(57)【要約】  より少量の被検出物であっても装置コストの上昇を可及的に抑制して熱伝導率を検出することができ、また、より狭い所要の場所にも設置することができる熱伝導率検出方法、並びにその実施に使用する熱伝導率検出用センサ、及び該熱伝導率検出用センサを備える熱伝導率検出装置を提供する。  熱伝導率検出用センサ２は、基板２０の表面に設けられた凹部２４に、適宜の金属で形成してなるセンサ本体２６を架設して構成してある。熱伝導率検出装置１の電流制御部５からセンサ本体２６に所要の電流が通流され、凹部２４内に注入された被検出物がセンサ本体２６にて加熱されてからセンサ本体２６の温度が定常状態に達する所定時間経過後に、電圧測定部６にて測定したセンサ本体２６の電圧からセンサ本体２６の定常状態における温度を測定し、該温度を用いて被検出物の熱伝導率を算出する。
2010035803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電加熱する適宜の物質を長尺形状に成形してあり、導入された被検出物を加熱するセンサ本体を備える熱伝導率検出センサを用い、前記センサ本体によって被検出物を加熱してから一定時間経過後のセンサ本体の温度に係る情報を取得してセンサ本体の温度を得、得られた温度を用いて前記被検出物の熱伝導率を検出する方法において、
長手方向の寸法が６．９ｍｍ以下の適宜寸法であり、長手方向と直交する所定方向の寸法が２６μｍ以下の適宜寸法になしたセンサ本体を備える熱伝導率検出センサを用い、
該熱伝導率検出センサに導入された被検出物を前記センサ本体にて加熱し、被検出物を加熱してからセンサ本体の温度が略一定となる定常状態に達する所定時間経過後の温度を得、得られた温度を用いて当該被検出物の熱伝導率を求める
ことを特徴とする熱伝導率検出方法。
【請求項２】
前記熱伝導率検出センサとして、長手方向が略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の適宜寸法であり、長手方向と直交する所定方向が略１０ｎｍ以上２６μｍ以下の適宜寸法になしたセンサ本体を備えるものを用いる請求項１又は２記載の熱伝導率検出方法。
【請求項３】
予め定めた複数種類の被検出物について、当該被検出物を加熱してから前記所定時間経過後の温度をそれぞれ得ることによって、定常状態における各温度と各熱伝導率との関係を予め求めておき、
対象とする被検出物について得られた前記温度を前記関係に適用して、当該被検出物の熱伝導率を求める請求項１又は２記載の熱伝導率検出方法。
【請求項４】
通電加熱する適宜の物質を長尺形状に成形してなるセンサ本体を備え、被検出物を加熱してからセンサ本体の温度が略一定となる定常状態に達する所定時間経過後の当該センサ本体の温度に係る情報を取得してセンサ本体の温度を得るべくなしてあり、得られた温度を用いて前記被検出物の熱伝導率を検出するための熱伝導率検出用センサであって、
前記センサ本体は、長手方向が略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の適宜寸法であり、長手方向と直交する所定方向が略１０ｎｍ以上２６μｍ以下の適宜寸法になしてあることを特徴とする熱伝導率検出用センサ。
【請求項５】
所定の基板と、該基板の適宜位置に形成した凹部又は開口部とを具備し、前記センサ本体は前記凹部又は開口部に架設してある請求項４記載の熱伝導率検出用センサ。
【請求項６】
前記センサ本体の基板の厚さ方向と平行な方向の寸法が略１０ｎｍ以上２６μｍ以下の適宜寸法になしてある請求項５記載の熱伝導率検出用センサ。
【請求項７】
前記凹部又は開口部と該凹部又は開口部に架設したセンサ本体とが複数形成された基板を、任意の凹部又は開口部に架設したセンサ本体を含む複数の部分に分割してなる請求項５又は６記載の熱伝導率検出用センサ。
【請求項８】
前記基板には、センサ本体の一側に連通する電極部及び前記センサ本体の他側に連通する他の電極部がそれぞれ形成してあり、両電極部にはセンサ本体に電流を通流させるためのリード線、及びセンサ本体に印加された電圧を測定するための他のリード線がそれぞれ接続してある請求項５から７のいずれかに記載の熱伝導率検出用センサ。
【請求項９】
通電加熱する適宜の物質を長尺形状に成形してなるセンサ本体を具備し、導入された被検出物を前記センサ本体によって加熱すべくなしてある熱伝導率検出用センサと、前記センサ本体にて加熱してから一定時間経過後の当該センサ本体の温度に係る情報を取得してセンサ本体の温度を得る温度取得手段と、得られた温度を用いて前記被検出物の熱伝導率
を算出する熱伝導率算出手段とを備える熱伝導率検出装置において、
請求項４から８のいずれかに記載の熱伝導率検出用センサを備え、
前記温度取得手段は、該熱伝導率検出センサに導入された被検出物を前記センサ本体にて加熱してからセンサ本体の温度が略一定となる定常状態に達する所定時間経過後の温度を得るようになしてある
ことを特徴とする熱伝導率検出装置。
【請求項１０】
前記熱伝導率算出手段には、予め定めた複数種類の被検出物について、当該被検出物を加熱してから前記所定時間経過後の温度をそれぞれ得ることによって求められた定常状態における各温度と各熱伝導率との関係が設定してあり、
熱伝導率算出手段は、前記温度取得手段によって対象とする被検出物について得られた前記温度を前記関係に適用して、当該被検出物の熱伝導率を求めるようになしてある
請求項９記載の熱伝導率検出装置。
【請求項１１】
導入された被検出物の状態を監視する監視システムにおいて、
請求項９又は１０記載の熱伝導率検出装置と、該熱伝導率検出装置が検出した熱伝導率と予め設定された閾値とを比較した結果に基づいて、警報信号を出力する警報出力手段とを備えることを特徴とする監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体又は気体の熱伝導率を検出する方法、並びに該方法の実施に使用する熱伝導率検出用センサ、該熱伝導率検出用センサを備える熱伝導率検出装置、及び該熱伝導率検出装置を備え、導入された被検出物の状態を監視する監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
被検出物たる液体又は気体の熱伝導率を検出する方法として細線加熱法が知られており、後述する特許文献１には次のような熱伝導率検出装置が開示されている。【０００３】
図１５は、細線加熱法によって熱伝導率を検出する熱伝導率検出装置の構成を制御系等のブロック図と共に示す模式図であり、図中、１００は熱伝導率を検出するためのセンサである。【０００４】
センサ１００は、円筒状をなし断熱性の容器１００ａの中心線上に、直径が１０μｍ程度の細いヒータ線１０１を張設してなり、容器１００ａ内に被検出物を充填するようになっている。【０００５】
ヒータ線１０１には電流制御手段１０３を介して電源１０２から、予備加熱として０．５Ａ程度の電流が所定時間（１０秒間程度）通流されるようになっており、これによってヒータ線１０１が加熱して周囲の被検出物に熱を与える。【０００６】
ヒータ線１０１の近傍には被検出物液の温度を測定すべく、熱電対からなる温度センサ１１０が配設してあり、温度センサ１１０の測定値は上昇温度演算手段１０４に与えられるようになっている。そして、上昇温度演算手段１０４は、ヒータ線１０１に電流が通流されてから例えば１秒後（ｔ1）の温度と、更に数秒経過後（ｔ2）の温度との差である上昇温度（ΔＴ0）を演算してその値を、本加熱に用いる電流値をメモリ１０７から読み出す読出手段１０６に与える。【０００７】
