(57)【要約】      （修正有）【課題】溶融物や粉体、液体といったサンプルであっても効率よく被加熱面を加熱でき、サンプルから放射された電磁波のみを確実に測定できる放射エネルギー測定装置の提供。【解決手段】被加熱物（サンプルＳ）を鉛直下方から支持する支持部２１２と、支持部２１２の鉛直上方に設けられ、鉛直方向に貫通した貫通孔２３２ａ、２３２ｂを有し、被加熱物を加熱する加熱部（サンプル加熱部２３２）と、加熱部に加熱されることによって被加熱物から放射されるとともに、貫通孔２３２ａ、２３２ｂを通過した電磁波のエネルギー量を測定するエネルギー量測定部と、を備える。【選択図】図３
2014035310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を鉛直下方から支持する支持部と、
前記支持部の鉛直上方に設けられ、鉛直方向に貫通した貫通孔を有し、前記被加熱物を加熱する加熱部と、
前記加熱部に加熱されることによって前記被加熱物から放射され、前記貫通孔を通過した電磁波のエネルギー量を測定するエネルギー量測定部と、
を備えたことを特徴とする放射エネルギー測定装置。
【請求項２】
前記貫通孔内に設けられ、前記被加熱物以外から放射された電磁波を遮断する遮断部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の放射エネルギー測定装置。
【請求項３】
前記加熱部は、前記被加熱物の表面に沿った形状で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の放射エネルギー測定装置。
【請求項４】
前記加熱部を含む上部ユニットと、前記支持部を含む下部ユニットとが互いに分離可能に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の放射エネルギー測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加熱物を加熱することによって、当該被加熱物から放射された電磁波のエネルギー量を測定する放射エネルギー測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
サンプルを加熱することで当該サンプルから放射される電磁波（ふく射）の放射率を測定する技術として、黒体比較法という技術が知られている。黒体比較法は、放射される電磁波のエネルギー量が既知である黒体と、サンプルとを等温に加熱して、黒体の電磁波のエネルギー量とサンプルの電磁波のエネルギー量とを比較することによって、サンプルに関する電磁波の放射率を測定する技術である。
【０００３】
このような、黒体比較法を遂行するための放射エネルギー測定装置においてサンプルを加熱する加熱部として、サンプルを載置したサンプル皿の鉛直下方に設置され、当該サンプル皿を介してサンプルを鉛直下方から加熱する加熱部が開示されている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。すべての物体は加熱されると、直進性を有する電磁波を全方向に放射するので、上述した鉛直下方に加熱部を設置した放射エネルギー測定装置では、サンプルの鉛直上方を大気開放することで室温に冷却して、サンプルの上面付近から、電磁波を放射する物体、すなわち、高温の物体がないようにし、サンプル上面から鉛直上方に向かって放射された電磁波を測定することで、サンプルの電磁波のエネルギー量のみを測定している。
【０００４】
しかし、鉛直下方からサンプルを加熱する上記技術では、測定対象となる電磁波を放射する鉛直上面を直接加熱するわけではないため、当該サンプルの鉛直上面を効率よく加熱することが困難である。例えば、熱伝導率が相対的に低いサンプルの鉛直上面の温度を１５００℃にするためには、加熱部の温度を２０００℃以上にしなければならなかった。
【０００５】
そこで、内周面に加熱部が配された断熱室にサンプルを設置しておき、サンプル全体を直接加熱する技術が開発されている（例えば、非特許文献２）。非特許文献２の技術では、加熱部が放射する電磁波を除外するために、鉛直方向に延伸した冷却管をサンプルの上面近傍に配し、冷却管を通過した電磁波のみを測定している。この場合、サンプル以外が放射した電磁波を冷却管の外周面で物理的に遮断するとともに、冷却管に、サンプルの上面から鉛直上方に放射された電磁波のみを通過させることができる。したがって、サンプルが放射した電磁波のエネルギー量のみを測定することが可能となる。
【０００６】
