JP5305354B2

JP5305354B2 - 温度・熱流束測定装置

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Publication number: JP5305354B2
Application number: JP2009163844A
Authority: JP
Inventors: 維劉; 雅昭千葉; 和之高瀬
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: JP2011017669A

Description

本発明は、物体と接した面における温度及び熱流束（熱流）を測定する温度・熱流束測定装置に関する。また、この面に対する温度測定方法、熱流束測定方法に関する。

試料の温度を測定するためには、例えば熱電対を用いた温度計が用いられており、これを試料表面に接触させることによってその温度を測定することができる。また、試料の温度を測定するだけではなく、試料のある箇所における熱流束を測定することが必要な場合も多く、この場合には、熱流束計が用いられる。熱流束計においては、試料における温度差と熱伝導率とから、熱流束（熱流）を測定する。

温度と熱流束とを同時に測定する装置の一例は、例えば特許文献１に記載されている。この装置においては、基板の面上に温度測定素子（熱抵抗素子、熱電対等）を配列した上に絶縁層を形成した構成を、基板の表裏両面に具備する。各々の絶縁層表面には、温度測定素子に直結させた測定パターンが突出して設けられる。

この装置は、半導体チップ等における温度と熱流束を測定するのに用いられる。その際には、この装置における一方の面を試料（半導体チップ）に接触させる。これによって、この面に設けられた測定パターンが試料に接し、その温度が温度測定素子によって検出され、測定パターン（温度測定素子）が２次元アレイとされているため、温度分布を測定することができる。また、この温度分布より、基板面と平行な方向の熱流束を計測することができる。一方、他方の面に設けられた測定パターンは試料と接することはないが、この測定パターンの温度から、基板面と垂直な方向の熱流束を計測することができる。

また、この装置においては、基板として可撓性のある軟性フィルム等を用いることにより、試料の形状に応じて基板を変形させて測定パターンを試料に密着させることができる。従って、試料の形状によらずに正確な測定が可能である。従って、この温度・熱流束測定装置は、半導体チップのような、定形性がある発熱体を被測定試料とした測定に適している。

特開２００７−２０８２６２号公報

温度や熱流束を測定する試料としては、様々なものがある。例えば、冷却水（沸騰水）が流れる配管表面における温度と熱流束のデータを得ることは、配管の設計上非常に重要である。こうした場合には、冷却水に接する配管の表面に温度計や熱流束計を設置することにより、形式的には温度や熱流束の測定は可能である。例えば、特許文献１に記載の装置の場合においては、測定パターンが形成された面を配管の表面に設置すればよい。

ところが、この表面の温度や熱流束は、冷却水自身の流れの影響を強く受ける。特許文献１に記載の測定装置においては、測定パターンが表面から突出しているため、この流れに影響を与えることは明らかである。また、特に冷却水の場合には、沸騰によって気泡が発生・移動し、これによって表面の温度や熱流束は影響を受けるが、この気泡の運動はこの測定パターンの影響を強く受ける。従って、特許文献１に記載の測定装置によって形式的には温度や熱流束を計測することはできるものの、測定された温度や熱流束の値はこの測定装置がない場合とは大きく異なり、実際の表面におけるこれらの値を正確に反映したものとはならなかった。

従って、流体と接する面における温度と熱流束とを正確に測定することは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の温度・熱流束測定装置は、伝熱面が物体と接するように設置された際の前記伝熱面上における温度及び熱流束を測定する温度・熱流束測定装置であって、平坦である前記伝熱面を上面とし、前記伝熱面から伝熱層を介した２種類の異なる深さにおいて、温度測定素子が線状に配列された第１及び第２の温度測定素子群がそれぞれ形成された構成を具備する測定ヘッドと、前記第１及び第２の温度測定素子群の出力より、２次元熱伝導逆問題解析を用いて前記伝熱面上における温度及び熱流束を算出する演算部と、を具備し、前記温度測定素子は、前記測定ヘッド内に設けられた複数の配線からなる配線群と、金属層との接点で構成された熱電対であり、前記第１又は第２の温度測定素子群の出力は、前記各配線毎に接続された端子と、前記金属層に接続された共通の端子と、から取り出され、前記伝熱面は、前記第１又は第２の温度測定素子群の前記温度測定素子を構成する前記金属層の表面とされたことを特徴とする。
本発明の温度・熱流束測定装置において、前記測定ヘッドにおける前記伝熱面の周囲に断熱壁が設けられていることを特徴とする。
本発明の温度・熱流束測定装置において、前記金属層における前記配線群と接する箇所は銅で構成され、前記配線はコンスタンタンで構成されることを特徴とする。
本発明の温度・熱流束測定装置において、前記金属層は、前記配線群と接する側の面を銅とした積層構造であることを特徴とする。
本発明の温度・熱流束測定装置において、前記物体は流体であることを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、流体と接する面における温度と熱流束とを正確に測定することができる。

