JP2003315170A - 熱流束計及びその製造方法並びにその組立治具 - Google Patents

熱流束計及びその製造方法並びにその組立治具

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 堅固な構造を有して、適切な放熱部が形成さ
れることで、正確な測定値が得られる熱流束計及びその
製造方法並びに組立治具を提供すること。 【解決手段】 熱流束計が、中央に収容空間２２が形成
されて、底面中央にフォイル挿合孔２１が穿孔形成され
た中空円筒本体２と、熱を吸収する熱吸収面１ａと、該
熱吸収面１ａの後方に形成された内面１ｂと、それら熱
吸収面１ａと内面１ｂとに連結されて熱を放射する熱放
射側面１ｃとから構成されて、内面１ｂが収容空間２２
に向かい、熱放射側面１ｃがフォイル挿合孔２１の側面
と接するように形成された円盤状のフォイル１と、該フ
ォイル１の内面１ｂの中心に連結されたフォイル側リー
ド線線３と、中空円筒本体２の側壁の一方側に連結され
た本体側リード線４と、収容空間２２の内部に充填され
た充填材５とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱流束計(heat-fl
ux gage)と、その製造方法及び組立治具とに関し、特
に、ＡＳＴＭ(American Society for Testing and Mate
rial)Ｅ５１１に開示された円盤状フォイル熱流束計を
改良した熱流束計、その製造方法及び組立治具に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】相互接触する異種の金属間に温度差が発
生すると、それら金属間の電位差によって起電力(elect
romotive force:emf)が発生するが、このとき、前記異
種の金属組立体を、測定すべき熱源に装着した後、前述
の原理によって発生する起電力に熱流の補正値を乗ずる
ことで、熱流量を算出するセンサー方式のゲージを熱流
束計と称す。
【０００３】図７は、ＡＳＴＭ Ｅ５１１−７３に掲載
された熱流束計の構成及び原理を示した模式図で、図示
されたように、一般の熱流束計は、熱電対コンスタンタ
ンとして円盤状フォイル１が無酸素銅(OFHC: oxygen-fr
ee high-conductivity copper)により形成されて、該円
盤状フォイル１が中空円筒本体２の底面中央に挿合して
結合された構造となっている。
【０００４】熱流束計は、熱流の線形関数としてのミリ
ボルト単位の起電力を発生するように構造されるが、そ
の理由は、他の金属化合物が適用されると、ほとんどが
非線形挙動を表すためである。
【０００５】円盤状フォイル１には、二つの熱電対接合
部が形成されて、そのひとつは、中空円筒本体２との接
合部である放熱部で、他のひとつは、その中心部に連結
されるリード線３との接合部である。
【０００６】該リード線３は、熱流束計から測定手段に
信号を移送する役割をし、一般に薄い銅の導線にＴＦＥ
−フッ化炭素(fluorocarbon)がコーティングされて形成
され、引出線は、カラーにより陽極と陰極とに区分さ
れ、中空円筒本体２には本体側リード線４が連結され
る。
【０００７】熱流束計の動作は、表面状態によって敏感
な影響を受けるため、対流熱を測定する場合を除いて、
熱流束計の表面に、金属または非金属物質がコーティン
グされる。
【０００８】放射熱を測定する場合は、高い放射率を有
するコーティングが施行され、このようなコーティング
は、拡散吸収表面を有するように理想的に行われるが、
該拡散コーティングとは、コーティングに放射が発生さ
れた場合、入射角の変化による吸収率の変化をなくすた
めに行うものである。
【０００９】また、理想的にコーティングすると、波長
の変化による吸収率の変化をなくすが、これをグレーボ
ディー(gray body)と定義する。但し、一部のコーティ
ングはこのような理想的な状態に近くなるが、多くのコ
ーティングは、それとは異なっている。
【００１０】高度に洗練された金及びニッケルにより形
成されて低い放射率を有する金属性コーティングは、放
射熱の反射を要求する特殊な場合に使用され、そのコー
ティングは、ゲージの敏感度を減少させて、金コーティ
ングの場合に熱流束計の出力が非線形になる現象を引き
起こすが、これは、温度変化による金の熱伝導性の急激
な変化に起因するためである。
【００１１】以下、熱流束計の熱流の測定原理を説明す
