(57)【要約】【課題】  炉心全体の温度調整を短時間で均一に行うことができ、その結果正確に温度校正を行うことが可能な黒体炉を提供する。【解決手段】  黒体炉は、開口部１２を有する円筒状、錐体状もしくは球状のキャビティが設けられた角柱状体もしくは多面球状体を有する炉心１と、複数のペルチェ素子を配置し炉心１を加熱もしくは冷却する少なくとも１つのペルチェデバイス３とを備えている。ペルチェデバイス３は、炉心１の各表面に貼り付けられている。急速な加熱、冷却が可能になる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する円筒状、錐体状もしくは球状のキャビティが設けられた角柱状体もしくは多面球状体を有する炉心と、複数のペルチェ素子を配置して構成され、前記炉心を加熱もしくは冷却する少なくとも１つのペルチェデバイスとを備え、前記ペルチェデバイスは、前記炉心表面に貼り付けられていることを特徴とする黒体炉。
【請求項２】
前記ペルチェデバイスは、前記キャビティ開口部近傍にも形成されていることを特徴とする請求項１に記載の黒体炉。
【請求項３】
前記ペルチェデバイスは、複数のペルチェ素子が配列された配列体と、前記配列体の上下に形成された絶縁板とから構成された板状体であり、前記板状体側面には断熱材が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の黒体炉。
【請求項４】
前記ペルチェデバイスには放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の黒体炉。
【請求項５】
前記炉心と前記ペルチェデバイスとの間には金属体が介在していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の黒体炉。
【請求項６】
前記炉心に複数のペルチェデバイスを装着する場合において、前記複数のペルチェデバイスのうち前記キャビティの底部の温度を制御するペルチェデバイスを前記炉心の側面に貼り付ける際に、前記キャビティ底部と前記ペルチェデバイスの中心部とを合せて配置し、前記キャビティ底部に対向する前記炉心の底面にはペルチェデバイスを貼り付けないことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の黒体炉。
【請求項７】
前記キャビティ底部と前記炉心底面上のペルチェデバイスとの距離は、前記炉心側面に貼り付けられた各ペルチェデバイスと前記キャビティの内壁との距離と等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の黒体炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射温度計やサーモグラフィ装置の校正及び精度測定に使用される基準温度源装置に用いられる黒体炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物の表面から放射される赤外線エネルギーを検出して温度を測定する放射温度計は、黒体炉を用いて校正している。
黒体炉は、このように、目に見えない赤外線の量を測定する基準温度源として使用する。外部から入射する光をあらゆる波長域において完全に吸収する物体を黒体という。黒体は温度に見合った光を放射する。黒体は、理想状態であり、現実には存在しない。この黒体を近似的に再現したものが黒体炉である。黒体炉は、ある温度における黒体炉からの赤外線放射量と、この黒体炉と同温度にある発熱体又は加熱された放射材表面からの赤外線放射量とを比較する事により、発熱体や放射材などの分光放射特性を評価する事ができる。
【０００３】
従来の黒体炉は、例えば、開口部を有するキャビティが設けられた炉心と、炉心を加熱する加熱装置とを備えている。一般的な炉心は、筒状であり、この筒状体に開口部を有する筒状のキャビティが形成されている。キャビティ開口部に対してキャビティの表面積が広いほど完全な黒体に近付くことが理論的に知られている。したがって、キャビティ形状が球形であることが最も理想的である。
