第１回生活環境懇話会 07.6/2

触ってみたら何が分かる？
z 山形大学大学院

Yamagata University

理工学研究科
機械システム工学専攻
高橋一郎

内 容
●
●zzzzzz

冷たさを感じるのはどっち？
新開発・固体熱物性テスター
温度応答例と測定理論
熱物性計測を製造現場で応用する複合材の熱物性評価研究会
高分子樹脂射出成形品の品質検査
新素材の熱伝導率測定
プラスチック資源ごみの分別
金属材料の劣化・寿命診断

Yamagata University

●

冷たさを感じるのはどっち？
基本コンセプト

非金属

金属

熱移動大

冷たいと感じる

熱移動少

金属よりは冷たくない

手に感じる冷たさの違い ⇒ 温度プローブを点接触させたときの温度応答を分析 ⇒ 理論温度応答との比較によって熱３定数を同時測定

Yamagata University●●

二つの半無限物体が接触した直後の温度分布
接触界面温度Tcは時間変化しない

2

1Ts0
ρ1，c１，λ１

ρ2，c2，λ2

Tc
Tp0Yamagata University

大きな温度変化が観測される位置

●

新開発・固体熱物性テスター
Ａ４サイズ収納Probe-holder
with TC probe
Testing sample

測定理論：点接触式温度プローブによる熱3定数の測定法

Yamagata University

●Sample

Heating mode
Yamagata University

Measuring modeDimensionless temperature

●

1

熱伝導率
W/（m・K）
230
アルミニウム73.1＊ アームコ鉄
16.0
× JIS-SUS304
リファセラムＺR１ 2.95
1.39
石英ガラス
0.16
塩化ビニル

0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0-1012345678

91011

Elapsed time, sec
無次元温度＝

Yamagata University

プローブ温度ープローブ初期温度
試料初期温度ープローブ初期温度

●

点接触状態(半球状温度伝播モデル)

測定理論r0 r0Heat flowrProbeSample
Fig.1 Thermal contact model

支配方程式
 ∂ 2T p∂ Tp
2 ∂ Tp ,= ap + ∂ r2rr∂t∂
初期条件：T p (r0 , 0 ) = T p 0 ,T p (∞, t ) = T p0 ,

 ∂ 2Ts 2 ∂ Ts ∂ Ts
= as +2rrr∂t∂∂T s (r0 ,0 ) = T s 0

T s (∞ , t ) = T s 0
∂ Tp
∂ Ts
= − λsT p (r0 , t ) = T s (r0 , t ), λ p∂ tr r = r 0∂ tr r = r 0
Tp − Tp 0*T=
無次元温度： pTs 0 − p p 0

境界条件：

プローブ側理論温度応答解 2 C2 1 β 
ζ −β C *erfc( X )erfc
exp X −T p = +()()+−11tη  β + 1 
ηβ
η
t





熱伝導率、熱浸透率、比熱容量が測定可能

Yamagata Universityη =(β + 1)(η − 1) t , b = 2 Cr − r0r1
C, C = 1, X =+r0
2 C (ζ + 1)
πt
ap

熱伝導率比

ＥＸＣＥＬのマクロ利用で自動処理Aη
β=1 − Aη

熱浸透率比
Bb

ζ = (β + 1)2  A − η (η − 1) + β

熱伝導率 λs =β⋅λp
熱浸透率 ξs =ζ ⋅ξp

熱拡散率と比熱容量λ as =  s  ξs 2

ξs2(ρC)s =λs

Yamagata University

C＜＜ 1tT p* ≅

開始5秒以上で 12C  ββ
ζ −β−−η (β + 1)
π η (β + 1) (β + 1)η (η − 1)  t

Tp* = A − B t

この時間帯における実測温度応答からＴｐ＊の係数AとBを決定する。
プローブの実測温度応答曲線と理論温度応答曲線とをカーブフィッティ
ング ⇒ η と ｂ を決定する。
（この両者は接触半径の関数）

温度応答 Tp*ー1/√t 関係

熱伝導率による

Dimensionless temperature Tp*

熱浸透率と熱伝導率による
0.8AluminumJIS SUS304
Fused Quartz

0.60.4
0.2
00.5

11.5
2-1/2-1/2
Elapsed time t , s

Yamagata University

●

熱物性計測を製造現場で応用する
熱物性情報・・・ 熱伝導率λ熱拡散率 a
熱浸透率ξ
比熱容量 c
ピュアな材料

計測技術と評価技術

真の値？
製造現場の材料相対的な違い？

品質検査技術劣化・寿命診断技術
分別・同定技術

Yamagata University

●

複合材の熱物性評価研究会［提供：秋田大学 山田教授］

アクリル樹脂SiO2Al2O3

熱伝導率 W/mK

0.21

6.21

36.0

密度 kg/m3

1190

2600

3880

直径 100 mm

厚さ 5 mm

試料：円板状

粒子径 10〜25μｍ
Yamagata University熱伝導率，λ[W/mK]

1.2○本測定値(固体熱物性テスター)△山田らによる測定値(周期加熱法)

