JPS63118617A - 流体振動子型流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は非可動部分（ＮＭＰ）メータである流体振動子
型流量計に関する。

流体振動子原理に基づく流量計は公知である。

付着型流体増幅器は基本的には第１Ａ図および第１Ｂ図
に示されているような双安定素子よりなる。

第１Ａ図および第１Ｂ図を参照すると、流入ノズル１０
は作用チャンバ１６内に開放しており、その作用チャン
バ１６は側壁１７ａおよび１７ｂと、それから延びた受
流アーム１２ａおよび１２ｂを有しており、それらの受
流アーム１２ａおよび１２ｂはスプリッタ１３によって
分割されている。

制御開口１１ａおよびｌｌｂが作用チャンバ内に延長し
ている。影をつけた領域１４は噴流を表わしており、こ
の噴流は第１Ａ図では側壁１７ａに付着されている。領
域１５は「セパレーション・バブルＪ　（ｓｅｐａｒａ
ｔｉｏｎ　ｂｕｂｂｌｅ）として知られているものであ
り、この領域には上記噴流の動きによって駆動される再
循環流が存在している。セパレーション・バブル内の圧
力は噴流の反対側における圧力よりも低く、従ってその
噴流はそれを横切る方向の圧力差による横方向の力を受
ける。噴流を屈曲させて側壁に付着させるのはこの横方
向の力である。制４Ｂ開口１１ａを通じてセパレーショ
ン・バブル内に噴射される付加的な流体が存在しない場
合には、上記噴流は不確定的に側壁１７ａに付着したま
まである。しかしながら、付加的な流体が制御開口１１
ａを通じてセパレーション・バブル内に噴射されると、
そのバブル内の圧力が上昇する。噴流に対する横方向の
力が軽減され、従ってその噴流の屈曲が軽減され、セパ
レーション・バブルが長くなる。噴射量が十分であれば
、バブルが破壊し、そして噴流が壁から離れる。噴流を
横切る方向の圧力差が逆転し、噴流は反対側の壁１７ｂ
に付着する。流体振動子を与えるために、制御開口に必
要な流体を供給するための帰還通路が側壁から通常設け
られ、噴流からの流体の一部がその帰還通路に流入し、
残りの流体は受流アームに流入する。従って帰還通路か
らの流体が増加し、バブル内の圧力によって噴流が事実
上切換えられて壁１７ｂに付着した状態になる。このプ
ロセスが交互に生じて噴流が振動する。

公知の流量計では、帰還チャンネル内の間欠流によって
振動が発生される。すなわち、その間欠流により噴流が
付着壁間を振動ｆｆ！様で移動され、その間欠流が帰還
チャンネル内に保持される。ある種の構造では、流出通
路を分割するためにスプリッタが用いられるが、他の構
造ではスプリッタは省略される。２つの流出通路が１つ
の出口まで延長しており、その出口を通じて流入噴流に
入る流体が出て行く。

適切に設計されたメータでは、ある流れの範囲において
、噴流の振動周波数は流入噴流の速度に比例し、従って
体積流量に比例する。さらに、振、動信号の振幅も検知
される場合には、計量された流体の密度を得ることがで
きる。計量される流体の体積流量と密度の両方がわかれ
ば質量流量が得られる。メータの最大流量は通常そのメ
ータにおける最大許容圧力降下によって制限される（た
だし、ガスの密度変化や流体のキャビテーションのよう
な他の作用も制限要因となりうる。

最少流量は、振動が発生するあるいは振動が検知されう
る最低噴流速度によって決定される。

英国特許第１４５３５８７号に記載されているメータは
感度が所望の値よりも低いことが認められた。従って、
本発明は高感度のメータを提供することを目的とする。

メータの性能は、１つの基準としては、所望の暗度範囲
内において流量計により検知される最大および最少流量
間の比として定義されるターンダウン比（ｔｕｒｎｄｏ
ｗｎ　ｒａｔｉｏ）によって測定されうる。

