DE10221615A1 - Thermosensitiver Flussratensensor - Google Patents
Thermosensitiver FlussratensensorInfo
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Abstract
Ein thermosensitiver Flussratensensor wird beschrieben, welcher ein Erfassungselement, in dem ein Heizelement und eine Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet sind, so dass diese voneinander an einer Oberfläche eines flachen Substrats getrennt sind, und wobei ein Flussratenerfassungsdiaphragma unterhalb eines Bereichs ausgebildet ist, wo das Heizelement ausgebildet ist, und eine Stütze mit einem Aussparungsabschnitt aufweist, wobei das Erfassungselement innerhalb des Aussparungsabschnitts untergebracht ist, so dass eine Oberfläche des Erfassungselements im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene mit einer Oberfläche der Stütze positioniert ist, so dass eine Richtung der Ausrichtung des Heizelements und der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids verläuft, und wobei eine Nut in der Stütze ausgebildet ist, so dass diese unterhalb eines Bereichs verläuft, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids ausgebildet ist.
Description
- Diese Anmeldung basiert auf der Anmeldung Nr. 2001-155299, welche in Japan am 24. Mai 2001 eingereicht worden ist, wobei auf dessen Inhalt hiermit Bezug genommen wird.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermosensitiven Flussratensensor, welcher ein Heizelement aufweist, wobei der thermosensitive Flussratensensor die Fließgeschwindigkeit oder Fließrate eines Fluids auf der Basis des Wärmeübergangs misst, wo Wärme zu dem Fluid von dem Heizelement oder einem Abschnitt übertragen wird, welcher von dem Heizelement aufgeheizt wird, wobei der Flussratensensor dazu verwendet wird, dass eine Einlassluftflussrate beispielsweise in einer inneren Verbrennungskraftmaschine gemessen wird.
- 2. Stand der Technik
- Fig. 9 zeigt eine Ansicht, die ein Erfassungselement darstellt, welches in einem herkömmlichen thermosensitiven Flussratensensor verwendet wird, und Fig. 10 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie X-X von Fig. 9, gesehen aus der Richtung der Pfeile.
- In den Fig. 9 und 10 ist ein flaches Substrat 1 durch ein Silikonsubstrat mit einer Dicke von in etwa 0,4 mm gebildet. Ein elektrisch isolierender Stützfilm 2, der aus Silikonnitrid usw. hergestellt ist, und eine Dicke von 1 µm aufweist, ist an einer Oberfläche des Substrats 1 durch Durchführung eines Verfahrens, wie beispielsweise einer Kathodenzerstäubung bzw. Sputtern, chemischer Verdampfungsanbringung (CVD) usw. ausgebildet. Ein Heizelement 4, welches durch einen thermosensitiven Widerstandsfilm aus Platin usw. aufgebaut ist, ist an dem Stützfilm 2 ausgebildet. Das Heizelement 4 ist derart konstruiert, dass es mit elektrischen Strompfaden durch Anlage bzw. Positionierung eines thermosensitiven Widerstandsfilms aus Platin usw. mit einer Dicke von 0,2 µm an dem Stützfilm 2 durch Durchführung eines Verfahrens, wie beispielsweise einer Verdampfungsanlage oder Sputtern usw. ausgebildet wird, und wobei der thermosensitive Widerstandsfilm unter Verwendung eines Verfahrens, wie beispielsweise Lithografie oder nassem oder trocknem Ätzen usw., mit einem Muster angebracht wird. Eine Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5, welche ähnlich zu einem thermosensitiven Widerstandsfilm aus Platin usw. aufgebaut ist, ist an dem Stützfilm 2 entfernt von dem Heizelement 4 ausgebildet. Die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ist derart aufgebaut, dass sie mit elektrischen Strompfaden durch Anbringung eines thermosensitiven Widerstandsfilms aus Platin usw. mit einer Dicke von 0,2 µm an dem Stützfilm 2 durch Durchführung eines Verfahrens, wie beispielsweise Zerstäuberanbringung oder Sputtern usw., ausgebildet ist, und wobei der thermosensitive Widerstandsfilm unter Verwendung eines Verfahrens, wie beispielsweise Fotogravierung oder nassem oder trocknem Ätzen usw. mit einem Muster versehen wird. Zusätzlich ist ein elektrisch isolierender Schutzfilm 3, der aus Silikonnitrid usw. hergestellt ist, und eine Dicke von 1 µm aufweist, durch Durchführung eines Verfahrens, wie beispielsweise Sputtern, CVD usw., an dem Heizelement 4 und der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet.
- Das Heizelement 4 ist durch ein erstes und zweites Verbindungsmuster 9a und 9b und erste und vierte Leitungsmuster 7a und 7d mit ersten und vierten Elektroden 8a und 8d zur elektrischen Verbindung mit einem Erfassungselement zu einem externen Schaltkreis verbunden. Die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ist durch zweite und dritte Leitungsmuster 7b und 7c zu zweiten und dritten Elektroden 8b und 8c zur elektrischen Verbindung mit dem Erfassungselement zu einem externen Schaltkreis verbunden. Der Schutzfilm 3 ist von den Abschnitten der ersten bis vierten Elektroden 8a bis 8d entfernt, so dass diese zu einem externen Schaltkreis durch ein Verfahren, wie beispielsweise einer Kabelverbindung bzw. einem Kabelfügen mittels Kleben verbunden sind.
- Darüber hinaus ist ein Flussratenerfassungsdiaphragma 12 durch Ausbildung einer Kavität 13 bzw. eines Hohlraums 13 unterhalb eines Bereichs konstruiert bzw. aufgebaut, wo das Heizelement 4 ausgebildet ist. Insbesondere ist ein rückwärtiger Schutzfilm 10 an einer rückwärtigen Oberfläche des flachen Substrats 1 ausgebildet (ein Substrat an der gegenüberliegenden Seite von der Oberfläche, an der der Stützfilm 2 ausgebildet ist), und wobei dann eine Ätzöffnung 11 durch ein teilweises Entfernen des rückwärtigen Schutzfilms 10 durch ein Verfahren, wie beispielsweise Fotolithografie an einer Position an der hinteren Seite des Bereichs ausgebildet wird, wo das Heizelement 4 ausgebildet ist. Danach wird das Flussratenerfassungsdiaphragma 12 durch Anbringung bzw. Anwendung eines alkalischen Ätzens beispielsweise zu einem flachen Substrat 1 ausgebildet, welches durch die geätzte Öffnung 11 ausgesetzt ist, um einen Teil des flachen Substrats 1 zu entfernen und die Kavität 13 zu bilden.
- Das in dieser Art und Weise hergestellte Erfassungselement 14 wird derart angeordnet, dass das Flussratenerfassungsdiaphragma 12 zu der Strömung des Fluids ausgesetzt wird, welche zu messen ist. Darüber hinaus zeigt in jeder der Figuren ein Teil 6 die Richtung der Strömung bzw. des Flusses des Fluids an, welche zu messen ist bzw. welche gemessen wird.
