JP5578633B2 - 広範な流動範囲とより早い応答性のための渦発生装置 - Google Patents

Description

渦列を生成して流体流動を測定する方法は、簡単で安価かつ堅牢であるが、流速範囲による制限がある。つまり、低流速においては低速応答と比較的大きな測定誤差が生じる。

合流および／または分岐流路を利用して、測定可能な渦列の生成に適した範囲に収まるように流体流速を制御する。

各渦センサ毎に異なる速度制御を行う流路を複数備えているので、非飽和状態の（測定流速が最大検知可能速度を超えていない）センサの中から最も感度の高いものを選択すれば渦センサ法の適用可能範囲を大幅に拡大することができる。応答能力を超える流体流動を測定する同一機構内のセンサは、当該基本的渦流法の堅牢な特性のおかげで損傷することはない。非飽和状態の最も感度の高いセンサを使用すれば、測定誤差および測定時間の両方を減少させることができる。測定時間が減少すれば、流動率変化に対する応答速度が上がる。

もう一つの改良点は、異なる幅あるいは形状の鈍頭物体を有する流路を複数備えることで、同一流動から複数の渦周波数を生成することができる点である。これにより、検知可能渦列の範囲が拡大する。この方法では、異なる流路の流動速度制御を任意に組み合わせることもできる。

渦流量計は容易に線形化することができ、かつ非常に堅牢である。熱線型流量計、熱膜型流量計、回転翼型流量計などの競合方法があるが、これら他の方法は渦流量計に比べてより広いダイナミック・レンジあるいはより速い応答速度を有するものの、信頼性および堅牢性において劣る。ここで記述する方法は、渦流法の堅牢性と低価格という優位性を維持する一方で、渦流量計の応答特性を上記競合方法と同等あるいはそれ以上に改良するものである。

渦流量計は内熱エンジンへ向う空気流の測定に使用するのが極一般的であるが、様々な状況下における流体の測定にも応用できる。冷却液、潤滑油およびエンジン内燃料の流動測定にも利用することができる。また、渦流量計はＨＶＡＣユニット内の燃焼空気流あるいは循環空気流の測定にも利用できる。（現在のところ、回転翼型検知器が使用されている。）さらに、水、天然ガスその他燃料など様々な流動体を運ぶパイプラインにも応用することができる。

ピストンエンジン吸気口内で渦流量計を使用する場合、その高い信頼性のおかげで相当量の燃料を節約できることが多い。一方で、競合流量計では経年劣化や不具合のため、エンジン制御器によって過剰な燃料がメーターアウトされがちである。

概要
第一流路で生成した流体流動を第一ノズルから第一流路とは異なる断面積を有する第二流路へ通し、第二流路中で第一カルマン渦列を生成する技術をここで説明する。本発明の第二の態様は、第一流路で第二カルマン渦列を生成することである。本発明のその他の態様は、様々な収束／分岐率（ノズル比）で合流する流体流動中に渦列を生成することである。流体流動は、合流／分岐に先立って異なる流路に分けられる場合もある。そのため、流体流動中で複数の渦列が直列に生成されることも、分岐した２以上の流体流動を介して並列に生成されることも、直列と並列の組み合わせで生成されることもある。

本発明では少なくとも一つの流路において、渦通過周波数およびレイノルズ数が最適範囲に収まるように流速を制御する。また、さらに２以上の流路を用意して２以上の異なる方法で流動を制御し、異なるスケーリング因子で重複応答を得る。これにより、競合流量計測方法と同等あるいはより良い誤差特性を持ち、かつ同等あるいはより広い範囲の応答を得ることができる堅牢で安価な渦流量計を実現できる。上記の特性は、競合流量計測方法を悩ませる故障モードを導入することなく実現できる。

