JP5585131B2 - 発熱量測定容器 - Google Patents

Description

本発明は、容器本体内に設けられた発熱体の発熱量を正確に測定できる発熱量測定容器に関する。

発熱量を測定する場合には、周囲の熱による誤差要因を取り除くため、周囲を断熱構造にする必要がある。図５のＡ〜Ｃに、従来の発熱量測定容器（断熱容器）を示す。
これらのうち、図５のＡの発熱量測定容器５１は断面が矩形形状であって、それらの各壁部５２の内面全体に鏡５３を配設して容器５１の内面を鏡面構造にして、室内５４における断熱効果を図るようにしている。
図５のＢは発熱量測定容器６１の各壁部６２内に断熱材６３を配設して、室内６４における断熱効果を保持するようにしている。
図５のＣの発熱量測定容器７１は、各壁部７２内の内層７２ａ及び外層７２ｂの間に真空空間７３を設けることによって、容器７１の室内７４の断熱効果を維持させている。
その他に、魔法瓶のように、内層材と外層材との間に真空室を設け、内層材の内面を鏡面構造にしたように、それらの構造を組み合わせたものがある。

特開昭５８−２１４８２７号公報（熱流計の検査方法）

従来の発熱量測定容器は、より正確な発熱量を測定するために、熱が外部に逃げないように断熱効果を保持させている。断熱効果を保持するには、熱放射と熱伝導を少なくすることが不可欠であった。熱放射を防ぐには、図５のＡに示したように、鏡面構造が用いられ、熱伝導を防止するには、図５のＢ及びＣに示したように断熱材構造や真空構造が用いられる。
鏡面構造の場合は、熱放射された電磁波を鏡面によって反射するが、完全な鏡面は存在しないので、残りは壁部に吸収されて外部に漏れてしまう。断熱材についても完全に熱伝導を防ぐことができず、真空構造については完全な真空を作り出すことができず、また内層と外層との間には、内層材を支持する支持材があり、支持材の熱伝導により完全な断熱効果を得ることができない。
よって、より正確な発熱量を測定するために、完全な断熱壁を持つ断熱容器が望まれていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、発熱量を測定するにあたって、正確な発熱量を測定することができる発熱量測定容器を提供することを目的とする。

本発明の熱量測定容器は、上記目的を達成するために、内側に単位時間、単位面積当たりに流れる熱量を検知する熱流束センサーが設けられ、該熱流束センサーの外側に熱量調節部材で覆った容器壁を構成し、前記熱流束センサーと熱量調節部材は隙間が生じないように接合し、熱量調節部材の内周面全体に、熱流束センサーが接するようにし、前記熱流束センサーの熱流束値が一定値になるように前記熱量調節部材への熱量を制御する制御部を備えている。
前記発熱量測定容器の前記熱流束センサーは板状のものに薄膜を形成したものであり、前記熱量調節部材が加熱機能と共に冷却機能を有するペルチェ素子であることが好ましい。
前記発熱量測定容器の前記容器壁は多面体であって、１つの面の熱流束センサーには１つの熱流束検知部が設けられ、１つの面の熱量調節部材には、１つの電源が設けられ、前記制御部は、各々の組の熱流束検知部からの熱流束値を個別に入力して、各電源を個別に制御することができる。
前記発熱量測定容器は、前記熱流束センサーの熱流束値が略ゼロとなるように前記熱量調節部材への供給電力を前記制御部によって制御することができる。
前記発熱量測定容器は、前記熱量調節部材が加熱機能と共に冷却機能を有することができる。

本発明の発熱量測定容器は、内側に単位時間、単位面積当たりに流れる熱量を検知する熱流束センサーが設けられ、該熱流束センサーの外側に電気によって変動する熱量調節部材で覆った容器壁を構成し、前記熱流束センサーの熱流束値が一定値になるように前記熱量調節部材への熱量を供給電力によって制御する制御部を備えているので、発熱量測定容器内の熱量を計測することができる。
前記発熱量測定容器は、前記熱流束センサーの熱流束値が略０になるように前記熱量調節部材への供給電力を前記制御部によって制御するようにしたので、完全に近い断熱容器を得ることができる。
前記発熱量測定容器は、前記熱量調節部材が加熱機能と共に冷却機能を有することができるので、幅広い温度範囲で発熱及び吸熱量の測定をすることができる。
前記熱量調節部材がペルチェ素子であるので、温度反応が早く、より完全に近い断熱が可能となる正確な発熱量の測定が可能になる。

