(57)【要約】【課題】熱流束分布を容易に求めることができる熱流束計測方法及び熱流束計測装置を提供する。【解決手段】流体中に配される計測対象物の表面の熱流束計測方法であって、基材上に、該基材と比較して相対的に低い熱伝導率材料からなる薄膜を設けて前記計測対象物を作成する第１工程と、前記基材を加熱する第２工程と、前記薄膜の表面に前記流体を流した状態で基材温度及び薄膜表面の温度分布を計測する第３工程と、前記基材温度の計測値及び前記薄膜表面の温度分布の計測値に基づいて、前記薄膜表面の熱流束分布を演算する第４工程とを有することを特徴とする。【選択図】図１
2010203804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に配される計測対象物の表面の熱流束計測方法であって、
基材上に、該基材と比較して相対的に低い熱伝導率材料からなる薄膜を設けて前記計測対象物を作成する第１工程と、
前記基材を加熱する第２工程と、
前記薄膜の表面に前記流体を流した状態で基材温度及び薄膜表面の温度分布を計測する第３工程と、
前記基材温度の計測値及び前記薄膜表面の温度分布の計測値に基づいて、前記薄膜表面の熱流束分布を演算する第４工程とを有することを特徴とする熱流束計測方法。
【請求項２】
前記第３工程は、前記基材温度として、前記薄膜との界面側における前記基材の温度を計測することを特徴とする請求項１に記載の熱流束計測方法。
【請求項３】
前記第３工程は、前記基材温度を、複数箇所で計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱流束計測方法。
【請求項４】
前記第４工程は、前記複数箇所における基材温度の計測値の平均値に基づいて、前記熱流束分布を演算することを特徴とする請求項３に記載の熱流束計測方法。
【請求項５】
前記第１工程は、ガスタービン高温部品を模した形状で前記計測対象物を作成することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の熱流束計測方法。
【請求項６】
基材上に、該基材と比較して相対的に低い熱伝導率材料からなる薄膜が設けられた計測対象物に用いられ、前記薄膜表面の熱流束を計測する熱流束計測装置であって、
前記基材を加熱する基材加熱部と、
基材温度を計測する基材温度計測部と、
前記薄膜表面の温度分布を計測する薄膜温度分布計測部とを備えることを特徴とする熱流束計測装置。
【請求項７】
前記基材温度の計測値と前記薄膜表面の温度分布の計測値とに基づいて、前記薄膜表面の熱流束分布を演算する演算部を備えることを特徴とする請求項６に記載の熱流束計測装置。
【請求項８】
前記計測対象物が配される流体の温度を計測する流体温度計測部が設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の熱流束計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱流束計測方法及び熱流束計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高温の燃焼ガスを作動流体とするガスタービン等の流体機械について、設計・開発、燃焼解析、健全性評価等を行う場合には、燃焼ガス温度と共に構造物表面の熱流束を正確に把握することが重要となる。
【０００３】
例えば、下記特許文献１に記載された熱流束計測方法は、断熱物体の表面に金属箔ヒータを設け、このヒータの電気加熱量と、計測したヒータ温度とに基づいて、ヒータ温度の計測点における熱流束を求めている。
【０００４】
また、下記特許文献２に記載される熱流束計測方法は、計測対象となる物体の表面に感温塗料を塗布すると共に、この物体の表面に励起光を照射し、物体表面の温度に応じた感温塗料の発行強度を画像情報として時系列的に取得し、この画像情報から既知の温度履歴計測法によって熱流束を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６４−６６６５２号公報
【特許文献２】特開２００４−２１２１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、ヒータ温度の計測点における熱流束を得ることしかできず、計測点間における熱流束を求めることができないという問題がある。
