(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料タンク（１）内の燃料残量を計測して表示する流体残量計測装置において、
前記燃料タンク（１）から内燃機関に至る間の燃料パイプ（２）に設けられ当該燃料パイプ内を通過する燃料の流量を計測する流量計（３）と、
前記燃料タンク内に投入する燃料の初期値を入力する入力器（４）と、
前記入力器により入力された燃料の初期値から前記流量計により計測された燃料量を減算して燃料残量を演算する第１の演算器（５）と、
前記演算器から出力された燃料残量を表示する表示器（６）とを備え、
前記流量計（３）は、前記燃料パイプの途中に燃料の流れ方向に直行するように設けられた棒体からなる渦発生体（３１）と、
前記燃料パイプの断面基準寸法をＤとしたときに前記渦発生体から１×Ｄ以上離れた上流側位置の燃料パイプ内の上流側静圧と、前記渦発生体から２×Ｄ以上離れた下流側位置の燃料パイプ内の下流側静圧との圧力差（ΔＰ）を計測する圧力センサ（３２，３３）と、
前記圧力センサで検出された圧力差（ΔＰ）に基づき、下記に示す数式から、前記燃料パイプ内を流れる燃料量（Ｑ）を演算する第２の演算器（５）とを有することを特徴とする流体残量計測装置。
【数１】
0003929158.tif 000006
【請求項２】
燃料電池（１１）に供給される反応燃料が封入された燃料ボンベ（１）内の燃料残量を計測して表示する流体残量計測装置において、
前記燃料ボンベ（１）から前記燃料電池（１１）に至る管路（２）に設けられ当該管路内を通過する前記反応燃料の流量を計測する流量計（３）と、
前記燃料ボンベ内に封入された反応燃料の初期値を入力する入力器（４）と、
前記入力器により入力された反応燃料封入量の初期値から前記流量計により計測された燃料量を減算して燃料残量を演算する第１の演算器（５）と、
前記演算器から出力された燃料残量を表示する表示器（６）とを備え、
前記流量計（３）は、前記管路の途中に燃料の流れ方向に直行するように設けられた棒体からなる渦発生体（３１）と、
前記渦発生体の上流側に位置する管路内の上流側静圧と、前記渦発生体の下流側に位置する管路内の下流側静圧との圧力差（ΔＰ）を計測する圧力センサ（３２，３３）と、
前記管路の断面基準寸法をＤとしたときに前記渦発生体から１×Ｄ以上離れた上流側位置の管路内の上流側静圧と、前記渦発生体から２×Ｄ以上離れた下流側位置の管路内の下流側静圧との圧力差（ΔＰ）を計測する圧力センサ（３２，３３）と、
前記圧力センサで検出された圧力差（ΔＰ）に基づき、下記に示す数式から、前記管路内を流れる燃料流量（Ｑ）を演算する第２の演算器（５）とを有することを特徴とする流体残量計測装置。
【数２】
0003929158.tif 000007
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種流体容器の残量を計測するための流体残量計測装置に関し、特に自動車用燃料タンクの残量や燃料電池用燃料ボンベの残量を広範囲、高精度かつ低抵抗で計測できる耐久性および信頼性に優れた流体残量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動車用燃料タンクの残量計としては、タンク内に設けられたフロートの上下移動を当該フロートの受感部で検出して、これを残量に変換するいわゆるフロート式のものが知られている。
【０００３】
一方、燃料電池用燃料ボンベの燃料残量は、管路の途中に設けられた流量計、たとえばオリフィスを利用した流量計、ベンチュリ管を利用した流量計、カルマン渦列の発生周波数を測定することにより流量を測定する流量計等々により計測されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自動車用燃料タンクの残量計にあっては、燃料タンクの形状はきわめて複雑であることから、フロートの上下移動量と燃料残量とがスムーズな関係にならず、計測精度に問題があった。また、フロート式残量計ではタンク液面の揺動によって表示針がふらつくといった基本的な問題もあり、表示針の応答感度を下げたとしても自ずと限界があった。
【０００５】