る。熱流束計が熱源に露出されると、円盤状フォイル１
に吸収された熱流は、放熱部に向かって放射状に移動
し、円盤状フォイル１の中心部と放熱部間には平衡温度
の差が急速に発生するが、このとき、円盤状フォイル１
の中心部と放熱部間の平衡熱電気ポテンシャル（Ｅ）
は、次式に示したように、フォイルに吸収された熱流
（ｑ）に正比例して変化する。 ｑ＝ＫＥ 式中、Ｋは、実験結果によって定められた比例常数を示
したものである。
【００１２】従って、実験により適切なＫ値を選定した
場合、フォイル側リード線線３及び本体側リード線４に
より円盤状フォイル１と中空円筒本体２とから夫々発生
した起電力を測定することで、熱電気ポテンシャル
（Ｅ）値が得られ、前記式により熱流（ｑ）を測定する
ことができる。
【００１３】このとき、正確な測定をするために、温度
は−４５〜２３５℃（５０〜４５０°Ｆ）の範囲内であ
ることが好ましく、若し、この範囲を離脱した温度で
は、コンスタンタンフォイルの物理的特性の変化により
補償されなくなって、ゲージはそれ以上熱電気出力に起
因する線形関数挙動を表さなくなる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】然るに、このような従
来熱流束計においては、正確な測定値を得るために、非
常に精密な製作が要求されるため、製作が難しく、原価
が上昇するという問題がある。
【００１５】特に、円盤状フォイル１が挿合された中空
円筒本体２の接合部からは放熱されるため、接着剤のよ
うな他の材質を添加することができず、よって、円盤状
フォイル１を中空円筒本体２に嵌合して組立てるべきで
あり、この組立工程を簡便且つ精密に行い得る熱流束計
の製造方法が切実に要請されている。
【００１６】円盤状フォイル１に電気的に連結されたフ
ォイル側リード線線３は、基本的に平面上にリード線が
結合される構造となっているため、その結合力が弱く
て、熱流束計の使用上注意を要するという問題がある。
【００１７】本発明は、このような従来の課題に鑑みて
なされたもので、堅固な構造を有すると共に、適切な放
熱部が形成されることで、正確な測定値が得られる熱流
束計と、その製造方法及び組立治具とを提供することを
目的とする。
【００１８】
【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、本発明に係る熱流束計は、中央に収容空間が形
成されて、底面中央にフォイル挿合孔が穿孔形成された
中空円筒本体と、熱を吸収する熱吸収面と、該熱吸収面
の後方に形成された内面と、それら熱吸収面と内面とに
連結されて熱を放射する熱放射側面とから構成されて、
前記内面が前記収容空間に向かい、前記熱放射側面が前
記フォイル挿合孔の側面と接するように穿孔形成された
フォイルと、該フォイルの前記内面の中心に連結された
フォイル側リード線線と、前記中空円筒本体の側壁の一
方側に連結された本体側リード線と、前記収容空間の内
部に充填された充填材とを具備する。
【００１９】従って、充填材によりフォイル側リード線
線が堅固に固定されるため、フォイル側リード線線がフ
ォイルの内面から容易に離脱される現象を防止すること
ができる。
【００２０】このとき、前記充填材は、セラミック材質
で形成されることが好ましく、これは、本発明に係る熱
流束計が高温の状態で使用されるためであって、熱に強
いセラミック材質を充填材に使用することを特徴として
いる。
【００２１】また、前記フォイルは、円盤状に形成され
ることを特徴とし、これは、フォイルが円盤状に形成さ
れることで、フォイルの形状が対称になって解析が容易
になるためである。
【００２２】本発明に係る熱流束計の製造方法は、内部
中央に収容空間が切削形成されて、該収容空間の前方に
連結してフォイル挿合孔が穿孔形成された中空円筒本体
と、熱を吸収する熱吸収面と、該熱吸収面の後方に形成
された内面と、それら熱吸収面と内面とに連結されて熱
を放射する熱放射側面とから構成されたフォイルと、を
準備する段階と、該フォイルの内面中心にフォイル側リ
ード線線をスポット熔接するフォイル熔接段階と、前記
フォイル挿合孔が穿孔形成された前記中空円筒本体の一
方側壁に本体側リード線をスポット熔接する本体溶接段
階と、前記中空円筒本体の収容空間にフォイル側リード
線線貫通孔が中心に形成された組立治具を挿入する組立
治具挿入段階と、前記組立治具のフォイル側リード線線
貫通孔に前記フォイル側リード線線を挿入して、前記円
盤状フォイルを前記フォイル挿合孔にプレスにより嵌合
