特開 2023-68552 輻射率測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023068552

(43)【公開日】2023-05-17

(54)【発明の名称】輻射率測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01J 5/00 20220101AFI20230510BHJP

   G01J 5/06 20220101ALI20230510BHJP

【ＦＩ】

G01J5/00 B

G01J5/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021179752

(22)【出願日】2021-11-02

(71)【出願人】

【識別番号】515086908

【氏名又は名称】株式会社トヨタプロダクションエンジニアリング

(74)【代理人】

【識別番号】110002516

【氏名又は名称】弁理士法人白坂

(72)【発明者】

【氏名】佐野 友哉

(72)【発明者】

【氏名】白石 有司

【テーマコード（参考）】

2G066

【Ｆターム（参考）】

2G066AB10

2G066AC01

2G066BA48

2G066BB01

2G066BB11

2G066CA15

(57)【要約】

【課題】
測定対象物の一部を切り出すことなく輻射率を測定することができる輻射率測定装置を提供する。
【解決手段】
輻射率測定装置は、測定対象の被測定部に面する内部空間を形成し、被測定部を含む面に当接する壁部を備え、壁部に外部からの赤外線の入射を阻止する保冷部を備える筐体部と、被測定部に接触することで当該被測定部の表面温度を測定する第１温度測定部と、内部空間に備えられ被測定部の表面温度を被測定部から輻射される赤外線の強度を測定することにより測定する第２温度測定部と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象の被測定部に面する内部空間を形成し、前記被測定部を含む面に当接する壁部を備え、前記壁部に外部からの赤外線の入射を阻止する保冷部を備える筐体部と、
前記被測定部に接触することで当該被測定部の表面温度を測定する第１温度測定部と、
前記内部空間に備えられ前記被測定部の表面温度を前記被測定部から輻射される赤外線の強度を測定することにより測定する第２温度測定部と、を備える輻射率測定装置。

【請求項2】

前記第１温度測定部が測定した温度と、前記第２温度測定部が測定した温度とを照合することで前記被測定部の輻射率を測定する請求項１に記載の輻射率測定装置。

【請求項3】

前記壁部は少なくとも３層の積層部として形成され、
前記保冷部は前記積層部の中間の層に配される請求項１または２に記載の輻射率測定装置。

【請求項4】

前記筐体部は前記壁部と前記壁部に接続される天井部により形成され、
前記壁部及び前記天井部は少なくとも３層の積層部として形成され、
前記保冷部は前記積層部の中間の層に配される請求項３に記載の輻射率測定装置。

【請求項5】

前記筐体部の内面部に黒体部が備えられている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の輻射率測定装置。

【請求項6】

前記内部空間の空気の温度を測定する第３温度測定部が備えられる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の輻射率測定装置。

【請求項7】

前記保冷部は保冷剤である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の輻射率測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、輻射率の測定に用いるための輻射率測定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

高温環境下における、製品、半製品、部品、及び材料の動的性能、温度分布、熱応力分布、及び物性値などの計時変化の解明に数値シミュレーションを用いることがある。数値シミュレーションにおける熱計算に必要な物性値は文献などに掲載されている数値を用いることが多い。

【0003】

例えば工業用の乾燥炉の内部に載置された物体に与える熱影響について数値シミュレーションによる解明を試みる場合、当該乾燥炉の内部壁面の輻射率は、結果に与える影響が大きいので、文献に掲載されている数値を用いるのではなく、実測値を用いることが望ましい。

【0004】

例えば、特許文献１に係る放射率測定装置を用いて乾燥炉の内部壁面の放射率（輻射率）を測定する場合、当該放射率測定装置に対して乾燥炉の内部壁面は大き過ぎるので、乾燥炉の内部壁面に用いられている部材の一部を切り出す必要があり、場合によっては輻射率の測定後に乾燥炉の内部壁面の修復を行う必要があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４－１５３１６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そこで、本開示は上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は測定対象物の一部を切り出すことなく輻射率を測定することができる輻射率測定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

