JP4707412B2 - 気体流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体の流量を計測する発熱抵抗体式気体流量測定装置に関する。

熱式抵抗体を加熱制御し、発熱抵抗体の放熱量によって流量を計測するものや、発熱抵抗体を加熱制御し、発熱抵抗体の近傍に配置した感温抵抗体の温度変化によって流量を計測するものなどの発熱抵抗式気体流量測定装置が知られている。

この発熱抵抗式気体流量測定装置において、発熱抵抗体を含む流量計測素子と流量測定装置を駆動する電子回路部品は、セラミックなどの熱伝導率の大きな電気絶縁材料で構成される支持基盤に実装されている。

近年、気体流量測定装置のコスト低減、部品数低減等の目的で気体流量測定装置の小型化が進み、気体流量計測素子と電子回路部品と互いに近接した位置に実装されるようになってきている。

そのため、電子回路部品の自己発熱により気体流量計測素子に熱が伝わり易くなり、この熱が要因となって測定誤差が大きくなっている。

また、発熱抵抗体式気体流量測定装置が、自動車用エンジンの吸気系等の高熱を発生する機器に取付けて使用される場合、吸気系のレイアウトにより様々な方向に取付けられる可能性があり、取付け方向によって、エンジン等からの熱伝達が異なり、計測誤差に相違が生じることが考えられる。

この計測誤差に相違を解決するために、温度計測素子等の電子回路部品が実装された回路基板に金属板を貼り付け、その金属板を放熱板として流体通路にさらして熱を外に逃がす技術が特許文献１に記載されている。

特開平１１−１４４２３号公報

ところで、自動車用エンジンの吸入空気量を測定する場合、例えばらせん状の副通路中の気体入口付近ではなく、気体出口付近に、発熱抵抗体、感温抵抗体、温度計測素子が配置されている。

このため、温度計測素子は、構造物に囲われた構造となっており、電子回路部品であるパワートランジスタからの発熱を金属板により放熱することはできるが、この金属板に伝達された熱が、温度計測素子に伝わり計測誤差を生じてしまっていた。

本発明の目的は、回路素子等から温度測定素子への熱の伝達を抑制し、計測誤差を低減可能な気体流量測定装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成される。

（１）気体通路に流れる気体の一部を取り込む副通路と、この副通路内に配置され、気体の流量を計測する流量計測素子と、上記副通路内に配置され、気体の温度を計測する温度計測素子と、上記流量計測素子及び温度計測素子を駆動する電子回路と、この電子回路を保護するハウジング部材とを有する気体流量測定装置において、
上記電子回路の熱を放熱する金属ベース部材を備え、上記ハウジング部材の熱伝導率は上記金属ベース部材の熱伝導率より低く、上記副通路は、上記ハウジング部材と上記金属ベース部材とにより形成され、上記ハウジング部材の副通路形成部の両側壁に通気孔が形成され、これら通気孔の間に上記温度計測素子が配置される。

（２）好ましくは、上記（１）において、上記通気孔の大きさは、上記温度計測素子よりも大きい。

（３）気体通路に流れる気体の一部を取り込む副通路と、この副通路内に配置され、気体の流量を計測する流量計測素子と、上記副通路内に配置され、気体の温度を計測する温度計測素子と、上記流量計測素子及び温度計測素子を駆動する電子回路と、この電子回路を保護するハウジング部材とを有する気体流量測定装置において、上記電子回路の熱を放熱する金属ベース部材を備え、上記副通路は、上記ハウジング部材と上記金属ベース部材とにより形成され、上記通気孔の一方は上記ハウジング部材に形成され、上記通気孔の他方は上記金属ベース部材に形成され、これら通気孔の間に上記温度計測素子が配置される。
（４）好ましくは、上記（３）において、上記通気孔の大きさは、上記温度計測素子よりも大きい。