- Das Erfassungselement 14 weist eine flache Form auf, wie vorstehend beschrieben, und wenn das Diaphragma 12 derart angeordnet ist, dass es rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des Fluids verläuft, welche zu messen ist, wird der Fluiddruck auf das Diaphragma 12, wodurch Beschädigungen des Diaphragmas 12 ansteigen, wenn das zu messende Fluid mit einer hohen Geschwindigkeit strömt, und wobei Staub in dem Fluid, welches zu messen ist, ebenso an einem Abschnitt des Diaphragmas angehäuft werden kann, wodurch die Rate des Wärmeübergangs von dem Heizelement 4 zu dem zu messenden Fluid verändert wird, was zu einer Verschiebung bzw. einer Abweichung der zu erfassenden Flussrate führt. In derartigen Fällen ist das flache Erfassungselement 14 im Wesentlichen parallel zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids angeordnet, so dass diese in einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Richtung der Strömung des zu messenden Fluids geneigt bzw. mit einem Winkel versehen ist.
- Wenn das flache Erfassungselement 14 im Wesentlichen parallel zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids angeordnet ist, so dass dieses in einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Richtung der Strömung des zu messenden Fluids mit einem Winkel versehen ist, können Verwirbelungen bzw. Störungen in der Strömung des zu messenden Fluids in der Nähe der Kavität 13 ansteigen, oder es können Unregelmäßigkeiten in der Strömung des zu messenden Fluids in der Nähe des Heizelements 4 aufgrund der Unregelmäßigkeiten der Form eines Leitkantenabschnitts des Erfassungselements 14 auftreten, was von einem Abspalten oder ähnlichem verursacht werden kann.
- Diese Unregelmäßigkeiten in der Strömung des zu messenden Fluids in der Nähe des Heizelements 4 führen zu einer verminderten Genauigkeit der Erfassung der Flussrate.
- Um die vorstehend beschriebenen Probleme in den Fällen zu lösen, wo das flache Erfassungselement 14 im Wesentlichen parallel zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids angeordnet ist, oder derart angeordnet ist, dass diese in einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Richtung der Strömung des zu messenden Fluids angewinkelt bzw. mit einem Winkel versehen ist, hat beispielsweise die nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 11-32600 vorgeschlagen, dass das Erfassungselement innerhalb eines Aussparungsabschnitts ausgebildet wird, welcher an einer flachen Stütze bzw. einer flachen Ebene ausgebildet ist.
- Fig. 11 ist eine teilweise perspektivische Ansicht, welche eine Stützkonstruktion des herkömmlichen Erfassungselements darstellt, das in der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 11-326000 beschrieben ist.
- Gemäß Fig. 11 ist eine Stütze 16 in einer flachen Form ausgebildet und an ein Basiselement 20 montiert bzw. angebracht. Ein Aussparabschnitt 18 mit einer etwas größeren äußeren Form als das Erfassungselement 14 ist an einer Oberfläche der Stütze 16 ausgebildet. Das Erfassungselement 14 ist innerhalb des Aussparungsabschnitts 18 angebracht, so dass eine Oberfläche des Erfassungssystems 14 im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene mit einer Oberfläche der Stütze 16 positioniert ist. Die ersten bis vierten Elektroden 8a bis 8d des Erfassungselements 14 sind durch Kabel 19 zu Leitungskabeln 17 elektrisch verbunden, die in dem Basiselement 20 angeordnet sind. Eine Abdeckung 21 ist an dem Basiselement 20 angebracht, und die ersten bis vierten Elektroden 8a bis 8d sowie die Kabel 19 sind durch die Abdeckung 21 geschützt.
- Somit werden Störungen bzw. Turbulenzen der Strömung des zu messenden Fluids unterdrückt, welche in der Nähe des Hohlraums bzw. der Kavität 13 vorkommen, und wobei die Strömung des zu messenden Fluids durch die bogenförmige Form eines Stromaufwärts-Endabschnitts der Stütze geglättet wird, wodurch Unregelmäßigkeiten der Strömung des zu messenden Fluids in der Nähe des Heizelements 14 reduziert werden, welche durch Unregelmäßigkeiten in der Form des Führungskantenabschnitts des Erfassungselements 14 erzeugt werden.
- Als nächstes wird ein Verfahren zur Erfassung der Flussrate des zu messenden Fluids unter Verwendung des Erfassungselements 14 erläutert.
- Da die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 von dem Diaphragmaabschnitt 12 getrennt ist, wird die Wärme, welche von dem Heizelement 4 erzeugt wird, nicht auf die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 übertragen. Da die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 nicht stromabwärts von dem Heizelement 4 positioniert ist, wird die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 nicht dem zu erfassenden Fluid ausgesetzt, welches durch die Wärmeübertragung von dem Heizelement 4 erwärmt worden ist. Somit ist die Temperatur, welche von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst worden ist, im Wesentlichen gleich der Temperatur des zu messenden Fluids.
- Das Heizelement 4 wird von einem Erfassungsschaltkreis gesteuert, welcher in Fig. 12 gezeigt ist, so dass dieses einen Widerstandswert aufweist, wobei die Durchschnittstemperatur des Heizelements 4 um eine vorbestimmte Temperatur (100°C beispielsweise) höher ist als die Temperatur des zu messenden Fluids, welche von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst worden ist. Der Erfassungsschaltkreis wird durch eine Brückenschaltung mit der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 und dem Heizelement 4 gebildet. In Fig. 12 sind die ersten bis fünften Widerstände R1, R2, R3, R4 und R5 feste Widerstände, wobei OP1 und OP2 Betriebsverstärker sind, wobei TR1 und TR2 Transistoren sind und BATT eine elektrische Spannungsquelle ist. Außer der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 und dem Heizelement 4 ist der Erfassungsschaltkreis von einem Erfassungsschaltkreissubstrat gebildet, welches nicht dargestellt ist.
- Der Erfassungsschaltkreis steuert den erzeugten Strom bzw. Erregungsstrom Ih, der zu dem Heizelement 4 durch die Funktion strömt, so dass sich im Wesentlichen gleiche elektrische Potentiale am Punkt a und am Punkt b in der Figur ergeben. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Fluids hoch ist, fällt die Temperatur des Heizelements 4, da die Rate der Wärmeübertragung von dem Heizelement 4 zu dem zu messenden Fluid ansteigt. Somit steigt der erzeugte Strom bzw. Erregungsstrom Ih an, welcher erforderlich ist, um die Durchschnittstemperatur des Heizelements 4 auf einen bestimmten Wert um eine vorbestimmte Temperatur höher als die Temperatur des zu messenden Fluids zu halten. Durch Erfassung des erzeugten Stroms bzw. Erregungsstroms als Spannung Vout an den ersten und zweiten Enden des dritten Widerstands R3 kann ein Strömungsgeschwindigkeitssignal oder ein Flussratensignal für das zu messende Fluid erhalten werden, welches durch die Innenseite der Passage mit einer vorbestimmten Passagenquerschnittsfläche fließt.
- Wenn nun Th die Temperatur des Heizelements 4 ist, Ta die Temperatur des zu messenden Fluids ist, Rh der Widerstandswert des Heizelements 4 ist, Ih der erzeugte Strom bzw. Erregungsstrom ist, welcher zu dem Heizelement 4 fließt, und Qm die Flussrate des zu messenden Fluids ist, welches durch die Passage fließt, in welcher das Erfassungselement 14 angeordnet ist, dann wird die Gleichung (1) erfüllt:
Ih2.Rh = (a + b.Qmn).(Th - Ta) (1)
wobei a, b und n Konstanten sind, die durch die Form und die Gestaltung des Erfassungselements bestimmt werden. - Somit wird dadurch, dass (Th-Ta)/Rh unabhängig von Ta einheitlich gemacht wird, Ih eine Funktion von Qm, und wobei die Ausgabe, welche Ih entspricht, die erfasste Flussratenausgabe des thermosensitiven Flussratensensors wird.
