JP7106073B2 - 熱伝導率測定装置及び熱伝導率測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱絶縁材等の熱伝導率の測定をする熱伝導率測定装置及び熱伝導率測定方法に関する。

特許文献１には、試験体が、試験体の中央部分を加温する主熱板と当該主熱板を囲むように配置された保護熱板とを有する熱板と、冷却板とに挟持され、前記熱板には、試験体の中央部分を第一の温度で加温する中央側高温側ヒーターと試験体の周辺部分を第一の温度で加温する周辺側高温側ヒーターを有し、冷却板には、当該試験体を当該第一の温度より低い第二の温度で加温する低温側ヒーターを有し、前記試験体、熱板及び冷却板の外周を囲むように配置された外周ヒーターを有して、熱板の試験体側とは反対側に第一の断熱材が配設され、前記第一の断熱材の熱板側と反対側に第二の断熱材が配置され、前記第二の断熱材内に補償ヒーターを有している熱伝導率測定装置が開示されている。

非特許文献１には、熱絶縁材料の熱抵抗及び熱伝導率の測定方法として、ＪＩＳの「４ 原理」の項に、温度の異なる２枚の等温面をもつ平行平板によって挟まれた平板状の試験片の内部が、定常状態の一次元熱流となるように温度制御し、試験片の厚さ方向に熱抵抗、熱伝導率などの伝熱特性を測定する方法が開示されている。そして、ＪＩＳの「５ 測定装置」の「５．２ 装置の形状」の項には、試験片２枚方式と試験片１枚方式があり、測定装置の熱板（主熱板と保護熱板）及び冷却熱板の形状は、直径が０．２ｍ～１ｍの円形又は１辺が０．２ｍ～１ｍの正方形とし、その中で直径が０．３ｍの円形又は１辺が０．３ｍの正方形を標準寸法と規定している。そして、ＪＩＳの「６ 試験片」の「６．３ 寸法及び厚さ」の項には試験片は熱版を完全に覆う大きさとすると規定されている。加温手段は、冷却熱板、主熱板、保護熱板、逆流防止用熱板の４か所に設けられている。

特開２０１３－１１５６３号公報

日本工業規格ＪＩＳ Ａ１４１２－１ 保護熱板法（ＧＨＰ法）

近年、電気自動車開発が加速するなか、車内の快適さを省電力で実現する課題が指摘されている。このため自動車部品に利用される部品の素材の断熱性、すなわち素材の熱伝導率の評価が重要となっている。ＪＩＳ Ａ １４１２－１（保護熱板法）の測定装置は、一般的に市場に流通している大きさは標準寸法である１辺が０．３ｍの正方形であり、これに使用する試験片の大きさは前記標準寸法以上であることが規定されていることから、１辺が０．３ｍ以上の正方形が規定されている。このため、建材自体の大きさが大きい建築分野で断熱材の評価方法として広く使用されている。ところが、自動車部品開発に使用される部品の場合は、１辺の長さが０．１ｍの正方形の試験片の場合がある。このため、流通している測定装置では測定できないという問題があった。

ここで、試験片は熱板を完全に覆う大きさとすると規定しているＪＩＳ規定を無視して、熱板より大きさが小さい試験片で測定した場合の問題を説明する。熱板より大きさが小さい試験片で測定した場合、試験片周辺が試験片と同じ熱伝導率でない空気と接するため、周辺部の熱流が測定で必要となる一次元熱流から外れてくる。この熱流の乱れが、主熱板に密着している試験片部分まで到達すると、測定誤差が生ずる原因となり正確な測定を阻害する。この現象は試験片の板厚が厚くなるほど顕著になる。

特許文献１の発明は、特許文献１の段落［０００６］に記載された「試験体のサイズが小さい場合（熱の流れる面積が小さい場合）には、厚さ方向に伝播する熱流に対する、当該試験体の外周端を介した熱流（幅方向の熱流）の影響が大き
くなるため、測定誤差が大きくなっていた。」という問題に対応するために、ヒーターを高温側ヒーター（中央部と周辺部の２ケ所）、低温側ヒーター、外周ヒーター及び補償ヒーターの合計５カ所にヒーターなる加温手段を設けることを要しており、装置が複雑になり高価になるという問題と、前記５カ所のヒーターにより冷却板や主熱板等の５カ所の温度制御をしなければならないという問題があった。

また、非特許文献１に準じた装置について、例えば１辺が０．３ｍの正方形である標準サイズの装置を１／３の大きさにすべて縮小化するには、ヒーターを内設した保護熱板等の部品を１／３に縮小化しなければならないため、部品加工の製作が難しくなるという問題があった。

また、非特許文献１の装置は、ヒーター等の加温手段を、主熱板、保護熱板、逆流防止用熱板、冷却熱板の４か所に設けなければならなかった。そのため、前記４か所のヒーター等の加温手段の温度制御をしなければならないという問題があった。

本発明はこうした問題に鑑み創案されたもので、１辺の長さが０．２ｍ未満の正方形の試験片の測定が可能で、小型化が容易で構造が簡素で温度制御が簡素で安価な熱伝導率測定装置及び熱伝導率測定方法を提供することを課題とする。

本発明において、一方向側とはすべて同一の方向を意味し、他方向側とはすべて前記一方向側の反対方向であってかつ同一の方向を意味する。

請求項１に記載の熱伝導率測定装置は、平板状で両面が平行平面を有する試験片の熱伝導率を求める熱伝導率測定装置であって、前記試験片の一方向側の面に密着可能な冷却熱板と、前記冷却熱板と平行に配設され、前記試験片の前記一方向側と反対側の他方向側の面の中央部域に密着可能な主熱板と、前記主熱板の他方向側の面と接触状態を形成する平板状の断熱材と、一方向側の周縁部域が前記試験片の他方向側の面の周縁部域に密着可能でかつ一方向側の中央部域が前記断熱材の他方向側の面と接触状態を形成する保護兼逆流防止熱板と、を備え、前記保護兼逆流防止熱板の一方向側の中央部域に前記主熱板及び前記断熱材を嵌設する凹部を形成し、前記試験片の前記主熱板側表面から前記冷却熱板側表面への厚さ方向における熱流量を測定可能とする温度測定手段を設けたことを特徴とする。