（５）また、好ましくは、上記（３）において、上記ハウジング部材は樹脂製である。

（６）また、好ましくは、上記（１）、（３）、（５）において、上記温度計測素子と、上記副通路を構成する金属ベース部材との間隔は約６ｍｍである。

（７）また、好ましくは、上記（３）又は（５）において、上記金属ベース部材の上記通気孔の近辺に、溝もしくは貫通孔による断熱層を形成する。

（８）また、好ましくは、上記（１）において、上記ハウジング部材の副通路形成部の、上記通気孔の近辺に溝もしくは貫通孔による断熱層を形成する。

（９）内燃機関の動作制御システムにおいて、上記（１）〜（８）の気体流量測定装置を用いて、燃料制御を行なう。

本発明によれば、回路素子等から温度測定素子への熱の伝達を抑制し、計測誤差を低減可能な気体流量測定装置を実現することができる。

また、温度計測素子の熱影響低減のために開けた通気孔と金属ベースとの間に、溝もしくは貫通孔を設けることで熱伝導を抑制することができ、さらに計測誤差の低減が可能になる。

また、温度計測素子を副通路内に収めることができ、空気流量測定装置の小型化が可能となる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、以下の例では、本発明を熱式流量測定装置に適用した場合の例である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である気体流量測定装置の外観斜視図、図２は、第１の実施形態である気体流量測定装置を空気通路に配置した場合の断面図、図３は第１の実施形態である気体流量測定装置の一方側の側面図、図４は第１の実施形態である気体流量測定装置の他方側の側面図である。

図１〜図４において、熱式流量測定装置１は、樹脂形成によるハウジング部材１０およびカバー部材１１と、金属ベース部材８との組立体であり、図２に示すような主管３に形成された挿入穴４に挿入され、下側部分（温度計測素子９、発熱抵抗体１７、感温抵抗体１８が配置されている部分）が、主管３により形成される主通路２に位置するように取りつけられる。

熱式流量測定装置１が主通路２内に位置する下側部分には副空気通路５が形成され、この副空気通路5内に温度計測素子９、発熱抵抗体１７、感温抵抗体１８が配置されている。

空気流量を計測する発熱抵抗体１７と、吸入空気１６の温度を検出し温度保証を行うための感温抵抗体１８と、さらに感温抵抗体１８と別個に吸気空気１６の温度を計測する温度計測素子９とがハウジング部材１０に金属製支柱１２を介して接続されている。

そして、電子回路基板７が金属ベース部材８に積み重ねられ、金属ベース部材８の一部が、バイパス通路を形成する副空気通路５となっている。

ハウジング部材１０は、プラスチック製であり、温度計測素子９と発熱抵抗体１７と感温抵抗体１８とを溶接等により保持するための金属製支柱１２と、電子回路基板７と、電源や信号出力用の金属製端子１３とがインサート形成されている。

電子回路基板７は、自動車のエンジンルーム内に設置されることを考慮して高温にも耐えうるアルミナセラミックスを板状に成形したものが用いられる。そして、アルミナセラミックスの表面に厚膜半導体や厚膜抵抗体ペーストが印刷され、その後、焼成により導体及び抵抗体パターンが形成される。この導体パターン上にパワートランジスタ１５がはんだ等により実装される。

また、電子回路基板７は、金属ベース部材８に接着固定され、ハウジング部材１０により保護されるように、電子回路基板７の側面のほぼ全周に亘ってハウジング部材１０で囲われている。また、金属ベース部材８は、ハウジング部材１０に接着固定もしくはインサート成形により、ハウジング部材１０と一体化されている。

電子回路基板７は必要に応じ特性調整を行い、板状のカバー部材１１をハウジング部材１０に接着等により固定し、電子回路基板７が密閉保護される。ハウジング部材１０に内蔵された電子回路基板７、副空気通路５、吸入空気１６の温度を検出するための発熱抵抗体１７、感温抵抗体１８及び温度計測素子９は、内燃機関に導入される主空気２が流れる吸気管内部に配置される。

熱式流量測定装置１を構成する上で、温度計測素子９、発熱抵抗体１７と感温抵抗体１８以外の全ての電子回路部品は、同一の回路基板上に実装するのが望ましい。これは、部品点数の削除と、実装作業の工程数削減によるコストダウンと、製品の小型化とを図ることができるからである。

ここで、電子回路基板７に配置されるパワートランジスタ１５は、電流増幅時に自己発熱を生ずる。このため、同一基板上にパワートランジスタ１５と他の電子回路素子等を実装すると、パワートランジスタ１５の周辺の電子回路素子等に熱影響を及ぼすことがある。