最大許容圧力低下は通常用途に応じて選択された厳しい
制限を受けるので、特定のノズル寸法を有するメータを
通る最大流量も厳しく制限される。

従って、ターンダウン比を増大させるためには、振動が
検知されうる最低流量を減少させることが必要である。

本発明の他の目的は、非常に小さい流！＃亥で検知され
うる振動を保持し、それによって大きいターンダウン比
を与えるようになされた流量計を提供することである。

この目的は、メータを設置効果に怒応させることなく、
好ましくは流量に対する周波数のほぼ線形の依存性を維
持し、かつメータにおける圧力降下を増大させることな
しに達成されるべきである。

流体流れを記述する場合に「レイノルズ数」という用語
が用いられることが多い。レイノルズ数（これは通常Ｒ
ｅと略記される）はＲｅ＝ｖｂ／νという式によって定
義される。ただし、■はノズルを通る流体流れの速度、
ｂはノズル幅、νは流体の動粘性率の性質をそれぞれ表
わすものである。

レイノルズ数は異なる寸法のメータを用いかつ異なる性
質の流体を用いて得られた結果を比較する基礎を与える
。所定のメータおよび所定の流体に対しては、レイノル
ズ数は流量に比例する。従って、本発明の１つの目的は
非常に低いレイノルズ数まで検知されうる振動を保持す
る流量計を提供することである。

本発明によれば、散開する側壁（３ａ、３ｂ）を有する
チャンバ（２）と連通した流入ノズル（１）と、この流
入ノズルに対向したフェースを有し、かつ前記チャンバ
から延長した流出通路を形成していて前記フェースを横
切る振動流れの発生する形状および配置となされたスプ
リッタと、多襞から前記チャンバに開いた各制御開口（
７ａ、７ｂ）に延長した帰還チャンネル（５ａ、５ｂ）
を具備し、前記スプリッタと前記帰還チャンネルの入口
との相対位置は、前記帰還チャンネルの入口の下流コー
ナが前記スプリッタの前記フェースから分離する前記流
れのエツジの振動通路内にあるように選定されている流
体振動子型流量計が提供される。

スプリッタはなまくら端部を有しうるが、十分な幅を有
するとともに、噴流がそれに衝突した場合にその噴流の
偏向を促進するのに十分なだけ鋭いコーナを存していて
、振動を助長するようになされているべきである、これ
により、噴流の振動を補強しかつそのスプリッタのフェ
ースを横切る方向の交互に流れを用いないで可能なもの
よりも広い流量範囲にわたって振動を維持する。

流出通路内における流れに対する抵抗は帰還チャンネル
の下流における絞りによって与えられるが、この場合、
それらの絞りは側壁間における側部から側部への噴流の
振動を促進するような配分となされている。そのような
絞りのかわりに障害物や鋭い屈曲部を用いてもよい。

帰還チャンネルの入口は一部スプリッタの上記フェース
の上流に存在していることが好ましい。

帰還チャンネルへの入口は側壁に対して９０６よりも大
きい角度だけ傾斜していることが好ましい。

各側壁は前記チャンバの境界となる第１の表面と、この
第１の表面と平行で帰還チャンネルの境界となる第２の
表面を有していることが好ましい。

このような構造により、従来の構造に比較して帰還チャ
ンネルを短くすることができ、かつ壁は機械的強度およ
び安定度に相応した最小厚を有しうる。

以下図面を参照して本発明の実施例につき説明しよう。

第２図を参照すると、本発明による流体振動子型の非可
動部分流量計が概略断面図で示されている。流体流入ノ
ズル１は、付着壁３ａおよび３ｂを有するチャンバ２に
入り込んでいる。チャンバ２からは流出通路４ａおよび
４ｂが延長しており、これらの通路はスプリッタ８によ
って分離されている。帰還通路５ａおよび５ｂはそれぞ
れ側壁から制御量ロアａおよび７ｂまで延長している。

