JP5540241B2 - 熱流束計測装置、及び熱流束計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱流束を計測する熱流束計測装置及び熱流束計測方法に関する。

例えば特許文献１には、熱流束計測装置として、エンジンのシリンダ壁に取り付けられる熱流束計が記載されている。この熱流束計では、エンジンのシリンダ壁のねじ孔に螺合される伝熱体に、一対の熱電対の測温点がそれぞれ設けられている。一対の熱電対の測温点は、シリンダ壁の厚さ方向において異なる位置に設けられている。この熱流束計では、２つの測温点で測定される温度差により、シリンダ壁を厚さ方向に伝導する熱流束が測定される。

特開２００３−１３０７３７号公報

ところで、熱電対は、素線に熱容量があるために、素線の太さに応じた応答遅れが発生する。そのため、従来の熱流束計測装置では、熱流束の計測において十分な時間分解能を得ることができない場合があった。

本発明は上述の実情に鑑みなされたものであって、その目的は、熱流束を計測する熱流束計測装置及び熱流束計測方法において、時間分解能を向上させることである。

第１の発明は、熱電対を用いて、第１計測位置と該第１計測位置より低温の第２計測位置との温度差を計測する第１計測部と、上記第１計測部の熱電対とは時定数が異なる熱電対を用いて、上記第１計測位置と同じ温度とみなせる第３計測位置と上記第２計測位置と同じ温度とみなせる第４計測位置との温度差を計測する第２計測部と、上記各計測部の熱電対の熱起電力からそれぞれ得られる実測温度差と、上記各計測部の実測温度差の時間微分値とを用いて、少なくとも一方の計測部の熱電対の時定数を検出し、検出した時定数により上記実測温度差の応答遅れを補償した温度差を算出して、該補償後の温度差から熱流束を算出する熱流束算出部とを備えている熱流束計測装置である。

第１の発明では、第１計測部の熱電対の熱起電力から、第１計測位置と第２計測位置の実測温度差が得られる。第２計測部の熱電対の熱起電力から、第３計測位置と第４計測位置の実測温度差が得られる。各実測温度値の時間変化から、それぞれの時間微分値が得られる。ここで、各実測温度差の応答遅れを補償した温度差（以下、補償後温度差という。）の関係式は、実測温度差、実測温度差の時間微分値、及び時定数を変数として表される（後述の数式１及び数式２参照）。このとき、第１計測部の熱電対の時定数と第２計測部の熱電対の時定数は異なる。また、第１計測位置と第３計測位置は同じ温度とみなせ、第２計測位置と第４計測位置とは同じ温度とみなせる。つまり、第１熱電対の補償後温度差と第２熱電対の補償後温度差は同じとみなせる。従って、これらの関係を用いると、各熱電対の時定数を算出することが可能である。少なくとも一方の計測部の熱電対の時定数が分かれば、補償後温度差が導出され、その補償後温度差から熱流束が導出される。第１の発明では、互いに時定数が異なる熱電対を少なくとも２つ用いて、温度差が互いに同じとみなせる位置間の温度差をそれぞれ実測すると、時定数を検出できるので、その時定数を用いて熱流束を算出するようにしている。

第２の発明は、第１の発明において、上記第１計測部は、温接点が第１計測位置に設けられ、冷接点が第２計測位置に設けられた第１熱電対を備え、上記第２計測部は、温接点が第３計測位置に設けられ、冷接点が第４計測位置に設けられた第２熱電対を備え、上記第１熱電対と上記第２熱電対の時定数が互いに異なる。

第３の発明は、第１の発明において、上記第１計測部は、温接点が第１計測位置に設けられた第１高温側熱電対と、温接点が第２計測位置に設けられた第１低温側熱電対とを備え、上記第２計測部は、温接点が第３計測位置に設けられた第２高温側熱電対と、温接点が第４計測位置に設けられた第２低温側熱電対とを備え、上記第１高温側熱電対と上記第２高温側熱電対の時定数が互いに異なり、上記第１低温側熱電対と上記第２低温側熱電対の時定数が互いに異なる。