また、サンプルを加熱する加熱工程においてサンプルの側面に加熱部を配しておき、サンプルの側面から水平方向に向かって放射される電磁波を測定する測定工程においては、加熱部をサンプルの側面から退避させて、代わりに測定部を配して、電磁波のエネルギー量を測定する技術も開示されている（例えば、非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−２１９５５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Mulcahy, M. F. R. et al., "Fireside Deposits and Their Effect on Heat Transfer in a Pulverized Fuel-Fired Boiler (Part1)“, J. Institute of Fuel, vol.39, No.308, (1966)
【非特許文献２】Kjelby, A. S., Emittance Measurement Capability for Temperatures up to 3000°F, Measurement of Thermal Radiation Properties of Solids, NASA SP-31, pp.505-514 (1963)
【非特許文献３】Redgrove J. S, A new method for accurate measurement of spectral emissivity, High Temperatures - High Pressures, vol.17, pp.145-151 (1985)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した非特許文献２の技術では、冷却管をサンプルの鉛直上面近傍に常に配しておくと、サンプルの鉛直上面における冷却管と相対する領域が冷却管によって冷却されたり、加熱部によって加熱されなくなったりして、冷却管と相対する領域の温度が低下する。したがって、加熱時には断熱室外に冷却管を退避させておき、測定時にのみ冷却管をサンプルの鉛直上面近傍に配するようにしている。このため、冷却管を駆動させるための複雑な駆動機構を要し、装置自体のコストが増大していた。また、冷却管を鉛直方向に移動させているため、断熱室の上方に冷却管を退避させるためのスペースが必要となり、装置自体の占有体積が大きくなってしまっていた。
【００１０】
また、非特許文献３の技術では、サンプルの側面を加熱するため、側面を形成することができないサンプル、例えば、溶融物や粉体、液体が放射する電磁波を測定することができない。
【００１１】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、溶融物や粉体、液体といったサンプルであっても効率よく被加熱面を加熱でき、サンプルから放射された電磁波のみを確実に測定することが可能な放射エネルギー測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の放射エネルギー測定装置は、被加熱物を鉛直下方から支持する支持部と、支持部の鉛直上方に設けられ、鉛直方向に貫通した貫通孔を有し、被加熱物を加熱する加熱部と、加熱部に加熱されることによって被加熱物から放射され、貫通孔を通過した電磁波のエネルギー量を測定するエネルギー量測定部と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、貫通孔内に設けられ、被加熱物以外から放射された電磁波を遮断する遮断部をさらに備えるとしてもよい。
【００１４】
また、加熱部は、被加熱物の表面に沿った形状で構成されるとしてもよい。
【００１５】
また、加熱部を含む上部ユニットと、支持部を含む下部ユニットとが互いに分離可能に設けられているとしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、溶融物や粉体、液体といったサンプルであっても効率よく被加熱面を加熱でき、サンプルから放射された電磁波のみを確実に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】放射エネルギー測定装置の構成を説明するための図である。
【図２】サンプル加熱炉の斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線におけるＹＺ断面図である。
【図４】遮断部の具体的な構成の一例を説明するための図である。
【図５】実施例と比較例とのサンプルの温度差を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１９】
（放射エネルギー測定装置１００）
図１は、放射エネルギー測定装置１００の構成を説明するための図である。図１中、電磁波の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。図１に示すように、放射エネルギー測定装置１００は、黒体加熱炉１１０と、黒体温度測定部１２０と、サンプル加熱炉１５０と、サンプル温度測定部１６０と、温度制御部１７０と、複数のミラー１８０（１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄ）と、エネルギー量測定部１９０とを含んで構成される。
