１５は、計測用ガスの入り口と出口で
の温度を計測することによって、その温度差とガス流通
量とから計測用ガスの受熱量、すなわち試料Ｓを透過し
た熱貫流量を計測するためのものである。また、その周
囲に配された補償冷却板１６は、冷却用ガスの温度が上
記の測温用ガスの温度と同等となるように制御されるこ
とによって、その表面温度が熱流計測板１５の表面温度
と同等に保持され、これにより、それら相互間の熱授受
を防いで熱貫流量の測定誤差を無くすとともに、試料下
面の温度が中心部と周辺部で異なってしまうことを防い
で試料内部において熱量が横方向に流れてしまうことを
防止するためのものである。

上記の熱流計測板１５および補償冷却板１６の上面には
測温板２３が配され、その上面には熱伝導率が既知の材
料からなる円板形状の標準伝熱板２４が配されている。
この標準伝熱板２４は、上述した従来の装置における標
準伝熱板s₁,s₂と同様に試料Ｓの温度を高温に保持し、
かつ熱流計測板１５の表面温度を低温に保持するための
ものであるとともに、その上面および下面の温度を、測
温板２３内に挿入されている温度計（図示略）、および
後述する下部測温板２５内に挿入されている熱電対温度
計２７によって計測することによって、それらの温度差
と既知の熱伝導率とから計測値の検証、補正をするため
のものである。

そして、この標準伝熱板２４の上面に、下部測温板２５
が配され、その上面に熱伝導率を計測するべき試料Ｓが
配され、さらにその上面に上部測温板２６が配されるよ
うになっている。下部測温板２５、上部側温板２６には
それぞれ熱電対温度計２７，２８が挿入されており、そ
れらの熱電対温度計２７，２８によって試料Ｓの上面、
下面の温度が計測できるようにされている。

上記構成の装置によって試料Ｓの高温下における熱伝導
率λの測定を行うには、まず、計測室８内に試料Ｓを配
して、その上面に上部計測板２６を配し、その上部計測
板２６中に熱電対温度計２８を挿入する。そして、上部
断熱材６によって計測室８を密閉するとともに炉容器１
の蓋体４を閉じ、主ヒータ９、補償ヒータ１０によって
計測室８内を所定の設定温度に加熱し、試料Ｓの内部温
度を熱伝導率を計測するべき温度Ｔ℃に保持する。ま
た、計測用ガス、冷却用ガスをそれぞれ予熱器２１，２
２によって所定温度に加熱して熱流計測板１５、補償冷
却板１６に流通させ、それらの温度を同等に保持する。

計測室８内の温度、および試料Ｓ、標準試料２４の内部
温度が定常状態となったら、すなわち温度変化が認めら
れなくなったら、試料Ｓの上下両面の温度θ₁，θ₂を熱
電対温度計２８，２７により計測するとともに、熱流計
側板１５内を流通する計測用ガスの入口、出口の温度を
計測する。そして、計測用ガスの温度差とその流量とか
ら受熱量すなわち試料Ｓを透過した熱貫流量Ｑを求め、
その熱貫流量Ｑと、試料Ｓの上下両面の温度θ₁,θ₂お
よび試料Ｓの厚み寸法tとから、上述の(１)式を用いて
試料Ｓの温度Ｔにおける熱伝導率λを求める。なお、こ
の場合、試料Ｓの有効面積Ａは熱流計測板１５の面積と
なる。

また、標準伝熱板２４の上下両面の温度差も計測し、そ
れらの値と上記の熱貫流量Ｑとから熱伝導率を求め、そ
の値を既知の熱伝導率の値と比較することによって計測
結果を検証し、また必要に応じて補正すれば良い。

以上で説明した熱伝導率測定装置は、従来の装置におい
て必要であった壁面温度補償用のヒータを設けずとも、
試料Ｓを透過する熱貫流量Ｑを正確に計測することがで
きるものである。

すなわち、この装置においても従来の装置と同様に側部
断熱材７から外部との温度差に起因して放熱が生じるこ
とは避けられず、そのままではこの側部断熱材７の下
部、すなわち試料Ｓあるいは標準伝熱板２４の周辺の温
度が低下してしまうことになるが、この装置においては
計測室８の内面から延伸する良熱伝導性材料からなる補
償板１４を設けたことによって、その補償板１４の伝熱
作用によって放熱された分の熱量が補償板１４を通して
側部断熱材７に伝熱され、したがって、試料Ｓや標準伝
熱板２４から周辺方向への放熱が有効に防止されるもの
である。（なお、この補償板１４の役割は、上述のよう
に計測室８の熱を側部断熱材７の内面下部へ伝達するの
が主目的であるから、必ずしも計測室８の側面全面に設
ける必要はない）。

