(57)【要約】【課題】  測定が困難な部材の熱物性値を同定する。【解決手段】  複数の材質からなる被測定体の温度を計測する工程と、被測定体の熱物性値を入力パラメータとして温度シミュレーションを行う工程と、温度シミュレーション結果から熱物性値を入力パラメータとして被測定体の任意の構成部分の任意の時刻における温度を推定する温度推定式を求める工程と、任意の構成部分の任意の時刻における計測された実測温度及び温度推定式により求めた推定温度からなる設計評価関数の最小値を与える入力パラメータの値を前記熱物性値として同定する工程とを含む熱物性値同定方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の材質からなる被測定体の温度を計測する工程と、
前記被測定体の熱物性値を入力パラメータとして温度シミュレーションを行う工程と、
温度シミュレーション結果から前記熱物性値を入力パラメータとして前記被測定体の任意の構成部分の任意の時刻における温度を推定する温度推定式を求める工程と、
任意の構成部分の任意の時刻における前記計測された実測温度及び前記温度推定式により求めた推定温度からなる設計評価関数の値を最小にする前記入力パラメータである熱物性値を同定する工程とを含む熱物性値同定方法。
【請求項２】
前記設計評価関数は、前記温度推定式によって推定される温度と前記計測された温度との差分、または前記温度推定式によって推定される温度と前記計測された温度との比と１の差分のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の熱物性値同定方法。
【請求項３】
前記設計評価関数は、前記差分の絶対値、前記差分の２乗、または前記差分の２乗の平方根のいずれかであることを特徴とする、請求項２に記載の熱物性値同定方法。
【請求項４】
前記入力パラメータである熱物性値は、熱伝導率であることを特徴とする、請求項１に記載の熱物性値同定方法。
【請求項５】
前記入力パラメータである熱物性値は、熱伝導率、比熱、密度など複数の熱物性値であり、
前記入力パラメータである熱物性値を同定する工程は、前記複数の熱物性値を同時に同定することを特徴とする、請求項１に記載の熱物性値同定方法。
【請求項６】
前記任意の時間は、前記被測定体の温度変化が定常状態及び非定常状態の時であり、
前記入力パラメータである熱物性値を同定する工程は、定常状態及び非定常状態の時において同時に前記複数の熱物性値を同定することを特徴とする、請求項１に記載の熱物性値同定方法。
【請求項７】
前記入力パラメータである熱物性値は、定常状態における熱伝導率であり、非定常状態における比熱及び密度であることを特徴とする、請求項６に記載の熱物性値同定方法。
【請求項８】
複数の材質からなる被測定体の温度を計測する手段と、
前記被測定体の熱物性値を入力パラメータとして温度シミュレーションを行う手段と、
温度シミュレーション結果から熱物性値を温度パラメータとして被測定体の任意の構成部分の任意の時刻における温度を推定する推定式を求める手段と、
任意の構成部分の任意の時刻における計測された温度及び前記温度推定式から算出される温度からなる設計評価関数の値を最小にする入力パラメータの値である前記熱物性値を同定する手段とを備える熱物性値同定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度測定対象物の熱物性値を同定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
実測が困難な箇所の温度を検出する方法の一つに、測定可能な箇所の実測温度に基づいてシミュレーションを行い、推測値として間接的に求める方法がある。温度の間接検出シミュレーションを行う場合には、対象物の構造や、部材毎の熱物性値、ならびに周囲の環境など温度測定対象物（箇所）の温度変化に影響を与える要素を特定し、各要素間の影響を反映して、解析モデルを作成する。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開平１１−５３４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば、電子部品など複数の部材で構成される部品の場合、その部品を構成する各部材の構造（形状、量等）及び熱物性値が必要である。しかし、部品の構造や材質等の情報が入手できる場合でも、製造品質のばらつき等により、形状や量などは製品毎に異なり、結果として、温度変化に対して精度の高い間接温度シミュレーションを行うことは、非常に困難である。
