JP2005531776A5 - - Google Patents

Description

表面上の凝結を防止するためのセンサ・ユニット、装置および方法

本発明は、特許請求の範囲の請求項１のプリアンブルに従ったセンサ・ユニット、および特許請求の範囲の請求項１０のプリアンブルに従った物体の表面上におけるガス、特に水蒸気の凝結を防止するための方法に関する。さらに本発明は、物体の表面上におけるガス、特に水蒸気の凝結を防止するための装置にも関するものである。

物体の表面上におけるガス、特に水蒸気の凝結を防止するための装置に関するプリアンブルに従ったセンサ・ユニットは、次に示す構成を有する：物体の温度を測定するための温度測定デバイス、物体を取り囲む雰囲気中のガスの露点温度を決定するための露点決定デバイス、該露点決定デバイスが、前記露点の直接測定のための露点センサとして構成され、および温度測定デバイスならびに露点決定デバイスと機能的に接続された調整およびコントロール・デバイスであって、それを用いて物体の温度と露点温度の間の温度差を増加させるための調節デバイスをコントロールすることが、温度測定デバイスならびに露点決定デバイスによって獲得されたデータの関数として、物体の温度が露点温度またはそれ未満の温度へ低下することが回避されるような方法で可能となる調整およびコントロール・デバイス。

物体の表面上におけるガス、特に水蒸気の凝結の防止に関するプリアンブルに従った方法においては、次に示すステップが実行される：（ａ）物体の温度を測定するステップ、（ｂ）物体を取り囲む雰囲気中のガスの露点温度を決定するステップ、および（ｃ）露点温度またはそれ未満の温度への物体の温度の低下を回避するために、ステップ（ａ）において測定された物体の温度および／またはステップ（ｂ）において決定された露点温度の関数として物体の温度を上昇させ、かつ／または露点温度を低下させるステップ。

この種のセンサ・ユニットまたは方法は、プロセス・エンジニアリングをはじめ、自動車エンジニアリングにおいて使用することができる。後者においては、表面上の凝結、特に水蒸気の結露を防止することがより大きな関心事となる。たとえば、ウインドウスクリーンの『ミスティング（スクリーンの曇り）』に起因して、乗り物の交通が危険になる可能性がある。

これまでのところ、その種のセンサ・ユニットは、容量性の湿度または湿分センサ、あるいは導電率測定を基礎とするセンサを、接触型温度センサとともに備えて具体化されてきた。容量性湿度センサは、実際の測定量として『相対湿度』、すなわち水蒸気の分圧の温度、したがってガスの露点温度が既知のとき決定することのできる測定量を決定する。この決定の根本原理は、特定の相対湿度における水蒸気圧ｐ_Ｄと乾燥温度の間のリンクである。これらの曲線は、従来から『ｈｘ』グラフとしてプロットされている。同一蒸気圧ｐ_Ｄの場合、すなわち水蒸気濃度ｘ（ｇ／ｋｇ）が同一の場合には、測定されたガスが、異なる乾燥温度において異なる『相対湿度』を有する。

１００％の相対湿度曲線から決定することのできる露点温度は、表面上における『ミスティング』または凝結の決め手となる。

『相対湿度』曲線は、ＲＨ曲線とも呼ばれ、特定の相対湿度における蒸気圧の関数としての乾燥温度を示すが、０℃より下側の範囲において非常に大きな勾配を有することから、この範囲内の露点決定の感度には、著しい低下がある。

容量性湿度センサはまた、ドリフトの欠点も有し、言い換えるとそれらのセンサは、長期ベースで考えたときに安定していない。この種のドリフトは、特に高い湿度レベルおよび非常に低い湿度レベル、すなわち飽和または乾燥効果に帰する場合に生じる。

最後に、容量性湿度センサは汚れの影響を受けやすく、たとえば自動車のパッセンジャ・コンパートメント内において喫煙がある場合に特に不都合が顕著となる。

国際公開公報第０２／０４２３９ Ａ１号は、窓、特に車のウインドスクリーン、の自動的な防水及び曇りとりのための装置と方法を開示する。窓に起こり得る曇りは、測定装置で直接計測される。その上、露点センサが用いられ、同時に、ウインドスクリーンの温度は、例えば、赤外線センサを用いて、間接的に測定される。

米国特許第４，６９３，１７２号は、乗物の窓、特に航空機の窓、の曇り回避のための装置に関する。窓の温度は、窓に適合し、或は統合された温度センサの助けをもって計測され、露点温度は、窓から離れて置かれた露点センサで決定される。測定データの機能として、乗物の窓は、露点温度以下に窓の温度が低下するのを避けるため、直接又は間接に熱せられる。

