超音波流量計
【課題】 高温下でも使用可能で特性変化の生じにくい超音波流量計を提供する。
【解決手段】 超音波流量計10は、流路2Rを構成する流路壁部2を有する流量計本体1と、送波及び受波を行う超音波トランスデューサ5,6と、シート体7,8とを有する。流量計本体1は、流路2Rに面する超音波透過流路面3A,4A、及びこれと対向し外側を向く超音波透過外側面3B,4Bとをなす超音波透過壁部3,4を一対含む。シート体7,8は、超音波透過外側面3B,4Bと超音波トランスデューサ5,6の超音波振動面5A,6Aとの間にそれぞれ介在し圧縮されてなり、シリコーンゲル組成物を主体とするシート形状のゲル状弾性体からなる。このシート体7,8は、所定の特性を有し、超音波流量計10は、シート体7,8自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用される。
【解決手段】 超音波流量計10は、流路2Rを構成する流路壁部2を有する流量計本体1と、送波及び受波を行う超音波トランスデューサ5,6と、シート体7,8とを有する。流量計本体1は、流路2Rに面する超音波透過流路面3A,4A、及びこれと対向し外側を向く超音波透過外側面3B,4Bとをなす超音波透過壁部3,4を一対含む。シート体7,8は、超音波透過外側面3B,4Bと超音波トランスデューサ5,6の超音波振動面5A,6Aとの間にそれぞれ介在し圧縮されてなり、シリコーンゲル組成物を主体とするシート形状のゲル状弾性体からなる。このシート体7,8は、所定の特性を有し、超音波流量計10は、シート体7,8自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動する流体中に超音波を伝搬させ、その伝搬時間に基づいてこの流体の流量を検知する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体や液体等の流体の流量を検知するのに、超音波を用いる超音波流量計が知られている(特許文献１参照）。この特許文献１には、液体が内側に流される流路構成壁14に一対の超音波センサ30,30が取り付けられ、それら超音波センサ30の間で送受波される超音波の伝播時間に基づいて液体の流量を計測する超音波流量計10が開示されている。そして、薄肉底壁25と超音波センサ30の振動面36(底壁42）との間には、シリコーン系のグリス37が塗布されて、両面の密着度が向上されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００５−３３８０５５号公報（第６〜７頁、図１，図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、超音波流量計として、例えば、高温（６０〜２００℃）の流体の流量を計測したい場合など、高温下で超音波流量計を使用したい場合がある。
しかるに、この特許文献１に記載の超音波流量計では、グリスも高温に晒されることとなるが、グリス中の油分が固形分と分離して流れ出て、その特性が変化し、密着性が低下するなどの不具合が生じる。また、水分を含む湿潤ゲルを用いた場合には、水分の蒸発や溶剤成分の揮発による特性劣化が生じる。
また、グリスや湿潤ゲルを用いる場合には、均一に塗布するのが難しい。さらに、超音波トランスデューサの超音波振動面と、流量計本体の流路を構成する流路壁部のうちの超音波透過壁部との間を密着させるべく、グリス等を圧縮することになる。しかるに、グリス等は弾性（復元性）がないため、高温下あるいは繰り返しの温度変化により、圧縮力が変化すると、経時的にグリス等の形態に変形を生じ、密着性の低下、およびこれに伴う超音波流量計の特性変化を生じやすい。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、高温下でも使用可能で特性変化の生じにくい超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様は、流体が流される流路を構成する流路壁部を有する流量計本体であって、上記流路壁部の一部をなし、超音波を透過させる板状の超音波透過壁部であって、上記流路に面する超音波透過流路面、および、上記超音波透過流路面と対向し外側を向く超音波透過外側面とをなす超音波透過壁部を一対含む流量計本体と、上記流体に向けての上記超音波透過壁部を通した上記超音波の放射と上記流体からの上記超音波透過壁部を通した上記超音波の受波とを行う、一対の超音波トランスデューサであって、上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面に対向して配置され、上記超音波振動する超音波振動面を有する一対の超音波トランスデューサと、上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面と上記超音波トランスデューサの上記超音波振動面との間にそれぞれ介在し圧縮されてなり、シリコーンゲル組成物を主体とするシート形状のゲル状弾性体からなるシート体であって、上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面及び上記超音波トランスデューサの上記超音波振動面に密着してなり、非圧縮時の厚みが０．２〜２．０ｍｍであり、硬度が、４０〜９０（JIS K2207 針入度，1／10mm）であり、伸びが、１００〜４００％（JIS K6429）であるシート体と、を備え、上記シート体自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計である。
【０００７】
この超音波流量計では、流量計本体の超音波透過壁部の超音波透過外側面と、超音波トランスデューサの超音波振動面との間に、これらに圧縮されたシート体を備える。このシート体は、ゲル状弾性体からなり、圧縮に対して反発し、超音波透過外側面および超音波振動面に密着するため、これらの面の間で、超音波を確実に伝えることができ、超音波流量計の特性を良好にすることができる。
しかも、このシート体は、シート形状を有しているので、特許文献１のような不定形のゲルやパテなどを用いた場合と異なり、形状を保ち、しかもこれらを圧縮する圧縮力が変化しても弾性変形して、超音波透過外側面と超音波振動面との間での密着を容易に保つことができ、特性の変化を生じにくい。
さらに、このシート体は、シリコーンゲル組成物を主体としたゲル状弾性体であるので、耐熱性が高く、高温での連続使用が可能である。このため、高温の流体を流路に流したり、高温環境下で使用したりすることで、シート体自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用し続けた場合でも、シリコーンゲルのように油分の分離が生じない。なお、この超音波流量計に用いるシート体としては、その使用温度範囲が、超音波流量計の使用中に達するシート体自身の温度以上の特性を有するシート体を用いると良い。
【０００８】
また、この超音波流量計は、高温環境下で使用されるが、組み立て時の温度（常温）と、使用時の温度とが大きく異なる。このため、温度変化時に生じる、流量計本体の超音波透過外側面をなす超音波透過壁部と、超音波トランスデューサの超音波振動面をなす部位との熱膨張係数の差異や、温度変化に伴う変形などにより、シート体にかかる圧縮力は変化したり不均一が生じうる。
これに対し、この超音波流量計では、シート体に、厚みが０．２〜２．０ｍｍで、硬度を適度の硬さ（４０〜９０）で、伸びが大きく（１００〜４００％）、反発力を有するものを用いている。このため、上述の変形を適切に吸収して、シート体の特性劣化（硬度の上昇、密着性の低下、シート体の亀裂など）による、超音波透過外側面および超音波振動面との間の超音波伝搬状態の変化に伴う、超音波の伝搬状況の変化が起こり難く、高温環境下に長期間あるいは繰り返し曝しても、適切に使用可能で、超音波流量計の特性変化を生じにくい。
【０００９】
なお、超音波流量計としては、例えば、流路を挟む一対の超音波透過壁部、および、これらにそれぞれ取り付けられ、超音波の流路への送波を行う超音波トランスデューサと、流路を透過した超音波の受波を行う別の超音波トランスデューサとを１つずつ(一対)有するものが挙げられる。
この超音波流量計に流す流体としては、水、薬液、溶剤等の液体や、水素、酸素などの気体が挙げられる。
また、流量計本体、特に流路壁部をなす部位の材質としては、金属、セラミック、樹脂など流体の反応性や温度などに応じて、適宜選択することができる。
また、超音波トランスデューサは、超音波透過壁部への超音波の送波、または、超音波透過壁部からの超音波の受波を行いうるものである。具体的には、圧電素子、電歪素子などの超音波振動を用いたものが挙げられる。
さらに、シート体は、シリコーンゲル組成物を主体とするシート形状のゲル状弾性体である。シリコーンゲル組成物を主体としているので、耐熱性が高く、例えば、使用温度範囲が１５０℃あるいは２００℃に達するものを用いることができる。例えば、株式会社タイカ製のλゲル（商標名：COH-1002(使用温度範囲-40〜150℃)，COH-4000(使用温度範囲-40〜200℃)）などが挙げられる。
