JP2010112876A - 流体の流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で、製造容易かつ安価な構成でありながら、流体の流れの乱れ等の影響を抑制して高精度に流体流量を測定することができる流体の流量測定装置を提供する。
【解決手段】 このため、本発明に係る流体の流量測定装置１は、流体が流れる流体通路（ＥＧＲガス通路）５の内径より小径で前記流体の一部が導入されると共に、前記流体通路（ＥＧＲガス通路）５内の流体の流れ方向に対して略平行に配設される両端開口の円筒状部材４を備え、当該円筒状部材４の内側に流体の流量に関連する情報を取得するためのセンサ部２が配設されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流量測定装置に関する。より詳細には、フローセンサを利用して流体の流量を測定する流体の流量測定装置に関する。

例えば、基板の表面に発熱抵抗体や感温抵抗体（以下、発熱抵抗体等と称する）を含んで構成されるセンサ部を有する感熱式のフローセンサが知られており、当該フローセンサは、そのセンサ部をガス等の流体の流れの中に置かれて利用され、前記発熱抵抗体等を通電によって所定温度に維持するように制御する一方で、発熱抵抗体等の温度−抵抗特性に基づいて、流体によって持ち去られる熱量による発熱抵抗体等の温度変化を計測して、流体の流速、延いては単位時間当たりの流速から演算される流量を測定する流量測定装置として利用されている。

このような流量測定装置は、例えば、特許文献１に記載されているように、例えば内燃機関のエアダクト（吸気通路）に取り付けられて、エアダクト内の空気流量を測定するために用いられる。

特許文献１に記載されている流量測定装置は、被測定気体の流量測定を行うフローセンサと、被測定気体を導入してフローセンサへ流すバイパス流路と、を備え、バイパス流路内には、被測定気体の流れをフローセンサへ導くガイド機能を持った形状を有し且つ被測定気体中に含まれるパーティクルを捕獲する捕獲部としてのフィン部材が備えて構成され、これにより、センシング部を通る被測定気体の流れを安定化しつつ、パーティクルのセンシング部への衝突を防止するようにしている。

また、例えば、特許文献２には、流量測定時にはフローセンサを測定用流路に進出させ、標準状態でのフローセンサの出力を参照する場合にはフローセンサを校正用空間に退避させ、測定用流路と校正用空間とを選択的に接続することができるように構成された流量測定装置が記載されており、これにより、フローセンサを校正用空間に退避させ、測定の対象となる流体を校正用空間に入れ替え、測定用流路と校正用空間とを遮蔽して校正用空間を流量ゼロとすることができるようにして、如何なる流体の流量を測定する際にも、容易に正しい標準状態を作り出し、その標準状態でのフローセンサの出力を参照し、経時的な特性の変化を少なくすることができるようにしたものが記載されている。

特開２００３−１４９０１６号公報 特開２００２−１６２２７０号公報

ここにおいて、本発明者等が種々の研究・実験を行ったところ、前述したような感温抵抗体等を含んで構成されるセンサ部を有する感熱式のフローセンサを用いて流量測定を行う場合において、流体通路を通過する流量や内燃機関の機種等の仕様違いなどによっては精度良く流量を測定することができない場合があることが確認された。

このため、本発明者等は、種々の予測・検討を重ね、それらに基づき種々の研究・実験を行ったところ、フローセンサのセンサ部付近の流体の流れが比較的安定した定常流であれば比較的安定して高精度に流量を測定することができるが、フローセンサのセンサ部付近の流体の流れに乱れなどがある場合には、これらが測定精度に悪影響を与えることが確認された。

しかしながら、上述した特許文献１や特許文献２に記載される流量測定装置は、このような流体の流れに乱れなどが生じるような場合における測定精度への悪影響に対する配慮はなされていないのが実情であった。

本発明は、かかる従来の種々の実情に鑑みなされたものであって、簡単な構成で、製造容易かつ安価な構成でありながら、流体の流れの乱れ等の影響を抑制して高精度に流体流量を測定することができる流体の流量測定装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る流体の流量測定装置は、
流体が流れる流体通路の内径より小径で前記流体の一部が導入されると共に、前記流体通路内の流体の流れ方向に対して略平行に配設される両端開口の円筒状部材を備え、
当該円筒状部材の内側に流体の流量に関連する情報を取得するためのセンサ部が配設されたことを特徴とする。