第４の発明は、第１熱電対を用いて、第１計測位置と該第１計測位置より低温の第２計測位置との温度差を検出すると同時に、上記第１熱電対とは時定数が異なる第２熱電対を用いて、上記第１計測位置と同じ温度とみなせる第３計測位置と上記第２計測位置と同じ温度とみなせる第４計測位置との温度差を検出する計測ステップと、上記各熱電対の熱起電力からそれぞれ得られる実測温度差と、上記各熱電対の実測温度差の時間微分値とを用いて、少なくとも一方の熱電対の時定数を検出し、検出した時定数により上記実測温度差の応答遅れを補償した温度差を算出して、該補償後の温度差から熱流束を算出する熱流束算出ステップとを備えている熱流束計測方法である。

本発明では、互いに時定数が異なる熱電対を少なくとも２つ用いて、温度差が互いに同じとみなせる位置間の温度差をそれぞれ実測すると、時定数を検出できるので、その時定数を用いて熱流束を算出するようにしている。この時定数から算出される熱流束の値は、応答遅れがない瞬時値となる。片方の計測部の熱電対の応答遅れをもう片方の計測部の熱電対を用いて補償するので、熱流束の瞬時値を得ることができる。従って、熱流束計測装置又は熱流束計測方法の時間分解能を向上させることができる。

熱流束計測装置の概略構成図である。 信号処理装置を実現するコンピュータハードウェアの内部構造図である。 熱流束算出ステップのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態は、本発明に係る熱流速計測装置１００である。本実施形態の熱流速計測装置１００は、図１に示すように、第１計測部１１０と第２計測部１２０と記録装置１３０と信号処理装置１４０とを備えている。

第１計測部１１０は、第１熱電対１１２を用いて、計測位置Ａ（第１計測位置）と計測位置Ａより低温の計測位置Ｂ（第２計測位置）との温度差を計測する。計測位置Ａ，Ｂは、計測対象物の表面であってもよいし、計測対象物の内部であってもよい。

第１計測部１１０は、第１熱電対１１２と第１差温計１１４とを備えている。第１熱電対１１２は、第１測温接点１１６と第２測温接点１１８とを備えている。第１測温接点１１６は計測位置Ａに配置され、第２測温接点１１８は計測位置Ｂに配置されている。第１差温計１１４は、第１熱電対１１２の起電力に基づいて２つの測温接点Ａ，Ｂ間の温度差（実測温度差）を算出し、その算出結果を逐次出力する。

第２計測部１２０は、第１熱電対１１２とは時定数が異なる第２熱電対１２２を用いて、計測位置Ｃ（第３計測位置）と計測位置Ｄ（第４計測位置）との温度差を計測する。計測位置Ｃには、計測位置Ａと温度が同じとみなせる場所が選ばれる。計測位置Ｄには、計測位置Ｂと温度が同じとみなせる場所が選ばれる。例えば、計測位置Ｃは計測位置Ａにごく近接する位置であり、計測位置Ｄは計測位置Ｂにごく近接する位置である。計測位置Ａと計測位置Ｃとの間の距離と、計測位置Ｂと計測位置Ｄとの間の距離とは、共に計測対象区間の距離Δｘに対して極めて短い。

第２計測部１２０は、第２熱電対１２２と第２差温計１２４とを備えている。第２計測部１２０は、第１計測部１１０とは熱的な慣性が異なる。第２熱電対１２２は、第１熱電対１１２とは時定数が異なる熱電対である。第２熱電対１２２は、素線径が第１熱電対１１２とは異なる。第２熱電対１２２は、第３測温接点１２６と第４測温接点１２８とを備えている。第３測温接点１２６は計測位置Ｃに配置され、第４測温接点１２８は計測位置Ｄに配置されている。第２差温計１２４は、第２熱電対１２２の起電力に基づいて２つの測温接点Ｃ，Ｄ間の温度差（実測温度差）を算出し、その算出結果を逐次出力する。

