JP2015152397A - 表面熱流束取得装置、熱処理装置、表面熱流束取得方法、および、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の増加を抑制して設置工数およびコストの増加を抑制することができるとともに、物体表面の熱流束を熱伝導逆解析により高精度に推定する。【解決手段】物体の計測面を撮像して計測面の温度分布を検出する温度分布検出部６と、計測面上に設けられた計測点の絶対温度を検出する温度検出部７と、温度分布の絶対温度を計測点の絶対温度に基づいて補正して補正温度分布を求める補正温度分布演算部３１と、計測面とは離れて配される物体の表面の熱流束を、補正温度分布に基づいて熱伝導逆解析により算出する熱流束算出部３２と、を備える。【選択図】図３

Description

この発明は、表面熱流束取得装置、熱処理装置、表面熱流束取得方法、および、プログラムに関する。

物体表面における温度、熱流束、熱伝達・周囲温度などの境界条件から物体内部の温度を推定することが伝熱解析においては一般的に行われている。しかし、冷却・加熱設備を設計するにあたり、例えば、冷却ノズルの径、ピッチ、冷媒流量などの各種仕様を検討する際には、物体内部の温度ではなく、物体表面の温度、熱流束の条件が必要となる。しかし、物体表面の温度や熱流束は、直接的に計測できない場合がある。そのため、上記伝熱解析の順解析とは入出力が逆になる、熱伝導逆解析という解析方法が行われる場合がある。
特許文献１には、容器の側面部に熱電対を配列して、熱電対により計測された温度に基づいて、非定常二次元熱伝導方程式を対象として、熱伝導逆解析を行うことにより、容器内面部の熱流束分布を推定することが記載されている。

特開２００２−２０６９５８号公報

ところで、上述した熱伝導逆解析を行う場合、物体表面の温度、熱流束分布の推定精度は、熱電対の位置、物体の熱物性値（密度、比熱、熱伝導率等）、温度計測のサンプリング周期、温度計測精度に依存する。

ここで、熱伝導逆解析において必要となる温度計測の分解能としては、測定ピッチである空間分解能と、測定周期である時間分解能との２つの分解能がある。空間分解能について説明する。一般に、５００℃を超える温度計測に使用されるシース熱電対の直径は、１ｍｍ以上となる場合が多いが、例えば、物体表面が直径２ｍｍのノズルにより冷却される場合、ノズル直下に熱電対を１点しか設置できないため，温度分布を計測することができない。

さらに、上記熱電対を可能な限り密に配置した場合、多数の熱電対が必要となるため、部品点数が増加して、設置工数およびコストが増加してしまうという課題がある。

一方で、時間分解能については、表面熱流束を高精度、例えば誤差５％以下で推定しようとした場合、計測対象の１／２０程度の時間分解能が必要となる。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、部品点数の増加を抑制して設置工数およびコストの増加を抑制することができるとともに、物体表面の熱流束を熱伝導逆解析により高精度に推定することができる表面熱流束取得装置、熱処理装置、表面熱流束取得方法、および、プログラムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明に係る表面熱流束取得装置は、物体の計測面を撮像して前記計測面の温度分布を検出する温度分布検出部と、前記計測面上に設けられた計測点の絶対温度を検出する温度検出部と、前記温度分布の絶対温度を前記計測点の絶対温度に基づいて補正して補正温度分布を求める補正温度分布演算部と、前記計測面とは離れて配される前記物体の表面の熱流束を、前記補正温度分布に基づいて熱伝導逆解析により算出する熱流束算出部と、を備えている。
このように温度分布検出部により計測面を撮像して温度分布を検出することで、十分な空間分解能、および、十分な時間分解能で物体の計測面の温度を取得することができる。また、温度検出部によって計測点の絶対温度を直接的に計測することで、信頼性の高い計測値を取得することができる。そのため、この信頼性の高い計測値に基づいて、信頼性が相対的に低い温度分布の絶対温度を補正することができる。その結果、温度取得部を密に設置して温度を取得する場合と比較して、部品点数の増加を抑制して設置工数およびコストの増加を抑制することができる。また、温度分布を補正した補正温度分布に基づき熱伝導逆解析を行うことで、物体表面の熱流束をより高精度に推定することが可能となる。

