WO2014104077A1

WO2014104077A1 - 熱流束センサ及び熱流束センサの製造方法

Info

Publication number: WO2014104077A1
Application number: PCT/JP2013/084624
Authority: WO
Inventors: 敦森脇; 慎介田尻; 和浩蒲谷; 雅則坪内; 翼齊藤; 山田　和広
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2015-06-27
Also published as: JP2014126545A; US9909936B2; US20150292961A1; JP5931715B2

Abstract

　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（１）であって、孔部の内周面に対向する外周面（６）と測定対象物の表面と面一な表端面（７）とを有する本体部（２）を備え、本体部（２）に、本体部（２）の表端面（７）以外の外面（８）から内部に向かって延びて、それぞれ先端が表端面（７）の同一法線上に配置された複数の穿孔（９）が形成され、各々の穿孔（９）の先端に当接するように配置され、配線（５）が穿孔（９）を経由して本体部（２）の外面（８）に至る複数の熱センサ（４）と、穿孔（９）に充填され、穿孔（９）内に熱センサ（４）を封止する充填材（１１）と、を備える熱流束センサ（１）。

Description

熱流束センサ及び熱流束センサの製造方法

　本発明は、測定対象部の単位面積を単位時間に横切る熱量である熱流束を測定する熱流束センサ及び熱流束センサの製造方法に関する。
　本願は、２０１２年１２月２７日に出願された特願２０１２－２８５９１７号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　例えば超高速で進行する飛翔体の先端は、衝撃波によって空力加熱が発生しており、温度が上昇し高温にさらされることが知られている。このような部位について、設計・開発、燃焼解析、健全性評価等を行う場合には、表面の熱流束を正確に把握することが重要となる。

　温度状況を計測するための熱流束センサとしては、測定対象となる部位に二つの熱電対を埋め込んだ棒状部材を取り付ける手法が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平１０－２７４６２９号公報

　ところで、上述した方法で熱流束を測定する場合、二つの熱電対を測定対象部の壁面への固定を正確に行わなければ、熱流束誤差が発生するという課題がある。即ち、壁面の所定位置の同一法線上に二つの熱電対の温接点が配置されず、取り付け位置がずれることによって熱流束の誤差が発生しやすくなる。
　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課題があった。

　この発明は、温度計側位置のずれによる熱流束誤差の発生を防ぐことができる熱流束センサ及び熱流束センサの製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の第一の態様によれば、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、前記本体部に、前記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、前記穿孔内に前記熱センサを封止する充填材と、を備えることを特徴とする。

　上記構成によれば、熱センサを予め形成された穿孔に配置し、熱センサを充填材により固定する構成であるため、温度計側位置のずれによる熱流束誤差の発生を防ぐことができる。
　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。

　上記熱流束センサにおいて、前記熱センサは、三つ以上設けられている構成としてもよい。

　上記構成によれば、測定対象物の温度が非定常状態である場合においても、三点以上の温度により熱流束を算出することによって、熱流束誤差を少なくすることができる。

　上記熱流束センサにおいて、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構成としてもよい。

　上記構成によれば、穿孔の深さによって熱センサの位置を定めることができるため、熱センサの位置決めが容易となる。

　上記熱流束センサにおいて、前記孔部との間に充填材が充填されている構成としてもよい。

　上記構成によれば、本体部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。

　上記熱流束センサにおいて、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構成としてもよい。

　上記構成によれば、本体部の内部構造における周方向のバランスが向上するため、熱流束誤差をより少なくすることができる。

　上記熱流束センサにおいて、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、充填材が充填されている構成としてもよい。

　上記構成によれば、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。

　上記熱流束センサにおいて、前記センサ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構成としてもよい。

　上記構成によれば、測定対象物と、本体部及びパイプ部との熱伝導による誤差影響をより小さくすることができる。

　上記熱流束センサにおいて、前記表端面に酸化被膜が形成されている構成としてもよい。

　上記構成によれば、本体部の表端面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。

　また、本発明は、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、前記本体部に、前記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、を含むことを特徴とする熱流束センサの製造方法を提供する。

