(57)【要約】【課題】流体と接する面における温度と熱流束とを正確に測定する。【解決手段】測定ヘッドの形状は円筒形であり、この上面が伝熱面であり、断熱壁２０の存在によってこの円周方向には断熱条件が成立している。この温度・熱流束測定装置によって、伝熱面１１において流体９０と接する複数の位置Ｐ１〜Ｐｎにおける温度Ｔｗ（Ｔｗ１〜Ｔｗｎ）、及び熱流束（熱流）ｑｗ１〜ｑｗｎがそれぞれ算出される。ただし、これらの値はこの測定ヘッドによって直接計測されず、直接計測される量は、Ｐ１〜Ｐｎ直下の測定ヘッド１０の表面（伝熱面１１）からｈ１の深さにおける温度Ｔ１（Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ）と、同じくｈ２の深さ（ｈ２＞ｈ１）における温度Ｔ２（Ｔ２，１〜Ｔ２，ｎ）である。Ｔｗ１〜Ｔｗｎ、ｑｗ１〜ｑｗｎは、実測されたＴ１，１〜Ｔ１，ｎ、及びＴ２，１〜Ｔ２，ｎから２次元熱伝導の逆問題解析によって演算部によって算出される。【選択図】図１
2011017669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱面が物体と接するように設置された際の前記伝熱面上における温度及び熱流束を測定する温度・熱流束測定装置であって、
平坦である前記伝熱面を上面とし、前記伝熱面から伝熱層を介した２種類の異なる深さにおいて、温度測定素子が線状に配列された第１及び第２の温度測定素子群がそれぞれ形成された構成を具備する測定ヘッドと、
前記第１及び第２の温度測定素子群の出力より、２次元熱伝導逆問題解析を用いて前記伝熱面上における温度及び熱流束を算出する演算部と、
を具備することを特徴とする温度・熱流束測定装置。
【請求項２】
前記測定ヘッドにおける前記伝熱面の周囲に断熱壁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の温度・熱流束測定装置。
【請求項３】
前記温度測定素子は熱電対であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度・熱流束測定装置。
【請求項４】
前記測定ヘッドにおいて、
前記第１又は第２の温度測定素子群における温度測定素子は、前記測定ヘッド内に設けられた複数の配線からなる配線群と、前記伝熱面を構成する金属層との接点で構成され、
前記第１又は第２の温度測定素子群の出力は、前記各配線毎に接続された端子と、前記金属層に接続された共通の端子と、から取り出されることを特徴とする請求項３に記載の温度・熱流束測定装置。
【請求項５】
前記金属層における前記配線群と接する箇所は銅で構成され、前記配線はコンスタンタンで構成されることを特徴とする請求項４に記載の温度・熱流束測定装置。
【請求項６】
前記金属層は、前記配線群と接する側の面を銅とした積層構造であることを特徴とする請求項５に記載の温度・熱流束測定装置。
【請求項７】
前記物体は流体であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の温度・熱流束測定装置。
【請求項８】
測定ヘッドの平坦な伝熱面を物体に接するように設置し、前記伝熱面上における温度を測定する温度測定方法であって、
前記測定ヘッド内の、前記伝熱面から伝熱層を介した２種類の異なる深さにおいてそれぞれｎ（ｎ＞１）箇所の温度を測定し、
２次元熱伝導逆問題解析を用い、前記２種類の異なる深さにおけるそれぞれｎ箇所の温度より、前記伝熱面上におけるｎ箇所の温度を算出することを特徴とする温度測定方法。
【請求項９】
測定ヘッドの平坦な伝熱面を物体に接するように設置し、前記伝熱面上における熱流束を測定する熱流束測定方法であって、
前記測定ヘッド内の、前記伝熱面から伝熱層を介した２種類の異なる深さにおいてそれぞれｎ（ｎ＞１）箇所の温度を測定し、
２次元熱伝導逆問題解析を用い、前記２種類の異なる深さにおけるそれぞれｎ箇所の温度より、前記伝熱面上におけるｎ箇所の熱流束を算出することを特徴とする熱流束測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体と接した面における温度及び熱流束（熱流）を測定する温度・熱流束測定装置に関する。また、この面に対する温度測定方法、熱流束測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料の温度を測定するためには、例えば熱電対を用いた温度計が用いられており、これを試料表面に接触させることによってその温度を測定することができる。また、試料の温度を測定するだけではなく、試料のある箇所における熱流束を測定することが必要な場合も多く、この場合には、熱流束計が用いられる。熱流束計においては、試料における温度差と熱伝導率とから、熱流束（熱流）を測定する。
