JP2020193932A

JP2020193932A - 熱伝達率センサ

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Publication number: JP2020193932A
Application number: JP2019101187A
Authority: JP
Inventors: 昌尚片山; Masanao Katayama; 星児笹田; Seiji Sasada
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2039-05-30
Also published as: JP7127613B2

Abstract

【課題】新たな測定原理に基づき、第１媒体と第２媒体との間の熱伝達率を局所的に精度よく測定することができる熱伝達率センサを提供する。【解決手段】熱伝達率センサ１は、第１測温体２及び第１検出回路２４を有する第１検出部１２と、第２測温体３及び第２検出回路３４を備える第２検出部１３と、算出部４とを備える。第１検出回路２４は、第１測温体２に生じる第１起電力Ｖ１を検出し、第２検出回路３４は、第２測温体３に生じる第２起電力Ｖ２を検出する。第１表面３０１と第２表面３０２とが対向する厚み方向Ｔに熱が通過するときの第２測温体３の第２熱抵抗は、第１表面２０１と第２表面２０２とが対向する厚み方向Ｔに熱が通過するときの第１測温体２の第１熱抵抗と異なる。算出部４は、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比を利用して、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱伝達率ｈを算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、第１媒体と第２媒体との間の熱伝達率を測定する熱伝達率センサに関する。

例えば、自動車等における、排ガス等の流体が流れる環境についての熱解析等のシミュレーションを行う際には、流体と固体壁面との間の熱伝達率の値が必要となる。そのため、熱伝達率センサ、熱流センサ等を用いて熱伝達率が測定される。熱流センサ等は、被測定物の表面に取り付けられ、被測定物における単位面積当たりの熱エネルギーの通過量を測定している。

例えば、特許文献１の熱流束センサにおいては、センサ基板の厚み方向に熱流束が発生する際に、センサ基板の表面と裏面との温度差に起因して生じる、ゼーベック効果による起電力を検出している。この熱流束センサは、厚み方向の熱抵抗が互いに異なる２つの検出部を用い、２つの検出部の検出信号から演算をして、センサ基板による熱抵抗分をキャンセルした検出信号を出力するよう構成されている。そして、この熱流束センサによれば、センサ基板による熱抵抗がないとした場合の真の熱流束が検出信号として得られる。

特開２０１６−１６６８３２号公報

特許文献１の熱流束センサは、センサ基板の熱抵抗が熱流束に与える影響をなくして、熱流束を正確に検出するようにしたものである。しかし、この熱流束センサは、熱伝達率を測定するものではない。一方、多数の熱電対を用いて測定した温度分布から熱伝達率を求める熱伝達率センサも知られている。しかし、この熱伝達率センサは、広範囲の温度を計測することになり、熱伝達率を局所的に精度よく測定することが難しい。従って、熱伝達率を局所的に精度よく測定することができる、新たな測定原理による熱伝達率センサの開発が望まれる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、新たな測定原理に基づき、第１媒体と第２媒体との間の熱伝達率を局所的に精度よく測定することができる熱伝達率センサを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、固体としての第１媒体（Ｂ１）と、流体又は固体としての第２媒体（Ｂ２）との間の熱伝達率（ｈ）を測定する熱伝達率センサ（１）であって、
前記第１媒体の側に位置する第１表面（２０１）と、前記第１表面の反対側に位置して前記第２媒体の側に位置する第２表面（２０２）とにそれぞれ計測点（Ｐ）が設けられた第１測温体（２）、及び前記第１測温体の前記計測点によって生じる第１起電力（Ｖ１）を検出する第１検出回路（２４）を有する第１検出部（１２）と、
前記第１媒体の側に位置する第１表面（３０１）と、前記第１表面の反対側に位置して前記第２媒体の側に位置する第２表面（３０２）とにそれぞれ計測点（Ｐ）が設けられ、前記第１表面と前記第２表面とが対向する厚み方向（Ｔ）に熱が通過するときの熱抵抗（Ｒ１，Ｒ２）が前記第１測温体と異なる第２測温体（３）、及び前記第２測温体の前記計測点によって生じる第２起電力（Ｖ２）を検出する第２検出回路（３４）を有する第２検出部（１３）と、
前記第１起電力と前記第２起電力との比を利用して、前記第１媒体と前記第２媒体との間の熱伝達率を算出する算出部（４）と、を備える熱伝達率センサにある。

前記一態様の熱伝達率センサは、熱流センサ、熱流束センサ等の名称で知られる２つの測温体を利用して熱伝達率を算出する際に、新たな測定原理を導入したものである。具体的には、第１検出部によって第１測温体における第１起電力を検出するとともに、第２検出部によって第２測温体における第２起電力を検出する。そして、算出部によって、第１起電力と第２起電力との比を利用して、第１媒体と第２媒体との間の熱伝達率を算出する。

