JP2008051588A

JP2008051588A - 熱伝達性能測定用装置

Info

Publication number: JP2008051588A
Application number: JP2006226358A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Enami; 義晶榎並
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2008-03-06

Abstract

【課題】温度センサの収納部を測定対象体に形成せずに温度センサを装着できる、測定対象体への温度センサの装着構成を備えた熱伝達性能測定用装置の提供。
【解決手段】この発明の熱伝達性能測定用装置１は、アルミ合金展伸材製で直方体状の外形と長方形平面である伝熱面２３と熱媒９の通流路２２用の複数の丸孔とが形成され，０．７ｍｍの最薄肉厚部を持つ測定試料本体２１を有する測定対象体２、無酸素銅製で長方形状の平面３２と熱媒９の加熱源のシーズヒータ３６を持つ熱源装置体３、０．４２ｍｍの外径の球状の測温接点を持ち伝熱面２３に装着された複数の熱電対４、伝熱面２３と平面３２との間に介挿された０．５ｍｍの外径のステンレス鋼丸線材製の複数の介挿体５、伝熱面２３と平面３２との間に充填された放熱用のシリコーンオイルコンパウンドを用いたグリース状伝熱材６などを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、熱媒を通流させる通流路を有する測定対象体の前記熱媒との間の熱伝達係数などの熱伝達性能を測定するための熱伝達性能測定用装置に係わり、前記測定対象体の熱媒通流路の近傍の温度を計測する温度センサの測定対象体への装着構成に関するものである。

熱電対などの温度センサの測定対象物への装着方法としては、測定対象物に温度センサを収納することができる形状・寸法の溝を形成し、この溝に温度センサの温度検出部を挿入して固定することで行われている。また、測定対象物に温度センサを収納することができる形状・寸法の穴、あるいはこの穴に加えてこの穴に連通される溝を形成する方法も知られている。（例えば、特許文献１参照。)。
特開２００４−２９６３５８号公報（第２，４−８頁、第１−５図）

発明者は前述した従来技術による温度センサの測定対象物への装着構造を、熱媒を通流させる通流路を有することで薄肉部を持つ測定対象体に適用する場合について検討を行った。検討対象の測定対象体は、例えば、素材にアルミ・マンガン系のアルミ合金展伸材が用いられた押し出し成形品であり、厚さ３ｍｍ，幅２４ｍｍの長方形の断面形状を持ち、内部に熱媒の通流路用として９本の直径１．６ｍｍの丸孔が互いに平行する関係でほぼ等間隔で形成されている。そうして、この場合の温度センサの測定対象体への設置目的は、前記直径１．６ｍｍの丸孔である通流路内を通流する熱媒の、測定対象体との間の熱伝達係数などの熱伝達性能を測定するためである。測定対象体の温度計測に用いる温度センサとしては高い計測精度を得られると共に，所要の機械的強度を持つようにする見地から素線径が０．１ｍｍの熱電対が採用された。

この熱電対には、熱電対素線の先端部同士を溶接法により接合して球状の外面形状にした測温接点を形成することとしたが、この測温接点の外径は０．４２ｍｍであった。前述した従来技術の一つである温度センサを収納するための収納用溝を前記検討対象の測定対象体に形成して、この場合での温度センサである前記熱電対をこの収納用溝に装着する場合には、収納用溝の断面形状・寸法は、前記測温接点の外径寸法から、最小でも０．５ｍｍ×０．５ｍｍ程度が必要になると判断された。前記検討対象の測定対象体の断面形状・寸法から、検討対象の測定対象体の最小肉厚（片側）となる部位は熱媒の通流路用である直径１．６ｍｍの丸孔の形成部位にあり、その最小肉厚値（片側）は０．７ｍｍである。前記したこの場合の温度センサの設置目的から、温度センサは直径１．６ｍｍの丸孔である熱媒の通流路の周辺部分に配設しなければならないので、前記収納用溝は前記した最小肉厚部〔肉厚値（片側）は０．７ｍｍ〕にも形成を要することになる。

