KR101398827B1 - 유체 역학적으로 개선된 삽입 센서 - Google Patents

유체 역학적으로 개선된 삽입 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메인 유동 방향(126)으로 유동하는 유체, 특히 유동 파이프를 통해 유동하는 내연 기관의 흡입 공기의 적어도 하나의 파라미터를 결정하는 삽입 센서(110)에 관한 것으로, 상기 삽입 센서는 유동 유체 내로, 메인 유동 방향(126)에 대해 미리 정해진 방향으로 장착될 수 있는 삽입부(116)를 포함하고, 상기 삽입부(116) 내에 적어도 하나의 유입구(128) 및 적어도 하나의 배출구(610)를 가진 적어도 하나의 유동 채널(124)이 제공되고, 상기 적어도 하나의 유동 채널(124) 내에, 상기 적어도 하나의 파리미터를 결정하기 위한 적어도 하나의 센서(144)가 수용되고, 상기 삽입부(116)는 라운딩된 유입측(148)을 포함하고, 상기 라운딩된 유입측(148)은 상기 메인 유동 방향(126) 반대로 향하고, 상기 적어도 하나의 유동 채널(124)이 적어도 하나의 유입구(128)를 상기 라운딩된 유입측(148)의 영역에 가지고, 상기 삽입부(116)는 적어도 부분적으로 하나의 에어포일(airfoil) 프로파일(210)을 가지고, 상기 에어포일 프로파일은, 상기 삽입부(116)가 유동 유체 내로 장착되면 유체의 비대칭 유동 프로파일이 주어지도록 디자인된다.
에어포일 프로파일, 라운딩 유입측, 삽입 센서, 삽입부, 바이패스

Description

유체 역학적으로 개선된 삽입 센서{PLUG-IN SENSOR WITH IMPROVED FLOW DYNAMICS}
본 발명은, 기술의 여러 분야에서 공지되어 있듯이, 유동하는 유체, 특히 유동 파이프를 통해 유동하는 유체의 적어도 하나의 파라미터를 측정하는 장치에 관한 것이다. 예컨대, 공학, 화학 또는 기계 공학의 분야의 많은 프로세스에서 특정 특성들(예컨대 온도, 압력, 유동 속도, 유량 등)을 가진 유체, 특히 가스 흐름(예컨대 공기 흐름(air mass))이 공급되어야 한다. 여기에는 규정된 조건에서 진행되는 특히 연소 프로세스를 들 수 있다.
가장 중요한 적용예는 단위 시간당 특정 양의 공기(공기 유량)가 조절되어 공급되어야 하는 특히 촉매 배기 가스 정화 장치를 포함하는, 차량의 내연 기관에서 연료의 연소이다. 공기 유량을 측정하기 위해, 다양한 타입의 센서가 사용된다. 종래 기술에 공지된 센서 타입은 소위 핫 필름 공기 유량계(hot-film air flow meter, HFM)이고, 이것은 DE 196 01 791 A1에서 실시예로 기술되어 있다. 이러한 핫 필름 공기 유량계의 경우, 얇은 센서 박막을 가진 센서 칩, 예컨대 실리콘 센서 칩이 일반적으로 사용된다. 센서 박막 상에는 전형적으로 적어도 하나의 가열 저항체가 배치되고, 상기 가열 저항체는 2 개 또는 그 이상의 온도 측정 저항체 들(온도 센서들)에 의해 둘러싸여있다. 박막을 통해 안내되는 공기흐름에서 온도 분포가 변하고, 이것은 온도 측정 저항체들에 의해 검출될 수 있고 제어 및 평가 회로에 의해 평가될 수 있다. 예컨대 온도 측정 저항체들의 저항 차이로부터, 공기 유량이 결정된다. 상기 센서 타입의 다양한 다른 변형들이 종래 기술에 공지되어 있다.
예컨대 DE 101 11 840 C2에 공지된 상기 타입의 센서의 문제점은, 센서 소자의 오염(contamination)이 종종 일어날 수 있는 것으로, 예컨대 물, 오일 또는 다른 액체 및 다른 종류의 오염물에 의한 오염이 있을 수 있다. 센서 칩은 일반적으로 내연기관의 흡입 트랙트(tract) 내에 직접, 또는 내연 기관의 흡입 트랙트를 향한 바이패스 내에 삽입된다. 이경우, 내연 기관의 작동 중에 물 또는 오일이 센서 칩 상에, 특히 센서 박막 상에 침적될 수 있다. 이러한 오염물의 침적은 센서의 측정 신호에 바람직하지 않게 영향을 미칠 수 있는데, 그 이유는 특히 센서의 표면 상의 액막이 표면의 열 전도성에 작용하고 이로써 측정 신호의 에러가 초래되기 때문이다. 유사한 문제점들은 핫 필름 공기 유량계들 외에, 유체 파라미터의 측정을 위해 유체 유동 내에 삽입되는 다른 방식의 센서들에서도 나타난다.
상기 오염 문제를 해결하기 위해, 특히 물 또는 오일이 센서 칩상에 도달하는 것을 방지하기 위해, 종래 기술에 다양한 조치들이 공지되어 있다. 예컨대 DE 10 2004 022 271 A1에 기술된 조치는 소위 "바이패스"를 사용하는 것이다. 이 경우 삽입부가 흡입 파이프 내로 삽입되는 삽입 센서가 사용되며, 유입측에서 삽입부 내로 유입구가 제공된다. 삽입 센서 내에 메인 유동 채널이 제공되고, 상기 메인 유동 채널을 통해 유동의 대부분이 유입구로부터 분리구로 흐른다. 메인 채널로부터, "노즈(nose)"라고도 하는 날카로운 에지에서 바이패스 채널이 분기되고, 상기 바이패스 채널 내에 센서 칩이 배치된다. 바이패스 채널은 삽입 센서의 하부측에 있는 배출구 내로 연결된다. 바이패스 채널의 분기부에 있는 날카로운 에지는, 물방울들이 관성력에 의해 바이패스 채널 내로 침투하기 어려워서 대체로 메인 채널 내에 남아 있게 작용한다.
