KR101957680B1 - 유동 유체 매체의 유동관 내에서 사용하기 위한 유동 격자 - Google Patents

유동 유체 매체의 유동관 내에서 사용하기 위한 유동 격자 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 유동 유체 매체의 유동관(112) 내에서 사용하기 위한 유동 격자(124)로서, 특히 유체 매체의 하나 이상의 특성을 검출하기 위한 센서(116)의 전방에서 유체 매체의 유동에 영향을 주기 위한 상기 유동 격자(112)에 관한 것이다. 유동 격자(124)는, 유동 유체 매체가 주 유동 방향(114)으로 관류할 수 있는 복수의 통로(126)를 포함한다. 통로(126)들은 각각 주 유동 방향(114)의 반대 방향으로 향해 있는 단부에 하나 이상의 유입 개구부(128)를 포함하고, 그 맞은편 단부에는 하나 이상의 유출 개구부(130)를 포함한다. 통로(126)들은, 유동 격자(124)의 관류 횡단면에 걸쳐 분포되어 정렬되면서 주 유동 방향(114)에 대해 평행한 회전 방향을 갖는 다수의 와류를 생성할 수 있도록 설치된다.

Description

유동 유체 매체의 유동관 내에서 사용하기 위한 유동 격자{FLOW LATTICE FOR USING IN A FLOW PIPE OF A FLOWING FLUID MEDIUM}
본 발명은 유동 유체 매체의 하나 이상의 특성을 검출하기 위한 공지된 센서 장치에 관한 것이다. 상기 유형의 센서 장치는 종래 기술로부터 다양하게 공지되었으며, 여기서는 유동 유체 매체의 물리적으로 및/또는 화학적으로 검출할 수 있는 하나 이상의 특성을 정성적으로 및/또는 정량적으로 검출하기 위해 사용된다. 그러나 본 발명이 제한하지 않는 중요한 적용예는 자동차 공학에서 공기 질량 유량의 측정이다. 여기서는 특히 예컨대 로베르트 보쉬사(Robert Bosch GmbH): 자동차의 센서, 2007년 발행, 140-142쪽에 기재된 이른바 핫필름 공기 질량 센서가 사용된다. 상기 유형의 핫필름 공기 질량 센서의 경우 통상적으로 얇은 센서 멤브레인을 포함하는 센서 칩이 사용되며, 센서 멤브레인 상에는 2개 이상의 온도 감지기에 의해 둘러싸인 하나 이상의 가열 저항체가 배치된다. 센서 칩 위쪽의 공기 질량 유량으로 인해 열적 대칭성이 변경되며, 그럼으로써 온도 감지기들은 서로 다른 신호를 생성하고, 이 신호로부터는 다시 공기 질량 유량이 추정될 수 있다. 상기 유형의 고온 공기 질량 센서는 수많은 경우에 예컨대 내연기관의 흡입관(suction tract)의 유동관 내에서 사용될 수 있는 플러그인 센서(plug-in sensor)의 형태로 구성된다.
특히 공기 질량의 측정 시에 유동의 균일화를 위해 종종 격자가 사용되며, 이 격자는 예컨대 와이어 격자로서 또는 플라스틱 격자로서 형성된다. 본 발명은 추가의 가능한 구성의 제한 없이 다음에서 실질적으로 플라스틱 격자와 관련하여 설명된다. 예컨대 유동관의 세그먼트의 원통형 하우징 내에 제공되는 공기 질량 센서의 경우, 격자는 예컨대 통합되거나 또는 별도로 사용될 부재로서 형성될 수 있다. 플러그인 센서로서 공급되는 공기 질량 센서의 경우, 격자는 또한 예컨대 공기 필터 내에 제공될 수 있다. 격자의 형태는 종래 기술에 따라 대개 지향성이 격자 표면에 대해 수직을 이루는 것을 통해, 다시 말하면 격자 셀들의 벽 표면이 주 유동 방향에 대해 평행하게 배향되는 것을 통해 결정된다. 종래 기술에 따른 격자의 기능은 대개 예컨대 와류 같은 교란의 감쇠와 유동 프로파일의 균일화에 있다. 특히 통상적으로, 직선으로 향하는 유동은 측정 장치에 대해 최적의 전제 조건을 제공한다는 점을 기초로 한다.
그러나 특히 유동 방향에 대해 평행하게 배향되는 격자 표면을 갖는 직선 격자를 사용할 경우 종종 격자 자체가 유동에 교란을 야기하는 문제가 발생한다. 따라서 격자 웨브들은 대개 유동 내 국소 분리(local separation)를 야기할 수 있으며, 이런 분리는 후류(wake)라고도 한다. 상기 격자 웨브들은 각각의 유동 속도에 따라 서로 다르게 거동할 수 있다. 특히 층류 유동에서 와류 유동으로의 전환은 대개 센서 신호의 바람직하지 못한 재현성을 수반한다.
종래 기술로부터는 유동 격자의 다양한 구조적 구성이 공지되었다. 예컨대 DE 19647081 A1에는 유동 매체의 질량을 측정하기 위한 장치가 개시된다. 여기서는 유동 개구부들을 포함하는 격자가 사용되며, 유동 개구부들은 적어도 부분적으로 서로 다른 관류 횡단면을 갖는다. 이와 관련하여 유동 개구부들의 관류 횡단면들은 유입 상황에 적합하게 형성된다.
DE 10 2007 055 193 A1로부터는 유체 매체의 파라미터를 측정하기 위한 센서 장치가 공지되었으며, 이 센서 장치는 주 유동 방향에 대해 횡방향으로 상류에서 센서 전방에 배치되고 격자 스트럿들을 구비한 하나 이상의 격자를 포함한다. 상기 격자는 하나 이상의 제 1 격자 영역과 하나 이상의 제 2 격자 영역을 포함하되, 격자 스트럿들은 제 1 격자 영역에서 실질적으로 반경 방향으로 연장되고 제 2 격자 영역에서는 실질적으로 할선(secant)으로 연장된다.
