JP5463599B2 - フローセンサ - Google Patents

Description

本発明は、流路内の流体の流量を検出するフローセンサに関する。

従来より、流路内に渦発生体とセンサ部とを流体の流れ方向に沿って順に設け、流路内に流体を流して渦発生体によりカルマン渦が発生した際に、センサ部がカルマン渦の発生周波数（発生周期）に基づき流体の流量を検出するカルマン渦式のフローセンサが知られている。

このようなカルマン渦式のフローセンサにおいて、微小流量（例えば、ゼロ流量近くの流量）を検出するためには、流路の断面積を小さく設計すると共に、下記（１）式に示すレイノルズ数Ｒｅを向上させる必要がある。
Ｒｅ＝（流体慣性力）／（流体粘性力） （１）

なお、（１）式において、「流体慣性力」とは、当該流体が周囲の流体とは別個に動こうとする力をいい、「流体粘性力」とは、当該流体が周囲の流体と同様に動こうとする力をいう。

ここで、従来の流路の断面構造について、図２１Ａ〜図２１Ｃを参照しながら説明する。

図２１Ａは、断面円形状の流路１４内に渦発生体１６を設けた場合を図示したものである。この場合、流路１４の幅方向（Ｘ方向）の中間位置に柱状の渦発生体１６がＹ方向に沿って立設されており、渦発生体１６の端部１６ａ、１６ｂは、流路１４の壁面である壁部１４ｅに接触している。

ここで、Ｘ方向に沿った渦発生体１６の側部１６ｃ、１６ｄから壁部１４ｅまでの距離をＸｅとすれば、断面円形状の流路１４の場合、流路径を小さく設計すると距離Ｘｅが狭くなる。特に、渦発生体１６の端部１６ａ、１６ｂ近傍では、該端部１６ａ、１６ｂと壁部１４ｅとが近接するので、距離Ｘｅは著しく狭くなる。

このため、図２１Ａの断面構造では、流路１４の断面積を小さくすることによる流体慣性力の向上よりも、流路１４の壁面抵抗に起因した流体粘性力の上昇が顕著となり、この結果、レイノルズ数Ｒｅが向上せず、ゼロ流量近くの微小流量の検出が困難となる。

図２１Ｂは、図２１Ａの断面構造よりも流路径を大きく設計した場合を図示したものである。この場合、距離Ｘｅが広がるため、低流速域（小流量）での流体粘性力が低下する。しかしながら、流路１４の断面積が大きくなることにより、流体慣性力が低下して、レイノルズ数Ｒｅが向上しない。この結果、ゼロ流量近くの微小流量の検出が却って困難となる。

そこで、渦発生体１６の幅Ｗを短く設計して、距離Ｘｅを広げることも考えられる。しかしながら、このように設計すれば、発生するカルマン渦の交番力（渦発生体１６の下流側で交互に発生する渦の力）や渦発生体１６の強度が低下することになる。そのため、センサ部におけるカルマン渦の検出感度が低くなって、カルマン渦の検出が困難になると共に、渦発生体１６の耐久性も低下する。

図２１Ｃは、特許文献１に開示された断面構造を示す。

図２１Ｃでは、上述した問題を解決するために、流路１４は、渦発生体１６の軸方向（Ｙ方向）に沿った流路１４の寸法（縦寸法）Ｙｇよりも、渦発生体１６の幅方向（Ｘ方向）に沿った流路１４の寸法（横方向）が長い、長円状の断面形状となっている。

すなわち、流路１４は、渦発生体１６の端部１６ａ、１６ｂにそれぞれ対向する２つの壁部１４ｇ、１４ｈと、渦発生体１６の側部１６ｃ、１６ｄにそれぞれ対向する２つの壁部１４ｉ、１４ｊとから画成されている。各壁部１４ｇ、１４ｈは、Ｘ方向に沿って直線状に形成され、各壁部１４ｉ、１４ｊは、流体が流路１４内を円滑に流れるように、半円状に形成されている。

このような断面構造により、特許文献１では、流路１４の断面積を小さく設計しても、渦発生体１６の側部１６ｃ、１６ｄと壁部１４ｉ、１４ｊとの距離Ｘｇを広くすることができ、この結果、流体慣性力が向上すると共に、流体粘性力が低下して、ゼロ流量近くの微小流量の検出が可能になる、とされている。

特開平１１−６７４８号公報

ところで、断面が円形状又は矩形状の流路１４において、カルマン渦の安定性は、下記（２）式に示すアスペクト比の影響を受けやすいことが一般的に知られており、アスペクト比が１に近いほどカルマン渦の安定性が高くなる。
１≦アスペクト比＝（流路断面の横寸法）／（流路断面の縦寸法） （２）