一方、燃料電池用燃料ボンベの残量計に用いられる流量計は、全て管路の流れ中に何らかの流体抵抗体を配置し、流体抵抗体による管路の流れの変化を計測することにより、流体の平均流速を求め、流量を計測するようになっている。このため、管路抵抗が増大するという課題を本質的に有していた。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、自動車用燃料タンクの残量や燃料電池用燃料ボンベの残量を広範囲、高精度かつ低抵抗で計測できる耐久性および信頼性に優れた流体残量計測装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点によれば、燃料タンク内の燃料残量を計測して表示する流体残量計測装置において、前記燃料タンクから内燃機関に至る間の燃料パイプに設けられ当該燃料パイプ内を通過する燃料の流量を計測する流量計と、前記燃料タンク内に投入する燃料の初期値を入力する入力器と、前記入力器により入力された燃料の初期値から前記流量計により計測された燃料量を減算して燃料残量を演算する第１の演算器と、前記演算器から出力された燃料残量を表示する表示器とを備え、前記流量計は、前記燃料パイプの途中に燃料の流れ方向に直行するように設けられた棒体からなる渦発生体と、前記燃料パイプの断面基準寸法をＤとしたときに前記渦発生体から１×Ｄ以上離れた上流側位置の燃料パイプ内の上流側静圧と、前記渦発生体から２×Ｄ以上離れた下流側位置の燃料パイプ内の下流側静圧との圧力差（ΔＰ）を計測する圧力センサ（３２，３３）と、前記圧力センサで検出された圧力差（ΔＰ）に基づき、下記に示す数式から、前記燃料パイプ内を流れる燃料量を演算する第２の演算器とを有することを特徴とする流体残量計測装置が提供される。
【０００８】
【数３】
0003929158.tif 000002
また上記目的を達成するために、本発明の第２の観点によれば、燃料電池に供給される反応燃料が封入された燃料ボンベ内の燃料残量を計測して表示する流体残量計測装置において、前記燃料ボンベから前記燃料電池に至る管路に設けられ当該管路内を通過する前記反応燃料の流量を計測する流量計と、前記燃料ボンベ内に封入された反応燃料の初期値を入力する入力器と、前記入力器により入力された反応燃料封入量の初期値から前記流量計により計測された燃料量を減算して燃料残量を演算する第１の演算器と、前記演算器から出力された燃料残量を表示する表示器とを備え、前記流量計は、前記管路の途中に燃料の流れ方向に直行するように設けられた棒体からなる渦発生体と、前記管路の断面基準寸法をＤとしたときに前記渦発生体から１×Ｄ以上離れた上流側位置の管路内の上流側静圧と、前記渦発生体から２×Ｄ以上離れた下流側位置の管路内の下流側静圧との圧力差（ΔＰ）を計測する圧力センサ（３２，３３）と、前記圧力センサで検出された圧力差（ΔＰ）に基づき、下記に示す数式から、前記管路内を流れる燃料量を演算する第２の演算器とを有することを特徴とする流体残量計測装置が提供される。
【０００９】
【数４】
0003929158.tif 000003
上記本発明の第１および第２の観点による流体残量計測装置において、特に限定はされないが、前記圧力センサは、前記渦発生体の上流側に位置する燃料パイプまたは管路の壁面に装着された第１圧力センサと、前記渦発生体の下流側に位置する燃料パイプまたは管路の壁面に装着された第２圧力センサとを有することが好ましい。
【００１０】
またこのとき、特に限定はされないが、前記燃料パイプまたは管路の断面基準寸法をＤとしたときに、前記第１圧力センサが、前記渦発生体の上流側で１×Ｄ以上離れた位置に装着され、前記第２圧力センサが、前記渦発生体の下流側で２×Ｄ以上離れた位置に装着されていることがより好ましい。これら圧力センサが、渦発生体にあまりに近いと、渦発生体の影響により上記関係式が成り立たなくなるおそれがあり好ましくない。特に好ましくは、前記第１圧力センサが、前記渦発生体の上流側で約２．７５×Ｄ離れた位置に装着され、前記第２圧力センサが、前記渦発生体の下流側で約４．３３×Ｄ離れた位置に装着されている。
【００１１】
本発明において、前記燃料パイプまたは管路に設けられる渦発生体の断面形状は特に限定されず、円形、半円形、三角形、台形、正方形、長方形等々の断面形状を有する渦発生体を用いることができる。
【００１２】
この場合、渦発生体の断面形状によって前記数式（２）中の係数Ｃが相違する点に留意する。つまり、本発明者らが確認したところによれば、上記数式中の係数Ｃは、一様流中の抗力係数ＣD のほぼ０．８０倍、すなわちＣ＝０．８０・ＣD の関係が成立する。ここで、断面形状に応じた一様流中の抗力係数ＣD は既知であることから、これを０．８０倍すれば上記数式の係数Ｃを求めることができる（表１参照）。たとえば、渦発生体の断面が円形である場合にはＣD ＝１．１７であることから、係数Ｃ＝０．８５である。
