(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板側から絶縁層、抵抗体層、および保護層がこの順で積層された積層構造体と、を備え、
前記抵抗体層に抵抗体が設けられており、
前記抵抗体の代表スケールが、下記（２）式を満たし、
前記代表スケール＝Ｌとされた第１抵抗体のほかに、前記第１抵抗体の代表スケールよりも代表スケールが小さい第２抵抗体を単数または複数備え、
前記抵抗体の抵抗値に基づいて、熱流束を求めることを特徴とする熱流束センサ。
Ｌ≧４×（ａ／ｆ）０．５  ・・・（２）
ただし、Ｌ；抵抗体の代表スケール（ｍ）
ａ；基板の温度伝導率
ｆ；較正用発熱変動の周波数
【請求項２】
前記抵抗体の抵抗値と、前記抵抗体の抵抗温度係数に基づいて前記抵抗体の温度変化を求める請求項１に記載の熱流束センサ。
【請求項３】
前記積層構造体は、前記保護層に積層された導電性材料による遮蔽層を備える請求項１または２に記載の熱流束センサ。
【請求項４】
前記基板の基板厚さが、下記（１）式を満たす請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の熱流束センサ。
Ｄ≧２．３×（ａ／ｆ）０．５  ・・・（１）
ただし、Ｄ；基板厚さ（ｍ）
ａ；基板の温度伝導率（ｍ２／ｓ）
ｆ；周期変動の計測に要求されるカットオフ周波数（Ｈｚ）
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の熱流束センサの較正方法であって、
前記抵抗体に交流発熱による既知の付与熱流束を与えるとともに、前記既知の付与熱流束を与えている間における前記抵抗体の温度変化を計測し、
前記熱流束センサの伝熱モデルを用いた非定常熱伝導解析によって計測熱流束を求め、
前記付与熱流束と前記計測熱流束との比較結果に基づいて、前記熱流束センサの伝熱モデルを調整することを特徴とする熱流束センサの較正方法。
【請求項６】
請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の熱流束センサによって、被測定物の異常を検知する被測定物の異常検知方法であって、
前記抵抗体に対して周期的発熱を生じさせながら、前記抵抗体の温度変化を前記熱流束センサによって測定し、
前記抵抗体の温度変化量に基づいて前記被測定物の異常を検知する被測定物の異常検知方法。
【請求項７】
請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の熱流束センサによって、エンジンの動作異常を検知するエンジンの動作異常検知方法であって、
運転中の前記エンジンの壁面温度または壁面熱流束を前記熱流束センサによって継続的に計測し、
前記壁面温度または壁面熱流束の計測結果に基づいて前記エンジンの動作異常を検知することを特徴とするエンジンの動作異常検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱流束センサおよびその較正方法、被測定物の異常検知方法並びにエンジンの動作異常検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの内壁面を通過する熱流束の測定は、エンジンからの熱損失を把握するために、エンジンの研究開発において重要視されてきた。エンジンの内壁面を通過する熱流束の測定方法として、従来、同軸型熱電対センサや薄膜熱電対センサによる表面温度計測と、非定常熱伝導解析を組み合わせた測定方法がある（例えば、特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】榎本良輝、他２名、”四サイクルガソリン機関の燃焼室壁への直接熱損失：（第１報，ピストンおよびシリンダライナへの熱損失）”日本機械学会論文集（Ｂ編）、５０巻４５６号（１９８４）、ｐ１９７２−１９８０
【非特許文献２】榎本 良輝、他１名”四サイクルガソリン機関の燃焼室壁への直接熱損失：（第２報,シリンダヘッドおよび吸・排気弁への熱損失）”，日本機械学会論文集（Ｂ編）５１巻４７１号、(１９８５)、ｐ３６３１−３６４０
【非特許文献３】中尾裕典、他５名”高応答遮熱壁面における瞬時熱流束計測技術”、マツダ技報、No.３２（２０１５）、ｐ２２２−２２７
【非特許文献４】LeFeuvre, T., Myers, P., and Uyehara, O., "Experimental Instantaneous Heat Fluxes in a Diesel Engine and Their Correlation," SAE Technical Paper 690464, 1969, doi:10.4271/690464. P1717−1738
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記各非特許文献１〜４に開示された熱流束の測定方法は、熱電対で計測したエンジン内壁面の温度に非定常熱伝導解析を組み合わせたものであり、非定常熱伝導解析を行う際のセンサの構造や各層の熱物性値を含む伝熱モデルの較正方法に難点がある。このため、センサが設計通りに制作されない限り、精度の良い計測が難しいという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、被測定物の熱流束を精度良く検出することができる熱流束センサおよびその較正方法、被測定物の異常検知方法並びにエンジンの動作異常検知方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決した本発明の一実施形態に係る熱流束センサは、基板と、前記基板側から絶縁層、抵抗体層、および保護層がこの順で積層された積層構造体と、を備え、