本開示における、合流流体流動中の複数流路付き渦発生装置の特性や優位性を、実施例を用いて以下に具体的に説明する。特に、添付図面では構成ユニット等を示す参照番号付きの図表を用いてより明確に説明する。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
第一流路、第一合流または分岐ノズルと、第二流路とを備えている第一セクションに流体流動を提供することであって、該第二流路の断面積は、該第一流路の断面積とは異なる、ことと、
該第一流路から該第一ノズルを通って該第二流路に該流体流動を通過させることと、
該第二流路において第一カルマン渦列を生成することと
を包含する、方法。
（項目２）
前記第一ノズルは、前記第二流路の前記断面積が前記第一流路の前記断面積より小さいような合流ノズルであり、該第二流路における前記流体流動のレイノルズ数は、所望の値に増加させられる、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記第一ノズルは、前記第二流路の前記断面積が前記第一流路の前記断面積より大きいような分岐ノズルであり、該第二流路における前記流体流動のレイノルズ数は、所望の値に減少させられる、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記流体流動の一部分を第二セクションに向かって迂回することと、
前記第一および第二カルマン渦列が並行して生成されるように、該第二セクションにおいて第二カルマン渦列を生成することと
をさらに包含する、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記第一カルマン渦列を生成するように構成される第一鈍頭物体を前記第二流路内に配置することと、
該第一カルマン渦列に対する渦流出周波数応答を最適化する特性長に該第一鈍頭物体のサイズをスケーリングすることと
をさらに包含する、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記第二流路から第二合流または分岐ノズルを通って第三流路に前記流体流動を通過させることであって、該第三流路の断面積は、前記第一および第二流路の前記断面積とは異なる、ことと、
前記第一カルマン渦列と直列で該第三流路において第二カルマン渦列を生成することと
をさらに包含する、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記第一および第二カルマン渦列を生成するように構成される第一および第二鈍頭物体を前記第二および第三流路内に配置することと、
該第一および第二カルマン渦列に対する渦流出周波数応答を最適化する特性長に該第一および第二鈍頭物体のサイズをスケーリングすることと
をさらに包含する、項目６に記載の方法。
（項目８）
前記第一カルマン渦列の渦流出周波数を測定することと、
第二カルマン渦列の渦流出周波数を測定することであって、該第二カルマン渦列は、前記第二流路とは別のどこかで生成される、ことと
をさらに包含する、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記第一渦流出周波数と前記第二渦流出周波数とを照合することと、
該第一と第二渦流出周波数との照合に基づいて不具合があるかどうかを決定することと
をさらに包含する、項目８に記載の方法。
（項目１０）
前記流体流動の速度の測定として前記第一または第二渦流出周波数の最高使用可能周波数を選択することと、
該使用可能周波数に基づいて該流体流動の体積流量を計算することと
をさらに包含する、項目８に記載の方法。
（項目１１）
温度、圧力、および流体組成などの一つ以上の環境変数を測定することと、
前記最高使用可能周波数および該一つ以上の環境変数に基づいて前記流体流動の質量流量を計算することと
をさらに包含する、項目１０に記載の方法。
（項目１２）
前記流体流動の複数の部分を様々な断面積または同一の断面積の複数のセクションの中に迂回することであって、該セクションは、直列および／もしくは並列にまたはこれらの組み合わせで配置される、ことと、
複数のカルマン渦列を生成するために、該迂回した流体流動の部分が複数回、合流されるかまたは分岐され得るように、該複数のセクション内に複数のノズルを配置することと、
カルマン渦列を生成するように構成される複数の鈍頭物体を前記流路の合流または分岐部分内に配置することと、
該複数の鈍頭物体を用いて、複数のより多くのカルマン渦列を生成することと
をさらに包含する、項目１に記載の方法。
（項目１３）
前記第一および／または第二流路において前記流体流動を層流化することをさらに包含する、項目１に記載の方法。
（項目１４）
第一流路、第一合流または分岐ノズルと、第二流路とを含む流体流動を受け取るように構成される第一セクションであって、該第二流路の断面積は、該第一流路の断面積とは異なる、第一セクションと、
該第二流路において第一カルマン渦列を生成するように構成される第一鈍頭物体と
を備えている、装置。
（項目１５）
前記第一ノズルは、前記第二流路の前記断面積が前記第一流路の前記断面積より小さいような合流ノズルであり、該第二流路における前記流体流動のレイノルズ数を所望の値に増加させるようにさらに構成される、項目１４に記載の装置。
（項目１６）
前記第一ノズルは、前記第二流路の前記断面積が前記第一流路の前記断面積より大きいような分岐ノズルであり、該第二流路における前記流体流動のレイノルズ数を所望の値に減少させるようにさらに構成される、項目１４に記載の装置。
（項目１７）
前記流体流動の一部分を第二セクションに向かって迂回するように構成されるバイパス流路と、
前記第一および第二カルマン渦列が並行して生成され得るように、該第二セクションにおいて第二カルマン渦列を生成するように構成される第二鈍頭物体と
をさらに備えている、項目１４に記載の装置。
（項目１８）
前記第一および第二鈍頭物体のサイズは、前記第一および第二カルマン渦列に対する渦流出周波数応答を最適化する特性長にスケーリングされる、項目１７に記載の装置。
（項目１９）
前記第一および第二流路と直列の第三流路と、
該第二流路と該第三流路との間に連結される第二合流または分岐ノズルであって、該第三流路の断面積は、該第一および第二流路の断面積とは異なる、第二合流または分岐ノズルと、
該第三流路における第二鈍頭物体であって、前記第一および第二カルマン渦列が直列で生成され得るように前記第二セクションにおいて第二カルマン渦列を生成するように構成される、第二鈍頭物体と
をさらに備えている、項目１４に記載の装置。
（項目２０）
前記第一および第二鈍頭物体のサイズは、前記第一および第二カルマン渦列に対する渦流出周波数応答を最適化する特性長にスケーリングされる、項目１９に記載の装置。
（項目２１）
前記第一カルマン渦列の渦流出周波数を測定し、
第二カルマン渦列の渦流出周波数を測定することであって、該第二カルマン渦列は、前記第二流路とは別のどこかで生成される
ように構成される処理ロジックを有するセンサパッケージ
をさらに備えている、項目１４に記載の装置。
（項目２２）
前記センサパッケージは、
前記第一渦流出周波数と前記第二渦流出周波数とを照合し、
該第一と第二渦流出周波数との照合に基づいて不具合があるかどうかを決定する
ようにさらに構成される、項目２１に記載の装置。
（項目２３）
前記センサパッケージは、
前記流体流動の速度の測定として前記第一または第二渦流出周波数の最高使用可能周波数を選択し、
該使用可能周波数に基づいて該流体流動の体積流量を計算する
ようにさらに構成される、項目２１に記載の装置。
（項目２４）
前記センサパッケージは、
一つ以上の環境変数を測定し、
前記最高使用可能周波数および該一つ以上の環境変数に基づいて前記流体流動の質量流量を計算する
ようにさらに構成される、項目２３に記載の装置。
（項目２５）
前記流体流動の複数の部分を様々な断面積または同一の断面積の複数のセクションの中に迂回するように構成される一つ以上のバイパスであって、該セクションは、直列および／もしくは並列にまたはこれらの組み合わせで配置される、バイパスと、
複数のカルマン渦列を生成するために、該流体流動の部分を合流させるかまたは分岐させるように構成される、該複数のセクション内の複数のノズルと、
カルマン渦列を生成するように構成される、該複数のセクション内の三つ以上の鈍頭物体と
をさらに備えている、項目１４に記載の装置。
（項目２６）
複数のカルマン渦列の渦流出周波数を測定するように構成されるセンサパッケージをさらに備えている、項目１４に記載の装置。
（項目２７）
前記流体流動を層流化するように構成される一つ以上の層流化装置を前記第一および／または第二流路にさらに備えている、項目１４に記載の装置。
（項目２８）
実行のために一つ以上の有形的表現媒体にエンコードされたロジックであって、実行された場合、
合流または分岐された流体流動において第一カルマン渦列の第一渦流出周波数を測定し、
第二カルマン渦列の第二渦流出周波数を測定することであって、該流体流動のレイノルズ数は、該合流されたかまたは分岐された流体流動のレイノルズ数とは異なる、測定すること
を行うように動作可能である、ロジック。
（項目２９）
前記流体流動の速度の測定として前記第一または第二渦流出周波数の最高使用可能周波数を選択し、
該使用可能周波数に基づいて該流体流動の体積流量を計算する
ように構成されるロジックをさらに備えている、項目２０に記載のロジック。
（項目３０）
一つ以上の環境変数を測定し、
前記最高使用可能周波数および該一つ以上の環境変数に基づいて前記流体流動の質量流量を計算する
ようにさらに構成される、項目３４に記載のロジック。
（項目３１）
前記第一渦流出周波数を検出することは、既知の断面積の第一流路において該第一渦流出周波数を検出することを包含し、前記第二渦流出周波数を検出することは、未知の断面積の第二流路において該第二渦流出周波数を検出することとを包含し、該第一および第二渦流出周波数に基づいて該第二流路の断面積を計算するように構成されるロジックをさらに含む、項目２０に記載のロジック。
（項目３２）
前記第一渦流出周波数と前記第二渦流出周波数とを照合し、
該第一と第二渦流出周波数との照合に基づいて不具合があるかどうかを決定する
ようにさらに構成される、項目２０に記載のロジック。

