JP4541956B2 - 鏡面冷却式センサ - Google Patents

Description

この発明は、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされる熱電冷却素子を用いて冷却される鏡の鏡面上に生じる結露や結霜を検出する鏡面冷却式センサに関するものである。

従来より、湿度測定法として、被測定気体の温度を低下させ、その被測定気体に含まれる水蒸気の一部を結露させたときの温度を測定することにより露点を検出する露点検出法が知られている。例えば、寒剤、冷凍機、電子冷却器などを用いて鏡を冷却し、この冷却した鏡の鏡面上の反射光の強度の変化を検出し、この時の鏡面の温度を測定することによって、被測定気体中の水分の露点を検出する鏡面冷却式露点計が用いられている。

この鏡面冷却式露点計には、利用する反射光の種類によって、２つのタイプがある。１つは、正反射光を利用する正反射光検出方式（例えば、特許文献１参照）、もう１つは、散乱光を利用する散乱光検出方式（例えば、特許文献２参照）である。

〔正反射光検出方式〕
図９に正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計におけるセンサ部（鏡面冷却式センサ）の構成を示す。この鏡面冷却式センサ１０１は、被測定気体が流入されるチャンバ１と、このチャンバ１の底部に設けられた熱電冷却素子（ペルチェ素子）２を備えている。熱電冷却素子２の冷却面２−１には鏡３が取り付けられており、熱電冷却素子２の加熱面２−２にはヒートパイプ４を介して放熱部材５が取り付けられている。すなわち、ヒートパイプ４の一端４−１が熱電冷却素子２の加熱面２−１に取り付けられており、熱電冷却素子２から離されたヒートパイプ４の他端４−２に放熱部材５が取り付けられている。

また、熱電冷却素子２とヒートパイプ４の一端４−１にはその周囲を覆うように断熱部材６が設けられており、鏡３の上面（鏡面）３−１には温度検出素子７が取り付けられている。また、チャンバ１の上部に、鏡３の鏡面３−１に対して斜めに光を照射する発光素子８と、この発光素子８から鏡面３−１に対して照射された光の正反射光を受光する受光素子９とが設けられている。また、熱電冷却素子２へのリード線１０が断熱部材６を貫通して設けられている。なお、リード線１０としては、ビニルによって被覆された電線を用いている。

この鏡面冷却式センサ１０１において、チャンバ１内の鏡面３−１は、チャンバ１内に流入される被測定気体に晒される。鏡面３−１に結露が生じていなければ、発光素子８から照射された光はそのほゞ全量が正反射し、受光素子９で受光される。したがって、鏡面３−１に結露が生じていない場合、受光素子９で受光される反射光の強度は大きい。

熱電冷却素子２への電流を増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面３−１に結露し、その水の分子に発光素子８から照射した光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子９で受光される反射光（正反射光）の強度が減少する。この鏡面３−１における正反射光の変化を検出することにより、鏡面３−１上の状態の変化、すなわち鏡面３−１上に水分（水滴）が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面３−１の温度を温度検出素子７で測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。

〔散乱光検出方式〕
図１０に散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計におけるセンサ部（鏡面冷却式センサ）の構成を示す。この鏡面冷却式センサ１０２は、正反射光検出方式を採用した鏡面冷却式センサ１０１とほゞ同構成であるが、受光素子９の取り付け位置が異なっている。この鏡面冷却式センサ１０２において、受光素子９は、発光素子８から鏡面３−１に対して照射された光の正反射光を受光する位置ではなく、散乱光を受光する位置に設けられている。

この鏡面冷却式センサ１０２において、鏡面３−１は、チャンバ１内に流入される被測定気体に晒される。鏡面３−１に結露が生じていなければ、発光素子８から照射された光はそのほゞ全量が正反射し、受光素子９での受光量は極微量である。したがって、鏡面３−１に結露が生じていない場合、受光素子９で受光される反射光の強度は小さい。

熱電冷却素子２への電流を増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面３−１に結露し、その水の分子に発光素子８から照射した光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子９で受光される乱反射された光（散乱光）の強度が増大する。この鏡面３−１における散乱光の変化を検出することにより、鏡面３−１上の状態の変化、すなわち鏡面３−１上に水分（水滴）が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面３−１の温度を温度検出素子７で測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。

なお、上述した露点計においては、鏡面３−１に生じる結露（水分）を検出する例で説明したが、同様の構成によって鏡面３−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。

図９や図１０に示した鏡面冷却式センサ１０１や１０２において、露点の測定下限は熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を何度まで冷却できるかによって決まる。このため、この鏡面冷却式センサ１０１や１０２では、熱電冷却素子２の冷却面２−１をさらに冷却することができるように、熱電冷却素子２の加熱面２−２にヒートパイプ４の一端４−１を取り付け、熱電冷却素子２から離されたヒートパイプ４の他端４−２に放熱部材５を取り付けている。これにより、加熱面２−２に生じた熱がヒートパイプ４の一端４−１から他端４−２へと移動し、放熱部材５を通して放熱される。また、断熱部材６を設けることにより、熱電冷却素子２の加熱面２−２およびヒートパイプ４からの放熱がチャンバ１および鏡３に逆流しないようにしている。

特開昭６１−７５２３５号公報 特公平７−１０４３０４号公報

上述した鏡面冷却式センサ１０１や１０２では、発光素子８や受光素子９がチャンバ１に固定されており、ヒートパイプ４に一体的に固定された断熱部材６を通してリード線１０が熱電冷却素子２に接続されているため、発光素子８や受光素子９、熱電冷却素子２の現場での交換が難しい。また、鏡３や発光素子８、受光素子９の現場での位置の調整が難しい。この種の鏡面冷却式センサでは、設置場所の環境の違いや、求められる測定精度の違いに対応するため、センサ内部の部品の調整・交換などのメンテナンスが現場で容易に行えることが望まれている。

