JP2016166832A - 熱流束センサ - Google Patents

Abstract

【課題】裏面が被測定部材に固定され、表面上に熱を有する流体が流れることにより厚さ方向に熱流束が発生する熱流束センサにおいて、センサ基板による熱抵抗が無い場合における真の熱流束を検出信号として得られるようにする。【解決手段】熱流束により生じる表面１１と裏面１２との間の温度差に起因してゼーベック効果による起電力が発生するようになっているセンサ基板１０と、センサ基板１０に設けられ、起電力を熱流束の検出信号として検出する検出部２１、２２と、を備え、検出部は第１の検出部２１と、厚さ方向の熱抵抗が第１の検出部２１とは異なる第２の検出部２２とよりなる。第１の検出部２１にて検出された第１の検出信号と第２の検出部２２にて検出された第２の検出信号とから演算を行い、センサ基板１０による熱抵抗分をキャンセルした信号を求める。【選択図】図２

Description

本発明は、センサ基板の厚さ方向に発生する熱流束により生じる表面と裏面との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力を発生させ、この起電力を熱流束の検出信号として検出する熱流束センサに関する。

従来より、この種の熱流束センサとして、表面上に熱（冷熱を含む）を有する流体が流れることにより厚さ方向に熱流束が発生するセンサ基板を備えたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

ここで、センサ基板においては、この熱流束により生じる表面と裏面との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力が発生するようになっている。そして、センサ基板の表面には、熱電対よりなる検出部が設けられており、この検出部によって上記起電力を熱流束の検出信号として検出するようにしている。

特許第５５２３９８５号公報

ところで、上記したような熱流束センサは、熱を有する流体が発生する環境に設けられた被測定部材上に設置される。具体的には、センサ基板の裏面を被測定部材に固定し、センサ基板の表面上を流体が流れるように、当該設置が行われる。

そうすると、センサ基板が当該基板の厚さ分、被測定部材上に突出した形となる。そのため、センサ基板の厚さ分による熱抵抗が、基板厚さ方向の熱流束の流れを阻害する。ここで、熱流束とは、単位時間当たりに単位面積を通過する熱量である。

このように、熱流束センサによって基板厚さ方向の熱流束の流れが阻害されるため、当該熱流束としては、被測定部材上にセンサ基板が無い状態の真の値、つまり、基板厚さ＝０の場合の値を検出信号として検出することはできなかった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、裏面が被測定部材に固定され、表面上に熱を有する流体が流れることにより厚さ方向に熱流束が発生する熱流束センサにおいて、センサ基板による熱抵抗が無い場合における真の熱流束を検出信号として得られるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、表面（１１）上に熱を有する流体（Ｙ１）が流れることにより厚さ方向に熱流束が発生し、この熱流束により生じる表面と裏面（１２）との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力が発生するようになっているセンサ基板（１０）と、センサ基板に設けられ、起電力を熱流束の検出信号として検出する検出部（２１、２２）と、を備える熱流束センサであって、次のような点を特徴としている。

すなわち、請求項１の熱流束センサにおいては、検出部は、第１の検出部（２１）と、センサ基板の厚さ方向の熱抵抗が第１の検出部とは異なる第２の検出部（２２）と、よりなるものであり、第１の検出部にて検出された第１の検出信号と第２の検出部にて検出された第２の検出信号とから演算を行い、センサ基板による熱抵抗分をキャンセルした信号を求め、当該キャンセルした信号を出力するようにしたことを特徴とする。

それによれば、検出信号である熱流束においてセンサ基板による熱抵抗分を排除することができるため、当該熱抵抗が無い場合における真の熱流束を検出信号として得ることができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の熱流束センサにおいて、第１の検出部と第２の検出部とでは、センサ基板の厚さが異なることによって熱抵抗が異なっているものにできる。

