JP2005201838A - 高温流体測定用超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】強制的な水冷や空冷を必要としない、簡易で安価、高精度な高温流体測定用の超音波センサを提供する。
【解決手段】本発明の高温流体測定用超音波センサは、自動車の排気ガスなどの高温流体が流れる管路に取付けられる先端部(1) と、この先端部の後方に取付けられた断熱部(2) と、この断熱部の後方に取付けられた圧電部(3) とを備え、強制的な水冷や空冷を不要としている。圧電部は、好適には、ニオブ酸鉛などの高キュリー点の圧電体と電極との積層構造で構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の流速・流量を測定する超音波センサに関するものであり、特に、排気ガスなどをはじめとする高温流体を測定対象とする高温流体測定用超音波センサに関するものである。

従来、流体の流速・流量を測定する素子として超音波センサが利用されてきた。この超音波センサを用いた計測システムでは、１対の超音波センサを互いに対向させて管路に取付、その一方から管路内を流れる流体中に超音波を放射させ、流体中を伝播した超音波を他方の超音波センサで受信させる。そして、超音波の上流方向への伝播所要時間と下流方向への伝播所要時間との差から流体の流速・流量が計測される。

最近、大気汚染の防止などに関連して、自動車の排気ガスなど高温の流体の流速・流量を測定することが必要とされるようになってきた。ところが、超音波センサを構成するＰＺＴなどの圧電体は高温領域で特性が劣化して使用できなくなるという問題がある。すなわち、強制分極で発生させた圧電特性は、キュリー温度といわれる比誘電率が極大となる温度で消滅する。このキュリー温度は誘電体の高温領域での使用可能性の目安となり、これが高い圧電体ほど高温での使用が可能になる。汎用の圧電体ＰＺＴのキュリー温度は、300 °Ｃ〜350 °Ｃであり、そのほぼ半分の150 °Ｃ近傍が使用可能の上限となる。しかしながら、測定対象の自動車の排気ガスの温度は、300 °Ｃ〜400 °Ｃにも達する。

従来、超音波センサを用いて高温流体の流速・流量を測定する場合、高温流体が流れるる管路の超音波センサ取付箇所に冷却水の管路を追加してセンサの温度上昇を防ぐという強制水冷方式や、扇風機を使用する強制風冷方式が採用されてきた。あるいは、高温流体が流れる管路から取付管を分岐させ、その末端に超音波センサを取付けるとともに、取付管の周囲に放熱フィンを形成するという自然風冷方式も採用されてきた( 特許文献１）。

特開平１１−２３０８０１号公報（要約）

上記特許文献１などに開示された風冷や水冷の方式では、付加された超音波センサの冷却機構によって測定対象の高温流体自体が冷却されてしまい、正確な測定結果が得られなくなるという問題がある。従って、本発明の一つの目的は、測定対象の高温流体の温度や流れの状態を変化させない高い測定精度の高温流体測定用超音波センサを提供することにある。

また、従来の強制水冷や強制空冷の方式では、冷却機構が付加されたぶん計測システム全体の製造コストと、ランニング・コストが上昇すると問題がある。また、強制冷却機構が故障などの不具合によって動作を停止してしまうと、超音波センサが高温になって圧電機能が劣化して信頼性が低下したり、高温により接着機能が損なわれ使用不能になるおそれがある。従って、本発明の他の目的は、強制冷却機構を必要としない安価で信頼性の高い耐熱式かつ自然冷却式の高温流体測定用超音波センサを提供することにある。

上記従来技術の課題を解決する本発明の高温流体測定用超音波センサは、高温流体が流れる管路に取付けられる先端部と、この先端部の後方に取付けられた断熱部と、この断熱部の後方に取付けられた圧電部とを備えている。

本発明の高温流体測定用超音波センサは、先端部と圧電部との間に断熱部が形成されたことから耐熱性を有し、強制冷却機構が不要となる。この結果、測定対象の高温流体の温度や流れの状態を変化させることがなくなり、測定精度が向上する。また、付随的な強制冷却の機構が不要となったことにより、測定システム全体が経済的になるとともに信頼性も向上する。

本発明の好適な実施の形態によれば、圧電部の後方にさらに後端部が取付けられ、先端部から後端部までの各部が共通の締めつけボルトによってボルト締めされる。この結果、高温状態で揮発したり変質したりする接着剤を使用する場合とは異なり、高温環境下にもかかわらず、長時間にわたって高い信頼性の構造が実現される。

本発明の他の好適な実施の形態によれば、圧電部が圧電体と電極との積層構造で構成される。この結果、高温での使用に適した高いキュリー点の圧電体に見られるな小さな圧電定数が積層構造によって所望の値まで高められる。また、この積層構造は、圧電部内の熱の伝達も阻止するという点で、一層好適である。

