(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部中央に収容空間が切削形成されて、該収容空間の前方に連続してフォイル挿合孔が穿孔形成された中空円筒本体と、熱を吸収する熱吸収面と、該熱吸収面の後方に形成された内面と、それら熱吸収面と内面とに連結されて熱を放射する熱放射側面とから構成されたフォイルと、を準備する段階と、
該フォイルの内面中心にフォイル側リード線をスポット熔接するフォイル熔接段階と、
前記フォイル挿合孔が穿孔形成された前記中空円筒本体の一方側壁に本体側リード線をスポット熔接する本体溶接段階と、
前記中空円筒本体の収容空間に、フォイル側リード線貫通孔が中心に穿孔形成された組立治具を挿入する組立治具挿入段階と、
前記組立治具のフォイル側リード線貫通孔に前記フォイル側リード線を挿入し、前記円盤状フォイルを前記フォイル挿合孔にプレスにより嵌合して組立てるフォイル組立段階とを順次行う熱流束計の製造方法。
【請求項２】
前記フォイル組立段階後、
前記中空円筒本体の収容空間から前記組立治具を分離させる組立治具分離段階と、
前記中空円筒本体の収容空間に充填材を充填させる充填段階とを更に行う請求項１記載の熱流束計の製造方法。
【請求項３】
前記充填材の充填段階は、セラミック充填材を充填した後、前記フォイル及び中空円筒本体の熱流束計組立体に熱を加える加熱硬化段階を更に行うことを特徴とする請求項２記載の熱流束計の製造方法。
【請求項４】
前記加熱硬化段階後、前記熱流束計組立体の全面を微少切削加工する切削段階を更に行う請求項３記載の熱流束計の製造方法。
【請求項５】
前記切削段階後、
前記熱流束計組立体の表面を酸で洗浄する酸洗浄段階と、
該酸洗浄された熱流束計組立体の表面を水洗する水洗段階とを更に行う請求項４記載の熱流束計の製造方法。
【請求項６】
前記水洗段階後、
前記円盤状フォイルの露出面に無反射コーティング膜を形成するコーティング段階を更に行う請求項５記載の熱流束計の製造方法。
【請求項７】
熱流束計の製造時に使用される組立治具であって、
底面に形成された円板状の支持部と、
該支持部から連続して延長されて、前記中空円筒本体の収容空間に挿入自在に突出形成された突出部と、
該突出部の中心部に前記フォイル側リード線が貫通されるように穿孔形成されたリード線貫通孔とを具備する請求項１〜６の何れか一つに記載の熱流束計の製造方法で用いる組立治具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱流束計(heat-flux gage)と、その製造方法及び組立治具とに関し、特に、ＡＳＴＭ(American Society for Testing and Material)Ｅ５１１に開示された円盤状フォイル熱流束計を改良した熱流束計、その製造方法及び組立治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
相互接触する異種の金属間に温度差が発生すると、それら金属間の電位差によって起電力(electromotive force:emf)が発生するが、このとき、前記異種の金属組立体を、測定すべき熱源に装着した後、前述の原理によって発生する起電力に熱流の補正値を乗ずることで、熱流量を算出するセンサー方式のゲージを熱流束計と称す。
【０００３】
図７は、ＡＳＴＭ  Ｅ５１１−７３に掲載された熱流束計の構成及び原理を示した模式図で、図示されたように、一般の熱流束計は、熱電対コンスタンタンとして円盤状フォイル１が無酸素銅(OFHC: oxygen-free high-conductivity copper)により形成されて、該円盤状フォイル１が中空円筒本体２の底面中央に挿合して結合された構造となっている。
【０００４】
熱流束計は、熱流の線形関数としてのミリボルト単位の起電力を発生するように構造されるが、その理由は、他の金属化合物が適用されると、ほとんどが非線形挙動を表すためである。
【０００５】
円盤状フォイル１には、二つの熱電対接合部が形成されて、そのひとつは、中空円筒本体２との接合部である放熱部で、他のひとつは、その中心部に連結されるリード線３との接合部である。
【０００６】
該リード線３は、熱流束計から測定手段に信号を移送する役割をし、一般に薄い銅の導線にＴＦＥ−フッ化炭素(fluorocarbon)がコーティングされて形成され、引出線は、カラーにより陽極と陰極とに区分され、中空円筒本体２には本体側リード線４が連結される。
【０００７】
熱流束計の動作は、表面状態によって敏感な影響を受けるため、対流熱を測定する場合を除いて、熱流束計の表面に、金属または非金属物質がコーティングされる。