【００２０】
黒体加熱炉１１０は、黒体１１２と、黒体加熱部１１４とを含んで構成される。黒体１１２は、実質的に黒体とみなせる物質であればよく、例えば、放射率が０．９以上の物質を採用できる。黒体加熱部１１４は、後述する温度制御部１７０の制御指令に応じて黒体１１２を加熱する。黒体温度測定部１２０は、例えば、熱電対で構成されており、黒体１１２における、測定対象となる電磁波を放射する面の温度（以下、単に「黒体１１２の温度」と称する）を測定する。
【００２１】
詳しくは後述するが、サンプル加熱炉１５０は、少なくとも、サンプルＳと、サンプル加熱部２３２とを含んで構成される。サンプル加熱部２３２は、温度制御部１７０の制御指令に応じてサンプルＳを加熱する。サンプル温度測定部１６０は、例えば、熱電対で構成されており、サンプルＳにおける、測定対象となる電磁波を放射する面（本実施形態では、鉛直上面）の温度（以下、単に「サンプルＳの温度」と称する）を測定する。
【００２２】
温度制御部１７０は、黒体温度測定部１２０が測定した黒体１１２の温度に基づいて黒体加熱部１１４を制御し、サンプル温度測定部１６０が測定したサンプルＳの温度に基づいて、サンプル加熱部２３２を制御して、黒体１１２の温度とサンプルＳの温度とが実質的に等温になるように制御する。
【００２３】
そして、黒体加熱部１１４によって加熱されることで、黒体１１２から放射された電磁波は、ミラー１８０ａ、１８０ｂで反射されてエネルギー量測定部１９０に導入される。一方、サンプル加熱部２３２によって加熱されることで、サンプルＳから放射された電磁波は、ミラー１８０ｃ、１８０ｄで反射されてエネルギー量測定部１９０に導入される。
【００２４】
エネルギー量測定部１９０は、例えば、ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）で構成され、黒体１１２から放射された電磁波のエネルギー量（以下、単に「黒体１１２の放射エネルギー量」と称する）と、サンプルから放射された電磁波のエネルギー量（以下、単に「サンプルＳの放射エネルギー量」と称する）を測定する。そして、エネルギー量測定部１９０は、測定した黒体１１２の放射エネルギー量を基準として、サンプルＳの電磁波の放射率を導出する。
【００２５】
このように、放射エネルギー測定装置１００において、サンプル加熱炉１５０はサンプルＳを効率よく加熱するとともに、サンプルＳ以外の物質から放射される電磁波がエネルギー量測定部１９０に導入されるのを回避する必要がある。そこで、本実施形態では、サンプルＳの加熱効率を向上させるとともに、外乱となるサンプルＳ以外の物質が放射した電磁波のエネルギー量測定部１９０への混入を防止することが可能なサンプル加熱炉１５０について説明する。
【００２６】
（サンプル加熱炉１５０）
図２は、サンプル加熱炉１５０の斜視図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線におけるＹＺ断面図である。本実施形態の図２では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。
【００２７】
これらの図に示すように、サンプル加熱炉１５０は、下部ユニット２１０と、上部ユニット２３０とで構成されており、下部ユニット２１０は、支持部２１２と、回転部２１４と、断熱材２１６とを含んで構成され、上部ユニット２３０は、サンプル加熱部（加熱部）２３２と、遮断部２４０（図中、２４０ａ、２４０ｂで示す）と、断熱材２５０とを含んで構成される。ここでは、まず、支持部２１２、サンプル加熱部２３２、遮断部２４０の構成を説明し、続いて、回転部２１４、断熱材２１６、２５０について説明する。
【００２８】
支持部２１２は、例えば、セラミック製の皿（トレー）で構成され、サンプルＳ（被加熱物）を鉛直下方から支持する。かかる構成により、固形物のみならず、溶融物や粉体、液体といったサンプルＳであっても確実に支持することができる。
【００２９】
サンプル加熱部２３２は、支持部２１２の鉛直上方に設けられており、上述した温度制御部１７０の制御指令に応じて、サンプルＳを直接加熱する。サンプル加熱部２３２は、例えば、サンプルＳを室温程度から１５００℃〜２０００℃程度まで加熱する。詳細に説明すると、サンプル加熱部２３２は、サンプルＳの表面に沿った形状で構成されており、サンプルＳの鉛直上面を加熱する。サンプル加熱部２３２とサンプルＳとの距離は、できる限り短い方が好ましく、例えば、１０ｍｍ以下がよく、５ｍｍ以下がより好ましい。つまり、サンプル加熱部２３２は、サンプルＳの鉛直上面を覆うように配されることとなる。