本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、締めつけボルトを通しての伝熱を阻止するために、この締めつけボルトを断熱性の素材で構成したり、ボルトと後端部との間に断熱性の素材のスペーサが配置したり、後端部と圧電部との間に第２の断熱部が設置される。

本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、圧電部はキュリー点の高いニオブ酸鉛やビスマス系圧電体を素材とすることにより、高温領域での使用に適合せしめられる。

本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、断熱部の素材としてセラミックスが選択され、このセラミックの好適な例としてマイカやアルミナが選択される。この選択により、断熱部において大きな熱抵抗が実現される。

本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、先端部は熱伝導率の小さなステンレス鋼やチタン合金などの金属で構成され、圧電部までの電熱が阻止される。

本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、先端部、断熱部、他の断熱部または後端部のうち少なくとも一つに自然空冷用の放熱フィンが形成されることにより、圧電部からの放熱が一層促進され、圧電部の温度上昇がさらに抑制される。

図１は、本発明の一実施例の高温流体測定用超音波センサの構成を示す断面図である。この実施例の超音波センサは、先端部１、断熱部２、圧電部３、後端部４、締めつけボルト５およびボルト頭５ａから構成されている。

円筒形状の先端部１の上方に、いずれも円筒形状の断熱部２、圧電部３、後端部４が順次積み重ねられる。そして、この積み重ね構造の各部の中心部分に形成されている円形の開口を通して締めつけボルト５が挿入され、この締めつけボルト５の先端部に形成されている螺子山が先端部１の内壁面に形成されている螺子溝に螺合せしめられる。続いて、この締めつけボルト５の他方の先端部にボルト頭５ａが螺合せしめられることにより、積み重ね構造が軸線方向に押圧されて強固に一体化され、高温流体測定用超音波センサが形成される。

先端部１の先端側には、高温流体が流れる管路に溶接するための拡幅された取付け部１ａが形成されている。高温流体の管路からこの先端部１への熱の伝達をなるべく阻止するために、この先端部１の材質として熱伝導率がなるべく小さな材料が使用される。この実施例では、金属の中では比較的に熱伝導率の小さくかつ安価なステンレス鋼が使用されている。

高温流体の流れる管路から先端部１に伝達された熱が、上方の圧電部３に伝達されるのを阻止するため、先端部１と圧電部３との間に断熱部２が形成される。この断熱部２の素材としては、熱伝導率の小さなマイカやアルミナ、あるいは、分極処理を行わない圧電体などが使用される。この実施例では、マイカが使用されている。

圧電部３は、圧電体３ａが電極３ｂを介して積み重ねられた８層の積層構造となっている。圧電体としてはキュリー点の高いものが使用される。この実施例では、圧電体３ａとしてニオブ酸鉛（ Pb Nb₂ O ₆ ) が使用されている。このニオブ酸鉛は、そのキュリー点が530 °C と高い値をもち、少なくとも250 °C 程度までは圧電性の変化がほとんどみられない。しかしながら、このニオブ酸鉛は、圧電素子としての機能の高さを示す圧電定数が PZT-4 や PZT-5 の1/5 から1/4 程度と小さな値をもつ。このため、ニオブ酸鉛の圧電体を積層構造とすることにより、圧電素子としての機能を高めている。

この積層構造の採用は、圧電機能の向上と共に、熱的機能の向上にも寄与する。すなわち、まず、この積層構造によって熱伝導の阻止に有効な境界面の数と、圧電部全体としての厚みが増大し、この結果、圧電部１の内部を通した熱伝導を有効に阻止する。また、熱伝導率の高い電極３ｂが圧電体３ａの周辺部分に突出することによって放熱フィンの機能を果たすため、自然対流による空冷の効果も発揮される。

後端部４の素材としては、熱伝導率の大きなものが使用される。この実施例ではアルミニウム合金が使用されている。この後端部４の熱伝導率を高めることにより、圧電部３まで伝達された熱が後端部４まで速やかに伝達され、ここから対流によって空中に放出される。先端部１から後端部４までを連結するボルト５の材質としては、熱伝導率の小さなステンレス鋼などが使用される。

このように、圧電部３の手前の先端部１と断熱部２については熱伝導率の小さな素材を使用し、圧電部１の背後の後端部４については熱伝導率の大きな素材を使用することにより、圧電部３の温度が低い値に保たれる。同様に、圧電部１の中心の手前の先端部１と断熱部２と圧電部３自体については厚みをなるべく大きくして熱伝導を阻止し、圧電部３の背後の後端部４については厚みをなるべく小さくして熱伝導を促進することが望ましい。

図１の高温流体測定用超音波センサの各部の寸法は以下の通りである。各部の外径はいずれも１５mm、各部の厚みは、先端部１が１０mm、断熱部２が２０mm、圧電部３の各層が1.5 mm８層全体で１２mm) 、後端部４が１０mmである。

