JP4404104B2 - 空気流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気通路の内部にバイパス流路を形成し、そのバイパス流路内に配設される発熱抵抗体の放熱量を基に空気流量を測定する空気流量測定装置に関する。

〔従来の技術〕
従来から、発熱抵抗体の放熱量を基に、空気流量を測定する熱式流量測定装置が公知であり、自動車用の内燃機関の吸気流量を測定する空気流量計（エアフローメータ）として採用されている。熱式流量測定装置は、発熱抵抗体から空気流れの放熱現象を利用して、質量流量が広範囲に渡って計測できるもので、抵抗温度係数の大きな金属抵抗体（例えば、白金の極細線）を円筒形のボビンに巻きつけ、その両端を一対のリード部材に接続した発熱素子を形成し、表面および端面に保護膜を被覆して構成されている。

この発熱抵抗体を空気流れの中に置くと、発熱抵抗体から放散される熱量は、発熱抵抗体の表面温度と作動流体である空気温度との温度差と、流速の平方根に略比例する。そして、発熱抵抗体は熱を奪われると抵抗値が変化するから、この発熱抵抗体と作動流体である空気温度を検出する温度補償抵抗体とによって、抵抗ブリッジ回路を構成することによって、常に発熱抵抗体と温度補償抵抗体との温度差が所定の値となるように制御する電流値によって、作動流体である空気の流速、つまり、空気流量を測定するものである。

そして、作動流体である空気の温度変化によって生じる抵抗ブリッジ回路の平衡条件の変化は、抵抗ブリッジ回路を構成した温度補償抵抗体によって補償されるものの、内燃機関の吸気中には塵埃等の浮遊粒子が含まれており、この浮遊粒子が発熱抵抗体の表面やリード部材に付着し、これにより、発熱抵抗体の放熱特性やリード部材の熱特性を変化させ、応答特性を含めて出力特性の悪化をもたらす一因となっている。なお、発熱抵抗体の表面温度は２００℃程度の高温に維持される場合、付着した浮遊粒子が水分を含んでいれば、水が気化して付着し難いが、付着した浮遊粒子が油分を含んでいると、油の低沸点成分の気化力だけでは除去されずに浮遊粒子が付着して汚損する場合もある。

そこで、空気流に含まれる浮遊粒子（汚損物質）が、発熱抵抗体やリード部材、およびこの発熱抵抗体等を支持する支持部材に付着しないように、あるいは付着を抑制するような防止手段の提案が、従来から数多く特許文献に開示されている。以下に、３つの従来例について説明する。

まず、最初の特許文献は、空気流量測定用と空気温度補正用の各発熱抵抗体を、空気流の一部を分流するバイパス通路中に空気流れに沿って設置する熱式空気流量計において、発熱抵抗体の長手方向を空気の流れ方向に対して斜めに設置する提案であり、９０度よりも小さい所定の角度をもって設置することが好ましいとしている。これにより、空気流量測定用の発熱抵抗体の長手方向長さが、限られたバイパス通路径下において長く設定できることにより応答性を向上した空気流量計が提供できるとしている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、発熱抵抗体とリード部材を空気の流れ方向に対して斜めに設置することは、空気の流れ方向に対して向い角を設けることとなり、発熱抵抗体表面の空気の流れの層流傾向に、一部乱れを生じる乱流傾向に移行しやすくなって、発熱抵抗体の表面からの放熱に係る熱伝達特性（係数）は増加して、出力の応答性向上には効果を有するものの、発熱抵抗体の表面に向う速度の垂直成分が大きくなり、つまり流れのよどみ部分が生じやすくなることによって、発熱抵抗体とリード部材、および流れ方向に直交する支持部材ともに浮遊粒子の付着を促進させることとなる。

次の特許文献は、吸入空気流量を測定する熱式空気流量計において、感熱部（発熱抵抗体の表面）の上流部に汚れ防止部材を設置して、汚れ粒子付着を抑制する提案である。これにより、感熱部への汚れ粒子付着を回避して、出力の経時変化が防止できるとしている（例えば、特許文献２参照）。

しかし、感熱部、リード部材への汚れ粒子付着を抑制できるものの、汚れ防止部材によって空気流れが不安定になり、空気流量が精度良く測定できないという問題がある。

さらに、次の特許文献は、大き目の抵抗温度係数を有する発熱抵抗体を被測定流体の流路に配置し、発熱抵抗体をブリッジ回路の一辺に接続してなる熱式流量計であって、流路に立設した一対の端子板と、流れと直角方向の中心軸を有する円筒形のボビンに形成した発熱抵抗体と、発熱抵抗体の両端末と端子板との間を接続する一対のリード部材とを有しており、リード部材は円筒形のボビンの中心軸と平行方向にボビンの両端面に突設されており、リード部材のまわりを囲む被測定流体の流線の上流位置には、リード部材と平行で、かつ、発熱抵抗体に対する被測定流体の流れを乱さないよう配置された塵埃除去部材を設ける提案である。