記録装置１３０と信号処理装置１４０は、各計測部１１０，１２０の熱電対１１２，１２２の熱起電力からそれぞれ得られる実測温度差と、各計測部１１０，１２０の実測温度差の時間微分値とを用いて、少なくとも一方の計測部１１０，１２０の熱電対１１２，１２２の時定数を検出し、検出した時定数により実測温度差の応答遅れを補償した温度差を算出して、補償後の温度差から熱流束を算出する熱流束算出部１３０，１４０を構成している。

記録装置１３０は、第１計測部１１０と第２計測部１２０とにそれぞれ接続されている。記録装置１３０は、第１計測部１１０の応答出力（実測温度差の計測結果）と、第２計測部１２０の応答出力（実測温度差の計測結果）を記録する。記録装置１３０は、第１差温計１１４の応答出力１３２（第１応答出力）を蓄積すると共に、第２差温計１２４の応答出力１３４（第２応答出力）を蓄積する

なお、記録装置１３０は、第１差温計１１４の出力信号１３２及び第２差温計１２４の出力信号１３４をデジタル形式で蓄積する。第１差温計１１４及び第２差温計１２４には、Ａ／Ｄ変換器が設けられている。

記録装置１３０は、計測位置Ａと計測位置Ｂとの距離Δｘのデータ１３６と、計測位置Ａと計測位置Ｂとの間の熱伝導率λのデータ１３８とを予め保持している。距離Δｘは、計測位置Ａと計測位置Ｂとの設定時などに予め計測しておき、記録装置１３０に格納しておけばよい。また、熱伝導率λは、計測対象物の材料が既知であれば、その材料に関する文献値などを記録装置１３０に格納しておけばよい。または、別途に熱伝導率λを計測し、記録装置１３０に格納するようにしてもよい。

信号処理装置１４０は、記録装置１３０に記録された計測結果から熱流束への換算処理を行う。信号処理装置１４０は、後述する熱流束算出ステップを行う。

記録装置１３０と信号処理装置１４０とは、実質的にはコンピュータハードウェアと、そのコンピュータハードウェアに保持されるデータ及びプログラムとを有するシステムにより実現される。図２に、このシステムを構成するコンピュータハードウェア３００の内部構成を示す。

コンピュータハードウェア３００は、コンピュータ３１０と、キーボード３５０と、マウス等のポインティングデバイス３５２と、モニタ３５４とを備えている。コンピュータ３００は、リムーバブルメモリ用のリムーバブルメモリポート３１２及びＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）ドライブ３１４を有する。キーボード３５０は、文字情報及びコマンドの入力操作を行うことができるように構成されている。

コンピュータ３１０は、メモリポート３１２と、ＤＶＤドライブ３１４と、中央処理装置３１６（ＣＰＵ）と、バス３１８と、読出専用メモリ３２０（ＲＯＭ）と、ランダムアクセスメモリ３２２（ＲＡＭ）と、周辺記憶装置３２４と、インタフェースボード３２６と、グラフィックボード３２８と、ネットワークインタフェースカード３３０（ＮＩＣ）とを備えている。バス３１８は、メモリポート３１２、ＤＶＤドライブ３１４、ＣＰＵ３１６、読出専用メモリ３２０、ランダムアクセスメモリ３２２、周辺記憶装置３２４、インタフェースボード３２６、グラフィックボード３２８、及びネットワークインタフェースカード３３０に接続されている。読出専用メモリ３２０は、ブートアッププログラム等を記憶する。ランダムアクセスメモリ３２２は、プログラム命令、システムプログラム、及び作業データ等を記憶する。周辺記憶装置３２４は、ハードディスクドライブ、または、半導体記憶装置ドライブ等からなり、プログラム、システムプログラム、及びデータ等を蓄積記憶する。インタフェースボード３２６は、キーボード３５０、ポインティングデバイス３５２、並びにその他の周辺機器とコンピュータ３１０との接続を担う。記録装置１３０のインタフェースボード３２６は、第１及び第２差温計１１４，１２４に接続されている。グラフィックボード３２８は、画像処理及びモニタ３５４への画像出力を行なう。ネットワークインタフェースカード３３０は、他のコンピュータと通信を行なうためのローカルエリアネットワーク３６０（ＬＡＮ）への接続を提供する。