図１は、渦発生装置の先行技術を示す。 図２〜図７は、本発明の実施形態による、合流または分岐セクションを用いた渦発生装置の例を示す。 図２〜図７は、本発明の実施形態による、合流または分岐セクションを用いた渦発生装置の例を示す。 図２〜図７は、本発明の実施形態による、合流または分岐セクションを用いた渦発生装置の例を示す。 図２〜図７は、本発明の実施形態による、合流または分岐セクションを用いた渦発生装置の例を示す。 図２〜図７は、本発明の実施形態による、合流または分岐セクションを用いた渦発生装置の例を示す。 図２〜図７は、本発明の実施形態による、合流または分岐セクションを用いた渦発生装置の例を示す。 図８および図９は、本発明の実施形態による、流体流動層流化装置を採用した渦発生装置の例を示す。 図８および図９は、本発明の実施形態による、流体流動層流化装置を採用した渦発生装置の例を示す。 図１０は、本発明の実施形態による、スケーリングした鈍頭物体を採用した渦発生装置の例を示す。 図１１は、本発明の実施形態による、分岐セクションを用いた渦発生装置の例を示す。 図１２は、本発明の実施形態による、渦流速センサパッケージを採用した渦発生装置の例を示す。 図１３ａおよび図１３ｂは、それぞれセンサを２つ備えた装置と３つ備えた装置で測定した体積流量の応答曲線の例を示す。 図１３ａおよび図１３ｂは、それぞれセンサを２つ備えた装置と３つ備えた装置で測定した体積流量の応答曲線の例を示す。 図１４のフローチャートは、２つの流路と合流あるいは分岐流体流動中に２つのカルマン渦列を有する装置を用いた体積流量の一般的な測定プロセス論理を示す。 図１５のフローチャートは、複数流路を用いて合流あるいは分岐流体流動中に一つのカルマン渦列を生成する一般的な方法を示す。

実施例
図１は、燃焼エンジン向け渦発生装置の先行技術を示す。装置１００は、エアフィルター、エンジン、流路１２０、鈍頭物体１３０、付随する空気流動１１０および渦列１４０から構成される。流路１２０は、断面積の判明しているチューブ、ダクト、チャンネル、セクションなどであり、図では二次元で示されている。一貫性を保つため、「セクション」という語句は最初の流体あるいはその一部が与えられた場合、「流路」という語句は、セクションの段差あるいは一部が望ましい鈍頭物体のレイノルズ数を生み出す断面積を有する場合に使用する。鈍頭物体１３０は、設計に沿った任意の形を取る。図１では、三角錐またはピラミッド型の１３０（１）、直角プリズムまたは立方体の１３０（２）、円筒形の１３０（３）、半円筒形の１３０（４）などの形が示されている。鈍頭物体は三次元の形で流体流動中に挿入されており、当業者に周知である。

空気流動１１０はセクション１２０に入ると、固有のレイノルズ数（Ｒｅ）を持つ。流体力学において、レイノルズ数とは無次元数であり、流速（慣性力）を流体粘性（粘性力）で割り、流体密度と特性長を掛けた比率である。説明のため、流体密度と特性長は議論から外す。これら装置では、レイノルズ数は０（無流量）から１０万付近までの値を取る。低レイノルズ数では、粘度特性が顕著であり流体流動は層流状態（流動がスムーズである）になりやすい。一方で高レイノルズ数では慣性力の影響が大きく、層流が乱流へと分解する。乱流はカオス流であり、流動パラメーターが確率的（非決定的）であるため、本発明では利用できない。

ここで提示する実施形態を応用した場合、多くは最大応答時間制限が存在する。実際問題として、最速応答時間は渦生成あるいは通過周波数の一周期（検知方法によっては半周期）に相当する。この一周期は当該応用装置の最大応答時間制限を越えることはない。本発明の実施形態では、特定の応用例で求められる応答時間に適合するように渦生成あるいは通過周波数を制御することが容易にできる。以下にその詳細を説明する。

