JPS6343687B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 流体の流れの中におかれるカルマン渦発生装
置において、 長手方向軸が前記流体の流れの方向に配置され
るように構成されており、該流れ方向に関する前
縁及び後縁と、該流れ方向にほぼ平行に前縁と後
縁との間にのびている側面と、流れ方向の前縁部
が渦発生角部をなすように前記側面に形成された
少なくとも１つの開口部とを有する薄くて長い板
部材からなり、前記開口部が該板部材の両側縁部
の間において該板部材の前記後縁まで下流側に伸
延しており、該伸延部分が前記の側面に沿いほぼ
直線状であるカルマン渦発生装置。

２ 請求の範囲第１項に記載の装置において、前
記開口部が該開口部の前記前縁部から伸延して板
部材の前記後縁と交差するような開口部分を含む
装置。

３ 請求の範囲第１項あるいは第２項に記載の装
置において、前記の長い板部材が前記長手方向軸
にほぼ平行な２つの縦方向の縁を有しており、該
２つの縁は前記後縁において高さｈだけ互いに離
れており、開口部の前記伸延部分が板部材のより
近接した縦方向の縁からｈ／８の点で板部材の後
縁と交差している装置。

４ 請求の範囲第１項あるいは第２項に記載の装
置において、開口部の前記伸延部分が65゜から87゜
までの範囲の内角をなして板部材の後縁と交差し
ている装置。

５ 請求の範囲第１項あるいは第２項に記載の装
置において、前記開口部の前記前縁部がほぼ半円
形である装置。

６ 請求の範囲第１項あるいは第２項に記載の装
置において、前記開口部の前記前縁部からほぼ直
線状である装置。

７ 請求の範囲第１項に記載の装置において、前
記開口部が前記板部材を実質的に貫通している装
置。

８ 請求の範囲第１項に記載の装置において、板
部材の前記長手方向軸が流れ方向に平行になるよ
うに装置が流路中に設置された際、流れ方向に垂
直な面内で流路の断面積の20％未満をふさぐよう
に構成された装置。

９ 請求の範囲第１項に記載の装置において、板
部材の前記両側面が流れ方向に関連する先導部分
を有しており、該先導部分が、鋭い前縁を形成す
るように交差し、前記前縁に向かい次第に内側へ
先細になつている装置。

１０ 請求の範囲第１項に記載の装置において、
板部材の前記側面が流れ方向に関連する先導部分
を有し、該先導部分が特定の角度で前記長手方向
軸と交差している装置。

１１ 請求の範囲第１項記載の装置において、板
部材の前記両側面が流れ方向に関連する先導部分
を有しており、一側面の先導部分が特定の角度で
もう一つの側面の先導部分と交差している装置。

１２ 請求の範囲第１項に記載の装置において、
前記板部材が長手方向軸に垂直な厚さＷと、長手
方向軸に投影した長さＬとを有しており、比Ｌ：
Ｗが15／１から35／１の範囲内にある装置。

１３ 請求の範囲第１項に記載の装置において、
板部材の前記側面が前述の流れ方向に関する後流
部分を有しており、該後流部分は相互に先細にな
るように構成されている装置。

１４ 請求の範囲第１項に記載の装置において、
該装置が流れ方向に平行な流路壁を有する流路内
に位置しており、該流路壁の少なくとも１個に前
記開口部を通して信号を差し向けるために検知器
が取り付けてある装置。

１５ 請求の範囲第１４項に記載の装置におい
て、前記流路壁は、それぞれ、一方の流路壁に送
信用変換器を取り付け、他方の流路壁に受信用変
換器を取り付けてあり、該送信用変換器は渦によ
り変調される音波信号を出す装置。

技術分野 次に記載する発明の実施例はカルマン渦発生装
置に関係する。

背景技術 米国特許出願番号06／108196（Thorneおよびそ
の他のものにより1979年12月28日出願され、今は
米国特許4312237＜1982年１月26日発行＞）は流
体の流れの中にカルマン渦を発生させるのに使用
される薄くて長い発生板の多数の実施例を開示し
ている。特許番号4312237の一実施例では、発生
板は開口部が該開口部の前縁を構成し発生板の側
面と交差する渦発生角部を有することにより渦発
生角部として渦の発生に役立つている。

