特開 2022-43087 二重目的のヒータ及び流体フロー測定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022043087

(43)【公開日】2022-03-15

(54)【発明の名称】二重目的のヒータ及び流体フロー測定システム

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/24 20060101AFI20220308BHJP

   F01N 3/00 20060101ALI20220308BHJP

   F01N 11/00 20060101ALI20220308BHJP

   G01F 1/684 20060101ALI20220308BHJP

【ＦＩ】

F01N3/24 L

F01N3/00 F

F01N11/00

G01F1/684 A

【審査請求】有

【請求項の数】19

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021195296

(22)【出願日】2021-12-01

(62)【分割の表示】P 2018545969の分割

【原出願日】2017-03-02

(31)【優先権主張番号】62/302,482

(32)【優先日】2016-03-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】501162454

【氏名又は名称】ワットロー・エレクトリック・マニュファクチャリング・カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】スワンソン、カル

(72)【発明者】

【氏名】エヴァリー、マーク・デー

(72)【発明者】

【氏名】カルバートソン、デイビッド・ピー

(72)【発明者】

【氏名】プラダン、ジェームス・エヌ

(72)【発明者】

【氏名】クアント、ジェレミー・ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】ホヴェン、マーク

(72)【発明者】

【氏名】オーセ、ジェレミー

(72)【発明者】

【氏名】ザング、サンホン

(57)【要約】      （修正有）

【課題】流体フローアプリケーションに用いるための制御システムが提供される。
【解決手段】制御システムは、少なくとも１つの抵抗発熱体を有するヒータを含む。ヒータは、流体フローを加熱するように構成される。制御システムは、流体フローの流動特性を決定するために少なくとも１つの抵抗発熱体からの熱損失を用いる制御装置をさらに含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体フローアプリケーションで使用される制御システムであって、
少なくとも１つの抵抗発熱体を有し、流体フローを加熱するように適合されたヒータと、
前記流体フローの流動特性を決定するために少なくとも１つの抵抗発熱体からの熱損失を使用する制御装置と、を含む
制御システム。

【請求項2】

前記制御装置は、前記流体フローの温度、前記流体フローの速度、前記流体フローのための流路の幾何学的形状、前記流体フローの圧力、前記流体フローの密度、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された特性に基づいて質量流量を計算するように動作可能である
請求項１に記載の制御システム。

【請求項3】

前記流動特性は、流体速度、流体圧力、流体温度、流体乱流、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される
請求項１に記載の制御システム。

【請求項4】

前記ヒータは、前記抵抗発熱体を囲むセラミック絶縁体と、前記セラミック絶縁体を囲む金属シースとをさらに含む
請求項１に記載の制御システム。

【請求項5】

前記ヒータは、流体フローの流路に沿って設けられた複数の抵抗発熱体を含み、前記複数の抵抗発熱体は、流体の流動特性を提供するように適合される
請求項１に記載の制御システム。

【請求項6】

前記制御装置は、前記流体フローの温度、前記流体フローの速度、前記流体フローのための流路の幾何学的形状、並びに、前記流体フローの圧力及び前記流体フローの密度のうちの少なくとも１つ、に基づいて質量流量を計算する
請求項５に記載の制御システム。

【請求項7】

前記流動特性は、流体速度、流体圧力、流体温度、流体乱流、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される
請求項５に記載の制御システム。

【請求項8】

前記制御装置は、前記ヒータのヒータ性能及びエンジン制御モジュールにおける質量流量測定性能を決定するために、前記少なくとも１つの抵抗発熱体及び前記エンジン制御モジュールから流体の流動特性を受信するように動作可能である
請求項１に記載の制御システム。

【請求項9】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体及び前記エンジン制御モジュールから受信した前記流動特性の不一致を決定するように動作可能である
請求項８に記載の制御システム。

【請求項10】

前記制御装置は、不一致が判定された場合に、前記ヒータへの電力を低減するように動作可能である
請求項８に記載の制御システム。

【請求項11】

前記制御装置は、不一致が判定された場合に、エンジン出力を低減するように動作可能である
請求項８に記載の制御システム。

【請求項12】

前記制御装置は、不一致が判定された場合に、誤動作インジケータランプを作動させるように動作可能である
請求項８に記載の制御システム。

【請求項13】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体からの冷却速度、前記少なくとも１つの抵抗発熱体からの加熱速度、及びエンジン制御モジュールからの質量流量データを受信するように動作可能である
請求項１に記載の制御システム。

【請求項14】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体からの測定値によって決定された流動特性に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体に堆積物が形成されているかどうかを判定するように動作可能である
請求項１３に記載の制御システム。

【請求項15】

前記制御装置は、非単調曲線に沿った前記少なくとも１つの抵抗発熱体の抵抗の変化に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体から温度測定値を受信するように動作可能である
請求項１に記載の制御システム。