記録装置１３０では、メモリポート３１２、又はＤＶＤドライブ３１４に挿入されるリムーバブルメディアにデータ（第１応答出力及び第２応答出力）が記憶される。リムーバブルメディアに記憶されたデータは、周辺記憶装置３２４に転送される。データは、インタフェースボード３２６に接続された周辺機器からインタフェースボード３２６を介して、周辺記憶装置３２４に記憶されてもよい。

記録装置１３０及び信号処理装置１４０を動作させるためのプログラム（後述する熱流束算出ステップ実行用のプログラム）は、メモリポート３１２、または、ＤＶＤドライブ３１４に挿入されるリムーバブルメディアに記憶されている。リムーバブルメディアに記憶されたプログラムは、周辺記憶装置３２４に転送される。なお、プログラムは、ＬＡＮ３６０を通じてコンピュータ３１０に送信されて、周辺記憶装置３２４に記憶されてもよい。プログラムは実行の際にＲＡＭ３２２にロードされる。リムーバブルメディアから、またはＬＡＮ３６０を介して直接にＲＡＭ３２２にプログラムをロードしてもよい。

プログラムは、記録装置１３０及び信号処理装置１４０を動作させる複数の命令を含む。記録装置１３０及び信号処理装置１４０を動作させるのに必要な基本的機能のいくつかは、コンピュータ３１０上で動作するオペレーティングシステム（ＯＳ）、又はサードパーティのプログラムにより提供される。したがって、プログラムは、本実施形態の記録装置１３０及び信号処理装置１４０を動作させるのに必要な全ての機能を含む必要がない。コンピュータシステム３００自体の動作は周知であるので、ここでは説明を省略する。

以下に、熱流束を計測する熱流束計測方法について説明する。この熱流束計測方法では、計測ステップと、熱流束算出ステップとが行われる。

計測ステップでは、第１熱電対１１２を用いて、計測位置Ａと計測位置Ａより低温の計測位置Ｂとの温度差が検出されると同時に、第１熱電対１１２とは時定数が異なる第２熱電対１２２を用いて、計測位置Ａと同じ温度とみなせる計測位置Ｃと計測位置Ｂと同じ温度とみなせる計測位置Ｄとの温度差が検出される。計測ステップは、第１計測部１１０及び第２計測部１２０が逐次実測温度差（第１応答出力及び第２応答出力）を出力し、出力された実測温度差を記録装置１３０が記録する。

図３に、熱流束算出ステップのフローチャート４００を示す。本実施形態では、信号処理装置１４０が熱流束算出ステップを行う。信号処理装置１４０は、インストールされたプログラムに従って熱流束算出ステップを行う。

熱流束算出ステップでは、各熱電対１１２，１２２の熱起電力からそれぞれ得られる実測温度差と、各熱電対１１２，１２２の実測温度差の時間微分値とを用いて、少なくとも一方の熱電対１１２，１２２の時定数が検出され、検出された時定数により実測温度差の応答遅れを補償した温度差が算出されて、補償後の温度差から熱流束が算出される。

具体的に、熱流束算出ステップでは、まずステップ４０２が行われる。ステップ４０２では、プログラムでの処理の用いるパラメータの読出が行われる。次に、ステップ４０４では、温度差の第１応答出力Ｔ₁及び第２応答出力Ｔ₂（図１参照）の時定数を算出するのに用いるデータ区間の幅Ｎが設定される。次に、ステップ４０６では、Ａ／Ｄ変換時のサンプリング周波数の逆数から、実測温度差が計測された時間間隔Δｔが算出される。次に、ステップ４０８では、第１応答出力Ｔ₁の時間微分値Ｇ₁及び第２応答出力Ｔ₂の時間微分値Ｇ₂が算出される。第１応答出力Ｔ₁の時間微分Ｇ₁は数式１により算出され、第２応答出力Ｔ_２の時間微分Ｇ₂は数式２により算出される。
数式１：Ｇ₁＝ｄＴ₁／ｄｔ
数式２：Ｇ₂＝ｄＴ₂／ｄｔ