この黒体炉を用いて発熱体や放射材などの分光放射特性を評価する場合、炉心をいかに均一に温度調整するかが黒体炉の性能を維持又は向上する決め手になる。炉心を加熱する装置として、従来では、例えば、ヒータを用いる技術（特許文献１参照）と水槽を用いる技術が知られている。
特許文献１には、電熱ヒーターを熱源とする黒体炉において、前記熱源として急速加熱用の交流電源と保温用の蓄電池とを備え、急速加熱には前記交流電源を使用して急速加熱して、基準熱放射部即ち、黒体炉のコアが目標温度付近に達せしめ、しかるのち、前記交流電源を蓄電池に切り替えることにより、黒体炉の温度の目標値に維持しながら、持ち運び可能にする黒体炉の昇温及び温度維持方法が開示され、また、上記黒体炉において、黒体炉のコア外周に配置した断熱材をコアと同時に加熱して昇温時間の短縮を図る方法が開示されている。
【０００４】
図１２（ａ）は、従来の黒体炉の炉心を示す断面図である。炉心１００は、円筒状であり、内部に開口部１０２に繋がるキャビティ１０１を有している。キャビティも円筒状であり、キャビティ１０１の表面積は、開口部に比べて十分大きい。図１２（ｂ）は、特許文献１にも示すヒータを備えた黒体炉の従来例である。黒体炉ケース１０６に収納された開口部を有するキャビティを備えた炉心１００の周囲にはヒータ１０５が設けられている。図１２（ｃ）は、液体で温度調節を行う黒体炉の従来例である。収納された開口部を有するキャビティを備えた炉心１００は、水槽１０４の中の液体１０３に漬かった状態で配置されている。炉心１００は、液体で温度調節される。
特許文献２にはペルチェ素子の構造が開示されている。
【特許文献１】特公平１−２７６０３２号公報
【特許文献２】特公平９−２９８３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１２（ｂ）に示すヒータを備えた従来の黒体炉は、ヒータとして、例えば、ニクロム線を用いる。ニクロム線は、炉心１００の外周を巻いてヒータ１０５を構成している。しかし、巻線を用いる場合は剥きだし状態では安全性に問題があり、また、炉心１００は、黒体炉ケース１０６で保持されるので、キャビティ開口部付近は黒体炉ケース１０６に固定されるので、その付近はニクロム線を巻くことができない。したがって、温度が炉心全体で均一にならず、温度校正が正確に行えないという問題があった。また、図１２（ｃ）では、炉心１００を囲む水槽１０４は、炉心１００に接合する場合、キャビティ開口部付近は、両者を固定するために水槽１０４から突出させなければならないので、その付近は液体１０３に漬かっておらず、したがって、温度が炉心全体で均一にならず、温度校正が正確に行えないという問題があった。
【０００６】
このように、従来あるヒータの場合も水槽の場合もキャビティ開口部付近には温度調整が行われないので、黒体炉を温度校正に使用する際にその正確さに欠けるという問題があった。
本発明は、このような事情により成されたものであり、炉心全体の温度調整を短時間で均一に行うことができ、その結果正確に温度校正を行うことが可能な黒体炉を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様である黒体炉は、開口部を有する円筒状、錐体状もしくは球状のキャビティが設けられた角柱状体もしくは多面球状体を有する炉心と、複数のペルチェ素子を配置して構成され、前記炉心を加熱もしくは冷却する少なくとも１つのペルチェデバイスとを備え、前記ペルチェデバイスは、前記炉心表面に貼り付けられていることを特徴としている。前記ペルチェデバイスは、前記キャビティ開口部近傍にも形成されているようにしても良い。前記ペルチェデバイスは、複数のペルチェ素子が配列された配列体と、前記配列体の上下に形成された絶縁板とから構成された板状体であり、前記板状体側面には断熱材が設けられているようにしても良い。前記ペルチェデバイスには放熱フィンが設けられているようにしても良い。前記炉心と前記ペルチェデバイスとの間には金属体が介在されているようにしても良い。