KR100507754B1

KR100507754B1 - 열식유량계

Info

Publication number: KR100507754B1
Application number: KR1019970047926A
Authority: KR
Inventors: 노부카츠 아라이; 가오루 우치야마; 신야 이가라시; 다케히코 고와타리; 이즈미 와타나베
Original assignee: 가부시키 가이샤 히다치 카 엔지니어링; 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1997-09-20
Publication date: 2005-11-03
Also published as: EP0831305A1; JP3283765B2; JPH1090032A; US5952571A; KR19980024814A; DE69738009T2; DE69738009D1; EP0831305B1

Abstract

자동차용 엔진의 흡기량검출에 적합한 열식유량계 및 그의 측정소자에 관한 것으로서, 흡기온도 및 유속 또는 유량의 변동에 대해서 출력오차가 작고 저코스트로 실현가능한 열식유량계를 제공하기 위해, 세라믹 또는 유리기판상에 형성되고 유량을 검출하는 제1 전기저항체 및 저항값이 측정된 유체온도에 의존하는 제2 전기저항체가 전기회로에 접속된 전기도체를 내장하는 플라스틱부재에서 연장하는 지지부재에 의해 유체중에 마련되고, 전기회로는 제1 전기저항체 및 제2 전기저항체에 접속되며 브리지회로를 구성하는 수개의 고정전기저항체를 구비하고,제2 전기저항체에 의해 검출된 측정된 유체온도에 따라 제1 전기저항체를 가열해서 측정된 유체온도의 변화에 대응하는 온도보상을 실행한다.

이렇게 하는 것에 의해, 열전도율의 온도계수Δλ가 작은 재질의 지지부재를 발열저항체 및 지지부재의 온도변화에 의한 열전도량의 변화를 작게 할 수 있고, 흡기온도 및 유속 또는 유량이 넓은 변동에 대해서 출력오차가 작은 열식유량계가 복잡한 회로나 마이컴 등에 의한 보정을 필요로 하지 않는다는 등의 효과가 얻어진다.

Description

열식유량계

본 발명은 열식유량계에 관한 것으로서, 특히 자동차용 엔진의 흡기량검출에 적합한 열식유량계 및 열식유량계의 측정소자에 관한 것이다.

자동차용 엔진은 매우 넓은 공기온도조건하에서의 안정작동이 요구된다. 일반적으로는 그의 온도범위는-30∼80℃이다. 따라서, 엔진에 사용되는 열식유량계도 상기의 온도범위에서 보다 정밀한 측정이 요구된다.

그러나, 주지한 바와 같이 공기의 물성값은 공기의 온도에 따라 변화한다. 그 때문에, 정온도형 열선풍속계에서는 흡입공기의 온도변화에 의해 오차가 발생한다. 이와 같은 유량계에 있어서 풍량 또는 출력을 측정된 유속에 비례한 값으로 변환할 수 있으므로, 유속 또는 풍속은 유량 또는 풍량으로 얻어진다.

상기의 온도범위에서의 온도변화에 대한 공기물성의 변화를 도 10 및 도 11에 도시하였다. 도 10은 온도의 변화에 대한 공기의 물성값의 변화를 도시한 수치그래프이다. 도 11은 온도변화에 따른 공기의 물성값변화에 대한 유속, 무차원수, 열전도율의 변화를 도시한 수치그래프이다. 예를 들면, 상기 온도범위의 중앙값인 25℃의 물성값(각 기호의 말미에 0)을 기준으로 해서 나타내면, 공기의 밀도ρa, 동적 점성계수νa, 열전도율λa, 프란틀수Pr은 도 10과 같이 변화한다. 이 결과, 유속ua, 레이놀즈수Re, 평균누셀트수Num. 평균열전달계수αm은 도 11과 같이 변화한다. 최종적으로 영향을 미치는 평균열전달계수αm은 공기 온도가 높을수록 커지고 공기온도가 낮을수록 적어진다. 기본적으로는 이 평균열전달계수의 변화간 발열저항체 및 그의 지지부재 등으로부터의 방열량의 변화, 즉 열식유량계의 전체발열량의 변화를 발생시킨다. 이것이 흡기온도변화에 의한 열식유량계의 오차의 원인으로 된다. 이 때문에, 일반적으로는 유량계에 접속된 브리지회로 또는 브리지회로와 동등한 기능을 갖는 전자회로를 사용하는 것에 의해, 흡기온도에 따라 발열저항체의 온도The 또는 전기저항Rh가 변경되도록 대략 일정한 가열도(흡기온도에 대한 초가온도 : ΔTe)를 부여해서 오차를 보상한다.

일본국 특허공개공보 소화55-50121호에서는 상기의 문제를 해결하기 위해 발열저항체의 온도를 검출한 흡기온도에 의존해서 변화시키는 기술을 개시하고 있다. 즉, 온도보상용 저항체에 의해 흡기온도를 검출하고 브리지회로를 사용하여 대략 일정한 가열 또는 초과온도ΔTe를 유속을 검지하는 발열저항체에 부여하는 것에 의해 이 오차를 해소할 수 있도록 하고 있다.

