DAIKOKU Masatoshi

TERAI Takao

大黒 正敏

寺井 孝男

English

大黒, 正敏

2389

ダイコク, マサトシ

DAIKOKU, Masatoshi

寺井, 孝男

5974

テライ, タカオ

TERAI, Takao

Hachinohe Institute of Technology Repository / 八戸工業大学学術リポジトリ

連続昇温過程における熱物性値の測定大 黒 正 敏*。寺 井 孝 男キ*Ⅳ【easurement of′rhermophySical Propertiesin Continuous]Heating Processh/1asatoshi DAIKOKU*and Takao TERAI半半AbstractUnsteady heat aux method is applied to deterHline thermophysical prOperties in continuousheating prOcess  Erective thermal conductivity and diffusivity of packed bed layer are mea―sured respectively for Fine particles of cenulose and P]ヽ′I卜IA M/hich are standard materials forname spread tests_  It is found that the thermophysical prOperties of ce■ulose increase 、アithtemperature and once decrease due to the pyrolysis and the thermophysical properties of PⅢI]IヽAcontinuously increase M/ith the increase of temperature_′て9′rttο′trS i thermophysical properties,thermal conductivity,thermal dittusivity,ce■ulose,PWI′ヽIA,name spread1.緒 言物体の熱伝導率,熱拡散率等の熱物性値は,一般に温度依存性を持っており,物体を加熱・冷却する操作を効率よく行うために必要不可欠な情報である。また,新素材1)が次々に開発される現状では,正確な熱物性値情報の重要性は,増すばかりであるが,それらは販売戦略として公表されないことが多い。また,在来の物質に関しても,信頼できる実測値が不足している場合が少なくない。一方,建築材料関連研究においても,新素材の熱物性値が必要であることは言うまでもない。さらに,通常の建築材でも,パー ティクルボードのように表面と内部とで性状や空隙率等の特性が異なっていたりり,また,均質であつても,熱的に厚い (ビオ数 Bゲ>0.1)材料0では,内部に温度分布を持つようになる。このような平成9年10月15日受理半機械工学科・助教授神 機械工学科・技師補場合,材料の加熱,熱分解,着火等の過程を考慮して室内火災における複雑な燃え拡がり現象等を解析するには,各温度における熱物性値は当然のことながら,使用環境に応じた加熱条件,かつ広い温度範囲での熱物性値が必要となる。しかしながら,現状では,それらの条件を満足する実測値は意外なほど少ない。そこで,本研究では,室内火災における燃え拡がり現象等の解析に必要となる木質系材料の成分であるセルロース,火災に関する試験等の標準材料として,しばしば用いられるPMMA(Polymethylmethacrylate:通称 アクリル樹脂)伴ル文粒子層の昇温過程における熱物性値 (有効熱伝導率および有効熱拡散率)を周期加熱法によって求めることを試みた。2.測定 原 理 4光0本研究では,図1に示すような半径 うの円筒試料容器壁面 (γ=α)から,周期 らなる正弦波状の熱流束を試料に与える涙」定系を用いる。試―- 47 -一八戸工業大学紀要 第17巻しければ,物体中の温度分布,等温線,熱流束等が相似になることを意味している。位相遅れ,無次元温度振幅はKelvin関数を用いて,次のように表される。+ +φ十b図1 測定原理料内 (α≦γ≦b)の熱伝導方程式および初期条件,境界条件は以下で与えられる。手=/隠多+与誹〕 ⑪初期条件 ;θ=O at α≦γ≦♭     (2)境界条件 ;一1子=御∞s〔署〕at,=´らbrナ>00θ=O at γ=う, for チ>0  (4)時間がじゅうぶんに経過した後では,この熱伝導方程式の解 θは,温度波の位相遅れ φ,無次元温度振幅7,無次元時間『 (=/tル2)を用いれば,次の式で表される。θ==η cos〔|:帝争―φ〕          (5)η=午7   ③ここで ,島=チ   ⑦はフーリエ数と呼ばれる無次元数である。ぶたつの幾何学的に相似な物体に関して, これが等(8)7=[(Aber(sP)十Bbei(ξR十Ckei(Υ)+Dker(ξ賀))2+(-4ber(sP)十βber(ξ買)一Ckei(sP)十Dkei(ξR))2]05なお,A～Dは次式を満たす係数である。