JPH07253404A - 自然対流熱伝達を利用した液体の熱伝導率計測方法 - Google Patents
自然対流熱伝達を利用した液体の熱伝導率計測方法Info
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- JPH07253404A JPH07253404A JP7162894A JP7162894A JPH07253404A JP H07253404 A JPH07253404 A JP H07253404A JP 7162894 A JP7162894 A JP 7162894A JP 7162894 A JP7162894 A JP 7162894A JP H07253404 A JPH07253404 A JP H07253404A
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- 238000000034 method Methods 0.000 title description 20
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- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】加熱面に沿う自然対流熱伝達特性を利用するこ
とにより、液体の熱伝導率を測定する方法を提供するこ
と。 【構成】円柱型発熱体を液体を満した円筒容器に鉛直に
設置する。発熱体へは定電力源を用いて電力を供給し、
発熱体の温度は内部に設置した熱電対を利用して測定す
る。 【効果】定常法であるため加熱部分の熱容量を小さくす
る必要がなく、一般には電気的絶縁なども容易にほどこ
すことができる。したがって、線熱源法でも加熱線を太
くすることが出来、現位置計測も容易となる。また、電
気伝導性液体や高温溶液などの熱伝導率の測定に応用で
きる。
とにより、液体の熱伝導率を測定する方法を提供するこ
と。 【構成】円柱型発熱体を液体を満した円筒容器に鉛直に
設置する。発熱体へは定電力源を用いて電力を供給し、
発熱体の温度は内部に設置した熱電対を利用して測定す
る。 【効果】定常法であるため加熱部分の熱容量を小さくす
る必要がなく、一般には電気的絶縁なども容易にほどこ
すことができる。したがって、線熱源法でも加熱線を太
くすることが出来、現位置計測も容易となる。また、電
気伝導性液体や高温溶液などの熱伝導率の測定に応用で
きる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は加熱面に沿って液体中に
発生する自然対流による熱伝達を利用することにより液
体固有の熱物性（熱伝導率）を計測する計測原理に関す
るものである。
発生する自然対流による熱伝達を利用することにより液
体固有の熱物性（熱伝導率）を計測する計測原理に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、液体の熱伝導率の計測方法として
は非定常法と定常法が知られている。定常法は水平な薄
いスリット状空間（間隙）に液体を満たし、上方から加
熱することにより自然対流の発生を防ぎ、液体の熱伝導
率を計測する方法である。この方法は一般に装置の製作
が複雑になる傾向があり、一般に普及してない。一方非
定常法の代表的なものとして非定常細線加熱法があげら
れる。この方法は鉛直に張った細い白金せんを電気的に
加熱する事により、対流が発生する前の熱伝導が支配的
である計測初期の段階で、白金線で消費する電力と白金
線の温度上昇の経時変化から液体の熱伝導率を判定する
ものである。非定常細線加熱法は最も高い精度で熱伝導
率を直接測定する方法として確立されつつある。
は非定常法と定常法が知られている。定常法は水平な薄
いスリット状空間（間隙）に液体を満たし、上方から加
熱することにより自然対流の発生を防ぎ、液体の熱伝導
率を計測する方法である。この方法は一般に装置の製作
が複雑になる傾向があり、一般に普及してない。一方非
定常法の代表的なものとして非定常細線加熱法があげら
れる。この方法は鉛直に張った細い白金せんを電気的に
加熱する事により、対流が発生する前の熱伝導が支配的
である計測初期の段階で、白金線で消費する電力と白金
線の温度上昇の経時変化から液体の熱伝導率を判定する
ものである。非定常細線加熱法は最も高い精度で熱伝導
率を直接測定する方法として確立されつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この非
定常細線加熱法は白金の細線に直接電流を流すため、電
気伝導製を有する液体の測定には細線を電気的に絶縁す
る必要がある。この目的のために細線に対する種々の絶
