JP2009236792A - 熱式ガス流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】
高精度ＥＧＲセンサを提供することを目的とする。また、該センサによりＥＧＲ流量を制御する再循環システムを提供する。
【解決手段】
被測定ガスの流れの中に配設して流量を検出する発熱抵抗体と、この発熱抵抗体と電気的に接続され、前記発熱抵抗体を用いて被測定ガスの流量に応じた信号を出力する外部回路から構成される熱式ガス流量計において、該発熱抵抗体を蒸気形成温度以上に加熱制御することを特徴とする熱式ガス流量計である。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱式ガス流量計、及び、熱式ガス流量計を用いた排気ガス再循環システムに関する。

被測定ガスの流量の測定を長期間にわたり行う場合、長期間にわたり決められた精度を維持して動作することが望まれる。しかし被測定ガスにいろいろな成分や物質が含まれている場合、正確な測定を長期間維持することがむずかしくなる。一例として内燃機関の排気ガス再循環システムの排気ガス流量を測定する場合を以下述べる。

排気ガス再循環（Exhaust Gas Recirculation 以下ＥＧＲと略記）システムは、自動車などの内燃機関から排出された排気ガスを吸気側に戻すシステムであり、排気ガス中に含まれる比熱比の小さなＣＯ₂ガス成分を吸気に混合することにより、燃焼温度を低下させて排気ガス中のＮＯ_X量の低減を図るものである。ＮＯ_X量を低減するためには、ＥＧＲ量を精度よく制御する必要がある。ガソリンエンジンにおいては、例えば、排気ガス再循還流量を正確に制御しないと望ましいトルク出力が得られないあるいは適切な空燃比制御が行えないなどの問題がある。また例えば、デイーゼルエンジンの場合、過剰なＥＧＲ量は排ガス中のすす（Particulate Molecule以下ＰＭと略記）の増加をもたらすため、ＰＭの発生を抑制しつつＮＯ_X量を削減するためには高精度なＥＧＲ量の制御が必要である。

現行のＥＧＲは、吸気側の空気量を測定するエアフローセンサやスロットルの開度情報など吸気側の情報を基にＥＧＲ量を推定する間接方式で制御を行っている。今後益々厳しくなる国内外の排気ガス規制をクリアするためにはＥＧＲ量を直接計測するガス流量計の開発が必要となる。

ＥＧＲ流量を直接計測するガス流量計の開発にあたって、排気ガス中に含まれるＰＭが計測素子表面に付着して測定精度を劣化させるという問題が報告されている。これに対して、素子を加熱してＰＭの付着を防止する方法が特開２００７−１０１４２６号公報（特許文献１）に記載されている。

特開２００７−１０１４２６号公報

排気ガスの場合、内燃機関の状況によって排気ガスの構成成分などの性状が異なり、その結果素子の汚損の状況も異なる。例えば排気ガス温度が、露点温度以上の場合は、ＰＭが汚損の主成分である。また、排気ガス温度が露点温度より低い場合は、排気ガス中に含まれる凝集水に起因した汚損が発生する。

そこで本発明は、排気ガスの構成成分や流量計測素子の汚損原因が異なる場合にも必要とされる測定精度を維持できる流量計測素子，流量計、を提供することにある。

また、本発明は、還流するガス流量を精度よく制御する車両用の排気ガス再循環システムを提供することにある。

熱式ガス流量計は、被測定ガスの流れの中に配設される発熱抵抗体と、この発熱抵抗体と電気的に接続され、被測定ガスの流量に応じた信号を出力する外部回路とを有し、発熱抵抗体より奪われる熱量より流量を計測する装置である。

熱式ガス流量計は、電気絶縁性の基体と、基体上に形成された発熱抵抗体と、基体と発熱抵抗体の上に形成された保護層からなる発熱部と、発熱部より得られる被測定ガスの流量に応じた信号を出力する外部回路と、発熱部と外部回路を電気接続するリード部とを有する。発熱抵抗体は、被測定ガスの流れの中に配設され、発熱抵抗体に流れる電流値により、ガスの質量流量を検出することができる。また、外部回路は、発熱抵抗体と電気的に接続され、発熱抵抗体より得られる被測定ガスの流量に応じた信号をエンジン制御装置等に出力する。

ＰＭなどが流量計に付着することを防止するため、流量計の発熱抵抗体を加熱する。その際の加熱温度は、流量計の周囲に蒸気の膜ができる蒸気形成温度以上、または６００℃以上であることが好ましい。また、下記式で表されるＴｗｓｎ以上に加熱する制御を行うことが好ましい。

