この規格 プレビューページの目次
※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
セクション 1 概要
1.1 範囲
1.1.1この国際規格は、平らなスラブ試験片を通る定常状態の熱伝達を測定するための熱流量計法（2.2.2 を参照）の使用と試験片の熱伝達特性の計算を定義します。
標準試験片の熱抵抗に対する試験片の熱抵抗の比が測定されるため、これは二次的または相対的な方法です。
この標準試験法に準拠したレポートは、1.7.2 で与えられた厚さ制限を超えない限り、0.1 m 2 ·K/W を超える熱抵抗を持つ試験片を参照するものとします。
1.1.2試験片が 1.8.1 で概説した要件を満たしている場合、結果として生じる特性は試験片の熱コンダクタンスおよび熱抵抗として記述されます。
1.1.3試験片が 1.8.2 の要件を満たしている場合、結果として生じる特性は、評価される試験片の平均熱伝導率として記述されるものとします。
1.1.4試験片が 1.8.3 の要件を満たしている場合、結果として得られる特性は、評価対象の材料の熱伝導率または透過率として記述できます。
1.2 規範的参照
以下の規格には、本文中の参照を通じてこの国際規格の条項を構成する条項が含まれています。発行時点では、示されているエディションは有効です。すべての規格は改訂される可能性があり、この国際規格に基づく協定の当事者は、以下に示す規格の最新版を適用する可能性を調査することが推奨されます。 IEC および ISO のメンバーは、現在有効な国際規格の登録簿を維持しています。
- ISO 7345:1987, 断熱材 - 物理量と定義。
- ISO 8302:1991, 断熱 — 定常状態の熱抵抗および関連特性の決定 — ガード付きホット プレート装置。
- ISO 9229:— 1) 、断熱 — 材料、製品およびシステム — 語彙。
- ISO 9251:1987, 断熱材 - 熱伝達条件と材料の特性 - 語彙。
- ISO 9288:1989, 断熱 - 放射による熱伝達 - 物理量と定義。
- ISO 9346:1987, 断熱 - 物質移動 - 物理量と定義。
1.3 定義
この国際規格の目的のために、次の定義が適用されます。
ISO 7345 または ISO 9251 では、次の量が定義されています。
| 量 | シンボル | 単位 |
|---|---|---|
| 熱流量 | Φ | W |
| 熱流量密度 | q | ㎡あり |
| 熱抵抗1) | R | m2・K/W |
| 熱コンダクタンス | Λ | W/( m2K ) |
| 熱伝導率2) | λ | W/(m K) |
| 熱抵抗率 | r | mK/W |
| 気孔率 | ξ | |
| 局所気孔率 | p |
ISO 9251 では、材料特性に関連する次の定義が与えられています。
多孔質媒体
均質培地
均質な多孔質媒体
異種媒体
等方性媒体
異方性媒体
安定した培地
ISO 7345 または ISO 9251 で定義されていないその他の用語:
1.3.1
熱的に均一な媒体
熱伝導率が高いものですは媒体内の位置の関数ではありませんが、方向、時間、温度の関数である可能性があります。
1.3.2
熱等方性媒体
熱伝導率が高いものですは各点の単一の値λによって定義されます)
1.3.3
熱的に安定な媒体
熱伝導率λ or は時間の関数ではありませんが、座標、温度、および該当する場合は方向の関数である可能性があります。
1.3.4
試験片の平均熱伝導率
2 つの平行な平坦な等温面と、その面に垂直な断熱エッジによって境界付けられたスラブの形状を有する物体の定常状態条件で定義される特性であり、熱的に均質で等方性 (または異方性のある) の材料で作られています。面に垂直な対称軸）、測定の精度と測定の実行に必要な時間の範囲内でのみ安定し、熱伝導率λ or 温度の定数または線形関数。
1.3.5
試料の伝達係数
1.3.6
材料の熱透過率
1.3.7
定常状態の熱伝達特性
次の特性のいずれかを識別する一般用語: 熱抵抗、伝達係数、熱伝導率、熱抵抗率、熱透過率、熱コンダクタンス、平均熱伝導率。
1.3.8
室温
部屋にいる人がその部屋の温度であれば快適だと考えるような、測定の平均テスト温度を識別するための一般用語。
1.3.9
周囲温度
試験片の端付近や装置全体付近の温度を表す総称。この温度は、装置が密閉されてwhere キャビネット内の温度、または密閉されていない装置の場合は実験室の温度です。
1.3.10
オペレーター
熱流量計装置の試験を実施し、測定結果を報告して発表する責任者。
1.3.11
データユーザー
材料やシステムの性能を判断するために、測定結果の適用と解釈に携わる者。
1.3.12
デザイナー
割り当てられたテスト条件で装置の事前定義された性能制限を満たすために装置の構造の詳細を開発し、予測された装置の精度を検証するためのテスト手順を特定する人。
1.4 記号と単位
| シンボル | 量 | 単位 |
|---|---|---|
| A | 選択した等温面上の測定領域、または計測領域 | 平方メートル |
| c | 比熱容量 | J/(kg・K) |
| d | 等温線に垂直な経路に沿って測定された試験片の厚さ 表面 | m |
| d 、ド」 | 2 試料構成の HFM 装置における各試料の厚さ | m |
| d m | 2 つの試験片のペアの平均厚さ | m |
| d 、d2d ... 、d | s 1 、 s 2 、...、 s 5で指定される試験片の厚さ | m |
| D | テスト中のホットプレートとコールドプレート間の最大許容距離 | m |
| e | 熱流計出力 | mV |
| f | 熱流量計の校正係数 | W/(mV m 2 ) |
| L | 熱流量計の側面の長さ | m |
| L m | 熱流量計計測エリアの辺の長さ | m |
| m | コンディショニング後の相対質量変化 | - |
| M | 乾燥後のコンディショニングによる相対質量変化 | - |
| m | 乾燥後の相対質量変化 | - |
| m w | 試験中の試験片の相対質量変化 | - |
| M | 受け取ったままの状態の質量 | kg |