【０００４】
このため対象物の温度変化に影響する要素の構造や熱物性値の情報を入手できない場合には、実際の測定対象物そのものではなく、別の相当品からこれらの値を実際に測定している。つまり、これらの値は、代用データであって温度測定対象物の物性そのものとは同一とはいえない。
【０００５】
しかし、複雑に組み合わされた部品の各構成部材の熱物性値をそれぞれ測定するためには、多大な時間を要するため、実際には、シミュレーションに必要なすべての構成部材の熱物性値を得ることは困難である。
【０００６】
さらに、製造業者から入手できる情報は、所詮設計値であり、個々の実際の測定物の真の姿（形状、状態、特性、環境）を表すものではない。言い換えれば、実際の測定物に対しては、ノイズを含む情報である。また、上述の代用データも当然、実際の特定物に対しては、ノイズを含む情報である。
【０００７】
このように、従来の温度測定シミュレーションにおいては、演算ファクターが特定できなかったり、特定出来た場合でも実際の測定対象物に対するノイズを含む情報に基づいて、高度な演算を行っているが、その結果得られる推定値（温度）は、シミュレーションに必要とされる演算負荷の観点からみれば、必ずしも十分の正確度を得られるものではない。
【０００８】
本発明の目的は、測定が困難な被測定物の熱物性値の同定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
複数の材質からなる被測定体の温度を計測する工程と、被測定体の熱物性値を入力パラメータとして温度シミュレーションを行う工程と、温度シミュレーション結果から熱物性値を入力パラメータとして被測定体の任意の構成部分の任意の時刻における温度を推定する温度推定式を求める工程と、任意の構成部分の任意の時刻における計測された実測温度及び温度推定式により求めた推定温度からなる設計評価関数の最小値を与える入力パラメータの値を前記熱物性値として同定する工程とを含む熱物性値同定方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る熱物性値同定方法は、測定が困難な箇所の部材の熱伝導率、比熱、密度などの熱物性値を、同時に同定することができる。また、同定した熱物性値を用いて定常状態のみならず、非定常状態における温度分布を求めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１には、本実施の形態に係る熱物性値同定方法を実行する熱物性値同定装置１００が示されている。図１に示された熱物性値同定装置１００は、温度履歴計測部１０２、温度シミュレーション部１０４、温度推定式作成部１０６、設計変数最適値算出部１０８とを含む。
【００１２】
温度履歴計測部１０２は、本発明の実施の形態に係る熱物性値同定方法によって熱物性値が同定される部材を含む熱物性値同定対象物の任意の箇所の温度履歴を計測する。具体的には、熱物性値同定対象物の任意の箇所の任意の時刻における温度Ｔexを測定し、実測温度信号ＳＴexとして出力する。例えば、時刻ｔ１，ｔ２…ｔｎにおいて計測した温度を実測温度Ｔ１ex、Ｔ２ex、…Ｔｎexとする。
【００１３】
図２に示された熱物性値同定対象物２００は、第１の部材２０１、第２の部材２０２、及び第３の部材２０３で構成されており、第１の部材２０１は、第２の部材２０２を覆う状態で板材の第３の部材２０３の上に接合されている。第２の部材の熱物性値は、本実施の形態に係る熱物性値同定方法によって同定される。
【００１４】
熱物性値同定対象物２００は、温度Ｔｄに保たれたホットプレート３００の上に載置されており、環境温度Ｔａの空気中に放熱される。加熱源としてはホットブレートに限らず、温風で熱物性値同定対象物２００を加熱すること、また、ヒータ等の輻射で加熱しても良い。また、加熱するだけでなく、冷凍機、冷房などで冷却することも可能である。温度履歴計測部１０２は、第２の部材に近く、温度測定が可能な場所であって、かつ熱物性値同定対象物２００の温度勾配が補足可能な箇所２０１ｂ及び２０３ｃに熱電対素子などを取り付けてそれぞれの温度Ｔｂ及び温度Ｔｃを計測する。
