ISO 8301:1991
(Main)Thermal insulation — Determination of steady-state thermal resistance and related properties — Heat flow meter apparatus
Thermal insulation — Determination of steady-state thermal resistance and related properties — Heat flow meter apparatus
Defines the use of the heat flow meter method to measure the steady-state heat transfer through flat slab specimens and the calculation of its heat transfer properties. Annex A forms an integral part of this standard. Annexes B, C, D and E are for information only.
Isolation thermique — Détermination de la résistance thermique et des propriétés connexes en régime stationnaire — Méthode fluxmétrique
Toplotna izolacija - Določanje toplotne upornosti in sorodnih lastnosti v stacionarnem stanju - Merilnik toplotnega toka
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
SLOVENSKI STANDARD
01-december-1997
7RSORWQDL]RODFLMD'RORþDQMHWRSORWQHXSRUQRVWLLQVRURGQLKODVWQRVWLY
VWDFLRQDUQHPVWDQMX0HULOQLNWRSORWQHJDWRND
Thermal insulation -- Determination of steady-state thermal resistance and related
properties -- Heat flow meter apparatus
Isolation thermique -- Détermination de la résistance thermique et des propriétés
connexes en régime stationnaire -- Méthode fluxmétrique
Ta slovenski standard je istoveten z: ISO 8301:1991
ICS:
27.220 Rekuperacija toplote. Heat recovery. Thermal
Toplotna izolacija insulation
2003-01.Slovenski inštitut za standardizacijo. Razmnoževanje celote ali delov tega standarda ni dovoljeno.
INTERNATIONAL
STANDARD
First edition
1991-08-01
Thermal insulation - Determination of
steady-state thermal resistance and related
properties - Heat flow meter apparatus
- lXfermir7ation de la kisfance fhermique et des
lsola fion 117ermique
propriMs connexes en regime stationnaire -- M&ode fluxm6trique
.--
-- --
---- __-.----.-- ------- ------ -. -----m-------w- ----
-P
- --- . .--
.-- . -.-_
-.
Reference number
.- .--. --___ --_ IS0 8301:1991(E)
IS0 8301:1991(E)
Contents
me
Section 1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*.
..................................... 1
1.1 Scope .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Normative references
1.3 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*.
1.4 Symbols and units I.
1.5 Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .-.
1.7 Limitations due to apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.8 Limitations due to the specimens
. . . . . . . . . . . . . . . . . .*.*. 9
Section 2 Apparatus and calibration
. . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Apparatus
Guidelines for apparatus design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
o. 16
2.4 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Performance check .,.,.,.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Section 3 Test procedures
. . . . . . . . . . . . . . 21
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~.
3.1 General
.............. 21
3.2 Test specimens .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Test method
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Procedures requiring multiple measurements
....... .............. 26
......................................................
3.5 Calculations
.............. 27
3.6 Test report .
0 IS0 1991
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or utilized in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying and microfilm, without
permission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
Case Postale 56 l CH-1211 Geneve 20 l Switzerland
Printed in Switzerland
ii
IS0 8301:1991(E)
Annexes
A Limit values for apparatus performance and testinq conditions 29
.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
B Heat flow meters
C Guidelines for estimation of maximum thickness of specimens in
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
heat flow meter apparatus
D Thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E Bibliography
. . .
III
IS0 8301:1991(E)
Foreword
IS0 (the International Organization for Standardization) is a worldwide
federation of national standards bodies (IS0 member bodies). The work
of preparing International Standards is normally carried out through IS0
technical committees. Each member body interested in a subject for
which a technical committee has been established has the right to be
represented on that committee. International organizations, govern-
mental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the
work. IS0 collaborates closely with the International Electrotechnical
Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
Draft International Standards adopted by the technical committees are
circulated to the member bodies for voting. Publication as an Interna-
tional Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies
casting a vote.
International Standard IS0 8301 was prepared by Technical Committee
ISO/TC 163, Thermal insulation.
Annex A forms an integral part of this International Standard. Annexes
B, C, D and E are for information only.
iv
IS0 8301:1991(E)
Introduction
0.1 Document subdivision
This International Standard is divided into three sections representing
the most comprehensive assembly of information required to use the
heat flow meter apparatus:
Section 1: General considerations
Section 2: Apparatus and calibration
Section 3: Test procedures
While the user of the method may need to concentrate only on
section 3 for test purposes, he must also be familiar with the other two
in order to obtain accurate and precise results. He must be particularly
knowledgeable about the general requirements. Section 2 is directed
towards the constructor of the apparatus, but he also, in order to build
good apparatus, must be familiar with the other sections.
* 02 . Heat transfer and measured properties
A large number of tests are run on light-density porous materials. In
such cases the actual heat transfer within them can involve a complex
combination of different contributions of
-
radiation;
-
conduction both in the solid and in the gas phase;
-
convection (in some operating conditions);
plus their interaction, together with mass transfer, especially in moist
materials. Therefore, the heat transfer property, very often improperly
called “thermal conductivity”, calculated from a defined formula and the
results of measurements of heat transfer rate, temperature difference
and dimensions for a specimen may be not an intrinsic property of the
material itself. This property, in accordance with IS0 9288, should
therefore be called the “transfer factor” as it may depend on the test
conditions (the transfer factor is often referred to elsewhere as apparent
or effective thermal conductivity). The transfer factor may have a signif-
icant dependence on the thickness of the specimen and/or on the tem-
perature difference for the same mean test temperature.
Heat transfer bv radiation is the first source of dependence of the
transfer factor, on specimen thickness. As a consequence, not only the
material properties but also the radiative characteristics of the surfaces
bounding the specimen influence results. Thermal resistance is there-
fore the’ property that better describes the thermal behaviour of the
V
IS0 8301:1991(E)
specimen, provided that it is accompanied by information on the
bounding s ‘urfaces.
If there is any possibility of the onset of convection within the specimen
(e.g. in light mineral wool for low temperatures), the apparatus orien-
tation, the thickness and the temperature difference can influence both
the transfer factor and the thermal resistance. In such cases, as a min-
imum it is required that the geometry and the boundary conditions of the
specimen tested be fully specified, even though information supplied in
the test procedures -does not cover these test conditions in detail. In
addition, it will take considerable knowledge to evaluate the measure-
ment as such, especially when applying the measured values in prac-
tice.
The influence of moisture within a specimen on the heat transfer during
a measurement is also a very complex matter. Dried specimens only
therefore ought to be tested according to standard procedures. Meas-
urements on moist materials need additional precautions not covered
in detail in this International Standard.
The knowledge of the physical principles is also extremely important
when a heat transfer property, determined by this test method, is used
to predict the thermal behaviour of a specific material in a practical ap-
plication even though other factors such as workmanship can influence
this behaviour.
0.3 Background required
The design and subsequent correct operation of a heat flow meter (HFM)
apparatus (see 1.6.1 and 2.2.2) to obtain correct results and the inter-
pretation of experimental results is a complex subject requiring great
care. It is recommended that the designer, operator and user of meas-
ured data of the HFM apparatus should have a thorough background of
knowledge of heat transfer mechanisms in the materials, products and
systems being evaluated, coupled with experience of electrical and
temperature measurements particularly at low signal levels. Good lab-
oratory practice in accordance with general test procedures should also
be maintained.
The in-depth knowledge in each area cited may be different for the de-
signer, operator, and data user.
0.4 Design, size, and national standards
Many different designs of heat flow meter apparatus exist worldwide to
conform to present national standards. Continuing researc:h and devel-
opment is in progress to improve the apparatus and measurement
techniques. Thus it is not practical to mandate a specific design or size
of apparatus especially as total requirements may vary quite widely.
0.5 Guidelines supplied
Considerable latitude both in the temperature range and in the geom-
etry of the apparatus is given to the designer of new equipment since
various forms have been found to give comparable results. It is rec-
ommended that designers of new apparatus carefully read the compre-
hensive literature cited in annex E. After completion of new apparatus
it is recommended that it should be checked by undertaking tests on one
or more of the various reference materials of different thermal resist-
ance levels now available. This International Standard outlines only the
mandatory requirements necessary to design and operate heat flow
meter apparatus in order to provide correct results. A table summariz-
ing limit values for the apparatus performance and testing conditions
vi
IS0 8301:1991(E)
stated in this International Standard is supplied in annex A. It also in-
cludes recommended procedures and practices plus suggested speci-
men dimensions which together should enhance general measurement
levels and assist in improving inter-laboratory comparison and
collaborative measurement programmes.
vii
This page intentionally left blank
Thermal insulation - Determination of steady-state thermal
resistance and related properties - Heat flow meter
apparatus
Section 1: General
of this International Standard. At the time of publi-
1.1 Scope
cation, the editions indicated were valid. All stan-
dards are subject to revision, and parties to
1.1.1 This International Standard defines the use
agreements based on this International Standard
of the heat flow meter method (see 2.2.2) to measure
are encouraged to investigate the possibility of ap-
the steady-state heat transfer through flat slab
plying the most recent editions of the standards in-
specimens and the calculation of the heat transfer
dicated below. Members of IEC and IS0 maintain
properties of specimens.
registers of currently valid International Standards.
This is a secondary or relative method since the ra-
IS0 7345: 1987, Thermal irutllation --. Physical quan-
tio of the thermal resistance of the specimen(s) to
tities and definitions.
that of a standard specimen(s) is measured.
Reports conforming to this standard test method IS0 8302: 199 1, Thermal insulation -- Determination
shall refer to specimens with thermal resistance of steady-state thermal resistance and related prop-
greater than 0,l m*-K/W provided that thickness erties - Guarded hot plate apparatus.
limits given in 1.7.2 are not exceeded.
IS0 9229:- ‘1 , Thermal insulation -- Materials. pro-
ducts and systems -- Vocabulary.
1.1.2 If the specimens satisfy the requirements
outlined in 1.8.1, the resultant proper-ties shall be
IS0 9251:1987, Thermal insulation -- Heat transfer
described as the thermal conductance and thermal
conditions and properties of materials -
resistance of the specimen.
Vocabulary.
1.1.3 If the specimens satisfy the requirements of
IS0 9288:1989, Thermal insulation - Heat transfer by
1.8.2, the resultant properties shall be described as
radiation - Physical quantities and definitions.
the mean thermal conductivity of the specimen be-
ing evaluated.
IS0 9346:1987, Thermal insulation -- Mass transfer
-- Physical quantities and definitions.
Il.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
1.3 Definitions
material being evaluated.
For the purposes of this International Standard, the
1.2 Normative references
following definitions apply.
The following quantities are defined in IS0 7345 or
The following standards contain provisions which,
through reference in this text, constitute provisions IS0 9251:
1) To be published.
- IS0 8301:1991(E)
parallel, flat isothermal faces and by adiabatic
Quantity Symbol Units
edges perpendicular to the faces, that is made of a
Heat flow-rate @ W
material thermally homogeneous, isotropic (or
Density of heat flow-rate W/m* anisotropic with a symmetry axis perpendicular to
the faces), stable only within the precision of a
Thermal resistancel) R m* *K/W
measurement and the time required to execute it,
Thermal conductance
A W/(m* .K)
Thermal conductivity*) R W/(m*K)
and with thermal conductivity R or [A] consiant or a
linear function of temperature.
Thermal resistivity Y m-K/W
Porosity
t
4.3.5 transfer factor of a specimen: Is defined by
Local porosity
z
P
c/ 4
1) In some cases it may be necessary to consider c -
7 - - - -$- W(m.K)
,. -
Al
also the temperature difference divided by the heat
flow rate; no special symbol is assigned to this quan-
It depends on experimental conditions and charac-
tity, sometimes also called resistance.
terizes a specimen in relation with the combined
2) In the most general case i and grad 7’do not
conduction and radiation heat transfer. It is often
have the same orientation (; is not defined through a referred to elsewhere as measured, equivalent, ap-
single constant R but through a matrix of constants);
parent or effective thermal conductivity of a speci-
moreover conductivity changes while changing pos-
men.
ition within the body, while changing the temperature
and changes with time.
1.3.6 thermal transmissivity of a material: It is de-
fined by
The following definitions related to material proper-
ties are given in IS0 9251:
/ = g W/(m.K)
-t
porous medium
when A&AR is independent of the thickness d. It is
homogeneous medium
independent of experimental conditions and charac-
homogeneous porous medium
terizes an insulating material in relation with com-
heterogeneous medium
bined conduction and radiation. Thermal
isotropic medium
transmissivity can be seen as the limit reached by
anisotropic medium
the transfer factor in thick layers where combined
stable medium
conduction and radiation heat transfer takes place.
It is often referred to elsewhere as equivalent, ap-
Other terms not defined in IS0 7345 or IS0 9251:
parent or effective thermal conductivity of a
material.
1.3.1 thermally homogeneous medium: Is one in
=?
4.3.7 steady-state heat transfer property: Generic
which thermal conductivity [A] is not a function of
term to identify one of the following properties:
the position within the medium but may be a func-
thermal resistance, transfer factor, thermal conduc-
tion of direction, time and temperature.
tivity, thermal resistivity, thermal transmissivity,
thermal conductance, mean thermal conductivity.
1.3.2 thermally isotropic medium: Is one in which
4.3.8 room temperature: Generic term to identify a
thermal conductivity [A] is not a function of direction
mean test temperature of a measurement such that
but may be a function of the posItion with the me-
a man in a room would regard it comfortable if it
=z
were the temperature of that room.
dium, of time and of the temperature ([A] is defined
through a single value R in each point).
4.3.9 ambient temperature: Generic term to identify
the temperature in the vicinity of ihe edge of the
1.3.3 thermally stable medium: Is one in which
specimen or in the vicinity of the whole apparatus.
=I
This temperature is the temperature within the cab-
thermal conductivity R or [A.] is not a function of
inet where the apparatus is enclosed or that of the
time, but may be a function of the co-ordinates, of
the temperature and, when applicable, of the direc- laboratory for non-enclosed apparatus.
tion.
4.3.10 operator: Person responsible for carrying
1.3.4 mean thermat conductivity of a specimen: Is out the test on a heat flow meter apparatus and for
the property defined in steady-state conditions in a the presentation through a report of measured re-
body that has the form of a slab bounded by two sults.
IS0 8301:1991(E)
data user: Person involved in the application meet predefined performance limits for the appara-
1.3.11
tus in assigned test conditions and who identifies
and interpretation of measured results to judge ma-
terial or system performance. test procedures to verify the predicted apparatus
accuracy.
1.3.12 designer: Person who develops the
constructional details of an apparatus in order to
1.4 Symbols and units
Quantity Units
Symbol -
A Area measured on a selected isothermal surface, or metering area m*
.
J/(kg-K)
Specific heat capacity
C*
Thickness of specimen measured along a path normal to isothermal
d
surfaces m
m
Thickness for each specimen in a two-specimen configuration HFM ap-
paratus
m
d Mean thickness of a pair of two specimens
‘rn
Thickness of specimens designated .r, , .r2 , . . . . .r5 m
d, ) d2 , . . . ) d5
m
Maximum allowable distance-between hot and cold plates during the test
mV
e Heat flow meter output
W/(mVm* )
Calibration factor of the heat flow meter
f
Length of the side of heat flow meter(s) m
L
Length of the side of heat flow meter metering area m
Lm
-
n7, Relative mass change after conditioning
-
Relative mass change due to conditioning after drying
-
Relative mass change after drying
-
Relative mass change of a specimen during the test
WV
Mass in as-received condition
Ml kg
Mass after drying
kg
M2
Mass after conditioning
kg
M3
Mass after test
kg
w
Mass of dried or conditioned material, immediately before test
kg
M,
W/m?
Density of heat flow-rate
Density of heat flow-rate for each specimen in a two-specimen config-
yI 1 q’l
uration HFM apparatus W/m*
m-K/W
Y Thermal resistivity
Y Average thermal resistivity in a two-specimen configuration HFM appa-
avg
ratus m-K/W
R Thermal resistance m* -l
m* .l
Thermal resistance of the standard specimen
Rs
Thermal resistance of the unknown specimen m* 4
R”
Total thermal resistance in a two-specimen configuration HFM apparatus m* 4
Rt
--
Set of specimens of different thicknesses
s-2 7 .“7 s-5
Sl '
W/(m.K)
Transfer factor of a specimen
7;, = (7; + 7; )/2 Mean temperature u
7 -I, , Y, Hot side temperatures for each specimen in a two-specimen configura-
tion HFM apparatus
T12 , T”, Cold side temperature for each specimen in a two-specimen configura-
tion HFM apparatus
Mean temperature of specimen (‘) in a two-specimen configuration HFM
T’m
apparatus
Tf?, Mean temperature of specimen 1”) in a two-specimen configuration HFM
.
apparatus
- IS0 8301:1991(E)
Symbol Quantity Units
V Volume m3
Ad Increment of thickness rn
6d = (d’ - d” )/2 Mean thickness difference of specimens (‘) and (“) in a two-specimen
configuration HFM apparatus m
6R Deviation of thermal conductivity at mean temperature 7; of specimens
(‘) and (“) W/(m.K)
6Tm = (T’, -T”, )I2 Mean deviation between the mean temperature of specimen (‘) and (“) K
67’ = (AT’ -AT’ j/2 Mean deviation between the temperature differences of specimens (‘) K
and (“)
AR Increment of thermal resistance m* -KM/
AT= T,-T2 Temperature difference K
AT’ , AT” Temperature differences for each specimen (‘) and (“) in a two-specimen
K
configuration HFM apparatus
Be mV/(W.m* )
Sensitivity coefficient of the HFM
0 Heat flow-rate W
Heat flow-rate with unknown specimen W
@”
W
Heat flow rate with “standard” or “reference” specimen
Qis
a Thermal conductivity W/(m.K)
R’ , R” Thermal conductivity for each specimen (‘) and (“) in a two-specimen
W/( m-K
configuration HFM apparatus
.
W/(nvK*
First order temperature derivative of R (T)
W-l
. .
Second order temperature derivative of 2 (T) W/(m.K3 )
a Average thermal conductivity in a two-specimen configuration HFM ap-
w
paratus W/( m-K)
Mean thermal conductivity of a specimen or thermal conductivity at the
lrn
W/( m-K)
mean temperature 7-m
Mean thermal conductivity of specimens (‘) and (“) measured in a
guarded hot plate apparatus W/( In-K)
W/(mK)
Thermal transmissivity of a material
Thermal conductance W/(m* SK)
Density of the dry material as tested kg!ms
Pd
kg/m3
Density of the material after conditioning
Ps
Product of as-tested density and specific heat of the specimen J/[r+ SK)
P‘CS
--
Porosity
t
--
Local porosity
t
P
I ?I
Indexes used to refer to properties of the first and the second spec imen
0 (
in a two-specimen configuration HFM apparatus
IS0 8301 :1991 (E)
1.5.3.1 The reproducibility of subsequent measure-
1.5 Significance
ments made by the apparatus on a specimen main-
tained within the apparatus without change in test
conditions is normally much better than 1 %. When
1.5.1 Factors influencing thermal properties
measurements are made on the same reference
specimen removed and then mounted again after
The thermal tra nsmission properties of a specimen
long time intervals. the reproducibility of measure-
of m aterial may
ments is normally better than + I %. This larger
figure is due to minor changes-in test conditions
- vary due to variab ility of the composition of the
such as the pressure of the plates and heat flow
mate rials or sampl es of it
meter on the specimen (that affects contact resist-
ances), and the relative humidity of the air around
- be affected by moisture or other factors;
the specimen (that affects its moisture content).