또, 일본국 특허공개공보 평성5-312612호에는 상기한 일본국 특허공개공보 소화55-50121호의 문제점으로서 방사열 손실과 발열체 지지부로의 열전달 손실의 보정에 대해서 배려되고 있지 않았던 점을 지적하고 있다. 그리고, 주로 방사열 손실을 보정기 위해 일본국 특허공개공보 평성5-312612호는 제1 측정소자 외에 제2 측정소자를 유체유로중에 배치하고, 유체온도가 높을 때 제2 측저소자가 제1 측정소자에 대해 유체온도가 높을 때 저유량영역에 있어서 보다 승온되도록 구성하고 있다.

또, 일본국 특허공개공보 평성4-285818호에서는 온도보상 저항체Rc의 전기저항의 온도계수값을 발열저항체Rh의 전기저항의 온도계수값보다 낮은 값으로 설정하여 폭넓은 온도범위에서 유량을 정확하게 검출할 수 있도록 하고 있다.

한편, 일본국 특허공개공보 평성5-52626호에는 보빈형의 세라믹을 발열저항체의 본체로 해서 백금을 주성분으로 하는 합금층에 의해 피복된 백금보다 열전도율이 낮은 재질, 예를 들면 40Ni-Fe합금이나 SUS430을 코어선으로 하는 리이드선을 접착제로 결합하여 높은 응답성과 리이드선의 접합강도를 얻는다는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상기 일본국 특허공개공보 소화55-50121호 기재의 종래기술에서는 강제대류에 의한 열전달량의 변화분만 온도보상이 이루어지고, 발열저항체와 리이드를 포함하는 유량계의 열전달성의 특성의 변화를 보상한다는 것에 대해서는 고려되어 있지 않다. 이 때문에, 예를 들면 중간의 흡기온도와 임의의 유속 또는 유량에서의 오차를 제거하는 조정을 실행하여(유량이나 유속에 따른 발열저항체의 열전달 특성의 변동에서) 조정된 값에서 분리된 측정영역에서는 오차가 커져 버린다. 이것을 구체적으로 도시한 것이 도 9이다. 도9 는 종래기술에 의한 열식유량계에 있어서의 다른 흡기온도에서의 유속의 변화에 대한 유량변환 출력오차의 변화를 도시한 수치그래프이다. 도 9에서 측정결과를 실선으로 도시한 바와 같이, 흡기온도가 25℃∼80℃로 변화했을 때는 저유량측에서 +의, 그리고 고유량측에서 -의 폭으로 오차를 발생한다는 문제가 있었다.

또, 일본국 특허공개공보 소화55-50121호 기재의 문제점을 해결했다고 하는 일본국 특허공개공보 평성5-312612호에는 이하에 기술하는 문제점이 있다. 즉, 하드웨어적으로 복잡하게 되는 결점이 있다. 또, 본 발명의 검토에 의하면, 유량 또는 유속에 의한 오차의 변화의 주요인은 방사열 손실의 변화가 아니라 일본국 특허공개공보 평성5-312612호에 개시된 발열체 지지부로의 열전달 손실의 변화에 의한 것이라는 것이 명확하게 되어 있다.

따라서, 상술한 구성만으로는 발열저항체 지지부로의 열전달량 변화에 따른 유속변화에 대한 출력오차의 보상은 충분하게 이루어지지 않는다. 이하 이 이유를 설명한다. 도 8은 종래기술의 열식유량계에 있어서의 온도보상회로도 이다. 예를 들면, 상기 도 8에 도시한 바와 같은 브리지회로를 사용하여 발열 저항체로의 온도보상을 실행하는 종래의 열식유량계에 있어서, 기준흡기온도25℃ 및 흡기온도80℃에서 발열저항체 온도The, 리이드온도Thℓ, 단자온도Tht의 변화를 도 12에 도시한다. 또, 기준흡기온도25℃에서 유량계의 전체발열량Qt(25)에 대한 흡기온도80℃의 전체발열량Qt(80), 소자본체부에서 공기로의 방열량Qa(80) 및 리이드선으로의 열전달량Qℓ(80)의 각각의 비의 유속변화에 대한 변화를 도 13에 도시한다. 도 12에 도시한 바와 같이, 발열저항체 온도The는 유속에 대해 25℃와 80℃에서 거의 일정한 것에 대해, 리이드온도Thℓ과 단자온도Tht는 유속이 낮을수록 높은 온도로 되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 도 13에서는 Qa(80)/Qt(25)는 유속증대에 따라 증대하고, Qℓ (80)/Qt(25)는 유속증대에 따라 감소되는 것을 알 수 있다. 그리고, 그 합인 Qt(80)/Qt(25)는 저유속폭에서 약간 크다. 이 약간의 기울기가 최종적으로 저유량에서 +의 오차, 고유량에서 -의 오차를 발생하는 원인이다. 이것은 리이드선으로의 열전달량의 변화Qℓ(80)/Qt(25)의 기울기가 소자본체에서 방열량의 변화Qa(80)/Qt(25)의 기울기보다 약간 크다는 것에 의한다.

이 사실을 보다 명확하게 도시한 것이 도 14이다. 도 14는 종래기술의 한 열식유량계에 있어서의 다른 흡기온도에서 발열량비 사이의 차의 변화와 발열 소자온도의 변화를 도시한 수치그래프이다.