そこで、本出願人は、最近、現場でのメンテナンスが簡単な鏡面冷却式センサを用いた露点計として、特願２００４−１０６７０８（参考文献１）に示されるような投光部と受光部とを一体にした光ファイバ式の露点計を提案した。図１１にこの参考文献１に記載された露点計のセンサ部（鏡面冷却式センサ）の概略構成図を示す。

この鏡面冷却式センサ２０１Ａにおいて、熱電冷却素子（ペルチェ素子）２の冷却面２−１には鏡１１が取り付けられている。鏡１１は、例えばシリコンチップとされ、その表面１１−１が鏡面とされている。また、鏡１１と熱電冷却素子２の冷却面２−１との間には、例えば白金による薄膜測温抵抗体（温度検出素子）１２が形成されている。また、熱電冷却素子２の加熱面２−２にはヒートパイプ１３の一端１３−１が取り付けられ、ヒートパイプ１３の他端１３−２は熱電冷却素子２から離されている。

ヒートパイプ１３は、密閉容器内に少量の液体（作動液）を真空封入したもので、内壁に毛細管構造を備えている。ヒートパイプ１３の一部が加熱されると、加熱部で作動液が蒸発（蒸発潜熱の吸収）し、低温部に蒸気が移動し、この蒸気が低温部で凝縮（蒸発潜熱の放出）し、凝縮した液が毛細管現象で加熱部に環流するという一連の相変化が連続的に生じ、加熱部から低温部へと素早く熱が移動する。

ヒートパイプ１３の一端１３−１は３０゜〜４５゜の傾斜で立ち上げられ、この斜めに立ち上げられたヒートパイプ１３の一端１３−１の上面に熱電冷却素子２が取り付けられている。また、ヒートパイプ１３の一端（加熱部）１３−１と他端（低温部）１３−２との間には、一端１３−１側の直線部１３−３に保持部材１４が設けられている。保持部材１４は、ヒートパイプ１３の熱伝導方向に垂直な方向（図１３の上下方向）に分割可能な第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とによって構成され、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２との間にヒートパイプ１３が挟まれている。また、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とはネジによって結合されており、これによってヒートパイプ１３が第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２との間にその位置（前後方向、回転方向）を調整可能に固定されている。

ヒートパイプ１３の他端１３−２にはヒートシンク１６が取り付けられている。ヒートシンク１６は、その軸心より放射状に延びた複数のフィン１６ａを有している。第２の保持部材１４−２には、熱電冷却素子２へのリード線１７と投受光同軸の光ファイバ１８が貫通して設けられ、光ファイバ１８の先端面１８ａが鏡面１１−１に向けられている。熱電冷却素子２へのリード線１７は、熱電冷却素子２への電流供給用のリード線と、温度検出素子１２からの信号導出用のリード線とからなり、保持部材１４−２に形成された貫通孔１４−２ａを通されている。

光ファイバ１８は、その光軸方向への位置を調整可能に保持部材１４−２に取り付けられている。すなわち、光ファイバ１８の根元部の周面に位置調整用のネジ部（雄ねじ部）１８ｂが形成されており、このネジ部１８ｂを保持部材１４−２の貫通孔１４−２ｂの入口に形成されたネジ部（雌ねじ部）１４−２ｃに螺合することにより、光ファイバ１８の先端面１８ａの鏡面１１−１に対する位置（光軸方向の位置）を微調整できるようにされている。

この鏡面冷却式センサ２０１Ａにおいて、保持部材１４を挾んで対向する熱電冷却素子２側を検知部１９、ヒートシンク１６側を放熱部２０とした場合、検知部１９には有底円筒状のミラーカバー２１が取り付けられており、放熱部２０には有底円筒状のヒートーシンクカバー２２が取り付けられている。

ミラーカバー２１には、その周囲に通気孔２１ａが複数開設されており、ヒートシンクカバー２２には、保持部材１４とヒートシンク１６との間の空間に対向する表面２２−１の周壁に通気孔２２ａが複数開設されている。また、ヒートシンクカバー２の底面２２−２にも通気孔２２ｂが複数開設されており、ヒートシンクカバー２２内には、そのヒートシンクカバー２２の底面２２−２とヒートシンク１６との間の空スペース２３にファン２４が設けられている。

この鏡面冷却式センサ２０１Ａでは、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とのネジによる結合を緩ませることによって、ヒートパイプ１３の前後方向や回転方向の位置の調整を行うことができる。また、第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２とを取り外し、熱電冷却素子２（鏡１１と一体の熱電冷却素子２）をヒートパイプ１３から取り外せば、ヒートシンク１６が取り付けられたヒートパイプ１３を単体で交換することができる。また、熱電冷却素子２や光ファイバ１８を保持部材１４−２ごと交換することも可能である。また、光ファイバ１８の先端面１８ａの鏡面１１−１に対する位置を、光ファイバ１８の根元部のネジ部１８ｂを回すことによって調整することができる。また、光ファイバ１８の根元部のネジ部１８ｂを回し、保持部材１４から取り外すことによって、光ファイバ１８の単体での交換も可能である。

