JP4203893B2

JP4203893B2 - 熱流計式多点温度測定法による二次元異方性物質の主軸熱物性値測定方法およびその測定装置

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Publication number: JP4203893B2
Application number: JP2004023725A
Authority: JP
Inventors: 栄治根本
Original assignee: 栄治根本
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP2005214858A

Description

本発明は、二次元異方性物質の主軸熱物性である主軸熱伝導率、主軸熱拡散率、および主軸角測定方法およびその測定装置に関するものである。

二次元異方性物質の効率的、高精度の主軸熱物性値（主軸熱伝導率、主軸熱拡散率など）の分離測定法を確立することは重要である。

即ち、現状の技術では、二次元異方性物質の効率的，高精度の主軸熱物性値（主軸熱伝導率、主軸熱拡散率など）の分離測定を行うことは極めて困難である。

本発明は、二次元異方性物質の効率的，高精度の主軸熱物性値（主軸熱伝導率、主軸熱拡散率など）を測定する方法およびその装置を提供することを目的としている。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

点熱源プローブ２で被測定物体１の表面を加熱し、二次元の異方性熱伝導物質の主軸熱物性値をある特定の形状に分布させた多数点の非定常温度分布として、熱電対等の温度センサー４で測定し、二次元異方性熱伝導物質の主軸熱物性値を高精度で測定する主軸熱物性値測定方法であって、前記被測定物体１の表面上に前記温度センサー４の温度測定素子（熱電対などの温度センサーの測定温度素子）を、一方向に等間隔で３つ以上並べて１組としたものを前記点熱源プローブ２の放射方向に間隔をおいて３組以上配置し、各測定点の時間に関する温度変化から、熱伝導現象を表す熱伝導方程式をテーラー展開した偏微分方程式に関する近似式を構成し、表面上に配置した各温度測定点の温度変化を用いて、各測定軸方向の熱伝導率、および熱拡散率を実験値として算出し、これらの結果を用いて主軸熱拡散率、比熱、および主軸角を算出して測定することを特徴とする主軸熱物性値測定方法に係るものである。

また、細い棒状の熱伝導体12ａに抵抗細線12ｂを一定間隔で巻き付け、この抵抗細線12ｂに一定電流を通電させ、発生したジュール熱を棒状の細い熱伝導体12ａに蓄えた後、熱物性を測定すべき前記被測定物体１に一定圧力で点接触させるように前記点熱源プローブ２を構成し、この点熱源プローブ２を前記被測定物体１と一定圧力で接触させ、この被測定物体１の表面に放射状に熱を流し、二次元異方性物質を反映した温度勾配などの非定常温度変化を利用し、主軸熱物性値を測定することを特徴とする請求項１記載の主軸熱物性値測定方法に係るものである。

また、前記点熱源プローブ２とする加熱棒状ヒーター12に２カ所の温度測定点を設け、随時温度変化を測定し、被測定物体１に流入する総熱量Ｑを検出して、試料の熱伝導率などの熱物性値を高精度で測定することを特徴とする請求項２記載の主軸熱物性値測定方法に係るものである。

また、熱物性を測定するために、被測定物体１の表面の機密性を利用して、前記点熱源プローブ２、および前記温度センサー４の温度測定素子をホルダー５で隔離した後、その空間全体を真空に排気して対流等による熱損失を無くし熱物性値を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の主軸熱物性値測定方法に係るものである。

また、発熱体12ｂから発生する一定の熱量を生じ被測定物体１の表面を加熱するための点熱源である小さな面積を有する点熱源プローブ２と、前記点熱源プローブ２で前記被測定物体１の表面を加熱し、二次元の異方性熱伝導物質の主軸熱物性値をある特定の形状に分布させた多数点の非定常温度分布として測定するための前記熱電対等の温度センサー４とを備えて、二次元異方性熱伝導物質の主軸熱物性値を高精度で測定し得るように構成した主軸熱物性値測定装置であって、前記温度センサー４は、この温度測定素子（熱電対などの温度センサー４の測定温度素子）を一方向に等間隔で３つ以上並べて１組としたものを前記点熱源プローブ２の放射方向に間隔をおいて３組以上配置して測定するように構成し、各測定点の時間に関する温度変化から、熱伝導現象を表す熱伝導方程式をテーラー展開した偏微分方程式に関する近似式を構成し、表面上に配置した各温度測定点の温度変化を用いて、各測定軸方向の熱拡散率を実験値として算出し、これらの結果を用いて主軸熱拡散率、比熱、および主軸角を算出して測定するように構成したことを特徴とする主軸熱物性値測定装置に係るものである。