(9)berr(ξ) bei′(ξ)   ker(ξ) kei′(ξ)―bei′(ξ) ber′(ξ)一kei′(ξ) ker′(ξ)ber(Υ♪bd(ξR♪ keЦΥ♪kO(Υ♪一bei(ξPD)ber(駅ぅ)一kei(ξPb)ker(ξ島)(10)ただし,ξ=海  ⑪ここで,貿=〃α, Rぅ=うル.試料径 うがγに比べてじゅうぶん大きい場合,ker(SPb)=0,kei(ξRぅ)=0が近似的に成り立ち, 7およびφは以下のように簡略化される。tan_1⊥ei′⊆)ker(ξP)一ker′(ξ)kei(せ盟)ker′(ξ)ker(ξP)+keェア(ξ)kefに諏ア(12)7=ker2(せ訂ご)+kei2(ξP)(13)????φギ弩江k顛叡)十kd蜜引したがつて,任意の位置 γにおける温度波 θの位相遅れ φは,フー リエ数 Fοの関数となり,温度振幅 ηはフーリエ数,熱伝導率Яおよび熱流東 ぃの関数で与えられる。すなわち,温度波―- 48 -―（?，?????。連続昇温過程における熱物性値の測定 (大黒・寺井)を測定し,その位相遅れおよび温度振幅を求めれば,式(11),(12)からFοが定まり,式(7)から熱拡散率/を決定できる。また,同時に式(13)から無次元振幅が定まり,式(6)から熱伝導率スを決定できる。本研究においては,試料全体を連続的に加熱することによって広い温度範囲における熱物性値を迅速に測定するが, この場合でも,求めた温度波から周期的変動分を取り出せれば,本測定原理が適用できる。3.測定 装 置図2に試料容器を示す。ステンレス製円筒容器全体 (内径 40 mm×長さ104 mm)は電気炉で連続的に加熱,昇温される。一方,容器中心軸に沿ってニクロム線ヒーター,それと平行に,中心軸か らγ=5mmの位置 には, クロメルーアルメル熱電対を,高純度アルミナ管で絶縁して,それぞれ,周期力日熱,温度波の測定を行う。図3は測定装置系統図である。容器中心ヒーHoleHeαter←Thermo―coupleSheti'08AtuminαshecthCenter Hcater図3 実験装置系統図ターは直流電源に接続され,パー ソナルコンピューターによって正弦波状発熱量を得るよう電圧を制御する。また,試料容器が所定の昇温速度で加熱されるように,電気炉の電圧は,試料容器外壁に取 り付けた熱電対出力を読みとり,目標温度に達するように電圧を制御した。4.測定結果および考察4.1 反応性のない物質の熱物性値本測定法の妥当性を検証するために,試料として,昇温過程において反応をともなわない物質の粒子層における有効熱伝導率λθァ′,熱拡散率χヶ の測定を行った。図4にその一例として,ソー ダガラス (粒子径0,05 mm,密度2 460 kg/m3)を用い,昇温速×10-7???????????。?42300    350    400Tempe「ature O K図4 ガラス粒子層の有効熱拡散率―- 49 -―Logger襲一 ―o Measured――― Kuniヽ一smith's eq__艶堅瀬図2 円筒試料容器詳細0 450八戸工業大学紀要 第17巻度0.025K/sにて,有効熱拡散率 χ?デァを測定した結果を示す。図中の破線は,均―な粒子径 あの固体粒子 (熱伝導率Яs)および静止流体 (熱伝導率スF)からなる空隙率 ゼの粉粒体層について,その有効 熱伝 導率ズσデァを与 える国井_smith6らつの式等 ;1ば200     400     600800     1000     1200T tX!(1)有効熱伝導率200      400      600      800     1000     1200T[K〕(2)有効熱拡散率図5 セルロース充填層熱物性値の温度による変化(粒子径#200メッシュ以上,昇温速度005K/s)χOアノに関しては,特に500K付近から上昇しているが,これはセルロースの熱分解0開始に対応している。その後,熱物性値は減少する傾向を示し,700K付近から再ぴ増加する。これはセルロースの熱分解が終了したことにともなう黒色に炭化した物質の熱物性値を表している。本測定結果では,セルロースの熱物性値の充,員密度による影響はほとんどないことを示している。また,本研究での実験範囲,セルロースの粒子径 (#40～#200以上),昇温速度 (002～0.08K/s)による差異は,ほとんど認められなかった。4.3 PMMA充填層の熱物性値図6はPMMA微粒子充填層について,昇温速度0.05K/sの条件で,平均粒子径 10 μm(図中○),20 μm(△),60 μm(□)と変化させて,有効熱伝導率λヶ,(図6(1))および有効熱拡散?【???????〔??﹇?〕?。?ギ:|=[1+望窃∵生]ゼ十1-ち十立鋳¥生+(14)/?ァ=            (15)から求めた推算値である。ここで,力否,力pは,それぞれ,固体粒子表面間のぶく射熱伝達率,空隙間のふく射熱伝達率を示す。ソーダガラス粒子層の有効熱拡散率の実測値は,本研究においていずれの粒子径,昇温速度の条件でも実測値と良好に一致しており,本測定法の妥当性が確認された。4.2 セルロース充填層の熱物性値粒子層における有効熱伝導率等は,一般に粒子径,充填密度 (見かけの密度)ραク/,等に依存する。