JP6644107B2

JP6644107B2 - 熱特性測定装置

Info

Publication number: JP6644107B2
Application number: JP2018082806A
Authority: JP
Inventors: 柏廷林; 書平林; 韋豪陸; 育賢杜
Original assignee: 中原大學
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2020-02-12
Anticipated expiration: 2038-04-24
Also published as: TW201905446A; US20180372659A1; JP2019007945A; TWI636251B; US10598619B2

Description

本発明は、測定装置に関するものであり、特に、材料の熱特性を測定するための熱特性測定装置に関するものである。

物体の放射率（emissivity、放射係数とも称す）は、エネルギーを熱放射として放出する物体の表面の能力の測定である。便宜上、物理学では、物体の放射率を、特定の温度で物体から出射されるエネルギーに対し、同じ特定の温度で黒体から放射されるエネルギーの比率として定義される。ここで、黒体の放射率を１として定義すると、別の物体の放射率は０と１の間である。一般的に、材料の色が深いほど、または材料の表面が粗いほど、材料の放射率は１に近くなり、材料の反射率が高いほど、材料の放射率は低くなる。

レスリーキューブ（Leslie's cube）を用いた放射線測定方法がスコットランドの物理学者ジョンレスリー（John Leslie）によって発明され、現代の計測器は、ますます正確になった。しかしながら、多くの精密機器は、通常、測定時に補助を必要とする。例えば、真空環境では、外部の熱源からの干渉を隔離する必要があり、あるいは黒体をシミュレーションするための材料を必要とする。また、放射率が低い物体を測定するのは困難である。そのため、物体の放射率を測定する時は、通常、測定コストが高くなり、測定の位置も制限される。

本発明は、熱特性測定の精度が測定対象物の異なる熱特性に影響されず、低コストおよび優れた携帯性の両方の特徴を有する熱特性測定装置を提供する。

本発明の熱特性測定装置は、測定対象物の熱特性を測定するためのものである。熱特性測定装置は、加熱素子と、測定窓と、少なくとも１つの温度計とを含む。加熱素子は、第１温度まで加熱するよう構成される。測定窓および加熱素子は、特定の幾何学関係に基づいて配置される。測定窓は、測定対象物と加熱素子の間に熱伝達経路を提供するよう構成される。温度計は、測定対象物の初期温度を測定し、加熱素子が加熱された後に測定温度を測定するよう構成される。測定対象物の測定温度は、測定対象物の初期温度と異なる。測定対象物の熱特性は、特定の幾何学関係、第１温度、初期温度、測定温度、および環境温度と関連する。

以上のように、本発明が提供する熱特性測定装置は、加熱素子と測定対象物の間に熱伝達を起こし、加熱素子の温度および材料の熱特性は、既知である。測定窓を介して加熱素子と測定対象物の間の熱伝達を観察し、測定対象物の初期温度および直接測定することのできる環境温度を参照して、熱特性測定装置における加熱素子と測定窓の間の幾何学的関係を組み合わせることによって、測定対象物の熱特性を正確に計算し、低コストおよび優れた携帯性の両方の特徴を達成することができる。

本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。

添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれかつその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。

本発明の１つの実施形態に係る熱特性測定装置の設置の概略図である。本発明の１つの実施形態に係る熱特性測定装置の概略ブロック図である。本発明の別の実施形態に係る熱特性測定装置の概略ブロック図である。

図１は、本発明の１つの実施形態に係る熱特性測定装置の設置の概略図である。図１を参照すると、本実施形態の熱特性測定装置１００は、加熱素子ＨＥと、測定窓ＭＷと、少なくとも１つの温度計ＴＳ１〜ＴＳ３と、外装ケースＣＳとを含む。使用者は、例えば、測定窓ＭＷと測定対象物ＯＢの位置を合わせて近づけることにより、測定対象物ＯＢの熱特性を測定することができる。本実施形態において、測定対象物ＯＢの測定した熱特性は、例えば、測定対象物ＯＢの熱放射率である。以下、本発明の実施形態の熱特性測定装置１００の各素子について説明する。

本実施形態において、加熱素子ＨＥは、例えば、既知の放射率ε_Ｈを有する材料であり、既知の第１温度まで加熱することができる。しかしながら、本発明は、加熱素子ＨＥを実施する実際の方法を制限しない。

例えば、加熱素子ＨＥは、制御可能な熱源に接続された放射率ε_Ｈを有する材料であってもよい。制御可能な熱源を制御することにより、加熱素子ＨＥを第１温度まで加熱することができる。別の実施形態において、加熱素子ＨＥは、例えば、制御不可能な熱源に接続された放射率ε_Ｈを有する材料であってもよく、別の温度計（図示せず）を設置することにより、加熱前と加熱後の加熱素子ＨＥの温度を測定する。つまり、本分野において通常の知識を有する者であれば、必要に応じて加熱素子ＨＥを配置し、加熱素子ＨＥを既知の第１温度まで加熱することができる。本発明はこれに制限されない。

