JP2008500533A - 流れ場の変化の影響を受け難い空気流計測システム - Google Patents
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Abstract
【課題】空気流センサ(12)と、全空気流(28)の一部を集めてセンサに対して加速するための空気流調整装置(122)とを含む、ダクト(116)内の空気の流量を計測するためのシステム(100)を提供する。
【解決手段】調整装置(122)は、ノズル、好ましくはベンチュリを形成する2つの向き合った収斂する壁(126a、126b)を含む。センサは、ノズルのスロート(132)に配置される。ベンチュリ壁(126a、126b)の表面にはテクスチャーが設けられており、これにより、壁の表面近くの境界層(136a、136b)をトリップして乱流にし、空気の迎え角が軸線方向から大幅に外れていても、流れる空気が壁に取り付けられたままにする。壁のテクスチャーは、ランダムであってもよいし、所定のパターン(180、182、184、186、188、190、192、194、196、198)で組織化されていてもよい。現在の好ましいトリップパターン(180)は、ゴルフボールの表面と同様の窪み(170)のアレイである。流れプロファイルにより、上流のダクト形体の変化の影響を受け難くなる。
【選択図】図1
【解決手段】調整装置(122)は、ノズル、好ましくはベンチュリを形成する2つの向き合った収斂する壁(126a、126b)を含む。センサは、ノズルのスロート(132)に配置される。ベンチュリ壁(126a、126b)の表面にはテクスチャーが設けられており、これにより、壁の表面近くの境界層(136a、136b)をトリップして乱流にし、空気の迎え角が軸線方向から大幅に外れていても、流れる空気が壁に取り付けられたままにする。壁のテクスチャーは、ランダムであってもよいし、所定のパターン(180、182、184、186、188、190、192、194、196、198)で組織化されていてもよい。現在の好ましいトリップパターン(180)は、ゴルフボールの表面と同様の窪み(170)のアレイである。流れプロファイルにより、上流のダクト形体の変化の影響を受け難くなる。
【選択図】図1
Description
本発明は、導管を通るガスの流速、流れの容積、又は質量流量を計測するためのシステムに関し、更に詳細には、センサを通過するガスの層流を形成するため、収斂する壁を持つ計測システムに関し、最も詳細には、軸線方向から外れた方向から近づくガス流と壁が接触した状態を維持するため、壁境界層に乱流を発生するためのテクスチャーを備えた壁面を壁収斂ゾーンに備えた計測システムに関する。
様々な種類のセンサエレメントのうちの任意のエレメントを組み込んだ空気流計測システムが周知である。例えば、熱ワイヤは、その温度が、ワイヤを通過して流れる空気の速度の逆関数である。多くの空気流計測装置では、センサは、全流れ場の極めて小さな部分としか相互作用せず、代表的には流れ場の中央としか相互作用しない。空気流計測装置の設計及び使用において、上流のスロットルバルブを操作すること、又は様々な形体のダクトやマニホールドで所与の装置を使用すること等による上流のダクト形体の変化により、センサの周囲の流れ場が変化し、かくしてセンサの出力が非線形に変化し、即ち出力信号に或る程度のエラーが含まれることが、周知の問題点であった。従って、空気流計測の分野において、空気流調整装置をセンサの前方に設け、センサ出力のエラーの程度を所望の流れ計測範囲に亘って減少することが周知である。
多くの種類の空気流調整装置が存在する。配管の直線状区分は、流れがセンサに到達する前に流れの摂動を等しくし且つ静粛にできるようにする傾向がある。これにより、概念的に簡単であるけれども、割り当てられたパッケージング空間のため、十分な長さの配管区分を設置することができない。代表的には、少なくとも直径の十倍の長さを持つ直線状配管をセンサの前方に配置しなければならない。チューブ束及びハニカム形状束は、向流状態を効果的になくすことができるが、これらは、上流ダクトに調整装置を配置し、固定するための手段を必要とし、更に、表面積が大幅に増大することにより、流れに対して追加の制限を導入する。こうした考えは、向流状態をなくすための、スクリーン、フィン、グリッド、及び様々な多孔質媒体にも適用される。