そして、この場合、第１の検出部におけるセンサ基板の厚さをｄ１、第１の検出信号をＱ１とし、第２の検出部におけるセンサ基板の厚さをｄ２、第２の検出信号をＱ２として、当該２個の値（ｄ１、Ｑ１）および（ｄ２、Ｑ２）から決まる、センサ基板の厚さと検出信号との負の比例関係から、センサ基板の厚さを０としたときの検出信号を、当該２個の値を用いて直線外挿することにより求め、当該求められた信号をキャンセルした信号として出力するようにする。

このように、請求項２の熱流センサによれば、第１の検出部と第２の検出部とで基板厚さを異ならせることにより、真の熱流束を検出信号として得ることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明の第１実施形態にかかる熱流束センサを示す概略平面図である。 図１に示される熱流束センサの概略断面図である。 第１実施形態におけるセンサ基板の厚さと熱流束との関係を概略的に示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかる熱流束センサを示す概略平面図である。 本発明の第３実施形態にかかる熱流束センサを示す概略平面図である。 本発明の第４実施形態にかかる熱流束センサを示す概略平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる熱流束センサＳ１について、図１、図２を参照して述べる。この熱流束センサＳ１は、用途を限定するものではないが、たとえば自動車などの車両に搭載され、エンジンルーム内のケーシング等から気流への熱流束を測定するものとして、適用される。

図１、図２に示されるように、本実施形態の熱流束センサＳ１は、熱を有する流体Ｙ１が発生する環境に設けられた被測定部材１００上に設置される。この被測定部材１００は、たとえば上記したエンジンルーム内のケーシングである。

熱流束センサＳ１は、両板面の一方を表面１１、他方を裏面１２とする板状をなすセンサ基板１０を備えたものであり、ここでは矩形板状をなすものとされている。センサ基板１０は、裏面１２が被測定部材１００に固定されることで被測定部材１００に設置されている。そして、センサ基板１０の表面１１上を流体Ｙ１が流れるようになっている。

図２に示されるように、センサ基板１０においては、表面１１上に流体Ｙ１が流れることにより基板厚さ方向に熱流束が発生し、この熱流束により生じる表面１１と裏面１２との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力が発生する。

このセンサ基板１０は、絶縁性材料よりなる基板であり、たとえばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などの熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂等よりなる。

ここで、本実施形態のセンサ基板１０においては、中央部とその周辺部とで基板構成材料である絶縁性材料は同一であるが、基板厚さが異なっており、中央部が厚く、それに比して周辺部が薄いものとされている。そして、厚い中央部が第１の検出部２１として構成され、薄い周辺部が第２の検出部２２として構成されている。

本実施形態では、肉厚の平面矩形をなす第１の検出部２１の外周に、平面矩形枠状をなす第２の検出部２２が一体に配置されている。なお、このようにセンサ基板１０の厚さを部分的に異ならせることは、たとえばプレス加工等により行えるし、また、センサ基板１０が多層基板の場合は層数を変えて厚さを異ならせることも可能である。

これら第１の検出部２１および第２の検出部２２は、センサ基板１０に発生する上記起電力を熱流束の検出信号として検出するものである。図示しないが、各検出部２１、２２においては、センサ基板１０に設けた貫通孔に、異なる２種の金属や半導体が埋め込まれて、これらが直列に接続されることで、熱電対が構成されている。ここで、たとえば２種の金属としては、固相焼結されたＰ型を構成するＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅ合金と、Ｎ型を構成するＢｉ−Ｔｅ合金との組み合わせや、Ｃｕとコンスタンタンとの組み合わせ等が挙げられる。

このような熱電対の構成は、たとえば上記特許文献１のものと同様である。そして、各検出部２１、２２は、この熱電対によって熱流束の検出信号としての上記起電力を取り出すようになっている。ここで、図１に示されるように、各検出部２１、２２は上記熱電対に接続されたＣｕ等よりなる端子部３０を有しており、この端子部３０によって上記起電力としての検出信号を取り出すようになっている。

また、端子部３０には、絶縁被覆された金属配線などよりなる配線部材４０が接続され、この配線部材４０を介して、各検出部２１、２２は、図示しない回路部に接続されている。この回路部は、各検出部２１、２２からの検出信号（起電力）の測定や、これら検出信号の演算処理を行うようになっている。

