KR20150071663A

KR20150071663A - 채널을 관류하는 유체 매체의 하나 이상의 매개변수를 측정하는 센서 장치

Info

Publication number: KR20150071663A
Application number: KR1020140182150A
Authority: KR
Inventors: 울리히 바그너; 토르스텐 마이스
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2015-06-26
Also published as: CN104729604A; CN104729604B; DE102013226345A1; US20150168196A1; US9752910B2; KR102301752B1

Abstract

본 발명은 채널(26)을 관류하는 유체 매체의 하나 이상의 매개변수, 특히 내연기관의 흡기 질량 유량을 측정하기 위한 센서 장치(10)에 관한 것이다. 상기 센서 장치(10)는 센서 하우징(34)과, 특히 내부에 채널(26)이 형성되어 유동관 내로 삽입되거나 삽입될 수 있는 플러그인 센서(12)와, 채널(26) 내에 배치되어 유체 매체의 매개변수를 측정하기 위한 하나 이상의 센서 칩을 포함한다. 센서 하우징(34)은 유체 매체의 주 유동 방향(18)과 반대 방향으로 향하면서 채널(26) 내부로 향하는 인렛(16)과 센서 하우징(34)의 표면(28)에서 채널(26) 외부로 향하는 하나 이상의 아웃렛(30)을 포함한다. 센서 하우징(34)의 표면(28)은 주 유동 방향(18)으로 볼 때 아웃렛(30)의 상류에 다수의 함몰부(60)를 포함한다.

Description

채널을 관류하는 유체 매체의 하나 이상의 매개변수를 측정하는 센서 장치{SENSOR ARRANGEMENT FOR DETERMINING AT LEAST ONE PARAMETER OF A FLUID MEDIUM FLOWING THROUGH A CHANNEL}

본 발명은 채널을 관류하는 유체 매체의 하나 이상의 매개변수, 특히 내연기관의 흡기 질량 유량을 측정하기 위한 센서 장치에 관한 것이다.

종래 기술로부터는 유체 매체, 다시 말해 액체 및/또는 기체의 하나 이상의 유동 특성을 측정하기 위한 수많은 방법 및 장치가 공지되었다. 이 경우, 가능한 매개변수로서의 유동 특성들은, 유체 매체의 유동을 정성화하거나 정량화하는 임의의 물리적인, 그리고/또는 화학적인 측정 가능한 특성들일 수 있다. 특히 이는 유동 속도, 및/또는 질량 유량, 및/또는 체적 유량일 수 있다.

본 발명은 하기에서, 예컨대 Konrad Reif(발행인)의 "자동차 내 센서, 제 1판, 2010년, 146~148쪽에서 공지된 것과 같은 이른바 핫필름 공기 질량 센서를 참조하여 기술된다. 상기 유형의 핫필름 공기 질량 센서는 일반적으로 예컨대 흐르는 유체 매체에 의해 과류될 수 있는 측정 표면 또는 센서 영역으로서 센서 멤브레인을 포함하는 센서 칩, 특히 실리콘 센서 칩을 기반으로 한다. 센서 칩은 일반적으로 하나 이상의 가열 부재뿐만 아니라 예컨대 센서 칩의 측정 표면 상에 배치되는 2개 이상의 온도 센서를 포함하며, 일측 온도 센서는 가열 부재의 상류에 장착되고, 타측 온도 센서는 가열 부재의 하류에 장착된다. 유체 매체의 유동에 의해 영향을 받으며 온도 센서들에 의해 검출되는 온도 프로파일의 비대칭으로부터, 유체 매체의 질량 유량 및/또는 체적 유량이 추론될 수 있다.

핫필름 공기 질량 센서는 통상적으로 고정되거나 교환 가능하게 유동관 내로 삽입될 수 있는 플러그인 센서로서 구성된다. 예컨대 상기 유동관은 내연기관의 흡기 트랙트(intake tract)일 수 있다.

이 경우, 매체의 부분 유량은 핫필름 공기 질량 센서 내에 제공된 하나 이상의 주 채널을 관류한다. 주 채널의 인렛과 그 아웃렛 사이에 바이패스 채널이 형성된다. 특히 바이패스 채널은, 주 채널의 인렛을 통해 유입되는 매체의 부분 유량을 방향 전환하기 위한 만곡된 섹션을 포함하고 이 만곡된 섹션은 추가 연장부에서 센서 칩이 배치되는 섹션으로 전환되는 방식으로 형성된다. 후자의 섹션은 센서 칩이 배치되어 있는 실질적인 측정 채널이다.

