(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に吸入される空気の流量を検出するための発熱抵抗体と、発熱抵抗体と電気的に接続され、前記発熱抵抗体からの放熱量あるいは検出温度により吸入空気の流量に応じた信号を出力する電子回路を有する発熱抵抗式流量測定装置において、
表面に撥水性かつ撥油性を有するコーティングで全面覆われた発熱抵抗体であって、該発熱抵抗体は、発熱抵抗式空気流量測定装置の停止時から起動する時に、表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度以上の温度（当該温度を含む）で３００℃〜４６０℃の温度になるように、温度が設定され、発熱抵抗式空気流量測定装置の停止時から起動した時に、該温度範囲で使用されて表面に接触した水滴を膜沸騰で蒸発消滅させることを特徴とする発熱抵抗式空気流量測定装置。
【請求項２】
請求項１において、発熱抵抗式空気流量測定装置の起動時にのみ、発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度以上の温度（当該温度を含む）に、発熱抵抗体の温度を設定したことを特徴とする発熱抵抗式空気流量測定装置。
【請求項３】
請求項１において、発熱抵抗式空気流量測定装置の停止時にのみ、発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度以上の温度（当該温度を含む）に、発熱抵抗体の温度を設定したことを特徴とする発熱抵抗式空気流量測定装置。
【請求項４】
内燃機関に吸入される空気の流量を検出のために表面温度が設定される発熱抵抗体と、発熱抵抗体と電気的に接続され、前記発熱抵抗体からの放熱量あるいは検出温度により吸入空気の流量に応じた信号を出力する電子回路を有する発熱抵抗式流量測定装置において、
表面に撥水性かつ撥油性を有するコーティングで全面覆われた発熱抵抗体であって、該発熱抵抗体は、発熱抵抗式空気流量測定装置の停止時から起動する時に、表面温度が３００℃〜３５０℃内のいずれかの温度に設定され、発熱抵抗式空気流量測定装置の停止時から起動した時に、該温度範囲で使用されて表面に接触した水滴を膜沸騰で蒸発消滅させることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸入空気通路を流れる空気流量を測定する空気流量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来例を示す公知例として特開２０００−１６９７９５記載のエンジン制御装置がある。特開２０００−１６９７９５は、自動車の吸気管内で使用されるセンサまたはアクチュエータ素子における汚れの付着防止についての発明であり、センサまたはアクチュエータ素子に撥水性または撥油性の付着防止コーティング、例えばフッ素コーティングを設ける旨の記載がある。発明の効果は、吸気管内で存在する汚水、石油、飛沫、シリコン油、煤、塩、炭化水素、ダスト粒子の付着を防止できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、吸気管内で存在する汚水、石油、飛沫、シリコン油、煤、塩、炭化水素、ダスト粒子のうち、特に塩が発熱抵抗式空気流量測定装置に付着することを防止するものである。海岸地域の海塩または寒冷地の融雪塩を含んだ雨雪を吸気した場合、発熱抵抗体に集中して塩が堆積して固着するという課題がある。発熱抵抗体への塩の堆積固着は、空気流量測定装置の計測精度劣化や、発熱抵抗体の腐食の原因となる。
【０００４】
そこで上記従来技術で述べたように撥水性または撥油性の付着防止コーティングを設けることで、発熱抵抗体に塩を含んだ水滴が接触し蒸発消滅したときに塩が堆積固着するのを防止することが試みられた。しかしながら、撥水性または撥油性の付着防止コーティングを使用した場合でも、発熱抵抗体の表面温度が低いと、発熱抵抗体の表面に塩が堆積し固着する不具合がでてきた。
【０００５】
本発明は、発熱抵抗体の表面に塩が堆積し固着する不具合をなくすることのできる発熱抵抗式空気流量測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度かそれ以上の温度に、発熱抵抗体の温度を設定した。また、発熱抵抗式空気流量測定装置の起動時または停止時に、発熱抵抗体の表面に接触した液滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度かそれ以上の温度に、発熱抵抗体の温度を設定してもよい。また、発熱抵抗体の表面に撥水性かつ撥油性の保護コーティングを設けてもよい。
