JP2022003338A - 熱伝達率測定素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的ノイズの干渉による誤差が除去でき、対象物周囲の空気の流動による対流の影響が検知でき、様々な断面構造を有するようにできる熱伝達率測定素子を提供する。【解決手段】対象物の表面方向に並んで配置されて異なる熱伝達度を有する第１材料部及び第２材料部を備える第１レイヤと、第１レイヤの厚さ方向に第１材料部に並んで配置されて第２材料部と同じ熱伝達度を有する第３材料部、厚さ方向に前記第２材料部に並んで配置されて第１材料部と同じ熱伝達度を有する第４材料部、及び厚さ方向に第１及び第２材料部の少なくとも一部に重なるように形成される第５材料部を備える第２レイヤと、第１レイヤと第２レイヤとの間に介在し、表面方向における温度差を測定するように構成される温度測定レイヤとを含み、温度測定レイヤは、第１接点及び第２接点を備える熱電対部と、第３接点及び第４接点を備える対流検知熱電対部とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の表面に取り付けられて対象物の熱伝達率（heat transfer rate）を測定する熱伝達率測定素子に関する。

熱伝達現象は、伝導、対流及び輻射の少なくとも１つの形態で起こる。単位時間当たりの熱伝達量である熱伝達率は、熱伝達に関する研究及び広範囲の産業分野における調査及び測定が要求される物理量である。熱伝達率は、一般的に単位時間当たりの熱量（例えば、［ｋＪ／ｓ＝ｋＷ］）、又は、単位面積及び時間当たりの熱量を意味する熱流束（例えば、［ｋＷ／ｍ^２］）として表される。

熱伝達率又は熱流束を測定するための装置である熱伝達率測定センサ又は熱流束測定センサは、測定精度と信頼性の向上のために改善が続けられている。特に、近年、ＭＥＭＳ（microelectromechanical system）技術を用いた小型化が実現されており、よって、適用分野が広く拡大している。

一般的な層状型（layered-type）熱伝達率測定センサは、熱伝達により温度差が生じる２つの地点の温度を熱電対（thermocouple）又は熱電対列（thermopile）で測定して熱伝達率を算出するように構成される。ここで、従来のセンサにおいては、温度差を測定する２つの地点を対象物に取り付けられる一面と外気にさらされる他面とにする構成が多数であった。また、上記構成においては、対象物への取り付けや外部への露出などの測定環境によって様々な誤差要因が存在する。

よって、特許文献１（２００９年８月１１日登録）においては、センサの内部に表面方向に沿って２つの接点を形成し、表面方向に沿った温度差を用いて厚さ方向の熱伝達率を算出する技術を提示している。

もっとも、特許文献１のような従来の構造においては、接点の露出に起因する誤差要因は除去されるが、熱電対列で検知される電気信号である起電力にノイズが干渉する可能性が依然として存在する。また、対象物が位置する周囲環境の空気の流動に変化が生じると、測定結果に誤差が生じる可能性も存在する。

さらに、特許文献１のような原理が適用される熱伝達率測定素子を設計する上で、製作利便性が向上するように積層構造を様々に変形させ、その変化させた構造を反映して熱伝達率を正確に算出できるようにする余地が残されている。

韓国登録特許第１０−０９１２６６９号公報

本発明の第１の態様は、対象物の表面の熱伝達率を算出するために対象物の表面方向における温度差を測定する上で、電気的ノイズの干渉による誤差を除去することのできる熱伝達率測定素子を提供する。

本発明の第２の態様は、対象物の表面の熱伝達率を算出する上で、対象物周囲の空気の流動による対流の影響を検知することのできる熱伝達率測定素子を提供する。

本発明の第３の態様は、対象物の表面方向における温度差を検知して対象物の熱伝達率を算出することができ、様々な断面構造を有するようにすることのできる熱伝達率測定素子を提供する。