도 14에 있어서, 유속50m/s에서 흡기온도25℃의 전체발열량Qt(25)와 흡기 온도80℃의 리이드로의 열전달량Qℓ(80)과의 비Qℓ(80)/Qt(25)와 저유속시의 Qℓ(80)/Qt(25) 사이의 차δδ의 변화는 유속의 변화에 의존한다. 실선이 종래의 열식유량계에 있어서의 예를 도시하지만, 유속0. 5m/s시의 δδ의 값이 유속 50m/s시의 값에 대해 50% 이상으로 되어 있다.

일본국 특허공개공보 평성4-285818호는 기본적으로는 일본국 특허공개공보 평성55-50121호와 동작과 동일하다. 따라서, 임의의 유량에 의해 온도보상이 실행되어도 다른 온도조건하에서의 유량의 변화에 대해 발생하는 오차의 기술기의 변화는 해소되지 않는다는 문제가 있다. 또, 전기전항의 온도계수를 온도 보상 저항체와 발열저항체로 변경하는 수단으로서 금속박막의 두께 또는 열처리 조건을 변경하는 것으로 하고 있지만 생산변경을 고려하면 비현실적이다.

또, 일본국 특허공개공보 평성5-52626에 개시된 기술은 리이드재의 열전도율을 작게 해서 발열소자에서 리이드재로의 열전달량을 저하시킨다. 즉, 유량계의 유속변화에 따른 오차변동의 원인인 리이드에서의 열전도율의 변화를 작게 하는 것은 배려되고 있지 않다는 문제가 있었다.

그리고, 최근 자동차의 배기가스중에 포함되는 유해성분의 환경으로의 직접적, 간접적인 영향의 억제의 요구가 높아지고 있다. 미국에 있어서도 금후 2000년까지 자동차엔진이 배출하는 배기가스중의 -유해성분인 CO, HC, NOx 중 특히 NOx의 배출량의 최대기준값을 당초 1/2이하로 또는 1/3이하로 하는 정책이 취해진다. 마찬가지로, 석유자원의 장래를 고려해서 연료소비율의 최대기준값을 2000년 이후 1/2이하로 하는 정책이 취해진다. 상술한 유해성분 및 연비는 자동차엔진내에서 연소하는 연료와 공기의 혼합인 공연비에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서, 지금까지 이상으로 정밀한 공연비의 관리가 요구되고, 공연비의 적절한 조절을 직접 좌우하는 유량의 측정정밀도를 향상시킬 필요로 된다. 특히, 상기의 유해성분을 저감시키는 촉매에서는 통상 그 전화율(invert ratio)이 소정의 공연비의 값의 전후에서 약 100% 가까이에서 급격하게 변동하기 때문에 공연비를 그의 값1의 미소한 근방에서 제어하고 있다. 따라서, 상기의 기준을 만족시키기 위해서는 측정오차를 지금까지의 1/2 또는 1/3이하로 할 필요로 된다.

본 발명의 목적은 흡기온도 및 유속 또는 유량의 변동에 대해서 출력오차가 작고 저코스트로 실현가능한 열식유량게를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 저온시의 엔진의 시동성이나 고온시에서의 엔진의 연비를 향상시키고 배기가스중의 유해성분을 저감하기 위해 엔진제어에 유리한 출력특성을 마련하는 열식유량계를 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명의 열식유량계는 세라믹 또는 유리 기판상에 형성되고 유량을 검출하는 제1 전기저항체 및 저항값이 측정된 유체온도에 의존하는 제2 전기저항체가 전기회로에 접속된 전기도체를 내장하는 플라스틱부재에서 연장하는 지지부재에 의해 유체중에 마련되고, 상기 전기회로는 상기 제1 전기저항체 및 상기 제2 전기저항체에 접속되며 브리지회로를 구성하는 수개의 고정전기저항체를 구비하고,상기 제2전기저항체에 의해 검출된 상기 측정된 유체온도에 따라 상기 제1 전기저항체를 가열해서 상기 측정된 유체온도의 변화에 대응하는 온도보상을 실행한다.

[식 1]

기준온도 또는 소정의 온도에 있어서의 상기 제1 전기저항체의 전기저항의 값Rh0 및 전체발열값Qt0과 측정된 유체온도에 있어서의 상기 제1 전기저항체의 전기저항의 값Rh 및 전체발열랑Qt에 의해 결정되는 상기 값δ는 상기 측정된 유체의 온도의 범위-30℃∼80℃에 있어서 -0. 003∼0. 003 사이의 범위내에 있다. 바람직하게는 값δ는 -0. 015∼0. 0015 사이이다. 더욱 바람직하게는 값δ는 -0. 001∼0. 001 사이이다.

지지부재가 리이드 및 단자를 구비하고, 리이드는 열전도율의 온도계수Δλ가 -0. 06∼0. 06W/(m · K²)사이의 값인 재질로 형성된 바람직하게는 온도계수Δλ는 -0. 03∼0. 03W/(m · K²)사이이다. 더욱 바람직하게는 온도계수Δλ는 -0. 02∼0. 02W/(m · K²)사이이다.

또, 상기의 지지부재를 형성하는 재질은 백금 또는 팔라듐을 성분으로 하는 합금 또는 티탄, 탄탈, 지르코늄의 금속 또는 이들의 합금 또는 스텐레스강, Cr-Mo강이 바람직하다.