【００１３】
【表１】
0003929158.tif 000004
特に限定はされないが、本発明の流体残量計測装置により計測される管路内流体のレイノルズ数は、１．９×１０4 〜２．７×１０5 程度、開口比は０．６６〜０．１９５程度の範囲内であることが好ましい。
【００１４】
【作用】
本発明者らは、管路内に置かれた渦発生体の前後の静圧差と平均流速との間の一般的関係式について実験を重ねた結果、渦発生体の種類や管路内断面の形状などによらず、幅広いレイノルズ数の範囲において、円管路内に置かれた渦発生体に基づく流体流れの損失係数Ｋは、［（１−β）／β2 ］に比例することを見い出し、本発明を完成させるに至った。従来では、渦発生体による損失係数は、渦発生の種類や管路の断面形状毎に図または表で与えられ、一般式化されていなかったので、渦発生体自体を流量計の一要素として用いることは不可能であった。
【００１５】
本発明では、管路内に置かれた渦発生体に基づく流体流れの損失係数Ｋを、開口比βを用いて一般式化することに成功した。これにより、本発明では、渦発生体自体を流量計の一部として用い、渦発生体の前後の静圧差を求めることで、上記数式から、管路を流れる流体の平均流速Ｕｍ、ひいては単位時間当たりの流量Ｑ／ｔを算出することを可能ならしめた。そして、この単位時間当たりの流量を積算することで総流量Ｑが求められるので、初期値から総流量を減算していけば、現在の流体の残量が求められる。
【００１６】
本発明では、レイノルズ数が１．９×１０4 〜２．７×１０5 程度の範囲で計測が可能であるため、計測可能な流速の範囲が広く、自動車用燃料タンクや燃料電池用燃料ボンベなどあらゆる装置に適用することができる。また、管路の壁面の静圧は安定しているので、計測の結果求められる流体残量の精度もきわめて高くなる。さらに、流量計の構造が簡素であることから汚れなどによる経時変化が少なく、耐久性および信頼性に優れたものとなる。また、開口比の範囲も十分広いので、管路内に設けられる渦発生体の断面積を小さくして流通抵抗を最小限とすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。
第１実施形態
図１は本発明の流体残量計測装置の第１実施形態を示す構成図、図２は本発明の流体残量計測装置に係る流量計の実施形態を示す拡大断面図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の流体残量計測装置は、自動車用燃料タンクの残量表示計に適用したものである。まず、燃料タンク１には、燃料入口が形成され、またタンク１の最下面に燃料ポンプ７が装着されている。燃料ポンプ７で吸引された燃料は、燃料パイプ２を介して図外のフューエルインジェクタに供給される。燃料パイプ２の断面は、特に限定されないがたとえば円形である。
【００１９】
この燃料パイプ２の途中には、流量計３が取り付けられている。この流量計３の詳細について説明すると、図２に示すように、燃料パイプ２の内部には、断面が円形の棒体からなる渦発生体３１が取り付けられており、燃料の流れ方向（Ｘ矢印）に対する渦発生体３１の上流側で、当該渦発生体３１から距離Ｌ１＝２．７５×Ｄの位置の管壁に、第１圧力センサ３２が装着されている。この圧力センサ３２は、渦発生体３１の上流側における燃料の静圧を測定する。特に限定されないが、燃料パイプ２内の流通抵抗を極力増加させないために、第１圧力センサ３２は、燃料パイプ２の管内壁に面一に装着することが望ましい。
【００２０】
また、渦発生体３１の下流側であって、当該渦発生体３１から距離Ｌ２＝４．３３×Ｄの位置の管壁に、第２圧力センサ３３が装着されており、この第２圧力センサ３３は、渦発生体３１の下流側における静圧を測定する。特に限定されないが、燃料パイプ２内の流通抵抗を極力増加させないために、第２圧力センサ３３も、燃料パイプ２の管内壁に面一に装着することが望ましい。
【００２１】
これら第１および第２圧力センサ３２．３３で測定された圧力信号は、それぞれ演算回路５（図１参照）へと送出され、当該演算回路５では、第１および第２圧力センサ３２．３３で検出された圧力の差ΔＰを算出し、この差圧ΔＰを下記数式に代入し、燃料の流量Ｑを算出する。本実施形態の演算回路５が、本発明の第１の演算器および第２の演算器に相当する。