本発明の第１の態様を実現するために、本発明による熱伝達率測定素子は、異なる熱伝達度を有する第１材料部及び第２材料部を備える第１レイヤと、前記第１レイヤの厚さ方向に前記第１材料部に並んで配置されて前記第２材料部と同じ熱伝達度を有する第３材料部、及び前記厚さ方向に前記第２材料部に並んで配置されて前記第１材料部と同じ熱伝達度を有する第４材料部を備える第２レイヤと、前記第１レイヤと前記第２レイヤとの間で表面方向における温度差を測定するように構成される温度測定レイヤとを含み、前記温度測定レイヤは、前記第１材料部と前記第３材料部との間に設けられる第１接点、及び前記第２材料部と前記第４材料部との間に設けられる第２接点を備える熱電対部と、前記熱電対部に対応する形状を有し、前記熱電対部に並んで配置されるノイズ検知部とを含む。

本発明の第２の態様を実現するために、本発明による熱伝達率測定素子は、異なる熱伝達度を有する第１材料部及び第２材料部を備える第１レイヤと、前記第１レイヤの厚さ方向に前記第１材料部に並んで配置されて前記第２材料部と同じ熱伝達度を有する第３材料部、前記厚さ方向に前記第２材料部に並んで配置されて前記第１材料部と同じ熱伝達度を有する第４材料部、及び前記厚さ方向に前記第１及び第２材料部の少なくとも一部に重なるように形成される第５材料部を備える第２レイヤと、前記第１レイヤと前記第２レイヤとの間で表面方向における温度差を測定するように構成される温度測定レイヤとを含み、前記温度測定レイヤは、前記第１材料部と前記第３材料部との間に設けられる第１接点、及び前記第２材料部と前記第４材料部との間に設けられる第２接点を備える熱電対部と、前記第１材料部と前記第５材料部との間に設けられる第３接点、及び前記第２材料部と前記第５材料部との間に設けられる第４接点を備える対流検知熱電対部とを含む。

本発明の第３の態様を実現するために、本発明による熱伝達率測定素子は、一面が対象物の表面を向く第１材料部と、一面が前記対象物の表面を向くように前記第１材料部に隣接して配置され、前記第１材料部とは異なる熱伝達度を有する材質からなる第２材料部と、前記第１材料部の他面に結合され、前記第２材料部と同じ熱伝達度及び厚さを有する第３材料部と、前記第３材料部に隣接して前記第２材料部の他面に結合され、前記第１材料部と同じ熱伝達度及び厚さを有する第４材料部と、前記第１材料部又は前記第３材料部の内部に設けられる第１接点、前記対象物の表面方向に前記第１接点から離隔して配置されるように前記第４材料部又は前記第２材料部の内部に設けられる第２接点を備える熱電対部とを含む。

以上のように構成される本発明によれば、次のような効果が得られる。

第一に、本発明による熱伝達率測定素子は、表面方向における温度差を測定する熱電対部と同じ形状を有するノイズ検知部を備えるので、熱電対部の信号から電気的ノイズを除去することができる。よって、温度差の測定精度が改善されるので、熱伝達率の算出精度が向上する。

第二に、本発明による熱伝達率測定素子は、外気の対流の変化に敏感に反応してその影響を検知する対流検知熱電対部を備えるようにしてもよい。こうすることにより、外気の影響をモニタし続けることができ、体感温度のレベルを算出することができる。よって、外気環境に関する統合的な情報を取得できるので、熱伝達率の算出精度が向上する。

第三に、本発明による熱伝達率測定素子は、逆方向に一対をなす材料部の厚さがより自由に設計され、その厚さが熱伝達率の算出に反映されるので、形状や材質面での制約条件が緩和される。よって、本発明による熱伝達率測定素子を様々な形状に容易に製作することができる。