종래 기술에 기술된 삽입 센서 구조의 단점은, 공기 역학적으로 바람직하지 않은 디자인을 가진 삽입 센서가 흡입 트랙트 내에서 유동 저항에 기인한 압력 강하와 관련한 문제를 자주 야기시키는 것이다. 또한, 이러한 센서의 신호의 신호 재생 가능성이 비교적 적다는 것도 단점이다. DE 10 2004 022 271 A1에는 유동 파이프 내에 고정 설치식으로 유동 배출부가 별도 부재로서 제공된다. 대안으로 삽입 센서와 유동 배출부의 일체형 디자인도 제안된다. 또한 삽입 센서 뒤에서 유동을 안정시키는 유동 안내 벽이 유동 파이프 내에 고정식으로 설치된다.
DE 10 2004 022 271 A1에 공지된 구조는 실제 여러 단점들과 관련이 있다. 유동 배출부가 유동 파이프의 부분 내에 일반적으로 고정식으로 설치되는 것이 단점이다. 고정식 설치는 상기 파이프 부분의 제조시, 추가 유동 안내 벽이 제공되는 것처럼 추가 비용을 발생시킨다. 또한 일체형 구현에서는 적용시 조립 길이가 너무 긴 경우가 많다. 그 외에도 DE 10 2004 022 271 A1에 공지된 구조는 삽입 센서에서의 압력 강하과 관련해서 최적화될 수 있다.
종래 구조의 전술한 단점들이 완전히 또는 부분적으로 제거된, 메인 유동 방향으로 흐르는 유체의 적어도 하나의 파라미터를 결정하는 삽입 센서가 제안된다. 여기서, 유체는 예컨대, 압력, 온도, 속도, 공기 유량 등과 같은 적어도 하나의 파라미터를 가지는 액체 또는 가스이다. 특히 바람직하게 삽입 센서는 유동 파이프를 통해 흐르는 내연 기관의 흡입 공기 유량을 측정하는 핫 필름 공기 유량계로서 형성된다.
본 발명에서는, 삽입 센서를 컴팩트하고 보편적으로 사용 가능하게 디자인 함으로써, 유동 파이프의 복잡한 구조가 생략될 수 있다. 본 발명에 따라, 유동 파이프 내에 다른 보조 수단 없이 압력 강하가 적고 신호 재생 가능성이 양호하면서 삽입 센서가 컴팩트하게 디자인되는 것은, 삽입 센서 둘레에, 장해 및 유동 유체의 상이한 유입 상태에 대해 민감하지 않은, 양호하게 규정된 외부 유동을 통해 가능하다. 이를 위해 본 발명에 따라, 비행기 제조(유체 역학, 공기 역학)의 지식이 이용된다.
본 발명에 따른 삽입 센서는, 메인 유동 방향에 대해 예정된 방향으로, 특히 유동 파이프 내에서 흐르는 유동 유체 내로 장착 가능한 삽입부를 포함한다. 삽입부 내에 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 배출구를 가진 적어도 하나의 유동 채널이 제공되고, 적어도 하나의 유동 채널 내에 적어도 하나의 파라미터를 결정하기 위한 적어도 하나의 센서가 수용된다. 전술했듯이, 적어도 하나의 센서는 핫 필름 공기 유량계-센서 칩이다 또한 삽입부는 DE 10 2004 022 271 A1과 유사하게 라운딩된 유입측을 가지고, 라운딩된 유입측은 삽입부 내로 통합되고, 이로써 유동 파이프의 추가 디자인이 필요하지 않다. 라운딩된 유입 에지는 메인 유동 방향의 반대로 향한다. 적어도 하나의 유동 채널의 적어도 하나의 유입구는 메인 유동 방향과 반대인, 라운딩된 유입측의 영역에 배치된다.
제안된 삽입 센서의 특징은, 삽입부가 적어도 부분적으로 에어포일(airfoil) 프로파일을 포함하고, 삽입부가 유동 유체 내로 장착되면, 유체의 비대칭 유동이 주어지도록, 상기 에어포일 프로파일이 디자인되는 것이다. 예컨대 비행기 제조에 공지되어 있는 에어포일 프로파일의 다양한 디자인들이 기본적으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 디자인의 장점은, 비대칭 효과에 의해, 삽입부의 한 측에서는 유동 속도를 증가시키고 다른 측에서는 감소시킬 수 있다는 것이다. 이로써, 삽입 센서의 작동을 위해 특히 유리한 영역에서, 유동하는 유체의 속도 증가가 얻어진다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 배출구(즉, 적어도 하나의 배출구들 중 하나 또는 모든 배출구)가 적어도 하나의 에어포일 프로파일의 하나의 측에 배치될 수 있다. 바람직하게, 에어포일 프로파일은 적어도 하나의 배출구를 가진 배출측, 및 배출구를 포함하지 않는 대응측을 가진다. 이러한 경우, 에어포일 프로파일은, 삽입부가 유동하는 유체 내로 삽입되면, 유동 유체의 속도가 배출측에서 대응측에서보다 더 높은, 유체 내 유동 프로파일이 주어지도록 디자인된다. 적어도 하나의 배출구의 영역에서 유동 속도의 이러한 상승에 의해 유체 역학적 흡입 효과로 인해 적어도 하나의 유동 채널을 통하는 유량이 증가하고 이로써 삽입 센서의 기능성도 향상된다.
적어도 하나의 유동 채널은 예컨대 DE 10 2204 022 271 A1에 기재되어 있듯이(전술한 종래 기술 참조) 디자인될 수 있다. 적어도 하나의 유동 채널은 적어도 하나의 메인 채널 및 적어도 하나의 바이패스 채널을 포함하고, 적어도 하나의 메인 채널은 적어도 하나의 메인 배출부를 포함하고, 적어도 하나의 바이패스 채널은 적어도 하나의 바이패스 배출부를 포함한다. 바람직하게, 적어도 하나의 바이패스 채널이 적어도 하나의 에어포일 프로파일의 한 측에 배치된다. 대안으로 또는 추가로, 적어도 하나의 메인 배출부가 적어도 하나의 에어포일 프로파일의 한 측에 배치될 수 있다.
