JP2007240159A - 超音波流体計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トランスデューサの収納部への凝縮水の浸入によるトランスデューサの浸水を防止する。
【解決手段】上流側トランスデューサケース１２ａ又は下流側トランスデューサケース１２ｂを管軸ＡＬの方向に横断させて隔壁３２を形成し、この隔壁３２により、測定管１の内部を被験ガスの流路を形成する上部空間Ｓａと、この上部空間Ｓａに対してトランスデューサケース１２ａ，１２ｂ内の空間を介して連通する下部空間Ｓｂとに画成する。隔壁３２の第３の部分３２３に、下部空間Ｓｂと隔壁３２の下流における流路とを、下部空間Ｓｂよりも断面が小さい排水路３２ａを介して連通させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超音波流体計測装置に関し、詳細には、燃料電池システムにおけるガス分析等、被験ガスが水分を含む場合に、この水分が凝縮してできた水がトランスデューサの収納部内に溜まることによるトランスデューサの浸水を防止するための技術に関する。

超音波流体計測装置は、被験ガスの流れ自体に圧力損失等の大きな影響を及ぼすことなく、流量検出等のガス分析を行うことができる装置として知られており、その作動原理は、大方次のようである。すなわち、一対のトランスデューサを流れの方向に前後させて配置し、上流側のトランスデューサから流れに対して順方向に超音波を発射し、これが下流側のトランスデューサにより受信されるまでの第１の伝搬時間を測定するとともに、下流側のトランスデューサから流れに対して逆方向に超音波を発射し、これが上流側のトランスデューサにより受信されるまでの第２の伝搬時間を測定する。測定された第１及び第２の伝搬時間をもとに、被験ガスの流量等を算出する。

超音波流体計測装置は、被験ガスの流れに対する影響が少ないという上記の利点に加え、流路内に検出エレメントが配置される構成でなく、被験ガス中に混在する異物の付着が問題とならないという利点により、燃料電池システムの燃料極供給管において、燃料ガスのガス分析に採用されている。ここで、燃料電池システムに適用される場合等、被験ガスが水分を含む場合は、この水分の検出エレメントへの付着が問題とならない一方、次のことが問題となる。すなわち、この場合は、流路内で被験ガス中の水分が凝縮してできた水が壁面に付着するとともに、この凝縮水が壁面を伝って流れ、トランスデューサの収納部に浸入することで、トランスデューサが浸水し、超音波の的確な送信、伝搬又は受信が妨げられ、ひいては装置を測定不能に至らしめることである。

この問題に対し、トランスデューサの収納部の内周をトランスデューサ自体の外周よりも大径に設定することで、収納部とトランスデューサとの間に隙間を形成し、収納部に浸入した凝縮水をこの隙間に収容しておく方法が知られている（特許文献１）。
特開２００１−１６５７２５号公報（段落番号００２０）

しかしながら、浸入した凝縮水をトランスデューサの収納部内に収容する上記の方法には、次のような問題がある。
すなわち、前掲特許文献１の超音波流体計測装置は、都市ガスのガスメータ等への適用を想定して提案されたものである。このため、配管の接続の切り換え又はガス供給源の交換等による一時的な水分の混入に対し、隙間に溜まった凝縮水を蒸発させるための時間が確保されることから、トランスデューサの浸水防止に関して所要の効果が期待されるものと推察される。これに対し、燃料電池システムに適用する場合は、収納部への凝縮水の浸入が継続的であるとともに（燃料電池システムでは、運転期間全体を通して燃料ガスを飽和状態に加湿するのが一般的である。）、その量も多いことから、運転開始後間もないうちに隙間が凝縮水で満たされ、トランスデューサが浸水することである。収納部の側壁を貫通させて孔を形成し、隙間に溜まった凝縮水をこの孔を介して排出することも考えられるが、孔を介した凝縮水の排出には自ずと限界があるため、凝縮水の発生量が多い場合は、この排出が追い付かず、浸水を確実に回避することができない。また、収納部に孔を形成した場合は、被験ガスがこの孔を介して管内から漏れ出し、これに伴い被験ガスが流路から分流するため、流量等の計測結果に誤差を来す。

本発明は、トランスデューサの収納部への凝縮水の浸入に対し、被験ガスの分流を抑制しつつ、この凝縮水の収納部からの継続的な排出を可能とし、トランスデューサの浸水を防止することを目的とする。