【０００３】
温度と熱流束とを同時に測定する装置の一例は、例えば特許文献１に記載されている。この装置においては、基板の面上に温度測定素子（熱抵抗素子、熱電対等）を配列した上に絶縁層を形成した構成を、基板の表裏両面に具備する。各々の絶縁層表面には、温度測定素子に直結させた測定パターンが突出して設けられる。
【０００４】
この装置は、半導体チップ等における温度と熱流束を測定するのに用いられる。その際には、この装置における一方の面を試料（半導体チップ）に接触させる。これによって、この面に設けられた測定パターンが試料に接し、その温度が温度測定素子によって検出され、測定パターン（温度測定素子）が２次元アレイとされているため、温度分布を測定することができる。また、この温度分布より、基板面と平行な方向の熱流束を計測することができる。一方、他方の面に設けられた測定パターンは試料と接することはないが、この測定パターンの温度から、基板面と垂直な方向の熱流束を計測することができる。
【０００５】
また、この装置においては、基板として可撓性のある軟性フィルム等を用いることにより、試料の形状に応じて基板を変形させて測定パターンを試料に密着させることができる。従って、試料の形状によらずに正確な測定が可能である。従って、この温度・熱流束測定装置は、半導体チップのような、定形性がある発熱体を被測定試料とした測定に適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２０８２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
温度や熱流束を測定する試料としては、様々なものがある。例えば、冷却水（沸騰水）が流れる配管表面における温度と熱流束のデータを得ることは、配管の設計上非常に重要である。こうした場合には、冷却水に接する配管の表面に温度計や熱流束計を設置することにより、形式的には温度や熱流束の測定は可能である。例えば、特許文献１に記載の装置の場合においては、測定パターンが形成された面を配管の表面に設置すればよい。
【０００８】
ところが、この表面の温度や熱流束は、冷却水自身の流れの影響を強く受ける。特許文献１に記載の測定装置においては、測定パターンが表面から突出しているため、この流れに影響を与えることは明らかである。また、特に冷却水の場合には、沸騰によって気泡が発生・移動し、これによって表面の温度や熱流束は影響を受けるが、この気泡の運動はこの測定パターンの影響を強く受ける。従って、特許文献１に記載の測定装置によって形式的には温度や熱流束を計測することはできるものの、測定された温度や熱流束の値はこの測定装置がない場合とは大きく異なり、実際の表面におけるこれらの値を正確に反映したものとはならなかった。
【０００９】
従って、流体と接する面における温度と熱流束とを正確に測定することは困難であった。
【００１０】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の温度・熱流束測定装置は、伝熱面が物体と接するように設置された際の前記伝熱面上における温度及び熱流束を測定する温度・熱流束測定装置であって、平坦である前記伝熱面を上面とし、前記伝熱面から伝熱層を介した２種類の異なる深さにおいて、温度測定素子が線状に配列された第１及び第２の温度測定素子群がそれぞれ形成された構成を具備する測定ヘッドと、前記第１及び第２の温度測定素子群の出力より、２次元熱伝導逆問題解析を用いて前記伝熱面上における温度及び熱流束を算出する演算部と、を具備することを特徴とする。
本発明の温度・熱流束測定装置において、前記測定ヘッドにおける前記伝熱面の周囲に断熱壁が設けられていることを特徴とする。
本発明の温度・熱流束測定装置において、前記温度測定素子は熱電対であることを特徴とする。
本発明の温度・熱流束測定装置は、前記測定ヘッドにおいて、前記第１又は第２の温度測定素子群における温度測定素子は、前記測定ヘッド内に設けられた複数の配線からなる配線群と、前記伝熱面を構成する金属層との接点で構成され、前記第１又は第２の温度測定素子群の出力は、前記各配線毎に接続された端子と、前記金属層に接続された共通の端子と、から取り出されることを特徴とする。
本発明の温度・熱流束測定装置において、前記金属層における前記配線群と接する箇所は銅で構成され、前記配線はコンスタンタンで構成されることを特徴とする。
