JP4704337B2

JP4704337B2 - 音響変換器

Info

Publication number: JP4704337B2
Application number: JP2006521159A
Authority: JP
Inventors: エイヒルジェイムス
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-07-20
Also published as: GB0601055D0; JP2006528356A; GB2419947B; US20050016281A1; GB2419947A; WO2005010864A1; US7062972B2; DE112004001360T5

Description

本発明は、音響変換器に関するものであり、流量計で使用されるものを含む。

流体通過音響エネルギーのパルス伝達は、その流体の状態と性質、特にその速度と温度を測定するのに役立つ。圧電セラミック素子は、一般的に、超音波音響パルスや持続波場を発生させる音響変換器で利用される。しかしながら、これらのセラミックは、そのキュリー点の半分を上回る温度にさらされると、分極を失う。商業的に入手可能なセラミックでは、これによりそのセラミックの作動温度が２００℃未満に制限される。この温度を超える流体中で作動するための一つの方法は、図１
に示されるように圧電セラミック素子と流体（例えば、排気ガス）の間に緩衝器や遅延線を設けることである。図1は音響変換器１０を表す。変換器１０は、圧電セラミック素子１２と、排気ガスとして説明されている流体中に壁１６を通って伸びる緩衝器１４を含む。緩衝器１４において、熱は圧電セラミック素子１２の方向である上部に向かって伝導するので、緩衝器１４の中の熱エネルギーは、内部対流境界層１８と外部対流境界層２０とで分散させられる。緩衝器は、フーリエの熱伝導の法則の原理によって作動する。
ｑ ″ ＝ − κ ∇ Ｔ
ここで、ｑ″は熱流速、ｋは物質の熱伝導率、Ｔは温度である。この方程式の詳細な解法はいくつかの簡単な仮定を用いる計算方法を必要とし、緩衝器システムは図２
に示される等価回路として表せる集中パラメータモデルに変換されうる。図２は集中パラメータモデルにおける排気、緩衝器の先端、結晶、周囲温度、そして、外部対流境界層の熱抵抗、緩衝器、内部対流境界層を説明する。

図２で説明される集中パラメータモデルにおける結晶温度は、

T_crystal=T_exhaust−(T_exhaust-T_ambient)×(R_IBL+R_buffer)／(R_IBL＋R_buffer＋R_EBL)

である。

現行の緩衝システムに関する不都合な点は、緩衝器を長くすると緩衝器に波面を所望の方向に誘導させる必要があり、短い緩衝器は熱い流体を扱うのに問題があることである。しかしながら、一体緩衝器は、超音波パルスをひずませ、流量計の有効性を制限する分散緩衝器中に生ずる音響パルスを効果的に誘導できない。

そのほかの背景技術情報は、Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏｓ．５，７５６，３６０、４，３３６，７１９、５，２１７，０１８、５，１５９，８３８、６，３４３，５１１、５，２４１，２８７、４，７４３，８７０、５，４３８，９９９、４，２９７，６０７、そして、６，３０７，３０２にも記載がある。

以上の理由から、改良された音響変換器が必要である。

本発明の目的は、積分冷却で熱遮蔽された音響整合カプラーを含む音響変換器を供することである。

本発明の実施には、音響変換器を用いる。前記変換器は、音響パルス発生器と、インピーダンス整合層と、熱管理システムとを備える。前記音響変換器は、流体の性質を測定するためのものである。前記インピーダンス整合層は、前記パルス発生器と前記流体間に介在する。前記整合層は、低熱伝導率物質で形成される。前記熱管理システムは、前記整合層からの伝熱のために前記整合層に取り付けられる。前記熱管理システムは、前記整合層よりも高熱伝導率を持つ物質からなる。前記熱管理システムは、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るように、前記整合層に沿って配置されるものである。