しかしながら、この鏡面冷却式センサ２０１Ａでは、ヒートパイプ１３と保持部材１４とヒートシンク１６とが別部材であるため、ヒートパイプ１３と保持部材１４との接合部、ヒートパイプ１３とヒートシンク１６との接合部に熱だまりが生じ、排熱性が悪くなる。加えて、保持部材１４は第１の保持部材１４−１と第２の保持部材１４−２との分割構造にしなければならず、高コストとなる。特に、ヒートパイプ１３は、密閉容器内に少量の作動液を真空封入した特殊な部品であり、高価である。

そこで、本出願人は、先の出願（参考文献１）の構造をさらに発展させ、保持部と放熱部とを一体構造とした熱伝導体を用い、この熱伝導体の先端に熱電冷却素子を取り付けた鏡面式冷却センサを提案した（特願２００４−３１７０８２（参考文献２））。この鏡面式冷却センサでは、小型ながら、熱電冷却素子の裏面から生じる発熱を効率よく外部に排熱するために、また経済的に安価な材料とするために、銅製の熱伝導体を使用している。

しかしながら、この参考文献２に示された鏡面式冷却センサでは、計測雰囲気が酸性のガスや高温・高湿のガスなどの腐食性のガスの場合、熱伝導体が銅製であるがために、腐食してしまうという問題を抱えていた。なお、熱伝導体を耐食性の高い材料で製作すれば、腐食を防ぐことができるが、銅に比べると一般的に熱伝導率が悪くなり、十分な鏡面冷却ができなくなってしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、低コストで、耐食性を高め、かつ精度よく露点温度などを計測することが可能な鏡面冷却式センサを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、鏡面が被測定気体に晒される鏡と、鏡の鏡面とは反対側の面に低温側の面が取り付けられた熱電冷却素子と、鏡の鏡面に対して光を照射する投光手段と、投光手段から鏡面に対して照射された光の反射光を受光する受光手段と、熱電冷却素子の高温側の面が取り付けられた熱伝導体とを備えた鏡面冷却式センサにおいて、熱伝導体は、熱電冷却素子の全てを収容する先端部と、投光手段および受光手段を保持する保持部と、熱電冷却素子の高温側の面からの熱を熱電冷却素子から離れた位置で放熱する放熱部とを備え、熱伝導体の先端部が被測定気体に晒される領域に設置され、熱伝導体の放熱部が被測定気体に晒されない領域に設置され、少なくとも放熱部を除く熱伝導体の表面にフッ素樹脂（テフロン（登録商標））のコーティングが施されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、例えば、鏡面冷却式センサをダクトに取り付けた状態において、熱伝導体の熱電冷却素子が取り付けられた部分（熱伝導体の先端部）をダクト内に位置させ、放熱部をダクト外に位置させると、フッ素樹脂のコーティングが施された部分（熱伝導体の先端部）がダクト内に位置し、フッ素樹脂のコーティングが施されていない部分（放熱部を含む熱伝導体の後端部）がダクト外に位置する。したがって、ダクト内の雰囲気（計測雰囲気）が腐食性のガスであったとしても、フッ素樹脂のコーティングによって熱伝導体の素材が守られ、腐食が防がれる。また、フッ素樹脂は撥水性があるので、結露した水滴が付着することもない。
なお、フッ素樹脂は、耐食性に優れてはいるが、熱伝導性があまりよくないので、放熱部までフッ素樹脂をコーティングしてしまうと、放熱性能が落ちる。本発明では、少なくとも放熱部はフッ素樹脂のコーティングを施さないので、放熱性能を落とすことなく、耐食性を高めることができる。

本発明によれば、熱伝導体を先端部と保持部と放熱部との一体構造とし、少なくとも放熱部を除く熱伝導体の表面にフッ素樹脂のコーティングを施したので、放熱性能を落とすことなく、耐食性を高め、低コストで、かつ精度よく露点温度などを計測することが可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１はこの発明に係る鏡面冷却式センサの一実施の形態を用いた鏡面冷却式露点計の概略構成図である。この鏡面冷却式露点計２０１はセンサ部（鏡面冷却式センサ）２０１Ｃとコントロール部２０１Ｂとを有している。

この鏡面冷却式センサ２０１Ｃにおいて、熱電冷却素子（ペルチェ素子）２の冷却面２−１には鏡２５が取り付けられている。鏡２５は、例えばシリコンチップとされ、その表面２５−１が鏡面とされている。また、鏡２５と熱電冷却素子２の冷却面２−１との間には、例えば白金による温度検出素子２６が設けられている。また、熱電冷却素子２は、その加熱面２−２を底面として、銅製の熱伝導体２７の先端部２７ａの傾斜面２７ｂに取り付けられている。傾斜面２７ｂは熱伝導体２７の中心軸に対して３０゜〜４５゜の傾斜角とされている。したがって、熱電冷却素子２の冷却面２−１に取り付けられた鏡２５の鏡面２５−１も熱伝導体２７の中心軸に対して３０゜〜４５゜の角度で傾けられている。

熱伝導体２７の先端部２７ａの傾斜面２７ｂは切削加工によって形成されている。すなわち、熱伝導体２７の先端部２７ａにおいて、熱電冷却素子２を収納する室２７ｍは切削加工によって形成されている。図２に熱伝導体２７の先端部２７ａにおける熱電冷却素子２の取り付け状況を示す。熱伝導体２７は円柱状とされており、その先端部２７ａを切削加工によってくり抜いて室２７ｍを形成し、この室２７ｍの傾斜面２７ｂに熱電冷却素子２を半田などにより固定している。

