質問: 熱膨張率が異なる2枚の金属板を張り合わせて作られる、温度計やサーモスタットに使われるものは何?
回答: バイメタル

タイトル: バイメタル
バイメタル(英: bi-metallic strip, bimetal)とは、熱膨張率が異なる2枚の金属板を貼り合わせたものである。1750年頃に時計職人のジョン・ハリソンが、高精度の時計を開発する過程で発明した。温度の変化によって曲がり方が変化する性質を利用し、温度計や温度調節装置などに利用されている。

タイトル: 熱電対
熱電対(ねつでんつい、英: thermocouple)は、2種類の金属線の先端同士を接触させて回路を作り、接合点に発生する熱起電力を通じて温度差を測定する温度計。あるいは、その2種類の金属線のことを指す。異なる2種の金属を接合すると、それぞれの熱電能の違いから、2つの接合点の間の異なる温度に応じた起電力が発生する原理(ゼーベック効果)を応用するものである。寿命の長さ・耐熱性・機械的強度などの利点があり、中高温領域の温度センサーとして工業的に最も広く用いられる。温度センサ以外の用途としては、科学研究用に一定電圧を長時間発生させる装置として使う用途もあり(乾電池など化学電池では分極してしまい、長時間安定性に欠けるため)、「オームの法則」などで有名な物理学者オームは安定電圧を熱電対で発生させた。

タイトル: サーモスタット
サーモスタット (英: Thermostat) とは、ある系の温度を調整するための装置であり、系の温度を設定された温度の付近に保つ働きを持つ。

タイトル: 温度計
一次温度計を用いて熱力学温度を決定する作業は専門的な設備が備わる研究施設で行われる。そこで温度標準が決定され、それを基準に二次温度計が較正される。そのほか、簡易な温度計として、温度に応じて色付きの数字が液晶で表示される温度計がある(サーモテープを参照)。

タイトル: サーミスタ
サーミスタ(英: thermistor)とは、温度変化に対して電気抵抗の変化の大きい抵抗体のことである。この現象を利用し、温度を測定するセンサとしても利用される。センサとしてはふつう-50°Cから150°C程度までの測定に用いられる。サーミスタという名称は英語の thermal(温度) と resistor(抵抗器) とのかばん語である。

タイトル: 圧力測定
一つはヒーターとして、もう一つは対流が周囲温度に与えた影響を測るために使用する。ピラニ真空計 (ピラニー真空計とも言う)もまた、圧力を測定する空間に金属線をさらすタイプである。ピラニ真空計で使う金属線は1本である。金属線に電流を流すとジュール熱が発生して温度が上がるが、一方で金属線は周囲の流体に冷やされる。流体の圧力が低いと、冷却が弱くなるから、金属線の平衡温度 (安定した温度)は高くなる。そして、金属線の電気抵抗は温度で一意的に決まる値なので、金属線に掛けられた電圧と流れる電流を測定すれば、電気抵抗を、ひいては周囲の圧力を求めることが出来る。同じ原理で熱電対ゲージ、あるいはサーミスタゲージというものもあり、それぞれ熱電対、サーミスタを利用して温度を測定する。測定可能範囲は10 - 10 torr (およそ10 - 1000 Pa)である。

タイトル: サーモスタット
サーモスタットは系の内部に流入、あるいは外部に放散される熱エネルギーの流れを制御することにより、この働きをおこなう。すなわち、サーモスタットは適切な温度を維持するために、必要に応じて加熱あるいは冷却装置の作動および停止の切り替えを行う。サーモスタットは様々な方法で構築することが可能であり、温度の測定には様々なセンサが使用される。センサの出力は加熱あるいは冷却装置を制御する。基本的なセンサとしては以下の物がある。これらにより、以下の手段を介して加熱・冷却装置が制御される。

タイトル: サーモパイル
サーモパイル(thermopile, 熱電堆)は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する電気部品である。サーモパイルは複数の熱電対(thermocouple)を直列あるいは並列に接続したものである。サーモパイルは絶対温度を測定するものではなく、局所的な温度差あるいは温度勾配に比例した電圧を出力するものである。サーモパイルは、医療分野で耳から体温を測定するために用いられている赤外放射温度計の主要部品である。また、熱流量計にも広く用いられている。

タイトル: 熱
熱量計は物質の化学反応や状態変化に伴う熱容量の測定に用いられる。温度計と断熱容器で構成される。外部から熱が入ったり出て行かないように断熱容器になっている。

