JP2008157699A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高熱流束が与えられる物体の表面温度を正確に計測することができる温度センサを提供する。
【解決手段】 外部から熱流束Ｒが入射される被計測体３における入射面３Ｓの温度を計測する感温素子５，５Ｍと、断熱性および耐熱性を有する材料から形成され、感温素子５の周囲を覆うように配置された遮蔽部１０７と、遮蔽部１０７に形成された感温素子５Ｍを入射面３Ｓに接触させる接触部１１と、が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、温度センサ、特に高熱流束が与えられる物体表面の温度を計測する温度センサに関する。

従来、工業用の温度センサとしては熱電対や測温抵抗体やサーミスタなどの感温素子を用いた温度センサが広く用いられており、さまざまな種類の接触式の温度センサが提案されている（例えば、特許文献１から３参照。）。

上述の感温素子の一つである熱電対は、他の感温素子と比較して、安価であるとともに、測定温度範囲が広いため工業用の用途に最も広く用いられている。例えば、熱電対の種類を選択することにより、１つの熱電対で０℃から１０００℃を超える温度範囲を計測することができる。
特開２００４−２３３２３６号公報 特開２００４−３１７４９９号公報 特許第３７５８６７号公報

上述のような接触式の温度センサを用いて、レーザ光や火炎などにより加熱される物体の表面温度を計測する場合には、物体表面の上に温度センサを配置することとなる。このような配置では、温度センサ自身の温度が、測定対象である物体表面の温度よりも先行して上昇するため、物体表面の正確な温度計測ができないという問題があった。

例えば、レーザ光などにより高熱流束が加えられ、物体の表面が短時間で高温に加熱され、高い温度勾配（例えば、１ｍｍで約３００℃の温度差が生じる勾配）が生じる場合、０．５ｍｍ程度の厚さの熱電対を用いて物体表面の温度を計測しても、熱電対自体の内部で約１００℃の温度差が生じる。そのため、熱電対は物体表面の実際の温度より高い温度を検出することとなり、正確な物体表面の温度を計測できないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、高熱流束が与えられる物体の表面温度を正確に計測することができる温度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の温度センサは、外部から熱流束が入射される被計測体における入射面の温度を計測する感温素子と、断熱性および耐熱性を有する材料から形成され、前記感温素子の周囲を覆うように配置された遮蔽部と、前記遮蔽部に形成された前記感温素子を前記入射面に接触させる接触部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、感温素子は断熱性および耐熱性を有する材料から形成された遮蔽部に覆われているため、熱流束が感温素子に直接入射することを防止でき、熱流束による感温素子の温度上昇を防止できる。一方、感温素子は、遮蔽部に形成された接触部から被計測体の入射面に接触することができる。そのため、感温素子は、熱流束が入射する被測定体の入射面温度を正確に計測することができる。

上記発明においては、前記遮蔽部は、内部に前記感温素子が挿通される円筒形状に形成され、前記接触部は、前記遮蔽部の一方の端面であって、前記円筒形状における中心軸線と直交する面に対して傾斜した面である傾斜端面であり、該傾斜端面の突出した端部が前記熱流束の入射側に配置されていることが望ましい。

本発明によれば、傾斜端面の突出した端部は熱流束を遮り、感温素子が配置された入射面に影を形成することができる。感温素子は傾斜端面から入射面に向かって延び、形成された影の範囲内で入射面と接触するため、感温素子は、熱流束が入射する被測定体の入射面温度を正確に計測することができる
遮蔽部は円筒形状に形成されているため、断面が切欠き円環状の柱形状のものと比較して、強度が高く入射面への設置や取り外しが容易となる。

上記発明においては、前記遮蔽部は内部に前記感温素子が挿通される円筒形状に形成され、前記接触部は前記遮蔽部における一方の端面を段差状に形成する切欠き部であり、該切欠き部が前記入射面に対向して配置されていることが望ましい。

本発明によれば、感温素子は切欠き部から入射面に接触することができる一方、熱流束は遮蔽部により遮られ、熱流束による感温素子の温度上昇を防止できる。
遮蔽部は円筒形状に形成されているため、断面が切欠き円環状の柱形状のものと比較して、強度が高く入射面への設置や取り外しが容易となる。