本発明の実施の形態に係る温度・熱流束測定装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る温度・熱流束測定装置における温度・熱流束を算出する点と温度を実測する点との関係（ａ）、測定ヘッドの構成を示す図（ｂ）である。測定ヘッドの伝熱面付近の断面図である。測定ヘッドにおいて用いられるコンスタンタン線の構造を示す断面図である。測定ヘッドにおける伝熱体の上面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。測定ヘッドの製造方法を示す工程断面図である。実施例の構成を示す図である。実測されたＴ_１、Ｔ_２の時間変化を示す図である。算出されたＴｗ（温度）、ｑｗ（熱流束）の時間変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る温度・熱流束測定装置について説明する。図１は、この温度・熱流束測定装置１の構成の概要を示す図である。この温度・熱流束測定装置１においては、測定ヘッド１０における平坦な伝熱面１１が流体（物体）９０に接して設けられる。ここで、流体９０は配管壁９１上を流れ、この配管壁９１表面（被測定面９２）の温度・熱流束がこの温度・熱流束測定装置１によって測定される対象である。従って、伝熱面１１は配管壁９１表面と同一平面をなすように、あるいは、流体９０中の流れに影響を与えるような大きな段差がこれらの間で形成されないように設置され、伝熱面１１上の温度・熱流束が被測定面９２の温度・熱流束となる。伝熱面１１上における流体９０と接する各点（図１中×印）が温度、熱流束が測定される測定点であるが、この測定ヘッドにおいては、この箇所の温度は直接測定されず、伝熱面１１から伝熱層を介してｈ_１だけ下側の深さの箇所の温度と、同じくｈ_２だけ下側（ｈ_２＞ｈ_１）の深さの温度とが温度測定素子によって直接測定される。どちらの深さにおいても、温度測定素子は線状に配列される。

ここでは、温度測定素子としては熱電対が用いられる。具体的には、測定ヘッド１０内に、熱電対の配列（温度測定素子群：熱電対群）が２層形成され、１層目（第１の熱電対群（温度測定素子群）１２）は伝熱面１１から深さｈ_１の箇所に設置され、２層目（第２の熱電対群（温度測定素子群）１３）は伝熱面１１から深さｈ_２の箇所に設置される。測定ヘッド１０（伝熱面１１）の周囲には、断熱材で構成された断熱壁２０が設けられている。第１の熱電対群１２の出力（計測された温度Ｔ_１に対応）と、第２の熱電対群１３の出力（計測された温度Ｔ_２に対応）は、アンプ３０によって増幅され、その時刻毎のデータがデータ記憶部４０で記憶される。演算部５０はこのデータ（Ｔ_１、Ｔ_２）を読み出し、２次元熱伝導逆問題解析を行い、伝熱面における温度Ｔｗと熱流束（熱流）ｑｗを算出する。データ記憶部４０は例えばハードディスクで構成され、演算部５０は例えばパーソナルコンピュータ（あるいはＣＰＵ）である。

