JP5931715B2 - 熱流束センサ及び熱流束センサの製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、上述した熱流束センサのような熱電対を埋め込む方法の場合、二つの熱電対の位置の管理が難しいという問題があった。
本発明の熱流束センサは、測定対象物の表面に形成された孔部に取り付けられる熱流束センサであって、前記孔部の内周面に対向する外周面と前記測定対象物の表面と面一な表端面とを有する本体部を備え、該本体部に、該本体部の表端面以外の外面から内部に向かって延びて、それぞれ先端が前記表端面の同一法線上に配置された複数の穿孔が形成され、各前記穿孔の先端に当接するように配置され、配線が前記穿孔を経由して前記本体部の外面に至る複数の熱センサと、前記穿孔に充填され、該穿孔内に前記熱センサを封止する充填材と、前記本体部の外周面を覆うように設けられた円筒状のパイプ部を備え、前記本体部と前記パイプ部との間には、前記充填材が充填されていることを特徴とする。
また、複数の熱センサを固定された本体部を、測定対象物の孔部に取り付ける構成であるため、熱センサの測定対象物への配置が容易となる。
また、本体部の外周面に形成される配線用の溝などがパイプ部によって覆われるため、本体部の測定対象物への取り付けが容易となる。
図1に示すように、本発明の実施形態に係る熱流束センサ1は、測定対象物である飛翔体50の外郭である飛翔体シュラウド51の先端付近に取り付けられ、飛翔体シュラウド51への熱流束を計測するセンサである。熱流束センサ1は、飛翔体シュラウド51の壁の温度を計測するために、複数の熱電対を備えている。なお、所望の複数の箇所に取り付けられているが、数量は特に限定されることはない。
熱流束センサ1は円柱形状とされており、孔部52の孔径は、孔部52の内周面と、この内周面と対向する熱流束センサ1の外周面6との間に所定の隙間が生じるような寸法に形成されている。
また、飛翔体シュラウド51の孔部52は、熱流束センサ1の中心軸C(図2参照)が飛翔体シュラウド51の取り付け箇所の表面に対して直交するように形成されている。
また、本体部2とパイプ部3は、飛翔体シュラウド51と同一の材質、例えばステンレス鋼によって形成されている。
また、熱センサ4の表端面7からの距離は、熱流束を計測するために最適な位置、例えば、表端面7近傍とされており、各々の穿孔9の軸方向位置は熱センサ4の位置に対応している。
配線5は、穿孔9及び溝条10を経由して本体部2の軸方向他方側から延出するように延ばされ、所定の測定機器に接続される。
同様に、溝条10に配置された配線5もニッケル蝋11によって固定されている。溝条10に適用されるニッケル蝋11も可能な限り隙間が生じないように溝条10を埋めている。溝条10に盛られたニッケル蝋11は、本体部2の本体部外周面8と面一となるように加工されている。即ち、本体部2の本体部外周面8とニッケル蝋11による充填材との間に段差がなく、フラットな状態となるように形成されている。
また、熱流束センサ1の表端面7及びパイプ部3の軸方向一端側の面には、酸化被膜12が形成されている。
なお、上述した実施形態においては、各所に充填される充填材としてニッケルからなる蝋材を採用したが、充填材はこれに限ることはなく、空隙(隙間)による誤差を極力小さくし、かつ、充填作業に適した素材であればよい。
図5に示すように、本実施形態の熱流束センサ1には、三つの温度設定点が設定されており、これら三つの温度設定点には、熱センサ4の温接点が配置されている。温度設定点、即ち熱センサ4の表端面7からの距離xをそれぞれx1,x2,x3とする。
[2]次いで、計測された温度Tを用いて、表端面7からの距離xと温度Tとの関係式を回帰分析により導出する。即ち、下記式(1)の係数a,b,cを導出する。本実施形態では温度設定点が三点であるので、関係式は二次方程式となる。
T(x)=ax2+bx+c ・・・(1)
[4]同様に、表端面x=0における温度勾配、即ち、表面温度勾配を式(1)から算出する。即ち、表端面x=0における表面温度勾配dT/dxは、dT/dx=bとなる。
(5)熱流束q=λ・dT/dxの関係式、及び上記[3]及び[4]より表端面x=0における熱流束qを算出する。
まず、熱流束センサ1の基本寸法を設定する。円柱形状をなす熱流束センサ1の軸方向の長さを、測定対象部である飛翔体シュラウド51の面厚と同一をなるように設定する。次いで、熱流束センサ1の本体部2の直径、及びパイプ部3の管厚を設定する。
次いで、測定対象部である飛翔体シュラウド51に、円柱形状をなす熱流束センサ1の直径より僅かに大きい孔部52を形成する。この際、孔部52の中心軸が飛翔体シュラウド51の表面と直交するように孔部52を形成する。
溝条10は、穿孔9の外周側端部より、熱流束センサ1の本体部2の軸方向他方側に向かって、例えばフライス盤を用いて加工を行うことによって形成する。
