JP7329769B2 - 風向計測装置 - Google Patents

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Description

本発明は、風向計測装置に関する。
物体の表面に沿って気体が流れると、物体の表面と気体の間に摩擦が生じ表面付近の気体に速度が主流よりも遅い境界層が形成される。この境界層では、気体の流れが物体の表面から剥離する場合がある(流れの剥離)。流れの剥離は乱流を生じさせるため流体抵抗に大きな影響を与える。このため、移動体(例えば、航空機、自動車など)の流体抵抗の低減や流路抵抗の低減のためには、物体の表面付近における流れの正確なデータを得る必要がある。
一方、円筒状ヒータを取り囲むように45°ピッチで8つの熱電対を配置した風向風速計測装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この装置では、8つの熱電対で測定された温度に基づき風速及び風向きを算出している。
特開2000-19195号公報
しかし、従来の風向風速計測装置を用いて物体の表面付近における流れを計測する場合、計測対象である流れが計測装置により乱されるため、風向及び風速を正確に計測することができない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、物体の表面近傍における流れの向きを計測することができる風向計測装置を提供する。
本発明は、物体の表面近傍における風向を計測する装置であって、前記物体の表面の少なくとも一部を覆うことができるように設けられた基材シートと、前記基材シート上に設けられたフローセンサ部とを備え、フローセンサ部は、前記基材シート上に設けられた加熱部と、前記基材シート上に設けられた複数の温度センサとを備え、複数の温度センサは、加熱部を挟む又は取り囲むように配置されたことを特徴とする風向計測装置を提供する。
本発明の風向計測装置では、物体の表面の少なくとも一部を覆うことができるように設けられた基材シート上にフローセンサ部が設けられる。このため、フローセンサ部が測定対象である流れを乱すことを抑制することができ、物体の表面近傍における流れの向きを計測することができる。また、大型の移動体や建築物など(物体)の表面近傍における流れの向きを低コストで計測することが可能である。
フローセンサ部は基材シート上に設けられた加熱部を備える。このため、基材シート近傍の気体を加熱することができる。
フローセンサ部は加熱部を挟む又は取り囲むように配置された複数の温度センサを備える。このため、加熱部により加熱された気体が測定対象である流れにより移動し複数の温度センサの測定温度に温度差を引き起こす。この温度差から測定対象である流れの向きを算出することができる。
本発明の一実施形態の風向計測装置の概略平面図である。 図1の一点鎖線A-Aにおける風向計測装置の概略断面図である。 本発明の一実施形態の風向計測装置の概略平面図である。 図3の一点鎖線B-Bにおける風向計測装置の概略断面図である。 (a)~(c)はそれぞれ本発明の一実施形態の風向計測装置の概略断面図である。 (a)は作製した風向計測装置の概略断面図であり、(b)は加熱部の加熱パワーと測定温度との関係を示すグラフであり、(c)は上流側温度センサと下流側温度センサの温度差と、流速との関係を示すグラフである。 (a)(b)はそれぞれ上流側温度センサと下流側温度センサの温度差と、流速との関係を示すグラフである。 上流側温度センサと下流側温度センサの温度差と、流速との関係を示すグラフである。 上流側温度センサと下流側温度センサの温度差の変化を示すグラフである。 (a)は作製した風向計測装置の写真であり、(b)は加熱部で加熱した風向計測装置の温度分布を示す画像であり、(c)は方向Aの向きに空気を流したときの温度センサT1~T8の温度差を示すグラフであり、(d)は方向Bの向きに空気を流したときの温度センサT1~T8の温度差を示すグラフである。 (a)(b)はそれぞれ作製した風向計測装置の写真である。 作製した風向計測装置を用いて作成した風向マップである。
