KR101775184B1

KR101775184B1 - 공기 질량 유량계

Info

Publication number: KR101775184B1
Application number: KR1020127034032A
Authority: KR
Inventors: 라이너 프라우엔홀츠; 슈테펜 세테스카크
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2017-09-05
Anticipated expiration: 2031-05-10
Also published as: DE102010020264A1; US20130061684A1; WO2011147681A1; US9658092B2; CN102918366A; CN102918366B; ES2641292T3; EP2577237A1; KR20130083844A; EP2577237B1

Abstract

본 발명은 전기적으로 절연 효과를 갖는 플라스틱으로 제조된 하우징을 포함하며, 여기서 유동 채널이 하우징에 형성되며, 그리고 하우징에 배치되며 유동 채널 내에서 유동하는 공기 질량을 검출하는 센서 요소를 더욱 포함하며, 여기서 센서 요소를 연결핀에 연결시키는 전도성 통로가 하우징에 배치되는, 공기 질량 유량계에 관한 것이다. 제조 비용 효율적이고 공기 질량 유동의 정확한 측정을 가능하게 하는 공기 질량 유량계를 제공하기 위하여, 전체 하우징이 플라스틱으로 제조되고 유동 채널의 적어도 한 부분은 정전기적으로 소산 특성을 갖는다.

Description

공기 질량 유량계{AIR MASS FLOW METER}

본 발명은 전기적으로 절연 효과를 가지는 플라스틱으로 구성되는 하우징, 하우징에 형성된 유동 채널을 가지며, 하우징에 배치되며 유동 채널에서 유동하는 공기 질량을 검출하는 센서 요소, 그리고 센서 요소를 상기 하우징에 배열된 연결핀에 연결하는 도체 트랙(track)을 가지는 공기 질량 유량계에 관한 것이다.

본 출원의 맥락에서, 용어 "공기"는 질량 유량을 결정할 가스 또는 가스 혼합물에 대한 일례로서 사용된다. 원칙적으로 본 발명에 따른 공기 질량 유량계는 임의의 가스 또는 가스 혼합물의 질량 유량을 결정하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 공기 질량 유량계가 알려져 있으며, 예를 들어 내연 기관으로 유동하는 공기 질량을 검출하기 위해 자동차 구조에 다수 사용되고 있다. 공기 질량 유량계에 의해 검출된 공기 질량 유량에 따라, 예컨대 내연 기관의 작동의 진단과 내연 기관의 제어를 수행하는 것 둘 모두가 가능하다. 이들 목적을 위해서 상이한 작동 조건 하에서도, 신뢰성 있고 최대한 정확한 방식으로 실제 공기 질량 유량의 검출이 중요하다.

EP 0 458 998 A1은 유동 채널이 내부에 형성되고 정류기(flow straightener)가 내부에서 센서 요소 상류에 도입되는 하우징을 갖춘 공기 질량 유량계를 개시한다. 정류기는 허니콤 본체 및 유동 방향으로 허니콤 본체를 넘어 돌출되는 그리고 그 내부에 그레이팅이 허니콤으로부터 거리를 두고 매립되어 미소와류(microvortex)를 형성하는 링을 포함한다.

본 발명의 목적은 비용 효율적으로 제조될 수 있는 그리고 공기 질량 유량의 정확한 측정을 가능하게 하는 공기 질량 유량계를 특정하는 것으로서, 공기 질량 유량계는 가능한 한 오랫동안 고장 없이 작동하기 위한 것이다.

이 목적은 특허청구범위 독립항의 특징에 의해 달성된다.

전체 하우징이 플라스틱으로 구성되고 유동 채널의 적어도 한 부분이 정전기적으로 소산 특성(electrostatically dissipative property)을 갖는다는 사실의 결과로, 공기 질량 유량계는 특히 비용 효율적인 방식으로 예를 들어, 사출-성형 방법으로 제조될 수 있다. 유동 채널의 적어도 일 부분이 정전기적으로 소산 특성을 가지고 있기 때문에 전기적으로 대전된 오물 입자들은 센서 요소에 도달하기 전에 방전된다(discharged). 그러므로 센서 요소에 전기적으로 대전된 오물 입자들의 축적이 방지된다. 어떠한 오물 입자들도 센서 요소에 퇴적되지 않기 때문에 공기 질량 유량계의 전체 수명에 걸쳐 정확하고 방해없는 방식으로 관내에 유동하는 공기 질량을 측정할 수 있다. 이 문서의 맥락에서 시트 저항이 10¹²오옴(ohms)보다 적은 지역은 정전기적으로 소산적(electrostatically dissipative)이라 언급된다. 따라서 시트 저항은 공기 질량에서 정전기적으로 대전된 입자들을 방전시키고 이러한 입자들의 증착으로부터 센서 요소를 보호하기에 충분히 작다.

