はじめに
断熱材は、技術システムにおいて熱損失を最小限に抑え、安定した温度条件を確保するために極めて重要である。その熱伝導率は、GHP（Guarded Hot Plate）法などの定常法を用いて精密に評価されることが多い。このような調査は、材料研究だけでなく、断熱材が温度変動の激しい真空中で使用される宇宙旅行にも関連しています。GHP測定は、とりわけ熱設計や性能評価のための貴重なデータを提供する。
繊維状断熱材（グラスウールなど）の有効熱伝導率は、主に3つの熱伝導メカニズムに依存します：
- 固体を介した熱伝導
- 放射による熱伝導
- 気相を介した熱伝導
断熱材内の温度、密度、気体によって、実効熱伝導率は大きく変化します。
このアプリケーションノートでは、さまざまな雰囲気に焦点を当てています。空気中の熱伝導率が既知の標準グラスウール（NIST SRM 1450D）をGHP 456 Titan® で試験しました。この装置には加熱炉が装備されており、様々なパージガスや減圧下での測定が可能です。
実験的
NIST SRM 1450Dの試料は、平均試料温度（Tmean）が10°Cから60°Cの間で、測定プレート間の温度差（ΔT）が20Kの条件で検査されました。測定は、異なる圧力（約0.01 mbar～1000 mbar）の異なるガス（アルゴン、窒素、ヘリウム）下で行われました。別のガスを用いた各測定の前に、装置（試料を含む）を2回排気し、新しいガスでパージした。
結果と考察
図1は、異なるパージガス（窒素、アルゴン、ヘリウム）中における試料の熱伝導率を示しています。測定結果は表1にまとめられています。
表1：標準グラスウール（NIST SRM 1450D）の熱伝導率を、異なるパージガス中で測定し、文献と比較した。
| 温度 | 熱伝導率 (W/m-K) | |||
| 文献[2］ | N2 | Ar | He | |
| 10 | 0.0313 | 0.0312 | 0.0224 | 0.1590 |
| 20 | 0.0324 | 0.0324 | 0.0233 | 0.1631 |
| 40 | 0.0346 | 0.0345 | 0.025 | 0.1708 |
| 60 | 0.03868 | 0.0366 | 0.0267 | 0.1785 |
グラスウールはオープン・ポア・システムであるため、パージガスは材料を貫通し、熱伝導率を変化させます。空気と窒素の熱伝導率はほぼ同じです（表2参照）。予想通り、グラスウールの基準値と窒素下での測定値の間に検出可能な有意差はありません。一方、アルゴンは窒素よりも熱伝導率が著しく低い（約31%低い）ことが、アルゴンパージによるグラスウールの熱伝導率の測定に反映されています。測定値は、窒素で得られた値よりも約28%低い。
アルゴンとは異なり、ヘリウムは窒素よりも熱伝導率が著しく高い。ヘリウムパージによるグラスウールの実効熱伝導率は、窒素や空気の場合に比べて約4倍高い。
表2：20℃における各種ガスの熱伝導率 [1］
| ガス | 熱伝導率 / (W/m-K) |
|---|---|
| ヘリウム | 0.150 |
| アルゴン | 0.017 |
| 空気 | 0.026 |
| 窒素 | 0.026 |
図2は、圧力が開気孔断熱材の熱伝導率にどのような影響を与えるかを示しています。異なる温度におけるグラスウールの熱伝導率を示しています。S字曲線は圧力依存性測定の一般的なものです。セルガスの熱伝導率が実効熱伝導率に大きく影響し、ある閾値（約300mbar）以下の圧力に大きく依存することが明確に示されています。これは、ガス分子または原子の自由行程長によって説明できる。
気体内の熱伝達は、主に粒子の数と粒子間の平均自由行程によって決まる。圧力がわずかに低いと、平均自由行程は増加するが、粒子数は減少する。そのため、熱伝導率は一定となる。しかし、非常に低い圧力では、これはもはや当てはまらない[3]。ある時点以降（ここでは約300mbar）、衝突する粒子が不足し、平均自由行程長は孔径の範囲内に収まる。この時点から、ガス中の熱伝達はガス粒子の数のみに依存する。圧力の低下により粒子数が減少すると、気体を介した熱伝達は著しく低下し、材料全体の実効熱伝導率も低下する。
概要
断熱材の熱伝導率は、その構造上、圧力とセルガスに大きく依存します。GHP 456 Titan® は、このような厳しい条件下で実効熱伝導率を測定するための理想的な測定装置です。直感的なソフトウェアと自動圧力制御により、測定は簡単です。