JP2008286396A - 流れ媒体の流れを案内するための流れ案内部材 - Google Patents

Abstract

【課題】流れ案内部材の範囲の流れの剥離を、長手方向渦を意図的にもたらすことにより防止する。
【解決手段】案内面（１２２）が、少なくとも１つの領域（１３４）に、流れ案内部材（１２０）を貫通する開口（１３０）を有しているようにした。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、特に内燃機関の吸気マニホールド内で使用するための、流れ媒体の流れを案内するための流れ案内部材であって、流れを変向させるための管湾曲部を備えた流体管を有しており、前記管湾曲部の範囲に、少なくとも１つの案内面を備えた少なくとも１つの流れ案内部材が配置されている形式のものに関する。

本発明は、自然科学及び技術の様々な分野で使用される公知の流れ案内部材から出発する。これらの流れ案内部材は、流動する流れ媒体、特にガス又は液体を、規定された区間にわたって案内するため、例えばガスを所定のプロセスに供給するため又は排ガスを前記プロセスから導出するために利用される、流れ案内系の構成部材として使用される。

流れ案内部材の主要な使用分野は自動車技術であり、特にガス状媒体を案内する領域である。自動車技術の分野における第１の重要な例は、内燃機関の吸気マニホールド内のエアフィルタに関連した空気案内領域である。吸入された空気はここで、部分的に真っ直ぐで且つ部分的に湾曲された複数の導管部材の使用下で、エアフィルタから内燃機関へ案内されねばならない。

流れ案内部材が関与した第２の例は、同様に例えば内燃機関の吸気マニホールド内で使用可能なエアマスセンサである。重要な測定原理は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２５３９７０号明細書に記載されているような、いわゆるホットフィルムエアマスセンサである。例えば差込みセンサとして吸気マニホールドに挿入可能な装置では、空気の一部が多重に湾曲された、いわゆるバイパス通路を通って、センサチップに案内され、このセンサチップにおいて加熱部材及び温度センサにより、エアマス処理量を規定することができる。このようなホットフィルムエアマスセンサの機能形式については、例えば前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２５３９７０号明細書を参照されたい。

使用分野に応じて、このような流れ案内部材若しくはこれらの流れ案内部材から構成された系には、それぞれ異なる要求が課されている。即ち、吸気マニホールド内、特にエアフィルタの領域では、時間的に一定で且つできるだけ変動のない吸気量の他に、特に高いエアマス処理量が重要である。これに対して、例えば前記のホットフィルムエアマスセンサ等の別の系では、（信号行程の前提となるできるだけ高い処理量の他に）特に流れ媒体の流れの高い安定性に対する要求が重視される。

これらの要求を満たすためには、今日では既に多くの流体系、特に空気案内系において案内羽根が使用され、これにより、流れはできるだけ損失無しで且つ流れの剥離無しで変向される。このような案内羽根は様々な名称を有しており、例えば補助翼又は変向板とも呼ばれる。

前記のような案内羽根はドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２５３９７０号明細書に開示されている。そこで提案された装置では、ホットフィルムエアマスセンサのバイパス通路内の流れ状況を改善するために、流れを案内し且つ測定通路の通路壁からの、媒体部分流の流れの剥離を生ぜしめないように作用する案内羽根（ここでは符号５０で示されている）が提案される。別の例は、今日の多くの乗用車用エアフィルタの構造に見られる。

案内羽根を使用するこの手段の重要な欠点は、有効であるためには、案内羽根のジオメトリ及び位置を極めて慎重に適合させねばならないという点にある。但しこの適合は、構造的に常に可能であるというわけではない。それというのも、空気案内系内の流れ位相は、流速に伴って頻繁に著しく変化するからである。この場合、案内羽根若しくは案内板自体が付加的な剥離及び障害を生ぜしめる恐れがある。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２５３９７０号明細書

