JP2012002581A - 結露センサ及びそれを用いた結露検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結露センサにおいて、結露検出の被検出箇所が配管内壁面のときでも、確実に結露を検出することができるようにすることを目的とする。
【解決手段】ガスが流れる内部流路を有する配管形状に形状設定されると共に、
内部流路及び外壁面に露出する複数の導電領域１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと、前記導電領域同士を絶縁する絶縁領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、結露センサ及びその結露センサを用いた結露検出装置に関する。

従来から、結露センサとしては、ＡＣＭ（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒ）センサと呼ばれるものが知られている（特許文献１参照）。
このＡＣＭセンサは、鋼製の基板の表面に絶縁ペーストと導電ペーストを積層して構成されたセンサ素子を被検出箇所に貼着し、その貼着された基板及び導電ペーストからそれぞれ導線が引き出され、電流計等の計測機に接続されるように構成されている。

より詳細には、ＡＣＭセンサは、基板表面の露出部がセンサのアノード（陽極）に形成され、導電ペーストがカソード（陰極）に形成されている。
したがって、センサの置かれた環境が乾燥状態で表面になにも堆積していない初期時には、絶縁ペーストによりアノード（基板）とカソード（導電ペースト）が絶縁されているので、その間に電流は流れない。
他方、センサの表面が電解質溶液で濡れると、アノード、カソード間が導電性液で満たされるので、その間に電流が流れる。したがって、その電流を計測することによって濡れ状態を計測することができる。

特開２００１−２０１４５１号公報

しかしながら、上記従来のＡＣＭセンサにおいては、センサ素子を被検出箇所に貼着して濡れ状態等を検出するように構成されているので、ガスの流れる配管内に生成される結露を検出するには不向きであった。
例えば、自動車用等のエンジンの排気ガスの一部を取り出し、これを吸気側へ導き再度吸気させ、排出ガス中の窒素酸化物 (ＮＯｘ) 低減や燃費向上を目的として行われる排気ガス再循環（Exhaust Gas Recirculation）システム（以下、「ＥＧＲシステム」という。）の設計に当っては、排気ガスを取り込んだ吸気側の配管内壁面に腐食性液体が結露するおそれがあるので、結露を生じさせない設計条件等の決定を行なうために、還流量等を種種変えた入念なテストを行なう必要がある。
このテストでは、配管内壁面の結露検出を行うことが好ましいが、大きさの関係でＡＣＭセンサを配管内壁面に貼着することが難しく、配管内壁面にＡＣＭセンサのセンサ素子を貼着できても導線の取り出しができない。
すなわち、従来のＡＣＭセンサでは、実際の配管内に生じる結露の検出が難しいという欠点があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、結露検出の被検出箇所が配管内壁面のときでも、確実に結露を検出することのできる結露センサ及びその結露センサを用いた結露検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、流体が流れる内部流路を有する配管形状に形状設定されると共に、前記内部流路及び外壁面に露出する複数の導電領域と、前記導電領域同士を絶縁する絶縁領域とを有するという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、前記導電領域が前記内部流路の周方向に複数配列されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、各々の前記導電領域及び各々の前記絶縁領域が前記内部流路の進行方向における一方の端部から他方の端部まで延在して設けられているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１の発明において、前記導電領域が前記内部流路の進行方向に複数配列されているという構成を採用する。

第５の発明は、結露センサと、前記結露センサからの信号に基づいて結露の有無を測定する測定部とを備える結露検出装置であって、前記結露センサとして、上記第１〜４いずれかの結露センサを備えるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第５の発明において、前記測定部は、予め前記結露センサからの信号が示す電流値と結露による濡れ面積との関係を記憶し、前記前記結露センサからの信号が示す電流値から結露による濡れ面積を求めるという構成を採用する。

本発明によれば、結露センサは、ガス流体の流れる内部流路の形状が配管形状を呈していると共に、その配管が内部流路及び外壁面に露出する複数の導電領域と、隣接する導電領域同士を絶縁する絶縁領域とからなるので、その配管内に生成された結露が絶縁領域を越えて隣接する導電領域同士が電気的に導通されると、配管の外壁面の導電領域からその導通状態を検出することができるから、被検出箇所が配管内壁面であっても、実際の配管で生じる結露を確実に検出することができる。