本発明は、超音波流体計測装置を提供する。本発明に係る装置は、被験ガスを流通させる測定管と、この測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、この超音波伝搬線上で、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサとを含んで構成される。測定管において、超音波伝搬線を中心として管壁を外方に膨出させて第１のトランスデューサ又は第２のトランスデューサの収納部が形成されるとともに、この収納部を測定管の軸方向に横断させて、測定管の内部を被験ガスの流路を形成する上部空間と、この上部空間と収納部内の空間を介して連通する下部空間とに画成する隔壁が設けられる。この隔壁は、収納部の上流に位置し、測定管の軸方向に関して下部空間を隔壁の上流における流路から隔てる第１の壁部と、この第１の壁部の下流に接続し、超音波伝搬線が通過する流路の断面を形成する第２の壁部と、この第２の壁部の下流に接続し、下部空間と隔壁の下流における流路とを下部空間よりも断面が小さい排水路を介して連通させる第３の壁部とを含んで構成される。

本発明によれば、隔壁により測定管の内部を上部空間と下部空間とに画成するとともに、第３の壁部に下部空間に連通する排水路を形成したので、上部空間（被験ガスの流路を形成する。）からトランスデューサの収納部に浸入した凝縮水を、下部空間及び排水路を介して隔壁の下流における流路に排出し、トランスデューサの浸水を防止することができる。また、排水路の断面を下部空間の断面よりも縮小したことで、この排水路を介する被験ガスの流れが妨げられるので、被験ガスの流路からの分流を抑制し、計測誤差を抑制することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、図２〜１１の各図において、紙面に向かって上側が鉛直方向の上方に、下側が鉛直方向の下方に当たるものとする。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波流体計測装置（以下、単に「計測装置」という。）１０１の構成を、測定管１の中心軸（以下「管軸」という。）ＡＬ、及び後述する超音波伝搬線ＴＬを含む平面による断面で示している。本実施形態では、計測装置１０１を自動車の駆動源として採用される燃料電池システムのアノード配管５０１，５０２に介装し、燃料電池のアノードに供給される燃料ガスとしての水素ガスの流量Ｑ及び濃度ρを検出する。

計測装置１０１は、被験ガス（ここでは、水素ガス）を流通させる測定管１を含んで構成され、この測定管１は、管軸ＡＬの方向の各端にフランジ１１ａ，１１ｂが形成され、このフランジ１１ａ，１１ｂにより隣接する管路部材５０１，５０２に接続されている。測定管１は、管軸ＡＬとの間に角度θを形成する軸ＴＬを中心として、管軸ＡＬの方向に前後させた２つの箇所で筒状に膨出している。この測定管１の膨出部として形成される一対のトランスデューサケース（「トランスデューサの収納部」に相当する。）１２ａ，１２ｂに、上流側トランスデューサ（「第１のトランスデューサ」に相当する。）２ａと、下流側トランスデューサ（「第２のトランスデューサ」に相当する。）２ｂとが収納されている。トランスデューサ２ａ，２ｂに対し、超音波の拡散を抑制するための音響ホーンを付設してもよい。本実施形態では、後述する角度可変機構により、軸ＴＬが水平に設定されている。なお、軸ＴＬは、超音波伝搬線に一致する。

トランスデューサ２ａ，２ｂは、計測用超音波Ｗｔを発生させる振動子を含んで構成され、超音波Ｗｔの伝搬時間を測定し、流量Ｑ等を算出する制御ユニット５に接続されている。制御ユニット５は、駆動及び伝搬時間測定部５１と、流量演算部５２とを含んで構成される。駆動及び伝搬時間測定部５１は、トランスデューサ２ａ，２ｂに超音波Ｗｔを発射させるための駆動信号を発生するとともに、発射された超音波Ｗｔを受けたトランスデューサから出力された受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２を入力する。トランスデューサ２ａ，２ｂは、制御ユニット５からの駆動信号を受け、超音波伝搬線ＴＬに沿って超音波Ｗｔを発射する。駆動及び伝搬時間測定部５１は、入力した受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２をもとに、超音波Ｗｔが発射されてから受信されるまでの伝搬時間ｔｄ１，ｔｄ２を測定する。他方、流量演算部５２は、測定された伝搬時間ｔｄ１，ｔｄ２をもとに、測定管１を流れる水素ガスの流量Ｑ及び密度（濃度に相当する。）ρを算出する。算出された流量Ｑ等は、図示しないモニターに出力され、表示される。なお、上流側トランスデューサ２ａから流れに対して順方向に超音波Ｗｔが発射された場合と、下流側トランスデューサ２ｂから流れに対して逆方向に超音波Ｗｔが発射された場合とで、超音波Ｗｔの伝搬時間ｔｄ１，ｔｄ２に流速Ｖｇ又は流量Ｑに応じた差が生じることから、この差に基づいて流量Ｑ等を算出可能であることは、超音波流体計測装置の測定原理として既に知られたところである。トランスデューサ２ａ，２ｂの距離（又は超音波Ｗｔの伝搬距離）をＬｍとし、被験ガスの流路の断面積をＡとし、被験ガスの音速、比熱比、ガス定数及び温度をＣｇ，γ，Ｒ，Ｔとすると、被験ガスの流速Ｖｇ、流量Ｑ、密度ρは、下式（１）〜（４）により算出される。なお、ｔｒ１，ｔｒ２は、超音波Ｗｔの先頭波がトランスデューサに到達した時点から、受信検知時点としてのゼロクロス点までの遅れに相当する時間である。本実施形態では、このゼロクロス点を、受信信号Ｗｒが所定の大きさのレベルを超えた後、最初にゼロレベルを過ぎった時点として検出する。また、本実施形態に関し、断面積Ａは、超音波伝搬線ＴＬが横断する部分における流路の断面積であり、後述する下壁３２の第２の壁部３２２によりその底辺が定められる。

