JP2015068759A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】偏流による影響を受けにくく、所期の測定性能を安定して発揮することができる熱式流量計を得ること。
【解決手段】本発明の熱式流量計３００は、主通路１２４を流れる被計測気体３０の一部を取り込む副通路２を備えており、その副通路２は、主通路１２４を流れる被計測気体の一部を取り込み、取り込んだ被計測気体を主通路１２４に排出する第１通路１１と、第１通路１１の通路途中で分岐して第１通路１１から取り込んだ被計測気体を主通路１２４に排出する第２通路２１とを有している。第１通路１１は、第１上流開口部１１ａと第１下流開口部１１ｂを有し、第２通路１１は、第２上流開口部２１ａと第２下流開口部２１ｂを有している。そして、第１上流開口部１１ａと第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂは、主通路１２４の中心軸線ＣＬから互いに同じ方向に離間した位置に配置されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、主通路を流れる被計測気体の質量流量を計測する熱式流量計に関する。

主通路を流れる被計測気体の質量流量を計測する装置として熱式流量計がある。熱式流量計は、主通路である配管内を流れる被計測気体の一部を副通路に取り込み、流量検出部に導く構造となっている。流量検出部にはホットワイヤーやシリコンエレメント等が配置され、ホットワイヤーやシリコンエレメント等が気流によって冷却され、電気抵抗値が変化することを利用して配管内の質量流量が計測される。

特許文献１には、吸気管に突出する筐体内に吸気管内の空気を取り込み、その取り込んだ空気を再び吸気管に戻す副通路を有する空気流量測定装置が示されている。この副通路は、筐体の上流端部に一つの入口が配置され、途中で分岐して、それぞれの出口が筐体の下流端部で筐体の先端寄りの位置と基端寄りの位置に分かれて配置された構成を有している。

特開２００８−１９７１２２号公報

主通路を流れる被計測気体の気流は、主通路の内壁面から離れた中央部の方が内壁面近傍よりも流速が早くなり、例えば比較的長い単純な直線形状を有する主通路の場合には、主通路の中心が最も流速が早く、主通路の中心から内壁面に接近するに応じて漸次流速が遅くなる流速分布になる。

しかしながら、例えば自動車の狭いエンジンルーム内に設けられるエンジンの吸気管のような複雑な形状を有する配管の場合、流速分布が主通路の中心から内壁面側に偏倚した偏流を生じる。そして、偏流における流速分布の状態は、主通路の形状等の取付環境に応じてそれぞれ異なる。

例えば特許文献１の空気流量測定装置は、一つの入口が筐体の先端寄りの位置に設けられ、二つの出口が筐体の先端寄りと基端寄りに大きく離れた位置に設けられているので、偏流の影響を受けやすく、取付環境によって測定性能に差を生じるおそれがある。

本発明の目的は、偏流による影響を受けにくく、所期の測定性能を安定して発揮することができる熱式流量計を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の熱式流量計は、主通路内で該主通路を流れる被計測気体の一部を取り込む副通路と、該副通路内で前記副通路に取り込まれた被計測気体の流量を検出する流量検出部とを備える熱式流量計であって、前記副通路は、前記主通路を流れる被計測気体の一部を取り込み、該取り込んだ被計測気体を前記主通路に排出する第１通路と、該第１通路の通路途中で分岐して前記第１通路内を流れる被計測気体の一部を取り込み、該取り込んだ被計測気体を前記主通路に排出する第２通路とを有し、前記第１通路は、前記主通路の上流に向かって開口する第１上流開口部と前記主通路の下流に向かって開口する第１下流開口部を有し、前記第２通路は、前記第１通路の通路途中に開口する第２上流開口部と前記主通路の下流に向かって開口する第２下流開口部を有し、前記第１上流開口部と前記第１下流開口部と前記第２下流開口部は、前記主通路の中心軸線から互いに同じ方向に離間した位置に配置されることを特徴としている。

本発明によれば、主通路の上流側と下流側でほぼ同じ流速となる位置に第１上流開口部と第１下流開口部と第２下流開口部を配置することができる。したがって、偏流の影響を受け難くして、所期の計測性能を安定して発揮することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

内燃機関制御システムに本発明に係る熱式流量計を使用した一実施例を示すシステム図である。 本発明に係る熱式流量計の外観を示す正面図。 本発明に係る熱式流量計の外観を示す左側面図。 本発明に係る熱式流量計の外観を示す背面図。 本発明に係る熱式流量計の外観を示す右側面図。 本発明に係る熱式流量計から表カバーおよび裏カバーを取り外したハウジングの状態を示す正面図。 本発明に係る熱式流量計から表カバーおよび裏カバーを取り外したハウジングの状態を示す左側面図。 本発明に係る熱式流量計から表カバーおよび裏カバーを取り外したハウジングの状態を示す背面図。 本発明に係る熱式流量計から表カバーおよび裏カバーを取り外したハウジングの状態を示す右側面図。 図３ＣのＡ−Ａ断面図。 本発明に係る熱式流量計の流量検出回路を示す回路図。 本発明に係る流量検出部（流量検出素子）の平面図。 本発明にかかる熱式流量計の流路構造に示す模式図。 本発明にかかる熱式流量計を主通路に配置した状態を上流側から示す模式図。 本発明にかかる熱式流量計を主通路に配置した状態を下流側から示す模式図。