流出通路内またはそれらの出口には絞り９が設けられて
いる。表示された寸法は、流入ノズル幅ｂ、制御開口幅
Ｃ１付着壁長ｌ、帰還通路入口幅ｅ、スプリッタ幅Ｗ、
ノズルとスプリッタ間の距離２、帰還チャンネル入口の
下流コーナからメータの中心線までの垂直路ｆｉｕ、帰
還チャンネルの下流コーナからスプリッタの正面（メー
タの中心線に対して平行にみた）までの距ｇｌｖ、絞り
幅ｇ、帰還通路幅ｆ、ノズルの上流におけるチャンネル
の幅ａ、壁のセットバック距離Ｓ、側壁の傾斜角度θ、
およびディフューザ部の長さｄである。

本発明の動作態様は、散開側壁と制御ノズルとの間に帰
還アームが設けられている場合につき前述したのと同様
である０本発明に関する第２図を参照すると、流体は流
入ノズル１を通って入り込み、そして噴流が壁３ａの方
へと屈曲されると、帰還チャンネル５ａの入口部分６ａ
の圧力が出口部分７ａよりも高くなる。流体は絞り部９
を通っても流れ、その絞り部９において圧力の上昇が生
じ、それが人口部６ａに伝達される。

帰還チャンネルの入口部と出口部との圧力差がその帰還
チャンネル内での流体の加速を開始させ、それによりそ
の流体がセパレーション・バブル内に流入する。セパレ
ーション・バブルの容積が増加にともなって、壁３ａ上
の噴流の付着点が下流に移動する。流体がセパレーショ
ン・バブルに流入する速度は、その流体がそこから連れ
出され慢速度よりも大となり、従ってバブルは、それが
不安定点に達しかつ主噴流が反対側の壁に切り換わる（
ｆｌｉｐｓ）まで生長し続ける。

小さい流量を計測することが所望されるので、本発明で
は、スプリッタは不可欠である。スプリッタはそれのフ
ェースを横切る方向に振動流が発生されるような形態の
ものであり、かつ、帰還チャンネルの入口に対し、この
帰還チャンネルがこの振動流からのインパルスを受取る
ような関係をもって配置されなければならないことを本
発明者等は認めた。特に、帰還チャンネルへの入口の下
流コーナは、スプリッタのノーズから分離する振動流の
エツジの通路内に正しく位置決めされなければならない
。

適切なスプリッタは例えば第３Ａ図に示されているよう
に四角に切断されたなまくら端部かあるいは絶壁状の端
部を有するものであり、鋭いコーナかあるいは少なくと
も層重半径の小さいコーナを有していなければならない
。第３Ｂ図に示されているように鋭いコーナを有するカ
ップ状のスプリッタは、第３Ｃ図に示されているような
他の再人形状のものと同様に適している。第３Ｄ図に示
されているように若干凸状の形状も適しており、本明細
では、「なまくら端部Ｊ　（ｂｌｕｎｔ−ｅｎｄｅｄ）
という言葉は、流れが分離する鋭いコーナを有している
限り、そのような形状をも包含するものとして用いられ
ている。スプリッタのエツジは平行である必要はない、
比ｗ／ｂは０．４〜１．２の範囲（上下限を含む）内に
あるべきである（好ましい値は０．４４である）。

第４Ａ図および第４Ｂ図は２つの典型的な瞬流線パター
ンを示している。これらの図かられかるように、主噴流
が一側から他側に切換わるのにともなって流れはスプリ
ッタのフェースを横切って反転し、そしてコーナ１８ａ
および１８ｂからの流れの分離が生ずる。これは流れが
鋭い屈曲部を通り抜けることができないことによる。

スプリッタのフェースを横切る振動には、第４Ａ図およ
び第４Ｂ図に示されているようにスプリッタの交互のコ
ーナ１８ａおよび１８ｂからの流れの間欠的な分離をと
もなって、従って、その流れが２つの流出チャンネルに
交互に向けられる噴流の性質を有する。その交番噴流は
その流れの一部分を帰還チャンネルの人口に流入させ、
かつその噴流の振動は非常に遅い流入噴流速度の場合で
さえ維持され、従って、スプリッタのフェースを横切る
方向の交番流を用いない場合よりもはるかに広い流れ範
囲にわたって振動が生ずる。