さらに、この発明に係る表面熱流束取得装置は、上記表面熱流束取得装置における前記計測点が、前記表面の熱流束変化による影響が相対的に小さい位置に設けられていてもよい。
このようにすることで、計測面の温度変化が少ない位置の温度を温度検出部によって検出することができるため、熱電対によって温度計測する際の時間遅れなどの影響を低減することができる。その結果、より高精度に物体表面の熱流束を推定することが可能となる。

さらに、この発明に係る表面熱流束取得装置は、上記表面熱流束取得装置における前記計測点が、少なくとも前記温度分布の縁部に配されていてもよい。
このように温度分布の縁部に計測点を配するだけで、物体表面の熱流束変化による影響が相対的に小さい位置に計測点を配することができる。そのため、容易に計測点を設定することができる。

さらに、この発明に係る表面熱流束取得装置は、上記表面熱流束取得装置における前記熱流束算出部が、Space-Marching-Methodを用いて前記熱伝導逆解析を行うようにしてもよい。
例えば、熱伝導逆解析における逆解析領域の分割数（層の数）を適切に選択することで、温度計測位置が物体表面から離れても十分な精度を得ることができる。また、これにより他の熱伝導逆解析手法を用いる場合よりも高応答化できる。

この発明に係る熱処理装置は、前記物体として被熱処理物の熱流束を推定する上記何れか一つの表面熱流束取得装置と、前記被熱処理物に対して熱処理を行う熱処理部と、を備えている。
このようにすることで、熱処理を行う被熱処理物の表面の熱流束を計測面の補正温度分布に基づいて高精度に推定することができるため、効率よく熱処理を行うことが可能になる。

この発明に係る表面熱流束取得方法は、物体の計測面を撮像して前記計測面の温度分布を検出する温度分布検出工程と、前記計測面上に設けられた計測点の絶対温度を検出する温度検出工程と、前記温度分布の絶対温度を前記計測点の温度に基づいて補正して補正温度分布を求める補正温度分布演算工程と、前記計測面とは離れて配される前記物体の表面の熱流束を、前記補正温度分布に基づいて熱伝導逆解析により算出する熱流束算出工程と、を含んでいる。

さらに、この発明に係る表面熱流束取得方法は、上記表面熱流束取得方法における前記熱流束算出工程が、Space-Marching-Methodを用いて前記熱伝導逆解析を行うようにしてもよい。

この発明に係るプログラムは、物体の計測面を撮像して前記計測面の温度分布を検出する温度分布検出工程と、前記計測面上に設けられた計測点の絶対温度を検出する温度検出工程と、前記温度分布の絶対温度を前記計測点の温度に基づいて補正して補正温度分布を求める補正温度分布演算工程と、前記計測面とは離れて配される前記物体の表面の熱流束を、前記補正温度分布に基づいて熱伝導逆解析により算出する熱流束算出工程と、をコンピュータに実行させる。

さらに、この発明に係るプログラムは、上記プログラムにおける前記熱流束算出工程が、Space-Marching-Methodを用いて前記熱伝導逆解析を行うようにしてもよい。

この発明に係る表面熱流束取得装置、熱処理装置、表面熱流束取得方法、および、プログラムによれば、部品点数の増加を抑制して設置工数およびコストの増加を抑制することができるとともに、物体表面の熱流束を熱伝導逆解析により高精度に推定することができる。

この発明の第一実施形態における熱処理装置の概略構成図である。 この発明の第一実施形態における温度分布の計測面と計測点とを示す斜視図である。 この発明の第一実施形態における熱流束取得装置の構成を示すブロック図である。 この発明の第一実施形態における表面熱流束取得装置による表面熱流束取得方法のフローチャートである。 この発明の第二実施形態における計測条件の決定方法のフローチャートである。 時間Ｔ_ｐ／サンプリング周期Δｔに対する最大熱流束の減衰比の変化を示すグラフである。 比較例における距離ｈに対する最大熱流束の比の変化を示すグラフである。 実施例における図７に相当するグラフである。 比較例におけるΔＦｏ・ｎｌ^２を変化させた場合の最大熱流束の比の変化を示すグラフである。 実施例におけるΔＦｏ・ｎｌ^２を適正な一定の値に設定した場合の最大熱流束の比の変化を示すグラフである。

