JP2001221758A - 熱伝導率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 応答速度を維持しつつ、測定精度を高める。 【解決手段】 流体を導く流路４と、流体が滞留するキ
ャビティ５ａと、このキャビティ５ａ内に設けられた発
熱式熱伝導率センサ１０と、流路４とキャビティ５ａと
の境界に設けられた多孔体３１とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流路により導かれ
た流体をキャビティ内に滞留させて、このキャビティ内
に配置されたセンサで流体の熱伝導率を測定する熱伝導
率測定装置に関し、特に、センサの周囲における流体の
挙動を最適化する手段を備えた熱伝導率測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の熱伝導率測定装置は、例えば、
単位体積当たりの熱量が熱伝導率に比例することを利用
して、ＬＮＧ（液化天然ガス）を供給する際の熱量調整
に使用されている。図７は、従来の熱伝導率測定装置の
一構成例を示す断面図である。この熱伝導率測定装置で
は、流路ブロック１０１，１０１ａそれぞれの内壁によ
り流路１０４が構成され、流路ブロック１０１ａの内壁
に形成された窪みによりキャビティ１０５ａが構成され
ている。キャビティ１０５ａの深さは、例えば１０ｍｍ
程度である。

【０００３】キャビティ１０５ａの底部に発熱抵抗式熱
伝導率センサ１１０が配置されている。この発熱抵抗式
熱伝導率センサ１１０は、図示しない発熱体を有してい
る。この発熱体は図示しない制御回路により定温度駆動
される。測定対象流体の熱伝導率に対応して発熱体から
奪われるエネルギーが変化するので、定温度に維持する
ために要した供給エネルギーを電圧値変化等から求める
ことにより、測定対象流体の熱伝導率を測定することが
できる。

【０００４】熱伝導率の測定に際し、熱伝導率センサ１
１０の発熱体から奪われる熱は、熱伝導（分子運動に
よる熱の伝搬）により流体へ逃げて行く熱と、強制対
流に基づく流体の流れにより持ち去られる熱と、その
他の熱（輻射熱、熱伝導率センサ１１０の基台等の装置
へ逃げて行く熱）との和からなる。このうち、流体の熱
伝導率に関わるものは、熱伝導により流体へ逃げて行
く熱のみである。したがって、高い精度で熱伝導率を測
定するためには、これ以外の熱、特に流れにより持ち
去られる熱がゼロの状態で測定を行うことが望ましい。
つまり、流体が静止した状態（流速がゼロの状態）で、
熱伝導率を測定することが望ましい。

【０００５】しかしながら、図７に示した熱伝導率測定
装置では、キャビティ１０５ａの深さが比較的浅かった
ため、流路１０４内の流体の流れ１０６により、キャビ
ティ１０５ａ内に流れの速い対流１０７が発生していた
（対流１０７を示す矢印の太さは、対流１０７の速さを
表している）。したがって、熱伝導率センサ１１０上の
流れが速く、この流れにより持ち去られる熱が大きかっ
たので、熱伝導率の測定精度が極めて低いという欠点が
あった。

【０００６】図８は、従来の熱伝導率測定装置の他の構
成例を示す断面図である。この熱伝導率測定装置は、上
記の欠点を改善するために、キャビティ１０５ｂの深さ
を図７におけるキャビティ１０５ａよりもＤだけ深くし
たものである。例えば、Ｄ＝２０ｍｍとして、キャビテ
ィ１０５ｂの深さを３０ｍｍ程度としたものがある。キ
ャビティ１０５ｂの深さを深くすることで、キャビティ
１０５ｂ内の対流１０８が遅くなる。したがって、熱伝
導率センサ１１０上の流れが遅くなるので、熱伝導率の
測定精度が高まる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述したＬＮＧ供給制
御等のプロセスオートメーションの分野で使用される熱
伝導率測定装置では、刻々と替わる測定対象流体の熱伝
導率を速い応答速度で測定することが求められる。この
応答速度には、キャビティ１０５ｂ内におけるサンプル
到達時間が大きく関わっている。この「キャビティ１０
５ｂ内におけるサンプル到達時間」とは、キャビティ１
０５ｂの開口部（キャビティ１０５ｂと流路１０４との
境界）からキャビティ１０５ｂ内の熱伝導率センサ１１
０上に測定対象が到達する時間のことをいう。このサン
プル到達時間が短いほど、応答速度が速くなる。図８に
示した熱伝導率測定装置の場合は、測定精度を高めるた
めにキャビティ１０５ｂの深さを深くしたのでサンプル
到達時間が長くなり、応答速度は図７に示した熱伝導率
測定装置よりも遅くなってしまった。このように、従来
の技術では、応答速度を維持しつつ、測定精度を高める
ことができなかった。