この結果、収納用溝形成部での検討対象の測定対象体の最小肉厚部の肉厚値（片側）は、計算上では０．２ｍｍという極めて薄い肉厚値になることで、検討対象の測定対象体の耐圧値が大幅に低下してしまうことが判明した。前記検討対象の測定対象体を用いて行われる熱伝達性能の評価対象の熱媒には、沸騰冷媒なども含まれるので、前記検討対象の測定対象体には評価対象の熱媒の高い圧力が印加されることが必須であるために、前述した従来技術による温度センサの測定対象物への装着構造を、前記検討対象の測定対象体の場合に適用することはできないことが分かった。すなわち、測定対象体の熱媒通流路の近傍の温度を計測する温度センサを、熱媒を通流させる通流路を有するなどのために薄肉部を持つ測定対象体に装着するためには、新たな温度センサの装着構成が求められることになる。したがって、この発明の目的は、温度センサの収納部を測定対象体に形成せずに温度センサを装着できる、測定対象体への温度センサの装着構成を備えた熱伝達性能測定用装置を提供することにある。

この発明では前述の目的は、
１）熱伝導性の良好な材料が用いられ熱媒を通流させる通流路を有すると共に平面状および／または２次曲面状の伝熱面を外面部に持つ測定対象体と、この測定対象体の通流路内を通流する前記熱媒を加熱および／または冷却するための熱を発生する熱源を有して前記伝熱面を介して前記熱媒に前記熱を与える熱源装置体と、前記測定対象体の熱媒通流路の近傍の温度を計測する温度センサとを備えた熱伝達性能測定用装置において、
前記測定対象体の伝熱面と前記熱源装置体との間に介挿された円形の外形で長さ方向に関してほぼ同一の外径寸法を持つ複数の介挿体を備え、これ等の介挿体は前記伝熱面と前記熱源装置体との間に配設される部位の前記温度センサの最大の外径よりも大きな外径を持つものであり、前記温度センサは前記介挿体によって前記伝熱面と前記熱源装置体との間に形成されたスペースを利用しこの伝熱面と熱源装置体との間に配設されて前記伝熱面の温度を計測するものであり、前記介挿体と前記温度センサとが介挿される前記伝熱面と前記熱源装置体との間にグリース状伝熱材が塗布されること、または、
２）前記１項に記載の手段において、前記測定対象体が金属材製でありほぼ直方体状の外形形状を有しその外面部のほぼ平行する関係で相対する広い方の面積の長方形状の平面が伝熱面に用いられ、前記熱源装置体が金属材製であり前記伝熱面に対応する形状・寸法の長方形状の平面を外面部に有し，この平面を測定対象体のいずれかの前記伝熱面にそれぞれ相対させて合計２個が配設され、前記介挿体が金属製であり、前記温度センサが熱電対であることにより達成される。

この発明による熱伝達性能測定用装置では、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成とすることで、測定対象体の熱媒通流路の近傍の温度を計測する温度センサを、測定対象体に温度センサを収納するための溝などの温度センサ収納部を形成することなしに測定対象体に配設できる。そうして、この発明の熱伝達性能測定用装置は、測定対象体の熱媒を通流させる通流路の内壁と前記熱媒との間の熱伝達係数を、この通流路内壁と熱媒との間の熱移動量と，通流路内壁と熱媒との間の温度差とを基にして求める公知の方法に従って得ることができる。このような熱伝達性能測定用装置による温度センサの測定対象体への装着構成は、薄肉部を持つことなどの理由で温度センサ収納部の形成が困難な測定対象体に適用することで、このような測定対象体であってもその熱伝達係数などの測定を行うことが可能になり、また、測定対象体には温度センサ収納部の形成が不要であるために、薄肉部を持つ測定対象体はそれが製品などで実際に使用される場合と同一の状態で熱伝達係数などの測定を行うことができるので、熱伝達係数などの測定に対する信頼感を高めることが可能になるとの効果を得られる。

