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JP6622559B2 - Heat flux sensor and calibration method thereof, measurement object abnormality detection method, and engine operation abnormality detection method - Google Patents

Heat flux sensor and calibration method thereof, measurement object abnormality detection method, and engine operation abnormality detection method Download PDF

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JP6622559B2 JP2015209118A JP2015209118A JP6622559B2 JP 6622559 B2 JP6622559 B2 JP 6622559B2 JP 2015209118 A JP2015209118 A JP 2015209118A JP 2015209118 A JP2015209118 A JP 2015209118A JP 6622559 B2 JP6622559 B2 JP 6622559B2
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Description

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。   The present invention relates to a heat flux sensor and a calibration method thereof, an abnormality detection method for an object to be measured, and an operation abnormality detection method for an engine.

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)。   Measurement of the heat flux passing through the inner wall of the engine has been regarded as important in research and development of the engine in order to grasp the heat loss from the engine. As a method for measuring the heat flux passing through the inner wall surface of an engine, there is a conventional measurement method that combines surface temperature measurement using a coaxial thermocouple sensor or thin film thermocouple sensor and unsteady heat conduction analysis (for example, Patent Document 1). To 4).

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)、p1972−1980Yoshiaki Enomoto and two others, "Direct heat loss to the combustion chamber wall of a four-cycle gasoline engine: (1st report, Heat loss to piston and cylinder liner)" Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (Part B), Volume 50, 456 No. (1984), p1972-1980 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)、p3631−3640Yoshiteru Enomoto and 1 other "Direct Heat Loss to the Combustion Chamber Wall of a Four-Cycle Gasoline Engine: (2nd Report, Heat Loss to Cylinder Head and Suction / Exhaust Valves)", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (B) 51 Volume 471, (1985), p3631- 3640 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)、p222−227Hironori Nakao and five others "Instant heat flux measurement technology on highly responsive thermal barrier walls", Mazda Technical Report, No. 32 (2015), p222-227 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. P1717−1738LeFeuvre, 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

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。   However, the heat flux measurement methods disclosed in the above non-patent documents 1 to 4 combine the temperature of the engine inner wall surface measured by a thermocouple with the unsteady heat conduction analysis. There is a difficulty in the calibration method of the heat transfer model including the structure of the sensor and the thermophysical value of each layer when performing. For this reason, there is a problem that accurate measurement is difficult unless the sensor is produced as designed.

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。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a heat flux sensor capable of accurately detecting the heat flux of the object to be measured, a calibration method thereof, a method for detecting abnormality of the object to be measured, and a method for detecting abnormal operation of the engine. It is to be.

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
A heat flux sensor according to an embodiment of the present invention that solves the above problems includes a substrate, and a stacked structure in which an insulating layer, a resistor layer, and a protective layer are stacked in this order from the substrate side. ,
A resistor is provided in the resistor layer,
The representative scale of the resistor satisfies the following formula (2):
In addition to the first resistor set to the representative scale = L, one or more second resistors having a representative scale smaller than the representative scale of the first resistor are provided,
A heat flux sensor, wherein a heat flux is obtained based on a resistance value of the resistor.
L ≧ 4 × (a / f) 0.5 (2)
L: Representative scale of resistor (m)
a: Thermal conductivity of substrate
f: Frequency of heat generation fluctuation for calibration

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。
In measuring the heat flux in an object to be measured such as an engine, in recent years, a technique for forming a thin film resistance thermometer by fine processing as a means for measuring the surface temperature has become practical. In the present invention, the microfabrication technology is applied to the heat flux sensor on the wall surface of the object to be measured, and the insulating layer, the resistor layer provided with the resistor, and the protective layer are laminated on the substrate in this order. The thin film-like laminated structure is provided. By obtaining the heat flux based on the resistance value of the resistor provided in the resistor layer in the thin-film laminated structure, for example, the heat transfer model is appropriately calibrated when performing an unsteady heat conduction analysis, for example. be able to. Therefore, the heat flux of the object to be measured can be detected with high accuracy.
In addition, when the heat flux sensor satisfies the above equation (2), the heat transfer model can be calibrated more accurately when the heat flux is obtained.
Therefore, by providing a second resistor whose representative scale is smaller than the representative scale of the first resistor, the heat transfer model calibrated with the first resistor can be used for unsteady heat conduction analysis of the measured value by the second resistor. Can be used. In particular, a resistor of a representative scale L and a small resistor are manufactured on the same substrate through the same micro-fabrication process, so that a heat transfer model calibrated with the first resistor of the representative scale L is reduced to a small size with a small representative scale. It can be used for unsteady heat conduction analysis of the measured value by the second resistor. Furthermore, by providing a plurality of second resistors, the heat flux can be measured at a number of points inside the object to be measured. For this reason, the local heat flux inside the object to be measured can be measured at a plurality of positions, and turbulent heat transfer can be grasped.

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。   In addition, the heat flux sensor according to an embodiment of the present invention may determine the temperature change of the resistor based on a resistance value of the resistor and a resistance temperature coefficient of the resistor.

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。   Thus, by obtaining the temperature change of the resistor based on the resistance value measured by the resistor and the resistance temperature coefficient of the resistor, the heat flux of the object to be measured can be accurately detected.

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。   In the heat flux sensor according to one embodiment of the present invention, the laminated structure may include a shielding layer made of a conductive material laminated on the protective layer.

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。   As described above, the laminated structure includes the shielding layer laminated on the protective layer, so that the influence of electromagnetic noise in the engine can be reduced, and the measurement resolution of heat flux can be increased.