| M | 乾燥後の塊 | kg |
| M | コンディショニング後のマス | kg |
| M | テスト後のミサ | kg |
| M | 試験直前の乾燥または調整された材料の質量 | kg |
| q | 熱流量密度 | ㎡あり |
| q' 。 q」 | 2試料構成のHFM装置における各試料の熱流量密度 | ㎡あり |
| r | 熱抵抗率 | mK/W |
| r 平均 | 2 つの試験片構成の HFM 装置における平均熱抵抗率 | mK/W |
| R | 熱抵抗 | m2・K/W |
| R s | 標準試験片の熱抵抗 | m2・K/W |
| R u | 未知試料の熱抵抗 | m2・K/W |
| R | 2 つの試験片構成の HFM 装置における総熱抵抗 | m2・K/W |
| s 、s2s ... 、s | 異なる厚さの試験片のセット | - |
| 試料の伝達係数 | W/(m K) | |
| T m = ( T 1 + T 2 )/2 | 平均気温 | K |
| T 、 T"1 | 2 つの試験片構成における各試験片の高温側温度 HFM装置 | K |
| T 、T"2 | 2 試料構成の HFM 装置における各試料の低温側温度 | K |
| T m | 2 試料構成の HFM 装置における試料の平均温度 (') | K |
| T m | 2 試料構成の HFM 装置における試料の平均温度 ('') | K |
| V | 音量 | m3 |
| d | 厚みの増分 | m |
| δd = ( d' - d" )/2 | 2 つの試験片における試験片の平均厚さの差 (') と (") HFM装置の構成 | m |
| δλ | 試験片の平均温度T m における熱伝導率の偏差 (') および (") | W/(m K) |
| δTm = ( T'm - T"m )/2 | 試験片の平均温度 (') と (") の間の平均偏差 | K |
| δT = (Δ T' - Δ T" )/2 | 試験片の温度差の平均偏差 (') そして （"） | K |
| R | 熱抵抗の増加 | m2・K/W |
| ΔT=T -T | 温度差 | K |
| ΔT' 、 ΔT" | 2 試料構成の HFM 装置における各試料の温度差 (') と (") | K |
| HFMの感度係数 | mV/( Wm2 ) | |
| Φ | 熱流量 | W |
| Φu | 未知の試料の熱流量 | W |
| Φss | 「標準」または「参照」試験片での熱流量 | W |
| λ | 熱伝導率 | W/(m K) |
| λ' 、 λ" | 2 試料構成の HFM 装置における各試料の熱伝導率 (') および (") | W/(m K) |
| λの一次温度導関数 (T) | W/(m K 2 ) | |
| λの 2 次温度導関数 (T) | W/(m K 3 ) | |
| λ平均 | 2 つの試験片構成の HFM 装置における平均熱伝導率 | W/(m K) |
| λMM | 試験片の平均熱伝導率または平均温度T m での熱伝導率 | W/(m K) |
| λMM | 保護されたホットプレート装置で測定された試験片の平均熱伝導率 (') および (") | W/(m K) |
| λTT | 材料の熱透過率 | W/(m K) |
| Λ | 熱コンダクタンス | W/( m2K ) |
| ρdd | 試験時の乾燥材料の密度 | kg/ ㎥ |
| ρss | コンディショニング後の材料の密度 | kg/ ㎥ |
| ρc s | 試験後の密度と試験片の気孔率の比熱の積 | J/( m3・K) |
| ξ | 気孔率 | - |
| ξpp | 局所気孔率 | - |
| ( ' )、( " ) | 2 試料構成の HFM 装置で 1 番目と 2 番目の試料の特性を参照するために使用されるインデックス | - |
1.5 重要性
1.5.1 熱特性に影響を与える要因
材料試験片の熱伝達特性は、
- 材料またはそのサンプルの組成の変動により異なります。
- 湿気やその他の要因の影響を受ける。
- 時間とともに変化する。
- 平均気温に応じて変化します。
- 以前の熱履歴に依存します。
したがって、特定の用途における材料を代表する熱伝達特性の典型的な値の選択は、これらの要因の考慮に基づくものであり、必ずしもすべての使用条件に修正なしで適用されるわけではないことを認識する必要があります。
一例として、この方法では、乾燥した試験片で熱伝達特性が得られることを規定していますが、実際にはそのような条件は実現できない可能性があります。さらに基本的なのは、熱伝達特性が平均温度や温度差などの変数に依存することです。このような依存性は、典型的な使用条件下で測定またはテストを行う必要があります。
1.5.2 サンプリング
熱伝達特性が材料を代表しているとみなされるには、適切な情報が必要です。材料の熱伝達特性は、サンプルがその材料の典型であり、試験片がサンプルの典型である場合にのみ、1 回の測定で決定できます。
サンプルを選択する手順は、通常、材料仕様書に指定する必要があります。サンプルからの試験片の選択は、材料仕様に部分的に指定される場合があります。
サンプリングはこの方法の範囲外であるため、問題が材料仕様書でカバーされていない場合は、適切な文書を参照する必要があります。
1.5.3 精度と再現性
この方法の精度の評価は複雑であり、装置の設計、関連する機器、および試験対象の試験片の種類によって決まります。精度と校正は基準物質の関数である必要があります。
1.5.3.1試験条件を変更せずに装置内に維持された試験片に対して装置によって行われるその後の測定の再現性は、通常 1% よりもはるかに優れています。同じ参照標本を取り外して、長時間の間隔をおいて再度取り付けた場合の測定の再現性は、通常、± 1% より良好です。この大きな数値は、試験片上のプレートや熱流量計の圧力 (接触抵抗に影響)、試験片の周囲の空気の相対湿度 (水分含有量に影響) などの試験条件のわずかな変化によるものです。これらのレベルの再現性は、メソッド内のエラーを特定するために必要であり、品質管理アプリケーションでは望ましいものです。