本発明の一実施形態における結露センサを適用したテスト装置に組み込んだときの概略構成図である。 本発明の一実施形態における結露センサの外観図である。 本発明の他の実施形態における結露センサの外観図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態における結露センサの製造例を示す説明図である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の一実施形態における結露センサを用いたとき実験データを示すグラフである。（ａ）のグラフの縦軸は電流値（Ｃｕｒｒｅｎｔ、単位はＩ／ｎＡ）、横軸は時間（Ｔｉｍｅ、単位はｔ／ｓｅｃ）である。（ｂ）のグラフの縦軸は電流値（Ｃｕｒｒｅｎｔ、単位はＩ／ｎＡ）、横軸は液滴滴下量（Ａｒｅａ ｗｉｔｈ ｗａｔｅｒ ｄｒｏｐ、液滴の大きさ、濡れ面積、単位はＳ／ｍｍ^２）である。

以下、図面を参照して、本発明に係る結露センサについて説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

先ず、本発明の理解を容易にするために、図１を用いて、本発明に係る結露センサＳ１を組み込んだテスト装置Ｔについて説明する。
テスト装置Ｔは、ＥＧＲシステムを含むエンジンシステムであり、エンジン１と、ターボチャージャ２と、測定部３とを備えている。

エンジン１は、ガソリンエンジン又はジーゼルエンジンの内燃機関であり、ターボチャージャ２は、回転軸の一方側にコンプレッサ２ａを備えると共に、その回転軸の他方側にタービン２ｂを備えて構成されている。

測定部３は、図示しないが、結露センサＳ１に対して所定の電圧を供給する電源供給回路、その結露センサから出力された電流信号に基づいて結露の有無を検出する演算処理回路（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。

上記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａは、エンジン１の吸気側に接続されている吸気管４と接続され、タービン２ｂは、エンジン１の排気側に接続されている排気管５と接続されている。これら吸気管４及び排気管５には、ターボチャージャ２を迂回する形で再循環管６が接続されている。また、吸気管４の再循環管６が接続している箇所及びコンプレッサ２ａの設備されている箇所の間には、本実施形態の結露センサＳ１が接続されている。この結露センサＳ１については、後に詳述する。
また、実際のテスト装置Ｔには、図１に示される部材以外に、エアークリーナやインタークーラ等の部材が設けられていると共に、風量計や温度計等の計測機器が設けられているが、ここでは図面を簡略化するために省略されている。

なお、図１に示す結露センサＳ１の設置位置は一例であり、他の配管の一部として結露センサＳ１を設置しても良い。また、図１に示すテスト装置Ｔの構成も一例であり、他の装置構成を採用していても良い。

上記構成からなるテスト装置Ｔを用いてエンジン１の結露検出の実験を行なうには、エンジン１を駆動し、吸気管４中に設けられているスロットルバルブＶ１、排気管５中のタービン２ｂを迂回する形で設けられているバイパス路中のバルブ（ウエイストゲート）Ｖ２、及び、再循環管６中に設けられているバルブＶ３の開度が調整される。

上記各バルブＶ１〜Ｖ３の開度調整や外気温度等の条件を変化させてエンジン１が駆動されると、吸気管４の管内壁面には、排出ガス中の含まれているＮＯｘやＳＯｘ等の成分を含む腐食性液体が結露することがある。結露が生成されたことが結露センサＳ１を介して検出されると、そのときのエンジン１の還流量等の状態が結露を生成させる条件と判定される。したがって、この実験に基づいて、結露を生じさせないエンジンシステムを開発することができる。

なお、図１に示すテスト装置Ｔにおいては、結露センサＳ１と測定部３とによって、本発明の結露検出装置が構成されている。

（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態に係る結露センサＳ１について、図２を用いて説明する。図２の（ａ）は結露センサＳ１の正面図であり、（ｂ）はその右側面図である。この結露センサＳ１は、本発明の導電領域に相当する導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと、本発明の絶縁領域に相当する絶縁部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとから構成されている。

