JP2012057975A

JP2012057975A - 流量測定装置

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Publication number: JP2012057975A
Application number: JP2010198961A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Okamoto; 裕樹岡本; Takeshi Morino; 毅森野; Masayuki Sato; 正幸佐藤; Kazuhiro Ota; 和宏太田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2030-09-06
Also published as: JP5425021B2

Abstract

【課題】副通路内にセンサ素子を有する流量測定装置において、流速向上による整流効果と汚損対策の両方を満足することができる流体測定装置を提供する。
【解決手段】副通路１０を形成するハウジングの副通路壁面のうちセンサ素子８と対向する側の対向壁面１０ｄには、流れ方向Ｆａに沿ってセンサ素子８に近づくに従って、センサ素子８の表面に接近するように傾斜した傾斜面１１ａを有した突出部１１を形成する。傾斜面１１ａは、センサ素子８の上流に流れる流体の流れＦａを絞るように、センサ素子８の表面から突出部１１の側に剥離渦Ｆｃを形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、副通路内に流体の流量を検知するセンサ素子を備えた流量測定装置に係り、特に自動車エンジンの吸気管内の吸気量を測定するのに好適な流量測定装置に関する。

空気流量を計測する流量測定装置としては、発熱抵抗体を加熱制御し発熱抵抗体の放熱量によって流量を計測するものや、発熱抵抗体を加熱制御し発熱抵抗体の近傍に配置した感温抵抗体の温度変化によって流量を計測するものなどが知られている。

そして、主通路に配置された副通路内に発熱抵抗体（以下センサ素子）を配置することで流量を測定する装置として使用される。一般的に計測精度の向上を目的として空気流量の特性ばらつきを低減するためには、副通路内に設置されたセンサ素子に対向する通路壁面を上流から下流にかけて序々に狭める(縮流させる)ような絞り形状を用いることが知られている。これによりセンサ素子付近の流速を向上し、流れを整流することが可能となる。

例えば、特許文献１には、副通路内にセンサ素子が配置され且つセンサ素子に対向する壁面に絞り形状を配置することで流れを整流した技術が開示されている。この技術によれば、センサ素子検知部の段差Ｄ、センサ素子の幅Ｌ、及び絞りの平均勾配αとしたときに、関係式Ｌ＞Ｄαが成立する範囲でセンサ素子に流れる流体（空気）の流れを整流し、これにより実装によるばらつきを抑えることができる。

特開２００８−２６１７２号公報

ところで、近年の空気流量の計測においては計測精度の高精度化が求められている。製造工程におけるセンサ素子の実装がばらつくことにより、特性に影響を与えることがある。

しかしながら、例えば特許文献１の技術の場合、上述したように、副通路内に配置されたセンサ素子と対向する壁面絞りの平均勾配をα、センサ素子幅Ｌ、基板及びセンサ素子の段差Ｄ、としたときに、Ｌ＞Ｄα関係により流れを整流し安定した計測を可能とするものであるが、計測部の位置が例えば公差の範囲内でずれた場合、このずれにより、流速分布が変化し（流速が変動し）計測誤差の要因となってしまう。

このばらつき影響を低減するためには更なる流速の向上が望ましく、流速を向上するためには、例えば、壁面絞りを構成する突出部の頂部（絞り最狭部）とセンサ素子との間隔（絞り）を狭くすることが考えられる。しかしながら、この間隔（絞り）の間隔を狭くしすぎてしまうと、副通路部の圧力損失が大きくなって、センサ素子近傍の流速がかえって遅くなってしまう。

