JP2594867B2 - 流体の熱伝導率の測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体と熱的に接触する
発熱センサーが発熱するとき、該発熱センサー温度や流
体の温度から流体の物性値を得られることを利用して流
体の熱伝導率を計測する装置に関するものである。例え
ば、液体や気体の熱伝導率は各種工業における生産設備
の管理項目であり、該熱伝導率は流体の温度や成分組成
あるいは成分組成の混合状態等により変化し、かつ加成
性のない物性値であるため生産設備における直接測定は
重要である。特に加熱冷却操作を行う工程においては熱
伝導率が変化すると、加熱や冷却の最適制御条件が変化
するため製品品質に大きな影響を及ぼす。従って、熱伝
導率の変化を計測して制御条件を的確に変更することが
工程管理上重要な生産工業に対して、熱伝導率の測定は
重要な測定項目である。

【０００２】

【従来の技術】従来、細線加熱法による流体の熱伝導率
の計測の例として以下のようなものがあげられている。 １． 「流体の熱伝導率の高精度測定に関する研究」 長坂雄次、長島昭 日本機械学論文集４７巻４１７号
（昭５６−５） ８２１−８２９頁 ２． 「流体の熱伝導率の高精度測定に関する研究」 長坂雄次、長島昭 日本機械学論文集４７巻４１９号
（昭５６−７） １３２３−１３３１頁 ３． 「熱物性ハンドブック」 日本熱物性学会編 １９９０．５．３０ 養賢堂発行 ５６８−５７３頁 細線加熱法による流体の熱伝導率の測定は非定常法と定
常法に分類される。発熱体を利用する非定常細線加熱法
とは、発熱開始直後における発熱体の温度が経時的に上
昇変化している状態において、発熱体の温度変化を利用
する方法である。また定常細線加熱法とは非定常状態を
経過し、経時的に一定値を示し続ける状態に至った発熱
体の温度を利用する方法である。一般的に細線加熱法は
細線近傍に位置する被測定流体の温度上昇によって生じ
る対流伝熱の影響を受けやすく、熱伝導率の高精度計測
のためにはこの影響を除去しなければならないが、上記
非定常法では対流の発生を検出し、それ以前の値を用い
ることによって対流の影響を確実に取り除けるという利
点がある。上記文献１、２はその代表的発表例であっ
て、試料中に鉛直に配置した金属細線に通電し、この時
の細線の発熱量と発熱体温度の経時的変化から熱伝導率
を算出する方法を利用したものである。文献３は定常
法、非定常法ともに既知の例をあげて説明されている。
特に本発明と関係がある方法は同心円筒法である。同方
法は、外筒と内筒の間隙に被測定流体を配置し、中心部
の発熱体を発熱させながら同間隙等に配置した複数の熱
電対を用いて温度傾向を計測する定常法である。その
他、特開平１−１８０４４４号、特開平３−１７５４２
号も本発明の従来技術としてあげられる。特開平１−１
８０４４４号は非定常細線加熱法を用いた測定方法にお
いてセンサーからの信号を読み取るブリッジ回路での電
気抵抗を要因とする測定誤差について検討されたもので
ある。特開平３−１７５４２号は非定常細線加熱法を用
いる測定に際して電流通電開始後の経過時間の対数値対
発熱体温度曲線における直線部分のみを熱伝導率の算出
に用いることによって、対流の影響を取り除くことを特
徴とする計測方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記文献１、２にあげ
られる非定常法による熱伝導率の測定方法は、細線加熱
法という測定技術を基本としているが、細線は測定精度
の向上のため直径が数十ミクロン程度のものを使用して
いる。このため細線の耐久性、強度から判断しても、イ
ンライン測定に利用することはほとんど不可能である。
この事情は文献３の定常法についても言える。つまり、
流体の熱伝導率を生産現場において特にインラインで測
定する構成や方法については従来全く検討されていなか
った。さらに定常法を用いて熱伝導率を測定する場合
は、発熱体周囲に於ける対流の発生防止に配慮しなけれ
ばならない。これは流体中で対流が発生すると、対流伝
熱による熱移動が発生し、流体の静止状態における伝導
伝熱のみによる熱移動の結果から算出される見掛の有効
熱伝導率よりはるかに大きな値となってしまうからであ
る。文献に紹介されている発熱体と間隙保持体の間に流
体を封鎖した測定例は、間隙における流体の対流の影響
に関する考察がなく、また測定装置の構成が複雑なた
め、インラインに配置した場合の洗浄性に問題が生じる
ためインライン配置の困難なものである。また、本発明
と類似した文献の同心円筒法に用いられている公知測定
装置は温度計が複数個配置され、かつ試料温度を均一に
するため銀製のセルにするなど構成が複雑で高価であ
る。特開平１−１８０４４４号及び特開平３−１７５４
２号はどちらも非定常法を用いる熱伝導率測定に関する
出願であるが、これらは定常法による測定までも実現可
能としたものではない。更に、特開平１−１８０４４４
号で示すような方法は抵抗変化や温度変化、温度域など
精度保持上考慮すべき問題も多く残されている。これら
の方法ではインラインでの測定装置の配置は困難であ
る。その原因としては、上述の通り測定装置がバッチ処
理であること、測定装置が振動に弱い細線を用いるこ
と、測定装置自体が環境温度の温度変化の影響をうけや
すいことなどが挙げられる。本発明は定常法もしくは定