前記音響パルス発生器は、超音速パルスを発生するため、圧電セラミック素子が好ましい。インピーダンス整合層タイプの緩衝器は、従来の緩衝器と同種のものであるが、進行波がもはや存在せず、導波管に関する分散問題を心配する必要がない程度まで縮小された長さを持つ。換言すれば、前記インピーダンス整合層は、定在波ができるのに十分厚さが薄いものである。好ましくは、前記パルス発生器は、特定周波数で作動するように設計されており、前記整合層は、前記パルス発生器の前記特定周波数における前記整合層の4分の1の音波長（λ/4、3λ/4、5λ/4、、、、）の奇数倍にほぼ等しい厚さを持つ。好ましくは、前記整合層熱伝導率は１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満である。より好ましくは、前記整合層熱伝導率は１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満である。前記整合層はシリカであってもよく、好ましくは、発泡シリカである。もちろん、代わりにセラミックや他の物質が前記整合層に使われてもよい。軽量な、前記変換器の本体より耐食性の高い低熱伝導率物質の前記整合層を作ることにより、金属シール層は必要でなく、前記整合層は測定対象である前記流体に直接接触してもよく、あるいは、軽量反射防止表面被膜を備えていてもよい。

前記熱管理システムは、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るようなものであれば、物質と形状は変更してもよい。好ましくは、前記熱管理システム熱伝導率は、少なくとも１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。より好ましくは、前記熱管理システム熱伝導率は、少なくとも１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。好ましい熱管理システムは、整合器本体の低部の熱を分散させるための保持器に取り付けられる複数の羽根を含む。好ましくは、前記羽根が、前記音響パルス発生器を基準にして流体とは反対側に配置される。

作動中に、前記整合層側面の少なくとも一部と整合層の先端が、測定対象である前記流体中に伸びる。好ましい実施形態においては、前記熱管理システムは、前記整合層の先端を前記流体と接触させたままで前記整合層側面の一部を前記流体からの熱から分離するように配置される。これは、前記整合層側面の一部を前記熱管理システムによって形成されるエアギャップで分離することによって達せられてもよい。さらに、好ましい実施形態においては、前記熱管理システムは、前記整合層からの伝熱のために前記整合層を覆うスリーブを含む。

さらに、本発明を実施するには、内部を流体が流れる管を含む装置と組み合わせた音響変換器が供給される。前記組み合わせは、上に述べた様々な特徴を利用する。前記装置は、排気ガスをサンプルしたりテストしたりする装置であってもよい。

さらに、本発明を実施するには、サンプリングシステムが供給される。前記システムは、流体を受ける流入口と、希釈ガスを受ける希釈口と、前記希釈ガスと前記流体の少なくとも一部とを混合する混合部と、前記混合物のサンプルを集める収集部と、を備える。前記システムは、さらに、前記サンプリングシステムに関連する流れを測定する流量計を備える。前記流量計は、前記流れを測定するための音響変換器を含む。前記変換器は、上に述べた様々な特徴を利用する。一つの変形例として、前記流量計は、流れ測定用の流体が流れる管の中に対向型に配置される一対の音響変換器を含む。

さらに、本発明を実施するには、サンプリングシステムが供給される。前記システムは、主管から流体をサンプリングするためのサンプルラインと、前記主管を通る前記流体の流れを測定する流量計とを備える。前記流量計は、前記流れを測定する音響変換器を含む。前記システムは、さらに、希釈ガスを受ける希釈口と、前記サンプルラインからの前記流体流れと前記希釈ガスとをほぼ一定の割合で混合する混合部と、前記混合物をサンプリングする収集部と、を備える。前記混合物は、前記主管を通る前記流体の前記流れにほぼ比例する割合でサンプルされる。前記変換器は、上に述べた様々な特徴を利用する。一つの変形例として、前記流量計は、前記主管の中に対向型に配置される一対の音響変換器を含む。

本発明の実施がもたらす利益は多数ある。例えば、本発明の好ましい実施形態
は、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るように、前記整合層がそこに取り付けられた熱管理システムを持つ、積分冷却で熱遮蔽された音響整合カプラーを含む音響変換器を供給する。

