JP2008039704A - 風速センサ、風量センサ、及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コストを低減しつつ簡素な回路を用いて応答性を向上させることができる風速センサ、このような風速センサを用いた風量センサ、及びこのような風量センサを用いる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】風速を検出しようとする気体中に配置されるダイオードＤ１，Ｄ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２に、順方向電流を供給する抵抗Ｒ１，Ｒ２と、ダイオードＤ２を加熱するツェナーダイオードＺＤ１と、ダイオードＤ１で生じる順方向電圧Ｖｄ１とダイオードＤ２で生じる順方向電圧Ｖｄ２との差を示す差分信号Ｓ１を、風速を示す信号として出力する差動増幅回路５３１とを備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、流れる気体による放熱現象を利用した熱式の風速センサ、この風速センサを用いて風量を測定する風量センサ、及びこの風量センサを用いる燃料電池システムに関する。

燃料電池の空気極に、酸化剤として空気を供給する場合や、燃焼ボイラーに燃焼補助用に空気を送る場合等において、送風する風量や風速を制御する必要があり、そのため風速や風量を測定する風量風速センサが用いられている。この風量風速センサとしては、発熱体の放熱現象を利用した熱式センサが一般的であり、発熱させた白金線に風をあてると風速に応じて白金線の温度が変化し、白金線の抵抗値が変化することを利用して風速を測定するものが知られている。

しかし、白金線は高価なため、白金線の代わりに安価なダイオードを用いて、ダイオードの温度に応じてダイオードの順方向電圧が変化することを利用して、風速を測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図９は、背景技術に係る、ダイオードを用いた風速センサの構成を示す模式回路図である。図９に示す風速センサ１０１は、ダイオード１０２と、定電流回路１０３，１０４と、スイッチ１０５とを備えて構成されている。定電流回路１０３は、ダイオード１０２に順方向電圧の検出用の順方向電流を供給する定電流回路で、ダイオード１０２の自己発熱が問題にならない程度の微小電流を常時供給する。定電流回路１０４は、ダイオード１０２を自己発熱させるための大電流を流す定電流回路である。スイッチ１０５は、定電流回路１０４からダイオード１０２へ出力される電流をオン、オフするスイッチである。

また、風速センサ１０１の外部には、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＡＤコンバータ等を用いて構成された制御回路１０６が設けられており、ダイオード１０２のカソードの電圧、すなわちダイオード１０２の順方向電圧Ｖｆが、制御回路１０６によってＡＤ変換されて、風速を示すデータが取得されるようになっている。

そして、風速を測定しようとする気体１０７が、ダイオード１０２に当たるようにされている。

図１０は、図９に示す風速センサ１０１の動作を説明するための説明図である。図１０（ａ）は、ダイオード１０２の順方向電圧Ｖｆを示している。また、図１０（ｂ）は、スイッチ１０５のオン、オフ動作を示している。図１０に示すように、まずスイッチ１０５がオフしている状態で、定電流回路１０３によってダイオード１０２に微少電流が常時流されているため、ダイオード１０２の順方向電圧Ｖｆは、０．６Ｖ〜０．７Ｖ程度の電圧Ｖ１になっている。

次に、例えば制御回路１０６によって、スイッチ１０５がオンされる。そうすると、定電流回路１０４によって、ダイオード１０２に大電流が流されて順方向電圧Ｖｆが電圧Ｖ２まで上昇する。そして、ダイオード１０２の自己発熱によってダイオード１０２の温度が徐々に上昇する。そうすると、ダイオード１０２の順方向電圧Ｖｆには、負の温度特性があるため、ダイオード１０２の温度が徐々に上昇するに従って、順方向電圧Ｖｆが徐々に低下する。

ここで、気体１０７の風速が小さいと、ダイオード１０２の放熱も小さいため、ダイオード１０２の温度上昇速度が速くなって順方向電圧Ｖｆの低下速度が速くなる一方、気体１０７の風速が大きいと、ダイオード１０２の放熱も大きいため、ダイオード１０２の温度上昇速度が遅くなって順方向電圧Ｖｆの低下速度が遅くなる。そこで、制御回路１０６によって、スイッチ１０５がオンされてから一定時間経過後の順方向電圧Ｖｆを測定することにより、気体１０７の風速が得られるようになっている。

また、このようにダイオード１０２を自己発熱させた場合には、順方向電圧Ｖｆを生じるダイオードのシリコンチップそのものが発熱するため、ダイオード１０２の温度が定常状態になるまで上昇してしまうと風速の差異がシリコンチップの温度の差異として現れにくくなる結果、順方向電圧Ｖｆの温度特性を利用して風速を測定することが困難になってしまう。そこで、スイッチ１０５をオンして発熱を開始してから温度が定常状態になる前の順方向電圧Ｖｆを測定することにより、順方向電圧Ｖｆから気体１０７の風速を取得するようにされている。

また、風速センサ１０１を、所定の開口断面積を有する管の中に配置すれば、風速と管を流れる気体の風量とは比例関係にあるから、風速センサ１０１で測定された風速は管を流れる気体の風量を示すこととなる。従って、風速センサ１０１を、管を流れる気体の風量を測定する風量センサとして用いることができる。このような風量センサは、例えば燃料電池に供給する空気の量を制御するための、空気の供給量を検出するセンサとして用いられている。
特開２００４−３０９２０２号公報