1.5.3.2熱流量計装置の校正精度は、試験の平均温度が室温に近い場合、通常 ± 2% 以内です。
キャリブレーションの精度は、主に、参照試料の特性を測定する際のガード付きホット プレート法の精度によって決まります。
1.5.3.3結果として、この方法は、試験の平均温度が室温に近い場合、± 3% 以内の熱伝達特性を決定することができます。
1.5.4 校正手順
次のいずれかの手順に従わなければなりません。
1.5.4.1試験室の装置は、認定された標準試験室によって発行された校正標準を使用して、試験の前後 24 時間以内に校正されなければなりません (2.4 を参照)校正標準の安定性は材料の種類によって異なります。一部の校正標準は 20 年以上使用されていますが、少なくとも 5 年ごとに確認することをお勧めします。報告された試験および装置の校正試験は、標準の公式校正で使用されたのとほぼ同じ高温側および低温側の温度を使用して実行されるものとします。
1.5.4.2熱流量計の短期安定性と長期安定性の両方が読み取り値の ± 1% より良好であることが証明されている場合、熱流量計装置はより低い頻度の間隔、たとえば 15 日から 30 日ごとに校正することができます。 d.このように試験された試験片は、試験後の校正が完了するまで報告できず、前回の試験からの校正の変化が 1% 未満である場合にのみ報告されます。
2 つの校正の平均が校正係数として使用され、試験片はこの値でテストされます。校正の変化が ± 1% を超える場合、この間隔のテスト結果は無効とみなされ、1.5.4.1 に従ってテストが繰り返されます。
1.6 原則
1.6.1熱流量計装置は、1 つ（または 2 つ）の熱流量計の中央計量領域と 1 つ（または 2 つ）の熱流量計の中央領域を同時に横切る一方向の均一な熱流量密度を確立する傾向があります。ほぼ同一の）試験片のアセンブリと熱流を境界とする 1 つの加熱ユニットと 1 つの冷却ユニットの間の一定の平均温度と一定の温度差の定常状態条件で試験したときのスラブの形の試験片メートル。
1.6.2これは、標準試験片の熱抵抗に対する試験片の熱抵抗の比が測定されるため、二次的または相対的な方法です。標準試験片の熱抵抗は、ISO 8302 に従ってガード付きホット プレート装置で個別に決定する必要があります。
1.6.3試験片や熱流量計の全域では一方向の熱流量密度の理想的な状態は得られません。これは、特別な注意を払う必要があることを意味します
- a)試験片および熱流量計の端による熱損失の問題。
- b)標準試験片と測定対象の試験片の幾何学的（厚さ）特性と熱的特性の違い。
- c)ガード付きホットプレート装置における標準試験片の熱抵抗の決定と、標準試験片を用いた熱流量計装置の校正手順との間の温度境界条件の差異（存在する場合）。
1.6.4標準試料と測定対象の未知試料による熱流量Φs の測定から、計量セクションの熱流量密度が一定であるという仮定と、温度差Δ T と平均温度T m の安定性から、標準試料の熱抵抗R s と未知試料の熱抵抗R u の比は次のように求められます。
これからR u 計算されます。
1.6.5定義の条件が満たされ、試験片の厚さd がわかっている場合、試験片の熱伝導率も計算できます。
1.6.6この方法の適用は、試験片内で一方向の一定密度の熱流量を生成する装置の能力と、熱流量計によって生成される温度、厚さ、起電力などの測定精度によって制限されます。
1.6.7別の制限セットは試験片によるもので、試験片は正確に同じ厚さではありません (2 試験片装置の場合)また、より大きな表面が完全に平坦であることも、完全に平行であることもありません。
1.7 装置による制限
装置の使用は、校正に関連する多くの要因および試験片の厚さの制限に限定されるものとします。
1.7.1 キャリブレーションに関する制限事項
装置は、校正に適用される温度以外の温度で使用しないでください。ある温度範囲で検量線が確立されている場合、外挿は許可されません。
校正時に適用される熱流量密度と同等の熱流量密度に対して装置を使用する場合には、特に注意を払う必要があります。これは、試験する材料の種類、試験片の厚さ、試験中の温度差に関係します。
1.7.2 試験片の厚さに関連する制限
1.7.2.1 一般
測定に対するエッジ損失の影響を制限するために、試験片、熱流量計、および制振材を組み合わせた厚さ（合計でコールドプレートとホットプレート間の距離に等しい）を制限する必要があります。熱流量の変化。限界幾何学形状 (1.7.2.2 を参照) は、エッジ損失が推定されているガード付きホット プレート装置で使用される試験片の限界幾何学形状に対応するものを選択する必要があります。エッジ損失は、エッジ絶縁と試験片のエッジを取り囲む周囲の温度の影響を受けます。
1.7.2.2 ホットプレートとコールドプレート間の最大間隔
テスト中のホット プレートとコールド プレート間の最大許容距離D t は、熱流量計の側面の長さL 、熱流量計の計量領域の側面の長さL m 、および非計量領域の幅 ( L - L m )、熱計の構造、および試験片の特性。試験片の最大許容厚さを予測するために利用できる適切な理論的分析はありません。ガードホットプレートの分析結果は目安として使用する必要があります。
ガード付きホットプレート分析と付録 C に関する文書[19] および[23] は、この推定のいくつかの要素を提供します。
単一の試験片の対称構成 (2.1 および図 1 を参照) では、試験片の厚さの最大値は、対称構成の 2 つの試験片に対応する厚さの 50% 増加します。
試験片の厚さが装置の制限を超えている場合は、より大きなプレートを備えた装置または保護されたホットボックスを使用してテストを実行する必要があります。
1.7.2.3 最小厚さ
試験片の最小厚さは、1.7.3 と同様に接触抵抗によって決まります。熱伝導率または熱抵抗率が必要な場合、最小試験片の厚さは厚さを測定する機器の精度によっても制限されます。
1.7.3 接触抵抗による制限
硬い試験片を試験する場合、材料の試験片は硬くて柔軟性がありすぎて、試験片と装置の両方の表面の小さな不均一性であっても、加熱ユニットと冷却ユニットの圧力によって形状が著しく変化します。完全に平坦でない場合）、試験片と加熱冷却ユニットおよび熱流量計の作業面との間に接触抵抗が均一に分布しない原因となります。