【０００８】
放射熱を測定する場合は、高い放射率を有するコーティングが施行され、このようなコーティングは、拡散吸収表面を有するように理想的に行われるが、該拡散コーティングとは、コーティングに放射が発生された場合、入射角の変化による吸収率の変化をなくすために行うものである。
【０００９】
また、理想的にコーティングすると、波長の変化による吸収率の変化をなくすが、これをグレーボディー(gray body)と定義する。但し、一部のコーティングはこのような理想的な状態に近くなるが、多くのコーティングは、それとは異なっている。
【００１０】
高度に洗練された金及びニッケルにより形成されて低い放射率を有する金属性コーティングは、放射熱の反射を要求する特殊な場合に使用され、そのコーティングは、ゲージの敏感度を減少させて、金コーティングの場合に熱流束計の出力が非線形になる現象を引き起こすが、これは、温度変化による金の熱伝導性の急激な変化に起因するためである。
【００１１】
以下、熱流束計の熱流の測定原理を説明する。
熱流束計が熱源に露出されると、円盤状フォイル１に吸収された熱流は、放熱部に向かって放射状に移動し、円盤状フォイル１の中心部と放熱部間には平衡温度の差が急速に発生するが、このとき、円盤状フォイル１の中心部と放熱部間の平衡熱電気ポテンシャル（Ｅ）は、次式に示したように、フォイルに吸収された熱流（ｑ）に正比例して変化する。
ｑ＝ＫＥ
式中、Ｋは、実験結果によって定められた比例常数を示したものである。
【００１２】
従って、実験により適切なＫ値を選定した場合、フォイル側リード線線３及び本体側リード線４により円盤状フォイル１と中空円筒本体２とから夫々発生した起電力を測定することで、熱電気ポテンシャル（Ｅ）値が得られ、前記式により熱流（ｑ）を測定することができる。
【００１３】
このとき、正確な測定をするために、温度は−４５〜２３５℃（５０〜４５０°Ｆ）の範囲内であることが好ましく、若し、この範囲を離脱した温度では、コンスタンタンフォイルの物理的特性の変化により補償されなくなって、ゲージはそれ以上熱電気出力に起因する線形関数挙動を表さなくなる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、このような従来熱流束計においては、正確な測定値を得るために、非常に精密な製作が要求されるため、製作が難しく、原価が上昇するという問題がある。
【００１５】
特に、円盤状フォイル１が挿合された中空円筒本体２の接合部からは放熱されるため、接着剤のような他の材質を添加することができず、よって、円盤状フォイル１を中空円筒本体２に嵌合して組立てるべきであり、この組立工程を簡便且つ精密に行い得る熱流束計の製造方法が切実に要請されている。
【００１６】
円盤状フォイル１に電気的に連結されたフォイル側リード線線３は、基本的に平面上にリード線が結合される構造となっているため、その結合力が弱くて、熱流束計の使用上注意を要するという問題がある。
【００１７】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、堅固な構造を有すると共に、適切な放熱部が形成されることで、正確な測定値が得られる熱流束計と、その製造方法及び組立治具とを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、内部中央に収容空間が切削形成されて、該収容空間の前方に連続してフォイル挿合孔が穿孔形成された中空円筒本体と、熱を吸収する熱吸収面と、該熱吸収面の後方に形成された内面と、それら熱吸収面と内面とに連結されて熱を放射する熱放射側面とから構成されたフォイルと、を準備する段階と、該フォイルの内面中心にフォイル側リード線をスポット熔接するフォイル熔接段階と、前記フォイル挿合孔が穿孔形成された前記中空円筒本体の一方側壁に本体側リード線をスポット熔接する本体溶接段階と、前記中空円筒本体の収容空間に、フォイル側リード線貫通孔が中心に穿孔形成された組立治具を挿入する組立治具挿入段階と、前記組立治具のフォイル側リード線貫通孔に前記フォイル側リード線を挿入し、前記円盤状フォイルを前記フォイル挿合孔にプレスにより嵌合して組立てるフォイル組立段階とを順次行う熱流束計の製造方法を要旨とする。
【００２２】