各導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、外形形状が細長いＳＵＳ等の導電性の板材からなり、その板材の短辺側が円弧状に構成されている。そして、これら各導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの円弧は、各導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの短辺側を円弧に沿って並べたときに、予め定められた直径を有する円を呈するように決められている（図２（ａ）参照）。したがって、各導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの短辺側を円弧に沿って並べたときには、長さが板材の長辺の長さに等しい円筒が形成される（図２（ｂ）参照）。

各絶縁部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、外形形状が細長い合成樹脂製等の電気絶縁性の板材からなる。その長さは、各導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの長さに等しく、その短辺側の幅は、各導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの円弧状の短辺の長さより十分に小さく、その高さ（厚さ）は、各導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの厚さに等しく形成されている。各絶縁部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの短辺側の幅は、検出される結露の大きさによって決められ、その幅が小さくなるほど、小さい結露も検出することができる。

導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ及び絶縁部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの配置関係は、導体部と絶縁部とが交互になるように接着材等を用いて気密状態で組み合わされる。
すなわち、絶縁部１１ａは、その長手方向の両側面に導体部１０ａ，１０ｂの長手方向の側面がそれぞれ当接し、かつ、絶縁部１１ａの短辺側の両端面が導体部１０ａ，１０ｂの短辺の両端面にそれぞれ一致するように設けられる。
同様にして、絶縁部１１ｂは、導体部１０ｂ，１０ｃ間に配設され、絶縁部１１ｃは、導体部１０ｃ，１０ｄに配設され、そして、絶縁部１１ｄは、導体部１０ｄ，１０ａに配設される。
このような導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ及び絶縁部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの配置により、その内部には、ガス流体の流れる内部流路を有する配管形状が形成される。
なお、本発明で「導電領域同士を絶縁する絶縁領域」というときは、互いに隣接する導体部を電気的に絶縁する領域ということを意味している。

上記導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ及び絶縁部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄからなる円筒状の結露センサＳ１は、少なくとも、その円筒状の内径形状が図１における吸気管４の結露検出箇所の内径形状に合致するように決められている。図１において、結露検出箇所は、吸気管４の直線部分に設定されているので、結露センサＳ１の内径形状も吸気管４の直線部分に合わせて形成されている。したがって、結露検出箇所がエルボ等の湾曲状のときは、その湾曲に合わせて形成される。

上記構成からなる結露センサＳ１の結露検出原理を図２（ａ）を用いて説明する。導体部１０ａ，１０ｂ間、導体部１０ｂ，１０ｃ間、導体部１０ｃ，１０ｄ間及び導体部１０ｄ，１０ａ間の外側には、電流計Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４がそれぞれ接続されている。そして、これらの電流計Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は、測定部３と電気的に接続されている。また、図示しないが、導体部１０ａ，１０ｂ間、導体部１０ｂ，１０ｃ間、導体部１０ｃ，１０ｄ間及び導体部１０ｄ，１０ａ間には、図示しない電源回路から予め設定された電圧が順次印加される。

結露センサＳ１の内側は、結露検出に先立って結露液Ｌの生成されていない状態に保たれる。この状態は、結露成分を含まない乾燥ガスを結露センサＳ１の内側に通過させることにより得られる。
次いで、結露センサＳ１の内側に結露液Ｌの成分を含むガス（本発明の「流体」に相当している。）が流れると、結露センサＳ１の内壁面には、その内壁面にガスが接触したときに生じる温度低下等の一定の条件の下に結露が生じ、結露液Ｌが生成される。

そして、生成された結露液Ｌが絶縁部１１ａ上に存在すると、導体部１０ａ，１０ｂ間の電気絶縁が破壊され、電流計Ａ１には、所定の電流値が表示される。したがって、電流計Ａ１が所定の電流値を検出したときは、導体部１０ａ，１０ｂ間に結露液Ｌが生成されたことが分かる。また、この検出される電流値は、後述する実験結果に示されるように、生成される結露液Ｌの大きさ、すなわち、濡れ面積に比例することが分かっているので、電流値によって結露液Ｌの大きさも推定することができる。

同様にして、絶縁部１１ｂ上に生成される結露液Ｌが電流計Ａ２によって検出され、絶縁部１１ｃ上に生成される結露液Ｌが電流計Ａ３によって検出され、そして、絶縁部１１ｄ上に生成される結露液Ｌが電流計Ａ４によって検出される。

