(57)【要約】【課題】被測定流体が流れる測定管１と、この測定管１の内壁に対して凹んだ一対の格納室３ａ、３ｂにそれぞれ設けられる超音波送受信器２ａ、２ｂとを備え、これら一対の超音波送受信器２ａ、２ｂ間の超音波伝播時間に基づいて流体の流量を演算する場合に、測定管１と格納室３ａ、３ｂのガス密度差に起因する音波屈折を発生させないようにする。【解決手段】格納室３ａ、３ｂの換気を促進する手段を設ける。具体的には、ポンプ５及び配管６ａ、６ｂ、７を設けて、測定管１から格納室３ａ、３ｂへ又はその逆へ換気する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体が流れる測定管と、この測定管の内壁に対して凹んだ一対の格納室にそれぞれ設けられる超音波送受信器とを備え、これら一対の超音波送受信器間の超音波伝播時間に基づいて流体の流量を演算する超音波流量計において、
前記格納室の換気を促進する手段を設けたことを特徴とする超音波式流量計。
【請求項２】
前記換気促進手段をポンプで構成した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】
前記ポンプがばね質量型ポンプであることを特徴とする請求項２記載の超音波式流量計。
【請求項４】
前記ばね質量型ポンプの共振周波数は流量計車載時の上下共振周波数に合わせて調整したことを特徴とする請求項３記載の超音波式流量計。
【請求項５】
前記ポンプの吸入口又は排出口のいずれか一方を前記測定管と連通させたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の超音波式流量計。
【請求項６】
前記換気促進手段の温度を調整する手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の超音波式流量計。
【請求項７】
前記換気促進手段は、前記格納室と前記測定管とを連通配管で結合して流体流れの圧力により換気作用を促進するように構成した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８】
前記連通配管に連通遮断弁を介装した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】
前記ポンプの吸入口又は排出口のいずれか一方と前記測定管とを連通させる連通配管に連通遮断弁を介装したことを特徴とする請求項５記載の超音波式流量計。
【請求項１０】
前記連通遮断弁は形状記憶合金の変態を利用して連通遮断する弁であることを特徴とする請求項８又は請求項９記載の超音波式流量計。
【請求項１１】
前記換気促進手段は流体流れに対して上流側と下流側の超音波送受信器の格納室をそれぞれ均等に換気促進するように各格納室に対する連通管路の長さ、断面径を同じに構成したことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに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、超音波式流量計に関し、特に、ガス組成が一定ではない流体の流量、例えば燃料電池システムにおける加湿水素ガスの流量を測定するときの流量測定精度を確保する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波式流量計としては、例えば図７、図８に示すような構成の超音波式流量計がある。図７は測定管１の上流と下流に一対の超音波送受信器２ａ、２ｂを流れの方向に対して角度θで対向させているＺ型レイアウト（透過型）を示している。図８は一対の超音波送受信器２ａ、２ｂを測定管１の片側に設けて、超音波を底面１ａで反射させて受けるＶ型レイアウト（反射型）を示している。ここで一対の超音波送受信器２ａ、２ｂは測定管１の内部の流れを乱さないように測定管１に対して凹んだ格納室３ａ、３ｂに納められている。測定対象である流れを乱さないようにするための工夫は、例えば特許文献１のように格納室３ａ、３ｂと測定管１との境界部に超音波を透過するメッシュを設定する例を見ることができる。
【０００３】