【００２２】
【数５】
0003929158.tif 000005
図１に示すように、燃料タンク１には、燃料液位の上限を検出する液位センサ８ａと、燃料液位の下限を検出する液位センサ８ｂとが設けられており、それぞれの液位センサ８ａ，８ｂからの検出信号は演算回路５に送出される。特に限定はされないが、これら液位センサ８ａ，８ｂはフロート式センサが用いられる。
【００２３】
また、演算回路５には、入力器４が接続されており、燃料入口から注入された燃料量を手入力することができるようになっている。さらに、演算回路５には表示器６が接続されており、現在の燃料残量および液位の警告信号を表示する。
【００２４】
次に作用を説明する。
まず、燃料タンク１の燃料入口から所望量の燃料を注入したら、入力器４を用いてその注入量を手入力する。これにより、燃料タンク１に存在する初期値が既知となる。
【００２５】
こうした状態から自動車を走行させると、燃料ポンプ７によって燃料タンク１内の燃料がフューエルインジェクタに供給され、徐々に消費されて行く。この燃料が流量計３を流れる際に生じる差圧を第１および第２圧力センサ３２，３３により検出し、演算回路５で当該差圧ΔＰを求め、この差圧ΔＰを上述した式（１）に代入する。
【００２６】
式（１）において、重力加速度ｇ、燃料の比重γ、燃料パイプの断面積Ａ0 、計測時間ｔはそれぞれ既知である。また、式（１）のＫは式（２）によって与えられる、すなわち、式（２）において、開口比βは燃料パイプ２の断面積と渦発生体３１の投影面積から算出でき、定数Ｃは渦発生体３１の形状に応じて上述した表１を参照して求められる。
【００２７】
こうして求められた燃料の流量Ｑを先程入力器４から入力された初期値から減算することで、現在の燃料残量が求められるので、これを表示器６へ出力し表示する。
【００２８】
また、２つの液位センサ８ａ，８ｂの何れかの検出信号により、燃料が上限あるいは下限に達したときには、演算回路５を介してその旨を表示器６へ出力し使用者に喚起する。
【００２９】
本実施形態の流体残量計測装置は、レイノルズ数が１．９×１０4 〜２．７×１０5 程度、開口比が０．６６〜０．１９５程度の範囲内で適用することができるので、適用される燃料の流速や燃料パイプの制限が緩やかである。また、第１および第２圧力センサ３２，３３で検出される燃料パイプの壁面の静圧は、きわめて安定しているので、計測の結果求められる流体残量の精度もきわめて高くなる。
【００３０】
さらに、流量計３の構造が簡素であることから、渦発生体３１やセンサ３２，３３の汚れなどによる経時変化が少なく、耐久性および信頼性に優れたものとなる。また、開口比の範囲も十分広いので、燃料パイプ内に設けられる渦発生体３１の断面積を小さくして流通抵抗を最小限とすることができる。
【００３１】
第２実施形態
図３は本発明の流体残量計測装置の第２実施形態を示す構成図であり、本実施形態は、電気自動車などに応用される燃料電池システムの反応ガス残量を計測する場合に適用したものである。
【００３２】
こうした燃料電池システムは、水素と酸素（または空気）とを反応させることにより発電を行うシステムであって、図３に示すように、水素ガスの発生源となる燃料が封入されたボンベ１は、バルブ９が装着された配管２を介して改質器１０に接続され、この改質器１０によって水素ガスが生成されて燃料電池１１に供給される。一方、コンプレッサ１２により取り込まれた空気は、バルブ１３が装着された配管１４を介して燃料電池１１に接続されている。
【００３３】
こうして水素ガスと空気とが燃料電池１１に供給されると、当該燃料電池１１内に設けられた水素極で水素のイオン化が生じ、この水素イオンの流れと電子の流れとに分離するプロセスを経て水素と酸素とが化学的に結合される。このときの電子の流れが水素極と空気極との間に生じるので、直流電流が流れることになり、これを直流交流変換装置によって交流電流に変換したのち、電気自動車の駆動モータなどに供給される。
【００３４】
本実施形態の流体残量供給装置では、燃料ボンベ１から燃料電池１１に至る配管（管路）２に流量計３が取り付けられており、その構成は図２に示すものと同一である。そして、図２に示す２つの圧力センサ３２，３３からの検出信号は、それぞれ演算回路５に送出される。また、燃料ボンベ１には、当該燃料ボンベ１を交換したときに作動するボンベ取り換え検出センサ４が設けられており、このボンベ取り換え検出センサ４からの検出信号も演算回路５に送出される。さらに、燃料ボンベ１の出口には、ボンベ１内の圧力を検出するための圧力センサ１５が装着されており、この圧力センサ１５の検出信号も演算回路５に送出される。