セクション１２０は二次元で示されているが、チューブ、パイプ、シリンダー、矩形あるいは断面積が判明している機能的断面形状を持つ形であればよい。流体流動１１０が鈍頭物体１３０を通過する際、渦列１４０が生成される。図に示すように、鈍頭物体１３０を通過した後、渦列１４０は規則正しく、交互に、一つずつ渦の連なりとして生成される。図中の渦は、鈍頭物体１３０に対して内側に回転する渦巻きとして示されている。これらの渦は、一部が水没した柱や杭の下流にできる渦や、コーヒーを撹拌した時にできる緩いカーブを描いた跡に似ている。渦が生成される周期は、おおよそ流速に比例し、また鈍頭物体（鈍頭物体１３０のこと）の幅に反比例する。流速と断面積を掛けたものが体積流量である。鈍頭物体において生成される渦周波数、あるいは鈍頭物体からの通過周波数または流出周波数は当業者に既知のセンサによって測定される。

セクション１２０において、レイノルズ数（局所的空気流動１１０と鈍頭物体幅１３０によって決定される）は、渦列を生成するために必要な最低限の値、およそ２０から４０に達する必要がある。流動レイノルズ数が２千から２万の範囲を超えて増加する時、生成されるボルテックス系は徐々にカオス状態になっていく。そうすると、渦生成の周波数や通過周波数の測定は困難になる。そのため、レイノルズ数を適当な範囲に保つために、局所的な流体流動速度を簡単に測定できる本発明は望ましい態様といえる。

１５０に示す、第二の先行技術である渦発生装置は装置１００に似ており、空気流動１６０はセクション１７０に入るとプレート１６５によってバイパス空気流動１６０（Ｂ１）および１６０（Ｂ２）として分離される。空気流動１６０（Ｂ２）が単純に迂回して流れていくのに対し、空気流動１６０（Ｂ１）は鈍頭物体１８０を通過した後に渦列１９０を生成する。

図２には、本発明の態様に従って、合流ノズル付きの渦発生装置２００を示す。装置２００は、図１の装置とは違って、あらゆる流体流動用に一般化されており、燃焼エンジンの一部としても描かれていない。装置２００はセクション２２０、合流ノズル２２５、鈍頭物体２３０および付随する空気流動２１０と渦列２４０から構成さされる。この例では、流体流動２１０は鈍頭物体２３０を通過する前に流体流動２１０（Ｃ）に合流する。合流ノズル２２５は、流体流動２１０を加速し、それによって鈍頭物体２３０におけるレイノルズ数を増加させる。

このようにして、低すぎるレイノルズ数の空気流動が装置１００や装置１５０では検知できないのに対して装置２００では可能となる。そのため、流体流動２１０を測定あるいは検知するための流速の下限を引き下げることができるのである。センサ装置の応答曲線２５０には体積流量と出力信号の関係が示されている。流体流動２１０の体積流量、言い換えれば、レイノルズ数には最小使用可能流量と飽和点（つまり、上記で説明したとおり流動が乱流となる）がある。最小使用可能流量は必要応答時間を基に決定される。例えば、あるエンジンが燃料流動を３０ヘルツに制御する必要がある場合、渦周波数は渦周波数の測定変化が有意となるように十分高くなくてはならない。出力信号は鈍頭物体２３０によって生成される渦周波数に比例し、クロック周波数、電圧その他の当業者には既知の設計上の出力として表される。体積流量が増加するに従って、出力信号も最大使用可能流量が検知されるまで、例えば流体流動が飽和状態になるまで増加する。図中に示される応答曲線は、理想化あるいは概念化されており、正確な値ではなく、極めて単純化されている。つまり、現実世界の非線形性などは示されていない。

しかし、流体流動２１０が流体流動２１０（Ｃ）に合流するために、流体流動２１０の速度を検知することができる流速の上限もまた引き下げられる。検知可能な流体流動速度の元の上限は、以下に説明する図６に示すように第二渦発生装置を合流前の流体流動２１０中に挿入することで回復することができる。

図３には、本発明の実施形態に基づいた、分岐ノズルを有する装置３００を示す。装置３００は、セクション３２０、分岐ノズル３２５、鈍頭物体３３０、および付随する空気流動３２０と渦列３４０から構成される。この例では、流体流動３１０は鈍頭物体３３０を通過する前に流体流動３１０（Ｄ）に分岐する。

分岐ノズル３２５は、流体流動３１０を減速し、それによって鈍頭物体３３０におけるレイノルズ数を減少させる。それにより、レイノルズ数が高すぎて検知できない分岐前の空気流動３１０を装置３００では検知することができる。つまり、流体流動３１０を測定あるいは検知可能な流速の上限を上げることができる。このような装置の応答曲線を３５０に示す。さらに、流体流動３１０が流体流動３１０（Ｄ）に分岐するために、流体流動３１０の速度を検知することができる流速の下限もまた引き上げられる。検知可能な流体流動速度の元の下限は、以下に説明する図１１に示すように第二渦発生装置を分岐前の流体流動３１０中に挿入することで回復することができる。

図４に並行する二つの流路を有するセクションから構成される装置４００を示す。装置４００は、セクション４２０、合流ノズル４２５、鈍頭物体４３０（１）と４３０（２）、および付随する流体流動４１０から構成される。流体流動４１０は、バイパスプレート４６５によって流体流動４１０（Ｂ１）と４１０（Ｂ２）に分離される。流体流動４１０（Ｂ１）は合流ノズル４２５により合流して流体流動４１０（Ｃ）となり、流体流動４１０（Ｂ２）は合流せずにそのまま流れる。このような装置の流路が示す応答曲線を４７０と４８０に示す。

