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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Strömungssensor zum Messen einer Fluiddurchflussrate. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf den Aufbau eines Strömungsdurchgangs des Strömungssensors.
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Es wurde bereits ein Strömungssensor (Durchflussmesser) vorgeschlagen, der einen Durchflussdurchgang aufweist, durch welchen ein Fluid hindurchtreten kann, wobei ein Sensor angebracht ist, der dem Durchflussdurchgang zugewandt ist, um die Strömungsrate des Fluides, bspw. Luft oder Stickstoff, zu messen.
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Die japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 2005-315788 A beschreibt einen Strömungssensor mit einem Durchflussdurchgang, der dadurch gebildet wird, dass eine Nut mit einem offenen oberen Bereich durch ein Deckelelement verschlossen wird. Ein Sensor ist so angebracht, dass er dem Durchflussdurchgang zugewandt ist. Eines von zwei Gittern (Gitterelementen) ist an dem Einlassbereich (stromaufwärts) und an dem Auslassbereich (stromabwärts) des Durchflussdurchgangs vorgesehen. Bei dem Strömungssensor wird die Messgenauigkeit dadurch verbessert, dass die Durchflussrate des Fluides, das durch den Durchflussdurchgang fließt, mit Hilfe der Gitter angepasst wird.
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Bei dem wie oben aufgebauten Strömungssensor ist es jedoch notwendig, eine Mehrzahl von Gittern anzubringen, um die Messgenauigkeit der durch den Sensor gemessenen Strömungsrate zu erreichen. Außerdem treten in der Strömung des Fluides aufgrund von Kollisionen gegen das Gitter an der stromabwärtsseitigen Seite, das unmittelbar nach dem anderen Gitter angeordnet ist, Turbulenzen auf. Daher ist es notwendig, zwischen dem Gitter und dem Sensor einen festgelegten Abstand (Länge) vorzusehen, damit sich die Turbulenz des Fluides ausgleicht. Dies führt dazu, dass der Durchflussdurchgang verlängert wird. Als Folge hiervon wird der Aufbau des Strömungssenors insgesamt relativ groß. Auch wenn Staub, Schmutz oder dgl. an dem Gitter anhaftet ist es außerdem unmöglich, das Gitter einfach auszutauschen. Wenn das Gitter ausgetauscht wird, ist es notwendig, die Einstellungen erneut vorzunehmen, da die Messgenauigkeit des Strömungssensors schwankt.
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Andererseits beschreiben die japanische Patentoffenlegungsschriften
JP 2004 -
3887 A und
JP 2004-3883 A jeweils Strömungssensoren, die anders als der oben beschriebene Aufbau keine Gitter verwenden, um die Größe des Aufbaus zu verringern. Bei einem solchen Strömungssensor ist der Durchflussdurchgangsbereich, in dem der Sensor positioniert ist, so aufgebaut, dass er im Wesentlichen senkrecht zu dem stromaufwärts hiervon vorgesehenen Durchflussdurchgangsbereich angeordnet ist. Außerdem ist eine kreisbogenförmige Fläche, die in dem Durchflussdurchgang vorsteht, an wenigstens einem Teil einer Wand, die den Durchflussdurchgangsbereich, an dem der Sensor positioniert ist, definiert, ausgebildet. Dadurch kann die Strömungsrate des Fluides eingestellt werden, ohne Gitter in dem Durchflussdurchgang vorzusehen.
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Der wie oben beschrieben aufgebaute Strömungssensor hat einen solchen Aufbau, dass Fremdstoffe, wie Staub, Schmutz oder dgl., durch die Wandfläche des Durchflussdurchgangs entfernt werden, der wie oben beschrieben im Wesentlichen senkrecht aufgebaut ist. Es ist jedoch bspw. schwierig, Fremdstoffe zu entfernen, wenn die Strömungsrate des Fluides groß ist. Wenn die kreisbogenförmige Fläche in einem Bereich des Durchflussdurchgangs ausgebildet ist, an dem der Sensor positioniert ist, und wenn Fluid mit einer großen Strömungsrate plötzlich in diesen Bereich einströmt, wird das Fluid außerdem durch die kreisbogenförmige Fläche nach oben angehoben und stößt an den Sensor an, wodurch eine Kollision bewirkt wird.
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In Abhängigkeit von den Eintrittsbedingungen besteht daher die Befürchtung, dass der Sensor beschädigt werden kann.
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Die
US 5,014,552 A beschreibt einen Strömungssensor mit einem Durchflussdurchgang, an den sich stromabwärts ein Reduzierabschnitt und ein zweiter Durchflussdurchgang mit schmalerem Durchmesser als der erste Durchflussdurchgang anschließen. In dem zweiten Durchflussdurchgang ist ein Mikrobrückensensor angeordnet. Der Reduzierabschnitt dient dazu, Strömungsturbulenzen zu unterdrücken und die Strömung im Bereich des Sensors zu glätten. Ausgehend von dem ersten Durchflussdurchgang verlaufen innere Wände des Reduzierabschnitts schräg zu den inneren Wänden des zweiten Durchflussdurchgangs. Im Übergangsbereich weisen die Wände einen abgerundeten Querschnitt auf.
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Das in der
US 4,829,818 A beschriebene Strömungssensorgehäuse umfasst einen Strömungskanal, in dem eine Einschnürung vorgesehen ist, die durch einen buckel- bzw. höckerähnlichen Vorsprung gebildet wird, der sich von der oberen Wand zur unteren Wand des Strömungskanals hin erstreckt. Stromabwärts geht eine geneigte Fläche von der oberen Wand schräg zur unteren Wand verlaufend in einen flachen Abschnitt über. Im Übergangsbereich weisen die Wände ebenfalls einen abgerundeten Querschnitt auf.
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In der
EP 1 530 029 A1 bezieht eine Ansaugkanalvorrichtung von einem Luftreiniger gefilterte Luft. Ein Stromrichterelement soll die gefilterte Luft gleichrichten, bevor sie einem Kanalkörper zugeführt wird. Ein Detektor ist derart positioniert, dass ein Detektionsabschnitt oder Lufteinlass des Detektors in einem radial zentralen Bereich eines verengten Abschnitts angeordnet ist.