本実施形態において、測定窓ＭＷは、測定対象物ＯＢと加熱素子ＨＥの間に熱伝達経路を提供するよう構成される。具体的に説明すると、加熱素子ＨＥが第１温度まで加熱され、第１温度が測定対象物ＯＢの初期温度よりも高い時、加熱素子ＨＥは、測定窓ＭＷを介して正味熱を測定対象物ＯＢに放射する。そして、加熱素子ＨＥから熱を受け取った後、測定対象物ＯＢは、測定窓ＭＷを介して熱の一部を熱特性測定装置１００に放射し戻すことができる。上記の熱伝達プロセスを観察することにより、本発明の実施形態の熱特性測定装置１００は、測定対象物ＯＢの熱特性を測定することができる。

言及すべきこととして、熱特性測定装置１００の加熱素子ＨＥおよび測定窓ＭＷの配置位置および配置角度に基づくと、特定の幾何学関係は、加熱素子ＨＥと測定窓ＭＷの間に存在する。この特定の幾何学関係は、加熱素子ＨＥと測定窓ＭＷの間の放射形状係数および測定窓ＭＷと各温度計ＴＳ１〜ＴＳ３の間の放射形状係数と直接関連する。熱特性測定装置１００における加熱素子ＨＥおよび測定窓ＭＷの配置位置および配置角度の他に、上記の放射形状係数は、熱放射伝達中の加熱素子ＨＥ、測定窓ＭＷ、および各温度計ＴＳ１〜ＴＳ３の表面面積および表面形状とも関連する。本分野において通常の知識を有する者であれば、熱力学関連の文献から放射形状係数に関する教示を取得することができる。そのため、ここでは詳しい説明を省略する。

本実施形態において、少なくとも１つの温度計は、加熱素子ＨＥを加熱する前に測定対象物ＯＢの初期温度を測定し、加熱素子ＨＥを第１温度まで加熱した後に測定対象物ＯＢの測定温度を測定するよう構成される。本実施形態において、少なくとも１つの温度計は、第１温度計ＴＳ１、第２温度計ＴＳ２、および第３温度計ＴＳ３を含む。しかしながら、本発明はこれに制限されない。つまり、本分野において通常の知識を有する者であれば、必要に応じて、複数の温度計を配置して温度（例えば、測定対象物ＯＢの初期温度および測定温度等）をそれぞれ測定することができる。

本実施形態において、第１温度計ＴＳ１は、測定窓ＭＷに配置され、加熱素子ＨＥを加熱する前に測定対象物ＯＢの初期温度を測定するよう構成される。第２温度計ＴＳ２は、例えば、外装ケースＣＳの内側に配置され、加熱素子ＨＥを第１温度まで加熱した後に測定対象物ＯＢの測定温度を測定するよう構成される。第３温度計ＴＳ３は、例えば、第２温度計ＴＳ２とともに外装ケースＣＳの内側に配置され、外装ケースＣＳの内側の環境温度または第２温度計ＴＳ２を使用する環境の環境温度を測定するよう構成される。

特に、実際に使用する状況において、上述したように、測定温度は、例えば、測定対象物ＯＢが第１温度（例えば、測定対象物ＯＢの初期温度よりも高い）まで加熱された加熱素子ＨＥから受け取った放射熱を送り返した時に第２温度計ＴＳ２が測定した温度である。そのため、測定対象物ＯＢの測定温度は、測定対象物ＯＢの初期温度と異なり、測定対象物ＯＢの初期温度は、環境温度と同じであっても、または異なっていてもよい。

しかしながら、少なくとも１つの温度計は、例えば、３つよりも多い、または少ない温度計を含んでもよい。別の実施形態において、少なくとも１つの温度計は、例えば、第２温度計ＴＳ２および第３温度計ＴＳ３のみを含んでもよい。第２温度計ＴＳ２は、加熱素子ＨＥを加熱する前、および加熱素子ＨＥを第１温度まで加熱した後に、それぞれ測定対象物ＯＢの初期温度および測定温度を測定し、第３温度計ＴＳ３は、環境温度を測定する。さらに別の実施形態において、少なくとも１つの温度計は、第１温度計ＴＳ１、第２温度計ＴＳ２、および第３温度計ＴＳ３の他に、さらに、加熱素子ＨＥの温度を測定するよう構成された第４温度計を含んでもよい。