メモリ１０７には複数の上昇温度領域別にそれぞれ、本加熱に適用すべき電流値が登録してあり、読出手段１０６は上昇温度演算手段１０４から与えられた上昇温度（ΔＴ0）が属する上昇温度領域を特定し、特定した上昇温度領域に対応する電流値Ｉをメモリ１０７から読み出し、それを前述した電流制御手段１０３に与える。【０００８】
電流制御手段１０３は、読出手段１０６から電流値Ｉが与えられると、当該電流値Ｉの電流をヒータ線１０１に所定時間通流するようになっており、前述したｔ1及びｔ2における温度センサ１１０の測定値が熱伝導率演算手段１０５に与えられる。【０００９】
熱伝導率演算手段１０５には次の（１）式が予め設定されており、熱伝導率演算手段１０５は温度センサ１１０から与えられたｔ1及びｔ2における温度測定値（Ｔ1、Ｔ2）を（１）式に代入して熱伝導率λを演算する。但し、（１）式中、ｑはヒータ線１０１の単位時間及び単位長さ当たりの発熱量である。【００１０】
λ＝ｑ・ｌｎ（ｔ2／ｔ1）２／４π（Ｔ2−Ｔ1）    …（１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−２１０９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、このような従来の方法にあっては、センサ１００が熱伝導率を検出するためには少なくとも数ｍｌ以上の被検出物を必要とする、比較的大きな寸法であるため、例えば被検出物が１ｍｌ未満の微量しか入手できない場合、当該被検出物液の熱伝導率を検出することができないという問題があった。また、このようにセンサ１００の寸法が比較的大きいため、センサ１００を配置し得る空間が制限され、所要の場所に配置することができないという問題もあった。【００１３】
そのため、ヒータ線１０１及び容器１００ａの寸法をより小さくすることが考えられるが、そのようなヒータ線及び容器を均一に製造し、両者を組み立てることができる寸法には限度があった。【００１４】
また、前述した細線加熱法にあっては、被検出物中に対流が発生する前に、加熱後のヒータ線１０１の温度を測定すべく、ヒータ線１０１の温度が変化している非定常状態において、ヒータ線１０１の温度を測定する必要があるが、被検出物の量を少なくするためにヒータ線１０１の長さを短くすると非定常状態が維持される時間が短くなるため、市販の測定速度の機器では対応できない。一方、測定速度が速い特殊な機器を用いた場合、装置コストが嵩むのに加え、非定常状態の温度を用いて解析を行う場合、解析に長時間を要するという問題もあった。【００１５】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであって、より少量の被検出物であっても装置コストの上昇を可及的に抑制して熱伝導率を検出することができ、また、より狭い所要の場所にも設置することができる熱伝導率検出方法、並びにその実施に使用する熱伝導率検出用センサ、及び該熱伝導率検出用センサを備える熱伝導率検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らが鋭意検討した結果、微小サイズのセンサ本体を備える熱伝導率検出センサにあっては、当該センサ本体によって加熱された被検出物中で加熱による対流が発生する前に、センサ本体の温度が略一定となる定常状態に達するという知見を得て本発明を完成するに至った。【００１７】
すなわち、（１）本発明に係る熱伝導率検出方法は、通電加熱する適宜の物質を長尺形状に成形してあり、導入された被検出物を加熱するセンサ本体を備える熱伝導率検出センサを用い、前記センサ本体によって被検出物を加熱してから一定時間経過後のセンサ本体の温度に係る情報を取得してセンサ本体の温度を得、得られた温度を用いて前記被検出物の熱伝導率を検出する方法において、長手方向の寸法が６．９ｍｍ以下の適宜寸法であり、長手方向と直交する所定方向の寸法が２６μｍ以下の適宜寸法になしたセンサ本体を備える熱伝導率検出センサを用い、該熱伝導率検出センサに導入された被検出物を前記センサ本体にて加熱し、被検出物を加熱してからセンサ本体の温度が略一定となる定常状態に達する所定時間経過後の温度を得、得られた温度を用いて当該被検出物の熱伝導率を求めることを特徴とする。【００１８】
本発明の熱伝導率検出方法にあっては、通電加熱する適宜の物質を用いて、長手方向の寸法が６．９ｍｍ以下の適宜寸法であり長手方向と直交する所定方向の寸法が２６μｍ以下の適宜寸法になしたセンサ本体を備える熱伝導率検出センサを使用し、かかる熱伝導率検出センサに導入された液体又は気体といった被検出物を前記センサ本体によって加熱す
る。【００１９】
このように、長手方向の寸法が６．９ｍｍ以下の適宜寸法であり長手方向と直交する所定方向の寸法が２６μｍ以下の適宜寸法になしたセンサ本体にあっては、数十μｌ以下の微量な被検出物であっても熱伝導率を検出することができる。
また、かかる寸法のセンサ本体にあっては、被検出物を加熱してから当該被検出物中に加熱による対流が発生する前に、センサ本体の温度が略一定となる定常状態に達する。【００２０】
従って、熱伝導率検出センサに導入された被検出物を前記センサ本体にて加熱し、被検出物を加熱してからセンサ本体の温度が略一定となる定常状態に達する所定時間経過後の温度を得、得られた定常状態における温度を用いて当該被検出物の熱伝導率を求める。ここで、前述した所定時間は、センサ本体にて被検出物を加熱してから当該被検出物中に加熱による対流が発生する前であって、被検出物を加熱してからセンサ本体の温度が定常状態に達する適宜の時間に設定する。【００２１】
これによって、より少量の被検出物であっても市販の測定速度の機器を適用することができ、装置コストの上昇を可及的に抑制して熱伝導率を検出することができる。
また、熱伝導率検出センサのサイズをより小さくすることができるため、より狭い場所にも設置することができる。【００２２】
（２）また、本発明に係る熱伝導率検出方法は必要に応じて、前記熱伝導率検出センサとして、長手方向が略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の適宜寸法であり、長手方向と直交する所定方向が略１０ｎｍ以上２６μｍ以下の適宜寸法になしたセンサ本体を備えるものを用いることを特徴とする。【００２３】
本発明の熱伝導率検出方法にあっては、熱伝導率検出センサとして、長手方向が略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の適宜寸法であり、長手方向と直交する所定方向が略１０ｎｍ以上２６μｍ以下の適宜寸法になしたセンサ本体を備えるものを用いる。ここで、前記略１μｍには少なくとも１μｍ±０．１μｍが含まれており、また前記略１０ｎｍには少なくとも１０ｎｍ±１ｎｍが含まれている。【００２４】
かかるセンサ本体としては、例えば、長手方向と直交する所定方向の寸法である厚さが略１０ｎｍ以上２６μｍ以下、長さが略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の板状に、又は、長手方向と直交する所定方向の寸法である厚さ若しくは直径が略１０ｎｍ以上２６μｍ以下、長さが略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の角柱状若しくは円柱状になすことができる。ここで厚さとは、ＭＥＭＳ（Micro Electro  Mechanical  Systems）技術によりセンサ本体を作製する場合の堆積方向をいう。【００２５】