These levels of reproducibility are required to iden-
- change with time;
tify errors in the method and are desirable in quality
control application.
- change with mean temperature;
- depend upon the prior thermal history. 1.5.3.2 The accuracy of the calibration of heat flow
meter apparatus is normally within -& 2 % when the
It must be recognized, therefore, that the selection
mean temperature of the test is near the room tem-
of a typical value of heat transfer properties repre-
perature.
sentative of a material, in a particular application,
shall be based on a consideration of these factors The accuracy of calibration is mainly due to the ac-
and will not necessarily apply without modification
curacy of the guarded hot plate method when
to all service conditions.
measuring the properties of reference specimens.
As an example this method provides that the heat
1.5.3.3 As a consequence this method is capable
transfer properties shall be obtained on dried spec-
of determining the heat transfer properties within
imens, although in service such conditions may not
+ 3 % when the mean temperature of the test is
-
be realized. Even more basic is the dependence of
near the room temperature.
the heat transfer properties on variables such as
mean temperature and temperature difference. Such
dependence should be measured or the test made 1.54 Calibration procedure
under conditions typical of use.
One of the following procedures shall be followed.
1.52 Sampling
154.1 The test-laboratory apparatus shall be cali-
brated (see 2.4) within 24 h before or after the test
Heat transfer properties need adequate information
using calibration standards that have been issued
to be considered representative of a material. A
by a recognized standard laboratory. Stability of
heat transfer property of a material can be deter-
calibration standards depends upon the type of ma-
mined by a single measurement only if the sample
terial: some calibration standards have been suc-
is typical of the material and the specimen(s) is (are)
cessfully used over 20 years but it is suggested to
typical of the sample.
check them at least each 5 years. The reported test
and the apparatus calibration test shall be carried
The procedure for selecting the sample should
out using approximately the same hot- and cold-side
normally be specified in the material specification.
temperatures as were used in the official calibration
The selection of the specimen from the sample may
of the standards.
be partly specified in the material specification.
As sampling is beyond the scope of this method,
1.5.4.2 Where both short- and long-term stabilities
when the problem is not covered by a material
of the heat flow meter have been proved to be better
specification, reference shall be made to appropri-
than + I % of the reading, the heat flow meter ap-
ate documents.
paratus 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 follow-
1.5.3 Accuracy and reproducibility
ing the test and then only if the change in calibration
from the previous test is less than 1 %.
Evaluation of the accuracy of the method is complex
and is a function of the apparatus design, of the re- The average of the two calibrations shall be used
lated instrumentation and of the type of specimens as the calibration factor and the specimens tested
with this value. When the change in calibration is
under test. The accuracy and the calibration should
greater than + 1 %, test results from this interval
be a function of the reference material.
-
- IS0 8301:1991(E)
shall be considered void and tests repeated in ac-
1.6.5 The thermal conductivity of the specimen(s)
cordance with 1.5.4.1.
may be also computed if the conditions of the defi-
nition are met and the thickness dof the specimens
is known.
1.6 Principle
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
1.6.1 The heat flow meter apparatus tends to es-
the specimens and by the accuracy in the measure
tablish a unidirectional uniform density of heat flow-
of temperature, thickness, emf produced by heat
rate which simultaneously crosses the central
flow meter, etc.
metering area of one (or two) heat flow mmeter(s) and
the central area of one (or two nearly identical)
1.6.7 Another set of limits is due to the specimens,
specimen(s) in the form of slab(s) when tested in
as they are not exactly of the same thickness (in the
steady-state conditions of constant mean temper-
case of two-specimen apparatus); nor is the larger
ature and constant temperature difference between
surface ever perfectly flat, or perfectly parallel.
one heating unit and one cooling unit bordering the
assembly of the specimen(s) and heat flow meter(s).
1.7 Limitations due to apparatus
1.6.2 This is a secondary or relative method, since
The use of apparatus shall be limited to a number
the ratio of the thermal re,sistance of the
of factors related to the calibration and to the limi-
specimen(s) to that of a standard specimen(s) is
tations on specimen thickness.
measured. The thermal resistance of standard
specimen(s) must be determined separately in ac-
1.7.1 Limitations related to calibration
cordance with IS0 8302 on the guarded hot plate
apparatus.
The apparatus shall not be used at temperatures
other than those applied to the calibration. If a cali-
bration curve has been established in a temperature
1.6.3 The ideal condition of unidirectional density
range, extrapolation is not allowed.
of heat flow-rate cannot be obtained in the whole
area of the specimen and heat flow meter. This im-
Particular attention shall be paid to use the appara-
plies that special attention must be given to
tus for densities of heat flow rate comparable to
those applied at calibration. This is related to the
) the problem of h eat losse s by the edges of the
type of material to be tested, to the specimen thick-
specimen(s) and heat flow meter(s)
ness and to the temperature difference cluring the
test.
) the differences between the geometrical (thick-
ness) and thermal properties of the standard
‘I .7.2 Limitations related to specimen(s)
specimen(s) and of specimen(s) to be measured:
thickness
c) the differences in temperature boundary condi-
1.7.2.1 General
tions (if any) between determination of thermal
resistance of standard specimen(s) in the
The combined thickness of the specimen(s), the heat
guarded hot plate apparatus and calibration pro-
flow meter(s) and any damping materials, which in
cedure of the heat flow meter apparatus by
total equals the distance between the cold and hot
means of the standard specimen(s).
plates, shall be restricted in order to limit the effect
of edge losses on the measurement of heat flow-
rate. A limiting geometry (see 1.7.2.2) must be cho-
1.6.4 From the measurement of the heat flow rate
sen that corresponds to the limiting geometry of a
clr, with standard specimen(s) and @, with unknown
specimen used in guarded hot plate apparatus, for
specimen(s) to be measured, the assumption of a
which the edge losses have been estimated. The
constant density of heat flow-rate of the metering
edge losses are affected by the edge insulation and
section and the assumption of the stability of tem-
the temperature of the ambient surroundinq the
.
perature difference A7’ and mean temperature 7Tm
edge of the specimen.
gives the ratio between thermal resistance R, of the
standard specimen(s) and R, of the unknown
1.7.2.2 Maximum spacing between hot and cold
specimen(s) as follows:
plates
R (D
U S
---
-
R o”, The maximum allowable distance between the hot
S U
and cold plates during the test, I& is related to the
From this R, is calculated. length of the side of the heat flow meter, I+ the
IS0 8301:1991(E)
may neither be unidirectional nor constant. Thermal
length of the side of the heat flow meter metering
field distortions will be present within the specimen
area, L,, the width of the non-metering area (I, -
and can give rise to serious errors. The region in the
I& the construction of the heat meter, and the
properties of the test specimen. No suitable theore- specimen contiguous to the metering area and es-
tical analysis is available to predict the maximum pecially near the edges of this area is most critical.
allowable thickness of specimens. It is necessary to It is hard to give reliable guidelines on the applica-
use the results of the analysis for the guarded hot bility of the method in such cases. The major risk is
plate as a guide. that edge heat loss errors, errors due to a non-
uniform temperature distribution within the heat flow
Documents [I91 and (231 on guarded hot plate analy-
meter etc., that are now unpredictable, can vary in
sis and annex C-can provide some elements for this
an unpredictable way when non-homogeneities take
estimation.
different relative positions within the specimen. The
result is that all the checks proposed in 3.4 can be
In the single specimen symmetrical configuration
affected by systematic errors masking the true dif-
(see 2.1 and figure I), the maximum value of the
ferences related to the different tests.
specimen thickness is increased by 50 % to that
corresponding to the two specimens in symmetrical
In some specimens the variation in structure may
configuration.
occur over small distances. This is true for many
thermal insulations.
If a specimen thickness is beyond the limits of the
apparatus, tests should be performed using appara-
In other specimens direct thermal short circuits may
tus with larger plates or the guarded hot box.
exist between the surfaces of the specimens in con-
tact with the unit(s) and heat flow meter(s). The
1.7.2.3 Minimum thickness largest effect occurs when sections of material
which conduct heat readily, with extended surface
The minimum specimen thickness is determined by area on each side of the specimen, are connected
contact resistances as in 1.7.3. Where thermal con- by a path of low thermal resistance relative to other
ductivity or thermal resistivity is required, the mini- paths.
mum specimen thickness is also limited by the
accuracy of the instrumentation for measuring the
1.8.1.2 Influence of temperature difference
thickness.
Thermal resistance or thermal conductance may be
a function of temperature differences across the
1.7.3 Limitations due to contact resistances
specimen. In the report, the range of temperature
differences that apply to the reported values of the
When testing rigid specimen(s), i.e. specimens of a
two properties must be defined or it must be clearly
material too hard and unyielding to be appreciably
stated that the reported value was determined at a
altered in shape by the pressure of the heating and
single temperature difference.
cooling units, even small non-uniformities of the
surface of both the specimen and the apparatus
(surfaces not perfectly flat) will cause contact re-
Mean thermal conductivity of a
1.8.2
sistances not uniformly distributed between the
specimen
specimen(s) and the working surfaces of the heating
and cooling units and heat flow meter(s).
In order to determine the mean thermal conductivity
or thermal resistivity of a specimen (see 1.3.4), the
These will cause non-uniform heat flow-rate distrib-
criteria of 1.8.1 shall be fuffitted. The specimen shall
ution and thermal field distortions within the speci-
be thermally homogeneous or homogeneous porous
mens; moreover they will make accurate surface
as defined in IS0 9251. Homogeneous porous spec-
temperature measurements difficult to undertake
imens shall be such that any non-homogeneity have
without the help of special techniques.
dimensions smaller than one-tenth of the specimen
thickness. In addition, at any one mean temperature,
1.8 Limitations due to the specimens the thermal resistance shall also be independent of
the temperature differences established across the
specimen.
1.8.1 Thermal resistance, thermal
conductance or transfer factor
The thermal resistance of a material is known to
depend on the relative magnitude of the heat trans-
1.8.1 .I Specimen homogeneity fer processes involved. Heat conduction, radiation
and convection are the primary mechanisms. How-
ever, the mechanism can combine or couple to
When making measurements of thermal resistance
produce non-linear effects that are difficult to ana-
or thermal conductance of non-homogeneous spec-
imens, the density of heat flow-rate both within the lyse or measure even though the basic mechanisms
specimen and over the faces of the metering area are well researched and understood.
- IS0 8301:1991(E)
The magnitude of all heat transfer processes de- I .8.3.2 Dependence on specimen thickness
pends upon the temperature difference established
Of the processes involved, only conduction produces
across the specimen. For many materials, products
a thermal resistance that is directly proportional to
and systems, the complex dependence will occur at
the thickness of a specimen. The others result in a
temperature differences which are typical of use. In
more complex relationship. The thinner and less
these cases it is preferable to use such a value and
dense the material, the more likely that the resist-
to determine an approximate relationship for a
ance depends on processes other than conduction.
range of temperature differences. The dependence
The result is a condition that does not satisfy the
can be linear for a wide range of temperature dif-
requirement of the definitions for thermal conduc-
ferences.
tivity and thermal resistivity, both defining intrinsic
properties, since the transfer factors show a de-
Some specimens, while meeting the homogeneity
pendence on the specimen thickness. For such
criteria, are anisotropic in that the component of
materials, it may be desirable to determine the
thermal conductivity measured in a direction paral-
thermal resistance at conditions applicable to their
lel to the surfaces is different to that measured in a
use. There is believed to be a lower limiting thick-
direction normal to the surfaces. For such speci-
ness for all materials below which such a depend-
mens this can result in larger imbalance and edge
ence occurs. Below this thickness, the specimen
loss errors.
may have unique thermal heat transfer properties,
but not the material. It remains, therefore, to estab-
lish this minimum thickness by measurements.
1.8.3.3 Determination of minimum thickness for
which heat transfer properties of the material may
be defined
1.8.3 Thermal conductivity, thermal resistivity
or thermal transmissivity of a material
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 some-
what crude procedure outlined in 3.4.2, may be used
for determininq the thickness and whether- it occurs
1.8.3.1 General
in the range ofthickness in which a material is likely
to be used.
In order to determine the thermal conductivity or
thermal resistivity of a material, the criteria of 1.8.2 It is important to differentiate between aclded ther-
shall be fulfilled. In addition, adequate sampling rnal resistance in measurements caused by the
must be performed to ensure that the material is placement of the thermocouples below the surfaces
homogeneous or homogeneous porous and that the of the plates or heat flow meter, added resistance
measurements are representative of the whole ma- caused by poor specimen surfac:es, and added
terial, product or system. The thickness of the spec- thermal resistance caused by the couplinq of the
.
imens must be greater than that for which the conduction and radiation modes of heat transfer in
transfer factor of the material, product or system the specimen(s). All three can affect the measure-
does not change by more than 2 % with further in- rnents in the same way, and often the three may be
crease in thickness. additive.
IS0 8301:1991 (E)
Section 2:
Apparatus and calibration
This may be achieved by placing an electrical wind-
2.1 General
ing of uniform specific power between two metal
plates or by circulating a constant-temperature liq-
The construction guidelines given in this section
uid between the plates or by a combination of both
must be fully understood by the user of this test
or by other adequate means; (see (*I). Liquid-heated
method. While it-is mandatory that these details be
metal plates need particular care in their design.
carefully followed when constructing an apparatus,
The worst case thermal load should be first defined,
the user should also verify that the-equipment was
then the liquid flow rate should be tentatively as-
built as specified. Serious errors of measurement
signed and in this situation the fluid temperature
could result from ignoring this.
difference between plate inlet and outlet should be
evaluated to check whether the liquid flow rate is
As stated in 1.6, the general features of a heat flow
correct. For most fluid-path layouts this temperature
meter apparatus with the specimen or the speci-
difference is larger than any temperature non-
mens installed are shown in figure I; they shall
uniformity of the plate. The best results will be ob-
consist of a heating unit, one or two heat flow rne-
tained with helical counter-flow paths for the fluid
ters, one or two specimens and a cooling unit.
(see figure2). However, in this case the thermal re-
The configuration a) in figure 1 is called “single-
sistance between the fluid and the metal plate
specimen asymmetrical”; the heat flow meter may
should be sufficiently high, otherwise plate temper-
be placed against either unit. The configuration b) is
ature non-uniformity can be even larger than the
called “single-specimen symmetrical”. The config-
temperature difference between the inlet and outlet
uration c) is called “two-specimen symmetrical”; in
fluid. For information on the correct design of a
this case, the specimens should be substantially
liquid-cooled or liquid-heated metal plate, see PI
identical and cut from the same sample of material.
and [Id]. Th e t emperature uniformity of the working
surfaces of a heating or cooling unit in a heat flow
Each configuration will yield equivalent results if
meter apparatus may be even more critical than in
used within the limitations stated in this method.
a guarded hot plate apparatus, as some heat flow
There are distinct advantages for each method in
meters may
...
INTERNATIONAL
STANDARD
First edition
1991-08-01
Thermal insulation - Determination of
steady-state thermal resistance and related
properties - Heat flow meter apparatus
- lXfermir7ation de la kisfance fhermique et des
lsola fion 117ermique
propriMs connexes en regime stationnaire -- M&ode fluxm6trique
.--
-- --
---- __-.----.-- ------- ------ -. -----m-------w- ----
-P
- --- . .--
.-- . -.-_
-.
Reference number
.- .--. --___ --_ IS0 8301:1991(E)
IS0 8301:1991(E)
Contents
me
Section 1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*.
..................................... 1
1.1 Scope .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Normative references
1.3 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*.
1.4 Symbols and units I.
1.5 Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .-.
1.7 Limitations due to apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.8 Limitations due to the specimens
. . . . . . . . . . . . . . . . . .*.*. 9
Section 2 Apparatus and calibration
. . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Apparatus
Guidelines for apparatus design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
o. 16
2.4 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Performance check .,.,.,.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Section 3 Test procedures
. . . . . . . . . . . . . . 21
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .~.
3.1 General
.............. 21
3.2 Test specimens .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Test method
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Procedures requiring multiple measurements
....... .............. 26
......................................................
3.5 Calculations
.............. 27
3.6 Test report .
0 IS0 1991
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or utilized in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying and microfilm, without
permission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
Case Postale 56 l CH-1211 Geneve 20 l Switzerland
Printed in Switzerland
ii
IS0 8301:1991(E)
Annexes
A Limit values for apparatus performance and testinq conditions 29
.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
B Heat flow meters
C Guidelines for estimation of maximum thickness of specimens in
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
heat flow meter apparatus
D Thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E Bibliography
. . .
III
IS0 8301:1991(E)
Foreword
IS0 (the International Organization for Standardization) is a worldwide
federation of national standards bodies (IS0 member bodies). The work
of preparing International Standards is normally carried out through IS0
technical committees. Each member body interested in a subject for
which a technical committee has been established has the right to be
represented on that committee. International organizations, govern-
mental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the
work. IS0 collaborates closely with the International Electrotechnical
Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
Draft International Standards adopted by the technical committees are
circulated to the member bodies for voting. Publication as an Interna-
tional Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies
casting a vote.
International Standard IS0 8301 was prepared by Technical Committee
ISO/TC 163, Thermal insulation.
Annex A forms an integral part of this International Standard. Annexes
B, C, D and E are for information only.
iv
IS0 8301:1991(E)
Introduction
0.1 Document subdivision
This International Standard is divided into three sections representing
the most comprehensive assembly of information required to use the
heat flow meter apparatus:
Section 1: General considerations
Section 2: Apparatus and calibration
Section 3: Test procedures
While the user of the method may need to concentrate only on
section 3 for test purposes, he must also be familiar with the other two
in order to obtain accurate and precise results. He must be particularly
knowledgeable about the general requirements. Section 2 is directed
towards the constructor of the apparatus, but he also, in order to build
good apparatus, must be familiar with the other sections.
* 02 . Heat transfer and measured properties
A large number of tests are run on light-density porous materials. In
such cases the actual heat transfer within them can involve a complex
combination of different contributions of
-
radiation;
-
conduction both in the solid and in the gas phase;
-
convection (in some operating conditions);
plus their interaction, together with mass transfer, especially in moist
materials. Therefore, the heat transfer property, very often improperly
called “thermal conductivity”, calculated from a defined formula and the
results of measurements of heat transfer rate, temperature difference
and dimensions for a specimen may be not an intrinsic property of the
material itself. This property, in accordance with IS0 9288, should
therefore be called the “transfer factor” as it may depend on the test
conditions (the transfer factor is often referred to elsewhere as apparent
or effective thermal conductivity). The transfer factor may have a signif-
icant dependence on the thickness of the specimen and/or on the tem-
perature difference for the same mean test temperature.