すなわち、第１の態様に係る輻射率測定装置は、測定対象の被測定部に面する内部空間を形成し、被測定部を含む面に当接する壁部を備え、壁部に外部からの赤外線の入射を阻止する保冷部を備える筐体部と、被測定部に接触することで当該被測定部の表面温度を測定する第１温度測定部と、内部空間に備えられ被測定部の表面温度を被測定部から輻射される赤外線の強度を測定することにより測定する第２温度測定部と、を備える。

【0008】

第２の態様は、第１の態様に係る輻射率測定装置において、第１温度測定部が測定した温度と、第２温度測定部が測定した温度とを照合することで被測定部の輻射率を測定することとしてもよい。

【0009】

第３の態様は、第１または第２の態様に係る輻射率測定装置において、壁部は少なくとも３層の積層部として形成され、保冷部は積層部の中間の層に配されることとしてもよい。

【0010】

第４の態様は、第３の態様に係る輻射率測定装置において、筐体部は壁部と壁部に接続される天井部により形成され、壁部及び天井部は少なくとも３層の積層部として形成され、保冷部は積層部の中間の層に配されることとしてもよい。

【0011】

第５の態様は、第１ないし第４の態様のいずれか１の態様に係る輻射率測定装置において、筐体部の内面部に黒体部が備えられていてもよい。

【0012】

第６の態様は、第１ないし第５の態様のいずれか１の態様に係る輻射率測定装置において、内部空間の空気の温度を測定する第３温度測定部が備えられることとしてもよい。

【0013】

第７の態様は、第１ないし第６の態様のいずれか１の態様に係る輻射率測定装置において、保冷部は保冷剤であることとしてもよい。

【発明の効果】

【0014】

本開示によれば、測定対象物の一部を切り出すことなく輻射率を測定することができる輻射率測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態に係る非接触式温度計の測定視野について説明するための図である。

【図2】第１実施形態に係る輻射率測定装置の全体構成の一例を説明するための図である。

【図3】第１実施形態に係る輻射率測定装置の壁部の断面の一例を説明するための図である。

【図4】第１実施形態に係る輻射率測定装置の壁部の断面の他の例を説明するための図である。

【図5】第１実施形態に係る輻射率測定装置の使用状況の他の例を説明するための図である。

【図6】第１実施形態に係る輻射率測定装置を用いた輻射率の測定手順を説明するためのフローチャートである。

【図7】第２実施形態に係る輻射率測定装置の全体構成の一例を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

（輻射率測定装置の概要）
第１実施形態に係る輻射率測定装置１の概要について以下に説明する（図１以降参照）。
輻射率の測定は、測定対象から輻射される赤外線を感知する非接触式温度計（第２温度測定部）７となる、赤外線センサを用いて行う。輻射率を正確に測定するためには、測定対象から輻射される赤外線を遮るものを排除する必要があり、さらに赤外線センサが測定対象から輻射される赤外線以外の赤外線を感知しないようにすることが必要である。そこで、輻射率測定装置１は、測定対象の被測定部４ｂと非接触式温度計７とを覆う後述の筐体部２を備える（図２参照）。符号４ａは測定対象の内部壁面である。

【0017】

赤外線センサは、熱型赤外線センサと量子型赤外線センサとがあり、非接触式温度計７は熱型赤外線センサである。熱型赤外線センサは、赤外線を受けることによって生じるセンサ素子（サーモパイル：不図示）の温度変化を熱起電力の物理的現象の変化として捉え、サーモパイル自身の温度を測る基準温度センサ（不図示）の出力信号とともに、電気信号として出力する。

【0018】

サーモパイル（不図示）は、複数の熱電対を直列に接続した熱電対列の温接点側を受光部としている。サーモパイルの受光部（温接点）に赤外線が入射すると、入射した赤外線の強度に応じて温接点と冷接点との間に温度差が生じ、この温度差に応じた熱起電力を発生する。温接点側の温度を知るために、冷接点側の温度を前出の基準温度センサで測定する。