これらは、試験片内で不均一な熱流量分布と熱場の歪みを引き起こします。さらに、特別な技術の助けがなければ、正確な表面温度測定を行うことが困難になります。
1.8 試験片による制限
1.8.1 熱抵抗、熱コンダクタンスまたは伝達係数
1.8.1.1 試験片の均質性
不均質な試験片の熱抵抗または熱コンダクタンスを測定する場合、試験片内および計量領域の面上の熱流量密度は一方向でも一定でもない場合があります。熱場の歪みが試験片内に存在し、重大な誤差を引き起こす可能性があります。測定領域に隣接する試験片の領域、特にこの領域の端近くが最も重要です。このような場合にこの方法が適用できるかどうかについて、信頼できるガイドラインを与えることは困難です。主なリスクは、エッジの熱損失誤差、熱流量計内の不均一な温度分布による誤差など、現在では予測不可能となっている誤差が、試験片内で不均一な相対位置が異なる場合に予測できない形で変化する可能性があることです。その結果、3.4 で提案されたすべてのチェックは、さまざまなテストに関連する真の違いを覆い隠す系統的エラーの影響を受ける可能性があります。
一部の標本では、構造の変化が短い距離で発生する場合があります。これは多くの断熱材に当てはまります。
他の試験片では、ユニットと熱流量計に接触する試験片の表面間に直接的な熱短絡が存在する可能性があります。最大の効果は、熱を容易に伝導する材料の部分が、試験片の両側に広い表面積を持ち、他の経路に比べて熱抵抗の低い経路で接続されている場合に発生します。
1.8.1.2 温度差の影響
熱抵抗または熱コンダクタンスは、試験片全体の温度差の関数である可能性があります。報告書では、2 つの特性の報告値に適用される温度差の範囲を定義するか、報告値が単一の温度差で決定されたことを明確に記載する必要があります。
1.8.2 試験片の平均熱伝導率
試験片の平均熱伝導率または熱抵抗率を決定するには (1.3.4 を参照)、1.8.1 の基準を満たさなければなりません。試験片は、ISO 9251 で定義されているように、熱的に均一または均一な多孔質であるものとします。さらに、任意の 1 つの平均温度において、熱抵抗は試験片全体に確立された温度差にも依存しません。
材料の熱抵抗は、関与する熱伝達プロセスの相対的な大きさに依存することが知られています。熱伝導、放射、対流が主なメカニズムです。ただし、このメカニズムは結合または結合して、基本的なメカニズムが十分に研究され理解されている場合でも、分析や測定が困難な非線形効果を生み出す可能性があります。
すべての熱伝達プロセスの大きさは、試験片全体に生じる温度差によって決まります。多くの材料、製品、システムでは、典型的な使用時の温度差で複雑な依存性が発生します。このような場合には、そのような値を使用し、温度差の範囲に対するおおよその関係を決定することが好ましい。依存性は、広範囲の温度差に対して線形になる可能性があります。
一部の試験片は均質性基準を満たしていますが、表面に平行な方向で測定した熱伝導率の成分が表面に垂直な方向で測定した熱伝導率の成分と異なるという点で異方性を示します。このような試験片の場合、これにより、より大きなアンバランスやエッジ損失エラーが発生する可能性があります。
1.8.3 材料の熱伝導率、熱抵抗率または熱透過率
1.8.3.1 一般
材料の熱伝導率または熱抵抗率を決定するには、1.8.2 の基準を満たさなければなりません。さらに、材料が均質であるか均質な多孔質であること、および測定値が材料、製品、またはシステム全体を代表していることを確認するために、適切なサンプリングを実行する必要があります。試験片の厚さは、その伝達係数の厚さよりも大きくなければなりません。材料、製品、またはシステムは、厚みがさらに増加しても 2% を超えて変化することはありません。
1.8.3.2 試験片の厚さへの依存性
関与するプロセスのうち、試料の厚さに正比例する熱抵抗を生み出すのは伝導のみです。他のものでは、より複雑な関係が生じます。材料が薄く、密度が低いほど、抵抗が伝導以外のプロセスに依存する可能性が高くなります。伝達係数は試験片の厚さに依存するため、結果として、固有の特性を定義する熱伝導率と熱抵抗率の定義の要件を満たさない条件が得られます。このような材料の場合、その使用に適用できる条件での熱抵抗を決定することが望ましい場合があります。すべての材料には、そのような依存性が生じる下限厚さがあると考えられています。この厚さを下回ると、試験片は独特の熱伝導特性を持つ可能性がありますが、材料はそうではありません。したがって、この最小の厚さを測定によって確立することが残っています。
1.8.3.3 材料の熱伝達特性を定義できる最小厚さの決定
熱透過率を定義できる最小の厚さが不明な場合は、この厚さを推定する必要があります。確立された決定手順はありません。 3.4.2 で概説したやや大雑把な手順は、厚さを決定し、その厚さが材料が使用される可能性のある厚さの範囲内にあるかどうかを決定するために使用できます。
プレートまたは熱流量計の表面の下に熱電対を配置することによって生じる測定における追加の熱抵抗、不十分な試料表面によって生じる追加の抵抗、および伝導と放射の結合によって生じる追加の熱抵抗を区別することが重要です。試験片内の熱伝達モード。 3 つすべてが同じように測定に影響を与える可能性があり、多くの場合、3 つは相加的に作用する可能性があります。
付録E
参考文献
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Section 1 General
1.1 Scope
1.1.1 This International Standard defines the use of the heat flow meter method (see 2.2.2) to measure the steady-state heat transfer through flat slab specimens and the calculation of the heat transfer properties of specimens.