本実施形態では、センサ基板１０の異なる部位に第１の検出部２１および第２の検出部２２を設けることにより、これら検出部２１、２２は互いに、センサ基板１０の厚さ方向の熱抵抗が異なるものとしている。ここでは、上述のように、第１の検出部２１と第２の検出部２２とでは、基板の構成材料すなわち熱伝導率は変えずに、基板厚さを異ならせることによって熱抵抗が異なっている。

熱流束Ｑは、基板厚さ方向の熱抵抗Ｒと負の比例関係にあり、この熱抵抗Ｒはセンサ基板１０の厚さ（基板厚さ）ｄをセンサ基板１０の熱伝導率λで割ったものに相当する。つまり、ｋを負の数として、Ｑ＝ｋ・Ｒ＝ｋ・（ｄ／λ）の関係がある。そのため、基板厚さｄが異なる第１の検出部２１と第２の検出部２２とでは、検出される熱流束としての検出信号が異なってくる。

そして、本実施形態では、第１の検出部２１にて検出された第１の検出信号と第２の検出部２２にて検出された第２の検出信号とから演算を行い、センサ基板による熱抵抗Ｒ分をキャンセルした信号を求め、当該キャンセルした信号を出力するようにしている。この演算処理は、上記した図示しない回路部により行われる。

この演算処理について具体的に述べる。各検出部２１、２２にて検出を行い、第１の検出部２１における基板厚さをｄ１、第１の検出信号である熱流束をＱ１とし、第２の検出部２２における基板厚さをｄ２、第２の検出信号である熱流束をＱ２とする。

そして、当該２個の値（ｄ１、Ｑ１）および（ｄ２、Ｑ２）から、図３に示されるように、基板厚さｄと検出信号である熱流束Ｑとの負の比例関係を求める。ここで、上記したＱ＝ｋ・Ｒ＝ｋ・（ｄ／λ）の関係から明らかなように、熱抵抗Ｒと熱流束Ｑとの関係も、この図３の関係と同様の負の比例関係となる。

そして、この基板厚さｄと熱流束Ｑとの負の比例関係から、基板厚さｄを０としたときの熱流束（検出信号）Ｑ０を、上記２個の値を用いて直線外挿することにより求める。この図３の関係において直線外挿した基板厚さｄ＝０のときの熱流束Ｑ０は、熱抵抗Ｒ＝０のときの熱流束、つまり真の熱流束Ｑ０に相当する。

これにより、直線外挿によって求められた信号は、熱抵抗Ｒ＝０のときの真の熱流束Ｑ０であり、センサ基板１０による熱抵抗Ｒ分をキャンセルした信号として出力される。なお、限定するものではないが、たとえば、第２の検出部２２の基板厚さｄ２は、第１の検出部２１の基板厚さｄ１の２倍程度、具体的にはｄ１：０．１ｍｍ程度、ｄ２：０．２ｍｍ程度とすることができる。

このように、本実施形態によれば、第１の検出部２１と第２の検出部２２とで基板厚さｄを異ならせることにより、検出信号である熱流束Ｑにおいてセンサ基板１０による熱抵抗Ｒ分を排除することができる。そのため、当該熱抵抗Ｒが無い場合における真の熱流束Ｑ０を検出信号として得ることができる。

［他の例］
上記した例では、第１の検出部２１と第２の検出部２２とでは、基板厚さｄを異ならせることによって熱抵抗Ｒを異ならせたものであった。これに対して、基板中央側の第１の検出部２１と基板周辺側の第２の検出部２２とでは、基板厚さｄを一定として基板を構成する絶縁性材料の熱伝導率λを異ならせることによって熱抵抗Ｒを異ならせたものであってもよい。