センサ本体の長手方向の寸法が略１μｍ未満の場合、センサ本体の両側からの放熱量が大きくなり過ぎて熱伝導度の検出に支障を来たし、センサ本体の長手方向と直交する所定方向の寸法が略１０ｎｍ未満の場合、所要の強度を得ることができない。【００２６】
従って、上述した寸法のセンサ本体を備える熱伝導率検出センサを用いることによって、被検出物中に対流が発生する前に、定常状態における温度を得ることができるのに加え、熱伝導度の検出に支障を来たすことが防止される。また所要の強度を有するため、取り扱が容易になる。【００２７】
（３）また、本発明に係る熱伝導率検出方法は必要に応じて、予め定めた複数種類の被検出物について、当該被検出物を加熱してから前記所定時間経過後の温度をそれぞれ得ることによって、定常状態における各温度と各熱伝導率との関係を予め求めておき、対象と
する被検出物について得られた前記温度を前記関係に適用して、当該被検出物の熱伝導率を求めることを特徴とする。【００２８】
本発明の熱伝導率検出方法にあっては、予め定めた複数種類の被検出物について、当該被検出物を加熱してから前記所定時間経過後の温度を得ることによって、定常状態における各温度と各熱伝導率との関係を予め求めておき、対象とする被検出物について得られた前記温度を前記関係に適用して、当該被検出物の熱伝導率を求める。【００２９】
このように、センサ本体によって被検出物を加熱してから、センサ本体の定常状態における温度を得るため、可及的に少ない温度データで熱伝導率の算出を行うことができる上に、熱伝導率の計算を単純化することができ、予め定めた複数種類の被検出物について、より短時間で熱伝導率の算出を行うことができる。【００３０】
（４）一方、本発明に係る熱伝導率検出用センサは、通電加熱する適宜の物質を長尺形状に成形してなるセンサ本体を備え、被検出物を加熱してからセンサ本体の温度が略一定となる定常状態に達する所定時間経過後の当該センサ本体の温度に係る情報を取得してセンサ本体の温度を得るべくなしてあり、得られた温度を用いて前記被検出物の熱伝導率を検出するための熱伝導率検出用センサであって、前記センサ本体は、長手方向が略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の適宜寸法であり、長手方向と直交する所定方向が略１０ｎｍ以上２６μｍ以下の適宜寸法になしてあることを特徴とする。【００３１】
本発明の熱伝導率検出用センサにあっては、長手方向が略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の適宜寸法であり、長手方向と直交する所定方向が略１０ｎｍ以上２６μｍ以下の適宜寸法になしてある前記センサ本体を備える。【００３２】
かかるセンサ本体としては、例えば、長手方向と直交する所定方向の寸法である厚さが略１０ｎｍ以上２６μｍ以下、長さが略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の板状に、又は、長手方向と直交する所定方向の寸法である厚さ若しくは直径が略略１０ｎｍ以上２６μｍ以下、長さが略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の角柱若しくは円柱になすことができる。ここで厚さとは前同様、ＭＥＭＳ技術によりセンサ本体を作製する場合の堆積方向をいう。【００３３】
このような寸法のセンサ本体を備えるため、被検出物中に加熱による対流が発生する前に定常状態における温度を得ることができるのに加え、前同様、より少量の被検出物であっても市販の測定速度の機器を適用することができ、熱伝導度の検出に支障を来たすことが防止される。また、所要の強度を有するため、容易に取り扱うことができる。【００３４】
（５）また、本発明に係る熱伝導率検出用センサは必要に応じて、所定の基板と、該基板の適宜位置に形成した凹部又は開口部とを具備し、前記センサ本体は前記凹部又は開口部に架設してあることを特徴とする。【００３５】
本発明の熱伝導率検出用センサにあっては、所定の基板と、該基板の適宜位置に形成した凹部又は開口部とを具備し、前記センサ本体は前記凹部又は開口部に架設してある。【００３６】
凹部にセンサ本体を架設した熱伝導率検出用センサにあっては、被検出物として液体を前記凹部に注入させ、センサ本体の周囲に当該液体を接触させることができる。【００３７】
また、開口部にセンサ本体を架設した熱伝導率検出用センサにあっては、開口部を通して被検出物として気体をセンサ本体の周囲に導入し、当該気体をセンサ本体に接触させることができる。【００３８】
一方、このような凹部又は開口部及びセンサ本体は、基板をエッチングするといったＭＥＭＳ技術によって形成することができる。従って、前述したようにセンサ本体を微小寸法になす場合であっても、当該センサ本体を備える複数の熱伝導率検出用センサを均一に製造することができる。【００３９】
（６）本発明に係る熱伝導率検出用センサは必要に応じて、前記センサ本体の基板の厚さ方向と平行な方向の寸法が略１０ｎｍ以上２６μｍ以下の適宜寸法になしてあることを特徴とする。【００４０】
本発明の熱伝導率検出用センサにあっては、センサ本体の基板の厚さ方向と平行な方向の寸法が略１０ｎｍ以上２６μｍ以下の適宜寸法になしてある。前述したようにセンサ本体の長手方向の寸法は、略１μｍ以上６．９ｍｍ以下の適宜寸法になしてあり、これによって前同様、被検出物中に加熱による対流が発生する前に定常状態における温度を得ることができるのに加え、熱伝導度の検出に支障を来たすことが防止される。また、所要の強度を有するため、容易に取り扱うことができる。【００４１】
（７）更に、本発明に係る熱伝導率検出用センサは必要に応じて、前記凹部又は開口部と該凹部又は開口部に架設したセンサ本体とが複数形成された基板を、任意の凹部又は開口部に架設したセンサ本体を含む複数の部分に分割してなることを特徴とする。【００４２】
本発明の熱伝導率検出用センサにあっては、一枚の基板に前記凹部又は開口部と該凹部又は開口部に架設したセンサ本体とが複数形成されており、かかる基板を任意の凹部又は開口部に架設したセンサ本体を含む複数の部分に分割することによって構成されている。【００４３】
これによって、同一条件で製造された複数の熱伝導率検出用センサが得られるため、検出感度が略均一な熱伝導率検出用センサを得ることができる。従って、それらの一つについて検定を行うことによって、その検定結果を他の熱伝導率検出用センサにも適用することができ、熱伝導率検出用センサの検定操作を可及的に省略することができる。【００４４】
（８）また、本発明に係る熱伝導率検出用センサは必要に応じて、前記基板には、センサ本体の一側に連通する電極部及び前記センサ本体の他側に連通する他の電極部がそれぞれ形成してあり、両電極部にはセンサ本体に電流を通流させるためのリード線、及びセンサ本体に印加された電圧を測定するための他のリード線がそれぞれ接続してあることを特徴とする。【００４５】
本発明の熱伝導率検出用センサにあっては、前述した基板に、センサ本体の一側に連通する電極部及び前記センサ本体の他側に連通する他の電極部がそれぞれ形成してあり、両電極部にはセンサ本体に電流を通流させるためのリード線、及びセンサ本体に印加された電圧を測定するための他のリード線がそれぞれ接続してある。これによって、熱伝導率検出用センサはワンチップに構成される。従って、熱伝導率検出用センサのサイズを小さくすることができ、狭小な箇所にも設置することができる。また、ワンチップの熱伝導率検出用センサにあっては交換作業が容易であるので、故障の際の処置を迅速に行うことができる。