以下この発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１はこの発明の実施の形態の一例による熱伝達性能測定用装置を示すその断面図であり、図２は図１におけるＳ部の詳細図である。図１，図２において、１は、測定対象体２、熱源装置体３，３、複数の温度センサである熱電対４、複数の介挿体５、グリース状伝熱材６、保持用具８などを備えたこの発明による熱伝達性能測定用装置である。測定対象体２は、金属材製で直方体状の外形形状をなし，内部に熱媒９を通流させる複数の通流路２２を持つ測定試料本体２１と、測定試料本体２１に対して熱媒９を供給するための供給側ヘッダー２５と、測定試料本体２１からの熱媒９を集めて排出させるための排出側ヘッダー２７とを有する。測定試料本体２１は、この事例の場合には、通流路２２内を通流する熱媒９との間の熱伝達係数が実測される、この熱伝達性能測定用装置１での測定対象そのものである。

測定試料本体２１は、素材にアルミ・マンガン系のアルミ合金展伸材が用いられた押し出し成形品であり、その断面形状は、厚さ（Ｔ_２１）３ｍｍ，幅（不図示）２４ｍｍの長方形状を持ち、内部に熱媒９の通流路２２用として９本の直径（Ｄ_２２）１．６ｍｍの丸孔が互いに平行する関係でほぼ等間隔で形成されている。また、測定試料本体２１の熱媒９の通流方向に沿う方向の有効長さＬ_２１は７００ｍｍである。供給側ヘッダー２５，排出側ヘッダー２７は単体状態では同一品であり、その素材には測定試料本体２１の使用材料と同系統の材料が用いられた丸棒材が使用され、熱媒９を通流させる通流路２６，２８がそれぞれに形成されており、測定試料本体２１との接続部は気密に封止されている。前記した構成を持つ測定試料本体２１は、その外面部に２４ｍｍ×７００ｍｍおよび、３ｍｍ×７００ｍｍの面積を持つ長方形状の平面の対を持つことになるが、この内の広い方の面積の方の２４ｍｍ×７００ｍｍの平面が、熱源装置体３，３に対する伝熱面２３，２３として選択されている。

なお、測定試料本体２１に通流される熱媒９としては、一般に広く用いられている水，油などや、冷蔵庫などに用いられている沸騰冷媒などの、各種の熱媒の採用が想定される。それぞれの熱源装置体３は、この事例の場合には、測定試料本体２１に通流する熱媒９を加熱する熱を発生するための装置とされており、金属材（例えば、熱伝導率値の大きな金属材である無酸素銅）製で直方体状をした外形を持つ熱源装置本体部３１と、この熱源装置本体部３１に形成された複数の貫通孔のそれぞれに装填されたシーズヒータ３６とを有している。熱源装置本体部３１の外面部の測定試料本体２１の伝熱面２３に相対するように配設される平面３２は、伝熱面２３にほぼ対応する形状・寸法とされている。熱電対４は、例えば、ＪＩＳ規格による種類Ｋの熱電対であり、高い計測精度を得られると共に所要の機械的強度を持つようにする見地から径が０．１ｍｍの熱電対素線が採用されている。

この熱電対４の測温接点は、熱電対素線の先端部同士を溶接法により接合し、外径が０．４２ｍｍの球状の外面形状に形成されている。この熱電対４は、その測温接点の外面部を測定試料本体２１の幅方向の中央部分に位置させて伝熱面２３に密着させると共に、その素線の長さ方向を伝熱面２３に沿わせて熱媒９の通流方向に対してほぼ直交する関係で配設され、アルミ箔（例えば、アルミ箔の厚さ寸法は０．０５ｍｍである。）テープ（接着剤付き）７を用いて伝熱面２３に接着されている。そうして、この事例の熱伝達性能測定用装置１の場合には、図１，図２に示すように、複数の熱電対４が有効長さＬ_２１に沿う方向にほぼ等間隔で配設されている。介挿体５は、この事例の場合には、アルミニウム材と接触してもアルミニウムを腐食させることがない金属材としてステンレス鋼材が用材として選定され、このステンレス鋼製の丸線材が使用されている。