전체 하우징 다시 말해 정전기적으로 소산 특성을 갖는 부분을 구비한 유동 채널이 플라스틱으로 구성되어 있기 때문에, 이 센서의 특히 긴 수명을 달성할 수 있다. 유동 채널에 적용되고 어쩌면 다시 분리될 수 있는 어떠한 전도성 영역도 유동 채널에 위치하지 않는다. 유동 채널은 전기적으로 소산적인 부분과 함께 플라스틱으로 구성된 단일 부품 구성요소를 형성하고, 플라스틱의 전도성 입자의 결과로서 유동 채널의 전기적으로 소산적인 영역은 전기적으로 소산 특성을 획득한다.

일 개선예에서는 센서 요소는 MEMS 디자인으로 제작된다. 특히 마이크로시스템 (MEMS) 기술을 사용하여 구성된 센서 요소를 가진 공기 질량 유량계를 위해 정전기적으로 소산 특성을 가진 유동 채널의 한 부분에 대전된 오물 입자들을 방전하는 것은 특히 중요하다. 대전된 오물 입자들(예를 들면 대전된 먼지 입자들)이 공기 유동 내에 존재한다면, 대전된 오물 입자들은 센서 요소의 대전된 표면들에 의해 끌어당겨지며 이들 대전된 표면들에 퇴적된다. 그러나, 오물 입자들의 방전은 센서 요소의 대전된 표면의 고절연 패시베이션 막(highly insulating passivation layer)에 의해 방지된다. 이것을 막기 위해, 대전된 오물 입자들이 마이크로시스템 (MEMS) 기술을 사용하여 제조된 센서 요소에 도달하기 전에 유동 채널의 정전기적으로 소산적인 부분에서 방전되며, 그 결과 이들은 더 이상 센서 요소의 표면에 퇴적될 수 없게 된다.

다음 개선예에서는, 유동 채널의 전기적으로 소산적인 부분은 전도성 폴리머 가진 플라스틱 및/또는 전도성 섬유를 가진 플라스틱 및/또는 전도성 카본블랙을 가진 플라스틱으로 구성된다. 예를 들면, 탄소 또는 금속 입자들은 플라스틱의 전도성 섬유로서 적합하다. 전도성 성분(폴리머, 섬유 및/또는 전도성 카본블랙)을 가진 플라스틱은 비용 효율적이고 간단한 방법으로 유동 채널 내에 통합될 수 있다.

유동 채널의 전기적으로 소산적인 부분이 고정 전위에 전기적으로 연결되면, 전하 운반체들은 입자들에서 쉽게 방전될 수 있고 따라서 오물 입자들은 간단한 방법으로 중성이 된다. 따라서, 이들 입자들은 더 이상 센서 요소에 퇴적되지 않는다.

일 바람직한 실시형태에서는, 고정 전위는 센서 접지이다. 센서 접지는 공기 질량 유량계에 대한 중립 기준 전위이고, 전위 시프트 없이 다량의 전하 운반체들을 흡수할 수 있다.

하우징이 하우징 본체와 하우징 커버를 가지면, 공기 질량 유량계를 제조하는 것이 특히 쉽다. 이 경우에 유동 채널의 전기적으로 소산적인 부분은 하우징 본체 내부 및/또는 위에 및/또는 하우징 커버 내부 및/또는 위에 형성될 수 있다.

본 발명은 비용 효율적으로 제조될 수 있는 그리고 공기 질량 유량의 정확한 측정을 가능하게 하는 공기 질량 유량계를 제공하는 효과와, 가능한 한 오랫동안 고장 없이 작동하는 공기 질량 유량계를 제공하는 효과가 있다.

본 발명은 이하에서 도 1 내지 도 6을 사용하여 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 관내의 공기 질량 유량계를 도시하며,
도 2는 공기 질량 유량계의 사시도를 도시하며,
도 3은 MEMS 기술을 사용하여 제조되는 센서 요소를 개략적으로 도시하며,
도 4는 하우징을 가지는 공기 질량 유량계를 도시하며,
도 5는 하우징 커버를 도시하며,
도 6은 하우징 본체를 도시하며,
도 7은 하우징 커버를 다시 도시한다.

