(57)【要約】【課題】測定対象流体の流れる測定配管１ｅに接続される一対のソケット部１ｆにそれぞれ超音波送受波器２ａ、２ｂを収納し、これら一対の超音波送受波器２ａ、２ｂを用いて流体中で超音波パルスを送受信し、流体流れ順方向と逆方向とについて超音波伝播時間を検出して、流体の流量を演算する場合に、ソケット部１ｆ内と測定配管１ｅとでガスの不均一により音速に差を生じたり、結露水により送受波に影響を受けたりして、計測誤差が発生するのを回避する。【解決手段】一対の超音波送受波器２ａ、２ｂの超音波伝播経路を水平に配置する。ソケット部１ｆの天井部を、測定配管１ｅの天井部の高さより低い構造として、ガス換気のため連通させる。また、ソケット部１ｆの底部を、測定配管１ｅの底部の高さより高い構造として、結露水排出のため連通させる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象流体の流れる測定配管に接続される一対のソケット部にそれぞれ超音波送受波器を収納し、これら一対の超音波送受波器を用いて流体中で超音波パルスを送受信し、流体流速に応じて変化する超音波伝播時間を、流体流れ順方向と逆方向とについてそれぞれ検出して、その双方向の伝播時間に基づき流体の流量を演算する超音波式流量計において、
前記一対の超音波送受波器の超音波伝播経路を水平に配置する一方、
前記ソケット部の天井部を、前記測定配管の天井部の高さと同じか、それより低い構造として、前記ソケット部の天井部と前記測定配管の天井部とを連通させたことを特徴とする超音波式流量計。
【請求項２】
前記ソケット部の天井部と前記測定配管の天井部との連通部は、互いの天井部の間を傾斜させた天井部によりつないで構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波式流量計。
【請求項３】
前記前記ソケット部の天井部と前記測定配管の天井部との連通部は、連通管により構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波式流量計。
【請求項４】
前記ソケット部の天井部と前記測定配管の天井部との連通部の途中に、微細孔を有する圧力損失部材を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の超音波式流量計。
【請求項５】
前記圧力損失部材として、発泡金属を用いたことを特徴とする請求項４記載の超音波式流量計。
【請求項６】
前記圧力損失部材の表面に、多数の窪みを設けたことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の超音波式流量計。
【請求項７】
前記ソケット部の底部を、前記測定配管の底部の高さと同じか、それより高い構造として、前記ソケット部の底部と前記測定配管の底部とを連通させたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の超音波式流量計。
【請求項８】
前記ソケット部の底部と前記測定配管の底部との連通部は、互いの底部の間を傾斜させた底部によりつないで構成されることを特徴とする請求項７記載の超音波式流量計。
【請求項９】
前記前記ソケット部の底部と前記測定配管の底部との連通部は、連通管により構成されることを特徴とする請求項７記載の超音波式流量計。
【請求項１０】
前記ソケット部の底部と前記測定配管の底部との連通部の途中に、微細孔を有する吸透水部材を設けたことを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれか１つに記載の超音波式流量計。
【請求項１１】
前記吸透水部材として、発泡金属を用いたことを特徴とする請求項１０記載の超音波式流量計。
【請求項１２】
前記吸透水部材の表面に、多数の窪みを設けたことを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の超音波式流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に燃料電池システムにおけるガス流量計測など、測定対象流体が水素ガスと水蒸気などの密度差が大きい成分からなる混合ガス、又は、混合比が動的に変化あるいは凝縮しやすいガスの流量計測に好適な超音波式（超音波伝播時間式）流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波式流量計は、特許文献１などでよく知られており、超音波の伝播方法により、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、次の２種類に大別される。