上流の流れ場の変化の影響を受け難くするための別の技術は、センサを、ノズルのスロート又はベンチュリのところに配置することである。ベンチュリへの入口の流れ場の断面積がスロートよりも大きいため、ベンチュリは、流れ場の多くを効果的にサンプリングする。更に、集められた空気の流れを加速してセンサに通すことによって、センサのゲインを高くする。
ベンチュリの表面上を空気が移動するとき、ベンチュリの壁に境界層が形成される。この場合、空気の速度はベンチュリの表面のところでゼロであり、境界層の上側では主流れの速度である。境界層は、中実の表面の前縁のところで開始し、厚さが空気流の方向で増大する。境界層は、大きくなるに従って、ベンチュリのスロート面積を減少するように作用し、これにより、センサを通過する流れを更に加速する。
空気流計測システムの取り付け及び位置決めができるだけ自由であるのが好ましい。上流ダクト形体についての必要条件が少ないけれども、所望の計測制度を提供する装置は、自由度の低い競合する装置よりも大きな利点を有する。上流ダクト形体についての制限を少なくするということは、空気流計測装置が適用される流れ場が大幅に変化してもよいということを意味する。
従来技術のベンチュリノズルでは、例えば上流ダクトが鋭く曲がっていることにより、流れが軸線方向から大幅に外れた角度で表面に近づく場合、ノズル壁に沿った境界層の厚さがいきなり変化する。このような変化により、層流が乱流へ移行し、場合によっては、迎え角が十分に大きい場合には、境界層が表面から分離してしまう。流れは、ノズル壁から、上流ダクトの形状及び位置で決まる様々な位置で分離する。かくして変化した境界層は、ノズルスロートの有効面積を変化し、同じバルク流量がベンチュリに真っ直ぐに近づく場合と異なる信号値を発生する。
分離点の位置は、流量、壁への空気の迎え角、及び層流又は乱流を含む多くの要因で決まる。これらの条件は全て、ベンチュリの有効スロート面積に影響を及ぼし、従って、センサ上での速度は、実際の質量流量が一定のままであっても、上流の状態の変化に従って変化し、かくしてエラー信号を発生する。
特許文献において、米国特許公開第2001/0037678号には、センサに続くベンチュリ状スロットルユニットを備えた入口側バイパス通路を持ち、これによってセンサを空気の主流れ場内の乱流から遮断する、調整装置が開示されている。この装置の潜在的欠点は、バイパスを通る流れが、全ての流量で、全流れの一定の割合であると仮定したことである。
米国特許公開第2001/0037678号 米国特許出願公開第2004/0055570号には、センサに近づく空気流を、本質的に、同心の中央領域及び外領域に分割し、外領域をセンサの周囲に逸らす、調整装置が開示されている。これは、中央領域が比較的層状であり、上流ダクト形体の変化による乱流の変化が、原理的に、センサを迂回する外領域で生じるという仮定に基づく。
米国特許出願公開第2004/0055570号 米国特許第6,267,006号には、質量流量センサに続く円錐形区分を備えており、この区分に半径方向フィン状流れ調整エレメント(FCE)が設けられた、上流流れ調整装置が開示されている。これにより、質量流量センサに提供される空気流パターンを所定の目的で形成し、速度が均等で乱流の変動の大きさが小さい空気流を提供する。
米国特許第6,267,006号 空気の上流流れの変化の影響を受け難い改良空気流計測装置が、当該技術分野で必要とされている。
本発明の主な目的は、上流での空気流の乱れの変化の影響を受け難い空気流計測装置を提供することである。