- Die Stützkonstruktion des herkömmlichen Erfassungselements, welches in Fig. 11 gezeigt ist, weist die im Weiteren beschriebenen Probleme auf.
- Wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert, treten Fehler in dem Flussratenwert auf, welcher von dem thermosensitiven Flussratensensor erfasst worden ist, solange die Temperatur des Heizelements 4 nicht im Hinblick auf die Temperaturänderungen in dem zu messenden Fluid justiert bzw. eingestellt wird, so dass die Temperatur, die von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst worden ist, der tatsächlichen Temperatur des gemessenen Fluids folgt. Wenn beispielsweise die Temperatur des gemessenen Fluids ansteigt, wenn eine Zeitverzögerung vor der Erfassung der Temperatur durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfolgt, wird die von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasste Temperatur niedriger als die tatsächliche Temperatur des gemessenen Fluids, wodurch die Temperatur des Heizelements 4 niedriger als die normale vorbestimmte Steuertemperatur wird. Mit anderen Worten fällt der erzeugte Strom bzw. Erregungsstrom, welcher durch das Heizelement 4 fließt, unterhalb dem normalen elektrischen Stromsteuerwert. Somit wird ein Flussratenwert registriert, der auf der Basis des erzeugten Stroms bzw. Erregungsstroms erfasst wird, welcher zu dem Heizelement 4 fließt, als ein niedrigerer Wert als die tatsächliche Flussrate des gemessenen Fluids registriert.
- Da jedoch die Temperatur, welche von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst worden ist, nicht unmittelbar der tatsächlichen Temperatur des gemessenen Fluids aufgrund der Wärmekapazität der Stütze 16 folgen kann, können Fehler in dem Flussratenwert, welcher von dem thermosensitiven Flussratensensor erfasst worden ist, bei dieser Stützkonstruktion nicht unterdrückt werden.
- Um den Einfluss der Wärmekapazität der Stütze 16 auf die Temperaturerfassung bzw. die Nachfolgung der Temperaturerfassung der Fluidtemperatureinrichtung 5 zu unterdrücken, ist beispielsweise eine Stützkonstruktion für ein Erfassungselement in der japanischen nicht geprüften Patentveröffentlichung Nr. 10-2773 vorgeschlagen worden, bei der das Erfassungselement von einer Stütze gelagert wird, so dass ein erstes Ende des Erfassungselements, welches mit einem Fluidtemperaturdetektor versehen ist, sich nach außen von der Stütze erstreckt. Jedoch wird bei der Stützkonstruktion dieses Erfassungselements die Strömung des gemessenen Fluids durch einen Stützenabschnitt der Stütze und einen Spitzenabschnitt des Erfassungselements gestört, da die Stütze in der Nähe des Heizelements endet. Das Heizelement ist dem Einfluss dieser Störungen in der Strömung des gemessenen Fluids ausgesetzt, wodurch die Probleme ansteigen, wie der erfasste Flussratenwert, welcher fehlerhaft wird.
- Bei einem thermosensitiven Flussratensensor zur Messung einer Einlassluftflussrate einer inneren Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs treten insbesondere Fälle auf, bei denen die Einlasslufttemperaturänderungen plötzlich am Anfang oder am Ende eines Tunnels auftreten, wodurch es notwendig wird, diesen Änderungen der Einlasslufttemperatur rasch zu folgen.
- Der thermosensitive Flussratensensor zur Messung der Einlassluftflussrate der inneren Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs ist in der Rohrverbindung untergebracht, welche eine Drosselklappe und ein Luftfiltergehäuse verbindet. Da im Allgemeinen die Rohrverbindung dieser Art kein ideales gerades Rohr stromaufwärts und stromabwärts von dem thermosensitiven Flussratensensor ist, sind die Störungen der Strömungsgeschwindigkeit und die Richtung des Flusses nicht einheitlich. In Anwendungen dieser Art zur Messung der Einlassluftflussrate der inneren Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs wird eine stabile Messung der Strömung mit derartigen Erfassungselementstützkonstruktionen schwierig, bei denen die Strömungstrennung und Verwirbelung des gemessenen Fluids in der Nähe des Heizelements (oder des Flussratenerfassungsabschnitts) leicht auftreten.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorstehenden Probleme zu lösen, und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermosensitiven Flussratensensor bereitzustellen, welcher fähig ist, eine Flussrate ohne Beeinflussung eines erfassten Flussratensignals genau zu messen, selbst wenn die Temperatur des gemessenen Fluids schwankt, wobei das zu messende Fluid unterhalb einer Region geführt wird, wo eine Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, um den Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, an die Temperatur des zu messenden Fluids durch einen erzwungenen Konvektionswärmetransfer schnell anzupassen bzw. einzustellen.
- Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein thermosensitiver Flussratensensor bereitgestellt, welcher aufweist:
ein Erfassungselement mit:
einem flachen Substrat;
einem Heizelement und einer Fluidtemperaturerfassungseinrichtung, welche jeweils aus thermosensitivem Widerstandsfilm hergestellt sind und derart ausgebildet sind, dass diese voneinander an einer Oberfläche des flachen Substrats getrennt sind; und
einem Flussratenerfassungsdiaphragma, welches durch teilweise Entfernen des flachen Substrats von einer rückwärtigen Oberflächenseite unterhalb eines Bereichs ausgebildet ist, wo das Heizelement ausgeformt ist; und
einer Stütze mit einem ausgesparten Abschnitt zur Unterbringung des Erfassungselements, welches an einer Oberfläche davon ausgebildet ist, wobei die Stütze derart angeordnet ist, dass die Oberfläche in einem vorbestimmten Winkel zu einer Richtung der Strömung des gemessenen Fluids geneigt ist,
wobei das Erfassungselement innerhalb des Aussparungsabschnitts untergebracht ist und von der Stütze derart gestützt bzw. gelagert wird, dass eine Oberfläche des Erfassungselements im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene mit der Oberfläche der Stütze positioniert ist, und dass eine Richtung der Ausrichtung des Heizelements und der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids verläuft; und
wobei eine Nut mit einer Nutrichtung, welche in der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids verläuft, in der Stütze ausgebildet ist, so dass diese unterhalb eines Bereichs verläuft, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung des Erfassungselements ausgebildet ist. - Die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung kann an einer ersten Endseite des flachen Substrats ausgebildet sein, wobei das Erfassungselement von einer Kantileverkonfiguration durch die Stütze gelagert wird, so dass sich ein erster Endabschnitt des Erfassungselements einschließlich des Bereichs in die Nut erstreckt, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist.
- Die Nut kann sich zu einem Stromaufwärts-Endabschnitt der Stütze in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids erstrecken.
- Die Nut kann sich zu einem Stromabwärts-Endabschnitt der Stütze in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids erstrecken.
- Ein Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma kann durch ein teilweises Entfernen des flachen Substrats von einer rückwärtigen Oberflächenseite unterhalb eines Bereichs ausgebildet werden, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist.
- Eine rohrförmige Erfassungspassage kann für das zu messende Fluid vorgesehen sein, um durch die Passage zu strömen, wobei die Stütze innerhalb der Erfassungseinrichtungspassage angeordnet ist, so dass diese in zwei Abschnitte einer Querschnittspassage der Erfassungspassage unterteilt wird, die rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids verläuft.