従って本発明の課題は、上で説明した公知の流れ案内部材の欠点を概ね回避する、流れ媒体の流れを案内するための流れ案内部材を提案することにある。

この課題を解決するために本発明では、案内面が、少なくとも１つの領域に、流れ案内部材を貫通する開口を有しているようにした。

当該の流れ案内部材は、特に内燃機関の吸気マニホールド内での使用に適しているが、別の形式の流れ案内部材でも、自然科学及び技術分野、特に走行技術及び／又は自動車構造分野において使用され得る。

提案した流れ案内部材は、流れを変向させるための管湾曲部を備えた１つの流体管を有している（但し目的に即して複数の流体管を有していてもよい）。この場合の「管湾曲部」とは、流れ媒体の主要流れ方向を変えるために構成された、基本的に任意で成形された部材であると理解される。流体管は、基本的に任意の横断面を有していてもよいが、構造上の理由から円形の横断面及び／又は多角形の横断面が有利である。

管湾曲部の範囲には、少なくとも１つの案内面を備えた少なくとも１つの流れ案内部材が配置されている。この場合の「流れ案内部材」とは、流れ内、つまり流体管の流れ横断面内に配置され且つ流れの変向を促進するために案内面が設けられた、基本的に任意で成形された部材であると理解される。

ここまでは、提案する流れ案内部材は、例えば上で説明したドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２５３９７０号明細書に記載の、ホットフィルムエアマスセンサのバイパスに設けられた案内羽根に対応している。但し、この公知の流れ案内部材とは異なり、提案する流れ案内部材は、案内面が少なくとも１つの領域に、流れ案内部材を貫通する開口を有しているように構成されている。

この場合の「開口」とは、流れ案内部材と直交して貫通する開口であると理解される。特に有利なのは、これらの開口が、流れ媒体の局所的な流れ方向に対してほぼ垂直に、殊に直角からの偏差が２０°未満で配置されている場合である。

前記開口を使用した、提案する流れ案内部材の基本思想は、流れ案内部材の範囲の流れの剥離を、長手方向渦を意図的にもたらすことにより防止するという点にある。この場合の長手方向渦とは、ほぼ流れ媒体の主要流れ方向（若しくは局所的な主要流れ方向）に向けられた渦軸線を備えた渦であると理解される。

空気若しくは流れ媒体は、受流側（以下衝突側とも呼ぶ）と非受流側（以下非衝突側とも呼ぶ）との間の圧力差に基づいて通流し且つ非衝突側に強力な長手方向渦を形成する。これらの長手方向渦は、高速の流体（外側流）と低速の流体（剥離領域の流体）との間の衝撃交換の増大に役立ち且つこのようにして、流れ案内部材の裏側における剥離を縮小又は防止する。

流れ案内部材が少なくとも部分的に通過可能であることにより、「ソフトな」作用に役立つ。変向作用は部分的な穿孔により局所的に弱められる。これにより流れ案内部材は、該流れ案内部材の位置決め及びジオメトリの影響を比較的受けにくくなる。流速の上昇に伴って増大する、流れ案内部材若しくは案内羽根を通過する流れの圧力低下に基づき、変向作用は流速の上昇と共に増大する。この効果は、流速の上昇及びレイノルズ数の上昇に伴って、剥離傾向は一般に低下するという、物理的な事実に関連している。

この場合、上で説明したように、流れ案内部材が流れ案内板を有していると、特に有利である。この場合の「板」という表現は、必ずしも金属材料に限定されるものではないが、有利には金属若しくは金属薄板が使用される。この場合は特に、商業的に入手可能な、穿孔された穴あき板が使用され得る。特に、当該の案内板は長方形の形状を有していてよく、例えば流体管の直径及び／又は弦にほぼ対応する長方形の第１の辺と、流体管に設けられた案内板の長手方向延在部に対応する第２の辺、即ち長辺とを備えている。

当該の案内板の場合、有利には案内板の厚さは一定であり且つ有利には横方向で見た案内板の延在部よりも、少なくとも所定のオーダだけ小さい。

有利には変形可能な材料から成る、一定の厚さを備えた案内板の代わりに、例えば上で説明したように、案内羽根、案内翼又は例えば所定の支持横断面を備えた類似の形状等の、別の形式の流れ案内部材を使用することもできる。