Ｔｗｓｎ＝ＴＬ＋（３１４−ＴＬ）／（１＋β１／２）
β＝λＷＣＷρＷ／λＬＣＬρＬ
ＴＬ：液滴温度
λＬ：水の熱伝導率
ＣＬ：水の比熱
ρＬ：水の密度
λＷ：コート材の熱伝導率
ＣＷ：コート材の比熱
ρＷ：コート材の密度
発熱抵抗体の加熱は、被測定ガスが露点温度以下であるときに特に有効である。内燃機関のＥＧＲシステム等に使用する場合には、排ガスの温度が露点温度より低い場合や、排ガス冷却装置の後段側で流量を測定する場合に発熱抵抗体を蒸気形成温度以上に加熱することができる。

また、被測定ガスが露点温度よりも高い場合であっても、ＰＭが付着する場合があるため、発熱抵抗体を３５０℃以上に加熱しておくことが好ましい。被測定ガスが露点温度以下の温度では、蒸気形成温度以上に加熱し、露点温度以上の所定の温度になった場合には、そのままの温度で測定を継続することができるが、発熱抵抗体の温度を３５０℃に下げて流量測定をしてもよい。

このような温度に発熱抵抗体を加熱するため、保護層は、耐熱温度を発熱抵抗体の加熱温度以上とする必要がある。保護層のガラスの転移点は６５０℃より高い温度とすることがよい。保護層は酸化物換算で、ＳｉＯ₂を３０〜６０ｗｔ％含有し、少なくともＡｌ₂Ｏ₃，アルカリ土類酸化物，ＺｒＯ₂，希土類酸化物より選ばれた酸化物を、Ａｌ₂Ｏ₃を５〜２０ｗｔ％、アルカリ土類酸化物を２５〜５０ｗｔ％、ＺｒＯ₂を１〜１５ｗｔ％、希土類酸化物を０〜２０ｗｔ％含有した組成を有することが好ましい。また、ガラスの熱膨張係数は、絶縁性基体や金属の熱膨張係数を勘案して決められるが、５０〜８０×１０^-7／℃であることが好ましい。

熱式ガス流量計の用途としては、排気ガスを吸気に還流する排気ガス再循環システムが好適である。排気側から吸気側に還流する配管に熱式ガス流量計を配置し、還流される排ガスの流量を測定するとともに、流量情報を用いて吸気側に還流する排気ガス量を調整する流量調整バルブ制御装置により流量調整バルブを制御することができる。

また、排気ガス再循環システムには、配管内に還流した排気ガスを冷却する冷却装置が設けられる。熱式ガス流量計では、還流した排気ガスの温度を計測することも可能である。さらに冷却装置の上流側，下流側にガス流量計を設けることができる。

排気ガス再循環システムに熱式ガス流量計を設ける場合には、熱式ガス流量計へのＰＭ等の付着を回避するため、発熱体を蒸気膜形成温度以上に加熱制御するまで、排気ガスを還流させない、もしくは、エンジン運転前に発熱体を蒸気膜形成温度以上に加熱する制御をすることができる。

本発明によれば、必要とされる測定精度を維持できる流量計測素子、流量計を提供することが可能であり、またこの流量計を用いてＥＧＲ流量を精度よく制御することが可能である。

以下、ガス流量計の詳細を説明する。

ガス流量計は、発熱抵抗体と、発熱抵抗体の発熱を制御する制御部と、被測定ガスの流量に応じた信号を出力する外部回路を有する。ガス流量計は、被測定ガスの流路中に設置され、発熱抵抗体の電気抵抗変化に基づきガスの質量流量を検出する。

発熱抵抗体は、発熱部と、該発熱部と制御部を電気的に接続するリード部を有する。発熱部は、電気絶縁性の基体（電気絶縁基体）上に金属抵抗体が形成され、コート層を用いて表面を保護する。金属抵抗体の端部は、リードに溶接等で電気的に接続される。

排気ガス再循環システムは、内燃機関の排気ガスを吸気に還流するシステムである。排気側から吸気側に還流する流体の流量を流量調整バルブの制御により調整する必要があり、還流する配管等にガス流量計を配置し、ガス流量を計測し、計測量に基づき、吸気側に還流する排気ガス量の流量制御を行う。

排気ガス再循環システムでは、還流する排気ガスを冷却する冷却装置を設けることができる。冷却装置を備える排気ガス再循環システムでは、冷却装置で排気ガスを冷却する際に、排気ガス中のＰＭ成分他が固化して冷却装置に付着し、目詰まりを起こして流量が低下することがある。従って、冷却装置の前流側，後流側のそれぞれで流量を計測することにより、目詰まりの程度を計測することが可能となる。

図１に、ガス流量素子１の断面模式図の例を示す。図１の素子１は、中空形状を有する電気絶縁基体５の両端に、リード２を接合材６で接合し、固定している。また、電気絶縁基体５の表面には、金属抵抗体４が所定の抵抗値になるように巻かれている。金属抵抗体４の両端はリード２に接続されている。金属抵抗体４，接合材６およびリード２を保護するため、表面には保護コート３が形成されている。