本発明による熱伝達率測定素子により対象物の熱伝達率が算出される概念を示す図である。 本発明の一実施形態による熱伝達率測定素子を示す分解斜視図である。 図２に示す熱伝達率測定素子の断面図である。 図２に示すノイズ検知部により検知される起電力を用いて信号のノイズを除去する方法を示す概念図である。 本発明の他の実施形態による熱伝達率測定素子を示す断面図である。 図５の実施形態に示す第５材料部の他の例を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による熱伝達率測定素子を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明による熱伝達率測定素子についてより詳細に説明する。

異なる実施形態であっても、前の実施形態と同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号を付し、それについての重複する説明は省略する。

本明細書に開示された実施形態について説明する上で、関連する公知技術についての具体的な説明が本明細書に開示された実施形態の要旨を不明にすると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。

添付図面は、本明細書に開示された実施形態を容易に理解できるようにするためのものにすぎず、添付図面により本明細書に開示された技術的思想が限定されるものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物又は代替物を含むものと理解されるべきである。

単数の表現には、特に断らない限り複数の表現が含まれる。

図１は、本発明による熱伝達率測定素子１００により対象物１０の熱伝達率が算出される概念を示す図である。図１に示すように、本発明による熱伝達率測定素子１００は、第１レイヤ１１０、第２レイヤ１２０及び温度測定レイヤ１３０を含む。本発明による熱伝達率測定素子１００は、対象物１０の表面に取り付けられ、対象物１０の表面における熱伝達率（又は熱流束）を測定する。

第１レイヤ１１０及び第２レイヤ１２０は、伝導熱伝達により温度勾配（temperature gradient）を形成する構造物として機能する。また、第１レイヤ１１０及び第２レイヤ１２０は、温度測定レイヤ１３０を支持及び保護する。第１レイヤ１１０は対象物１０の表面上に位置し、第２レイヤ１２０は第１レイヤ１１０の表面上に位置するようにしてもよい。すなわち、第１レイヤ１１０及び第２レイヤ１２０は、本発明による熱伝達率測定素子１００の厚さ方向（図１における上下方向）に並んで積層される層状構造を形成する。

ただし、本発明による熱伝達率測定素子１００においては、第１レイヤ１１０が第１材料部１１１及び第２材料部１１２を備え、第２レイヤ１２０が第３材料部１２３及び第４材料部１２４を備える。ここで、第１材料部１１１及び第２材料部１１２は、異なる熱伝達度を有する材質からなり、対象物１０の表面方向（図１における左右方向）に並んで配置されてもよい。

第１レイヤ１１０の上側に配置される第２レイヤ１２０は、第１材料部１１１と同じ熱伝達度を有する第４材料部１２４と、第２材料部１１２と同じ熱伝達度を有する第３材料部１２３とを備える。また、第３材料部１２３は、厚さ方向に第１材料部１１１に並んで配置され、第４材料部１２４は、厚さ方向に第２材料部１１２に並んで配置される。

その結果、図１に示すように、第１レイヤ１１０及び第２レイヤ１２０は、同じ熱伝達度を有する材料部が交互に配置されるように形成される。また、図示のように、第１〜第４材料部１１１、１１２、１２３、１２４は、厚さ方向及び表面方向に同じ大きさを有するようにしてもよい。

一方、温度測定レイヤ１３０は、本発明において対象物１０の熱伝達率の測定のための温度差を検知する役割を果たす。特に、本発明の温度測定レイヤ１３０は、表面方向における温度差を測定するように構成される。

温度測定レイヤ１３０は、第１接点１３１ａ及び第２接点１３１ｂを備える熱電対部１３１を含む。第１接点１３１ａは、第１材料部１１１と第３材料部１２３との間に設けられ、第２接点１３１ｂは、第２材料部１１２と第４材料部１２４との間に設けられる。また、熱電対部１３１は、第１レイヤ１１０と第２レイヤ１２０との間に介在するので、表面方向に第１レイヤ１１０及び第２レイヤ１２０に並んで配置される。