この温度・熱流束測定装置１において用いられる測定ヘッド１０の構成を図２に示す。図２（ａ）は、この測定ヘッド１０によって温度及び熱流束が算出される点と、温度Ｔ_１、Ｔ_２が実測される点の位置関係を示す図である。測定ヘッド１０の形状は円筒形であり、この上面が伝熱面１１であり、断熱壁２０の存在によってこの円周方向には断熱条件が成立している。この温度・熱流束測定装置１によって、伝熱面１１において流体９０と接する複数の位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎにおける温度Ｔｗ（Ｔｗ_１〜Ｔｗ_ｎ）、及び熱流束（熱流）ｑｗ_１〜ｑｗ_ｎがそれぞれ算出される。ここで、熱流束（熱流）とは、単位時間に単位面積を通過する熱エネルギーであり、例えばＷ／ｍ^２等で表される量である。ただし、これらの値はこの測定ヘッド１０によって直接計測されず、直接計測される量は、Ｐ_１〜Ｐ_ｎ直下の測定ヘッド１０の表面（伝熱面）からｈ_１の深さにおける温度Ｔ_１（Ｔ_１，１〜Ｔ_１，ｎ）と、同じくｈ_２の深さ（ｈ_２＞ｈ_１）における温度Ｔ_２（Ｔ_２，１〜Ｔ_２，ｎ）である。Ｔｗ_１〜Ｔｗ_ｎ、ｑｗ_１〜ｑｗ_ｎは、実測されたＴ_１，１〜Ｔ_１，ｎ、及びＴ_２，１〜Ｔ_２，ｎから２次元熱伝導の逆問題解析によって演算部５０によって算出される。

ここで、流体（物体）９０としては、水等が得に好ましく用いられる。ただし、流体９０の代わりに定形性のある固体を用いた場合であっても同様の測定は可能である。

図２（ｂ）は、この温度・熱流束測定装置１において用いられる測定ヘッド１０の構成の概要を示す断面図である。この測定ヘッド１０においては、上記のＴ_１，１〜Ｔ_１，ｎを測定するｎ個の熱電対（第１の熱電対群１２）が、表面に形成された厚さｈ_１の金属層（表側金属層１４）直下に配列して形成されている。また、表側金属層１４が形成された側と反対側の面（裏面）においても、同様の構造を具備し、ｎ個の熱電対（第２の熱電対群１３）が、裏側金属層１５直下（図２（ｂ）中では直上）に形成されている。各熱電対は、各々に対応したコンスタンタン線１６と、表側及び裏側金属層１４、１５を構成する銅とから構成される。各コンスタンタン線１６は、伝熱体１７中に設置されており、各々から配線が取り出される。なお、伝熱体１７と表側金属層１４、裏側金属層１５との間に銅めっき層７０が形成されている。以上の構成により、第１の熱電対群１２には表側金属層１４を伝熱層として、第２の熱電対群１３には表側金属層１４と伝熱体１７及び銅めっき層７０を伝熱層として、流体９０と接する伝熱面１１から熱が伝導する。

図２（ｂ）における破線で囲まれた領域を拡大した詳細な構造の断面図が、図３である。伝熱体１７中に、ｎ本のコンスタンタン線１６（配線群）が埋め込まれ、各コンスタンタン線１６の一端は、銅めっき層７０を貫通して銅めっき層７０の表面（上面）に達し、その上に表側金属層１４が全面にわたり形成される。表側金属層１４は、表側銅層（銅層）１４１と表側金層（金層）１４２との積層構造であり、表側銅層１４１が各コンスタンタン線１６の一端に接するように形成される。これらの接点が各々熱電対となって機能する。表側金層１４２は、表側銅層１４１の全面にわたり一様に形成される。従って、各熱電対における一方の端子ＣＭ１は共通して表側金属層１４（表側銅層１４１）に接続され、他方の端子（Ｖ_１，１〜Ｖ_１，ｎ）は、各コンスタンタン線１６毎に取り出される。伝熱体１７とショートしないように、各コンスタンタン線１６の表面には、絶縁層１８が形成されている。第１の熱電対群１２における各熱電対の出力は、これらの端子から取り出され、この出力はアンプ３０に入力する。この出力電圧は、コンスタンタンと銅の熱電対における換算式を用いて各熱電対の温度（Ｔ_１，１〜Ｔ_１，ｎ）に変換される。

ここで、伝熱体１７は、この測定ヘッド１０の基材となり、高い熱伝導率をもつ銅で構成される。その形状は適宜設定されるが、ここでは図２（ａ）に示されるような円筒形とする。その厚さ（円筒形における高さ）は、上記のｈ_２に関連して適宜設定される。