しかしながら、上述のように構成された風速センサ１０１では、スイッチ１０５をオンさせて一定時間後に順方向電圧Ｖｆを測定するというシーケンス動作が必要となるため、制御回路１０６が複雑になるという不都合があった。また、このような風速センサ１０１は、スイッチ１０５をオンさせて一定時間経過しないと風速を示す順方向電圧Ｖｆが得られないため、応答性が悪いという不都合があった。さらに、風速センサ１０１では、ダイオード１０２に順方向電流を流して自己発熱させる必要がある。そして、ダイオード１０２の発熱量は順方向電流と順方向電圧の積によって得られるが、ダイオードは非線形素子であって順方向電流の増大量に対する順方向電圧の増大量が僅かであるため、ダイオード１０２を発熱させるために大電流を流さなければならない。そのため、定電流回路１０４として電流容量の大きな回路を用いる必要があり、コストが増大するという不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、コストを低減しつつ簡素な回路を用いて応答性を向上させることができる風速センサ、このような風速センサを用いた風量センサ、及びこのような風量センサを用いる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る風速センサは、風速を検出しようとする気体中に配置される第１及び第２ダイオードと、前記第１及び第２ダイオードに、予め設定された順方向電流を供給する電流供給部と、前記第２ダイオードを加熱する加熱部と、前記第１ダイオードで生じる順方向電圧と前記第２ダイオードで生じる順方向電圧との差を示す差分信号を、前記風速を示す信号として出力する差分信号出力部とを備える。

この構成によれば、第１及び第２ダイオードが風速を検出しようとする気体中に配置され、加熱部によって第２ダイオードが加熱される。そして、第１ダイオードは加熱されていないから、周囲温度、すなわち気体と同じ温度になっており、流れる気体が第１ダイオードに当たっても、第１ダイオードの温度はほとんど変化しない。一方、第２ダイオードは、加熱部によって加熱されているから、第２ダイオードに当たる風速が速いほど、第２ダイオードの放熱量が増大し、第１ダイオードとの温度差が減少する。このような温度になった第１及び第２ダイオードに、電流供給部から予め設定された同じ順方向電流が流されると、第１ダイオードには気体の温度に応じた順方向電圧が生じ、第２ダイオードには、気体の温度とその風速とに応じた順方向電圧が生じる。そして、差分信号出力部によって、第１ダイオードで生じる順方向電圧と第２ダイオードで生じる順方向電圧との差が差分信号として出力されると、差分信号は、気体の温度に応じて生じた電圧成分が除去されて風速に応じて得られた電圧成分が残る結果、風速を示すこととなる。

この場合、安価なダイオードの順方向電圧の温度特性を利用して風速を測定することができるので、高価な白金を用いる場合よりもコストを低減することができる。また、第２ダイオードを自己発熱させることなく加熱部によって加熱するので、第２ダイオードの温度が定常に達した状態における順方向電圧を利用して風速を測定することができ、ダイオードの自己発熱を開始してから一定時間後に順方向電圧を測定するといったシーケンス動作を必要とせず、回路を簡素化することができる。そして、ダイオードの自己発熱を開始してから順方向電圧を測定するまでに一定時間の経過を待つ必要がないので、風速測定の応答性を向上させることができる。さらに、加熱部を用いて第２ダイオードを加熱するので、第２ダイオードを自己発熱させるために大電流の順方向電流を流す必要がなく、ダイオードの自己発熱用に定格の大きな電流駆動回路を設ける必要がなくなる結果、コストの増大を低減することができる。

また、前記加熱部は、前記第２ダイオードと熱結合されたツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードに逆方向電流を供給するツェナー用電流供給部とを備えることが好ましい。

この構成によれば、ツェナーダイオードの発熱量は、ツェナー用電流供給部から供給される逆方向電流と、ツェナー電圧との積によって得られる。そして、ツェナーダイオードが発熱することにより第２ダイオードが加熱される。一般に、日本国内や欧米等の主要国内で汎用品として市販されているヒータは外形寸法が大きく、このようなヒータを加熱部として用いると、加熱部を小型化することが容易でない。一方、ツェナーダイオードは、小型のパッケージに封止されたものが、日本国内や欧米等の主要国内で汎用品として広く市販されているので、ツェナーダイオードを発熱体として用いることで風速センサを小型化することが容易となる。

また、背景技術に係る風速センサのように、ダイオードに順方向電流を流して自己発熱させた場合の発熱量は、ダイオードに流す電流とダイオードで生じる順方向電圧との積となる。このような場合、ダイオードの順方向電圧は、ツェナーダイオードのツェナー電圧のように自由に設定することができず、小さな電圧値になるため必要な発熱量を確保するためにダイオードの順方向電流を増大させる必要が生じる。一方、本発明に係る風速センサによれば、ツェナーダイオードに逆方向電流を流して発熱させるので、ツェナー電圧を適宜大きな値に設定することができる結果、必要な発熱量を確保しつつツェナー用電流供給部から供給される逆方向電流を低減することができる。そうすると、ツェナー用電流供給部を電流容量の小さな回路で構成することが可能となり、コストを低減することが容易となる。

また、前記第２ダイオードと前記ツェナーダイオードとは、同一のプリント配線基板に隣接して配設されると共に、当該プリント配線基板に形成された、熱を伝導するための同一の銅箔パターンに接続されることによって熱結合されていることが好ましい。

この構成によれば、熱伝導率の高い銅箔パターンによって、ツェナーダイオードで生じた熱を第２ダイオードへ伝導させることができるので、第２ダイオードとツェナーダイオードとを効率よく熱結合させることができる。また、銅箔パターンは、プリント配線基板の製造工程で形成することができるので、別途熱伝導させるための部材を必要とせず、コストの増大を抑制することができる。

また、前記銅箔パターンは、前記第２ダイオードに前記順方向電流を供給すると共に、前記ツェナーダイオードに前記逆方向電流を供給するための配線パターンであることが好ましい。