なお、熱電冷却素子２の傾斜面２７ｂにおける前後方向の位置決めは、図３（ａ）にその概略図を示すように、傾斜面２７ｂの途中に設けられた段差２７ｂ１によって行われている。また、熱電冷却素子２の傾斜面２７ｂにおける左右方向の位置決めは、図３（ｂ）にその概略図を示すように、傾斜面２７ｂの左右に設けられた段差２７ｂ２，２７ｂ３によって行われている。

また、熱伝導体２７の先端部２７ａにおいて、傾斜面２７ｂの下方は肉厚部２７ｃとされている。すなわち、図４に示すように、傾斜面２７ｂの始端Ｌ１と交差する第１の垂直面Ｓ１と，傾斜面２７ｂの終端Ｌ２と交差する第２の垂直面Ｓ２と，傾斜面２７ｂの始端Ｌ１から所定距離ｄ以上離れ垂直面Ｓ１およびＳ２と直交する水平面Ｓ３と，傾斜面２７ｂとで囲まれる空間Ｚ１は、熱伝導体２７を構成する物質が存在する肉厚部２７ｃとされている。

また、熱伝導体２７の先端部２７ａにつながる胴部２７ｄの内部には、熱電冷却素子２への電線２８が通る貫通孔２７ｅが設けられている。本実施の形態において、電線２８としては、単線のエナメル線を用いている。なお、エナメル線については、ＪＩＳＣ３２０２の付属書１に規定されているので、ここでの詳細な説明は省略する。

また、胴部２７ｄの内部には、光ファイバ２９を保持する保持部２７ｎが一体的に形成されている。本実施の形態では、光ファイバ２９として、小径のファイバ部２９−１と、この小径のファイバ部２９−１につながる大径のファイバ部２９−２とを有する投光軸と受光軸が並行の光ファイバを用いる。なお、この光ファイバ２９の構造については後述する。また、熱電冷却素子２への電線（エナメル線）２８は、熱電冷却素子２への電流供給用のエナメル線（２本）と、温度検出素子２６からの信号導出用のエナメル線（３本又は４本）とからなる。

熱伝導体２７において、光ファイバ２９の保持部２７ｎは、小径のファイバ部２９−１が挿通される貫通孔２７ｆと、この貫通孔２７ｆに連通し大径のファイバ部２９−２が位置する連通孔２７ｇと、貫通孔２７ｆと連通孔２７ｇとの間に位置し小径のファイバ部２９−１の先端が鏡２５の鏡面２５−１に当接しないように連通孔２７ｇにおける大径のファイバ部２９−２の摺動位置を規制する壁（貫通孔２７ｆと連通孔２７ｇとの境界面）２７ｈと、連通孔２７ｈにおける大径のファイバ部２９−２の摺動位置を任意の位置に固定するネジ３０が取り付けられるネジ孔２７ｉとから構成されている。

この実施の形態において、光ファイバ２９は、連通孔２７ｇの後方からその小径のファイバ部２９−１を差し入れ、この差し入れた小径のファイバ部２９−１を貫通孔２７ｆに挿通し、大径のファイバ部２９−２を連通孔２７ｇに位置させている。連通孔２７ｇにおける大径のファイバ部２９−２の摺動位置は、貫通孔２７ｆと連通孔２７ｇとの間の境界面２７ｈによって規制され、この規制位置において、小径のファイバ部２９−１の先端と鏡２５の鏡面２５−１との間には僅かな隙間が設けられる。したがって、本実施の形態において、光ファイバ２９の大径のファイバ部２９−２を連通孔２７ｇ内で一杯まで摺動させても、小径のファイバ部２９−１の先端が鏡２５の鏡面２５−１に当接する心配はない。

また、小径のファイバ部２９−１の先端と鏡２５の鏡面２５−１との距離は、光ファイバ２９を前後に摺動させることによって調整することができる。本実施の形態では、小径のファイバ部２９−１の先端と鏡２５の鏡面２５−１との距離を調整した後、熱伝導体２７の外側からネジ孔２７ｉにセットしたネジ３０を締め付けることによって、連通孔２７ｇにおける大径のファイバ部２９−２の摺動位置を固定している。

なお、熱電冷却素子２への電線（エナメル線）２８が通る貫通孔２７ｅは、胴部２７ｄの後方において光ファイバ２９の保持部２７ｎを構成する連通孔２７ｇと連通している。このため、連通孔２７ｇの断面形状は完全な円形ではなく、その下端が一部切り欠かれた形状とされている。また、連通孔２７ｇは、その下端が一部切り欠かれていても、その断面形状が半円以上あるので、光ファイバ２９の大径のファイバ部２９−２を摺動させる上で支障はない。

また、本実施の形態において、電線（エナメル線）２８が通された貫通孔２７ｅには、封止手段としてエポキシ樹脂１０３が充填されている。なお、この例では、貫通孔２７ｅの全て（電線２８が通された通路の全て）にエポキシ樹脂を充填しているが、貫通孔２７ｅの一部（電線２８が通された通路の一部）にエポキシ樹脂１０３を充填するようにしてもよい。

また、本実施の形態において、光ファイバ２９の保持部２７ｎを構成する貫通孔２７ｅおよび連通孔２７ｇの中心軸は、熱伝導体２７の中心軸に対してやや斜めに傾けられている。これにより、光ファイバ２９は、大径のファイバ部２９−２を熱伝導体２７の中心部寄りに、小径のファイバ部２９−１を熱伝導体２７の外周部よりに位置するように、その光軸を熱導電体２７の中心軸に対して斜めに傾けて取り付けられている。

