(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象とこの測定対象の状態を示す物理量を検出するセンサとの間に、前記測定対象から前記センサに伝達される輻射熱を低減する伝熱量低減機構を設けており、
前記伝熱量低減機構が筒状体で構成され、この筒状体の内部に、筒の軸方向の端面のうち、前記測定対象側を向く一方の端面から、前記センサ側を向く他方の端面に向けて順にガラス層と、希ガスが充填した空間部又は真空の空間部と、ガラス層を設けていることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記伝熱量低減機構が輻射熱を吸収する熱吸収部を備えている請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記伝熱量低減機構が輻射熱を反射する熱反射部を備えている請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記伝熱量低減機構が空気層を排除した空間部を備えている請求項１〜３の何れか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記伝熱量低減機構が前記熱吸収部で吸収した熱を放熱する放熱部を備えている請求項２に記載の測定装置。
【請求項６】
内燃機関の燃焼室の内部、又は、排気マニホールドの内部、又は、排気管の内部の状態を示す物理量を測定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室などの測定対象から輻射や対流などにより熱が測定装置に移動してくることを抑制できる測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の気筒（シリンダ）内の燃焼状況などを計測する計測装置においては、測定対象である燃焼室などの比較的高温となる部分が多く、測定時においては、測定対象と測定装置との間にすき間を設けていても、この測定対象から輻射や対流などにより測定装置に熱が移動してきて、測定装置のセンサ部分が高温になり破損する可能性がある。
【０００３】
これに関連して、燃焼機関内における温度及び圧力を測定する光センサにおいて、光センサの前方に配置されている光ファイバー（導波手段）を銅又はその他の熱伝導性金属などの金属によって囲む温度降下手段を備えて光ファイバーの熱を放射したり、光ファイバーから出射するビームを透過する中空の管体で形成されるスペーサを設けたりして、測定対象のある高温側端部からセンサのある低温側端部への熱を低減している光センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許５６２８０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、中空の管体では、熱対流や熱伝導による熱伝達量を減少することはできるが、輻射熱（放射熱）による熱伝達を低減することができず、高温で輻射熱の熱量が多い測定対象からの熱がセンサに到達するのを十分に阻止できないという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、比較的高温の測定対象の温度や濃度などを測定する測定装置のセンサへ伝熱される熱量を低減できて、センサの寿命を延ばすことができる測定装置及び測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の測定装置は、測定対象とこの測定対象の状態を示す物理量を検出するセンサとの間に、前記測定対象から前記センサに伝達される輻射熱を低減する伝熱量低減機構を設けており、前記伝熱量低減機構が筒状体で構成され、この筒状体の内部に、筒の軸方向の端面のうち、前記測定対象側を向く一方の端面から、前記センサ側を向く他方の端面に向けて順にガラス層と、希ガスが充填した空間部又は真空の空間部と、ガラス層を設けていることを特徴とする測定装置である。 
【０００８】
なお、このセンサに関しては、赤外線や電磁波などを受けて測定する場合にはその受信部のことをいうが、温度やガス成分の濃度の測定のためにテラヘルツ波などを測定対象に送信して、その反射波若しくは散乱波を受信して測定するような場合には、受信部のみならず発信部も含む。
【０００９】
この構成によれば、輻射熱を低減する伝熱量低減機構を設けたことにより、内燃機関等の比較的高温になる部分の温度や内部のガス濃度等の測定を、センサの熱による故障を防止しながら行うことができるようになる。
【００１０】
