JP4495944B2 - エア式液面レベルセンサーおよびそれを用いた液面レベルの検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、液面センサーの改良、更に詳しくは、純流体素子（フルイディクス：fluidics）の応用によるコアンダ効果を巧みに利用した合理的な構造により、極めて高精度に液面レベルを検出することができ、しかも、製造コストおよびランニングコストを軽減することもできるエア式液面レベルセンサーに関するものである。

周知のとおり、種々の産業において液体を取り扱う装置や容器は多数存在しており、オーバーフローなどの異常事態による事故を予防するために、その液体の状態、例えば、水位、温度などは常に監視し、かつ、制御する必要がある。

従来、かかる状態を検出すべく、液面レベルを監視し、一定のレベルに到達した場合などを検知するセンサーが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、かかるセンサーにあっては、液面検出のために電極を必要とするため、複雑な電気系統や動力源に使用は、製造の手間や製造コスト増を招くという不満がある。また、かかる装置にあっては、比較的レスポンスが悪く、高い精度が得られないという不満があり、このような低精度の検出センサーでは、制御や対応が遅れてしまい、事故を引き起こす原因にもなりかねない。
特開2003− 57097号公報 （第３−６頁、図１）

本発明者は、従来の液面センサーの改良について研究していたところ、変化する液面を検出するにあたり、空気の流れの変化のみを観測するだけで、状態変化を迅速に感知することができれば、液面のレベルが上昇して、一定地点まで達した瞬間に検知することができ、しかも、複雑な電気系統や機械機構を必要としなくとも、変化を察知することができるであろうとの着想を得た。

そして、全く新しい原理をセンサーに採用することによって同作用を得られないかと思案した結果、電気系統や複雑な機械機構を使用しない気体のみに基づく簡素な機構原理を採用することによって、微小な挙動変化を察知するという解決策を思い付いた。

そこで、本発明者は、純流体素子（フルイディクス）と呼ばれる機構が、機械的可動部を持たない制御素子として古くから特殊な分野に用いられており、機械的可動部を持たないため、動作が比較的速くなり、また機構が簡単となって、寿命も長くなるという特性を有し、さらに、電気回路を必要としないため、ノイズ等による電気回路の誤動作や電力供給の遮断などの事故等も考える必要がなく、信頼性が高いという点に着目した。

そして、純流体素子の特性、即ち、噴流が近接する壁に付着するというコアンダ効果(Coanda effect）を巧みに利用することにより、気流の微量変化であっても、高精度な挙動を呈するという理想的な性質を備え、また、構造も簡素で、可動部を持たない自己制御が可能であり、しかも、センサーの製造コストを抑えることができるということから、これを液面センサーを構成する基本原理部分に採用してみたところ、本発明を完成するに至った。

本発明者が上記課題を解決するために採用した手段を添付図面を参照して説明すれば次のとおりである。

即ち、本発明は、液面の一定レベル到達を検出するためのセンサーであって、
センサー本体に開設されたエア供給口３が本体内部において第一流路１と第二流路２とに二股に分岐形成されており、当該第一流路１の終端にはジェットノズル11が形成され、かつ、第二流路２の終端にはチョークノズル21が形成されている一方、
前記第一流路１のジェットノズル11の吹出口前方には、差圧発生室４の気密室４Ａに通ずるベンチュリーノズル41が形成され、かつ、このベンチュリーノズル41の入口側方には、センサー本体外部に通ずるエア信号出力流路５が分岐形成されており、
前記差圧発生室４の内部は、可動隔壁42によって二つの気密室４Ａ・４Ｂに分離されており、前記ベンチュリーノズル41から通ずる気密室４Ａ内部には、流入エアをセンサー本体外部に排出可能なブリード穴43が形成されているとともに、
前記第二流路２のチョークノズル21の吹出口は、円錐壁面を有するサイクロンチャンバー６の円錐底面側に通じており、この円錐先端部にはオリフィスノズル61が形成されている一方、円錐根部には前記差圧発生室４内の気密室４Ｂに通ずる乱流検出通路62が形成されており、
この乱流検出通路62の吹出口前方には可動隔壁42が直面して配置され、かつ、この可動隔壁42の裏側対向部位には、前記ベンチュリーノズル41の吹出口が位置することにより、噴気の吹出差圧によって何れか一方の吹出口が閉塞されるように構成されており、
更に、前記オリフィスノズル61の吹出口はエアを排出可能な液面検出パイプ７に通じており、センサー本体外部に突設された当該液面検出パイプ７の開口端部71と液面との接触関係によって当該開口端部71が開放／閉塞することにより、前記差圧発生室４の内部の可動隔壁42に対する噴射付勢圧が変化して当該可動隔壁42が移動し、センサー本体内の第一流路１のジェットノズル11から吹き出したエアの排出経路が、差圧発生室４のベンチュリーノズル41を通じた気密室４Ａ内のブリード穴43もしくは前記エア信号出力流路５の検出口51に切替されるとともに、前記エア信号出力流路５の検知口51におけるエアのＩＮ／ＯＵＴにより液面到達を検知可能にするという技術的手段を採用することによって、エア式液面レベルセンサーを完成させた。