タイトル: 熱膨張
大形構造物を設計する場合、土地調査でテープやチェーンを使って距離を測定する場合、高温材料を鋳造する金型を設計する場合、ほか温度によるサイズの大幅な変化が予想される応用工学においては、その物質の膨張および収縮を考慮しなければならない。また熱膨張は、機械用途で部品を互いに密着させる場合にも使用される。例えば内径を軸の直径より僅かに小さく作っておき、次にそれを軸に収められるよう加熱して、軸に押し込んだ後に冷却させるという、いわゆる焼きばめが行われている。焼きばめは、金属部品をあらかじめ150 °C - 300 °Cの間に熱して行う一般的な産業手法であり、それによって部品を膨張させ、別部品への挿入または取り外しを可能にする。線膨張率の非常に小さい合金が幾つか存在し、ある温度範囲で物理的寸法の変化が小さいことを要求する用途で使われている。そのうちの1つがインバー36で、膨張は約0.

タイトル: 温度計
電気式温度計には、温度によって誘電率の変化する感温体を誘電体に用いたコンデンサの容量の変化を検出する方式のものもあるが、小型軽量な反面、耐久性や測定精度にやや難があるとされ、現在は、使い捨てが前提のラジオゾンデ用としてのみ認められている(許容される器差は0.5又は1°C(測定範囲により異なる))。家庭用・教材用としてはサーミスタを用いた簡易な製品もあるが、特に常時観測に使用する場合、通電に伴う自己発熱による誤差を生じやすく、耐久性も実証されていないことから、公共的な気象観測には用いられない。

タイトル: サーモテープ
これはカード型の液晶温度計などに用いられている。

タイトル: 温度
測定方法には物体に直接触れて測る接触式と、触らずに測る非接触式がある。接触式は、膨張式と電気式、計数式等があり、膨張式は、気圧温度計や蒸気圧温度計など温度変化による気体の圧力変化を測るものや、水銀温度計のような液体の長さを測るもの、固体の変形を測るバイメタル式がある。電気式は、温度によって抵抗率が変わる原理を利用した白金抵抗温度計や熱電対など金属線を用いるもの、サーミスタやダイオードなど半導体を用いるものがある。温度変化を共振周波数変化として計測できる水晶温度計は計数式に分類され、この他にもサーモペイントや液晶も接触して温度変化を測定できる。非接触式は、検出波長によって2種類に分かれる。ひとつは、約2–5 μmの短波長の赤外線を検出波長帯とする量子型。もうひとつは、約8–14 μmの長波長の赤外線を検出波長帯とする熱型。

タイトル: 温度計
温度計(おんどけい)は温度を測定する計器である。温度変化に伴う物性の変化等の物理現象を利用して温度を測定する。一般的に温度を計るものは温度計と呼ばれるが、特定の用途に応じた名前を持つものもある(体温計等)。

タイトル: 熱膨張
6×10 K相当である。これらの合金は、幅広い温度変動が起こるであろう航空宇宙用途に有用である。プランジャー装置は、実験室で金属棒の線膨張を見定めるのに用いられる。この装置は両端が閉じた金属製シリンダー(蒸気套と呼ばれる)で構成されており、そこには蒸気用の入口と出口が付いている。棒を加熱するための蒸気は、ゴム管で入口と繋がっているボイラーより供給される。シリンダーの中心には温度計を挿入するための穴が付いている。測定対象の棒は蒸気套内に置かれる。一端は自由だが、もう一端は固定ねじで押さえつけられている。棒の位置をマイクロメータのねじ尺または球面計(英語版)によって決定する。金属の線熱膨張率を見定めるために、その金属製の管は蒸気を通して加熱する方法がある。管の一端は固定され、もう一方は回転軸上に置かれており、その動きがポインタによって示される。温度計は管の温度を記録している。

タイトル: 非定常熱線法
非定常熱線法の原理を用いた測定装置には、熱線への通電方式(直流か交流か)や、測温方式(測温計の種類や方法)の異なるものが種々考案されている。その中で、セラミックス製品の測定に用いられた代表的な測定装置の構成図を示す(図3)。装置は、2個の試料の間に挟み込んだ熱線に一定電流を印加できる定電流電源と熱線の中央に溶接された熱電対の熱起電力で熱線温度を測定できるデジタルマルチメーターから構成され、最適供給電力と測定開始最適時期の検出がインターフェースを介したパソコンで行えるように設計されていると、自動で熱伝導率の測定を行うことができる。計算式の誘導時の仮定条件により、熱線はできるだけ細い方がよく、本装置のように一定電流を印加する方法では、温度の上昇に伴って熱線の電気低抗値が変化し発熱量が一定にならないので、抵抗の温度係数の小さい金属線が望ましい。

