JP5172313B2 - 流体流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流速を測定して、その流量を計測する流体流量計測装置に関する。

空気や、その他のガスの流量を計測するために各種の方法、装置が開発され、実用化されている。この流量計測装置には、流体の流れの中に流量または流速検出素子を直接配置しているものや、副通路を設けて流体の一部を分流させ、この分流部分を計測して流量計に求められる各種の要件を改善した副通路を設けたもの等がある。

副通路を設けた流量計は、計測精度、計測範囲、脈動流に対する安定性、逆流感度の調整、流量出力信号の安定性、検出部の堅牢さや取り扱いやすさなどの特性に優れているため、以前から広い分野で使用されている。

しかしながら、流体中に汚損物質が存在する場合、流量計の流量検出素子に汚損物質が堆積することがある。汚損物質が流量検出素子に堆積すると、検出素子と流体の熱交換や熱移動の特性が変化して、流量計としての特性変化が起こりやすい。

そこで、特許文献１、特許文献２に記載されているように、専用の加熱手段で検出素子を高温にして汚損物質を除去する方法が考えられている。また、特許文献３に記載されているように、検出素子の輻射熱を素子近傍の反射板で反射させる事により、素子に付着した汚損物質を除去する方法も知られている。

特開平１０−２８１８３８号公報 特開平１０−２８１８３９号公報 実開平３−０６３８２３号公報

ところで、流体流量計測装置に副通路を有する場合、この副通路にも汚損物質が付着する。汚損物質が副通路の内面に堆積した場合、検出素子と流体の熱交換や熱移動の特性が変化したり、副通路の断面形状や断面積が変化して流量計の特性が変化する。

しかしながら、従来の技術にあっては、検出素子への汚損物質の堆積を除去することは可能であるが、副通路への汚損物質の堆積については、何ら考慮されていない。このため、副通路に汚損物質が付着し堆積して、流体流量計測装置の流量計測精度が低下するという問題があった。

本発明の目的は、副通路部への汚損物質の堆積を防止して、高精度の流体流量計測が可能な流体流量計測装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

被計測流体が流れる主通路内に配置され、被計測流体が流入し流出する副通路と、副通路内の配置される被計測流体の流量を検出する検出素子とを有する流体流量計測装置において、上記副通路を形成する部材を加熱する副通路加熱手段を備える。

本発明によれば、副通路部への汚損物質の堆積を防止して、高精度の流体流量計測が可能な流体流量計測装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る流体流量検出装置の概略外観構成図であり、内燃機関への供給空気流量の計測装置に適用した場合の例である。

図１において、主通路２２にセンサプローブ２０が挿入されており、センサプローブ２０には副通路２６が形成され、この副通路２６の内部には検出素子５が配置されている。被測定流体（被測定ガス）が流れると、その多くは主通路２２をそのまま通過するが、センサプローブ２０に形成された副通路２６に形成された流体入口から被測定流体があり副通路２６内に流入する。そして、副通路２６内に流入した被測定流体は、検出素子５を通過して副通路２６に形成された流体出口から流出して、主通路２２へ合流する。

なお、副通路２６の形状は、被測定流体の特性によって様々な形状があり、図１に示した例と異なる形状であってもよい。

図２は、センサプローブ２０の断面図である。図２において、ホルダ１には、円筒状の挿入孔２が形成され、この挿入孔２に円柱ロッド３が挿入されている。円柱ロッド３は、挿入孔２を貫通してホルダ１の軸方向の両端面から露出しており、その両端には電極部４aと４ｂが形成されている。円柱ロッド３の材質は、絶縁体であり例えばアルミナ等のセラミックスが好適である。

図３は、円柱ロッド３と検出素子５のアッセンブリ状態を示す図である。図３において、電極部４a側には、ガス流量計測用の検出素子５が配置されており、検出素子５と電極部４aとが導通接続されている。また、電極部４aと４ｂは印刷形成された導体４ｃを介して接続されている。

