特許 7599147 物理量計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-05

(45)【発行日】2024-12-13

(54)【発明の名称】物理量計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/024 20060101AFI20241206BHJP

   G01F 1/66 20220101ALI20241206BHJP

【ＦＩ】

G01N29/024

G01F1/66 101

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020214487

(22)【出願日】2020-12-24

(65)【公開番号】P2022100485

(43)【公開日】2022-07-06

【審査請求日】2023-02-13

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002527

【氏名又は名称】弁理士法人北斗特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 真人

(72)【発明者】

【氏名】名和 基之

(72)【発明者】

【氏名】中林 裕治

(72)【発明者】

【氏名】松田 正誉

(72)【発明者】

【氏名】三好 麻子

(72)【発明者】

【氏名】高倉 裕也

【審査官】横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５８－１８９５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２４８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５０－１０９７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－０６６３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０７１１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２３８３６４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００ － Ｇ０１Ｎ ２９／５２

Ｇ０１Ｆ １／００ － Ｇ０１Ｆ １／９０

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／９５８

Ｇ０１Ｎ ２３／００ － Ｇ０１Ｎ ２３／２２７６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被計測流体が流れる矩形断面の主流路と、
前記主流路の一部により形成される助走部と、
前記助走部より下流において前記矩形断面の前記主流路の長辺を外方向に後退させて形成した第１の後退壁と、
前記第１の後退壁の上流側に設けた上流開口部と、
前記第１の後退壁の下流側に設けた下流開口部と、
前記第１の後退壁の外方向に設けられ前記上流開口部と前記下流開口部とを接続する副流路と、
前記副流路に配置した一対の超音波送受波器と、
前記被計測流体の温度を検知する温度センサと、
前記一対の前記超音波送受波器からの信号と前記温度センサからの信号を受けて流体の成分濃度を判別する信号処理部と、を備え、
前記第１の後退壁の後退長さは、前記主流路を流れる流体のコアンダ効果により形成される低圧領域が、前記下流開口部からの流れを誘引するように構成し、
前記副流路の高さは、前記主流路の高さよりも小さくし、
前記被計測流体が流れる方向と前記高さの方向の双方に直交する方向に沿った、前記副流路の幅は、前記主流路の幅よりも小さくした物理量計測装置。

【請求項2】

被計測流体が流れる矩形断面の主流路と、
前記主流路の一部により形成される助走部と、
前記助走部より下流において前記矩形断面の前記主流路の長辺を外方向に後退させて形成した第１の後退壁と、
前記第１の後退壁の上流側に設けた上流開口部と、
前記第１の後退壁の下流側に設けた下流開口部と、
前記第１の後退壁の外方向に設けられ前記上流開口部と前記下流開口部とを接続する副流路と、
前記副流路に配置した一対の超音波送受波器と、
前記被計測流体の温度を検知する温度センサと、
前記一対の前記超音波送受波器からの信号と前記温度センサからの信号を受けて流体の
成分濃度を判別する信号処理部と、を備え、
前記第１の後退壁の後退長さは、前記主流路を流れる流体のコアンダ効果により形成される低圧領域が、前記下流開口部からの流れを誘引するように構成し、
前記第１の後退壁に対向する長辺を前記主流路の外方向に後退させて第２の後退壁を形成し、前記第１の後退壁の後退長さは前記第２の後退壁の後退長さよりも小さくした物理量計測装置。

【請求項3】

被計測流体が流れる矩形断面の主流路と、
前記主流路の一部により形成される助走部と、
前記助走部より下流において前記矩形断面の前記主流路の長辺を外方向に後退させて形成した第１の後退壁と、
前記第１の後退壁の上流側に設けた上流開口部と、
前記第１の後退壁の下流側に設けた下流開口部と、
前記第１の後退壁の外方向に設けられ前記上流開口部と前記下流開口部とを接続する副流路と、
前記副流路に配置した一対の超音波送受波器と、
前記被計測流体の温度を検知する温度センサと、
前記一対の前記超音波送受波器からの信号と前記温度センサからの信号を受けて流体の成分濃度を判別する信号処理部と、を備え、
前記第１の後退壁の後退長さは、前記主流路を流れる流体のコアンダ効果により形成される低圧領域が、前記下流開口部からの流れを誘引するように構成し、
前記第１の後退壁に対向する長辺を前記主流路の外方向に後退させて第２の後退壁を形成し、前記第２の後退壁の上流側には、前記助走部に設けた助走開口部と前記第２の後退壁の上流端に設けた開口部とを接続するバイアス流路を備えた物理量計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流動する使用流体の一部をサンプリングして、流体に含まれる成分の濃度等の特性を計測するための構成に関するものである。

