JP4809179B2

JP4809179B2 - 温度計測用断熱容器

Info

Publication number: JP4809179B2
Application number: JP2006271378A
Authority: JP
Inventors: 茂半澤; 孝安江
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2006-10-03
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-10-03
Also published as: JP2007139757A

Description

本発明は、温度計測用断熱容器に関する。更に詳しくは、優れた断熱性能を有しながらもコンパクトであり、限られた空間内で長時間使用可能な温度計測用断熱容器に関する。

連続炉内における被熱処理物の温度データや、連続炉内部の温度データを計測するための装置として、被処理物等とともに連続炉内を移動させて用いられる温度計測装置がある。このような温度計測装置は、例えば図２に示すように、内層２３、外層２４、及び蓋体１５を備えた温度計測用断熱容器１０の内部に、外部（炉内）温度を計測する熱電対等の温度センサ６を接続したロガー５が収納されることにより構成されている。なお、内層２３及び外層２４を構成する材質は、晒される温度環境等により適宜選択されるが、熱拡散率が小さく、断熱性の高いレンガやセラミックスファイバ等が採用されている。

この種の温度計測用断熱容器は、従来から各種分野の連続炉において利用されている。例えば、３００℃以下程度の比較的低温の連続炉では、二重壁構造を有する真空断熱容器等が用いられる（例えば、特許文献１参照）。また、熱容量の大きい材質として、氷水を用いる例がある（例えば、特許文献２参照）。氷水を用いる場合には、その融解熱や蒸発潜熱も利用できるために、効果的に断熱することができるとされている。更に、データレコーダ（ロガー）を氷とともに真空瓶内に収容し、この真空瓶を断熱材で囲繞した構成を有する温度計測用断熱容器が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

一般的に用いられるロガーの耐熱温度は、５０〜９０℃程度である。このため、このロガーを高温条件下で長時間使用するような場合には、より高い断熱性能を有する断熱容器を用いる必要がある。しかしながら、従来の断熱容器に高い断熱性能を持たせようとすると、寸法が大きくなる傾向にある。従って、連続炉内の通過断面積に制約があるような場合には、優れた断熱性能を発揮させるべく寸法を大きくした断熱容器を実質的に使用することができないという問題があった。
実開昭６４−５１８１５号公報実開昭６１−１４５３００号公報特開平９−２８０９６８号公報

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、優れた断熱性能を有しながらもコンパクトであり、限られた空間内で長時間使用可能な温度計測用断熱容器を提供することにある。

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、ロガーを収納するロガー収納容器の外側に、氷水が充填される蓄熱内層と、低熱伝導率材料を含む断熱外層を順次配置することによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、以下に示す温度計測用断熱容器が提供される。

［１］温度データを記録するロガーを収納可能なロガー収納容器と、前記ロガー収納容器の外側に配置され、氷水が充填される蓄熱内層と、前記蓄熱内層の外側に配置されて前記氷水を充填する内部容器、及び前記内部容器の外側に配置される低熱伝導率材料、を含む断熱外層と、を備え、前記ロガー収納容器が略中心部に配置されており、前記蓄熱内層の厚み（ｄ _１）と前記断熱外層の厚み（ｄ _２）の合計に対する、前記蓄熱内層の厚み（ｄ _１）の比の値（ｄ _１／（ｄ _１＋ｄ _２））が、０．６〜０．７の範囲である温度計測用断熱容器。

［２］前記内部容器が、真空断熱容器である前記［１］に記載の温度計測用断熱容器。

［３］前記低熱伝導率材料が、セラミックスファイバ、グラスウール、ロックウール、珪酸カルシウム保温材、及び微細多孔構造断熱材からなる群より選択される少なくとも一種である前記［１］又は［２］に記載の温度計測用断熱容器。

本発明の温度計測用断熱容器は、優れた断熱性能を有しながらもコンパクトであり、限られた空間内で長時間使用可能であるといった効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の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で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

図１は、本発明の温度計測用断熱容器の一実施形態を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の温度計測用断熱容器１は、ロガー収納容器２、蓄熱内層３、及び断熱外層４を備えている。この温度計測用断熱容器１を実際に使用するに際しては、外部温度のデータを記録するロガー５が、ロガー収納容器２内の被断熱空間８に収納される。なお、ロガー５には、温度計測用断熱容器１の外部温度を計測可能な温度センサ６が接続される。

ロガー収納容器２の外側に配置される蓄熱内層３には、氷水１１が充填される。また、この蓄熱内層３の外側に配置される断熱外層４は、氷水１１を充填可能な内部容器１２と、この内部容器１２の外側に配置される低熱伝導率材料１３により構成されている。なお、図１中、符号１４はロガー収納容器２が載置される支持台を示し、符号１５は蓋体を示す。

