JP5256869B2 - 放射率計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、簡略な装置構成によって試料の放射率を正確に計測できるようにした放射率計測装置に関する。

近年、種々の材料の開発に伴い該材料（試料）の熱物性値を測定することが行われている。熱物性値として放射率を測定することが行われているが、放射率の測定は非常に困難を伴うのが通常である。放射率計測法には、入熱と試料からの熱輻射のバランスに基づいて放射率を算出する定常法と、輻射放熱と試料温の時間変化から放射率を算出する非定常法とがある。

定常法は、試料の比熱が未知でも測定が可能であり且つ高温まで測定できる反面、試料の加熱は通電加熱に限定されるため試料に制約があり、電気炉により加熱する方法は通常用いることができない。又、定常法は、加熱のための構成が複雑になる問題があると共に高温を維持する必要があることから熱損失が大きいという問題があり、更に計測に非常に長時間を要するという問題がある。

一方、非定常法は、電気炉を用いることが可能であるため試料の制約が少なく、構成が比較的簡単であり、短時間に測定できる利点がある反面、試料の比熱が既知である必要があると共に、電気炉もしくは試料を移動させるための機構が必要となる。

ここで、試料の比熱が分かっている場合には、非定常法を用いることにより簡単な装置構成によって放射率が計測できるため実用的である。

金属材料の全半球輻射率（放射率）は非定常法によってRamanathanらにより比較的精度良く測定されるようになって以来、非定常法での放射率の測定は多く用いられている。非定常法は、真空で加熱した試料からの放熱を輻射のみの状態にして、試料温度と周囲環境温度から試料の放射率を計測するようにしている。

図６は、非定常法による放射率計測装置の一例を示したもので、真空容器１の内部に円筒形の冷却壁２（冷却槽）を設け、冷却壁２の内部空間３に試料４を配置するようにしている。試料４は線形或いは球形等の形（図では線形の場合を示す）を有しており、この装置では試料４の温度を測定する熱電対による熱損失をできるだけ小さくするように測定部を工夫している。

即ち、内部空間３には上部から吊り下げたガードヒータ５が設けてあり、該ガードヒータ５には熱電対を介して前記試料４を吊り下げる際に、熱電対による試料４の熱損失を軽減するために、先ず試料４は細い線からなる熱電対６によってガード用の左右の線状小片７，８（以下ガードワイヤと称す）の下端に吊り下げ、この時ガードワイヤ７，８は全体長さが長くならないようにＵ字形としている。更に、左右のガードワイヤ７，８は夫々ガードワイヤ測温用の熱電対９，１０を介して前記ガードヒータ５内にある接続端子１１に吊り下げている。ガードヒータ５は熱電対９，１０による熱損失を抑制するために設けられるもので、計測中はガードヒータ５を通電加熱して接続端子１１を任意の一定温度に保持するようにしている。１２はガードヒータ５における接続端子測温用の熱電対である。

１３は前記試料４とガードワイヤ７，８からなる測定部を加熱するための電気炉（直流加熱）であり、電気炉１３は筒形のヒータ１４を備えており、２点鎖線で示すように試料４に嵌合して試料４の加熱を行う加熱位置Ａと、実線で示すように試料４から離反した待機位置Ｂとに上下に移動するように外部から操作されるロッド１５に固定されている。図のロッド１５は冷却壁２及び真空容器１を貫通していると共に真空容器１の貫通部は蛇腹１６によって気密に保持されている。

図６の放射率計測装置により試料４の放射率を計測するには、冷却壁２が液体窒素Ｎ₂等により試料４に比べて十分に低い温度に冷却され、且つ真空容器１内が真空に保持された状態において、２点鎖線で示すように電気炉１３を上昇させ電気炉１３が試料４及びガードワイヤ７，８の外周に嵌合した加熱位置Ａにおいて電気炉１３を作動することにより試料を加熱する。

電気炉１３により試料４とガードワイヤ７，８が同時に加熱されて両者の温度が十分接近して定常状態に達すると、電気炉１３は待機位置Ｂに降下して電気炉１３の加熱を停止すると同時に、前記各熱電対６，９，１０，１２により試料４とガードワイヤ７，８とガードヒータ５の温度の検出を開始し、時刻と共に記録する。これらの測定結果から試料４の冷却速度、各熱電対６，９，１０，１２による熱損失等が計測され、下記式（１）、（２）、（３）によって放射率εが求められる。