그리고, 상기 지지부재의 적어도 일부의 표면이 산화방지막, 백금(Pt), 백금합금, 팔라듐(Pd) 또는 팔라듐합금으로 도포된다.

또, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해 상기 δ의 값을 상기 측정된 유체온도의 변화에 대해 부의 기울기를 갖도록 한 것이다.

[발명의 실시예]

이하, 본 발명의 실시예를 도 1∼도 8 및 도 14∼도 17 및 표 1을 사용해서 설명한다.

도 1 및 도 2에 본 발명에 의한 열식유량계의 실시예의 전체구성을 도시한다.

(10)은 본 발명에 따른 열식유량계가 탑재되고, 흡기통로의 일부로 되는 본체이다. (12)는 본체(10)의 내부에 마련되고 기류가 통과하는 주통로, (11)은 주통로(12) 내부에 마련되고 발열저항체(1) 및 온도보상 저항체(5)를 그의 내부에 유지하는 부재이다. (13)은 이 부재(11)의 내부에 마련된 부통로이고, 발열저항체(1) 및 온도보상 저항체(5)에 의해 이 부통로(13)을 통과하는 공기가 측정된다. 발열저항체(1) 및 온도보상 저항체(5)는 부통로(13)의 주류(20)과 병행하는 통로부분에 마련된 플라스틱몰드(4)상에 단자(3a)와 리이드선(2a)를 거쳐서 고정된다. (21)은 부통로(13)로 분기된 공기류를, (22)는 그의 부통로에서의 출구류를 나타낸다.

도 3은 본 발명에 의한 열식유량계의 실시예의 주요부를 도시한 수직단면도이다. 도 3에 있어서, 화살표는 열의 흐름을 도시하고 있다.

발열저항체(1)은 리이드선(2a), (2b) 및 리이트선에 접속된 단자(3a), (3b)에 의해 유체중에 지지되고 있다. 단자(3a), (3b)는 도시되지 않은 회로모듈에 전기도체를 내장하는 플라스틱몰드(4)에 접속되어 있다. 이들의 부품이 열식유량계의 주요부를 구성하고 있다.

도 16을 사용해서 발열저항체(1)의 구조를 설명한다. 도 16은 도 1에 도시한 열식유량계에 사용되는 발열저항체(1)의 구조의 상세한 1예를 도시한 수직단면도이다.

도시된 바와 같이, 알루미늄 등으로 구성되어 있는 보빈형상의 기판(101)의 외면에는 직경이 작은 백금선(100)이 감겨져 있다. 백금선의 양끝은 기판(101)에 형성된 구멍에 삽입된 금속리이드(2a), (2b)에 용접되어 있다. 이 리이드(2a), (2b)는 예를 들면 유리접착제와 같은 접착제(30)에 의해 기판(101)의 구멍에 삽입된 상태로 고정되어 있다. 또, 이 리이드는 종래 사용되어 온 백금이리듐과 비교해서 온도에 대한 열전도율의 변화량이 작은 티탄, 탄탈, 스텐레스합금이나 백금 또는 팔라듐의 성분을 함유하는 합금을 사용하여 형성된다. 또, 전체는 유리(31)에 의해 오버코트되어 있다.

도 7은 종래기술과 본 발명에 따른 열식유량계에 있어서의 온도보상에 관한 개념도이다. 이 도면에 있어서, (5)는 흡기온도를 측정하는 온도보상 저항체이다. (6a)는 온도보상 저항체의 리이드선이고, (7a)는 온도보상 저항체의 단자이다. (8)은 발열저항체(1)과 온도보상 저항체(5)에 접속되어 이 2개의 저항과 함께 발열저항체(1)을 사용하여 측정된 유속오차를 보상하기 위한 전류를 결정하는 전자회로이다. 발열저항체(1)의 온도The는 온도보상 저항체(5)에 의해 검출되는 온도Tce에 대해 소정의 가열온도ΔTe가 전자회로(8)에 의해 부가되고 제어된다. 전자회로(8)은 실제로 훨씬 복잡한 경우도 있지만, 기본적으로는 도 8에 도시된 바와 같은 발열저항소자(1) 및 온도보상저항체(5)를 포함한 브리지회로로 형성된다.

본 발명의 기본적인 기술사상은 종래기술에 의한 흡기온도 보상시의 보상되지 않은 유속에 의존한 오차의 원인인 유속에 의해 변화하는 리이드선 온도Thℓ과 단자온도Tht의 변화에 따라 소자본체에서 리이드선이나 단자 등의 지지부재로의 열전도량Qℓ의 변화를 작게 유지하는 것에 있다. 본 발명의 실시예에 있어서는 열전도율λ의 온도계수Δλ가 작은 재료를 사용한다. 또, 단자에도 열전도율λ의 온도계수Δλ 가 작은 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

보다 상세하게는 온도계수Δλ를 -0 06∼0. 06(W/(m · K²)사이의 값으로 하는 재료, 바람직하게는 -0. 03∼0. 03W/(m · K²) 사이의 값으로 하는 재료, 더욱 바람직하게는 -0. 02∼0. 02W/(m · K²) 사이의 값으로 하는 재료로 한다. 구체적인 예로서는 예를 들면 단자는 스텐레스재로 하고, 리이드선에 온도계수Δλ=-0. 0083(W/(m · K²))의 티탄(Ti)재 또는 온도계수값Δλ=+0. 004(W/(m · K²))의 탄탈(Ta)재를 사용할 수 있다. 또, 백금 또는 팔라듐 등의 귀금속을 성분으로 하는 2원합금을 사용해도 좋다.