前記炉心に複数のペルチェデバイスを装着する場合において、前記複数のペルチェデバイスのうち前記キャビティの底部の温度を制御するペルチェデバイスを前記炉心の側面に貼り付ける際に、前記キャビティ底部と前記ペルチェデバイスの中心部とを合せて配置し、前記キャビティ底部に対向する前記炉心の底面にはペルチェデバイスを貼り付けないようにしても良い。前記キャビティ底部と前記炉心底面上のペルチェデバイスとの距離は、前記炉心側面に貼り付けられた各ペルチェデバイスと前記キャビティの内壁との距離と等しいようにしても良い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の黒体炉は、従来加熱もしくは冷却できなかった部分にも加熱・冷却が可能になったので、炉心全体の温度調整を均一に行うことができ、その結果正確に温度校正を行うことが可能な黒体炉を提供することができる。また、加熱・冷却を速やかに短時間で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１乃至図５を参照して実施例１を説明する。
図１は、黒体炉の炉心の斜視図、図２は、ペルチェデバイスを表面に貼り付けた図１に示す炉心の斜視図、図３は、ペルチェ効果を説明するペルチェ素子の概略図、図４は、炉心上に接合されたペルチェデバイスの概略部分断面図、図５は、黒体炉の炉心に対するペルチェデバイスの作用を説明する概略図である。
黒体炉の炉心１には、開口部１２を有するキャビティ１１が設けられている。炉心１の形状は、四角柱状体である。内部に形成されるキャビティ１１の形状は円筒状である。実施例１では炉心形状は、四角柱状体であるが、本発明は、このような形状に限らない。柱状体は、三角柱、六角柱、八角柱などでも良い。また、内部に形成されるキャビテイ形状も円筒状に限らず、球状、角錐状や円錐状などの錐体状でもよい。炉心１は、例えば、アルミニウムや銅、モリブデンなどの熱伝導性の良い金属を用いる。
【００１１】
図２は、この実施例に用いる炉心の斜視図である。この実施例で用いる加熱装置は、ペルチェデバイス３である。ペルチェデバイスは、ペルチェ効果を利用したペルチェ素子を複数個配線し、直流電源に繋いで放熱・冷却を適宜行うものであり、板状体である。ペルチェ効果は、熱電効果の１つであり、２種の金属を繋いで電流を流すとジュール熱以外の熱の発生や吸収の起こる現象である。熱電効果には、このペルチェ効果以外にゼーペック効果やトムソン効果がある。図３は、ペルチェ効果を利用したペルチェ素子を説明する概略図である。金属１と金属２とをＮ型半導体で接続し、電源から電流を流すと、金属１とＮ型半導体との界面では発熱し、金属２とＮ型半導体との界面では吸熱する。図４は、ペルチェ素子を集合し配線したペルチェデバイスの断面図である。図４は、黒体炉の炉心１上面にペルチェデバイス３を接合して炉心１の冷却を行なう状態を示している。ペルチェデバイス３は、上下に金属体（電極）３１と金属体（電極）３２とを分散配置し、これら金属体３１、３２をＮ型もしくはＰ型半導体３３により接合したものである。半導体３３は、Ｐ型半導体３３ａとＮ型半導体３３ｂとを交互に配置している。
【００１２】
この実施例ではＰ型半導体３３ａ及びＮ型半導体３３ｂが直線的に２個ずつ並べられた構成となっているが、実際には両半導体が交互に多数、マトリクス状に並べられ、金属体３１、３２が両半導体３３ａ、３３ｂを接続して１本の電気回路を形成する。つまり、左端から金属体３１、Ｐ型半導体３３ａ、金属体３２、Ｎ型半導体３３ｂ、金属体３１の順序で繰り返し接続されている。即ち、ペルチェデバイス３は、図３に示すペルチェ素子を複数接続して構成されている。
また、上側の金属体３１の上部及び下側の金属体３２の下部にはプレート状の絶縁板３５が設けられ、金属体３１同士及び金属体３２同士の絶縁を確保している。金属体３１の上部に設けられた絶縁板３５の上には、例えば、アルミニウムを素材とする放熱フィン３７が設けられている。この放熱フィン３７は、平板上に金属板を所定間隔をおいて立設した形状にされている。ペルチェデバイス３の両端の金属体３１、３２に導線を接続し、Ｐ型半導体３３ａに近い方の金属体３１を高電位になるように直流電源３８を接続すると、金属体３１と半導体３３（Ｐ型、Ｎ型に関係なく）との界面では発熱され、金属体３２と半導体３３（Ｐ型，Ｎ型に依らない）との界面では吸熱が行なわれる（ペルチェ効果）。この結果、金属体３１は加熱され、金属体３２は冷却される。