図２において、挿入孔２の電極部４ｂ側には拡径部が形成されており、この拡径部に設けられたシール部により、挿入孔２と円柱ロッド３との隙間における気密が保たれている。具体的には、拡径部にセラミック粉（例えば未焼結のタルク等）６を充填し、これをスペーサ（例えばワッシャ等）７を用いて押し込むことで、隙間が埋められる。

また、ホルダ１の電極部４ｂ側には有底円筒状の端子保持用硝子８が固定されており、この端子保持用硝子８により円柱ロッド３の電極４ｂ側が被覆されている。さらに、その端子保持用硝子８の外周を所定の間隙をもって覆うように、筒状のケーシング９が設けられている。このケーシング９は、ホルダ１の外周に全周レーザ溶接等で固定されており、このレーザ溶接によってケーシング９とホルダ１との隙間における気密が確保されている。

また、ケーシング９の検出素子５とは反対側の端部には、円柱状のシールラバー１０が内装されており、このシールラバー１０を複数のリード線１１が貫通して外部に導出されている。このシールラバー１０は圧入によりケーシング９に固定されていると共に、このシールラバー１０によってシールラバー１０とリード線１１との間、ならびに、シールラバー１０とケーシング９との間の気密が確保されている。なお、シールラバー１０としては、例えばフッ素ゴム等、耐熱性の高い材質を用いるのが好適である。

各リード線１１の内側端部には、端子１２が接続されており、この端子１２が端子保持用硝子８により保持されている。各端子１２は、弾性体で構成され、その弾性力により、円柱ロッド３の表面に形成される電極４ｂに端子１２がより確実に接触し、この部分でより確実な導通が得られるようにしてある。したがって、電極４ｂは、端子１２を介してリード線１１に接続されている。

センシングプローブ２０は、ホルダ１のネジ部１ａ（図１に示す）を被測定ガスの流れる配管に設けられたネジ孔に螺入することにより配管に固定され、検出素子５が配管内に突出された状態で配置される。センシングプローブ２０と配管との間は、ガスケットによってシールされる。

上記構造において、副通路２６内を通過するガスと検出素子５間で発生した熱交換を計測すれば流速または流量を検出することが出来る。

ここで、副通路２６は主通路２２の一部しか被検出ガスが通過しないため、あらかじめ主通路２２と副通路２６を流れるガス流量比が既知である必要がある。このガス流量比を分流比（ｑ／Ｑ）と呼んでおり、図１０は、その説明図である。

ただし、ｑは、副通路２６の流体流量であり、Ｑは主通路２２の流体流量である。

次に、流体流量計測装置の流量計測原理について簡単に説明する。

図８は、熱式ガス流量計の概略構成図である。熱式計量方式は、被測定ガス中に少なくとも２つの抵抗体が配置され、一つはガスの温度を検出する測温抵抗体５２として、もう一方は流量を検出する発熱抵抗体５１として用いられる。

発熱抵抗体５１と測温抵抗体５２との温度差（Ｔｈ）が、制御部５３中の制御回路により、常に一定に保持されることでガスの質量流量の計量を実現している。なお、図８及び図９以外の図では上記測温抵抗体を示していないが、上記検出素子近傍の主通路または副通路内またはその近傍に測温抵抗体配置されているものとする。

図９は制御部５３中の制御回路の構成を示す図である。図９において、発熱抵抗体５１と測温抵抗体５２は、抵抗５４、５５と共にブリッジ回路抵抗として配置されている。ブリッジ回路の発熱抵抗５１と抵抗５４との接続点と、測温抵抗５２と抵抗５５との接続点とが差動増幅器５７の入力端子に接続され、この差動増幅器５７の出力信号が、トランジスタ５８のベースに供給される。トランジスタ５８のエミッタは、ブリッジ回路に接続されている。

発熱抵抗体５１の抵抗をＲｈ、発熱抵抗体５１を流れる電流をＩｈとすると、発熱抵抗体５１の全発熱量Ｐｈと発熱抵抗体５１に流れるガスの質量流量Ｑ及び温度差Ｔｈは、次式（１）で表される。