表側金属層１４の厚さは、表側銅層１４１と表側金層１４２の合計で３μｍ程度とされる。表側銅層１４１はコンスタンタン線１６との組み合わせで熱電対を構成し、かつ、伝熱面１１の温度をこの熱電対まで伝達する。表側金層１４２は、酸化しやすい表側銅層１４１の表面を保護するために形成される。ただし、充分な時間分解能で温度や熱流束を正確に計測するためには、表側金属層１４の厚さは薄いことが好ましい。なお、銅の酸化が問題にならない雰囲気中で使用される場合には、表側金層１４２は必ずしも必要ない。

この測定ヘッド１０の下側の面においても、図３と上下対称な構造が設けられている。すなわち、端子Ｖ_２，１〜Ｖ_２，ｎに対応してｎ本の絶縁層１８が表面に形成されたコンスタンタン線１６が伝熱体１７中に設置され、その一端が銅めっき層７０の裏面（下側の面）上に達し、これを覆うように裏側金属層１５（裏面銅層１５１、裏側金層１５２）が形成される。従って、第２の熱電対群１３における各熱電対の出力は、図２（ｂ）におけるＣＭ２とＶ_２，１〜Ｖ_２，ｎ間から取り出され、第１の熱電対群１２と同様にＴ_２，１〜Ｔ_２，ｎに変換される。

従って、上記の構成により、温度と熱流束とを計測すべき点Ｐ_１〜Ｐ_ｎ直下の深さｈ_１の温度Ｔ_１，１〜Ｔ_１，ｎ、同じく深さｈ_２（ｈ_２＞ｈ_１）の温度Ｔ_２，１〜Ｔ_２，ｎが測定できる。

Ｐ_１〜Ｐ_ｎにおける伝熱面１１の温度Ｔｗ_１〜Ｔｗ_ｎ、熱流束ｑｗ_１〜ｑｗ_ｎは、演算部５０を用いて、Ｔ_１，１〜Ｔ_１，ｎ、Ｔ_２，１〜Ｔ_２，ｎから、いわゆる熱伝導の２次元逆問題解析によって求められる。これは、通常の熱伝導の解析において、Ｐ_１〜Ｐ_ｎの点の温度と熱流束からその直下のある深さの温度を求めることができるのに対応して、深さｈ_１とｈ_２の箇所の温度（分布）からＰ_１〜Ｐ_ｎの点の温度、熱流束（分布）を求める手法である。

この手法は、例えばＰ．Ｌ．Ｗｏｏｄｆｉｅｌｄ、Ｍ．Ｍｏｎｄｅ、ａｎｄＹ．Ｍｉｔｓｕｔａｋｅ、”Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｎａｎａｌｙｔｉｃａｌｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｉｎｖｅｒｓｅｈｅａｔｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓ”、ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅａｔａｎｄＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒ”、２００６年、ｖｏｌ．４９、ｐ１８７に記載されている。ここでは、円柱座標系での非定常状態の熱伝導方程式（１）式をラプラス変換によって解き、Ｔ_１，１〜Ｔ_１，ｎ、Ｔ_２，１〜Ｔ_２，ｎを与えることによって、Ｐ_１〜Ｐ_ｎにおける温度Ｔｗ_１〜Ｔｗ_ｎ、及び熱流束（熱流）ｑｗ_１〜ｑｗ_ｎを求める手法が記載されている。ここで、ａは伝熱体１７の熱伝導率である。その結果、測定前の測定ヘッド１０の温度がＴ_０で一様であるとし、伝熱体１７端部で断熱条件が成立する場合には、伝熱面における温度Ｔｗ（ｒ、ｔ）と熱流束ｑｗ（ｒ、ｔ）は、（２）式、（３）式で表される。ここで、ｒは、図２（ａ）に示されるとおり、円柱座標の半径に対応する軸であり、Ｔ_１，１〜Ｔ_１，ｎ、Ｔ_２，１〜Ｔ_２，ｎにおける１〜ｎに対応する。ｔは時間であり、ｔ＝０の時の温度をＴ_０としている。ここで、この多項式は時間ｔ（ｔ^ｋ／２）に関してはＮ_ｋ次までを用いて近似し、Ｊ_０に関してはＮ_ｊまでを用いて近似している。

