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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermosensitiven Flussratensensor,
welcher ein Heizelement aufweist, wobei der thermosensitive Flussratensensor
die Fließgeschwindigkeit
oder Fließrate
eines Fluids auf der Basis des Wärmeübergangs
misst, wo Wärme
zu dem Fluid von dem Heizelement oder einem Abschnitt übertragen
wird, welcher von dem Heizelement aufgeheizt wird, wobei der Flussratensensor
dazu verwendet wird, dass eine Einlassluftflussrate beispielsweise
in einer inneren Verbrennungskraftmaschine gemessen wird.
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2. Stand der Technik
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9 zeigt
eine Ansicht, die ein Erfassungselement darstellt, welches in einem
herkömmlichen thermosensitiven
Flussratensensor verwendet wird, und 10 zeigt
einen Querschnitt entlang der Linie X-X von 9, gesehen
aus der Richtung der Pfeile.
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In
den 9 und 10 ist ein flaches Substrat 1 durch
ein Silikonsubstrat mit einer Dicke von in etwa 0,4 mm gebildet.
Ein elektrisch isolierender Stützfilm 2,
der aus Silikonnitrid usw. hergestellt ist, und eine Dicke von 1 μm aufweist,
ist an einer Oberfläche
des Substrats 1 durch Durchführung eines Verfahrens, wie
beispielsweise einer Kathodenzerstäubung bzw. Sputtern, chemischer
Verdampfungsanbringung (CVD) usw. ausgebildet. Ein Heizelement 4,
welches durch einen thermosensitiven Widerstandsfilm aus Platin
usw. aufgebaut ist, ist an dem Stützfilm 2 ausgebildet.
Das Heizelement 4 ist derart konstruiert, dass es mit elektrischen
Strompfaden durch Anlage bzw. Positionierung eines thermosensitiven
Widerstandsfilms aus Platin usw. mit einer Dicke von 0,2 μm an dem
Stützfilm 2 durch
Durchführung
eines Verfahrens, wie beispielsweise einer Verdampfungsanlage oder
Sputtern usw. ausgebildet wird, und wobei der thermosensitive Widerstandsfilm unter
Verwendung eines Verfahrens, wie beispielsweise Lithografie oder
nassem oder trocknem Ätzen usw.,
mit einem Muster angebracht wird. Eine Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5,
welche ähnlich zu
einem thermosensitiven Widerstandsfilm aus Platin usw. aufgebaut
ist, ist an dem Stützfilm 2 entfernt von
dem Heizelement 4 ausgebildet. Die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ist
derart aufgebaut, dass sie mit elektrischen Strompfaden durch Anbringung
eines thermosensitiven Widerstandsfilms aus Platin usw. mit einer
Dicke von 0,2 μm
an dem Stützfilm 2 durch
Durchführung
eines Verfahrens, wie beispielsweise Zerstäuberanbringung oder Sputtern usw.,
ausgebildet ist, und wobei der thermosensitive Widerstandsfilm unter
Verwendung eines Verfahrens, wie beispielsweise Fotogravierung oder
nassem oder trocknem Ätzen usw.
mit einem Muster versehen wird. Zusätzlich ist ein elektrisch isolierender Schutzfilm 3,
der aus Silikonnitrid usw. hergestellt ist, und eine Dicke von 1 μm aufweist,
durch Durchführung
eines Verfahrens, wie beispielsweise Sputtern, CVD usw., an dem
Heizelement 4 und der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet.
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Das
Heizelement 4 ist durch ein erstes und zweites Verbindungsmuster 9a und 9b und
erste und vierte Leitungsmuster 7a und 7d mit
ersten und vierten Elektroden 8a und 8d zur elektrischen
Verbindung mit einem Erfassungselement zu einem externen Schaltkreis
verbunden. Die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ist
durch zweite und dritte Leitungsmuster 7b und 7c zu
zweiten und dritten Elektroden 8b und 8c zur elektrischen
Verbindung mit dem Erfassungselement zu einem externen Schaltkreis
verbunden. Der Schutzfilm 3 ist von den Abschnitten der
ersten bis vierten Elektroden 8a bis 8d entfernt,
so dass diese zu einem externen Schaltkreis durch ein Verfahren,
wie beispielsweise einer Kabelverbindung bzw. einem Kabelfügen mittels
Kleben verbunden sind.
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Darüber hinaus
ist ein Flussratenerfassungsdiaphragma 12 durch Ausbildung
einer Kavität 13 bzw.
eines Hohlraums 13 unterhalb eines Bereichs konstruiert
bzw. aufgebaut, wo das Heizelement 4 ausgebildet ist. Insbesondere
ist ein rückwärtiger Schutzfilm 10 an
einer rückwärtigen Oberfläche des flachen
Substrats 1 ausgebildet (ein Substrat an der gegenüberliegenden
Seite von der Oberfläche,
an der der Stützfilm 2 ausgebildet
ist), und wobei dann eine Ätzöffnung 11 durch
ein teilweises Entfernen des rückwärtigen Schutzfilms 10 durch
ein Verfahren, wie beispielsweise Fotolithografie an einer Position an
der hinteren Seite des Bereichs ausgebildet wird, wo das Heizelement 4 ausgebildet
ist. Danach wird das Flussratenerfassungsdiaphragma 12 durch Anbringung
bzw. Anwendung eines alkalischen Ätzens beispielsweise zu einem
flachen Substrat 1 ausgebildet, welches durch die geätzte Öffnung 11 ausgesetzt
ist, um einen Teil des flachen Substrats 1 zu entfernen
und die Kavität 13 zu
bilden.
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Das
in dieser Art und Weise hergestellte Erfassungselement 14 wird
derart angeordnet, dass das Flussratenerfassungsdiaphragma 12 zu
der Strömung
des Fluids ausgesetzt wird, welche zu messen ist. Darüber hinaus
zeigt in jeder der Figuren ein Teil 6 die Richtung der
Strömung
bzw. des Flusses des Fluids an, welche zu messen ist bzw. welche gemessen
wird.
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Das
Erfassungselement 14 weist eine flache Form auf, wie vorstehend
beschrieben, und wenn das Diaphragma 12 derart angeordnet
ist, dass es rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des
Fluids verläuft,
welche zu messen ist, wird der Fluiddruck auf das Diaphragma 12,
wodurch Beschädigungen des
Diaphragmas 12 ansteigen, wenn das zu messende Fluid mit
einer hohen Geschwindigkeit strömt, und
wobei Staub in dem Fluid, welches zu messen ist, ebenso an einem
Abschnitt des Diaphragmas angehäuft
werden kann, wodurch die Rate des Wärmeübergangs von dem Heizelement 4 zu
dem zu messenden Fluid verändert
wird, was zu einer Verschiebung bzw. einer Abweichung der zu erfassenden Flussrate
führt.
In derartigen Fällen
ist das flache Erfassungselement 14 im Wesentlichen parallel
zu der Richtung der Strömung
des zu messenden Fluids angeordnet, so dass diese in einem vorbestimmten Winkel
in Bezug auf die Richtung der Strömung des zu messenden Fluids
geneigt bzw. mit einem Winkel versehen ist.