本発明の温度・熱流束測定装置において、前記金属層は、前記配線群と接する側の面を銅とした積層構造であることを特徴とする。
本発明の温度・熱流束測定装置において、前記物体は流体であることを特徴とする。
本発明の温度測定方法は、測定ヘッドの平坦な伝熱面を物体に接するように設置し、前記伝熱面上における温度を測定する温度測定方法であって、前記測定ヘッド内の、前記伝熱面から伝熱層を介した２種類の異なる深さにおいてそれぞれｎ（ｎ＞１）箇所の温度を測定し、２次元熱伝導逆問題解析を用い、前記２種類の異なる深さにおけるそれぞれｎ箇所の温度より、前記伝熱面上におけるｎ箇所の温度を算出することを特徴とする。
本発明の熱流束測定方法は、測定ヘッドの平坦な伝熱面を物体に接するように設置し、前記伝熱面上における熱流束を測定する熱流束測定方法であって、前記測定ヘッド内の、前記伝熱面から伝熱層を介した２種類の異なる深さにおいてそれぞれｎ（ｎ＞１）箇所の温度を測定し、２次元熱伝導逆問題解析を用い、前記２種類の異なる深さにおけるそれぞれｎ箇所の温度より、前記伝熱面上におけるｎ箇所の熱流束を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は以上のように構成されているので、流体と接する面における温度と熱流束とを正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る温度・熱流束測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る温度・熱流束測定装置における温度・熱流束を算出する点と温度を実測する点との関係（ａ）、測定ヘッドの構成を示す図（ｂ）である。
【図３】測定ヘッドの伝熱面付近の断面図である。
【図４】測定ヘッドにおいて用いられるコンスタンタン線の構造を示す断面図である。
【図５】測定ヘッドにおける伝熱体の上面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図６】測定ヘッドの製造方法を示す工程断面図である。
【図７】実施例の構成を示す図である。
【図８】実測されたＴ１、Ｔ２の時間変化を示す図である。
【図９】算出されたＴｗ（温度）、ｑｗ（熱流束）の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態に係る温度・熱流束測定装置について説明する。図１は、この温度・熱流束測定装置１の構成の概要を示す図である。この温度・熱流束測定装置１においては、測定ヘッド１０における平坦な伝熱面１１が流体（物体）９０に接して設けられる。ここで、流体９０は配管壁９１上を流れ、この配管壁９１表面（被測定面９２）の温度・熱流束がこの温度・熱流束測定装置１によって測定される対象である。従って、伝熱面１１は配管壁９１表面と同一平面をなすように、あるいは、流体９０中の流れに影響を与えるような大きな段差がこれらの間で形成されないように設置され、伝熱面１１上の温度・熱流束が被測定面９２の温度・熱流束となる。伝熱面１１上における流体９０と接する各点（図１中×印）が温度、熱流束が測定される測定点であるが、この測定ヘッドにおいては、この箇所の温度は直接測定されず、伝熱面１１から伝熱層を介してｈ１だけ下側の深さの箇所の温度と、同じくｈ２だけ下側（ｈ２＞ｈ１）の深さの温度とが温度測定素子によって直接測定される。どちらの深さにおいても、温度測定素子は線状に配列される。
【００１５】
ここでは、温度測定素子としては熱電対が用いられる。具体的には、測定ヘッド１０内に、熱電対の配列（温度測定素子群：熱電対群）が２層形成され、１層目（第１の熱電対群（温度測定素子群）１２）は伝熱面１１から深さｈ１の箇所に設置され、２層目（第２の熱電対群（温度測定素子群）１３）は伝熱面１１から深さｈ２の箇所に設置される。測定ヘッド１０（伝熱面１１）の周囲には、断熱材で構成された断熱壁２０が設けられている。第１の熱電対群１２の出力（計測された温度Ｔ１に対応）と、第２の熱電対群１３の出力（計測された温度Ｔ２に対応）は、アンプ３０によって増幅され、その時刻毎のデータがデータ記憶部４０で記憶される。演算部５０はこのデータ（Ｔ１、Ｔ２）を読み出し、２次元熱伝導逆問題解析を行い、伝熱面における温度Ｔｗと熱流束（熱流）ｑｗを算出する。データ記憶部４０は例えばハードディスクで構成され、演算部５０は例えばパーソナルコンピュータ（あるいはＣＰＵ）である。
【００１６】