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Die
US 6,234,016 B1 offenbart ein Mikrobrückensensorsystem, das in einem Strömungsrohr angeordnet ist. Ein zweiter Sensor ist in einem kleinen Bypasskanal positioniert und misst die Strömungsgeschwindigkeit. Der zweite Sensor ist direkt an einer oberen Wand des kleinen Bypasskanals angebracht. Die Strömung des Fluids wird in einem verengten Querschnitt gemessen, der durch einen trapezförmigen Vorsprung in dem kleinen Bypasskanal gebildet wird.
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Die
US 6,655,207 B1 beschreibt ein integriertes Modul zur Nutzung in einem Strömungssystem zur Messung einer Strömungsrate eines Fluids darin. Ein Teil des Fluids tritt in einen in einem Strömungsrohr vorgesehenen Messkanal ein und ein noch kleinerer Anteil davon tritt in einen Mikrokanal eines Sensors ein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschädigung eines Sensors, der so angeordnet ist, dass er einem Durchflussdurchgang zugewandt ist, und der die Strömungsrate eines Fluides, welches durch den Strömungsdurchgang fließt, als Messgegenstand erfasst, vermieden wird.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Strömungssensors, der möglichst klein gestaltet werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Strömungssensor einen Grundkörper mit einem Durchflussdurchgang, der wenigstens durch eine obere Wand und eine Bodenwand gebildet wird, wobei ein zu messendes Fluid durch den Durchflussdurchgang fließt. Ein Sensor ist entlang der oberen Wand, die den Strömungsdurchgang bildet, so angeordnet, dass er dem Durchflussdurchgang zugewandt ist, wobei der Durchflussdurchgang eine dem Sensor gegenüber liegende Drosselfläche aufweist und eine erste geneigte Fläche, die kontinuierlich stromaufwärts der Drosselfläche ausgebildet ist. Die erste geneigte Fläche ist so angeordnet, dass der Durchflussdurchgang, der zwischen der oberen Wand und der ersten geneigten Fläche gebildet ist, sich stromaufwärts öffnet, wobei die erste geneigte Fläche außerdem einen solchen Winkel aufweist, dass eine Verlängerungslinie der ersten geneigten Fläche, die stromabwärts gerichtet ist, durch eine Position hindurch tritt, die gegenüber einem Erfassungsabschnitt, der an einer Erfassungsfläche des Sensors vorgesehen ist, zu der stromaufwärtsseitigen Seite versetzt ist.
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Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird der Durchflussdurchgangsbereich, der zwischen der oberen Wand und der Drosselfläche angeordnet ist, im Vergleich zu dem Durchflussdurchgangsbereich, der an der stromaufwärtsseitigen Seite angeordnet ist, gedrosselt. Dadurch ist es möglich, die Strömung des zu messenden Fluides, welches durch den Durchflussdurchgang fließt, einzustellen, wodurch die Messgenauigkeit des Sensors verbessert wird. Das zu messende Fluid, das in den Durchflussdurchgang einfließt, strömt entlang der ersten geneigten Fläche und tritt dann in Kontakt mit der oberen Wand an der stromaufwärtsseitigen Seite an einer Position, die zu dem Erfassungsabschnitt des Sensors versetzt ist. Anschließend strömt das Fluid entlang der Drosselfläche zu der Auslassseite. Auch wenn das zu messende Fluid bspw. plötzlich mit einer großen Strömungsrate fließt, wird dementsprechend eine Kollision des zu messenden Fluides mit dem Sensorerfassungsabschnitt vermieden. Dadurch ist es möglich, eine Beschädigung oder Zerstörung des Sensors zu vermeiden.
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Der Strömungssensor kann außerdem eine zweite geneigte Fläche aufweisen, die kontinuierlich stromabwärts der Drosselfläche ausgebildet ist. Die zweite geneigte Fläche ist so vorgesehen, dass ein Durchflussdurchgang, der zwischen der oberen Wand und der zweiten geneigten Fläche ausgebildet ist, sich zur stromabwärtsseitigen Seite erweitert, wobei die zweite geneigte Fläche einen solchen Winkel aufweist, dass eine Verlängerungslinie der zweiten geneigten Fläche durch eine Position durchtritt, die im Vergleich zu dem Erfassungsabschnitt an der Erfassungsfläche des Sensors zur stromabwärtsseitigen Seite versetzt ist. Dadurch kann die Strömungsrichtung des Strömungssensors einfach umgekehrt werden. Daher kann der Freiheitsgrad beim Installieren des Strömungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich erhöht werden.
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Der Winkel, der durch die erste geneigte Fläche und die Bodenwand, die an der stromaufwärtsseitigen Seite der ersten geneigten Fläche weiterläuft, gebildet wird, und/oder der Winkel, der durch die zweite geneigte Fläche und die Bodenwand, die an der stromabwärtsseitigen Seite der zweiten geneigten Fläche weiterläuft, gebildet wird, ist vorzugsweise nicht größer als 150°. Dadurch können die Einstellungen zuverlässiger vorgenommen werden, so dass die Verlängerungslinie der ersten geneigten Fläche und der zweiten geneigten Fläche durch eine Position hindurch treten, die im Vergleich zu dem Erfassungsabschnitt des Sensors weiter nach außen versetzt ist. Daher ist es möglich, Situationen, in welchen das zu messende Fluid direkt mit dem Erfassungsabschnitt des Sensors kollidiert, nachdem das zu messende Fluid entlang der ersten geneigten Fläche geströmt ist, zuverlässig zu vermeiden. Dadurch kann eine Beschädigung oder Zerstörung des Sensors vermieden werden.
