JP2019039821A - Heat flow sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、熱流センサに関する。 Embodiments of the present invention relate to a heat flow sensor.
熱流センサとしては、ゼーベック効果を利用して熱流量を測定するようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この熱流センサにおいては、コンスタンタンからなる第1の導体パターンと、コンスタンタン及び銅からなる第2の導体パターンとを交互に連結して、ジグザグ状(蛇行状)の熱電錐パターンを有する形態のフレキシブル配線板を、二段エッチング法により形成する。そして、そのフレキシブル配線板を、樹脂フィルムなどの熱抵抗体に巻回して接着することにより、熱流センサが形成される。 As the heat flow sensor, one that measures the heat flow using the Seebeck effect is known (see, for example, Patent Document 1). In this heat flow sensor, a flexible wiring having a zigzag (meandering) thermoelectric cone pattern in which a first conductor pattern made of constantan and a second conductor pattern made of constantan and copper are alternately connected. The plate is formed by a two-stage etching method. And the heat flow sensor is formed by winding and bonding the flexible wiring board around a thermal resistor such as a resin film.
上記した従来の熱流センサでは、複雑な導体パターンを必要とする等、構成が比較的複雑であって、高価となる傾向にあった。
そこで、比較的簡単な構成で安価に済ませることができる熱流センサを提供する。
The above-mentioned conventional heat flow sensor has a tendency to be relatively complicated and expensive because it requires a complicated conductor pattern.
In view of this, a heat flow sensor is provided that can be made inexpensively with a relatively simple configuration.
実施形態に係る熱流センサは、測定対象物の表面から放出される熱流束密度を測定するためのものであって、熱抵抗が既知の材料からなり前記測定対象物の表面の測定箇所に宛がわれる薄膜と、前記薄膜の一方の面に接合点が配置された第1の熱電対と、前記薄膜の他方の面に前記第1の熱電対と対応した位置に接合点が配置された第2の熱電対とを備え、前記第1の熱電対の起電力と前記第2の熱電対の起電力との差から、前記薄膜の両面の温度差を求めることに基づき測定を行う。 The heat flow sensor according to the embodiment is for measuring the heat flux density emitted from the surface of the measurement object, and is made of a material having a known thermal resistance and is directed to the measurement location on the surface of the measurement object. And a first thermocouple in which a junction point is disposed on one surface of the thin film, and a second in which a junction point is disposed at a position corresponding to the first thermocouple on the other surface of the thin film. The measurement is performed based on obtaining the temperature difference between the two surfaces of the thin film from the difference between the electromotive force of the first thermocouple and the electromotive force of the second thermocouple.
(1)第1の実施形態
図1〜図3を参照して、第1の実施形態について述べる。図1及び図2は、本実施形態に係る熱流センサ1の構成を概略的に示している。図1に示すように、この熱流センサ1は、測定対象物2の表面(図で上面)の測定箇所に宛がわれ、該測定対象物2の測定箇所から放出される熱流束密度q(W/m2 )、つまり単位時間中に流れる単位面積当たりの熱量を測定するためのものとされている。尚、ここでは、前記測定対象物2として、例えば、変圧器の構成部品としてのコイル等の発熱部品を想定している。
(1) First Embodiment A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2 schematically show a configuration of a
本実施形態に係る熱流センサ1は、図1及び図2に示すように、熱抵抗が既知の材料からなり測定対象物2の表面の測定箇所に宛がわれる薄膜3と、この薄膜3の一方の面(図で上面)に接合点4aが配置された第1の熱電対4と、前記薄膜3の他方の面(図で下面)の前記第1の熱電対4と対応した位置に接合点5aが配置された第2の熱電対5とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
前記薄膜3は、この場合、セラミック材料、例えば集成マイカをシート状に成形したマイカフィルムからなり、例えば厚み寸法が0.1〜1mm程度の円形薄板状に構成されている。また、この薄膜3の熱抵抗は、R(m2 ・K/W)とされている。尚、薄膜3の熱抵抗R(m2 ・K/W)は、薄膜3の厚み寸法d(m)÷薄膜3の熱伝導率λ(W/m・K)で求めることができる。
In this case, the
