JP4686455B2 - 導管を流れる媒体の少なくとも１つのパラメータを検出するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の、導管を流れる媒体の少なくとも１つのパラメータを検出するための装置に関する。

このような形式の装置は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３５１４２号明細書により公知であって、導管を通って内燃機関に供給される空気質量流量を検出するために、例えば内燃機関の吸気管に挿入されている。センサ装置の、バイパス部分が設けられた区分は、差し込み開口から導管部分へと挿入されている。バイパス部分は挿入領域を備えた通路構造体を有しており、この挿入領域から、測定エレメントが設けられた測定通路が分岐している。入口領域はさらに、バイパス部分の少なくとも１つの側壁で導管貫通路に開口する少なくとも１つの排出開口を有した排出区域を有している。排出区域は液体粒子及び／又は固体粒子を通路構造体から排出するために働く。これにより、これらの粒子が、測定エレメントが設けられた測定通路へと侵入し、測定エレメントを汚染するのを防止している。

この公知の装置では、導管に導入されたバイパス部分の側壁と、主流方向に面した前面とによって形成されるエッジが、流入エッジを形成している。このエッジでは区域的に剥離された流れが生じる。剥離された流れは、一方では大きな圧力損失を、他方では流れの意図しない脈動を生ぜしめ、結果的に圧力の変動が、排出開口から、流入領域から分岐した測定通路へと伝えられる恐れがある。測定通路における圧力の変動により、測定エレメントからの出力信号には著しく誤差が生じる。

発明の利点
これに対し、請求項１に記載の特徴を有する、本発明の導管内を流れる媒体の少なくとも１つのパラメータを検出するための装置は、バイパス部分の側壁で区域的に剥離される流れが著しく小さくなるという利点を有している。これは主流方向で見て流れがより迅速に、排出開口が設けられた側壁に再び当接し、これにより排出開口が設けられた側壁の領域における圧力損失が減じられ、不都合な流れの脈動を回避できるからからである。主流方向で見て排出開口の後方に配置された流れ案内壁は、製造の際の手間がごく僅かにしかかからず、例えば導管部分と共に１つの射出成形部品として安価に製造することができる。

本発明の有利な構成および別の構成は、従属請求項の特徴により得られる。

即ち有利な実施例では、唯１つの流れ案内壁が設けられていて、該流れ案内壁が導管部分の中心軸線に関して、排出開口が設けられた側壁と同じ側に配置されている。これにより、排出開口の後方に非対称的な構成が生じる。これは流れ剥離の完全な回避は、排出開口が設けられている側ではないバイパス部分の側における流れ剥離の場所的な規定よりも実現が困難であるという考えに基づいている。

流れ案内壁は主流方向で見て、バイパス部分の後壁の直後に配置することができ、空力学的に良好な輪郭を有している。

導管部分の中心軸線に対する流れ案内壁の間隔と、前記中心軸線に対する、バイパス部分の排出開口が設けられたバイパス部分の側壁の間隔との差が１０ｍｍ、有利には５ｍｍよりも小さく、ただし０よりも大きいと特に有利である。これにより、流れ案内壁は中心軸線に関して側壁よりも側方にずらされていて、側壁と流れ案内壁との間にギャップが生じる。バイパス部分の背壁の後方には剥離された流れが死水域を形成する。死水域に形成された、バイパス部分の側壁の領域における圧力に対する負圧により、流れは、排出開口が設けられた側壁における剥離区域から前記ギャップを通って、バイパス部分の背壁の後方の死水域へと吸い込まれ、これにより排出開口が設けられた側壁に沿った剥離区域は有利にはさらに縮小される。

流れ案内壁が、導管部分内に、主流方向で見てバイパス部分の手前に配置された流れ誘導部分と組み合わされており、該流れ誘導部分は主流方向に面した少なくとも１つの誘導面を有しており、該誘導面は、バイパス部分から間隔を置いて位置している頂点を通る線を起点として、両側壁の両側で、誘導面の頂点を通る線とは反対側の端部が側壁と整合するように均一に後方に湾曲されていると有利である。付加的に、主流方向で見て、排出開口が設けられた側壁の少なくとも手前で、バイパス部分の誘導面に、または少なくとも該誘導面のごく近傍に、乱流を生ぜしめる構造体が設けられており、該構造体が、バイパス部分の側壁に沿った流れの境界層で乱流を生ぜしめる。バイパス部分の後方の流れ案内壁と、バイパス部分の前方の流れ誘導部分とを組み合わせることにより、バイパス部分の排出開口が設けられた側壁における流れ剥離はほぼ回避される。