DE 10 2008 041 145 A1로부터는 유체 매체의 파라미터를 측정하기 위한 센서 장치가 공지되었다. 이 센서 장치는 주 유동 방향에 대해 횡방향으로 배치되고 하나 이상의 스트럿을 구비한 하나 이상의 격자를 포함하며, 상기 스트럿은 유체 매체가 과류(overflow)하는 하나 이상의 표면에 하나 이상의 전단 부재(shear element)를 포함한다. 전단 부재는, 전단 부재의 하류에서 유동 내에 와류 유동을 가진 영역을 생성할 수 있도록 구성된다.
개시된 격자 장치에 의해 달성될 수 있었던, 재현성, 유동 특성 및 오염 민감성의 개선에도 불구하고, 예컨대 유입 유동에서의 변화에 대한, 센서 장치, 특히 공기 질량 센서의 강성을 향상할 필요가 언제나 있다. 특히 층류 유동과 난류 유동 사이의 전환점의 제어성 향상이 바람직할 수도 있으며, 이는 유입 유동 조건과 관련하여 공차(tolerance)를 증가시킬 수도 있다.
본 발명의 과제는 공지된 유동 격자 및 센서 장치의 단점을 적어도 대부분 방지하고 유입 유동 조건의 변화에 대한 센서 장치의 강성을 더욱 증가시키는, 유동 유체 매체의 유동관 내에서 사용하기 위한 유동 격자와, 유동 유체 매체의 하나 이상의 특성을 검출하기 위한 센서 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 제 1 관점에서 유동 유체 매체의 유동관 내에서 사용하기 위한 유동 격자가 제안된다. 유동 유체 매체는 예를 들면 주 유동 방향으로 유동관을 관류하는 기체, 특히 공기일 수 있다. 유동관은 예컨대 40㎜와 150㎜ 사이의 횡단면을 갖는 관일 수 있다. 그러나 또 다른 기하 구조도 기본적으로 가능하다. 유동관은 예컨대 유동관 세그먼트, 예컨대 내연기관의 흡입관의 세그먼트일 수 있다. 유체 매체는 예컨대 초당 0.3과 90m 사이의 평균 유동 속도로 유동관을 관류할 수 있다. 그러나 또 다른 유동 속도도 기본적으로 가능하다. 유동 격자는, 하기에서 재차 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 특히 유체 매체의 하나 이상의 특성을 검출하기 위한 센서 전방에서, 예컨대 하기에서 재차 더욱 상세하게 설명되는 특성을 가진 유동 센서의 전방에서 유체 매체의 유동에 영향을 주기 위해 사용된다. "전방" 또는 "상류(upstream)"라는 특성은 본 발명의 범주에서 유동 유체 매체가 주 유동 방향으로 흐를 시에 우선 유동 격자를 통과하고 이어서 센서를 통과하는 배치 구조를 의미한다. 주 유동 방향은 유체 매체의 질량 운반의 평균화된 방향을 의미하되, 국소적 편차, 예컨대 국소적 와류는 고려되지 않은 상태일 수 있다.
유동 격자는 복수의 통로를 포함하되, 이들 통로는 유동 유체 매체에 의해 주 유동 방향으로 관류될 수 있다. 이들 통로는 예컨대 각각 하나 이상의 관류 채널, 바람직하게는 정확히 하나의 관류 채널, 또는 점 대칭 방식으로 배치된 복수의 관류 채널, 특히 바람직하게는 정확히 4개의 채널을 포함할 수 있되, 이들 채널은 각각 실질적인 통로의 부분 통로들을 형성할 수 있다. 이들 통로는 각각 주 유동 방향과 반대 방향으로 향해 있는 단부에 유체 매체를 유입하기 위한 하나 이상의 유입 개구부를 포함하고, 맞은편 단부에는 유체 매체를 유출하기 위한 하나 이상의 유출 개구부를 포함한다.
여기서 통로들은 본 발명에 따라, 유동 격자의 관류 횡단면에 걸쳐 분포되어 정렬되면서 주 유동 방향에 대해 평행한 회전 방향을 갖는 다수의 와류를 생성할 수 있도록 설치된다. 여기서 주 유동 방향에 대해 평행한 회전 방향이란, 와류가 주 유동 방향으로부터 최대 30°만큼, 바람직하게는 최대 20°만큼, 특히 바람직하게는 최대 10°만큼 각도를 이루는 와류 축을 갖는 회전 방향을 의미한다. 와류는 5개 이상, 바람직하게는 10개 이상의 와류 성분을 복수 개 포함할 수 있되, 이들 와류는 바람직하게는 유동 격자와 바람직하게는 유동관의 관류 횡단면 전체에 걸쳐 분포되는 방식으로 정렬된다. 이는 바람직하게는 유동관의 횡단면 전체가 생성된 와류에 의해 채워지는 방식으로 이루어진다.
이는 특히 유동 격자의 지향성이 더 이상 주 유동 방향에 대해 수직으로 배치됨으로써 달성되는 것이 아니라, 상대적으로 작은 와류 다수가 횡단면 전체에 걸쳐 생성되는 방식으로 달성될 수 있다. 그럼으로써 유동 격자의 후류 구역(wake zone), 예컨대 유동 격자의 스트럿들의 후류 구역은 더욱 잘 혼합되며, 그럼으로써 유체 매체의 유동 내 불균일성은 더욱 빠르게 감쇠된다. 이러한 혼합을 통해 유동은 더욱 균일해지고, 예컨대 선택적으로 후방에 장착되는 센서, 예컨대 공기 질량 센서는 보다 정확한 결과를 공급할 수 있다. 그럼으로써 특히 센서의 향상된 조정(trimming)이 가능해진다.
