JP2005291889A - 鏡面冷却式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】現場でのメンテナンスを簡単とする。
【解決手段】検知部１９側と放熱部２０側との境界に位置する保持部材１４の外周面にネジ部１４ｄを形成する。保持部材１４を第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とにより構成し、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とでヒートパイプ１３を挟み込む。第２の保持部材１４−２を貫通して熱電冷却素子２へのリード線１７と光ファイバ１８を設ける。光ファイバ１８の周面の一部にネジ部（雄ねじ部）１８ｂを、保持部材１４−２の貫通孔１４−２ｂにネジ部（雌ねじ部）１４−２ｃを形成し、光ファイバ１８の光軸方向への位置を調整可能とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされる熱電冷却素子を用いて冷却される鏡の鏡面上に生じる結露や結霜を検出する鏡面冷却式センサに関するものである。

従来より、湿度測定法として、被測定気体の温度を低下させ、その被測定気体に含まれる水蒸気の一部を結露させたときの温度を測定することにより露点を検出する露点検出法が知られている。例えば、非特許文献１には、寒剤、冷凍機、電子冷却器などを用いて鏡を冷却し、この冷却した鏡の鏡面上の反射光の強度の変化を検出し、この時の鏡面の温度を測定することによって、被測定気体中の水分の露点を検出する鏡面冷却式露点計について説明されている。

この鏡面冷却式露点計には、利用する反射光の種類によって、２つのタイプがある。１つは、正反射光を利用する正反射光検出方式（例えば、特許文献１参照）、もう１つは、散乱光を利用する散乱光検出方式（例えば、特許文献２参照）である。

〔正反射光検出方式〕
図１４に正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計におけるセンサ部（鏡面冷却式センサ）の構成を示す。この鏡面冷却式センサ１０１は、被測定気体が流入されるチャンバ１と、このチャンバ１の底部に設けられた熱電冷却素子（ペルチェ素子）２を備えている。熱電冷却素子２の冷却面２−１には鏡３が取り付けられており、熱電冷却素子２の加熱面２−２には熱伝導体（ヒートパイプ）４を介して放熱部材５が取り付けられている。すなわち、ヒートパイプ４の一端４−１が熱電冷却素子２の加熱面２−１に取り付けられており、熱電冷却素子２から離されたヒートパイプ４の他端４−２に放熱部材５が取り付けられている。

また、熱電冷却素子２とヒートパイプ４の一端４−１にはその周囲を覆うように断熱部材６が設けられており、鏡３の上面（鏡面）３−１には温度検出素子７が取り付けられている。また、チャンバ１の上部に、鏡３の鏡面３−１に対して斜めに光を照射する発光素子８と、この発光素子８から鏡面３−１に対して照射された光の正反射光を受光する受光素子９とが設けられている。また、熱電冷却素子２へのリード線１０が断熱部材６を貫通して設けられている。

この鏡面冷却式センサ１０１において、チャンバ１内の鏡面３−１は、チャンバ１内に流入される被測定気体に晒される。鏡面３−１に結露が生じていなければ、発光素子８から照射された光はそのほゞ全量が正反射し、受光素子９で受光される。したがって、鏡面３−１に結露が生じていない場合、受光素子９で受光される反射光の強度は大きい。

熱電冷却素子２への電流を増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面３−１に結露し、その水の分子に発光素子８から照射した光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子９で受光される反射光（正反射光）の強度が減少する。この鏡面３−１における正反射光の変化を検出することにより、鏡面３−１上の状態の変化、すなわち鏡面３−１上に水分（水滴）が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面３−１の温度を温度検出素子７で測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。

〔散乱光検出方式〕
図１５に散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計におけるセンサ部（鏡面冷却式センサ）の構成を示す。この鏡面冷却式センサ１０２は、正反射光検出方式を採用した鏡面冷却式センサ１０１とほゞ同構成であるが、受光素子９の取り付け位置が異なっている。この鏡面冷却式センサ１０２において、受光素子９は、発光素子８から鏡面３−１に対して照射された光の正反射光を受光する位置ではなく、散乱光を受光する位置に設けられている。

この鏡面冷却式センサ１０２において、鏡面３−１は、チャンバ１内に流入される被測定気体に晒される。鏡面３−１に結露が生じていなければ、発光素子８から照射された光はそのほゞ全量が正反射し、受光素子９での受光量は極微量である。したがって、鏡面３−１に結露が生じていない場合、受光素子９で受光される反射光の強度は小さい。

熱電冷却素子２への電流を増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面３−１に結露し、その水の分子に発光素子８から照射した光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子９で受光される乱反射された光（散乱光）の強度が増大する。この鏡面３−１における散乱光の変化を検出することにより、鏡面３−１上の状態の変化、すなわち鏡面３−１上に水分（水滴）が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面３−１の温度を温度検出素子７で測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。

なお、上述した露点計においては、鏡面３−１に生じる結露（水分）を検出する例で説明したが、同様の構成によって鏡面３−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。

図１４や図１５に示した鏡面冷却式センサ１０１や１０２において、露点の測定下限は熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を何度まで冷却できるかによって決まる。このため、この鏡面冷却式センサ１０１や１０２では、熱電冷却素子２の冷却面２−１をさらに冷却することができるように、熱電冷却素子２の加熱面２−２にヒートパイプ４の一端４−１を取り付け、熱電冷却素子２から離されたヒートパイプ４の他端４−２に放熱部材５を取り付けている。これにより、加熱面２−２に生じた熱がヒートパイプ４の一端４−１から他端４−２へと移動し、放熱部材５を通して放熱される。また、断熱部材６を設けることにより、熱電冷却素子２の加熱面２−２およびヒートパイプ４からの放熱がチャンバ１および鏡３に逆流しないようにしている。