この構成によれば、銅箔パターンは、第２ダイオードとツェナーダイオードとに電気的に接続される配線パターンであるから、第２ダイオードにおける熱伝導性の高い部分である電極部分と銅箔パターンとの間、及びツェナーダイオードにおける熱伝導性の高い部分である電極部分と銅箔パターンとの間がそれぞれ電気的接続のためにハンダ付けされるので、第２ダイオードと銅箔パターンとの間、及びツェナーダイオードと銅箔パターンとの間における熱抵抗を低減して、第２ダイオードとツェナーダイオードとを密に熱結合させることが容易となる。

また、前記第１ダイオードは、前記配線パターンに接続され、前記電流供給部は、前記配線パターンを介して前記第１ダイオードへ前記順方向電流を供給し、前記配線パターンは、前記ツェナーダイオードと前記第２ダイオードとの間で熱が伝導する箇所において、熱が伝導する方向に対して垂直方向の幅が、前記電流供給部から前記第１ダイオードへ供給される前記順方向電流が流れる箇所の幅よりも太くされていることが好ましい。

この構成によれば、第１ダイオードは、第２ダイオード及びツェナーダイオードと銅箔パターンを介して接続される。そして、ツェナーダイオードから第１ダイオードに至る銅箔パターンの熱が伝導する方向に対して垂直方向の幅よりも、電流供給部から第１ダイオードへ供給される順方向電流が流れる箇所の銅箔パターンの方が狭くされているので、ツェナーダイオードで生じた熱が銅箔パターンを介して第１ダイオードに伝導することが低減される。

また、前記ツェナーダイオードと前記第１ダイオードとの間の距離が、前記ツェナーダイオードと前記第２ダイオードとの間の距離よりも長いことが好ましい。

この構成によれば、ツェナーダイオードで生じた熱が、プリント配線基板の熱伝導により第１ダイオードに伝わる場合の経路長や、ツェナーダイオードの輻射熱が第１ダイオードに伝わるまでの距離が、ツェナーダイオードと第２ダイオードとの間の距離よりも長くなり、ツェナーダイオードによって第１ダイオードが加熱されることが低減される。

また、前記第１ダイオードと前記第２ダイオード及び前記ツェナーダイオードとの間を横切るように、前記プリント配線基板を貫通する孔が設けられていることが好ましい。

この構成によれば、プリント配線基板を貫通する孔によって、ツェナーダイオードで生じた熱が、プリント配線基板の熱伝導により第１ダイオードに伝わることが低減される。

また、前記第１ダイオード、前記第２ダイオード、及び前記ツェナーダイオードは、風上からこの順に略一列に配設されることが好ましい。

この構成によれば、第１ダイオード、第２ダイオード、及びツェナーダイオードは、風上からこの順に、空気の流れに沿って略一列に配設されるので、空気の流れが乱されることが低減される結果、風速の測定精度が向上する。また、発熱体であるツェナーダイオードが、第１及び第２ダイオードより風下側に配設されるので、ツェナーダイオードで暖められた空気によって第１及び第２ダイオードの温度が変化することがなく、風速の測定誤差が生じることが抑制される。

また、本発明に係る風量センサは、上述の風速センサと、所定の開口断面積を有すると共に前記気体を導く管とを備え、前記風速センサは、前記管の内部に配設され、前記差分信号出力部は、前記差分信号を、前記管を流れる風量を示す信号として出力することを特徴としている。

この構成によれば、差分信号は、所定の開口断面積を有する管を流れる気体の風速、すなわち当該管を流れる風量を示すので、簡素な回路を用いてコストを低減しつつ応答性を向上させることができる風速センサを用いて、管を流れる風量を測定することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の風量センサと、燃料電池と、前記燃料電池へ、前記風量センサにおける管を介して空気を供給する送風装置と、前記送風装置によって前記燃料電池へ供給させる空気の量を、前記差分信号に応じて調節する制御部とを備えることを特徴としている。

この構成によれば、送風装置によって燃料電池へ供給される空気の量が、風量センサによって検出されて差分信号として出力される。そして、制御部によって、風量センサから出力された差分信号に応じて送風装置によって燃料電池へ供給させる空気の量が調節されるので、実際に燃料電池に供給される空気の量に基づきフィードバック制御によって送風装置から燃料電池への空気の供給量を調節することができる結果、簡素な回路を用いてコストを低減しつつ応答性を向上させることができる風速センサを用いて、送風装置から燃料電池への空気供給量の調節精度を向上させることができる。

このような構成の風速センサは、安価なダイオードの順方向電圧の温度特性を利用して風速を測定することができるので、高価な白金を用いる場合よりもコストを低減することができる。また、第２ダイオードを自己発熱させることなく加熱部によって加熱するので、第２ダイオードの温度が定常に達した状態における順方向電圧を利用して風速を測定することができ、ダイオードの自己発熱を開始してから一定時間後に順方向電圧を測定するといったシーケンス動作を必要とせず、回路を簡素化することができる。そして、ダイオードの自己発熱を開始してから順方向電圧を測定するまでに一定時間の経過を待つ必要がないので、風速測定の応答性を向上させることができる。さらに、加熱部を用いて第２ダイオードを加熱するので、第２ダイオードを自己発熱させるために大電流の順方向電流を流す必要がなく、ダイオードの自己発熱用に定格の大きな電流駆動回路を設ける必要がなくなる結果、コストの増大を低減することができる。

また、このような構成の風量センサは、簡素な回路を用いてコストを低減しつつ、応答性を向上させることができる風速センサを用いて、管を流れる風量を測定することができる。