【０００８】なお、実際の流体の流れは矢印で表したほ
ど単純ではない。キャビティ１０５ａ，１０５ｂに留ま
る時間や経路は一様ではなく、元から存在していた流体
と混ざり合いながら徐々に置き換わっていく、というも
のである。よって、正確に言うならばサンプル到達時間
とは、元から存在していたサンプルと新しいサンプルの
比が所定値に達するまでの時間（＝置換時間）のことで
あるが、分かり易くするため上記のような定義をした。

【０００９】本発明はこのような課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、熱伝導率測定装置に
おいて、応答速度を維持しつつ、測定精度を高めること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による熱伝導率測定装置は、流体を導
く流路と、この流路に面しかつ流体が滞留するキャビテ
ィと、このキャビティ内に設けられかつ流体の熱伝導率
を測定する発熱式熱伝導率センサと、流路とキャビティ
との境界に設けられた多孔体とを備えている。流路内の
流体は、多孔体を通過する際に、流速が低減される。こ
のため、キャビティの深さを深くしなくても、センサ上
の流れを遅くすることができる。つまり、キャビティ内
におけるサンプル到達時間を長くせずにセンサ上の流れ
を遅くすることができるので、応答速度を維持しつつ測
定精度を高めることができる。

【００１１】また、本発明による熱伝導率測定装置は、
多孔体が、流路内の流体とキャビティ内の流体とが分子
拡散のみにより交換されるように設計されている。この
ように多孔体を設計すれば、キャビティ内における多孔
体近傍ですら、強制対流に基づく流体の流れがなくな
る。このため、センサを多孔体に近接して配置しても、
センサは強制対流による影響を受けずに精度よく測定す
ることができる。この場合、サンプル到達時間が極めて
短くなるので、応答速度を極めて速くすることができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。 （第１の実施の形態）図１は、本発明による熱伝導率測
定装置の第１の実施の形態の構成を示す断面図である。
この図は、流路４の軸方向を含む断面を示している。図
１に示すように、流路ブロック１，１ａそれぞれの内壁
により、流体を導く流路４が構成されている。流路ブロ
ック１ａには貫通孔２ａが形成されており、この貫通孔
２ａと貫通孔２ａに挿入されたキャンケース２１とによ
りキャビティ５ａが構成されている。キャビティ５ａは
流路４に面する空間であり、流路４により導かれた流体
を滞留させる。このキャビティ５ａは５ｍｍの深さを有
している。また、キャンケース２１はコバール製のケー
スにガラスを流し込んで作られたものである。

【００１３】キャビティ５ａの底部であるキャンケース
２１上に、発熱抵抗式熱伝導率センサ１０が配置されて
いる。この熱伝導率センサ１０は、流体の熱伝導率を測
定するセンサである。図２は、この発熱抵抗式熱伝導率
センサ１０の構造を示す斜視図である。基台１１の中央
部にはメンブレン１２が形成されている。このメンブレ
ン１２の下部は空洞となっている（図示せず）。基台１
１内部の空洞は、メンブレン１２に形成された多数のス
リット１３により、基台１１外部と連通している。ま
た、メンブレン１２上には抵抗体パターンからなる発熱
体１４が形成されている。この発熱体１４の両端にはそ
れぞれ電極パッド１５ａ，１５ｂが接続されている。こ
のような構造を有する熱伝導率センサ１０は、例えば特
開平５−２３２０５２号公報に記載されている。

