JP6289585B1 - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異物堆積によるバイパス通路形状変化を防止し、流量検出素子上を通過する被計測流体の流速が一定となる流量測定装置を提供する。【解決手段】流量検出素子６へ繋がるバイパス通路より前段に副バイパス通路２３を配置し、副バイパス通路２３近傍のバイパス通路壁面１８ａ、１９ａが副流入口２４方向に向いて傾斜しており、且つ副バイパス通路２３の内周側壁面２６、外周側側壁２７が副流出口２５方向に向いて傾斜している。【選択図】図２

Description

本発明は、流量測定装置に関するものであり、例えば内燃機関の空気の質量流量を測定する装置に関するものである。

内燃機関の吸気配管に搭載され吸入空気の流量を測定する感熱式の流量測定装置として、吸入空気の一部を取り込む計測用通路(以下、バイパス通路と称す)内に流量検出素子が配置されたものが知られている。流量検出素子には、流量検出部が数ミクロンの薄膜で構成された半導体素子が用いられる。

上記流量測定装置の使用環境によっては吸気配管内に吸入空気と共にダストが混入し、バイパス通路内にダストが侵入することがある。
粒径１００μm〜２００μm程度のダストが吸入空気と共にバイパス通路内に侵入し流量検出部に高速で衝突した場合、流量検出素子は薄膜で構成されているため破損を生じてしまい流量測定装置が故障してしまうことが報告されている。
上記問題を解決するため、一般的に流量検出素子上流のバイパス通路形状は屈曲形状や分岐形状を採用し、ダストの衝突エネルギー低減やバイパス通路内からのダストの排出性を向上させている。
例えば、特許文献１及び特許文献２では以下のような構造が提示されている。

特許文献１の流量測定装置においては、流入口と流量検出素子を直線的に結ぶ経路を遮るようバイパス壁面を設置し、流量検出素子上流のバイパス通路を略垂直に複数回屈曲させ、その下流に流量検出素子を配置している。
上記の構成を採用することで、ダストを複数回バイパス通路壁面へ衝突させることができ、流量検出素子に対するダストの衝突エネルギーを低減させ、流量検出素子の破損を防止している。
また、特許文献１の実施の形態４に示すバイパス通路では検出素子へ通じる主バイパス通路とは別に主流へ繋がる副バイパス通路を設置している。
バイパス副通路は屈曲部に外周側に設置されているため遠心効果を利用し、流量検出素子前のバイパス通路でダストをバイパス通路外へ排出することができる。

また、特許文献２の流量測定装置においては、バイパス通路を直線的に構成しバイパス通路の途中から分岐して設けられ、直線的に構成されたバイパス通路内を流れる計測流体の一部を取り込む副バイパス通路を有し、副バイパス経路上に流量検出素子が配置されている。
副バイパス通路はバイパス通路と略垂直に設置されており、バイパス通路を通過する計測流体中のダストは慣性力により直線的に進むため、副バイパス通路へのダスト侵入性を低減させることができ、ダストの流量検出素子への到達を防ぐことができる。

特許第５８２６３６０号公報 特許第５４０８１９５号公報

特許文献１、２に示されたように従来の流量測定装置においては、吸入空気に混入したダストによる流量検出素子の破損を防ぐため、ダスト衝突エネルギー低減性、ダスト排出性の観点から様々な構造が提案されており、ダストに対する耐性を向上させている。
しかし、従来提案されてきた流量測定装置のバイパス通路形状では、水滴や粘度の高い異物(以下、それらを合わせ異物と表記)がバイパス通路内に侵入した際、十分に異物が排出される構成となっておらず、異物堆積により出力変動を生じる問題点がある。下記にバイパス通路内に異物が侵入する原因と出力変動が生じるメカニズム、及び特許文献１、２の問題点を述べる。

