JP5413241B2

JP5413241B2 - 熱流束計の校正装置

Info

Publication number: JP5413241B2
Application number: JP2010040016A
Authority: JP
Inventors: 将尾▲崎▼; 康山本; 阿部　　誠
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: JP2011174851A

Description

本発明は、熱流束を計測する熱流束計の校正を正確に行うことができる熱流束計の校正装置に関する。

熱流束は、単位時間、単位面積当たりに流れる熱の量を表し、物体壁面とそれに接して流れる流体との間の熱伝達量や、ある個体壁で隔てられた高低温２流体間の熱通過量を表現する際に使われる。すなわち、熱流束を計測することで、物体のエネルギの流れをベクトル的に捉えることができる。
図６に従来の熱流束計の校正装置を示し、この校正装置は、熱発生源であるヒータ５１の一方の面に断熱材５２を設け他方の面に熱流束計５３を設け、さらに熱流束計５３のヒータ５１が設けられている面の反対側の面には放熱体５４が設けられている。
このような構成により、ヒータ５１を加熱することにより、ヒータ５１から発生した熱が熱流束計５３を通過し、放熱体５４に吸収される。この際、熱流束計５３を通過した熱流束とヒータに供給した電力値によって熱流束計の校正を行っている。

特開昭５８−２１４８２７号公報

断熱材５２については、完全な断熱を行うことができず、図６に示すように、断熱材５２からもヒータ５１の熱が放熱されてしまう。
そのため、熱流束計５３の測定値を補正するため、以下の（１）式が用いられる。
Ｓ＝（Ｖ×Ｓｕｒｆaｃｅ）／（Ｐ×η_ｈｅａｔ）・・・（１）
（１）式のうち、Ｓは熱流束計の校正値［Ｖ／（Ｗ／ｍ^２）］、Ｖは熱流束計の出力電圧［Ｖ］、Ｓｕｒｆaｃｅは、ヒータ、熱流束計の面積［ｍ^２］、Ｐはヒータの消費電力［Ｗ］、η_ｈｅａｔは断熱材の熱効率である。
このように、断熱材の熱効率などを考慮して、熱量を計っていたが、断熱材の熱効率の誤差が大きく、熱流束計の誤差が大きく精確な熱量の校正を行うことができなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、従来よりも正確な熱流束計の校正を行うことができる熱流束計の校正装置を提供することを目的とする。

本発明の熱流束計の校正装置は、上記目的を達成するために、熱を放熱する放熱体と、該放熱体を積層し単位時間、単位面積当たりに流れる熱量を検知する第１熱流束センサーと、該第１熱流束センサーを積層する第１熱量調節部材と、該第１熱量調節部材を積層する第２流束センサーと、該第２流束センサーを積層する第２熱量調節部材とを備え、該第２熱流束センサーの熱流束値が一定値になるように、第２熱量調節部材への供給電力を制御する制御装置と第１熱量調節部材への供給電力を一定に制御する制御装置を設け、前記第２熱量調節部材は加熱機能とともに冷却機能を有する。
上記熱流束計の校正装置は、前記第２流束値が略ゼロになるように、前記制御装置が第２熱量調節部材を制御することが好ましい。
上記熱流束計の校正装置は、ヒータの消費電力および温度が一定になったときに第１熱流束センサーの熱流束値と第１熱量調節部材への供給電力とを用いて第１熱流束センサーの校正をすることができる。
上記熱流束計の校正装置は、前記第１熱量調節部材、前記第２熱量調節部材、前記第１熱流束センサー及び前記第２熱流束センサーが同形状、同サイズとすることが好ましい。
上記熱流束計の校正装置は、前記第１熱流束センサーと第２熱流束センサーが、各々積層時にヒータと接触する面の面積が側面の面積和以上とすることが好ましい。
上記熱流束計の校正装置は、前記第２熱量調節部材に断熱材を重ねることが好ましい。
上記熱流束計の校正装置の前記第２熱量調節部材はペルチェ素子とすることができる。