以下、図１を参照して、本発明による熱伝達率測定素子１００において熱伝達率を算出する過程について説明する。

本発明による熱伝達率測定素子１００が取り付けられた対象物１０の表面温度をＴ_ｂとする。また、本発明の第２レイヤ１２０の表面温度をＴ_ｓとする。Ｔ_ｂ及びＴ_ｓは、表面方向の円滑な熱交換により、それぞれ表面方向に所定値を有する。

第１レイヤ１１０及び第２レイヤ１２０の厚さが図示のようにそれぞれ有する所定値をΔｘとし、熱伝達が行われる断面積をＡとする。表面方向における各材料部の長さの比は１−ａ、ａとし、前述したように各材料部の長さは全て同じであると仮定する（ａ＝０．５）。図１に示すように、第１材料部１１１及び第４材料部１２４の熱伝達度はｋ_１、第２材料部１１２及び第３材料部１２３の熱伝達度はｋ_２とし、ｋ_１＞ｋ_２の関係が成立すると仮定する。

図１に示す本発明による熱伝達率測定素子１００における上下方向（厚さ方向）の伝導熱伝達方程式は、次のように表される。

ここで、総熱抵抗（thermal resistance）であるＲ_ｔは、次のように定義される。

総熱抵抗（Ｒ_ｔ）は、単位熱抵抗が厚さ方向に直列及び並列に接続された場合であって、次のように計算される（Ｒ_１及びＲ_２は、それぞれ第１材料部１１１及び第２材料部１１２の熱抵抗であり、Ｒ_ａ及びＲ_ｂは、それぞれ後述するＱ_ａ及びＱ_ｂの熱抵抗である。）。

また、総熱伝達率（Ｑ_ｔ）は、第１材料部１１１及び第３材料部１２３を流れる熱伝達率Ｑ_ａと、第２材料部１１２及び第４材料部１２４を流れる熱量Ｑ_ｂの和で表される。

上記数式を上記熱抵抗の項を含む伝導熱伝達方程式で表してまとめると下記数式が得られる。

すなわち、本発明による熱伝達率測定素子１００の第１接点１３１ａ及び第２接点１３１ｂで測定される表面方向における温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）は、厚さ方向における温度差（Ｔ_ｂ−Ｔ_ｓ）に正比例する関係を有する。

そして、上記数式を総伝導熱伝達方程式に代入してまとめると下記数式が導出される。

（ここで、Ｔ１及びＴ２は、それぞれ上記第１接点の温度及び上記第２接点の温度を示し、ｋ１及びｋ２は、それぞれ上記第１材料部の熱伝達度及び上記第２材料部の熱伝達度を示し（ｋ１＞ｋ２）、Δｘは、上記第１材料部の厚さと上記第２材料部の厚さのうち小さい値を示す。）

上記数式により、温度測定レイヤ１３０の熱電対部１３１で検知される温度差が反映され、対象物１０の厚さ方向における熱伝達率（Ｑ_ｔ）が算出される。

前述したように、上記関係式により表面方向における温度差に基づいて対象物１０の熱伝達率が算出されるので、本発明による熱伝達率測定素子１００においては、熱電対の接点を厚さ方向に離隔配置しなくてもよい。よって、薄膜状の素子の厚さを最小化することができ、小型化を効果的に実現することができる。

また、第１レイヤ１１０と第２レイヤ１２０との間に温度測定レイヤ１３０が挿入されるので、熱電対部１３１の熱的接触状態や絶縁状態の保証が容易であり、測定結果の精度が向上する。

図２は、本発明の一実施形態による熱伝達率測定素子１００を示す分解斜視図であり、図３は、図２に示す熱伝達率測定素子１００の断面図である。以下、図２及び図３を参照して、本発明による熱伝達率測定素子１００から発生する電気信号のノイズを除去して結果を算出する構成について説明する。