請求項２に記載の熱伝導率測定装置は、請求項１において、前記凹部の内周壁面は前記主熱板及び前記断熱材を囲繞し、前記凹部の内周壁面と前記主熱板の外周側面との間に熱抵抗体を介在させ、前記凹部の内周壁面と前記断熱材の外周側面とは接触又は非接触の対向状態を形成し、前記凹部の底面は前記断熱材の他方向側の面と接触状態を形成させたことを特徴とする。

請求項３に記載の熱伝導率測定装置は、請求項１又は２において、前記保護兼逆流防止熱板の大きさが、１辺の長さが０．０５ｍ以上～０．２ｍ未満の正方形又は直径が０．０５ｍ以上～０．２ｍ未満の円形であることを特徴とする。

請求項４に記載の熱伝導率測定装置は、請求項１～３のいずれかにおいて、加温手段を、前記冷却熱板、前記主熱板及び前記保護兼逆流防止熱板の３か所に限定して設けたことを特徴とする。

請求項５に記載の熱伝導率測定装置は、請求項１～４のいずれかにおいて、前記保護兼逆流防止熱板の一方向側の面であって前記試験片と密着可能範囲に、熱伝導率の低いシート状の熱抵抗部材を貼設したことを特徴とする。

請求項６に記載の熱伝導率測定装置は、請求項１～５のいずれかにおいて、前記冷却熱板、前記主熱板、前記断熱材、前記保護兼逆流防止熱板の前記一方向側から前記他方向側への配設順が、上方から下方に、下方から上方に、左方から右方に、又は、右方から左方のいずれかであることを特徴とする。

請求項７に記載の熱伝導率測定方法は、平板状で両面が平行平面を有する試験片の熱伝導率を求める熱伝導率測定方法であって、前記試験片を、前記試験片の一方向側の面に密着可能な冷却熱板と、前記試験片の前記一方向側と反対側の他方向側の面の中央部域に密着可能な主熱板、及び、前記試験片の他方向側の面の周縁部域に密着可能な保護兼逆流防止熱板とで挟み、前記主熱板の他方向側の面に平板状の断熱材を接触させ、前記保護兼逆流防止熱板の一方向側の面に、積層させた前記主熱板及び前記断熱材を嵌設する凹部を形成させて、前記凹部の内周壁面と前記主熱板の外周側面とは全周に亘り熱抵抗体を介在させ、前記凹部の内周壁面と前記断熱材の外周側面とは全周に亘り接触又は非接触の対向状態を形成させ、前記凹部の底面と前記断熱材の他方向側の面と接触状態にさせ、前記主熱板と前記保護兼逆流防止熱板間を断熱状態にさせて、前記主熱板と前記保護兼逆流防止熱板との温度差をなくす温度制御を行い、前記冷却熱板の冷温を前記主熱板の高温より低い温度となる制御を行い、前記試験片の前記主熱板側表面から前記冷却熱板側表面への厚さ方向における熱流量を測定することを特徴とする。

請求項８に記載の熱伝導率測定方法は、請求項７において、前記保護兼逆流防止熱板の一方向側の面であって前記試験片と密着可能範囲に、熱伝導率の低いシート状の熱抵抗部材を貼設し、前記保護兼逆流防止熱板から前記試験片への熱移動を抑制することを特徴とする。

請求項１又は７に記載の発明は、前記主熱板の温度と前記保護兼逆流防止熱板の温度差をなくすことによって、前記主熱板と前記保護兼逆流防止熱板とを熱的平衡を保つことができ、前記主熱板から前記保護兼逆流防止熱板側への熱移動を生じないようにすることができる。これにより、前記試験片内において前記試験片の厚さ方向である前記主熱板側表面から前記冷却熱板側表面に向けての定常状態の一次元熱流を流すことができ、この一次元熱流の熱流量を測定して、熱伝導率の低い材質の熱伝導率を、ＪＩＳ Ａ １４１２－１（保護熱板法）の熱伝導率測定値と同じレベルの正確性で求めることができる。

また、ＪＩＳ Ａ １４１２－１（保護熱板法）においては冷却熱板や主熱板を囲繞した保護熱板の大きさは、直径が０．２ｍ～１ｍの円形又は１辺の長さが０．２ｍ～１ｍの正方形とし、その中で直径が０．３ｍの円形又は１辺の長さが０．３ｍの正方形を標準寸法と規定しているが、本発明は冷却熱板や主熱板を囲繞する保護兼逆流防止熱板の大きさを、１辺の長さが０．２ｍ未満の長さの正方形又は直径が０．２ｍ未満の円形が実現できるまでに縮小化させることができた。よって、熱伝導率測定装置の小型化と構造簡素化を実現させることができた。

請求項２又は７に記載の発明は、主熱板から保護兼逆流防止熱板への熱移動をなくすことができる。

請求項３に記載の発明は、冷却熱板や主熱板を囲繞した保護兼逆流防止熱板の大きさを、１辺の長さが０．０５ｍ以上～０．２ｍ未満の正方形又は直径が０．０５ｍ以上～０．２ｍ未満の円形まで縮小化させることができた。よって、従来は１辺の長さが０．２ｍ未満の正方形の試験片又は直径が０．２ｍ未満の円形の試験片の熱伝導率を測定ができなかったが、本発明によって１辺の長さが０．２ｍ未満の正方形の試験片又は直径が０．２ｍ未満の円形の試験片の熱伝導率を測定することができるようになった。

請求項４に記載の発明は、加温手段の数を、特許文献１の５カ所や非特許文献１の４か所に比較して３カ所に減じることができ、温度制御の簡素化、熱伝導率測定装置の大きさの小型化、及び製作コストの安価化を実現させることができた。

請求項５又は８に記載の発明は、主熱板と保護兼逆流防止熱板のそれぞれの試験片側の表面温度差をなくすことができ、より理想的な測定状態をつくり出すことができるという効果を奏する。