して組立てるフォイル組立段階とを順次行うことを含ん
でいる。
【００２３】従って、フォイル側リード線線が前記組立
治具によって保護されることで、プレス嵌め組立過程で
フォイル側リード線線や、該フォイル側リード線線と内
面部接触面とが損傷される現象を防止することができ
る。
【００２４】また、前記フォイル組立段階後、前記中空
円筒本体の収容空間から前記組立治具を分離させる組立
治具分離段階と、前記中空円筒本体の収容空間に充填材
を充填させる充填段階と、を更に行うことを特徴とす
る。
【００２５】この時、前記充填材の充填段階は、セラミ
ック充填材を充填した後、前記フォイル及び中空円筒本
体の熱流束計組立体に熱を加える加熱硬化段階を更に行
うことを特徴とする。
【００２６】次いで、前記加熱硬化段階後、前記熱流束
計組立体の全面を微少切削加工する切削段階を更に行う
ことを特徴とする。次いで、前記切削段階後、前記熱流
束計組立体の表面を酸で洗浄する酸洗浄段階と、該酸洗
浄された熱流束計組立体の表面を水洗する水洗段階と、
を更に行うことを特徴とする。
【００２７】次いで、前記水洗段階後、前記円盤状フォ
イルの露出面に無反射コーティング膜を形成するコーテ
ィング段階を更に行うことを特徴とする。本発明に係る
熱流束計の組立治具として、円板状の支持部と、該支持
部から連続延長されて、前記中空円筒本体の収容空間に
挿入自在に突出形成された突出部と、該突出部の中心部
に前記フォイル側リード線線が貫通されるように穿孔形
成されたリード線貫通孔とを具備する。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に対
し、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る熱流
束計の構造を示した縦断面図で、図２〜図５は、本発明
に係る熱流束計の製造過程を示した図で、図２はフォイ
ル側リード線線を熔接する段階を示した縦断面図、図３
は本体側リード線を熔接する段階を示した縦断面図、図
４は組立治具を利用してフォイルを中空円筒本体に組立
てる段階を示した縦断面図、図５は充填材を充填する段
階を示した縦断面図で、図６は本発明に係る熱流束計の
組立治具を示した縦断面図である。
【００２９】各図面に示したように、本発明に係る熱流
束計においては、中央に収容空間２２が形成されて、底
面中央にフォイル挿合孔２１が穿孔形成された中空円筒
本体２と、該中空円筒本体２のフォイル挿合孔２１に挿
合されたフォイル１と、該フォイル１に連結されたフォ
イル側リード線線３と、中空円筒本体２に連結された本
体側リード線４と、収容空間２２の内部に充填された充
填材５とを具備して構成されている。
【００３０】中空円筒本体２は、中央内部に切削形成さ
れた収容空間２２と、底面の中央に穿孔形成されたフォ
イル挿合孔２１と、該フォイル挿合孔２１の一方側壁面
に穿孔形成されたリード線結合部２３とを具備して構成
されている。
【００３１】フォイル１は、円盤状に形成されて、前面
に熱を吸収する熱吸収面１ａが形成され、該熱吸収面１
ａの後面に内面１ｂが形成され、それら熱吸収面１ａと
内面１ｂとが連結される側面に熱が放射される熱放射側
面１ｃが形成されて構成されている。このとき、フォイ
ル１は、内面１ｂが収容空間２２に向かい、熱吸収面１
ａがフォイル挿合孔２１の内部に挿入されて挿合される
ようになっている。
【００３２】フォイル側リード線線３は、フォイル１の
内面１ｂの中心に連結され、本体側リード線４は、中空
円筒本体２のリード線結合部２３に連結される。充填材
５は、熱に強いセラミック材質で構成されるが、これ
は、本発明に係る熱流束計が高温状態で使用されること
で、それによる変形及び燃焼を防止するためである。
【００３３】図６に示したように、組立治具６は、円板
状の支持部６２と、該支持部６２から延長されて、中空
円筒本体２の収容空間２２に挿入自在に突成された突出
部６３と、該突出部６３の中心部に円盤状フォイル１の
リード線３が貫通されるように穿孔形成されたフォイル
側リード線線貫通孔６１と、から構成されている。
【００３４】即ち、円盤状フォイル１の内面１ｂにフォ
イル側リード線線３を電気的に連結した後、その周囲を
充填材により充填することで、フォイル側リード線線３
が円盤状フォイル１から容易に離脱することを防止す
る。
【００３５】一方、本発明に係る熱流束計の製造方法に
おいては、円盤状フォイル１の内面１ｂにフォイル側リ
ード線線３をスポット熔接するフォイル熔接段階（図２
