(57)【要約】 【課題】  500℃以上にも達する高温気体の管路において圧力や流速に脈動があるときにこれを平滑化する小型で効果的なバッファーチューブを実現すること。【解決手段】  管路２、６の側方に大きな通路断面積をもつ側方管路７を配置しその管端部に耐熱性と弾性に富む薄膜で構成された平板状または凹状のゴム薄膜１１、１７を気密に配置して、内部圧力に応じて内部体積を十分に大きく変化できるようにバルーン状に変形させてゴム薄膜の伸びに対する体積変化を極めて効率的になるように構成し、バルーン状に膨張する薄膜を保護し制約する金属メッシュなどを管路内部および外部の適切な位置に配置して、必要な強度を確保しながら高温の管路と適切な距離を保つことにより必要な耐熱性が実現できるように構成した管路の脈動を平滑化できるバッファー装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路系の中間に管路の断面積より大きい流路面積の側方管路を管路から分岐させて設けて、その先端部にシリコーンゴムなどきわめて弾性に富み耐熱性にも優れた材質で構成された平面または凹面の薄膜弾性体を周辺で気密に取り付けて側方管路内部の圧力と外部の圧力との差圧に応じて薄膜弾性体が球面状に伸縮することにより管路系内部の容積を大きく変化させて、管路の圧力あるいは流速の脈動を効果的に減衰させるバルーン・バッファーチューブ。
【請求項２】
請求項１のバルーン・バッファーチューブにおいて弾性に富む薄膜弾性体の変形を所定の範囲に抑制するために気体の流通が容易で薄膜弾性体が接する側の面が滑らかな穴あき金属板（パンチングメタル）または金属メッシュを側方管路の内部および外部に配置し、内部容積の必要な変化量を確保しながら変形する薄膜弾性体の防護と変形抑制ができるようにしたバルーン・バッファーチューブ。
【請求項３】
請求項1または２のバルーン・バッファーチューブにおいて弾性に富む薄膜弾性体の周辺に0−リングを気密に設けて、薄膜弾性体を取り付ける側方管路フランジの両面の間において確実に容易に気密性を保てるようにするとともに薄膜弾性体の破損を防止し、薄膜弾性体の取り扱いを容易にできるようにしたバルーン・バッファーチューブ。
【請求項４】
請求項1、２または３のバルーン・バッファーチューブにおいて原管路系の管路から側方管路への接続において、原管路系の管径よりも大きい管を側方管路として配置するとき、気体の流通抵抗をできるだけ少なくするように断面積を十分に確保して接続し、側方管路を管路の下方側その他の適宜な方向に配置できるようにするとともに、側方管路の長さを適切に設定して、原管路系の管路に500℃以上の高温気体が流通するときも側方管路端に配置したシリコーンゴムなどの薄膜弾性体が350℃以上の高温度に曝されないようにしたバルーン・バッファーチューブ。
【請求項５】
請求項1、２または３のバルーン・バッファーチューブにおいて原管路系から側方管路への接続において流通抵抗を少なくすると同時にデッドボリームをもできるだけ少なくするように、管路を断面積では３〜５倍程度で直径と同程度の長さの短いつなぎ管路に接続し、この短いつなぎ管路と同程度の直径の側方管路を設けて接続し、その側方管路の管端部を拡大して必要な円形断面積を確保して先端部にシリコーンゴムなどからなる薄膜弾性体などを周辺で気密に取り付けて高温度に曝されないようにし、しかも流量変化などに対する応答性を高くできるようにしたバルーン・バッファーチューブ。
【請求項６】
管路系の中間に管路の管路断面積よりも大きい流路面積の側方管路を前記管路から分岐させて設け、前記側方管路の開放している先端部に弾性及び耐熱性を有する材質で構成された薄膜弾性体を周辺部で気密に取り付けて前記先端部を閉じ、前記側方管路内部の圧力と外部の圧力との差圧に応じて前記薄膜弾性体が平面または凹面状に伸縮することにより前記管路内部の容積を変化させて前記管路の圧力あるいは流速の脈動を減衰させるバルーン・バッファーチューブであって、多数の通気穴を有する金属製の囲いを前記薄膜弾性体を内包した状態で前記側方管路内外に設け、前記薄膜弾性体の伸縮による変形または変位を許容する範囲を前記囲いによって限定するように構成し、前記範囲を前記薄膜弾性体が耐熱限度以上の温度に曝されない位置になるように前記側方管路の長さを設定したことを特徴とするバルーン・バッファーチューブ
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
【０００２】
本発明は流量測定など流体工学を応用する多くの産業分野や環境技術に関わる。
