JPS588732B2 - 熱流センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は熱抵抗体の表裏面間の温度差を差動熱電対群
を用いて検出することにより熱流密度を測定する熱流セ
ンサに関するもので、簡単で安価に製造でき、しかも熱
擾乱の影響がなく高精度な測定を行い得る熱流センサを
提供することを目的とする。

以下この発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図において、１１１，１１２はそれぞれ厚さは略同
一で熱伝導率の相異なる材料より成る熱抵抗体で、これ
ら熱抵抗体１１１，１１２はそれぞれがほぼ同一平面上
に並ぶ様に接合されている。

また、１２１，１２２は差動熱電対群（以下サーモパイ
ルという）で、これらサーモパイル１２１，１２２は正
側の熱電対素線１３と負側の熱電対素線１４を順次正、
負交互に接続してなり、その接続点に温接点群Ｔ１及び
冷接点群Ｔ２が形成されるもので、これらザーモパイル
１２１，１２２は対応する各熱抵抗体１１１，１１２の
１面側に温接点群Ｔ１，他面側に冷接点群Ｔ２が位置す
る様に配置される。

また、１５１，１５２は断熱性部材より成り、上記熱抵
抗体１１１，１１２とその表裏面に位置した温接点群Ｔ
１及び冷接点群Ｔ２とを挟んで接着剤などにより圧着さ
れる被覆材である。

この様にして上記熱抵抗体１１１，１１２，サーモパイ
ル１２１，１２２，被覆材１５１，１５２を一体化して
熱流センサが作成される。

また、熱流センサの感度には温度依存性があるため、熱
流センサの温度を知るための熱電対１６が熱流センサ内
に上記サーモパイルと並んで設けられる。

この様にして作られた熱流センサは、ここでは図示しな
い被測定体の表面に貼着され、被測定体を通過する単位
面積当りの熱流量（熱流密度ψ）を熱抵抗体１１、，１
１２の表裏面間の温度差から検出するものである。

しかして、この第１図の場合は、各サーモパイル１２Ａ
，１２２からの出力を独立して取出す様にしたものであ
り、この出力は図示しない演算回路に入力される。

すなわち、各々の熱抵抗体１１１，１１２の温度差を独
立に計測し、それぞれの信号量を上記演算回路で定めら
れた数式に従って演算するものである。

この様にして演算すると、その結果から全く熱擾乱を生
じない熱流センサが得られることが分かる。

これを以下に数式的に解析して示す。

まず、第１図に示す様な２種の相異なる熱抵抗体１１１
，１１２を持った表面貼着型熱流センサの基本測定の式
は次の様になる。

ψ０＝（１＋Ｆ（ｄｉｓ）×１／Ｃ１）１／ｌδｔ１・
・・・・・（１）ψＥ＝（１＋Ｆ（・・・）Ｘ１／Ｃ２
）２／ｌａｔ２−−−−−−（２）ここで、ψ０は求め
ようとする熱流密度、Ｆ（ｄｉｓ）は熱流センサを貼着
したことによって生ずる熱擾乱、Ｃ１，Ｃ２は各々熱抵
抗体１１１，１１２側の熱流センサの全熱コンダクタン
ス，λ１，λ２は各々熱抵抗体１１１，１１２の熱伝導
率，ｌは熱抵抗体１１１，１１２の厚さ（この場合、２
つの熱抵抗体１１１，１１２の厚さは等しくした），δ
ｔ１ｔδｔ２は熱抵抗体１１１，１１２の表裏面で生ず
る温度差である。

次に上記（１），（２）式を各々変形するととなり、こ
の（２），（３）式を辺々引算して１／ψ０に対して整
理すると（４）式を得る。

ここで とした。

上記（４）式において温度範囲が限定されれば、１／λ
１−λ２，２／Ｃ２，１／Ｃ１はそれぞれ定数とみなせ
るから、１／λ１−λ２・２／ｃ２を１つの定数，１／
λ１−λ２・λ１／Ｃ１を別の定数とおき、δ、１，δ
、２の温度差をサーモパイル１２１，１２２でそれぞれ
検出したときの出力をＶＦ１。

