JP2017067767A - 温度較正器および温度較正器の冷却および加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広い温度範囲に渡る精密な温度設定を可能にする温度較正器を提供する。
【解決手段】温度較正器は、その中に較正されるべき温度センサが挿入されることができる少なくとも１つの温度調節されるべき較正容積、１つまたは複数の熱伝導体を介して較正容積と熱接触をする少なくとも１つの温度調節手段、上記の較正容積と熱接触をする少なくとも１つの温度センサ、および少なくとも１つの温度調節手段および少なくとも１つの温度センサと電気的に接続された少なくとも１つの電気的制御手段を含み、温度較正器装置がさらに少なくとも１つの磁気熱量材料および少なくとも１つの磁場生成装置を含む。
【選択図】なし

Description

本発明は温度センサの構成のための温度構成器装置に関する。

工業および研究において使用されている温度センサの大多数は二次温度計である。それはつまり例えば熱電対または温度依存性の抵抗を含む該当温度センサが、少なくともそれらの最初の使用の前および多くは使用の途中にも繰り返し較正されなければならないということである。その上、比較工程で較正されるべき温度センサが温度を安定化する炉または槽の中で標準温度計と比較される。該当する較正容積を設定可能な恒常的目標温度に調節する持ち運び可能な装置が米国特許第３９３９６８７号明細書（特許文献１）から公知である。

標本の較正容積への最適な熱的結合を保証するために、異なる検査されるべきあるいは較正されるべき温度センサに適合した埋め金が固体として温度較正器の較正容積に挿入される。これらの埋め金は較正容積を大幅に塞ぎ、その中に較正されるべき温度センサを挿設することができる空所を有する。較正容積内の可能な限り恒常的な空間的温度配分を達成するため、乾燥ブロック温度較正器の場合には埋め金が、あるいは温度較正槽の場合には較正媒体が可能な限り高い熱伝導性を有する。

そのことから独国特許出願公開第１０２０１００１０６１８号明細書（特許文献２）から冷却装置および／または冷凍装置の１部分または１構成要素の温度検出のための温度センサを有する冷却装置および／または冷凍装置が公知である。ここでセンサは磁気熱量材料を有するか、または少なくとも部分的にそのような材料から成る。

さらなる従来技術として独国特許出願公開第１１２００６００１６２８Ｔ５号明細書（特許文献３）は、形状復元能力のある強磁性形状記憶合金を説明する。ここで形状復元は実際の温度範囲中の磁場に誘起される逆変換による磁気変化を伴う。

較正容積は使用者に設定される目標温度に調節されるべきであるため、較正容積を取り巻く熱伝導体を介して、その中に例えば挿設された温度センサを有する埋め金が存在する較正容積から熱を奪いまたはそれに熱を加えることができる。この熱伝導体は持ち運び可能な較正器の場合、典型的に金属ブロックによって製造され、独国実用新案第２０２００５００６７１０号明細書（特許文献４）が説明するように、例えばペルチェ素子のような冷却手段および例えば抵抗加熱器のような加熱手段と熱接触をする。

米国特許第３９３９６８７号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００１０６１８号明細書 独国特許出願公開第１１２００６００１６２８Ｔ５号明細書 独国実用新案第２０２００５００６７１０号明細書

較正容積の温度設定のために例えばペルチェ素子のような冷却手段および例えば抵抗加熱器のような加熱手段が電気的に電気制御手段と接続される。そのためこの制御手段は電気的に較正容積と熱接触をする少なくとも１つの温度センサと電気的に接続され、温度調節手段の回線の適応する制御によって較正容積の温度を調節する。この回線制御による温度調節の応答時間は加熱作動においても冷却作動においても非常に長い。加熱作動において熱はまず加熱手段によって生成されなければならず、その後に典型的に温度較正器の金属ブロックによって成形される熱伝導体を介して較正容積に輸送される。そのとき熱輸送は加熱手段と較正容積の間の温度勾配に基づいて行われる。冷却作動において熱はまず冷却手段によって温度較正器の周囲に汲み出されなければならない。それに続く較正容積から典型的に温度較正器の金属ブロックによって成形される熱伝導体を介して冷却手段に送られる熱輸送は、再び加熱手段と較正容積の間の該当する温度勾配に基づいて行われる。本発明は、加熱作動中実質的におよび冷却作動中完全に熱輸送に基づく、較正容積の温度変化のこの緩慢な原理を、較正容積の温度変化のより迅速な原理に替えることを課題とする。

そのために本発明では磁気熱量材料が較正容積との熱接触の中および温度較正器の磁場生成装置によって生成された磁場の中にある。材料が晒される磁場の強度が変化するとき磁気熱量材料の温度が変化することは知られている。磁場強度の上昇は磁気熱量材料の温度の上昇をもたらす。逆に磁場強度の低減は温度の下降をもたらす。両方の場合に熱は輸送されず、工程の速度は実質的に磁場変化の速度によって決まる。適応する磁気熱量材料および相応な強度の磁場変化の選択は本発明の構造によって１秒以内に４ケルビンまでの温度較正器中の温度変化を実現する。