請求項６に記載の発明は、熱伝導率測定装置の構成部品である冷却熱板、主熱板及び保護兼逆流防止熱板の配設方向を自在に選択できるという効果を奏する。

本発明である熱伝導率測定装置の基本的構成を説明する構成説明図である。 図１における低温の恒温水槽を氷温の恒温水槽に変えた熱伝導率測定装置の基本的構成を説明する構成説明図である。 ＪＩＳ Ａ１４１２－１ 保護熱板法の熱伝導率測定装置の基本的構成を説明する構成説明図である。 本発明である熱伝導率測定装置の温度測定手段の構成を説明する説明図である。 主熱板に埋設した熱電対の設置状態の説明図で、（ａ）が平面視での主熱板とヒーターと主熱板熱電対との配置状況の説明図で、（ｂ）がＧ矢視からの保護兼逆流防止熱板と主熱板熱電対の配置状況の説明図である。 ＪＩＳ Ａ１４１２－１ 保護熱板法の熱伝導率測定装置の温度測定手段の構成を説明する説明図である。 本発明の熱伝導率測定装置の各種熱板等の構成を説明する説明図である。 本発明の熱伝導率測定装置の各種熱板等の構成要素を説明する説明図で、（ａ）が主熱板と断熱材の説明図で、（ｂ）が保護兼逆流防止熱板の説明図である。 断熱材に設けたサーモパイルの配線状態の説明図で、（ａ）が断熱材の断面構造で配線状態を示す配線説明図で、（ｂ）が断熱材の平面視で配線経路を示す説明図であり、（ｃ）が（ｂ）とは異なる配線経路を示す説明図である。 保護兼逆流防止熱板と主熱板の表面温度を測定するための熱電対の設置方法の説明図である。 保護兼逆流防止熱板上への熱抵抗部材であるテープの貼付け状態の説明図である。 ＪＩＳ Ａ１４１２－１ 保護熱板法の熱伝導率測定装置と本発明の熱伝導率測定装置との熱伝導率測定結果を示す図である。 本発明において断熱部材内に主熱板と保護兼逆流防止熱板の表面温度差を測定する１つの熱電対を設けた場合と熱電対を１０個直列接続させたサーモパイルを設けた場合において、熱伝導率測定装置作動開始時からの時間経過における主熱板と保護兼逆流防止熱板との温度差を示す図である。 従来の熱伝導率測定装置と本発明の熱伝導率測定装置において、熱伝導率測定装置作動開始時からの時間経過における熱伝導率の測定値を示した図である。 主熱板の消費電力を変化させた場合において、保護兼逆流防止熱板上に熱抵抗部材であるテープを貼付けた場合と貼付けない場合の主熱板と保護兼逆流防止熱板との表面温度差を示す図である。 冷却熱板と主熱板間を離隔させた状態の説明図である。 冷却熱板を下降させ冷却熱板と主熱板間に試験片を挟んで上下で密着させた状態の説明図である。

本発明は熱伝導率を求めるための技術であり、熱伝導率を求める方法として一般的には、例えばＪＩＳ Ａ１４１２－１ 保護熱板法などが知られている。保護熱板法は、図３に示すように、温度の異なる２枚の等温面をもつ平行平板によって挟まれた平板状の試験片１０１の内部が、定常状態の一次元熱流となるように温度制御し、試験片１０１の厚さ方向における熱抵抗、熱伝導率などの伝熱特性を測定する方法であり、定常状態において、測定領域内を流れる熱流量を測定し、前記熱流量、伝熱面積、試験片温度差、試験片１０１の厚さをもとに計算して熱伝導率を算出する方法である。

前記保護熱板法に基づく従来の熱伝導率測定装置１００の構成を説明する。図３に示すように、例えば冷却熱板１０２や試験片１０１の形状が正方形の場合は、正方形状で平板状の試験片１０１の上面に密着可能に正方形状で平板状の冷却熱板１０２が配設され、前記試験片１０１の下面に密着可能に正方形状で平板状の主熱板１０３が配設され、前記主熱板１０３の外周面とギャップ１０４を設けて前記主熱板１０３を囲繞するように平板形状からなる平面視で四角枠状の保護熱板１０５が配設され、前記主熱板１０３と前記保護熱板１０５の下側には前記主熱板１０３と前記保護熱板１０５の下面に上面を接触させた平板状の断熱材１０６が配設され、前記断熱材１０６の下側には前記断熱材１０６の下面に上面を接触させた逆流防止用熱板１０７が配設されている。なお、前記冷却熱板１０２や前記逆流防止用熱板１０７の加温手段については図示していない。

そして、図６に示すように、従来の熱伝導率測定装置１００の温度測定手段は、冷却熱板１０２の温度を測定する熱電対１１１、主熱板１０３の温度を測定する熱電対１１２、主熱板１０３と保護熱板１０５との温度差を測定する示差熱電対１１３、主熱板１０３と逆流防止用熱板１０７との温度差を測定する示差熱電対１１４を設けている。また、主熱板１０３の内部には加温用の主熱板ヒーター１２１、保護熱板１０５の内部には加温用の保護熱板ヒーター１２２が設けられている。

従来からの熱伝導率測定装置１００は試験片の大きさが正方形の場合は一辺が０．２ｍ以上の大きさに規制されていたことから、発明者は１辺の長さが０．２ｍ未満の正方形の試験片が主熱板１０３及び保護熱板１０５を完全に覆うことができる熱伝導率測定装置の小型化に取り組み本発明を想到した。