Heat transfer bv radiation is the first source of dependence of the
transfer factor, on specimen thickness. As a consequence, not only the
material properties but also the radiative characteristics of the surfaces
bounding the specimen influence results. Thermal resistance is there-
fore the’ property that better describes the thermal behaviour of the
V
IS0 8301:1991(E)
specimen, provided that it is accompanied by information on the
bounding s ‘urfaces.
If there is any possibility of the onset of convection within the specimen
(e.g. in light mineral wool for low temperatures), the apparatus orien-
tation, the thickness and the temperature difference can influence both
the transfer factor and the thermal resistance. In such cases, as a min-
imum it is required that the geometry and the boundary conditions of the
specimen tested be fully specified, even though information supplied in
the test procedures -does not cover these test conditions in detail. In
addition, it will take considerable knowledge to evaluate the measure-
ment as such, especially when applying the measured values in prac-
tice.
The influence of moisture within a specimen on the heat transfer during
a measurement is also a very complex matter. Dried specimens only
therefore ought to be tested according to standard procedures. Meas-
urements on moist materials need additional precautions not covered
in detail in this International Standard.
The knowledge of the physical principles is also extremely important
when a heat transfer property, determined by this test method, is used
to predict the thermal behaviour of a specific material in a practical ap-
plication even though other factors such as workmanship can influence
this behaviour.
0.3 Background required
The design and subsequent correct operation of a heat flow meter (HFM)
apparatus (see 1.6.1 and 2.2.2) to obtain correct results and the inter-
pretation of experimental results is a complex subject requiring great
care. It is recommended that the designer, operator and user of meas-
ured data of the HFM apparatus should have a thorough background of
knowledge of heat transfer mechanisms in the materials, products and
systems being evaluated, coupled with experience of electrical and
temperature measurements particularly at low signal levels. Good lab-
oratory practice in accordance with general test procedures should also
be maintained.
The in-depth knowledge in each area cited may be different for the de-
signer, operator, and data user.
0.4 Design, size, and national standards
Many different designs of heat flow meter apparatus exist worldwide to
conform to present national standards. Continuing researc:h and devel-
opment is in progress to improve the apparatus and measurement
techniques. Thus it is not practical to mandate a specific design or size
of apparatus especially as total requirements may vary quite widely.
0.5 Guidelines supplied
Considerable latitude both in the temperature range and in the geom-
etry of the apparatus is given to the designer of new equipment since
various forms have been found to give comparable results. It is rec-
ommended that designers of new apparatus carefully read the compre-
hensive literature cited in annex E. After completion of new apparatus
it is recommended that it should be checked by undertaking tests on one
or more of the various reference materials of different thermal resist-
ance levels now available. This International Standard outlines only the
mandatory requirements necessary to design and operate heat flow
meter apparatus in order to provide correct results. A table summariz-
ing limit values for the apparatus performance and testing conditions
vi
IS0 8301:1991(E)
stated in this International Standard is supplied in annex A. It also in-
cludes recommended procedures and practices plus suggested speci-
men dimensions which together should enhance general measurement
levels and assist in improving inter-laboratory comparison and
collaborative measurement programmes.
vii
This page intentionally left blank
Thermal insulation - Determination of steady-state thermal
resistance and related properties - Heat flow meter
apparatus
Section 1: General
of this International Standard. At the time of publi-
1.1 Scope
cation, the editions indicated were valid. All stan-
dards are subject to revision, and parties to
1.1.1 This International Standard defines the use
agreements based on this International Standard
of the heat flow meter method (see 2.2.2) to measure
are encouraged to investigate the possibility of ap-
the steady-state heat transfer through flat slab
plying the most recent editions of the standards in-
specimens and the calculation of the heat transfer
dicated below. Members of IEC and IS0 maintain
properties of specimens.
registers of currently valid International Standards.
This is a secondary or relative method since the ra-
IS0 7345: 1987, Thermal irutllation --. Physical quan-
tio of the thermal resistance of the specimen(s) to
tities and definitions.
that of a standard specimen(s) is measured.
Reports conforming to this standard test method IS0 8302: 199 1, Thermal insulation -- Determination
shall refer to specimens with thermal resistance of steady-state thermal resistance and related prop-
greater than 0,l m*-K/W provided that thickness erties - Guarded hot plate apparatus.
limits given in 1.7.2 are not exceeded.
IS0 9229:- ‘1 , Thermal insulation -- Materials. pro-
ducts and systems -- Vocabulary.
1.1.2 If the specimens satisfy the requirements
outlined in 1.8.1, the resultant proper-ties shall be
IS0 9251:1987, Thermal insulation -- Heat transfer
described as the thermal conductance and thermal
conditions and properties of materials -
resistance of the specimen.
Vocabulary.
1.1.3 If the specimens satisfy the requirements of
IS0 9288:1989, Thermal insulation - Heat transfer by
1.8.2, the resultant properties shall be described as
radiation - Physical quantities and definitions.
the mean thermal conductivity of the specimen be-
ing evaluated.
IS0 9346:1987, Thermal insulation -- Mass transfer
-- Physical quantities and definitions.
Il.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
1.3 Definitions
material being evaluated.
For the purposes of this International Standard, the
1.2 Normative references
following definitions apply.
The following quantities are defined in IS0 7345 or
The following standards contain provisions which,
through reference in this text, constitute provisions IS0 9251:
1) To be published.
- IS0 8301:1991(E)
parallel, flat isothermal faces and by adiabatic
Quantity Symbol Units
edges perpendicular to the faces, that is made of a
Heat flow-rate @ W
material thermally homogeneous, isotropic (or
Density of heat flow-rate W/m* anisotropic with a symmetry axis perpendicular to
the faces), stable only within the precision of a
Thermal resistancel) R m* *K/W
measurement and the time required to execute it,
Thermal conductance
A W/(m* .K)
Thermal conductivity*) R W/(m*K)
and with thermal conductivity R or [A] consiant or a
linear function of temperature.
Thermal resistivity Y m-K/W
Porosity
t
4.3.5 transfer factor of a specimen: Is defined by
Local porosity
z
P
c/ 4
1) In some cases it may be necessary to consider c -
7 - - - -$- W(m.K)
,. -
Al
also the temperature difference divided by the heat
flow rate; no special symbol is assigned to this quan-
It depends on experimental conditions and charac-
tity, sometimes also called resistance.
terizes a specimen in relation with the combined
2) In the most general case i and grad 7’do not
conduction and radiation heat transfer. It is often
have the same orientation (; is not defined through a referred to elsewhere as measured, equivalent, ap-
single constant R but through a matrix of constants);
parent or effective thermal conductivity of a speci-
moreover conductivity changes while changing pos-
men.
ition within the body, while changing the temperature
and changes with time.
1.3.6 thermal transmissivity of a material: It is de-
fined by
The following definitions related to material proper-
ties are given in IS0 9251:
/ = g W/(m.K)
-t
porous medium
when A&AR is independent of the thickness d. It is
homogeneous medium
independent of experimental conditions and charac-
homogeneous porous medium
terizes an insulating material in relation with com-
heterogeneous medium
bined conduction and radiation. Thermal
isotropic medium
transmissivity can be seen as the limit reached by
anisotropic medium
the transfer factor in thick layers where combined
stable medium
conduction and radiation heat transfer takes place.
It is often referred to elsewhere as equivalent, ap-
Other terms not defined in IS0 7345 or IS0 9251:
parent or effective thermal conductivity of a
material.
1.3.1 thermally homogeneous medium: Is one in
=?
4.3.7 steady-state heat transfer property: Generic
which thermal conductivity [A] is not a function of
term to identify one of the following properties:
the position within the medium but may be a func-
thermal resistance, transfer factor, thermal conduc-
tion of direction, time and temperature.
tivity, thermal resistivity, thermal transmissivity,
thermal conductance, mean thermal conductivity.
1.3.2 thermally isotropic medium: Is one in which
4.3.8 room temperature: Generic term to identify a
thermal conductivity [A] is not a function of direction
mean test temperature of a measurement such that
but may be a function of the posItion with the me-
a man in a room would regard it comfortable if it
=z
were the temperature of that room.
dium, of time and of the temperature ([A] is defined
through a single value R in each point).
4.3.9 ambient temperature: Generic term to identify
the temperature in the vicinity of ihe edge of the
1.3.3 thermally stable medium: Is one in which
specimen or in the vicinity of the whole apparatus.
=I
This temperature is the temperature within the cab-
thermal conductivity R or [A.] is not a function of
inet where the apparatus is enclosed or that of the
time, but may be a function of the co-ordinates, of
the temperature and, when applicable, of the direc- laboratory for non-enclosed apparatus.
tion.
4.3.10 operator: Person responsible for carrying
1.3.4 mean thermat conductivity of a specimen: Is out the test on a heat flow meter apparatus and for
the property defined in steady-state conditions in a the presentation through a report of measured re-
body that has the form of a slab bounded by two sults.
IS0 8301:1991(E)
data user: Person involved in the application meet predefined performance limits for the appara-
1.3.11
tus in assigned test conditions and who identifies
and interpretation of measured results to judge ma-
terial or system performance. test procedures to verify the predicted apparatus
accuracy.
1.3.12 designer: Person who develops the
constructional details of an apparatus in order to
1.4 Symbols and units
Quantity Units
Symbol -
A Area measured on a selected isothermal surface, or metering area m*
.
J/(kg-K)
Specific heat capacity
C*
Thickness of specimen measured along a path normal to isothermal
d
surfaces m
m
Thickness for each specimen in a two-specimen configuration HFM ap-
paratus
m
d Mean thickness of a pair of two specimens
‘rn
Thickness of specimens designated .r, , .r2 , . . . . .r5 m
d, ) d2 , . . . ) d5
m
Maximum allowable distance-between hot and cold plates during the test
mV
e Heat flow meter output
W/(mVm* )
Calibration factor of the heat flow meter
f
Length of the side of heat flow meter(s) m
L
Length of the side of heat flow meter metering area m
Lm
-
n7, Relative mass change after conditioning
-
Relative mass change due to conditioning after drying
-
Relative mass change after drying
-
Relative mass change of a specimen during the test
WV
Mass in as-received condition
Ml kg
Mass after drying
kg
M2
Mass after conditioning
kg
M3
Mass after test
kg
w
Mass of dried or conditioned material, immediately before test
kg
M,
W/m?
Density of heat flow-rate
Density of heat flow-rate for each specimen in a two-specimen config-
yI 1 q’l
uration HFM apparatus W/m*
m-K/W
Y Thermal resistivity
Y Average thermal resistivity in a two-specimen configuration HFM appa-
avg
ratus m-K/W
R Thermal resistance m* -l
m* .l
Thermal resistance of the standard specimen
Rs
Thermal resistance of the unknown specimen m* 4
R”
Total thermal resistance in a two-specimen configuration HFM apparatus m* 4
Rt
--
Set of specimens of different thicknesses
s-2 7 .“7 s-5
Sl '
W/(m.K)
Transfer factor of a specimen
7;, = (7; + 7; )/2 Mean temperature u
7 -I, , Y, Hot side temperatures for each specimen in a two-specimen configura-
tion HFM apparatus
T12 , T”, Cold side temperature for each specimen in a two-specimen configura-
tion HFM apparatus
Mean temperature of specimen (‘) in a two-specimen configuration HFM
T’m
apparatus
Tf?, Mean temperature of specimen 1”) in a two-specimen configuration HFM
.
apparatus
- IS0 8301:1991(E)
Symbol Quantity Units
V Volume m3
Ad Increment of thickness rn
6d = (d’ - d” )/2 Mean thickness difference of specimens (‘) and (“) in a two-specimen
configuration HFM apparatus m
6R Deviation of thermal conductivity at mean temperature 7; of specimens
(‘) and (“) W/(m.K)
6Tm = (T’, -T”, )I2 Mean deviation between the mean temperature of specimen (‘) and (“) K
67’ = (AT’ -AT’ j/2 Mean deviation between the temperature differences of specimens (‘) K
and (“)
AR Increment of thermal resistance m* -KM/
AT= T,-T2 Temperature difference K
AT’ , AT” Temperature differences for each specimen (‘) and (“) in a two-specimen
K
configuration HFM apparatus
Be mV/(W.m* )
Sensitivity coefficient of the HFM
0 Heat flow-rate W
Heat flow-rate with unknown specimen W
@”
W
Heat flow rate with “standard” or “reference” specimen
Qis
a Thermal conductivity W/(m.K)
R’ , R” Thermal conductivity for each specimen (‘) and (“) in a two-specimen
W/( m-K
configuration HFM apparatus
.
W/(nvK*
First order temperature derivative of R (T)
W-l
. .
Second order temperature derivative of 2 (T) W/(m.K3 )
a Average thermal conductivity in a two-specimen configuration HFM ap-
w
paratus W/( m-K)
Mean thermal conductivity of a specimen or thermal conductivity at the
lrn
W/( m-K)
mean temperature 7-m
Mean thermal conductivity of specimens (‘) and (“) measured in a
guarded hot plate apparatus W/( In-K)
W/(mK)
Thermal transmissivity of a material
Thermal conductance W/(m* SK)
Density of the dry material as tested kg!ms
Pd
kg/m3
Density of the material after conditioning
Ps
Product of as-tested density and specific heat of the specimen J/[r+ SK)
P‘CS
--
Porosity
t
--
Local porosity
t
P
I ?I
Indexes used to refer to properties of the first and the second spec imen
0 (
in a two-specimen configuration HFM apparatus
IS0 8301 :1991 (E)
1.5.3.1 The reproducibility of subsequent measure-
1.5 Significance
ments made by the apparatus on a specimen main-
tained within the apparatus without change in test
conditions is normally much better than 1 %. When
1.5.1 Factors influencing thermal properties
measurements are made on the same reference
specimen removed and then mounted again after
The thermal tra nsmission properties of a specimen
long time intervals. the reproducibility of measure-
of m aterial may
ments is normally better than + I %. This larger
figure is due to minor changes-in test conditions
- vary due to variab ility of the composition of the
such as the pressure of the plates and heat flow
mate rials or sampl es of it
meter on the specimen (that affects contact resist-
ances), and the relative humidity of the air around
- be affected by moisture or other factors;
the specimen (that affects its moisture content).
These levels of reproducibility are required to iden-
- change with time;
tify errors in the method and are desirable in quality
control application.
- change with mean temperature;
- depend upon the prior thermal history. 1.5.3.2 The accuracy of the calibration of heat flow
meter apparatus is normally within -& 2 % when the
It must be recognized, therefore, that the selection
mean temperature of the test is near the room tem-
of a typical value of heat transfer properties repre-
perature.
sentative of a material, in a particular application,
shall be based on a consideration of these factors The accuracy of calibration is mainly due to the ac-
and will not necessarily apply without modification
curacy of the guarded hot plate method when
to all service conditions.
measuring the properties of reference specimens.
As an example this method provides that the heat
1.5.3.3 As a consequence this method is capable
transfer properties shall be obtained on dried spec-
of determining the heat transfer properties within
imens, although in service such conditions may not
+ 3 % when the mean temperature of the test is
-
be realized. Even more basic is the dependence of
near the room temperature.
the heat transfer properties on variables such as
mean temperature and temperature difference. Such
dependence should be measured or the test made 1.54 Calibration procedure
under conditions typical of use.
One of the following procedures shall be followed.
1.52 Sampling
154.1 The test-laboratory apparatus shall be cali-
brated (see 2.4) within 24 h before or after the test
Heat transfer properties need adequate information
using calibration standards that have been issued
to be considered representative of a material. A
by a recognized standard laboratory. Stability of
heat transfer property of a material can be deter-
calibration standards depends upon the type of ma-
mined by a single measurement only if the sample
terial: some calibration standards have been suc-
is typical of the material and the specimen(s) is (are)
cessfully used over 20 years but it is suggested to
typical of the sample.
check them at least each 5 years. The reported test
and the apparatus calibration test shall be carried
The procedure for selecting the sample should
out using approximately the same hot- and cold-side
normally be specified in the material specification.
temperatures as were used in the official calibration
The selection of the specimen from the sample may
of the standards.
be partly specified in the material specification.
As sampling is beyond the scope of this method,
1.5.4.2 Where both short- and long-term stabilities
when the problem is not covered by a material
of the heat flow meter have been proved to be better
specification, reference shall be made to appropri-
than + I % of the reading, the heat flow meter ap-
ate documents.
paratus 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 follow-
1.5.3 Accuracy and reproducibility
ing the test and then only if the change in calibration
from the previous test is less than 1 %.
Evaluation of the accuracy of the method is complex
and is a function of the apparatus design, of the re- The average of the two calibrations shall be used
lated instrumentation and of the type of specimens as the calibration factor and the specimens tested
with this value. When the change in calibration is
under test. The accuracy and the calibration should
greater than + 1 %, test results from this interval
be a function of the reference material.
-
- IS0 8301:1991(E)
shall be considered void and tests repeated in ac-
1.6.5 The thermal conductivity of the specimen(s)
cordance with 1.5.4.1.
may be also computed if the conditions of the defi-
nition are met and the thickness dof the specimens
is known.
1.6 Principle
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
1.6.1 The heat flow meter apparatus tends to es-
the specimens and by the accuracy in the measure
tablish a unidirectional uniform density of heat flow-
of temperature, thickness, emf produced by heat
rate which simultaneously crosses the central
flow meter, etc.
metering area of one (or two) heat flow mmeter(s) and
the central area of one (or two nearly identical)
1.6.7 Another set of limits is due to the specimens,
specimen(s) in the form of slab(s) when tested in
as they are not exactly of the same thickness (in the
steady-state conditions of constant mean temper-
case of two-specimen apparatus); nor is the larger
ature and constant temperature difference between
surface ever perfectly flat, or perfectly parallel.
one heating unit and one cooling unit bordering the
assembly of the specimen(s) and heat flow meter(s).
1.7 Limitations due to apparatus
1.6.2 This is a secondary or relative method, since
The use of apparatus shall be limited to a number
the ratio of the thermal re,sistance of the
of factors related to the calibration and to the limi-
specimen(s) to that of a standard specimen(s) is
tations on specimen thickness.
measured. The thermal resistance of standard
specimen(s) must be determined separately in ac-
1.7.1 Limitations related to calibration
cordance with IS0 8302 on the guarded hot plate
apparatus.
The apparatus shall not be used at temperatures
other than those applied to the calibration. If a cali-
bration curve has been established in a temperature
1.6.3 The ideal condition of unidirectional density
range, extrapolation is not allowed.
of heat flow-rate cannot be obtained in the whole
area of the specimen and heat flow meter. This im-
Particular attention shall be paid to use the appara-
plies that special attention must be given to
tus for densities of heat flow rate comparable to
those applied at calibration. This is related to the
) the problem of h eat losse s by the edges of the
type of material to be tested, to the specimen thick-
specimen(s) and heat flow meter(s)
ness and to the temperature difference cluring the
test.