応答曲線４７０は、鈍頭物体４３０（１）によって生成される渦の渦流出周波数に関するもので、応答曲線４８０は鈍頭物体４３０（２）によって生成される渦の渦流出周波数に関するものである。４９０の垂直破線は、流体流動４１０（Ｃ）が飽和状態になり測定不能となったことを示す。応答曲線から分かるように、流体流動４１０（Ｃ）は４９０において飽和点に達するため、測定は信頼のおける結果が得られる流体流動４１０（Ｂ２）に移る。一般的に、最大使用可能出力信号を出力したセンサ（図には示されていない）からの測定値を、セクション／流路からの出力とするが、これは、図１に示す先行技術の測定範囲と周波数特性を大幅に上回る。これら速度センサは、正確に記録や測定する流速をはるかに上回る流速に十分耐えうる性能を持ち、合流流体流動中で動作させても損傷を受けることはない。装置４００中に示されている流路は必ずしもスケーリングの必要はなく、流体流動４１０（Ｂ１）、４１０（Ｃ）および４１０（Ｂ２）が通る流路の断面積は任意に選択することができる。

図５は、本発明の実施の態様に基づく装置５００中の三つの並行セクションを持つ渦発生装置を示す。装置５００は、セクション５２０、合流ノズル５２５と５２７、鈍頭物体５３０（１）−５３０（３）、および付随する流体流動５１０で構成される。流体流動５１０は、分離／バイパスして流体流動５１０（Ｂ１）、５１０（Ｂ２）および５１０（Ｂ３）となる。流体流動５１０（Ｂ１）は合流ノズル５２５で合流して流体流動５１０（Ｃ１）に、流体流動５１０（Ｂ２）は合流ノズル５２７で合流して５１０（Ｃ２）となり、流体流動５１０（Ｂ３）は合流することなくそのまま流れる。図から分かるように、合流ノズル５２５は合流ノズル５２７よりも高い収束率を有する。５４０において、流体流動５１０（Ｂ１）、５１０（Ｂ２）、および５１０（Ｂ３）は再合流して元の流体流動５１０を形成する。このような装置の応答曲線を５７０、５７５、５８０に示す。図４に示すように、飽和点５８５と５９０は流路間の遷移振動数の測定に利用される。装置５００中に示されたセクションでは必ずしもスケーリングの必要はなく、合流前と合流後の流体流動５１０（Ｂ１）／（Ｃ１）、５１０（Ｂ２）／（Ｃ２）および５１０（Ｂ３）の断面積は任意に選択することができる。

図６では、装置６００は装置２００に似ているが、鈍頭物体と直列に第二の鈍頭物体を有している。装置６００は、セクション６２０、合流ノズル６２５、鈍頭物体６３０（１）と６３０（２）、および付随する流体流動６１０から構成される。カルマン渦列６４０と６５０はそれぞれ鈍頭物体６３０（１）と６３０（２）によって互いに直列に生成される。このような装置の流路の応答曲線を６７０と６８０に示す。ここまでの図に示されているのと同様に飽和点６９０は流路間の遷移振動数の測定に利用される。

図７は、渦発生装置７００と７５０を本発明の実施の態様に基づいて示す。装置７００は、セクション７２０、合流ノズル７２５、鈍頭物体７３０（１）−７３０（３）、および付随する流体流動７１０から構成される。この例では、流体流動７１０は直列に並んだ三つの段差において合流し、鈍頭物体７３０（１）−７３０（３）を通過した後、それぞれ流体流動７１０（Ｃ１）−７１０（Ｃ３）となる。セクション７２０において、各段差での流路の断面積は合流ノズル７２５において減少する。（すなわち、各段差において収束率が増加する。）
装置７５０は、直列および並行な流路を有する渦発生装置であり、セクション７７０、合流ノズル７７５、鈍頭物体７８０（１）−７８０（３）、および付随する流体流動７６０から構成される。この例では、流体流動７６０は、バイパスあるいは分離して流体流動７６０（Ｂ１）と７６０（Ｂ２）となる。流体流動７６０（Ｂ１）は、鈍頭物体７８０（１）と７８０（３）を通過する前に二回連続して合流し、それぞれ流体流動７６０（Ｃ１）と７６０（Ｃ２）となる。一方、流体流動７６０（Ｂ２）は合流することなく、鈍頭物体７８０（３）を通過する。７９０において、流体流動７６０（Ｂ１）と７６０（Ｂ２）は再合流して元の流体流動７６０を形成する。図には示されていないが、当業者は流体流動７６０中の鈍頭物体７８０（１）−７８０（３）の前か後ろにもう一つ鈍頭物体を追加し得ることを理解する。

図８では、図６で示した装置６００に流体流動層流化装置８１０（１）と８１０（２）を追加した装置が示されている。層流化装置８１０（１）と８１０（２）は、乱流その他の望ましくない効果を取り除き空気流動をスムーズにする。例えば、鈍頭物体６３０（１）で生成される渦は、鈍頭物体６３０（２）で生成される渦に影響する恐れがある。（すなわち、渦列６４０と６５０間の望ましくない結合が、渦列６５０の渦周波数検知に影響を及ぼす可能性がある。）このような望ましくない影響を取り除くために、層流化装置８１０（２）を鈍頭物体６３０（１）と鈍頭物体６３０（２）の間に設置する。

流動２１０を層流化する技術として当業者には、連続気泡発泡体８１０（Ｆ）やフリットプレート（図には示されていない）、篩材料または格子８１０（Ｇ）、ハニカム８１０（Ｈ）のような多孔質材を流動中に追加するなどの方法が知られている。流体流動８１０を層流化する技術を使用する際には、渦列６４０に対してスケーリング効果があることを考慮しなくてはならない。例えば、ハニカム８１０（Ｈ）を構成する各六角形のサイズは渦列６４０の個々の渦よりも小さくなくてはならない。図９では、装置６００の合流流路中に図８の層流化装置８１０（２）が設置されている。

図１０では、スケーリングした鈍頭物体を有する渦発生装置１０００の例を示す。鈍頭物体１０１０は特性長ｌ_１に、鈍頭物体１０２０は特性長ｌ_２にスケーリングされている。鈍頭物体１０１０をスケーリングすることで、鈍頭物体１０２０によって生成される渦列１０５０より大きく、より間隔を開けた渦列１０４０を生成する。このようなスケーリング効果によって、渦流出周波数および装置１０００の測定範囲を調節することができる。当業者が認識するように、ここで示す技術を使用すれば、複数のセクションにおける鈍頭物体および／または合流／分岐率をスケーリングすることによって、渦生成あるいは渦通過周波数を、特定の装置ごとに求められる応答時間に適合させることができる。