【００１３】
従って黒体炉の炉心１は、熱を絶縁板３５を介してペルチェデバイス３に奪われ、温度上昇が抑えられる。ペルチェデバイス３が奪った熱は、放熱フィン３７に伝導され、放熱フィン３７から放熱される。
このように、ペルチェデバイス３は、直流電圧の供給を受けて熱量を移動させ、積極的な冷却を行なう。そして通常の冷凍機のように冷媒循環路、圧縮機等を必要とせず、非常にシンプルな構成にて冷却を行なえるため、小型の電子機器等の冷却に適している。そして、このペルチェデバイスを複数直列に接続すれば、少し大型の冷却装置として利用することができる。ペルチェデバイスは、例えば、２Ａの電流を流すと、３０℃〜６０℃差の熱エネルギーを移動させることができる。
【００１４】
図５は、黒体炉の炉心に対するペルチェデバイス３の作用を説明する概略図である。炉心を加熱する場合、ペルチェデバイス３が有する放熱フィン３７側の温度を炉心１側に移動させ、その結果炉心１が温まる。炉心を冷却する場合、炉心１側の温度を放熱フィン３７側に移動させ、放熱フィン３７で放熱させ、その結果炉心１が冷える。
この実施例では、円筒状のキャビティに対し、炉心を四角柱状体にすることにより、板状体であるペルチェデバイスを炉心の冷却装置に用いることを可能にしている。また、従来加熱もしくは冷却できなかったキャビティ開口部近傍にも加熱・冷却が可能になったので、炉心全体を均一に温度調整することができ、その結果正確に温度校正を行うことが可能な黒体炉を得ることができる。また、ヒータや液体を加熱装置に用いる従来のものに比較し、ペルチェデバイスを用いると瞬時に加熱・冷却ができるので、温度調整を速やかに行うことができる。
【実施例２】
【００１５】
次に、図６を参照して実施例２を説明する。
図６は、この実施例の炉心の斜視図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の例であり、図６（ｃ）は、第２の例を示している。この実施例の第１の例及び第２の例では円筒状のキャビティに対し、炉心１を四角柱状体にしている。
第１の例（図６（ａ）、（ｂ））において、板状体のペルチェデバイス２０〜２８を炉心の四角形状体の各面に貼り付けている。ペルチェデバイス２０〜２３は、実施例１と同様に４つの側面に貼り付けられている。この実施例では、更に、四角柱状体の２つの底面にもペルチェデバイスが貼り付けられている。キャビティ開口部１２が形成された開口面にはキャビティ開口部１２の周辺に大小のペルチェデバイス２４〜２７が貼り付けられている。また、キャビティ開口部のない底面にもペルチェデバイス２８が貼り付けられている。この実施例に示すようにペルチェデバイスは、炉心全体を均一に温度調整することができるように、適宜炉心表面に貼り付けられている。
【００１６】
第２の例（図６（ｃ））では、炉心１の４つの側面に４つのペルチェデバイス２０〜２３が貼り付けられており、更に、キャビティ開口面とは反対側の底面にペルチェデバイス２８が貼り付けられ、キャビティ開口部１２が形成された開口面にはペルチェデバイスは貼り付けられていない。キャビティの底面と炉心１底面のペルチェデバイス２８との距離ｄ１（両者間の最短距離）は、炉心１の他の４つの側面に貼り付けられた各ペルチェデバイス２０〜２３とキャビティ１１の内壁との距離ｄ２（両者間の最短距離）と等しくする、つまり、キャビティ内壁とペルチェデバイスとの距離、即ち、炉心を構成する金属の肉厚を等しくする。
この様に、第２の例では、肉厚を等しくすることにより、ペルチェデバイスからキャビティ底部に対しての温度調整の影響度が同じとなり、キャビティ底部の温度均一性が向上する。この実施例では、円筒状のキャビティに対し、炉心を四角柱状体にすることにより、板状体であるペルチェデバイスを炉心の冷却装置に用いることを可能にしている。また、従来加熱もしくは冷却できなかったキャビティ開口部近傍にも加熱・冷却が可能になったので、炉心全体を均一に温度調整することができる。特に、キャビティ底部の温度均一性が向上することにより、さらに正確に温度校正を行うことが可能な黒体炉を得ることができる。