しかしながら、図２１Ｃに示す特許文献１の流路１４では、レイノルズ数Ｒｅを確保して、ゼロ流量近くの微小流量を測定できるようにするため、流路１４の壁部１４ｇと壁部１４ｈとの間の距離（縦寸法）Ｙｇを短くし、流路１４の断面積を小さくしている。これにより、アスペクト比が１よりも大きくなって、カルマン渦の安定性が低下し、センサ部では、高流速域（大流量域）で大流量を検出する際、流体が乱れ、その乱れの影響を大きく受ける。この結果、図２２に示すように、大流量域では、体積流量［ｌ／ｍｉｎ］に対するカルマン渦の発生周波数［Ｈｚ］の直線性（体積流量と発生周波数との関係を示す特性の直線性）が著しく劣化するおそれがある。

なお、図２２において、ゼロ流量近傍は、微小流量の検出が不可能な「検出不可域」と、カルマン渦の発生周波数の直線性が劣化する「微小流量域」とであり、微小流量域と大流量域との間は、直線性の劣化が少ない「安定流量域」とされている。

本発明は、上記の課題を解消するためになされたものであり、大流量域での体積流量に対するカルマン渦の発生周波数の直線性を確保する（安定化させる）と共に、ゼロ流量近くの微小流量も検出可能な流路構造を有するフローセンサを提供することを目的とする。

前述のように、ゼロ流量近くの微小流量を検出可能とするためには、流路の断面積を小さく設計することで流体慣性力を向上させると共に、該流路の壁部と渦発生体との間の距離をできる限り広く設計することにより、流体粘性力を抑制して、レイノルズ数を向上させる必要がある。

また、大流量域でのカルマン渦の安定性を向上させるためには、アスペクト比を１に近づける必要もある。

そこで、本発明においても、フローセンサは、流体が流れる流路と、該流路内で前記流体の流れ方向と交差するように設けられた柱状の渦発生体と、前記流路内で前記渦発生体よりも前記流れ方向の下流側に設けられたセンサ部とを有し、前記流体が流されて前記渦発生体によりカルマン渦が発生した場合に、前記センサ部が前記カルマン渦の発生周波数に基づき前記流体の流量を検出可能な構成を前提としている。

このような構成を前提とした上で、本発明に係るフローセンサでは、前記流れ方向と直交する前記流路の断面が、前記渦発生体の軸方向の両端部にそれぞれ対向する第１の壁部及び第２の壁部と、前記軸方向に直交する幅方向の両側部にそれぞれ対向し且つ第１の壁部及び第２の壁部を連結する第３の壁部及び第４の壁部とによって画成されている。

そして、本発明に係るフローセンサでは、従来技術と比較して、下記の特徴的な構成（１）〜（３）を備えている。

（１）前記第３の壁部と前記第４の壁部との間の第１の寸法を、前記第１の壁部と前記第２の壁部との間の第２の寸法よりも長くしている。（２）前記第３の壁部及び前記第４の壁部を、前記渦発生体に沿って略直線状に形成している。（３）前記第１の壁部及び前記第２の壁部を、所定の曲率半径で湾曲させている。

これにより、本発明では、（１）の構成により、前記流路の断面積を小さく設計しても、前記第３の壁部及び前記第４の壁部と前記渦発生体との間の距離を長く設定することが可能となり、流体粘性力を低下させることができる。

また、本発明では、（２）の構成により、前記流路のアスペクト比に依存することなく、前記第１の壁部及び前記第２の壁部の曲率半径を変更することが可能となり、前記アスペクト比を１に近づけても、断面視で円形状又は矩形状の流路に近い形状とはならない。

また、前記第３の壁部及び前記第４の壁部が直線部として構成されるため、前記第３の壁部及び前記第４の壁部と前記渦発生体との間の距離が一定となる。この結果、前記渦発生体の軸方向に沿った流体粘性力の変化を小さくすることができる。

従って、（２）の構成においても、流体粘性力の上昇を抑制することができる。

さらに、本発明では、（３）の構成により、前記流路を画成する長辺としての前記第１の壁部及び前記第２の壁部を、前記流体粘性力の影響が大きくならない程度に湾曲させることにより、前記第３の壁部及び前記第４の壁部と前記渦発生体との間の距離を確保しつつ、前記アスペクト比を１に近づけた場合でも、前記流路の断面積の増加を抑えることが可能となる。この結果、流体慣性力の低下を抑制することができる。

このように、本発明に係るフローセンサでは、上記（１）〜（３）の構成を採用したことにより、低流速域での壁面抵抗による流体粘性力の上昇を抑えることが可能となり、ゼロ流量近くの微小流量域においてもレイノルズ数を向上させることが可能となる。また、アスペクト比を１に近づけることで、高流速域（大流量域）での流体の乱れを抑制することが可能となる。