図２及び図３に示すように、本発明による温度測定レイヤ１３０は、ノイズ検知部１３２をさらに含んでもよい。ノイズ検知部１３２は、電気的ノイズを検知するように機能する。

具体的には、ノイズ検知部１３２は、熱電対部１３１に対応する形状を有し、厚さ方向に熱電対部１３１に並んで離隔配置されてもよい。図２及び図３に示すように、熱電対部１３１が複数の熱電対が重なって形成される熱電対列からなる場合、ノイズ検知部１３２は、その形状に対応してジグザグ状に延設されてもよい。すなわち、ノイズ検知部１３２は、厚さ方向に正確に熱電対部１３１と重なるように形成されてもよい。ノイズ検知部１３２は、電気伝導性材質からなり、両端部が起電力を測定できる制御部（図示せず）に電気的に接続されてもよい。

ここで、ノイズ検知部１３２は、熱電対部１３１と通電しないように、熱電対部１３１から離隔して配置されてもよい。例えば、ノイズ検知部１３２と熱電対部１３１との間には、表面方向に延びる絶縁部１３３が介在してもよい。図２及び図３に示すように、第１〜第４材料部１１１、１１２、１２３、１２４の材質を考慮して、温度測定レイヤ１３０の上側及び下側には、絶縁維持のための絶縁層１３４がそれぞれ形成されてもよい。よって、ノイズ検知部１３２と熱電対部１３１との間に介在する絶縁部１３３も、絶縁層１３４と同じ形状及び材質で形成されて積層されてもよい。

図４は、図２及び図３に示すノイズ検知部１３２により検知される起電力を用いて信号のノイズを除去する方法を示す概念図である。図４の（ａ）を参照すると、本発明による熱伝達率測定素子１００が対象物１０に取り付けられた場合、熱電対部１３１により検知される起電力（Ｖ_ｔ）には、電気的ノイズが含まれることがある。すなわち、熱電対部１３１により測定される起電力（Ｖ_ｔ）は、複数の第１接点１３１ａ及び第２接点１３１ｂ間で温度差により形成される起電力に電気的ノイズが干渉した状態であり得る。その熱電対部１３１の起電力（Ｖ_ｔ）をそのまま温度差に換算すると、不正確な熱伝達率が算出される。

本実施形態のようにノイズ検知部１３２をさらに含む場合、熱電対部１３１が図４の（ａ）のような起電力（Ｖ_ｔ）を測定している間、同時にノイズ検知部１３２は、図４の（ｂ）のようなプロファイルのノイズ起電力（Ｖ_ｎ）を検知する。ノイズ検知部１３２は、単一の電気伝導性材質で形成されて延びるので、ノイズ検知部１３２においては、第１接点１３１ａ及び第２接点１３１ｂの温度差に関係なく純粋な電気的ノイズ信号のみが形成される。

本発明による熱伝達率測定素子１００は、ノイズ検知部１３２から得られたノイズ起電力（Ｖ_ｎ）信号を用いて熱電対部１３１の起電力（Ｖ_ｔ）信号を加工する役割を果たす制御部をさらに含んでもよい。前記制御部は、熱電対部１３１により検知される起電力（Ｖ_ｔ）からノイズ検知部１３２により検知されるノイズ起電力（Ｖ_ｎ）を引いて得られる、図４の（ｃ）のような起電力信号を生成するようにしてもよい。また、前記制御部は、図４の（ｃ）のような信号のプロファイルに対応する第１接点１３１ａと第２接点１３１ｂとの温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）を算出するように構成されてもよい。さらに、前記制御部は、表面方向における温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）から対象物１０の熱伝達率を算出するように構成されてもよい。

本発明による熱伝達率測定素子１００は、ノイズ検知部１３２をさらに含むので、熱電対部１３１の起電力信号に干渉する電気的ノイズを検知及び除去することができる。よって、表面方向における温度差値の精度が向上し、その結果、熱伝達率の精度及び信頼性が向上する。特に、微細に生じる温度差による起電力を正確に選別できるので、ＭＥＭＳ技術などにより熱伝達率測定素子１００を薄膜状に製作する場合、測定精度を改善できるという利点がある。