【背景技術】
【０００３】
流路において流量測定はきわめて重要で多くの測定方法があるが流れに圧力や流速の脈動があると熱的測定法、超音波利用測定法、絞り流量測計法など殆どの測定法では脈動の影響が生じて正確な測定が困難となる。普通には脈動を減衰させる必要があり、バッファータンクなどが用いられる。しかし、多くの場合バッファータンクは大きな容積を必要とし配置や構造が極めて困難となる。近年開発された小型で等価容量を大きくできる装置としてサージチューブなどがあり、かなり広く利用されてきている（特許文献１〜３及び非特許文献１参照）。しかし、これらの文献に記載されたサージチューブは、350℃以上の排気ガスに対しては流れが停止直後において管路内部が ５ KPa 以上の負圧になると、シリコーンゴム膜が吸引され高温金属面に接して耐熱限界を超えることがあった。従来のサージチューブは使用条件によっては必ずしも十分な耐熱性をもっているとは言えない場合があった。とくに内燃エンジンの排気系において排気処理装置の再生などにおける500℃以上の高温排気ガスに対応しても十分な耐熱性が要求されることから小型なバッファー装置としては革新的な改良が必要となった。
【０００４】
【特許文献１】登録実用新案公報第３０８５９６０号
【特許文献２】公開特許公報  特開２００３−２６９６８５
【特許文献３】公開特許公報  特開２００５−１８８６８１
【非特許文献１】Yanagihara, S. et al, 2003,Buffer Tube of Slicone Rubber Film For Damping the Pulsating Flow in Exhaust or Induction Systems of Reciprocating Engines, SAE 2003-01-2016,May 10-22, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
自動車排気ガスなどでは100℃以下の低温度の時もあるが500℃を超えるような高温度に達することがあり、高温度条件においても流量測定をする必要が生じることがある。500℃以上の高温排気ガスの管路内の流れについてその脈動を1/10以下の振幅に減衰させることが課題である。さらに、DPF（ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ）の再生などにおける排気ガス高温度化の短時間運転を含めて排気管系のバッファー装置についてもシリコーンゴム膜など使用している部材がエンジン停止後において管路内が５KPa以上の吸引負圧の条件下に置かれても350℃以上の高温表面には接しないような構造にすることが課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
管路内の圧力変化を緩和するために内部容積を大きくすることだけでなくゴム薄膜などの利用によって内部容積を圧力に関係して変化させることがきわめて効果的であることは証明されてきたが、ゴム薄膜などの構成部材の一部は350℃以上の高温に耐えられない制約があった。管路の気体温度は300℃以上の場合管路の外表面が環境温度で冷却されるとき熱伝導などにより相応に冷却される。管路の側方に配置した管路では定常的な流量が無視できるような条件ではその管路部材の熱伝導と外気との熱伝達との関係で排気管に接続された位置から管路端にかけて部材温度は低下する。排気管が400℃以上に達してもある仮定条件では側方管路で200mm以上離れると300℃以下に低下する。とくに側方管路が下側に向いているときに効果的に温度が低下できる。容積変化を生じるゴム薄膜を高温に達する排気管から200mm以上離れた位置に配置する構造を一つの手段とした。一方、ゴム薄膜をバルーン状に変形させることにより、内容積変化の比率とゴム薄膜の伸び率の関係を効果的にすることができる。ゴム薄膜の初期条件が平板でも差圧に応じて球状の形状となり内部容積変化は僅かな圧力変化に対応してでもかなり大きくすることが可能であると確認された。さらにゴム薄膜を初期条件として凹面にしておくことにより、差圧がゼロ近辺でいわゆる弛みが生じて差圧が小さいときに効果的な容積変化が実現でき、内部圧力のレベルによっては等価容量を相当に大きくできる。この等価容量は大きくできるが、実質的な容積は小さいのが特徴であり、例えばガス組成の変化や流量変化に対する遅れでは実質容量が小さいことから遅れ時間は普通の大きな容積のバッファータンクに比して遥かに小さくできる。