【背景技術】

【0002】

流路を流れる流体の流れの乱れの影響を受けることなく、流体に含まれる成分の濃度計測を行うことが必要とされる用途がある。

【0003】

従来、流体の成分を測定する計測装置として、超音波流量計の流量計測部を流れる流体をサンプリングする成分計測部を流量計測部に併設したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

図６は、特許文献１に記載された超音波流量計の一部分の断面図を示したものである。

【0005】

この流量計では、計測流路１０１は仕切板１０２で多層に分割して多層流路１０３を形成している。この多層流路１０３部に流体の成分を計測する副流路１０４を併設している。そして、多層流路１０３部の入口側に計測流路１０１へ突出部１０５を配置して流路断面を部分的に絞り、エジェクタ効果により多層流路１０３ａの上流側の開口部１０６から流体を計測流路１０１に引き込むことで、ガスメータ内の流体を図示していない開口部から副流路１０４に流入させている。そして、この副流路１０４において、赤外線により主流中のガス成分を測定するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】国際公開第２０１８／１８５０３４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、前記従来の構成では、流体の成分を計測する副流路に主流路の流体を誘引するエジェクタ効果を発揮させるためには、流路断面を部分的に絞らねばならず、圧力損失が発生する。しかし、この圧力損失を小さくすると副流路に流入させる十分な吸引力が得られないという課題がある。

【0008】

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、流体に含まれる成分の濃度等の特性を計測する副流路に、安定した流れを供給し、主流路での圧力損失が少ない構成の計測装置を提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記従来の課題を解決するために、本発明の物理量計測装置は、被計測流体が流れる矩形断面の主流路の長辺を外方向に後退させて形成した第１の後退壁と、この第１の後退壁の上流側に設けた上流開口部と、第１の後退壁の下流側に設けた下流開口部と、第１の後退壁の外方向に設けた上流開口部と下流開口部とを接続する副流路を備え、第１の後退壁の後退長さは、主流路を流れる流体のコアンダ効果により形成される低圧領域が、下流開口部からの流れを誘引するように構成し、副流路の高さは、主流路の高さよりも小さくし、前記被計測流体が流れる方向と前記高さの方向の双方に直交する方向に沿った、前記副流路の幅は、前記主流路の幅よりも小さくすることで、副流路に安定した流れを供給し副流路での計測精度を向上できる。また主流路での圧力損失を低減でき、さらに主流路での流れの乱れを低減できる。

【0010】

また、第１の後退壁に対向する長辺を主流路の外方向に後退させて第２の後退壁とし、第１の後退壁の後退長さは第２の後退壁の後退長さよりも小さくした構成とすることで、助走部出口の両側の壁を共に後退させることにより流れの偏向が生じ易い状態とし、後退距離が小さい側へのコアンダ効果をより確実に発生させることができる。

【0011】

また、第１の後退壁に対向する長辺を主流路の外方向に後退させて第２の後退壁とし、第２の後退壁の上流側には、助走部に設けた助走開口部と第２の後退壁の上流端に設けた開口部とを接続するバイアス流路を備えた構成とすることで、コアンダ効果による自由噴流の第１の後退壁への流れの偏向に加えて、バイアス流路の流れにより自由噴流の第１の後退壁への付着をより強固なものとし、副流路における流れの生成をさらに確実なものとすることができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明の物理量計測装置は、矩形断面の主流路の長辺の一部を外方向に後退させて形成した第１の後退壁を備え、この第１の後退壁の後退長さは、主流路を流れる流体のコアンダ効果により形成される低圧領域が下流開口からの流れを誘引するように構成することで、副流路に安定した流れを供給し副流路での計測精度を向上でき、また主流路での圧力損失の低減でき、主流路での流れの乱れを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施の形態１における物理量計測装置の構成断面図