【００３５】
次に作用を説明する。
まず、燃料ボンベ１を新規に装着すると、ボンベ取り換え検出センサ４から演算回路５にその旨の信号が送出されるので、これにより、燃料ボンベ１に存在する燃料の初期値が既知となる。
【００３６】
こうした状態から燃料電池１１に燃料および空気を供給すると、ボンベ１内の燃料は徐々に消費されて行く。この燃料が流量計３を流れる際に生じる差圧を第１および第２圧力センサ３２，３３により検出し、演算回路５で当該差圧ΔＰを求め、この差圧ΔＰを上述した式（１）に代入する。
【００３７】
式（１）において、重力加速度ｇ、燃料の比重γ、配管２の断面積Ａ0 、計測時間ｔはそれぞれ既知である。また、式（１）のＫは式（２）によって与えられる、すなわち、式（２）において、開口比βは配管２の断面積と渦発生体３１の投影面積から算出でき、定数Ｃは渦発生体３１の形状に応じて上述した表１を参照して求められる。
【００３８】
こうして求められた燃料の流量Ｑを先程ボンベ取り換えセンサ４から入力された初期値から減算することで、現在の燃料残量が求められるので、これを表示器６へ出力し表示する。
【００３９】
また、圧力センサ１５の検出信号により、燃料が下限に達したときには、演算回路５を介してその旨を表示器６へ出力し使用者に喚起する。
【００４０】
本実施形態の流体残量計測装置は、レイノルズ数が１．９×１０4 〜２．７×１０5 程度、開口比が０．６６〜０．１９５程度の範囲内で適用することができるので、適用される燃料の流速や配管２の制限が緩やかである。また、第１および第２圧力センサ３２，３３で検出される配管２の壁面の静圧は、きわめて安定しているので、計測の結果求められる流体残量の精度もきわめて高くなる。
【００４１】
さらに、流量計３の構造が簡素であることから、渦発生体３１やセンサ３２，３３の汚れなどによる経時変化が少なく、耐久性および信頼性に優れたものとなる。また、開口比の範囲も十分広いので、配管２内に設けられる渦発生体３１の断面積を小さくして流通抵抗を最小限とすることができる。
【００４２】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００４３】
たとえば、渦発生体３１の前後の圧力差は、別々の圧力センサ３２，３３により検出する以外にも、これらセンサ３２，３３が位置する部分の静圧を差圧計に導き、この差圧計により直接差圧を検出しても良い。
【００４４】
また、上述した第２実施形態において、燃料ボンベ１の残量を計測する以外にも、酸素ボンベなどを搭載する場合にはこのボンベの残量を計測しても良い。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、計測可能な流速の範囲が広く、自動車用燃料タンクや燃料電池用燃料ボンベなどあらゆる装置に適用することができる。また、検出される管路の壁面の静圧は安定しているので、計測の結果求められる流体残量の精度もきわめて高くなる。さらに、流量計の構造が簡素であることから汚れなどによる経時変化が少なく、耐久性および信頼性に優れたものとなる。また、開口比の範囲も十分広いので、管路内に設けられる渦発生体の断面積を小さくして流通抵抗を最小限とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体残量計測装置の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の流体残量計測装置に係る流量計の実施形態を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の流体残量計測装置の第２実施形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１…燃料タンク、燃料ボンベ
２…燃料パイプ、配管（管路）
３…流量計
３１…渦発生体
３２…第１圧力センサ
３３…第２圧力センサ
４…入力器、ボンベ取り換えセンサ
５…演算回路（第１の演算器、第２の演算器）
６…表示器
【図１】
0003929158.tif 000008
【図２】
0003929158.tif 000009
【図３】
0003929158.tif 000010