JP2002005702A - フルイディック型流量検出素子およびこれを用いた複合型流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フルイディック型流量検出素子の最低振動検
出流量を低くする。 【解決手段】 流体を噴出するノズル３０の下流側に配
設されてこのノズル３０に対向する凹面３５を有する誘
振子３２と、ノズル３０から噴出された流体の一部を誘
振子３２の下流側で反転させて帰還流体とする壁面３６
とを備え、ノズル３０から噴出される流体と帰還流体と
によるコアンダ効果によりフルイディック振動を発生さ
せるフルイディック型流量検出素子２１において、誘振
子３２の凹面３５の両側部は丸みを帯びるように形成す
る。これにより、最低振動検出流量が低くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス等の流体の流
量検出に用いられるフルイディック型流量検出素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、フルイディック型流量検出素子を
用いた流量計としては、種々のものが考え出されてい
る。一例として、特開平8-210886記載のフルイディック
型流量検出素子が用いられた流量計を図８に示す。

【０００３】フルイディック型流量検出素子１は、流体
流入口２と流体流出口３とを結ぶ経路上に、上流側から
順にセットリングスペース４、ノズル５、流路拡大部６
が配設されて形成されている。流路拡大部６内には、ノ
ズル５の中心線の延長線上に位置させて誘振子７が設け
られ、誘振子７と流体流出口３との間に、誘振子７を囲
むような形状のエンドブロック８が設けられている。

【０００４】流体流入口２から流体流出口３までの流路
幅は、流体流入口２からセットリングスペース４までで
拡大され、セットリングスペース４からノズル５までで
縮小され、ノズル５から流路拡大部６までで拡大され、
流路拡大部６から流体流出口３までで縮小される。流体
流入口２から流体流出口３までの流路において、流体流
入口２の幅と流体流出口３の幅とは、略同じであり、ノ
ズル５で最も幅が狭くなる。

【０００５】誘振子７は、円柱体に、この円柱体の軸方
向に直交する平面で円弧を描くように湾曲した凹面９を
形成した形状とされている。凹面９は、ノズル５の噴出
口１０に対向している。

【０００６】流体流入口２から流入する流体は、セット
リングスペース４で二次元的な流れに整流され、ノズル
５を通って、流路拡大部６内へ噴出される。ノズル５か
ら噴出される整流された流体の流れである噴流は、誘振
子７に当たることにより、誘振子７を挟む二方向に分か
れるが、ある流量を超えると、誘振子７の背後にできる
渦の不安定性によって、前述の誘振子７を挟む二方向の
どちらかへ偏って流れる。そのため、エンドブロック８
にぶつかった流れは、エンドブロック８の前面形状およ
び流路拡大部６の側壁１１の形状に沿って形成される帰
還流路を流れる帰還流としてノズル５の噴出口１０に達
し、噴流に略直行する方向からぶつかる。帰還流は、噴
流にぶつかることによって、噴流の方向を最初の偏り方
向の逆の方向へ偏らせる。

【０００７】このような噴流の偏り方向の変化は、規則
的に繰り返され（フルイディック振動）、交番圧力波を
生じる。交番圧力波の振動数すなわち単位時間あたりに
噴流の偏り方向が変化する回数は、流量の増加に対して
直線的に増加する。すなわち、流量と振動数との間には
直線的な関係（線形性）がある。

【０００８】そして、ノズル５の噴出口１０の近傍に設
けられた一対の圧力検出孔１２に生じる圧力変化を圧力
検出機構により検出し、その変化の周期から、噴流の偏
り方向の変化の振動数が求められ、この振動数に基づい
て流量を算出する。

【０００９】現在、フルイディック型流量検出素子は、
低流量領域の流量測定に向かないため、熱式流量検出素
子と組み合わせられて、複合型の流量計とされることが
多い。複合型流量計では、流量が低流量領域にあるとき
は熱式流量検出素子の出力を参照して、流量が高流量領
域にあるときはフルイディック型流量検出素子の出力を
参照する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】フルイディック型流量
検出素子には、最低振動検出流量（フルイディック振動
が開始する流量）が低く、流量範囲が広い、というダイ
ナミックレンジが望まれている。

【００１１】もし、流量０からフルイディック型流量検
出素子により流量測定することができれば、フルイディ
ック型流量検出素子のみによる流量計が実現できる。

【００１２】また、現状の複合型流量計では、例えば、
フルスケール４０００Ｌ／Ｈの場合、２００Ｌ／Ｈ以上
を高流量領域としてフルイディック型流量検出素子で測
定し、それ以外の０〜２００Ｌ／Ｈを低流量領域として
熱式流量検出素子で測定するように設計されている。つ
まり、熱式流量検出素子が受け持つ範囲が広く、低流量
領域の精度が低くなりがちになっている。このため、熱
式流量検出素子の性能に厳しい仕様が要求され、複雑な
信号処理や流量補正演算が必要となっている。