【０００７】
材料表面の水滴が加熱されて消滅する現象としては、以下の４つの状態が存在する。
１．  対流：沸騰開始温度以下では対流で加熱されて蒸発する。
２．  核沸騰：伝熱面場のくぼみ、突起などで沸騰する。その他の部分では対流。
３．  遷移沸騰：核沸騰から膜沸騰への遷移領域。
４．  膜沸騰：伝熱面全面が蒸気で覆われる。
【０００８】
核沸騰（遷移沸騰）の温度条件では、伝熱面は部分的に沸騰している箇所と、沸騰していない箇所が存在する。沸騰していない箇所では、水滴と伝熱面が接触している。水が蒸発するに伴い、水滴中の塩濃度が上昇する。塩が飽和濃度を超えた段階で、塩の析出が始まる。水滴は伝熱面と接触しているため、塩は伝熱面に析出するため、塩と伝熱面の密着性は高い。
【０００９】
膜沸騰の温度条件では、伝熱面は全面が蒸気で覆われているため、熱伝達は核沸騰に比べて小さい。すなわち蒸気膜内の熱伝導による膜を隔てた静かな安定な沸騰形態である。水滴中の塩濃度が上昇して塩が飽和濃度を超えた場合、塩の析出が始まる。水滴は伝熱面と接触しておらず、蒸気膜とのみ接触している。そのため、塩は宙に浮いた状態で析出するため、塩と伝熱面の密着性は著しく低い。
【００１０】
ここで、発熱抵抗体の設定温度は出来得る限り高温に設定するものではない。高温に設定した場合、発熱抵抗式空気流量測定装置の発熱抵抗体の寿命が著しく短くなる、あるいは、その電子回路に搭載された電子部品や接続部も高温に維持されるため、劣化や故障が懸念されるためである。このため、最大温度を４６０℃に、望ましくは３５０℃以下に設定する。
【００１１】
エアークリーナを通過した塩を含んだ水滴は発熱抵抗体に接触する。液体は発熱抵抗体表面から加熱の程度により、上述のように対流、核沸騰、遷移沸騰、膜沸騰状態で消滅する。このように発熱抵抗体の温度が膜沸騰で蒸発消滅する温度またはそれ以上の温度である場合、発熱抵抗体の表面が撥水性または撥油性である場合と同等以上に、水は発熱抵抗体に水膜として付着しない。また水滴が発熱抵抗体の凹部に停留しても、発熱抵抗体の表面と水滴の間は完全に蒸気で隔てられているため、水滴中の塩は発熱抵抗体の表面に堆積固着することなく塊状に析出する。この塊状の塩は、発熱抵抗体の表面から浮いた状態で析出しているため、吸入空気の流れがあれば吹き飛ばされる。膜沸騰現象による撥水性または撥油性の効果は、表面温度のみに依存するため、長期使用後も同様の効果が得られる。
【００１２】
発熱抵抗体の表面温度が膜沸騰で蒸発する温度以下では水滴が発熱抵抗体表面に濡れて所定の接触角でもって水膜として付着した状態で対流または核沸騰または遷移沸騰により水膜が蒸発消滅する。この場合、水膜が蒸発消滅する過程で塩と発熱抵抗体は接触しているため、水滴中の塩は発熱抵抗体の表面に堆積固着する。
【００１３】
したがって、本発明により、発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度かそれ以上の温度に、前記発熱抵抗体の温度を設定すれば、塩を含んだ水滴を発熱抵抗体の表面に付着しないで、吹き飛ばされる。たとえ凹部に停留しても、発熱抵抗体の表面と水滴の間は完全に蒸気で隔てられているため、水滴中の塩は発熱抵抗体の表面に堆積固着することなく塊状に析出して吹き飛ばされる。上記のメカニズムで、発熱抵抗体の表面に塩が堆積固着するとは防止できる。なお、発熱抵抗体の表面に汚れが付着した場合でも効果はある。
さらに、発熱抵抗式空気流量測定装置の停止時に結露などによる水滴による塩の堆積固着は、撥水性かつ撥油性の付着防止表面コーティングを発熱抵抗体の表面に設けることで防止できる。また、発熱抵抗式空気流量測定装置の起動時または停止時にのみ、発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発する温度かそれ以上の温度に、発熱抵抗体の温度を設定しても防止できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例である発熱抵抗式空気流量測定装置の構成図である。
発熱抵抗式空気流量測定装置３は、発熱抵抗体１及び感温抵抗体２を内燃機関の吸気管路１１の内部に配置し、発熱抵抗体１及び感温抵抗体２は、電源管理回路４、発熱抵抗体加熱制御回路(以下制御回路と記す)５、出力調整回路６等からなる電子回路と電気的に接続されている。発熱抵抗体１の加熱温度は、制御回路５により感温抵抗体２が検出する吸気温度とほぼ一定温度差になるよう制御されており、従って、発熱抵抗体１から吸入空気１２への放熱量により、吸入空気流量を検出可能なものである。発熱抵抗式空気流量測定装置３の流量検出方式は、加熱ヒータとそれにより加熱された温度検出抵抗により検出するものなど他の方式もあるが、本発明はどの方式も同様であるため個々の方式での説明は割愛する。この発熱抵抗式空気流量測定装置には、電源と接続する電源端子７ａ、流量信号を出力する流量出力端子８ｃ、吸気温度信号を出力する温度出力端子９ｃ及びグランド端子１０を有し、外部機器と電気的に接続されている。