また、一対の超音波送受信器の間を超音波が伝播する距離Ｌは、送受信信号を明確に分離判別できる時間が得られるように計算されて設定されている。例えば、測定管の断面寸法が小さく（例えば１インチ管＝φ２５．４ｍｍ）、しかも測定管を流れる流体が水素含有ガスのように音速が速い場合（純水素の音速１３００ｍ／ｓ）には、Ｚ型レイアウト（θ＝４５°）で超音波送受信器を格納室無しで測定管にぎりぎりに中心を合わせて設定したときは、２５．４ｍｍ×√２  ／１３００（ｍ／ｓ）＝２７．４μｓとなり、使用超音波周波数が４０ｋＨｚとすると超音波１波長分の時間２５μｓに近い値になっている。このため、発信パルス１波長の後にエコー波が若干残ることを勘案すれば、この伝播距離Ｌでは送受信信号を時間軸で明確に分離することが難しい距離関係になっている。したがって、送受信信号を明確に分離できる伝播距離Ｌを確保するためにも超音波送受信器を凹んだ格納室に入れて距離間隔を伸ばす必要があり、格納室の距離を適正に設定しなければならない。
【０００４】
しかしながら、このように一対の格納室に超音波送受信器を納めて、かつ伝播距離Ｌを十分に取るレイアウトにすると、特許文献２で開示されているように、一方の超音波送受信器から発信された超音波は他方の超音波受発信器に直接向かう直接波だけでなくいろいろな反射波が発生し、この反射波と直接波とが干渉して、超音波伝播時間の測定精度の悪化をもたらすことがあった。このような技術的課題に対して、特許文献２では測定管の内部を伝播する超音波の不要伝播波成分を減衰させる手段を設けることによって解決することを提案している。
【０００５】
以上のように、従来の超音波式流量計は、いずれも基本的に測定管内の流れをできるだけ乱さないような構成にし、また不要な伝播波が発生してもこれを減衰させる手段を設けることでＳＮ比を確保しようとしていた。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２１６６６号公報
【特許文献２】特開２００１−３１１６３６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば負荷変動の大きい車両用の燃料電池システムでは、燃料ガスである加湿水素ガスの組成は運転状況に伴って大きく変化して一定値を維持していることは無く、また流体の流量自体も運転状況に伴って大きく変動するため、このような変化の大きい加湿水素ガスの流量を超音波式流量計で測定する場合には、次に示すような別の問題点があった。
【０００８】
いま、測定管を流れる流体のガス組成が高濃度水素領域で暫く運転されていた後に、相対的に低濃度の水素含有ガスに変化した場合を想定する。相対的に低濃度の水素含有ガスに変化する場合とは、流体のガス組成が高湿度に変化したり、あるいは不要ガス（例えば窒素）成分の比率が増えたりする場合であって、測定管はこの相対的に低濃度の水素含有ガスが流れているにも関わらず、格納室にはまだ高濃度水素が存在するという状態が過渡的に生じることになる。つまり、格納室と測定管とでガス密度が異なることになり、また格納室と測定管との境界面が超音波の伝播方向に対して角度θをもっていることから、音波屈折が生じることになる。音波屈折が生じると、図９にＶ型レイアウトの例で示すように超音波の伝播ジオメトリが狂うことになり（４ａ、４ｂ→４ｃ、４ｄ）、その結果として超音波受信感度が極端に低下して受波タイミングがずれて測定誤差を生じる。あるいは受波ができなくなって測定不能なまでに感度が低下するという問題点があった。ここで音波屈折の度合いはスネル（Ｓｎｅｌｌ  ）の法則にて決まり、格納室と測定管とで音速が食い違うほど大きくなる。音速は大略ガス密度によって変化し、水素は他のガスに比べて極めて音速が速いという特徴があるため、水素含有ガスの中で水素の体積割合が変化することによって音速が大きく変化するという傾向がある。なお、格納室のガス組成が相対的に低濃度水素含有ガスで、測定管のガス組成が高濃度水素含有ガスという場合は、図９とは逆の方向に音波が屈折することになるが、この場合も超音波の伝播ジオメトリが狂うことになり、超音波受信感度が低下することになるメカニズムは同じである。
【０００９】
このような受信感度の極端な低下をもたらし、受波タイミングが狂うことで測定誤差を生じたり、測定不能状態にまで陥る可能性があるという問題点は、例えば特許文献１で示されるように測定管の流れを乱さないようにするために格納室の開口部を実質的に小さくすればするほど起きやすく、また格納室の容積が大きくなればなるほど起きやすく、さらに流体が低圧低流量であればあるほど格納室のガスを換気する能力が低くなるために起きやすい傾向にあった。これに対して、前述の特許文献２で提案している測定管の内部を伝播する超音波の不要伝播波を減衰させる手段を設けることは、不要伝播波減衰手段が音波屈折する信号波自体を減衰させてしまうことになるため、受信感度低下の対策には何ら効果を発揮しないものであった。
【００１０】
