KR20010012584A - 유동 매체량 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매체량을, 특히 배관(2)에 흐르는 내연기관의 흡기량을 측정하는 장치(1)에 관한 것이다. 상기 장치는 배관(2)내에 배치된 유동관(3)을 구비한다. 유동 매체의 흐름은 유동관(3)내에서 측정 소자(20) 주위에 배치된다. 매체는 흡기구(9)를 통해 배관(2)으로부터 유동관(3)으로 흘러 들어가며, 배기구(11)를 통해 유동관으로부터 배관(2)으로 흘러나간다. 배기구를 둘러싸는 유동관(3)의 배기 전방면(12)은 유동관(3)의 종축(6)에 대해 반경 방향 성분으로 연장하는 구조상의 홈(53)을 가진다.

Description

유동 매체량 측정장치{Device for measuring the mass of a flowing medium}

유럽특허 제 0 087 621 B1 호에는 배관을 흐르는 매체량, 특히 내연기관의 흡기량을 측정하는 장치가 공지되어 있으며, 이 장치의 경우 주 흡기관과는 별도로 구성된 바이패스관 내에 예를 들면 열선의 형태로 측정 소자가 설치된다. 내연기관의 각 실린더의 개방 및 폐쇄에 의해 바이패스관의 유동속도에 많은 편차 내지는 맥동이 발생하며, 그 강도는 각 피스톤의 흡기 주기 내지는 내연기관 회전수에 의존한다.

이러한 유동속도의 변동은 측정결과, 다시 말해 바이패스관의 평균유동속도와 거기에서 산출되는 내연기관 흡기량에 편차를 유발한다. 유동속도의 맥동 강도에 따라, 예를 들면 내연기관의 부분 부하 영역에서 평균속도 이하 값, 그리고 절기판이 완전히 개방될 때 높은 값이 나타난다. 맥동류에서 발생하는 이러한 측정오차를 감소시키기 위해, 유럽특허 제 0 087 621 B1 호의 장치에서는 계산을 통해, 또 수많은 측정치로부터, 주 흡기관과 바이패스관에 대한 특정한 길이비율과 단면비율을 산출하였으며, 이때 측정 소자는 바이패스관의 특정위치에 고정된다. 이러한 방법은 한편으로 장치에 대한 구조적인 형태와 조립 다양성을 현저히 제한하며, 다른 한편으로는 장치구성에 많은 공간이 소요된다.

독일특허 제 DE 43 40 882 A1 호에서 제안한 유동속도 편차를 감소시키는 방법의 경우, 측정 대상인 배관, 예를 들면 내연기관의 흡기관 내에 내부관의 형태로 유동관을 설치한다. 이 경우 역시 측정 소자는 유동관의 중심근처에 있는 바이패스관에 설치된다 유동관은 그의 내면에, 유체의 맥동강도에 따라 변하는 유체저항을 유발하는 마찰면을 가진다. 따라서 맥동강도가 높을 경우, 유동관의 변방에서 나타나는 마찰의 영향으로 인해 유체는 내부영역, 즉 측정 소자가 있는 바이패스관 영역으로 밀리게 되며, 따라서 유체의 맥동강도가 높을 때 유동관이 없을 때 나타나는 낮은 값을 효과적으로 보상한다. 따라서 독일특허 제 43 40 882 A1 호의 유동관은 근본적으로 그 효과가 입증된다. 하지만 실제 사용을 할 때에는, 크고 귀에 거슬리는 휘파람 소음이 발생한다는 단점이 있다.

독일특허 제 DE 44 07 209 C1 호에서는 측정 소자를, 유체 흐름의 반대 방향으로 좁아지며, S-형상의 유도관이 연결되는 측정관에 설치한다. 이러한 구조를 사용하면 측정결과치의 유체 맥동강도에 대한 의존도를 훨씬 개선할 수 있다. 특히 이 구조는 높은 맥동강도에서 나타나는, 주 흐름방향에 대한 역류에 대해 민감하지 않다.