縁方法が考案されている。これらの絶縁方法は２００〜
３００℃以下においてはその有効性が一部確認されてい
るが、一般には高温液体の熱伝導率の直接測定はきわめ
て困難である。また、細線加熱法で用いられる加熱線は
数十ミクロンと非常に細いため、その扱いには細心の注
意が要求され、室温の液体であっても現位置計測に使用
するのは難しい。
定常細線加熱法は白金の細線に直接電流を流すため、電
気伝導製を有する液体の測定には細線を電気的に絶縁す
る必要がある。この目的のために細線に対する種々の絶
縁方法が考案されている。これらの絶縁方法は２００〜
３００℃以下においてはその有効性が一部確認されてい
るが、一般には高温液体の熱伝導率の直接測定はきわめ
て困難である。また、細線加熱法で用いられる加熱線は
数十ミクロンと非常に細いため、その扱いには細心の注
意が要求され、室温の液体であっても現位置計測に使用
するのは難しい。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、発熱体に沿う
液体内での定常状態対流熱伝達を利用することにより液
体の熱伝導率を測定しようとするものである。当該方法
は定常法であるため加熱部分の熱容量を小さくする必要
がなく、一般的には電気的絶縁なども容易にほどこすこ
とができる。したがって、線熱源法でも加熱線を太くす
ることが出来、現位置計測も容易となる。また、電気伝
導性液体や高温溶液などの熱伝導率に応用できる。
液体内での定常状態対流熱伝達を利用することにより液
体の熱伝導率を測定しようとするものである。当該方法
は定常法であるため加熱部分の熱容量を小さくする必要
がなく、一般的には電気的絶縁なども容易にほどこすこ
とができる。したがって、線熱源法でも加熱線を太くす
ることが出来、現位置計測も容易となる。また、電気伝
導性液体や高温溶液などの熱伝導率に応用できる。
【０００５】
【作用】発熱体に沿う液体内での対流熱伝達に対しては
相似則が存在する。すなわち、加熱面あるいは加熱体の
幾何学的条件が決まれば個々の液体の流体力学的物性
（粘性など）や熱物性（熱伝導率など）にかかわりな
く、その対流熱伝達特性は無次元熱伝達係数（ヌッセル
ト数Ｎｕ）と対流の強度を示す無次元数（レイリー数Ｒ
ａ）との関係で一義的に表すことができる。加熱面や加
熱体が単純な形状を有している場合、その関係は普通次
のような式で表現される。 Nu = a + bRac (1) 但し、ａ、ｂおよびｃは系（加熱面や加熱体の幾何学的
な形状）によって定まる定数であり個々の流体の物性と
は独立に決まる。今、式（１）により、その対流熱伝達
が記述される系が存在する。この測定系に物性値が未知
である液体を入れ加熱面を昇温させ、定常状態での伝熱
量（消費電力）を計測する。この操作を昇温温度を変え
て複数回行う。式（１）の関係とヌッセルト数およびレ
イリー数の定義より、この時の消費電力ｑと定常状態で
の加熱面の温度上昇ΔＴとの間には次の関係が成立す
る。 q1d/kΔT1=a+bRa1 c (2) q2d/kΔT2=a+bRa2 c=a+b(ΔT2/ΔT1)cRa1 c (3) ここで下付きの数値は測定の順序を示す。またｄ、ｋは
系の代表長さおよび液体の熱伝導率である。式（２）と
式（３）の比を取ることにより未知の定数のRa1につい
て解くことが出来る。さらにその結果を式（３）に代入
することにより、未知の熱伝導率ｋについて次式を得
る。 k=q1d/(T1(a+bRa1 c)) (4)
相似則が存在する。すなわち、加熱面あるいは加熱体の
幾何学的条件が決まれば個々の液体の流体力学的物性
（粘性など）や熱物性（熱伝導率など）にかかわりな
く、その対流熱伝達特性は無次元熱伝達係数（ヌッセル
ト数Ｎｕ）と対流の強度を示す無次元数（レイリー数Ｒ
ａ）との関係で一義的に表すことができる。加熱面や加
熱体が単純な形状を有している場合、その関係は普通次
のような式で表現される。 Nu = a + bRac (1) 但し、ａ、ｂおよびｃは系（加熱面や加熱体の幾何学的
な形状）によって定まる定数であり個々の流体の物性と
は独立に決まる。今、式（１）により、その対流熱伝達
が記述される系が存在する。この測定系に物性値が未知
である液体を入れ加熱面を昇温させ、定常状態での伝熱
量（消費電力）を計測する。この操作を昇温温度を変え
て複数回行う。式（１）の関係とヌッセルト数およびレ
イリー数の定義より、この時の消費電力ｑと定常状態で
の加熱面の温度上昇ΔＴとの間には次の関係が成立す
る。 q1d/kΔT1=a+bRa1 c (2) q2d/kΔT2=a+bRa2 c=a+b(ΔT2/ΔT1)cRa1 c (3) ここで下付きの数値は測定の順序を示す。またｄ、ｋは
系の代表長さおよび液体の熱伝導率である。式（２）と