【００１３】したがって、フルイディック型流量検出素
子の最低振動検出流量が０にまでならなかったとして
も、最低振動検出流量を現状よりも１００Ｌ／Ｈ程度低
減できて８０〜９０Ｌ／Ｈになるだけでも、熱式流量検
出素子の受け持ち範囲を狭めることができるので、信号
処理のし易さ信頼性や製造コストに与える影響は大き
い。

【００１４】本発明は、フルイディック型流量検出素子
の最低振動検出流量を低くすることを目的とする。

【００１５】本発明は、低い流量も検出可能なフルイデ
ィック型流量検出素子を得ることを目的とする。

【００１６】本発明は、フルスケールを高流量領域と低
流量領域とに分けて高流量領域の測定にフルイディック
型流量検出素子を用いる複合型流量計における高流量領
域と低流量領域との切り替わり近傍の測定精度を向上さ
せることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明のフ
ルイディック型流量検出素子は、流体を噴出するノズル
の下流側に配設されてこのノズルに対向する凹面を有す
る誘振子と、前記ノズルから噴出された流体の一部を前
記誘振子の下流側で反転させて帰還流体とする壁面とを
備え、前記ノズルから噴出される流体と前記帰還流体と
によるコアンダ効果によりフルイディック振動を発生さ
せるフルイディック型流量検出素子において、前記誘振
子の前記凹面の両側部は丸みを帯びるように形成されて
いる。

【００１８】これにより、最低振動検出流量を低くする
ことができる。

【００１９】請求項２記載の発明は、請求項１記載のフ
ルイディック型流量検出素子であって、前記誘振子は、
前記ノズルの幅の中心線上に軸心を有する直径Ｄの円柱
体に前記凹面を設けた形状であって、この誘振子を前記
軸心に直交する平面における断面で見たとき、前記凹面
は、前記ノズルの幅の中心線上に曲率中心を有し前記軸
心に接する扇形に形成されていて、この凹面の前記両側
部は、前記誘振子の輪郭に内接する半径Ｒの内接円に沿
った形状に形成されている。

【００２０】これにより、最低振動検出流量を低くする
ことができる。

【００２１】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載のフルイディック型流量検出素子であって、前記円
柱体の直径Ｄと前記内接円の半径Ｒとの関係が、Ｒ≦Ｄ
／１２である。

【００２２】これにより、再現性よく、低い最低振動検
出流量のフルイディック型流量検出素子を得ることがで
きる。

【００２３】請求項４記載の発明は、請求項１または２
記載のフルイディック型流量検出素子であって、前記円
柱体の直径Ｄと前記内接円の半径Ｒとの関係が、Ｒ≦Ｄ
／６０である。

【００２４】これにより、再現性よく、更に低い最低振
動検出流量のフルイディック型流量検出素子を得ること
ができる。

【００２５】請求項５記載の発明は、請求項２，３また
は４記載のフルイディック型流量検出素子であって、前
記誘振子は、テーパ角度が３°未満の錐状である。

【００２６】ここで、テーパ角度は、一つの軸断面にお
ける円錐の二つの母線の間の角度を言う。上記の範囲で
あれば、樹脂成形など、抜き勾配（テーパー）がある工
法で製造しても、流量測定の精度を損なわない。

【００２７】請求項６記載の複合型流量計は、フルスケ
ールを高流量領域と低流量領域とに分けて、前記高流量
領域は請求項１，２，３，４または５記載のフルイディ
ック型流量検出素子の出力により検出し、前記低流量領
域を他の方式で流量検出を行う流量検出手段で検出す
る。

【００２８】これにより、低流量領域を狭くすることが
できる。

【００２９】請求項７記載の発明は、請求項６記載の複
合型流量計であって、前記低流量領域の流量検出には、
発熱抵抗とこの発熱抵抗を挟んで配設される一対の測温
素子と前記測温素子の一方から前記発熱抵抗を経て前記
測温素子の他方へと抜ける流路とを備える熱式流量検出
素子を用いる。

【００３０】したがって、フルイディック型流量検出素
子と熱式流量検出素子との測定範囲のオーバーラップが
大きくなり、高流量領域と低流量領域との切り替わり近
傍の流量補正がし易くなる。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について、
図１〜図７を用いて説明する。まず、図１の平面図を用
いて、フルイディック型流量検出素子２１と熱式流量検
出素子であるフローセンサ２２とを備える複合型流量計
の構造を説明する。