【図2】（ａ）本発明の実施の形態１における物理量計測装置の平面図、（ｂ）図１のＡ矢視図

【図3】本発明の実施の形態２における物理量計測装置の構成断面図

【図4】本発明の実施の形態２における図３のＡ矢視図

【図5】本発明の実施の形態３における物理量計測装置の構成断面図

【図6】従来の成分計測部の構成を示す断面図

【発明を実施するための形態】

【0014】

第１の発明は、被計測流体が流れる矩形断面の主流路と、前記主流路の一部により形成される助走部と、前記助走部より下流において前記矩形断面の主流路の長辺を外方向に後退させて形成した第１の後退壁と、前記第１の後退壁の上流側に設けた上流開口部と、前記第１の後退壁の下流側に設けた下流開口部と、前記第１の後退壁の外方向に設けられ前記上流開口部と前記下流開口部とを接続する副流路と、前記副流路に配置した一対の超音波送受波器と、前記被計測流体の温度を検知する温度センサと、前記一対の前記超音波送受波器からの信号と前記温度センサからの信号を受けて流体の成分濃度を判別する信号処理部を備え、前記第１の後退壁の後退長さは、前記主流路を流れる流体のコアンダ効果により形成される低圧領域が、前記下流開口からの流れを誘引するように構成することで、副流路に安定した流れを供給し副流路での計測精度を向上でき、主流路での圧力損失の低減でき、主流路での流れの乱れを低減できる。

【0015】

第２の発明は、前記第１の後退壁に対向する長辺を前記主流路の外方向に後退させて第２の後退壁を形成し、前記第１の後退壁の後退長さは前記第２の後退壁の後退長さよりも小さくしたことを特徴とすることで、助走部出口の両側の壁を共に後退させることにより流れの偏向が生じ易い状態とし、後退距離が小さい側へのコアンダ効果をより確実に発生させることができる。

【0016】

第３の発明は、前記第１の後退壁に対向する長辺を前記主流路の外方向に後退させて第２の後退壁を形成し、前記第２の後退壁の上流側には、前記助走部に設けた助走開口部と前記第２の後退壁の上流端に設けた開口部とを接続するバイアス流路を備えたことを特徴
とすることで、コアンダ効果による自由噴流の第１の後退壁への流れの偏向に加えて、バイアス流路の流れにより自由噴流の第１の後退壁への付着をより強固なものとし、副流路における流れの生成をさらに確実なものとすることができる。

【0017】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

【0018】

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0019】

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１～図２を用いて説明する。

【0020】

図１は本発明の実施の形態１における物理量計測装置の構成断面図であり、図２（ａ）は本発明の実施の形態１における図１のＧ方向から見た平面図、図２（ｂ）は、図１のＡ方向から見たＡ矢視図である。

【0021】

図１、図２において、物理量計測装置２０は、主流路部２１と副流路部２２と信号処理部１２から構成され、主流路部２１の内部には、被計測流体が流れる主流路１が形成され、副流路部２２の内部には主流路１に連通する副流路８が形成されている。

【0022】

被計測流体が流れる主流路１は、その断面が長辺１ａを幅Ｗ、短辺１ｂを高さＨで示すアスペクト比が大きく二次元流れを実現する矩形断面の流路であり、主流路１は入口２および出口３を備える。主流路１の入口２側には主流路１の一部により形成される助走部４を設け、この助走部４の下流側には長辺１ａの一部を主流路１の外方向に後退長さＤとして後退させて形成した第１の後退壁５を配置している。この第１の後退壁５の上流側には上流開口部６を設けるとともに下流側には下流開口部７を設けている。

【0023】

第１の後退壁５の主流路１に対して外方には、上流開口部６と下流開口部７とを接続する長さＬの副流路８を設けている。この副流路８には流れ方向に対向配置した一対の超音波送受波器９、１０と流体の温度を検知する温度センサ１１を配置している。

【0024】

この一対の超音波送受波器９、１０と温度センサ１１は信号処理部１２と電気的に接続され、この信号処理部１２はこの一対の超音波送受波器９、１０からの信号と温度センサ１１からの信号を受けて被計測流体の成分濃度を計測する。

