JP4811695B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱式流量センサを用いた流量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば自動車用エンジンが吸入する空気流量を測定する流量測定装置に熱式流量センサを用いることが知られている。流量測定装置は、熱式流量センサの発熱抵抗体が加熱する部分から空気流れが奪う熱量の変化または加熱された部分の近傍の温度変化を検出し、空気流量を検出する。
【０００３】
熱式流量センサの熱容量は小さく、空気流れに乱れがあると測定誤差を生じやすい。そこで、米国特許５６３１４１７号明細書に記載されている流量測定装置では、熱式流量センサを設置する流路を滑らかな内壁で絞り、熱式流量センサに向かう空気流れの乱れを低減しようとしている。また、特開平１０−２９３０５２号公報に開示されている流量測定装置では、流体流路に検出管を設置し、熱式流量センサを組み込んだ支持部を検出管内に設置している。空気流れ方向の端部から熱式流量センサの組み込み位置に向かう支持部の幅を徐々に広くすることにより、熱式流量センサに向かう空気流れの乱れを低減しようとしている。
【０００４】
一般に熱式流量センサは、流量と、発熱抵抗体が加熱する部分から空気流れが奪う熱、または加熱された部分の近傍の温度との特性が線形ではなく、かつ流量変化に対し発熱抵抗体が加熱する部分から空気流れが奪う熱量の変化、または加熱された部分の近傍の温度変化に応答遅れがある。したがって、例えばエンジンの高負荷運転等により空気流れに脈動が生じると、測定流量平均値が実際の空気流量平均値から小さい方にずれることがある。ただし、自動車用エンジンの吸気装置としてエアクリーナ等に熱式流量センサを取り付けた場合、空気流れに脈動が生じた場合の測定流量平均値のずれ量は、流路形状、流量測定装置の設置位置等により変化し、実際の空気流量平均値より大きい方または小さい方にずれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような測定流量平均値のずれを補正するため、流体流路である空気流路にバイパス流路を設け、バイパス流路に設置した熱式流量センサによりバイパス流路を流れる空気流量を測定し、バイパス流路を流れる空気流量から空気流路を流れる空気流量を測定する流量測定装置が知られている。
【０００６】
バイパス流路を設けることにより、（バイパス流路長／流体流路長）で表される流路長の比、または（流体流路損失／バイパス流路損失）で表される流路損失比を大きくしたり小さくしたりして、空気が脈動しているときの測定流量平均値のずれを補正することができる。
【０００７】
しかしながら、流路長の比または流路損失比を変えるということは、バイパス流路長またはバイパス流路の流路面積を変えることである。流路形状、流量測定装置の設置位置等に合わせて測定流量を補正するためにバイパス流路長またはバイパス流路の流路面積を変えると、流量測定装置の大きさまたは形状が変わる。すると、流路形状、流量測定装置の設置位置等が異なる装置毎に変更箇所が多くなり、部品種類が増加する。したがって、流量測定装置の製造が煩雑になり、製造コストが上昇する。
【０００８】
また、前述した米国特許５６３１４１７号明細書に記載されている流量測定装置では、熱式流量センサを設置する流路を絞っているので、流路抵抗が増加する。したがって、空気流れに脈動が発生すると、測定流量平均値が実際の流量平均値よりも小さくなる傾向がある。また、特開平１０−２９３０５２号公報に開示されている流量測定装置では、熱式流量センサを組み込んだ支持部を検出管内に設置しているので、流路抵抗が増加する。したがって、空気流れに脈動が発生すると、測定流量平均値が実際の流量平均値よりも小さくなる傾向がある。
本発明の目的は、流体流れに脈動が生じたときも装置全体の大きさおよび形状を変えず、高精度に流体流量を測定する流量測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の流量測定装置によると、仕切部材の仕切壁が仕切って形成した二つの支流路の一方または両方の流路内壁に流路抵抗差発生部材を設けることにより、仕切壁が仕切って形成した二つの支流路の流路損失は異なっている。支流路の長さまたは流路面積を変えず、支流路の流路内壁に設ける流路抵抗差発生部材の大きさまたは形状を変更することにより仕切壁が仕切って形成している二つの支流路の流路損失比を変更し、空気流れに脈動が生じたときの測定流量平均値を大きくなる方、または小さくなる方のいずれかに補正できる。装置全体の大きさおよび形状を変えることなく、脈動が発生しても実際の流量を高精度に測定できるので、部品種類が減少し、流量測定装置の製造が容易になる。