【００１５】
温度シミュレーション部１０４は、同定すべき熱物性値を設計変数として熱物性値同定対象物の温度分布を算出すべく温度シミュレーションを実施する。具体的には、入力された熱物性値同定対象物２００の各部材の形状のデータＳｓｈ、各部材の既知の熱物性値Ｓｃｋ、及び熱物性値同定対象物２００の環境条件のデータＳｅｖに基づいて解析モデルを作成する。熱物性値同定対象物２００の各部材の形状のデータは、図面や、Ｘ線による熱物性値同定対象物２００の内部形状撮影結果に基づいて入力される。熱物性値同定対象物２００の環境条件のデータＳｅｖは、ホットプレート３００の加熱条件及び温度Ｔｄ及びに環境温度Ｔａである。
【００１６】
そして、温度シミュレーション部１０４は、上述の解析モデルと、設計変数である所定の水準の熱物性値を入力パラメータとして熱物性値同定対象物２００の温度測定箇所の推定温度Ｔcalを算出して推定温度信号ＳＴcalとして出力する。例えば、時刻ｔ１，ｔ２…ｔｎにおける推定温度Ｔcalを推定温度Ｔ１cal、Ｔ２cal、…Ｔｎcalとする。なお、温度シミュレーション部１０４は、有限要素法、差分法、及び有限体積法などのシミュレーション手法を用いて温度シミュレーションを実行する。
【００１７】
温度推定式作成部１０６は、温度シミュレーション部１０４のシミュレーション結果の推定温度Ｔ１cal、Ｔ２cal、…Ｔｎcalから、熱物性値同定対象物の任意の箇所の任意の時間における温度を示す同定すべき熱物性値の関数である温度推定式ｆＴcalを作成して温度推定式信号ＳｆＴcalとして出力する。なお、温度推定式作成部１０６は、上記温度推定式ｆＴcalを求めるために、設計感度の利用、応答曲面法、遺伝的アルゴリズム、及びニューラルネットワークなどの手法を用いる。
【００１８】
設計変数最適値算出部１０８は、温度推定式ｆＴcalに設計変数である所定の水準の熱物性値を代入して得た推定温度Ｔcalと温度履歴計測部１０２によって測定された実測温度Ｔexとの差異を示す評価関数Ｆｏｂｊを求め、当該評価関数の値が最小になる設計変数の値Ｃｏｐを求めて設計変数最適値ＳＣｏｐとして出力する。この設計変数最適値ＳＣｏｐが、求める熱物性値である。
【００１９】
評価関数Ｆｏｂｊは、推定温度Ｔcalと実測温度Ｔexとの差異の大きさを評価するために関数であり、例えば以下に示す式が挙げられる。なお、時刻ｔｉにおける推定温度Ｔcal及び実測温度Ｔexは、それぞれ推定温度Ｔｉcal及び実測温度Ｔｉexで表される。
【数１】
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【００２０】
図３は、推定温度Ｔcalと実測温度Ｔexの例を示すグラフである。同図に示された推定温度Ｔ１cal、Ｔ２cal…Ｔｎcal及び実測温度Ｔ１ex、Ｔ２ex、…Ｔｎexは、それぞれ時刻ｔ１、ｔ２…ｔｎにおける推定温度Ｔcal及び実測温度Ｔexである。評価関数Ｆｏｂｊは、それぞれの時刻ｔ１、ｔ２…ｔｎにおける、推定温度Ｔcalと実測温度Ｔexとの差異の総和を表したものである。
【００２１】
次に、図４に示されたフローチャートを参照して、熱物性値同定装置１００の動作について説明する。電源が投入されると熱物性値同定装置１００は、その動作を開始する。
【００２２】
ステップＳ４０２において、温度履歴計測部１０２は、熱物性値同定対象物２００の温度を測定する。
【００２３】
ステップＳ４０４において、温度シミュレーション部１０４は、予め入力された熱物性値同定対象物２００の各部材の形状Ｓｓｈ、各部材の既知の熱物性値Ｓｃｋ、及び熱物性値同定対象物２００の環境条件Ｓｅｖに基づいて、同定すべき熱物性値を設計変数として解析モデルを作成する。
【００２４】
ステップＳ４０６において、同定すべき熱物性値である設計変数の水準の定義を設定する。
【００２５】
ステップＳ４０８において、温度シミュレーション部１０４は、実験計画法の直交表に基づき設計変数の熱物性値を考慮して熱流体解析を行い、熱物性値同定対象物２００の温度Ｔcalを算出する。なお、直交表を用いた実験計画のみならず、あらかじめ実験計画の候補点を多数用意しておき、計算機支援の実験計画（例えばＤ最適化）を利用することも可能である。
【００２６】