【０００３】
１つは、一対の超音波送受波器２ａ、２ｂを測定配管に対して流れ方向に所定の間隔で配設して、超音波送受波器の一方から発射された超音波が対向する測定配管の底部で正反射して他方の超音波送受波器に達するように伝播させる反射型（ａ）で、もう１つは、一対の超音波送受波器２ａ、２ｂを測定配管を挟んで対向させて、超音波が管を単に斜めに横切るように伝播させるだけの透過型（ｂ）である。反射型、透過型のいずれであっても、基本的には測定対象流体の流れに対し順方向と逆方向の超音波伝播時間ｔ１　、ｔ２を測定し、これに基づいて流速Ｖｇを求め、これに断面積Ａを乗じて、体積流量Ｑｖを求める方式である。
【０００４】
ここで、その演算方法を詳細に説明する。まずはじめに伝播時間測定回路で検出される流体流れ順方向（超音波送受波器２ａ→２ｂ）の超音波伝播時間をｔ１、逆方向（２ｂ→２ａ）の超音波伝播時間をｔ２とすると、次式の関係にある。
【０００５】
ｔ１＝２＊Ｌｍ／（Ｃｇ＋Ｖｇ＊　ｃｏｓθ１）＋ｔｓ　・・・式１
ｔ２＝２＊Ｌｍ／（Ｃｇ−Ｖｇ＊　ｃｏｓθ１）＋ｔｓ　・・・式２
Ｌｍは測定配管内での伝播距離（有効伝播距離／２）、Ｃｇは測定配管内（測定対象流体中）での音速、Ｖｇは測定対象流体の流速、θ１は超音波照射角である。
【０００６】
また、式１、式２の右辺第２項のｔｓは、両方の超音波送受波器ソケット部での合計伝播時間であり、次式の関係にある。
【０００７】
ｔｓ＝２＊Ｌｓ／Ｃｓ　・・・式３
Ｌｓはソケット部での伝播距離（無効伝播距離／２）、Ｃｓはソケット部での音速である。
【０００８】
そして、式１、式２より、流速Ｖｇは、
Ｖｇ＝
〔Ｌｍ／（２＊　ｃｏｓθ１）〕＊〔１／（ｔ２−ｔｓ）−１／（ｔ１−ｔｓ）〕・・・式４
となる。
【０００９】
そして、体積流量Ｑｖは、流速Ｖｇより、
Ｑｖ＝Ｖｇ＊Ａ＊Ｋ　・・・式５
となる。Ａは測定配管の断面積、Ｋは流量校正係数である。
【００１０】
尚、式３を実行するためには超音波送受波器ソケット部での音速Ｃｓを求める必要があるが、通常用途においては測定配管内での音速Ｃｇと前記音速Ｃｓとは同一音速であり、また双方向の平均伝播時間ｔ１、ｔ２は流速ゼロの時の伝播時間に等しくなることを利用すると、
Ｃｓ＝Ｃｇ＝２＊（Ｌｍ＋Ｌｓ）／〔（ｔ１＋ｔ２）／２〕　・・・式６
により音速Ｃｓが表され、更に式６を式３に代入して、次式が得られる。
【００１１】
ｔｓ＝〔Ｌｓ／（Ｌｍ＋Ｌｓ）〕＊〔（ｔ１＋ｔ２）／２〕　・・・式７
このように、流量演算回路における実際の演算式では、式３の代わりに式７を用いて超音波送受波器ソケット部での合計伝播時間ｔｓを効率的に求め、式４、式５を実行し、流量計測値を出力している。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−１６５７２５号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の超音波式流量計を、水素ガスと水蒸気などの密度差が大きい成分からなる混合ガス、又は、混合比が動的に変化する混合ガスの流量計測に適用した場合、超音波送受波器ソケット部と、測定配管とで、音速が同一とならない場合がある。これはソケット部内のガスが滞留し、ガス流速Ｖｇだけでは容易にはガスが入れ替わらないことが原因である。従って一度、高濃度の水素ガスが測定配管を流れると、図８（ａ）、（ｂ）で上側のソケット部内には、混合ガス質量の軽い高濃度水素ガスが入り込むことになり、以降、更に高濃度の水素ガスが流れない限り滞留することになる。一方、図８（ｂ）で下側のソケット部内には、逆に混合ガス質量の重たい時のガスが滞留することになる。音速も混合ガス密度（モル質量）の関数であることから、このような密度差が生じる条件下では、伝播経路上（Ｌｍ＋Ｌｓ）の音速に速度差が生じ、従って式７の結果が実際と合わなくなり、流量演算結果に誤差が出る。
【００１４】
また、密度差の境界面がソケット開口部Ｐ１、Ｐ３に形成されるため、境界面を音波が通過する際に音波屈折が生じ、図９に示すように、測定配管における所定の伝播経路Ｌ１、Ｌ２とは違った伝播経路Ｌ３、Ｌ４を辿ることとなる。これにより流速演算式（式４）の超音波照射角θ１および有効伝播距離Ｌｍが所定値からずれることにより誤差が発生する。また、超音波が測定配管中で多重反射することによる波形干渉歪、および、超音波送受波器の感度軸ずれによる受信感度低下を併発し、伝播時間検出不能に陥るといった致命的な不具合もあった。
【００１５】