そして、このような構成の燃料電池システムは、風量センサから出力された差分信号に応じて送風装置によって燃料電池へ供給させる空気の量が調節されるので、実際に燃料電池に供給される空気の量に基づきフィードバック制御によって送風装置から燃料電池への空気の供給量を調節することができる結果、簡素な回路を用いてコストを低減しつつ応答性を向上させることができる風速センサを用いて、送風装置から燃料電池への空気供給量の調節精度を向上させることができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る風量センサを用いた燃料電池システムの構成の一例を示す概略構成図である。図１に示す燃料電池システム１は、例えば、燃料電池が積層された燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２へ空気を供給するファン３（送風装置）と、ファン３から送風された空気を燃料電池スタック２へ導くダクト４（管）と、ダクト４の内部に配設された風速センサ５と、ファン３によって燃料電池スタック２へ供給させる空気の量を、風速センサ５の出力信号に応じて制御する制御部６とを備えている。

燃料電池スタック２は、図略のカソードと図略のアノードとを備えており、アノードに燃料が供給され、カソードに空気が供給されることにより、発電を行う。ファン３は、ダクト４を介して燃料電池スタック２のカソードへ空気を供給する。風速センサ５は、ダクト４を流れる空気の風速を測定し、その風速を示す信号Ｓ１を制御部６へ出力する。この場合、ダクト４の開口断面積は既知であるから、信号Ｓ１は、ダクト４を流れる空気の風速を示すと同時に、ダクト４を流れる空気の風量を示していることとなる。すなわち、風速センサ５がダクト４の内部に配設されることにより、風量センサ７として機能する。

制御部６は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵと、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、信号Ｓ１をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。そして、制御部６は、例えばＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、信号Ｓ１に応じてファン３の回転数を制御することで、ファン３から燃料電池スタック２へ供給される空気の量を適宜調節するようになっている。

ここで、燃料電池スタック２で発電が行われると、発電に伴い生成された水がカソードの空気流路に付着する。そうすると、空気流路が狭くなって通気抵抗が増大し、空気が流れにくくなるために、ファン３の回転数を一定にしていたのでは、燃料電池スタック２の発電に伴いファン３から燃料電池スタック２へ供給される空気量が減少してしまう結果、カソードで空気が不足して発電電力が低下してしまう。

一方、ファン３から燃料電池スタック２へ供給される空気の量が多すぎると、カソード電極が乾いてしまうために発電電力が低下する。また、燃料電池の中には、カソードで生成された水を回収して再利用するものがあるが、ファン３から燃料電池スタック２へ供給される空気の量が多すぎるためにカソードで生成された水が蒸発して外部に放出されてしまうと、再利用するための水の回収量が不足してしまう。

従って、ファン３から燃料電池スタック２へ供給される空気の量を適切に調節する必要があるが、上述のように、ファン３の回転数を一定にしても、カソードの空気流路における通気抵抗の変動によって空気の供給量が変化してしまう。そこで、燃料電池システム１では、制御部６を用いて、風量センサ７によって検出された空気の供給量に基づきファン３の回転数を制御することで、ファン３から燃料電池スタック２へ適切な量の空気を供給するようになっている。

図２は、風量センサ７の構成の一例を示す説明図である。図２に示す風量センサ７は、ダクト４と風速センサ５とから構成されている。風速センサ５は、ダクト４の内部に配設されるセンサ素子部５１と、センサ素子部５１からダクト４の外部に信号を引き出す配線部５２と、配線部５２によって引き出された信号に基づき風速を示す信号Ｓ１を生成し、制御部６へ出力する検出回路５３とを備えている。なお、検出回路５３は、ダクト４の内部に配設されるようにしてもよい。

ダクト４の開口断面は、例えば１辺が１ｃｍ程度の略正方形にされている。また、ダイオードＤ１，Ｄ２、及びツェナーダイオードＺＤ１は、例えば一辺が１ｍｍ程度の略立方形状のパッケージに封止されている。

図３は、風速センサ５の構成の一例を示す回路図である。図３に示す風速センサ５は、ダイオードＤ１（第１ダイオード），ダイオードＤ２（第２ダイオード）、ツェナーダイオードＺＤ１、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、及び差動増幅回路５３１を備えて構成されている。そして、センサ素子部５１には、ダイオードＤ１，Ｄ２、ツェナーダイオードＺＤ１が、この順に略一列に取り付けられている。さらに、センサ素子部５１は、ダイオードＤ１がファン３側、すなわち風上側になる向きに、ダクト４の内部に配設されている。

検出回路５３には、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、及び差動増幅回路５３１が取り付けられており、配線部５２によって、センサ素子部５１と検出回路５３との間が接続されている。そして、電源電圧が、抵抗Ｒ１を介してダイオードＤ１のアノードに印加され、ダイオードＤ１のカソードが配線５１１，５１３を介してグラウンドに接続されている。また、電源電圧が、抵抗Ｒ２を介してダイオードＤ２のアノードに印加され、ダイオードＤ２のカソードが配線５１２，５１３を介してグラウンドに接続されている。そして、電源電圧が、抵抗Ｒ３を介してツェナーダイオードＺＤ１のカソードに印加され、ツェナーダイオードＺＤ１のアノードが配線５１２，５１３を介してグラウンドに接続されている。

抵抗Ｒ１，Ｒ２は、ダイオードＤ１，Ｄ２の温度に応じた順方向電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２を生じさせるための予め設定された順方向電流、例えば１ｍＡを流す電流供給部である。例えば、電源電圧が１０Ｖであれば、抵抗Ｒ１，Ｒ２は、１０ｋΩに設定される。

ツェナーダイオードＺＤ１は、発熱体として用いられ、ツェナー電圧が例えば４Ｖ〜６Ｖ程度に設定されている。また、抵抗Ｒ３は、ツェナーダイオードＺＤ１を発熱させるための電流、例えば２０ｍＡをツェナーダイオードＺＤ１のカソードからアノードへ逆方向に流すためのもので、例えばツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧が５Ｖであれば、２５０Ωの抵抗が用いられる。この場合、抵抗Ｒ３とツェナーダイオードＺＤ１とが、加熱部の一例に相当し、抵抗Ｒ３がツェナー用電流供給部の一例に相当している。