본 발명은 독립 청구항의 개념에 따른 유동 매체량 측정장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 제 1실시예의 측면도.

도 2는 본 발명에 따른 도 1의 제 1 실시예의 장치에서 사용한 측정 모듈의 부분 측면 확대도.

도 3은 도 1의 제 1 실시예에 사용한 유동관의 Ⅲ 방향 종단영역의 도면.

도 4는 제 2 실시예의 도 3에 상응한 도면.

도 5는 제 3 실시예의 도 3에 상응한 도면.

도 6은 도 1의 실시예에 사용한 유동관의 Ⅳ방향에서, 도 4 구조로 구성된 유동관의 도면.

독립 청구항의 특성을 가진, 본 발명에 따른 배관에 흐르는 유동 매체량 측정장치는, 운행을 할 때 휘파람 소음이 나타나지 않거나, 최소한 휘파람 소음을 현저히 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 본 발명에 따라 배기구 주위에 있는 배기 전방면의 구조상의 홈은 배기구 영역의 소음을 야기하는 와류 격리 현상을 저지한다.

본 발명에 따른 배기구 주위에 있는 배기 전방면의 구조상의 홈은, 여기서 설명한 측정 정확도를 개선하는 유동관의 유체 역학적 장점을 감소시키지 않는다는 사실이 입증되었다. 종속 청구항의 구성을 통해 독립 청구항의 장치를 유용하게 확장 및 개선할 수 있다.

사각형, 삼각형 또는 사다리꼴 단면을 가지는 구조상의 홈으로, 소음이 특히 효과적으로 감소된다. 이 구조상의 홈은 특히 유동관의 종축에 대해 반경 방향으로 연장하며, 배기 전방면에 동일한 각도와 간격으로 배치된다. 이렇게 함으로써 소음억제에 유용한 효과가 있는 배기 전방면의 균등한 분할을 달성하였다.

유동관의 흡기구를 감싸는 흡기 전방면은 흡기구 영역에서의 유체 저항을 증가시키지 않기 위해 구조화하지 않는다.

본 발명을 도면에 제시한 실시예를 사용하여 자세히 설명한다.

도 1의 단면도로 나타낸 장치(1)는 배관(2)으로 흐르는 매체, 특히 내연기관의 흡기량을 측정하기 위한 장치이다. 장치(1)는 예를 들면 삽입 조립 부품으로서, 도면에 나타내지 않은 종단에 설치된 연결 플랜지를 사용하여 흡기관 내부에 설치할 수 있으며, 이 흡기관을 통해, 내연기관은 도면에 나타내지 않은 공기 필터를 통해 외부로부터 흡입한 공기를, 흡기량 조절용으로 설치된, 도에 나타내지 않은 절기판 접속관을 통해 내연기관의 연소실로 흡입한다.

장치(1)는 배관(2)의 중앙 영역에 설치된 유동관(3)을 포함하며, 도식적으로 나타낸 거리 유지기(4)를 수단으로, 배관(2)의 내벽(5)에 설치된다. 이때 다수의 거리 유지기(4)를, 예를 들면 상호 120°또는 90°로 배치할 수도 있다.

유동관(3)은, 본 실시예에서 원통형을 가지며, 종축(6)을 중심으로 연장되고, 이 종축은 배관(2)의 종축과 일치한다. 유동관(3)은 화살표(8)로 표시한 주 흐름 방향 쪽의 흡기 전방면(10)으로 둘러싸인 흡기구(9)를 가진다. 흡기구 방향 맞은편에 배기 전방면(12)으로 둘러싸인 배기구(11)가 있다.

유동관(3)의 안쪽에 여기서 설명할 측정 모듈(17)이 있으며, 이 모듈은 측정 소자(20)의 설치를 위해, 주 흐름방향(8)을 따라 좁아지는 측정관(33)을 가진다. 측정관(33)에 유도관(34)이 연결되며, 이 관은 도 2에서 알 수 있듯이 S-형상을 가지며, 유도관 배기구(46)를 통해 유동관(3)으로 흘러든다. 측정 소자(20)는 측정관(33) 중심을 향하며, 유동관(3)의 종축(6) 영역에 배치된다.