This is a secondary or relative method since the ratio of the thermal resistance of the specimen(s) to that of a standard specimen(s) is measured.
Reports conforming to this standard test method shall refer to specimens with thermal resistance greater than 0,1 m 2·K/W provided that thickness limits given in 1.7.2 are not exceeded.
1.1.2 If the specimens satisfy the requirements outlined in 1.8.1, the resultant properties shall be described as the thermal conductance and thermal resistance of the specimen.
1.1.3 If the specimens satisfy the requirements of 1.8.2, the resultant properties shall be described as the mean thermal conductivity of the specimen being evaluated.
1.1.4 If the specimens satisfy the requirements of 1.8.3, the resultant property may be described as the thermal conductivity or the transmissivity of the material being evaluated.
1.2 Normative references
The following standards contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of this International Standard. At the time of publication, the editions indicated were valid. All standards are subject to revision, and parties to agreements based on this International Standard are encouraged to investigate the possibility of applying the most recent editions of the standards indicated below. Members of IEC and ISO maintain registers of currently valid International Standards.
- ISO 7345:1987, Thermal insulation — Physical quantities and definitions.
- ISO 8302:1991, Thermal insulation — Determination of steady-state thermal resistance and related properties — Guarded hot plate apparatus.
- ISO 9229:— 1) , Thermal insulation — Materials, products and systems — Vocabulary.
- ISO 9251:1987, Thermal insulation — Heat transfer conditions and properties of materials — Vocabulary.
- ISO 9288:1989, Thermal insulation — Heat transfer by radiation — Physical quantities and definitions.
- ISO 9346:1987, Thermal insulation — Mass transfer — Physical quantities and definitions.
1.3 Definitions
For the purposes of this International Standard, the following definitions apply.
The following quantities are defined in ISO 7345 or ISO 9251:
| Quantity | Symbol | Units |
|---|---|---|
| Heat flow-rate | Φ | W |
| Density of heat flow-rate | q | W/m 2 |
| Thermal resistance 1) | R | m 2·K/W |
| Thermal conductance | Λ | W/(m 2·K) |
| Thermal conductivity 2) | λ | W/(m·K) |
| Thermal resistivity | r | m·K/W |
| Porosity | ξ | |
| Local porosity | ξp |
The following definitions related to material properties are given in ISO 9251:
porous medium
homogeneous medium
homogeneous porous medium
heterogeneous medium
isotropic medium
anisotropic medium
stable medium
Other terms not defined in ISO 7345 or ISO 9251:
1.3.1
thermally homogeneous medium
Is one in which thermal conductivity is not a function of the position within the medium but may be a function of direction, time and temperature.
1.3.2
thermally isotropic medium
Is one in which thermal conductivity is defined through a single value λ in each point).
1.3.3
thermally stable medium
Is one in which thermal conductivity λor is not a function of time, but may be a function of the co-ordinates, of the temperature and, when applicable, of the direction.
1.3.4
mean thermal conductivity of a specimen
Is the property defined in steady-state conditions in a body that has the form of a slab bounded by two parallel, flat isothermal faces and by adiabatic edges perpendicular to the faces, that is made of a material thermally homogeneous, isotropic (or anisotropic with a symmetry axis perpendicular to the faces), stable only within the precision of a measurement and the time required to execute it, and with thermal conductivity λor constant or a linear function of temperature.
1.3.5
transfer factor of a specimen
1.3.6
thermal transmissivity of a material
1.3.7
steady-state heat transfer property
Generic term to identify one of the following properties: thermal resistance, transfer factor, thermal conductivity, thermal resistivity, thermal transmissivity, thermal conductance, mean thermal conductivity.
1.3.8
room temperature
Generic term to identify a mean test temperature of a measurement such that a man in a room would regard it comfortable if it were the temperature of that room.
1.3.9
ambient temperature
Generic term to identify the temperature in the vicinity of the edge of the specimen or in the vicinity of the whole apparatus. This temperature is the temperature within the cabinet where the apparatus is enclosed or that of the laboratory for non-enclosed apparatus.
1.3.10
operator
Person responsible for carrying out the test on a heat flow meter apparatus and for the presentation through a report of measured results.
1.3.11
data user
Person involved in the application and interpretation of measured results to judge material or system performance.
1.3.12
designer
Person who develops the constructional details of an apparatus in order to meet predefined performance limits for the apparatus in assigned test conditions and who identifies test procedures to verify the predicted apparatus accuracy.