ここで、風速センサ５に電源電圧が印加されると、抵抗Ｒ１，Ｒ２によって、ダイオードＤ１，Ｄ２に、それぞれ約１ｍＡの順方向電流が流れる。このような微少電流によっては、ダイオードＤ１，Ｄ２はほとんど自己発熱しない。

また、ツェナーダイオードＺＤ１に電源電圧、例えば１０Ｖが印加されると、ツェナーダイオードＺＤ１がオンオフ動作を繰り返すことにより、ツェナーダイオードＺＤ１の両端電圧がツェナー電圧、例えば６Ｖにされると共に、抵抗Ｒ３によって２０ｍＡに制限された電流がツェナーダイオードＺＤ１を逆方向に流れる。この場合、ツェナーダイオードＺＤ１の発熱量は、ツェナー電圧と電流との積として得られるので、６Ｖ×２０ｍＡ＝１２０ｍＷとなる。

一方、例えば図９に示す背景技術に係る風速センサ１０１のように、ダイオードを自己発熱させる場合には、発熱量は、ダイオードの順方向電圧と電流との積として得られる。ダイオードの順方向電圧は０．６Ｖ〜０．７Ｖ程度なので、１２０ｍＷの発熱量を得るためには、１２０ｍＷ÷０．６Ｖ＝２００ｍＡの電流が必要となり、風速センサ５の場合より１０倍電流を流す必要があるので、定電流回路１０４として電流容量が１０倍大きな回路を用いる必要がある。

すなわち、風速センサ５は、ツェナーダイオードＺＤ１によって、背景技術に係る風速センサ１０１よりも少ない電流で十分な発熱量が得られるので、風速センサ１０１に用いられる定電流回路１０４よりも、ツェナーダイオードＺＤ１に電流を流すツェナー用電流供給部、例えば抵抗Ｒ３の電流（電力）定格を小さくすることができる結果、コストを低減することができる。

なお、加熱部として、電熱線やサーミスタ等の抵抗体を用いたヒータを用いてもよいが、一般に日本国内や欧米等の主要国内で汎用品として市販されているヒータは外形寸法が大きく、燃料電池システム１で使用されるダクト４のように開口断面が１ｃｍ×１ｃｍ程度の大きさしかない場合、ダクト４の中に空気の流れを妨げることなく配設できる汎用品のヒータを入手することは困難である。従って、電熱線やサーミスタ等の抵抗体を用いたヒータを発熱体として用いた場合には、ダクト４の中に空気の流れを妨げないで配設できる大きさのヒータを専用品として作る必要があるために、コストの上昇を招くこととなる。

一方、ツェナーダイオードＺＤ１としては、例えば一辺が１ｍｍ程度の略立方形状のパッケージに封止されたチップ部品が、日本国内や欧米等の主要国内で汎用品として安価で広く市販されているので、ツェナーダイオードＺＤ１を発熱体として用いることで風量センサ７のコストを低減することができる。

また、ダイオードＤ１のアノードの電圧すなわちダイオードＤ１で生じる順方向電圧Ｖｄ１と、ダイオードＤ２のアノードの電圧すなわちダイオードＤ２で生じる順方向電圧Ｖｄ２との差分が、差動増幅回路５３１によって増幅されてダクト４内の風速すなわちダクト４を流れる風量を示す信号Ｓ１として、制御部６へ出力される。

風速センサ５は、例えばフレキシブル基板を用いて構成されており、フレキシブル基板上に形成された銅箔パターンによって、配線されるようになっている。なお、風速センサ５は、フレキシブル基板によって構成される例に限られず、例えばセンサ素子部５１と検出回路５３とをそれぞれガラスエポキシ基板等で構成し、配線部５２として電線を用いるようにしてもよい。

図４は、差動増幅回路５３１の詳細な構成の一例を示す回路図である。図４に示す差動増幅回路５３１は、例えばオペアンプ５３２，５３３，５３４と、抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７とを備えている。そして、オペアンプ５３２の非反転入力端子には、ダイオードＤ２のアノードが接続されて順方向電圧Ｖｄ２が印加され、オペアンプ５３２の、出力端子と反転入力端子とが接続されている。オペアンプ５３２の出力端子は、抵抗Ｒ４を介してオペアンプ５３４の反転入力端子に接続されている。

オペアンプ５３３の非反転入力端子には、ダイオードＤ１のアノードが接続されて順方向電圧Ｖｄ１が印加され、オペアンプ５３３の、出力端子と反転入力端子とが接続されている。オペアンプ５３３の出力端子は、抵抗Ｒ５を介してオペアンプ５３４の非反転入力端子に接続されている。

オペアンプ５３４の出力端子は、抵抗Ｒ６を介して反転入力端子に接続され、オペアンプ５３４の非反転入力端子は抵抗Ｒ７を介してグラウンドに接続されている。オペアンプ５３４の出力信号は、信号Ｓ１として制御部６へ出力される。そして、例えば、抵抗Ｒ４，Ｒ５は１０ｋΩ、抵抗Ｒ６，Ｒ７は１ＭΩに設定されている。これにより、差動増幅回路５３１は、順方向電圧Ｖｄ１と順方向電圧Ｖｄ２との差を、１００倍に増幅して出力する差分信号出力部として動作する。また、オペアンプ５３２，５３３によって、差動増幅回路５３１の入力インピーダンスが増大することにより、順方向電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２の検出精度が向上する。

図５は、センサ素子部５１の詳細を説明するための外観図である。図５に示すセンサ素子部５１は、例えばフレキシブル基板５１５（プリント配線基板）の表面に、ダイオードＤ１，Ｄ２、及びツェナーダイオードＺＤ１が風上からこの順に略一列に配設されて構成されている。