を参照）と、前方の底面に円盤状フォイルの挿合孔２１
が穿孔形成されて、内部に収容空間２２が切削形成され
た中空円筒本体２を準備し、該中空円筒本体２の一方側
壁にリード線結合部２３を切削形成して、該リード線結
合部２３に本体側リード線４をスポット熔接する本体溶
接段階（図３を参照）と、中空円筒本体の収容空間２２
に、フォイル側リード線線貫通孔６１が中心部に穿孔形
成された組立治具(assemble fixture)６を挿入する組立
治具挿入段階（図４を参照）と、該組立治具６のフォイ
ル側リード線線貫通孔６１にフォイル側リード線線３を
貫通させて、円盤状フォイル１を中空円筒本体のフォイ
ル挿合孔２１の内部にプレスにより嵌合して組立てるフ
ォイル組立段階（図４を参照）と、を順次行う。
【００３６】即ち、本発明に係る製造方法においては、
フォイル側リード線線３がスポット熔接された状態の円
盤状フォイル１を中空円筒本体２にプレスにより嵌合し
て組立てるとき、中心部にフォイル側リード線線貫通孔
６１が穿孔形成された組立治具６を使用することを特徴
とする。
【００３７】従って、中空円筒本体２の内部の収容空間
２２に組立治具６を挿入して、パンチ７によって中空円
筒本体のフォイル挿合孔２１に円盤状フォイル１を嵌合
するため、フォイル側リード線線３を損傷せずに精密な
組立を行い得る。
【００３８】円盤状フォイル１を中空円筒本体２にプレ
スにより嵌合して組立てた後、中空円筒本体２の収容空
間２２から組立治具６を分離させて、中空円筒本体２の
収容空間２２の内部に充填材５を充填させる。
【００３９】このとき、充填材５は、熱に強いセラミッ
ク材質を用いることが好ましく、中空円筒本体２の収容
空間２２の内部にセラミック材質の充填材５を充填した
後、円盤状フォイル１と中空円筒本体２の熱流束計組立
体に熱を加えることで、充填材５を硬化させる。
【００４０】即ち、オーブンにより、１５０℃程度の温
度で１時間以上加熱して硬化させることが好ましい。次
いで、充分に冷却した後、円盤状フォイル１が装着され
た熱流束計組立体の全面を微少切削加工するが、精巧な
表面加工は熱流束計の性能を左右する。
【００４１】このような工程中、熱流束計の表面に斑が
発生すると、金属固有の表面状態を維持するために、そ
の熱流束計組立体の表面を酸で洗浄して、水洗を行う。
洗浄剤は、一般の金属固有の表面状態を維持するために
使用されるものであれば、如何なるものでもよく、金属
の固有色が表れる時まで充分に酸洗浄を施して、流れる
水に水洗した後、乾燥させる。
【００４２】精密な熱流測定を行うためには、円盤状フ
ォイルの表面から熱流の反射が起こる現象を防止すべき
あり、そのために、円盤状フォイルの露出面に無反射コ
ーティング膜を形成する。
【００４３】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係る熱
流束計によれば、中空円筒本体の内部の収容空間にセラ
ミックの充填材を充填することで、充填材によりフォイ
ル側リード線線が堅固に支持されて、フォイルの内面か
ら離脱される現象を防止可能という効果を奏する。
【００４４】また、フォイルをプレスにより嵌合する
時、組立治具を使用するようになるため、嵌合時に発生
し易いフォイル側リード線線の損傷をなくして、迅速に
組立可能という効果をも奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱流束計の構造を示した縦断面図
である。
【図２】本発明に係る熱流束計のフォイル側リード線線
を熔接する状態を示した縦断面図である。
【図３】本発明に係る熱流束計の本体側リード線を熔接
する状態を示した縦断面図である。
【図４】本発明に係る熱流束計の組立治具を利用してフ
ォイルを中空円筒本体に嵌合する状態を示した縦断面図
である。
【図５】本発明に係る熱流束計の充填材を充填した状態
を示した縦断面図である。
【図６】本発明に係る熱流束計の組立治具を示した縦断
面図である。
【図７】従来熱流束計の構成を示した模式図である。
【符号の説明】
１…円盤状フォイル １ａ…熱吸収面 １ｂ…内面 １ｃ…熱放射側面 ２…中空円筒本体 ３…フォイル側リード線線 ４…本体側リード線 ５…充填材 ６…組立治具 ２１…フォイル挿合孔 ２３…リード線結合部 ６１…フォイル側リード線線貫通孔 ６２…支持部 ６３…突出部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コー ソン−ワン 大韓民国，デジョン，ユソン−グ，ジョン ミン−ドン 464−１，エクスポ アパー トメント 204−1404 (72)発明者 チョイ ジョン−ハク 大韓民国，デジョン，ユソン−グ，シンソ ン−ドン 153，ハナ アパートメント 105−601