また、上記の測定装置において、前記伝熱量低減機構が、輻射熱を吸収する熱吸収部を備えたり、輻射熱を反射する熱反射部を備えたり、空気層を排除した空間部を備えたり、さらには、前記熱吸収部で吸収した熱を放熱する放熱部を備えたりする。
【００１１】
また、より具体的には、上記の測定装置において、前記伝熱量低減機構が筒状体で構成され、この筒状体の内部に、前方から後方に順にガラス層と、希ガスが充填した空間部又は真空の空間部と、ガラス層を設けているように構成される。
【００１２】
この構成によれば、ガラス層を設けることにより、このガラス層を熱吸収部としたり、ガラス層の表面にコート層を設けてその上面に熱反射部を設けたり、前方のガラス層と後方のガラス層の間を空間部としたりすることができるようになり、容易に、熱吸収部、熱反射部、空気層を排除した空間部、放熱部などをコンパクトに設けることができる。
【００１３】
また、上記の測定装置において、内燃機関の燃焼室の内部、又は、排気マニホールドの内部、又は、排気管の内部の状態を示す物理量を測定する測定装置として構成すると、温度が高くなる内燃機関の燃焼室の内部、又は、排気マニホールドの内部、又は、排気管の内部の状態を、センサを保護しながら、内燃機関の状態を精度良く測定できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の測定装置及び測定方法によれば、比較的高温の測定対象の温度や濃度などを測定する測定装置のセンサへ伝えられる熱量を低減できて、センサの寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態の測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明に係る第３の実施の形態の測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図４】ガラス層とコート層の配置と電磁波の入射、透過、反射の様子を模式的に示す図である。
【図５】ガラス層とコート層と誘電体多層膜の配置と電磁波の入射、反射の様子を模式的に示す図である。
【図６】本発明に係る第１の実施の形態における発信部と受信部と測定対象の燃焼室との配置の関係を模式的に示す図である。
【図７】伝熱量低減機構が無い比較例における発信部と受信部と測定対象の燃焼室との配置の関係を模式的に示す図である。
【図８】図７の比較例における発信部と受信部への燃焼室からの輻射熱の移動を模式的に示す図である。
【図９】発信部と燃焼室の間、及び、受信部と燃焼室との間に、空気層が有る場合の予測結果と、空気層が有る場合の実験結果と、空気層が無い場合の予測結果とを模式的に示す、温度と信号強度の比の値の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態の測定装置及び測定方法について図面を参照しながら説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、測定対象として、内燃機関の燃焼室の内部を例にし、測定する物理量としては温度及びガス成分の濃度を例とし、この温度及びガス成分をテラヘルツ波を用いて測定する測定装置を例にしているが、本発明は、これらに限定されることなく、例えば、内燃機関の排気マニホールドの内部や、排気管の内部等における温度やガス成分の濃度の測定や、温度を非接触で測定する放射温度計などの測定装置にも適用することができる。
【００１８】
なお、ここでいうセンサに関しては、電磁波などを受けて測定する場合にはその受信部のことをいうが、図６に示すように、発信部１０から、温度やガス成分の濃度を測定のためにテラヘルツ波（０．０２ＴＨｚ（テラヘルツ）〜３０ＴＨｚ）などの電磁波Ｗｍを燃焼室３に送信して、その反射波若しくは散乱波を受信部３０で受信して、燃焼室３の内部の温度やガス成分の濃度を測定するような場合には、受信部３０のみならず発信部１０もここでいうセンサに含むこととする。
【００１９】
図７に示すように、従来技術では、内燃機関の燃焼室３の状態を測定する場合には、この燃焼室３から離れた位置に空気層を挟んで測定装置の発信部１０と受信部３０を設置して、燃焼室３の内部を通過した測定用信号（電磁波：ここではテラヘルツ波）が受信部３０に到達し、この測定用信号を解析して燃焼室３の内部の物理的、化学的状況を検出する。この場合、図８に示すように、燃焼室３から発する輻射熱Ｈが発信部１０や受信部３０に到達し、これらの発信部１０や受信部３０が、熱によって破壊される可能性がある。
【００２０】