本発明の熱伝導率測定装置１は、図１、図２、図４、図８に示すように、平板状で両面が平行平面を有する試験片２の熱伝導率を求める熱伝導率測定装置１であって、前記試験片２の一方向側の面に密着可能な冷却熱板３と、前記冷却熱板３と平行に配設され、前記試験片２の前記一方向側と反対側の他方向側の面の中央部域に密着可能な主熱板４と、前記主熱板４の他方向側の面と接触状態を形成する平板状の断熱材５と、一方向側の周縁部域が前記試験片２の他方向側の面の周縁部域に密着可能でかつ一方向側の中央部域が前記断熱材５の他方向側の面と接触状態を形成する保護兼逆流防止熱板６と、を備え、前記保護兼逆流防止熱板６の一方向側の中央部域に前記主熱板４及び前記断熱材５を嵌設する凹部３０を形成し、前記試験片２の前記主熱板４側表面から前記冷却熱板３側表面への厚さ方向における熱流量を測定可能とする温度測定手段を設けた。前記温度測定手段は、主熱板熱電対１３及び冷却熱板熱電対１４が該当する。なお、図１等の図では配線を省略し図示していない。

前記熱伝導率測定装置１には加温手段が設けられ、前記加温手段を、前記冷却熱板３内を流動させる低温水を加熱させるヒーター２５、前記主熱板４内に埋設したヒーター１５、及び前記保護兼逆流防止熱板６内を流動させる高温水を加熱させるヒーター２１の３か所に限定して設けている。

そして、前記熱伝導率測定装置１には温度測定手段を具備しており、前記温度測定手段を、図４に示すように、前記冷却熱板３の前記試験片２側の温度を測定する冷却熱板熱電対１４、前記主熱板４の前記試験片２側の温度を測定する主熱板熱電対１３、及び、前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６との間の温度差を測定するサーモパイル４０の３か所に設けている。また、前記冷却熱板３や前記保護兼逆流防止熱板６の温度をヒーターでなく低温水や高温水を流動させることによって加温させる場合には、高温水を前記保護兼逆流防止熱板６内に流動させる形態の場合には恒温水槽２２内に高温水の温度測定手段５２を、冷温水を前記冷却熱板３内に流動させる形態の場合には恒温水槽２６内に低温水の温度測定手段５１を設ける。

前記熱伝導率測定装置１は、例えば、図１６、１７に示すように、ベース５２上に保護兼逆流防止熱板６が配設され、前記ベース５２に立設した支柱兼ガイド５４のガイドに沿って、冷却熱板３を含む昇降部５３がツマミ５１の回動により自在に昇降する形態である。前記冷却熱板３には恒温水槽２６からの低温水が流動する配管１８が接続され、前記保護兼逆流防止熱板６には恒温水槽２２からの高温水が流動する配管１９が接続されている。そして、図１６に示すように前記昇降部５３を上昇させた状態で試験片２をセットし、図１７に示すように前記昇降部５３を下降させて試験片２を冷却熱板３と主熱板４及び保護兼逆流防止熱板６とにより挟み密着させる。

また、前記熱伝導率測定装置１を構成する要素である前記冷却熱板３、前記主熱板４、前記断熱材５、前記保護兼逆流防止熱板６の前記一方向側から前記他方向側への配設順が、上方から下方に、下方から上方に、左方から右方に、又は、右方から左方のいずれかでもよい。なお、前記熱伝導率測定装置１又は熱伝導率測定方法についての説明を、前記配設順が上方から下方の場合であり、熱板４から試験片２の厚み方向で冷却熱板３側に流れる熱流が上向きの形態の場合で以下に説明する。

また、前記試験片２は、両面が平行平板を有し、かつ前記冷却熱板３、前記主熱板４及び前記保護兼逆流防止熱板６と密着可能に上下両面の表面を平滑に仕上げる。そして、前記冷却熱板３の前記試験片２に密着させる側の表面、及び、前記主熱板４及び前記保護兼逆流防止熱板６の前記試験片２に密着させる側の表面も平滑に仕上げる。

前記主熱板４は、図１、図７、図８（ａ）に示すように、平面視で１辺の長さが例えば０．１ｍの正方形の前記保護兼逆流防止熱板６に囲繞されて、前記保護兼逆流防止熱板６よりも小さい大きさであり、内部には図４に示すように主熱板４を加温するヒーター１５及び主熱板４の温度を測定する主熱板熱電対１３が埋設され、本体部１２は熱伝導率が大きい金属、例えば銅で作られる。

前記ヒーター１５と前記主熱板熱電対１３の配設の形態は、図５（ａ）に示すように、例えば平面視で真ん中に前記主熱板熱電対１３が配設され、前記ヒーター１５を構成する給電線１５ａと電圧測定線１５ｂが前記主熱板熱電対１３と接触しないように、かつ主熱板４の全域に亘って均一な温度となるように配線する。そして、図５（ｂ）に示すように、例えば側面視で前記保護兼逆流防止熱板６に切欠き部３５を形成し、該切欠き部３５に、前記主熱板熱電対１３、前記ヒーター１５及び前記サーモパイル４０の配線を挿通させている。

前記保護兼逆流防止熱板６は、図７や図８（ｂ）に示すように、一方向側に開口部を有する凹部３０を形成した、平面視の外郭形状が正方形の四角柱体の形態である。平面視における大きさや形状は、前記保護兼逆流防止熱板の大きさが、１辺の長さが０．０５ｍ以上～０．２ｍ未満の正方形又は直径が０．０５ｍ以上～０．２ｍ未満の円形である。より好ましくは、１辺の長さが０．０７ｍ以上～０．１５ｍ未満の正方形又は直径が０．０７ｍ以上～０．１５ｍ未満の円形であり、さらに好ましくは、１辺の長さが０．１ｍの正方形又は直径が０．１ｍの円形である。これにより、１辺の長さが０．０５ｍ以上～０．２ｍ未満の正方形又は直径が０．０５ｍ以上～０．２ｍ未満の円形の試験片の熱伝導率測定が可能となった。１辺の長さが０．０５ｍ未満の正方形又は直径が０．０５ｍ未満の円形の場合は製作が極めて困難であり、１辺の長さが０．２ｍ以上の正方形又は直径が０．２ｍ以上の円形の場合は本発明の装置の小型化の目的に反するので望ましくない。