ここで特に本発明の請求項１記載の流量測定装置では、熱式流量センサが設置されている側の支流路よりも熱式流量センサが設置されていない側の支流路の損失を大きくしているので、空気流れに脈動が生じたときの測定流量平均値を大きくなる方に補正する。測定流量平均値のずれが実際の流量平均値よりも小さくなるときに、流量測定装置全体の大きさおよび形状を変えず、空気流れに脈動が生じたときの測定流量平均値を大きくし実際の流量平均値に近づけることができる。
【００１０】
本発明の請求項２または３記載の流量測定装置によると、仕切壁が仕切って形成している二つの支流路は、一方または両方の流路内壁に形成した流路抵抗差発生部材により流路損失が異なっている。バイパス流路において、仕切壁が仕切って形成している二つの支流路の流路損失が異なるということは、流体流路損失とバイパス流路損失とが異なることに対応する。ここで、熱式流量センサが設置されている側の支流路がバイパス流路に対応する。脈動が生じると、流路形状、流量測定装置の設置位置等により、測定流量平均値は実際の流量平均値よりも小さくなる方、または大きくなる方にずれる。バイパス流路の長さまたは流路面積を変えず、支流路の流路内壁に形成する流路抵抗差発生部材の大きさまたは形状を変更することにより仕切壁が仕切って形成している二つの支流路の流路損失比を変更し測定流量平均値を大きくなる方、または小さくなる方のいずれかに補正できる。
【００１１】
本発明の請求項４記載の流量測定装置によると、バイパス流路が流体流路を流れる流体流れと直交する方向に延びる逆Ｕ字状に形成されているため、流体流路長に該当する流体流路の流体流れ方向に占めるバイパス流路の幅に対しバイパス流路が長くなる。（バイパス流路長／流体流路長）で表される流路長さの比が大きくなり、脈動が生じたときに測定流量を大きくなる方に補正する補正量が増加する。
【００１３】
本発明の請求項５または６記載の流量測定装置によると、流路抵抗差発生部材は流路内壁と別部材であるから、流路内壁に流路抵抗差発生部材を設ける位置の選択自由度が高い。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の流量測定装置をエンジンの空気流量測定装置として用いた第１実施例を図１に示す。
図１に示すように、空気流量測定装置１は、吸気管１０およびセンサ部２０を有している。流路部材としての吸気管１０は流体流路である空気流路１１を形成している。センサ部２０は、回路モジュール２１、バイパス流路部材３０および熱式流量センサ４０を有する。仕切部材としてのバイパス流路部材３０は吸気管１０に設けた取付孔１０ａに挿入され、空気流路１１内に配設されている。
【００１５】
回路モジュール２１の制御回路は、バイパス流路部材３０内に設置されている熱式流量センサ４０と電気的に接続している。制御回路は、空気流量に応じて出力される熱式流量センサ４０の信号を空気流量に応じた流量信号に変換し、変換した信号をワイヤハーネスを介し図示しないエンジン制御装置（ＥＣＵ）に送信する。
【００１６】
バイパス流路部材３０は、外管３１、隔壁３２および仕切壁３３を有している。隔壁３２は外管３１の底部から回路モジュール２１に向かって延びている。空気流路１１の支流路としてのバイパス流路３４は、外管３１の内壁および隔壁３２で画成され、空気流路１１の空気流れと直交する逆Ｕ字状に形成されている。バイパス流路３４の流入口３４ａおよび流出口３４ｂは空気流路１１に位置している。流入口３４ａは空気流路の上流側、流出口３４ｂは空気流路１１の下流側に向け開口している。
バイパス流路３４は、流入口３４ａから流入した空気が空気流路１１の一方の径方向に流れる上流流路３５と、上流流路３５の下流側に上流流路３５と平行に設けられ上流流路３５と反対の径方向に空気が流れる下流流路３６とを有している。
【００１７】
図２に示すように、仕切壁３３は、空気流路１１の空気流れおよび上流流路３５の空気流れに沿って延び、流路内壁である外管３１の内壁と隔壁３２とに反対側に位置する二辺を支持されている。仕切壁３３は上流流路３５を二つの支流路３５ａ、３５ｂに仕切っている。仕切壁３３の支流路３５ａ側に熱式流量センサ４０が取り付けられている。
【００１８】