なお、自身の表面が粘着性を有するシート体を用いると、温度変化に伴う、変形による密着性の変化が少なくなり、より好ましい。
また、超音波流量計の使用温度として、さらに高温で使用するものに適用するのが好ましく、シート体自身の温度が８０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計とするのが好ましい。さらには、シート体自身の温度が１２０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計とすると良い。
【００１０】
さらに、上述の超音波流量計であって、前記シート体は、フィラー粒子を含み、上記超音波トランスデューサで用いる前記超音波の周波数をｆ(Hz)とし、上記シート体中の音速をＶｓ(m/s)とし、上記フィラー粒子の平均粒子径をＤ(m)としたとき、πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２ を満たす超音波流量計とすると良い。
【００１１】
この超音波流量計では、熱伝導性、特性安定性、硬度などを改善するため、シート体をフィラー粒子を含むものとすることが出来る。
一方、その平均粒子径Ｄと、超音波の周波数ｆおよびシート体における音速Ｖｓが、πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２を満たす関係とする。これにより、シート体に含まれるフィラー粒子による超音波の反射や減衰を抑制することができる。
なお、πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２ とするのが好ましいのは、以下の理由による。
上式の両辺にｆ／Ｖｓを乗ずると、πＤ＜１／２・Ｖｓ／ｆとなる。Ｖｓ／ｆは、シート体中での超音波の実効波長λに相当する。一方、πＤは、フィラー粒子の周長（円周）に相当する。フィラー粒子の周長が、シート体中での超音波の実効波長λの１／２よりも大きなフィラー粒子を用いた場合（πＤ＞λ／２＝１／２・Ｖｓ／ｆの場合）、超音波はフィラー粒子で散乱されやすい。また、フィラー粒子の周長が、シート体中での超音波の実効波長λの１／２にほぼ等しい場合（πＤ＝λ／２＝１／２・Ｖｓ／ｆの場合）、フィラー粒子の表面を回る形態の共振が起こり、エネルギーロスによる超音波の吸収（減衰）が起こりやすくなると考えられる。
従って、πＤ＜λ／２、即ち、πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２とすると良い。
【００１２】
フィラー粒子の材質としては、例えば、シリカ，窒化珪素，アルミナ，水酸化アルミニウム，窒化アルミニウムなどのセラミック粒子、アルミニウム，銅などの金属粒子、ＰＴＦＥ，ＰＥ等の樹脂粒子を添加することができる。
【００１３】
なお、より好ましくは、πＤ・ｆ／Ｖｓ＜０．２とするのが好ましい。シート体中での超音波の実効波長λに対して、フィラー粒子の粒径をより小さくすることで、さらに、超音波の散乱、吸収を抑制できるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態にかかる超音波流量計の構造を示す断面図である。
【図２】本実施形態にかかる超音波流量計のうち、超音波トランスデューサの近傍の構造を示す、部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態を、図１，図２を参照して説明する。本実施形態の超音波流量計１０は、主として、流量計本体１、一対の超音波トランスデューサ５，６、および、これら流量計本体１と超音波トランスデューサ５，６との間に介在するシート体７，８からなる。このうち、流量計本体１は、耐熱性を有するフッ素樹脂（例えば、ＰＦＡ）からなり、図１に示すように、図中左右方向に長い形態を有する。この流量計本体１内には、流路壁部２により、流路２Ｒが構成されている。具体的には、図中上下方向に延びる導入路２ＲＡ，２ＲＣと、この間に位置し、導入路２ＲＡ，２ＲＣよりも長く、図中左右方向に延びる測定路２ＲＢとからなる、コ字状に折り曲げられた流路２Ｒが構成されている。この流路２Ｒには、６０〜２００℃（本実施形態では約１６０℃）の温度の液体Ｌが矢印で示すように流通される。
【００１６】
この流量計本体１の流路壁部２のうち、測定路２ＲＢの軸線２ＲＢＸに直交する部位は、次述する超音波透過壁部３，４とされている。この超音波透過壁部３，４は、それぞれ流路２Ｒに面する超音波透過流路面３Ａ，４Ａと、この裏面にあたり、外側（図中、左あるいは右方向）を向く超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂとをなす、円板形状を有している。この超音波透過壁部３，４の軸線２ＲＢＸ方向の外側（図１中、超音波透過壁部３の左側、超音波透過壁部４の右側）には、後述するシート体７，８および超音波トランスデューサ５，６を収容する収容凹部１Ｓ，１Ｓが形成されており、上述した超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂが、この収容凹部１Ｓ，１Ｓにそれぞれ面している。
【００１７】
この収容凹部１Ｓ，１Ｓ内のうち、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂの軸線２ＲＢＸ方向の外側（図１中、超音波透過壁部３の左側、超音波透過壁部４の右側）には、円板状のシート体７，８がそれぞれ配置されている。
このシート体７，８は、いずれも、シリコーンゲル組成物を主体とするシート形状のゲル状弾性体からなる。具体的には、例えば、非圧縮時の厚みが０．２〜２．０ｍｍ（例えば０．５ｍｍ）の株式会社タイカ製のλゲル（商標名：COH-4000）を用いる。なお、このシート体７，８の、硬度は７０（JIS K2207 針入度，1／10mm）、伸びは１６０％（JIS K6429）である（実施例１）。さらにこのシート体７，８は、使用温度範囲が−４０〜２００℃であり、広い温度範囲、特に高温環境下で使用可能である。
また、このシート体７，８の２つの表面（内側面７Ａ，８Ａ、および外側面７Ｂ，８Ｂ）は、いずれも粘着性である。
【００１８】
さらに、このシート体７，８の軸線２ＲＢＸ方向の外側には、超音波トランスデューサ５，６が配置されている。詳細を図示しないが、これら超音波トランスデューサ５，６は、いずれも、銅からなる有底円筒形状の金属ケースの内側底部に、シリカからなる薄板状の整合層を介して、円板状の圧電セラミックが貼り付けられ、リード線５Ｌ，６Ｌを開口側に取り出すと共に、バック材を介してエポキシ樹脂で金属ケースの開口を封口したものである。
【００１９】
これら超音波トランスデューサ５，６は、シート体７および超音波透過壁部３，４を介して、流路２Ｒのうち測定路２ＲＢに超音波（実施例１では、周波数ｆ＝１．５ＭＨｚ）を放射し、或いは測定路２ＲＢからの超音波を受波するものであり、自身の軸線が、測定路２ＲＢの軸線２ＲＢＸに一致するように、また、収容凹部１Ｓ内に配置されている。また、互いに内側を向いて対向し、超音波を放射／受波する超音波振動面５Ａ，６Ａが、測定路２ＲＢの軸線２ＲＢＸに直交するように、配置されている。
この超音波流量計１では、このようにして、超音波トランスデューサ５から放射された超音波を、超音波トランスデューサ６で受波するのと、これとは逆に超音波トランスデューサ６から放射された超音波を、超音波トランスデューサ５で受波するのとでは、、送波から受波までの時間に差があり、その大きさが測定路２ＲＢ中を流れる液体Ｌの流速、従って流量の影響を受けることを利用して、液体Ｌの流量を検知する。
【００２０】
超音波トランスデューサ５，６は、いずれもリード線５Ｌ，６Ｌを有しており、これらは、流用計本体１に設けられたリード取り出し部１Ｌを通じて、外部に取り出されている。
また、超音波トランスデューサ５，６の外側には、それぞれ、バネ材１１を介して、押さえ蓋１２が配置されており、この押さえ蓋１２を収容凹部１Ｓに螺着して、波ワッシャーからなるバネ材１１によって、超音波トランスデューサ５，６およびシート体７，８をそれぞれ内側に向けて付勢することで、超音波透過壁部３Ａ，４Ａと、シート体７，８と、超音波トランスデューサ５，６とを、互いに密着させている。
具体的には、図２に示すように、超音波透過壁部３Ａの超音波透過外側面３Ｂとシート体７の内側面７Ａとが密着し、シート体７の外側面７Ｂと超音波トランスデューサ５の超音波振動面５Ａとが密着している。同様に、超音波透過壁部４Ａの超音波透過外側面４Ｂとシート体８の内側面８Ａとが密着し、シート体８の外側面８Ｂと超音波トランスデューサ６の超音波振動面６Ａとが密着している。
【００２１】