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(m/s)
f;周期変動の計測に要求されるカットオフ周波数(Hz)
In the heat flux sensor according to one embodiment of the present invention, the substrate thickness of the substrate may satisfy the following expression (1).
D ≧ 2.3 × (a / f) 0.5 (1)
Where D: substrate thickness (m)
a: Thermal conductivity of substrate (m 2 / s)
f: Cut-off frequency (Hz) required for periodic fluctuation measurement

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。   When the heat flux sensor satisfies the above equation (1), it is possible to accurately detect the frequency component of the heat flux that is equal to or higher than the required frequency when a periodic variation occurs in the heat flux of the object to be measured. Here, the cutoff frequency of the periodic fluctuation is a periodic fluctuation when the heat flux in the object to be measured is periodically generated. For example, when the object to be measured is an engine, the rotational frequency of the engine has a periodic variation, and the cutoff frequency f is a cutoff frequency required for measuring the periodic variation of the engine.

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。
Further, a heat flux sensor calibration method according to an embodiment of the present invention is the above-described heat flux sensor calibration method,
While giving a known applied heat flux due to AC heat generation to the resistor, and measuring a temperature change of the resistor during the known applied heat flux,
Obtain the measured heat flux by unsteady heat conduction analysis using a heat transfer model of the heat flux sensor,
A heat transfer model of the heat flux sensor is adjusted based on a comparison result between the applied heat flux and the measured heat flux.

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。   In this way, a known applied heat flux due to AC heat generation is given to the resistor, and the measured heat flux is measured by unsteady heat conduction analysis from the temperature change of the resistor during the application of the known applied heat flux. . Since the heat transfer model is adjusted so that the measured heat flux matches the applied heat flux, a highly accurate heat transfer model can be generated.

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。
An abnormality detection method for an object to be measured according to an embodiment of the present invention is an abnormality detection method for an object to be measured that detects an abnormality of the object to be measured by the heat flux sensor.
While causing periodic heat generation to the resistor, the temperature change of the resistor is measured by the heat flux sensor,
An abnormality of the object to be measured is detected based on a temperature change amount of the resistor.

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。   As described above, while causing the resistor to periodically generate heat, the temperature change of the resistor is measured by the heat flux sensor, and the abnormality of the object to be measured is detected based on the temperature change amount of the resistor. Thus, the abnormality of the object to be measured can be detected using the heat flux sensor. In addition, as abnormality of a to-be-measured object, when a non-measured object is an engine, there exists a state change of the deposit | attachment of the inner wall surface of an engine, for example. In this case, it is possible to detect an abnormality caused by the occurrence of deposits on the inner wall surface of the engine. When the deposits such as oil and soot increase with respect to the inner wall surface of the engine, the temperature change amount decreases. When such an abnormality is detected, there is a possibility that the efficiency of the engine may be lowered. Therefore, for example, it is possible to take measures such as adjusting a control mode when performing traveling control.

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。
An engine operation abnormality detection method according to an embodiment of the present invention is an engine operation abnormality detection method for detecting an engine operation abnormality by the heat flux sensor,
The wall temperature or wall heat flux of the engine during operation is continuously measured by the heat flux sensor,
An abnormal operation of the engine is detected based on the measurement result of the wall surface temperature or the wall surface heat flux.

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。   Thus, the wall temperature or wall heat flux during operation of the engine is continuously measured by the heat flux sensor, and an abnormal operation of the engine is detected based on the measurement result of the wall temperature or wall heat flux. Abnormal operation of the engine can be detected using the bundle sensor.

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。   According to the heat flux sensor and the calibration method thereof, the abnormality detection method of the measurement object, and the abnormal operation detection method of the engine according to the present invention, the heat flux of the measurement object (engine) can be detected with high accuracy.

(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。(A) is a sectional side view of a heat flux sensor according to an embodiment, and (B) is an explanatory view in plan view of a resistor layer in the heat flux sensor. 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。It is a sectional side view of the engine to which the heat flux sensor was attached. 伝熱モデルの説明図である。It is explanatory drawing of a heat transfer model. 熱流束計測の較正手順を示す図である。It is a figure which shows the calibration procedure of heat flux measurement. 熱流束の計測手順を示す図である。It is a figure which shows the measurement procedure of a heat flux. 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。FIG. 3 is a schematic diagram of a main part of a heat flux sensor used in an experiment of Example 1. 実施例1の結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of Example 1. 実施例2の実験に用いた実験装置の概略図である。5 is a schematic diagram of an experimental apparatus used in an experiment of Example 2. FIG. 実施例2の結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of Example 2.

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。   Hereinafter, a heat flux sensor according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.

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。   FIG. 1A is a side sectional view of a heat flux sensor according to an embodiment, and FIG. 1B is an explanatory view in plan view of a resistor layer in the heat flux sensor. FIG. 2 is a cross-sectional side view of an engine with a heat flux sensor attached. For example, as shown in FIG. 2, the heat flux sensor 1 is attached to the engine 5 and detects the heat flux in the combustion chamber 51 of the engine 5. As shown in FIG. 1, the heat flux sensor 1 according to this embodiment includes a substrate 10 and a laminated structure 20. The board 10 is accommodated in the adapter 40 and is attached to the engine 5 via the adapter 40.