介挿体５の用材は具体的には、例えば、外径ｄ：０．５ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼丸線材であり、この用材を用いることで、介挿体５と接触することになる部材に腐食し易いアルミニウム材が使用されていたとしても（図１，図２に示す事例の場合には、測定対象体２がこれに該当する。）このアルミニウム材の腐食を防止できる。そうして、介挿体５のｄ：０．５ｍｍの外径寸法は、熱電対４の測温接点の０．４２ｍｍの外径寸法よりも大きい値に設定されていることになる。介挿体５の断面形状を円形にすることにより、介挿体５と接触する部材（この事例の場合には、測定対象体２および熱源装置体３）との接触面積が狭く限定され、介挿体５がステンレス鋼材製であっても測定対象体２，熱源装置体３の温度分布に与える影響度を抑制することができる。さらに、断面形状が円形の介挿体５を使用することで、介挿体５の配設姿勢に無関係に、測定対象体２の伝熱面２３と熱源装置体３の平面３２との間の間隔１６の間隔長Ｔを一定に維持することができる。

また、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼丸線材は長尺材として市場に供給されているものであり、長尺材であることによって、介挿体５の長さ方向の外径寸法値が実質的に一定値である素材を容易に入手できることで、複数の介挿体５の外径寸法値のばらつきを実質的に零にすることができることになる。そうして、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼材は他の鋼材と比較しても優れた機械的強度性能を備えた材料であるので、測定対象体２と熱源装置体３とに介挿された上で保持用具８により締め付けられる組立て状態とされても、間隔１６の間隔長Ｔを安定に保持することができる。この介挿体５はその長さ方向を、例えば、熱電対４の素線の長さ方向の配設方向に平行する状態とされて、熱電対４の場合と同様に前記アルミ箔テープ７を用いて伝熱面２３に接着されている。なお、この事例の場合の間隔長Ｔの実際値は、介挿体５の外径ｄが０．５ｍｍであり、アルミ箔テープ７の厚さが接着剤層の厚さを含めると０．１ｍｍ程度であるので、合計して約０．６ｍｍである。

保持用具８は、この事例の場合には、基台８１と締付板８２，８２と締付板８２，８２を基台８１に締結するための不図示の複数の締結体（例えば、小ネジ）とで構成されている。熱伝達性能測定用装置１は、基台８１の上に図１に示したように、一方の熱源装置体３、熱電対４と介挿体５とがそれぞれの伝熱面２３に配設された測定対象体２、他方の熱源装置体３と順次積み重ねた後に、他方の熱源装置体３の反伝熱面２３側の面に締付板８２を当接させて、前記締結体により基台８１に締結することで組み立てられる。グリース状伝熱材６には、例えば、信越化学工業（株）の放熱用のシリコーンオイルコンパウンドの品名：Ｇ７４７などが使用される。

発明者が検討したところでは、熱伝達性能測定用装置１のグリース状伝熱材６用としては熱伝導率値のことに加えて塗布がし易いことが好ましく、信越化学工業（株）の品名：Ｇ７４７は、その熱伝導率値は最高のものではないが粘度が比較的に低いことで塗り易いために、総合すると熱伝達性能測定用装置１のグリース状伝熱材６用として好適なものの一つであると判断されている。このグリース状伝熱材６は、熱伝達性能測定用装置１の組み立て作業の前に、熱電対４，介挿体５が配設された測定対象体２の熱電対４，介挿体５が配設された周辺部位に塗布され（図２参照。）、互いに対向し合う測定対象体２の伝熱面２３と熱源装置体３の平面３２との間である間隔１６に、空気が残存しないようにする。なお、グリース状伝熱材６は、必要によっては、熱伝達性能測定用装置１が組み立てられた後に、間隔１６の部位に追加して塗布することもできる。