また、エンジンの吸入空気計測として流量測定装置を使用する場合はエアクリーナフィルタを通過して飛来した異物が、計測部付近に堆積することがあり、絞りの間隔が狭すぎると、絞りに異物が詰まってしまうことも想定される。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、本発明は、副通路内にセンサ素子を有する流量測定装置において、センサ素子の対向する位置に絞り形状を設けた場合であっても、流速向上による整流効果と汚損対策の両方を満足することができる流量測定装置を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明に係る流量計側装置は、主通路内に、流体の流れる流れ方向に沿って、流体の一部が流入して通過する副通路が形成されたハウジングと、前記流体の流量を検知するセンサ素子を表面に実装すると共に、前記流れ方向に沿って、表面が形成されるように前記副通路内に配置された板状基板と、を少なくとも備えている。前記副通路を形成する前記ハウジングの副通路壁面のうち前記センサ素子と対向する側の対向壁面には、前記流れ方向に沿って前記センサ素子に近づくに従って、前記センサ素子の表面に接近するように傾斜した傾斜面を有した突出部が形成されており、前記傾斜面は、前記流入した流体により、前記センサ素子の上流に流れる流体の流れを絞るように、前記センサ素子の表面から前記突出部の側に剥離渦が形成されるように傾斜していることを特徴とする。

本発明によれば、突出部の傾斜面の終端部（センサ素子に近い端部）の下流側であって、センサ素子の表面から突出部の側に剥離渦が発生するので、センサ素子の上流に流れる流体の流れが絞られ、流体の通過面積（通路断面積）を間接的に小さくすることができる。

このような剥離渦を利用することにより、計測部であるセンサ素子に流れる整流した流体の流速をさらに向上させることができ、計測部において実装のずれが生じたとしても安定した計測を可能とすることができる。

さらに、センサ素子近傍において流体の流速を高めようと、さらにセンサ素子と突出部の間隔をさらに狭めなくてもよいので、この絞りの間隔を十分に確保することができるので、吸入空気中の異物の詰まりを防止でき汚損対策となり得る。

本発明の第１実施形態に係る流量測定装置の模式的全体構成図。図１に示す流量測定装置のＰ−Ｐ矢視断面図。図１に示す流量測定装置のＱ−Ｑ矢視断面図。図１に示す流量測定装置の整流効果を説明するための図。第１実施形態に係る流量測定装置の整流効果を確認するための解析結果であり、（ａ）は、第１実施形態の実施例に係る解析結果を示した図であり、（ｂ）は、比較例に係る解析結果を示した図。図１に示す流量測定装置の整流効果を示した図であり、角度αと測定誤差との関係のグラフを示した図。図１に示す流量測定装置の突出部（絞り形状)において異物が付着した様子を示す図。図１に示す流量測定装置の突出部（絞り形状）において、異物付着を考慮した角度αと測定誤差との関係のグラフを示した図。第１実施系形態の図１のＰ−Ｐ矢視断面図に相当する、第２実施形態の流量測定装置の断面図。図９に示す流量測定装置のセンサ素子近傍の部分的拡大図。第１実施系形態の図１のＱ−Ｑ矢視断面図に相当する、第２実施形態の流量測定装置の断面図。

以下に、図１〜１１を参照して、本発明に係る流量測定装置を２つの実施形態により説明する。

〔第１実施形態〕
図１〜図３は本発明の第１実施形態に係る流量測定装置の構成を示す図であり、図１は、本発明の第１実施形態に係る流量測定装置の模式的全体構成図であり、図２は、図１に示す流量測定装置のＰ−Ｐ矢視断面図であり、図３は図１に示す流量測定装置のＱ−Ｑ矢視断面図である。

図４は、図１に示す流量測定装置の整流効果を説明するための図、図５は、第１実施形態に係る流量測定装置の整流効果を確認するための解析結果であり、（ａ）は、第１実施形態の実施例に係る解析結果を示した図であり、（ｂ）は、比較例に係る解析結果を示した図である。

