热通量传感器的制作方法

本公开总体上涉及一种用于直接测量热能传递的热通量传感器。更具体地，本公开涉及一种热通量传感器的结构和一种包括热通量传感器的系统。

背景技术：

热通量传感器被用在其中局部热通量测量可能比温度测量更重要的各种动力工程应用中。热通量传感器可以基于多个热电结(thermoelectricjunctions)，从而数十、数百或甚至数千个热电结被串联连接。作用另一示例，热通量传感器能够基于其中通过塞贝克效应从热通量产生热电动势的一个或多个各向异性元件。由于各向异性，温度梯度具有在两个方向上的分量：沿着通过传感器的热通量的分量，和横向于通过该传感器的热通量的分量。电动势与横向于热通量的温度梯度分量成比例地产生。各向异性能够用适当的各向异性材料(例如单晶铋)来实现。基于单晶铋的热通量传感器的缺点在于：由于铋的低熔点，它们不适合于在高温下的热通量测量。用于实现各向异性的另一种选择是多层结构，其中，各个层相对于用于接收热通量的热通量传感器的表面倾斜。基于多层结构的热通量传感器的细节能够例如从以下文章中找到：关于工业电子学的电气与电子工程师协会“ieee”学报(第60卷，第4852–4860页，2013年)，hannek.jussila、andreyv.mityakov、sergeyz.sapozhnikov、vladimiry.mityakov和juha的“localheatfluxmeasurementinapermanentmagnetmotoratnoload(永磁电动机在无负载时的局部热通量测量)”。

然而，基于多个热电结或各向异性的上述已知的热通量传感器并非没有挑战。其中一个挑战涉及可能与某些热通量传感器类型相结合地高的单价。此外，在很多情况下，可能存在进一步的挑战，该挑战涉及将热通量传感器安装在受到监视的装置或系统上，这是因为热通量传感器需要空间，此外可能需要以可靠的方式将热通量传感器附接在该装置或系统的结构上的紧固器件。此外，很多热通量传感器的有限的机械耐久性和/或耐热性可能是限制热通量传感器在很多应用中使用的因素。上述类型的挑战提高了将热通量传感器集成到许多装置和系统中的阈值，然而在这些装置和系统中，热通量测量将是有用的。

技术实现要素：

下面给出简化的概述，以提供对各种本发明实施例的某些方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛概述。它既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下概述仅以简化形式呈现本发明的一些概念，作为对本发明的示例性实施例的更详细描述的序言。

在本文中，词语“几何”在用作前缀时表示几何概念，它不一定是任何物理对象的一部分。几何概念能够例如是几何点、笔直或弯曲的几何线、几何平面、非平面几何表面、几何空间，或者零维、一维、二维或三维的任何其它几何实体。

根据本发明，提供了一种新的用于测量热能传递的热通量传感器。

根据本发明的热通量传感器包括：

-第一零件和第二零件，该第一零件和第二零件由不同材料制成并且被布置成构成所述材料的接触结，以响应于第一零件和第二零件之间的温度差而产生电动势，和

-连接到第一零件的第一电导体和连接到第二零件的第二电导体，能够从第一电导体的端部与第二电导体的端部之间检测所述电动势。

第二零件的质量和热容量大于第一零件的质量和热容量，使得第一零件和第二零件之间的、由从第一零件越过所述接触结到第二零件的热通量引起的温度差大于由该热通量到达第二零件的以下位置所引起的温度增加：在该位置，第二电导体被连接到第二零件。因此，热通量引起上述温度差，但在第二零件中没有显著的温度增加。因此，由该温度差引起的电动势指示了所述热通量。

在根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器中，第二零件是装置或系统的一部分，从该装置或系统测量热通量。在该例示性且非限制性情形中，第二零件例如可以是(但不一定是)内燃发动机的缸盖、涡轮发动机的燃烧室的壁，或反应室的壁、或流程工业设施的管线。第一零件例如可以是在第二零件的表面上的薄材料片(例如金属)或是在第二零件的表面上的细线。因此，该热通量传感器可以是成本有效的并且机械耐久的。热通量感测的提高的成本有效性和耐久性还降低了将热通量测量集成到在其中以前这样做时存在阻碍的装置和系统的阈值。此外，热通量传感器的第二零件可以是附接有腕带或胸带的人类仪器(例如监视和/或测量装置)的一部分。在该例示性情形中，根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器可以被布置成测量由人产生的热通量。

根据本发明，还提供一种新的系统，该系统包括：

-待冷却的装置，例如集成电路，和

-根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器，该热通量传感器用于冷却所述装置并且用于测量从所述装置到达的热通量。