本発明の以上の目的とその他の目的、特徴、そして利益は、次に続く好ましい実施形態の詳細な説明を添付の図面を関連づけて見ればまさしく明らかである。

図3は、流体の性質を測定するための音響変換器３０を示す。変換器３０は、圧電セラミック素子３２と、前記流体が流れる管の壁３６を通って伸びるインピーダンス整合層タイプ緩衝器３４とを含む。前記管は前記音響変換器３０が使われる装置の一部である。インピーダンス整合層３４は軽量低熱伝導率物質から作られ、発泡シリカが好ましい。前記インピーダンス整合層は、定在波ができるのに十分厚さが薄いものである。前記厚みは、前記パルス発生器の特定周波数における前記整合層の4分の1の音波長の奇数倍であるべきである。変換器３０は、前記整合層３４と圧電セラミック素子３２とを覆う金属スリーブ３７で構成される熱管理システムも含む。

スリーブ３７は壁３６を通って伸び、前記整合層３４との間に小さなエアギャップがある金属シールド３８は対流熱境界層４０と比べて高い接触抵抗を生じさせる。前記金属シールド３８はまた、設置及び作動中に前記緩衝器を保護する。前記緩衝器の先端は、焼成ガラス挿入物４３を使って前記金属シールド３８に密閉される。前記整合層３４は、信号の質を向上させるエアロジェルのような超軽量物質からなる反射防止被膜４５で覆われていてもよい。羽根４２は、前記整合層３４の本体低部から熱を分散させるための圧電セラミック素子３２を保持する前記スリーブ３７に取り付けられる。エポキシシールは、前記熱管理システムの羽根４２から熱を自由に流れさせるように、最小限の接触抵抗で前記スリーブ３７を前記整合層緩衝器３４に接着する。絶縁リング４４は、結晶を前記スリーブ３７と同じ温度に保ちながら、シールド３８からスリーブ３７への直接の伝熱を妨げる。電気等価回路を示す図４は、排気、緩衝器の先端、結晶と周囲の温度、そして、緩衝器の先端の対流境界層４０、緩衝器３４と羽根４２の熱抵抗を示す。前記緩衝器抵抗は、整合層３４の本体低部からの熱分散をモデルとして、前記羽根４２の前での抵抗の一部と、その羽根４２の後ろでの抵抗の一部が示されている。

前記整合層は低熱伝導率物質で形成されており、前記熱管理システムは高熱伝導率物質で形成され、圧電セラミック素子３２での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が羽根４２から周囲へ移るように、前記整合層に沿って配置されるものであることが望ましい。すなわち、前記緩衝器がインピーダンス整合層として機能するのに十分な小ささを保ち、前記熱管理システムが前記整合層の十分低い位置に取り付けられていて、適切な熱管理システムとしてなお機能するならば、デザインの多様な変形が可能である。前記整合層の物質と性質は、前記熱管理システムのほかの様相の形状によって、例えば、羽根表面積によって、多様な変形が可能である。

図5は、６０におけるＢＭＤ法サンプリングシステムを示す。サンプリングシステム６０は、排気受入口６２を持つ主管を含む。流量計６４は、前記主管を通る流体の流れを測定し、総排気量が積み上げられる。流量計６４は、直接排気流れ測定信号を発信し、本発明に係る少なくとも一つの音響変換器を含む。実施形態によっては、送風機６６が、流体が前記管を流れるのを助けうる。

サンプルライン６８は、前記主管から排気をサンプリングする。希釈口７０は、希釈ガスを受け入れる。固定流れ制御７２と７４（流量制御器あるいは限界流量ベンチュリー管）は、混合部でおおよそ固定割合を供給するように、それぞれ、希釈ガスとサンプルされた排気ガスの流れを制御する。ポンプ７６は、袋８２に最終的に集めるために前記希釈ガスと排気ガスサンプルの混合物を送り出す。相対流れ装置７８は、前記主管を通る流れに比例する流れをサンプル収集袋８２に供給する。それに従って、バイパス８０は、前記混合物のいくらかの量が前記収集物を側管へ流れさせるように設けられる。