本発明の風向計測装置は、物体の表面近傍における風向を計測する装置であって、前記物体の表面の少なくとも一部を覆うことができるように設けられた基材シートと、前記基材シート上に設けられたフローセンサ部とを備え、フローセンサ部は、前記基材シート上に設けられた加熱部と、前記基材シート上に設けられた複数の温度センサとを備え、複数の温度センサは、加熱部を挟む又は取り囲むように配置されたことを特徴とする。
複数の温度センサは、円状に並ぶように配置されることが好ましく、加熱部は複数の温度センサの円状配置の中心部に配置されることが好ましい。このことにより、加熱部と各温度センサとの間隔を同じにすることができ、流れの向きを正確に算出することができる。
本発明の風向計測装置はスペーサを備えることが好ましく、前記スペーサは前記物体の表面と基材シートとの間に空気層を形成することができるように設けられることが好ましい。この空気層により、加熱部の熱が前記物体に伝わること及び前記物体の熱が温度センサに伝わることを抑制することができ、金属などの熱伝導率の高い物体の表面近傍における風向きを計測することが可能になる。
加熱部及び複数の温度センサは、前記物体の表面と基材シートとの間に配置されるように設けられることが好ましい。このことにより、加熱部及び温度センサを基材シートにより保護することができ、物体の表面近傍における風向を安定して計測することができる。
温度センサは、抵抗変化型のセンシング層を有することが好ましく、センシング層の厚さは30nm以上100μm以下であることが好ましい。このことにより、風向計測装置をシート状にすることができ、計測対象である流れが風向計測装置により乱されることを抑制することができる。
本発明の風向計測装置は基材シート上に複数のフローセンサ部を備えることが好ましい。このことにより、風向マップを作成することが可能になる。
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
図1は本実施形態の風向計測装置の概略平面図であり、図2は図1の一点鎖線A-Aにおける風向計測装置の概略断面図である。図3は本実施形態の風向計測装置の概略平面図であり、図4は図3の一点鎖線B-Bにおける風向計測装置の概略断面図である。図5(a)~(c)はそれぞれ本実施形態の風向計測装置の概略断面図である。
本実施形態の風向計測装置20は物体2の表面11近傍における風向を計測する装置であり、風向計測装置20は物体2の表面11の少なくとも一部を覆うことができるように設けられた基材シート3と、基材シート3上に設けられたフローセンサ部4とを備え、フローセンサ部4は、基材シート3上に設けられた加熱部5と、基材シート3上に設けられた複数の温度センサ6とを備え、複数の温度センサ6は、加熱部5を挟む又は取り囲むように配置されたことを特徴とする。
また、本実施形態の風向計測装置20はスペーサ7を備えてもよい。
風向計測装置20は、物体2の表面11近傍における風向を計測する装置である。風向計測装置20は、物体2の表面11近傍における風速を計測する装置であってもよい。
物体2は、例えば、航空機、鉄道車両、自動車、オートバイなどの移動体又はそのモデルである。また、物体2は、例えば高層ビル、橋梁などの建築物又はそのモデルである。また、物体2は、例えばガス管(ガス管の内部表面の流れを計測)である。移動体、建築物、ガス管などの表面11近傍における風向を計測することにより、計測結果を設計などに利用することができる。
基材シート3は、風向計測装置20の基礎となるシートである。基材シート3は、例えば、プラスチックシート、ゴムシート、ガラス板、セラミックスシート、ラミネートフィルム、織布、不織布、紙などである。基材シート3の材料は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート(PEN)などが好ましい。
基材シート3の熱伝導率は10Wm-1-1以下であることが好ましい。このことにより、加熱部5の熱が基材シート3を伝わり温度センサ6での温度測定に影響を与えることを抑制することができる。基材シート3の耐熱温度は100℃以上であることが好ましい。このことにより、加熱部5の熱により基材シート3が損傷することを抑制することができる。基材シート3の厚さは、例えば5μm以上150μm以下である。このことにより、加熱部5を基材シート3の裏面側(物体2側)に配置した場合であっても、加熱部5の熱が基材シート3を伝導し基材シート3の表面上の気体を温めることができる。