そして、ツェナーダイオードＺＤ１とダイオードＤ２とは近接して配設され、ツェナーダイオードＺＤ１とダイオードＤ１との間の距離Ｌ１が、ツェナーダイオードＺＤ１とダイオードＤ２との間の距離Ｌ２よりも長くされている。これにより、ツェナーダイオードＺＤ１で生じた熱が、フレキシブル基板５１５の熱伝導によりダイオードＤ１に伝わる場合の経路長や、ツェナーダイオードＺＤ１の輻射熱がダイオードＤ１に伝わるまでの距離が、ツェナーダイオードＺＤ１とダイオードＤ２との間の距離よりも長くなり、ツェナーダイオードＺＤ１によってダイオードＤ１が加熱されることが低減される。

また、ダイオードＤ２のカソードと、ツェナーダイオードＺＤ１のアノードとは、幅広の熱伝導率が高い銅箔パターンにより構成された配線５１２に接続されることによって、熱結合されている。なお、ダイオードＤ２とツェナーダイオードＺＤ１とは、必ずしも配線５１２によって熱結合されるものに限られず、例えば配線とは別の電気的に絶縁された銅箔パターンをダイオードＤ２とツェナーダイオードＺＤ１との下部に形成して密着させたり、熱伝導性の高い部材でダイオードＤ２とツェナーダイオードＺＤ１とを連結するなどして熱結合するようにしてもよい。しかし、配線５１２は、ダイオードＤ２に順方向電流を供給すると共に、ツェナーダイオードＺＤ１に逆方向電流を供給するための配線パターンであり、ダイオードＤ２のカソード電極及びツェナーダイオードＺＤ１のアノード電極とハンダ付けされるので、電気的な配線接続のためのハンダ付けによって、ダイオードＤ２及びツェナーダイオードＺＤ１における熱伝導性の高い部分である電極部分と配線５１２とを密に熱結合することができる結果、ダイオードＤ２とツェナーダイオードＺＤ１とを密に熱結合させることが容易となる。

また、ダイオードＤ１のカソードは、ダイオードＤ２のカソードやツェナーダイオードＺＤ１のアノードと同様にグラウンドに接続されるので、ダイオードＤ１のカソードに接続された配線５１１は、ツェナーダイオードＺＤ１のアノードに接続された配線５１２と電気的に接続されることとなる。そうすると、ツェナーダイオードＺＤ１から、銅箔パターンである配線５１２と配線５１１とを介してダイオードＤ１に至る熱伝導経路が形成されることとなるが、配線５１１の幅Ｗ１は、配線５１２の幅Ｗ２より狭くされているので、ツェナーダイオードＺＤ１で生じた熱が配線５１１を介してダイオードＤ１に伝導することが低減される。

そして、ダイオードＤ１とダイオードＤ２との間に、フレキシブル基板５１５を貫通するスリット５１６（孔）が設けられている。これにより、ツェナーダイオードＺＤ１で生じた熱が、フレキシブル基板５１５の熱伝導によりダイオードＤ１に伝わることが低減される。

なお、ダイオードＤ２とツェナーダイオードＺＤ１とは、フレキシブル基板５１５等の基板の一方面に配設される例に限られず、例えば基板の表裏に配設されてもよい。この場合、基板の一方面においてダイオードＤ２に接続される銅箔パターンと、基板の他方面においてツェナーダイオードＺＤ１に接続される銅箔パターンとを、内壁に銅箔パターンが形成されたスルーホールで接続することによって、銅箔パターンの熱伝導によりダイオードＤ２とツェナーダイオードＺＤ１とを熱結合させるようにしてもよい。

次に、上述のように構成された風量センサ７を用いた燃料電池システム１の動作について説明する。まず、図３を参照して、風速センサ５に電源電圧が印加されると、抵抗Ｒ１，Ｒ２によって、ダイオードＤ１，Ｄ２に、それぞれ約１ｍＡの順方向電流が流れる。この場合、ダイオードＤ１，Ｄ２には同じ量の順方向電流が流れており、温度が同じであれば、順方向電圧Ｖｄ１と、順方向電圧Ｖｄ２とは等しくなる。そうすると、順方向電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２は、例えば１２５ｍＶとなる。

そして、例えば、ツェナーダイオードＺＤ１の端子電圧が４．７Ｖ、流れる電流が２１ｍＡとなる。そうすると、ツェナーダイオードＺＤ１によって、４．７Ｖ×２１ｍＡ＝１００ｍＷの電力が消費され、発熱する。

なお、ツェナー用電流供給部は、ツェナーダイオードＺＤ１に安定して電流を供給することができればよく、抵抗Ｒ３のような固定抵抗に限られず、定電流回路等、種々の回路を用いることができる。

また、抵抗Ｒ３によって、ツェナーダイオードＺＤ１に流れる電流を制限する場合、抵抗Ｒ３によって電力が消費されるので、例えば抵抗Ｒ３及びツェナーダイオードＺＤ１への電源電圧の供給を、スイッチング素子を用いてパルス状にオン、オフすることにより、消費電力を低減するようにしてもよい。

ツェナーダイオードＺＤ１の放熱係数は、例えば４００℃／Ｗであり、１００ｍＷの発熱によって４０度、温度が上昇する。今、周囲温度が２５度であれば、ツェナーダイオードＺＤ１は６５℃になる。

そして、ツェナーダイオードＺＤ１で生じた熱は、配線５１２による熱伝導や、熱輻射によってダイオードＤ２に伝わってダイオードＤ２が加熱され、例えばダイオードＤ２の温度が３０度上昇し、５５度となる。ダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２は、−２ｍＶ／℃の温度特性を有するため、順方向電圧Ｖｄ２は、３０度の温度上昇に伴い、−２ｍＶ／℃×３０℃＝−６０ｍＶだけ変化し、１２５ｍＶ−６０ｍＶ＝６５ｍＶとなる。