一方、ワンチップの場合、均質な性能の熱伝導率検出用センサを多数製造することも容易に実施することができる。【００４６】
（９）一方、本発明に係る熱伝導率検出装置は、通電加熱する適宜の物質を長尺形状に成形してなるセンサ本体を具備し、導入された被検出物を前記センサ本体によって加熱すべくなしてある熱伝導率検出用センサと、前記センサ本体にて加熱してから一定時間経過後の当該センサ本体の温度に係る情報を取得してセンサ本体の温度を得る温度取得手段と
、得られた温度を用いて前記被検出物の熱伝導率を算出する熱伝導率算出手段とを備える熱伝導率検出装置において、前述したいずれかの熱伝導率検出用センサを備え、前記温度取得手段は、該熱伝導率検出センサに導入された被検出物を前記センサ本体にて加熱してからセンサ本体の温度が略一定となる定常状態に達する所定時間経過後の温度を得るようになしてあることを特徴とする。【００４７】
本発明の熱伝導率検出装置にあっては、前述したいずれかの熱伝導率検出用センサと、センサ本体にて加熱してから所定時間経過後のセンサ本体の温度に係る情報を取得してセンサ本体の温度を得る温度取得手段と、得られた温度を用いて前記被検出物の熱伝導率を算出する熱伝導率算出手段とを備えており、温度取得手段は、該熱伝導率検出センサに導入された被検出物を前記センサ本体にて加熱してからセンサ本体の温度が略一定となる定常状態に達する所定時間経過後の温度を得るようになしてある。【００４８】
これによって、前同様、より少量の被検出物であっても市販の測定速度の機器を適用することができ、装置コストの上昇を可及的に抑制して熱伝導率を検出することができる。
また、熱伝導率検出センサのサイズをより小さくすることができるため、より狭い場所にも設置することができる。【００４９】
（１０）また、本発明に係る熱伝導率検出装置は必要に応じて、前記熱伝導率算出手段には、予め定めた複数種類の被検出物について、当該被検出物を加熱してからセンサ本体の定常状態における温度をそれぞれ得ることによって求められた定常状態における各温度と各熱伝導率との関係が設定してあり、熱伝導率算出手段は、前記温度取得手段によって対象とする被検出物について得られた前記温度を前記関係に適用して、当該被検出物の熱伝導率を求めるようになしてあることを特徴とする。【００５０】
本発明の熱伝導率検出装置にあっては、前述した熱伝導率算出手段には、予め定めた複数種類の被検出物について、当該被検出物を加熱してからセンサ本体の定常状態における温度を得、得られた各温度を用いることによって求められた定常状態における各温度と各熱伝導率との関係が設定してあり、熱伝導率算出手段は、温度取得手段によって対象とする被検出物について得られた定常状態における温度を前記関係に適用して、当該被検出物の熱伝導率を求める。
これによって、対象とする被検出物の熱伝導率を、所要の精度を維持して迅速に得ることができる。【００５１】
一方、予め定めた複数種類の被検出物にあっては、当該被検出物を加熱してからセンサ本体の温度を用いてコンピュータ解析を行うことによって当該被検出物の熱伝導率を算出することができるが、各センサ本体の定常状態における温度を用いるため、解析を単純化することができ、解析に要する時間を短縮することができる。【００５２】
（１１）本発明に係る監視システムは、導入された被検出物の状態を監視する監視システムにおいて、前述したいずれかの熱伝導率検出装置と、該熱伝導率検出装置が検出した熱伝導率と予め設定された閾値とを比較した結果に基づいて、警報信号を出力する警報出力手段とを備えることを特徴とする。【００５３】
本発明の監視システムにあっては、前述したいずれかの熱伝導率検出装置と、警報出力手段とを備え、警報出力手段は、前記熱伝導率検出装置が検出した熱伝導率と予め設定された閾値とを比較した結果に基づいて、警報信号を出力するようになしてある。【００５４】
前述したように監視システムを構成する熱伝導率検出装置はそのサイズをより小さくすることができ、より狭い場所にも設置することができるため、被監視領域の設計を殆ど変
更することなく熱伝導率検出装置を配設することができる。従って、被監視領域の設計の自由度が増すのに加え、既存の被監視領域にも後付けすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る熱伝導率検出用装置の一構成例を示す模式的拡大分解斜視図である。
【図２】図１に示した熱伝導率検出用センサの要部拡大図である。
【図３】熱伝導率検出用センサにおける凹部及びセンサ本体の製造手順の一例を説明する説明図である。
【図４】熱伝導率検出用センサの製造方法を説明する説明図である。
【図５】センサ本体の温度と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る熱伝導率検出用センサおいて、被検出物を水とした場合の上昇温度をコンピュータによって経時的に解析した結果を示すグラフである。
【図７】コンピュータ解析の条件を説明する説明図である。
【図８】センサ本体のアスペクト比とフーリエ数Ｆｏとセンサ本体の無次元平均温度Θaveとの関係を示すグラフである。
【図９】センサ本体のアスペクト比とフーリエ数Ｆｏとセンサ本体の無次元平均温度Θaveとの関係を示すグラフである。
【図１０】被検出物の加熱を開始してからセンサ本体が定常状態に達するまでに要する時間のフーリエ数Ｆｏtとセンサ本体のアスペクト比Ｌとの関係を示すグラフである。
【図１１】センサ本体にて被検出物を加熱してから当該被検出物に加熱による自然対流が発生するまでに要する時間ｔcと、被検出物の加熱を開始してからセンサ本体が定常状態に達するまでに要する時間ｔtとをセンサ本体の厚さ寸法に対してプロットしたグラフである。
【図１２】センサ本体にて被検出物を加熱してから当該被検出物に加熱による自然対流が発生するまでに要する時間ｔcと、被検出物の加熱を開始してからセンサ本体が定常状態に達するまでに要する時間ｔtとをセンサ本体の厚さ寸法に対してプロットしたグラフである。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る使用例を示すブロック図である。
【図１４】図１３の熱伝導率検出装置の要部構成例を示す模式的斜視図である。
【図１５】細線加熱法によって熱伝導率を検出する熱伝導率検出装置の構成を制御系等のブロック図と共に示す模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
１    熱伝導率検出装置
２    熱伝導率検出用センサ
５    電流制御部
６    電圧測定部
７    演算部
１５    リード線
１６    リード線
２０    基板
２１    電極部
２４    凹部
２５    液孔
２６    センサ本体
２７    パッキン部
２８    封止板
【発明を実施するための形態】
【００５７】
（本発明の第１の実施形態）
図１は、本発明に係る熱伝導率検出用装置の一構成例を示す模式的拡大分解斜視図であり、図中、２は熱伝導率検出用センサである。また、図２は図１に示した熱伝導率検出用センサ２の要部拡大図である。なお、本実施形態にあっては、被検出物として液体の熱伝導率を検出すべく構成してある。
【００５８】
図１及び図２に示したように、熱伝導率検出用センサ２は、シリコン製の基板２０を備えており、該基板２０の適宜位置には、被検出物を注入するための凹部２４が形成してある。
【００５９】
凹部２４は平面視が四角形といった適宜の形状をなしており、凹部２４の略中央位置に、白金（Ｐｔ）又は白金を含有する合金といった適宜の金属、又は半導体等、通電加熱する適宜の物質を短冊板状に成形してなるセンサ本体２６が架設してある。