常法と非定常法の両者を用いることが可能な測定装置を
提供することによって各種粘性流体に対しての測定をイ
ンラインで実現するものである。すなわち、本発明は安
価で生産現場でのインライン計測が可能な熱伝導率の測
定装置を提供するとともに、定常細線加熱法を用いて、
対流の発生を確実に防止しながら指標値から求められる
関係式に基づいて熱伝導率を算出し、さらには非定常法
における熱伝導率の測定も可能にした装置を提供するこ
とを目的とする。本発明では、あらかじめ標準状態にお
ける各種流体の熱伝導率と指標値の間の関係式を求め、
実際の生産ラインなどでこの関係式を利用しての熱伝導
率を測定する。このようにして得られる熱伝導率の値は
ライン中の流体の種類の判別にも利用可能である。な
お、標準状態とは、温度２９８Ｋ、圧力１０１ＫＰａの
状態をいい、この時の各種流体の物性値は「熱物性ハン
ドブック」日本熱物性学会編（養賢堂）が参照できる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、発熱作用を有す
るとともに自らの温度を計測可能な発熱センサーと、該
発熱センサーの外面と一定の間隙であって発熱センサー
の発熱作用によって被測定流体に対流が発生しない距離
を維持し、かつ発熱センサーの発熱面の全ての面に対峙
するよう配置され、その発熱面の全ての面に対して対峙
する位置と、発熱面の全ての面に対して外れる位置の間
を移動可能な間隙保持体とで構成され、間隙保持体は被
測定流体中にあっても移動可能に構成されている流体の
熱伝導率の測定装置を発明した。また、間隙保持体が固
定されている場合は、発熱センサーと間隙保持体の間隙
に滞留する流体を強制的に入れ替えることが可能な流体
の搬送装置とで構成する。尚、発熱センサーの外面と間
隙保持体との間隙は実測実験の結果から実用上０．８ｍ
ｍ以下とした。そして、以上のような測定装置におい
て、間隙保持体が発熱センサーに近接して配置されてい
るときは流体の温度と前記発熱センサーの発熱作用によ
る定常状態における発熱センサー自体の温度を計測し、
両者の温度差を求め、該温度差と流体の熱伝導率との関
係式から流体の熱伝導率を求めた。即ち、定常法による
手法で流体の熱伝導率を求めた。一方、間隙保持体が発
熱センサーから離れて配置されているときは非定常法に
よる手法で流体の熱伝導率を求めることとした。なお、
発熱センサーの温度とは、センサーに内蔵された発熱体
の温度でもよいし、この温度とセンサー保護管の構成な
どから算出されるセンサー表面温度であってもよい。セ
ンサー表面温度は、例えば本出願人が先に開示した特開
昭６３−２１７２６１号の測定方法によって容易に得る
ことができる。また、間隙保持体は発熱センサーの発熱
部との一定の間隙を保持するものであればよく、その形
状は問わない。例えば、発熱センサーが円柱状のもので
あれば該センサーの表面と一定間隙を保ちながら覆うよ
うに、つまり発熱センサーの発熱面と対峙するように構
成される円筒体であればよいし、発熱センサーが板状体
や平面状に構成されるものでは、その発熱面と一定の間
隙を保持するように近接可能な板状体や平面体でよい。
さらに流体の温度はどの様なセンサーで計測してもよい
が、本発明に利用する発熱センサーを兼用して計測して
もよい。即ち、本発明の発熱センサーは、発熱作用を有
するとともに自らの温度計測が可能なセンサーであり、
センサーへの電流制御により単なる測温センサーとして
機能させることも可能であるから、単に測温センサーと
して用いて流体の温度を計測することもできるし、発熱
機能を発揮させながら発熱センサー自体の温度を計測す
ることも可能である。本発明の装置は、基本的には、発
熱センサー表面と間隙保持体で構成される間隙内の被測
定流体中で発熱センサーの発熱作用による対流の発生を
抑止するものである。従って、熱の伝導を対流伝熱と伝
導伝熱に分けて考察したときに伝導伝熱の方が大きく作
用し、対流伝熱の影響が実質的に無視できるほど小さい
状況に設定することが本発明方法における測定上の前提
条件である。該間隙が大きいと定常法における測定にお
いては被測定流体中に対流が発生して熱が対流伝熱と伝
導伝熱により移動するため熱伝導率の測定が不可能とな
る。従って、この間隙は狭いほどよいが、狭すぎるとセ
ンサー加工精度や、保守管理あるいは測定時における被
測定流体の入れ替え所要時間の増加等の不都合が生じる
ため許容範囲内にあるかぎり広いほうがよい。この間隙
を決定する方法はセンサーにおいて間隙巾を変化させ、
熱伝導率が既知の標準物質を用いて指標値を得たのち、
該標準物質の熱伝導率と該指標値との関係式を常法で求
めて、同関係式が一致する範囲とするか、もしくは、本
発明の実験時実証値である０．８ｍｍ以下とする方法を
用いる。なお、円柱状発熱センサーを用いる場合、発熱
センサー直径等から間隙の下限設定値を数値的手法を用
いて算出することも可能である。本出願人は直径３．５
ｍｍ以下の発熱センサーについて実験から間隙を０．８
ｍｍ以下にすると試料における伝熱作用が対流の生じな
い範囲で定常状態を維持できることを確認した。なお、
発熱センサーが板状体や平面状である場合は、より広い
間隙を設定することが可能である。また、間隙保持体
は、発熱センサーの表面に対して嵌挿するもの、分割さ
れるもの、移動するものなど発熱センサーの発熱表面に
対する間隙の条件さえ満たされればその形態や移動方法
などは問わない。