基材シート3は、物体2の表面11の少なくとも一部を覆うことができるように設けられる。このため、基材シート3の測定対象である流れ側の表面は、物体2の表面11と実質的に平行な面となる。このため、風向計測装置20が測定対象である流れを乱すことを抑制することができ、物体2の表面11近傍における流れの向きを正確に計測することができる。
物体2の熱伝導率が小さい場合、基材シート3は、物体2の表面11に直接張り付けることができるように設けることができる(例えば図5(b)(c))。このことにより、風向計測をより容易に行うことができる。
物体2の熱伝導率が大きい場合、風向計測装置20は物体2の表面11と基材シート3との間に空気層8を形成することができるように設けられたスペーサ7を備えることができる(例えば、図1~図4、図5(a))。スペーサ7は、少なくとも物体2の表面11と加熱部5との間に空気層8が形成されるように設けられる。また、スペーサ7は、物体2の表面11と加熱部5との間および物体2の表面11と温度センサ6との間の両方に空気層8が形成されるように設けることができる。スペーサ7を用いてこのような空気層8を形成することにより、加熱部5の熱が物体2を伝わり温度センサ6の温度測定に影響を与えることを抑制することができる。
スペーサ7は、基材シート3に取り付けられた部材であってもよく、基材シート3の一部であってもよい。基材シート3がスペーサ7を有する場合、基材シート3は、空気層8を形成することができる凸部(スペーサ7)を有することができる。
スペーサ7の材料は、例えばプラスチック、ゴムなどである。
スペーサ7は、フローセンサ部4を取り囲むように設けることができる。このことにより、加熱部5又は温度センサ6が物体2に接触することを抑制することができる。また、スペーサ7は、加熱部5と温度センサ6との間に配置され、加熱部5を取り囲むように設けることができる。
スペーサ7は、物体2の表面11と基材シート3との間隔が例えば0.1mm以上3mm以下となるように設けることができる。
また、風向計測装置20は、スペーサ7の代わりに断熱性を有する多孔質層を有してもよい。
フローセンサ部4は、加熱された気体が風により移動することにより生じる温度差を検出する部分である。制御部を用いてこの温度差に基づき風向又は風速を算出することができる。
風向計測装置20は1つのフローセンサ部4を有してもよく(例えば、図1、図2)、風向計測装置20は複数のフローセンサ部4を有してもよい。例えば、図3、図4に示した風向計測装置20は、3つのフローセンサ部4a~4cを備えている。風向計測装置20が複数のフローセンサ部4を有することにより風向マップを作成することが可能になる。
風向計測装置20が複数のフローセンサ部4を有する場合、隣接する2つのフローセンサ部4の間隔(一方のフローセンサ部の端から他方のフローセンサ部の端までの最短距離)は、例えば1cm以上4cm以下とすることができる。
フローセンサ部4は、基材シート3上に設けられた加熱部5を備える。加熱部5は、計測対象である風(気体)を温める部分である。加熱部5は、例えば抵抗加熱式ヒーターである。この場合、加熱部5は配線9に接続した抵抗発熱体層を有する。配線9を用いて抵抗発熱体層に電流を流すことにより加熱部5を昇温させることができる。配線9の材料と抵抗発熱体層の材料は同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。配線9の材料と抵抗発熱体層の材料が同じである場合、抵抗発熱体層の断面積が配線9よりも小さくなるように抵抗発熱体層を設けることができる。このことにより、抵抗発熱体層を昇温させることができる。
抵抗発熱体層の材料は例えば、銀とすることができる。このことにより、加熱部5を小型化することができる。また、抵抗発熱体層の厚さは、30nm以上100μm以下とすることができる。このことにより、抵抗発熱体層が直接的又は間接的に計測対象である流れを乱すことを抑制することができる。抵抗発熱体層の形成方法は、例えば、印刷、塗布、スプレー、蒸着などである。