この温度・熱流束測定装置１において用いられる測定ヘッド１０の構成を図２に示す。図２（ａ）は、この測定ヘッド１０によって温度及び熱流束が算出される点と、温度Ｔ１、Ｔ２が実測される点の位置関係を示す図である。測定ヘッド１０の形状は円筒形であり、この上面が伝熱面１１であり、断熱壁２０の存在によってこの円周方向には断熱条件が成立している。この温度・熱流束測定装置１によって、伝熱面１１において流体９０と接する複数の位置Ｐ１〜Ｐｎにおける温度Ｔｗ（Ｔｗ１〜Ｔｗｎ）、及び熱流束（熱流）ｑｗ１〜ｑｗｎがそれぞれ算出される。ここで、熱流束（熱流）とは、単位時間に単位面積を通過する熱エネルギーであり、例えばＷ／ｍ２等で表される量である。ただし、これらの値はこの測定ヘッド１０によって直接計測されず、直接計測される量は、Ｐ１〜Ｐｎ直下の測定ヘッド１０の表面（伝熱面）からｈ１の深さにおける温度Ｔ１（Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ）と、同じくｈ２の深さ（ｈ２＞ｈ１）における温度Ｔ２（Ｔ２，１〜Ｔ２，ｎ）である。Ｔｗ１〜Ｔｗｎ、ｑｗ１〜ｑｗｎは、実測されたＴ１，１〜Ｔ１，ｎ、及びＴ２，１〜Ｔ２，ｎから２次元熱伝導の逆問題解析によって演算部５０によって算出される。
【００１７】
ここで、流体（物体）９０としては、水等が得に好ましく用いられる。ただし、流体９０の代わりに定形性のある固体を用いた場合であっても同様の測定は可能である。
【００１８】
図２（ｂ）は、この温度・熱流束測定装置１において用いられる測定ヘッド１０の構成の概要を示す断面図である。この測定ヘッド１０においては、上記のＴ１，１〜Ｔ１，ｎを測定するｎ個の熱電対（第１の熱電対群１２）が、表面に形成された厚さｈ１の金属層（表側金属層１４）直下に配列して形成されている。また、表側金属層１４が形成された側と反対側の面（裏面）においても、同様の構造を具備し、ｎ個の熱電対（第２の熱電対群１３）が、裏側金属層１５直下（図２（ｂ）中では直上）に形成されている。各熱電対は、各々に対応したコンスタンタン線１６と、表側及び裏側金属層１４、１５を構成する銅とから構成される。各コンスタンタン線１６は、伝熱体１７中に設置されており、各々から配線が取り出される。なお、伝熱体１７と表側金属層１４、裏側金属層１５との間に銅めっき層７０が形成されている。以上の構成により、第１の熱電対群１２には表側金属層１４を伝熱層として、第２の熱電対群１３には表側金属層１４と伝熱体１７及び銅めっき層７０を伝熱層として、流体９０と接する伝熱面１１から熱が伝導する。
【００１９】
図２（ｂ）における破線で囲まれた領域を拡大した詳細な構造の断面図が、図３である。伝熱体１７中に、ｎ本のコンスタンタン線１６（配線群）が埋め込まれ、各コンスタンタン線１６の一端は、銅めっき層７０を貫通して銅めっき層７０の表面（上面）に達し、その上に表側金属層１４が全面にわたり形成される。表側金属層１４は、表側銅層（銅層）１４１と表側金層（金層）１４２との積層構造であり、表側銅層１４１が各コンスタンタン線１６の一端に接するように形成される。これらの接点が各々熱電対となって機能する。表側金層１４２は、表側銅層１４１の全面にわたり一様に形成される。従って、各熱電対における一方の端子ＣＭ１は共通して表側金属層１４（表側銅層１４１）に接続され、他方の端子（Ｖ１，１〜Ｖ１，ｎ）は、各コンスタンタン線１６毎に取り出される。伝熱体１７とショートしないように、各コンスタンタン線１６の表面には、絶縁層１８が形成されている。第１の熱電対群１２における各熱電対の出力は、これらの端子から取り出され、この出力はアンプ３０に入力する。この出力電圧は、コンスタンタンと銅の熱電対における換算式を用いて各熱電対の温度（Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ）に変換される。
【００２０】
ここで、伝熱体１７は、この測定ヘッド１０の基材となり、高い熱伝導率をもつ銅で構成される。その形状は適宜設定されるが、ここでは図２（ａ）に示されるような円筒形とする。その厚さ（円筒形における高さ）は、上記のｈ２に関連して適宜設定される。
【００２１】
表側金属層１４の厚さは、表側銅層１４１と表側金層１４２の合計で３μｍ程度とされる。表側銅層１４１はコンスタンタン線１６との組み合わせで熱電対を構成し、かつ、伝熱面１１の温度をこの熱電対まで伝達する。表側金層１４２は、酸化しやすい表側銅層１４１の表面を保護するために形成される。ただし、充分な時間分解能で温度や熱流束を正確に計測するためには、表側金属層１４の厚さは薄いことが好ましい。なお、銅の酸化が問題にならない雰囲気中で使用される場合には、表側金層１４２は必ずしも必要ない。