（熱バランスの式）

（電気炉から試料への輻射熱量を算出する式）

（試料の放射率を求める式）
ｍ：質量［ｋｇ］
ｃｐ：比熱［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］
ｔ：時間［ｓｅｃ］
Ｔ：温度［Ｋ］
Ｔ_environment：ＬＮ₂冷却による冷却壁の内面温度［Ｋ］
Ｑ_radiation：試料の輻射による放射熱量［Ｗ］
Ｑ_error：電気炉から試料への輻射熱量［Ｗ］
σ：ステファンボルツマン定数５．６７ｅ−８［Ｗ／ｍ²／Ｋ⁴］
Ａ：表面積［ｍ²］
Ｆ_{heater→sample}：電気炉から試料を見た形態係数
sample：試料
heater：電気炉
radiation：輻射
error：誤差
environment：周囲環境

前記熱バランスの式（１）では、試料４の温度降下が試料４からの輻射熱量Ｑ_radiationは電気炉１３から試料４への輻射熱量Ｑ_errorによる誤差を含むことを表わしている。ここで、試料４からの放射熱量Ｑ_radiationを正としている。電気炉１３から試料４への輻射熱量Ｑ_errorによる計測誤差は、電気炉１３から試料４への形態係数Ｆ_{heater→sample}を小さくすることで抑制することができる。

尚、このような放射率計測装置について技術開示した先行技術情報としては特許文献１がある。
特開２００１−３１８００３号公報

しかし、図６に示した放射率計測装置においては、試料４及びガードワイヤ７，８を電気炉１３により加熱した後、電気炉１３を待機位置Ｂに降下し、電気炉１３による加熱を停止して、各熱電対６，９，１０，１２による試料４の放熱の検出を開始したとき、試料４は直下に位置し且つ筒形の中心の開口が試料４の方向を向いている電気炉１３からの余熱による輻射熱を受け続け、このために電気炉１３から試料４への輻射熱による形態係数Ｆが大きくなってしまい、このために計測誤差が大きくなって正確な放射率の計測ができないという問題を有していた。

一方、電気炉１３を試料４から十分離れた位置まで降下させるようにすると、電気炉１３からの輻射熱による影響を小さくして電気炉１３から試料４への輻射熱による形態係数Ｆを小さく抑えることができるが、この場合には真空容器１を縦方向に大型にする必要があり、更に、電気炉１３を長い距離で昇降させるための長いロッド１５が必要になると共にロッド１５の移動距離をカバーできる長いストロークの蛇腹１６が必要となって、移動させるための機構も大型になるという問題があり、又、ロッド１５が長大化するとロッド１５に支持された電気炉１３を所定の位置に精度良く保持することが困難になるといった問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、簡略な装置構成によって試料の放射率を正確に計測できるようにした放射率計測装置を提供しようとするものである。

本発明は、内側に冷却壁を有する真空容器の内部空間に試料を吊り下げて支持し、電気炉を前記試料に嵌合させて試料を加熱し、続いて電気炉を試料から離反させて電気炉の加熱を停止し、前記加熱された試料からの輻射による放熱を検出して試料の放射率を計測する放射率計測装置であって、
試料を加熱する電気炉が一端に固定され他端が支点を中心に回動するハンドルを有し、前記電気炉を試料に嵌合させた加熱位置からハンドルを回動して待機位置に移動した際に電気炉の中心線が試料に対し傾き角を有して離反するようにしたことを特徴とする放射率計測装置、に係るものである。

上記放射率計測装置において、前記ハンドルは真空容器を気密に貫通しており、該貫通部には、ハンドルを回動可能に支持する支点と回動を案内するガイド機構を有することが好ましい。

又、上記放射率計測装置において、前記ガイド機構が、電気炉を試料の加熱位置と待機位置との間に移動させる際にハンドルが鉛直方向に回動するように案内する案内部材を有することは好ましい。

又、上記放射率計測装置において、前記ガイド機構が、電気炉を試料の加熱位置に移動させた際に該加熱位置を保持するようにハンドルを係止しておくストッパ部材を有することは好ましい。

本発明の放射率計測装置によれば、試料を加熱する電気炉が一端に固定され他端が支点を中心に回動するハンドルを有し、前記電気炉を試料に嵌合させた加熱位置からハンドルを回動して待機位置に移動した際に電気炉の中心線が試料に対し傾き角を有して離反するようにしたので、電気炉を試料から離反する際に、電気炉と試料との間の距離が大きくなることにより電気炉から試料への輻射熱による形態係数が減少すると共に、電気炉の中心線が試料に対し傾き角を有して離反することにより形態係数が更に小さく抑えられ、よって簡単な構成により計測誤差を小さく抑えて正確な放射率の計測が可能になるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、真空装置１７で真空を保持するようにした真空容器１の内側に、液体窒素Ｎ₂で冷却される冷却壁２が設けられ、真空容器１の内部空間３には、図６と同様にガードヒータ５を設け、該ガードヒータ５に熱電対６を介して球状の試料４を吊り下げ支持している。

