JP6086218B2

JP6086218B2 - 定点黒体炉

Info

Publication number: JP6086218B2
Application number: JP2013029142A
Authority: JP
Inventors: 山田　善郎; 善郎山田; 順太郎石井; 及川　英明; 英明及川; 健介平加
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Chino Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Chino Corp
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-02-18
Also published as: JP2014157127A

Description

本発明は、測定対象の表面温度を非接触で、且つ、高速に測定する放射温度計等の各種温度計の校正及び評価に用いる定点黒体炉に関する。

従来より、物体から放射される赤外線を検出することにより温度を測定する放射温度計は、高速で比較的正確に測定できるため広く用いられている。この放射温度計は、測定対象である物体が発する赤外線（可視光線領域より波長の長い約０．７７〜１０００μｍの範囲の電磁波）を測定して対象物の表面温度を非接触で測定できる温度計であり、特に食品の管理や工業部門で直接触れることの困難な個所の温度管理に使用されている。

また、下記非特許文献１には、高純度の黒鉛からなる定点るつぼ内に定点物質として純金属（一例として、Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ等）を鋳込んで収容し、これを電気炉で加熱してるつぼ内部の潜熱を利用して被校正温度計の温度校正を行う定点黒体炉について開示されている。

図５は、下記非特許文献１に開示される従来の定点黒体炉の装置構成を示す概略断面図である。図示のように、定点黒体炉２００は、放射温度計等の被校正温度計の温度校正を行う温度校正装置に具備されるものであり、定点物質を納める高純度の黒鉛からなる外筒２０１と、温度定点を測定するための測定用開口部２０２を有し、外筒２０１に収装して黒体空洞となる内筒２０３とで構成される定点るつぼ２０４と、収容する定点るつぼ２０４の測定用開口部２０２と相対する側に定点るつぼ２０４の酸化を防止する不活性ガスを流入するガス注入部２０５が設けられ、定点るつぼ２０４を収容した後に蓋部材２０６が装着されるステンレス製の均熱容器２０７と、均熱容器２０７の両端面の外側に設けられる一対の断熱材２０８と、均熱容器２０７を中心として一対の断熱材２０８を均熱容器２０７の中心線上に整列させて挟み込んだ状態で収容するアルミナ管２０９と、アルミナ管２０９からの放射熱をシールドする放射シールド部材２１０とで構成されている。

日本工業規格「ＪＩＳＣ１６１２放射温度計の性能試験方法通則」制定１９８８年第１４１３頁〜第１４４１頁

しかしながら、上述した従来の定点黒体炉２００では、定点るつぼ２０４内の溶融した定点金属が定点黒体炉２００の外に漏れ出るおそれがあり、設置箇所によっては火災の原因にもなり、危険性を伴うという問題があった。

この問題を解消するため、定点黒体炉２００が収容される装置本体に対し、定点黒体炉２００の測定用開口部２０２に臨むようにして受け皿を別途設ける構成も考えられる。しかし、この構成では、受け皿が装置外部に突出し、外観上の見栄えが悪いという問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、定点るつぼ内から漏れ出る定点金属を定点黒体炉内で受け止めることができ、外観上の見栄えも損なうことがない定点黒体炉を提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するため、請求項１記載の定点黒体炉は、定点金属を納める外筒と、一端に断面すり鉢状の閉塞部を有するとともに、他端に前記定点金属の相平衡状態である温度定点を測定するための測定用開口部を有し、前記外筒に収装して黒体空洞となる内筒とを備えた定点るつぼが収容された定点黒体炉において、
前記測定用開口部に連通する測定用空洞としての貫通穴が形成され、該貫通穴に前記定点るつぼから漏れ出る定点金属を受け止めるための凹部を有する断熱材を前記測定用開口部の前面側に配置し、前記断熱材の前記貫通穴が前記測定用開口部から離れるに従って拡径していることを特徴とする。