本発明の熱流束計の校正装置は、熱を放熱する放熱体と、該放熱体を積層し単位時間、単位面積当たりに流れる熱量を検知する第１熱流束センサーと、該第１熱流束センサーを積層する第１熱量調節部材と、該第１熱量調節部材を積層する第２流束センサーと、該第２流束センサーを積層する第２熱量調節部材とを備え、該第２熱流束センサーの熱流束値が一定値になるように、第２熱量調節部材への供給電力を制御する制御装置と第１熱量調節部材への供給電力を一定に制御する制御装置を設けているので、従来用いていた断熱材の熱効率の誤差を消去することができる。
上記熱流束計の校正装置は、前記第２流束値が略ゼロになるように、前記制御装置が第２熱量調節部材を制御するようにしたので、校正操作を容易にすることができる。
上記熱流束計の校正装置は、ヒータが消費電力および温度が一定になったときに第１熱流束センサーの熱流束値を用いて第１熱流束センサーの校正をするようにしたので、校正操作をより容易にすることができる。
上記熱流束計の校正装置は、前記第２熱量調節部材に断熱材を重ねるので、断熱材によって消費電力を節約できるので、コストの軽減を計ることができる。
上記熱流束計の校正装置の前記第２熱量調節部材は、加熱機能とともに冷却機能を有するようにしたので、常温や冷温での校正ができるようになった。
上記熱流束計の校正装置は、前記第２熱量調節部材はペルチェ素子としたので、反応が速く高性能の校正装置を得ることができる。

本発明の第１の実施形態における熱流束計と校正装置の概略断面図である。本発明の第１の実施形態における校正装置の作業手順のフロー図である。本発明の第２の実施形態における発熱量測定容器の概略断面図である。本発明の第３の実施形態における熱流束計と校正装置の概略断面図である。本発明の第３の実施形態における校正装置の作業手順のフロー図である。従来の熱流束計の概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態の熱流束計の校正装置について、図面を参照しながら説明する。
図１に示す熱流束計の校正装置には、熱流束計２０を設けている。この熱流束計２０は、第１熱流束センサー２と第１熱流束検知部６とを備え、第１熱流束センサー２は、第１発熱体３と放熱体１との間に設けられている。そして、第１発熱体３には、第２熱流束センサー４が重ねられ、この第２熱流束センサー４には第２発熱体５が重ねられている。

これらの発熱体３，５及び熱流束センサー２，４は、同形状、同サイズとすることが望ましく、板状のものを使用できるが、薄膜で形成されたものを使用することが好ましい。具体的には、第１及び第２発熱体３，５、第１及び第２流束センサー２，４が正方形であるときに表面積をＡとし、１つの側面積をＢとした場合に、側面への放熱が無視できるようにＡ＞４Ｂ（Ａは４Ｂに対して非常に大である）の関係とすることが好ましい。
熱流束センサーには、第１熱流束センサー２に第１熱流束検知部６が配線を介して接続され、第１発熱体３には第１供給電源８が接続されている。第１熱流束検知部６は制御部１０に各々の熱流束値を出力することができる。

本発明に係る校正装置２１は、本実施形態では、図６に示した従来の熱流束計に加えて、図１に示す第２熱流束センサー４、第２発熱体５、第２熱流束検知部７，第２供給電源９及び制御部１０を具備している。
第２発熱体５には配線を介して第２供給電源９が接続され、第２供給電源９は、第２発熱体５に電圧を印加する。第２熱流束センサー４には、第２熱流束検知部７が配線を介して接続され、流束センサー４から熱流束を測定できる。
第２熱流束検知部７は制御部１０に熱流束値を出力することができ、制御部１０はその熱流束値や第１及び第２の発熱体３，５の加熱性能などを加味して、制御部１０に設けた演算部によって、第２供給電源９の電圧制御を行う。
なお、校正装置２１には、第２発熱体５の温度を計測する温度測定器や、第１発熱体３及び第２発熱体５の電力を測定する測定装置等が設けられている。