以上より、本発明の目的とするところは、測定管と格納室のガス密度差に起因する音波屈折を極力発生させないようにすることに集約され、音波屈折が生じると超音波受信感度が低下して測定誤差を生みやすく、さらには測定不能状態に陥る可能性もあるという従来技術の問題点を解決することにより、ガス組成が大きく変動する流体であってもその流量を精度良く測定することができる超音波式流量計を提供することにある。
【００１１】
【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、被測定流体が流れる測定管の内壁に対して凹ませて設けられ、それぞれに超音波送受信器が配置される一対の格納室に対し、その換気を促進する手段を別に設ける構成とした。
【００１２】
【発明の効果】
本発明に係る超音波式流量計によれば、換気促進手段によって格納室の換気が促進されることで、測定管と格納室とのガス密度が常に均一化され、その結果として測定管と格納室との境界部での音波屈折が生じにくくなるため、音波屈折による超音波受信感度の低下を回避することができるという効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の超音波式流量計の第１実施形態を示している。
【００１４】
被測定流体が流れる測定管１に対し、一対の超音波送受波器２ａ、２ｂを流れ方向に所定の間隔で配設して、超音波送受波器２ａ、２ｂの一方から角度θをもって送信された超音波が対向する測定管１の底面１ａ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Ｖ型レイアウト（反射型）としてある。そして、一対の超音波送受信器２ａ、２ｂは測定管１の内壁に対し凹んだ一対の格納室３ａ、３ｂに収納してある。なお、４ａ、４ｂは超音波伝播経路である。
【００１５】
このような超音波式流量計では、被測定流体の流れに対し順方向（超音波送受波器２ａ→２ｂ）と逆方向（２ｂ→２ａ）の超音波伝播時間ｔ１  、ｔ２を測定し、これらに基づいて流速Ｖを求め、これに断面積Ａを乗じて、体積流量Ｑｖを求める。
【００１６】
本発明に係る構成としては、換気促進手段として、ポンプ５を設けている。
ポンプ５は、格納室３ａ、３ｂに対しては排出口側の配管６ａ、６ｂによって、測定管１に対しては吸入口側の配管７によって連通されている。配管６ａ、６ｂは格納室３ａ、３ｂを均等に換気できるように、配管の長さ、配管断面寸法、配管の曲げ形状などの仕様は対称な関係になっている。
【００１７】
ポンプ５の具体例としては、電動ポンプも可能であるが、図２には、ばね質量型ポンプの一例を示している。ばね体５７ａ、５７ｂの合成ばね定数ｋと質量体５１の質量ｍによる固有振動周波数ｆ＝（１／２π）√（ｋ／ｍ）は、流量計支持部の上下共振周波数に合わせている。車載する位置にもよるが、一般的な車両の上下固有振動周波数はおおよそ２Ｈｚ前後の値である。質量体５１には流路５４が形成され、そこに弁体５６が組み込まれポンピング作用を効率的になし得るように構成されている。ポンプ５の外表面は保温材５８で覆われていて、ポンプ５の温度を周囲温度と一定になるように保ち、ポンピング作用によるガス圧縮によってポンプ５内部で結露が起きるのを極力防止するようにしている。
【００１８】
いま、流量計の支持部（図示せず）が車両走行によって上下振動した場合、この上下振動周波数とばね質量型ポンプ５の固有振動周波数が一致することから、質量体５１は共振して上下振動する。質量体５１が上方に変位すると、一方の隔室５２が膨張側で負圧になることから配管７を通して測定管１のガスを吸引し、他方の隔室５３は圧縮側で正圧になり弁体５６は閉じ状態になることで、配管６ａ、６ｂを通じて格納室３ａ、３ｂに隔室５３のガスを送ることができる。また、質量体５１が下方に変位すると、弁体５６は開いた状態になるので、隔室５２と隔室５３は流路５４（及び孔５５）により連通状態でポンプ作用が無く、隔室５２のガスが隔室５３に流れ込む。このような作用が連続することによって測定管１のガスが格納室３ａ、３ｂに送り込まれることになる。このときに、送り込むガスが格納室３ａ、３ｂで均等な量と均等なタイミングでなされるように、配管６ａ、６ｂの長さ、断面積寸法、曲げ形状、角度などは対称になる仕様にしている。なお、この例の場合、格納室３ａ、３ｂのガス換気能力は、流量計支持部の上下振動変位量と持続時間に依存してなされることになる。
【００１９】
図３はばね質量型ポンプの別の例（５ａ）を示しており、ばね体としてダイアフラム５７を用いている。質量体５１ａがポンプ内壁を摺動しないのでシール性に優れる方式であるが、基本的な作用は上述のコイルばね方式と変わらない。ダイアフラム５７のばね定数ｋと質量体５１ａで決まる固有振動周波数を調整すればよい。
【００２０】