従って、本発明では、大流量域での体積流量［ｌ／ｍｉｎ］に対するカルマン渦の発生周波数［Ｈｚ］の直線性を安定化させると共に、ゼロ流量近くの微小流量の検出も可能となる。

また、本発明では、下記の構成を採用することも可能である。

前記フローセンサでは、前記渦発生体及び前記センサ部を、前記第３の壁部と前記第４の壁部との間の略中間位置に設けてもよい。これにより、前記第３の壁部及び前記第４の壁部と前記渦発生体との間の距離を長くすることができ、流体粘性力を容易に低下させることが可能となる。

また、前記フローセンサでは、前記曲率半径を１５［ｍｍ］〜４０［ｍｍ］の範囲に設定することが望ましい。これにより、前記渦発生体の側部近傍では、高速の流速分布になると共に、前記センサ部は、ゼロ流量近くの微小流量を容易に検出することが可能となる。

さらに、前記フローセンサでは、前記渦発生体の前記第３の壁部側の側部と前記第３の壁部との間の距離をＸｃ、前記渦発生体の前記第４の壁部側の側部と前記第４の壁部との間の距離をＸｄ、前記渦発生体の幅をＷとした場合、Ｘｃ／Ｗ＞０．９及びＸｄ／Ｗ＞０．９に設定してもよい。これにより、カルマン渦の交番力や前記渦発生体の強度の低下を回避することができる。

本発明によれば、大流量域での体積流量に対するカルマン渦の発生周波数の直線性を安定化させると共に、ゼロ流量近くの微小流量の検出も可能となる。

本実施形態に係るフローセンサの概略構成を示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４Ａは、断面円形状の流路を模式的に図示した断面図であり、図４Ｂは、図２に示す流路を模式的に図示した断面図である。 図５Ａは、流路内における流体の速度分布を模式的に示す説明図であり、図５Ｂ及び図５Ｃは、図４Ａに示す流路でのカルマン渦の発生を模式的に示す説明図である。 図６Ａは、断面楕円状の流路を模式的に図示した断面図であり、図６Ｂは、特許文献１の流路を模式的に図示した断面図である。 図２に示す流路について、アスペクト比を１に近づけた場合を図示した断面図である。 図８Ａは、図２に示す流路を模式的に図示した断面図であり、図８Ｂは、図８Ａの流路と同じアスペクト比の断面矩形状の流路を模式的に図示した断面図である。 実施例１の流路と比較例１〜３の流路とを説明するための一覧表である。 実施例１及び比較例１〜３の測定結果を示す一覧表である。 流体の体積流量とカルマン渦の周波数との関係を示すグラフである。 流体の体積流量とカルマン渦の周波数との関係を示すグラフである。 実施例２の流路と比較例４の流路とを説明するための一覧表である。 実施例２及び比較例４の測定結果を示す一覧表である。 流体の体積流量とカルマン渦の周波数との関係を示すグラフである。 流体の体積流量とカルマン渦の周波数の直線性との関係を示すグラフである。 壁部の曲率半径を変化させた場合を説明するための一覧表である。 図１７の設計条件に対する測定結果を示す一覧表である。 流体の体積流量とカルマン渦の周波数との関係を示すグラフである。 流体の体積流量とカルマン渦の周波数との関係を示すグラフである。 図２１Ａ及び図２１Ｂは、断面円形状の流路を模式的に図示した断面図であり、図２１Ｃは、特許文献１の流路を模式的に図示した断面図である。 流体の体積流量とカルマン渦の周波数の直線性との関係を示すグラフである。

本発明に係るフローセンサの好適な実施形態について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１〜図３は、本実施形態に係るフローセンサ１０を図示したものである。ここで、図２１Ａ〜図２１Ｃ中の構成要素と同じ構成要素については、同一の参照符号を付して説明する。

本実施形態に係るフローセンサ１０は、管体１２でＺ方向に沿って形成された流路１４内に、流体の流れ方向（Ｚ１からＺ２に向かう方向）に沿って、柱状の渦発生体１６と、柱状のセンサ部１８とを順に配設することにより構成される。この場合、渦発生体１６及びセンサ部１８は、流路１４内における幅方向（Ｘ方向）の略中間位置でＹ方向に沿ってそれぞれ立設している。また、渦発生体１６は、図３の平面視で、前記流れ方向の下流側（Ｚ２方向側）が先細りとなった略五角形状の形状とされている。なお、図１に示すように、流路１４の入口から渦発生体１６までの距離Ｌは、流体の助走区間とされている。

図２に示すように、流体の流れ方向に対して直交する流路１４の断面は、渦発生体１６の軸方向（Ｙ方向）の端部１６ａ、１６ｂに対向する壁部１４ａ、１４ｂ（第１の壁部、第２の壁部）と、渦発生体１６の幅方向（Ｘ方向）の側部１６ｃ、１６ｄに対向し、且つ、壁部１４ａ、１４ｂを連結する壁部１４ｃ、１４ｄ（第３の壁部、第４の壁部）とによって画成されている。