- Fig. 1 ist eine Vorderansicht, welche einen thermosensitiven Flussratensensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht, welche den thermosensitiven Flussratensensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III von Fig. 2, gesehen aus der Richtung der Pfeile;
- Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von Fig. 2, gesehen aus der Richtung der Pfeile;
- Fig. 5 ist eine Draufsicht, welche ein Erfassungselement darstellt, das in dem thermosensitiven Flussratensensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
- Fig. 6 ist eine Frontansicht, welche einen thermosensitiven Flussratensensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- Fig. 7 ist eine Längsschnittansicht, welche den thermosensitiven Flussratensensor gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- Fig. 8 ist eine Draufsicht, welche ein Erfassungselement darstellt, das in dem thermosensitiven Flussratensensor gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
- Fig. 9 ist eine Draufsicht, welche ein Erfassungselement darstellt, das in einem herkömmlichen thermosensitiven Flussratensensor verwendet wird;
- Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X von Fig. 9, gesehen aus der Richtung der Pfeile;
- Fig. 11 ist eine teilweise perspektivische Ansicht, welche eine Stützkonstruktion des herkömmlichen Erfassungselements darstellt; und
- Fig. 12 ist eine Darstellung, welche einen Steuerkreis des Erfassungselements zeigt, das in dem herkömmlichen thermosensitiven Flussratensensor verwendet wird.
- Die Fig. 1 und 2 sind eine Vorderansicht und ein Längsschnitt, welche jeweils einen thermosensitiven Flussratensensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III von Fig. 2, gesehen aus der Richtung der Pfeile, wobei Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von Fig. 2, gesehen aus der Richtung der Pfeile ist, und wobei Fig. 5 eine Ansicht ist, welche ein Erfassungselement darstellt, das in dem thermosensitiven Flussratensensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Darüber hinaus weisen in jeder der Figuren die Abschnitte die gleichen oder entsprechende Bezugszeichen, wie bei den herkömmlichen Vorrichtungen, auf, welche in den Fig. 9 bis 11 beschrieben sind, wobei eine Erläuterung davon weggelassen wird.
- In den Fig. 1 bis 4 ist ein thermosensitiver Flussratensensor 100 gebildet durch: ein Schaltkreissubstrat 30, auf welchem ein Erfassungsschaltkreis konstruiert ist, der in Fig. 12 dargestellt ist; ein Schaltkreisgehäuse 31 zur Unterbringung des Schaltkreissubstrates 30; einen Verbinder 32, um elektrischen Strom zu dem thermosensitiven Flussratensensor 100 zuzuführen und um ein erfasstes Flussratensignal von dem thermosensitiven Flussratensensor 100 zu extrahieren; ein Einsetzelement 34, welches derart angeordnet ist, dass es sich zu einer ersten Seite von dem Schaltkreisgehäuse 31 erstreckt, wobei eine Erfassungspassage 33, durch welche ein gemessenes Fluid strömt, in dem Einsetzelement 34 ausgebildet ist; ein Basiselement 35, welches mit Leitungskabeln 17 ausgebildet ist, die innerhalb des Einsetzelements 34 angeordnet sind; eine Stütze 36, die an dem Basiselement 35 angebracht ist, so dass sie sich in die Erfassungspassage 33 erstreckt; und ein Erfassungselement 40, welches an der Stütze 36 angebracht ist.
- Das Schaltkreisgehäuse 31, der Verbinder 32 und das Einsetzelement 34 sind integriert ausgebildet, wobei ein Harz, wie beispielsweise Polybutylenterephthalat, verwendet wird. Eine Nut 34 zur Unterbringung des Basiselements 35 ist in dem Einsetzelement 34 ausgebildet, so dass dieses zwischen der Erfassungspassage 33 und dem Schaltkreisgehäuse 31 kommuniziert.
- Die Stütze 36 ist in eine flache Form eines Harzes ausgebildet, wie beispielsweise Polybutylenterephthalat, und ist an dem Basiselement 35 angebracht, so dass sich dieses in die Erfassungspassage 33 erstreckt. Die Stütze 36 ist derart angeordnet, dass sie durch eine zentrale Achse der Erfassungspassage 33 hindurchführt (einer Richtung rechtwinklig zu der Oberfläche des Blattes in Fig. 1 und mit der Richtung einer Strömung 6 des gemessenen Fluids ausgerichtet), und um einen Passagenquerschnitt der Erfassungspassage 33 rechtwinklig zu der zentralen Achse in zwei Abschnitte zu unterteilen. Eine Hauptfläche der Stütze 36 ist um einen Winkel θ zu der zentralen Achse der Erfassungspassage 33 geneigt, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt. In der Ausführungsform 1 ist der Winkel θ sieben Grad. Ein Aussparungsabschnitt 37 mit einer etwas größeren äußeren Form als das Erfassungselement 40 ist in der Hauptfläche der Stütze 36 angeordnet, so dass sich diese von einem Wurzelende (das Ende, welches an dem Basiselement 35 angebracht ist) zu einem Spitzenende erstreckt. Zusätzlich ist eine Nut 38, welche an der rückwärtigen Oberflächenseite der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 des Erfassungselements 40 parallel zu der zentralen Achse der Erfassungspassage 33 entlang geführt wird und an der Hauptfläche an dem Wurzelende der Stütze 36 angeordnet ist, so dass sich diese von einem Stromaufwärts-Endabschnitt der Stütze 36 zu einem Stromabwärts-Endabschnitt erstreckt.
- Wie in Fig. 5 gezeigt, ist ein Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 durch Ausbildung eines Hohlraums 41 unterhalb einer Region des Erfassungselements 40 konstruiert, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist. Darüber hinaus ist dieses Erfassungselement 40 in ähnlicher Art und Weise wie das herkömmliche Erfassungselement 14 konstruiert, außer der Tatsache, dass das Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 ausgebildet ist.
- Das Erfassungselement 40 ist innerhalb des Aussparungsabschnitts 37 angeordnet, so dass eine Oberfläche des Erfassungselements 40 im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene mit der Hauptfläche der Stütze 36 positioniert ist. Hier ist die Nut 38 unterhalb des Fluidtemperaturerfassungsdiaphragmas 42 positioniert. Die ersten bis vierten Elektroden 8a bis 8d des Erfassungselements 40 sind über Kabel 19 mit den Leitungskabeln 17 elektrisch verbunden, die in dem Basiselement 35 angeordnet sind, und eine nicht gezeigte Abdeckung ist an dem Einsetzelement 34 angebracht, wobei die ersten bis vierten Elektroden 8a bis 8d und die Kabel 19 durch die Abdeckung geschützt sind. Der Erfassungsschaltkreis, welcher in Fig. 12 gezeigt ist, ist durch die Verbindung der Leitungskabel 17 zu dem Schaltkreissubstrat 30 gebildet.
- Der auf diese Art und Weise konstruierte thermosensitive Flussratensensor 100 ist durch Einsetzen des Einsetzelements 34 innerhalb einer zylindrischen Hauptpassage 39 angebracht, welche die Passage für das zu messende Fluid bildet, so dass die zentrale Achse der Erfassungspassage 38 mit der zentralen Achse der Hauptpassage 39 ausgerichtet ist, wobei der thermosensitive Flussratensensor 100 sicher durch Schrauben 29 an der Hauptpassage 39 befestigt ist. Die Oberfläche des Erfassungselements 40, das in der Stütze 36 gelagert ist, ist um einen vorbestimmten Winkel θ zu der Richtung der Strömung 6 des zu messenden Fluids geneigt. Ein O-Ring 28 befindet sich zwischen dem thermosensitiven Flussratensensor 100 und der Hauptpassage 39, wodurch eine Leckage des zu messenden Fluids vermieden wird.