熱式流量センサ４０が面していない支流路３５ｂを形成する外管３１の内壁に、凸曲面を有し仕切壁３３に向けて突出した流路抵抗差発生部材である凸状部材としての凸部５０が形成されている。熱式流量センサ４０が面していない支流路３５ｂの最小流路面積Ｓ２は、熱式流量センサ４０が面している支流路３５ａの最小流路面積Ｓ１より小さい。つまり、支流路３５ｂの流路損失は支流路３５ａの流路損失よりも大きい。
【００１９】
図３に示す熱式流量センサ４０の半導体基板４１はシリコン等で形成されている。吸気温度検出抵抗体４２、４３、流量検出抵抗体４４、発熱抵抗体４５は吸気流れの順方向に対し、上流側からこの順で絶縁膜４６上に形成されている。吸気温度検出抵抗体４２は吸気温を検出する抵抗体であり、発熱抵抗体４５の熱が温度検出に影響を及ぼさないように発熱抵抗体４５から十分離れた位置に配設されている。吸気温度検出抵抗体４３は、流量検出抵抗体４４が検出する温度に含まれる吸気温および吸気流量の情報から吸気温の情報を取り除くために設けたものである。流量検出抵抗体４４は、吸気流れの順方向に対し発熱抵抗体４５の上流側に配設されている。発熱抵抗体４５は吸気温度検出抵抗体４２より一定温度高い基準温度に制御されている。流量検出抵抗体４４および発熱抵抗体４５と対応する半導体基板４１の位置に空洞４１ａが形成されており、空洞４１ａを含む半導体基板４１上を絶縁膜４６が覆っている。
【００２０】
流量検出抵抗体４４は吸気流れの順方向において発熱抵抗体４５の吸気流れ上流部近傍に配置されているので、流量検出抵抗体４４の検出温度は吸気流れが順方向のとき発熱抵抗体４５の基準温度よりも低くなり、逆方向のとき発熱抵抗体４５の基準温度よりも高くなる。熱式流量センサ４０は、回路モジュール２１から供給される電流により発熱抵抗体４５が加熱する流量検出抵抗体４４の温度変化を回路モジュール２１の制御回路により検出し、空気流量および空気流れ方向を検出する。
【００２１】
次に、空気流量測定装置１の作動について説明する。
熱式流量センサ４０において、流量と、発熱抵抗体４５が加熱する流量検出抵抗体４４から空気流れが奪う熱、または加熱された流量検出抵抗体４４近傍の温度との特性が線形ではなく、かつ流量変化に対し発熱抵抗体４５が加熱する流量検出抵抗体４４から空気流れが奪う熱量に応答遅れがある。このような熱式流量センサ４０の特性と、流路形状およびセンサ部２０の設置位置等により、本実施例では、空気流路１１の空気流れに脈動が生じると測定流量平均値が実際の流量平均値よりも小さい方にずれる。
【００２２】
バイパス流路３５の流入口３４ａから流出口３４ｂに至る流路長は、流体流路長に該当する空気流路１１の空気流れ方向に占めるバイパス流路３５の幅よりも長いので、（バイパス流路長／流体流路長）で表される流路長比は大きくなっている。したがって、空気流れに脈動が生じるときの測定流量平均値は大きくなる方に補正される。第１実施例では、バイパス流路３５の補正だけでは脈動が生じるときに測定流量平均値を大きくする補正量が不足する。
【００２３】
ここで、（流体流路損失／バイパス流路損失）で表される流路損失比を大きくすると、測定流量平均値は大きくなる方に補正される。熱式流量センサ４０が設置されていない支流路３５ｂは流体流路に該当し、熱式流量センサ４０が設置されている支流路３５ａはバイパス流路に該当する。前述したように、支流路３５ｂの最小流路面積Ｓ２は支流路３５ａの最小流路面積Ｓ１よりも小さく、（支流路３５ｂの損失／支流路３５ａの損失）が大きくなっているので、空気流れに脈動が生じるときの測定流量平均値を大きくなる方に補正できる。このように、支流路３５ａ、３５ｂの損失を調整することにより、空気流れに脈動が生じても測定流量平均値を実際の流量平均値に近づけることができるとともに、高精度に測定できる。
【００２４】
（第２実施例、第３実施例、第４実施例）
本発明の第２実施例、第３実施例、第４実施例をそれぞれ図４、図５、図６に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付す。
第２実施例では、支流路３５ｂに加え、支流路３５ａを形成している外管３１の内壁に流路抵抗差発生部材である凸状部材としての凸部５１を形成している。凸部５１は凸部５０よりも小さく、支流路３５ａの最小流路面積Ｓ１は支流路３５ｂの最小流路面積Ｓ２よりも大きい。凸部５０、５１の大きさや形状を変えることにより、支流路３５ａに対する支流路３５ｂの損失比を調整し、空気流れに脈動が生じるときの測定流量平均値を大きくなる方に補正できる。
【００２５】