1SiO2混入アクリル樹脂の熱伝導率

0.80.6Frickeの式

0.40.200102030シリカの混合割合，Φ[vol%]40501.4

熱伝導率，λ[W/mK]

1.2○本測定値(固体熱物性テスター)△山田らによる測定値(周期加熱法)

10.80.6

Al2O３混入アクリル樹脂 0.40.2の熱伝導率
0Frickeの式
0Yamagata University

102030アルミナの混合割合，Φ[vol%]4050

SiO22混入アクリル樹脂 熱伝導率の面内分布1.5熱伝導率[W/mK]

熱伝導率[W/mK]

1.5

10.50

10.50-5-4-3-2 -10123
径方向の測定位置[mm]［cm］

試料 Φ=10 vol%Yamagata University

45-5-4-3-2-1012
径方向の測定位置[mm]［cm］

3

試料 Φ=40 vol%45221.51.5

熱伝導率〔W/mK〕

熱伝導率〔W/mK〕

Al22O３３混入アクリル樹脂 熱伝導率の面内分布10.50-50

10.50-40-30-20 -1001020
径方向の測定位置〔mm〕

30

試料Φ=10 vol%Yamagata University

4050-50-40-30-20-100

102030径方向の測定位置〔mm〕

試料Φ=30 vol%

4050

●y

熱伝導率
W/(m･K)

x01050

提供：世紀（株）

ゲート位置

1070

ポリプロピレン 厚さ1.5mm
成形条件： 453K, 10MPa
Yamagata University

302020101000-10-10-20-200.199
0.194
0.192
0.190
0.188
0.1860.1800.1750.1720.170

●

ＣＮＴが面内方向に積層

ポリカーボネイトにＣＮＴを混入しホットプレス法で作成

直径40mm
厚さ 5mmYamagata University

10µm
SEM at Plasma Etched Surface
提供：高橋辰宏助教授

分散系複合材の熱伝導率測定結果
固体熱物性テスター レーザーフラッシュ法
λ⊥(W/m･K)
λe(W/m･K)

試料

体積比％

ポリマー
ＣＮＴ入り

7030

21.1

3.25

ポリマー

7030

1.51

1.26

70
151514.2

2.89

銅粉末（粒径10μm）

ポリマー
ＣＮＴ＋銅粉末（粒径10μm）(λe = λ⊥ ⋅ λll)

12 3

ＣＮＴ入り試料：λｌｌ＝53 W/m･K
ＣＮＴ＋銅粉末試料：λｌｌ＝31W/m･K

Yamagata University●

プラスチック資源ごみの分別似たものグループ分け
Yamagata University

測定結果グラフ

熱伝導率[W/mK]

1.41.210.8
PE 0.46〜0.56[W/ｍＫ]

0.60.40.20

PC 0.19[W/mK]

Ａ Ｂ

ABS 0.2[W/mK]

Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ

Ｇ Ｈ Ｉ

Ｊ Ｋ Ｌ

ＭＮＰ

Ｏ Ｒ Ｓ

1
見た目でグループ分けした 材料の名前
Yamagata University

ゴム製？

Ｑ

●

プラスチックの熱物性

エンジニアリングプラスチックの熱物性(室温）による分別
エンジニアリングプラスチック
熱伝導率[W/mK] 熱浸透率[kJ/m^2s^0.5K]
結晶性 ポリエチレンテレフタレート（PET)
0.08〜0.17
0.389〜0.567
ポリアセタール樹脂（POM)
0.230.69
ポリフェレンサルファイド（PPS)
0.29〜0.41
0.676〜0.698
非結晶性 ポリカーボネート（PC)0.190.21
塩化ビニル樹脂（PVC）
0.15〜0.21
0.463〜0.628
エポキシ樹脂0.2〜0.21アクリル樹脂（PMMA)
0.210.61
ABS樹脂
0.21〜0.22
ポリエチレン(PE)0.46〜0.56
0.904〜1.013
Yamagata University●

金属材料の劣化診断技術
表面層の熱物性変化

Grain boundary

CrackCasehardening
layer
Backing

Crack

Stress0.1㎜

Sectional view of thespecimen of SACM645

Yamagata University

StageⅠ
微視亀裂の発生

StressStageⅡ
最大クラックの成長

●

おわりに

（１） 触ってみたら熱物性が分かる（２） リサイクル樹脂材の品質評価
分別・同定技術としての応用（３） 劣化・寿命診断技術としての応用（４） 手軽に使える熱物性テスターの普及
熱物性情報の利用拡大
Yamagata University

●

実用熱物性測定法（熱擾乱による分類）
点状

線状・ー

固体熱物性テスター（熱伝導率、熱浸透率）

ホットワイヤー（熱伝導率）

面状

ホットディスク法（熱伝導率、熱拡散率）
レーザーフラッシュ（熱拡散率、比熱）

レーザースポット加熱法（熱拡散率）
光音響法（熱浸透率）

Yamagata University３ω法（熱伝導率）

ＡＣカロリメトリー法（熱拡散率）
温度波解析法（熱拡散率）