この場合でも、上記したＱ＝ｋ・Ｒ＝ｋ・（ｄ／λ）の関係から、各検出部２１、２２の間で、基板厚さｄが同じであって熱伝導率λを変えれば、熱抵抗Ｒを異ならせることができる。そして、上記図３のグラフと同様に、熱抵抗Ｒと熱流束Ｑとの負の比例関係を求めることができる。

なお、各検出部２１、２２における熱伝導率λを変えて熱抵抗Ｒを異ならせることは、センサ基板１０の構成材料の種類を変えることで実現できる。たとえば、樹脂材料の種類を変えればよい。また、通常、樹脂の熱伝導率λは０．３Ｗ／ｍ・ｋ程度であるが、セラミックの熱伝導率λは樹脂よりも一桁以上大きいものであり、樹脂とセラミックとの組み合わせで構成材料を変えてもよい。つまり、本例では、第１の検出部２１と第２の検出部２２とは、基板の構成材料の相違により区画される。

こうして、本例においても、熱伝導率λが異なる第１の検出部２１と第２の検出部２２とでは、熱抵抗Ｒが異なることで熱流束Ｑとしての検出信号が異なってくる。そのため、本例でも、第１の検出部２１にて検出された第１の検出信号と第２の検出部２２にて検出された第２の検出信号とから演算を行い、熱抵抗Ｒ分をキャンセルした信号を求め、当該キャンセルした信号を出力する。

本例の演算処理について具体的に述べる。各検出部２１、２２にて検出を行い、第１の検出部２１における熱抵抗をＲ１、第１の検出信号である熱流束をＱ１とし、第２の検出部２２における熱抵抗をＲ２、第２の検出信号である熱流束をＱ２とする。

そして、当該２個の値（Ｒ１、Ｑ１）および（Ｒ２、Ｑ２）から、熱抵抗Ｒと熱流束Ｑとの負の比例関係を求める。具体的に、この熱抵抗Ｒと熱流束Ｑとの負の比例関係は、上記図３において、横軸を熱抵抗Ｒとし、ｄ１をＲ１、ｄ２をＲ２に置き換えたものとみなすことができる。

そして、この熱抵抗Ｒと熱流束Ｑとの負の比例関係から、熱抵抗Ｒを０としたときの熱流束（検出信号）Ｑ０を、上記２個の値を用いて直線外挿することにより求める。当該負の比例関係において直線外挿した熱抵抗Ｒ＝０のときの熱流束Ｑ０は、真の熱流束Ｑ０に相当する。

このように、本例においても直線外挿によって求められた信号は、熱抵抗Ｒ＝０のときの真の熱流束Ｑ０であり、センサ基板１０による熱抵抗Ｒ分をキャンセルした信号として出力される。こうして、本例においても、センサによる熱抵抗Ｒが無い場合における真の熱流束Ｑ０を検出信号として得ることができる。

また、本第１実施形態においては、上記図１に示したように、センサ基板１０は平面矩形であり、中央側の第１の検出部２１も平面矩形であったが、センサ基板１０の平面形状としては、次に述べる第２実施形態〜第４実施形態のような形状であってもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかる熱流束センサＳ２は、図４に示されるように、センサ基板１０を平面円形とし、中央側の第１の検出部２１も平面円形としている。本実施形態においても、センサによる熱抵抗Ｒが無い場合における真の熱流束Ｑ０を検出信号として得ることができることは、もちろんである。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態にかかる熱流束センサＳ３は、図５に示されるように、センサ基板１０を平面六角形とし、中央側の第１の検出部２１も平面六角形としている。本実施形態においても、センサによる熱抵抗Ｒが無い場合における真の熱流束Ｑ０を検出信号として得ることができることは、もちろんである。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態にかかる熱流束センサＳ４は、図６に示されるように、センサ基板１０を平面八角形とし、中央側の第１の検出部２１も平面八角形としている。本実施形態においても、センサによる熱抵抗Ｒが無い場合における真の熱流束Ｑ０を検出信号として得ることができることは、もちろんである。