【００６０】
基板２０の表面であって前記センサ本体２６の両側部からはそれぞれ、帯状の電極部２１,２１が延設してある。両電極部２１,２１の適宜位置には、両電極部２１,２１間において互いに対をなすパッド部２２，２２、２３，２３がそれぞれ設けてあり、各パッド部２２，２２、２３，２３にはそれぞれリード線１５，１５、１６，１６の一端が接続してある。そして、一対のパッド部２２，２２に接続されたリード線１５，１５には、電流制御部５を介して電源部４から所定の直流電流が通流されるようになっており、他対のパッド部２３，２３に接続されたリード線１６，１６は、センサ本体２６の電圧を測定する電圧測定部６に接続されている。
【００６１】
ここで、前述したセンサ本体２６の寸法は、センサ本体２６が図２に示したような板状の場合、厚さが略１０ｎｍ以上略５μｍ以下の適宜寸法であり、長さが略１μｍ以上略１ｍｍ以下の適宜寸法が好適である。
また、センサ本体２６は柱状でもよい。この場合、長手方向が略１μｍ以上略１ｍｍ以下の適宜寸法であり、長手方向と直交する所定方向が略１０ｎｍ以上略５μｍ以下の適宜寸法であるのが好適である。
【００６２】
ここで、長手方向と直交する所定方向とは、ＭＥＭＳ技術によりセンサ本体２６を作製する場合の堆積方向を言い、板状又は角柱状の場合は厚さであり、円柱状の場合は直径である。なお、センサ本体２６が板状又は角柱状である場合、幅の下限値は厚さの下限値と同じであり、幅の上限値は長さの上限値と同じである。
【００６３】
センサ本体２６の長手方向の寸法が略１μｍ未満の場合は、加熱量の大部分が被検出物ではなくてセンサ本体２６の両側から基板２０へ流れてしまうという不都合が生じ、センサ本体２６の長手方向の寸法が略１ｍｍを越える場合は、センサ本体２６が定常状態に達するのに長時間を要し、対流が発生する前に定常状態に達することができないという不都合が生じる。また、センサ本体２６の長手方向と直交する所定方向の寸法が略１０ｎｍ未満の場合は、センサ本体２６の強度が不足するという不都合が生じ、センサ本体２６の長手方向と直交する所定方向の寸法が略５μｍを越える場合は、センサ本体２６が定常状態に達するのに長時間を要し、対流が発生する前に定常状態に達することができないという不都合が生じる。
【００６４】
なお、前述した略１μｍ、略１ｍｍ、略１０ｎｍ、略５μｍの各寸法値はそれぞれ、少なくとも１μｍ±０．１μｍ、１ｍｍ±０．１ｍｍ、１０ｎｍ±１ｎｍ、５μｍ±０．５μｍを含んでいる。
【００６５】
更に、センサ本体２６の寸法の上限値について検討したところ後述するように、長手方向と直交する所定方向の寸法である厚さ又は直径が２６μｍ以下、長さが６．９ｍｍ以下であれば前述した要件を満足するという知見を得た。すなわち、センサ本体２６の寸法がこの上限値以下であれば、センサ本体２６によって被検出物を加熱してから、当該被検出物に加熱による対流が発生する前にセンサ本体２６が定常状態に達することができる。
また、更に好適なセンサ本体２６の寸法は、長手方向が略５μｍ以上略５０μｍ以下の適宜寸法であり、長手方向と直交する所定方向が略３０ｎｍ以上略２００ｎｍ以下の適宜寸法である。
【００６６】
センサ本体２６の長手方向の寸法が略５μｍ以上の場合、エッチングによる凹部の作製が比較的容易であるという利点があり、センサ本体２６の長手方向の寸法が略５０μｍ以下の場合、定常状態に達するまでに要する時間が比較的短く、かつ、凹部の深さも略１００μｍ以下でよいという利点がある。また、センサ本体２６の長手方向と直交する所定方向が略３０ｎｍ以上の場合、強度が十分であるという利点があり、センサ本体２６の長手方向と直交する所定方向が略２００ｎｍ以下の場合、定常状態に達するまでに要する時間が比較的短いという利点がある。一方、かかる寸法範囲のセンサ本体２６にあっては、液体の被検出物にも、気体の被検出物にも適用することができる。
【００６７】
一方、センサ本体２６の長手方向と直交する所定方向の寸法と長手方向の寸法との比であるアスペクト比は、１：２０程度から１：２００程度が好適である。更に、アスペクト比は１：２００程度から１：３００程度も適用することができる。
【００６８】
ところで、凹部２４の寸法は、センサ本体２６が十分に浸漬される寸法であり、かつ，被検出物の温度上昇が凹部２４の壁部に到達しない寸法になす。例えば、センサ本体２６の寸法が、略５０ｎｍの厚さであり、略０．５μｍの幅であり、略５μｍの長さである場合、凹部２４の寸法は、略３０μｍの長さであり、略３０μｍの幅であり、略３０μｍの深さになすことができる。ここに示した各寸法例の場合、凹部２４の体積は２７ｐｌである。また、センサ本体２６の寸法を、１０ｎｍの厚さであり、１０ｎｍの幅であり、１μｍの長さになした場合、凹部２４の体積は１ｐｌ程度になすことができる。
【００６９】
センサ本体２６及び凹部２４が上述した寸法であることより、前述した基板２０は、例えば一辺の長さが略１０ｍｍの正方形程度の面積を有していれば十分である。なお、基板２０の形状は正方形に限らず、多角形又は円形等であってもよいことはいうまでもない。
【００７０】
ところで、図２に示したように、基板２０の凹部２４の周囲には、例えばシリコンゴムによって成形した環状のパッキン部２７（周壁部）が基板２０との間で水密状態を保った状態で固定してあり、該パッキン部２７の開口は封止板２８によって封止されている。
【００７１】
一方、前述した凹部２４の底部の適宜位置には液孔２５が、基板２０を貫通する様態で開設してあり、該液孔２５を介して凹部２４内へ被検出物を注入し、又は凹部２４内の被検出物を排出させるようになっている。
【００７２】
なお、凹部２４の底部に、液孔２５とは異なる他の孔を開設しておき、液孔２５を介した被検出物の注入・排出を円滑になすようにしてもよい。また、液孔２５を介して被検出物を注入するのと平行して、かかる他の孔を介して凹部２４内から排気することによって
、表面張力が相対的に大きな被検出物であっても、凹部２４内への注入作業をより円滑に行うことができる。
【００７３】
図３は、前述した熱伝導率検出用センサ２における凹部２４及びセンサ本体２６の製造手順の一例を説明する説明図である。
【００７４】
図３（ａ）に示した如く、シリコン製の基板２０の表面を熱酸化させることによってＳｉＯ2膜３１を形成した後、図３（ｂ）に示した如く、このＳｉＯ2膜３１にレジスト層３２を堆積させる。
【００７５】
図３（ｃ）に示した如く、所定形状の露光用マスクを用いて、センサ本体２６（図２参照）に対応するネガディブなパターンになるようにレジスト層３２を露光し、未露光のレジスト層３２を除去することによって、図３（ｄ）に示した如きレジスト層３２からなるマスクを形成する。
【００７６】
次に、図３（ｅ）に示した如く、蒸着法等によって例えば白金からなる金属層３３を堆積させ、エッチングにてレジスト層３２を除去することによって、図３（ｆ）に示した如く、センサ本体前駆部２６ａを形成する。
【００７７】
図３（ｇ）に示した如く、ＳｉＯ2膜３１及びセンサ本体前駆部２６ａ上にレジスト層３４を堆積させ、所定の露光用マスクを用いて前述した凹部２４（図２参照）に対応するネガディブなパターンになるようにレジスト層３４を露光し、未露光のレジスト層３４を除去することによって、図３（ｈ）に示した如きレジスト層３４からなるマスクを形成する。
【００７８】