在上述系统中，该热通量传感器的第二零件是散热器元件，并且该热通量传感器的第一零件在所述散热器元件与所述待冷却的装置之间。因此，所述散热器元件不仅充当散热器，而且还充当用于测量从所述装置到达的热通量的该热通量传感器的一部分。

在所附从属权利要求中描述了本发明的各种例示性且非限制性实施例。

当结合附图来阅读时，从以下对具体的例示性且非限制实施例的描述中，将会在构造和操作方法方面最好地理解本发明的各种例示性且非限制性实施例、以及其另外的目的和优点。

动词“包括”和“包含”在本文中是作为开放式限定而使用的，既不排除也不要求存在未叙述的特征。除非另有明确说明，否则，从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应该理解，贯穿本文，使用的“一”或“一个”(即单数形式)并不排除多个。

附图说明

下面以示例的方式并且参考附图来更详细地解释本发明的例示性且非限制性实施例以及它们的优点，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器；

图2示意性地示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器；

图3示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器；

图4示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器；并且

图5示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的系统。

具体实施方式

在以下描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则，说明书中提供的示例的列表和组并不是穷尽的。

图1示意性地示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器。该热通量传感器包括第一零件101和第二零件102，使得第一零件101由与第二零件102不同的材料制成。值得注意的是，图1仅仅是示意图，并且在实践中，第二零件102例如可以是内燃发动机的缸盖、涡轮发动机的燃烧室的壁、或反应室的壁、或流程工业设施的管线，或一些其它装置或系统的一部分。第一零件101和第二零件102被布置成构成具有不同热电性质的两种材料的接触结(contactjunction)。该热通量传感器包括连接到第一零件101的第一电导体103和连接到第二零件102的第二电导体104。该热通量传感器是基于这两种材料的接触结处的热电效应(即，塞贝克效应)。第一零件101和第二零件102之间的温度差产生能够从第一电导体103的端部与第二电导体104的端部之间检测的电动势e。第一零件101例如能够由铝、铜、钼、康铜(constantan)或镍铬合金制成。第二零件102例如能够由钢、铝、铜、钼、康铜或镍铬合金制成。有利地选择第一零件101和第二零件102的材料，使得这些材料在热电方面是不同的，以最大化电动势e的产生。

第二零件102的质量和热容量(j/k)显著大于第一零件101的质量和热容量，使得第一零件101和第二零件102之间的、由从第一零件101越过所述接触结到第二零件102的热通量q引起的温度差显著大于由该热通量q到达第二零件102的以下位置所引起的温度增加：在该位置，第二电导体104连接到第二零件102。因此，热通量q引起上述温度差，但在第二零件102中没有显著的温度增加。因此，由该温度差引起的电动势e指示了热通量q。在图1中，热通量q用多个矢量表示，每个矢量具有与坐标系199的正z方向相反的方向，但实际上，描绘热通量q的矢量的方向可以不同于图1中所示的情形。

第二零件102的质量有利地是第一零件101的质量的至少十倍。更有利地，第二零件102的质量是第一零件101的质量的至少五十倍。进而更有利地，第二零件102的质量是第一零件101的质量的至少一百倍。在图1中所示的例示性热通量传感器中，第一零件101是在第二零件102的表面上的薄材料片。该材料片的厚度例如能够为0.001mm到1mm。因此，在第二零件102可以例如是缸盖的实际应用中，第二零件102的质量可以是第一零件101的质量的数千倍。

上述热通量传感器可以被认为是差动热电偶热通量传感器，其中，具有较高温度的点(即，热基准)形成在第一零件101和第二零件102之间的机械和电触点中。由于第二零件102就质量和热容量而言是大的(即，半无限的)，所以第二零件102的温度保持相对恒定。具有较低温度的点(即，冷基准)被放置在这个半无限的第二零件102中。上述热基准和冷基准之间的温度差产生了与热通量q直接相关的电压。为了提供用于改进准确度和/或用于补偿第二零件102的温度变化的信息，可以实施另外的温度传感器105。该热通量传感器还可以包括处理系统108，该处理系统108被配置成基于电动势e和用温度传感器105测量到的温度tc来产生热通量q的估计值。

图2示意性地示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器。该热通量传感器包括第一零件201和第二零件202，使得第一零件201由与第二零件202不同的材料制成。第一零件201和第二零件202被布置成构成具有不同热电性质的两种材料的接触结。该热通量传感器包括连接到第一零件201的第一电导体203和连接到第二零件202的第二电导体204。第一零件201和第二零件202之间的温度差产生了能够从第一电导体203的端部与第二电导体204的端部之间检测的电动势e。