上記発明においては、前記遮蔽部は、内部に前記感温素子が挿通される断面が切欠き円環状の柱形状に形成され、前記接触部は、前記遮蔽部における内部と外部とを繋ぐ開口部であり、該開口部が前記入射面に対向して配置されていることが望ましい。

本発明によれば、感温素子は開口部から入射面に接触することができる一方、熱流束は遮蔽部により遮られ、熱流束による感温素子の温度上昇を防止できる。
遮蔽部が円筒状に形成されている場合と比較して、開口部が遮蔽部の長手軸線方向にわたって形成されているため、感温素子を入射面に密着させやすく、入射面の正確な温度計測を行いやすい。

本発明の温度センサによれば、感温素子は断熱性および耐熱性を有する材料から形成された遮蔽部に覆われるとともに、遮蔽部に形成された接触部から被計測体の入射面に接触することができるため、高熱流束が与えられる物体の表面温度を正確に計測することができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る温度センサついて図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る温度センサの構成を説明する模式図である。
温度センサ１には、図１に示すように、レーザ光（熱流束）Ｒが照射される物体（被計測体）３の表面（入射面）３Ｓの温度を計測する熱電対（感温素子）５と、レーザ光Ｒを遮る遮蔽部７とが設けられ、熱電対５は計測器９と接続されている。

熱電対５は熱電対素線を結線したものであり、計測する表面３Ｓの温度に応じて、日本工業規格（ＪＩＳ）や国際規格（ＩＥＣ）に規定された種類、および、規格化されていない種類のものから選択される。

遮蔽部７は断熱性および耐熱性を有する材料、例えば碍子から形成された円筒状の部材である。遮蔽部７の一方の端部は中心軸線と直交する面に対して約４５°の傾きを有する傾斜端面（接触部）１１に形成されている。傾斜端面１１における突出端部（突出した端部）１１Ａは、レーザ光Ｒの入射方向（図１における上方）に配置されている。
遮蔽部７の内部には熱電対５が挿通され、熱電対５の測温接点（感温素子）５Ｍが傾斜端面１１から表面３Ｓに向かって延びている。

なお、遮蔽部７を形成する材料としては、上述のように碍子であってもよいし、その他の耐熱性および断熱性を有する材料であってもよく、特に限定するものではない。
また、傾斜端面１１の傾斜角は、上述のように約４５°であってもよいし、その他の角度であってもよく、特に限定するものではない。

計測器９は、熱電対５に発生した熱起電力に基づいて測温接点５Ｍにおける温度を表示するものであり、熱電対５の種類に応じて選択されたものである。計測器９としては、温度補償回路が内蔵されたものであってもよいし、内蔵されていないものであってもよく、特に限定するものではない。温度補償回路が内蔵されていない計測器９を用いる場合には、熱電対５の基準接点を０℃に保つ必要がある。

次に、上記の構成からなる温度センサ１における温度計測について説明する。
温度センサ１は、図１に示すように、物体３の表面３Ｓに配置され、熱電対５の測温接点５Ｍが表面３Ｓに接触される。遮蔽部７は、突出端部１１Ａがレーザ光Ｒの入射方向に位置するように表面３Ｓに固定される。より具体的には、突出端部１１Ａにより形成される影が測温接点５Ｍを覆うように遮蔽部７が固定される。
遮蔽部７の固定方法としては、ステンレス箔を遮蔽部７に被せてステンレス箔を表面３Ｓにスポット溶接することにより、固定する方法などが挙げられる。

計測器９に熱電対５を接続した状態で、表面３Ｓにレーザ光Ｒを照射すると、遮蔽部７の突出端部１１Ａは、照射されたレーザ光Ｒを遮り、測温接点５Ｍの配置位置に影を形成する。一方、レーザ光Ｒが照射された表面３Ｓの温度は上昇し、表面３Ｓと接触する測温接点５Ｍの表面３Ｓの温度上昇に伴い温度も上昇する。計測器９は、測温接点５Ｍの温度上昇により熱電対５に生じた熱起電力に基づき測温接点５Ｍの温度、つまり表面３Ｓの温度を表示する。