次に、校正装置２１の作動の一例について、図１及び図２のフロー図の流れに沿って説明する。
初めに、ステップＡに示すように、校正装置２１を作動させ、制御部１０の制御によって第１供給電源８が第１発熱体３に一定の電力を供給する。この際、同時に第１熱流束センサー２及び第２熱流束センサー４の熱流束を測定できる状態にしておく。次いで、ステップＢに示すように、第２熱流束センサー４の流束値の値が０になるように、第２供給電源９の電力を制御部１０によって制御する。そして、ステップＣにシフトし第１発熱体３の温度が一定値になっているかを検知する。ここで、第１発熱体３の温度に変動がある場合はステップＡに戻り、第１発熱体３の温度が一定値になるまで、Ａ、Ｂ、Ｃまでのステップを循環する。
第１発熱体３の温度が一定値になったと判断した場合は、ステップＤにシフトする。ステップＤでは、第２熱流束センサー４の熱流束値を測定し、熱流束値が０となっていない場合は、ステップＡ、Ｂに戻り、第２熱流束センサー４の値が０となるように、制御部１０が第２供給電源９の電力を制御する。そして、第２熱流束センサー４の流束値が０となった状態で、ステップＥにシフトし、第１熱流束センサー２の値を第２熱流束検知部７が測定し、熱流束値が制御部１０に入力される。

制御部１０は、このときの熱流束値をもとめ、下記の（２）式によって、熱流束計２０の校正値を、制御部１０の演算部で算出する。
Ｓ＝（Ｖ×Ｓｕｒｆaｃｅ）／（Ｐ）・・・（２）
Ｓ、Ｖ、Ｓｕｒｆaｃｅ、Ｐの単位については、上記（１）式と同じである。
このように、校正装置２１は、第２熱流束センサー４を０判別に使用するが、校正装置２１は原理的に熱流束が０のときに出力が０となるため、０点のみを判別すればよく、この校正の必要はない。これにより第１熱流束センサー２に与えた電力のうち、熱流束センサー４側に放出される熱を第２発熱体５によって補い、熱流束センサー２に第１発熱体３で生じたすべての熱を、第１熱流束センサー２へ通過させることができ、誤差要因となる断熱材の熱効率を必要としない（２）式を用いて熱流束計２０の校正値を求めることができる。

次に、本発明の熱校正装置の第２の実施形態について説明する。
なお、上記第１の実施形態と同一部分については同一符合を付して説明し、その詳細な説明を省略する。
図３に示す熱流束計２０は、第１熱流束センサー２と第１熱流束検知部６とを備え、熱流束計２０が校正対象となる熱流束計である。第１熱流束センサー２は、第１発熱体３と放熱体１との間に設けられている。
本発明に係る校正装置２２は、本実施形態では図３に示す第２熱流束センサー４、第２発熱体５、第２熱流束検知部７，第２供給電源９及び制御部１０を具備していることでは、上記第１の実施形態と同じであり、本実施形態では第２発熱体５にさらに、断熱材１１を積層している。この他については、上記第１の実施形態と同じである。
本実施形態では、上記第１の実施形態の図２に示すフロー図と同じ流れによって、校正装置２１が熱流束計２０の熱流束の校正を計ることができる。第２発熱体５に断熱材１１を積層することによって、第２発熱体５の余計な熱の発熱を抑えることができ、校正に必要な電力を少なくすることができる。