導管部分の内径が大きい場合、流れ速度が低いことと（主流方向での流れ案内壁の長手方向の延びに関する極めて小さなレイノルズ数）、センサ装置の場所における流れの速度が低いことに基づき、流れ案内壁の外面における不都合な流れ剥離が生じ、これは再び脈動を引き起こす恐れがある。このことを回避するために、流れ案内壁は少なくともその１つの外面に、乱流を生ぜしめる構造体を有しており、乱流を生ぜしめる構造体が、１つの線に沿って有利には周期的に配置された、流れ案内壁の外面から突出する一列の突起によって形成されており、特に櫛形または鋸歯状または刻み目状のパターンを形成している。突起により流れ境界層に乱流が生じ、これにより緩慢な流れ部分と迅速な流れ部分との間で著しく衝撃交換が行われる。生ぜしめられた乱流は、流れ案内壁からの剥離に反作用し、これにより流れ案内壁における不都合な剥離区域は回避される。

実施例の説明
図１には導管部分３が示されている。この導管部分３は、導管貫通路１２を取り囲むほぼ円筒スリーブ状の壁１５を有しており、導管貫通路１２内では媒体が主流方向で流れる。主流方向は図１では矢印１８で示されており、ここでは左から右に流れるものである。主流方向とは、局所的な渦流形成、局所的に存在する流れの剥離区域が主流方向からの局所的な流れの逸れを有していたり、一時的な方向の変化が生じることはあるにせよ、媒体が導管部分３の入口から出口まで主軸線に沿って導管貫通路１２を貫流する方向として規定されている。主流方向はこの場合、導管部分３の円筒スリーブ状の壁１５の中心軸線４１に対して平行に延びている。この導管部分３は例えば内燃機関の吸気管に挿入することができる。媒体は例えば内燃機関へと流れる空気である。

センサ装置１は、センサ装置１の通路構造体が設けられたバイパス部分６が導管貫通路１２内に指状に突入し、ここで所定の方向性を持った流れ媒体にさらされるように導管部分３に配置されている。バイパス部分６を導管３に組み込む際には、バイパス部分６が、媒体の主流方向１８に関して所定の方向性を有していることが保証されている。センサ装置１はさらに１つの電気的な接続部１１と、この接続部１１に接続された支持部分８のための受容部とを有している。支持部分８には例えば評価電子機器が配置されている。センサ装置１のバイパス部分６は、フランジ３１によって取り囲まれた、導管部分３の壁１５に設けられた差し込み開口から導管貫通路１２内に導入することができる。評価電子機器を備えた支持部分８は導管貫通路１２の内側及び／又は外側に配置されている。

センサ装置１は、測定通路４０内の測定エレメント支持体に配置された測定エレメント９を有している。測定エレメント９は例えば、１つの熱抵抗、温度に依存する２つの抵抗を有した１つのセンサダイヤフラムを備えた薄膜エレメントであって、その測定データは評価電子機器によって評価することができる。測定エレメント９によって例えば、流れ媒体の体積流量または質量流量のパラメータとして、特に空気質量流量が検出される。検出することができる他のパラメータは例えば、温度、媒体成分の濃度、流れ速度であって、これらのパラメータは適当なセンサエレメントによって検出することができる。

バイパス部分６は例えば方形状の構造を備えたケーシングを有している。このケーシングは、組み付け位置で、媒体の主流方向１８に面した前壁１３と、これと反対側の後壁１４と、第１の側壁１７とこれに平行な第２の側壁１６と、例えば主流方向に平行に延び、導管に導入された端部に配置された第３の壁１９とを有している。さらにバイパス部分６はその内部に、入口領域２７と、この入口領域２７から分岐した測定通路４０とを備えた通路構造を有している。主流方向１８で流れる媒体の部分流は、バイパス部分６の端面１３の開口２１から通路構造の入口領域２７に到る。この入口領域２７から、媒体は部分的に、測定エレメント９が設けられた測定通路４０へと到り、部分的に、測定通路４０への分岐個所の後方に位置する排出区域２８へとさらに流れる。この排出区域２８は、第１の側壁１６及び／又は第２の側壁１７に配置された少なくとも１つの排出開口３３を介して導管貫通路１２へと開口している。排出開口３３は図１に示した実施例では、主流方向１８に対して平行に配置されている。入口領域２７に流入する媒体の第１の部分流は完全に測定通路４０へと流れ、壁１９に設けられた出口３９を通って測定通路４０から出る。第２の部分流は完全に、排出開口３３を通って導管部分３へと戻される。流れ媒体中には例えば、オイル粒子または水粒子のような液体粒子及び／又は固体粒子が存在しており、これらは測定エレメント９を汚染したり損傷する恐れがある。排出開口３３と入口領域２７における通路構造のジオメトリックな構成により、液体粒子または固体粒子は測定通路に到らず、導管貫通路１２に再び戻される。