상기 유형의 핫필름 공기 질량 센서는 실제로 다수의 요건을 충족해야 한다. 전체적으로 적합한 유동 기술적 구성을 통해 핫필름 공기 질량 센서에서 압력 강하를 감소시키기 위한 목적 외에도, 주요 도전 사항은, 오일 방울 및 물방울뿐 아니라 카본 블랙, 분진 입자 및 기타 고형 입자에 의한 오염에 대해 장치들의 내구성 및 신호 품질을 개선하는 것이다. 상기 신호 품질은 예컨대 센서 칩으로 이어지는 측정 채널을 관류하는 매체의 질량 유량뿐 아니라 경우에 따라서 신호 드리프트의 감소 및 신호 대 잡음 비의 향상에 관련된다. 이 경우, 신호 드리프트는, 실제로 발생하는 질량 유량과 제조 동안 보정의 범위에서 검출되는 출력될 신호 사이의 특성곡선 관계의 변동의 의미에서 예컨대 매체의 질량 유량의 편차에 관련된다. 신호 대 잡음 비의 검출 동안, 빠른 시간 순서로 출력되는 센서 신호들이 고려되는 반면, 특성곡선 드리프트 또는 신호 드리프트는 평균값의 변동에 관련된다.

기술한 유형의 종래의 핫필름 질량 센서의 경우, 일반적으로 상부에 부착되거나 삽입되는 센서 칩을 포함하는 센서 캐리어가 측정 채널 안쪽으로 돌출된다. 예컨대 센서 칩은 센서 캐리어 내에 삽입 접착되거나, 또는 센서 캐리어 상에 접착될 수 있다. 센서 캐리어는 예컨대 금속 소재의 바닥판과 함께 하나의 유닛을 형성할 수 있으며, 바닥판 상에는 전자 장치, (예컨대 회로 캐리어, 특히 인쇄회로기판을 포함한) 제어 및 평가 회로가 접착될 수 있다. 예컨대 센서 캐리어는 전자 장치 모듈의 사출 성형된 플라스틱 부재로서 형성될 수 있다. 센서 칩 및 제어 및 평가 회로는 예컨대 본딩 결합을 통해 상호 간에 결합될 수 있다. 이렇게 형성되는 전자 장치 모듈은 예컨대 센서 하우징 내에 삽입 접착될 수 있고 전체 플러그인 센서는 커버들로 밀폐될 수 있다.

DE 198 15 656 A1은 채널을 관류하는 유체 매체의 하나 이상의 매개변수, 특히 내연기관의 흡기 질량을 측정하기 위한 센서 장치를 개시하고 있다. 센서 장치는 채널 내에 배치되어 유체 매체의 매개변수를 측정하기 위한 하나 이상의 센서 칩을 포함한다. 센서 칩은 채널 안쪽으로 돌출된 센서 캐리어 내에 수용된다. 채널은 센서 장치의 외부면 상에서 유동관 내로 통해 있는 유출 개구부로 이어진다. 유출 개구부를 포함하는, 센서 장치의 외부면 상에는 유출 개구부의 둘레에 하나 이상의 상승부(raised portion)가 제공된다.

DE 197 38 337 A1은 아웃렛의 하류에 단차부(step)를 포함한 핫필름 공기 질량 센서를 개시하고 있다.

상기 유형의 핫필름 공기 질량 센서의 경우, 외부면 상에 경계층이 바이패스 아웃렛까지 연속해서 형성된다. 핫필름 공기 질량 센서가 커버해야 하는 큰 속도 범위로 인해, 바이패스 아웃렛은 소정의 속도에서 경계층의 층류-난류 간 천이부에 위치하게 된다. 이런 천이 영역은 불충분한 재현성 및 비선형 거동을 특징으로 한다. 그로 인해, 이는 천이 영역을 에워싸는 맥동 유동의 경우 복잡한 거동 및 더 낮은 조정 가능성을 초래한다.

그런 이유로, 바이패스 아웃렛의 상류 및 하류에 굴뚝 모양 돌출부를 형성하는 분리 에지(separation edge)를 포함하는 단차부가 위치되는, 핫필름 공기 질량 센서가 개발되었다. 벽 윤곽 내 단차부는 난류 경계층의 재형성을 강제하고, 그에 따라 상류에서 경우에 따라 존재하는 천이 영역과 바이패스 아웃렛 상의 경계층의 상호 작용은 최소화되며, 그 결과 목표 특성곡선으로 더 정확한 조정이 가능해진다.

