WO2016140019A1 - 熱式流量センサ - Google Patents

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WO2016140019A1
WO2016140019A1 PCT/JP2016/053667 JP2016053667W WO2016140019A1 WO 2016140019 A1 WO2016140019 A1 WO 2016140019A1 JP 2016053667 W JP2016053667 W JP 2016053667W WO 2016140019 A1 WO2016140019 A1 WO 2016140019A1
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WO
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sensor
heat flux
transfer element
pipe
heat transfer
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PCT/JP2016/053667
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English (en)
French (fr)
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幸克 尾▲崎▼
啓仁 松井
原田　敏一
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株式会社デンソー
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Publication date
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Priority to US15/554,112 priority patent/US10458825B2/en
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    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G—PHYSICS
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    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6847—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow where sensing or heating elements are not disturbing the fluid flow, e.g. elements mounted outside the flow duct
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    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the present invention relates to a thermal flow sensor that detects the flow rate of a measurement medium flowing in a pipe.
  • this thermal flow sensor includes a first temperature sensor, a heat transfer element, and a second temperature sensor.
  • the first temperature sensor detects the temperature of the measurement medium flowing in the pipe by detecting the temperature of the pipe.
  • the heat transfer element is disposed downstream of the first temperature sensor in the flow direction of the measurement medium, and exchanges heat with the measurement medium (pipe).
  • the second temperature sensor detects the temperature of the outside air. Note that the first temperature sensor is disposed sufficiently away from the heat transfer element so as not to be affected by the temperature of the heat transfer element in the pipe that exchanges heat.
  • the temperature of the outside air is detected by the second temperature sensor, and the heat flux between the heat transfer element and the pipe is calculated based on the temperature of the outside air. Then, the flow rate of the measurement medium is calculated using the heat flux and the temperature of the measurement medium detected by the first temperature sensor.
  • the thermal flow sensor disclosed in Patent Document 1 detects the temperature of the outside air and calculates (ie, estimates) the heat flux between the heat transfer element and the pipe based on the temperature of the outside air. There is a problem that it is easy to decrease.
  • an object of the present invention is to provide a thermal flow sensor that can suppress a decrease in detection accuracy.
  • One aspect of the thermal flow sensor includes a first temperature sensor that detects a temperature of a measurement medium flowing through a passage in a pipe by detecting a temperature at a predetermined portion of an outer wall surface of the pipe, and a first temperature sensor. It is arranged on the outer wall surface of the pipe in a state of being separated from the temperature sensor, and by heating or cooling the outer wall surface of the pipe, a heat transfer element that exchanges heat with the measurement medium and a heat transfer element on the outer wall surface of the pipe.
  • a second temperature sensor that detects the temperature of the heated or cooled portion and a control unit that performs predetermined processing are provided.
  • a heat flux sensor for detecting a heat flux between the heat transfer element and the pipe is disposed between the heat transfer element and the outer wall surface of the pipe, and the control unit is detected by the first temperature sensor.
  • the flow rate of the measurement medium is detected based on the detected temperature, the temperature detected by the second temperature sensor, and the heat flux detected by the heat flux sensor.
  • the heat flux sensor is arranged between the heat transfer element and the outer wall surface of the pipe, and the heat flux between the heat transfer element and the pipe is directly detected by the heat flux sensor. For this reason, it can suppress that the detection accuracy of a heat flux falls, and can suppress that the detection accuracy of the flow volume of a measurement medium falls.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 6 is a schematic diagram which shows the arrangement structure of the thermal type flow sensor in 2nd Embodiment of this invention. It is the top view which looked at the heat flux sensor shown in FIG. 6 from the back surface protection member side.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line IX-IX in FIGS. 7 and 8. It is the top view which looked at the heat flux sensor in 3rd Embodiment of this invention from the back surface protection member side. It is the top view which looked at the heat flux sensor shown in FIG. 10 from the surface protection member side.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIGS. 10 and 11. It is sectional drawing of the heat-transfer element and heat flux sensor in 4th Embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows the arrangement structure of the thermal type flow sensor in 5th Embodiment of this invention.
  • the thermal flow sensor of the present embodiment detects the flow rate of the measurement medium flowing in the pipe 10, and as shown in FIG. 1, the first temperature sensor 20 and the second temperature sensor 30 that detect the temperature, A heat flux sensor 40 that detects the heat flux, a heat transfer element 50 that heats the pipe 10, and a control unit 60 are provided.
  • the pipe 10 is made of a metal member such as SUS, and has a passage 11 through which a measurement medium flows.
  • the flow direction of the measurement medium flowing in the pipe 10 will be described from the left side to the right side.
  • the first temperature sensor 20 and the second temperature sensor 30 are composed of a thermistor or the like, and are arranged on the outer wall surface of the pipe 10 in a state of being separated from each other.
  • the first temperature sensor 20 is disposed upstream of the second temperature sensor 30 in the flow direction of the measurement medium (left side in FIG. 1).
  • the first temperature sensor 20 and the second temperature sensor 30 are connected to the control unit 60, and output a detection signal corresponding to the temperature on the outer wall surface of the pipe 10 in the arranged portion to the control unit 60.
  • the first temperature sensor 20 detects the temperature of the portion of the outer wall surface of the pipe 10 that is not heated by the heat transfer element 50, and the second temperature sensor 30 transmits the temperature of the outer wall surface of the pipe 10.
  • the temperature of the part heated by the thermal element 50 is detected. That is, the first temperature sensor 20 is disposed upstream of the second temperature sensor 30 in the flow direction of the measurement medium and is sufficiently separated from the second temperature sensor 30 (heat transfer element 50).
  • the heat flux sensor 40 is disposed on the second temperature sensor 30 and connected to the control unit 60. Although specifically described later, a heat transfer element 50 is disposed on the heat flux sensor 40, and a detection signal corresponding to the heat flux between the heat transfer element 50 and the pipe 10 is sent to the control unit 60. Output.
  • the configuration of the heat flux sensor 40 of the present embodiment will be specifically described.
  • the heat flux sensor 40 is formed by integrating the insulating base material 100, the back surface protection member 110, and the surface protection member 120.
  • the first and second interlayer connection members 130 and 140 are alternately connected in series.
  • the rear surface protection member 110 is omitted for easy understanding.
  • the insulating base material 100 is composed of a planar rectangular thermoplastic resin film represented by polyetheretherketone (PEEK), polyetherimide (PEI), and liquid crystal polymer (LCP).
  • PEEK polyetheretherketone
  • PEI polyetherimide
  • LCP liquid crystal polymer
  • the first and second via holes 101 and 102 of the present embodiment are formed in a cylindrical shape having a constant diameter from the front surface 100a to the back surface 100b of the insulating base material 100 (FIGS. 4 and 5). Reference), and may be formed in a tapered shape whose diameter decreases from the front surface 100a toward the back surface 100b. Further, the first and second via holes 101 and 102 may be formed in a tapered shape whose diameter decreases from the back surface 100b toward the front surface 100a, or may be formed in a rectangular tube shape.
  • a first interlayer connection member 130 is disposed in the first via hole 101, and a second interlayer connection member 140 is disposed in the second via hole 102.
  • the first and second interlayer connection members 130 and 140 are alternately arranged on the insulating base material 100.
  • the first and second interlayer connection members 130 and 140 are made of different metals so as to exhibit the Seebeck effect.
  • the first interlayer connecting member 130 includes a metal compound (solid-sintered) in which a powder of a Bi—Sb—Te alloy constituting P-type maintains a crystal structure of a plurality of metal atoms before sintering. Sintered alloy).
  • the second interlayer connecting member 140 is a metal compound (solid-phase sintered) in which the Bi-Te alloy powder constituting the N-type maintains a predetermined crystal structure of a plurality of metal atoms before sintering. Sintered alloy).
  • the electromotive voltage can be increased by using a metal compound that is solid-phase sintered so as to maintain a predetermined crystal structure as the first and second interlayer connection members 130 and 140.
  • the back surface protection member 110 is disposed on the back surface 100 b of the insulating base material 100.
  • the back surface protection member 110 is configured by a planar rectangular thermoplastic resin film represented by, for example, polyether ether ketone (PEEK), polyether imide (PEI), and liquid crystal polymer (LCP).
  • PEEK polyether ether ketone
  • PEI polyether imide
  • LCP liquid crystal polymer
  • the back surface protection member 110 has the same planar shape as the insulating base material 100, and a plurality of back surface patterns 111 in which copper foil or the like is patterned on the one surface 110 a side facing the insulating base material 100 are separated from each other. It is formed as follows.
  • Each back pattern 111 is appropriately electrically connected to the first and second interlayer connection members 130 and 140, respectively.