측정 모듈(17)에 대해서는, 측정 모듈(17)의 측단면을 나타낸 도 2를 인용하여 자세히 설명한다. 측정 모듈(17)은 가늘고, 반경 종축(23) 방향으로 길게 확장하는 사각형 형상을 가지며, 도면에 나타내지 않은 유동관(3)의 한 공간에, 예를 들면 소켓형식으로 설치된다. 측정 모듈(17)의 종축(23)은 상술한 실시예의 경우, 유동관(3)의 종축(6)에 수직이다. 주 흐름방향은 도 2에 화살표(8)로 표시했다. 측정 모듈(17)은, 예를 들면 압출 합성 수지 재료로 제조할 수 있다.

측정 소자(20)는 측정관(33) 중앙으로 돌출하며, 연결배선(22)을 통해 도면에 나타내지 않은 측정회로와 연결된다. 측정 소자(20)는 일반적으로 반도체를 부식시켜, 예를 들면 실리콘 웨이퍼를 부식시켜 소위 마이크로공학 제조방식으로 생산되며, 예를 들면 독일 특허 제 195 24 634 A1 호에서 알려진 구조를 가진다. 측정 소자(20)는 부식으로 생성된 멤브란 형상의 센서부(21)를 가지며, 도 2에서 Ⅱ까지이다. 센서부(21)는 초박판으로서 다수의 부식으로 생성된 저항 박층을 가지며, 이 저항 박층은 하나이상의 온도 의존성 측정저항 및 예를 들면 열저항을 구성한다. 측정 소자(20)를 소위 열박막 센서소자로 설치할 수도 있으며, 그 구조는 예를 들면 독일특허 제 36 38 138 A1 호에서 찾아 볼 수 있다.

측정 소자(20) 내지는 센서부(21)의 유일한 저항 박층은, 측정 모듈(17) 내부의 연결배선(22)을 통해 도면에 나타내지 않은 측정회로와 전기적으로 연결되며, 이 회로는 예를 들면 브릿지와 같은 저항 측정회로를 포함한다. 측정회로는 예를 들면 측정 모듈(17)의 운송부 또는 고정부에 설치된다.

이미 언급했듯이, 측정 모듈(17)은 축 방향으로 확장되는 측정관(33)과 예를 들면 S-형상의 유도관(34)을 가진다.

측정관(33)은 유동관(3)의 중심축(6) 방향으로, 예를 들면 사각 단면의 개구(36)로부터 입구(35)까지 이어진다. 측정관(33)은 중심축(6)으로부터 떨어진 표면(38)과, 중심축(11) 근처의 하부면(37) 및 두 개의 전방면에 의해 분리된다. 판 형상의 측정 소자(20)는 측정관 안에서 그의 가장 큰 부분이 반경 종축(23) 방향으로 배치되며, 여기에 대칭을 이룸으로써 측정 소자(20)가 매체의 중심축(6)에 평행하여 매체가 그 주위를 흘러간다.

매체는 측정관(33)의 흡기구(36)로부터 측정 소자(20)로 흐르며 여기서부터 유도관(34)으로, 또 유도관 배기구(46)를 통해 종축(6)에 대해 반경 방향의 유도관(34)을 빠져나간다. 유도관 배기구(46)는 유도관(34)과 같이, 예를 들면 사각단면을 가지며 종축(6)에 평행한 측정 모듈(17)의 하부 외면(45)에 설치된다. 주 흐름방향(8)의 반대 방향으로 돌출하는 측정 모듈(17)의 구형면(42)이, 주 흐름방향(8)과 반대 방향으로 하부외면(45)과 이어지며, 이 구형면은 흐름 반대방향으로 면삭된 형태의 흡기구(36) 방향으로 하부외면(45)으로부터 측정관(33)의 하부면(37)쪽으로 흡기구(36)까지 이어진다