ドイツ国公開特許第１９９ ３２ ４３８ Ａ１号とドイツ特許２００ １２ ０６０ Ｕ１号は、露点センサを述べている。

欧州特許０ ８６６ ３３０ Ａ２号は、ガラス表面上の水分検出のためのセンサに関する。

本発明の目的は、信頼性をもって凝結を防止することのできる、各種の態様において使用可能な前述したタイプのセンサ・ユニットならびに方法を提供することである。またセンサ・ユニットは、特に製造の費用が低くなければならない。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１に記載の特徴を有するセンサ・ユニット、および請求項１２に記載の特徴を有する方法によって達成される。

本発明に従ったセンサ・ユニットの好適な発展および本発明に従った方法の好ましい発展は、従属項の発明の内容を形成する。

前述のタイプのセンサ・ユニットは、温度測定デバイスが、非接触態様で動作する温度センサとして構成されること、露点センサが、測定表面上にガスの凝結があるときの光の内部反射における変化をその測定原理とするタイプであること、温度センサ、露点センサ及び調整およびコントロール・デバイスが、共通ハウジング内に収容されることとによって、さらに発明性のある発展がなされる。

それに相応じて前述のタイプの方法は、露点センサを用いてガスの露点温度が直接測定され、そこにおいて、測定表面上にガスの凝結があるときの光の内部反射における変化をその測定原理とすること、および物体の温度が非接触態様で測定されることによって、さらに発明性のある発展がなされる。

本発明の第１の基本的コンセプトは、露点がこれまでのように相対湿度によって間接的に測定されることがなくなり、それに代えて、露点センサに補助されて露点温度が直接測定される。相対湿度の測定時の不確定性が、すでに露点温度に荷担しなくなることから、はるかに高い信頼性をもって物体表面の凝結を防止することが可能になる。

本発明の第２の基本コンセプトは、物体の温度を非接触態様で測定することに関係する。この発明性のあるセンサ・ユニットおよび発明性のある方法は、したがって、特に多様な態様で使用可能となる。たとえば、移動物体を監視し、その表面上の凝結を回避することもできる。

非接触温度測定は、被測定物体からエネルギがまったく取り除かれないという利点を有する。これは、表面温度測定の場合には、使用されるセンサ・エレメントが表面からエネルギを取り除き、それが誤った測定を導くという問題が頻繁に発生することから、表面の温度を決定する場合に特に有利である。それに加えて、非接触温度測定結果として、距離および開口角の適切な選択を通じて、測定範囲を選択することも可能であり、その結果たとえば表面の完全な測定も可能である。移動物体の監視は、産業製造プロセスにとって特に重要となる。

本発明に従ったセンサ・ユニットは、安価に製造することが可能であり、低価格の大量生産も可能である。

好ましくは濡れセンサが、露点センサとして使用される。これは、問題となるガスを伴う測定表面の濡れ、すなわち当該ガスの凝結が測定される測定コンポーネントとすることができる。これによって、凝結が防止されるべき物体表面上の状態が、露点センサ内においてシミュレーションされるという利点を導く。これは、特に高い信頼性をもって物体表面上における凝結を防止する。

露点センサは、その測定原理が測定表面上にガスの凝結があるときの光の内部反射の変化を使用するタイプである。

その種のセンサは、たとえばドイツ国公開特許第１９９３２４３８号（ＤＥ １９９ ３２ ４３８ Ａ１）から周知であり、またコンパクトの場合には、廉価な構造が非常に低い汚れ敏感度を有し、同時に容易なクリーニングが可能である。表面の光学特性、特にその反射率は、その表面がガスで濡れている場合、すなわち当該ガスがその表面上において凝結している場合に非常に大きく変化する。これにより、非常に正確な露点温度の決定が可能になる。

本発明によれば、測定表面上の測定ガスの凝結に起因する内部反射の変化が測定される。この反射の変化が、測定表面上における可能性のある汚れ、たとえば塵埃等による汚れにほとんど依存しないことから特に好ましい。

温度センサは、赤外線センサによって構成することができるが、原理的に、赤外線スペクトル・レンジに適した任意の検出器、たとえば光導電セル、熱電対、ボロメータ、あるいは半導体検出器、たとえばフォトダイオードが使用できる。しかしながら、好ましくはサーモパイル検出器が使用される。この種の検出器は、低価格で獲得可能であり、かつ正確な温度測定を可能にする。

温度測定の精度は、温度センサにスペクトル・フィルタを備えることによってさらに向上させることが可能である。これは、特に８〜１４μｍのウインドウ、すなわち大気ウインドウとすることができる。