有利には、前記開口は丸い形、特に円形又は楕円形、及び／又は多角形、特に長方形、及び／又はスリット形状を有している。

この場合、例えば多数の開口がマトリックス形状に配置されていてよい。「マトリックス」とは、１平面内の均等なジオメトリック配置形式であると理解される。但しこの場合は必ずしも純粋な列及び間隔配置形式が必要とされているのではなく、例えば１列おきに穴横行の間隔の１／２だけ、他の列に対してずらされて配置されていてもよい。

また、開口の分布の「密度」も可変に構成されていてよく且つ例えば案内面の圧力状況に対応して変化され得る。この思想が簡単に転換される一例では、流れ案内部材が複数の開口を備えた少なくとも１つの第１の領域と、開口が設けられていない少なくとも１つの第２の領域とを有している。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１Ａ及び図１Ｂには、流体管１１４の管湾曲部１１２の範囲に剥離領域１１０が形成されるという、公知の問題が示されている。この場合、流れ媒体は（局所的な）主要流れ方向１１６で流体管１１４を通流する。図１Ａに示した流れ案内部材無しの構成では、管湾曲部１１２の範囲の変向部の直後で剥離領域１１０が形成されており、この剥離領域１１０では、極めて低速の流れ及び部分的に戻り流が優勢である。

この領域で、図１Ａ及び図１Ｂにおいて象徴的に流動線１１８によって表された流れは押し退けられて、流れ横断面が狭まる。これにより、流体管１１４を流れる流れ媒体の処理量が低下される。別の問題は、剥離領域１１０の側方は不安定な可能性があるという点にあり、これにより、処理量の変動が生じる恐れがある。

図１Ｂには、図１Ａに示した装置が描かれているが、この場合は流体管１１４の内部に２つの流れ案内板１２０が取り付けられている。これらの流れ案内板１２０は、それぞれ案内面１２２を有している。図１Ｂの様式図から判るように、前記案内板１２０は、剥離領域１１０の形成が少なくとも概ね回避されるということに寄与している。

しかし、図２Ａには、実地において頻繁に見られる問題が示されている。この場合、流れ案内板１２０の非衝突側（単に流れを案内するだけの側）１２４に剥離領域１１０が形成されている。即ち、案内板１２０は、前記の剥離領域１１０が形成される問題を解決するために直接に寄与するのではなく、不都合な流れ条件下では、前記問題が更に増大するか又は部分的にしか解決されない。

これに対して図２Ｂには、流れ案内板１２０の本発明による構成が示されている。この場合、流れ案内板１２０は、その上流側に位置する端部に複数の開口１３０を有している。流れ案内板１２０の衝突側１２８と非衝突側１２４との間の圧力差に基づき、前記開口１３０の背後の非衝突側では、長手方向渦１３２が形成される。これらの長手方向渦１３２は、案内板１２０の非衝突側１２４の流れを混ぜるために働き、これにより、剥離領域１１０の形成を概ね防止する。

図２Ｂに示したような１つだけの流れ案内板１２０の代わりに、このような流れ案内板１２０を複数使用可能な実施例も可能である。例えば、図１Ｂに示した実施例を、両案内板１２０が前記のような開口１３０を有しているように変更することも可能である。

図３〜図５Ｃには、開口１３０を備えた流れ案内板１２０の種々様々な実施例が、例えばエアフィルタで使用可能（以下参照）な様子が示されている。図３には、複数の開口１３０が全体的にちりばめられた案内板１２０を上から見た図が示されている。即ち、この案内板１２０は本実施例では全体的に穴あき板として構成されており、この穴あき板は例えばアルミニウムから製作されている。