Mahanyおよびその他のものにより1979年12月
28日出願の米国特許出願番号06／108066は、今で
は1982年１月26日発行の米国特許4312236となつ
ているが、特許4312237の発生板を改善したもの
である。特許4312236においては、流体の問題乃
至対象となる流速範囲での境界層遷移領域の生起
を防ぐために発生板の側面に表面不連続部が設け
られている。

前述の両出願に従つて構成された装置は、流体
の広範囲な流速に亘り、顕著に安定した渦を確実
に作り出している。これらの装置はJoy他の米国
特許第3680375号明細書に開示された音響技術に
従つて運転される時には特に良好に機能してい
る。しかしながら、更に精巧な試験装置を使用し
て、前記提案の装置で実施した流速の測定試験を
行つた結果、検出信号乃至測定データに僅かなが
ら振れ乃至ズレが生じることが判つた。

第４図にその１例を示す。第４図は、米国特許
4312237号で提案されているごとき渦発生板（該
渦発生板に形成された開口部が後縁までは達して
いない）を空気流中に配置し、該渦発生板で発生
する渦の発生周波数を超音波を利用して検出乃至
測定した結果が示されている。第４図において、
横軸は「立法フイート／分（CFM）」単位での
「空気の流速」を示し、縦軸は「渦の発生周波
数／空気の流速」を「Hz／（立法フイート／分）」
単位で示す。この種の流速乃至流量測定装置で
は、被測定流体の種類及び濃度などが同じ場合、
所定流速範囲では渦の発生周波数は原則として被
測定流体の流速に比例するゆえ、測定結果を示す
曲線Ａは第４図中渦の発生周波数／空気の流速が
一定であることを示す破線Ｂに実質的に一致する
はずである。ところが、第４図から判るように、
曲線Ａは、符号Ａ１，Ａ２，Ａ３で示す領域にお
いて、破線Ｂから僅かにズレている。この領域Ａ
１（空気の流速が118CFMの近傍）、Ａ２（空気
の流速が143CFMの近傍）、Ａ３（空気の流速が
260CFMの近傍）では空気の流速の増加に対して
渦の発生周波数がそれ程増加しなかつたり若干減
少している。これらの領域Ａ１，Ａ２，Ａ３で
は、渦の発生自体は安定に生じたけれども、僅か
に号笛の如き可聴音が発生した。

以上の如き測定信号の振れ乃至ズレは非常に小
さいので多くの場合は無視し得るかもしれない
が、より厳密な測定乃至検出を要する場合等に
は、除去されることが望ましい。

発明の開示 本発明は、流れ方向の前縁部が渦発生角部をな
すように前記側面に形成された少なくとも１つの
開口部を有するタイプの薄くて長い板部材におい
て、該板部材の前記開口部が該板部材の両側部の
間において該板部材の前記後縁まで下流側にほぼ
直線状に伸延している場合には、前記領域Ａ１，
Ａ２，Ａ３が生じないという発見に基づいて成さ
れたものであり、前記タイプの薄くて長い板部材
において該板部材の前記開口部が該板部材の両側
縁部の間において該板部材の前記後縁まで下流側
に伸延しており、該伸延部分が前記の側面に沿い
ほぼ直線状である本発明のカルマン渦発生装置で
は、広い流速範囲で流速に比例する発生周波数で
渦を確実に発生せしめ得る。従つて、該装置を用
いた流速検出装置では、流速を正確に検出し得
る。

