(57)【要約】【課題】放射流束の測定に際して、従来技術の黒球温度計（グローブサーモメーター）や日射計および赤外放射計を使用すると、放射の指向性を計測できないという短所、とくに黒球温度計は屋外では風の影響を受けやすい上に、応答性が非常に悪く、精度も良くないという欠点がある。【解決手段】多数の非結像集光作用のあるフレネルレンズもしくは反射鏡と放射流束センサーを組み合わせたものを全球方向に配置し、カバー材料に測定対象とする放射の波長領域での透過率が高いという選択透過性を持った光学フィルタを用いた構造の放射流束計を提案する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非結像集光作用のある光学レンズもしくは反射鏡により所定の角度（許容入射半角）より小さい入射角で入射する日射や熱放射などの電磁波のみを放射流束センサー部に集束するという特徴を有し、レンズと放射流束センサーの組合せを全球方向外向きに多数配置するという特徴を有する放射流束計。
【請求項２】
フレネルレンズにより所定の角度（許容入射半角）より小さい入射角で入射する日射や熱放射などの電磁波のみを放射流束センサー部に集束するという特徴を有し、フレネルレンズと放射流束センサーの組合せを全球方向外向きに多数配置するという特徴を有する放射流束計。
【請求項３】
円筒状もしくは円錐状の反射鏡により所定の角度（許容入射半角）より小さい入射角で入射する日射や熱放射などの電磁波のみを放射流束センサー部に集束するという特徴を有し、円筒状もしくは円錐状の反射鏡と放射流束センサーの組合せを全球方向に外向きに多数配置するという特徴を有する放射流束計。
【請求項４】
非結像集光作用のある光学レンズもしくは反射鏡により所定の角度（許容入射半角）より小さい角度で入射する日射や熱放射などの電磁波のみを放射流束センサー部に収束する特性を持つ光学レンズもしくは反射鏡と放射流束センサーを組み合わせたものを所定の方向にサーボモーター等で角度制御することによって、あらゆる方向からの放射流束を計測することが可能であるという特徴を有する放射流束計。
【請求項５】
レンズ材料および円筒状もしくは円錐状の反射鏡開口部のカバー材料に、測定対象とする放射の波長領域での透過率が高いという選択透過性を持った光学フィルタを用いるという特徴を有する請求項１、請求項２および請求項３記載の放射流束計。
【請求項６】
放射流束を測定するセンサーとして、ペルチェ素子を用い、ペルチェ素子表面に測定対象とする放射の波長域において良好な放射率を有する選択放射処理を施し、そのセンサー表面温度を熱電対などで監視し、センサー表面温度が周囲の雰囲気温度が常に等しくなるようにペルチェ素子への電力の出力制御を行うことによって、その電力の出力値からセンサー面に入射する放射流束を算出するという原理に基づくという特徴を有する放射流束計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、放射流束を測定する放射流束計に関する。
【背景技術】
【０００２】
周囲環境が及ぼす人体への熱放射の評価に際して、従来の放射環境測定装置として主に黒球温度計（グローブサーモメーター）が使用されている。黒球温度計の例を図８に示す。黒球温度計の標準径は直径約１５ｃｍの薄銅板製の中空球体(銅球２１)で、表面は黒いつや消しに仕上げられ、内部の中心に棒状温度計２３が位置するように挿入されている。黒球温度計を約２０分間空中に置くと、周壁との放射熱量と銅版表面に触れる対流空気との伝達熱量が平衡して温度計の示度が安定する。このときの温度と気温、気流の速度から周囲環境から人体への平均放射温度を算出することができる。
【０００３】
しかしながら、以上の従来技術によれば、どの方向からどれくらいの放射流束が到達しているかという周囲からの放射の指向性が計測できないという短所、また、とくに黒球温度計の場合、本質的に応答が極めて遅い（場合によっては計測時間が２０分もかかる）上に気流の卓越した屋外の測定では精度が極めて悪いという欠点がある。さらに放射流束の波長別の強度が測定できないと言う問題点がある。
【０００４】
【非特許文献１】Vernon, H. M., J.Industrial Hygiene, Vol.14, No.3 (1932), pp.95-111.
