JP7430956B1

JP7430956B1 - 放射熱測定装置およびその放射熱測定方法

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Publication number: JP7430956B1
Application number: JP2023171136A
Authority: JP
Inventors: 浩史小野
Original assignee: akanekabusikigaisya
Current assignee: akanekabusikigaisya
Priority date: 2023-10-02
Filing date: 2023-10-02
Publication date: 2024-02-14
Anticipated expiration: 2043-10-02

Abstract

【課題】壁面からの放射熱の影響を検知する。【解決手段】直方体をなす６面のうちの複数の面に対応する複数の面材を有する網１１，１２，１３，１４と、各々の面材に配設された平面黒体２１，２２，２３，２４と、平面黒体２１，２２，２３，２４の温度を測定する熱電対３１，３２，３３，３４と、熱電対３１，３２，３３，３４の温度を計測する計測回路１５０とを有し、複数の前記面材は、空気が通流する通流孔を有している。平面黒体２１，２２，２３，２４は、樹脂で形成されており、熱電対３１，３２，３３，３４は、樹脂の表面であって、網１１，１２，１３，１４の外面側に配設されている。【選択図】図１

Description

本発明は、放射熱測定装置およびその放射熱測定方法に関し、例えば、部屋の壁面や天井から放射される放射熱を測定する放射熱測定装置に関する。

住環境を評価するためには、室内温度を測定するだけでなく、壁面、天井や窓等から放射される放射エネルギーを評価する必要がある。特許文献１には、立方体の各面に受ける放射束を測定する環境放射束計が開示されている。なお、特許文献２には、内壁面に黒体ペイントを塗布し、測定用穴を用いて放射温度計で温度測定する装置が開示されている。また、特許文献３には、熱電対が取り付けられた黒体板および補正用放射温度計を備えた温度測定装置が開示されている。

特開平１１－１７３９１１号公報（図１１、段落００１２）特開平４－９１９１９号公報（特許請求の範囲第２項）特開２０１５－１０２５０８号公報（要約）

特許文献１に記載の環境放射束計は、立方体（立体基板）の各面を形成する基板がアルミニウム板で形成されている。そのため、各面の温度が立方体内部の空気に熱伝導してしまう。その結果、装置の内部温度が室内温度よりも上昇してしまう問題点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、装置の内部温度の上昇を防ぐことができる放射熱測定装置および放射熱測定方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の放射熱測定装置は、直方体（立方体を含む。）をなす６面のうちの複数の面に対応する複数の面材を有する筐体（網１１，１２，１３，１４）と、前記面材に配設された平面黒体（２１，２２，２３，２４）と、前記平面黒体の温度を測定する温度センサ（熱電対３１，３２，３３，３４）と、を有し、複数の前記面材の少なくとも一つは、空気が通流する通流孔を有し、前記温度センサは、前記平面黒体の外面側に配設されていることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

本発明によれば、壁面で吸収する放射熱の影響を検知することができる。

本発明の第１実施形態である放射熱測定装置の外観図である。本発明の第１実施形態である放射熱測定装置の平面図である。本発明の第１実施形態である放射熱測定装置の配置状態を示す図である。壁面や窓面が放射する放射熱の影響を受けた温度変化を示す図である。本発明の第２実施形態の放射熱測定方法において、天井放射による熱電対温度と天井温度とを比較するための図であって、放射遮蔽シートが無いときの温度を示す図である。本発明の第２実施形態の放射熱測定方法において、天井放射による熱電対温度と天井温度とを比較するための図であって、天井に放射遮蔽シートを設置したときの温度を示す図である。本発明の第２実施形態の放射熱測定方法において、南側放射による熱電対温度と南側窓温度とを比較するための図であって、放射遮蔽シートが無いときの温度を示す図である。本発明の第２実施形態の放射熱測定方法において、南側放射による熱電対温度と南側窓温度とを比較するための図であって、南側窓に放射遮蔽シートを設置したときの温度を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本実施形態を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるにすぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態である放射熱測定装置の外観図であり、図２は、その平面図である。なお、側面図や正面図も図２と同様となる。
放射熱測定装置１００は、筐体（きょうたい）としての網１１，１２，１３，１４と、平面黒体２１，２２，２３，２４と、温度センサとしての熱電対３１，３２，３３，３４とを備えて構成されている。網１１，１２，１３，１４は、筐体の壁面を構成する面材であり、立方体を構成する６面のうちの複数の面（例えば、上面、前面、両側面の計４面）に沿って配置されている。平面黒体は、網１１，１２，１３，１４の中央部に配設されている。なお、放射熱測定装置１００の下面および後面は、開放されている。放射熱測定装置１００は、立方体に限らず、直方体でも構わない。また、網は、長方形でも構わず、平面黒体は長方形や円形でも構わない。