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Wenn
das flache Erfassungselement 14 im Wesentlichen parallel
zu der Richtung der Strömung des
zu messenden Fluids angeordnet ist, so dass dieses in einem vorbestimmten
Winkel in Bezug auf die Richtung der Strömung des zu messenden Fluids mit
einem Winkel versehen ist, können
Verwirbelungen bzw. Störungen
in der Strömung
des zu messenden Fluids in der Nähe
der Kavität 13 ansteigen,
oder es können
Unregelmäßigkeiten
in der Strömung
des zu messenden Fluids in der Nähe
des Heizelements 4 aufgrund der Unregelmäßigkeiten
der Form eines Leitkantenabschnitts des Erfassungselements 14 auftreten,
was von einem Abspalten oder ähnlichem verursacht
werden kann.
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Diese
Unregelmäßigkeiten
in der Strömung des
zu messenden Fluids in der Nähe
des Heizelements 4 führen
zu einer verminderten Genauigkeit der Erfassung der Flussrate.
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Um
die vorstehend beschriebenen Probleme in den Fällen zu lösen, wo das flache Erfassungselement
14 im
Wesentlichen parallel zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids
angeordnet ist, oder derart angeordnet ist, dass diese in einem
vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Richtung der Strömung des
zu messenden Fluids angewinkelt bzw. mit einem Winkel versehen ist,
hat beispielsweise die nicht geprüfte
japanische Patentveröffentlichung Nr. 11-326000 vorgeschlagen,
dass das Erfassungselement innerhalb eines Aussparungsabschnitts
ausgebildet wird, welcher an einer flachen Stütze bzw. einer flachen Ebene
ausgebildet ist.
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11 ist
eine teilweise perspektivische Ansicht, welche eine Stützkonstruktion
des herkömmlichen
Erfassungselements darstellt, das in der nicht geprüften
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 11-326000 beschrieben ist.
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Gemäß 11 ist
eine Stütze 16 in
einer flachen Form ausgebildet und an ein Basiselement 20 montiert
bzw. angebracht. Ein Aussparabschnitt 18 mit einer etwas
größeren äußeren Form
als das Erfassungselement 14 ist an einer Oberfläche der
Stütze 16 ausgebildet.
Das Erfassungselement 14 ist innerhalb des Aussparungsabschnitts 18 angebracht, so
dass eine Oberfläche
des Erfassungselements 14 im Wesentlichen in einer gemeinsamen
Ebene mit einer Oberfläche
der Stütze 16 positioniert
ist. Die ersten bis vierten Elektroden 8a bis 8d des
Erfassungselements 14 sind durch Kabel 19 zu Leitungskabeln 17 elektrisch
verbunden, die in dem Basiselement 20 angeordnet sind.
Eine Abdeckung 21 ist an dem Basiselement 20 angebracht,
und die ersten bis vierten Elektroden 8a bis 8d sowie
die Kabel 19 sind durch die Abdeckung 21 geschützt.
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Somit
werden Störungen
bzw. Turbulenzen der Strömung
des zu messenden Fluids unterdrückt, welche
in der Nähe
des Hohlraums bzw. der Kavität 13 vorkommen,
und wobei die Strömung
des zu messenden Fluids durch die bogenförmige Form eines Stromaufwärts-Endabschnitts
der Stütze
geglättet wird,
wodurch Unregelmäßigkeiten
der Strömung des
zu messenden Fluids in der Nähe
des Heizelements 14 reduziert werden, welche durch Unregelmäßigkeiten
in der Form des Führungskantenabschnitts
des Erfassungselements 14 erzeugt werden.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zur Erfassung der Flussrate des zu messenden
Fluids unter Verwendung des Erfassungselements 14 erläutert.
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Da
die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 von dem Diaphragmaabschnitt 12 getrennt
ist, wird die Wärme,
welche von dem Heizelement 4 erzeugt wird, nicht auf die
Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 übertragen. Da die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 nicht
stromabwärts
von dem Heizelement 4 positioniert ist, wird die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 nicht
dem zu erfassenden Fluid ausgesetzt, welches durch die Wärmeübertragung
von dem Heizelement 4 erwärmt worden ist. Somit ist die
Temperatur, welche von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst
worden ist, im Wesentlichen gleich der Temperatur des zu messenden
Fluids.
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Das
Heizelement 4 wird von einem Erfassungsschaltkreis gesteuert,
welcher in 12 gezeigt ist, so dass dieses
einen Widerstandswert aufweist, wobei die Durchschnittstemperatur
des Heizelements 4 um eine vorbestimmte Temperatur (100°C beispielsweise)
höher ist
als die Temperatur des zu messenden Fluids, welche von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst
worden ist. Der Erfassungsschaltkreis wird durch eine Brückenschaltung
mit der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 und dem
Heizelement 4 gebildet. In 12 sind
die ersten bis fünften
Widerstände
R1, R2, R3, R4 und R5 feste Widerstände, wobei OP1 und OP2 Betriebsverstärker sind,
wobei TR1 und TR2 Transistoren sind und BATT eine elektrische Spannungsquelle
ist. Außer
der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 und dem Heizelement 4 ist
der Erfassungsschaltkreis von einem Erfassungsschaltkreissubstrat
gebildet, welches nicht dargestellt ist.
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Der
Erfassungsschaltkreis steuert den erzeugten Strom bzw. Erregungsstrom
Ih, der zu dem Heizelement 4 durch die Funktion strömt, so dass sich
im Wesentlichen gleiche elektrische Potentiale am Punkt a und am
Punkt b in der Figur ergeben. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des zu
messenden Fluids hoch ist, fällt
die Temperatur des Heizelements 4, da die Rate der Wärmeübertragung
von dem Heizelement 4 zu dem zu messenden Fluid ansteigt.
Somit steigt der erzeugte Strom bzw. Erregungsstrom Ih an, welcher
erforderlich ist, um die Durchschnittstemperatur des Heizelements 4 auf
einen bestimmten Wert um eine vorbestimmte Temperatur höher als
die Temperatur des zu messenden Fluids zu halten. Durch Erfassung des
erzeugten Stroms bzw. Erregungsstroms als Spannung Vout an den ersten
und zweiten Enden des dritten Widerstands R3 kann ein Strömungsgeschwindigkeitssignal
oder ein Flussratensignal für
das zu messende Fluid erhalten werden, welches durch die Innenseite der
Passage mit einer vorbestimmten Passagenquerschnittsfläche fließt.
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Wenn
nun Th die Temperatur des Heizelements 4 ist, Ta die Temperatur
des zu messenden Fluids ist, Rh der Widerstandswert des Heizelements 4 ist,
Ih der erzeugte Strom bzw. Erregungsstrom ist, welcher zu dem Heizelement 4 fließt, und
Qm die Flussrate des zu messenden Fluids ist, welches durch die
Passage fließt,
in welcher das Erfassungselement 14 angeordnet ist, dann
wird die Gleichung (1) erfüllt: Ih2·Rh = (a + b·Qmn)·(Th – Ta) (1)wobei a,
b und n Konstanten sind, die durch die Form und die Gestaltung des
Erfassungselements bestimmt werden.
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Somit
wird dadurch, dass (Th – Ta)/Rh
unabhängig
von Ta einheitlich gemacht wird, Ih eine Funktion von Qm, und wobei
die Ausgabe, welche Ih entspricht, die erfasste Flussratenausgabe
des thermosensitiven Flussratensensors wird.