また、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、サイクロンチャンバー６に通ずるチョークノズル21の送入流路22に流量調節弁22ａを形成するという技術的手段を採用した。

また、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、サイクロンチャンバー６に通ずるチョークノズル21の送入流路22に整流室22ｂを形成するという技術的手段を採用した。

また、本発明は、液面の一定レベル到達を検出する方法であって、
エア供給口３から本体内部にエアを送入し、このエアは二股に分岐した第一流路１および第二流路２に分流し、
液面が一定レベル未満のときは、第一流路１を経由するエアは、当該第一流路１の終端に形成されたジェットノズル11から吹き出し、その吹出口前方に形成されたベンチュリーノズル41から差圧発生室４の気密室４Ａ内に送入されて可動隔壁42を押し下げ、かつ、この送入されたエアはブリード穴43から外部に排出される一方、
前記第二流路２を経由するエアは、当該第二流路２の終端に形成されたチョークノズル21から吹き出し、その吹出口前方に形成された、円錐状周面を有するサイクロンチャンバー６内に送入され、かつ、コアンダ効果により側壁に沿って層流状態で、その円錐先端部に形成されたオリフィスノズル61に吹き抜け、其処から通ずる液面検出パイプ７において開放された開口端部71から排出され、
前記可動隔壁42に対する噴射付勢圧は第一経路１側の方が大となって可動隔壁42を押し下げ、ベンチュリー効果によりエア信号出力流路５内に負圧を生じることによって、エア信号出力流路５の検知口51から外気が取り込まれ、この挙動をエア圧検知器Ｓで検知することができる一方、
液面が一定レベルに到達したときは、前記液面検出パイプ７の開口端部71に液面が接触して閉塞することにより前記オリフィスノズル61から吹き抜けるエアの排出に抵抗して、前記サイクロンチャンバー６内が乱流状態に変化し、エアが前記差圧発生室４の気密室４Ｂ内に通ずる乱流検出通路62側に流れ、かつ、前記可動隔壁42における噴射付勢圧は第二経路２側の方が大となって可動隔壁42を押し上げ、前記第一流路１側に流れるエアは、差圧発生室４の気密室４Ａ内への流入をシャットアウトされてエア信号出力流路５の検知口51から排出されることにより、
これらエア信号出力流路５の検知口51におけるエアのＩＮ／ＯＵＴをエア圧検知器Ｓで検知することによって設定液面レベルの到達を検知するという技術的手段を採用することによって、エア式液面レベルセンサーを用いた液面レベルの検出方法を完成させた。

また、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、サイクロンチャンバー６に通ずるチョークノズル21の送入流路22に形成された流量調節弁22ａにより、エアの流量を調節して整流するという技術的手段を採用した。

以上、実施形態をもって説明したとおり、本発明にあっては、純流体素子の応用によるコアンダ効果を巧みに利用した合理的な構造にしたことにより、エアのみで制御することができるので、電気系統の使用における火花などによる引火爆発の危険を防止することができ、ガソリンなどの揮発性燃料の制御にも適しており、高い安全性が得られる。

また、エアの注入および排出を検出するのみで液面レベルの到達を観測できるので、ランニングコストを低く抑えることができる。更にまた、非常に観測精度が高いことから、例えば、液体の泡立ちの上限などを検出することもできることから、産業上における利用価値は頗る高いものがあると云える。

本発明の実施形態を具体的に図示した図面に基いて更に詳細に説明すると次のとおりである。

本発明の実施形態を図１から図５に基いて説明する。図中、符号３で指示するものはエア供給口であり、このエア供給口３は、符号１で指示する第一流路と符号２で指示する第二流路とに分岐しており、第一流路１の終端にはジェットノズル11が形成され、第二流路２の終端にはチョークノズル21が形成されている。