また、熱伝導体２７の胴部２７ｄの後方にはその全周に半円状の窪み部２７ｊが形成されており、これら窪み部２７ｊによって形成される凹凸が熱伝導体２７の放熱部２７ｋとされている。すなわち、本実施の形態において、熱伝導体２７には、光ファイバ２９の保持部２７ｎだけではなく、放熱部２７ｋも一体的に形成されている。

熱伝導体２７の表面２７Ａには、そのほゞ中央部にネジ部２７Ｂとフランジ部２７Ｃが形成されている。また、熱伝導体２７の表面２７Ａには、フランジ部２７Ｃを境とし、ネジ部２７Ｂを含む図示左側の領域２７Ａ１にフッ素樹脂のコーティングＦＳが施されている。逆に言うと、フランジ部２７Ａを含む図示右側の領域２７Ａ２には、フッ素樹脂のコーティングＦＳは施されていない。また、厳密に言うと、領域２７Ａ１でも熱電冷却素子２が取り付けられる取付面２７ｚには、フッ素樹脂のコーティングＦＳは施していない。これは、取付面２７ｚにフッ素樹脂のコーティングＦＳを施すと、熱電冷却素子２を半田などで固定することができなくなるからである。

なお、フッ素樹脂のコーティングは、一般にテフロン（登録商標）コーティングと呼ばれている。本実施の形態では、熱伝導体２７の表面２７の領域２７Ａ１に、次のようにしてフッ素樹脂のコーティングＦＳを施している。先ず、銅製の熱伝導体２７の表面２７の全体にニッケルメッキを施す。次に、フランジ部２７Ｃを含む領域２７Ａ２（以下、単に領域２７Ａ２という）および取付面２７ｚにマスキングを施す。そして、ネジ部２７Ｂを含む領域２７Ａ１（以下、単に領域２７Ａ１という）にフッ素樹脂を粉体塗装し、約４００℃の温度で焼き付ける。これにより、領域２７Ａ１にのみ（取付面２７ｚは除く）、フッ素樹脂のコーティングＦＳが施される。なお、ニッケルメッキは、フッ素樹脂の密着性を増すために施している。このニッケルメッキは、熱伝導体２７の表面２７Ａの全体にではなく、領域２７Ａ１にのみ施すようにしてもよい。

熱伝導体２７の先端部２７ａには、有底円筒状のミラーカバー（キャップ）３２が取り付けられている。すなわち、本実施の形態において、熱伝導体２７の先端部２７ａには熱電冷却素子２を主要構成要素とする検知部３１が設けられており、この検知部３１にミラーカバー３２が被せられている。ミラーカバー３２は、熱伝導が良い材質とされ、その周囲に通気孔３２ａが複数開設されている（図５参照）。この検知部３１へのミラーカバー３２の取り付けは、ミラーカバー３２を熱伝導体２７の先端部２７ａの根本部２７ａ１に圧入することによって行われている。この状態において、ミラーカバー３２の内周面と熱伝導体２７の先端部２７ａの外周面との間には、僅かな隙間ｈ１（図１）が設けられる。

なお、ミラーカバー３２が熱伝導が良い材質とされている理由は次のことによる。すなわち、検知部３１は被測定気体内に入れられるので、被測定気体が低温低湿から高温高湿に変化したときに、ミラーカバー３２が熱伝導が悪いとそのカバーに結露してしまい、正確な水分量の計測ができなくなってしまう。また、被測定気体が高湿の場合の測定時にはミラーカバー３２が結露しないように全体をヒーティングする必要があるが、その場合にも均一に温めるために熱伝導が良い材質であることが望まれる。

光ファイバ２９としては、上述したように、小径のファイバ部２９−１と、この小径のファイバ部２９−１につながる大径のファイバ部２９−２とを有する投光軸と受光軸が並行の光ファイバを用いている。本実施の形態では、投光軸と受光軸を並行とすることにより、小径のファイバ部２９−１の先端からの光の照射方向（投光側の光軸）と光の受光方向（受光側の光軸）とを平行とし、また投光側の光軸と受光側の光軸とが隣接して同一の傾斜角としている。小径のファイバ部２９−１は、図６に示すような種々の構成とすることができる。

図６（ａ）では、ステンレスのパイプＰ中に、投光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２とを並行に設けている。ステンレスのパイプＰ中において、投光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２の周囲は、ポッテイング剤で満たされてている。図６（ｂ）では、ステンレスのパイプＰ中に、投光側（あるいは受光側）の光ファイバＦ１と受光側（あるいは投光側）の光ファイバＦ２１〜Ｆ２４を並行に設けている。図６（ｃ）では、ステンレスのパイプＰ中の左半分を投光側の光ファイバＦ１、右半分を受光側の光ファイバＦ２としている。図６（ｄ）では、ステンレスのパイプＰ中に、投光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２とを混在させている。図６（ｅ）では、ステンレスのパイプＰ中の中心部を投光側（あるいは受光側）の光ファイバＦ１、光ファイバＦ１の周囲を受光側（あるいは投光側）の光ファイバＦ２としている。

小径のファイバ部２９−１の後方は、円筒状のスリーブ２９ａによって覆われており、これにより大径のファイバ部２９−２が形成されている。この実施の形態では、熱伝導体２７の外側からネジ３０を締め付け、ネジ３０の先端を大径のファイバ部２９−２に圧接させるが、この圧接力をスリーブ２９ａで受け止めるので、小径のファイバ部２９−１に収容されている光ファイバへの悪影響を防止することができる。