式（３）の比を取ることにより未知の定数のRa1につい
て解くことが出来る。さらにその結果を式（３）に代入
することにより、未知の熱伝導率ｋについて次式を得
る。 k=q1d/(T1(a+bRa1 c)) (4)
【０００６】
【実施例】本説明書において提案した液体の熱伝導率原
理を確かめる目的で、長さ１５５ｍｍ，直径２ｍｍの円
柱形発熱体（プローブ）を液体を満たした円筒容器に鉛
直に設置して測定を実施した。実験装置の概略を第１図
に示す。プローブへは定電力源を用いて電力を供給し
た。発熱体の温度はプローブ内部に設置された熱電対を
利用して測定した。この時のプローブからの伝熱量につ
いては以下の式が成立することが知られている。 Nu=0.5635+0.2034Ra1/4 (5) 被測定液として２０℃における水とエタノールを用い
た。プローブへの供給電力を変化させ、定常状態におけ
るプローブの温度ΔＴと供給電力ｑを計測し、式（４）
および（５）を用いて水とエタノールについて熱伝導率
ｋを計算した。水およびエタノールを被測定液とした時
のｑとΔＴの値を第２図に、また測定結果より得られた
水とエタノールの熱伝導率を第３図に示す。その結果、
水の熱伝導率に対しては０．５９［ｗ／ｍＫ］から０．
６２［ｗ／ｍＫ］の間に値のばらつきが見られたが、そ
の平均としては０．６１２［ｗ／ｍＫ］が得られた。こ
の値は文献値と３％以下の誤差で一致している。また、
エタノールに対しては０．１９［ｗ／ｍＫ］から０．２
１［ｗ／ｍＫ］の間に値のばらつきが見られ平均値とし
た０．２００［ｗ／ｍＫ］が得られた。この値は文献値
０．１６８［ｗ／ｍＫ］に比較して１９％程度大きな値
であった。エタノールの測定で誤差が増大した原因とし
ては被測定物の熱伝導率が低下したためプローブが大気
と接している部分からの熱のリークが増大したことによ
ると思われる。
理を確かめる目的で、長さ１５５ｍｍ，直径２ｍｍの円
柱形発熱体（プローブ）を液体を満たした円筒容器に鉛
直に設置して測定を実施した。実験装置の概略を第１図
に示す。プローブへは定電力源を用いて電力を供給し
た。発熱体の温度はプローブ内部に設置された熱電対を
利用して測定した。この時のプローブからの伝熱量につ
いては以下の式が成立することが知られている。 Nu=0.5635+0.2034Ra1/4 (5) 被測定液として２０℃における水とエタノールを用い
た。プローブへの供給電力を変化させ、定常状態におけ
るプローブの温度ΔＴと供給電力ｑを計測し、式（４）
および（５）を用いて水とエタノールについて熱伝導率
ｋを計算した。水およびエタノールを被測定液とした時
のｑとΔＴの値を第２図に、また測定結果より得られた
水とエタノールの熱伝導率を第３図に示す。その結果、
水の熱伝導率に対しては０．５９［ｗ／ｍＫ］から０．
６２［ｗ／ｍＫ］の間に値のばらつきが見られたが、そ
の平均としては０．６１２［ｗ／ｍＫ］が得られた。こ
の値は文献値と３％以下の誤差で一致している。また、
エタノールに対しては０．１９［ｗ／ｍＫ］から０．２
１［ｗ／ｍＫ］の間に値のばらつきが見られ平均値とし
た０．２００［ｗ／ｍＫ］が得られた。この値は文献値
０．１６８［ｗ／ｍＫ］に比較して１９％程度大きな値
であった。エタノールの測定で誤差が増大した原因とし
ては被測定物の熱伝導率が低下したためプローブが大気
と接している部分からの熱のリークが増大したことによ
ると思われる。
【０００７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による液体
の熱伝導率測定方法によれば、自然対流が存在する状態
での熱伝達量を計測することにより、その液体の熱伝導
率を算出することが出来る。
の熱伝導率測定方法によれば、自然対流が存在する状態
での熱伝達量を計測することにより、その液体の熱伝導
率を算出することが出来る。
【図１】細長い円柱形発熱体（プローブ）を用いて行っ
た実験装置の既略を示す。
た実験装置の既略を示す。
【図２】水とエタノールを測定した時の伝熱量ｑとプロ
ーブ温度上昇ΔＴを示す。
ーブ温度上昇ΔＴを示す。
【図３】第２図の結果に基づいて算出した熱伝導率ｋの
結果であり、横軸には比を取って算出した回数また縦軸
にその時の熱伝導率を示す。
結果であり、横軸には比を取って算出した回数また縦軸
にその時の熱伝導率を示す。
ａ 定数 ｂ 定数 ｄ 代表長さ ［ｍ］ ｋ 熱伝導率 ［ｗ／ｍＫ］ ｎ 算出回数 Ｎｕ ヌッセルト数 ｑ 単位面積当たりの熱伝達量［ｗ／ｍ2］ Ｒａ レイリー数 上付き ｃ レイリー数のべき数 下付き １ 計測事例１ ２ 計測事例２
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鷲見 新一 宮城県多賀城市高橋１丁目10−13