전술했듯이, 에어포일 프로파일은 여러 방식으로 디자인될 수 있다. 특히 바람직하게, 에어포일 프로파일은, 삽입 센서가 유동 매체 내로 장착되면, 유동으로부터 먼 측에, 메인 유동 방향에 대해 실질적으로 수직인, 직선의 후방부를 포함한다. 이러한 디자인은 DE 10 2004 022 271에 서술된 디자인과 유사하고, 수직의 후방부에 의해 삽입부의 배출측에서 분리 영역의 형성이 유리해진다.
에어포일 프로파일 둘레에서 유동 프로파일의 비대칭은 여러 방식으로 이루어질 수 있다. 바람직한 가능성은, 삽입부가 메인 유동 방향에 대한 입사각(an angle of incidence)을 형성하면서 유체의 유동 내로 장착되는 것이다. 입사각은 비행기 제조에서 일반적이듯이, 에어포일의 프로파일 중심선과 메인 유동 방향의 각을 나타낸다. 바람직하게, 본 발명에 따라, 상기 입사각은 0 내지 7°, 특히 2° 내지 5°, 특히 4°인 것이 특히 바람직한 것으로 나타났다. 최적의 입사각은 사용된 프로파일링 또는 사용된 에어포일 프로파일의 횡단면에 의존한다.
에어포일 프로파일 둘레에서 유동 프로파일의 비대칭으로 유도하기 위한 다른, 추가 또는 대안적 가능성은, 에어포일 프로파일의 프로파일 곡률이 제공되는 것이다. 프로파일 곡률은, 에어포일 구조에서 일반적이듯이, 에어포일의 골격 라인(skeleton line)의 곡률을 의미한다. 골격 라인은 에어포일 프로파일 내로 그려진 모든 최대 원들의 연결선이다. 프로파일 곡률은 일반적으로 퍼센트로 표시되고, 프로파일 곡률의 퍼센트는 소위 프로파일 깊이, 즉 프로파일 중심선의 길이와 관련있다. 바람직하게, 본 발명에 따라 삽입 센서의 최적의 작동을 위한 프로파일 곡률은 0 내지 10%, 바람직하게는 2% 내지 7%, 특히 바람직하게는 약 5%이다.
본 발명은, 에어포일 기술에 공지된, 에어포일 프로파일로부터 유체의 유동 분리를 고려한 비대칭 유동 프로파일의 특별한 디자인을 기초로한다. 따라서 일반적인 삽입 센서의 작동 중에, 특히 부하 변동시(고정 작동 중에도), 유동 내, 특히, 삽입 센서의 표면으로부터 유동 경계층의 분리 영역에서 진동이 나타날 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 진동은 삽입 센서의 신호의 질에 나쁜 영향을 미치는 압력 변동을 야기한다.
본 발명의 원리는, 적어도 하나의 유동 채널을 통하는 유량의 상승을 위한 비대칭 유동 프로파일의 이용에 대한 대안으로 또는 추가로, 에어포일 프로파일의 한 측(바람직하게는 정확히 하나의 측)에 분리 부재가 제공되고, 상기 분리 부재는 비대칭 유동을 위해 제공되지만, 삽입부로부터 유동 분리를 안정화시키는데에도 기여한다는 것이다. 이러한 안정화는, 분리가 더 큰 변동 또는 진동 없이 에어포일 프로파일 상의 예정된 분리 영역에서 항상 이루어지게 한다. 이러한 목적을 위해, 유동 유체 내로 삽입부가 장착되면, 적어도 국부적인 최저 압력이 에어포일 프로파일의 상기 측에 작용하도록 적어도 하나의 분리 부재가 디자인된다. 상기 고정된 최저 압력과 후속하는 압력 상승이 두드러질수록 상기 분리 영역에서 삽입부로부터의 유동 유체의 분리가 더 안정적이다.
유동 내에서 상기 국부적 최저 압력(즉, 국부적 최대 속도)을 일으키기 위해, 사용 가능한 분리 영역들의 여러 실시예가 에어포일 구조로부터 공지된다. 바람직한 가능성은, 에어포일 프로파일의 한 측에 꺽임 프로파일이 제공되는 것이다. 이러한 꺽임의 영역에서 에어포일 프로파일이 에어포일 프로파일의 기울기가 불연속적으로 변하는 기울기의 불연속성을 가진다. 에어포일 프로파일의 "기울기"라는 개념은 하기에서, 입사각이 사라지면 메인 유동 방향에 대한 기울기로서 이해될 수 있다. 이러한 꺽임(bent) 프로파일은 예컨대, 에어포일 프로파일이 꺽임 프로파일 전방, 유입측에서 포지티브(positive) 기울기로 휘어져 연장되고, 꺽임 프로파일 후방, 배출측에서 네거티브(negative) 기울기로, 바람직하게 에어포일 프로파일의 프로파일 중심선에 대해 5°내지 80°, 특히 바람직하게 20°내지 70°의 각으로, 바람직하게 직선으로 연장하도록 디자인된다. 다르게 표현하면, 꺽임 프로파일의 이러한 바람직한 디자인은 프로파일 중심선 방향을 향하는 삽입부의 경사면을 배출측에 가진다. 상기 꺽임 프로파일은 실제로 최저 압력이 나타나고 유동 경계층들이 에어포일 프로파일로부터 분리되는 신뢰할만한 분리 부재로서 나타났다. 따라서, 분리 영역의 변동이 확실히 방지되므로, 신호의 질이 부하 상태가 변하더라도 훨씬 더 향상될 수 있다. 에어포일 프로파일은 전체적으로 적은 저항을 가지고, 삽입부에서의 압력 강하도 적다. 이러한 디자인에 의해, 유동 파이프 내 유동의 안정화를 위해 오늘날 일반적으로 사용되는 안정화 그리드가 생략될 수 있다.