コントロール部２０１Ｂには、露点温度表示部３３と、結露検知部３４と、ペルチェ出力制御部３５と、信号変換部３６とが設けられている。露点温度表示部３３には温度検出素子２６が検出する鏡２５の温度が表示される。結露検知部３４は、光ファイバ２９の先端部より鏡２５の鏡面２５−１に対して所定の周期でパルス光を照射させるとともに、光ファイバ２９を介して受光される反射パルス光（散乱光）の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部３５へ送る。ペルチェ出力制御部３５は、結露検知部２６からの信号Ｓ１を受けて、反射パルス光の強度と予め定められている閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値に達していない場合には、熱電冷却素子２への電流を信号Ｓ１の値に応じて増大させる制御信号Ｓ２を、反射パルス光の強度が閾値を超えている場合には、熱電冷却素子２への電流を信号Ｓ１の値に応じて減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部３６へ出力する。信号変換部３６は、ペルチェ出力制御部３５からの制御信号Ｓ２で指示される電流Ｓ３を熱電冷却素子２へ供給する。

この鏡面冷却式露点計２０１において、例えばダクト内を流れる被測定気体中の水分の露点を検出する場合、鏡面冷却式センサ２０１Ｃは図７に示すような形でダクト３００に取り付けられる。すなわち、ダクト３００の外から、このダクト３００の側面に開設された取付孔３０１にミラーカバー３２が取り付けられた検知部３１を挿入する。そして、熱伝導体２７の表面２７Ａに形成されたネジ部２７Ｂをダクト３００の取付孔３０１に形成されたネジ部３０１に螺合し、フランジ部２７Ｃの鍔がダクト３００の側面に当たるまで締め付ける。なお、フランジ部２７Ｃの鍔とダクト３００の側面との間には、パッキン３０３を入れる。

これにより、鏡面冷却式センサ２０１Ｃをダクト３００に取り付けた状態において、検知部３１がダクト３００内に位置し、放熱部２７ｋがダクト３００の外に位置する。また、ミラーカバー３２の通気孔３２ａを介して検知部３１の内部にダクト３００を流れる被測定気体が入り込み、鏡２５の鏡面２５−１が被測定気体に晒される。また、この被測定気体に晒される状態において、検知部３１の熱電冷却素子２や鏡２５は、ミラーカバー３２によって保護される。なお、この場合、ミラーカバー３２の内周面と熱伝導体２７の先端部２７ａの外周面との間には僅かな隙間ｈ１が設けられているので、この隙間ｈ１に被測定気体が入り込み、検知部３１における被測定気体の回りがよくなる。

この鏡面冷却式センサ２０１Ｃのダクト３００への取り付け状態において、結露検知部３４は、光ファイバ２９の先端部より、鏡２５の鏡面２５−１に対して所定の周期でパルス光を照射させる（図８（ａ）参照）。鏡面２５−１は被測定気体に晒されており、鏡面２５−１に結露が生じていなければ、光ファイバ２９の先端部から照射されたパルス光はそのほゞ全量が正反射し、光ファイバ２９を介して受光される鏡面２５−１からの反射パルス光（散乱光）の量は極微量である。したがって、鏡面２５−１に結露が生じていない場合、光ファイバ２９を介して受光される反射パルス光の強度は小さい。

結露検知部３４では、光ファイバ２９を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部３５へ送る。この場合、反射パルス光の強度はほゞ零であり、予め定められている閾値に達していないので、ペルチェ出力制御部３５は、熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２を信号変換部３６へ送る。これにより、信号変換部３６からの熱電冷却素子２への電流Ｓ３が増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度が下げられて行く。

熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度、すなわち鏡２５の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡２５の鏡面２５−１に結露し、その水の分子に光ファイバ２９の先端部から照射されたパルス光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、光ファイバ２９を介して受光される鏡面２５−１からの反射パルス光（散乱光）の強度が増大する。

結露検知部３４は、受光される反射パルス光の１パルス毎に、その１パルスの上限値と下限値との差を求め、これを反射パルス光の強度とする。すなわち、図８（ｂ）に示すように、反射パルス光の１パルスの上限値Ｌｍａｘと下限値Ｌｍｉｎとの差ΔＬを求め、このΔＬを反射パルス光の強度とする。この結露検知部３４での処理により、反射パルス光に含まれる外乱光ΔＸが除去され、外乱光による誤動作が防止される。この結露検知部３４でのパルス光を用いた外乱光による誤動作防止の処理方式をパルス変調方式と呼ぶ。この処理によって、この鏡面冷却式露点計２０１では、鏡面冷却式センサ２０１Ｃから光の遮光を目的とするチャンバをなくすことができている。

ここで、光ファイバ２９を介して受光される反射パルス光の強度が閾値を超えると、ペルチェ出力制御部３５は、熱電冷却素子２への電流を減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部３６へ送る。これにより、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度の低下が抑えられ、結露の発生が抑制される。この結露の抑制により、光ファイバ２９を介して受光される反射パルス光の強度が小さくなり、閾値を下回ると、ペルチェ出力制御部３５から熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２が信号変換部３６へ送られる。この動作の繰り返しによって、光ファイバ２９を介して受光される反射パルス光の強度が閾値とほゞ等しくなるように、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度が調整される。この調整された温度、すなわち鏡面２５−１に生じた結露が平衡状態に達した温度（露点温度）が、露点温度として露点温度表示部３３に表示される。

なお、この実施の形態では、鏡面２５−１に生じる結露（水分）を検出するものとしたが、同様の構成によって鏡面２５−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。

この露点の検出動作において、鏡面冷却式センサ２０１Ｃでは、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度が下げられると、加熱面２−２の温度が上がる。この加熱面２−２の温度上昇によって生じる熱は、熱伝導体２７の先端部２７ａの傾斜面２７ｂから肉厚部２７ｃに伝わり、胴部２７ｄを通り、ダクト３００の外に位置する放熱部２７ｋから放熱される。