도 1은 공기 질량 유량계(1)를 도시한다. 공기 질량 유량계(1)는 관(2) 내에 배치된다. 공기 질량 유량계(1)는 관(2) 내의 공기 질량의 주 유동(4) 방향에 대해 개시부(5) 및 종단부(6)를 구비한 하우징(17)을 가진다. 오류없는 방식으로 관(2) 내의 공기 질량의 모든 유동 속도에 걸쳐 측정할 수 있기 위하여, 유동 안내 요소(8)가 후자의 개시부(5)로부터 소정 거리를 두고 공기 질량 유량계(1)의 상류에 형성된다. 이 유동 안내 요소(8)는 이 경우 그레이팅(grating; 격자)(11)으로 구성된다. 관(2)과 그레이팅(11)은 모두 전기적으로 소산 특성을 가진 영역을 가질 수 있다.

도 2는 관(2) 내의 공기 질량 유량계(1)의 사시도를 도시한다. 공기 질량 유량계(1)는 관(2)내에 유동하는 공기의 일부를 받아 이것을 센서 요소 (3)를 통해 안내하는 유동 채널(7)을 가진다. 주 유동방향(4)에 평행하게 배향된 연장 유동 안내 요소(8)는 공기 질량 유량계(1)의 관(2) 내에 배치된다. 이러한 유동 안내 요소(8)는 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)을 또한 가질 수 있다. 도 2는 또한 센서 요소(3)와 그 하류 전자 회로(10)를 예를 들어, 전자 엔진 컨트롤러에 전기적으로 연결하는 연결핀이 배치된 연결요소(16)를 도시한다.

도 3은 공기 유동(4)에 마이크로시스템(MEMS) 기술을 사용하여 제작한 센서 요소(3)를 개략적으로 도시한다. 마이크로시스템(MEMS) 기술을 사용하여 구성된 현대 센서 요소(3)는 공기 질량 유동을 매우 빠르게 감지하고 공기 질량 유동(4)의 거의 모든 변화를 매우 정밀하게 측정한다. 센서 요소(3) 및 센서 요소(3)로부터의 신호를 처리하는 전자 회로(10)는 마이크로시스템(MEMS) 기술을 사용하는 하나의 반도체 구성 요소(11) 위에 형성될 수 있다. 마이크로시스템 기술을 사용하여 제조한 센서 요소(3)의 한가지 단점은 예를 들어, 이산화 규소로 만든 얇지만 고절연 패시베이션 막(14)이 전하 운반체(13)로 대전된 센서 요소(3)의 전기 전도성 표면(12) 위에 일반적으로 배열된다. 대전된 오물 입자들(15)(예를 들면, 대전된 먼지 입자들)이 유동 흐름(4)에 존재한다면, 이들은 센서 요소(3)의 대전된 표면(12)에 의해 끌어당겨지며 대전된 오물 입자들(15)이 이들 대전된 표면(12) 위에 퇴적된다. 그러나, 오물 입자들(15)의 방전은 센서 요소(3)의 대전된 표면(12) 위의 고절연 패시베이션 막(14)에 의해 방지된다. 대전된 오물 입자들(15)은 글자 그대로 센서 요소(3)의 전기 전도성 표면(12) 위에 갇히고 이러한 오염은 흘러지나가는 공기 질량(4)의 측정을 왜곡시킨다.

