JP7127613B2 - heat transfer sensor - Google Patents
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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。 The present invention relates to a heat transfer coefficient sensor that measures the heat transfer coefficient between a first medium and a second medium.
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。 For example, when performing a simulation such as thermal analysis of an environment in which a fluid such as exhaust gas flows in an automobile or the like, the value of the heat transfer coefficient between the fluid and the solid wall surface is required. Therefore, the heat transfer coefficient is measured using a heat transfer coefficient sensor, a heat flow sensor, or the like. A heat flow sensor or the like is attached to the surface of the object to be measured, and measures the amount of heat energy passing through the object per unit area.
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。
For example, in the heat flux sensor of
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。
The heat flux sensor of
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。 The present invention has been made in view of such problems, and based on a new measurement principle, a heat transfer coefficient sensor capable of locally and accurately measuring the heat transfer coefficient between a first medium and a second medium. was obtained by trying to provide
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。
One aspect of the present invention is a heat transfer coefficient sensor (1) for measuring the heat transfer coefficient (h) between a first medium (B1) as a solid and a second medium (B2) as a fluid or solid There is
Measurement points (P ), and a first detection circuit (24) that detects a first electromotive force (V1) generated by the measurement point of the first temperature detector. (12) and
Measurement points (P ) is provided, and the thermal resistance (R1, R2) when heat passes in the thickness direction (T) in which the first surface and the second surface are opposed to each other is different from that of the first temperature measuring element. a second detection unit (13) having a second detection circuit (34) for detecting a second electromotive force (V2) generated by the body (3) and the measurement point of the second thermometer;
a heat transfer coefficient calculator (4) that calculates the heat transfer coefficient between the first medium and the second medium using the ratio between the first electromotive force and the second electromotive force. in the sensor.
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。 The heat transfer coefficient sensor of the above aspect introduces a new measurement principle when calculating the heat transfer coefficient using two thermometers known as heat flow sensors, heat flux sensors, and the like. . Specifically, the first detector detects the first electromotive force in the first temperature detector, and the second detector detects the second electromotive force in the second temperature detector. Then, the calculator calculates the heat transfer coefficient between the first medium and the second medium using the ratio between the first electromotive force and the second electromotive force.
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。 In the heat transfer coefficient sensor of the aspect, the first temperature measuring element is arranged between the first medium and the second medium, and the second temperature measuring element is arranged between the first medium and the second medium. Based on the difference between the first thermal resistance in the thickness direction of the first temperature sensing element and the second thermal resistance in the thickness direction of the second temperature sensing element, the first medium and the first Note that there is a difference in heat flux passing between the two media. It is assumed that the temperature difference between the first surface and the second surface of the first temperature sensing element and the second temperature sensing element is the same.
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。 Then, the calculation unit calculates the heat transfer coefficient between the first medium and the second medium based on the relationship between the ratio of the first electromotive force and the second electromotive force. This method of determining the heat transfer coefficient is based on a new measurement principle not found in conventional heat flow sensors, heat flux sensors, and the like. In addition, the first temperature sensing element and the second temperature sensing element can be formed compactly and can be arranged at a local position between the first medium and the second medium.
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。 Therefore, according to the heat transfer coefficient sensor of the one aspect, the heat transfer coefficient between the first medium and the second medium can be locally measured with high accuracy based on the new measurement principle.
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。 In addition, although the symbols in parentheses of each component shown in one aspect of the present invention indicate the correspondence with the symbols in the drawings in the embodiment, each component is not limited only to the contents of the embodiment.
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。
A preferred embodiment of the heat transfer coefficient sensor described above will be described with reference to the drawings.
<Embodiment>
As shown in FIGS. 1 to 3, the heat
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。
The heat
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。
The second
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。
The heat
(Heat transfer coefficient sensor 1)
As shown in FIG. 2, the heat
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。
The heat
(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。
(First medium B1, second medium B2)
An object for which the heat transfer coefficient h is measured by the heat
(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。
(First
As shown in FIGS. 1 and 4, the first
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。
In the first
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。
The first
(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。
(
As shown in FIG. 1 , the
(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。
(Affixing layers 23, 33)
As shown in FIG. 1, the first
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。 The sticking layers 23 and 33 can be an adhesive layer made of an adhesive, an adhesive layer made of an adhesive, or the like. Various materials that can be held on the wall surface B11 of the first medium B1 can be used for the attachment layers 23 and 33 .