在图2中所示的例示性热通量传感器中，第一零件201是在第二零件202的表面上的细线。该线的直径例如可以是0.01mm到1mm。因此，在第二零件202可以例如是缸盖的实际应用中，第二零件202的质量可以是第一零件201的质量的数千倍。上述第一电导体203可以是构成第一零件201的所述线的一个部分，即，在第一零件201和第一电导体203之间不需要接头。由于第二零件202的质量和热容量显著大于第一零件201的质量和热容量，所以热通量q引起第一零件201和第二零件202之间的温度差，但在第二零件102中没有显著的温度增加。因此，由该温度差引起的电动势e指示了热通量q。在图2中，热通量q用多个矢量表示，每个矢量具有与坐标系299的正z方向相反的方向，但实际上，描绘热通量q的矢量的方向可以不同于图2中所示的情形。为了提供用于改进准确度和/或用于补偿第二零件202的温度变化的信息，该热通量传感器还可以包括用于测量第二零件202的温度的温度传感器205。

图3示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器。该热通量传感器包括第一零件301和第二零件302，使得第一零件301由与第二零件302不同的材料制成。在该例示性情形中，第二零件302是用于在与坐标系399的y轴平行的方向上传导流体f的管，并且第一零件301是在该管的内表面上的薄材料片。然而，还可能的是，第一零件是在该管的内表面上的细线。第一零件301和第二零件302被布置成构成具有不同热电性质的两种材料的接触结。该热通量传感器包括连接到第一零件301的第一电导体303和连接到第二零件302的第二电导体304。第一零件301和第二零件302之间的温度差产生了能够从第一电导体303的端部与第二电导体304的端部之间检测的电动势e。由于第一零件301在所述管的内表面上，所以该热通量传感器适合于测量从所述管内部经由所述管的壁流动到所述管外部的热通量q。在图3中，热通量q用远离所述管指向的径向矢量表示，但实际上，描绘热通量q的矢量的方向可以不同于图3中所示的情形。

图4示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器。该热通量传感器包括第一零件401和第二零件402，使得第一零件401由与第二零件402不同的材料制成。在该例示性情形中，第二零件402是用于在与坐标系499的y轴平行的方向上传导流体f的管，并且第一零件401是在该管的外表面上的薄材料片。然而，还可能的是，第一零件是在该管的外表面上的细线。该热通量传感器包括连接到第一零件401的第一电导体403和连接到第二零件402的第二电导体404。第一零件401和第二零件402之间的温度差产生了能够从第一电导体403的端部与第二电导体404的端部之间检测的电动势e。由于第一零件401在所述管的外表面上，所以该热通量传感器适合于测量从所述管外部经由所述管的壁流动到所述管内部的热通量q。在图4中，热通量q用朝向所述管指向的径向矢量表示，但实际上，描绘热通量q的矢量的方向可以不同于图4中所示的情形。

图5示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的系统。该系统包括待冷却的装置507和根据本发明的例示性且非限制性实施例的热通量传感器，该热通量传感器用于冷却所述装置507并用于测量从所述装置到达的热通量q。装置506例如可以是诸如处理器的集成电路。该热通量传感器包括第一零件501和第二零件502，使得第一零件501由与第二零件502不同的材料制成。在该例示性情形中，第二零件502是用于冷却所述装置507的散热器元件，并且第一零件501是在第二零件502的外表面上的薄材料片，使得第一零件501在第二零件502与被冷却的装置507之间。该热通量传感器包括连接到第一零件501的第一电导体503和连接到第二零件502的第二电导体504。第一零件501和第二零件502之间的温度差产生了能够从第一电导体503的端部与第二电导体504的端部之间检测的电动势e。由于第一零件501在装置507和第二零件502之间，所以该热通量传感器适合于测量从装置507流动到第二零件502的热通量q。在图5中，热通量q用多个矢量表示，每个矢量都具有坐标系599的正z方向，但实际上，描绘热通量q的矢量的方向可以不同于图5中所示的情形。

在图5中所示的系统中，所述散热器元件不仅充当散热器，而且还充当用于测量从装置507到达的热通量q的该热通量传感器的一部分。该系统还可以包括用于在所述散热器元件的冷却片之间移动冷却空气的风扇506。

在上文给出的描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求书的适用性和/或解释。应该指出，除非另有明确说明，否则，在本文中给出的示例的列表和组是非穷尽的列表和组。