(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的簡単な構成で安価に済ませることができる熱流センサを提供する。【解決手段】測定対象物２の表面から放出される熱流束密度を測定するためのものであって、熱抵抗が既知の材料からなり測定対象物２の表面の測定箇所に宛がわれる薄膜３と、薄膜３の一方の面に接合点が配置された第１の熱電対４と、薄膜３の他方の面に第１の熱電対４と対応した位置に接合点が配置された第２の熱電対５とを備え、第１の熱電対４の起電力と第２の熱電対５の起電力との差から、薄膜３の両面の温度差を求めることに基づき測定を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の表面から放出される熱流束密度を測定するための熱流センサであって、
熱抵抗が既知の材料からなり前記測定対象物の表面の測定箇所に宛がわれる薄膜と、
前記薄膜の一方の面に接合点が配置された第１の熱電対と、
前記薄膜の他方の面に前記第１の熱電対と対応した位置に接合点が配置された第２の熱電対とを備え、
前記第１の熱電対の起電力と前記第２の熱電対の起電力との差から、前記薄膜の両面の温度差を求めることに基づき測定を行う熱流センサ。
【請求項２】
前記第１の熱電対と前記第２の熱電対とは、互いの起電力が打ち消される方向に直列接続されている請求項１記載の熱流センサ。
【請求項３】
前記第１の熱電対及び第２の熱電対は、前記薄膜の両面に複数組設けられている請求項１又は２記載の熱流センサ。
【請求項４】
前記薄膜は、セラミック材料からなる請求項１から３のいずれか一項に記載の熱流センサ。
【請求項５】
前記薄膜は、高分子フィルムからなる請求項１から３のいずれか一項に記載の熱流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、熱流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱流センサとしては、ゼーベック効果を利用して熱流量を測定するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この熱流センサにおいては、コンスタンタンからなる第１の導体パターンと、コンスタンタン及び銅からなる第２の導体パターンとを交互に連結して、ジグザグ状（蛇行状）の熱電錐パターンを有する形態のフレキシブル配線板を、二段エッチング法により形成する。そして、そのフレキシブル配線板を、樹脂フィルムなどの熱抵抗体に巻回して接着することにより、熱流センサが形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３７０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の熱流センサでは、複雑な導体パターンを必要とする等、構成が比較的複雑であって、高価となる傾向にあった。
そこで、比較的簡単な構成で安価に済ませることができる熱流センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る熱流センサは、測定対象物の表面から放出される熱流束密度を測定するためのものであって、熱抵抗が既知の材料からなり前記測定対象物の表面の測定箇所に宛がわれる薄膜と、前記薄膜の一方の面に接合点が配置された第１の熱電対と、前記薄膜の他方の面に前記第１の熱電対と対応した位置に接合点が配置された第２の熱電対とを備え、前記第１の熱電対の起電力と前記第２の熱電対の起電力との差から、前記薄膜の両面の温度差を求めることに基づき測定を行う。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態を示すもので、熱流センサの使用時の様子を概略的に示す縦断面図
【図２】熱流センサの概略構成を示す平面図
【図３】第１の熱電対と第２の熱電対との接続状態を模式的に示す図
【図４】第２の実施形態を示すもので、熱流センサの概略構成を示す平面図
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（１）第１の実施形態
図１〜図３を参照して、第１の実施形態について述べる。図１及び図２は、本実施形態に係る熱流センサ１の構成を概略的に示している。図１に示すように、この熱流センサ１は、測定対象物２の表面（図で上面）の測定箇所に宛がわれ、該測定対象物２の測定箇所から放出される熱流束密度ｑ（Ｗ／ｍ２  ）、つまり単位時間中に流れる単位面積当たりの熱量を測定するためのものとされている。尚、ここでは、前記測定対象物２として、例えば、変圧器の構成部品としてのコイル等の発熱部品を想定している。