前記抵抗体層に抵抗体が設けられており、
前記抵抗体の代表スケールが、下記（２）式を満たし、
前記代表スケール＝Ｌとされた第１抵抗体のほかに、前記第１抵抗体の代表スケールよりも代表スケールが小さい第２抵抗体を単数または複数備え、
前記抵抗体の抵抗値に基づいて、熱流束を求めることを特徴とする熱流束センサ。
Ｌ≧４×（ａ／ｆ）０．５  ・・・（２）
ただし、Ｌ；抵抗体の代表スケール（ｍ）
ａ；基板の温度伝導率
ｆ；較正用発熱変動の周波数
【０００７】
エンジンなどの被測定物における熱流束を計測するにあたり、近年、表面温度を計測する手段として薄膜測温抵抗体を微細加工により形成する技術が実用可能になっている。本発明では、被測定物の壁面の熱流束センサへ微細加工技術を応用し、基板に対して、基板側から絶縁層、抵抗体が設けられた抵抗体層、および保護層がこの順で積層された薄膜状の積層構造体を備えている。この薄膜状の積層構造体における抵抗体層に設けられた抵抗体の抵抗値に基づいて、熱流束を求めることにより、例えば非定常熱伝導解析を行う際の伝熱モデルの較正を適切に行うことができる。したがって、被測定物の熱流束を精度良く検出することができる。
また、熱流束センサが上記（２）式を満たすことにより、熱流束を求める際の伝熱モデルの較正をより精度良く行うことができる。
このため、第１抵抗体の代表スケールよりも代表スケールが小さい第２抵抗体を備えることにより、第１抵抗体で較正した伝熱モデルを第２抵抗体による測定値の非定常熱伝導解析に使用することができる。特に、代表スケールＬの抵抗体と小型抵抗体は同じ基板上で同じ微細加工プロセスを経て制作することにより、代表スケールＬの第１抵抗体で較正した伝熱モデルを、代表スケールが小さい小型の第２抵抗体による測定値の非定常熱伝導解析に使用することができる。さらに、第２抵抗体が複数設けられていることにより、被測定物の内部の多数の点で熱流束を計測できる。このため、被測定物の内部における局所熱流束を複数の位置で計測でき、乱流熱伝達を把握することができる。
【０００８】
また、本発明の一実施形態に係る熱流束センサは、前記抵抗体の抵抗値と、前記抵抗体の抵抗温度係数に基づいて前記抵抗体の温度変化を求めるようにしてもよい。
【０００９】
このように、抵抗体で計測された抵抗値と、抵抗体の抵抗温度係数に基づいて抵抗体の温度変化を求めることにより、被測定物の熱流束を精度良く検出することができる。
【００１０】
また、本発明の一実施形態に係る熱流束センサは、前記積層構造体は、前記保護層に積層された導電性材料による遮蔽層を備えるようにしてもよい。
【００１１】
このように、積層構造体は、前記保護層に積層された遮蔽層を備えることにより、エンジン内部における電磁ノイズの影響を低減することができ、熱流束の計測分解能を高めることができる。
【００１２】
また、本発明の一実施形態に係る熱流束センサは、前記基板の基板厚さが、下記（１）式を満たすようにしてもよい。
Ｄ≧２．３×（ａ／ｆ）０．５  ・・・（１）
ただし、Ｄ；基板厚さ（ｍ）
ａ；基板の温度伝導率（ｍ２／ｓ）
ｆ；周期変動の計測に要求されるカットオフ周波数（Ｈｚ）
【００１３】
熱流束センサが上記（１）式を満たすことにより、被測定物における熱流束に周期変動が生じる場合の要求周波数以上の熱流束の周波数成分を精度良く検出することができる。ここで、周期変動のカットオフ周波数は、被測定物における熱流束が周期的に生じている場合における周期変動である。例えば、被測定物がエンジンである場合には、エンジンの回転周波数が周期変動となり、カットオフ周波数ｆは、エンジンの周期変動の計測に要求されるカットオフ周波数である。
【００１８】
また、本発明の一実施形態に係る熱流束センサの較正方法は、上記の熱流束センサの較正方法であって、
前記抵抗体に交流発熱による既知の付与熱流束を与えるとともに、前記既知の付与熱流束を与えている間における前記抵抗体の温度変化を計測し、
前記熱流束センサの伝熱モデルを用いた非定常熱伝導解析によって計測熱流束を求め、
前記付与熱流束と前記計測熱流束との比較結果に基づいて、前記熱流束センサの伝熱モデルを調整することを特徴とする。
【００１９】
このように、抵抗体に交流発熱による既知の付与熱流束を与えるとともに、既知の付与熱流束を与えている間における抵抗体の温度変化から非定常熱伝導解析によって計測熱流束を計測している。この計測熱流束が付与熱流束に一致するように伝熱モデルを調整するので、精度の良い伝熱モデルを生成することができる。
【００２０】
また、本発明の一実施形態に係る被測定物の異常検知方法は、上記の熱流束センサによって、被測定物の異常を検知する被測定物の異常検知方法であって、
前記抵抗体に対して周期的発熱を生じさせながら、前記抵抗体の温度変化を前記熱流束センサによって測定し、
前記抵抗体の温度変化量に基づいて前記被測定物の異常を検知することを特徴とする。
【００２１】