また、前記点熱源プローブ２を、細い棒状の熱伝導体12ａに抵抗細線12ｂを一定間隔で巻き付け、この抵抗細線12ｂに一定電流を通電させることで発生したジュール熱をこの棒状の細い熱伝導体12ａに蓄え、熱物性を測定すべき前記被測定物体１に前記ジュール熱を蓄えた熱伝導体12ａを一定圧力で接触させてこの被測定物体１の表面に放射状に熱を流し得るように構成し、この点熱源プローブ２によって前記被測定物体１の表面に放射状に熱を流して二次元異方性物質を反映した非定常温度勾配の変化を構成し、主軸熱物性値を測定するように構成したことを特徴とする請求項５記載の主軸熱物性値測定装置に係るものである。

また、前記熱伝導体12ａと前記抵抗細線12ｂとから成る加熱棒状ヒーター12に２カ所の温度測定点Ｂ，Ｃを設けた構成とし、前記温度測定点Ｂ，Ｃの温度を随時測定し、被測定物体１に流入する総熱流入量Ｑを検出して、熱物性値を高精度で測定するように構成したことを特徴とする請求項６記載の主軸熱物性値測定装置に係るものである。

また、前記熱物性値を測定するために、被測定物体１の表面を加工することなく測定するため、前記点熱源プローブ２の大気測定雰囲気の影響を極力減少させるため、前記点熱源プローブ２、および温度測定素子（熱電対などの温度センサー４の測定温度素子）を表面に密着性の良いホルダー５で隔離し、その部分を真空に排気した構成として、対流等による熱損失を無くし、熱物性を測定するように構成したことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の主軸熱物性値測定装置に係るものである。

本発明は上述のようにするから、二次元異方性物質の効率的，高精度の主軸熱物性値（主軸熱伝導率、主軸熱拡散率、及び比熱など）を測定することができる。

好適と考える本発明の実施形態（発明をどのように実施するか）を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

この発明による測定方法は、例えば、棒状で先端が微少な直径に加工した熱伝導体12ａとなる金属体12ａに発熱体12ｂであるニクロム線などの抵抗細線12ｂを均等に巻き付け一定電流を通電してヒーター12とした点状熱源２（点熱源プローブ２）を、二次元異方性物質である被測定物体１に接触させ、試料表面の一点の加熱点を中心として一様に熱を拡散させるため、熱は二次元異方性物質の特性を反映した形で拡散していくので、異方性特性を考慮した二次元的な測定試料の表面の非定常的な温度分布を測定することにより、二次元異方性物質の主軸熱伝導率、および主軸熱拡散率を測定できることとなる。

即ち、この発明によると、二次元異方性固体表面に直接設定した熱電対４により、ヒーター12に一定電流を加え、発生したジュール熱を微少面積の点熱源プローブ12から、測定試料の表面に熱を加え、測定試料の表面、および内部を熱が拡散していく状況を、例えば一方向に３点づつ等間隔に設置した熱電対４により熱伝導率、及び熱拡散率を測定し、その幾何学的関係を利用して、３方向の熱伝導率、および熱拡散率より主軸角の方向と、各主軸熱物性値である、二つの主軸熱伝導率、および二つの主軸熱拡散率を直接決定できることとなる。

従って、本発明は、二次元異方性物質の効率的，高精度の主軸熱物性値（主軸熱伝導率、主軸熱拡散率、及び比熱など）を測定することができる。

また、この発明に用いる装置について述べれば、前述のように、一定形状の前記熱伝導体12ａとなる棒状金属体12ａに電気抵抗細線12ｂを巻き付けたもので、一定電流を流すとジュール熱を発生しこの棒状金属体12ａが、点状の熱源２となり点接触した測定試料の表面に熱が流れていく熱流場を形成し、点熱源２から同一間隔で離れた３カ所の位置に、等角度（例えば３０度、４５度、６０度など）で９点の温度測定点を設け、これらの温度測定点の非定常温度変化を測定し、円柱座表系の熱伝導方程式に従って熱が流れていくので、この方程式を差分近似して、等間隔にある３方向の熱伝導率、および熱拡散率を測定し、これらの測定値から、主軸方向を算出し、最終的に、主軸熱伝導率、主軸熱拡散率、および主軸角を測定する構成となっている。