) the differences between the geometrical (thick-
ness) and thermal properties of the standard
‘I .7.2 Limitations related to specimen(s)
specimen(s) and of specimen(s) to be measured:
thickness
c) the differences in temperature boundary condi-
1.7.2.1 General
tions (if any) between determination of thermal
resistance of standard specimen(s) in the
The combined thickness of the specimen(s), the heat
guarded hot plate apparatus and calibration pro-
flow meter(s) and any damping materials, which in
cedure of the heat flow meter apparatus by
total equals the distance between the cold and hot
means of the standard specimen(s).
plates, shall be restricted in order to limit the effect
of edge losses on the measurement of heat flow-
rate. A limiting geometry (see 1.7.2.2) must be cho-
1.6.4 From the measurement of the heat flow rate
sen that corresponds to the limiting geometry of a
clr, with standard specimen(s) and @, with unknown
specimen used in guarded hot plate apparatus, for
specimen(s) to be measured, the assumption of a
which the edge losses have been estimated. The
constant density of heat flow-rate of the metering
edge losses are affected by the edge insulation and
section and the assumption of the stability of tem-
the temperature of the ambient surroundinq the
.
perature difference A7’ and mean temperature 7Tm
edge of the specimen.
gives the ratio between thermal resistance R, of the
standard specimen(s) and R, of the unknown
1.7.2.2 Maximum spacing between hot and cold
specimen(s) as follows:
plates
R (D
U S
---
-
R o”, The maximum allowable distance between the hot
S U
and cold plates during the test, I& is related to the
From this R, is calculated. length of the side of the heat flow meter, I+ the
IS0 8301:1991(E)
may neither be unidirectional nor constant. Thermal
length of the side of the heat flow meter metering
field distortions will be present within the specimen
area, L,, the width of the non-metering area (I, -
and can give rise to serious errors. The region in the
I& the construction of the heat meter, and the
properties of the test specimen. No suitable theore- specimen contiguous to the metering area and es-
tical analysis is available to predict the maximum pecially near the edges of this area is most critical.
allowable thickness of specimens. It is necessary to It is hard to give reliable guidelines on the applica-
use the results of the analysis for the guarded hot bility of the method in such cases. The major risk is
plate as a guide. that edge heat loss errors, errors due to a non-
uniform temperature distribution within the heat flow
Documents [I91 and (231 on guarded hot plate analy-
meter etc., that are now unpredictable, can vary in
sis and annex C-can provide some elements for this
an unpredictable way when non-homogeneities take
estimation.
different relative positions within the specimen. The
result is that all the checks proposed in 3.4 can be
In the single specimen symmetrical configuration
affected by systematic errors masking the true dif-
(see 2.1 and figure I), the maximum value of the
ferences related to the different tests.
specimen thickness is increased by 50 % to that
corresponding to the two specimens in symmetrical
In some specimens the variation in structure may
configuration.
occur over small distances. This is true for many
thermal insulations.
If a specimen thickness is beyond the limits of the
apparatus, tests should be performed using appara-
In other specimens direct thermal short circuits may
tus with larger plates or the guarded hot box.
exist between the surfaces of the specimens in con-
tact with the unit(s) and heat flow meter(s). The
1.7.2.3 Minimum thickness largest effect occurs when sections of material
which conduct heat readily, with extended surface
The minimum specimen thickness is determined by area on each side of the specimen, are connected
contact resistances as in 1.7.3. Where thermal con- by a path of low thermal resistance relative to other
ductivity or thermal resistivity is required, the mini- paths.
mum specimen thickness is also limited by the
accuracy of the instrumentation for measuring the
1.8.1.2 Influence of temperature difference
thickness.
Thermal resistance or thermal conductance may be
a function of temperature differences across the
1.7.3 Limitations due to contact resistances
specimen. In the report, the range of temperature
differences that apply to the reported values of the
When testing rigid specimen(s), i.e. specimens of a
two properties must be defined or it must be clearly
material too hard and unyielding to be appreciably
stated that the reported value was determined at a
altered in shape by the pressure of the heating and
single temperature difference.
cooling units, even small non-uniformities of the
surface of both the specimen and the apparatus
(surfaces not perfectly flat) will cause contact re-
Mean thermal conductivity of a
1.8.2
sistances not uniformly distributed between the
specimen
specimen(s) and the working surfaces of the heating
and cooling units and heat flow meter(s).
In order to determine the mean thermal conductivity
or thermal resistivity of a specimen (see 1.3.4), the
These will cause non-uniform heat flow-rate distrib-
criteria of 1.8.1 shall be fuffitted. The specimen shall
ution and thermal field distortions within the speci-
be thermally homogeneous or homogeneous porous
mens; moreover they will make accurate surface
as defined in IS0 9251. Homogeneous porous spec-
temperature measurements difficult to undertake
imens shall be such that any non-homogeneity have
without the help of special techniques.
dimensions smaller than one-tenth of the specimen
thickness. In addition, at any one mean temperature,
1.8 Limitations due to the specimens the thermal resistance shall also be independent of
the temperature differences established across the
specimen.
1.8.1 Thermal resistance, thermal
conductance or transfer factor
The thermal resistance of a material is known to
depend on the relative magnitude of the heat trans-
1.8.1 .I Specimen homogeneity fer processes involved. Heat conduction, radiation
and convection are the primary mechanisms. How-
ever, the mechanism can combine or couple to
When making measurements of thermal resistance
produce non-linear effects that are difficult to ana-
or thermal conductance of non-homogeneous spec-
imens, the density of heat flow-rate both within the lyse or measure even though the basic mechanisms
specimen and over the faces of the metering area are well researched and understood.
- IS0 8301:1991(E)
The magnitude of all heat transfer processes de- I .8.3.2 Dependence on specimen thickness
pends upon the temperature difference established
Of the processes involved, only conduction produces
across the specimen. For many materials, products
a thermal resistance that is directly proportional to
and systems, the complex dependence will occur at
the thickness of a specimen. The others result in a
temperature differences which are typical of use. In
more complex relationship. The thinner and less
these cases it is preferable to use such a value and
dense the material, the more likely that the resist-
to determine an approximate relationship for a
ance depends on processes other than conduction.
range of temperature differences. The dependence
The result is a condition that does not satisfy the
can be linear for a wide range of temperature dif-
requirement of the definitions for thermal conduc-
ferences.
tivity and thermal resistivity, both defining intrinsic
properties, since the transfer factors show a de-
Some specimens, while meeting the homogeneity
pendence on the specimen thickness. For such
criteria, are anisotropic in that the component of
materials, it may be desirable to determine the
thermal conductivity measured in a direction paral-
thermal resistance at conditions applicable to their
lel to the surfaces is different to that measured in a
use. There is believed to be a lower limiting thick-
direction normal to the surfaces. For such speci-
ness for all materials below which such a depend-
mens this can result in larger imbalance and edge
ence occurs. Below this thickness, the specimen
loss errors.
may have unique thermal heat transfer properties,
but not the material. It remains, therefore, to estab-
lish this minimum thickness by measurements.
1.8.3.3 Determination of minimum thickness for
which heat transfer properties of the material may
be defined
1.8.3 Thermal conductivity, thermal resistivity
or thermal transmissivity of a material
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 some-
what crude procedure outlined in 3.4.2, may be used
for determininq the thickness and whether- it occurs
1.8.3.1 General
in the range ofthickness in which a material is likely
to be used.
In order to determine the thermal conductivity or
thermal resistivity of a material, the criteria of 1.8.2 It is important to differentiate between aclded ther-
shall be fulfilled. In addition, adequate sampling rnal resistance in measurements caused by the
must be performed to ensure that the material is placement of the thermocouples below the surfaces
homogeneous or homogeneous porous and that the of the plates or heat flow meter, added resistance
measurements are representative of the whole ma- caused by poor specimen surfac:es, and added
terial, product or system. The thickness of the spec- thermal resistance caused by the couplinq of the
.
imens must be greater than that for which the conduction and radiation modes of heat transfer in
transfer factor of the material, product or system the specimen(s). All three can affect the measure-
does not change by more than 2 % with further in- rnents in the same way, and often the three may be
crease in thickness. additive.
IS0 8301:1991 (E)
Section 2:
Apparatus and calibration
This may be achieved by placing an electrical wind-
2.1 General
ing of uniform specific power between two metal
plates or by circulating a constant-temperature liq-
The construction guidelines given in this section
uid between the plates or by a combination of both
must be fully understood by the user of this test
or by other adequate means; (see (*I). Liquid-heated
method. While it-is mandatory that these details be
metal plates need particular care in their design.
carefully followed when constructing an apparatus,
The worst case thermal load should be first defined,
the user should also verify that the-equipment was
then the liquid flow rate should be tentatively as-
built as specified. Serious errors of measurement
signed and in this situation the fluid temperature
could result from ignoring this.
difference between plate inlet and outlet should be
evaluated to check whether the liquid flow rate is
As stated in 1.6, the general features of a heat flow
correct. For most fluid-path layouts this temperature
meter apparatus with the specimen or the speci-
difference is larger than any temperature non-
mens installed are shown in figure I; they shall
uniformity of the plate. The best results will be ob-
consist of a heating unit, one or two heat flow rne-
tained with helical counter-flow paths for the fluid
ters, one or two specimens and a cooling unit.
(see figure2). However, in this case the thermal re-
The configuration a) in figure 1 is called “single-
sistance between the fluid and the metal plate
specimen asymmetrical”; the heat flow meter may
should be sufficiently high, otherwise plate temper-
be placed against either unit. The configuration b) is
ature non-uniformity can be even larger than the
called “single-specimen symmetrical”. The config-
temperature difference between the inlet and outlet
uration c) is called “two-specimen symmetrical”; in
fluid. For information on the correct design of a
this case, the specimens should be substantially
liquid-cooled or liquid-heated metal plate, see PI
identical and cut from the same sample of material.
and [Id]. Th e t emperature uniformity of the working
surfaces of a heating or cooling unit in a heat flow
Each configuration will yield equivalent results if
meter apparatus may be even more critical than in
used within the limitations stated in this method.
a guarded hot plate apparatus, as some heat flow
There are distinct advantages for each method in
meters may be sensitive to temperature differences
practice. A brief discussion is included in annex B.
along their main surfaces; (see 2.2.2.3).
When more than one heat flow meter apparatus is
desired, a double apparatus can be constructed by
The working surface of the heating and cooling units
using the other side of the heating unit and adding
shall consist of a metal of high thermal conductivity
another heat flow meter and a cooling unit. Exam-
and shall be smoothly finished to conform to a true
ples of both single and double apparatus are de-
plane within 0,025 %.
scribed in [*I to [7] and [le]; see also figure Id) and
figure le). The cooling unit shall be so constructed that an
isothermal working surface is obtained with a sur-
face dimension at least as large as that of the
2.2 Apparatus
working surface of the heating unit.
The heating and cooling units may be identical.
The working surfaces of the heating and coolinq
units and the heat flow meter(s) (i.e. the surface;;
making contact with the specimens) shall be painted 2.2.1.2 Temperature requirements
or otherwise treated to have a total hemispherical
emittance of greater than 0,8 at operating temper- The temperatu
...
ISO
NORME
INTERNATIONALE
Première édition
1991-08-01
--
----.--v---P-_- ----.--------
Isolation thermique - Détermination de la
résistance thermique et des propriétés connexes
- Méthode fluxmétrique
en régime stationnaire
thermal resistance
Thermal ins ulafion - Determination of sfeady-state
- Heat f7ow meter apparatus
and rela ted properties
.--
__.-- p-v-
--- _----. .--- -.-~-~ ------------ --- .__-_._-_-
P-1_
---.-_---
--_. -_-_.-
Numero de référence
_I^__ I’L .-._.- z:-’ I-T
_. _ _ __ _ IS0 8301:1991(F)
Sommaire
Page
Généralités . 1
Section 1
............................... ................................... 1
1.1 Domaine d’application
.............................. ................................... 1
1.2 Références normatives
......................................................... 2
1.3 Définitions .
1.4 Symboles et unités . . 3
........ ....................................................... 5
1.5 Signification .
..................................................................................... 6
1.6 Principe
,.,. 6
1.7 Limitations dans l’utilisation de l’appareillage
1.8 Limitations dues aux éprouvettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*.
Appareils et étalonnage ,.,.,.,.,.,.,.~.,,. 10
Section 2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*. 10
2.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . .<.
2.2 Appareil .,. ,. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Instructions pour la conception de l’appareil . 17
............................................................... ...... ........ 18
2.4 Étalonnage
............................... .............. 20
2.5 Vérification des performances
.,.l.,. 23
Section 3 Procédures d’essai
3.1 Généralités .,.,. . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Éprouvettes d’essai . . 23
3.3 Méthode d’essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *.*.*. .a. . . . <. . . . 26
3.4 Procédures nécessitant des mesurages multiples . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 Calculs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
........................... ........................................... 30
3.6 Rapport d’essai
0 ISO 1991
Droits de reproduction réservés. Aucune partie de cette publication ne peut etre repro-
duite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, ékctronique ou
mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord écrit de I’kditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case Postale 56 + CH-121 1 Genève 20 l Suisse
Imprimé en Suisse
ii
Annexes
Valeurs limites des performances de l’appareil et des conditions
A
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*.s.
d’essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B Fluxmètres
C Indications pour l’estimation de l’épaisseur maximale des
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
éprouvettes dans l’appareil à fluxmètre
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D Thermocouples
.............. ...............................................................
E Bibliographie
. . .
III
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération
mondiale d’organismes nationaux de normalisation (comités membres
de I’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général
confiée aux comités techniques de I’ISO. Chaque comité membre inté-
ressé par une étude a le droit de faire partie du comité technique créé
à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l’lS0 participent également aux tra-
vaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique
internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotech-
nique.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techni-
ques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins
des comités membres votants.
La Norme internationale ISO 8301 a été élaborée par le comité techni-
que ISO/TC 163, Isolation thermique.
L’annexe A fait partie intégrante de la pré sente Not me interna tionale.
Les annexes B, E sont don nées uniq ueme nt à titre d’infor mation.
C, D et
Introduction
0.1 Structure du document
La présente Norme internationale comprend trois sections englobant les
informations les plus complètes qu’il a été possible de rassembler et
qui sont nécessaires à l’utilisation de l’appareil à fluxmètre, à savoir:
Section 1: Considérations générales
Section 2: Appareils et étalonnage
Section 3: Procédures d’essai
Bien que l’utilisateur de la méthode puisse avant tout centrer ses pré-
occupations sur la section 3 s’il désire réaliser des essais, il doit impé-
rativement se mettre au courant des deux autres sections, en vue
d’obtenir des résultats reproductibles et précis. En particulier! il doit
assimiler les connaissances concernant les conditions générales à ob-
server. La section 2 est destinée aux constructeurs d’appareils mais
ceux-ci, pour construire un appareil de qualité, devront Impérativement
se sentir concernks par les autres sections du document.
0.2 Transfert de chaleur et propriétés mesurées
Un grand nombre d’essais sont effectués sur des matC!riaux poreux et
de faible masse volumique. Dans ces cas, le transfert de chaleur qui
prend place dans ces matériaux peut être le résultat des contributions
complexes’ de divers modes de transfert, c’est-à-dire
- rayonnement.
-
conduction en phase solide et en phase gazeuse, et
-
convection (dans certaines conditions de service),
ainsi que de leurs interactions combinées à un transfert de masse, en
particulier dans les matériaux humides. Par conséquent, la propriété
thermique très souvent appelée de manière impropre ((conductivité
thermique),, calculée à partir d’une formule définie et à partir des ré-
sultats des mesures de flux thermique, de différence de température et
de dimensions obtenues pour une éprouvette donnée, peut ne pas être
une propriét6 intrinsèque du matériau lui-même. Cette propriété,
d’après I’ISO 9288, devrait donc être appelée ((facteur de transfert~~
puisqu’elle peut dépendre des conditions d’essai (on parle souvent
ailleurs du facteur de transfert comme étant la conductivité thermique
apparente ou effective). Le facteur de transfert peut dépendre de faFon
significative de l’épaisseur de l’éprouvette et/ou de la différence de
température, ceci pour des essais effectués à une même température
moyenne.
Le transfert de chaleur par rayonnement est la cause principale de
l’effet d’épaisseur sur le facteur de transfert. Par suite, non seulement
les propriétés du matériau, mais aussi les caractéristiques radiatives
des surfaces en contact avec l’éprouvette auront une influence sur les
résultats. La résistance thermique est par conséquent une propriété qui
caractésisera mieux le comportement thermique de l’éprouvette pourvu
qu’on l’accompagne des informations relatives aux surfaces en contact
avec celle-ci.
S’il y a possibilité de transfert convectif dans une éprouvette (par
exemple dans la laine minérale de faible masse volumique aux basses
températures), l’orientation de l’appareil, l’épaisseur et la différence de
température peuvent avoir une influence a la fois sur le facteur de
transfert et sur la résistance thermique. Dans ce cas, il est au minimum
indispensable de préciser complètement la géométrie et les conditions
aux limites de l’éprouvette à mesurer, même si l’information fournie
dans les procédures d’essai ne couvre pas en détail ces conditions
d’essai. De plus, l’estimation de la mesure nécessite des connaissances
considérables en particulier pour appliquer les valeurs mesurées dans
la pratique.
L’influence de l’humidité présente à l’intérieur d’une éprouvette sur le
transfert de chaleur pendant les mesures est aussi un sujet très com-
plexe. Par conséquent, seules des éprouvettes séchées sont à soumet-
tre à essais suivant les modes opératoires normalisés. Les mesurages
sur des matériaux humides nécessitent des précautions supplémentai-
res qui ne sont pas traitées en détail dans la présente Norme interna-
tionale.
La connaissance des principes physiques est également très importante
quand une propriété de transmission thermique déterminée par cette
méthode d’essai est utilisée pour prévoir le comportement thermique
d’un matériau spécifique donné dans une application pratique! même
si d’autres facteurs, tels que la pose, peuvent influencer ce compor-
tement.
03 . Connaissances requises
La conception et le fonctionnement correct d’un appareil à fluxmètre
(voir 1.6.1 et 2.2.2) en vue d’obtenir des résultats satisfaisants et I’inter-
prétation des résultats expérimentaux est une affaire complexe néces-
sitant un grand soin. II est recommandé que le concepteur, l’opérateur
et l’utilisateur des données mesurées de l’appareil à fluxmètre possè-
dent des bases approfondies de connaissance des mécanismes de
transfert de chaleur dans les matériaux, produits et systèmes concer-
nés, jointes à une expérience des mesures électriques et des mesures
de température, en particulier pour les signaux de faible niveau. Des
pratiques en laboratoire de bon niveau et en accord avec les procédu-
res d’essais générales doivent également être maintenues. Les
connaissances dans chaque domaine peuvent être différentes pour le
concepteur, l’opérateur et l’utilisateur des données.