このように、抵抗体に対して周期的発熱を生じさせながら、前記抵抗体の温度変化を前記熱流束センサによって測定し、抵抗体の温度変化量に基づいて前記被測定物の異常を検知することにより、熱流束センサを用いて被測定物の異常を検出することができる。なお、被測定物の異常としては、例えば非測定物がエンジンである場合、エンジンの内壁面の付着物の状態変化がある。この場合、エンジンの内壁面に対する付着物の発生のよる異常を検知することができる。エンジンの内壁面に対して油や煤などの付着物が増加した場合には、温度変化量が低下する。このような異常を検知した場合には、エンジンの効率が低下する可能性があるので、例えば走行制御を行う際の制御態様を調整するなど対応を行うことができる。
【００２２】
また、本発明の一実施形態に係るエンジンの動作異常検知方法は、上記の熱流束センサによって、エンジンの動作異常を検知するエンジンの動作異常検知方法であって、
運転中の前記エンジンの壁面温度または壁面熱流束を前記熱流束センサによって継続的に計測し、
前記壁面温度または壁面熱流束の計測結果に基づいて前記エンジンの動作異常を検知することを特徴とする。
【００２３】
このように、エンジンの運転中の壁面温度または壁面熱流束を前記熱流束センサによって継続的に計測し、壁面温度または壁面熱流束の計測結果に基づいてエンジンの動作異常を検知することにより、熱流束センサを用いてエンジンの異常作動を検出することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る熱流束センサおよびその較正方法、被測定物の異常検知方法並びにエンジンの動作異常検知方法によれば、被測定物（エンジン）の熱流束を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（Ａ）は、一実施形態に係る熱流束センサの側断面図、（Ｂ）は、その熱流束センサにおける抵抗体層を平面視した説明図である。
【図２】熱流束センサが取り付けられたエンジンの側断面図である。
【図３】伝熱モデルの説明図である。
【図４】熱流束計測の較正手順を示す図である。
【図５】熱流束の計測手順を示す図である。
【図６】実施例１の実験に用いた熱流束センサの要部概略図である。
【図７】実施例１の結果を示すグラフである。
【図８】実施例２の実験に用いた実験装置の概略図である。
【図９】実施例２の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態に係る熱流束センサについて、図面を参照して具体的に説明する。
【００２７】
図１（Ａ）は、一実施形態に係る熱流束センサの側断面図、（Ｂ）は、その熱流束センサにおける抵抗体層を平面視した説明図である。図２は、熱流束センサが取り付けられたエンジンの側断面図である。熱流束センサ１は、例えば図２に示すように、エンジン５に取り付けられ、エンジン５における燃焼室５１内の熱流束を検出する。図１に示すように、本実施形態に係る熱流束センサ１は、基板１０および積層構造体２０を備えている。また、基板１０は、アダプタ４０に収容されており、アダプタ４０を介してエンジン５に取り付けられている。
【００２８】
基板１０は、エンジン５におけるエンジンブロック５２を構成する材料と共通する材料で構成されている。基板１０をエンジンブロック５２と共通する材料で構成することにより、エンジン壁面の熱流束の計測精度を高めることができる。本実施形態では、エンジンブロック５２はアルミニウム合金で形成されており、基板１０もアルミニウム合金で形成されている。また、エンジン５のエンジンブロック５２や熱流束センサ１の基板１０は、鋳鉄であってもよい。また、エンジン５のエンジンブロック５２や熱流束センサ１の基板１０とは異なる材料で構成されていてもよい。基板１０に用いられる材料としては、上記のアルミニウム合金や鋳鉄のほか、銅合金，真鍮，ステンレス鋼，炭素鋼，シリコンなどを挙げることができる。また、基板１０をエンジンブロック５２と異なる材料で構成する場合には、エンジンブロック５２の材料と温度伝導率ａが近い材料とすることが好適である。
【００２９】
熱流束センサ１における基板１０は、エンジン５の回転周波数以上の周波数の壁面熱流束を計測対象としており、基板１０の基板厚さＤは、下記（１）式を満たす厚さとされている。
Ｄ≧２．３×（ａ／ｆ）０．５  ・・・（１）
ただし、Ｄ；基板厚さ（ｍ）
ａ；基板の温度伝導率（ｍ２／ｓ）
ｆ；周期変動の計測に要求されるカットオフ周波数（Ｈｚ）
【００３０】
具体的に、本実施形態においては、基板厚さＤ＝４（ｍｍ）、基板温度の温度伝導率ａ＝５０×１０−６（ｍ２／ｓ）、カットオフ周波数ｆ＝１６．７（Ｈｚ）である。表面温度データから熱伝導解析で熱流束を算出する手法には、熱流束の高周波数成分は正しく得られ、低周波数成分は減衰するハイパスフィルタの特性がある。このため、熱流束センサ１では、基板１０の基板厚さＤが上記（１）式を満たすことにより、熱流束に周期変動が生じるエンジン５における要求周波数以上の熱流束の周波数成分を精度良く計測できる。なお、基板厚さＤについて、要求周波数以上の熱流束の周波数成分を精度良く計測するための上限は設定されないが、例えば熱流束センサ１が取り付けられるエンジンの部材の幅以下の厚さを上限とすることができる。また、要求周波数とは、被測定物における熱流束の変動周期によって定められ、本実施形態では、エンジンの回転周波数に基づいて定められる。
【００３１】