筒形を有して試料４の加熱を行う電気炉１３は、ハンドル１８の一端に固定しており、ハンドル１８の他端は、前記冷却壁２及び真空容器１を貫通すると共に真空容器１の貫通部に備えた蛇腹１９に固定している。更に、前記ハンドル１８が前記真空容器１を貫通している貫通部には図２、図３に示すように支点２０が設けてあり、ハンドル１８は支点２０を中心に上下に回動可能に支持されている。

前記蛇腹１９は図２に示すように基板２１によって真空容器１の外面に固定されており、蛇腹１９には図１の手前側と奥側に突出したガイドピン２２が固定してあり、更に、前記基板２１の外面における前記蛇腹１９を挟む手前側と奥側には、前記支点２０を中心とする円弧を有して前記ガイドピン２２が嵌合するガイド孔２３を備えたガイド板２４が固定されており、上記蛇腹１９に設けたガイドピン２２と、ガイドピン２２が嵌合するガイド孔２３を有するガイド板２４とによってガイド機構２５が構成され、このガイド機構２５によってハンドル１８が常に前記支点２０を中心に回動するように支持されている。

更に前記基板２１の外面に突設した固定部材２６には、ハンドル１８を手前側と奥側で挟むようにしてハンドル１８を常に鉛直面でのみ回動させるように案内する案内部材２７を設けている。

更に、前記固定部材２６には、前記電気炉１３を試料４の加熱位置Ａに移動させた際に該加熱位置Ａを保持するようにハンドル１８を係止しておためのくストッパ部材２８を、固定部材２６を中心に回動可能に備えている。図１中、２９は冷却壁２の内面の温度を計測するように前後、左右、上下の複数箇所に設けた熱電対、３０は電気炉１３のリード線である。

そして、上記構成においては、試料４に電気炉１３が嵌合した加熱位置Ａからハンドル１８を回動して電気炉１３を試料４から離反させた待機位置Ｂに移動した際に、筒形の電気炉１３の中心線Ｘが試料４に対し傾き角θを有して外方へ離反するようになっている。

次に図１〜図３の形態の作用を説明する。

図１の輻射率計測装置により試料４の放射率を計測するには、冷却壁２が液体窒素Ｎ₂等により試料４に比べて十分に低い温度に冷却され、且つ真空容器１内が真空に保持された状態において、ハンドル１８を回動して電気炉１３を２点鎖線で示すように上昇させて電気炉１３が試料４の外周に嵌合した加熱位置Ａになるように位置させ、この時、図２のストッパ部材２８をハンドル１８に係止させた状態にして電気炉１３を作動して試料４の加熱を行う。

電気炉１３により試料４が加熱されて定常状態に達した後、前記ストッパ部材２８の係止を解きハンドル１８を回動して電気炉１３は待機位置Ｂに移動させ、電気炉１３の加熱を停止する。更に、これと同時に、前記熱電対６による試料４の温度の検出、及び熱電対２９による冷却壁２の内面の温度の計測を行い、その検出温度を時刻と共に記録する。これらの測定結果から下記式（１）、（２）、（３）を用いて試料４の放射率εを計測する。

（熱バランスの式）

（電気炉から試料への輻射熱量を算出する式）

（試料の放射率を求める式）
ｍ：質量［ｋｇ］
ｃｐ：比熱［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］
ｔ：時間［ｓｅｃ］
Ｔ：温度［Ｋ］
Ｔ_environment：ＬＮ₂冷却による冷却壁の内面温度［Ｋ］
Ｑ_radiation：試料の輻射による放熱量［Ｗ］
Ｑ_error：電気炉から試料への輻射熱量［Ｗ］
σ：ステファンボルツマン定数５．６７ｅ−８［Ｗ／ｍ²／Ｋ⁴］
Ａ：表面積［ｍ²］
Ｆ_{heater→sample}：電気炉から試料を見た形態係数
sample：試料
heater：電気炉
radiation：輻射
error：誤差
environment：周囲環境

この時、前記電気炉１３は、ハンドル１８の回動によって加熱位置Ａから待機位置Ｂに移動するとき、筒形の電気炉１３の中心線Ｘが試料４に対し傾き角θを有して外方へ離反する。