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。
As shown in the figure, in this embodiment, the thickness t1 in the thickness direction T of the
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。
The first thermal resistance R1 indicates the difficulty of heat conduction when heat passes through the thickness direction T of the first
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。
In this embodiment, the values of the first electromotive force V1 and the second electromotive force V2 when the heat transfer coefficient h is actually measured for the prototype of the heat
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。
The first thermal resistance R1 and the second thermal resistance R2 can be made different from each other by making the material of the insulating
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。
The difference between the first electromotive force V1 detected by the
(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。
(Theoretical formula for heat transfer coefficient h)
As shown in FIG. 2, in a state where the
[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。 [W] (Watt) is also expressed as [J/s] (Joule/second), and heat flux q [W/m 2 ] is expressed by q [J/(m 2 ·s)]. Moreover, the heat flux q is generally understood as the amount of heat that traverses a unit area per unit time. A unit area at the interface between B1 and the second medium B2 can be regarded as the amount of heat transferred per unit time. The thermal resistance R between the first medium B1 and the second medium B2 represents how difficult it is for heat to pass through the interface between the first medium B1 and the second medium B2.
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。
On the other hand, as shown in FIG. 3, in a state where the
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。
When the
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。
The heat flux q1 [W/m 2 ] when the first
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。
A heat flux q when the
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。
Similarly, the heat flux q when the
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。 Using the formula q1/q=1/(1+R1·h) and the formula q2/q=1/(1+R2·h) and eliminating q, q1+q1·R1·h=q2+q2·R2·h Become. Furthermore, when transformed into an equation for h, the heat transfer coefficient h is h=(q1-q2)/(q2.R2-q1.R1).
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。
In the heat
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。
In the heat
(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。
(Relationship between thermal resistances R1, R2 and heat transfer rate qx/q)
The heat flux qx between the first medium B1 and the second medium B2 when the
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。 In FIG. 7, the horizontal axis represents thermal resistance Rx [K·m 2 /W] and the vertical axis represents heat transfer rate qx/q [−]. A relational graph plotting the values of qx/q is shown when a value of 0.0001 to 0.1 is substituted for Rx and a value of 100 to 1000 is substituted for the heat transfer coefficient h. The thermal resistance Rx on the horizontal axis of the figure is indicated by a logarithmic scale. As shown in the figure, the line of the heat transfer coefficient qx/q becomes a plurality of curves arranged vertically depending on the difference in the heat transfer coefficient h. The line of the heat transfer rate qx/q shows the relationship that the heat transfer rate qx/q decreases as the thermal resistance Rx increases, and the heat transfer rate qx/q decreases as the heat transfer rate h increases. be
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。
In the figure, the thermal resistance Rx is a value specific to the
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。
Then, when the heat transfer coefficient h takes a specific value, the heat transfer coefficient q1/q for the first
(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。
(calculation unit 4)
As shown in FIG. 8, the
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。
The relationship map M measures the relationship between the ratio between the first electromotive force V1 and the second electromotive force V2 and the heat transfer coefficient h when the actually manufactured heat
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。 Further, when creating the map, the first electromotive force V1 and the second electromotive force V2 are measured, and the respective temperatures of the first medium B1 and the second medium B2 are measured using an external measuring device to obtain a true Measure the heat transfer coefficient h. Then, a relationship map M is created based on the output voltage ratio V1/V2 and the heat transfer coefficient h measured for a plurality of cases where the heat transfer coefficient h is different.
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。 More specifically, the measuring device has a plurality of temperature measuring devices such as thermocouples embedded in the first medium B1 and temperature measuring devices such as thermocouples arranged in the second medium B2. The true heat transfer coefficient h in the relationship map M is the temperature difference ΔT between the first medium B1 and the second medium B2, the heat flux q passing from the first medium B1 to the second medium B2, and the heat flux q passing through the first medium B1. Using the inherent thermal conductivity λ and the temperature gradient dT/dx in the passing direction of the heat flux q in the first medium B1, it is obtained based on the formula h = q / ΔT, q = λ (dT / dx) be done.