また、物体を取り囲む雰囲気の温度を決定するための別の温度測定デバイスを備えることも可能である。これは、特に、自動車のパッセンジャ・コンパートメント内の温度の決定に関係する。対応する調整デバイスおよび測定された内部の温度を用いて、対応する露点のギャップを仮定し、パッセンジャ・コンパートメント内の気候的な条件を快適な範囲内に調整することが可能となり、それが搭乗者のためにかなりの利点を導く。

本発明によれば、この発明性のあるセンサ・ユニットが、共通ハウジング内に収容される。このようにコンパクトな構造は、センサ・ユニットの多様な使用およびセンサ・ユニットの容易な交換を可能にする。

また本発明は、物体表面上におけるガス、特に水蒸気の凝結を防止するための、本発明に従ったセンサ・ユニットをはじめ、物体の温度と露点温度の間の温度差を増加させるための調整デバイスを有する装置に関する。

この種の装置またはシステムを用いると、この発明性のあるセンサ・ユニットに関して上に説明した利点が達成される。

調整デバイスは、加熱デバイスとして構成することが可能である。これは、物体を直接的に加熱するためのデバイス、たとえばリア・ウインドウ・ヒータ等、および／または物体を間接的に加熱するためのデバイス、たとえばヒータ・ブロワ等とすることができる。

特に、たとえばプロセス・エンジニアリング上の理由から物体の加熱が望ましくない場合には、物体温度と露点温度の間における温度差の増加を、露点温度を下げることによってもたらすことも可能である。この場合においては調整デバイスが、好ましくは当該物体を取り囲む雰囲気中のガス含有率、特に水蒸気含有率を下げるための乾燥デバイスとして構成される。

本発明に従った装置は、自動車のウインドウのミスティングを防止するために使用することができる。前述した本発明に従ったセンサ・ユニットと従来技術の間における基本的な差、および得られる利点の結果として、この種の装置を用いれば、特に高い信頼性をもってウインドウ上の水蒸気の結露、すなわち『ミスティング』を防止しすることが可能となり、したがって搭乗者の安全性が有意に向上する。

調整ならびにコントロールの観点からは、調整およびコントロール・デバイスによる調整デバイスのコントロールが、物体温度と露点温度の間における温度差があらかじめ決定された最小温度差より大きく維持されるように行われる。

本発明に従ったセンサ・ユニットならびに方法におけるこのほかの利点ならびに特徴について、次に添付図面を参照して説明する。

図１に示されている装置は、本発明に従ったセンサ・ユニット１０、およびたとえばヒータ・ブロワあるいはリア・ウインドウ・ヒータとすることができる調整デバイス１８を有している。サーモパイル・センサとすることのできる温度センサ４０の、温度測定デバイス１２としての補助を受けて、物体２０の表面温度が決定される。温度センサ４０は、物体２０の表面２１上における測定スポット２２の赤外線放射を非接触態様で設定し、その温度センサ４０の許容範囲が、許容コーン１３によって図式的に表現されている。温度センサ４０は、調整およびコントロール・デバイス１６に接続されている。

センサ・ユニット１０は、露点決定デバイス１４として露点センサ５０を有しており、これもまた調整およびコントロール・デバイス１６に接続されている。露点センサ５０は、図式的に表現されたガス２８、すなわち特に物体を取り囲む水蒸気とすることのできるガスの露点温度を決定するために使用される。露点センサ５０は、好ましくは濡れセンサとして、特にドイツ国公開特許第１９９３２４３８号（ＤＥ １９９ ３２ ４３８
Ａ１）に記述されているタイプのセンサとして構成される。

温度センサ４０、露点センサ５０、および調整およびコントロール・デバイス１６は、共通ハウジング２６内に収容され、それが非常にコンパクトな構造を保証する。調整デバイス１８は、たとえばヒータ・ブロワとすることができるが、リア・ウインドウ・ヒータとすることも可能であり、調整およびコントロール・デバイス１６によって、物体２０の表面２１上におけるガス２８、たとえば水蒸気の凝結が防止されるような方法でコントロールされる。測定された表面温度は、ガイド量として機能する。

物体温度と露点温度の間に、凝結リスクを導く決定的な温度差がある場合には、対応する修正手段が実行されなければならない。

以下は、修正手段として実行することができる：

（ａ）物体２０を加熱する（物体温度と露点温度の間の温度差が増加する）；
（ｂ）物体を取り囲む雰囲気を『乾燥』する（露点温度が降下、すなわち物体温度と露点温度の間の温度差が増加する）；
（ｃ）ガスを加熱することによって物体を間接的に加熱する（（ａ）と同じ効果）；または、
（ｄ）（ａ）〜（ｃ）の組み合わせ。