04 . Conception, dimensions et normes nationales
De nombreuses conceptions différentes d’appareils à fluxmètre existent
de par le monde en vue de se conformer aux normes nationales ac-
tuelles. Des recherches et des actions de développement se poursui-
vent actuellement pour améliorer les appareils et les techniques de
mesure. II n’est donc pas réaliste d’imposer une conception particulière
ou une dimension donnée d’appareil, en particulier parce que les
conditions globales imposées peuvent varier de facon tout à fait consi-
dérable.
vi
ISO 8301 :1991 (F)
0.5 Instructions fournies
Une latitude considérable est laissée au concepteur de nouveaux équi-
pements à la fois en ce qui concerne le domaine de température et la
géométrie de l’appareil, étant donné que des réalisations sous diffé-
rentes formes se sont déjà révélées capables de fournir des résultats
comparables. On recommande aux concepteurs de nouveaux appareils
de lire avec soin les sources citées dans l’annexe E. Après achèvement
d’un nouvel appareil, on recommande de procéder à sa vérification en
entreprenant des essais portant sur un ou plusieurs des matériaux de
référence actuellement disponibles et correspondant à des ordres de
grandeur différents de résistance thermique. La présente Norme inter-
nationale souligne seulement les conditions obligatoires à remplir pour
concevoir et faire fonctionner un appareil à fluxmètre de facon à obtenir
des résultats corrects. Un tableau résumant les valeurs limites pour le
fonctionnement de l’appareil et les conditions d’essai citées dans la
présente Norme internationale est fourni en annexe A. Elle contient
aussi des modes opératoires et des pratiques recommandés ainsi que
des dimensions suggérées pour les éprouvettes, cet ensemble d’élé-
ments devant rehausser la qualité méthodologique d’ensemble tout en
aidant à améliorer la comparabilité interlaboratoire ainsi que les pro-
qrammes de mesure en collaboration.
\
vii
Page blanche
NORME INTERNATIONALE
Isolation thermique - Détermination de la résistance
thermique et des propriétés connexes en régime
stationnaire - Méthode fluxmétrique
Section 1: Généralités
1 .l Domaine d’application 1.2 Références normatives
1 .l .l La présente Norme internationale prescrit
l’utilisation des techniques fluxmétriques (voir 2.2.2)
pour mesurer le transfert de chaleur en régime sta-
Les normes suivantes contiennent des dispositions
tionnaire à travers des éprouvettes en formes de
qui, par suite de la référence qui en est faite,
panneaux plans et en déduire par calcul les pro-
constituent des dispositions valables pour la pré-
priétés de transmission thermique de ces éprou-
sente Norme internationale. Au moment de la pu-
vettes.
blication, les éditions indiquées étaient en vigueur.
Toute norme est sujette à révision et les parties
II s’agit d’une méthode secondaire ou relative,
prenantes des accords fondés sur la présente
puisqu’on mesure le quotient de la résistance ther-
Norme internationale sont invitées à rechercher la
mique d’une (des) éprouvette(s), par celle d’une
possibilité d’appliquer les éditions les plus récentes
(des) éprouvette(s) étalon(s).
des normes indiquées ci-après. Les membres de la
CEI et de I’ISO possèdent le registre des Normes
Les essais effectués conformément à cette méthode
internationales en vigueur à un moment donné.
d’essai normalisée, doivent l’être avec des éprou-
vettes dont la résistance thermique est supérieure
ISO 7345: 1987, Isolation thermique - Grandeurs
à 0,l m*-K/W, à condition de ne pas dépasser les li-
physiques et définitions.
mites d’épaisseur données en 1.7.2.
ISO 8302: 199 1, Isolation thermique -- Détermination
1.1.2 Si les éprouvettes satisfont aux exigences de
de la résistance thermique et des propriétés
1.8.1, les propriétés obtenues doivent être considé-
connexes en régime stationnaire -- Méthode de \a
rées comme conductance thermique et résistance
plaque chaude qardée.
L
thermique ou facteur de transfert de l’éprouvette.
ISO 9229: -l), Isolation thermique - Matériaux, pro-
duits et systèmes isolants thermiques -
1.1.3 Si les éprouvettes satisfont aux exigences de
Vocabulaire.
1.8.2, la propriété obtenue doit être considérée
comme étant la conductivité thermique moyenne
ISO 9251: 1987, Isolation thermique -- Conditions de
pour l’éprouvette soumise à essai.
transfert thermique et propriétés des matériaux -
Vocabulaire.
1.1.4 Si les éprouvettes satisfont aux exigences de
1.8.3, on pourra considérer la propriété obtenue ISO 9288:1989, Isolation thermique -- Transfert de
comme la conductivité thermique ou la chaleur par rayonnement - Grandeurs physiques et
transmissivité du matériau soumis à l’essai. définitions.
1) À publier.
ISO 9346:1987, Isolation thermique - Transfert de
masse - Grandeurs physiques et définitions. température ([?J est défini par l’intermédiaire d’une
seule valeur R en chaque point).
1.3.3 milieu thermiquement stable: Milieu dans
1.3 Définitions
lequel la conductivité thermique Â, ou $1 n’est pas
Pour les besoins de la présente Norme internatio-
fonction du temps, mais peut être fonction de la
nale, les définitions suivantes s’appliquent.
température et, le cas échéant, de la direction.
Les grandeurs suivantes sont définies dans
I’ISO 7345 ou dans I’ISO 9251.
1.3.4 conductivité thermique moyenne d’une
éprouvette: Propriété définie en régime stationnaire
dans un corps qui a la forme d’une plaque limitée
Symbole Unité
Grandeur
par deux faces planes, parallèles et isothermes, et
Flux thermique @ W
par des côtés perpendiculaires
aux faces,
Densité du flux thermique W/m2
adiabatiques, le corps étant constitué d’un matériau
Résistance thermique’) R m2 -K/W
thermiquement homogène, isotrope (ou anisotrope
avec un axe de symétrie perpendiculaire aux faces),
Conductance thermique A W/(nG .K)
stable dans les limites de précision d’un mesurage
Conductivité thermique*) R W/(m-K)
et le temps necessaire à son exécution, et avec une
Résistivité thermique Y m-K/W
Porosité
t conductivité thermique A. ou [I J constante ou fonc-
tion linéaire de la température.
Porosité locale
t
P
1.3.5 facteur de transfert d’une éprouvette: Est dé-
1) Dans certains cas, il peut Gtre nécessaire de
prendre en considération la différence de température fini par
divisée par le flux thermique; aucun symbole particu-
lier n’est attribué à cette grandeur.
u @
----
--- --
c
1 -$-- W(m.K)
.
2) Dans le cas le plus général, ? et grad 7’n’ont pas A7
la même orientation (7 n’est pas défini par une seule
II dépend des conditions expérimentales et caracté-
constante, mais par une matrice de constantes); en
rise une éprouvette vis-à-vis du transfert de chaleur
outre, la conductivité thermique varie avec la po-
combiné, par conduction et rayonnement. II est
sition, la température et le temps à l’intérieur du
souvent désigné par ailleurs sous le nom de con-
corps.
ductivité thermique mesurée. équivalente, appa-
rente ou effective d’une éprouvette.
Les définitions suivantes relatives aux propriétés du
matériau sont données dans I’ISO 9251:
1.3.6 transmissivité thermique d’un matériau: Est
dkfinie par
milieu poreux
milieu homogène
b -t -IZ $$- W/(m.K)
milieu poreux homogène
milieu hétérogène
quand Ad/AR est indépendant de l’6paisseur c/. Elle
milieu isotrope
est indépendante des conditions expérimentales et
milieu anisotrope
caractérise un matériau isolant en relation avec le
milieu stable
transfert de chaleur par conduction et rayonnement.
ne sont pas définis dans
Autres termes qui La transmissivité thermique peut être considérée
I’ISO 7345 ou I’ISO 9251: comme une limite du facteur de transfert pour des
couches épaisses dans le cas d’un transfert de
chaleur combiné par conduction et rayonnement.
1.3.1 milieu thermiquement homogène: Milieu dans
Elle est souvent désignée par ailleurs SOIJS le nom
de conductivité thermique mesurée, équivalente,
lequel la conductivité thermique [A] n’est pas fonc-
apparente ou effective d’un matériau.
tion de la position du point considéré, mais qui peut
être fonction de la direction, du temps et de la tem-
pérature.
1.3.7 propriété de transmission thermique en ré-
gime stationnaire: Terme générique utilise pour de-
finir une des propriétés suivantes: résistance
1.3.2 milieu thermiquement isotrope: Milieu dans
thermique, facteur de transfert, conductivité thermi-
que, résistivité thermique, transmissivité thermique,
lequel la conductivité thermique [A] n’est pas fonc-
conductance thermique, conductivité thermique
tion de la direction, mais peut être fonction de la
moyenne.
position à l’intérieur du milieu, du temps et de la
présentation par l’intermédiaire d’un rapport des
1.3.8 température de la pièce: Terme générique
résultats mesurés.
utilisé pour définir des mesurages effectués à une
température d’essai moyenne qui peut être consi-
1.3.11 utilisateur de données: Personne impliquée
dérée comme confortable pour l’homme.
dans l’application et l’interprétation des résultats
mesurés en vue de juger la performance du maté-
1.3.9 température ambiante: Terme générique uti-
riau OCJ du système.
lisé pour définir la température au voisinage des
bords de l’éprouvette, ou au voisinage de l’appareil
1.3.12 concepteur: Personne qui met au point les
entier. Cette température est celle de l’enceinte
détails de construction d’un appareil afin de satis-
contenant l’appareil ou celle du laboratoire, dans le
faire les limites de performance prtidéfinies pour
cas d’un appareil non enfermé.
l’appareil dans des conditions d’essai données et
qui définit les procédures d’essais pour vérifier la
1.3.10 opérateur: Personne responsable de I’exé-
précision prevue de l’appareil.
cution db l’essai sur l’appareil à fluxmètre et de la
1.4 Symboles et unités
Grandeur Unité
Aire mesurée sur une surface isotherme donnée m*
Capacité thermique massique J/( kg-K)
Épaisseur de l’éprouvette mesurée selon un trajet perpendiculaire aux
m
surfaces isothermes
Épaisseur de chaque eprouvette dans la configuration de l’appareil à m
deux éprouvettes
m
Épaisseur moyenne d’une paire d’éprouvettes
m
Épaisseurs des eprouvettes notées s, , s2 , . . . . s5
Distance maximale admissible entre les surfaces utiles des éléments
m
chauds et froids pendant l’essai
mV
Force électromotrice délivrée par le fluxmètre
W/(mVm* )
Facteur d’étalonnage du fluxmètre
m
Longueur du côté du fluxmètre
m
Longueur du côté de la zone sensible du fluxmètre, ou zone de mesure
-.
Variation relative de masse après le conditionnement
--
Variation relative de masse après le conditionnement après séchage
Variation relative de masse du matériau entre sa réception et son état
-
sec produit par séchage
Variation relative de masse d’une éprouvette pendant l’essai
Masse du matériau c7 la reception
Masse du matériau après séchage
Masse du matériau après conditionnement
Masse du matériau juste après l’essai
Masse du matériau séché ou conditionné avant l’essai
Densité de flux thermique
Densité du flux thermique à travers chaque éprouvette d’une configu-
ration d’appareil à deux éprouvettes W/m*
Résistivité thermique m.K/W
Résistivité thermique moyenne dans une confiquration d’appareil 5 deux
.
éprouvettes m.K/W
Résistance thermique m* 4
Résistance thermique de l’éprouvette étalon m* +
Résistance thermique de l’éprouvette inconnue m* *K/W
Résistance thermique totale dans une configuration d’appareil à deux m* *K/W
éprouvettes
--
Série d’éprouvettes de différentes epaisseut-s
Symbole Grandeur Unité
Facteur de transfert d’une éprouvette W/( In-K)
(T, + 7; )/2 Température moyenne K
7; =
l", , ?'y Températures des faces chaudes pour chaque éprouvette dans une
configuration d’appareil à deux éprouvettes t<
Températures des faces froides pour chaque éprouvette dans une
T', > T",
configuration d’appareil à deux éprouvettes l<
Température moyenne de l’éprouvette (‘) dans une configuration d’ap-
Trm
pareil à deux éprouvettes K
v ?
Température moyenne de I’eprouvette (“) dans une configuration d’ap-
7 m
pareil à deux éprouvettes K
Volume m3
Augmentation d’épaisseur m
Différence d’épaisseur entre les éprouvettes ‘) et (“) dans une confi-
guration d’appareil à deux eprouvet tes rn
Écart de conductivité thermique 3 la tempéra t ure moyenne 7’m et tem-
pératures moyennes des éprouvettes (‘) et (“) W/( m-K)
Écart entre les températures des eprouvettes (‘) et (“) K
6Tm = (T’, - T”, )/2
Écart entre les différences de temp&-atures des éprouvettes (‘) et (“) i<
ST = (A7" - AT' )/2
m* l
AR Augmentation de résistance thermique
Différence de température K
AT = T, - 7;
Différences de températ ure pour chaque ép lrouvette (‘) et (“) dans une
LF\T~ > ~7"'
configuration d ‘appareil àd eux é prouvettes K
Ae mV/(Wm* )
Coefficient de sensibilité du fluxmetre
A4
tv
@ Flux thermique
Flux thermique à travers l’éprouvette inconnu W
*u
W
Flux thermique à travers l’éprouvette étalon
QS
a Conductivité thermique W/( m-K)
R’ , R” Conductivité thermique de chaque 6prouvette (‘) et (“) dans une confi-
guration d’appareil à deux éprouvettes W/( m-K)
Dérivée de premier ordre par rapport à la température W/(m.K* )
. .
W/(m.K3 )
Dérivée du deuxième ordre par wpport à la température
W3
uctivi té thermi que moyenne dans une configuration d’appareil à
a Cond
moY
deux éprouvettes W/(m.K)
Conductivi té thermique moyenne d’une é prouvette, ou conductivité
R,
thermique à la tempéra ture moyenne 7’m W/( tn*K)
moyenne des éprou vettes (‘) et (“) mesuree
Cond uctivité thermique
R,
ue chaude gardee W/(m.K)
dans un appareil à plaq
Transmissivité thermique d’un matériau W/(m.K)
W/(m* ‘K)
Conductance thermique
A
kg/rn3
Masse volumique d’essai du mat&iau sec
f)d
Masse volumique d’essai du matériau qui a subi un conditionnement kg ‘rn.3
PS
Produit entre la masse volumique du matériau et sa chaleur spécifique
VS
J/(m3 .K)
(chaleur volumique du matériau)
--
Porosité
--
Porosité locale
éprouvettes dans une configuration d’appareil à
Indices relatifs aux
--
deux éprouvettes
chaqu e fois le problème n’est pas couvert par
que
1.5 Signification
les sp écifica tions d e matériau X.
1.51 Facteurs ayant une 5 nfluence sur les
1.5.3 Précision et reproductibilité
propriétés de tr lansmission thermiq ue
L’évaluation de la précision de la méthode est
Les propriétés de tra nsmission thermique d’une
complexe et dépend de la conception de l’appareil,
épro Nuvette de maté riau peuvent
de l’instrumentation qui y est adjointe, et du type
d’éprouvettes soumises à l’essai. La précision et
-
varier du fait de I a variabilité de I a compas ition
l’étalonnage devrait dépendre du matériau de réfé-
riaux ou d’échantillo n du matériau;
des maté
rence.
-
être influencées par l’humidité ou d’autres fac-
1.5.3.1 La reproductibilité de mesures successives
teurs;
effectuées au moyen de l’appareil sur une éprou-
vette maintenue dans celui-ci sans modifications
- évoluer avec le temps;
des conditions d’essai est normalement bien
meilleure que 1 %. Quand des mesures sont effec-
-
varier en fonction de la température moyenne;
tuées sur la même éprouvette de référence sortie
de l’appareil puis remise en place, à des intervalles
- dépendre de l’histoire thermique.
de temps prolongés, la reproductibilite des mesures
est normalement meilleure que -& 1 o/o. Cette valeur
Il est donc impératif d’admettre que le choix d’une
plus élevée est due aux légères différences des
valeur caractérisant les propriétés de transmission
conditions d’essai comme la’ pression exercée par
thermique comme étant représentatives d’un maté-
les plaques chaude et froide et le fluxmètre sur
riau dans une application particulière, doit être basé
l’éprouvette (ce qui modifie les résistances de
sur la prise en compte de ces facteurs et ne s’ap-
contact) et l’humidité relative de l’air environnant
pliquera pas nécessairement à toutes les conditions
les éprouvettes (ce qui modifie leur teneur en hu-
de fonctionnement sans modifications préalables.
midité). Ces niveaux de reproductibilité sont néces-
Par exemple, la présente méthode prévoit que les
saires pour permettre la mise en évidence d’erreurs
propriétés de transmission thermique doivent être
dans la méthode et sont souhaitables dans son ap-
obtenues sur des éprouvettes sèches, alors qu’il se
plication en contrôle de qualité.
peut qu’en fonctionnement, de telles conditions ne
soient pas remplies.
1.5.3.2 La précision de l’étalonnage de l’appareil à
fluxmètre est normalement meilleure que + 2 %
Plus fondamentale encore est la dépendance des
quand ia température moyenne de l’essai e$ pro-
propriétés de transmission thermique vis-à-vis de
che de la température de la pièce.
variables comme la température moyenne et la dif-
férence de température. Ces influences devraient
La précision de l’étalonnage est essentiellement
être évaluées par mesure, ou bien l’essai devrait
due à la précision de la méthode à plaque chaude
être effectué dans des conditions représentatives de
gardée pour le mesurage des propriétés des
l’application de l’isolant.
éprouvettes de référence.
1 S.2 Échantillonnage 1.5.3.3 En conséquence, cette méthode permet de
déterminer les propriétés de transmission thermi-
que à + 3 % près quand la température moyenne
II faut adjoindre aux propriétés de transmission
de l’es&& est proche de la température de la pièce.
thermique un ensemble adéquat d’informations pour
qu’on puisse les considérer comme représentatives
d’un matériau. Une propriété de transmission ther-
1.5.4 Procédure d’étalonnage
mique d’un matériau ne peut être déterminée par
une seule mesure que si l’échantillon est représen-
L’une des deux procédures doit être suivie.
tatif du matériau et si l’éprouvette (ou les éprou-
vettes) est (sont) représentative(s) de l’échantillon.