従って、本発明では、スプリッタは、英国特許第１４５
３５８７号に記載されている静的装置とは異なり、本発
明において活用される動的効果を発生するための手段で
ある。

本発明者等は、流入ノズルの幅に等しい距離だけ流入噴
流の線に沿ってスプリッタをそれの好ましい位置から移
動させることによって最少検出可能流量を５倍に引き上
げることができ、従ってこれにより、流量計の有効範囲
（ターンダウン比）が５分の１に減少することを認めた
。

スプリッタおよび特にそのスプリッタと帰還チャンネル
入口の相対位置決めが、その帰還チャンネルに入る流体
の量を決定する。スプリッタが流入噴流から離れすぎた
位置に配置されると、そのスプリッタのフェースを横切
る撮動流れが帰還チャンネルの入口の下流において主要
な効果を生じ、スプリッタが流入噴流に接近しすぎて配
置されている場合には、帰還チャンネルの入口における
流れは不当に拘束されるので、スプリッタを横切る振動
流れの利益を生かすことができない。

スプリッタは絞り部９の前方で２つの流出通路を分割す
る機能をも果すので、拡散通路の長さに沿って延長して
いなければならない。

絞り部は例えば、流れに対して等価な抵抗を与えるかぎ
り、絞りや障害物ではなくて流出通路内の鋭い屈曲部の
形をしていてもよい、噴流の振動がそれよりも大きけれ
ば停止する最大絞り寸法が存在する。第２図を参照する
と、比ｇ／ｂは０．５≦ｇ／ｂ≦１．５の範囲内に入る
ことが好ましい。

この範囲の中間における値、例えばｇ／ｂ＝１が好まし
く、ｇ／ｂ＝０．９５が特に有効であることが認められ
た。

スプリッタに対する帰還チャンネルの下流コ−すの位置
は比例ｕ／ｗおよびｖ／ｕによって与えられるが、これ
らの比はそれぞれ２〜８および０．４〜１．３の範囲内
に入ることが望ましい（これらの範囲の上、下界を含む
）、ｕ／ｗおよびｖ／ｕの好ましい値はそれぞれ４．７
１および１である。

第２図に示された他の寸法の好ましい範囲（ノズル幅す
についてみた）が下記の表に示されている。

範　囲　　　　　　好ましい値 ５≦ｚ／ｂ≦９　　　　　　６．２５ ３≦ｌ／ｂ≦６　　　　　　４．００ ０．９≦ｆ／ｂ≦４　　　　　２．５００．７≦ｃ／ｂ
≦２．５　　　　１．２５２≦ｅ／ｂ≦５　　　　　　
３．１３ ｒ７ｂは２〜４の範囲内（上下限を含む）にあり、ｃ／
ｂは０．７〜２の範囲内（上下限を含む）にあることが
好ましい。

好ましい構成では、帰還チャンネルの入口は一側スプリ
ッタのノーズの上流に存在している。

帰還チャンネルの入口は壁３ａおよび３ｂに対して９０
”より大きい角度をなしていることが好ましい、すなわ
ち、帰還チャンネルは側壁３ａおよび３ｂから離れる方
向に傾斜していることが好ましい。

帰還チャンネルは、機械的強度および安定性に相応した
最小厚を有する付着壁の背後にそれらの帰還チャンネル
を延長させて上記表に示したように３≦１／ｂ≦６とな
るようにすることによって実現されうる最小長を有する
ことが好ましい。

帰還チャンネル入口は流体のパルスを主流体流れ内に再
循環させることなしに導入させるような幅を有していな
ければならないとともに、不当な損失を伴うことなしに
それらのパルスを伝達するのに十分なだけ広（なければ
ならない、制御開口は流入ノズルに対して広くなければ
ならない（狭い開口では性能が相当に低下する）。