内燃機関で用いられる流量測定装置では、上述したダスト以外にもエンジンオイル等の粘度の高い異物が主流路を飛来することがあり、吸入空気と共にバイパス通路内に異物が侵入する可能性がある。また、例えば寒冷地で使用される内燃機関では、動作時の内燃機関内の温度と外気温度との差が大きく、吸気配管内やバイパス通路内に結露による水滴が発生することがある。
上述した異物、水滴がバイパス通路内で固着、凍結を生じると、バイパス通路内を流れる計測流体の流れが変化し、出力変動を生じてしまうため、十分に異物排出性を備えたバイパス通路を構成とすることが重要となる。

一方、従来の流量測定装置のバイパス通路形状では十分な異物排出性を備えていない。例えば、特許文献１の流量測定装置では、計測流体と共に異物が侵入した場合、屈曲部での遠心効果により先に述べたダスト同様、異物がバイパス壁面へ衝突し付着する。
バイパス通路壁面へ付着した異物は時間経過と共にバイパス通路壁面を伝い挿入方向へ垂れ下がるが、バイパス通路の底面部が計測流体と平行に構成されていることで、異物がバイパス通路に堆積してしまう。

特許文献２の流量測定装置でも同様に、主バイパス通路底面部が計測流体と平行に構成されていることで異物がバイパス通路底面に堆積し易く、異物堆積により出力変動が発生する問題がある。
また、自動車などではエンジンの回転数が低く、しかも高負荷の条件下で逆流を伴う脈動流が発生することがあるが、この時逆流に異物が混在することがある。特許文献２の流量測定装置では主バイパス通路出口部が逆流に対し垂直に開口しているため、逆流と共に飛来する異物がバイパス通路内に侵入しやすいことも問題点として挙げられる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、異物をバイパス通路内に堆積させること無くバイパス通路外へ排出させ、バイパス通路形状変化による出力特性変動を防止する流量測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る流量測定装置は、主通路を流通する被計測流体の一部を流通させるバイパス通路を、流量検出素子の制御回路から離反する方向に通路を屈曲させた第１屈曲部と、第１屈曲部による屈曲後のバイパス通路を被計測流体の主流の流れ方向に対し平行になるように通路を屈曲させた第２屈曲部と、第２屈曲部による屈曲後のバイパス通路を被計測流体の主流の流れ方向に対し垂直に制御回路の方向に通路を屈曲させた第３屈曲部と、第３屈曲部による屈曲後のバイパス通路を被計測流体の主流の流れに対し平行になるように通路を屈曲させた第４屈曲部と、第４屈曲部による屈曲後のバイパス通路を被計測流体の主流の流れに対し垂直に制御回路から離反する方向に通路を屈曲させた第５屈曲部とを有して構成され、第４屈曲部と第５屈曲部との間に流量検出素子が設けられたものにおいて、第１屈曲部を通過した被計測流体が流入する副流入口および副流入口から流入した流体を主通路に合流させる副流出口が設けられ、副流入口と副流出口との間の通路が主流の流れ方向に向かって傾斜している副バイパス通路を備え、副流出口の通路断面積が副流入口の通路断面積に対し小さく、副バイパス通路の通路断面積が副流入口から副流出口にかけてなだらかに狭められているものである。

本発明による流量測定装置によれば、流量検出素子上流のバイパス通路壁面が副流入口部に向かい傾斜していることでバイパス通路壁面に付着した異物が、バイパス通路壁面を伝い主流へ繋がる副バイパス通路へ誘導されるため、十分に異物排出性を持ったバイパス通路形状を構成できる。また、副流入口と副流出口との間の通路が主流の流れ方向に向かって傾斜している副バイパス通路を備え、副流出口の通路断面積が副流入口の通路断面積に対し小さく、副バイパス通路の通路断面積が副流入口から副流出口にかけてなだらかに狭められるように構成されていることで、より高いダスト耐量を確保した流量検出装置を構成することができる。更には、逆流と共に飛来する異物のバイパス通路に対する侵入を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る流量測定装置をその一部を切り欠いて示した正面図である。 本発明の実施の形態１に係る流量測定装置のバイパス通路周辺を拡大して示した正面図である。 特許文献１の流量測定装置のバイパス通路内に侵入した異物の挙動を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る流量測定装置のバイパス通路内に侵入した異物の挙動を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る流量測定装置近傍の逆流発生時における流速コンター図である。 本発明の実施の形態２に係る流量測定装置のバイパス通路周辺を拡大して示した正面図である。 本発明の実施の形態３に係る流量測定装置のバイパス通路周辺を拡大して示した正面図である。