請求項２記載の定点黒体炉は、請求項１記載の定点黒体炉において、
前記断熱材は、前記貫通穴の長さ方向の複数箇所に前記凹部を有することを特徴とする。

本発明によれば、測定用開口部に連通する測定用空洞としての貫通穴が形成され、この貫通穴に定点るつぼから漏れ出る定点金属を受け止めるための凹部を有する断熱材を測定用開口部の前面側に配置したので、定点るつぼから漏れ出る溶融した定点金属を定点黒体炉内の測定用開口部側に近い位置で受け止め、定点金属が定点黒体炉外に漏れ出るのを防ぐことができる。また、定点黒体炉の構成要素である断熱材の凹部で定点金属を受け止めるので、定点金属を受け止めるための部品が定点黒体炉を収容する装置の外部に突出することがなく、外観上の見栄えを損なうこともない。

また、断熱材の貫通穴が測定用開口部から離れるに従って拡径する構成とすれば、定点るつぼから漏れ出る定点金属を測定用開口部側に戻すことなく凹部側へ案内して受け止めることができる。

さらに、断熱材の貫通穴の長さ方向の複数箇所に凹部を有する構成とすれば、より多くの溶融した定点金属を凹部で受け止めることができる。また、測定用開口部から離れるに従って断熱材の貫通穴を拡径する構成との相乗効果により、定点るつぼから漏れ出る溶融した定点金属を測定用開口部側に近い位置から段階的に受け止めることができる。

本発明に係る定点黒体炉を収容した温度校正装置の正面図である。図１における定点黒体炉の側面断面図である。同定点黒体炉の概略構造を説明するための側断面図である。（ａ）本発明に係る定点黒体炉における熱媒体の流動状態を示す側断面図である。（ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ線側断面図である。従来の黒体炉の装置構成を示す概略構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。また、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、この形態に基づいて当業者などによりなされる実施可能な他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれる。

本発明の定点黒体炉は、放射温度計等の被校正温度計の温度校正を行う温度校正装置に具備され、定点るつぼ内に所望の定点金属（純度が９９．９９９％以上のＩｎ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕの何れかの金属）を鋳込み、ヒータにより昇温・降温させた定点金属Ｍの潜熱によりプラトー状態となった時点で温度定点を被校正温度計で測定して温度校正を行うものである。

そして、本形態では、定点るつぼを中心として一対の保護部材、一対の断熱材の順で配置した状態でガス注入部を備えた均熱管に収容し、さらに均熱管の両端部をキャップするアルミナ製の押さえ部を設けた定点るつぼユニットを定点黒体炉内に具備することで定点るつぼの交換を可能としている。

なお、本明細書では、本形態の定点黒体炉を説明する便宜上、定点黒体炉を温度校正装置内に水平設置した際に、被校正温度計である放射温度計を含む各種温度計による黒体空洞の測定を行うための開口窓側（すなわち、被校正温度計の設置位置側）を「前面」として規定し、この前面側と相対する側であり炉内に収容される定点るつぼユニット内の定点るつぼの酸化を防止するための不活性ガス（Ａｒ等）を注入する側を「背面」として規定する。

図１又は図２に示すように、本例の定点黒体炉１は、黒体空洞となる定点るつぼ１１を収容する定点るつぼユニット１０と、定点るつぼユニット１０の両端面の外側に設けられる複数の断熱材２０と、定点るつぼユニット１０を中心として断熱材２０を挟み込んだ状態でそれぞれが収容される円筒形のパネルヒーター３０とが、定点るつぼユニット１０を中心としてその両端側を断熱材２０で挟み込んだ状態で開口部４１を有する円筒形の収容部材４０内に収容されて構成されている。また、収容部材４０における開口部４１の下方には、定点るつぼ１１内から漏れ出した定点金属Ｍを回収する受け部材４２が設けられている。

そして、定点黒体炉１は、図１又は図２に示すように、温度校正装置５０の外筐体５１内の所定位置に収容される。すなわち、定点黒体炉１は、被校正温度計となる放射温度計１００の校正を行う際、炉内における黒体空洞からの放射熱を測定するための開口窓５１ａを有する温度校正装置５０の外筐体５１内において、開口部４１が開口窓５１ａの中心線上と合う位置に収容されている。