분리 부재를 디자인하는, 대안의 또는 추가의 다른 가능성은 계단형 프로파일을 제공하는 것이다. 계단형 프로파일은 에어포일 프로파일 내 계단부를 의미하고, 즉 "어떤 방향으로의 꺽임" 후에 "반대 방향으로의 꺽임"을 의미한다. 바람직하게, 특히 간단한 구조에 의해, 상기 계단형 프로파일은 직사각형으로 디자인된다. 계단부 영역에서 유동 경계층들로부터 더 확실히 분리하기 위해, 다른 계단형 프로파일, 예컨대 돌출한 뾰족 계단부를 포함하는 것도 고려될 수 있다.
적어도 하나의 분리 부재를 디자인하는, 대안의 또는 추가의 제 3의 가능성은 소위 "볼록형 프로파일"을 제공하는 것이다. "볼록형 프로파일"은 유체의 유입측으로부터 배출측으로의 에어포일 프로파일의 기울기가, 포지티브 기울기로부터 네거티브 기울기로 바뀌는(연속하는 곡선) 프로파일을 의미한다. 바람직하게 네거티브 기울기 영역에서의 곡률이 포지티브 기울기 영역에서의 곡률보다 크고, "기울기부"는 에어포일 프로파일의 제 1 도출을 의미하고 "곡률"은 제 2 도출을 의미한다. 또한, 분리 부재가 바람직한 분리 영역에서 에어포일 프로파일의 연장부에 전환점을 가지는 프로파일도 대안으로 또는 추가로 제공될 수 있다.
전술한 2 가지의 효과들, 즉 비대칭 유동 프로파일에 의한 적어도 하나의 유동 채널을 통과하는 유량의 지원 및 분리 영역의 고정은, 적어도 하나의 배출구들 중 적어도 하나의 배출구가 적어도 국부적인 최소 압력의 영역에 배치됨으로써 조합된다. 특히 적어도 하나의 바이패스 배출부가 적어도 하나의 분리 부재의 영역 및/또는 적어도 하나의 분리 부재의 배출측에 전체 또는 부분적으로 배치될 수 있다. 적어도 하나의 메인 배출부의 이러한 방식의 배치도 대안으로 또는 추가로 바람직하다. 적어도 하나의 배출구의 배치의 이러한 디자인은 전술한 본 발명에 따른 2 가지 효과들을 특히 바람직하게 조합시킨다. 그렇지 않으면, 적어도 하나의 배출구로부터의 공기의 배출은 삽입 센서의 거의 모든 다른 위치에서 매체의 유동을 방해한다. 이러한 방해는 유동 분리 영역에서 가장 적고, 이는 이러한 배치의 다른 긍정적 효과이다.
본 발명의 실시예는 도면에 도시되고 하기 설명에서 더 자세히 다루어진다.
도 1A는 내연 기관의 흡입 트랙트 내에 장착된 핫 필름 공기 유량계(hot-film air flow meter)이고,
도 1B는 개방된 핫 필름 공기 유량계의 평면도이고,
도 2는 에어포일 프로파일의 원리도이고,
도 3은 경사부를 가진 본 발명에 따른 삽입 센서의 에어포일 프로파일의 제 1 실시예이고,
도 4는 경사부 및 계단부를 가진 삽입 센서의 본 발명에 따른 제 2 실시예이고,
도 5A는 본 발명에 따른 삽입 센서의 제 3 실시예에서의 압력 프로파일이고,
도 5B는 삽입 센서의 제 4 실시예에서의 압력 프로파일이고,
도 5C는 삽입 센서의 제 5 실시예에서의 압력 프로파일이고,
도 6A는 분래 부재의 영역에 2 개의 배출구들을 가진 삽입 센서의 측면도이 고,
도 6B는 하나의 배출구만이 분리 부재의 영역에 배치되는, 6A에 대한 삽입 센서의 대안 실시예이다.
도 1A에는 종래 기술에 상응하는, 핫 필름 공기 유량계(hot-film air flow meter)(112)로서 형성된 삽입 센서(110)의 실시예가 도시된다. 핫 필름 공기 유량계(112)는 내연 기관(도 1A에 도시되지 않음)의 흡입 트랙트(114) 내로 삽입된다. 이러한 핫 필름 공기 유량계(112)는 구매 가능하다. 핫 필름 공기 유량계(112)는 흡입 유동의 유동 방향을 검출하도록 형성되고, 가솔린 또는 디젤 연료 분사 장치를 가진 내연 기관에서는 부하 검출을 위해 설계된다. 핫 필름 공기 유량계(112)의 설치는 일반적으로 공기 필터와 스로틀 장치 사이에서 이루어지고 대체로 예비 조립된 서브 어셈블리로서 이루어진다. 이에 따라 삽입 센서(110)는 삽입부(116)를 포함하고, 상기 삽입부가 도 1B에서는 개방된 상태에서 측면도로 도시되고 도 1A에서는 흡입 트랙트(114) 내로 삽입되어 있다. 도 1B에는, 핫 필름 공기 유량계(112)의 본 실시예에서 핫 필름 공기 유량계(112)의 측정 하우징(118)이 유동 영역(120)과 전자 영역(122)으로 나누어진 것이 도시된다. 유동 영역(120) 내에, 종래 기술에 상응하는 본 실시예에서 DE 10 2004 022 271 A1에 기술되어 있는 것처럼 디자인되는 유동 채널(124)이 수용된다. 공기가 메인 유동 방향(126)으로 삽입 센서(110)로 접근한다. 공기는 유입구(128)를 통해 유동 채널(124) 내로 유입된다. 유동 채널(124)은 실질적으로 직선으로, 메인 유동 방향(126)을 따라 유입구(128) 로부터 메인 배출부(132) 방향으로 배치된 메인 채널(130)을 포함한다. 메인 배출부(132)는 여기에서 삽입부(116)의 벽에서 측면으로 배치된다.
