(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の熱電対（１６ａ）、（１６ｂ）により、被測定物（１９）の材料内の熱流束を測定する熱流束計において、被測定物（１９）と同じ材質で、且つ被測定物（１９）に設けたねじ孔（２０）にねじ込まれた雄ねじ部（１１）を有する伝熱体（１０）と、この雄ねじ部（１１）の端面から外周面の縦方向に設けた一対の溝（１４ａ）、（１４ｂ）と、これらの溝（１４ａ）、（１４ｂ）の先端部から雄ねじ部（１１）の径方向に穿孔され、先端が雄ねじ部（１１）の中心付近に達した穴（１５ａ）、（１５ｂ）と、これら溝（１４ａ）、（１４ｂ）及び穴（１５ａ）、（１５ｂ）に埋設され、先端の測温点（１７ａ）、（１７ｂ）が穴（１５ａ）、（１５ｂ）の先端付近に達した一対の熱電対（１６ａ）、（１６ｂ）とを有し、これら一対の熱電対（１６ａ）、（１６ｂ）の測温点（１７ａ）、（１７ｂ）が雄ねじ部（１１）の中心軸方向にずれて配置されていることを特徴とする熱流束計。
【請求項２】
一対の溝（１４ａ）、（１４ｂ）は、雄ねじ部（１１）の中心を挟んで対向する外周面の互いに反対側の位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱流束計。
【請求項３】
一対の熱電対（１６ａ）、（１６ｂ）は、熱電対素線をシース内でツイスト状に配置したツイストペアケーブル型であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱流束計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、一対の熱電対を使用し、自動車のエンジンのシリンダ壁等の被測定物の或る２点の温度差を測定することにより、被測定物の材料内で伝導する熱流束を測定するために熱流束計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱流束計は、被測定物の中で熱流束が伝導する方向に離して一対の熱電対の測温点を被測定物内に埋め込み、その２点における温度差を測定することにより、被測定物内を伝導する熱流束を測定するものである。例えば、自動車のエンジンの駆動時のエンジンシリンダ壁の熱解析を行うための測定値を得るために使用される。
【０００３】
現実にはエンジンのシリンダ壁等の被測定物にそのまま熱電対の測温点を埋め込むことはできないため、金属ブロック状の伝熱体に熱電対とその測温点を埋め込み、被測定物に設けた孔の中に前記伝熱体を密に嵌め込むことが行われている。図５と図６は、このような従来の熱流束計において、熱電対の先端を埋設した金属ブロック状の伝熱体１を被測定物８の孔に嵌め込んだ状態を示す。
【０００４】
図５と図６に示すように、エンジンのシリンダ壁のような被測定物８には孔が開けられ、この孔に円筒形の金属ブロック状の伝熱体１が嵌め込まれる。この伝熱体１には、その一方の端面側からその内部に向けて一対の穴５ａ、５ｂが穿たれ、その中に熱電対３ａ、３ｂが埋め込まれている。そしてこの熱電対３ａ、３ｂの先端の測温点６ａ、６ｂは、前記穴５ａ、５ｂの内奥部の先端部分で伝熱体１に接触している。前記の穴５ａ、５ｂの深さは互いに異なっており、これらの穴５ａ、５ｂに取り付けられた熱電対３ａ、３ｂの測温点６ａ、６ｂは、伝熱体１の中心軸方向、すなわち被測定物８の厚さ方向にずれて配置されている。
【０００５】
図５で示した従来例では、穴５ａ、５ｂは伝熱体１の周面近くに設けられた断面Ｕ字形の溝状のものである。他方、図６で示した従来例では、穴５ａ、５ｂは伝熱体１の中心近くに設けられたものである。何れの従来例でも、穴５ａ、５ｂは互いに平行に設けられており、従って熱電対３ａ、３ｂの測温点６ａ、６ｂは、伝熱体１の中心軸方向にずれているだけでなく、その円周方向や径方向にもずれている。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
従来構造の図５に示す熱流束計では、熱電対３ａ、３ｂの測温点６ａ、６ｂが伝熱体１の周面近くの溝状の穴５ａ、５ｂに設けられているため、伝熱体１と被測定物８との接触状態の違いによって伝熱体１と被測定物８との温度分布が異なり測定誤差が生じる。特に、伝熱体１は円筒形であるため、その加工精度による被測定物８の穴との寸法公差により、その周面の被測定物８との接触状態が微妙に異なり、これが測定誤差を生じる原因となる。さらに、溝状の穴５ａ、５ｂとそれに設けた熱電対３ａ、３ｂのリードが伝熱体１より外部に出ていることにより、その部分だけが局部的に表面積が大きくなり、いわゆるフィン効果により、その部分だけ放熱量が大きくなる。このため、熱電対３ａ、３ｂの測温点６ａ、６ｂの部分が被測定物８の熱流束の伝導を正確に再現できず、これが測定誤差の原因となる。