Ｐｈ＝Ｉｈ^２・Ｒｈ＝（Ａ＋Ｂ・（Ｑ）^１/２）・Ｔｈ ・・・（１）
ただし、上記（１）式において、Ａは発熱抵抗体５１から支持体５６への熱伝導分（熱漏れ）であり、また、Ｂはガスに奪われる熱伝達分で、熱的定数としてまとめられる。

上記（１）式から、発熱抵抗体５１と固定抵抗５４の中点の電圧Ｖｓは、次式（２）で表され、ガスの質量流量に依存する電圧であることが分かる。センサ出力Ｖｏｕｔは、この電圧Ｖｓを増幅しアナログ電圧値として出力される。

Ｖｓ＝Ｒ１・Ｉｈ＝Ｒ１・（（１／Ｒｈ）・（Ａ＋Ｂ・（Ｑ）^１/２）・Ｔｈ）^１/２ ・・・（２）
ただし、上記特性は主通路と、副通路の分流比が固定されている場合にのみ、安定して成立する。

しかしながら、図１０に示すように、汚損物３３が副通路２６の入り口や出口、また主通路２２の内面に付着すると、主通路２２と副通路２６の分流比が変化してしまうので、検出素子５の検出流量が同じでも、主通路２２を含む全体の流量は異なる結果になる。つまり、流量計としての特性が変化してしまう事になる。

この場合、特に深刻なのは、副通路２６内の汚損である。副通路２６は主通路２２に対し通路断面積が小さく、汚損物３３が主通路２２と同じ厚みだけ堆積したとしても、副通路２６内の断面積変化率が大きくなり、分流比の変化も大きくなる。

分流比は、図１１に示すように、流量計測装置の使用期間に応じて累積的に変化するため、副通路を持つ流量計では汚損による分流比の変化が、使用時間と共に致命的な特性誤差を生む。

次に、汚損物質について説明する。

例えば、内燃機関の排気環境においては、内燃機関から排出された煤（Dry Soot）や灰分（Ash）など微粒子状物質（PM）に含まれる不揮発成分が汚損の対象となる。煤は内燃機関の燃焼室内に吸入された空気と燃焼室内に噴射された燃料の混合不足、すなわち酸化不足により発生する。

汚損は、PM中に含まれるSOF（可溶性有機成分）やHC（炭化水素）などの揮発成分の持つ粘着力に起因して発生する一方で、この揮発成分の含有は内燃機関の燃焼によって決定される。

検出素子５表面への汚損に対しては、検出素子５の温度を高温（例えば、４００℃以上）に加熱することで回避できることが明らかとなっているが、汚損物質の主成分である煤は、一般的に６００℃以上にしないと酸化焼失しない。検出素子５の汚損という観点では、検出素子５自身を加熱すれば対策できるが、副通路に堆積した汚損物質の除去を行わないと、流量計の性能や機能を維持できない。よって、副通路２６の温度を上昇させて汚損物質の除去ができる構造が重要となる。

本発明の第１の実施形態の主要部について、図４〜図７を参照して説明する。本発明は、副通路２６に付着した汚損物３３を除去し、流量計の機能や特性を長期にわたって維持できるようにする発明である。

まず、副通路２６の温度を上昇させるための熱源の構成について図４、５、６を用いて説明する。

図４は、表面に印刷技術によって構成された導体をもつ円柱ロッド３の印刷パターンを示す図である。図４において、電極部４ｃには検出素子５への電気的接続を行う導体に加え、この円柱ロッド３自身を加熱するヒーターパターン３４が印刷されている。このヒーターパターン３４は、通電によるジュール熱を利用できるだけの電気抵抗を持つ。

副通路２６の加熱を行う場合は、このヒーターパターン３４に、リード線１１、端子１２及び電極４ｂを介して通電する事によってジュール熱を円柱ロッド３表面に発生させる。円柱ロッド３表面に発生した熱により、副通路２６の内面が加熱され、副通路２６の内面に付着した汚損物質が酸化消失される。

図５は、ヒーターパターン３４の他の配置例を示す図である。図５に示した例は、円柱ロッド３の加熱を行うヒーターパターン３４の層と、検出素子５への接続導体４ｃの印刷層との２層に分けたものである。