本実施例では、開口１３０は円形であり且つマトリックス状に配置されており、この場合、１行おきに穴縦列の間隔の１／２だけずらされている。当該の案内板は、例えば０．７ｍｍの厚さを有しており、穴は１ｍｍの直径を有しており、案内板は有利には２０〜２５ｍｍの縁部長さ及び約８０ｍｍの長さを備えた長方形の形状を有している。開口１３０の正確な寸法は、一般に組込み状態に著しく関連している。

図４には斜視図で案内板１２０の流れが示されている。この場合は案内板１２０の非衝突側１２４に対する目視方向が選択されている。

図３に示した構成とは異なり、図４に示した流れ案内板１２０は、複数の開口１３０を備えた第１の領域１３４と、開口１３０が配置されていない第２の領域１３６とを有している。この場合、当該の案内板１２０はその長手方向延在部に沿って異なる曲率を有しており且つ第１の領域１３４に最大の曲率を有している。図４に示したこの実施例は、一方では最適な流れ案内作用を得るため且つ他方では剥離領域１１０の形成を効果的に防止するために、開口１３０の分布及び密度を最適化することができるということに関する１例である。

図５Ａ〜図５Ｃには、図４に示した実施例に対して択一的な案内板１２０の種々様々な実施例が示されている。図５Ａに示した配置形式では、図４と同様に流入側に配置された第１の領域１３４に、複数の長方形の開口１３０が配置されている。これらの長方形は細長く形成されており、主要流れ方向に沿った長辺と、この長辺に対して垂直な短辺とを有している。前記の第１の領域１３４には、下流側でやはり穿孔されていない第２の領域１３６が続いている。

これに対して図５Ｂに示した案内板１２０の実施例では、複数の開口１３０が案内板１２０の中央にではなく、案内板１２０の縁部に沿って配置されている。この場合、当該の案内板１２０は流体管１１４に挿入された状態で描かれている。この場合の開口１３０は、流れ案内板１２０の縁部に設けられた長方形の形の切欠きである。

これに対して図５Ｃでは、複数の開口１３０が流れ案内板１２０の下縁部において、該流れ案内板１２０の長辺に沿って延在する穴列として形成されている。

図５Ｂ及び図５Ｃに示した実施例は、開口１３０の「密度」が、図４及び図５Ａに示したように流れ方向で可変であるのみならず、流れ方向に対して垂直方向でも可変であるということを示している。このようにして、例えば商業的に入手可能なＣＦＤシミュレーションソフトウェア（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）を用いて、流れ案内板１２０の開口の形状及び分布を容易に最適化することができる。

上で説明したように、本発明による流れ案内部材は様々な形式で技術的に使用可能であり、特に自動車技術の分野で使用可能である。このような使用例（図示せず）は、上で説明した流れ案内部材（符号５０）が、付加的に複数の開口１３０を有しているように変化された、前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２５３９７０号明細書に開示されている。

図６Ａ及び図６Ｂに示した別の実施例では、エアフィルタ１３８内に空気案内部が適宜構成されている。図６Ａは従来のエアフィルタ１３８の半透明斜視図を示しており、この場合、流体管１１４内のＣＦＤシミュレーションによって、流動線１１８が算出された。これに対して図６Ｂには、複数の開口１３０を備えた流れ案内板１２０が挿入された、本発明に基づき構成されたエアフィルタ１３８が示されている。

このエアフィルタ１３８は、フィルタユニット１４０と、このフィルタユニット１４０に接続した流体管１１４と、接続管片１４２とを有している。この場合、流体管１１４内には接続管片１４２の直前にホットフィルムエアマスセンサ１１４（以下ＨＦＭと略す）が配置されている。

図６Ａに示した流動線１１８から、この構成のエアフィルタ１３８では管湾曲部１１２の範囲内若しくはこの範囲のすぐ下流側に大きな剥離領域１１０が形成されているということが判る。この剥離領域１１０は、処理量延いては吸入空気量全体を制限するのみならず、空間的にＨＦＭ１４４のすぐ近くであること及び一般に生じる剥離領域１１０の不安定性に基づき、ホットフィルムエアマスセンサ１４４の測定の不確実性の源を成すものでもある。