次に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、電子燃料噴射方式の内燃機関制御システムに、本発明に係る熱式流量計を使用した一実施例を示すシステム図である。エンジンシリンダ１１２とエンジンピストン１１４を備える内燃機関１１０の動作に基づき、吸入空気が被計測気体３０としてエアクリーナ１２２から吸入され、主通路１２４である例えば吸気管、スロットルボディ１２６、吸気マニホールド１２８を介してエンジンシリンダ１１２の燃焼室に導かれる。前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体３０の流量は本発明に係る熱式流量計３００で計測され、計測された流量に基づいて燃料噴射弁１５２より燃料が供給され、吸入空気である被計測気体３０と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。なお、本実施例では、燃料噴射弁１５２は内燃機関の吸気ポートに設けられ、吸気ポートに噴射された燃料が吸入空気である被計測気体３０と共に混合気を成形し、吸気弁１１６を介して燃焼室に導かれ、燃焼して機械エネルギを発生する。

燃焼室に導かれた燃料および空気は、燃料と空気の混合状態を成しており、点火プラグ１５４の火花着火により、爆発的に燃焼し、機械エネルギを発生する。燃焼後の気体は排気弁１１８から排気管に導かれ、排気２４として排気管から車外に排出される。前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体３０の流量は、アクセルペダルの操作に基づいてその開度が変化するスロットルバルブ１３２により制御される。前記燃焼室に導かれる吸入空気の流量に基づいて燃料供給量が制御され、運転者はスロットルバルブ１３２の開度を制御して前記燃焼室に導かれる吸入空気の流量を制御することにより、内燃機関が発生する機械エネルギを制御することができる。

エアクリーナ１２２から取り込まれ主通路１２４を流れる吸入空気である被計測気体３０の流量および温度が、熱式流量計３００により計測され、熱式流量計３００から吸入空気の流量および温度を表す電気信号が制御装置２００に入力される。また、スロットルバルブ１３２の開度を計測するスロットル角度センサ１４４の出力が制御装置２００に入力され、さらに内燃機関のエンジンピストン１１４や吸気弁１１６や排気弁１１８の位置や状態、さらに内燃機関の回転速度を計測するために、回転角度センサ１４６の出力が、制御装置２００に入力される。排気２４の状態から燃料量と空気量との混合比の状態を計測するために、酸素センサ１４８の出力が制御装置２００に入力される。

制御装置２００は、熱式流量計３００の出力である吸入空気の流量、および回転角度センサ１４６の出力に基づき計測された内燃機関の回転速度、に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算する。これら演算結果に基づいて、燃料噴射弁１５２から供給される燃料量、また点火プラグ１５４により点火される点火時期が制御される。燃料供給量や点火時期は、実際にはさらに熱式流量計３００で計測される吸気温度やスロットル角度の変化状態、エンジン回転速度の変化状態、酸素センサ１４８で計測された空燃比の状態に基づいて、きめ細かく制御されている。制御装置２００はさらに内燃機関のアイドル運転状態において、スロットルバルブ１３２をバイパスする空気量をアイドルエアコントロールバルブ１５６により制御し、アイドル運転状態での内燃機関の回転速度を制御する。

図２は、熱式流量計３００の外観を示している。図２Ａは熱式流量計３００の正面図、図２Ｂは左側面図、図２Ｃは背面図、図２Ｄは右側面図である。熱式流量計３００は、ハウジング３０２と表カバー３０３と裏カバー３０４とを備えている。ハウジング３０２は、熱式流量計３００を、主通路を構成する吸気管に固定するためのフランジ３１２と、外部機器との電気的な接続を行うための外部端子を有する外部接続部（コネクタ部）３０５と、流量等を計測するための計測部３１０を備えている。計測部３１０の内部には、副通路を作るための副通路溝が設けられている。計測部３１０の内部には、主通路を流れる被計測気体３０の流量を計測するための流量検出部６０２や主通路を流れる被計測気体３０の温度を計測するための温度検出部４５２を備える回路パッケージ４００が設けられている（図３Ａ参照）。

熱式流量計３００は、フランジ３１２を吸気管に固定することにより、計測部３１０が主通路内に片持ち状に支持される。計測部３１０は、フランジ３１２から主通路１２４の中心方向に向かって長く延びる形状を成し、その先端部には吸入空気などの被計測気体３０の一部を副通路に取り込むための入口３５０（第１上流開口部１１ａ）と副通路から被計測気体３０を主通路１２４に戻すための２つの出口３５２Ａ、３５２Ｂ（第２下流開口部２１ｂ、第１下流開口部１１ｂ）が設けられている。

熱式流量計３００の入口３５０が、フランジ３１２から主通路の中心方向に向かって延びる計測部３１０の先端側に設けられることにより、主通路の内壁面から離れた中央部に近い部分の気体を副通路に取り込むことができる。これにより、主通路の内壁面の温度の影響を受け難くなり、気体の流量や温度の計測精度の低下を抑制できる。

また、主通路の内壁面近傍では流体抵抗が大きく、主通路の平均的な流速に比べ、流速が低くなる。本実施例の熱式流量計３００では、フランジ３１２から主通路の中央に向かって延びる薄くて長い計測部３１０の先端部に入口３５０が設けられているので、主通路中央部の流速の速い気体を副通路（計測用通路）に取り込むことができる。また、副通路の２つの出口３５２Ａ、３５２Ｂも計測部３１０の先端部に設けられているので、副通路内を流れた気体を流速の速い主通路中央部に戻すことができる。