前記一態様の熱伝達率センサにおいては、第１媒体と第２媒体との間に第１測温体が配置されている場合と、第１媒体と第２媒体との間に第２測温体が配置されている場合とについて、第１測温体の厚み方向の第１熱抵抗と第２測温体の厚み方向の第２熱抵抗とが異なることに基づいて、第１媒体と第２媒体との間を通過する熱流束に違いが生じることに着目する。なお、第１測温体及び第２測温体における第１表面と第２表面との温度差は同じであるとする。

そして、算出部は、第１媒体と第２媒体との間の熱伝達率を、第１起電力と第２起電力との比との関係によって表されることに基づいて算出する。この熱伝達率の求め方は、従来の熱流センサ、熱流束センサ等にはない新たな測定原理に基づくものである。また、第１測温体及び第２測温体はコンパクトに形成することができ、第１媒体と第２媒体との間の局所的な位置に配置することができる。

それ故、前記一態様の熱伝達率センサによれば、新たな測定原理に基づき、第１媒体と第２媒体との間の熱伝達率を局所的に精度よく測定することができる。

なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。

実施形態にかかる、第１検出部、第２検出部及び算出部を有する熱伝達率センサを示す説明図。実施形態にかかる、第１媒体と第２媒体との配置環境を示す説明図。実施形態にかかる、熱伝達率センサが配置された第１媒体と第２媒体との配置環境を示す説明図。実施形態にかかる、第１測温体又は第２測温体の断面を示す説明図。実施形態にかかる、第１測温体及び第２測温体の配置状態を示す説明図。実施形態にかかる、第１測温体及び第２測温体の他の配置状態を示す説明図。実施形態にかかる、熱伝達率が変化したときの、熱抵抗と熱通過率との関係を示すグラフ。実施形態にかかる、熱伝達率と出力電圧比との関係マップを示すグラフ。

前述した熱伝達率センサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態＞
本形態の熱伝達率センサ１は、図１〜図３に示すように、固体としての第１媒体Ｂ１と、流体としての第２媒体Ｂ２との間の熱伝達率ｈを測定するものである。ここで、図１は、熱伝達率センサ１の構成を示し、図２は、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との配置環境を示し、図３は、熱伝達率センサ１が配置された第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との配置環境を示す。

熱伝達率センサ１は、第１測温体２及び第１検出回路２４を有する第１検出部１２と、第２測温体３及び第２検出回路３４を備える第２検出部１３と、算出部４とを備える。第１測温体２は、第１媒体Ｂ１の側に位置する第１表面２０１と、第１表面２０１の反対側であって第２媒体Ｂ２の側に位置する第２表面２０２とにそれぞれ計測点Ｐを有する。第１検出回路２４は、第１測温体２の計測点Ｐによって生じる第１起電力（第１出力電圧）Ｖ１を検出するよう構成されている。

第２測温体３は、第１媒体Ｂ１の側に位置する第１表面３０１と、第１表面３０１の反対側であって第２媒体Ｂ２の側に位置する第２表面３０２とにそれぞれ計測点Ｐを有する。第１表面３０１と第２表面３０２とが対向する厚み方向Ｔに熱が通過するときの第２測温体３の第２熱抵抗Ｒ２は、第１表面２０１と第２表面２０２とが対向する厚み方向Ｔに熱が通過するときの第１測温体２の第１熱抵抗Ｒ１と異なる。第２検出回路３４は、第２測温体３の計測点Ｐによって生じる第２起電力（第２出力電圧）Ｖ２を検出するよう構成されている。算出部４は、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比を利用して、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱伝達率ｈを算出するよう構成されている。

以下に、本形態の熱伝達率センサ１について詳説する。
（熱伝達率センサ１）
図２に示すように、熱伝達率センサ１は、固体と気体、固体と液体、固体と固体との間において熱伝達が生じる環境下において、熱伝達率ｈを測定するために用いられる。熱伝達率ｈは、熱解析等のシミュレーションを行う際に、シミュレーションを行う環境下における種々の媒体Ｂ１，Ｂ２間の熱伝達率ｈとして入力するために、熱伝達率センサ１によって測定することができる。熱伝達率センサ１によって媒体Ｂ１，Ｂ２間の熱伝達率ｈを実際に測定し、この実際に測定された熱伝達率ｈの値を用いることにより、熱解析等のシミュレーションの精度を向上させることができる。