特開昭６１−７５２３５号公報 特公平７−１０４３０４号公報 工業計測ハンドブック、昭和51.9.30、朝倉書店、Ｐ297。

上述した鏡面冷却式センサ１０１や１０２において、被測定気体は、通常、吸引ポンプや吸引用チューブを介してチャンバ１内に引き込まれるが、場合によっては鏡面冷却式センサ１０１や１０２を測定環境へ直接挿入することもある。例えば、鏡面冷却式センサ１０１や１０２をダクト内に直接挿入し、ダクト内を流れる被測定気体中の水分の露点を検出しようとすることがある。

この場合、ダクト内に鏡面冷却式センサ１０１や１０２の全体を入れ、例えばビスなどでダクト内に固定するというような方法がとられる。このような方法で鏡面冷却式センサ１０１や１０２がダクト内に取り付けられると、メンテナンスを現場で行う場合、ダクトの一部を取り外し、鏡面冷却式センサ１０１や１０２をダクト内から取り出さなければならない。

また、上述した鏡面冷却式センサ１０１や１０２では、発光素子８や受光素子９がチャンバ１に固定されており、ヒートパイプ４に一体的に固定された断熱部材６を通してリード線１０が熱電冷却素子２に接続されているため、発光素子８や受光素子９、熱電冷却素子２の現場での交換が難しい。また、鏡３や発光素子８、受光素子９の現場での位置の調整が難しい。この種の鏡面冷却式センサでは、設置場所の環境の違いや、求められる測定精度の違いに対応するため、センサ内部の部品の調整・交換などのメンテナンスが現場で容易に行えることが望まれている。

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、その目的とするところは、現場でのメンテナンスが簡単な鏡面冷却式センサを提供することにある。

このような目的を達成するために、第１発明（請求項１に係る発明）は、鏡面が被測定気体に晒される鏡と、鏡の鏡面とは反対側の面に低温側の面が取り付けられた熱電冷却素子と、鏡の鏡面に対して光を照射する発光手段と、発光手段から鏡面に対して照射された光の反射光を受光する受光手段と、熱電冷却素子の高温側の面にその一端が取り付けられその他端が熱電冷却素子から離された熱伝導体と、熱伝導体の一端と他端との間に設けられた保持部材と、熱伝導体の他端に取り付けられた放熱部材とを備えた鏡面冷却式センサにおいて、保持部材を挾んで対向する熱電冷却素子側と放熱部材側との境界部に取付部への係合部を設けたものである。

この発明によれば、保持部材を挾んで対向する熱電冷却素子側と放熱部材側（放熱部）との境界部に設けられた係合部を例えばダクトに設けられた取付孔（取付部）に係合することによって、ダクトの外部から取り外し可能に鏡面冷却式センサを取り付けることが可能となる。この場合、熱電冷却素子側（検知部）がダクト内に位置し、放熱部材側（放熱部）がダクト外に位置する。なお、本発明において、熱電冷却素子側と放熱部材側との境界部に設ける係合部は、例えば保持部材の外周面に形成したネジなどとすることができる。

第２発明（請求項２に係る発明）は、鏡面が被測定気体に晒される鏡と、鏡の鏡面とは反対側の面に低温側の面が取り付けられた熱電冷却素子と、鏡の鏡面に対して光を照射する発光手段と、発光手段から鏡面に対して照射された光の反射光を受光する受光手段と、熱電冷却素子の高温側の面にその一端が取り付けられその他端が熱電冷却素子から離された熱伝導体と、熱伝導体の一端と他端との間に設けられた保持部材と、熱伝導体の他端に取り付けられた放熱部材とを備えた鏡面冷却式センサにおいて、保持部材を熱伝導体の熱伝導方向に垂直な方向に分割可能な第１の保持部材と第２の保持部材とで構成し、第１の保持部材と第２の保持部材との間に熱伝導体を位置させ、第１の保持部材および第２の保持部材の少なくとも一方を貫通して熱電冷却素子へのリード線と発光手段および受光手段を構成する光ファイバを設けるようにしたものでる。

この発明によれば、第１の保持部材と第２の保持部材との間に熱伝導体（ヒートパイプ）が位置し、第１の保持部材および第２の保持部材の少なくとも一方を貫通して熱電冷却素子へのリード線と光ファイバ（例えば、投受光同軸の光ファイバ）が設けられる。この場合、熱伝導体の固定は、第１の保持部材と第２の保持部材とで挟み込むことによって行われる。これにより、第１の保持部材と第２の保持部材との結合を緩ませることによって、熱伝導体の位置の調整が可能となる。また、第１の保持部材と第２の保持部材とを取り外し、熱電冷却素子を熱伝導体から取り外せば、放熱部材が取り付けられた熱伝導体を単体で交換することが可能となり、熱電冷却素子や光ファイバの交換も容易に可能となる。また、熱電冷却素子に取り付けられた鏡の鏡面と光ファイバの先端面との位置の調整も容易に可能となる。なお、熱電冷却素子へのリード線および光ファイバは、第１の保持部材に貫通して設けてもよく、第２の保持部材に貫通して設けてもよい。また、第１の保持部材と第２の保持部材とに分けて設けてもよい。

第３発明（請求項３に係る発明）は、鏡面が被測定気体に晒される鏡と、鏡の鏡面とは反対側の面に低温側の面が取り付けられた熱電冷却素子と、鏡の鏡面に対して光を照射する発光手段と、発光手段から鏡面に対して照射された光の反射光を受光する受光手段と、熱電冷却素子の高温側の面にその一端が取り付けられその他端が熱電冷却素子から離された熱伝導体と、熱伝導体の一端と他端との間に設けられた保持部材と、熱伝導体の他端に取り付けられた放熱部材とを備えた鏡面冷却式センサにおいて、発光手段および発光手段を投受光同軸の光ファイバとし、この光ファイバを保持部材を貫通してその光軸方向への位置を調整可能に設けたものである。
この発明によれば、光ファイバの周面の一部に雄ねじ部を、保持部材の光ファイバの貫通孔に雌ねじ部を形成するなどして、投受光同軸の光ファイバがその光軸方向への位置を調整可能に設けられる。これにより、熱電冷却素子に取り付けられた鏡の鏡面と光ファイバの先端面との位置を保持部材の外側から微調整することが可能となる。