【実施例３】
【００１７】
次に、図７及び図８を参照して実施例３を説明する。
図７は、１つの側面に複数のペルチェデバイスを搭載した炉心の断面図、図８は、図７に示された炉心の斜視図（図８（ａ））及び平面図（図８（ｂ））及びこの実施例の変形例（図８（ｃ））である。図７は、図８のＡ−Ａ′線に沿う部分の断面図である。
図７、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示された第１の例において、開口部を有するキャビティを備えた炉心１の１つの面には複数（この実施例では３個）のペルチェデバイスが形成される。炉心の他の面にも少なくとも１つのペルチェデバイスが必要に応じて形成されるが、この実施例の第１の例では、他の側面にはそれぞれ３個のペルチェデバイスが貼り付けられ、底面や開口面には設けられていない。炉心の１つの面上には熱伝導性の良い金属板４２、４３、４４が接合され、この金属板４２、４３、４４上にそれぞれペルチェデバイス３９、４０、４１が接合されている。ペルチェデバイス３９、４０、４１上面にはそれぞれ放熱フィン４６、４７、４８が設けられている。ペルチェデバイス３９、４０、４１の側面は、発泡スチロールなどの断熱材４５により被覆されている。各ペルチェデバイス３９、４０、４１は、配線５０により互いに接続し、直流電源４９に接続されている。
【００１８】
ペルチェデバイスの発生する熱はその側面から炉心に戻って、炉心の効果的な放熱を妨げる場合があり、断熱材４５は、それを防いでいる。そして、ペルチェデバイスの下の金属板は、炉心から放出される熱を有効に外部へ逃がす作用を有すると共に放熱された熱が再び炉心に影響を与えないようにする作用を有する。
次に、図８（ｃ）を参照して第２の例（この実施例の変形例）を説明する。
この例は、炉心の形状、キャビティの形状及びペルチェデバイスの形状は、第１の例と同じである。炉心の１つの面上には熱伝導性の良い金属板４２、４３、４４が接合され、この金属板４２、４３、４４上にそれぞれペルチェデバイス３９、４０、４１が接合されている。
この例では、炉心１に複数のペルチェデバイス５５を装着するときに、最も精度よく制御すべきキャビティ１１底部とその近傍に配置されたペルチェデバイス５５の中心部（中心点ａ）を合せて配置する。この場合、炉心１の外壁四面全てからの温度調整によりキャビティ底部全体の温度均一性が向上する。このようにすれば、炉心１の底面に貼り付けるペルチェデバイスを省略することができる。
この実施例は、このような構成により、キャビティ底部の温度調整を精度良く行うことができ、ひいては、炉心の温度校正をより正確に行うことができるものである。
この実施例では、円筒状のキャビティに対し、炉心を四角柱状体にすることにより、板状体であるペルチェデバイスを炉心の冷却装置に用いることを可能にしている。また、炉心全体を均一に温度調整することができ、その結果正確に温度校正を行うことが可能な黒体炉を得ることができる。
【実施例４】
【００１９】
次に、図９を参照して実施例４を説明する。
図９は、実施例４に係る黒体炉の炉心の斜視図である。この実施例の黒体炉の炉心は、２０面体形状である。
黒体炉において、キャビティ開口部に対してキャビティ内部の表面積が広いほど完全な黒体に近付くことが理論的に知られている。したがって、キャビティ内部が球形であることが最も理想的である。
この実施例では、キャビティを理想的な形に近付けるために、炉心の形状を２０面体形状とすることに特徴がある。２０面体形状は、１面が５角形である。その５角形の１つにキャビティ開口部６が形成され、キャビティ開口部６を通じて炉心４の内部にキャビティ５が形成されている。炉心形状が２０面体であるので、キャビティ５の形状は、球形にすることができる。即ち、この実施例ではキャビティとして最も理想的な形状を有する事ができる。この炉心４の必要な面に板状のペルチェデバイスを貼り付ける。キャビティ開口部６のある面にもペルチェデバイスを貼り付けることは可能である。また、ペルチェデバイスを貼り付ける際に実施例３のように、金属板を介在させ、ペルチェデバイス周辺に断熱材を設けることも可能である。