1.4 Symbols and units
| Symbol | Quantity | Units |
|---|---|---|
| A | Area measured on a selected isothermal surface, or metering area | m 2 |
| cs | Specific heat capacity | J/(kg·K) |
| d | Thickness of specimen measured along a path normal to isothermal surfaces | m |
| d, d" | Thickness for each specimen in a two-specimen configuration HFM apparatus | m |
| dm | Mean thickness of a pair of two specimens | m |
| d1 , d2 , ..., d5 | Thickness of specimens designated s1 , s2 , ..., s5 | m |
| Dt | Maximum allowable distance between hot and cold plates during the test | m |
| e | Heat flow meter output | mV |
| ƒ | Calibration factor of the heat flow meter | W/(mV·m 2 ) |
| L | Length of the side of heat flow meter(s) | m |
| Lm | Length of the side of heat flow meter metering area | m |
| mc | Relative mass change after conditioning | - |
| M4 | Relative mass change due to conditioning after drying | - |
| mr | Relative mass change after drying | - |
| mw | Relative mass change of a specimen during the test | - |
| M1 | Mass in as-received condition | kg |
| M2 | Mass after drying | kg |
| M3 | Mass after conditioning | kg |
| M4 | Mass after test | kg |
| M5 | Mass of dried or conditioned material, immediately before test | kg |
| q | Density of heat flow-rate | W/m 2 |
| q' . q" | Density of heat flow-rate for each specimen in a two-specimen configuration HFM apparatus | W/m 2 |
| r | Thermal resistivity | m·K/W |
| ravg | Average thermal resistivity in a two-specimen configuration HFM apparatus | m·K/W |
| R | Thermal resistance | m 2·K/W |
| Rs | Thermal resistance of the standard specimen | m 2·K/W |
| Ru | Thermal resistance of the unknown specimen | m 2·K/W |
| Rt | Total thermal resistance in a two-specimen configuration HFM apparatus | m 2·K/W |
| s1 , s2 , ..., s5 | Set of specimens of different thicknesses | - |
| Transfer factor of a specimen | W/(m·K) | |
| Tm = (T1 + T2)/2 | Mean temperature | K |
| T1 , T"1 | Hot side temperatures for each specimen in a two-specimen configuration HFM apparatus | K |
| T2 , T"2 | Cold side temperature for each specimen in a two-specimen configuration HFM apparatus | K |
| Tm | Mean temperature of specimen (') in a two-specimen configuration HFM apparatus | K |
| Tm | Mean temperature of specimen ('') in a two-specimen configuration HFM apparatus | K |
| V | Volume | m 3 |
| Δd | Increment of thickness | m |
| δd = (d' -d")/2 | Mean thickness difference of specimens (') and (") in a two-specimen configuration HFM apparatus | m |
| δλ | Deviation of thermal conductivity at mean temperature Tm of specimens (') and (") | W/(m·K) |
| δTm = (T'm -T"m)/2 | Mean deviation between the mean temperature of specimen (') and (") | K |
| δT = (ΔT' - ΔT")/2 | Mean deviation between the temperature differences of specimens (') and (") | K |
| ΔR | Increment of thermal resistance | m 2·K/W |
| ΔT = T1 -T2 | Temperature difference | K |
| ΔT' , ΔT" | Temperature differences for each specimen (') and (") in a two-specimen configuration HFM apparatus | K |
| Sensitivity coefficient of the HFM | mV/(W·m 2 ) | |
| Φ | Heat flow-rate | W |
| Φu | Heat flow-rate with unknown specimen | W |
| Φs | Heat flow rate with"standard" or"reference" specimen | W |
| λ | Thermal conductivity | W/(m·K) |
| λ' , λ" | Thermal conductivity for each specimen (') and (") in a two-specimen configuration HFM apparatus | W/(m·K) |
| First order temperature derivative of λ (T) | W/(m·K 2 ) | |
| Second order temperature derivative of λ (T) | W/(m·K 3 ) | |
| λavg | Average thermal conductivity in a two-specimen configuration HFM apparatus | W/(m·K) |
| λM | Mean thermal conductivity of a specimen or thermal conductivity at the mean temperature Tm | W/(m·K) |
| λM | Mean thermal conductivity of specimens (') and (") measured in a guarded hot plate apparatus | W/(m·K) |
| λT | Thermal transmissivity of a material | W/(m·K) |
| Λ | Thermal conductance | W/(m 2·K) |
| ρd | Density of the dry material as tested | kg/m 3 |
| ρs | Density of the material after conditioning | kg/m 3 |
| ρ·cs | Product of as-tested density and specific heat of the specimen Porosity | J/(m 3·K) |
| ξ | Porosity | - |
| ξp | Local porosity | - |
| ('), (") | Indexes used to refer to properties of the first and the second specimen in a two-specimen configuration HFM apparatus | - |
1.5 Significance
1.5.1 Factors influencing thermal properties
The thermal transmission properties of a specimen of material may
- vary due to variability of the composition of the materials or samples of it;
- be affected by moisture or other factors;
- change with time;
- change with mean temperature;
- depend upon the prior thermal history.
It must be recognized, therefore, that the selection of a typical value of heat transfer properties representative of a material, in a particular application, shall be based on a consideration of these factors and will not necessarily apply without modification to all service conditions.
As an example this method provides that the heat transfer properties shall be obtained on dried specimens, although in service such conditions may not be realized. Even more basic is the dependence of the heat transfer properties on variables such as mean temperature and temperature difference. Such dependence should be measured or the test made under conditions typical of use.
1.5.2 Sampling
Heat transfer properties need adequate information to be considered representative of a material. A heat transfer property of a material can be determined by a single measurement only if the sample is typical of the material and the specimen(s) is (are) typical of the sample.
The procedure for selecting the sample should normally be specified in the material specification. The selection of the specimen from the sample may be partly specified in the material specification.
As sampling is beyond the scope of this method, when the problem is not covered by a material specification, reference shall be made to appropriate documents.
1.5.3 Accuracy and reproducibility
Evaluation of the accuracy of the method is complex and is a function of the apparatus design, of the related instrumentation and of the type of specimens under test. The accuracy and the calibration should be a function of the reference material.
