JP2009085796A - 高温における電磁波の反射率または透過率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】標準試料を用いることなく、物体自体の高温での電磁波に対する真の反射率を広範な入射角度及び反射角度で測定でき、透過率も測定できる小型の測定装置を提供する。
【解決手段】試料の表裏面の少なくとも一方の面に光線を照射して加熱する加熱手段と、試料の加熱された部分の温度を測定する温度測定手段と、試料の加熱された部分に電磁波を照射する電磁波照射手段と、試料で反射された電磁波または試料を透過する電磁波を検出する電磁波検出手段とを備えるとともに、電磁波検出手段が、試料を中心として加熱手段の外周を周回可能に設置されており、試料の加熱された部分に電磁波を照射しながら電磁波検出手段を周回させ、周回の各位置にて、試料で反射された電磁波または試料を透過した電磁波を検出する高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温の試料に電磁波を照射し、試料で反射された電磁波または試料を透過する電磁波を検出して試料の高温における電磁波の反射率または透過率を測定する装置に関する。

近年、地球温暖化や省エネルギー対策として、工業炉や焼却炉等からの放熱を抑えるために、これらの熱源から炉体へ伝わる熱を遮断することが非常に重要になっている。工業炉や焼却炉には断熱のために断熱材が使用されているが、その断熱性能の評価として、熱伝導率の他に、高温での電磁波の反射特性が注目されつつある。

物体の高温での電磁波の反射率は、これまで、図９に示す構成の測定装置を用いて測定している（非特許文献１参照）。図示される測定装置において、加熱炉３０の底部中心には窓３１が開口しており、炉内には、この窓３１に対向して試料取付台３２が配設されている。試料取付台３２は水平移動が可能であり、電磁波の反射率が１００％に近く、電磁波の反射率の値が既知である標準物質４０と、試料４１とが並んで装着されている。また、加熱炉３０の下方には、電磁波照射装置３３と電磁波検出装置３４とが対向して配設されており、更に窓３１の中心部直下には、図示されるように、電磁波照射装置３３から照射された電磁波を窓３１を通じて試料取付台３２へと導く第１の反射板３５ａと、標準試料４０または試料４１で反射され、窓３１を通過した電磁波を電磁波検出装置３４に導く第２の反射板３５ｂとが配設されている。

測定は、加熱炉３０を加熱して標準試料４０及び試料４１を所定温度（Ｔ℃）とする。次いで、標準試料４０を測定位置に移動した後、電磁波照射装置３３から電磁波を照射して標準試料４０で反射させ、反射した電磁波を電磁波検出装置３４で検出してその受信強度を測定する。引き続き、試料４１を測定位置まで水平移動させて、同条件にて電磁波照射を行い、受信強度を測定する。そして、標準試料４０の受信強度と試料４１による受信強度から、次式から試料４１のＴ℃における電磁波反射率を算出する。
試料の受信強度
試料のＴ℃における電磁波反射率（％）＝ ―――――――――――×１００
標準試料の受信強度

"High-Temperature Light Reflection Spectrometer for Thermal Energy Window Coating" : Y.Kagawa, T.Naganuma, K.Matsumura, S. Zhu, The American Ceramic Society Bulletin, 82(11)2003, pp.9301-9305..

上記の測定装置では、標準試料４０が必要である。しかし、標準試料４０の電磁波反射率は１００％ではないため、試料４１の電磁波反射率も相対値として求まるため真の値ではない。しかも、標準試料４０は、繰り返し使用されるため、測定の度に高温に晒されて経時的に劣化して反射率が変化する可能性もある。また、高温になるほど標準試料として使用できる材料が少なくなり、測定温度は１０００℃程度が限界である。

また、上記の測定装置では、標準試料４０や試料４１への電磁波の入射角度が固定されている。しかし、実際は、断熱材には電磁波が様々な方向から入射するため、ある特定の入射角度に対する反射率だけでは反射特性の評価は不十分といえる。例えば、ある角度で入射する電磁波に対して反射率が高くても、別の角度で入射する電磁波に対して反射率が低く、即ち透過率が高くなり、それが原因で断熱性能が低下している可能性もあるが、上記の測定装置では入射角度が一定であるため知見できない。また、表面に微小凹凸がある場合には電磁波は種々の方向に反射することが考えられるが、上記の測定装置では検出可能な反射角度も固定されているため、実際の反射特性を評価しているとは言い難い。