第３実施例では、支流路３５ｂを形成している外管３１の内壁に形成する流路抵抗差発生部材である凸状部材としての凸部５２の形状を変えている。凸部５２の形状が変わってもＳ１＞Ｓ２であるから、空気流れに脈動が生じるときの測定流量平均値を大きくなる方に補正できる。
第４実施例では、第２実施例の凸部５０および第３実施例の凸部５２に変え、仕切壁３３の支流路３５ｂに面する側に流路抵抗差発生部材である凸状部材としての凸部５３を形成しＳ１＞Ｓ２を実現している。
【００２６】
（参考例）
図７に示す参考例は、第１実施例から第４実施例と異なり、空気流れに脈動が生じるときの測定流量平均値を小さくなる方に補正している。
第１実施例から第４実施例と同じ流路長および流路面積のバイパス流路３４では、脈動が生じたときに、測定流量平均値が大きくなる方に補正され過ぎることがある。また、流路形状およびセンサ部の設置位置等により、脈動が生じたときに、測定流量平均値が実際の流量平均値よりも大きい方にずれることがある。本参考例では、熱式流量センサ４０が面する支流路３５ａに形成されている流路抵抗差発生部材である凸状部材としての凸部５４を、熱式流量センサ４０が面していない支流路３５ｂに形成されている流路抵抗差発生部材である凸状部材としての凸部５５よりも大きくし、支流路３５ａの最小流路面積Ｓ１は支流路３５ｂの最小流路面積Ｓ２よりも小さくなっている。支流路３５ａの損失は支流路３５ｂの損失よりも大きいので、空気流れに脈動が生じるときの測定流量平均値は小さくなる方に補正される。
【００２７】
（第５実施例）
本発明の第５実施例を図８に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
上流流路３５は、第１の仕切壁５６および第２の仕切壁５７により支流路３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに仕切られている。第１の仕切壁５６の上流端は第２の仕切壁５７の上流端よりも上流側に位置している。上流側からみて、まず第１の仕切壁５６が上流流路３５を支流路３５ａと支流路３５ｂとに仕切り、第１の仕切壁５６が仕切って形成した支流路の一方である支流路３５ａを第２の仕切壁５７が支流路３５ｃと支流路３５ｄとに仕切っている。各仕切壁が仕切って形成する二つの支流路のうち熱式流量センサ４０が設置されていない側の支流路３５ｂ、３５ｄの流路内壁に流路抵抗差発生部材である凸状部材としての凸部５８、５９をそれぞれ形成している。これにより、支流路３５ｂの流路損失は支流路３５ａよりも大きく、支流路３５ｄの流路損失は支流路３５ｃよりも大きくなっている。
脈動が発生したときの測定流量平均値の補正を二段階で行っているので、一段階で行う場合に比べ補正量を大きくすることができる。
【００２８】
以上説明した第２実施例から第５実施例では、熱式流量センサ４０が面する支流路３５ａに形成された凸部が凸曲面を有し、支流路３５ａの上流側から熱式流量センサ４０の位置する下流側に向け支流路３５ａが滑らかに絞られている。したがって、支流路３５ａの上流側から熱式流量センサ４０の位置する下流側に向かう空気流れに乱れが生じていても、熱式流量センサ４０に向かうにしたがい整流される。したがって、一定流量に対し熱式流量センサ４０が出力する検出信号がほぼ一定値に安定する。
【００２９】
（第６実施例）
本発明の第６実施例を図９に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付す。
第６実施例では、熱式流量センサ４０を組み付け、バイパス流路３４の上流流路３５を仕切る仕切壁６０の一辺を外管３１が支持している。
【００３０】
以上説明した本発明の上記複数の実施例では、仕切壁で仕切って形成した二つの支流路の一方または両方の流路内壁に流路抵抗差発生部材である凸状部材としての凸部を形成し、熱式流量センサの設置されている側の支流路の流路損失と、熱式流量センサの設置されていない側の支流路の流路損失を調整している。これにより、空気流路１１に脈動が発生したときの測定流量平均値を大きくなる方または小さくなる方に補正し、高精度に空気流量を測定できる。また、バイパス流路の形状、流路長および流路面積を変更せず、流路内壁に形成した凸部で支流路の流路損失を調整することにより、脈動が発生するときの測定流量平均値を補正できる。したがって、流体流路の形状またはセンサ部の設置場所により脈動が発生したときに実際の流量に対し測定流量が大きい方または小さい方のいずれにずれても、またずれ量が変化しても、センサ部全体の形状および大きさを変える必要がない。測定流量平均値の補正量が異なっていても、流量測定装置を構成する部品の変更箇所が少なくなり共通化できるので、製造が容易になり製造コストが低下する。