なお、図２の例も、図３の例も換気ガスの流れは、測定管１から、配管７、隔室５２、流路５４（５４ａ）、弁体５６（５６ａ）、隔室５３、配管６ａ、６ｂを経由して格納室３ａ、３ｂに至り、測定管１に排気されるように構成しているが、これとは逆方向に測定管１から格納室３ａ、３ｂを通り、配管６ａ、６ｂ、隔室５３、弁体５６（５６ａ）、流路５４（５４ａ）、隔室５２、配管７を経由して測定管１に排気されるように構成することもでき、同様の換気作用を実現することができる。
【００２１】
本発明の超音波式流量計によれば、換気促進手段（５、５ａ）によって格納室３ａ、３ｂの換気が促進されることで、測定管１を流れるガス組成と格納室３ａ、３ｂのガス組成とを一致させるように作用させて、その結果として超音波伝播経路において好ましくない音波屈折を起こさせないようにすることができる。そして狙った伝播ジオメトリ通りに音波が伝播させることで、受信感度が低下するという不都合を解消することができる。
【００２２】
特に第１実施形態によれば、換気促進手段をポンプ５、５ａで構成したことにより、このポンプ５、５ａによって確実に強制ガス拡散効果を発揮することができ、格納室３ａ、３ｂの換気促進を有効になし得る効果がある。
【００２３】
また、第１実施形態によれば、換気促進ポンプをばね質量型ポンプ５、５ａとしたことにより、動力源を個別に持たない簡潔な構造の省エネ型ポンプで構成することができるという効果ある。
【００２４】
また、第１実施形態によれば、ばね質量型ポンプ５、５ａの共振周波数は流量計車載時の上下共振周波数に合わせて設定するようにしたことにより、車両走行に伴って発生する微小な上下振動に呼応してばね質量型ポンプを有効に作用させることができ、無動力で換気を促進できるという効果がある。
【００２５】
また、第１実施形態によれば、換気促進ポンプ５、５ａの吸入口又は排出口のいずれか一方を測定管１と連通させたことにより、格納室３ａ、３ｂのガス組成を迅速に測定管１のガス組成に近づけることができるという効果がある。
【００２６】
また、第１実施形態によれば、換気促進手段（５、５ａ）の温度を調整する手段（保温材５８）を設けたことにより、換気促進手段での結露発生を防ぐことができる。もし結露が発生するとなればガス組成が換気促進手段により変化することを意味し、変化したガス組成は測定管１の組成と必ずしも合致するものではない。したがって、換気促進手段の温度を調整する手段（保温材５８）を設けることによって結露の発生を防止することにより、換気促進作用を有効に実現できるという効果がある。
【００２７】
また、第１実施形態によれば、換気促進手段（５、５ａ）は流体流れに対して上流側と下流側の超音波送受信器２ａ、２ｂの格納室３ａ、３ｂをそれぞれ均等に換気促進するように各格納室３ａ、３ｂに対する連通管路の長さ、断面径を同じに構成したことにより、格納室３ａ、３ｂへの換気の流れが上流側３ａと下流側３ｂとで同じになることで、上流側３ａから下流側３ｂへ超音波が伝播する場合でも、その逆の場合でも換気の流れが超音波伝播時間に与える影響を格納室３ａと格納室３ｂとでキャンセルすることができるという効果がある。
【００２８】
図４は本発明の超音波式流量計の第２実施形態を示している。
測定管１の上流にあたる流管１０から流体を取り入れるように配管８を設け、格納室３ａ、３ｂに連通する配管６ａ、６ｂに接続させている。この場合の換気の流れは、配管８、配管６ａ、６ｂを経由して格納室３ａ、３ｂに入り、測定管１に抜ける。図４では配管８の取入れ口８ａは流体のラム圧を有効に受けられるように受け口状にしているが、測定管１の断面積を絞って流速Ｖを高めるように設定された流量計にあっては、断面積が絞られる前の流管位置に配管８の取入れ口を設定することにより、この取入れ口での静圧が相対的に高いことを利用することもできる。このように差圧を利用して流れの一部を分流させて格納室３ａ、３ｂにガスを導き入れ、測定管１に戻すことで換気を促進することもできる。この場合の格納室３ａ、３ｂのガス換気能力は基本的に流体の流量に依存して変化することになる。なお、分岐配管８を流れる流量は測定管１を流れる流量に対して少量となるように設定して、極力測定管１を流れる流量に影響を及ぼさないように設定するか、あるいは換気促進に用いる分流の比率が常に一定になるように流れを調整する必要がある。
【００２９】
特に第２実施形態によれば、格納室３ａ、３ｂの換気促進手段として、格納室３ａ、３ｂと測定管１とを連通配管８で結合して流体流れの圧力により換気作用を促進するように構成したことにより、流体流れを利用した簡潔な配管構成で、かつ無動力の換気促進手段を実現することができるという効果がある。