Ｖｇ＝｛Ｌｍ／（２×ｃｏｓθ）｝×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）−１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・（１）
Ｑ＝Ｖｇ×Ａ×Ｋ ・・・（２）
Ｃｇ＝（Ｌｍ／２）×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）＋１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・（３）
ρ＝γ×Ｒ×Ｔ／（２２．４×Ｃｇ^２） ・・・（４）
図２は、本実施形態に係る計測装置１０１の構成を、ｘ−ｘ線（図１）による断面で示している。

測定管１は、前後にフランジ１１ａ，１１ｂが設けられた筒状の本体１ａを含んで構成され、本体１ａの内部には、これとは別体のものとして形成された流路形成部材３が挿入されている。流路形成部材３は、本体１ａの内部に設置されて被験ガスの流路を形成するものであり、この設置状態で管軸ＡＬを基準とする一側（すなわち、上方）に位置して流路の上面を形成する上壁３１と、他側（すなわち、下方）に位置して流路の底面を形成する下壁３２とを含んで構成される。上壁３１は、本体１ａと一体となって流路の上面を形成する。他方、下壁３２は、本発明の「隔壁」に相当するものであり、本体１ａの内部を上下の２室（すなわち、上部空間Ｓａ及び下部空間Ｓｂ）に画成する。下壁３２の上方に形成される上部空間Ｓａが被験ガスの流路となる。流路を形成する上壁３１及び下壁３２の各内面は、管軸ＡＬを基準として線対称に形成されており、測定管１の入口から出口にかけて流路を縮小し、更に拡大させている。これらの内面は、管路部材５０１，５０２の内面に対して滑らかに接続されている。なお、上壁３１と下壁３２とは、側壁３３（図４）により連結され、単一の流路形成部材３として形成されている。

本実施形態では、下壁３２は、上流側及び下流側の各トランスデューサケース１２ａ，１２ｂ（詳しくは、被験ガスの流路とトランスデューサケース内の空間とを接続する端部開口１２１ａ，１２１ｂ）を管軸ＡＬの方向に横断させて形成されており、３つの部分（すなわち、第１の壁部３２１、第２の壁部３２２及び第３の壁部３２３）を含んで構成される。

第１の壁部３２１は、上流側トランスデューサケース１２ａ（図２には、端部開口１２１ａを二点鎖線で示す。）の上流に位置して、測定管１の入口から次の第２の壁部３２２に亘り被験ガスの流路を徐々に縮小させる。
第２の壁部３２２は、第１の壁部３２１の下流に接続して、上壁３１との間に断面が一定の流路を形成する。第２の壁部３２２は、上流側トランスデューサケース１２ａ及び下流側トランスデューサケース１２ｂの各端部開口１２１ａ，１２１ｂを横断させるとともに、各トランスデューサケース１２ａ，１２ｂの間を延伸させて設けられている。このため、この第２の壁部３２２が形成する部分で超音波伝搬線ＴＬが流路を横断する。

第３の壁部３２３は、第２の壁部３２２の下流に接続して、第２の壁部３２２から測定管１の出口に亘り被験ガスの流路を徐々に拡大させる。なお、流路を形成する第１、第２及び第３の壁部３２１〜３２３の各内面は、滑らかに接続され、全体としての流線形状が付されている。
また、下壁３２には、第１及び第３の壁部３２１，３２３と第２の壁部３２２との間で外面に段差が設けられており、この外面が第２の壁部３２２の部分で窪ませて形成され、下壁３２と本体１ａとの間に下部空間Ｓｂが形成されている。下部空間Ｓｂは、管軸ＡＬを基準とした径方向に関して第２の壁部３２２により上部空間Ｓａと隔てられるとともに、管軸ＡＬの方向に関して第１及び第３の壁部３２１，３２３により下壁３２の上流又は下流における流路から隔てられている。第２の壁部３２２を各トランスデューサケース１２ａ，１２ｂの端部開口１２１ａ，１２１ｂを横断させて形成したことで、下部空間Ｓｂは、上部空間Ｓａに対し、トランスデューサケース１２ａ，１２ｂ内の空間を介して連通している。