【００３０】
このように、サンプルＳの鉛直上方にサンプル加熱部２３２を配することで、サンプル加熱部２３２から見たサンプルＳの形態係数（視野に入る割合）を向上させることができ、サンプルＳの熱伝導率にかかわらず、サンプルＳの鉛直上面、すなわち、電磁波の放射面を効率よく加熱することができる。そして、サンプル加熱部２３２によってサンプルＳが加熱されると、サンプルＳの鉛直上面から全方向に電磁波が放射されることになる。
【００３１】
また、サンプル加熱部２３２には、鉛直方向（図３中、Ｚ軸方向）に貫通した貫通孔２３２ａ、２３２ｂが設けられており、かかる貫通孔２３２ａ、２３２ｂに遮断部２４０ａ、２４０ｂが設けられている。
【００３２】
図４は、遮断部２４０ａの具体的な構成の一例を説明するための図であり、遮断部２４０ａにおけるサンプルＳ近傍の部分拡大図を示す。なお、遮断部２４０ｂは、遮断部２４０ａと実質的に構成が等しいため、ここでは、遮断部２４０ａについて説明し、遮断部２４０ｂについての説明を省略する。
【００３３】
図４に示すように、遮断部２４０ａは、２重管（外周部２４２、内周部２４４）と仕切板２４６とで構成されており、遮断部２４０ａ内を冷媒（例えば、水、空気、図４中、破線の矢印で示す）が流通可能である。したがって、遮断部２４０ａに冷媒を流通させることにより、サンプルＳと比較して、遮断部２４０ａを十分に冷却することができ、遮断部２４０から放射される電磁波を実質的にゼロとすることができる。
【００３４】
また、上述したように、すべての物体は加熱されると電磁波を放射するが、サンプルＳから鉛直上方に向かって放射される電磁波（図４中、白抜き矢印で示す）を囲繞するように遮断部２４０ａを配することにより、遮断部２４０ａは、サンプルＳから鉛直上方に向かって放射される電磁波以外の電磁波（図４中、実線の矢印で示す）のエネルギー量測定部１９０への導入を物理的に遮断することが可能となる。
【００３５】
ここで、サンプルＳから鉛直上方に向かって放射される電磁波以外の電磁波は、例えば、サンプルＳから鉛直上方向以外の方向に放射される電磁波Ｒ１、サンプル加熱部２３２自体から放射される電磁波Ｒ２、サンプル加熱部２３２によって加熱されることで断熱材２１６、２５０から放射される電磁波Ｒ３、支持部２１２から放射される電磁波Ｒ４である。
【００３６】
また、本実施形態にかかる遮断部２４０の内周面２４４ａには、黒体が保持（塗布）されている。これにより、サンプルＳから鉛直上方に向かって放射される電磁波以外の電磁波であって、サンプルＳの鉛直上面で反射した電磁波を黒体に吸収させることができる。したがって、サンプルＳから鉛直上方に向かって放射される電磁波以外の電磁波であって、サンプルＳの鉛直上面で反射した電磁波がエネルギー量測定部１９０へ導入されるのを回避することが可能となる。ここで、遮断部２４０の内周面２４４ａに保持させる黒体の放射率は、例えば、０．９以上であり、耐熱温度は、冷媒の冷却限界温度以上（冷媒が水である場合、１００℃）であるとよい。
【００３７】
こうして、サンプルＳから鉛直上方に放射された電磁波のみが、遮断部２４０を通過することができ、エネルギー量測定部１９０は、サンプルＳから鉛直上方に放射された電磁波のエネルギー量のみを測定することが可能となる。
【００３８】
なお、エネルギー量測定部１９０においてサンプルＳの電磁波を測定している間は、外乱（サンプルＳから鉛直上方に向かって放射される電磁波以外の電磁波）の混入を抑制するために、遮断部２４０に常時冷媒を流通させている。したがって、冷却された遮断部２４０によって、サンプルＳの鉛直上面の一部（サンプルＳにおける遮断部２４０と相対する領域）から熱が奪われてしまうことがある。また、サンプルＳにおける遮断部２４０と相対する領域は、サンプル加熱部２３２と相対しなくなることから、温度が低下してしまうことがある。そこで、本実施形態にかかるサンプル加熱炉１５０では、回転部２１４を設けている。
【００３９】
図３に戻って説明すると、回転部２１４は、支持部２１２に連結されたシャフト２１４ａと、シャフト２１４ａを回転駆動する不図示のモータとを含んで構成され、鉛直方向（図３中、Ｚ軸方向）を回転軸として支持部２１２を回転させる。なお、回転部２１４は、エネルギー量測定部１９０によるサンプルＳの電磁波を測定している間、支持部２１２を回転させる。
【００４０】
回転部２１４が支持部２１２を回転させることにより、サンプルＳにおける遮断部２４０と相対する領域を周方向に分散することができ、サンプルＳにおける任意の領域が遮断部２４０と常に相対することがなくなり、また、サンプルＳにおける任意の領域が常にサンプル加熱部２３２に相対しないことがなくなり、サンプルＳにおける特定の領域が冷却されてしまう事態を回避することが可能となる。つまり、サンプルＳにおける、測定対象となる電磁波を放射する面とサンプル加熱部２３２とを断続的に相対することができ、測定対象となる電磁波を放射する面の温度が著しく低下してしまうことがなくなる。したがって、エネルギー量測定部１９０は、サンプル加熱部２３２によって加熱されたサンプルＳの鉛直上面における、遮断部２４０と相対する周方向の領域の平均の電磁波を測定することとなる。