メータの壁角度θは、従来の流体装置に用いられていた
ｌＯ°〜１５＠の範囲が望ましい。好ましい角度は１１
’である。

制御開口の傾斜角度は通常、噴流の初期移動線から（す
なわちメータの中心線から）測定して９０°より小さい
ことが好ましい。

ノズルの収縮比ａ／ｂがメータにおける圧力低下を主と
して決定し、ノズルから出る噴流内の速度分布の均一性
に影響を及ぼす６寸法ａをメータが内部に配置されるパ
イプの直径にほぼ等しくするのが通常好都合であり、そ
れはノズル幅の２〜６倍、例えば４倍が適当である。

拡散通路（流出通路）の長さと散開度は、所望の圧力回
復（運動エネルギの熱エネルギへの変換）の程度によっ
て決定される。流入部における幅ｍに対する最大幅ｎの
比を約２：１とした場合、流出通路に対する適当な角度
は１１°である。これらは大きすぎる損失を伴うことな
しに相当程度の圧力を得るようになされたディフューザ
に対する典型的な値である。しかしながら、過大な損失
を伴うことなしにその角度を増大させることも可能であ
り、あるいはそれより小さい膨張比の場合に得られるよ
り小さい圧力上昇でもある種の用途の場合には受容しう
る。従って、若干の性能低下は伴うが、ノズル幅に対し
てディフューザ長ｄをさらに短かくしてもよい、ディフ
ューザの壁がらの流れの分離によって望ましくないしよ
う乱が生じ、それがために噴流の振動を測定するのがさ
らに困難となることもさらに考慮すべき点である。

本発明によるメータを作成する場合には流体振動子の公
知の設計を考慮すべきであり、かつセットバック距ＭＳ
、ディフューザの長さｄ、アスペクト比のような諸元を
従来の範囲内に設定すべきである。

通常は、圧力の振動変化は市販の差圧トランスデユーサ
を用いて測定される。スプリッタの各側における各ディ
フューザ・アームは、例えば噴流が装置の一側から他側
に切り換わるのに伴なって振動するダイヤフラムを介し
て連結されうる。この振動は電気信号を発生するために
用いられうるちのであり、かつ流体振動子中を流れたガ
スの容積が圧力パルスの個数に関係づけられているので
、流れが測定されうる。しかしながら、このプロセスは
公知であるから、それについてここで詳細に説明する必
要はない。

流体振動子についての従前の研究により、低い振動周波
数において非常に小さい圧力パルスを検出する際には重
大な問題が認められた０本発明では、得られる信号は最
小限の信号調整を必要とするにすぎないから、低差圧ト
ランスデユーサが用いられる。ノイズを軽減し、信号を
ブーストするために圧カドランスデューサと一緒にフィ
ルタ装置が用いられうる。

第５図は例えば本発明による２ｉｔ！計における振動周
波数ｆ（Ｈｚ）と流ｉ１Ｑ（ｍ’／時間）の関係を示す
グラフである。このメータではこの範囲にわたって振動
周波数が流量に比例することがわかる。