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Die
Stützkonstruktion
des herkömmlichen Erfassungselements,
welches in 11 gezeigt ist, weist die im
Weiteren beschriebenen Probleme auf.
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Wenn
sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert, treten Fehler in dem
Flussratenwert auf, welcher von dem thermosensitiven Flussratensensor
erfasst worden ist, solange die Temperatur des Heizelements 4 nicht
im Hinblick auf die Temperaturänderungen
in dem zu messenden Fluid justiert bzw. eingestellt wird, so dass
die Temperatur, die von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst worden
ist, der tatsächlichen
Temperatur des gemessenen Fluids folgt. Wenn beispielsweise die
Temperatur des gemessenen Fluids ansteigt, wenn eine Zeitverzögerung vor
der Erfassung der Temperatur durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfolgt,
wird die von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasste
Temperatur niedriger als die tatsächliche Temperatur des gemessenen
Fluids, wodurch die Temperatur des Heizelements 4 niedriger als
die normale vorbestimmte Steuertemperatur wird. Mit anderen Worten
fällt der
erzeugte Strom bzw. Erregungsstrom, welcher durch das Heizelement 4 fließt, unterhalb
dem normalen elektrischen Stromsteuerwert. Somit wird ein Flussratenwert
registriert, der auf der Basis des erzeugten Stroms bzw. Erregungsstroms
erfasst wird, welcher zu dem Heizelement 4 fließt, als
ein niedrigerer Wert als die tatsächliche Flussrate des gemessenen
Fluids registriert.
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Da
jedoch die Temperatur, welche von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst
worden ist, nicht unmittelbar der tatsächlichen Temperatur des gemessenen
Fluids aufgrund der Wärmekapazität der Stütze 16 folgen
kann, können
Fehler in dem Flussratenwert, welcher von dem thermosensitiven Flussratensensor
erfasst worden ist, bei dieser Stützkonstruktion nicht unterdrückt werden.
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Um
den Einfluss der Wärmekapazität der Stütze
16 auf
die Temperaturerfassung bzw. die Nachfolgung der Temperaturerfassung
der Fluidtemperatureinrichtung
5 zu unterdrücken, ist
beispielsweise eine Stützkonstruktion
für ein
Erfassungselement in der
japanischen
nicht geprüften
Patentveröffentlichung
Nr. 10-2773 vorgeschlagen worden, bei der das Erfassungselement
von einer Stütze
gelagert wird, so dass ein erstes Ende des Erfassungselements, welches
mit einem Fluidtemperaturdetektor versehen ist, sich nach außen von
der Stütze
erstreckt. Jedoch wird bei der Stützkonstruktion dieses Erfassungselements
die Strömung
des gemessenen Fluids durch einen Stützenabschnitt der Stütze und einen
Spitzenabschnitt des Erfassungselements gestört, da die Stütze in der
Nähe des
Heizelements endet. Das Heizelement ist dem Einfluss dieser Störungen in
der Strömung
des gemessenen Fluids ausgesetzt, wodurch die Probleme ansteigen,
wie der erfasste Flussratenwert, welcher fehlerhaft wird.
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Bei
einem thermosensitiven Flussratensensor zur Messung einer Einlassluftflussrate
einer inneren Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs treten insbesondere
Fälle auf,
bei denen die Einlasslufttemperaturänderungen plötzlich am
Anfang oder am Ende eines Tunnels auftreten, wodurch es notwendig
wird, diesen Änderungen
der Einlasslufttemperatur rasch zu folgen.
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Der
thermosensitive Flussratensensor zur Messung der Einlassluftflussrate
der inneren Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs ist in der Rohrverbindung
untergebracht, welche eine Drosselklappe und ein Luftfiltergehäuse verbindet.
Da im Allgemeinen die Rohrverbindung dieser Art kein ideales gerades
Rohr stromaufwärts
und stromabwärts
von dem thermosensitiven Flussratensensor ist, sind die Störungen der
Strömungsgeschwindigkeit
und die Richtung des Flusses nicht einheitlich. In Anwendungen dieser
Art zur Messung der Einlassluftflussrate der inneren Verbrennungskraftmaschine
des Fahrzeugs wird eine stabile Messung der Strömung mit derartigen Erfassungselementstützkonstruktionen schwierig,
bei denen die Strömungstrennung
und Verwirbelung des gemessenen Fluids in der Nähe des Heizelements (oder des
Flussratenerfassungsabschnitts) leicht auftreten.
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Aus
der
DE 199 41 330
A1 ist ein wärmeempfindlicher
Flussratensensor bekannt, der ein Flussratendetektorgerät aufweist,
in welchem ein Heizelement vorgesehen ist, das durch einen wärmeempfindlichen
Widerstandsfilm gebildet wird und auf der Oberfläche eines plattenförmigen Substrats
vorgesehen ist. Der Flussratensensor weist außerdem einen Hohlraum auf,
der durch Entfernen eines Teils des plattenförmigen Substrats unter dem
Heizelement ausgebildet wird, um eine Membran zum Detektieren einer
Flussrate auszubilden. Auf der Oberfläche des plattenförmigen Substrats
kann zudem ein Fluidtemperaturdetektorelement vorgesehen sein, welches
von einem Bereich getrennt ist, in welchem die Flussratendetektormembran
vorgesehen ist.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorstehenden Probleme
zu lösen,
und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermosensitiven Flussratensensor
bereitzustellen, welcher fähig
ist, eine Flussrate ohne Beeinflussung eines erfassten Flussratensignals
genau zu messen, selbst wenn die Temperatur des gemessenen Fluids
schwankt, wobei das zu messende Fluid unterhalb einer Region geführt wird,
wo eine Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, um
den Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist,
an die Temperatur des zu messenden Fluids durch einen erzwungenen
Konvektionswärmetransfer
schnell anzupassen bzw. einzustellen.
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Um
die vorstehende Aufgabe zu lösen,
wird gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ein thermosensitiver Flussratensensor
bereitgestellt, welcher aufweist:
ein Erfassungselement mit:
einem
flachen Substrat;
einem Heizelement und einer Fluidtemperaturerfassungseinrichtung,
welche jeweils aus thermosensitivem Widerstandsfilm hergestellt
sind und derart ausgebildet sind, dass diese voneinander an einer
Oberfläche
des flachen Substrats getrennt sind; und
einem Flussratenerfassungsdiaphragma,
welches durch teilweise Entfernen des flachen Substrats von einer
rückwärtigen Oberflächenseite
unterhalb eines Bereichs ausgebildet ist, wo das Heizelement ausgeformt
ist; und
einer Stütze
mit einem ausgesparten Abschnitt zur Unterbringung des Erfassungselements,
welches an einer Oberfläche
davon ausgebildet ist, wobei die Stütze derart angeordnet ist,
dass die Oberfläche
in einem vorbestimmten Winkel zu einer Richtung der Strömung des
gemessenen Fluids geneigt ist,
wobei das Erfassungselement
innerhalb des Aussparungsabschnitts untergebracht ist und von der
Stütze derart
gestützt
bzw. gelagert wird, dass eine Oberfläche des Erfassungselements
im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene mit der Oberfläche der Stütze positioniert
ist, und dass eine Richtung der Ausrichtung des Heizelements und
der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung rechtwinklig zu der Richtung
der Strömung
des zu messenden Fluids verläuft; und
wobei
eine Nut mit einer Nutrichtung, welche in der Richtung der Strömung des
zu messenden Fluids verläuft,
in der Stütze
ausgebildet ist, so dass diese unterhalb eines Bereichs verläuft, wo
die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung des Erfassungselements ausgebildet
ist.