以下、この発明の一実施形態に係る熱流束取得装置、熱処理装置、熱流束取得方法、および、プログラムについて説明する。
図１は、この発明の第一実施形態における熱処理装置の概略構成図である。図２は、この発明の第一実施形態における温度分布の計測面と計測点とを示す斜視図である。
図１に示すように、第一実施形態における熱処理装置１は、被熱処理物である物体Ｂに対して冷却（加熱）処理を行うノズル（熱処理部）２を備えている。
ノズル２は、冷却対象となる物体Ｂに対して冷却水を噴射する。ノズル２は、円形の噴射口３が複数設けられた多孔ノズルである。噴射口３は、物体Ｂの表面４に対向するように配されるとともに、互いに所定の間隔を空けて複数設けられている。この実施形態におけるノズル２の噴射口３の直径は、１０ｍｍ程度とされている。このようなノズル２によって、物体Ｂの表面４に対して、できる限り均一に冷却水が噴射されるようになっている。ここで、物体Ｂの表面４は、平面とされている。また、上述したノズル２から噴射される冷却水の流量は、ノズル２に接続される冷却水供給装置（図示せず）により制御可能とされている。

熱処理装置１は、物体Ｂの表面４における熱流束を取得する表面熱流束取得装置５を更に備えている。表面熱流束取得装置５は、サーモグラフィ（温度分布検出部）６と、熱電対（温度検出部）７と、熱流束演算装置８とを備えている。

サーモグラフィ６は、物体Ｂを撮像することで非接触により物体Ｂの外面における温度分布を取得する。より具体的には、サーモグラフィ６は、物体Ｂから放射される赤外放射エネルギーを検出して、この検出した赤外放射エネルギーを温度に換算して温度分布を作成する。その際に計測面の放射率や形態係数が必要であるため，使用前に対象面を熱電対で計測した温度を用いて校正することが多い。本実施形態は、熱電対を用いてサーモグラフィ６をオンラインで校正する方法である。
この実施形態におけるサーモグラフィ６は、物体Ｂの裏面を計測面９としている。計測面９は、物体Ｂの表面４に対して物体Ｂの厚さ方向に離間した平行平面である。サーモグラフィ６によって作成される温度分布の情報は、熱流束演算装置８へ逐次入力される。

この実施形態におけるサーモグラフィ６は、一般的な性能を有するサーモグラフィである。サーモグラフィ６は、二次元に配列されている赤外線検出素子（図示せず）を有している。図２に示すように、この赤外線検出素子（図示せず）の１画素当たりの撮影範囲（以下、単にメッシュＭと称する）の一辺の長さ（空間分解能）は、サーモグラフィを計測対象に近づけるほど小さくできる。つまり、サーモグラフィと計測対象の距離を近づけることで、温度分布を計測するために十分な空間分解能を持つようにできる。

さらに、サーモグラフィ６のフレームレートすなわち、時間分解能は、使用するサーモグラフィによって異なるため、必要な時間分解能を持つサーモグラフィを選択する。例えば、表面熱流束を誤差５％以下で推定する場合、必要な時間分解能は、冷却時間（周期的に熱処理を行う場合は冷却周期）の１／１０〜１／２０程度である。

熱電対７は、計測面９上に設けられた計測点１０の温度（以下、単に計測点温度と称する）を、計測面９に接触した状態で取得する。計測点１０は、計測面９上の少なくとも一点に設けられている。計測点１０は、表面４の熱流束の変化による影響が相対的に小さい位置に設けられている。この表面４の熱流束の変化による影響が相対的に小さい位置とは、熱流束の変化による影響が少ないことが予め想定できる箇所であればよい。熱流束の変化による影響が少ないことが予め想定できる箇所としては、例えば、計測面９の温度分布の縁部近傍等を挙げることができる。

ここで、計測点１０を１つ設ける場合を一例に説明したが、上記計測点１０の設置数は、１つに限られない。例えば、熱電対７を、温度分布の中央部、および、縁部など、２カ所以上に設けても良い。この場合、熱電対７の数は、サーモグラフィ６による撮像を妨げない程度であることが好ましい。熱電対７は、熱電対７毎に予め定められた測定周期で測定を行う。熱電対７による測定結果は、表面熱流束取得装置５へ順次入力される。