【００１４】図１の説明に戻る。キャンケース２１の底
面つまり流路ブロック１ａの外壁に連なる面には、キャ
ンケース２１から延びるリードピン２３ａ，２３ｂを貫
通させる穴２２ａを有するステンレスの支持板２２が溶
接されている。図２に示した熱伝導率センサ１０の電極
パッド１５ａ，１５ｂはそれぞれリードピン２３ａ，２
３ｂに接続されて外部に引き出され、図示しない外部回
路に接続された構成となっている。さらに、流路４とキ
ャビティ５ａとの境界に、多数の網目がある金網３１が
設けられており、これが本発明の特徴となっている。こ
こでいう「流路４とキャビティ５ａとの境界」とはキャ
ビティ５ａの開口部のことである。流路ブロック１ａの
内壁側における貫通孔２ａの周囲には窪み３が形成され
ており、この窪み３の部分に金網３１が溶接されてい
る。図１には１枚の金網を設置した例を示したが、複数
枚の金網を重ねて設置するようにしてもよい。

【００１５】図３は、金網３１付近の流体の挙動を示す
模式図である。この図は、図１において点線で囲んだII
I 部を拡大して示したものである。流路４内の流体は金
網３１の網目３１ａを介してキャビティ５ａ内に流入す
る。例えば流体がＬＮＧで、金網３１が６０メッシュ
（１インチ当たりの網目３１ａの数が６０であり、線径
が０．１２ｍｍとすると、網目３１ａの一辺の長さは
０．３ｍｍ）程度の場合には、流路４の流れの力によ
り、キャビティ５ａ内における網目３１ａ付近に小さな
渦７ができる。しかし、この渦７の力は弱いので、キャ
ビティ５ａ内において渦７による強制対流はほとんど生
じない。したがって、流体の種類や流速により異なる
が、熱伝導率センサ１０を金網３１から５〜１０ｍｍ程
度離しておけば、熱伝導率センサ１０上に強制対流に基
づく流れはほとんど生じない。

【００１６】したがって、図８に示した従来の熱伝導率
測定装置のようにキャビティの深さを深くしなくても、
熱伝導率センサ１０上の流れを遅くすることができる。
つまり、キャビティ５ａ内におけるサンプル到達時間を
長くせずに熱伝導率センサ１０上の流れを遅くすること
ができるので、熱伝導率測定装置の応答速度を維持しつ
つ測定精度を高めることができる。また、図７や図８に
示した従来の熱伝導率測定装置では、熱伝導率センサ１
１０上に大きな渦状の流れ（対流１０７，１０８）があ
り、その流速は一定でない。このため、従来の熱伝導率
測定装置には測定結果が安定しないという欠点もあっ
た。これに対して、図１に示した熱伝導率測定装置で
は、熱伝導率センサ１０上に大きな渦状の流れは存在せ
ず、流速の影響を受けないので、測定の安定性がよくな
るという効果も得られる。

【００１７】（第２の実施の形態）図４は、本発明によ
る熱伝導率測定装置の第２の実施の形態の構成を示す断
面図である。また、図５は、図４において点線で囲んだ
Ｖ部を拡大して示したものであり、金網３２付近の流体
の挙動を示す模式図である。これらの図において、図１
〜図３と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説
明を省略する。図４に示した熱伝導率測定装置では、特
に、流路４内の流体とキャビティ５ｂ内の流体とが分子
拡散８のみにより交換されるように、金網３２が設計さ
れている。

【００１８】分子拡散８のみにより流体が交換される条
件は、流体の粘度・密度、分子の大きさ、金網（多孔
体）３２の網目（孔）３２ａの径・深さ・形、金網（多
孔体）３２の表面の凹凸により変化するので、一概には
言えない。例えば、主成分が液化メタンであるＬＮＧの
場合は、線径が０．０４ｍｍで２００メッシュの金網
（１インチ当たり２００個の網目３２ａがある金網）３
２を使用すると、網目３２ａの一辺の長さは０．０９ｍ
ｍ、深さは約０．０４ｍｍとなり、分子拡散８のみによ
る流体の交換が可能となる。また、気体の場合は流体の
交換を分子拡散のみとしなくてもそれなりに高い精度が
得られるが、分子拡散のみとさせるならば液体の場合よ
りも目の細かい金網３２を使えばよい。

【００１９】このように金網３２を設計すれば、キャビ
ティ５ｂ内における金網３２の近傍ですら、強制対流に
基づく流体の流れがなくなる。このため、金網３２から
１〜２ｍｍ程度の距離に熱伝導率センサ１０を近接配置
しても、熱伝導率センサ１０は強制対流による影響をほ
とんど受けずに精度よく測定することができる。この場
合、サンプル到達時間が極めて短くなるので、応答速度
を極めて速くすることができる。