【0025】

助走部４に対する第１の後退壁５の後退長さＤは、主流路１を流れる流体のコアンダ効果により形成される低圧領域Ｂが、下流開口部７からの流れを誘引するように設定して構成している。また、下流開口部７には流れ方向の上流側に主流路１の内壁に沿って延伸させた流入促進部１３を配置し、主流路１から副流路８へ流体が流入し易くしている。なお、副流路８の高さｈは、主流路１の高さＨよりも小さくして（ｈ＜Ｈ）、主流路１の流れよりも、副流路８の乱れが小さくなるようにしている。また、副流路８や流入促進部１３には流体の流れが滑らかになるように、曲がり部等にはコーナＲ（丸み付け）を行っている。

【0026】

次に、本発明の物理量計測装置２０の動作について説明する。

【0027】

主流路１を流れる被計測流体は、入口２から図１の白抜き矢印で示すように流入し、助
走部４からの流れＦ１は、断面が急拡大する第１の後退壁５部に来ると、低圧の渦領域である低圧領域Ｂを形成する。この低圧領域Ｂの負圧により、流れＦ１は第１の後退壁５の壁面に再付着する流れをコアンダ効果により形成する。このとき低圧になった低圧領域Ｂは上流開口部６を介して副流路８の被計測流体を誘引する。一方、第１の後退壁５の壁面に再付着した流れＦ２は下流開口部７に達すると、下流開口部７に流入し、副流路８に安定した穏やかな流れを供給する。

【0028】

副流路８では、その高さｈは、主流路１の高さＨよりも小さく設定されているため、副流路８における流れの乱れは、主流路１の流れの乱れよりも小さくなる。また、上流開口部６、下流開口部７および流入促進部１３を含めた曲がり部などにはコーナＲ（丸み付け）を付与するとともに断面積の急変を避けるように構成している。このため、副流路８での流れＦ３は、流れが一層滑らかになるようにされている。

【0029】

従って、副流路８において、主流路１での流体と副流路８での流体が滞留すること無く流動するという流体成分の濃度計測に必要な条件を満たしているため、副流路８において一対の超音波送受波器９、１０を用いて音速を計測し、温度センサ１１からの流体の温度と合わせて、公知の方法で、流体に含まれる成分濃度を計測することができる。

【0030】

このように副流路８では、主流路１の流体が滞留すること無く流入し、主流路１の流体と濃度等も均一で穏やかで、乱れの少ない安定した流れを実現するため、計測の信頼性や計測精度を高めることができる。

【0031】

（実施の形態２）
実施の形態２について、図３～図４を用いて説明する。
図３は本発明の実施の形態２における物理量計測装置の構成断面図であり、図４は本発明の実施の形態２における図３のＡ方向から見たＡ矢視図である。なお、実施の形態１と同じ機能のものは同一番号を付して詳細な説明は省略する。

【0032】

図３、図４において、第１の後退壁５を設けた長辺１ａと反対側にある対向する長辺１ｃ側にも、長辺１ｃの一部を主流路１の外方向に後退長さＥとして後退させて形成した第２の後退壁１４を配置している。ここで、助走部４に対する第１の後退壁５の後退長さＤは、第２の後退壁１４の後退長さＥよりも小さく（Ｄ＜Ｅ）設定して構成している。

【0033】

次に、本発明の物理量計測装置３０の動作について説明する。
主流路１を流れる被計測流体は、第２の後退壁１４側でも第１の後退壁５側と同様に、第２の後退壁１４の上流部に低圧の渦領域である低圧領域Ｇを形成する。

【0034】

実施の形態２では、第１の後退壁５および第２の後退壁１４により図５における上下方向に断面が急拡大となるため、助走部４の下流端部から流出する流れが自由噴流の状態になり、流れの偏向が生じ易い条件となる。

【0035】

しかし、ここでは第１の後退壁５の後退長さＤと第２の後退壁１４の後退長さＥは異なる大きさであり、第１の後退壁５の後退長さＤは第２の後退壁１４の後退長さＥよりも小さく（Ｄ＜Ｅ）設定されている。このため、低圧の渦領域である低圧領域Ｂおよび低圧領域Ｇでの圧力に違いを生じ、第１の後退壁５側の低圧領域Ｂは第２の後退壁１４側の低圧領域Ｇよりも低い圧力となる。