통로들의 유입 개구부는 특히 다각형 형태를 가질 수 있다. 여기서 유입 개구부가 정방형 형태를 갖는 구성이 특히 바람직하다. 이와 관련하여 통로들의 유입 개구부들은 상하 간에 동일한 형태를 가질 수 있거나, 또는 하기에서 예시로서 재차 더욱 상세하게 설명되는 것처럼 서로 상이한 형태, 예컨대 2가지 이상의 유형의 형태를 가질 수 있다. 유출 개구부도 마찬가지로 다각형 형태, 예컨대 각각 해당하는 유입 개구부와 동일한 다각형 형태를 가질 수 있다. 유출 개구부의 다각형 형태는 특히 유입 개구부의 다각형 형태에 대해서 주 유동 방향에 대해 평행한 축을 중심으로 회전되어 있을 수 있다. 예컨대 유입 개구부와 각각 해당하는 유출 개구부는 각각 정방형 또는 장방형 형태를 가질 수 있되, 유출 개구부의 정방형 또는 장방형은 유입 개구부의 정방형 또는 장방형에 대해서 주 유동 방향에 대해 평행한 축을 중심으로 회전되어 배치된다. 선택적으로 유입 개구부 및 유출 개구부는 자체 표면 중심점이 주 유동 방향에 대해 평행한 축 상에 배치될 수 있거나, 또는 하기에서 재차 더욱 상세하게 설명되는 것처럼 주 유동 방향에 대해 횡방향으로 오프셋 될 수 있다. 유입 개구부 및 유출 개구부가 주 유동 방향에 대해 평행한 축을 중심으로 상호 간에 회전되어 있다면, 특히 바람직하게는 통로 내부에 비평면형 안내 표면들(guide surface)이 제공되고, 이들 안내 표면들은 유입 개구부의 다각형 형태의 테두리를 유출 개구부의 다각형 형태의 해당 테두리와 연결한다. 상기 안내 표면들은 바람직하게는 비평면형으로 구성되며, 그럼으로써 상기 안내 표면들은 유입 개구부에 대한 유출 개구부의 회전에 의해 유체 매체의 통로 관류 시 유체 매체에 와류를 부여하게 된다.
특히 통로들의 유입 개구부들은 장방형의 행렬 형태로 배치될 수 있되, 유입 개구부들의 테두리는 행렬 형태의 축에 대해 평행하게 배향될 수 있다. 통로들의 유출 개구부들은 예컨대 마찬가지로 장방형 행렬 형태로 배치될 수 있으며, 바람직하게는 유출 개구부들의 테두리는 행렬 형태의 축에 대해 평행하지 않게 배치된다.
앞서 설명한 것처럼, 유입 개구부들과 각각 해당하는 유출 개구부들은 동일한 형태를 가질 수 있다. 그러나 대체되는 실시예에 따라 유입 개구부는 또한 예컨대 제 1 유형의 형태, 특히 정방형 형태를 가질 수 있되, 유출 개구부는 제 2 유형의 형태를 가지며, 이때 제 2 유형은 제 1 유형과는 다르게, 특히 비정방형 형태로 형성된다. 예컨대 유출 개구부는 장방형 형태, 예컨대 유입 개구부의 선택적 정방형에 대해 평행한 테두리를 갖거나, 또는 유입 개구부의 테두리에 대해 90° 이외의 각도만큼 회전된 테두리를 갖는 장방형 형태를 가질 수 있다.
유입 개구부가 제 1 유형의 형태를 갖고 유출 개구부는 제 1 유형과 다른 제 2 유형의 형태를 가지면, 통로들은 특히 재차 안내 표면들을 포함할 수 있으며, 이들 안내 표면들은 바람직하게는 실질적으로 주 유동 방향에 대해 평행하게 구성되되, 다시 말하면 정확히 주 유동 방향에 대해 평행하게 연장되거나, 또는 주 유동 방향에 대해 최대 20°의 각도, 바람직하게는 최대 10°의 각도를 이루면서 연장되는 표면들을 구비하여 구성된다. 상기 안내 표면들은 유입 개구부의 테두리로부터 출발하여 예컨대 통로 내로 연장될 수 있다. 유출 개구부에는 하나 이상의 차단 부재가 제공될 수 있으며, 이 차단 부재는 유출 개구부를 포함하되, 다시 말하면 예컨대 유출 개구부를 한정하고, 및/또는 제한하며, 그리고 차단 부재는 해당하는 통로의 일부분을 가린다. 예컨대 통로는 유입 개구부로부터 출발하여 실질적으로 원통형으로, 다시 말해 유입 개구부의 형태에 상응하는 원통형 횡단면을 갖도록 구성될 수 있다. 그에 따라 유출 개구부의 영역에는 상기 원통형 통로를 적어도 부분적으로 가리는 차단 부재가 하나 이상 제공될 수 있다.
유출 개구부는 특히 4개의 모서리, 또는 4개 이상의 모서리를 포함할 수 있다. 예컨대 유출 개구부는, 예컨대 <90° 또는 ≤90°의 내각을 하나 이상, 그리고 >90° 또는 ≥90°의 내각을 하나 이상 갖는 모서리를 4개 이상 가지는 불규칙 다각형의 형태를 가질 수 있다. 예컨대 유출 개구부는 90°의 내각과 270°의 내각을 갖는 다각형의 형태를 가질 수 있다. 특히 유출 개구부는 한 축, 예컨대 유출 개구부의 표면 중심점을 통과하는 축을 중심으로 예컨대 회전 대칭성, 특히 2중 이상, 바람직하게는 3중 이상, 또는 4중 이상의 회전 대칭성을 갖는 회전 대칭형 형태를 가질 수 있다.
유입 개구부는 특히 유출 개구부와 다른 횡단면 면적, 특히 유출 개구부보다 더 큰 횡단면 면적을 포함할 수 있다.