【０００５】

【作用】発熱センサーを発熱させながら間隙保持体の内
部の流体の温度と発熱センサー自体の温度を計測し、両
者の温度差をもとめてその温度差と流体の熱伝導率の関
係式から流体の熱伝導率を求める。間隙保持体が発熱セ
ンサーに近接して配置されているときには定常法を用い
て流体の熱伝導率を求める。そして、間隙保持体が発熱
センサーから充分に離れて配置されているときは非定常
法による手法で流体の熱伝導率を求める。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は本
発明にかかる測定装置を示す断面図であり、被測定流体
ｆが入った流体槽１の内側に円柱状の発熱センサー２が
突設してある。被測定流体内の気泡の滞留を防いだり、
センサー周囲の被測定流体が均一となって測定制度が向
上するように、発熱センサー２は鉛直に配置するとよ
い。また、発熱センサー２の基端部３は流体槽１の外側
に出ており、そこに４端子計測用のリード線４が４本接
続してある。図２は発熱センサー２の構造図であり、金
属細線からなる発熱体５がセンサー保護管６の内部に絶
縁物質７を介して固定されている。発熱体５には４本の
リード線４が接続してある。基本的には特開昭６４−４
４８３８号のセンサーと同様の構成である。そして、図
３に示されるように、発熱体５に接続されたリード線４
が電流源８と電圧計９に接続されて、これら電流源８と
電圧計９が制御装置１０で制御される構成になってい
る。なお、発熱センサー２の利用方法としては、リード
線４から適当な電圧を印加することによって発熱体５を
発熱させながら発熱センサー２自体の温度を計測する発
熱体センサーとして用いる他、発熱体５内における発熱
量が充分に小さく実質的に無視できる程度の微小電流を
供給してその時の電圧値を求めて流体の温度を測定する
ようにして単なる測温センサーとして用いることもでき
る。このように、一本の発熱センサー２によって流体ｆ
とセンサーの発熱温度とを求めて両者の温度差を計測す
ることが可能である。なお、流体の温度は全く別個の測
温センサーを用いて計測してもかまわないことは、前述
の通りである。