熱伝達率センサ１は、機械的構成要素と電気的構成要素との組み合わせによって構成されている。第１測温体２及び第２測温体３は、測定対象物としての固体の壁面Ｂ１１に取り付けられる機械的構成要素を構成する。第１検出回路２４、第２検出回路３４及び算出部４は、電子部品、コンピュータ等を用いた電気的構成要素を構成する。

（第１媒体Ｂ１，第２媒体Ｂ２）
熱伝達率センサ１によって熱伝達率ｈを測定する対象は、種々の流体が流れる配管、機器等とすることができる。熱伝達率ｈの測定対象は、例えば、冷媒が流れる種々の機器とすることができる。この場合には、第１媒体Ｂ１は、固体としての金属部材とし、第２媒体Ｂ２は、流体としての冷媒とすることができる。

（第１測温体２，第２測温体３）
図１及び図４に示すように、第１測温体２及び第２測温体３は、導通部２１，３１と導通部２１，３１を絶縁する絶縁部２２，３２とによって構成されている。導通部２１，３１は、Ｐ型半導体２１１，３１１とＮ型半導体２１２，３１２とが、第１表面２０１，３０１の側の端部と第２表面２０２，３０２の側の端部とにおいて、計測点Ｐを形成するとともに、導体２１３，３１３を介して交互に複数個のＰ型半導体２１１，３１１及びＮ型半導体２１２，３１２が直列に電気接続されたものである。Ｐ型半導体２１１，３１１及びＮ型半導体２１２，３１２は、熱を電力に変換する熱電変換素子を構成するものである。Ｐ型半導体２１１，３１１及びＮ型半導体２１２，３１２には、例えば、ビスマス・テルル系（Ｂｉ−Ｔｅ系）の材料を用いることができる。

第１測温体２及び第２測温体３において、Ｐ型半導体２１１，３１１及びＮ型半導体２１２，３１２は、両端面が導体２１３，３１３に接触する状態で絶縁部２２，３２内に埋設されている。絶縁部２２，３２は、熱可塑性樹脂等である絶縁性材料によって構成されている。また、導体２１３，３１３の表面及び絶縁部２２，３２の表面には、絶縁性の保護シート２２１，３２１が設けられている。第１測温体２の各表面２０１，２０２、及び第２測温体３の各表面３０１，３０２は、保護シート２２１，３２１の表面となる。第１測温体２の計測点Ｐ及び第２測温体３の計測点Ｐは、Ｐ型半導体２１１，３１１の端面とＮ型半導体２１２，３１２の端面とが接続された複数の導体２１３，３１３の位置に形成される。

第１測温体２と第２測温体３とは、互いに隣接している関係にあれば、種々の形状に形成することができる。例えば、図５に示すように、第１測温体２及び第２測温体３のいずれか一方を中心部に配置し、他方を外周部に配置することができる。また、図６に示すように、第１測温体２と第２測温体３とは、互いに隣接して横に並ぶ状態で配置することもできる。

（第１検出回路２４，第２検出回路３４）
図１に示すように、第１検出回路２４は、第１測温体２の導通部２１の両端部に生じる第１起電力Ｖ１を検出するよう構成されている。第１起電力Ｖ１は、第１媒体Ｂ１の温度と第２媒体Ｂ２の温度との違いによって、第１測温体２の導通部２１における複数のＰ型半導体２１１及びＮ型半導体２１２に生じる電圧である。第２検出回路３４は、第２測温体３の導通部３１の両端部に生じる第２起電力Ｖ２を検出するよう構成されている。第２起電力Ｖ２は、第１媒体Ｂ１の温度と第２媒体Ｂ２の温度との違いによって、第２測温体３の導通部３１における複数のＰ型半導体３１１及びＮ型半導体３１２に生じる電圧である。

（貼付層２３，３３）
図１に示すように、本形態の第１測温体２と第２測温体３とは、同形状に形成されている。第１測温体２の第１表面２０１には、第１測温体２を第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に貼り付けるための貼付層２３が設けられている。第２測温体３の第１表面３０１には、第２測温体３を第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に貼り付けるための貼付層３３が設けられている。第１測温体２と第２測温体３とは、互いに隣接する状態で第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に貼り付けられる。

貼付層２３，３３は、接着剤による接着層、粘着剤による粘着層等とすることができる。貼付層２３，３３には、第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に保持することができる種々の材料を用いることができる。