このことについて第２図を参照して詳細に説明する。試
料Ｓに補償板１４を介して接している側部断熱材７から
の放熱量Ｑ₁の値は、側部断熱材７の平均熱伝導率を
λ₁、その厚み寸法をd₂、内面の径寸法をＤ、試料Ｓの
高さ寸法を1₁、試料Ｓの上面温度をθ₁、試料の下面温
度をθ₂、側部断熱材７の外面温度をθ₃とすると、近似
的に次式で表される。（なお、次式は、側部断熱材７の
径寸法Ｄが十分に大きくて平板伝熱で近似できるとし、
また、補償板１４厚み寸法d₁はＤに比して極めて小さい
値であるので省略できるとした場合の近似式である。） Ｑ₁＝(λ₁／d₂)・π・Ｄ・1₁×[{(θ₁＋θ₂)／２}−
θ₃] 一方、補償板１４の上部は計測室８内に面していてその
部分は十分に高温となっており、上記の側部断熱材７か
らの放熱に伴ってその温度が低下すると、図中の矢印で
示すように補償板１４の上部から下部に向かうような伝
熱作用が生じ、計測室８内の上部空間から補償板１４を
通して側部断熱材７に熱が運ばれることになる。その伝
熱量Ｑ₂は、補償板１４の平均熱伝導率をλ₂、その厚み
寸法をd₁とすると、近似的に次式で表される。

Ｑ₂＝{λ₂／(1₁／２)}・π・Ｄ・d₁×{(θ_１−θ₂)／
２} したがって、Ｑ₁＝Ｑ₂となるように、つまり側部断熱材
７からの放熱量Ｑ₁と、その側部断熱材７への補償板１
４からの伝熱量Ｑ₂とが等しくなるように補償板１４の
熱伝導率λ₂、厚み寸法d₁の値を適宜設定すれば、側部
断熱材７の温度が低下してしまうことはなくなり、した
がって補償板１４の温度も低下することがなく、補償板
１４の温度は自ずと試料Ｓの温度に保持される。この結
果、試料Ｓの内部を通過する熱流が、補償板１４、側部
断熱材７を通して外部に流れてしまうことが有効に防止
される。

なお、上記の計算例は試料Ｓの外周部についてのみを示
したが、標準伝熱板２４の外周部においても同様の放熱
があり、したがって、実際の補償板１４の厚み寸法d₁は
その全範囲にわたって計算して決定されることはいうま
でもない。

このように、この装置によれば、側部断熱材７の内面に
良熱伝導性材料からなる補償板１４を設けるのみで、試
料Ｓからの側方への放熱が有効に防止され、したがっ
て、定常熱流は下方にのみ流れて試料Ｓを透過した熱貫
流量Ｑは熱流計測板１５によって正確に計測し得るか
ら、充分な測定精度を得ることができる。そして、この
装置は、従来の装置において必要であった壁面温度補償
用のヒータやそれらの制御装置も不用であり、装置の小
形化、簡略化、コストダウンを実現できるとともに、操
作が著しく簡便になり、また膨大な熱損失を生じること
もなく、したがって特に高温下における測定の際に用い
て好適である。

次に、この発明の他の実施例を第３図を参照して説明す
る。

上記で説明した一実施例は、側部断熱材７からの放熱量
および補償板１４から側部断熱材７へ伝熱される伝熱量
が、試料Ｓの厚み方向で均一であると仮定した場合のも
ので、通常はそれで充分に有効なものであるが、より厳
密には、試料Ｓ内部には温度勾配が生じているので上記
の放熱量Ｑ₁、伝熱量Ｑ₂は試料Ｓの厚み方向で一定では
ない。

したがって、この実施例においては、補償板１４の厚み
寸法を上部から下部に向かって漸次薄くすることによっ
て、側部断熱材７の各部への伝熱量が放熱量に対応して
変化するようになし、もって、より高い測定度が得られ
るようにしたものである。

このことについて第３図を参照して詳細に説明する。第
３図に示されるように、試料Ｓの下面からの距離1xの位
置における熱バランスを考え、この1xの位置における側
部断熱材７からの放熱量をＱ₁′とすると、このＱ₁′の
値は、近似的に Ｑ_１′＝(λ_１／d₂)・π・Ｄ・1x ×{θ₂＋(θ₁−θ₂)・1x/21₁−θ₃} で表される。