脈動の平滑効果は大きいが流れの遅れは比較的小さくできる特徴がある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明においては管路に入る気体流に与えられた圧力や流速の脈動すなわち１０ms以内の急激な脈動をほぼ５０〜１００msの時間では平滑化された変化に緩和することが目的であり、流量測定その他にバッファーとして利用され易いようにすることが重要である。たとえば入口側の管路では２０Hz程度の周波数で振幅１KPaの圧力変動があるとき、容積変化を生じるゴム薄膜は管路内部での圧力伝播が音速で300mm/ms以上となりほぼ完全に圧力波に追随するが、変動振幅に対応する容積変化が十分かどうかの問題がある。脈動の要因である流れの1周期の容積変化量が0.5Lの場合ゴム膜が１KPaに対して0.5L以上の容積変化を生じる能力があるとほぼ完全に脈動を吸収することができる。容積変化量が対応する差圧範囲で0.5L以下の容量では完全には脈動を吸収できないが振幅は変化量に応じて減衰させることができる。
原管路系の気体は本発明の構造では直接にはゴム膜に接しないために高い排気ガス温度の影響は減じられる。例えば原管路系が高温で側方管路が上方向でなく少なくとも下方向から水平方向になっているとすると、管壁の厚さが薄い場合側方管路の温度は端部に近づくに従い大幅に低下する。管路の内部温度も側方管路が下方に向いていると端部にかけて温度低下する。管壁温度が主に部材の熱伝導と外部空気への熱伝達で定まり、端部に近づくに従い低下する。排気管温度が400℃以上でも近傍の外気温度が常温の場合側方管路で200mm以上離れた端部に近づくと300℃以下にすることができる。シリコーンゴム薄膜を側方管路の端部に保持させ、さらにその端部近くに取り付けた金属メッシュによりゴム薄膜の管路内部での移動・変形を端部近傍より外部側に抑制するようにした。こうした構造にすることにより内部負圧が５KPaを超えてもゴム薄膜は管路内部の比較的低温の部材にだけ接するような手段を講じた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の詳細について解説し、原管路系の中間にバッファーチューブを配置したバルーンバッファー５０を図１の構造断面図によって説明する。原管路系１０は管路、例えば入口管路２と出口管路６を有する。バッファーチューブ３０は側方管路７と薄膜弾性体を有する。１は入口管路２の内部を流れる排気ガスのような高温気体流で、例えば20msの周期の振幅0.5KPaの圧力波動をもって流れている。また平均圧力はたとえば＋0.5KPaと想定できる。３は側方管路の上部で平板４により閉じられ、側方管路７とともに出口管路６と入口管路２の間に配置され管路２、６よりも大きな径を有して気体流が抵抗少なく出入りできるようにしてある。下方の側方管路７は適当な長さを有して取り付けフランジ８を端部に設けてある。側方管路の端部近くの管路内周には弾性に富み耐熱性にも優れた材質で構成された薄膜弾性体、例えばゴム薄膜１１が内部の負圧により吸引されるときその移動・変形を制約するための金属メッシュ１３が配置されている。ゴム膜装着フランジ９は取り付けフランジ８とともにゴム薄膜１１を気密に側方管路７の端部に装着する。ゴム膜装着フランジ９の外周下方には開口率の大きいパンチングメタルで構成されたシリンダー状の保護管１２が取り付けられバルーン状に膨らむゴム薄膜１１の側面を保護するとともに、ゴム薄膜の膨張制限のための金属メッシュ１４を強力に保持する。金属メッシュ１３、１４はゴム薄膜の変形を所定の範囲に抑制するために気体の流通が容易でゴム薄膜が接する側の面が滑らかな他の構造体、例えばパンチングメタルで代替することができる。
（ゴム薄膜の構成）
ゴム薄膜１１は厚さ0.1〜0.5mmのシリコーンゴムで構成されており、周辺を気密にかつかなりの大きさの引っ張り力に対応できる必要があって、図２のように製作されることが望ましい。すなわちO-リング１５を周辺に取り付けたゴム薄膜１１は平板または半球面の一部に沿うような回転曲面１７で示す凹面状に製作される。いずれも周辺に適合するO-リング溝１６を設けたゴム膜装着フランジ９の接合面に0-リング溝１６に0-リング１５を嵌め込んで気密性を保ちかつゴム薄膜の取り扱いを容易にする。
図４に例示したバルーン・バッファーの構造はデッドボリュームを大きくしないでしかも脈動減衰の効果と高温遮熱に対する考慮を兼ねた方式の例である。