本発明に係る流量測定装置１は、図２に示すように、樹脂成形品によるフレーム部材２及びこのフレーム部材を覆うベース部材３の組立体をハウジング２０として備えている。ハウジング２０は、組立体とすることにより、主通路６の流体の一部が流れ込み、通過するための副通路１０が形成される。このようなハウジング２０は、図１に示す吸気管４に形成された挿入穴５に挿入され、下側部分が吸気管４の主通路６内に位置するように、吸気管４に取り付けられている。

ベース部材３には、平板状の回路基板（板状基板）７に電子部品及び配線パターンが形成された回路と、シリコン基板の上に発熱抵抗体であるセンサ素子８が搭載され、これらが、フレーム部材２に重ね合わせて、電源、信号出力用の端子９ａ、及びガイド９ｂを備えたコネクタ部９に接続するようになっている。なお、センサ素子８は、発熱抵抗により、主通路６の空気（流体）の流量を検知するための熱式のセンサ素子であり、センサ素子８そのものは、副通路１０内に流れる流体（空気）ＦＡを直接的に測定するものである。

吸気管４内を流れる流体の主通路６において、上述したハウジング２０を設置することにより、主通路６内の下側部分の位置に、副通路１０が形成される。副通路１０は、主通路を流れる流体の一部が流入して通過するように、主通路６の流れ方向Ｆに沿って（主通路と同じ方向）配置されている。副通路１０の内部には、回路基板７上に流量計測を行うセンサ素子８が位置するようになっている。

このようにして、流量測定装置１において、ハウジング２０は、主通路６内に、流体の流れる流れ方向Ｆに沿って、流体の一部が流入して通過する副通路１０が形成され、回路基板（板状基板）７は、流体の流量を検知するセンサ素子８を表面に沿って実装すると共に、流れ方向Ｆに沿って、板状基板の表面が形成されるように副通路内に配置されることになる。

本実施形態では、さらに図３に示すような通路形状（絞り形状）を設けたことに、その特徴部分がある。具体的には、副通路１０は、図２に記載のようにフレーム部材２とベース部材３を重ね合わせることにより形成されており、ベース部材３に回路基板７は実装されている。

そして、副通路１０を形成するハウジング２０（具体的にはフレーム部材２）の副通路壁面のうちセンサ素子８と対向する側の対向壁面１０ｄには、台形状の突出部１１が、副通路１０の幅方向に亘って形成されている。また、突出部１１の上流側には、傾斜面１１ａが形成されており、流れ方向Ｆに沿ってセンサ素子８に近づくに従って、センサ素子８の表面に接近するように傾斜している。

さらに、図４に示すように、傾斜面１１ａは、副通路１０を流入した流体により、センサ素子８の上流に流れる流体の流れＦａを絞るように、センサ素子８の表面８ａから突出部１１の側に剥離渦Ｆｃが形成されるように傾斜している。

なお、ここでは、突出部１１は、センサ素子８の中心に対して、対称な台形の絞り形状となっているが、この剥離渦Ｆｃが形成されるのであれば、この形状に限定するものではない。

また、上述したように、回路基板７は、ベース部材３に実装された構造となっている。センサ素子８は回路基板７の下側に位置して配置されており（図１参照）、流量測定装置１は、主通路６の流体Ｆａの一部が副通路に流入し、センサ素子８の上部を流れる流体の流量を計測するようになっている。

これまでは、副通路１０に空気を流すだけでは空気を整流し流速を向上することができないため、センサ素子８の実装されている壁面と反対側壁面（フレーム部材２）に、絞り形状が形成されてきた。しかし、この絞り形状は、この絞り形状そのものに起因して、上流側に流れる流体の流れを絞ること（例えば、上述した特許文献１に記載の関係Ｌ＞Ｄαを満たすように絞ること）により、センサ素子８表面において、流体の流れを整流するものであるが、これだけでは、流速の向上としては充分とはいえないため、本実施形態の如き構成にしたものである。

このような構成にすることにより、突出部１１の傾斜面１１ａの終端部（センサ素子に近い端部）１１ｄにより、センサ素子８の表面から突出部１１の側に剥離渦Ｆｃが発生するので、センサ素子８の上流に流れる流体の流れＦａが絞られる（流体の通過面積を狭める）ことができる。