そして、塵埃除去部材の各寸法をリード部材の寸法に呼応して、適度な値となすことによって、浮遊粒子のリード部材への付着を抑制して、結果、応答特性を悪化させることなく、測定精度を良好に維持することができるとしている（例えば、特許文献３参照）。

しかし、本提案では、確かにリード部材への汚れ付着は抑制できるものの、肝心の発熱抵抗体への付着は抑制できるとは言えず、発熱抵抗体の表面に付着した汚れ等は、発熱抵抗体の発熱によって燃焼もしくは蒸発によって略一定に抑制され得るとしているが、上記したように、付着した浮遊粒子が油分を含んでいると、油の低沸点成分の気化力だけでは除去されずに浮遊粒子（汚損物質）の経時的な付着が懸念される。

〔従来技術の不具合〕
被測定流体である吸入空気（吸気）中には、種々の浮遊粒子が存在し、例えば、極微細で軽く空気流れとともに飛散してしまうものや、やや大粒で重く、慣性効果で表面に衝突しやすいものや、水分を含んでいるものや、油分を含んでいるものなど色々なものが混在しているのが現実であり、これらの浮遊粒子（汚損物質）が、経時的に発熱抵抗体や発熱抵抗体のリード部材、および支持部材のよどみ部分に付着して、放熱特性が変化して、応答性を含む出力特性が悪化するという問題があり、このために、上記したような、浮遊粒子の付着を抑制する手段の提案がなされている。

しかし、いずれの提案も部分的にはそれなりの効果を得るものであるが、空気流量測定装置として、経時的、かつ、全体的な付着抑制効果は十分でなく、また、応答性を含む空気流量測定の出力特性の精度の悪化が生じ易いという問題があった。
特開昭５９−１９０６２３号公報 特開昭５９−１９０６２４号公報 特開平８−１０５７７８号公報

上記したような従来技術、つまり、浮遊粒子による汚損箇所をガード部材によってガードする対処的手段では限度があり、浮遊粒子自体がセンシング部に付着するメカニズムに立脚した対応手段を講じることが必要となる。従って、汚損物質となる浮遊粒子が付着しない、または付着させないメカニズムを、大小浮遊粒子の運動論的（特に、慣性力やブラウン運動）な視点と、被測定流体である空気流れの粘性流体流れ（境界層、およびよどみ部分の生成）の視点を踏まえて、経時的な、応答性を含む出力特性の精度の悪化が起こらない浮遊粒子の付着抑制手段の検討が課題となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、空気流量測定精度を悪化させることなく、浮遊粒子の付着を抑制できる空気流量測定装置の提供を目的とする。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の手段によれば、メイン流路を流れる空気の一部をバイパスさせるバイパス流路と、バイパス流路内に配設されて、バイパス流路を流れる空気流量を測定するためのセンシング部とを備え、センシング部は、バイパス流路内に立設した一対の支持部材に支持される所定の長さの発熱抵抗体を有し、発熱抵抗体に通電して、発熱抵抗体の空気流れによる放熱量を基に、バイパス流路を流れる空気流量を測定する空気流量測定装置において、バイパス流路がメイン流路と略直交する向きに曲げられており、バイパス流路を流れる空気流れは、メイン流路を流れる空気と略直交する向きに曲げられて流入し、さらに、Ｕターン部にて曲げられて流出し、センシング部の前記発熱抵抗体は、Ｕターン部の上流側に配設され、バイパス流路の空気の流れ方向に直交する向きより所定の傾きを有して配置され、かつ、バイパス流路を流れる空気の曲がり流線の外側流線の下流側に傾けて配置されていることを特徴としている。

これにより、吸気管内を流れる空気流れに含まれる浮遊粒子のうち、まず、比較的重くて大きいカーボン等の浮遊粒子は、慣性が大きいことにより流れの慣性分離効果により、壁面に付着、捕集される。