また、本発明の実施形態は、各温度計の実際の実施方法を制限しない。１つの実施形態において、温度計は、例えば、放射熱を電気信号（例えば、電圧値）に変換する熱撮像装置であってもよい。異なる振幅の電気信号は、異なる温度を示す。さらに具体的に説明すると、本発明の実施形態は、温度測定中に得られたデータの形式を制限しない。本分野において通常の知識を有する者であれば、必要に応じて、温度を感知する温度計等の素子を選択することができ、異なる素子は、異なるデータ形式を提供することができる。

図１に示すように、本実施形態の熱特性測定装置１００は、正味熱が加熱素子ＨＥから測定対象物ＯＢに伝達される前に測定対象物ＯＢの初期温度を測定することができる。また、加熱素子ＨＥを第１温度まで加熱し、正味熱が測定窓ＭＷを介して測定対象物ＯＢに伝達された後、測定対象物ＯＢの測定温度を測定する。このように、本実施形態において、熱特性測定装置１００によって測定された熱特性（すなわち、熱放射率）は、下記の式（１）で表される。

式中、ε_ＴＢＭは、測定対象物ＯＢの熱放射率を示し、Ｆは、加熱素子ＨＥと測定窓ＭＷの間の放射形状係数および測定窓ＭＷと温度計ＴＳ２の間の放射形状係数と関連する係数を示し、ε_Ｈは、加熱素子ＨＥの熱放射率を示し、Ｔ_Ｈは、第１温度を示し、Ｔ_ＩＮは、測定対象物ＯＢの初期温度を示し、Ｔ_Ｍは、測定対象物ＯＢの測定温度を示し、Ｔ_ＥＮは、測定した環境温度を示す。本実施形態において、係数Ｆは、加熱素子ＨＥと測定窓ＭＷの間の放射形状係数対測定窓ＭＷと温度計ＴＳ２の間の放射形状係数の比率である。

言及すべきこととして、本発明の実施形態は、図１の実施形態において各素子から取得したデータの詳細を制限または説明するものではない。例えば、少なくとも１つの温度計ＴＳ１〜ＴＳ３および加熱素子ＨＥのデータ（例えば、温度のデータ）は、少なくとも１つの温度計ＴＳ１〜ＴＳ３および加熱素子ＨＥのデータを外装ケースＣＳのポートに接続することによって、有線で伝達することができる。しかしながら、本発明はこれに制限されない。

図２は、本発明の１つの実施形態に係る熱特性測定装置の概略ブロック図である。図２を参照すると、図１の実施形態の熱特性測定装置１００は、例えば、プロセッサＰＲＯＣを含むことにより、本実施形態の熱特性測定装置２００になる。本実施形態において、熱特性測定装置２００は、加熱素子ＨＥと、測定窓ＭＷと、少なくとも１つの温度計ＴＳと、プロセッサＰＲＯＣとを含み、同じ参照番号は、上述した実施形態における素子と同じ、または類似する素子を示すため、ここでは詳しい説明を省略する。

本実施形態において、例えば、加熱素子ＨＥ、測定窓ＭＷ、少なくとも１つの温度計ＴＳ、およびプロセッサＰＲＯＣを外装ケースの内側に配置することにより、手持ち式の熱特性測定装置２００を形成する。使用者は、例えば、本実施形態の熱特性測定装置２００を手持ちすることができ、測定窓ＭＷと測定対象物の位置を合わせて近づけることにより、測定対象物の熱特性（例えば、熱放射率）を測定する。

本実施形態において、プロセッサＰＲＯＣは、加熱素子ＨＥおよび少なくとも１つの温度計ＴＳに結合される。加熱素子ＨＥと測定窓ＭＷの間の放射形状係数は、プロセッサＰＲＯＣ内に設定される。したがって、プロセッサＰＲＯＣは、例えば、上述した式（１）で測定対象物の熱放射率を計算することができる。

１つの実施形態において、手持ち式の熱特性測定装置２００は、さらに、プロセッサＰＲＯＣに結合された表示素子（図示せず）を含んでもよく、プロセッサＰＲＯＣによって熱特性を計算した後に、そこに測定対象物の熱特性を表示するよう構成される。

図３は、本発明の別の実施形態に係る熱特性測定装置の概略ブロック図である。図３を参照すると、図１の実施形態の熱特性測定装置１００は、例えば、プロセッサＰＲＯＣを含むことにより、本実施形態の熱特性測定装置３００になる。本実施形態において、熱特性測定装置３００は、加熱素子ＨＥと、測定窓ＭＷと、少なくとも１つの温度計ＴＳと、プロセッサＰＲＯＣとを含み、同じ参照番号は、上述した実施形態における素子と同じ、または類似する素子を示すため、ここでは詳しい説明を省略する。