図２は、ガス流量計の構成例であり、図１の素子を用いたガス流量計７の断面模式図である。ガス流量計７は素子２つを１組として使用しており、いずれも被測定流体を通過させる流体流路内に設置されている。一方は流体温度を測定する素子９として、一方は流量を測定する素子８として使用される。素子は、制御回路１０に接続されており、制御回路１０により素子８は素子９に対して常に一定の温度差に保たれるように常時加熱され、温度制御されている。流量測定はこの素子８から熱伝導で流体に奪われた熱量を電気信号に変換することにより行う。

図３は、ガス流量計７を用いたＥＧＲシステムの構成図の例である。内燃機関１３で燃焼された排気ガスは、ＥＧＲクーラ１５で冷却されたのち、ＥＧＲバルブ１４にてＥＧＲ量を制御して再び内燃機関１３の吸気側に戻され、燃焼に再利用される。これまでのＥＧＲ量の制御の方法として、吸気側のエアフローセンサ１１および電制スロットル１２の開度情報などからＥＧＲ量を推定し、制御する方法が知られている。しかしながら、この方法では定常的な状態での制御は可能であるが、運転中に加速，減速した場合など、過渡的な状況では高精度な制御を行うことが出来ない。図３のように、ＥＧＲ流路にガス流量計７を設置し、この装置で検出した値でＥＧＲ制御装置（図示せず）により、ＥＧＲバルブ１４等の制御を行うことにより、過渡的な状況においても高精度な制御を行うことが可能となる。

ガス流量計７の設置位置は、排気側の任意の位置に設置可能であるが、流量計に用いる部材の耐熱温度を考慮して設定する必要がある。流量計の制御回路の封止材などには、高温の排気ガスにより劣化する樹脂部材が使用されている。樹脂などが用いられて耐熱性の低い流量計は、ＥＧＲクーラ１５の下流側（吸気側）に設置した方が好ましい。特に、ガス流量計７の設置位置は、図３のようにＥＧＲクーラ１５の下流側（吸気側）であってＥＧＲバルブの上流側が最適である。また、目的に応じ図４，図５に示すようにＥＧＲクーラの上流側やＥＧＲバルブの下流側に設置してもよい。また、排気ガスの主通路から分流した流路を設け、分流した流路にガス流量計７を配置してもよい。

また、複数の流量計を設置してクーラ，バルブなどの各装置の流量を測定することができ、各装置の制御の結果の観測等が可能となる。

なお、従来の鉛ガラスを使用したエアフローセンサ用の流量計に比べ、本発明のシリカ系ガラスを使用した流量計は耐熱性に優れているため、吸気側の流量測定に適用すれば、高温に加熱することにより吸気側のガスに含まれる汚損物質による汚損物質の付着を抑制することが可能であり、吸気側の流量測定の精度向上にも有効である。

流量測定素子としては、電気絶縁基体５としてアルミナ，石英などの絶縁性無機材、表面に絶縁性無機材を形成した金属材料を使用できる。電気絶縁基体５は図１のような円筒形状のほか、円柱形状，平板形状や多角形形状が採用可能である。電気絶縁基体５の大きさは、円柱形状，円筒形状の場合、外径は０.１mm〜１.０mm，長さ１.０〜５.０mmである。特に円筒形状の場合、発熱抵抗体の抵抗値を所定の値とするため、外径は０.３mm〜０.７mm，長さ２.０〜３.０mmであることが好ましい。

リード２，金属抵抗体４には、白金，イリジウム，ロジウム，パラジウム，金，銀などの貴金属が使用できる。また、これらの貴金属とニッケル，コバルトなどの非貴金属との合金など、合金材料を用いてもよい。また、非貴金属材料表面に貴金属を形成した材料を用いることもできる。

リード２は上記材料からなり、断面形状は円形形状や楕円形状，平板形状や多角形状などである。特に、円形，楕円形状であることが好ましい。リード２を電気絶縁基体５の両端に挿入する場合、リード２の断面寸法を電気絶縁基体５の内径より小さくする。

金属抵抗体４は電気絶縁基体の表面に設置される。金属抵抗体４は、電気絶縁基体の表面に線材を巻線形成したり、電気絶縁基体の表面に配線膜として形成する。配線膜を形成する方法としては、物理蒸着法（ＰＶＤ），化学蒸着法（ＣＶＤ）またはメッキなどの方法を使用できる。

金属抵抗体を線材で形成する場合、線材の材質，直径および巻線の長さ、巻線時の線材に負荷される張力などによりその抵抗値が所定の値になるように調整を行う。線材の直径は０.１〜１００μｍであることが好ましく、さらに１〜５０μｍであることがより好ましい。

金属抵抗体を膜で形成する場合、その形状は、スパイラル状や蛇行形状など電気絶縁基体の形状に適した形状で形成することできる。膜の材質，形成した形状およびその厚さなどにより抵抗値は所定の値になるように調整を行う。膜の形成方法，材質，形状などにより異なるが、膜の厚さは、０.１〜１００μｍが好ましい。