【請求項16】

前記制御装置は、非単調曲線に沿った前記少なくとも１つの抵抗発熱体の抵抗の傾きの変化に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体から温度測定値を受信するように動作可能である
請求項１５に記載の制御システム。

【請求項17】

前記制御装置は、受信した温度測定値に基づいて前記流体の温度を決定する
請求項１６に記載の制御システム。

【請求項18】

前記制御装置は、非単調曲線に沿った変曲点に基づいて少なくとも１つの抵抗発熱体から温度測定値を受信するように動作可能である
請求項１５に記載の制御システム。

【請求項19】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体に印加される電力の漸進的な変化に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体から温度測定値を受信するように動作可能である
請求項１５に記載の制御システム。

【請求項20】

前記制御装置は、受信した前記温度測定値に基づいて前記流体の温度範囲を決定する
請求項１９に記載の制御システム。

【発明の詳細な説明】

【発明の分野】

【0001】

本開示は、例えば車両の排気システムなどの、ディーゼル排気と後処理システムのような流体フローアプリケーションのための加熱及び検知システムに関する。

【背景技術】

【0002】

このセクションの記述は、単に本開示に関連する背景情報を提供し、先行技術を構成するものではない。

【0003】

エンジンの排気システムのような過渡的な流体フローアプリケーションにおける物理センサの使用は、振動及び熱サイクルのような過酷な環境条件のために困難である。１つの既知の温度センサは、管状部材を保持する支持ブラケットに溶接されるサーモウェルの内部に無機絶縁センサを含む。この設計は、残念ながら、安定性に達するまでに長時間を要し、振動の多い環境では物理センサが損傷する可能性がある。

【0004】

物理センサはまた、多くの適用例において実際の抵抗素子温度の不確実性を示し、その結果、ヒータ電力の設計において大きな安全マージンがしばしば適用される。したがって、物理センサと共に使用されるヒータは、一般に、より低いワット密度を提供し、より大きなヒータサイズ及びコストを犠牲にして、ヒータを損傷するリスクを低くする（より大きな抵抗素子表面積にわたって同じヒータ電力が広がる）。

【0005】

さらに、既知の技術は、熱制御ループ内の外部センサからのオン／オフ制御又はＰＩＤ制御を用いる。外部センサは、ワイヤとセンサ出力との間の熱抵抗による固有の遅延を有する。外部センサは、構成部品の故障モードの可能性を高め、システム全体への機械的な据え付けを制限する。

【0006】

流体フローシステムにおけるヒータの１つの適用例は、種々のガス及び他の汚染物質の大気中への望ましくない放出の低減を助けるために内燃エンジンに結合される車両排気である。これらの排気システムは、典型的には、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）、触媒コンバータ、選択的触媒還元（ＳＣＲ）、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、リーンＮＯ_Ｘトラップ触媒（ＬＮＴ）、アンモニアスリップ触媒、これらの改良版などが挙げられる。ＤＰＦ、触媒コンバータ及びＳＣＲは、排気ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、粒子状物質（ＰＭ）及び未燃焼炭化水素（ＨＣ）を捕捉する。ヒータは、排気温度を上昇させ、触媒を活性化させ、及び／又は排気系に捕捉された粒子状物質又は未燃焼炭化水素を燃焼させるために、定期的又は所定の時間に活性化される。

【0007】

ヒータは一般に、排気管又は排気システムの容器などの構成部品に設置される。ヒータは、排気管内に複数の発熱体を含み、典型的には同じ熱出力を提供するために同じ目標温度に制御される。しかしながら、隣接する発熱体からの異なる熱放射、及び発熱体を通過して流れる異なる温度の排気ガスのような、異なる運転条件のために、典型的に温度勾配が生じる。

【0008】

ヒータの寿命は、最も過酷な加熱条件下にあって最初に故障する発熱体の寿命に依存する。どの発熱体が最初に故障するかを知らずにヒータの寿命を予測することは困難である。すべての発熱体の信頼性を向上させるために、発熱体は、典型的には、発熱体のいずれかの故障を低減及び／又は回避するために、安全率で動作するように設計される。したがって、あまり過酷でない加熱条件下にある発熱体は、典型的には、それらの最大利用可能な熱出力をはるかに下回る熱出力を生成するように動作する。

【発明の概要】

【0009】

本開示では、流体フローを加熱するように適合された少なくとも１つの抵抗発熱体を有するヒータを含む流体フローアプリケーションで用いるための制御システムが提供される。制御システムは、流体フローの流動特性を決定するために、少なくとも１つの抵抗発熱体からの熱損失を用いる制御装置をさらに含む。１つの形態では、制御装置は、流体フローの温度、流体フローの速度、流体フローのための流路の幾何学的形状、流体フローの圧力、流体フローの密度、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された特性に基づいて質量流量を計算するように動作可能である。流動特性は、流体速度、流体圧力、流体温度、流体乱流、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されてもよい。