분기부(134)에서 메인 채널(130)로부터 바이패스 채널(136)이 분기되고, 상기 바이패스 채널은 실질적으로 곡선으로, 메인 배출부(132) 둘레를 돌아 삽입부(116)의 하부측에 놓인 바이패스 배출부(138)에까지 연장된다. 직선 부분(140)에서, 그 안에 삽입된 센서 칩(144)을 가진 칩 캐리어(142)가 전자 영역(122)으로부터 바이패스 채널(136) 내로 삽입된다. 칩 캐리어(142)는 일반적으로 전자 영역(122) 내에 수용된 전자 인쇄 회로 기판(도 1B에 도시되지 않음)에 고정되고(예컨대 사출 성형됨), 전자 인쇄 회로 기판은 핫 필름 공기 유량계(112)의 평가 및 제어 회로를 포함할 수 있다.
예컨대 액체 오염물(예컨대 물, 오일)과 같은 오염물 또는 고체 오염물이 센서 칩(144)에 접근하지 못하도록, 바이패스 채널(136)의 분기부(134)에 날카로운 에지의 노즈(nose)(146)가 제공된다. 상기 노즈에서 메인 유동은 바이패스 채널(136)을 통해 흐르는 공기의 부분과 분리되는데, 그 방식은 물방울 및 다른 오염물이 메인 채널(130)을 통해 계속 흘러서 실질적으로 센서 칩(144)에 도달할 수 없게 이루어진다.
종래 기술에 상응하는 핫 필름 공기 유량계(112)의 문제는, 도 1B의 도면 평면에 대해 수직인 단면에서 실질적으로 직사각형 횡단면을 가지는 삽입부(116)의 디자인에 있다. 따라서, 삽입부(116)는 메인 유동 방향(126)에 대해 실질적으로 수직으로 형성된 면을 가진 유입측(148)을 포함한다. 본 발명은, 유입측(148)이 라운딩된 유입측으로서 디자인되는 것을 기초로 하고, 라운딩부는 삽입부(116) 및 삽입 센서(110) 내에 이미 통합되어 있다. 삽입부(116)는 전체적으로 도 1B의 도면 평면에 대해 수직인 단면에서, 적어도 유입구(128)의 영역에 에어포일(airfoil) 프로파일(210)을 가지고, 상기 에어포일 프로파일은 도 2에 도시된다. 도 2의 원리도를 참조로 에어포일 프로파일(210)의 기본 개념이 설명된다.
에어포일 프로파일(210)은 본 발명에 따라 라운딩된 유입측(148)을 가지고, 상기 유입측은, 삽입부(116)가 내연 기관의 흡입 트랙트(114) 내에 조립되면, 실질적으로 메인 유동 방향(126)에 반대로 배치된다. 유입측(148)은 에어포일 프로파일에서 정체점(stagnation point)이라고도 한다.
에어포일 프로파일(210) 둘레의 공기의 유동이 도 2에서 유선 212로 표시된다. 여기에서 에어포일 프로파일(210) 둘레의 유동은 본 발명에 따라 2 가지 이유로 비대칭이다. 프로파일 중심선(214)이 유입측(148)의 꼭지점과 에어포일 프로파일의 가상 후방 에지(216) 사이의 가상선으로서 메인 유동 방향(126)에 대해 각도 α만큼 기운다. 이로써, 유동 속도가 에어포일 프로파일(210) 상부에서 상승하고 에어포일 프로파일(10) 하부에서 강하한다. 이에 따라, 압력이 에어포일 프로파일(210) 하부에서 증가하고 에어포일 프로파일(210) 상부에서 강하한다. 이것은 에어포일 프로파일들의 공지된 리프팅(lifting) 효과를 일으킨다.
도 2의 실시예에 따른 에어포일 프로파일(210)의 특징은, 에어포일 프로파일(210)이 "커팅된" 후방부(218)를 가지는 것이다. 이는 후방부가 실질적으로 프로파일 중심선(214)에 대해 수직이거나 또는 입사각α이 사라지면 메인 유동 방향(126)에 대해 수직인 것을 의미한다. 도 2에 표시된 프로파일 중심선(214)의 정의에 대한 대안으로, 상기 프로파일 중심선(214)은 유입측(148)의 꼭지점으로부터 후방부(218)의 중점으로 연장하는 것으로도 정의될 수 있다.
전술한, 유동의 메인 유동 방향(126)에 대한 입사각α에 의한 비대칭과 더불어, 도 2의 에어포일 프로파일(210)의 실시예에서 에어포일 프로파일이 프로파일 곡률을 가짐으로써 다른 비대칭이 나타난다. 도 2에는 소위 골격 라인(skeleton line)(220)이 표시되고, 상기 라인은 에어포일 프로파일(210)에 내부 원들(222)이 표시됨으로써 기하학적으로 얻어진다. 상기 내부 원들(222)의 중앙점들의 전체가 골격 라인(220)을 형성한다. 프로파일 곡률은, 에어포일 프로파일(210)이 완전히 대칭이라면 프로파일 중심선(214) 상에 놓이게 될 골격 라인(220)이 상기 프로파일 중심선(214)에 대해 편차를 가지는 것을 의미한다. 프로파일 중심선(214)과 골격 라인(220)의 최대 편차 f는 프로파일 곡률로서 도시된다. 상기 프로파일 곡률은 에어포일 프로파일(210)의 총 길이 L과 관련되어 퍼센트로 표시된다. 여기에서 총 길이 L은 도 2에 표시되듯이 유입측(148)의 꼭지점으로부터 가상 후방 에지(216)까지 측정되거나, 또는 (바람직한 프로파일 곡률이 상기에서 숫자로 제시된 경우처럼) 유입측(148)의 꼭지점과 후방부(218) 사이에서 측정된, 길이 L'에 관련된다. 따라서, 비율 f/L'가 프로파일 곡률로서 퍼센트로 나타난다. 프로파일 곡률에 의해 추가 비대칭이 나타나고, 상기 비대칭은 에어포일 프로파일(210) 상부에서 유선(212)의 치밀도(compaction)를 더 증가시키므로, 이 영역에서 전술한 속도의 상승 효과을 일으킨다.
