(57)【要約】    【課題】被験ガスが水分を含む場合に、トランスデューサの収納部への凝縮水の浸入を防止する。    【解決手段】測定管１１において、上流側及び下流側のトランスデューサ１２ａ（１２ｂ）よりも上流の内壁１１３に、この内壁１１３上の流れをせき止める段差１５を形成し、この段差１５により内壁１１３を伝う凝縮水の流れを遮断する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験ガスを流通させる測定管と、
この測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、
この超音波伝搬線上で、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサと、を含んで構成され、
前記測定管は、管壁を、前記超音波伝搬線を中心として外方に膨出させて、被験ガスの流路と連通する前記第１及び第２のトランスデューサの収納部が形成されるとともに、各収納部よりも上流の内壁に、流路中心線からのこの内壁の距離を、流れの方向に前後する２点のうち下流側の点で縮小させる段差が形成された超音波流体計測装置。
【請求項２】
前記測定管に、測定管と結合してその内壁の一部を形成する、測定管とは別体の段差形成部材が挿入されて、前記段差が形成された請求項１に記載の超音波流体計測装置。
【請求項３】
前記段差形成部材がポーラス材である請求項２に記載の超音波流体計測装置。
【請求項４】
前記超音波伝搬線が水平に設定された請求項１〜３のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項５】
前記測定管の内壁底部に、前記段差よりも上流の壁上空間から連通させて、流れに沿って延伸する通水溝が形成された請求項４に記載の超音波流体計測装置。
【請求項６】
前記段差とその上流の内壁との境界が測定管に対する側方視で流路中心線に対して傾斜させて設けられ、鉛直方向で下側ほど下流に前記段差が形成された請求項４又は５に記載の超音波流体計測装置。
【請求項７】
前記段差がその上流の内壁に対して鋭角で傾斜する請求項１〜６のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項８】
前記段差と前記収納部との間の内壁に、流路中心線を基準とする周方向に溝が形成された請求項１〜７のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項９】
前記超音波伝搬線が水平に設定され、
前記測定管が、前記超音波伝搬線を中心として回転され、そのうち前記超音波伝搬線よりも上流の部位が前記超音波伝搬線を含む水平な基準平面よりも上昇した状態で設置された請求項１〜８のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項１０】
前記測定管の外壁に、前記超音波伝搬線と平行な設定平面が形成された請求項１〜９のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項１１】
前記段差と前記収納部との間の内壁に、内壁近傍の流れを管中心に指向させる隆起が形成された請求項１〜１０のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項１２】
前記第２のトランスデューサの収納部の開口部下流端が鈍角又はＲ状に形成された請求項１〜１１のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項１３】
被験ガスを流通させる測定管と、
この測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、
この超音波伝搬線上で、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサと、を含んで構成され、
前記測定管は、管壁を、前記超音波伝搬線を中心として外方に膨出させて、被験ガスの流路と連通する前記第１及び第２のトランスデューサの収納部が形成されるとともに、各収納部よりも上流の内壁において、この内壁上の流れをせき止める段差が形成された超音波流体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流体計測装置に関し、詳細には、燃料電池におけるガス分析等、被験ガスが水分を含む場合に、この水分が凝縮してできた凝縮水がトランスデューサの収納部に浸入するのを防止するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波流体計測装置は、流れ自体に大きな影響を及ぼすことなく、流量検出等のガス分析を行うことができる装置として知られている。このような利点から、超音波流体計測装置は、燃料電池の燃料極排出管に設置され、燃料極排ガスのガス分析に採用されている。燃料極排ガスの流量又は濃度を検出することで、燃料電池の燃料系の作動状態を解析するうえでの有益な情報が提供されるからである。