この超音波流量計１０では、前述したように６０〜２００℃（具体的には、１６０℃）の液体Ｌを流路２に流すのであるが、これにより、シート体７，８自身の温度も５０〜２００℃（本実施形態では、５０〜１６０℃）に達する。
しかしながら、シート体７，８として、前述の特性を有するシート形状のゲル状弾性体を用いているので、高温下でも使用可能で特性変化の生じにくい超音波流量計１とすることができる。
即ち、この超音波流量計１０では、流量計本体１の超音波透過壁部３，４の超音波透過外側面３Ａ，４Ａと、超音波トランスデューサ５，６の超音波振動面５Ａ，６Ａとの間に、これらに圧縮されたゲル状弾性体からなるシート体７，８を備える。このシート体７，８は、それぞれゲル状弾性体であり、圧縮に対して反発し、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂおよび超音波振動面５Ａ，６Ａに密着するため、これらの面の間で、超音波を確実に伝えることができ、超音波流量計１０の特性を良好にすることができる。
しかも、このシート体７，８は、シート形状を有しているので、特許文献１のような不定形のゲルやパテなどを用いた場合と異なり、形状を保つことができる。しかも、昇温や降温の際の熱膨張の違いなどによって、これらを圧縮する圧縮力が変化しても、弾性変形して、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂと超音波振動面５Ａ，６Ａとの間での密着を容易に保つことができ、特性の変化を生じにくい。
さらに、このシート体７，８は、シリコーンゲル組成物を主体としているので、耐熱性が高く、高温での連続使用が可能である。このため、高温の液体Ｌを流路２に流して、シート体７，８自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用し続けた場合でも、シリコーンゲルのように油分の分離が生じない。
【００２２】
また、この超音波流量計１０は、高温環境下で使用されるが、組み立て時の温度（常温）と、使用時の温度とが大きく異なる。このため、温度変化時に生じる、流量計本体１の超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂをなす超音波透過壁部３，４と、超音波トランスデューサ５，６の超音波振動面５Ａ，６Ａをなす部位との熱膨張係数の差異や、温度変化に伴う変形などにより、シート体７，８にかかる圧縮力は変化したり不均一が生じうる。
これに対し、この超音波流量計１０では、シート体７，８に、厚みが０．２〜２．０ｍｍで、硬度を適度の硬さ（４０〜９０）で、伸びが大きく（１００〜４００％）反発力を有するものを用いている。このため、上述の変形を適切に吸収して、シート体７，８の特性劣化（硬度の上昇、密着性の低下、シート体の亀裂など）による、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂおよび超音波振動面５Ａ，６Ａとの間の超音波伝搬状態の変化に伴う、超音波の伝搬状況の変化が起こり難く、高温環境下に長期間あるいは繰り返し曝しても、適切に使用可能で、超音波流量計１０の特性変化を生じにくい。
【００２３】
さらに、この実施例１に用いたシート体７，８は、フィラー粒子７Ｆ，８Ｆ（シリカ粒子及びアルミナ粒子）を含んでいる。シート体７，８の硬度を高め、機械的な特性を安定させるためである。このシート体７，８では、フィラー粒子７Ｆ，８Ｆの粒径Ｄと、超音波の周波数ｆと、シート体７，８における音速Ｖｓ（＝１５００ｍ）とを、以下の式（１）を満たす関係としている。
α＝πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２ …式（１）
具体的には、α＝πＤ・ｆ／Ｖｓ＝０．１３としている。
このため、シート体７，８中にフィラー粒子７Ｆ，８Ｆを含んでいる場合でも、シート体７，８中を超音波が伝わる際に、フィラー粒子７Ｆ，８Ｆで超音波が散乱や減衰されることを抑制し、このシート体７，８を介して、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂと超音波振動面５Ａ，６Ａとの間で、適切に超音波を伝えることができる。
【００２４】
次いで、この実施例１を含め、各種のシート体などを用いた実施例１〜１０および比較例１〜９について、その特性および試験結果を、表１に示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
なお、表１において、初期送受波感度積は、下記する試験を行う前の各々の超音波流量計の流路内に水を満たし、一方の超音波トランスデューサ５に、１０Ｖのインパルス信号を与えたときに、他方の超音波トランスデューサ６に生じた電圧波形の振幅を計測することにより得た。
また、５０℃連続使用試験は、５０℃とした恒温槽中に、各例の超音波流量計を投入し、感度の変化を検知した。３０００時間後の送受感度積が、初期送受感度積に対し、±５％以内の変動に抑えられた場合に、合格（○印）とした。
同様に、１６０℃連続使用試験は、１６０℃とした恒温槽中に、各例の超音波流量計を投入し、感度の変化を検知した。３０００時間後の送受感度積が、初期送受感度積に対し、±５％以内の変動に抑えられた場合に、合格（○印）とした。
さらに、０〜５０℃のヒートサイクル試験は、０℃維持６０分、温度上昇６０分、５０℃維持６０分、温度下降６０分を１サイクルとして、恒温槽中に、各例の超音波流量計を投入し、感度の変化を検知した。１０００サイクル後の送受感度積が、初期送受感度積に対し、±５％以内の変動に抑えられた場合に、合格（○印）とした。
同様に、０〜１６０℃のヒートサイクル試験は、０℃維持６０分、温度上昇６０分、１６０℃維持６０分、温度下降６０分を１サイクルとして、恒温槽中に、各例の超音波流量計を投入し、感度の変化を検知した。１０００サイクル後の送受感度積が、初期送受感度積に対し、±５％以内の変動に抑えられた場合に、合格（○印）とした。
また、シート体７，８の音速Ｖｓは、いずれの周波数でも、Ｖｓ＝１５００ｍとした。
【００２７】
この表１によれば、シート体７，８の材質として、シート体に代えてシリコーングリスを用いた比較例１の流量計（特許文献１のものに相当）では、０〜５０℃のヒートサイクル試験において、５００サイクル後には、感度が低下した。さらに、０〜１６０℃のヒートサイクル試験に至っては、わずか５０サイクル後には、感度が低下した。
ヒートサイクル試験では、試験に伴い、流量計本体１の超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂをなす超音波透過壁部３，４（樹脂）と、超音波トランスデューサ５，６の超音波振動面５Ａ，６Ａをなす部位（金属ケース、ＳＵＳ）との熱膨張係数の差異や、温度変化に伴う変形などにより、グリスにかかる圧縮力が変化したり不均一が生じうる。弾性を有さないシリコーングリスを用いた比較例１の流量計では、一旦変形を生じると、その変形が復元しないため、次第に、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂと超音波振動面５Ａ，６Ａとの間におけるシリコーングリスの密着性が低下したため、超音波が透過しにくくなったものと解される。
【００２８】
また、シート体の材質として、セグメントポリウレタンゲルシートを用いた比較例２の流量計では、５０℃連続使用試験では１０時間で、ヒートサイクル試験でも１０サイクル後に、故障した。さらに、１６０℃連続使用試験ではわずか１時間で、ヒートサイクル試験でもわずか１サイクル後に、故障した。セグメントポリウレタンゲルシートは、各種のゲルシートの中では、耐熱性が高いと考えられるが十分ではなく、常温下では超音波流量計のシート体として使用しうるが、高温環境下（１６０℃連続使用試験、ヒートサイクル試験）での使用には、適さないことが明らかとなった。
【００２９】
次いで、シート体として、シリコーンゲルシートを用いた実施例１〜１０，比較例３〜９について検討する。
このうち、シート体として、厚みが０．１ｍｍと薄い場合（比較例３）には、１６０℃連続使用試験では２０００時間で、０〜１６０℃のヒートサイクル試験では５００サイクル後に、感度が大きく低下した。超音波流量計を分解したところ、シート体７，８に亀裂が生じていた。シート体が薄すぎるため、高温環境下での連続使用あるいは高温に至るヒートサイクルによる繰り返しの熱応力により、シート体に亀裂が生じたと考えられる。
【００３０】
一方、シート体として、厚みが３．０ｍｍと厚い場合（比較例４）には、初期送受感度積が、−７３ｄＢとなり、極端に感度が低かった。シート体が厚すぎるため、シート体を透過する超音波が散乱・減衰し、感度が低下したと考えられる。従って、シート体が厚過ぎる場合には、超音波流量計としての使用は適切でないと考えられる。
【００３１】