  • first interlayer connection member 130 and one second interlayer connection member 140 when one adjacent first interlayer connection member 130 and one second interlayer connection member 140 are set as a set 150, the first, The second interlayer connection members 130 and 140 are connected to the same back surface pattern 111. That is, the first and second interlayer connection members 130 and 140 of each set 150 are electrically connected via the back surface pattern 111.
  • one first interlayer connection member 130 and one second interlayer connection member 140 that are adjacent along the longitudinal direction X of the insulating base material 100 form a set 150.
  • the surface protection member 120 is disposed on the surface 100 a of the insulating base material 100.
  • the surface protection member 120 is configured by a planar rectangular thermoplastic resin film represented by, for example, polyetheretherketone (PEEK), polyetherimide (PEI), and liquid crystal polymer (LCP).
  • PEEK polyetheretherketone
  • PEI polyetherimide
  • LCP liquid crystal polymer
  • the surface protection member 120 has the same planar shape as the insulating base material 100, and a plurality of copper foils or the like patterned on the one surface 120 a side facing the insulating base material 100.
  • the surface pattern 121 and the two connection patterns 122 are formed so as to be separated from each other. Each surface pattern 121 and the two connection patterns 122 are appropriately electrically connected to the first and second interlayer connection members 130 and 140, respectively.
  • the first interlayer connection member 130 of one set 150 and the second of the other set 150 in the set 150 adjacent to the longitudinal direction X of the insulating base material 100, the first interlayer connection member 130 of one set 150 and the second of the other set 150.
  • the interlayer connection member 140 is connected to the same surface pattern 121. That is, the first and second interlayer connection members 130 and 140 are electrically connected via the same surface pattern 121 across the set 150.
  • the first and second interlayer connection members 130, 140 that are adjacent along the direction Y orthogonal to the longitudinal direction X are basically at the outer edge of the insulating base material 100.
  • the adjacent first and second interlayer connecting members 130 and 140 are the same so that those connected in series via the front surface pattern 121 and the back surface pattern 111 are folded in the longitudinal direction X of the insulating base material 100. It is connected to the surface pattern 121.
  • the first and second interlayer connection members 130 and 140 are the ends of the serially connected members as described above.
  • the member 130 and the second interlayer connection member 140 on the upper right side of the drawing are connected to the connection pattern 122.
  • the heat transfer element 50 is disposed on the heat flux sensor 40, and a portion facing the heat transfer element 50 (portion located immediately below) is shown as a region A in FIG. 3.
  • the two connection patterns 122 are drawn out to the outside of the region A at the ends opposite to the sides connected to the first and second interlayer connection members 130 and 140, respectively.
  • a portion facing the heat transfer element 50 portion located immediately below is shown as region A.
  • the surface protection member 120 is formed with a contact hole 160 that exposes the end of the connection pattern 122 drawn to the outside of the region A.
  • the heat flux sensor 40 can be electrically connected to the control unit 60 through the contact hole 160.
  • the above is the configuration of the heat flux sensor 40 in the present embodiment.
  • the electromotive force generated in the first and second interlayer connection members 130 and 140 alternately connected in series changes. Therefore, the electromotive voltage is output to the control unit 60 as a detection signal.
  • the thickness direction Z of the heat flux sensor 40 is the stacking direction of the insulating base material 100, the surface protection member 120, and the back surface protection member 110.
  • Such a heat flux sensor 40 is manufactured by a so-called PALAP (registered trademark) manufacturing method, although not particularly illustrated. That is, first, the first and second via holes 101 and 102 are formed in the insulating base material 100, and the conductive paste constituting the first and second interlayer connection members 130 and 140 in the first and second via holes 101 and 102 is formed. Fill. Next, the back surface protection member 110 on which the back surface pattern 111 is formed, and the front surface protection member 120 on which the surface pattern 121 and the connection pattern 122 are formed are prepared.
  • PALAP registered trademark
  • the back surface protection member 110, the insulating base material 100, and the surface protection member 120 are laminated in order so that the conductive paste filled in the first and second via holes 101 and 102 appropriately contacts the surface pattern 121 and the back surface pattern 111.
  • a laminated body is configured. Then, while heating a laminated body, it pressurizes in the lamination direction (thickness direction Z), and while integrating the back surface protection member 110, the insulating base material 100, and the surface protection member 120, it is 1st, 2nd interlayer from an electrically conductive paste. It is manufactured by configuring the connection members 130 and 140.
  • the said heat flux sensor 40 is on 2nd temperature sensor 30 (outer wall surface of the piping 10) via the heat conductive member 70 arrange
  • the heat conductive member 70 is made of a heat conductive material such as grease or gel sheet and has flexibility, and is disposed along the outer wall surface of the pipe 10 and opposite to the pipe 10. The side has a shape (surface) along the pipe 10.
  • the heat flux sensor 40 is disposed via the heat conductive member 70 so that the back surface protection member 110 side becomes the heat conductive member 70 side and no gap (space) is formed between the pipe 10 and the outer wall surface.
  • the heat conductive member 70 is disposed so as to completely seal between the heat flux sensor 40 and the outer wall surface of the pipe 10 (second temperature sensor 30).
  • the heat flux sensor 40 is flexible because the insulating base material 100, the surface protection member 120, and the back surface protection member 110 are made of a thermoplastic resin as described above. For this reason, it arrange
  • the heat transfer element 50 is configured by an electric heater or the like that generates heat when energized, and is disposed on the heat flux sensor 40.
  • the heat transfer element 50 is disposed on the outer wall surface of the pipe 10 such that the heat flux sensor 40 is disposed between the heat transfer element 50 and the outer wall surface of the pipe 10.
  • the heat transfer element 50 heats the portion facing the heat transfer element 50 on the outer wall surface of the pipe 10 and the vicinity of the portion via the heat flux sensor 40, the heat conductive member 70, and the second temperature sensor 30. As a result, heat is exchanged with the measurement medium.
  • the second temperature sensor 30 detects the temperature of the portion heated by the heat transfer element 50 on the outer wall surface of the pipe 10, and the heat flux sensor 40 detects between the heat transfer element 50 and the outer wall surface of the pipe 10.
  • the heat flux of is detected directly.
  • the 1st temperature sensor 20 is arrange
  • the heat transfer element 50 has a rectangular shape in which the planar shape dimension is smaller than that of the heat flux sensor 40 as shown in FIGS. And when it sees from the lamination direction of the said heat transfer element 50 and the heat flux sensor 40, the heat transfer element 50 is arrange
  • a heat insulating member 80 made of glass wool or urethane foam is disposed so as to cover the first temperature sensor 20 and the second temperature sensor 30, the heat flux sensor 40, the heat transfer element 50, and the heat conductive member 70. Yes.
  • the heat insulating member 80 an annular member that covers the first temperature sensor 20 and the second temperature sensor 30, the heat flux sensor 40, the heat transfer element 50, the heat conductive member 70, and the pipe 10 is illustrated.
  • the first temperature sensor 20 and the second temperature sensor 30, the heat flux sensor 40, the heat transfer element 50, the heat conductive member 70, and the one that covers only a predetermined portion of the pipe 10 where these are arranged may be used. .
  • the control unit 60 is configured using a CPU, various memories constituting the storage means, peripheral devices, and the like.
  • the control unit 60 performs a predetermined process to detect the flow rate of the measurement medium flowing in the passage 11 of the pipe 10. Specifically, when detection signals detected by the first temperature sensor 20, the second temperature sensor 30, and the heat flux sensor 40 are input, the measurement medium that flows in the passage 11 of the pipe 10 using these detection signals. Detect the flow rate.
  • the control unit 60 corresponds to the control unit of the present invention.
  • the thermal flow sensor As described above, when the heat transfer element 50 generates heat, a portion (a portion located immediately below) of the pipe 10 facing the heat transfer element 50 and the vicinity of the portion are heated. Then, the heat generated in the heat transfer element 50 is transmitted to the pipe 10 via the heat flux sensor 40 (the heat flux passes through the heat flux sensor 40). Therefore, a detection signal corresponding to the heat flux passing through the heat flux sensor 40 is output from the heat flux sensor 40 to the control unit 60. That is, the heat flux between the heat flux sensor 40 and the outer wall surface of the pipe 10 is directly detected by the heat flux sensor 40.
  • a detection signal corresponding to the temperature of the portion of the outer wall surface of the pipe 10 that is not heated by the heat transfer element 50 is output from the first temperature sensor 20 to the control unit 60. Then, a detection signal corresponding to the temperature of the portion of the outer wall surface of the pipe 10 that is heated by the heat transfer element 50 is output from the second temperature sensor 30 to the control unit 60.
  • the heat flux detected by the heat flux sensor 40 is Q
  • the heat transfer rate from the pipe 10 to the measurement medium is h
  • the temperature of the measurement medium is T1
  • the temperature of the portion of the outer wall surface of the pipe 10 that is not heated by the heat transfer element 50 can be regarded as being equal to the temperature of the measurement medium. That is, the first temperature sensor 20 detects the temperature T1 of the measurement medium.