本発明の第１の実施形態における発熱量測定容器の概略断面図である。 本発明の第１の実施形態における発熱量測定容器の作業フロー図である。 本発明の第２の実施形態における発熱量測定容器の概略断面図である。 本発明の第２の実施形態における発熱量測定容器の作業フロー図である。 従来の発熱量測定容器としての断熱容器であって、Ａは鏡面体を用いた断熱容器の断面図、Ｂは断熱材を用いた断熱容器の断面図、Ｃは真空空間を用いた断熱容器の断面図である。

以下、本発明の第１の実施形態における発明の発熱量測定容器について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る発熱量測定容器１の断面図であり、この発熱量測定容器１は、断面が四角形の立方体形状であり、形状については直方体、有底（底付き及び天井付き）円筒体、さらには六面体以外の多面体容器であってもいい。
発熱量測定容器１は、内側に熱流束計としての熱流束センサー２を発熱量測定容器１の内壁面の六面全体に配設している。熱流束センサー２の外面側周囲には、熱量調節部材としてのヒータパネル３が配設されている。そして、発熱量測定容器１の内部には、熱流束センサー２に囲まれた発熱体の収容室７が設けられている。
熱流束センサー２は、板状のものに薄膜を形成したものを使用することが好ましい。熱流束センサー２とヒータパネル３は隙間が生じないように接合し、ヒータパネル３の内周面全体に、熱流束センサー２が接するようにする。

図１に示すように、熱流束センサー２には熱流束検知部４が電気的な接続によって接続され、これは熱流束センサー２から熱流束値を検出することができる。熱流束検知部４は、発熱量測定容器１を熱的に制御する制御部６と電気的に接続されている。
ヒータパネル３には、該ヒータパネル３に電圧を印加する電源５が接続され、電源５は制御部６から制御されるように接続されている。

制御部６は、熱流束検知部４から熱流束値を入力されることができ、この値に応じて、電源５の電力などを変化させることによって、ヒータパネル３の温度を可変することができる。なお、全体について図示しないが、１つの面の熱流束センサー２には１つの熱流束検知部４が設けられ、全体として６個の熱流束検知部４が設けられ、１つの面のヒータパネル３には、１つの電源５が設けられ、全体として６個の電源５が設けられている。制御部６は、各々の組の熱流束検知部４からの熱流束値を個別に入力して、各電源５を個別に制御することができる。

次に、本実施形態における発熱量測定容器１の作動ついて、図１及び図２のフロー図の流れに沿って説明する。
初めに、収容室７の内部に発熱体８を収容し、発熱体８から熱が放熱される。熱は、温度の高い方から低い方へ移動するので、発熱体８から発散された熱は、発熱体８から熱流束センサー２へ熱放射（発熱体が収容室の熱流束センサー２に接していないような場合）若しくは熱伝導（発熱体が流体のように熱流束センサー２に接しているような場合）によって伝わり、熱流束センサー２の外側へ移動する。
この熱の移動量を熱流束検知部４によって検出する（ステップＡ）。
なお、熱流束とは、単位時間、単位面積あたりに移動する熱量のことであり、熱流束の値Ｋが０であれば、熱の移動がない状態、すなわち、熱交換がない状態を示す。本実施形態では、熱流束センサー２は、熱流束が容器（収容室）１内から外側へ流れる場合を正とし、外側から容器１内に流れる場合を負とする。

