JP2009109368A - 発熱抵抗体式空気流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、遠心分離が働きにくい粒子状の汚損物および液体状の汚損物に対して、センサ素子部への到達を回避する構造を提供することにある。
【解決手段】
上記目的を達成するため、主通路を流れる流体の一部を取り込む副通路と、前記副通路内に設置され、流体の流量を検出するための板型センサ素子とを備えた発熱抵抗体式空気流量測定装置であって、板型センサ素子よりも上流側の副通路部分に９０°以上の曲線を描く副通路を有する発熱抵抗体式空気流量測定装置において、前記副通路は、板型センサ素子のセンサ形成面と直交しかつ流れと平行な仮想平面上に９０°以上の曲線を描き、かつ板型センサ素子のセンサ形成面側と背面側とは副通路壁面との間に隙間を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、空気流量を測定する空気流量計に係わり、特に、自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定に好適な発熱抵抗体式空気流量測定装置に関する。

従来、発熱抵抗体式空気流量測定装置は、自動車，バイク等の吸気管内に実装され、吸入空気量を検出し、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）へその信号を送る。

エンジンや他の車が排出する排気ガス等の汚損物が吸気管内へ吸入されると、その汚損物により発熱抵抗体式空気流量測定装置の発熱抵抗体が汚損する。また、雨天時等の運転時に前方を走行する車が巻き上げた水滴等を吸気管が吸い込んだ場合、エアクリーナエレメントに水滴等が付着し、さらに吸気管内に吸入され、発熱抵抗体式空気流量測定装置の発熱抵抗体に水滴が飛来する。この発熱抵抗体が汚損すると、発熱抵抗体の表面の熱伝達率が変化し、初期状態（出荷時）の放熱特性と異なり、これにより同一流量が発熱抵抗体に触れたとしても、その出力値は初期状態の出力値と異なり、誤差が生じる。また水滴が飛来して発熱抵抗体に水滴が付着した際には、その気化熱により出力波形がスパイク状となり、センサ素子から水滴が蒸発もしくは通過して無くなるまで正しい出力が得られなくなる。

この対策として特許文献１には、センシング部となる発熱抵抗体の上流側の副通路形状を迂回状あるいは渦巻き状とした装置が記載されている。この装置では、空気流量計の上流側から汚損物あるいは水滴が飛来した場合、汚損物もしくは水滴を迂回または渦巻き形状の副通路形状によりもたらされる遠心力により清浄な空気と分離し、副通路内の発熱抵抗体を避けるように通過させている。

特表２００２−５０６５２８号公報

しかし、実際には、副通路の形状のみで発熱抵抗体を汚損物から守ることは難しい。カーボン等の密度の低い粒子は粒子に対する遠心力が十分に働かずに発熱抵抗体に到達する。また、水滴等液体状の汚損物は、副通路の内壁面に一度付着すると遠心力が働かない程度のゆっくりとした速度で副通路内を移動し、発熱抵抗体の支持部等を伝わって発熱抵抗体に到達する可能性がある。

本発明の目的は、遠心分離が働きにくい粒子状の汚損物および液体状の汚損物に対して、センサ素子部への到達を回避する構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による発熱抵抗体式空気流量測定装置は、主通路を流れる流体の一部を取り込む副通路と、前記副通路内に設置され、流体の流量を検出するための板型センサ素子とを備えた発熱抵抗体式空気流量測定装置であって、板型センサ素子よりも上流側の副通路部分に９０°以上の曲線を描く副通路を有する発熱抵抗体式空気流量測定装置において、前記副通路は、板型センサ素子のセンサ形成面と直交しかつ流れと平行な仮想平面上に９０°以上の曲線を描き、かつ板型センサ素子のセンサ形成面側と背面側とは副通路壁面との間に隙間を有する。

このとき、板型センサ素子の上下流に亘る通路を３６０度以上の曲がりを有するとよい。

また、副通路の側壁面に表面張力を減衰させる加工を施し、撥水による水の飛散を抑え、移動速度を落とすようにするとよい。

本発明による発熱抵抗体式空気流量測定装置は吸気管内に侵入してくるダスト状および液体状の汚損物がセンサ素子に到達しにくくすることができ、従来の遠心分離方式に比べ汚損によるセンサ素子の劣化を低減することができる。

以下に説明する発熱抵抗体式空気流量測定装置では、主通路を流れる流体を取り込む副通路と副通路内に設置され、流体の流量を検出するセンサ素子とセンサ素子を副通路内に設置するために設けた支持部を備えた発熱抵抗体式空気流量測定装置において、センサ素子および支持部が副通路のカーブの途中に、カーブが形成される平面とセンサ素子および支持部が略垂直に交わるように配置され、センサ素子は支持体上に配置されセンサ素子の流量検出部はカーブの外周側又は内周側を向いている。好ましくは、センサ素子の流量検出部はカーブの外周側に向ける。また、センサ素子近傍のカーブの上流部および下流部の副通路に２次元および３次元的な曲線部を構成することで、入り口開口部および出口開口部からセンサ素子を直視できないように配置する。

以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。図１〜図４は本発明による発熱抵抗体式空気流量計の１つの実施例を示している。