図３は、この発明の第一実施形態における表面熱流束取得装置５の構成を示すブロック図である。
この実施形態における熱流束演算装置８は、上述した物体Ｂの計測面９における温度分布と計測点１０の温度とに基づいて、物体Ｂの表面における熱流束を算出する。この実施形態における熱流束演算装置８は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの汎用のコンピュータからなる。

図３に示すように、熱流束演算装置８は、ディスプレイなどの表示装置１３、および、キーボードやマウスなどの操作装置１４が接続される入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）１５を備えている。また、熱流束演算装置８は、ワークエリア等として利用されるメモリ１６と、ディスク型記憶媒体Ｄｓに対してデータの記憶処理や再生処理を行う記憶／再生装置１７と、ハードディスクドライブ装置等の補助記憶装置１８と、各種制御処理を行う制御装置１９と、インターネットなどを介して外部のネットワークＮｔ等に接続可能な通信インターフェース（Ｉ／Ｆ）２０と、を更に備えている。また、熱流束演算装置８は、サーモグラフィ６が接続されるサーモグラフィインターフェース（Ｉ／Ｆ）２１と、熱電対７が接続される熱電対インターフェース（Ｉ／Ｆ）２２とを更に備えている。

補助記憶装置１８は、温度分布記憶部４１と、計測点温度記憶部４２と、補正温度分布記憶部４３と、演算プログラム記憶部４４と、ＯＳプログラム記憶部４５と、を主に備えている。

温度分布記憶部４１は、サーモグラフィインターフェース２１を介して入力された温度分布の情報を記憶する記憶領域である。
計測点温度記憶部４２は、熱電対インターフェース２２を介して入力された計測点温度を、記憶する記憶領域である。例えば、計測点１０が複数ある場合、計測点温度記憶部４２は、各計測点１０が配置されている位置情報と関連付けた状態で記憶する。
補正温度分布記憶部４３は、補正温度分布演算部３１（後述する）の演算結果である補正温度分布を記憶する記憶領域である。

演算プログラム記憶部４４は、制御装置１９で実行する演算プログラムを記憶する記憶領域である。
ＯＳプログラム記憶部４５は、ＯＳ（Operating System）プログラムを予め記憶する記憶領域である。

演算プログラム、および、ＯＳプログラムは、例えば、ディスク型記憶媒体Ｄｓから記憶／再生装置１７を介して補助記憶装置１８へ記憶される。ここで、演算プログラムと、ＯＳプログラムとを補助記憶装置１８へ記憶させる方法は、上記方法に限られない。演算プログラム、および、ＯＳプログラムは、例えば、通信インターフェース２０を介して外部の装置から補助記憶装置１８へ記憶させるようにしてもよい。

制御装置１９は、各種演算を行うＣＰＵ（Central Processing Unit；図示せず）を備えている。制御装置１９は、演算プログラムを実行することで実現される複数の機能部として、温度分布取得部２９と、温度取得部３０と、補正温度分布演算部３１と、熱流束算出部３２と、を備えている。

温度分布取得部２９は、温度分布の情報を取得する。より具体的には、温度分布取得部２９は、補助記憶装置１８の温度分布記憶部４１から温度分布の情報を取得する。さらに、温度分布取得部２９は、取得した温度分布の情報を補正温度分布演算部３１へ出力する。

温度取得部３０は、計測点温度の情報を取得する。より具体的には、温度取得部３０は、補助記憶装置１８の計測点温度記憶部４２から計測点温度の情報を取得する。さらに、温度取得部３０は、取得した計測点温度の情報を補正温度分布演算部３１へ出力する。

補正温度分布演算部３１は、温度取得部３０から入力される計測点温度に基づいて、温度分布取得部２９から入力される温度分布を補正することで、補正温度分布を求める。より具体的には、補正温度分布演算部３１は、計測点１０が存在する温度分布上の一つのメッシュＭにおける代表温度が計測点温度となるように補正する。さらに、補正温度分布演算部３１は、温度分布における計測点１０を含まないメッシュＭに対しても、代表温度と計測点温度との差分に基づいて補正を行う。

