(57)【要約】【課題】双方向流中において，流れ方向やタービンの慣性モーメントの影響を受けないタービン式双方向流量測定装置を提供する．【解決手段】双方向流中において常に同一方向に回転するタービンを利用し，双方向流中で回転するタービンの角速度，角加速度および流れ方向を測定することにより双方向流の流量を決定する．【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が往方向及び復方向の双方向に流れることを可能にして双方向流を案内する筒状のケーシングと、該ケーシングの流路途中に軸方向に間隔を置いて設けられ流体の流れを整流する仕切板を周方向複数有する一対の整流部材と、該整流部材の配置間隔に設けられ双方向流によって回転するタービンと、上記ケーシングを介して該タービンの近傍に設けられた該タービンの回転を検出する回転センサと、該ケーシングの壁面に設けられた流れ方向を検出して決定する方向センサと、からなるタービン式双方向流量測定装置において、上記タービンは、上記整流部材間に該整流部材に設けられた軸支部を支点とし回転可能に軸支された回転軸と、該タービンに設けられ該回転軸を中心に半径方向に延びる動翼として形成された羽根部と、から構成し、上記羽根部は回転中心面に対称な断面形状を有する動翼を有し、双方向流中においてもタービンが常に同一方向に回転することを特徴とするタービン式双方向流量測定装置。
【請求項２】
上記羽根部が、反動型の動翼として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン式双方向流量測定装置。
【請求項３】
上記羽根部が、衝動型の動翼として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン式双方向流量測定装置。
【請求項４】
双方向に流れる流体を呼気及び吸気が交互に往復発生する呼吸としたことを特徴とする請求項１に記載のタービン式双方向流量測定装置。
【請求項５】
双方向に流れる流体を吸入・排出気流が交互に発生する波動機構としたことを特徴とする請求項１に記載のタービン式双方向流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技能分野】
本発明は、空気等の流体が往方向及び復方向の双方向に流れる場合の流量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
双方向流量測定装置は、汎用型として従来例えば「特開平０５−１３３７８７公報；特開平０８−１６６２６５公報」に記載されている装置が提案されているが、主として呼吸流量測定に用いられており、例えば「特開平０５−３３２７９９公報；伊藤阿耶雄、木村壮介：呼吸流量センサ、医科器械学、５５巻、１２号、１９８５年；高橋清、佐々木昭夫：アドバンストセンサハンドブック、培風館、６９２−６９７ページ、１９９４年；戸川達男：気流計測、綜合臨床、２６巻、６号、１１７２−１１７６ページ、１９７７年；吉田稔、石橋正義：換気機能検査機器、医科器械学、５６巻、１０号、１９８６年」に記載されているように細管を用いた差圧型流量計、熱線型流量計や超音波流量計が使用されている。しかし、これらの流量計では、（１）水蒸気の結露や分泌物による細管の目詰まりや熱線の汚れが生じる、（２）気体の性質により熱線の熱伝導率や音速が変化するなどのため、正確な呼吸量計測には測定器の保守や高精度の解析装置を必要とし、測定の容易さやコストの面で欠点を有する。
【０００３】
一方、手軽に使用できる呼吸量測定器として、例えば「特開２０００−２９８０４３公報；特開２０００−２９８０４４公報；伊藤阿耶雄、木村壮介：呼吸流量センサ、医科器械学、５５巻、１２号、１９８５年；高橋清、佐々木昭夫：アドバンストセンサハンドブック、培風館、６９２−６９７ページ、１９９４年；戸川達男：気流計測、綜合臨床、２６巻、６号、１１７２−１１７６ページ、１９７７年」に記載されているようにタービン流量計による呼吸量測定装置も従来提案されており、医療現場で広く使用されている。
【０００４】
以下、図１１、図１２により、タービン式双方向流量測定装置として、従来のタービン流量計による呼吸量測定装置について説明する。図１１において、静翼１７により気流が回転して動翼を回転し、その回転数が直読ダイヤルかまたは、光電式の回転検出器１０で検出される。この構造では、動翼６は矢印の流れ方向のみに回転するため、呼気および吸気それぞれに対応する測定装置が必要である。また、タービンの慣性モーメントの影響で、流量変化が早い非定常性の強い気流に対してはタービンが追従せず、流量の測定結果に誤差が生じる。
【０００５】
一方、図１２においては、回転体１８が動翼６により両方向に回転でき、回転数が光電的に検出される。この測定装置では、気流の流れ方向と共にタービンの回転方向も変化するため、タービンの慣性モーメントの影響により、呼気によるタービンの回転が吸気による回転を妨げる、または吸気による回転が呼気による回転を妨げることによって、流量変化が早い場合にはタービンが追従できなくなり、測定結果に誤差が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた従来のタービン式双方向流量測定装置の問題点は、図１１、図１２の両方の測定装置とも、タービンの慣性モーメントの影響により、流量変化が早い非定常性の強い気流に対してはタービンが追従しない。したがって、呼吸パターンによっては大きな測定誤差が生じ、正確な呼吸量測定ができない解決課題があった。また、図１１では、タービンの回転特性が気流方向に依存するため、呼気および吸気の両方の流量を測定する場合には、２台の測定装置が必要である解決課題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、流体が往復移動する双方向流中において、タービンが常に同一方向に回転する構成にすることにより流れ方向やタービンの慣性モーメントの影響を受けないタービン式双方向流量測定装置を実現することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そして、本発明は上記目的を達成するために、幾何形状が回転中心面に対して対称で回転特性が流体の流れ方向に依存せず、双方向流中で常に同一方向に回転するタービンを備えたタービン式双方向流量測定装置において、双方向流中で同一方向に回転するタービンの角速度、角加速度および流れ方向を測定することにより、流れ方向やタービンの慣性モーメントに依存しない正確な双方向流量測定を可能にする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として、実施例を図１〜図１０に基づいて説明する。