図１〜図３に示したように、導管部分３内には主流方向１８で見て有利にはバイパス部分６の背壁１４の直後またはほぼ直後（極めて小さい間隔をおいて）に、排出開口３３が設けられたバイパス部分６の側壁１６にほぼ平行に延びる流れ案内壁４が配置されている。図２の流れ案内壁４は、バイパス部分６の背壁１４の後方に初めて設けられるのではなく、排出開口３３の後方に配置することもできる。流れ案内壁４の輪郭は種々様々に形成することができる。有利には図２に示したような空力学的に良好な輪郭である。この関係で述べるならば、側壁１６に対してほぼ平行な流れ案内壁４は必ずしも２つの扁平な外面２を有している必要はない。外面の輪郭は図２に示したように軽く湾曲していても良い。しかしながら図示したように、流れ案内壁４の中心線４６は側壁１６に対して平行に延びていて、導管部分３の中心軸線４１から間隔ｃを有している。流れ案内壁４の中心軸線４４は側壁に対して±１５°よりも小さい角度をなして延びていても良い。従って、側壁１６に対して少なくともほぼ平行に延びる流れ案内壁４とは、本願の意味では、図２の断面図で見て、側壁１６に対して、ひいては主流方向１８が側壁１６に対して平行であるので主流方向１８に対しても、平行か１５°よりも小さな角度をなして延びる中心線を有する流れ案内壁であると解される。主流方向１８で見て流れ案内壁４の長手方向の延びｂは、後壁１４からの排出開口３３の間隔ａと同じであるか、それよりも大きい。例えば間隔ａ＝１０ｍｍであって、長手方向の延びｂは２０〜５０ｍｍである。長手方向の延びｂが大きいほど良い。しかしながら、流れ案内壁４の長手方向の延びｂは導管部分３の長さによって制限されている。

図２にさらに示したように、導管部分３の中心軸線４１に対する流れ案内壁４の中心線４６の間隔ｃはこの実施例では、前記中心軸線４１に対するバイパス部分６の排出開口３３が設けられた側壁１６の間隔ｄよりも大きい。これによりギャップ４２が生じ、このギャップ４２を通って媒体流４３はバイパス部分６の後方の死水域４４に到る。中心軸線４１と流れ案内壁４との間隔ｃと、中心軸線４１と排出開口３３が設けられた側壁１６との間隔ｄとの差は有利には１０ｍｍよりも小さく、有利には５ｍｍよりも小さく１ｍｍよりも大きく形成されている。しかしながら差ｃ−ｄは０であっても良い。この実施例は図４、図５、図６に示されている。これらの図では流れ案内壁４は、排出開口３３が設けられた側壁１６と共通の平面に配置されている。この場合、側壁１６と流れ案内壁４との間にギャップは存在しない。しかしながら、ギャップを有した流れ案内壁４の図２に示した配置が特に有利である。

図２に示したように、導管部分３の中心軸線４１に関して、排出開口３３が設けられた側壁１６と同じ側に配置されている唯１つの流れ案内壁４が設けられている。側壁１６，１７に沿って流れる空気は、背壁１４と側壁１７とによって形成される縁部で剥離される。これにより図２に示した死水域４４が生じる。側壁１６，１７の領域における圧力値に対して死水域４４が負圧であることにより、側壁１７に向かい合って位置する側壁１６に沿って一部の空気が、流れ案内壁４と背壁１４との間のギャップ４２を通って死水域４４へと吸い込まれる（符号４３）。これにより、排出開口３３が設けられた側壁１６に沿った剥離区域は有利には小さくなる。図４、図５、図６に示した実施例では、側壁１６に沿った剥離区域は、剥離された流れが流れ案内壁４へより早く再び当接することにより、図２で示した実施例ほどではないにしても少なくとも縮小される。