도 2의 유선(212)의 연장은 이상적으로 도시되고 일반 에어포일 프로파일(210)에서는 상기 방식으로 종종 나타나지 않는다. 사실상 일반적으로, 에어포일 프로파일(210)의 상부측 그리고 부분적으로 하부측의 각각 하나 또는 여러 분리점들에서 유동 분리가 나타난다. 지금까지 에어포일 프로파일(210)을 둘러쌌던 하나 또는 다수의 경계층들이 상기 에어포일 프로파일로부터 분리되고, 하나 또는 다수의 분리 구역을 형성한다. 이러한 분리점들(224) 및 분리된 경계층들(226)이 도 2에 개략적으로 도시되고, 제시된 에어포일 프로파일(210)에서 상부 분리점(224)은 일반적으로 하부 분리점(224)보다 유입측으로 놓인 것으로 도시된다. 점이 아니라 도면 평면에 대해 수직인 선을 나타내는, 규정된 분리점(224) 대신, 분리점(224)이 유한 크기를 가진 영역 또는 구역일 수 있다.
전술했던 문제점은, 분리되는 경계층들(226)이 형성되는 상기 분리점들(224)이 대부분 불안정하고 진동할 수 있는 것이다. 분리된 경계층들(226)의 위치와 메인 배출부(132) 및 바이패스 배출부(138)의 위치의 관계는 유동 채널(124) 내의 유동 특성에 따라서 핫 필름 공기 유량계(112)의 신호 특성에 민감하게 작용한다. 본 발명의 다른 이론에 따라, 적어도 하나의 분리 부재(310)가 제공될 수 있고, 상기 분리 부재는 에어포일 프로파일(210)의 적어도 하나의 측, 바람직하게는 상부측(즉, 더 높은 유동 속도를 가진 측)에서 분리점(224)의 위치를 안정화, 바람직하게는 고정한다. 도 3, 도 4 및 도 5A 내지 도 5C에는 이러한 분리 부재들(310)의 다양한 실시예들이 도시된다.
도 3에 도시된 에어포일 프로파일(210)의 실시예에서, 꺽임 프로파일(312)이 제공된다. 도 3에 도시되듯이, 상기 꺽임 프로파일(312)은 에어포일 프로파일(210)의 상부측에서, 유입측(148)과 후방부(218)의 거의 중간 또는 상기 중간의 조금 뒤에 배치된다. 에어포일 프로파일(210)은 꺽임 프로파일(312)의 전방, 즉 유입측에서 굴곡을 가지고, 굴곡 영역(314)에서 포지티브 기울기로 연장되도록 형성된다. 에어포일 프로파일(210)은 꺽임 프로파일(312)의 후방, 즉 꺽임 프로파일(312)의 배출측의 평면 영역(316)에서 편평해지고 네거티브 기울기로 프로파일 중심선(214)의 방향으로 연장된다. 이어서, 커팅된 후방부(218)가 제공되어 있다.
분리 부재(310)를 포함하는 에어포일 프로파일(210)의 이러한 디자인은, 상부 분리점(224)이 실질적으로 분리 부재(310) 내에 고정되게 작용한다. 에어포일 프로파일(210)의 하부측에서는, 분리점(224)이 일반적으로 수직 후방부(218)를 향하는 에지에 주어진다. 분리된 경계층들이 도 3에서 도면 번호 226으로 표시되고 상징적으로 도시된다. 에어포일 프로파일(210)의 전방 부분 둘레에서 유동이 양 측에서 분리점들(224)에까지 일정하게 가속되고, 이로써 안정적이고 둔감한 유동 위상 기하학이 얻어진다. 생성된 분리된 경계층들(226)은 크기가 작고, 정지(stationary) 상태이고 이로써 측정의 재현 가능성을 방해하지 않거나 또는 미미하게만 방해한다. 에어포일 프로파일(210)이 인접하는 가속되는 유동과 함께 양측에서 대칭이면, 삽입부(116)의 훨씬 더 큰 총 두께가 나타나고, 이로써 더 많은 재료의 수요 및 더 큰 압력 강하가 삽입 센서(110)에서 나타난다.
도 4에는 분리 부재(310)를 포함하는 에어포일 프로파일(210)의 도 3에 대한 대안 실시예가 도시된다. 도 3의 실시예와 달리, 여기에는 꺽임 프로파일(312)이 제공되지 않고, 계단형 프로파일(410)이 제공되고, 상기 계단형 프로파일에는 도 3에서와 유사하게 배출측에서 평면 영역(316)이 이어진다. 계단형 프로파일(410)은 여기에서 프로파일 중심선(214)에 대해 수직인 제 1 계단면(412), 및 프로파일 중심선(214)에 대해 평행한 제 2 계단면(414)을 가지는 직사각형 계단부로서 형성된다. 계단부의 높이 h는 바람직하게 적어도 0.5mm이지만, 다른 높이도 가능하다. 특히 에어포일 프로파일(210)의 총 프로파일 두께의 1% 내지 20%의 범위에 있는 계단 높이 h가 바람직하다. 제 2 계단면(414)은 일반적으로 1.0 내지 7.0mm 의 길이를 가지고, 총 길이가 프로파일 깊이의 1% 내지 20%인 것이 바람직하다. 유동은 상기 계단부에서 날카로운 꺽임을 따를 수 없고 에어포일 프로파일(210)의 상부면으로부터 분리된다. 분리된 경계층들(226)은 유입 비율이 변하더라도 거의 연속적으로 일정한 크기 및 형태를 가지고 안정적으로 유지된다. 안정적인 유동 위상 기하학은 핫 필름 공기 유량계(112)의 신호에 대한 유동의 반작용을 감소시키고 측정 신호의 재생 가능성을 개선시킨다.
계단형 프로파일(410)의 다른 디자인도 고려될 수 있다. 예컨대 제 1 계단면(412)이 프로파일 중심선(214)에 대해 90°가 아닌 각으로 배치되므로, 계단부는 상부측에서 날카로운 에지(뾰족한 각)를 가진, 배출측으로 조금 기울어진 돌출부를 가진다. 이로써 분리점(224)의 고정이 더 개선될 수 있다.