목표 특성곡선에 의한 조정을 위한, 종래 기술에 공지된 방법들의 수많은 장점에도 불구하고, 상기 방법들은 여전히 다른 기능적 관점들과 관련된 개선의 여지를 갖는다. 따라서 마지막에 언급한 종래 기술의 경우 경계층의 재형성을 위해 필요한 굴뚝 모양 돌출부의 높이는 공기 질량 유량의 증가에 따라 상승한다. 이는 최대한 짧은 센서 하우징에 대한 요구에 반한다.

본 발명의 과제는 공지된 방법 및 전략의 단점들을 적어도 방지할 수 있으면서, 유동 동안 공기 질량 유량이 상대적으로 더 높은 경우에도 바이패스 아웃렛의 바로 상류에서 경계층의 재시작이 강제됨으로써 조정 동안 재현 가능한 상태가 존재하게 하는, 채널을 관류하는 유체 매체의 하나 이상의 매개변수를 측정하기 위한 센서 장치를 제공하는 것이다.

채널을 관류하는 유체 매체의 하나 이상의 매개변수, 특히 내연기관의 흡기 질량 유량을 측정하기 위한 센서 장치는 센서 하우징과, 특히 채널이 형성되어 유동관 내로 삽입되거나 삽입될 수 있는 플러그인 센서와, 채널 내에 배치되어 유체 매체의 매개변수를 측정하기 위한 하나 이상의 센서 칩을 포함한다. 센서 하우징은 유체 매체의 주 유동 방향의 반대 방향으로 향하면서 채널 내부로 향하는 인렛과 센서 하우징의 표면에서 채널 외부로 향하는 하나 이상의 아웃렛을 포함한다. 센서 하우징의 표면은 주 유동 방향으로 볼 때 아웃렛의 상류에 복수의 함몰부를 포함한다.

함몰부들은 상호 간에 이격될 수 있다. 함몰부들은 그루브들로서 형성될 수 있다. 함몰부들은 주 유동 방향에 대해 수직으로 형성될 수 있다. 특히 함몰부들은 센서 하우징의 상면 및 그 하면에 대해 수직인 방향에 대해 평행하게 연장된다. 함몰부들은 섹션별 횡단면을 가질 수 있다. 달리 말하면, 함몰부들은 센서 하우징 내에 오목하게 형성될 수 있고 부채꼴 형태의 횡단면을 가질 수 있다. 함몰부들은 센서 하우징 내에서 자신들의 섹션별 원형의 중심점들이 모두 공통 환상선 상에 위치하도록 배치된다. 환상선은 예컨대 10.3㎜의 반경을 갖는다. 이런 환상선 상에서 함몰부들의 섹션별 원형의 중심점들은 15°만큼 상호 간에 이격된다. 달리 말하면, 환상선 상에서 2개의 이웃한 중심점 사이의 이격 간격은 15°이다. 함몰부들은 0.4㎜ 내지 0.8㎜, 예컨대 0.6㎜의 깊이를 가질 수 있다.

표면은 주 유동 방향으로 볼 때 아웃렛의 상류에 분리 에지를 구비한 단차부를 포함할 수 있고, 상류 측 단차부는 아웃렛에 인접한다. 하류 측 단차부와 상류 측 단차부는 표면으로부터 돌출된 굴뚝 모양 돌출부를 형성할 수 있다. 하류 측 단차부는 표면으로부터 0.5㎜ 내지 5㎜, 바람직하게는 0.75㎜ 내지 3㎜, 더욱 바람직하게는 1.2㎜ 내지 2.2㎜의 범위로 돌출될 수 있다. 하류 측 단차부 및/또는 상류 측 단차부는 표면으로부터 수직으로 돌출될 수 있다. 분리 에지는 주 유동 방향으로 0.2㎜ 내지 0.4㎜, 바람직하게는 0.25㎜ 내지 0.35㎜의 치수를 가질 수 있다. 하류 측 단차부 및/또는 상류 측 단차부는 적어도 섹션별로 주 유동 방향에 대해 수직으로 연장될 수 있다. 하류 측 단차부 및 상류 측 단차부는 아웃렛을 전면에서 한정할 수 있다. 아웃렛은 주 유동 방향으로 흐르는 유체가 난류 상태인 표면의 위치에 위치될 수 있다. 아웃렛은 장방형 개방 횡단면을 가질 수 있다.

주 유동 방향이란, 본 발명의 범위에서, 센서 또는 센서 장치의 위치에서 유체 매체의 국소적 유동 방향을 의미하며, 예컨대 가령 난류와 같은 국소적 불규칙성은 계속 고려되지 않을 수 있다. 따라서 특히 주 유동 방향이란, 센서 장치의 위치에서 흐르는 유체 매체의 평균화된 국소적 이송 방향을 의미할 수 있다. 이 경우, 평균화된 이송 방향은 유체 매체가 시간별 평균으로 주로 흐르는 이송 방향에 관련된다.