さらに、穿孔9の外周側端部より露出した配線5を溝条10の内部に沿わせ、配線5をニッケル蝋11によって固定する。この際、溝条10に盛られたニッケル蝋11が、本体部2の本体部外周面8と面一となるように追加工を行う。即ち、溝条10に盛られたニッケル蝋11とパイプ部3とが干渉しないように、ニッケル蝋11を切削する。
最後に、熱流束センサ1を飛翔体シュラウド51の孔部52に挿入し、熱流束センサ1の外周面6と孔部52の内周面との間にニッケル蝋11を充填する。
また、複数の熱センサ4を固定された本体部2を、測定対象物の孔部52に取り付ける構成であるため、熱センサ4の測定対象物への配置が容易となる。
また、熱流束センサ1の外周面6と孔部52の内周面との間にニッケル蝋11が充填されていることによって、本体部2と測定対象物との温度差がより小さくなるため、熱流束誤差を少なくすることができる。
また、本体部2の本体部外周面8を覆うようにパイプ部3を設けたことによって、本体部2の本体部外周面8に形成される配線5用の溝条10などがパイプ部3によって覆われるため、本体部2の測定対象物への取り付けが容易となる。
また、熱流束センサ1の表端面7に酸化被膜12が形成されていることによって、表端面7の状態が測定対象物の表面と同様の状態となるため、熱流束の誤差をより少なくすることができる。
例えば、上記実施形態においては、穿孔9を本体部2の本体部外周面8から形成する構成としたが、穿孔9は本体部2の表端面7以外から形成すればよく、本体部2の表端面7とは反対側の端面から形成する構成を採用することもできる。
また、穿孔9は、軸方向からみて周方向に等間隔に形成する例を示したが、これに限ることはなく、穿孔9の周方向の間隔を不均一、あるいは、軸方向からみて同じ位置に形成してもよい。
また、上記実施形態においては、溝条10を本体に形成したが、パイプ部3の側に溝条を形成してもよい。
また、製造の容易性より、熱流束センサ1は円柱形状としたが、多角形形状などを採用することも可能である。さらに、パイプ部3を用いずに本体部2のみで熱流束センサ1を構成してもよい。
2 本体部
3 パイプ部
4 熱センサ
5 配線
6 外周面
7 表端面
8 本体部外周面(外面)
9 穿孔
10 溝条
11 ニッケル蝋
50 飛翔体
51 飛翔体シュラウド
52 孔部
Claims (8)
- 測定対象物の表面に形成された孔部に取り付けられる熱流束センサであって、
前記孔部の内周面に対向する外周面と前記測定対象物の表面と面一な表端面とを有する本体部を備え、
該本体部に、該本体部の表端面以外の外面から内部に向かって延びて、それぞれ先端が前記表端面の同一法線上に配置された複数の穿孔が形成され、
各前記穿孔の先端に当接するように配置され、配線が前記穿孔を経由して前記本体部の外面に至る複数の熱センサと、
前記穿孔に充填され、該穿孔内に前記熱センサを封止する充填材と、
前記本体部の外周面を覆うように設けられた円筒状のパイプ部を備え、
前記本体部と前記パイプ部との間には、前記充填材が充填されていることを特徴とする熱流束センサ。 - 前記熱センサは、三つ以上設けられていることを特徴とする請求項1に記載の熱流束センサ。
- 前記本体部は円柱形状をなし、前記熱センサの前記先端は前記本体部の中心軸上に配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の熱流束センサ。
- 前記孔部との間に充填材が充填されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の熱流束センサ。
- 前記穿孔は、前記本体部の周方向に等間隔に設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の熱流束センサ。
- 前記本体部及び前記パイプ部の材質は、前記測定対象物と同一とされていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の熱流束センサ。
- 前記表端面に酸化被膜が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の熱流束センサ。
- 測定対象物の表面に孔部を形成する工程と、
前記孔部の内周面に対向する外周面と前記測定対象物の表面と面一な表端面とを有する本体部を形成する工程と、
該本体部に、該本体部の表端面以外の外面から内部に向かって延びて、それぞれ先端が前記表端面の同一法線上に配置される複数の穿孔を形成する工程と、
複数の熱センサを各前記穿孔の先端に当接するように配置し、配線を前記穿孔を経由して前記本体部の外面に至るように配線する工程と、
前記穿孔内に前記熱センサを封止するように充填材を充填する工程と、
円筒状のパイプ部を前記本体部の外周面を覆うように設ける工程と、
前記本体部と前記パイプ部との間に前記充填材を充填する工程と、
を含むことを特徴とする熱流束センサの製造方法。
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