　本発明によれば、熱センサを予め形成された穿孔に配置し、熱センサを充填材により固定する構成であるため、温度計側位置のずれによる熱流束誤差の発生を防ぐことができる。

本発明の実施形態の熱流束センサが取り付けられた飛翔体の先端部を示す概略断面図である。本発明の実施形態の熱流束センサを示す斜視図である。本発明の実施形態の熱流束センサを示す上面図である。図３のＡ－Ａ矢視図である。本発明の実施形態の熱流束センサを用いた熱流束の算出方法を説明する概略図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
　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。

　飛翔体シュラウド５１の表面の測定箇所には、断面円形の孔部５２が形成されており、熱流束センサ１は、この孔部５２に取り付けられている。
　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。

　図２、図３、及び図４に示すように、熱流束センサ１は、円柱形状の本体部２と、本体部２の本体部外周面８（外面）に装着されるように形成された円筒形状のパイプ部３と、配線５を有する複数の熱センサ４と、を有している。熱センサ４は、本体部２の内部に固定されており、配線５は、熱流束センサ１の表端面７とは反対側の端部から延出している。

　本体部２は、その軸方向長さが、測定対象物である飛翔体シュラウド５１の厚さと略同一とされ、軸方向の第一方向の端面である表端面７は、飛翔体シュラウド５１の孔部５２に取り付けられた際に、飛翔体シュラウド５１の表面と面一となる。即ち、熱流束センサ１は、取り付け箇所において熱流束センサ１の表端面７と飛翔体シュラウド５１との間に段差がなく、フラットな状態となるように取り付けられている。

　パイプ部３も同様に、その軸方向長さが、測定対象物である飛翔体シュラウド５１の厚さと略同一とされており、本体部２の本体部外周面８とパイプ部３の内周面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、パイプ部３の外周面は即ち熱流束センサ１の外周面６をなしている。
　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。

　本体部２には、本体部２の本体部外周面８から本体部２の中心軸Ｃに向かって延び、表端面７からの距離が異なる三つの穿孔９が形成されている。穿孔９は、熱センサ４の配線５を通すのに適した孔径とされている。各々の穿孔９は本体部２の本体部外周面８より本体部２の中心軸Ｃまで形成されており、軸方向からみて等間隔に形成されている。具体的には、穿孔９は、その先端が本体部２の中心軸Ｃに配置されるように形成されている。換言すれば、各々の穿孔９の先端は、表端面７の同一法線上に配置されている。また、穿孔９の先端には後述する熱センサ４が先端に当接するように配置される。
　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。

　また、本体部２の本体部外周面８には、各々の熱センサ４の配線５を埋め込むための複数の溝条１０が形成されている。溝条１０は、穿孔９の外周側端部より、軸方向の第一方向の反対側の第二方向（表端面７とは反対側）に延在している。

　熱センサ４は、金属保護管（シース）の内部に熱電対素線を封入することによって配線５としたシース熱電対である。熱センサ４は温接点が穿孔９の先端に当接するように取り付けられている。即ち、熱センサ４の先端である温接点は、穿孔９の先端が熱流束センサ１の本体部２の中心軸に配置されていることによって、本体部２の中心軸Ｃ上に配置される。
　配線５は、穿孔９及び溝条１０を経由して本体部２の軸方向の第二方向の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。

　また、穿孔９には充填材としてニッケル蝋１１が充填されている。ニッケル蝋１１は、可能な限り隙間が生じないように穿孔９を埋めている。即ち、穿孔９に敷設された熱センサ４の配線５は、ニッケル蝋１１によって封止されている。
　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。

　パイプ部３は、熱センサ４が配線され、ニッケル蝋１１によって固定された状態の本体部２を覆うように配置されている。本体部２とパイプ部３との間の所定の隙間には、ニッケル蝋１１が充填されている。
　また、熱流束センサ１の表端面７及びパイプ部３の軸方向の第一方向の側の面には、酸化被膜１２が形成されている。