本発明の構造のためには、−７０℃〜＋５０℃の範囲の少なくとも１つの温度で磁気熱量効果が設計された磁場１テスラ毎の温度上昇が１ケルビンより大きい磁気熱量材料が特に適している。そのため本発明の好適な実施形態では磁気熱量材料としてガドリニウム、ガドリニウム合金およびマンガンまたは鉄を含む合金が使用される。

本発明の温度較正器の磁場生成装置は永久磁石、電気磁石またはその２つの組み合わせから成ることができる。磁気熱量材料が晒される磁場の強度の設定のため、一実施形態では永久磁石または電気磁石の磁気熱量材料に相関的な位置あるいは方向付けを設定できる。そのため例えば較正器の制御手段が電気的にステッパモータあるいは機械的に１つあるいは複数の磁石と接続されるリニアモータと接続されることができる。好適な実施形態では、強力な永久磁石の位置あるいは方向付けの変化により１テスラより大きな磁束密度で、磁気熱量材料の温度がおおまかに、しかし大幅な温度上昇をもって予め設定される。おおまかな設定とはここでは較正容積の温度がおおまかな設定により例えばさらに２５０ミリケビンまで所望の目的温度を逸脱しうる。目標温度をより少なく逸脱する数値での較正容積の精密な設定のために、好適な実施形態では、磁場生成装置の電気磁石が電気的に較正器の制御手段と接続される。すると制御手段は電気磁石のコイル電流の設定を介して磁場およびそれによって磁気熱量材料の温度も迅速に非常に精密に制御できる。較正器の磁場生成装置中での永久磁石および電気磁石を組み合わせた使用は、複雑な超伝導コイルの使用なしに広い温度範囲に渡る精密な温度設定を可能にするため、磁場およびそれとともに磁気熱量材料の温度の設定を介する較正容積の温度の本発明の設定は持ち運び可能な温度較正器にさえ可能である。

本発明の好適な実施形態では磁気熱量材料が較正装置の熱伝導体中にある。これは例えば熱伝導体を成形する金属ブロックの少なくとも部分が磁気熱量金属または磁気熱量合金から成ることによって実現できる。

特に好適な実施形態では磁気熱量材料が較正されるべき温度センサと直接の接触中にある。さらに例えば異なるセンサ直径に適合する、金属ブロックの中に挿設できる埋め金が磁気熱量金属または磁気熱量合金から成る。

例えば“Ｏｎ ｔｈｅ Ｃｕｒｉｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔ“，Ｊ．Ｈ．Ｂｅｌｏ，Ｊ．Ｓ．Ａｍａｒａｌ，Ａ．Ｍ．Ｐｅｒｅｉｒａ，Ｖ．Ｓ．Ａｍａｒａｌ ａｎｄ Ｊ．Ｐ．Ａｒａｕｊｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１００（２４），２４２４０７（２０１２）に参照されるように、特定の材料の磁気熱量効果はこの材料のキュリー温度の環境で最大であるため、本発明の較正装置では、そのそれぞれのキュリー温度が較正装置にとって設定可能な目標温度の範囲内にある磁気熱量材料が使用される。本発明の好適な実施形態では異なる目標温度範囲に異なる埋め金が割り当てられ、埋め金が少なくとも部分的にこれから成るとところの磁気熱量材料のキュリー温度がこれに属する目標温度範囲内にある。較正容積の予め設定された目標温度のためのどの磁気熱量埋め金が磁気温度調節のために最適かという割り当ては、好適には温度較正器の不揮発性メモリに保存されるため、温度較正器が目標温度の設定後、可能な限り適合した磁気温度調節を可能にするために、どの埋め金が温度較正器に挿入されたかを表示装置に表示することができる。そのために可能な埋め金を例えば１つまたは複数の数字または文字列によって符号化することができる。代換的に埋め金は直接それらにそれぞれ割り当てられた目標温度範囲によっても符号化されることができる。