하류 측 배치란, 본 발명의 범위에서, 유체 매체가 주 유동 방향으로 흐르면서 시간상 기준점보다 더 늦게 도달하는 위치에 구조 부재의 배치를 의미한다. 따라서 예컨대 아웃렛에 대한 단차부의 하류 측 배치는, 유체 매체가 시간상으로 볼 때 아웃렛보다 단차부에 더 늦게 도달하는 것을 의미한다.

유사하게, 본 발명의 범위에서, 구조 부재의 상류 측 배치란, 주 유동 방향으로 흐르는 유체 매체가 시간상으로 볼 때 기준점보다 더 빨리 도달하는 위치에 구조 부재의 배치를 의미한다. 따라서 예컨대 아웃렛에 상대적인 단차부의 상류 측 배치는, 유체 매체가 시간상 볼 때 아웃렛보다 단차부에 더 빨리 도달하는 것을 의미한다.

단차부란, 본 발명의 의미에서 센서 하우징의 표면으로부터 돌출된 돌출부를 의미한다.

분리 에지란, 본 발명의 범위에서, 예리한 에지를 갖거나, 또는 매우 작은 곡률 반경으로 형성되며 유체 매체의 유동 분리를 야기하도록 구성되는 구조 부재를 의미한다.

난류 유동이란, 본 발명의 범위에서, 유체 입자들의 대개 3차원 운동이면서 외관상 돌발적이고 불안정한 운동을 의미한다. 유동은, 유동의 레이놀즈 수(Reynolds number)가 임계의 레이놀즈 수보다 클 때, 다시 말하면 약 2300보다 더 클 때, 난류이다.

본 발명의 기본 사상은 바이패스 아웃렛의 상류에서 벽 윤곽 내 그루브형 함몰부들을 제공하는 것에 있다. 그 결과, 굴뚝 모양 돌출부가 상대적으로 편평하거나 짧을 때에도, 난류 경계층의 재형성이 강제되며, 상류에서 경우에 따라 존재하는 천이 영역과 바이패스 아웃렛 상의 경계층의 상호 작용은 최소화되고, 그 결과 목표 특성곡선으로 더 정확한 조정이 가능하다.

따라서 본 발명에 따른 센서 장치를 통해, 아웃렛의 바로 상류에서 경계층의 재형성을 강제함으로써 조정 동안 재현 가능한 상태가 존재하게 하는, 핫필름 공기 질량 센서의 아웃렛의 특히 최적화된 형태가 가능해진다. 따라서 상기 작동 영역에서 더 적은 난류가 달성될 수 있다. 또한, 최적화된 아웃렛 윤곽은 맥동 거동의 매칭을 분명하게 단순화한다. 맥동 거동은 실질적으로 바이패스 채널 길이에 의해 결정되기 때문에, 아웃렛 위치의 변위는 맥동 거동을 설정하기 위한 효과적인 수단이다. 그러나 종래의 핫필름 공기 질량 센서의 경우, 아웃렛 위치의 변위와 더불어, 경계층 내 위치가 변경되고 그에 따라 아웃렛 상에 존재하는 압력도 변동될 수 있으며, 그럼으로써 복잡한 상호 의존성이 발생하게 된다. 본 발명에 따른 센서 장치의 최적화된 실시예를 통해, 경계층 내 위치는 변경되지 않으며, 그럼으로써 맥동 거동의 매칭 시 상기 영향 매개변수는 무시될 수 있다. 따라서 맥동 거동은 훨씬 더 간단하게 매칭된다. 특히 바이패스 아웃렛은 굴뚝 모양으로 연장되며, 다시 말하면, 종래 기술에서의 경우처럼 인접한 벽부들과 동일한 평면으로 끝나지 않는다. 그 결과, 벽 윤곽은 더 이상 연속적인 것이 아니라, 바이패스 아웃렛의 직전 및 직후에 단차부를 포함한다.

바이패스 아웃렛의 상류에서 벽 윤곽 내 그루브형 함몰부들을 통해, 벽 윤곽 상에 유동의 재접촉을 일으키는 임계전 분리가 강제된다. 그 결과, 공기 질량 유량이 상대적으로 더 높을 때에도, 유동은 굴뚝 모양으로 연장되는 바이패스 아웃렛 상에서 분리되고 새로운 난류 경계층이 형성되는 것이 보장된다.