ステップＳ４１０において、温度推定式作成部１０６は、直交表に基づいて得られた温度Ｔcalから温度測定箇所の各温度測定時刻における温度を推定する温度推定式ｆＴcalを作成する。この温度推定式ｆＴcalは、同定すべき熱物性値を設計変数として構成されている。すなわち、温度推定式ｆＴcalの設計変数に熱物性値の値を代入すると、代入した熱物性値の値に応じて温度測定箇所の温度測定時刻ｔｉにおける推定温度Ｔcalが算出される。
【００２７】
ステップＳ４１２において、設計変数最適値算出部１０８は、評価関数、及び設計変数の制約条件を設定する。評価関数は、上述した式（１）から式（８）のいずれかを用いる。制約条件は、設計変数である同定すべき熱物性値がとれる範囲である。
【００２８】
ステップＳ４１４において、設計変数最適値算出部１０８は、設計変数の値を制約範囲内で変化させ、評価関数の値が最小となる設計変数を求めて設計変数の最適値Ｃｏｐとする。
【００２９】
ステップＳ４１６において、ステップＳ４１４で求めた設計変数を用いて算出した温度シミュレーション結果の推定温度と、実測温度とを比較して、推定温度の誤差が許容範囲内か否かを判定する。なお上記の許容範囲は、温度シミュレーションの結果に対する所望の精度などによって決められる。上記の判定結果がＹｅｓの場合、ステップＳ４１４で求めた設計変数の最適値Ｃｏｐが同定すべき熱物性値であると判断して動作を終了する。一方上記判定結果が、Ｎｏの場合、ステップＳ４１８に進む。
【００３０】
ステップＳ４１８において、設計変数の水準を変更する。そして、ステップＳ４０８に戻る。
【００３１】
上記のように、本実施の形態に係る熱物性値同定方法を用いれば、同定すべき熱物性値を設計変数として、温度シミュレーションを行う。そして、温度シミュレーションの結果から、同定すべき熱物性値を設計変数として、熱物性値同定対象物の任意の箇所及び任意の時刻における温度を表す温度推定式を作成する。上述の任意の箇所及び任意の時刻における温度の実測値と温度推定式によって推定された推定温度との差が最小になるような設計変数の値を求める。
【００３２】
このように求められた設計変数の値は、同定すべき熱物性値である。このため、温度測定が困難な部材であっても、他の周囲の部材の温度分布のシミュレーション結果と実測した温度との差異に基づいて、温度測定が困難な部材の熱物性値を求めることができる。なお、上述のように同定された熱物性値を用いて温度シミュレーションを行うことにより、熱物性値同定対象物の配置、数、熱伝導などの相互作用、または環境条件を変化させたときの温度変化を予測する事ができる。
【００３３】
また、本実施の形態では、温度履歴の実測値と熱物性値を設計変数とする温度シミュレーション結果とに基づいて、熱物性値を同定することとしたが、導電率及び誘電率などの電気的特性値及び透磁率などの磁気的特性値を同定する方法にも適用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本実施の形態に係る熱物性値同定方法は、測定が困難な部材等の熱物性値を、特に測定対象物を破壊することなく同定するために有用であり、例えば電子部品などの温度履歴を調べる非破壊全素検査等に適用できる。また、電気回路の電位に対する導電率などの電気的物性値、及び磁気回路の磁界に対する透磁率などの磁気的物性値の同定などにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱物性値同定装置の構成を示すブロック図
【図２】図１に示した熱物性値同定装置によって熱物性値が同定される部材の断面図
【図３】図１に示した設計変数最適値算出部で用いられる評価関数を説明する図
【図４】図１に示した熱物性値同定装置の動作を示すフローチャート
【符号の説明】
【００３６】
１００  熱物性値同定装置
１０２  温度履歴計測部
１０４  温度シミュレーション部
１０６  温度推定式作成部
１０８  設計変数最適値算出部
２００  熱物性値同定対象物
２０１  第１の部材
２０２  第２の部材
２０３  第３の部材
３００  ホットプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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