【００３０】
図５は本発明の超音波式流量計の第３実施形態を示している。これは、第２実施形態（図４）をベースにして、連通配管８に連通遮断弁９を介装したものである。
【００３１】
連通遮断弁９は、電磁弁にして通電により連通遮断を決定する方式とすることが考えられるが、ここでは無動力の例として、形状記憶合金の変態を利用した弁とすることで、自動的な温度感応型の換気を実現するようにした例としている。
【００３２】
一般に７０〜８０℃以上の高温域では湿度分圧が高いため、水分量の多寡によってガス組成の変化を生じやすい雰囲気下にあり、このような雰囲気下では連通遮断弁９が自動的に連通状態になって換気促進を有効に作用させる。一方、低温域では湿度分圧は低いため、ガス組成変化が少ない状況にあり、連通遮断弁９が自動的に遮断状態になって、無用な換気促進を実施しないにすることは可能である。弁の切替え温度として、例えば６０〜７０℃に設定することは従来技術の範疇である。低温域で無用な換気促進を実施しないことにより、超音波伝播時間測定に悪影響が出ないようにすることが可能である。
【００３３】
特に第３実施形態によれば、換気促進用の連通配管８に連通遮断弁９を介装したことにより、換気促進を必ずしも必要としない運転領域では連通遮断弁を遮断状態にして、格納室３ａ、３ｂの内部に換気促進による強制ガス拡散気流を発生しないようにすることで超音波伝播時間測定に影響が及ぼすのを避けることができる。
【００３４】
また、第３実施形態によれば、連通遮断弁９を形状記憶合金の変態を利用して連通遮断する弁とすることにより、無動力の温度感応型弁とすることができる。基本的に高温域では湿度分圧が高いため、水分量の多寡によってガス組成の変化を生じやすい状況にあり、このような状況下では連通遮断弁が自動的に連通状態になって換気促進を有効に作用させ、一方低温域ではガス組成変化が少ないために連通遮断弁が自動的に遮断状態になって無用な換気促進はしないようにすることができるという効果がある。
【００３５】
図６は本発明の超音波式流量計の第４実施形態を示している。これは、第１実施形態（図１）をベースにして、ポンプ５と測定管１との連通配管７に連通遮断弁９を介装したものである。この場合、連通遮断弁９を閉状態にするとばね質量型ポンプ５のポンピング作用が抑制されることになる。これにより、上下振動感応型でかつ温度感応型のポンプが実現できることになる。
【００３６】
特に第４実施形態によれば、ポンプ５と測定管１との連通配管７に連通遮断弁９を介装したことにより、換気促進を必ずしも必要としない運転領域では連通遮断弁を遮断状態にして、格納室３ａ、３ｂの内部に換気促進による強制ガス拡散気流を発生しないようにすることで超音波伝播時間測定に影響が及ぼすのを避けることができる。
【００３７】
尚、以上の実施形態では、Ｖ型レイアウト（反射型）の超音波式流量計について説明したが、Ｚ型レイアウト（透過方）の超音波式流量計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】本発明の超音波式流量計の第１実施形態を示す図
【図２】第１実施形態におけるばね質量型ポンプの一例を示す図
【図３】第１実施形態におけるばね質量型ポンプの他の例を示す図
【図４】本発明の超音波式流量計の第２実施形態を示す図
【図５】本発明の超音波式流量計の第３実施形態を示す図
【図６】本発明の超音波式流量計の第４実施形態を示す図
【図７】Ｚ型レイアウトの超音波式流量計を示す図
【図８】Ｖ型レイアウトの超音波式流量計を示す図
【図９】音波屈折が生じたときの超音波伝播経路を説明する図
【符号の説明】
１…測定管
２ａ、２ｂ…  超音波送受信器
３ａ、３ｂ…  格納室
４ａ、４ｂ…  超音波伝播経路
５、５ａ…  ばね質量型ポンプ（換気促進手段）
５１、５１ａ…  質量体
５２、５３…  隔室
５４、５４ａ…  流路
５５…  孔
５６、５６ａ…  弁体
５７、５７ａ、５７ｂ…  ばね体
５８…  保温材
６ａ、６ｂ…  連通配管
７…  連通配管
８…  連通配管（換気促進手段）
８ａ…  受け口
９…  連通遮断弁
１０…  流管
【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】
2004157045.tif 000008
【図７】
2004157045.tif 000009
【図８】
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【図９】
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