ここで、Ｊ_０（ｘ）は０次の第１種ベッセル関数、ｍ_ｊはｊ×πである。Ｒは想定する円筒（伝熱体１７）の半径であり、ｒ＝０とｒ＝Ｒで∂Ｔ／∂ｒ＝０（断熱条件）と仮定している。Γ（ｘ）はガンマ関数である。Ｇ_ｊ，ｋ ^（１２）、Ｇ_ｊ，ｋ ^（２１）、Ｈ_ｊ，ｋ ^（１２）、Ｈ_ｊ，ｋ ^（２１）は定数である。

この測定ヘッド１０の内部で実測された温度は１層目（深さｈ_１）でＦ_１（ｒ、ｔ）、２層目（深さｈ_２）でＦ_２（ｒ、ｔ）としてそれぞれｔ^１／２の多項式で近似されるとすると、これらは、（４）式で表すことができる。

ここで、（４）式におけるＤ_ｊ,ｋ ^（ｎ）は定数であるが、これらは実測のＴ_１，１〜Ｔ_１，ｎ、Ｔ_２，１〜Ｔ_２，ｎを用いてフィッティングにより求めることができる。（４）式は測定ヘッド１０内部における式であり、（２）（３）式は測定ヘッド１０の表面（伝熱面１１）において成立する式であるが、温度の連続性を考慮することにより、上記のＧ_ｊ，ｋ ^（１２）、Ｇ_ｊ，ｋ ^（２１）、Ｈ_ｊ，ｋ ^（１２）、Ｈ_ｊ，ｋ ^（２１）を算出することができ、結局、（２）（３）式を用いて伝熱面１１における温度Ｔｗ_１〜Ｔｗ_ｎ、熱流束ｑｗ_１〜ｑｗ_ｎを算出することができる。従って、上記の方法によって演算部５０は温度Ｔｗ_１〜Ｔｗ_ｎ、熱流束ｑｗ_１〜ｑｗ_ｎを算出し、この温度・熱流束測定装置の出力とする。

なお、上記の逆問題解析方法は一例であり、これ以外の方法を用いてＴｗ_１〜Ｔｗ_ｎ、ｑｗ_１〜ｑｗ_ｎを算出することもできる。例えば、測定ヘッド１０（伝熱体１７）の形状を円筒形ではなく、他の形状（直方体）等とした場合には、それに応じて上記の式は変更され、この変更された式、あるいは近似式を用いて同様にＴｗ_１〜Ｔｗ_ｎ、ｑｗ_１〜ｑｗ_ｎが算出される。あるいは、図２（ａ）に示されたように、上記の場合には、断熱壁２０を用いることにより、ｒ＝Ｒで断熱条件となる境界条件を採用したが、この境界条件も適宜設定でき、これに応じてＴｗ、ｑｗを算出するために用いられる式は異なる。

この際、上記の構成の測定ヘッド１０を用いた場合、流体９０と接するのは平坦な伝熱面１１（表側金属層１４）である。従って、流体９０が水等の流体である場合に、その流れを阻害することがなく、測定ヘッド１０自身の存在が、被測定面９２上の温度や熱流束に与える影響は少ない。従って、温度、熱流束の正確な測定を行うことができる。

また、各熱電対における一方の電極を共通化して表側金属層１４（表側銅層１４１）、裏側金属層１５（裏側銅層１５１）としているため、熱電対の配列を構成することが容易にできる。この温度・熱流束測定装置１における温度、熱流束測定の位置分解能は、測定点Ｐ_１〜Ｐ_ｎの間隔によって決まる。上記の構造においては、以下に示す製造方法によって、この間隔を小さくすることが容易にできる。従って、温度・熱流束測定を高い位置分解能で行うことができる。

また、図１の構成により、時刻毎のＴ_１，１〜Ｔ_１，ｎ、Ｔ_２，１〜Ｔ_２，ｎをデータ記憶部４０で記憶し、時刻毎のＴｗ_１〜Ｔｗ_ｎ、ｑｗ_１〜ｑｗ_ｎを算出することができる。従って、高い時間分解能で被測定面９２（流体９０と接する表面）の温度・熱流束を測定することができ、被測定面９２が非定常状態にあっても被測定面９２の温度、熱流束を測定することもできる。