【０００８】
本実施形態に係る熱流センサ１は、図１及び図２に示すように、熱抵抗が既知の材料からなり測定対象物２の表面の測定箇所に宛がわれる薄膜３と、この薄膜３の一方の面（図で上面）に接合点４ａが配置された第１の熱電対４と、前記薄膜３の他方の面（図で下面）の前記第１の熱電対４と対応した位置に接合点５ａが配置された第２の熱電対５とを備えている。
【０００９】
前記薄膜３は、この場合、セラミック材料、例えば集成マイカをシート状に成形したマイカフィルムからなり、例えば厚み寸法が０．１〜１ｍｍ程度の円形薄板状に構成されている。また、この薄膜３の熱抵抗は、Ｒ（ｍ２  ・Ｋ／Ｗ）とされている。尚、薄膜３の熱抵抗Ｒ（ｍ２  ・Ｋ／Ｗ）は、薄膜３の厚み寸法ｄ（ｍ）÷薄膜３の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）で求めることができる。
【００１０】
前記第１の熱電対４は、図３に示すように、例えば、クロメル（登録商標）からなるプラス極金属線４ｂと、アルメル（登録商標）からなるマイナス極金属線４ｃとの先端部同士をろう付けなどにより接合して構成され、その接合点４ａが、前記薄膜３の上面の中心部（点Ｐ１）に貼付けられている。また、前記第２の熱電対５についても、例えば、同様に、クロメルからなるプラス極金属線５ｂと、アルメルからなるマイナス極金属線５ｃとの先端部同士をろう付けなどにより接合して構成され、その接合点５ａが、前記薄膜３の下面の中心部（点Ｐ２）に貼付けられている。尚、薄膜３の上面の点Ｐ１と下面の点Ｐ２とは、面方向に見て重なる位置にあるが、図３では、便宜上、点Ｐ１と点Ｐ２とを若干量ずらして示している。
【００１１】
このとき、本実施形態では、前記第１の熱電対４と前記第２の熱電対５とは、互いの起電力が打ち消される方向に直列接続されている。具体的には、図３に示すように、第１の熱電対４のマイナス極金属線４ｃの基端部と、第２の熱電対５のマイナス極金属線５ｃの基端部とが電気的に接続されている。そして、第１の熱電対４のプラス極金属線４ｂの基端部と、第２の熱電対５のプラス極金属線５ｂの基端部との間に生ずる起電力（電圧）信号ΔＶが、出力信号とされ、図示しない信号処理回路に入力される。このとき、第１の熱電対４の起電力Ｖ１と、第２の熱電対５の起電力Ｖ２との差（Ｖ１−Ｖ２）が、起電力信号ΔＶとして出力される。
【００１２】
次に、以上のように構成された熱流センサ１の作用・効果について述べる。熱流センサ１は、図１に示すように、測定対象物２の表面の熱流束密度ｑを測定する箇所に宛がわれる。第１の熱電対４の起電力Ｖ１と第２の熱電対５の起電力Ｖ２との差ΔＶから、薄膜３の両面の温度差ΔＱを求めることに基づき、熱流束密度ｑの測定を行う。ここで、熱流センサ１の薄膜３の上面側の測定点Ｐ１の温度をＱ１（Ｋ）、薄膜３の下面側の測定点Ｐ２の温度をＱ２（Ｋ）とすると、熱流センサ１により、温度差Δθ（＝Ｑ１−Ｑ２）を次のように求めることができる。
【００１３】
即ち、第１の熱電対４には、薄膜３の上面の測定点Ｐ１の温度Ｑ１に応じた起電力Ｖ１が発生し、第２の熱電対５には、薄膜３の下面の測定点Ｐ２の温度Ｑ２に応じた起電力Ｖ２が発生する。起電力Ｖ１と起電力Ｖ２との差ΔＶが、薄膜３の両面の測定点Ｐ１、Ｐ２の温度差Δθに相当する値となる。熱流センサ１のセンサ出力として、薄膜３の両面の温度差Δθに応じた起電力信号ΔＶが出力され、その電圧値ΔＶから、熱流束密度ｑが容易に換算される。この場合、熱流束密度ｑ（Ｗ／ｍ２  ）が、温度差Δθ（Ｋ）÷薄膜３の熱抵抗Ｒ（ｍ２  ・Ｋ／Ｗ）で求められる。
【００１４】
このように本実施形態では、センサ出力として熱電対４、５を用いるので、薄膜３の両面の温度差Δθに応じた電圧信号ΔＶが出力され、その電圧値ΔＶから、熱流束密度ｑに容易に換算できるようになり、ひいては、熱流束密度ｑのいわゆる直読みも可能となる。そして、本実施形態では、薄膜２の両面に２つの熱電対４、５を設ける構成なので、樹脂フィルムに２種類の金属で蛇行状のパターンを設けるようなものと比べて、簡単な構成で、安価に済ませることができる。
【００１５】
特に本実施形態では、第１の熱電対４と第２の熱電対５とを、互いの起電力が打ち消される方向に直列接続する構成とした。これにより、第１の熱電対４と第２の熱電対５との間の起電力の差ΔＶに応じた電圧信号を、単一の出力信号として得ることができる。第１の熱電対４の信号と第２の熱電対５の信号とを別々に扱う場合と比較して、誤差をより少なくしながら、精度の高い測定を行うことができる。