【０００７】
また、図６に示す熱流束計では、熱電対３ａ、３ｂの測温点６ａ、６ｂが伝熱体１の周面より内奥に設けられているため、伝熱体１と被測定物８との接触状態の違いによる測定誤差は或る程度解消できる。しかし、測温点６ａ、６ｂが伝熱体１の径方向にずれることにより、熱電対３ａ、３ｂのリードが伝熱体１より外部に出ることによるフィン効果が生じ、熱電対３ａ、３ｂが埋め込まれた部分の温度が下がる。このため、被測定物８の厚み方向に伝導する熱流束を測定する場合に誤差が生じる。さらに、伝熱体１の内奥部の中心軸方向に穴５ａ、５ｂを設けることにより、伝熱体１の中心付近をその中心軸方向に伝導する熱流束に影響を与えるため、被測定物８の実際の熱流束を正確に測定できないという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような従来の熱流束計における課題に鑑み、被測定物と伝熱体との接触状態の変動を無くし、さらに被測定物の内部を伝導する熱流を熱電対の測温点の部分で正確に再現することができ、これにより熱流束をその実際に近い状態で正確に測定することが可能な熱流束計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】
本発明では、前記の目的を達成するため、金属ブロック状の伝熱体１０を被測定物１９と同じ材質とし、被測定物１９の熱流に近似した熱流を伝熱体１０に再現できるようにすると共に、それを単に被測定部材１９の孔に嵌め込むだけでなく、伝熱体１０に雄ねじ部１１を設け、被測定部材１９に設けたねじ孔２０にこの雄ねじ部１１をねじ込んで、伝熱体１０と被測定部材１９との接触面積の増大と安定を図った。
【００１０】
さらに、熱電対１６ａ、１６ｂは、主に雄ねじ部１１の外周面付近に縦方向、すなわち雄ねじ部１１の中心軸と平行な方向に設けた溝１４ａ、１４ｂに埋設するが、その熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂは、雄ねじ部１１の径方向に穿った穴１５ａ、１５ｂにより雄ねじ部１１の中心付近に導入し、そこで雄ねじ部１１に接触させるようにした。これにより、熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂは、雄ねじ部１１の中心軸方向から大きくずれずに、中心軸方向に列んで配置されることになり、その方向に伝導する熱流束を正確に測定できるようになる。また、熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂを雄ねじ部１１の中心に導く穴１５ａ、１５ｂは、雄ねじ部１１の径方向に穿たれているので、熱流に与える影響は極めて少なく、被測定物１９の熱流に近似した熱流を伝熱体１０にそのまま再現することができる。
【００１１】
すなわち、本発明による熱流束計は、被測定物１９と同じ材質で、且つ被測定物１９に設けたねじ孔２０にねじ込まれた雄ねじ部１１を有する伝熱体１０と、この雄ねじ部１１の端面から外周面の縦方向に設けた一対の溝１４ａ、１４ｂと、これらの溝１４ａ、１４ｂの先端部から雄ねじ部１１の径方向に穿孔され、先端が雄ねじ部１１の中心付近に達した穴１５ａ、１５ｂと、これら溝１４ａ、１４ｂ及び穴１５ａ、１５ｂに埋設され、先端の測温点１７ａ、１７ｂが穴１５ａ、１５ｂの先端付近に達した一対の熱電対１６ａ、１６ｂとを有し、これら一対の熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂが雄ねじ部１１の中心軸方向にずれて配置されているものである。
【００１２】
この場合に、雄ねじ部１１に設けられた一対の溝１４ａ、１４ｂによる熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂの付近での熱流の影響を小さくするため、一対の溝１４ａ、１４ｂは、出来るだけ離して設けるのが好ましい。すなわち、雄ねじ部１１に設けられた一対の溝１４ａ、１４ｂは、雄ねじ部１１の中心を挟んで対向する外周面の互いに反対側の位置に設けるのがよい。
【００１３】
さらに、熱電対１６ａ、１６ｂの高温下で測温点１７ａ、１７ｂに発生する起電力に対する熱電対１６ａ、１６ｂのノイズの影響を低減するため、熱電対１６ａ、１６ｂは、熱電対素線をシース内でツイスト状に配置したツイストペアケーブル型のものを使用するのがよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１と図２は、熱流束計の熱電対を取り付け、被測定物に埋め込むための伝熱体１０の形状を示す。