　以上のような構成の熱流束センサ１は、飛翔体シュラウド５１における所望の測定箇所に形成された孔部５２に取り付けられる。その際、熱流束センサ１と孔部５２との間には、ニッケル蝋１１からなる充填材が充填される。
　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。

　次に、本実施形態の熱流束センサ１を用いた熱流束の算出方法について説明する。
　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。

［１］まず、熱センサ４によって、各点の温度Ｔ（ｘ１），Ｔ（ｘ２），Ｔ（ｘ３）が計測される。
［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）＝ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃ　・・・（１）

［３］次いで、表端面ｘ＝０における熱伝導率、即ち表面熱伝導率λを、式（１）から算出する。即ち、表面温度Ｔ（０）＝ｃから表面熱伝導率λを算出する。
［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。

　以上に示すような工程によって算出される熱流束ｑは、熱流束センサ１に接続された計測機器に搭載された計算装置（コンピュータ）によって計算することができる。

　次に、本実施形態の熱流束センサ１の製造方法について説明する。
　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。

　次いで、本体部２に穿孔９及び溝条１０を形成する。穿孔９は、本体部２の本体部外周面８から、本体部２の中心軸Ｃに直交する方向に、例えばドリルを用いて穿削を行うことによって形成する。本実施形態においては、三つの熱センサ４に対応して、三つの穿孔９を形成する。この際、穿孔９の周方向位置が、周方向に等間隔になるように形成する。即ち、三つの穿孔９を形成する場合は、１８０°間隔とする。また、穿孔９は、その先端が本体部２の中心軸Ｃと一致するように形成する。
　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の軸方向の第二方向の側に向かって、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。

　次いで、穿孔９に熱センサ４を挿入する。この際、熱センサ４が穿孔９の先端に当接するまで挿入を行う。そして、熱センサ４が穿孔９の先端に当接した状態で、穿孔９をニッケル蝋１１によって充填・封止する。この際、ニッケル蝋１１は穿孔９の内部に空隙が生じないように充填する。
　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。

　次いで、熱センサ４が取り付けられた本体部２を覆うようにパイプ部３を取り付け、本体部２とパイプ部３との間にニッケル蝋１１を充填する。この際も、本体部２とパイプ部３との間に空隙が設けられないように、十分に充填を行う。

　次いで、熱流束センサ１の表端面７に酸化被膜１２を形成する。酸化被膜１２は、パイプ部３が取り付けられた本体部２を収納容器する雰囲気温度と同様の条件にさらすことによって形成する。
　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。

　上記実施形態によれば、熱センサ４を予め形成された穿孔９に配置し、熱センサ４をニッケル蝋１１からなる充填材により固定する構成であるため、温度計側位置のずれによる熱流束誤差の発生を防ぐことができる。また、穿孔９の深さによって熱センサ４の位置を定めることができるため、熱センサ４の位置決めが容易となる。
　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、測定対象物の温度が非定常状態である場合においても、三点以上の温度により熱流束を算出することによって、熱流束誤差を少なくすることができる。
　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の穿孔９が、本体部２の周方向に等間隔に設けられていることによって、本体部２の内部構造における周方向のバランスが向上するため、熱流束誤差をより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、本体部２及びパイプ部３の材質を測定対象物と同一とすることによって、測定対象物と、本体部２及びパイプ部３との熱伝導による誤差影響をより小さくすることができる。
　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。

　なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等は一例であり、適宜変更が可能である。
　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、熱センサ４の数は三つに限ることはなく、二つ、あるいは四つ以上としてもよい。四つ以上とする場合、温度計側点の温度の算出式の精度が向上するため、より好ましい。
　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。

　本発明は、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に適用可能であって、温度計側位置のずれによる熱流束誤差の発生を防ぐことができる。

　１　熱流束センサ
　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

　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、
　前記本体部に、前記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、前記穿孔内に前記熱センサを封止する充填材と、を備え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、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５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６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７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、
　前記本体部に、前記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、
　を含むことを特徴とする熱流束センサの製造方法。