すなわち、原管路系から側方管路への接続において流通抵抗を少なくすると同時にデッドボリュームをできるだけ少なくするように、管路２、６の途中で断面積で３〜５倍程度で直径と同程度の長さの短いつなぎ管路１８に接続し、この短いつなぎ管路１８と同程度の直径の側方管路２０を設けてつなぎ管一側方管路接続線１９の部分で接続し、側方管路２０の管端部２１を拡大して必要な円形断面を確保して先端部にシリコーンゴムなどからなる薄膜弾性体などを周辺で気密に取付けて高温度に曝されないようにし、しかも流量変化などに対する応答性を高くできるようにしてある。
（発明の効果の説明）
本発明によるバルーン・バッファーの静的圧力特性として原管路系と側方管路を含めた管路系の容積を基準として容積変化と内部圧力との関係が減衰性能を示すことになる。脈動の一つの周期についてある圧力変化の範囲に対応する容積変化の範囲が重要である。図３に本発明によるバルーン・バッファーでゴム薄膜がフラットな平板の場合の静的圧力特性の例を示す。この図の測定例はゴム膜がパンチングメタルや金属メッシュで制約されていない場合であり、制約があるとその容積で急激に圧力変化を生じる。初期から凹面状に作られている場合は差圧ゼロ近傍で圧力変化が小さくても容積変化が大きくなるフラットに近い状況になる。普通にはエンジン排気系で平均圧力が0.5〜1KPaで圧力振幅としては0.5KPa以内のことが多い。1周期の体積流量が仮に１Lとしても排気管系の出口近くでは変動量は減少していて0.5L以下になっていて、この静的特性が圧力振幅の減衰に大きな効果を及ぼすことが期待できる。とくに平均圧力が0.1KPa程度になると考えられる低速回転においては圧力の変化に比して容積変化が大きくなっていると効果的な脈動減衰が可能となる。
温度については排気管で内部ガス温度が500℃に達しても管壁温度は450℃程度で側方管路はそれよりもさらに低い範囲になる。熱伝導率の低いステンレス系の材質で下方向に向いた3mm以下の厚さの板では常温空気により冷却されるとき200mm以上離れると350℃以下となる。本発明による構造では排気ガスなど高温気体の流れる管路から側方管路を適切な距離を置いて設けることにより側方管路の端部では外気温度との中間温度程度まで下げることができる。これにより300℃程度の耐熱性のシリコーンゴム薄膜も５KPa程度の負圧で吸引されたときも耐熱性を超える部材と接触しなくなる。500℃以上の高温気体に対しても本装置は十分な耐久性をもつダンパーとして利用できる
本装置のバッファーは普通の固定容積のバッファータンクとは異なり脈動を平滑化する等価容量は例えば１００L以上と実際の容積に比べて大きいが、実容積は２L〜５Lと小さいので例えば管路に流量変化があった場合遅れ時間はそれ程大きくならない特徴がある。脈動についての平滑化効果は大きいが、流量変化などのような一方向変動に対する容積はほぼ実容積で影響するので例えば遅れ時間は２L〜５Lの容積と見なされる。本発明のバルーン・バッファーチューブは脈動減衰には効果が大きいが流量変化には遅れ時間の増加は大きくならない利点がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態を例示するバルーン・バッファーチューブの構成断面図。
【図２】本発明に用いる平面および凹面型の0−リング付きゴム薄膜。
【図３】本発明のバルーン・バッファーの無拘束時内部圧力と容積変化の静的特性例。
【図４】本発明の特徴である実容積を比較的に小さくしたバルーン・バッファーチューブの構造例。
【符号の説明】
【００１０】
１          入口側管路の脈動のある高温気体流
２          入口管路
３          側方管路の上部
４          平板
５          出口管路の平滑化された気体流
６          出口管路
７          側方管路
８          取り付けフランジ
９          ゴム膜装着フランジ
１０        原管路系
１１        ゴム薄膜
１２        保護管
１３        金属メッシュ
１４        金属メッシュ
１５        O-リング
１６        O-リング溝
１７        回転曲面
１８        つなぎ管
１９        短管-側方管路接続線
２０        細めの側方管路
２１        端部拡大管
３０        バッファーチューブ
５０        バルーンバッファー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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