JP2004061302A

JP2004061302A - 熱伝導率計測装置及びそれに用いる熱特性測定装置

Info

Publication number: JP2004061302A
Application number: JP2002220131A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Rokugo; 六郷　惠哲; Minoru Kunieda; 國枝　稔; Koichi Matsuda; 松田　孝一; Ban Roi Nguyen; グエン・バン・ロイ; Masaaki Ikeda; 池田　正昭
Original assignee: KANCHI SOGO GIJUTSU KENKYUSHO KK; Gifu University NUC; Morimatsu Research Institution Co Ltd
Current assignee: KANCHI SOGO GIJUTSU KENKYUSHO KK; Gifu University NUC; Morimatsu Research Institution Co Ltd
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】固体の試料の特別な加工を不要にすることができるとともに、試料の熱伝導率を容易に測定することができる熱伝導率測定装置を提供する。
【解決手段】外側鋼板１１の内側方に内側鋼板１３を配置して第１容器Ｋ１を構成する。外側鋼板１１の外周面に第１温度計１５を上下方向に三箇所に配設する。内側鋼板１３の外周に第２温度計１６を三箇所に配設する。外側鋼板１１と内側鋼板１３の間に形成された試料収容室２３に試料２４を収容する。外側鋼板１１の外側に形成した第２容器Ｋ２の熱源収容室２７に熱源としての温湯を収容する。第１温度計１５及び第２温度計１６の測定データを熱伝導率演算装置に入力して、その温度勾配から熱伝導率を演算する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種材料の熱伝導率を容易に計測することができる熱伝導率計測装置及びそれに用いる熱特性測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンクリート、金属材料あるいは合成樹脂や合成ゴム等の熱伝導率を測定する方法として熱線加熱法が提案されている。この熱線加熱法は円筒試料の中心に細線を埋め込み、ステップ状に加熱したときの温度応答から熱伝導率を求める方法である。この場合、細線の温度応答は加熱時間の対数に対して直線となり、その勾配と発熱量から熱伝導率が算出される。この方法によれば熱伝導率が直接求められるのでよく用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の測定方法は、流体や断熱材にしばしば適用される。しかし、固体の試料に対して広い適用性があるが、試料に細線を埋め込むという加工をしなければならないという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、固体の試料の特別な加工を不要にすることができる熱伝導率計測装置及びそれに用いる熱特性測定装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、試料を収容する第１容器と、熱源を収容する第２容器と、前記第２容器内の熱源の温度を測定するための第１温度計と、前記第１容器内の試料の熱源と反対側の側面の温度を測定するための第２温度計と、前記第１温度計及び第２温度計の計測信号に基づいて熱伝導率を演算する熱伝導率演算装置とを備えたことを要旨とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記第１容器及び第２容器はそれぞれ筒状に形成され、第２容器は前記第１容器の外側方又は内側方に同心状に配設されていることを要旨とする。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記第１容器の底部には断熱板が敷設され、第１容器の上端開口部には断熱材よりなる蓋板が係合されていることを要旨とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記第１温度計及び第２温度計は、上下方向に複数箇所に設けられていることを要旨とする。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか一項において、前記第１容器及び第２容器は、ともに円筒状に形成されていることを要旨とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記第１容器は試料の外側壁面及び内側壁面を挟むように鋼板、樹脂あるいはゴム等の板材により形成され、前記第１温度計及び第２温度計は両板材の近傍にそれぞれ配置されていることを要旨とする。