なお電気絶縁基体と金属抵抗体を直接接触させて設ける必要はない。電気絶縁基体と金属抵抗体の間に応力緩和層や反応抑制層などの中間層を形成してもよい。このような中間層の形成は配線膜を採用した場合に限らず、線材を採用した場合にも同様に形成することができる。

接合材６はガラス、あるいはアルミナ，ジルコニアなどのセラミックスをガラスに混合したものが用いられる。これらのガラスやセラミックスにテルピネオール，スクリーンオイル，ブチルカルビトールなどの溶媒を混合してペーストを作成し、リード及び、又は電気絶縁基体に塗布焼成してリードと電気絶縁基体の接合を行うことができる。ガラスの例としては、非晶質又は結晶質のホウケイ酸ガラス，アルミナケイ酸ガラス，アルミナホウケイ酸ガラスなどが挙げられる。セラミックスの例としてはアルミナ，ジルコニア，シリコンナイトライド，シリコンカーバイドなどが挙げられる。また溶媒やエチルセルロースのようなバインダーの量によりペーストの粘度を調整することが可能である。

流量測定素子は、吸気ガスや排気ガスの流量を測定するために使用されるが、特に排気ガス中に設置した場合、排気ガス中に含まれるＰＭ，排気凝集水、および排気凝集水により溶出した金属成分など、種々の物質が素子の表面に付着し、測定精度の劣化をもたらす。このような物質の付着を抑制するため、素子を通電加熱してこれらの付着を抑制することが必要である。

保護コートには無機材、特にガラス材を使用する。ガラス材には、必要に応じセラミックや金属を複合することができる。保護コートは、粉砕した無機材にテルピネオール，ブチルカルビトールなどの有機溶媒を加えてペースト化したものを塗布焼成して形成することができる。ペーストの粘度を溶媒や混合するバインダーの量により調整することが可能であり、バインダーとしてはエチルセルロースが挙げられる。ペーストを作製する際の粉砕したガラスの粒径は２００μｍ以下がよく、１００μｍ以下であればより好ましい。２００μｍより大きいと、焼成する際にガラスが十分に軟化せず、焼成後の保護コートに凹凸を生じるためである。保護コートにガラスを用いた場合、その焼成温度は１３００℃以下とすることが好ましい。１３００℃より高い温度では、リードや金属抵抗体の強度劣化をもたらし、断線や破損の原因となる可能性が高くなるためである。保護コートの厚さは、０.５μｍ〜５００μｍであることが好ましい。これは、０.５μｍより小さいと金属抵抗体を十分にコートすることができないためであり、５００μｍより大きいと、測定感度が低下するためである。

図６に保護コートの熱的特性値と蒸気膜を形成するための発熱体の加熱温度との関係を示す。ここに示すように、蒸気膜を形成するための発熱体の加熱温度は液滴の温度（Ｔｌ）や保護コートの熱物性値λＣρ（λ：熱伝導率，Ｃ：比熱，ρ：密度）に依存しており、特に、保護コートの熱物性値λＣρが小さくなるに伴い、発熱体の加熱温度は高くなる。

保護コートがガラス材の場合、液滴の温度にもよるが、６００℃以上に加熱することで汚損を防止できる。そのため、発熱体は６００℃以上に加熱することが好ましく、上記のような加熱温度とするためには、ガラス材の転移点を６５０℃以上にする必要がある。さらにガラス材の転移点７００℃以上であればより好ましい。

また、保護コートを形成するガラスの熱膨張係数は、電気絶縁基体や金属抵抗体，リードなどとの関係から、５０〜８０×１０^-7／℃とする必要があり、特に５５〜７０×１０^-7／℃とすることが好ましい。例えば絶縁基体としてアルミナを使用する場合、その熱膨張係数は約７３×１０^-7／℃である。その上にコートするガラス材は、熱膨張係数を基体よりもわずかに小さくすることで圧縮応力を付与しすることができるため、６０×１０^-7／℃のあたりが好ましいためである。

以下、保護コートに用いるガラスの組成に関して説明する。

ＳｉＯ₂量は３０重量％以上，６０重量％以下が好ましく、さらに４０重量％以上であればより好ましい。これは、３０重量％より少ないと転移点が６５０℃より小さくなるためであり、６０％より多いと焼成温度が１３００℃より高くなるためである。

Ａｌ₂Ｏ₃はガラスの転移点を上昇させる効果があるが、その量は５重量％以上、２０％以下が好ましい。これは、５重量％より少ないと転移点を上昇させる効果がないためであり、２０％より多いと焼成温度が１３００℃より高くなるためである。

アルカリ土類酸化物はガラスの高温粘性を低下させ、熱膨張係数を大きくする効果があるが、その量は２５重量％以上，５０％以下が好ましい。これは、２５重量％より少ないと、熱膨張係数の向上に効果がないためであり、５０％より多いと熱膨張係数が８０×１０^-7／℃より大きくなるためである。

