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熱流を体感できるのは熱流センサだけではありません。

温度勾配を見ることでおおよその熱流を知ることが出来るのです。

しかし、それにはグラフが必要。

スケーリング変更が出来る温度のトレンドグラフは必須になります。

 

今回は熱流を川の流れにたとえて説明をしますね。

題して・・・｢ああ～♪川の流れのように～｣であります。

熱流は川で言うと急流から清流までをイメージしています。

高低差が一番重要で熱流密度Q（W/m2）の式・・・

Q＝（λ/d）・⊿Tからすると⊿Tが該当します。

 

温度変化を３５℃から１５℃安定まで変化させたグラフがこちらです。

最初の１５分程度で熱流が一番大きく流れます。

 

次のグラフが熱流の中の状態。

温度差が小さくなると熱流量も小さくなることが分かりますね。

４５分あたりで３～３．５℃の変化量です。

 

さらに熱流が小さくなると・・・

１時間あたりで０．３℃の変化量です。

まさに川の流れのようであります。

 

さて、ここの重要点はひとつです。

 

仮にもっと早く温度を達成させようとして、

冷凍機やヒーターの能力を大きくしても変化量の大きいのは最初の熱流大の時間が短くなる傾向。

温度変化量が小さい場合はあまり改善されません。

しかも温度変化が一番小さい部分は時間も長いのです。

 

このグラフでは０．１℃以内の安定状態まで２時間かかっているので、

冷凍機やヒーターの能力を大きくしても１０分程度短くしかならないことが予想されます。

 

熱流密度の式から言うと熱伝導の改善と熱流の面積を増やすのが重要なのです。

温度の道も険しいので・・・

温度標準の０．０１℃安定までの時間はさらに長くなります。

 

熱電対などで計ると表示は小数点以下１つ程度。

１時間あたりで０．３℃の変化量などは判断できません。

そこでこのような白金測温抵抗体の温度計が必要になるのです。

＊＊＊高精度デジタル温度計仕様例＊＊＊

センサ：3線式及び4線式温度センサ（Pt100）に対応

精度：　±0.01℃（4線式）、±0.05℃（3線式）

分解能：　0.001℃　　測定範囲：　-200℃～+850℃

 

ちなみに０．０２℃安定の世界では４時間～６時間必要だったというグラフがこちら！

気象庁の温度校正器を作ったときのデータであります。

 

 

そうそう、分解能の高い温度計のメリットとしてはもうひとつありました。

小数点以下２～３桁に着眼すると・・・

温度試験などの結果が早く予想が付きます。

目に見える変化量は貴重と言うことですね！

 

前回はヒートブリッジに関して書きましたが、

これは熱が伝わるという現象です。

ところで・・・そもそも熱って何でしょう？

 

世の中の物質はすべて分子と原子からできていますね。

それらの分子(原子)はすべて乱雑な運動をしています。

この運動エネルギーの大きさが熱の大きさ(温度)になっているのです。

 

つまり分子(原子)のブルブルが温度であり、

温度はブルブル量にセルシウス温度(℃)と絶対温度(Ｋ)という目盛りを付けたものとなりま。

 

ここで熱流という考え方を書きたいと思います。

熱流は温度のブルブル量を川の流れのように捉えたものです。

この流れの量を計る方法があるんですね。

 

熱流は、平面状微小熱抵抗体を熱流（熱エネルギー）が貫通するとき、

熱流の大きさに比例した熱抵抗体の両面に生じる温度差を検出することによって測定できます。

上図のように、放熱面に熱伝導率λ（W/mK）、厚みd（m）の薄い板を取り付けたとすると、

定常状態に達してからのちにこの薄い板を貫通して流れる熱流密度Q（W/m2）は次の式で求められます。

 

Q＝（λ/d）・⊿T
この式から熱伝導が良い物と温度差があった方が熱の流れが大きく・・・

熱伝導の悪い物と厚みがある方が熱の流れが小さくなることが分かります。

さらに熱流密度Qの単位はW/m2なので流れる量は面積が多いほど大きくなります。

ちなみに真空は熱伝導率がゼロ・・・

これは熱を伝える分子(原子)がないからであります。

真空断熱のポットのお湯が冷めにくいのは原理によるものだったのですね。

 

熱流計で計るという事はどんな評価に使われるのでしょうか？

断熱材の評価に使われるのが一番有名になります。

このほかの評価方法としては温度変化の勾配をみる方法もありますが、

直感的に分かるのがこの計測方法だと思います。

逆に熱伝導の良い物にも使われます。

車に搭載されるリチウムイオンバッテリーの放熱構造でも活躍しそうですね。

 