【非特許文献２】堀越哲美, 小林陽太郎 土川忠浩, 温熱環境測定器としてのグローブ温度計の成立に関する研究, 日本建築学会計画系論文報告集, 第420号(1991), pp.1-6.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明では、周囲環境からの熱放射の指向性を精度良く簡便に、かつ気流の悪影響なく計測することが可能で、かつ放射流束の波長別の強度をも測定可能な放射計を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するために、請求項１、請求項２および請求項３記載の発明では、非結像集光作用のある光学レンズ（フレネルレンズなど）および反射鏡により放射の入射角を制限し、これらと放射流束センサーを組み合わせたものを全球方向に外向きに多数配置することにより放射の指向性を計測可能とし、さらに放射流束のみを検知する放射流束センサーを用いることにより、気流の影響をなくすことが可能となる。
【０００７】
また、請求項４の発明では、請求項１、請求項２および請求項３記載の放射流束計において、多数を配置する代わりに１ユニットのみをサーボモーター等によりあらゆる方向に角度制御することで放射の指向性を計測することが可能なる。
さらに、請求項５の発明では、測定対象とする放射の波長領域での透過率が高いという選択透過性を持った光学フィルタを光学レンズおよび反射鏡の開口部に用いることにより、波長別の放射流束の強度を計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
この発明の一実施形態を、図１、図２および図３に示す。
図１に示すように、非結像集光作用（像を結ばない集光光学系）のあるフレネルレンズ１により、許容入射半角３よりも小さい入射角で入射する放射はほとんど全てが放射流束センサー２上の集光部４に集束される。このフレネルレンズ１と放射流束センサー２の組み合せを１ユニットとし、これを図２に示すように、全球方向に外向きに多数個配置する。この実施形態では、サッカーボールと同様の切頭２０面体（３２面体）の各面に水平にユニットを計３２個配置している。これにより、３２方向からの放射流束を同時に計測することが可能となる。このとき、フレネルレンズの許容入射半角３は、全球方向のステラジアンを３２分割したときのステラジアンから逆算により求める。この多面体状の放射流束計本体６を図３に示すように、細めの三脚など測定の際にできるだけ障害とならない形状の固定具７に固定し、放射流束計本体６の各放射流束センサーからの出力ケーブル９をデータ収集装置８に接続する形態が一般的である。
【０００９】
フレネルレンズ１の材質には、測定対象とする放射の波長領域において高透過率を有するものが望ましく、あらかじめフレネルレンズ１を簡便に交換できるような仕様に設計しておけば、様々な波長毎の放射流束の強度を計測することができる。
本放射流束計に用いる放射流束センサーは、放射による熱流束のみを検知できるタイプが望ましい。
また、この実施形態では３２面体にユニットを設置したが、全球をどれくらいの分解能で測定するかの要求によって配置個数は変化する。例えば、正２０面体や正１２面体などの場合もある。
【００１０】
本発明の放射流束計では、全球を多面体に近似するため、これによって得られた測定結果から人体などの複雑形状物体に入射する放射流束を予測計算することが可能となる。例えば全球を１２面体に近似した場合、図４に示すように測定値から１２面体１６の各面から内向き法線方向１７に射出される放射流束が得られるため、その内側に人体モデル１５を仮定すれば、人体モデルを形成する表面要素と１２面体の各面との幾何学的関係から人体モデルが受ける放射流束を計算によって求めることが可能である。
【実施例１】
【００１１】
他の実施例１として、前述の実施形態では、フレネルレンズ１を用いたが、図５に示すような反射鏡を利用する場合がある。
図５(a)は、円筒の内面が反射鏡になっており、円筒の高さおよび半径を調整することにより、フレネルレンズ同様に入射する放射の入射角度をある程度制限することができる。また、図５(b)は円錐状（Cone形状）の内面が反射鏡になっており、これも角度および高さを調整することにより、フレネルレンズ同様に入射する放射の入射角度をある程度制限することができる。さらに図５(c)は複合放物面集光（Compound Parabolic Concentrator; CPC）型の反射鏡であり、これによりフレネルレンズ同様の効果を得ることができる。これらの実施例では、反射鏡上部の開口部に選択透過性のある光学フィルタをカバー１１として用いることにより、波長選択性を付与することができるが、フィルタを用いずに使用することもできる。