そして、つづいて、慣性分離効果により捕集されなかった比較的軽くて小さい浮遊微小粒子は、主流から略９０度偏向されたバイパス流れに浮遊して、曲がり部流線の外側と内側との間に速度分布を形成する各流線とともに、曲がり部流線の外側の下流側に傾けて配置した発熱抵抗体表面の長手方向に、速度成分を形成して、境界層を発生させるとともによどみ部分を縮小させるので、浮遊粒子の付着を抑制し、さらに、境界層内の微小粒子のブラウン運動活発化により付着を抑制することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の手段によれば、バイパス流路内に立設した一対の支持部材は、その長手方向がバイパス流路内の空気流れの流線に沿って配設されることを特徴としている。
これにより、支持部材の長手方向表面にはよどみ部分の形成が縮小されて、浮遊粒子の付着を抑制することが可能となる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の手段によれば、発熱抵抗体の所定の傾きの角度は、１０度〜４０度の範囲に設定されることを特徴としている。
これにより、適度な境界層の生成とよどみ部分の生成の縮小がバランスできて、空気流量測定精度を悪化させることなく、浮遊粒子の付着を抑制できる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の手段によれば、センシング部は、バイパス流路を流れる空気の温度を測定する感温抵抗体をさらに有し、発熱抵抗体と感温抵抗体との温度差は、１８０℃〜２６０℃の範囲に設定されることを特徴としている。
これにより、境界層内に浮遊する微小粒子のブラウン運動の活発化とセンシング部の温度疲労等がバランスできて、センシング部の耐久特性を悪化させることなく、浮遊粒子の付着を抑制できる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の手段によれば、バイパス流路内に立設した一対の支持部材の長手方向の端面に、バイパス流路の空気の流れ方向に直交する向きより所定の傾きを有する傾斜面を備えたことを特徴としている。
これによれば、支持部材の長手方向に沿う空気流れの流線は、端面に衝突することなく、端面に沿う流れの境界層を形成させるとともに、よどみ部分の形成を縮小して、端面への浮遊粒子の付着を抑制する。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の手段によれば、バイパス流路内に立設した一対の支持部材の長手方向の空気流れの流線の上流位置に、支持部材の長手方向の投影面の一部または全部を覆う汚れ防止部材を備えたことを特徴としている。
これにより、支持部材の長手方向の端面への浮遊粒子の付着はもとより、支持部材の長手方向の全表面への浮遊粒子の付着を抑制する。

この発明の最良の実施形態を、図に示す実施例１とともに説明する。

〔実施例１の構成〕
図１は、本発明の実施例１における空気流量測定装置の構成を示す断面図である。図２は、図１に示す空気流量測定装置の要部の拡大断面図であり、図３は空気流量測定装置を吸気管に取付けた状態を示す断面図である。
本実施例に示す空気流量測定装置１は、例えば、自動車用エンジンの吸入空気量を計測するエアフローメータであり、図３に示すように、空気通路を形成するエアクリーナ（図示せず）と接続する吸気管２にプラグイン方式によって、着脱可能に取付けられている。

この空気流量測定装置１は、図１に示すように、センサボディ３、センシング部４、および回路部５等から構成される。センサボディ３は、図３に示すように、メイン流路９を形成する吸気管２の管壁に開けられた取付け孔より吸気管２の内部に挿入され、吸気管２の中心軸に対して、略直交するように配置される。センサボディ３の内部には、吸気管２のメイン流路９内を流れる空気流れ（以下、主流と呼ぶ）の一部をバイパスさせるバイパス流れ（図中太線矢印参照）を形成するバイパス流路６が形成される。従って、バイパス流路６は、センサボディ３に形成される入口３１に対して、主流から略９０度偏向された空気流れ（バイパス流れ）が流入し、また、センサボディ３に形成される出口３２に対して、空気の流れ方向が１８０度変化（Ｕターン）して流出するように形成されている。

センシング部４は、バイパス流路６を流れる空気流量を測定するための発熱抵抗体４１と、バイパス流路６の空気温度を測定するための感温抵抗体４２とを有し、図１（ｂ）に示すように、バイパス流路６のＵターン部より上流側で、略９０度偏向流れとなる入口３１より下流側に配置される。

本発明に係る発熱抵抗体４１は、図２に示すように、例えば、外径０．０２ｍｍの白金線をボビン４３の外周面に巻き付けて形成され、その白金線の両端部が、ボビン４３の両端に取り付けられる一対のリード部材４４に接続されて、発熱抵抗体４１およびリード部材４４の表面が保護膜によって被覆されている。一方、感温抵抗体４２は、発熱抵抗体４１と同様に、ボビン４３の外周面に白金線を巻き付けて形成され、その白金線の両端部がボビン４３の両端に取り付けられる一対のリード部材４４に接続されて、感温抵抗体４２およびリード部材４４の表面が保護膜によって被覆されている。

ボビン４３は、電気絶縁性材料（例えば、アルミナ）により円筒状に設けられている。リード部材４４は、例えば、白金によって線状または棒状に設けられ、一端側がボビン４３の内周に挿入されて接着剤（例えば、高融点ガラス）により固定され、他端側が支持部材７に溶接等により固定されている。