基板１０には、積層構造体２０が設けられている。積層構造体２０は、絶縁層２１、抵抗体層２２、保護層２３、および遮蔽層２４を備えている。このうち、絶縁層２１と保護層２３とは、厚さがマイクロメートルレベルの誘電体であり、遮蔽層２４は、サブミクロンレベルの厚さの導電体である。絶縁層２１、保護層２３、および遮蔽層２４の厚さおよび材質は、これらのものが望ましいが、他の厚さおよび材質であってもよい。
【００３２】
基板１０には、絶縁層２１が積層され、絶縁層２１には抵抗体層２２が積層されている。また、抵抗体層２２には保護層２３が積層され、保護層２３には遮蔽層２４が積層されている。こうして、絶縁層２１、抵抗体層２２、保護層２３、および遮蔽層２４は、基板側からこの順で積層されている。
【００３３】
絶縁層２１は、絶縁材料で形成されており、絶縁層２１に用いられる材料としては、上記の酸化シリコン膜のほか、例えば酸化アルミ膜、窒化シリコン膜、炭化シリコン膜を挙げることができる。また、絶縁層２１の厚さは、０．５〜２（μｍ）とするのが望ましい。また、抵抗体層２２は、導電性の材料で形成されており、抵抗体層２２に用いられる材料としては、例えば、白金、ニッケル、純鉄、タングステンを挙げることができる。
【００３４】
図１（Ａ）に示す抵抗体層２２は、図１（Ｂ）に示す抵抗体２５と薄膜配線３１，３２を備えている。抵抗体２５は、測温部となるものであり、図１（Ａ）に示すように、直線が複数回折り返されて形成された第１抵抗体２５Ａと、第１抵抗体２５Ａよりも代表スケールが小さい２つの第２抵抗体２５Ｂを備えている。第１抵抗体２５Ａおよび第２抵抗体２５Ｂには、いずれも電流用薄膜配線３１および電圧用薄膜配線３２が接続されている。電流用薄膜配線３１および電圧用薄膜配線３２は、いずれも駆動・計測回路６０に接続されている。
【００３５】
第１抵抗体２５Ａは、抵抗値１００（Ω）レベル、温度係数０．００２（１／Ｋ）レベル以上のものが汎用的で好適である。また、第２抵抗体２５Ｂについても、抵抗値および温度係数は同様である。また、第１抵抗体２５Ａにおける抵抗体外形の代表スケールＬは、下記（２）を満たす長さとされている。
Ｌ≧４×（ａ／ｆ）０．５  ・・・（２）
ただし、Ｌ；抵抗体の代表スケール（ｍ）
ａ；基板の温度伝導率（ｍ２／ｓ）
ｆ；較正用発熱変動の周波数
【００３６】
なお、代表スケール（代表長さ）とは、等価直径であり、本実施形態の第１抵抗体２５Ａのように、外形が長方形をなす場合には、代表スケールＬは、下記（３）式で表すことができる。
Ｌ＝（４×面積÷周長）  ・・・（３）
【００３７】
具体的に、第１抵抗体２５Ａは、外形を正方形とし、較正用発熱変動の周波数ｆ＝１０００Ｈｚ、基板の温度伝導率ａ＝６０×１０−６（ｍ２／ｓ）、代表スケールＬ＝１（ｍｍ）とされている。抵抗体の代表スケールＬ（ｍ）が、上記（２）式を満たす長さとされていることにより、熱流束計測の較正に一次元非定常熱伝導解析を好適に適用することができる。また、第２抵抗体２５Ｂは、第１抵抗体２５Ａよりも代表スケールが小さい抵抗体である。
【００３８】
抵抗体層２２に積層された保護層２３は、絶縁材料で形成されており、保護層２３に用いられる材料としては、上記の酸化シリコン膜のほか、例えば、酸化アルミ膜、窒化シリコン膜、炭化シリコン膜を挙げることができる。また、絶縁層２１および保護層２３は、共通の材料で形成されていてもよく、異なる材料で形成されていてもよい。また、保護層２３の厚さは、０．５〜２（μｍ）とするのが望ましい。
【００３９】
さらに、保護層２３に積層された遮蔽層２４は、保護層２３の表面全体を覆っている。遮蔽層２４に用いられる材料としては、上記のニッケル膜のほか、例えばクロム、アルミ、チタン、タングステン、銅を挙げることができる。また、遮蔽層２４の厚さは、０．１〜１（μｍ）とするのが望ましい。また、遮蔽層２４は、基板１０に電気的に接続され、基板１０は、グランド電位に電気的に接続されている。この遮蔽層１５によって、保護層２３、抵抗体層２２、および絶縁層２１がエンジン５における燃焼室５１内の電磁ノイズから保護されている。
【００４０】
また、絶縁層２１、抵抗体層２２、保護層２３および遮蔽層２４の単位面積あたりの熱抵抗の総和が１０Ｋ／（ＭＷ／ｍ２）以下になるものとすることが好適である。具体的には、絶縁層２１と保護層２３とには、厚さ２μｍの酸化シリコン膜を用い、遮蔽層２４には厚さ０．５μｍのニッケル膜を用いることができる。各層の単位面積あたりの熱抵抗の総和が１０Ｋ／（ＭＷ／ｍ２）以下になるものとすることにより、エンジン５の内壁面の熱流束を例えば誤差２％以内で計測することができる。
【００４１】
また、基板１０には、厚さ方向に貫通する貫通孔２６が形成されており、貫通孔２６には、貫通配線３３が挿通しており、基板１０の表面側における薄膜配線３１，３２と、基板の裏面側における配線３４とをつないでいる。さらに、貫通孔２６には、絶縁物２７が充てんされており、貫通孔２６内に挿通された貫通配線３３を基板１０と導通しないように保護している。なお、薄膜配線３１，３２の一端は、抵抗体２５Ａ，２５Ｂに接続され、他端は貫通配線３３に接続されている。配線３４の一端は貫通配線３３に接続され、他端は駆動・計測回路６０に接続されている。抵抗体２５Ａ，２５Ｂは、薄膜配線３１，３２、貫通配線３３、配線３４を介して駆動・計測回路６０に接続されていることにより、積層構造体２０から浮いた配線をなくしている。このため、積層構造体２０の表面をエンジンの壁面に対して面一となりやすくすることができる。