従来では、図４に示すように、電気炉１３を試料４の加熱位置Ａから待機位置Ｂへ移動した時に、電気炉１３の中心線Ｘが試料４の方向を向いたまま離反することになるため、式（２）における形態係数Ｆ_{heater→sample}は、電気炉１３と試料４との距離の増加に応じた分だけ減少することになる。

一方、本発明では図５に示すように、ハンドル１８の回動によって電気炉１３を加熱位置Ａから待機位置Ｂへ移動すると、電気炉１３の中心線Ｘが試料４に対し傾き角θを有して外方へ離反するため、新たな形態係数［Ｆ_{heater→sample}］は、［Ｆ_{heater→sample}］＝Ｆ_{heater→sample}×ｃｏｓθとなる。ここで、電気炉１３の傾き角θが０゜のときのｃｏｓθは「１」であり、電気炉１３の傾き角θが０゜より大きくなると、ｃｏｓθは「１」より小さい値となる。従って、本発明では、電気炉１３と試料４が離反する距離の増加に応じて形態係数が減少することに加えて、前記傾き角θに応じたｃｏｓθが掛け算されることにより新たな形態係数［Ｆ_{heater→sample}］は従来の形態係数に比して小さな値となる。このように形態係数を小さく抑えることにより、待機位置Ｂで加熱を停止した電気炉１３の余熱が誤差として試料４に作用する輻射熱量Ｑ_errorを小さく抑えることができ、よってより正確な放射率の計測が可能になる。

又、電気炉１３を一端に固定したハンドル１８の他端側を真空容器１に設けた支点２０を中心に回動させることで電気炉１３を加熱位置Ａと待機位置Ｂとに移動させるようにしたので、ハンドル１８が真空容器１を貫通する部分の移動量は非常に小さくなり、よって電気炉１３を移動させるための機構を著しく小型化することができる。

又、前記ガイド機構２５によってハンドル１８が常に支点２０を中心に回動するように規定されており、更に、前記電気炉１３を試料４の加熱位置Ａと待機位置Ｂとの間で移動させる際に案内部材２７によってハンドル１８は常に鉛直方向に回動するように案内されるので、試料４とて電気炉１３の相対位置を常に一定に保持することができる。

又、前記電気炉１３を試料４の加熱位置Ａに移動させた際に該加熱位置Ａを保持するようにハンドル１８を係止しておくストッパ部材２８を備えているので、試料４が所定の加熱温度に到達さするまではストッパ部材２８によって加熱位置Ａを簡単、確実に保持することができる。

なお、本発明は上記形態にのみ限定されるものではなく、試料の吊り下げ方式には限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例としての放射率計測装置の全体概要構成図である。 ハンドルが真空容器を貫通する部分の構成説明図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向矢視図である。 従来において電気炉が試料の加熱位置から待機位置へ移動した際の作用を示す概略説明図である。 本発明において電気炉が試料の加熱位置から待機位置へ移動した際の作用を示す概略説明図である。 従来の放射率計測装置の一例を示す全体概要構成図である。

符号の説明

１ 真空容器
２ 冷却壁
３ 内部空間
４ 試料
１３ 電気炉
１８ ハンドル
２０ 支点
２５ ガイド機構
２７ 案内部材
２８ ストッパ部材
Ａ 加熱位置
Ｂ 待機位置
Ｘ 中心線

Claims (4)

1. 内側に冷却壁を有する真空容器の内部空間に試料を吊り下げて支持し、電気炉を前記試料に嵌合させて試料を加熱し、続いて電気炉を試料から離反させて電気炉の加熱を停止し、前記加熱された試料からの輻射による放熱を検出して試料の放射率を計測する放射率計測装置であって、
   試料を加熱する電気炉が一端に固定され他端が支点を中心に回動するハンドルを有し、前記電気炉を試料に嵌合させた加熱位置からハンドルを回動して待機位置に移動した際に電気炉の中心線が試料に対し傾き角を有して離反するようにしたことを特徴とする放射率計測装置。
2. 前記ハンドルは真空容器を気密に貫通しており、該貫通部には、ハンドルを回動可能に支持する支点と回動を案内するガイド機構を有する請求項１に記載の放射率計測装置。
3. 前記ガイド機構は、電気炉を試料の加熱位置と待機位置との間に移動させる際にハンドルが鉛直方向に回動するように案内する案内部材を有する請求項２に記載の放射率計測装置。
4. 前記ガイド機構は、電気炉を試料の加熱位置に移動させた際に該加熱位置を保持するようにハンドルを係止しておくストッパ部材を有する請求項２又は３に記載の放射率計測装置。

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