【０００３】
超音波流体計測装置の作動原理は、大方次のようである。すなわち、一対のトランスデューサを流れの方向に前後させて配置し、上流側のトランスデューサから流れに対して順方向に超音波を発射し、これが下流側のトランスデューサにより受信されるまでの第１の伝搬時間を測定するとともに、下流側のトランスデューサから流れに対して逆方向に超音波を発射し、これが上流側のトランスデューサにより受信されるまでの第２の伝搬時間を測定する。測定された第１及び第２の伝搬時間をもとに、被験ガスの流量等を検出する（特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−３３８０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池の燃料極排出管に採用されるなど、被験ガスが水分を含む場合は、超音波流体計測装置の作動上、次のような問題がある。
すなわち、この場合は、被験ガスを流通させる測定管の内壁に水分が凝縮してできた凝縮水が付着する。この凝縮水が壁面を伝って下流に流れ、トランスデューサの収納部に浸入することで、トランスデューサが浸水し、超音波の的確な送信、伝搬又は受信が妨げられ、ひいては装置を測定不能に至らしめる場合がある。
【０００５】
この問題に対し、トランスデューサの収納部に、浸入した凝縮水を収容しておくための空隙を形成するとともに、収納部の側壁を貫通させて孔を形成し、空隙に収容された凝縮水をこの孔を介して排出する方法が知られている（特開２００１−１６５７２５号公報）。しかしながら、この方法には、空隙からの凝縮水の排出量に自ずと限界があるため、凝縮水の発生量が多い場合は、空隙が短時間のうちに満たされ、浸水を確実に回避することができないという問題がある。また、被験ガスが孔を介して外部に漏れ出すおそれを伴うという基本的な問題もある。
【０００６】
本発明は、被験ガスが水分を含む場合に、トランスデューサの収納部への凝縮水の浸入を効果的に防止し、凝縮水の発生量が多い場合でもトランスデューサの浸水を回避することのできる超音波流体計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、超音波流体計測装置を提供する。
本発明の一形態に係る装置は、被験ガスを流通させる測定管と、この測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、この超音波伝搬線上で、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサと、を含んで構成される。測定管には、管壁を、超音波伝播線を中心として外方に膨出させて、被験ガスの流路と連通する第１及び第２のトランスデューサの収納部が形成されるとともに、各収納部よりも上流の内壁に、流路中心線からのこの内壁の距離を、流れの方向に前後する２点のうち下流側の点で縮小させる段差が形成される。
【０００８】
また、本発明の他の形態に係る装置は、被験流体を流通させる測定管と、この測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、この超音波伝搬線上で、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサとを含んで構成される。測定管には、管壁を、超音波伝播線を中心として外方に膨出させて、被験流体の流路と連通する第１及び第２のトランスデューサの収納部が形成されるとともに、各収納部よりも上流の内壁において、この内壁上の流れをせき止める段差が形成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、測定管のうちトランスデューサの収納部よりも上流の内壁に段差を形成したことで、この段差により収納部の上流で凝縮水の流れが阻害される。このため、凝縮水の収納部への浸入自体が防止されるから、凝縮水の発生量が多い場合でもトランスデューサの浸水を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１，２は、本発明の一実施形態に係る超音波流体計測装置（以下、単に「計測装置」という。）１の構成を示している。図１は、計測装置１の構成を、管軸Ａｘを含む水平断面により、図２は、この構成を鉛直断面（図１のＡ−Ａ線断面）により示している。本実施形態では、管軸Ａｘが測定管１１の流路中心線と一致する。
【００１１】
本実施形態では、計測装置１を自動車の駆動源として採用される、図示しない燃料電池の燃料極排出管２，２に介装し、この燃料電池から排出される燃料極排ガス（「被験ガス」に相当する。）の流量Ｑ及び濃度ρを検出することとしている。
計測装置１は、被験ガスを流通させる筒状の測定管１１を含んで構成され、この測定管１１は、管軸Ａｘ方向の各端に形成されたフランジ１１１ａ，１１１ｂを介し、隣接する燃料極排出管２，２に接続されている。