ステップＢにて熱流束がＫ＞０の場合は、熱流束センサー２の熱流束が容器１内側から外側方向へ流れる状態で、すなわち熱が容器１から外部へ発散される状態であり、この場合はステップＤにシフトし、制御部６は出力要求電力Ｗを上げる指令とともに出力要求電力Ｗを計算し、ステップＥにシフトする。Ｋ＜０の場合は、熱流束センサー２の熱流束が外側から容器１内側方向へ流れる状態で、すなわち熱が外部から容器１内に吸収される状態であり、この場合はステップＣにシフトし、制御部６は出力要求電力Ｗを下げる指令とともに出力要求電力Ｗを計算し、ステップＥにシフトする。いずれにしろ、出力要求電力Ｗは、容器１（収容室７）から発散された熱量若しくは吸収した熱量の相当量に値する。

ステップＥでは、出力要求電力がＷ＜０である場合は、ステップＦにシフトし、出力要求電力をＷ＝０に設定し、ステップＧにシフトする。出力要求電力がＷ＞０であるときは、そのままステップＧにシフトする。
ステップＧでは、ステップＦからのシフトがあった状態では、ヒータパネル３への出力電力を０としてヒータパネルをオフ状態にする。ステップＥからステップＧに直接シフトがあった状態では、ヒータパネル３への出力電力をヒータパネル３へ出力させ、このような作業を繰り返す。

なお、ステップＣにおける出力要求電力Ｗの下げとは、例えば２ワットから１ワットに下げる正数値の下げと、１ワットから−１ワットに下げる負数値に至るまでの下げがある。したがって、ステップＥにおいて、負数値に至る下げの場合はステップＦにてＷ＝０として、ヒータパネル３への出力電力を０とし、ヒータパネル３をオフ状態にしている。フロー図では熱流束が０であるときを省略しているが、制御が不要なのでステップＡにて待機状態にしてもよいし、スタートにシフトするようにしてもよい。
このように、容器１を温度調整することにより、熱流束検知部４が熱流束値をＫ＝０を維持し続けることによって、実質的に発熱量測定容器１の内外における熱移動がないことになり、擬似的に発熱量測定容器１は熱的に密閉された断熱効果と同様な効果が得られる。したがって、収容室７において発熱体８の発熱量を一般の発熱量測定手段によって検知し、正確な発熱体の発熱量を測定することができる。

次に、本発明の第２の実施形態における発明の発熱量測定容器について、図面を参照しながら説明する。
図３は、本発明に係る発熱量測定容器１１の断面図であり、この発熱量測定容器１１は、上記第１の実施形態で説明した発熱量測定容器１と同様に、断面が四角形の立方体形状であり、形状については直方体、有底（底付き及び天井付き）円筒体、さらには六面体以外の多面体容器であってもいい。
発熱量測定容器１１は、内側に熱流束計としての熱流束センサー１２を、発熱量測定容器１１の内壁面の六面全体に配設している。熱流束センサー１２は、板状のものに薄膜を形成したものが好ましい。熱流束センサー１２の外面側周囲には、熱量調節部材としてのペルチェ素子１３が配設されている。本実施形態では、第１の実施形態に対してこの熱量調節部材が異なっている。
なお、ペルチェ素子１３とは、２種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方へ熱が移動するという「ペルチェ効果」を利用した素子であり、電源の極性を入れ替えることにより、加熱効果と冷却効果を入れ替えることができる。
熱流束センサー１２はペルチェ素子１３の内周の全面全体に配設され、熱流束センサー１２とペルチェ素子３との間は隙間が生じないように接合する。そして、発熱量測定容器１の内部には、熱流束センサー１２に囲まれた発熱体を入れる収容室１７が設けられている。

図３に示すように、熱流束センサー１２には熱流束検知部１４が電気的な接続によって接続され、熱流束センサー１２から熱流束値を検出することができる。この熱流束検知部１４は、発熱量測定容器１１を熱的に制御する制御部１６に接続されている。
ペルチェ素子１３には、該ペルチェ素子１３に電圧を印加する電源１５が電気的な接続によって接続され、電源１５は制御部１６に接続されている。制御部１６は、熱流束検知部１４から熱流束値が入力され、この値に応じて、電源１５の停止や極性の変化や電力などを変化させて、ペルチェ素子１３の温度を可変できる。

