JPH06103209B2 - 空気流感知素子 - Google Patents

空気流感知素子

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JPH06103209B2
JPH06103209B2 JP3207822A JP20782291A JPH06103209B2 JP H06103209 B2 JPH06103209 B2 JP H06103209B2 JP 3207822 A JP3207822 A JP 3207822A JP 20782291 A JP20782291 A JP 20782291A JP H06103209 B2 JPH06103209 B2 JP H06103209B2
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heating
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    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/46—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • G—PHYSICS
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
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    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は空気流量メータのための
感知素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車に使用する空気流量メータは定温
風速計型式のものが多い。このようなメータにおいて
は、感知素子は周囲の空気温度以上の一定温度差となる
ように電気的に加熱せしめられる。センサのまわりの空
気流により感知素子から熱が対流的に奪われ、その間、
感知素子内を流れる電流は対流により失われた熱と置換
する。空気流量が変化すると、必要な温度を維持するに
要する電流も空気流量の既知の関数として変化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】対流による熱損失は唯
一の損失メカニズムではないので、空気測定に不正確さ
が生じてしまう。周囲への熱放射や感知素子の支持体へ
の熱伝導により、熱が感知素子から奪われる。熱放射に
よる熱損失は感知素子の面積の関数であり、感知素子を
極めて小さくすることにより最少化できる。一方、熱伝
導による熱損失は、特にこの熱損失が空気流及び支持構
造体の温度変化に応じて変化するので、このようなメー
タの不正確さの原因となっていた。端部に端子取り付け
部を有する円筒状本体を備えた感知素子の場合、熱は感
知素子から端子取り付け部へ、そして取り付け部を装着
した支持体へ伝達される。空気流量が多い場合は、熱は
対流により端子取り付け部から奪われので、端子取り付
け部は支持体へ熱をさほど伝達しないが、空気流量が少
ない場合は、端子及び支持体が暖まる。従って、感知素
子は低空気流量では有効に大きくなり、空気流の関数に
対する電流は変化してしまう。このため、高空気流量で
の正確な作動のための動的範囲が制限される。この熱特
性により生じるメータの不正確さを回避するためには、
対流による熱損失を考慮するか、このような熱損失を阻
止するのが望ましい。
【０００４】このような感知素子の重要な特徴はその応
答時間である。空気流又は周囲温度の急激な変化は加熱
電流に迅速に反映させるべきである。感知素子が大きな
質量を有する場合、その温度変化は小さな質量の感知素
子ほど速くはない。感知素子の端子が熱伝導により加熱
せしめられたとき、端子は質量及び応答時間に有効に加
算される。従って、最適な応答時間を得るためにも、感
知素子から端子への熱損失を阻止することが必要とな
る。
【０００５】このような感知素子の熱特性を制御するこ
とが望ましいことは米国特許第４，５８７，８４２号明
細書において認識されている。この米国特許明細書に開
示されているように、ヒータコイルは、大質量の支持体
に巻かれ、その両端で、このヒータコイルと同じ温度に
制御された補助ヒータに結合されている。補助ヒータ
は、コイルから支持体への熱伝達を生じさせず応答時間
を迅速にさせるように、支持体の温度を維持する。