154.1 L’appareil du laboratoire d’essai doit être
étalonné (voir 2.4) moins de 24 h avant ou après
La marche à suivre pour choisir l’échantillon devrait
l’essai en utilisant des éprouvettes de référence en
normalement figurer dans la spécification du maté-
provenance d’un laboratoire aqréé pour les maté-
riau. Le choix d’une éprouvette dans l’échantillon
riaux de référence. La stabilité’ des échantillons de
peut être partiellement indiqué dans la spécification
référence dépend du type de matériau, certains
du matériau.
matériaux de référence ont été utilisés avec succès
La question de l’échantillonnage allant au-delà de pendant plus de 20 ans, mais il est suggéré de les
l’objet de la présente méthode d’essai, les docu- vérifier au moins tous les 5 ans. L’essai et l’étalon-
ments appropriés doivent être pris en considération nage de l’appareil doivent être réalisés en utilisant
à peu près les mêmes températures de faces (ou des éprouvettes) étalon(s) d’une part et de
chaude et froide que celles utilisées lors de I’éta- l’éprouvette (ou des éprouvettes) à mesurer
lonnage officiel des éprouvettes de référence. d’autre part;
c) aux différences dans les conditions de tempéra-
154.2 Lorsqu’il a été prouvé que les stabilités du
ture aux limites (si c’est le cas) lors de la déter-
fluxmètre à court et à long terme sont meilleures
mination de la résistance thermique de
que + 1 %, il est permis d’étalonner l’appareil à
l’éprouvette (ou des éprouvettes) étalon(s) dans
fluxmètre à des intervalles moins rapprochés, par
l’appareil à plaque chaude gardée et lors de la
exemple une ou deux fois par mois. Le rapport
procédure d’étalonnage de l’appareil à fluxmètre
d’essai de ces éprouvettes ne pourra être fait
au moyen de cette (ou ces) éprouvette(s)
qu’après l’étalonnage suivant et à ce moment seu-
étalon(s).
lement si la modification subie lors de l’étalonnage
par rapport au précédent est inférieure à 1 %.
1.6.4 À par-tir des résultats du mesurage du flux
La moyenne des deux étalonnages doit être utilisée
thermique (3i, avec l’éprouvette (ou les éprouvettes)
comme constante d’étalonnage et les éprouvettes
étalon(s) et 0” avec l’éprouvette (ou les éprou-
doivent être essayées avec la valeur ainsi obtenue.
vettes) inconnue(s) à mesurer et en supposant
Quand l’étalonnage varie de plus de + 1 %, les ré-
constante la densité de flux thermique qui traverse
sultats d’essais pratiqués dans cette-période, doi-
la surface de mesure et stables la différence de
vent être considérés comme nuls et les essais
température A7’ et la température moyenne 7’,,, on
doivent être refaits conformément à 154.1.
peut déduire le rapport entre la résistance thermi-
que R, de l’éprouvette (ou des éprouvettes)
étalon(s) et la résistance thermique R, de I’éprou-
1.6 Principe
vette (ou des éprouvettes) inconnue(s), comme suit:
1.6.1 L’appareil à fluxmètre a pour rôle d’établir
une densité de flux de chaleur uniforme et
unidirectionnelle qui traverse simultanément la
d’où l’on déduit R, par le calcul.
zone centrale de mesure d’un (ou de deux)
fluxmètre et la zone centrale d’une (ou de deux)
en forme de plaques, aussi
éprouvette(s)
1.6.5 La conductivité thermique de l’éprouvette (ou
identiques(s) que possible, celles-ci étant dans des
des éprouvettes) peut être également calculée si les
conditions de régime stationnaire caractérisées par
conditions posées dans la définition sont remplies
une température moyenne constante et une diffé-
et si l’épaisseur n de l’éprouvette (ou des épt-ou-
rence de température constante entre un élément
vettes) est connue.
chaud et un élément froid bornant l’ensemble fourni
par l’éprouvette (ou les éprouvettes) et le (ou les)
fluxmètre(
1.6.6 La mise en œuvre de la méthode est limitée
par l’aptitude de l’appareil à produire une densité
de flux thermique constante t?t unidirectionnelle à
1.6.2 II s’agit d’une méthode secondaire (ou rela-
travers des éprouvettes et par la précision dans la
tive) puisqu’on mesure le quotient de la résistance
mesure de la température, de l’épaisseur, de la
thermique d’une (ou de deux) éprouvette(s) par
force électromotrice produite par le (ou les)
celle d’une éprouvette (ou de deux éprouvettes)
fluxmètre( etc.
étalon(s). La résistance thermique de l’éprouvette
(ou des éprouvettes) étalon(s) doit impérativement
être déterminée conformément à I’ISO 8302 relative
1.6.7 Une autre série de limites tient aux éprou-
à l’appareil à plaque chaude gardée.
vettes puisque (dans le cas d’un appareil à deux
éprouvettes) elles ne sont pas rigoureusement de la
1.6.3 La condition idéale de densité de flux de même épaisseur, et que leurs plus grandes surfaces
chaleur unidirectionnelle ne peut être réalisée dans ne sont jamais parfaitement planes, ni parfaitement
la totalité de la surface de l’éprouvette et du
parallèles.
fluxmètre. Ceci implique d’accorder impérativement
une attention spéciale aux points suivants:
1.7 Limitations dans l’utilisation de
a) au problème des fuites thermiques par les bords
l’appareillage
de l’éprouvette (ou des éprouvettes) et du (ou
des) fluxmètre(
L’utilisation de l’appareil est limitC!e par un certain
b) aux di fférences e ntre les iétés géométri- nomb-re de facteurs liés à l’étalonnage et à I’épais-
ProP
épaisseur) et thermi ques de 1’ éprouvette seur de l’éprouvette.
wes (
utilisant un appareil à plaques plus grandes ou avec
1.7.1 Limitations liées à l’étalonnage
la boîte chaude gardée.
L’appareil ne doit pas être utilisé à des tempéra-
tures autres que celles utilisées pour l’étalonnage. 1.7.2.3 Épaisseur minimale
Si une courbe d’étalonnage a été établie pour un
domaine de température, l’extrapolation est inter- L’épaisseur minimale de l’éprouvette est liée aux
dite. résistances de contact mentionnées en 1.7.3. Quand
la conductivité (ou la résistivité) thermique est exi-
Une attention particulière doit être apportée à i’uti-
gée, l’épaisseur minimale de l’éprouvette est
lisation de l’appareil à des épaisseurs autres que
également limitée par la précision de I’instrumenta-
celles utilisées pour l’étalonnage. Cela est lié au
tion destinée au mesurage de l’épaisseur.
\
type de matériau essayé, à l’épaisseur de I’éprou-
vette et à la différence de température pendant
1.7.3 Limitations dues aux résistances de
l’essai.
contact
Lorsqu’on effectue l’essai sur une (ou des)
1.7.2 Limitations relatives à l’épaisseur de
éprouvette(s) rigide(s), c’est-à-dire en un matériau
l’éprouvette (ou des éprouvettes)
trop dur et dont la forme ne peut être modifiée de
facon appréciable par la pression des éléments
.
1.7.2.1 Généralités
chaud et froid, des irrégularités des surfaces -
même petites - de l’éprouvette et de l’appareil
L’épaisseur combinée de l’éprouvette (ou des
(surfaces imparfaitement planes) introduisent des
éprouvettes), du (ou des) fluxmètre et d’un éven-
résistances de contact réparties non uniformément
tuel matériau isolant thermique, dont la totalité re-
entre l’éprouvette (ou les éprouvettes) et les surfa-
présente la distance entre les surfaces de l’élément ces actives des éléments chaud et froid ainsi que
chaud et de l’élément froid doit impérativement être
du (ou des) fluxmètre(
bornée, en vue de limiter l’influence des pertes la-
Ces résistances entraîneront une repartition non
térales sur la mesure de flux thermique. On doit
uniforme du flux thermique et des distorsions du
choisir une limite géométrique qui corresponde à
champ thermique à l’intérieur des éprouvettes; en
celle d’une éprouvette utilisée dans l’appareil à
outre, elles rendent les mesurages des tempéra-
plaque chaude gardée, pour laquelle les pertes la-
tures de surface difficiles à rkaliset- sans recours à
térales ont été évaluées (voir 1.7.2.2). Les pertes ia-
des techniques spéciales.
térales sont influencées par l’isolation latérale et la
température de l’environnement de l’éprouvette.
1.8 Limitations dues aux éprouvettes
surfaces
1.7.2.2 Écartement maximal entre les
actives chaude et froide
1.8.1 Résistance thermique, conductance
thermique ou facteur de transfert
La distance maximale autorisée, ll)r entre les surfa-
ces chaude et froide au cours de l’essai, dépend de
1.8.1 .l Homogénéité des éprouvettes
la longueur latérale du fluxmètre, I,, de la longueur
de la zone sensible (I, - I,,) ainsi que de la facon
Lorsqu’on effectue des mesurages de la résistance
dont le fluxmètre est construit et des propriétés* de
(ou conductance) thermique d’éprouvettes non ho-
l’éprouvette (ou des éprouvettes) d’essai. Aucune
mogènes, il se peut que la densite de flux thermi-
analyse théorique n’est disponible pour prévoir
que, à la fois à l’intérieur de l’éprouvette et sur les
l’épaisseur maximale admissible pour les éprou-
faces de la zone de mesure de l’appareil ne soit ni
vettes. II est nécessaire d’utiliser comme guide les
unidirectionnelle, ni constante. Des distorsions du
résultats de l’analyse relative à la plaque chaude
champ thermique existeront dans l’éprouvette et
gardée.
pourront entraîner de sérieuses erreurs. La région
de l’éprouvette contiguë à la zone de mesure, et
Les références fW et [%elatives à l’analyse de la
particulièrement celle près des bords de cette zone,
plaque chaude gardée, et 1’ annexe C peuvent four-
est la plus critique. II est difficile de donner des ins-
nir certains éléments pour cette évaluation.
tructions sûres en ce qui concerne les possibilités
d’application de la méthode dans de tels cas. Le
Dans la configuration symétrique à une éprouvette
risque principal est que les erreurs dues aux fuites
(voir 2.1 et figure l), la valeur maximale de I’épais-
thermiques latérales, les erreurs dues à une distri-
seur de l’éprouvette est supérieure de 50 % à celle
bution de température non uniforme dans le
correspondant à la configuration symétrique à deux
fluxmètre, etc., imprévisibles dans cette situation,
éprouvettes.
peuvent varier de facon imprévisible lorsque des
Si l’épaisseur de l’éprouvette dépasse les limites non-homogénéités occupent des positions relatives
de l’appareil, les essais devront être effectués en différentes à l’intérieur de I’eprouvette. Le résultat
ISO 83Ol:1991(F)
en est que toutes les vérifications proposées en imposee aux bornes de l’éprouvette. Pour de nom-
1.3.5 peuvent subir l’influence d’erreurs systéma- breux matériaux, produits et systèmes, cette dé-
tiques masquant les différences vraies se rapportant pendance complexe existera à des différences de
aux différents essais. température qui sont caractéristiques de l’emploi.
Dans ces cas, il est préférable d’utiliser une diffé-
Dans certaines éprouvettes, il est possible que la
rente de température et de déterminer une relation
variation de structure se situe sur une distance fai-
approchée pour une gamme de différences de tem-
ble. C’est le cas pour de nombreux isolants thermi-
pératures. La dépendance peut être linéaire pour
ques.
un large domaine de différences de températures.
Dans d’autres éprouvettes, des courts-circuits ther-
Certaines éprouvettes, tout en satisfaisant aux cri-
miques peuvent exister entre les surfaces des
tères d’homogénéité sont anisotropes, dans le sens
éprouvettes en contact avec la plaque (ou les pla-
que la composante de la conductivité thermique
ques) et le (ou les) fluxmètre( L’effet le plus im-
mesurée dans une direction parallèle à ses faces
portant surviendra lorsque les sections droites du
est différente de celle qui serait mesurée dans une
matériau, qui conduisent facilement la chaleur et qui
direction normale à ses faces. De telles éprouvettes
s’étendent sur des surfaces situées de chaque côté
peuvent provoquer un déséquilibre latéral plus
de l’éprouvette, sont reliées par un chemin de ré-
grand et des erreurs de fuites latérales.
. .
sistance thermique faible par rapport à celle des
autres chemins possibles.
1.8.3 Conductivité, transmissivité ou
résistivité thermique d’un matériau
1.8.1.2 Influence de la différence de température
1.8.3.1 Généralités
La résistance (ou la conductance) thermique peut
être fonction des différences des températures aux
bornes de l’éprouvette. Il est impératif de définir Pour déterminer la conductivité (ou la résistivité)
thermique d’un matériau, le critère de 1.8.2 doit être
dans le rapport d’essai, le domaine des différences
rempli. De plus, un échantillonnage adéquat doit
de température auxquelles ont été mesurées les
être effectué pour s’assurer que le matériau est ho-
valeurs indiquées pour ces deux propriétés, ou bien
mogene ou homogène poreux et que les mesurages
d’indiquer que la valeur figurant au rapport d’essai
sont représentatifs de l’ensemble du matériau, pro-
a été déterminée à une seule et unique différence
duit ou système. L’épaisseur des éprouvettes doit
de température.
être supérieure à la valeur pour laquelle le facteur
de transfert d’un matériau, produit ou système ne
1.8.2 Conductivité thermique moyenne d’une
change pas de plus de 2 76 lorsqu’on augmente
éprouvette
encore leur épaisseur.
Pour déterminer la conductivité (011 la résistivité
1.8.3.2 Dépendance de l’épaisseur de l’éprouvette
thermique moyenne d’une éprouvette (voir 1.3.4)
les critères indiqués en 1.8.1 doivent être remplis
Des processus de transfert impliqués, seule la
L’éprouvette doit être thermiquement homogène ou
conduction produit une résistance thermique direc:-
poreuse homogène selon la définition de I’ISO 9251.
tement proportionnelle à l’épaisseur de I’éprou-
Les éprouvettes poreuses homogènes doivent être
vette. Les autres conduisent a des relations plus
telles que n’importe quelle non-homogénéité a des
complexes. Plus le matériau sera mince et moins
dimensions inférieures au dixième de l’épaisseur
dense, plus la résistance dépendra de processus
de l’éprouvette. De plus, à une température
autres que la conduction. Il en résulte une situation
moyenne quelconque, la résistance thermique spé-
qui ne remplit pas les conditions fixées dans les
cifique doit également être indépendante des diffé-
définitions de la conductivité et de la resistivité
rences de températures établies aux bornes de
thermiques puisque ces deux grandeurs sont defi-
l’éprouvette.
nies comme intrinsèques et que leurs valeurs ap-
parentes révèlent une dépendance vis-à-vis de
On sait que la résistance thermique d’un matériau
l’épaisseur de l’éprouvette. Pour ce genre de maté-
dépend de l’importance relative des divers proces-
riaux, il est possible que l’on souhaite déterminer la
sus de transfert de chaleur impliqués. La
résistance thermique dans des conditions applica-
conduction, le rayonnement et la convection sont les
bles à leur utilisation. Il y a une limite inférieure
mécanismes de base. Toutefois, ils peuvent se
d’épaisseur en dessous de laquelle, pour tous les
combiner les uns avec les autres ou se coupler pour
matériaux, une telle dépendance existe. En dessous
produire des effets non linéaires qui sont difficiles à
de cette épaisseur, l’éprouvette peut avoir des pro-
analyser ou à mesurer même quand les mécanis-
priétés de transmission thermiques définies de fa-
mes de
...
ISO
NORME
INTERNATIONALE
Première édition
1991-08-01
--
----.--v---P-_- ----.--------
Isolation thermique - Détermination de la
résistance thermique et des propriétés connexes
- Méthode fluxmétrique
en régime stationnaire
thermal resistance
Thermal ins ulafion - Determination of sfeady-state
- Heat f7ow meter apparatus
and rela ted properties
.--
__.-- p-v-
--- _----. .--- -.-~-~ ------------ --- .__-_._-_-
P-1_
---.-_---
--_. -_-_.-
Numero de référence
_I^__ I’L .-._.- z:-’ I-T
_. _ _ __ _ IS0 8301:1991(F)
Sommaire
Page
Généralités . 1
Section 1
............................... ................................... 1
1.1 Domaine d’application
.............................. ................................... 1
1.2 Références normatives
......................................................... 2
1.3 Définitions .
1.4 Symboles et unités . . 3
........ ....................................................... 5
1.5 Signification .
..................................................................................... 6
1.6 Principe
,.,. 6
1.7 Limitations dans l’utilisation de l’appareillage
1.8 Limitations dues aux éprouvettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*.
Appareils et étalonnage ,.,.,.,.,.,.,.~.,,. 10
Section 2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*. 10
2.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . .<.
2.2 Appareil .,. ,. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Instructions pour la conception de l’appareil . 17
............................................................... ...... ........ 18
2.4 Étalonnage
............................... .............. 20
2.5 Vérification des performances
.,.l.,. 23
Section 3 Procédures d’essai
3.1 Généralités .,.,. . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Éprouvettes d’essai . . 23
3.3 Méthode d’essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *.*.*. .a. . . . <. . . . 26
3.4 Procédures nécessitant des mesurages multiples . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 Calculs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
........................... ........................................... 30
3.6 Rapport d’essai
0 ISO 1991
Droits de reproduction réservés. Aucune partie de cette publication ne peut etre repro-
duite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, ékctronique ou
mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord écrit de I’kditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case Postale 56 + CH-121 1 Genève 20 l Suisse
Imprimé en Suisse
ii
Annexes
Valeurs limites des performances de l’appareil et des conditions
A
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*.s.
d’essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B Fluxmètres
C Indications pour l’estimation de l’épaisseur maximale des
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
éprouvettes dans l’appareil à fluxmètre
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D Thermocouples
.............. ...............................................................
E Bibliographie
. . .
III
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération
mondiale d’organismes nationaux de normalisation (comités membres
de I’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général
confiée aux comités techniques de I’ISO. Chaque comité membre inté-
ressé par une étude a le droit de faire partie du comité technique créé
à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l’lS0 participent également aux tra-
vaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique
internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotech-
nique.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techni-
ques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins
des comités membres votants.
La Norme internationale ISO 8301 a été élaborée par le comité techni-
que ISO/TC 163, Isolation thermique.
L’annexe A fait partie intégrante de la pré sente Not me interna tionale.
Les annexes B, E sont don nées uniq ueme nt à titre d’infor mation.
C, D et
Introduction
0.1 Structure du document
La présente Norme internationale comprend trois sections englobant les
informations les plus complètes qu’il a été possible de rassembler et
qui sont nécessaires à l’utilisation de l’appareil à fluxmètre, à savoir:
Section 1: Considérations générales
Section 2: Appareils et étalonnage
Section 3: Procédures d’essai
Bien que l’utilisateur de la méthode puisse avant tout centrer ses pré-
occupations sur la section 3 s’il désire réaliser des essais, il doit impé-
rativement se mettre au courant des deux autres sections, en vue
d’obtenir des résultats reproductibles et précis. En particulier! il doit
assimiler les connaissances concernant les conditions générales à ob-
server. La section 2 est destinée aux constructeurs d’appareils mais
ceux-ci, pour construire un appareil de qualité, devront Impérativement
se sentir concernks par les autres sections du document.