図6は、前記管を横切って対向型に配置される一対の音響変換器３０を表す詳細図における流量計６４を示す。

これまで、本発明の実施形態を説明し述べてきたが、これらの実施形態は本発明のすべての可能な形態を説明し論述しているものではない。むしろ、明細書において使われた用語は、制限を加えるものではなく説明するための用語であって、本発明の趣旨とその範囲を逸脱することなく様々な変更がなされうると解される。

熱緩衝器の先行技術利用を示す。図1に示された熱緩衝器装置の電気等価回路を示す。本発明に係る音響変換器を示す。図３に示された音響変換器装置の電気等価回路を示す。本発明に係るＢＭＤ法サンプリングシステムを示す。図５のシステムにおける流量計を示す。

Claims

流体の性質を測定するための音響変換器であって、
音響パルス発生器と、
前記パルス発生器と前記流体間に介在し、低熱伝導率物質で形成されたインピーダンス整合層と、
前記整合層からの伝熱のために前記整合層に取り付けられる熱管理システムと、を備えており、
前記熱管理システムは、前記整合層よりも高熱伝導率を持つ物質からなり、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るように、前記整合層に沿って配置されるものであり、
前記熱管理システムが、前記整合層に取り付けられるスリーブと、当該スリーブに取り付けられる複数の羽根とを含むとともに、
前記羽根が、前記音響パルス発生器を基準にして流体とは反対側に配置される音響変換器。
前記整合層熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満である請求項１記載の音響変換器。
前記整合層熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満である請求項１記載の音響変換器。
前記整合層が発泡シリカである請求項１記載の音響変換器。
前記整合層がシリカである請求項１記載の音響変換器。
前記熱管理システム熱伝導率が少なくとも１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である請求項１記載の音響変換器。
前記熱管理システム熱伝導率が少なくとも１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である請求項１記載の音響変換器。
前記パルス発生器が特定周波数で作動するように設計されており、前記整合層が前記パルス発生器の前記特定周波数における前記整合層の4分の1の音波長の奇数倍にほぼ等しい厚さを持つ、請求項１記載の音響変換器。
前記音響発生器が超音波パルスを発生する圧電セラミック素子である請求項１記載の音響変換器。
前記整合層が測定対象である前記流体と接触する表面被膜を持つ請求項１記載の音響変換器。
作動中に前記整合層側面の少なくとも一部と整合層の先端が、測定対象である前記流体中に伸び、前記熱管理システムが、前記流体と前記整合層の先端を接触させたままで前記整合層側面の一部を前記流体からの熱から分離するように配置される、請求項１記載の音響変換器。
前記整合層側面の分離された部分が前記熱管理システムによって形成されるエアギャップによって分離される請求項１１記載の音響変換器。
流体の性質を測定するための音響変換器であって、
音響パルス発生器と、
前記パルス発生器と前記流体間に介在し、熱伝道率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満である物質で形成されたインピーダンス整合層と、
前記整合層からの伝熱のための前記整合層を覆うスリーブを含む熱管理システムと、を備えており、
前記熱管理システムは、前記整合層よりも高熱伝導率を持つ物質からなり、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るように、前記整合層に沿って配置されるものであり、
前記熱管理システムが、当該スリーブに取り付けられる複数の羽根を含み、前記羽根が、前記音響パルス発生器を基準にして流体とは反対側に配置される音響変換器。
前記熱管理システム熱伝導率が少なくとも１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である請求項１３記載の
音響変換器。