なお、各導体部に印加する電源は、直流又は交流のいずれも選択することができるが、交流電源の場合は、測定されたインピーダンスにより結露液Ｌの溶液抵抗を推定できる可能性を有している。
また、この例では、各導体部間に、電源回路から所定の電圧がそれぞれ印加されるようにしたが、導体部を異種金属で構成してガルバニック対を形成し、電圧の供給を省略するようにしてもよい。例えば、導体部１０ａ，１０ｃの金属と、導体部１０ｂ，１０ａの金属とを異なるようにしてもよい。

なお、上記結露センサＳ１は、４個の導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ及び４個の絶縁部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから構成されているが、４個以上の導体部及び絶縁部で構成することができる。これらの個数が増えるほど、きめ細やかな結露検出が可能となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る結露センサＳ２について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は結露センサＳ２の外観図であり、（ｂ）はその右側面図である。この結露センサＳ２も上記結露センサＳ１と同様に、導電性の導体部と電気絶縁性の絶縁部とから構成されている。

導体部２０は、リング状に形成され、また、絶縁部２１は、導体部２０の厚さより小さい厚さで、かつ導体部２０の大きさと同じリング状に形成され、これら導体部２０及び絶縁部２１は、それぞれ複数個用意される。図示の例では、導体部２０は９個、絶縁部２１は８個用意される。そして、この導体部２０と絶縁部２１とを交互に気密状に積層して結露センサＳ２が形成されている。
すなわち、結露センサＳ２は、導体部２０、絶縁部２１、導体部２０、絶縁部２１…のように交互に配置されて上記図３と同様の円筒状が形成される（図３（ｂ）参照）。また、この結露センサＳ２は、少なくとも、その円筒状の内径形状が図１における吸気管４に示されるような結露検出箇所の内径形状に合致するように決められている。このような導体部２０及び絶縁部２１の配置により、その内部には、ガス流体の流れる内部流路を有する配管形状が形成される。

上記構成からなる結露センサＳ２においても、上記結露センサＳ１と同様に、絶縁部２１を中間にした導体部２０，２０間に流れる電流値を導体部２０，２０の外側において計測することにより結露センサＳ２内に生成した結露を検出することができる。

（結露センサＳ１の製造例）
図４（ａ）〜（ｄ）は、結露センサＳ１の製造例を示している。同図（ａ）は、ＳＵＳ等からなる所定の肉厚で、所定の内径を有し、かつ所定の長さを有するパイプ１００を示している。このパイプで１００は、例えば、図１の結露検出箇所の吸気管４の形状に合わせて選択される。
同図（ｂ）は、パイプ１００の一端側（同図（ｂ）では左端側）から他端側近くまで軸方向に伸び、かつ、そのパイプの円周を等間隔に区分するように切削して、複数（図示の例では、４個）のスリット１０１が形成されていることを示している。
同図（ｃ）は、スリット１０１の形成されたパイプ１００を接着性及び電気絶縁性を有する合成樹脂溶液１０２中に浸漬し、スリット１０１中に合成樹脂を充填している状態を示している。なお、合成樹脂の余分部分は切削等により容易に除去することができる。
同図（ｄ）は、スリット１０１中に合成樹脂溶液１０２が充填され、その充填された合成樹脂が固化した後、パイプ１００の他端側（スリット１０１の設けられていない部分）が切除され、結露センサＳ１が製造されたことが示されている。

上記構成からなる結露センサＳ１の製造方法は、パイプ１００にスリット１０１を形成し、そのスリット１０１内に接着性及び電気絶縁性を有する合成樹脂を充填するだけで簡単に製造することができる。
なお、上述の製造例では、スリット１０１は、パイプ１００の軸心に沿った直線状を呈しているが、スリット１０１を放電加工等により形成して、スリット１０１を螺旋状等の任意の形状に作ることもできる。

（実験例１）
図５（ａ）は、図２に示される結露センサＳ１の絶縁部１１ａ上に液滴を滴下したときの電流計Ａ１の電流値の変化状態を示している。図５の下向きの矢印は、液滴を滴下したタイミングを示している。この図から明らかなように、液滴を滴下したときに電流値が急激に高まり、その後は電流値が低下することを示している。
したがって、電流計Ａ１の電流値が所定以上の値を示したときは、絶縁部１１ａ上に結露液Ｌが生成されたと判定することができる。
なお、電流値の低下が液滴の乾燥以前に生じるため、テスト装置Ｔを用いてテストを行う際には、結露センサＳ１を十分に乾燥させた状態で行うことが好ましい。