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Die
Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ist an einer ersten Endseite
des flachen Substrats ausgebildet, wobei das Erfassungselement von
einer Kantileverkonfiguration durch die Stütze gelagert wird, so dass
sich ein erster Endabschnitt des Erfassungselements einschließlich des
Bereichs in die Nut erstreckt, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung
ausgebildet ist.
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Die
Nut kann sich zu einem Stromaufwärts-Endabschnitt
der Stütze
in Richtung der Strömung
des zu messenden Fluids erstrecken.
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Die
Nut kann sich zu einem Stromabwärts-Endabschnitt
der Stütze
in Richtung der Strömung
des zu messenden Fluids erstrecken.
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Ein
Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma kann durch ein teilweises Entfernen
des flachen Substrats von einer rückwärtigen Oberflächenseite
unterhalb eines Bereichs ausgebildet werden, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung
ausgebildet ist.
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Eine
rohrförmige
Erfassungspassage kann für
das zu messende Fluid vorgesehen sein, um durch die Passage zu strömen, wobei
die Stütze
innerhalb der Erfassungseinrichtungspassage angeordnet ist, so dass
diese in zwei Abschnitte einer Querschnittspassage der Erfassungspassage
unterteilt wird, die rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des
zu messenden Fluids verläuft.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Vorderansicht, welche einen thermosensitiven Flussratensensor
gemäß einer
ersten Ausführungsform
darstellt;
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2 ist
eine Längsschnittansicht,
welche den thermosensitiven Flussratensensor gemäß der ersten Ausführungsform
darstellt;
-
3 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III von 2,
gesehen aus der Richtung der Pfeile;
-
4 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von 2,
gesehen aus der Richtung der Pfeile;
-
5 ist
eine Draufsicht, welche ein Erfassungselement darstellt, das in
dem thermosensitiven Flussratensensor gemäß der ersten Ausführungsform
verwendet wird;
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6 ist
eine Frontansicht, welche einen thermosensitiven Flussratensensor
gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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7 ist
eine Längsschnittansicht,
welche den thermosensitiven Flussratensensor gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
8 ist
eine Draufsicht, welche ein Erfassungselement darstellt, das in
dem thermosensitiven Flussratensensor gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
-
9 ist
eine Draufsicht, welche ein Erfassungselement darstellt, das in
einem herkömmlichen thermosensitiven
Flussratensensor verwendet wird;
-
10 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X von 9,
gesehen aus der Richtung der Pfeile;
-
11 ist
eine teilweise perspektivische Ansicht, welche eine Stützkonstruktion
des herkömmlichen
Erfassungselements darstellt; und
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12 ist
eine Darstellung, welche einen Steuerkreis des Erfassungselements
zeigt, das in dem herkömmlichen
thermosensitiven Flussratensensor verwendet wird.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsform
1
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Die 1 und 2 sind
eine Vorderansicht und ein Längsschnitt,
welche jeweils einen thermosensitiven Flussratensensor gemäß einer
ersten Ausführungsform
darstellen. 3 ist eine Querschnittsansicht
entlang der Linie III-III von 2, gesehen
aus der Richtung der Pfeile, wobei 4 eine Querschnittsansicht
entlang der Linie IV-IV von 2, gesehen
aus der Richtung der Pfeile ist, und wobei 5 eine Ansicht
ist, welche ein Erfassungselement darstellt, das in dem thermosensitiven
Flussratensensor gemäß der ersten
Ausführungsform
verwendet wird. Darüber
hinaus weisen in jeder der Figuren die Abschnitte die gleichen oder
entsprechende Bezugszeichen, wie bei den herkömmlichen Vorrichtungen, auf,
welche in den 9 bis 11 beschrieben
sind, wobei eine Erläuterung
davon weggelassen wird.
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In
den 1 bis 4 ist ein thermosensitiver Flussratensensor 100 gebildet
durch: ein Schaltkreissubstrat 30, auf welchem ein Erfassungsschaltkreis
konstruiert ist, der in 12 dargestellt
ist; ein Schaltkreisgehäuse 31 zur
Unterbringung des Schaltkreissubstrates 30; einen Verbinder 32,
um elektrischen Strom zu dem thermosensitiven Flussratensensor 100 zuzuführen und
um ein erfasstes Flussratensignal von dem thermosensitiven Flussratensensor 100 zu
extrahieren; ein Einsetzelement 34, welches derart angeordnet
ist, dass es sich zu einer ersten Seite von dem Schaltkreisgehäuse 31 erstreckt,
wobei eine Erfassungspassage 33, durch welche ein gemessenes
Fluid strömt,
in dem Einsetzelement 34 ausgebildet ist; ein Basiselement 35, welches
mit Leitungskabeln 17 ausgebildet ist, die innerhalb des
Einsetzelements 34 angeordnet sind; eine Stütze 36,
die an dem Basiselement 35 angebracht ist, so dass sie
sich in die Erfassungspassage 33 erstreckt; und ein Erfassungselement 40,
welches an der Stütze 36 angebracht
ist.
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Das
Schaltkreisgehäuse 31,
der Verbinder 32 und das Einsetzelement 34 sind
integriert ausgebildet, wobei ein Harz, wie beispielsweise Polybutylenterephthalat,
verwendet wird. Eine Nut 34a zur Unterbringung des Basiselements 35 ist
in dem Einsetzelement 34 ausgebildet, so dass dieses zwischen
der Erfassungspassage 33 und dem Schaltkreisgehäuse 31 kommuniziert.
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Die
Stütze 36 ist
in eine flache Form eines Harzes ausgebildet, wie beispielsweise
Polybutylenterephthalat, und ist an dem Basiselement 35 angebracht,
so dass sich dieses in die Erfassungspassage 33 erstreckt.
Die Stütze 36 ist
derart angeordnet, dass sie durch eine zentrale Achse der Erfassungspassage 33 hindurchfährt (einer
Richtung rechtwinklig zu der Oberfläche des Blattes in 1 und
mit der Richtung einer Strömung 6 des
gemessenen Fluids ausgerichtet), und um einen Passagenquerschnitt der
Erfassungspassage 33 rechtwinklig zu der zentralen Achse
in zwei Abschnitte zu unterteilen. Eine Hauptfläche der Stütze 36 ist um einen
Winkel θ zu der
zentralen Achse der Erfassungspassage 33 geneigt, wie in
den 3 und 4 gezeigt. In der Ausführungsform
1 ist der Winkel θ sieben Grad.
Ein Aussparungsabschnitt 37 mit einer etwas größeren äußeren Form
als das Erfassungselement 40 ist in der Hauptfläche der
Stütze 36 angeordnet,
so dass sich diese von einem Wurzelende (das Ende, welches an dem
Basiselement 35 angebracht ist) zu einem Spitzenende erstreckt.