1.5.3.1 The reproducibility of subsequent measurements made by the apparatus on a specimen maintained within the apparatus without change in test conditions is normally much better than 1 %. When measurements are made on the same reference specimen removed and then mounted again after long time intervals, the reproducibility of measurements is normally better than ± 1 %. This larger figure is due to minor changes in test conditions such as the pressure of the plates and heat flow meter on the specimen (that affects contact resistances), and the relative humidity of the air around the specimen (that affects its moisture content). These levels of reproducibility are required to identify errors in the method and are desirable in quality control application.
1.5.3.2 The accuracy of the calibration of heat flow meter apparatus is normally within ± 2 % when the mean temperature of the test is near the room temperature.
The accuracy of calibration is mainly due to the accuracy of the guarded hot plate method when measuring the properties of reference specimens.
1.5.3.3 As a consequence this method is capable of determining the heat transfer properties within ± 3 % when the mean temperature of the test is near the room temperature.
1.5.4 Calibration procedure
One of the following procedures shall be followed.
1.5.4.1 The test-laboratory apparatus shall be calibrated (see 2.4) within 24 h before or after the test using calibration standards that have been issued by a recognized standard laboratory. Stability of calibration standards depends upon the type of material; some calibration standards have been successfully used over 20 years but it is suggested to check them at least each 5 years. The reported test and the apparatus calibration test shall be carried out using approximately the same hot- and cold-side temperatures as were used in the official calibration of the standards.
1.5.4.2 Where both short- and long-term stabilities of the heat flow meter have been proved to be better than ± 1 % of the reading, the heat flow meter apparatus may be calibrated at less frequent intervals, for example 15 d to 30 d. The specimens so tested cannot be reported until after the calibration following the test and then only if the change in calibration from the previous test is less than 1 %.
The average of the two calibrations shall be used as the calibration factor and the specimens tested with this value. When the change in calibration is greater than ± 1 %, test results from this interval shall be considered void and tests repeated in accordance with 1.5.4.1.
1.6 Principle
1.6.1 The heat flow meter apparatus tends to establish a unidirectional uniform density of heat flowrate which simultaneously crosses the central metering area of one (or two) heat flow meter(s) and the central area of one (or two nearly identical) specimen(s) in the form of slab(s) when tested in steady-state conditions of constant mean temperature and constant temperature difference between one heating unit and one cooling unit bordering the assembly of the specimen(s) and heat flow meter(s).
1.6.2 This is a secondary or relative method, since the ratio of the thermal resistance of the specimen(s) to that of a standard specimen(s) is measured. The thermal resistance of standard specimen(s) must be determined separately in accordance with ISO 8302 on the guarded hot plate apparatus.
1.6.3 The ideal condition of unidirectional density of heat flow-rate cannot be obtained in the whole area of the specimen and heat flow meter. This implies that special attention must be given to
- a) the problem of heat losses by the edges of the specimen(s) and heat flow meter(s);
- b) the differences between the geometrical (thickness) and thermal properties of the standard specimen(s) and of specimen(s) to be measured;
- c) the differences in temperature boundary conditions (if any) between determination of thermal resistance of standard specimen(s) in the guarded hot plate apparatus and calibration procedure of the heat flow meter apparatus by means of the standard specimen(s).
1.6.4 From the measurement of the heat flow rate Φs with standard specimen(s) and with unknown specimen(s) to be measured, the assumption of a constant density of heat flow-rate of the metering section and the assumption of the stability of temperature difference ΔT and mean temperature Tm gives the ratio between thermal resistance Rs of the standard specimen(s) and Ru of the unknown specimen(s) as follows:
From this Ru is calculated.
1.6.5 The thermal conductivity of the specimen(s) may be also computed if the conditions of the definition are met and the thickness d of the specimens is known.
1.6.6 The application of the method is limited by the capability of the apparatus of producing unidirectional constant density of heat flow-rate in the specimens and by the accuracy in the measure of temperature, thickness, emf produced by heat flow meter, etc.
1.6.7 Another set of limits is due to the specimens, as they are not exactly of the same thickness (in the case of two-specimen apparatus); nor is the larger surface ever perfectly flat, or perfectly parallel.
1.7 Limitations due to apparatus
The use of apparatus shall be limited to a number of factors related to the calibration and to the limitations on specimen thickness.
1.7.1 Limitations related to calibration
The apparatus shall not be used at temperatures other than those applied to the calibration. If a calibration curve has been established in a temperature range, extrapolation is not allowed.
Particular attention shall be paid to use the apparatus for densities of heat flow rate comparable to those applied at calibration. This is related to the type of material to be tested, to the specimen thickness and to the temperature difference during the test.
1.7.2 Limitations related to specimen(s) thickness
1.7.2.1 General
The combined thickness of the specimen(s), the heat flow meter(s) and any damping materials, which in total equals the distance between the cold and hot plates, shall be restricted in order to limit the effect of edge losses on the measurement of heat flowrate. A limiting geometry (see 1.7.2.2) must be chosen that corresponds to the limiting geometry of a specimen used in guarded hot plate apparatus, for which the edge losses have been estimated. The edge losses are affected by the edge insulation and the temperature of the ambient surrounding the edge of the specimen.
1.7.2.2 Maximum spacing between hot and cold plates
The maximum allowable distance between the hot and cold plates during the test, Dt, is related to the length of the side of the heat flow meter, L, the length of the side of the heat flow meter metering area, Lm, the width of the non-metering area (L -Lm), the construction of the heat meter, and the properties of the test specimen. No suitable theoretical analysis is available to predict the maximum allowable thickness of specimens. It is necessary to use the results of the analysis for the guarded hot plate as a guide.
Documents [19] and [23] on guarded hot plate analysis and annex C can provide some elements for this estimation.