また、前記保護兼逆流防止熱板６は、前記主熱板４と同一の材質で作られ、図１に示すように、前記試験片２の他方向側である下面に対して前記主熱板４の一方向側である上面と同時に前記保護兼逆流防止熱板６の一方向側である上面が接触するように前記保護兼逆流防止熱板６の上面が形成され、前記保護兼逆流防止熱板６の内部に形成した流路（図示なし）に、ヒーター２１等の加温手段や温度計等の温度測定手段５２を設けた高温の恒温水槽２２内の高温水をポンプ２３で送給し循環させている。なお、加温手段としては、前記高温水を前記保護兼逆流防止熱板６内に流動させる形態の他に、前記保護兼逆流防止熱板６内にヒーター（図示なし）を内設させる形態でもよい。

そして、図１、図４、図６、図７、図８（ｂ）に示すように、一方向側の上部に凹部３０を形成し前記凹部３０に前記主熱板４と断熱材５を積層させて嵌設させている。前記凹部３０の内周壁面３１は積層された前記主熱板４及び前記断熱材５を囲繞し、前記凹部３０の内周壁面３１と前記主熱板４の外周側面との間に熱抵抗体７を介在させ、前記凹部３０の内周壁面３１と前記断熱材５の外周側面とは接触又は非接触の対向状態を形成し、前記凹部３０の底面３２は前記断熱材５の他方向側の面と接触状態を形成させている。

前記主熱板４の一方向側の上面は前記保護兼逆流防止熱板６の一方向側の上面とともに前記試験片２の他方向側の表面に密着可能とし、前記主熱板４の側面全域と前記保護兼逆流防止熱板６の凹部３０の内周壁面３１とは均一の幅を有する熱抵抗体７を形成させている。前記熱抵抗体７としては、前記主熱板４から前記保護兼逆流防止熱板６への熱移動をなくす目的を達成させるものであればよく、すなわち断熱効果を有するものであればよく、例えば空気を介在させる隙間の形態、又は、発泡樹脂等の断熱材を介在させる形態でもよい。なお図１や図８（ｂ）において、前記熱抵抗体７の例として隙間の場合を示している。

前記保護兼逆流防止熱板６を熱伝導率が大きい金属例えば銅で作ること、前記保護兼逆流防止熱板６を小型化していること及び前記保護兼逆流防止熱板６の内部に加温手段として高温水の流路（図示なし）を全体が均一温度になるように設けることにより前記保護兼逆流防止熱板６全体を容易に高温の均一な温度にすることができる。なお、加温手段としては、前記高温水を流動させる形態であっても、ヒーター（図示なし）を前記保護兼逆流防止熱板６内に内設させた形態であってもよい。

前記断熱材５は、主熱板４から熱の移動をなくすものであればよく、例えば発泡樹脂で作られる。前記断熱材５は、図７や図８に示すように、前記保護兼逆流防止熱板６の凹部３０に嵌設され、一方向側である上面を前記主熱板４の他方向側である下面と接触状態に形成され、他方向側である下面は前記保護兼逆流防止熱板６の凹部３０の底面３２と接触状態に、側面は前記保護兼逆流防止熱板６の凹部３０の内周壁面３１と接触又は非接触の対向状態を形成している。そして、図９（ａ）に示すように、前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６との温度差を測定して熱起電力を出力するサーモパイル４０を前記断熱材５に設けた貫通孔４４と前記断熱材５の表面に形成した溝に埋設している。

前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６との前記温度差の温度測定手段が、前記断熱材５の一方向側の面に前記主熱板４との接点４５ｃ、４５ｄ、４５ｅを、かつ前記断熱材５の他方向側の面に前記保護兼逆流防止熱板６との接点４５ａ、４５ｂを設けた熱電対４１を複数直列接続したサーモパイル４０である。

前記冷却熱板３は前記主熱板４に対して一方向側と他方向側の両方向である例えば上下方向で昇降可能であり、図１６に示すように前記冷却熱板３を上昇させて前記試験片２をセットし、図１７に示すように前記冷却熱板３を下降させて前記冷却熱板３の下面を前記試験片２の上面に密着させる。また、前記冷却熱板３の大きさは平面視で前記保護兼逆流防止熱板６の外郭と同じ大きさとし、図１に示すように、前記冷却熱板３の内部に形成した流路（図示なし）に、ヒーター２５等の加温手段や温度計等の温度測定手段５１を設けた低温の恒温水槽２６内の低温水をポンプ２７で送給し循環させている。また、図４に示すように、前記冷却熱板３には前記冷却熱板３の前記試験片２側の温度を測定する冷却熱板熱電対１４が埋設されている。前記埋設形態としては、図４に示すように、前記冷却熱板熱電対１４を厚さ方向の孔に挿設する形態や、前記冷却熱板３の試験片２に密着させる側の表面に形成した溝に埋設する形態（図示なし）があるが、冷却熱板３の試験片２側の温度を測定可能であればいずれの形態でもよい。

そして、前記冷却熱板３の温度が、前記主熱板４及び前記保護兼逆流防止熱板６の温度より低温となるように、前記冷却熱板３に埋設した配管内を流動させる低温水の温度を制御することにより低温を維持させている。まず低温水の温度を、前記保護兼逆流防止熱板６内を流動させる高温水の設定温度より低くなるように所定の温度を予め設定する。

そして、恒温水槽２６内の温度測定手段５１で測定した低温水の温度が予め設定した温度となるようにヒーター２５の電流値を調整する温度制御手段１０により低温水の温度を制御する。前記低温水はポンプ２７で前記恒温水槽２６と前記冷却熱板３を循環しているので前記冷却熱板３の温度は全域に亘って前記低温水の温度で均一に維持される。

試験片２の上面は前記冷却熱板３の下面と密着可能にしている。なお、加温手段としては、前記低温水を前記冷却熱板３内に流動させる形態の他に、前記冷却熱板３内にヒーター（図示なし）を内設させる形態でもよい。

前記低温の恒温水槽２６内の恒温水内に、図２に示すように、氷２８を投入して前記恒温水を氷水にし、前記氷水を前記冷却熱板３内の流路（図示なし）に流動させ、前記氷水を前記恒温水槽２６と前記冷却熱板３内の流路に循環させる形態の場合は、前記冷却熱板３の温度を約０℃で維持できるので前記恒温水槽２６の温度を制御するための温度測定手段５１や温度制御手段１０が不要になるという効果を奏する。