ここで、計測点１０が複数のメッシュＭを跨いで配される場合には、例えば、計測点１０が最も多く含まれる一つのメッシュＭを選択して、その代表温度を計測点温度となるように補正してもよい。また、計測点１０が複数存在する場合には、各計測点１０に対応する各メッシュＭの代表温度が各計測点温度となるように補正を行い、計測点１０を含まないメッシュＭに対しても、上記代表温度と計測点温度との各差分に基づいて補正を行うようにしてもよい。

熱流束算出部３２は、補正温度分布に基づいて物体Ｂの表面４の熱流束を算出する。より具体的には、熱流束算出部３２は、物体Ｂの表面４の熱流束を、補正温度分布に基づいて、非定常熱伝導方程式を用いた三次元熱伝導逆解析により算出する。熱流束算出部３２には、三次元熱伝導逆解析に必要となる情報、例えば、物体Ｂの熱伝導率、密度、比熱、計測面の熱伝達率や周囲温度等が、操作装置１４などからユーザにより予め入力される。この実施形態においては、三次元熱伝導逆解析により表面４の熱流束を算出するが、一次元熱伝導逆解析を用いても良い。但し、熱流束算出部３２により算出される熱流束の精度の点においては、三次元熱伝導逆解析を用いた方が有利となる。

ここで、三次元熱伝導逆解析は、二次元熱伝導逆解析からそのまま拡張できる。二次元熱伝導逆解析については、例えば「庄司正弘，伝熱工学，東京大学出版会，1995，P.92」などに記載された手法を用いることができる。

熱流束算出部３２は、算出した熱流束の情報を、入出力インターフェース１５を介して表示装置１３へ出力する。これにより表示装置１３は、熱流束の情報を画面上に表示する。ここで、熱流束算出部３２による算出結果は、表示装置１３へ表示する場合に限られない。ユーザが認識可能な出力形態であればよく、例えば、算出した熱流束の情報を、プリンタ（図示せず）を介して紙面に印刷したり、通信インターフェース２０を介して携帯端末に出力したりするようにしても良い。

この第一実施形態における表面熱流束取得装置５は、上述した構成を備えている。次に、この表面熱流束取得装置５による表面熱流束取得方法について図面を参照しながら説明する。
図４は、この発明の第一実施形態における表面熱流束取得装置５による表面熱流束取得方法のフローチャートである。

まず、表面熱流束取得装置５は、温度分布検出工程としてサーモグラフィ６による温度分布を検出する（ステップＳ０１）。さらに、表面熱流束取得装置５は、温度検出工程として、計測点温度を検出する（ステップＳ０２）。
ここで、図４においては、図示都合上温度分布を検出した後に計測点温度を検出するように記載しているが、実際には、温度分布および計測点温度は、サーモグラフィ６および熱電対７の各測定周期で連続して検出される。

次に、表面熱流束取得装置５は、補正温度分布演算工程として、温度分布の温度（絶対温度）を計測点温度（計測点の絶対温度）に基づいて補正して補正温度分布を求める（ステップＳ０３）。つまり、表面熱流束取得装置５は、通常計測前に行うサーモグラフィ６の校正をオンラインで行っている。放射率は温度によって異なるため、オンラインで校正することで事前に校正しただけの場合より温度分布を高精度に計測できる。

さらに、表面熱流束取得装置５は、熱流束算出処理（熱流束算出工程）として、補正温度分布に基づいて物体Ｂの表面４の熱流束を算出する（ステップＳ０４）。より具体的には、補正温度分布における各メッシュＭの代表温度に基づいて、非定常の３次元熱伝導方程式を用いた差分近似等により熱伝導逆解析を行い、物体Ｂの表面４の熱流束を算出する。
また、表面熱流束取得装置５は、熱流束の算出結果を、表示装置１３に表示させ（ステップＳ０５）、上述した一連の制御処理を一旦終了（リターン）する。

したがって、上述した第一実施形態によれば、サーモグラフィ６により計測面９を撮像して温度分布を検出することで、十分な空間分解能、および、十分な時間分解能で物体Ｂの計測面９の温度を取得することができる。
また、熱電対７によって計測点１０の絶対温度を直接的に計測することで、絶対温度をオンラインで取得することができる。そのため、この絶対温度に基づいて、サーモグラフィ６による温度分布をオンラインで校正することができる。その結果、熱電対７を密に設置して温度を取得する場合と比較して、部品点数の増加を抑制して設置工数およびコストの増加を抑制することができる。さらに、温度分布を補正した補正温度分布に基づき熱伝導逆解析を行うことで、物体Ｂの表面４の熱流束をより高精度に推定することが可能となる。