網１１，１２，１３，１４は、多数の通流孔が形成された樹脂である。網１１，１２，１３，１４は、加工のしやすさから樹脂としたが、金属製でも構わない。例えば、平面黒体２１，２２，２３，２４は、黒色の樹脂製板材に限らず、例えば、黒色アルマイト処理されたアルミニウム合金製の板材でも構わない。筐体の壁面を網１１，１２，１３，１４とすると、装置内部に熱が籠（こ）もり難くなる。つまり、多数の通流孔により、空気が下方から上方に流れる。
また、網１１，１２，１３，１４は、黒色の方が白色よりも好ましい。網が黒色であれば、黒体の面積が実質的に増加し、吸収エネルギーの増加をもたらす。これにより、網や黒体による熱伝導に伴って、放射熱の有無による温度差が増加する。また、平面黒体２１，２２，２３，２４は、樹脂製の板材であり、網１１，１２，１３，１４の各々の外面中央部に配設されている。なお、網１１，１２，１３，１４は、平面黒体２１，２２，２３，２４を配設する中央部が開口していてもかまわない。

熱電対３１，３２，３３，３４は、平面黒体２１，２２，２３，２４の各々の樹脂の表面であって、外面側の中央部に取り付けられている。計測回路１５０は、熱電対３１，３２，３３，３４に接続されており（図３参照）、平面黒体２１，２２，２３，２４の表面温度を同時に測定し、これらの表面温度の時間変化を記録する。なお、温度センサは、熱電対３１，３２，３３，３４の代わりに測温抵抗体やサーミスタであってもかまわない。

図３は、本発明の第１実施形態である放射熱測定装置の配置状態を示す図である。
放射熱測定装置１００および計測回路１５０は、部屋の北側に寄って配置された載置台１６０の上面に配置される。部屋は、複数の壁面（天井２０１，東壁２０２，南壁２０３，北壁２０４，床２０５）と、１以上の窓面（南窓ガラス２１３，北窓ガラス２１４）とを備えて構成される空間（例えば、閉空間）である。また、東壁２０２の北寄りには、ドア２２２が配設されている。また、北壁２０４の東寄り上部には、エアコン２２４が配設されている。なお、計測回路１５０は、放射熱測定装置１００の近傍に配置される。

複数の壁面（天井２０１，東壁２０２，南壁２０３，北壁２０４、床２０５）、窓面（南窓ガラス２１３，北窓ガラス２１４）やドア２２２等は、ステファンボルツマンの法則に従って熱放射する。つまり、壁面や窓面から単位面積当り単位時間に放射される全ての放射エネルギーＥは、壁面や窓面の放射率をεとし、壁面や窓面の表面温度をＴ［Ｋ］で表すとき、
Ｅ＝５．６７ε（Ｔ／１００）^４［Ｗ／ｍ^２］
で表現される。

放射熱測定装置１００は、その各面（網１１，１２，１３，１４や平面黒体２１，２２，２３，２４の面）が壁面（天井２０１，東壁２０２，南壁２０３，北壁２０４，床２０５）や窓面（南窓ガラス２１３，北窓ガラス２１４）と平行になるように、配置されている。壁面（天井２０１，東壁２０２，南壁２０３，北壁２０４，床２０５）や窓面（南窓ガラス２１３，北窓ガラス２１４）は、その表面温度と放射率ε_１とにしたがって、放射エネルギーＥを放射する。そして、平面黒体２１，２２，２３，２４（図１）は、壁面や窓面から放射される放射エネルギーＥを、形態係数Ｐおよび吸収率α_２に従って吸収する。ここで、放射率ε_１は、壁面や窓面の材質や色に依存するが、吸収率α_２は、平面黒体２１，２２，２３，２４を同一部材にすれば固定値である。