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Eine Länge der Drosselfläche in Strömungsrichtung des zu messenden Fluides ist größer als eine Länge des Sensors in der Strömungsrichtung. Dadurch strömt das zu messende Fluid, dessen Durchflusseinstellung an dem Drosselflächenbereich zuverlässig durchgeführt wurde, erfolgreich entlang der Erfassungsfläche des Sensors, so dass die Messgenauigkeit verbessert werden kann.
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An der Einlassseite und/oder der Auslassseite des Strömungsdurchgangs kann ein Gitterelement vorgesehen werden. Durch das Gitterelement kann die Strömungseinstellung des zu messenden Fluides noch zuverlässiger durchgeführt werden. Dadurch ist es möglich, bspw. Staub, Schmutz oder dgl., der in dem zu messenden Fluid enthalten ist, zu entfernen.
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Das Gitterelement wird mit Hilfe einer Befestigungsschraube angebracht, wodurch das zu messende Fluid durch das Gitterelement fließen kann. Dadurch kann das Gitterelement einfach ausgetauscht werden, indem es mit Hilfe der Befestigungsschraube angebracht bzw. gelöst wird.
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Außerdem kann die Zahl an Gitterelementen, die bspw. in dem Einlassbereich des Durchflussdurchgangs angebracht werden müssen, aufgrund der Strömungseinstellung, die durch die Drosselfläche und die erste geneigte Fläche bewirkt wird, minimiert werden. Dadurch wird der Aufbau des Strömungssensors vereinfacht, was eine weitere Miniaturisierung des Strömungssensors erlaubt.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Strömungssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die den in 1 gezeigten Strömungssensor darstellt,
- 3 ist ein Längsschnitt entlang der Strömungsrichtung des Fluides, der den in 1 gezeigten Strömungssensor darstellt;
- 4 ist ein Schnitt entlang der Linie IV-IV in 3;
- 5 ist ein Schnitt entlang der Linie V-V in 3;
- 6 ist ein vergrößerter Schnitt, der Elemente darstellt, die in der Nähe des Sensorelementes des in 3 gezeigten Strömungssensors angeordnet sind;
- 7 ist ein Diagramm, das Ergebnisse der Messung der Strömungsrate bei einer Anordnung darstellt, bei welcher weder ein Gitter noch ein Vorsprung vorgesehen ist;
- 8 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse der Messung der Strömungsrate bei einer Anordnung darstellt, bei welcher ein Gitter aber kein Vorsprung vorgesehen ist; und
- 9 ist ein Diagramm, das Ergebnisse der Messung der Strömungsrate bei einer Anordnung darstellt, bei welcher sowohl ein Gitter als auch ein Vorsprung vorgesehen sind.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Ein Strömungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Beispiels und der Zeichnung im Detail erläutert.
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Der Strömungssensor 10 umfasst einen Strömungsmesser zum Messen einer Strömungsrate (Massendurchflussrate) eines zu messenden Fluides, das bspw. aus Luft oder Stickstoff besteht. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Falles erläutert, bei welchem die Strömungsrate von Luft als dem zu messenden Fluid gemessen werden soll.
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Der oben genannte Strömungssensor 10 umfasst einen Grundkörper 14, der einen darin ausgebildeten Durchflussdurchgang (Messkammer) 12 aufweist, durch welchen Luft hindurchfließen kann, und einen Sensor 16, der so angeordnet ist, dass er dem Durchflussdurchgang 12 zugewandt ist und dadurch die Strömungsrate der Luft, die durch den Durchflussdurchgang 12 fließt, misst. Der Sensor 16 ist integral an einer unteren Fläche (Rückseite) eines Sensorsubstrates 18 angebracht. Eine Erfassungsfläche 16b, die einen Erfassungsabschnitt 16a zum Messen der Luftströmungsrate aufweist, ist dem Durchflussdurchgang 12 zugewandt (vgl. 3 und 6). Ein solcher Sensor 16 umfasst bspw. einen MEMS- thermischen Strömungssensorchip mit im Wesentlichen quadratischer Form, dessen Seitenlänge (Länge L1 in 3) etwa 1,4 mm beträgt.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, ist der Durchflussdurchgang 12 zwischen einem Einlass 20 und einem Auslass 22 ausgebildet, die an Positionen angeordnet sind, die etwas niedriger liegen als die Mitte zwischen beiden Enden in Längsrichtung des Grundkörpers 14. Der Strömungsdurchgang 12 hat einen kreisförmigen Querschnitt (vgl. 5), gesehen in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung der Luft. Ein trapezförmiger Vorsprung 24 ist an einem im Querschnitt gesehen im Wesentlichen zentralen Bereich in der Richtung der Luftströmung ausgebildet (vgl. 3). Eine Sensoröffnung 26a ist an einem im Wesentlichen zentralen Bereich an einer oberen Wand (Dachwand) 26, welche über dem Strömungsdurchgang 12 angeordnet ist, vorgesehen, so dass der Sensor 16 dem Durchflussdurchgang 12 zugewandt ist. Der Vorsprung 24 ist an einem im Wesentlichen zentralen Bereich einer der oberen Wand 26 gegenüber liegenden Bodenwand 28 unter dem Durchflussdurchgang 12 vorgesehen.
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Der Vorsprung 24 hat eine Drosselfläche 24a, die gegenüber dem Sensor 16 angeordnet ist und eine flache Fläche aufweist, die einer oberen Seite seiner trapezförmigen Gestalt entspricht. Außerdem hat der Vorsprung 24 eine geneigte Fläche (erste geneigte Fläche 24b) und eine geneigte Fläche (zweite geneigte Fläche) 24c, die kontinuierlich anschließend an der stromaufwärtsseitigen Seite (an der Seite des Einlasses 20) bzw. der stromabwärtsseitigen Seite (an der Seite des Auslasses 22) der Drosselfläche 24a angeordnet sind, so dass sich der Durchflussdurchgang 12 nach außen (zu der stromaufwärtsseitigen Seite und der stromabwärtsseitigen Seite) erweitert. Die Bodenfläche 28a, die sich stromaufwärts der geneigten Fläche 24b fortsetzt, steht mit dem Einlass 20 in Verbindung. Die Bodenfläche 28b, die sich stromabwärts der geneigten Fläche 24c fortsetzt, steht mit dem Auslass 22 in Verbindung.