도 1에 나타낸 유동관(3)은 내면(50)과 외면(51)으로 마찰면(52)을 구성하며, 맥동관류가 발생할 때, 예를 들면 마찰면(52)으로 야기되는 와류 또는 내벽(50)의 압력강하로 나타나는 격리현상과 같은, 유체유동에 기인한 효과에 의해 유체흐름이 다소간 장애를 받으며, 따라서 내벽(50)영역에서 맥동강도에 따라 변하는 가변 유동저항이 존재한다.

즉, 유동관(3)은 유동체 정류기로서의 역할을 한다. 이미 언급했듯이 측정 소자(20)는 맥동류가 발생할 때, 유동관(3)이 없다면, 기본적으로 낮은 값을 갖는 경향이 있다. 그럼에도 불구하고, 유동관(3)은 유체의 맥동강도에 의존하는 유동저항으로 인해, 측정 소자(20)가 있는 측정 모듈(17)이 설치된 유동관(3)의 내부 영역으로 유체를 밀어준다.

따라서 맥동이 없는 정류상태에 비해 강한 맥동류의 경우, 유동관(3) 내부 영역에서 유동속도가 증가하게 되며, 이로 인해 일반적인 경우 나타나는 낮은 값이 보상된다.

그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 조치를 취하지 않은 유동관(3)은, 작동시 귀에 거슬리는 휘파람 소음이 발생한다는 단점이 있다. 이러한 소음 발생은 유동관(3)의 배기구(11)에서 상술한 휘파람 소음을 야기하는 와류의 격리 주기가 비교적 높기 때문이라고 추정된다. 본 발명에 따른 유동관(3)의 구조는 이러한 소음을 억제하는 역할을 한다.

본 발명에 따라, 배기구(11) 주위의 유동관(3)의 배기 전방면(12)에 유동관(3)의 종축(6)에 대해 반경 방향 성분으로 진행하는 구조상의 홈(53)을 배치한다.

우선적으로 배기구(11)와 배기구(11) 주위의 배기 전방면(12)은 유동관(3)의 종축(6)에 대해 반경 방향을 취한다. 따라서 구조상의 홈(53)은 유동관(3)의 종축에 대해 반경 방향으로 진행한다.

도 3은 배기구(11)영역에서 유동관(3) 종단의 반경 방향 전방면이다. 도 3의 기본 관측방향은 도 1에 화살표 Ⅲ으로 표시했다. 도 1과 도 3에 나타낸 실시예의 경우, 구조상의 홈(53)은 사각 단면을 가진다. 도 4와 5는 변형 실시예이며, 이 경우 도 4와 5 역시 유동관(3)의 배기구(11) 종단 영역의 반경 방향 전방면을 나타낸다. 도 4의 실시예에 있어서 구조상의 홈(53)은 삼각형 단면을 가진다. 구조상의 홈(53)은 사다리 형상 단면의 브릿지(54)로 분리된다. 도 5의 실시예에서, 구조상의 홈(53)은 사다리 형상의 단면을 가진다. 이 경우 구조상의 홈(53)은 삼각형 형상 단면의 브릿지(54)로 분리된다. 다양한 구조상의 홈 형태 역시 고려할 수 있으며, 특히 부분 원 구조상의 홈, 사다리꼴 구조상의 홈 또는 홈의 깊이를 달리하는 거친 홈 및 불규칙하게 가공하여 반경 방향으로 진행하는 구조상의 홈(5)등이 그 예이다.

구조상의 홈(53)을 사용하여 배기구(11) 주위의 배기 전방면(12)에서의 와류 격리현상을 방지하거나 또는 최소한 억제할 수 있다.