計測部３１０は主通路１２４の外壁から中央に向かう軸に沿って長く延びる形状を成しているが、幅は、図２Ｂ及び図２Ｄに記載の如く、狭い形状を成している。即ち熱式流量計３００の計測部３１０は、側面の幅が薄く正面が略長方形の形状を成している。これにより、熱式流量計３００は、被計測気体３０に対しては流体抵抗を小さくして、十分な長さの副通路を備えることができる。

すなわち、本実施例の熱式流量計は、主通路１２４を流れる被計測気体３０の流れ方向と直交する直交面に投影される計測部３１０の形状が、前記の直交面上で第１の方向５０に定義される長さ寸法と、前記の直交面上で第１の方向５０に対して垂直な第２の方向５１に定義される厚み寸法とを有し（図２Ｂ参照）、厚み寸法が長さ寸法よりも小さい形状を成している。

被計測気体３０の温度を計測するための温度検出部４５２が、計測部３１０の中央部で、計測部３１０内の上流側外壁が下流側に向かって窪んだ位置に、上流側外壁から上流側に向かって突出する形状を成して設けられている。

表カバー３０３や裏カバー３０４は、薄い板状に形成されて、広い冷却面を備える形状を成している。このため熱式流量計３００は、空気抵抗が低減され、さらに主通路１２４を流れる被計測気体により冷却されやすい効果を有している。

外部接続部３０５の内部には、図示しない外部端子と補正用端子とが設けられている。外部端子は、計測結果である流量と温度を出力するための端子と、直流電力を供給するための電源端子とで構成される。補正用端子は熱式流量計３００に関する補正値を、熱式流量計３００内部のメモリに記憶するのに使用する端子である。

図３は熱式流量計３００から表カバー３０３および裏カバー３０４を取り外したハウジング３０２の状態を示している。図３Ａはハウジング３０２の正面図、図３Ｂは左側面図、図３Ｃは背面図、図３Ｄは右側面図である。図４は、回路パッケージ４００が副通路溝の内部に配置されている状態を示す部分拡大図であり、図３ＣのＡ−Ａ断面図である。なお、図４は説明を容易にするための概念図であり、図２や図３に示す詳細形状に対して、図４では細部の省略および単純化を行っており、細部に関して少し変形している。

ハウジング３０２には、計測部３１０の先端側に副通路を成形するための副通路溝が設けられている。この実施例ではハウジング３０２の表裏両面に副通路溝が設けられている。表カバー３０３及び裏カバー３０４をハウジング３０２の表面及び裏面にかぶせることにより、ハウジング３０２の両面に副通路が完成する構成になっている。このような構造とすることで、ハウジング３０２の成形時（樹脂モールド工程）にハウジング３０２の両面に設けられる金型を使用して、表側副通路溝３３２と裏側副通路溝３３４の両方をハウジング３０２の一部として全てを成形することが可能となる。

図３Ｃにおいて、主通路を流れる被計測気体３０の一部が入口３５０から入口溝３５１に取り込まれ、入口溝３５１内を流れる。入口溝３５１の下流側は、排出溝３３３と裏側副通路溝３３４の二股に分岐している。排出溝３３３は、ハウジング３０２の下流端部に向かって直線状に延びてハウジング３０２の下流端部に開口する出口３５２Ｂに連通している。入口３５０から入口溝３５１に取り込まれた被計測気体３０は、その一部が排出溝３３３を通って出口３５２Ｂから排出され、残りが裏側副通路溝３３４内に取り込まれて裏側副通路溝３３４内を流れる。

裏側副通路溝３３４は進むにつれて深くなる形状をしており、溝に沿って流れるにつれ表側（図３Ｃで図の奥側）の方向に被計測気体３０は徐々に移動する。裏側副通路溝３３４には回路パッケージ４００よりも上流側の通路上流部３４２で急激に深くなる急傾斜部３４７が設けられている。質量の小さい空気の一部は急傾斜部３４７に沿って移動し、通路上流部３４２で図３Ａに記載の計測用流路面４３０の方を流れる。一方、質量の大きい異物は遠心力によって急激な進路変更が困難なため、急傾斜部３４７に沿って流れることができず、図３Ｃに示す計測用流路裏面４３１の方を流れる。その後、回路パッケージ４００よりも下流側の通路下流部３４１を通り、図３Ａに記載の表側副通路溝３３２に流れ込む。

ここで、図４を参照する。図４の左部分が裏側副通路溝３３４の終端部であり、右側部分が表側副通路溝３３２の始端部分である。図４では明確に記載していないが、ハウジング３０２には、裏側副通路溝３３４と表側副通路溝３３２との間をつなぐように、幅方向に貫通する貫通部が設けられている。そして、貫通部に回路パッケージ４００の計測用流路面４３０が露出するように突出して配置されている。

図３Ａに記載の表側副通路溝３３２において、回路パッケージ４００よりも上流側の通路上流部３４２から表側副通路溝３３２側に移動した被計測気体３０である空気は、計測用流路面４３０に沿って流れる。このとき、流量検出部６０２に設けられた熱伝達面４３７を介して流量を計測するための流量検出部６０２との間で熱伝達が行われ、流量の計測が行われる。回路パッケージ４００の計測用流路面４３０側と計測用流路裏面４３１側を通過した被計測気体３０は、回路パッケージ４００よりも下流側の通路下流部３４１から表側副通路溝３３２側に流れて、表側副通路溝３３２に沿って流れ、出口３５２を形成する出口溝３５３から主通路に排出される。