本発明の原理に従つて、カルマン渦発生に関し
て多数の構造例実施例が得られる。一実施例に従
つて、渦発生装置はカルマン渦を発生するため流
体の流れに浸した薄い発生板を含む。発生板は流
体流の流れ方向に本質的に平行に延長軸の向きを
合わせる。発生板は流体の流れ方向に本質的に平
行な側面を有する。発生板の両側面は分界領域
（shedding region）を有している。この分界領域
には、開口部が側面と交差してなる開口部前縁が
形成されている。この開口部前縁は、渦が発生板
から離れる分界角部（Shedding corner）として
働く。開口部は更に発生板の後縁と交差する。開
口部は曲線状あるいは直線的な主要な開口部前縁
と開口部前縁より発生板の後縁と交差する点まで
を実質的に延長する開口部分を包含する。

【図面の簡単な説明】

発明についての前述ならびに他の対象物、特徴
および利点は、各種の展開図を通じて、同一部品
に関する特性を言及する附図の中で説明している
如く提出した実施例の次記に更に詳細な記述によ
り明らかである。図面は尺度が必ずしも必要でな
く、その代りに発明の原理の図解に重きをおいて
いる。

第１Ａ図、第１Ｂ図、と第１Ｃ図は、発明の実
施例と異なることにより渦発生装置の側面図であ
る； 第２Ａ図、第２Ｂ図、と第２Ｃ図は、第１Ａ
図、第１Ｂ図と第１Ｃ図のそれぞれの平面図であ
る。

第３Ａ図は流路壁と音波信号用センサー付きの
流路と結合した電子要素台板を含んだこの発明の
実施例に従つた空気流量計の平面図である。

第３Ｂ図は第３Ａ図の空気流量計の透視図であ
る。第４図は、米国特許第4312237号で提案され
ている渦発生板を用いた場合の空気の流速（横
軸）に対する渦の発生周波数／空気の流速（縦
軸）の測定結果をしめすグラフである。

発明を実施するための最良の形態 第１Ａ図から第１Ｃ図までは本発明の各種実施
例に従つて発生装置（発生板１０ａから１０ｃの
ようなもの）の側面図を図解説明第１Ａ図、第１
Ｂ図と第１Ｃ図のそれぞれを説明するのに加え
て、第２Ａ図から第２Ｃ図までも又選択的にこゝ
に開示した各種の実施例の各発生板１０に関連し
た延長軸１２を図解する。延長軸１２と、従つて
各発生板１０も又矢印１４（左から右へ）で指示
される如く流体の流れの方向に平行に向きを合わ
せている。各図の中で流体は左から右へと流れる
ことが理解されるべきである。

本発明の発生板１０はプラスチツクあるいは金
属を含む適切な材料より作られるだろう。発生板
１０が自由支持の空力的配置で装着されてもよい
が、本発明の各実施例の装置は区切られた流体の
流れ、たとえば管あるいはそれに類似のものの中
に組み込まれていてもよいと理解されるべきであ
る。好都合なことには、改良された流体の流速計
測に対して、発生板は流れ方向に直角な平面上で
流路断面積の20パーセント未満をふさぐだけであ
る。

流れ方向に関して、各発生板は、前縁１６と後
縁１８とを有する。延長軸１２に投影してみた場
合発生板１０の前縁１６は後縁１３より長さ寸法
Ｌだけ離れている。（第２Ａ図だけにつき示す）。
それから又第２Ａ図に見られる如く、各発生板１
０は、延長軸１２に垂直に本質的に幅Ｗを有して
いる。発生板１０は非常に幅が狭くて長い（即ち
薄くて長い）部材なので、Ｌ：Ｗの比は15：１か
ら35：１の比の範囲が好ましい。

各発生板１０は前縁１６から後縁１８まで拡が
る２個の側面２０を持つ。側面２０は第２Ａ図か
ら第２Ｃ図にて見られる如くに延長軸１２に対し
て、主として平行ではあるが、側面２０は、（延
長）軸１２に必ずしも平行ではない前部２２と後
部２４（矢印１４にて示す流れ方向に関連して定
義された）を含む。実施例において示す如く、前
部２２は徐々に内側へ先細になつて、前縁１６を
形成し、又後部２４は徐々に内側へ先細になつて
後縁１８を形成する。