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。   The substrate 10 is made of a material common to the material constituting the engine block 52 in the engine 5. By configuring the substrate 10 with a material common to the engine block 52, the measurement accuracy of the heat flux on the engine wall surface can be increased. In the present embodiment, the engine block 52 is made of an aluminum alloy, and the substrate 10 is also made of an aluminum alloy. The engine block 52 of the engine 5 and the substrate 10 of the heat flux sensor 1 may be cast iron. The engine block 52 of the engine 5 and the substrate 10 of the heat flux sensor 1 may be made of a different material. Examples of the material used for the substrate 10 include copper alloy, brass, stainless steel, carbon steel, silicon, and the like in addition to the above-described aluminum alloy and cast iron. When the substrate 10 is made of a material different from that of the engine block 52, it is preferable that the material of the engine block 52 and the material having a temperature conductivity a be close.

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(m/s)
f;周期変動の計測に要求されるカットオフ周波数(Hz)
The substrate 10 in the heat flux sensor 1 has a wall surface heat flux having a frequency equal to or higher than the rotational frequency of the engine 5 as a measurement target, and the substrate thickness D of the substrate 10 is set to a thickness that satisfies the following expression (1).
D ≧ 2.3 × (a / f) 0.5 (1)
Where D: substrate thickness (m)
a: Thermal conductivity of substrate (m 2 / s)
f: Cut-off frequency (Hz) required for periodic fluctuation measurement

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(m/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。 Specifically, in the present embodiment, the substrate thickness D = 4 (mm), the temperature conductivity of the substrate temperature a = 50 × 10 −6 (m 2 / s), the cutoff frequency f = 16.7 (Hz ). The method of calculating the heat flux from the surface temperature data by heat conduction analysis has a high-pass filter characteristic in which the high frequency component of the heat flux is obtained correctly and the low frequency component is attenuated. For this reason, in the heat flux sensor 1, when the substrate thickness D of the substrate 10 satisfies the above equation (1), the frequency component of the heat flux more than the required frequency in the engine 5 in which the heat flux undergoes periodic fluctuations is accurately measured. it can. The upper limit for accurately measuring the frequency component of the heat flux above the required frequency is not set for the substrate thickness D, but for example, the upper limit is the thickness of the engine member to which the heat flux sensor 1 is attached. can do. Further, the required frequency is determined by the fluctuation cycle of the heat flux in the object to be measured, and is determined based on the rotational frequency of the engine in this embodiment.

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。   A laminated structure 20 is provided on the substrate 10. The laminated structure 20 includes an insulating layer 21, a resistor layer 22, a protective layer 23, and a shielding layer 24. Among these, the insulating layer 21 and the protective layer 23 are dielectrics having a thickness of micrometer level, and the shielding layer 24 is a conductor having a thickness of submicron level. The thickness and material of the insulating layer 21, the protective layer 23, and the shielding layer 24 are desirable, but other thicknesses and materials may be used.

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。   An insulating layer 21 is stacked on the substrate 10, and a resistor layer 22 is stacked on the insulating layer 21. Further, a protective layer 23 is laminated on the resistor layer 22, and a shielding layer 24 is laminated on the protective layer 23. Thus, the insulating layer 21, the resistor layer 22, the protective layer 23, and the shielding layer 24 are laminated in this order from the substrate side.

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。   The insulating layer 21 is formed of an insulating material, and examples of the material used for the insulating layer 21 include an aluminum oxide film, a silicon nitride film, and a silicon carbide film in addition to the silicon oxide film described above. The thickness of the insulating layer 21 is desirably 0.5 to 2 (μm). The resistor layer 22 is formed of a conductive material, and examples of the material used for the resistor layer 22 include platinum, nickel, pure iron, and tungsten.

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。   A resistor layer 22 shown in FIG. 1A includes a resistor 25 and thin film wirings 31 and 32 shown in FIG. The resistor 25 serves as a temperature measuring unit, and as shown in FIG. 1A, a first resistor 25A formed by bending a plurality of straight lines, and a representative scale than the first resistor 25A. Are provided with two second resistors 25B. A current thin film wiring 31 and a voltage thin film wiring 32 are connected to both the first resistor 25A and the second resistor 25B. Both the current thin-film wiring 31 and the voltage thin-film wiring 32 are connected to the drive / measurement circuit 60.

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(m/s)
f;較正用発熱変動の周波数
As the first resistor 25A, one having a resistance value of 100 (Ω) level and a temperature coefficient of 0.002 (1 / K) level or more is general-purpose and suitable. The resistance value and the temperature coefficient are the same for the second resistor 25B. Moreover, the representative scale L of the resistor outer shape in the first resistor 25A has a length that satisfies the following (2).
L ≧ 4 × (a / f) 0.5 (2)
L: Representative scale of resistor (m)
a: Thermal conductivity of substrate (m 2 / s)
f: Frequency of heat generation fluctuation for calibration

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)
The representative scale (representative length) is an equivalent diameter. When the outer shape is a rectangle like the first resistor 25A of the present embodiment, the representative scale L is expressed by the following equation (3). Can be represented.
L = (4 × area ÷ circumference) (3)

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(m/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。 Specifically, the first resistor 25A has a square outer shape, the frequency f of the fluctuating heat generation f = 1000 Hz, the substrate temperature conductivity a = 60 × 10 −6 (m 2 / s), and the representative scale L = 1. (Mm). Since the representative scale L (m) of the resistor has a length that satisfies the above equation (2), the one-dimensional unsteady heat conduction analysis can be suitably applied to the calibration of the heat flux measurement. The second resistor 25B is a resistor having a smaller representative scale than the first resistor 25A.

