(57)【要約】【課題】内部温度の発散傾向をいち早く察知することができる温度監視装置を提供する。【解決手段】多重層物体の内部における基準点Ｂと測定点Ｃとの間の温度差θＭを測定し、演算によって求めた収束時の温度分布における上記２点間の理論温度差θＬよりも、前記測定温度差θＭが許容以上に小さくなっていれば、温度が発散傾向にあると判別する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に発熱体を有する多重層物体の内部温度を監視する温度監視装置であって、
周囲温度Ｔａを測定する周囲温度測定部と、各層の境界部に設けた基準点における温度Ｔｂを測定する第１温度測定部と、発熱体内部に設けた測定点における温度Ｔｃを測定する第２温度測定部と、発熱体内部における最高温度Ｔｄを測定する最高温度測定部と、
周囲温度測定部及び最高温度測定部による測定値Ｔａ及びＴｄに基づいて、収束時における多重層物体の温度分布の理論値を演算する理論値演算部と、
理論値演算部により演算された温度分布における前記測定点と前記基準点との理論温度差θＬと、第１及び第２温度測定部による測定値ＴｂとＴｃとの測定温度差θＭとを比較して、温度の発散傾向の有無を判別する比較判別部と、
比較判別部の判別結果に基づいて警報を発する警報部とを備えた温度監視装置。
【請求項２】
理論値演算部で多重層物体の時定数τを演算し、この時定数τに基づいて収束時の理論温度差θＬの時間変化を演算し、基準時から所定時間ｔの経過後に、前記基準点における温度Ｔｂ（ｔ）及び測定点における温度Ｔｃ（ｔ）を測定してこのときの測定温度差θＭ（ｔ）を算出し、この測定温度差θＭ（ｔ）と時刻ｔにおける理論温度差θＬ（ｔ）とを比較して、温度の発散傾向の有無を判別する請求項１記載の温度監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に発熱体を有する多重層物体の内部温度を監視するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉、火力炉、あるいは燃料電池のように、内部に発熱体を有する多重層物体は、内部に熱がこもって急激な温度上昇（熱暴走）が生じる恐れがある。この熱暴走を防止するために、内部温度を監視することが重要となる。
【０００３】
このような内部温度の監視方法として、例えば特許文献１には、半導体装置の拡散設備等に用いられる炉内温度の監視装置が示されている。この監視装置は、炉内の温度を熱電対で測定し、この測定値を予め定めた炉内温度プロファイルと比較し、その温度差が許容温度範囲外か否かを判別することにより、炉内の温度を監視するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１４２４１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような温度監視装置において、より確実に熱暴走を防止しようとすると、炉内温度プロファイルの設定温度を低くする必要がある。しかし、設定温度を低くすると、警報が発せられる頻度が高まるため、運転に支承を来たす恐れがある。また、同じ温度でも、温度が収束に向っている場合には問題無いが、温度が発散に向っている場合には熱暴走が生じる恐れがある。このような温度変化の傾向を、上記のように単に温度を測定するだけで監視することは難しい。
【０００６】
本発明の課題は、内部温度の発散傾向をいち早く察知することができる温度監視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】
本発明者によるシミュレーション解析により、内部に発熱体を有する多重層物体の内部温度Ｔと、多重層物体の中心からの距離ｒとの間には、図１に示すような関係があることが確認された。すなわち、温度が収束傾向にある場合（図１に実線で示す）は温度Ｔが距離ｒの４乗に比例するのに対し、温度が発散傾向にある場合（図１に点線で示す）は温度Ｔが距離ｒの４乗未満に比例する。従って、各層の境界部に設けた基準点Ｂ（ｒ＝ｒ１）と発熱体内部に設けた測定点Ｃとの間の温度差θは、温度発散時よりも温度収束時の方が大きくなる。このことから、ＢＣ間の温度差θＭを実際に測定し、この測定温度差θＭが、演算によって求めた収束時の理論温度差θＬよりも許容以上に小さくなっていれば、温度が発散傾向にあると判別することができる（図１参照）。
【０００８】
以上より、本発明は、内部に発熱体を有する多重層物体の内部温度を監視する温度監視装置であって、周囲温度Ｔａを測定する周囲温度測定部と、各層の境界部に設けた基準点における温度Ｔｂを測定する第１温度測定部と、発熱体内部に設けた測定点における温度Ｔｃを測定する第２温度測定部と、発熱体内部における最高温度Ｔｄを測定する最高温度測定部と、周囲温度測定部及び最高温度測定部による測定値Ｔａ及びＴｄに基づいて、収束時における多重層物体の温度分布の理論値を演算する理論値演算部と、理論値演算部により演算された温度分布における前記測定点と前記基準点との理論温度差θＬと、第１及び第２温度測定部による測定値ＴｂとＴｃとの測定温度差θＭとを比較して、温度の発散傾向の有無を判別する比較判別部と、比較判別部の判別結果に基づいて警報を発する警報部とを備えた温度監視装置として特徴づけることができる。