ＺｒＯ₂はガラスの耐食性を向上させる効果があるが、その量は１重量％以上，１５％以下が好ましい。これは、１重量％より少ないと耐食性向上に効果がないためであり、１５％より多いと熱膨張係数が８０×１０^-7／℃より大きくなるためである。

希土類酸化物の添加はガラスの転移点を上昇させ、熱膨張係数を大きくする効果があるが、その量は２０重量％以下が好ましく、さらに１０重量％以下であればより好ましい。これは２０重量％より大きいと熱膨張係数が８０×１０^-7／℃より大きくなるためである。

また、本ガラスは必要に応じてＢ₂Ｏ₃，ＺｎＯなどを添加することができる。Ｂ₂Ｏ₃はガラスの高温粘性を改善するのに効果的であるが、１０重量％より多いと転移点が６５０℃より低くなるため好ましくない。また、ＺｎＯは耐食性を改善するのに効果的であるが、５重量％より多いと転移点が６５０℃より低くなるため好ましくない。

本保護コートには必要に応じて、ガラス以外にも、酸化アルミナ，酸化ジルコニア，炭化珪素，窒化珪素，ムライトなどの高温排ガス環境中で安定なセラミックスを用いることができる。これらのセラミックスは溶射法，スパッタ法，ゾルーゲル法などにより保護コートとして形成することができる。

〔実験例１〕
流量測定素子の保護コート層としては、ガラスを用いた。まず、流量測定素子の保護コート層として使用するガラスの作成方法について、具体的に説明する。

定められた量の原料粉末を白金製のるつぼに秤量して入れ、混合した後、電気炉中で、組成により１０００〜１６００℃に加熱して溶解した。原料が十分に溶解した後、白金製の撹拌羽をガラス融液に挿入し約４０分撹拌した。その後撹拌羽を取り出し２０分静置した後、黒鉛製の治具にガラス融液を流し込んで急冷することにより、重量約１００ｇのガラスブロックを得た。その後、各ガラスを再加熱し、１〜２℃／分の冷却速度で徐冷することにより歪とり処理を行った。

得られたガラスブロックより、４×４×１５mmの試験片を切り出し、熱膨張係数及び転移点の測定を行った。また、得られたガラスブロックを粉砕し、得られた粉末に有機溶媒を混合してガラスペーストを作製した。このガラスペーストを、保護コートを形成していない素子１に塗布焼成して焼成温度を求めた。

表１にガラス組成の実施例を示す。実施例ガラス１から１１にはＳｉＯ₂量を、実施例ガラス１２から１８にはＡｌ₂Ｏ₃量を、実施例ガラス１９から２６にはアルカリ土類酸化物量を、実施例ガラス２７から３１にはＺｒＯ₂量を、実施例ガラス３２から３７にはＧｄ₂Ｏ₃量を変化させたガラス組成を示す。

ガラス転移点は６５０℃より高く、保護コートの形成温度が１３００℃以下であり、熱膨張係数が５０〜８０×１０^-7／℃のガラスが保護コート材に適する。これらの条件を勘案すると、表１に示すように、ＳｉＯ₂を３０〜６０ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を５〜２０ｗｔ％、アルカリ土類酸化物を２５〜５０ｗｔ％、ＺｒＯ₂を１〜１５ｗｔ％、希土類酸化物を０〜２０ｗｔ％の組成範囲において、転移点が６５０℃より高く、保護コートの形成温度が１３００℃以下、熱膨張係数が５０〜８０×１０^-7／℃の保護コート材に適したガラスが得られた。

〔実験例２〕
次に、熱膨張係数の最適なガラスの組成を検討した。表１の実施例ガラス１５の組成を変化させ、熱膨張係数と各構成酸化物とＳｉＯ₂の重量比の関係を確認した。結果を図７から図１２に示す。図７に示すように、Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比が０.４より大きくなると、熱膨張係数が８０×１０^-7／℃より大きくなるため、Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比は０.４以下が好ましい。図８に示すように、ＺｒＯ₂／ＳｉＯ₂比が０.６より大きくなると、熱膨張係数が８０×１０^-7／℃より大きくなるため、ＺｒＯ₂／ＳｉＯ₂比は０.６以下が好ましい。図９に示すように、ＭｇＯ／ＳｉＯ₂比が０.５より大きくなると、熱膨張係数が８０×１０^-7／℃より大きくなるため、ＭｇＯ／ＳｉＯ₂比は０.５以下が好ましい。図１０に示すように、ＣａＯ／ＳｉＯ₂比が０.６より大きくなると、熱膨張係数が８０×１０^-7／℃より大きくなるため、ＣａＯ／ＳｉＯ₂比は０.６以下が好ましい。図１１に示すように、ＳｒＯ／ＳｉＯ₂比が０.２より大きくなると、熱膨張係数が８０×１０^-7／℃より大きくなるため、ＳｒＯ／ＳｉＯ₂比は０.２以下が好ましい。図１２に示すように、ＢａＯ／ＳｉＯ₂比が２より大きくなると、熱膨張係数が８０×１０^-7／℃より大きくなるため、ＢａＯ／ＳｉＯ₂比は２以下が好ましい。

