(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも計測すべき方位に対する断面形状が実質的に円形とされた風向風速計測装置において、
略中心に設けられたヒータと、
前記ヒータの周囲に設けられた第１の熱伝導体と、
前記第１の熱伝導体の周囲に設けられ前記第１の熱伝導体の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する第２の熱伝導体と、
前記第２の熱伝導体の表面に、前記計測方位に対して所定の位置関係をもって設けられた複数の温度検出手段と、を備えたことを特徴とする風向風速計測装置。
【請求項２】
前記複数の温度検出手段により検出された温度の計測方位に対する分布状況に基づいて計測すべき風向を求め、前記複数の温度検出手段により検出された温度の平均値に基づいて計測すべき風速を求めることを特徴とする請求項１記載の風向風速計測装置。
【請求項３】
前記複数の温度検出手段により検出された温度のうち最も高温の方位を風向とすることを特徴とする請求項２記載の風向風速計測装置。
【請求項４】
前記第２の熱伝導体の表面が球状とされ、互いに直交する三次元方位の風向を計測することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の風向風速計測装置。
【請求項５】
前記第２の熱伝導体の表面が円筒側面形状とされ、互いに直交する二次元方位の風向を計測することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の風向風速計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風向および風速を計測するための風向風速計測装置に関し、特に高感度、コンパクトで低風速域の計測に好適な風向風速計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車部品に要求される耐熱品質や排気品質などを評価するために、エンジンルーム内等における風向および風速を計測することが行われている。たとえば、熱発生源となるエンジンの近傍に取り付けられる部品であっても、取り付けられる位置によっては走行時に受ける風量が相違し、必要とされる耐熱性の程度に差が生じるからである。
【０００３】
この種のセンサとして熱風速計が知られているが、これは風速によるヒータそのものの温度変化を検出することで風速を計測するものであって、風向は測定できない。また、検出素子である熱線が外部に露出した構造であるため破損しやすく取り扱いに注意が必要となる。
【０００４】
風向および風速の両方を計測できる装置としては、円筒後方に生じるカルマン渦の発生周期を圧力変動として捉え、これにより風速を求めるとともに、円周方向の圧力平均パターンから風向を求める計測装置が知られている（たとえば特開平９−１９６９５９号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の風向風速計測装置では、風速および風向の何れも圧力の変動値に基づいて求めることとされている。しかしながら、圧力は風速の二乗に比例するため、低い風速域における圧力変化はきわめて小さく、たとえば１．８ｍ／ｓ程度の風速では０．２ｍｍＨ2 Ｏ程度の圧力変化しか生じない。したがって、低風速域での検出感度が低いという問題がある。
【０００６】
この程度の小さな圧力変化を高感度で検出できる圧力センサは、最小でも直径が１０ｍｍ、厚さが１．３ｍｍの大きさが必要とされるため、こうした大きく厚い圧力センサを円筒上に滑らかに配置しようとすると、円筒は直径５０ｍｍ以上の大きなものとなる。したがって、この計測装置ではエンジンルームなどの狭小な空間の風向および風速は計測できなかった。
【０００７】
また、５０ｍ／ｓ以上の風速を計測するのであれば、円筒径も数十ｍｍ程度まで小さくできるが、この大きさでもエンジンルームなどの狭小空間に用いるには大き過ぎ、また低風速域の測定ができないといった問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、高感度かつコンパクトで低風速域の計測も可能な風向風速計測装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の風向風速計測装置は、少なくとも計測すべき方位に対する断面形状が実質的に円形とされた風向風速計測装置において、略中心に設けられたヒータと、前記ヒータの周囲に設けられた第１の熱伝導体と、前記第１の熱伝導体の周囲に設けられ前記第１の熱伝導体の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する第２の熱伝導体と、前記第２の熱伝導体の表面に、前記計測方位に対して所定の位置関係をもって設けられた複数の温度検出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この場合、特に限定されないが、請求項２記載の風向風速計測装置のように、前記複数の温度検出手段により検出された温度の計測方位に対する分布状況に基づいて計測すべき風向を求め、前記複数の温度検出手段により検出された温度の平均値に基づいて計測すべき風速を求めることが好ましい。
