JP2007101426A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車用の熱式ガス流量計において、経時に伴い短時間で、特に発熱抵抗体を支持するリード部及びターミナル部への汚損物質の堆積は発生し流量計の計測精度劣化の招く。
【解決手段】発熱抵抗体の加熱温度の下限値が３５０℃以上となるよう設定するとともに、固定部により、リード部及びターミナル部、あるいは発熱抵抗体が通電使用時において絶対温度が４００℃以下となる部位周辺を包囲する構成とする。特に固定部にリード部及びターミナル部への汚損物の進入を防ぐ第１の構造と、前記発熱体の上流に位置する包囲部への汚損物の堆積を防ぐ第２の構造とし、その表面に撥水性または撥油性の膜でコーティングする。
【選択図】図８

Description

本発明は、自動車用エンジンシステムの中を流れる空気あるいは排気の流量を計量するガス流量計に関するものである。

従来例を示す公知例として特許文献１は、センサまたはアクチュエータ素子への吸気環境中に含まれる汚水，石油，飛沫，シリコン油，煤，塩，炭化水素，ダスト粒子などの付着によるセンサまたはアクチュエータ素子における汚れ防止についての発明であり、センサまたはアクチュエータ素子に撥水性または撥油性の付着防止コーティング、例えばフッ素コーティングを設けている。また同種目的の公知例である特開２００３−３３７０５６号公報には、発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度以上の温度発熱抵抗体の温度を設定した旨の記載がある。

特開２０００−１６９７９５号公報

本発明は、特に排気雰囲気で使用される場合において、排気中に含まれる煤を主体とする不揮発性物質が流量計の発熱抵抗体あるいは発熱抵抗体を支持するリード部やターミナル部に堆積することを防止するものである。特にリード部やターミナル部は発熱抵抗体からの伝熱によって所定の温度となるが発熱部の加熱温度に比べると絶対的に低く、堆積の根源であるエンジンオイルや未燃料等の揮発性物質の持つ粘着力低下、すなわち揮発性物質の蒸発を活発に行うことが不可能であるため、不揮発性物質の堆積が進行する。このように、発熱抵抗体への不揮発物質の堆積はもちろんのこと、発熱抵抗体を支持するリード部及びターミナル部への堆積は流量計の計測精度劣化の原因となる。

そこで上記従来技術で述べたように撥水性または撥油性の付着防止コーティングを設けることで、発熱抵抗体への煤や塩等の不揮発性物質の堆積を防止することが試みられた。しかしながら、撥水性または撥油性の付着防止コーティングを使用した場合でも、発熱抵抗体の表面温度が低いと、発熱抵抗体の表面に不揮発性物質が堆積する不具合がでてきた。また、発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度以上に発熱抵抗体の温度を設定する場合においては、発熱抵抗体への堆積は回避できるものの、リード部やターミナル部への堆積は回避できないため、短時間で特性に悪影響を及ぼす。

本発明は、発熱抵抗体及び発熱抵抗体を支持するリード部及びターミナル部の表面に煤が堆積する不具合をなくすることのできる熱式流量計を提供することを目的とする。

上記目的を解決するための、本発明の手段は以下の通りである。

発熱抵抗体の加熱温度の下限値が３５０℃以上となるよう設定するとともに、固定部により、リード部及びターミナル部、あるいは発熱抵抗体が通電使用時において絶対温度が４００℃以下となる部位周辺を包囲する構成とする。

好ましくは、リード部及び発熱抵抗体を囲う固定部の先端形状が、発熱抵抗体と同心円形とする。

好ましくは、固定部にリード部及びターミナル部への汚損物の進入を防ぐ第１の構造と、前記発熱体の上流に位置する包囲部への汚損物の堆積を防ぐ第２の構造を有する。

好ましくは、発熱抵抗体と固定部の隙間の最少距離が２mm以下である。

好ましくは、被測定ガスの流れ方向において、前記発熱抵抗体上流の固定部が流路を絞るようにテーパ形状である。

好ましくは、固定部の少なくとも一部の表面に、撥水性または撥油性の膜でコーティングを施す。

内燃機関の排気ガスが含まれる被測定流体中に設置される発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の温度が３５０℃以上になるように通電電流を制御する制御回路と、前記発熱抵抗体のターミナルを前記被測定流体中に含まれる汚損物質から保護する保護手段と、を備えた熱式流量計。