【０００６】米国特許第４，５５９，８１４号明細書
は、感知素子のための管状支持体の端部に取り付けた端
子リードの吸熱効果、及び、これに起因する支持体及び
コイルの長さに沿っての温度変化を説明している。支持
体の中央部で抵抗を粗く巻き支持体の両端部で抵抗を密
に巻くことにより、均一な温度が得られる。支持体の端
部においては、抵抗は従来同様に密に巻かれる。この米
国特許明細書は、上記米国特許第４，５８７，８４２号
明細書と同様、リード又は端子への熱損失を阻止又は補
償する方法を教示していない。
【０００７】本発明は改善した感知素子を提供すること
を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段並びに作用効果】本発明に
よれば、低熱伝導材料でできた基体と；この基体のそれ
ぞれの端部に取り付けた第１及び第２の電気端子と；基
体上に位置すると共に電気端子に電気的に接続してい
て、基体上に加熱区域を提供すると共に加熱区域と各電
気端子との間に隔離区域をも提供するようになった加熱
素子と；を有し、使用時に、加熱素子が加熱区域で基体
を加熱し、隔離区域が加熱された基体を電気端子から隔
離するように作用することを特徴とする空気流感知素子
が提供される。
【０００９】本発明は、熱伝導による熱損失に起因する
重大な誤差を伴わず、端子又は支持体への熱損失を最少
にする空気流感知素子を提供できる。
【００１０】
【実施例】高温素子風速計は感知素子のためのホイット
ストーンブリッジ構造をしばしば使用する。図１を参照
すると、ブリッジ１０の一方の脚部に流れ感知抵抗Ｒｈ
を使用し、このブリッジの他方の脚部に周囲温度感知抵
抗Ｒａを使用することは慣行である。ブリッジの下方ア
ーム部に設けた抵抗１２がブリッジ構造を完成し、周囲
温度感知抵抗Ｒａと直列の抵抗１４はブリッジのバラン
ス及びキャリブレーション（校正）に使用する。
【００１１】差動増幅器１６の入力はブリッジの出力端
子１８に接続し、出力はブリッジの入力端子２０へ制御
電圧Ｖｂを供給する。
【００１２】使用において、感知抵抗Ｒｈ、Ｒａは測定
すべき空気流中にさらされる。流れ感知抵抗Ｒｈを通っ
て流れる電流がこの抵抗を加熱してその抵抗値を増大さ
せ、この抵抗を通過する空気がこの抵抗から熱を奪って
これを冷却する。ブリッジの値は、流れ感知抵抗Ｒｈが
周囲温度以上の所定の温度差になったときにブリッジが
バランスするように、選定してある。
【００１３】空気流変化が抵抗Ｒｈの抵抗値を変化させ
る傾向を有するので、ブリッジはアンバランスになる傾
向があり、増幅器１６は供給されたブリッジ電圧を修正
して、抵抗の温度差従ってブリッジのバランスを回復さ
せる。それ故、供給されたブリッジ電圧Ｖｂは空気流に
応じて変化し、空気流量の測定に使用できる。
【００１４】流れ感知素子即ち加熱される抵抗Ｒｈの第
１実施例を図２に示す。低熱伝導係数を有する管状即ち
中空の円筒状基体２２の各端部には、導電性端部キャッ
プ即ち端子２４が接着固定してある。端子２４は流れ感
知抵抗Ｒｈの外部へ延びるリード２６を有し、これらの
リードは、抵抗Ｒｈに電流を供給するための回路コネク
タでもある支持体２８に結合される。
【００１５】加熱コイル３０は加熱区域３４を提供する
ように基体２２の中央部で密に巻かれた抵抗性ワイヤ３
２を有する。加熱区域３４の両側で、ワイヤは基体２２
のまわりに粗く（大きなピッチで）巻かれ、そして端子
２４のまわりに巻かれた端部巻き部分３５で終端し、加
熱区域３４と端子２４との間に隔離区域３６を形成す
る。代わりに、端部巻き部分３５は端子２４の下側で基
体２２のまわりに巻いてもよい。
【００１６】基体２２が低熱伝導係数を有するため、隔
離区域３６は加熱区域３４から端子２４及び支持体２８
への顕著な熱の流れを阻止する。隔離区域３６内の数個
のワイヤ巻き部分が基体２２を殆ど加熱しないので、こ
の区域における熱損失は最少となる。従って、端子２４
の吸熱源効果は相殺され、低流量でのメータ誤差を大幅
に減少又は排除できる。
【００１７】基体の１つの隔離区域３６の軸方向断面を
示す図３を参照して熱の流れを分析する。この断面３８
は長さＬ、表面積Ａｓ及び横断面積Ａｃを有する。熱
は、量Ｑ１で断面内へ軸方向に伝達され、量Ｑ２で断面
から対流放出され、量Ｑ３で断面３８から軸方向外部へ
伝達される。従って、Ｑ１＝Ｑ２＋Ｑ３の関係が成立す
る。熱量Ｑ１が入る端部での断面３８の温度はＴ１であ
り、反対側端部での温度はＴ２である。断面の平均温度