【００２０】また、従来の熱伝導率測定装置のように流
路１０４内の流れによりキャビティ１０５ａ，１０５ｂ
内に強制対流ができる場合には、流路１０４内の流速の
変化にしたがって強制対流の流速も変化する。このた
め、安定した測定を行うために、流路１０４内の流速を
正確に一定に制御する必要があった。しかし、図４に示
した熱伝導率測定装置では、上述したように強制対流に
よる影響をほとんど受けずに測定を行うことができるの
で、流路４内の流速制御を厳密に行う必要がないという
副次的な効果も得られる。

【００２１】ここで、従来の熱伝導率測定装置と本発明
による熱伝導率測定装置とにおいて、熱伝導率センサ上
の流速およびサンプル到達時間を比較する。表１は、従
来の熱伝導率測定装置（図７，図８）と本発明による熱
伝導率測定装置（図１，図４）における熱伝導率センサ
１０，１１０上の流速とサンプル到達時間の一例を示す
表である。

【００２２】

【表１】

【００２３】前述したように、熱伝導率の測定に際には
流れにより持ち去られる熱量が少ないことが重要なの
で、熱伝導率センサ１０，１１０上の流速は遅いほどよ
い。また、速い応答速度での測定が求められので、サン
プル到達時間は短いほどよい。表１から分かるように、
図８に示した従来の熱伝導率測定装置では、図７に示し
た従来の熱伝導率測定装置と比較して、熱伝導率センサ
１１０上の流速は改善されたが、その代わりにサンプル
到達時間が長くなった。これに対して、図１に示した熱
伝導率測定装置によれば、サンプル到達時間を維持しつ
つ、熱伝導率センサ１０上の流速を改善することができ
る。また、図４に示した熱伝導率測定装置によれば、図
１に示した熱伝導率測定装置よりも、熱伝導率センサ１
０上の流速およびサンプル到達時間の両方を更によくす
ることができる。つまり、図１，図４に示した熱伝導率
測定装置によれば、熱伝導率センサ１０上の流速とサン
プル到達時間との両方を両立できると言える。

【００２４】（第３の実施の形態）図６は、本発明によ
る熱伝導率測定装置の第３の実施の形態の構成を示す断
面図である。ここで、図６（Ａ）は流路４４の軸方向を
含む断面を示しており、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけ
るVIB−VIB′線方向の断面を示している。図６におい
て、図１，図４と同一部分を同一符号をもって示し、適
宜その説明を省略する。図１，図４に示した熱伝導率測
定装置は流路ブロック１ａ，１ｂにキャビティ５ａ，５
ｂが形成された構成となっているが、図６に示した熱伝
導率測定装置は流路４４内にキャビティ４５が設けられ
た構成となっている。

【００２５】このキャビティ４５は、上面が開口された
円筒状の容器４２と、この容器４２内に挿入されたキャ
ンケース２１とにより構成されている。キャンケース２
１上には熱伝導率センサ１０が配置されており、容器４
２の開口された面には焼結金属板３３がはめ込まれてい
る。容器４２は焼結金属板３３がはめ込まれた面が流路
４４の上流側に向くように流路４４内に配置され、流路
ブロック４１の内壁に固定された支持部材４３により支
えられている。焼結金属板３３は図４に示した金網３２
と同様の機能を有するものである。つまり、流路４４内
の流体とキャビティ４５内の流体とは、焼結金属板３３
を介して分子拡散のみにより交換される。このため、流
路４４内の流れ４６が焼結金属板３３と直交していて
も、流路４４内の流れ４６によってキャビティ４５内に
強制対流は生じない。よって、図６に示した熱伝導率測
定装置でも、図４に示した熱伝導率測定装置と同程度の
測定精度および応答速度を得ることができる。