また、上記特許文献２の技術では、装置構成が複雑であったり、画像処理装置や画像処理過程が複雑であったりして、容易に適用することができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、熱流束分布を容易に求めることができる熱流束計測方法及び熱流束計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る熱流束計測方法は、流体中に配される計測対象物の表面の熱流束計測方法であって、基材上に、該基材と比較して相対的に低い熱伝導率材料からなる薄膜を設けて前記計測対象物を作成する第１工程と、前記基材を加熱する第２工程と、前記薄膜の表面に前記流体を流した状態で基材温度及び薄膜表面の温度分布を計測する第３工程と、前記基材温度の計測値及び前記薄膜表面の温度分布の計測値に基づいて、前記薄膜表面の熱流束分布を演算する第４工程とを有することを特徴とする。
この構成によれば、基材上に形成された薄膜を計測対象とするので、流体と基材とで熱伝達が行われることなく、基材の温度分布の偏りを少なくすることができる。換言すれば、薄膜裏面側の基材温度を均一的にすることができる。
また、均一的にした基材温度と薄膜表面の温度分布とを計測し、これら計測値と薄膜の物性値とを既知の関係式に代入するので、面の情報としての熱流束分布を容易に得ることができる。
【０００９】
また、前記第３工程は、前記基材温度として、前記薄膜との界面側における前記基材の温度を計測することを特徴とする。
この構成によれば、界面側における基材の温度を計測するので、基材温度と薄膜裏面の温度とを近似させることができる。これにより、熱流束の演算値を高精度のものとすることができる。
【００１０】
また、前記第３工程は、前記基材温度を、複数箇所で計測することを特徴とする。
この構成によれば、基材温度を複数箇所で計測するので、複数の基材温度の偏差の大きさによって、熱流束分布の演算結果の信頼性を評価することが可能となる。
【００１１】
また、前記第４工程は、前記複数箇所における基材温度の計測値の平均値に基づいて、前記熱流束分布を演算することを特徴とする。
この構成によれば、基材温度の計測値の平均値に基づいて、熱流束分布を演算するので、熱流束の分布精度を向上させることができる。
【００１２】
また、前記第１工程は、ガスタービン高温部品を模した形状で前記計測対象物を作成することを特徴とする。
これにより、ガスタービン高温部品を模した形状で計測対象物を作成するので、この計測対象物から得られた熱流束分布と計測条件とを、実機にフィードバックすることにより、ガスタービン高温部品の熱流束を把握することが可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る熱流束計測装置は、基材上に、該基材と比較して相対的に低い熱伝導率材料からなる薄膜が設けられた計測対象物に用いられ、前記薄膜表面の熱流束を計測する熱流束計測装置であって、前記基材を加熱する基材加熱部と、基材温度を計測する基材温度計測部と、前記薄膜表面の温度分布を計測する薄膜温度分布計測部とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、薄膜表面の熱流束分布を求める際に必要となるパラメータを容易に計測することができる。
【００１４】
また、前記基材温度の計測値と前記薄膜表面の温度分布の計測値とに基づいて、前記薄膜表面の熱流束分布を演算する演算部を備えることを特徴とする。
この構成によれば、薄膜表面の熱流束分布を自動で求めることが可能となる。
【００１５】
また、前記計測対象物が配される流体の温度を計測する流体温度計測部が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、熱流束分布と既知の関係式とから熱伝達率分布を求めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱流束分布を容易に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る熱流束計測装置Ａの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る測定対象物５１の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る熱流束計測装置Ａの概略構成を示す図である。
図に示すように、熱流束計測装置Ａは、計測対象物１の表面の熱流束を計測するものであって、基材加熱部２と、薄膜温度分布計測部３と、基材温度計測部４と、流体温度計測部５と、演算部６とを備えている。
【００１９】