0.2 Transfert de chaleur et propriétés mesurées
Un grand nombre d’essais sont effectués sur des matC!riaux poreux et
de faible masse volumique. Dans ces cas, le transfert de chaleur qui
prend place dans ces matériaux peut être le résultat des contributions
complexes’ de divers modes de transfert, c’est-à-dire
- rayonnement.
-
conduction en phase solide et en phase gazeuse, et
-
convection (dans certaines conditions de service),
ainsi que de leurs interactions combinées à un transfert de masse, en
particulier dans les matériaux humides. Par conséquent, la propriété
thermique très souvent appelée de manière impropre ((conductivité
thermique),, calculée à partir d’une formule définie et à partir des ré-
sultats des mesures de flux thermique, de différence de température et
de dimensions obtenues pour une éprouvette donnée, peut ne pas être
une propriét6 intrinsèque du matériau lui-même. Cette propriété,
d’après I’ISO 9288, devrait donc être appelée ((facteur de transfert~~
puisqu’elle peut dépendre des conditions d’essai (on parle souvent
ailleurs du facteur de transfert comme étant la conductivité thermique
apparente ou effective). Le facteur de transfert peut dépendre de faFon
significative de l’épaisseur de l’éprouvette et/ou de la différence de
température, ceci pour des essais effectués à une même température
moyenne.
Le transfert de chaleur par rayonnement est la cause principale de
l’effet d’épaisseur sur le facteur de transfert. Par suite, non seulement
les propriétés du matériau, mais aussi les caractéristiques radiatives
des surfaces en contact avec l’éprouvette auront une influence sur les
résultats. La résistance thermique est par conséquent une propriété qui
caractésisera mieux le comportement thermique de l’éprouvette pourvu
qu’on l’accompagne des informations relatives aux surfaces en contact
avec celle-ci.
S’il y a possibilité de transfert convectif dans une éprouvette (par
exemple dans la laine minérale de faible masse volumique aux basses
températures), l’orientation de l’appareil, l’épaisseur et la différence de
température peuvent avoir une influence a la fois sur le facteur de
transfert et sur la résistance thermique. Dans ce cas, il est au minimum
indispensable de préciser complètement la géométrie et les conditions
aux limites de l’éprouvette à mesurer, même si l’information fournie
dans les procédures d’essai ne couvre pas en détail ces conditions
d’essai. De plus, l’estimation de la mesure nécessite des connaissances
considérables en particulier pour appliquer les valeurs mesurées dans
la pratique.
L’influence de l’humidité présente à l’intérieur d’une éprouvette sur le
transfert de chaleur pendant les mesures est aussi un sujet très com-
plexe. Par conséquent, seules des éprouvettes séchées sont à soumet-
tre à essais suivant les modes opératoires normalisés. Les mesurages
sur des matériaux humides nécessitent des précautions supplémentai-
res qui ne sont pas traitées en détail dans la présente Norme interna-
tionale.
La connaissance des principes physiques est également très importante
quand une propriété de transmission thermique déterminée par cette
méthode d’essai est utilisée pour prévoir le comportement thermique
d’un matériau spécifique donné dans une application pratique! même
si d’autres facteurs, tels que la pose, peuvent influencer ce compor-
tement.
03 . Connaissances requises
La conception et le fonctionnement correct d’un appareil à fluxmètre
(voir 1.6.1 et 2.2.2) en vue d’obtenir des résultats satisfaisants et I’inter-
prétation des résultats expérimentaux est une affaire complexe néces-
sitant un grand soin. II est recommandé que le concepteur, l’opérateur
et l’utilisateur des données mesurées de l’appareil à fluxmètre possè-
dent des bases approfondies de connaissance des mécanismes de
transfert de chaleur dans les matériaux, produits et systèmes concer-
nés, jointes à une expérience des mesures électriques et des mesures
de température, en particulier pour les signaux de faible niveau. Des
pratiques en laboratoire de bon niveau et en accord avec les procédu-
res d’essais générales doivent également être maintenues. Les
connaissances dans chaque domaine peuvent être différentes pour le
concepteur, l’opérateur et l’utilisateur des données.
04 . Conception, dimensions et normes nationales
De nombreuses conceptions différentes d’appareils à fluxmètre existent
de par le monde en vue de se conformer aux normes nationales ac-
tuelles. Des recherches et des actions de développement se poursui-
vent actuellement pour améliorer les appareils et les techniques de
mesure. II n’est donc pas réaliste d’imposer une conception particulière
ou une dimension donnée d’appareil, en particulier parce que les
conditions globales imposées peuvent varier de facon tout à fait consi-
dérable.
vi
ISO 8301 :1991 (F)
0.5 Instructions fournies
Une latitude considérable est laissée au concepteur de nouveaux équi-
pements à la fois en ce qui concerne le domaine de température et la
géométrie de l’appareil, étant donné que des réalisations sous diffé-
rentes formes se sont déjà révélées capables de fournir des résultats
comparables. On recommande aux concepteurs de nouveaux appareils
de lire avec soin les sources citées dans l’annexe E. Après achèvement
d’un nouvel appareil, on recommande de procéder à sa vérification en
entreprenant des essais portant sur un ou plusieurs des matériaux de
référence actuellement disponibles et correspondant à des ordres de
grandeur différents de résistance thermique. La présente Norme inter-
nationale souligne seulement les conditions obligatoires à remplir pour
concevoir et faire fonctionner un appareil à fluxmètre de facon à obtenir
des résultats corrects. Un tableau résumant les valeurs limites pour le
fonctionnement de l’appareil et les conditions d’essai citées dans la
présente Norme internationale est fourni en annexe A. Elle contient
aussi des modes opératoires et des pratiques recommandés ainsi que
des dimensions suggérées pour les éprouvettes, cet ensemble d’élé-
ments devant rehausser la qualité méthodologique d’ensemble tout en
aidant à améliorer la comparabilité interlaboratoire ainsi que les pro-
qrammes de mesure en collaboration.
\
vii
Page blanche
NORME INTERNATIONALE
Isolation thermique - Détermination de la résistance
thermique et des propriétés connexes en régime
stationnaire - Méthode fluxmétrique
Section 1: Généralités
1 .l Domaine d’application 1.2 Références normatives
1 .l .l La présente Norme internationale prescrit
l’utilisation des techniques fluxmétriques (voir 2.2.2)
pour mesurer le transfert de chaleur en régime sta-
Les normes suivantes contiennent des dispositions
tionnaire à travers des éprouvettes en formes de
qui, par suite de la référence qui en est faite,
panneaux plans et en déduire par calcul les pro-
constituent des dispositions valables pour la pré-
priétés de transmission thermique de ces éprou-
sente Norme internationale. Au moment de la pu-
vettes.
blication, les éditions indiquées étaient en vigueur.
Toute norme est sujette à révision et les parties
II s’agit d’une méthode secondaire ou relative,
prenantes des accords fondés sur la présente
puisqu’on mesure le quotient de la résistance ther-
Norme internationale sont invitées à rechercher la
mique d’une (des) éprouvette(s), par celle d’une
possibilité d’appliquer les éditions les plus récentes
(des) éprouvette(s) étalon(s).
des normes indiquées ci-après. Les membres de la
CEI et de I’ISO possèdent le registre des Normes
Les essais effectués conformément à cette méthode
internationales en vigueur à un moment donné.
d’essai normalisée, doivent l’être avec des éprou-
vettes dont la résistance thermique est supérieure
ISO 7345: 1987, Isolation thermique - Grandeurs
à 0,l m*-K/W, à condition de ne pas dépasser les li-
physiques et définitions.
mites d’épaisseur données en 1.7.2.
ISO 8302: 199 1, Isolation thermique -- Détermination
1.1.2 Si les éprouvettes satisfont aux exigences de
de la résistance thermique et des propriétés
1.8.1, les propriétés obtenues doivent être considé-
connexes en régime stationnaire -- Méthode de \a
rées comme conductance thermique et résistance
plaque chaude qardée.
L
thermique ou facteur de transfert de l’éprouvette.
ISO 9229: -l), Isolation thermique - Matériaux, pro-
duits et systèmes isolants thermiques -
1.1.3 Si les éprouvettes satisfont aux exigences de
Vocabulaire.
1.8.2, la propriété obtenue doit être considérée
comme étant la conductivité thermique moyenne
ISO 9251: 1987, Isolation thermique -- Conditions de
pour l’éprouvette soumise à essai.
transfert thermique et propriétés des matériaux -
Vocabulaire.
1.1.4 Si les éprouvettes satisfont aux exigences de
1.8.3, on pourra considérer la propriété obtenue ISO 9288:1989, Isolation thermique -- Transfert de
comme la conductivité thermique ou la chaleur par rayonnement - Grandeurs physiques et
transmissivité du matériau soumis à l’essai. définitions.
1) À publier.
ISO 9346:1987, Isolation thermique - Transfert de
masse - Grandeurs physiques et définitions. température ([?J est défini par l’intermédiaire d’une
seule valeur R en chaque point).
1.3.3 milieu thermiquement stable: Milieu dans
1.3 Définitions
lequel la conductivité thermique Â, ou $1 n’est pas
Pour les besoins de la présente Norme internatio-
fonction du temps, mais peut être fonction de la
nale, les définitions suivantes s’appliquent.
température et, le cas échéant, de la direction.
Les grandeurs suivantes sont définies dans
I’ISO 7345 ou dans I’ISO 9251.
1.3.4 conductivité thermique moyenne d’une
éprouvette: Propriété définie en régime stationnaire
dans un corps qui a la forme d’une plaque limitée
Symbole Unité
Grandeur
par deux faces planes, parallèles et isothermes, et
Flux thermique @ W
par des côtés perpendiculaires
aux faces,
Densité du flux thermique W/m2
adiabatiques, le corps étant constitué d’un matériau
Résistance thermique’) R m2 -K/W
thermiquement homogène, isotrope (ou anisotrope
avec un axe de symétrie perpendiculaire aux faces),
Conductance thermique A W/(nG .K)
stable dans les limites de précision d’un mesurage
Conductivité thermique*) R W/(m-K)
et le temps necessaire à son exécution, et avec une
Résistivité thermique Y m-K/W
Porosité
t conductivité thermique A. ou [I J constante ou fonc-
tion linéaire de la température.
Porosité locale
t
P
1.3.5 facteur de transfert d’une éprouvette: Est dé-
1) Dans certains cas, il peut Gtre nécessaire de
prendre en considération la différence de température fini par
divisée par le flux thermique; aucun symbole particu-
lier n’est attribué à cette grandeur.
u @
----
--- --
c
1 -$-- W(m.K)
.
2) Dans le cas le plus général, ? et grad 7’n’ont pas A7
la même orientation (7 n’est pas défini par une seule
II dépend des conditions expérimentales et caracté-
constante, mais par une matrice de constantes); en
rise une éprouvette vis-à-vis du transfert de chaleur
outre, la conductivité thermique varie avec la po-
combiné, par conduction et rayonnement. II est
sition, la température et le temps à l’intérieur du
souvent désigné par ailleurs sous le nom de con-
corps.
ductivité thermique mesurée. équivalente, appa-
rente ou effective d’une éprouvette.
Les définitions suivantes relatives aux propriétés du
matériau sont données dans I’ISO 9251:
1.3.6 transmissivité thermique d’un matériau: Est
dkfinie par
milieu poreux
milieu homogène
b -t -IZ $$- W/(m.K)
milieu poreux homogène
milieu hétérogène
quand Ad/AR est indépendant de l’6paisseur c/. Elle
milieu isotrope
est indépendante des conditions expérimentales et
milieu anisotrope
caractérise un matériau isolant en relation avec le
milieu stable
transfert de chaleur par conduction et rayonnement.
ne sont pas définis dans
Autres termes qui La transmissivité thermique peut être considérée
I’ISO 7345 ou I’ISO 9251: comme une limite du facteur de transfert pour des
couches épaisses dans le cas d’un transfert de
chaleur combiné par conduction et rayonnement.
1.3.1 milieu thermiquement homogène: Milieu dans
Elle est souvent désignée par ailleurs SOIJS le nom
de conductivité thermique mesurée, équivalente,
lequel la conductivité thermique [A] n’est pas fonc-
apparente ou effective d’un matériau.
tion de la position du point considéré, mais qui peut
être fonction de la direction, du temps et de la tem-
pérature.
1.3.7 propriété de transmission thermique en ré-
gime stationnaire: Terme générique utilise pour de-
finir une des propriétés suivantes: résistance
1.3.2 milieu thermiquement isotrope: Milieu dans
thermique, facteur de transfert, conductivité thermi-
que, résistivité thermique, transmissivité thermique,
lequel la conductivité thermique [A] n’est pas fonc-
conductance thermique, conductivité thermique
tion de la direction, mais peut être fonction de la
moyenne.
position à l’intérieur du milieu, du temps et de la
présentation par l’intermédiaire d’un rapport des
1.3.8 température de la pièce: Terme générique
résultats mesurés.
utilisé pour définir des mesurages effectués à une
température d’essai moyenne qui peut être consi-
1.3.11 utilisateur de données: Personne impliquée
dérée comme confortable pour l’homme.
dans l’application et l’interprétation des résultats
mesurés en vue de juger la performance du maté-
1.3.9 température ambiante: Terme générique uti-
riau OCJ du système.
lisé pour définir la température au voisinage des
bords de l’éprouvette, ou au voisinage de l’appareil
1.3.12 concepteur: Personne qui met au point les
entier. Cette température est celle de l’enceinte
détails de construction d’un appareil afin de satis-
contenant l’appareil ou celle du laboratoire, dans le
faire les limites de performance prtidéfinies pour
cas d’un appareil non enfermé.
l’appareil dans des conditions d’essai données et
qui définit les procédures d’essais pour vérifier la
1.3.10 opérateur: Personne responsable de I’exé-
précision prevue de l’appareil.
cution db l’essai sur l’appareil à fluxmètre et de la
1.4 Symboles et unités
Grandeur Unité
Aire mesurée sur une surface isotherme donnée m*
Capacité thermique massique J/( kg-K)
Épaisseur de l’éprouvette mesurée selon un trajet perpendiculaire aux
m
surfaces isothermes
Épaisseur de chaque eprouvette dans la configuration de l’appareil à m
deux éprouvettes
m
Épaisseur moyenne d’une paire d’éprouvettes
m
Épaisseurs des eprouvettes notées s, , s2 , . . . . s5
Distance maximale admissible entre les surfaces utiles des éléments
m
chauds et froids pendant l’essai
mV
Force électromotrice délivrée par le fluxmètre
W/(mVm* )
Facteur d’étalonnage du fluxmètre
m
Longueur du côté du fluxmètre
m
Longueur du côté de la zone sensible du fluxmètre, ou zone de mesure
-.
Variation relative de masse après le conditionnement
--
Variation relative de masse après le conditionnement après séchage
Variation relative de masse du matériau entre sa réception et son état
-
sec produit par séchage
Variation relative de masse d’une éprouvette pendant l’essai
Masse du matériau c7 la reception
Masse du matériau après séchage
Masse du matériau après conditionnement
Masse du matériau juste après l’essai
Masse du matériau séché ou conditionné avant l’essai
Densité de flux thermique
Densité du flux thermique à travers chaque éprouvette d’une configu-
ration d’appareil à deux éprouvettes W/m*
Résistivité thermique m.K/W
Résistivité thermique moyenne dans une confiquration d’appareil 5 deux
.
éprouvettes m.K/W
Résistance thermique m* 4
Résistance thermique de l’éprouvette étalon m* +
Résistance thermique de l’éprouvette inconnue m* *K/W
Résistance thermique totale dans une configuration d’appareil à deux m* *K/W
éprouvettes
--
Série d’éprouvettes de différentes epaisseut-s
Symbole Grandeur Unité
Facteur de transfert d’une éprouvette W/( In-K)
(T, + 7; )/2 Température moyenne K
7; =
l", , ?'y Températures des faces chaudes pour chaque éprouvette dans une
configuration d’appareil à deux éprouvettes t<
Températures des faces froides pour chaque éprouvette dans une
T', > T",
configuration d’appareil à deux éprouvettes l<
Température moyenne de l’éprouvette (‘) dans une configuration d’ap-
Trm
pareil à deux éprouvettes K
v ?
Température moyenne de I’eprouvette (“) dans une configuration d’ap-
7 m
pareil à deux éprouvettes K
Volume m3
Augmentation d’épaisseur m
Différence d’épaisseur entre les éprouvettes ‘) et (“) dans une confi-
guration d’appareil à deux eprouvet tes rn
Écart de conductivité thermique 3 la tempéra t ure moyenne 7’m et tem-
pératures moyennes des éprouvettes (‘) et (“) W/( m-K)
Écart entre les températures des eprouvettes (‘) et (“) K
6Tm = (T’, - T”, )/2
Écart entre les différences de temp&-atures des éprouvettes (‘) et (“) i<
ST = (A7" - AT' )/2
m* l
AR Augmentation de résistance thermique
Différence de température K
AT = T, - 7;
Différences de températ ure pour chaque ép lrouvette (‘) et (“) dans une
LF\T~ > ~7"'
configuration d ‘appareil àd eux é prouvettes K
Ae mV/(Wm* )
Coefficient de sensibilité du fluxmetre
A4
tv
@ Flux thermique
Flux thermique à travers l’éprouvette inconnu W
*u
W
Flux thermique à travers l’éprouvette étalon
QS
a Conductivité thermique W/( m-K)
R’ , R” Conductivité thermique de chaque 6prouvette (‘) et (“) dans une confi-
guration d’appareil à deux éprouvettes W/( m-K)
Dérivée de premier ordre par rapport à la température W/(m.K* )
. .
W/(m.K3 )
Dérivée du deuxième ordre par wpport à la température
W3
uctivi té thermi que moyenne dans une configuration d’appareil à
a Cond
moY
deux éprouvettes W/(m.K)
Conductivi té thermique moyenne d’une é prouvette, ou conductivité
R,
thermique à la tempéra ture moyenne 7’m W/( tn*K)
moyenne des éprou vettes (‘) et (“) mesuree
Cond uctivité thermique
R,
ue chaude gardee W/(m.K)
dans un appareil à plaq
Transmissivité thermique d’un matériau W/(m.K)
W/(m* ‘K)
Conductance thermique
A
kg/rn3
Masse volumique d’essai du mat&iau sec
f)d
Masse volumique d’essai du matériau qui a subi un conditionnement kg ‘rn.3
PS
Produit entre la masse volumique du matériau et sa chaleur spécifique
VS
J/(m3 .K)
(chaleur volumique du matériau)
--
Porosité
--
Porosité locale
éprouvettes dans une configuration d’appareil à
Indices relatifs aux
--
deux éprouvettes
chaqu e fois le problème n’est pas couvert par
que
1.5 Signification
les sp écifica tions d e matériau X.