図１，図２に示すこの発明の実施の形態の一例による熱伝達性能測定用装置１では前述の構成としたので、この事例の場合には熱媒９に対する加熱源である熱源装置体３から発生した熱は、熱源装置体３の平面３２と測定対象体２の伝熱面２３との間の間隔１６の部位を介して測定試料本体２１に与えられ、測定試料本体２１の通流路２２内を通流する熱媒９を加熱して熱媒９を昇温させることになる。通流路２２内を通流する熱媒９と測定試料本体２１との間の熱伝達係数などの熱伝達性能の測定に当たっては、平面３２と伝熱面２３との間の熱抵抗の面方向の値のばらつきが、熱媒９に与えられる局部的な熱移動量をばらつかせる原因になるので、平面３２と伝熱面２３との間の熱抵抗の面方向の値の均等化が肝要であることはよく知られているところである。熱伝達性能測定用装置１ではそれぞれの間隔１６に複数の介挿体５を配設することで、間隔１６の間隔長Ｔを一定値に保持するようにしている。

そうして、この間隔１６には局部的に熱電対４および介挿体５が存在していても、空気の熱伝導率値（０℃において、０．０２４１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも遙かに大きな熱伝導率値を持つグリース状伝熱材６〔例えば、信越化学工業（株）のＧ７４７の熱伝導率のカタログ値は０．９０Ｗ／ｍ・Ｋである。〕が充填されるので、熱伝達性能測定用装置１では平面３２と伝熱面２３との間の熱抵抗の面方向の値を、必要なレベル内に均等化することができる。そうして、熱伝達性能測定用装置１では介挿体５が設けられていることにより、熱電対４にはその測温接点も含めて熱源装置体３との接触が生じないので、熱電対４は伝熱面２３の温度を正確に計測できる。ところで、測定試料本体２１の通流路２２の内壁と熱媒９との間の熱伝達係数は、既に公知のことではあるが、通流路２２の内壁と熱媒９との間の熱移動量と、通流路２２の内壁と熱媒９との間の温度差とを基にして求めることができる。

熱伝達性能測定用装置１の場合には、通流路２２の内壁と熱媒９との間の熱移動量は、通流路２２の内壁から熱媒９への熱移動量だけが計測対象である。この熱媒９への熱移動量は、熱伝達性能測定用装置１の熱媒９の流路に接続された不図示の質量流量計によって計測された熱媒９の質量流量値と、熱媒９の温度変化から得られたエンタルピー値との積として計算できる。この熱媒９の温度変化は、例えば、通流路２２の熱媒９の通流方向に関する両端部付近のそれぞれに配設された不図示の熱電対によって直接計測することで得ることができる。また、通流路２２の内壁の温度は、熱電対４によって計測された通流路２２の近傍の温度である伝熱面２３の温度値を基にして推定することができ、熱媒９の温度は、前記熱電対（熱媒９の温度変化の計測用）によって計測された熱媒９の温度の算術平均値を代表値にできる。したがって、通流路２２の内壁と熱媒９との間の温度差値は、前述した内容の通流路２２の内壁の温度値と、前述した内容の熱媒９の代表温度値との差として計算することができる。

そうして、前記した熱移動量値を、通流路２２の内壁と熱媒９との間の前記した温度差値と，通流路２２の内壁から熱媒９への伝熱面積値（熱伝達性能測定用装置１では既に説明したように既知の値である。）との積によって割ることにより、熱伝達係数値を得ることができる。すなわち、熱伝達性能測定用装置１は、測定試料本体２１の通流路２２の内壁と熱媒９との間の熱伝達係数を、通流路２２の内壁と熱媒９との間の熱移動量と，通流路２２の内壁と熱媒９との間の温度差とを基にして求める公知の方法に従って得ることができる。そうして、通流路２２の内壁の温度を得るための熱電対４は、その測温接点の外面部を伝熱面２３に密着させることで測定試料本体２１に配設されており、測定試料本体２１には前記特許文献１の場合のような熱電対などの温度センサを収納するための溝などの温度センサ収納部の形成は不要である。