本発明に係る熱流束計の製造方法は、内部中央に収容空間が切削形成されて、該収容空間の前方に連結してフォイル挿合孔が穿孔形成された中空円筒本体と、熱を吸収する熱吸収面と、該熱吸収面の後方に形成された内面と、それら熱吸収面と内面とに連結されて熱を放射する熱放射側面とから構成されたフォイルと、を準備する段階と、該フォイルの内面中心にフォイル側リード線線をスポット熔接するフォイル熔接段階と、前記フォイル挿合孔が穿孔形成された前記中空円筒本体の一方側壁に本体側リード線をスポット熔接する本体溶接段階と、前記中空円筒本体の収容空間にフォイル側リード線線貫通孔が中心に形成された組立治具を挿入する組立治具挿入段階と、前記組立治具のフォイル側リード線線貫通孔に前記フォイル側リード線線を挿入して、前記円盤状フォイルを前記フォイル挿合孔にプレスにより嵌合して組立てるフォイル組立段階とを順次行うことを含んでいる。
【００２３】
従って、フォイル側リード線線が前記組立治具によって保護されることで、プレス嵌め組立過程でフォイル側リード線線や、該フォイル側リード線線と内面部接触面とが損傷される現象を防止することができる。
【００２４】
また、前記フォイル組立段階後、前記中空円筒本体の収容空間から前記組立治具を分離させる組立治具分離段階と、前記中空円筒本体の収容空間に充填材を充填させる充填段階と、を更に行うことを特徴とする。
【００２５】
この時、前記充填材の充填段階は、セラミック充填材を充填した後、前記フォイル及び中空円筒本体の熱流束計組立体に熱を加える加熱硬化段階を更に行うことを特徴とする。
【００２６】
次いで、前記加熱硬化段階後、前記熱流束計組立体の全面を微少切削加工する切削段階を更に行うことを特徴とする。
次いで、前記切削段階後、前記熱流束計組立体の表面を酸で洗浄する酸洗浄段階と、該酸洗浄された熱流束計組立体の表面を水洗する水洗段階と、を更に行うことを特徴とする。
【００２７】
次いで、前記水洗段階後、前記円盤状フォイルの露出面に無反射コーティング膜を形成するコーティング段階を更に行うことを特徴とする。
本発明に係る熱流束計の組立治具として、円板状の支持部と、該支持部から連続延長されて、前記中空円筒本体の収容空間に挿入自在に突出形成された突出部と、該突出部の中心部に前記フォイル側リード線線が貫通されるように穿孔形成されたリード線貫通孔とを具備する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に対し、図面を用いて説明する。
図１は、本発明に係る熱流束計の構造を示した縦断面図で、図２〜図５は、本発明に係る熱流束計の製造過程を示した図で、図２はフォイル側リード線線を熔接する段階を示した縦断面図、図３は本体側リード線を熔接する段階を示した縦断面図、図４は組立治具を利用してフォイルを中空円筒本体に組立てる段階を示した縦断面図、図５は充填材を充填する段階を示した縦断面図で、図６は本発明に係る熱流束計の組立治具を示した縦断面図である。
【００２９】
各図面に示したように、本発明に係る熱流束計においては、中央に収容空間２２が形成されて、底面中央にフォイル挿合孔２１が穿孔形成された中空円筒本体２と、該中空円筒本体２のフォイル挿合孔２１に挿合されたフォイル１と、該フォイル１に連結されたフォイル側リード線線３と、中空円筒本体２に連結された本体側リード線４と、収容空間２２の内部に充填された充填材５とを具備して構成されている。
【００３０】
中空円筒本体２は、中央内部に切削形成された収容空間２２と、底面の中央に穿孔形成されたフォイル挿合孔２１と、該フォイル挿合孔２１の一方側壁面に穿孔形成されたリード線結合部２３とを具備して構成されている。
【００３１】
フォイル１は、円盤状に形成されて、前面に熱を吸収する熱吸収面１ａが形成され、該熱吸収面１ａの後面に内面１ｂが形成され、それら熱吸収面１ａと内面１ｂとが連結される側面に熱が放射される熱放射側面１ｃが形成されて構成されている。このとき、フォイル１は、内面１ｂが収容空間２２に向かい、熱吸収面１ａがフォイル挿合孔２１の内部に挿入されて挿合されるようになっている。
【００３２】
フォイル側リード線線３は、フォイル１の内面１ｂの中心に連結され、本体側リード線４は、中空円筒本体２のリード線結合部２３に連結される。
充填材５は、熱に強いセラミック材質で構成されるが、これは、本発明に係る熱流束計が高温状態で使用されることで、それによる変形及び燃焼を防止するためである。
【００３３】
図６に示したように、組立治具６は、円板状の支持部６２と、該支持部６２から延長されて、中空円筒本体２の収容空間２２に挿入自在に突成された突出部６３と、該突出部６３の中心部に円盤状フォイル１のリード線３が貫通されるように穿孔形成されたフォイル側リード線線貫通孔６１と、から構成されている。
【００３４】
即ち、円盤状フォイル１の内面１ｂにフォイル側リード線線３を電気的に連結した後、その周囲を充填材により充填することで、フォイル側リード線線３が円盤状フォイル１から容易に離脱することを防止する。
【００３５】