【００４２】
駆動・計測回路６０は、電源を備えており、抵抗体２５Ａ，２５Ｂに対して電流を供給する。また、駆動・計測回路６０は、電流計および電圧計を備えており、抵抗体２５Ａ，２５Ｂに供給する電流の電流値および電圧値を計測している。また、駆動・計測回路６０は、計測した電流値および電圧値から抵抗体２５Ａ，２５Ｂの抵抗値を計測する。
【００４３】
駆動・計測回路６０には、データ収集装置７０が接続され、データ収集装置７０には、演算装置であるコンピュータ８０が接続されている。駆動・計測回路６０は、抵抗体２５Ａ，２５Ｂの抵抗値をデータ収集装置７０に記憶させる。コンピュータ８０では、データ収集装置７０に記憶された抵抗体２５Ａ，２５Ｂの抵抗値と、抵抗体２５Ａ，２５Ｂの抵抗温度係数および基準抵抗値に基づいて、抵抗体２５Ａ，２５Ｂの温度変化を算出する。また、算出した温度変化に基づいて一次元非定常熱伝導解析を行って熱流束を求める。
【００４４】
熱流束センサ１が取り付けられるエンジン５は、図２に示すように、上記の燃焼室５１およびエンジンブロック５２のほか、吸気バルブ５３、排気バルブ５４、および図示しない点火プラグを備えている。また、エンジン５は、燃焼室５１内を上下するピストン５６およびピストン５６を上下動させるコンロッド５７を備えている。
【００４５】
本実施形態において、熱流束センサ１は、エンジン５における排気バルブ５４の近傍におけるエンジンブロック５２に埋め込まれて取り付けられているが、エンジン５の他の位置に取り付けられていてもよい。例えば、エンジンブロック５２における点火プラグの側方や、ピストン５６の上面に取り付けられていてもよい。
【００４６】
熱流束センサ１は、積層構造体２０がエンジン５の燃焼室５１に露出する形でエンジン５に取り付けられている。また、積層構造体２０における表面（遮蔽層２４の表面）は、取り付けられたエンジンの燃焼室５１の内面に対して面一となるようにされている。このため、積層構造体２０における表面（遮蔽層２４の表面）は、たとえば、燃焼室５１における側方に取り付けられる際には、エンジンブロック５２の内側に形成されるシリンダの側壁の曲面に沿った曲面状としてもよい。また、ピストン５６に取り付けられる場合などは、積層構造体２０における表面（遮蔽層２４の表面）は、平面状としてもよい。ただし、積層構造体２０における表面（遮蔽層２４の表面）と面一とされるシリンダの形状は、共通する必要はなく、例えば熱流束センサ１がシリンダの側壁に取り付けられる場合に、積層構造体２０における表面（遮蔽層２４の表面）の形状を平面状としてもよい。また、積層構造体２０における表面（遮蔽層２４の表面）は、取り付けられたエンジンの燃焼室５１に対して面一となるようにされているが、面一ではなく、表面から若干出っ張ったり、逆に引っ込んだりした態様であってもよい。
【００４７】
以上の構成を有する熱流束センサ１では、積層構造体２０における抵抗体２５の抵抗値に基づいて、熱流束を求めている。このため、非定常熱伝導解析を行う際の伝熱モデルの較正を適切に行うことができる。したがって、被測定物の熱流束を精度良く検出することができる。また、積層構造体２０における抵抗体２５Ａ，２５Ｂは、遮蔽層２４によって覆われている。このため、エンジン５における燃焼室５１の熱流束を測定する際に、燃焼室５１の電磁ノイズから保護層２３や抵抗体層２２などを保護することができる。
【００４８】
また、熱流束を計測するにあたり、熱流束の定量性を較正することが求められる。熱流束の定量性の較正としては、例えば黒体炉からの放射やレーザ光の照射に対して測定熱流束を合わせる調整が行われる。しかし、センサ表面の吸収率の推定が困難であり、光エネルギーの入力量を正確に把握することが難しいため、熱流束の定量性に懸念がある。この点、本実施形態の熱流束センサ１では、積層構造体２０における抵抗体２５で発熱させ、計測した抵抗値に基づいて熱流束の定量性の較正を行っている。このため、センサ表面の吸収率の推定や光エネルギーの入力量の把握を行うことなく熱流束の定量性の較正を行うことができるので、精度の良い非定常熱伝導解析が可能となる。また、エンジン５に熱流束センサ１を設ける場合には、レーザ光などを用いた較正を行うことは困難であるが、抵抗体で発熱させた熱流束と抵抗値に基づいて熱流束の定量性の較正を行うことにより、エンジン５に設けた熱流束センサ１における熱流束の定量性の較正を容易に行うことができる。
【００４９】
エンジン５の運転中、熱流束センサ１の表面には、油や煤が付着することがある。また、熱流束センサ１を長期間使用すると、経時変化によるセンサ内部の伝熱特性の変化により、計測値に誤差が生じる場合がある。このような誤差を排除するためには、熱流束センサの再較正を行うことが好適である。ところが、従来のレーザ光などを用いた較正はエンジンの運転中に実行することができず、エンジンの運転中の計測値の正確性を検証することができない。この点、本実施形態の熱流束センサ１では、エンジンの運転中にも熱流束センサ１の再較正を実行することができる。したがって、エンジンの運転中の計測値の正確性を検証することができる。さらには、エンジンの運転中に潤滑状況や燃焼状況を正確に検出することができる。したがって、省エネルギー運転などの目的を持った運転制御を実行する際に、理想的な省エネルギー運転に近づけることができる。