【００２２】
この測定ヘッド１０の下側の面においても、図３と上下対称な構造が設けられている。すなわち、端子Ｖ２，１〜Ｖ２，ｎに対応してｎ本の絶縁層１８が表面に形成されたコンスタンタン線１６が伝熱体１７中に設置され、その一端が銅めっき層７０の裏面（下側の面）上に達し、これを覆うように裏側金属層１５（裏面銅層１５１、裏側金層１５２）が形成される。従って、第２の熱電対群１３における各熱電対の出力は、図２（ｂ）におけるＣＭ２とＶ２，１〜Ｖ２，ｎ間から取り出され、第１の熱電対群１２と同様にＴ２，１〜Ｔ２，ｎに変換される。
【００２３】
従って、上記の構成により、温度と熱流束とを計測すべき点Ｐ１〜Ｐｎ直下の深さｈ１の温度Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ、同じく深さｈ２（ｈ２＞ｈ１）の温度Ｔ２，１〜Ｔ２，ｎが測定できる。
【００２４】
Ｐ１〜Ｐｎにおける伝熱面１１の温度Ｔｗ１〜Ｔｗｎ、熱流束ｑｗ１〜ｑｗｎは、演算部５０を用いて、Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ、Ｔ２，１〜Ｔ２，ｎから、いわゆる熱伝導の２次元逆問題解析によって求められる。これは、通常の熱伝導の解析において、Ｐ１〜Ｐｎの点の温度と熱流束からその直下のある深さの温度を求めることができるのに対応して、深さｈ１とｈ２の箇所の温度（分布）からＰ１〜Ｐｎの点の温度、熱流束（分布）を求める手法である。
【００２５】
この手法は、例えばＰ．Ｌ．Ｗｏｏｄｆｉｅｌｄ、Ｍ．Ｍｏｎｄｅ、ａｎｄ  Ｙ．Ｍｉｔｓｕｔａｋｅ、”Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｎ  ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｉｎｖｅｒｓｅ  ｈｅａｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｔｏ  ｐｒａｃｔｉｃａｌ  ｐｒｏｂｌｅｍｓ”、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  ａｎｄ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ”、２００６年、ｖｏｌ．４９、ｐ１８７に記載されている。ここでは、円柱座標系での非定常状態の熱伝導方程式（１）式をラプラス変換によって解き、Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ、Ｔ２，１〜Ｔ２，ｎを与えることによって、Ｐ１〜Ｐｎにおける温度Ｔｗ１〜Ｔｗｎ、及び熱流束（熱流）ｑｗ１〜ｑｗｎを求める手法が記載されている。ここで、ａは伝熱体１７の熱伝導率である。その結果、測定前の測定ヘッド１０の温度がＴ０で一様であるとし、伝熱体１７端部で断熱条件が成立する場合には、伝熱面における温度Ｔｗ（ｒ、ｔ）と熱流束ｑｗ（ｒ、ｔ）は、（２）式、（３）式で表される。ここで、ｒは、図２（ａ）に示されるとおり、円柱座標の半径に対応する軸であり、Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ、Ｔ２，１〜Ｔ２，ｎにおける１〜ｎに対応する。ｔは時間であり、ｔ＝０の時の温度をＴ０としている。ここで、この多項式は時間ｔ（ｔｋ／２）に関してはＮｋ次までを用いて近似し、Ｊ０に関してはＮｊまでを用いて近似している。
【００２６】
【数１】
2011017669.tif 000003
【００２７】
【数２】
2011017669.tif 000004
【００２８】
【数３】
2011017669.tif 000005
【００２９】
ここで、Ｊ０（ｘ）は０次の第１種ベッセル関数、ｍｊはｊ×πである。Ｒは想定する円筒（伝熱体１７）の半径であり、ｒ＝０とｒ＝Ｒで∂Ｔ／∂ｒ＝０（断熱条件）と仮定している。Γ（ｘ）はガンマ関数である。Ｇｊ，ｋ（１２）、Ｇｊ，ｋ（２１）、Ｈｊ，ｋ（１２）、Ｈｊ，ｋ（２１）は定数である。
【００３０】
この測定ヘッド１０の内部で実測された温度は１層目（深さｈ１）でＦ１（ｒ、ｔ）、２層目（深さｈ２）でＦ２（ｒ、ｔ）としてそれぞれｔ１／２の多項式で近似されるとすると、これらは、（４）式で表すことができる。
【００３１】
【数４】
2011017669.tif 000006
【００３２】