さらに、計測面９の温度変化が少ない位置の温度を熱電対７によって検出することができるため、熱電対７によって温度計測する際の時間遅れなどの影響を低減することができる。その結果、より高精度に物体表面の熱流束を推定することが可能となる。
また、温度分布の縁部に計測点１０を配するだけで、物体Ｂの表面４の熱流束変化による影響が相対的に小さい位置に計測点１０を配することができる。そのため、計測点の設定を容易に行うことができる。

また、被熱処理物である物体Ｂの表面４の熱流束を計測面９の補正温度分布に基づいて高精度に推定することができるため、推定された熱流束に基づきノズル２による物体Ｂの冷却処理を行うことで、この実施形態における物体Ｂの熱処理を効率よく行うことが可能になる。

次に、この発明の第二実施形態について説明する。この第二実施形態は、熱伝導逆解析の手法として、Space-Marching-Methodを用いる点が上述した第一実施形態と異なっている。そのため、図１から図３を援用して、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して重複説明を省略する。

ここで、上述した第一実施形態の説明で挙げた熱伝導逆解析の手法の一例は、物体の温度計測位置が表面から離れるほど表面熱流束の変化に対する感度が低下し，時間遅れの誤差が増大する。このような誤差を低減するためには、物体Ｂの表面４から計測面９までの距離はできるだけ小さくする必要がある。しかし、表面４に対する計測面９の位置は容易に変更できない場合が多い。そこで、この発明の第二実施形態は、熱流束算出部３２により行う熱伝導逆解析の手法として、Space-Marching-Methodを用いる。

Space-Marching-Methodは、物体Ｂの計測面９から物体Ｂの表面４までの領域を多層に分割し、各層の境界における温度、熱流束を順次推定する手法である。Space-Marching-Methodは、層の数（層の厚さ）を適切に調整して１層分の熱伝導逆解析の推定誤差を最小にし、物体Ｂの表面４に向かって熱伝導逆解析を繰り返すことで物体Ｂの表面４の熱流束を推定する。そのため、表面４と計測面９との距離を変更せずとも物体Ｂの表面４から計測面９までの距離に起因する表面熱流束の推定誤差を低減可能となる。

次に、この第二実施形態における、上述したSpace-Marching-Methodを行う場合の計測条件の決定方法について図５のフローチャートを参照しながら説明する。
図５は、この発明の第二実施形態における計測条件の決定方法のフローチャートである。
図５に示すように、まず、表面熱流束取得装置５は、表面熱流束の許容誤差を設定する（ステップＳ１１）。この実施形態においては、許容誤差を５％以下とする。

次に、サーモグラフィ６による温度計測のサンプリング周期Δｔを選定する（ステップＳ１２）。サンプリング周期Δｔは、物体Ｂの表面４の熱流束変化が生じる時間（周期）Ｔｐ、最大熱流束の減衰比との関係（図６参照）から決定する。ここで、最大熱流束の減衰比とは、物体Ｂの表面４の熱流束の真値ｑに対する、計測された温度（補正温度分布）に基づく物体Ｂの表面４の熱流束ｑｅｓｔの減衰比である。また、時間Ｔｐは、温度計測の結果から見出せる値であり、この実施形態においては、計測対象の物体Ｂに関する既存データや、計測対象の物体Ｂを備える装置の運転条件等から予測した値を用いる。

この第二実施形態の一例においては、物体Ｂの表面４の熱流束変化が生じる時間Ｔ_ｐを１（ｓｅｃ）程度とする。この場合、サンプリング周期Δｔは、図６よりＴｐ／Δｔ≧２０とすれば、Δｔ≦Ｔｐ／２０＝０．０５（ｓｅｃ）となるため、０．０５（ｓｅｃ）を選定する。

