JP4500904B2 - 熱伝達特性測定方法および装置 - Google Patents
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Description
図1は、気体の熱拡散率を測定するように構成した本発明の第一の実施例である。図において、1は温度センサーであり、その構造については後述する。2はスピーカーであり、測定セル3内に圧力変動を加える働きをしている。4は測定対象である気体10を導く管である。5は電磁バルブであり、気体10の測定セル3への流入流出を制御している。11は発振器で、演算部14からの制御信号に基づき、角周波数ωの余弦波信号をスピーカー2および位相比較器13に出力している。12は電気抵抗検出回路であり、温度センサー1の細線の電気抵抗を電圧出力に変換する。位相比較器13は、測定セル3内の圧力変動と、温度センサー1の電気抵抗の変動との位相差φを検出している。演算部14は、前記の通り発振器に角周波数の制御信号を出力するとともに、位相比較器13からの位相差信号φと角周波数ωとに基づいて気体の熱拡散率を演算し、表示部15に出力している。16は、バルブコントローラーであり、電磁バルブを制御して、気体10を測定セル3内に適切なタイミングでサンプリングする役割を果たしている。
θ(y)=(P/ρcp)(1−exp(−(1+i)y/δ)) ・・・・(1)
となる。ただし、iは虚数単位を表し、θは、温度変動を複素表示した時の振幅である(鳥越・石井:音を利用した表面積の測定、計測自動制御学会論文集、34巻、3号、182ページ、1998年)。θ(y)の振幅(P/ρcpで規格化)と位相をy/δに対してプロットしたグラフを図3に示す。
θ(h)=(P/ρcp)(1−exp(−(1+i)h/δ)) ・・・・(2)
である。この温度変動の位相は、h/δだけで決まり、hが固定された一定値であるから、温度境界層厚さδ=(2α/ω)1/2だけの関数となる。さらに、角周波数ωは既知であるから、距離hにおける温度変動の位相を測定すれば、気体の熱拡散率αを知ることができる。本実施例では、遠方における温度変動の位相すなわち圧力変動の位相と、細線の電気抵抗変動の位相との差φを検出し、この位相差から熱拡散率αを計算している。なお、図3から分かるように、金属細線の高さhが3δより大きい場合には、位相差はほとんどゼロとなるだけでなく、位相差と熱拡散率αの関係は一意ではなくなる。したがって、高さhは3δ以下に設定しておくことが必要であり、さらに、熱拡散率αの変化による位相の変化の割合が大きい領域、すなわちδと同程度以下の値とするのが有利である。例えば気体が空気の場合には、40Hzにおいてδ=0.4mmである。
図6は、差働構成を取った本発明の第二実施例である。図において、下側の測定セルの構成は第一実施例と同じである。上側の3’は、基準ガス20の熱拡散率を検知するための基準セルであり、1’は基準ガス用の温度センサーであり、下側の測定セル3内の温度センサー1と同じ形状を持っている。4’は基準ガスを導く管、5’は基準ガスを適切なタイミングでサンプリングするための電磁バルブである。測定セル3と基準セル3’には、スピーカー2によって、振幅が同じで逆位相の差働的な圧力変動が加わる。温度センサー1および1’の電気抵抗変化は、もし被測定気体10と基準ガス20とが同一成分であれば、180度の位相差を持つ。これに対して、被測定気体中に基準ガスと異なる組成の成分が含まれていると、熱拡散率が変化するため、位相差は180度からずれた値をとる。本実施例では、電気抵抗検出回路と位相差計を用いて(図示せず)、この位相のずれを測定して、被測定ガス中の成分検出を行っている。