加熱炉３０の窓３１の数を増やし、電磁波を入出射させることも考えられるが、炉内の熱的安定性を維持する観点から窓３１の増数には制限があり、更には窓数を増しても窓３１の位置は固定されるため、入出射角度は依然として限定的である。また、窓３１の開口面積を広くし、反射板３５ａ，３５ｂの傾斜角度を可変にすることで標準試料４０や試料４１への電磁波の入射角度や、標準試料４０や試料４１からの検出可能な反射角度を変えることも考えられるが、炉内の熱的安定性を維持するために窓３１の開口面積をあまり大きくできないため、入射角度及び反射角度の変化は限定的である。たとえ窓３１に耐熱ガラスを設け、炉内の熱的安定性を維持できても、窓３１を通じて電磁波が入出射するため、耐熱ガラスによる電磁波の吸収や反射が起こり、測定精度が低下する。

更に、加熱炉３０で試料１０の周囲全体を加熱するため、消費電力が大きくなる。

そこで本発明は、標準試料を用いることなく、物体自体の高温での電磁波に対する真の反射率を広範な入射角度及び反射角度で測定でき、更には透過率も測定できる測定装置を提供することを目的とする。尚、本発明でいう高温とは室温を超える温度をいう。

上記の課題を解決するために、本発明は下記の高温物体の反射率または透過率測定装置を提供する。
（１）高温の試料に電磁波を照射し、試料で反射された電磁波または試料を透過する電磁波を検出して試料の高温における電磁波の反射率または透過率を測定する装置であって、
試料の表裏面の少なくとも一方の面に光線を照射して加熱する加熱手段と、
試料の加熱された部分の温度を測定する温度測定手段と、
試料の加熱された部分に電磁波を照射する電磁波照射手段と、
試料で反射された電磁波または試料を透過する電磁波を検出する電磁波検出手段とを備えるとともに、
電磁波検出手段が、試料を中心として加熱手段の外周を周回可能に設置されており、
試料の加熱された部分に電磁波を照射しながら電磁波検出手段を周回させ、周回の各位置にて、試料で反射された電磁波または試料を透過した電磁波を検出することを特徴とする高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
（２）加熱手段が試料の表裏面の少なくとも一方の面と正対して配置されていることを特徴とする上記（１）記載の高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
（３）試料及び加熱手段が、試料を中心として水平方向に回転可能な同一の支持台上に固定され、かつ、電磁波検出手段が、試料を中心として支持台の外周を周回可能に設置されていることを特徴とする上記（１）または（２）記載の高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
（４）加熱手段が、支持台の周回面に対して斜め方向から試料に光線を照射するように配置されていることを特徴とする上記（３）記載の高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
（５）電磁波照射手段から赤外線、可視光またはマイクロ波が照射されることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
（６）上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の高温における電磁波の反射率または透過率測定装置を、床面に対し鉛直に設置したことを特徴とする高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。

本発明の高温での反射率または透過率測定装置は、標準試料を用いることがないため、試料の電磁波に対する反射率の絶対値を測定することができ、使用できる標準試料がない高温での測定も可能である。また、試料への電磁波の入射角度及び試料からの反射角度を連続的に変えながら反射率を測定することができるため、試料の反射特性をより詳細に知見できる。更に、加熱手段が光線を試料に照射する構成であるため、省エネ化を図ることもできる。更には、試料の高温での透過率を測定することもできる。

以下、本発明に係る高温での反射率または透過率測定装置（以下、単に「測定装置」という）に関して図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の測定装置の一実施形態を示す模式図である。装置中心にモータ１が設置されており、モータ１のスピンドル軸に長尺の支持台２の中心部が固定されている。即ち、支持台２はモータ１のスピンドル軸を中心として水平方向に回転可能である。また、支持台２の中心部には試料１０を保持するためのホルダー１１が付設されている。試料１０は板状であり、支持台２の長軸と直交するように保持される。

支持台２には、試料１０を挟んでヒータ４，５が取り付けられている。ヒータ４，５は、例えば、ハロゲンランプからの光をパラボラ状の反射面で反射して試料表面にスポット状に集光させる構成とすることができ、このようなヒータ４，５により試料１０の加熱スポットＳを１２００℃程度にまで加熱することができる。尚、ヒータ４、５は、支持台２に装着されたフレームに取り付けられるが、図１では構成を明確にするためにフレームは省略する。また、試料１０で反射される光線を遮断するために、試料１０の上方を覆うように断熱材（図示略）を配置してもよい。

図２に拡大して示すように、ホルダー１１は、一対の挟持片１１ａ．１１ｂにより試料１０を挟持する構成となっている。また、試料１０には、その側面１０ａから熱伝対１２が挿入されており、ヒータ４，５による加熱スポットＳの近傍の温度が測定される。

また、支持台２の内部には、試料１０の温度制御用に、冷却水を流通させる管路１５が設けられている。

支持台２の外側には、支持台２の回転中心を中心とする円状または円弧状のレール２０が設置されている。尚、円弧状にする場合は、後述される電磁波Ｒの入射側を開放するように、円周の半分以上とし、３分の２〜４分の３までとすることが好ましい（図４参照）。そして、このレール２０に沿って電磁波検出装置２１、例えば赤外線検出器が移動する。即ち、支持台３が回転して形成される円周の外側を、電磁波検出装置２１が同心状に周回する。