一方、図５は、本発明の他の実施形態による熱伝達率測定素子２００を示す断面図である。以下、本発明の他の実施形態により外部流体（空気など）による不均一な対流の影響を検知する構成について説明する。

図５に示すように、本実施形態による熱伝達率測定素子２００は、前述した実施形態と同様に、第１レイヤ１１０、第２レイヤ１２０及び温度測定レイヤ１３０を含む。第１レイヤ１１０は、第１材料部１１１及び第２材料部１１２を備え、温度測定レイヤ１３０は、第１接点１３１ａ及び第２接点１３１ｂを備える熱電対部１３１を含み、表面方向における温度差を測定する。

ただし、本実施形態の第２レイヤ１２０は、第５材料部２２５をさらに備える。第５材料部２２５は、第１材料部１１１を通過する熱伝達量（Ｑ_ｃ）と第２材料部１１２を通過する熱伝達量（Ｑ_ｄ）が異なる値を有するようにする機能を果たす。具体的には、第５材料部２２５は、厚さ方向に第１材料部１１１及び第２材料部１１２の少なくとも一部に重なるように形成されてもよい。ここで、第５材料部２２５は、単一の材質からなり、第１材料部１１１及び第２材料部１１２の一部の上側には、同じ材質の第５材料部２２５が配置されるようにしてもよい。

ここで、温度測定レイヤ１３０は、第１材料部１１１と第５材料部２２５との間に設けられる第３接点２３５ｃ、及び第２材料部１１２と第５材料部２２５との間に設けられる第４接点２３５ｄを備える対流検知熱電対部２３５を含んでもよい。対流検知熱電対部２３５は、熱電対部１３１と同じ形状を有するように形成されてもよい。対流検知熱電対部２３５は、熱電対部１３１とは別に、両端部が制御部に接続され、前記制御部に別途の起電力信号を伝達するようにしてもよい。

図５を参照すると、同じ材質の第５材料部２２５が第３接点２３５ｃ及び第４接点２３５ｄの上側に備えられるので、本実施形態の対流検知熱電対部２３５により検知される温度差（Ｔ_３−Ｔ_４）は、第５材料部２２５の上面で生じる温度差（Ｔ_ｓ３−Ｔ_ｓ４）と同じ値となる。

対象物１０の熱伝達率によりそれぞれの前記温度差が同一になった状態で第５材料部２２５上に流体の流動（例えば、対流熱伝達による空気の流れ）が形成されると、第５材料部２２５の上面で生じる温度差（Ｔ_ｓ３−Ｔ_ｓ４）に変化が生じる。また、前記温度差（Ｔ_ｓ３−Ｔ_ｓ４）は、第５材料部２２５の厚さ方向に沿って形成される同じ温度勾配によりそれぞれ温度が変化し、対流検知熱電対部２３５の温度差（Ｔ_３−Ｔ_４）に影響を及ぼす。よって、対流検知熱電対部２３５は、外気の影響による空間的な温度分布の変化の程度及び持続時間を検知することができる。

本実施形態による熱伝達率測定素子２００は、対流検知熱電対部２３５を含むので、外気の対流の変化に敏感に反応してその影響を検知することができる。よって、熱伝達率を測定している間、外気の影響をモニタし続けることができる。すなわち、外気環境に関する追加情報を取得することができ、その情報を熱伝達率の算出時に反映することができる。特に、対象物１０の表面上で外気の流動により形成される体感温度を算出できるという利点がある。

特に、第５材料部２２５の上面の温度変化を対流検知熱電対部２３５において敏感に反映するために、第５材料部２２５は、熱伝達度が相対的に高い材質、例えば金属性材質からなるようにしてもよい。ここで、対流検知熱電対部２３５との電気絶縁のために、温度測定レイヤ１３０は、対流検知熱電対部２３５と第５材料部２２５との間に配置される絶縁層１３４を含んでもよい。

