JP2019007902A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】流量計測精度が高い小型な熱式流量計を提供すること。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明の熱式流量計は、被計測流体が流れる小ボア径主管の主通路内に配置される流量検出部を備えた回路パッケージと、前記主通路の内壁の一部が流量検出部と正対する板状部材を有した熱式流量計であって、前記回路パッケージと前記板状部材とで協働して略副通路を形成していることを特徴としている。【選択図】図８

Description

本発明は、主通路を流れる被計測流体の質量流量を計測する熱式流量計に関する。

熱式流量計は流量を計測するための流量検出部を備え、前記流量検出部と検出対象である被計測流体との間で熱伝達を行うことにより、流量を計測する構成とされている。熱式流量計の特徴は、他の方式の流量計に比べ相対的に高い精度で気体の質量流量を計測できることである。

一般的に、熱式流量計は、その性能維持のために主通路内に流量検出部を直接配置せず、前記熱流量計に主通路内の気体の一部を分流する副通路を備えて計測する。

近年は小ボア径主管内の被計測流体の流量を計測するニーズが高まっているが、従来の通常ボア径（φ６０〜７０）に対応した熱式流量計を取付けた構成では、小ボア内に筐体が収まらず、主管外に延長する熱式流量計の体積が大きくなってしまい、例えば、エンジンルーム内のレイアウト設計時には使い勝手が悪くなる。したがって、より小型化した熱式流量計を提供することが要請される。

このような要請に対して、例えば、特許文献１には主通路に対し副通路を形成する第１、第２通路とその両流路を結ぶ第３通路を有する構造が開示されている。特許文献１では、第３通路を流れる空気流量を流量センサで検出することで、熱式流量計の小型化を実現する手段を用いていた。

特開２０１４−９５６１９

しかしながら、熱式流量計の取り付け対象となるボア径が小さい場合、第１通路、第２通路、第３通路から構成される副通路を有する筐体がボア径内に収まらず、これにより筐体がボア外に延長してしまうことがある。そのため、より簡潔な副通路の構成が望まれていた。

本発明の目的は、流量計測精度が高い小型な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、被計測流体が流れる小ボア径主管の主通路内に配置される流量検出部を備えた回路パッケージと、前記主通路の内壁の一部が流量検出部と正対する板状部材を有した熱式流量計であって、前記回路パッケージと前記板状部材とで協働して略副通路を形成していることを特徴としている。

本発明によれば、流量計測精度が高い小型な熱式流量計を提供することができる。

熱式流量計が主管に取付けられた状態をカバー側からみた概略線断面図 熱式流量計が主管に取付けられた状態をベース側からみた概略線断面図 熱式流量計を小ボア径主管に取り付けた状態をカバー側からみた概略線断面図 熱式流量計の高さ方向の空間を説明した図 主管内の流速分布を説明した図 回路パッケージが小ボア径主管に取付けられた状態を上流側からみた図 図５の構成で実施した流量試験の結果 図５の構成をA-A断面からみたときの流速分布を説明した図 回路パッケージが板状部材３０を有する小ボア径主管に取付けられた状態を上流側からみた図 図８の構成をB-B断面からみたときの流速分布を説明した図（流体ノイズの低減メカニズム） 図８の構成で実施した流量試験の結果 回路パッケージが複数個の板状部材を有する小ボア径主管に取付けられた状態を上流側からみた図 図１１の構成をC-C断面からみたときの流速分布を説明した図 実施例１と実施例２における渦の強さΓを比較した図 熱式流量計が板状部材を有する小ボア径主管に取付けられた状態を上流側からみた図 図１４の構成で実施した流量試験の結果 熱式流量計が複数個の板状部材を有する小ボア径主管に取付けられた状態を上流側からみた図 図１６の構成で実施した流量試験の結果 図１６の構成で、副通路が小ボア径主管内壁に対して段差形状を有することを示した図 図１８をD-D断面からみた図 図１９の拡大図Eを用いて、排水メカニズムを説明した図 図１８の構成で、段差形状に貫通孔を有することを示した図 図１６の構成で、板状部材の一部が導電性材料で構成されることを示した図 図１６の構成で、板状部材の一部が金属材料で構成されることを示した図 図１６の構成で、板状部材と熱式流量計１の端面に空隙を有する構成を示した図 図２４の拡大図Fを用いて、壁温抑制メカニズムを説明した図 実施形態