そして、図３（ｉ）に示した如く、ＳｉＯ2膜３１及び基板２０の前記レジスト層３４からなるマスクから露出した部分を、厚さ方向及び基板２０の面内方向へエッチングすることによって、センサ本体前駆部２６ａの周囲及びセンサ本体前駆部２６ａの直下のＳｉＯ2膜３１及び基板２０を適宜深さまで除去し、凹部２４及びセンサ本体２６を形成した後、図３（ｊ）に示した如く、レジスト層３４を除去する。
【００７９】
このような凹部２４及びセンサ本体２６は、図４に示したように基板２０上に複数設けておき、またそれぞれについて図２に示したように、電極部２１,２１及びパッド部２２，２２、２３，２３等を形成しておく。そして、基板２０を適宜の位置で切断することによって、基板２０に凹部２４及びセンサ本体２６並びに電極部２１,２１及びパッド部２２，２２、２３，２３を一体的に設けてなる複数の熱伝導率検出用センサ２，２，…を得る。
【００８０】
なお、成膜工程にあっては、ＣＶＤ（Chemical  Vapor Deposition）法、ＰＶＤ（Physical  Vapor Deposition）法又は電鋳法等、膜厚に応じて種々の方法を用いることができる。この場合、ネガティブ型のマスク又はポジティブ型のマスクを用いることができる。
【００８１】
このように、本発明に係る熱伝導率検出用センサ２にあってはＭＥＭＳ（Micro Electro  Mechanical  Systems）技術を用いて作製するため、可及的に均一な複数の熱伝導率検出用センサを得ることができる。
【００８２】
また、熱伝導率検出用センサ２のセンサ本体２６及び凹部２４の寸法が小さいため、微量の被検出物であっても熱伝導率を検出することができる。これによって熱伝導率検出用センサ２の寸法も小さくすることができるため、より狭い所要の場所にも容易に設置する
ことができる。
【００８３】
ところで、予め製造したセンサ本体と基板上に設けた電極部とをボンディング技術を用いて接続させた場合、センサ本体と基板との接続部分の電気抵抗が一定ではないので、複数の熱伝導率検出用センサを製造すべく同様の操作条件でセンサ本体と基板とを接続したとしても、得られた各熱伝導率検出用センサの検出感度に大きなバラツキが生じてしまう。
【００８４】
しかしながら、前述したように基板２０にセンサ本体２６並びに電極部２１,２１及びパッド部２２，２２、２３，２３を一体的に設けた場合、上述したような問題が生じず、同じ条件で製造された複数の熱伝導率検出用センサ２，２，…に生じる検出感度のバラツキを可及的に低減することができる。
【００８５】
従って、同じロットの熱伝導率検出用センサ２，２，…にあっては、代表の熱伝導率検出用センサ２を検定することによって、その検定結果を他の熱伝導率検出用センサ２，２，…に適用することができ、検定操作を大幅に省略することができる。
【００８６】
一方、前述したセンサ本体２６は、電気抵抗の変化によって温度を測定する温度センサとしても機能しており、図１に示したように、センサ本体２６に通流する電流値及びセンサ本体２６の電圧値は、電流制御部５及び電圧測定部６から演算部７に与えられるようになっている。
【００８７】
演算部７にはセンサ本体２６の電気抵抗と温度との関係が予め設定してあり、演算部７は、電流制御部５及び電圧測定部６から与えられた電流値及び電圧値からセンサ本体２６の電気抵抗の値を算出し、得られた値を前記関係に適用してセンサ本体２６の温度を算出する。
【００８８】
更に、演算部７には、図５に示した如きセンサ本体２６の温度と熱伝導率との関係が予め設定されており、前述した如く算出したセンサ本体２６の温度を前記関係に適用することによって、当該被検出物の熱伝導率を求める。
【００８９】
図５は、センサ本体２６の温度と熱伝導率との関係を示すグラフであり、縦軸は無次元の上昇温度に係るΘaveΛを、横軸は無次元熱伝導率Λをそれぞれ示している。
【００９０】
ここで、Θaveは無次元平均温度を表しており、次の（２）式が成立する。
【００９１】
ΘaveΛ＝（Ｔave−Ｔ0）／（ｑvｂ2／λs）        …（２）
但し、ｑvは単位体積当たりの内部発熱量（Ｗ／ｍ3）を表しており、Ｔaveは加熱後のセンサ本体２６の平均温度、Ｔ0はセンサ本体２６の初期温度、ｂは図７に示すように（センサ本体２６の厚さ寸法）／２、λsはセンサ本体２６の熱伝導率をそれぞれ表している。
【００９２】
図５から明らかな如く、上昇温度と熱伝導率との間には１対１の関係が存在しており、センサ本体２６の上昇温度を図５に示したグラフに適用することによって、当該被検出物の熱伝導率を求めることができる。
【００９３】
ところで、このような図５に示したグラフは、熱伝導率が既知の複数種類の被検出物について、センサ本体２６を加熱した際の温度上昇を、次の（３）式から（１２）式を用いたコンピュータ解析によって予め作成してある。また、熱伝導率が既知の複数種類の被検出物について上昇温度をそれぞれ測定し、測定した各上昇温度に対して各熱伝導率をプロ
ットしてもよい。
【００９４】
【数１】
2010035803.tif 000003
【００９５】
なお、αは熱拡散率（ｍ2／ｓ）を表しており、λは熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を表しており、ｓはセンサ本体を、またｆは被検出物を表している。
一方で本発明者らは、次に示すように本発明に係る熱伝導率検出用センサが、数ミリ秒から数秒以下と、対流が発生する前の極短い時間内に定常状態に達するという新たな知見を得た。
【００９６】
そのため、この定常状態に達すると考えられる時間を予め設定しておき、加熱を開始してから設定時間経過後に上昇温度を測定し、得られた上昇温度を用いることにより、前記（３）式の左項を零とすることができ、これによって各被検出物毎の解析に要する時間を大幅に短縮することができたのである。
【００９７】
図６は、本発明に係る熱伝導率検出用センサおいて、被検出物を水とした場合の上昇温度をコンピュータによって経時的に解析した結果を示すグラフであり、縦軸は無次元の温度を、横軸は無次元の時間をそれぞれ示している。なお、実線はセンサ本体の平均温度を、破線はセンサ本体の中心温度を示している。
かかる解析も前記（３）式から（１２）式を用い、有限要素法に従って行った。
【００９８】
具体的には、当該解析は図７に示したように、センサ本体２６の形状を幅方向の寸法たるＸs＝１０、長さ方向の寸法たるＺs＝１００とし、解析領域ＲをＸf＝２２０、Ｙf＝２２０とし、Λ＝１１７．６５、Ａ＝１７５．７１とし、また、Ｘ方向及びＹ方向の最小要素サイズを０．５、Ｚ方向の最小要素サイズを２．５として総要素数９１４３０の系について行った。
【００９９】
図６から明らかな如く、センサ本体の平均温度及び中心温度はいずれの場合も加熱開始とともに急上昇するが、上昇の程度は時間の経過とともに減少し、Ｆ0＝２００００から３００００で略定常状態に達していた。
センサ本体２６の厚さが５０ｎｍの場合、Ｆ0＝３００００の実時間は０．１２８ミリ秒（ｍｓ）であり、かかる短時間内に定常状態に達していることが分かる。
【０１００】
本発明に係るセンサ本体２６にあっては、厚さが略１０ｎｍ以上略５μｍ以下であり、幅が略略１０ｎｍ以上略５μｍ以下であり、長さが略１μｍ以上略１ｍｍ以下であるので、加熱開始後略０．０１ミリ秒から２秒までの時間で定常状態となる。
【０１０１】
従って、センサ本体２６の寸法に応じて、加熱を開始してから０．０１ミリ秒から２秒までの適宜時間後と、被検出物中に対流が発生する前に、センサ本体２６の電流値及び電圧値を測定することによって、定常状態の温度を検出することができる。
【０１０２】