前記熱管理システム熱伝導率が少なくとも１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である請求項１３記載の音響変換器。
前記パルス発生器が特定周波数で作動するように設計されており、前記整合層が前記パルス発生器の前記特定周波数における前記整合層の4分の1の音波長の奇数倍にほぼ等しい厚さを持つ、請求項１３記載の音響変換器。
前記羽根が、スリーブから外に向かって伸びる請求項１３記載の音響変換器。
前記音響発生器が超音波パルスを発生する圧電セラミック素子である請求項１３記載の音響変換器。
前記整合層が測定対象である前記流体と接触する表面被膜を持つ請求項１３記載の音響変換器。
作動中に前記整合層側面の少なくとも一部と整合層の先端が、測定対象である前記流体中に伸び、前記熱管理システムが、前記流体と前記整合層の先端を接触させたままで前記整合層側面の一部を前記流体からの熱から分離するように配置される、請求項１３記載の音響変換器。
前記整合層側面の分離された部分が前記熱管理システムによって形成されるエアギャップによって分離される請求項２０記載の音響変換器。
内部を流体が流れる管を含む装置と組み合わせた改良装置であって、
音響パルス発生器と、前記パルス発生器と前記流体間に介在し、低熱伝導率物質で形成されるインピーダンス整合層と、前記整合層からの伝熱のために前記整合層に取り付けられる熱管理システムとを含み、前記熱管理システムは前記整合層よりも高熱伝導率を持つ物質からなり、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るように、前記整合層に沿って配置されるものであり、前記熱管理システムが、前記整合層に取り付けられるスリーブと、当該スリーブに取り付けられる複数の羽根とを含むとともに、前記羽根が、前記音響パルス発生器を基準にして流体とは反対側に配置される、流体の性質を測定するための音響変換器を備える、改良装置。
流体を受ける流入口と、
希釈ガスを受ける希釈口と、
前記希釈ガスと、前記流体の少なくとも一部とを混合する混合部と、
前記混合物のサンプルを集める収集部と、
サンプリングシステムに関連する流れを測定するための流量計と、を備えており、
前記流量計が、音響パルス発生器と、前記パルス発生器と前記流体間に介在し、低熱伝導率物質で形成されるインピーダンス整合層と、前記整合層からの伝熱のために前記整合層に取り付けられる熱管理システムとを含み、前記熱管理システムは前記整合層よりも高熱伝導率を持つ物質からなり、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るように、前記整合層に沿って配置されるものであり、前記熱管理システムが、前記整合層に取り付けられるスリーブと、当該スリーブに取り付けられる複数の羽根とを含むとともに、前記羽根が、前記音響パルス発生器を基準にして流体とは反対側に配置される、前記流れを測定するための音響変換器を含む、サンプリングシステム。
前記流量計が流れ測定用の流体が内部を流れる管の中に対向型に配置される一対の音響
変換器を含む請求項２３記載のサンプリングシステム。
主管から流体をサンプリングするためのサンプルラインと、
音響パルス発生器と、前記パルス発生器と前記流体間に介在し、低熱伝導率物質で形成されるインピーダンス整合層と、前記整合層からの伝熱のために前記整合層に取り付けられる熱管理システムとを含み、前記熱管理システムは前記整合層よりも高熱伝導率を持つ物質からなり、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るように、前記整合層に沿って配置されるものであり、前記熱管理システムが、前記整合層に取り付けられるスリーブと、当該スリーブに取り付けられる複数の羽根とを含むとともに、前記羽根が、前記音響パルス発生器を基準にして流体とは反対側に配置される、前記流れを測定するための音響変換器を含む、前記主管を流れる前記流体の流れを測定するための流量計と、
希釈ガスを受ける希釈口と、
前記サンプルラインからの前記流体流れと前記希釈ガスとをほぼ一定の割合で混合する混合部と、
前記主管を通る前記流体の前記流れにほぼ比例する割合でサンプルされる前記混合物をサンプリングするための収集部と、を備える、サンプリングシステム。
前記流量計が前記主管の中に対向型に配置される一対の音響変換器を含む請求項２５記載のサンプリングシステム。