この場合、流路１４の長辺側（Ｙ１、Ｙ２方向側）の壁面としての壁部１４ａ、１４ｂは、所定の曲率半径Ｒ（Ｒ＝１５［ｍｍ］〜４０［ｍｍ］）で湾曲し、一方で、短辺側（Ｘ１、Ｘ２方向側）の壁面としての壁部１４ｃ、１４ｄは、柱状の渦発生体１６の側部１６ｃ、１６ｄに略平行な直線部として構成されている。

ここで、壁部１４ａの中点と壁部１４ｂの中点との間の距離（縦寸法、第２の寸法）をＹｔ、壁部１４ｃと壁部１４ｄとの間の距離（横寸法、第１の寸法）をＸｔとすれば、流路１４のアスペクト比が前述の（２）式を満足するように、Ｘｔ≧Ｙｔであることが好ましい。なお、渦発生体１６は、流路１４内でＸ方向に沿った中間位置に立設されているため、縦寸法Ｙｔは、渦発生体１６の全長でもある。

また、渦発生体１６の側部１６ｃ、１６ｄ間の幅をＷ、側部１６ｃと壁部１４ｃとの間の距離をＸｃ、側部１６ｄと壁部１４ｄとの間の距離をＸｄとすれば、Ｘｃ／Ｗ＞０．９及びＸｄ／Ｗ＞０．９であることが好ましい。

このようなフローセンサ１０において、流路１４内でＺ１からＺ２に向かう方向に流体を流すと、渦発生体１６の下流側にカルマン渦２０が発生する。すなわち、渦発生体１６の側部１６ｃ、１６ｄから下流側に向かって、互いに反対向きの渦が交互に発生し、この結果、規則正しい渦列としてのカルマン渦２０が形成される。

センサ部１８は、圧電素子等を含み、交互に発生した渦列（カルマン渦２０）の交番力を圧電素子により検出し、検出した交番力に基づいてカルマン渦２０の発生周波数［Ｈｚ］（発生周期［ｓ］）を検出し、検出した発生周波数から流体の流速［ｍ／ｓ］や体積流量［ｌ／ｍｉｎ］を検出する。なお、センサ部におけるカルマン渦２０の発生周波数［Ｈｚ］の検出方法や、流体の流速［ｍ／ｓ］及び体積流量［ｌ／ｍｉｎ］の検出方法については、例えば、特許文献１や特開平９−８９６１３号公報に開示されているため、その詳細な説明は省略する。

次に、このように構成されるフローセンサ１０の効果について、図４Ａ〜図２０を参照しながら説明する。なお、この説明では、必要に応じて、図１〜図３及び図２１Ａ〜図２２も参照しながら説明する。

図４Ａは、図２１Ａ及び図２１Ｂに示す従来の流路１４の断面構造を模式的に図示したものであり、図４Ｂは、図２に示すフローセンサ１０の流路１４の断面構造を模式的に図示したものである。

図４Ａの断面構造では、図２１Ａ及び図２１Ｂにおいても説明したように、流路１４の断面積を小さく設計すると、渦発生体１６の端部１６ａ、１６ｂ近傍では距離Ｘｅが短くなって流体粘性力が大きくなる。

これに対して、図４Ｂに示す本実施形態の断面構造では、縦寸法Ｙｔに比べて横寸法Ｘｔが長い形状であるため（Ｘｔ≧Ｙｔ）、流路１４の断面積を小さく設計しても、距離Ｘｃ、Ｘｄを長く設定することが可能である。この結果、図４Ａの断面構造と比較して、流体粘性力を低下させることができる。

ここで、図４Ａの断面構造と図４Ｂの断面構造との違いについて、図５Ａ〜図５Ｃを参照しながら、さらに詳しく説明する。

図５Ａに示すように、流路１４内を流れる流体の流速分布は、理論的には、壁面としての壁部１４ａ〜１４ｅでの流速Ｖが０［ｍ／ｓ］であり、２つの壁部１４ａ〜１４ｅの中間位置で流速Ｖが最大となる。この場合、流体粘性力は、流体の変化（流れ）を抑制する方向に働くため、壁部１４ａ〜１４ｅ近傍での流体粘性力は非常に大きくなる。

図５Ｂは、図４Ａ中、渦発生体１６の端部１６ａ、１６ｂの下流側でのカルマン渦２２の発生を図示した説明図であり、側部１６ｃ、１６ｄの端部１６ａ、１６ｂ側と壁部１４ｅとの間の距離はＸｅ１である。また、図５Ｃは、渦発生体１６の中間位置の下流側でのカルマン渦２２の発生を図示した説明図であり、側部１６ｃ、１６ｄの中間位置と壁部１４ｅとの間の距離はＸｅ２である。