このような剥離渦Ｆｃを利用することにより、計測部であるセンサ素子８に流れる整流した流体の流速をさらに向上させることができ、計測部において実装のずれが生じたとしても安定した計測を可能とすることができる。

さらに、センサ素子８近傍において流体の流速を高めようと、さらにセンサ素子８と突出部１１の間隔Ｌをさらに狭めなくてもよいので、この絞りの間隔を十分に確保することができるので、吸入空気中の異物の詰まりを防止でき汚損対策となり得る。

そして、このような剥離渦Ｆｃにより、上流に流れる流体の流れＦａを絞ることができるのであれば、この傾斜面の詳細な傾斜及び形状は特に限定されるものではない。さらに、発明者らは、汎用流体解析プログラムSTAR-CD（CD-adapco-japan社製）を用いて、熱流体モデルを用いて解析を行い、図５（ａ）の実施例に示すように、上流に流れる流体の流れＦａを絞る剥離渦Ｆｃが形成されることを確認し、さらに実験によりこのことも確認した。また、図５（ｂ）の比較例に示すように、上述する特許文献１に示すような条件で、単に突出部を設けただけでは、上流に流れる流体の流れＦａを絞ることができない点も確認した。なお、図５（ａ）及び（ｂ）の各構成（部分）には、図４に対応する構成と同じ符号を付している。

そして、上記解析により、剥離渦Ｆｃにより、上流に流れる流体の流れＦａを絞ることができるより好ましい条件を導き出した。具体的には、図４に示す絞り角度α及び絞り間隔Ｌを最適化しすることにより、センサ素子８の実装がばらついた場合においても安定して計測が可能となる形状を解析的及び実験的に見出した。ここで、図４に示す絞り角度αとは、傾斜面１１ａと、流れ方向Ｆに対して垂直な平面とのなす角であり、絞り間隔Ｌとは、突出部１１の頂部表面１１ｂとセンサ素子８の表面との距離のことである。

具体的には、まず、絞りの間隔Ｌについては流れを整流し安定した計測を実施する観点から２．０ｍｍ以下とすることが好ましい。これは２．０ｍｍ超えた場合、たとえ剥離渦が形成されたとしても、絞り形状及び剥離渦で縮流することによる十分な流速（整流効果）が得られず、空気流量の計測誤差影響が大きくなるためである。

そして絞り間隔Ｌ２．０ｍｍ以下に対して、剥離渦Ｆｃを形成するに最適な絞り角度αは、流れ垂直方向に対して２０°以下とすることが好ましい。なお、図５（ａ）に示す実施例は、絞り角度αは２０°以下、絞り間隔Ｌは２ｍｍ以下の場合であり、図５（ｂ）に示す実施例は、絞り角度αは２０°超え、絞り間隔Ｌは２ｍｍ以下の場合であり、それぞれにおける測定される流体の流速は、５６ｍ/ｓを想定したものである。なお、内燃機関の吸気管を流れる流体の流速の範囲で解析を行い、本実施形態でいう整流効果が発現されていることを確認した。

そして、実機試験により、複数の絞り角度に選定した流量測定装置を、その角度毎に複数台を準備し、複数の絞り角度と、各絞り角度毎の測定誤差との関係から見出したものである。図６は、本実施形態に係る流量測定装置の整流効果を示した図であり、角度αと測定誤差との関係のグラフを示した図である。

ここで実装のばらつきである誤差Ｘとはセンサ素子の位置が絞りの位置に対してずれた場合に発生する実空気流量に対する誤差のことである。なお、誤差Ｘは、２０°における誤差の値を１として正規化した値である。図６に示すように、解析結果からもわかるように、絞り角度αが２０°以下でばらつき誤差Ｘが小さくなっている。この要因としては、凸部（絞り）の終端部１１ｄに剥離渦Ｆｃを発生させ、整流Ｆｂのような流れをセンサ素子８の表面に流し、これまでのものに比べて、その流速がさらに向上したからである。これにより実装によるばらつき影響を低減することができたと考えられる。