以下、本発明の流量測定装置の好適な実施の形態に付き、図面を用いて説明する。
尚、本発明で示す流量測定装置は、吸気配管に流れる被計測流体の流量を測定するために使用され、例えば、内燃機関の吸気配管内を流れる空気の流量を測定するために使用される。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る流量測定装置の一部を切り欠いた正面図である。主通路である吸気配管１に取り付けられる流量測定装置は、カバー２、ベース３、プレート４、制御回路を構成する回路基板５、流量検出素子６の部品で構成されており、カバー２とプレート４が接着剤等により組み付けられることで、矢印方向に流れる被計測流体である吸入空気７の一部を取り込むバイパス通路８が形成される。回路基板５で構成された前記制御回路は、流量検出素子６を駆動してその信号を処理する。
カバー２、ベース３、プレート４の材料には、例えばＰＢＴ樹脂が用いられる。

吸気配管１には流量測定装置を取り付けるための貫通孔９が設けられており、流量測定装置は吸気配管外部から矢印１０で示す方向に挿入され、ベース３のフランジ部１１をねじ(図示省略)等により固定することで吸気配管１に取り付けられる。

ベース３のコネクタ部１２は外部と信号を授受するための端子であり、他端はワイヤボンディング１３で回路基板５と電気的に接続される。

回路基板５はベース３のケース部１４により支持及び収納されおり、流量検出素子６はプレート４の溝部に収納されている。また、回路基板５と流量検出素子６はワイヤボンディング１５により電気的に接続されている。

半導体式の流量検出素子６は、シリコンやＰｏｌｙシリコン、あるいはセラミック等からなる絶縁板の裏面にエッチングを施すことにより薄肉部を形成し、この薄肉部上に流量
検出抵抗体及び温度補償抵抗体からなる流量検出部を形成したものである。
流量検出素子６は、発熱抵抗体の熱容量が小さく、支持体との熱絶縁性に優れていることから、低消費電力、高速応答となる。

吸気配管１に吸入空気７と共に粒径１００〜２００μm程度のダストが飛来することが
あるが、上記の流量検出素子６の薄肉部に形成された流量検出部は、外部からの衝撃に弱く、特に、吸入空気７によって加速されたダストが高速で流量検出素子６の流量検出部に衝突すると流量検出抵抗体及び温度補償抵抗体に破損が生じ、流量検出精度の低下、更には測定機能を失う可能性がある。
そのため、従来の流量測定装置のバイパス通路形状は屈曲部や分岐部を採用し、ダストの衝突エネルギー低減性やダストの排出性を向上させている。

また、上記のダスト以外にも吸気配管１内には吸入空気７と共に飛来するエンジンオイルや、結露により発生する水滴などダストに比べ粘度の高い異物がバイパス通路内に侵入することがある。上記の異物はバイパス通路壁面に付着しやすく、バイパス通路８内に異物が堆積する可能性がある。バイパス通路８内に異物が堆積した場合、バイパス通路内の吸入空気７の軌道が変化し、流量検出素子６の周辺部を流れる吸入空気７の流速が変化してしまうことで、出力変動が発生することがある。

一方、従来の流量測定装置のバイパス通路形状は、ダストに対する耐性を向上させるため屈曲形状や分岐形状を採用しているため、屈曲部や分岐部での慣性効果によりバイパス通路壁面に異物が衝突しやすく、バイパス通路壁面に異物の付着が生じやすいが、バイパス通路壁面に付着した異物を十分に排出できる構成となっていない。
そのため、バイパス壁面に付着した異物が堆積することで出力変動が発生する問題がある。

このような問題点を解決するため、本実施の形態１に係る流量測定装置は、流量検出素子６が設置される位置よりも上流で主流に繋がる副バイパス通路を設置し、副バイパス通路、及び副流入口近傍のバイパス通路壁面を副流入口方向へ傾斜させた構成としている。以下にバイパス通路８の構造について、図２を用いて詳細に説明する。