各発生板１０は延長軸１２に本質的に平行な縦
方向（長手方向）の縁２個を持つ。この点で各発
生板１０は、上部の縦方向の縁２５と底部の縦方
向の縁２５′を持つ。長さ寸法Ｌと幅寸法Ｗとに
直角の高さ寸法ｈは後縁１８における縦方向の縁
２５と２５′との距離である。（第１Ａ図のみに関
して示す） 本発明の別の実施例の発生板１０は両側面２
０，２０を横切り幅寸法Ｗにわたつて発生板に広
がつている開口部２６の一部を含む渦発生用分界
領域を有する。開口部２６は、多数の幾何学的形
状をとり得るけれども、各実施例の開口部は矢印
１４により示す、流れの方向に対し、開口部前縁
２８を持つ。開口部前縁２８は発生板１０の側面
２０を横切つて、第２Ａ図から第２Ｃ図までに
て、上より見るが如く、なるべく鋭い渦発生用分
界角部３２を形成する。第１Ａ図より第１Ｃ図ま
でにて、側面より見る如く、開口部前縁２８は何
らかの切れ目もなく、むしろ連続である。

第１Ａ図より第１Ｃ図までの各実施例におい
て、分界角部３２は、単にそれの一部に対し、開
口部前縁２８の一部からなるように開口部前縁２
８に沿つて効果的に伸長しており、開口部前縁２
８の有効な分界長さ（高さ寸法ｈに投影した場
合）は長さｃである。長さｃは各実施例で変るけ
れども、各実施例においてｃは高さ寸法ｈ上に開
口部前縁２８を投影した場合の長さ（ｂとして図
示した）より短くすべきが望ましい。

第１Ａ図より第１Ｃ図までの各実施例におい
て、開口部２６は後方に（流れの方向に関して下
流側に）開口部前縁２８の先端部分から後縁１８
との交点３６，３６′までに拡がつている２箇の
部分３４と３４′を含んでいる。この観点におい
て、延長部分３４（上部延長部分）は開口部前縁
２８の上縁部より上部縦方向の縁２５近くの点３
６まで延びている。他方において、延長部分３
４′（下部延長部分）は、開口部前縁２８の下縁
部より底部縦方向の縁２５′近くの点３６′まで延
びている。

前述の如く、開口部２６は多数の幾何学的形状
を取り得よう。開口部２６の２個の形状は付図に
て示す。第１Ａ図と第１Ｂ図は本来半円形の開口
部前縁２８ａ，２８ｂを（それぞれ）有する開口
部２６ａ，２６ｂを示す。第１Ｃ図は本来直線状
の開口部前縁２８ｃを有する開口部２６を説明す
る。各実施例にて示す延長部３４は実質的に直線
状である。

前述の如く延長部分３４，３４′は後縁１８と
点３６，３６′で交差する。第１Ａ図と第１Ｂ図
の実施例について、点３６と３６′は、それぞれ
接近した縦方向の縁２５と２５′より距離ｘだけ
離れている。使用環境に従つて、ｘの値は一般的
にｈ／３より小さくすべきであり、ｈ／８付近内
にあることが望ましい。即ちｘは発生板の高さの
一般的には1/3未満で、なるべくならば約1/8に、
すべきである。例えば、ｘ＝ｈ／８の場合には、
第１Ａ図の発生板１０ａの高さが２インチなら
ば、ｘの値は、0.25インチが望ましい。

第１Ａ図から第１Ｃ図までに示した各実施例に
対し、開口部２６の延長部分３４と３４′はギリ
シヤ文字ガンマ（γ）で表示した内角で発生板１
０の後縁１８とそれぞれ交差する。γの値は、
65゜から87゜までにあることが望ましい。

本発明の前述の実施例のいずれもが、自由支持
の空力的形状配置として利用されるか、あるいは
流路（内）に組み込まれよう。後者の事について
は、本発明の実施例は、前文にて参照し、又こゝ
で言及により組みこんだ米国特許4312236と
4312237で論議した方式で流路（内）流量計に使
用されよう。本特許の他の様相、他の構造的特徴
と寸法的比率の範囲のようなことは現発明の各種
の実施例に適用される。例えば、現発明の代替的
実施例は合体した特許の次の特徴を含んでいる。
前縁部分２２の交差様式に対する各種の形状、開
口部前縁２８の各種の幾何学的形状、そして側面
２０上の各種形式の表面中断。