本発明によれば、保持部材を挾んで対向する熱電冷却素子側と放熱部材側との境界部に取付部への係合部を設けたので、ダクトの外から取り外し可能に鏡面冷却式センサを取り付けることが可能となり、また、保持部材を第１の保持部材と第２の保持部材とで構成し、第１の保持部材と第２の保持部材との間に熱伝導体を位置させ、第１の保持部材および第２の保持部材の少なくとも一方を貫通して熱電冷却素子へのリード線と光ファイバを設けたので、熱伝導体の位置の調整や放熱部材が取り付けられた熱伝導体を単体で交換したり、熱電冷却素子や光ファイバの交換や位置の調整が容易に可能となり、また、光ファイバを保持部材を貫通してその光軸方向への位置を調整可能に設けたので、熱電冷却素子に取り付けられた鏡の鏡面と光ファイバの先端面との位置を保持部材の外側から微調整することが可能となり、現場でのメンテナンスを簡単とすることができるようになる。

特に、保持部材を挾んで対向する熱電冷却素子側と放熱部材側との境界部に係合部を設ける第１発明では、熱電冷却素子側をダクト内に位置させ、放熱部材側をダクト外に位置させるようにすることが可能となり、放熱部材側をより低温の雰囲気である測定環境外に出すようにして、放熱性能を高めることができる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１はこの発明に係る鏡面冷却式センサの一実施の形態を用いた鏡面冷却式露点計の概略構成図である。この鏡面冷却式露点計２０１はセンサ部（鏡面冷却式センサ）２０１Ａとコントロール部２０１Ｂとを有している。

鏡面冷却式センサ２０１Ａにおいて、熱電冷却素子（ペルチェ素子）２の冷却面２−１には鏡１１が取り付けられている。鏡１１は、例えばシリコンチップとされ、その表面１１−１が鏡面とされている。また、鏡１１と熱電冷却素子２の冷却面２−１との間には、例えば白金による薄膜測温抵抗体（温度検出素子）１２が形成されている。また、熱電冷却素子２の加熱面２−２にはヒートパイプ（熱伝導体）１３の一端１３−１が取り付けられ、ヒートパイプ１３の他端１３−２は熱電冷却素子２から離されている。なお、図１では省略しているが、鏡１１と一体とされた熱電冷却素子２はヒートパイプ１３の一端１３−１に対して着脱可能に設けられている。

ヒートパイプ１３は、密閉容器内に少量の液体（作動液）を真空封入したもので、内壁に毛細管構造を備えている。ヒートパイプ１３の一部が加熱されると、加熱部で作動液が蒸発（蒸発潜熱の吸収）し、低温部に蒸気が移動し、この蒸気が低温部で凝縮（蒸発潜熱の放出）し、凝縮した液が毛細管現象で加熱部に環流するという一連の相変化が連続的に生じ、加熱部から低温部へと素早く熱が移動する。

この実施の形態において、ヒートパイプ１３の一端１３−１は３０゜〜４５゜の傾斜で立ち上げられ、この斜めに立ち上げられたヒートパイプ１３の一端１３−１の上面に熱電冷却素子２が取り付けられている。したがって、熱電冷却素子２の冷却面２−１に取り付けられた鏡１−１の鏡面１１−１も３０゜〜４５゜の角度で傾けられている。

また、ヒートパイプ１３の一端（加熱部）１３−１と他端（低温部）１３−２との間には、一端１３−１側の直線部１３−３に保持部材１４が設けられている。保持部材１４は、ヒートパイプ１３の熱伝導方向に垂直な方向（図１の上下方向）に分割可能な第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とによって構成され（図２（図１におけるII−II線断面図）参照）、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２との間にヒートパイプ１３が挟まれている。また、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とはネジ１５によって結合されており、これによってヒートパイプ１３が第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２との間にその位置（前後方向、回転方向）を調整可能に固定されている。

ヒートパイプ１３の他端１３−２にはヒートシンク１６が取り付けられている。ヒートシンク１６は、図３に図１におけるIII −III 線断面図を示すように、その軸心より放射状に延びた複数のフィン１６ａを有している。なお、ヒートパイプ１３の他端１３−２は、直線部１３−３をそのまま延長させたものではなく、直線部１３−３の途中を一端１３−１の立ち上げ方向にほゞ直角に曲げた後、直線部１３−３とほゞ平行に延長させたものであり、ヒートシンク１６の軸心を貫通させている。

保持部材１４は、上述したように第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とによって構成されており、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２との間にヒートパイプ１３が位置している。この実施の形態において、第２の保持部材１４−２には、熱電冷却素子２へのリード線１７と投受光同軸の光ファイバ１８が貫通して設けられ、光ファイバ１８の先端面１８ａが鏡面１１−１に向けられている。この結果、光ファイバ１８からの光の照射方向（発光側の光軸）と光の受光方向（受光側の光軸）とが平行とされ、また隣接して同一の傾斜角とされる。

熱電冷却素子２へのリード線１７は、熱電冷却素子２への電流供給用のリード線と、温度検出素子１２からの信号導出用のリード線とからなり、保持部材１４−２に形成された貫通孔１４−２ａを通されている。光ファイバ１８は、その光軸がヒートパイプ１３の直線部１３−３とほゞ平行とされている。すなわち、この実施の形態において、ヒートパイプ１３の一端１３−１から他端１３−２へ向かう熱の伝導路は、光ファイバ１８の光軸に沿ってほゞ平行とされている。換言すると、ヒートパイプ１３は、その一端１３−１から他端１３−２へ向かう熱の伝導路が光ファイバ１８の光軸に沿ってほゞ平行となるようにその形状が定められている。