【００５０】
また、エンジン５の内部は、火炎の電気伝導性、各種のラジカルの存在、点火プラグからの放電により電磁ノイズが高いレベルとなり、抵抗体２５による温度計測に障害が生じる場合がある。この場合、保護層２３の上に導電性材料による遮蔽層２４を形成し、遮蔽層２４をグランド電位の基板と電気的に接続されている。このため、遮蔽層２４によって電磁ノイズを低減できるので、ノイズを低減した壁面温度の測定ができ、熱流束の計測分解能を高めることができる。
【００５１】
次に、本実施形態における熱流束センサ１を用いた熱流束の計測について説明する。熱流束センサ１では、計測された第１抵抗体２５Ａの抵抗値に基づいて、一次元非定常熱伝導解析に用いる伝熱モデルの較正を行い、較正された伝熱モデルと、計測された第２抵抗体２５Ｂの抵抗値に基づいて熱流束を計測する。そこで、伝熱モデルについて説明し、続いて、伝熱モデルの較正の手順を説明し、さらに続いて、熱流束の計測の手順について説明する。
【００５２】
熱流束センサ１を用いた熱流束の計測では、第２抵抗体層２２Ｂで測定された表面温度から、熱流束センサ１の構造および伝熱特性を反映した伝熱モデルの一次元非定常熱伝導解析を通し、熱流束が算出される。熱流束センサ１の伝熱モデルは、図３に示す構成をなし、保護層２３における保護層熱抵抗Ｒｈ、抵抗体層２２におけるセンサ層熱抵抗Ｒｔ、抵抗体層２２と絶縁層２１の間の界面における界面熱抵抗２８の熱抵抗Ｒｉ、絶縁層２１における絶縁層熱抵抗Ｒｚ、基板１０における基板層熱抵抗Ｒｋを備える。
【００５３】
伝熱モデルを非定常熱伝導方程式に反映させるには、各層の厚さｄ、密度ρ、比熱ｃ、熱伝導率λを与える。これらの数値について、較正によって、抵抗体層２２と絶縁層２１の間の界面熱抵抗Ｒｉと絶縁層２１の熱容量を調整する。熱伝導解析では、一次元非定常熱伝導方程式を離散化した離散化式を代数的に解く。境界条件は、熱流束センサ１の表面には、抵抗体層２２で測定された測定温度を与え、背面に断熱条件を与える。この解析により、熱流束センサ１内の温度分布に時系列データを得る。最後に、温度分布を用いて、熱流束センサ１が持つ単位面積当たりの総熱量の時間微分を計算して熱流束が算出される。一次元非定常熱伝導方程式は、下記（４）式で与えられる。
【数１】
0006622559.tif 000002
ここで、ρ：密度
ｃ：比熱
λ：熱伝導率
Ｔ：温度
ｔ：時間
ｘ：厚さ方向距離
【００５４】
図３に示す伝熱モデルでは、各層の温度は、上記（４）式に示す一次元非定常熱伝導方程式に従うモデルと化し、各層の厚さｄ、密度ρ、比熱ｃ、熱伝導率λを与える。
【００５５】
次に、熱流束計測の較正について説明する。熱流束計測の較正は、伝熱モデルの較正であり、図４に示す手順で行う。まず、第１抵抗体２５Ａに対して、電圧信号Ｖexc.（ｔ）、電流信号Ｉexc.（ｔ）の交流電流を供給して、第１抵抗体２５Ａの周期的発熱を生じさせる（Ｓ１）。この周期的発熱を生じさせるまでが、いわば実験工程となる。また、以後のＳ７までの工程は解析工程となる。このとき、既知の付与熱流束ｑexc.（ｔ）を与え（Ｓ２）、周期的発熱による第１抵抗体２５Ａの温度変化Ｔmeas.（ｔ）を測定する（Ｓ３）。
【００５６】
次に、測定した温度変化のデータを用いて、伝熱モデルの一次元非定常熱伝導解析を行い（Ｓ４）、算出熱流束ｑmeas.（ｔ）を算出する（Ｓ５）。なお、一次元非定常熱伝導解析を行う際の伝熱モデルは、熱流束センサ１の基板１０及び積層構造体２０の各層の厚さ、温度伝導率等のセンサ情報（Ｓ１１）の設計値に基づいて定められる設計伝熱モデルが伝熱モデルのデフォルトとして設定される（Ｓ１２）。
【００５７】
それから、Ｓ２で与えた付与熱流束ｑexc.（ｔ）と、Ｓ５で算出した算出熱流束ｑmeas.（ｔ）とを比較し、付与熱流束ｑexc.（ｔ）と算出熱流束ｑmeas.（ｔ）と差の絶対値が判定値未満となっているか否かを判定する（Ｓ６）。なお、判定値は、例えば付与熱流束ｑexc.（ｔ）または算出熱流束ｑmeas.（ｔ）の１％とすればよく、１％の値から適宜上下させた値としてもよい。例えば、判定値は、付与熱流束ｑexc.（ｔ）または算出熱流束ｑmeas.（ｔ）の例えば２％としてもよいし、０．５％としてもよい。
【００５８】
ここで、付与熱流束ｑexc.（ｔ）と算出熱流束ｑmeas.（ｔ）と差の絶対値が付与熱流束ｑexc.（ｔ）または算出熱流束ｑmeas.（ｔ）の１％未満となっていないと判定された場合には（Ｓ６：ＮＯ）、伝熱モデルを修正する（Ｓ７）。伝熱モデルを修正するにあたり、算出熱流束ｑmeas.（ｔ）の方が大きい場合は伝熱モデルの界面熱抵抗を減らし、算出熱流束ｑmeas.（ｔ）の方が小さい場合は界面熱抵抗を増やす調整をする。続いてＳ４に戻り、伝熱モデルの一次元非定常熱伝導解析を再度行う。
【００５９】
Ｓ６において、付与熱流束ｑexc.（ｔ）と算出熱流束ｑmeas.（ｔ）と差の絶対値が付与熱流束ｑexc.（ｔ）または算出熱流束ｑmeas.（ｔ）の１％未満となっていると判定されるまで、Ｓ４〜Ｓ７までの工程を繰り返す。そして、付与熱流束ｑexc.（ｔ）と算出熱流束ｑmeas.（ｔ）と差の絶対値が付与熱流束ｑexc.（ｔ）または算出熱流束ｑmeas.（ｔ）の１％未満となっていると判定された場合に（Ｓ６：ＹＥＳ）、較正済の伝熱モデルが生成されて（Ｓ８）、伝熱モデルの較正が完了する。なお、熱流束センサ１の伝熱モデルの較正は、エンジン５の停止中および運転中のいずれにも行うことができる。