図５に示したヒーターパターン３４は限られたロッド表面積を有効に利用できるため、ヒーターパターン３４の配置や、パターン抵抗値選定の自由度を高くできる。

図６は、図５に示した例における円柱ロッド３の一部概略断面図である。図６において、円柱ロッド３に検出素子接続用導体４ｃを印刷し、次に検出素子接続用導体４ｃを他と電気的に絶縁するための絶縁層３５を印刷する。この上にヒーターパターン３４を印刷し、さらに絶縁層３６を印刷して、ロッド表面とヒーターパターン３４とを電気的に絶縁する。この方法を使えば、特別な付加部品や、構造を設けなくても、副通路２６を加熱して、汚損物の除去ができ、ひいては流量計の価格上昇や、信頼性低下を防ぐ事ができる。

次に、円柱ロッド３に形成したヒーターパターン３４で発生した熱の、副通路２６への伝達について図７を用いて説明する。図７において、副通路２６に円筒ロッド３が差し込まれて固定されている。円筒ロッド３の表面に配置されたヒーターパターン３４の熱は絶縁層３６（図６）を介して副通路２６に伝達される。

この熱は徐々に副通路２６の先端まで伝達され、副通路２６内に付着した汚損物質などを焼失させる。

なお、副通路２６の材質は、各種金属や、アルミナ等のセラミックス材料が好ましいが、その他の材料でも良い。さらに、副通路２６と、円筒ロッド３の表面となる絶縁層３６の間に、機械的な緩衝や熱伝達を補助する材料（副通路２６、加熱手段であるヒーターパターン３４より熱伝達率が高い材料）を挟んでも良い。また、検出素子５を加熱する加熱手段（例えば、検出素子５自体に通常より大の電流を供給して発熱させる）を備え、副通路２６の加熱中に、検出素子５も高温に加熱するように構成することも可能である。このように構成することにより、検出素子５に付着した汚損物質を除去するとともに、副通路２６に付着した汚損物資をより効果的に除去することが可能となる。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、円筒ロッド３の表面にヒーターパターン３４を形成し、このヒーターパターン３４に通電して、副通路２６を構成する部材を加熱し、副通路２６に付着した物質を消失するように構成される。

したがって、副通路２６への汚損物質の堆積を防止して、高精度の流体流量計測が可能な流体流量計測装置を実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図１２は、本発明の第２の実施形態の説明図である。第１の実施形態においては、円筒ロッド３の表面にヒーターパターン３４を形成したが、第２の実施形態においては、円筒ロッド３の表面にヒーターパターン３４は形成せず、図１２に示すように、副通路２６に加熱用ヒーター３７を配置する。他の構成については、第１の実施形態と同様となるので、図示及び詳細な説明は省略する。

加熱用ヒーター３７には、例えば円柱ロッド３から給電ワイヤ３８で給電して、副通路２６を加熱することができる。給電ワイヤ３８は、円筒ロッド３に形成された電極部４ｃに接続される。

加熱用ヒーター３７は、副通路２６の内面や外面に、第１の実施形態におけるヒーターパターン３４と同様なヒーターパターンを配置したり、もしくは印刷した構成とすることができる。また、加熱用ヒーター３７への給電は円筒ロッド３からだけでなくその他の場所から行っても同一の結果を得られる。

以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、副通路２６の構成部材に加熱用ヒーター３７を配置し、この加熱用ヒーター３７に通電して、副通路２６を構成する部材を加熱し、副通路２６に付着した物質を消失するように構成される。

したがって、第２の実施形態も、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図１３は、本発明の第３の実施形態の説明図である。第１の実施形態においては、円筒ロッド３の表面にヒーターパターン３４を形成したが、第３の実施形態においては、円筒ロッド３の表面にヒーターパターン３４は形成せず、誘導コイル３９を形成し、誘導コイル３９の電磁誘導現象により加熱される発熱体４０を副通路２６の構成部材の表面又は内部に配置する。他の構成については、第１の実施形態と同様となるので、図示及び詳細な説明は省略する。誘導コイル３９は、円筒ロッドに形成された電極部４ｃに接続されている。