  • the control unit 60 first calculates the heat transfer coefficient h using the detected heat flux Q, the temperature T1 of the measurement medium, and the wall surface temperature T2 of the heated portion. Further, since the heat transfer rate h and the flow rate of the measurement medium have a correlation, the flow rate is calculated from the correlation between the calculated heat transfer rate h and the flow rate of the measurement medium. And the flow volume of a measurement medium is calculated by calculating (multiplication) based on the cross-sectional area of the piping 10 which is a regulation value, and the flow velocity of a measurement medium. As described above, the flow rate of the measurement medium is calculated.
  • the heat transfer element 50 has a rectangular shape in which the planar shape dimension is smaller than that of the heat flux sensor 40.
  • the heat transfer element 50 is disposed so as to be located in the heat flux sensor 40 when viewed from the stacking direction (thickness direction Z) of the heat transfer element 50 and the heat flux sensor 40. For this reason, it can further suppress that the detection accuracy of the heat flux sensor 40 falls.
  • the heat transfer element 50 has a rectangular shape whose planar shape dimension is smaller than that of the heat flux sensor 40.
  • the heat transfer element 50 is disposed so as to be located in the heat flux sensor 40 when viewed from the stacking direction (thickness direction Z) of the heat transfer element 50 and the heat flux sensor 40. For this reason, since the heat generated in the heat transfer element 50 passes through the heat flux sensor 40 evenly, it is possible to suppress a decrease in detection accuracy.
  • a heat conductive member 70 is arranged between the heat flux sensor 40 and the pipe 10 so as not to form a gap (space). For this reason, the heat generated in the heat transfer element 50 is uniformly transmitted to the pipe 10 through the heat flux sensor 40 and the heat conductive member 70. As a result, it can suppress that the detection accuracy of the heat flux sensor 40 falls. Further, the heat generated in the heat transfer element 50 is evenly transmitted to the pipe 10 via the heat flux sensor 40 and the heat conductive member 70. As a result, it is possible to suppress an error between the temperature of the heated portion on the outer wall surface of the pipe 10 and the heat flux passing through the heat flux sensor 40.
  • the heat flux sensor 40 is disposed between the heat transfer element 50 and the outer wall surface of the pipe 10, and the heat flux between the heat transfer element 50 and the pipe 10 is converted into the heat flux sensor. 40 is directly detected. For this reason, it can suppress that the detection accuracy of a heat flux falls, and can suppress that the detection accuracy of the flow volume of a measurement medium falls.
  • the heat transfer element 50 has a rectangular shape whose planar shape is smaller than that of the heat flux sensor 40. Further, the heat transfer element 50 is disposed so as to be positioned in the heat flux sensor 40 when viewed from the stacking direction (thickness direction Z) of the heat transfer element 50 and the heat flux sensor 40. For this reason, the heat generated in the heat transfer element 50 passes through the heat flux sensor 40 evenly. As a result, it is possible to suppress a decrease in detection accuracy of the heat flux sensor 40 as compared with a case where the end portion forming the outer shape of the heat transfer element 50 protrudes from the heat flux sensor 40.
  • the heat flux sensor 40 is directly disposed on the outer wall surface of the pipe 10. That is, in the present embodiment, the heat conductive member 70 is not disposed between the heat flux sensor 40 and the pipe 10.
  • the second temperature sensor 30 is disposed in the vicinity of the heat flux sensor 40. Specifically, the second temperature sensor 30 is not disposed in a portion facing the heat transfer element 50 on the outer wall surface of the pipe 10. However, the 2nd temperature sensor 30 is arrange
  • the 2nd temperature sensor 30 is a location which can detect the temperature of the part heated with the heat transfer element 50 in the outer wall surface of the piping 10, the part which opposes the heat transfer element 50 in the outer wall surface of the pipe 10 It does not need to be arranged. Further, when the second temperature sensor 30 is arranged in this way, the heat flux sensor 40 can be arranged directly on the pipe 10, so that the heat conductive member 70 need not be arranged, and the number of parts can be reduced. Can be achieved.
  • the second temperature sensor 30 is integrated with the heat flux sensor 40 as shown in FIGS. Specifically, the second temperature sensor 30 is disposed between the insulating base material 100 and the back surface protection member 110 and is located in the region A. In FIG. 7, the rear surface protection member 110 is omitted for easy understanding. In FIG. 8, the surface protection member 120 is omitted for easy understanding. Further, although FIGS. 7 and 8 are not sectional views, the first and second interlayer connection members 130 and 140 and a third interlayer connection member 170 described later are hatched.
  • the third via hole 103 similar to the first and second via holes 101 and 102 is formed in the insulating base material 100. Similar to the first and second interlayer connection members 130 and 140, a third interlayer connection member 170 made of sintered metal is disposed in the third via hole 103. The third via hole 103 is formed so as to expose the second temperature sensor 30, and the third interlayer connection member 170 is disposed so as to be electrically connected to the second temperature sensor 30.
  • connection patterns 123 similar to the connection pattern 122 are formed on the surface protection member 120.
  • the connection pattern 123 the end opposite to the side connected to the third interlayer connection member 170 is drawn to the outside of the region A.
  • the surface protection member 120 is formed with a contact hole 161 that exposes the end portion of the extracted connection pattern 123, as with the contact hole 160.
  • the heat flux sensor 40 can be electrically connected to the control unit 60 through the contact hole 161.
  • the configuration of the third interlayer connection member 170 may be the same as that of the first and second interlayer connection members 130 and 140, but the third interlayer connection member 170 is connected to the second temperature sensor 30 and the connection pattern. As long as it can be electrically connected to 123, it can be changed as appropriate.
  • the back surface protection member 110 side of the heat flux sensor 40 is opposed to the outer wall surface of the pipe 10. It is directly arranged on the outer wall surface of the pipe 10.
  • the second temperature sensor 30 and the heat flux sensor 40 are integrated. Therefore, when attaching the 2nd temperature sensor 30 and the heat flux sensor 40 to the outer wall surface of the piping 10, the said 1st Embodiment is suppressed, suppressing that the position shift of the 2nd temperature sensor 30 and the heat flux sensor 40 generate
  • the first temperature sensor 20 is integrated with the heat flux sensor 40 together with the second temperature sensor 30. Specifically, the first temperature sensor 20 is disposed between the insulating base material 100 and the back surface protection member 110 so as to be located outside the region A.
  • the first temperature sensor 20 is disposed outside the region A and at a position sufficiently separated from the region A so as not to be affected by the heat transfer element 50.
  • the back surface protection member 110 is omitted for easy understanding.
  • the surface protection member 120 is omitted for easy understanding.
  • 10 and 11 are not cross-sectional views, but the first to third interlayer connection members 130, 140, 170 and a fourth interlayer connection member 180 described later are hatched.
  • a fourth via hole 104 similar to the first to third via holes 101 to 103 is formed. Similar to the first to third interlayer connection members 130, 140, and 170, a fourth interlayer connection member 180 that is a sintered metal is disposed in the fourth via hole 104. The fourth via hole 104 is formed so as to expose the first temperature sensor 20, and the fourth interlayer connection member 180 is disposed so as to be electrically connected to the first temperature sensor 20.
  • connection patterns 124 similar to the connection patterns 122 and 123 are formed on the surface protection member 120.
  • connection pattern 124 the end opposite to the side connected to the fourth interlayer connection member 180 is drawn out of the region A.
  • a contact hole 162 that exposes the end of the drawn connection pattern 124 is formed.
  • the electrical connection with the control unit 60 can be achieved through the contact hole 162.
  • the fourth interlayer connection member 180 may have the same configuration as the first and second interlayer connection members 130 and 140. However, the fourth interlayer connection member 180 can be appropriately changed as long as it can electrically connect the first temperature sensor 20 and the connection pattern 124.
  • the back surface protection member 110 side of the heat flux sensor 40 is the outer wall surface in the pipe 10.
  • the first temperature sensor 20 is disposed upstream of the second temperature sensor 30 in the flow direction of the measurement medium.
  • the 1st temperature sensor 20, the 2nd temperature sensor 30, and the heat flux sensor 40 are integrated. Therefore, when attaching the 1st temperature sensor 20, the 2nd temperature sensor 30, and the heat flux sensor 40 to the outer wall surface of the piping 10, the position shift of the 1st temperature sensor 20, the 2nd temperature sensor 30, and the heat flux sensor 40 generate
  • the heat transfer element 50 includes an insulating substrate 200, a back surface protection member 210, a back surface pattern 211, a surface protection member 220, a surface pattern 221, a connection pattern 222, and first and second interlayer connection members 230 and 240.
  • the basic configuration of the heat transfer element 50 is the same as that of the heat flux sensor 40 described with reference to FIGS.
  • the surface protection member 220 is formed with a contact hole 260 that exposes an end portion of the connection pattern 222.