支持部材７は、センサボディ３の他端側に配置される回路部５の構造壁に、バイパス流路内のバイパス流れ方向に立設され、バイパス流れの流線方向とその長手方向とを一致させてある。そして、回路部５に内蔵される回路基板（図示せず）とリード部材４４とを電気的に接続するターミナルを兼ねており、その断面形状が円形または矩形、および任意の形状の電気的導体により構成されている。また、保護膜は、例えば、酸化鉛を含有したガラスの塗布膜を８００℃前後の温度で焼結して形成される。

上記の発熱抵抗体４１と感温抵抗体４２は、図２（ａ）に示すように、互いに分離した位置に配置され、主流から略９０度偏向されたバイパス流れ方向（図中上下方向）に所定の距離（Ｌｘ）と、バイパス流れと直角方向（図中左右方向）に、同様に所定の距離（Ｌｚ）だけ離れて配置される。また、感温抵抗体４２が発熱抵抗体４１より上流側に配置され、各リード部材４４が接続される支持部材７を介して、回路部５に内蔵される回路基板に電気的に接続されている。なお、本実施例では、感温抵抗体４２が発熱抵抗体４１より上流側に配置したが、これに限ることなく、発熱抵抗体４１が感温抵抗体４２より上流側に配置されていてもよい。

回路部５は、センサボディ３の他端側に設けられ、吸気管２の取付け孔より外側に配置される（図３参照）。この回路部５は、発熱抵抗体４１の温度と感温抵抗体４２で検出される空気温度との差が常に一定となるように、例えば、抵抗ブリッジ回路を構成することにより、発熱抵抗体４１に供給される電流値を制御している。そして、この発熱抵抗体４１に供給される電流値に応じた電気信号が、回路部５から外部の図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）へ出力され、そのＥＣＵにより吸入空気量が求められる。

そして、本発明の本実施例では、空気流量測定精度を向上させ、さらに、空気流れ中の浮遊粒子の付着を抑制するために、図２（ｂ）に示すように、発熱抵抗体４１を、主流から略９０度偏向されたバイパス流れの曲がり流線の外側流線の下流側に所定の角度θｘだけ傾けて配置している。

センシング部４が配設されるバイパス流路６には、図２に示すように、感温抵抗体４２はバイパス流れの流線に対して略直角に、また、発熱抵抗体４１はバイパス流れの流線に直交する向きより傾きの角度θｘだけ傾けて配置している。一方、主流から略９０度偏向されたバイパス流れの流線は、図２に示す速度分布（図中細線矢印の大きさ）のように、曲がり流線の外側流線ほど速度は大きく（細線矢印が大きい）、曲がり流線の内側ほど速度は小さく（細線矢印が小さい）なっている。これは、主流から偏向してバイパス流れとなる直前の空気が有する運動エネルギが、直角に対向するセンサボディ３の構造壁に衝突するように偏向して流速を速めて曲がり流線を形成して流れるためであり、これにより、流れの慣性分離効果、つまり、慣性の大きい比較的重くて大きい浮遊粒子は、即座には偏向できずに、壁面に衝突して壁面に付着され、捕集され易くなる。

また、付着されずに流れに浮遊する比較的微小の浮遊粒子は、各流線に沿って流れるものの、上記に説明したように、曲がり流線の外側流線ほど流速は大きいので、その分圧力が低下し、従って、圧力の低い方向への流れが生じて、厳密にみれば、偏向角βが９０度以上に偏向された流れとなって、発熱抵抗体４１の外周表面に沿って、長手方向に流れる速度成分Ｖｘが生じて、流れのよどみ部分の形成を抑制することとなる。

さらに、発熱抵抗体４１は、この曲がり流線の外側流線の下流側に向けて傾けているため、流線が有する速度の発熱抵抗体４１の長手方向に流れる速度成分Ｖｘが大きくなって、しかも、曲がり流線の外側流線ほど大きくなって、流れのよどみ部分の形成をいっそう抑制することができる。

従って、さらに、曲がり流線の外側流線の下流側に向けて傾きを大きくすればよどみ部分の形成は抑えることができるが、一方、流れの境界層が大きく（厚く）なって、発熱抵抗体４１の外周表面で生じる放熱のための熱伝達特性が低下して、応答特性を含めて出力特性が悪化することとなる。つまり、出力特性を悪化させることなく浮遊粒子の付着を抑制する好適な傾きの角度（以下、傾き角と呼ぶ）θｘの検討が必要とされる。

図４は、傾き角θｘに対して出力特性の変化と浮遊粒子の付着による汚損特性の変化を比較したグラフであり、発明者による実験結果をまとめたものである。これによれば、傾き角θｘを大きくしていけば汚損特性は小さくなり、また、傾き角θｘを小さくして鉛直方向から逆向きに傾けていくと汚損特性は著しく増加して、傾き角θｘが−５〜−１０度付近で最大となり、以降順次減少する特性となっている。

