JPH0613484Y2

JPH0613484Y2 - 熱伝導率測定装置

Info

Publication number: JPH0613484Y2
Application number: JP2110088U
Authority: JP
Inventors: 芳樹土田
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1988-02-19
Publication date: 1994-04-06
Anticipated expiration: 2003-02-19
Also published as: JPH01129651U

Description

【考案の詳細な説明】「産業上の利用分野」この考案は、断熱材や保温材等の各種材料の熱伝導率を
測定するために用いられる熱伝導率測定装置に関する。

「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２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。

その熱流計測板ｄは、内部に測温用ガスが流通し得る渦
巻き状のガス流通路が形成されていて、予め所定温度に
予熱した一定量の測温用ガスをその流通路内に流通させ
ることにより、測温用ガスの温度上昇とガス流通量とか
ら受熱量を測定するようにされたものが一般に用いられ
ている。

上記のように構成されている従来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
標準伝熱板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ｍ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ｎ
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
よって計測される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、熱流計測板ｄによって計測された熱貫流量を
Ｑ（Ｋcal/h、試料Ｓの熱伝導率をλ（Ｋcal/m・ｈ／de
g）、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（θ_１−θ_２）の関係が成り立つから、この式から、λは λ＝Ｑ・ｔ／Ａ（θ_１−θ_２） ……（１）として求められる。

なお、上記の標準伝熱板s₁,s₂は、試料Ｓの温度を高温
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。

また、符号ｇ…は壁面温度補償用のヒータであって、こ
れらのヒータｇ…は、保護円筒ａ内部の温度勾配がｍの
状態となるように保護円筒ａの表面温度を制御し、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
して熱流が保護円筒ａの周面から放散してしまうことを
防止するためのものである。

「考案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、熱
流計測板ｄの周囲温度を熱流計測板ｄ自体の温度と同等
に保持することが困難であって、このため、熱流計測板
ｄから周囲への放熱が生じたり、逆に熱流計測板ｄが周
囲から熱を受けてしまうことがあった。このようなこと
は、測定温度が高温になるほど顕著になり、したがっ
て、上記従来の装置においては特に高温下における熱伝
導率を測定する場合に、熱貫流量Ｑの計測誤差が大きく
なって充分な測定精度が得られるとはいい難いものであ
った。

この考案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の測定精度を充分に確保すること
のできる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」この考案は、炉容器の内部を金属板等の良熱伝導性材料
からなる薄板によって計測室と真空室とに区画して、そ
の薄板を挟んで前記計測室内に試料を配するとともに前
記真空室内に熱流計測板を配し、前記炉容器の内部に前
記計測室から前記真空室に向かう定常熱流を生ぜしめて
前記試料を所望の設定温度に保持するとともに、前記真
空室の内部を真空に保持して、前記試料および前記薄板
を透過した定常熱流の熱貫流量を前記熱流計測板によっ
て計測するとともに、その試料の表面温度と裏面温度の
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ことを特徴としている。

「作用」この考案の熱伝導率測定装置は、試料を透過した定常熱
流の熱流量を真空室内に配した熱流計測板によって計測
するものであり、熱流計測板を真空室内に配したことに
よって、熱流計測板が周囲の熱伝導や熱対流の影響を受
けるとがなくなり、このため、熱流計測板からの放熱や
周囲からの受熱が大幅に低減され、測定精度が高められ
る。

「実施例」以下、この考案の一実施例を第１図を参照して説明す
る。

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
す断面図であって、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体２およ
び蓋体３から構成されている。

その炉容器１の内部は、薄板４によって、試料Ｓが配さ
れる計測室５と、内部を真空に保持可能な真空室６とに
区画されている。その薄板４は円板状とされていてその
周円部を炉容器１内面に固定されている環状のフランジ
７，８に挟み込まれて取り付けられ、フランジ７と薄板
４の間には真空室６内の真空を保持するためのシール材
９が介装されている。また、この薄板４は、熱伝導性に
優れた金属板（たとえばステンレス鋼板）によって形成
されていて、その厚みは充分に薄く（たとえば０．３mm
程度）されているが、真空室６と計測室６の圧力差に対
しては充分な強度を有するものとされている。

上記の薄板４の上面側に設けられた計測室５は、円筒状
の側部断熱材１０および円板状の上部断熱材１１によっ
て内面を覆われており、その内部空間には計測室５内を
所定の温度に保持するための主ヒータ１２が取り付けら
れている。なお、符号１３は主ヒータ１２に接続されて
いる電極、１４は計測室５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５の側壁を形成している上記の側部断熱材
１０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１５によ
って覆われている。この壁面温度補償板１５は、その優
れた熱伝導性によって計測室５の上部から下部に向かっ
て熱を運び、もって計測室５の内面温度すなわちこの壁
面温度補償板１５自体の温度を計測室５の内部温度と同
等に保持するためのものである。この壁面温度補償板１
５を設けたことによって、第２図に示した従来の装置に
おける壁面温度補償用のヒータｇ…を省略することが可
能となっている。