更に、下壁３２には、第３の壁部３２３の部分で外面に溝３２ａが形成されている。溝３２ａは、本体１ａとの間に本発明の「排水路」を形成するものであり、管軸ＡＬの方向に延伸させて形成され、下部空間Ｓｂと下壁３２の下流における流路（以下「下流側流路」という。）とを連通させる。溝３２ａは、１つに限らず、複数設けられてもよいが、排水路全体としての断面を下部空間Ｓｂのものよりも小さく設定する。本実施形態では、下部空間Ｓｂ及び排水路３２ａの各底面を本体１ａの内面により１つの面内で形成している。

図３は、本実施形態に係る計測装置１０１の構成を、ｙ−ｙ線（図１）による断面で示している。
測定管１において、本体１ａの内部が下壁３２により上部空間Ｓａと下部空間Ｓｂとに画成されるとともに、下部空間Ｓｂの下流に、下部空間Ｓｂよりも断面が小さい排水路３２ａが接続している。本実施形態では、下部空間Ｓｂ及び排水路３２ａを壁部３２４により超音波伝搬線ＴＬの方向に隔てることで、これらの空間Ｓｂ，３２ａを介した超音波Ｗｔの伝搬を遮断している。本体１ａの内部とトランスデューサケース１２ａ，１２ｂ内の空間とは、トランスデューサケース１２ａ，１２ｂの端部開口１２１ａ，１２１ｂで接続しており、上部空間Ｓａと下部空間Ｓｂとは、トランスデューサケース１２ａ，１２ｂ内の空間を介して連通している。本実施形態では、トランスデューサケースを本体１３及びキャップ１４ａ，１４ｂを含んで構成し、筒状の本体１３にトランスデューサ２ａ，２ｂを保持させたキャップ１４ａ，１４ｂを固定することで、トランスデューサケース１２ａ，１２ｂを構成している。キャップ１４ａ，１４ｂの内周を本体１３の内周よりも小径に設定することで、トランスデューサ２ａ，２ｂが保持される空間の底面と、下部空間Ｓｂの底面との間に段差１２２ａ，１２２ｂを形成している。なお、図２には、トランスデューサケース１２ａの端部開口１２１ａへのトランスデューサ２ａの投影仮想面を、二点鎖線２ａ’で示している。

図４は、測定管１の本体１ａ及び流路形成部材３の構成を、管軸ＡＬに垂直な平面による断面で拡大して示している。
流路形成部材３の下壁３２は、この断面で略Ｔ字に形成されている。下壁３２の内面により上部空間Ｓａが、下壁３２の外面により下部空間Ｓｂが形成されるとともに、下壁３２の壁部３２４により下部空間Ｓｂが２つに隔てられている。本実施形態では、下壁３２の側縁において、上部空間Ｓａを形成する第２の壁部３２２の内面に段差３２５ａ，３２５ｂを形成し、この内面の管軸ＡＬに対する距離ｄをこの側縁の部分で狭め、この内面を側縁を除く部分で低位に形成している。また、下壁３２において、下部空間Ｓｂを形成する第２の壁部３２２の外面のうち、管軸ＡＬに近い内側の部分３２２ａと、これよりも遠い外側の部分３２２ｂとで、管軸ＡＬを含む鉛直平面に対する傾斜を異ならせ、各部分３２２ａ，３２２ｂの管軸ＡＬに対する距離を定める直線（図４には、この直線を二点鎖線で示す。）ｌ１，ｌ２を交差させている。

本実施形態では、測定管１を水平（図２には、水平平面を一点鎖線ＨＬで示す。）に対して傾斜させ、測定管１の出口を入口よりも低位に位置させている。トランスデューサケース１２ａ，１２ｂが管軸ＡＬの方向に前後にずらして形成されているため、この測定管１の傾斜によりトランスデューサケース１２ａ，１２ｂの間に高低差が生じ、特に低位に位置することとなる下流側トランスデューサケース１２ｂ内からの水の排出が妨げられる。このため、測定管１の本体１ａと流路形成部材３との間に、流路形成部材３の取付角度可変機構（以下、単に「角度可変機構」という。）を介装し、測定管１の傾斜による水の排出阻害の問題を解消する。