タイトル: 熱膨張率
物体の長さは温度上昇と元の長さに比例した量で伸び縮みする、すなわちという関係にあり、温度の上昇に対応して長さが変化する割合を線膨張率(線膨張係数)と言う。また、同様に体積の変化する割合を体積膨張率と言う。線膨張率を α 、体積膨張率を β とすると β ≒ 3α の関係がある。原子間の結合の強さで決まる物性値なので、材料の融点と相関がある。ある温度で体積変化を伴う相転移を起こす性質を利用して、使用温度領域で、線膨張が小さくなっている合金(アンバーまたはインバー合金)もある。なお、熱膨張率の異なる材料を組合せて使う場合や、一様な材料でも急な熱勾配が生じた場合、熱膨張の違いから熱応力が生じる。この熱応力により、材料にクラックなどが入って壊れることがあり、様々なものの故障原因のひとつとなっている。

タイトル: 温度計
なお、毛細管に用いられるガラス管は、気象観測に用いることができるほどの精度と経時安定性とを有するものが日本では製造できず、ドイツからの輸入に頼っている。温度目盛りについては全漬没温度計と漬没線付温度計がある。漬没線付温度計は漬没線以下が測定対象と等温であり、線以上が室温(20°C)であることが前提であり全漬没温度計は球部から液柱先端までが測定対象と等温であることが前提である。前提と異なる測定方法をすると赤液温度計では約5°C近くの補正が必要になる場合がある。金属製温度計は、感部にバイメタルを用い、その温度変化に伴う変形を指針の動きに変換することによって温度を測定するものである。バイメタルの材料としては主にアンバーと黄銅との組合せが使われる。構造が簡単で安価なため、家庭用としても普及している。

タイトル: バイメタル
「バイメタル (bimetal)」の文字通りの意味は「2種類の金属」である。上述の目的(熱膨張率の差を利用)以外でも2種類の金属を組み合わせる場合がある。

タイトル: サーミスタ
特性によって次の3つに分類される。NTCサーミスタは温度の上昇に対してゆるやかに抵抗が減少するサーミスタである。温度と抵抗値の関係が簡単な近似式で表されるため、最も使われている。 温度検出用センサとしての利用の他、電源回路の突入電流減少用としても使われる。ニッケル、マンガン、コバルト、鉄などの酸化物を混合して焼結したものである。PTCサーミスタはある温度をこえると温度の上昇に対して急激に抵抗が増大するサーミスタである。 温度センサのほか、電流を流すと自己発熱によって抵抗が増大し、電流が流れにくくなる性質を利用して電流制限素子として用いられる。また、ヒューズを置き換える回路保護素子として利用される。自己温度制御機能を持つため、ヒーターに利用するとサーモスタットや特別な制御回路なしで加熱を防ぐことができ、温度上昇に伴って発熱量が減るため節電にもつながる。

タイトル: サーモスタット
サーモスタットは1885年にアルバート・バッツにより発明された、プロセス制御法の最初の例として知られている。サーモスタットの発明は現在のハネウェル・コーポレーションの起源となった。1936年にはセルギウス・ヴェルネによってワックス粒の膨張を用いたサーモスタットが発明され、水冷エンジンの自動車部品としてのサーモスタット (内燃機関)(Wax thermostatic element)として広く用いられるようになった。サーモスタットのような働きをする機器として記録がある最も古いものは、1600年頃の人コルネリウス・ドレベルによる。

タイトル: 熱電対
この保護管には金属(銅、ステンレス、カンタル、インコネル、チタン、ハステロイ)、非金属(硬質ガラス、高純度アルミナ、石英、ジルコニア、窒化ケイ素、テフロン)などが用いられる。金属保護管に酸化マグネシウムやシリカ粉末で充填した構造のものを「シース熱電対」といい流通量が多い。太さや形状、保護管材質は規格化され、もっとも細いものでは直径0.25ミリメートル程度のものまである。通常の熱電対は測定に秒単位の時間がかかったが、極細あるいは箔状に加工することより100ミリ秒単位の早い温度変化と微小対象物も計測することが可能となった。近年ではMEMS技術によって微小な熱電対を集積した2次元の非冷却赤外線撮像素子の開発も進められる。熱絶縁性の高い誘電体薄膜上に温接点、熱伝導性の高いシリコン上に冷接点を形成することで応答性に優れ、高感度なセンサを実現した。