また、図６は、図５の実施形態に示す第５材料部２２５の他の例を示す断面図である。図６の他の例においては、第３接点２３５ｃと第４接点２３５ｄとの温度差（Ｔ_３−Ｔ_４）に第５材料部２２５の上面の温度差（Ｔ_ｓ３−Ｔ_ｓ４）をより正確に反映できるようにする。

図６に示すように、第５材料部２２５は、複数の熱伝達促進部分２２５ａと熱伝達鈍化部分２２５ｂとを備えてもよい。複数の熱伝達促進部分２２５ａは、第３接点２３５ｃと第４接点２３５ｄにそれぞれ重なるように互いに離隔して配置され、熱伝達鈍化部分２２５ｂより熱伝達度が高い材質からなるようにしてもよい。

熱伝達鈍化部分２２５ｂは、熱伝達促進部分２２５ａ間に配置されてもよい。特に、熱伝達鈍化部分２２５ｂは、厚さ方向に第１材料部１１１と第２材料部１１２との当接地点に並んで配置されてもよい。熱伝達鈍化部分２２５ｂは、熱伝達促進部分２２５ａより相対的に熱伝達度が低い材質からなるようにしてもよい。

熱伝達鈍化部分２２５ｂにより、２つの熱伝達促進部分２２５ａ間で表面方向に行われる熱伝達が制限される。よって、前述した表面方向における温度差（Ｔ_３−Ｔ_４及びＴ_ｓ３−Ｔ_ｓ４）の減少が制限され、より敏感に外気の対流の影響を測定することができる。

一方、図７は、本発明のさらに他の実施形態による熱伝達率測定素子３００を示す断面図である。本実施形態を参照して、第１〜第４材料部３１１、３１２、３２３、３２４の厚さが同じでない場合も前述した原理により熱伝達率を正確に測定する構成について説明する。

本実施形態による熱伝達率測定素子３００は、第１〜第４材料部３１１、３１２、３２３、３２４を含む。第１材料部３１１は、下面が対象物１０の表面を向くように配置され、第２材料部３１２は、下面が対象物１０の表面を向くように第１材料部３１１に隣接して配置される。第１材料部３１１及び第２材料部３１２は、異なる熱伝達度を有する材質からなる。

第１材料部３１１の上面には、第２材料部３１２と同じ熱伝達度を有する材質からなる第３材料部３２３が結合される。ここで、第２材料部３１２及び第３材料部３２３は、同じ厚さ、すなわち同じ上下方向の高さを有する。

第２材料部３１２の上面には、第１材料部３１１と同じ熱伝達度を有する材質からなる第４材料部３２４が結合される。第４材料部３２４は、第１材料部３１１と同じ厚さを有する。その結果、図７に示すように、第１〜第４材料部３１１、３１２、３２３、３２４は所定の厚さを有するように形成される。

一方、本実施形態による熱伝達率測定素子３００は、熱電対部１３１をさらに含む。熱電対部１３１は、第１接点１３１ａ及び第２接点１３１ｂを備え、２つの地点の温度差を測定する。第１接点１３１ａは、第１材料部３１１又は第３材料部３２３の内部に配置され、第２接点１３１ｂは、対象物１０の表面方向に第１接点１３１ａから離隔して配置され、第４材料部３２４又は第２材料部３１２の内部に配置される。

また、本実施形態による熱伝達率測定素子３００は、次のように熱伝達率を算出する制御部（図示せず）をさらに含んでもよい。

前述した実施形態と同様に、熱伝達が行われる総断面積をＡ、第１材料部３１１及び第４材料部３２４の熱伝達度をｋ_１、第２材料部３１２及び第３材料部３２３の熱伝達度をｋ_２とし、ｋ_１＞ｋ_２の関係が成立すると仮定する。各地点の温度を図７に示す。