【００１０】
本発明におけるタービン式双方向流量測定装置は、例えば、呼吸量計測に利用することができる。図１において、患者１により吸込まれる吸気（矢印Ｉの点線図示）または吐出される呼気（矢印Ｅの実線図示）が往復方向に流れる筒状の透明ケーシング８（本実施例では、使用者の手のひらで把握できる程度の大きさにコンパクトに形成されている。）と、患者１が呼吸しやすいように該ケーシング８の前後に接続されたマウスピース９およびベルマウス１３と、該ケーシング８内において、該ケーシング８の流路途中に軸方向に間隔を置き固定して設けられた吸気または呼気を整流する仕切板状の整流板４と固定ハブ３からなる一対の整流部材Ｓと、該各整流部材Ｓ、Ｓの配置間隙に回転自在な状態で設けられ往復気流によって回転する回転ハブ５、動翼６、回転軸７からなるタービンＴと、上記透明ケーシング８を透過して該タービンＴの近傍に設けられた該タービンＴの回転を検出する発光素子１４、レンズ１５、受光素子１６からなる回転検出器１０と、該ケーシングの壁面に設けられた往復気流の往復方向を検出して決定する方向検出器２から構成される。
【００１１】
上記タービンＴは、前記整流部材Ｓ、Ｓ間に該整流部材Ｓに設けられた穴若しくは突起部等の軸支部Ｓ１を支点とし回転可能に軸支された回転軸７と、該タービンの回転ハブ５に設けられ該回転軸７を中心に半径方向に延びる動翼６として形成された羽根部Ｈから構成し、上記羽根部Ｈは回転中心面に対称な断面形状を有する動翼６を有する。
【００１２】
上記動翼６において、その翼の形態としては図３に示す反動型動翼６１または図４に示す衝動型６２を用いる。
【００１３】
衝動型６１を用いる場合には、その動翼が効率よく回転するために図５に示すように静翼１７を衝動型動翼６２に前後に設置するか、またはタービン近傍の部分が静翼１７のような形状を有する整流板４を使用する。
【００１４】
タービン回転数の測定は、図２に示すようにタービンＴの翼端部分に発光素子１４およびレンズ１５から光を照射し、その反射光を受光素子１６で受光することで行う。その際、受光素子１６の出力は増幅および波形整形され、カウンタ１１で測定部における動翼６の通過枚数が計数される。
【００１５】
上記通過枚数はコンピュータ１２により記録するとともに、測定位置における通過枚数の時間的変化により図６に示すようなタービンの角速度および角加速度を計算する。
【００１６】
そして、流量の決定方法については、得られたタービンの角速度および角加速度を、図７に示すような無次元角加速度（タービンの角加速度を無次元化した値）と流量係数（＝気流速度／回転速度）の関係を表す既知のタービン特性曲線に照合することにより、図８のように流量が一義的に決定できる。
【００１７】
なお、本発明で使用するタービンＴの回転特性は往復方向の流れ方向に依存しないため、図８に示す流量は流れ方向に関する情報を含んでいない。したがって、図１に示すように、流れ方向を特定するための方向検出器２を用いて図９に示すように流れ方向を測定する。
【００１８】
そして、図８および図９の結果を組合せることにより、図１０に示すように吸気と呼気の往復流の状態が把握できる呼吸量が得られる。
【００１９】
本発明の流量測定装置は、人工呼吸器の測定や、波動から生じる往復気流の測定、あるいは工場等の往復移動流体の測定など、汎用的に活用することができる。そして、本発明では測定時のタービンは筒状のケーシングに内装されているので長年月に亘って正確な作動が遂行できる。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように本発明のタービン式双方向流量測定装置は、従来の装置と異なり、双方向流中においてもタービンが常に同一方向に回転することとなり、流れ方向やタービンの慣性モーメントの影響を受けない双方向流量測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】タービン式双方向流量測定装置
【図２】回転検出器
【図３】反動型動翼を有するタービン
【図４】衝動型動翼を有するタービン
【図５】衝動型動翼を使用した場合のタービン翼列
【図６】角速度、角加速度の測定結果
【図７】無次元角加速度−流量係数曲線
【図８】流量
【図９】流れ方向
【図１０】呼吸量
【図１１】従来のタービン式呼吸流量測定装置（一方向流）
【図１２】従来のタービン式呼吸流量測定装置（往復流）
【符号の説明】
１　　患者
２　　方向検出器
３　　固定ハブ
４　　整流板
５　　回転ハブ
６　　動翼
６１　反動型動翼
６２　衝動型動翼
７　　回転軸
８　　透明ケーシング
９　　マウスピース
１０　回転検出器
１１　カウンタ
１２　コンピュータ
１３　ベルマウス
１４　発光素子
１５　レンズ
１６　受光素子
１７　静翼
１８　回転体
Ｈ　　羽根部
Ｓ　　整流部材
Ｓ１　軸支部
Ｔ　　タービン
【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】
2004020308.tif 000012
【図１１】
2004020308.tif 000013
【図１２】
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