本発明の迅速な磁気温度調節によって達せられる温度範囲を拡大するために、従来技術から公知のすでに説明された、例えばペルチェ素子を金属ブロックの外面上に使用するような熱輸送に基づいた温度調節原理は、磁気温度調節と組み合わせることができる。迅速な冷却のための好適な実施形態では、まず磁場の強化による磁気温度調節を使って、例えば金属ブロック較正器の埋め金の中にある磁気熱量材料の温度を上昇させる。それによって熱はペルチェ素子を通じて明確により効率的かつより迅速に、その中に本発明の加熱された埋め金がある較正容積から汲み出されることができる。それは温度勾配が少なくとも最初に較正容積から外に排出されるためである。その後較正容積が（例えば４ケルビンの）目標温度に達する前に、埋め金の磁気熱量材料がそれに晒されるところの磁場強度の減少により、非常に速く特に非常に制御されて所望の目標温度に設定されることができる。なぜなら磁気温度調節が直接、ほぼ消失する応答時間で較正容積中の磁気熱量埋め金の温度を変化させるためである。それによって特に目標温度約２ケルビンの環境で精密な設定をするために、本発明の磁気温度調節は緩慢で長い応答時間のため調節困難でもある熱輸送に基づいた温度調節原理を補助することができる。

従来技術から公知の熱輸送に基づいた温度調節手段ではペルチェ素子が頻繁に使われる。そのときペルチェ素子による電流の方向が、温度調節手段が加熱手段としてかまたは冷却手段として使用されるかを決定する。ペルチェ素子を使った温度較正器の較正容積の熱輸送に基づいた冷却において不利であるのは、効率の低さおよび動作電流に対して不均衡に上昇するオーム熱損失のために限定される実質的な冷却能力である。

本発明のさらなる実施形態では、すでに説明された磁気冷却の原理も温度較正器の少なくとも１つの熱輸送に基づいた温度調節手段の中で利用される。磁気冷却の際、オーム熱の生成が最小化されるため、磁気熱量材料の使用は特に較正装置の冷却手段において有利である。オーム熱は従来技術から公知のペルチェ素子の励磁による冷却の際に実質的に生成される。

本発明により磁気熱量材料および磁場装置を含む温度較正器の磁気冷却手段を使って、熱を冷却すべき対象、例えば較正容積から汲み上げ、加熱されるべき対象、例えば周囲の空気または温度較正器の冷却フィンの中に輸送するために、本発明の冷却手段は作動中周期的な冷却機として磁気熱量効果を利用して本発明で次のような工程段階を周期的に提示される順に行う：
１．加熱されるべき対象と磁気熱量材料との間の熱接触が確立され、磁気熱量材料は高い磁界強度の磁場Ｈ１の中にあり、冷却されるべき対象との熱接触はないかまたは僅かのみである。
２．加熱されるべき対象と磁気熱量材料との間の熱接触が解消されるかまたは少なくとも減少する。
３．磁気熱量材料が僅かな磁界強度の磁場Ｈ０に晒され、Ｈ０はＨ１より小さい。好適にはＨ０＝０Ａ／ｍ。
４．冷却されるべき対象と磁気熱量材料との間の熱接触が確立され、磁気熱量材料は引き続き僅かな磁界強度の磁場Ｈ０の中にあり、加熱されるべき対象との熱接触はないかまたは僅かのみである。
５．冷却されるべき対象と磁気熱量材料との間の熱接触が解消されるかまたは少なくとも減少する。
６．磁気熱量材料は再び高い磁界強度の磁場Ｈ１に晒され、Ｈ１はＨ０より大きい。

冷却すべき対象の温度が約デルタ＿Ｔ以上加熱されるべき対象より冷たい限り、本発明によりそのようにして熱が冷却すべき対象から加熱されるべき対象に汲み取られあるいは輸送される。そのときデルタ＿Ｔは工程３に生じる磁場の弱化のための磁気熱量材料の温度低下である。

本発明の温度較正器の磁気冷却手段は、磁気熱量効果を利用して上記の工程段階が周期的に逆の順序で実施されることによって、加熱手段としても作動することもできる。

環境温度に対してまたは別の方法によって予め冷却された容積の温度に対して−７０Ｋ以上の総温度差に達するために、本発明の磁気温度調節手段の好適な実施形態では複数の磁気冷却手段が直列に配列され作動されるため、較正容積から排出されるべき熱は次々に前述の磁気冷却手段によって輸送される。そのとき１つの単一の前述の手段が、総じて−７０Ｋ以上の温度差に達するために僅かなケルビンの温度差のみを保持しなければならない。

すでに言及したように、特定の材料の磁気熱量効果はこの材料のキュリー温度の環境で最大であるため、本発明の温度較正装置の磁気冷却手段の中には好適に、そのキュリー温度が作業温度の環境の中に、すなわち作動中の冷却手段の熱い側と冷たい側の温度の間にある磁気熱量材料が使用される。

直列する複数の冷却手段の作動の際、この冷却手段の作業温度は、（周囲と熱接触をする冷却手段の場合）例えば２０℃から、（較正容積と熱接触をする冷却手段の場合）較正装置の較正容積の少なくとも例えば−５０℃の最低目標温度まで達する大きな温度間隔中にある。そのため持ち運び可能な温度較正器の直列で作動する磁気温度調節手段の中では好適には異なるキュリー温度を有する磁気熱量材料が使用される。