外部の熱から保護されるロガー５に近い部分には、熱容量の大きい材質からなる層、即ち、蓄熱内層３を設ける。この蓄熱内層３の厚みは、例えば２０〜１００ｍｍである。なお、蓄熱内層３を構成する材質の熱伝導率については、特に制限はない。蓄熱内層３を構成する熱容量の大きい材質は、氷水１１である。氷水１１を用いることにより、融解熱も利用することができる。氷は通常の氷製容器を用いて製造したものを用いることができる。内部容器１２の内部にロガー収納容器２及び氷を入れ、氷の隙間を水で満たすことにより、例えば、氷の含有割合が５０〜６０体積％の蓄熱内層３を構成することができる。氷の含有割合の高い氷水１１を用いることにより、より高い断熱効果が発揮される。内部容器１２とロガー収納容器２との間の空間形状に合致するように氷を作製すれば、氷の含有割合が８０〜９０体積％の蓄熱内層３を構成することができる。

なお、通常のロガーの耐熱温度は、１００℃未満である。但し、その耐熱温度が１００℃以上のロガーを用いる場合には、水の蒸発潜熱をも利用して、更に優れた断熱効果を発揮させることも可能である。但し、蒸発した水分が連続炉内の雰囲気を乱す場合がある。従って、連続炉内に配置される被加熱物への影響等に配慮する必要性がある。

蓄熱内層３の外側の部分には、低熱伝導率材料からなる層、即ち、断熱外層４を設ける。この断熱外層４の厚みは、例えば２０〜１００ｍｍである。なお、断熱外層４の熱容量については、特に制限はない。断熱外層４を構成する低熱伝導率材料としては、空隙率の高い繊維状無機材料が好適に用いられる。より具体的には、軽量断熱材として一般的に用いられるセラミックスファイバ、グラスウール、ロックウール、珪酸カルシウム保温材、若しくは微細多孔構造断熱材、又はこれらの複数を組み合わせた混合積層体が好適に用いられる。

なお、前述の微細多孔構造断熱材とは、例えばシリカ、チタニア、アルミナ等の成分を含んでなる、その内部に微細な多孔構造が形成された断熱材のことをいう。より具体的には、商品名「マイクロサーム」（日本マイクロサーム株式会社製）等の市販品を好適例として挙げることができる。

断熱外層４の熱伝導率は、温度依存性があり、例えば５００℃前後の温度域の連続炉内で使用される場合、０．０３〜０．０８ｋｃａｌ／（ｍ・ｈ・℃）程度である。

内部容器１２として、真空断熱容器を用いることが好ましい。真空断熱容器を内部容器１２に用いると、この真空断熱容器を構成する真空断熱壁が、断熱外層４の一部として機能することになる。従って、断熱外層４全体としての熱伝導率が更に低減され、より優れた断熱効果が発揮される。

真空断熱壁の構造は、通常、内壁と外壁との間に真空部分を有する二重壁構造である。このため、真空部分の理論上の熱伝導率は０である。但し、輻射による伝熱と、内壁と外壁を連結する部分からの熱伝導とを生ずるために、真空断熱壁全体として、ある程度の伝熱が生じ得る。しかし、３００℃程度以下の低温条件下での伝熱は非常に少ない。例えば、真空断熱壁の厚みが７．５ｍｍである場合、この真空断熱壁の見かけの熱伝導率は、０．００５ｋｃａｌ／（ｍ・ｈ・℃）程度である。

ここで、セラミックスファイバの厚みが８０ｍｍ、熱伝導率が０．０６ｋｃａｌ／（ｍ・ｈ・℃）程度と仮定すると、厚み７．５ｍｍの真空断熱壁と、厚み８０ｍｍのセラミックスファイバとからなる断熱外層全体の熱伝導率は、（８７．５／（７．５／０．００５＋８０／０．０６））＝０．０３ｋｃａｌ／（ｍ・ｈ・℃）程度となる。従って、例えばセラミックスファイバのみで厚み８０ｍｍの断熱外層を構成した場合と比べて、その８０ｍｍに更に７．５ｍｍの真空断熱壁を施すことによって、伝熱量を半分にすることができる。

なお、真空断熱壁は、雰囲気温度が高くなるに従って輻射による伝熱が生じ易くなる。即ち、真空断熱壁の見かけの熱伝導率は、雰囲気温度上昇に伴い飛躍的に増大する。このため、真空断熱壁の雰囲気温度（外側温度）が３００℃以上になると、断熱性能がかえって低下する傾向にある。従って、断熱外層４の最内部に真空断熱壁（真空断熱容器）を配置し、真空断熱壁が高温条件に晒されない状態とすることが、より優れた断熱効果が発揮されるために好ましい。