【００４１】
断熱材２１６は、支持部２１２およびシャフト２１４ａを囲繞し、サンプル加熱部２３２によってサンプルＳに与えられた熱の外部への放熱を抑制する。断熱材２５０は、サンプル加熱部２３２、遮断部２４０を囲繞し、サンプル加熱部２３２が放出する熱の外部への放熱を抑制する。
【００４２】
また、本実施形態において、下部ユニット２１０と上部ユニット２３０とは、互いに分離可能に設けられている。かかる構成により、サンプルＳを容易に支持部２１２に設置することができる。また、支持部２１２、回転部２１４、サンプル加熱部２３２、遮断部２４０等の構成部材のメンテナンス性を向上することが可能となる。
【００４３】
（実施例）
図５は、実施例と比較例とのサンプルの温度差を説明するための図であり、図５（ａ）は、比較例のサンプル加熱炉１０を説明するための図を示し、図５（ｂ）は、実施例のサンプル加熱部２３２によって加熱した場合のサンプルの温度と、比較例の加熱部１４によって加熱した場合のサンプルの温度との差を説明するための図である。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、比較例のサンプル加熱炉１０は、支持部２１２と、加熱部１４とを含んで構成される。なお、サンプル加熱炉１０の支持部２１２は、サンプル加熱炉１５０の支持部２１２と同様に、セラミック製の皿（トレー）で構成され、サンプルＳを鉛直下方から支持する。一方、サンプル加熱炉１０の加熱部１４は、支持部２１２の鉛直下方に配され、鉛直下方からサンプルＳを加熱する。
【００４５】
まず、比較例におけるサンプルＳの鉛直上面の温度と、加熱部１０の温度について説明すると、図５（ｂ）中、黒四角で示すように、比較例では、加熱部１０の温度よりも４００℃〜６００℃程度低い温度までしかサンプルＳの鉛直上面を加熱することができない。一方、図５（ｂ）中、白四角で示すように、実施例では、サンプル加熱部２３２の温度と実質的に等しい温度にサンプルＳの鉛直上面を加熱することができることが分かった。
【００４６】
以上の結果から、本実施形態にかかるサンプル加熱部２３２を用いることで、サンプルＳの鉛直上面（測定対象となる電磁波を放射する面）を効率よく加熱することができることを確認できた。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態にかかる放射エネルギー測定装置１００によれば、サンプルＳ（被加熱物）を鉛直下方から支持した状態で、鉛直上方から加熱することにより、溶融物や粉体、液体といったサンプルＳであっても効率よく被加熱面を加熱でき、サンプルＳから放射された電磁波のみを確実に測定することが可能となる。
【００４８】
また、従来の、測定時のみ遮断部（冷却管）をサンプル近傍に位置させる構成と比較して、遮断部２４０を移動させる必要がないため、遮断部２４０を駆動させるための複雑な駆動機構が不要となり、装置自体のコストの増大を抑えることができる。また、遮断部２４０を鉛直方向に移動させる必要がないため、サンプル加熱炉１５０の上方に遮断部２４０を退避させるためのスペースも不要となり、装置自体の占有体積の増大を回避することが可能となる。
【００４９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５０】
例えば、上述した実施形態において、加熱部として、サンプル加熱炉１５０のサンプル加熱部２３２を例に挙げて説明したが、黒体加熱炉１１０の黒体加熱部１１４に、本発明の加熱部を適用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、被加熱物を加熱することによって、当該被加熱物から放射された電磁波のエネルギー量を測定する放射エネルギー測定装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１００  …放射エネルギー測定装置
１９０  …エネルギー量測定部
２１０  …下部ユニット
２１２  …支持部
２３０  …上部ユニット
２３２  …サンプル加熱部（加熱部）
２３２ａ、２３２ｂ  …貫通孔
２４０  …遮断部
【図１】
2014035310.tif 000003
【図２】
2014035310.tif 000004
【図３】
2014035310.tif 000005
【図４】
2014035310.tif 000006
【図５】
2014035310.tif 000007