さらに,セルロースのように熱分解等の反応をともなう系では,反応熱による試料内の温度分布変化が,熱物性値の測定にも影響すると考えられる。本研究では,昇温速度を制御し,反応熱の影響による誤差を小さくするために,試料内の温度分布が可能な限 リー 様になるように周期力日熱ヒーター電圧を決定した。セルロース充填層 (粒子径#200メッシュ以上)の熱物性値の温度による変化の測定結果を昇温速度0.05K/sについて求めた結果を図5に示す。図5(1)は有効熱伝導率′で,ァ,(2)は有効熱拡散率χヶ である。図中○は,充填密度ρα,,=374 kg/m3,△は,ρσ,っ=492 kg/m3の場合であるが,いずれの場合も熱物性値は温度とともに増加し,約600K付近をピークにいったん減少することがわかる。．???????―- 50 -―papp―   ρュppβdP ρュpp連続昇温過程における熱物性値の測定 (大黒・寺井)?????。?300 500T IK]600(1)有効熱伝導率の空気や粒子の流動によって,測定値が変動しやすくなるためと考えられる。熱拡散率 /っァプは,温度範囲全域を通して増加傾向をもつことがわかる。常温から450K程度までは,粒子径によらず /。デァは,ほぼ同じ値を示すが,以後600K程度までは粒子径による差異が見受けられるが,これは,同じ昇温速度でも,粒子径によってPMMA粒子の軟化溶融速度に差異があるためと考えられる。5。 結  言本研究では,室内火災における燃え拡がり現象等の解析に重要なセルロース,PMMA微粒子層の昇温過程における有効熱伝導率,有効熱拡散率を周期加熱法によって求めることを試みた。(1)ガラス粒子層の熱物性値を測定し,国井―Smithの式との比較から,本測定法の妥当性を確認した。(2)室内火災試験の標準材料であるセルロース粒子層の有効熱伝導率,有効熱拡散率を,反応をともなう連続昇温過程において測定し,それらの温度依存性を検証した。(3)同様に標準材料であるPMMA粒子層の有効熱伝導率,有効熱拡散率を測定し,それらの温度依存性を検証するとともに,粒子径の影響等も検討した。謝   辞本研究を遂行するにあたり,本学の平成8年度国内研究員として御指導を賜りました東北大学大学院工学研究科化学工学専攻三浦隆利教授に深甚なる謝意を表します。また,本研究の一部は本学の平成8年度特別助成 (特定研究)によるものであり,関係各位に謝意を表す。実験遂行には,東北大学工学部化学工学科丹野庄二助手,三沢高等技術専門校 (当時)蒔苗勇成氏0011ば700翌lσ'lσ3300       400        500       600        700T[K](2)有効熱拡散率図6 PMMA充填層熱物性値の温度による変化(昇温速度005K/s)率/ヶ (図6(2))を求めた結果である。PMMA単体 は,373～78K程度で熱変形し,それ以後,374～399Kがガラス転移温度9とされている。そのガラス転移温度まで熱伝導率は温度とともに上昇し,それ以後減少するとされている資料がある一方で,熱伝導率 えは,0.21～076W/(moK)の範囲の値9をとり,その測定法が不明という報告もあり,不確かな場合も多い。本研究のようなPMMA微粒子充填層の場合でも,有効熱伝導率メ?ァ は,温度とともに増加する傾向があることがわかる。テ¢ァは,ガラス転移温度を越えても増加を続け,470～500Kで,ほぼ一定値の0.2W/(m・K)となる。その後,再度λθァデは増加傾向を示すが,温度上昇とともに測定値のバラツキも大きくなる。これは,昇温過程において,PMMA粒子層にワレ等を生じ,空隙部分が多くなり,そのため試料容器内-51-dp  papptD八戸工業大学紀要 第17巻の御助力のもとに平成7年度卒研生遠藤幸―,遠藤貴志,苫米地文亮,平成8年度卒研生篠崎悦宏,桃野 徹,横山良樹各君の多大なる協力を得た。ここに深く感謝する。引 用 文 献1)蒔苗ら,第13回日本熱物性シンポジウム講演論文集,(1992),pp 150-1522)Daikoku,ふ′I,9チα′.,」_Fire Sciences,V0112,(1994 Sept/Oct),pp_242-4413)田中打孝義,建築火災安全工学入門,(1993),p225,日本建築センター.4)日本機械学会編,熱物性値測定法,(1991),p_262,養賢堂.5) Daikoku,卜I, 9サ α′ Proc of the 3rd AsianThermophysical  Properties  Conference,(1992),pp 622-627_6)国井大蔵,熱的単位操作 (上),(1978),p_140,丸善.7)日本熱物性学会編,熱物性ハ ン ドブック,(1990),p■71,養賢堂.8)松重・船津,高分子の熱物性,(1995),p.18,共立出版.9)文献 7),p.272―- 52 -―

Measurement of Thermophysical Properties in Continuous Heating Process

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連続昇温過程における熱物性値の測定

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