図５Ｂのように、壁部１４ｅと渦発生体１６との間の距離（距離Ｘｅ１）が短い場合、大きな流体粘性力が生じやすく、ゼロ流量近くの微小流量域では、流体粘性力が流体慣性力と比べて大きくなってしまう。この結果、レイノルズ数Ｒｅが低下して、カルマン渦２２が発生しづらくなると共に、該カルマン渦２２の乱れが発生する。図５Ｂでは、本来発生すべきカルマン渦２２を破線で図示している。

そのため、図５Ｃのように、側部１６ｃ、１６ｄの中間位置の下流側では、図５Ｂに示す渦発生体１６の端部１６ａ、１６ｂの下流側の影響を受け、カルマン渦２２が乱れてしまう。

これに対して、図４Ｂに示す本実施形態の断面構造では、流路１４を構成する短辺としての壁部１４ｃ、１４ｄが直線部として構成されるため、壁部１４ｃ、１４ｄと渦発生体１６との間の距離（距離Ｘｃ、Ｘｄ）を一定とすることができ、カルマン渦２０の安定性を向上させることができる。

図６Ａは、断面楕円状の流路１４を模式的に図示したものである。

この場合、流路１４のアスペクト比を変更すれば、流路１４の壁部１４ｆのうち、上下の壁面（Ｙ１、Ｙ２方向の壁面）の曲率半径Ｒが変化する。そのため、アスペクト比が１に近づけば、図４Ａに示す断面円形状の流路１４に近い形状になり、ゼロ流量近くの微小流量について、レイノルズ数Ｒｅを向上させることが困難となる。

また、図６Ｂは、図２１Ｃに示す特許文献１の流路１４の断面構造を模式的に図示したものである。

図６Ｂでは、流路１４を構成する短辺としての壁部１４ｉ、１４ｊの形状が半円状であるため、アスペクト比を１に近づけると、図６Ａの場合と同様に、図４Ａで説明した断面円形状の流路１４に近い形状となる。従って、この場合でも、ゼロ流量近くの微小流量について、レイノルズ数Ｒｅを向上させることが困難となる。

これに対して、図４Ｂに示す本実施形態の断面構造では、短辺としての壁部１４ｃ、１４ｄが直線部であるため、流路１４のアスペクト比に依存することなく、長辺としての上下の壁部１４ａ、１４ｂの曲率半径Ｒを変更することが可能となる。従って、図７に示すように、本実施形態の断面構造では、アスペクト比を１に近づけても、図４Ａのような断面円形状の流路１４に近い形状にはならない。

また、壁部１４ｃ、１４ｄが直線部であるため、前述のように、壁部１４ｃ、１４ｄと渦発生体１６との間の距離（距離Ｘｃ、Ｘｄ）が一定となり、渦発生体１６のＹ方向に沿った流体粘性力の変化を小さくすることができる。

このように、本実施形態では、壁部１４ｃ、１４ｄを直線部にしたことにより、流体粘性力の上昇を抑制することができる。

図８Ａは、本実施形態の断面構造を示し、図８Ｂは、図８Ａと同じアスペクト比を有する断面矩形状の流路１４の断面構造を示す。

図８Ｂの場合、壁部１４ｍ、１４ｎが直線部であるため、壁部１４ｍ、１４ｎと渦発生体１６との間の距離が一定となるが、各壁部１４ｋ〜１４ｎが直線部である断面矩形状の流路１４であるため、該距離をある程度の長さに確保しつつ、アスペクト比を１に近づけると、流路１４の断面積が大きくなりすぎてしまい、流体慣性力が低下してしまう。

これに対して、図８Ａに示す本実施形態の断面構造では、長辺としての壁部１４ａ、１４ｂを、流体粘性力の影響が大きくならない程度に湾曲させることにより（Ｒ＝１５［ｍｍ］〜４０［ｍｍ］）、壁部１４ｃ、１４ｄと渦発生体１６との間の距離（距離Ｘｃ、Ｘｄ）を確保しつつ、アスペクト比を１に近づけた場合でも、流路１４の断面積の増加を抑えることが可能となる。この結果、流体慣性力の低下を抑制することができる。

次に、本実施形態に係るフローセンサ１０の効果について、図９〜図２０を参照しながら、より具体的に説明する。

図９〜図１２は、本実施形態での流路１４の断面構造（実施例１）と、従来の流路１４の断面構造（比較例１〜３）とについて、それぞれの流路１４に流体を流した際のカルマン渦２０、２２の発生周波数を測定した結果を示す。

なお、実施例１は、図１〜図３、図４Ｂ及び図８Ａに示す本実施形態の流路１４である。また、比較例１は、図４Ａに示す断面円形状の流路１４であり、比較例２は、図８Ｂに示す断面矩形状の流路１４であり、比較例３は、図６Ａに示す断面楕円状の流路１４である。