본 발명에 의해, 공지된 방법 및 전략의 단점들을 적어도 방지할 수 있으면서, 유동 동안 공기 질량 유량이 상대적으로 더 높을 경우에도 바이패스 아웃렛의 바로 상류에서 경계층의 재시작이 강제됨으로써 조정 동안 재현 가능한 상태가 존재하게 하는, 채널을 관류하는 유체 매체의 하나 이상의 매개변수를 측정하기 위한 센서 장치가 제공된다.

본 발명의 추가의 선택적인 상세내용들 및 특징들은 도면들에 개략적으로 도시되어 있는 바람직한 실시예들의 하기 기술 내용에 제시된다.
도 1은 센서 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 아웃렛의 영역에서 센서 장치를 도시한 개략적 평면도이다.

도 1에는, 채널을 관류하는 유체 매체의 매개변수를 측정하기 위한 센서 장치(10)가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 센서 장치(10)는 핫필름 공기 질량 센서로서 형성되어 특히 내연기관의 흡기 질량 유량을 검출할 수 있다. 본 실시예의 경우, 센서 장치(10)는 예컨대 유동관, 특히 내연기관의 흡기 트랙트 내로 삽입될 수 있는 플러그인 센서(12)를 포함한다. 플러그인 센서(12) 내에는 채널 구조(14)가 수용되며, 이 채널 구조를 통해서는, 삽입된 상태에서 유체 매체의 주 유동 방향(18)과 반대 방향으로 향하는 유입 개구부 또는 인렛(16)을 통해 유입되는 전형적인 양의 유체 매체가 관류할 수 있다.

그 외에, 도 1에는, 채널 구조(14)의 영역 내 플러그인 센서(12)의 일부분이 도시되어 있다. 채널 구조(14)는 도 1과 관련하여 플러그인 센서(12)의 하면(24) 상의 주 채널 아웃렛(22) 내로 통해 있는 주 채널(20)뿐 아니라, 주 채널(20)로부터 분기되는 바이패스 또는 측정 채널(26)도 포함하며, 이 바이패스 또는 측정 채널은, 본 실시예의 경우 도 1과 관련하여 플러그인 센서(12)의 선단부 또는 단부면일 수 있는 표면(28) 상에 배치되는, 바이패스 또는 측정 채널(26)의 아웃렛(30) 내로 통해 있다. 그러나 분명하게 강조되는 사항은, 아웃렛(30)이, 예컨대 하면(24) 또는 상면과 같은, 플러그인 센서(12)의 다른 표면에도 배치될 수 있다는 것이다.

측정 채널(26) 내로는, 종래의 핫필름 질량 센서의 경우처럼, 날개 형태의 미도시된 센서 캐리어가 돌출되어 있다. 상기 센서 캐리어 내에는, 센서 칩의 센서 영역으로서 형성되는 센서 멤브레인이 유체 매체에 의해 과류되는 방식으로, 센서 칩이 매입된다. 센서 캐리어는 센서 칩과 함께, 센서 캐리어로서의 만곡된 바닥판과, 제어 및 평가 회로를 구비하여 상기 바닥판 상에 부착되는, 예컨대 접착되는 인쇄회로기판을 포함하는 전자 장치 모듈의 부품이다. 센서 캐리어는 예컨대 플라스틱 구조 부재로서 바닥판 상에 사출 성형될 수 있다. 예컨대 사출 성형 구조 부재로서 바닥판 상에 사출 성형되거나, 또는 인쇄회로기판의 바닥판과 일체로 형성될 수 있는 센서 캐리어는, 라운딩된 방식으로 형성될 수 있는 유입 에지를 구비한다.