【００１５】
発熱抵抗式空気流量測定装置３の発熱抵抗体１は、流量計測中、すなわちエンジン駆動中は加熱制御されている。発熱抵抗体の加熱温度と吸気温度は一定温度差であるため、吸気温度（外気温度）が低い場合（例えば寒冷地）は発熱抵抗体の表面温度は相対的に低くなる。エンジン流量計測用の発熱抵抗式空気流量測定装置３は、発熱抵抗体１の加熱温度を機種により異なるものの、通常、制御回路５により感温抵抗体２が検出する吸気温度より２００℃高くなるように制御される。吸気温度は−４０〜１２０℃を対象としていることから、従来製品の発熱抵抗体の表面温度は１６０〜３２０℃に設定されていることになる。
【００１６】
本実施例は、発熱抵抗体１の表面温度を発熱抵抗体の表面に接触した水が膜沸騰で蒸発する温度かそれ以上の温度に維持されるように制御回路５を設定した発熱抵抗式空気流量測定装置３である。すなわち、吸気温度（外気温度）が低い場合でも発熱抵抗体１の表面に接触した水滴が膜沸騰で消滅する温度かそれ以上の温度に維持する構成としている。全ての使用環境において発熱抵抗体の温度が３００℃以上に維持される構成とすれば、発熱抵抗体に液滴に含まれる塩が堆積固着することはない。
前記電子回路に、発熱抵抗体１の表面温度を複数個記憶を持たせて上述したいずれかの表面温度を選択し、設定する手段を付加するようにしてもよい。
【００１７】
図２に、高温面上に３％ＮａＣｌの水滴１０μｌ滴下したときの水滴が消滅するまでの寿命と表面温度の関係を示す。液滴は、表面温度が高くなるに従い対流、核沸騰、遷移沸騰で蒸発消滅し、３００℃以上で膜沸騰により蒸発消滅する。３００℃以上では、表面と水滴の間は完全に蒸気で隔てられているため、水滴は回転楕円体状のまま静止した。発熱抵抗体の表面に汚れが付着した場合、これらの付着物が発泡点となるため核沸騰は平滑面に比べて低温で発生する。ただし、いかに核沸騰を起こしやすい表面であっても、表面温度が３００℃以上と高ければ水滴は膜沸騰になる。
【００１８】
このように発熱抵抗体の温度が膜沸騰の温度以上である場合、発熱抵抗体の表面が撥水性または撥油性である場合と同等以上に、水滴は付着せず水膜は形成されない。また水滴が発熱抵抗体の凹部に停留しても、発熱抵抗体の表面と水滴の間は完全に蒸気で隔てられているため、図３ａに示すように水滴１８中が蒸発消滅しても、塩２０が発熱抵抗体１の表面に堆積固着することなく塊状に析出する。この塊状の塩２０は、発熱抵抗体１の表面から浮いた状態で析出しているため、吸入空気の流れで吹き飛ばされる。撥水性または撥油性の付着防止表面コーティング１５は長期使用によりその性能が劣化する場合があるが、遷移沸騰または膜沸騰現象による撥水性または撥油性の効果は表面温度のみに依存するため、長期使用後も同様の効果が得られる。
【００１９】
一方、発熱抵抗体１の温度が膜沸騰以下の温度の場合は、水滴が発熱抵抗体表面に濡れて所定の接触角でもって付着した状態、水膜１９の状態で対流または核沸騰または遷移沸騰により水分が蒸発消滅する。この場合、図３ｂに示すように水膜１９は蒸発する過程で塩２０と発熱抵抗体は接触しているため、発熱抵抗体１に塩２０は堆積固着する。この場合、吸入空気の流れで吹き飛ばすことは難しい。
【００２０】
本発明の別の実施例を以下に示す。本発明の発熱抵抗式空気流量測定装置では、全使用環境で発熱抵抗体の温度を３００℃以上にするために、吸気温度に対する温度差３４０℃を設定して発熱抵抗体の温度は３００〜４６０℃となる。従来製品は吸気温度−４０〜１２０℃、吸気温度に対する温度差２００℃を設定しているため、発熱抵抗体の温度は１６０〜３２０℃となる。このように発熱抵抗体を最高４６０℃で使用した場合、抵抗体の寿命が低下するため、常時４６０℃でセンサを使用するのが困難な場合がある。そこで、発熱抵抗式空気流量測定装置の起動時に、発熱抵抗体１の表面温度を発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発する温度３００℃かそれ以上の温度に維持されるように制御回路５を設定し、一定時間後に従来と同様の発熱抵抗体の温度１６０〜３２０℃に設定する。吸気温度が１２０℃と高温の場合は常時３００℃を超えているため塩が堆積固着することはない。しかし、吸気温度が−４０℃と低温の場合は発熱抵抗体の温度は１６０℃であり、発熱抵抗式空気流量測定装置の稼動時に塩が残留する場合がある。発熱抵抗式空気流量測定装置が停止時に結露すると塩が潮解して水膜を形成する。この水膜は、発熱抵抗式空気流量測定装置起動時の３００℃以上の加熱で膜沸騰状態にして吹き飛ばすことができる。したがって、発熱抵抗体の表面に塩が堆積固着することはない。