앞서 설명했듯이, 모든 유입 개구부가 동일하게 형성될 수 있을 뿐 아니라, 모든 유출 개구부도 상하 간에 동일하게 형성될 수 있다. 그러나 대안으로서 2가지 이상의 형태를 가진 유입 개구부들이 제공될 수도 있다. 또한, 대안으로서 또는 추가로 2가지 이상의 형태를 가진 유출 개구부들이 제공될 수 있다. 예컨대 통로들은 2가지 이상의 상이한 형태를 갖는 유출 개구부들을 포함할 수 있으며, 유동 격자의 유출 개구부들은 1차원 이상, 예컨대 X 방향 및/또는 Y 방향으로 주 유동 방향에 대해 횡방향으로 반복되는 패턴을 가질 수 있다. 예컨대 X 방향 및/또는 Y 방향으로 2가지 이상의 상이한 형태가 교대로 배치될 수 있다. 이와 동일한 사항은 유입 개구부들에도 적용된다. 다시 말해 일반적으로 바람직하게는 통로들의 유입 개구부들 및/또는 유출 개구부들이 2가지 이상의 상이한 형태를 가지며, 유입 개구부들 및/또는 유출 개구부들은 1차원 이상으로 반복되는 패턴을 갖는다. 예컨대 유입 개구부들 및/또는 유출 개구부들은 직교 행렬(orthogonal matrix) 내에 배치될 수 있고, 예컨대 주 유동 방향에 대해 수직인 X 방향을 따라 더욱 긴 변을 갖는 제 1 유형의 장방형과 주 유동 방향에 대해 수직인 Y 방향을 따라 더욱 긴 변을 갖는 제 2 유형의 장방형을 가질 수 있다. 제 1 유형의 장방형과 제 2 유형의 장방형은 특히 X 방향 및/또는 Y 방향으로 교대로 배치될 수 있으며, 바람직하게는 행렬의 인접한 행들 및/또는 열들 사이에서 180°의 위상 오프셋을 갖는다.
앞서 설명했듯이, 각각의 통로는 바람직하게는 정확히 하나의 채널을 포함할 수 있다. 그러나 복수의 채널을 갖는 부분 통로들을 포함하는 통로들도 가능하며, 상기 복수의 채널은 바람직하게는 점 대칭 방식으로 배치된다. 각각의 통로가 2개 이상, 바람직하게는 4개 이상의 부분 통로를 복수 개 포함하는 경우에는, 앞서 설명한 조건들이, 상기 부분 통로들 중 하나, 다수, 또는 그 모두에 대해 적용될 수 있다. 예컨대 각각의 부분 통로는 유입 개구부와 유출 개구부를 포함할 수 있다. 본 발명의 범주에서 와류 형성을 위해 특히 바람직한 전술한 배치 구조, 예컨대 유입 개구부들 및 유출 개구부들 각각의 바람직한 배치 구조 또는 구성이 상기 부분 통로들 중 하나, 다수, 또는 그 모두에 적용된다. 직교 행렬 내 배치 구조는 전체적으로 통로에 관련되거나 또는 부분 통로들에만 관련될 수 있다. 예컨대 X 방향 및/또는 Y 방향에서 하나의 부분 통로 또는 복수의 부분 통로를 갖는 통로들은 반복해서 직교 행렬에 배치될 수 있다. 이로 인해, 행렬의 인접한 행들 및/또는 열들 사이에 180°의 위상 오프셋을 가진 구성이 형성되며, 행렬의 행들 및/또는 열들은 전체적으로 통로로 형성될 수 있거나, 또는 부분 통로들 또는 이 부분 통로들의 유입 및/또는 유출 개구부들로 형성될 수 있다. 실시예들은 하기에서 재차 더욱 상세하게 설명된다.
앞서 설명했듯이, 통로들 전체가, 또는 하나 이상의 부분 통로가 제공되면 상기 통로들의 부분 통로들이, 유동 유체 매체에 와류, 다시 말해 각운동량(angular momentum)을 부여할 수 있도록 설치될 수 있다.
유입 개구부의 표면 중심과 각각의 유출 개구부의 해당하는 표면 중심 사이의 연결선은 실질적으로 주 유동 방향에 대해 평행하게, 다시 말하면 예컨대 최대 20°, 바람직하게는 최대 10°의 편차를 나타내면서 배치될 수 있다. 예컨대 앞서 설명했듯이 안내 표면들은 통로들 내부에 제공될 수 있고, 상기 안내 표면들은 실질적으로 주 유동 방향에 대해 평행하게 연장된다. 그러나 그럼에도, 통로들 내부에서 안내 표면들이 주 유동 방향에 대해 평행하거나 또는 경사져서 연장되는 경우라면, 유출 개구부들은 각각의 유입 개구부들에 대해 오프셋 되어 배치될 수 있다. 이는 예컨대, 앞서 설명했듯이, 통로들 내부에서 경사진 안내 표면들을 제외하고서, 대안으로 또는 추가로 전술한 차단 부재들에 의해서도 이루어질 수 있다. 이와 같은 오프셋은 일반적으로 예컨대 유입 개구부의 표면 중심과 유출 개구부의 표면 중심 사이의 연결선이 주 유동 방향에 대해 경사져서, 예컨대 10° 이상의 각도, 바람직하게는 15° 이상의 각도, 바람직하게는 20° 이상의 각도를 이루면서 연장되는 방식으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 추가 관점에서, 유동 유체 매체의 하나 이상의 특성, 특히 유체 매체의 질량 유량 및/또는 체적 유량을 검출하기 위한 센서 장치가 제공된다. 그러나 대안으로서 또는 추가로 유동 유체 매체의 질량 유량 및/또는 체적 유량을 정성적으로 및/또는 정량적으로 검출하기 위해, 물리적으로 및/또는 화학적으로 측정될 수 있는 유동 유체 매체의 특성이 하나 이상 검출될 수 있으며, 예컨대 유동 속도, 압력, 온도, 또는 이들 특성 또는 또 다른 특성들의 조합이 검출될 수 있다. 특히 하나 이상의 유동 특성이 검출될 수 있다.