도 4는 하우징(17)을 가지는 공기 질량 유량계(1)를 도시한다. 하우징(17)은 하우징 본체(18)와 하우징 커버(19)로 구성된다. 전기 전도성 핀이 수용되는 연결 부재(16)를 하우징 본체(18) 상에서 볼 수 있으며, 이 핀은 센서 요소(3)와 하류 전자 부품, 예를 들면 엔진 컨트롤러 사이의 전기적인 접촉을 형성한다. 유동 채널(7)은 또한 하우징 본체(18) 내에서 볼 수 있다. 이러한 경우, 유동 채널(7)은 Ω-형상의 구조를 가진다. 그러나, 이것은 단지 유동 채널의 한가지 예일뿐이다. 공기 질량 유량계(1)의 이러한 유동 채널들에 대한 다양한 구성들이 있다. 하우징 커버(19)는 하우징 본체(18)에 연결될 수 있다. 이것은 예를 들어, 접착제 접합 또는 레이저 용접에 의해 달성될 수 있다. 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)을 하우징 커버(19) 내에서 볼 수 있다. 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)은 주로 유동 채널(7)을 덮는다. 따라서 전하 운반체(13)를 가진 공기 유동(4) 내에 존재하는 오물 입자들(15)은 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)과의 접촉에 의해 방전될 수 있다. 이것은 단지 정전기적으로 중성인 오물 입자들(15)만이 공기 질량(4)을 가진 센서 요소(3)를 지나 흐르는 것을 보장한다. 정전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)은 매우 효율적인 방법으로 전기적으로 대전된 오물 입자들(15)이 센서 요소(3)에 퇴적되는 것을 방지한다. 참조 부호(20)는 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)을 센서 접지(21) 또는 다른 고정 전위에 연결하기 위해 사용되는 접지 연결을 표시하기 위해 사용된다. 도 4에 센서 접지(21)에 대한 연결이 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)에 배선 약도 표현으로 부착되어 있다.

도 5는 하우징 커버(19)의 보다 상세한 예시를 도시한다. 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)을 하우징 커버(19) 내에서 쉽게 볼 수 있다. 이 경우, 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)의 형상은 대개 유동 채널(7)의 형상에 대응된다. 공기 질량(4)은 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)을 따라 흐르고, 공기 질량에 함유된 오물 입자들(15)은 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)에서 방전될 수 있다. 도 5와 도 6에 센서 접지(21)에 대한 연결이 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)에 배선 약도 표현으로 부착되어 있다.

도 6은 하우징 본체(18)를 도시한다. 유동 채널(7)을 하우징 본체(18) 내에서 볼 수 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 유동 채널(7)에는 또한 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)이 제공된다.

도 7은 하우징 커버(19)와 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)을 다시 도시한다. 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)이 후자에 통합되기 전에 하우징 커버(19)를 보는 것이 가능하다. 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)을 통합시키기 위하여 전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)이 하우징 커버(19) 내로 피팅되며 그리고 하우징 커버에 접착 결합되거나 또는 예를 들어, 레이저 용접에 의해 후자에 연결된다.

전기적으로 소산 특성을 가진 영역(9)은 전기 전도성 입자를 포함하는 플라스틱으로 구성되어 있다. 이들 전기 전도성 입자는 예를 들어, 탄소 입자 또는 미세 철분 분말이 될 수 있다.

Claims

전기적으로 절연 효과를 갖는 플라스틱으로 제조된 하우징(17), 하우징(17)에 형성된 유동 채널(7)을 가지며, 그리고 하우징(17)에 배치되며 유동 채널(7) 내에서 유동하는 공기 질량(4)을 검출하며, MEMS 디자인으로 제작되는 센서 요소(3), 및 센서 요소(3)를 연결핀에 연결시키는, 하우징(17)에 배치되는 전도체 트랙을 가지는 공기 질량 유량계(1)에 있어서,
전체 하우징(17)이 플라스틱으로 구성되고 유동 채널(7)의 적어도 한 영역(9)은 정전기적으로 소산 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 질량 유량계(1).
삭제
제1항에 있어서,
유동 채널(7)의 전기적으로 소산 영역(9)이 전도성 폴리머를 가진 플라스틱, 전도성 섬유를 가진 플라스틱 및 전도성 카본블랙을 가진 플라스틱 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 질량 유량계(1).
제1항에 있어서,
유동 채널(7)의 전기적으로 소산 영역(9)이 고정 전위에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 공기 질량 유량계(1).
제4항에 있어서,
고정 전위가 센서 접지(21)인 것을 특징으로 하는 공기 질량 유량계(1).
제1항에 있어서,
하우징(17)이 하우징 본체(18)와 하우징 커버(19)를 갖는 것을 특징으로 하는 공기 질량 유량계(1).
제6항에 있어서,
유동 채널(7)의 전기적으로 소산 영역(9)이 하우징 본체(18) 내부 및 위 중 적어도 어느 하나에 형성되는 것을 특징으로 하는 공기 질량 유량계(1).
제6항에 있어서,
유동 채널(7)의 전기적으로 소산 영역(9)이 하우징 커버(19) 내부 및 위 중 적어도 어느 하나에 형성되는 것을 특징으로 하는 공기 질량 유량계(1).