本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

［実施例１］
本発明の実施例を説明する前に、本発明の理解を助けるために熱式流量計について説明する。

図１−Aは、熱式流量計が主管に取り付けられた状態をカバー側からみた概略線断面図、図１−Bは、熱式流量計が主管に取り付けられた状態をベース側からみた概略線断面図である。図１−A、１−Bに示すように、熱式流量計１は、ハウジング部材１０およびカバー部材１１と、ベース部材８、回路パッケージ４００の組立体であり、主管３に形成された挿入穴４に挿入され、カバー部材１１とべーズ部材８およびハウジング部材１０の一部で構成される副通路５が主通路２に位置するように取付けられる。この構成により、主通路２を流れる吸入空気９の一部を副通路５へ分流させる。そして、分流した副通路内吸入空気１３の流量を回路パッケージ４００に備えた流量検出部４０１より検出する。計測した信号は、コネクタ１４にインサート成形されたコネクタターミナル６を介して外部機器と電気的に接続される。回路パッケージ４００は、流量検出部４０１を備える半導体素子を、流量検出部４０１が露出するように樹脂封止することで形成されている。

一般的な熱式流量計１を使って、小ボア径主管１９で流量計測するときの問題点を説明する。ここで、小ボア径とはφ30mm以下を考える。

図２は熱式流量計１を小ボア径主管１９に取り付けた状態の概略線断面図である。一般的に、熱式流量計１は通常ボア径の主管３（例えばφ６０〜７０）への取付けが好適となるように筐体設計しているため、小ボア径主管１９に取付けると、熱式流量計１が小ボア径主管１９の外径部からのはみ出し（余剰高さ１８）が大きくなり、本図では小ボア径主管１９の内径φ３０に対して、余剰高さ１８は５０ｍｍ以上となる。このままの搭載性では、エンジンレイアウト設計が困難となることや、重心バランスが悪いことで倒立姿勢を保つことが難しく、例えば輸送コストが大きくなるなどの課題がある。

図３に熱式流量計１の高さ方向空間を説明した図を示す。熱式流量計１の高さは、主にコネクタ高さ２０、フランジ高さ２１、回路室空間２２、副通路空間２３で構成されることが確認できる。この中でも、最も大きい空間は副通路空間２３であり、副通路５を小さくすることが熱式流量計１の小型化に繋がる。なお、熱式流量計１の小型化にあたっては、その性能を損なっては意味がなく、計測精度を向上させた上での小型化が必須となる。

次に、副通路５に求められる機能について説明する。副通路５は主管３の流体流れの一部を分流し、計測精度（性能）の向上、対汚損性を実現する。具体的に、計測精度は流量検出部４０１を通過する流体を整流することで実現し、対汚損性は副通路５内で流量検出部４０１近傍にカーボン、水などの汚損物が通過しにくい構造とすることである。

一般的に、熱式流量計１の計測精度を決定する因子は、流速と流体ノイズである。この２つの因子はSN比で表現でき、流速がS（信号）、流体ノイズがN（ノイズ）となる。つまり、流速が上がるとS（信号）が大きくなり、流体ノイズが下がるとN（ノイズ）が小さくなることを意味し、SN比を改善することが計測精度の向上に繋がる。