実際の（真の）露点温度を決定する結果として、目標とする態様でいくつかのアクションを行うことが可能になる。たとえば、パッセンジャ・コンパートメントの内部温度といった追加の知識がある場合には、露点に関する対応の温度差を前提として、気候条件を快適範囲に調整することが可能であり、それによって搭乗者のためにかなりの利点が導かれる。

単純なミスティング防止デバイスが必要とされている場合には、ΔＤＴコントロールを導入すると有利となることがあり、その目的のために、物体温度がガイド量として使用される。露点センサ５０は、ΔＤＴ値（たとえば５℃）だけ物体温度より低い温度に調整される。露点センサ５０のミスティングが生じると、直ちにアクション（ａ）〜（ｄ）が実行される。これらのアクションは、物体の温度との関係において異なるものとなり得る。

図２は、本発明のセンサ・ユニットにおいて好ましい態様で使用されるタイプの露点センサを示している。

このセンサの基本コンポーネントは、たとえば発光ダイオードとすることができるトランスミッタまたはソース５４から光５６がつながれる光ガイド５２の配列である。光ガイド５２の外側の面の上における複数の内部反射に続いて、外に出た光６６が、フォトダイオードとすることのできるレシーバ６８へ到達する。光ガイド５２の背面にはペルチェ素子７４が貼り付けられており、それを各種の態様で冷却することができる。

測定の間は、特に水蒸気とすることのできる被験ガス２８が光ガイド５２の外側表面６０上に凝結するまで、ペルチェ素子７４が光ガイド５２を冷却する。この種の凝結のコーティング５８が、光ガイド５２の表面６０の左側エリア内に図式的に示されている。たとえば水による表面６０の濡れを通じて、表面６０の表面法線に対する光５６の入射角を超える、内部反射に関する臨界角度における増加が生じ、その結果、これまでの状況とは異なり、光が内側表面上で完全に反射されずに、光ガイド５２の外へ出て行く。この外へ出て行く光６２の部分がもたらす結果として、レシーバ６８において検出される強さが下がり、したがって表面６０の濡れがあり、露点温度に到達したとの結論を得ることができる。

図２に示されているセンサ５０は、汚れ粒子６４が実際上まったく測定精度の低下をもたらさないという点で特に利点を有し、これは、その汚れ粒子が乾燥していれば、それらと光ガイド５２の表面６０が、その全体の面積と比較したときのごくわずかな接触面であるのに起因して、全体の反射に対して無視できる程度の面積パーセンテージで、臨界角に変化をもたらすに過ぎないことによる。

全体的な露点センサ５０は、トランジスタ・ハウジング７０内にコンパクトに収容され、その下側には、トランスミッタ５４およびペルチェ素子７４をコントロールするため、およびレシーバ６８の信号を読み出すための端子７２が備えられている。

図示されている露点センサ５０は、非常に小さく、かつコンパクトであり、大量製造を考慮して設計されていることをはじめ、リサイクル可能であることによって特徴づけられる。測定表面上の凝結の間における反射の変化という、ここで使用される測定原理に起因して、決定されるべき量、すなわちここでの露点温度まで遡る計算が皆無となり、その結果、高い精度が達成可能になるという主要な方法が構成される。この種のセンサにおいては、たとえば容量性センサと比較したとき、エージング現象が極小になる。またこれらのセンサは、対応する温度においてウインドウ上に何を生じるかについて、すなわち可能性のあるミスティングについての能動的なシミュレーションも行う。

使用されている測定原理の結果として、露点センサ５０は、再較正が不要になるような非常に良好な長期安定性を有する。メンテナンス負担が低く、よりメンテナンス−フレンドリな動作が、前述した汚れに対する有意の不感性の結果として、またセンサの容易なクリーニングによって獲得される。これらの露点センサ５０の利点は、その結果として測定、特に塵埃、細粒、たとえばシリアルの中といった実際の場所における測定を可能にする。

このセンサは、−４０〜＋１００℃において使用することができる。トランシーバに代えて光ガイドを使用すれば、温度範囲をさらに広げることが可能になり、その場合にはペルチェ素子が限定要因となる。

これは、湿度または湿分の使用範囲も定義する。センサ原理が飽和を基礎としているように、常にこれは１００％のＲＨ（相対湿度）に対して適合される。

本発明に従ったセンサ・ユニットならびに方法の可能性のある用途としては、プロセス、空調、医療、およびフード・エンジニアリングに加え、特にここで述べてきたような自動車エンジニアリングが挙げられる。また、航空宇宙産業をはじめ、品質コントロール分野においても用途がある。