また、前記冷却熱板３の平面視における外郭の形状や大きさは、平面視で前記保護兼逆流防止熱板６の外郭形状と同じ形状や大きさとする。

次に、本発明の熱伝導率測定装置１の温度制御について説明する。まず、高温水の温度と低温水の温度を設定する。前記低温水の温度は高温水の温度より低い温度に設定する。

そして、前記保護兼逆流防止熱板６内の流路（図示なし）に流動させる高温水の温度を予め設定した高温の温度で安定させるために、温度制御手段１１が、恒温水槽２２に設置した温度測定手段５２で測定した温度が予め設定した高温の温度になるようにヒーター２１の電流値を制御する。前記高温水を恒温水槽２２と前記保護兼逆流防止熱板６内の流路にポンプ２３で常時循環させる。

そして、前記冷却熱板３内の流路（図示なし）に流動させる低温水の温度を前記高温水の温度より低い温度に設定する。そして、予め設定した低温の温度で安定させるために、温度制御手段１０が、恒温水槽２６に設置した温度測定手段５１で測定した温度が予め設定した低温の温度になるようにヒーター２５の電流値を制御する。前記低温水を恒温水槽２６と前記冷却熱板３内の流路にポンプ２７で常時循環させる。

そして、前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６との温度差を測定する前記サーモパイル４０の温度差情報をもとに、温度制御手段９が、前記温度差をなくすように、前記主熱板４のヒーター１５の電流値を制御する。これにより、前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６との温度差がなくなる。そして、試験片２の内部に前記主熱板４側から前記冷却熱板３側に向けて一次元熱流が流れる。

次に、前記主熱板熱電対１３で主熱板４の試験片２側の温度を測定し、前記冷却熱板熱電対１４で前記冷却熱板３の試験片２側の温度を測定し、試験片２内を流れる一次元熱流の熱流量（Ф）を測定し、伝熱面積（Ａ）、試験片温度差（ΔＴ）、試験片厚み（ｄ）を得て、熱伝導率λ＝（熱流量Ф×試験片厚さｄ）／（伝熱面積Ａ×試験片温度差ΔＴ）なる式を用いて、熱伝導率を求める。

従来の熱伝導率測定装置１００と本発明の熱伝導率測定装置１との温度が測定可能になるまでの温度に安定するまでの時間を、表１に示すように、試験片を建築用断熱材、試験片厚さを７ｍｍ、試験片の上下面の表面を平滑に仕上げ、冷却熱板の温度を０℃維持、主熱板の温度は従来の熱伝導率測定装置１００は３５℃維持で本発明の熱伝導率測定装置１は３３℃維持する温度制御を行い、サンプリングは１秒ごとに測定し６４秒で移動平均させた条件で求めた。なお、前記熱伝導率測定装置１００の主熱板と保護熱板間の温度差測定手段は熱電対とし主熱板と逆流防止熱板間の温度差測定手段は熱電対であり、前記熱伝導率測定装置１の主熱板４と保護兼逆流防止熱板６間の温度差測定手段は熱電対を１０個直列接続させたサーモパイル４０である。また、前記保護兼逆流防止熱板の大きさは１辺の長さが０．１ｍの正方形である。試験片の大きさは１辺の長さが０．１ｍの正方形である。

表１の条件の結果を図１４に示す。図１４から、従来の熱伝導率測定装置１００の温度変化グラフＫでは温度が安定するまで約８分要するのに対して、本発明の熱伝導率測定装置１の温度変化グラフＨでは温度が安定するまで約３分に短縮されることが示された。これにより、本発明は従来装置に比較し半分以下の時間で迅速な熱伝導率測定ができるという顕著な効果を奏する。

本発明は、従来の熱伝導率測定装置１における、保護熱板１０５と逆流防止用熱板１０７の２つの部品点数の１つの部品点数化、保護熱板１０５のヒーター１２２の不要化、保護熱板１０５と主熱板１０３との示差温度測定手段１１３の不要化などの部品点数を減じることができ、装置の小型化、構造の簡素化、製作コストの安価化を実現できた。

また、主熱板４と保護兼逆流防止熱板６との温度差を測定する前記サーモパイル４０には、予め定めた数の熱電対４１を直列に接続させているので、前記温度差を直列に接続した数の倍率をかけた数値で温度差を把握でき、温度差ゼロに向けてより細かい数値レベルでの温度調整を実施することが可能になった。

前記熱電対４１は、２種類の均質な金属導体で回路を作っており、例えば、図９（ａ）に示すように、線径０．１ｍｍアルメル線４２を－極側として線径０．１ｍｍクロメル線４３を＋極側として接続する。前記線径は０．２ｍｍ以下であればよい。また、熱電対４１の直列接続方法としては、例えば、図９（ｂ）に示すように、前記断熱材５の平面視で外周縁全周の近傍に、前記断熱材５の上面側で前記主熱板４の下面と接触させ、前記断熱材５の下面側で前記保護兼逆流防止熱板６の上面とそれぞれ複数個所で接触させるように、例えば１０個の熱電対４１を直列に接続させる。この場合は、前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６との温度差を１０倍大きくでき、言い換えると前記温度差に比例した熱起電力（出力電圧）を１０倍大きくすることができ、これにより１個の熱電対４１より１０分の１レベルの数値での温度制御を可能にした。

前記熱電対４１の直列接続方法は、前記断熱材５の上面側で前記主熱板４の下面と接触させ、前記断熱材５の下面側で前記保護兼逆流防止熱板６の上面とそれぞれ複数個所で接触させるものであれば、例えば図９（ｃ）に示すような経路でもよく、いかなる経路を形成してもよい。また、熱電対４１の数は、熱電対４１の数が複数であればその複数分だけの倍率で、前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６との温度差を把握できるので、温度差を把握したい倍率の数に相当する数の熱電対４１の数を設ける。