ここで、形態係数Ｐは煩雑であるが、熱電対３１，３２，３３，３４が測定する温度は、載置台１６０の上面温度（机上温度）に、壁面（天井２０１，東壁２０２，南壁２０３，北壁２０４，床２０５）から放射される放射熱の影響を受けた温度となる。ここで、上面温度とは、平面黒体２１，２２，２３，２４が無いときの熱電対３１，３２，３３，３４の温度である。なお、キルヒホッフの法則によれば、物体の放射率εと吸収率αとは等しく、ε_１＝α_１，ε_２＝α_２である。ここで、α_１は壁面や窓面の吸収率であり、ε_２は、平面黒体２１，２２，２３，２４の放射率である。

図４は、壁面や窓面が放射する放射熱の影響を受けた温度変化を示す図である。横軸は、時刻を示し、縦軸は、温度［℃］を示す。図４において、太い破線の黒四角（■）は、天井２０１（図３）が放射する天井放射の影響を受けた熱電対３１（図１）の温度を示す。また、細い破線の黒丸（●）印は、東壁２０２が放射する東側放射の影響を受けた熱電対３２（図１）の温度を示す。また、細い点線の黒菱形（◆）は、南壁２０３および南窓ガラス２１３が放射する南側放射の影響を受けた熱電対３３（図１）の温度を示す。また、太い実線の黒菱形（◆）は、北壁２０４及び北窓ガラス２１４が放射する北側放射の影響を受けた熱電対３４（図１）の温度を示す。また、細い実線のクロス（×）は、載置台１６０の上面温度（机上温度）を示す。

北側放射の影響を受けた熱電対３４（図１）の温度（太い実線の◆）が最も高く、次いで天井放射（■）または南側放射（細い点線の◆）による熱電対温度が高い。北側放射の影響を受けた熱電対３４（図１）の温度（太い実線の◆）が最も高いのは、放射熱測定装置１００の配置が北側寄り（図３参照）だからである。また、東側放射（太い破線の●）による熱電対温度が最も低い。なお、各放射による熱電対温度は、机上温度（×）よりも高い。

以上説明したように、本実施形態の放射熱測定装置１００によれば、室内温度（机上温度（×））に各壁面からの放射熱（放射エネルギー）の影響を受けた温度を測定することができる。この放射熱の影響は、熱電対３１，３２，３３，３４の何れかが測定する温度と他の熱電対が測定する温度との温度差を意味する。また、この放射熱の影響は、各壁面と平面黒体２１，２２，２３，２４との距離が加味されている。さらに、熱電対３１，３２，３３，３４の温度を同時に測定することにより、測定者は、「南窓ガラスが熱い」とか「天井面の高温が低下しない」といった温度特性を定性的に把握することができる。また、測定者は、人体が各壁面からどれだけの放射熱を受けるのかを把握することができる。

（第２実施形態）
前記第１実施形態の放射熱測定方法では、放射熱測定装置１００が壁面や窓面等が放射する放射熱の影響を受けた温度を測定していた。本実施形態では、同じ室内の天井や窓面等に放射遮蔽シート（例えば、放射率の低いアルミニウムのシート）を貼付した状態で放射熱の影響を測定している。

図５，６は、天井放射による熱電対温度と天井温度とを比較するための図である。太い破線の黒四角（■）は天井放射による熱電対３１（図１）の温度を示し、一点鎖線の黒三角（▲）は天井温度を示す。また、細い実線のクロス（×）は、机上温度を示す。特に、図５は、放射遮蔽シートが無いときの温度を示し、図６は、天井に放射遮蔽シートを設置したときの温度を示す。

放射遮蔽シートが無いときには（図５）、天井放射（■）による熱電対３１（図１）の温度が机上温度（×）よりも高い。一方、放射遮蔽シートが有るときには（図６）、天井放射（■）による熱電対３１の温度が低下し、机上温度（×）に近づく。

図７，８は、南側放射による熱電対温度と南側窓温度とを比較するための図である。細い点線の黒菱形（◆）は、南側放射による熱電対３３（図１）の温度を示し、一点鎖線の黒四角（■）は、南側窓温度を示す。また、細い実線のクロス（×）は、机上温度を示す。特に、図７は、放射遮蔽シートが無いときの温度を示し、図８は、南側窓に放射遮蔽シートを設置したときの温度を示す。

放射遮蔽シートが無いときには（図７）、南側窓温度（■）の影響を受け、南側放射（◆）による熱電対３３の温度が机上温度（×）よりも高い。一方、放射遮蔽シートが有るときには（図８）、本来、高温であるべき南側窓温度（■）が放射遮蔽シートの効果を受けて、南側放射（◆）による熱電対３３の温度が机上温度（×）に近づく。