一方、ダイオードＤ１は、ツェナーダイオードＺＤ１からの距離がダイオードＤ２より長く、またフレキシブル基板５１５によるツェナーダイオードＺＤ１からダイオードＤ１への熱伝導が、スリット５１６によって遮断されており、かつ配線５１１の幅が狭くされて配線５１１による熱伝導が低減されているので、ツェナーダイオードＺＤ１によりダイオードＤ１が加熱されることが低減される。従って、ダイオードＤ１の温度は、周囲温度と同じ２５度に維持される結果、順方向電圧Ｖｄ１は、１２５ｍＶのまま維持される。

次に、差動増幅回路５３１によって、順方向電圧Ｖｄ１と順方向電圧Ｖｄ２との差が１００倍に増幅されて、ダクト４内の風速すなわちダクト４を流れる風量を示す信号Ｓ１として制御部６へ出力される。この場合、信号Ｓ１は、風速風量ゼロを示し、Ｓ１＝（Ｖｄ１−Ｖｄ２）×１００＝（１２５ｍＶ−６５ｍＶ）×１００＝６Ｖとなる。

次に、制御部６からの制御信号に応じて、ファン３が駆動され、空気がダクト４を介して燃料電池スタック２へ供給される。そうすると、ダクト４を流れる空気によって、ダイオードＤ２が冷却されて順方向電圧Ｖｄ２が上昇する。一方、ダイオードＤ１は周囲温度、すなわち空気の温度と同じ温度であるから、空気がダクト４を流れてもダイオードＤ１の温度は変化しない。

そうすると、順方向電圧Ｖｄ１と順方向電圧Ｖｄ２との差が縮小し、信号Ｓ１の信号レベルが低下する。すなわち、信号Ｓ１は、ダクト４を流れる空気の風速、風量が増大するほど低下し、当該風速、風量が減少するほど上昇する。

また、差動増幅回路５３１によって、順方向電圧Ｖｄ１と順方向電圧Ｖｄ２との差（Ｖｄ１−Ｖｄ２）に基づき信号Ｓ１が生成されるので、信号Ｓ１において、周囲温度に依存する電圧成分がキャンセルされて、ダクト４を流れる空気の風速、風量を示す信号成分に基づき信号Ｓ１が生成される結果、風速、風量の測定精度が向上する。

この場合、例えばダイオードＤ１，Ｄ２、及びツェナーダイオードＺＤ１といった部品が、空気の流れを横切る方向に配列されていると、部品の間や風下側等にカルマン渦が生じて空気の流れが乱され、正しく風速、風量を測定することができなくなる。しかし、風量センサ７では、ダイオードＤ１，Ｄ２、及びツェナーダイオードＺＤ１は、風上からこの順に空気の流れに沿って略一列に配設されているので、空気の流れが乱されることが低減される結果、風速、風量の測定精度が向上する。

また、発熱体であるツェナーダイオードＺＤ１が、ダイオードＤ１，Ｄ２より風下側に配設されているので、ツェナーダイオードＺＤ１で暖められた空気によってダイオードＤ１，Ｄ２の温度が変化することがなく、風速、風量の測定誤差が生じることが抑制される。

図６は、風量センサ７を用いて、ダクト４を流れる空気の流量（Ｌ／ｍｉｎ）と、順方向電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２、及び順方向電圧Ｖｄ１と順方向電圧Ｖｄ２との差（Ｖｄ１−Ｖｄ２）との関係を、実験的に求めたデータを示すグラフである。順方向電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２はそれぞれ２回づつ測定しており、それに対応して（Ｖｄ１−Ｖｄ２）も２回分、グラフに記載している。

図６に示すように、順方向電圧Ｖｄ１は、空気流量が増加してもほとんど変化しない。一方、順方向電圧Ｖｄ２は、空気流量が増加するに従って増大する。従って、順方向電圧Ｖｄ１と順方向電圧Ｖｄ２との差（Ｖｄ１−Ｖｄ２）は、空気流量が増加するに従って減少する。

次に、制御部６によって、信号Ｓ１、すなわち実際にダクト４を流れて燃料電池スタック２に供給される風量の測定値に応じてファン３の回転数が制御されることで、ファン３から燃料電池スタック２へ適切な量の空気が供給される。これにより、燃料電池スタック２のカソードにおける空気流路の通気抵抗の変化に関わらず、所定量の空気をファン３から燃料電池スタック２へ供給することができるので、空気の供給量が不適切であるために発電電力が低下してしまったり、空気の供給量が過剰であるためにカソードで生成された水が蒸発して外部に放出されてしまい、再利用するための水の回収量が不足してしまったりすることが低減される。

ところで、風量センサ７は、ダイオードＤ１，Ｄ２の温度に応じて得られる順方向電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２に基づいて、風速風量を測定するものであるが、順方向電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２は、ダイオードＤ１，Ｄ２をそれぞれ流れる電流Ｉ１，Ｉ２に応じて変化するため、電流Ｉ１，Ｉ２の変動はそのまま順方向電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２の変動、すなわち信号Ｓ１の変動として現れ、風速風量の測定誤差となる。ここで、抵抗Ｒ１，Ｒ２を用いてダイオードＤ１，Ｄ２に電流Ｉ１，Ｉ２を供給する場合、電源電圧の変動が、そのまま風速風量の測定誤差として現れることとなる。

そこで、ダイオードＤ１，Ｄ２に一定の順方向電流を流す電流供給部として、抵抗Ｒ１，Ｒ２を用いる代わりに、例えば、図７に示すように、定電流回路を用いてダイオードＤ１，Ｄ２に一定の順電流を流す電流供給部を構成するようにしてもよい。