센서 칩은, 본원에서 와이어 본딩으로서 형성될 수 있는 전기 연결부를 통해 제어 및 평가 회로와 전기 연결된다. 이렇게 형성되는 전자 장치 모듈은, 내부에 채널 구조(14)도 형성되는 플러그인 센서(12)의 센서 하우징(34)의 전자 장치 챔버(32) 내로 삽입, 예컨대 삽입 접착된다. 이는, 센서 캐리어가 이때 채널 구조(14) 안쪽으로 돌출되는 방식으로 수행될 수 있다. 이어서 전자 장치 챔버 및 채널 구조(14)는 커버들(36, 38)을 통해 밀폐된다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 단부면(28)은 하류 측 단차부(40), 다시 말해 아웃렛(30) 하류의 단차부와, 상류 측 단차부(42), 다시 말해 아웃렛(30) 상류의 단차부를 포함한다. 하류 측 단차부(40) 및 상류 측 단차부(42)는 아웃렛(30)에 인접한다. 특히 하류 측 단차부(40) 및 상류 측 단차부(42)는 적어도 섹션별로 주 유동 방향(18)에 대해 수직으로 연장된다. 하류 측 단차부(40) 및 상류 측 단차부(42)는 각각 분리 에지(44, 46)를 포함한다. 하류 측 단차부(40) 및 상류 측 단차부(42)는, 도 1에 도시된 것처럼, 아웃렛(30)을 전면에서 한정할 수 있다. 아웃렛(30)은 예컨대 장방형 개구부 횡단면을 갖는다. 하류 측 단차부(40) 및/또는 상류 측 단차부(42)는 단부면(28)으로부터 수직으로 돌출된다. 그 결과, 하류 측 단차부(40) 및 상류 측 단차부(42)는 단부면(28)으로부터 돌출되는 굴뚝 모양 돌출부(48)를 형성한다. 예컨대 하류 측 단차부(40) 및/또는 상류 측 단차부(42)는 단부면(28)으로부터 0.5㎜ 내지 5㎜, 바람직하게는 0.75㎜ 내지 3㎜, 더욱 바람직하게는 1.2㎜ 내지 2.2㎜의 범위로, 예컨대 1.5㎜만큼 돌출될 수 있다. 하류 측 단차부(40)의 분리 에지(44) 및/또는 상류 측 단차부(42)의 분리 에지(46)는 주 유동 방향(18)으로 0.2㎜ 내지 0.4㎜, 바람직하게는 0.25㎜ 내지 0.35, 예컨대 0.3㎜의 치수를 갖는다.

도 2에는, 아웃렛(30)의 영역에서 플러그인 센서(12)에 대한 평면도가 개략적으로 도시되어 있다. 특히 바이패스 채널(26)의 관류는 화살표(50)로 표시되어 있다. 특히 정상 작동, 다시 말하면 유체 매체의 맥동 없는 유동은 주 유동 방향(18)으로 도시되어 있다.

아웃렛(30)이 단부면(28)과 동일한 평면으로 끝나는, 아웃렛(30)의 종래의 디자인에서, 주 유동 방향(18)과 반대 방향으로 향하면서 내부에는 인렛(16)도 형성되어 있는 단부면(52)에서부터 단부면(28) 내로의 천이 영역에는 흐르는 유체 매체의 정체점이 형성된다. 정체점의 바로 주변에서는 층류 경계층의 형성이 개시된다. 아웃렛(30)을 향하는 방향으로 천이 영역 및 단부면(28)을 따르는 길이가 증가함에 따라, 경계층은 더 두꺼워진다. 우선, 경계층은 아웃렛(30)의 바로 상류까지 층류이다. 임계의 경계층 두께부터, 경계층 내 교란은 더 이상 충분히 감쇠되지 않으며, 그럼으로써 경계층은 난류가 된다. 이 경우, 난류 유동은, 예컨대 벽 마찰, 유동 펄스, 유동 속도 등과 같이 유동에 영향을 미치는 매개변수들에 따라, 아웃렛(30)의 높이에서, 다시 말하면 주 유동 방향(18)에 대해 수직인 공통 평면에서, 또는 아웃렛의 하류 측 단부의 높이에서, 또는 아웃렛(30)의 하류에서 발생할 수 있다.

층류 경계층과 난류 경계층 사이의 천이는 아웃렛(30) 상류의 천이 영역에서, 늦어도 아웃렛의 영역에서, 다시 말하면 아웃렛(30)의 높이에서 이루어진다. 이런 천이 영역은 낮은 재현성을 특징으로 하는데, 그 이유는 천이 영역이 다양한 경계 조건들에 매우 민감하게 반응하기 때문이다. 예컨대 천이 영역은 아웃렛(30)의 영역에 위치한다. 종래의 핫필름 공기 질량 센서는 상기 속도 범위에서 천이 영역의 낮은 재현성으로 인해 어렵게 조정된다.

공기 유동의 속도와 더불어 천이 영역의 위치도 변경되기 때문에, 맥동 유동의 경우, 아웃렛(30)이 작동 동안 일시적으로 거의 천이 영역에 위치하는 작동 상태가 나타날 수 있다. 맥동 진폭 또는 평균 유동 속도의 적은 변동으로 인해 바이패스 채널(26)이 더 이상 천이 영역에 의해 포함되지 않는 경우, 천이 영역은 바이패스 채널(26) 내 평균 공기 질량 유량에 대해 비선형 효과를 미칠 수 있으며, 이런 비선형 효과로부터 센서 칩은 측정 신호를 생성한다. 그 결과, 핫필름 공기 질량 센서의 맥동 거동은 비선형이며, 이는 차량에서의 적용을 어렵게 한다.