센서 장치는 주 유동 방향으로 유체 매체가 관류할 수 있는 하나 이상의 유동관과, 이 유동관 내에 장착되는 하나 이상의 센서를 포함한다. 하나 이상의 센서는, 하나 이상의 특성을 검출할 수 있도록 설치될 수 있다. 이런 경우 예컨대 공지된 센서 원리, 예컨대 앞서 설명한 핫필름 공기 질량 센서 원리가 사용될 수 있다. 센서는 고정되거나 뒤집힐 수 있는 방식으로 유동관 내에, 예컨대 유동관의 관 벽에 수용될 수 있고, 및/또는 유동관 안쪽으로 돌출된 플러그인 센서 및/또는 측정 핑거(measuring finger)의 형태로 수용될 수 있다. 예컨대 유체 매체의 유동 내로 돌출되고, 유동 유체 매체가 플러그인 센서의 채널 구조 내로 유입될 수 있게끔 하는 하나 이상의 유입 개구부를 포함하는 고온 공기 질량 측정식 플러그인 센서가 사용될 수 있다. 상기 채널 구조 내에 예컨대 센서의 하나 이상의 센서 소자가, 예컨대 하나 이상의 측정 칩, 특히 하나 이상의 핫필름 공기 질량 측정 칩이 수용될 수 있다. 그러나 또 다른 구성도 기본적으로 가능하다. 또한, 센서 장치는 유동관 내에서 센서의 상류에 앞서 설명한 구성들 중 한가지 이상의 구성에 따라 하나 이상의 유동 격자를 포함한다. 특히 상기 유동 격자는 유동관의 관류 횡단면 전체를 가리고, 및/또는 그 중 80% 이상을 가릴 수 있다. 유동 격자는 특히 주 유동 방향에 대해 횡방향으로, 바람직하게는 90°에서 최대 20°만큼, 바람직하게는 최대 10°만큼, 특히 바람직하게는 최대 5°만큼 편차를 갖는 각도로 배향될 수 있다. "상류"는 본 발명의 범주에서 유체 매체가 센서에 도달하기 전에 먼저 유동 격자를 통과하는 것을 의미한다. 따라서 유동 격자는 특히 유동 유체 매체의 유동 조건이 센서의 위치에서 영향을 받는 방식으로 구성될 수 있다. 예컨대 유동 격자는 센서로부터 10㎜ 내지 200㎜의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 유동 격자는 유동관과 고정 결합될 수 있지만, 교환 가능하게 유동 격자 내에 수용될 수도 있다.
제안되는 유동 격자 및 제안되는 센서 장치는 공지된 유동 격자와 센서 장치에 비해 수많은 장점이 있다. 특히 앞서 설명했듯이, 공지된 센서 장치에 비해 센서 장치의 강성과 센서 장치의 신호 강성이 대폭 향상되며, 특히 유입 유동에서의 변화에 대한 강성이 대폭 향상된다. 특히 층류 유동과 난류 유동 사이의 전환점이 더욱 잘 제어되며, 이런 점은 공차를 증가시킬 수 있다. 이런 향상은 특히 앞서 설명한 것처럼 유동 격자의 후류 구역의 혼합이 향상되는 것을 통해 달성된다. 그럼으로써 유동 내 불균일성은 더욱 빠르게 감쇠되며, 그에 따라 유동은 더욱 균일해지고 센서 장치는 더욱 정확한 결과를 공급할 수 있게 된다. 이는 특히, 통로들을 통해, 예컨대 유동 격자의 격자 웨브들 및/또는 격자 스트럿들을 통해 야기되는 작고 국소적인 수많은 교란을 혼합하고 그에 따라 교란의 균일한 분포를 달성할 목적으로, 바람직하게는 전체 횡단면에 걸쳐 분포되는 개별 소형 와류를 제어하면서 제공하는 것을 통해 달성된다. 이때 유동 격자의 횡단면에 걸쳐서, 바람직하게는 전체 유동관의 횡단면에 걸쳐서 분포되어 정렬되는 와류의 형성은, 와류 전체가 동일한 회전 방향을 갖거나, 또는 와류 내에서 상이한 회전 방향들이 생성되는 방식으로 이루어질 수 있다. 두 구성의 경우, 주 유동 방향과 일직선의 관찰 방향에서 좌측 또는 우측으로 회전하는 방식으로 형성될 수 있는 와류들도 가능하다. 이는 특히 존재하는 각각의 유동 조건에 따라 선택될 수 있으며, 예컨대 내연기관의 흡입관의 공기 필터 내 유동 조건에 따라 선택될 수 있다. 또한, 유동관 및/또는 유동 격자는 전체가 또는 부분적으로 상기 유형의 공기 필터 내에 통합될 수도 있다.
본 발명에 의해, 공지된 유동 격자 및 센서 장치의 단점을 적어도 대부분 방지하고 유입 유동 조건의 변화에 대한 센서 장치의 강성을 더욱 증가시키는, 유동 유체 매체의 유동관 내에서 사용하기 위한 유동 격자와, 유동 유체 매체의 하나 이상의 특성을 검출하기 위한 센서 장치가 제공된다.
본 발명의 실시예들은 도면들에 도시되어 있다.
도 1은 센서 장치의 실시예를 도시한 개략도.
도 2a 내지 도 2c는 유동 격자의 제 1 실시예를 각기 다른 위치에서 바라본 개략도.
도 3a 내지 도 3f는 유동 격자의 제 2 실시예를 각기 다른 위치에서 바라본 개략도.
도 4a 내지 도 4c는 유동 격자의 제 3 실시예를 각기 다른 위치에서 바라본 개략도.