この実施例では、裏側副通路溝３３４で構成される流路は曲線を描きながらハウジング３０２の先端部からフランジ３１２側である基端部の方向に向かい、最もフランジ３１２側の位置では、副通路を流れる気体は主通路の流れに対して逆方向の流れとなり、この逆方向の流れの部分でハウジング３０２の一方側に設けられた裏面側副通路（裏面側に設けられた入口側副通路）が、他方側に設けられた表面側副通路（表面側に設けられた出口側副通路）につながる。

計測用流路面４３０側の空間と計測用流路裏面４３１側の空間とは、ハウジング３０２にインサートされた回路パッケージ４００によって区分されており、ハウジング３０２によっては区分されていない。即ち、通路上流部３４２と通路下流部３４１と空洞部３８２と計測用流路面４３０側の空間と計測用流路裏面４３１側の空間とによって形成される一つの空間が、ハウジング３０２の表面と裏面とを貫通しており、この一つの空間にハウジング３０２にインサートされた回路パッケージ４００が片持ち状に突出している。このような構成とすることで、１回の樹脂モールド工程でハウジング３０２の両面に副通路溝を成形でき、また両面の副通路溝を繋ぐ構造を合わせて成形することが可能となる。尚、回路パッケージ４００はハウジング３０２の固定部３７２，３７３，３７６に樹脂モールドにより埋設して固定されている。

また、ハウジング３０２の樹脂モールド成形と同時に、回路パッケージ４００をハウジング３０２にインサートして実装することができる。なお、回路パッケージ４００よりも上流側の通路上流部３４２と下流側の通路下流部３４１のどちらか一方をハウジング３０２の幅方向に貫通した構成とすることで、裏側副通路溝３３４と表側副通路溝３３２とをつなぐ副通路形状を１回の樹脂モールド工程で成形することも可能である。

なお、裏側副通路溝３３４の両側には裏側副通路内周壁３９２と裏側副通路外周壁３９１とが設けられている。これら裏側副通路内周壁３９２と裏側副通路外周壁３９１とのそれぞれの高さ方向の先端部と裏カバー３０４の内側面とが密着することで、ハウジング３０２の裏側副通路が成形される。また表側副通路溝３３２の両側には表側副通路内周壁３９３と表側副通路外周壁３９４が設けられ、これら表側副通路内周壁３９３と表側副通路外周壁３９４の高さ方向の先端部と表カバー３０３の内側面とが密着することで、ハウジング３０２の表側副通路が形成される。

入口３５０から取り込まれ、裏側副通路溝３３４により構成される裏側副通路を流れた被計測気体３０は、図４の左側から導かれ、被計測気体３０の一部は、回路パッケージ４００よりも上流側の通路上流部３４２を介して、回路パッケージ４００の計測用流路面４３０の表面と表カバー３０３に設けられた突起部３５６で作られる流路３８６の方を流れる。他の被計測気体３０は計測用流路裏面４３１と裏カバー３０４で作られる流路３８７の方を流れる。その後、流路３８７を流れた被計測気体３０は、回路パッケージ４００よりも下流側の通路下流部３４１を介して表側副通路溝３３２の方に移り、流路３８６を流れている被計測気体３０と合流する。合流した被計測気体３０は、表側副通路溝３３２を流れ、出口３５２から主通路に排出される。

裏側副通路溝３３４から通路上流部３４２を介して流路３８６に導かれる被計測気体３０の方が、流路３８７に導かれる流路よりも曲りが大きくなるように、副通路溝が形成されている。これにより、被計測気体３０に含まれるごみなどの質量の大きい物質は、曲りの少ない流路３８７の方に集まる。

流路３８６では、突起部３５６は絞りを形成しており、被計測気体３０を渦の少ない層流にする。また突起部３５６は被計測気体３０の流速を高める。これにより、計測精度が向上する。突起部３５６は、計測用流路面４３０に設けた流量検出部６０２の熱伝達面露出部４３６に対向する方のカバーに設ける。

図３Ａ及び図３Ｃに示すように、ハウジング３０２には、フランジ３１２と副通路溝が形成された部分との間に空洞部３６３が形成されている。この空洞部３６３の中に、回路パッケージ４００の接続端子４１２と外部接続部３０５の外部端子の内端３６１とを接続する端子接続部３２０が設けられている。接続端子４１２と内端３６１とは、スポット溶接あるいはレーザ溶接などにより、電気的に接続される。

次に、図５を用いて、流量検出部６０２の回路構成について説明する。

図５は熱式流量計３００の流量検出回路６０１を示す回路図である。なお、先に実施例で説明した温度検出部４５２に関する計測回路も熱式流量計３００に設けられているが、図５では省略している。流量検出回路６０１は、発熱体６０８を有する流量検出部６０２と処理部６０４とを備えている。処理部６０４は、発熱体６０８の発熱量を制御すると共に、流量検出部６０２の出力に基づいて流量を表す信号を、端子６６２を介して出力する。前記処理を行うために、処理部６０４は、Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ(以下ＣＰＵと記す)６１２と入力回路６１４、出力回路６１６、補正値や検出値と流量との関係を表すデータを保持するメモリ６１８、一定電圧をそれぞれ必要な回路に供給する電源回路６２２を備えている。電源回路６２２には車載バッテリなどの外部電源から、端子６６４と図示していないグランド端子を介して直流電力が供給される。