計測対象物１は、基材１１と、薄膜１２と、断熱材１３とから概略構成されている。
基材１１は、厚さが約３０ｍｍに形成されたものである。
この基材１１は、本実施形態においては、比較的に高熱伝導率の銅を用いており、熱伝導率（λ）が４０１Ｗ／（ｍ・Ｋ）となっている。
このような基材１１は、研磨か項によって上面１１ａが平滑にされている。
【００２０】
薄膜１２は、基材１１の上面１１ａ上に、厚さが約１ｍｍとなるように形成されたものである。
この薄膜１２は、本実施形態においては、比較的に低熱伝導率のエポキシ系樹脂を用いており、熱伝導率が基材１１よりも低い０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）となっている。
このような薄膜１２は、平滑になった上面１１ａにエポキシ系樹脂を塗布して乾燥させた後に、表面１２ａを研磨加工して平滑にしている。
【００２１】
断熱材１３は、本実施形態においては、薄膜１２と同様のエポキシ系樹脂を用いており、上面１１ａを除いて基材１１の周囲を囲んでいる。この断熱材１３は、基材１１の熱が上面１１ａ以外から逃げない程度の厚さに形成されている。
【００２２】
基材加熱部２は、基材１１の下面１１ｂに設けられたヒータ回路２１と、このヒータ回路２１が接続された電源２２と、ヒータ回路２１の電圧を計測する電圧計２３及び電流を計測する電流計２４とからなっている。
ヒータ回路２１は、基材１１の下面１１ｂを可能な限り均一的に加熱するように構成されており、下面１１ｂに接触した状態で断熱材１３によって被覆されている。
電圧計２３及び電流計２４は、それぞれ電圧の計測値及び電流の計測値を演算部６に出力するようになっている。
【００２３】
薄膜温度分布計測部３は、本実施形態では、赤外線カメラを用いており、計測対象物１の上方に設けられて、薄膜１２の表面１２ａの各箇所における温度（薄膜表面温度）Ｔｗの分布を計測する。この薄膜温度分布計測部３は、薄膜表面温度Ｔｗの分布の計測値を演算部６に出力する。
【００２４】
基材温度計測部４は、複数の熱電対４１から構成されている。複数の熱電対４１は、それぞれ放電加工等によって基材１１の裏面１１ｂから表面１１ａに向けて形成された細孔に設けられており、上面１１ａ近傍の基材温度Ｔｃｕ＊を計測し、この結果を演算部６に継続的に出力する。
【００２５】
流体温度計測部５は、薄膜１２の表面１２ａと熱伝達を行う流体の流体温度Ｔ∞を計測して、この計測結果を演算部６に出力する。
【００２６】
演算部６は、薄膜表面温度Ｔｗの計測値及び基材温度Ｔｃｕに基づいて、以下の関係式（１）から熱流束ｑを演算する。
ｑ＝λ／ｔ・（Ｔｗ−Ｔｃｕ）…（１）
ここで、基材温度Ｔｃｕは、複数の基材温度Ｔｃｕ＊の平均値が用いられる。なお、薄膜１２の膜厚ｔ＝１ｍｍ及び熱伝達率λ＝０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）は予め演算部６に入力設定されている。
【００２７】
さらに、この演算部６は、流体温度Ｔ∞の計測値及び薄膜表面温度Ｔｗの計測値に基づいて、以下の関係式（２）から熱伝達率αを演算する。
α＝ｑ／（Ｔｗ−Ｔ∞）…（２）
なお、熱流束ｑは、上記関係式（１）の演算値が用いられる。
【００２８】
このような演算部６は、上記の演算結果として熱流束分布・熱伝達率分布を不図示のモニターに表示する。
また、この演算部６は、ヒータ回路２１に流れる電流及び電圧と、基材温度Ｔｃｕとから基材１１入熱量と出熱量とを監視している。
【００２９】
次に、熱流束計測装置Ａを用いた熱流束分布及び熱伝達分布の計測方法について説明する。
まず、計測対象物１及び熱流束計測装置Ａを風洞設備の中に載置する。この際、流体の主流方向が表面１２ａに沿うように載置する。
【００３０】
次に、ヒータ回路２１を通電発熱させ、基材１１の下面１１ｂを均一的に加熱すると、下面１１ｂから上面１１ａに向けて熱が伝導する。この過程において、下面１１ｂから上面１１ａに向かうに従って、厚さ方向に直交する各断面の温度分布が偏りのない均一な分布になっていく。このようにして、基材１１と薄膜１２の界面近傍における基材１１では、略均一な温度分布となる。
【００３１】
そして、この基材１１の熱が薄膜１２に伝熱し、薄膜１２から外部に放熱される。このようにして、基材１１の温度が１００℃、薄膜１２の表面１２ａの温度が７０〜８０℃となるようにする。この際、演算部６には、複数の熱電対４１から継続的に基材温度Ｔｃｕ＊が入力されている。
【００３２】
次に、風洞内に流れを発生させ、計測対象物１を流体中に晒す。