二次元異方性物質の表面上に設定された各温度測定点の温度測定は、点状熱源２による印可熱量が、試料に如何に吸収、拡散されるかを測定するものである。

この実験に当たっては、二次元異方性物質の熱のリーク損失を防ぐため試料全体、ヒーター12加熱部をホルダー５で覆い、温度が常に一定になるよう制御、保持しておく。

主軸熱物性測定においてより精度の高い測定を行う場合には、点状熱源２による固体表面にある９点の測定温度点温度をｍＫの高分解能温度で測定する必要がある。本装置は、この要求を十分に満たしており、二次元異方性熱伝導物質の主軸物性値を測定、算出する手段を備えた構成となっている。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、点熱源プローブ２で被測定物体１（試料１）の表面を加熱し、二次元の異方性熱伝導物質の主軸熱物性値をある特定の形状に分布させた多数点の非定常温度分布として、熱電対等の温度センサー４で測定し、二次元異方性熱伝導物質の主軸熱物性値（主軸熱伝導率、主軸熱拡散率）を高精度で測定できる主軸熱定数測定方法に係るものである。

先ず、本実施例に係る主軸熱定数測定方法に用いる測定装置、即ち、二次元熱物性測定部、測定装置および測定装置全体を、それぞれ図１〜図３に基づいて説明する。

図１は、その熱流計式多点温度測定法による二次元異方性物質の主軸熱定数測定装置の点熱源２、および９箇所の温度測定点（点４ａから４ｉのｒ_１，ｒ_２，ｒ_３の各位置に取り付け）の配置状況を示している。試料１の半径Ｄとし、熱電対４の取り付け位置は角度αとして、α＝４５度の場合を示しているが、α＝４５度の同一角上の異なる３軸、すなわち、０度、４５度、９０度における測定軸上の９点の温度変化を測定することにより、実測熱伝導率（下記式（１））と実測熱拡散率（下記式（５））を求めることにより、２種類の異なる主軸熱伝導率（下記式（２）、（３））、主軸熱拡散率（下記式（６）、（７））、および主軸角の位置φ_λ（下記式（４））を同時に測定できることを示している。

図２は、ヒーター・試料ホルダー部の詳細を示している。ヒーター12の抵抗細線12ｂに一定電流を加え、流入熱量Ｑを発生させ、点熱源２を試料１に接触させて熱を加える。流入熱量Ｑは、熱流計３の点Ｂ、および点Ｃの温度を測定し、既知であるヒーターの熱伝導率を用いて、フーリエの法則からＱを求める。試料１の表面部は、対流による熱損出を減少させるため、真空排気系６により排気し、主軸熱物性値の測定精度を高めることができる。

図３は、測定装置の全体概要図を示している。二次元異方性物質である試料１を試料設置台１０にのせ、ホルダー５で試料全体を覆った後、点熱源２を用いて試料１を局所的に加熱し、試料１表面に配置した９点の熱電対４の温度変化を、マルチ温度計11を使って測定し、これらの測定データをコンピュータ７に格納する。これらの温度測定値は、直ちに、コンピュータ７により二次元異方性熱伝導物質の主軸熱伝導率、主軸熱拡散率、比熱、および主軸角として瞬時に解析されＣＲＴ９上に表示される。

前記測定装置を用いて本実施例に係る主軸熱定数測定方法を行う。

即ち、二次元異方性物体の測定試料表面に設置した３組×３対の熱電対４の中央に、点熱源２のヒーター部にジュール熱を発生させ、点熱源３の熱を接触させ、熱を加えると、熱が拡散し、二次元異方性物質の特性を反映した温度分布を示すが、この温度の変化を測定して、二次元異方性物質の主軸熱伝導率と主軸熱拡散率が測定できることを理論的に明らかにする。