すなわち、電源１５については、±の極性を入れ替える±極性切換回路が内部に設けられ、制御部１６の制御によって、ペルチェ素子１３へ印加する電圧の極性を切り換えることができる。
なお、全体について図示しないが、１つの面の熱流束センサー１２には１つの熱流束検知部１４が設けられ、全体として６個の熱流束検知部１４が設けられ、１つの面のペルチェ素子１３には、１つの電源１５が設けられ、六面体としては全体として６個の電源１５が設けられている。制御部１６は、各々の組の熱流束検知部１４からの熱流束値を個別に入力して、各電源１５を個別に制御することができる。

次に、本実施形態における発熱量測定容器１の作動ついて、図３と併せて図４のフロー図を参照にして説明する。
例えば、収容室１７の内部に凍結物などの吸熱体１８を収容し、熱流束検知部１４によって、熱流束センサー１２の熱流束を検出することができる。温度は高い方から低い方へ移動するので、吸熱体１８によって収容室１７が冷やされ、収容室１７の外部から内部へ熱の移動が生じると、移動した熱量の相当分だけ熱流束センサー１２を介して熱流束検知部１４が熱流束値Ｋを検出する（ステップＡ）。
本実施形態では、上述の第１の実施形態と同様に、熱流束センサー２は、熱流束が容器（収容室１７）１１内から外側へ流れる場合を正とし、外側から容器１内に流れる場合を負とする。

ステップＢにて熱流束値がＫ＞０の場合は、熱流束センサー１２の熱流束が容器１１内側から外側方向へ流れる状態で、すなわち熱が容器１から外部へ発散される状態であり、この場合はステップＤにシフトし、制御部６は出力要求電力Ｗを上げる指令とともに出力要求電力Ｗを計算し、ステップＥにシフトする。Ｋ＜０の場合は、熱流束センサー１２の熱流束が外側から容器１内側方向へ流れる状態で、すなわち熱が外部から容器１内に吸収される状態であり、この場合はステップＣにシフトし、制御部６は出力要求電力Ｗを０よりも小さくする指令とともに出力要求電力Ｗを計算し、ステップＨにシフトする。
ステップＨでは、出力要求電力がＷ＜０（ステップＣからシフトされた場合）であるときは、ステップＪにシフトし、ペルチェ素子に冷却効果をもたらすようにペルチェ素子の極性を設定する。詳しくは、ペルチェ素子が冷却状態にあるときは、引き続き冷却状態に維持され相当分の電力調整をする。ペルチェ素子が加熱状態にあるときは、ペルチェ素子を冷却状態になるように電源１５の電圧の極性を切り換えて相当分の電力調整をする。

出力要求電力が上げである場合（ステップＤからシフトされた場合）は、ステップＩにシフトし、ペルチェ素子に加熱効果をもたらすようにペルチェ素子の極性を設定する。詳しくは、ペルチェ素子が加熱状態にあるときは、引き続き加熱状態に維持され相当分の電力調整をする。ペルチェ素子が冷却状態にあるときは、ペルチェ素子を加熱状態になるように電源１５の電圧の極性を切り換え、相当分の電力調整をする。
ステップＬでは、ペルチェ素子の出力要求電力Ｗを供給し、ペルチェ素子を稼働させ、熱流束値Ｋ＝０となるように、このような作業を適宜繰り返す。

なお、上述したように、ステップＣにおける出力要求電力Ｗの下げとは、例えば２ワットから１ワットに下げる正数値の下げと、１ワットから−１ワットに下げる負数値に至るまでの下げがある。上記第１の実施形態では、負数値に至るまでの下げの場合は、ヒータパネル３の出力電力を０にヒータしたが、本実施形態では、ペルチェ素子が冷却効果をもたらすので、そのまま出力要求電力Ｗをペルチェ素子に供給することができる。
また、フロー図では熱流束値Ｋが０であるときを省略しているが、制御が不要なのでステップＡにて待機状態にしてもよいし、スタートにシフトするようにしてもよい。
こうして、熱流束値Ｋが０を維持し続けることによって、実質的に発熱量測定容器１１の内外における熱移動がないことになり、擬似的に発熱量測定容器１１の断熱効果が得られることになる。したがって、収容室１７において吸熱体１８の発熱量を通常の手段によって検出することができる。