  • heat transfer element 50 When such a heat transfer element 50 is energized from the control unit 60 via the connection pattern 222, it is radiated (heated) from one surface side of the back surface protection member 210 side and the surface protection member 220 side, and the other side Heat is absorbed (cooled) on the surface side. That is, the heat transfer element 50 of the present embodiment uses the Peltier effect. In addition, such a heat transfer element 50 can set heating and cooling by adjusting an energization direction. Therefore, heating and cooling can be changed by adjusting the energization direction according to the application. That is, in the heat transfer element 50 of the present embodiment, the outer wall surface of the pipe 10 can be heated or cooled with a common element. The above is the configuration of the heat transfer element 50 in the present embodiment.
  • the heat flux sensor 40 and the heat transfer element 50 are integrated so that the surface protection member 120 of the heat flux sensor 40 and the back surface protection member 210 of the heat transfer element 50 face each other.
  • the heat flux sensor 40 and the heat transfer element 50 are formed on a common substrate including the back surface protection member 110, the insulating base material 100, the surface protection member 120, the back surface protection member 210, the insulating base material 200, and the surface protection member 220. And are formed.
  • FIG. 13 is a view corresponding to a cross section of a portion different from that in FIG. 4, and the heat flux sensor 40 is formed so as to penetrate the heat transfer element 50 in a cross section different from that in FIG.
  • the connection pattern 122 is exposed through the contact hole (not shown).
  • the heat flux sensor 40 can be electrically connected to the control unit 60 through the contact hole.
  • the planar shape dimension of the heat flux sensor 40 and the planar shape dimension of the heat transfer element 50 are equal.
  • the heat transfer element 50 has a heat flux. It can be said that it is located in the sensor 40.
  • Such a heat flux sensor 40 and the heat transfer element 50 include a back surface protection member 110 that constitutes the heat flux sensor 40, an insulating base material 100, a surface protection member 120, a back surface protection member 210 that constitutes the heat transfer element 50, and an insulation base.
  • the material 200 and the surface protection member 220 are laminated in order to form a laminate, and the laminate is integrally manufactured by applying pressure while heating.
  • the heat flux sensor 40 and the heat transfer element 50 are integrated. Therefore, when the heat flux sensor 40 and the heat transfer element 50 are attached to the pipe 10, the same effect as that of the first embodiment can be achieved while suppressing the occurrence of positional deviation between the heat flux sensor 40 and the heat transfer element 50. Obtainable.
  • the surface protection member 120 of the heat flux sensor 40 and the back surface protection member 210 of the heat transfer element 50 are configured by different members, but the surface protection member 120 of the heat flux sensor 40 and The back surface protection member 210 of the heat transfer element 50 may be shared.
  • the first temperature sensor 20 is disposed apart from the second temperature sensor 30 (heat transfer element 50) in the circumferential direction of the pipe 10.
  • FIG. 14 is a schematic plan view of the pipe 10 as viewed from the outer wall surface side, in which the heat insulating member 80 is omitted.
  • the first temperature sensor 20 can detect the temperature of the portion of the outer wall surface of the pipe 10 that is not heated by the heat transfer element 50. 30 (heat transfer element 50) is sufficiently spaced apart.
  • the first temperature sensor 20 is arranged so as to be separated from the heat transfer element 50 in the circumferential direction of the pipe 10. Therefore, when the annular heat insulating member 80 is disposed so as to cover the first temperature sensor 20 and the second temperature sensor 30, the heat flux sensor 40, the heat transfer element 50, and the pipe 10 in the circumferential direction, The length in the flow direction can be shortened. As a result, the usage amount of the heat insulating member 80 as a whole can be reduced.
  • the configuration of the heat flux sensor 40 is not limited to that described above, and may be a configuration of a heat flux sensor using a thermopile, for example.
  • the heat transfer element 50 may cool the outer wall surface of the pipe 10.
  • the 2nd temperature sensor 30 demonstrated what was arrange
  • the 2nd temperature sensor 30 is the heat flux sensor 40, and the thing. It only needs to be integrated.