本発明において、前記円筒状部材の流体が導入される入口に、前端に向かうに従って径が拡張する導入部が設けられたことを特徴とすることができる。

本発明において、前記円筒状部材の内径は、臨界レイノルズ数（Ｒｄ＝Ｕｍ×ｄ／ν、ｄは円筒状部材の内径、Ｕｍは平均流速、νは動粘性係数）＜２０００となるように設定されることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単な構成で、製造容易かつ安価な構成でありながら、流体の流れの乱れ等の影響を抑制して高精度に流体の流量を測定することができる流体の流量測定装置を提供することができる。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１は本発明の一実施の形態に係る流体の流量測定装置の全体構成を概略的に示す全体構成図（流体の流れ方向に略直交する方向から見た図）であり、図２は図１の側面図（流体の流れ方向に沿った方向から見た図）である。図３及び図４は、従来の流体の流量測定装置の全体構成図である。

本発明の一実施の形態に係る流体の流量測定装置１は、図１、図２に示すように、例えば内燃機関のＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置におけるＥＧＲガス通路５内に臨んで配設される。ＥＧＲガス通路５は、図示しない内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続する通路で、例えば、介装されるＥＧＲバルブ（図示せず）が開弁されたときに、排気通路を流れる排気の一部を当該ＥＧＲガス通路５を介して吸気通路に導き（還流させ）、図示しない燃焼室にＥＧＲガスを導入することで燃焼温度を低下させて排気中に含まれるＮＯｘ排出量を低減するためのＥＧＲ装置の一部として機能するものである。但し、流量測定装置１が配設される部位は、ＥＧＲガス通路５に限定されるものではなく、例えば、吸気通路、排気通路、流体が流れるその他の通路（内燃機関の通路に限定されるものでもない）とすることができる。

前記流量測定装置１は、感温抵抗体等を含んで構成されるセンサ部２を備えて構成される感熱式のフローセンサとすることができ、従来同様、センサ部２の表面近傍に埋め込まれている発熱抵抗体等を通電によって所定温度に維持するように制御する一方で、発熱抵抗体等の温度−抵抗特性に基づいて、流体によって持ち去られる熱量による発熱抵抗体等の温度変化を計測して、流体の流速、延いては単位時間当たりの流速から演算される流量を測定することができるようになっている。

すなわち、センサ部２は被測定対象である流体から流量に関連する情報を取得（或いは検知）し、当該センサ部２で取得（或いは検知）された情報に基づいて流量が測定されることになる。

ここにおいて、本発明者等は、図３、図４に示したように、例えば、ＥＧＲガス通路５の内壁面近傍における乱れ等が流量測定精度に悪影響を与えないようにするために、ＥＧＲガス通路５の略中央部まで前記センサ部２を突き出すようにして流量測定装置１を配設した場合においても、例えばＥＧＲガス通路５を通過する流体（排気）の流量が増減した場合やリード線等が内装されるボディ部３の影響等により、流体の流れに乱流等の乱れが生じる場合があり、このように乱流等の乱れが生じる場合には流体の流量の測定精度に悪影響があることを確認した。

例えば、ＥＧＲガス通路５を流れる流体に乱流等が生じないように管路径等を調整することなども想定されるが、内燃機関の吸入空気流量、排気流量更にはＥＧＲガス量やその温度などは運転状態に応じて比較的大きく、かつ、頻繁に変動するものであるため、すべての運転状態において乱流等が生じないように調整することは難しい。

また、内燃機関にも種々の仕様（排気量の相違、過給機の有無や、更には使用燃料の相違、燃焼方式の相違など）があるため、それぞれの仕様に対応して細かく管路径等を調整した流体通路を複数種準備しておくことは煩雑であるし、ストックする部品点数の増大を招き、組立作業等における煩雑さの増加や品質の低下、更にはコストの増大などの面で好ましくない状態を招くことにもなる。

従って、種々のＥＧＲガス通路５や吸気通路その他の通路に用いた場合でも、簡単な構成で煩雑化することなく、かつ、低コストでありながら、流体の流れに乱流等の影響を抑制して精度良く流体流量を測定することができるようにすることが望まれる。

このため、本発明者等は、図１、図２に示したように、流量測定装置１のボディ部３の下側に、ＥＧＲガス通路５の内径より小径で、ＥＧＲガス通路５を流れる流体の一部が導入されると共に、ＥＧＲガス通路５を流れる流体の流れ方向に沿って所定長さを有して延在される両端開口のパイプ状の円筒状部材（計測用管路）４を取り付け、当該円筒状部材４の内側にセンサ部２を突出させた構成とし、これにより、センサ部２が流量を測定する流体、すなわち、円筒状部材４内を流れる流体に乱流等が生じないようにしたものである。

なお、センサ部２が薄い板状である場合には、図１、図２に示したように、その断面積が小さい側を流体の流れ方向と対向するように配設することが、通気抵抗（流路抵抗）を抑制することができ、かつ、測定精度に悪影響を及ぼすような乱れがセンサ部２近傍に生じることなどを抑制することができる点で好ましい。