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。   The protective layer 23 laminated on the resistor layer 22 is formed of an insulating material. As a material used for the protective layer 23, for example, an aluminum oxide film, a silicon nitride film, a carbonized carbon other than the silicon oxide film described above. A silicon film can be mentioned. The insulating layer 21 and the protective layer 23 may be formed of a common material or different materials. The thickness of the protective layer 23 is desirably 0.5 to 2 (μm).

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。   Further, the shielding layer 24 laminated on the protective layer 23 covers the entire surface of the protective layer 23. Examples of the material used for the shielding layer 24 include chromium, aluminum, titanium, tungsten, and copper in addition to the nickel film. The thickness of the shielding layer 24 is preferably 0.1 to 1 (μm). The shielding layer 24 is electrically connected to the substrate 10, and the substrate 10 is electrically connected to the ground potential. The shielding layer 15 protects the protective layer 23, the resistor layer 22, and the insulating layer 21 from electromagnetic noise in the combustion chamber 51 of the engine 5.

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/m)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/m)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。 Moreover, it is preferable that the sum total of the thermal resistance per unit area of the insulating layer 21, the resistor layer 22, the protective layer 23, and the shielding layer 24 is 10 K / (MW / m 2 ) or less. Specifically, a silicon oxide film having a thickness of 2 μm can be used for the insulating layer 21 and the protective layer 23, and a nickel film having a thickness of 0.5 μm can be used for the shielding layer 24. By setting the sum of the thermal resistance per unit area of each layer to 10 K / (MW / m 2 ) or less, the heat flux on the inner wall surface of the engine 5 can be measured within 2% error, for example.

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。   Further, a through hole 26 penetrating in the thickness direction is formed in the substrate 10, and a through wiring 33 is inserted into the through hole 26, and the thin film wirings 31 and 32 on the surface side of the substrate 10, The wiring 34 on the back side of the substrate is connected. Further, the through hole 26 is filled with an insulator 27 to protect the through wiring 33 inserted into the through hole 26 from being electrically connected to the substrate 10. One end of the thin film wirings 31 and 32 is connected to the resistors 25A and 25B, and the other end is connected to the through wiring 33. One end of the wiring 34 is connected to the through wiring 33, and the other end is connected to the drive / measurement circuit 60. The resistors 25 </ b> A and 25 </ b> B are connected to the drive / measurement circuit 60 through the thin film wires 31 and 32, the through wires 33, and the wires 34, thereby eliminating the wires floating from the laminated structure 20. For this reason, the surface of the laminated structure 20 can be easily made flush with the wall surface of the engine.

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。   The drive / measurement circuit 60 includes a power source and supplies current to the resistors 25A and 25B. The drive / measurement circuit 60 includes an ammeter and a voltmeter, and measures the current value and voltage value of the current supplied to the resistors 25A and 25B. The drive / measurement circuit 60 measures the resistance values of the resistors 25A and 25B from the measured current value and voltage value.

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。   A data collection device 70 is connected to the drive / measurement circuit 60, and a computer 80, which is an arithmetic device, is connected to the data collection device 70. The drive / measurement circuit 60 stores the resistance values of the resistors 25 </ b> A and 25 </ b> B in the data collection device 70. The computer 80 calculates the temperature change of the resistors 25A and 25B based on the resistance values of the resistors 25A and 25B, the resistance temperature coefficient of the resistors 25A and 25B, and the reference resistance value stored in the data collection device 70. . Further, a one-dimensional unsteady heat conduction analysis is performed based on the calculated temperature change to obtain a heat flux.

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。   As shown in FIG. 2, the engine 5 to which the heat flux sensor 1 is mounted includes an intake valve 53, an exhaust valve 54, and an ignition plug (not shown) in addition to the combustion chamber 51 and the engine block 52 described above. The engine 5 includes a piston 56 that moves up and down in the combustion chamber 51 and a connecting rod 57 that moves the piston 56 up and down.

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。   In the present embodiment, the heat flux sensor 1 is embedded and attached to the engine block 52 in the vicinity of the exhaust valve 54 in the engine 5, but may be attached to another position of the engine 5. For example, it may be attached to the side of the spark plug in the engine block 52 or the upper surface of the piston 56.

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。   The heat flux sensor 1 is attached to the engine 5 such that the laminated structure 20 is exposed to the combustion chamber 51 of the engine 5. The surface of the laminated structure 20 (the surface of the shielding layer 24) is flush with the inner surface of the combustion chamber 51 of the attached engine. For this reason, the surface of the laminated structure 20 (the surface of the shielding layer 24) is along the curved surface of the side wall of the cylinder formed inside the engine block 52, for example, when attached to the side of the combustion chamber 51. It may be curved. In addition, when attached to the piston 56, the surface of the laminated structure 20 (the surface of the shielding layer 24) may be planar. However, the shape of the cylinder that is flush with the surface of the laminated structure 20 (the surface of the shielding layer 24) is not necessarily the same. For example, when the heat flux sensor 1 is attached to the side wall of the cylinder, the laminated structure is used. The shape of the surface at 20 (the surface of the shielding layer 24) may be planar. Further, the surface of the laminated structure 20 (the surface of the shielding layer 24) is flush with the combustion chamber 51 of the attached engine, but it is not flush and slightly protrudes from the surface. On the contrary, it may be a mode in which it is retracted.