次に、Space-Marching-Methodによる逆解析領域の分割数ｎｌを選定して（ステップＳ１３）、上述した一連の制御処理を一旦終了する。この分割数ｎｌの選定は、まず上記ステップＳ１２で選定したサンプリング周期Δｔ、物体Ｂの表面４から計測面９までの距離ｈから無次元時間刻みΔＦｏを求める。また、１≦Ｆｏ・ｎｌ^２≦２となるように逆解析領域の適正な分割数ｎｌを選定する。ここで、上記無次元時間刻みΔＦｏは、ΔＦｏ＝ａΔｔ／ｈ^２と表すことができる。この第二実施形態の一例においては、ΔＦｏ＝１．０×１０^−５×０．０５／（０．００１６）^２＝０．２０、ｎｌ＝（１／０．２）^０．５〜（２／０．２）^０．５＝２．２〜３．２となるから、分割数ｎｌとしては「３」を選定する。

上記計測条件の決定方法により、第二実施形態の表面熱流束取得装置５は、サーモグラフィ６によるサンプリング周期を０．０５ｓｅｃ以下として温度計測ができるようにセッティングされる。

図７、図８は、縦軸を最大熱流束の比（ｑｅｓｔ／ｑ）、横軸を距離ｈ（ｍ）としたグラフである。ここで、最大熱流束の比が「１．０」となるのは、物体Ｂの表面４の熱流束の真値ｑに対する、計測された温度に基づく物体Ｂの表面４の熱流束ｑｅｓｔの減衰がない、つまり、誤差が無い場合である（図９、図１０も同様）。すなわち、熱流束ｑｅｓｔの推定誤差が小さいほど最大熱流束の比は「１．０」に近づくこととなる。

図７は、熱伝導逆解析の分割数ｎｌを適正化していない場合（例えば、ｎｌ=８に固定）の比較例を示している。図７に示すように、分割数ｎｌを適正化していない場合、距離ｈが長くなると、最大熱流束の比が大きく低下してしまう。言い換えれば、物体Ｂの表面４の熱流束の真値ｑに対する、計測された温度に基づく物体Ｂの表面４の熱流束ｑｅｓｔの減衰が大きくなっている。つまり、分割数ｎｌを適正化していない場合には、距離ｈをできるだけ物体Ｂの表面４に近づけて配置する必要が生じる。

これに対して図８は、上述した計測条件の決定方法により熱伝導逆解析の分割数ｎｌを適正化した場合（例えば、ΔＦｏ・ｎｌ^２≒１．７になるようにｎｌを変更）の実施例を示している。図８に示すように、距離ｈに関わらず、最大熱流束の比が０．９以上となっている。つまり、分割数ｎｌを適正化することで、距離ｈにかかわらず、誤差の少ない熱流束逆解析による解析結果を得ることが可能となる。

図９、図１０は、縦軸を最大熱流束の比（ｑｅｓｔ／ｑ）、横軸を無次元時間刻みΔＦｏと分割数ｎｌの二乗との積ΔＦｏ・ｎｌ^２（以下、単にΔＦｏ・ｎｌ^２と称する）としたグラフである。
図９は、熱伝導逆解析の分割数ｎｌを適正化せず変化させた場合の比較例を示している。図９に示すように、ΔＦｏ・ｎｌ^２が「１」を下回る範囲になると、その値が小さくなるほど、最大熱流束の比が０．９以下に低下し、表面熱流束の予測精度が急激に悪化する。従って、ΔＦｏ・ｎｌ^２が「１」以上となるようにｎｌを選択するとよい。
ここで、ΔＦｏ・ｎｌ^２が「１」から「２」程度となるように、ｎｌを選択すれば、少ない層数で十分な予測精度が得られるため、効率的な計算ができる。

これに対して図１０は、上述した計測条件の決定方法により熱伝導逆解析の分割数ｎｌを適正化した場合（例えば、ｎｌ=１．７）の実施例を示している。図１０に示すように、ΔＦｏ・ｎｌ^２が適正な一定の値となっていることで、最大熱流束の比が０．９以上となる。つまり、分割数ｎｌを適正化することで、誤差の少ない熱流束逆解析による解析結果を得ることが可能となる。

したがって、上述した第二実施形態によれば、Space-Marching-Methodによる熱伝導逆解析の逆解析領域における分割数ｎｌを適切に選択することで、計測面９が物体Ｂの表面４から離れても十分な精度を得ることができる。また、これにより他の熱伝導逆解析手法を用いる場合よりも高応答化することができる。