【００２０】
この実施例では、球状のキャビティを用い、炉心を２０面体形状にすることにより、板状体であるペルチェデバイスを炉心の冷却装置に用いることを可能にしている。また、従来加熱もしくは冷却できなかったキャビティ開口部近傍にも加熱・冷却が可能になったので、炉心全体を均一に温度調整することができ、その結果正確に温度校正を行うことが可能な黒体炉を得ることができる。
【実施例５】
【００２１】
次に、図１０及び図１１を参照して実施例５を説明する。
図１０及び図１１は、実施例５に係る黒体炉の炉心の斜視図である。この実施例は、キャビティの形状に特徴がある。即ち、四角柱状体の炉心に円錐形状及び四角錐形状のキャビティを形成することに特徴がある。
図１０において、四角柱形状の炉心１の底面と対抗する面にキャビティ開口部８を形成する。キャビティ開口部８を通じて炉心１の内部にキャビティ７が形成されている。キャビティ７を構成する円錐体の先端は、炉心１の底面に対向している。炉心の４つの側面に板状のペルチェデバイス５１〜５４を貼り付ける。また、ペルチェデバイスを貼り付ける際に他の実施例のように、金属板を介在させペルチェデバイス周辺に断熱材を設けることが可能である。
【００２２】
また、図１１において、四角柱形状の炉心１の底面と対抗する面にキャビティ開口部１０を形成する。キャビティ開口部１０を通じて炉心１の内部にキャビティ９が形成されている。キャビティ９を構成する四角錐体の先端は、炉心１の底面に対向している。炉心の４つの側面に板状のペルチェデバイス５１〜５４を貼り付ける。また、ペルチェデバイスを貼り付ける際に他の実施例のように、金属板を介在させペルチェデバイス周辺に断熱材を設けることが可能である。
以上、この実施例では温度調整に最も影響を与えるキャビティ底部を尖鋭にして底面を作らないように構成している。このように構成したので、炉心底面に温度調整のためのペルチェデバイスを貼り付ける必要はなく、炉心側面の４つのペルチェデバイスで炉心全体の均一な温度調整が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１に係る黒体炉の炉心の斜視図。
【図２】ペルチェデバイスを表面に貼り付けた図１に示す炉心の斜視図。
【図３】ペルチェ効果を説明するペルチェ素子の概略図。
【図４】実施例１に係る黒体炉の炉心上に接合されたペルチェデバイスの概略部分断面図。
【図５】黒体炉の炉心に対するペルチェデバイスの作用を説明する概略図。
【図６】実施例２に係る黒体炉の炉心の斜視図。
【図７】実施例３に係る１つの面に設けられた複数のペルチェデバイスを搭載した黒体炉の炉心の断面図。
【図８】図７に示された黒体炉の炉心の斜視図および平面図。
【図９】実施例４に係る黒体炉の炉心の斜視図。
【図１０】実施例５に係る黒体炉の炉心の斜視図。
【図１１】実施例５に係る黒体炉の炉心の斜視図。
【図１２】図１２（ａ）は、従来の黒体炉の炉心を示す断面図、図１２（ｂ）は、従来のヒータを備えた黒体炉の斜視図、図１２（ｃ）は、従来の液体で温度調節を行う黒体炉の斜視図。
【符号の説明】
【００２４】
１、４・・・炉心
３、２０〜２８、３９〜４１、５１〜５５・・・ペルチェデバイス
５、７、９、１１・・・キャビティ
６、８、１０、１２・・・キャビティ開口部
３１、３２・・・電極（金属体）
３３、３３ａ、３３ｂ・・・半導体
３５・・・絶縁板
３７、４６、４７、４８・・・放熱フィン
３８、４９・・・直流電源
４２、４３、４４・・・金属板
４５・・・断熱材
５０・・・配線
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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