本実施の形態において、熱伝導体２７は、光ファイバ２９の保持部２７ｎと放熱部２７ｋとの一体構造とされているので、その体積が大きい。また、熱伝導体２７には保持部や放熱部との接合部がないので、ここに熱だまりが生じることもない。これにより、排熱性が高まり、ヒートパイプを使用することなく、より多くの熱を低温側に移動させて放熱させることが可能となる。また、保持部や放熱部を別部品として必要とせず、部品点数の削減が図られ、ヒートパイプも使用しないので、低コストとなる。放熱部２７を熱伝導体２７に着脱可能に取り付ける場合でも、光ファイバ２９の保持部２７ｎは熱伝導体２７と一体であるので、部品点数の削減は図られる。

また、本実施の形態では、光ファイバ２９を熱伝導体２７の中心軸に対して平行ではなく、やや斜めに傾けて取り付けているので、大径のファイバ部２９−２を熱伝導体２７の中心部寄りに、小径のファイバ部２９−１を熱伝導体２７の外周部寄りに位置させて、熱伝導体２７の外周部の肉厚を厚くすることができている。これにより、熱伝導体２７の外径が小さくなり、小型・コンパクト化が図られる。

また、本実施の形態では、光ファイバ２９の組み付けや取り外し、位置の調整が簡単となる。すなわち、光ファイバ２９を組み付ける場合、連通孔２７ｇの後方から小径のファイバ部２９−１を差し入れ、この差し入れた小径のファイバ部２９−１を貫通孔２７ｆに挿通し、大径のファイバ部２９−２を連通孔２７ｇに位置させて、熱伝導体２７の外側からネジ孔２７ｉにセットしたネジ３０を締め付けるだけでよい。また、光ファイバ２９の位置の調整、すなわち小径のファイバ部２９−１の先端と鏡２５の鏡面２５−１との距離の調整は、熱伝導体２７の外側からネジ３０を緩め、光ファイバ２９を前後に摺動させるのみでよい。また、光ファイバ２９の取り外しは、熱伝導体２７の外側からネジ３０を緩め、連通孔２７ｇの後方から引き出すだけでよい。

また、本実施の形態では、熱伝導体２７の先端部２７ａにおいて、熱電冷却素子２が取り付けられる傾斜面２７ｂの形成部は、傾斜面２７ｂの下方が肉厚部２７ｃとされているので、振動や外力が加わっても変形し難い。これに対し、図１３に示した鏡面冷却式センサ２０１Ａでは、ヒートパイプ１３の一端１３−１を斜めに立ち上げ、この斜めに立ち上げた一端（傾斜面）１３−１に熱電冷却素子２を取り付けており、ヒートパイプ１３の一端１３−１は平板状であり、その下方に肉厚部が存在しないので、振動や外力が加わると傾斜面１３−１の角度が変化し、鏡面１１−１の角度が変わってしまい、検出精度に悪影響を及ぼす。本実施の形態では、傾斜面２７ｂの下方が肉厚部２７ｃとされているので、多少の振動や外力が加わっても、鏡面２５−１の角度が変化せず、検出精度への悪影響を防止することができる。

また、本実施の形態では、傾斜面２７ｂの下方を肉厚部２７ｃとすることにより、熱電冷却素子２と接している付近の熱伝導体２７の体積が大きくなり、センサの小型化を実現しつつ、冷却能力（排熱能力）が高められる。なお、本実施の形態では、傾斜面２７ｂ下方の空間Ｚ１（図４）を熱伝導体２７を構成する物質が存在する肉厚部２７ｃとしたが、空間Ｚ１の全てに熱伝導体２７を構成する物質が存在しなくてもよく、少し欠けていてもよい。また、空間Ｚ１の外側に熱伝導体２７を構成する物質が存在していてもよい。このような状態についても、本願では、空間Ｚ１に熱伝導体２７を構成する物質が存在する状態という。

また、本実施の形態では、熱伝導体２７の先端部２７ａの傾斜面２７ｂを含む室２７ｍを切削加工によって形成したが、必ずしも切削加工で形成しなくてもよく、熱伝導体２７全体を鋳型などによって形成するようにしてもよい。本実施の形態では、熱伝導体２７を銅製としており、切削加工による室２７ｍの作成は容易である。また、切削加工は少量生産に適しており、結果的にコストを下げることができる。なお、熱伝導体２７は必ずしも銅としなくてもよく、アルミなどを用いてもよい。

また、本実施の形態では、図７に示したダクト３００への取付状態において、フッ素樹脂のコーティングＦＳが施された表面２７の領域２７Ａ１がダクト３００の内部に位置するので、ダクト３００内の雰囲気（計測雰囲気）が腐食性のガスであっても、フッ素樹脂のコーティングＦＳによって熱伝導体２７の素材（銅）が守られ、腐食が防がれる。また、フッ素樹脂は撥水性があるので、結露した水滴が付着することもなく、精度よく露点温度を計測することが可能となる。

フッ素樹脂は、耐食性に優れてはいるが、熱伝導性があまりよくない。したがって、放熱部２７ｋまでフッ素樹脂のコーティングを施してしまうと、放熱性能が落ちる。本実施の形態では、放熱部２７ｋはフッ素樹脂のコーティングが施されていないので、放熱性能を落とすことなく、耐食性を高めることができている。なお、本実施の形態では、フランジ部２７Ｃを含む領域２７Ａ２の全てにフッ素樹脂のコーティングを施さないようにしたが、少なくとも放熱部２７ｋがフッ素樹脂のコーティングが施されていなければよく、例えば領域２７Ａ２に属するフランジ２７Ｃまで、領域２７Ａ１と同様にフッ素樹脂のコーティングを施すようにしてもよい。