図２は、図１に示した構造の高温流体測定用超音波センサの各部について、加熱開始からの温度の変化の様子を測定した実験データである。縦軸は各部の温度（°Ｃ）、横軸は時間（分）である。この高温流体測定用超音波センサを高温流体が流れる管路を模擬する加熱板に取付け、各部の温度をそれぞれの厚み方向の中間点の最外周部に取り付けた熱電対の温度で示したものである。最上部の細い実線は先端部１、その下の二点鎖点は断熱部２、さらにその下の点線は圧電部３、さらにその下の太い実線は後端部４である。

この実験データによれば、加熱開始後２０分程度経過すると、圧電部３の厚み方向の平均温度は、ほぼ170 °C とほぼ一定の値となる。また、この圧電部３の平均温度は先端部１の厚み方向の平均温度は330 °C の半分程度の低い値となり、中間に大きな温度勾配が形成される。平均温度の170 °C 前後の温度でも圧電体として選択されたニオブ酸鉛は、170 °C 程度の温度でも正常に動作することが確認されている。

図２の実験データによると、後端部４の温度が圧電部３よりもやや高めの値になっている。このことは、先端部１から締めつけボルト５とボルト頭５ａとを通して後端部４に熱が伝達され、その一部が圧電部３に伝達されることを示唆している。この締めつけボルト５と後端部４とを通る圧電部３への熱伝達を阻止するために、締めつけボルト５をセラミックスなど断熱性の素材で構成したり、ボルト頭５ａと後端部４との間に断熱性の素材から成るスペーサを介在させたり、後端部４と圧電部３との間に断熱部２と同様の第２の断熱部を設置したりすることが望ましい。

締めつけボルト５やボルト頭５ａを通る伝熱を阻止した場合、第２の断熱部は不要になる。また、この場合、後端部４を熱伝導率の比較的大きなアルミニウム合金などの素材で構成することにより、圧電部３から後端部４を通しての放熱を促進し、圧電部３の温度上昇を一層有効に抑圧することができる。

以上、圧電部３に使用する圧電体としてニオブ酸鉛を例示した。しかしながら、このニオブ酸鉛の代わりに、他の適宜な高キュリー点の圧電体、例えば、ビスマス系圧電体などを使用することもできる。

また、先端部１の取付け部１ａを形成し、高温流体の管路に溶接によって固定する構成を例示した。しかしながら、この取付け部１ａに開口を形成し、この開口を通した螺子を管路に形成した螺子溝に螺合することによって先端部１を管路に取付ける構成を採用することもできる。

さらに、具体的な材質や寸法をいくつか例示したが、これ以外の類似のものを適用できることは明らかである。さらに、各部先端部１から後端部４までの各部に放熱フィンを付加することにより自然空冷を図ることもできる。

さらに、計測対象の高温流体として自動車の排気ガスを例示したが、高温の液体など他の適宜な流体を計測の対象とすることができる。

本発明の一実施例の高温流体測定用超音波センサの構造を示す断面図である。 図１に示した高温流体測定用超音波センサの各部について、加熱開始からの温度の時間変化の様子を示す実験データである。

符号の説明

1 先端部
１ａ 取付け部
2 断熱部
3 圧電部
3a 圧電体
3b 電極
4 後端部
5 締めつけボルト
５ａ ボルト頭

Claims (12)

1. 排気ガスその他の高温流体測定用超音波センサであって、
   前記高温流体が流れる管路に取付けられる先端部と、この先端部の後方に取付けられた断熱部と、この断熱部の後方に取付けられた圧電部とを備えたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
2. 請求項１において、
   前記圧電部の後方に取付けられた後端部をさらに備え、前記先端部から前記後端部までの各部は共通の締めつけボルトによってボルト締めされたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
3. 請求項１または２において、
   前記圧電部は、圧電体と電極との積層構造で構成されたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記圧電部と前記後端部との間に配置された他の断熱部をさらに備えたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
5. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記締めつけボルトが断熱性の素材から成ることを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
6. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記締めつけボルトと前記後端部との間に断熱性の素材のスペーサが配置されることを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記先端部、断熱部、他の断熱部または後端部の少なくとも一つに、自然空冷用の放熱フィンが形成されたことを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、
   前記圧電部は、ニオブ酸鉛は又はビスマス系圧電体を素材とすることを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
9. 請求項１乃至８のいずれかにおいて、
   前記断熱部は、セラミックを素材として構成されることを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
10. 請求項９において、
    前記セラミックは、マイカまたははアルミナであることを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
11. 請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
    前記先端部は、ステンレス鋼またはチタン合金を素材とすることを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。
12. 請求項１乃至１１のいずれかにおいて、
    前記後端部は、アルミニウム合金を素材とすることを特徴とする高温流体測定用超音波センサ。

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