また、光ファイバ１８は、その光軸方向への位置を調整可能に保持部材１４−２に取り付けられている。この例では、光ファイバ１８の根元部の周面に位置調整用のネジ部（雄ねじ部）１８ｂが形成されており、このネジ部１８ｂを保持部材１４−２の貫通孔１４−２ｂの入口に形成されたネジ部（雌ねじ部）１４−２ｃに螺合することにより、光ファイバ１８の先端面１８ａの鏡面１１−１に対する位置（光軸方向の位置）を微調整することができるようにしている。

この鏡面冷却式センサ２０１Ａにおいて、保持部材１４を挾んで対向する熱電冷却素子２側を検知部１９、ヒートシンク１６側を放熱部２０とした場合、検知部１９には有底円筒状のミラーカバー２１が取り付けられており、放熱部２０には有底円筒状のヒートーシンクカバー２２が取り付けられている。

ミラーカバー２１は、熱伝導が良い材質とされ、その周囲に通気孔２１ａが複数開設されている（図４参照）。また、ミラーカバー２１の検知部１９への取り付けは、ミラーカバー２１の内壁面下端に形成されたネジ部２１ｂを保持部材１４の一方の端側の周縁に形成されたネジ部１４ａに螺合することにより行われている。

なお、ミラーカバー２１が熱伝導が良い材質とされている理由は次のことによる。すなわち、検知部１９は被測定気体内に入れられるので、被測定気体が低温低湿から高温高湿に変化したときに、ミラーカバー２１が熱伝導が悪いとそのカバーに結露してしまい、正確な水分量の計測ができなくなってしまう。また、被測定気体が高湿の場合の測定時にはミラーカバーが結露しないように全体をヒーティングする必要があるが、その場合にも均一に温めるために熱伝導が良い材質であることが望まれる。

ヒートシンクカバー２２は、保持部材１４とヒートシンク１６との間の空間に対向する外周面２２−１の周壁に通気孔２２ａが複数開設されている。また、ヒートシンクカバー２の底面（端面）２２−２にも通気孔２２ｂが複数開設されている。ヒートシンクカバー２２の底面２２−２は、円弧状の曲面とされ、外方に突出している。また、ヒートシンクカバー２２の放熱部２０への取り付けは、ヒートシンクカバー２２の内壁面下端に形成されたネジ部２２ｃを保持部材１４の他方の端側の周縁に形成されたネジ部１４ｂに螺合することにより行われている。

この鏡面冷却式センサ２０１Ａにおいて、ヒートシンクカバー２２内には、そのヒートシンクカバー２２の底面２２−２とヒートシンク１６との間に空スペース２３が生じる。本実施の形態では、この空きスペース２３にファン２４を設けている。ヒートシンクカバー２２の機能は、ヒートパイプ１３やヒートシンク１６などを保護することと、ファン２４による風をまんべんなくヒートシンク１６に通すことであり、したがってヒートシンクカバー２２の材質は熱伝導が良い材質でなくてもよい。

本実施の形態において、ヒートシンクカバー２２はヒートシンク１６に接触してはおらず、ヒートシンクカバー２２とヒートシンク１６との間に僅かな隙間が設けられている。また、ヒートシンクカバー２２を放熱部２０に取り付けた状態において、ヒートシンク１６の軸心とファン２４の回転中心とは一致した状態にある。

また、本実施の形態において、保持部材１４の中央部１４ｃには、その外周にネジ部１４ｄとフランジ部１４ｅが形成されている。ネジ部１４ｄとフランジ部１４ｅとは、ミラーカバー２１とヒートシンクカバー２２との突き合わせ部（検知部１９と放熱部２０との境界部）に位置し、外面に露出している。ネジ部１４ｄはミラーカバー２１やヒートシンクカバー２２の外周面とほゞ同位置にあり、フランジ部１４ｅはミラーカバー２１やヒートシンクカバー２２の外周面よりもその鍔面が突出している。

なお、本実施の形態において、光ファイバ１８としては図５に示すような種々の光ファイバを使用することができる。図５（ａ）では、光ファイバ１８中に、発光側の光ファイバ１８−１と受光側の光ファイバ１８−２とを同軸に設けている。図５（ｂ）では、光ファイバ１８中に、発光側（あるいは受光側）の光ファイバ１８−１と受光側（あるいは発光側）の光ファイバ１８−２１〜１８−２４を同軸に設けている。図５（ｃ）では、光ファイバ１８中の左半分を発光側の光ファイバ１８Ａ、右半分を受光側の光ファイバ１８Ｂとしている。図５（ｄ）では、光ファイバ１８中に、発光側の光ファイバ１８Ｃと受光側の光ファイバ１８Ｄとを混在させている。図５（ｅ）では、光ファイバ１８中の中心部を発光側（あるいは受光側）の光ファイバ１８Ｅ、光ファイバ１８Ｅの周囲を受光側（あるいは発光側）の光ファイバ１８Ｆとしている。

コントロール部２０１Ｂには、露点温度表示部２５と、結露検知部２６と、ペルチェ出力制御部２７と、信号変換部２８とが設けられている。露点温度表示部２５には温度検出素子１２が検出する鏡１１の温度が表示される。結露検知部２６は、光ファイバ１８の先端部より鏡１１の鏡面１１−１に対して所定の周期でパルス光を照射させるとともに、光ファイバ１８を介して受光される反射パルス光（散乱光）の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部２７へ送る。ペルチェ出力制御部２７は、結露検知部２６からの信号Ｓ１を受けて、反射パルス光の強度と予め定められている閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値に達していない場合には、熱電冷却素子２への電流を信号Ｓ１の値に応じて増大させる制御信号Ｓ２を、反射パルス光の強度が閾値を超えている場合には、熱電冷却素子２への電流を信号Ｓ１の値に応じて減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部２８へ出力する。信号変換部２８は、ペルチェ出力制御部２７からの制御信号Ｓ２で指示される電流Ｓ３を熱電冷却素子２へ供給する。