なお、本実施の形態では、熱伝導体２７に形成された貫通孔２７ｅに通す電線２８としてエナメル線を用い、この貫通孔２７ｅにエポキシ樹脂１０３を充填しているので、貫通孔２７ｅを通しての熱電冷却素子２側からの被測定気体の通り抜けが完全に防止される。すなわち、貫通孔２７ｅにおける電線２８の周囲の空間からの被測定気体の通り抜けは、密封性の高いエポキシ樹脂１０３によって防止される。また、貫通孔２７ｅに通される電線２８はエナメル線であるので、芯線と被覆との密着度が高く、熱電冷却素子２側の被覆が剥がされた部分から被測定気体が侵入する虞れがなく、芯線と被覆との間の空間からの被測定気体の通り抜けが防止される。また、電線２８の被覆が破れてしまう心配もない。

また、本実施の形態において、エポキシ樹脂１０３は貫通孔２７ｅに設けられているので、熱電冷却素子２の加熱面２−２の熱が冷却面２−１に回り込むということがなく、熱電冷却素子２の冷却性能が損なわれてしまうこともない。

なお、上述した実施の形態では、電線２８として単線のエナメル線を用いたが、エナメル線に代えて単線のホルマール線を用いてもよい。ホルマール線とは、ポリビニルホルマール樹脂を主成分としたワニスを導体に焼き付けた電線であり、半田ごての熱で被覆が溶けるので、被覆をわざわざ剥がす必要がない。ホルマール線については、ＪＩＳＣ３２０２の付属書２に規定されているので、ここでの詳細な説明は省略する。

本発明に係る鏡面冷却式センサの一実施の形態を用いた鏡面冷却式露点計の概略構成図である。 熱伝導体の先端部における熱電冷却素子の取り付け状況を示す斜視図である。 熱伝導体の先端部に設けられた傾斜面における前後方向および左右方向の熱電冷却素子の位置決め状態を説明するための概略図である。 熱伝導体の先端部の傾斜面の下方に設けられる肉厚部を説明する図である。 検知部にミラーカバーを取り付けた鏡面冷却式センサを示す斜視図である。 投光軸と受光軸が並行の光ファイバの構成例を示す図である。 鏡面冷却式センサのダクトへの取り付け状態を示す図 である。 鏡面に対して照射されるパルス光および鏡面から受光される反射パルス光を示す図である。 正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計におけるセンサ部（鏡面冷却式センサ）の構成を示す図である。 散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計におけるセンサ部（鏡面冷却式センサ）の構成を示す図である。 本出願人が先に提案した特願２００４−１０６７０８（参考文献１）に記載されている鏡面冷却式センサの概略構成図である。

符号の説明

２…熱電冷却素子（ペルチェ素子）、２−１…冷却面、２−２…加熱面、２５…鏡、２５−１…鏡面、２６…温度検出素子、２７…熱伝導体、２７ａ…先端部、２７ｂ…傾斜面、２７ｃ…肉厚部、２７ｄ…胴部、２７ｆ…貫通孔、２７ｇ…連通孔、２７ｈ…壁、２７ｉ…ネジ孔、２７ｊ…窪み部、２７ｋ…放熱部、２７ｍ…室、２７ｎ…保持部、２７ｐ…放熱フィン、２７ｚ…取付面、２７ｐ１…貫通孔、２７Ａ…表面、２７Ａ１，２７Ａ２…領域、２７Ｂ…ネジ部、２７Ｃ…フランジ、ＦＳ…フッ素樹脂のコーティング、Ｚ１…空間、２８…電線（エナメル線）、２９…光ファイバ、２９−１…小径のファイバ部、２９−２…大径のファイバ部、２９ａ…スリーブ、３０…ネジ、３１…検知部、３２…ミラーカバー、３３…露点温度表示部、３４…結露検知部、３５…ペルチェ出力制御部、３６…信号変換部、３７…フィンカバー、３８…冷却ファン、３９…ファンカバー、１０３…エポキシ樹脂、１０４…ケース。

Claims (2)

1. 鏡面が被測定気体に晒される鏡と、
   前記鏡の鏡面とは反対側の面に低温側の面が取り付けられた熱電冷却素子と、
   前記鏡の鏡面に対して光を照射する投光手段と、
   前記投光手段から前記鏡面に対して照射された光の反射光を受光する受光手段と、
   前記熱電冷却素子の高温側の面が取り付けられた熱伝導体とを備え、
   前記熱伝導体は、
   前記熱電冷却素子の全てを収容する先端部と、前記投光手段および前記受光手段を保持する保持部と、前記熱電冷却素子の高温側の面からの熱を前記熱電冷却素子から離れた位置で放熱する放熱部とを有し、
   前記先端部が前記被測定気体に晒される領域に設置され、前記放熱部が前記被測定気体に晒されない領域に設置され、少なくとも前記放熱部を除く前記熱伝導体の表面にフッ素樹脂のコーティングが施されている
   ことを特徴とする鏡面冷却式センサ。
2. 請求項１に記載された鏡面冷却式センサにおいて、
   前記熱電冷却素子の高温側の面が取り付けられる前記熱伝導体の取付面は、前記フッ素樹脂のコーティングが施されていない
   ことを特徴とする鏡面冷却式センサ。

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