【０００７】図１に示すように、発熱センサー２の周り
に一定の間隙をもって覆うようにして円筒形状の間隙保
持体１１が設けてある。間隙保持体１１の支持体１２に
は駆動装置１３によって昇降するロッド１４の下端が接
続してあって、駆動装置１３の稼働によって間隙保持体
１１は昇降し、図中一点鎖線１１’で示される位置まで
下降すると、発熱センサー２の周りが開放されて流体ｆ
が流動するようになっている。なお、以上のように間隙
保持体を移動自在にしないで、発熱センサー２の周りに
一定の間隙をもって間隙保持体を固定してセンサーを覆
い、流体ｆを両者の隙間に羽根やポンプ、ピストンの圧
力などによって送り込む構成とすることもできる。

【０００８】図４は他の実施例にかかる測定装置の断面
図であり、円柱状の発熱センサー２の左右には円筒を２
つ割りにした形状の間隙保持体２０が設けてある。これ
ら間隙保持体２０の上端が枢支２１されて揺動自在にな
っており、駆動装置２２の稼働でロッド２３が下降する
とギヤ２４が回転してこれら左右の間隙保持体２０が互
いに開くように揺動して図中一点鎖線２０’に示される
まで移動し、これにより、発熱センサー２の周りが開放
されるようになっている。図５は発熱センサー２が平面
の発熱部を有する場合の一例を示すものである。この場
合、間隙保持体３０も発熱体対向面を平面状に形成し、
両者の間に一定の間隙を維持できるようにする。なお、
発熱センサー２は、その発熱平面のみが流体と接するよ
うに他の面は断熱材もしくは、発熱素子等を付設してあ
る。

【０００９】しかして、以上のように構成される測定装
置を被測定流体ｆが入った流体槽１に設け、リード線４
から電圧を印加することにより発熱センサー２を用いて
間隙保持体１１の内部の流体ｆの温度と発熱センサー２
自体の発熱後の温度を計測し、両者の温度差をもとめて
そのあらかじめ決定された温度差と流体の熱伝導率の関
係式から流体の熱伝導率を求める。間隙保持体１１が発
熱センサー２に近接して配置されているときには定常法
を用いて流体の熱伝導率を求める。また、間隙保持体１
１と発熱センサー２の隙間が広く開いているときは通電
加熱開始後、経過時間の対数値対温度差曲線の直線部分
の傾きを利用する非定常法を用いて流体の熱伝導率を求
める。

【００１０】発熱センサー２と間隙保持体１１の間隙の
最適値は発熱量、発熱センサー２の直径あるいは被測定
流体の粘度等によって決定される。特に、粘性の高い流
体の場合は対流が起きづらいので間隙を広くできるが、
定常法と非定常法の両方で測定可能な装置の場合は流体
の粘性に応じて測定方法を選定することも良策である。
また、図５に示したように発熱センサー２が平面の発熱
部を有する場合の間隙設定は、円柱状の場合より広くす
ることができるため発熱センサーが円柱状である場合に
比較して容易である。従って、発熱センサーが平面の発
熱部を有する場合でも円柱状の場合と同じ間隙幅を設定
しておけば特に問題は生じない。