これに対して、本発明では、図６に示すように、本発明の第１の実施の形態の測定装置１は、内燃機関の燃焼室（測定対象）３と、この燃焼室３の状態を示す温度やガス成分等の物理量を検出するためにテラヘルツ波を送信する発信部（センサ）１０との間に、燃焼室３から発信部１０に伝達される輻射熱Ｈを低減する伝熱量低減機構２０を設けている構成とされる。また、テラヘルツ波を受信する受信部（センサ）３０との間に、燃焼室３から受信部３０に伝達される輻射熱Ｈを低減する伝熱量低減機構２０を設けている構成とされる。なお、発信部１０と受信部３０に設けられている伝熱量低減機構２０は同じものを使用できるので、以下では、受信部３０に設けられている伝熱量低減機構２０で説明するが、発信部１０に設けられている伝熱量低減機構２０も同じ構成で同じ効果を発揮できる。
【００２１】
なお、本発明は、図６に示すような発信部１０と受信部３０とが対向して発信部１０からの測定対象の燃焼室３の内部を通過した測定用信号を受信部３０で受信する測定装置１のみでならず、発信部１０の発信方向と受信部３０の受信方向が交差していて、測定用信号が測定対象の内部の物質に衝突して生じた散乱波を受信部３０で受信する測定装置、及び、発信部１０と受信部３０とが同じ側にあって発信部１０から測定対象に発信した測定用信号の反射信号を受信部３０で受信する測定装置などにも適用できる。
【００２２】
そして、図１に示すように、第１の実施の形態の測定装置１の伝熱量低減機構２０は、円筒２１を有する筒状体で構成されており、この筒状体の円筒２１の内部に、燃焼室３側の前方から、受信部３０側の後方に向かって、順に、ガラス層２２と空間部２３とを交互に設けていると共に、受信部３０のセンサ基板３１の直前にガラス層２２を設けている構成とする。
【００２３】
この燃焼室３と受信部３０のセンサ基板３１との間に設けたガラス層２２の内部に黒体に類似した黒鉛や煤などの熱を吸収し易い熱吸収用物質を混入することで熱吸収部を構成でき、これらの熱吸収用物質に輻射熱Ｈである電磁波（例えば、赤外線：波長で１μｍ〜１ｍｍ程度）Ｗｈｉを吸収させて、ガラス層２２に熱を蓄熱させて、後方に輻射熱Ｈの電磁波Ｗｈｉが届かないようにすることができる。この構成により、伝熱量低減機構２０に輻射熱Ｈを吸収する熱吸収部２２を設けている構成となる。
【００２４】
また、図１に示すように、このガラス層２２の最も燃焼室３側に最前方のコート層２２ａを設け、この最前方のコート層２２ａの表面に輻射熱Ｈである電磁波Ｗｈｉを反射させるコーティングを設ける。また、さらに、図１及び図４に示すように、この円筒２１の中間や後方にあるガラス層２２の前方のコート層２２ｂの表面２２ｂｆと、ガラス層２２の後方のコート層２２ｂとガラス層２２との境面２２ｓに輻射熱Ｈの電磁波Ｗｈｉを反射させるコーティングを設ける。
【００２５】
この測定装置１が燃焼室３の測定に用いられる場合には、図１に示すように、燃焼室３を囲む周壁３ａに燃焼室３内に通じる窓となる貫通孔３ｂを設けて、測定装置１の入口側をその貫通孔３ｂに挿入して、燃焼ガスが触れる状態とする。つまり、円筒２１が燃焼室３の壁面３ａに開口された貫通孔３ｂに挿入されて、燃焼室３側のガラス層２２が燃焼室３の燃焼ガスに接触する。なお、この燃焼ガスに接触するガラス層２２の前面においては、燃焼ガスのような特に高温となる物質に曝されて、加熱によるコート層２２ａが破損する可能性があるような場合では最前方のコート層２２ａを設けてなくてもよい。
【００２６】
また、図５に示すように、このガラス層２２とコート層２２ｂとが接触する境面２２ｓを、電磁波Ｗｈｉを反射し易くするために、また、コート層２２ｂを形成し易くするために、鏡面仕上とすることが好ましく、例えば、表面粗さが、ＪＩＳの算術平均粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａで１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２７】
また、この電磁波Ｗｈｉを反射させる構造の一つとして、輻射熱（赤外線波長）を反射または吸収するコーテイングがある。このコーテイングは、複数の屈折率の異なる材質や膜厚を適切に選択することにより、特殊な透過率・反射率波長特性を作ることができるものである。つまり、このコーテイングを用いることにより、特定の波長を設計の中心波長として、その波長より長波長側だけを通したり、逆に反射したりすることができ、また、特定の波長だけ透過させることもできる構造とすることができる。また、熱反射部として金の薄膜コートを使用することもできる。
【００２８】