ロガー収納容器２が、温度計測用断熱容器１の概ね略中心部に配置されるとともに、蓄熱内層の厚みｄ_１と、断熱外層の厚みｄ_２の合計（ｄ_１＋ｄ_２）に対する、蓄熱内層の厚みｄ_１の比の値（ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２））を、０．６〜０．７の範囲とするものであり、０．６２５〜０．６７５の範囲とすることが好ましい。「ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２）」を上記の数値範囲とすることにより、優れた断熱性能が、限られた寸法で発揮される。従って、本実施形態の温度計測用断熱容器１は、優れた断熱性能を有しながらもコンパクトなものであり、限られた空間内で長時間使用することが可能なものである。

以上述べてきたように、本実施形態の温度計測用断熱容器１は、優れた断熱性能を有しながらもコンパクトなものである。従って、本実施形態の温度計測用断熱容器１は、各種の連続炉内において、被処理物等とともに連続炉内を移動させて用いられる温度計測装置を構成するための断熱容器として好適である。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（平面モデルを用いた非定常伝熱計算（参考例１〜５））
図３は、非定常伝熱計算用の平面モデルを模式的に示す断面図である。この平面モデル２５は、それぞれの厚みが０．１ｍの内層２３及び外層２４からなるモデルであり、初期状態における内部温度Ｔ_１及び外部温度Ｔ_２は、いずれも２０℃である。表１に、内層及び外層の材質の組み合わせを示す。また、表２に、表１に示した各材質の物性値を示す。なお、表２において、水の熱伝導率λを「１０００（ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃）」と表記しているが、これは水の対流を考慮した数値である。この初期状態（Ｔ_１＝Ｔ_２＝２０℃）から、外部温度Ｔ_２のみ２００℃に急変させた場合における、内部温度Ｔ_１の変化を計算した。結果を図４に示す。

図４から明らかなように、熱拡散率が同一であっても、熱容量と熱伝導率が異なる材質を用いる場合には、より熱容量の大きい材質を内層に配置し、より熱伝導率の小さい材質を外層に配置することが好ましい（参考例３と参考例４を対比）。また、内層を水、外層をセラミックスファイバでそれぞれ構成した参考例５が、最も優れた断熱効果を示すことが明らかである。

（円柱形状モデルを用いた非定常伝熱計算）
図５は、非定常伝熱計算用の円柱形状モデルを模式的に示す断面図である。この円柱形状モデル３５は、その直径と高さが同一の寸法である。また、被断熱空間３８、蓄熱内層３、及び断熱外層４（熱伝導率＝λ）は、互いに相似形である。なお、図５中、符号３７は中心軸を示し、符号Ｄは、全層厚み（蓄熱内層の厚みｄ_１と断熱外層の厚みｄ_２の合計）を示し、符号Ｒ_ｉは、被断熱空間半径を示す。

すべての領域の温度が一定（Ｔ_１＝Ｔ_２＝Ｔ_０（Ｔ_０：初期温度））の初期状態から、外部温度Ｔ_２のみＴ_ｅ（℃）に急変させた場合における、内部温度Ｔ_１の変化を計算した。結果を図６及び図７に示す。なお、内部温度Ｔ_１と外部温度Ｔ_２の温度差が、（Ｔ_ｅ−Ｔ_０）の１／ｅ（ｅ≒２．７１８）になるまでに要する時間を「代表到達時間Ｈ」とした場合、この代表到達時間Ｈが長いほど、断熱性能に優れていると評価することができる。

図６及び図７は、円柱形状モデルを用いた非定常伝熱計算の結果を示すグラフである。図６では、断熱外層４の熱伝導率を一定（λ／Ｒ_ｉ＝１．７）とし、全層厚みのパラメータをＤ／Ｒ_ｉ＝４、Ｄ／Ｒ_ｉ＝５、及びＤ／Ｒ_ｉ＝６に設定した場合において、蓄熱内層の厚み／全層厚み（ｄ_１／Ｄ）に対する、代表温度到達時間Ｈ（ｈ）をプロットしている。図６から明らかなように、全層厚みのパラメータ（Ｄ／Ｒ_ｉ）がいずれの値であっても、ｄ_１／Ｄの値が０．６〜０．７の範囲内である場合に、優れた断熱効果が発揮されることが分かる。

図７では、断熱外層４の熱伝導率のパラメータをλ／Ｒ_ｉ＝０．３、λ／Ｒ_ｉ＝１．３、及びλ／Ｒ_ｉ＝３．３に設定した場合において、全層厚み（Ｄ／Ｒ_ｉ）に対する、最適なｄ_１／Ｄ（ｄ_{１ｏｐｔｉ．}／Ｄ）の値をプロットしている。図７から明らかなように、熱伝導率のパラメータ（λ／Ｒ_ｉ）がいずれの値であっても、最適なｄ_１／Ｄ（ｄ_{１ｏｐｔｉ．}／Ｄ）の値は、０．６〜０．７の範囲内であることが分かる。