  • the second temperature sensor 30 may be integrated with the heat flux sensor 40 by being disposed on the opposite side of the back surface protection member 110 from the insulating base material 100 side.
  • the first temperature sensor 20 has been described as being disposed between the insulating substrate 100 and the back surface protection member 110, but the first temperature sensor 20 is the heat flux sensor 40. It only has to be integrated.
  • the first temperature sensor 20 may be integrated with the heat flux sensor 40 by being disposed on the side of the back surface protection member 110 opposite to the insulating substrate 100 side.
  • the second temperature sensor 30 may not be integrated with the heat flux sensor 40.
  • the above embodiments can be combined as appropriate.
  • the second embodiment may be combined with the third and fourth embodiments, and the second temperature sensor 30 may be disposed outside the region A.
  • the second embodiment may be combined with the fifth and sixth embodiments, and the second temperature sensor 30 may be disposed in the vicinity of the portion facing the heat transfer element 50 on the outer wall surface of the pipe 10.
  • the third and fourth embodiments may be combined with the fifth and sixth embodiments, and the heat flux sensor 40, the first temperature sensor 20, and the second temperature sensor 30 may be integrated as appropriate.
  • the fifth embodiment may be combined with the sixth embodiment so that the heat flux sensor 40 and the heat transfer element 50 are integrated. Further, combinations of the above embodiments may be combined as appropriate.

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Abstract

　配管１０における外壁面のうちの所定箇所の温度を検出する第１温度センサ２０と、第１温度センサ２０と離間した状態で配管１０の外壁面上に配置され、配管１０の外壁面を加熱または冷却することにより、測定媒体と熱の授受を行う伝熱素子５０と、配管１０の外壁面における伝熱素子５０によって加熱または冷却された部分の温度を検出する第２温度センサ３０と、所定の処理を行う制御部６０とを備える。そして、伝熱素子５０と配管１０の外壁面との間に、伝熱素子５０と配管４０との間の熱流束を直接検出する熱流束センサ４０を配置し、制御部６０にて、第１温度センサ２０で検出された温度、第２温度センサ３０で検出された温度、熱流束センサで直接検出された熱流束に基づいて、測定媒体の流量を検出する。

Description

熱式流量センサ
　本発明は、配管内を流れる測定媒体の流量を検出する熱式流量センサに関するものである。
　従来の熱式流量センサとして、例えば特許文献１に記載されたものがある。すなわち、この熱式流量センサは、第１温度センサと、伝熱素子と、第２温度センサとを備えている。第１温度センサは、配管の温度を検出することによって配管内に流れる測定媒体の温度を検出する。また、伝熱素子は、第１温度センサよりも測定媒体の流れ方向の下流側に配置され、測定媒体（配管）との間で熱の授受を行う。そして、第２温度センサは、外気の温度を検出する。なお、配管内の伝熱素子と熱の授受を行う部分の温度の影響を受けないように、第１温度センサは、伝熱素子とは十分に離間して配置されている。
　このような熱式流量センサでは、第２温度センサで外気の温度を検出し、外気の温度に基づいて伝熱素子と配管との間の熱流束を演算している。そして、当該熱流束と第１温度センサで検出された測定媒体の温度を用いて測定媒体の流量を演算している。
特開２００４－６９６６７号公報
　しかしながら、上記特許文献１の熱式流量センサでは、外気の温度を検出し、外気の温度に基づいて伝熱素子と配管との間の熱流束を演算（すなわち推測）しているため、検出精度が低下し易いという問題がある。
　本発明は上記点に鑑みて、検出精度の低下を抑制できる熱式流量センサを提供することを目的とする。
　本発明に係る熱式流量センサの一態様は、配管における外壁面のうちの所定箇所の温度を検出することによって配管内の通路を流れる測定媒体の温度を検出する第１温度センサと、第１温度センサと離間した状態で配管の外壁面上に配置され、配管の外壁面を加熱または冷却することにより、測定媒体と熱の授受を行う伝熱素子と、配管の外壁面における伝熱素子によって加熱または冷却された部分の温度を検出する第２温度センサと、所定の処理を行う制御部と、を備えている。
　そして、伝熱素子と配管の外壁面との間には、伝熱素子と配管との間の熱流束を検出する熱流束センサが配置されており、制御部は、第１温度センサで検出された温度、第２温度センサで検出された温度、熱流束センサで検出された熱流束に基づいて、測定媒体の流量を検出することを特徴としている。
　これによれば、伝熱素子と配管の外壁面との間に熱流束センサが配置され、伝熱素子と配管との間の熱流束を熱流束センサで直接検出している。このため、熱流束の検出精度が低下することを抑制でき、測定媒体の流量の検出精度が低下することを抑制できる。
本発明の第１実施形態における熱式流量センサの配置構成を示す模式図である。 図１に示す熱流束センサを裏面保護部材側から視た平面図である。 図１に示す熱流束センサを表面保護部材側から視た平面図である。 図２および図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。 図２および図３のＶ－Ｖ線に沿った断面図である。 本発明の第２実施形態における熱式流量センサの配置構成を示す模式図である。 図６に示す熱流束センサを裏面保護部材側から視た平面図である。 図６に示す熱流束センサを表面保護部材側から視た平面図である。 図７および図８のＩＸ－ＩＸ線に沿った断面図である。 本発明の第３実施形態における熱流束センサを裏面保護部材側から視た平面図である。 図１０に示す熱流束センサを表面保護部材側から視た平面図である。 図１０および図１１のＸＩＩ－ＸＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の第４実施形態における伝熱素子および熱流束センサの断面図である。 本発明の第５実施形態における熱式流量センサの配置構成を示す模式図である。
　以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
　（第１実施形態）
　本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態の熱式流量センサは、配管１０内を流れる測定媒体の流量を検出するものであり、図１に示すように、温度を検出する第１温度センサ２０および第２温度センサ３０と、熱流束を検出する熱流束センサ４０と、配管１０を加熱する伝熱素子５０と、制御部６０とを備えている。
　配管１０は、ＳＵＳ等の金属部材で構成されており、内部に測定媒体が流れる通路１１を有する。本実施形態では、配管１０内を流れる測定媒体の流れ方向を紙面左側から右側として説明する。
　第１温度センサ２０および第２温度センサ３０は、サーミスタ等で構成されており、互いに離間した状態で配管１０の外壁面に配置されている。本実施形態では、第１温度センサ２０は第２温度センサ３０よりも測定媒体の流れ方向上流側（図１中紙面左側）に配置されている。また、第１温度センサ２０および第２温度センサ３０は、制御部６０と接続されており、配置されている部分の配管１０の外壁面における温度に応じた検出信号を制御部６０に出力する。
　なお、具体的には後述するが、第１温度センサ２０は、配管１０の外壁面における伝熱素子５０で加熱されない部分の温度を検出し、第２温度センサ３０は配管１０の外壁面における伝熱素子５０で加熱される部分の温度を検出する。つまり、第１温度センサ２０は、第２温度センサ３０よりも測定媒体の流れ方向上流側であり、かつ第２温度センサ３０（伝熱素子５０）から十分に離間して配置されている。
　熱流束センサ４０は、第２温度センサ３０上に配置されていると共に制御部６０と接続されている。そして、具体的には後述するが、熱流束センサ４０上には伝熱素子５０が配置されており、伝熱素子５０と配管１０との間の熱流束に応じた検出信号を制御部６０に出力する。ここで、本実施形態の熱流束センサ４０の構成について具体的に説明する。
　熱流束センサ４０は、本実施形態では、図２～図５に示されるように、絶縁基材１００、裏面保護部材１１０、表面保護部材１２０が一体化され、この一体化されたものの内部で第１、第２層間接続部材１３０、１４０が交互に直列に接続されて構成されている。なお、図２では理解をし易くするために裏面保護部材１１０を省略して示す。また、図３では理解をし易くするために表面保護部材１２０を省略して示す。そして、図２、図３は断面図ではないが第１、第２層間接続部材１３０、１４０にハッチングを施してある。
　絶縁基材１００は、本実施形態では、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド(ＰＥＩ)、液晶ポリマー（ＬＣＰ）で代表される平面矩形状の熱可塑性樹脂フィルムにて構成されている。そして、厚さ方向Ｚに貫通する複数の第１、第２ビアホール１０１、１０２が互い違いになるように千鳥パターンに形成されている。