前記主熱板４及び前記保護兼逆流防止熱板６は、熱伝導率の大きい同一の金属、例えば銅で作ることから、接点４５ａと接点４５ｂとの間での短絡、接点４５ｃと接点４５ｄと接点４５ｅとの間での短絡を防止するため、例えば前記断熱材５の上下面にはそれぞれ絶縁膜（図示なし）を貼設する。

本発明の熱伝導率測定装置１から求められる熱伝導率と従来法である保護熱板法に準じた熱伝導率測定装置１００から求められる熱伝導率とを比較すると、図１２に示すように、試験片Ａ（商品名ネオマフォーム、旭化成建材（株）、熱伝導率０．０２Ｗ/ｍＫ）、試験片Ｂ（商品名オトクイ５、リックス（株）、熱伝導率０．０５２６Ｗ/ｍＫ）のいずれも熱伝導率がほぼ同じである。このことから、本発明の熱伝導率測定装置１から求められる熱伝導率は従来法から求められる熱伝導率と同じ数字を示すことが証明された。

また、試験片Ｃ（シリコンゴム、信越化学（株）、熱伝導率０．２Ｗ/ｍＫ）のカタログ値の熱伝導率と、本発明の熱伝導率測定装置１を使用し測定して求めた試験片Ｃの熱伝導率とは、熱伝導率０．２Ｗ/ｍＫで略同じ値となった。これにより、本発明の熱伝導率測定装置１から求められる熱伝導率は従来法から求められる熱伝導率と同じ数字を示すことが証明された。

次に、本発明において、主熱板４と保護兼逆流防止熱板６との温度差を測定する手段として、１０個の熱電対４１を直列接続させた前記サーモパイル４０と、熱電対４１が１個の場合の温度差が安定するまでの時間を比較した。なお、図１３は、縦軸に主熱板４と保護兼逆流防止熱板６の温度差を、横軸に熱伝導率測定装置１測定開始時間からの経過時間を表している。

図１３に示すように、サーモパイルを使用せずに熱電対が１個の場合は、温度差が安定するまでの時間は温度差を表すグラフＦをみると、最初約－０．８℃の温度差が１．１℃まで行きすぎ約１２分後に約－０．５℃～－０．７℃で安定した。一方、熱電対１０個直列に接続させたサーモパイル４０使用の場合は、温度差が安定するまでの時間は温度差を表すグラフＳをみると、最初約０．１℃であったのが約５分後に０．１℃～０．２℃で安定した。これから、１個の熱電対よりも１０個の熱電対を直列接続させたサーモパイルの方が、迅速に温度差が０℃に近い値で安定化することが示された。

次に、本発明の熱伝導率測定装置１は、前記保護兼逆流防止熱板６の一方向側の面であって前記試験片２と密着可能範囲に、前記主熱板４の加温手段であるヒーター１５の消費電力を変えて前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６の試験片２側の表面温度の温度差をなくす材質からなる、熱伝導率の低いシート状の熱抵抗部材６０を貼設している。

図１０に示すように、主熱板４の表面温度を測定する熱電対６２と、保護兼逆流防止熱板６の表面温度を測定する熱電対６１を設置して、前記主熱板４の表面温度と前記保護兼逆流防止熱板６の表面温度を比較した。その結果は、図１５に示すように、主熱板４のヒーター１５の消費電力が大きくなると、温度差推移グラフＭが示すように主熱板４と保護兼逆流防止熱板６との間の温度差が急激に低下する傾向にあり、主熱板４の消費電力が１Ｗを超えるところで主熱板４と試験片２との境界の温度差が最大１．４℃ほど主熱板４側の温度が低くなることが示された。

そこで、試験片２の熱伝導率測定の正確な測定を実現させるためには、主熱板４と保護兼逆流防止熱板６の表面温度の差をできる限り少なくすることが必要になる。このため、前記１．４℃の差をなくすために、図１１に示すように、前記保護兼逆流防止熱板６の上面であって前記試験片２と密着可能範囲に、前記主熱板のヒーター１５の消費電力を変えて前記主熱板と前記保護兼逆流防止熱板の試験片側の表面温度の温度差をなくす材質からなる、熱伝導率の低い、平面視四角枠状であってマスキングテープ等のシート状の熱抵抗部材６０を貼設した。

その結果を図１５に示す。前記熱抵抗部材６０として、青色ビニールテープと黄色マスキングテープを実験した。その結果を青色ビニールテープの場合はグラフＴで示し、黄色マスキングテープの場合はグラフＹで示した。青色ビニールテープの場合は主熱板４のヒーター１５の消費電力が１Ｗになると前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６の試験片２側の表面温度の温度差が約－０．３℃に改善され、黄色マスキングテープの場合は主熱板４のヒーター１５の消費電力が１Ｗになっても前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６の試験片２側の表面温度の温度差が生じないという際立つ効果が確認された。このことは、材質を選択することにより、前記主熱板４のヒーター１５の消費電力の変化にかかわらず前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６の試験片側の表面温度の温度差をなくすことができることを示唆している。

次に、本発明の熱伝導率測定方法を説明する。前記熱伝導率測定方法は、平板状で両面が平行平面を有する試験片２の熱伝導率を求める熱伝導率測定方法であって、前記試験片２を、前記試験片２の一方向側の面に密着可能な冷却熱板３と、前記試験片２の前記一方向側と反対側の他方向側の面の中央部域に密着可能な主熱板４と、及び、前記試験片２の他方向側の面の周縁部域に密着可能な保護兼逆流防止熱板６とで挟み、前記主熱板４の他方向側の面に平板状の断熱材５を接触させ、前記保護兼逆流防止熱板６の一方向側の面に、積層させた前記主熱板４及び前記断熱材５を嵌設する凹部３０を形成させて、前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６との温度差をなくす温度制御を行い、前記冷却熱板３の冷温を前記主熱板４の高温より低い温度となる制御を行い、前記試験片２の前記主熱板４側表面から前記冷却熱板３側表面への厚さ方向における熱流量を測定する。