をＴｍとし、空気の温度をＴａとする。ｈを空気流量の
関数とすれば、Ｑ２＝ｈＡｓ（Ｔｍ−Ｔａ）なる関係が
成立する。
【００１８】基体材料の熱伝導係数をｋとすれば、Ｑ３
＝ｋＡｃ（Ｔ１−Ｔ２）／２Ｌ−Ｑ２なる関係が成立す
ることが分かる。従って、端子の方への熱量Ｑ３を減少
させるように横断面積Ａｃを減少させることができる。
代わりに、熱伝導係数ｋを減少させても、長さＬを増大
させてもよい。
【００１９】この実施例において、低い熱伝導係数は基
体として溶融シリカを使用することにより得られる。溶
融シリカは、３７３Ｋで１．７Ｗ／ｍＫ（メートル・ケ
ルビン当りのワット数）の熱伝達係数を有する。これに
対し、９９．５％アルミナの場合は、３７３Ｋで２９．
０Ｗ／ｍＫである。シリカは湿気が侵入した場合に破損
を招くような微細な割れ目を有するので、０．１６３Ｗ
／ｍＫの熱伝導係数を有するポリアミドのコーティング
で割れ目をシールすべきである。
【００２０】横断面は、図２に示すような管状基体を使
用することにより、最小化できる。例えば、管の直径は
０．７６ｍｍであり、肉厚は０．０５ｍｍであり、長さ
は１７．１ｍｍである。例えば、加熱区域の長さは９．
７ｍｍであり、各隔離区域の長さは１．７ｍｍである。
ワイヤはニッケル合金でできており、０．００５ｍｍの
ポリアミドコーティングを伴った０．０７６ｍｍの直径
を有する。各端子２４は管の端部を２ｍｍだけ覆う端部
キャップの形をしている。加熱素子は作動温度で３．７
５オームの抵抗を有する。
【００２１】管状の基体はセンサに対する迅速応答を補
助するような小さな熱断面及び小さな質量を有するが、
図４に示すような中実の円柱形ロッドを使用してもよ
い。低熱伝導係数のため、端子に対する熱損失は許容で
きるほどに低くすることができる。応答時間は管状基体
の場合ほど速くはないが、ロッドの方が強度は大きい。
この例においては、溶融シリカ製のロッドは０．０３ｍ
ｍの厚さのポリアミドコーティングを伴った０．６９ｍ
ｍの直径を有し、その長さは１０ｍｍである。加熱区域
の長さは３．７ｍｍであり、各隔離区域３６の長さは２
ｍｍであり、端部は約２ｍｍの長さを有する。ワイヤは
ニッケル合金でできており、０．００５ｍｍのポリマー
コーティングを伴った０．０３３ｍｍの直径を有する。
各端部端子２４は、ロッド２２及びロッドの端部領域に
おけるワイヤ巻き部分３５を覆う０．１ｍｍの厚さのは
んだのコーティングを有する。熱感知抵抗は２５オーム
の抵抗値を有する。
【００２２】図５に示す他の実施例では、加熱区域３４
の密に巻かれたコイル３０は少なくとも隔離区域３６を
通して延び、端子２４′により覆われる領域まで延びて
もよい。コイル３０による隔離区域３６の加熱を阻止す
るため、各箔状の端子２４′は基体２２のまわりに部分
的に巻かれ端部巻き部分にはんだ付けされた半円筒状部
分３９を有する。また、各端子２４′は端子部分３９か
らコイル３０上を加熱区域３４内へ延びるフィンガ状の
箔分路４０をも有する。分路４０は隔離区域３６内の巻
き部分をバイパスし、このため、隔離区域の加熱は生じ
ない。成分の１つとしてニッケルを含む分路４０は低電
気抵抗を有するが、端子２４′に対する熱損失を最少化
するのに十分低い熱伝導性を有する。
【００２３】端子２４′の両側に位置した突起４１はリ
ード４２まで延びてこれに溶着されている。
【００２４】図６は他の実施例を示し、この実施例にお
いては、コイル３０の代わりに抵抗層４４を使用し、こ
の層は基体２２上に設けたプラチナフィルムでよい。加
熱区域３４において、層４４は、例えばレーザーによ
り、らせんパターン４６に切断されて、所望の高抵抗を
提供するが、隔離区域３６においては、層４４は中実
で、所望の低抵抗を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の空気流メータ回路の概略回路図である。
【図２】本発明の１実施例に係る空気流感知素子の断面
図である。
【図３】基体内の熱の流れを示す、図２の空気流感知素
子の一部の断面図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る空気流感知素子の部
分断面図である。
【図５】本発明の第３実施例に係る空気流感知素子の部
分斜視図である。
【図６】本発明の第４実施例に係る空気流感知素子の部
分側面図である。
【符号の説明】
２２ 基体 ２４ 電気端子 ３０ 加熱素子 ３４ 加熱区域 ３５ 端部巻き部分 ３６ 隔離区域 ４０ 分路 ４４ 抵抗層 ４６ らせんパターン