流量検出部６０２には被計測気体３０を熱するための発熱体６０８が設けられている。電源回路６２２から、発熱体６０８の電流供給回路を構成するトランジスタ６０６のコレクタに電圧Ｖ１が供給され、ＣＰＵ６１２から出力回路６１６を介して前記トランジスタ６０６のベースに制御信号が加えられ、この制御信号に基づいてトランジスタ６０６から端子６２４を介して発熱体６０８に電流が供給される。

流量検出部６０２は、発熱体６０８の発熱量を制御するための発熱制御ブリッジ回路６４０と、流量を計測するための流量検知ブリッジ回路６５０と、を有している。発熱制御ブリッジ回路６４０の一端には、電源回路６２２から一定電圧Ｖ３が端子６２６を介して供給され、発熱制御ブリッジ回路６４０の他端はグランド端子６３０に接続されている。また流量検知ブリッジ回路６５０の一端には、電源回路６２２から一定電圧Ｖ２が端子６２５を介して供給され、流量検知ブリッジ回路６５０の他端はグランド端子６３０に接続されている。

発熱制御ブリッジ回路６４０は、熱せられた被計測気体３０の温度に基づいて抵抗値が変化する測温抵抗体である抵抗６４２を有しており、抵抗６４２と抵抗６４４、抵抗６４６、抵抗６４８とでブリッジ回路６４０を構成している。抵抗６４２と抵抗６４６の交点（接続部）Ａおよび抵抗６４４と抵抗６４８との交点（接続部）Ｂの電位差が端子６２７および端子６２８を介して入力回路６１４に入力され、ＣＰＵ６１２は交点Ａと交点Ｂ間の電位差が所定値、この実施例ではゼロボルト、になるようにトランジスタ６０６から供給される電流を制御して発熱体６０８の発熱量を制御する。処理部６０４のＣＰＵ６１２は、被計測気体３０がもとの温度に対して一定温度（例えば常に１００℃）高くなるように、発熱体６０８で被計測気体３０を加熱する。この加熱制御を高精度に行えるように、発熱体６０８で暖められた被計測気体３０の温度が当初の温度に対して一定温度だけ高くなったときに、交点Ａと交点Ｂとの間の電位差がゼロボルトとなるように発熱制御ブリッジ６４０を構成する各抵抗の抵抗値が設定されている。

流量検知ブリッジ６５０は、抵抗６５２と抵抗６５４、抵抗６５６、抵抗６５８の４つの測温抵抗体で構成されている。抵抗６５２と抵抗６５６との交点（接続部）Ｃと、抵抗６５４と抵抗６５８との交点（接続部）Ｄとの間の電位差が端子６３１と端子６３２を介して入力回路６１４に入力される。例えば被計測気体３０の流れがゼロの状態で、前記交点Ｃと交点Ｄとの間の電位差がゼロとなるように流量検知ブリッジ６５０の各抵抗が設定されている。

後述するように、抵抗６５２や抵抗６５４とは順方向に流れる被計測気体３０に対して上流側に配置される。また、抵抗６５６と抵抗６５８とは順方向に流れる被計測気体３０に対して下流側に配置される。被計測気体３０が図４の矢印方向に流れている場合、上流側に配置されている抵抗６５２と抵抗６５４とは、被計測気体３０によって冷却され、被計測気体３０の下流側に配置されている抵抗６５６と抵抗６５８とは、発熱体６０８により暖められた被計測気体３０により暖められ、抵抗６５６と抵抗６５８との温度が上昇する。このため、流量検知ブリッジ６５０の交点Ｃと交点Ｄとの間に電位差が発生する。この電位差が端子６３１と端子６３２を介して、入力回路６１４に入力される。ＣＰＵ６１２は交点Ｃと交点Ｄとの間の電位差に基づいて、メモリ６１８に記憶されている電位差と主通路１２４の流量との関係を表すデータを検索し、主通路の流量を求める。このようにして求められた主通路の流量を表す電気信号が端子６６２を介して出力される。なお、図５に示す端子６６４および端子６６２は新たに参照番号を記載しているが、先に説明した図３Ａや図３Ｃに示す接続端子４１２に含まれている。

メモリ６１８には、回路パッケージ４００の生産後に、気体の実測値に基づいて求められた、ばらつきなどの測定誤差の低減のための補正データが記憶されている。なお、補正データのメモリ６１８への書き込みは、外部接続部３０５に設けられた外部端子や補正用端子を使用して行われる。

図６は、流量検出部（流量検出素子）の平面図である。流量検出部（流量検出素子）６０２は矩形形状の半導体チップとして作られており、図６に示す流量検出部６０２の左側から右側に向って、矢印の方向に、順方向の被計測気体３０が流れる。

半導体チップで構成される流量検出部（流量検出素子）６０２には、半導体チップの厚さを薄くした矩形形状のダイヤフラム６７２が成形されて、このダイヤフラム６７２には、破線で示す薄厚領域（すなわち上述した熱伝達面）６０３が設けられている。この薄厚領域６０３の裏面側には空隙が成形されている。

ダイヤフラム６７２の厚さを薄くすることで、熱伝導率が低くなっており、ダイヤフラム６７２の薄厚領域６０３（熱伝達面４３７）に設けられた抵抗６５２、抵抗６５４、抵抗６５８、抵抗６５６へダイヤフラム６７２の外側からダイヤフラム６７２を介して伝達される熱を抑制している。