도 5a 내지 도 5c는 유동 격자의 제 4 실시예를 각기 다른 위치에서 바라본 개략도.
도 6a 내지 도 6c는 유동 격자의 제 5 실시예를 각기 다른 위치에서 바라본 개략도.
도 1에는 센서 장치(110)의 실시예가 도시되어 있다. 센서 장치(110)는 도시된 실시예의 경우 유동 유체 매체가 주 유동 방향(114)으로 관류할 수 있는 유동관(112)을 포함한다. 상기 유동관(112) 내에는 예컨대 플러그인 센서(118)의 형태인 센서(116)가 장착되며, 이 센서 내에서는 예컨대 주 유동 방향(114)의 반대 방향으로 향해 있는 유입 개구부(120)에 유체 매체가 유입될 수 있으며, 그리고 상기 센서 내에는 예컨대 하나 이상의 센서 소자(122)(도 1에만 도시됨)가 수용될 수 있다. 예컨대 센서(116)는 핫필름 공기 질량 센서일 수 있다.
또한, 센서 장치(110)는 도시된 실시예의 경우 유동 격자(124)를 포함한다. 상기 유동 격자(124)는 예컨대 고정되거나 교환 가능하게 유동관(112)과 결합되고 센서(116)의 상류에 배치된다. 유동 격자(124)는 유동관(112) 자체와 같이 예컨대 원형 횡단면을 가질 수 있거나, 또 다른 횡단면, 예컨대 다각형 횡단면을 가질 수 있다. 유동 격자(124)는 상류에 배치되는 유입 개구부(128)들과 상류에 배치되는 유출 개구부(130)들을 구비한 복수의 통로(126)를 포함하며, 상기 유입 및 유출 개구부들은 각각 통로들의 채널(132)들에 의해 연결된다.
도 2a 내지 도 6c에는 예컨대 도 1에 따른 센서 장치(110) 내에서 사용될 수 있는 유동 격자(124)의 다양한 구성이 도시되어 있다.
도 2a 내지 도 2c에는 유동 격자(124)의 제 1 실시예가 각기 다른 방향에서 보이는 모습으로 각각 도시되어 있되, 도 2a에는 유동 격자(124)의 유입 개구부(128)들의 평면도가, 도 2b에는 유출 개구부(130)들의 평면도가, 그리고 도 2c에는 도 1의 주 유동 방향(114)에 대해 평행한 절단면을 갖는 단면도가 각각 도시되어 있다. 도면으로부터 알 수 있듯이, 유동 격자(124)는 예컨대 원형 프레임(134)을 포함하며, 이 원형 프레임은 예컨대 링으로서, 또는 계단식 링으로서 형성될 수 있다. 도 2a에 따른 유입 개구부(128)들은 본 실시예의 경우 예시적으로 정방향으로 형성되며, 유출 개구부(130)들도 마찬가지로 정방형으로 형성된다. 그러나 다른 형태도 기본적으로 가능하다. 여기서 예시로서 유입 개구부(128)들뿐 아니라 유출 개구부(130)들은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 배치 구조의 경우 장방형 행렬 내에 배치되며, 예컨대 주 유동 방향(114)에 대해 수직인 등각 좌표계(autogonal coordinate system)의 x 방향 및 y 방향에 대해 평행하게 배치된다. 그러나, 다른 구성도 기본적으로 가능하다. 또한, 도 2a 및 2c에 따른 구성의 경우, 유출 개구부(130)들은 해당하는 유입 개구부(128)들에 대해서, 각각 주 유동 방향(114)에 대해 평행한 축을 중심으로, 예컨대 3° - 30°의 각도만큼, 특히 10° - 20°의 각도만큼 회전된다. 통로(126)들의 채널(132)들 내부에는 예컨대 안내 표면(136)들이 제공될 수 있으며, 이들 안내 표면은 유입 개구부(128)들과 유출 개구부(130)들의 해당하는 테두리를 서로 연결한다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 변형예는 유동 기술 면에서 바람직한데, 그 이유는 유동 격자(124)의 각각의 개별 격자 셀이 회전되기 때문이다. 회전은 예시적으로 도 2a에 따른 구성에서 우측 회전 구성으로 2회까지 이루어진다. 또한, 좌측 회전 구성도 가능하다.
도 3a 내지 도 3f에는 유동 격자(124)의 제 2 실시예가 각기 다른 방향에서 보이는 모습으로 각각 도시되어 있다. 도 3a 및 3b에는 정면도와 배면도가 각각 도시되어 있되, 도 3a에는 유입 개구부(128)들에 대한 평면도로, 그리고 도 3b에는 유출 개구부(130)들에 대한 평면도로 도시되어 있다. 도 3c 내지 도 3f에는 주 유동 방향(114)에 대해 평행한 여러 절단면으로 유동 격자(124)를 절단한 단면도가 각각 도시되어 있되, 이 단면도에는 유출 개구부(130)들의 구성이 더욱 정확하게 도시되어 있다.
도 2a 내지 도 2c에 따른 통로(126)들 내 비평면형 안내 표면(136)들과 다르게, 도 3a 내지 도 3f의 실시예에서는 예컨대 도 3f에 도시된 것처럼 통로(126)들의 내부에 마찬가지로 안내 표면(136)들이 도시되어 있지만, 이들 안내 표면은 본 실시예의 경우 실질적으로 주 유동 방향(114)에 대해 평행하며, 유입 개구부(128)들의 테두리(138)로부터 연장된다. 유출 개구부(130)들에는 통로(126)들의 일부분을 가리면서 유출 개구부(130)들을 한정하는 차단 부재(140)들이 제공된다. 경사진 안내 표면(136)들을 사용하는 것 대신에, 생산 기술 측면에서 도 2a 내지 도 2c의 실시예보다 더 간단하게 제조되는 본 실시예의 경우 와류가 차단 부재(140)들에 의해 실현된다.