また、シート体として、硬度が３０（硬い）の場合（比較例５）には、１６０℃連続使用試験では２０００時間で、０〜１６０℃のヒートサイクル試験では５００サイクル後に、感度が大きく低下した。シート体が硬すぎると、シート体７，８と超音波透過壁部３，４、あるいは超音波振動面５Ａ，６Ａとの間の密着性が元々低く、高温環境下での連続使用あるいは高温に至るヒートサイクルによる繰り返しの熱応力により、シート体との密着性が低下し、感度が低下したと考えられる。
【００３２】
逆に、シート体として、硬度が１００（柔らかい）の場合（比較例６）には、１６０℃連続使用試験では２００時間で、感度が大きく低下した。超音波流量計を分解したところ、シート体７，８に亀裂が生じていた。また、０〜１６０℃のヒートサイクル試験では５００サイクル後に、感度が大きく低下した。シート体が柔らか過ぎると、超音波透過壁部３，４と超音波振動面５Ａ，６Ａとの間で、シート体７，８を圧縮した際に、薄く伸ばされて厚みが薄くなり、高温環境下での連続使用あるいは高温に至るヒートサイクルによる繰り返しの熱応力により、シート体に亀裂が入ったり、密着性が低下し、感度が低下したと考えられる。
なおこの比較例６は、シート材として、伸びが４１０（大きい）場合にも該当しており、伸びが大き過ぎる場合には、柔らかさとも相俟って、シート体７，８を圧縮した際に、薄く伸ばされて厚みが薄くなり易いと考えられる。
さらに、シート体として、硬度がさらに柔らかい１５０の場合（比較例７）には、１６０℃連続使用試験では１００時間で、０〜１６０℃のヒートサイクル試験では５０サイクル後に、感度が大きく低下した。これも同様の理由と考えられる。
【００３３】
次いで、シート材として、伸びが９０（小さい）場合（比較例８）には、１６０℃連続使用試験では５０時間で、感度が大きく低下した。また、０〜１６０℃のヒートサイクル試験では最初の低温時に、感度が大きく低下した。シート体の伸びが小さ過ぎると、高温環境下での熱応力、あるいは低温下での硬度の上昇時に、変形が困難となり、密着性が低下し、感度が低下したと考えられる。
【００３４】
さらに、シート体のフィラー粒子の径（フィラー径Ｄ）を大きくし、係数α（＝πＤ・ｆ／Ｖｓ）を、１／２（＝０．５）よりも大きくした場合（比較例９）には、初期送受感度積が、−７６ｄＢとなり、極端に感度が低かった。シート体中のフィラー粒子により、このシート体を伝わる超音波が散乱・減衰されたため、感度が低下したと考えられる。従って、用いる超音波の周波数との関係で、フィラー径Ｄが大きすぎる場合には、超音波流量計のシート体としての使用は適切でないと考えられる。
【００３５】
一方、実施例１〜１０の流量計は、いずれも、初期送受感度積を−６５ｄＢ以上確保できた。しかも、１６０℃連続使用試験において３０００時間経過後にも、および、０〜１６０℃のヒートサイクル試験で１０００サイクル後にも、感度変化が±５％以内（合格）であった。併せて、５０℃連続使用試験において３０００時間経過後にも、および、０〜５０℃のヒートサイクル試験で１０００サイクル後にも、同様に、感度変化が±５％以内（合格）であった。
このことから、実施例１〜１０の範囲の流量計においては、良好な結果が得られることが判る。具体的には、シート体の材質をシリコーンゲルシートとし、その厚みを０．２〜２．０ｍｍとし、硬度を４０〜９０とし、伸びを１００〜４００％とする。
さらに、フィラー粒子を有する場合において、フィラー径Ｄ，超音波の周波数ｆ、シート体における音速Ｖｓについて、係数α（＝πＤ・ｆ／Ｖｓ）が１／２以下となる関係（α＜１／２）を保つことで、上述の特性を得られることが判る。
【００３６】
なお、実施例１，８，９，１０の対比により、同じ厚み０．５ｍｍ、硬度７０、伸び１６０のシート体７，８を用いた場合でも、フィラー径Ｄあるいは超音波の周波数ｆを変更することで、係数αを小さな値にするほど、初期送受感度積を大きく（感度良好に）できることが判る。フィラー粒子による超音波の散乱・減衰が生じにくくなるためと考えられる。
【００３７】
また、シート体７，８の厚みのみ異ならせた実施例１，４，５，６（さらに、比較例３，４）の流量計を比較すると、シート体７，８の厚みが薄くなるほど、初期送受感度積を大きく（感度良好に）できることが判る。超音波がシート体７，８を透過することによる減衰を、シート体の厚みが薄いほど抑制できるためであると考えられる。従って、比較例３のようなシート亀裂を生じない範囲（０．２〜２．０ｍｍ）で、シート体の厚みを薄くするのが好ましいことが判る。
【００３８】
また、シート体７，８の硬度および伸びを異ならせた実施例１，２，３（さらに、比較例５，６，７）の流量計を比較すると、シート体７，８の硬度が大きく（柔らかく）また、伸びが大きくなるほど、初期送受感度積を大きく（感度良好に）できることが判る。シート体７，８が柔らかく伸びが大きいほど、シート体７，８が超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂおよび超音波振動面５Ａ，６Ａに密着し、超音波を伝達しやすくなるためであると考えられる。従って、比較例６のようなシート亀裂を生じない範囲（硬度４０〜９０，伸び１００〜４００％）で、シート体を柔らかく（硬度の値を大きく）、伸びを大きくするのが好ましいことが判る。
【００３９】
また以上から、各実施例に係るシート体７，８を用いた超音波流量計１０の使用温度として、１６０℃の高温で使用するものに適用できることが明らかとなった。
なお、実施例１〜１０では、シート体７，８として、超音波流量計１０の使用中にシート体７，８自身が達する温度（５０〜１６０℃）に対し、その使用温度範囲の上限が、これより高い２００℃である、前述のシリコーンゲルシート（λケ゛ルシート：COH-4000）を用いている。またこの逆に、この超音波流量計１０は、シート体の温度が２００℃に達するまで、使用できると考えることができる。
かくして、このような特性を有するシート体７，８を用い、このシート体７，８自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計１０とすることができる。加えて、シート体７，８自身の温度が８０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計１０とすることもできる。さらには、シート体７，８自身の温度が１２０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計１０とすることもできる。
【００４０】
以上において、本発明を実施形態および実施例に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態の流量計では、超音波トランスデューサ５，６の超音波振動面５Ａ，６Ａが、測定路２ＲＢの軸線２ＲＢＸにそれぞれ直交し、互いに対向する形態に、超音波トランスデューサ５，６を配置した例を示した。
しかし、測定路２ＲＢの軸線２ＲＢＸと、超音波振動面５Ａと超音波振動面６Ａとを結ぶ軸線とが斜交するように、超音波トランスデューサ５，６を配置するようにしても良い。
【符号の説明】
【００４１】
Ｌ 液体（流体）
１０ 超音波流量計
１ 流量計本体
２ 流路壁部
２Ｒ （流路壁部で構成される）流路
３，４ 超音波透過壁部
３Ａ，４Ａ 超音波透過流路面
３Ｂ，４Ｂ 超音波透過外側面
５，６ 超音波トランスデューサ
５Ａ，６Ａ （超音波トランスデューサの）超音波振動面
７，８ シート体
７Ａ，８Ａ （シート体の）内側面
７Ｂ，８Ｂ （シート体の）外側面
７Ｆ，８Ｆ フィラー粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動する流体中に超音波を伝搬させ、その伝搬時間に基づいてこの流体の流量を検知する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体や液体等の流体の流量を検知するのに、超音波を用いる超音波流量計が知られている(特許文献１参照）。この特許文献１には、液体が内側に流される流路構成壁14に一対の超音波センサ30,30が取り付けられ、それら超音波センサ30の間で送受波される超音波の伝播時間に基づいて液体の流量を計測する超音波流量計10が開示されている。そして、薄肉底壁25と超音波センサ30の振動面36(底壁42）との間には、シリコーン系のグリス37が塗布されて、両面の密着度が向上されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００５−３３８０５５号公報（第６〜７頁、図１，図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、超音波流量計として、例えば、高温（６０〜２００℃）の流体の流量を計測したい場合など、高温下で超音波流量計を使用したい場合がある。
しかるに、この特許文献１に記載の超音波流量計では、グリスも高温に晒されることとなるが、グリス中の油分が固形分と分離して流れ出て、その特性が変化し、密着性が低下するなどの不具合が生じる。また、水分を含む湿潤ゲルを用いた場合には、水分の蒸発や溶剤成分の揮発による特性劣化が生じる。