상기의 재료를 사용한 지지부재에 의해 다음의 값δ

[식 1]

이 -30℃∼80℃에서 측정된 유체온도에서 -0. 003∼0. 003의 범위내에 있다. 바람직한 값δ는 -0. 015∼0. 0015의 범위내이다. 더욱 바람직한 값δ는 -0. 001∼0. 001범위내이다.

이와 같은 구성에 의해 얻어지는 효과를 도 4∼도 6을 사용해서 수치로서 설명한다. 여기에서 도 4는 종래기술과 본 발명의 열식유량계에 있어서의 유속과 출력의 특성을 비교한 수치그래프이다. 도 5는 종래기술과 도 1에 도시한 열식유량계에 있어서의 흡기온도와 가열도특성을 비교한 수치그래프이다. 도 6은 종래기술과 도 1에 도시한 열식유량계에 있어서의 흡기dl-30℃-온도와 출력의 특성을 비교한 수치그래프이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 유속0. 5m/s∼50m/s의 유량범위에 있어서도

[식 1]

의 변화가 흡기온도상승55∼60℃에 대해 ±0. 002정도 이하로 할 수 있다. 이때, 도 6에 도시된 전자회로(8)에 의해 부여되는 가열도는 도 5의 점선으로 도시한 바와 같이, 기준온도Ta0(25℃)에 있어서의 가열도ΔTe0에 대해 흡기온도-30∼80℃의 범위에서 ±0. 2%/℃이상의 변화를 부여하고 있다. 특히, 도 4의 점선으로 도시한 바와 같이, 값δ의 약간의 변화가 큰 출력오차로 되는 저유량영역의 흡기온도-30∼80℃의 범위에서 δ의 값을 ±0. 0015이하로 억제할 수 있다.

상술한 열식유량계를 사용하는 것에 의해 얻어지는 작용과 효과를 설명한다.

우선, 도 8에 도시한 브리지회로의 작용을 설명한다. 발열저항체(1)의 전체발열량의 Qt는 그 전기저항값Rh와 그곳을 흐르는 전류값Ih에 대해 Qt=RhxIh2로 결정된다. 따라서, 전류Ih를 브리지회로의 출력전압V2로 나타내면,

[식 2]

으로 된다. 열식유량계의 출력은 이 V2를증폭하여 얻는다. 따라서, 기준출력을 V20,그 때의 전류를 Ih0으로 하면 출력오차는 다음식으로 나타내어진다.

[식 3]

또, 이 식 3을 발열량Qt와 전기저항값Rh의 관계로 나타내면,

[식 4]

으로 된다. 상기 식을 V2를 베이스로 한 표현으로 한 값δ는 다음식으로 된다.

[식 1]

한편, R1, R7, R8을 고정저항, Rc를 온도보상 저항체의 전기저항값으로 하면,

Rh=(R1/R7)×(Rc+R8)

이다. 또, Rc0을 0℃의 온도보상 저항체의 전기저항값으로 하면,

Rc=RcO×(1+κTce)

이다. κ는 발열저항체소재인 백금선 또는 백금막 등의 전기저항의 온도계수이다. Tce는 온도보상 저항체의 온도이고, 도 8의 브리지회로에서의 흡기온도 Ta과 거의 동등하거나 또는 비례한다.

이와 같은 브리지회로에 의해 Rh가 흡기온도에 비례한 전기저항의 값으로 설정된다. 측정하는 기류의 온도가 변화한 경우, 예를 들면 기준온도에서 기온이 상승했을 때 Rh/Rh0의 값은 1보다 큰 값으로 된다. 이 때, 전체발열량의 비Qt/Qt0의 값도 변화한다. 또한 Rh/Rh0의 값이 유속에 의해 영향을 받지 않으면, δ₀또는 δ을 0으로 할 수 있다.

전체발열량Qt는 소자본체부의 공기로의 방열량Qa와 리이드선으로의 열전달량Qℓ을 갖는다. 일반적으로, 유속에 의해 그 온도레벨이 바뀌는 리이드선으로의 열전도량Qℓ 및 유속에 의하지 않고 거의 일정온도로 유지되는 소자본체부의 공기로의 방열량Qa에서는 흡기온도의 변화에 대한 변화에 대해 다른 특성을 갖는다. 따라서, 기준온도에 있어서의 유속의 변화에 대한 전체발열량 Qt0(=Qt0+Qa0) 및 기준온도와 다른 흡기온도에서의 전체발열량Qt와의 비의 변화는 도 13에 도시한 Qt(80)/Qt(25)와 같이 일정값으로 되지 않는다.

따라서, 리이드선 온도의 변화에 의한 열전달량Q1의 변화를 작게 하고 양자의 합의 변화를 유속에 대해 작아지도록 하는 것에 의해, Qt(80)/Qt(25) 또는 Qt/Qt0이 유속과 관계없이 일정하게 되도록 할 수 있다. 그 결과, 도 4에 도시한 바와 같이, 도 8에 도시된 브리지회로에 의해 δ 또는 δ0을 0에 근접시킬 수 있다.