上記整流効果について詳述すると、整流とは流量検出部４０１近傍の流体ノイズの低減をはかることであり、具体的には管路内で発生する渦の影響を抑制することである。

図４を用いて渦の発生メカニズムを説明する。図４は主管内の理想的な流速分布を示す。主管上流より吸入空気９が入力されると、吸入空気９は主管内で流速分布２７を持つ。この流速分布２７の主管内壁管路両端における速度を、流速分布端速度V２５、流速分布端速度U２６とすると、流速分布２７は一定の分布状態を保ちながら伝搬するが、例えば、何らかの阻害要因がある場合には、流速分布２７はその均衡を保つことができずに、流速分布端速度V２５、流速分布端速度U２６において速度差が生じる。このとき、渦が発生し、当該渦の強さは速度差に起因する。

図５に回路パッケージ４００が小ボア径主管１９に取付けられた状態を説明する図、図６に、図５の構成で実施した流量試験の結果を示す。本構成では、計測精度に最も重要な流量信号ノイズの誤差(ノイズ誤差)が70％以上であり、実用的な計測ができていない。

ここで、ノイズ誤差が増大する理由について、図７を用いて考察する。図７は、図５の構成をA-A断面からみたときの流速分布を説明した図である。小ボア径主管１９の上流より吸入空気９が入力されると流速分布２７を形成する。当該流速分布２７は小ボア径主管１９の回路パッケージ４００手前まで分布状態を維持するが、回路パッケージ４００端部に到達すると、流速分布端速度V２５は小ボア径主管19内壁から回路パッケージ４００端部にシフトする。このとき、流速分布端速度V２５と流速分布端速度U２６に速度差が生まれることで渦が発生し、流量検出部４０１がノイズとして検出したと考える。

この問題を解決すべく、本実施例では、図８に示すように、回路パッケージ４００が挿入される小ボア径主管１９の内壁に板状部材３０を流量検出部４０１と正対するように配置させる。なお、板状部材３０は流体ノイズを軽減する整流用の部材である。本実施例では、回路パッケージ４００には、流量検出部４０１が底部となるような、流れ方向に沿ったガイド溝４０２が形成されていて、ガイド溝４０２と板状部材３０により、流路が形成されている。

本実施例における板状部材３０を用いた流体ノイズ低減メカニズムを、図９を用いて詳細に説明する。図９は、図８の構成をB-B断面からみたときの流速分布を説明した図である。

図９に示すように、吸入空気９は流速分布２７を維持して管路内を伝搬するが、板状部材２０で流速分布端速度U２６は小ボア径主管１９内壁から板状部材３０にシフトする。このとき、V₁-U₁に起因した渦の強さΓ₁の渦が発生する。さらに伝搬が進むと、流速分布端速度V２５は小ボア径主管１９内壁から回路パッケージ４００にシフトする。このとき、速度差V₂-U₂に起因した渦の強さΓ₂の渦が発生する。図７（板状部材３０無）と図９（板状部材３０有）を比較するに、板状部材３０がある場合のΓ₂が小さいことが明らかであり、板状部材３０を配することで流量検出部４０１への渦の影響を抑制することができたと推測する。図１０に、図８の構成で実施した流量試験の結果を示す。上記推測のとおりに、ノイズ誤差が改善し４％以下となることを確認した。

このように、本構成は流体ノイズを低減可能であり、流量計測精度が高い小型な熱式流量計を実現することができる。

［実施例２］
本発明の第２の実施例について説明する。本実施例では、第１の実施例と異なる構成の説明とし、第１の実施例と同様の構成は符号を同じくして説明を省略する。第１の実施例と異なる点は、板状部材を複数個有する点である。

図１１は、回路パッケージ４００の流量検出部４０１に正対する箇所に板状部材３０を配置し、さらに回路パッケージ４００の裏側に板状部材３１を配置した構成である。図１２にこのときのC-C断面図を示す。小ボア径主管１９の上流から吸入空気９が入力されると、流速分布２７を形成した状態で伝搬し、実施例１と異なる点として、板状部材３０と３１で形成される渦の強さΓ_1.5の渦が発現する。