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。   In the heat flux sensor 1 having the above configuration, the heat flux is obtained based on the resistance value of the resistor 25 in the laminated structure 20. For this reason, it is possible to appropriately calibrate the heat transfer model when performing the unsteady heat conduction analysis. Therefore, the heat flux of the object to be measured can be detected with high accuracy. Further, the resistors 25 </ b> A and 25 </ b> B in the laminated structure 20 are covered with the shielding layer 24. For this reason, when measuring the heat flux of the combustion chamber 51 in the engine 5, the protective layer 23, the resistor layer 22, and the like can be protected from electromagnetic noise in the combustion chamber 51.

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。   Further, in measuring the heat flux, it is required to calibrate the quantitative property of the heat flux. As calibration of the heat flux quantitativeness, for example, adjustment is performed to match the measurement heat flux with radiation from a black body furnace or irradiation with laser light. However, since it is difficult to estimate the absorptance of the sensor surface and it is difficult to accurately grasp the input amount of light energy, there is a concern about the quantitativeness of the heat flux. In this respect, in the heat flux sensor 1 of the present embodiment, heat is generated by the resistor 25 in the laminated structure 20, and the quantitative determination of the heat flux is performed based on the measured resistance value. This makes it possible to calibrate the heat flux quantitativeness without estimating the absorptance of the sensor surface or grasping the input amount of light energy, so that an accurate unsteady heat conduction analysis can be performed. When the heat flux sensor 1 is provided in the engine 5, it is difficult to perform calibration using a laser beam or the like. However, the heat flux is quantitatively determined based on the heat flux generated by the resistor and the resistance value. The calibration of the heat flux in the heat flux sensor 1 provided in the engine 5 can be easily calibrated.

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。   During operation of the engine 5, oil or soot may adhere to the surface of the heat flux sensor 1. Further, when the heat flux sensor 1 is used for a long period of time, an error may occur in the measured value due to a change in heat transfer characteristics inside the sensor due to a change with time. In order to eliminate such an error, it is preferable to recalibrate the heat flux sensor. However, conventional calibration using a laser beam or the like cannot be performed during operation of the engine, and the accuracy of the measured value during operation of the engine cannot be verified. In this regard, in the heat flux sensor 1 of the present embodiment, recalibration of the heat flux sensor 1 can be executed even during operation of the engine. Therefore, it is possible to verify the accuracy of the measured value during operation of the engine. Furthermore, it is possible to accurately detect the lubrication status and the combustion status during engine operation. Therefore, it is possible to approach ideal energy-saving operation when executing operation control with the purpose of energy-saving operation.

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。   Further, in the engine 5, electromagnetic noise is at a high level due to the electrical conductivity of the flame, the presence of various radicals, and the discharge from the spark plug, and the temperature measurement by the resistor 25 may be obstructed. In this case, a shielding layer 24 made of a conductive material is formed on the protective layer 23, and the shielding layer 24 is electrically connected to a ground potential substrate. For this reason, since the electromagnetic noise can be reduced by the shielding layer 24, the wall surface temperature with reduced noise can be measured, and the measurement resolution of the heat flux can be increased.

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。   Next, measurement of heat flux using the heat flux sensor 1 in the present embodiment will be described. In the heat flux sensor 1, the heat transfer model used for the one-dimensional unsteady heat conduction analysis is calibrated based on the measured resistance value of the first resistor 25A, and the calibrated heat transfer model and the measured first The heat flux is measured based on the resistance value of the two-resistor 25B. Therefore, the heat transfer model will be described, followed by a description of the heat transfer model calibration procedure, followed by a description of the heat flux measurement procedure.

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。   In the measurement of heat flux using the heat flux sensor 1, one-dimensional unsteady heat conduction of a heat transfer model reflecting the structure and heat transfer characteristics of the heat flux sensor 1 from the surface temperature measured by the second resistor layer 22B. Through the analysis, the heat flux is calculated. The heat transfer model of the heat flux sensor 1 has the configuration shown in FIG. 3, and includes a protective layer thermal resistance Rh in the protective layer 23, a sensor layer thermal resistance Rt in the resistive layer 22, and between the resistive layer 22 and the insulating layer 21. A thermal resistance Ri of the interface thermal resistance 28 at the interface, an insulating layer thermal resistance Rz in the insulating layer 21, and a substrate layer thermal resistance Rk in the substrate 10 are provided.

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。

Figure 0006622559
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 In order to reflect the heat transfer model in the unsteady heat conduction equation, the thickness d, density ρ, specific heat c, and thermal conductivity λ of each layer are given. About these numerical values, the interface thermal resistance Ri between the resistor layer 22 and the insulating layer 21 and the heat capacity of the insulating layer 21 are adjusted by calibration. In the heat conduction analysis, the discretization formula obtained by discretizing the one-dimensional unsteady heat conduction equation is algebraically solved. As the boundary condition, the measurement temperature measured by the resistor layer 22 is given to the surface of the heat flux sensor 1, and the heat insulation condition is given to the back surface. By this analysis, time series data is obtained for the temperature distribution in the heat flux sensor 1. Finally, using the temperature distribution, the heat flux is calculated by calculating the time derivative of the total heat quantity per unit area of the heat flux sensor 1. The one-dimensional unsteady heat conduction equation is given by the following equation (4).
Figure 0006622559
Where ρ: density
c: Specific heat
λ: thermal conductivity
T: Temperature
t: time
x: Distance in thickness direction

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。   In the heat transfer model shown in FIG. 3, the temperature of each layer is converted into a model according to the one-dimensional unsteady heat conduction equation shown in the above equation (4), and the thickness d, density ρ, specific heat c, and thermal conductivity λ of each layer are expressed as follows. give.