ここで、（４）式におけるＤｊ,ｋ（ｎ）は定数であるが、これらは実測のＴ１，１〜Ｔ１，ｎ、Ｔ２，１〜Ｔ２，ｎを用いてフィッティングにより求めることができる。（４）式は測定ヘッド１０内部における式であり、（２）（３）式は測定ヘッド１０の表面（伝熱面１１）において成立する式であるが、温度の連続性を考慮することにより、上記のＧｊ，ｋ（１２）、Ｇｊ，ｋ（２１）、Ｈｊ，ｋ（１２）、Ｈｊ，ｋ（２１）を算出することができ、結局、（２）（３）式を用いて伝熱面１１における温度Ｔｗ１〜Ｔｗｎ、熱流束ｑｗ１〜ｑｗｎを算出することができる。従って、上記の方法によって演算部５０は温度Ｔｗ１〜Ｔｗｎ、熱流束ｑｗ１〜ｑｗｎを算出し、この温度・熱流束測定装置の出力とする。
【００３３】
なお、上記の逆問題解析方法は一例であり、これ以外の方法を用いてＴｗ１〜Ｔｗｎ、ｑｗ１〜ｑｗｎを算出することもできる。例えば、測定ヘッド１０（伝熱体１７）の形状を円筒形ではなく、他の形状（直方体）等とした場合には、それに応じて上記の式は変更され、この変更された式、あるいは近似式を用いて同様にＴｗ１〜Ｔｗｎ、ｑｗ１〜ｑｗｎが算出される。あるいは、図２（ａ）に示されたように、上記の場合には、断熱壁２０を用いることにより、ｒ＝Ｒで断熱条件となる境界条件を採用したが、この境界条件も適宜設定でき、これに応じてＴｗ、ｑｗを算出するために用いられる式は異なる。
【００３４】
この際、上記の構成の測定ヘッド１０を用いた場合、流体９０と接するのは平坦な伝熱面１１（表側金属層１４）である。従って、流体９０が水等の流体である場合に、その流れを阻害することがなく、測定ヘッド１０自身の存在が、被測定面９２上の温度や熱流束に与える影響は少ない。従って、温度、熱流束の正確な測定を行うことができる。
【００３５】
また、各熱電対における一方の電極を共通化して表側金属層１４（表側銅層１４１）、裏側金属層１５（裏側銅層１５１）としているため、熱電対の配列を構成することが容易にできる。この温度・熱流束測定装置１における温度、熱流束測定の位置分解能は、測定点Ｐ１〜Ｐｎの間隔によって決まる。上記の構造においては、以下に示す製造方法によって、この間隔を小さくすることが容易にできる。従って、温度・熱流束測定を高い位置分解能で行うことができる。
【００３６】
また、図１の構成により、時刻毎のＴ１，１〜Ｔ１，ｎ、Ｔ２，１〜Ｔ２，ｎをデータ記憶部４０で記憶し、時刻毎のＴｗ１〜Ｔｗｎ、ｑｗ１〜ｑｗｎを算出することができる。従って、高い時間分解能で被測定面９２（流体９０と接する表面）の温度・熱流束を測定することができ、被測定面９２が非定常状態にあっても被測定面９２の温度、熱流束を測定することもできる。
【００３７】
次に、この温度・測定ヘッド１０の製造方法について説明する。
【００３８】
まず、図４に示すような、表面に絶縁層１８が形成されたコンスタンタン線１６を準備する。コンスタンタン線１６の外径は例えば７６μｍφ程度とする。測定の時間分解能を向上させるためには、細いコンスタンタン線１６を用いることが好ましい。絶縁層１８は、電気的絶縁性をもち、コンスタンタン線１６を折り曲げても剥離・破損しないものであれば任意である。ただし、測定される温度が高温である場合には、高温にも耐えうる材料として、テフロン（登録商標）やポリイミドを用いることができる。
【００３９】
伝熱体１７となる銅のブロックは、例えば１０ｍｍφ、厚さ４ｍｍとする。図５（ａ）にその平面図、図５（ｂ）にそのＡ−Ａ方向の断面図を示すように、その表面（伝熱面１１側）に、測定間隔（Ｐ１〜Ｐｎの間隔）に対応した間隔、例えば０．５ｍｍで複数の溝７１を形成する。溝７１の幅、深さは、絶縁層１８が表面に形成されたコンスタンタン線１６が収容できる程度とし、例えば幅は９０μｍ、深さは１２０μｍとする。溝７１の数はｎであり、例えばｎ＝１０程度である。この溝７１の一端は、伝熱体１７の表面の中心線Ａ−Ａの箇所よりもコンスタンタン線１６の径に応じた距離だけ図５（ａ）中の下側となっており、他端は伝熱体１７の側面にまで達している。この配列はＡ−Ａと直交する中心線Ｂ−Ｂよりも右側に設けられる。なお、図５（ｂ）に示されるように、裏面側においても、表面側と対称に溝７１が形成される。
【００４０】
次に、溝７１の形成以降についての工程を図６の断面図で説明する。ただし、以下においては、この製造方法を図３、５（ｂ）における上面側について説明するが、下面側についても同様である。図５（ａ）における溝７１のＡ−Ａ方向（溝７１の長手方向に垂直な方向）の断面図が図６（ａ１）であり、同じくＣ−Ｃ方向（溝７１の長手方向）の断面図が図６（ａ２）である。各図における図５（ａ）中のＡ−Ａ方向、Ｃ−Ｃ方向に対応した箇所が図中にそれぞれＡ、Ｃとして示してある。なお、以下においては、例えば図６（ｂ１）（ｃ１）等は図６（ａ１）と同じ箇所の断面を示し、  図６（ｂ２）（ｃ２）等は図６（ａ２）と同じ箇所の断面を示す。