【００１１】図６及び表１（図７）に指標値と熱伝導率
λの関係に関する測定事例を示す。実験は発熱センサー
直径１ｍｍ、間隙０．２５ｍｍ、発熱量２Ｗ／ｍで実施
した。なお、図１や図４のように円柱形状の発熱センサ
ー２で静止物体の熱伝導率を計測する場合は、次式を基
礎式とする多重円筒における熱伝導モデルが利用でき
る。 上式において、Ｑ、Ｌ、ｒ２、ｒ１は実用上実数値であ
るので、熱伝導率の逆数１／λと指標値（温度差）△θ
とはほぼ線型関係にあると予測できるが図６、７はこの
予測に矛盾しない。本実施例では、図６より数値的手法
を用いて回帰式λ≒２／（△θｗ−２０）を得ることが
できた。従って温度差を計測することによって流体の熱
伝導率λが計測できることから、種々の流体を断続的に
変更してライン内に流動させた場合に、流体の種類を判
定することや、濃度変化を熱伝導率の変化として検出
し、その変化度合からラインの流量制御を行うことなど
が考えられる。

【００１２】

【発明の効果】１．発熱センサーをステンレス等の鋼材
で構成するなどの手段によって安価な装置を提供でき、
インラインに配置しても洗浄や衝撃に強く、流体の時間
的な熱伝導率の変化を容易に測定することができる。従
って、従来のように試料を別個に管理する必要がなく、
また熱伝導率の変化を他の指標値を用いて判断するなど
の代替法による予測的ライン管理が不必要で、工程の合
理化とコストダウンを図ることができる。 ２．従来、流体の熱伝導率は各々計測されているもの
の、これらの測定値と相関する指標値は存在しなかっ
た。本発明では発熱センサーと試料の温度差という指標
値と各種流体の熱伝導率との間に存在する相関関係を用
いているため、測定値を複雑に数値処理して熱伝導率を
得るというような演算が不必要であり、測定装置を安価
に構成することができる。 ３．従来の定常法による測定方法に比較して簡単であ
り、装置の洗浄やメンテナンスが容易である。従って実
際の生産設備に直接配置することができる。 ４．従来の細線加熱法を用いた測定法は非定常法が主流
であったが、本発明により定常法も利用可能になった。
また本発明では装置の操作により非定常法による測定も
可能であり、流体の粘性が高いものから小さいものまで
幅広く対応することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる測定装置を示す断面図

【図２】発熱センサーの構造図

【図３】発熱センサーの配線図

【図４】他の実施例にかかる測定装置の断面図

【図５】発熱センサーが板状体である実施例の斜視図

【図６】温度差と熱伝導率の関係を示すグラフ

【図７】熱伝導率の回帰値を示す表１

【符号の説明】

２ 発熱センサー １１ 間隙保持体

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱作用を有するとともに自らの温度を
   計測可能な発熱センサーと、該発熱センサーの外面と一
   定の間隙であって発熱センサーの発熱作用によって被測
   定流体に対流が発生しない距離を維持し、かつ発熱セン
   サーの発熱面の全ての面に対峙するよう配置され、その
   発熱面の全ての面に対して対峙する位置と、発熱面の全
   ての面に対して外れる位置の間を移動可能な間隙保持体
   とで構成され、間隙保持体は被測定流体中にあっても移
   動可能に構成されている流体の熱伝導率の測定装置。
2. 【請求項２】 発熱作用を有するとともに自らの温度を
   計測可能な発熱センサーと、該発熱センサーの外面と一
   定の間隙を維持して配設された間隙保持体と、これら発
   熱センサーと間隙保持体の間隙に滞留する流体を強制的
   に入れ替えることが可能な流体の搬送装置とで構成した
   流体の熱伝導率の測定装置。
3. 【請求項３】 発熱センサーの外面と間隙保持体との間
   隙が０．８ｍｍ以下である請求項１または２記載の流体
   の熱伝導率の測定装置。