본 발명에 따른 센서 장치(10)는, 아웃렛(30)이 단부면(28)과 동일한 평면으로 끝나는 것이 아니라 전술한 형태를 갖는 것을 통해, 상기 문제를 방지한다. 앞서 언급한 것처럼, 본 발명에 따라서, 아웃렛(30)은 단부면(28)으로부터 돌출된 굴뚝 모양 돌출부(48)로서 형성된다. 이 경우, 아웃렛(30)은, 단차부들(40, 42)이 난류 경계층의 재형성을 강제하도록, 굴뚝 모양으로 연장된다. 따라서, 아웃렛(30)은 유동이 난류인 단부면(28) 상의 위치에 위치된다. 도 2에는, 이런 거동이 예시의 유동 라인(54)에 따라서 더 정확하게 도시되어 있다. 주 유동 방향(18)과 반대 방향으로 향하는 단부면(52)에서 단부면(28) 내로의 천이부의 하류에서 유동은 위치(56)부터 천이한다. 상류 측 단차부(42)의 높이에 위치하는 위치(58)부터는 난류 경계층의 재형성이 이루어진다. 따라서 천이 영역은 항상 아웃렛(30)의 외부 또는 상류에 위치한다. 천이 영역은 특히 위치들(56 및 58) 사이에만 위치한다.

단부면(28)으로부터 돌출된 굴뚝 모양 돌출부(48)를 전술한 치수들과 달리 연장시키지 않으면서, 공기 질량 유량이 상대적으로 더 높은 경우에도 난류 경계층의 재형성을 강제하기 위해, 본 발명에 따라, 표면(28)은 주 유동 방향(18)으로 볼 때 아웃렛(30)의 상류에 다수의 함몰부(60)를 포함한다. 함몰부들(60)은 상호 간에 이격된다. 도 1에서 알 수 있는 것처럼, 함몰부들은 그루브들(62)로서 형성된다. 그루브들(62)은 특히 주 유동 방향(18)에 대해 수직으로 형성된다. 그루브들(62)은 플러그인 센서(12)의 연장 방향에 대해서도 수직으로 연장된다. 예컨대 그루브들(62)은 센서 하우징(34)의 상면으로부터 그 하면(24)으로 향하는 방향으로, 또는 그 반대 방향으로 연장된다. 함몰부들(60)은 섹션별 횡단면을 가질 수 있다. 달리 말하면, 함몰부들은 플러그인 센서(12) 내에서 오목하게 형성될 수 있고 부채꼴 형태의 횡단면을 가질 수 있다. 함몰부들(60)은, 자신들의 섹션별 원형의 중심점들이 모두 공통 환상선 상에 위치하도록, 플러그인 센서(12) 내에 배치된다. 환상선은 예컨대 10.3㎜의 반경을 갖는다. 이런 환상선 상에서 함몰부들의 섹션별 원형의 중심점들은 15°만큼 상호 간에 이격된다. 달리 말하면, 환상선 상에서 2개의 이웃한 중심점 사이의 간격은 15°이다. 함몰부들(60)은 0.4㎜ 내지 0.8㎜, 예컨대 0.6㎜의 깊이를 가질 수 있다.

또한, 위치(58)부터 경계층의 재형성을 통해, 아웃렛의 상류에서 경우에 따라 존재하는 천이 영역과 아웃렛(30) 상의 경계층의 상호 작용은 최소화된다. 그 결과, 센서 장치(10)는, 종래의 핫필름 공기 질량 센서의 경우 연속적인 벽 윤곽 상에서 천이 영역을 형성할 수도 있는 유동 속도에서도, 양호하게 조정된다. 맥동 거동의 매칭의 범위에서 아웃렛(30)의 위치가 변위되면, 원칙적인 맥동 거동은 종래 기술에 따른 실시예들의 경우에서보다 훨씬 더 적게 변동되는데, 그 이유는 천이 영역의 영향이 최소화되기 때문이다. 따라서 우수한 초기 구성을 기반으로, 기본 거동에서 유사하지만, 특별한 고객 요구에 매칭되는 본 발명에 따른 센서 장치(10)의 변형예들이 신속하게 제조된다.

상대적으로 더 긴 굴뚝 모양 돌출부(48)에 대한 요구는 센서 하우징(34)의 최대한 짧은 전체 길이에 대한 고객 요건에 반하기 때문에, 단부면(28)으로부터 볼 때 굴뚝 모양 돌출부(48)의 연장은 상대적으로 더 높은 공기 질량 유량의 보상을 위해 소정의 정도까지만 가능하다. 이런 문제는, 본 발명에 따라서, 앞서 기술한 것처럼, 단부면(28) 내에 그루브들(62)로서 형성될 수 있는 함몰부들(60)이 단부면(28)의 여타의 경우 매끄러운 벽 윤곽에 제공되는 것을 통해 해결된다. 함몰부들(60)을 통해 반복해서 임계전 분리가 강제되며, 이런 분리는 유동의 재접촉을 야기한다. 따라서 굴뚝 모양 돌출부(48)가 동일한 높이인 경우, 높은 유동 속도에서도 위치(58)부터 경계층의 재형성이 강제될 수 있다.