〔実験例３〕
次に、ガラスペーストとして使用するのに適したガラスの組成を検討した。

上記ガラスを用いて保護コート層を形成する場合には、粉砕した後、溶媒などと混合したガラスペーストとし、塗布，焼成して保護コートを形成する。図１３に示す広がり比率の測定を行い、各ガラスの保護コート層の形成しやすさを評価した。

粉砕し、１５０μｍ以下で分級したガラス粉末をハンドプレスなどを用いて直径１０mm，高さ５mmのガラスペレットとした。ガラスペレットをＡｌ₂Ｏ₃板のうえに載せて１１００℃で大気中で１時間加熱した。加熱後のガラスの濡れ広がり面積を算出し、ガラスペレットを基準として、濡れ広がった面積比（広がり比率）を算出した。広がり比率が１.３より大きい場合、良好な保護コートを形成することができたが、１.３より小さいとコートの厚さが不均一となり、良好な保護コートを形成することはできなかった。

図１４から図１８に、表１の実施例ガラス６の各成分の成分量を変化させた場合の、広がり比率と、各構成酸化物とＳｉＯ₂の重量比との関係を示す。図１４に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比が０.６より大きくなると、広がり比率は１.３より小さくなるため、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比は０.６以下が好ましい。図１５に示すように、ＭｇＯ／ＳｉＯ₂比が０.４より大きくなると、広がり比率は１.３より小さくなるため、ＭｇＯ／ＳｉＯ₂比は０.６以下が好ましい。図１６に示すように、ＣａＯ／ＳｉＯ₂比が０.７より大きくなると、広がり比率は１.３より小さくなるため、ＣａＯ／ＳｉＯ₂比は０.７以下が好ましい。図１７に示すように、ＳｒＯ／ＳｉＯ₂比が０.３より大きくなると、広がり比率は１.３より小さくなるため、ＳｒＯ／ＳｉＯ₂比は０.３以下が好ましい。図１８に示すように、ＢａＯ／ＳｉＯ₂比が１.５より大きくなると、広がり比率は１.３より小さくなるため、ＢａＯ／ＳｉＯ₂比は１.５以下が好ましい。

なお、加熱温度が１１００℃より高くなると、広がり比率が１.３より小さくなる各構成酸化物とＳｉＯ₂の重量割合の比は１１００℃の場合より大きくなる。その増加割合は０.２〜０.５／１００℃である。

〔実験例４〕
素子は排気ガス中で使用されるため、保護コートは、酸性の雰囲気に対する耐食性が要求される。そこで、純水１Ｌに対して、塩酸０.５ｍＬ，硝酸１.４ｍＬ，硫酸７.３ｍＬ，蟻酸１ｍＬ，酢酸８.３ｍＬ，ホルマリン５.５ｍＬ，亜硝酸ナトリウム２０００mg，亜硫酸ナトリウム１５００mgを混合し、８０℃に加熱した模擬排気ガス凝集水（ＰＨ＝１,３０cc）を用いて耐食性の評価を行った。

表１の実施例ガラス２８の各成分の比率を変化させたガラス材の４mm×４mm×１５mmサンプルを、模擬排気ガス凝集水中に浸漬し、形態及び重量変化を計測した。図１９から図２４には、表１の実施例２８をベースにしたガラスの２０時間経過後の重量減少率と各構成酸化物とＳｉＯ₂の重量比の関係を示す。

図１９に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比が０.６より大きくなると重量が減少するため、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比は０.６以下が好ましい。図２０に示すように、Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比が０.３より大きくなると重量が減少するため、Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比は０.３以下が好ましい。図２１に示すように、ＭｇＯ／ＳｉＯ₂比が０.３より大きくなると重量が減少するため、ＭｇＯ／ＳｉＯ₂比は０.３以下が好ましい。図２２に示すように、ＣａＯ／ＳｉＯ₂比が０.６より大きくなると重量が減少するため、ＣａＯ／ＳｉＯ₂比は０.６以下が好ましい。図２３に示すように、ＳｒＯ／ＳｉＯ₂比が０.３より大きくなると重量が減少するため、ＳｒＯ／ＳｉＯ₂比は０.３以下が好ましい。図２４に示すように、ＢａＯ／ＳｉＯ₂比が２より大きくなると重量が減少するため、ＢａＯ／ＳｉＯ₂比は２以下が好ましい。

図１に示す流量測定素子を作成した。円柱形のアルミナ基体（直径０.５mm，長さ２mm）に、白金よりなる金属線を巻きつけた。リードと金属線を接続した後、表面にガラスコート層を形成した。ガラスコート層としては、有機溶媒（テルピネオール）でペースト状とした表１のＮo.６のガラスを塗布し、１１００℃で焼成したものを使用した。