【0019】

なお、非接触式温度計７として量子型赤外線センサを用いてもよい。量子型赤外線センサは、赤外線を受けるセンサ素子が赤外線の光量子によって直接励起され、この励起によって生じるセンサ素子の電圧などの電気的特性の変化を電気信号として出力する。

【0020】

非接触式温度計７は、輻射率（放射率）設定機能を備える。非接触式温度計７は、被測定部４ｂの表面から輻射される赤外線の強度を感知して温度を測定する。被測定部４ｂの表面から輻射される赤外線の強度は、被測定部４ｂの温度だけではなく輻射率（放射率）によって決まる。被接触式温度計７を用いて温度を測定する場合、輻射率を補正する機能となる輻射率（放射率）設定機能により非接触式温度計７が表示する温度の誤差を補正する。

【0021】

輻射率測定装置１の操作者は、後述の接触式温度計６が計測し表示する温度と被接触式温度計７が計測し表示する温度とを照合し、非接触式温度計７により表示される温度が接触式温度計６により表示される温度に一致するように輻射率（放射率）設定機能によって輻射率を調整する。非接触式温度計７により表示される温度が接触式温度計６により表示される温度に一致した時の輻射率が被測定部４ｂの輻射率となる。

【0022】

図１を参照して、非接触式温度計７の測定視野７ｃについて説明する。図１は第１実施形態に係る非接触式温度計７の測定視野７ｃについて説明するための図である。

【0023】

測定視野７ｃとは、非接触式温度計７が被測定部４ｂの表面温度を計測するために赤外線を集光する範囲のことをいう。非接触式温度計７が被測定部４ｂの温度を正確に測定するためには、測定視野７ｃは被測定部４ｂによって満たされている必要がある。従って、測定視野７ｃは被測定部４ｂに内包されている必要がある。

【0024】

測定視野７ｃが被測定部４ｂによって満たされていない状態を視野欠けといい、この状態では非接触式温度計７は被測定部４ｂの周囲を含めて温度を計測してしまうため、被測定部４ｂの正確な温度を計測できない要因となる。測定視野７ｃの大きさは、非接触式温度計７と被測定部４ｂとの距離Ｈによって定まる。従って、被測定部４ｂの大きさに応じて測定視野７ｃ、延いては距離Ｈが決定される。一般的に、測定視野７ｃは、非接触式温度計７と被測定部４ｂとの距離Ｈが遠ざかるほど（大きくなるほど）に広くなる。

【0025】

（輻射率測定装置１の全体構成）
図２を参照して第１実施形態に係る輻射率測定装置１の全体構成について説明する。図２は、第１実施形態に係る輻射率測定装置１の全体構成の一例を説明するための図である。

【0026】

輻射率測定装置１は、工業用の乾燥炉（例えば、トンネルキルン、ロータリーキルン等）の炉壁４などを測定対象物とし、この輻射率を測定する装置である。輻射率測定装置１の測定対象物は、工業用の乾燥炉の炉壁に限定されるものではなく、測定対象物の被測定部が接触式温度計６および非接触式温度計７によって温度を計測できるものであれば特に制限されるものではない。

【0027】

輻射率測定装置１は、筐体部２、接触式温度計（第１温度測定部）６、非接触式温度計（第２温度測定部）７、及び大気温度湿度計（第３温度測定部）８などを備える。

【0028】

筐体部２は直方体であって、４つの側壁からなる壁部３を有し、壁部３に接続される天井部５を有する。壁部３は、第１側壁部３ａ、第２側壁部３ｂ、第３側壁部（不図示）、及び第４側壁部（不図示）を備える（図２参照）。筐体部２は、天井部５と対向する面に開口部を有し、壁部３が測定対象となる炉壁４に当接することで、当該炉壁４に塞がれる。

【0029】

筐体部２は、測定対象の被測定部４ｂに面する内部空間５ａを内包する。内部空間５ａには、壁部３もしくは天井部５に支持部材７ａを介して固定された非接触式温度計７が設置されている。非接触式温度計７は、受光部７ｂを炉壁４の内部壁面４ａにある被測定部４ｂに向けて、被測定部４ｂの表面温度を非接触により計測する。