上記の例では、発熱抵抗体の温度を３００〜４６０℃に設定したが、３００〜３５０℃内に設定することが発熱抵抗体の寿命を長くする点で望ましい。
【００２１】
また、発熱抵抗式空気流量測定装置の停止時に、発熱抵抗体１の表面温度を発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発する温度３００℃かそれ以上の温度に維持されるように制御回路５を設定し、一定時間後に従来と同様の発熱抵抗体の温度１６０〜３２０℃に設定することによっても、起動時に膜沸騰で蒸発する温度３００℃かそれ以上の温度に維持するのと同様の効果がある。
【００２２】
エンジン停止時には発熱抵抗体の温度は低下するため、この期間に発熱抵抗体の表面に汚れや結露水が付着することがある。また、岩塩を含んだ水滴がセンサに付着すると、一部が潮解性のある塩基性物質に変化して、センサ停止時にこの物質が吸水することがある。そこで、本発明の別の実施例を示す。センサ停止時には撥水性かつ撥油性の保護コーティングにより汚れや結露水の付着を防止して、センサ稼動時は発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発する温度かそれ以上の温度に発熱抵抗体の温度を設定して塩の付着を防止することができる。図４に本発明の発熱抵抗体１を示す。発熱抵抗体としては構造化されたシリコンからなる小片の形で構成されているもの（図４ａ）でも、電気絶縁基体上に金属線が巻回された形で構成されているもの（図４ｂ）でもよい。図４ａでは、シリコン基板１３をベースに半導体製造工程で製作したＳｉＯ２やＳｉＮなどからなるダイアフラム１４上に白金またはポリシリコンなどの発熱抵抗体１や感温抵抗体２を形成している。図４ｂでは円筒状のアルミナ絶縁基板上１６に白金細線１７を形成している。これらの発熱抵抗体の表面には、前記発熱抵抗体に撥水性かつ撥油性の保護コーティング１５を設けている。保護コーティングは発熱抵抗体を全面覆う必要がある。すなわち、部分的に保護コーティングが欠落していると、その欠落箇所を起点として塩の堆積固着が生じるためである。
【００２３】
図５（ａ）は、熱式空気流量計の測定素子２１の概略平面図である。基板である矩形状の多結晶シリコン基板２２の中央部には、下面に空洞部２３を有する薄膜ダイアフラムが形成されている。この薄膜ダイアフラムには、発熱抵抗体２２６、発熱抵抗体２６の温度を計測するための側温抵抗体２４、２５、空気温度を計測するための空気温度側温抵抗体２７が設けられている。マイクロヒータとして機能する発熱抵抗体２６および測温抵抗体２４、２５、２７は同様の膜構造を採用して形成したものである。
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した薄膜ダイアフラムの部分をＡ−Ａ線に沿って切断した断面を示すもので、発熱抵抗体２６や測温抵抗体２４、２５、２７は、下部薄膜２８および上部薄膜２９とにより挟まれている。
【００２４】
上記構成の熱式空気流量計は、図６に示すように、測定素子２１を支持する支持体４０、そして外部回路４１などを備えている。測定素子２１と外部回路４１とは、測定素子２１の各端子電極３６（図５参照）と外部回路４１との間の、支持体４０により保護された図示していない配線により電気的に接続されている。測定素子２１は、電子制御燃料噴射装置の吸気通路４２内部にある副通路４３内に配置され、外部回路４１は、吸気通路４２の外壁面に設置されている。
【００２５】
吸気流量を検出する原理としては、白抜きの矢印４４で示す方向から空気が流れてくると、その空気の温度Ｔを空気温度測温抵抗体により検出し、発熱抵抗体に対して検出した空気の温度Ｔよりも一定温度ΔＴだけ高い状態を保持するように通電する。このとき、発熱抵抗体２４、２５の表面流通する空気の流量に応じて表面から奪われる熱量が異なるので、発熱抵抗体へ供給する電流も空気の流量に応じて変化することになる。そこで、このとき発熱抵抗体２６へ供給している電流から吸気流量を検出することができるようになる。また、上流側の側温抵抗体の温度が低くなる特性を利用して、空気流の方向が検知できる。
【００２６】