この鏡面冷却式露点計２０１において、例えばダクト内を流れる被測定気体中の水分の露点を検出する場合、鏡面冷却式センサ２０１Ａは図６に示すような形でダクト３００に取り付けられる。すなわち、ダクト３００の外から、このダクト３００の側面に開設された取り付け孔３０１に検知部１９を挿入する。そして、保持部材１４の中央部１４ｃに形成されたネジ部１４ｄをダクト３００の取り付け孔３０１に形成されたネジ部３０１ａに螺合し、フランジ部１４ｅの鍔がダクト３００の側面に当たるまで締め付ける。

これにより、鏡面冷却式センサ２０１Ａをダクト３００に取り付けた状態において、検知部１９がダクト３００内に位置し、放熱部２０がダクト３００の外に位置する。また、ミラーカバー２１の通気孔２１ａを介して検知部１９の内部にダクト３００を流れる被測定気体が入り込み、鏡１１の鏡面１１−１が被測定気体に晒される。また、この被測定気体に晒される状態において、検知部１９の熱電冷却素子２や鏡１１は、ミラーカバー２１によって保護される。

この鏡面冷却式センサ２０１Ａのダクト３００への取り付け状態において、結露検知部２６は、光ファイバ１８の先端部より、鏡１１の鏡面１１−１に対して所定の周期でパルス光を照射させる（図７（ａ）参照）。鏡面１１−１は被測定気体に晒されており、鏡面１１−１に結露が生じていなければ、光ファイバ１８の先端部から照射されたパルス光はそのほゞ全量が正反射し、光ファイバ１８を介して受光される鏡面１１−１からの反射パルス光（散乱光）の量は極微量である。したがって、鏡面１１−１に結露が生じていない場合、光ファイバ１８を介して受光される反射パルス光の強度は小さい。

結露検知部２６では、光ファイバ１８を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部２７へ送る。この場合、反射パルス光の強度はほゞ零であり、予め定められている閾値に達していないので、ペルチェ出力制御部２７は、熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２を信号変換部２８へ送る。これにより、信号変換部２８からの熱電冷却素子２への電流Ｓ３が増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度が下げられて行く。

熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度、すなわち鏡１１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡１１の鏡面１１−１に結露し、その水の分子に光ファイバ１８の先端部から照射されたパルス光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、光ファイバ１８を介して受光される鏡面１１−１からの反射パルス光（散乱光）の強度が増大する。

結露検知部２６は、受光される反射パルス光の１パルス毎に、その１パルスの上限値と下限値との差を求め、これを反射パルス光の強度とする。すなわち、図７（ｂ）に示すように、反射パルス光の１パルスの上限値Ｌｍａｘと下限値Ｌｍｉｎとの差ΔＬを求め、このΔＬを反射パルス光の強度とする。この結露検知部２６での処理により、反射パルス光に含まれる外乱光ΔＸが除去され、外乱光による誤動作が防止される。この結露検知部２６でのパルス光を用いた外乱光による誤動作防止の処理方式をパルス変調方式と呼ぶ。この処理によって、この鏡面冷却式露点計２０１では、鏡面冷却式センサ２０１Ａから光の遮光を目的とするチャンバをなくすことができている。

ここで、光ファイバ１８を介して受光される反射パルス光の強度が閾値を超えると、ペルチェ出力制御部２７は、熱電冷却素子２への電流を減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部２８へ送る。これにより、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度の低下が抑えられ、結露の発生が抑制される。この結露の抑制により、光ファイバ１８を介して受光される反射パルス光の強度が小さくなり、閾値を下回ると、ペルチェ出力制御部２７から熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２が信号変換部２８へ送られる。この動作の繰り返しによって、光ファイバ１８を介して受光される反射パルス光の強度が閾値とほゞ等しくなるように、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度が調整される。この調整された温度、すなわち鏡面１１−１に生じた結露が平衡状態に達した温度（露点温度）が、露点温度として露点温度表示部２５に表示される。

なお、この実施の形態では、鏡面１１−１に生じる結露（水分）を検出するものとしたが、同様の構成によって鏡面１１−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。

この露点の検出動作において、鏡面冷却式センサ２０１Ａでは、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度が下げられると、加熱面２−２の温度が上がり、ヒートパイプ１３の一端１３−１が加熱される。ヒートパイプ１３の一端１３−１が加熱されると、この加熱された一端１３−１で作動液が蒸発し、低温側の他端１３−２に蒸気が移動し、この蒸気が他端１３−２で凝縮し、凝縮した液が毛細管現象で一端１３−１に環流するという一連の相変化が連続的に生じ、ヒートパイプ１３の一端１３−１から他端１３−２へ素早く熱が移動する。この他端１３−２に移動してきた熱はヒートシンク１６を通して放熱される。

ここで、ヒートシンクカバー２２には、保持部材１４とヒートシンク１６との間の空間に対向する外周面２２−１の周壁に通気孔２２ａが、また底面２２−２に通気孔２２ｂが複数開設されており、ヒートシンクカバー２２の底面２２−２とヒートシンク１６との間の空スペース２３においてファン２４が回転するので、このファン２４の回転によって、外周面２２−１の通気孔２２ａから外の冷たい空気がヒートシンクカバー２２内に引き込まれ、この空気がヒートシンク１６のフィン１６ａ間の空間を通り、底面２２−２の通気孔２２ｂから強制的に排出される。これにより、ヒートシンクカバー２２内のヒートシンク１６が強制冷却され、放熱効率が向上し、冷却性能がより高められる。また、ファン２４による風をまんべんなくヒートシンク１６に通し、鏡１１を急速に冷却することができるので、露点温度の測定時間を短縮することができる。