一方、本発明に係る熱流束計の製造方法においては、円盤状フォイル１の内面１ｂにフォイル側リード線線３をスポット熔接するフォイル熔接段階（図２を参照）と、前方の底面に円盤状フォイルの挿合孔２１が穿孔形成されて、内部に収容空間２２が切削形成された中空円筒本体２を準備し、該中空円筒本体２の一方側壁にリード線結合部２３を切削形成して、該リード線結合部２３に本体側リード線４をスポット熔接する本体溶接段階（図３を参照）と、中空円筒本体の収容空間２２に、フォイル側リード線線貫通孔６１が中心部に穿孔形成された組立治具(assemble fixture)６を挿入する組立治具挿入段階（図４を参照）と、該組立治具６のフォイル側リード線線貫通孔６１にフォイル側リード線線３を貫通させて、円盤状フォイル１を中空円筒本体のフォイル挿合孔２１の内部にプレスにより嵌合して組立てるフォイル組立段階（図４を参照）と、を順次行う。
【００３６】
即ち、本発明に係る製造方法においては、フォイル側リード線線３がスポット熔接された状態の円盤状フォイル１を中空円筒本体２にプレスにより嵌合して組立てるとき、中心部にフォイル側リード線線貫通孔６１が穿孔形成された組立治具６を使用することを特徴とする。
【００３７】
従って、中空円筒本体２の内部の収容空間２２に組立治具６を挿入して、パンチ７によって中空円筒本体のフォイル挿合孔２１に円盤状フォイル１を嵌合するため、フォイル側リード線線３を損傷せずに精密な組立を行い得る。
【００３８】
円盤状フォイル１を中空円筒本体２にプレスにより嵌合して組立てた後、中空円筒本体２の収容空間２２から組立治具６を分離させて、中空円筒本体２の収容空間２２の内部に充填材５を充填させる。
【００３９】
このとき、充填材５は、熱に強いセラミック材質を用いることが好ましく、中空円筒本体２の収容空間２２の内部にセラミック材質の充填材５を充填した後、円盤状フォイル１と中空円筒本体２の熱流束計組立体に熱を加えることで、充填材５を硬化させる。
【００４０】
即ち、オーブンにより、１５０℃程度の温度で１時間以上加熱して硬化させることが好ましい。
次いで、充分に冷却した後、円盤状フォイル１が装着された熱流束計組立体の全面を微少切削加工するが、精巧な表面加工は熱流束計の性能を左右する。
【００４１】
このような工程中、熱流束計の表面に斑が発生すると、金属固有の表面状態を維持するために、その熱流束計組立体の表面を酸で洗浄して、水洗を行う。
洗浄剤は、一般の金属固有の表面状態を維持するために使用されるものであれば、如何なるものでもよく、金属の固有色が表れる時まで充分に酸洗浄を施して、流れる水に水洗した後、乾燥させる。
【００４２】
精密な熱流測定を行うためには、円盤状フォイルの表面から熱流の反射が起こる現象を防止すべきあり、そのために、円盤状フォイルの露出面に無反射コーティング膜を形成する。
【００４３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る熱流束計によれば、中空円筒本体の内部の収容空間にセラミックの充填材を充填することで、充填材によりフォイル側リード線線が堅固に支持されて、フォイルの内面から離脱される現象を防止可能という効果を奏する。
【００４４】
また、フォイルをプレスにより嵌合する時、組立治具を使用するようになるため、嵌合時に発生し易いフォイル側リード線線の損傷をなくして、迅速に組立可能という効果をも奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱流束計の構造を示した縦断面図である。
【図２】本発明に係る熱流束計のフォイル側リード線線を熔接する状態を示した縦断面図である。
【図３】本発明に係る熱流束計の本体側リード線を熔接する状態を示した縦断面図である。
【図４】本発明に係る熱流束計の組立治具を利用してフォイルを中空円筒本体に嵌合する状態を示した縦断面図である。
【図５】本発明に係る熱流束計の充填材を充填した状態を示した縦断面図である。
【図６】本発明に係る熱流束計の組立治具を示した縦断面図である。
【図７】従来熱流束計の構成を示した模式図である。
【符号の説明】
１…円盤状フォイル
１ａ…熱吸収面
１ｂ…内面
１ｃ…熱放射側面
２…中空円筒本体
３…フォイル側リード線線
４…本体側リード線
５…充填材
６…組立治具
２１…フォイル挿合孔
２３…リード線結合部
６１…フォイル側リード線線貫通孔
６２…支持部
６３…突出部
【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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