Claims (1)
- 【請求項１】 円柱、平板等の単純な幾何学的形状を有
する発熱体を被計測試料である液体や溶融液に接触さ
せ、自然対流による熱伝達量を発熱体の温度を変化させ
て複数回計測する。この時の定常伝熱量および発熱体と
液体との温度差から対流強度を示す無次元数（レイリー
数）と測定系の無次元熱伝達率（ヌッセルト数）を求
め、レイリー数とヌッセルト数との関係を利用して液体
の熱伝導率を決定する原理。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7162894A JPH07253404A (ja) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | 自然対流熱伝達を利用した液体の熱伝導率計測方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7162894A JPH07253404A (ja) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | 自然対流熱伝達を利用した液体の熱伝導率計測方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07253404A true JPH07253404A (ja) | 1995-10-03 |
Family
ID=13466118
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7162894A Pending JPH07253404A (ja) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | 自然対流熱伝達を利用した液体の熱伝導率計測方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07253404A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102081060A (zh) * | 2010-12-14 | 2011-06-01 | 哈尔滨工程大学 | 多功能宽流程单相对流换热试验装置 |
| CN107064209A (zh) * | 2017-03-21 | 2017-08-18 | 湘潭大学 | 一种高效高精度自然对流放热系数测定实验装置 |
| CN116165244A (zh) * | 2022-12-06 | 2023-05-26 | 北京航空航天大学 | 一种用于测量高温高压液体导热系数的装置及方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS50144495A (ja) * | 1974-04-08 | 1975-11-20 | ||
| JPS57211048A (en) * | 1981-06-22 | 1982-12-24 | Satoru Fujii | Measuring system for thermal conductivity |
-
1994
- 1994-03-15 JP JP7162894A patent/JPH07253404A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS50144495A (ja) * | 1974-04-08 | 1975-11-20 | ||
| JPS57211048A (en) * | 1981-06-22 | 1982-12-24 | Satoru Fujii | Measuring system for thermal conductivity |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102081060A (zh) * | 2010-12-14 | 2011-06-01 | 哈尔滨工程大学 | 多功能宽流程单相对流换热试验装置 |
| CN107064209A (zh) * | 2017-03-21 | 2017-08-18 | 湘潭大学 | 一种高效高精度自然对流放热系数测定实验装置 |
| CN107064209B (zh) * | 2017-03-21 | 2019-07-09 | 湘潭大学 | 一种高效高精度自然对流放热系数测定实验装置 |
| CN116165244A (zh) * | 2022-12-06 | 2023-05-26 | 北京航空航天大学 | 一种用于测量高温高压液体导热系数的装置及方法 |
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