以下この効果について下記に説明する。絞り形状となる突出部１１を、従来のものよりも急激な傾斜となる傾斜面を有する形状とし、突出部（絞り）１１の終端部１１ｄに剥離渦Ｆｃを発生させることで、有形の絞り形状はなくても、剥離渦Ｆｃの存在する領域は空気が通過できないので実質の有効断面積は小さくなる。これによりセンサ素子８に流れる流速が向上するため多少センサ素子８の実装の位置がばらついたとしても計測上の影響度が小さくなり安定した計測が可能となる。つまり絞り角度αが小さくなるほど整流の効果があり流量の測定精度を向上することができる。

ところで、実際に吸気系に取り付けて走行した場合、カーボンやダストといった異物の飛来は避けられない。図７は、図１に示す流量測定装置の突出部（絞り形状)において異物が付着した様子を示す図であり、この異物が進入した場合に絞り角度αを急激にする（小さくし過ぎる)と、絞り開始部１１ｃに異物Ｃが堆積し形状が変わることにより計測部近傍での流速が変わることがあると想定される。実際に異物Ｃの堆積が空気流量の計測誤差となるが、最もこの影響が小さくなり、測定誤差が飽和する範囲は１０°以上となることが下記の実験によりわかった。

具体的には、複数の絞り角度に選定した流量測定装置を準備し、実機試験により、経時劣化に対する変化（誤差）を求めた。

なお、図８は、発明の絞り形状において、異物付着を考慮した角度αと測定誤差との関係のグラフを示した図であり、誤差Ｘは、１０°における誤差の値を１として正規化した値である。

この結果から、汚損の影響が小さい絞り角度は１０°以上であり、この角度以上で使用することが実車条件では最適である。そして、汚損による特性影響も含めて絞り角度を最適化すると絞り角度αは１０°〜２０°の範囲がよりよいといえる。

〔第２実施形態〕
第２実施形態は、センサ素子８が副空気通路中に露出し、回路基板（板状基板）７により、副通路を２分割した点が、第１実施形態と相違する。従って、この相違点について、以下に示す図面において説明し、第１実施形態と同じ部分には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図９は、第１実施系形態の図１のＰ−Ｐ矢視断面図に相当する、第２実施形態の流量測定装置の断面図である。図１０は、図９に示す流量測定装置のセンサ素子近傍の部分的拡大図である。

図１１は、第１実施系形態の図１のＱ−Ｑ矢視断面図に相当する、第２実施形態の流量測定装置の断面図である。

上述したように、図９に示す流量測定装置１’は、樹脂成形品によるフレーム部材２及びこのフレーム部材を覆うベース部材３のハウジング２０’であり、ハウジング２０’は、図９に示す吸気管４に挿入され、下側部分が主通路６内に位置している。そして副通路１０’においてはベース部材３が凹形状となっており回路基板７の両面が副通路１０に露出したような形状となっている。

第１実施形態と同様に、ベース部材３には、平板状の回路基板（板状基板）７に電子部品及び配線パターンが形成された回路と、シリコン基板の上に発熱抵抗体であるセンサ素子８が搭載され、これらが、フレーム部材２に重ね合わせて、電源、信号出力用の端子９ａ、及びガイド９ｂを備えたコネクタ部９に接続するようになっている。

そして、図１０に示すように、副通路１０’が形成された部分では、を回路基板７は、副通路１０’内において副通路１０’を分割する位置に配置されている。すなわち、回路基板７（板状基板）は、副通路１０’内を流れる流体を、２つの流れに分流するものである。