【0010】

別の形態では、制御装置は、ヒータのヒータ性能及びエンジン制御モジュールの質量流量測定性能を決定するために、少なくとも１つの抵抗発熱体及びエンジン制御モジュールから、流動特性を受信するように動作可能である。さらに、制御装置は、少なくとも１つの抵抗発熱体及びエンジン制御モジュールから受信した流動特性の不一致を決定するように動作可能である。さらに、制御装置は、少なくとも１つの抵抗発熱体からの冷却速度、少なくとも１つの抵抗発熱体からの加熱速度、及びエンジン制御モジュールからの質量流量データを受信するように動作可能である。この情報に基づいて、制御装置は、少なくとも１つの抵抗発熱体からの測定値によって決定された流動特性に基づいて、少なくとも１つの抵抗発熱体に堆積物が形成されているかどうかを判定することができる。

【0011】

別の形態では、ヒータは、流体フローの流路に沿って設けられた複数の抵抗発熱体を含む。複数の抵抗発熱体は、流体の流動特性を提供するように適合される。

【0012】

さらなる適用領域は、本明細書で示される説明により明らかになるであろう。説明及び特定の実施例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【0013】

本開示が十分に理解されるように、添付の図面を参照しながら、例として与えられたその様々な形態について説明する。

【0014】

【図1】図１は、本開示の原理が適用されるディーゼルエンジン及び排気後処理システムの概略図である。

【0015】

【図2】図２は、本開示の教示による制御システムのブロック図である。

【0016】

【図3】図３は、本開示の教示に従って構成された管状ヒータの断面図である。

【0017】

【図4A】図４Ａは、本開示の教示による複数の連続した抵抗発熱体の概略図である。

【0018】

【図4B】図４Ｂは、本開示の教示による複数の抵抗発熱体の概略図である。

【0019】

本明細書に記載された図面は、単に例示目的のためのものであり、決して本開示の範囲を限定するものではない。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下の説明は、事実上単に例示的なものであり、本開示、用途、又は使用を限定するものではない。図面を通して、対応する参照符号は、同様の又は対応する部分及び特徴を示すことが理解されるべきである。

【0021】

図１に示すように、エンジンシステム１０は、一般に、ディーゼルエンジン１２、交流電源１４（又はいくつかの適用例では発電機）、ターボチャージャ１６、及び排気後処理システム１８を含む。排気後処理システム１８は、排気ガスが大気に放出される前に、ディーゼルエンジン１２からの排気ガスを処理するためにターボチャージャ１６の下流に配置される。排気後処理システム１８は、排気流体フローをさらに処理して所望の結果を達成するように動作可能な１つ以上の追加の部品、装置、又はシステムを含むことができる。１つの形態では、排気後処理システム１８は、加熱システム２０、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）２２、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）２４、及び選択的触媒還元装置（ＳＣＲ）２６を含む。加熱システム２０は、ＤＯＣ２２の上流に配置されたヒータアセンブリ２８と、ヒータアセンブリ２８の動作を制御するヒータ制御装置３０とを含む。排気後処理システム１８は、内部にヒータアセンブリ２８を収容する上流排気導管３２と、ＤＯＣ２２及びＤＰＦ２４が収容される中間排気導管３４と、ＳＣＲ２６が配置される下流排気導管３６とを含む。ディーゼルエンジン１２が示されているが、本開示の教示は、ガソリンエンジン及び他の流体フローアプリケーションにも適用可能であることを理解されたい。したがって、ディーゼルエンジンの適用例は、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

【0022】

ＤＯＣ２２は、ヒータアセンブリ２８の下流に配置され、排気ガス中の一酸化炭素及び未燃炭化水素を酸化するための触媒として働く。さらに、ＤＯＣ２２は、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）に変換する。ＤＰＦ２４は、ＤＯＣ２２の下流に配置され、排気ガスからディーゼル粒子状物質（ＰＭ）又はすすを除去する。ＳＣＲ２６は、ＤＰＦ２４の下流に配置され、触媒を用いて窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を窒素（Ｎ_２）及び水に変換する。ＤＰＦ２４の下流であってＳＣＲ２６の上流には、尿素水溶液を排気ガス流に噴射する尿素水溶液噴射装置２７が配置されている。尿素水がＳＣＲ１８の還元剤として使用されるとき、ＮＯ_ＸはＮ_２，Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２に還元される。