【００１１】
また、特に限定されないが、請求項３記載の風向風速計測装置のように、前記複数の温度検出手段により検出された温度のうち最も高温の方位を風向とすることが好ましい。
【００１２】
ヒータ（熱源）からの熱が固体を介して周囲の気体に伝導（伝達）するモデルを考えると、図５に示すように、まず固体内においてはその固体固有の熱伝導率によって熱が固体表面に向かって伝導し、さらに固体表面から気体への熱伝達は熱伝達係数に支配されながら伝達する。しかしながら、固体内における熱伝導率は固体固有の値として一義的に定まるのに対して、固体表面から気体への熱伝達係数は、その気体の物性、気体の温度、流れの状態により変動する。
【００１３】
本発明の風向風速計測装置は、こうした流れの状態による熱伝達係数の変動に着目し、固体と気体との境界層の流れの状態によって固体の表面温度に分布が生じることを利用し、これを計測して演算処理することで風向および風速を求めることとしている。
【００１４】
たとえば、図６に示すように、断面円形をなす本発明の風向風速計測装置に図示する方位から風が流れている場合、当該風に直面する領域（図において「０」で示す。）の境界層は気体の淀み溜まりとなり、流速が低く熱伝達が小さくなるので固体の表面温度が高くなる。また、風向きに対する背面領域（図において「４」で示す。）の境界層は流れの乱流域となり、同じく流速が低く熱伝達が小さくなるので固体の表面温度が高くなる。
【００１５】
これに対して、風向きに沿った領域（図において「２」で示す。）の境界層は流れの層流域となり、流速が高く熱伝達が大きくなるので固体の表面温度が低くなる。また、領域０と領域２との間の領域１や、領域４と領域２との間の領域３は、これらの領域０および４と領域２との中間的な流れ状態となって、固体の表面温度もこれらの中間温度となる。図７は領域（方位）に対する固体表面温度をプロットしたグラフであり、最も高温となる方位が求める風向とされる。
【００１６】
ちなみに、円周方向の角度θ（０°〜３６０°）に対する温度Ｔの関係は、上述したように、風向きに対向する２つの領域にそれぞれ極大値が現れ、風向きに沿った２つの領域にそれぞれ極小値が現れることから、理論的には円周方向の角度を変数とした下記５次関数で近似することができる。
【００１７】
【数１】
Ｔ＝ａθ5 ＋ｂθ4 ＋ｃθ3 ＋ｄθ2 ＋ｅθ＋ｆ  （ａ〜ｆは定数）…（１）
また、図３は風速に対する固体表面温度の平均値の逆数をプロットしたグラフであるが、これからも明らかなように固体表面温度の平均値と風速とは強く相関しているので、複数の温度検出手段により計測された温度の平均値に基づいて風速を求めることができる。
【００１８】
特に本発明の風向風速計測装置では、温度検出手段が設けられる第２の熱伝導体の熱伝導率が、第１の熱伝導体の熱伝導率よりも小さい、つまりヒータ側には大きい熱伝導率の熱伝導体を用い、表面側には小さい熱伝導率の熱伝導体を用いているので、気流による表面温度の分布を拡大することができ、これにより風向の検出感度を高めることができる。
【００１９】
また、本発明の風向風速計測装置では、表面温度の計測値に基づいて風向と風速を求めるので、気流の圧力に基づいて風向と風速を求める計測装置に比べ、低風速域における温度変化が大きくなり、風向および風速の検出感度が高くなる。
【００２０】
さらに、低風速域での検出感度が良好であるため、温度検出手段をたとえばフィルム状に構成でき、その結果、計測装置自体をコンパクトに構成することができる。
【００２１】
本発明において、計測装置自体の形状は特に限定されないが、互いに直交する三次元方位の風向を計測するのであれば、請求項４記載の風向風速計測装置のように、前記第２の熱伝導体の表面を球状とし、また互いに直交する二次元方位の風向を計測するのであれば、請求項５記載の風向風速計測装置のように、前記第２の熱伝導体の表面を円筒側面形状とすることが好ましい。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１〜３記載の発明によれば、温度検出手段が設けられる第２の熱伝導体の熱伝導率が第１の熱伝導体の熱伝導率よりも小さいので、気流による表面温度の分布を拡大することができ、これにより風向の検出感度が高くなる。
【００２３】
また、表面温度の計測値に基づいて風向と風速を求めるので、気流の圧力に基づいて風向と風速を求める計測装置に比べ、低風速域における温度変化が大きくなり、風向および風速の検出感度が高くなる。
【００２４】
さらに、低風速域での検出感度が良好であるため、温度検出手段をたとえばフィルム状に構成でき、その結果、計測装置自体をコンパクトに構成することができる。また、破損しやすい部品がないので取扱性にも優れている。
【００２５】
請求項４記載の発明によれば三次元方位の風向が計測でき、請求項５記載の発明によれば二次元方位の風向が計測できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態の風向風速計測装置は、ＸＹ平面における風向および風速を計測する装置であって、中心に熱源となる円筒状ヒータ１を有し、このヒータ１を囲繞するように同心円状に第１の熱伝導体２が設けられている。また、第１の熱伝導体２の表面には、当該第１の熱伝導体２の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する第２の熱伝導体３がたとえば膜状に設けられている。