図２は、実施の形態１に係る流量測定装置のバイパス通路周辺を拡大した正面図である。バイパス通路の流入口１６は被計測流体の主流の流れ方向の上流側を向き、吸気配管１内の被計測流体の主流の流れ方向と直交する面に開口している。被計測流体の主流の流れ方向に対し略垂直に、回路基板５を収納したベース３のケース部１４でなる回路収納部から離反する方向に通路を屈曲させる第１屈曲部１７と、被計測流体の主流の流れ方向に対し平行になるように、通路を屈曲させる第２屈曲部１８と、被計測流体の主流の流れ方向に対し略垂直に、回路収納部の方向に通路を屈曲させる第３屈曲部１９と、被計測流体の主流の流れ方向に対し平行になるように、通路を屈曲させる第４屈曲部２０と、被計測流体の主流の流れ方向に対し略垂直に、回路基板５を収納したベース３のケース部１４、即ち制御回路から離反する方向に通路を屈曲させる第５屈曲部２１とが設けられている。
第５屈曲部２１以降には、主通路である吸気配管１を流れる被計測流体の主流に繋がる流出口２２が設けられている。
第４屈曲部２０の直後に流量検出素子６が配設されている。
被計測流体の主流の流れ方向に対し平行でなく流出口２２と異なる被計測流体の主流に繋がる副バイパス通路２３は、副バイパス通路２３の入口部である副流入口２４が流量検出素子６の配設位置より上流にある。
副流入口２４の位置が第２屈曲部から第３屈曲部外周側壁面１９ａの端部に設置され、
第２屈曲部外周側壁面１８ａが副流入口２４の方向に向かい傾斜しており、矢印１０で示す挿入方向と被計測流体の主流の流れ方向（吸入空気７の流れる方向）で形成される面内
において、副バイパス通路２３を構成する内周側壁面２６と外周側壁面２７が被計測流体の主流の流れ方向（吸入空気７の流れる方向）に対し平行でなく、副流出口２５方向に向かい傾斜していることを特徴としている。

次に、本実施の形態１におけるバイパス通路８の効果について説明する。
まず、比較例として特許文献１、２の流量測定装置の効果と問題点について説明する。

図３は特許文献1の実施の形態４に係る流量測定装置のバイパス通路内に侵入した異物
の挙動を示している。まず、図３（ａ）に示すように、吸入空気７と共にバイパス通路内に侵入した異物２８は、吸入空気の流れ方向７aに沿って直線運動を継続するため第１屈
曲部外周側壁面へ異物が衝突する。また、第２屈曲部、第３屈曲部においても屈曲部での遠心作用により、第２、３屈曲部外周側壁面へ異物が衝突する。
この時、異物２８の粘度が高ければバイパス通路壁面へ異物２８が付着し、バイパス通路内に異物２８が残留することになる。

バイパス通路内に残留した異物２８は、図３（ｂ）に示すように時間経過と共にバイパス通路壁面を伝い矢印１０の挿入方向へ自然落下するが、バイパス通路底面２９が吸入空気の流れ方向に平行に構成されているため、バイパス通路底面２９に異物３０が堆積してしまう構造となっている。その結果、図３（ｃ）に示すように、バイパス通路底面２９に堆積した異物３０が成長し、バイパス通路内を流れる吸入空気の流れが変化することで、流量検出素子６の周辺部における吸入空気の流速が変化し出力変動を生じてしまう。
また、吸気配管の形状によっては吸気配管１を流れる吸入空気７の流れ方向７aが、流入
口１６に対し略垂直とならない場合があり、例えば図３（ｄ）に示すように吸入空気７が反挿入方向に流れることがある。この時、特許文献１の実施の形態３に係る流量測定装置では、副流出口部から吸入空気７や異物２８が流入してしまい、バイパス通路内を流れる吸入空気７が乱れ、流量検出精度が低下する問題やバイパス通路内に異物２８の堆積が生じてしまう問題が発生してしまう。