【００４１】
この溝７１各々の中に、溝７１に沿った形態で、表面に絶縁層１８が形成されたコンスタンタン線１６をかしめて仮固定する。ただし、溝７１の一端（図５における伝熱体１７の中心側）においてはその向きが上方に向かって９０°屈曲した形状とされる。この形態を図６（ｂ１）（ｂ２）に示す。伝熱体１７の表面（伝熱面１１）近くでは、この面とコンスタンタン線１６とが垂直な形態となり、表面に絶縁層１８が形成されたコンスタンタン線１６の一端は、伝熱体１７の表面から突出する。
【００４２】
この状態で、銅めっきを行う。銅めっき厚は例えば０．７ｍｍ程度の厚さとする。その結果、図６（ｃ１）（ｃ２）に示すように、伝熱体１７の表面に銅めっき層７０が形成されると共に、絶縁層１８が表面に形成されたコンスタンタン線１６は銅めっき層７０によって固定される。
【００４３】
その後、突出したコンスタンタン線１６等をカッター等で切断した上で、研磨を行い、銅めっき層７０表面を平坦化する。その結果、図６（ｄ１）（ｄ２）の形状となる。この際の銅めっき層７０の残膜厚は、この平坦化が行える限りにおいて適宜設定することができるが、いずれの場合でも、銅めっき層７０と伝熱体１７とは一体化された銅のブロックとなる。また、この状態で、各コンスタンタン線１６が銅めっき層７０の表面に現れた位置が各熱電対の位置となる。この位置は光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いて正確な測定が可能であり、測定された正確な位置のデータを前記の逆問題解析の際に用いることにより、温度、熱流束のより正確な算出が可能である。
【００４４】
次に、この状態で、表側銅層１４１を、例えばスパッタ法等によって全面に成膜する。その膜厚は例えば１．８μｍ程度とされる（図６（ｅ１）（ｅ２））。次に、表側金層１４２を、同様にスパッタ法等によって全面に成膜する。その膜厚は例えば１．２μｍ程度とされる（図６（ｆ１）（ｆ２））。以上により、図２の断面形状の測定ヘッド１０が得られる。なお、図示を省略しているが、表側金層１４２と表側銅層１４１との間には、これらの間の分子拡散によって銅膜及び金膜の変質を抑制するために、例えば０．１μｍ程度の厚さのチタン層等を挿入することが好ましい。
【００４５】
この製造方法によれば、表側金属層１４を３μｍ程度と充分に薄くし、かつコンスタンタン線１６等を伝熱体１７中に強固に固定することができる。従って、精密な温度・熱流束の計測が可能である。また、温度測定の時間分解能や位置分解能を高めるためには熱電対を構成するコンスタンタン線１６を細くすることが必要であるが、１００μｍ以下の細いコンスタンタン線１６を用いた場合でも上記の製造方法を実施することは容易である。
【００４６】
なお、上記においては、この測定ヘッド１０の表面側を製造する工程につき説明したが、裏面側についても同様であり、裏面側についても上記と同様の工程を行えばよい。ただし、銅めっきを行う工程（図６（ｃ１）（ｃ２））については、表面側と裏面側で共通して行うことができる。
【００４７】
なお、上記の製造方法は一例であり、図２、３の構成の測定ヘッド１０を製造できる限りにおいて、その製造方法は任意である。また、熱電対の種類は、被測定面９２の温度に応じて適宜設定することができ、これに応じて表側銅層１４１、裏側銅層１５１、コンスタンタン線１６、伝熱体１７、及び銅めっき層７０を、他の材料で構成されたものに置換すればよい。
【００４８】
なお、上記の例では、温度・熱流束測定装置における温度測定素子を熱電対とした場合の構造について説明した。しかしながら、熱電対以外でも、伝熱体中に配列して設置することのできる温度測定素子であれば、同様に使用することができる。第１の熱電対群１２と第２の熱電対群１３における熱電対の数も２以上であれば任意である。また、第１の熱電対群１２と第２の熱電対群１３とは平行となる構成としたが、必ずしも平行である必要はなく、熱伝導の２次元逆問題解析が適用できる限りにおいて任意である。
【００４９】
また、上記の例では、伝熱面１１が平面であるとしたが、ここでいう平面とは、流体９０の流れに影響を与える凹凸のない形状をもつ面である。
【００５０】
（実施例）