【0023】

本明細書に図示され記載されているエンジンシステム１０は単なる例示であり、したがってＮＯＸ吸着剤又はアンモニア酸化触媒のような他の要素が含まれてもよく、ＤＯＣ２２、ＤＰＦ２４、ＳＣＲ２６を使用しなくてもよい。さらに、ディーゼルエンジン１２が示されているが、本開示の教示は、ガソリンエンジン及び他の流体フローアプリケーションにも適用可能であることを理解されたい。したがって、ディーゼルエンジンの適用例は、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。そのような変形は、本開示の範囲内にあると解釈されるべきである。

【0024】

図２を参照すると、本開示による流体フローアプリケーションで用いるための制御システム１００の一形態のブロック図が示されている。制御システム１００は、本開示の範囲内にあるが、図１のエンジンシステム１０又は他のアプリケーションと共に使用されるのに適している。特に、加熱システム２０は、制御システム１００と共に動作可能である。制御システム１００は、少なくとも１つの抵抗発熱体１４０及び制御装置１６０を有するヒータ１２０を含む。一形態のヒータ１２０は、ヒータアセンブリ２８に組み込まれ、制御装置１６０がヒータ制御装置３０に対応する。少なくとも１つの抵抗発熱体１４０を有するヒータ１２０は、流体フローを加熱するように適合され、したがって例えば排気後処理システム１８内の排気ガスのような流体フローの中又は近くに配置される。

【0025】

一形態では、制御システム１００は、流体フローの流動特性を決定するために、少なくとも１つの抵抗発熱体１４０からの熱損失を用いる制御装置１６０を含む。制御装置１６０は、一例として、本明細書に記載されるような流動特性を決定するために、ヒータ１２０に電力を供給するとともに抵抗発熱体１４０から抵抗データを受信するためのスイッチングデバイス１６２を有する電力コントローラであってもよい。制御装置１６０はまた、電力をヒータ１２０にスイッチするとともに、制御システム１００からの出力を流体フローのさらなる制御のための外部処理装置（図示せず）に送信するためにデータを処理するマイクロコントローラ１６４を含む。

【0026】

ヒータ１２０は、ある流量測定値を提供しながら、流体フロー又は排気ガスを加熱するように構成されている。したがって、ヒータ１２０は、本明細書で説明されるように、排気アプリケーションにおける流体フローの温度又は排気ガスの温度に影響を及ぼす「一次ヒータ」として機能する。制御装置１６０は、少なくとも１つの抵抗発熱体１４０の熱損失又は抵抗の変化を用いて、流体フローの流動特性に基づいて排気ガスの質量流量を決定する。これらの流動特性は、例えば、流体フローの温度、流体フローの速度、流体フローの速度ベクトル、流体フローのための流路の形状、流体フローの圧力、流体フローの密度、及びそれらの組み合わせを含む。流体フローの大きさ及び方向が所望されるか否かに応じて、流体フローの速度又は速度ベクトルのいずれかを用いることができることを理解されたい。流動特性は、より一般的には、流体圧力、流体温度、流体乱流、及びそれらの組み合わせである。制御システム１００は、ヒータ１２０から受信した抵抗データに基づいて、抵抗発熱体１４０の冷却速度に基づいて流体の質量流量を計算する。一般に、質量流量に必要な情報は、流体速度、流体温度、流路の形状及び流体密度である。所与のヒータにおいては、形状は既知であり、概して固定されている。したがって、流体速度は、抵抗発熱体からの抵抗情報及び入口温度に基づいて決定される。流体密度は、流体の温度及び圧力によって決定することができ、又はエンジン条件及び温度のマップから導き出すことができる。

【0027】

抵抗発熱体１４０は、流量を測定する流体よりも高い温度へ電気的に加熱することができる抵抗線であってもよい。流体が加熱された抵抗線を横切って流れるとき、流体は抵抗線に冷却効果をもたらす。多くの金属の電気抵抗は温度に依存する。抵抗線の温度が低下すると、抵抗線の電気抵抗も変化する。これにより、ワイヤの抵抗と流速との関係を得ることができる。したがって、加熱ワイヤは、流体の流量を測定するためにも使用することができる。ヒータ１２０の抵抗発熱体１４０は、排気ガスを加熱するとともに、排気ガスの流量を測定するためにも使用することができる。流体の流動特性に関する情報は、診断目的で使用することもできる。

【0028】

流速は、所与の熱流束密度下での抵抗発熱体１４０の抵抗変化に基づいて決定することができる。流速は、流れの温度、流路の幾何学的形状、及び流れの密度に基づく計算に従って質量流量に変換することもできる。所与のヒータ１２０について、流路の幾何学的形状は既知であり、概して固定されている。流れの密度は、圧力、温度及び理想気体の状態方程式から導くことができる。

