錐形量熱儀

錐形量熱儀是一種用於研究凝聚相材料小樣本燃燒行為的儀器。它廣泛應用於防火安全工程及耗氧量熱法領域。

此儀器收集關於點燃時間、質量損失、燃燒產物、熱釋放率以及與樣本燃燒特性相關的其他參數的數據。熱釋放率的測量基於哈格特原理，即任何有機材料的總燃燒熱與燃燒所需的氧氣量直接相關。其名稱來自儀器中錐形的輻射加熱器，該加熱器能在待測樣本表面產生近乎均勻的熱通量。

發展

在1960年代，美國國家標準暨技術研究院（NIST）的研究人員確定，火災的熱釋放與火災的增長率直接相關，因此是火災對生命財產構成風險的主要因素。然而，先前用於測量熱釋放的設備通常透過測量流經燃燒材料的環境空氣溫度升高來估算火災的熱釋放，而這些熱釋放的測量值通常不準確，因此需要更可靠的設備。

在1960年代和1970年代，研究工作發展出一種更準確估算熱釋放的方法。1977年，William Parker發表研究證明，對於多種燃料，燃燒過程中的熱釋放與單位耗氧量大致呈常數關係。透過測量燃燒過程中的耗氧量，便可以估算火災的熱釋放；此方法現稱為耗氧量熱法。此發現是重新發現了W. M. Thornston於1917年首次提出的方法，其研究同樣發現，在有機液體和氣體燃燒過程中，每單位質量的氧氣消耗會釋放出恆定的熱量。其後，Clayton Huggett在其1980年的論文中提供了嚴謹的概念驗證，指出耗氧量熱法是一種比先前方法準確得多的估算熱釋放的方法。

繼耗氧量熱法發展之後，1982年，Vytenis Babrauskas及其在防火研究中心的同事建造了第一台錐形量熱儀。錐形量熱儀迅速被認為是現代防火安全測試的重要儀器，並於1988年獲百大科技研發獎（R&D 100 Award）正式認可。現今，錐形量熱儀被用於法規及研究用途。

用途

錐形量熱儀被用於多種標準模型中，用以評估可燃材料的不同面向。作為一種縮小尺寸的儀器，其樣本尺寸通常限制在100平方毫米以下。與先前用於量熱法的設備相比，錐形量熱儀產生的數據更為可靠，但必須按比例放大以反映實際的防火安全考量。

使用此儀器時，需將小樣本包裹在鋁箔、礦物棉和固定框架中，並置於排氣罩下方點燃。中間放置一個錐形加熱器，使材料燃燒。錐形的英高鎳（Inconel）加熱元件對樣本提供可控的輻射通量，將電能轉化為熱能，其原理類似電烤麵包機或烤箱。樣本的可燃性可被表徵為作用於樣本上熱通量的函數。錐形加熱器的中心是開放的，允許燃燒產物向上流入排氣管。煙灰可在框架底部收集，以進行重量分析。

通風也是此設備非常重要的一部分，驅動錐形加熱器的電力同樣如此。需要少量供水來冷卻和調節設備系統中的熱量。由於需要評估溫度和壓力，排氣管中需要兩種不同的測量工具。氣體取樣、煙霧測量和煙灰收集也使用此設備進行。

參見

• 可燃性
• 可燃性圖
• 防火測試
• 防火聚合物
• 防火工程

外部連結

• 美國國家標準局「NBS 特別出版物 745：錐形量熱儀使用者指南」1988年
• Fire Testing Technology Ltd 的錐形量熱儀
• 錐形量熱儀圖解
• 錐形量熱儀彩色圖解
• Fire Science and Technology, Inc 的 Vyto Babrauska 博士：使用錐形量熱儀進行熱釋放研究的十年
• "Cone calorimeter analysis of UL-94 V-rated plastics" Fire Mater. 2007; 31:257–283

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