또한, 도 3a 내지 도 3f의 실시예는 유출 개구부(130)들이 유입 개구부(128)들과는 다른 기하구조 형태를 갖는 실시예를 나타낸다. 예컨대 유입 개구부(128)들은 본 실시예의 경우 예시적으로 정방형 형태로서 형성되는 제 1 유형의 형태를 가지며(도 3a 참조), 그에 반해 유출 개구부(130)들은 제 1 유형과 다르고 본 실시예에서는 12개 모서리를 구비한 다각형의 형태를 갖는 제 2 유형의 형태를 가질 수 있다. 상기 12개의 모서리 중 예시적으로 270°의 내각이 4개 제공되고, 그리고 90°의 내각은 8개 제공된다. 예컨대 유출 개구부의 다각형은 정방형에 의해, 예컨대 각각 해당하는 유입 개구부(128)와 동일한 형태의 정방형에 의해 외접하여 둘러싸일 수 있으며, 다각형은 정방형의 테두리로부터 돌출부들이, 예컨대 각각 정방형의 모서리로부터 정방형의 안쪽으로 돌출되는 것을 통해 생성된다. 이로 인해, 차단 부재들에 의해 재차 각각의 통로(126) 내에 회전 방향 또는 와류가 생성될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c와 도 5a 내지 도 5c에는, 도 3a 내지 도 3f의 실시예와 유사하게 유출 개구부(130)들에 차단 부재(140)를 포함하는 2개의 실시예가 각각 도시되어 있다. 또한, 안내 표면(136)들은 통로(126)들의 내부에 예컨대 주 유동 방향(114)에 대해 평행하게 배치된다. 마찬가지로 와류가 재차 차단부에 의해 강제적으로 형성되는, 도 4a 내지 도 4f에 따른 실시예의 경우, 재차 유동 격자(124)의 정면(도 4a), 배면(도 4b) 및 단면(도 4c)이 각각 도시되어 있다. 본 실시예에서 차단 부재(140)들은 유동의 반대 방향으로 향해 있는 측면에서 재차 다각형을, 예컨대 270°의 내각을 갖는 모서리 4개와 90°의 내각을 갖는 모서리 8개를 포함하는 다각형을 한정한다. 다각형은 예컨대 재차 정방형에 의해, 예컨대 유입 개구부(128)들을 한정하는 정방형과 동일한 정방형에 의해 외접하여 둘러싸일 수 있다. 이런 경우 차단부들은 정방형의 서로 마주 놓인 모서리들로부터 출발하여 정방형의 안쪽으로 돌출될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c에 따른 초기 실시예에 상응하는 도 5a 내지 도 5c에 따른 실시예의 경우, 유입 개구부(128)들은 제 1 유형의 정방형 또는 장방형이고, 유출 개구부(130)들은 제 1 유형의 정방형 또는 장방형이며, 유출 개구부(130)들은 제 2 유형의 정방형 또는 장방형, 예컨대 상대적으로 더 작은 정방형이다. 특히 상기 정방형들의 표면 중심점(예컨대 상기 정방형들의 대각선들의 교차점)은, 특히 도 5a로부터 알 수 있듯이, 주 유동 방향(114)에 대해 횡방향으로 상호 간에 오프셋 될 수 있다. 그에 상응하게 상대적으로 더 작은 유출 개구부(130)들의 테두리들은, 통로(126)들의 채널(132)들 안쪽으로 돌출된 차단부들을 형성한다. 도 5a에 따른 관찰 방향에서 상기 차단부들 각각은 각각의 통로(126)의 왼쪽 및 상부 가장자리에 배치된다. 본 실시예는 격자 경계를 넘어서 와류를 생성할 수 있으며, 예컨대 와류는 더욱 크게 형성될 수 있다. 차단 부분은 개별 와류를 강하게 혼합시킨다.
도 6a 내지 도 6c에는, 도 4a 내지 도 4c와 유사한 도면으로 유동 격자(124)의 추가 실시예가 도시되어 있다. 지금까지의 실시예의 경우 각각의 통로(126)가 각각 정확히 하나의 유입 개구부(128)와 하나의 유출 개구부(130)를 구비한 정확히 하나의 채널(132)을 포함하는 반면에, 도 6a 내지 도 6c에 따른 실시예의 경우, 각각의 통로(126)가 4개의 채널(132)을 포함하고 있는 초격자(super-lattice)가 제공된다. 상기 4개의 채널(132)은 예컨대 주 유동 방향(114)에 대해 평행한 공동의 축을 중심으로 4중 회전 대칭성을 가지면서 회전 대칭 방식으로 배치된다. 예컨대 개별 채널(132)들의 유입 개구부(128)들은 재차 동일하게, 예컨대 재차 정방형으로 형성되는 반면에, 채널(132)들의 유출 개구부(130)들은 특히 도 6a와 6b에서 알 수 있듯이 다르게 형성된다. 즉, 제 1 유형의 형태(142)를 가진 유출 개구부(130)들이 제공되고, 제 2 유형의 형태(144)를 가진 유출 개구부(130)들이 제공된다. 제 1 유형의 형태(142)는 장방형의 더욱 긴 변이 X 방향에 대해 평행하게 배열되는 장방형이고, 제 2 유형의 형태(144)는 더욱 긴 변이 y 방향에 대해 평행하게 배향되는 장방형이다. 각각의 통로(126)에는 상기 형태들(142, 144)이 각각 2개가 제공되고, 이들 형태는 회전 대칭 방식으로 배치된다. 유입 개구부(128)들 및 유출 개구부들은 예컨대 재차 X 방향 및 Y 방향에 대해 평행한 배향을 갖는 장방형 행렬 내에 배치되며, 예컨대 X 방향 및/또는 Y 방향으로 상기 형태들(142, 144)이 교대로 배치된다. 상기 형태들(142, 144)은 예컨대 재차 제 1 유형의 형태(142)의 경우 X 방향에서 채널(132)들 안쪽으로 돌출되고 제 2 유형의 형태(144)들의 경우에서는 Y 방향에서 채널(132)들 안쪽으로 돌출되는 차단 부재(140)들에 의해 달성된다. 안쪽 돌출은 일측에서 또는 양측에서 이루어질 수 있다. 각각의 통로(126) 내부에서 회전 대칭성을 통해 와류가 형성된다. 이 실시예에 의해 와류는 격자 경계를 넘어서 생성될 수 있다. 이 실시예에 의해 각각의 개별 채널(132) 및 각각의 개별 통로(126)로 향하는 분명한 자유 분류 거동(free-jet behavior)이 생성될 수 있다. 채널(132)들은 상호 간에 오프셋 되어 배향되기 때문에, 우수한 혼합이 달성된다.