更に、測定対象流体が、加湿ガスあるいは凝縮しやすいガスの場合、特に測定配管の底部に結露水あるいは液体が溜まりやすく、図９（ａ）に示すように超音波反射面Ｐ４に水滴が位置した場合、反射ジオメトリが変化して、前述のガス密度差による誤差、検出不能と同様の不具合が生じる。また透過型の場合、ジオメトリ変化はないが、図９（ｂ）に示すように結露水Ｃｗで超音波送受波器が水没して送受波不能となるといった不具合があった。
【００１６】
以上のようなガス条件下で流量測定が必要になる例としては、特に車両用の燃料電池システムにおける燃料電池セル入口ガス流量計測や水素循環流量計測が挙げられる。いずれも運転状況に応じて水素／水蒸気あるいは空気／水蒸気の混合比率が動的に変化し、また、いずれも飽和水蒸気近くまで加湿されているため、配管内部に大量の結露水が存在しえる条件である。
【００１７】
従って、本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決し、例えば燃料電池自動車の燃料制御センサとして適用可能な信頼性の高い、小型で低廉な、超音波式流量計を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波式流量計では、一対の超音波送受波器の超音波伝播経路を水平に配置する一方、超音波送受波器が収納されるソケット部の天井部を、測定配管の天井部の高さと同じか、それより低い構造として、ソケット部の天井部と測定配管の天井部とを連通させる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、一対の超音波送受波器の超音波伝播経路を水平に配置することで、袋状である超音波送受波器ソケット部内に軽い質量の混合ガスあるいは重い質量の混合ガスが片方のソケット部に偏って分布することを防止できる。また、ソケット部の天井部を、測定配管の天井部の高さと同じか、それより低い構造として、連通させることで、ソケット部内のガスを測定配管内のガスとも均一化できる。これにより常にソケット部と測定配管とでガス音速が均一化するため、音波屈折が発生せず、受波不能に陥ることも無く、かつ式７が成立するため、伝播経路のずれによる誤差を防止できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１は本発明の第１実施形態を示しており、一対の超音波送受波器２ａ、２ｂを測定配管１ｅ、１ｇを挟んで対向させた透過型の超音波流量計を、測定対象流体の流れ方向に見た構成図である。図１（ａ）は円形断面の測定配管１ｅの場合であり、図１（ｂ）は矩形断面の測定配管１ｇの場合である。図中ｇは重力の方向を示している。
【００２２】
一対の超音波送受波器２ａ、２ｂの超音波伝播経路Ｌ２は、水平に配置する。また、超音波送受波器２ａ、２ｂの径よりも測定配管１ｅ、１ｇの径の方が大きく、超音波送受波器２ａ、２ｂが収納されるソケット部１ｆ、１ｈの天井部は、測定配管１ｅ、１ｇの天井部より低くして、ソケット部１ｆ、１ｈの天井部から測定配管１ｅ、１ｇの天井部へ向けて、斜め上向きに傾斜した天井部により、連通させる。また、超音波送受波器２ａ、２ｂが収納されるソケット部１ｆ、１ｈの底部は、測定配管１ｅ、１ｇの底部より高くして、ソケット部１ｆ、１ｈの底部から測定配管１ｅ、１ｇの底部へ向けて、斜め下向きに傾斜した底部により、連通させる。従って、透過型のソケット部１ｆ、１ｈは、測定配管１ｅ、１ｇの最上部と最底部とを頂点とする概略ひし形のソケット部形状をなしている。
【００２３】
本実施形態によれば、一対の超音波送受波器２ａ、２ｂの超音波伝播経路を水平に配置することで、袋状であるソケット１ｆ、１ｈ内に軽い質量の混合ガスあるいは重い質量の混合ガスが片方のソケット部に偏って分布することを防止できる。
【００２４】
また、ソケット部１ｆ、１ｈの天井部を、測定配管１ｅ、１ｇの天井部の高さと同じか、それより低い構造として、連通させることで、ソケット部１ｆ、１ｈ内のガスを測定配管１ｅ、１ｇ内のガスとも均一化できる。すなわち、ソケット部内のガスが、測定配管１ｅ、１ｇ内のガスより軽い時には、その質量差に従ってソケット部内の軽いガス（例えば水素ガス）Ｈｇが自然に測定配管内の天井部へ換気され、逆に測定配管内のガスが流れ込んで均一化する。また、ソケット部内のガスが、測定配管内のガスよりも重い時には、その重いガスが測定配管の底部へ換気され、逆に測定配管内の軽いガスがソケット部へ入り込み、均一化する。これにより常にソケット部と測定配管とでガス音速が均一化（Ｃｇ＝Ｃｓ）するため、音波屈折が発生せず、受波不能の陥ることも無く、かつ式７が成立するため、伝播経路のずれによる誤差を防止できる。