【００２７】
さらに、第２の熱伝導体３の表面には、当該円筒の円周方向に沿って４５°のピッチで、温度検出手段としての熱電対４が都合８つ貼り付けられている。各熱電対により検出された温度信号はそれぞれ図外のコントローラに送出される。
【００２８】
このように構成された本実施形態の風向風速計測装置を用いて風向および風速を計測する場合には、まずヒータ１をＯＮして第１および第２の熱伝導体２，３に充分に熱が伝導された状態で気流内に臨ませ、各熱電対４により得られる第２の熱伝導体３の表面温度をコントローラに取り込む。
【００２９】
そして、８つの熱電対４により得られた表面温度の平均値の逆数を求め、予め計測しておいた風速と平均温度の逆数との関係（図３参照）からその気流の風速を求める。
【００３０】
また、８つの熱電対４により検出された温度を、たとえばＸＹ平面における円周方向の角度を変数とする５次関数（上記関係式（１）参照）に代入して近似し、その極大値をその気流の風向きとする。
【００３１】
特に本実施形態の風向風速計測装置では、第２の熱伝導体３の熱伝導率が、第１の熱伝導体２の熱伝導率よりも小さいので、気流による表面温度の分布を拡大することができ、これにより風向の検出感度を高めることができる。
【００３２】
また、既述したように表面温度の計測値に基づいて風向と風速を求めるので、気流の圧力に基づいて風向と風速を求める計測装置に比べ、図４に示されるようにたとえば０〜４ｍ／ｓ程度の低風速域における温度変化が大きくなり、風向および風速の検出感度が高くなる。
【００３３】
さらに、低風速域での検出感度が良好であるため、熱電対４をたとえばフィルム状に構成でき、その結果、計測装置自体をコンパクトに構成することができる。
【００３４】
本発明の風向風速計測装置は上述した実施形態にのみ限定されず種々に改変することができる。図２は本発明の風向風速計測装置の他の実施形態を示す斜視図であり、三次元の風向を求めることができる計測装置である。
【００３５】
基本的な構成は上述した円筒状の実施形態と同じであるが、本実施形態では風向の三次元方位を求めるために、中心に設けられるヒータ１、その周囲を囲繞する第１の熱伝導体２、および第１の熱伝導体２の表面にたとえば膜状に設けられる第２の熱伝導体３からなる本体を球状に形成している。また、第２の熱伝導体３の表面に貼り付けられる温度検出手段としての熱電対４は、図示するＸＹ平面（赤道）上に４５°のピッチで設けられ、さらに経線（子午線）上にも４５°のピッチで設けられている。つまり、第２の熱伝導体３の表面に１６個（うち２個を共用するときは１４個）の熱電対４が設けられている。
【００３６】
このように構成された球状の風向風速計測装置を用いて風向および風速を計測する場合には、まずヒータ１をＯＮして第１および第２の熱伝導体２，３に充分に熱が伝導された状態で気流内に臨ませ、各熱電対４により得られる第２の熱伝導体３の表面温度をコントローラに取り込む。
【００３７】
そして、１６個の熱電対４により得られた表面温度の平均値の逆数を求め、予め計測しておいた風速と平均温度の逆数との関係（図３参照）からその気流の風速を求める。
【００３８】
また、１６個の熱電対４により検出された温度を、たとえばＸＹ平面における円周方向の角度を変数とする５次関数（上記関係式（１）参照）に代入して近似し、その極大値をその気流のＸＹ平面における風向きとする。同様にしてＹＺ平面における風向きを求め、これらＸＹ平面およびＹＺ平面における風向きから三次元空間における風向きを求める。
【００３９】
このように本実施形態の風向風速計測装置によれば、上述した効果に加えて三次元空間における風向をも求めることができる。
【００４０】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の風向風速計測装置の実施形態を示す斜視図および横断面図である。
【図２】本発明の風向風速計測装置の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の風向風速計測装置による風速と平均温度の逆数との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の風向風速計測装置による風速と表面温度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の測定原理を説明するための概念図である。
【図６】本発明の測定原理を説明するための概念図である。
【図７】本発明の測定原理を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
１…ヒータ
２…第１の熱伝導体
３…第２の熱伝導体
４…熱電対（温度検出手段）
【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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