また、レール２０の外側には、任意の位置に電磁波照射装置２２、例えば赤外線発信器が設置されており、電磁波照射装置２２から照射された赤外線等の電磁波Ｒは、ミラー２３ａ〜２３ｃにより試料１０の加熱スポットＳに導かれる。そのため、電磁波Ｒの試料１０への入射を妨げないように、図３に示すように、ヒータ４、５は、電磁波Ｒの進行軸に対して斜め上方から試料１０を加熱するように設置される。尚、傾斜角θは、加熱効率を考慮すると１０〜６０°が好ましい。

試料１０で反射された電磁波Ｒは、電磁波検出装置２１で検出される。試料表面が平滑な場合は、電磁波Ｒは試料１０への入射角と同角度で反射するが、例えば、試料１０に微小凹凸がある場合には散乱して入射角度と同じ検出角度で検出できないことがある。しかし、本発明の測定装置では、電磁波検出装置２１がレール２０に沿って円弧状に連続して移動するため、電磁波Ｒが試料１０でどのような角度で反射されても確実に検出できる。

本発明の測定装置は上記のように構成されるが、試料１０の反射率または透過率は次のようにして測定される。

図４は測定装置の上方からみた模式図であるが（但し、ヒータ４，５は省略してある）、（Ａ）に示すように、試料１０を支持台２に装着する前に、電磁波検出装置２１を電磁波Ｒの進行方向に一致させて配置し、電磁波Ｒの初期受信強度（Ｉｏ）を求めておく。

次いで、（Ｂ）に示すように、支持台２に試料１０を装着し、電磁波検出装置２１をミラー２３ｃに最接近する位置まで移動させる。そして、ヒータ４，５から光線を照射して試料１０を加熱し、所定温度に達した時点で電磁波Ｒを試料１０に向けて照射し、照射を続けながら電磁波検出装置２１をミラー２３ｃから離間する方向に移動させ、移動の間に受信強度（Ｉｒ）を連続して測定する。電磁波Ｒは試料１０に対して垂直に入射するため、電磁波検出装置２１は、支持台２と直交する位置まで移動させれば、例えば試料１０の表面の微細凹凸により電磁波Ｒが散乱している場合でも、試料１０で反射される電磁波Ｒを実質的に完全に検出できる。

受信強度の値（Ｉｒ）と、初期受信強度（Ｉｏ）との比（Ｉｒ／Ｉｏ）が、試料１０の反射率になる。従って、従来のように標準試料の反射率から試料の反射率を相対的に求める方法であるのとは異なり、試料１０の真の反射率（絶対反射率）が求められる。また、電磁波検出装置２１の位置毎の反射率を測定することにより、試料１０の反射率の角度分布も得られる。

また、図５に示すように、支持台２を所定角度で回転させて電磁波Ｒの試料１０への入射角(α)を変えることができ、上記と同様に、この状態で電磁波Ｒを照射しながら電磁波検出装置２１を移動させて各位置での受信強度を測定することにより、ある入射角（ここではα）に対する試料１０の反射率または反射率の角度分布が得られる。

一方、透過率を測定するには、図６に示すように、電磁波Ｒを試料１０に対して垂直に入射させ、電磁波検出装置２１を試料２０の背後に配置すればよい。また、電磁波検出装置２１を試料１０の背後で周回させ、各位置での受信強度を測定することにより、透過率の角度分布を求めることもできる。

また、支持台２を回転させて電磁波Ｒを試料１０に対して所定の入射角度で入射させ、上記と同様に試料２０の背後に電磁波検出装置２１を周回させることにより、ある入射角度に対する透過率または透過率の角度分布を測定することも可能である。

以上、本発明の測定装置の実施形態について説明したが、種々の変更が可能である。例えば、電磁波Ｒとして赤外線の他に、マイクロ波や可視光を使用することもでき、電磁波検出装置２１及び電磁波照射装置２２をそれぞれに対応して変更する。また、電磁波照射装置２２は、これらの電磁波Ｒを照射できるように多波長対応型にすることもでき、それに対応して電磁波検出装置２１も多波長対応型にする。工業炉としてマイクロ波加熱炉も使用されており、使用される断熱材には断熱性の他にマイクロ波の反射効果も必要特性となる場合があり、高温におけるマイクロ波の反射率も知ることは重要となる。また、暖房機器としてハロゲンヒータ等も使用されており、高温における可視光の反射率もこれらの機器において重要となる。

ヒータ４、５も、支持台２がフレーム状の場合には、斜め下方から光線を試料１０に照射してもよい。また、試料１０が薄い場合や、ヒータ出力が大きい場合には、試料１０の電磁波Ｒが入射する面に正対するヒータ４のみで加熱してもよい。更に、低出力のレーザを用いることもできる。

