熱流センサーの取り付け方法
熱流測定を最大限に活用するためのヒントとコツ
熱流を測定することは、さまざまなプロセスを理解するための強力な手法です。例えば、壁を通過する熱量や、冷却が必要な試験体へ流れ込む熱量を測定できます。 適切なセンサーを選定したうえで、このセンサーを正しく取り付け、安定した測定が行われ、かつ放射・対流を含む正しい熱流を捉えられるようにすることは、正確なデータを得るための重要なステップです。
本稿では、熱流センサーを取り付ける際の「やるべきこと」と「避けるべきこと」について詳しく解説します。
はじめに
熱流センサーは、断熱材の熱性能評価から、配管のファウリング監視、さらには豚の健康モニタリングに至るまで、非常に幅広い用途で使用されています。熱流を測定することで、プロセスの挙動やシステム性能に関する有用な知見が得られます。 適切なセンサーを選定したうえで、このセンサーを正しく取り付け、安定した測定が行われ、かつ放射・対流を含む正しい熱流を捉えられるようにすることは、正確なデータを得るための重要なステップです。
本稿では、熱流センサーの取り付けに焦点を当てます。取り付け時に「やるべきこと」と「避けるべきこと」は何か、そしてセンサーから最良のデータを得るにはどうすればよいのかを解説します。
熱流測定における一般的な注意事項
- 用途に適したセンサーを使用すること。 熱流センサーには多くのモデルがあり、それぞれ温度範囲や熱流範囲が異なります。 当社の熱流センサー製品ラインアップをご確認ください。
- また、YouTube にて「熱流の測定方法」を解説した動画もご覧いただけます。
- 代表性のある測定を行うこと。 まず、監視対象システムを代表する適切な測定位置を選定することが重要です。 複数のセンサーを使用することを推奨します。 測定位置の代表性は、赤外線カメラを用いて確認することもできます。
取り付け時の注意事項
熱流センサーの種類にかかわらず、センサーと取り付け対象物との接触抵抗が変動しないよう、確実に固定することが重要です。
- センサーと対象物の間に空気層があると、大きな熱抵抗となり、応答時間が長くなる可能性があります。これは避けるべきです。
- また、センサーが徐々に緩んでくると、測定値が不安定になり、信頼性が低下します。 そのため、安定した接着剤や充填材を使用し、高品質なケーブルと適切なストレインリリーフ（引張緩和）を施すことが重要です。
また、光学特性を一致させる必要があります。
- センサー表面の光学特性にも注意してください。 センサーが取り付けられる対象物の光学特性と一致していることが重要です。
取り付け方法
熱流センサーの取り付け方法は、用途によってさまざまです。 特に重要となるパラメータは次の 2 点です。
- 温度範囲
- 測定期間
これら 2 つのパラメータは、熱流センサーに適した取り付け方法を選定する際の判断材料となります。 表 1 および本ノート末尾の例が、選択肢を検討する際の参考になります。
また、センサーに不要な負荷がかからないよう、ケーブルには必ずストレインリリーフ（引張緩和）を施してください。
なぜ空気層を避けるべきか
空気の熱伝導率はおよそ 0.02 W/(m·K) と非常に低いため、わずかな空気層でも大きな熱抵抗となります。
一方、プラスチックやサーマルペーストの熱伝導率はおよそ 0.2 W/(m·K) であり、同じ厚さであれば熱抵抗は空気の約 1/10 に低減されます。
例えば、厚さ 0.05 × 10⁻³ m の空気層を考えると、その熱抵抗は 20 × 10⁻⁴ K/(W/m²) となります。 これは、FHF05 シリーズの 11 × 10⁻⁴ K/(W/m²)、HFP01 の 70 × 10⁻⁴ K/(W/m²) と比較できます。 このため、小さな空気層でも FHF05 では約 200 %、HFP01 では約 30 % の熱抵抗増加を引き起こします。
一方、熱伝導率が空気の約 10 倍ある充填材を同じ厚さ（0.05 × 10⁻³ m）で使用した場合、熱抵抗は 2.5 × 10⁻⁴ K/(W/m²) に低減されます。 これにより、熱抵抗の寄与は FHF05 で約 20 %、HFP01 で約 3 % に抑えられます。
この例からも分かるように、高熱伝導率のテープを使用する必要はありません。薄い一般的なテープで十分です。
空気層は、伝導熱に対する熱抵抗を増加させるだけでなく、放射熱のバランスを大きく変えてしまう可能性もあります。 空気層は放射伝熱に対する「抵抗」（放射スクリーン）として働きますが、充填されていればその抵抗はなくなります。
特に遠赤外線による放射熱流が支配的な場合には注意が必要です。 この場合、空気層の存在が誤差の主因となり得ます。 空気層のあるセンサーは放射シールドとして働き、局所的な放射伝熱を理論上最大 50 % 低減してしまうためです。
表 1 熱流センサーの取り付けオプション 使用する材料は、センサー位置の固定だけでなく、空気層の充填にも利用できます。