【００３１】
上記複数の実施例では、流体の流れ方向に対して対称形または非対称形の滑らかな凸部で流路抵抗差発生部材である凸状部材を実現したが、支流路の流路損失を大きくするのであれば、どのような形状の凸部を形成してもよい。また上記複数の実施例では、流路内壁と一体に流路抵抗差発生部材である凸状部材としての凸部を形成したが、流路内壁と別体に別部材で形成してもよい。例えば金属製の突部を流路内壁に設置してもよい。
【００３２】
上記複数の実施例では、仕切部材としてのバイパス流路部材により流体流路である空気流路１１に空気流路１１の支流路であるバイパス流路を形成し、仕切壁によりバイパス流路にさらに支流路に形成した。これに対し、空気流路にバイパス流路を設けず、空気流路を仕切部材としての仕切壁で複数の支流路に仕切ってもよい。
本発明は、エンジンの空気流量を測定する装置に限定されず、種々の流路を流れる流体流量を測定する装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）は本発明の第１実施例による流量測定装置を示す部分横断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】 第１実施例の熱式流量センサの周囲を示す模式的断面図である。
【図３】 （Ａ）は第１実施例の熱式流量センサの周囲を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】 第２実施例の熱式流量センサの周囲を示す模式的断面図である。
【図５】 第３実施例の熱式流量センサの周囲を示す模式的断面図である。
【図６】 第４実施例の熱式流量センサの周囲を示す模式的断面図である。
【図７】 参考例の熱式流量センサの周囲を示す模式的断面図である。
【図８】 第５実施例の熱式流量センサの周囲を示す模式的断面図である。
【図９】 第６実施例による流量測定装置を示す部分縦断面図である。
【符号の説明】
１ 空気流量測定装置
１０ 吸気管（流路部材）
１１ 空気流路（流体流路）
２０ センサ部
２１ 回路モジュール
３０ バイパス流路部材（仕切部材）
３３、５６、５７、６０ 仕切壁（仕切部材）
３４ バイパス流路（支流路）
３４ａ 流入口
３４ｂ 流出口
３５ 上流流路（バイパス流路）
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ 支流路
３６ 下流流路（バイパス流路）
４０ 熱式流量センサ
５０、５１、５２、５３、５４、５５、５８、５９ 凸部（流路抵抗差発生部材、凸状部材）

Claims (6)

1. 流体流路を流れる流体流量を測定する流量測定装置であって、
   前記流体流路を形成している流路部材と、
   前記流体流路をバイパス流路に仕切る少なくとも一つの仕切部材と、
   当該仕切部材に設けられ、前記バイパス流路を二つの支流路に仕切る仕切壁と、
   前記支流路の一つに設置されている熱式流量センサと、
   前記仕切壁が仕切って形成した二つの支流路の一方または両方の流路内壁に設けられ、前記支流路を流れる流体の抵抗となる流路抵抗差発生部材とを備え、
   当該流路抵抗差発生部材は、前記仕切壁が仕切って形成している二つの支流路のうち、前記熱式流量センサが設置されている側の支流路よりも前記熱式流量センサが設置されていない側の支流路の損失を大きくするように設けられていることを特徴とする流量測定装置。
2. 前記仕切壁は一辺で前記流路内壁に支持されていることを特徴とする請求項１記載の流量測定装置。
3. 前記仕切壁は反対側に位置する二辺で前記流路内壁に支持されていることを特徴とする請求項１記載の流量測定装置。
4. 前記バイパス流路は前記流体流路の流体流れと直交する逆Ｕ字状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の流量測定装置。
5. 前記流路抵抗差発生部材は、前記流路内壁と別部材であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の流量測定装置。
6. 前記流路抵抗差発生部材は金属製であることを特徴とする請求項５記載の流量測定装置。

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