図１及び図２にさらに示したように、導管部分３には付加的に流れ誘導部分２を配置することができる。この流れ誘導部分２は主流方向１８で見てバイパス部分６の直前に配置されている。流れ誘導部分２は別個の構成部分として製造されているが、センサ装置１と一体に結合することもできる。流れ誘導部分２は主流方向１８に面した誘導面２０を有している。図２から最も良くわかるように、誘導面２０は、バイパス部分６から主流方向と逆に突出する頂点を通る線２５を起点として、両側壁１６，１７の両側で同様に湾曲されて、誘導面２０の、頂点を通る線２５とは反対側の端部３８が、側壁１６，１７と整合するように形成されている（端部３８は連続的に、縁部を形成することなしに側壁１６，１７に移行している）。ここに示した有利な実施例では、誘導面２０は楕円形に湾曲されている。流れ誘導部分２はさらに貫通開口２６を有しており、これは通路構造体の入口領域２７の開口２１に整合しているので、媒体流の部分流は主流方向１８で貫通開口２６と開口２１とを通って入口領域２７へと到る。

さらに図１及び図２に示されているように、乱流を生ぜしめる構造体２３を設けることができる。乱流を生ぜしめる構造体２３は、流れ誘導部分の均一に湾曲された誘導面に、または少なくともそのすぐ近くに、不連続なもの及び／又は扁平ではないもの（例えば小さい段、縁部、リブなど）を設けることによって形成することができ、これにより流れの境界層に乱流が生じる。図１に示した実施例では、このような構造体は、誘導面２０に挿入された複数のスリット２３によって形成されている。これらのスリットは、バイパス部分６の側壁１６，１７に対して垂直に、主流方向１８に対して平行に延びる平面に配置されている。誘導面２０に当接する媒体流は、部分的に誘導面２０に沿って側壁１６，１７へと変向して案内され、部分的にはスリット２３にも侵入し、主流方向１８に対して斜めにスリット２３から出る。これにより強力な長手方向の渦流が生じ、これは側壁１６，１７に沿って境界層流において乱流を生ぜしめ、これにより境界層はいずれにせよ乱流となり、剥離されない。

バイパス部分６の手前に配置された流れ誘導部分２と、バイパス部分６の後方に配置された流れ案内壁４との組み合わせにより、排出開口３３が設けられたバイパス部分６の側壁１６における剥離区域が特に確実に縮小される。

流れ案内壁４の外面における流れの剥離を回避するために、流れ案内壁４の互いに反対側の２つの外面に、乱流を生ぜしめる構造体を設けることができる。この構造体は例えば、有利には周期的に１つの線に沿って配置された、流れ案内壁４の外面４９から０．２〜２ｍｍ、有利には約１ｍｍ突出している一連の突出部によって形成される。図７及び図８及び図９に示したように、この構造体は例えば櫛形の、又は鋸歯状の、又は刻み目状のパターンを形成することができる。図８に示したように、構造体５０は有利には流れ案内壁４の前方部分に配置されている。特に、流れ案内壁４の主流方向１８に面した端部と構造体との間隔ｅは、流れ案内壁４の長手方向の延びｂの約５〜２５％である。流れ案内壁４を射出成型品として製造する場合、射出成形法において構造体を直接一緒に製造することができる。

本発明による装置の一実施例の縦断面図である。 図１の横断面図である。 図１の実施例の平面図である。 本発明の別の実施例のためのセンサ装置と流れ案内壁の横断面図である。 本発明のさらに別の実施例のためのセンサ装置と流れ案内壁の横断面図である。 本発明のさらに別の実施例のためのセンサ装置と流れ案内壁の横断面図である。 乱流を生ぜしめる構造体を備えた流れ案内壁の側方図である。 乱流を生ぜしめる構造体を備えた流れ案内壁の別の実施例を示す側方図である。 乱流を生ぜしめる構造体を備えた流れ案内壁のさらに別の実施例を示す側方図である。

Claims (10)