次に、図１３に実施例１と実施例２における渦の強さΓを比較した図を示す。実施例１の構成は渦の強さΓ₁とΓ₂の２現象の渦が発生するが、実施例２の構成では渦の強さΓ_1.5を含む３現象の渦が発生する。これらの渦の強さの関係はΓ₁＞Γ_1.5＞Γ₂であるので実施例１と実施例２のΓの軌跡より、斜線面積分の差異が生まれることが確認できる。この面積の差異は渦の持つエネルギー差を表しており、実施例２の渦エネルギーが小さいことがわかる。つまり、板状部材３０と３１で形成される渦を一旦介在させることで、より強い整流効果を得ることができる。

［実施例３］
本発明の第３の実施例について、図１４を用いて説明する。本実施例では、回路パッケージ４００をインサート固定するハウジング１０を備える。ハウジング１０には、外部と電気的に信号の通信を行うためのコネクタ１４と、小ボア系主管１９にハウジング１０を固定するためのフランジと、副流路壁面を形成するための板状部４０３が形成されている。前記板状部４０３は、ハウジング１０の端面に該当する。

ハウジング１０が、小ボア径主管１９に挿入されると、ハウジング部材１０の板状部４０３、板状部材３０、回路パッケージ４００が協働して略副通路５を形成する。ハウジング１０に回路パッケージ４００をインサート固定することにより、板状部４０３と回路パッケージ４００との間に隙間を発生しなく、精度よく流量検出部４０１との位置決めが可能であるため、計測精度の向上に寄与する。ハウジング１０の
実施例１、２では、流量検出部４０１と板状部材３０、３１とのX-Y平面における整流効果について述べたが、一方で、小ボア径主管１９（主管３も含む）内の流速はY-Z平面でも分布する。そのため、本構成を用いると、ハウジング部材１０端面と小ボア径主管１９の内壁により、Y-Z平面内の流速分布に対しても整流効果が発現でき、計測精度の向上につながる。図１５に実際に流量試験を実施した結果を示す。ノイズ誤差は最大で約３％であり、実施例１の構成よりも１％改善している。

また、別の構成として、図１６に、図１４の構成に対して板状部材３１を有する構成を示す。本構成の場合は、X-Y平面内では板状部材３０、３１により渦の強さを抑えつつ、Y-Z平面でもハウジング部材１０で渦の強さを抑えることができ、より大きな整流効果を得ることが期待できる。図１７に実際に流量試験を実施した結果を示す。本構成の場合、ノイズ誤差は最大で約２．５％であり、図１４の構成よりも０．５％改善している。

［実施例４］
本発明の第４の実施例について説明する。本実施例では、安定した高精度計測をするための構成について述べる。

図１８に、熱式流量計１が小ボア径主管１９に取付けられ、熱式流量計１と板状部材３０、３１と形成する副通路５が小ボア径主管１９の内壁に対して、中心側に突出している段差形状１５を有する構成を示す。

熱式流量計１で安定した計測を阻害する要因の１つとして、上流からの水滴１７の飛来が挙げられる。例えば、流量検出部４０１に水滴１７が付着すると、１００％以上の誤差を発生することがある。ここで、一般的に通常ボア径の主管３に搭載される熱式流量計１は、高流量(１０００kg/h以上)までの計測の必要性があるが、φ30以下の小ボア径主管１９では高流量計測の必要性はなく、現実的に流量４０kg/h程度であれば問題ないと推測できる。

本流量条件の場合、吸入空気９の流速が低いために水滴１７は主通路２を飛来せずに、主通路２の内壁を伝うように流れると考えられる。そこで、本実施例では、当該段差形状１５を設けることで、主空気通路の内壁を伝う水滴１７が副通路５内に浸入することを防ぐことができ、安定な高精度計測を実現できる。