【0029】

ＰＶ＝ｎＲＴ、ここで、

【0030】

Ｐ＝気体の圧力

【0031】

Ｖ＝気体の体積

【0032】

ｎ＝気体の物質量

【0033】

Ｒ＝アボガドロ定数

【0034】

Ｔ＝気体の絶対温度

【0035】

あるいは、流れの密度は、エンジン条件及び温度のマップから導き出すことができる。したがって、制御装置１６０は、流速に基づいて質量流量を決定することができる。

【0036】

特定のヒータ構造に関して、抵抗発熱体１４０は、流体フローに直接さらされてもよく、又は流体フローから隔離されてもよい。一形態では、図３に示すように、ヒータ１２０は、絶縁体１４５（典型的には圧縮されたＭｇＯ）に囲まれた抵抗発熱体１４０’を含み、さらにシース１５０に囲まれた管状ヒータ１２０’であってもよい。管状ヒータ１２０’はまた、図示されるように動力ピン１５２及びシール１５４を含むことができる。しかしながら、ヒータ１２０は、とりわけ、ケーブルヒータ、カートリッジヒータ、可撓性ヒータ、又は層状ヒータとすることができ、これらは本開示の範囲内であることを理解されたい。したがって、管状ヒータ１２０’の図示は、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

【0037】

多くの場合、抵抗発熱体１４０及び任意の保護層又は絶縁層を含むヒータ１２０の熱質量は、測定された発熱体１４０の抵抗と流体フロー速度との間の関係を特徴づけるために使用され得る。

【0038】

抵抗発熱体１４０が排気ガス流中に延びる大きな部分を有し、その温度が抵抗発熱体１４０の異なる部分で変化する一形態では、これらの温度の平均を用いることができる。したがって、計算された流速は平均流速である。

【0039】

流体速度は、抵抗発熱体１４０の抵抗を介した温度の測定値に基づいて決定されるため、ヒータ１２０に向かって流れる流入流体の温度が測定に影響を及ぼす。再び図１を参照する。改善された測定を提供するために、場合によって上流の温度センサ１７０を使用することにより、流速さらに結果として質量流量の計算のための情報を提供することができる。

【0040】

別の形態では、ヒータ１２０は、複数の抵抗発熱体１４０を含む。これは、上流の温度センサ１７０が利用できない場合、又は、その追加が所望の精度を達成するために望ましくないコスト又は複雑さを加える場合に、特に有用である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、ヒータ１２０は、同じハウジング１４２内に連続する抵抗発熱体１４０’’及び／又は複数の抵抗発熱体１４０’’’を有することができる。したがって、発熱体１４０は、平均温度及び平均流速の両方を計算するのに十分な流動特性を提供する流速計として流れ方向に沿って配置される。したがって、この構成は、流入する温度及び流速に関連して、抵抗発熱体１４０’’／１４０’’’からの熱流に対する２つの連立方程式を生じさせる。上流の抵抗発熱体１４０’’／１４０’’’によって流れに加えられるエネルギーを考慮すること（並びに、流速計として使用される下流の発熱体の温度及び流速の計算を調整すること）によって、２つの未知の変数の２つの方程式を解くことができる。これは、流体特性、抵抗発熱体１４０’’／１４０’’’及び抵抗発熱体１４０’’／１４０’’’に直に隣接する流路の寸法情報、表面の粗さの情報、及び抵抗発熱体１４０／１４０’’’の表面ならびに隣接する表面の形状に関連する様々な条件における流れの挙動などといった、熱流方程式の他の変数がシステム設計を通じて知られているという仮定に基づいている。この計算は、計算された温度及び流量を含めて、各抵抗発熱体１４０’’／１４０’’’における圧力の推定値を生成し、温度及び２つの隣接する抵抗発熱体１４０’’／１４０’’’の間の流れの圧力及び圧力の差の影響を含む流量を再計算することによって改善することができる。図４Ａ及び図４Ｂに示す概略図は、抵抗発熱体１４０を特定の回路構成に限定するものではない。したがって、本開示の範囲内で、直列及び／又は並列回路構成を採用することができる。

【0041】

図１に示すようなディーゼルエンジンのようなシステムの場合、質量流量のデジタル通信を提供するエンジン制御モジュール（ＥＣＭ）を有するため、制御装置１６０はヒータ１２０から決定された質量流量値を受信し、ＥＣＭから受信したデータと比較することができる。したがって、制御装置１６０は、ヒータ性能の変化又はＥＣＭの質量流量測定性能の変化を判定するための診断ツールとして使用することができる。ＥＣＭからのデータと、流速計としての抵抗発熱体１４０によって測定されたデータとの間に不一致が見つかると、システムの耐久性を維持するため、エンジンはヒータ１２０への電力又はエンジン出力が低減される「リンプ」モードに切り替えられる。本開示の一形態では、誤動作インジケータランプ（ＭＩＬ）が作動することにより、ユーザに警告が伝えられる。