このことは、上記で説明したように、流線の発熱抵抗体表面の長手方向成分が大きくなるほど汚損が抑制されやすく、つまり、流れのよどみ部分が発生しにくくなり、僅か（例えば、１０度以上）の傾き角θｘによる長手方向の速度成分Ｖｘによってよどみ部分の形成が抑制されることを示している。また、傾き角θｘが−５〜−１０度付近で最大となるのは、主流から略９０度偏向されたバイパス流れの流線は曲がり流線の外側の速度が僅かに大きい流速分布を形成して、みかけ上９０度以上の偏向角βの流れに相当するため、この偏向流れと直交する発熱抵抗体表面の長手方向の傾き角θｘと符号する。つまり、発熱抵抗体表面に直交する流線ではよどみ部分が発生し易くなる。

また、一方、出力特性についてみてみると、傾き角θｘを増やしても略４０度までは殆ど変化なく、略４０度を超えて大きくすると著しく出力特性の変化が大きくなる。また、逆に、傾き角θｘを小さくしても、略−１０度までは変化なく、それ以上小さくすると出力特性の変化が増える。つまり、このことは、バイパス流れの各流線の発熱抵抗体表面の長手方向成分が垂直方向成分より大きくなり、発熱抵抗体表面の長手方向に沿う流れが支配的になって、つまり、境界層が発達して、発熱抵抗体表面の熱伝達特性の低下を引き起こすためであり、略４０度の傾き角θｘも上記汚損特性で説明したみかけ上９０度以上の偏向角βの流れと符合する。

この２つの特性値、つまり、汚損特性変化と出力特性変化のバランスより、傾き角θｘは１０度〜４０度が好適であるといえる。

以上より、浮遊粒子の発熱抵抗体表面への付着メカニズムが明確となる。つまり、吸気管２内を流れる空気流れに含まれる浮遊粒子のうち、比較的重くて大きいカーボン等の浮遊粒子は、慣性が大きいことにより流れの慣性分離効果により、壁面に付着、捕集される。そして、残った微小の浮遊粒子は略９０度偏向されたバイパス流れの各流線に沿って空気とともに流れるが、発熱抵抗体表面の長手方向は各流線に対して適度な傾き角θｘを形成しているので、流れの長手方向成分によってよどみ部分の形成が抑制され、結果、微小の浮遊粒子の付着が抑制される。以上が浮遊粒子の運動論的視点と、空気流れの粘性流体流れの視点からの付着メカニズムの解析である。

さらに、浮遊粒子の運動論的視点をミクロ領域、つまり、浮遊粒子の個々の微小粒子一つ一つの発熱抵抗体表面の高温場における挙動について考えてみる。上記する微小粒子の付着メカニズムの解析は、空気流れの粘性流体流れの視点、つまり、長手方向成分による境界層の成長による境界層外への排出による付着抑制であったが、実は、この境界層内にも微小粒子は存在し、付着する可能性はある。しかし、発熱抵抗体表面に形成される境界層は、発熱抵抗体が２００℃程度に発熱されることから高温場を呈し、高温場に曝される微小粒子は、空気分子の動きに励起されるブラウン運動が活発化して、結果、付着の抑制に大きく寄与する。

また、発熱温度の上昇は、境界層内の温度場を高めるため、益々ブラウン運動を活発化するが、同時に、温度場が高くなるため境界層厚さも大きくなって、放熱のための熱伝達特性が低下するとともに、センシング部の耐久特性の低下も懸念される。つまり、出力特性並びに耐久特性を悪化させることなく微小粒子の付着を抑制する好適な発熱温度、つまり、発熱抵抗体４１と感温抵抗体４２との温度差となる制御温度Ｔｓの検討が必要とされる。

図５は、制御温度Ｔｓに対して耐久特性の変化と微小浮遊粒子の付着による汚損特性の変化を比較したグラフであり、発明者による実験結果をまとめたものである。これによれば、制御温度Ｔｓの上昇に伴い汚損特性の変化は小さく、略一定となる。また、制御温度Ｔｓを下降すると略１８０℃を下回る温度領域では、汚損特性の変化は著しく大きく、増加する。これは、高温化に伴いブラウン運動が活発化する微小粒子の発熱抵抗体表面に付着する可能性を低下させ、同時に、微小粒子といえどもより質量が大きくブラウン運動が起こりにくい微小粒子まで活性化できるので、付着する可能性の低下領域を広げることとなる。また、略１８０℃を下回る温度領域では、限界質量以上の微小粒子のブラウン運動は沈静するので、発熱抵抗体表面に付着する可能性が大きくなってくる。