この反射させるコーテイングにより、図４に示すように、輻射熱Ｈとなる電磁波Ｗｈｉの一部である電磁波Ｗｈｒを反射して、電磁波Ｗｈｉの受信部３０のセンサ基板３１への到達を阻止しつつ、測定用信号のテラヘルツ波などの必要な電磁波Ｗｍを通過させてセンサ基板３１へ到達させることができる。このように、コーテイングをガラス層２２の表面のコート層２２ａ、２２ｂの表面に設けることにより、伝熱量低減機構２０に輻射熱Ｈを反射する熱反射部を構成できる。
【００２９】
なお、測定用にテラヘルツ波（０．０２ＴＨｚ（テラヘルツ）〜３０ＴＨｚ：波長で０．０１ｍ〜１５ｍｍ程度）の一部の電磁波Ｗｍを使用した場合には、反射する電磁波Ｗｈｒの周波数帯域は、この測定用のテラヘルツ波の電磁波Ｗｍを除く周波数帯域とする。この反射する電磁波Ｗｈｒの周波数帯域と、透過させる電磁波Ｗｍの周波数帯域との選択は、ガラス層２２の厚さやコート層２２ａ、２２ｂの材質、厚さや輻射熱を反射または吸収するコーテイングの構成等によってコントロールすることができる。
【００３０】
そして、このガラス層２２とガラス層２２の間に空間部２３を設け、この空間部２３においては、電磁波Ｗなどの吸収し難いアルゴン（Ａｒ）などの希ガス系のガスＧａを封入したり、真空にしたりして空気量を希薄にして、空気層を排除する。この構成により、空気層により燃焼室３に照射する電磁波Ｗｍが減衰して、受信部３０で受信する測定用信号が弱くなることを防止する。これにより、測定用信号の減衰を軽減できるので、センサ基板３１に到達する信号強度を高く維持でき、検出精度の低下を防止する。なお、真空とした場合はこの空気層の排除と共に、空間部２３の内部における対流による熱伝達も防止できる。
【００３１】
更に、伝熱量低減機構２０に、熱吸収部であるガラス層２２で吸収した熱を放熱する放熱部をガラス層２２の周囲に設けて構成する。図１に示す第１の実施の形態の測定装置１では、この放熱部は、筒体２１の周囲に設けたフィン構造の放熱板２４を用いて外部に放熱する。また、図２に示す第２の実施の形態の測定装置１Ａでは、この放熱部は、筒体２１の内部に設けたヒートパイプ２５を用いて、熱を円筒２１の低温部分に移動させたり、外部に熱移動させたりする。
【００３２】
また、図３に示す第３の実施の形態の測定装置１Ｂでは、空間部２３を希ガスＧａが循環するように円筒２１の内部に流路２６を形成し、この流路２６に入口側流路２６ａと出口側流路２６ｂを接続して構成し、希ガスＧａを入口側流路２６ａから流路２６を経由して空間部２３に入れて、ガラス層２２を冷却する。その後のガラス層２２の熱で昇温した希ガスＧａを流路２６を経由させて出口側流路２６ｂから空間部２３の外部に導出させて、この外部で冷却装置（図示しない）などで希ガスＧａを冷却する。そして、この冷却されて温度が低くなった希ガスＧａを再度、入口側流路２６ａから流路２６に入れて、循環させる。なお、この希ガスＧａの代わりに温度上昇により融けて流動性のあるポリエチレンなどを用いたりすることもできる。
【００３３】
この放熱部２４、２５、２６を備えた構成により、この輻射熱Ｈを吸収した熱吸収部であるガラス層２２を冷却して、ガラス層２２の熱を放熱できるので、ガラス層２２に熱が蓄積して温度が昇温するのを防止できると共に、このガラス層２２の熱がセンサ基板３１に伝熱されるのを防止することができる。
【００３４】
つまり、測定装置１、１Ａ、１Ｂにおいて、伝熱量低減機構２０、２０Ａ、２０Ｂを筒状体で構成して、この筒状体を形成する筒体２１の内部に、前方から後方に順にガラス層２２と、希ガスＧａが充填した空間部２３又は真空の空間部２３と、ガラス層２２を設けているように構成される。なお、図１〜図３では、このガラス層２２が３つで、その間の空間部２３は２つとなっている。
【００３５】
この構成によれば、ガラス層２２を設けることにより、このガラス層２２を熱吸収部としたり、ガラス層２２の表面にコート層２２ａ、２２ｂを設けて、このコート層の上面に熱反射部（コーテイング）を設けたりすることができ、また、前方のガラス層２２と後方のガラス層２２の間を空間部２３とすることができるようになるので、容易に、熱吸収部２２、熱反射部２２ｂｆ、２２ｓ空気層を排除した空間部２３、放熱部２４、２５、２６などをコンパクトに設けることができる。
【００３６】
つまり、これらにより、内燃機関の燃焼室３の内部等の比較的高温となる測定対象をセンシングする測定装置１、１Ａ、１Ｂにおいて、輻射熱Ｈが受信部３０に到達するのを防止して、発信部１０や受信部３０を熱から保護することができると共に、受信部３０に到達する測定用信号を低減することが無く検出精度を向上できる仕組みを設けることができる。
【００３７】