【００３２】フルイディック型流量検出素子２１は、流
体流入口２３と流体流出口２４とを結ぶ経路上に、上流
側から順に、第一〜第三整流網２５〜２７、整流器２
８、流路縮小区間２９、ノズル３０、流路拡大部３１が
配設されて形成されている。フローセンサ２２は、流路
縮小区間２９におけるノズル３０の直前に配設されてい
る。

【００３３】流路拡大部３１内には、ノズル３０の中心
線の延長線上に位置させて誘振子３２が設けられ、誘振
子３２と流体流出口２４との間に、誘振子３２を囲むよ
うな形状のエンドブロック３３が設けられている。誘振
子３２には、ノズル３０の噴出口３４に対向する凹面３
５が形成されている。

【００３４】フローセンサ２２とノズル３０とは、同一
線上に配設されている。フローセンサ２２は壁面に配置
する必要があるので、流路は円管にはされておらず、流
路の断面形状は概ね矩形で形成されている。

【００３５】流体流入口２３から流入する流体は、まず
第一整流網２５によって緩衝され、第一整流網２５と第
二整流網２６との間隙でミキシングされることにより、
周期的な変動が緩和される。そしてこの流体は、第二整
流網２６および第三整流網２７によってほぼ均一な流速
分布にされた後、格子状の整流器２８によって２次元流
にされ、非圧縮性の定常的で一様な流れができる。

【００３６】ここで、この流れは、流路縮小区間２９が
直線的に絞られていることにより、極めて二次元的な性
質を持った流れとなって、フローセンサ２２によって
は、安定したの出力信号が得られる。

【００３７】噴出口３４付近では、噴流の両側は、一様
な圧力を持った静止流体で占められているため、噴流の
自由流線は、始めは角度を持っているが最終的には平行
になる。自由流線上では圧力が一定であるので、流速も
また一定になる。この位置に誘振子３２を配置すること
によって、フルイディック振動が得られる。

【００３８】本発明の発明者は、設計パラメーターを設
定して、フルイディック振動が開始する流量と、この流
量とフルイディック振動の振動数との関係の直線性に関
して実験し、検討したところ、誘振子３２の形状が重要
な制御因子であることをつきとめた。

【００３９】すなわち、流体が一定巾のノズル３０から
誘振子３２に向けて噴出された場合、周囲の流体よりも
高速の流れとなるノズル３０から噴出される「噴流」
と、流れの中に置かれた誘振子３２の下流側で見られる
低速の流れである「後流」との関係が重要であって、２
次元流れの場で考えると、誘振子３２の形状がフルイデ
ィック振動特性に極めて重要な役割を果たしている、と
いうことである。

【００４０】より詳細に説明する。「噴流」は、半無限
の空間に噴出するのではなく、流路拡大部３１内という
誘振子３２や壁面３６などの障害物がある空間に噴出す
るので、「噴流」がノズル３０から出た時の初速の方向
を維持できなくなる。このため、２次元噴流は不安定に
なり、この不安定性によってフルイディック振動が始ま
るきっかけが生まれると考えられる。

【００４１】一方、流れの中に配置した誘振子３２の下
流には、カルマン渦が生成し、この渦列は蛇行する流れ
となる。したがって、「後流」は振動流となり、安定で
はあり得なくなると考えられる。

【００４２】このように、「噴流」も「後流」も誘振子
３２の形状や壁面３６によって影響を受けて不安定にな
るので、「噴流」と「後流」とを有効に制御できるよう
に誘振子３２の形状を選定すれば、上記課題が改善され
たフルイディック型流量検出素子２１が得られることに
なる。

【００４３】実験からは、図２に示すように、誘振子３
２の凹面３５を、円柱の軸中心に接しこの軸中心とノズ
ル３０の幅の中心線とを結んだ線上に中心点を持った円
弧状にすることで、噴流が誘振子３２に衝突する際の２
次元噴流を制御できることと、誘振子３２の両側部３２
ａを、誘振子３２の輪郭に内接する内接円によって丸め
ることで、後流を制御できることとがわかった。

【００４４】図３では、誘振子３２の直径をＤとしたと
き、曲率半径ｒ＝０．３５Ｄ、０．５Ｄ、Ｄの凹面３５
を描いている。誘振子３２は、凹面３５の曲率半径ｒが
大きくなるにつれて半月型に近づいていき、曲率半径ｒ
が小さくなるにつれて円柱に近づいていく。