ここで、発熱抵抗体の温度は１６０〜３２０℃が設定されている従来製品の発熱抵抗式空気流量測定装置に対して、発熱抵抗体に撥水性かつ撥油性の保護コーティングを設けた場合について述べる。この場合、発熱抵抗体の表面に接触した水滴は対流、核沸騰、遷移沸騰で蒸発消滅する。撥水性かつ撥油性の保護コーティングは水かつ油の接触角が９０〜１７０度程度と大きい。撥水性かつ撥油性の付着防止表面コーティングに水滴や油滴を滴下すると球状を保っている。しかし接触角が１８０度でない限り、水滴の一部は、ある意味水膜として、撥水性かつ撥油性の保護コーティングと接触している。発明者等は、この状態で表面を１６０℃に加熱すると、撥水性かつ撥油性ではない通常の表面と同様に、図３ｃに示すように水膜１９が接触面で核沸騰を生じた後に塩２０が表面に堆積固着することを見出した。したがって、撥水性かつ撥油性の保護コーティング１５を単独で使用した場合には、塩２０の堆積固着を防止するには不充分である。以上より、撥水性かつ撥油性の保護コーティングを設ける場合、発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発する温度かそれ以上の温度に発熱抵抗体の温度を設定すれば、塩の堆積固着を防止することができる。
【００２７】
以上、説明したところによれば、次の発熱抵抗式流量測定装置が構成される。
内燃機関に吸入される空気の流量を検出のために表面温度が設定される発熱抵抗体と、発熱抵抗体と電気的に接続され、前記発熱抵抗体からの放熱量あるいは検出温度により吸入空気の流量に応じた信号を出力する電子回路を有する発熱抵抗式流量測定装置において、発熱抵抗体の表面温度を３００℃〜３５０℃内のいずれかの温度に設定した発熱抵抗式流量測定装置。
【００２８】
内燃機関に吸入される空気の流量を検出するため、表面に撥水性かつ撥油性の保護コーティングが設けられ、表面温度が設定される発熱抵抗体と、発熱抵抗体と電気的に接続され、前記発熱抵抗体からの放熱量あるいは検出温度により吸入空気の流量に応じた信号を出力する電子回路を有する発熱抵抗式流量測定装置において、発熱抵抗体の表面温度を３００℃〜３５０℃内のいずれかの温度に設定したことを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【００２９】
内燃機関に吸入される空気の流量を検出するために表面温度が設定される発熱抵抗体と、発熱抵抗体と電気的に接続され、前記発熱抵抗体からの放熱量あるいは検出温度により吸入空気の流量に応じた信号を出力する電子回路を有する発熱抵抗式流量測定装置において、前記電子回路は、発熱抵抗体の表面温度を複数個記憶する手段を有し、３００℃〜３５０℃内のいずれかの表面温度を選択して設定することを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【００３０】
【発明の効果】
発熱抵抗体の表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度かそれ以上の温度に発熱抵抗体の温度を設定して水滴に含まれる塩の堆積固着を防止することにより、発熱抵抗体の汚損や腐食を低減し、発熱抵抗式空気流量測定装置の計測精度の劣化を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である発熱抵抗式空気流量測定装置の構成図。
【図２】高温面上の水滴が蒸発消滅するまでの寿命と表面温度の関係図。
【図３】発熱抵抗体の表面での塩の形態を表す図。
【図４】本発明の一実施例である発熱抵抗体の断面図。
【図５】本発明を適用してなる熱式空気流量計に設けられた測定素子の一実施形態を示す図で、図５（ａ）はその概略平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図。
【図６】本発明を適用してなる熱式空気流量計の一実施形態の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１…発熱抵抗体、２…感温抵抗体、３…発熱抵抗式空気流量測定装置、４…電源管理回路、５…制御回路、６…出力調整回路、７…電源ライン、８…流量信号、９…温度信号、１０…グランドライン、１１…吸気管路、１２…吸入空気、１３…シリコン基板、１４‥ダイアフラム、１５…付着防止表面コーティング、１６…電気絶縁基板、１７…白金細線、１８…水滴、１９…水膜、２０…塩
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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