このように、定点黒体炉１の開口部４１を開口窓５１ａの中心線上に合わせた位置で定点黒体炉１を外筐体５１内に収容することで、定点るつぼユニット１０内に具備された定点るつぼ１１の黒体空洞の中心と、開口窓５１ａの中心とが一直線上に位置合わせされた状態となる。従って、放射温度計１００を校正する際に、開口窓５１ａの中心線を測定用の基準軸として使用することで放射温度計１００の位置合わせを容易に行うことができる。

また、温度校正装置５０の外筐体５１の所定箇所（例えば外筐体５１の前面側）には、放射温度計１００の校正を行う際の温度設定や炉内温度を表示するための各種表示装置（例えば液晶パネルやＬＥＤ）や各種設定ボタン等で構成される不図示の設定表示部が設けられている。

図３や図４（ａ），（ｂ）に示すように、定点るつぼユニット１０は、定点るつぼ１１と、保護部材１２と、ユニット断熱材１３と、均熱管１４と、ガス注入部１５と、押さえ部１６とで構成されている。

定点るつぼ１１は、円筒形の外筒１１ａと、外筒１１ａに収容される円筒形の内筒１１ｂとから構成される。外筒１１ａは、高純度の黒鉛で形成され、背面側にねじ込み式の蓋部材１１ｃが設けられており、他方に内筒１１ｂを収容するための開口部１１ｄを有している。また、内筒１１ｂは、外筒１１ａと同じく高純度の黒鉛で形成され、一端に断面すり鉢状の閉塞部１１ｅを有し、他端に温度定点を測定するための測定用開口部１１ｆを有する黒体空洞を形成している。

また、外筒１１ａの両端部には、ガス流入部１１ｇが形成されている。ガス流入部１１ｇは、図４（ａ），（ｂ）に示すように、外筒１１ａの両端部における外周縁の上下左右を外周縁から所定深さだけ直線状に欠切した欠切部からなる。ガス流入部１１ｇは、定点るつぼ１１の背面側に設けられるガス注入部１５から注入された不活性ガスを、定点るつぼ１１の外周面に沿って背面側から前面側に向かう方向（すなわち、定点るつぼ１１の内筒１１ｂにおける閉塞部１１ｅから測定用開口部１１ｆに向かう方向）に流入させている。これにより、ガス注入部１５から注入された不活性ガスは、図４（ｂ）の矢印で示すように、定点るつぼ１１の長さ方向に沿って背面側から前面側に流入される。その結果、定点るつぼ１１の前面側（測定用開口部１１ｆ側）に不活性ガスを十分に送り込み、定点るつぼ１１における前面側の酸化を抑制している。

なお、図４（ａ），（ｂ）の例では、ガス流入部１１ｇを外筒１１ａの両端部に形成した欠切部としているが、これに限定されるものではない。すなわち、ガス流入部１１ｇは、ガス注入部１５から注入された不活性ガスを定点るつぼ１１の背面側から前面側に十分流入できる形状であれば良く、例えば外筒１１ａの両端部における外周縁の複数箇所に小径の貫通穴を形成してガス流入部１１ｇとすることもできる。

さらに、内筒１１ｂの開口部１１ｄには、使用条件（例えば使用温度など）に応じて測定用開口部１１ｆの口径を任意に調整可能とするため、測定用開口部１１ｆよりも小径のしぼり穴が形成されたしぼり部１１ｈが着脱可能に設けられている。このしぼり部１１ｈの着脱可能な構成により、酸化による劣化・破損や使用条件によってしぼりサイズの変更が生じた際に、最適なしぼりサイズで形成されたしぼり部１１ｈに適宜交換することができる。

保護部材１２は、定点るつぼ１１と同様に高純度の黒鉛で形成された前面側保護部材１２ａと背面側保護部材１２ｂの一対の環状部材で構成されている。前面側保護部材１２ａは、定点るつぼ１１の前面側（すなわち、定点るつぼ１１における内筒１１ｂの測定用開口部１１ｆ側）に設けられている。また、背面側保護部材１２ｂは、定点るつぼ１１の背面側（すなわち、定点るつぼ１１における内筒１１ｂの閉塞部１１ｅ側）に設けられている。すなわち、保護部材１２は、外気による定点るつぼ１１の酸化を抑制させるため、定点るつぼ１１の両端側の外側に設けられている。