리이드선 온도의 변화에 의한 열절달량Qℓ의 변화를 작게 하기 위해 온도에 의한 열전도율의 변화가 작은 재질의 리이드선(예를 들면 티탄선 또는 탄탈선)을 사용하는 것이 효과적이다. 이와 같은 재질을 사용하는 것에 의해, 도 14의 점선으로 도시한 바와 같이, 고유속시의 전체발열량Qt(25)와 리이드로의 열전달량Qℓ(80)의 비 Qℓ(80)/Qt(25)와 저유속시의 Qℓ(80)/Qt(25)와의 차δδ가 발열소자의 온도The를 종래예보다 상승시킨 경우라도 작게 할 수 있다. 이 때의 발열저항소자(1)에 부가되는 가열도ΔTe는 도 5의 점선과 같이 리이드재료로서 백금이리듐(PtIr10)을 사용한 종래기술과 비교해서 유속의 증가에 대한 증가율이 커지도록 설정된다. 이 결과 도 6의 점선으로 도시한 바와 같이, 넓은 온도 범위 예를 들면 -30∼80℃에서 상기 δ의 값의 변화가 종래기술에 비해 미소하게 된다.

이상으로 설명한 본 발명의 작용과 효과에 대해서 본 발명의 실시예인 티탄(Ti)을 사용한 리이드에 대해서의 실험결과와 계산결과에 따라 도 14 및 도 15를 사용해서 더욱 상세하게 설명한다. 도 14는 종래기술과 본 발명에 의한 열식유량계에 있어서의 다른 흡기온도에서의 열량비의 차와 발열소자온도와의 유속의 변화에 대한 변화를 도시한 수치그래프이다. 도 15는 본 발명에 의한 열식 유량계에 있어서의 다른 흡기온도에서의 유속의 변화와 발열량의 비의 변화를 도시한 수치그래프이다.

도 14에 있어서 기준으로 되는 흡기온도25℃에서 전체발열량Qt(25)와 흡기온도80℃에서 열전달량Qℓ(80)과의 비의 차δδ를 유속50m/s, 5m/s 및 0, 5m/s에 대해서 고려한다. 실선으로 도시하고 리이드선으로서 백금이리듐(PtIr10)을 사용한 종래기술에 의한 열식유량계와 점선으로 도시하고 리이드선으로서 탄탈(Ti)을 사용한 본 발명에 의한 열식유량계에 따르면 유속이 작을수록 이 값이 커지고 있다. 한편, 종래기술과 비교해서 본 발명에 의한 열식유량계의 쪽이 흡기온도80℃에 있어서의 발열소자온도The(80)이 높아지고 있음에도 불구하고 δδ는 작아지고 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 유속의 저하에 따른 리이드선 온도의 상승에 대해 종래기술에 의한 PtIr10을 사용한 리이드와 비교해서 본 발명에 Ti를 사용한 리이드의 쪽이 리이드선으로의 열전달량Qℓ의 증가비율은 작다는 것을 나타낸다.

또한, 도 15에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 열식유량계에 있어서는 기준온도25℃의 전체발열량Qt(25)에 대한 소자본체로부터의 공기로의 강제대류열전달량Qa(80)의 비와 리이드선으로의 열전달량Qℓ(80)의 비는 기울기가 서로 반대인 것을 제외하고 전체발열량ℓt(25)와 열전달량Q1(80)에 거의 대칭이다. 그 합인 전체발열량의 Qt(80)/Qt(25)의 흡기온도의 변화에 대한 유속의 의존성이 없어진다. 즉, 리이드의 온도변화에 의한 리이드선으로의 열전도량Qℓ의 변화를 작게 하는 것에 의해, 열식유량계의 흡기온도가 변화해도 유속에 의존하는 오차를 작게 할 수 있다.

도 17은 본 발명에 의한 열식유량계의 측정소자 리이드선의 단면도이다. 본 발명의 실시예에 있어서의 티탄 및 탄탈리이드선은 유리접착제 및 코팅유리의 소성을 500℃이하의 종래기술로 하면 저온에서 실행하여 형성된 것이다. 이것은 이들 금속이 그 이상의 온도에서는 산화해 버리기 때문이다. 실용상 더 고온에서의 유리소성이 필요한 경우, 도 17에 도시된 산화방지피막(40)을 그 표면에 미리 도포한 재료를 사용할 수 있다. 또, 도포를 위한 열전도율의 온도계수는 티탄 또는 탄탈과 같은 백금 또는 팔라듐 등의 귀금속을 주성분으로 하는 2원합금을 산화방지막(40)을 형성하는 부재로서 사용해도 좋다.

또, 귀금속의 합금 또는 그 조합에 의해 새로운 물성이 나타난다. 즉, 산화의 진행속도가 작거나 또는 산화하지 않는 귀금속합금이 개발되는 일도 고려된다. 따라서, 개발되면 리이드로서 Pt-Pd 또는 Pt-Rh의 합금을 사용할 수 있다.

본 발명의 열식유량계에 지지부재 또는 상기 산화방지막(40)로 사용되는 재료에 대해서 도 18을 사용해서 설명한다. 도 18은 종래기술 및 본 발명에 의한 열식유량계에 사용되는 리이드선 또는 단자 및 산화방지피막재의 열전도율과 그 온도계수의 예를 나타낸 표이다.