（実施例１，２、比較例１，２、参考例６，７）
図１に示す構成の温度計測用断熱容器１（実施例１，２、比較例１，２、参考例６，７）を作製した。温度計測用断熱容器１を構成する各構成部材の寸法を表３に示す。また、蓄熱内層３の材質及び厚みｄ_１、断熱外層４の材質及び厚みｄ_２、並びに「ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２）」の値を表４に示す。なお、ロガー収納容器２内には、ロガー収納容器２内の温度を計測すべく、ロガーを収納する代わりに熱電対を挿入した。また、実施例１，２、参考例６，７の温度計測用断熱容器１を作製するために用いた氷水の氷の含有割合は、約６０体積％であった。

作製した温度計測用断熱容器１をそれぞれバッチ式電気炉に入れ、図８に示すように、昇温５時間→５００℃×３時間保持→降温２時間の温度プログラムで加熱した。それぞれの温度計測用断熱容器１についての、ロガー収納容器２内到達温度の測定結果を表４に示す。なお、図８は、各実施例及び比較例の温度計測用断熱容器について、時間（ｈ）に対してロガー収納容器内の温度（℃）をプロットしたグラフである。

表４に示すように、実施例１，２の温度計測用断熱容器は、比較例１，２の温度計測用断熱容器に比してロガー収納容器内到達温度が低く、優れた断熱効果を有するものであることが明らかである。また、「ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２）」の値を０．６〜０．７の範囲内とすることにより、ロガー収納容器内到達温度を更に低くすることが可能である（実施例１，２参照）。即ち、温度計測用断熱容器の寸法が同一であっても、蓄熱内層と断熱外層の厚みの比率を最適範囲内とすることによって、より優れた断熱効果が発揮されることが明らかである。

内部容器として真空断熱容器を用いることにより、ロガー収納容器内到達温度を更に低くすることが可能である（実施例２参照）。なお、「ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２）」の値を０．６〜０．７の範囲内に設定するとともに、真空断熱容器を用いることにより、ロガー収納容器内到達温度を実施例の中で最も低減可能であることが明らかである（実施例２参照）。

本発明の温度計測用断熱容器は、優れた断熱性能を有しながらもコンパクトなものである。従って、本発明の温度計測用断熱容器は、限られた空間内で長時間使用されることが想定される、セラミックス焼成用連続炉、食品製造用炉等をはじめとする各種の連続炉内において、被処理物等とともに連続炉内を移動させて用いられる温度計測装置を構成するための断熱容器として好適である。

本発明の温度計測用断熱容器の一実施形態を模式的に示す断面図である。従来の温度計測用断熱容器の一実施形態を模式的に示す断面図である。非定常伝熱計算用の平面モデルを模式的に示す断面図である。平面モデルを用いた非定常伝熱計算の結果を示すグラフである。非定常伝熱計算用の円柱形状モデルを模式的に示す断面図である。円柱形状モデルを用いた非定常伝熱計算の結果を示すグラフである。円柱形状モデルを用いた非定常伝熱計算の結果を示すグラフである。時間（ｈ）に対してロガー収納容器内の温度（℃）をプロットしたグラフである。

符号の説明

１，１０：温度計測用断熱容器、２：ロガー収納容器、３：蓄熱内層、４：断熱外層、５：ロガー、６：温度センサ、８，３８：被断熱空間、１１：氷水、１２：内部容器、１３：低熱伝導率材料、１４：支持台、１５：蓋体、２３：内層、２４：外層、２５：平面モデル、３５：円柱形状モデル、３７：中心軸、ｄ_１：蓄熱内層の厚み、ｄ_２：断熱外層の厚み、Ｄ：全層の厚み、Ｒ_ｉ：被断熱空間半径、Ｔ_１：内部温度、Ｔ_２：外部温度

Claims

温度データを記録するロガーを収納可能なロガー収納容器と、
前記ロガー収納容器の外側に配置され、氷水が充填される蓄熱内層と、
前記蓄熱内層の外側に配置されて前記氷水を充填する内部容器、及び前記内部容器の外側に配置される低熱伝導率材料、を含む断熱外層と、を備え、
前記ロガー収納容器が略中心部に配置されており、
前記蓄熱内層の厚み（ｄ _１）と前記断熱外層の厚み（ｄ _２）の合計に対する、前記蓄熱内層の厚み（ｄ _１）の比の値（ｄ _１／（ｄ _１＋ｄ _２））が、０．６〜０．７の範囲である温度計測用断熱容器。
前記内部容器が、真空断熱容器である請求項１に記載の温度計測用断熱容器。
前記低熱伝導率材料が、セラミックスファイバ、グラスウール、ロックウール、珪酸カルシウム保温材、及び微細多孔構造断熱材からなる群より選択される少なくとも一種である請求項１又は２に記載の温度計測用断熱容器。