【００２６】前述したように、流路４，４４とキャビテ
ィ５ａ，５ｂ，４５との境界に金網３１，３２または焼
結金属板３３を設けることが本発明の特徴である。しか
し、流路４，４４内の流体の流れ６，４６がキャビティ
５ａ，５ｂ，４５内に及ぼす影響を低減する効果が得ら
れればよいので、流路４，４４とキャビティ５ａ，５
ｂ，４５との境界に配置するものは、多くの孔がある多
孔体であればよい。この多孔体としては、金網３１，３
２および焼結金属板３３の他に、テフロン等の樹脂網、
パンチングプレート、多孔質セラミック板などを使用で
きる。また、多孔体に関しては、キャビティ５ａ，５
ｂ，４５内の流れを遅くするために、孔の径が小さいこ
とが望ましい。また、キャビティ５ａ，５ｂ，４５内の
流体の置換を速く行えるように、単位面積当たりの孔数
が多く、孔の深さが浅いことが望ましい。

【００２７】また、本発明でいう流体とは気体と液体の
総称であり、本発明による熱伝導率測定装置では気体お
よび液体のいずれに対しても効果が得られるが、特に液
体に対する効果が大きい。なお、特開平５−２３２０５
２号公報には、センサの上流側または下流側に金網を設
けて、センサ上の流速を遅くするという技術が開示され
ている。しかし、この技術は、金網の設けられている場
所が流路とキャビティの境界ではなく、流路の途中であ
る点で、本発明と構成が異なる。また、流速が遅くなる
と言っても、結局はセンサ上の一定方向の流れはなくな
らないという点で、作用効果が異なるものである。した
がって、上記公報は、本発明の進歩性を否定する資料と
はなり得ない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による熱伝
導率測定装置では、流路とキャビティとの境界に多孔体
が設けられている。この多孔体により流速が低減される
ので、キャビティの深さを深くせずに、熱伝導率センサ
上の流れを遅くすることができる。したがって、応答速
度を維持しつつ、測定精度を高めることができる。ま
た、熱伝導率センサ上では大きな渦状の流れがなく、流
速が変化するということもないので、測定の安定性がよ
くなる。

【００２９】また、流路内の流体とキャビティ内の流体
とが分子拡散のみにより交換されるように多孔体を設計
することにより、熱伝導率センサを多孔体に近接配置し
ても、熱伝導率センサは強制対流による影響を受けずに
精度よく測定することができる。この場合、応答速度を
極めて速くすることができる。また、このように設計さ
れた多孔体を使用すれば、流路の流速が変化しても強制
対流による影響をほとんど受けずに測定を行えるので、
流量制御を厳密に行う必要がないという効果も得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による熱伝導率測定装置の第１の実施
の形態の構成を示す断面図である。

【図２】 発熱抵抗式熱伝導率センサの構造を示す斜視
図である。

【図３】 図１に示した金網付近の流体の挙動を示す模
式図である。

【図４】 本発明による熱伝導率測定装置の第２の実施
の形態の構成を示す断面図である。

【図５】 図４に示した金網付近の流体の挙動を示す模
式図である。

【図６】 本発明による熱伝導率測定装置の第３の実施
の形態の構成を示す断面図である。

【図７】 従来の熱伝導率測定装置の一構成例を示す断
面図である。

【図８】 従来の熱伝導率測定装置の他の構成例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，４１…流路ブロック、２ａ，２ｂ…貫
通孔、３…窪み、４，４４…流路、５ａ，５ｂ，４５…
キャビティ、６，４６…流路内の流体の流れ、７…渦、
８…分子拡散、１０…発熱抵抗式熱伝導率センサ、１１
…基台、１２…メンブレン、１３…スリット、１４…発
熱体、１５ａ，１５ｂ…電極パッド、２１…キャンケー
ス、２２…ステンレスの支持板、２３ａ，２３ｂ…リー
ドピン、３１，３２…金網、３１ａ，３２ｂ…網目、３
３…焼結金属板、４２…容器、４３…支持部材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体を導く流路と、 この流路に面しかつ前記流体が滞留するキャビティと、 このキャビティ内に設けられかつ前記流体の熱伝導率を
   測定する発熱式熱伝導率センサと、 前記流路と前記キャビティとの境界に設けられた多孔体
   とを備えたことを特徴とする熱伝導率測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の熱伝導率測定装置におい
   て、 前記多孔体は、前記流路内の流体と前記キャビティ内の
   流体とが分子拡散のみにより交換されるように設計され
   ていることを特徴とする熱伝導率測定装置。