　なお、本実施形態の第１、第２ビアホール１０１、１０２は、絶縁基材１００の表面１００ａから裏面１００ｂに向かって径が一定とされた円筒状に形成されているが（図４、図５参照）、表面１００ａから裏面１００ｂに向かって径が小さくなるテーパ状に形成されていてもよい。また、第１、第２ビアホール１０１、１０２は、裏面１００ｂから表面１００ａに向かって径が小さくなるテーパ状に形成されていてもよいし、角筒状に形成されていてもよい。
　そして、第１ビアホール１０１には第１層間接続部材１３０が配置され、第２ビアホール１０２には第２層間接続部材１４０が配置されている。つまり、絶縁基材１００には、第１、第２層間接続部材１３０、１４０が互い違いになるように配置されている。
　第１、第２層間接続部材１３０、１４０は、ゼーベック効果を発揮するように、互いに異なる金属で構成されている。例えば、第１層間接続部材１３０は、Ｐ型を構成するＢｉ－Ｓｂ－Ｔｅ合金の粉末が、焼結前における複数の金属原子の結晶構造を維持するように固相焼結された金属化合物（焼結合金）で構成される。また、第２層間接続部材１４０は、Ｎ型を構成するＢｉ－Ｔｅ合金の粉末が、焼結前における複数の金属原子の所定の結晶構造を維持するように固相焼結された金属化合物（焼結合金）で構成される。このように、第１、第２層間接続部材１３０、１４０として所定の結晶構造が維持されるように固相焼結された金属化合物を用いることにより、起電圧を大きくできる。
　絶縁基材１００の裏面１００ｂには、裏面保護部材１１０が配置されている。裏面保護部材１１０は、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド(ＰＥＩ)、液晶ポリマー（ＬＣＰ）で代表される平面矩形状の熱可塑性樹脂フィルムにて構成されている。この裏面保護部材１１０は、絶縁基材１００と平面形状寸法が同じ大きさとされており、絶縁基材１００と対向する一面１１０ａ側に銅箔等がパターニングされた複数の裏面パターン１１１が互いに離間するように形成されている。そして、各裏面パターン１１１はそれぞれ第１、第２層間接続部材１３０、１４０と適宜電気的に接続されている。
　具体的には、図２および図４に示されるように、隣接する１つの第１層間接続部材１３０と１つの第２層間接続部材１４０とを組１５０としたとき、各組１５０の第１、第２層間接続部材１３０、１４０は同じ裏面パターン１１１と接続されている。つまり、各組１５０の第１、第２層間接続部材１３０、１４０は裏面パターン１１１を介して電気的に接続されている。なお、本実施形態では、絶縁基材１００の長手方向Ｘに沿って隣接する１つの第１層間接続部材１３０と１つの第２層間接続部材１４０とが組１５０とされている。
　絶縁基材１００の表面１００ａには、表面保護部材１２０が配置されている。表面保護部材１２０は、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド(ＰＥＩ)、液晶ポリマー（ＬＣＰ）で代表される平面矩形状の熱可塑性樹脂フィルムにて構成されている。この表面保護部材１２０は、裏面保護部材１１０と同様に、絶縁基材１００と平面形状寸法が同じ大きさとされており、絶縁基材１００と対向する一面１２０ａ側に銅箔等がパターニングされた複数の表面パターン１２１および２つの接続パターン１２２が互いに離間するように形成されている。そして、各表面パターン１２１および２つの接続パターン１２２はそれぞれ第１、第２層間接続部材１３０、１４０と適宜電気的に接続されている。
　具体的には、図３および図４に示されるように、絶縁基材１００の長手方向Ｘに隣接する組１５０において、一方の組１５０の第１層間接続部材１３０と他方の組１５０の第２層間接続部材１４０とが同じ表面パターン１２１と接続されている。つまり、組１５０を跨いで第１、第２層間接続部材１３０、１４０が同じ表面パターン１２１を介して電気的に接続されている。
　また、図３および図５に示されるように、絶縁基材１００における外縁では、基本的には、長手方向Ｘと直交する方向Ｙに沿って隣接する第１、第２層間接続部材１３０、１４０が同じ表面パターン１２１と接続されている。詳述すると、絶縁基材１００の長手方向Ｘに表面パターン１２１および裏面パターン１１１を介して直列に接続されたものが折り返されるように、隣接する第１、第２層間接続部材１３０、１４０が同じ表面パターン１２１と接続されている。
　さらに、図３および図４に示されるように、上記のように直列に接続されたものの端部となる第１、第２層間接続部材１３０、１４０（図３中紙面右下の第１層間接続部材１３０および紙面右上の第２層間接続部材１４０）は、接続パターン１２２と接続されている。具体的には後述するが、熱流束センサ４０上には伝熱素子５０が配置され、図３中では伝熱素子５０と対向する部分（直下に位置する部分）を領域Ａとして示している。そして、２つの接続パターン１２２は、それぞれ第１、第２層間接続部材１３０、１４０と接続される側と反対側の端部が領域Ａの外側まで引き出されている。なお、図２においても、伝熱素子５０と対向する部分（直下に位置する部分）を領域Ａとして示している。
　そして、図４に示されるように、表面保護部材１２０には、領域Ａの外側まで引き出された接続パターン１２２の端部を露出させるコンタクトホール１６０が形成されている。そして、熱流束センサ４０は、当該コンタクトホール１６０を介して制御部６０との電気的な接続が図れるようになっている。
　以上が本実施形態における熱流束センサ４０の構成である。上記熱流束センサ４０は、熱流束センサ４０を厚さ方向Ｚに通過する熱流束が変化すると、交互に直列接続された第１、第２層間接続部材１３０、１４０にて発生する起電圧が変化するため、当該起電圧を検出信号として制御部６０に出力する。なお、熱流束センサ４０の厚さ方向Ｚとは、絶縁基材１００、表面保護部材１２０、裏面保護部材１１０の積層方向のことである。
　このような熱流束センサ４０は、特に図示しないが、いわゆるＰＡＬＡＰ（登録商標）製法によって製造される。すなわち、まず、絶縁基材１００に第１、第２ビアホール１０１、１０２を形成し、当該第１、第２ビアホール１０１、１０２に第１、第２層間接続部材１３０、１４０を構成する導電性ペーストを充填する。次に、裏面パターン１１１が形成された裏面保護部材１１０、および表面パターン１２１、接続パターン１２２が形成された表面保護部材１２０を用意する。そして、第１、第２ビアホール１０１、１０２に充填された導電性ペーストが表面パターン１２１および裏面パターン１１１と適宜接触するように、裏面保護部材１１０、絶縁基材１００、表面保護部材１２０を順に積層して積層体を構成する。その後、積層体を加熱しながら積層方向（厚さ方向Ｚ）に加圧し、裏面保護部材１１０、絶縁基材１００、表面保護部材１２０を一体化すると共に、導電性ペーストから第１、第２層間接続部材１３０、１４０を構成することによって製造される。
　そして、上記熱流束センサ４０は、図１に示されるように、第２温度センサ３０を覆うように配置された熱伝導性部材７０を介して第２温度センサ３０（配管１０の外壁面）上に配置されている。具体的には、熱伝導性部材７０は、グリースやゲルシート等の熱伝導性材料であって可撓性を有するもので構成され、配管１０の外壁面に沿って配置されると共に配管１０と反対側が配管１０に沿った形状（面）とされている。そして、熱流束センサ４０は、裏面保護部材１１０側が熱伝導性部材７０側となり、かつ配管１０の外壁面との間に隙間（空間）が構成されないように、熱伝導性部材７０を介して配置されている。つまり、熱流束センサ４０と配管１０の外壁面（第２温度センサ３０）との間を完全に封止するように、熱伝導性部材７０が配置されている。
　なお、熱流束センサ４０は、上記のように絶縁基材１００、表面保護部材１２０、裏面保護部材１１０が熱可塑性樹脂で構成されているために可撓性を有している。このため、熱伝導性部材７０（下地）に沿った形状に配置される。
　伝熱素子５０は、本実施形態では、通電されることで発熱する電気ヒータ等で構成され、熱流束センサ４０上に配置されている。言い換えると、伝熱素子５０は、伝熱素子５０と配管１０の外壁面との間に熱流束センサ４０が配置されるように、配管１０の外壁面上に配置されている。そして、伝熱素子５０は、熱流束センサ４０、熱伝導性部材７０、第２温度センサ３０を介して配管１０の外壁面における当該伝熱素子５０と対向する部分および当該部分の近傍を加熱することにより、測定媒体と熱の授受を行う。このため、第２温度センサ３０では、配管１０の外壁面における伝熱素子５０で加熱された部分の温度が検出され、熱流束センサ４０では、伝熱素子５０と配管１０の外壁面との間の熱流束が直接検出される。なお、第１温度センサ２０は、上記のように配管１０の外壁面における伝熱素子５０で加熱される部分とは十分に離間した位置に配置されており、伝熱素子５０で加熱されない部分の温度を検出する。
　また、伝熱素子５０は、本実施形態では、図１～図３に示されるように、平面形状寸法が熱流束センサ４０より小さくされた矩形状とされている。そして、当該伝熱素子５０と熱流束センサ４０との積層方向から視たとき、伝熱素子５０は、熱流束センサ４０内に位置するように配置されている（図２、図３中の領域Ａ）。言い換えると、積層方向から視たとき、伝熱素子５０の外形を形作る端部が熱流束センサ４０から突出しないように配置されている。
　そして、第１温度センサ２０および第２温度センサ３０、熱流束センサ４０、伝熱素子５０、熱伝導性部材７０を覆うように、グラスウールや発泡ウレタン等で構成される断熱部材８０が配置されている。本実施形態では、断熱部材８０として、第１温度センサ２０および第２温度センサ３０、熱流束センサ４０、伝熱素子５０、熱伝導性部材７０、および配管１０を覆う環状のものを図示しているが、第１温度センサ２０および第２温度センサ３０、熱流束センサ４０、伝熱素子５０、熱伝導性部材７０およびこれらが配置される配管１０の所定箇所のみを覆うものを用いてもよい。
　制御部６０は、ＣＰＵ、記憶手段を構成する各種メモリ、周辺機器等を用いて構成される。制御部６０は、所定の処理を行って配管１０の通路１１内を流れる測定媒体の流量を検出する。具体的には、第１温度センサ２０および第２温度センサ３０および熱流束センサ４０で検出された検出信号が入力されると、これらの検出信号を用いて配管１０の通路１１内を流れる測定媒体の流量を検出する。なお、本実施形態では、制御部６０が本発明の制御部に相当している。
　以上が本実施形態における熱式流量センサの構成である。次に、上記熱式流量センサの作動について説明する。
　上記のような熱式流量センサでは、伝熱素子５０が発熱すると、配管１０のうちの伝熱素子５０と対向する部分（直下に位置する部分）および当該部分の近傍が加熱される。そして、伝熱素子５０に発生した熱は熱流束センサ４０を介して配管１０に伝達される（熱流束センサ４０を熱流束が通過する）。そのため、熱流束センサ４０から当該熱流束センサ４０を通過する熱流束に応じた検出信号が制御部６０に出力される。つまり、熱流束センサ４０と配管１０の外壁面との間の熱流束が熱流束センサ４０によって直接検出される。また、配管１０における外壁面のうちの伝熱素子５０で加熱されていない部分の温度に応じた検出信号が第１温度センサ２０から制御部６０に出力される。そして、配管１０における外壁面のうちの伝熱素子５０で加熱されている部分の温度に応じた検出信号が第２温度センサ３０から制御部６０に出力される。