３対の熱電対４による一方向の熱伝導率は、熱電対４の点熱源２からの距離と測定温度差の式（１）で表すことができる。

ここで、Ｑ：点熱源から供給される熱量、ｈ_１：二次元異方性物質の試料厚さ、λ_ｉ：測定軸方向の実測熱伝導率、ｒ_１、ｒ_２：温度測定位置までの半径を表す。

式（１）で実験的に求められた０度、４５度、および９０度における熱伝導率は、二次元異方性の熱物性値を表しているので、次式より一つの主軸熱伝導率λ_ｐ１は、式（２）により算出される。

ここで、λ_ｐ１：一つの主軸熱伝導率、λ_１、λ_２、λ_３：各０度、４５度、９０度における熱拡散率の実測値を示す。

同様にλ_ｐ２は、次式（３）で算出される。

ここで、λ_ｐ２は他方の主軸熱伝導率を示す。

さらに、二次元異方性物質の主軸角φ_λは、式（４）により求められる。

ここで、φ_λは実験的に角度０度、４５度、９０度の実測熱伝導率λ_１、λ_２、λ_３によって決定される主軸角である。

一方、非定常状態の０度、４５度、および９０度の９点の温度を測定することにより、次式（５）を用いて、これらの各軸方向における熱拡散率を求めることができる。

ここで、Δｒ：ｒ_２−ｒ_１、もしくはｒ_３−ｒ_２で表される設置熱電対間距離、Δｔ：温度の実測時間間隔、κ_ｉ：測定軸方向の実測熱拡散率の測定値を示す。

これら０度、４５度、および９０度における熱拡散率の実測値により、次式（６）を用いて、一つの主軸熱拡散率κ_ｐ１を求めることができる。

ここで、κ_ｐ１：一つの主軸熱拡散率,κ_１、κ_２、κ_３：各０度、４５度、９０度における熱拡散率の実測値を表す。

同様に、もう一方の主軸熱拡散率κ_ｐ２を、次式（７）により、求めることができる。

ここで、λ_ｐ２は他方の主軸熱伝導率である。

さらに、試料の比熱は、これらの主軸熱伝導率、および主軸熱拡散率より、次式により算出できる。

ここで、ｃは比熱、ρは試料密度である。

上述した主軸熱伝導率の式（２）、（３）、及び主軸熱拡散率（６）、（７）、その主軸角の算出式（４）に従い、二次元異方性物質の主軸熱伝導率、主軸熱拡散率、および主軸角を測定する。

従って、本実施例は、二次元異方性固体表面に直接設定した熱電対４により、ヒーター12に一定電流を加え、発生したジュール熱を微少面積の点熱源２から、測定試料１の表面に熱を加え、測定試料１の表面、および内部を熱が拡散していく状況を、一方向に３点づつ等間隔に設置した熱電対４により熱伝導率、及び熱拡散率を測定し、その幾何学的関係を利用して、３方向の熱伝導率、および熱拡散率より主軸角の方向と、各主軸熱物性値である、二つの主軸熱伝導率、および二つの主軸熱拡散率を直接決定することができる。

尚、本発明は、実施例１に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。

二次元異方性物質の点熱源加熱点に対する測定温度点の配置状況の詳細を示す説明図である。二次元異方性物質における点熱源部・ホルダー部の概要を示す説明図である。二次元異方性物質の主軸熱伝導率、主軸熱拡散率、および主軸角測定装置の構成概要を示す説明図である。