簡単に述べると、ダクト内の空気の流量を計測するための空気流計測システムは、空気流センサと、ダクトを通って流れる全空気流の一部を集めてセンサに向かって加速するための空気流調整装置とを含む。センサは、従来の熱ワイヤ、又は当該技術分野で周知の手段であってもよい。調整装置は、ノズル、好ましくはベンチュリを形成する少なくとも二つの向き合った収斂する壁を含み、センサは、ノズルのスロートに配置される。ベンチュリ壁の表面には、壁表面の近くの空気境界層に局所的乱流セルを発生するように、テクスチャーが設けられている。境界層流をトリップして乱流にすることにより、境界層を賦活し、空気の迎え角が軸線方向から大幅に外れている場合でも、流れている空気が壁に取り付けられた状態に維持するのを補助する。壁のテクスチャーは、ランダムであってもよいし、組織化されたパターンをなしていてもよい。現在の好ましいトリップパターンは、ゴルフボールの表面と同様のディンプルのアレイである。境界層を表面に取り付けられた状態に保持することにより、上流の流れ場の変化及び空気流コンディショナーへの来入空気の迎え角の変化に従って大きく変化しない有効スロート面積が得られる。従って、スロート及びセンサを通過する流れプロファイルは、壁が平行な場合に発生するプロファイルと同様のままであり、その結果、上流ダクト形体の変化の影響を受け難くなる。
現在の好ましい実施例は、平行に配置された二つのベンチュリ及びセンサを含み、2センサ平均出力信号を提供する。
次に、本発明を添付図面を参照して例として説明する。
図1を参照すると、第1の従来技術の空気流計測システム10は、空気を搬送するための円筒形ダクト16の内部に配置された、支持体18によってダクト16の内壁20に取り付けられた流れセンサ12を含む。システム10は、上流空気流調整手段を備えておらず、かくしてセンサ12は、ダクト16の断面積のほんの僅かな領域しかサンプリングせず、及び従って、上流ダクト(図1には示さず)における乱流を発生する変化によって生じるような、センサの周囲の乱流の影響を非常に受け易い。全流量が一定のままであっても、上流ダクト形体が変化すると、センサの周囲の流れ場が変化し、センサの出力を変化させる。その場合、空気流信号は或る程度のエラーを含む。
図2を参照すると、第2の従来技術の空気流計測システム10’は、流れセンサ12を含むが、更に、ベンチュリノズル空気流調整装置22が、ダクト16内でセンサ12の上流に配置されている。装置22は、壁26が空気流の方向で収斂した向き合った部材24を含む。装置22は、ダクト16に進入する空気28の一部を集め、ノズルのスロート32への出口に配置されたセンサ12に向かって狭める。かくして、システム10’は、システム10で行われるよりも遥かに大きな流れ断面の割り合いをサンプリングし、平均する。更に、装置22は、空気をセンサ12に向かって加速し、かくしてセンサのゲインを高める。
図3を参照すると、空気がベンチュリ34を通って流れるとき、境界層36が壁26に沿って形成される。境界層は、点38で始まり、スロート32内に及びこのスロートを通って、点42で始まる流れ分離領域40まで延びる。上文中に論じたように、境界層36の形状及び厚さは、壁の形状、流速、及び迎え角(壁面に関する流れの進入方向)の関数である。図2及び図3に示すように、流れが本質的に軸線方向である場合には、境界層36は、上下の壁面26で本質的に同じである。
図4を参照すると、ダクト16は、システム10’の上流に90°エルボ部分44を持つように示してある。エルボ44に進入する空気部分30は、90°の角度に亘って転回46しなければならない。このような転回により、空気流にひどい乱流が導入される。これは、エルボ流路の外側に沿って流れる空気48が、内側に沿って流れる空気50よりも遥かに長い経路移動しなければならないためである。その結果、装置10’に近づく空気52が全体に非軸線方向の流れになる。表面26aでの迎え角が大きく、これと対応して表面26bでの迎え角が小さいため、両表面26a、26bでの迎え角が非対称になり、薄い境界層36aが表面26aに沿って形成され、厚い境界層36bが表面26bに沿って形成される。その結果、スロート32の直径54が機能上減少し、かくしてスロート32を通って流れる空気の容積が減少し、及び従ってセンサ12の信号出力が変化する。