1. 導管内を主流方向（１８）で流れる媒体の少なくとも１つのパラメータを検出するための装置、特に内燃機関の吸気管内の空気質量体流量を検出するための装置であって、導管貫通路を形成する導管部分（３）が設けられており、該導管部分（３）は前記導管貫通路（１２）に沿って延びる中心軸線（４１）を有していて、バイパス部分（６）を備えたセンサ装置（１）が設けられており、前記バイパス部分（６）は前記導管部分（３）内に、導管部分内を流れる媒体の部分流が、バイパス部分に形成された通路構造体の入口領域（２７）に到るように配置されており、入口領域（２７）は排出開口（３３）を有しており、該排出開口（３３）は、前記中心軸線（４１）に平行に延びる、導管貫通路におけるバイパス部分（６）の２つの側壁（１６，１７）の少なくとも１つに開口しており、前記排出開口（３３）はバイパス部分の主流方向で見て下流側の背壁（１４）に対して間隔（ａ）を有している形式のものにおいて、
   導管部分（３）内に、主流方向（１８）で見て排出開口（３３）の後方に、バイパス部分（６）の、排出開口（３３）が設けられた側壁（１６）に対して少なくともほぼ平行に延びる流れ案内壁（４）が配置されており、該流れ案内壁（４）の長手方向の延び（ｂ）は主流方向（１８）で見て、背壁（１４）に対する排出開口（３３）の間隔（ａ）と同じかまたはそれより大きくて、導管部分（３）の中心軸線に対する前記流れ案内壁（４）の間隔（ｃ）は、排出開口が設けられたバイパス部分（６）の側壁（１６）と前記中心軸線（４１）との間の間隔（ｄ）よりも大きいかまたはそれと同じであることを特徴とする、導管内を流れる媒体の少なくとも１つのパラメータを検出するための装置。
2. 唯１つの流れ案内壁（４）が設けられていて、該流れ案内壁（４）が導管部分（３）の中心軸線（４１）に関して、排出開口（３３）が設けられた側壁（１６）と同じ側に配置されている、請求項１記載の装置。
3. 流れ案内壁（４）が主流方向（１８）で見て、バイパス部分（６）の背壁（１４）に直接に、または該背壁（１４）の後方すぐ近くに配置されている、請求項１又は２記載の装置。
4. 導管部分（３）の中心軸線に対する流れ案内壁（４）の間隔（ｃ）と、前記中心軸線に対する、バイパス部分（６）の排出開口（３３）が設けられたバイパス部分（６）の側壁（１６）の間隔（ｄ）との差が１０ｍｍ、有利には５ｍｍよりも小さい、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 流れ案内壁（４）が、流体力学的に良好な輪郭を有している、請求項１記載の装置。
6. 導管部分（３）内に、主流方向（１８）で見てバイパス部分（６）の手前に流れ誘導部分（２）が配置されており、該流れ誘導部分（２）は主流方向（１８）に面した少なくとも１つの誘導面（２０）を有しており、該誘導面は、バイパス部分（６）から間隔を置いて位置している頂点を通る線（２５）を起点として、両側壁（１６，１７）の両側で、誘導面（２０）の頂点を通る線とは反対側の端部（３８）が側壁（１６，１７）と整合するように均一に後方に湾曲されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 主流方向（１８）で見て、排出開口（２８）が設けられた側壁（１６）の少なくとも手前で、バイパス部分（６）の誘導面（２０）に、または少なくとも該誘導面（２０）のごく近傍に、乱流を生ぜしめる構造体（２３，３７）が設けられており、該構造体が、バイパス部分（６）の側壁（１６）に沿った流れの境界層で乱流を生ぜしめる、請求項６記載の装置。
8. 流れ案内壁（４）が少なくとも１つの外面（４９）、有利には２つの互いに反対側の外面を有しており、この外面に乱流を生ぜしめる構造体（５０）が配置されている、請求項１記載の装置。
9. 乱流を生ぜしめる構造体（５０）が、１つの線に沿って有利には周期的に配置された、流れ案内壁（４）の外面（４９）から突出する一列の突起によって形成されており、特に櫛形または鋸歯状または刻み目状のパターンを形成している、請求項８記載の装置。
10. 乱流を生ぜしめる構造体が、流れ案内壁（４）の、主流方向（１８）に面した端部から見て、流れ案内壁（４）の長手方向の延び（ｂ）の主流方向で最初の５〜２５％に配置されている、請求項８記載の装置。

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