なお、この実施の形態では、ヒートシンクカバー２２とヒートシンク１６との間に僅かな隙間が設けられているので、ヒートシンクカバー２２に外から熱が加わったような場合、ヒートシンク１６からの放熱を妨げないようにすることが可能である。本実施の形態では、考え得る環境としてヒートシンクカバー２２に外から熱が加わるような場合を想定しているが、ヒートシンクカバー２２が逆に冷却されるような環境の場合には、ヒートシンクカバー２２とヒートシンク１６とは接触していた方がよいと考えられる。

また、この実施の形態では、ヒートシンクカバー２２の外周面２２−１のヒートシンク１６と対向する位置には通気孔を設けていない。これは、ヒートシンク１６と対向する位置に通気孔を設けると、そこで空気が吸い込まれてしまい、ヒートシンク１６の保持部材１４側まで通風が流通しなくなり、冷却効率が悪化する虞れがあるためである。

また、この実施の形態において、ヒートパイプ１３の直線部１３−３の途中をほゞ直角に曲げた後、直線部１３−３とほゞ平行に延長させて他端１３−２とし、この他端１３−２をヒートシンク１６の軸心に貫通させているのは、ヒートパイプ１３の他端１３−２の位置とヒートシンク１６の軸心とを一致させることにより、ヒートパイプ１３の他端１３−２からの熱をヒートシンク１６の軸心を中心として全方向に偏りなく逃がすためである。また、ファン２４の回転中心が無風地帯となるので、この無風地帯にヒートパイプ１３の他端１３−２およびヒートシンク１６の軸心を位置させて、ヒートシンク１６から効率よく熱を逃がすためである。

なお、この実施の形態では、ヒートシンクカバー２２の底面２２−２とヒートシンク１６との間の空スペース２３にファン２４を設けたが、スペース的に許されるのであれば保持部材１４とヒートシンク１６との間に設けてもよい。また、ファン２４の回転方向を逆方向とし、ヒートシンクカバー２２の底面２２−２の通気孔２２ｂから外の冷たい空気を引き込み、外周面２２−１の通気孔２２ａから排出させるようにしてもよい。

また、この実施の形態では、発光手段および受光手段として投受光同軸の光ファイバ１８を使用しているので、発光側の光ファイバと受光側の光ファイバの取り付け部を１箇所にまとめ、小型化を図ることができている。また、発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとが１つの光ファイバ１８に収容されているので、発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとの間での位置決めは必要なく、組立時の作業性がよくなる。

また、この実施の形態では、熱電冷却素子２の冷却面２−１と鏡１１との接合面に温度検出素子１２を設けているので、熱抵抗が少なく、精度よくかつ応答性よく鏡１１の温度を測定することができる。これにより、露点温度の測定精度が高まり、応答性も向上する。なお、この温度検出素子１２は薄膜の層として全面に設けられていなくてもよく、帯状のパターンなどとされていてもよい。

また、この実施の形態では、熱電冷却素子２の加熱面２−２にヒートパイプ１３の一端１３−１を取り付け、このヒートパイプ１３の一端１３−１から他端１３−２へ向かう熱の伝導路を光ファイバ１８の光軸に沿ってほゞ平行としているので、光ファイバ１８の光軸とヒートパイプ１３の熱の伝導路との対向間隔（光軸と垂直な方向の幅）が狭まり、さらなる小型化（薄型化）が図られている。また、リード線１７や光ファイバ１８を保持部材１４−２に貫通して設けることによっても小型化が図られている。

また、この実施の形態において、鏡面冷却式センサ２０１Ａは、ダクト３００に取り付けた状態で、検知部１９がダクト３００内に位置し、放熱部２０がダクト３００の外に位置するので、放熱部２０をより低温の雰囲気である測定環境外に出すようにして、放熱性能を高めることができる。

〔メンテナンス性〕
また、この実施の形態において、鏡面冷却式センサ２０１Ａは、保持部材１４に形成されたネジ部１４ｄを介してダクト３００に取り付けられるので、ダクト３００への取り付け，取り外しが容易である。すなわち、ダクト３００の一部を取り外して中へ入れるなどの手間が不要であり、簡単に鏡面冷却式センサ２０１Ａを取り付けることができ、取り外すこともできる。

また、この実施の形態において、鏡面冷却式センサ２０１Ａの保持部材１４は、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とで構成され、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２との間にヒートパイプ１３を位置させているので、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とのネジ１５による結合を緩ませることによって、ヒートパイプ１３の前後方向や回転方向の位置の調整が可能となる。

また、この実施の形態において、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とを取り外し、熱電冷却素子２（鏡１１と一体の熱電冷却素子２）をヒートパイプ１３から取り外せば、ヒートシンク１６が取り付けられたヒートパイプ１３を単体で交換することが可能となる。また、熱電冷却素子２や光ファイバ１８を保持部材１４−２ごと交換することも可能となる。

また、この実施の形態において、光ファイバ１８の先端面１８ａの鏡面１１−１に対する位置は、光ファイバ１８の根元部のネジ部１８ｂを回すことによって調整することができる。すなわち、この実施の形態において、投受光同軸の光ファイバ１８は保持部材１４を貫通してその光軸方向への位置を調整可能に設けられており、光ファイバ１８の根元部のネジ部１８ｂを左右に回すことによって、熱電冷却素子２に取り付けられた鏡１１の鏡面１１−１と光ファイバ１８の先端面１８ａとの位置を保持部材１４の外側から微調整することができる。また、光ファイバ１８の根元部のネジ部１８ｂを回し、保持部材１４から取り外すことによって、光ファイバ１８の単体での交換も可能である。

この種の鏡面冷却式露点計では、設置場所の違いや求められる測定精度の違いに対応するため、鏡面冷却式センサの内部の部品の調整・交換（鏡と投光手段、受光手段、ヒートパイプの位置合わせの微調整や部品交換）が現場で必要とされる場合がある。本実施の形態の鏡面冷却式センサ２０１Ａは、このような現場での調整・交換に対して上述したような方法で簡単に対応することができ、メンテナンス性に優れている。