図１１は、分岐ノズルを有する渦発生装置１１００を示す。装置１１００は、セクション１１２０、分岐ノズル１１２５、鈍頭物体１１３０（１）と１１３０（２）、および付随する空気流動１１２０、渦列１１４０と１１５０から構成される。この例では、流体流動１１００は鈍頭物体１１３０（２）を通過する前に流体流動１１１０（Ｄ）に分岐する。分岐ノズル１１２５は、流体流動１１１０が流体流動１１１０（Ｄ）に「拡大」するにつれて、これを減速する。

図１２は、センサパッケージ付きの渦発生装置１２００のブロック図である。この装置は、複数流路付き渦周波数検知および質量流量演算処理ロジック１４００を実装している。装置１２００は、センサ１２１０（１）と１２１０（２）、インターフェース部１２２５、データ処理装置１２３０、すなわちマイクロプロセッサ、マイクロコントローラーなど、およびメモリ１２４０またはその他のデータおよび／またはここで説明する技術で使用する命令データなどを保存するデータ保存ブロックを備えた処理ユニットまたはモジュール１２２０を含む。インターフェース部は、信号の交換および／またはセンサ１２１０（１）と１２１０（２）に電力を供給する。メモリ１２４０はプロセッサ１２３０から分離しているかその一部となっている。複数流路付き渦周波数検知および質量流量演算処理ロジック１４００の実行命令はメモリ１２４０に保存され、プロセッサ１２３０によって実行される。プロセスロジック１４００によって装置１２００はそこを通過する流動の流速や質量流量を測定することができる。プロセスロジック１４００は図１４と連動して示されている。

プロセッサ１２３０の機能は、命令をエンコードした読取り可能な有形的表現媒体プロセッサあるいは一以上の有形的表現媒体においてエンコードされたロジック（すなわち、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）命令、プロセッサ実行ソフトウェアなどの組込みロジック）によって実現される。その際、メモリ１２４０はここで説明されている演算や機能に使用されるデータを記憶する。（また／あるいは、ここで説明する演算や機能を実行するためのソフトウェアやプロセッサ命令も記憶する。）このように、プロセスロジック１４００には、固定ロジックあるいはプログラマブルロジック（すなわち、プロセッサあるいはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）あるいはチップ上のシステムによって実行される、ソフトウェア／コンピューター命令）が実装されている。

センサ１２１０（１）と１２１０（２）は、各渦列の渦流出周波数を検出、検知し、あるいは測定するように構成されている。センサ１２１０（１）と１２１０（２）はまた、温度や圧力などの環境変数を測定するようにも構成されている。センサ１２１０（１）と１２１０（２）からのデータを使用して、プロセスロジック１４００は装置１２００を通過する流動の速度や質量流量を測定する。装置１２００を通過する流動の速度や質量流量を測定したら、モジュール１２２０はその情報を燃料管制装置や冷暖房空調設備の空気流動ステータスインジケーター等に中継あるいは送信する。

図１２に続く図１３ａは、二つのセンサを有する渦発生装置の応答曲線の例を示す。１３１０は、直列または並列の二つのセンサを有する装置の応答曲線１と２を示す。この応答曲線は図４と図６において示された応答曲線と似ている。一例として、応答曲線１はセンサ１２１０（２）に関わる出力に対応し、応答曲線２はセンサー１２１０（１）に関わる出力に対応する。体積流量が増加するに従って、図１３ａの垂直破線に示された地点においてセンサ１２１０（２）が先に飽和状態になることに注意を要する。１３２０は、装置全体、つまり装置１２００の結合応答曲線を示す。１３３０は、プロセッサ１２３０またはモジュール１２２０その他の電気回路（図には示されていない）によって、電子的あるいはコンピュータ的に線形化された結合応答曲線を示す。

図１３ｂは、三つのセンサを有する渦発生装置の応答曲線の例を示す。１３４０は、直列および／または並列の三つのセンサを有する装置の応答曲線１、２、３を示す。この応答曲線は図５の応答曲線、または図７に示された関連装置における応答曲線と似ている。体積流量が増加するに従って、図１３ｂの垂直破線に示された地点において応答曲線１に関連するセンサが最初に飽和状態となり、応答曲線２に関連するセンサがその後に続くことに注意を要する。１３５０は、装置全体の結合応答曲線を示す。１３６０は、上記で説明したように電子的あるいはコンピュータ的に線形化された結合応答曲線を示す。図１３ａと１３ｂで示されたのはそれぞれ二つまたは三つのセンサを有する例であるが、ここで説明する技術はセンサが何個であっても応用可能である。また応答曲線から分かるように、装置の周波数応答は設計基準や制約に適合するように容易に調節可能である。図１３ａおよび１３ｂは、応答曲線の例であり、必ずしもスケーリングや線形化が必要なわけではない。

図１４は、複数流路付き渦周波数検出ロジックおよび質量流量演算処理ロジック１４００を示す。一以上の有形的表現媒体において実行用にエンコードされたロジックが、１４１０において実行可能状態になると、合流あるいは分岐した流体流動中の第一カルマン渦列の第一渦流出周波数を測定し、１４２０において第二カルマン渦列の第二渦流出周波数を測定する。第二カルマン渦列の流体流動のレイノルズ数は、合流あるいは分岐した流体流動のレイノルズ数とは異なる。１４３０は、第一あるいは第二渦流出周波数の最大使用可能周波数が流体流動速度の測定値として選択されることを示す。１４４０は、流体流動の体積流量が最大使用可能周波数に基づいて計算されることを示す。最大使用可能周波数や一以上の環境変数を利用して一以上の環境変数を測定したり、流体流動の質量流量を計算したりする場合、さらにロジックが必要となる場合がある。