【0042】

加えて、流速計としてのヒータ１２０は、抵抗発熱体１４０上に堆積物が形成されたかどうか、抵抗発熱体１４０が流体フローに直接さらされているかどうか、又はヒータ１２０に堆積物が形成されたかどうかを決定するための診断ツールとして使用することができる。ヒータ１２０に堆積物が形成されたり、ヒータ性能が他の要因の影響を受けると、ヒータ１２０の熱質量が変化することがある。制御装置１６０は、抵抗線によって測定された冷却速度又は加熱速度をＥＣＭからの質量流量データと比較することによって、抵抗発熱体１４０の状態を判定することができる。

【0043】

一般に、抵抗発熱体１４０がオンにされてから、抵抗発熱体１４０が抵抗発熱体１４０を通過する流体を加熱し始めるまでには、時間的な遅れがある。加熱速度の初期値は、ＥＣＭからの質量流量データと比較されて、ヒータ１２０の熱質量及び熱抵抗のその場での特性を提供する。この情報は、一時的なアプリケーションの制御を改善するために制御装置１６０によって使用される。

【0044】

また、流速計としての抵抗ヒータ１２０を温度センサとして用いることもできる。したがって、抵抗発熱体１４０は、加熱、流体フローの流量測定、及び発熱体／流体の温度測定の３つの機能を果たす。抵抗発熱体１４０の抵抗は温度と共に変化するため、抵抗加熱線の温度は、抵抗の変化に基づいて決定することができる。さらに、抵抗と温度との非単調関係を有する材料の場合、ヒータ１２０に電力供給されていないときの非単調曲線における抵抗変化の傾き及び／又は変曲点が決定されることにより、曲線のどの部分が特定の温度に適用されるかが示される。この情報は、測定システムが特定の抵抗と等しくなる温度値を決定するのに使用することができる（非単調の場合、複数の温度で同じ抵抗値を持つことがあるため）。また、抵抗線又はヒータシースが組み合わされた場合、経時的なＲＴ（抵抗－温度）曲線の変化を特定するために温度モデルが使用されることにより、更新される特性に関する情報が提供され、より良い温度制御が可能となる。

【0045】

ヒータ１２０に電力が供給されていないときの温度を測定する代わりに、制御システム１６０は、抵抗発熱体１４０に印加される電力レベルを漸進的に変化させ、動作に従ってシステムの応答を調べることにより温度範囲の決定を容易にする。この例では、電力の漸進的な増加に対応して、正のｄＲ／ｄＴを有する素子材料の抵抗が増加し、動作温度範囲の負のｄＲ／ｄＴを有する材料の抵抗が減少するはずである。類似の手法を用いて、流れ条件／境界層の特性を明確にし、それによってセンサとしてのヒータ１２０のモデルベース制御を精緻にすることができる（すなわち、システム挙動のモデルを使用して、センサとしての抵抗発熱体１４０の精度を向上させる）。

【0046】

さらに別の形態では、抵抗発熱体１４０への電力レベルの周期的な漸進的変化を他の目的に使用することができる。１つの例は、ヒータ１２０が時間Ｔ０～Ｔ１ではＰ－Ｐｉで動作し、時間Ｔ１～Ｔ２のではＰ＋Ｐｉで動作する制御アルゴリズムを含む（ここで、Ｐはヒータ１２０の所望の電力レベルであり、Ｐｉは電力の増分であり、Ｔ０＝Ｔ２－Ｔ１及びＴ１はシステム動作に関連する時定数のほんの一部である［すなわち、Ｔ１は容積流量又は平均バルクフロー温度に対する任意の重要な又は影響の大きい変化に関連する時間と比較して小さな時間増分である］）。この方法では、発熱体１４０の抵抗は、Ｔ１及びＴ２で測定され、Ｔ１及びＴ２での熱流束を決定するために要素温度の過渡的な挙動のモデルと組み合わせられる。これらの２つの熱流束の値を使用して、Ｔ０からＴ２までの時間範囲における流速及び流動温度の決定のための２つの連立方程式が作成される。

【0047】

この測定値をＥＣＭからのガス質量流量データと比較して、時間の経過に伴う抵抗／温度曲線の任意のドリフトを決定することができる。この情報は、動的制御を更新するため、又はヒータの有用寿命を予測するために使用される。

【0048】

流速計としてのヒータ１２０は、加熱及び質量流量測定の両方に使用できるので、ヒータ１２０は、質量流量情報を外部制御装置（図示せず）に送信するため及び外部制御装置からヒータ１２０へ電力を供給するために、２本のワイヤのみを用いて外部制御装置に接続される。