これに対して図６Ｂに示したエアフィルタ１３８の構成では、（図６Ｂでは単に象徴的に示唆されて）図４に示した構成の流れ案内板１２０が、流体管１１４の管湾曲部１１２の範囲に挿入されている。この場合、複数の開口１３０が流入側に配置されている。図６Ｂから認識されるように、当該の流れ案内板１２０は、下流側でホットフィルムエアマスセンサ１４４付近にまで延在している。この流れ案内板１２０により、剥離領域１１０は著しく縮小され得、流れの質が著しく改良され得る。

管湾曲部の範囲に剥離領域が形成される問題を示した図である。 案内板の使用により前記問題を回避することを示した図である。 案内板の非衝突側に剥離領域が形成される問題を示した図である。 本発明に基づき穿孔された案内板を使用することにより、前記問題を回避することを示した図である。 案内板として使用するための、全般に穿孔された穴あき板の１実施例を示した図である。 部分的に穿孔された案内板における渦形成の様式化された斜視図である。 図５Ａ〜図５Ｃは、それぞれ穿孔された案内板の択一的な実施例を示した図である。 エアフィルタの管湾曲部における流れを半透明の斜視図で示したものである。 案内板を備えた、図６Ａに示したエアフィルタが描かれている。

符号の説明

１１０ 剥離領域、 １１２ 管湾曲部、 １１４ 流体管、 １１６ 主要流れ方向、 １１８ 流動線、 １２０ 流れ案内板、 １２２ 案内面、 １２４ 非衝突側、 １２８ 衝突側、 １３０ 開口、 １３２ 長手方向渦、 １３４ 第１の領域、 １３６ 第２の領域、 １３８ エアフィルタ、 １４０ フィルタユニット、 １４２ 接続管片、 １４４ ホットフィルムエアマスセンサ

Claims (11)

1. 流れ媒体の流れを案内するための流れ案内部材であって、流れを変向させるための管湾曲部（１１２）を備えた流体管（１１４）を有しており、前記管湾曲部（１１２）の範囲に、少なくとも１つの案内面（１２２）を備えた少なくとも１つの流れ案内部材（１２０）が配置されている形式のものにおいて、
   前記案内面（１２２）が、少なくとも１つの領域（１３４）に、流れ案内部材（１２０）を貫通する開口（１３０）を有していることを特徴とする、流れ媒体の流れを案内するための流れ案内部材。
2. 流れ案内部材（１２０）が案内板（１２０）を含んでいる、請求項１記載の流れ案内部材。
3. 案内板（１２０）が長方形の形状を有している、請求項２記載の流れ案内部材。
4. 案内板（１２０）が穴あき板を含んでいる、請求項２又は３記載の流れ案内部材。
5. 前記開口（１３０）が、丸い形状、特に円形又は楕円形、多角形、特に長方形、スリット形のうちの少なくとも１つの形状を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の流れ案内部材。
6. 多数の開口（１３０）がマトリックス状に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の流れ案内部材。
7. 前記開口（１３０）が、流れ案内部材の縁部に設けられた切欠きを含んでいる、請求項１から６までのいずれか１項記載の流れ案内部材。
8. 流れ案内部材（１２０）が、開口（１３０）の設けられた少なくとも１つの第１の領域（１３４）と、開口（１３０）の設けられていない少なくとも１つの第２の領域（１３６）とを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の流れ案内部材。
9. 内燃機関の吸気マニホールド内で使用される、請求項１から８までのいずれか１項記載の流れ案内部材。
10. エアフィルタ（１３８）のフィルタユニット（１４０）と、エアマスセンサ（１４４）、特にホットフィルムエアマスセンサ（１４４）との間に配置されて使用される、請求項９記載の流れ案内部材。
11. ホットフィルムエアマスセンサ（１４４）のバイパス通路内で使用される、請求項９記載の流れ案内部材。

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