ダイヤフラム６７２の薄厚領域６０３の中央部には、発熱体６０８が設けられており、この発熱体６０８の周囲に発熱制御ブリッジ６４０を構成する抵抗６４２が設けられている。そして、薄厚領域６０３の外側に発熱制御ブリッジ６４０を構成する抵抗６４４、６４６、６４８が設けられている。このように成形された抵抗６４２、６４４、６４６、６４８によって発熱制御ブリッジ６４０が構成される。

また、発熱体６０８に対して順方向の被計測気体３０が流れる矢印方向の上流側に、上流測温抵抗体である抵抗６５２、抵抗６５４が配置され、発熱体６０８に対して順方向の被計測気体３０が流れる矢印方向の下流側に、下流測温抵抗体である抵抗６５６、抵抗６５８が配置されている。また計測精度を上げるために抵抗６５２と抵抗６５４は発熱体６０８までの距離が互いに略同じになるように配置されており、抵抗６５６と抵抗６５８は発熱体６０８までの距離が互いに略同じになるように配置されている。

尚、本実施例の熱式流量計３００は逆流（順方向に対して逆方向に流れる被計測気体）に対しても流量を計測できる。「上流」及び「下流」は順方向の被計測気体３０の流れを基準に定めている。

また、上記発熱体６０８の双方の端部は、図６の下側に記載した端子６２４および６２９にそれぞれ接続されている。ここで、図５に示すように、端子６２４にはトランジスタ６０６から発熱体６０８に供給される電流が加えられ、端子６２９はグランドとして接地される。

抵抗６４２、抵抗６４４、抵抗６４６、抵抗６４８は、それぞれ接続されて、端子６２６と６３０に接続される。端子６２６には電源回路６２２から一定電圧Ｖ３が供給され、端子６３０はグランドとして接地される。また、抵抗６４２と抵抗６４６との間、抵抗６４４と抵抗６４８との間の各接続点は、それぞれ端子６２７と端子６２８とに接続される。端子６２７は交点Ａの電位を出力し、端子６２８は交点Ｂの電位を出力する。端子６２５には、電源回路６２２から一定電圧Ｖ２が供給され、端子６３０はグランド端子として接地グランドされる。また、抵抗６５４と抵抗６５８との接続点は端子６３１に接続され、端子６３１は交点Ｄの電位を出力する。抵抗６５２と抵抗６５６との接続点は端子６３２に接続され、端子６３２は交点Ｃの電位を出力する。

抵抗６４２は、発熱体６０８の近傍に成形されているので、発熱体６０８からの発熱で暖められた気体の温度を精度良く計測することができる。一方、抵抗６４４、６４６、６４８は、発熱体６０８から離れて配置されているので、発熱体６０８からの発熱の影響を受け難い構成に成っている。このため、被計測気体３０を所定温度だけ高める制御を高精度に行うことができる。

図７は、本発明にかかる熱式流量計の流路構造に示す模式図、図８Ａは、本発明にかかる熱式流量計を主通路の上流側から示す模式図、図８Ｂは、本発明にかかる熱式流量計を主通路の下流側から示す模式図である。

図７に示す副通路２は、上述したように、複数の副通路溝が組み合わされて構成されるが、以下、各副通路溝を区別せず、副通路２と呼ぶこととする。尚、図７は、図２Ｃに示す一部の構成を、簡略化或いは省略している。

熱式流量計３００のボディ（筐体）１は、ハウジング３０２と表カバー３０３と裏カバー３０４を有する。熱式流量計３００は、配管壁３２に取り付けられる。配管壁３２は、その内側に主通路１２４を構成する。熱式流量計３００を自動車の内燃機関に取り付ける場合、配管壁３２は吸気管の壁である。配管壁３２は、一定径で延在する円筒形状を有しており、その中心軸線ＣＬは、主通路１２４を通過する被計測気体の主要流れ方向に一致する。

ボディ１は、配管壁３２に設けられた取付穴から主通路１２４内に挿入されて、主通路１２４の中心軸線ＣＬに直交する方向に延在するように取り付けられる。ボディ１の先端部１ａは、主通路１２４の中心軸線ＣＬよりも突出した位置に配置されている。ボディ１は、その幅方向中央が中心軸線ＣＬと一致するように配管壁３２に取り付けられている。

副通路２は、主通路１２４を流れる被計測気体３０の一部をボディ１内に取り込む構成を有している。具体的には、主通路１２４を流れる被計測気体３０の一部を取り込み、その取り込んだ被計測気体３０をボディ１から主通路１２４に排出する第１通路１１と、第１通路１１の通路途中で分岐して第１通路１１内を流れる被計測気体の一部を取り込み、その取り込んだ被計測気体３０を主通路１２４に排気する第２通路とを有する。

第１通路１１は、被計測気体３０の主要流れ方向に沿って延在する略直線形状を有し、第２通路２１は、第１通路１１から主要流れ方向に対して交差する方向に曲がる迂回形状を有しており、第２通路２１内に流量検出部６０２が設けられている。

第１通路１１は、ハウジング３０２の上流端部で主通路１２４の上流に向かって開口する第１上流開口部１１ａとハウジング３０２の下流端部で主通路１２４の下流に向かって開口する第１下流開口部１１ｂを有する。第２通路２１は、第１通路１１の通路途中に開口する第２上流開口部２１ａとハウジング３０２の下流端部で主通路１２４の下流に向かって開口する第２下流開口部２１ｂを有する。