1.51 Facteurs ayant une 5 nfluence sur les
1.5.3 Précision et reproductibilité
propriétés de tr lansmission thermiq ue
L’évaluation de la précision de la méthode est
Les propriétés de tra nsmission thermique d’une
complexe et dépend de la conception de l’appareil,
épro Nuvette de maté riau peuvent
de l’instrumentation qui y est adjointe, et du type
d’éprouvettes soumises à l’essai. La précision et
-
varier du fait de I a variabilité de I a compas ition
l’étalonnage devrait dépendre du matériau de réfé-
riaux ou d’échantillo n du matériau;
des maté
rence.
-
être influencées par l’humidité ou d’autres fac-
1.5.3.1 La reproductibilité de mesures successives
teurs;
effectuées au moyen de l’appareil sur une éprou-
vette maintenue dans celui-ci sans modifications
- évoluer avec le temps;
des conditions d’essai est normalement bien
meilleure que 1 %. Quand des mesures sont effec-
-
varier en fonction de la température moyenne;
tuées sur la même éprouvette de référence sortie
de l’appareil puis remise en place, à des intervalles
- dépendre de l’histoire thermique.
de temps prolongés, la reproductibilite des mesures
est normalement meilleure que -& 1 o/o. Cette valeur
Il est donc impératif d’admettre que le choix d’une
plus élevée est due aux légères différences des
valeur caractérisant les propriétés de transmission
conditions d’essai comme la’ pression exercée par
thermique comme étant représentatives d’un maté-
les plaques chaude et froide et le fluxmètre sur
riau dans une application particulière, doit être basé
l’éprouvette (ce qui modifie les résistances de
sur la prise en compte de ces facteurs et ne s’ap-
contact) et l’humidité relative de l’air environnant
pliquera pas nécessairement à toutes les conditions
les éprouvettes (ce qui modifie leur teneur en hu-
de fonctionnement sans modifications préalables.
midité). Ces niveaux de reproductibilité sont néces-
Par exemple, la présente méthode prévoit que les
saires pour permettre la mise en évidence d’erreurs
propriétés de transmission thermique doivent être
dans la méthode et sont souhaitables dans son ap-
obtenues sur des éprouvettes sèches, alors qu’il se
plication en contrôle de qualité.
peut qu’en fonctionnement, de telles conditions ne
soient pas remplies.
1.5.3.2 La précision de l’étalonnage de l’appareil à
fluxmètre est normalement meilleure que + 2 %
Plus fondamentale encore est la dépendance des
quand ia température moyenne de l’essai e$ pro-
propriétés de transmission thermique vis-à-vis de
che de la température de la pièce.
variables comme la température moyenne et la dif-
férence de température. Ces influences devraient
La précision de l’étalonnage est essentiellement
être évaluées par mesure, ou bien l’essai devrait
due à la précision de la méthode à plaque chaude
être effectué dans des conditions représentatives de
gardée pour le mesurage des propriétés des
l’application de l’isolant.
éprouvettes de référence.
1 S.2 Échantillonnage 1.5.3.3 En conséquence, cette méthode permet de
déterminer les propriétés de transmission thermi-
que à + 3 % près quand la température moyenne
II faut adjoindre aux propriétés de transmission
de l’es&& est proche de la température de la pièce.
thermique un ensemble adéquat d’informations pour
qu’on puisse les considérer comme représentatives
d’un matériau. Une propriété de transmission ther-
1.5.4 Procédure d’étalonnage
mique d’un matériau ne peut être déterminée par
une seule mesure que si l’échantillon est représen-
L’une des deux procédures doit être suivie.
tatif du matériau et si l’éprouvette (ou les éprou-
vettes) est (sont) représentative(s) de l’échantillon.
154.1 L’appareil du laboratoire d’essai doit être
étalonné (voir 2.4) moins de 24 h avant ou après
La marche à suivre pour choisir l’échantillon devrait
l’essai en utilisant des éprouvettes de référence en
normalement figurer dans la spécification du maté-
provenance d’un laboratoire aqréé pour les maté-
riau. Le choix d’une éprouvette dans l’échantillon
riaux de référence. La stabilité’ des échantillons de
peut être partiellement indiqué dans la spécification
référence dépend du type de matériau, certains
du matériau.
matériaux de référence ont été utilisés avec succès
La question de l’échantillonnage allant au-delà de pendant plus de 20 ans, mais il est suggéré de les
l’objet de la présente méthode d’essai, les docu- vérifier au moins tous les 5 ans. L’essai et l’étalon-
ments appropriés doivent être pris en considération nage de l’appareil doivent être réalisés en utilisant
à peu près les mêmes températures de faces (ou des éprouvettes) étalon(s) d’une part et de
chaude et froide que celles utilisées lors de I’éta- l’éprouvette (ou des éprouvettes) à mesurer
lonnage officiel des éprouvettes de référence. d’autre part;
c) aux différences dans les conditions de tempéra-
154.2 Lorsqu’il a été prouvé que les stabilités du
ture aux limites (si c’est le cas) lors de la déter-
fluxmètre à court et à long terme sont meilleures
mination de la résistance thermique de
que + 1 %, il est permis d’étalonner l’appareil à
l’éprouvette (ou des éprouvettes) étalon(s) dans
fluxmètre à des intervalles moins rapprochés, par
l’appareil à plaque chaude gardée et lors de la
exemple une ou deux fois par mois. Le rapport
procédure d’étalonnage de l’appareil à fluxmètre
d’essai de ces éprouvettes ne pourra être fait
au moyen de cette (ou ces) éprouvette(s)
qu’après l’étalonnage suivant et à ce moment seu-
étalon(s).
lement si la modification subie lors de l’étalonnage
par rapport au précédent est inférieure à 1 %.
1.6.4 À par-tir des résultats du mesurage du flux
La moyenne des deux étalonnages doit être utilisée
thermique (3i, avec l’éprouvette (ou les éprouvettes)
comme constante d’étalonnage et les éprouvettes
étalon(s) et 0” avec l’éprouvette (ou les éprou-
doivent être essayées avec la valeur ainsi obtenue.
vettes) inconnue(s) à mesurer et en supposant
Quand l’étalonnage varie de plus de + 1 %, les ré-
constante la densité de flux thermique qui traverse
sultats d’essais pratiqués dans cette-période, doi-
la surface de mesure et stables la différence de
vent être considérés comme nuls et les essais
température A7’ et la température moyenne 7’,,, on
doivent être refaits conformément à 154.1.
peut déduire le rapport entre la résistance thermi-
que R, de l’éprouvette (ou des éprouvettes)
étalon(s) et la résistance thermique R, de I’éprou-
1.6 Principe
vette (ou des éprouvettes) inconnue(s), comme suit:
1.6.1 L’appareil à fluxmètre a pour rôle d’établir
une densité de flux de chaleur uniforme et
unidirectionnelle qui traverse simultanément la
d’où l’on déduit R, par le calcul.
zone centrale de mesure d’un (ou de deux)
fluxmètre et la zone centrale d’une (ou de deux)
en forme de plaques, aussi
éprouvette(s)
1.6.5 La conductivité thermique de l’éprouvette (ou
identiques(s) que possible, celles-ci étant dans des
des éprouvettes) peut être également calculée si les
conditions de régime stationnaire caractérisées par
conditions posées dans la définition sont remplies
une température moyenne constante et une diffé-
et si l’épaisseur n de l’éprouvette (ou des épt-ou-
rence de température constante entre un élément
vettes) est connue.
chaud et un élément froid bornant l’ensemble fourni
par l’éprouvette (ou les éprouvettes) et le (ou les)
fluxmètre(
1.6.6 La mise en œuvre de la méthode est limitée
par l’aptitude de l’appareil à produire une densité
de flux thermique constante t?t unidirectionnelle à
1.6.2 II s’agit d’une méthode secondaire (ou rela-
travers des éprouvettes et par la précision dans la
tive) puisqu’on mesure le quotient de la résistance
mesure de la température, de l’épaisseur, de la
thermique d’une (ou de deux) éprouvette(s) par
force électromotrice produite par le (ou les)
celle d’une éprouvette (ou de deux éprouvettes)
fluxmètre( etc.
étalon(s). La résistance thermique de l’éprouvette
(ou des éprouvettes) étalon(s) doit impérativement
être déterminée conformément à I’ISO 8302 relative
1.6.7 Une autre série de limites tient aux éprou-
à l’appareil à plaque chaude gardée.
vettes puisque (dans le cas d’un appareil à deux
éprouvettes) elles ne sont pas rigoureusement de la
1.6.3 La condition idéale de densité de flux de même épaisseur, et que leurs plus grandes surfaces
chaleur unidirectionnelle ne peut être réalisée dans ne sont jamais parfaitement planes, ni parfaitement
la totalité de la surface de l’éprouvette et du
parallèles.
fluxmètre. Ceci implique d’accorder impérativement
une attention spéciale aux points suivants:
1.7 Limitations dans l’utilisation de
a) au problème des fuites thermiques par les bords
l’appareillage
de l’éprouvette (ou des éprouvettes) et du (ou
des) fluxmètre(
L’utilisation de l’appareil est limitC!e par un certain
b) aux di fférences e ntre les iétés géométri- nomb-re de facteurs liés à l’étalonnage et à I’épais-
ProP
épaisseur) et thermi ques de 1’ éprouvette seur de l’éprouvette.
wes (
utilisant un appareil à plaques plus grandes ou avec
1.7.1 Limitations liées à l’étalonnage
la boîte chaude gardée.
L’appareil ne doit pas être utilisé à des tempéra-
tures autres que celles utilisées pour l’étalonnage. 1.7.2.3 Épaisseur minimale
Si une courbe d’étalonnage a été établie pour un
domaine de température, l’extrapolation est inter- L’épaisseur minimale de l’éprouvette est liée aux
dite. résistances de contact mentionnées en 1.7.3. Quand
la conductivité (ou la résistivité) thermique est exi-
Une attention particulière doit être apportée à i’uti-
gée, l’épaisseur minimale de l’éprouvette est
lisation de l’appareil à des épaisseurs autres que
également limitée par la précision de I’instrumenta-
celles utilisées pour l’étalonnage. Cela est lié au
tion destinée au mesurage de l’épaisseur.
\
type de matériau essayé, à l’épaisseur de I’éprou-
vette et à la différence de température pendant
1.7.3 Limitations dues aux résistances de
l’essai.
contact
Lorsqu’on effectue l’essai sur une (ou des)
1.7.2 Limitations relatives à l’épaisseur de
éprouvette(s) rigide(s), c’est-à-dire en un matériau
l’éprouvette (ou des éprouvettes)
trop dur et dont la forme ne peut être modifiée de
facon appréciable par la pression des éléments
.
1.7.2.1 Généralités
chaud et froid, des irrégularités des surfaces -
même petites - de l’éprouvette et de l’appareil
L’épaisseur combinée de l’éprouvette (ou des
(surfaces imparfaitement planes) introduisent des
éprouvettes), du (ou des) fluxmètre et d’un éven-
résistances de contact réparties non uniformément
tuel matériau isolant thermique, dont la totalité re-
entre l’éprouvette (ou les éprouvettes) et les surfa-
présente la distance entre les surfaces de l’élément ces actives des éléments chaud et froid ainsi que
chaud et de l’élément froid doit impérativement être
du (ou des) fluxmètre(
bornée, en vue de limiter l’influence des pertes la-
Ces résistances entraîneront une repartition non
térales sur la mesure de flux thermique. On doit
uniforme du flux thermique et des distorsions du
choisir une limite géométrique qui corresponde à
champ thermique à l’intérieur des éprouvettes; en
celle d’une éprouvette utilisée dans l’appareil à
outre, elles rendent les mesurages des tempéra-
plaque chaude gardée, pour laquelle les pertes la-
tures de surface difficiles à rkaliset- sans recours à
térales ont été évaluées (voir 1.7.2.2). Les pertes ia-
des techniques spéciales.
térales sont influencées par l’isolation latérale et la
température de l’environnement de l’éprouvette.
1.8 Limitations dues aux éprouvettes
surfaces
1.7.2.2 Écartement maximal entre les
actives chaude et froide
1.8.1 Résistance thermique, conductance
thermique ou facteur de transfert
La distance maximale autorisée, ll)r entre les surfa-
ces chaude et froide au cours de l’essai, dépend de
1.8.1 .l Homogénéité des éprouvettes
la longueur latérale du fluxmètre, I,, de la longueur
de la zone sensible (I, - I,,) ainsi que de la facon
Lorsqu’on effectue des mesurages de la résistance
dont le fluxmètre est construit et des propriétés* de
(ou conductance) thermique d’éprouvettes non ho-
l’éprouvette (ou des éprouvettes) d’essai. Aucune
mogènes, il se peut que la densite de flux thermi-
analyse théorique n’est disponible pour prévoir
que, à la fois à l’intérieur de l’éprouvette et sur les
l’épaisseur maximale admissible pour les éprou-
faces de la zone de mesure de l’appareil ne soit ni
vettes. II est nécessaire d’utiliser comme guide les
unidirectionnelle, ni constante. Des distorsions du
résultats de l’analyse relative à la plaque chaude
champ thermique existeront dans l’éprouvette et
gardée.
pourront entraîner de sérieuses erreurs. La région
de l’éprouvette contiguë à la zone de mesure, et
Les références fW et [%elatives à l’analyse de la
particulièrement celle près des bords de cette zone,
plaque chaude gardée, et 1’ annexe C peuvent four-
est la plus critique. II est difficile de donner des ins-
nir certains éléments pour cette évaluation.
tructions sûres en ce qui concerne les possibilités
d’application de la méthode dans de tels cas. Le
Dans la configuration symétrique à une éprouvette
risque principal est que les erreurs dues aux fuites
(voir 2.1 et figure l), la valeur maximale de I’épais-
thermiques latérales, les erreurs dues à une distri-
seur de l’éprouvette est supérieure de 50 % à celle
bution de température non uniforme dans le
correspondant à la configuration symétrique à deux
fluxmètre, etc., imprévisibles dans cette situation,
éprouvettes.
peuvent varier de facon imprévisible lorsque des
Si l’épaisseur de l’éprouvette dépasse les limites non-homogénéités occupent des positions relatives
de l’appareil, les essais devront être effectués en différentes à l’intérieur de I’eprouvette. Le résultat
ISO 83Ol:1991(F)
en est que toutes les vérifications proposées en imposee aux bornes de l’éprouvette. Pour de nom-
1.3.5 peuvent subir l’influence d’erreurs systéma- breux matériaux, produits et systèmes, cette dé-
tiques masquant les différences vraies se rapportant pendance complexe existera à des différences de
aux différents essais. température qui sont caractéristiques de l’emploi.
Dans ces cas, il est préférable d’utiliser une diffé-
Dans certaines éprouvettes, il est possible que la
rente de température et de déterminer une relation
variation de structure se situe sur une distance fai-
approchée pour une gamme de différences de tem-
ble. C’est le cas pour de nombreux isolants thermi-
pératures. La dépendance peut être linéaire pour
ques.
un large domaine de différences de températures.
Dans d’autres éprouvettes, des courts-circuits ther-
Certaines éprouvettes, tout en satisfaisant aux cri-
miques peuvent exister entre les surfaces des
tères d’homogénéité sont anisotropes, dans le sens
éprouvettes en contact avec la plaque (ou les pla-
que la composante de la conductivité thermique
ques) et le (ou les) fluxmètre( L’effet le plus im-
mesurée dans une direction parallèle à ses faces
portant surviendra lorsque les sections droites du
est différente de celle qui serait mesurée dans une
matériau, qui conduisent facilement la chaleur et qui
direction normale à ses faces. De telles éprouvettes
s’étendent sur des surfaces situées de chaque côté
peuvent provoquer un déséquilibre latéral plus
de l’éprouvette, sont reliées par un chemin de ré-
grand et des erreurs de fuites latérales.
. .
sistance thermique faible par rapport à celle des
autres chemins possibles.
1.8.3 Conductivité, transmissivité ou
résistivité thermique d’un matériau
1.8.1.2 Influence de la différence de température
1.8.3.1 Généralités
La résistance (ou la conductance) thermique peut
être fonction des différences des températures aux
bornes de l’éprouvette. Il est impératif de définir Pour déterminer la conductivité (ou la résistivité)
thermique d’un matériau, le critère de 1.8.2 doit être
dans le rapport d’essai, le domaine des différences
rempli. De plus, un échantillonnage adéquat doit
de température auxquelles ont été mesurées les
être effectué pour s’assurer que le matériau est ho-
valeurs indiquées pour ces deux propriétés, ou bien
mogene ou homogène poreux et que les mesurages
d’indiquer que la valeur figurant au rapport d’essai
sont représentatifs de l’ensemble du matériau, pro-
a été déterminée à une seule et unique différence
duit ou système. L’épaisseur des éprouvettes doit
de température.
être supérieure à la valeur pour laquelle le facteur
de transfert d’un matériau, produit ou système ne
1.8.2 Conductivité thermique moyenne d’une
change pas de plus de 2 76 lorsqu’on augmente
éprouvette
encore leur épaisseur.
Pour déterminer la conductivité (011 la résistivité
1.8.3.2 Dépendance de l’épaisseur de l’éprouvette
thermique moyenne d’une éprouvette (voir 1.3.4)
les critères indiqués en 1.8.1 doivent être remplis
Des processus de transfert impliqués, seule la
L’éprouvette doit être thermiquement homogène ou
conduction produit une résistance thermique direc:-
poreuse homogène selon la définition de I’ISO 9251.
tement proportionnelle à l’épaisseur de I’éprou-
Les éprouvettes poreuses homogènes doivent être
vette. Les autres conduisent a des relations plus
telles que n’importe quelle non-homogénéité a des
complexes. Plus le matériau sera mince et moins
dimensions inférieures au dixième de l’épaisseur
dense, plus la résistance dépendra de processus
de l’éprouvette. De plus, à une température
autres que la conduction. Il en résulte une situation
moyenne quelconque, la résistance thermique spé-
qui ne remplit pas les conditions fixées dans les
cifique doit également être indépendante des diffé-
définitions de la conductivité et de la resistivité
rences de températures établies aux bornes de
thermiques puisque ces deux grandeurs sont defi-
l’éprouvette.
nies comme intrinsèques et que leurs valeurs ap-
parentes révèlent une dépendance vis-à-vis de
On sait que la résistance thermique d’un matériau
l’épaisseur de l’éprouvette. Pour ce genre de maté-
dépend de l’importance relative des divers proces-
riaux, il est possible que l’on souhaite déterminer la
sus de transfert de chaleur impliqués. La
résistance thermique dans des conditions applica-
conduction, le rayonnement et la convection sont les
bles à leur utilisation. Il y a une limite inférieure
mécanismes de base. Toutefois, ils peuvent se
d’épaisseur en dessous de laquelle, pour tous les
combiner les uns avec les autres ou se coupler pour
matériaux, une telle dépendance existe. En dessous
produire des effets non linéaires qui sont difficiles à
de cette épaisseur, l’éprouvette peut avoir des pro-
analyser ou à mesurer même quand les mécanis-
priétés de transmission thermiques définies de fa-
mes de
...
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