図７に示す電流供給部は、ダイオードＤ１とダイオードＤ２とに同じ電流を供給するカレントミラー回路ＣＳ１と、ツェナーダイオードＺＤ１によって得られる定電圧によって、カレントミラー回路ＣＳ１からダイオードＤ１，Ｄ２へ供給される電流値を設定するカレントミラー回路ＣＳ２とを備えて構成されている。この場合、ダイオードＤ１，Ｄ２に供給される電流値は、電源電圧の変動に関わらずツェナーダイオードＺＤ１によって得られる定電圧値に応じて設定される。従って、電源電圧の変動に関わらず、ダイオードＤ１，Ｄ２に供給される電流Ｉ１，Ｉ２は一定の値に維持されるので、電源電圧変動による測定誤差を低減することができる。

また、図８に示すように、ファン３の代わりに空気ポンプ８を用いてもよい。例えば、携帯型パーソナルコンピュータに用いられる１０Ｗ程度の小型の燃料電池システムでは、送風装置として空気ポンプ８を好適に用いることができる。

なお、風速センサ５を用いて構成された風量センサ７を、燃料電池システム１における空気の供給量の測定に用いる例を示したが、風速センサ５及び風量センサ７の用途は燃料電池システムに限られず、気体の風速や風量を測定する種々の用途に用いることができる。また、風速センサ５は、ダクト４の中に配設される例に限られず、開放された空間において風速を測定するために用いられてもよい。また、気体は空気でなくてもよい。

本発明に係る風速センサ、及び風量センサは、簡素な構成で気体の風速や風量を測定することができるので、例えば燃料電池システムにおいて、燃料電池の空気極に供給する空気量を制御するためのセンサとして有用である。

本発明の一実施形態に係る風量センサを用いた燃料電池システムの構成の一例を示す概略構成図である。 図１に示す風量センサの構成の一例を示す説明図である。 図２に示す風速センサの構成の一例を示す回路図である。 図３に示す差動増幅回路の詳細な構成の一例を示す回路図である。 図２に示すセンサ素子部の詳細を説明するための外観図である。 図２に示す風量センサを用いて、ダクトを流れる空気の流量と、順方向電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２、及び順方向電圧Ｖｄ１と順方向電圧Ｖｄ２との差（Ｖｄ１−Ｖｄ２）との関係を、実験的に求めたデータを示すグラフである。 電流供給部として用いられる定電流回路の一例を示す回路図である。 燃料電池システムの他の一例を示す概略構成図である。 背景技術に係る風速センサの構成を示す模式回路図である。 図９に示す風速センサの動作を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ ファン
４ ダクト
５ 風速センサ
６ 制御部
７ 風量センサ
８ 空気ポンプ
５１１，５１２ 配線
５１５ フレキシブル基板
５１６ スリット
５３１ 差動増幅回路
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
ＺＤ１ ツェナーダイオード
Ｒ１〜Ｒ７ 抵抗
Ｓ１ 信号
Ｖｄ１，Ｖｄ２ 順方向電圧

Claims (10)

1. 風速を検出しようとする気体中に配置される第１及び第２ダイオードと、
   前記第１及び第２ダイオードに、予め設定された順方向電流を供給する電流供給部と、
   前記第２ダイオードを加熱する加熱部と、
   前記第１ダイオードで生じる順方向電圧と前記第２ダイオードで生じる順方向電圧との差を示す差分信号を、前記風速を示す信号として出力する差分信号出力部と
   を備えることを特徴とする風速センサ。
2. 前記加熱部は、
   前記第２ダイオードと熱結合されたツェナーダイオードと、
   前記ツェナーダイオードに逆方向電流を供給するツェナー用電流供給部と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の風速センサ。
3. 前記第２ダイオードと前記ツェナーダイオードとは、同一のプリント配線基板に隣接して配設されると共に、当該プリント配線基板に形成された、熱を伝導するための同一の銅箔パターンに接続されることによって熱結合されていること
   を特徴とする請求項２記載の風速センサ。
4. 前記銅箔パターンは、前記第２ダイオードに前記順方向電流を供給すると共に、前記ツェナーダイオードに前記逆方向電流を供給するための配線パターンであること
   を特徴とする請求項３記載の風速センサ。
5. 前記第１ダイオードは、前記配線パターンに接続され、
   前記電流供給部は、前記配線パターンを介して前記第１ダイオードへ前記順方向電流を供給し、
   前記配線パターンは、前記ツェナーダイオードと前記第２ダイオードとの間で熱が伝導する箇所において、熱が伝導する方向に対して垂直方向の幅が、前記電流供給部から前記第１ダイオードへ供給される前記順方向電流が流れる箇所の幅よりも太くされていること
   を特徴とする請求項４記載の風速センサ。
6. 前記ツェナーダイオードと前記第１ダイオードとの間の距離が、前記ツェナーダイオードと前記第２ダイオードとの間の距離よりも長いこと
   を特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の風速センサ。
7. 前記第１ダイオードと前記第２ダイオード及び前記ツェナーダイオードとの間を横切るように、前記プリント配線基板を貫通する孔が設けられていること
   を特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の風速センサ。
8. 前記第１ダイオード、前記第２ダイオード、及び前記ツェナーダイオードは、風上からこの順に略一列に配設されること
   を特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の風速センサ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の風速センサと、
   所定の開口断面積を有すると共に前記気体を導く管とを備え、
   前記風速センサは、前記管の内部に配設され、
   前記差分信号出力部は、前記差分信号を、前記管を流れる風量を示す信号として出力すること
   を特徴とする風量センサ。
10. 請求項９に記載の風量センサと、
    燃料電池と、
    前記燃料電池へ、前記風量センサにおける管を介して空気を供給する送風装置と、
    前記送風装置によって前記燃料電池へ供給させる空気の量を、前記差分信号に応じて調節する制御部と
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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