図９は、実施例１及び比較例１〜３の各流路１４の形状を示す一覧表である。

図９中、「全長（Ｚ）」は、Ｚ方向に沿った流路１４の長さをいい、「縦（Ｙ）」は、Ｙ方向に沿った流路１４の最大長さをいい、「横（Ｘ）」は、Ｘ方向に沿った流路１４の最大幅をいう。また、「曲率半径（Ｒ）」は、実施例１の流路１４における壁部１４ａ、１４ｂの曲率半径Ｒをいう。

実施例１及び比較例１〜３では、流体の体積流量が４［ｌ／ｍｉｎ］である場合に流速Ｖが６．４［ｍ／ｓ］〜７．１［ｍ／ｓ］となるように流路１４に流体を流し、その際に発生するカルマン渦２０、２２の発生周波数（測定周波数）［Ｈｚ］と流体の体積流量［ｌ／ｍｉｎ］とをセンサ部１８で測定した。

図１０は、センサ部１８での測定結果を示す一覧表である。なお、図１０中、「最小測定流量」は、センサ部１８で測定可能な体積流量の最小値を示し、「測定周波数」は、０〜４．０［ｌ／ｍｉｎ］の体積流量の範囲内でセンサ部１８が測定したカルマン渦２０、２２の発生周波数の最大値を示す。

図１０に示すように、比較例１〜３と比べて、実施例１では、最小測定流量が小さく、且つ、測定周波数が大きい。

また、図１１は、センサ部１８が測定した測定周波数及び体積流量をプロットしたグラフであり、図１２は、図１１中、０．８０［ｌ／ｍｉｎ］以下の低流量域を拡大して図示したグラフである。

図１１及び図１２に示すように、実施例１では、比較例１〜３と比較して、より低い体積流量を検出できると共に、同一の体積流量において、より大きな測定周波数を検出することができる。すなわち、図１０及び図１２に示すように、比較例１〜３は、破線Ｂに示す０．４０［ｌ／ｍｉｎ］が最小測定流量であるのに対して、実施例１では、破線Ａに示す０．２４［ｌ／ｍｉｎ］にまで最小測定流量が小さくなっている。

これは、実施例１の場合、流路１４の短辺としての壁部１４ｃ、１４ｄを直線部とし、壁部１４ｃ、１４ｄと渦発生体１６との間の距離（距離Ｘｃ、Ｘｄ）を一定とし、長辺としての壁部１４ａ、１４ｂを湾曲させたことにより、流体慣性力の低下と流体粘性力の上昇とが共に防止されるからである。この結果、実施例１では、ゼロ流量近くの微小流量を容易に測定することができる。

図１３〜図１６は、本実施形態での流路１４の断面構造（実施例２）と、特許文献１の流路１４の断面構造（比較例４）とについて、それぞれの流路１４に流体を流した際のカルマン渦２０、２２の発生周波数を測定した結果を示す。

図１３は、実施例２及び比較例４の各流路１４の形状を示す一覧表である。図１３中、「断面積（Ｓ）」は、流路１４の断面積を示す。なお、実施例２及び比較例４でも、流路１４に流体を流した際に発生するカルマン渦２０、２２の発生周波数（測定周波数）［Ｈｚ］と、流体の体積流量［ｌ／ｍｉｎ］とをセンサ部１８で測定した。

図１４は、センサ部１８での測定結果を示す一覧表である。

なお、図１４中、「周波数特性」は、４．０［ｌ／ｍｉｎ］の体積流量でセンサ部１８が測定したカルマン渦２０、２２の発生周波数（測定周波数）を示す。

また、「直線性」は、測定周波数のフルスケールに対して、どの程度の誤差があるのか、具体的に、図１５のグラフにおいて、０［ｌ／ｍｉｎ］での測定周波数の値と４．０［ｌ／ｍｉｎ］での測定周波数の値とを一本の直線で結んだ場合に、該一本の直線に対する測定周波数のずれ量（誤差）の大きさをいう。

なお、図１４では、０〜４．０［ｌ／ｍｉｎ］の体積流量の範囲内における正側の最大誤差「＋ＭＡＸ ［％］Ｆ．Ｓ．」及び負側の最大誤差「−ＭＡＸ ［％］Ｆ．Ｓ．」と、４．０〜６．０［ｌ／ｍｉｎ］の体積流量の範囲内における正側の最大誤差「＋ＭＡＸ ［％］Ｆ．Ｓ．」及び負側の最大誤差「−ＭＡＸ ［％］Ｆ．Ｓ．」とをそれぞれ表記している。