また、符号４で指示するものは差圧発生室であり、この差圧発生室４の内部は、可動隔壁42によって二つの気密室４Ａ・４Ｂに分離されており、前記ベンチュリーノズル41から通ずる気密室４Ａ内部には、流入エアをセンサー本体外部に排出可能なブリード穴43が形成されている。

符号５で指示するものはエア信号出力流路であり、このエア信号出力流路５の検知口51においてエアの出入りを検知することができる。また、符号６で指示するものはサイクロンチャンバーであり、円錐壁面を有し、この円錐先端部にはオリフィスノズル61が形成され、円錐根部には乱流検出通路62が形成されている。符号７で指示するものは液面検出パイプであり、この液面検出パイプ７の開口端部71において液面を検出することができる。

しかして、本実施形態のセンサーにあっては、まず、センサー本体に開設されたエア供給口３が本体内部において第一流路１と第二流路２とに二股に分岐形成されており、当該第一流路１の終端にはジェットノズル11が形成され、かつ、第二流路２の終端にはチョークノズル21が形成されている。

次に、前記第一流路１のジェットノズル11の吹出口前方には、差圧発生室４の気密室４Ａに通ずるベンチュリーノズル41が形成され、かつ、このベンチュリーノズル41の入口側方には、センサー本体外部に通ずるエア信号出力流路５が分岐形成されている。

そして、前記差圧発生室４の内部は、可動隔壁42によって二つの気密室４Ａ・４Ｂに分離されており、前記ベンチュリーノズル41から通ずる気密室４Ａ内部には、流入エアをセンサー本体外部に排出可能なブリード穴43が形成されている。

また、前記第二流路２のチョークノズル21の吹出口は、円錐壁面を有するサイクロンチャンバー６の円錐底面側に通じており、この円錐先端部にはオリフィスノズル61が形成されている一方、円錐根部には前記差圧発生室４内の気密室４Ｂに通ずる乱流検出通路62が形成されている。

この際、この乱流検出通路62の吹出口前方には可動隔壁42が直面して配置され、かつ、この可動隔壁42の裏側対向部位には、前記ベンチュリーノズル41の吹出口が位置することにより、噴気の吹出差圧によって何れか一方の吹出口が閉塞されるように構成される。

更に、前記オリフィスノズル61の吹出口はエアを排出可能な液面検出パイプ７に通じており、センサー本体外部に突設された当該液面検出パイプ７の開口端部71と液面との接触関係によって当該開口端部71が開放／閉塞することにより、センサー本体内のエア排出経路が切替されるとともに、前記エア信号出力流路５の検知口51におけるエアのＩＮ／ＯＵＴにより液面到達を検知可能にすることによって液面の一定レベル到達を検出するためのセンサーが完成される。

なお、本実施形態では、サイクロンチャンバー６に通ずるチョークノズル21の送入流路22に流量調節弁22ａを形成することができ、また、送入流路22に整流室22ｂを形成することも可能であり、噴流を安定させることができる。

しかして、本実施形態における液面の一定レベル到達を検出するための具体的方法を以下に説明する。

まず、エア供給口３から本体内部に（圧力：約20ｋPaで）エアを送入し、このエアは二股に分岐した第一流路１および第二流路２に分流する。以下に、観測時のセンサー本体内部における状態を説明する。

〔ａ〕液面が一定レベル未満のとき
図３に基いて、液面が一定レベル未満のときについて説明する。まず、第一流路１を経由するエアは、当該第一流路１の終端に形成されたジェットノズル11から吹き出し、その吹出口前方に形成されたベンチュリーノズル41から差圧発生室４の気密室４Ａ内に送入されて可動隔壁42を押し下げ、かつ、この送入されたエアはブリード穴43から外部に排出される。

一方、前記第二流路２を経由するエアは、当該第二流路２の終端に形成されたチョークノズル21から吹き出し、その吹出口前方に形成された、円錐状周面を有するサイクロンチャンバー６内に送入され、かつ、コアンダ効果により側壁に沿って層流状態で、その円錐先端部に形成されたオリフィスノズル61に吹き抜け、其処から通ずる液面検出パイプ７において開放された開口端部71から排出される。なお、サイクロンチャンバー６に通ずるチョークノズル21の送入流路22を流量調節弁22ａを形成することにより、エアの流量を適宜調節して安定的に整流することもできる。