図5及び図6を参照すると、本発明による改良空気流計測システム100は、ダクト116、センサ12、及び改良空気流調整装置の第1実施例122を含む。この第1実施例の装置は、本明細書中、空気流コンディショナーとも呼ばれる。装置122は、ダクト116内に支持体118によって吊り下げられた、間隔が隔てられた第1及び第2の部材124a、124bを備えている。ダクト116は、例えば、内燃エンジン119の吸気マニホールドであってもよい。部材124a、124bは、センサ12を受け入れるためのスロート132を画成するため、ダクト116を通る空気流の方向で収斂した向き合った表面126a、126bを含む。これらの収斂した表面126a、126bは、平らであってもよい(図示せず)し、好ましくは、図5及び図6に示すように湾曲している。好ましくは、装置122はベンチュリである。
表面126a、126bの収斂領域には、所定のテクスチャーが設けられている。このテクスチャーは、所定のパターン(図7参照)で配置された複数の形態170を含んでいてもよく、これらの形態は、表面126a、126bの形態が設けられていない領域172によって分けられている。現在の好ましい実施例では、形態は、図5及び図6に示すように、ゴルフボールに設けられた周知のディンプルと同様の浅い窪みを含んでいてもよい。別の態様では、形態170は、形態が設けられていない領域によって分けられた出っ張り(bump)を含んでいてもよい(図示せず)。現在の好ましい実施例では、形態の列は、空気流の方向で左右に食い違っている。
以下の説明は、本発明者が、現在、正しいと考えているけれども、本発明の特許性について依拠されるべきではない。形態170は、境界層136a、136b内の流れを層流から乱流に「トリップ」し、表面に沿って渦171を形成し、境界層がノズルの全表面に沿ってスロート内に取り付けられたままにする。境界層は、従来技術におけるように形成されず、ノズルのスロートを様々に遮ることがない。ノズルのスロート132を通る流れ174は、来入空気流の迎え角が全く軸線方向でないのに関わらず、ノズルの軸線176とほぼ平行のままである。
流れをトリップして乱流にするのに使用される現在の好ましいパターンは、食い違いパターンの円形ディンプルを使用する。多くの他の形状及びパターンもまた、同じ効果をもたらす。
図7乃至図16を参照すると、本発明による例示のパターンは、夫々、食い違った円180(図7参照)、整合した正方形182(図8参照)、食い違った正方形184(図9参照)、六角形186(図10参照)、三角形188(図11参照)、十字形190(図12参照)、水平方向バー192(図13参照)、随意の形状194(図14参照)、NACAダクト形状196(図15参照)、及び垂直方向バー198(図16参照)である。これらの形状は、境界層流をトリップして乱流にするための多くの可能な手段の小さな組みを表す。流れトリップには、収斂する表面の窪み/表面からの突出部が含まれる。形状は、任意の随意の輪郭を備えていてもよい。パターンは食い違っていてもよいし、整合していてもよいし、ランダムに配置されていてもよい。パターンは、整列していてもよいし、ランダム(無秩序)であってもよい。形状の縁部は、鋭くてもよいし、正方形であってもよいし、丸みを帯びていてもよいし、面取りを施したプロファイルを備えていてもよい。形態の断面は、平らであってもよいし、丸みを帯びていてもよいし、尖っていてもよいし、他のプロファイルであってもよい。本発明では、境界層流をトリップして乱流にする表面荒さの任意の形態が考えられる。