前記円筒状部材４の内径は、例えば、円筒状部材４の上流側で乱流が生じても、円筒状部材４内において層流が維持される径とすることができ、このためには、臨界レイノルズ数（層流から乱流へ移る遷移の際のレイノルズ数：Ｒｄ＝Ｕｍ×ｄ／ν、ｄは流体通路（円筒状部材４）の内径、Ｕｍは平均流速、νは動粘性係数）＜２０００程度となるように、前記円筒状部材４の内径を設定することが好ましい。但し、厳密に、これに限定されるものではなく、当該流量測定装置１が使用される条件（被測定対象である流体の流量の最大値や最小値やその幅、流体の種類や温度条件など）に応じて、或いは種々の要求に応じて、所望の流量測定精度が得られるものであれば、適宜に前記円筒状部材４の内径は設定することができるものである。

なお、前述した臨界レイノルズ数については、実教出版、「基礎力学演習 流体力学」第６章 乱流と乱流境界層）等の記載を参照することができる。

このように、本実施の形態に係る流体の流量測定装置１によれば、被測定対象である流体が流れる方向と略平行に内部を当該流体が流れるように、当該流体が流れる流体通路（本実施の形態では、ＥＧＲガス通路５が相当する）に沿って計測用管路（本実施の形態では、円筒状部材４が相当する）を取り付け、その内側にセンサ部２を臨ませる構成としたので、簡単な構成で、製造容易かつ安価な構成でありながら、被測定対象である流体の流れの乱れ等の測定精度への影響を抑制することができ、以って高精度に流体流量を測定することができる。

すなわち、本実施の形態に係る流体の流量測定装置１によれば、例え、流体通路（本実施の形態では、ＥＧＲガス通路５が相当する）を流れる流体に乱流が生じるような場合であっても、計測用管路（本実施の形態では、円筒状部材４が相当する）内を流れる被測定対象である流体に対して乱流等が生じることを効果的に抑制することができるので、被測定対象である流体の流れの乱れ等の測定精度への影響を抑制することができ、以って高精度に流体流量を測定することができる。

そして、本実施の形態では、流量測定装置１側で、上述したような作用効果を奏することができることとしたので、内燃機関の種々の仕様（排気量の相違、過給機の有無や、更には使用燃料の相違、燃焼方式の相違など）毎に対応してきめ細かく管路径（ＥＧＲガス通路５の内径）等を調整した流体通路を複数種準備しておく必要性などを軽減できるため、ストックする部品点数の増大を招いたり、組立作業等における煩雑さの増加や品質の低下、更には製品コストの増大などを効果的に抑制することができるといった利点がある。

ところで、本実施の形態では、図１に示したように、円筒状部材４の入口を他の部分と同じ径として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば円筒状部材４の入口に前端に向かうに従って径が拡張するラッパ状の導入部を設けることもでき、これにより円筒状部材４内を流れる流体の流れに乱流等が発生する惧れを、より一層、抑制することができる。

以上で説明した一実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

本発明の一実施の形態に係るフローセンサを利用した流体流量測定装置を流体の流れに略直交する方向から見た全体構成を部分的に断面で示した全体構成断面図である。 同上実施の形態に係るフローセンサを利用した流体流量測定装置を流体の流れに略平行な方向（沿った方向）から見た全体構成を部分的に断面で示した全体構成断面図である。 従来のフローセンサを利用した流体流量測定装置の一例を流体の流れに略直交する方向から見た全体構成を部分的に断面で示した全体構成断面図である。 同上流体流量測定装置を流体の流れに略平行な方向（沿った方向）から見た全体構成を部分的に断面で示した全体構成断面図である。

符号の説明

１ 流量測定装置（フローセンサ）
２ センサ部
３ ボディ部
４ 円筒状部材（計測用管路）
５ ＥＧＲガス通路（流体通路）

Claims (3)

1. 流体が流れる流体通路の内径より小径で前記流体の一部が導入されると共に、前記流体通路内の流体の流れ方向に対して略平行に配設される両端開口の円筒状部材を備え、
   当該円筒状部材の内側に流体の流量に関連する情報を取得するためのセンサ部が配設されたことを特徴とする流体の流量測定装置。
2. 前記円筒状部材の流体が導入される入口に、前端に向かうに従って径が拡張する導入部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の流体の流量測定装置。
3. 前記円筒状部材の内径は、臨界レイノルズ数（Ｒｄ＝Ｕｍ×ｄ／ν、ｄは円筒状部材の内径、Ｕｍは平均流速、νは動粘性係数）＜２０００となるように設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体の流量測定装置。

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