- In diesem thermosensitiven Flussratensensor 100 wird das Fluid, welches gemessen wird, und durch die Innenseite der Hauptpassage 39 strömt, innerhalb der Detektorpassage 33 ausgerichtet. Das zu messende Fluid, welches in der Nähe der zentralen Achse der Erfassungspassage 39 strömt, fließt bzw. strömt entlang der Hauptfläche der Stütze 36, wird über das Heizelement 4 geleitet, wird dort durch die Wärmeübertragung erwärmt, welche in dem Heizelement 4 erzeugt wird, und strömt daraufhin nach unten. Das gemessene Fluid, welches an einer oberen Seite in der Erfassungspassage in Fig. 1 strömt, fließt bzw. strömt entlang einer oberen Abschnittsseite der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 und wird ebenso innerhalb der Nut 38 geleitet und strömt entlang einer unteren Seite der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5.
- Wie bereits früher erläutert, wird der erzeugte Strom bzw. Erregungsstrom, der zu dem Heizelement 4 fließt, von dem Erfassungsschaltkreis gesteuert, so dass die Durchschnittstemperatur des Heizelements um eine vorbestimmte Temperatur (100°C beispielsweise) höher ist als die Temperatur des zu messenden Fluids, welche von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst wird. Dieser erzeugte Strom bzw. Erregungsstrom wird als ein erfasstes Flussratensignal ausgegeben, wodurch es möglich ist, dass eine Strömungsgeschwindigkeit oder eine Flussrate für das Fluid, welches gemessen wird und durch die Innenseite einer Passage mit einer vorbestimmten Passagenquerschnittsfläche strömt, erfasst werden kann.
- Da die Nut 38 in der Stütze 36 ausgebildet ist, so dass diese entlang der unteren Seite der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 geführt wird, strömt das zu messende Fluid gemäß der ersten Ausführungsform entlang der Frontoberflächenseite und der rückwärtigen Oberflächenseite des Bereichs des Erfassungselements 40, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist. Der Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgeformt ist, passt sich rasch der Temperatur des zu messenden Fluids durch die gezwungene konvektive Wärmeübertragung mit dem zu messenden Fluid an, welches durch die Nut 38 zu der rückwärtigen Oberflächenseite des Bereichs gerichtet ist bzw. ausgerichtet ist, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist. Da der Bereich des Erfassungselements 40, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 separat von der Stütze 6 ausgebildet ist, wird der Einfluss der Wärmekapazität der Stütze 36 reduziert. Somit folgt die Temperatur, welche von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst wird, rasch den Temperaturänderungen des zu messenden Fluids, und wobei die Temperatur des Heizelements 4 mit einem Wert um die vorbestimmte Temperatur gesteuert werden kann, welche höher ist als die Temperatur des zu messenden Fluids, selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert. Somit wird ein thermosensitiver Flussratensensor bereitgestellt, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit und die Flussrate des zu messenden Fluids genau bzw. exakt erfasst werden kann.
- Da der Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist, das Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 bildet, wird die Wärmekapazität des Bereichs reduziert, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist, und wobei die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 von dem benachbarten flachen Substrat 1 thermisch isoliert ist. Somit wird die Temperatur des zu messenden Fluids rasch und genau durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasst.
- Da die Nut 38 in der Stütze 36 derart ausgebildet ist, dass sie sich von einem stromaufwärtigen Ende zu einem stromabwärtigen Ende erstreckt, wird das zu messende Fluid in sanfter Art und Weise innerhalb der Nut 38 von dem stromaufwärtigen Ende der Stütze 36 geführt bzw. geleitet und strömt sanft aus der Nut 38 an dem stromabwärtigen Ende der Stütze 36 heraus. Da somit das zu messende Fluid zu der rückwärtigen Oberflächenseite der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ohne Unterbrechung und in großer Menge zugeführt werden kann, kann die tatsächliche Temperatur des zu messenden Fluids durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 rasch erfasst werden, selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert.
- Nun treten Störungen in der Strömung des zu messenden Fluids aufgrund des Fluids auf, welches zu messen ist und an der Frontoberflächenseite und der rückwärtigen Oberflächenseite des Bereichs des Erfassungselements 40 strömt und aufgeteilt wird, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist. Da jedoch lediglich die Funktion der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 darin besteht, die Temperatur des zu messenden Fluids zu erfassen, haben diese Störungen auf die Strömung des zu messenden Fluids keine Auswirkung auf die Temperaturerfassung durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5. Da andererseits der Bereich des Erfassungselements 40, wo das Heizelement 4 ausgebildet ist, in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids von dem Bereich getrennt ist, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist, wird die Strömung des zu messenden Fluids, welches in der Nähe des Heizelements 4 strömt, nicht dem Einfluss der Störungen in der Strömung des zu messenden Fluids ausgesetzt, was auf die Ausbildung der Nut 38 zurückzuführen ist und wodurch die Strömung stabil ist.
- Folglich treten Störungen bzw. Turbulenzen in der erfassten Flussrate bzw. in dem erfassten Flussratensignal nicht auf, selbst wenn die Nut 38 ausgebildet ist, wodurch ein stabiles erfasstes Flussratensignal bereitgestellt wird.
- Da die Stütze 36 derart angeordnet ist, dass sie den Passagenquerschnitt der Erfassungspassage 33 in zwei Abschnitte unterteilt wird, ist die Erfassungspassage 33 in symmetrische Formen um die zentrale Achse der Erfassungspassage 33 hinsichtlich einer oberen und unteren Richtung in Fig. 1 ausgebildet. Somit ist die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit einheitlich gemacht worden, selbst wenn Versetzungsströmungen in der Strömung des zu messenden Fluids auftreten, wobei die Präzision der Flussratenerfassung verbessert wird.
- Da die Spitzenoberfläche der Stütze 36 (die untere Endfläche in Fig. 1) nicht der Innenseite der Erfassungspassage 33ausgesetzt ist, ist das zu messende Fluid zu dem Heizelement 5 ausgerichtet, ohne dass Störungen bzw. Verwirbelungen in der Strömung auftreten, wodurch ein stabiles erfasstes Flussratensignal mit geringen Störungen bereitgestellt wird. Wenn darüber hinaus die Spitzenoberfläche der Stütze 5 der Innenseite der Erfassungspassage 33 ausgesetzt ist, teilt sich das zu messende Fluid an der Spitzenoberfläche der Stütze 36, wodurch die Störungen bzw. Turbulenzen in der Strömung des zu messenden Fluids ansteigen.
- Die Fig. 6 und 7 sind eine Frontansicht bzw. eine Längsquerschnittsansicht, die einen thermosensitiven Flussratensensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei Fig. 8 eine Draufsicht ist, welche ein Erfassungselement darstellt, das in dem thermosensitiven Flussratensensor gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
- In einem Erfassungselement 40a, welches in einem thermosensitiven Flussratensensor 101 gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird, wie in Fig. 8 gezeigt, ist das Heizelement 4 an dem Flussratenerfassungsdiaphragma 12 angeordnet, welches in einem zentralen Abschnitt des flachen Substrats 1 ausgebildet ist, und wobei die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 an dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 angeordnet ist, welches in einem spitzen Abschnitt des flachen Substrats 1 ausgebildet ist. Die Nut 33 ist parallel zu der zentralen Achse der Erfassungspassage 33 angeordnet, so dass sich diese von einem stromabwärtigen Ende zu einem stromaufwärtigen Ende an einer Spitzenseite einer Stütze 36a erstreckt, und wobei der Aussparungsabschnitt 37 derart ausgebildet ist, dass er sich von dem Wurzelende der Stütze 36a zu der Nut 38 erstreckt.