次に、ステップ４１０では、実測温度差が計測された各計測時刻における第１応答出力Ｔ₁と第２応答出力Ｔ₂との差ΔＴ₂₁（ΔＴ₂₁＝Ｔ₂−Ｔ₁）が算出される。次に、ステップ４１２では、最小二乗法を用い、応答遅れの時定数の相対関係から、第１計測部１１０の応答遅れの時定数τ₁と、第２計測部１２０の応答遅れの時定数τ₂が推定される。具体的に、各計測時刻において、応答遅れを補償した後の第１計測部１１０の温度差をＴ_g1は、時定数τ₁を用いると、数式３のように表すことができ、応答遅れを補償した後の第２計測部１２０の温度差をＴ_g２は、時定数τ_２を用いると、数式４のように表すことができる。理想的には補償後においてＴ_g1、Ｔ_g2は一致するべきである。そのため、ステップ４１２では、数式５に示すＴ_g1、Ｔ_g2の差の二乗平均値eが最小になるときの時定数τ₁、τ₂が求められる。
数式３：Ｔ_g1＝Ｔ₁＋τ₁Ｇ₁
数式４：Ｔ_g2＝Ｔ₂＋τ₂Ｇ₂

数式６を仮定する。なお、数式７において、上に横線が付されている変数は、その変数の平均値を表す。τ₁、τ₂が一定であると仮定すると、各計測時刻のτ₁、τ₂は、その平均値と同値になる。数式３及び数式４を用いて展開すると、τ₁の平均値は数式７で、τ_２の平均値は数式８で表わされる。

次に、ステップ４１４では、数式３を用いて、実測温度差Ｔ₁と、ステップ４０８で算出した時間微分値Ｇ₁と、ステップ４１２で算出した時定数τ₁とから、補償後の温度差Ｔ_g1が算出される。最後に、ステップ４１６では、熱伝導率λ、距離Δｘをもとに、熱流束ｑ＝λＴ_g1／Δｘが算出され、算出値が熱流束の瞬時値として出力される。以上により、算出動作が終了する。
−実施形態の効果−

上記実施形態では、互いに時定数が異なる熱電対１１２，１２２を２つ用いて、温度差が互いに同じとみなせる位置間の温度差をそれぞれ実測すると、時定数を検出できるので、その時定数を用いて熱流束を算出するようにしている。この時定数から算出される熱流束の値は、応答遅れがない瞬時値となる。従って、熱流束計測装置１００又は熱流束計測方法の時間分解能を向上させることができる。
《その他の実施形態》

上記実施形態は、以下のように構成してもよい。

上記実施形態において、上記第１計測部１１０が、温接点が計測位置Ａに設けられた第１高温側熱電対と、温接点が計測位置Ｂに設けられた第１低温側熱電対とを備え、第２計測部１２０が、温接点が計測位置Ｃに設けられた第２高温側熱電対と、温接点が計測位置Ｄに設けられた第２低温側熱電対とを備えていてもよい。この場合、第１高温側熱電対と第２高温側熱電対の時定数が互いに異なり、第１低温側熱電対と第２低温側熱電対の時定数が互いに異なる。第１高温側熱電対と第１低温側熱電対と第２高温側熱電対と第２低温側熱電対は、冷接点が同じ温度とみなせる位置に設けられる。実施形態の数式を用いて、第１高温側熱電対と第２高温側熱電対の片方の時定数を算出することで、計測位置Ａと冷接点の位置との温度差の瞬時値が求められ、計測位置Ｂと冷接点の位置との温度差の瞬時値が求められる。そして、これら２つの瞬時値の差から、計測位置Ａと計測位置Ｂの温度差が求められ、さらに熱流束が算出される。