Zusätzlich
ist eine Nut 38, welche an der rückwärtigen Oberflächenseite
der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 des Erfassungselements 40 parallel
zu der zentralen Achse der Erfassungspassage 33 entlang
geführt
wird und an der Hauptfläche
an dem Wurzelende der Stütze 36 angeordnet
ist, so dass sich diese von einem Stromaufwärts-Endabschnitt der Stütze 36 zu
einem Stromabwärts-Endabschnitt
erstreckt.
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Wie
in 5 gezeigt, ist ein Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 durch
Ausbildung eines Hohlraums 41 unterhalb einer Region des
Erfassungselements 40 konstruiert, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist. Darüber hinaus
ist dieses Erfassungselement 40 in ähnlicher Art und Weise wie
das herkömmliche
Erfassungselement 14 konstruiert, außer der Tatsache, dass das Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 ausgebildet
ist.
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Das
Erfassungselement 40 ist innerhalb des Aussparungsabschnitts 37 angeordnet,
so dass eine Oberfläche
des Erfassungselements 40 im Wesentlichen in einer gemeinsamen
Ebene mit der Hauptfläche
der Stütze 36 positioniert
ist. Hier ist die Nut 38 unterhalb des Fluidtemperaturerfassungsdiaphragmas 42 positioniert.
Die ersten bis vierten Elektroden 8a bis 8d des
Erfassungselements 40 sind über Kabel 19 mit den
Leitungskabeln 17 elektrisch verbunden, die in dem Basiselement 35 angeordnet
sind, und eine nicht gezeigte Abdeckung ist an dem Einsetzelement 34 angebracht,
wobei die ersten bis vierten Elektroden 8a bis 8d und
die Kabel 19 durch die Abdeckung geschützt sind. Der Erfassungsschaltkreis,
welcher in 12 gezeigt ist, ist durch die
Verbindung der Leitungskabel 17 zu dem Schaltkreissubstrat 30 gebildet.
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Der
auf diese Art und Weise konstruierte thermosensitive Flussratensensor 100 ist
durch Einsetzen des Einsetzelements 34 innerhalb einer
zylindrischen Hauptpassage 39 angebracht, welche die Passage
für das
zu messende Fluid bildet, so dass die zentrale Achse der Erfassungspassage 33 mit
der zentralen Achse der Hauptpassage 39 ausgerichtet ist,
wobei der thermosensitive Flussratensensor 100 sicher durch
Schrauben 29 an der Hauptpassage 39 befestigt
ist. Die Oberfläche
des Erfassungselements 40, das in der Stütze 36 gelagert
ist, ist um einen vorbestimmten Winkel θ zu der Richtung der Strömung 6 des
zu messenden Fluids geneigt. Ein O-Ring 28 befindet sich
zwischen dem thermosensitiven Flussratensensor 100 und
der Hauptpassage 39, wodurch eine Leckage des zu messenden
Fluids vermieden wird.
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In
diesem thermosensitiven Flussratensensor 100 wird das Fluid,
welches gemessen wird, und durch die Innenseite der Hauptpassage 39 strömt, innerhalb
der Detektorpassage 33 ausgerichtet. Das zu messende Fluid,
welches in der Nähe
der zentralen Achse der Erfassungspassage 39 strömt, fließt bzw.
strömt
entlang der Hauptfläche
der Stütze 36, wird über das
Heizelement 4 geleitet, wird dort durch die Wärmeübertragung
erwärmt,
welche in dem Heizelement 4 erzeugt wird, und strömt daraufhin
nach unten. Das gemessene Fluid, welches an einer oberen Seite in
der Erfassungspassage in 1 strömt, fließt bzw. strömt entlang einer oberen Abschnittsseite
der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 und wird ebenso
innerhalb der Nut 38 geleitet und strömt entlang einer unteren Seite
der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5.
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Wie
bereits früher
erläutert,
wird der erzeugte Strom bzw. Erregungsstrom, der zu dem Heizelement 4 fließt, von
dem Erfassungsschaltkreis gesteuert, so dass die Durchschnittstemperatur
des Heizelements um eine vorbestimmte Temperatur (100°C beispielsweise)
höher ist
als die Temperatur des zu messenden Fluids, welche von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst
wird. Dieser erzeugte Strom bzw. Erregungsstrom wird als ein erfasstes Flussratensignal
ausgegeben, wodurch es möglich ist,
dass eine Strömungsgeschwindigkeit
oder eine Flussrate für
das Fluid, welches gemessen wird und durch die Innenseite einer
Passage mit einer vorbestimmten Passagenquerschnittsfläche strömt, erfasst werden
kann.
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Da
die Nut 38 in der Stütze 36 ausgebildet ist,
so dass diese entlang der unteren Seite der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 geführt wird, strömt das zu
messende Fluid gemäß der ersten Ausführungsform
entlang der Frontoberflächenseite und
der rückwärtigen Oberflächenseite
des Bereichs des Erfassungselements 40, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist. Der Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgeformt
ist, passt sich rasch der Temperatur des zu messenden Fluids durch
die gezwungene konvektive Wärmeübertragung
mit dem zu messenden Fluid an, welches durch die Nut 38 zu
der rückwärtigen Oberflächenseite
des Bereichs gerichtet ist bzw. ausgerichtet ist, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist. Da der Bereich des Erfassungselements 40, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 separat
von der Stütze 36 ausgebildet
ist, wird der Einfluss der Wärmekapazität der Stütze 36 reduziert.
Somit folgt die Temperatur, welche von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst
wird, rasch den Temperaturänderungen
des zu messenden Fluids, und wobei die Temperatur des Heizelements 4 mit
einem Wert um die vorbestimmte Temperatur gesteuert werden kann,
welche höher
ist als die Temperatur des zu messenden Fluids, selbst wenn sich
die Temperatur des zu messenden Fluids ändert. Somit wird ein thermosensitiver
Flussratensensor bereitgestellt, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit und die
Flussrate des zu messenden Fluids genau bzw. exakt erfasst werden
kann.
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Da
der Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist, das Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 bildet,
wird die Wärmekapazität des Bereichs
reduziert, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist, und wobei die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 von
dem benachbarten flachen Substrat 1 thermisch isoliert
ist. Somit wird die Temperatur des zu messenden Fluids rasch und
genau durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst.
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Da
die Nut 38 in der Stütze 36 derart
ausgebildet ist, dass sie sich von einem stromaufwärtigen Ende
zu einem stromabwärtigen
Ende erstreckt, wird das zu messende Fluid in sanfter Art und Weise
innerhalb der Nut 38 von dem stromaufwärtigen Ende der Stütze 36 geführt bzw.
geleitet und strömt
sanft aus der Nut 38 an dem stromabwärtigen Ende der Stütze 36 heraus.
Da somit das zu messende Fluid zu der rückwärtigen Oberflächenseite
der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ohne Unterbrechung und
in großer
Menge zugeführt
werden kann, kann die tatsächliche
Temperatur des zu messenden Fluids durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 rasch
erfasst werden, selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden
Fluids ändert.