【００６０】
次に、熱流束の計測の手順について説明する。熱流束の計測では、図５に示すように、抵抗体の抵抗値を計測する計測プロセスと、温度変化や熱流束を算出する解析プロセスと、が行われる。計測プロセスでは、熱流束センサ１における第２抵抗体２５Ｂにおける温度変化に基づいて行う。熱流束の計測を行う際には、図５に示すように、第２抵抗体２５Ｂの抵抗値を計測して、抵抗信号Ｒmeas.（ｔ）を得る（Ｓ２１）。
【００６１】
続く解析プロセスでは、計測した抵抗値から第２抵抗体２５Ｂの温度変化Ｔmeas.（ｔ）を算出する（Ｓ２２）。第２抵抗体２５Ｂの温度変化は、第２抵抗体２５Ｂの抵抗値と、第２抵抗体２５Ｂの抵抗温度係数に基づいて算出する。続いて、算出した第２抵抗体２５Ｂの温度変化と、較正した伝熱モデルを用いて、一次元非定常熱伝導解析を行う（Ｓ２３）。この一次元非定常熱伝導解析によって、計測熱流束を求める（Ｓ２４）。
【００６２】
また、本実施形態においては、熱流束センサ１においてエンジン５の熱流束を計測するにあたり、第１抵抗体２５Ａで計測した抵抗値に基づいて、伝熱モデルの較正をしている。第１抵抗体２５Ａは、代表スケールが上記（２）式を満たす長さとされている。このため、熱流束を計測する際の伝熱モデルの較正を精度良く行うことができる。
【００６３】
また、第１抵抗体２５Ａで計測された抵抗値および温度変化を用いて較正された伝熱モデルと、第２抵抗体２５Ｂで計測した抵抗値に基づいて、熱流束を計測している。ここで、伝熱モデルを較正するための抵抗値を計測した第１抵抗体２５Ａと、エンジン５の熱流束を計測するための抵抗値を計測する第２抵抗体２５Ｂは、共通の基板１０において、絶縁層２１に積層され、さらには、保護層２３および遮蔽層２４が積層されている。このように、共通した環境で第１抵抗体２５Ａおよび第２抵抗体２５Ｂが形成されている。このため、第１抵抗体２５Ａで計測した抵抗値に基づいて較正された伝熱モデルと、第２抵抗体２５Ｂで計測された抵抗値とによって、精度良く熱流束を計測することができる。また、第１抵抗体２５Ａは代表スケールＬが上記（２）式を満たす長さとされている。さらに、第２抵抗体２５Ｂは、基板１０に対して複数設けられており、エンジン５の燃焼室５１における複数の点で抵抗値および温度変化を計測することができる。このため、燃焼室５１内における局所熱流束を複数の位置で計測することができ、乱流熱伝達を把握することができる。
【００６４】
このように、本実施形態に係る熱流束センサ１においては、積層構造体２０における抵抗体２５の抵抗値に基づいて、熱流束を求めている。このため、非定常熱伝導解析を行う際の伝熱モデルの較正を適切に行うことができ、エンジンの熱流束を精度良く検出することができる。また、計測された抵抗体２５の抵抗値と、抵抗体２５の抵抗係数に基づいて抵抗体層の温度変化を求めている。したがって、エンジンの熱抵抗をさらに精度良く検出することができる。
【００６５】
また、積層構造体２０は、保護層２３に積層された導電性材料による遮蔽層２４を備えている。遮蔽層２４はエンジンの燃焼室５１内における電磁ノイズから保護層２３や抵抗体層２２などを保護している。このため、抵抗体２５で抵抗値を測定する際の電磁ノイズの影響を小さくすることができるので、熱流束の計測分解能を高めることができる。
【００６６】
さらに、基板１０の基板厚さＤが、上記（１）式を満たしている。このため、エンジン５の周波数である要求周波数以上の熱流束の周波数成分を精度良く検出することができる。また、抵抗体の代表スケールが上記（２）式を満たしている。したがって、熱流束を計測する際の伝熱モデルの較正をより精度良く行うことができる。
【００６７】
また、本実施形態に係る熱流束センサ１は、燃焼室５１内の熱流束の計測に用いるほか、エンジン５の異常の判定に利用することもできる。以下、熱流束センサ１をエンジン５の異常の判定に利用する態様について説明する。エンジン５の運転中に燃焼室５１の内壁面に油や煤が付着した場合には、エンジン５の燃焼不良の原因などとなりえることから、エンジン５の状態が低下してエンジン５に異常が発生してしまうことがある。このような燃焼室５１内における油や煤の付着についての状態判定を行うことが困難であった。また、エンジン５の燃焼状態が安定せず、例えば異常燃焼等があった場合には、省エネルギー運転の妨げとなることがあった。
【００６８】
これらの問題に対して、熱流束センサ１の抵抗体２５に周期的に交流電流を供給し、抵抗体２５に周期的発熱を生じさせながら抵抗体２５の温度変化を継続的に計測することができる。具体的には、抵抗体２５に正弦波の交流電流を供給し、温度変化信号中の３倍高調波信号をロックインアンプで検出し、監視することによってエンジン５の異常を検知する。この場合、抵抗体２５の温度変化量が所定のしきい値を超えた場合にエンジン５の異常を検知することができる。エンジンの異常としては、例えば、エンジン５の内壁面の付着物の状態変化がある。この場合、エンジン５の内壁面に対する付着物の発生のよる異常を検知することができる。このような異常を検知した場合には、エンジンの効率が低下する可能性があるので、例えば走行制御を行う際の制御態様を調整するなどの対応を行うことができる。
【００６９】