【0030】

なお、筐体部２は直方体に限定されるものではなく、上面を天井部とする円柱体もしくは三角柱でもよく、または５角形以上の多角形の天井部を持つ多角形柱でもよい。さらには、筐体部２はドーム型もしくは半球形状などでもよく、内部に空間を備え非接触式温度計７によって被測定部４ｂの温度を測定できるものであればその形状に制限はない。

【0031】

筐体部２の外部には、接触式温度計６が備えられている。接触式温度計６はワイヤ部６ｂを備え、ワイヤ部６ｂは被測定部４ｂに延設され、その先端部６ａは被測定部４ｂの表面に接触されている。先端部６ａは感温部になっており、先端部６ａが被測定部４ｂの表面に接触することで接触式温度計６は被測定部４ｂの表面温度を測定する。接触式温度計６は熱電対を利用した温度計である。接触式温度計６は熱電対を利用した温度計に限定されるものではなく、被測定部４ｂの表面温度を測定できるものであれば特に制限はない。

【0032】

筐体部２の外部には、大気温度湿度計８が備えられている。大気温度湿度計８はワイヤ部８ｂを備え、ワイヤ部８ｂは内部空間５ａ内に延設され、その先端部８ａは内部空間５ａ内に配置されている。大気温度湿度計８は内部空間５ａの温度及び湿度を測定する。大気温度湿度計８が計測する内部空間５ａの温度は、非接触式温度計７のセンサ素子であるサーモパイルの冷接点側の温度として用いられる。

【0033】

筐体部２の内面部には、その全て覆う様に黒体部１０が備えられている。黒体部１０は黒体塗料をスプレーなどにより塗ることで筐体部２の内面部に形成する。黒体塗料としては、カーボンブラック、黒色顔料等が挙げられる。筐体部２は筐体部２の外部から入射しようとする赤外線を遮光する目的で設けられている。さらに、筐体部２の外部から内部空間５ａに入射した赤外線が有る場合に、当該赤外線が筐体部２の内面部によって乱反射して迷光になるのを抑制するため、当該赤外線は黒体部１０により吸収される。黒体部１０によって吸収された赤外線は熱エネルギーとなる筐体部２の外部に放熱される。内部空間５ａ内部であって、炉壁４の内部壁面４ａの測定視野７ｃの外側から輻射される赤外線は、内部空間５ａ内で迷光になる前に黒体部１０により吸収される。迷光とは、内部空間５ａ内部に生じ、非接触式温度計７の測温に悪影響を及ぼす光の散乱のことをいう。

【0034】

次に、図２を参照して、壁部３及び天井部５の構成について説明する。図２は第１実施形態に係る輻射率測定装置１の壁部３の断面の一例を説明するための図であり、図１におけるＡ－Ａ’矢視の断面図である。なお、天井部５の構成は壁部３と同じであるため天井部５の構成の説明は省略する。

【0035】

壁部３は４層の積層部として形成される。壁部３は、内部空間５ａから近い順に黒体部１０、アルミニウムメッシュ部１１、保冷部９、及び断熱部１２の４層の積層部を備えている。アルミニウムメッシュ部１１は、筐体部２の骨格をなすものであり、壁部３延いては筐体部２の形状を維持し構造的強度を担う部分である。アルミニウムメッシュ部１１は、厚さ約１～数ミリ程度の網状の板状部材である。アルミニウムメッシュ部１１は軽量で軟らかいため加工性がよく熱伝導性が良いという特徴を有する。

【0036】

保冷部９は保冷剤により形成される。当該保冷剤は水と高吸収性ポリマーを主要成分として含み、数時間程度０℃付近を維持する。

【0037】

断熱部１２は真空断熱材１３により形成される。真空断熱材１３は真空部１３ａを備え、その外周に外包材１３ｂを備える。真空部１３ａは、断熱材の内部を減圧して真空にして形成される。外包材１３ｂは、真空部１３ａの真空状態を維持するためのものでありガスシールド性を備える。真空断熱材１３は、内部に真空部１３ａを備えることで気体による熱伝達を抑制するものである。真空断熱材１３は、ロックウール、グラスウール、セルロースファイバ、及びウレタンフォームなどの空気を内包する材料を用いる断熱材と比較して、高価であるが断熱効果は高い。