本発明によれば、発熱抵抗体やリード部及びターミナル部へのカーボンの堆積を回避することが可能となるため、それら不具合によって発生する特性変化を防止でき、初期の計量精度を長時間確保することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。

図１に本実施形態に係る流量計の構成図を示す。本実施形態に係る流量計は、流量計量用の発熱抵抗体１と、発熱抵抗体の上流部あるいは下流部に配置された被測定ガス温度を検出する測温抵抗体２の少なくとも２つの抵抗体により流量の計量を実施する。流量検出の原理としては、外部に設けた制御回路３において、電気的に発熱抵抗体１と測温抵抗体２をブリッジ接続することで常に温度差を一定に保持することにより、被測定ガスの温度変化によって生じる発熱抵抗体１の抵抗値変化を排除することにより、その抵抗値変化分を流量変化分のみとすることで流量を算出する。流量計はコネクタ４を介して流量に相当する電気信号をＥＣＵへ出力し、流量計から入力された電気信号をＥＣＵ内で流量に変換する。また、本発明は、前記の温度差一定保持により流量を算出する方式だけではなく、発熱体の加熱温度を一定に保持する方式などその他制御方式に適用しても同様の効果が得られ、特に制約はない。次に、本実施形態に係るエンジンシステム構成の代表例について図２を用いて説明する。

図２には、本実施形態に係るエンジンシステム構成図を示しており、ここでは特にディーゼルエンジンの排気還流システムについて述べる。まず、係るディーゼルエンジンシステムにおいては、燃料を高圧に加圧するコモンレール５やターボチャージャ６，後処理系７としては排気中に含まれる微粒子状物質を酸化除去するＤＰＦやＮＯｘ触媒等が装着されており、ＣＰＵ,ＲＯＭ,ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されているＥＣＵ８によりシステムを制御する。またＮＯｘ低減のためにエンジンから排出された排気の一部を吸気へ再循環するＥＧＲシステムにおいては、還流路９の上流にはＥＧＲガス温度を低下させるためのＥＧＲクーラ１０が配設されており、冷却されたＥＧＲガスは下流に設けられたＥＧＲバルブ１１によって流量の制御がなされている。本発明のガス流量計１２は、例えばＥＧＲクーラ１０の下流に位置する還流路９に取付けられＥＧＲガスの質量流量を直接計量するものである。

ところで、このような排気の流量計量を目的とした流量計の発熱抵抗体は、加熱温度によって排気中に含まれる不揮発性物質（以下、煤と記載）の堆積が生じる。図３には発熱抵抗体の加熱温度と煤の堆積量の関係を示す。このように、発熱抵抗体の加熱温度の上昇に伴い発熱抵抗体表面への煤の堆積量は低減する。特に加熱温度が３５０℃程度上昇させることにより、流量計の測定精度には支障のないレベルまで堆積量を低減できる。初期精度を長時間保持する観点から考えると、完全に煤の堆積を回避できる４００℃以上に設定するのが望ましい。しかしながら、発熱抵抗体の温度レベルを前記４００℃に加熱した場合においても、図４に示すとおり、発熱抵抗体１を支持するリード部１３やターミナル部１４さらには固定部１５には煤１６の堆積が生じる。これは、図５に示すとおり発熱抵抗体１からの伝熱によって発熱抵抗体１から離れるに従い温度の低下が生じ、煤の堆積を低減できる温度レベルには保持できないためである。