- Darüber hinaus ist das Erfassungselement 40a in ähnlicher Art und Weise wie das Erfassungselement 40 gemäß der ersten Ausführungsform ausgebildet, außer der Tatsache, dass die Positionen, wo das Heizelement 4 und die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet sind, unterschiedlich sind. Die Stütze 36a ist in ähnlicher Art und Weise wie die Stütze 36 gemäß der ersten Ausführungsform ausgebildet bzw. konstruiert, außer der Tatsache, dass die Positionen unterschiedlich sind, wo der Aussparungsabschnitt 37 und die Nut 38 ausgebildet sind.
- Die Stütze 36a ist an dem Basiselement 35 angebracht, so dass es sich in die Erfassungspassage 33 erstreckt und derart angeordnet ist, dass es durch eine zentrale Achse der Erfassungspassage 33 hindurchführt (in einer Richtung rechtwinklig zu der Oberfläche der Seite von Fig. 6 und mit der Richtung der Strömung 6 des zu messenden Fluids ausgerichtet ist), und um einen Passagenquerschnitt der Erfassungspassage 33 senkrecht zu der zentralen Achse in zwei Abschnitte zu unterteilen. Das Erfassungselement 40a ist im Inneren des Aussparungsabschnitts 37 angeordnet, so dass eine Oberfläche des Erfassungselements 40a im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene mit der Hauptfläche der Stütze 36a positioniert ist. Hier ist ein Spitzenabschnitt des Erfassungselements 40a oberhalb der Nut 38 positioniert. Mit anderen Worten ist der Spitzenabschnitt des Erfassungselements 40a nicht durch die Stütze 36A gelagert bzw. gestützt, sondern bildet eine Kantileverkonfiguration. Das Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 72 ist ebenso oberhalb der Nut 38 positioniert.
- Darüber hinaus ist der Rest dieser Ausführungsform in ähnlicher Art und Weise wie die vorstehende erste Ausführungsform ausgebildet bzw. konstruiert.
- Da die Nut 38 in der zweiten Ausführungsform in der Stütze 36A ausgebildet ist, so dass diese entlang der unteren Seite der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 in ähnlicher Art und Weise wie bei der vorstehenden ersten Ausführungsform geführt wird, passt sich die von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 erfasste Temperatur rasch den Temperaturänderungen des zu messenden Fluids an, und die Temperatur des Heizelements 4 kann auf einen Wert durch eine vorbestimmte Temperatur gesteuert werden, welche höher ist als die Temperatur des zu messenden Fluids, selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert.
- Da der Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist, das Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 bildet, wird die Wärmekapazität des Bereichs reduziert, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist, und wobei die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 von dem benachbarten flachen Substrat 1 thermisch isoliert ist.
- Da die Nut 38 in der Stütze 36A ausgebildet ist, so dass sich von einem stromaufwärtigen Ende zu einem stromabwärtigen Ende erstreckt, kann das zu messende Fluid der rückwärtigen Oberflächenseite der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 zugeführt werden, ohne dass Unterbrechungen in großer Quantität auftreten, wodurch es ermöglicht wird, dass die tatsächliche Temperatur des zu messenden Fluids durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 rasch erfasst wird, selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert.
- Da die Stütze 36A derart angeordnet ist, dass sie den Passagenquerschnitt der Erfassungspassage 33 in zwei Abschnitte unterteilt, wird die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit einheitlich gemacht, selbst wenn Versetzungsströmungen in der Strömung des zu messenden Fluids auftreten, wodurch die Präzision der Flussratenerfassung verbessert wird.
- Da die Spitzenoberfläche der Stütze 36A (die untere Endfläche in Fig. 6) nicht der Innenseite der Erfassungspassage 33 ausgesetzt ist, wird das zu messende Fluid zu dem Heizelement 5 ausgerichtet bzw. zugeführt, ohne dass Störungen bzw. Turbulenzen in der Strömung entstehen, wodurch ein stabiles Erfassungsflussratensignal mit geringen Störungen bereitgestellt wird.
- Da das Erfassungselement 40A zusätzlich durch die Stütze 36A gelagert bzw. gestützt wird, so dass eine Kantileverkonfiguration mit dem Spitzenende ausgebildet wird, welche den Bereich einschließt, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist, welche oberhalb der Nut 38 positioniert ist, wird ein Zwischenraum zwischen der Stütze 36A und der Nähe der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 gebildet, wodurch der Einfluss der Wärmekapazität der Stütze 36A auf die Temperaturerfassung durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 signifikant reduziert wird. Somit kann das erfasste Flussratensignal rasch und genau erhalten werden, selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert.
- Darüber hinaus ist in jeder der vorstehenden Ausführungsformen die Nut 38 derart ausgebildet, dass sie sich von einem stromaufwärtigen Ende zu einem stromabwärtigen Ende der Stütze 36 (36A) erstreckt, jedoch muss die Nut 38nicht notwendigerweise oberhalb der gesamten Länge der Stütze 36 (36A) in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids ausgebildet sein; ebenso kann die Nut derart angeordnet sein, dass sie unterhalb des Fluidtemperaturerfassungsdiaphragmas 42 und stromaufwärts und stromabwärts von dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids geöffnet als Beispiel entlang geführt wird. In diesem Fall strömt das zu messende Fluid durch die Nutöffnung stromaufwärts von dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42, wobei es unterhalb dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 ausgerichtet wird, wobei sie sich dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 der Temperatur des zu messenden Fluids durch die erzwungene konvektive Wärmeübertragung anpasst, und daraufhin durch die Nutöffnung stromabwärts von dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 ausströmt.
- Selbst wenn das stromabwärtige Ende der Nut 38 in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids nicht ausgebildet ist, so dass sie sich zu dem stromabwärtigen Ende der Stütze 36 (36A) erstreckt, da das zu messende Fluid innerhalb der Nut in sanfter Art und Weise ausgerichtet ist, solange das stromaufwärtige Ende der Nut 38 in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids ausgebildet ist, so dass es sich zu dem stromaufwärtigen Ende der Stütze 36 (36A) erstreckt, wird die Ausströmung des zu messenden Fluids durch die Nutöffnung stromabwärts von dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 bereitgestellt, wodurch eine Stagnation des zu messenden Fluids in der Nut verhindert wird. Selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert, welches durch die Innenseite der Hauptpassage 29 strömt, ändert sich die Temperatur des zu messenden Fluids ohne Verzögerung, welches durch die Innenseite der Nut strömt.
- Selbst wenn das stromaufwärtige Ende der Nut 38 in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids nicht ausgebildet ist, so dass es sich zu dem stromaufwärtigen Ende der Stütze 36 (36A) erstreckt, da das zu messende Fluid von der Nut in sanfter Art und Weise ausströmt, solange das stromabwärtige Ende der Nut 38 in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids ausgebildet ist, so dass es sich zu dem stromabwärtigen Ende der Stütze 36 (36A) erstreckt, wird die Einströmung des zu messenden Fluids in die Nutöffnung stromaufwärts von dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 bereitgestellt, wodurch eine Stagnation des zu messenden Fluids in der Nut verhindert wird. Selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert, welches durch die Innenseite der Hauptpassage 29 strömt, ändert sich somit die Temperatur des zu messenden Fluids ohne Verzögerung, welches durch die Innenseite der Nut strömt.