Claims (10)

  1. 유동 유체 매체의 유동관(112) 내에서 사용하기 위한 유동 격자(124)로서,
    상기 유동 격자(124)는 복수의 통로(126)들을 포함하고, 상기 통로(126)들은 유동 유체 매체에 의해 주 유동 방향(114)으로 관류될 수 있고, 상기 통로(126)들은 각각 상기 주 유동 방향(114)의 반대 방향으로 향하는 단부에 하나 이상의 유입 개구부(128)를 포함하고 맞은편 단부에는 하나 이상의 유출 개구부(130)를 포함하며,
    상기 통로(126)들은, 상기 유동 격자(124)의 관류 횡단면에 걸쳐 분포되어 정렬되면서 상기 주 유동 방향(114)에 대해 평행한 축을 중심으로 하는 회전 방향을 갖는 다수의 와류들을 생성할 수 있도록 설치되고,
    상기 유입 개구부(128)는 다각형 형태를 갖고, 상기 유출 개구부(130)는 또한 다각형 형태를 가지며, 상기 유출 개구부(130)의 다각형 형태는, 상기 유입 개구부(128)의 다각형 형태에 대해서, 상기 주 유동 방향(114)에 대해 평행한 축을 중심으로 회전되는, 유동 격자.
  2. 제 1항에 있어서, 각각의 통로(126)는 하나 이상의 관류 채널(132)을 포함하거나, 또는 점 대칭 방식 또는 회전 대칭 방식 중 적어도 하나의 방식으로 배치되는 복수의 채널(132)을 포함하는, 유동 격자.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 통로(126)의 내부에는, 상기 유입 개구부(128)의 다각형 형태의 테두리를 상기 유출 개구부(130)의 다각형 형태의 해당 테두리와 연결하는 비평면형 안내 표면(136)들이 제공되는, 유동 격자.
  5. 유동 유체 매체의 유동관(112) 내에서 사용하기 위한 유동 격자(124)로서,
    상기 유동 격자(124)는 복수의 통로(126)들을 포함하고, 상기 통로(126)들은 유동 유체 매체에 의해 주 유동 방향(114)으로 관류될 수 있고, 상기 통로(126)들은 각각 상기 주 유동 방향(114)의 반대 방향으로 향하는 단부에 하나 이상의 유입 개구부(128)를 포함하고 맞은편 단부에는 하나 이상의 유출 개구부(130)를 포함하며,
    상기 통로(126)들은, 상기 유동 격자(124)의 관류 횡단면에 걸쳐 분포되어 정렬되면서 상기 주 유동 방향(114)에 대해 평행한 축을 중심으로 하는 회전 방향을 갖는 다수의 와류를 생성할 수 있도록 설치되고,
    상기 유입 개구부(128)와 상기 유출 개구부(130)는 서로 다른 형태를 갖는, 유동 격자.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 통로(126)들은 안내 표면(136)들을 포함하고, 상기 안내 표면(136)들은 주 유동 방향(114)에 대해 평행하게 형성되고 상기 유입 개구부(128)의 테두리(138)로부터 연장되며,
    상기 유출 개구부(130)에는 하나 이상의 차단 부재(140)가 제공되되, 상기 차단 부재(140)는 상기 유출 개구부(130)를 포함하고 해당하는 통로(126)의 일부분을 가리는, 유동 격자.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 통로(126)들의 상기 유입 개구부(128)들 및/또는 유출 개구부(130)들은 2가지 이상의 형태(142, 144)를 가지며, 상기 유입 개구부(128)들 및/또는 상기 유출 개구부(130)들은 1차원 이상으로 반복되는 패턴을 갖는, 유동 격자.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 유입 개구부(128)들 및/또는 유출 개구부(130)들은 직교 행렬 내에 배치되고, 주 유동 방향(114)에 대해 수직인 x 방향을 따라 더욱 긴 변을 갖는 제 1 유형의 장방형과, 주 유동 방향(114)에 대해 수직인 y 방향을 따라 더욱 긴 변을 갖는 제 2 유형의 장방형을 가지며, 상기 제 1 유형의 장방형과 상기 제 2 유형의 장방형은 X 방향 및/또는 Y 방향으로 교대로 배치되는, 유동 격자.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 유입 개구부(128)의 표면 중심과 상기 유출 개구부(130)의 표면 중심 사이의 연결선은 상기 주 유동 방향(114)에 대해 경사져서 연장되는, 유동 격자.
  10. 유동 유체 매체의 하나 이상의 특성을 검출하기 위한 센서 장치(110)에 있어서,
    상기 센서 장치(110)는 유체 매체가 주 유동 방향(114)으로 관류할 수 있는 하나 이상의 유동관(112)과, 상기 유동관(112) 내에 장착되는 하나 이상의 센서(116)를 포함하고, 또한 상기 센서 장치(110)는 상기 유동관(112) 내에 상기 센서(116)의 상류에 제 1항 또는 제 2항에 따르는 유동 격자(124)를 하나 이상 포함하는, 센서 장치.
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