前記第1の熱電対4は、図3に示すように、例えば、クロメル(登録商標)からなるプラス極金属線4bと、アルメル(登録商標)からなるマイナス極金属線4cとの先端部同士をろう付けなどにより接合して構成され、その接合点4aが、前記薄膜3の上面の中心部(点P1)に貼付けられている。また、前記第2の熱電対5についても、例えば、同様に、クロメルからなるプラス極金属線5bと、アルメルからなるマイナス極金属線5cとの先端部同士をろう付けなどにより接合して構成され、その接合点5aが、前記薄膜3の下面の中心部(点P2)に貼付けられている。尚、薄膜3の上面の点P1と下面の点P2とは、面方向に見て重なる位置にあるが、図3では、便宜上、点P1と点P2とを若干量ずらして示している。
As shown in FIG. 3, the
このとき、本実施形態では、前記第1の熱電対4と前記第2の熱電対5とは、互いの起電力が打ち消される方向に直列接続されている。具体的には、図3に示すように、第1の熱電対4のマイナス極金属線4cの基端部と、第2の熱電対5のマイナス極金属線5cの基端部とが電気的に接続されている。そして、第1の熱電対4のプラス極金属線4bの基端部と、第2の熱電対5のプラス極金属線5bの基端部との間に生ずる起電力(電圧)信号ΔVが、出力信号とされ、図示しない信号処理回路に入力される。このとき、第1の熱電対4の起電力V1と、第2の熱電対5の起電力V2との差(V1−V2)が、起電力信号ΔVとして出力される。
At this time, in the present embodiment, the
次に、以上のように構成された熱流センサ1の作用・効果について述べる。熱流センサ1は、図1に示すように、測定対象物2の表面の熱流束密度qを測定する箇所に宛がわれる。第1の熱電対4の起電力V1と第2の熱電対5の起電力V2との差ΔVから、薄膜3の両面の温度差ΔQを求めることに基づき、熱流束密度qの測定を行う。ここで、熱流センサ1の薄膜3の上面側の測定点P1の温度をQ1(K)、薄膜3の下面側の測定点P2の温度をQ2(K)とすると、熱流センサ1により、温度差Δθ(=Q1−Q2)を次のように求めることができる。
Next, the operation and effect of the
即ち、第1の熱電対4には、薄膜3の上面の測定点P1の温度Q1に応じた起電力V1が発生し、第2の熱電対5には、薄膜3の下面の測定点P2の温度Q2に応じた起電力V2が発生する。起電力V1と起電力V2との差ΔVが、薄膜3の両面の測定点P1、P2の温度差Δθに相当する値となる。熱流センサ1のセンサ出力として、薄膜3の両面の温度差Δθに応じた起電力信号ΔVが出力され、その電圧値ΔVから、熱流束密度qが容易に換算される。この場合、熱流束密度q(W/m2 )が、温度差Δθ(K)÷薄膜3の熱抵抗R(m2 ・K/W)で求められる。
That is, an electromotive force V1 corresponding to the temperature Q1 at the measurement point P1 on the upper surface of the
このように本実施形態では、センサ出力として熱電対4、5を用いるので、薄膜3の両面の温度差Δθに応じた電圧信号ΔVが出力され、その電圧値ΔVから、熱流束密度qに容易に換算できるようになり、ひいては、熱流束密度qのいわゆる直読みも可能となる。そして、本実施形態では、薄膜2の両面に2つの熱電対4、5を設ける構成なので、樹脂フィルムに2種類の金属で蛇行状のパターンを設けるようなものと比べて、簡単な構成で、安価に済ませることができる。
As described above, in this embodiment, since the
特に本実施形態では、第1の熱電対4と第2の熱電対5とを、互いの起電力が打ち消される方向に直列接続する構成とした。これにより、第1の熱電対4と第2の熱電対5との間の起電力の差ΔVに応じた電圧信号を、単一の出力信号として得ることができる。第1の熱電対4の信号と第2の熱電対5の信号とを別々に扱う場合と比較して、誤差をより少なくしながら、精度の高い測定を行うことができる。
In particular, in the present embodiment, the
更に、本実施形態では、薄膜3に、セラミック材料としてのマイカフィルムを採用した。ここで、薄膜3の材料としては、電気絶縁シートを用いることができ、好ましい特性として、耐熱性が高い、ある程度の熱抵抗Rを有する(熱伝導率λが比較的小さい)、温度の変動による電気的特性の変化が少ない等が求められる。薄膜3にマイカフィルムを採用したことにより、上記のような、求められる特性に優れたものとなり、高温の領域においての使用にも適したものとなる。
Furthermore, in the present embodiment, a mica film as a ceramic material is employed for the
(2)第2の実施形態、その他の実施形態
次に、図4を参照して、第2の実施形態について述べる。図4は、第2の実施形態に係る熱流センサ11の構成を概略的に示しており、この熱流センサ11が、上記第1の実施形態の熱流センサ1と異なるところは、次の点にある。即ち、熱流センサ11は、測定対象物の表面の測定箇所に宛がわれる薄膜12の一方の面(表面)に、第1の熱電対13を備えると共に、薄膜12の他方の面(裏面)に前記第1の熱電対13に対応して第2の熱電対14を備えて構成される。このとき、第1の熱電対13及び第2の熱電対14は、薄膜12の両面に複数組が設けられている。
(2) Second Embodiment and Other Embodiments Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 schematically shows the configuration of the
前記薄膜12は、熱抵抗が既知の絶縁材料からなり、矩形薄板状に構成されている。本実施形態では、薄膜12の材料として、耐熱性の高い高分子フィルムが採用され、具体的には、ポリイミドフィルム、例えば東レ・デュポン株式会社製の「カプトン(登録商標)」が用いられる。また、薄膜12の厚み寸法dとしては、10μm〜数十μmのものが用いられている。前記第1の熱電対13及び第2の熱電対14は、例えば上記第1の実施形態の第1、第2の熱電対4、5と同様に、クロメルとアルメルとの組合せからなり、それら金属線が接合点13a及び14aで接合されている。
The
本実施形態では、薄膜12の表面側に、例えば縦横共に3列に並ぶように9箇所の測定点P11〜P19が設定され、9個の第1の熱電対13が、各接合点13aがそれら測定点P11〜P19に接着されるように設けられる。また同様に、9個の第2の熱電対14が、薄膜12の裏面側のそれら9箇所の測定点P11〜P19に対応した測定点に、各接合点13aが接着されるように設けられる。これにて、第1の熱電対13及び第2の熱電対14が、薄膜12の両面側に9組設けられている。
In the present embodiment, nine measurement points P11 to P19 are set on the surface side of the