なお、熱電冷却素子２へのリード線１７や光ファイバ１８は、第２の保持部材１４−１側ではなく、第１の保持部材１４−１側に貫通して設けてもよい。この場合、第１の保持部材１４−１は形状を変え、リード線１７や光ファイバ１８を貫通して設けることができるように、第１の保持部材１４−２よりも大きくすればよい。また、リード線１７や光ファイバ１８を第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とに分けて設けてもよい。

また、この実施の形態では、保持部材１４にダクト３００の取付部への係合部としてネジ部１４ｄを設けるようにしたが、必ずしも保持部材１４に設けなくてもよい。ダクト３００の取付部への係合部は、保持部材１４を挾んで対向する検知部１９と放熱部２０との境界部であればどこに設けてもよく、例えばミラーカバー２１の外周面やヒートシンクカバー２２の外周面にネジ部を設けるようにしてもよい。また、ダクト３００の取付部との係合は、ネジによる係合に限られるものではなく、ワンタッチで着脱できるような係合としてもよい。

また、上述した実施の形態では、鏡面冷却式センサ２０１Ａをダクト３００に取り付ける例で説明したが、鏡面冷却式センサ２０１Ａはその全体を測定雰囲気中に入れて使用されることもある。この場合、本実施の形態の鏡面冷却式センサ２０１Ａには遮光を目的とするチャンバがなく、チャンバ内に被測定気体を引き込むための吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計などを装着しなくてもよいので、測定雰囲気中への設置が容易である。また、鏡面冷却式センサ２０１Ａには吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計などの装着が伴わず、鏡面冷却式センサ２０１Ａとコントロール部２０１Ｂとの２つの構成となるので、持ち運びが容易となる。

図８にコントロール部２０１Ｂをコントロールボックス２９に収容した鏡面冷却式露点計２０１の構成を示す。コントロールボックス２９において、収容されたコントロール部２０１Ｂへの電源は電池とされており、コントロールボックス２９と鏡面冷却式センサ２０１Ａを１組にして現場に赴き、鏡面冷却式センサ２０１Ａを測定雰囲気中に設置することにより、すぐに測定を始めることができる。

なお、鏡面冷却式センサ２０１Ａを測定雰囲気中に設置する場合、鏡面冷却式センサ２０１Ａの置き方に注意しなければならない。例えば、図９に示すように、鏡面冷却式センサ２０１Ａをヒートシンクカバー２２の底面２２−２を下にして水平面４００に置くと、熱電冷却素子２が鉛直方向上側とされ、ヒートシンク１６が鉛直方向下側とされる。この鏡面冷却式センサ２０１Ａでは、ヒートシンク１６が重いため、このような置かれ方をされる場合が多い。このような置かれ方をされると、熱は下から上へ昇ろうとするので、ヒートパイプ１３中を移動する熱の移動効率が悪くなる。また、ヒートシンクカバー２２の底面２２−２の通気孔２２−２ｂが塞がれ、ヒートシンクカバー２２内の空気の流通が悪くなる。このため、熱電冷却素子２の冷却効率が低下し、冷却性能が落ちる。

これに対し、本実施の形態では、ヒートシンクカバー２２の底面２２−２の形状が円弧状とされているので、水平面４００にヒートシンクカバー２２の底面２２−２を接して置かれたとき、鏡面冷却式センサ２０１Ａの重心が不安定とされる。すなわち、水平面４００にヒートシンクカバー２２の底面２２−２を接して置くと、鏡面冷却式センサ２０１Ａがその姿勢を保つことができず、前後方向や左右方向に転ぶ。これにより、熱電冷却素子２が鉛直方向上側に、ヒートシンク１６が鉛直方向下側にして置かれるということが自然となくなり、無意識のうちにヒートパイプ１３中の熱の移動効率がよくなる方向に置かれるようになる。

〔ファン無し〕
図９にはヒートシンクカバー２２の内部にファン２４を設けた例を示したが、図１０に示すようにヒートシンクカバー２２の内部にファン２４を設けないタイプの鏡面冷却式センサ２０１Ａ’でも同様に、ヒートシンクカバー２２の底面２２−２の形状を円弧状とすることによって、無意識のうちにヒートパイプ１３中の熱の移動効率がよくなる方向に置かれるようにすることができる。

この場合、図１１に示すように、鏡面冷却式センサ２０１Ａ’が例えば横にして水平面４００に置かれると、ヒートシンクカバー２２の外周面２２−１に設けられた通気孔２２ｄを介してヒートシンクカバー２２内に冷たい空気が自然に引き込まれるとともに、ヒートシンクカバー２２内の暖かい空気が自然に排出され、ヒートシンク１６が自然冷却されるものとなる。

また、図１２に示すように、鏡面冷却式センサ２０１Ａ’が例えばヒートシンクカバー２２の底面２２−２を上にして水平面４００に置かれると、外周面２２−１の通気孔２２ａ，２２ｄから外の冷たい空気がヒートシンクカバー２２内に引き込まれ、この空気がヒートシンク１６のフィン１６ａ間の空間を通り、底面２２−２の通気孔２２ｂから自然に排出され、ヒートシンク１６が自然冷却されるものとなる。

〔ファン無し、ヒートシンクカバー無し〕
図１０にはファン２４を設けない例を示したが、図１３に示すように、ファン２４だけではなく、ヒートシンクカバー２２も設けないようにしてもよい。この鏡面冷却式センサ２０１Ａ”では、ヒートシンク１６の底面（端面）１６−１の形状を円弧状とすることによって、無意識のうちにヒートパイプ１３中の熱の移動効率がよくなる方向に置かれるようにすることができる。