加熱部5は、基材シート3の物体2側(基材シート3と物体2との間)に設けられてもよい(例えば図1~4、図5(b))。この場合、加熱部5の熱が基材シート3を伝導し基材シート3の表面上の気体(計測対象である流れ)を温めることができる。また、この場合、加熱部5を基材シート3で保護することができ、加熱部5の発熱特性を安定化することができる。
加熱部5は、基材シート3の計測対象である流れ側に設けられてもよい(例えば、図5(a)(c))。この場合、加熱部5の熱が気体(計測対象である流れ)に直接移動する。このため、フローセンサ部4の感度を高くすることができ、流速の速い風の向きを検出することが可能になる。この場合、風向計測装置20は、加熱部5上に保護層を有してもよい。また、この場合、基材シート3の材料に断熱性の高い材料(例えばスポンジなど)を用いてもよい。
加熱部5の形状は例えば円形とすることができる。
フローセンサ部4は基材シート3上に設けられた複数の温度センサ6を備える。複数の温度センサ6は、加熱部5を挟む又は取り囲むように配置される。例えば、複数の温度センサ6が円状に並ぶように配置し、加熱部5を複数の温度センサ6の円状配置の中心部に配置することができる。また、例えば、2つの温度センサ6が加熱部5を挟むように温度センサ6を配置してもよい。フローセンサ部4が有する温度センサ6の数は、例えば、2、3、4、5、6、7、8である。
例えば、図1、図2に示した風向計測装置20のフローセンサ部4は、円状に並ぶように配置された8個の温度センサ6a~6hを有し、加熱部5が円状配置の中心部に配置されている。
例えば、図3、図4に示した風向計測装置20は、3つのフローセンサ部4a~4cを有している。フローセンサ部4aは4つの温度センサ6a~6dを有し中心部に加熱部5aが配置され、フローセンサ部4bは4つの温度センサ6e~6hを有し中心部に加熱部5bが配置され、フローセンサ部4cは4つの温度センサ6i~6lを有し中心部に加熱部5cが配置されている。
温度センサ6は、温度により電気抵抗が変化する抵抗層(センシング層)を有する抵抗型温度センサとすることができる。センシング層の厚さは、例えば、30nm以上100μm以下とすることができる。このことにより、センシング層が直接的又は間接的に計測対象である流れを乱すことを抑制することができる。センシング層の形成方法は、例えば、印刷、塗布、スプレー、蒸着などである。
センシング層の材料は、例えば、カーボンナノチューブ、白金、カーボンナノチューブと酸化スズとの混合体などである。
センシング層は、配線9により制御部と接続し、制御部でセンシング層の電気抵抗の測定値からセンシング層の温度を算出することができる。
温度センサ6は、基材シート3の物体2側(基材シート3と物体2との間)に設けられてもよい(例えば図1~4、図5(b))。この場合、加熱部5により温められた気体が風により風下側に移動し、風下側の基材シート3を温め、この温められた基材シート3の温度を風下側の温度センサ6が測定する。また、この場合、温度センサ6を基材シート3で保護することができ、温度センサ6の測温特性を安定化することができる。
温度センサ6は、基材シート3の計測対象である流れ側に設けられてもよい(例えば、図5(a)(c))。この場合、加熱部5により温められた気体が風により風下側に移動し、この移動してきた気体の温度を風下側の温度センサ6が測定する。このため、フローセンサ部4の感度を高くすることができ、流速の速い風の向きを検出することが可能になる。この場合、風向計測装置20は、温度センサ6上に保護層を有してもよい。また、この場合、基材シート3の材料に断熱性の高い材料(例えばスポンジなど)を用いてもよい。
加熱部5と温度センサ6との間隔(加熱部5の端部から温度センサ6の端部までの最短距離)は、例えば10μm以上20mm以下とすることができる。
加熱部5の熱により昇温した気体が風により風下側に移動すると、風上側に配置された温度センサ6の測定温度はほとんど変わらないが、風下側に配置された温度センサ6の測定温度は上昇する。このため、制御部は、フローセンサ部4が有する複数の温度センサ6の測定温度の温度差から風向き又は風速を算出することができる。制御部は、例えばコンピュータ、マイクロコントローラなどである。
第1風向計測実験