図５は、角度可変機構により測定管１の本体１ａに対する流路形成部材３の相対角度を調節したものを、傾斜前の状態で示している。なお、本体１ａと流路形成部材３との関係を明確にするため、トランスデューサケース１２ａ，１２ｂ及びトランスデューサ２ａ，２ｂを二点鎖線で示している。
本実施形態では、測定管１を傾斜させた状態で第２の壁部３２２の上面を水平に位置させる。この傾斜後の状態でトランスデューサケース１２ａ，１２ｂの間に高低差が生じるのを回避するため、流路形成部材３を本体１ａに対して管軸ＡＬを基準とした周方向にずらして設置する。本実施形態では、下流側トランスデューサケース１２ｂが低位に位置するのを回避するため、下流側トランスデューサ１２ｂを傾斜前の状態で管軸ＡＬを含む水平平面ＨＬよりも相対的に高位に位置させる。なお、これに伴い、上流側トランスデューサケース１２ａは、水平平面ＨＬよりも相対的に低位に位置することとなる。

図６は、本実施形態に係る角度可変機構の構成を管軸ＡＬに垂直な平面による断面で示している。
本実施形態では、角度可変機構として、測定管１の本体１ａ及び流路形成部材３（ここでは、上壁３１）にキー溝１ｈ１〜１ｈ３，３ｈ１〜３ｈ３を形成している。キーが挿入されるキー溝の組み合わせを、これらの１ｈ１〜１ｈ３，３ｈ１〜３ｈ３のうちから測定管１の傾斜角度に応じて選択するものである。キー溝の間隔を本体１ａ側のもの１ｈ１〜１ｈ３と、流路形成部材３側のもの３ｈ１〜３ｈ３とで異ならせ、前者のものを大きな値に設定している。本体１ａ側のキー溝１ｈ１〜１ｈ３の間隔を流路形成部材３側のキー溝３ｈ１〜３ｈ３のものよりもａ°だけ大きな値に設定することで、中間のキー溝１ｈ２，３ｈ２にキーを挿入した状態を基準として±ａ°で相対角度を調節することができる。

本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
燃料電池システムでは、燃料ガスである水素ガスに、発電効率の維持及び電解質膜の保護のために水蒸気が添加される。この水蒸気は、燃料電池システムの運転期間全体を通して飽和状態で添加されるのが一般的である。このため、実際の運転において、水素ガスが上流の燃料極供給管５０１の管壁等により冷却されることで、これに含まれる水蒸気が凝縮し、発生した水が壁面に付着する。付着した水は、水素ガスの流れにより壁面に沿って押し流され、測定管１内で流路から逸れ、トランスデューサケース１２ａ，１２ｂに浸入する。燃料電池システムでは、水素ガスに添加される水蒸気の量が多いことから、壁面に沿って浸入する壁流水以外に、凝縮して発生した水が液滴となって形成される飛沫水も存在する。この飛沫水は、壁面に付着せず、水素ガスの流れに乗ってトランスデューサケース１２ａ，１２ｂに浸入し、トランスデューサケース１２ａ，１２ｂの内面に付着する。

本実施形態では、測定管１の本体１ａの内部を下壁３２により上部空間Ｓａと下部空間Ｓｂとに画成するとともに、第３の壁部３２３に下部空間Ｓｂと下流側流路とを連通させる排水路３２ａを形成したので、被験ガスの流路（すなわち、上部空間Ｓａ）からトランスデューサケース１２ａ，１２ｂに浸入した水を、下部空間Ｓｂ及び排水路３２ａを介して測定管１から排出し、トランスデューサ２ａ，２ｂの浸水を回避し、計測装置１０１の正常な作動状態を維持することができる。この排水路３２ａ等を介する水の排出は、排水路３２ａ内で詰まりが生じない限り継続して行われるものであるので、燃料電池システムにおける適用等、トランスデューサケース１２ａ，１２ｂに浸入する水の量が多い場合でも、トランスデューサ２ａ，２ｂの浸水を確実に回避することができる。また、排水路３２ａの断面を下部空間Ｓｂの断面よりも縮小したことで、この排水路３２ａを介する被験ガス（すなわち、水素ガス）の流れが妨げられるので、流路からの被験ガスの分流を抑制し、計測誤差を抑制することができる。トランスデューサケース２ａ，２ｂに浸入した水が下部空間Ｓｂに貯留する場合は、貯留した水により排水路３２ａを介する被験ガスの流れが遮断されるので、分流の発生自体を回避することができる。また、下部空間Ｓｂに水が貯留することで、排水路３２ａを介する水の流れに勢いが付くため、測定管１からの水の排出が円滑なものとなる。なお、本実施形態では、上壁３１及び下壁３２により被験ガスの流路を縮小させるとともに、下壁３２により、測定管１内で燃料極供給管５０１内におけるよりも流路の底面を高位に形成したことで、流速の上昇も相俟って下壁３２上で壁流水が薄い膜状に延ばされる効果が得られ、壁面への水の付着による実質的な流路断面積の減少を抑制することができる。なお、図２には、下部空間Ｓｂに貯留した水の表面を直線Ｌｗで示す。