【００１２】
測定管１１は、管軸Ａｘとの間に角度θを形成する軸（超音波伝搬軸Ａｔに一致する。）を中心として、管軸Ａｘ方向に前後させた２箇所で筒状に膨出している。このように形成される一対のトランスデューサケース（トランスデューサの「収納部」に相当する。）１１２ａ，１１２ｂに、上流側トランスデューサ（「第１のトランスデューサ」に相当する。）１２ａと、下流側トランスデューサ（「第２のトランスデューサ」に相当する。）１２ｂとが夫々収納されている。各トランスデューサ１２ａ，１２ｂには、超音波の拡散を抑制するための音響ホーン１３ａ，１３ｂが設けられている。本実施形態では、超音波伝搬線Ａｔは、水平に設定されている。
【００１３】
これらのトランスデューサ１２ａ，１２ｂは、計測用超音波Ｗｔを発生させる振動子を含んで構成され、超音波Ｗｔの伝搬時間を測定し、流量Ｑ等を算出するコントロールユニット５に接続されている。コントロールユニット５は、各トランスデューサ１２ａ，１２ｂに超音波Ｗｔを発射させるための駆動信号を発生するとともに、発射された超音波Ｗｔを受けたトランスデューサから出力された受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２を入力する。各トランスデューサ１２ａ，１２ｂは、コントロールユニット５からの駆動信号を受け、超音波伝搬線Ａｔに沿って超音波Ｗｔを発射する。コントロールユニット５は、入力した受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２をもとに、超音波Ｗｔが発射されてから受信されるまでの伝搬測定を測定し、測定した伝搬時間をもとに、測定管１１を流れる燃料極排ガスの流量Ｑ及び密度（濃度に相当する。）ρを算出する。算出された流量Ｑ等は、図示しないモニタに出力され、表示される。なお、上流側トランスデューサ１２ａから流れに対して順方向に超音波Ｗｔが発射された場合と、下流側トランスデューサ１２ｂから流れに対して逆方向に超音波Ｗｔが発射された場合とで、超音波Ｗｔの伝搬時間に流速又は流量に応じた差が生じることから、この差に基づいて流量Ｑ等を算出可能であることは、前掲特許文献１等に記載されるようによく知られたところである。
【００１４】
本実施形態では、測定管１１に筒状の段差形成部材１４を挿入し、この段差形成部材１４により測定管１１の内壁１１３に微小な段差１５を形成することとしている。段差形成部材１４は、ポーラス材で形成されるとともに、図３のように、一方の端面１４１がこの部材１４の管軸に対して所定の角度で傾斜しており、この傾斜した端面１４１が前記内壁の段差（以下、単に「段差」という。）１５を形成する。また、段差形成部材１４には、端面同士の距離が最も短くなる部位に、この部材１４を半径方向に貫通させて切欠き１４２が設けられている。
【００１５】
このような構成の段差形成部材１４は、トランスデューサケース１１２ａ，１１２ａよりも上流で測定管１１の内径を拡大させて形成された受け座１１４に嵌入され、固定される。後述のように、段差形成部材１４の固定強度は、測定管１１から取り外すことができるか、測定管１１に嵌入された状態で管軸Ａｘを中心として回転させ得る程度であるのが好ましい。測定管１１の底部には、通水用の溝１１５が管軸Ａｘ方向に延伸させて形成されている。この溝１１５は、幅が段差形成部材の切欠き１４２の幅と同じであり、かつ受け座１１４の高さ及び段差形成部材１４の厚さと同じであり、上流側トランスデューサ１２ａのケース１１２ａよりも上流から下流側トランスデューサ１２ｂのケース１１２ｂよりも下流にかけて形成されている。切欠き１４２と溝１１５とは、段差形成部材１４を嵌入させた状態で、段差形成部材１４よりも上流の壁上空間から連通する、１つの連続する内壁１１３の溝を形成し（図２）、この溝が「通水溝」Ｇを構成する。
【００１６】
本実施形態によれば、段差形成部材１４により測定管の内壁１１３に段差１５を形成したことで、燃料極排ガスの計測に際し、次のような効果を得ることができる。
燃料極排ガスには、燃料電池で消費されずに残された水素ガス以外に、発電効率の維持及び電解質膜の保護のために添加される水蒸気や、酸素極から浸透した窒素ガスが含まれている。このため、計測に際し、燃料極排ガスが燃料極排出管２及び測定管１１等により冷却されると、この排ガスに含まれている水蒸気が凝縮し、発生した凝縮水がこれらの管壁に付着する。付着した凝縮水は、燃料極排ガスにより管壁に沿って下流へ押し流されるため、段差がなく、流れの方向に平坦な状態では、凝縮水がトランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂに浸入し、トランスデューサ１２ａ、１２ｂを浸水させる。トランスデューサ１２ａ，１２ｂが浸水すると、超音波Ｗｔの的確な伝搬に悪影響を来すとともに、計測装置１を測定不能に至らしめる場合があることは、既述の通りである。