また、他の監視方法として、本実施形態に係る熱流束センサ１を用いることにより、エンジン５の燃焼室５１内の監視を行うことができる。具体的に、熱流束センサ１によって継続して抵抗体２５の温度データまたは熱流束データを継続的に計測し、正常運転時のデータと比較することで、エンジン５の動作異常を判定することができる。正常運転時のデータとしては、予め記憶されたデータを用いることができるし、過去の履歴に基づくデータを用いることもできる。具体的な動作異常の判定の手順としては、所定時間ごとのサイクルで抵抗体２５の温度または熱流束を継続的に計測し、直近のサイクルにおける温度データまたは熱流束データを、過去数サイクルの温度データまたは熱流束データと比較する。これらのデータ差が所定のしきい値を超える場合に、異常燃焼等があったと判定することができる。さらには、検出した異常に対してエンジンの運転条件を制御することで、正常な動作を継続することができる。また、異常の情報を蓄積・分析することによりエンジン５のトラブル防止およびトラブル改善に活用することができる。
【実施例】
【００７０】
次に、本実施形態に係る熱流束センサ１の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、熱流束センサによって計測した抵抗体２５の周期的発熱と温度変化に基づく伝熱モデルの較正の実験例について説明する。実験では、図６に示す抵抗体２５および薄膜配線３１，３２を備える熱流束センサを用いた。実験に用いた熱流束センサにおいては、基板に厚さ０．２ｍｍのシリコンを用い、絶縁層に厚さ２μｍの酸化シリコンを用いた。また、絶縁層に積層された抵抗体層２２は、外形１ｍｍの正方形をなし、配線幅２５μｍ、配線間隔２５μｍとされている。また、抵抗体２５の抵抗値は２１０Ωであり、抵抗体層２２の温度係数は０．００２２（１／Ｋ）である。
【００７１】
伝熱モデルは、基板、絶縁層、抵抗体層のセンサ構造と、これらを構成する材料の標準物性値を採用して作成した。また、較正作業として、周波数１０００Ｈｚの矩形波状の周期的発熱を抵抗体層２２に与え、抵抗体層２２の温度を測定して、測定熱流束と付与熱流束が一致するように、抵抗体層２２と絶縁層との間における界面熱抵抗を調整した。較正の結果、界面熱抵抗は２．７Ｋ／（ＭＷ／ｍ２）を導入した。
【００７２】
図７に較正時の付与熱流束ｑ_cal（±３５５ｋＷ／ｍ２の矩形波）と測定温度ΔＴ_exc、較正の後の測定熱流束ｑ_ excを示す。図７から分かるように、較正時の付与熱流束ｑ_calと、高周波ノイズを除く較正後の測定熱流束ｑ_ excは、近似する波形となった。また、較正時の付与熱流束ｑ_calと、較正後の測定熱流束ｑ_ excとの差は、付与熱流束ｑ_calの１．４％となった。この結果から、伝熱モデルの較正によって精度の高い計測を行うことができる伝熱モデルに較正されていることが分かった。
【００７３】
［実施例２］
実施例２では、実施例１に示した熱流束センサ１を用いて、ブタンガス・空気の予混合燃焼場での熱流束センサ１による温度変化および熱流束の計測例を示す。図８に示すように、実験装置４は、開放容器４１を備えている。開放容器４１の容量は、０．５１リットルである。開放容器４１には、点火プラグ４２が取り付けられている。また、開放容器４１の下端に熱流束センサ１が取り付けられている。
【００７４】
図８に示す開放容器４１内に、当量比１．２の予混合気を満たし、点火プラグ４２の放電で着火、熱流束センサ１の表面温度Ｔｗおよび熱流束ｑｗを測定した。また、熱流束についての積算値ｅｗを算出した。その測定結果を図９に示す。なお、熱流束ｑｗの計測点１０点の移動平均値ｑｗ_ａｖｇ１０を合わせて示す。
【００７５】
図９に示す計測結果では、火炎がセンサ面に到達する約８０ｍｓの時間から熱流束センサの表面温度は上昇し、熱流束は約２３０ｋＷ／ｍ２の最高値を取る鋭いピークを示した。またその後の約３０ｍｓの時間で熱流束が収束していくことが分かった。このように、熱流束センサ１を用いることで、開放容器４１内における予混合燃焼場の熱流束を計測することができることが分かった。
【００７６】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１…熱流束センサ
４…実験装置
１０…基板
２０…積層構造体
２１…絶縁層
２２…抵抗体層
２３…保護層
２４…遮蔽層
２５…抵抗体
２５Ａ…第１抵抗体
２５Ｂ…第２抵抗体
２６…貫通孔
２７…絶縁物
２８…界面熱抵抗
３１…電流用薄膜配線
３２…電圧用薄膜配線
３３…貫通配線
３４…配線
４０…アダプタ
４１…開放容器
４２…点火プラグ
５…エンジン
５１…燃焼室
５２…エンジンブロック
５３…吸気バルブ
５４…排気バルブ
５６…ピストン
５７…コンロッド
６０…駆動・計測回路
７０…データ収集装置
８０…コンピュータ（演算装置）
【図１】
0006622559.tif 000003
【図２】
0006622559.tif 000004
【図３】
0006622559.tif 000005
【図４】
0006622559.tif 000006
【図５】
0006622559.tif 000007
【図６】
0006622559.tif 000008
【図７】
0006622559.tif 000009
【図８】
0006622559.tif 000010
【図９】
0006622559.tif 000011