また、グリスや湿潤ゲルを用いる場合には、均一に塗布するのが難しい。さらに、超音波トランスデューサの超音波振動面と、流量計本体の流路を構成する流路壁部のうちの超音波透過壁部との間を密着させるべく、グリス等を圧縮することになる。しかるに、グリス等は弾性（復元性）がないため、高温下あるいは繰り返しの温度変化により、圧縮力が変化すると、経時的にグリス等の形態に変形を生じ、密着性の低下、およびこれに伴う超音波流量計の特性変化を生じやすい。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、高温下でも使用可能で特性変化の生じにくい超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様は、流体が流される流路を構成する流路壁部を有する流量計本体であって、上記流路壁部の一部をなし、超音波を透過させる板状の超音波透過壁部であって、上記流路に面する超音波透過流路面、および、上記超音波透過流路面と対向し外側を向く超音波透過外側面とをなす超音波透過壁部を一対含む流量計本体と、上記流体に向けての上記超音波透過壁部を通した上記超音波の放射と上記流体からの上記超音波透過壁部を通した上記超音波の受波とを行う、一対の超音波トランスデューサであって、上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面に対向して配置され、上記超音波振動する超音波振動面を有する一対の超音波トランスデューサと、上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面と上記超音波トランスデューサの上記超音波振動面との間にそれぞれ介在し圧縮されてなり、シリコーンゲル組成物を主体とするシート形状のゲル状弾性体からなるシート体であって、上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面及び上記超音波トランスデューサの上記超音波振動面に密着してなり、非圧縮時の厚みが０．２〜２．０ｍｍであり、硬度が、４０〜９０（JIS K2207 針入度，1／10mm）であり、伸びが、１００〜４００％（JIS K6429）であるシート体と、を備え、上記シート体自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計である。
【０００７】
この超音波流量計では、流量計本体の超音波透過壁部の超音波透過外側面と、超音波トランスデューサの超音波振動面との間に、これらに圧縮されたシート体を備える。このシート体は、ゲル状弾性体からなり、圧縮に対して反発し、超音波透過外側面および超音波振動面に密着するため、これらの面の間で、超音波を確実に伝えることができ、超音波流量計の特性を良好にすることができる。
しかも、このシート体は、シート形状を有しているので、特許文献１のような不定形のゲルやパテなどを用いた場合と異なり、形状を保ち、しかもこれらを圧縮する圧縮力が変化しても弾性変形して、超音波透過外側面と超音波振動面との間での密着を容易に保つことができ、特性の変化を生じにくい。
さらに、このシート体は、シリコーンゲル組成物を主体としたゲル状弾性体であるので、耐熱性が高く、高温での連続使用が可能である。このため、高温の流体を流路に流したり、高温環境下で使用したりすることで、シート体自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用し続けた場合でも、シリコーンゲルのように油分の分離が生じない。なお、この超音波流量計に用いるシート体としては、その使用温度範囲が、超音波流量計の使用中に達するシート体自身の温度以上の特性を有するシート体を用いると良い。
【０００８】
また、この超音波流量計は、高温環境下で使用されるが、組み立て時の温度（常温）と、使用時の温度とが大きく異なる。このため、温度変化時に生じる、流量計本体の超音波透過外側面をなす超音波透過壁部と、超音波トランスデューサの超音波振動面をなす部位との熱膨張係数の差異や、温度変化に伴う変形などにより、シート体にかかる圧縮力は変化したり不均一が生じうる。
これに対し、この超音波流量計では、シート体に、厚みが０．２〜２．０ｍｍで、硬度を適度の硬さ（４０〜９０）で、伸びが大きく（１００〜４００％）、反発力を有するものを用いている。このため、上述の変形を適切に吸収して、シート体の特性劣化（硬度の上昇、密着性の低下、シート体の亀裂など）による、超音波透過外側面および超音波振動面との間の超音波伝搬状態の変化に伴う、超音波の伝搬状況の変化が起こり難く、高温環境下に長期間あるいは繰り返し曝しても、適切に使用可能で、超音波流量計の特性変化を生じにくい。
【０００９】
なお、超音波流量計としては、例えば、流路を挟む一対の超音波透過壁部、および、これらにそれぞれ取り付けられ、超音波の流路への送波を行う超音波トランスデューサと、流路を透過した超音波の受波を行う別の超音波トランスデューサとを１つずつ(一対)有するものが挙げられる。
この超音波流量計に流す流体としては、水、薬液、溶剤等の液体や、水素、酸素などの気体が挙げられる。
また、流量計本体、特に流路壁部をなす部位の材質としては、金属、セラミック、樹脂など流体の反応性や温度などに応じて、適宜選択することができる。
また、超音波トランスデューサは、超音波透過壁部への超音波の送波、または、超音波透過壁部からの超音波の受波を行いうるものである。具体的には、圧電素子、電歪素子などの超音波振動を用いたものが挙げられる。
さらに、シート体は、シリコーンゲル組成物を主体とするシート形状のゲル状弾性体である。シリコーンゲル組成物を主体としているので、耐熱性が高く、例えば、使用温度範囲が１５０℃あるいは２００℃に達するものを用いることができる。例えば、株式会社タイカ製のλゲル（商標名：COH-1002(使用温度範囲-40〜150℃)，COH-4000(使用温度範囲-40〜200℃)）などが挙げられる。
なお、自身の表面が粘着性を有するシート体を用いると、温度変化に伴う、変形による密着性の変化が少なくなり、より好ましい。
また、超音波流量計の使用温度として、さらに高温で使用するものに適用するのが好ましく、シート体自身の温度が８０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計とするのが好ましい。さらには、シート体自身の温度が１２０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計とすると良い。
【００１０】
さらに、上述の超音波流量計であって、前記シート体は、フィラー粒子を含み、上記超音波トランスデューサで用いる前記超音波の周波数をｆ(Hz)とし、上記シート体中の音速をＶｓ(m/s)とし、上記フィラー粒子の平均粒子径をＤ(m)としたとき、πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２ を満たす超音波流量計とすると良い。
【００１１】
この超音波流量計では、熱伝導性、特性安定性、硬度などを改善するため、シート体をフィラー粒子を含むものとすることが出来る。
一方、その平均粒子径Ｄと、超音波の周波数ｆおよびシート体における音速Ｖｓが、πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２を満たす関係とする。これにより、シート体に含まれるフィラー粒子による超音波の反射や減衰を抑制することができる。
なお、πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２ とするのが好ましいのは、以下の理由による。
上式の両辺にｆ／Ｖｓを乗ずると、πＤ＜１／２・Ｖｓ／ｆとなる。Ｖｓ／ｆは、シート体中での超音波の実効波長λに相当する。一方、πＤは、フィラー粒子の周長（円周）に相当する。フィラー粒子の周長が、シート体中での超音波の実効波長λの１／２よりも大きなフィラー粒子を用いた場合（πＤ＞λ／２＝１／２・Ｖｓ／ｆの場合）、超音波はフィラー粒子で散乱されやすい。また、フィラー粒子の周長が、シート体中での超音波の実効波長λの１／２にほぼ等しい場合（πＤ＝λ／２＝１／２・Ｖｓ／ｆの場合）、フィラー粒子の表面を回る形態の共振が起こり、エネルギーロスによる超音波の吸収（減衰）が起こりやすくなると考えられる。
従って、πＤ＜λ／２、即ち、πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２とすると良い。
【００１２】
フィラー粒子の材質としては、例えば、シリカ，窒化珪素，アルミナ，水酸化アルミニウム，窒化アルミニウムなどのセラミック粒子、アルミニウム，銅などの金属粒子、ＰＴＦＥ，ＰＥ等の樹脂粒子を添加することができる。
【００１３】
なお、より好ましくは、πＤ・ｆ／Ｖｓ＜０．２とするのが好ましい。シート体中での超音波の実効波長λに対して、フィラー粒子の粒径をより小さくすることで、さらに、超音波の散乱、吸収を抑制できるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態にかかる超音波流量計の構造を示す断面図である。