図１４に示すように、比較例４と比べて、実施例２では、４．０［ｌ／ｍｉｎ］の体積流量での測定周波数が高く、且つ、最大誤差の絶対値も低い。

また、図１５は、センサ部１８が測定した測定周波数及び体積流量をプロットしたグラフであり、図１６は、図１５のデータを用いて、測定周波数の誤差の大きさをプロットしたグラフである。

図１５及び図１６に示すように、比較例４では、４．０［ｌ／ｍｉｎ］以上の大流量域において、周波数の直線性が乱れている。これに対して、実施例２では、比較例４のような直線性の乱れは発生せず（周波数の直線性が維持され）、大流量域やゼロ流量近傍であっても、測定周波数の誤差は小さい。

これは、特許文献１の流路１４は、単純に、縦寸法Ｙｇを短くすることでレイノルズ数Ｒｅを向上させるような断面構造であるため、アスペクト比が上昇した場合等には、大流量域での周波数の直線性が劣化する傾向にあるからである。

これに対して、実施例２では、縦寸法Ｙｔが横寸法Ｘｔよりも短いが、短辺である壁部１４ｃ、１４ｄが直線部であるため、壁部１４ｃ、１４ｄと渦発生体１６との間の距離（距離Ｘｃ、Ｘｄ）を確保しつつ、アスペクト比を上昇させた場合、大流量域でも周波数の直線性を安定させることができる。

図１７〜図２０は、本実施形態での流路１４の断面構造について、壁部１４ａ、１４ｂの曲率半径Ｒを変化させた場合（条件１〜６）、異なる曲率半径Ｒの流路１４に流体を流した際のカルマン渦２０の発生周波数を測定した結果を示す。

図１７は、条件１〜６の流路１４の断面構造を示す一覧表である。この場合でも、０〜４．０［ｌ／ｍｉｎ］の体積流量に対するカルマン渦２０の発生周波数（測定周波数）をセンサ部１８で測定した。

図１８は、センサ部１８での測定結果を示す一覧表である。図１８に示すように、条件２（Ｒ＝４０［ｍｍ］）、条件３（Ｒ＝２０［ｍｍ］）及び条件４（Ｒ＝１５［ｍｍ］）は、他の条件１、５及び６（Ｒ＝∞、１０、５［ｍｍ］）と比べて、最小測定流量が小さく、且つ、測定周波数が大きい。

また、図１９は、センサ部１８が測定した測定周波数及び体積流量をプロットしたグラフであり、図２０は、図１９中、０．８０［ｌ／ｍｉｎ］以下の低流量域を拡大して図示したグラフである。なお、条件３（Ｒ＝２０［ｍｍ］）及び条件４（Ｒ＝１５［ｍｍ］）については、同じ測定結果が得られたため、図１９及び図２０では、条件３の測定結果の図示を省略している。すなわち、図１９及び図２０において、条件４の測定結果は、条件３の測定結果とみなすことができる。

図１９及び図２０に示すように、条件２（Ｒ＝４０［ｍｍ］）、条件３（Ｒ＝２０［ｍｍ］）及び条件４（Ｒ＝１５［ｍｍ］）では、他の条件１、５及び６（Ｒ＝∞、１０、５［ｍｍ］）と比較して、より低い流量を検出できると共に、同一の流量において、より大きな測定周波数を検出することができる。すなわち、図２０に示すように、条件２〜４では、破線Ｃに示す０．２４［ｌ／ｍｉｎ］が最小測定流量であり、他の条件１、５及び６での最小測定流量よりも低い。

ここで、長辺である壁部１４ａ、１４ｂの曲率半径Ｒを小さくしすぎると、壁部１４ａ、１４ｂと渦発生体１６の端部１６ａ、１６ｂとの接触部分近傍での流体粘性力が上昇し、ゼロ流量近くの微小流量の検出が困難となる。また、曲率半径Ｒを大きくしすぎると、流路１４の断面積が大きくなって、流体慣性力が低下するため、この場合でも、ゼロ流量近くの微小流量の検出が困難となる。

従って、図１７〜図２０に示すように、条件２〜４の４０［ｍｍ］、２０［ｍｍ］及び１５［ｍｍ］を含むＲ＝１５［ｍｍ］〜４０［ｍｍ］の範囲内の値を曲率半径Ｒとして設定すれば、ゼロ流量近くの微小流量を容易に検出することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係るフローセンサ１０によれば、（１）壁部１４ｃ、１４ｄ間の横寸法Ｘｔを、壁部１４ａ、１４ｂ間の縦寸法Ｙｔよりも長くし（Ｘｔ≧Ｙｔ）、（２）壁部１４ｃ、１４ｄを渦発生体１６の側部１６ｃ、１６ｄに沿った直線部に構成し、（３）壁部１４ａ、１４ｂを所定の曲率半径Ｒで湾曲させている。