도 5A 및 도 5B에는, 분리 부재들(310)을 포함하는 에어포일 프로파일(210)의 다른 실시예들이 개략적으로 도시된다. 도 3 및 도 4의 실시예와 달리, 상기 분리 부재들(310)은 기울기가 불연속성인 날카로운 에지(꺽임부)를 가지지 않고, 분리 부재들(310)은 에어포일 프로파일(210)의 기울기가 연속적인 연장부를 가진다. 도 5A 및 도 5C에는 추가 전환점(512)을 가진 볼록형 프로파일(510)의 실시예가 도시되지만, 도 5B에는 전환점을 가지지 않는 볼록형 프로파일(510)의 실시예가 도시된다. 도 5A 및 도 5C에 따른 볼록형 프로파일(510)의 경우, 각각 하나의 최고점(514), 즉, 에어포일 프로파일(210)의 기울기가 포지티브 기울기로부터 네거티브 기울기로(유입측으로부터 배출측으로) 연속적으로 변화하는 점이 도시된다.
기울기가 연속적인 분리 부재들(310)은 꺽임부보다 적은 방해가 유체의 유동에서 야기된다는 장점을 가진다. 따라서, 에어포일 프로파일(210)에서의 총 압력 강하가 더 적다. 또한 기울기가 연속적인 분리 부재들(310)에서는 특히 유동 속도가 낮은 경우 분리된 유동이 다시 만날 위험이 더 적다.
에어포일 프로파일들(210)에 있어서, 도 5A 및 도 5C에는 에어포일 프로파일(210)의 하부측에서의 압력 프로파일(516) 및 에어포일 프로파일(210)의 상부측에서의 압력 프로파일(518)이 각각 도시된다. 상기 압력 프로파일은 시뮬레이션 계산에 의해 계산되었다. 여기에서 소위 압력 계수(cp), 즉, 압력과 배압(back pressure) 간의 무차원 비가 프로파일 중심선(214)을 따른 위치의 함수로서(도면에 도시되지 않음) 도시된다. 압력 계수(cp)의 축선은 반전되므로, 상부로 네거티브 값들이 도시된다.
압력 계수의 도시로부터 알 수 있듯이, 에어포일 프로파일(210)의 하부측에서의 압력 프로파일(516)은 일정 형태의 연장부를 각각 가지나, 에어포일 프로파 일(210)의 상부측에서의 압력 프로파일(518)은 비정상부(520)를 각각 가진다. 상기 비정상부(520)는 최소 압력(522)으로서 형성된다. 이에 따라 비정상부(520)의 상기 영역에서 최고 공기 유동 속도가 나타난다. 분리 부재(310)를 가지는 에어포일 프로파일(210)의 도시된 윤곽에 의해 에어포일 프로파일(210)에서 공간적으로 정해지는 상기 비정상부(520)는 분리점(224)을 에어포일 프로파일(210) 상부측에 고정하기에 적합하고, 따라서, 유동 분리가 규정되고 큰 변동 없이 작동된다.
도 5A 내지 도 5C에 도시된 에어포일 프로파일(210)의 실시예의 다른 긍정적 부가 작용은 하부측에서의 압력 프로파일이 보여주듯이, 유동의 더 강한 가속이 에어포일 프로파일의 상기 하부측에 나타나는 것이다. 따라서, 일반적으로 상기 영역에서 분리되려는 유동의 경향들이 확실히 저지된다.
도 6A 및 도 6B에는, 에어포일 프로파일(210)을 따라 배출구들(610)이 상이하게 배치되는, 핫 필름 공기 유량계(112)의 삽입부(116)의 2 개의 상이한 실시예들이 사시도로 도시된다. 여기에서 도 6B에 파선으로 도시되듯이 에어포일 프로파일(210)은 도 4의 실시예에 따른 에어포일 프로파일에 상응한다. 즉 계단형 프로파일(410)을 가진 분리 부재가 제공되어 있다. 그러나 유사하게, 분리 부재(310)의 각각 임의의 다른 디자인, 예컨대 도 3 또는 도 5A 내지 도 5A의 디자인도 사용될 수 있다.
삽입부(116)의 유입측(148)은 라운딩식으로 디자인되고, 이 실시예에서 유입측(148) 내에 다수의 슬롯들(612)이 형성된다. 상기 슬롯들의 기능은 경계층의 소용돌이(turbulence)-안정화이며 DE 10 2004 022 271 A1에 공지된다.
도 6A 및 도 6B에 따른 상기 2 개의 실시예들은 배출구들(610)의 위치가 서로 다르다. 상기 2 경우, 유동 채널(124)은 삽입부(116)의 내부에 배치되고, 상기 삽입부는 도 6A에만 파선으로 도시되고 도 6B에는 도시되지 않는다. 또한 메인 채널(130) 및 바이패스 채널(136)을 포함하는 유동 채널(124)이 형성되고, 바이패스 채널(136) 내에 센서 칩(144)(도 6A에 도시되지 않음)이 배치된다. 따라서 이 구성은 디자인과 기능 면에서 실질적으로 종래 기술에 상응하는 도 1B의 실시예에 상응한다.
도 1B의 실시예에서와 달리, 도 6A의 본 발명에 따른 실시예의 경우에는 2 개의 배출구들(610), 특히 도 1B에 따른 실시예에서 삽입부(116)의 하부측에 배치되는 바이패스 배출부(138)가 삽입부(116)의 측벽 내에 제공된다. 2 개의 배출구들(610)이 제공된 측벽은 도 6A에서 도면 번호 614로 개략적으로 도시되고, 대응측(도 6B 참조)은 616으로 도시된다. 여기에서 바이패스 배출부(138)는, 계단형 프로파일(410)로서 형성된 분리 부재(310) 상에 놓이게 되도록 배치된다. 도 6B의 실시예에서도 알 수 있는 이 디자인은 도 1B에 따른 종래 기술에 비해, 바이패스 배출부(138)가 최소 압력 또는 최고 속도의 영역에 배치되는 장점을 제공한다. 이에 따라, 흡입 작용이 향상되고 바이패스 채널(136)을 통한 공기 유량이 증가한다. 핫 필름 공기 유량계(112)의 신호 레벨 변동도 훨씬 향상되고 신호대 잡음 비가 아주 개선된다.