図6(a)に示したような風向計測装置20を作製して第1風向計測実験を行った。基材シート3には38μm厚のPETフィルムを用い、加熱部5は厚さが約10μmの銀層(抵抗加熱型ヒーター)とした。温度センサ6a、6bのセンシング層はカーボンナノチューブとSnO2の混合層(抵抗型温度センサ)とした。加熱部5、温度センサ6a、6b及び配線は印刷法で形成した。温度センサ6aは風上側に配置し、温度センサ6bは風下側に配置した。また、加熱部5と温度センサ6との間隔を2.5mmとした風向計測装置20と、加熱部5と温度センサ6との間隔を5mmとした風向計測装置20と、加熱部5と温度センサ6との間隔を10mmとした風向計測装置20とを作製した。また、スペーサ7の材料はPDMSとし、物質2の表面11と基材シート3との間隔は1mmとした。
このような風向計測装置20を試験台(物質2)上に設置して風向計測実験を行った。
まず、加熱部5に電流を流し加熱部5の温度を計測した。図6(b)は、各加熱パワーにおける加熱部5の最大温度を示したグラフである。
次に、図6(a)に示した矢印のように送風しながら加熱部5に電流を流し、上流側温度センサ6aと下流側温度センサ6bで温度測定を行った。そして温度センサ6a、6bの間の温度差を算出した。
図6(c)は加熱パワーを0.3W(加熱部の温度:約83℃)としたときの送風の流速と温度センサ6a、6bの間の温度差との関係を示したグラフである。図7(a)は加熱部5と温度センサ6との間隔を2.5mmとしたときの送風の流速と温度センサ6a、6bの間の温度差との関係を示したグラフである。加熱パワーは、0.1W(約41℃)、0.2W(約65℃)、0.3W(約83℃)又は0.4W(約108℃)とした。図7(b)は加熱部5と温度センサ6との間隔を5mmとしたときの送風の流速と温度センサ6a、6bの間の温度差との関係を示したグラフである。加熱パワーは、0.1W、0.2W、0.3W又は0.4Wとした。
加熱部5と温度センサ6との間隔を2.5mm、5mm、10mmとしたいずれの風向計測装置20でも約0.3m/sの風で温度センサ6a、6bの間に温度差が生じた。従って、この温度差から風向を算出することができる。
また、温度センサ6a、6bの間の温度差は、流速が速くなっていくと線形関数的に増加し、流速がある程度速くなると温度差の上昇は小さくなった。従って、温度差から流速を算出することが可能である。
また、加熱部5と温度センサ6との間隔が狭いほど温度センサ6a、6bの間の温度差は大きくなり、加熱部5の温度が高いほど温度センサ6a、6bの間の温度差は大きくなった。このことから、加熱部5と温度センサ6との間隔を狭くし、加熱部5の温度を高くすることにより、より速い流速の風の向きや流速も計測できると考えられる。
図8は、試験台(物体2)を金属製とし、スペーサ7を有する風向計測装置とスペーサ7を有さない風向計測装置を用いて測定を行ったときの、送風の流速と温度センサ6a、6bの間の温度差との関係を示したグラフである。図9は、送風の流速を変化させたときの温度センサ6a、6bの間の温度差の変化を示したグラフである。また、加熱部5と温度センサ6との間隔を2.5mmとし、加熱パワーを0.3Wとした。
図8、図9に示したグラフのように、スペーサ7を有さない風向計測装置では、温度センサ6a、6bの間の温度差はほとんど生じなかった。これは、加熱部5の熱が試験台に逃げてしまうためと考えられる。これに対し、スペーサ7を有する風向計測装置を用いて測定すると、流速0~1.5m/sの範囲では流速が速くなるほど温度センサ6a、6bの間の温度差が大きくなった。従って、物体2が金属製である場合でも、スペーサ7を設けることにより風向及び風速を計測できることがわかった。
第2風向計測実験
図1、2に示したような加熱部5の周りに8個の温度センサ6a~6h(T1~T8)を有する風向計測装置を作製した。各部分の材料は第1風向計測実験と同じである。図10(a)は作製した風向計測装置の写真である。図10(b)は加熱部に電流を流したときの風向計測装置の温度分布を示す画像である。図10(c)は(a)に示した方向Aの向きに空気を流したときの温度センサT1~T8の温度差を示すグラフであり、図10(d)は(a)に示した方向Bの向きに空気を流したときの温度センサT1~T8の温度差を示すグラフである。図10(c)(d)における温度差は、加熱部での加熱前の温度センサの測定温度と加熱部での加熱後の温度センサの測定温度との差である。