このような熱伝達性能測定用装置１による熱電対４の測定試料本体２１などの測定対象体への装着構成は、測定試料本体２１のように薄肉部を持つことなどの理由で温度センサ収納部の形成が困難な測定対象体に適用することで、このような測定対象体であってもその熱伝達係数などの測定を行うことができるようになるとの特徴が得られる。また、測定対象体には温度センサ収納部の形成が不要であるために、薄肉部を持つ測定対象体はそれが製品などで実際に使用される場合と同一の状態で熱伝達係数などの測定を行うことができるので、熱伝達係数などの測定に対する信頼感を高めることができる。

前述の説明では、熱伝達性能測定用装置１が備える測定対象体２の測定試料本体２１はアルミ合金展伸材製であり、熱源装置体３の熱源装置本体部３１は無酸素銅製であり、温度センサは種類Ｋの熱電対であり、介挿体５はステンレス鋼材製であり、グリース状伝熱材６はシリコーンオイルコンパウンドであるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、前記『課題を解決するための手段』の項で記述された内容に適合する部材・素材であるならば、適宜の部材・素材を使用できる。また、前述の説明では、熱源装置体３はシーズヒータ３６を備えることで熱媒９を加熱する熱を発生するための装置であるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、熱源装置体３は熱媒９を冷却する冷熱を発生するための装置であってもよい。また、前述の説明では、測定対象体２の測定試料本体２１の外形形状は直方体状であり、熱源装置体３に対する伝熱面２３は長方形状の平面であるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、測定対象体２の外面部形状は円形状などの２次曲面状の伝熱面を持つものであってもよい。なお、この場合には、測定対象体２の２次曲面状の伝熱面の形状に合わせて、熱源装置体３の測定対象体２の伝熱面に対向し合う面の形状も、２次曲面状にする必要があることは勿論のことである。

この発明の実施の形態の一例による熱伝達性能測定用装置を示すその断面図である。図１におけるＳ部の詳細図である。

符号の説明

１熱伝達性能測定用装置
２測定対象体
２１測定試料本体
２２通流路
２３伝熱面
３熱源装置体
３２平面
３６シーズヒータ
４熱電対
５介挿体
６グリース状伝熱材
９熱媒

Claims

熱伝導性の良好な材料が用いられ熱媒を通流させる通流路を有すると共に平面状および／または２次曲面状の伝熱面を外面部に持つ測定対象体と、この測定対象体の前記通流路内を通流する前記熱媒を加熱および／または冷却するための熱を発生する熱源を有して前記伝熱面を介して前記熱媒に前記熱を与える熱源装置体と、前記測定対象体の熱媒通流路の近傍の温度を計測する温度センサとを備えた熱伝達性能測定用装置において、
前記測定対象体の伝熱面と前記熱源装置体との間に介挿された円形の外形で長さ方向に関してほぼ同一の外径寸法を持つ複数の介挿体を備え、これ等の介挿体は前記伝熱面と前記熱源装置体との間に配設される部位の前記温度センサの最大の外径よりも大きな外径を持つものであり、前記温度センサは前記介挿体によって前記伝熱面と前記熱源装置体との間に形成されたスペースを利用しこの伝熱面と熱源装置体との間に配設されて前記伝熱面の温度を計測するものであり、前記介挿体と前記温度センサとが介挿される前記伝熱面と前記熱源装置体との間にグリース状伝熱材が塗布されることを特徴とする熱伝達性能測定用装置。
請求項１に記載の熱伝達性能測定用装置において、前記測定対象体が金属材製でありほぼ直方体状の外形形状を有しその外面部のほぼ平行する関係で相対する広い方の面積の長方形状の平面が伝熱面に用いられ、前記熱源装置体が金属材製であり前記伝熱面に対応する形状・寸法の長方形状の平面を外面部に有し，この平面を測定対象体のいずれかの前記伝熱面にそれぞれ相対させて合計２個が配設され、前記介挿体が金属製であり、前記温度センサが熱電対であることを特徴とする熱伝達性能測定用装置。