符号の説明

１被測定物体
２点熱源プローブ
４温度センサー
５ホルダー
12 加熱棒状ヒーター
12ａ熱伝導体
12ｂ抵抗細線，発熱体
Ｑ総熱量
Ｂ温度測定点
Ｃ温度測定点

Claims

点熱源プローブで被測定物体の表面を加熱し、二次元の異方性熱伝導物質の主軸熱物性値をある特定の形状に分布させた多数点の非定常温度分布として、熱電対等の温度センサーで測定し、二次元異方性熱伝導物質の主軸熱物性値を高精度で測定する主軸熱物性値測定方法であって、前記被測定物体の表面上に前記温度センサーの温度測定素子（熱電対などの温度センサーの測定温度素子）を、一方向に等間隔で３つ以上並べて１組としたものを前記点熱源プローブの放射方向に間隔をおいて３組以上配置し、各測定点の時間に関する温度変化から、熱伝導現象を表す熱伝導方程式をテーラー展開した偏微分方程式に関する近似式を構成し、表面上に配置した各温度測定点の温度変化を用いて、各測定軸方向の熱伝導率、および熱拡散率を実験値として算出し、これらの結果を用いて主軸熱拡散率、比熱、および主軸角を算出して測定することを特徴とする主軸熱物性値測定方法。
細い棒状の熱伝導体に抵抗細線を一定間隔で巻き付け、この抵抗細線に一定電流を通電させ、発生したジュール熱を棒状の細い熱伝導体に蓄えた後、熱物性を測定すべき前記被測定物体に一定圧力で点接触させるように前記点熱源プローブを構成し、この点熱源プローブを前記被測定物体と一定圧力で接触させ、この被測定物体の表面に放射状に熱を流し、二次元異方性物質を反映した温度勾配などの非定常温度変化を利用し、主軸熱物性値を測定することを特徴とする請求項１記載の主軸熱物性値測定方法。
前記点熱源プローブとする加熱棒状ヒーターに２カ所の温度測定点を設け、随時温度変化を測定し、被測定物体に流入する総熱量を検出して、試料の熱伝導率などの熱物性値を高精度で測定することを特徴とする請求項２記載の主軸熱物性値測定方法。
熱物性を測定するために、被測定物体の表面の機密性を利用して、前記点熱源プローブ、および前記温度センサーの温度測定素子をホルダーで隔離した後、その空間全体を真空に排気して対流等による熱損失を無くし熱物性値を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の主軸熱物性値測定方法。
発熱体から発生する一定の熱量を生じ被測定物体の表面を加熱するための点熱源である小さな面積を有する点熱源プローブと、前記点熱源プローブで前記被測定物体の表面を加熱し、二次元の異方性熱伝導物質の主軸熱物性値をある特定の形状に分布させた多数点の非定常温度分布として測定するための前記熱電対等の温度センサーとを備えて、二次元異方性熱伝導物質の主軸熱物性値を高精度で測定し得るように構成した主軸熱物性値測定装置であって、前記温度センサーは、この温度測定素子（熱電対などの温度センサーの測定温度素子）を一方向に等間隔で３つ以上並べて１組としたものを前記点熱源プローブの放射方向に間隔をおいて３組以上配置して測定するように構成し、各測定点の時間に関する温度変化から、熱伝導現象を表す熱伝導方程式をテーラー展開した偏微分方程式に関する近似式を構成し、表面上に配置した各温度測定点の温度変化を用いて、各測定軸方向の熱拡散率を実験値として算出し、これらの結果を用いて主軸熱拡散率、比熱、および主軸角を算出して測定するように構成したことを特徴とする主軸熱物性値測定装置。
前記点熱源プローブを、細い棒状の熱伝導体に抵抗細線を一定間隔で巻き付け、この抵抗細線に一定電流を通電させることで発生したジュール熱をこの棒状の細い熱伝導体に蓄え、熱物性を測定すべき前記被測定物体に前記ジュール熱を蓄えた熱伝導体を一定圧力で接触させてこの被測定物体の表面に放射状に熱を流し得るように構成し、この点熱源プローブによって前記被測定物体の表面に放射状に熱を流して二次元異方性物質を反映した非定常温度勾配の変化を構成し、主軸熱物性値を測定するように構成したことを特徴とする請求項５記載の主軸熱物性値測定装置。
前記熱伝導体と前記抵抗細線とから成る加熱棒状ヒーターに２カ所の温度測定点を設けた構成とし、前記温度測定点の温度を随時測定し、被測定物体に流入する総熱流入量を検出して、熱物性値を高精度で測定するように構成したことを特徴とする請求項６記載の主軸熱物性値測定装置。
前記熱物性値を測定するために、被測定物体の表面を加工することなく測定するため、前記点熱源プローブの大気測定雰囲気の影響を極力減少させるため、前記点熱源プローブ、および温度測定素子（熱電対などの温度センサーの測定温度素子）を表面に密着性の良いホルダーで隔離し、その部分を真空に排気した構成として、対流等による熱損失を無くし、熱物性を測定するように構成したことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の主軸熱物性値測定装置。