この際、前記可動隔壁42に対する噴射付勢圧は第一経路１側の方が大となって可動隔壁42を押し下げ、ベンチュリー効果によりエア信号出力流路５内に負圧を生じることによって、エア信号出力流路５の検知口51から外気が取り込まれる。そして、この挙動（ＩＮ）を当該検知口51に外付け（外部接続）したエア圧検知器Ｓで検知することができる。

〔ｂ〕液面が一定レベルに到達したとき
次に、図４に基いて、液面が一定レベルに到達したときについて説明する。まず、前記液面検出パイプ７の開口端部71に液面が接触して閉塞することにより前記オリフィスノズル61から吹き抜けるエアの排出に抵抗して、前記サイクロンチャンバー６内が乱流状態に変化する。コアンダ効果が喪失するからである。

すると、エアが前記差圧発生室４の気密室４Ｂ内に通ずる乱流検出通路62側に流れ、かつ、前記可動隔壁42における噴射付勢圧は第二経路２側の方が大となって可動隔壁42を押し上げ、前記第一流路１側に流れるエアは、差圧発生室４の気密室４Ａ内への流入をシャットアウトされてエア信号出力流路５の検知口51から（圧力：約14ｋPaで）排出される。そして、このときの挙動（ＯＵＴ）をエア圧検知器Ｓで検知することができる。

上記に説明したように、これらエア信号出力流路５の検知口51におけるエアのＩＮ／ＯＵＴを外付けしたエア圧検知器Ｓで検知することによって設定液面レベルの到達を検知することができるのである。本実施形態における装置は、大気圧±５Paの背圧変化をも検出することができるほどに高精度である。

本発明の液面センサーの使用状態の一例を図５に示す。本センサーの用途については、例えば、有機溶剤などの引火性の高い液体のレベル監視、発泡性液体の泡のレベル監視、防液堤内のピットにおける液漏れ検出、グラビア印刷機のコータパンのインク切れ事前検出、輪転印刷機のインキ切れ監視、液体の自動供給装置などの異常検出・緊急遮断弁のセンサーなどに使用することが好適である。

本センサーはエアのみによって制御することができるので、火花などによる引火爆発の危険を防止することができるとともに、ランニングコストを低く抑えることができる。また、非常に高精度であることから、液体の泡立ちの上限を検出することもできる。

本発明は概ね上記のように構成されるが、図示の実施形態に限定されるものでは決してなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例えば、差圧発生室４において、ベンチュリーノズル41や乱流検出路62の吹出口の配置によって、可動隔壁42の配置方向が変更されることがあっても良く、かかる設計変更が本発明の技術的範囲に属するのは云うまでもない。

本発明の実施形態の液面センサーを表わす斜視図である。 本発明の実施形態の液面センサーの内部構造を表わす説明端面図である。 本発明の実施形態の液面センサー内における液面到達前の気流の状態を表わす説明端面図である。 本発明の実施形態の液面センサー内における液面到達後の気流の状態を表わす説明端面図である。 本発明の実施形態の液面センサーの使用状態を表わす全体正面図である。

符号の説明

１ 第一流路
11 ジェットノズル
２ 第二流路
21 チョークノズル
22 送入流路
22ａ 流量調節弁
22ｂ 整流室
３ エア供給口
４ 差圧発生室
４Ａ・４Ｂ 気密室
41 ベンチュリーノズル
42 可動隔壁
43 ブリード穴
５ エア信号出力流路
51 検知口
６ サイクロンチャンバー
61 オリフィスノズル
62 乱流検出通路
７ 液面検出パイプ
71 開口端部
Ｓ エア圧検知器

Claims (5)