【０００９】
また、理論温度差θＬを演算したら、そのときの諸元値に基づいて多重層物体の時定数τを算出し、この時定数τに基づいて理論温度差θＬの時間変化θＬ（ｔ）を演算することができる。図２に示すように、温度が収束する場合の理論温度差θＬと、温度が発散する場合の測定温度差θＭとの差は、時間ｔの経過に伴って大きくなることから、基準時から所定時間ｔ経過後に、基準点Ｂにおける温度Ｔｂ（ｔ）及び測定点Ｃにおける温度Ｔｃ（ｔ）を測定してこのときの測定温度差θＭ（ｔ）を算出し、この測定温度差θＭ（ｔ）と時刻ｔにおける理論温度差θＬ（ｔ）とを比較して、温度の発散傾向の有無を判別することができる。このように、理論温度差θＬと測定温度差θＭとを比較するだけでなく、理論温度差θＬの時間変化を演算して、所定時間ｔ経過後の測定温度差θＭ（ｔ）と理論温度差θＬ（ｔ）とを比較することで、温度の発散傾向をより正確に判別することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明の温度監視装置によれば、内部温度の発散傾向をいち早く察知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】多重層物体における温度Ｔと中心からの距離ｒとの関係を示すグラフである。
【図２】理論温度差θＬ及び測定温度差θＭの時間変化を示すグラフである。
【図３】温度監視装置の概略図である。
【図４】演算回路のブロック線図である。
【図５】二重層球体モデルの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図３に、本発明の一実施形態に係る温度監視装置１を示す。温度監視装置１は、例えば加熱炉１００の内部温度を監視するためのものである。加熱炉１００は、内部に発熱体１０２を有し、外側を断熱層としての炉壁１０１で囲まれた多重層物体（二重層物体）である。温度監視装置１は、周囲温度測定部１１、第１温度測定部１２、第２温度測定部１３、最高温度測定部１４、演算回路２０、及び警報部３０を備える。周囲温度測定部１１は、炉壁１０１の外周の周囲温度Ｔａを測定する。第１温度測定部１２は、発熱体１０２と炉壁１０１との境界部に設けた基準点Ｂにおける温度Ｔｂを測定する。第２温度測定部１３は、発熱体内部に設けた測定点Ｃにおける温度Ｔｃを測定する。最高温度測定部１４は、発熱体１０２の内部における最高温度Ｔｄを測定し、本実施形態では発熱体１０２の中心部の温度を測定する。
【００１３】
演算回路２０は、各温度測定部１１〜１４で測定された温度Ｔａ〜Ｔｄに基づいて、温度の発散傾向の有無を判別するものであり、図４に示すように、理論値演算部２１と、測定値演算部２２と、比較判別部２３とを備える。
【００１４】
理論値演算部２１は、周囲温度Ｔａ及び発熱体１０２内部の最高温度Ｔｄの測定値に基づいて、収束時における内部の温度分布の理論値を演算するものであり、時定数演算部２１ａと、温度分布演算部２１ｂと、温度差演算部２１ｃとからなる。時定数演算部２１ａは、加熱炉１００の炉壁１０１（第１層）及び発熱体１０２（第２層）に関する諸元値から、加熱炉１００全体の時定数τを演算する。温度分布演算部２１ｂは、周囲温度Ｔａ、最高温度Ｔｄ、及び時定数演算部２１ａで演算された時定数τから定数ｍを求め、この定数ｍから収束時における加熱炉１００内部の温度分布の理論値を算出する（図１参照）。温度差演算部２１ｃは、温度分布演算部２１ｂにより算出された温度分布から、基準点Ｂ及び測定点Ｃにおける温度を算出し、これらの理論温度差θＬを演算する。
【００１５】
測定値演算部２２は、第１温度測定部１２及び第２温度測定部で測定された温度Ｔｂ及びＴｃの差を演算して、測定温度差θＭを算出する。
【００１６】
比較判別部２３は、理論値演算部２１で演算された理論温度差θＬと、測定値演算部２２で算出された測定温度差θＭとを比較することで、温度の発散傾向の有無を判別するものである。具体的には、測定温度差θＭが理論温度差θＬよりも小さく、且つ、その差が許容範囲を越えていれば、温度の発散傾向有りと判別する。
【００１７】
また、温度差演算部２１ｃでは、上記時定数演算部２１ａで演算された時定数τに基づいて理論温度差θＬの時間変化を演算する。そして、基準時から所定時間ｔが経過したら、第１及び第２温度測定部１２、１３により改めて基準点Ｂの温度Ｔｂ（ｔ）及び測定点Ｃの温度Ｔｃ（ｔ）とを測定し、測定値演算部２２で時刻ｔにおける測定温度差θＬ（ｔ）を演算する。この時刻ｔにおける測定温度差θＭ（ｔ）と、上記で演算された理論温度差θＬの時刻ｔにおける値θＬ（ｔ）とを比較し、θＭ（ｔ）がθＬ（ｔ）よりも大きく、且つ、その差が許容範囲を越えて大きければ、温度の発散傾向有りと判別する。
【００１８】
上記のように、測定温度差θＭと理論温度差θＬとの比較、及び、時刻ｔにおける測定温度差θＭ（ｔ）と理論温度差θＬ（ｔ）との比較の双方で、温度の発散傾向有りと判別されたら、その信号が警報部３０に伝達され、警報が発せられる。
【００１９】
以下、温度収束時の理論温度差θＬの算出方法を説明する。