【実施例２】
【００１２】
他の実施例２として、前述の実施形態は、多数のユニットを全球方向に配置することによって同時測定を行う形態であったが、図６に示すように、１ユニットだけ製作し、これをサーボモーター等の角度制御の可能なアクチュエータを使用することにより、ユニットの測定方向を上下方向１３および左右方向１４に所定の分割数で角度制御し、データを計測する場合がある。
【実施例３】
【００１３】
放射流束を測定するセンサーの実施例として、図７に示すようにペルチェ素子１８を用い、ペルチェ素子１８表面に測定対象とする放射の波長域において良好な放射率を有する選択放射処理を施し、そのセンサー表面温度を熱電対２０などで監視し、センサー表面温度が周囲の雰囲気温度が常に等しくなるようにペルチェ素子１８への電力の出力制御をペルチェ素子端子１９から行うことによって、その電力の出力値からセンサー面に入射する放射流束を算出する場合がある。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
以上説明したように、本発明の放射流束計は、非結像集光作用により許容入射半角３よりも小さい入射角で入射する放射のみを放射流束センサー２に集束するため、全球方向に向けられた複数のユニットによって、同時に多方向からの放射流束を測定することが可能となる。これによって、例えば、ある環境において人体に及ぼされる放射流束の指向性を瞬時に効率よく測定することが可能となる。さらに、本発明の放射流束計では、放射がセンサー２に集束されることにより、従来の黒球温度計、日射計および赤外放射計と比較して、弱い放射でも応答性および精度が良くなるという大きな利点があり、さらに気流の擾乱に大きく影響されないという利点がある。
【００１５】
このため、本発明の放射流束計は、室内の温熱環境評価の測定のみならず、近年、都市温暖化（ヒートアイランド）が深刻化している都市屋外環境における熱放射環境を測定するのに最適である。これまでの研究によって、東京などの大都市の街路空間では、人体への放射流束が１０００Ｗ／平方メートルを超えることがわかっており、快適性評価指標（ＵＳＥＴ）（参考文献１参照）は４１℃を超えている。このような都市空間の熱環境評価に際して、現状では、図４に示す従来技術のグローブ温度計や日射計および赤外放射計による実地測定が行われているが、放射の指向性が測定できず、精度も悪く、信頼のおける測定値が得られていない。また、装置がかさばるため一度に多くの地点での観測には不向きであるなどの欠点があるが、本発明ではこれらの問題を解決することができる。
【００１６】
（参考文献）
１．齋藤武雄，山田昇，都市温暖化と快適性評価に関する研究，日本機械学会論文集63巻609号B編(1997)，pp.295−302.
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】放射流束計の実施形態を示した説明図である。
【図２】放射流束計の実施形態を示した説明図である。
【図３】放射流束計の実施形態を示した説明図である。
【図４】人体モデルへの放射流束の近似計算手法の説明図である。
【図５】放射流束計の他の実施例１を示した説明図である。
【図６】放射流束計の他の実施例２を示した説明図である。
【図７】放射流束計の他の実施例３を示した説明図である。
【図８】従来技術の黒球温度計の概略図である。
【符号の説明】
【００１８】
１    フレネルレンズ
２    放射流束センサー
３    許容入射半角
４    集光部
５    切頭２０面体（３２面体）
６    放射流束計本体
７    三脚
８    データ収集装置
９    出力ケーブル
１０  反射鏡
１１  カバー
１２  計測ユニット
１３  上下方向
１４  左右方向
１５  人体モデル
１６  正１２面体
１７  内向き法線方向
１８  ペルチェ素子
１９  ペルチェ素子端子
２０  熱電対
２１  銅球
２２  ゴム栓
２３  棒状温度計
【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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