ここで、ディーゼル排気中に含まれる微粒子状物質について簡単に説明する。微粒子状物質は、大きくは固体炭素である煤を主体とする不揮発性物質とエンジンオイルや未燃燃料などの揮発性物質の２つに分類される。前記、温度と煤の堆積の関係からも分かるとおり、特に煤の堆積に対しては、後者の揮発性物質の持つ粘着力が大きく関与している。揮発性物質の粘着力低下は、すなわち揮発性物質の蒸発を促進することでその効果が得られる。図３に発熱抵抗体の加熱温度とエンジンオイルの蒸発速度の関係を示す。一定温度に加熱された加熱源の上に、３０ｍｇ一定重量のエンジンオイルの滴下と蒸発を終えるまでの時間から各加熱温度における蒸発速度を算出したものである。エンジンオイルは、170〜１８０℃付近で蒸発を開始し、加熱源の温度にほぼ比例して蒸発速度が早くなる。このことから、微粒子状物質中に含まれる揮発性物質の場合も、この試験結果と同様に付着する物体の温度によって、蒸発速度、すなわち粘着力低下の速度に大きな違いが生じると考えられる。これらの結果から、図３に示した現象が起こり得る原理について図７を用いて説明する。図は本発明に係る発熱抵抗体１の拡大を示しており、ＥＧＲ還流路途中に配設され４００℃程度に加熱されていることを想定する。また一様のＥＧＲガスがその周辺を流れているものと仮定する。まず、図７（ａ）のように、排気に浮遊している微粒子状物質が高温に加熱された発熱抵抗体１に衝突，付着すると同時に微粒子状物質中に含まれる揮発性物質が瞬時に蒸発する（図７（ｂ））。さらに、揮発性物質の蒸発により、粘着力が低下した不揮発性成分を主体とする残留物は、その周辺のガス流れによって、発熱抵抗体上から脱離して下流へ流されるものと推定される。実環境においては、この一連のサイクルが常に繰り返しているものと考えられる。このことから、発熱抵抗体の加熱温度が低いと揮発性物質の蒸発が遅延するため、その後の脱離に至る前に、次の微粒子状物質が付着し、煤の堆積が進行する。一方で発熱抵抗体の加熱温度が高いと揮発性物質の蒸発が瞬時行われるため、次の微粒子状物質が付着する前に、前記サイクルが完了し発熱抵抗体は清浄な状態を保持することができる。したがって図３に示した３５０℃〜４００℃は、これらの原理に則した煤の堆積有無の境界温度であると言える。また、図４に示した発熱抵抗体１を支持するリード部１３やターミナル部１４の温度の低下が起こり得る実態に、この原理を当てはめると当然煤の堆積は避けることができないことが容易に判断できる。