図17を参照すると、本発明による改良空気流計測システム200は、ダクト216と、第1及び第2のセンサ12a、12bと、改良空気流コンディショナーの第2実施例222を備えている。装置222は、第1及び第2のノズル217a、217bを備えており、これらのノズルは、支持体218によってダクト216内に吊り下げられた、間隔が隔てられた第1及び第2の部材224a、224bを各々備えている。ノズル217a、217bは、ダクト216内に平行に配置されており、従って、システム200は、システム100によって行われるよりも多くの全空気流をサンプリングする。センサ12a、12bは、独立した信号260a、260bを提供し、これらの信号を、当該技術分野で周知の信号平均化機構262によって平均化し、出力信号を、図5に示す実施例100におけるような単一のセンサによって提供されるよりも平滑化する。部材224a、224bは、向き合った表面226a、226bを含み、これらの表面は、ダクト216を通る空気流の方向で収斂し、センサ12a、12bを受け入れるためのスロート232a、232bを形成する。収斂した表面226a、226bは、平らであってもよく(図示せず)、又は好ましくは、図5及び図6に示すように湾曲している。好ましくは、ノズル217a、217bはベンチュリである。
図18乃至図21を参照すると、これらの図には、車輛で現在使用されている従来技術の空気流計測システムと、システム200による空気流計測システムとの間の性能の比較が示してある。
空気流コンディショナー及び関連したセンサを試験台に取り付けることによって、各システムを試験した。試験台は円筒形ダクトを含み、ダクトを通る空気流中に実質的に乱流を発生するため、図4に概略に示す90°エルボがダクトの前に配置してある。更に、エルボは、ダクトに関するエルボの複数の角度位置でセンサが空気流信号を発生できるように、円筒形ダクトに回転自在に取り付けられている。この試験では、ダクトの軸線を中心としたエルボの45°回転増分の8個の位置を使用した。これらの位置には、図18乃至図21において、A乃至Hが付してある。更に、試験台を通る空気の質量流量を、各角度位置で2g/秒乃至340g/秒で増分変化させた。
図18及び図19を参照すると、従来技術の流れセンサは、ダクトに対するエルボの相対的角度の影響を非常に受け易かった。位置A、B、C、Hは、ゼロ線300からの流れの偏りが全体としてマイナスであり、最大約50%マイナスであるのに対し、位置D、E、F、Gは、ゼロ線300からの流れの偏りが全体としてプラスであり、最大約50%プラスである(図18参照)。偏りは、流量が増大するときにほんの少し小さくなる。更に、信号におけるノイズのパーセンテージは極めて高く(図19参照)、エルボ位置Aでの多くの流れについて100%以上であり、決定の残りについて、全体に約10%乃至70%である。明らかに、この装置は、空気流中の乱流の影響を非常に受け易く、本発明が小さくしようとする問題点の典型である。
図20及び図21を参照すると、同じ試験条件で、本発明による実施例200は、劇的な改善を示す。ゼロ線300からの全ての流れの偏りは、±20%であり、40g/秒以上の流量では、全ての偏りは、ゆうに±10%以内に収まり、システムとして、エルボ位置の影響をほとんど受けない。更に、信号のノイズは、全体として約25%以下であり、高い流量では、10%以下である(図21参照)。
実際に使用される用途では、勿論、更に高精度であることが非常に望ましいが、信号のノイズを大幅に減少することも重要である。ノイズの多い信号は、真の平均値を決定するために非常に多くの順次読み取りを何回も行うことを必要とする。かくして、信号ノイズの少ない装置は、正確な空気流信号を使用者のシステムに提供する上で遥かに迅速に応答できる。
本発明を様々な特定の実施例を参照して説明したが、ここに記載した本発明の概念の精神及び範囲内で多くの変更を行うことができるということは理解されるべきである。従って、本発明を、以上記載の実施例に限定しようとするものではなく、本発明は、特許請求の範囲の言語で決まる全範囲を含む。
12 センサ
100 空気流計測システム
116 ダクト
118 支持体
119 内燃エンジン
122 改良空気流調整装置
124a、124b 部材
126a、126b 表面
132 スロート
136a、136b 境界層
170 形態
172 非テクスチャー領域
171 渦
176 ノズル軸線
100 空気流計測システム
116 ダクト
118 支持体
119 内燃エンジン
122 改良空気流調整装置
124a、124b 部材
126a、126b 表面
132 スロート
136a、136b 境界層
170 形態
172 非テクスチャー領域