同図に示すように、本形態において、第１測温体２における貼付層２３の厚み方向Ｔの厚みｔ１と、第２測温体３における貼付層３３の厚み方向Ｔの厚みｔ２とは互いに異なっている。これに伴い、貼付層２３の厚み方向Ｔの厚みｔ１を含む、第１測温体２の厚み方向Ｔの厚みｕ１と、貼付層３３の厚み方向Ｔの厚みｔ２を含む、第２測温体３の厚み方向Ｔの厚みｕ２とが互いに異なっている。貼付層２３を含む第１測温体２を構成する各部位の材質と、貼付層３３を含む第２測温体３を構成する各部位の材質とは同じである。そして、第１測温体２の厚み方向Ｔの熱抵抗である第１熱抵抗Ｒ１と、第２測温体３の厚み方向Ｔの熱抵抗である第２熱抵抗Ｒ２とは、各貼付層２３，３３の厚みが異なることによって互いに異なっている。

第１熱抵抗Ｒ１は、第１測温体２の厚み方向Ｔに熱が通過するときの、熱の伝わりにくさを示し、第２熱抵抗Ｒ２は、第２測温体３の厚み方向Ｔに熱が通過するときの、熱の伝わりにくさを示す。第１熱抵抗Ｒ１は、貼付層２３の外表面２３１から第１測温体２の第２表面２０２まで熱が通過するときの値として示される。第２熱抵抗Ｒ２は、貼付層３３の外表面３３１から第２測温体３の第２表面３０２まで熱が通過するときの値として示される。

本形態においては、熱伝達率センサ１の試作品について、実際に熱伝達率ｈを測定したときの第１起電力Ｖ１及び第２起電力Ｖ２の値を記憶する。そして、製品としての熱伝達率センサ１においては、後述するように、第１起電力Ｖ１及び第２起電力Ｖ２の比と熱伝達率ｈとの関係が求められた関係マップＭを用いる。そのため、第１測温体２の第１熱抵抗Ｒ１の値及び第２測温体３の第２熱抵抗Ｒ２の値が実際にどれだけであるかを実測することなく、熱伝達率センサ１によって熱伝達率ｈを測定することができる。

第１熱抵抗Ｒ１と第２熱抵抗Ｒ２とは、第１測温体２の絶縁部２２の材質と第２測温体３の絶縁部３２の材質とを異ならせることによって互いに異ならせることもできる。また、第１熱抵抗Ｒ１と第２熱抵抗Ｒ２とは、第１測温体２の厚み方向Ｔの厚みと第２測温体３の厚み方向Ｔの厚みとを異ならせることによって互いに異ならせることもできる。

第１検出回路２４によって検出される第１起電力Ｖ１と、第２検出回路３４によって検出される第２起電力Ｖ２との差は、第１測温体２の第１熱抵抗Ｒ１と第２測温体３の第２熱抵抗Ｒ２との差が大きくなるほど大きくなる。第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との差が大きいほど、熱伝達率ｈを求める際の分解能（精度）が高くなる。そのため、貼付層２３を含めた第１測温体２の厚み等と、貼付層３３を含めた第２測温体３の厚み等とは、できるだけ大きく異なっていた方が好ましい。

（熱伝達率ｈの理論式）
図２に示すように、固体としての第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に測温体２，３が配置されていない状態において、第１媒体Ｂ１と、流体としての第２媒体Ｂ２との間の熱流束ｑ［Ｗ／ｍ²］は、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の温度差ΔＴ［Ｋ］、及び第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱抵抗Ｒ［Ｋ・ｍ²／Ｗ］を用いて、ｑ＝ΔＴ／Ｒの式によって表される。また、熱伝達率ｈ［Ｗ／（ｍ²・Ｋ）］は、熱抵抗Ｒ［Ｋ・ｍ²／Ｗ］の逆数として、ｈ＝１／Ｒとして表される。

［Ｗ］（ワット）は、［Ｊ／ｓ］（ジュール／秒）とも表され、熱流束ｑ［Ｗ／ｍ²］は、ｑ［Ｊ／（ｍ²・ｓ）］によって表される。また、熱流束ｑは、一般的には、単位面積を単位時間に横切る熱量として捉えられ、第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に測温体２，３が配置されていない場合においては、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との界面における単位面積を、単位時間に移動する熱量として捉えられる。第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱抵抗Ｒは、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との界面を熱が通過するときの、熱の通過のしにくさを表す。

一方、図３に示すように、第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に測温体２，３が配置された状態において、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱流束ｑｘ［Ｗ／ｍ²］は、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の温度差ΔＴ［Ｋ］、測温体２，３の厚み方向Ｔの熱抵抗Ｒｘ［Ｋ・ｍ²／Ｗ］、及び測温体２，３と第２媒体Ｂ２との間の熱抵抗Ｒ［Ｋ・ｍ²／Ｗ］を用いて、ｑｘ＝ΔＴ／（Ｒ＋Ｒｘ）の式によって表される。ここで、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱抵抗Ｒと、測温体２，３と第２媒体Ｂ２との間の熱抵抗Ｒとは、いずれも同じ熱抵抗Ｒによって示す。