そこで次に、図８以下の図を用いて本発明の実施形態について説明する。図８は本実施形態に係る第１案の構成図、図９にはその断面図を示す。図８のように固定部１５先端を、３５０℃以上に加熱された発熱抵抗体１に対して、それを支持するリード部及びターミナル部を流れから包囲する形状とする。これによりリード部及びターミナル部への微粒子状物質の直接的な衝突，付着を避けることができるため、煤の堆積を大幅に低減することができる。一般的に巻線式の発熱抵抗体は円筒形である。本第１案の目的は図９に示したように発熱抵抗体１にオーバーラップする格好で固定部１５を形成し発熱抵抗体１と固定部１５の距離を極力小さくすることで、リード部１３やターミナル部１４への重量物、すなわち不揮発性物質の進入を防ぐことであり、発熱抵抗体１を囲う固定部１５の代表的な形状として、図８に示したように固定部１５の形状は発熱抵抗体１の形状に合わせて真円形以外の楕円やその他角形などであっても何ら問題はない。また、リード部１３とターミナル部１４を囲う空間１７は、発熱抵抗体１と固定部１５との間に形成された隙間以外からは被測定ガスの出入りが起こらない一様に閉鎖された空間である。図１０に第１案における固定部の温度分布と図１１に不具合発生例を示す。不揮発性物質の進入防止の効果を上げるため、発熱抵抗体１と固定部１５の距離Ｘ１を小さくすると、発熱抵抗体１からの伝熱によってその間を介在するガスを経由して固定部１５に熱が伝わり、固定部１５は図中に示した１８のような温度分布を形成する。距離Ｘ１を小さくしすぎると発熱抵抗体１に近い箇所が最も高温になり、その温度レベルが揮発性物質の緩慢な蒸発を促す温度レベルとなる場合は、図７で説明した同様の原理に従い、図１１のようにそこを起点に煤の堆積（１６ａ，１６ｂ）が発生する。特に発熱抵抗体１の上流に位置する煤１６ａの堆積は、発熱抵抗体１へのガスの流れに影響を及ぼすため精度誤差の原因となる。このように、第１案においては、距離Ｘ１を最適化することが重要であり、進入を防止する主目的からは、少なくとも２mm以下に設定することが望ましい。この課題を緩和する手段として有効な第２案の構成について説明する。図１２に第２案の断面図を示す。第２案は、少なくとも図１１で示した距離Ｘ１以上となる距離に固定部１５ａを突き出したことが特徴である。この場合の固定部１５の温度分布１８は図１３のようになる。固定部１５の最大温度となる箇所が流れ方向で見た場合、１５ａの背面となり煤が堆積しやすい温度レベルとなる箇所への排気の慣性衝突が避けられるため、その問題の発生を大幅に遅らせることが可能である。また、同時に第１案で示したガス流れの弊害となる煤１６ａの堆積も大幅に低減できる。これは、図３の煤堆積量の挙動に示したとおり、高温にすると煤の堆積量が低下する一方で、揮発性物質の蒸発開始温度１７０℃以下の低温領域では、煤の堆積を完全に回避することは不可能であるが、堆積の進行速度が著しく低下するためである。すなわち、固定部１５ａ先端の温度が揮発性物質の蒸発開始温度以下となるよう発熱抵抗体１と固定部１５ａとの距離Ｘ２、あるいはガス流れ方向に対して垂直方向の固定部１５ａの高さＹ１を最適化することが重要である。この第２案の構造においては、図１４に示したように１５ａの背面や発熱抵抗体１の下流壁面に１６ｂや１６ｃのような煤の堆積が発生する可能性がある。図１３の煤１６ａが堆積した状況に比べて、発熱抵抗体１へのガスの流れに対する影響度は少ないものの、耐久という観点においては避けなければならない。この課題に対しては、次のような構造とすることで対応可能である。図１５には、第３案の断面図を示す。第２案からの変更点としては、発熱抵抗体１上流の固定部１５ｂの形状が流路を絞るようにテーパ状にしたことである。第２案の課題を克服するべく図１６を用いて第３案の原理と効果について説明する。固定部１５ｂの形状をテーパ状とすることで、排気成分中の重量物である微粒子状物質１９の通過を慣性によって発熱抵抗体１の中央部に集中化させる効果が得られる。一般的に１μｍ以下の粒子（軽量物質）の場合は、慣性分離の効果は得られない。本発明の一例として取り扱っている汚損物として煤の粒子径は数十ｎｍと言われており、上記効果が得られないと懸念されるが、問題の根源は図７で説明した微粒子状物質に含まれる揮発性物質であり、特にこの揮発性物質はアイドリングなど燃焼温度の低い運転状態で大量に含まれ、その揮発性物質を含んだ微粒子状物質は重量分布を持つものの粗大粒子については、慣性によって効果的に分離できる。この構成においてはθ１の大小が効果に変化を齎す。また、図１６のように直線的な形状や図１７（ａ）と（ｂ）に示したように湾曲上の形状など、その形状については特に制約はない。さらに、第２案の課題として取り上げた発熱抵抗体下流の固定部への煤の堆積に対しての対応手段として有効な構造は、図１８のように発熱抵抗体１の上流とは逆に下流の固定部２０は流路を開放するようにテーパ状とすることで、発熱抵抗体１に対するガスの流れの変化を抑えることができる。

さらに、本発明の効果を長期間保持するためには、固定部表面に撥水性または撥油性の膜を形成する手段が有効である。図１９に本実施形態に係るの固定部の断面図を示す。ガスは図中矢印の向きで流れる。特にガスが直接衝突する発熱抵抗体１の上流固定部１５の表面に上記手段を施すことにより、固定部１５への煤の堆積が低減し、それによって発生する流れへの悪影響を回避することができる。また、発熱抵抗体１の下流固定部２０を含む固定部断面全周に撥水性または撥油性の膜を形成してもよい。