もう一つ面白いのが、熱流センサに表と裏があることです。

これにより発熱と吸熱という温度の流れが分かります。

温度計測の経験値を積めば発熱と吸熱は感覚的に判断出来ますが、

視覚的にわかりやすい使い方だと思います。

寒冷地試験など自然と相対する試験では使ってみたい気がしますね。

 

絵：日置電機株式会社殿熱流ロガカタログより

ヒートブリッジという言葉はご存じだろうか？

温度に携わる僕はこれを多用することで計測に応用したり装置を作ったりしています。

まさにヒートブリッジを制する者は温度を制すなのであります。

 

もともと・・・ヒートブリッジ（熱橋）とは建築用語。

外壁と内壁の間にある柱などが熱を伝える現象のことなのです。

初めて知ったのがハウスメーカーさんとの仕事なんですが、

これを計測の世界に持ち込んでみました。

 

どんなものかというと上の図から解説しましょう。

箱に温度センサを差し込み温度を計測する場合、

外部温度がセンサを通じて熱伝導し誤差を生じる事があります。

センサに使われている導線が熱伝導の良い銅が使用されているので、

温度差が大きければ影響も大きいのです。

もちろん・・・センサカバーの金属筒からも伝わります。

 

これをキャンセルする方法が次です。

 

このようにしてセンサを中に入れて熱切りをします。

（ヒートブリッジ⇔熱切りという言葉は相反関係なのでぜひ覚えてくださいね！）

さらにケーブルを丸めて距離を稼ぐのです。

僕は丸めるケーブルを熱交換すると呼んでいるんですね。

正確な温度を知るには必須の工夫だと思います。

 

さて、これを装置に応用したのがこちらです。

 

これは福井大医学部・腫瘍病理学領域　三好憲雄先生と一緒に開発したセルです。

詳しい内容はこちら

がんの早期診断技術に必要な超薄型鮮度保持サンプルホルダーの構造ですが、

わずか1mmの空間の温湿度制御を可能にした世界一薄い恒温恒湿槽ですね。

 

構造上は・・・上部の蓋に温度を与えることが出来ないため。

ヒートブリッジを使い恒温空間を作り出しました。

贅沢に銅より熱伝導の良い銀を柱にしております。

こんな使い方も出来るんですよ・・・

 

今回はヒートブリッジに関して簡単に述べましたが、

次回は熱流を深く語ってみようと思います。

第一科学　温湿度マイスター　武田

物体から放射される赤外線の放射量は材質や表面状態により顕著な違いがあります。

たとえば同一温度でありながら、

鉄とアルミでは放射する赤外線エネルギー量(放射率)に違いがあるわけです。

これを放射率と呼ぶのですが違う面から言うと・・・

熱放射しやすい物体はそれと同程度に熱吸収しやすく（キルヒホフの法則）、

熱放射と熱吸収の割合である放射率と吸収率は次の関係になります。

 

放射率＝吸収率

 

日なたに置いた黒い布は太陽熱を吸収しやすいと同時に熱放射もしやすい。

つまり、熱しやすく冷めやすい。

あ～こんな人もいるいる・・・なんてね。

 

次に物質により大まかに放射率を列挙した表があるのでご覧ください。

 

これで見るとアルミが一般的に計りにくい材質なのが分かります。

ただし、これは表面の問題なので、

アルミに樹脂のテープなどを貼るという事で解決できます。

あくまでも熱放射される表面の材質によるんですね。

 

ここで、この表から表面の状態によっても放射率が違うのも分かります。

研磨面と粗面の違いです。

この現象の一番の影響を反射と呼んでいます。

赤外線と温度の関係を定義する理想黒体は、

他からの赤外線をまったく反射しないことを前提としています。

しかし実在の物質は、外部からの赤外線を反射しています。

測定対象が放射する赤外線と、

他の物体から放射され反射した赤外線は区別されることなく、

そのまま測定対象の赤外線エネルギー量として合わせて計測されてしまいます。

 

鏡面仕上げの金属の温度測定を行う場合、

周りに熱源となる白熱球やヒーターなどの映り込みがあると・・・

実際の温度より高めになるケースですね。

 

放射温度計が面白いと思うのがアイデア次第で色々なことが出来ることです。

反射に対して透過というのがこの現象。

食品用ラップフィルムは厚みが十数μm程ですが、

これだと薄すぎて透過し反対側の温度を取ってしまいます。

これを利用して放射温度計のレンズの埃避けに使うアプリもあるほどです。

 