第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に測温体２，３が配置された場合においては、熱流束ｑｘは、第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に配置された測温体２，３における単位面積、及び測温体２，３と第２媒体Ｂ２との界面における単位面積を、単位時間に移動する熱量として捉えられる。測温体２，３の厚み方向Ｔの熱抵抗Ｒｘは、測温体２，３の厚み方向Ｔに熱が通過するときの、熱の通過のしにくさを表す。

第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に第１測温体２が配置された場合の熱流束ｑ１［Ｗ／ｍ²］は、第１測温体２の厚み方向Ｔの第１熱抵抗Ｒ１［Ｋ・ｍ²／Ｗ］を用いて、ｑ１＝ΔＴ／（Ｒ＋Ｒ１）の式によって表される。また、第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に第２測温体３が配置された場合の熱流束ｑ２［Ｗ／ｍ²］は、第２測温体３の厚み方向Ｔの第２熱抵抗Ｒ２［Ｋ・ｍ²／Ｗ］を用いて、ｑ２＝ΔＴ／（Ｒ＋Ｒ２）の式によって表される。

第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に測温体２，３が配置されていない場合の熱流束ｑと、第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に第１測温体２が配置された場合の熱流束ｑ１との関係ｑ１／ｑは、ｑ１／ｑ＝Ｒ／（Ｒ＋Ｒ１）＝１／（１＋Ｒ１／Ｒ）として表される。ここで、熱抵抗Ｒは、熱伝達率ｈの逆数であり、ｑ１／ｑ＝１／（１＋Ｒ１・ｈ）として表される。

同様に、第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に測温体２，３が配置されていない場合の熱流束ｑと、第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に第２測温体３が配置された場合の熱流束ｑ２との関係ｑ２／ｑは、ｑ２／ｑ＝Ｒ／（Ｒ＋Ｒ２）＝１／（１＋Ｒ２／Ｒ）として表される。ここで、熱抵抗Ｒは、熱伝達率ｈの逆数であり、ｑ２／ｑ＝１／（１＋Ｒ２・ｈ）として表される。

ｑ１／ｑ＝１／（１＋Ｒ１・ｈ）の式と、ｑ２／ｑ＝１／（１＋Ｒ２・ｈ）の式とを用いて、ｑを消去すると、ｑ１＋ｑ１・Ｒ１・ｈ＝ｑ２＋ｑ２・Ｒ２・ｈとなる。さらに、ｈについての式に変形すると、熱伝達率ｈは、ｈ＝（ｑ１−ｑ２）／（ｑ２・Ｒ２−ｑ１・Ｒ１）となる。

熱伝達率センサ１においては、第１測温体２を介する場合の熱流束ｑ１は、出力電圧としての第１起電力Ｖ１及び感度係数ｋを用いて、ｑ１＝Ｖ１／ｋによって表される。また、第２測温体３を介する場合の熱流束ｑ２は、出力電圧としての第２起電力Ｖ２及び感度係数ｋを用いて、ｑ２＝Ｖ２／ｋによって表される。感度係数ｋは定数として扱われるため、ここでは式を簡略化して、ｑ１＝Ｖ１とし、またｑ２＝Ｖ２とすると、熱伝達率ｈは、ｈ＝（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｖ２・Ｒ２−Ｖ１・Ｒ１）として表される。

熱伝達率センサ１においては、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比を利用するため、熱伝達率ｈの式を変更して、ｈ＝（Ｖ１／Ｖ２−１）／（Ｒ２−（Ｖ１／Ｖ２）・Ｒ１）として表される。また、熱伝達率ｈの式は、Ｖ１とＶ２の分子・分母を入れ替えて、ｈ＝（１−Ｖ２／Ｖ１）／（（Ｖ２／Ｖ１）・Ｒ２−Ｒ１）として表すこともできる。この熱伝達率ｈの式から分かるように、熱伝達率ｈは、第１熱抵抗Ｒ１及び第２熱抵抗Ｒ２が一定値であるとして、第１起電力Ｖ１及び第２起電力Ｖ２の関数として求められることが分かる。

（熱抵抗Ｒ１，Ｒ２と熱通過率ｑｘ／ｑとの関係）
測温体２，３が配置された場合の第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱流束ｑｘと、測温体２，３が配置されていない場合の第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱流束ｑとの比は、熱通過率ｑｘ／ｑとして表される。そして、前述した熱流束ｑのｑ＝ΔＴ／Ｒの式と、熱流束ｑｘのｑｘ＝ΔＴ／（Ｒ＋Ｒｘ）の式とを用いて、熱通過率ｑｘ／ｑは、ｑｘ／ｑ＝１／（１＋Ｒｘ／Ｒ）＝１／（１＋Ｒｘ・ｈ）によって表される。