［実施例５］
本発明の第５の実施例について説明する。

先の実施例４で段差形状１５により、水滴１７が副通路５内に浸入することを妨げる構造を提案した。一方で、段差形状１５の高さは有限であるため、例えば、水滴１７が段差形状１５で滞水し続けて水嵩が増すと、副通路５内に浸入する可能性がある。そこで、水滴１７が滞水しないよう排水させる機構を考える必要がある。

図１９に、図１８のD-D断面を、図２０に、図１９の板状部材端部の拡大図Eを示す。

排水を促すためには、水滴１７と板状部材３０間の摩擦力を減じることと、吸入空気９の動圧で下流側に流れるようにすれば良い。そこで解決手段として、板状部材３０、３１端部をRまたは面取形状とする。図２０より、板状部材３０、３１端部が直角形状の場合は、摩擦力F２９がX軸方向に最大であることと、吸入空気９が板状部材３０に正面衝突するため、流体の運動エネルギーが損失し動圧が減少するため排水が難しくなる。一方で、R形状、面取形状であれば、X軸方向摩擦力３２はF×cosθ(0＜θ＜90°)で弱めることができる上、吸入空気９が下流側に流れ易く流体の運動エネルギー損失を抑えることができるので排水を促すことができる。

よって、さらに安定した高精度計測が可能となる。

［実施例６］
本発明の第６の実施例について説明する。図２１に実施例５の段差形状１５に対して、貫通孔２８を設けた構成を示す。本構成とすることで、段差形状１５の箇所に水滴１７を滞水させずに、吸入空気９の動圧により直接排水することができる。貫通孔２８は、主管の上流から下流方向に向けて貫通するように、前記段差形状の上流側面から下流側面に向かって設けられている。

［実施例７］
本発明の第７の実施例について説明する。本実施例では、副通路５に要求されるもう１つの機能である耐汚損性の観点から述べる。一般的に、流量計測精度は初期と耐久後精度があり、耐汚損性を改善するということは、流量計測精度を長時間維持できるということであり、非常に重要な要素となる。なお、汚損物は主にカーボン、ダストがある。

一般的に、カーボン、ダストなどの粒子が、上流から飛来するときは、互いに粒子が衝突しあうことで、電荷移動が発生し帯電することが知られている。そこで、汚損物が流量検出部４０１に付着、衝突しないようにすることが必要である。

図２２に板状部材３０の一部を導電性材料３３、図２３に板状部材３１の一部を金属材料３４とした構成を示す。本構成を用いると、流量検出部４０１と正対する側にある導電性材料３３、金属材料３４に帯電した汚損物がクーロン力で引っ張られる。これらの材料と汚損物が接触すると除電され、下流側に汚損物が流れる。これらにより、耐汚損性を改善した熱式流量計を実現できる（長期間の高精度計測が可能となる）。

［実施例８］
本発明の第８の実施例について説明する。本実施例では、新たな効果として壁温影響を改善している。

熱式流量計１は吸入空気９の流量検出時に吸入空気温度も計測し、流量信号を計測温度で補正している。即ち、副通路内吸入空気１３を精度良く計測することが流量計測精度の向上につながる。

吸入空気温度の計測誤差要因の１つとして、小ボア径主管１９の内壁が流量検出部４０１の近傍にあると、吸入空気温度は内壁の温度(壁温)の影響を受けてしまい、本来とは異なる温度を検出してしまう。

今回の発明で考えられる壁温発生箇所は、副通路５を形成する板状部材３０、ハウジング部材１０となり、これらの影響を抑制する手段を考える必要がある。

図２４に、図１６の構成でハウジング部材１０端部と板状部材３０との間に空隙７が介在する構成を示す。図２５に、図２４の拡大図Fを示し、これを用いて壁温抑制メカニズムを説明する。