このようにして、表面１２ａと流体とが熱伝達を行う状態とし、薄膜温度分布計測部３によって表面１２ａの薄膜表面温度Ｔｗの分布を計測する。
【００３３】
次に、演算部６が、表面１２ａの薄膜表面温度Ｔｗ及び基材温度Ｔｃｕと、予め設定された薄膜１２の膜厚ｔ及び熱伝達率λとに基づいて、上記関係式（１）から各熱流束ｑを演算する。そして、演算部６は、この演算結果に基づいて、表面１２ａの熱流束分布を図示のモニターに表示する。
【００３４】
また、入力された流体温度Ｔ∞及び薄膜表面温度Ｔｗと、表面１２ａの熱流束ｑの演算値とに基づいて、上記関係式（２）から熱伝達率αを演算し、この演算結果に基づいて、表面１２ａの熱伝達率分布を不図示のモニターに表示する。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、基材１１上に形成された薄膜１２を有するので、流体と基材１１とで熱伝達が行われることなく、基材１１の温度分布の偏りを少なくすることができる。換言すれば、薄膜１２の裏面１２ｂ側の基材温度Ｔｃｕ＊を均一的にすることができる。
また、基材温度Ｔｃｕと薄膜表面温度Ｔｗの分布とを計測して、演算部６がこれらの計測値と、薄膜１２の膜厚ｔと熱伝導率λとを、関係式（１）に代入して熱流束ｑを演算するので、面の情報としての熱流束分布を容易に得ることができる。
同様に、流体温度Ｔ∞と薄膜表面温度Ｔｗの分布を計測して、演算部６がこれらの計測値と、熱流束ｑの演算値とから熱伝達率αを演算するので、面の情報としての熱伝達率分布を容易に得ることができる。
【００３６】
この構成によれば、界面側における基材１１の温度を計測するので、基材温度Ｔｃｕと薄膜１２の裏面１２ｂの温度とを近似させることができる。これにより、熱流束ｑの演算値を高精度にすることができる。
【００３７】
また、基材温度Ｔｃｕを複数箇所で計測するので、複数の基材温度Ｔｃｕ＊の偏差に基づいて、熱流束分布の計測結果の信頼性を評価することが可能となる。すなわち、偏差が大きい場合には、計測を中止し、偏差が小さい場合に計測をすることができ、計測の信頼性を高めることが可能となる。
【００３８】
また、基材温度Ｔｃｕ＊の計測値の平均値Ｔｃｕに基づいて、熱流束分布を評価するので、熱流束ｑの分布精度を向上させることができる。
【００３９】
図２は、本発明に係る熱流束計測装置Ａによって熱流束を計測する対象を計測対象物５１に変更した変形例を示す図である。
図２に示すように、本実施形態における計測対象物５１は、ガスタービンの燃焼器におけるタービンロータを模して形成されており、二つの動翼１３Ａ，１３Ｂ及びロータディスク１３Ｃを断熱材で形成している。そして、動翼１３Ａ，１３Ｂの間におけるロータディスク１３Ｃの流路表面５２の熱流束ｑを求める構成としている。
【００４０】
図２に示すように、流路表面５２には、薄膜１２が形成されており、この薄膜１２の下部には基材１１が埋設されている。また、この基材１１の下面には、ヒータ回路２１が基材１１に対する加熱ムラがないように蛇行状に配設されており、基材１１の下面を均等に加熱するようになっている。
【００４１】
このような構成において、上述した方法と同様にして、熱流束分布及び熱伝達率が求められる。そして、この計測対象物５１から得られた熱流束分布、熱伝達率、計測条件とを、実機にフィードバックすることにより、ガスタービン高温部品の熱流束を把握することが可能となる。
【００４２】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、基材１１に銅、及び、薄膜１２にエポキシ系樹脂を用いたが、基材１１の熱伝達率が高くなることを条件として、他の材料を用いることも可能である。
【００４３】
また、上述した実施の形態では、薄膜温度分布計測部３として赤外線カメラを用いる構成としたが、これに限られず感温式塗料を表面１２ａに塗布して、この発行強度を画像情報として取得する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１，５１…計測対象物
２…基材加熱部
３…薄膜温度分布計測部
４…基材温度計測部
５…流体温度計測部
６…演算部
１１…基材
１２…薄膜
１２ａ…表面
１３Ａ，１３Ｂ…動翼（ガスタービン高温部品）
１３Ｃ…ロータディスク（ガスタービン高温部品）
Ａ…熱流束計測装置
Ｔ∞…流体温度
ｑ…熱流束
Ｔｗ…薄膜表面温度
Ｔｃｕ＊…基材温度
Ｔｃｕ…平均値（基材温度の計測値の平均値）
【図１】
2010203804.tif 000003
【図２】
2010203804.tif 000004