特許文献２の流量測定装置においても、バイパス通路底面が計測流体と平行に構成されていることで、上述した異物堆積の問題を生じてしまうことや、結露によりバイパス通路内に水滴が発生した場合、バイパス通路内底面に水滴が溜り、更に外気温度の変化により水滴が凍結した場合、バイパス通路形状が変化し、流量検出素子６の周辺部における吸入空気の流速が変化し出力変動を生じる問題がある。

また、内燃機関で使用される流量測定装置では、逆流を含む脈動流が発生することが有るが、逆流に異物を含んでいた場合、特許文献２の流量測定装置では逆流に対し垂直に副流路出口部が開口していることで、逆流時に飛来する異物がバイパス通路内に侵入し易いと言った問題もある。

そこで、これらの問題を解決することのできる本実施の形態１におけるバイパス通路の効果について、次に説明する。図４は、本発明の実施の形態１に係る流量測定装置において、バイパ通路内に侵入した異物の挙動を図４（ａ）、図４（ｂ）に分けて示している。

図４（ａ）に示すように、吸入空気と共にバイパス通路内に侵入した異物２８は、特許文献１の流量測定装置と同じく、吸入空気の流れ方向７aに沿って直線運動を継続するた
め第１〜３屈曲部の外周側壁面１７ａ、１８ａ、１９ａに異物が衝突する。バイパス通路壁面へ衝突した異物は時間経過と共にバイパス通路壁面を伝い矢印１０で示す挿入方向へ自然落下するが、この時、副バイパス通路近傍のバイパス通路壁面(第２屈曲部外周側壁
面１８ａ、及び第３屈曲部外周側壁面１９ａ)が副流入口２４の方向に向かって傾斜して
いるため、異物は副流入口２４まで誘導される。

更に、副バイパス通路２３を構成する内周側壁面２６、外周側壁面２７が副流出口２５方向に向かい傾斜しているため、異物２８は副バイパス通路壁面を伝い副流出口２５から流路外へ排出される。
そのため、異物２８がバイパス通路内に堆積し、異物堆積によりバイパス通路形状が変化することが無く従来例で問題となった異物堆積による出力変動を防止することができる（図４（ｂ）参照）。

図５は、本発明の実施の形態１に係る流量測定装置において、ＣＡＥ解析により求めた逆流時における流量測定装置周辺の空気の流速コンター図である。図５中で、薄い部分を示す領域程、空気の流速値が高いことを示している。

図５から逆流が発生した場合、流量測定装置周辺の空気の流れは、流量測定装置の下流側外周壁面３１の端部で剥離を生じることが判る。本発明の実施の形態１に係る流量測定装置では、流出口２２及び副流出口２５の位置が挿入方向に関して流量測定装置を構成する下流側外周壁面３１の端部近傍に設置しているので、流量測定装置を構成する下流側外周壁面３１の端部で発生する剥離により逆流が流れにくい構成となっている（破線矢印参照）。そのため、逆流と共に飛来する異物のバイパス通路に対する侵入確率を低減することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、バイパス通路に侵入した異物を効率よくバイパス通路外へ排出することができ、前述した問題点を克服する流量測定装置を構成することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、先の実施の形態１と比較して、更に逆流時のダストの侵入性を向上させ、流量測定装置の検出精度を向上させる構成について説明する。

図６は本実施の形態２で示す流量測定装置のバイパス通路周辺を拡大した正面図である。
本実施の形態２では、先の実施の形態１の副バイパス通路２３の通路断面積が副流入口２４から副流出口２５に掛けて、なだらかに狭められるように構成されている。尚、その他の構成は、先の実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。

副流出口２５の開口面積が小さくなることで、逆流に対する副バイパス通路２３の圧力損失が大きくなる。そのため、先の実施の形態１に比べ更に逆流発生時に逆流が副バイパス通路へ流れにくくなり、異物の副バイパス通路への侵入性を低減することができる。
また、副バイパス通路の通路断面積の絞ることで、圧力損失が増大し副バイパス通路２３への計測流体が流れにくくなり、主流路へ向かう計測流体の流量が多く成ることで、流量測定装置の検出精度向上も図れる。