これにより、本実施形態では、（１）の構成により、流路１４の断面積Ｓを小さく設計しても、壁部１４ｃ、１４ｄと渦発生体１６の側部１６ｃ、１６ｄとの間の距離Ｘｃ、Ｘｄを長く設定することが可能となり、流体粘性力を低下させることができる。

また、本実施形態では、（２）の構成により、流路１４のアスペクト比に依存することなく、曲率半径Ｒを変更することが可能となり、アスペクト比を１に近づけても、断面視で円形状又は矩形状の流路に近い形状とはならない。さらに、壁部１４ｃ、１４ｄが直線部として構成されるため、距離Ｘｃ、Ｘｄが一定となる。この結果、渦発生体１６の軸方向に沿った流体粘性力の変化を小さくすることができる。従って、（２）の構成でも、流体粘性力の上昇を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、（３）の構成により、流路１４を画成する長辺としての壁部１４ａ、１４ｂを、流体粘性力の影響が大きくならない程度に湾曲させることにより、距離Ｘｃ、Ｘｄを確保しつつ、アスペクト比を１に近づけた場合でも、流路１４の断面積の増加を抑えることが可能となる。この結果、流体慣性力の低下を抑制することができる。

このように、本実施形態に係るフローセンサ１０では、上記（１）〜（３）の構成を採用したことにより、低流速域での壁面抵抗による流体粘性力の上昇を抑えることが可能となり、ゼロ流量近くの微小流量においてもレイノルズ数Ｒｅを向上させることが可能となる。また、アスペクト比を１に近づけることで、高流速域（大流量域）での流体の乱れを抑制することが可能となる。

従って、本実施形態では、大流量域の体積流量に対するカルマン渦２０の発生周波数の直線性を安定化させると共に、ゼロ流量近くの微小流量の検出も可能となる。

また、本実施形態では、壁部１４ｃ、１４ｄ間の略中間位置に渦発生体１６及びセンサ部１８が設けられているため、距離Ｘｃ、Ｘｄを長くすることができ、流体粘性力を容易に低下させることが可能となる。

さらに、曲率半径Ｒが１５［ｍｍ］〜４０［ｍｍ］の範囲に設定されているため、渦発生体１６の側部１６ｃ、１６ｄ近傍では、高速の流速分布となると共に、センサ部１８は、ゼロ流量近くの微小流量を容易に検出することが可能となる。

さらに、距離Ｘｃ、Ｘｄと、渦発生体１６の幅Ｗとの間では、Ｘｃ／Ｗ＞０．９及びＸｄ／Ｗ＞０．９に設定されているため、カルマン渦２０の交番力や渦発生体１６の強度の低下を回避することができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。

１０…フローセンサ １２…管体
１４…流路 １４ａ〜１４ｎ…壁部
１６…渦発生体 １６ａ、１６ｂ…端部
１６ｃ、１６ｄ…側部 １８…センサ部
２０、２２…カルマン渦

Claims (4)

1. 流体が流れる流路と、該流路内で前記流体の流れ方向と交差するように設けられた柱状の渦発生体と、前記流路内で前記渦発生体よりも前記流れ方向の下流側に設けられたセンサ部とを有し、前記流体が流されて前記渦発生体によりカルマン渦が発生した場合に、前記センサ部が前記カルマン渦の発生周波数に基づき前記流体の流量を検出可能なフローセンサにおいて、
   前記流れ方向と直交する前記流路の断面は、前記渦発生体の軸方向の両端部にそれぞれ対向する第１の壁部及び第２の壁部と、前記軸方向に直交する幅方向の両側部にそれぞれ対向し且つ第１の壁部及び第２の壁部を連結する第３の壁部及び第４の壁部とによって画成され、
   前記第３の壁部と前記第４の壁部との間の第１の寸法は、前記第１の壁部と前記第２の壁部との間の第２の寸法よりも長く、
   前記第３の壁部及び前記第４の壁部は、前記渦発生体に沿って略直線状に形成され、
   前記第１の壁部及び前記第２の壁部は、所定の曲率半径で湾曲されている
   ことを特徴とするフローセンサ。
2. 請求項１記載のフローセンサにおいて、
   前記渦発生体及び前記センサ部は、前記第３の壁部と前記第４の壁部との間の略中間位置に設けられる
   ことを特徴とするフローセンサ。
3. 請求項１又は２記載のフローセンサにおいて、
   前記曲率半径は、１５［ｍｍ］〜４０［ｍｍ］に設定される
   ことを特徴とするフローセンサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のフローセンサにおいて、
   前記渦発生体の前記第３の壁部側の側部と前記第３の壁部との間の距離をＸｃ、前記渦発生体の前記第４の壁部側の側部と前記第４の壁部との間の距離をＸｄ、前記渦発生体の幅をＷとした場合、Ｘｃ／Ｗ＞０．９及びＸｄ／Ｗ＞０．９に設定される
   ことを特徴とするフローセンサ。

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