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Nun
treten Störungen
in der Strömung
des zu messenden Fluids aufgrund des Fluids auf, welches zu messen
ist und an der Frontoberflächenseite und
der rückwärtigen Oberflächenseite
des Bereichs des Erfassungselements 40 strömt und aufgeteilt wird,
wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist. Da jedoch lediglich die Funktion der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 darin
besteht, die Temperatur des zu messenden Fluids zu erfassen, haben
diese Störungen
auf die Strömung des
zu messenden Fluids keine Auswirkung auf die Temperaturerfassung
durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5. Da andererseits
der Bereich des Erfassungselements 40, wo das Heizelement 4 ausgebildet
ist, in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des
zu messenden Fluids von dem Bereich getrennt ist, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist, wird die Strömung
des zu messenden Fluids, welches in der Nähe des Heizelements 4 strömt, nicht
dem Einfluss der Störungen
in der Strömung
des zu messenden Fluids ausgesetzt, was auf die Ausbildung der Nut 38 zurückzuführen ist
und wodurch die Strömung
stabil ist.
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Folglich
treten Störungen
bzw. Turbulenzen in der erfassten Flussrate bzw. in dem erfassten Flussratensignal
nicht auf, selbst wenn die Nut 38 ausgebildet ist, wodurch
ein stabiles erfasstes Flussratensignal bereitgestellt wird.
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Da
die Stütze 36 derart
angeordnet ist, dass sie den Passagenquerschnitt der Erfassungspassage 33 in
zwei Abschnitte unterteilt wird, ist die Erfassungspassage 33 in
symmetrische Formen um die zentrale Achse der Erfassungspassage 33 hinsichtlich
einer oberen und unteren Richtung in 1 ausgebildet.
Somit ist die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit
einheitlich gemacht worden, selbst wenn Versetzungsströmungen in
der Strömung
des zu messenden Fluids auftreten, wobei die Präzision der Flussratenerfassung
verbessert wird.
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Da
die Spitzenoberfläche
der Stütze 36 (die untere
Endfläche
in 1) nicht der Innenseite der Erfassungspassage 33 ausgesetzt
ist, ist das zu messende Fluid zu dem Heizelement 5 ausgerichtet, ohne
dass Störungen
bzw. Verwirbelungen in der Strömung
auftreten, wodurch ein stabiles erfasstes Flussratensignal mit geringen
Störungen
bereitgestellt wird. Wenn darüber
hinaus die Spitzenoberfläche
der Stütze 36 der
Innenseite der Erfassungspassage 33 ausgesetzt ist, teilt
sich das zu messende Fluid an der Spitzenoberfläche der Stütze 36, wodurch die
Störungen
bzw. Turbulenzen in der Strömung
des zu messenden Fluids ansteigen.
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Ausführungsform
2
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Die 6 und 7 sind
eine Frontansicht bzw. eine Längsqueschnittsansicht,
die einen thermosensitiven Flussratensensor gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei 8 eine Draufsicht
ist, welche ein Erfassungselement darstellt, das in dem thermosensitiven
Flussratensensor gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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In
einem Erfassungselement 40a, welches in einem thermosensitiven
Flussratensensor 101 gemäß der zweiten Ausführungsform
verwendet wird, wie in 8 gezeigt, ist das Heizelement 4 an
dem Flussratenerfassungsdiaphragma 12 angeordnet, welches
in einem zentralen Abschnitt des flachen Substrats 1 ausgebildet
ist, und wobei die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 an
dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 angeordnet ist,
welches in einem spitzen Abschnitt des flachen Substrats 1 ausgebildet
ist. Die Nut 33 ist parallel zu der zentralen Achse der
Erfassungspassage 33 angeordnet, so dass sich diese von
einem stromabwärtigen
Ende zu einem stromaufwärtigen
Ende an einer Spitzenseite einer Stütze 36a erstreckt,
und wobei der Aussparungsabschnitt 37 derart ausgebildet
ist, dass er sich von dem Wurzelende der Stütze 36a zu der Nut 38 erstreckt.
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Darüber hinaus
ist das Erfassungselement 40a in ähnlicher Art und Weise wie
das Erfassungselement 40 gemäß der ersten Ausführungsform
ausgebildet, außer
der Tatsache, dass die Positionen, wo das Heizelement 4 und
die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
sind, unterschiedlich sind. Die Stütze 36a ist in ähnlicher
Art und Weise wie die Stütze 36 gemäß der ersten
Ausführungsform ausgebildet
bzw. konstruiert, außer
der Tatsache, dass die Positionen unterschiedlich sind, wo der Aussparungsabschnitt 37 und
die Nut 38 ausgebildet sind.
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Die
Stütze 36a ist
an dem Basiselement 35 angebracht, so dass es sich in die
Erfassungspassage 33 erstreckt und derart angeordnet ist,
dass es durch eine zentrale Achse der Erfassungspassage 33 hindurchfährt (in
einer Richtung rechtwinklig zu der Oberfläche der Seite von 6 und
mit der Richtung der Strömung 6 des
zu messenden Fluids ausgerichtet ist), und um einen Passagenquerschnitt
der Erfassungspassage 33 senkrecht zu der zentralen Achse
in zwei Abschnitte zu unterteilen. Das Erfassungselement 40a ist
im Inneren des Aussparungsabschnitts 37 angeordnet, so
dass eine Oberfläche des
Erfassungselements 40a im Wesentlichen in einer gemeinsamen
Ebene mit der Hauptfläche
der Stütze 36a positioniert
ist. Hier ist ein Spitzenabschnitt des Erfassungselements 40a oberhalb
der Nut 38 positioniert. Mit anderen Worten ist der Spitzenabschnitt
des Erfassungselements 40a nicht durch die Stütze 36A gelagert
bzw. gestützt,
sondern bildet eine Kantileverkonfiguration. Das Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 72 ist
ebenso oberhalb der Nut 38 positioniert.
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Darüber hinaus
ist der Rest dieser Ausführungsform
in ähnlicher
Art und Weise wie die vorstehende erste Ausführungsform ausgebildet bzw.
konstruiert.
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Da
die Nut 38 in der zweiten Ausführungsform in der Stütze 36A ausgebildet
ist, so dass diese entlang der unteren Seite der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 in ähnlicher
Art und Weise wie bei der vorstehenden ersten Ausführungsform
geführt wird,
passt sich die von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasste
Temperatur rasch den Temperaturänderungen
des zu messenden Fluids an, und die Temperatur des Heizelements 4 kann
auf einen Wert durch eine vorbestimmte Temperatur gesteuert werden,
welche höher
ist als die Temperatur des zu messenden Fluids, selbst wenn sich
die Temperatur des zu messenden Fluids ändert.
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Da
der Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist, das Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 bildet,
wird die Wärmekapazität des Bereichs
reduziert, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist, und wobei die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 von
dem benachbarten flachen Substrat 1 thermisch isoliert
ist.
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Da
die Nut 38 in der Stütze 36A ausgebildet ist,
so dass sich von einem stromaufwärtigen
Ende zu einem stromabwärtigen
Ende erstreckt, kann das zu messende Fluid der rückwärtigen Oberflächenseite
der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 zugeführt werden,
ohne dass Unterbrechungen in großer Quantität auftreten, wodurch es ermöglicht wird,
dass die tatsächliche
Temperatur des zu messenden Fluids durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 rasch
erfasst wird, selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert.