本発明による発熱抵抗体式空気流量測定装置は、図１に示すとおり吸気管１０１にねじ１０２により固定される。吸気管内を流れる主流は矢印１０５が示す向きであり、吸気管１０１内に副通路入り口１０３と副通路出口１０４が配置される。尚、図１では、吸気管１０１内の発熱抵抗体式空気流量測定装置を透視した状態を示している。

組立図を図２に示す。副通路は左側面カバー２０３，フランジベース２０２，右側面カバー２０４，ハウジングブクミ２０５より構成されている。左側面カバー２０３とフランジベース２０２，右側面カバー２０４，ハウジングブクミ２０５とフランジベース２０２は互いに接着溶着等で接続されており、この４部品で囲まれた空間が副通路となる。フランジベース２０２には回路部品とセンサ素子と支持体とが一体となった回路基板２０１を実装できる平面２０７が設けられている。この平面２０７上に回路基板２０１を実装することで、回路基板２０１におけるセンサ素子３０３の搭載面（図３参照）が副通路の曲がり（曲線）が描かれる仮想平面４０１（図４参照）に対して略垂直となるように、回路基板２０１のセンサ素子搭載部を副通路内に実装することが出来る。回路基板２０１はハウジングブクミ２０５に構成されるコネクタ２０８とアルミワイヤボンディングで電気的に接続され、ここから電源の供給を受け、出力信号を出す。

図３に回路基板を示す。基板３０１にはくぼみ３０２が設けられており、このくぼみ３０２の中にセンサ素子３０３を実装する。センサ素子３０３は発熱抵抗体のほか複数の抵抗体（抵抗パターン）が薄板状の支持体上に薄膜によって形成されることにより構成されている。従って、センサ素子３０３自体が薄板状であって、板型センサ素子を構成している。回路基板２０１のセンサ素子搭載部が副通路内に上記のように実装されることにより、センサ素子３０３は抵抗パターンが形成された支持体面３０３ａ（板型センサ素子の抵抗パターン形成面又はセンサ形成面ともいう）が仮想平面４０１（図４参照）に対して略垂直となるように副通路内に配置される。

上記部品ハウジングブクミ２０５，フランジベース２０２，左側面カバー２０３，右側面カバー２０４で囲まれた副通路４０２と回路基板２０１の位置関係を図４に示す。

上述の通り回路基板２０１は仮想平面４０１と略垂直に交わるように実装される。ここで略垂直とは実質的に垂直に交わるよう実装されることを意味しており、取り付け公差や他の目的等で±１０°程度の範囲で垂直の状態から角度を有していても良い。また、板型センサ素子３０３はセンサ素子を搭載する面が副通路内の空気の流れに沿う向き（本質的に流れに対して平行）に実装されている。このため、センサ素子３０３の抵抗パターン形成面は曲線状に形成された副通路の外周側又は内周側を向いている。

尚、仮想平面４０１は副通路４０２が有する９０°以上の曲がり（曲線）が描かれる平面を仮想したものである。

副通路のカーブを描く平面と支持体における抵抗パターン形成面を略垂直に交差させることで、回路部分を吸気管外に設置することができる。このため、同一通路長で副通路を設計した場合、吸気管内に突出する有効断面積を小さくすることができて圧力損失の観点から有利となる。

また、同一有効断面積で副通路を設計した場合、吸気管内突出部のすべてを副通路として構成できるため、センサ素子よりも上流側副通路および下流側副通路を緩やかなカーブで描くことができる。このため、副通路内での吸気の流れにおいて剥離が起こりにくくなり、センサ出力の安定化が図れる。剥離が起こりにくくなることで副通路内の通気抵抗が減少し、副通路内の流速が上がるためセンサ出力の低流量感度向上にも貢献する。

本実施例の特徴を図５を用いて説明する。図５は、図４の副通路４０２の断面を示している。図５に示すように、本実施例の発熱抵抗体式空気流量測定装置では、板型センサ素子３０３よりも上流側に９０°以上の曲線を描く（流れの向きが９０°以上変化する）副通路を有する。上流側から飛来した桂砂，カーボン等のダストおよび水滴（５０８）はその質量，粒径がある範囲の中にはあるもののさまざまな状態で流入開口から副通路４０２内へ侵入してくる。板型センサ素子３０３の上流側の曲線部で遠心力（５０２）が働く。このときダストや水滴等、飛来物に働く遠心力Ｆは
Ｆ＝ｍ・ａ＝ρ・（（４・π・(ｄ／２)³）／(３・ｒ)）・ｖ² （数１）
（ρ；ダスト等の密度、ｄ；ダスト等の直径、ｒ；曲線通路のＲ、ｖ；曲線通路への進入速度）
であるため、板型センサ素子の直前部では重いダスト、粒径が大きいダストほど曲線通路の外周側（外周壁面４０２ｏ側）へ分布する（５０３）。このとき曲線通路に対して垂直に交わるように板型センサ素子３０３を実装し、図５の２０１のように曲線通路内に実装することでエレメントに付着するダスト等の粒径を最小限にとどめることができる。尚、板型センサ素子３０３の抵抗パターン形成面側と背面側とは副通路壁面との間に隙間を有する。