タイトル: 熱流センサ
熱流センサ(ねつりゅうセンサ)は、センサの表面に加えられた総熱量に比例する電気信号を生成する変換器である。 測定された熱流量をセンサの表面積で割って熱流束(熱フラックス)を導く。熱フラックスは、対流、熱放射(放射)、熱伝導という、3つの異なる形態があるが、熱流センサはこれらの熱フラックスを測定する装置である。熱流変換器、熱流束計、熱流板などの異なる名称でも知られており、それぞれの目的に特化している。 熱伝導の測定装置例としては、熱流センサ、放射の測定装置例としては、日射計が上げられる。日射計は太陽の短波放射フラックスを測定する単一目的の熱流センサである。 他の熱流センサには、 ガードン(Gardon)ゲージ (円形箔ゲージ)、薄膜サーモパイル およびシュミット-ボエルター(Schmidt-Boelter)ゲージなどがある。

タイトル: 温度計
日本では、気象業務法及びその下位法令により、公共的な気象観測には、検定に合格したガラス製温度計(液柱温度計に同じ)、金属製温度計(バイメタル式温度計に同じ)又は電気式温度計(白金抵抗体温度計に同じ)を用いることとされている。これらは、-50°C(ガラス製温度計は-30°Cでも可)〜50°Cにおいて所定の性能を発揮しなければならない。なお気温の測定方法については、気象観測の「観測の方法と機器」を参照のこと。ガラス製温度計の感温液としては、公的な観測用としては主に純水銀が使われ、一般の用途には赤色に着色した灯油などが用いられる。後者の液の組成としては、ペンタンの異性体やその混合物、ないしトルエンが推奨されている(日本規格協会 1997, §6.c)。特殊な構造のものとしてはがある。

タイトル: 熱流センサ
熱流センサは、様々な用途に使用されている。 一般的なアプリケーションは、建築物壁面などの熱抵抗、火災や火炎の熱フラックス、レーザー出力の測定に関する研究などである。また、ボイラー表面のファウリングの評価、移動フォイル材料の温度測定などがある。全熱フラックスは、熱伝導、対流および熱放射の各成分から構成される。 用途に応じて、これらの量の3つすべてを測定することも、1つを測定することもできる。熱伝導による熱フラックスの測定の一例は、壁に組み込まれた熱流センサである。放射による熱フラックスの測定の一例は、太陽放射の測定のための日射計である。放射および対流による熱フラックスの計測に使用される熱流センサの例は、ガードン(Gardon)またはシュミット・ボエルター(Schmidt-Boelter)ゲージであり、火災および火炎の研究に使用される。

タイトル: 測温抵抗体
測温抵抗体(そくおんていこうたい)は金属の電気抵抗率が温度に比例して変わることを利用した温度センサーである。金属では1K温度が上昇すると約0.3%程度抵抗が増加する。ここで αは材料によってきまる定数である。実用的な温度センサとしては化学的な安定性から主に白金線が用いられる。極低温では炭素皮膜抵抗、ゲルマニウムなどの半導体も用いられる。

タイトル: 融点
測定装置は種々の形態のものが存在するが、最も古典的な装置は二重管式温度計に試料を詰めた毛細管を取り付けて温浴で加温する装置が使用される。二重管式温度計に毛細管を貼り付ける目的で温浴の液体として粘性の高い液体が用いられ、濃硫酸ないしはシリコンオイルが用いられることが多く、温度計先端の溜めの近傍に試料が来るように取り付ける。あるいは融点測定装置では金属のヒートブロックを使って加温し、光の透過率を測定しながら加温を調製しつつ自動的に融点を決定するものも存在する。

タイトル: 体温計
サーミスタは熱により抵抗値が変化する素子である。これを利用して電子回路により体温を測定し、測定値を表示するタイプ。一般には1980年代に登場し、内蔵したボタン電池を動力源としている。測定値を数値化して内部に記録することにより基礎体温の変化を監視できるような付加機能をもった機種もある。計測が終わると、内蔵された圧電素子から出る電子音で、計測が終わったことを知らせる。サーミスタ式には、以下の2種類の計測方式があり、外箱や取扱説明書に明記されている。人体表面から出ている赤外線を検知することにより、黒体放射の原理から体温を測定する(放射温度計の原理)。鼻や耳、頚部、額などに計器を当てることによって瞬時に測定できるタイプがこれに相当する。安静を保つことのできない乳幼児の体温を測定することもできる。他の方式と比べて高性能であるが、その分高価である。

タイトル: 超音波厚さ計
鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属をはじめ、プラスチックやガラス、セラミックなど様々な素材の厚さを測定することが出来る。 配管やタンク、各種構造物の腐食検査、機械・設備の保守管理、製品の抜き取り検査、精密厚さ測定など、非常に幅広い用途で使用されている。