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Die Länge L2 der Drosselfläche 24a, die sich in Richtung der Luftströmung erstreckt, beträgt bspw. etwa 5 mm. Ein im Wesentlichen zentraler Bereich der Drosselfläche 24a ist etwa an der gleichen Position angeordnet wie die Mitte des Sensors 16. Bei dieser Anordnung sollte das Ende der Drosselfläche 24a an der stromaufwärtsseitigen Seite weiter stromaufwärts angeordnet sein als das Ende des Sensors 16 an der stromaufwärtsseitigen Seite. Um an dem Bereich der Drosselfläche 24a eine ausreichende Strömungseinstellung zu erreichen, sollte die Länge L2 der Drosselfläche 24a größer sein als die Länge L1 des Sensors 16. Wird aber der Wert, der durch Subtraktion der Länge L1 von der Länge L2 erhalten wird, übermäßig groß, so wird die Messgenauigkeit verringert, weil der Druckverlust zu stark zunimmt. Ist der Wert andererseits zu klein, so kann der Sensor 16 beschädigt oder zerstört werden und die Messgenauigkeit wird aufgrund von Kollisionen der Luft mit dem Sensor 16 und aufgrund einer unzureichenden Strömungseinstellung verringert. Daher sollte im Hinblick auf die Beziehung zwischen der Länge L1 des Sensors 16 und der Länge L2 der Drosselfläche 24a die Länge L2 vorzugsweise zwei bis fünf mal so groß sein wie die Länge L1. Besonders bevorzugt ist die Länge L2 drei bis vier Mal so groß wie die Länge L1.
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Die Höhe h1 zwischen der Bodenwand 28a, 28b und der oberen Wand 26 (d.h. der Durchmesser des Durchflussdurchgangs 12) beträgt an Bereichen, an welchen sich die schrägen Flächen 24b, 24c jeweils nach außen fortsetzen, bspw. etwa 2,6 mm. Die Höhe h2 zwischen der Drosselfläche 24a und der oberen Wand 26 beträgt bspw. etwa 1 mm. Ist die Höhe h2 übermäßig groß, so wird die Strömungseinstellung an dem Vorsprung 24 verschlechtert. Ist die Höhe h2 andererseits übermäßig klein, so wird der Druckverlust erhöht und die Strömungseinstellung erschwert. Hinsichtlich der Beziehung zwischen den Höhen h1 und h2 wird daher bevorzugt, dass die Höhe h1 auf etwa 1,5 bis vier mal die Höhe h2 eingestellt wird.
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Der Winkel θ (vgl. 3), der zwischen der Bodenwand 28a, 28b und den geneigten oder schrägen Fläche 24b bzw. 24c ausgebildet ist, wird bspw. auf nicht mehr als 150° eingestellt. Wenn der Winkel θ wie oben beschrieben vorgesehen wird, wird eine Anordnung erreicht, bei welcher eine Verlängerungslinie, die sich von den schrägen Flächen 24b, 24c aus erstreckt, durch eine an der Außenseite (d.h. an der Seite des Einlasses 20 oder an der Seite des Auslasses 22) angeordnete Position hindurch tritt, die gegenüber dem Erfassungsabschnitt 16a des Sensors 16 an dem Vorsprung 24 versetzt ist. Mit anderen Worten hat jede der geneigten Flächen 24b, 24c einen solchen Winkel, dass ihre Verlängerungslinie die obere Wand 26 an eine zu dem Erfassungsabschnitt 16a des Sensors 16 nach außen versetzten Position schneidet. Dementsprechend strömt Luft, die von dem Einlass zugeführt wird, entlang der geneigten Fläche 24b (d.h. bewegt sich nach oben), woraufhin die Luft dann stromaufwärts des Erfassungsabschnitts 16a des Sensors 16 auf die obere Wand 26 trifft. Anschließend strömt die Luft entlang der Drosselfläche 24a in einer Richtung zu dem Auslass 22.
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Der Grundkörper 14, in dem wie oben beschrieben wurde der Durchflussdurchgang 12 ausgebildet ist, umfasst einen Kasten, der durch eine vordere Wand 30, in welcher der Einlass 20 ausgebildet ist, eine hintere Wand 32, in welcher der Auslass 22 ausgebildet ist, ein Paar von Seitenwänden 34, 34, die zwischen der vorderen Wand 30 und der hinteren Wand 32 vorgesehen sind, und eine äußere Bodenwand 36, die an seinem Boden vorgesehen ist, gebildet wird. In einem oberen Bereich des Grundkörpers 14 wird durch jeweilige innere Seitenflächen der Vorderwand 30, der Rückwand 32 und der Seitenwände 34, 34 und durch die obere Fläche der oberen Wand 26 des Durchflussdurchgangs 12 eine Nut 38 gebildet (vgl. 2). Zwei Löcher 14a, 14b, die in einer Breitenrichtung durchtreten, sind in einem unteren Bereich des Grundkörpers 14 ausgebildet. Die Löcher 14a, 14b dienen als Befestigungslöcher, die zum Befestigen des Strömungssensors 10 verwendet werden. Der Grundkörper 14 besteht aus einem hochmolekulargewichtigen Material, bspw. PPS (Polyphenylsulfid).
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Zwei Nuten 20a, 20b und 22a, 22b sind in Umfangsrichtung entlang innerer Umfangsflächen des Einlasses 20 bzw. des Auslasses 22 vorgesehen (vgl. 3). Einsetzmuttern 40, 42 sind an dem Einlass 20 bzw. dem Auslass 22 angeordnet, wobei die Einsetzmuttern 40, 42 Vorsprünge 40c, 40d bzw. 42c, 42d aufweisen, die darin in Umfangsrichtung ausgebildet sind und Formen aufweisen, die dazu ausgestaltet sind, in die Nuten 20a, 20b, 22a, 22b eingesetzt und eingepasst zu werden. Gewindeabschnitte 40a, 42a sind entlang innerer Umfangsflächen der Einsetzmuttern 40 und 42 ausgebildet. Nicht dargestellte Verbindungselemente können an den Gewindeabschnitten 40a, 42a angebracht sein, so dass der Strömungssensor 10 bspw. an einer festgelegten Rohranordnung angeschlossen werden kann.