ここで水滴の飛来も考慮する。水滴は一度壁面に付着すると、そこにとどまり後から飛来する水滴と合流してある質量になるまで成長し、そのまま壁面を伝わって板型センサ素子３０３部まで到達する（５０１）。これを回避するには内周壁面４０２ｉと板型センサ素子３０３をある距離をもって離す必要がある。ここで、この内周壁面４０２ｉと板型センサ素子３０３との間の距離が増えると、前述のとおり板型センサ素子３０３に到達するダストの粒径も大きくなるため最適化が必要となる。

この副通路形状により、主通路内を飛来する水滴が副通路４０２内に侵入した場合、その水滴はセンサ素子３０３に到達する前にほとんどが副通路４０２の内壁に一度付着する。一度壁面に付着した水滴は副通路４０２内の空気の流れに比べ進行速度が十分に遅いため、カーブ内周側（内周壁面４０２ｉ側）の流速の早いほうに水滴の大半がすいよせられ、センサ素子３０３に水滴は到達しない。この場合、センサ素子３０３の抵抗パターン形成面は、外周側（外周壁面４０２ｏ側）を向くように配置することが好ましい。

また、遠心力が十分に働かない微細なカーボン粒子等も前記水滴と同様にセンサ素子３０３近傍のカーブ内周（内周壁面４０２ｉ寄り）を通過するため、センサ素子３０３にはほとんど到達しない。

従来遠心力により分離されていた粒子はカーブ外周側（外周壁面４０２ｏ寄り）を通過していくためやはりセンサ素子３０３には到達しない。

ゆえに本発明における発熱抵抗体式空気流量測定装置では吸気管１０６内へ進入したダストおよび水滴が副通路４０２内へ進入した場合、従来の遠心分離の原理では回避できなかった軽量なダストまたは粒径の小さいダストがセンサ素子３０３の発熱抵抗体へ到達するのを回避できる。

本実施例を採用した場合、板型センサ素子３０３より上流側の空間は円弧と平面で挟まれた形状となるため、板型センサ素子近傍は拡大菅形状となり、流れの安定性を考えると好ましくない。このため、５０５のように板型センサ素子３０３近傍の外周側壁面に楔形形状等の突起を設け、圧力勾配をつける必要がある。

このとき、図６のように板型センサ素子３０３の抵抗パターン形成面を内周側に向けると板型センサ素子３０３付近の流れは図５の時とは反対に縮流となり、対汚損性と流れの安定性を両立することができる。

また、例えばエンジン停止後、クランクケース内のオイルやタービンブレード等に付着したオイルが蒸気となり拡散や対流で吸気管内を伝わって発熱抵抗体式空気流量計部まで到達するが、上記副通路形状によれば、オイル蒸気はセンサ素子に到達する前に副通路内壁に吸着され、従来に比べセンサ素子への到達量が減少する。

本発明による発熱抵抗体式空気流量測定装置は樹脂成型によるハウジングによって副通路が形成でき、コスト低減が可能となる。

本発明の一実施例に係る全体図。 本発明の一実施例に係る組立図。 本発明の回路基板の斜視図。 本発明の実施例に係る副通路と回路基板の位置関係を示す図。 本発明の実施例に係る副通路の断面図。 本発明の別の実施例を示す断面図。

符号の説明

１０１ 吸気管
１０２ ねじ
１０３ 副通路入り口
１０４ 副通路出口
２０２ フランジベース
２０３ 左側面カバー
２０４ 右側面カバー
２０５ ハウジングブクミ
２０７ 回路基板実装面
２０８ コネクタ
３０１ 基板
３０２ くぼみ
３０３ センサ素子
３０３ａ 抵抗パターンが形成された支持体面
４０１ 仮想平面
４０２ 副通路
４０２ｉ 内周壁面
４０２ｏ 外周壁面
５０１ 水滴
５０２ 遠心力
５０３，５０８ ダストおよび水滴
５０５ 楔形形状等の突起

Claims (3)

1. 主通路を流れる流体の一部を取り込む副通路と、前記副通路内に設置され、流体の流量を検出するための板型センサ素子とを備えた発熱抵抗体式空気流量測定装置であって、板型センサ素子よりも上流側の副通路部分に９０°以上の曲線を描く副通路を有する発熱抵抗体式空気流量測定装置において、
   前記副通路は、板型センサ素子のセンサ形成面と直交しかつ流れと平行な仮想平面上に９０°以上の曲線を描き、かつ板型センサ素子のセンサ形成面側と背面側とは副通路壁面との間に隙間を有することを特徴とする発熱抵抗体式空気流量測定装置。
2. 請求項１に記載の発熱抵抗体式空気流量測定装置において、板型センサ素子の上下流に亘る通路を３６０度以上の曲がりを有することを特徴とする発熱抵抗体式空気流量測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の発熱抵抗体式空気流量測定装置において、副通路の側壁面に表面張力を減衰させる加工を施し、撥水による水の飛散を抑え、移動速度を落とすようにしたことを特徴とする発熱抵抗体式空気流量測定装置。

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