1. 液面の一定レベル到達を検出するためのセンサーであって、
   センサー本体に開設されたエア供給口３が本体内部において第一流路１と第二流路２とに二股に分岐形成されており、当該第一流路１の終端にはジェットノズル11が形成され、かつ、第二流路２の終端にはチョークノズル21が形成されている一方、
   前記第一流路１のジェットノズル11の吹出口前方には、差圧発生室４の気密室４Ａに通ずるベンチュリーノズル41が形成され、かつ、このベンチュリーノズル41の入口側方には、センサー本体外部に通ずるエア信号出力流路５が分岐形成されており、
   前記差圧発生室４の内部は、可動隔壁42によって二つの気密室４Ａ・４Ｂに分離されており、前記ベンチュリーノズル41から通ずる気密室４Ａ内部には、流入エアをセンサー本体外部に排出可能なブリード穴43が形成されているとともに、
   前記第二流路２のチョークノズル21の吹出口は、円錐壁面を有するサイクロンチャンバー６の円錐底面側に通じており、この円錐先端部にはオリフィスノズル61が形成されている一方、円錐根部には前記差圧発生室４内の気密室４Ｂに通ずる乱流検出通路62が形成されており、
   この乱流検出通路62の吹出口前方には可動隔壁42が直面して配置され、かつ、この可動隔壁42の裏側対向部位には、前記ベンチュリーノズル41の吹出口が位置することにより、噴気の吹出差圧によって何れか一方の吹出口が閉塞されるように構成されており、
   更に、前記オリフィスノズル61の吹出口はエアを排出可能な液面検出パイプ７に通じており、センサー本体外部に突設された当該液面検出パイプ７の開口端部71と液面との接触関係によって当該開口端部71が開放／閉塞することにより、前記差圧発生室４の内部の可動隔壁42に対する噴射付勢圧が変化して当該可動隔壁42が移動し、センサー本体内の第一流路１のジェットノズル11から吹き出したエアの排出経路が、差圧発生室４のベンチュリーノズル41を通じた気密室４Ａ内のブリード穴43もしくは前記エア信号出力流路５の検出口51に切替されるとともに、前記エア信号出力流路５の検知口51におけるエアのＩＮ／ＯＵＴにより液面到達を検知可能であることを特徴とするエア式液面レベルセンサー。
2. サイクロンチャンバー６に通ずるチョークノズル21の送入流路22に流量調節弁22ａが形成されたことを特徴とする請求項１記載のエア式液面レベルセンサー。
3. サイクロンチャンバー６に通ずるチョークノズル21の送入流路22に整流室22ｂが形成されたことを特徴とする請求項１または２記載のエア式液面レベルセンサー。
4. 液面の一定レベル到達を検出する方法であって、
   エア供給口３から本体内部にエアを送入し、このエアは二股に分岐した第一流路１および第二流路２に分流し、
   液面が一定レベル未満のときは、第一流路１を経由するエアは、当該第一流路１の終端に形成されたジェットノズル11から吹き出し、その吹出口前方に形成されたベンチュリーノズル41から差圧発生室４の気密室４Ａ内に送入されて可動隔壁42を押し下げ、かつ、この送入されたエアはブリード穴43から外部に排出される一方、
   前記第二流路２を経由するエアは、当該第二流路２の終端に形成されたチョークノズル21から吹き出し、その吹出口前方に形成された、円錐状周面を有するサイクロンチャンバー６内に送入され、かつ、コアンダ効果により側壁に沿って層流状態で、その円錐先端部に形成されたオリフィスノズル61に吹き抜け、其処から通ずる液面検出パイプ７において開放された開口端部71から排出され、
   前記可動隔壁42に対する噴射付勢圧は第一経路１側の方が大となって可動隔壁42を押し下げ、ベンチュリー効果によりエア信号出力流路５内に負圧を生じることによって、エア信号出力流路５の検知口51から外気が取り込まれ、この挙動をエア検知器Ｓで検知することができる一方、
   液面が一定レベルに到達したときは、前記液面検出パイプ７の開口端部71に液面が接触して閉塞することにより前記オリフィスノズル61から吹き抜けるエアの排出に抵抗して、前記サイクロンチャンバー６内が乱流状態に変化し、エアが前記差圧発生室４の気密室４Ｂ内に通ずる乱流検出通路62側に流れ、かつ、前記可動隔壁42における噴射付勢圧は第二経路２側の方が大となって可動隔壁42を押し上げ、前記第一流路１側に流れるエアは、差圧発生室４の気密室４Ａ内への流入をシャットアウトされてエア信号出力流路５の検知口51から排出されることにより、
   これらエア信号出力流路５の検知口51におけるエアのＩＮ／ＯＵＴをエア検知器Ｓで検知することによって設定液面レベルの到達を検知することを特徴とするエア式液面レベルセンサーを用いた液面レベルの検出方法。
5. サイクロンチャンバー６に通ずるチョークノズル21の送入流路22に形成された流量調節弁22ａにより、エアの流量を調節して整流することを特徴とする請求項４記載のエア式液面レベルセンサーを用いた液面レベルの検出方法。

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