【0036】

従って、助走部４の下流端部から流出する自由噴流は、後退長さが小さい第１の後退壁５側にコアンダ効果を強く受けて、より一層確実に第１の後退壁５に付着する。

【0037】

このように低圧領域Ｂの負圧効果と確実に付着する流れＦ１を形成することにより、副流路８に安定した穏やかな流れの一層確実な形成がなされる。

【0038】

このように、助走部４の下流端部の両側の壁を共に後退させることにより流れの偏向が生じ易い状態とし、後退距離が小さい側へのコアンダ効果をより確実に発生させることで、より一層確実に副流路８に穏やかで安定した流れを供給し、流体に含まれる成分濃度を計測する計測精度の向上や計測の信頼性を高めることができる。

【0039】

（実施の形態３）
実施の形態３について、図５を用いて説明する。
図５は本発明の実施の形態３における物理量計測装置の構成断面図である。なお、実施の形態１および実施の形態２と同じ機能のものは同一番号を付して詳細な説明は省略する。

【0040】

図５において、実施の形態２の図４に示したものと同様に本実施の形態３においても第１の後退壁５を設けた長辺１ａ（図示せず）と反対側にある対向する長辺１ｃ（図示せず）側にも、長辺１ｃ（図示せず）の一部を主流路１の外方向に後退長さＫとして後退させて形成した第２の後退壁１４を配置している。ここでは、助走部４に対する第２の後退壁１４の後退長さＫは、第１の後退壁５の後退長さＤとほぼ同等（Ｋ≒Ｄ）に設定して構成している。

【0041】

この第２の後退壁１４の上流側の助走部４には助走開口部１５を設け、さらに第２の後退壁１４の上流端に開口部１６を設けるとともに、この助走開口部１５と開口部１６とをバイアス流路１７で接続している。

【0042】

次に、本発明の物理量計測装置４０の動作について説明する。

【0043】

主流路１を流れる被計測流体は、第１の後退壁５および第２の後退壁１４により図５における上下方向に断面が急拡大となるため、助走部４の下流端部から流出する流れは自由噴流の状態になり、流れの偏向が生じ易い条件となる。

【0044】

実施の形態３では、第２の後退壁１４の上流端部において、助走開口部１５から流入しバイアス流路１７を流れるバイアス流Ｆ５が開口部１６から流入する。

【0045】

助走部４より流出する自由噴流は、第１の後退壁５にコアンダ効果による自由噴流の偏向だけでなく、第２の後退壁１４の上流端から流入するバイアス流Ｆ５の流れが図５における上方に自由噴流を押し上げるように作用するため、自由噴流の第１の後退壁５への付着がより強固になされ、副流路８における流れの生成をさらに確実なものとすることができる。

【0046】

このように、助走部４の下流端部の両側の壁を共に後退させることにより流れの偏向が生じ易い状態とし、コアンダ効果による自由噴流の第１の後退壁５への流れの偏向に加えて、バイアス流路１７の流れにより自由噴流の第１の後退壁５への付着をより強固なものとし、副流路８における流れの生成をさらに確実なものとすることができる。

【0047】

以上、本発明の実施の形態において、副流路８の幅（図１、図３、図５における奥行き方向）は主流路１の幅Ｗ方向の長辺１ａの幅の一部で説明したが、幅Ｗ方向の全域であっても良い。また、流体の成分を計測する物理量計測装置として説明したが、主流路１での圧力損失の低減だけでなく、主流路１での流れの乱れを低減し安定化できるので、主流路１の上流側あるいは下流側に流量計測部を直列に配置した流量計、あるいは副流路８を有する主流路１に流量計測部を並列配置した流量計として展開できるのは云うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0048】

以上のように、本発明の物理量計測装置は、副流路に安定した流れを供給し主流路での圧力損失が少ない構成の計測装置を提供できるもので、主流路での流れの安定化も可能となるので、流体の成分の計測装置だけで無く、流量計測部を併設して計測精度および汎用性の高い流量計を実現できる。

【符号の説明】

【0049】

１ 主流路
２ 入口
３ 出口
４ 助走部
５ 第１の後退壁
６ 上流開口部
７ 下流開口部
８ 副流路
９、１０ 超音波送受波器
１１ 温度センサ
１２ 信号処理部
１３ 流入促進部
１４ 第２の後退壁
１５ 助走開口部
１６ 開口部
１７ バイアス流路
２０、３０、４０ 物理量計測装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】