【0038】

断熱部１２は、保冷部９の外側に配置されることで、保冷部９の冷気が筐体部２の外側に放出されるのを抑制する働きを持ち、筐体部２の温度を低温に維持するものである。なお、保冷部９もしくは断熱部１２について硬質のものを用いることでアルミニウムメッシュ部１１を省略し、壁部３を３層の積層構造にしてもよい。この場合、黒体部１０は保冷部９の内面上に直接設ける。

【0039】

次に、図４を参照して、輻射率測定装置１の壁部３の断面の他の例について説明する。図４は輻射率測定装置１の壁部３の断面の他の例を説明するための図である。図４に示す壁部３は、図３に示した壁部３に対して断熱部１２を構成する部材を異ならせたものであり、図４に示す壁部３の断熱部１２以外の構成は図３に示した壁部３と同じである。従って、図４に示す壁部３の説明は、図３に示す壁部３と共通する部分については図３に示す壁部３と同じ符号を付しその説明は省略する。図４に示す壁部３の断熱部１２は、その構成する部材としてロックウール１４が用いられている。ロックウール１４は、真空断熱材１３と比較して断熱効果は劣るが安価である。なお、断熱部１２に用いる部材としてロックウール１４に代えて、グラスウール、セルロースファイバ、及びウレタンフォームを用いてもよく、これらの部材も、ロックウール１４と同様に、真空断熱材１３と比較して断熱効果は劣るが安価である。

【0040】

筐体部２は、壁部３及び天井部５に保冷部９を備えるので、筐体部２の温度を０℃付近の低い温度に維持される。従って、筐体部２の外部から入射しようとする赤外線は、筐体部２によって吸収されるので、内部空間５ａに入射する赤外線を抑制することができる。

【0041】

次に、図５を参照して、第１実施形態に係る輻射率測定装置１の使用状況の他の例について説明する。図５は、輻射率測定装置１の使用状況の他の例を説明するための図である。図５に示す輻射率測定装置１は、トンネルキルン５０の内部壁面５１に用いられる部材の輻射率を測定するものである。輻射率測定装置１の壁部３を内部壁面５１に当接することで、トンネルキルン５０の内部壁面５１の被測定部の輻射率を測定することができる。

【0042】

次に、図６を参照して、第１実施形態に係る輻射率測定装置１を用いた輻射率の測定手順について説明する。図６は、輻射率測定装置１を用いた輻射率の測定手順を説明するためのフローチャートである。輻射率測定装置１の測定対象として、工業用の乾燥炉の内部壁面４ａの輻射率をその一例とする。
輻射率測定装置１を用いた輻射率の測定手順は「手順１」から「手順５」まである。

【0043】

「手順１」
接触式温度計６を被測定部４ｂに設置する。
輻射率測定装置１の筐体部２の開口部を塞ぐようにして、筐体部２を測定対象となる乾燥炉の内部壁面４ａに当接させる。この状態を維持したまま、接触式温度計６の先端部６ａを被測定部４ｂの表面に接着させた状態で固定する。被測定部４ｂの表面が滑らかであり、先端部６ａが被測定部４ｂの表面と十分に接触している必要ある。

【0044】

「手順２」
被測定部４ｂに非接触式温度計７を向ける。
接触式温度計６の先端部６ａを固定した被測定部４ｂに非接触式温度計７の受光部７ｂを向け、非接触式温度計７により被測定部４ｂの表面温度を測温できるようにする。

【0045】

「手順３」
この状態でおよそ３０分間放置する。
接触式温度計６及び非接触式温度計７が検知し表示する温度が安定するまでの時間として３０分を要する。

【0046】

「手順４」
接触式温度計６が表示している温度と等しくなるように非接触式温度計７の輻射率を調節する。
非接触式温度計７により表示される温度が接触式温度計６により表示される温度に一致するように輻射率（放射率）設定機能によって輻射率を調整する。非接触式温度計７により表示される温度が接触式温度計６により表示される温度に一致した時の輻射率が被測定部４ｂの輻射率となる。