이런 효과는, 유동의 분리를 지연시킴으로써 골프공이 더욱 큰 분리를 생성하고 그에 따라 더 강하게 감속되는 매끄러운 공보다 더 멀리 날아가게 하는 골프공 상의 돌기들의 작용과 유사하다. 그러나 센서 하우징(34)은 공지된 방식으로 분명한 우선 방향으로, 다시 말해 주 유동 방향(18)으로 유입되기 때문에, 그루브들(62)이 더 효과적이며, 금형 기술 측면에서 추가 비용 없이, 그에 따라 돌기들보다 더 간단하게 제조될 수 있다. 따라서 그루브들(62)은 사출 성형 기술로 제조되는 반면, 돌기들은 사출 성형 금형 내 추가 슬라이드를 요구할 수도 있고, 이는 제조 비용을 상승시킬 수도 있다.

10 센서 장치
12 플러그인 센서
14 채널 구조
16 인렛
18 주 유동 방향
20 주 채널
22 주 채널 아웃렛
24 플러그인 센서의 하면
26 채널
28 센서 하우징의 표면
30 아웃렛
34 센서 하우징
40 하류 측 단차부
42 상류 측 단차부
44 분리 에지
46 분리 에지
48 굴뚝 모양 돌출부
60 함몰부
62 그루브

Claims

채널(26)을 관류하는 유체 매체의 하나 이상의 매개변수, 특히 내연기관의 흡기 질량 유량을 측정하기 위한 센서 장치(10)로서, 상기 센서 장치(10)는 센서 하우징(34)과, 특히 내부에 상기 채널(26)이 형성되어 유동관 내로 삽입되거나 삽입될 수 있는 플러그인 센서(12)와, 상기 채널(26) 내에 배치되어 유체 매체의 매개변수를 측정하기 위한 하나 이상의 센서 칩을 포함하고, 상기 센서 하우징(34)은 유체 매체의 주 유동 방향(18)과 반대 방향으로 향하면서 상기 채널(26) 내부로 향하는 인렛(16)과 센서 하우징(34)의 표면(28)에서 채널(26) 외부로 향하는 하나 이상의 아웃렛(30)을 포함하는, 센서 장치에 있어서,
상기 센서 하우징(34)의 표면(28)은 상기 주 유동 방향(18)으로 볼 때 상기 아웃렛(30)의 상류에 다수의 함몰부(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치(10).
제 1 항에 있어서, 상기 함몰부들(60)은 상호 간에 이격되는, 센서 장치(10).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 함몰부들(60)은 그루브들(62)로서 형성되는, 센서 장치(10).
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 함몰부들(60)은 상기 주 유동 방향(18)에 대해 수직으로 형성되는, 센서 장치(10).
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 하우징(34)의 표면(28)은 상기 주 유동 방향(18)으로 볼 때 상기 아웃렛(30)의 하류에 분리 에지(44)를 구비한 단차부(40)를 포함하고, 상기 단차부(40)는 상기 아웃렛(30)에 인접하는, 센서 장치(10).
제 5 항에 있어서, 상기 표면(28)은 상기 주 유동 방향(18)으로 볼 때 상기 아웃렛(30)의 상류에 분리 에지(46)를 구비한 단차부(42)를 포함하고, 상기 상류 측 단차부(42)는 상기 아웃렛(30)에 인접하는, 센서 장치(10).
제 6 항에 있어서, 상기 하류 측 단차부(40) 및 상기 상류 측 단차부(42)는 상기 표면(28)으로부터 돌출된 굴뚝 모양 돌출부(48)를 형성하는, 센서 장치(10).
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 하류 측 단차부(40) 및/또는 상기 상류 측 단차부(42)는 상기 표면(28)으로부터 수직으로 돌출되는, 센서 장치(10).
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하류 측 단차부(40) 및/또는 상기 상류 측 단차부(42)는 적어도 섹션별로 상기 주 유동 방향(18)에 대해 수직으로 연장되는, 센서 장치(10).
제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하류 측 단차부(40) 및 상기 상류 측 단차부(42)는 상기 아웃렛(30)을 전면에서 한정하는, 센서 장치(10).