【0049】

流速計としてのヒータ１２０は、ＥＣＭ又は他の供給源からのデータに対する測定値を比較するとき、以下の利点を有する。

【0050】

１．ヒータ性能の診断を提供する。

【0051】

２．堆積物が発熱体１４０上に形成されるかどうかを判定する。

【0052】

３．ヒータの熱質量のその場での特性評価を提供する。

【0053】

４．非単調抵抗／温度特性を有する発熱体１４０の温度を解決することを助ける。

【0054】

５．時間の経過とともに温度特性の変化又はドリフトを識別することを助ける。

【0055】

６．「不感帯」や複数の放射帯を有するアプリケーションで過熱を防止するために、フローがより速く又は遅くなる場所を特定することを助ける。

【0056】

本開示の説明は、事実上単に例示的なものであり、したがって、本開示の内容から逸脱しない変形は、本開示の範囲内にあるものとする。そのような変形は、開示の精神及び範囲からの逸脱とみなされるべきではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【手続補正書】

【提出日】2021-12-24

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体フローアプリケーションで使用される制御システムであって、
曲線を定義する抵抗と温度との間の関係を有する少なくとも１つの抵抗発熱体を有し、流体フローを加熱するように動作可能であり、前記曲線は抵抗と温度との関係を示し複数の温度で同じ抵抗を有する、ヒータと、
前記少なくとも１つの抵抗発熱体の抵抗の変化を使用して、前記流体フローの質量流量及び抵抗と温度との間の前記曲線に沿った前記少なくとも１つの抵抗発熱体の温度を測定する制御装置と、を具備する
制御システム。

【請求項2】

前記質量流量は、前記流体フローの温度、前記流体フローの速度、前記流体フローのための流路の幾何学的形状、前記流体フローの圧力、前記流体フローの密度、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された流動特性に基づく
請求項１に記載の制御システム。

【請求項3】

前記制御装置は、流動特性を測定するように動作可能であり、前記流動特性は、流体速度、流体圧力、流体温度、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される
請求項１に記載の制御システム。

【請求項4】

前記ヒータは、前記少なくとも１つの抵抗発熱体を囲むセラミック絶縁体と、前記セラミック絶縁体を囲む金属シースとをさらに具備する
請求項１に記載の制御システム。

【請求項5】

前記少なくとも１つの抵抗発熱体は、流体フローの流路に沿って設けられた複数の抵抗発熱体を含み、前記制御装置は、前記複数の抵抗発熱体の抵抗の変化に基づいて少なくとも１つの流動特性を測定する
請求項１に記載の制御システム。

【請求項6】

前記複数の抵抗発熱体の抵抗の変化に基づいて、前記制御装置は、平均流体温度、平均流速、又は、それらの組み合わせを、前記少なくとも１つの流動特性として計算する
請求項５に記載の制御システム。

【請求項7】

前記少なくとも１つの流動特性は、流体速度、流体圧力、流体温度、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される
請求項５に記載の制御システム。

【請求項8】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体からの流体フロー特性とエンジン制御モジュールからの流体フロー特性を受信し、前記ヒータのヒータ性能及び前記エンジン制御モジュールにおける質量流量測定性能を測定するように動作可能である
請求項１に記載の制御システム。

【請求項9】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体及び前記エンジン制御モジュールから受信した前記流動特性の不一致を見つけるように動作可能である
請求項８に記載の制御システム。

【請求項10】

前記制御装置は、不一致が見つけられた場合に、前記ヒータへの電力を低減するように動作可能である
請求項８に記載の制御システム。

【請求項11】

前記制御装置は、不一致が見つけられた場合に、エンジン出力を低減するように動作可能である
請求項８に記載の制御システム。

【請求項12】

前記制御装置は、不一致が見つけられた場合に、誤動作インジケータランプを作動させるように動作可能である
請求項８に記載の制御システム。

【請求項13】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体からの冷却速度、又は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体からの加熱速度と、エンジン制御モジュールからの質量流量データを受信するように動作可能であり、前記冷却速度又は前記加熱速度と前記質量流量データとを比較することにより、前記少なくとも１つの抵抗発熱体の状態を診断する診断ツールとして動作可能である
請求項１に記載の制御システム。

【請求項14】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体からの測定値によって決定された流動特性に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体に堆積物が形成されているかどうかを判定するように動作可能である
請求項１３に記載の制御システム。

【請求項15】

前記制御装置は、抵抗と温度との間の前記曲線に沿った前記少なくとも１つの抵抗発熱体の抵抗の傾きの変化に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体の温度を測定するように動作可能である
請求項１に記載の制御システム。

【請求項16】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体の測定された前記温度に基づいて前記流体フローの温度を測定するように動作可能である
請求項１に記載の制御システム。