（実験例２）
図５（ｂ）は、図２に示される結露センサＳ１の絶縁部１１ａ上に液滴を滴下したときに電流計Ａ１の電流値が高まることを示すと共に、その液滴滴下量により電流計Ａ１の電流値が高まることを示している。すなわち、この図５（ｂ）は、生成される液滴の大きさ、いわゆる濡れ面積に比例することを示している。
したがって、この結露センサＳ１は、電流計Ａ１の電流値によって、結露センサＳ１内に生成される液滴大きさを推定することができる。このため、図１の測定部３に予め電流値と濡れ面積との関係を記憶しておくことにより、検出された電流値によって液滴の大きさを推定することができる。

上記実施形態の結露センサＳ１，Ｓ２は、流体が流れる内部流路を有する配管形状に形状設定されている。このため、テスト装置Ｔの配管の一部に結露センサＳ１，Ｓ２を組み込んでテストを行うことができ、実際の運転状態における結露の有無を正確に検出することが可能となる。
また、結露センサＳ１，Ｓ２が備える導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，２０は、結露センサＳ１，Ｓ２の外壁面に露出している。このため、結露センサＳ１，Ｓ２の外側から配線を接続することができ、流体の流れを阻害することなく配線の引き廻しを行うことが可能となる。

また、上記実施形態の結露センサＳ１，Ｓ２は、さらには結露センサＳ１，Ｓ２の外側から配線を接続することができるため、内部流路の径は、閉塞しない範囲で極限まで小さくすることが可能である。つまり、上記実施形態の結露センサＳ１，Ｓ２は、小型化に向いており、従来結露の検出ができなかった小径の配管において結露の検出を可能とする。

また、上記第１実施形態の結露センサＳ１においては、導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが内部流路の周方向に複数配列されている。このため、周方向の結露液分布を取得することが可能となる。
また、上記第１実施形態の結露センサＳ１においては、各々の導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ及び各々の絶縁部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが内部流路の進行方向における一方の端部から他方の端部まで延在して設けられている。このため、導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの表面積を広く確保することができ、流れる電流量を増大させることができる。

また、上記第２実施形態の結露センサＳ２においては、導体部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが内部流路の進行方向に複数配列されている。このため、内部流路の進行方向の結露液分布を取得することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

Ｔ……テスト装置、１……エンジン、２……ターボチャージャ、３……測定部（結露検出装置）、４……吸気管、５……排気管、６……再循環管、Ｓ１，Ｓ２……結露センサ（結露検出装置）、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ……導体部（導電領域）、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ……絶縁部（絶縁領域）、２０……導体部（導電領域）、２１……絶縁部（絶縁領域）、１００……パイプ、１０１……スリット、１０２……合成樹脂溶液、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４……電流計、Ｌ……結露液

Claims (6)

1. 流体が流れる内部流路を有する配管形状に形状設定されると共に、
   前記内部流路及び外壁面に露出する複数の導電領域と、前記導電領域同士を絶縁する絶縁領域とを有する
   ことを特徴とする結露センサ。
2. 前記導電領域が前記内部流路の周方向に複数配列されていることを特徴とする請求項１記載の結露センサ。
3. 各々の前記導電領域及び各々の前記絶縁領域が前記内部流路の進行方向における一方の端部から他方の端部まで延在して設けられていることを特徴とする請求項２記載の結露センサ。
4. 前記導電領域が前記内部流路の進行方向に複数配列されていることを特徴とする請求項１記載の結露センサ。
5. 結露センサと、前記結露センサからの信号に基づいて結露の有無を測定する測定部とを備える結露検出装置であって、
   前記結露センサとして、請求項１〜４いずれかに記載の結露センサを備えることを特徴とする結露検出装置。
6. 前記測定部は、予め前記結露センサからの信号が示す電流値と結露による濡れ面積との関係を記憶し、前記前記結露センサからの信号が示す電流値から結露による濡れ面積を求めることを特徴とする請求項５記載の結露検出装置。

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