리이드선재의 예로서 나타낸 티탄(Ti)과 탄탈(Ta)의 열전도율λ는 각각 21. 9(W/(m· K)), 57. 5(W/(m · K))이고, 열전도율의 온도계수Δλ는 -0. 008(W/(m · K²)), +0. 004(W/(m · K²))이다. 즉, 양자의 물성은 열전도율의 값에서 2배 이상 다르다. 또, 열전도율의 온도계수의 기울기는 온도변화에 대해 반대이다. 그러나, 값δ의 값의 변화가 감소되는 효과는 동일하다.

열전도율의 온도계수Δλ가 부의 값을 갖는 재질의 리이드선을 사용하는 것에 의해 공기온도가 저온(-30℃)에서 저유량이어도 (+)의 오차를 발생시킬 수 있다. 이 오차에 의해 연료는 과잉으로 된다. 이것은 물론 엔진의 종류에도 의하지만, 저온에서의 엔진의 시동성을 양호하게 하는 등의 엔진제어상의 잇점을 부여한다. 또, 반대로 고온시에는 원래의 엔진의 시동성이 양호하므로, 연료에 기인하는 연비를 양호하게 하거나 배기가스중의 유해성분을 저감도 가능하게 된다.

리이드재로서의 Ti, Ta 이외에 도 18에 도시한 바와 같이, 지르코늄(Zr), 마르텐자이트 스텐레스강, 9%Cr-Mo강을 사용하는 것이 바람직하다. λΔ=+0. 01(W/(m · K²))의 오스테나이트 스텐레스강 또는 λΔ=0. 015(W/(m · K²))정도의 다른 재료도 리이드재로서 사용할 수 있다.

또, 이들의 재료의 표면에 산화방지피막을 마련한 부재를 지지부재로서 사용할 수 있다. 이 산화방지피막재로서는 백금계 귀금속 및 백금을 주성분으로 하는 합금을 사용할 수 있다. 또, 팔라듐(Pd) 및 팔라듐을 주성분으로 한 합금이 열전도율의 온도변화계수Δλ의 값이 작아 바람직하다. 또, 이와 같은 재료를 사용하는 것에 의해 제조코스트도 적게 할 수 있다.

이와 같은 합금의 구체적인 예로서는 도 18에 도시한 Pd(70)-Ir(15)-Pt(15)의 3원합금이 있다. 이것의 열전도율의 온도계수 Δλ는 +0. 0288W/(m · K²)이고, 백금을 주성분으로 하는 합금, 예를 들면 PtIr(10)에 비교하면 절반 이하이다. 이것을 사용하는 것에 의해, 고온하에서의 리이드와 발열저항체와의 접착제에 의한 접착이 가능하게 되고, 또한 산화방지막을 리이드표면에 피복하는 것에 의한 리이드코어선의 열전도율의 온도계수Δλ에 대해서의 특성의 저하를 작게할 수 있다.

또한, 상술한 재료는 단자재료로서도 유효하다.

또, 온도보상 저항체(5)를 지지하는 리이드선에도 열전도율의 온도계수Δλ이 작은 재질의 리이드선을 사용할 수 있다. 이 구성에 의해, 본체의 온도가 변화한 경우에 있어서 온도보상 저항체로의 이동열량의 변화를 저감할 수 있다. 그 결과, 소위 벽 온도의 오차를 작게 할 수 있다. 따라서, 발열저항체로의 온도보상의 정밀도를 더욱 향상시켜 열식유량계의 출력오차를 작게 할 수 있다.

또, 이상에서 설명한 본 발명의 구성에 의해 흡기온도의 변화뿐만이 아니라 유량계본체의 온도변화에 대해서도 오차를 작게 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 예를 들면 열전도율의 온도계수λΔ가 작은 재질의 지지부재를 발열저항체 및 지지부재의 온도변화에 의한 열전도량의 변화를 작게 할 수 있고, 흡기온도 및 유속 또는 유량이 넓은 변동에 대해서 출력오차 가작은 열식유량계가 복잡한 회로나 마이컴 등에 의한 보정을 필요로 하지 않는 열식유량계를 제공할 수 있다.

더 나아가서는 저온시의 엔진의 시동성이나 고온시에서의 엔진의 연비를 향상시키거나 배기가스중의 유해성분을 저감하는 점에서 엔진제어에 유리한 출력 특성을 부여하는 열식유량계를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 열식유량계의 실시예의 전체구조를 도시한 단면도,