また、前面側保護部材１２ａには、内筒１１ｂの測定用開口部１１ｆと連通するための貫通孔１２ｃが形成されている。さらに、前面側保護部材１２ａの貫通孔１２ｃには、内筒１１ｂの測定用開口部１１ｆの前面に対向してガス案内凹部１２ｄが形成されている。ガス案内凹部１２ｄは、内筒１１ｂの測定用開口部１１ｆの中心と対応する位置が最も凹んだ所定曲率の湾曲形状をなしており、ガス流入部１１ｇから流入する不活性ガスを、効率よく定点るつぼ１１の前面側中心部（すなわち、内筒１１ｂの測定用開口部１１ｆの中心部）に向けて導いている。これにより、定点るつぼ１１の測定用開口部１１ｆの酸化をさらに抑制し、定点るつぼ１１の延命を図っている。

なお、図４（ｂ）の例では、ガス案内凹部１２ｄを所定曲率の湾曲形状としているが、不活性ガスが定点るつぼ１１の前面側に十分行き渡るような凹部形状（例えば、階段状の凹部など）であれば良い。

また、背面側保護部材１２ｂには、案内孔１２ｅが複数箇所に形成されている。案内孔１２ｅは、ガス注入部１５から注入された不活性ガスを、定点るつぼ１１の背面側から前面側に向けて案内している。

ユニット断熱材１３は、セラミックファイバーを接着剤等で固めた断熱部材であり、前面側ユニット断熱材１３ａと背面側断熱材１３ｂとで構成されている。ユニット断熱材１３は、定点るつぼ１１の温度分布安定化を図るため、定点るつぼ１１の両端面のそれぞれと対向するように各保護部材１２の外側端面と対向して設けられている。

そして、前面側ユニット断熱材１３ａには、前面側保護部材１２ａの貫通孔１２ｃと連通する貫通孔１３ｃが形成されている。また、背面側ユニット断熱材１３ｂには、ガス注入部１５から注入された不活性ガスを背面側保護部材１２ｂまで案内するための貫通孔１３ｄが形成されている。

均熱管１４には、前面側ユニット断熱材１３ａの貫通孔１３ｃに連通する貫通孔１４ａと、ガス注入部１５に連通して不活性ガスを導入する貫通孔１４ｂとが形成されている。均熱管１４は、定点金属ＭがＩｎ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ａｌの何れかの金属のときにステンレスで形成されたものを使用し、定点金属ＭがＡｇ又はＣｕの金属のときはインコネルで形成されたものを使用する。

ガス注入部１５は、定点るつぼ１１の背面側（すなわち、定点るつぼ１１における内筒１１ｂの閉塞部１１ｅ側）から不活性ガスを注入するための均熱管１４と同素材のガス導入管であり、均熱管１４の背面側に一体形成されている。

押さえ部１６は、均熱管１４に収容された定点るつぼ１１を交換可能とするため、パネルヒーター３０の加熱により均熱管１４に固着しない例えばアルミナ製の前面側押さえ部１６ａと背面側押さえ部１６ｂの一対のキャップ部材で構成される。そして、前面側押さえ部１６ａは、均熱管１４の前面側をキャップするように装着され、均熱管１４の開口部１４ａと連通する貫通孔１６ｃが形成されている。また、背面側押さえ部１６ｂは、均熱管１４の背面側をキャップするように装着され、均熱管１４に一体形成されるガス注入部１５が挿通される挿通孔１６ｄが形成されている。

断熱材２０は、セラミックファイバーを接着剤等で固めた断熱部材であって、前面側断熱材２１と背面側断熱材２２から構成されている。前面側断熱材２１は、複数に分割（図３の例では３つ）して定点るつぼユニット１０の前面側に設けられ、定点るつぼユニット１０の測定用開口部１１ｆに連通する貫通孔２１ａが形成されている。この貫通孔２１ａは、測定用空洞の一部をなし、定点るつぼユニット１０の測定用開口部１１ｆから温度校正装置５０の開口窓５１ａに向かうに従って徐々に拡径するように形成されている。