【００１０】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱伝導率計測装置に用いる熱特性測定装置において、試料を収容する第１容器と、熱源を収容する第２容器と、前記第２容器内の熱源の温度を測定するための第１温度計と、前記第１容器内の試料の熱源と反対側の側面の温度を測定するための第２温度計とを備えたことを要旨とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した熱伝導率計測装置の一実施形態を図１〜図６に従って説明する。
【００１２】
図１に示すようにステンレススチール（鋼板）よりなる外側鋼板１１は有底円筒状に形成されている。前記外側鋼板１１の底部には発泡スチロール製の断熱板１２が水平に配設されている。前記外側鋼板１１の内側方には、同じくステンレススチール（鋼板）製の円筒状をなす内側鋼板１３が外側鋼板１１と同心状に配設されている。この実施形態では前記外側鋼板１１と内側鋼板１３により第１容器Ｋ１が構成されている。
【００１３】
前記外側鋼板１１の上端開口部には発泡スチロール製の蓋板１４が嵌合されている。前記外側鋼板１１の外周面には、上下方向に所定間隔をおいて複数（この実施形態では三箇所）に第１温度計１５が配設されている。前記内側鋼板１３の外周壁面には前記第１温度計１５と対応するように、複数（この実施形態では三箇所）の第２温度計１６が配設されている。
【００１４】
前記内側鋼板１３の内部空間２１の内周面には断熱材よりなる保護層２２が全周に亘って装着され、第２温度計１６が大気温度の影響を受けないように遮蔽している。
【００１５】
外側鋼板１１と内側鋼板１３との間には被測定材料（試料２４）を収容する厚肉円筒状の試料収容室２３が形成され、この試料収容室２３に熱伝導率を計測しようとする例えばコンクリート、軽量ポーラスコンクリート、砕石ポーラスコンクリート或いはゴムチップコンクリート等の試料２４を収容するようになっている。外側鋼板１１と内側鋼板１３によって試料２４の外側壁面及び内側壁面が挟まれるようになっている。
【００１６】
前記外側鋼板１１の外側方には有底円筒状の貯水壁２６が配設されている。この実施形態では前記外側鋼板１１と貯水壁２６により熱源を収容するための第２容器Ｋ２が構成されている。この第２容器Ｋ２の内部に形成された熱源収容室２７に例えば熱源として温湯２８が収容されるようになっている。
【００１７】
前記熱源収容室２７内には温湯２８の温度をほぼ一定に保持するための加熱手段としての電気ヒータ２９が配設されている。
前記第１温度計１５及び第２温度計１６には測定された温度データに基づいて、熱伝導率を解析演算するための熱伝導率演算装置３０が接続されている。この熱伝導率演算装置３０はコンピュータを備え、ニ次元の非定常熱伝導解析を行うように構成されている。
【００１８】
前記外側鋼板１１の直径寸法は図１に示すように２８０ｍｍに設定されている。前記内側鋼板１３の直径寸法は１００ｍｍ、高さ寸法は２５０ｍｍに設定されている。外側鋼板１１及び内側鋼板１３の肉厚寸法はそれぞれ２ｍｍに設定されている。前記断熱板１２及び蓋板１４の厚さ寸法はそれぞれ５０ｍｍに設定されている。さらに、三箇所に配置した第１温度計１５は前記外側鋼板１１の上端縁から２５ｍｍ、７５ｍｍ、７５ｍｍ、２５ｍｍの間隔で配設されている。第２温度計１６も第１温度計１５と同様の間隔で配設されている。
【００１９】
前記のように構成した熱伝導率計測装置を用いて、各種材料の熱特性を測定し、この熱特性に基づいて熱伝導率を算定する方法を説明する。
最初に、前記試料収容室２３に肉厚円筒状に形成した試料２４を収容する。次に、第２容器Ｋ２の内部に形成された熱源収容室２７に３４℃に加熱された熱源としての温湯２８を注入する。この温湯２８の温度がほぼ３４℃になるように熱源収容室２７内に配設された電気ヒータ２９が第１温度計１５からの検出温度に基づいて制御される。その後、外側鋼板１１の上端開口部を蓋板１４によって閉鎖し、第１温度計１５及び第２温度計１６によって、温湯２８の温度、外側鋼板１１及び内側鋼板１３の温度をそれぞれ計測する。
【００２０】
以上の計測作業によって得られた結果を図３〜図５に示す。