以上説明したように、本実施形態の放射熱測定方法によって、壁面や窓面に放射遮蔽シートを増設するか否かの判断を行うことができる。

（参考例）
（１）黒球は、全方位から放射熱を受けた黒球内部の温度を測定することにより、平均放射温度を測定するものである。平均放射温度なので、どの壁面の熱放射か判別することができない。なお、JIS B 7522には、黒球温度の定義「人体周辺の環境における，直径150mm，かつ，平均放射率0.95（つや消し）の中空黒球中心部の温度（℃）」が記載されている。
（２）サーモカメラは、温度分布を把握する上では有効である。しかしながら、素材毎に放射率を定義することができない。そのため、一般的に、放射率ε＝０．９５程度に設定しており、放射率の低い素材では、温度が低く表示されてしまう。
（３）放射温度計は、サーモパイル等の単一センサに焦点を合わせて、放射熱を測定する温度計である。そのため、放射温度計は、局所的に表面温度を把握する目的では有効である。しかしながら、サーモカメラ同様、放射率を均一に設定している。そのため、対象となる素材に対し、その都度、放射率を変更する必要がある。また、熱電対で求めた表面温度に一致する放射率を求めることができ、簡易的に素材の放射率を求めることができる（JIS A 1423参照）。
（４）熱電対は、直接的に表面温度を測定するので、最も精度が高い、しかしながら、周囲の空気温度に干渉される傾向にある。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態の放射熱測定装置１００では、網１１，１２，１３，１４を樹脂黒体にしていたが、黒色アルマイト処理されたアルミ板でも構わない。なお、平面黒体２１，２２，２３，２４がアルミ板等の金属板であるとき、金属板の表面であって、直方体の内面側に配設しても構わない。
（２）前記各実施形態の放射熱測定装置１００では、筐体を構成する面材として網１１，１２，１３，１４を使用したが、柵を使用しても構わない。柵も網と同様に多数の通流孔を有しているからである。

（３）前記各実施形態の放射熱測定装置１００では、立方体をなす６面のうちの４面に、多数の通流孔を有した網１１，１２，１３，１４を設けたが、一面でも構わない。つまり、他の面（底面および西壁に対向する面を含めた５面）は、網の代わりに平板（樹脂平板や金属平板）を用いても構わない。このとき、天井面が熱くなるので、天井２０１に対向する面を網にするのが好ましい。また、空気の流れを良くするために２面以上を網にすることが好ましい。
（４）前記各実施形態の放射熱測定方法では、底面および一つの側面（西壁）に網、平面黒体や熱電対を設けなかったが、これらを該一つの側面（西壁）や双方（底面および一つの側面（西壁））に設けてもかまわない。

１１，１２，１３，１４網（筐体、面材）
２１，２２，２３，２４平面黒体
３１，３２，３３，３４熱電対
１００放射熱測定装置
１５０計測回路
２０１天井
２０２東壁
２０３南壁
２０４北壁
２０５床
２１３南窓ガラス
２１４北窓ガラス
２２２ドア
２２４エアコン

Claims

直方体をなす６面のうちの複数の面に対応する複数の面材を有する筐体と、
前記面材に配設された平面黒体と、
前記平面黒体の温度を測定する温度センサと、
を有し、
複数の前記面材の少なくとも一つは、空気が通流する通流孔を有し、
前記温度センサは、前記平面黒体の外面側に配設されている
ことを特徴とする放射熱測定装置。
複数の前記面材の少なくとも一つは、網で形成されており、
前記平面黒体は、前記網の外面側中央部に配設されている
ことを特徴とする請求項１に記載の放射熱測定装置。
前記６面のうちの底面が開放状態である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放射熱測定装置。
直方体をなす６面のうちの複数の面に対応する複数の面材を有する筐体と、前記面材に配設された平面黒体と、前記平面黒体の温度を測定する温度センサとを有し、複数の前記面材の少なくとも一つは、空気が通流する通流孔を有している放射熱測定装置を部屋に配置し、放射熱を測定する放射熱測定方法であって、
前記温度センサは、前記平面黒体の外面側に配設されており、
前記筐体の各面材が前記部屋の複数の壁面及び天井面の内、少なくとも何れか３つの面に対して略平行になるように配置し、複数の前記温度センサにより、複数の前記平面黒体の温度を同時に測定する、
ことを特徴とする放射熱測定方法。