また、前面側断熱材２１の貫通孔２１ａには、定点るつぼ１１から漏れ出る定点金属を受け止めるための凹部２１ｂが形成されている。この凹部２１ｂは、貫通孔２１ａの長さ方向の複数箇所に形成されている。これにより、定点るつぼ１１から漏れ出した定点金属Ｍが温度校正装置５０の開口窓５１ａから外に漏れ出ることを防止している。

背面側断熱材２２は、定点るつぼユニット１０の背面側に設けられ、ガス注入部１５が挿通される挿通孔２２ａが形成されている。なお、本例では、２つの前面側断熱材２１と１つの背面側断熱材２２で断熱材２０を構成しているが、その構成数が限定されるものではない。

パネルヒーター３０は、円筒形を有するセラミックファイバー（例えば、アルミナとシリカを基本組成とする無機質の耐火性繊維であるカオウール（登録商標））製の第１断熱部材３１と、この断熱部材の内周面に少なくとも均熱管１５の長手方向長さよりも長いヒータ３２が一体形成され、さらに第１断熱部材３１の外周にガラス繊維による織布からなる第２断熱部材３３が巻装されている。パネルヒータ３０は、定点るつぼユニット１０を中心として、前面側断熱材２１と背面側断熱材２２とで挟み込んだ状態で収容部材４０に収容される。

また、本例の定点黒体炉１では、前面側保護部材１２ａの貫通孔１２ｃ、前面側ユニット断熱材１３ａの貫通孔１３ｃ、均熱管１４の貫通孔１４ａ、押さえ部１６の貫通孔１６ｃ、前面側断熱材２１の貫通孔２１ａの順で温度校正装置５０の開口窓５１ａに向かって徐々に拡径するように形成されており、定点るつぼ１１における内筒１１ｂの測定用開口部１１ｆを起点として、貫通孔１２ａ、１３ｃ、１４ａ、１６ｃ及び２１ａとで測定用空洞を構成している。

そして、上記構成による定点黒体炉１を収容した温度校正装置５０を用いて被校正温度計となる放射温度計１００の校正を行う場合には、温度校正装置５０の開口窓５１ａから所定距離離れた測定軸上の位置に放射温度計１００を設置し、測定用空洞を介して定点るつぼ１１の黒体空洞内の潜熱を測定して温度校正を行っている。

以上説明したように、本例の定点黒体炉１によれば、以下に示すような効果を奏することができる。

本例の定点黒体炉１は、均熱管１４内に、定点るつぼ１１を中心として、一対の保護部材１２、一対の断熱材１３の順に定点るつぼ１１の両端面の外側から挟み込み、定点るつぼ１１、一対の保護部材１２、一対の断熱材１３を定点るつぼ１１の中心線上に整列させて収容し、この均熱管１４の両端部にアルミナ製の押さえ部１６をキャップするように装着された定点るつぼユニット１０を具備する構成であるため、定点黒体炉１の稼働に伴うパネルヒータ３０の加熱によって押さえ部材１６が固着することなく均熱管１４内に収容される定点るつぼ１１を容易に交換することができる。また、異なる種類の定点金属Ｍを収容した定点るつぼ１１毎に温度校正装置５０を用意する必要がなくなる。

また、定点るつぼ１１の測定用開口部１１ｆに連通する貫通孔２１ａに定点るつぼ１１から漏れ出る定点金属Ｍを受け止めるための凹部２１ｂを有する断熱材２１を測定用開口部１１ｆの前面側に配置した構成なので、定点るつぼ１１から漏れ出る溶融した定点金属Ｍを定点黒体炉１内の測定用開口部１１ｆ側に近い位置で受け止め、定点金属Ｍが定点黒体炉１から温度校正装置５０の外に漏れ出るのを防ぐことができる。そして、定点黒体炉１の構成要素である断熱材２１の凹部２１ｂで定点金属Ｍを受け止めるので、定点金属Ｍを受け止めるための部品が温度校正装置５０の外部に突出することがなく、外観上の見栄えを損なうこともない。