図３は横軸に時間、縦軸に温度をとり、（イ）水温の変化と、試料２４が（ロ）普通コンクリート、（ハ）砕石ポーラスコンクリート、（ニ）ゴムチップコンクリート、（ホ）軽量ポーラスコンクリートの第２温度計１６による計測結果を示す。又、図４は砕石ポーラスコンクリートに関する時間と温度の実測と解析結果を示す。図５は軽量ポーラスコンクリートに関する時間と温度の実測と解析結果を示す。
【００２１】
図６は本発明の測定装置以外の測定方法で計測された普通コンクリート、砕石ポーラスコンクリート、軽量ポーラスコンクリート、ゴムチップコンクリート及び鋼板の熱伝導率（ｋｃａｌ／ｍｍｓ℃）、密度（ｇ／ｍｍ^３）及び比熱（ｋｃａｌ／ｇ℃）のデータを示す。このデータから明らかなように断熱効果が普通コンクリート、砕石ポーラスコンクリート、軽量ポーラスコンクリートの順序に優れている。
【００２２】
砕石コンクリートに関する図４のグラフにおいて、（イ）は実際の水温を示し、（ロ）は外側鋼板１１の第１温度計１５による実際の温度変化を示すグラフである。又、（ハ）は図６に示す砕石コンクリートの熱伝導率、密度及び比熱等の三つのデータに基づいて熱伝導率演算装置３０により二次元の非定常熱伝導解析を行った結果を表すグラフである。（ロ）外側鋼板１１の温度変化のグラフと、（ハ）解析外側鋼板の温度変化のグラフとは、ほぼ一致することが判った。
【００２３】
又、（ニ）は内側鋼板１３の第２温度計１６による実際の温度変化を示すグラフである。（ホ）は図６に示す砕石ポーラスコンクリートの熱伝導率、密度及び比熱等の三つのデータに基づいて熱伝導率演算装置３０によりニ次元の非定常熱伝導解析を行った結果を表すグラフである。（ニ）内側鋼板１３の温度変化のグラフと、（ホ）解析内側鋼板の温度変化のグラフとが、ほぼ一致することも判った。
【００２４】
軽量ポーラスコンクリートに関する図５のグラフにおいて、（イ）は実際の水温を示し、（ロ）は外側鋼板１１の第１温度計１５による実際の温度変化を示すグラフである。又、（ハ）は図６に示す軽量ポーラスコンクリートの熱伝導率、密度及び比熱等の三つのデータに基づいて熱伝導率演算装置３０により二次元の非定常熱伝導解析を行った結果を表すグラフである。（ロ）外側鋼板１１の温度変化のグラフと、（ハ）解析外側鋼板の温度変化のグラフとは、ほぼ一致することが判った。
【００２５】
又、（ニ）は内側鋼板１３の第２温度計１６による実際の温度変化を示すグラフである。（ホ）は図６に示す軽量ポーラスコンクリートの熱伝導率、密度及び比熱等の三つのデータに基づいて熱伝導率演算装置３０によりニ次元の非定常熱伝導解析を行った結果を表すグラフである。（ニ）内側鋼板１３の温度変化のグラフと、（ホ）解析内側鋼板の温度変化のグラフとが、ほぼ一致することも判った。
【００２６】
図４と図５を比較した場合には、軽量ポーラスコンクリートの外側鋼板１１の温度曲線が、砕石ポーラスコンクリートの温度曲線よりも緩やかである。このため、軽量ポーラスコンクリートの断熱特性が砕石ポーラスコンクリートの断熱特性よりも優れていることが判る。このことから、ポーラスコンクリートの熱特性は空隙の量よりもむしろ使用骨材の特性に依存していると考えられる。
【００２７】
上記実施形態の熱伝導率計測装置によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）上記実施形態では、外側鋼板１１と内側鋼板１３の間に試料２４の試料収容室２３を設け、外側鋼板１１の外周面に第１温度計１５を配設し、内側鋼板１３の外周面に第２温度計１６を配設した。又、外側鋼板１１及び貯水壁２６を同心状に配設し、第２容器Ｋ２の内部に熱源収容室２７を設けた。さらに、第１温度計１５及び第２温度計１６からの測定温度データを熱伝導率演算装置３０に入力して熱伝導率を演算するようにした。このため、試料２４の熱伝導率を容易に測定することができる。又、試料２４の加工作業も肉厚円筒状に成形するのみで済むため、加工が容易である。
【００２８】
（２）上記実施形態では、外側鋼板１１及び内側鋼板１３を同心円筒状に配置した。このため、温湯２８からの熱の試料２４への伝達が放射方向に均一に行われ、試料収容室２３内の試料２４の温度勾配がどの部位も均一になる。従って、第１温度計１５及び第２温度計１６の配置位置を円周方向のどの部位においても適正に配置することができ、温度勾配を精度良く測定することができる。
【００２９】
（３）上記実施形態では、第１温度計１５及び第２温度計１６を上下方向に複数段に設けたので、これらの平均値を基に熱伝導率を演算し、測定誤差を抑制することができる。
【００３０】
（４）上記実施形態では、内側鋼板１３の内周に断熱材よりなる保護層２２を設けたので、第２温度計１６の測定温度が外部環境の影響を受けず、温度の測定精度を向上することができる。