ところで、前述した細線加熱法にあっては、定常状態の温度を検出できるようになる前に被検出物中に対流が発生してしまうため、定常状態に達する前の非定常状態の温度を検出しているのであるが、かかる非定常状態における温度検出を本発明に係る熱伝導率検出用センサに適用した場合、前述した如く非定常状態が極めて短い時間しか維持されないため、市販の測定速度の機器では電圧測定部６（図１参照）に適用することができない。また、測定速度が速い特殊な機器を用いて電圧測定部６を構成することができたとしても、装置コストが嵩むのに加え、非定常状態の温度を用いて解析を行う場合、前述した定常状態でのように（３）式の左項を零とすることができないため、解析に長時間を要していた。
【０１０３】
これに対して本発明に係る熱伝導率検出用センサ２にあっては前述した如く、被検出物中に対流が発生する前に定常状態の温度を測定することができ、また、前述したように加熱を開始してから０．０１ミリ秒から２秒までの適宜時間後と、十分な時間をおいて測定することができるため、市販の機器を電圧測定部６に適用することができ、装置コストを廉価にすることができる上に、解析に要する時間を大幅に短縮することができる。
なお、図２に示した熱伝導率検出用センサ２の被検出物と接触する部分に対して、予め絶縁処理を施しておくことによって、導電性の被検出物にも適用することができる。
【０１０４】
次に、本発明に係るセンサ本体の寸法範囲を更に検討した結果について説明する。
センサ本体の厚さ及び幅又は直径は、所要の構造強度を得るために１０ｎｍ±１ｎｍ以上の寸法が必要であるので、センサ本体の厚さ及び幅又は直径の下限値は１０ｎｍ±１ｎｍである。
【０１０５】
また、センサ本体の長さ寸法をセンサ本体の厚さ寸法で除した値であるアスペクト比Ｌは、前述したようにセンサ本体の構造強度の制限より３００以下であることが好ましい。アスペクト比が３００を超えた場合、所要の構造強度を得ることができないからである。一方、センサ本体から基板への熱損失の制限よりアスペクト比Ｌは１００以上であることが好ましい。アスペクト比Ｌは１００未満である場合、センサ本体から基板への熱損失が大きく、被検出物の熱伝導率の検出に支障を来たす虞があるからである。
【０１０６】
従って、センサ本体の長さの下限値は、前述したセンサ本体の厚さの下限値及びアスペクト比１００より、１μｍ±０．１μｍである。
【０１０７】
なお、センサ本体の長さの下限値を定めるに当たっては、前述したセンサ本体から基板への熱損失の観点よりセンサ本体のアスペクト比を１００程度に設定するのが好適であるが、これ以外の場合にあっては、センサ本体のアスペクト比は前述したように１：２０程度から１：３００程度までの適宜の値に設定することができる。
【０１０８】
一方、センサ本体の上限寸法は次のようにして定める。
すなわち、センサ本体の上限寸法は、当該センサ本体にて被検出物を加熱した場合、被検査物中に加熱による対流が発生する前に、センサ本体の温度が略一定となる定常状態に達するという条件を満足することが必要である。
【０１０９】
センサ本体にて被検出物を加熱してから当該被検出物に加熱による自然対流が発生するまでに要する時間ｔc（以後、単に時間ｔcともいう。）は、次の（１３）式によって表すことができる。
【０１１０】
【数２】
2010035803.tif 000004
ここで加熱源が細線の場合、Ｖ／Ａ＝ｄ／４であるので、（１５）式は次の（１６）式となる。
【０１１１】
【数３】
2010035803.tif 000005
【０１１２】
これを、長手方向に直交する方向の断面形状が矩形であるセンサ本体に適用する場合、センサ本体の加熱相当直径ｄeを用いる。加熱相当直径ｄeは、センサ本体の厚さδ及び幅εδを用いた次の（１７）式で表すことができ、同様にＶ／Ａは次の（１８）式で表すことができるので、前記（１５）式は次の（１９）式で表すことができる。
【０１１３】
【数４】
2010035803.tif 000006
【０１１４】
一方、前記（１４）式は次の（２０）式のように表すことができるので、センサ本体の厚さの半分の値ｂ（ｂ＝δ／２）を代表寸法とするフーリエ数Ｆｏc（以後、単にフーリエ数Ｆｏcともいう。）と前記（１４）式で表されるＦｏc´との関係は次の（２１）式のようになる。
【０１１５】
【数５】
2010035803.tif 000007
【０１１６】
次に、センサ本体の温度変化、及び被検出物の加熱を開始してからセンサ本体が定常状態に達するまでに要する時間について説明する。
センサ本体の無次元平均温度Θaveは次の（２２）式で表すことができる。
【０１１７】
【数６】
2010035803.tif 000008
【０１１８】
一方、フーリエ数Ｆｏは次の（２３）式であるので、被検出物の加熱を開始してからセンサ本体が定常状態に達するまでに要する時間ｔtを用いて表すと次の（２４）式となる。なお、時間ｔtの詳細な定義は、被検出物の加熱を開始してから、センサ本体の無次元平均温度Θaveが定常状態の温度の９９％に達するまでに要する時間とする。
【０１１９】
【数７】
2010035803.tif 000009
【０１２０】
図８及び図９は、センサ本体のアスペクト比とフーリエ数Ｆｏとセンサ本体の無次元平均温度Θaveとの関係を示すグラフであり、図８は、被検出物として水を用いた場合を、図９は被検出物として空気を用いた場合をそれぞれ示している。なお、両図中、（ａ）はセンサ本体のアスペクト比が１００の場合を、（ｂ）はセンサ本体のアスペクト比が２００の場合を、（ｃ）はセンサ本体のアスペクト比が３００の場合をそれぞれ示している。
【０１２１】
これらの結果より、被検出物の加熱を開始してからセンサ本体が定常状態に達するまでに要する時間のフーリエ数Ｆｏt（以後、単にフーリエ数Ｆｏtともいう。）とアスペクト比Ｌとの関係は次のようである。
【０１２２】
図１０は被検出物の加熱を開始してからセンサ本体が定常状態に達するまでに要する時間のフーリエ数Ｆｏtとセンサ本体のアスペクト比Ｌとの関係を示すグラフであり、縦軸はフーリエ数Ｆｏtを、横軸はセンサ本体のアスペクト比Ｌをそれぞれ示している。なお、図中、丸印は被検出物が水である場合を、四角印は被検出物が空気である場合を示している。
この図１０に表示された各フーリエ数Ｆｏtの値を表１に示す。
【０１２３】
ところで、加熱を開始してからセンサ本体の温度が略一定となる定常状態における無次元温度Θst（以後、単に無次元温度Θstともいう。）と、実際の上昇温度ΔＴとの関係は次の（２５）式で表すことができる。
【０１２４】
【数８】
2010035803.tif 000010
【０１２５】
この（２５）式を用いた数値解析によって得られた無次元温度Θstの値を表１に示す。なお、（２５）式中のセンサ本体の上昇温度ΔＴは３Ｋとした。
一方、前記（２５）式より、次の（２６）式が導かれる。
【０１２６】
【数９】
2010035803.tif 000011
【０１２７】
本式はセンサ本体の温度上昇と発熱量との関係を表しており、予め定めたセンサ本体の上昇温度ΔＴを本式に代入して得た単位体積当たりの発熱量、及び前記（１３）式を用いて、センサ本体にて被検出物を加熱してから当該被検出物に加熱による自然対流が発生するまでに要する時間ｔcを求めることができる。
【０１２８】
図１１及び図１２は、センサ本体にて被検出物を加熱してから当該被検出物に加熱による自然対流が発生するまでに要する時間ｔcと、被検出物の加熱を開始してからセンサ本体が定常状態に達するまでに要する時間ｔtとをセンサ本体の厚さ寸法に対してプロットしたグラフであり、図１１は比検出物が水の場合を、また図１２は比検出物が空気の場合をそれぞれ示している。なお、両図中、（ａ）はセンサ本体のアスペクト比が１００の場合を、（ｂ）はセンサ本体のアスペクト比が２００の場合を、（ｃ）はセンサ本体のアスペクト比が３００の場合をそれぞれ示している。また、センサ本体の上昇温度ΔＴは３Ｋであり、εは１０である。