そして、前記凹部３０の内周壁面３１と前記主熱板４の外周側面とは全周に亘り熱抵抗体７を介在させ、前記凹部３０の内周壁面３１と前記断熱材５の外周側面とは全周に亘り接触又は非接触の対向状態を形成させ、前記凹部３０の底面３２と前記断熱材５の他方向側の面と接触状態にさせ、前記主熱板４と前記保護兼逆流防止熱板６間を断熱状態にさせる。

また、前記温度差をなくす温度制御が、前記断熱材５の一方向側の面に前記主熱板４の他方向側の表面との接点４５を、前記断熱材５の他方向側の面に前記保護兼逆流防止熱板６の一方向側の表面との接点４５を設けた熱電対４１を複数直列に接続したサーモパイル４０により、前記温度差を前記直列させた熱電対４１の数の倍率にして温度制御を行う。

そして、前記保護兼逆流防止熱板６の一方向側の面であって前記試験片２と密着可能範囲に、前記主熱板の消費電力を変えて前記主熱板と前記保護兼逆流防止熱板の試験片側の表面温度の温度差をなくす材質からなる、熱伝導率の低いシート状の熱抵抗部材６０を貼設し、前記保護兼逆流防止熱板６から前記試験片２への熱移動を抑制している。

１ 熱伝導率測定装置
２ 試験片
３ 冷却熱板
４ 主熱板
５ 断熱材
６ 保護兼逆流防止熱板
７ 熱抵抗体
９ 温度制御手段
１０ 温度制御手段
１１ 温度制御手段
１２ 本体部
１３ 主熱板熱電対
１４ 冷却熱板熱電対
１５ ヒーター
１５ａ 電圧計測線
１５ｂ 給電線
１８ 配管
１９ 配管
２１ ヒーター
２２ 恒温水槽
２３ ポンプ
２５ ヒーター
２６ 恒温水槽
２７ ポンプ
２８ 氷
３０ 凹部
３１ 内周壁面
３２ 底面
３５ 切欠き部
４０ サーモパイル
４１ 熱電対
４４ 貫通孔
４５ 接点
５１ 温度測定手段
５２ 温度測定手段
６０ 熱抵抗部材

Claims (8)

1. 平板状で両面が平行平面を有する試験片の熱伝導率を求める熱伝導率測定装置であって、
   前記試験片の一方向側の面に密着可能な冷却熱板と、前記冷却熱板と平行に配設され、前記試験片の前記一方向側と反対側の他方向側の面の中央部域に密着可能な主熱板と、前記主熱板の他方向側の面と接触状態を形成する平板状の断熱材と、一方向側の周縁部域が前記試験片の他方向側の面の周縁部域に密着可能でかつ一方向側の中央部域が前記断熱材の他方向側の面と接触状態を形成する保護兼逆流防止熱板と、を備え、
   前記保護兼逆流防止熱板の一方向側の中央部域に前記主熱板及び前記断熱材を嵌設する凹部を形成し、
   前記試験片の前記主熱板側表面から前記冷却熱板側表面への厚さ方向における熱流量を測定可能とする温度測定手段を設けたことを特徴とする熱伝導率測定装置。
2. 前記凹部の内周壁面は前記主熱板及び前記断熱材を囲繞し、前記凹部の内周壁面と前記主熱板の外周側面との間に熱抵抗体を介在させ、前記凹部の内周壁面と前記断熱材の外周側面とは接触又は非接触の対向状態を形成し、前記凹部の底面は前記断熱材の他方向側の面と接触状態を形成させたことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導率測定装置。
3. 前記保護兼逆流防止熱板の大きさが、１辺の長さが０．０５ｍ以上～０．２ｍ未満の正方形又は直径が０．０５ｍ以上～０．２ｍ未満の円形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導率測定装置。
4. 加温手段を、前記冷却熱板、前記主熱板及び前記保護兼逆流防止熱板の３か所に限定して設けたことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の熱伝導率測定装置。
5. 前記保護兼逆流防止熱板の一方向側の面であって前記試験片と密着可能範囲に、熱伝導率の低いシート状の熱抵抗部材を貼設したことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の熱伝導率測定装置。
6. 前記冷却熱板、前記主熱板、前記断熱材、前記保護兼逆流防止熱板の前記一方向側から前記他方向側への配設順が、上方から下方に、下方から上方に、左方から右方に、又は、右方から左方のいずれかであることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の熱伝導率測定装置。
7. 平板状で両面が平行平面を有する試験片の熱伝導率を求める熱伝導率測定方法であって、
   前記試験片を、前記試験片の一方向側の面に密着可能な冷却熱板と、前記試験片の前記一方向側と反対側の他方向側の面の中央部域に密着可能な主熱板、及び、前記試験片の他方向側の面の周縁部域に密着可能な保護兼逆流防止熱板とで挟み、前記主熱板の他方向側の面に平板状の断熱材を接触させ、
   前記保護兼逆流防止熱板の一方向側の面に、積層させた前記主熱板及び前記断熱材を嵌設する凹部を形成させて、
   前記凹部の内周壁面と前記主熱板の外周側面とは全周に亘り熱抵抗体を介在させ、前記凹部の内周壁面と前記断熱材の外周側面とは全周に亘り接触又は非接触の対向状態を形成させ、前記凹部の底面と前記断熱材の他方向側の面と接触状態にさせ、前記主熱板と前記保護兼逆流防止熱板間を断熱状態にさせて、
   前記主熱板と前記保護兼逆流防止熱板との温度差をなくす温度制御を行い、
   前記冷却熱板の冷温を前記主熱板の高温より低い温度となる制御を行い、
   前記試験片の前記主熱板側表面から前記冷却熱板側表面への厚さ方向における熱流量を測定することを特徴とする熱伝導率測定方法。
8. 前記保護兼逆流防止熱板の一方向側の面であって前記試験片と密着可能範囲に、熱伝導率の低いシート状の熱抵抗部材を貼設し、前記保護兼逆流防止熱板から前記試験片への熱移動を抑制することを特徴とする請求項７に記載の熱伝導率測定方法。

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