一般的に、主管３（小ボア径主管１９も含む）は熱式流量計１よりもサイズが大きく、熱容量が大きいため、板状部材３０とハウジング部材１０が流量検出部４０１を内在する副通路５を形成する場合、板状部材３０の熱は壁温熱伝導３７によりハウジング部材１０に伝わり、ハウジング部材１０もほぼ壁温で平衡する。その結果、壁温熱は板状部材熱伝達３５と、温度平衡後のハウジング部材熱伝達３６となる。

そこで、板状部材３０とハウジング部材１０の間に空隙７を介在させると、壁温熱伝導３７がなくなるため（空気を介した熱伝達となる）、ハウジング部材１０が壁温になりにくくなる。よって、壁温影響を改善し高精度な熱式流量計１を提供可能となる。

上記実施例を踏まえて、図２６に流量計測精度が高い小型な熱式流量計の実施形態を示す。

１…熱式流量計
２…主通路
３…主管
４…挿入穴
５…副通路
６…コネクタターミナル
７…空隙部
８…ベース部材
９…吸入空気
１０…ハウジング部材
１１…カバー部材
１２…温度センサ
１３…副通路内吸入空気
１４…コネクタ
１５…段差形状
１６…回路室
１７…水滴
１８…余剰高さ
１９…小ボア径主管
２０…コネクタ高さ
２１…フランジ高さ
２２…回路室空間
２３…副通路空間
２４…流量検出部近傍空気
２５…流速分布端速度V
２６…流速分布端速度U
２７…流速分布
２８…貫通孔
２９…摩擦力F
３０…板状部材１
３１…板状部材２
３２…X軸方向摩擦力
３３…導電性材料
３４…金属材料
３５…板状部材熱伝達
３６…ハウジング部材熱伝達
３７…壁温熱伝導
４００…回路パッケージ
４０１…流量検出部
４０２…ガイド溝
４０３…板状部

Claims (10)

1. 被計測流体が流れる小ボア径の主管と、
   前記主通路内に配置される回路パッケージと、を備え、
   前記回路パッケージは、流量検出部と、流れ方向に沿ったガイド溝を備え、該ガイド溝の底部に前記流量検出部が設けられており、
   前記主通路は、その内壁の一部に板状部材が形成され、
   前記板状部材は、流量検出部と正対するように設けられている熱式流量計。
2. 請求項１に記載の熱式流量計において、
   前記主通路は、その内壁の一部に、第二の板状部材が形成され、
   前記第二の板状部材は、前記回路パッケージの前記流量検出部とは逆側に位置するように設けられている熱式流量計。
3. 請求項１または請求項２に記載の熱式流量計において、
   前記回路パッケージをインサート固定し、フランジ、コネクタが形成されるハウジング部材を備え、前記ハウジング部材の端面が前記板状部材と副通路を形成することを特徴とする熱式流量計。
4. 請求項３に記載の熱式流量計において、
   前記主管は、その中心側に突出する段差部を備え、前記段差部を用いて副通路が形成されることを特徴とする熱式流量計。
5. 請求項４に記載の熱式流量計において、
   前記板状部材の主通路内壁と正対する面の主管開口側端部が、R形状、面取り形状といった主通路の流路方向に角度を成す形状をしている特徴とする熱式流量計。
6. 請求項４乃至請求項５に記載の熱式流量計において、
   前記段差形状に貫通孔を有ることを特徴とする熱式流量計。
7. 請求項１乃至請求項６に記載の熱式流量計において、
   前記板状部材の一部または全てが導電性材料により形成されることを特徴とする熱式流量計。
8. 請求項１乃至請求項６に記載の熱式流量計において、
   前記板状部材は一部または全てが金属材料により形成されたことを特徴とする熱式流量計。
9. 請求項３乃至請求項８に記載の熱式流量計において、
   前記板状部材とハウジング端面に空隙を有することを特徴とする熱式流量計。
10. 請求項１乃至９に記載の熱式流量計において、
    前記板状部材の流路方向長さは前記流量検出部の中心から７mm以上の距離を有することを特徴とする熱式流量計。

Images