도 6A와 도 6B의 비교로 알 수 있듯이, 메인 배출부(132)가 후방부(218)의 영역에 배치되거나(도 6B) 또는 상기 메인 배출부(132)가 분리 부재(310)의 영역에도 배치될 수 있다(도 6A). 후자의 디자인은 바이패스 배출부(138)에서와 유사한 장점을 제공하는데, 즉, 바이패스 배출부가 최대 속도의 영역에 배치됨으로써 핫 필름 공기 유량계(112)를 통해 최적의 공기 유량이 통과한다. 이느 또한 전술했듯이 신호의 질이 개선된다.

Claims (12)

  1. 메인 유동 방향(126)으로 유동하는 유체의 적어도 하나의 파라미터를 결정하는 삽입 센서(110)로서,
    상기 삽입 센서는 유동 유체 내로, 메인 유동 방향(126)에 대해 미리 정해진 방향으로 장착될 수 있는 삽입부(116)를 포함하고, 상기 삽입부(116) 내에 적어도 하나의 유입구(128) 및 적어도 하나의 배출구(610)를 가진 적어도 하나의 유동 채널(124)이 제공되고, 상기 적어도 하나의 유동 채널(124) 내에, 상기 적어도 하나의 파리미터를 결정하기 위한 적어도 하나의 센서(144)가 수용되고, 상기 삽입부(116)는 라운딩된 유입측(148)을 포함하고, 상기 라운딩된 유입측(148)은 상기 메인 유동 방향(126)과 반대로 향하고, 상기 적어도 하나의 유동 채널(124)이 적어도 하나의 유입구(128)를 상기 라운딩된 유입측(148)의 영역에 가지는 삽입 센서에 있어서, 상기 삽입부(116)는 적어도 부분적으로 하나의 에어포일(airfoil) 프로파일(210)을 가지고, 상기 에어포일 프로파일은, 상기 삽입부(116)가 유동 유체 내로 장착되면 유체의 비대칭 유동 프로파일이 주어지도록 디자인되고, 상기 에어포일 프로파일(210)은 상기 삽입부(116)가 상기 유동 유체 내로 장착되면 상기 메인 유동 방향(126)에 대해 2°내지 5°의 입사각α을 가지는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배출구(610)가 적어도 하나의 상기 에어포일 프로파일(210)의 한 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유동 채널(124)은 적어도 하나의 메인 채널(130) 및 적어도 하나의 바이패스 채널(136)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 메인 채널(130)은 적어도 하나의 메인 배출부(132)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 바이패스 채널(136)은 적어도 하나의 바이패스 배출부(138)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 메인 배출부(132) 및/또는 상기 적어도 하나의 바이 패스 배출부(138)가 적어도 하나의 상기 에어포일 프로파일(210)의 한 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에어포일 프로파일(210)은 적어도 하나의 배출구(610)를 포함하는 배출측 및 상기 배출구(610)를 포함하지 않은 대응 측을 포함하고, 상기 에어포일 프로파일(210)은, 상기 삽입부(116)가 상기 유동 유체 내로 장착되면, 배출측(614)의 유동 유체의 속도가 대응측(616)에서보다 높은 유동 프로파일이 주어지도록 디자인되는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에어포일 프로파일(210)은 상기 삽입 센서(110)가 상기 유동 매체 내로 장착되면, 유동으로부터 먼 측에 상기 메인 유동 방향(126)에 대해 실질적으로 수직인, 실질적으로 직선의 후방부(218)를 포함하는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에어포일 프로파일(210)이 2% 내지 7%의 프로파일 곡률을 가지는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에어포일 프로파일(210)은, 상기 삽입부(116)가 상기 유동 유체 내로 장착되면, 유체의 유동 내 상기 에어포일 프로파일(210)의 적어도 하나의 측의 적어도 하나의 분리 구역(224)에서 적어도 국부적인 최소 압력이 나타나고, 적어도 하나의 배출구(610) 중 적어도 하나가 완전히 또는 부분적으로 상기 분리 구역(224) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에어포일 프로파일(210)은 적어도 하나의 배출구(610)가 배치되어 있는 측에서만 적어도 하나의 분리 부재(310)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 분리 부재(310)는 상기 삽입부(116)가 상기 유동 유체 내로 장착되면 국부적인 최소 압력을 일으키도록 디자인되는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리 부재(310)가,
    - 상기 에어포일 프로파일(210)의 기울기가 불연속적으로 변하는 기울기의 불연속성을 가지는 꺽임 프로파일(312);
    - 상기 에어포일 프로파일(210)에서 0.5㎜를 초과하는 높이를 가지는 적어도 하나의 계단부를 가지는 계단형 프로파일(410);
    - 유체의 상기 유입측(148)으로부터 유체의 배출측으로 상기 에어포일 프로파일(210)의 기울기가, 포지티브 기울기로부터 네거티브 기울기로의 연속적으로 변화하고, 네거티브 기울기의 영역에서의 곡률이 포지티브 기울기의 영역에서보다 더 큰 볼록형 프로파일(510);
    - 상기 에어포일 프로파일(210)의 연장부에 적어도 하나의 전환점(512)을 가지는 전환 프로파일
    중 적어도 하나의 프로파일을 포함하는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    꺽임 프로파일(312)이 제공되고, 상기 에어포일 프로파일(210)은 상기 꺽임 프로파일(312)의 전방, 즉 유입측에서는 포지티브 기울기로 휘어져 연장하고, 상기 에어포일 프로파일(210)이 꺽임 프로파일(312) 후방, 즉 배출측에서는 네거티브 기울기로, 그리고 상기 에어포일 프로파일(210)의 프로파일 중심선에 대해 5°내지 80°의 각을 갖는 직선으로 연장하는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배출구(610)가 상기 적어도 하나의 분리 부재(310)의 영역 또는 상기 적어도 하나의 분리 부재(310)의 배출측에 배치되는 것을 특징으로 하는 삽입 센서.
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