　ここで、熱流束センサ４０にて検出された熱流束をＱ、配管１０から測定媒体への熱伝達率をｈ、測定媒体の温度をＴ１、伝熱素子５０で加熱された部分の壁面温度をＴ２とすると、Ｑ＝ｈ（Ｔ２－Ｔ０）の式が成立する。なお、配管１０における外壁面のうちの伝熱素子５０で加熱されていない部分の温度は、測定媒体の温度と等しいとみなすことができる。つまり、第１温度センサ２０にて測定媒体の温度Ｔ１が検出される。
　したがって、制御部６０は、まず、検出された熱流束Ｑ、測定媒体の温度Ｔ１、加熱された部分の壁面温度Ｔ２を用いて熱伝達率ｈを演算する。また、熱伝達率ｈと測定媒体の流速とは相関関係があるため、演算した熱伝達率ｈと測定媒体の流速との相関関係から当該流速を演算する。そして、規定値である配管１０の断面積と、測定媒体の流速とに基づいて演算（乗算）することによって測定媒体の流量を演算する。以上のようにして、測定媒体の流量が演算される。
　ここで、本実施形態では、伝熱素子５０は、平面形状寸法が熱流束センサ４０より小さくされた矩形状とされている。そして、伝熱素子５０は、当該伝熱素子５０と熱流束センサ４０との積層方向（厚さ方向Ｚ）から視たとき、熱流束センサ４０内に位置するように配置されている。このため、熱流束センサ４０の検出精度が低下することをさらに抑制できる。
　すなわち、伝熱素子５０が熱流束センサ４０より平面形状寸法が大きく、伝熱素子５０の外形を形作る端部が熱流束センサ４０から突出している場合、当該突出している部分の直下は隙間（空間）となる。このため、当該突出している部分に発生した熱が当該隙間に伝達されることにより、隙間に伝達された熱によって熱流束センサ４０の温度分布が変化する。その結果、熱流束が領域毎に変化することによって熱流束センサ４０の検出精度が低下する可能性がある。
　これに対し、本実施形態では、伝熱素子５０は、その平面形状寸法が熱流束センサ４０より小さくされた矩形状とされている。そして、伝熱素子５０は、当該伝熱素子５０と熱流束センサ４０との積層方向（厚さ方向Ｚ）から視たとき、熱流束センサ４０内に位置するように配置されている。このため、伝熱素子５０にて発生した熱は、熱流束センサ４０を均等に通過するため、検出精度が低下することを抑制できる。
　同様に、熱流束センサ４０と配管１０との間には、隙間（空間）が構成されないように熱伝導性部材７０が配置されている。このため、伝熱素子５０にて発生した熱は、熱流束センサ４０、熱伝導性部材７０を介して均等に配管１０に伝達される。その結果、熱流束センサ４０の検出精度が低下することを抑制できる。また、伝熱素子５０にて発生した熱は、熱流束センサ４０、熱伝導性部材７０を介して均等に配管１０に伝達される。その結果、配管１０の外壁面における加熱された部分の温度と熱流束センサ４０を通過する熱流束との間で誤差が生じることも抑制できる。
　以上説明したように、本実施形態では、伝熱素子５０と配管１０の外壁面との間に熱流束センサ４０を配置し、伝熱素子５０と配管１０との間の熱流束を熱流束センサ４０で直接検出している。このため、熱流束の検出精度が低下することを抑制でき、測定媒体の流量の検出精度が低下することを抑制できる。
　また、本実施形態では、伝熱素子５０は、平面形状寸法が熱流束センサ４０より小さくされた矩形状とされている。また、伝熱素子５０は、当該伝熱素子５０と熱流束センサ４０との積層方向（厚さ方向Ｚ）から視たとき、熱流束センサ４０内に位置するように配置されている。このため、伝熱素子５０にて発生した熱は、熱流束センサ４０を均等に通過する。その結果、伝熱素子５０の外形を形作る端部が熱流束センサ４０から突出している場合と比較して、熱流束センサ４０の検出精度が低下することを抑制できる。
　（第２実施形態）
　本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第２温度センサ３０の配置箇所を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　本実施形態では、図６に示されるように、熱流束センサ４０は、配管１０の外壁面に直接配置されている。つまり、本実施形態では、熱流束センサ４０と配管１０との間に熱伝導性部材７０が配置されていない構成とされている。そして、第２温度センサ３０は、熱流束センサ４０の近傍に配置されている。具体的には、第２温度センサ３０は、配管１０の外壁面における伝熱素子５０と対向する部分には配置されていない。しかしながら、第２温度センサ３０は、配管１０の外壁面における伝熱素子５０で加熱される部分の温度が検出できる箇所に配置されている。
　このように、第２温度センサ３０は、配管１０の外壁面における伝熱素子５０で加熱される部分の温度が検出できる箇所であれば、配管１０の外壁面における伝熱素子５０と対向する部分に配置されていなくてもよい。また、このように第２温度センサ３０を配置する場合には、熱流束センサ４０を直接配管１０に配置することができるため、熱伝導性部材７０を配置しなくてもよく、部品点数の削減を図ることができる。
　（第３実施形態）
　本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第２温度センサ３０と熱流束センサ４０とを一体化したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　本実施形態では、図７～図９に示されるように、第２温度センサ３０は、熱流束センサ４０と一体化されている。具体的には、第２温度センサ３０は、絶縁基材１００と裏面保護部材１１０との間であり、領域Ａ内に位置するように配置されている。なお、図７では理解をし易くするために裏面保護部材１１０を省略して示す。また、図８では理解をし易くするために表面保護部材１２０を省略して示す。さらに、図７、図８は断面図ではないが第１、第２層間接続部材１３０、１４０および後述する第３層間接続部材１７０にハッチングを施してある。
　そして、絶縁基材１００には、第１、第２ビアホール１０１、１０２と同様の第３ビアホール１０３が形成されている。第３ビアホール１０３には、第１、第２層間接続部材１３０、１４０と同様に焼結金属である第３層間接続部材１７０が配置されている。なお、第３ビアホール１０３は、第２温度センサ３０を露出させるように形成され、第３層間接続部材１７０は、第２温度センサ３０と電気的に接続されるように配置されている。
　また、表面保護部材１２０には、接続パターン１２２と同様の２つの接続パターン１２３が形成されている。当該接続パターン１２３は、それぞれ第３層間接続部材１７０と接続される側と反対側の端部が領域Ａの外側まで引き出されている。そして、表面保護部材１２０には、図９に示されるように、コンタクトホール１６０と同様に、引き出された接続パターン１２３の端部を露出させるコンタクトホール１６１が形成されている。これにより、熱流束センサ４０は、当該コンタクトホール１６１を介して制御部６０との電気的な接続が図れるようになっている。なお、第３層間接続部材１７０の構成は、第１、第２層間接続部材１３０、１４０と同様の構成とされていてもよいが、第３層間接続部材１７０は第２温度センサ３０と接続パターン１２３とを電気的に接続できるものであれば適宜変更可能である。
　そして、特に図示しないが、このような第２温度センサ３０と熱流束センサ４０とが一体化されたものは、熱流束センサ４０の裏面保護部材１１０側が配管１０における外壁面と対向するように、配管１０の外壁面に直接配置されている。
　これによれば、第２温度センサ３０と熱流束センサ４０とが一体化されている。そのため、配管１０の外壁面に第２温度センサ３０および熱流束センサ４０を取り付ける際、第２温度センサ３０と熱流束センサ４０との位置ずれが発生することを抑制しつつ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
　（第４実施形態）
　本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対して第１温度センサ２０も熱流束センサ４０と一体化したものであり、その他に関しては第３実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　本実施形態では、図１０～図１２に示されるように、第１温度センサ２０は、第２温度センサ３０と共に、熱流束センサ４０と一体化されている。具体的には、第１温度センサ２０は、絶縁基材１００と裏面保護部材１１０との間であり、領域Ａの外側に位置するように配置されている。
　なお、第１温度センサ２０は、伝熱素子５０の影響を受けないように、領域Ａの外側であり、かつ領域Ａから十分離間した位置に配置されている。また、図１０では理解をし易くするために裏面保護部材１１０を省略して示す。さらに、図１１では理解をし易くするために表面保護部材１２０を省略して示す。そして、図１０、図１１は断面図ではないが第１～第３層間接続部材１３０、１４０、１７０および後述する第４層間接続部材１８０にハッチングを施してある。
　そして、絶縁基材１００には、第１～第３ビアホール１０１～１０３と同様の第４ビアホール１０４が形成されている。第４ビアホール１０４には、第１～第３層間接続部材１３０、１４０、１７０と同様に焼結金属である第４層間接続部材１８０が配置されている。なお、第４ビアホール１０４は、第１温度センサ２０を露出させるように形成され、第４層間接続部材１８０は、第１温度センサ２０と電気的に接続されるように配置されている。
　また、表面保護部材１２０には、接続パターン１２２、１２３と同様の２つの接続パターン１２４が形成されている。当該接続パターン１２４は、それぞれ第４層間接続部材１８０と接続される側と反対側の端部が領域Ａ外まで引き出されている。そして、表面保護部材１２０には、コンタクトホール１６０と同様に、引き出された接続パターン１２４の端部を露出させるコンタクトホール１６２が形成されている。そして、当該コンタクトホール１６２を介して制御部６０との電気的な接続が図れるようになっている。なお、第４層間接続部材１８０は、第１、第２層間接続部材１３０、１４０と同様の構成とされていてもよい。しかしながら、第４層間接続部材１８０は第１温度センサ２０と接続パターン１２４とを電気的に接続できるものであれば適宜変更可能である。
　そして、特に図示しないが、このような第１温度センサ２０および第２温度センサ３０と熱流束センサ４０とが一体化されたものは、熱流束センサ４０の裏面保護部材１１０側が配管１０における外壁面と対向するように、配管１０の外壁面に直接配置されている。なお、本実施形態においても、第１温度センサ２０が第２温度センサ３０よりも測定媒体の流れ方向上流側となるように配置されている。