次に、本発明の熱校正装置の第３の実施形態について説明する。
なお、上記第１の実施形態と同一部分については同一符合を付して説明する。
図４に示す熱流束計２０は、第１熱流束センサー２と第１熱流束検知部６とを備え、本実施形態では、熱流束計２０が校正対象となる熱流束計である。第１熱流束センサー２は、第１発熱体３と放熱体１との間に設けられている。そして、第１発熱体３には、第２熱流束センサー４が重ねられ、この第２熱流束センサー４には熱量調節部材としてのペルチェ素子１３が重ねられている。これらの第１発熱体３及び熱流束センサー２，４は、同形状、同サイズとすることが望ましく、板状のものを使用できるが、薄膜で形成されたものを使用することが好ましい。具体的には、第１及び第２発熱体３，５、第１及び第２流束センサー２，４が正方形であるときに表面積をＡとし、側面積をＢとした場合に、Ａ＞４Ｂ（Ａは４Ｂに対して非常に大である）の関係とすることが好ましい。第１熱流束センサー２には、第１熱流束センサー２に第１熱流束検知部６が配線を介して接続され、第１発熱体３には第１供給電源８が接続されている。第１熱流束検知部６は制御部１０に各々の熱流束値を出力することができる。

本発明に係る校正装置２３は、本実施形態では図４に示す第２熱流束センサー４、ペルチェ素子１３、断熱材１１，第２熱流束検知部７，第２供給電源９及び制御部１０を具備している。すなわち、上記第１の実施形態に対して第２発熱体５に代えて、ペルチェ素子１３を配設し、ペルチェ素子１３に断熱材１１を積層させていることが異なっている。
ペルチェ素子１３には配線を介して第２供給電源９が接続され、第２供給電源９は、ペルチェ素子１３に電圧を印加する。第２熱流束センサー４には、第２熱流束検知部７が配線を介して接続され、熱流束センサー４を測定して熱流束を検知できる。

第２熱流束検知部７は制御部１０に熱流束値を出力することができ、制御部１０はその熱流束値や第１発熱体３、ペルチェ素子１３の加熱性能などを加味して、制御部１０に設けた演算部によって、第２供給電源９の電圧制御を行う。
なお、ペルチェ素子１３とは、２種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方へ熱が移動するという「ペルチェ効果」を利用した素子であり、電源の極性を入れ替えることにより、加熱効果と冷却効果を入れ替えることができる。したがって、ペルチェ素子１３の第２供給電源９については、図示しない電源の±の極性を入れ替える±極性切換回路が内部に設けられ、制御部１０の制御によって、ペルチェ素子１３へ印加する電圧の極性を切り換えることができる。

次に、校正装置２３の作動の一例について、図４及び図５のフロー図の流れに沿って説明する。
初めに、ステップＡに示すように、制御部１０の制御によって第１供給電源８が第１発熱体３に一定の電力を供給する。この際、同時に第１熱流束センサー２及び第２熱流束センサー４の熱流束を測定できる状態にしておく。次いで、ステップＢに示すように、第２熱流束センサー４の流束値の値が０になるように、第２供給電源９の電力を制御部１０によって制御する。
この際、第１発熱体３が加熱状態にあるような場合では、放熱体１に熱が伝わるが、放熱体１と反対側では、第１発熱体３の熱が第２熱流束センサー４、ペルチェ素子１３、断熱材１１の順に伝達するので、流出した熱の分だけペルチェ素子１３が加熱状態となる。一方、ペルチェ素子１３によって加熱しすぎたような状態では、第２熱流束センサー４の流束値が正の状態から負の状態になるようなときが考えられる。このような状態では、余分な熱量に相当する分だけ冷却する必要がある。そのため、ステップＧにおいて示されるように、必要がある場合は第２供給電源９が、ペルチェ素子１３の電源極性を反転し、加熱状態にあったペルチェ素子を冷却状態にできるようにしてある。よって、ステップＧでは第２供給電源９の極性が制御された後に、ステップＣにシフトする。このように、ペルチェ素子１３の温度を素早く調整することによって、より早い反応で第２熱流束センサー４の熱流束の値を０にすることができる。

そして、ステップＣでは、第１発熱体３の温度が一定値になっているかを検知する。ここで、第１発熱体３の温度に変動がある場合はステップＡに戻り、第１発熱体３の温度が一定値になったらステップＤにシフトする。ステップＤでは、第２熱流束センサー４の熱流束値を測定し、熱流束値が０となっていない場合は、ステップＡ、Ｂに戻り、第２熱流束センサー４の値が０となるように、制御部１０が第２供給電源９の電力を制御する。そして、第２熱流束センサー４の流束値が０となった状態で、ステップＥにシフトし、第１熱流束センサー２の値を第２熱流束検知部７が検知し、熱流束値が制御部１０に入力される。