また、下部空間Ｓｂの底面とトランスデューサケース１２ａ，１２ｂ内の空間の底面（キャップ１４ａ，１４ｂの内面により形成される。）との間に段差１２２ａ，１２２ｂを形成したので、下部空間Ｓｂに水が貯留する場合でも、トランスデューサ２ａ，２ｂの浸水を回避することができる。
更に、被験ガスの流路を形成する上壁３１及び下壁３２の内面に流線形状を付し、これらの内面を燃料極供給管５０１，５０２の内面に対して滑らか接続したので、測定管１内における流れの乱れを抑制し、高い計測精度を実現することができる。

更に、第２の壁部３２２の内面に段差３２５ａ，３２５ｂを形成したので、壁流水をこの段差３２５ａ，３２５ｂにより案内して、第２の壁部３２２の内面に沿わせて測定管１から排出することができる。このため、壁流水をトランスデューサケース１２ａ，１２ｂへの浸入を抑制しつつ排出することができ、多量の飛沫水が生じた場合に下部空間Ｓｂが水（すなわち、飛沫水及び壁流水）で満たされるのを回避し、トランスデューサ２ａ，２ｂの浸水を回避することができる。

更に、第２の壁部３２２の外面において、内側の部分３２２ａと外側の部分３２２ｂとで鉛直平面に対する傾斜を異ならせ、特に外側の部分３２２ｂの傾斜を急に設定したことで、第２の壁部３２２の側縁を乗り越えた壁流水を速やかに排水路３２ａに案内し、排水性を向上させることができる。なお、これとは逆に、外側の部分３２２ｂの傾斜を緩く設定した場合は、下部空間Ｓｂの容積を大きくとることができる。

更に、測定管１の本体１ａと流路形成部材３との間に角度可変機構を介装したので、測定管１を傾斜させた場合に生じるトランスデューサケース１２ａ，１２ｂの間の高低差を解消し、いずれのトランスデューサケース１２ａ，１２ｂからも水を円滑に排出することができる。
図７は、本実施形態に係る第２の壁部３２２の変更例を示している。

この変更例では、先の例と同様に第２の壁部３２２が管軸ＡＬに垂直な断面で略Ｔ字に形成されているが、上部空間Ｓａを形成する第２の壁部３２２の内面が中央の部分で平坦でなく、Ｖ字に形成されている。この断面Ｖ字の第２の壁部３２２によっても、壁流水を内面に沿わせて案内するという本実施形態による効果を得ることができる。
以下、本発明の他の実施形態について、第１の実施形態に対する特徴を説明する。なお、第１の実施形態におけると同様の機能を持たせる部分又は部品には、図２に示すものと同一の符合を付す。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る計測装置２０１の構成を示している。
本実施形態では、下壁３２の第１の壁部３２１の外面に、管軸ＡＬの方向に延伸させて溝３２ｂを形成し、この溝３２ｂにより下部空間Ｓｂと下壁３２の上流における流路（以下「上流側流路」という。）とを連通させる導水路を形成している。下壁３２により堰き止められた壁流水を、導水路３２ｂを介して下部空間Ｓｂに流入させるとともに、下部空間Ｓｂを介して排水路３２ａに導き、排出することができる。燃料極供給管５０１内で生じた壁流水は、重力の作用により管内の底部に集中して流れ、下壁３２によりその先端で堰き止められるため、導水路３２ｂは、測定管１内の底部の位置に設け、第１の壁部３２１の先端で開口させるのが好ましい。導水路３２ｂは、溝により形成するばかりでなく、第１の壁部３２１を貫通する孔により形成してもよく、また、導水路３２ｂを形成する溝等は、下壁３２に形成するばかりでなく、測定管１の本体１ａに形成してもよい。なお、導水路３２ｂの断面を微小に設定するとともに、上流側流路に対して燃料極供給管５０１の内面に近い位置で開口させることで、導水路３２ｂへの被験ガスの流入を抑制し、計測誤差を抑制することができる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る計測装置３０１の構成を示している。
本実施形態では、測定管１の本体１ａの底部内面に下部空間Ｓｂ全体に亘る窪みを形成し、管軸ＡＬを含む鉛直平面による断面（図９）において、下部空間Ｓｂの底面を管軸ＡＬに対して傾斜させている。排水路３２ａの底面を管軸ＡＬに平行に形成する一方、下部空間Ｓｂの底面を管軸ＡＬに対して傾斜させることで、測定管１を傾斜させた状態で下部空間Ｓｂの底面を水平に設定しつつ、排水路３２ａの底面を傾斜させることができ、排水性を損なうことなく、下部空間Ｓｂに貯え得る水の量を増大させることができる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る計測装置４０１の構成を示している。
本実施形態では、排水路３２ａを形成する第３の壁部３２３の外面に窪み３２ｃを形成し、排水路３２ａの一部を鉛直方向で上方に拡大させている。トランスデューサケース１２ａ，１２ｂに浸入する水がないか、あるいはその量が少なく、排水路３２ａを介する水の排出が実質的に停止した場合に、排水路３２ａ内に残された水が表面張力の作用によりこの排水路３２ａの拡大部３２ｃに保持されることで、排水路３２ａを介する被験ガスの流れを遮断し、流路からの分流を抑制することができる。なお、本実施形態では、窪み３２ｃが「ガス流通制限手段」を構成する。