- Die vorliegende Erfindung verwendet die Nut 38, um das zu messende Fluid unterhalb des Bereichs auszurichten, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist, und wobei sich der Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist, rasch der Temperatur des zu messenden Fluids durch die erzwungene konvektive Wärmeübertragung bzw. den Wärmeübergang anpasst bzw. akklimatisiert. Folglich ist in jeder der vorstehenden Ausführungsformen die Stütze 36 (36A) derart angeordnet, dass der Winkel θ zwischen der Hauptfläche der Stütze 36 (36A) und der zentralen Achse der Erfassungspassage 33 sieben Grad beträgt, wobei der Winkel θ jedoch nicht auf die sieben Grad begrenzt ist, wobei vorausgesetzt ist, dass das zu messende Fluid durch die Innenseite der Nut 38 strömt. Wenn beispielsweise der Winkel θ 45° beträgt, kann die Beschädigung des Diaphragmas, was aus dem Fluiddruck von dem zu messenden Fluid resultiert, und in die erfasste Flussrate abweicht bzw. abdriftet, was aus der Staub- bzw. Ablagerungsanhäufung in dem Bereich resultiert, wo das Heizelement ausgebildet ist, signifikant unterdrückt werden im Vergleich dazu, wenn der Winkel θ 90 Grad beträgt (wenn die Hauptfläche der Stütze rechtwinklig zu der Strömung des zu messenden Fluids verläuft). Wenn darüber hinaus in einem Flussratensensor eine Verlängerung der Lebensdauer des Diaphragmas und eine erhöhte Erfassungsgenauigkeit gewünscht sind, wird es bevorzugt, dass der Winkel zwischen 0 Grad und 30 Grad liegt, d. h. dass 0 Grad ≤ θ ≤ 30 Grad ist.
- In jeder der vorstehenden Ausführungsformen ist die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 an dem Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 ausgebildet, jedoch muss das Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 in Abhängigkeit des beabsichtigten Zwecks bzw. der beabsichtigten Verwendung des thermosensitiven Flussratensensors nicht ausgebildet werden, wenn die Konstruktion derart ist, dass das zu messende Fluid ebenso durch die Nut 38 zu der rückwärtigen Oberflächenseite des Bereichs zirkuliert werden kann, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist. Mit anderen Worten, wenn kein Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma 42 vorgesehen ist, hat die Wärmekapazität des flachen Substrates 1 den Effekt, dass die Temperaturerfassung reduziert wird, welche durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 in Bezug auf die Temperaturänderungen in dem zu messenden Fluid folgt bzw. abbildet, wobei jedoch die Reduktion der Temperaturerfassungsabbildung durch das zu messende Fluid unterdrückt wird, welches durch die Nut 38 an der rückwärtigen Oberflächenseite des Bereichs strömt, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung 5 ausgebildet ist.
- Des Weiteren ist bei jeder der vorstehenden Ausführungsformen der thermosensitive Flussratensensor erläutert worden, bei dem ein Heizelement 4 an dem Flussratenerfassungsdiaphragma 12 ausgebildet ist, und wobei die Flussrate des zu messenden Fluids mittels des erzeugten Stroms bzw. Erregungsstroms erfasst wird, der zu dem Heizelement 4 fließt, wobei jedoch andere Arten bzw. Typen möglich sind bzw. akzeptabel sind, die vorgesehen sind, so dass der thermosensitive Flussratensensor nach Art eines Diaphragmas arbeitet, wobei die Flussrate oder die Strömungsgeschwindigkeit durch den Wärmeübergang bzw. den Wärmetransfer zu dem zu messenden Fluid gemessen wird. Arten, bei denen Temperaturerfassungswiderstände stromaufwärts und stromabwärts von dem Heizelement angeordnet sind und wobei eine Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturerfassungswiderständen erfasst wird, sind ebenso als Beispiele akzeptabel, und wobei Arten, bei denen eine Vielzahl von Heizelementen stromaufwärts und stromabwärts angeordnet sind, und wobei Unterschiede zwischen den erzeugten Strömen erfasst worden sind, welche zu jedem der Heizelemente fließen, sind ebenso akzeptabel bzw. möglich.
- Die vorliegende Erfindung ist in der vorstehenden Art und Weise konstruiert und weist die weiter unten beschriebenen Effekte auf.
- Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein thermosensitiver Flussratensensor bereitgestellt, welcher aufweist:
ein Erfassungselement, welches aufweist:
ein flaches Substrat;
ein Heizelement und eine Fluidtemperaturerfassungseinrichtung, welche jeweils aus einem thermosensitiven Widerstandsfilm hergestellt sind und derart ausgebildet sind, dass sie voneinander an einer Fläche des flachen Substrats getrennt sind; und
ein Flussratenerfassungsdiaphragma, welches durch ein teilweises Entfernen des flachen Substrats von einer rückwärtigen Flächenseite unterhalb eines Bereichs ausgebildet wird, wo das Heizelement ausgebildet ist; und
eine Stütze mit einem Aussparungsabschnitt zur Unterbringung des Erfassungselements, welches an einer Fläche davon ausgebildet ist, wobei die Stütze derart angeordnet ist, dass die Fläche in einem vorbestimmten Winkel bezüglich einer Richtung der Strömung des zu messenden Fluids geneigt ist,
wobei das Erfassungselement innerhalb des Aussparungsabschnitts untergebracht ist und durch die Stütze gelagert bzw. gehaltert wird, so dass eine Oberfläche des Heizelements im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene mit der Oberfläche der Stütze positioniert ist, und dass eine Richtung der Ausrichtung des Heizelements und der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids verläuft; und
wobei eine Nut mit einer Nutrichtung, die in der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids verläuft, in der Stütze ausgebildet ist, so dass diese unterhalb eines Bereichs geführt wird, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung des Erfassungselements ausgebildet ist. - Somit wird ein thermosensitiver Flussratensensor bereitgestellt, welcher fähig ist, die Flussrate genau zu messen, ohne dass ein erfasstes Flussratensignal ungünstig beeinflusst wird, selbst wenn sich die Temperatur des zu messenden Fluids ändert, da das zu messende Fluid unterhalb dem Bereich geführt bzw. ausgerichtet wird, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, und unterhalb dem Bereich, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, so dass sich die Temperatur des zu messenden Fluids durch die erzwungene konvektive Wärmeübertragung rasch akklimatisiert bzw. anpasst.
- Die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung kann an einer ersten Endseite des flachen Substrats ausgebildet sein, und das Erfassungselement kann in einer Kantileverkonfiguration durch die Stütze gelagert sein, so dass sich ein erster Endabschnitt des Erfassungselements einschließlich des Bereichs in die Nut erstreckt, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, wodurch die Temperatur des zu messenden Fluids von der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung erfasst wird, welche mit geringer Wahrscheinlichkeit dem Einfluss der Wärmekapazität der Stütze ausgesetzt ist, wobei dadurch die Nachfolgung bzw. die Nachführung der erfassten Temperatur des zu messenden Fluids gegenüber den Temperaturänderungen in dem zu messenden Fluid verbessert wird.