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 中央に収容空間が形成されて、底面中央
    にフォイル挿合孔が穿孔形成された中空円筒本体と、 熱を吸収する熱吸収面と、該熱吸収面の後方に形成され
    た内面と、それら熱吸収面と内面とに連結されて熱を放
    射する熱放射側面とから構成されて、前記内面が前記収
    容空間に向かい、前記放射側面が前記フォイル挿合孔の
    側面と接するように形成されたフォイルと、 該フォイルの前記内面の中心に連結されたフォイル側リ
    ード線線と、 前記中空円筒本体の側壁の一方側に連結された本体側リ
    ード線と、 前記収容空間の内部に充填された充填材とを具備する熱
    流束計。
  2. 【請求項２】 前記充填材は、セラミック材質で形成さ
    れる請求項１記載の熱流束計。
  3. 【請求項３】 前記フォイルは、円盤状に形成される請
    求項１記載の熱流束計。
  4. 【請求項４】 内部中央に収容空間が切削形成されて、
    該収容空間の前方に連続してフォイル挿合孔が穿孔形成
    された中空円筒本体と、熱を吸収する熱吸収面と、該熱
    吸収面の後方に形成された内面と、それら熱吸収面と内
    面とに連結されて熱を放射する熱放射側面とから構成さ
    れたフォイルと、を準備する段階と、 該フォイルの内面中心にフォイル側リード線線をスポッ
    ト熔接するフォイル熔接段階と、 前記フォイル挿合孔が穿孔形成された前記中空円筒本体
    の一方側壁に本体側リード線をスポット熔接する本体溶
    接段階と、 前記中空円筒本体の収容空間に、フォイル側リード線線
    貫通孔が中心に穿孔形成された組立治具を挿入する組立
    治具挿入段階と、 前記組立治具のフォイル側リード線線貫通孔に前記フォ
    イル側リード線線を挿入し、前記円盤状フォイルを前記
    フォイル挿合孔にプレスにより嵌合して組立てるフォイ
    ル組立段階とを順次行う熱流束計の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記フォイル組立段階後、 前記中空円筒本体の収容空間から前記組立治具を分離さ
    せる組立治具分離段階と、 前記中空円筒本体の収容空間に充填材を充填させる充填
    段階とを更に行う請求項４記載の熱流束計の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記充填材の充填段階は、セラミック充
    填材を充填した後、前記フォイル及び中空円筒本体の熱
    流束計組立体に熱を加える加熱硬化段階を更に行うこと
    を特徴とする請求項５記載の熱流束計の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記加熱硬化段階後、前記熱流束計組立
    体の全面を微少切削加工する切削段階を更に行う請求項
    ６記載の熱流束計の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記切削段階後、 前記熱流束計組立体の表面を酸で洗浄する酸洗浄段階
    と、 該酸洗浄された熱流束計組立体の表面を水洗する水洗段
    階とを更に行う請求項７記載の熱流束計の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記水洗段階後、 前記円盤状フォイルの露出面に無反射コーティング膜を
    形成するコーティング段階を更に行う請求項８記載の熱
    流束計の製造方法。
  10. 【請求項１０】 熱流束計の製造時に使用される組立治
    具であって、 底面に形成された円板状の支持部と、 該支持部から連続して延長されて、前記中空円筒本体の
    収容空間に挿入自在に突出形成された突出部と、 該突出部の中心部に前記フォイル側リード線線が貫通さ
    れるように穿孔形成されたリード線貫通孔とを具備する
    請求項４〜９の何れか一つに記載の熱流束計の組立治
    具。
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