第一渦流出周波数を検知することが、断面積が既知である第一流路中の第一渦流出周波数を検知することを含み、第二渦流出周波数を検知することが、断面積が不明である第二流路中の第二渦流出周波数を検知することを含み、第一および第二渦流出周波数に基づいて第二流路の断面積を計算するロジックがさらに提供される。

当該ロジックではさらに、第一渦流出周波数と第二渦流出周波数とを照合して装置に不具合がないかを確認する。

図１５は、複数流路を有する合流または分岐流体流動中にカルマン渦列を生成する方法を一般的に説明している。１５１０は、第一流路、第一合流ノズルまたは第一分岐ノズル、および第二流路から成る第一セクションに第一流体流動を起こすこと、その際第二流路の断面積は第一流路の断面積とは異なることを示す。１５２０は、流体流動を第一流路から第一ノズルを介して第二流路へ通すことを説明する。１５３０は、第二流路中に第一カルマン渦列を生成することを示す。

上記の説明と図によって示される実施の態様は、より広範な流動範囲とより早い応答性を実現するための、数ある渦発生装置の実装方法のうちの一つに過ぎない。

合流流体流動を利用した、単一流路付き渦発生装置、直列流路付き渦発生装置、並列流路付き渦発生装置の例を数個挙げたが、これらに限られるものではない。実施例から、実装する渦発生装置の数には制限が無いことは明らかである。渦発生装置は直列あるいは並列のあらゆる配置方法が可能である。渦発生装置間には相互に空間を空けることが可能である。分離した流体流動に対する流路の断面積の組み合わせは自由に実装することができる。ノズルの収束率も任意である。このように、カルマン渦列を合流流体流動中に生成するという概念を逸脱することなく、渦発生の組み合わせを自由に実装することができる。

例では、燃焼エンジン中の空気流動速度の測定に渦発生装置を使用している。実際には、これらの例に限定されるものではない。流体流動測定は、あらゆる応用事例や利用分野において重要である。例えば、ここで説明された渦列発生技術は、：
ジェット燃料やジェットエンジンへの燃料流量測定、燃料タンク間の燃料流量測定、あるいは漏れ検出のための燃料経路の行きと帰りの燃料流量の比較測；
水素、酸素、ヒドラジン、ケロシンなどの燃焼室への流量測定；
強制的に起こした空気流動を使用して、暖房、換気、空気調節（ＨＶＡＣ）システムにおける空気流動の測定；あるいは
油圧油の漏れ検出
などに利用される。

ここでは、当該装置、ロジックおよび方法を複数の実装例を通して図解し説明しているが、その詳細についてここに示されているものに限定される意図はない。本発明の特許請求の範囲の記載内容と同等の範囲に含まれる、装置、ロジックおよび方法を逸脱することなく、様々な修正や構造的変更が加えられる可能性があるからである。従って、特許請求の範囲を広く、かつ以下の特許請求の範囲で記述される装置、ロジックおよび方法の範囲と一致するように解釈することが適当である。

Claims (31)