以上のように、実施の形態２によれば、副バイパス通路の形状を工夫することで、先の実施の形態１よりも更に高いダスト耐量を確保した流量検出装置を構成することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、先の実施の形態１と比較して、更に逆流時のダストの侵入性を向上させる構成について説明する。

図７は本実施の形態３で示す流量測定装置のバイパス通路周辺を拡大した正面図である
。
本実施の形態３では、先の実施の形態１の流量測定装置を構成する下流側外周壁面３１が副流出口部の投影上を覆うように挿入方向に向かって突出するように構成している。尚、その他の構成は、先の実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。

流量測定装置を構成する下流側外周壁面３１を副流出口２５の投影上を覆うように矢印１０で示す挿入方向に向かって突出することで、逆流発生時に下流側外周壁面３１で発生する剥離が下になることで、先の実施の形態１に比べより流出口２２、副流出口２５へ逆流が流れにくくなることで、異物２８のバイパス通路への侵入確率を低減することができる（破線矢印参照）。

以上のように、実施の形態３によれば、副バイパス通路の形状を工夫することで、先の実施の形態1よりも更に高いダスト耐量を確保した流量検出装置を構成することができる
。

本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略することができる。

１ 吸気配管、５ 回路基板、６ 流量検出素子、７ 吸入空気、８ バイパス通路、１６ 流入口、１７ 第１屈曲部、１８ 第２屈曲部、１９ 第３屈曲部、２０ 第４屈曲部、２１ 第５屈曲部、２２ 流出口、２３ 副バイパス通路、２４ 副流入口、２５
副流出口、２６ 副バイパス通路の内周側壁面、２７ 副バイパス通路の外周側壁面

Claims (2)

1. 主通路を流通する被計測流体の一部を流通させるバイパス通路と、前記バイパス通路に配置された流量検出素子と、前記流量検出素子を制御する制御回路とを備えた流量計測装置であって、
   前記バイパス通路は、前記被計測流体の主流の流れ方向の上流に対向し前記主流の流れ方向と直交する面において開口した流入口と、前記バイパス通路を通過した流体を前記主通路に合流させる流出口と、前記流入口と前記流出口の間において前記バイパス通路を屈曲させるために設けられた複数の屈曲部とを有して構成され、
   前記屈曲部は、前記流入口に接続された前記バイパス通路を前記制御回路から離反する方向に通路を屈曲させた第１屈曲部と、前記第１屈曲部による屈曲後の前記バイパス通路を、前記主流の流れ方向に対し平行になるように通路を屈曲させた第２屈曲部と、前記第２屈曲部による屈曲後の前記バイパス通路を前記主流の流れ方向に対し垂直に前記制御回路の方向に通路を屈曲させた第３屈曲部と、前記第３屈曲部による屈曲後の前記バイパス通路を前記主流の流れに対し平行になるように通路を屈曲させた第４屈曲部と、前記第４屈曲部による屈曲後の前記バイパス通路を前記主流の流れに対し垂直に前記制御回路から離反する方向に通路を屈曲させた第５屈曲部とを有して構成され、
   前記第４屈曲部と前記第５屈曲部との間に前記流量検出素子が設けられた流量測定装置において、
   前記第１屈曲部を通過した被計測流体が流入する副流入口および前記副流入口から流入した流体を主通路に合流させる副流出口が設けられ、前記副流入口と前記副流出口との間の通路が前記主流の流れ方向に向かって傾斜している副バイパス通路を備え、前記副流出口の通路断面積が前記副流入口の通路断面積に対し小さく、前記副バイパス通路の通路断面積が前記副流入口から前記副流出口にかけてなだらかに狭められていることを特徴とする流量測定装置。
2. 流量測定装置を構成する下流側外周壁面端部が前記主通路を流れる被計測流体の逆流に対して前記副流出口を覆うよう突出していることを特徴とする請求項１に記載の流量測定装置。

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