In the single specimen symmetrical configuration (see 2.1 and figure 1), the maximum value of the specimen thickness is increased by 50 % to that corresponding to the two specimens in symmetrical configuration.
If a specimen thickness is beyond the limits of the apparatus, tests should be performed using apparatus with larger plates or the guarded hot box.
1.7.2.3 Minimum thickness
The minimum specimen thickness is determined by contact resistances as in 1.7.3. Where thermal conductivity or thermal resistivity is required, the minimum specimen thickness is also limited by the accuracy of the instrumentation for measuring the thickness.
1.7.3 Limitations due to contact resistances
When testing rigid specimen(s), i.e. specimens of a material too hard and unyielding to be appreciably altered in shape by the pressure of the heating and cooling units, even small non-uniformities of the surface of both the specimen and the apparatus (surfaces not perfectly flat) will cause contact resistances not uniformly distributed between the specimen(s) and the working surfaces of the heating and cooling units and heat flow meter(s).
These will cause non-uniform heat flow-rate distribution and thermal field distortions within the specimens; moreover they will make accurate surface temperature measurements difficult to undertake without the help of special techniques.
1.8 Limitations due to the specimens
1.8.1 Thermal resistance, thermal conductance or transfer factor
1.8.1.1 Specimen homogeneity
When making measurements of thermal resistance or thermal conductance of non-homogeneous specimens, the density of heat flow-rate both within the specimen and over the faces of the metering area may neither be unidirectional nor constant. Thermal field distortions will be present within the specimen and can give rise to serious errors. The region in the specimen contiguous to the metering area and especially near the edges of this area is most critical. It is hard to give reliable guidelines on the applicability of the method in such cases. The major risk is that edge heat loss errors, errors due to a non-uniform temperature distribution within the heat flow meter etc., that are now unpredictable, can vary in an unpredictable way when non-homogeneities take different relative positions within the specimen. The result is that all the checks proposed in 3.4 can be affected by systematic errors masking the true differences related to the different tests.
In some specimens the variation in structure may occur over small distances. This is true for many thermal insulations.
In other specimens direct thermal short circuits may exist between the surfaces of the specimens in contact with the unit(s) and heat flow meter(s). The largest effect occurs when sections of material which conduct heat readily, with extended surface area on each side of the specimen, are connected by a path of low thermal resistance relative to other paths.
1.8.1.2 Influence of temperature difference
Thermal resistance or thermal conductance may be a function of temperature differences across the specimen. In the report, the range of temperature differences that apply to the reported values of the two properties must be defined or it must be clearly stated that the reported value was determined at a single temperature difference.
1.8.2 Mean thermal conductivity of a specimen
In order to determine the mean thermal conductivity or thermal resistivity of a specimen (see 1.3.4), the criteria of 1.8.1 shall be fulfilled. The specimen shall be thermally homogeneous or homogeneous porous as defined in ISO 9251. Homogeneous porous specimens shall be such that any non-homogeneity have dimensions smaller than one-tenth of the specimen thickness. In addition, at any one mean temperature, the thermal resistance shall also be independent of the temperature differences established across the specimen.
The thermal resistance of a material is known to depend on the relative magnitude of the heat transfer processes involved. Heat conduction, radiation and convection are the primary mechanisms. However, the mechanism can combine or couple to produce non-linear effects that are difficult to analyse or measure even though the basic mechanisms are well researched and understood.
The magnitude of all heat transfer processes depends upon the temperature difference established across the specimen. For many materials, products and systems, the complex dependence will occur at temperature differences which are typical of use. In these cases it is preferable to use such a value and to determine an approximate relationship for a range of temperature differences. The dependence can be linear for a wide range of temperature differences.
Some specimens, while meeting the homogeneity criteria, are anisotropic in that the component of thermal conductivity measured in a direction parallel to the surfaces is different to that measured in a direction normal to the surfaces. For such specimens this can result in larger imbalance and edge loss errors.
1.8.3 Thermal conductivity, thermal resistivity or thermal transmissivity of a material
1.8.3.1 General
In order to determine the thermal conductivity or thermal resistivity of a material, the criteria of 1.8.2 shall be fulfilled. In addition, adequate sampling must be performed to ensure that the material is homogeneous or homogeneous porous and that the measurements are representative of the whole material, product or system. The thickness of the specimens must be greater than that for which the transfer factor of the material, product or system does not change by more than 2 % with further increase in thickness.
1.8.3.2 Dependence on specimen thickness
Of the processes involved, only conduction produces a thermal resistance that is directly proportional to the thickness of a specimen. The others result in a more complex relationship. The thinner and less dense the material, the more likely that the resistance depends on processes other than conduction. The result is a condition that does not satisfy the requirement of the definitions for thermal conductivity and thermal resistivity, both defining intrinsic properties, since the transfer factors show a dependence on the specimen thickness. For such materials, it may be desirable to determine the thermal resistance at conditions applicable to their use. There is believed to be a lower limiting thickness for all materials below which such a dependence occurs. Below this thickness, the specimen may have unique thermal heat transfer properties, but not the material. It remains, therefore, to establish this minimum thickness by measurements.
1.8.3.3 Determination of minimum thickness for which heat transfer properties of the material may be defined
If the minimum thickness for which the thermal transmissivity can be defined is not known, it is necessary to estimate this thickness. There is no established procedure for determination. The somewhat crude procedure outlined in 3.4.2, may be used for determining the thickness and whether it occurs in the range of thickness in which a material is likely to be used.
It is important to differentiate between added thermal resistance in measurements caused by the placement of the thermocouples below the surfaces of the plates or heat flow meter, added resistance caused by poor specimen surfaces, and added thermal resistance caused by the coupling of the conduction and radiation modes of heat transfer in the specimen(s). All three can affect the measurements in the same way, and often the three may be additive.
Annex E
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