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Aussparungen 41, 43, die Durchmesser aufweisen, die größer sind als der Innendurchmesser (h1) des Strömungsdurchgangs 12, sind an Enden stromaufwärts und stromabwärts des Strömungsdurchgangs 12 vorgesehen. Gitter (Gitterelemente) 44, 45 sind in den Aussparungen 41, 43 über Einsetzmuttern 40, 42 an der Außenseite des Einlasses 20 oder des Auslasses 22 angeordnet. Die Gitter 44, 45 werden durch Befestigungsschrauben 46, 48 befestigt, die in die Gewindeabschnitte 40a, 42a eingeschraubt werden. Das Gitter 44 kann bspw. auch nur an der Seite des Einlasses 20 angebracht werden, ohne das Gitter 45 an der Seite des Auslasses 22 anzubringen.
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Die Gitter 44, 45 haben Kreisform mit Durchmessern, die größer sind als der Innendurchmesser (h1) des Durchflussdurchgangs 12. Außerdem umfassen die Gitter 44, 45 Drahtgitter, die aus Metall, das aus Edelstahl oder dgl. besteht, hergestellt sind. Die oben genannten Gitter 44, 45 sorgen für eine Strömungseinstellung, um die Luft, die durch den Strömungssensor 10 strömt, einzustellen, und gleichzeitig für eine Staubentfernung zum Entfernen von Staub, Schmutz oder dgl. aus der Luft.
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Die Befestigungsschrauben 46, 48 haben darin ausgebildete Löcher 46a, 48a, die etwa den gleichen Durchmesser aufweisen wie der Durchflussdurchgang 12, damit Luft zu den Gittern 44a, 45a fließen kann. Die Befestigungsschrauben 46, 48 dienen der Befestigung der Gitter 44, 45 durch Verschrauben mit den Gewindeabschnitten 40a, 42a. Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, sind in den Befestigungsschrauben 46, 48 Ausschnitte 46b, 48b vorgesehen, die Eingriffsnuten für das Einsetzen eines nicht dargestellten Werkstücks bilden, um das Einschrauben der Befestigungsschrauben 46, 48 durchzuführen.
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Wie oben beschrieben wurde, ist der Sensor 16 an einer unteren Fläche des Sensorsubstrates 18 (an der Seite der oberen Wand 26) vorgesehen. Durch Anordnen des Sensorsubstrates 18 an der oberen Fläche der oberen Wand 26 in der Nut 38 wird der Sensor 16 so positioniert, dass er dem Durchflussdurchgang 12 von der Sensoröffnung 26a zugewandt ist, wobei die Sensoröffnung 26a durch das Sensorsubstrat 18 verschlossen wird.
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Die Höhe des Sensors 16 ist etwa die gleiche wie die Höhe der oberen Wand 26. Daher ist die Erfassungsfläche 16b des Sensors 16 an etwa der gleichen Position angeordnet wie die untere Fläche der oberen Wand 26 (die Seitenfläche des Durchflussdurchgangs 12). Eine ringförmige Aussparung 26b ist an der oberen Fläche der oberen Wand 26 um die Sensoröffnung 26a ausgebildet. Eine nicht dargestellte flüssige Abdichtung ist an einem äußeren Umfangsbereich angebracht, um eine Leckage von Luft aus der Sensoröffnung 26a zu verhindern, so dass das Sensorsubstrat 18 in engem Kontakt mit der oberen Fläche der oberen Wand 26 angeordnet ist. In diesem Fall dient die Aussparung 26b als ein Ausflussverhinderungsabschnitt (Damm), um zu verhindern, dass die flüssige Abdichtung aus der Sensoröffnung 26a in den Durchflussdurchgang 12 ausfließt und an dem Sensor 16 haftet. Die oben genannte flüssige Dichtung kann durch Anheben ihrer Temperatur aushärten. Anstelle der flüssigen Dichtung kann eine Dichtung (Dichtmaterial), die aus einem elastischen Material oder dgl. besteht, verwendet werden, um eine Leckage von Luft aus der Sensoröffnung 26a zu vermeiden.
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6 ist ein vergrößerter Schnitt, der die Elemente, die in der Nähe des Sensors 16 angeordnet sind, zeigt. Der Sensor 16 hat eine Erfassungsfläche 16b, die dem Durchflussdurchgang 12 zugewandt ist. Die Erfassungsfläche 16b umfasst in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtsseitigen Seite aus ein stromaufwärtsseitiges Temperaturmesselement 50, das den Erfassungsabschnitt 16a bildet, ein Wärme erzeugendes Element (Heizung) 52, ein stromabwärtsseitiges Temperaturmesselement 54 und ein in Umfangsrichtung angeordnetes Temperaturmesselement 56. Das stromaufwärtsseitige Temperaturmesselement und die anderen Komponenten sind miteinander bspw. über eine Brückenschaltung, die in dem Sensor 16 vorgesehen ist, verbunden.