また、側部断熱材１０の内側下部には円筒状の断熱材１
６が配されており、この断熱材１６の内側に円板状の断
熱材１７が薄板４の上面に密着した状態で配され、その
断熱材１７の上面に下部測温板１８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１９が配されるようになっている。下
部測温板１８、上部測温板１９には、試料Ｓの上面温
度、下面温度を測定するための熱電対温度計（図示せ
ず）が挿入されている。

一方、薄板４の下面側に設けられた真空室６の内部に
は、薄板４の下面に密着して円板状の測温板２０が配さ
れ、その下面中心部に熱流計測板２１が配され、その周
囲には環状の補償冷却板２２が配されている。これらの
熱流計測板２１、補償冷却板２２は、いずれも第２図に
示した従来の装置における熱流計測板ｄと同様に、内部
に測温流体としてのガスあるいは水が流通し得る渦巻き
状の流通路（図示略）が形成されているものであって、
それぞれに対して図示しない管路によって測温流体が供
給されるようになっている。上記の補償冷却板２２は、
炉容器１底部から支柱２３によって支持されていて、そ
の補償冷却板２２に取り付けられている取付具２４によ
って上記の熱流計測板２１が支持されるようになってい
る。さらに、その補償冷却板２２の下面には反射板２５
が取り付けられていて、その反射板２５によって熱流計
測板２１の下面側が覆われている。その反射板２５は、
熱伝導性に優れた金属板によって形成され、また、その
上面（熱流計測板２１側の表面）は金属光沢の鏡面仕上
げとされていてその輻射係数は極めて小さなものとされ
ている。

以上でこの実施例の熱伝導率測定装置の構成を説明した
が、次にその使用方法を説明する。

まず、計測室５内に試料Ｓを配し、上部断熱材１１によ
って計測室５を密閉するとともに炉容器１の蓋体３を閉
じ、主ヒータ１２によって計測室５内を所定の設定温度
に加熱する。これにより、計測室５から、上部測温板１
９、試料Ｓ、下部測温板１８、断熱材１７、薄板４を透
過して真空室６に向かう熱流が生じて試料Ｓは加熱され
るので、試料Ｓの内部温度を熱伝導率を計測するべき温
度に保持する。また、真空室６の内部から排気を行って
所定の真空度に保持する。さらに、熱流計測板２１およ
び補償冷却板２２に対して、同温度に加熱した測温流体
（ガスあるいは水）をそれぞれ供給する。これにより、
熱流計測板２１と補償冷却板２２の温度はほぼ同等に保
持される。

計測室５内の温度、試料Ｓの温度、測温流体の温度が定
常状態となったら、試料Ｓの上面温度θ_１および下面温
度θ_２を上部測温板１９、下部測温板１８に挿入されて
いる熱電対温度計（図示せず）により計測する。また、
熱流計測板２１内を流通する測温流体の入り口、出口で
の温度を図示しない温度計によって正確に計測するとと
もに、その流量を図示しない流量計によって計測し、そ
れらの値から熱流計測板２１の受熱量すなわち試料Ｓを
透過してきた熱貫流量Ｑを求める。そして、その熱貫流
量Ｑと、試料Ｓの上下両面の温度θ_１，θ_２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
の設定温度における熱伝導率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２１の面積とな
る。

以上で説明した熱伝導率測定装置にあっては、熱流計測
板２１からの周囲への放熱をほとんど無視できる程度に
低減させることができ、したがって充分な測定精度を得
ることができる。

すなわち、この装置にあっては熱流計測板２１は真空室
６内に配されているので、この熱流計測板２１からの周
囲への放熱は主として輻射によるのみとなり、従来のよ
うに熱伝導や熱対流によって大きな放熱を生じることが
ない。しかも、熱流計測板２１の下面側には反射板２５
が設けられており、その上、その反射板２５は補償冷却
板２２に対して取り付けられているのでその反射板２５
自体の温度は補償冷却板２２と同等（すなわち熱流計測
板２１の温度とほぼ同等）になり、したがって、輻射に
よる放熱も充分に低減されたものとなる。

なお、輻射以外の放熱として、熱流計測板２１を支持し
ている取付具２４を通して熱流計測板２１から補償冷却
板２２への伝熱が考えられるが、熱流計測板２１と補償
冷却板２２はほぼ同温度に保持されているので、支持具
２４を通した熱授受はほとんど無視できる。