この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。

上述した各実施形態においては、熱電対７としてシース熱電対を用いる場合について説明したが、熱電対７は、シース無しの熱電対を用いても良い。さらに、上述した各実施形態においては、熱電対７を用いて計測点１０の絶対温度を検出する場合について説明した。しかし、この発明の温度検出部は、熱電対７に限られるものではない。サーモグラフィ６による撮影を妨げずに、絶対温度検出が可能な温度センサであればよい。

上述した各実施形態においては、コンピュータ読み取り可能なディスク型記憶媒体Ｄｓを記憶媒体として説明した。しかし、記憶媒体は、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、等のディスク型に限られず、半導体メモリ３７等の記憶媒体を用いても良い。また、コンピュータプログラムは、通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

さらに、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。また、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

１ 熱処理装置
２ ノズル
３ 噴射口
４ 表面
５ 表面熱流束取得装置
６ サーモグラフィ（温度分布検出部）
７ 熱電対（温度検出部）
８ 熱流束演算装置
９ 計測面
１０ 計測点
１３ 表示装置
１４ 操作装置
１５ 入出力インターフェース
１６ メモリ
１７ 記憶／再生装置
１８ 補助記憶装置
１９ 制御装置
２０ 通信インターフェース
２１ サーモグラフィインターフェース
２２ 熱電対インターフェース
２９ 温度分布取得部
３０ 温度取得部
３１ 補正温度分布演算部
３２ 熱流束算出部
４１ 温度分布記憶部
４２ 計測点温度記憶部
４３ 補正温度分布記憶部
４４ 演算プログラム記憶部
４５ ＯＳプログラム記憶部
Ｂ 物体
Ｍ メッシュ

Claims (9)

1. 物体の計測面を撮像して前記計測面の温度分布を検出する温度分布検出部と、
   前記計測面上に設けられた計測点の絶対温度を検出する温度検出部と、
   前記温度分布の絶対温度を前記計測点の温度に基づいて補正して補正温度分布を求める補正温度分布演算部と、
   前記計測面とは離れて配される前記物体の表面の熱流束を、前記補正温度分布に基づいて熱伝導逆解析により算出する熱流束算出部と、
   を備える表面熱流束取得装置。
2. 前記計測点は、前記表面の熱流束変化による影響が相対的に小さい位置に設けられている請求項１に記載の表面熱流束取得装置。
3. 前記計測点は、少なくとも前記温度分布の縁部に配される請求項１又は２に記載の表面熱流束取得装置。
4. 前記熱流束算出部は、Space-Marching-Methodを用いて前記熱伝導逆解析を行う請求項１から３の何れか一項に記載の表面熱流束取得装置。
5. 前記物体として被熱処理物の熱流束を推定する請求項１から４の何れか一項に記載の表面熱流束取得装置と、
   前記被熱処理物に対して熱処理を行う熱処理部と、を備える熱処理装置。
6. 物体の計測面を撮像して前記計測面の温度分布を検出する温度分布検出工程と、
   前記計測面上に設けられた計測点の絶対温度を取得する温度検出工程と、
   前記温度分布の絶対温度を前記計測点の絶対温度に基づいて補正して補正温度分布を求める補正温度分布演算工程と、
   前記計測面とは離れて配される前記物体の表面の熱流束を、前記補正温度分布に基づいて熱伝導逆解析により算出する熱流束算出工程と、
   を含む表面熱流束取得方法。
7. 前記熱流束算出工程は、Space-Marching-Methodを用いて前記熱伝導逆解析を行う請求項６に記載の表面熱流束取得方法。
8. 物体の計測面を撮像して前記計測面の温度分布を検出する温度分布検出工程と、
   前記計測面上に設けられた計測点の絶対温度を検出する温度検出工程と、
   前記温度分布の絶対温度を前記計測点の温度に基づいて補正して補正温度分布を求める補正温度分布演算工程と、
   前記計測面とは離れて配される前記物体の表面の熱流束を、前記補正温度分布に基づいて熱伝導逆解析により算出する熱流束算出工程と、
   をコンピュータに実行させるプログラム。
9. 前記熱流束算出工程は、Space-Marching-Methodを用いて前記熱伝導逆解析を行う請求項８に記載のプログラム。

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