【００１６】
更に、本実施形態では、薄膜３に、セラミック材料としてのマイカフィルムを採用した。ここで、薄膜３の材料としては、電気絶縁シートを用いることができ、好ましい特性として、耐熱性が高い、ある程度の熱抵抗Ｒを有する（熱伝導率λが比較的小さい）、温度の変動による電気的特性の変化が少ない等が求められる。薄膜３にマイカフィルムを採用したことにより、上記のような、求められる特性に優れたものとなり、高温の領域においての使用にも適したものとなる。
【００１７】
（２）第２の実施形態、その他の実施形態
次に、図４を参照して、第２の実施形態について述べる。図４は、第２の実施形態に係る熱流センサ１１の構成を概略的に示しており、この熱流センサ１１が、上記第１の実施形態の熱流センサ１と異なるところは、次の点にある。即ち、熱流センサ１１は、測定対象物の表面の測定箇所に宛がわれる薄膜１２の一方の面（表面）に、第１の熱電対１３を備えると共に、薄膜１２の他方の面（裏面）に前記第１の熱電対１３に対応して第２の熱電対１４を備えて構成される。このとき、第１の熱電対１３及び第２の熱電対１４は、薄膜１２の両面に複数組が設けられている。
【００１８】
前記薄膜１２は、熱抵抗が既知の絶縁材料からなり、矩形薄板状に構成されている。本実施形態では、薄膜１２の材料として、耐熱性の高い高分子フィルムが採用され、具体的には、ポリイミドフィルム、例えば東レ・デュポン株式会社製の「カプトン（登録商標）」が用いられる。また、薄膜１２の厚み寸法ｄとしては、１０μｍ〜数十μｍのものが用いられている。前記第１の熱電対１３及び第２の熱電対１４は、例えば上記第１の実施形態の第１、第２の熱電対４、５と同様に、クロメルとアルメルとの組合せからなり、それら金属線が接合点１３ａ及び１４ａで接合されている。
【００１９】
本実施形態では、薄膜１２の表面側に、例えば縦横共に３列に並ぶように９箇所の測定点Ｐ１１〜Ｐ１９が設定され、９個の第１の熱電対１３が、各接合点１３ａがそれら測定点Ｐ１１〜Ｐ１９に接着されるように設けられる。また同様に、９個の第２の熱電対１４が、薄膜１２の裏面側のそれら９箇所の測定点Ｐ１１〜Ｐ１９に対応した測定点に、各接合点１３ａが接着されるように設けられる。これにて、第１の熱電対１３及び第２の熱電対１４が、薄膜１２の両面側に９組設けられている。
【００２０】
このような第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様に、簡単な構成で、安価に済ませながら、測定精度の高い熱流センサ１１を得ることができる。そして、第１の熱電対１３及び第２の熱電対１４は、薄膜１２の両面に複数組設けたことによって、測定対象物の薄膜１２が宛がわれた広い領域における、熱流束密度の分布を求めることが可能となる。更に本実施形態では、薄膜１２の材料として、耐熱性に優れたポリイミドフィルムを採用したことによって、高分子フィルムのフレキシブル性を利用して、測定対象物が曲面である場合においても、曲面に沿って宛がって熱流束を測定することができる。薄膜１２を安価に済ませることができることは勿論である。
【００２１】
尚、上記した第１の実施形態では、薄膜３に、セラミック材料としてマイカフィルムを採用したが、窒化ケイ素等を材料とするシート状成形品等を採用することもできる。また、薄膜を高分子フィルムから構成する場合においても、耐熱性が良く電気的特性の安定した各種の材料を採用することができる。薄膜の厚み寸法としては、数μｍ〜１ｍｍ程度のものを採用することができる。更には、熱電対を構成する２種の金属線の材質、組合せについても、例えばマイナス極金属線にコンスタンタンを用いるなど、様々な変更が可能である。
【００２２】
その他、熱流センサは、変圧器の構成部品の熱流束の測定に限らず、各種の測定対象物に適用できることは勿論である。以上説明した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００２３】
図面中、１、１１は熱流センサ、２は測定対象物、３、１２は薄膜、４、１３は第１の熱電対、５、１４は第２の熱電対、４ａ、５ａ、１３ａ、１４ａは接合点を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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