また、上記1xの位置における補償板１４内の熱バランス
を考え、この部分に微少長さΔ1をとると、このΔ1の部
分を通過する熱の伝熱量Ｑ₂′は、補償板１４の平均熱
伝導率をλ₂、その部分の補償板１４の厚み寸法をd₁′
とすると、近似的に Ｑ₂′＝(λ₂／Δ1)・π・Ｄ・d₁′×Δθ で表される。ここで、Δθは、1xの位置における補償板
１４の内面温度θxと、その1xの位置より微少長さΔ1だ
け隔たった位置における補償板１４の内面温度との温度
差であり、この温度差Δθは、試料Ｓの温度勾配(すな
わち上面温度θ₁から下面温度θ₂への変化の割合)が直
線的である場合(これまでの計算例はいずれもそのよう
な場合の例である)には、Δ1と比例関係にあって一定値
となる。

したがって、上式のＱ₂′＝Ｑ₁′となるようにd₁′の値
を定めれば、つまり、d₁′の値にＱ₁′に比例した厚さ
の変化を与えれば、試料Ｓの厚さ方向の各位置において
側部断熱材７からの放熱量と補償板１４の伝熱量とを等
しくできることになる。そして、そのためには、d₁′の
値を、 d₁′/d₁∝1x/1₁ の関係を満たすように変化させる、すなわち、第３図に
示されるように補償板１４の厚み寸法を上部から下部に
向かって漸次薄くなるように適宜設定すれば良い。この
ようにすることにより、試料Ｓ内面とそれに接している
補償板１４とが全面にわたって同温度に保持され、試料
Ｓ側部からの放熱をほぼ完全に防止することができ、こ
の結果、補償板１４の厚みが一定である上記の実施例の
場合に比して、測定制度をより一層向上させることがで
きる。

なお、上記の実施例は、いずれも試料内部における温度
勾配が直線的であり、断熱材や補償伝熱板の材質(熱伝
導率)が一定の場合を示したが、それらが変化するよう
な場合にあっては計算が複雑になり、その結果、補償板
の厚みなどの寸法変化が直線的にならないだけで、本質
的には上記実施例の場合と同様の効果を得ることができ
ることはいうまでもない。

また、上記実施例では壁面温度補償板１４の材料として
グラファイト、耐熱鋼、モリブデンを例示したが、高温
下における測定に充分に耐え得る耐熱性、および断熱材
に比して熱伝導率が充分に大きな材料であれば、それら
に限らず他の材料を用いて良いことはいうまでもない。

「発明の効果」 以上で詳細に説明したように、この発明の熱伝導率計測
装置は、計測室の側壁を形成する断熱材の内面を、その
断熱材に比して熱伝導性が大きくかつ耐熱性を有する材
料からなる壁面温度補償板によって覆った構成であるの
で、断熱材の内面温度が自ずと試料の温度に保持され、
したがって、定常熱流が側壁を通して外部に放散される
ことがなく、充分な測定精度を得ることができる。そし
て、従来においては設ける必要のあった壁面温度補償用
のヒータが不要であるので、装置の小形化、簡略化、コ
ストダウンを実現できるとともに、複雑な制御を行う必
要もなく、また膨大な熱損失を生じることもなく、した
がって特に高温下における測定の際に用いて好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の一実施例を示すもの
で、第１図はこの実施例の熱伝導率測定装置の概略構成
を示す立断面図、第２図はこの装置における壁面温度補
償板の伝熱作用を説明するための要部拡大断面図であ
る。第３図はこの発明の他の実施例を示すもので、厚み
寸法が下部に向かって漸次薄くされた壁面温度補償板の
伝熱作用を説明するための要部拡大断面図である。 第４図は従来の熱伝導率測定装置の概略構成を示す立断
面図である。 Ｓ……試料、１……炉容器、７……側部断熱材、８……
計測室、１４……壁面温度補償板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炉容器の内部に周囲を断熱材で覆われた計
   測室を設け、その計測室内に上部から下部に向かう定常
   熱流を生ぜしめて前記計測室内に配した試料を所望の設
   定温度に保持し、前記試料を透過した定常熱流の熱貫流
   量およびその試料の上面温度と下面温度の温度差を計測
   することによって、前記熱貫流量と前記温度差の値から
   その試料の前記設定温度における熱伝導率を測定するよ
   うに構成された熱伝導率測定装置であって、前記計測室
   の側壁を形成している断熱材の内面を、耐熱性を有しか
   つその断熱材に比して熱伝導性が大きい材料からなる壁
   面温度補償板によって覆ってなることを特徴とする熱伝
   導率測定装置。