本実施形態によれば、測定管１１に段差形成部材１４を嵌入し、トランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂよりも上流の内壁１１３に段差１５を形成したので、この段差１５により凝縮水の流れが阻害される。その後、凝縮水は、段差形成部材の端面１４１を伝って測定管１１の底部に流れ、通水溝Ｇに導かれる。このようにして、凝縮水は、通水溝Ｇに集められ、トランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂを迂回して流れることになるから、凝縮水がトランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂに浸入することを防止し、計測装置１の正常な作動状態を維持することができる。
【００１７】
また、本実施形態によれば、超音波伝搬線Ａｔを水平に設定し、通水溝Ｇを測定管１１の底部に形成したので、重力の作用を利用して、凝縮水をより確実に通水溝Ｇに導き、トランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂを迂回させることができる。
なお、段差形成部材の端面１４１の管軸に対する傾斜は、燃料極排ガスの流速等に応じて変更することができる。この流速が高い（又は流量が多い）ときは、この傾斜を小さく設定することで、凝縮水が段差１５を乗り越え難くすることができる。本実施形態では、測定管１１とは別体の段差形成部材１４により段差１５を形成することとし、この部材１４をポーラス材で形成したことで、段差１５を乗り越えた凝縮水をこの部材１４により吸収し、この凝縮水がトランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂにまで至るのを防止することができる。
【００１８】
本実施形態では、段差形成部材の端面１４１を、管軸に対して傾斜する１つの平面内で形成した。しかしながら、図４のように、この端面１４１を円錐の側面内で形成し、この端面１４１がその上流の内壁１１３との間に形成する角αを鋭角に設定することとしてもよい。この傾斜した段差１５によれば、段差１５が凝縮水の流れに対してオーバーハングした状態となるので、凝縮水をより乗り越え難くして、通水溝Ｇに確実に導くことができる。
【００１９】
また、本実施形態では、段差形成部材の端面１４１により、測定管の内壁１１３に１つの段差１５のみを形成することとした。しかしながら、図５又は６のように、段差形成部材１４に切欠き１４３又は溝１４４を形成することで、端面１４１による段差１５以外に実質的な段差を設け、凝縮水がトランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂに浸入するのを複数の段差により防止することができる。
【００２０】
図５のものでは、段差形成部材１４の側壁に、管軸を中心とする周方向に切欠き１４３が形成されており、この切欠き１４３により内壁１１３の実質的な段差が形成される。
図６のものでは、段差形成部材１４の内面に、端面１４１とほぼ平行に溝１４４が形成されており、この溝１４４により内壁１１３の実質的な段差が形成される。
なお、切欠き１４３及び溝１４４のうち、少なくとも最も下流のものを切欠き１４２と連通させるのが好ましい。
【００２１】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図７，８は、本実施形態に係る計測装置１の構成を示しており、図７は、計測装置１の構成を下方斜視により（一部破断させている。）、図８は、この構成を管軸Ａｘ及び超音波伝搬線Ａｔを含む平面による断面により示している。
本実施形態では、測定管１１の構成自体は、先の実施形態のものと同様であるが、燃料極排出管２に設置された状態での測定管１１の姿勢が相違する。すなわち、本実施形態では、測定管１１は、超音波伝搬線Ａｔを水平に保ちつつ、この超音波伝搬線Ａｔを中心として所定の角度だけ回転させた状態で設置されている。この状態において、測定管１１は、超音波伝搬線Ａｔよりも上流の部位が上方に位置しており、底部が流れの方向に対して下向きに傾斜している。
【００２２】
本実施形態によれば、超音波伝搬線Ａｔを水平に設定したことで、各トランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂを高位に保ち、凝縮水が浸入し難くするとともに、段差１５により通水溝Ｇに導かれた凝縮水を重力の作用により積極的に流し去り、凝縮水がトランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂに浸入するのを効果的に防止することができる。