図7は、導電性薄板の熱伝達特性を測定するように構成した本発明の第三実施例である。図7において、2、11、12は第一実施例と同じで、それぞれ、スピーカー、発振器、電気抵抗測定回路である。32は、測定対象の薄板であり、その厚さ2hは、周囲の気体の温度が変動したときに、薄板内平均温度の変動が無視できない程度の値である。301は、薄板32上に蒸着ないしはスパッタリングによって形成した金属性の電極である。33は測定用セルであり、蓋を開閉して被測定物体32を出し入れできるようになっている。測定用セル33内は、密度と熱物性が既知の測定用気体30に満たされている。34は、同期検波回路であって、薄板32の電気抵抗変化の信号を、圧力変動と同相の成分と直交する成分とに分離して、その大きさを出力している。35は演算回路であり、発振器11の発振角周波数を制御するとともに、同期検波回路34からの信号に基づいて、被測定薄板32の熱伝達特性を算出し、表示部36に出力している。37はバルブであり、測定用セル33の蓋を開閉した後、セル内を気体30で満たす工程のあいだ開かれるが、測定工程中は閉められる。
β・(P/ρcp)・(δw/(1+i)h)・sinh((1+i)h/δw)/(β・cosh((1+i)h/δw)+sinh((1+i)h/δw)) ・・・・(3)
で与えられる。ここで、薄板の密度をρw、比熱をcw、熱伝導率をκw、熱拡散率をαw、薄板内の熱境界層厚さをδw=(2αw/ω)1/2で表しており、β=((ρcpκ)/(ρwcwκw))1/2である。測定用気体30の密度ρ、熱伝導率κ、等圧比熱cpは既知であるから、複素振幅の振幅と位相乃至は実部と虚部が分かれば、薄板の熱拡散率および熱伝導率を計算することができる。
図8は、本発明を非破壊検査に応用した第四実施例の構成である。43は検査対象の基盤であり、その上部に薄膜41が接着されている。42は、接着不良のために生じた基盤43と薄膜41の間の空隙である。44は、検査対象を内部に入れる検査槽である。45は、検査槽44内を加圧するためのポンプである。46は、赤外線サーモカメラであり、薄膜41の表面の温度分布を測定している。なお、この実施例では、検査槽44に観測窓が開けてあり、気密状態を保ちつつ、赤外線サーモカメラによる測定が可能となるようになっているが、赤外線センサーを検査槽の内部に設置して、観測窓を介さずに測定することもできる。また、検査槽を設けずに、開放空間内で、対象に向けて音波を放射して検査を行う場合もある。
1’ 温度センサー
101 金属細線
102 センサー基台
103 コネクター部
103’ コネクター部
104 遠方場温度検出用金属細線
2 スピーカー
3 測定セル
3’ 基準セル
4 管
4’ 管
5 電磁バルブ
5’ 電磁バルブ
10 被測定気体
11 発振器
12 電気抵抗検出回路
13 位相比較器
14 演算部
15 表示部
16 バルブコントローラー
20 基準ガス
30 測定用ガス
301 金属薄膜
302 電極
32 被測定物体
33 測定セル
34 同期検波回路
35 演算部
36 表示部
37 バルブ
41 薄膜
42 空隙
43 基盤
44 検査槽
45 ポンプ
46 赤外線サーモカメラ
Claims (5)
- 流体に圧力変動を加えて上記圧力変動に伴う瞬時的な流体温度変動を上記流体に与え、
上記流体乃至は上記流体と接する物体の瞬時的温度変化を検出し、
検出された上記温度変化に基づいて、上記流体乃至は上記物体の熱伝達特性を測定することを特徴とする熱伝達特性測定方法。 - 流体に圧力変動を加えて上記圧力変動に伴う瞬時的な流体温度変動を上記流体に与える手段と、
上記流体乃至は上記流体と接する物体の瞬時的温度変化を検出する手段と、
上記検出手段によって検出された温度変化に基づいて、上記流体乃至は上記物体の熱伝達特性を算出する手段とを備えることを特徴とする熱伝達特性測定装置。 - 物体近傍の流体中に温度センサーを設置し、上記物体近傍に生じる温度境界層内の温度変化を検出することを特徴とする請求項2に記載の熱伝達特性測定装置。
- 温度変化を流体の圧力変化の形で検出することを特徴とする請求項2に記載の熱伝達特性測定装置。
- 測定対象の熱伝達特性を、基準物質の熱伝達特性と比較して測定する構成としたことを特徴とする請求項2乃至4に記載の熱伝達特性測定装置。
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