さらに、断熱材２１の貫通孔２１ａが定点るつぼ１１の測定用開口部１１ｆから離れるに従って拡径する構成なので、定点るつぼ１１から漏れ出る定点金属Ｍを測定用開口部１１ｆ側に戻すことなく凹部２１ｂ側へ案内して受け止めることができる。

また、断熱材２１の貫通孔２１ａの長さ方向の複数箇所に凹部２１ｂを有する構成なので、より多くの溶融した定点金属Ｍを凹部２１ｂで受け止めることができる。そして、定点るつぼ１１の測定用開口部１１ｆから離れるに従って断熱材２１の貫通孔２１ａを拡径する構成との相乗効果により、定点るつぼ１１から漏れ出る溶融した定点金属Ｍを測定用開口部１１ｆ側に近い位置から段階的に受け止めることができる。

さらに、定点るつぼ１１の閉塞部１１ｅ側から測定用開口部１１ｆ側に向けて不活性ガスを流入するガス流入部１１ｇを外筒１１ａの両端部における外周の一部に形成した構成なので、不活性ガスを定点るつぼ１１の測定用開口部１１ｆ側に送り込むことができ、測定用開口部１１ｆ側の酸化を抑制して定点るつぼ１１の寿命を延ばすことができる。

また、定点るつぼ１１のガス流入部１１ｇから測定用開口部１１ｆに流入される不活性ガスを測定用開口部１１ｆの中心部に向けて導くためのガス案内凹部１２ｄが形成された前面側保護部材１２ａを測定用開口部１１ｆの前面に配置した構成なので、測定用開口部１１ｆの中心部まで十分に不活性ガスを流入させることができ、さらに定点るつぼ１１の延命を図ることができる。

さらに、定点るつぼ１１の測定用開口部１１ｆより小径のしぼり穴の形成されたしぼり部１１ｈが内筒１１ｂの開口部１１ｄに着脱可能に設けられる構成なので、酸化による劣化・破損時やしぼりサイズの変更に対応して最適なしぼり部１１ｆに交換することができる。

１…定点黒体炉
１０…定点るつぼユニット
１１…定点るつぼ（１１ａ…外筒、１１ｂ…内筒、１１ｃ…蓋部材、１１ｄ…開口部、１１ｅ…閉塞部、１１ｆ…測定用開口部、１１ｇ…ガス流入部、１１ｈ…しぼり部）
１２…保護部材（１２ａ…前面側保護部材、１２ｂ…背面側保護部材、１２ｃ…貫通孔、１２ｄ…ガス案内凹部、１２ｅ…案内孔）
１３…ユニット断熱材（１３ａ…前面側ユニット断熱材、１３ｂ…背面側ユニット断熱材、１３ｃ，１３ｄ…貫通孔）
１４…均熱管（１４ａ，１４ｂ…貫通孔）
１５…ガス注入部
１６…押さえ部（１６ａ…前面側押さえ部、１６ｂ…背面側押さえ部、１６ｃ…貫通孔、１６ｄ…挿通孔）
２０…断熱材
２１…前面側断熱材（２１ａ…貫通孔、２１ｂ…凹部）
２２…背面側断熱材（２２ａ…挿通孔）
３０…パネルヒーター（３１…第１断熱部材、３２…ヒータ、３３…第２断熱部材）
４０…収容部材
４１…開口部
４２…受け部材
５０…温度校正装置
５１…外筐体（５１ａ…開口窓）
１００…放射温度計

Claims

定点金属を納める外筒と、一端に断面すり鉢状の閉塞部を有するとともに、他端に前記定点金属の相平衡状態である温度定点を測定するための測定用開口部を有し、前記外筒に収装して黒体空洞となる内筒とを備えた定点るつぼが収容された定点黒体炉において、
前記測定用開口部に連通する測定用空洞としての貫通穴が形成され、前記貫通穴に前記定点るつぼから漏れ出る定点金属を受け止めるための凹部を有する断熱材を前記測定用開口部の前面側に配置し、前記断熱材の前記貫通穴が前記測定用開口部から離れるに従って拡径していることを特徴とする定点黒体炉。
前記断熱材は、前記貫通穴の長さ方向の複数箇所に前記凹部を有することを特徴とする請求項１記載の定点黒体炉。