【図２】本実施形態にかかる超音波流量計のうち、超音波トランスデューサの近傍の構造を示す、部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態を、図１，図２を参照して説明する。本実施形態の超音波流量計１０は、主として、流量計本体１、一対の超音波トランスデューサ５，６、および、これら流量計本体１と超音波トランスデューサ５，６との間に介在するシート体７，８からなる。このうち、流量計本体１は、耐熱性を有するフッ素樹脂（例えば、ＰＦＡ）からなり、図１に示すように、図中左右方向に長い形態を有する。この流量計本体１内には、流路壁部２により、流路２Ｒが構成されている。具体的には、図中上下方向に延びる導入路２ＲＡ，２ＲＣと、この間に位置し、導入路２ＲＡ，２ＲＣよりも長く、図中左右方向に延びる測定路２ＲＢとからなる、コ字状に折り曲げられた流路２Ｒが構成されている。この流路２Ｒには、６０〜２００℃（本実施形態では約１６０℃）の温度の液体Ｌが矢印で示すように流通される。
【００１６】
この流量計本体１の流路壁部２のうち、測定路２ＲＢの軸線２ＲＢＸに直交する部位は、次述する超音波透過壁部３，４とされている。この超音波透過壁部３，４は、それぞれ流路２Ｒに面する超音波透過流路面３Ａ，４Ａと、この裏面にあたり、外側（図中、左あるいは右方向）を向く超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂとをなす、円板形状を有している。この超音波透過壁部３，４の軸線２ＲＢＸ方向の外側（図１中、超音波透過壁部３の左側、超音波透過壁部４の右側）には、後述するシート体７，８および超音波トランスデューサ５，６を収容する収容凹部１Ｓ，１Ｓが形成されており、上述した超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂが、この収容凹部１Ｓ，１Ｓにそれぞれ面している。
【００１７】
この収容凹部１Ｓ，１Ｓ内のうち、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂの軸線２ＲＢＸ方向の外側（図１中、超音波透過壁部３の左側、超音波透過壁部４の右側）には、円板状のシート体７，８がそれぞれ配置されている。
このシート体７，８は、いずれも、シリコーンゲル組成物を主体とするシート形状のゲル状弾性体からなる。具体的には、例えば、非圧縮時の厚みが０．２〜２．０ｍｍ（例えば０．５ｍｍ）の株式会社タイカ製のλゲル（商標名：COH-4000）を用いる。なお、このシート体７，８の、硬度は７０（JIS K2207 針入度，1／10mm）、伸びは１６０％（JIS K6429）である（実施例１）。さらにこのシート体７，８は、使用温度範囲が−４０〜２００℃であり、広い温度範囲、特に高温環境下で使用可能である。
また、このシート体７，８の２つの表面（内側面７Ａ，８Ａ、および外側面７Ｂ，８Ｂ）は、いずれも粘着性である。
【００１８】
さらに、このシート体７，８の軸線２ＲＢＸ方向の外側には、超音波トランスデューサ５，６が配置されている。詳細を図示しないが、これら超音波トランスデューサ５，６は、いずれも、銅からなる有底円筒形状の金属ケースの内側底部に、シリカからなる薄板状の整合層を介して、円板状の圧電セラミックが貼り付けられ、リード線５Ｌ，６Ｌを開口側に取り出すと共に、バック材を介してエポキシ樹脂で金属ケースの開口を封口したものである。
【００１９】
これら超音波トランスデューサ５，６は、シート体７および超音波透過壁部３，４を介して、流路２Ｒのうち測定路２ＲＢに超音波（実施例１では、周波数ｆ＝１．５ＭＨｚ）を放射し、或いは測定路２ＲＢからの超音波を受波するものであり、自身の軸線が、測定路２ＲＢの軸線２ＲＢＸに一致するように、また、収容凹部１Ｓ内に配置されている。また、互いに内側を向いて対向し、超音波を放射／受波する超音波振動面５Ａ，６Ａが、測定路２ＲＢの軸線２ＲＢＸに直交するように、配置されている。
この超音波流量計１では、このようにして、超音波トランスデューサ５から放射された超音波を、超音波トランスデューサ６で受波するのと、これとは逆に超音波トランスデューサ６から放射された超音波を、超音波トランスデューサ５で受波するのとでは、、送波から受波までの時間に差があり、その大きさが測定路２ＲＢ中を流れる液体Ｌの流速、従って流量の影響を受けることを利用して、液体Ｌの流量を検知する。
【００２０】
超音波トランスデューサ５，６は、いずれもリード線５Ｌ，６Ｌを有しており、これらは、流用計本体１に設けられたリード取り出し部１Ｌを通じて、外部に取り出されている。
また、超音波トランスデューサ５，６の外側には、それぞれ、バネ材１１を介して、押さえ蓋１２が配置されており、この押さえ蓋１２を収容凹部１Ｓに螺着して、波ワッシャーからなるバネ材１１によって、超音波トランスデューサ５，６およびシート体７，８をそれぞれ内側に向けて付勢することで、超音波透過壁部３Ａ，４Ａと、シート体７，８と、超音波トランスデューサ５，６とを、互いに密着させている。
具体的には、図２に示すように、超音波透過壁部３Ａの超音波透過外側面３Ｂとシート体７の内側面７Ａとが密着し、シート体７の外側面７Ｂと超音波トランスデューサ５の超音波振動面５Ａとが密着している。同様に、超音波透過壁部４Ａの超音波透過外側面４Ｂとシート体８の内側面８Ａとが密着し、シート体８の外側面８Ｂと超音波トランスデューサ６の超音波振動面６Ａとが密着している。
【００２１】
この超音波流量計１０では、前述したように６０〜２００℃（具体的には、１６０℃）の液体Ｌを流路２に流すのであるが、これにより、シート体７，８自身の温度も５０〜２００℃（本実施形態では、５０〜１６０℃）に達する。
しかしながら、シート体７，８として、前述の特性を有するシート形状のゲル状弾性体を用いているので、高温下でも使用可能で特性変化の生じにくい超音波流量計１とすることができる。
即ち、この超音波流量計１０では、流量計本体１の超音波透過壁部３，４の超音波透過外側面３Ａ，４Ａと、超音波トランスデューサ５，６の超音波振動面５Ａ，６Ａとの間に、これらに圧縮されたゲル状弾性体からなるシート体７，８を備える。このシート体７，８は、それぞれゲル状弾性体であり、圧縮に対して反発し、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂおよび超音波振動面５Ａ，６Ａに密着するため、これらの面の間で、超音波を確実に伝えることができ、超音波流量計１０の特性を良好にすることができる。
しかも、このシート体７，８は、シート形状を有しているので、特許文献１のような不定形のゲルやパテなどを用いた場合と異なり、形状を保つことができる。しかも、昇温や降温の際の熱膨張の違いなどによって、これらを圧縮する圧縮力が変化しても、弾性変形して、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂと超音波振動面５Ａ，６Ａとの間での密着を容易に保つことができ、特性の変化を生じにくい。
さらに、このシート体７，８は、シリコーンゲル組成物を主体としているので、耐熱性が高く、高温での連続使用が可能である。このため、高温の液体Ｌを流路２に流して、シート体７，８自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用し続けた場合でも、シリコーンゲルのように油分の分離が生じない。
【００２２】
また、この超音波流量計１０は、高温環境下で使用されるが、組み立て時の温度（常温）と、使用時の温度とが大きく異なる。このため、温度変化時に生じる、流量計本体１の超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂをなす超音波透過壁部３，４と、超音波トランスデューサ５，６の超音波振動面５Ａ，６Ａをなす部位との熱膨張係数の差異や、温度変化に伴う変形などにより、シート体７，８にかかる圧縮力は変化したり不均一が生じうる。
これに対し、この超音波流量計１０では、シート体７，８に、厚みが０．２〜２．０ｍｍで、硬度を適度の硬さ（４０〜９０）で、伸びが大きく（１００〜４００％）反発力を有するものを用いている。このため、上述の変形を適切に吸収して、シート体７，８の特性劣化（硬度の上昇、密着性の低下、シート体の亀裂など）による、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂおよび超音波振動面５Ａ，６Ａとの間の超音波伝搬状態の変化に伴う、超音波の伝搬状況の変化が起こり難く、高温環境下に長期間あるいは繰り返し曝しても、適切に使用可能で、超音波流量計１０の特性変化を生じにくい。
【００２３】