【００４５】ｒ／Ｄの許容される範囲を実験的に検討し
たところ、ｒ／Ｄ＝０．３５〜２．５好ましくはｒ／Ｄ
＝０．５が良いことがわかっている。

【００４６】また、別の実験によれば、誘振子３２は垂
直な柱状である必要はなく、テーパ角度が３°未満の錐
状であれば、フルイディック振動性能に悪影響を及ぼさ
ないことがわかっている。テーパ角度は、一つの軸断面
における円錐の二つの母線の間の角度を言う。つまり、
誘振子３２が錐状であると仮定し、誘振子３２の軸心を
含む平面で誘振子３２の断面をとったとき、この断面に
おける誘振子３２の二本の母線の間の角度が３°未満で
あれば、誘振子３２が柱状でなくても、フルイディック
振動性能に悪影響を及ぼさない。誘振子３２が上記の範
囲を満たすのであれば、樹脂成形など、抜き勾配（テー
パー）がある工法で製造しても、流量測定の精度を損な
わない。

【００４７】図４は、実験に使った誘振子３２の代表的
な断面の形状である。Ｄ＝６（ｍｍ）とし、凹面３５の
曲率半径ｒ＝０．５Ｄとした。そして、この図４の誘振
子３２の両側部３２ａを、図５に示すように、半径Ｒ＝
０．２、０．５、０．８（ｍｍ）の３種類の円で丸め
て、それらの場合のそれぞれについて実験を行った。

【００４８】図６は、図５の各誘振子３２を用いた複合
型流量計のフルイディック振動数から求めた流量に対す
る４号ガスメーターの器差を示すグラフである。流体に
は可燃性ガスを用いた。図中、２点差線で表示してある
領域は、計量法で定められた各流量に対する器差であ
る。２００〜４００Ｌ／Ｈの流量の器差は、±３％以
内、４００〜４０００Ｌ／Ｈの器差は、±１．５％以内
と定められている。

【００４９】この実験結果からは、Ｒ０．２、Ｒ０．５
では問題にならないが、Ｒ０．８では規定の器差を満足
しないことがわかった。また、Ｒ０．８としたときには
１０００Ｌ／Ｈ以下の比較的低流量の場合と、３０００
Ｌ／Ｈ以上の比較的大流量の場合との両方で、器差を満
足しないことがわかった。この実験では、誘振子３２の
両側部３２ａのＲが大きくなるにつれて、振動抜けが頻
繁になることが判明した。この振動抜けの現象は、誘振
子３２の直径Ｄ＝６（ｍｍ）時には、Ｒ０．５以下で殆
ど起こらず、最低振動検出流量がもっとも小さく、かつ
安定しているのは、Ｒ０．２以下であった。

【００５０】図７は、誘振子３２の直径Ｄと両側部３２
ａの曲率半径との比Ｒ／Ｄと、最低振動検出流量（Ｌ／
Ｈ）との関係を示している。この実験の結果によれば、
最低振動検出流量１５０Ｌ／Ｈを満足する比Ｒ／Ｄは１
／１２であり、１／６０であれば１００Ｌ／Ｈを満足す
る。

【００５１】

【発明の効果】請求項１記載の発明では、誘振子の凹面
の両側部は丸みを帯びるように形成されているので、最
低振動検出流量を低くすることができる。

【００５２】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明において、誘振子は、ノズルの幅の中心線上に軸心
を有する直径Ｄの円柱体に凹面を設けた形状であって、
この誘振子を軸心に直交する平面における断面で見たと
き、凹面は、ノズルの幅の中心線上に曲率中心を有し軸
心に接する扇形に形成されていて、この凹面の両側部
は、誘振子の輪郭に内接する半径Ｒの内接円に沿った形
状に形成されているので、最低振動検出流量を低くする
ことができる。

【００５３】請求項３記載の発明では、請求項１または
２記載の発明において、円柱体の直径Ｄと内接円の半径
Ｒとの関係が、Ｒ≦Ｄ／１２であるので、再現性よく、
低い最低振動検出流量のフルイディック型流量検出素子
を得ることができる。

【００５４】請求項４記載の発明では、請求項１または
２記載の発明において、円柱体の直径Ｄと内接円の半径
Ｒとの関係が、Ｒ≦Ｄ／６０であるので、再現性よく、
更に低い最低振動検出流量のフルイディック型流量検出
素子を得ることができる。

【００５５】請求項５記載の発明では、請求項２，３ま
たは４記載の発明において、誘振子は、テーパ角度が３
°未満の錐状であるので、樹脂成形など、抜き勾配（テ
ーパー）がある工法で製造可能であるので、流量測定の
精度を損なわずに製造コストを抑えることができる。