【００２５】
また、ソケット部１ｆ、１ｈの底部を、測定配管１ｅ、１ｇの底部の高さと同じか、それより高い構造として、連通させることで、ソケット部１ｆ、１ｈの結露水（凝縮液）Ｃｗは重力の作用により測定配管１ｅ、１ｇ内へ自然排水される。その後、測定配管１ｅ、１ｇの底部を伝って流量計の下流へ排出されることで、ソケット部１ｆ、１ｈの水溜りによる超音波送受波不能を防止することができる。そして、このように、ガス自然換気機能と結露水自然排水機能とを併せ持つ構成としたことで、燃料電池システムにおける加湿水素燃料ガスの流量計測が実現できる。
【００２６】
図２は本発明の第２実施形態を示しており、（ａ）は測定対象流体の流れ方向に見た図、（ｂ）は測定配管の横方向から見た図である。
【００２７】
本実施形態では、図１（ｂ）の実施形態に対し、測定配管１ｇの底部に、発泡金属からなり、微細孔を有する吸透水部材５を貼付しており、これによりソケット部１ｈから排出された結露水Ｃｗを吸収し、重力の作用により、吸透水部材５の端部へ透水させて、下流側へ排水している。
【００２８】
特に本実施形態によれば、ソケット部１ｈの底部と測定配管１ｇの底部との連通部の途中に、微細孔を有する吸透水部材５を設けることで、結露水Ｃｗを吸収し、測定配管１ｇへ排出するが、測定対象流体がソケット部から測定配管の連通部を介して下流へ流れるバイパス流に対しては、吸透水部材５（微細孔による圧力損失）が通気抵抗となるため、バイパス流は無視できるほど微量となる。これにより流量計に流入する測定対象流体は、ほとんど全量が測定配管部を通過することとなり、バイパス流による計測誤差を実用上無視できるレベルに低減することができる。
【００２９】
図３は本発明の第３実施形態を示しており、測定対象流体の流れ方向に見た図である。
【００３０】
本実施形態では、図２の実施形態に対し、測定配管１ｇの内壁に、発泡金属からなる吸透水部材５を貼ることで、結露水を直ちに吸収し、重力の作用により排水することにより、測定配管断面積の水滴による変化や、水滴による超音波の乱反射を防止して、計測誤差や、計測不良の発生を防止している。
【００３１】
特に本実施形態によれば、ソケット部１ｈの天井部と測定配管１ｇの天井部との連通部の途中に、微細孔を有する圧力損失部材（吸透水部材５）を設けることで、ガス濃度の均一化のための換気は通すが、測定対象流体がソケット部から測定配管の連通部を介して下流へ流れるバイパス流に対しては、圧力損失部材（吸透水部材５）が通気抵抗となるために、バイパス流は無視できるほど微量となる。これにより流量計に流入する測定対象流体は、ほとんど全量が測定配管部を通過することとなり、バイパス流による計測誤差を実用上無視できるレベルに低減することができる。
【００３２】
また、圧力損失部材および吸透水部材として発泡金属を用いたことにより、バイパス流の影響を低減し、ガス自然換気、結露水排水の機能を安価に実現できる。しかも、発泡金属は相互の機能を兼ね備え、上側にすれば圧力損失部材、下側にすれば吸透水部材として機能するので、流量計を上下逆にして使用することも可能となる。
【００３３】
図４は本発明の第４実施形態を示しており、（ａ）は測定対象流体の流れ方向に見た図、（ｂ）は測定配管の横から見た図である。
【００３４】
本実施形態は、流量測定レンジの制約から、超音波送受波器２ａ、２ｂの径よりも測定配管１ｋの測定部の径が小さい場合の構成を示したものである。ここでは、超音波を測定配管１ｋへ導くための超音波導波管１ｎを用いている。超音波導波管１ｎは超音波送受波器２ａ、２ｂに向かって開いた形状となるため、軽いガスＨｇや、結露水Ｃｗはソケット部１Ｌに溜まりやすくなる。
【００３５】
そこで、これらを排出するために、測定配管１ｋの測定部の上下に、ソケット部１Ｌの天井部より高い位置のガス排出管１ｍと、ソケット部１Ｌの底部より低い位置の結露水排出管１ｏとを設け、これらが圧力損失部材を兼ねる吸透水部材５を介してソケット部１Ｌと連通するようにしている。ガス排出管１ｍおよび結露水排出管１ｏは、測定配管１ｋの測定部より下流側の大径部にて、測定配管１ｋの天井部および底部に連通している。
【００３６】
これにより、ソケット部１Ｌに溜まったガスＨｇや結露水Ｃｗは、連通管としてのガス排出管１ｍや結露水排出管１ｏを通じて、測定配管１ｋの下流側へ排出される。従って、前記第３実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３７】