次に、この温度・測定ヘッド１０の製造方法について説明する。

まず、図４に示すような、表面に絶縁層１８が形成されたコンスタンタン線１６を準備する。コンスタンタン線１６の外径は例えば７６μｍφ程度とする。測定の時間分解能を向上させるためには、細いコンスタンタン線１６を用いることが好ましい。絶縁層１８は、電気的絶縁性をもち、コンスタンタン線１６を折り曲げても剥離・破損しないものであれば任意である。ただし、測定される温度が高温である場合には、高温にも耐えうる材料として、テフロン（登録商標）やポリイミドを用いることができる。

伝熱体１７となる銅のブロックは、例えば１０ｍｍφ、厚さ４ｍｍとする。図５（ａ）にその平面図、図５（ｂ）にそのＡ−Ａ方向の断面図を示すように、その表面（伝熱面１１側）に、測定間隔（Ｐ_１〜Ｐ_ｎの間隔）に対応した間隔、例えば０．５ｍｍで複数の溝７１を形成する。溝７１の幅、深さは、絶縁層１８が表面に形成されたコンスタンタン線１６が収容できる程度とし、例えば幅は９０μｍ、深さは１２０μｍとする。溝７１の数はｎであり、例えばｎ＝１０程度である。この溝７１の一端は、伝熱体１７の表面の中心線Ａ−Ａの箇所よりもコンスタンタン線１６の径に応じた距離だけ図５（ａ）中の下側となっており、他端は伝熱体１７の側面にまで達している。この配列はＡ−Ａと直交する中心線Ｂ−Ｂよりも右側に設けられる。なお、図５（ｂ）に示されるように、裏面側においても、表面側と対称に溝７１が形成される。

次に、溝７１の形成以降についての工程を図６の断面図で説明する。ただし、以下においては、この製造方法を図３、５（ｂ）における上面側について説明するが、下面側についても同様である。図５（ａ）における溝７１のＡ−Ａ方向（溝７１の長手方向に垂直な方向）の断面図が図６（ａ１）であり、同じくＣ−Ｃ方向（溝７１の長手方向）の断面図が図６（ａ２）である。各図における図５（ａ）中のＡ−Ａ方向、Ｃ−Ｃ方向に対応した箇所が図中にそれぞれＡ、Ｃとして示してある。なお、以下においては、例えば図６（ｂ１）（ｃ１）等は図６（ａ１）と同じ箇所の断面を示し、図６（ｂ２）（ｃ２）等は図６（ａ２）と同じ箇所の断面を示す。

この溝７１各々の中に、溝７１に沿った形態で、表面に絶縁層１８が形成されたコンスタンタン線１６をかしめて仮固定する。ただし、溝７１の一端（図５における伝熱体１７の中心側）においてはその向きが上方に向かって９０°屈曲した形状とされる。この形態を図６（ｂ１）（ｂ２）に示す。伝熱体１７の表面（伝熱面１１）近くでは、この面とコンスタンタン線１６とが垂直な形態となり、表面に絶縁層１８が形成されたコンスタンタン線１６の一端は、伝熱体１７の表面から突出する。

この状態で、銅めっきを行う。銅めっき厚は例えば０．７ｍｍ程度の厚さとする。その結果、図６（ｃ１）（ｃ２）に示すように、伝熱体１７の表面に銅めっき層７０が形成されると共に、絶縁層１８が表面に形成されたコンスタンタン線１６は銅めっき層７０によって固定される。

その後、突出したコンスタンタン線１６等をカッター等で切断した上で、研磨を行い、銅めっき層７０表面を平坦化する。その結果、図６（ｄ１）（ｄ２）の形状となる。この際の銅めっき層７０の残膜厚は、この平坦化が行える限りにおいて適宜設定することができるが、いずれの場合でも、銅めっき層７０と伝熱体１７とは一体化された銅のブロックとなる。また、この状態で、各コンスタンタン線１６が銅めっき層７０の表面に現れた位置が各熱電対の位置となる。この位置は光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いて正確な測定が可能であり、測定された正確な位置のデータを前記の逆問題解析の際に用いることにより、温度、熱流束のより正確な算出が可能である。