また、上記実施形態では、計測位置Ａ及び計測位置Ｃと、計測位置Ｂ及び計測位置Ｄとの温度差により熱電対１１２，１２２に起電力を生じさせたが、温度補償接点を設たり、別途に温度を計測するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、時定数τ₁、τ₂を算出するのに、応答出力Ｔ₁とＴ₂との二乗平均が最小になるときの値を求めたが、応答補償後の温度差Ｔ_g1、Ｔ_g2の変動波形に相似性が生じるという想定の基に、両者の相関係数が最大となるときの値を求めてもよい。

また、上記実施形態において、第１計測部１１０と第２計測部１２０の間で、熱電対１１２，１２２の素線径比、熱伝達比など応答遅れに関わる因子の相対関係が既知である場合は、その相対関係から算出した時定数の比を用いて、応答遅れの補償を行うようにしてもよい。

以上説明したように、本発明は、熱流束を計測する熱流束計測装置及び熱流束計測方法について有用である。

１００ 熱流束計測装置
１１０ 第１計測部
１１２ 第１熱電対
１１４ 第１差温計
１２０ 第２計測部
１２２ 第２熱電対
１２４ 第２差温計
１３０ 記録装置（熱流束計測部）
１４０ 信号処理装置（熱流束計測部）

Claims (4)

1. 熱電対を用いて、第１計測位置と該第１計測位置より低温の第２計測位置との温度差を計測する第１計測部と、
   上記第１計測部の熱電対とは時定数が異なる熱電対を用いて、上記第１計測位置と同じ温度とみなせる第３計測位置と上記第２計測位置と同じ温度とみなせる第４計測位置との温度差を計測する第２計測部と、
   上記各計測部の熱電対の熱起電力からそれぞれ得られる実測温度差と、上記各計測部の実測温度差の時間微分値とを用いて、少なくとも一方の計測部の熱電対の時定数を検出し、検出した時定数により上記実測温度差の応答遅れを補償した温度差を算出して、該補償後の温度差から熱流束を算出する熱流束算出部とを備えている
   ことを特徴とする熱流束計測装置。
2. 請求項１において、
   上記第１計測部は、温接点が第１計測位置に設けられ、冷接点が第２計測位置に設けられた第１熱電対を備え、
   上記第２計測部は、温接点が第３計測位置に設けられ、冷接点が第４計測位置に設けられた第２熱電対を備え、
   上記第１熱電対と上記第２熱電対の時定数が互いに異なる
   ことを特徴とする熱流束計測装置。
3. 請求項１において、
   上記第１計測部は、温接点が第１計測位置に設けられた第１高温側熱電対と、温接点が第２計測位置に設けられた第１低温側熱電対とを備え、
   上記第２計測部は、温接点が第３計測位置に設けられた第２高温側熱電対と、温接点が第４計測位置に設けられた第２低温側熱電対とを備え、
   上記第１高温側熱電対と上記第２高温側熱電対の時定数が互いに異なり、上記第１低温側熱電対と上記第２低温側熱電対の時定数が互いに異なる
   ことを特徴とする熱流束計測装置。
4. 第１熱電対を用いて、第１計測位置と該第１計測位置より低温の第２計測位置との温度差を検出すると同時に、上記第１熱電対とは時定数が異なる第２熱電対を用いて、上記第１計測位置と同じ温度とみなせる第３計測位置と上記第２計測位置と同じ温度とみなせる第４計測位置との温度差を検出する計測ステップと、
   上記各熱電対の熱起電力からそれぞれ得られる実測温度差と、上記各熱電対の実測温度差の時間微分値とを用いて、少なくとも一方の熱電対の時定数を検出し、検出した時定数により上記実測温度差の応答遅れを補償した温度差を算出して、該補償後の温度差から熱流束を算出する熱流束算出ステップとを備えている
   ことを特徴とする熱流束計測方法。