図５は本発明の第５実施形態を示しており、（ａ）は測定対象流体の流れ方向に見た図、（ｂ）は測定配管の横から見た図である。
【００３８】
本実施形態は、図４の実施形態に対し、結露水排出管の部分を拡張し、ここに加湿ユニット１ｓを構成することで、結露水の排水処理を加湿に有効利用した例である。ここで、加湿ユニット１ｓとしては、例えば旭硝子エンジニアリング（株）製の中空糸膜ユニットなどの水蒸気透過材を用い、これを吸透水部材５に埋め込むことで、測定対象流体を被加湿ガスへ混入させることなく、加湿することができる。
【００３９】
図６は本発明の第６実施形態を示しており、（ａ）は測定対象流体の流れ方向に見た図、（ｂ）は測定配管の横から見た図である。
【００４０】
本実施形態は、ソケット部近傍の測定配管１ｐが水平方向に偏平で、かつ測定部の断面高さを流量計の前後配管直径より小さく絞った形状としたものである。このようにすることで、上流より流れた結露水を測定配管部をバイパスして下流へ流すことにより、測定配管測定部１ｐならびに超音波送受波器ソケット部１ｑへの結露水の流入を防止している。
【００４１】
この場合に、ソケット部１ｑの天井部を、測定配管測定部１ｐより下流側の測定配管（接続配管）１ｒの天井部より低い構造として、ソケット部１ｑの天井部と測定配管１ｒの天井部とを連通管としてのガス排出管７により連通させて、ガスＨｇの換気を可能としている。尚、６はガス排出口である。
【００４２】
また、ソケット部１ｑの底部を、測定配管測定部１ｐより下流側の測定配管（接続配管）１ｒの底部より高い構造として、ソケット部１ｑの底部と測定配管１ｒの底部とを連通管としての結露水排出管８により連通させて、結露水Ｃｗを排出可能としている。尚、９は結露水排出口である。
【００４３】
特に本実施形態によれば、連通管（ガス排出管７、結露水排出管８）を用いることで、測定上の制約があっても、配管の引き回しにより必要な機能を確保することができる。
【００４４】
図７は本発明の第７実施形態として圧力損失部材を兼ねる吸透水部材の改良例を示したものである。
【００４５】
すなわち、例えば発泡金属板からなり、微細孔を有する吸透水部材５ａ〜５ｃの測定対象流体接触表面に、多数の窪みを形成してある。窪みの形状は、（ａ）〜（ｃ）に示すように、様々考えられる。
【００４６】
このように窪みをつけることで、結露水に対しては水滴の捕捉性、吸水性を高める効果がでることと、結露水による測定配管断面積の一時的な変化を吸収することができるため、結露水による流量測定誤差を低減できる効果がある。
【００４７】
また更に測定対象流体の流れに対しては、窪みで発生する乱流により測定配管断面の流速分布が均一化されることにより、広い範囲のレイノズル数下において流速分布変化による計測誤差を低減できる効果も期待できる。
【００４８】
尚、以上の実施形態では、透過型の超音波式流量計について説明したが、反射型でも同様な構成で同様な効果が得られることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する図
【図２】本発明の第２実施形態を説明する図
【図３】本発明の第３実施形態を説明する図
【図４】本発明の第４実施形態を説明する図
【図５】本発明の第５実施形態を説明する図
【図６】本発明の第６実施形態を説明する図
【図７】本発明の第７実施形態として吸透水部材の表面形状を示す図
【図８】従来の超音波流量計の構成を説明する図
【図９】従来の超音波流量計の問題点を説明する図
【符号の説明】
１ｅ、１ｇ、１ｋ、１ｐ…測定配管
１ｆ、１ｈ、１Ｌ、１ｑ…超音波送受波器ソケット部
１ｎ…超音波導波管
１ｍ…ガス排出管
１ｏ…結露水排出管
１ｒ…接続配管
１ｓ…加湿ユニット
２ａ、２ｂ…超音波送受波器
５、５ａ、５ｂ、５ｃ…圧力損失部材を兼ねる吸透水部材
６　…ガス排出口
７　…ガス排出管
８　…結露水排出管
９　…結露水排出口
【図１】
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【図２】
2004144563.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004144563.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004144563.tif 000008
【図７】
2004144563.tif 000009
【図８】
2004144563.tif 000010
【図９】
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