排ガス再循環システムにＥＧＲクーラを配置し、その前段，後段に保護コートにシリカ系ガラスを用いた流量計を配置した。前段側の排気ガス温度は約２００℃、後段側の排気ガス温度は約８０℃である。１日間、実際の運転条件を想定して内燃機関を運転した。流量計の素子形状は図１に記載された構造であり、保護コートとして表１のＮo.６のガラスを採用した。表２に排気ガス温度，発熱体の加熱温度と素子表面の付着物の状態の関係を示す。

また、図２５に排ガス温度８０℃の時の、発熱体の加熱温度と付着量の関係を示す。

金属が付着する理由は、排ガス中に含まれる水蒸気がクーラで冷却されて凝集水となり、配管を腐食する結果、後段側の流量計に析出しているためと考えられる。クーラの後段側に流量計を配置した場合（排気ガス温度が露点温度以下の８０℃の場合）、発熱体の加熱温度が３５０℃では表面に排気凝集水により配管から溶出した金属成分が付着していたが、６００℃では何も付着していない。クーラの前段側に流量計を配置した場合（排気ガス温度が露点温度以上の２００℃の場合）も、発熱体を６００℃に加熱すると何も付着していなかった。

排ガス温度が露点以下の場合に所定温度以上に熱式ガス流量計を加熱することにより、流量計の表面に排ガス中の水分などにより蒸気の膜のような層が形成され、金属等の成分の付着を防止していると推察される。

以下、流量測定素子を用いたＥＧＲシステムの例について説明する。図３に本実施例のＥＧＲシステムの構成図を示す。ガス流量計７をＥＧＲクーラ１５とＥＧＲバルブ１４の間に配置して流量測定を行い、ＥＧＲ量の制御を行う構成となっている。このようなセンサによれば、最適量の排ガス循環量に制御することができる。

従来例は、エアフローセンサ１１および電制スロットル１２の開度情報をもとにＥＧＲ量を推定する間接方式でＥＧＲ量の制御を行っている。従来の方法に比して、上記のようにセンサを設けて最適量の排ガス循環を達成することにより、同様の走行条件（状態），運転モードで、ＮＯｘ量を１／１０以下に、ＰＭ量を１／５０以下に低減することが可能であった。

また、流量計への付着物を低減するためには、駆動前に流量測定素子を加熱し、所定の温度となった後に排気ガスを還流させるＥＧＲシステムとすることも有効である。エンジンなど、内燃機関の運転前に流量測定素子を加熱しても同様の効果が得られる。

図４は、ガス流量計７をＥＧＲクーラ１５の前後に配置した他のＥＧＲシステムの例である。ＥＧＲクーラ１５は排気ガスの冷却を行うことを目的に設置されている。このＥＧＲクーラ１５が排気ガスのＰＭにより目詰まりすると、内燃機関１３に安定してＥＧＲガスを供給できなくなる。ガス流量計７をＥＧＲクーラ１５の前後に配置して排気ガス流量の測定を行うことにより、ＥＧＲクーラの目詰まり状況の検知を行うことが可能である。

図５は、ガス流量計７をＥＧＲバルブ１４の前後に配置した他のＥＧＲシステムの例である。ＥＧＲバルブ１４は内燃機関１３へ供給するＥＧＲ量の調整を行っている。このＥＧＲバルブ１４に排気ガスのＰＭが付着すると、供給量の精度が低下する。ガス流量計７をＥＧＲバルブ１４の前後に配置して排気ガス流量の測定を行い、バルブの開閉情報と併せて流量の検知，ＥＧＲバルブ１４に付着したＰＭの検知を行うことが可能である。

素子１の断面図。 ガス流量計７の断面図。 ＥＧＲシステムの構成図。 ＥＧＲシステムの構成図。 ＥＧＲシステムの構成図。 保護コート層の物性値と発熱体温度の関係。 熱膨張係数とＢ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比の関係。 熱膨張係数とＺｒＯ₂／ＳｉＯ₂比の関係。 熱膨張係数とＭｇＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 熱膨張係数とＣａＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 熱膨張係数とＳｒＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 熱膨張係数とＢａＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 広がり比率の測定方法模式図。 広がり比率とＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比の関係。 広がり比率とＭｇＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 広がり比率とＣａＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 広がり比率とＳｒＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 広がり比率とＢａＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 重量減少率とＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比の関係。 重量減少率とＢ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂比の関係。 重量減少率とＭｇＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 重量減少率とＣａＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 重量減少率とＳｒＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 重量減少率とＢａＯ／ＳｉＯ₂比の関係。 発熱体の加熱温度と付着量の関係。