本発明者は今回改善された現象（理由）を正確
には説明し得ないけれども、上記に従つて構成さ
れた渦発生装置では、従来技術の装置で検出され
た信号のズレ乃至振れを抑制し得ることが確認さ
れた。

以上の如く本発明の好ましい実施例の渦発生装
置では、流れ方向の前縁部２８ａ，２８ｂ，２８
ｃが渦発生角部３２ａ，３２ｂ，３２ｃをなすよ
うに側面２０ａ，２０ｂ，２０ｃに形成された少
なくとも１つの開口部２６ａ，２６ｂ，２６ｃを
有する薄くて長い板部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃ
において該板部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの前記
開口部２６ａ，２６ｂ，２６ｃが該板部材１０
ａ，１０ｂ，１０ｃの両側縁部２５ａ，２５a′，
２５ｂ，２５b′２５ｃ，２５c′の間において該板
部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃの前記後縁１８ａ，
１８ｂ，１８ｃまで下流側に伸延しており、該伸
延部分３４ａ，３４a′，３４ｂ，３４b′，３４
ｃ，３４c′が前記の側面２０ａ，２０ｂ，２０ｃ
に沿いほぼ直線状である（その結果、符号３６
ａ，３６a′，３６ｂ，３６b′，３６ｃ，３６c′で
示される後縁１８ａ，１８ｂ，１８ｃとの交点が
形成される）故に、第４図のＡ１，Ａ２，Ａ３の
如き領域を生ずることなく、被測定流体の広い流
速範囲で被測定流体の流速に正確に比例する発生
周波数でカルマン渦を発生させ得た。

第３Ａ図と第３Ｂ図において流路４３４は流体
の流れ方向に平行でかつ相互に向き合つている第
１流路壁４４０と第２流路壁４４２を持つてい
る。第１流路壁４４０に装着されているのが送信
用変換器４４４で、第２流路壁４４２に装着され
ているのが受信用変換器４４６である。変換器４
４４と４４６は対向する流路壁に装置しているの
で、信号が変換器４４４から変換器４４６に伝達
される際発生板４１０の開口部４２６を通り抜け
る。送信用変換器４４４と受信用変換器４４６は
流体の流れと発生板４１０との間の相対速度決定
用の適切な電気回路系に接続されている。

第３Ａ図に検波器（検出器）４４９、パルス波
形整形器４５１は、１個の発信器４４１、送信用
変換器４４４、受信用変換器４４６、増幅器４４
７、検波器４４９、パルス発生器４５１と計数器
４５３を含む。発信器４４１は音波信号を発生
し、適当な導線を経由して、それを送信用変換器
に与える。送信用変換器４４４により発生させた
音波信号は、発生板４１０の下流を通つてカルマ
ン渦列の発生により発生板４１０の後流に形成さ
れた流れの場のゆらぎにより変調される。変調さ
れた音波信号は、受信用変換器により受信され、
適当な導線を経由して増幅器４４７に与えられ
る。増幅信号は次に検波器４４９に当てられる
が、それは本質的には復調器であり、復調信号を
検出し、変調周波数のパルスを発生する。パルス
はパルス波形整器４５１により波形整形されてか
ら計数器４５３に当てられ、その計数値は既知の
式に従つて相対速度に関係づけられる。

本発明が提起されたその実施例に関連して特に
図示され記述されていると同時に、形式と詳細部
分における各種の交替が本発明の意図と範囲から
外れることなく可能であることが、技術に慣れた
人々により理解されるであろう。

工業的な応用性 この発明は、それだけには限らぬが、内燃機関
への流入空気量測定を含む各種の工業的応用を含
み、機関運転管制用の電子式機関調整装置による
使用信号が得られる。特に、空気量測定は、内燃
機関へ供給する空燃比管制に使用できる。