【０１２９】
これらの図１１及び図１２から明らかな如く、各アスペクト比において、時間ｔcに係るグラフと時間ｔtに係るグラフとの交点より短い時間領域において、時間ｔt以上の所定時間経過したときにおけるセンサ本体の温度を得ることによって、センサ本体にて被検出物を加熱してから当該被検出物に加熱による自然対流が発生する前に、センサ本体の温度が略一定となる定常状態における温度を得ることができる。
【０１３０】
かかる条件の限界は、時間ｔt＝時間ｔcであるので、Ｆｏt＝Ｆｏcとなる。
【０１３１】
すなわち、前記（２１）式及び（２４）式より、次の（２７）式が導かれる。本式に前記（１３）式及び（２５）式を代入すると次の（２８）式及び（２９）式を得ることができ、（２９）式に前記（２６）式を代入すると次の（３０）式、当該（３０）式から導かれる（３１）式が得られる。
【０１３２】
【数１０】
2010035803.tif 000012
【０１３３】
これによって、センサ本体の厚さ寸法の上限値を定めることができる。
一方、センサ本体の長さ寸法ｌは次の（３２）式によって求められる。
【０１３４】
ｌ＝Ｌδ      …（３２）
このようにして、センサ本体のアスペクト比の別に定めたセンサ本体の上限寸法を表１に示す。
【０１３５】
【表１】
2010035803.tif 000013
【０１３６】
表１より明らかなように、被検出物が水の場合、センサ本体の厚さ寸法の上限値は１６μｍであり、長さ寸法の上限値は２．４ｍｍである。一方、被検出物が空気の場合、センサ本体の厚さ寸法の上限値は２６μｍであり、長さ寸法の上限値は６．９ｍｍである。
【０１３７】
（本発明の第２の実施形態）
図１３は本発明の第２の実施形態に係る使用例を示すブロック図であり、本発明に係る熱伝導率検出装置を燃料電池駆動システムに適用した場合を示している。なお、本実施形態にあっては、被検出物として気体の熱伝導率を検出すべく構成してある。
【０１３８】
図１３に示した如く、燃料電池駆動システムは、例えば水素ガスを原料として発電を行う燃料電池５２と、該燃料電池５２へ供給する水素ガスを貯蔵するタンク５０と、燃料電池５２によって発電された電力を蓄えるバッテリ５３と、駆動源たるモータ５４とを設けて構成されており、モータ５４の駆動動作は制御装置５１によって制御されるようになっている。
【０１３９】
前述したタンク５０の出側には電磁弁５７を介してガス供給管５８の一端が接続してあり、ガス供給管５８の他端は燃料電池５２に連結してある。電磁弁５７の開閉動作は前記制御装置５１によって制御されるようになっており、制御装置５１の指令によって電磁弁５７が適宜の開度まで開されると、タンク５０内の水素ガスが燃料電池５２内へ供給されて発電が開始され、制御装置５１の指令によって電磁弁５７が閉されると、燃料電池５２内への水素ガスの供給が遮断されて発電が停止される。
【０１４０】
燃料電池５２の発電によって生じた電力は、接点６０を介してモータ５４に与えられるようになっており、モータ５４は与えられた電力によって回転駆動する。前記接点６０にはバッテリ５３からも電力が与えられるようになっており、制御装置５１は接点６０を制御して、モータ５４の始動時又は加速時等、大電力を必要する場合、燃料電池５２からの電力にバッテリ５３からの電力を加えてモータ５４に与えさせる。
【０１４１】
また、燃料電池５２はバッテリ５３にも電力を与えるようになっており、バッテリ５３は与えられた電力を蓄える。このバッテリ５３にはまたモータ５４からも電力が与えられるようになっており、モータ５４は減速時等に発電を行い、発生した電力をバッテリ５３に与えてそこに蓄えさせる。
【０１４２】
一方、前述した燃料電池５２及びタンク５０はそれぞれ上方に配設したカバー部材５９，５９で覆ってあり、水素ガスが漏出した場合、カバー部材５９，５９内に捕集されるようになっている。両カバー部材５９，５９の内部にはそれぞれ、熱伝導率検出装置１，１が配設してあり、熱伝導率検出装置１，１は、所定の時間間隔で周囲ガスの熱伝導率を検出し、検出した熱伝導率を制御装置５１へ与えるようになっている。
【０１４３】
図１４は、図１３の熱伝導率検出装置１の要部構成例を示す模式的斜視図であり、周囲ガスが容易に出入りし得るようになしてある。なお、図中、図２に示した部分に対応する部分には同じ番号が付してある。
【０１４４】
熱伝導率検出装置１は、熱伝導率検出用センサ２ａを具備している。図１４に示したように、熱伝導率検出用センサ２ａの基板２０の適宜位置には、図２に示した如き凹部２４の底部を除去することによって基板２０を貫通する開口部２９が設けてあり、該開口部２９の括れ部には短冊板状のセンサ本体２６が架設してある。なお、基板２０及びセンサ本体２６の寸法は、図２に示した熱伝導率検出用センサ２に係る基板２０及びセンサ本体２６の寸法と同じにすることができる。
【０１４５】
このような熱伝導率検出用センサ２にあっては、開口部２９を通して周囲ガスがセンサ本体２６の周囲に容易に導入されるので、前述した如く所定の時間間隔で熱伝導率検出用センサ２を作動させることによって、周囲ガスの状態を経時的に検出することができる。なお、大気中に水素ガスが混入した場合、熱伝導率は相対的に上昇する。
【０１４６】
前述した制御装置５１（図１３参照）は警報出力手段としても機能している。即ち、制御装置５１には熱伝導率の閾値が予め設定されており、制御装置５１は、熱伝導率検出装置１，１から与えられた検出値をそれぞれ閾値と比較し、いずれかの検出値が閾値より高かった場合、水素ガスが漏出したと判断して警報信号を出力し、警報器５５を作動させて警報を出力させる。
このように、少なくとも熱伝導率検出装置１及び警報出力手段としても機能する制御装置５１によって周囲雰囲気の状態を監視する監視システムが構成されている。
【０１４７】
本発明に係る熱伝導率検出用センサ２ａにあってはその寸法が従来のものに比べて小さいため、非常に狭いスペースであっても容易に設置することができ、無駄な空間が生じないため、燃料電池駆動システムのコンパクト化にも容易に対応することができる。
【０１４８】
一方、前述した如くＭＥＭＳ技術を用いて可及的に均一な複数の熱伝導率検出用センサ２ａ，２ａ，…を製造することができるため、熱伝導率検出用センサ２ａが故障した場合であっても、他の熱伝導率検出用センサ２ａに交換するだけで、熱伝導率検出装置１を容易に修復することができる。
【０１４９】
なお、本実施の形態にあっては、カバー部材５９，５９内に熱伝導率検出装置１，１をそれぞれ配置するようになしてあるが、本発明はこれに限らず、例えばカバー部材５９，５９に二股状になした導入管の一端部をそれぞれ接続しておき、カバー部材５９，５９内の気体を導入管内へ導入するようになすとともに、この導入管の他端部側内に前記熱伝導率検出装置１を配設しておく構成になしてもよい。これによって、熱伝導率検出装置１の設置数を可及的に少なくすることができる。
【０１５０】
また、本実施の形態では、周囲雰囲気の状態を監視するようになした監視システムについて説明したが、本発明はこれに限らず、監視対象液の状態を監視するようになしてもよいことはいうまでもない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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