なお、上述した実施の形態では、ヒートシンクカバー２２の底面２２−２やヒートシンク１６の底面１６−１の形状を円弧状としたが、半球状、台形状、三角錐状、円錐状などとしてもよい。
また、上述した実施の形態では、鏡面冷却式センサ２０１Ａの構成を散乱光検出方式としたが、正反射光検出方式としてもよい。
また、上述した実施の形態では、保持部材１４を第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とで構成したが、保持部材１４は必ずしも分割した構成としなくてもよい。

本発明に係る鏡面冷却式センサの一実施の形態を用いた鏡面冷却式露点計の概略構成図である。 図１におけるII−II線断面図である。 図１におけるIII −III 線断面図である。 この鏡面冷却式露点計に用いる鏡面冷却式センサ（センサ部）の斜視図である。 投受光同軸の光ファイバの構成例を示す図である。 本発明に係る鏡面冷却式センサのダクトへの取り付け状態を示す図である。 鏡面に対して照射されるパルス光および鏡面から受光される反射パルス光を示す図である。 コントロール部をコントロールボックスに収容した鏡面冷却式露点計の構成を示す図である。 本発明に係る鏡面冷却式センサをヒートシンクカバーの底面を下にして水平面に置いた状態を示す図である。 本発明に係る鏡面冷却式センサの他の実施の形態（ファン無し）を示す図である。 この鏡面冷却式センサを横に置いた状態を示す図である。 この鏡面冷却式センサをヒートシンクカバーの底面を上にして置いた状態を示す図ある。 本発明に係る鏡面冷却式センサの別の実施の形態（ファン無し、ヒートシンクカバー無し）を示す図である。 正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計におけるセンサ部（鏡面冷却式センサ）の構成を示す図である。 散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計におけるセンサ部（鏡面冷却式センサ）の構成を示す図である。

符号の説明

２…熱電冷却素子（ペルチェ素子）、２−１…冷却面、２−２…加熱面、１１…鏡、１１−１…鏡面、１２…温度検出素子（薄膜測温抵抗体）、１３…ヒートパイプ、１３−１…一端、１３−２…他端、１３−３…直線部、１４…保持部材、１４ａ，１４ｂ，１４ｄ…ネジ部、１４ｃ…中央部、１４ｅ…フランジ部、１４−１…第１の保持部材、１４−２…第２の保持部材、１４−２ａ，１４−２ｂ…貫通孔、１４−２ｃ…ネジ部、１５…ネジ、１６…ヒートシンク、１６ａ…フィン、１７…リード線、１８…光ファイバ、１８ａ…先端面、１８ｂ…ネジ部、１９…検知部、２０…放熱部、２１…ミラーカバー、２１ａ…通気孔、２１ｂ，２２ｄ…ネジ部、２２…ヒートシンクカバー、２２−１…外周面、２２−２…底面、２２ａ，２２ｂ…通気孔、２２ｃ…ネジ部、２３…空スペース、２４…ファン、２５…露点温度表示部、２６…結露検知部、２７…ペルチェ出力制御部、２８…信号変換部、２９…コントロールボックス、２０１…鏡面冷却式露点計、２０１Ａ…鏡面冷却式センサ（センサ部）、２０１Ｂ…コントロール部。

Claims (3)

1. 鏡面が被測定気体に晒される鏡と、
   前記鏡の鏡面とは反対側の面に低温側の面が取り付けられた熱電冷却素子と、
   前記鏡の鏡面に対して光を照射する発光手段と、
   前記発光手段から前記鏡面に対して照射された光の反射光を受光する受光手段と、
   前記熱電冷却素子の高温側の面にその一端が取り付けられその他端が前記熱電冷却素子から離された熱伝導体と、
   前記熱伝導体の一端と他端との間に設けられた保持部材と、
   前記熱伝導体の他端に取り付けられた放熱部材とを備え、
   前記保持部材を挾んで対向する前記熱電冷却素子側と前記放熱部材側との境界部に取付部への係合部が設けられている
   ことを特徴とする鏡面冷却式センサ。
2. 鏡面が被測定気体に晒される鏡と、
   前記鏡の鏡面とは反対側の面に低温側の面が取り付けられた熱電冷却素子と、
   前記鏡の鏡面に対して光を照射する発光手段と、
   前記発光手段から前記鏡面に対して照射された光の反射光を受光する受光手段と、
   前記熱電冷却素子の高温側の面にその一端が取り付けられその他端が前記熱電冷却素子から離された熱伝導体と、
   前記熱伝導体の一端と他端との間に設けられた保持部材と、
   前記熱伝導体の他端に取り付けられた放熱部材とを備え、
   前記保持部材は、前記熱伝導体の熱伝導方向に垂直な方向に分割可能な第１の保持部材と第２の保持部材とを有し、
   前記第１の保持部材と前記第２の保持部材との間に前記熱伝導体が位置し、
   前記第１の保持部材および前記第２の保持部材の少なくとも一方を貫通して前記熱電冷却素子へのリード線と前記発光手段および前記受光手段を構成する光ファイバが設けられている
   ことを特徴とする鏡面冷却式センサ。
3. 鏡面が被測定気体に晒される鏡と、
   前記鏡の鏡面とは反対側の面に低温側の面が取り付けられた熱電冷却素子と、
   前記鏡の鏡面に対して光を照射する発光手段と、
   前記発光手段から前記鏡面に対して照射された光の反射光を受光する受光手段と、
   前記熱電冷却素子の高温側の面にその一端が取り付けられその他端が前記熱電冷却素子から離された熱伝導体と、
   前記熱伝導体の一端と他端との間に設けられた保持部材と、
   前記熱伝導体の他端に取り付けられた放熱部材とを備え、
   前記発光手段および前記発光手段は投受光同軸の光ファイバとされ、
   この光ファイバが前記保持部材を貫通してその光軸方向への位置を調整可能に設けられている
   ことを特徴とする鏡面冷却式センサ。
   

Images