ところがこの写真のようにフィルムに対し鋭角に放射温度計をセットすると、

擬似的にフィルムの厚みを稼ぎ計測する事が出来るのです。

 

これこそ全方位に放射されるという赤外線の醍醐味と言えるのではないでしょうか？

実際にフィルムの製造工程では高速にフィルムは移動する訳ですから、

非接触という特性を活かした測定方法ですね！

前の記事で｢放射温度計もしくは赤外線放射温度計として、

すでに数多く市場で使われている温度計です。｣と書きました。

この赤外線というのが大事なんですね！

科学の世界では波長域という概念を理解することで、

様々な計測・分析のアイデアや応用につながる事が期待できます。

今回はその第一歩として赤外線という波長域に触れてみましょう。

 

放射温度計が受光している波長域は赤外線でも遠赤外というところ。

ここは大気による吸収という影響をほとんど受けない為に、

遠くの温度まで測る事が出来ます。

この８～１４μmの波長領域は「大気の窓」と呼ばれ、

赤外線エネルギー量を測定する放射温度計にとって重要な意味を持ちます。

 

ちょっと脱線しますがこの難しい波長域という考えは色々なところで役に立ちます。

それはほとんどすべての物質において特定の波長で吸収や透過をする性質があるからです。

たとえば・・・それを利用してガス中の分からない物質を特定するとか・・・

レントゲン写真なんかもＸ線の吸収や透過で成り立っているんですね。

この切り口はとても奥が広く面白いのですよ。

 

ひとつの例として石英ガラスの吸収や透過の曲線を加えてみました。

石英ガラスは４μm以下で透過していますね。

これを放射温度計で具体的に表現すると・・・

｢窓越しに遠くの景色は見えていますが、放射温度計が示している温度は

窓ガラスの温度になります。｣です！

可視光は透過しても遠赤外光は通さないのですよ。

 

この現象を身近なところでも起こり利用されています。

 

太陽の光が差し込む明るいハウスがそうですね。

可視光を含む範囲の広い波長の太陽光で暖められた地面からは遠赤外が放射されますが、

ガラスにより遮断されているためにハウスの中の温度は高くなります。

 

夏の車の中も同じですね・・・

ダッシュボードやシートが暖まり遠赤外を放射しますが、

ガラスで遮られるために内部は異常に高くなるのです。

もし透過するガラス系の物を使えば中はそれほど暑くなりません。（コストが合わないけど・・・）

 

そうそう、そのガラスも全波長域で見てみるとマイクロ波の波長域でまた透過が始まります。

つまり、通す通さないは全波長域では様々なんですね。

 

例として電子レンジでガラスが使われているタイプがありますが、

温めるために使う波長のマイクロ波はガラスを透過します。

それはとても危険なのである対策がしてあるのですよ。

 

皆さんご存じのこの小さな穴の空いた金属の網です。

マイクロ波はその波長より小さな穴を通り抜けられないという特性をもっています。

もし、これが無いと・・・

台所にあるレタスやリンゴ、花瓶の水などが温められてしまうことになります。

 

参考：一般的に電子レンジの周波数が２．４５ＧＨｚ帯とすると波長は約１２．２cmです。

 

ちょっと難しかったかもしれません。

すこし脱線してしまいましたが次回は放射率と透過レンズに関して書く予定です。

すべての物体は赤外線を放射しています。

放射温度計はその放射エネルギー量を検知することで温度を知ることができるのですが、

これを勘違いする方も多いのです・・・。

 

一部の放射温度計で計っている場所の特定をするために、

レーザーマーカーを照射するタイプがあります。

赤外を集光するレンズの左右に小さな穴二つ・・・

これがレーザーマーカー部です。

 

計るときに測定面にピンクの光点が分かりますね。

写真の場合、ピンク色の２点のレーザーポイントを直径にした

オレンジの円の中の平均温度を測ることになります。

おそらく、この機能によりレーザー光を利用し

計測していると勘違いする方がいたのだと推測しています。

 

これも知らない方が多いかな～と思い描いてみました。

主な放射温度計には視野角があります。

大きな分類として２つのタイプ。

距離が離れるとひたすら広い範囲を計測するもの。

一度、焦点を結びその後広がるタイプのものとなります。

後者は顕微鏡のイメージですね。

右の方にそれぞれの得意な計測用途例を書いてみました。

 