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。
As shown in FIG. 8, when the heat
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。
Further, in the
(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。
(Control method of heat transfer coefficient sensor 1 (when sensor is used))
At the time of map creation, a heat transfer coefficient h measurement test is performed on a prototype of the heat
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。
Next, the
(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。
(Effect)
The heat
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。
In the heat
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。
Then, the
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。 Also, in order to measure the heat transfer coefficient h, it is conceivable to use one temperature sensing element and measure the electromotive force generated in this temperature sensing element. However, in this case, the electromotive force is measured, and the temperature difference between the first medium B1 and the second medium is the difference between the surface temperature of the first medium B1 and the surface temperature of the thermometer ( It becomes necessary to measure the temperature difference at the heat exchange interface). However, it is not easy to measure this temperature difference, and there are cases where the temperature difference is measured at a site different from the site where the temperature difference needs to be measured. Also, the thermal resistance of the temperature measuring element may affect the value of the heat transfer coefficient as an error.
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。
On the other hand, in the heat
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。
Therefore, according to the heat
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。 The present invention is not limited to only the embodiments, and further different embodiments can be configured without departing from the scope of the invention. In addition, the present invention includes various modifications, modifications within the equivalent range, and the like. Further, the technical idea of the present invention also includes combinations, forms, and the like of various constituent elements assumed from the present invention.
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 (4)
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。 A heat transfer coefficient sensor (1) for measuring the heat transfer coefficient (h) between a first medium (B1) as a solid and a second medium (B2) as a fluid or solid,
measurement points (P) on a first surface (201) positioned on the side of the first medium and a second surface (202) on the side opposite to the first surface and positioned on the side of the second medium; and a first detection circuit (24) that detects a first electromotive force (V1) generated by the measurement point of the first temperature sensing element (2) provided with the first detection section ( 12) and
Measuring points (P) on a first surface (301) located on the side of the first medium and a second surface (302) located on the side of the second medium opposite to the first surface (301). is provided, and the thermal resistance (R1, R2) when heat passes in the thickness direction (T) in which the first surface and the second surface are opposed to each other is different from the first temperature detector. (3), and a second detection unit (13) having a second detection circuit (34) that detects a second electromotive force (V2) generated by the measurement point of the second thermometer;
a heat transfer coefficient calculator (4) that calculates the heat transfer coefficient between the first medium and the second medium using the ratio between the first electromotive force and the second electromotive force. sensor.
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。 The calculation unit
Having a relationship map (M) that is created at the time of map creation before use of the heat transfer coefficient sensor and obtains the relationship between the ratio of the first electromotive force and the second electromotive force and the heat transfer coefficient and
Further, when the heat transfer coefficient sensor is used, the ratio between the first electromotive force detected by the first detection circuit and the second electromotive force detected by the second detection circuit is 2. The heat transfer coefficient sensor of claim 1, configured to calculate the heat transfer coefficient against the relationship map.
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。 In the first temperature sensing element, the P-type semiconductor (211) and the N-type semiconductor (212) are positioned at the end on the first surface side and the end on the second surface side, and the measuring point is It has conductive portions (21) in which a plurality of conductive portions are alternately connected in series via conductors (213), and an insulating portion (22) made of an insulating material and surrounding the conductive portions. ,
The first detection circuit is configured to detect, as the first electromotive force, an electromotive force generated at both ends of the conductive portion of the first thermometer,
In the second temperature sensing element, the P-type semiconductor (311) and the N-type semiconductor (312) are arranged such that the measuring point is positioned at the end on the first surface side and the end on the second surface side. It has a conductive portion (31) in which a plurality of pieces are electrically connected in series alternately via conductors (313), and an insulating portion (32) made of an insulating material and surrounding the conductive portion (32). ,
3. The heat transfer coefficient according to claim 1, wherein said second detection circuit is configured to detect, as said second electromotive force, an electromotive force generated at both ends of said conductive portion of said second thermometer. sensor.
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。 The thermal resistance (R1) of the first temperature detector and the thermal resistance (R2) of the second temperature detector are
a material of each portion constituting the first temperature sensing element and a material of each portion constituting the second temperature sensing element;
The thickness (u1) in the thickness direction of the first temperature detector and the thickness (u2) in the thickness direction of the second temperature detector,
and the material or thickness (t1) in the thickness direction of the sticking layer (23) for sticking the first temperature sensing element to the first medium, and sticking the second temperature sensing element to the first medium The heat transfer coefficient sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one of the material and the thickness (t2) in the thickness direction of the adhesive layer (33) for the .
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