空気を流さない場合、温度センサT1~T8の温度差は約4℃であり、温度センサ間の温度差はほとんどなかった。方向Aの向きに空気を流した場合、風下に位置する温度センサT5、T6の温度差は4℃~6℃程度であり、その他の温度センサの温度差は0℃~3℃程度であった。また、方向Bの向きに空気を流した場合、風下に位置する温度センサT3の温度差は6℃~7℃程度であり、その他の温度センサの温度差は-1℃~4℃程度であった。
このように、風下に位置する温度センサの測定温度が上昇しており、温度センサT1~T8の測定温度に基づき風向きを計測できることが実証された。
第3風向計測実験
12個のフローセンサ部4a~4lを備えた風向計測装置を作製した。各フローセンサ部4a~4lは、図3、図4に示したフローセンサ部4a~4cのように、加熱部5の周りに4つの温度センサ6を有している。各部分の材料は第1風向計測実験と同じである。作製した風向計測装置を半割パイプの凹曲面に張り付けた。風向計測装置の写真を図11(a)(b)に示す。
この風向計測装置に垂直な方向から風向計測装置の中心部(フローセンサ部4eとフローセンサ部4hとの間)に風を吹きつけ、フローセンサ部4a~4lにおける風向きを計測した。
計測結果を図12に示す。図12では、フローセンサ部4a~4lが有する温度センサの温度を色で示している。温度スケールは色が濃いほど温度が低く、色が薄いほど温度が高い(図12の温度表示は、風を吹きつける前のスタート時測定温度と、風を吹きつけた後の測定温度との差で示している)。温度センサの測定温度を示した4つの四角の内部に示した矢印は、温度センサの測定温度から算出した風向きを示している(風下側に配置された温度センサの測定温度が他の温度センサの測定温度よりも高くなる)。
図12に示した計測結果から、半割りパイプの凹曲面に風を吹き付けると、凹曲面では吹きつけた部分から広がるように風が流れることがわかった。
2:物体 3:基材シート 4、4a~4l:フローセンサ部 5、5a~5c:加熱部 6、6a~6l:温度センサ(センシング層) 7、7a~7c:スペーサ 8:空気層 9:配線 11:物体の表面 20:風向計測装置

Claims (4)

  1. 物体の表面近傍における風向を計測する装置であって、
    前記物体の表面の少なくとも一部を覆うことができるように設けられた基材シートと、前記基材シート上に設けられた第1フローセンサ部と、スペーサとを備え、
    前記スペーサは、前記物体の表面と前記基材シートとの間に空気層を形成することができるように設けられ、
    前記基材シートは、フレキシブルシートであり、
    第1フローセンサ部は、前記基材シート上に設けられた第1加熱部と、前記基材シート上に設けられた複数の第1温度センサとを備え、
    複数の第1温度センサは、第1加熱部を挟む又は取り囲むように配置され
    第1加熱部及び複数の第1温度センサは、前記物体の表面と前記基材シートとの間に配置されるように設けられ、
    前記スペーサは、第1加熱部と各第1温度センサとの間に配置され、かつ、第1加熱部を取り囲むように設けられたことを特徴とする風向計測装置。
  2. 複数の第1温度センサは、円状に並ぶように配置され、
    第1加熱部は、複数の第1温度センサの円状配置の中心部に配置された請求項1に記載の風向計測装置。
  3. 第1温度センサは、抵抗変化型のセンシング層を有し、
    前記センシング層の厚さは、100μm以下である請求項1又は2に記載の風向計測装置。
  4. 前記基材シート上に設けられた第2フローセンサ部をさらに備え、
    第2フローセンサ部は、前記基材シート上に設けられた第2加熱部と、前記基材シート上に設けられた複数の第2温度センサとを備え、
    複数の第2温度センサは、第2加熱部を挟む又は取り囲むように配置された請求項1~のいずれか1つに記載の風向計測装置。
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