【００５６】請求項６記載の発明では、フルスケールを
高流量領域と低流量領域とに分けて、高流量領域は請求
項１，２，３，４または５記載のフルイディック型流量
検出素子の出力により検出し、低流量領域を他の方式で
流量検出を行う流量検出手段で検出するので、低流量領
域を狭くすることができるので、低流量領域の測定を受
け持つ流量検出手段の測定精度を高くすることができ
る。

【００５７】請求項７記載の発明では、請求項６記載の
発明において、低流量領域の流量検出には、発熱抵抗と
この発熱抵抗を挟んで配設される一対の測温素子と測温
素子の一方から発熱抵抗を経て測温素子の他方へと抜け
る流路とを備える熱式流量検出素子を用いるので、フル
イディック型流量検出素子と熱式流量検出素子との測定
範囲のオーバーラップが大きくなり、高流量領域と低流
量領域との切り替わり近傍の流量補正がし易くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態におけるフルイディック
型流量検出素子の構造を概略的に示す平面図である。

【図２】誘振子の平面図である。

【図３】誘振子に形成された凹面の形状を示す平面図で
ある。

【図４】両側端の形状を変化させる実験に用いられた誘
振子の凹面の形状を示す平面図である。

【図５】両側端の形状を変化させる手法を示した誘振子
の平面図である。

【図６】両側端の形状が異なる誘振子を備えたフルイデ
ィック型流量検出素子の各流量における器差を示すグラ
フである。

【図７】両側端の形状と最低振動検出流量との関係を示
すグラフである。

【図８】従来のフルイディック型流量検出素子が用いら
れた流量計の一例を示す平面図である。

【符号の説明】

２１ フルイディック型流量検出素子 ２２ 熱式流量検出素子 ３０ ノズル ３２ 誘振子 ３２ａ 両端部 ３５ 凹面 ３６ 壁面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高宮 敏行 愛知県名古屋市中区錦２丁目２番13号 リ コーエレメックス株式会社内 Ｆターム(参考） 2F030 CA04 CC13 2F035 EA04

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体を噴出するノズルの下流側に配設さ
   れてこのノズルに対向する凹面を有する誘振子と、前記
   ノズルから噴出された流体の一部を前記誘振子の下流側
   で反転させて帰還流体とする壁面とを備え、前記ノズル
   から噴出される流体と前記帰還流体とによるコアンダ効
   果によりフルイディック振動を発生させるフルイディッ
   ク型流量検出素子において、 前記誘振子の前記凹面の両側部は丸みを帯びるように形
   成されていることを特徴とするフルイディック型流量検
   出素子。
2. 【請求項２】 前記誘振子は、前記ノズルの幅の中心線
   上に軸心を有する直径Ｄの円柱体に前記凹面を設けた形
   状であって、この誘振子を前記軸心に直交する平面にお
   ける断面で見たとき、前記凹面は、前記ノズルの幅の中
   心線上に曲率中心を有し前記軸心に接する扇形に形成さ
   れていて、この凹面の前記両側部は、前記誘振子の輪郭
   に内接する半径Ｒの内接円に沿った形状に形成されてい
   ることを特徴とする請求項１記載のフルイディック型流
   量検出素子。
3. 【請求項３】 前記円柱体の直径Ｄと前記内接円の半径
   Ｒとの関係が、Ｒ≦Ｄ／１２であることを特徴とする請
   求項１または２記載のフルイディック型流量検出素子。
4. 【請求項４】 前記円柱体の直径Ｄと前記内接円の半径
   Ｒとの関係が、Ｒ≦Ｄ／６０であることを特徴とする請
   求項１または２記載のフルイディック型流量検出素子。
5. 【請求項５】 前記誘振子は、テーパ角度が３°未満の
   錐状であることを特徴とする請求項２，３または４記載
   のフルイディック型流量検出素子。
6. 【請求項６】 フルスケールを高流量領域と低流量領域
   とに分けて、前記高流量領域は請求項１，２，３，４ま
   たは５記載のフルイディック型流量検出素子の出力によ
   り検出し、前記低流量領域を他の方式で流量検出を行う
   流量検出手段で検出することを特徴とする複合型流量
   計。
7. 【請求項７】 前記低流量領域の流量検出には、発熱抵
   抗とこの発熱抵抗を挟んで配設される一対の測温素子と
   前記測温素子の一方から前記発熱抵抗を経て前記測温素
   子の他方へと抜ける流路とを備える熱式流量検出素子を
   用いることを特徴とする請求項６記載の複合型流量計。