更には、上記の実施形態では装置全体が床面上に設置されているが、装置全体を床面と鉛直に設置することもできる。上記の実施形態では、レール２０の外側に電磁波照射装置２２やミラー２３ａ〜２３ｃが設置されており、設置面積が大きい。これに対し、装置全体を床面と鉛直に設置することにより、装置の設置面積が少なくて済む。

以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１）
試料１０として白金を蒸着した表面が平滑なシリコン基板（２０×２０×０．６ｍｍｔ、白金層厚さ２００ｎｍ）を用い、図１に示す構成の測定装置のホルダー１１に装着した。そして、図５に示すように、試料１０への電磁波Ｒの入射角（α）が１５°となるように支持台２を回転させ、ヒータ４，５であるハロゲンランプで試料１０の表裏面を加熱し、電磁波照射装置２２から電磁波Ｒとして波長５μｍの赤外線を照射した。電磁波検出装置２１は、試料１０による反射角（β）が１５°となる位置に設置した。また、測定に先立ち、図４に示すように、試料１０が無い状態での初期受信強度（Ｉｏ）を測定した。

反射率の測定は、室温、並びに加熱スポットＳの温度２００℃、３００℃、４００℃、５００℃及び６００℃にて行った。測定結果を図７に示す。比較のために、文献値として”Thermal Radiative Properties”:: Y. S. Touloukian, C. Y. Ho, TFI/Prenum, 1970）に記載の反射率を併記するが、本発明の測定装置により高温物体の反射率を精度良く測定できることが分かる。

（実施例２）
試料１０として、表面に凹凸があるＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２多孔体（２０×２０×５ｍｍｔ）を用い、図１に示す構成の測定装置のホルダー１１に装着した。そして、図５に示すように、試料１０への電磁波Ｒの入射角（α）が１５°となるように支持台２を回転させ、ヒータ４，５であるハロゲンランプで試料１０の表裏面を加熱した。加熱温度は、加熱スポットＳの温度で６００℃とした。また、測定に先立ち、図４に示すように、試料１０が無い状態での初期受信強度（Ｉｏ）を測定した。

反射率は、電磁波照射装置２２から電磁波Ｒとして波長５μｍの赤外線を照射し、電磁波検出装置２１を試料１０からの反射角（β）が０°〜９０°に移動させ、各位置での受信強度を測定して得た。測定結果を図８に示すが、赤外線が種々の方向に反射していることがわかる。

本発明の測定装置の一実施形態を示す模式図である。 試料周辺を示す拡大図である。 ヒータの取付状態を示すために支持台側面から見た図である。 反射率の測定方法を説明するための模式図である。 試料への電磁波の入射角度を変えて反射率を測定する方法を説明するための模式図である。 透過率の測定方法を説明するための模式図である。 実施例１の測定結果を示すグラフである。 実施例２の測定結果を示すグラフである。 従来の反射率測定装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１ モータ
２ 支持台
４ ヒータ
５ ヒータ
１０ 試料
１１ ホルダー
２０ レール
２１ 電磁波検出装置
２２ 電磁波照射装置
２３ａ〜２３ｃ ミラー

Claims (6)

1. 高温の試料に電磁波を照射し、試料で反射された電磁波または試料を透過する電磁波を検出して試料の高温における電磁波の反射率または透過率を測定する装置であって、
   試料の表裏面の少なくとも一方の面に光線を照射して加熱する加熱手段と、
   試料の加熱された部分の温度を測定する温度測定手段と、
   試料の加熱された部分に電磁波を照射する電磁波照射手段と、
   試料で反射された電磁波または試料を透過する電磁波を検出する電磁波検出手段とを備えるとともに、
   電磁波検出手段が、試料を中心として加熱手段の外周を周回可能に設置されており、
   試料の加熱された部分に電磁波を照射しながら電磁波検出手段を周回させ、周回の各位置にて、試料で反射された電磁波または試料を透過した電磁波を検出することを特徴とする高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
2. 加熱手段が試料の表裏面の少なくとも一方の面と正対して配置されていることを特徴とする請求項１記載の高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
3. 試料及び加熱手段が、試料を中心として水平方向に回転可能な同一の支持台上に固定され、かつ、電磁波検出手段が、試料を中心として支持台の外周を周回可能に設置されていることを特徴とする請求項１または２記載の高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
4. 加熱手段が、支持台の周回面に対して斜め方向から試料に光線を照射するように配置されていることを特徴とする請求項３記載の高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
5. 電磁波照射手段から赤外線、可視光またはマイクロ波が照射されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の高温における電磁波の反射率または透過率測定装置を、床面に対し鉛直に設置したことを特徴とする高温における電磁波の反射率または透過率測定装置。

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