実際に、上記の構成の温度・熱流束測定装置を用い、沸騰を起こしている伝熱面表面における温度及び熱流束を測定した。この測定を行った際の構成を図７に示す。容器２００中に水２１０が投入され、水２１０の温度は、その中に投入された投げ込みヒータ２２０によって飽和温度である１００℃に調節され、維持された。また、容器２００の底面２０１側にはヒーター容器２３０が固定され、その中にはヒーター伝熱体２３１が固定された。ここで、図示されるように、実験の都合上ヒーター容器２３０は容器２００の底面２０１と一体化されている。ヒーター伝熱体２３１中には穴が開けられ、その中にカートリッジヒーター２３２が挿入されており、カートリッジヒーター２３２は、通電されることによって発熱する。ヒーター伝熱体２３１の上部には前記の測定ヘッド１０が熱伝導性の高い高温用接着剤を用いて固定され、伝熱面１１が底面２０１と同一平面となるように設置される。前記の通り、測定ヘッド１０の周囲には断熱壁２０が形成されている。また、カートリッジヒーター２３２からの上方向以外への熱伝導を抑制するため、ヒーター伝熱体２３１の周りにもヒーター断熱体２３３が形成されている。また、水２１０が沸騰した状況を観察するために、容器２００の側面に形成された窓を通して伝熱面１１を観察することのできる高速度ビデオカメラ２４０が用いられた。
【００５１】
以上の構成において、水２１０は全体としては飽和温度である１００℃に維持されるものの、伝熱面１１はカートリッジヒーター２３２によって下側から加熱されるため、伝熱面１１はこれよりも高い温度となりうる。この際、伝熱面１１と接する水２１０では沸騰が起こり、気泡が生成、成長、離脱する。これに伴って、伝熱面１１の温度（分布）、熱流束（分布）も、短い時定数で激しく変化する。この実施例では、この温度、熱流束が計測された。
【００５２】
ここで用いられた測定ヘッド１０における伝熱体は銅製であり、１０ｍｍφ、高さ４ｍｍ、ｈ１は３μｍ（表側銅層が１．８μｍ厚、表側金層が１．２μｍ厚）、ｈ２が４．９０５ｍｍであり、熱電対間隔は０．５ｍｍで１０本とされた。
【００５３】
水２１０の伝熱面１１上での沸騰に際しては、前記の通り、伝熱面１１上の温度、熱流束は短い時定数で変化するため、温度データの記録速度は１ｋＨｚ〜２ｋＨｚとされた。
【００５４】
図８は、この測定ヘッド１０におけるある１箇所の測定点に対応したＴ１（深さｈ１の箇所の温度）、Ｔ２（深さｈ２の箇所の温度）の時間変化である。この結果から、伝熱面１１に近い箇所の温度であるＴ１は短い時定数で変動し、実際の伝熱面１１の温度変化に追従していることが確認できる。この短い時定数の温度変動は、伝熱面１１上における沸騰に伴う気泡の生成、成長、離脱等に起因するものであることが高速度ビデオカメラ２４０の観察によって確認できた。
【００５５】
次に、上記の方法によってこの測定点において算出されたＴｗ、ｑｗの時間変化を図９に示す。この結果より、Ｔｗは実測されたＴ１に近い変動をし、これに対応したｑｗの時間変動が得られた。これにより、高い時間分解能でＴｗ、ｑｗが算出できることが確認された。これらの変動は、水２１０の沸騰に伴う気泡に起因し、こうした短い時定数をもつ変動にもこの温度・熱流束測定装置が追随できることが確認された。この際、伝熱面１１に凹凸がないため、気泡の生成、成長、離脱等の気泡周期にこの測定ヘッドが影響を及ぼしていないことは明らかである。
【００５６】
従って、この温度・熱流束測定装置は、沸騰水（冷却水）に接した面における温度、熱流束を高い位置分解能及び時間分解能で測定することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１  温度・熱流束測定装置
１０  測定ヘッド
１１  伝熱面
１２  第１の熱電対（温度測定素子）群    
１３  第２の熱電対（温度測定素子）群
１４  表側金属層（金属層）
１５  裏側金属層（金属層）
１６  コンスタンタン線
１７  伝熱体
１８  絶縁層
２０  断熱壁
３０  アンプ
４０  データ記憶部
５０  演算部
７０  銅めっき層
７１  溝
９０  流体（物体）
９１  配管壁
９２  被測定面
１４１  表側銅層（銅層）
１４２  表側金層（金層）
１５１  裏側銅層（銅層）
１５２  裏側金層（金層）
２００  容器
２０１  底面
２１０  水
２２０  投げ込みヒーター
２３０  ヒーター容器
２３１  ヒーター伝熱体
２３２  カートリッジヒーター
２３３  ヒーター断熱体
２４０  高速度ビデオカメラ
【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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