図７には、横軸に熱抵抗Ｒｘ［Ｋ・ｍ²／Ｗ］をとり、縦軸に熱通過率ｑｘ／ｑ［−］をとって、熱通過率ｑｘ／ｑの式において、熱抵抗Ｒｘには、０．０００１〜０．１の値を代入し、熱伝達率ｈには、１００〜１０００の値を代入したときの、ｑｘ／ｑの値をプロットした関係グラフを示す。同図の横軸の熱抵抗Ｒｘは、対数目盛によって示す。同図に示すように、熱通過率ｑｘ／ｑのラインは、熱伝達率ｈの違いによって上下に並ぶ複数の曲線となる。熱通過率ｑｘ／ｑのラインは、熱抵抗Ｒｘが大きくなるほど熱通過率ｑｘ／ｑが小さくなる関係として示されるとともに、熱伝達率ｈが大きくなるほど熱通過率ｑｘ／ｑが小さくなる関係として示される。

同図において、熱抵抗Ｒｘは、測温体２，３に固有の値であり、第１測温体２についての第１熱抵抗Ｒ１の値及び第２測温体３についての第２熱抵抗Ｒ２の値は、一定値として固定される。同図においては、第１測温体２の第１熱抵抗Ｒ１が０．００３付近にあり、第２測温体３の第２熱抵抗Ｒ２が０．０４付近にある。

そして、熱伝達率ｈが特定の値をとる場合に、一定の第１熱抵抗Ｒ１を有する第１測温体２についての熱通過率ｑ１／ｑと、一定の第２熱抵抗Ｒ２を有する第２測温体３についての熱通過率ｑ２／ｑとを読み取ることができる。第１測温体２についての熱通過率ｑ１／ｑは、ｑ１＝Ｖ１／ｋの関係より、第１起電力（第１出力電圧）Ｖ１に比例した値となり、第２測温体３についての熱通過率ｑ２／ｑは、ｑ２＝Ｖ２／ｋの関係より、第２起電力（第２出力電圧）Ｖ２に比例した値となる。本形態の算出部４においては、熱伝達率ｈと、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比である出力電圧比との相関関係を利用する。この相関関係は、図７のグラフから知ることができる。

（算出部４）
図８に示すように、算出部４は、熱伝達率センサ１の使用前であるマップ作成時に作成されて、第１起電力（第１出力電圧）Ｖ１と第２起電力（第２出力電圧）Ｖ２との比と、熱伝達率ｈとの関係が求められた関係マップＭを有する。関係マップＭは、熱伝達率センサ１の試作品について求められたものが、熱伝達率センサ１の製品の算出部４において記憶される。関係マップＭは、マップ作成時において、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比と、熱伝達率ｈとの関係として求められる。本形態においては、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比は、第１起電力Ｖ１を第２起電力Ｖ２によって除算した値Ｖ１／Ｖ２とし、これを出力電圧比Ｖ１／Ｖ２として表す。

関係マップＭは、実際に製造された熱伝達率センサ１を試験的に使用するときに、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比と、熱伝達率ｈとの関係を測定して作成する。より具体的には、関係マップＭは、熱伝達率センサ１の第１測温体２及び第２測温体３を第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に配置し、第１媒体Ｂ１の温度、第２媒体Ｂ２の温度等を変化させて熱伝達率ｈを変化させたときに、第１起電力Ｖ１及び第２起電力Ｖ２を測定し、出力電圧比Ｖ１／Ｖ２を算出して作成したものである。図８における出力電圧比Ｖ１／Ｖ２は、感度係数ｋを１として示す。感度係数ｋは、熱伝達率センサ１の特性等によって決まる係数（定数）として示される。

また、マップ作成時においては、第１起電力Ｖ１及び第２起電力Ｖ２を測定するとともに、外部の測定装置を用いて第１媒体Ｂ１及び第２媒体Ｂ２の各温度を測定して、真の熱伝達率ｈを測定する。そして、熱伝達率ｈが異なる複数の場合について測定された出力電圧比Ｖ１／Ｖ２及び熱伝達率ｈに基づいて、関係マップＭが作成される。