このような第2の実施形態によれば、上記第1の実施形態と同様に、簡単な構成で、安価に済ませながら、測定精度の高い熱流センサ11を得ることができる。そして、第1の熱電対13及び第2の熱電対14は、薄膜12の両面に複数組設けたことによって、測定対象物の薄膜12が宛がわれた広い領域における、熱流束密度の分布を求めることが可能となる。更に本実施形態では、薄膜12の材料として、耐熱性に優れたポリイミドフィルムを採用したことによって、高分子フィルムのフレキシブル性を利用して、測定対象物が曲面である場合においても、曲面に沿って宛がって熱流束を測定することができる。薄膜12を安価に済ませることができることは勿論である。
According to the second embodiment, the
尚、上記した第1の実施形態では、薄膜3に、セラミック材料としてマイカフィルムを採用したが、窒化ケイ素等を材料とするシート状成形品等を採用することもできる。また、薄膜を高分子フィルムから構成する場合においても、耐熱性が良く電気的特性の安定した各種の材料を採用することができる。薄膜の厚み寸法としては、数μm〜1mm程度のものを採用することができる。更には、熱電対を構成する2種の金属線の材質、組合せについても、例えばマイナス極金属線にコンスタンタンを用いるなど、様々な変更が可能である。
In the first embodiment described above, a mica film is used as the ceramic material for the
その他、熱流センサは、変圧器の構成部品の熱流束の測定に限らず、各種の測定対象物に適用できることは勿論である。以上説明した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 In addition, the heat flow sensor is not limited to the measurement of the heat flux of the components of the transformer, but can be applied to various measurement objects. The embodiment described above is presented as an example, and is not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
図面中、1、11は熱流センサ、2は測定対象物、3、12は薄膜、4、13は第1の熱電対、5、14は第2の熱電対、4a、5a、13a、14aは接合点を示す。 In the drawings, 1 and 11 are heat flow sensors, 2 is an object to be measured, 3 and 12 are thin films, 4 and 13 are first thermocouples, 5 and 14 are second thermocouples, 4a, 5a, 13a and 14a are Indicates the junction point.
Claims (5)
熱抵抗が既知の材料からなり前記測定対象物の表面の測定箇所に宛がわれる薄膜と、
前記薄膜の一方の面に接合点が配置された第1の熱電対と、
前記薄膜の他方の面に前記第1の熱電対と対応した位置に接合点が配置された第2の熱電対とを備え、
前記第1の熱電対の起電力と前記第2の熱電対の起電力との差から、前記薄膜の両面の温度差を求めることに基づき測定を行う熱流センサ。 A heat flow sensor for measuring a heat flux density emitted from a surface of a measurement object,
A thin film made of a material having a known thermal resistance and addressed to a measurement location on the surface of the measurement object;
A first thermocouple having a junction disposed on one side of the thin film;
A second thermocouple having a junction point disposed at a position corresponding to the first thermocouple on the other surface of the thin film;
A heat flow sensor that performs measurement based on obtaining a temperature difference between both surfaces of the thin film from a difference between an electromotive force of the first thermocouple and an electromotive force of the second thermocouple.
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CN117451217A (en) * | 2023-12-25 | 2024-01-26 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | Aerospace heat flow sensor and heat flow correction method based on double temperature difference compensation |
-
2017
- 2017-08-25 JP JP2017162272A patent/JP2019039821A/en active Pending
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CN117451217A (en) * | 2023-12-25 | 2024-01-26 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | Aerospace heat flow sensor and heat flow correction method based on double temperature difference compensation |
CN117451217B (en) * | 2023-12-25 | 2024-03-12 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | Aerospace heat flow sensor and heat flow correction method based on double temperature difference compensation |
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