図１１は、本実施形態に係るガス流通制限手段の変更例を示している。
図１１（ａ）に示す第１の変更例では、排水路３２ａに弁３５１を設置し、排水路３２ａを介する水の排出量に応じてこの弁３５１を作動させることで、水の排出が停止した場合の被験ガスの流れを遮断する。弁３５１は、温度に応じて形状が変化する性質を持たせた形状記憶合金部材（たとえば、バイメタル）により構成され、第３の壁部３２３に固定されて、排水量に応じて第３の壁部３２３の外面に対する角度が変化する。第１の変更例は、排水量が少ないときが低温作動時であるという燃料電池システムの特性に着目したものであり、排水量が少ないときは、弁３５１が排水路３２ａに張り出して被験ガスの流れを遮断する一方、排水量が多いとき（すなわち、燃料電池システムの高温作動時）は、弁３５１が第３の壁部３２３の外面に形成された窪みに引き込むことで、排出される水の自由な流通が保証される。この例では、弁３５１が「ガス流通制限手段」を構成する。

図１１（ｂ）に示す第２の変更例では、排水路３２ａをＵ字に屈曲させて形成し、排水路３２ａのうち、このＵ字の部分３２ｄに水を保持することで、水の排出が停止した場合の被験ガスの流れを遮断する。なお、Ｕ字の部分３２ｄを下部空間Ｓｂよりも低位に形成することで、排水性を確保することができる。この例では、Ｕ字の部分３２ｄが「ガス流通制限手段」を構成する。

図１１（ｃ）に示す第３の変更例では、第３の壁部３２３の外面に窪み３２ｅを形成し、この窪み３２ｅに排水路３２ａよりも断面が大きく、かつ水よりも比重が小さい球状のフロート３５２を納めることで、水の排出が停止した場合にこのフロート３５２により下流の排水路３２ａを塞ぎ、被験ガスの流れを遮断する。フロート３５２の比重が水よりも小さいことで、排水量が多く、排水路３２ａが水で満たされた場合は、フロート３５２が浮き上がり、排水路３２ａの閉塞が解除される。この例では、窪み３２ｅ及びフロート３５２が「ガス流通制限手段」を構成する。

以上では、超音波伝搬線ＴＬを直線状に設定し、一対のトランスデューサ２ａ，２ｂを、管軸ＡＬを基準とした測定管１の各側に配置したＺ型レイアウト（又は透過型）のものについて説明した。しかしながら、本発明は、このレイアウトのものに限らず、超音波伝搬線ＴＬを測定管１の壁面上で屈曲させて設定することで、双方のトランスデューサを測定管１の片側のみに配置したＶ型レイアウト（又は反射型）のものに適用することもできる。

本発明の第１の実施形態に係る超音波流体計測装置の構成 同上実施形態に係る超音波流体計測装置のｘ−ｘ線断面 同上実施形態に係る超音波流体計測装置のｙ−ｙ線断面 測定管の内部の構成 角度調整機構による調節機能の説明 角度調節機構の構成 本発明の第１の実施形態に係る隔壁の変更例 本発明の第２の実施形態に係る超音波流体計測装置の構成 本発明の第３の実施形態に係る超音波流体計測装置の構成 本発明の第４の実施形態に係る超音波流体計測装置の構成 同上実施形態に係るガス流通制限手段の変更例