より具体的には、測定装置は、第１媒体Ｂ１に埋め込まれる熱電対等の複数の温度測定器、及び第２媒体Ｂ２に配置される熱電対等の温度測定器を有する。そして、関係マップＭにおける真の熱伝達率ｈは、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との温度差ΔＴ、第１媒体Ｂ１から第２媒体Ｂ２へ通過する熱流束ｑ、第１媒体Ｂ１に固有の熱伝導率λ、及び第１媒体Ｂ１における、熱流束ｑの通過方向の温度勾配ｄＴ／ｄｘを用いて、ｈ＝ｑ／ΔＴ，ｑ＝λ（ｄＴ／ｄｘ）の式に基づいて求められる。

図８に示すように、算出部４は、熱伝達率センサ１の使用時であるセンサ使用時において、第１検出回路２４によって検出される第１起電力Ｖ１と、第２検出回路３４によって検出される第２起電力Ｖ２との比である出力電圧比Ｖ１／Ｖ２を関係マップＭに照合して、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱伝達率ｈを算出するよう構成されている。算出部４は、関係マップＭ及び演算回路等が形成されたセンサアンプに構築されている。センサアンプは、コンピュータによって構成されている。

また、算出部４においては、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比を用いる代わりに、図８に示すように、第１熱抵抗Ｒ１と第２熱抵抗Ｒ２との差Ｒ１−Ｒ２と、第１熱抵抗Ｒ１と第２熱抵抗Ｒ２との間における熱通過率の差ｑ１／ｑ−ｑ２／ｑとによって求められる傾きθを用いることもできる。また、算出部４においては、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比を用いる代わりに、第２起電力Ｖ２を第１起電力Ｖ１によって除算した値Ｖ２／Ｖ１を用いることもできる。

（熱伝達率センサ１の制御方法（センサ使用時））
マップ作成時において、熱伝達率センサ１の試作品について、熱伝達率ｈの測定試験が行われ、熱伝達率ｈと出力電圧比Ｖ１／Ｖ２との関係マップＭが作成され、この関係マップＭが算出部４に記憶される。次いで、センサ使用時において、熱伝達率センサ１の第１測温体２及び第２測温体３が第１媒体Ｂ１の壁面Ｂ１１に貼り付けられる。そして、第１検出回路２４によって第１測温体２の導通部２１に生じる第１起電力Ｖ１が検出されるとともに、第２検出回路３４によって第２測温体３の導通部３１に生じる第２起電力Ｖ２が検出される。

次いで、算出部４において、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比である出力電圧比Ｖ１／Ｖ２が算出され、この出力電圧比Ｖ１／Ｖ２が関係マップＭに照合されることによって、関係マップＭから出力電圧比Ｖ１／Ｖ２に対応した熱伝達率ｈが求められる。こうして、熱伝達率センサ１によって、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱伝達率ｈを測定することができる。

（作用効果）
本形態の熱伝達率センサ１は、熱流センサ、熱流束センサ等の名称で知られる２つの測温体２，３を利用して熱伝達率ｈを算出する際に、新たな測定原理を導入したものである。具体的には、第１検出部１２によって第１測温体２の導通部２１の両端に生じる第１起電力Ｖ１を検出するとともに、第２検出部１３によって第２測温体３の導通部３１の両端に生じる第２起電力Ｖ２を検出する。そして、算出部４によって、第１起電力Ｖ１と第２起電力Ｖ２との比である出力電圧比Ｖ１／Ｖ２を、出力電圧比Ｖ１／Ｖ２と熱伝達率ｈとの関係マップＭに照合して、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱伝達率ｈを算出する。

本形態の熱伝達率センサ１においては、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間に第１測温体２が配置されている場合と、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間に第２測温体３が配置されている場合とについて、第１測温体２の厚み方向Ｔの第１熱抵抗Ｒ１と第２測温体３の厚み方向Ｔの第２熱抵抗Ｒ２とが異なることに基づいて、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間を通過する熱流束ｑ１，ｑ２に違いが生じることに着目する。なお、第１測温体２の貼付層２３の外表面２３１と第１測温体２の第２表面２０２との間の温度差と、第２測温体３の貼付層３３の外表面３３１と第２測温体３の第２表面３０２との間の温度差とは、同じであるとする。

そして、算出部４は、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱伝達率ｈを、出力電圧比Ｖ１／Ｖ２との関係によって表されることに基づいて算出する。この熱伝達率ｈの求め方は、従来の熱流センサ、熱流束センサ等にはない新たな測定原理に基づくものである。第１測温体２及び第２測温体３はコンパクトに形成することができ、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の局所的な位置に配置することができる。

また、熱伝達率ｈを測定するために、１つの測温体を用いて、この測温体に生じる起電力を測定する場合も考えられる。しかし、この場合には、起電力を測定するとともに、第１媒体Ｂ１と第２媒体との間の温度差として、第１媒体Ｂ１の表面の温度と測温体の表面の温度との差（熱交換界面の温度差）を測定する必要が生じる。しかし、この温度差の測定は容易ではなく、温度差の測定が必要な部位とは異なる部位の温度差を測定する場合もある。また、測温体が有する熱抵抗が、誤差として熱伝達率の値に影響を与えるおそれがある。