本実施形態に係る流量計の構成図。 本実施形態に係るエンジンシステムの構成図。 発熱抵抗体の加熱温度とカーボン堆積量の関係。 発熱周辺の構造と汚損状態。 リード部及びターミナル部の温度勾配。 発熱抵抗体の加熱温度とエンジンオイルの蒸発速度の関係。 汚損回避の原理説明図。 本実施形態に係る第１案の構成図。 本実施形態に係る第１案の断面図。 本実施形態に係る第１案における固定部の温度分布。 本実施形態に係る第１案における固定部の不具合発生例。 本実施形態に係る第２案の断面図。 本実施形態に係る第２案における固定部の温度分布。 本実施形態に係る第２案における固定部の不具合発生例。 本実施形態に係る第３案の断面図。 本実施形態に係る第３案の原理と効果。 本実施形態に係る第３案における発熱抵抗体上流の固定部形状例。 本実施形態に係る第３案における発熱抵抗体下流の固定部形状例。 本実施形態に係るの固定部の断面図。

符号の説明

１…発熱抵抗体、２…測温抵抗体、３…制御回路、４…コネクタ、５…コモンレール、６…ターボチャージャ、８…ＥＣＵ、９…還流路、１０…ＥＧＲクーラ、１１…ＥＧＲバルブ、１２…ガス流量計、１３…リード部、１４…ターミナル部、１５…固定部、１６…煤、１７…空間、１８…温度分布、１９…微粒子状物質、２０…発熱抵抗体下流の固定部、２１…撥水膜または撥油膜。

Claims (13)

1. 内燃機関の排気ガスが含まれる被測定流体中に設置される発熱抵抗体と、
   前記発熱抵抗体の温度が３５０℃以上になるように通電電流を制御する制御回路と、
   前記発熱抵抗体のリード部を前記被測定流体中に含まれる汚損物質から保護する保護手段と、
   を備えた熱式流量計。
2. 請求項１において、
   前記保護手段は、前記リード部の少なくとも一部を収容することを特徴とする熱式流量計。
3. 請求項２において、
   前記保護手段は、前記リード部の全て及び前記発熱抵抗体の一部を収容することを特徴とする熱式流量計。
4. 請求項１において、
   前記発熱抵抗体の上流側の前記保護手段に凸部が設けられたことを特徴とする熱式流量計。
5. 請求項４において、
   前記凸には、前記被測定流体の流れを前記発熱抵抗体の中心側へ向わせる傾斜面が形成されたことを特徴とする熱式流量計。
6. 請求項５において、
   前記発熱抵抗体の上流側の前記保護手段は、下流側へいくにつれて、前記被測定流体の流路が広がるように成形されていることを特徴とする熱式流量計。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記保護手段の表面に撥水性または撥油性の膜が設けられたことを特徴とする熱式流量計。
8. 被測定ガス中に配設された発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の上流部あるいは下流部に配置された測温抵抗体から流量に関係する信号を出力する熱式流量計において、前記発熱抵抗体は、セラミックボビンに発熱抵抗体を形成し表面を保護コートしてなる発熱部と、該発熱部の両側に電気接続するリード部と、該リード部をガス流路内に固定するとともに外部回路と電気接続する為のターミナル部と、該ターミナル部を絶縁するとともに支持する固定部から成り、該発熱抵抗体の加熱温度の下限値が３５０℃以上となるよう設定するとともに、該固定部により、リード部及びターミナル部、あるいは発熱抵抗体が通電使用時において絶対温度が４００℃以下となる部位周辺を包囲する構成であることを特徴とする熱式流量計。
9. 前記固定部において、リード部及び発熱抵抗体を囲う先端形状が、前記発熱抵抗体と同心円形であることを特徴とする請求項８の熱式流量計。
10. 前記固定部が、リード部及びターミナル部への汚損物の進入を防ぐ第１の構造と、前記発熱体の上流に位置する包囲部への汚損物の堆積を防ぐ第２の構造を有することを特徴とする請求項８あるいは請求項９の熱式流量計。
11. 前記発熱抵抗体と固定部の隙間の最少距離が２mm以下であることを特徴とする請求項８から請求項１０の熱式流量計。
12. 被測定ガスの流れ方向において、前記発熱抵抗体上流の固定部が流路を絞るようにテーパ形状であることを特徴とする請求項８から請求項１１の熱式流量計。
13. 前記固定部の少なくとも一部の表面に、撥水性または撥油性の膜でコーティングしたことを特徴とする請求項８の熱式流量計。
    
    

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