パワートランジスタ１５を電子回路基板７に実装した場合、パワートランジスタ１５の自己発熱により温度上昇を生じた電子回路基板７の熱は、電子回路基板７に接着等により固定された金属ベース部材８に伝導する。金属ベース部材８は、熱伝導率が高いため、全体的に温度上昇が生じてしまう。

ここで、温度計測素子９は、副空気通路５の内部に配置されており、その周辺において、一方の側壁（副空気通路５の側壁）は、金属ベース部材８で構成され、他方の側壁はハウジング部材１０で構成されている。

したがって、パワートランジスタ１５の熱が金属ベース部材８へ熱伝導すると、金属ベース部材８の熱は副空気通路５の内部空気に熱伝達する。

このため、本発明の構成となっていない場合は、吸入空気１６の温度を検出している温度計測素子９は、パワートランジスタ１５の自己発熱に起因した熱影響を受けて検出温度に誤差を生じてしまう可能性がある。

無風及び吸入空気１６の流速が０．５ｍ／ｓ程度の極低流速下においては、金属ベース部材８は、ほぼ自然対流時の放熱となり、温度計測素子９や発熱抵抗体１７、感温抵抗体１８に熱影響を及ぼす。逆に、吸入空気１６が高流速下においては、金属ベース部材８の温度上昇による熱がほとんど空気に奪われ冷却されることで副空気通路５内は吸入空気１６の温度と等しくなる。

つまり、金属ベース部材８の温度は、吸入空気１６の流速に依存するが、この流速に温度検出誤差も依存してしまう。

そこで、本発明の第１の実施形態においては、温度計測素子９が取り付けられている位置は、金属ベース部材８がカットされ、ハウジング部材１０と一体となった樹脂部材１９と、ハウジング部材１０の一部で構成された副空気通路部材２１で副空気通路５が構成された部分となっている。

さらに、樹脂部材１９及び副空気通路部材２１（副通路を形成する両側壁（１９、２１））には温度計測素子９より大きな通気孔１４が形成され、これら通気孔１４の間に温度計測素子９が取り付けられている。また、金属ベース部材８は、温度計測素子９の下流側に配置されており、順流の場合、空気流は、温度計測素子９を通過した後に金属ベース部材８を通過する。

このため、電子回路基板７に配置されたパワートランジスタ１５からの熱は電子回路基板７から金属ベース部材８に伝わるものの、この金属ベース部材８から樹脂部材１９への熱伝達率は低いため、温度計測素子９には伝達されにくい。

さらに、温度計測素子９が配置された位置は、２つの大きな通気孔１４が互いに対向して形成されているため、冷却効果もある。

これにより、金属ベース部材８の熱による温度計測素子９の温度上昇は抑制される。

図５、図６は、本発明の第１の実施形態の効果を確認するために実施したＣＡＥ計算結果の温度分布の一例を示す図である。図５、図６中のスケールは温度を示す。

図５は、本発明の第１の実施形態に対する比較例を示す図であり、副通気通路５の一側面のほぼ全面が金属ベース部材８で構成され、温度計測素子９は、副空気通路５の下流側部分に配置され、かつ、通気孔１４を有しない場合の温度計測素子９の温度分布である。

これに対し、図６は、本発明の第１の実施形態であり、金属ベース部材８と温度計測素子９との距離Ｌ＝６ｍｍ以上とした場合の温度分布図である。

図５に示す例の場合と、図６に示す本発明の第１の実施形態の場合とを比較すれば分かるように、本発明の第１の実施形態は、金属ベース８を介して伝わる温度計測素子９への熱影響を少なくすることができる。

つまり、温度計測素子９の温度は、吸気温度２０度に対し、本発明では２８．２５度であり、比較例より大幅に改善されている。

図７は、本発明の第１の実施形態の変形例を示す図である。この図７に示す例は、樹脂部材１９の、金属ベース部材８と接触する側に溝２０を形成し、この溝２０の部分に対応する空気層（断熱層）による断熱効果で、金属ベース部材８から温度計測素子９に伝わる熱をさらに遮断した例である。