【００２０】
ここでは、図５に示す二重層の球体モデルに基づいて、算出方法を説明する。この球体モデルは、発熱体に相当する第１層（１）と、外壁に相当する第２層（２）とからなる。第１層の外径寸法をｒ１、比熱をｃ１、密度をρ１、単位体積当たりの熱抵抗をΨｃ１、温度をθ１とし、第２層の外径寸法をｒ２、比熱をｃ２、密度をρ２、単位体積当たりの熱抵抗をΨｃ２、温度をθ２とする。
【００２１】
温度が収束する場合、球体モデルの温度分布は下記の数１を基本式とする。尚、θｍａｘは周囲温度Ｔａとモデル内部の最高温度Ｔｄとの差、ｍは球体モデルの分割層総数、ｎ’は分割数、ｒは中心からの距離である。
【数１】
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【００２２】
また、第１層と第２層とでは温度分割Δθが同じであることから、下記の数２が成り立つ。尚、ｍ１は第１層（１）における分割層総数、ｍ２は第２層（２）も含めた分割層総数である。
【数２】
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【００２３】
また、単層体における温度変化の時定数τは、以下の数３により表される（特願２００８−２７２２０８参照）。
【数３】
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【００２４】
図２に示す２重層モデルでは、第１層（１）及び第２層（２）はそれぞれ固有の時定数を有するが、モデル全体の時定数τは、第１層（１）の固有の時定数τ１’、及び第２層（２）の固有の時定数τ２’のうち、大きい方の時定数に従う。従って、例えばτ１’＜τ２’の場合、モデル全体における第１層（１）の時定数τ１は、上記式におけるΨとｍが変化することで第２層（２）の固有の時定数τ２’に従う。すなわち、球体モデルにおける第１層（１）及び第２層（２）の時定数τ１及びτ２が、何れも第２層の固有の時定数τ２’に従う（τ１＝τ２＝τ２’）。従って、以下の数４が成立する。
【数４】
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【００２５】
さらに、各層で分割数ｎ’に対して熱流Ｗが連続であることから、以下の数５が成り立つ。
【数５】
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【００２６】
上記の数４及び数５から、θｍａｘ、ｒ１、ｒ２、ｃ１ρ１、τ、ΨＣ２が既知の場合、ΨＣ１及びｍ１は以下のように表される。尚、時定数がτ２’に従うことからｍ２＝１とみなすことができ（上述の特願２００８−２７２２０８参照）、これによりｍ１が算出可能となる。
【数６】
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【数７】
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【００２７】
第１層において、０≦ｒ≦ｒ１ではｎ’＝０、ｒ＝０ではθ＝θｍａｘ、ｒ＝ｒ１ではｎ’＝ｍ１、且つ、θ＝θｍａｘ（１−ｍ１／ｍ２）となる。この境界値と上記の式から、第１層における温度分布は以下の数８で表される。
【数８】
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【００２８】
また、第２層において、ｒ１＜ｒ≦ｒ２ではｎ’＝ｍ１、ｒ＝ｒ２ではｎ’＝ｍ２、且つ、θ＝０となる。この境界値と上記の式から、第２層における温度分布は以下の数９で表される。
【数９】
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【００２９】
上記の算出において、通常に用いられている熱伝導率κから単位体積あたりの熱抵抗ΨＣへの換算式は、立方体の各寸法と球体の半径とが単位長であり、且つ、熱抵抗が相等しいとして導かれ、以下の数１０で表される。
【数１０】
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【００３０】
以上の式に各定数を代入することにより、温度が収束する場合の多層体の内部における温度分布を算出することができ（図１の実線参照）、この温度分布からθＬが求められる。
【符号の説明】
【００３１】
１     温度監視装置
１１   周囲温度測定部
１２   第１温度測定部
１３   第２温度測定部
１４   最高温度測定部
２０   演算回路
２１   理論値演算部
２１ａ 時定数演算部
２１ｂ 温度分布演算部
２１ｃ 温度差演算部
２２   測定値演算部
２３   比較判別部
３０   警報部
１００ 加熱炉
１０１ 炉壁
１０２ 発熱体
Ｂ     基準点
Ｃ     測定点
Ｔａ   周囲温度
Ｔｂ   基準点温度
Ｔｃ   測定点温度
Ｔｄ   最高温度
θＬ   理論温度差（収束時）
θＭ   測定温度差
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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