【００１５】
この伝熱体１０は、後述する被測定物と同じ材質からなり、外周にねじ溝を形成した雄ねじ部１１と、この雄ねじ部１１を被測定物のねじ孔にねじ込むため、スパナ等を掛ける頭部１３とを有している。さらに、この頭部１３と雄ねじ部１１との間に円柱形で雄ねじ部１１のねじ径より径の大きな中間部１２を有している。
【００１６】
前記雄ねじ部１１の外周面の中心を挟んで対向した位置には、雄ねじ部１１の端面から中間部１２側に向けて長さが違う一対の溝１４ａ、１４ｂが掘られている。図示の例では、一方の溝１４ａは、雄ねじ部１１の全長にわたっており、雄ねじ部１１の端面から中間部１２との境の部分にまで達している。他方の溝１４ｂは、雄ねじ部１１の端面からごく僅かの距離だけ掘られておいる。
【００１７】
さらに、それぞれの溝１４ａ、１４ｂの終端からそれらの溝１４ａ、１４ｂと直角に、すなわち雄ねじ部１１の径方向に穴１５ａ、１５ｂが掘られ、その先端は雄ねじ部１１の中心に達している。これらの穴１５ａ、１５ｂの径は二段になっており、溝１４ａ、１４ｂに近い開口部付近の部分は太く、それから雄ねじ部１１の中心までの部分の穴径はそれより小さい。
【００１８】
さらに図３に示すように、これらの溝１４ａ、１４ｂにはそれぞれ熱電対１６ａ、１６ｂの先端側が埋設され、さらにその先端部が穴１５ａ、１５ｂに挿入されている。そして、熱電対１６ａ、１６ｂの先端の測温点１７ａ、１７ｂが雄ねじ部１１の中心にある穴１５ａ、１５ｂの最奥部にまで達し、そこで雄ねじ部１１の穴１５ａ、１５ｂの奥の壁面に接している。すなわち、熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂは、雄ねじ部１１の中心に達し、そこで雄ねじ部１１と接触している。そして、これら一対の熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂは、雄ねじ部１１の中心軸方向に離れて配置されている。
【００１９】
熱電対１６ａ、１６ｂは、耐熱性、強度、耐ノイズ性が要求されることから、極細のメタルシース型熱電対を使用し、メタルシースを接地しない非接地型として使用するのがよい。特に耐ノイズ性を考慮すると、熱電対１６ａ、１６ｂの素線をシース内でツイストにしたツイストペアケーブル型の熱電対１６ａ、１６ｂを使用するのが好ましい。図３に示すように、熱電対１６ａ、１６ｂの末端にはターミナル１８ａ、１８ｂを設け、その測温点１７ａ、１７ｂに発生する起電力を測定するための計器に接続する。
【００２０】
他方、図４に示すように、前記の伝熱体１０を埋め込む側のエンジンのシリンダ壁のような被測定物１９には、それを貫通するようにねじ孔２０を設ける。このねじ孔２０の雌ねじは、前記伝熱体１０の雄ねじ部１１のねじと適合している。図示に例では、ねじ孔２０の深さは被測定物１９の幅より僅かに浅く、このねじ孔２０を越える部分の熱源側、例えばエンジンのシリンダ壁であれば、シリンダーの内側の面側には、浅い座穴が設けられている。この座穴の径は前記伝熱体１０の中間部１２が密に嵌合されるとなっている。
【００２１】
前述のようにして熱電対１６ａ、１６ｂを取り付けた伝熱体１０は、その雄ねじ部１１が被測定物１９の熱源側からねじ孔２０にねじ込まれる。この雄ねじ部１１を被測定物１９のねじ孔２０に一杯にねじ込むと、伝熱体１０の中間部１２の雄ねじ部１１側の端面がねじ孔２０の熱源側の座穴の奥の面に当たり、停止される。この状態では、伝熱体１０の雄ねじ部１１の端面が被測定物１９の熱源側と反対側の面と面一となる。さらにこの状態で、図４に二点鎖線で示した部分、すなわち、頭部１３と中間部１２の一部を、被測定物１９の熱源側の面と面一となるよう切断し、取り除く。これにより、伝熱体１０の両端面は、被測定物１９の熱源側の面とその反対側の面の双方の面で面一となる。
【００２２】
このような熱流束計では、一対の熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂが伝熱体１０の中心にあって、その中心軸方向に離れて配置されているため、その２つの測温点１７ａ、１７ｂで測定される温度差により、伝熱体１０内をその中心軸方向、すなわち被測定物１９の厚さ方向に伝導する熱流束を測定することができる。
【００２３】
例えば、伝熱体１０の熱伝導率がλ（Ｗ／ｍｋ）、２つ熱電対１６ａ、１６ｂの温接点１７ａ、１７ｂの距離をＬ（ｍ）とすると、熱電対１６ａの温度測定値Ｔ１と熱電対１６ｂの温度測定値Ｔ２から熱流束ｑ（Ｗ／ｍ2 ）は次式で求められる。