発明性のあるセンサ・ユニットを伴う発明性装置の概略図である。 本発明に従ったセンサ・ユニット内に使用することの可能な露点センサの概略図である。

符号の説明

１０ センサ・ユニット
１２ 温度測定デバイス
１３ 許容コーン
１４ 露点決定デバイス
１６ 調整およびコントロール・デバイス
１８ 調整デバイス
２０ 物体
２１ 表面
２２ 測定スポット
２６ 共通ハウジング
２８ ガス
４０ 温度センサ
５０ 露点センサ
５２ 光ガイド
５４ トランスミッタまたはソース
５６ 光
５８ 凝結のコーディング
６０ 外側表面
６２ 光
６４ 汚れ粒子
６６ 光
６８ レシーバ
７０ トランジスタ・ハウジング
７２ 端子
７４ ペルチェ素子

Claims (11)

1. 物体の表面上におけるガス、特に水蒸気の凝結を防止するための装置用のセンサ・ユニットであって、
   −物体の温度を測定するための温度測定デバイス（１２）、
   −前記物体（２０）を取り囲む雰囲気中のガスの露点温度を決定するための露点決定デバイス（１４）、該露点決定デバイス（１４）が、前記露点の直接測定のための露点センサ（５０）として構成され、および
   −前記温度測定デバイス（１２）ならびに前記露点決定デバイス（１４）と機能的に接続された調整およびコントロール・デバイス（１６）であって、それを用いて前記物体の温度と前記露点温度の間の温度差を増加させるための調整デバイス（１８）が、前記温度測定デバイス（１２）ならびに前記露点決定デバイス（１４）によって獲得されたデータの関数として、前記露点温度またはそれ未満の温度への前記物体の温度の低下が防止されるような方法においてコントロールされることが可能となる調整およびコントロール・デバイス（１６）を伴うセンサ・ユニットにおいて、
   −前記温度測定デバイス（１２）が、非接触態様で動作する温度センサ（４０）として構成されること、
   ―前記露点センサ（５０）が、測定表面（５２）上にガスの凝結があるときの光の内部反射における変化をその測定原理とするタイプであること、
   ―前記温度センサ（４０）、前記露点センサ（５０）及び前記調整およびコントロール・デバイス（１６）が、共通ハウジング（２６）内に収容されることとを特徴とするセンサ・ユニット。
2. 前記温度センサが赤外線センサとして構成されることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ・ユニット。
3. 前記温度センサがサーモパイル・センサとして構成されることを特徴とする、請求項２に記載のセンサ・ユニット。
4. 前記温度センサにスペクトル・フィルタが備えられることを特徴とする、請求項２又は３のいずれかに記載のセンサ・ユニット。
5. 前記物体（２０）を取り囲む雰囲気（２８）の温度、特に自動車のパッセンジャ・コンパートメント内の温度を決定するための別の温度測定デバイスを備えることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ・ユニット。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ・ユニット（１０）、および前記物体の温度と露点温度の間の温度差を増加させるための調整デバイス（１８）を含む物体表面上におけるガス、特に水蒸気の凝結を防止するための装置。
7. 前記調整デバイスが、直接的および／または間接的に前記物体を加熱するための加熱デバイスとして構成されることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記調整デバイスが、前記物体を取り囲む雰囲気中のガス含有率、特に水蒸気含有率を下げるための乾燥デバイスとして構成されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。
9. 自動車のウインドウのミスティングを防止するための手段として構成されることを特徴とする、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の装置。
10. 物体の表面上におけるガス、特に水蒸気の凝結を防止するための方法であって：
    （ａ）物体の温度を測定するステップ、
    （ｂ）前記物体を取り囲む雰囲気中の前記ガスの露点温度を決定するステップ、および
    （ｃ）前記露点温度またはそれ未満の温度への前記物体の温度の低下を回避するために、ステップ（ａ）において測定された前記物体の温度および／またはステップ（ｂ）において決定された前記露点温度の関数として前記物体の温度を上昇させ、および／または前記露点温度を低下させるステップ、を伴う方法において、
    −前記気体の前記露点温度が、露点センサを用いて直接測定され、測定表面（５２）上にガスの凝結があるときの光の内部反射における変化をその測定原理とすること、
    および
    −前記物体の温度が、非接触態様で測定されることを特徴とする方法。
11. 前記物体の温度と前記露点温度の間の温度差が、調整およびコントロール・デバイス（１６）によって、あらかじめ決定された最小温度差より大きく維持されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。