また、これらの測定装置１、１Ａ、１Ｂにおいて、内燃機関の燃焼室３の内部、又は、内燃機関の排気マニホールド（図示しない）の内部、又は、内燃機関の排気管（図示しない）の内部の状態を示す温度やガス成分の濃度等の物理量を測定するように構成すると、温度が高くなる内燃機関の燃焼室３の内部、排気マニホールドの内部、排気管の内部の状態を、センサ基板３１を保護しながら、内燃機関の状態を精度良く測定できるようになる。
【００３８】
次に、本発明の実施の形態における測定方法について説明する。この測定方法は、燃焼室（測定対象）３の状態を示す温度やガス成分の濃度などの物理量を検出する測定方法において、燃焼室３とこの燃焼室３の状態を示す物理量を検出する受信部（センサ）３０との間に設けた伝熱量低減機構２０、２０Ａ、２０Ｂにより、燃焼室３から受信部３０に伝達される輻射熱Ｈを低減することを特徴とする方法である。
【００３９】
また、さらに、この測定方法において、伝熱量低減機構２０、２０Ａ、２０Ｂに備えた輻射熱Ｈを吸収する熱吸収部２２で輻射熱Ｈを吸収して輻射熱Ｈが受信部３０に伝達されるのを防止したり、輻射熱Ｈを反射する熱反射部２２ｂｆ、２２ｓで輻射熱Ｈを反射して輻射熱Ｈが受信部３０に伝達されるのを防止したり、空気層を排除した空間部２３で、空気層により燃焼室３に照射する電磁波Ｗｍが減衰して、受信部３０で受信する測定用信号が弱くなることを回避したりする。さらには、熱吸収部２２で吸収した熱を放熱する放熱部２４、２５、２６で放熱し、熱吸収部２２の温度上昇を防止して、熱吸収部２２で吸収した熱が受信部３０に伝達されるのを防止したりする。
【００４０】
上記の構成の本発明の実施の形態の測定装置１、１Ａ、１Ｂ、及び、測定方法によれば、輻射熱Ｈを低減する伝熱量低減機構２０、２０Ａ、２０Ｂにより、内燃機関等の比較的高温になる部分の温度や内部のガス濃度等の測定を、発信部１０や受信部３０の熱による故障を防止しながら行うことができるようになる。
【００４１】
つまり、図７及び図８に示すような、燃焼室３などの測定対象（検出対象）と発信部１０と受信部３０との間に隙間を設けて配置されるために空気層が存在して、この空気層における輻射(放射)や対流により発信部１０と受信部３０に輻射熱Ｈや対流熱が伝達されたり、この空気層により測定用信号が受信部３０に到達するまでに低減されたりする場合や、図示しないが、受信部３０を熱から保護するための保護カバーを受信部３０の前方に設けて検出信号が弱くなる場合などに比べて、受信部３０のセンサに加わる輻射熱Ｈを低減し、また、空気層を排除することで受信部３０に入力される測定用信号を強い状態のままで維持でき、測定精度（検出精度）を向上することができる。そのため、内燃機関の燃焼室３等の測定対象の状態をより正確に検出することができるようになる。さらに、受信部３０に加わる熱を低減することで、受信部３０の寿命を延ばすことが可能となる。
【００４２】
なお、図９に示すように、センサと燃焼室の間に隙間（空気層）が存在することにより、信号強度の減衰が発生する。この図９の横軸は温度を、縦軸は基準状態に対する信号強度の比の値を示す。この図９のＡは、受信部３０と測定対象の間にすき間がある場合の予測結果（計算値）を示し、図９のＢは、受信部３０と測定対象の間にすき間がある場合の実験結果を示し、図９のＣは、受信部３０と測定対象の間にすき間がない場合の予測結果（計算値）を示す。同じ距離における、隙間ありの予測結果Ａと隙間なしの予測結果Ｃでは信号強度の比の値に大きく差が出ており、空気層における信号強度の比の値を検出困難とする効果を抑えるためには、隙間、つまり、空気層を存在させないようにする必要があることが分かる。
【符号の説明】
【００４３】
１、１Ａ、１Ｂ  測定装置
３  燃焼室（測定対象）
３ａ  燃焼室の周壁
３ｂ  貫通孔
１０  発信部（センサ）
２０  伝熱量低減機構
２１  円筒
２２  ガラス層（熱吸収部）
２２ａ  最前方のコート層（熱反射部）
２２ｂ  コート層
２２ｂｆ  コート層の表面（熱反射部）
２２ｓ  コート層とガラス層の境面
２３  空間部
２４  放熱板（放熱部）
２５  ヒートパイプ（放熱部）
２６  流路（放熱部）
２６ａ  入口側流路（放熱部）
２６ｂ  出口側流路（放熱部）
３０  受信部（センサ）
３１  センサ基板（センサ）
Ｇａ  希ガス
Ｈ  輻射熱
Ｗ  電磁波
Ｗｈｉ  輻射熱に大きく関与する電磁波
Ｗｈｒ  反射する電磁波
Ｗｍ  測定用の電磁波
【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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