【0047】

「手順５」
被測定部４ｂを変えて、手順１から手順４を２回実施する。合計３箇所の被測定部４ｂの輻射率を測定する。

【0048】

測定した３箇所の被測定部４ｂの輻射率の差が０．５以内の範囲にあれば、３つの輻射率の平均値を測定対象とした工業用の乾燥炉の内部壁面４ａの輻射率とする。測定した３箇所の被測定部４ｂの輻射率の差が０．５を超えた場合、被測定部４ｂを変えて再度、輻射率測定装置１を用いて３つの被測定部４ｂの輻射率を測定する。

【0049】

（第２実施形態）
次に図７を参照して、第２実施形態に係る輻射率測定装置１００について説明する。図７は第２実施形態に係る輻射率測定装置１００の全体構成の一例を説明するための図である。
第２実施形態に係る輻射率測定装置１００は、第１実施形態に係る輻射率測定装置１に対して筐体部２００の構成が異なる。輻射率測定装置１００の説明において、第１実施形態に係る輻射率測定装置１と同じ構成については、輻射率測定装置１と同じ符号を付してその説明は省略する。

【0050】

筐体部２００は天井部がなく壁部３のみで構成されている。筐体部２００は４角錐の形状をなし、第１側壁部３ａ、第２側壁部３ｂ、第３側壁部（不図示）、及び第４側壁部（不図示）は、それぞれ隣接する他の側壁部と接続する。筐体部２００は、壁部３に保冷部９を備える。そのため、筐体部２００の温度は、０℃付近の低い温度に維持される。従って、筐体部２００の外部から入射しようとする赤外線は、筐体部２００によって吸収されるので、内部空間５ａに入射する赤外線を抑制することができる。

【0051】

上記した第１及び第２実施形態によれば、輻射率の測定対象の被測定部４ｂに輻射率測定装置１、１００を覆う様に設置することで、被測定部４ｂの輻射率を測定することができる。従って、輻射率の測定対象の一部を切り出すことなく輻射率を測定することができ、測定後に測定対象を補修することが不要となる。

【0052】

さらに、上記した第１及び第２実施形態によれば、筐体部２、２００は保冷剤により冷却されるので筐体部２、２００の外部からの赤外線の入射を抑制することができる。このため、輻射率測定装置１、１００は測定する輻射率の誤差の要因となる赤外線を排除することができるため、輻射率の測定精度を向上させることができる。

【0053】

さらに、上記した第１及び第２実施形態によれば、筐体部２及び２００は黒体部１０を備えるので、内部空間５ａに生じた迷光を黒体部１０により吸収することができる。従って、輻射率測定装置１、１００は測定する輻射率の誤差の要因となる赤外線を排除することができるため、輻射率の測定精度を向上させることができる。

【0054】

本開示は上記した第１及び第２実施形態に係る輻射率測定装置１及び１００に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、若しくは応用例により実施可能である。

【符号の説明】

【0055】

１，１００ 輻射率測定装置
２，２００ 筐体部
３ 壁部
３ａ 第１側壁部
３ｂ 第２側壁部
４ 炉壁（測定対象）
４ａ 内部壁面
４ｂ 被測定部
５ 天井部
５ａ 内部空間
６ 接触式温度計（第１温度測定部）
６ａ 先端部
６ｂ ワイヤ部
７ 非接触式温度計（第２温度測定部）
７ａ 支持部材
７ｂ 受光部
７ｃ 測定視野
８ 大気温度湿度計（第３温度測定部）
８ａ 先端部
８ｂ ワイヤ部
９ 保冷部
９ａ 第１保冷剤
９ｂ 第２保冷剤
９ｃ 第３保冷剤
１０ 黒体部
１１ アルミニウムメッシュ部
１２ 断熱部
１３ 真空断熱材
１３ａ 真空部
１３ｂ 外包材
１４ ロックウール
５０ トンネルキルン
５１ 内部壁面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】