さらに、この実施例１に用いたシート体７，８は、フィラー粒子７Ｆ，８Ｆ（シリカ粒子及びアルミナ粒子）を含んでいる。シート体７，８の硬度を高め、機械的な特性を安定させるためである。このシート体７，８では、フィラー粒子７Ｆ，８Ｆの粒径Ｄと、超音波の周波数ｆと、シート体７，８における音速Ｖｓ（＝１５００ｍ）とを、以下の式（１）を満たす関係としている。
α＝πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２ …式（１）
具体的には、α＝πＤ・ｆ／Ｖｓ＝０．１３としている。
このため、シート体７，８中にフィラー粒子７Ｆ，８Ｆを含んでいる場合でも、シート体７，８中を超音波が伝わる際に、フィラー粒子７Ｆ，８Ｆで超音波が散乱や減衰されることを抑制し、このシート体７，８を介して、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂと超音波振動面５Ａ，６Ａとの間で、適切に超音波を伝えることができる。
【００２４】
次いで、この実施例１を含め、各種のシート体などを用いた実施例１〜１０および比較例１〜９について、その特性および試験結果を、表１に示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
なお、表１において、初期送受波感度積は、下記する試験を行う前の各々の超音波流量計の流路内に水を満たし、一方の超音波トランスデューサ５に、１０Ｖのインパルス信号を与えたときに、他方の超音波トランスデューサ６に生じた電圧波形の振幅を計測することにより得た。
また、５０℃連続使用試験は、５０℃とした恒温槽中に、各例の超音波流量計を投入し、感度の変化を検知した。３０００時間後の送受感度積が、初期送受感度積に対し、±５％以内の変動に抑えられた場合に、合格（○印）とした。
同様に、１６０℃連続使用試験は、１６０℃とした恒温槽中に、各例の超音波流量計を投入し、感度の変化を検知した。３０００時間後の送受感度積が、初期送受感度積に対し、±５％以内の変動に抑えられた場合に、合格（○印）とした。
さらに、０〜５０℃のヒートサイクル試験は、０℃維持６０分、温度上昇６０分、５０℃維持６０分、温度下降６０分を１サイクルとして、恒温槽中に、各例の超音波流量計を投入し、感度の変化を検知した。１０００サイクル後の送受感度積が、初期送受感度積に対し、±５％以内の変動に抑えられた場合に、合格（○印）とした。
同様に、０〜１６０℃のヒートサイクル試験は、０℃維持６０分、温度上昇６０分、１６０℃維持６０分、温度下降６０分を１サイクルとして、恒温槽中に、各例の超音波流量計を投入し、感度の変化を検知した。１０００サイクル後の送受感度積が、初期送受感度積に対し、±５％以内の変動に抑えられた場合に、合格（○印）とした。
また、シート体７，８の音速Ｖｓは、いずれの周波数でも、Ｖｓ＝１５００ｍとした。
【００２７】
この表１によれば、シート体７，８の材質として、シート体に代えてシリコーングリスを用いた比較例１の流量計（特許文献１のものに相当）では、０〜５０℃のヒートサイクル試験において、５００サイクル後には、感度が低下した。さらに、０〜１６０℃のヒートサイクル試験に至っては、わずか５０サイクル後には、感度が低下した。
ヒートサイクル試験では、試験に伴い、流量計本体１の超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂをなす超音波透過壁部３，４（樹脂）と、超音波トランスデューサ５，６の超音波振動面５Ａ，６Ａをなす部位（金属ケース、ＳＵＳ）との熱膨張係数の差異や、温度変化に伴う変形などにより、グリスにかかる圧縮力が変化したり不均一が生じうる。弾性を有さないシリコーングリスを用いた比較例１の流量計では、一旦変形を生じると、その変形が復元しないため、次第に、超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂと超音波振動面５Ａ，６Ａとの間におけるシリコーングリスの密着性が低下したため、超音波が透過しにくくなったものと解される。
【００２８】
また、シート体の材質として、セグメントポリウレタンゲルシートを用いた比較例２の流量計では、５０℃連続使用試験では１０時間で、ヒートサイクル試験でも１０サイクル後に、故障した。さらに、１６０℃連続使用試験ではわずか１時間で、ヒートサイクル試験でもわずか１サイクル後に、故障した。セグメントポリウレタンゲルシートは、各種のゲルシートの中では、耐熱性が高いと考えられるが十分ではなく、常温下では超音波流量計のシート体として使用しうるが、高温環境下（１６０℃連続使用試験、ヒートサイクル試験）での使用には、適さないことが明らかとなった。
【００２９】
次いで、シート体として、シリコーンゲルシートを用いた実施例１〜１０，比較例３〜９について検討する。
このうち、シート体として、厚みが０．１ｍｍと薄い場合（比較例３）には、１６０℃連続使用試験では２０００時間で、０〜１６０℃のヒートサイクル試験では５００サイクル後に、感度が大きく低下した。超音波流量計を分解したところ、シート体７，８に亀裂が生じていた。シート体が薄すぎるため、高温環境下での連続使用あるいは高温に至るヒートサイクルによる繰り返しの熱応力により、シート体に亀裂が生じたと考えられる。
【００３０】
一方、シート体として、厚みが３．０ｍｍと厚い場合（比較例４）には、初期送受感度積が、−７３ｄＢとなり、極端に感度が低かった。シート体が厚すぎるため、シート体を透過する超音波が散乱・減衰し、感度が低下したと考えられる。従って、シート体が厚過ぎる場合には、超音波流量計としての使用は適切でないと考えられる。
【００３１】
また、シート体として、硬度が３０（硬い）の場合（比較例５）には、１６０℃連続使用試験では２０００時間で、０〜１６０℃のヒートサイクル試験では５００サイクル後に、感度が大きく低下した。シート体が硬すぎると、シート体７，８と超音波透過壁部３，４、あるいは超音波振動面５Ａ，６Ａとの間の密着性が元々低く、高温環境下での連続使用あるいは高温に至るヒートサイクルによる繰り返しの熱応力により、シート体との密着性が低下し、感度が低下したと考えられる。
【００３２】
逆に、シート体として、硬度が１００（柔らかい）の場合（比較例６）には、１６０℃連続使用試験では２００時間で、感度が大きく低下した。超音波流量計を分解したところ、シート体７，８に亀裂が生じていた。また、０〜１６０℃のヒートサイクル試験では５００サイクル後に、感度が大きく低下した。シート体が柔らか過ぎると、超音波透過壁部３，４と超音波振動面５Ａ，６Ａとの間で、シート体７，８を圧縮した際に、薄く伸ばされて厚みが薄くなり、高温環境下での連続使用あるいは高温に至るヒートサイクルによる繰り返しの熱応力により、シート体に亀裂が入ったり、密着性が低下し、感度が低下したと考えられる。
なおこの比較例６は、シート材として、伸びが４１０（大きい）場合にも該当しており、伸びが大き過ぎる場合には、柔らかさとも相俟って、シート体７，８を圧縮した際に、薄く伸ばされて厚みが薄くなり易いと考えられる。
さらに、シート体として、硬度がさらに柔らかい１５０の場合（比較例７）には、１６０℃連続使用試験では１００時間で、０〜１６０℃のヒートサイクル試験では５０サイクル後に、感度が大きく低下した。これも同様の理由と考えられる。
【００３３】
次いで、シート材として、伸びが９０（小さい）場合（比較例８）には、１６０℃連続使用試験では５０時間で、感度が大きく低下した。また、０〜１６０℃のヒートサイクル試験では最初の低温時に、感度が大きく低下した。シート体の伸びが小さ過ぎると、高温環境下での熱応力、あるいは低温下での硬度の上昇時に、変形が困難となり、密着性が低下し、感度が低下したと考えられる。
【００３４】
さらに、シート体のフィラー粒子の径（フィラー径Ｄ）を大きくし、係数α（＝πＤ・ｆ／Ｖｓ）を、１／２（＝０．５）よりも大きくした場合（比較例９）には、初期送受感度積が、−７６ｄＢとなり、極端に感度が低かった。シート体中のフィラー粒子により、このシート体を伝わる超音波が散乱・減衰されたため、感度が低下したと考えられる。従って、用いる超音波の周波数との関係で、フィラー径Ｄが大きすぎる場合には、超音波流量計のシート体としての使用は適切でないと考えられる。
【００３５】
一方、実施例１〜１０の流量計は、いずれも、初期送受感度積を−６５ｄＢ以上確保できた。しかも、１６０℃連続使用試験において３０００時間経過後にも、および、０〜１６０℃のヒートサイクル試験で１０００サイクル後にも、感度変化が±５％以内（合格）であった。併せて、５０℃連続使用試験において３０００時間経過後にも、および、０〜５０℃のヒートサイクル試験で１０００サイクル後にも、同様に、感度変化が±５％以内（合格）であった。
このことから、実施例１〜１０の範囲の流量計においては、良好な結果が得られることが判る。具体的には、シート体の材質をシリコーンゲルシートとし、その厚みを０．２〜２．０ｍｍとし、硬度を４０〜９０とし、伸びを１００〜４００％とする。