さらに、薄板４自体の熱伝導作用によって補償冷却板２
２から周辺への伝熱が生じ、これにより補償冷却板２２
と熱流計測板２０に温度差が生じることが考えられよう
が、薄板４の厚みが充分に薄くされていることからその
伝熱量はほとんど無視できるものである。すなわち、補
償冷却板２２から薄板４を通してその外周側へ伝熱され
る伝熱量は、補償冷却板２２の外周長と薄板４の厚み寸
法の積で求められる伝熱面積Ａ_１に比例するが、その伝
熱面積Ａ_１は、補償冷却板２２の外形寸法をＤ、薄板４
の厚み寸法をｄとすると、Ａ_１＝dπＤで表される。一方、薄板４と補償冷却板２２および熱流
計測板２１との間の伝熱面積Ａ_２は、それらが重なり合
っている部分の投影面積であるからＡ_２＝（π／４）Ｄ^２で表される。したがって、それらの比αは α＝Ａ_２／Ａ_１＝Ｄ／４ｄとなるが、このαの値は、ｄの値がＤの値に比して充分
に小さい場合には充分に大きなものとなり、たとえばＤ
＝５０cm、ｄ＝０．０３cm（０．３mm）の場合にはα≒
４１７となる。つまり、薄板４を通して外周側に伝熱さ
れる伝熱量は、薄板４の厚み方向の伝熱量の数百分の一
程度でしかなく、したがってこれは無視できる程度の値
である。なお、補償冷却板２２へ供給される測温流体の
温度あるいは流量を制御することによって、補償冷却板
２２の温度を常に熱流計測板２１と同等に保持するよう
にすれば、上記の伝熱量が無視し得ない場合にあっても
測定精度に対する影響を無くすことができる。

また、この熱伝導率測定装置では、真空室６が真空とさ
れるので、計測室５内の圧力と真空室６内の圧力の差圧
が薄膜４に加わることになるが、薄板４はそれ自体で十
分な強度を有しているとともに、フランジ8,9によって
その周縁部が固定され、かつ、測温板２０、補償冷却板
２２を介して支柱２３により支持されているので、十分
にその差圧に耐え得るものとなっている。

また、薄板４の上下の差圧によって薄板４は測温板２０
に対して押圧されて密着し、また、上部測温板１９、試
料Ｓ、下部測温板１８、断熱材１７はいずれも薄板４に
対して押圧されてそれらは互いに密着し、この結果、そ
れらの間に隙間が生じることが自ずと防止されてそれら
の間の熱伝導が良好に維持され、この点においても測定
精度を向上させることができる。

なお、上記実施例では、薄板４の上面側に断熱材１７を
配するようにしたが、その断熱材１７は不要であれば省
略し、下部測温板１８を薄板４の上面に密着させるよう
にしても良い。また、薄板４の下面側に配した測温板２
０も不要ならば省略し、熱流計測板２１、補償冷却板２
２を薄板４の下面に密着させるようにしても良い。

また、上記実施例では薄板としてステンレス鋼板等の金
属板を用いることを例示したが、十分に薄く加工でき、
かつ良好な熱伝導性を有するものであれば、他の材料を
用いても良い。

さらに、上記実施例においては、炉容器１を竪型とした
が、炉容器を横型として試料Ｓを立てた状態で配置する
ように構成することも可能である。

「考案の効果」以上で詳細に説明したように、この考案の熱伝導率計測
装置は、炉容器の内部を薄板によって計測室と真空室と
に区画し、試料を計測室内に配するとともに熱流計測板
を真空室内に配した構成としたので、熱流計測板からの
周囲への放熱を充分に低減することができ、したがっ
て、熱流計測板によって測定される熱貫流量の計測誤差
を小さくでき、もって充分な測定精度を得ることができ
るという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案に係わる熱伝導率測定装置の一実施例
を示す立断面図である。第２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、４……薄板、５……計測室、６……真空室、２１……熱流計測板。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】炉容器の内部を金属板等の良熱伝導性材料
からなる薄板によって計測室と真空室とに区画して、そ
の薄板を挟んで前記計測室内に試料を配するとともに前
記真空室内に熱流計測板を配し、前記炉容器の内部に前
記計測室から前記真空室に向かう定常熱流を生ぜしめて
前記試料を所望の設定温度に保持するとともに、前記真
空室の内部を真空に保持して、前記試料および前記薄板
を透過した定常熱流の熱貫流量を前記熱流計測板によっ
て計測するとともに、その試料の表面温度と裏面温度の
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ことを特徴とする熱伝導率
測定装置。