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)。 Next, calibration of heat flux measurement will be described. Calibration of heat flux measurement is calibration of a heat transfer model, and is performed according to the procedure shown in FIG. First, an alternating current of the voltage signal V exc. (T) and the current signal I exc. (T) is supplied to the first resistor 25A to cause periodic heating of the first resistor 25A (S1). ). Until this periodical heat generation occurs, it is an experimental process. The subsequent steps up to S7 are analysis steps. At this time, a known applied heat flux q exc. (T) is given (S2), and the temperature change T meas. (T) of the first resistor 25A due to periodic heat generation is measured (S3).

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)。 Next, a one-dimensional unsteady heat conduction analysis of the heat transfer model is performed using the measured temperature change data (S4), and a calculated heat flux q meas. (T) is calculated (S5). Note that the heat transfer model for performing the one-dimensional unsteady heat conduction analysis is based on the design values of sensor information (S11) such as the thickness and temperature conductivity of each layer of the substrate 10 and the laminated structure 20 of the heat flux sensor 1. A design heat transfer model determined based on the heat transfer model is set as a default of the heat transfer model (S12).

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。 Then, applying heat flux given by S2 q exc. (T) and the calculated heat flux q meas calculated in S5. (T) and comparing the, imparting heat flux q exc. (T) and calculated heat flux q meas . the absolute value of (t) and the difference determines whether or not it is less than the determination value (S6). The determination value may be 1% of the applied heat flux q exc. (T) or the calculated heat flux q meas. (T), for example, and may be a value that is appropriately raised or lowered from the value of 1%. For example, the determination value may be 2% or 0.5% of the applied heat flux q exc. (T) or the calculated heat flux q meas. (T), for example.

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。 Here, applying heat flux q exc. (T) and calculated heat flux q meas. (T) and the difference between the absolute value of applied heat flux q exc. (T) or 1% of the calculated heat flux q meas. (T) When it is determined that it is not less than (S6: NO), the heat transfer model is corrected (S7). In correcting the heat transfer model, if the calculated heat flux q meas. (T) is larger, the interfacial thermal resistance of the heat transfer model is reduced, and if the calculated heat flux q meas. (T) is smaller, the interfacial heat Adjust to increase resistance. Subsequently, returning to S4, the one-dimensional unsteady heat conduction analysis of the heat transfer model is performed again.

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。 In S6, imparting heat flux q exc. (T) and calculated heat flux q meas. (T) and the absolute value of applied heat flux q exc difference. (T) or calculated heat flux q meas. 1% of the (t) The process from S4 to S7 is repeated until it is determined that the value is less than the value. Then, applying heat flux q exc. Less than 1% of the (t) and calculated heat flux q meas. (T) and the difference between the absolute value of applied heat flux q exc. (T) or calculated heat flux q meas. (T) Is determined (S6: YES), a calibrated heat transfer model is generated (S8), and the calibration of the heat transfer model is completed. The calibration of the heat transfer model of the heat flux sensor 1 can be performed both when the engine 5 is stopped and during operation.

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)。 Next, a procedure for measuring the heat flux will be described. In the measurement of the heat flux, as shown in FIG. 5, a measurement process for measuring the resistance value of the resistor and an analysis process for calculating the temperature change and the heat flux are performed. The measurement process is performed based on a temperature change in the second resistor 25B in the heat flux sensor 1. When measuring the heat flux, as shown in FIG. 5, the resistance value of the second resistor 25B is measured to obtain the resistance signal R meas. (T) (S21).

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)。 In the subsequent analysis process, the temperature change T meas. (T) of the second resistor 25B is calculated from the measured resistance value (S22). The temperature change of the second resistor 25B is calculated based on the resistance value of the second resistor 25B and the resistance temperature coefficient of the second resistor 25B. Subsequently, a one-dimensional unsteady heat conduction analysis is performed using the calculated temperature change of the second resistor 25B and the calibrated heat transfer model (S23). A measured heat flux is obtained by this one-dimensional unsteady heat conduction analysis (S24).

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。   In the present embodiment, when the heat flux of the engine 5 is measured by the heat flux sensor 1, the heat transfer model is calibrated based on the resistance value measured by the first resistor 25A. The first resistor 25A has a representative scale that satisfies the above formula (2). For this reason, it is possible to accurately calibrate the heat transfer model when measuring the heat flux.

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。   Further, the heat flux is measured based on the heat transfer model calibrated using the resistance value measured by the first resistor 25A and the temperature change and the resistance value measured by the second resistor 25B. Here, the first resistor 25A that measures the resistance value for calibrating the heat transfer model and the second resistor 25B that measures the resistance value for measuring the heat flux of the engine 5 are provided on the common substrate 10. The protective layer 23 and the shielding layer 24 are further laminated. Thus, the first resistor 25A and the second resistor 25B are formed in a common environment. For this reason, it is possible to accurately measure the heat flux using the heat transfer model calibrated based on the resistance value measured by the first resistor 25A and the resistance value measured by the second resistor 25B. The first resistor 25A has a length that the representative scale L satisfies the above expression (2). Further, a plurality of second resistors 25 </ b> B are provided with respect to the substrate 10, and resistance values and temperature changes can be measured at a plurality of points in the combustion chamber 51 of the engine 5. For this reason, the local heat flux in the combustion chamber 51 can be measured at a plurality of positions, and turbulent heat transfer can be grasped.