符号の説明

１０１，２０１，３０１，４０１…超音波流体計測装置、１…測定管、１ａ…測定管の本体、１１…フランジ、１２…トランスデューサケース、１３…トランスデューサケースの本体、１４…キャップ、２…トランスデューサ、３…流路形成部材、３１…上壁、３２…「隔壁」としての下壁、３２ａ…排水路、３２１…第１の壁部、３２２…第２の壁部、３２３…第３の壁部、３２５…第２の壁部の段差、３３…側壁、５…制御ユニット、５１…駆動及び伝搬時間測定部、５２…流量演算部、５０１，５０２…燃料電池システムのアノード配管、ＡＬ…測定管の中心軸、ＴＬ…超音波伝搬線、Ｓａ…上部空間、Ｓｂ…下部空間、１ｈ１〜１ｈ３，３ｈ１〜３ｈ３…キー溝。

Claims (15)

1. 被験ガスを流通させる測定管と、
   この測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、
   この超音波伝搬線上で、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサと、を含んで構成され、
   前記測定管において、前記超音波伝搬線を中心として管壁を外方に膨出させて前記第１のトランスデューサ又は前記第２のトランスデューサの収納部が形成されるとともに、この収納部を測定管の軸方向に横断させて、測定管の内部を被験ガスの流路を形成する上部空間と、この上部空間と前記収納部内の空間を介して連通する下部空間とに画成する隔壁が設けられ、
   この隔壁は、
   前記収納部の上流に位置し、測定管の軸方向に関して前記下部空間をこの隔壁の上流における流路から隔てる第１の壁部と、
   この第１の壁部の下流に接続し、前記超音波伝搬線が通過する流路の断面を形成する第２の壁部と、
   この第２の壁部の下流に接続し、前記下部空間とこの隔壁の下流における流路とを前記下部空間よりも断面が小さい排水路を介して連通させる第３の壁部と、を含んで構成される超音波流体計測装置。
2. 前記測定管の中心軸と前記下部空間を形成する底面との距離が、この中心軸と前記収納部内の空間を形成する底面との距離よりも大きな値に設定された請求項１に記載の超音波流体計測装置。
3. 前記上部空間を形成する前記第１及び第３の壁部の表面が、前記隔壁の上流又は下流における管壁の内面に対して滑らかに接続された請求項１又は２に記載の超音波流体計測装置。
4. 前記測定管において、前記上部空間を形成する管壁の内面が、前記上部空間を形成する前記隔壁の表面に対し、測定管の中心軸を基準として線対称に形成された請求項３に記載の超音波流体計測装置。
5. 前記排水路を介する水の排出量の減少により、この排水路を介するガスの流通を制限するガス流通制限手段を更に含んで構成される請求項１〜４のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
6. 前記ガス流通制限手段は、前記排水路を介する水の排出を妨げ、前記排水路内に貯留した水により前記排水路を閉塞させるものである請求項５に記載の超音波流体計測装置。
7. 前記ガス流通制限手段は、前記第３の壁部に固定され、温度に応じて前記排水路を形成するこの第３の壁部の表面に対する角度が変化する形状記憶合金を含んで構成される請求項６に記載の超音波流体計測装置。
8. 前記測定管において、前記排水路がこの超音波流体計測装置の設置状態下でＵ字に屈曲させて形成され、
   前記ガス流通制限手段は、前記排水路のうち、このＵ字の部分を含んで構成される請求項６に記載の超音波流体計測装置。
9. 前記排水路を形成する前記第３の壁部の表面に窪みが形成され、
   前記ガス流通制限手段は、この窪みに納められた、前記排水路よりも断面が大きく、かつ水よりも比重が軽いフロートを含んで構成される請求項６に記載の超音波流体計測装置。
10. 前記第２の壁部の側縁に、前記上部空間を形成するこの第２の壁部の表面と前記測定管の中心軸との距離を狭める段差が形成された請求項１〜９のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
11. 前記上部空間を形成する前記第２の壁部の表面が、前記測定管の中心軸に垂直な平面による断面でＶ字に形成された請求項１〜１０のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
12. 前記測定管の中心軸に垂直な平面による断面において、前記下部空間を形成する前記第２の壁部の表面のうち、前記測定管の中心軸に近い第１の部分と、これよりも遠い第２の部分とで、前記測定管の中心軸からの各部分の距離を定める直線を交差させた請求項１〜１１のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
13. 前記隔壁が前記測定管の本体とは別体の部材として形成され、
    前記隔壁と前記測定管の本体との間に介在し、この本体に対する前記隔壁の、前記測定管の中心軸を基準とする周方向の相対位置を調節する手段を更に含んで構成される請求項１〜１２のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
14. 前記第１の壁部において、前記下部空間と前記隔壁の上流における流路とを連通させる導水路が形成された請求項１〜１３のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
15. 前記下部空間を形成する底面が、前記測定管の中心軸に平行な平面による断面で、この中心軸に対して傾斜させて形成された請求項１〜１４のいずれかに記載の超音波流体計測装置。

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