さらに、フィラー粒子を有する場合において、フィラー径Ｄ，超音波の周波数ｆ、シート体における音速Ｖｓについて、係数α（＝πＤ・ｆ／Ｖｓ）が１／２以下となる関係（α＜１／２）を保つことで、上述の特性を得られることが判る。
【００３６】
なお、実施例１，８，９，１０の対比により、同じ厚み０．５ｍｍ、硬度７０、伸び１６０のシート体７，８を用いた場合でも、フィラー径Ｄあるいは超音波の周波数ｆを変更することで、係数αを小さな値にするほど、初期送受感度積を大きく（感度良好に）できることが判る。フィラー粒子による超音波の散乱・減衰が生じにくくなるためと考えられる。
【００３７】
また、シート体７，８の厚みのみ異ならせた実施例１，４，５，６（さらに、比較例３，４）の流量計を比較すると、シート体７，８の厚みが薄くなるほど、初期送受感度積を大きく（感度良好に）できることが判る。超音波がシート体７，８を透過することによる減衰を、シート体の厚みが薄いほど抑制できるためであると考えられる。従って、比較例３のようなシート亀裂を生じない範囲（０．２〜２．０ｍｍ）で、シート体の厚みを薄くするのが好ましいことが判る。
【００３８】
また、シート体７，８の硬度および伸びを異ならせた実施例１，２，３（さらに、比較例５，６，７）の流量計を比較すると、シート体７，８の硬度が大きく（柔らかく）また、伸びが大きくなるほど、初期送受感度積を大きく（感度良好に）できることが判る。シート体７，８が柔らかく伸びが大きいほど、シート体７，８が超音波透過外側面３Ｂ，４Ｂおよび超音波振動面５Ａ，６Ａに密着し、超音波を伝達しやすくなるためであると考えられる。従って、比較例６のようなシート亀裂を生じない範囲（硬度４０〜９０，伸び１００〜４００％）で、シート体を柔らかく（硬度の値を大きく）、伸びを大きくするのが好ましいことが判る。
【００３９】
また以上から、各実施例に係るシート体７，８を用いた超音波流量計１０の使用温度として、１６０℃の高温で使用するものに適用できることが明らかとなった。
なお、実施例１〜１０では、シート体７，８として、超音波流量計１０の使用中にシート体７，８自身が達する温度（５０〜１６０℃）に対し、その使用温度範囲の上限が、これより高い２００℃である、前述のシリコーンゲルシート（λケ゛ルシート：COH-4000）を用いている。またこの逆に、この超音波流量計１０は、シート体の温度が２００℃に達するまで、使用できると考えることができる。
かくして、このような特性を有するシート体７，８を用い、このシート体７，８自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計１０とすることができる。加えて、シート体７，８自身の温度が８０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計１０とすることもできる。さらには、シート体７，８自身の温度が１２０〜２００℃となる温度環境で使用される超音波流量計１０とすることもできる。
【００４０】
以上において、本発明を実施形態および実施例に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態の流量計では、超音波トランスデューサ５，６の超音波振動面５Ａ，６Ａが、測定路２ＲＢの軸線２ＲＢＸにそれぞれ直交し、互いに対向する形態に、超音波トランスデューサ５，６を配置した例を示した。
しかし、測定路２ＲＢの軸線２ＲＢＸと、超音波振動面５Ａと超音波振動面６Ａとを結ぶ軸線とが斜交するように、超音波トランスデューサ５，６を配置するようにしても良い。
【符号の説明】
【００４１】
Ｌ 液体（流体）
１０ 超音波流量計
１ 流量計本体
２ 流路壁部
２Ｒ （流路壁部で構成される）流路
３，４ 超音波透過壁部
３Ａ，４Ａ 超音波透過流路面
３Ｂ，４Ｂ 超音波透過外側面
５，６ 超音波トランスデューサ
５Ａ，６Ａ （超音波トランスデューサの）超音波振動面
７，８ シート体
７Ａ，８Ａ （シート体の）内側面
７Ｂ，８Ｂ （シート体の）外側面
７Ｆ，８Ｆ フィラー粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流される流路を構成する流路壁部を有する流量計本体であって、
上記流路壁部の一部をなし、超音波を透過させる板状の超音波透過壁部であって、
上記流路に面する超音波透過流路面、および、上記超音波透過流路面と対向し外側を向く超音波透過外側面とをなす
超音波透過壁部を一対含む
流量計本体と、
上記流体に向けての上記超音波透過壁部を通した上記超音波の放射と上記流体からの上記超音波透過壁部を通した上記超音波の受波とを行う、一対の超音波トランスデューサであって、
上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面に対向して配置され、上記超音波振動する超音波振動面を有する
一対の超音波トランスデューサと、
上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面と上記超音波トランスデューサの上記超音波振動面との間にそれぞれ介在し圧縮されてなり、シリコーンゲル組成物を主体とするシート形状のゲル状弾性体からなるシート体であって、
上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面及び上記超音波トランスデューサの上記超音波振動面に密着してなり、
非圧縮時の厚みが０．２〜２．０ｍｍであり、
硬度が、４０〜９０（JIS K2207 針入度，1／10mm）であり、
伸びが、１００〜４００％（JIS K6429）である
シート体と、を備え、
上記シート体自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用される
超音波流量計。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波流量計であって、
前記シート体は、フィラー粒子を含み、
上記超音波トランスデューサで用いる前記超音波の周波数をｆ(Hz)とし、上記シート体中の音速をＶｓ(m/s)とし、上記フィラー粒子の平均粒子径をＤ(m)としたとき、
πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２ を満たす
超音波流量計。
【請求項１】
流体が流される流路を構成する流路壁部を有する流量計本体であって、
上記流路壁部の一部をなし、超音波を透過させる板状の超音波透過壁部であって、
上記流路に面する超音波透過流路面、および、上記超音波透過流路面と対向し外側を向く超音波透過外側面とをなす
超音波透過壁部を一対含む
流量計本体と、
上記流体に向けての上記超音波透過壁部を通した上記超音波の放射と上記流体からの上記超音波透過壁部を通した上記超音波の受波とを行う、一対の超音波トランスデューサであって、
上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面に対向して配置され、上記超音波振動する超音波振動面を有する
一対の超音波トランスデューサと、
上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面と上記超音波トランスデューサの上記超音波振動面との間にそれぞれ介在し圧縮されてなり、シリコーンゲル組成物を主体とするシート形状のゲル状弾性体からなるシート体であって、
上記超音波透過壁部の上記超音波透過外側面及び上記超音波トランスデューサの上記超音波振動面に密着してなり、
非圧縮時の厚みが０．２〜２．０ｍｍであり、
硬度が、４０〜９０（JIS K2207 針入度，1／10mm）であり、
伸びが、１００〜４００％（JIS K6429）である
シート体と、を備え、
上記シート体自身の温度が５０〜２００℃となる温度環境で使用される
超音波流量計。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波流量計であって、
前記シート体は、フィラー粒子を含み、
上記超音波トランスデューサで用いる前記超音波の周波数をｆ(Hz)とし、上記シート体中の音速をＶｓ(m/s)とし、上記フィラー粒子の平均粒子径をＤ(m)としたとき、
πＤ・ｆ／Ｖｓ＜１／２ を満たす
超音波流量計。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−７８２９９（Ｐ２０１２−７８２９９Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２６１１９（Ｐ２０１０−２２６１１９）
【出願日】平成２２年１０月６日（２０１０．１０．６）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月６日（２０１０．１０．６）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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