ｑ＝λ（Ｔ１−Ｔ２）/ Ｌ
【００２４】
この場合に、被測定物１９と伝熱体１０の材質が異なると、伝熱体１０に被測定物１９本来の熱流束を再現できず、測定温度誤差を生じる原因となる。従って、伝熱体１０の材質は、被測定物１９と同じにする。伝熱体１０の材質を被測定物１９と同じにすれば両者は熱伝導率が同じであるために、熱流方向に対する伝熱体１０と被測定物１９の温度勾配が等しくなり、伝熱体１１には本来の熱流方向以外の熱流が発生しないので、測定誤差が改善される。
【００２５】
また、熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂで測定される温度測定値の誤差を極力抑えるために、熱電対１６ａ、１６ｂの直径、伝熱体１０の雄ねじ部１１の溝１４ａ、１４ｂの幅と深さ及び穴１５ａ、１５ｂの径はできるだけ小さく、穴１５ａ、１５ｂの深さはできるだけ深い方が好ましい。前述のように、穴１５ａ、１５ｂの最奥部が雄ねじ部１１の中心に達する必要があり、これにより、測温点１７ａ、１７ｂが存在する中心軸上に伝熱体１０の物質本来の温度分布が生じることになる。熱電対１６ａ、１６ｂのシースの外径をｄとすると、熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂをｄ×８以上の深さまで埋め込めば、熱電対のフィン効果によって放熱する熱影響範囲から抜け出すことができる。この条件を満たすためには、伝熱体１０の雄ねじ部１１の直径はｄ×１６である必要があることになる。より望ましくは熱電対１６ａ、１６ｂの測温点１７ａ、１７ｂが位置する穴１５ａ、１５ｂの最奥部の深さは熱電対直径の８．３倍以上がよい。
【００２６】
例えば、直径０．３ｍｍのメタルシース型熱電対を用いる場合、穴１５ａ、１５ｂの深さは熱電対直径の約８．３倍以上の２．５ｍｍ以上が適当であるということになる。従って、伝熱部材１０の雄ねじ部１１の直径は５ｍｍ以上が必要となる。
【００２７】
また、熱電対１６ａ、１６ｂを雄ねじ部１１の溝１４ａ、１４ｂ等に固定するのに樹脂系接着剤等を用いるが、この樹脂系接着剤を収めるために必要最小限の溝１４ａ、１４ｂの幅と深さも必要である。例えば、熱電対１６ａ、１６ｂにシース外径０．３ｍｍのメタルシース型熱電対を用いる場合、溝１４ａ、１４ｂの幅は０．７ｍｍ、溝１４ａ、１４ｂの深さは雄ねじ部１１のねじ山から１．５ｍｍ、穴１５ａ、１５ｂの径は０．３５ｍｍが必要である。
【００２８】
このようにして、伝熱体１０への熱電対１６ａ、１６ｂの取付に伴う測定温度誤差を考慮した寸法や構造とし、また伝熱体１０を被測定物１９に取り付けるのが容易で、しかも伝熱体１０と被測定物１９とが平均的且つ安定した接触状態となるように、雄ねじ部１１とねじ孔２０によるねじ方式の取付手段を採用することにより、より正確な熱流束が測定できるようになる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれる熱流束計では、被測定物と伝熱体との接触状態の変動を無くし、さらに熱流束が伝導する方向の熱流束の変動を正確に測定することができ、これにより実際の熱流束をその実際に近い状態で正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による熱流束計に使用する伝熱体の外形を示す側面図である。
【図２】同実施形態による熱流束計に使用する伝熱体の縦断側面図である。
【図３】同実施形態による熱流束計に使用する伝熱体に熱電対を組み込んだ状態の    の縦断側面図である。
【図４】同実施形態による熱流束計に使用する伝熱体に熱電対を組み込み、この伝熱体を被測定物に取り付けた状態の縦断側面図である。
【図５】従来例である熱流束計に使用する伝熱体に熱電対を組み込み、この伝熱体を被測定物に取り付けた状態の正面図と縦断側面図である。
【図６】他の従来例である熱流束計に使用する伝熱体に熱電対を組み込み、この伝熱体を被測定物に取り付けた状態の正面図と縦断側面図である。
【符号の説明】
１０    伝熱体
１１    伝熱体の雄ねじ部
１４ａ  伝熱体の溝
１４ｂ  伝熱体の溝
１５ａ  伝熱体の穴
１５ｂ  伝熱体の穴
１６ａ  熱電対
１６ｂ  熱電対
１７ａ  熱電対の測温点
１７ｂ  熱電対の測温点
１９    被測定物
２０    被測定物のねじ孔
【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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