また、一方、耐久特性についてみてみると、制御温度Ｔｓの上昇に伴い耐久特性の変化は小さいながらも増加して、略２６０℃を超えると著しく増大する。これは、例えば、外径０．０２ｍｍの白金線を巻回する発熱抵抗体４１であっても微細線ゆえの寿命低下は十分に考えられ、加えて、高温に維持する制御電流の繰返し印加が発熱抵抗体４１の繰返し疲労による断線や、あるいは被覆する保護膜の疲労クラックの発生等耐久特性を悪化させる。

この２つの特性値、つまり、汚損特性変化と耐久特性変化のバランスより、制御温度Ｔｓは１８０℃〜２６０℃が好適であるといえる。

以上より、ミクロ的にみる微小粒子のブラウン運動活発化による付着抑制メカニズムが大略説明できる。つまり、発熱抵抗体表面に形成される空気流れの境界層内に含まれる微小粒子は、制御温度Ｔｓを高めることによって微小粒子のブラウン運動を活発化して、表面への付着を抑制させることが可能であり、その制御温度Ｔｓは出力特性や耐久特性とのバランスから好適な温度範囲が設定できる。

〔変形例１〕
実施例１では、センシング部４を構成する発熱抵抗体４１のみを曲がり部流線の外側流線の下流側に、所定の傾き角θｘを設けて配置し、感温抵抗体４２は鉛直方向、つまり、バイパス流れと略直交するように配置している。しかし、これに限ることなく、図６に示すように、感温抵抗体４２も発熱抵抗体４１と同様に、曲がり部流線の外側流線の下流側に、所定の傾き角θｘを設けて配置してもよい。これにより、感温抵抗体４２の長手方向に速度成分が発生して、感温抵抗体表面に境界層を形成するとともによどみ部分の発生を低下させるので、発熱抵抗体４１と同様に、浮遊粒子の付着を抑制できる。なお、このとき、感温抵抗体４２の傾き角は、必ずしも発熱抵抗体４１の傾き角と同じである必要はなく、略同程度の傾き角であればよい。

つまり、感温抵抗体４２への浮遊粒子の付着の抑制は、感温抵抗体４２が空気流れの作動温度を測定するためのものであり、作動温度は常温付近の比較的安定した温度範囲であるため、従って、高温である発熱抵抗体４１ほどの効果は期待できないが、経時的に温度検出の検出精度の維持が可能となり、出力特性の変化を小さく抑えることが可能となる。

〔実施例１の作用〕
つづいて、空気流量測定装置１の作用を説明する。
エンジンの始動により、吸気管２の内部に空気の流れ（主流）が発生すると、主流の一部がセンサボディ３のバイパス流路６に主流から略９０度偏向されたバイパス流れとなって流入する。このとき、吸気管２内を流れる空気流れに含まれる浮遊粒子のうち、比較的重くて大きいカーボン等の浮遊粒子は、慣性が大きいことにより流れの慣性分離効果により、壁面に付着する。

そして、主流から略９０度偏向されたバイパス流れの曲がり部流線の外側と内側との間に速度分布を形成し、この速度分布を形成した各流線が、同様に、曲がり部流線の外側の下流側に傾けて配置した発熱抵抗体表面の長手方向成分を形成して、境界層を発生させるとともによどみ部分の形成を減少させて、浮遊粒子の付着を抑制するとともに、発熱抵抗体表面からの放熱を受け、放熱によって温度が低下すると発熱抵抗体４１の抵抗値が変化して、感温抵抗体４２で測定される空気温度との温度差を一定に保つために、発熱抵抗体４１に通電される電流値が変わって、電流値に比例する空気流量が測定される。

エンジン回転数が上がり、主流流速が大きくバイパス流れの速度も大きくなると、発熱抵抗体４１の放熱量が増大するため、感温抵抗体４２で測定される空気温度との温度差を一定に保つために、発熱抵抗体４１に通電される電流値が大きくなる。逆に、バイパス流れの速度が小さくなると、発熱抵抗体４１の放熱量が低減するため、発熱抵抗体４１に通電される電流値が小さくなる。

この発熱抵抗体４１に通電される電流値に応じた電気信号（例えば、電圧信号）が、回路部５から外部のＥＣＵへ出力され、そのＥＣＵにより吸入空気量が求められる。

〔実施例１の効果〕
本実施例では、バイパス流路を流れる空気流れは、メイン流路を流れる空気と９０度偏向して、メイン流路を流れる空気と直交する向きに曲げられており、センシング部４は、バイパス流路６内に立設した一対の支持部材７に、一対のリード部材４４を介して接続支持される発熱抵抗体４１と感温抵抗体４２の各抵抗体を有し、支持部材７を通じて発熱抵抗体４１と感温抵抗体４２に通電して、発熱抵抗体４１の空気流れによる放熱量を基に、発熱抵抗体４１と感温抵抗体４２との温度差が、所定の制御温度Ｔｓとなるように通電電流を制御するように構成され、バイパス流路６を流れる空気流量を測定するためのセンシング部４が、バイパス流路６の空気の流れ方向に直交する向きより所定の傾き角θｘを有して配置され、バイパス流路６を流れる空気の曲がり流線の外側流線の下流側に傾けて構成されている。