실험을 통해 본 발명에 따른 조치로 발생 소음이 현저히 감소된다는 것을 확인했다. 맥동이 심한 유체의 측정 정확도를 개선하는 상술한 특성을 보유한 유체 정류관으로써의 유동관(3)의 기능은, 본 발명에 따른 구조상의 홈(53)에 의해 전혀 피해를 받지 않는다. 특히 내연기관 흡기량 측정을 위해, 장치(1)를 차량에 설치할 때 발생하는 휘파람 소음은 매우 불쾌하며, 안락한 승차감을 현저히 저해하므로, 본 발명에 따른 조치를 사용하여 현저한 개선을 이룰 수 있다.

본 발명의 이해를 돕기 위해, 도 6은 도 1의 Ⅵ 관측방향에서 관측한 유동관(3)의 전면도이다. 측정 모듈(17)은 도 6에서 단순화를 위해 생략했다. 도 6에서 유동관(3)의 배기구(11) 주위 배기 전방면(12)에서 반경 방향으로 진행하는 구조상의 홈(53)을 분명하게 인식할 수 있으며, 브릿지(54)로 상호 경계지어진다. 도 6의 구조상의 홈(53)은 도 1과 3에 나타낸 실시예의 사각형이 아닌, 도 4 실시예의 삼각형 단면을 가진다.

도 6의 실시예에 있어서, 구조상의 홈(53)은 동일각도로 배기 전방면(12)에 배치되며, 따라서 배기 전방면(12)이 동일하게 분할된다. 유동관(3)의 흡기구(9)를 둘러싸는 흡기 전방면(10)은 유동 저항의 증가를 막기 위해 가공하지 않은 상태, 즉 흡기 전방면(10)은 구조상의 홈을 갖지 않는다. 흡기 전방면(10)은 유동 저항을 더욱 감소시키기 위해 면삭하거나, 또는 유체흐름 곡선을 따라 가공할 수 있다. 기본적으로 구조상의 홈(53)을 배기 전방면 뿐 아니라 흡기 전방면(10)에 설치하면, 유동관(3)을 임의의 방향에서 조립할 수 있다는 장점이 있다. 이렇게 하면 조립공정낭비를 줄일 수 있다. 또한 장치(1)는 주 흐름 방향이 상이한 유체흐름측정에도 적합하다.

Claims (11)

1. 주위에 유동 매체가 흐르는 측정 소자(20)의 조립을 위해 배관(2)내에 설치된 하나의 유동관(3)을 가지며, 매체는 흡기구(9)를 통해 배관(2)으로부터 유동관(3)으로 흘러 들어가고 배기구(11)를 통해 유동관(3)으로부터 배관(2)으로 흘러나가며, 배관(2)에 흐르는 매체량, 특히 내연기관의 흡기량을 측정하는 유동 매체량 측정장치(1)에 있어서,

   배기구(11)를 둘러싸는 유동관(3)의 배기 전방면(12)은 유동관(3)의 종축(6)에 대해 반경 방향 성분으로 연장하는 구조상의 홈(53)을 갖는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 구조상의 홈(53)은 사각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 구조상의 홈(53)은 삼각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 삼각형 단면의 구조상의 홈(53)은 사다리꼴 단면의 브릿지(54)로 분리되는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 구조상의 홈(53)은 사다리꼴 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 사다리꼴 단면의 구조상의 홈(53)은 삼각형 단면의 브릿지(54)로 분리되는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.
7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기 전방면(12)은 유동관(3)의 종축(6)에 대해 반경 방향으로 배치되며, 구조상의 홈(53)은 유동관(3)의 종축(6)에 대해 반경 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 배기 전방면(12)의 구조상의 홈(53)은 동일한 각도와 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.
9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡기구(9) 주위의 흡기 전방면(10)은 구조화되지 않는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.
10. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동관(3) 내부에 유동관(3)의 흡기구(9)로부터 배기구(11) 방향으로 좁아지는 측정관(33)이 설치되며, 측정 소자(20)가 이 측정관에 배치되는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 측정관(33)에 유동관(3)으로 이어지는 S-형 유도관(34)이 연결되는 것을 특징으로 하는 유동 매체량 측정장치.