符号の説明

１，８，９ 素子
２ リード
３ 保護コート
４ 金属抵抗体
５ 電気絶縁基体
６ 接合材
７ ガス流量計
１０ 制御回路
１１ エアフローセンサ
１２ 電制スロットル
１３ 内燃機関
１４ ＥＧＲバルブ
１５ ＥＧＲクーラ
１６ 固定部

Claims (14)

1. 被測定ガスの流路内に配設される発熱抵抗体と、前記被測定ガスの流量に応じた信号を出力する外部回路と、を有する熱式ガス流量計において、前記発熱抵抗体を蒸気膜形成温度以上に発熱させることを特徴とする熱式ガス流量計。
2. 被測定ガスの流路内に配設される発熱抵抗体と、前記被測定ガスの流量に応じた信号を出力する外部回路と、を有する熱式ガス流量計において、
   該発熱抵抗体を下記式で表されるＴｗｓｎ以上に加熱制御することを特徴とする熱式ガス流量計。
   Ｔｗｓｎ＝ＴＬ＋（３１４−ＴＬ）／（１＋β１／２）
   β＝λＷＣＷρＷ／λＬＣＬρＬ
   ＴＬ：液滴温度
   λＬ：水の熱伝導率
   ＣＬ：水の比熱
   ρＬ：水の密度
   λＷ：コート材の熱伝導率
   ＣＷ：コート材の比熱
   ρＷ：コート材の密度
3. 被測定ガスの流路内に配設される発熱抵抗体と、前記被測定ガスの流量に応じた信号を出力する外部回路と、を有する熱式ガス流量計において、該発熱抵抗体を６００℃以上に加熱制御することを特徴とする熱式ガス流量計。
4. 請求項１ないし３に記載された熱式ガス流量計において、前記被測定ガスの温度が露点温度より低い場合に前記加熱制御を行い、前記被測定ガスの温度が露点温度より高い場合には前記発熱抵抗体を３５０℃以上の加熱する制御に変化させることを特徴とする熱式ガス流量計。
5. 請求項１ないし３に記載された熱式ガス流量計において、
   前記発熱抵抗体は、電気絶縁性の基体と、前記基体上に形成された電気抵抗体と、前記基体と前記電気抵抗体の上に形成された保護層と、前記電気抵抗体と前記外部回路とを電気接続するリード部と、を有することを特徴とする熱式ガス流量計。
6. 請求項５に記載された熱式ガス流量計であって、
   前記保護層は、酸化物換算で、ＳｉＯ₂を３０〜６０ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を５〜２０ｗｔ％、アルカリ土類酸化物を２５〜５０ｗｔ％、ＺｒＯ₂を１〜１５ｗｔ％含有するガラスよりなることを特徴とする熱式ガス流量計。
7. 請求項６に記載された熱式ガス流量計であって、
   前記保護層は、希土類酸化物を酸化物換算で０〜２０ｗｔ％含有することを特徴とする熱式ガス流量計。
8. 請求項５または６に記載された熱式ガス流量計であって、
   前記保護層は、ガラス転移点が６５０℃以上のガラスよりなることを特徴とする熱式ガス流量計。
9. 請求項５または６に記載された熱式ガス流量計であって、
   前記保護層は、熱膨張係数が５０〜８０×１０^-7／℃のガラスよりなることを特徴とする熱式ガス流量計。
10. 内燃機関の排気ガスを吸気側に還流する配管と、還流させる排ガスの量を制御する制御装置と、前記配管に設けられた熱式ガス流量計とを有し、排気ガスの少なくとも一部を吸気側に還流する排気ガス再循環システムであって、
    前記熱式ガス流量計は、請求項１ないし９のいずれかの熱式ガス流量計であることを特徴とする排気ガス再循環システム。
11. 請求項１０に記載された排気ガス再循環システムであって、
    前記配管に前記排ガスを冷却する冷却装置を有し、
    前記熱式ガス流量計は、前記冷却装置のガス流の上流側及び下流側にそれぞれ設けられていることを特徴とする排気ガス再循環システム。
12. 請求項１０または１１に記載された排気ガス再循環システムであって、
    前記配管に設けられ、前記還流する排ガスの流量を調節する流量調整バルブと、前記流量バルブを制御する流量制御装置とを有し、前記流量制御装置は、前記熱式ガス流量計より得られる排ガス流量情報に応じて前記流量バルブを制御することを特徴とする排気ガス再循環システム。
13. 請求項１０ないし１２のいずれかに記載の排気ガス再循環システムであって、
    前記制御装置は、前記熱式ガス流量計の発熱抵抗体温度が蒸気膜形成温度以上の場合に排気ガスの還流を開始する制御を行うことを特徴とする排気ガス再循環システム。
14. 請求項１０ないし１２のいずれかに記載の排気ガス再循環システムであって、
    前記制御装置は、前記熱式ガス流量計の発熱抵抗体温度が蒸気膜形成温度以上の場合に内燃機関の運転を開始する制御を行うことを特徴とする排気ガス再循環システム。

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