また、他の例として、発熱量測定容器１１によって、常温より高低差のある温度差を有する流体のある系内における相関的な発熱量を測定するような場合などは、収容室１７の内部に流体を流出させる。
流体が温水で常温よりも温度の高い熱水である場合は、収容室１７内から収容室１７の外側へ熱が発散される。すると、移動した熱量の相当分だけ熱流束センサー１２を介して熱流束検知部１４が熱流束値を検出する（ステップＦ）。この熱流束値が熱流束検知部４から制御部１６に出力され、制御部１６では熱流束センサー１２の熱流束値Ｋが０を維持するように、電源１５を制御する。この際、熱流束値Ｋが＋（本実施形態では収容室１７から外部側へ熱を放出した状態）の場合は、制御部１６の指令によって電源１５が通常状態でペルチェ素子１３に電圧を印加して、熱流束値Ｋに相当する分だけ収容室１７内を加熱する（ステップＤ、Ｈ、Ｉ）。

一方、流体が温水で常温よりも温度の低い冷水である場合は、収容室１７の外側から収容室１７内へ熱が吸収される。すると、移動した熱量の相当分だけ熱流束センサー１２を介して熱流束検知部１４が熱流束値Ｋを検出する。この熱流束値Ｋが熱流束検知部１４から制御部１６に出力され、制御部１６では熱流束センサー１２の値が０を維持するように、電源１５を制御する。この際、熱流束値が−（本実施形態では、外部から収容室１７側へ熱を吸収した状態）の場合は、制御部１６の指令によって電源１５の極性を反転状態としペルチェ素子１３に電圧を印加して、熱流束値Ｋに相当する分だけ収容室１７内を冷却する（ステップＤ、Ｈ、Ｊ）。
こうして、熱流束検知部１４が熱流束値Ｋ＝０を維持し若しくは０に近づけることによって、実質的に発熱量測定容器１１の内外における熱移動がないことになり、擬似的に発熱量測定容器１１の断熱効果が得られることになる。そして、熱量の測定をするときは発熱量の測定に入り、収容室１７において流体の発熱量を検出することができる。作業が終了するまでは、これらの動作を順次繰り返す。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の技術的思想に基づいて、勿論、本発明は種々の変形又は変更が可能である。
例えば、上記第１の実施形態及び第２の実施形態におけるステップＢ、Ｃ、Ｄにおいては、ＰＩＤ制御で実施することも可能である。
上記実施形態では、収容室の熱流束値Ｋが０となるように制御したが、例えば、収容室１，１７の熱流束値を０以外の値で制御するような用い方も可能である。

１，１１ 発熱量測定容器
２，１２ 熱流束センサー
３ ヒータパネル
４ 熱流束検知部
５ 電源
６ 制御部
７，１７ 収容室
１３ ペルチェ素子

Claims (4)

1. 内側に単位時間、単位面積当たりに流れる熱量を検知する熱流束センサーが設けられ、該熱流束センサーの外側に熱量調節部材で覆った容器壁を構成し、
   前記熱流束センサーと熱量調節部材は隙間が生じないように接合し、熱量調節部材の内周面全体に、熱流束センサーが接するようにし、前記熱流束センサーの熱流束値が一定値になるように前記熱量調節部材への熱量を制御する制御部を備えたことを特徴とする発熱量測定容器。
2. 前記熱流束センサーは板状のものに薄膜を形成したものであり、前記熱量調節部材が加熱機能と共に冷却機能を有するペルチェ素子であることを特徴とする請求項１に記載の発熱量測定容器。
3. 前記容器壁は多面体であって、１つの面の熱流束センサーには１つの熱流束検知部が設けられ、１つの面の熱量調節部材には、１つの電源が設けられ、前記制御部は、各々の組の熱流束検知部からの熱流束値を個別に入力して、各電源を個別に制御するようにした請求項１又は２に記載の発熱量測定容器。
4. 前記熱流束センサーの熱流束値が略ゼロとなるように前記熱量調節部材への供給電力を前記制御部によって制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発熱量測定容器。

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