はじめに
NETZSCH HFM 436シリーズ（図1）に、高い圧縮荷重をかけた試料で熱流計テストを実施できる新しいオプションが加わりました。この機能により、断熱材の研究開発プログラムの可能性が広がります。
この機能により、断熱材の研究開発プログラムの可能性が広がります。試料に加えるプレート圧力を変化させて圧縮レベルを変えることで、密度の関数として熱伝導率の曲線を作成し、断熱材製品におけるさまざまな熱輸送プロセスの相対的な強さに関する情報を明らかにすることができます。
このアプリケーションノートでは、熱伝導率の密度に対する関数依存性の解析式を導出するために、繊維状ガラス断熱材における3つの支配的な熱伝導メカニズムを解析しています。解析モデルの予測値を、更新されたHFM 436Lambda の様々な荷重下で生成された実際のHFM試験データと比較しています。その結果、密度の高いものから低いものまで19:1の比率で、密度範囲全体にわたって優れた一致が観察された。
断熱材内のマルチモード熱伝導
今日のエネルギー意識の高い世界では、省エネルギー対策の重要性が常に叫ばれている。より高性能な断熱材の開発を目指すメーカーの研究開発努力は、その進捗状況を評価するための、より強力な実験・分析ツールの並行開発から大きな恩恵を受けてきました。このアプリケーションノートで取り上げる新しい試験機能は、その方向への新たな一歩を示すものです。
本研究では、建物の断熱材として一般的に使用されているガラス繊維ブランケットを通過する熱伝達を解析します。このようなブランケットは、長いガラス繊維が絡み合ってマトリックスを構成し、その中に空気が閉じ込められている。
空気を介した伝導：
適度な温度では、断熱材を横切る熱伝導のかなりの部分が、密度に依存しない空気を介した伝導によって起こる。この熱伝導モードは、空気伝導率λairを一定とするフーリエ方程式によって支配される。
ガラス繊維を介した伝導：
ガラス繊維を介した熱伝導もフーリエ方程式によって支配されるが、この場合、対応する熱伝導率glassは密度ρの関数である。伝導経路は密度にほぼ比例して次のように増加する：
λglass= B∙ρ
Bは定数である。
放射：
輻射伝熱モードでは、ガラス繊維ブランケットはしばしば波長に依存しない光学特性を持つ吸収、放出、参加、光学的に厚い媒体とみなされます。これらの仮定により、放射熱伝達は次のように導かれます：
qradiative=-λraddT/dx
この式はフーリエの法則に似ており、λradがしばしば放射熱伝導率と呼ばれる理由です。ブランケットの密度が高いほど、単位体積当たりのガラス繊維の本数が多くなり、散乱が多くなり、放射伝達が低下します。
その結果、放射束は密度に反比例した割合で減衰します：
λrad= C/ρ
であり、Cは定数である。
ブランケットを通して伝達される総熱量は、これら3つの異なるモードの合計となります。有効熱伝導率は次のように導かれる：
λtotal=λair+B∙ρ + C/ρ
この最後の式は、λair、B、Cという3つの未知のパラメータを持つ全熱伝導率とガラス繊維ブランケットの密度との関係を表しています。
HFM 436 ガラス繊維ブランケット測定可変負荷機能付き
厚さ240mmのグラスファイバー製断熱ブランケットから始め、300mm×300mmの正方形断面を様々な高さに切断して積み重ねた。板圧によって厚みを変化させ、異なる密度での熱伝導率測定を行った。HFM436/3の最大開口部100mmを超えるガラス繊維スタックについては、HFMに設置する前に硬質プレートで予備圧縮を行った。測定はすべて室温で行った。装置は25 mm厚のNIST 1450dガラス繊維板標準板で校正され、プレート温度差は20 Kでした。
結果と考察
測定結果を表1と図2に示す。
表1: 室温のHFM装置でさまざまな圧縮荷重をかけたガラス繊維試料の密度に対する熱伝導率
厚さ (mm) | HFM スタック圧力 | 密度 (kg/m³) | 導電率 (W/m*K) | |
|---|---|---|---|---|
(PSI) | (kPa) | |||
| 100.0 | 0.00 | 0.03 | 8.6 | 0.0472 |
| 75.3 | 0.00 | 0.03 | 11.4 | 0.0418 |
| 50.1 | 0.00 | 0.03 | 12.6 | 0.0394 |
| 50.3 | 0.03 | 0.19 | 17.1 | 0.0369 |
| 50.4 | 0.05 | 0.35 | 30.2 | 0.0333 |
| 24.7 | 0.10 | 0.68 | 34.8 | 0.0325 |
| 17.3 | 0.22 | 1.51 | 49.6 | 0.0318 |
| 49.1 | 0.12 | 0.85 | 52.6 | 0.0317 |
| 50.0 | 0.67 | 4.63 | 87.1 | 0.0317 |
| 50.1 | 1.58 | 10.9 | 125 | 0.0325 |
| 38.2 | 3.09 | 21.3 | 164 | 0.0330 |
青い曲線は、最小二乗法を用いて全導電率モデルにデータ点をフィッティングすることによって得られた。上に示したモデルは、グラスファイバー・ブランケットを通過する熱伝達プロセスの適切な定式化であると結論づけることができる。破線の曲線は、予想される各伝達モードを表しています。この結果は、ガラス繊維による伝導率が放射伝導率と等しくなる密度付近、約50～80Kg/m3の密度範囲において、熱伝導率が大まかに最小となることを示しています。この情報は、メーカーがガラス繊維の含有量を最小にすることで製品性能を最適化し、コストを削減するために利用できる。例えば、最適な密度は、おそらく導電率の最小値の低密度側にあると思われる。
結論
可変負荷機能を使ってこのような研究を行うのは非常に便利である。厳密な統計分析を行うには、より多くのデータポイントが必要ですが、HFM 436Lambda を使えば簡単に実現できます。1つの完全な試験を、様々な荷重と温度で簡単にプログラムすることができます。このアプリケーションは、ロック（鉱物）ウールやスラグウールのような他の多孔質断熱材にも適用できます。