【００３１】
（５）上記実施形態では、外側鋼板１１及び内側鋼板１３を共に鋼板により構成したので、鋼板の間に例えばポーラスコンクリートを充填した貯水槽の側壁構造材料の熱伝導率を直接的に測定することができる。
【００３２】
（６）上記実施形態では、図３において、例えば４００００ｓｅｃで内側鋼板１３の第２温度計１６の検出温度が水温（例えば３４℃）になるように貯水タンクの側壁構造材料の厚さ寸法を設定する際に、その設定作業を測定データに基づいて容易に行うことができる。すなわち、測定装置の試料２４の厚さ寸法は前述したように例えば９０ｍｍに設定されている。この条件の測定データが図３に示すものであるとすると、２００００ｓｅｃから４００００ｓｅｃにしたい場合には、試料２４の厚さ寸法は９０ｍｍ×２＝１８０ｍｍに設定すればよいことになる。
【００３３】
（７）上記実施形態では、図６に示す各種の試料の熱伝導率と、実施形態の装置により計測した熱伝導率との相違が非常に小さく、測定精度が高いことが判った。従って、これらのデータを多数収集しておき、このデータに基づいて側壁構造材の種類及び厚さ寸法の最適な設計を行うことができる。
【００３４】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○　外側鋼板１１、内側鋼板１３及び貯水壁２６の形状を、三角筒状、四角筒状、五画筒状あるいはそれ以上の多角筒状に形成してもよい。
【００３５】
○　第１温度計１５及び第２温度計１６をそれぞれ１，２個又は４個以上配設してもよい。
○　内側鋼板１３を第２容器とし、第２温度計１６の位置に第１温度計１５を配設し、第１温度計１５の位置に第２温度計１６を配置してもよい。
【００３６】
○　外側鋼板１１及び内側鋼板１３の材料を鋼板に代えて、銅、鉄等の金属板材、あるいは合成樹脂やゴム、セラミック等の板材により形成してもよい。
○　前記第２容器Ｋ２の熱源収容室２７に湯を入れないで、電気ヒータ２９のみを収容するようにしてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発明は、固体の試料の特別な加工を不要にすることができるとともに、試料の熱伝導率を容易に測定することができる。
【００３８】
請求項７に記載の発明は、熱伝導率を演算する温度データを容易に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の熱伝導率測定装置を示す略体斜視図。
【図２】熱伝導率測定装置の部分拡大断面図。
【図３】各種の試料の時間と温度との関係を示すグラフ。
【図４】砕石ポーラスコンクリートの時間と温度との関係を示すグラフ。
【図５】軽量ポーラスコンクリートの時間と温度との関係を示すグラフ。
【図６】各種材料の熱伝導率、密度及び比熱を示す表。
【符号の説明】
Ｋ１…第１容器、Ｋ２…第２容器、１２…断熱板、１４…蓋板、１５…第１温度計、１６…第２温度計、２４…試料、３０…熱伝導率演算装置。

Claims

試料を収容する第１容器と、
熱源を収容する第２容器と、
前記第２容器内の熱源の温度を測定するための第１温度計と、
前記第１容器内の試料の熱源と反対側の側面の温度を測定するための第２温度計と、
前記第１温度計及び第２温度計の計測信号に基づいて熱伝導率を演算する熱伝導率演算装置と
を備えた熱伝導率計測装置。
請求項１において、前記第１容器及び第２容器はそれぞれ筒状に形成され、第２容器は前記第１容器の外側方又は内側方に同心状に配設されている熱伝導率計測装置。
請求項２において、前記第１容器の底部には断熱板が敷設され、第１容器の上端開口部には断熱材よりなる蓋板が係合されている熱伝導率計測装置。
請求項１〜３のいずれか一項において、前記第１温度計及び第２温度計は、上下方向に複数箇所に設けられている熱伝導率計測装置。
請求項２〜４のいずれか一項において、前記第１容器及び第２容器は、ともに円筒状に形成されている熱伝導率計測装置。
請求項１〜５のいずれか一項において、前記第１容器は試料の外側壁面及び内側壁面を挟むように板材により形成され、前記第１温度計及び第２温度計は両板材の近傍にそれぞれ配置されている熱伝導率計測装置。
試料を収容する第１容器と、
熱源を収容する第２容器と、
前記第２容器内の熱源の温度を測定するための第１温度計と、
前記第１容器内の試料の熱源と反対側の側面の温度を測定するための第２温度計と
を備えた請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱伝導率計測装置に用いる熱特性測定装置。