図８は、図７に示した例の温度上昇抑制効果を確認するために実施したＣＡＥ計算結果の温度分布の一例を示す図である。

図８に示した例と図６に示した例とを比較すれば分かるように、図７に示した例は、温度上昇抑制効果が改善されていることが理解できる。

この図７は、溝２０を形成する例であるが、溝２０に代えて、貫通孔であってもよい。

なお、図５の例に比較して、図６の例は、温度計測素子９の温度上昇が５６％低減された。また、図５の例に比較して、図８の例は、温度計測素子９の温度上昇が６５％低減された。

（第２の実施形態）
図９は本発明の第２の実施形態である気体流量測定装置を空気通路に配置した場合の概略断面図、図１０は第２の実施形態である気体流量測定装置の一方側の側面図、図１１は第２の実施形態である気体流量測定装置の他方側の側面図である。

この第２の実施形態と第１の実施形態との相違点は、副空気通路５の形状が、第２の実施形態においては、螺旋状となっている点と、図１に示した樹脂部材１９は設けられておらず、金属ベース部材８に形成された通気孔１４に、温度計測素子９が配置されている点である。その他の構成は、第２の実施形態と第１の実施形態とは同様となっており、通気孔１４は、副空気通路５の吸入空気入口近辺に形成されている。

この第２の実施形態においては、金属ベース部材８と通気孔１４との間には樹脂部材１９は介在しないが、金属ベース部材８の熱は、直接的には温度検出素子９に伝達されることはなく、かつ、通気孔１４は、副空気通路５の吸入空気入口近辺に形成されているので、金属ベース部材８の熱による温度検出素子９の温度上昇を抑制することができる。

ここで、金属ベース部材８に形成される通気孔１４は、温度検出素子９と、通気孔１４を形成する金属ベース部材８の枠部との距離は、６ｍｍ以上であることが望ましい。

なお、この第２の実施形態において、図７に示した例のように、溝２０又は貫通孔を形成することも可能である。

図１２は、本発明の気体流量計測装置を用いた電子燃料噴射方式の内燃機関の動作制御システムの具体的構成例を示す図である。

図１２において、エアクリーナ１００から吸入された吸入空気１６は、気体流量計測装置１が配置された主管３、吸気ダクト１０３、スロットルボディ１０４及び燃料が供給されるインジェクタ（燃料噴射弁）１０５を備えたインテークマニホールド１０６を経て、エンジンシリンダ１０７に吸入される。

そして、エンジンシリンダ１０７で発生したガス１０８は排気マニホールド１０９を経て外部に排出される。

気体流量計測装置１から出力される空気流量信号、吸入空気温度信号、スロットル角度センサ１１１から出力されるスロットルバルブ角度信号、排気マニホールド１０９に設けられた酸素濃度計１１２から出力される酸素濃度信号、及びエンジン回転速度計１１３から出力されるエンジン回転速度信号等は、コントロールユニット１１４に供給される。

コントロールユニット１１４は、供給された信号を逐次演算して、最適な燃料噴射量とアイドルエアコントロールバルブ開度とを求め、その値を使ってインジェクタ１０５及びアイドルエアコントロールバルブ１１５を制御する。

本発明による気体流量計測装置１を電子燃料噴射方式の内燃機関に使用すれば、正確な空気流量を測定することができ、内燃機関の正確な動作制御を行なうことができる。

本発明は、熱を伝える部材に通気孔を形成するという簡単な手法により熱遮蔽ができ、温度計測素子を備えた温度計測精度が不可欠な計測装置にも適用することができる。

本発明の第１の実施形態である気体流量測定装置の外観斜視図である。 本発明の第１の実施形態である気体流量測定装置を空気通路に配置した場合の断面図である。 本発明の第１の実施形態である気体流量測定装置の一方側の側面図である。 本発明の第１の実施形態である気体流量測定装置の他方側の側面図である。 本発明に対する比較例におけるＣＡＥ計算結果の温度分布を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるＣＡＥ計算結果の温度分布を示す図である。 本発明の第１の実施形態における変形例の外観斜視図である。 図７に示したれにおけるＣＡＥ計算結果の温度分布を示す図である。 本発明の第２の実施形態である気体流量測定装置を吸気管に取り付けた状態の概略断面図である。 本発明の第２の実施形態である気体流量測定装置の一方側の側面図である。 本発明の第２の実施形態である気体流量測定装置の他方側の側面図である。 本発明の気体流量計測装置を用いた電子燃料噴射方式の内燃機関の具体的構成例を示す図である。