これにより、吸気管２内を流れる空気流れに含まれる浮遊粒子のうち、まず、比較的重くて大きいカーボン等の浮遊粒子は、慣性が大きいことにより流れの慣性分離効果により、壁面に付着、捕集される。

そして、つづいて、慣性分離効果により捕集されなかった比較的軽くて小さい浮遊微小粒子は、主流から略９０度偏向されたバイパス流れに浮遊して、曲がり部流線の外側と内側との間に速度分布を形成する各流線とともに、曲がり部流線の外側の下流側に傾けて配置したセンシング部４に流入し、発熱抵抗体表面の長手方向に速度成分Ｖｘを形成して、境界層を発生させるとともによどみ部分を縮小させて、浮遊粒子の付着と、さらに、境界層内の微小粒子のブラウン運動活発化により付着の抑制をすることが可能となる。

また、このとき、発熱抵抗体４１の傾き角θｘを鉛直方向から曲がり部流線の外側の下流側に１０度〜４０度の範囲に設定することにより、空気流量測定精度を悪化させることなく、浮遊粒子の付着を大幅に抑制することが可能となる。

さらに、発熱抵抗体４１と感温抵抗体４２との温度差である制御温度Ｔｓを１８０℃〜２６０℃の範囲に設定することにより、センシング部４の耐久特性を悪化させることなく、特に、境界層内の浮遊微小粒子の付着を大幅に抑制することが可能となる。

さらに、センシング部４を構成する発熱抵抗体４１と感温抵抗体４２を支持する支持部材７の長手方向をバイパス流路６を流れる空気流れの流線に沿って立設しているので、長手方向表面にはよどみ部分の形成が縮小されて、浮遊粒子の付着を抑制することが可能となる。

〔実施例２の構成〕
本発明の実施例２を図７に示す。図７は、実施例２における空気流量測定装置の要部を示す拡大断面図である。実施例１と実質的に同一構成部分に同一符号を付して、詳細な説明は省略する。

実施例１の空気流量測定装置１では、センシング部４を構成する発熱抵抗体４１と感温抵抗体４２、および各抵抗体と電気的に接続するリード部材４４の表面に汚損物質の付着を抑制するために、センシング部４をバイパス流れの流線に対して所定の傾き角θｘを設ける構成を採用している。また、センシング部４を支持する支持部材７もバイパス流れの流線に長手方向が沿うように立設して、長手方向表面に汚損物質の付着を抑制する構成を採用している。

しかし、支持部材７の長手方向の端面や、支持部材７とリード部材４４の接合部（例えば、溶接等で接合される）には、相変わらず流れのよどみ部分の形成がされやすく、浮遊粒子の付着の可能性があり、汚損による影響はセンシング部４の蒙る影響ほど甚大ではないが、経時的には空気流量測定精度の低下が懸念される。

そこで、本実施例では、支持部材７の長手方向の端面に、バイパス流れの流線に対して適度な傾き角θｘを設け、端面に沿う流れの境界層を形成させるとともによどみ部分の形成を縮小して、浮遊粒子の付着を抑制している。本実施例が実施例１と異なるのは主にこのことのみで、他の構成は変わることところはない。従って、実施例１と同じ作用、効果を奏し、さらに、浮遊粒子の付着が支持部材７の長手方向端面は勿論、端面に沿う流れの境界層の汚損抑制効果が支持部材７とリード部材４４の接合部まで及んで、接合部への浮遊粒子の付着の抑制が可能となる。

なお、支持部材７の長手方向の端面に付設する傾斜面の向きは、センシング部４をバイパス流れの流線方向に直交する向きより所定の傾き角θｘを傾ける方向と同方向であってもよく、または、接合部の汚損抑制効果を大きくするために、接合部が構成される位置方向に向けてもよい。また、支持部材７の断面形状が円形であれば、端面を円錐状に傾きを設けてもよく、断面形状が矩形であれば、端面を四角錐状に傾きを設けてもよい。つまり、バイパス流れの流線に沿って立設された支持部材７の長手方向の端面に、バイパス流れの流線が衝突してよどみ部分を形成しないよう傾斜を設けることがポイントであり、その傾斜の傾き角や傾き方向は、支持部材７の形状や大きさに照らして、任意に設定ができるものである。