ＶＦ２とすれば（４）式はとなる。

ここでＡ，Ｂは定数である。従って、上記した様な式の
展開により、熱擾乱Ｆ（ｄｉｓ）の項がなくなり、第１
図の様に各々のサーモパイル１２１，１２２の出力を独
立に取出す様にすれば、熱擾乱の影響を無くすことがで
きる。

なお、定数Ａ，Ｈに温度依存性が存在する場合は各々に
対して温度依存の式を用いれば良いことは当然のことで
ある。

上記実施例では各サーモパイル１２１，１２２から独立
して出力を取出す様にしたが第２図の様な方式で用いて
もセンサとして有効に使用することができるので説明し
ておく。

第２図の場合も上記第１図の場合と同様、基本測定式は
次の様になる。

この両式からψ０と（δ１１一δ１２）の関係を求める
と ψ０一（δ１１−δｔ２）・ となり、従って ψｏ一（δｔ１−δｔ２）・ （γ：接触熱コンダクタンス，Ｌ：センサの全厚さ，ｋ
：被覆材の熱伝導率） となる。

この（１０）式が第２図の基本測定式であるが、被測定
面の温度が常温〜２００℃程度で、雰囲気が自然対流下
では次の近似式を用いることができる。

すなわちψ０ミ（Ａ＋ＢＴ）（δｔｌ−δｔ２）””（
ＩＩ）となる。

ここで、Ａ，Ｂは定数。Ｔはセンサーの温度を示す。

この第２図の場合の熱流センサを使用した測定例を第３
図に示す。

ここで使用した熱流センサは、熱抵抗体ｉｉＩ，ｉｉ２
として厚さ１！ｌの磁石ゴムシ一ト及び厚さ１ｌＩの人
造コルクシ一トを用い、熱電対素線１３，１４としてク
ロメルとコンスタンタンを用い、また温度依存性を知る
ために組込んだ熱電対１６にはＣＡ熱電対を使用した場
合の特性であり、横軸にＣＡ熱電対の出力（ｍｖ）をと
り、縦軸に感度の逆数（Ｋｃａ１／ｍ２ｈ−ｍｖ）をと
っている。

なお、上記第１図及び第２図で示した方法以外にも、第
４図の様に２つのサーモパイル１２１，１２２の出力の
和を取る方法でも通常の熱流センサと同様の特性でもっ
て測定が可能であるが、ここではその測定例を第５図に
示すのみで、その数学的な説明は省略する。

以上述べた様にこの発明によれば、主差勤熱電対群が装
着された熱抵抗体にこの熱抵抗体と厚さがほぼ等しく熱
伝導率の異なる他の熱抵抗体を平面的に接合し、この熱
抵抗体には上記主差勤熱電対群の出力を補償する補償用
差動熱電対群を装着する様にしたので通常、使用される
熱流センサと同様の特性で使用できる事はもとより、各
々の出力信号を適当に処理することにより、熱擾乱の影
響をなくして高精度な熱流密度の測定が可能となり、実
用上優れた熱流センサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を説明するための模式的な
構成図、第２図は上記実施例の変形例を説明するための
模式的な構成図、第３図は第２図の熱流センサによる測
定値を示す図、第４図は上記実施例の他の変形例を説明
するための模式的な構成図、第５図は第４図の熱流セン
サによる測定例を示す図である。 １１１，１１２・・・・・・熱抵抗体、１２１，１２２
・・・・・・サーモパイル、１５１，１５２・・・・・
・被覆材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 千面的に接合された熱抵抗の異なる少なくとも２つ
   の熱抵抗体と、これら熱抵抗体の１つに温接点群及び冷
   接点群がその熱抵抗体の表裏面に位置する様に配設され
   た主差動熱電対群と、他の熱抵抗体に温接点群及び冷接
   点群がその熱抵抗体の表裏面に位置する様に配設された
   補償用差動熱電対群とを具備したことを特徴とする熱流
   センサ。