本発明の磁気冷却手段の実施形態では、冷却されるべき対象または加熱されるべき対象と磁気熱量材料との間の熱接触が、対象および磁気熱量材料が相互押圧によって解消可能な材料接触がなされることによって確立される。

好適な実施形態では磁気熱量材料と対象の間の熱接触が、流体が磁気熱量材料を通り、対象を通りまた再び戻って磁気熱量材料を通って汲み出されることで確立されあるいは向上される。

複数の冷却手段を有する持ち運び可能な温度較正器の好適な実施形態では提示された工程段階１から６が冷却手段により同期で行われる。

Claims (10)

1. 温度較正器装置が、
   − その中に較正されるべき温度センサが挿入されることができる少なくとも１つの温度調節されるべき較正容積、
   − １つまたは複数の熱伝導体を介して前記較正容積と熱接触をする少なくとも１つの温度調節手段、
   − 上記の較正容積と熱接触をする少なくとも１つの温度センサ、
   − および前記少なくとも１つの温度調節手段および前記少なくとも１つの温度センサと電気的に接続された少なくとも１つの電気的制御手段を含み、
   前記温度較正装置が、さらに少なくとも１つの磁気熱量材料および少なくとも１つの磁場生成装置を含むことを特徴とする温度センサの較正のための温度較正器装置。
2. 全記磁気熱量材料が１テスラの磁場強化毎に１ケルビン以上の温度上昇を示す磁気熱量効果を有することを特徴とする請求項１に記載の温度較正器。
3. 上記の磁気熱量材料が３重量％以上のガドリニウム、マンガンまたは鉄を含有することを特徴とする請求項１に記載の温度較正器。
4. 上記の磁場生成装置が電気的に上記の制御手段と接続され、上記の磁場生成装置が、それに上記の磁気熱量材料が晒されるところの前記磁場を前記制御手段によって制御し設定するように設計されることを特徴とする請求項１に記載の温度較正器。
5. 上記の磁場生成装置がその位置および／または方向付けが電気モータを使って制御手段によって変更されることができる少なくとも１つの永久磁石を含むことを特徴とする請求項４に記載の温度較正器。
6. 上記の磁場生成装置が、そのコイル電流が前記制御手段によって調節される少なくとも１つの電磁気を含むことを特徴とする請求項４に記載の温度較正器。
7. 上記の熱伝導体または少なくとも１つの前記較正容積に挿入可能な埋め金が少なくとも部分的に磁気熱量金属または少なくとも部分的に磁気熱量材料合金から成ることを特徴とする請求項１に記載の温度較正器。
8. 前記温度較正器が、その中に前記較正容積の設定された目標温度のためのどの磁気熱量埋め金が最も磁気温度調節に適しているかが保存されることのできる不揮発性メモリを含むことを特徴とする請求項７に記載の温度較正器。
9. 第１工程段階で永久磁石の位置および／または方向付けの変更によって前記較正容積の温度がおおまかに設定され、第２工程段階で電気磁石のコイル電流の変更によって前記較正容積の温度が精密に設定されることを特徴とする請求項５および請求項６に記載の温度較正器の較正容積の温度調節のための方法。
10. 前記磁気温度調節手段が少なくとも１つの磁気熱量材料および少なくとも１つの磁場生成装置を含み、前記温度較正器が少なくとも１つの冷却すべき対象および少なくとも１つの加熱すべき対象を含み、次の工程段階が周期的に提示された順序で行われる温度較正器の磁気温度調節手段の作動方法：
    ａ）前記加熱されるべき対象と前記温度調節手段の前記磁気熱量材料との間の熱接触が確立され、前記温度調節手段の前記磁気熱量材料が高い磁界強度の磁場Ｈ１の中にあり、前記冷却されるべき対象との熱接触はないかまたは僅かのみである。
    ｂ）前記加熱されるべき対象と前記温度調節手段の前記磁気熱量材料との間の熱接触が解消されるかまたは少なくとも減少する。
    ｃ）前記温度調節手段の前記磁気熱量材料が僅かな磁界強度の磁場Ｈ０に晒され、Ｈ０はＨ１より小さい。
    ｄ）前記冷却されるべき対象と前記温度調節手段の前記磁気熱量材料との間の熱接触が確立され、前記温度調節手段の前記磁気熱量材料が引き続き僅かな磁界強度の前記磁場Ｈ０の中にあり、前記加熱されるべき対象との熱接触はないかまたは僅かのみである。
    ｅ）前記冷却されるべき対象と前記温度調節手段の前記磁気熱量材料との間の熱接触が解消されるかまたは少なくとも減少する。
    ｆ）前記温度調節手段の前記磁気熱量材料が再び高い磁界強度の前記磁場Ｈ１に晒され、Ｈ１はＨ０より大きい。