一方、本形態の熱伝達率センサ１においては、２つの測温体２，３を用いることにより、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の温度差を測定する必要がなくなる。また、２つの測温体２，３の各熱抵抗Ｒ１，Ｒ２が考慮されて熱伝達率ｈが求められることになり、熱伝達率ｈの測定精度を向上させることができる。

それ故、本形態の熱伝達率センサ１によれば、新たな測定原理に基づき、第１媒体Ｂ１と第２媒体Ｂ２との間の熱伝達率ｈを局所的に精度よく測定することができる。

本発明は、実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。

１熱伝達率センサ
１２第１検出部
１３第２検出部
２第１測温体
２４第１検出回路
３第２測温体
３４第２検出回路
４算出部

Claims

固体としての第１媒体（Ｂ１）と、流体又は固体としての第２媒体（Ｂ２）との間の熱伝達率（ｈ）を測定する熱伝達率センサ（１）であって、
前記第１媒体の側に位置する第１表面（２０１）と、前記第１表面の反対側であって前記第２媒体の側に位置する第２表面（２０２）とにそれぞれ計測点（Ｐ）が設けられた第１測温体（２）、及び前記第１測温体の前記計測点によって生じる第１起電力（Ｖ１）を検出する第１検出回路（２４）を有する第１検出部（１２）と、
前記第１媒体の側に位置する第１表面（３０１）と、前記第１表面の反対側であって前記第２媒体の側に位置する第２表面（３０２）とにそれぞれ計測点（Ｐ）が設けられ、前記第１表面と前記第２表面とが対向する厚み方向（Ｔ）に熱が通過するときの熱抵抗（Ｒ１，Ｒ２）が前記第１測温体と異なる第２測温体（３）、及び前記第２測温体の前記計測点によって生じる第２起電力（Ｖ２）を検出する第２検出回路（３４）を有する第２検出部（１３）と、
前記第１起電力と前記第２起電力との比を利用して、前記第１媒体と前記第２媒体との間の熱伝達率を算出する算出部（４）と、を備える熱伝達率センサ。
前記算出部は、
前記熱伝達率センサの使用前であるマップ作成時に作成され、前記第１起電力と前記第２起電力との比と、前記熱伝達率との関係が求められた関係マップ（Ｍ）を有しており、
かつ、前記熱伝達率センサの使用時であるセンサ使用時においては、前記第１検出回路によって検出される第１起電力と、前記第２検出回路によって検出される第２起電力との比を前記関係マップに照合して前記熱伝達率を算出するよう構成されている、請求項１に記載の熱伝達率センサ。
前記第１測温体は、Ｐ型半導体（２１１）とＮ型半導体（２１２）とが、前記第１表面の側の端部と前記第２表面の側の端部とにおいて、前記計測点を形成するとともに、導体（２１３）を介して交互に複数個が直列に電気接続された導通部（２１）と、絶縁性材料によって構成されて前記導通部を囲む絶縁部（２２）とを有し、
前記第１検出回路は、前記第１測温体の前記導通部の両端部に生じる起電力を前記第１起電力として検出するよう構成され、
前記第２測温体は、Ｐ型半導体（３１１）とＮ型半導体（３１２）とが、前記第１表面の側の端部と前記第２表面の側の端部とにおいて、前記計測点を形成するとともに、導体（３１３）を介して交互に複数個が直列に電気接続された導通部（３１）と、絶縁性材料によって構成されて前記導通部を囲む絶縁部（３２）とを有し、
前記第２検出回路は、前記第２測温体の前記導通部の両端部に生じる起電力を前記第２起電力として検出するよう構成されている、請求項１又は２に記載の熱伝達率センサ。
前記第１測温体の熱抵抗（Ｒ１）と前記第２測温体の熱抵抗（Ｒ２）とは、
前記第１測温体を構成する各部位の材質と前記第２測温体を構成する各部位の材質、
前記第１測温体の前記厚み方向の厚み（ｕ１）と前記第２測温体の前記厚み方向の厚み（ｕ２）、
及び前記第１測温体を前記第１媒体に貼り付けるための貼付層（２３）の、材質もしくは前記厚み方向の厚み（ｔ１）と、前記第２測温体を前記第１媒体に貼り付けるための貼付層（３３）の、材質もしくは前記厚み方向の厚み（ｔ２）とのうちの少なくとも一つが異なることによって異なっている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱伝達率センサ。