上記の構成によれば、傾斜端面１１の突出端部１１Ａはレーザ光Ｒを遮り、測温接点５Ｍが配置された表面３Ｓに影を形成することができる。熱電対５は傾斜端面１１から表面３Ｓに向かって延び、形成された影の範囲内で表面３Ｓと接触するため、測温接点５Ｍは、レーザ光Ｒが入射する表面３Ｓの温度を正確に計測することができる。

熱電対５は断熱性および耐熱性を有する碍子から形成された遮蔽部７に覆われているため、レーザ光Ｒが熱電対５に直接入射して、熱電対５自身の温度の上昇を防止することができる。そのため、熱電対５は、レーザ光Ｒが入射する表面３Ｓの温度を正確に計測することができる。

熱電対５は熱電対素線を結線して形成され、測温接点５Ｍが表面３Ｓと直接接触しているため、応答性の高い温度計測を行うことができる。
遮蔽部７は円筒形状に形成されているため、断面が切欠き円環状の柱形状のものと比較して、強度が高く表面３Ｓへの設置や取り外しが容易となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図２および図３を参照して説明する。
本実施形態の温度センサの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、遮蔽部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図２および図３を用いて遮蔽部の構成を説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。

図２は、本実施形態に係る温度センサの構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
温度センサ１０１には、図２に示すように、レーザ光Ｒが照射される表面３Ｓの温度を計測する熱電対５と、レーザ光Ｒを遮る遮蔽部１０７とが設けられ、熱電対５は計測器９と接続されている。

図３は、図２の遮蔽部の構造を説明する模式図である。
遮蔽部１０７は断熱性および耐熱性を有する材料、例えば碍子から形成された円筒状の部材である。遮蔽部１０７の一方の端部には、図２および３に示すように、端面の一部を遮蔽部１０７の中央側（図２における右側）に移動させ、端部を段差状に形成する切欠き部（接触部）１１１が形成されている。切欠き部１１１は、表面３Ｓと対向して配置されている。
遮蔽部１０７の内部には熱電対５が挿通され、熱電対５の測温接点５Ｍが切欠き部１１１から表面３Ｓに向かって延びている。

次に、上記の構成からなる温度センサ１０１における温度計測について説明する。
温度センサ１０１は、図２に示すように表面３Ｓに配置され、熱電対５の測温接点５Ｍが表面３Ｓに接触される。遮蔽部１０７は、切欠き部１１１が表面３Ｓと対向し、測温接点５Ｍを覆うように表面３Ｓに固定される。

計測器９に熱電対５を接続した状態で、表面３Ｓにレーザ光Ｒを照射すると、遮蔽部１０７は照射されたレーザ光Ｒを遮り、測温接点５Ｍの配置位置に影を形成する。一方、レーザ光Ｒが照射された表面３Ｓの温度は上昇し、表面３Ｓと接触する測温接点５Ｍの表面３Ｓの温度上昇に伴い温度も上昇する。計測器９は、測温接点５Ｍの温度上昇により熱電対５に生じた熱起電力に基づき測温接点５Ｍの温度、つまり表面３Ｓの温度を表示する。

上記の構成によれば、測温接点５Ｍは切欠き部１１１から表面３Ｓに接触することができる一方、レーザ光Ｒは遮蔽部１０７により遮られる。そのため、レーザ光Ｒによる測温接点５Ｍの温度上昇を防止でき、レーザ光Ｒが入射する表面３Ｓの温度を正確に計測することができる。
遮蔽部１０７は円筒形状に形成されているため、断面が切欠き円環状の柱形状のものと比較して、強度が高く表面３Ｓへの設置や取り外しが容易となる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図４および図５を参照して説明する。
本実施形態の温度センサの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、遮蔽部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図４および図５を用いて遮蔽部の構成を説明し、その他の構成要等の説明を省略する。