- Die Nut kann sich zu einem Stromaufwärts-Endabschnitt der Stütze in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids erstrecken, wobei das gemessene Fluid unterhalb des Bereichs, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, sanft und in hoher Quantität ausgerichtet bzw. geführt ist, wodurch die Nachfolgung der erfassten Temperatur des zu messenden Fluids gegenüber Temperaturänderungen in dem zu messenden Fluid verbessert wird.
- Die Nut kann sich zu einem stromabwärtigen Endabschnitt der Stütze in Richtung der Strömung des zu messenden Fluids erstrecken, wobei das zu messende Fluid unterhalb des Bereichs, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, sanft und in großer Quantität ausgerichtet ist, wodurch die Nachfolgung der erfassten Temperatur des zu messenden Fluids gegenüber Temperaturänderungen in dem zu messenden Fluid verbessert wird.
- Ein Fluidtemperaturerfassungsdiaphragma kann durch ein teilweises Entfernen des flachen Substrats von einer rückwärtigen Flächenseite unterhalb eines Bereichs ausgebildet werden, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, was zu einer Reduzierung der Wärmekapazität des Bereichs führt, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung ausgebildet ist, und wobei die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung von dem benachbarten flachen Substrat isoliert wird, wobei sich dadurch das Nachfolgen der erfassten Temperatur des zu messenden Fluids bezüglich Temperaturänderungen in dem zu messenden Fluid verbessert.
- Eine rohrförmige Erfassungspassage kann für das zu messende Fluid vorgesehen sein, durch welche die Strömung verläuft, wobei die Stütze innerhalb der Erfassungspassage angeordnet ist, so dass diese in zwei Abschnitte unterteilt wird, wobei ein Passagenquerschnitt der Erfassungspassage rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids verläuft, wodurch die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Fluids einheitlich wird, welches durch die Innenseite der Erfassungspassage strömt, wobei dadurch die Präzision der Flussratenerfassung verbessert wird. Da zusätzlich die Endfläche der Stütze in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung der Strömung des zu messenden Fluids nicht ausgesetzt ist bzw. exponiert ist, kann das zu messende Fluid zu dem Heizelement ausgerichtet werden, ohne dass diese gestört wird, wodurch ein stabiles erfasstes Flussratensignal bereitgestellt wird.
Claims (5)
1. Thermosensitiver Flussratensensor, welcher aufweist:
ein Erfassungselement (40, 40A), welches aufweist:
ein flaches Substrat (1);
ein Heizelement (4) und eine Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (5), welche jeweils aus einem thermosensitiven Widerstandsfilm hergestellt sind und derart ausgebildet sind, dass sie voneinander an einer Oberfläche des flachen Substrats (1) getrennt sind; und
ein Flussratenerfassungsdiaphragma (12), welches durch ein teilweises Entfernen des flachen Substrats (1) von einer rückwärtigen Flächenseite unterhalb eines Bereichs ausgebildet wird, wo das Heizelement (4) ausgebildet ist; und
eine Stütze (36, 36A) mit einem Aussparungsabschnitt (37) zur Unterbringung des Erfassungselements (40, 40A), welches an einer Oberfläche davon ausgebildet ist, wobei die Stütze (36, 36A) derart angebracht ist, dass die Oberfläche in einem vorbestimmten Winkel (θ) in Bezug auf eine Richtung (6) der Strömung des zu messenden Fluids geneigt ist,
wobei das Erfassungselement (40, 40A) innerhalb des Aussparungsabschnitts (37) untergebracht ist und durch die Stütze (36, 36A) gelagert wird, so dass eine Oberfläche des Erfassungselements (40, 40A) im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene mit der Oberfläche der Stütze positioniert ist, und dass eine Richtung der Ausrichtung des Heizelements (4) und der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (5) rechtwinklig zu der Richtung (6) der Strömung des zu messenden Fluids verläuft; und
wobei eine Nut (38) mit einer Nutrichtung, die in der Richtung (6) der Strömung des zu messenden Fluids verläuft, in der Stütze (36, 36A) ausgebildet ist, so dass diese unterhalb eines Bereichs verläuft, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (5) des Erfassungselements (40, 40A) ausgebildet ist.
ein Erfassungselement (40, 40A), welches aufweist:
ein flaches Substrat (1);
ein Heizelement (4) und eine Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (5), welche jeweils aus einem thermosensitiven Widerstandsfilm hergestellt sind und derart ausgebildet sind, dass sie voneinander an einer Oberfläche des flachen Substrats (1) getrennt sind; und
ein Flussratenerfassungsdiaphragma (12), welches durch ein teilweises Entfernen des flachen Substrats (1) von einer rückwärtigen Flächenseite unterhalb eines Bereichs ausgebildet wird, wo das Heizelement (4) ausgebildet ist; und
eine Stütze (36, 36A) mit einem Aussparungsabschnitt (37) zur Unterbringung des Erfassungselements (40, 40A), welches an einer Oberfläche davon ausgebildet ist, wobei die Stütze (36, 36A) derart angebracht ist, dass die Oberfläche in einem vorbestimmten Winkel (θ) in Bezug auf eine Richtung (6) der Strömung des zu messenden Fluids geneigt ist,
wobei das Erfassungselement (40, 40A) innerhalb des Aussparungsabschnitts (37) untergebracht ist und durch die Stütze (36, 36A) gelagert wird, so dass eine Oberfläche des Erfassungselements (40, 40A) im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene mit der Oberfläche der Stütze positioniert ist, und dass eine Richtung der Ausrichtung des Heizelements (4) und der Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (5) rechtwinklig zu der Richtung (6) der Strömung des zu messenden Fluids verläuft; und
wobei eine Nut (38) mit einer Nutrichtung, die in der Richtung (6) der Strömung des zu messenden Fluids verläuft, in der Stütze (36, 36A) ausgebildet ist, so dass diese unterhalb eines Bereichs verläuft, wo die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (5) des Erfassungselements (40, 40A) ausgebildet ist.
2. Thermosensitiver Flussratensensor nach Anspruch 1, wobei
die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (5) an einer
ersten Endseite des flachen Substrats (1) ausgebildet
ist, und wobei das Erfassungselement (40A) in einer
Kantileverkonfiguration durch die Stütze (36A) gelagert
ist, so dass sich ein erster Endabschnitt des
Erfassungselements (40A) einschließlich des Bereichs, wo
die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (5) ausgebildet
ist, in die Nut (38) erstreckt.
3. Thermosensitiver Flussratensensor nach einem der
Ansprüche 1 oder 2, wobei sich die Nut (38) zu einem
stromaufwärtigen Endabschnitt der Stütze (36, 36A) in
Richtung (6) der Strömung des zu messenden Fluids
erstreckt.
4. Thermosensitiver Flussratensensor nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Nut (38) zu einem
stromabwärtigen Endabschnitt der Stütze (36, 36A) in
Richtung der Strömung des zu messenden Fluids erstreckt.
5. Thermosensitiver Flussratensensor gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 5, welcher ferner eine rohrförmige
Erfassungspassage (33) aufweist, die für den Durchfluss
des zu messenden Fluids vorgesehen ist, wobei die Stütze
(36, 36A) innerhalb der Erfassungspassage (33)
angeordnet ist, so dass diese in zwei Abschnitte
unterteilt wird, wobei ein Passagenquerschnitt der
Erfassungspassage (33) rechtwinklig zu der Richtung (6)
der Strömung des zu messenden Fluids verläuft.
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