また、第１材料部３１１及び第４材料部３２４の厚さをΔｘ_１、第２材料部３１２及び第３材料部３２３の厚さをΔｘ_２とすると、図７の場合は、Δｘ_１＞Δｘ_２が成立し、その比をＣ（＝Δｘ_１／Δｘ_２）とすると、次のように伝導熱伝達方程式が得られる。

また、前述した一実施形態と同様に、本発明による熱伝達率測定素子３００の厚さ方向における温度差（Ｔ_ｂ−Ｔ_ｓ）と、第１接点１３１ａと第２接点１３１ｂとの温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）の比は次のように計算される。

よって、総熱伝達率を第１接点１３１ａと第２接点１３１ｂとの温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）についてまとめると次の通りである。

一方、上記ケースとは異なり、Δｘ_１＜Δｘ_２が成立し、その比をＣ（＝Δｘ_２／Δｘ_１）とすると、総熱伝達率は次のように計算される。

本発明の他の実施形態による熱伝達率測定素子３００は、必ずしも各材料部の厚さを均一に製作しなくてもよいという利点がある。すなわち、第１材料部３１１及び第４材料部３２４が同じ厚さを有し、第２材料部３１２及び第３材料部３２３が同じ厚さを有するという条件さえ満たせば、表面方向における温度差により対象物１０の熱伝達率を正確に測定することができる。

また、本実施形態においては、交互に配置される同じ材質の材料部同士が接触するように設計される。よって、第１材料部３１１と第２材料部３１２とのいずれか一方のみを電気絶縁材質にすると、熱電対部１３１の電気絶縁のための絶縁部１３３を省略することができる。

よって、本実施形態によれば、熱伝達率測定素子３００の形状及び材質の制約条件が緩和され、製作利便性が向上する。

以上の説明は本発明による熱伝達率測定素子を実施するための実施形態にすぎず、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲において定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であることを理解するであろう。

本発明は、熱伝達に関する研究だけでなく、広範囲の産業分野において対象物の熱伝達率又は断熱性能の測定に用いることができる。

Claims (3)

1. 対象物の表面方向に並んで配置されて異なる熱伝達度を有する第１材料部及び第２材料部を備える第１レイヤと、
   前記第１レイヤの厚さ方向に前記第１材料部に並んで配置されて前記第２材料部と同じ熱伝達度を有する第３材料部、前記厚さ方向に前記第２材料部に並んで配置されて前記第１材料部と同じ熱伝達度を有する第４材料部、及び前記厚さ方向に前記第１及び第２材料部の少なくとも一部に重なるように形成される第５材料部を備える第２レイヤと、
   前記第１レイヤと前記第２レイヤとの間に介在し、前記対象物の熱伝達率の算出のために前記表面方向における温度差を測定するように構成される温度測定レイヤとを含み、
   前記温度測定レイヤは、
   前記第１材料部と前記第３材料部との間に設けられる第１接点、及び前記第２材料部と前記第４材料部との間に設けられる第２接点を備える熱電対部と、
   前記第１材料部と前記第５材料部との間に設けられる第３接点、及び前記第２材料部と前記第５材料部との間に設けられる第４接点を備える対流検知熱電対部とを含む、熱伝達率測定素子。
2. 前記温度測定レイヤは、前記対流検知熱電対部と前記第５材料部との間に介在する絶縁層をさらに含み、
   前記第５材料部は、金属性材質からなる、請求項１に記載の熱伝達率測定素子。
3. 前記第５材料部は、
   前記第３接点と前記第４接点にそれぞれ重なるように配置される熱伝達促進部分と、
   前記熱伝達促進部分間に配置され、前記熱伝達促進部分より熱伝達度が低い材質からなる熱伝達鈍化部分とを備える、請求項１に記載の熱伝達率測定素子。

Images