また、図１０に示すように、回路基板７は、分流した２つの流れのうち、センサ素子８が実装された回路基板７の表面７ａの側を流れる副通路１０Ａの通路断面積Ｓ１が、センサ素子８が実装さていない回路基板７の裏面７ｂの側を流れる副通路１０Ｂの通路断面積Ｓ２よりも小さくなるように配置されている。すなわち、図１１示すように、センサ素子計測側の距離Ｄ１/基板裏面側の距離Ｄ２が、１未満となっている。

また、センサ素子８は、回路基板７の下側に位置して配置されており、主通路６の流体Ｆａの一部が副通路１０’に流入し、センサ素子８の上部を流れる流体の流量を計測する。なお、フレーム部材２には、第１実施形態と同じように突出部（絞り形状）１１が配置されている。

このように、回路基板７により副通路をセンサ素子計測側と基板裏面側に分割することで、副通路１０Ａの断面積Ｓ１よりも断面積の大きい副通路１０Ｂに流体が流れ易くなり、副通路内に侵入した汚損物を副通路１１Ｂにより多く流し、センサ素子８を通過する流体に含まれるダストや汚損物質を低減することができる。これにより、異物に対する対策を実施しかつ計測精度の安定を測ることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

例えば、第１及び第２実施形態では、熱式空気流量計の製造方法を提示したが、この空気流量測定素子が、例えば圧力式の流量測定素子等であってもよく、熱式に限定されるものではなく、例えば、圧力式、超音波式などの空気流量計であってもよい。

１，１’：流量測定装置
２：フレーム部材
３：ベース部材
４：吸気管
５：挿入穴
６：主通路
７：回路基板（板状基板）
８：センサ素子
９：コネクタ部
１０，１０’：副通路
１０Ａ，１０Ｂ：分割された副通路
１０ａ：上流側開口部
１０ｂ：測定用通路
１０ｃ：下流側開口部
１０ｄ：対向壁面
１１：突出部（絞り形状）
１１ａ：傾斜面
１１ｂ：頂部表面
１１ｃ：開始部
１１ｄ：終端部
２０，２０’：ハウジング
Ｆａ：センサ素子の上流に流れる流体の流れ
Ｆｂ：整流
Ｆｃ：剥離渦
Ｃ：異物
Ｆ：流れ方向
α：絞り角度

Claims

主通路内に、流体の流れる流れ方向に沿って、流体の一部が流入して通過する副通路が形成されたハウジングと、前記流体の流量を検知するセンサ素子を表面に実装すると共に、前記流れ方向に沿って、表面が形成されるように前記副通路内に配置された板状基板と、を少なくとも備えた流量測定装置であって、
前記副通路を形成する前記ハウジングの副通路壁面のうち前記センサ素子と対向する側の対向壁面には、前記流れ方向に沿って前記センサ素子に近づくに従って、前記センサ素子の表面に接近するように傾斜した傾斜面を有した突出部が形成されており、前記傾斜面は、前記センサ素子の上流に流れる流体の流れを絞るように、前記センサ素子の表面から前記突出部の側に剥離渦が形成されるように傾斜していることを特徴とする流量測定装置。
前記傾斜面と、前記流れ方向に対して垂直な平面とのなす角は、２０°以下であり、前記突出部の頂部表面と前記センサ素子の表面との距離は、２ｍｍ以下となっていることを特徴とする請求項１に記載の流量測定装置。
前記傾斜面と、前記流れ方向に対して垂直な平面とのなす角は、１０°以上であることを特徴とする特徴とする請求項１または２に記載の流量測定装置。
前記板状基板は、前記副通路内を流れる流体を、２つの流れに分流し、かつ、
該分流した２つの流れのうち、前記センサ素子が実装された前記板状基材の表面側を流れる前記副通路の通路断面積は、前記センサ素子が実装さていない前記板状基材の裏面側を流れる前記副通路の通路断面積よりも小さくなるように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流量測定装置。