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Die Abstände zwischen dem Wärme erzeugenden Element 52, dem stromaufwärtsseitigen Temperaturmesselement 50 und dem stromabwärtsseitigen Temperaturmesselement 54 sind gleich. Andererseits ist das in Umfangsrichtung angeordnete Temperaturmesselement 56 an einer Position angeordnet, die etwas von dem stromabwärtsseitigen Temperaturmesselement 54 getrennt ist, so dass das Umfangs-Temperaturmesselement 56 nicht durch die von dem Wärme erzeugenden Element 52 erzeugte Wärme beeinflusst wird. Der Abstand zwischen dem Umfangs-Temperaturmesselement 56 und dem stromabwärtsseitigen Temperaturmesselement 54 ist ausreichend größer als der Abstand zwischen dem Wärme erzeugenden Element 52 und dem stromabwärtsseitigen Temperaturmesselement 50. Der Sensor 16, der wie oben beschrieben aufgebaut ist, umfasst einen MEMS- thermischen Strömungssensorchip zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungsrate auf der Basis des Temperaturunterschieds zwischen den vor und hinter dem Wärme erzeugenden Element 52 positionierten Elementen, die von dem stromaufwärtsseitigen Temperaturmesselement 50 und dem stromabwärtsseitigen Temperaturmesselement 54 gemessen werden, sowie der Lufttemperatur (Umgebungstemperatur) der Luft, die nach innen und nach außen fließt, wie sie durch das Umfangs-Temperaturmesselement 56 gemessen wird.
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Andererseits sind ein Verbinder 58 und andere nicht dargestellte Element zur Durchführung verschiedener Funktionen an der oberen Fläche des Sensorsubstrats 18 (d.h. an einer Seite des Substrates, die dem Sensor 16 gegenüber liegt) angeordnet (vgl. 2 und 3).
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Das wie oben aufgebaute Sensorsubstrat 18 wird durch einen Abstandshalter 60 befestigt, der daran so angeordnet ist, dass das Sensorsubstrat 18 in der Nut 38 an der oberen Fläche der oberen Wand 26 angeordnet wird. Der Abstandshalter 60 umfasst einen Rahmen, der in der Nut 38 aufgenommen werden kann. Der Abstandshalter 60 umfasst einen Rahmen 60a, vier Klauenelemente 62a bis 62d, die von dem Rahmen 60a nach unten vorstehen und gegen das Sensorsubstrat 18 drücken, eine Eingriffsklaue 66, die dazu dient, eine später beschriebene Abdeckung 64 zu befestigen, und vier Löcher 68, die in dem Rahmen 60a ausgebildet sind. In die Löcher 68 sind jeweils Bolzen 70 eingesetzt.
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Die Bolzen 70 werden in vier Gewindeabschnitte 72 eingeschraubt, die in der Nut 38 des Grundkörpers 14 vorgesehen sind. Dementsprechend wird der Abstandshalter 60 so an dem Grundkörper 14 befestigt, dass das Sensorsubstrat 18 zwischen dem Abstandshalter 60 und dem Grundkörper 14 angeordnet ist. Mit anderen Worten wird das Sensorsubstrat 18 an dem Grundkörper 14 befestigt.
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Ein Output-Substrat 74 ist in der Nut 38 oberhalb des Abstandshalters 60 angeordnet. Das Output-Substrat 74 wird durch die Abdeckung 64 und einen Einschnappstift 76 an dem Abstandshalter 60 befestigt. Das Output-Substrat 74 dient als ein Substrat für die Zufuhr von elektrischem Strom zu dem Sensor 16 und für die Ausgabe einer Spannung nach außen.
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Das Output-Substrat 74 umfasst einen Verbinder 78, der an der unteren Fläche vorgesehen ist, um mit dem oben beschriebenen Verbinder 58 in Eingriff zu treten. Nicht dargestellte Elemente zur Durchführung verschiedener anderer Funktionen können an der oberen Fläche des Output-Substrates 74 vorgesehen sein. Ein Stromkabel 80 ist an einer Endfläche stromabwärts des Output-Substrates 74 angebracht. Das Output-Substrat 74 ist elektrisch durch den Verbinder 78 und über den Verbinder 58 mit dem Sensorsubstrat 18 verbunden. Dementsprechend dient das Output-Substrat 74 der Zufuhr von elektrischem Strom von einer nicht dargestellten Stromquelle zu dem Sensor 16, und außerdem wird ein Ausgangssignal (Spannung) von dem Sensor 16 durch das Output-Substrat 74 an eine externe Vorrichtung übertragen.
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Die Abdeckung 64 dient als ein Deckel, der den oberen Bereich der Nut 38 verschließt. Die Abdeckung 64 umfasst einen Eingriffsabschnitt 64a, der an seinem stromaufwärtsseitigen Ende vorgesehen ist und durch welchen die Eingriffsklaue 66 hindurch tritt, um einen Eingriff zu erreichen. Die Abdeckung 64 umfasst außerdem eine Öffnung 64b, die an ihrer stromaufwärtsseitigen Seite vorgesehen ist und in welche eine Klaue 76a des Einschnappstiftes 76 eingesetzt ist. Die Klaue 76a wird durch die Öffnung 74b eingesetzt und greift an dem Rahmen 60a an.
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Die Abdeckung 64 wird oberhalb des Abstandshalters 60 durch Eingriff zwischen dem Eingriffsabschnitt 64a und der Eingriffsklaue 66 und durch Eingriff zwischen dem Einschnappstift 76 und dem Rahmen 60a befestigt, so dass das Output-Substrat 74 an dem Rahmen 60a des Abstandshalters 60 angeordnet wird. In diesem Fall wird das Stromkabel 80 durch einen halbkreisförmigen Unterseitenabschnitt 82, der an einem oberen Bereich der Rückwand 32 des Grundkörpers 14 angeordnet ist, einen halbkreisförmigen Unterseitenabschnitt 84, der an einer Endfläche des Rahmens 60a an einer stromaufwärtsseitigen Seite desselben angeordnet ist, und einen halbkreisförmigen Oberseitenabschnitt 86, der an einer Endfläche der Abdeckung 64 an einer stromabwärtsseitigen Seite derselben angeordnet ist, umgeben. Dadurch wird das Stromkabel 80 in seiner Position fixiert, und dementsprechend wird das Output-Substrat 74 zuverlässig an dem Abstandshalter 60 befestigt.
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Die obere Fläche der Abdeckung 64 ist etwas unterhalb des Umfangskantenbereiches angeordnet. Eine Beschriftungsplatte 88 ist an der oberen Fläche aufgeklebt, wobei die Beschriftungsplatte 88 bspw. die Modellnummer des Strömungssensors 10 und die Richtung der Luftströmung angibt.