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Da
die Stütze 36A derart
angeordnet ist, dass sie den Passagenquerschnitt der Erfassungspassage 33 in
zwei Abschnitte unterteilt, wird die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit
einheitlich gemacht, selbst wenn Versetzungsströmungen in der Strömung des
zu messenden Fluids auftreten, wodurch die Präzision der Flussratenerfassung
verbessert wird.
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Da
die Spitzenoberfläche
der Stütze 36A (die untere
Endfläche
in 6) nicht der Innenseite der Erfassungspassage 33 ausgesetzt
ist, wird das zu messende Fluid zu dem Heizelement 5 ausgerichtet bzw.
zugeführt,
ohne dass Störungen
bzw. Turbulenzen in der Strömung
entstehen, wodurch ein stabiles Erfassungsflussratensignal mit geringen
Störungen bereitgestellt
wird.
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Da
das Erfassungselement 40A zusätzlich durch die Stütze 36A gelagert
bzw. gestützt
wird, so dass eine Kantileverkonfiguration mit dem Spitzenende ausgebildet
wird, welche den Bereich einschließt, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist, welche oberhalb der Nut 38 positioniert ist, wird
ein Zwischenraum zwischen der Stütze 36A und
der Nähe
der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 gebildet, wodurch
der Einfluss der Wärmekapazität der Stütze 36A auf
die Temperaturerfassung durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 signifikant
reduziert wird. Somit kann das erfasste Flussratensignal rasch und
genau erhalten werden, selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden
Fluids ändert.
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Darüber hinaus
ist in jeder der vorstehenden Ausführungsformen die Nut 38 derart
ausgebildet, dass sie sich von einem stromaufwärtigen Ende zu einem stromabwärtigen Ende
der Stütze 36 (36A)
erstreckt, jedoch muss die Nut 38 nicht notwendigerweise
oberhalb der gesamten Länge
der Stütze 36 (36A)
in Richtung der Strömung
des zu messenden Fluids ausgebildet sein; ebenso kann die Nut derart angeordnet
sein, dass sie unterhalb des Fluidtemperaturerfassungsdiaphragmas 42 und
stromaufwärts und
stromabwärts
von dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 in Richtung
der Strömung
des zu messenden Fluids geöffnet
als Beispiel entlang geführt
wird. In diesem Fall strömt
das zu messende Fluid durch die Nutöffnung stromaufwärts von
dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42, wobei es unterhalb
dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 ausgerichtet
wird, wobei sie sich dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 der
Temperatur des zu messenden Fluids durch die erzwungene konvektive
Wärmeübertragung
anpasst, und daraufhin durch die Nutöffnung stromabwärts von
dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 ausströmt.
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Selbst
wenn das stromabwärtige
Ende der Nut 38 in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids
nicht ausgebildet ist, so dass sie sich zu dem stromabwärtigen Ende
der Stütze 36 (36A)
erstreckt, da das zu messende Fluid innerhalb der Nut in sanfter
Art und Weise ausgerichtet ist, solange das stromaufwärtige Ende
der Nut 38 in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids
ausgebildet ist, so dass es sich zu dem stromaufwärtigen Ende
der Stütze 36 (36A)
erstreckt, wird die Ausströmung
des zu messenden Fluids durch die Nutöffnung stromabwärts von
dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 bereitgestellt,
wodurch eine Stagnation des zu messenden Fluids in der Nut verhindert
wird. Selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert, welches
durch die Innenseite der Hauptpassage 29 strömt, ändert sich
die Temperatur des zu messenden Fluids ohne Verzögerung, welches durch die Innenseite
der Nut strömt.
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Selbst
wenn das stromaufwärtige
Ende der Nut 38 in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids
nicht ausgebildet ist, so dass es sich zu dem stromaufwärtigen Ende
der Stütze 36 (36A)
erstreckt, da das zu messende Fluid von der Nut in sanfter Art und
Weise ausströmt,
solange das stromabwärtige
Ende der Nut 38 in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids
ausgebildet ist, so dass es sich zu dem stromabwärtigen Ende der Stütze 36 (36A)
erstreckt, wird die Einströmung
des zu messenden Fluids in die Nutöffnung stromaufwärts von dem
Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 bereitgestellt,
wodurch eine Stagnation des zu messenden Fluids in der Nut verhindert
wird. Selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert, welches
durch die Innenseite der Hauptpassage 29 strömt, ändert sich
somit die Temperatur des zu messenden Fluids ohne Verzögerung,
welches durch die Innenseite der Nut strömt.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet die Nut 38, um das zu messende
Fluid unterhalb des Bereichs auszurichten, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist, und wobei sich der Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist, rasch der Temperatur des zu messenden Fluids durch die erzwungene
konvektive Wärmeübertragung
bzw. den Wärmeübergang anpasst
bzw. akklimatisiert. Folglich ist in jeder der vorstehenden Ausführungsformen
die Stütze 36 (36A)
derart angeordnet, dass der Winkel θ zwischen der Hauptfläche der
Stütze 36 (36A)
und der zentralen Achse der Erfassungspassage 33 sieben
Grad beträgt,
wobei der Winkel θ jedoch
nicht auf die sieben Grad begrenzt ist, wobei vorausgesetzt ist,
dass das zu messende Fluid durch die Innenseite der Nut 38 strömt. Wenn
beispielsweise der Winkel θ 45° beträgt, kann
die Beschädigung
des Diaphragmas, was aus dem Fluiddruck von dem zu messenden Fluid
resultiert, und in die erfasste Flussrate abweicht bzw. abdriftet,
was aus der Staub- bzw.
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Ablagerungsanhäufung in
dem Bereich resultiert, wo das Heizelement ausgebildet ist, signifikant
unterdrückt
werden im Vergleich dazu, wenn der Winkel θ 90 Grad beträgt (wenn
die Hauptfläche
der Stütze
rechtwinklig zu der Strömung
des zu messenden Fluids verläuft).
Wenn darüber
hinaus in einem Flussratensensor eine Verlängerung der Lebensdauer des
Diaphragmas und eine erhöhte
Erfassungsgenauigkeit gewünscht
sind, wird es bevorzugt, dass der Winkel zwischen 0 Grad und 30
Grad liegt, d. h. dass 0 Grad ≤ θ ≤ 30 Grad ist.
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In
jeder der vorstehenden Ausführungsformen
ist die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 an dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 ausgebildet,
jedoch muss das Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 in
Abhängigkeit
des beabsichtigten Zwecks bzw. der beabsichtigten Verwendung des
thermosensitiven Flussratensensors nicht ausgebildet werden, wenn
die Konstruktion derart ist, dass das zu messende Fluid ebenso durch
die Nut 38 zu der rückwärtigen Oberflächenseite
des Bereichs zirkuliert werden kann, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist. Mit anderen Worten, wenn kein Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 vorgesehen
ist, hat die Wärmekapazität des flachen
Substrates 1 den Effekt, dass die Temperaturerfassung reduziert
wird, welche durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 in
Bezug auf die Temperaturänderungen
in dem zu messenden Fluid folgt bzw. abbildet, wobei jedoch die
Reduktion der Temperaturerfassungsabbildung durch das zu messende
Fluid unterdrückt
wird, welches durch die Nut 38 an der rückwärtigen Oberflächenseite
des Bereichs strömt,
wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet
ist.