この場合、副通路２６の構成部材の材料は、磁性体が好ましいが、他の材料でもよい。また、誘導電力を結合する部分と、発熱する部分が異なるような発熱体４０の配置や、材料の選定を行う事も効果的である。

この第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

図１４は、本発明の第４の実施形態の説明図である。この第４の実施形態においては、円筒ロッド３の表面にヒーターパターン３４は形成せず、図１４に示すように、円筒ロッド３の電極部４ｃに接続された給電ワイヤ３８が副通路２６の構成部材に接続されている。他の構成については、第１の実施形態と同様となるので、図示及び詳細な説明は省略する。

この第４の実施形態は、副通路２６の構成部材自身を抵抗体とし、これに給電ワイヤ３８から給電して、副通路２６の構成部材を発熱させる構成である。

この第４の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

他の実施形態としては、上記第１〜第４の実施形態において、副通路２６を構成部材の内面に、触媒物質（例えばプラチナ）を塗布した例が考えられる。触媒物質を副通路２６の内面に塗布しておくことにより、カーボン等の汚損物質を、その焼失温度より低い温度で酸化消失可能となり、省電力化を達成することができる。

副通路２６の内面のみならず、外面にも、触媒物質を塗布することも可能である。外面に塗布することにより、外面に付着した汚損物質を低温度で除去可能となる。

次に、副通路２６の構成部材の加熱時期について説明する。

図１５は、制御部５３により、副通路２６の加熱時期を判定する条件の一例の説明図である。図１５において、汚損損物質３３は流量計の使用時間に応じて少しずつ堆積してゆくことと、副通路２６の加熱中は検出素子５周囲の温度が上昇するために計測が困難になることから、副通路２６の加熱は状況に応じて、間欠的に行う事が合理的である。

例えば、本発明による流体流量計測装置が自動車の排気ガス流量の測定に使われている場合、前回の加熱からの経過時間４１を加熱時期判定条件とする事で、制御部５３が加熱時期を判定し、加熱電流を加熱手段に供給させる等の副通路加熱開始指令を出力し、定期的に副通路２６の加熱を行い、汚損物３３の副通路２６への付着を防ぐ事ができる。

また、内燃機関の始動からの経過時間４２や内燃機関の運用開始からの経過時間４３を加熱時期判定条件とすることで、長期間運転する場合でも、汚損物質３３を堆積が進行する前に除去できる。

同様に、温度４４、過去や現在に検出している流量４５、機関回転速度４６、機関負荷４７、各部の圧力４８も、その時の汚損物３３の堆積度合いを把握する情報として利用できる。

また、車両点検時に点検装置から強制的に汚損物３３を除去できるように、外部信号からの要求３３を条件に加える事もできる。さらに、副通路２６が被検出ガスによって温められている場合、加熱エネルギーや加熱時間が少なくできるので、車両・装置の停止情報５０を利用して、車両・装置の停止直後に副通路２６の加熱を実施する事も効果的である。

なお、上記説明においては、代表的な例としてセンシングプローブの支柱となるロッド形状は円柱形状のものを説明したが、板形や、断面形状が円形でないロッド形状でも本発明は適用可能である。

また、上述した例は、本発明を内燃機関への供給空気流量計測装置に適用した場合の例であるが、その他の流体流量の計測に適用することができる。例えば、二酸化炭素の排気流量測定装置、ＮＯｘの排気流量測定装置にも適用可能である。

以上説明したように、本発明は排気ガスや汚損物質を多く含む流体でも長期間に渡って精度の良い流量の測定ができるため、今まで不可能であった部位にも流量の測定が可能となる。このことは、各種動力機関や、燃焼装置等の排出ガス低減に利用するための直接的な流量信号として広範囲の産業で利用可能である。とりわけ、自動車や定置機関の排出ガスを質量流量で計測する事ができれば、有害物質の排出量が容易に求められ、環境改善や、地球温暖化の対策に役立たせる事ができるので、極めて利用価値が高い技術として有用である。