| 番号 | 製品 | 使用期間 | 定格温度範囲 | 機能 | 備考 |
| [No.] | [説明] | [説明] | [°C] | [説明] | [説明] |
| 1 | パワーストリップ | 一時的、容易に取り外し可能 | 15 ～ 40 | 固定および空気層の充填 | TESA Powerstrip。非常に容易に取り外し可能。 |
| 2 | グリセリン | 数分 | ～120 | 空気層の充填のみ | 充填材としてのみ使用。短時間の実験向け。グリセリンは薬局で入手可能で、安全に使用でき、水に容易に溶ける。 |
| 3 | 歯磨き粉 | 数日 | 40 | 空気層の充填のみ | 充填材としてのみ使用。片面テープなど他の固定手段と併用すること。
水性
市販の歯磨き粉の多くが使用可能。 |
| 4 | 両面テープ | 2 週間、取り外し可能 | 40 | 固定および空気層の充填 | TESA 4939（カーペット用テープ)は高い初期接着力を持ち、一般的な表面では最大 14 日間、残留物なく取り外し可能。（使用前に個別の確認が必要） |
| 5 | サーマルペースト | 数週間 | ～177 | 空気層の充填のみ | 充填材としてのみ使用。片面テープなど他の固定手段と併用すること。
シリコーンオイル系。
|
| 6 | シリコーン接着剤 | 恒久的 | -45 ～ 200 | 固定および空気層の充填 | 市販のシリコーン接着剤の多くが使用可能。
|
| 7 | 片面テープ | 一時的または恒久的 | -260 ～ 150 | 固定のみ | 固定のみ。他の充填材（サーマルペーストなど）と併用すること。
市販のカプトンテープの多くが使用可能。 |
| 8 | 磁石 | 一時的または恒久的 | ～500 | 固定のみ | 磁性面でのみ使用可能。
オプションの「磁石付きフレーム」仕様のセンサーでのみ使用可能
溶接されたねじやボルトが使用できない場合に使用 |
| 9 | タック溶接されたねじ | 一時的または恒久的 | -260 ～ 1000 | 固定のみ | フランジ付きセンサー用。
固定のみ。他の充填材（シリコーン、グラファイトシート、セメントなど）と併用すること。
通常はスプリングと併用。 |
| 10 | ボルト | 一時的または恒久的 | -260 ～ 1000 | 固定のみ | フランジ付きセンサー用。
固定のみ。他の充填材（シリコーン、グラファイトシート、セメントなど）と併用すること。
通常はスプリングと併用 |
| 11 | シリコーンガスケット | 一時的または恒久的 | ～200 | 空気層の充填のみ | 充填材としてのみ使用。ボルトやねじなど他の固定手段と併用すること。
ユーザーが任意のサイズに切断可能。 |
| 12 | グラファイトガスケット | 一時的または恒久的 | ～500 | 空気層の充填のみ | 充填材としてのみ使用。ボルトやねじなど他の固定手段と併用すること。
ユーザーが任意のサイズに切断可能。 |
| 13 | 高温用セメント | 一時的または恒久的 | ～1400 | 固定および空気層の充填 | OMEGA 高温用セメント |
| その他の取り付けオプション | |||||
| 14 | セメントおよびエポキシ | 各種あり | 各種あり | 各種あり | OMEGA製のセメントおよびエポキシ |
空気層への対処方法
テープ、シート（ガスケット）材、接着剤、セメントなどは、いずれも空気層を埋めるために使用できます。 空気層は次のような理由で発生することがあります。
- 表面の状態によるもの：取り付け面が平滑でない場合があります。 取り付け前に表面を平滑にしてください。
- 曲面によるもの：実用上、曲率半径が 5 m を超える面は「平面」とみなせます。 それより小さい曲率の場合は、柔軟なセンサーの使用を検討してください。IHF01 や IHF02 のような産業用センサーでは、 片面が平面、もう片面が曲面になったカップリング部品を提供することも可能です。
表 1 に、さまざまな取り付けオプションをまとめています。
なぜ光学特性が重要なのか
熱流センサーを表面に取り付けると、熱は一般に 放射 と 対流 の組み合わせによって伝わります。 対流による熱伝達については、センサーの熱抵抗はできるだけ低くあるべきです。 一方、放射による熱伝達については、センサー表面の光学特性が周囲の表面と同等であることが重要になります。
注意すべきポイント
- 放射は、人間が見える可視光だけでなく、不可視の遠赤外線でも伝わります。
- 金属の素地（未塗装金属）は、可視光だけでなく遠赤外線に対しても反射性があります。
- 塗料や樹脂コーティング、木材、石材などは、可視光の色によって吸収する波長域が異なります。 しかし、これらの材料は一般に遠赤外線領域では「黒体」に近い挙動を示します。
代表性（周囲との光学的な一致性）は、可視域の通常カメラと遠赤外域の赤外線カメラを併用して確認できます。
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