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。   Thus, in the heat flux sensor 1 according to the present embodiment, the heat flux is obtained based on the resistance value of the resistor 25 in the laminated structure 20. For this reason, it is possible to appropriately calibrate the heat transfer model when performing the unsteady heat conduction analysis, and it is possible to accurately detect the heat flux of the engine. Further, the temperature change of the resistor layer is obtained based on the measured resistance value of the resistor 25 and the resistance coefficient of the resistor 25. Therefore, the thermal resistance of the engine can be detected with higher accuracy.

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。   The laminated structure 20 includes a shielding layer 24 made of a conductive material laminated on the protective layer 23. The shielding layer 24 protects the protective layer 23, the resistor layer 22, and the like from electromagnetic noise in the combustion chamber 51 of the engine. For this reason, since the influence of the electromagnetic noise at the time of measuring resistance value with the resistor 25 can be made small, the measurement resolution of heat flux can be improved.

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。   Furthermore, the substrate thickness D of the substrate 10 satisfies the above equation (1). For this reason, it is possible to accurately detect the frequency component of the heat flux equal to or higher than the required frequency that is the frequency of the engine 5. The representative scale of the resistor satisfies the above formula (2). Therefore, calibration of the heat transfer model when measuring the heat flux can be performed with higher accuracy.

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。   Further, the heat flux sensor 1 according to the present embodiment can be used not only for measuring the heat flux in the combustion chamber 51 but also for determining an abnormality of the engine 5. Hereinafter, a mode in which the heat flux sensor 1 is used for determining abnormality of the engine 5 will be described. If oil or soot adheres to the inner wall surface of the combustion chamber 51 during the operation of the engine 5, it may cause a combustion failure of the engine 5, so that the state of the engine 5 decreases and an abnormality occurs in the engine 5. May end up. It was difficult to determine the state of oil or soot adhesion in the combustion chamber 51. Further, when the combustion state of the engine 5 is not stable, for example, when abnormal combustion or the like occurs, the energy saving operation may be hindered.

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。   For these problems, it is possible to continuously measure the temperature change of the resistor 25 while periodically supplying an alternating current to the resistor 25 of the heat flux sensor 1 and causing the resistor 25 to generate heat periodically. it can. More specifically, a sinusoidal alternating current is supplied to the resistor 25, and a third harmonic signal in the temperature change signal is detected by a lock-in amplifier, and an abnormality of the engine 5 is detected. In this case, an abnormality of the engine 5 can be detected when the temperature change amount of the resistor 25 exceeds a predetermined threshold value. The engine abnormality includes, for example, a change in the state of deposits on the inner wall surface of the engine 5. In this case, it is possible to detect an abnormality caused by the occurrence of deposits on the inner wall surface of the engine 5. When such an abnormality is detected, there is a possibility that the efficiency of the engine may be reduced. For example, it is possible to take measures such as adjusting the control mode when performing the travel control.

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。   Further, as another monitoring method, by using the heat flux sensor 1 according to the present embodiment, the inside of the combustion chamber 51 of the engine 5 can be monitored. Specifically, the temperature data or heat flux data of the resistor 25 is continuously measured by the heat flux sensor 1 and compared with data during normal operation to determine whether the engine 5 is operating abnormally. it can. As data during normal operation, data stored in advance can be used, and data based on past history can also be used. As a specific operation abnormality determination procedure, the temperature or heat flux of the resistor 25 is continuously measured in cycles every predetermined time, and the temperature data or heat flux data in the most recent cycle is used as the temperature of the past several cycles. Compare with data or heat flux data. When these data differences exceed a predetermined threshold, it can be determined that abnormal combustion or the like has occurred. Furthermore, normal operation can be continued by controlling the operating conditions of the engine for the detected abnormality. Further, by accumulating / analyzing abnormality information, it can be used for trouble prevention and trouble improvement of the engine 5.

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。
Next, examples of the heat flux sensor 1 according to this embodiment will be described.
[Example 1]
In Example 1, an experimental example of calibration of a heat transfer model based on periodic heat generation of the resistor 25 and a temperature change measured by a heat flux sensor will be described. In the experiment, a heat flux sensor including the resistor 25 and the thin film wirings 31 and 32 shown in FIG. 6 was used. In the heat flux sensor used in the experiment, silicon having a thickness of 0.2 mm was used for the substrate, and silicon oxide having a thickness of 2 μm was used for the insulating layer. The resistor layer 22 laminated on the insulating layer has a square shape with an outer shape of 1 mm, and has a wiring width of 25 μm and a wiring interval of 25 μm. The resistance value of the resistor 25 is 210Ω, and the temperature coefficient of the resistor layer 22 is 0.0022 (1 / K).

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/m)を導入した。 The heat transfer model was created by adopting the sensor structure of the substrate, the insulating layer, and the resistor layer and the standard physical property values of the materials constituting them. Further, as a calibration operation, a rectangular wave-shaped periodic heat generation with a frequency of 1000 Hz is applied to the resistor layer 22, the temperature of the resistor layer 22 is measured, and the resistor layer is adjusted so that the measured heat flux matches the applied heat flux. The interfacial thermal resistance between 22 and the insulating layer was adjusted. As a result of calibration, an interface thermal resistance of 2.7 K / (MW / m 2 ) was introduced.