〔変形例２〕
実施例２では、センシング部４を支持する支持部材７の長手方向の端面と、支持部材７とリード部材４４との接合部への浮遊粒子の付着を抑制するために、支持部材７の長手方向の端面に適度な傾き角θｘを有する傾斜面を構成して境界層の生成とよどみ部分の形成の縮小によって、浮遊粒子の付着の抑制を実現している。しかし、これに限ることなく、図８に示すように、バイパス流路６内に立設した一対の支持部材７の長手方向の空気流れの流線の上流位置に、支持部材７の長手方向の投影面の一部または全部を覆う汚れ防止部材８を備えてもよい。なお、汚れ防止部材８の形状は、図８に示すように円柱状に限ることなく、角柱状もしくは板状であってもよく、バイパス流れの流線の浮遊粒子の付着をガードするガード部材の手段であれば、形状は特に限定するものではない。

これにより、支持部材７の長手方向端面はもとより、支持部材７とリード部材４４との接合部およびリード部材４４の一部または全表面への浮遊粒子の付着を大幅に抑制することができる。

（ａ）は空気流量測定装置の構成を一部断面で示す側面図であり、（ｂ）は空気流量測定装置の構成を一部断面で示す正面図である（実施例１）。 （ａ）は空気流量測定装置の要部であるセンシング部の構成と動作を示す側面図の拡大断面図であり、（ｂ）は同正面図の拡大断面図である（実施例１）。 空気流量測定装置の取付け状態を示す断面図である（実施例１）。 発熱抵抗体を配設する傾き角に対する汚損特性の変化と出力特性の変化を比較したグラフである（実施例１） センシング部の制御温度に対する汚損特性の変化と耐久特性の変化を比較したグラフである（実施例１）。 （ａ）は空気流量測定装置の要部であるセンシング部の構成と動作を示す側面図の拡大断面図であり、（ｂ）は同正面図の拡大断面図である（実施例１の変形例１）。 （ａ）は空気流量測定装置の要部であるセンシング部の構成と動作を示す側面図の拡大断面図であり、（ｂ）は同正面図の拡大断面図である（実施例２）。 （ａ）は空気流量測定装置の要部であるセンシング部の構成と動作を示す側面図の拡大断面図であり、（ｂ）は同正面図の拡大断面図である（実施例２の変形例２）。

符号の説明

１ 空気流量測定装置
４ センシング部
５ 回路部
６ バイパス流路
７ 支持部材
８ 汚れ防止部材
９ メイン流路
４１ 発熱抵抗体
４２ 感温抵抗体
４４ リード部材
θｘ 傾き角（傾きの角度）
Ｔｓ 制御温度

Claims (6)

1. メイン流路を流れる空気の一部をバイパスさせるバイパス流路と、
   前記バイパス流路内に配設されて、前記バイパス流路を流れる空気流量を測定するためのセンシング部とを備え、
   前記センシング部は、前記バイパス流路内に立設した一対の支持部材に支持される所定の長さの発熱抵抗体を有し、
   前記発熱抵抗体に通電して、前記発熱抵抗体の空気流れによる放熱量を基に、
   前記バイパス流路を流れる空気流量を測定する空気流量測定装置において、
   前記バイパス流路がメイン流路と略直交する向きに曲げられており、
   前記バイパス流路を流れる空気流れは、前記メイン流路を流れる空気と略直交する向きに曲げられて流入し、さらに、Ｕターン部にて曲げられて流出し、
   前記センシング部の前記発熱抵抗体は、前記Ｕターン部の上流側に配設され、
   前記バイパス流路の空気の流れ方向に直交する向きより所定の傾きを有して配置され、かつ、前記バイパス流路を流れる空気の曲がり流線の外側流線の下流側に傾けて配置されていることを特徴とする空気流量測定装置。
2. 請求項１に記載の空気流量測定装置において、
   前記バイパス流路内に立設した一対の前記支持部材は、その長手方向が前記バイパス流路内の空気流れの流線に沿って配設されることを特徴とする空気流量測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の空気流量測定装置において、
   前記発熱抵抗体の前記所定の傾きの角度は、１０度〜４０度の範囲に設定されることを特徴とする空気流量測定装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１に記載の空気流量測定装置において、
   前記センシング部は、前記バイパス流路を流れる空気の温度を測定する感温抵抗体をさらに有し、前記発熱抵抗体と前記感温抵抗体との温度差は、１８０℃〜２６０℃の範囲に設定されることを特徴とする空気流量測定装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１に記載の空気流量測定装置において、
   前記バイパス流路内に立設した一対の前記支持部材の長手方向の端面に、前記バイパス流路の空気の流れ方向に直交する向きより所定の傾きを有する傾斜面を備えたことを特徴とする空気流量測定装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１に記載の空気流量測定装置において、
   前記バイパス流路内に立設した一対の前記支持部材の長手方向の空気流れの流線の上流位置に、前記支持部材の長手方向の投影面の一部または全部を覆う汚れ防止部材を備えたことを特徴とする空気流量測定装置。

Images