　これによれば、第１温度センサ２０および第２温度センサ３０と熱流束センサ４０とが一体化されている。そのため、配管１０の外壁面に第１温度センサ２０および第２温度センサ３０および熱流束センサ４０を取り付ける際、第１温度センサ２０および第２温度センサ３０および熱流束センサ４０の位置ずれが発生することを抑制しつつ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
　（第５実施形態）
　本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して熱流束センサ４０と伝熱素子５０とを一体化したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　本実施形態では、図１３に示されるように、熱流束センサ４０と伝熱素子５０が一体化されている。まず、伝熱素子５０の構成について説明する。伝熱素子５０は、絶縁基材２００、裏面保護部材２１０、裏面パターン２１１、表面保護部材２２０、表面パターン２２１、接続パターン２２２、第１、第２層間接続部材２３０、２４０を有する。伝熱素子５０の基本的な構成は、図２～５で説明した熱流束センサ４０と同様の構成とされている。また、表面保護部材２２０には、接続パターン２２２の端部を露出させるコンタクトホール２６０が形成されている。
　このような伝熱素子５０は、接続パターン２２２を介して制御部６０から通電されることにより、裏面保護部材２１０側および表面保護部材２２０側の一方の面側から放熱（加熱）され、他方の面側にて吸熱（冷却）される。つまり、本実施形態の伝熱素子５０は、ペルチェ効果を利用したものである。なお、このような伝熱素子５０は、通電方向を調整することによって加熱と冷却とを設定できる。そのため、用途に応じて通電方向を調整することによって加熱と冷却とを変更できる。すなわち、本実施形態の伝熱素子５０では、共通の素子で配管１０の外壁面を加熱したり冷却したりできる。以上が本実施形態における伝熱素子５０の構成である。
　そして、熱流束センサ４０と伝熱素子５０とは、熱流束センサ４０の表面保護部材１２０と伝熱素子５０の裏面保護部材２１０とが対向するように一体化されている。言い換えると、裏面保護部材１１０、絶縁基材１００、表面保護部材１２０、裏面保護部材２１０、絶縁基材２００、表面保護部材２２０からなる共通の１つの基板に、熱流束センサ４０と伝熱素子５０とが形成されている。
　なお、図１３における熱流束センサ４０は図４とは異なる部分の断面に相当する図であり、熱流束センサ４０は、図１３とは別断面において、伝熱素子５０を貫通するように形成されたコンタクトホール（図示せず）によって接続パターン１２２が露出される。そして、熱流束センサ４０は当該コンタクトホールを介して制御部６０との電気的な接続が図れるようになっている。
　また、本実施形態では、熱流束センサ４０の平面形状寸法と伝熱素子５０の平面形状寸法とが等しくされている。しかしながら、このような状態の熱流束センサ４０および伝熱素子５０としても、熱流束センサ４０と伝熱素子５０との積層方向（厚さ方向Ｚ）から視たとき、伝熱素子５０は熱流束センサ４０内に位置しているといえる。
　このような熱流束センサ４０および伝熱素子５０は、熱流束センサ４０を構成する裏面保護部材１１０、絶縁基材１００、表面保護部材１２０、伝熱素子５０を構成する裏面保護部材２１０、絶縁基材２００、表面保護部材２２０を順に積層して積層体を構成し、当該積層体を加熱しながら加圧することによって一体化して製造される。
　これによれば、熱流束センサ４０と伝熱素子５０が一体化されている。そのため、配管１０に熱流束センサ４０および伝熱素子５０を取り付ける際、熱流束センサ４０と伝熱素子５０との位置ずれが発生することを抑制しつつ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
　なお、上記実施形態では、熱流束センサ４０の表面保護部材１２０と伝熱素子５０の裏面保護部材２１０とが異なる部材で構成されたものについて説明したが、熱流束センサ４０の表面保護部材１２０と伝熱素子５０の裏面保護部材２１０とを共通化してもよい。
　（第６実施形態）
　本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第１温度センサ２０の配置箇所を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　本実施形態では、図１４に示されるように、第１温度センサ２０は、第２温度センサ３０（伝熱素子５０）と配管１０の周方向に離間して配置されている。なお、図１４は、配管１０を外壁面側から視た平面模式図であり、断熱部材８０を省略して示してある。また、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、第１温度センサ２０は、配管１０の外壁面における伝熱素子５０で加熱されない部分の温度を検出できるように、第２温度センサ３０（伝熱素子５０）から十分に離間して配置されている。
　これによれば、第１温度センサ２０を伝熱素子５０から配管１０の周方向に離間するように配置している。そのため、第１温度センサ２０および第２温度センサ３０、熱流束センサ４０、伝熱素子５０および配管１０を周方向に覆うように環状の断熱部材８０を配置する場合、断熱部材８０における測定媒体の流れ方向の長さを短くできる。その結果、断熱部材８０全体としての使用量の削減を図ることができる。
　（他の実施形態）
　本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
　例えば、上記各実施形態において、熱流束センサ４０の構成は上記に記載したものに限定されるものではなく、例えば、サーモパイルを用いた熱流束センサの構成としてもよい。
　また、上記第１～第４、第６実施形態において、伝熱素子５０は配管１０の外壁面を冷却するものであってもよい。
　さらに、上記第３実施形態では、第２温度センサ３０は、絶縁基材１００と裏面保護部材１１０との間に配置されているものについて説明したが、第２温度センサ３０は熱流束センサ４０と一体化されていればよい。例えば、第２温度センサ３０は、裏面保護部材１１０のうちの絶縁基材１００側と反対側に配置されることによって熱流束センサ４０と一体化されていてもよい。同様に、上記第４実施形態では、第１温度センサ２０は、絶縁基材１００と裏面保護部材１１０との間に配置されているものについて説明したが、第１温度センサ２０は熱流束センサ４０と一体化されていればよい。例えば、第１温度センサ２０は、裏面保護部材１１０のうちの絶縁基材１００側と反対側に配置されることによって熱流束センサ４０と一体化されていてもよい。
　また、第４実施形態において、第１温度センサ２０と熱流束センサ４０のみを一体化し、第２温度センサ３０は熱流束センサ４０と一体化されていなくてもよい。
　さらに、上記各実施形態を適宜組み合わせることもできる。例えば、上記第２実施形態を上記第３、第４実施形態に組み合わせ、第２温度センサ３０を領域Ａの外側に配置するようにしてもよい。同様に、上記第２実施形態を上記第５、第６実施形態に組み合わせ、第２温度センサ３０を配管１０の外壁面における伝熱素子５０と対向する部分の近傍に配置するようにしてもよい。また、上記第３、第４実施形態を上記第５、第６実施形態に組み合わせ、熱流束センサ４０と第１温度センサ２０および第２温度センサ３０とを適宜一体化するようにしてもよい。そして、上記第５実施形態を上記第６実施形態に組み合わせ、熱流束センサ４０と伝熱素子５０とを一体化するようにしてもよい。さらに、上記各実施形態を組み合わせたもの同士を適宜組み合わせるようにしてもよい。
　１０　　配管
　１１　　通路
　２０　　第１温度センサ
　３０　　第２温度センサ
　４０　　熱流束センサ
　５０　　伝熱素子
　６０　　制御部

Claims (7)

  1. 　配管（１０）における外壁面のうちの所定箇所の温度を検出することによって前記配管内の通路（１１）を流れる測定媒体の温度を検出する第１温度センサ（２０）と、
    　前記第１温度センサと離間した状態で前記配管の外壁面上に配置され、前記配管の外壁面を加熱または冷却することにより、前記測定媒体と熱の授受を行う伝熱素子（５０）と、
    　前記配管の外壁面における前記伝熱素子によって加熱または冷却された部分の温度を検出する第２温度センサ（３０）と、
    　所定の処理を行う制御部（６０）と、を備え、
    　前記伝熱素子と前記配管の外壁面との間には、前記伝熱素子と前記配管との間の熱流束を検出する熱流束センサ（４０）が配置されており、
    　前記制御部は、前記第１温度センサで検出された温度、前記第２温度センサで検出された温度、前記熱流束センサで検出された熱流束に基づいて、前記測定媒体の流量を検出することを特徴とする熱式流量センサ。
  2. 　前記伝熱素子は、前記熱流束センサと前記伝熱素子との積層方向から視たとき、前記熱流束センサ内に位置していることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量センサ。
  3. 　前記熱流束センサは、熱可塑性樹脂にて構成される絶縁基材（１００）に厚さ方向（Ｚ）に貫通する複数の第１、第２ビアホール（１０１、１０２）が形成されていると共に、前記第１、第２ビアホールに互いに異なる金属で形成された第１、第２層間接続部材（１３０、１４０）が埋め込まれ、かつ、前記絶縁基材の表面（１００ａ）に表面パターン（１２１）が形成されていると共に、前記表面と反対側の裏面（１００ｂ）に裏面パターン（１１１）が形成され、前記第１、第２層間接続部材が前記表面パターンおよび前記裏面パターンを介して交互に直列接続された構成とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱式流量センサ。
  4. 　前記第２温度センサは、前記熱流束センサと一体化されていることを特徴とする請求項３に記載の熱式流量センサ。
  5. 　前記第１温度センサは、前記熱流束センサと一体化されていることを特徴とする請求項３または４に記載の熱式流量センサ。
  6. 　前記伝熱素子は、熱可塑性樹脂にて構成される絶縁基材（２００）に厚さ方向（Ｚ）に貫通する複数の第１、第２ビアホール（２０１、２０２）が形成されていると共に、前記第１、第２ビアホールに互いに異なる金属で形成された第１、第２層間接続部材（２３０、２４０）が埋め込まれ、かつ、前記絶縁基材の表面（２００ａ）に表面パターン（２２１）が形成されていると共に、前記表面と反対側の裏面（２００ｂ）に裏面パターン（２１１）が形成され、当該第１、第２層間接続部材が前記表面パターンおよび前記裏面パターンを介して交互に直列接続された構成とされており、前記熱流束センサと一体化されていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１つに記載の熱式流量センサ。
  7. 　前記第１温度センサは、前記伝熱素子と前記配管の周方向に離間して配置されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱式流量センサ。
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