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Des
Weiteren ist bei jeder der vorstehenden Ausführungsformen der thermosensitive
Flussratensensor erläutert
worden, bei dem ein Heizelement 4 an dem Flussratenerfassungsdiaphragma 12 ausgebildet
ist, und wobei die Flussrate des zu messenden Fluids mittels des
erzeugten Stroms bzw. Erregungsstroms erfasst wird, der zu dem Heizelement 4 fließt, wobei
jedoch andere Arten bzw. Typen möglich
sind bzw. akzeptabel sind, die vorgesehen sind, so dass der thermosensitive
Flussratensensor nach Art eines Diaphragmas arbeitet, wobei die
Flussrate oder die Strömungsgeschwindigkeit
durch den Wärmeübergang
bzw. den Wärmetransfer
zu dem zu messenden Fluid gemessen wird. Arten, bei denen Temperaturerfassungswiderstände stromaufwärts und
stromabwärts
von dem Heizelement angeordnet sind und wobei eine Temperaturdifferenz
zwischen den Temperaturerfassungswiderständen erfasst wird, sind ebenso als
Beispiele akzeptabel, und wobei Arten, bei denen eine Vielzahl von
Heizelementen stromaufwärts
und stromabwärts
angeordnet sind, und wobei Unterschiede zwischen den erzeugten Strömen erfasst worden
sind, welche zu jedem der Heizelemente fließen, sind ebenso akzeptabel
bzw. möglich.
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Die
vorliegende Erfindung ist in der vorstehenden Art und Weise konstruiert
und weist die weiter unten beschriebenen Effekte auf.
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Gemäß einem
Aspekt wird ein thermosensitiver Flussratensensor bereitgestellt,
welcher aufweist:
ein Erfassungselement, welches aufweist:
ein
flaches Substrat;
ein Heizelement und eine Fluidtemperaturerfassungseinrichtung,
welche jeweils aus einem thermosensitiven Widerstandsfilm hergestellt
sind und derart ausgebildet sind, dass sie voneinander an einer Fläche des
flachen Substrats getrennt sind; und
ein Flussratenerfassungsdiaphragma,
welches durch ein teilweises Entfernen des flachen Substrats von
einer rückwärtigen Flächenseite
unterhalb eines Bereichs ausgebildet wird, wo das Heizelement ausgebildet
ist; und
eine Stütze
mit einem Aussparungsabschnitt zur Unterbringung des Erfassungselements,
welches an einer Fläche
davon ausgebildet ist, wobei die Stütze derart angeordnet ist,
dass die Fläche
in einem vorbestimmten Winkel bezüglich einer Richtung der Strömung des
zu messenden Fluids geneigt ist,
wobei das Erfassungselement
innerhalb des Aussparungsabschnitts untergebracht ist und durch
die Stütze
gelagert bzw. gehaltert wird, so dass eine Oberfläche des
Heizelements im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene mit der
Oberfläche
der Stütze
positioniert ist, und dass eine Richtung der Ausrichtung des Heizelements
und der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung rechtwinklig zu der
Richtung der Strömung
des zu messenden Fluids verläuft;
und
wobei eine Nut mit einer Nutrichtung, die in der Richtung
der Strömung
des zu messenden Fluids verläuft, in
der Stütze
ausgebildet ist, so dass diese unterhalb eines Bereichs geführt wird,
wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung des Erfassungselements
ausgebildet ist.
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Somit
wird ein thermosensitiver Flussratensensor bereitgestellt, welcher
fähig ist,
die Flussrate genau zu messen, ohne dass ein erfasstes Flussratensignal
ungünstig
beeinflusst wird, selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden
Fluids ändert, da
das zu messende Fluid unterhalb dem Bereich geführt bzw. ausgerichtet wird,
wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, und
unterhalb dem Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung
ausgebildet ist, so dass sich die Temperatur des zu messenden Fluids
durch die erzwungene konvektive Wärmeübertragung rasch akklimatisiert
bzw. anpasst.
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Die
Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ist an einer ersten Endseite
des flachen Substrats ausgebildet und das Erfassungselement kann
in einer Kantileverkonfiguration durch die Stütze gelagert sein, so dass
sich ein erster Endabschnitt des Erfassungselements einschließlich des
Bereichs in die Nut erstreckt, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung
ausgebildet ist, wodurch die Temperatur des zu messenden Fluids
von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung erfasst wird, welche
mit geringer Wahrscheinlichkeit dem Einfluss der Wärmekapazität der Stütze ausgesetzt
ist, wobei dadurch die Nachfolgung bzw. die Nachführung der
erfassten Temperatur des zu messenden Fluids gegenüber den
Temperaturänderungen
in dem zu messenden Fluid verbessert wird.
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Die
Nut kann sich zu einem Stromaufwärts-Endabschnitt
der Stütze
in Richtung der Strömung
des zu messenden Fluids erstrecken, wobei das gemessene Fluid unterhalb
des Bereichs, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist,
sanft und in hoher Quantität
ausgerichtet bzw. geführt
ist, wodurch die Nachfolgung der erfassten Temperatur des zu messenden
Fluids gegenüber
Temperaturänderungen
in dem zu messenden Fluid verbessert wird.
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Die
Nut kann sich zu einem stromabwärtigen Endabschnitt
der Stütze
in Richtung der Strömung des
zu messenden Fluids erstrecken, wobei das zu messende Fluid unterhalb
des Bereichs, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist,
sanft und in großer
Quantität
ausgerichtet ist, wodurch die Nachfolgung der erfassten Temperatur
des zu messenden Fluids gegenüber
Temperaturänderungen
in dem zu messenden Fluid verbessert wird.
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Ein
Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma kann durch ein teilweises Entfernen
des flachen Substrats von einer rückwärtigen Flächenseite unterhalb eines Bereichs
ausgebildet werden, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung
ausgebildet ist, was zu einer Reduzierung der Wärmekapazität des Bereichs führt, wo
die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, und wobei
die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung von dem benachbarten flachen Substrat
isoliert wird, wobei sich dadurch das Nachfolgen der erfassten Temperatur
des zu messenden Fluids bezüglich
Temperaturänderungen
in dem zu messenden Fluid verbessert.
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Eine
rohrförmige
Erfassungspassage kann für
das zu messende Fluid vorgesehen sein, durch welche die Strömung verläuft, wobei
die Stütze
innerhalb der Erfassungspassage angeordnet ist, so dass diese in
zwei Abschnitte unterteilt wird, wobei ein Passagenquerschnitt der
Erfassungspassage rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des
zu messenden Fluids verläuft,
wodurch die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit
des zu messenden Fluids einheitlich wird, welches durch die Innenseite
der Erfassungspassage strömt,
wobei dadurch die Präzision
der Flussratenerfassung verbessert wird. Da zusätzlich die Endfläche der
Stütze
in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des
zu messenden Fluids nicht ausgesetzt ist bzw. exponiert ist, kann
das zu messende Fluid zu dem Heizelement ausgerichtet werden, ohne
dass diese gestört
wird, wodurch ein stabiles erfasstes Flussratensignal bereitgestellt
wird.