そして、第１上流開口部１１ａと第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂは、主通路１２４の中心軸線ＣＬから互いに同じ方向に離間した位置に配置されており、本実施例では、主通路１２４の中心軸線ＣＬからみて全て先端部１ａ側に離間した位置に配置されている。

第１上流開口部１１ａと第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂは、例えば主通路１２４の中心軸線ＣＬに沿った断面である一つの仮想平面Ｆ１上に位置するように配置されている。仮想平面Ｆ１は、主通路１２４の中心軸線ＣＬから所定距離だけ横方向に離間した位置で中心軸線ＣＬに沿って平行に延在するように設定されており、本実施例では、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、中心軸線ＣＬに沿って平行でかつボディ１の突出方向に平行に延在するように設定されている。なお、仮想平面Ｆ１は、中心軸線ＣＬを通る位置に設定してもよい。

第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂは、ボディ１の下流端部であって、第１上流開口部１１ａを被計測気体３０の主要流れ方向に投影した投影面に重なる位置もしくはその周辺位置に配置されている。本実施例では、第２下流開口部２１ｂの一部が第１上流開口部１１ａの投影面に重なる位置に配置されており、第２下流開口部２１ｂよりもボディ１の先端部１ａ側の位置に第１下流開口部１１ｂが配置されている。

主通路１２４内は、中心軸線ＣＬ付近の流速が最も速く、配管壁３２に近づくに応じて流速が遅くなる流速分布となっている。したがって、第１上流開口部１１ａと第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂを、主通路１２４の中心軸線ＣＬから互いに同じ方向に離間した位置に配置することによって、互いにほぼ等しい大きさの流速（同一流線）の中に置くことができ、偏流の影響を少なくすることができる。

第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂは、図８Ｂに示すように、ボディ１の突出方向に沿って上下に並んで配置されている。ボディ１は、主通路１２４内を流れる被計測気体の中に置かれるので、ボディ１の下流には後流渦が発生する。後流渦は、ボディの左右、すなわち、ボディ１の幅方向中心を境にして幅方向両側に一個ずつ発生し、各後流渦の大きさは、近傍を通過する被計測気体３０の流速の大きさに依存する。したがって、第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂをボディ１の突出方向に沿って上下に並んで配置することによって、左右の後流渦のいずれか一方側の近傍位置に置くことができ、偏流の影響を少なくすることができる。

入口溝３５１によって形成される第１通路１１の入口部１２は、排出溝３３３によって形成され第１通路１１の出口部１３に向かって移行するにしたがって流量検出部６０２から漸次離れるように、被計測気体３０の主要流れ方向に対してある所定の角度θをなすように傾斜している。第１通路１１の出口部１３は、第２上流開口部２１ａから第１下流開口部１１ｂ側に移行するにしたがって断面積が漸次減少するテーパ形状を有しており、第１下流開口部１１ｂは、第１上流開口部１１ａよりも開口面積が小さくなっている。

第２通路２１は、第１通路１１から分岐しており、第１通路１１の通路途中に第２上流開口部２１ａが開口しており、第２下流開口部２１ｂがハウジング３０２の下流端部に開口している。第２通路２１は、第２上流開口部２１ａからボディ１の基端側に向かって湾曲して螺旋状に一周するループ状の曲がりを有している。

図７に太矢印３０で示す方向に被計測気体が流れる場合、上述したように、第１上流開口部１１ａが、副通路２の入口となり、第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂがそれぞれ副通路２の出口となる。

被計測気体３０には、ダスト、オイルミスト、水滴等の汚損物が含まれている場合があり、例えば流量検出部６０２に対して、ダストが衝突すると破損し、オイルミストが付着すると計測誤差を生じ、水滴が付着すると質量流量の計測値に異常を生じるおそれがある。

本実施例の熱式流量計３００では、第１上流開口部１１ａから副通路２内に流れ込む被計測気体３０の一部は、第１通路１１の出口部１３に流れ込み、第１下流開口部１１ｂから主通路１２４に排出される。したがって、第１上流開口部１１ａから副通路２内に流入した汚損物の多くを被計測気体と共に第１下流開口部１１ｂから排出することができる。特に粒径の大きい汚損物は慣性力が大きく直進性が大きいため、出口部１３に流入して排出され易くなっている。

第１下流開口部１１ｂから排出されなかった残りの汚損物は、第２上流開口部２１ａから第２通路２１へ向う被計測気体によって運ばれるが、第２通路２１は、ループ状の曲がりを有しているため、曲がりの部分で遠心力の作用を受け外周側に偏向される。このため、汚損物は、第２通路２１内で流量検出部６０２から離れた位置を通過する。これらにより、汚損物が流量検出部６０２に到達する量が削減される。

本実施例では、第１通路１１の出口部１３が第１下流開口部１１ｂ側に移行するにしたがって漸次断面積が小さくなるテーパ形状を有しており、第１下流開口部１１ｂの開口面積が、第１上流開口部１１ａの開口面積より小さくなっている。したがって、第１上流開口部１１ａから流入した被計測気体は、出口部１３で流量が絞られて、流体抵抗が大きくなる。したがって、出口部１３に流入して第１下流開口部１１ｂから流出する被計測気体の流量が抑制され、第２通路２１を介して流量検出部６０２に供給される流量が不足することが回避される。

本実施例によれば、副通路２は、第１上流開口部１１ａと第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂが主通路１２４の中心軸線ＣＬから互いに同じ方向に離間した位置に配置されており、第１上流開口部１１ａと、第１下流開口部１１ｂ及び第２下流開口部２１ｂとが中心軸線ＣＬに沿った方向の一方側と他方側にそれぞれ配置されている。