次に、この状態で、表側銅層１４１を、例えばスパッタ法等によって全面に成膜する。その膜厚は例えば１．８μｍ程度とされる（図６（ｅ１）（ｅ２））。次に、表側金層１４２を、同様にスパッタ法等によって全面に成膜する。その膜厚は例えば１．２μｍ程度とされる（図６（ｆ１）（ｆ２））。以上により、図２の断面形状の測定ヘッド１０が得られる。なお、図示を省略しているが、表側金層１４２と表側銅層１４１との間には、これらの間の分子拡散によって銅膜及び金膜の変質を抑制するために、例えば０．１μｍ程度の厚さのチタン層等を挿入することが好ましい。

この製造方法によれば、表側金属層１４を３μｍ程度と充分に薄くし、かつコンスタンタン線１６等を伝熱体１７中に強固に固定することができる。従って、精密な温度・熱流束の計測が可能である。また、温度測定の時間分解能や位置分解能を高めるためには熱電対を構成するコンスタンタン線１６を細くすることが必要であるが、１００μｍ以下の細いコンスタンタン線１６を用いた場合でも上記の製造方法を実施することは容易である。

なお、上記においては、この測定ヘッド１０の表面側を製造する工程につき説明したが、裏面側についても同様であり、裏面側についても上記と同様の工程を行えばよい。ただし、銅めっきを行う工程（図６（ｃ１）（ｃ２））については、表面側と裏面側で共通して行うことができる。

なお、上記の製造方法は一例であり、図２、３の構成の測定ヘッド１０を製造できる限りにおいて、その製造方法は任意である。また、熱電対の種類は、被測定面９２の温度に応じて適宜設定することができ、これに応じて表側銅層１４１、裏側銅層１５１、コンスタンタン線１６、伝熱体１７、及び銅めっき層７０を、他の材料で構成されたものに置換すればよい。

なお、上記の例では、温度・熱流束測定装置における温度測定素子を熱電対とした場合の構造について説明した。しかしながら、熱電対以外でも、伝熱体中に配列して設置することのできる温度測定素子であれば、同様に使用することができる。第１の熱電対群１２と第２の熱電対群１３における熱電対の数も２以上であれば任意である。また、第１の熱電対群１２と第２の熱電対群１３とは平行となる構成としたが、必ずしも平行である必要はなく、熱伝導の２次元逆問題解析が適用できる限りにおいて任意である。

また、上記の例では、伝熱面１１が平面であるとしたが、ここでいう平面とは、流体９０の流れに影響を与える凹凸のない形状をもつ面である。

（実施例）
実際に、上記の構成の温度・熱流束測定装置を用い、沸騰を起こしている伝熱面表面における温度及び熱流束を測定した。この測定を行った際の構成を図７に示す。容器２００中に水２１０が投入され、水２１０の温度は、その中に投入された投げ込みヒータ２２０によって飽和温度である１００℃に調節され、維持された。また、容器２００の底面２０１側にはヒーター容器２３０が固定され、その中にはヒーター伝熱体２３１が固定された。ここで、図示されるように、実験の都合上ヒーター容器２３０は容器２００の底面２０１と一体化されている。ヒーター伝熱体２３１中には穴が開けられ、その中にカートリッジヒーター２３２が挿入されており、カートリッジヒーター２３２は、通電されることによって発熱する。ヒーター伝熱体２３１の上部には前記の測定ヘッド１０が熱伝導性の高い高温用接着剤を用いて固定され、伝熱面１１が底面２０１と同一平面となるように設置される。前記の通り、測定ヘッド１０の周囲には断熱壁２０が形成されている。また、カートリッジヒーター２３２からの上方向以外への熱伝導を抑制するため、ヒーター伝熱体２３１の周りにもヒーター断熱体２３３が形成されている。また、水２１０が沸騰した状況を観察するために、容器２００の側面に形成された窓を通して伝熱面１１を観察することのできる高速度ビデオカメラ２４０が用いられた。

以上の構成において、水２１０は全体としては飽和温度である１００℃に維持されるものの、伝熱面１１はカートリッジヒーター２３２によって下側から加熱されるため、伝熱面１１はこれよりも高い温度となりうる。この際、伝熱面１１と接する水２１０では沸騰が起こり、気泡が生成、成長、離脱する。これに伴って、伝熱面１１の温度（分布）、熱流束（分布）も、短い時定数で激しく変化する。この実施例では、この温度、熱流束が計測された。