なお、超音波伝搬線Ａｔを中心として測定管１１を回転させた状態では、測定管１１のうち最も下位にある部位（すなわち、実質的な底部）が水平状態での部位から変化する。このため、本実施形態では、測定管１１の底部において、この変化を見越して予め複数の溝１１５ａ，１１５ｂが形成されている（図８）。一方の溝１１５ａは、水平に設置した場合の通水溝を形成するものであり、他方の溝１１５ｂは、傾斜させて設置した場合の通水溝を形成するものである。段差形成部材１４を測定管１１内でずれη分回転させるか、一旦取り外してから再び嵌入することで、水平設置時と傾斜設置時との双方に対応することができる。これらの溝１１５ａ，１１５ｂのずれδは、測定管１１の内径ｒ及び測定管１１の傾斜角度ηをもとに、次式（１）により算出することができる。
【００２３】
δ＝ｒ・ｓｉｎη／√（１＋ｃｏｓ2η）  ・・・（１）
なお、他方の溝１１５ｂは、トランスデューサケース１１２ａの開口部に差し掛かってはならない。測定管１１の最大傾斜角度ηｍａｘ（ずれηが最大となる。）は、（１）式において、δ＝ｒ／２とする逆算により大方把握することができる。
超音波伝搬線Ａｔを水平に設定する便法として、測定管１１の外壁に超音波伝搬線Ａｔと平行に設定平面１１６（図７の二点鎖線）を形成するとよい。設定平面１１６を実験プラントに形成された水平な設置平面にあてがうことや、設定平面１１６に水準器等をあてがうことで、計測に際して測定管１１の姿勢を容易に確定することができる。
【００２４】
図９は、他の段差形成部材１４２の構成を示しており、この段差形成部材１４２では、下流側トランスデューサ１２ｂのケース１１２ｂの上流に位置する部位において、その内面に隆起１４５が形成されている。このものによれば、燃料極排ガスの流れｆがこの隆起１４５により偏向され、測定管１１の中心部に向かうため、内壁１１３に付着せずに燃料極排ガス中を浮遊する液滴状の凝縮水がこのトランスデューサケース１１２ｂに浸入し、貯留するのを防止することができる。
【００２５】
図１０は、他の測定管１１の構成を示しており、この測定管１１では、下流側トランスデューサ１２ｂのケース１１２ｂの開口部が、下流側の端縁１１７で鈍角に形成されている（図１０ａ）。このものによれば、トランスデューサケース１１２ｂが開口部下流端１１７で鈍角に形成されたことで、この開口部下流端１１７により案内されてトランスデューサケース１１２ｂに入り込む流れが弱められ、結果としてこのケース１１２ｂ内に形成される渦ｖが弱められるとともに、この渦ｖの中心ｃが下流側トランスデューサ１２ｂから若干遠ざかる。このため、燃料極排ガスに含まれる液滴状の凝縮水が渦ｖにより輸送されて下流側トランスデューサ１２ｂに付着するのを抑制することができる。なお、この開口部下流端１１７は、鈍角に形成するばかりでなく、図１０ｂのようにＲ状に形成してもよい。
【００２６】
なお、以上では、超音波伝搬線Ａｔを直線状に設定し、一対のトランスデューサ１２ａ，１２ｂを、管軸Ａｘを基準とした測定管１１の各側に配置した、いわゆるＺ型レイアウトのものについて説明した。しかしながら、本発明は、このレイアウトのものに限らず、超音波伝搬線Ａｔを測定管１１の内壁上で屈曲させて設定することで、双方のトランスデューサを測定管１１の片側のみに配置した、いわゆるＶ型レイアウトのものに適用することもできる。このレイアウトのものでは、双方のトランスデューサを測定管１１の上側に配置することで、トランスデューサの浸水の問題を回避することができるが、測定管１１の底面に凝縮水が貯留することで、超音波の実質的な伝搬距離が変化したり、反射ジオメトリが変化する等の問題がある。このため、本発明は、凝縮水を貯留させず、測定管１１から速やかに排出する効果が得られる点で、Ｖ型レイアウトの計測装置についても利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波流体計測装置の水平断面
【図２】同上超音波計測装置の鉛直断面
【図３】同上超音波計測装置の段差形成部材
【図４】他の段差形成部材の断面
【図５】更に別の段差形成部材の外観
【図６】更に別の段差形成部材の断面
【図７】本発明の他の実施形態に係る超音波計測装置の設置状態
【図８】同上超音波計測装置の断面
【図９】段差形成部材に形成された隆起
【図１０】鈍角に形成されたトランスデューサケースの開口部下流端
【符号の説明】
【００２８】
１Ａ，１Ｂ…超音波流体計測装置、１１…測定管、１１１ａ，１１１ｂ…フランジ、１１２ａ，１１２ｂ…トランスデューサケース、１１３…内壁、１１４…段差形成部材の受け座、１１５…溝、１１６…設定平面、１１７…トランスデューサケースの開口部下流端、１２ａ，１２ｂ…トランスデューサ、１３ａ，１３ｂ…音響ホーン、１４…段差形成部材、１４１…端面、１４２…切欠き、１４３…切欠き、１４４…溝、１４５…隆起、１５…段差、２…燃料極排出管、５…コントロールユニット、Ａｔ…超音波伝搬線、Ａｘ…管軸、Ｇ…通水溝。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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