放射温度計と熱容量との関係も重要ですね。

接触式の温度計ではセンサ自体に熱容量があるので、

計りたい物の熱を奪ってしまう／与えてしまう事例です。

焦点を結ぶタイプでは小さな基板上の部品の温度測定が代表的です。

また、薄く熱容量の小さな葉・紙・フィルム等の温度を計測する場合などにも使われています。

 

少し非接触で計るというメリットがおわかりいただけたでしょうか？

 

資料：タスコジャパン殿

 

放射温度計とは・・・

放射温度計もしくは赤外線放射温度計として、

すでに数多く市場で使われている温度計です。

（普通の家庭で使われているは耳式体温計もそうです。）

放射温度計とは
すべての物体は赤外線を放射しています。
この放射される赤外線の強さ(エネルギー量)は温度が
高くなるにしたがい増加しますので、その放射エネルギー量を検知することで温度を知ることができます。
このような原理から｢(赤外線)放射温度計｣と呼ばれます。

今までの温度センサーとは原理が違うので正しい使い方を知るとかなり応用できます。

この温度計のおもしろさを表す意味でも２問ほどクイズを出しましょう。

まずはビルの上から放射温度計を空に向けてみます。

 

さて・・・この時、放射温度計は何を計っているでしょう？

さらに何度ぐらいを示すと思いますか？

 

 

 

答えは・・・

上空の大気の温度です。

これを計ったときは７月だったのでまだ暖かいですね。

－１４．７℃という値になりました。

これが冬になりますといわゆる寒気団になるので、

－４０℃以下になることもあります。

 

つまり、放射温度計は理論的には無限大の距離の温度を取ることが出来ます。

面白いですね。

これに近いイメージの物はカメラと同じだと言うこと・・・

カメラで景色を撮すと遠くの山々まで写りますよね。

そう、これと同じなんです。

 

お次は手の温度に関する質問です。

手の温度を放射温度計で測るのですが、

どこの部分が一番高い温度を示すのでしょう？

 

 

 

 

答えは・・・

なんと指先の爪の部分です。

 

答えを分かりやすくするために放射温度計と同じ原理の赤外線サーモグラフィで撮ってみました。

白くなっている部分が一番温度が高いという事が分かります。
(個人差があり血行がいい人は違う場合もあります)

この理由も興味深いですよ。

体や手には無数の汗腺があって体温調節を行っています。

つまり、汗が気化することによって熱を奪う作用ですね（気化熱・蒸発潜熱）。

ところが爪にはこの汗腺が無いために、

表面温度が高いのでありますよ。

 

なかなか面白いでしょう？

 

この様に放射温度計はいろいろな計測に応用できます。

次回はもう少し深く放射温度計を解説いたしますね。

 

説明：安立計器殿より
写真：タスコジャパン殿／オプテックス殿より

最近、テレビで有機物と無機物の違いについて放送されました。

ごく普通に聞いた言葉なのですがちゃんとに文字すると答えられませんよね。

超簡単に言えば燃やせば水(水蒸気)と二酸化炭素ができるものです。

専門的に言うと炭素を含む化合物の大部分となるのですが、

一般の方からすると何のこっちゃ？となるわけであります。（写真:プロパンの分子モデル）

 

さらに無機物になると有機物を除いたすべての物質だそうです。

同じ炭素を含んでも二酸化炭素は無機質なので・・・

意外に曖昧なカテゴリー分けのような気がしました。

 

さて、温度も同じようなことが言えます。

｢今、３０℃だから暑いね｣と普段使いしているものですが、

これも学術的に表現するとビックリするものなのですね。

温度とは物質を構成する分子運動のエネルギーの統計学的な値。

温度には下限が存在し、

分子運動が止まっている状態が温度 −273.15 ℃（絶対零度）です。

 

そうなのです・・・

温度は分子運動がふなっしーのシャカシャカ状態だと高く。

動いていないときは低いというイメージですね。

 

そこで温度という分子運動のエネルギーを伝える方法として、

大まかに図のような物になります。

物から物へと熱が伝わる熱伝導という現象がそのひとつ。

空気などの気体から物へと伝わる方法もありますね。

この地球でありがたく感じるのが太陽光という光エネルギー波による伝達。

遠赤外でおなじみの赤外光や輻射熱による伝達。

電子レンジなどは温度伝達のイリュージョン。

直接、分子を揺すって発熱するエネルギー波による伝達などたくさんあります。

 

 

温度を極めるシリーズではこのように熱を計る＆環境を作り出すをテーマに進めていきます。

手法が多いだけに色々な切り口でご紹介できると思いますのでお楽しみに！

温度を極めることでほんと・・・

古典的な技術から最新のテクノロジーまでがつながりますよ。