本実施形態は、例えば、加熱素子ＨＥ、測定窓ＭＷ、および少なくとも１つの温度計ＴＳを外装ケース内に配置することによって手持ち式の測定素子３１０を形成するという点で、図２の実施形態と異なり、手持ち式の測定素子３１０は、プロセッサＰＲＯＣの外部に接続される。本実施形態において、使用者は、例えば、手持ち式の測定素子３１０を手持ちすることができ、測定窓ＭＷを測定対象物と位置を合わせて接近させることにより、測定対象物の初期温度および測定温度を測定する。そして、得られた初期温度および測定温度をプロセッサＰＲＯＣに提供する。予め設定された加熱素子ＨＥと測定窓ＭＷの間の放射形状係数、加熱素子ＨＥの熱放射率、加熱後の加熱素子ＨＥの第１温度、測定環境の環境温度、手持ち式の測定素子３１０によって得られた初期温度および測定温度に基づいて、プロセッサＰＲＯＣは、上述した式（１）を基礎に測定対象物の熱放射率を計算する。

同様に、本実施形態のプロセッサＰＲＯＣは、さらに、表示素子（図示せず）に結合され、プロセッサＰＲＯＣの計算結果を表示素子に表示する。

言及すべきこととして、本発明の実施形態の熱特性測定装置は、測定対象物によって反射された加熱素子からの熱放射を観察する。そのため、測定したい材料が不透明である、または不透明材料で作られている時、本発明の実施形態が提供する熱特性測定装置は、より正確な測定結果を達成する。

以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を制限するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

１００熱特性測定装置
２００熱特性測定装置
３００熱特性測定装置
３１０手持ち式の測定素子
ＣＳ外装ケース
ＨＥ加熱素子
ＭＷ測定窓
ＯＢ測定対象物
ＰＲＯＣプロセッサ
ＴＳ温度計
ＴＳ１第１温度
ＴＳ２第２温度
ＴＳ３第３温度

Claims

測定対象物の熱特性を測定するよう構成され、
第１温度まで加熱されるよう構成された加熱素子と、
前記測定対象物と前記加熱素子の間に熱伝達経路を提供するよう構成された測定窓と、前記測定窓が前記加熱素子との間に幾何学関係に基づいて配置されており、
前記測定対象物の初期温度を測定し、前記加熱素子が前記第１温度まで加熱された後に前記測定対象物の測定温度を測定するよう構成され、前記初期温度が、前記測定温度と異なる少なくとも１つの温度計と、
を含み、前記測定対象物の前記熱特性が、前記幾何学関係、前記加熱素子の前記熱特性、前記第１温度、前記初期温度、前記測定温度、および環境温度から算出され、
前記幾何学関係が、前記加熱素子と前記測定窓の間の放射形状係数および前記測定窓と各温度計の間の放射形状係数と関連する、熱特性測定装置。
前記熱特性が、熱放射率である請求項１に記載の測定装置。
前記熱特性が、熱放射率であり、前記測定対象物の前記熱特性が、下記の式を基礎とした前記幾何学関係、前記加熱素子の前記熱特性、前記第１温度、前記初期温度、前記測定温度、および前記環境温度と関連し、

εＴＢＭが、前記測定対象物の前記熱放射率を示し、Ｆが、前記加熱素子と前記測定窓の間の前記放射形状係数および前記測定窓と各温度計の間の前記放射形状係数と関連する係数を示し、εＨが、前記加熱素子の前記熱放射率を示し、ＴＨが、前記第１温度を示し、ＴＩＮが、前記初期温度を示し、ＴＭが、前記測定温度を示し、ＴＥＮが、前記環境温度を示す請求項１に記載の測定装置。
前記加熱素子および前記少なくとも１つの温度計に結合され、前記幾何学関係、前記加熱素子の前記熱特性、前記第１温度、前記初期温度、前記測定温度、および前記環境温度に基づいて、前記測定対象物の前記熱特性を計算するよう構成されたプロセッサをさらに含む請求項１に記載の測定装置。
前記加熱素子、前記測定窓、前記少なくとも１つの温度計、および前記プロセッサが、外装ケースの内側に配置され、手持ち式の熱特性測定装置を形成する請求項４に記載の測定装置。
前記加熱素子、前記測定窓、および前記少なくとも１つの温度計が、外装ケースの内側に配置され、ハンドヘルド式の測定素子を形成し、前記プロセッサが、前記ハンドヘルド式の測定素子の外部に接続された請求項４に記載の測定装置。
前記少なくとも１つの温度計が、
前記測定窓に配置され、前記加熱素子を加熱する前に前記測定対象物の前記初期温度を測定するよう構成された第１温度計ＴＳ１と、
前記加熱素子を前記第１温度まで加熱した後に前記測定対象物の前記測定温度を測定するよう構成された第２温度計と、
を含む請求項１に記載の測定装置。
前記少なくとも１つの温度計が、さらに、前記環境温度を測定するよう構成された第３温度計を含む請求項４に記載の測定装置。
前記測定対象物が、不透明である請求項１に記載の測定装置。