このときの熱流束値をもとめ、下記の（２）式によって、熱流束計２０の校正値を、制御部１０の演算部で算出する。このように、ペルチェ素子を使用することによって、加熱、冷却の制御を行うことによって、短時間で制御できる温度応答性の良い校正装置２３ができる。
なお、熱流束計２０を常温や冷温で行うような場合では、第１発熱体３を常温や冷温ができる温度調整手段として、常温、冷温に対応できる校正装置を作成することが可能である。

本発明は、放熱体の評価装置にも使用できる。
従来の放熱体の評価装置では、従来例で説明した図６に示すように、ヒータ５１の一方を断熱材を用いて断熱し、もう一方に評価対象の放熱体５４を設置し、ヒータの温度を一定として周囲温度とヒータ温度との差をヒータに与えた電力で除した熱抵抗値、またはヒータと放熱体との間の熱流束を測定することで評価している。
しかし、周囲温度や断熱材の熱効率による影響が正確な評価が行えていないのが実態であったが、図３（第２の実施形態）及び図４（第３の実施形態）に示すものと同じ装置を用い、以下の（３）式によって評価値を求めることができる。
Ｆ＝（Ｖ×Ｓｕｒｆaｃｅ）／（Ｓ／Ｐ）・・・（３）
（３）式のうち、Ｓは熱流束計の校正値［Ｖ／（Ｗ／ｍ^２）］、Ｖは熱流束計の出力電圧［Ｖ］、Ｓｕｒｆaｃｅは、Ｆは放熱体の評価値［−］、ヒータ、熱流束計の面積［ｍ^２］、Ｐはヒータの消費電力［Ｗ］である。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明の技術的思想に基づいて、勿論、本発明は種々の変形又は変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、熱流束値を０となるように、電源９を制御したが、複雑となるが熱流束センサー２，１３の熱流束値が一定値になるように若しくは熱流束値に応じてヒータパネルへ３の熱量を制御してもよい。

１放熱体
２第１熱流束センサー
３第１発熱体
４第２熱流束センサー
５第２発熱体
６第１熱流束検知部
７第２熱流束検知部
８第１供給電源
９第２供給電源
１０制御部
１１断熱材
１３ペルチェ素子
２０熱流束計
２１，２２，２３校正装置

Claims

熱を放熱する放熱体と、該放熱体を積層し単位時間、単位面積当たりに流れる熱量を検知する第１熱流束センサーと、該第１熱流束センサーを積層する第１熱量調節部材と、該第１熱量調節部材を積層する第２流束センサーと、該第２流束センサーを積層する第２熱量調節部材とを備え、
該第２熱流束センサーの熱流束値が一定値になるように、第２熱量調節部材への供給電力を制御する制御装置と第１熱量調節部材への供給電力を一定に制御する制御装置を設け、
前記第２熱量調節部材は加熱機能とともに冷却機能を有することを特徴とする熱流束計の校正装置。
前記第２流束値が略ゼロになるように、前記制御装置が第２熱量調節部材を制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の熱流束計の校正装置。
ヒータの消費電力および温度が一定になったときに第１熱流束センサーの熱流束値と第１熱量調節部材への供給電力とを用いて第１熱流束センサーの校正をするようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱流束計の熱校正装置。
前記第１熱量調節部材、前記第２熱量調節部材、前記第１熱流束センサー及び前記第２熱流束センサーが同形状、同サイズであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱流束計の校正装置。
前記第１熱流束センサーと第２熱流束センサーは、各々積層時にヒータと接触する面の面積が側面の面積和以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱流束計の校正装置。
前記第２熱量調節部材に断熱材を重ねたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱流束計の校正装置。
前記第２熱量調節部材はペルチェ素子であることを特徴とする請求項１に記載の熱流束計の校正装置。