ここで用いられた測定ヘッド１０における伝熱体は銅製であり、１０ｍｍφ、高さ４ｍｍ、ｈ_１は３μｍ（表側銅層が１．８μｍ厚、表側金層が１．２μｍ厚）、ｈ_２が４．９０５ｍｍであり、熱電対間隔は０．５ｍｍで１０本とされた。

水２１０の伝熱面１１上での沸騰に際しては、前記の通り、伝熱面１１上の温度、熱流束は短い時定数で変化するため、温度データの記録速度は１ｋＨｚ〜２ｋＨｚとされた。

図８は、この測定ヘッド１０におけるある１箇所の測定点に対応したＴ_１（深さｈ_１の箇所の温度）、Ｔ_２（深さｈ_２の箇所の温度）の時間変化である。この結果から、伝熱面１１に近い箇所の温度であるＴ_１は短い時定数で変動し、実際の伝熱面１１の温度変化に追従していることが確認できる。この短い時定数の温度変動は、伝熱面１１上における沸騰に伴う気泡の生成、成長、離脱等に起因するものであることが高速度ビデオカメラ２４０の観察によって確認できた。

次に、上記の方法によってこの測定点において算出されたＴｗ、ｑｗの時間変化を図９に示す。この結果より、Ｔｗは実測されたＴ_１に近い変動をし、これに対応したｑｗの時間変動が得られた。これにより、高い時間分解能でＴｗ、ｑｗが算出できることが確認された。これらの変動は、水２１０の沸騰に伴う気泡に起因し、こうした短い時定数をもつ変動にもこの温度・熱流束測定装置が追随できることが確認された。この際、伝熱面１１に凹凸がないため、気泡の生成、成長、離脱等の気泡周期にこの測定ヘッドが影響を及ぼしていないことは明らかである。

従って、この温度・熱流束測定装置は、沸騰水（冷却水）に接した面における温度、熱流束を高い位置分解能及び時間分解能で測定することができる。

１温度・熱流束測定装置
１０測定ヘッド
１１伝熱面
１２第１の熱電対（温度測定素子）群
１３第２の熱電対（温度測定素子）群
１４表側金属層（金属層）
１５裏側金属層（金属層）
１６コンスタンタン線
１７伝熱体
１８絶縁層
２０断熱壁
３０アンプ
４０データ記憶部
５０演算部
７０銅めっき層
７１溝
９０流体（物体）
９１配管壁
９２被測定面
１４１表側銅層（銅層）
１４２表側金層（金層）
１５１裏側銅層（銅層）
１５２裏側金層（金層）
２００容器
２０１底面
２１０水
２２０投げ込みヒーター
２３０ヒーター容器
２３１ヒーター伝熱体
２３２カートリッジヒーター
２３３ヒーター断熱体
２４０高速度ビデオカメラ

Claims

伝熱面が物体と接するように設置された際の前記伝熱面上における温度及び熱流束を測定する温度・熱流束測定装置であって、
平坦である前記伝熱面を上面とし、前記伝熱面から伝熱層を介した２種類の異なる深さにおいて、温度測定素子が線状に配列された第１及び第２の温度測定素子群がそれぞれ形成された構成を具備する測定ヘッドと、
前記第１及び第２の温度測定素子群の出力より、２次元熱伝導逆問題解析を用いて前記伝熱面上における温度及び熱流束を算出する演算部と、
を具備し、
前記温度測定素子は、前記測定ヘッド内に設けられた複数の配線からなる配線群と、金属層との接点で構成された熱電対であり、前記第１又は第２の温度測定素子群の出力は、前記各配線毎に接続された端子と、前記金属層に接続された共通の端子と、から取り出され、
前記伝熱面は、前記第１又は第２の温度測定素子群の前記温度測定素子を構成する前記金属層の表面とされたことを特徴とする温度・熱流束測定装置。
前記測定ヘッドにおける前記伝熱面の周囲に断熱壁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の温度・熱流束測定装置。
前記金属層における前記配線群と接する箇所は銅で構成され、前記配線はコンスタンタンで構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度・熱流束測定装置。
前記金属層は、前記配線群と接する側の面を銅とした積層構造であることを特徴とする請求項３に記載の温度・熱流束測定装置。
前記物体は流体であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の温度・熱流束測定装置。