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Die jeweiligen Teile des Strömungssensors 10 werden in der oben beschriebenen Weise integral zusammengesetzt, so dass das Sensorsubstrat 18, das Output-Substrat 74 und die anderen Komponenten in der Nut 38 des Grundkörpers 14 aufgenommen und befestigt sind. Dann werden die Komponenten durch die Abdeckung 64 eingeschlossen.
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Als nächstes wird die Funktions- und Wirkungsweise des Strömungssensors 10, der im Wesentlichen wie oben beschrieben aufgebaut ist, erläutert.
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Der Strömungssensor 10 wird an einen mittleren Bereich des Durchflussdurchgangs angeschlossen, in welchem Luft als zu messendes Fluid strömt, indem nicht dargestellte Verbindungselemente an den Einsetzmuttern 40, 42 des Einlasses 20 und des Auslasses 22 angebracht werden. Außerdem wird das Stromkabel 80 an eine nicht dargestellte Stromquelle und eine externe Vorrichtung angeschlossen, wodurch die Strömungsrate der Luft gemessen werden kann.
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Wie in 3 gezeigt ist, strömt Luft von dem Einlass 20 in Richtung des Pfeils. Durch das Gitter 44 erfolgt eine Strömungseinstellung und Staubentfernung, woraufhin die Luft dann in den Durchflussdurchgang 12 strömt. Ein Teil der Luft, der in dem Strömungsdurchgang 12 fließt, tritt durch einen oberen Bereich des Strömungsdurchgangs 12 entlang der oberen Wand 26, woraufhin die Luft zu dem Auslass 22 fließt, nachdem sie durch den zwischen der Drosselfläche 24a und der oberen Wand 26 gebildeten Raum hindurchgetreten ist. Andererseits strömt ein anderer Teil der Luft in den Strömungsdurchgang 12 und tritt durch den unteren Bereich des Strömungsdurchgangs 12 entlang der Bodenwand 26a, woraufhin die Luft entlang der geneigten Fläche 24b sich nach oben bewegt und durch einen zwischen der Drosselfläche 24a und der oberen Wand 26 gebildeten Raum hindurch tritt. Die Luft strömt dann aus dem Auslass 22 nach außen. Der Raum zwischen der Drosselfläche 24a und der oberen Wand 26 ist im Vergleich zu dem Einlass 20 ausreichend gedrosselt (verengt). Daher passiert die Luft eine Seite der Erfassungsfläche 16b des Sensors 16, wobei eine ausreichende Strömungseinstellung der Luft erreicht wird. Dementsprechend misst der Sensor 16 die Strömungsrate der Luft, wobei eine Spannung, die der Größe der Strömungsrate proportional ist, über das Stromkabel 80 zu einer externen Vorrichtung ausgegeben wird.
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Zum Messen der Strömungsrate in der oben beschriebenen Weise ist der trapezförmige Vorsprung 24 in dem Durchflussdurchgang 12 des Strömungssensors 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Der Durchflussdurchgang 12 des Strömungsdurchgangs 10 hat einen trapezförmigen Aufbau einschließlich der Drosselfläche 24a und der geneigten Fläche 24b. Dementsprechend wird der Luftstrom an der geneigten Fläche 24b zusätzlich zu der durch die Gitter 44, 45 bewirkten Strömungseinstellung stabilisiert. Dadurch kann ein nachteiliges Auffächerungsphänomen (Exfoliation) der Luft an den jeweiligen Wandflächen des Strömungsdurchgangs 12 vermieden werden. Somit kann die Strömungsrate auch bei Strömungsraten, die sich in einem weiten Bereich zwischen niedrigen Strömungsraten und sehr hohen Strömungsraten verändern, stabil gemessen werden.
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Aufgrund des trapezförmigen Aufbaus des Durchflussdurchgangs 12 kann die Strömungsrate mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden, auch wenn die Form von Rohrleitungen, die vor und hinter dem Strömungssensor 10 angeordnet angeschlossen sind, sich bspw. von einem Durchmesser von 8 mm auf 4 mm ändert. Aufgrund des oben genannten trapezförmigen Aufbaus sind geradlinige Bereiche in den Rohrleitungsabschnitten, die vor und nach dem Strömungssensor 10 vorgesehen und angeschlossen sind, nicht erforderlich, um die Strömung zu stabilisieren. Daher kann der Strömungssensor 10 mit größerer Freiheit installiert werden.
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Als Folge der Strömungseinstellung, die durch den trapezförmigen Aufbau erreicht wird, kann die Zahl der Gitter 44, 45 erfolgreich auf bspw. lediglich ein Gitter minimiert werden. Dadurch ist es möglich, die Produktgröße und die Produktionskosten zu reduzieren. Außerdem wird die Produktionseffizienz gesteigert.
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Bei dem Stand der Technik, wie er in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 2004-3887 A beschrieben ist, wird die Luftströmung mit Hilfe der kreisbogenförmigen Fläche des Strömungsdurchgangs eingestellt. Fließt Luft mit einer großen Strömungsrate plötzlich in den Durchflussdurchgang ein, so wird die Luft durch die kreisbogenförmige Fläche nach oben angehoben und kollidiert mit dem Sensor. Daher besteht die Befürchtung, dass der Sensor beschädigt oder zerstört werden kann. Im Gegensatz dazu strömt bei dem Strömungssensor
10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dank des oben beschriebenen trapezförmigen Aufbaus die Luft, die entlang der geneigten Fläche
24b fließt, zu der stromaufwärtsseitigen Seite, die gegenüber dem Erfassungsabschnitt
16a versetzt ist, ohne direkt mit dem Erfassungsabschnitt
16a des Sensors
16 zu kollidieren, wobei die Luft einfach über den Bereich der Erfassungsfläche
16b hinweg tritt. Auch wenn bspw. Luft mit einer großen Strömungsrate plötzlich in den Durchflussdurchgang eintritt, kann daher eine Beschädigung oder Zerstörung des Erfassungsabschnitts
16a des Sensors
16 vermieden werden.