また、センサ基板１０の平面形状としては、上記した第２実施形態〜第４実施形態のような形状以外の多角形、あるいは、その他の形状であってもよい。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、基板厚さｄを変えて熱抵抗Ｒを異ならせる場合、中央側に位置する第１の検出部２１と周辺部に位置する第２の検出部２２とでは、第１の検出部２１の方が厚いものであったが、これとは逆に第２の検出部２２の方が厚いものであってもよい。つまり、第１の検出部２１と第２の検出部２２とは、基板厚さｄが異なることで厚さ方向の熱抵抗Ｒが異なっていればよい。

また、上記各実施形態では、検出部は、第１の検出部２１と第２の検出部２２との２種類であり、２点の検出値から熱抵抗Ｒと熱流束Ｑとの負の比例関係を求めていた。これに対して、さらに第１の検出部２１、第２の検出部２２とは熱抵抗Ｒを異ならせた第３の検出部まで設けて、検出された３点の検出値から、熱抵抗Ｒと熱流束Ｑとの負の比例関係を求めるようにしてもよい。

この場合、２点の場合に比べて、比例関係がより正確に求めやすくなるという利点がある。さらには４点以上でもよいことはもちろんである。つまり、センサ基板１０において厚さ方向の熱抵抗Ｒが異なる２種類以上の検出部を設けることで、各検出部からの検出信号を用い、熱流束と熱抵抗との関係に基づいて演算（外挿処理）を行えば、センサ基板による熱抵抗分をキャンセルした検出信号が得られるのである。

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ センサ基板
１１ センサ基板の表面
１２ センサ基板の他面
２１ 第１の検出部
２２ 第２の検出部
Ｙ１ 流体

Claims (3)

1. 表面（１１）上に熱を有する流体（Ｙ１）が流れることにより厚さ方向に熱流束が発生し、この熱流束により生じる前記表面と裏面（１２）との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力が発生するようになっているセンサ基板（１０）と、
   前記センサ基板に設けられ、前記起電力を前記熱流束の検出信号として検出する検出部（２１、２２）と、を備える熱流束センサであって、
   前記検出部は、第１の検出部（２１）と、前記センサ基板の厚さ方向の熱抵抗が前記第１の検出部とは異なる第２の検出部（２２）と、よりなるものであり、
   前記第１の検出部にて検出された第１の検出信号と前記第２の検出部にて検出された第２の検出信号とから演算を行い、前記センサ基板による熱抵抗分をキャンセルした信号を求め、当該キャンセルした信号を出力するようにしたことを特徴とする熱流センサ。
2. 前記第１の検出部と前記第２の検出部とでは、前記センサ基板の厚さが異なることによって前記熱抵抗が異なっているものであり、
   前記第１の検出部における前記センサ基板の厚さをｄ１、前記第１の検出信号をＱ１とし、前記第２の検出部における前記センサ基板の厚さをｄ２、前記第２の検出信号をＱ２として、
   当該２個の値（ｄ１、Ｑ１）および（ｄ２、Ｑ２）から決まる、前記センサ基板の厚さと前記検出信号との負の比例関係から、前記センサ基板の厚さを０としたときの検出信号を、当該２個の値を用いて直線外挿することにより求め、当該求められた信号を前記キャンセルした信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の熱流センサ。
3. 前記第１の検出部と前記第２の検出部とでは、前記センサ基板の構成材料の熱伝導率が異なることによって前記熱抵抗が異なっているものであり、
   前記第１の検出部における前記センサ基板の熱抵抗をＲ１、前記第１の検出信号をＱ１とし、前記第２の検出部における前記センサ基板の熱抵抗をＲ２、前記第２の検出信号をＱ２として、
   当該２個の値（Ｒ１、Ｑ１）および（Ｒ２、Ｑ２）から決まる、前記センサ基板の熱抵抗と前記検出信号との負の比例関係から、前記センサ基板の熱抵抗を０としたときの検出信号を、当該２個の値を用いて直線外挿することにより求め、当該求められた信号を前記キャンセルした信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の熱流センサ。

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