本発明に係る流体流量検出装置の概略外観構成図である。 本発明におけるセンサプローブの断面図である。 円柱ロッドと検出素子のアッセンブリ状態を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるロッドの印刷パターンの一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるロッドの印刷パターンの他の例を示す図である。 図５に示した例における円柱ロッドの一部概略断面図である。 本発明の第１の実施形態において、ヒーターパターンで発生した熱の副通路への伝達についての説明図である。 熱式ガス流量計の概略構成図である。 制御回路の構成を示す図である。 分流比の説明図である。 分流比の経時変化説明図である。 本発明の第２の実施形態の説明図である。 本発明の第３実施形態の説明図である。 本発明の第４の実施形態の説明図である。 副通路の加熱時期を判定する条件の一例の説明図である。

符号の説明

１・・・ホルダ、２・・・挿入孔、３・・・円柱ロッド、４ａ、４ｂ・・・電極、５・・・検出素子、６・・・セラミック粉、７・・・スペーサ、８・・・端子保持用碍子、９・・・ケーシング、１０・・・シールラバー、１１・・・リード線、１２・・・端子、２０・・・センサプローブ、２２・・・主通路、２６・・・副通路、３３・・・汚損物質、３４・・・ヒーターパターン、３５、３６・・・絶縁層、３７・・・加熱用ヒーター、３８・・・給電ワイヤ、３９・・・誘導コイル、４０・・・発熱体、５１・・・発熱抵抗体、５２・・・測温抵抗体、５３・・・制御部、５４、５５・・・抵抗、５６・・・支持体、５７・・・差動増幅器、５８・・・トランジスタ

Claims (10)

1. 被計測流体が流れる主通路内に挿入されて上記主通路内に配置され、上記主通路内に流れる被計測流体の一部が流入し流出する副通路と、この副通路内に配置され、被計測流体の流量を検出する検出素子とを有する流体流量計測装置において、
   上記副通路を形成する部材を加熱する副通路加熱手段を備えることを特徴とする流体流量計測装置。
2. 請求項１に記載の流体流量計測装置において、上記検出素子を支持する検出素子支持手段を備え、上記副通路加熱手段は、上記検出素子支持手段に配置され、上記副通路加熱手段から発生される熱が上記副通路形成部材に伝達されることにより、上記副通路が加熱されることを特徴とする流体流量計測装置。
3. 請求項２に記載の流体流量計測装置において、上記検出素子支持手段に配置される副通路加熱手段は、電流が供給されることにより発熱するヒーターであることを特徴とする流体流量計測装置。
4. 請求項２又は３に記載の流体流量計測装置において、上記副通路形成部材と、上記加熱手段との間に、副通路形成部材または加熱手段より熱伝導率の高い材料が配置されることを特徴とする流体流量計測装置。
5. 請求項１に記載の流体流量計測装置において、上記副通路加熱手段は、上記副通路形成部材に配置され、電流が供給されることにより発熱するヒーターであることを特徴とする流体流量計測装置。
6. 請求項１に記載の流体流量計測装置において、上記検出素子を支持する検出素子支持手段を備え、上記副通路加熱手段は、上記検出素子支持手段に配置される誘導コイルと、上記副通路形成部材に配置され、上記誘導コイルの電磁誘導現象により発熱する発熱体とを有することを特徴とする流体流量計測装置。
7. 請求項１に記載の流体流量計測装置において、上記副通路加熱手段は、導電性の上記副通路形成部材を有し、上記副通路形成部材に電流が供給されることにより、上記副通路形成部材が発熱し、上記副通路が加熱されることを特徴とする流体流量計測装置。
8. 請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の流体流量計測装置において、検出素子の加熱手段を備え、上記副通路加熱手段により、上記副通路が加熱されるとともに、上記検出素子の加熱手段により検出素子が加熱されることを特徴とする流体流量計測装置。
9. 請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の流体流量計測装置において、上記副通路の加熱開始時期、上記副通路の加熱開始からの経過時間、流体流量計測装置の停止から、上記副通路の加熱開始を判断する制御部を備えることを特徴とする流体流量計測装置。
10. 請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の流体流量計測装置において、上記副通路形成部材の少なくとも内面には、触媒物質が塗布されていることを特徴とする流体流量計測装置。

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