図7に較正時の付与熱流束q_cal(±355kW/m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。 Applying heat flux q _Cal during calibration in FIG 7 (± 355kW / square wave m 2) and the measured temperature ΔT _exc, showing the measured heat flux q _ exc after calibration. As can be seen from Figure 7, the applied heat flux q _Cal during calibration, measuring the heat flux q _ exc after calibration except high frequency noise has a waveform that approximates. The difference between the applied heat flux q _Cal during calibration, a measurement heat flux q _ exc after calibration, was 1.4% of the applied heat flux q _cal. From this result, it was found that the heat transfer model was calibrated so that highly accurate measurement can be performed by calibration of the heat transfer model.

[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。
[Example 2]
In the second embodiment, the heat flux sensor 1 shown in the first embodiment is used to show a temperature change and heat flux measurement example by the heat flux sensor 1 in a butane gas / air premixed combustion field. As shown in FIG. 8, the experimental apparatus 4 includes an open container 41. The capacity of the open container 41 is 0.51 liter. A spark plug 42 is attached to the open container 41. The heat flux sensor 1 is attached to the lower end of the open container 41.

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。   An open container 41 shown in FIG. 8 was filled with a premixed gas with an equivalence ratio of 1.2, ignited by discharge of the spark plug 42, and the surface temperature Tw and heat flux qw of the heat flux sensor 1 were measured. Further, an integrated value ew for the heat flux was calculated. The measurement results are shown in FIG. In addition, the moving average value qw_avg10 of 10 measurement points of the heat flux qw is also shown.

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/m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。 In the measurement results shown in FIG. 9, the surface temperature of the heat flux sensor increased from the time of about 80 ms when the flame reached the sensor surface, and the heat flux showed a sharp peak having a maximum value of about 230 kW / m 2 . It was also found that the heat flux converged in the subsequent time of about 30 ms. Thus, it was found that the heat flux of the premixed combustion field in the open container 41 can be measured by using the heat flux sensor 1.

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。   In addition, it is possible to appropriately replace the constituent elements in the above-described embodiments with well-known constituent elements without departing from the spirit of the present invention, and the above-described modified examples may be appropriately combined.

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)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Heat flux sensor 4 ... Experimental apparatus 10 ... Board | substrate 20 ... Laminated structure 21 ... Insulating layer 22 ... Resistor layer 23 ... Protective layer 24 ... Shielding layer 25 ... Resistor 25A ... 1st resistor 25B ... 2nd resistor 26 ... Through-hole 27 ... Insulator 28 ... Interfacial thermal resistance 31 ... Thin film wiring for current 32 ... Thin film wiring for voltage 33 ... Through wiring 34 ... Wiring 40 ... Adapter 41 ... Opening container 42 ... Spark plug 5 ... Engine 51 ... Combustion chamber 52 ... Engine block 53 ... Intake valve 54 ... Exhaust valve 56 ... Piston 57 ... Connecting rod 60 ... Drive / measurement circuit 70 ... Data collection device 80 ... Computer (computing device)

Claims (7)

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
A substrate, and a laminated structure in which an insulating layer, a resistor layer, and a protective layer are laminated in this order from the substrate side,
A resistor is provided in the resistor layer,
The representative scale of the resistor satisfies the following formula (2):
In addition to the first resistor set to the representative scale = L, one or more second resistors having a representative scale smaller than the representative scale of the first resistor are provided,
A heat flux sensor, wherein a heat flux is obtained based on a resistance value of the resistor.
L ≧ 4 × (a / f) 0.5 (2)
L: Representative scale of resistor (m)
a: Thermal conductivity of substrate
f: Frequency of heat generation fluctuation for calibration
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。   The heat flux sensor according to claim 1, wherein a temperature change of the resistor is obtained based on a resistance value of the resistor and a temperature coefficient of resistance of the resistor. 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。   The heat flux sensor according to claim 1 or 2, wherein the laminated structure includes a shielding layer made of a conductive material laminated on the protective layer. 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(m/s)
f;周期変動の計測に要求されるカットオフ周波数(Hz)
The heat flux sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate thickness of the substrate satisfies the following expression (1).
D ≧ 2.3 × (a / f) 0.5 (1)
Where D: substrate thickness (m)
a: Thermal conductivity of substrate (m 2 / s)
f: Cut-off frequency (Hz) required for periodic fluctuation measurement
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。
A method for calibrating a heat flux sensor according to any one of claims 1 to 4 ,
While giving a known applied heat flux due to AC heat generation to the resistor, and measuring a temperature change of the resistor during the known applied heat flux,
Obtain the measured heat flux by unsteady heat conduction analysis using a heat transfer model of the heat flux sensor,
A method for calibrating a heat flux sensor, comprising adjusting a heat transfer model of the heat flux sensor based on a comparison result between the applied heat flux and the measured heat flux.
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。
An abnormality detection method for an object to be measured for detecting an abnormality of the object to be measured by the heat flux sensor according to any one of claims 1 to 4 .
While causing periodic heat generation to the resistor, the temperature change of the resistor is measured by the heat flux sensor,
An abnormality detection method for an object to be measured, wherein an abnormality of the object to be measured is detected based on a temperature change amount of the resistor.
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。
An engine operation abnormality detection method for detecting an engine operation abnormality by the heat flux sensor according to any one of claims 1 to 4 ,
The wall temperature or wall heat flux of the engine during operation is continuously measured by the heat flux sensor,
An abnormal operation detection method for an engine, wherein an abnormal operation of the engine is detected based on a measurement result of the wall surface temperature or the wall surface heat flux.
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