171 渦
176 ノズル軸線
Claims (13)
- 空気流計測システム(100、200)用の空気流コンディショナー(122、222)において、
空気流の方向で収斂した第1及び第2の壁(126a、126b、226a、226b)を含み、前記壁の表面にはテクスチャーが設けられている、空気流コンディショナー。 - 請求項1に記載の空気流コンディショナーにおいて、
前記テクスチャーは、所定のパターンをなして配置された複数の形態(170)を含む、空気流コンディショナー。 - 請求項2に記載の空気流コンディショナーにおいて、
前記形態は、ディンプル、出っ張り、円(180)、正方形(182、184)、六角形(186)、三角形(188)、十字形(190)、水平方向バー(192)、随意の形状(194)、NACAダクト形状(196)、垂直方向バー(198)、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、空気流コンディショナー。 - 請求項2に記載の空気流コンディショナーにおいて、
前記形態は、食い違った列をなして配置される、空気流コンディショナー。 - 請求項1に記載の空気流コンディショナーにおいて、
前記第1及び第2の収斂する壁はベンチュリを形成する、空気流コンディショナー。 - 請求項1に記載の空気流コンディショナーにおいて、
空気流の方向で収斂した第3及び第4の壁(226a、226b)を含む、空気流コンディショナー。 - 請求項6に記載の空気流コンディショナーにおいて、
前記第3及び第4の収斂した壁の表面には、テクスチャーが設けられている、空気流コンディショナー。 - 請求項6に記載の空気流コンディショナーにおいて、
前記第1及び第2の収斂した壁は、第1ベンチュリを形成し、前記第3及び第4の収斂した壁は、前記第1ベンチュリと平行な第2ベンチュリを形成する、空気流コンディショナー。 - 流れる空気流中の流量を計測するため、流れる空気流中に配置するための空気流計測システムにおいて、
a)空気流の方向で収斂した第1及び第2の壁(126a、126b、226a、226b)を含み、前記壁の表面にはテクスチャーが設けられている空気流コンディショナー(122、222)と、
b)前記第1及び第2の壁が収斂していることによって集められた空気を受け取って、第1空気流計測信号(260a)を発生するための、前記第1及び第2の壁と隣接した第1空気流センサ(12a)とを備えた、空気流計測システム。 - 請求項9に記載の空気流計測システムにおいて、
前記空気流コンディショナーは、更に、
a)空気流の方向で収斂した、表面にテクスチャーが設けられた第3及び第4の壁(226a、226b)と、
b)前記第3及び第4の壁が収斂していることによって集められた空気を受け取って、第2空気流計測信号(260b)を発生するための、前記第3及び第4の壁と隣接した第2空気流センサ(12b)とを備えた、空気流計測システム。 - 請求項10に記載の空気流計測システムにおいて、更に、
前記第1及び第2の空気流計測信号を平均するための平均機構(262)を備えている、空気流計測システム。 - 請求項10に記載の空気流計測システムにおいて、
前記第1及び第2の壁及び前記第3及び第4の壁は、夫々、第1及び第2のベンチュリを形成し、これらの第1及び第2のベンチュリは、前記流れる空気流中に平行に配置されている、空気流計測システム。 - 空気流計測システム(100、200)が吸気マニホールドに配置された内燃エンジン(119)において、前記空気流計測システムは、
空気流の方向で収斂した第1及び第2の壁(126a、126b、226a、226b)を含み、前記壁の表面にはテクスチャーが設けられている空気流コンディショナー(122、222)と、
前記第1及び第2の壁が収斂していることによって集められた空気を受け取って、第1空気流計測信号(260a)を発生するための、前記第1及び第2の壁と隣接した第1空気流センサ(12a)とを含む、内燃エンジン。
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