用いられた流体は空気であったが、本発明は他の流体の
流れを測定するためにも用いられうる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は公知の流体増幅器の概略断面
図、第２図は本発明による流量計の概略断面図、第３Ａ
図、第３Ｂ図、第３Ｃ図および第３Ｄ図は本発明におい
て使用するのに適したスブリッタを示す平面図、第４Ａ
図および第４Ｂ図は本発明によるメータにおける流れの
２つの典型的瞬時流線パターンを示す図、第５図は本発
明による２ｉｔ量計の一例における振動周波数と流量と
の関係を示すグラフである。 図面において、１は流入ノズル、２はチャンバ、３ａ、
３ｂは側壁、５ａ、５ｂは帰還チャンネル、７ａ、７ｂ
は制御開口をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、散開する側壁（３ａ、３ｂ）を有するチャンバ（２
   ）と連通した流入ノズル（１）と、この流入ノズルに対
   向したフェースを有し、かつ前記チャンバから延長した
   流出通路を形成していて前記フェースを横切る振動流れ
   の発生する形状および配置となされたスプリッタと、各
   壁から前記チャンバに開いた各制御開口（７ａ、７ｂ）
   に延長した帰還チャンネル（５ａ、５ｂ）を具備し、前
   記スプリッタと前記帰還チャンネルの入口との相対位置
   は、前記帰還チャンネルの入口の下流コーナが前記スプ
   リッタの前記フェースから分離する前記流れのエッジの
   振動通路内にあるように選定されている流体振動子型流
   量計。 ２、特許請求の範囲第１項記載の流量計において、前記
   帰還チャンネルの入口が一部前記スプリッタの前記フェ
   ースの上流に存在する前記流量計。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項記載の流量計に
   おいて、前記帰還通路の入口が前記側壁に対して９０°
   より大きい角度をなしている前記流量計。 ４、特許請求の範囲第１〜３項のうちの１つに記載され
   た流量計において、前記スプリッタの端部が絶壁状であ
   る前記流量計。 ５、特許請求の範囲第１〜４項のうちの１つに記載され
   た流量計において、前記流入ノズルの幅ｂに対する前記
   スプリッタの幅ｗの比が０．４〜１．２の範囲内（上下
   界を含む）にある前記流量計。 ６、特許請求の範囲第１〜５項のうちの１つに記載され
   た流量計において、メータの中心線から前記帰還チャン
   ネル入口の下流コーナまでの垂直距離ｕのスプリッタ幅
   ｗに対する比が２〜８の範囲内（上下界を含む）にある
   前記流量計。 ７、特許請求の範囲第１〜６項のうちの１つに記載され
   た流量計において、メータの中心線から前記帰還チャン
   ネル入口の下流コーナまでの垂直距離ｕに対する、前記
   スプリッタの前記フェースから帰還チャンネル入口の下
   流コーナまでの距離ｖの比が０．４〜１．３の範囲内（
   上下限を含む）にある前記流量計。 ８、特許請求の範囲第７項記載の流量計において、ｖ／
   ｕが０．７〜１．３の範囲内（上下限を含む）にある前
   記流量計。 ９、特許請求の範囲第１〜８項のうちの１つに記載され
   た流量計において、前記帰還チャンネルの下方の流出通
   路内に絞り部を有しており、流入ノズル幅ｂに対する前
   記絞り部の幅ｇの比が０．５〜１．５の範囲内（上下限
   を含む）にある前記流量計。 １０、特許請求の範囲第１〜９項のうちの１つに記載さ
   れた流量計において、前記流入ノズル幅ｂに対する、前
   記ノズルから前記スプリッタまでの距離ｚの比が５〜９
   の範囲内（上下限界を含む）にある前記流量計。 １１、特許請求の範囲第１〜１０項のうちの１つに記載
   された流量計において、前記流入ノズル幅ｂに対する前
   記帰還チャンネルの幅ｆの比が０．９〜４の範囲内（上
   下限界を含む）にある前記流量計。 １２、特許請求の範囲第１１項記載の流量計において、
   ｆ／ｂが２〜４の範囲内（上下限を含む）にある前記流
   量計。 １３、特許請求の範囲第１〜１２項のうちの１つに記載
   された流量計において、前記流入ノズル幅ｂに対する前
   記制御開口の幅ｃの比が０．７〜２．５の範囲内（上下
   限を含む）にある前記流量計。 １４、特許請求の範囲第１３項記載の流量計において、
   ｃ／ｂが０．７〜２の範囲内（上下限を含む）にある前
   記流量計。 １５、特許請求の範囲第１〜１４項のうちの１つに記載
   された流量計において、前記流入ノズル幅に対する前記
   帰還チャンネル入口幅ｅの比が２〜５の範囲内（上下限
   を含む）にある前記流量計。 １６、特許請求の範囲第１〜１５項のうちの１つに記載
   された流量計において、前記流入ノズル幅ｂに対する前
   記側壁の長さ１の比が３〜６の範囲内（上下限を含む）
   にある前記流量計。 １７、特許請求の範囲第１〜１６項のうちの１つに記載
   された流量計において、各側壁が前記チャンバの境界と
   なる第１の表面と、この第１の表面に対して平行で前記
   帰還チャンネルの境界となる第２の表面を有している前
   記流量計。