도 2는 본 발명에 의한 열식유량계의 실시예의 전체구조를 도시한 정면도,

도 3은 본 발명에 의한 열식유량계의 실시예의 주요부를 도시한 수직단면도,

도 4는 종래기술과 본 발명의 열식유량계에 있어서의 유속-출력의 특성을 비교한 수치그래프,

도 5는 종래기술과 도 1에 도시한 열식유량계에 있어서의 흡기온도-가열도의 특성을 비교한 수치그래프,

도 6은 종래기술과 도 1에 도시한 열식유량계에 있어서의 흡기온도-출력 특성을 비교한 수치그래프,

도 7은 종래기술과 본 발명에 따른 열식유량계에 있어서 온도보상에 대한 개념도,

도 8은 종래의 열식유량계에 있어서의 온도보상회로도,

도 9는 종래의 열식유량계에 있어서의 다른 흡기온도에서의 유속의 변화에 대한 유량변환출력오차의 변화를 도시한 수치그래프,

도 10은 온도의 변화에 의한 공기의 물성값변화를 도시한 수치그래프,

도 11은 온도의 변화에 의한 공기의 물성값변화에 의한 유속, 무차원수, 열전도율의 변화를 도시한 수치그래프,

도 12는 기준흡기온도25℃ 및 흡기온도80℃에서 발열저항체의 온도The,리이드의 온도, 단자의 온도의 변화를 도시한 도면,

도 13은 유속의 변화에 의해 발생된 기준흡기온도℃에서 유량계의 전체 발열량에 대한 흡기온도10℃에서의 전체발열량, 소자본체에서 공기로의 방열량, 리이드로의 열전도량의 비의 변화를 나타낸 도면,

도 14는 종래기술의 열식유량계에 있어서의 다른 칵기온도에서리 발열량 비의 차의 변화와 발열소자온도의 변화에 대한 변화를 나타낸 수치그래프,

도 15는 본 발명에 의한 열식유량계에 있어서의 다른 흡기온도의 유속의 변화와 발열량의 비의 변화를 도시한 수치그래프,

도 16은 도 1에 도시된 열식유량계에 사용된 발열저항체(1)의 구성의 예를 상세하게 도시한 수직단면도,

도 17은 본 발명에 의한 열식유량계의 실시예에 있어서의 측정소자 리이드선의 단면도,

도 18은 종래기술과 본 발명에 의한 열식유량계에 사용되는 리이드선 또는 단자 및 산화방지피막재의 열전도율과 그의 온도계수의 예를 도시한 도면.

Claims

세라믹 또는 유기기판상에 형성되고 유량을 검출하는 제1 전기저항체 및 저항값이 측정된 유체온도에 의존하는 제2 전기저항체가 전기회로에 접속된 전기도체를 내장하는 플라스틱부재에서 연장하는 지지부재에 의해 유체중에 마련되고, 상기 전기회로는 상기 제1 전기저항체 및 상기 제2 전기저항체에 접속되며 브리지회로를 구성하는 수개의 고정전기저항체를 구비하고, 상기 제2 전기저항체에 의해 검출된 상기 측정된 유체온도에 따라 상기 제1 전기저항체를 가열해서 상기 측정된 유체온도의 변화에 대응하는 온도보상을 실행하는 열식유량계에 있어서,

기준온도 또는 소정의 온도에 있어서의 상기 제1 전기저항체의 전기저항의 값Rh0 및 전체발열값Qt0과 측정된 유체온도에 있어서의 상기 제1 전기저항체의 전기저항의 값Rh 및 전체발열값Qt에 의해 결정되는 다음의 값δ

[식 1]

이 상기 측정된 유체온도의 범위 -30℃∼80℃에 있어서 -0.003∼0.003의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 열식유량계.
세라믹 또는 유기기판상에 형성되고 유량을 검출하는 제1 전기저항체 및 저항값이 측정된 유체온도에 의존하는 제2 전기저항체가 전기회로에 접속된 전기도체를 내장하는 플라스틱부재에서 연장하는 지지부재에 의해 유체중에 마련되고, 상기 전기회로는 상기 제1 전기저항체 및 상기 제2 전기저항체에 접속되며 브리지회로를 구성하는 수개의 고정전기저항체를 구비하고, 상기 제2 전기저항체에 의해 검출된 상기 측정된 유체온도에 따라 상기 제1 전기저항체를 가열해서 상기 측정된 유체온도의 변화에 대응하는 온도보상을 실행하는 열식유량계에 있어서,

상기 지지부재는 리이드 및 단자를 포함하고,

상기 리이드는 열전도율의 온도계수Δλ가 -0.06∼0. 06W/m · K² 사이인 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 열식유량계.
제1항에 있어서,

상기 지지부재는 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)의 성분을 함유하는 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열식유량계.
제1항에 있어서,

상기 지지부재는 티탄, 탄탈, 지르코늄 또는 이중의 하나를 포함하는 합금, 스텐레스강 또는 Cr-Mo강으로 형성된 것을 특징으로 하는 열식유량계.
제1항에 있어서,

상기 지지부재의 표면의 적어도 일부는 산화방지막으로 피복된 것을 특징으로 하는 열식유량계.
제5항에 있어서,

상기 지지부재의 표면의 적어도 일부가 백금(Pt), 백금합금, 팔라듐(Pd) 또는 팔라듐합금으로 피복될 것을 특징으로 하는 열식유량계.
제1항에 있어서,

상기 δ의 값이 상기 측정된 유체온도의 변화에 대해 부의 기울기를 나타내는 것을 특징으로 하는 열식유량계.
제2항에 있어서,

상기 지지부재는 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)의 성분을 함유하는 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열식유량계.
제2항에 있어서,

상기 지지부재는 티탄, 탄탈, 지르코늄 또는 이중의 하나를 포함하는 합금, 스텐레스강 또는 Cr-Mo강으로 형성된 것을 특징으로 하는 열식유량계.
제2항에 있어서,

상기 지지부재의 표면의 적어도 일부는 산화방지막으로 피복된 것을 특징으로 하는 열식유량계.