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Bei dem Strömungssensor 10 können die Gitter 44, 45 einfach mit Hilfe der Befestigungsschrauben 46, 48 angebracht bzw. entfernt werden. Wenn bspw. Staub oder dgl. an dem Gitter 44 anhaftet, kann daher ein Benutzer das Gitter 44 einfach austauschen.
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Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau, der ein Gitterelement verwendet, wie es bspw. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 2005 -
315788 A beschrieben ist, neigt die Messgenauigkeit dazu, zu schwanken, wenn das Gitterelement ausgetauscht wird. Daher ist es notwendig, Einstelloperationen durchzuführen, wenn das Gitterelement gewechselt wird. Bei dem Strömungssensor
10 gemäß der vorliegenden Erfindung wird dagegen die Strömungseinstellung durch den trapezförmigen Aufbau bewirkt, wodurch die Zahl der Gitter
44,
45 minimiert wird. Daher sind die Schwankungen der Messgenauigkeit, die durch einen Austausch der Gitter
44,
45 bewirkt werden, extrem gering. Mit anderen Worten kann die Luftströmung mit Hilfe des trapezförmigen Aufbaus des Vorsprungs
24 eingestellt werden. Wenn die Gitter
44,
45 ausgetauscht werden, wird daher nur ein geringer Einfluss auf die gesamte Strömungseinstellung des Durchflussdurchgangs
12 ausgeübt. Daher kann der Austausch oder Wechsel der Gitter
44,
45 einfach durchgeführt werden.
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Mit Bezug auf die 7 bis 9 werden Messergebnisse erläutert, die den Einfluss des trapezförmigen Aufbaus des Vorsprungs 24 auf die Erfassungsgenauigkeit des Sensors 16 zeigen.
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Die 7 bis 9 sind Diagramme, die den Ausgangsspannungswert (Strömungsratenwert), der durch den Sensor 16 erreicht wird, in einem Zustand darstellen, in dem Luft mit einer konstanten Strömungsrate, kontinuierlich durch den Sensor 16 fließt. Die Zeit (in Sekunden) ist auf der horizontalen Achse angegeben, während die Spannung (in mV) auf der vertikalen Achse aufgetragen wird. In diesem Fall ist die theoretische Ausgangsspannung des Sensors 16, die erwartet wird, wenn Luft mit einer konstanten Strömungsrate durch den Sensor 16 fließt, auf A (mV) eingestellt, wie es in den 7 bis 9 gezeigt ist.
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7 zeigt die Ergebnisse, die bei einer Anordnung erhalten werden, bei welcher die Gitter 44, 45 und der Vorsprung 24 nicht vorgesehen sind. 8 zeigt die Ergebnisse, die bei einer Anordnung erhalten werden, bei denen eines der Gitter 44, 45 aber kein Vorsprung 24 vorgesehen war. 9 zeigt die Ergebnisse, die bei einer Anordnung erhalten werden, bei denen eines der Gitter 44, 45 zusammen mit dem Vorsprung 24 vorgesehen sind, d.h. die Ergebnisse, die mit einem Strömungssensor 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
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Wie in den 7 und 8 dargestellt ist, kann dann, wenn der Vorsprung 24 nicht vorgesehen ist und kein Gitter 44, 45 oder lediglich ein Gitter 44, 45 vorgesehen ist, die Ausgangsspannung des Sensors 16 nicht stabilisiert werden und starkes Rauschen wird erzeugt. Es wird angenommen, dass dieses Rauschen erzeugt wird, weil die Luft keine ausreichende Strömungseinstellung erfahren hat.
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Wenn andererseits, wie in 9 gezeigt ist, der Vorsprung 24 zusammen mit einem der Gitter 44, 45 vorgesehen wird, d.h. bei einem Strömungssensor 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist das Rauschen außerordentlich gering und die Strömungsrate kann stabil und sehr genau gemessen werden. Wie sich aus den Ergebnissen deutlich ergibt, können stabile und sehr genaue Messungen durchgeführt werden, indem der Vorsprung 24 zusammen mit dem trapezförmigen Aufbau des Durchflussdurchgangs 12 verwendet wird.
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Auch wenn der Vorsprung 24 nicht vorgesehen ist, ist es immer noch möglich, die Luftströmung ausreichend einzustellen, indem die Zahl der Gitter 44, 45 erhöht wird. In diesem Fall tritt aber der Nachteil auf, dass die Länge des Strömungssensors in der Längsrichtung erhöht wird. Wenn eine Vielzahl von Gittern 44, 45 verwendet wird, hängt die Reproduzierbarkeit von den Befestigungspositionen, der Befestigungsgenauigkeit und der Zahl der verwendeten Gitter 44, 45 ab. Daher tritt das Problem auf, dass die Montagezeit (Produktionseffizienz) und die Qualität verschlechtert werden. Bei dem Strömungssensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung können dagegen dank des trapezförmigen Aufbaus des Vorsprungs 24 die Montagezeit (Produktionseffizienz) und die Qualität bei minimierter Größe verbessert werden.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform strömt die Luft von dem Einlass 20 in den Durchflussdurchgang 12. Der Strömungssensor 10 umfasst jedoch die geneigte Fläche 24c zusätzlich zu der geneigten Fläche 24b. Daher kann der Strömungssensor 10 auch so angebracht werden, dass die Luft von dem Auslass 22 in den Strömungsdurchgang 12 eintritt. Dadurch wird der Freiheitsgrad bei der Installation des Strömungssensors 10 erhöht.
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Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde beispielhaft anhand von Luft als dem zu messenden Fluid erläutert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch die Messung der Durchflussraten von anderen Fluiden als Luft einschließlich bspw. Stickstoff und verschiedenen anderen Gasen ermöglicht.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Querschnitt des Durchflussdurchgangs 12 kreisförmig. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Kreisform beschränkt. Der Querschnitt des Durchflussdurchgangs 12 kann auch bspw. rechteckig ausgestaltet sein.