1. 複数の流路を備える固定ジオメトリの装置に流体流動を提供することと、
   該複数の流路のうちの少なくとも２つの流路の各々において少なくとも１つのカルマン渦列を生成することと、
   該複数のカルマン渦列のうちの２つ以上の渦列の渦流出周波数および／または渦通過周波数を測定することと
   を包含する、方法。
2. 第一流路の断面積は、分岐または合流ノズルを経由して第二流路の断面積に対してスケーリングされ、該第二流路における前記流体流動のレイノルズ数は、所望の値に減少または増加させられ、生成することは、該第一流路における第一カルマン渦列と、該第二流路における第二カルマン渦列とを生成することを包含する、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の流路のうちの２つの流路は、直列であり、生成することは、第一カルマン渦列を生成することと、該第一カルマン渦列と直列の第二カルマン渦列を生成することとを包含する、請求項１に記載の方法。
4. 前記複数の流路のうちの２つの流路は、並列であり、生成することは、第一カルマン渦列を生成することと、該第一カルマン渦列と並列の第二カルマン渦列を生成することとを包含する、請求項１に記載の方法。
5. 生成することは、異なる幅の鈍頭物体を用いて前記複数のカルマン渦列を生成することを包含する、請求項１に記載の方法。
6. 前記複数の流路のうちの第一および／または第二流路の断面積をスケーリングすることであって、それにより、該流路の断面積のスケーリングが、該第一および／または第二流路のぞれぞれの中に生成された第一および／または第二カルマン渦列に対する渦流出および／または通過周波数を最適化する、ことをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
7. 第一渦流出および／または通過周波数と第二渦流出および／または通過周波数とを照合することと、
   該第一ならびに第二渦流出および／または通過周波数の照合に基づいて不具合があるかどうかを決定することと
   をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
8. 第一または第二カルマン渦列の最高使用可能渦流出周波数、渦通過周波数、および最良応答時間のうちの一つ以上を選択することと、
   該最高使用可能渦流出周波数、渦通過周波数、および／または該最良応答時間に基づいて前記流体流動の体積流量を計算することと
   をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
9. 温度、圧力、および流体組成のような一つ以上の環境変数を測定することと、
   前記最高使用可能周波数および該一つ以上の環境変数に基づいて前記流体流動の質量流量を計算することと
   をさらに包含する、請求項８に記載の方法。
10. 前記流体流動の部分を前記複数の流路にわたって迂回することであって、該複数の流路は、様々な断面積または同一の断面積の流路を含み、該流路は、直列および／もしくは並列にまたはこれらの組み合わせで配置されている、ことと、
    複数のカルマン渦列を生成するために、該迂回した流体流動の部分が合流されるかまたは分岐され得るように、該複数の流路内に複数のノズルを配置することと、
    カルマン渦列を生成するように構成された複数の鈍頭物体を該流体流動の合流または分岐部分内に配置することと、
    該複数の鈍頭物体を用いて、複数のより多くのカルマン渦列を生成することと
    をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
11. 前記流路のうちの一つ以上において前記流体流動を層流化することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
12. 固定ジオメトリに配置された複数の流路と、
    少なくとも第一および第二カルマン渦列を生成するように構成された複数の鈍頭物体と、
    該第一カルマン渦列の渦流出周波数および／または渦通過周波数を測定するように構成された第一センサと、
    該第二カルマン渦列の渦流出周波数および／または渦通過周波数を測定するように構成された第二センサと
    を備えている、装置。
13. 第一流路の断面積は、分岐または合流ノズルを経由して第二流路の断面積に対してスケーリングされ、該第二流路における流体流動のレイノルズ数が、所望の値に減少または増加させられる、請求項１２に記載の装置。
14. 少なくとも２つの鈍頭物体は、一つ以上の流路内において互いに直列である、請求項１２に記載の装置。
15. 鈍頭物体を備える第一流路と、鈍頭物体を備える第二流路とは、並列である、請求項１２に記載の装置。
16. 第一鈍頭物体の幅は、第二鈍頭物体と異なる幅にスケーリングされている、請求項１２に記載の装置。
17. 前記第一および第二鈍頭物体の幅は、前記第一および第二カルマン渦列に対する渦流出および／または通過周波数応答を最適化する特性長にスケーリングされている、請求項１６に記載の装置。
18. 前記第一渦流出および／または通過周波数と前記第二渦流出周波数とを照合することと、
    該第一ならびに第二渦流出および／または通過周波数の照合に基づいて前記装置内に不具合があるかどうかを決定することと
    を行うように構成されたプロセッサをさらに備えている、請求項１２に記載の装置。
19. 前記第一または第二渦流出および／または通過周波数の間に最高使用可能周波数および最良応答時間のうちの一つ以上を選択することと、
    該最高使用可能周波数および／または該最良応答時間に基づいて前記流体流動の体積流量を計算することと
    を行うように構成されたプロセッサをさらに備えている、請求項１２に記載の装置。
20. 一つ以上の環境変数を測定することと、
    前記最高使用可能周波数および／または前記最良応答時間、および該一つ以上の環境変数に基づいて前記流体流動の質量流量を計算することと
    を行うように構成されたプロセッサをさらに備えている、請求項１９に記載の装置。
21. 前記流体流動の部分を様々な断面積または同一の断面積の前記複数の流路の中に迂回するように構成された一つ以上のバイパスであって、該複数の流路は、直列および／もしくは並列にまたはこれらの組み合わせで配置されている、バイパスと、
    複数のカルマン渦列を生成するために、該流体流動の部分を合流させるかまたは分岐させるように構成されている、該複数のセクション内の複数のノズルと、
    カルマン渦列を生成するように構成されている、該複数のセクション内の三つ以上の鈍頭物体と
    をさらに備えている、請求項１２に記載の装置。
22. 複数のカルマン渦列の前記渦流出および／または通過周波数を測定するように構成されたセンサパッケージをさらに備えている、請求項１２に記載の装置。
23. 前記流体流動を層流化するように構成された一つ以上の層流化装置を前記複数の流路にさらに備えている、請求項１２に記載の装置。
24. 実行のために一つ以上の有形的表現媒体にエンコードされたロジックであって、実行された場合、
    流体流動において第一カルマン渦列の第一渦流出および／または通過周波数を測定することと、
    該流体流動において第二カルマン渦列の第二渦流出および／または通過周波数を測定することと
    を行うように動作可能であり、該第一および第二渦流出および／または通過周波数を測定するロジックは、固定ジオメトリに配置された複数の流路を備える装置内のロジックを含む、ロジック。
25. 前記第一または第二渦流出および／または通過周波数の間に最高使用可能周波数および最良応答時間のうちの一つ以上を選択することと、
    該最高使用可能周波数および／または該最良応答時間に基づいて前記流体流動の体積流量を計算することと
    を行うように構成されたロジックをさらに備えている、請求項２４に記載のロジック。
26. 一つ以上の環境変数を測定することと、
    前記最高使用可能周波数および／または前記最良応答時間、および該一つ以上の環境変数に基づいて前記流体流動の質量流量を計算することと
    を行うように構成されたロジックをさらに備えている、請求項２４に記載のロジック。
27. 前記第一渦流出および／または通過周波数を測定するように構成された前記ロジックは、既知の断面積の第一流路において該第一渦流出および／または通過周波数を測定するように構成されたロジックを備え、前記第二渦流出および／または通過周波数を測定するように構成された前記ロジックは、未知の断面積の第二流路において該第二渦流出および／または通過周波数を測定するように構成されたロジックを備え、該第一および第二渦流出および／または通過周波数に基づいて該第二流路の断面積を計算するように構成されたロジックをさらに備えている、請求項２４に記載のロジック。
28. 前記第一渦流出および／または通過周波数と前記第二渦流出および／または通過周波数とを照合することと、
    該第一ならびに第二渦流出および／または通過周波数の照合に基づいて不具合があるかどうかを決定することと
    を行うように構成されたロジックをさらに備えている、請求項２４に記載のロジック。
29. 前記複数の流路を横切る前記流体流動を検知するために、一つ以上の鈍頭物体を通過した流動速度および／またはレイノルズ数を区別することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
30. 前記複数の流路を横切る前記流動を検知するために、一つ以上の鈍頭物体を通過した渦流出および／または渦通過周波数を区別することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
31. 検知流路を通して前記流体流動の一部を通過させるように構成された並列の一つ以上のバイパス流路を使用して、前記複数の流路を横切る検知された流体流動の範囲を拡大することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。