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低熱伝導材料でできた基体（２２）と；
    この基体のそれぞれの端部に取り付けた第１及び第２の
    電気端子（２４）と；前記基体上に位置すると共に前記
    電気端子に電気的に接続していて、同基体上に加熱区域
    （３４）を提供すると共に同加熱区域と前記各電気端子
    との間に隔離区域（３６）をも提供するようになった加
    熱素子（３０）と；を有する空気流感知素子において、
    使用時に、前記加熱素子が前記加熱区域で前記基体を加
    熱し、前記隔離区域が加熱された基体を前記電気端子か
    ら隔離するように作用することを特徴とする空気流感知
    素子。
  2. 【請求項２】 前記加熱素子（３０）が第１連結部分
    （３６）及び第２連結部分（３５）を有し、これら各連
    結部分が対応する前記隔離区域と前記電気端子とを橋渡
    して前記加熱素子を同電気端子に接続することを特徴と
    する請求項１の空気流感知素子。
  3. 【請求項３】 前記加熱素子（３０）が、前記加熱区域
    で前記基体に密に巻かれた部分（３４）と前記隔離区域
    で該基体に粗く巻かれた部分（３６）とを有するワイヤ
    コイル（３０）を具備することを特徴とする請求項２の
    空気流感知素子。
  4. 【請求項４】 前記隔離区域内の前記加熱素子の部分を
    電気的に短絡させる手段（４０）を更に備えたことを特
    徴とする請求項２又は３の空気流感知素子。
  5. 【請求項５】 前記加熱素子が前記基体を覆い前記各電
    気端子（２４）に連結した抵抗性フィルム（４４、４
    ６）を有し、同抵抗性フィルムが、前記加熱区域におい
    て実質上らせん状の高抵抗部分（４６）を有すると共
    に、前記各隔離区域において低抵抗部分（４４）を有す
    ることを特徴とする請求項１又は２の空気流感知素子。
  6. 【請求項６】 前記基体が実質上円筒状であることを特
    徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の空気流感
    知素子。
  7. 【請求項７】 前記基体が溶融シリカ製のロッドででき
    ていることを特徴とする請求項６の空気流感知素子。
  8. 【請求項８】 前記基体が溶融シリカ製の管でできてい
    ることを特徴とする請求項６の空気流感知素子。
  9. 【請求項９】 前記基体が前記電気端子に機械的に連結
    され、使用時に、同電気端子により支持されるようにな
    っていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか
    に記載の空気流感知素子。
  10. 【請求項１０】 前記電気端子が吸熱源として作用する
    ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の
    空気流感知素子。
  11. 【請求項１１】 前記基体と前記加熱素子とのうちの一
    方又は両方をポリアミドでコーティングしたことを特徴
    とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の空気流感
    知素子。
JP3207822A 1990-08-20 1991-08-20 空気流感知素子 Expired - Lifetime JPH06103209B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/570,107 US5094105A (en) 1990-08-20 1990-08-20 Optimized convection based mass airflow sensor
US570107 1995-12-11

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Publication Number Publication Date
JPH04254716A JPH04254716A (ja) 1992-09-10
JPH06103209B2 true JPH06103209B2 (ja) 1994-12-14

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ID=24278253

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3207822A Expired - Lifetime JPH06103209B2 (ja) 1990-08-20 1991-08-20 空気流感知素子

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JP (1) JPH06103209B2 (ja)
DE (1) DE4125380A1 (ja)
GB (1) GB2248114A (ja)

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