【請求項17】

前記制御装置は、抵抗と温度との間の前記曲線に沿った変曲点に基づいて前記少なくとも１つの抵抗発熱体の前記温度を測定するように動作可能である
請求項１に記載の制御システム。

【請求項18】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体に印加される電力の漸進的な変化に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体の前記温度を測定するように動作可能である
請求項１に記載の制御システム。

【請求項19】

前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体の前記温度に基づいて流体速度、流体温度、又は、これらの組み合わせを測定するように動作可能である
請求項１８に記載の制御システム。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0056】

本開示の説明は、事実上単に例示的なものであり、したがって、本開示の内容から逸脱しない変形は、本開示の範囲内にあるものとする。そのような変形は、開示の精神及び範囲からの逸脱とみなされるべきではない。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
流体フローアプリケーションで使用される制御システムであって、
少なくとも１つの抵抗発熱体を有し、流体フローを加熱するように適合されたヒータと、
前記流体フローの流動特性を決定するために少なくとも１つの抵抗発熱体からの熱損失を使用する制御装置と、を含む
制御システム。
［２］
前記制御装置は、前記流体フローの温度、前記流体フローの速度、前記流体フローのための流路の幾何学的形状、前記流体フローの圧力、前記流体フローの密度、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された特性に基づいて質量流量を計算するように動作可能である
［１］に記載の制御システム。
［３］
前記流動特性は、流体速度、流体圧力、流体温度、流体乱流、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される
［１］に記載の制御システム。
［４］
前記ヒータは、前記抵抗発熱体を囲むセラミック絶縁体と、前記セラミック絶縁体を囲む金属シースとをさらに含む
［１］に記載の制御システム。
［５］
前記ヒータは、流体フローの流路に沿って設けられた複数の抵抗発熱体を含み、前記複数の抵抗発熱体は、流体の流動特性を提供するように適合される
［１］に記載の制御システム。
［６］
前記制御装置は、前記流体フローの温度、前記流体フローの速度、前記流体フローのための流路の幾何学的形状、並びに、前記流体フローの圧力及び前記流体フローの密度のうちの少なくとも１つ、に基づいて質量流量を計算する
［５］に記載の制御システム。
［７］
前記流動特性は、流体速度、流体圧力、流体温度、流体乱流、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される
［５］に記載の制御システム。
［８］
前記制御装置は、前記ヒータのヒータ性能及びエンジン制御モジュールにおける質量流量測定性能を決定するために、前記少なくとも１つの抵抗発熱体及び前記エンジン制御モジュールから流体の流動特性を受信するように動作可能である
［１］に記載の制御システム。
［９］
前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体及び前記エンジン制御モジュールから受信した前記流動特性の不一致を決定するように動作可能である
［８］に記載の制御システム。
［１０］
前記制御装置は、不一致が判定された場合に、前記ヒータへの電力を低減するように動作可能である
［８］に記載の制御システム。
［１１］
前記制御装置は、不一致が判定された場合に、エンジン出力を低減するように動作可能である
［８］に記載の制御システム。
［１２］
前記制御装置は、不一致が判定された場合に、誤動作インジケータランプを作動させるように動作可能である
［８］に記載の制御システム。
［１３］
前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体からの冷却速度、前記少なくとも１つの抵抗発熱体からの加熱速度、及びエンジン制御モジュールからの質量流量データを受信するように動作可能である
［１］に記載の制御システム。
［１４］
前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体からの測定値によって決定された流動特性に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体に堆積物が形成されているかどうかを判定するように動作可能である
［１３］に記載の制御システム。
［１５］
前記制御装置は、非単調曲線に沿った前記少なくとも１つの抵抗発熱体の抵抗の変化に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体から温度測定値を受信するように動作可能である
［１］に記載の制御システム。
［１６］
前記制御装置は、非単調曲線に沿った前記少なくとも１つの抵抗発熱体の抵抗の傾きの変化に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体から温度測定値を受信するように動作可能である
［１５］に記載の制御システム。
［１７］
前記制御装置は、受信した温度測定値に基づいて前記流体の温度を決定する
［１６］に記載の制御システム。
［１８］
前記制御装置は、非単調曲線に沿った変曲点に基づいて少なくとも１つの抵抗発熱体から温度測定値を受信するように動作可能である
［１５］に記載の制御システム。
［１９］
前記制御装置は、前記少なくとも１つの抵抗発熱体に印加される電力の漸進的な変化に基づいて、前記少なくとも１つの抵抗発熱体から温度測定値を受信するように動作可能である
［１５］に記載の制御システム。
［２０］
前記制御装置は、受信した前記温度測定値に基づいて前記流体の温度範囲を決定する
［１９］に記載の制御システム。

【外国語明細書】