符号の説明

１ 熱式流量測定装置
２ 主通路
３ 主管
４ 挿入穴
５ 副空気通路
６ 流量計測センサ素子
７ 電子回路基板
８ 金属ベース部材
９ 温度計測素子
１０ ハウジング部材
１１ カバー部材
１２ 金属製支柱
１３ 金属製端子
１４ 通気孔
１５ パワートランジスタ
１６ 吸入空気
１７ 発熱抵抗体
１８ 感温抵抗体
１９ 樹脂部材
２０ 溝
２１ 副空気通路部材
１００ エアクリーナ
１０３ 吸気ダクト
１０４ スロットルボディ
１０５ インジェクタ
１０６ マニホールド
１０７ エンジンシリンダ
１０９ 排気マニホールド
１１１ スロットル角度センサ
１１２ 酸素濃度計
１１３ エンジン回転速度計
１１４ コントロールユニット
１１５ アイドルエアコントロールバルブ

Claims (9)

1. 気体通路に流れる気体の一部を取り込む副通路と、この副通路内に配置され、気体の流量を計測する流量計測素子と、上記副通路内に配置され、気体の温度を計測する温度計測素子と、上記流量計測素子及び温度計測素子を駆動する電子回路と、この電子回路を保護するハウジング部材とを有する気体流量測定装置において、
   上記電子回路の熱を放熱する金属ベース部材を備え、上記ハウジング部材の熱伝導率は上記金属ベース部材の熱伝導率より低く、上記副通路は、上記ハウジング部材と上記金属ベース部材とにより形成され、上記ハウジング部材の副通路形成部の両側壁に通気孔が形成され、これら通気孔の間に上記温度計測素子が配置されることを特徴とする気体流量測定装置。
2. 請求項１記載の気体流量測定装置において、
   上記通気孔の大きさは、上記温度計測素子よりも大きいことを特徴とする気体流量測定装置。
3. 気体通路に流れる気体の一部を取り込む副通路と、この副通路内に配置され、気体の流量を計測する流量計測素子と、上記副通路内に配置され、気体の温度を計測する温度計測素子と、上記流量計測素子及び温度計測素子を駆動する電子回路と、この電子回路を保護するハウジング部材とを有する気体流量測定装置において、
   上記電子回路の熱を放熱する金属ベース部材を備え、上記副通路は、上記ハウジング部材と上記金属ベース部材とにより形成され、上記通気孔の一方は上記ハウジング部材に形成され、上記通気孔の他方は上記金属ベース部材に形成され、これら通気孔の間に上記温度計測素子が配置されることを特徴とする気体流量測定装置。
4. 請求項３記載の気体流量測定装置において、
   上記通気孔の大きさは、上記温度計測素子よりも大きいことを特徴とする気体流量測定装置。
5. 請求項３記載の気体流量測定装置において、
   上記ハウジング部材は樹脂製であることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
6. 請求項１、３、５のうちのいずれか一項記載の気体流量測定装置において、
   上記温度計測素子と、上記副通路を構成する金属ベース部材との間隔は約６ｍｍであることを特徴とする気体流量測定装置。
7. 請求項３又は５記載の気体流量測定装置において、
   上記金属ベース部材の上記通気孔の近辺に、溝もしくは貫通孔による断熱層を形成することを特徴とする気体流量測定装置。
8. 請求項１記載の気体流量測定装置において、
   上記ハウジング部材の副通路形成部の、上記通気孔の近辺に溝もしくは貫通孔による断熱層を形成することを特徴とする気体流量測定装置。
9. 内燃機関の動作制御システムにおいて、
   請求項１〜８のうちのいずれか一項記載の気体流量測定装置を用いて、燃料制御を行なうことを特徴とする内燃機関の動作制御システム。

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