図４は、本実施形態に係る温度センサの構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
温度センサ２０１には、図４に示すように、レーザ光Ｒが照射される表面３Ｓの温度を計測する熱電対５と、レーザ光Ｒを遮る遮蔽部２０７とが設けられ、熱電対５は計測器９と接続されている。

図５は、図４の遮蔽部の構造を説明する模式図である。
遮蔽部２０７は断熱性および耐熱性を有する材料、例えば碍子から形成され、図５に示すように断面が半円形の柱状の部材である。遮蔽部２０７には、断面における半円形の切欠きに相当する開口部（接触部）２１１が、長手軸線方向にわたって形成されている。開口部２１１は、表面３Ｓと対向して配置されている。

次に、上記の構成からなる温度センサ２０１における温度計測について説明する。
温度センサ２０１は、図４に示すように表面３Ｓに配置され、熱電対５の測温接点５Ｍが表面３Ｓに接触される。遮蔽部２０７は、開口部２１１が表面３Ｓと対向し、測温接点５Ｍを覆うように表面３Ｓに固定される。

計測器９に熱電対５を接続した状態で、表面３Ｓにレーザ光Ｒを照射すると、遮蔽部２０７は照射されたレーザ光Ｒを遮り、測温接点５Ｍの配置位置に影を形成する。一方、レーザ光Ｒが照射された表面３Ｓの温度は上昇し、表面３Ｓと接触する測温接点５Ｍの表面３Ｓの温度上昇に伴い温度も上昇する。計測器９は、測温接点５Ｍの温度上昇により熱電対５に生じた熱起電力に基づき測温接点５Ｍの温度、つまり表面３Ｓの温度を表示する。

上記の構成によれば、測温接点５Ｍは開口部２１１から表面３Ｓに接触することができる一方、レーザ光Ｒは遮蔽部２０７により遮られ、レーザ光Ｒによる測温接点５Ｍの温度上昇を防止でき、レーザ光Ｒが入射する表面３Ｓの温度を正確に計測することができる。
遮蔽部２０７が円筒状に形成されている場合と比較して、開口部２１１が遮蔽部２０７の長手軸線方向にわたって形成されているため、測温接点５Ｍを表面３Ｓに密着させやすく、表面３Ｓの正確な温度計測を行いやすい。

本発明の第１の実施形態に係る温度センサの構成を説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る温度センサの構成を説明する模式図である。 図２の遮蔽部の構造を説明する模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る温度センサの構成を説明する模式図である。 図４の遮蔽部の構造を説明する模式図である。

符号の説明

１，１０１，２０１ 温度センサ
３ 物体（被計測体）
３Ｓ 表面（入射面）
５ 熱電対（感温素子）
５Ｍ 測温接点（感温素子）
７，１０７，２０７ 遮蔽部
１１ 傾斜端面（接触部）
１１１ 切欠き部（接触部）
２１１ 開口部（接触部）
Ｒ レーザ光（熱流束）

Claims (4)

1. 外部から熱流束が入射される被計測体における入射面の温度を計測する感温素子と、
   断熱性および耐熱性を有する材料から形成され、前記感温素子の周囲を覆うように配置された遮蔽部と、
   前記遮蔽部に形成された前記感温素子を前記入射面に接触させる接触部と、
   が設けられていることを特徴とする温度センサ。
2. 前記遮蔽部は、内部に前記感温素子が挿通される円筒形状に形成され、
   前記接触部は、前記遮蔽部の一方の端面であって、前記円筒形状における中心軸線と直交する面に対して傾斜した面である傾斜端面であり、
   該傾斜端面の突出した端部が前記熱流束の入射側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
3. 前記遮蔽部は内部に前記感温素子が挿通される円筒形状に形成され、
   前記接触部は前記遮蔽部における一方の端面を段差状に形成する切欠き部であり、
   該切欠き部が前記入射面に対向して配置されていることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
4. 前記遮蔽部は、内部に前記感温素子が挿通される断面が切欠き円環状の柱形状に形成され、
   前記接触部は、前記遮蔽部における内部と外部とを繋ぐ開口部であり、
   該開口部が前記入射面に対向して配置されていることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。

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