主通路１２４内は、中心軸線ＣＬ付近の流速が最も速く、配管壁３２に近づくに応じて流速が遅くなる流速分布となっている。また、主通路１２４内に偏流が生じても、中心軸線ＣＬに沿った方向の同一流線上の上流位置における流速と下流位置における流速との間に大きな差は生じない。

したがって、主通路１２４内を流れる被計測気体の第１上流開口部１１ａの位置における流速と、第１下流開口部１１ｂ及び第２下流開口部２１ｂの位置における流速とがほぼ等しくなり、副通路２は、主通路１２４内で所定の流速を有する上流位置から副通路２に取り込んだ被計測気体を、副通路２から主通路１２４内でほぼ等しい流速を有する下流位置に戻すことができる。したがって、第１上流開口部１１ａと第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂを、互いにほぼ等しい大きさの流速（同一流線）の中に置くことができる。

したがって、特許文献１の装置のように２つの出口が主通路の中心軸線を間に介して互いに離間する位置に配置されているものや、入口と出口とが主通路の中心軸線を間に介して互いに離間する位置に配置されているものと比較して、主通路１２４内における偏流の影響を受けにくくすることができ、所期の計測性能を安定して発揮することができる。

本実施例によれば、第１下流開口部１１ｂと第２下流開口部２１ｂは、ボディ１の突出方向に沿って上下に並んで配置されているので、ボディ１の下流に発生する左右の後流渦のうち、いずれか一方側の後流渦の近傍位置に置くことができ、
偏流の影響を少なくすることができる。

本実施例によれば、第２通路２１は、第１通路１１から主要流れ方向に対して交差する方向に曲がる迂回形状を有しており、第２通路２１内に流量検出部６０２が設けられている。検出素子（流量検出部６０２）は、通路内に被計測気体を取り込む開口部から遠いほど、開口部よりも上流の流れの影響を受けにくく、開口部からなるべく遠い位置に配置するのが望ましい。したがって、検出素子よりも上流と下流の通路を構成する第２通路２１の形状は迂回形状が好ましい。

そして、主通路１２４から第１通路１１に取り込まれた被計測気体の流速分布の変動は、主通路１２４内における被計測気体の流速分布の変動よりも変動量が少なくなっており、さらに、第１通路１１から第２通路２１に取り込まれた被計測気体の流速分布の変動は、第１通路１１内における被計測気体の流速分布の変動よりも変動量が少なくなっている。このように、被計測気体は、分岐を繰り返すほど、上流側の流速分布の変動の影響を受けにくくなっており、上流側の流速分布の変動の影響を少なくするためには、最も分岐した先の第２通路２１内に流量検出部６０２を設けることが好ましい。

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、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ ボディ（筐体）
２ 副通路
１１ 第１通路
１１ａ 第１上流開口部
１１ｂ 第１下流開口部
１２ 入口部
１３ 出口部
２１ 第２通路
２１ａ 第２上流開口部
２１ｂ 第２下流開口部
３０ 被計測気体
３２ 配管壁
１２４ 主通路
３００ 熱式流量計
４００ 回路パッケージ
６０２ 流量検出部
ＣＬ 主通路の中心軸線
Ｆ１ 仮想平面

Claims (6)

1. 主通路内で該主通路を流れる被計測気体の一部を取り込む副通路と、該副通路内で前記副通路に取り込まれた被計測気体の流量を検出する流量検出部と、を備える熱式流量計であって、
   前記副通路は、前記主通路を流れる被計測気体の一部を取り込み、該取り込んだ被計測気体を前記主通路に排出する第１通路と、
   該第１通路の通路途中で分岐して前記第１通路内を流れる被計測気体の一部を取り込み、該取り込んだ被計測気体を前記主通路に排出する第２通路と、を有し、
   前記第１通路は、前記主通路の上流に向かって開口する第１上流開口部と前記主通路の下流に向かって開口する第１下流開口部を有し、
   前記第２通路は、前記第１通路の通路途中に開口する第２上流開口部と前記主通路の下流に向かって開口する第２下流開口部を有し、
   前記第１上流開口部と前記第１下流開口部と前記第２下流開口部は、前記主通路の中心軸線から互いに同じ方向に離間した位置に配置されることを特徴とする熱式流量計。
2. 前記第１上流開口部と前記第１下流開口部と前記第２下流開口部は、前記主通路の中心軸線に沿った断面である一つの仮想平面上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記主通路内に突出する筐体を有し、
   前記第１下流開口部と前記第２下流開口部は、前記筐体の下流端部でかつ前記筐体の突出方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
4. 前記第１上流開口部を前記主通路における被計測気体の主要流れ方向に投影した面内に前記第１下流開口部と前記第２下流開口部の少なくとも一方が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
5. 前記第１通路は、前記主要流れ方向に沿って延在し、
   前記第２通路は、前記第１通路から前記主要流れ方向に対して交差する方向に曲がる迂回形状を有しており、前記第２通路内に前記流量検出部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の熱式流量計。
6. 前記第１通路は、前記第２通路の前記第２上流開口部が設けられている位置から前記第１通路の前記第１下流開口部に向かって移行するにしたがって前記第１通路の断面積が漸次減少するテーパ形状を有していることを特徴とする請求項５に記載の熱式流量計。

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