射流振蕩流量計的制作方法

專利名稱：射流振蕩流量計的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及一種測量通道中流體流量的裝置，特別是一種用 于確定氣體流速的射流振蕩流量計。
背景技術：
射流振蕩流量計是本領域內公知的。例如，Horton等的美國專利 第3,185,166號、Testerman等的美國專利第3,273,377號、Taplin的美 國專利第3,373,600號、Adams等的美國專利第3,640,133號、Villarroel 等的美國專利第3,756,068號、Zupanick的美國專利第4,150,561號、 Bauer的美國專利第4,244,230號和Drzewiecki的美國專利第6,553,844 號。這些傳統的射流振蕩器包括一個具有兩個通道的射流放大器，通 道輸出端反饋到輸入端以產生自由流動振蕩(free running oscillation)， 其中，通過將反饋回來的流體橫向施加于輸入流從而迫使其輸入另一 通道的方式，使得流體交替流過一個通道和另一通道。
多 數的射流振蕩流量計測量例如體積流量、密度、質量、焓和流 體體積模量等參數。在測量體積流量的情況下，該測量典型地通過測 量流體從一個通道轉移到另一通道的頻率來完成。由于流體通過時間 與流速相關，該頻率與體積流量線性相關。由于放大器管口面積已知， 由速度和面積的乘積得出體積流量。在多數情況下，多數流體的聲反 饋時間設計為僅占整個流體通過時間的很少的百分比。
在美國專利第6，076，392號中，通過測量流體取樣流的流量和流體 中的聲速來確定氣體混合物的組分。為了確定流體樣本的密度和粘度 特性，需要測量體積流量，為了確定流體的比熱特性，需要測量聲速。在1972年的Ind. Eng. Chem. Fundam.(化學基礎工業工程)第11 巻第3期Anderson等人發表的文獻"A Fluidic-Electronic Hybrid System for Measuring the Composition of Binary Mixtures (—禾中用于領lj量二元混 合物的組分的射流-電子混合系統)"中，揭示了對于溫度在-20到+120 ° C范圍內的氣體，氣體的密度可以利用振蕩流量計來確定。壓力脈沖 在氣體中傳播的速度(聲速)與氣體密度的平方根成比例。然而，該 系統需要一個單獨的液體汽化器。
因此，想要提供一種結合在燃料電池中的射流振蕩流量計來測量 高溫蒸汽的體積流速。此外，結合附圖和本發明的背景技術，本發明 的其他期望特征和特性將從隨后的本發明詳細描述和所附的權利要求 中變得明了。

發明內容
提供一種成整體的汽化器和流量計來確定氣體的流速。該裝置包 括形成汽化室的外罩，用于在受熱時將流體轉化為氣體蒸汽。振蕩流 量計在外罩中形成，從而與汽化室成整體，該振蕩流量計用于接收氣 體蒸汽并提供指示氣體蒸汽流速的頻率信號。


本發明將在下文中與以下附圖結合描述，附圖中相同的標號指示 相同的部件，并且
圖1是依照本發明的示例性實施方式的射流振蕩流量計的示意 圖；以及
圖2是包括圖1的射流振蕩流量計的燃料電池系統的方框圖。
具體實施例方式
以下對本發明的詳細描述實質上僅僅是示例性的，并不意圖作為 本發明或對本發明的應用和使用的限制。而且，也不意圖受到本發明 的前述背景技術中或本發明的以下詳細描述中呈現的任何理論的限制。
如圖1所示，依照本發明的示例性實施方式的氣體振蕩流量計10 包括在外罩12內的汽化室14和流量計16。理想地，該設備應該能夠 在被測流體的沸點溫度的最小值到二級處理溫度的最大值范圍內運 行。外罩12包括能夠經受高溫的材料，例如金屬，但優選包括陶瓷。 汽化室12可選擇地(optionally)包括全部分隔開的多孔材料18。多孔 材料18可以包括例如氧化鋯或氧化鋁。多孔材料18改善了流體的散 布從而達到更好的均衡蒸發。
流量計16包括流量計入口管嘴26以及第一和第二分流通道28， 30。通過輸出通道42， 44， 46， 48，可以到達排氣口 32， 34， 36和 38 (輸出通路)。壓電室52在第一分流通道28和第一回流通道54之 間隔開，壓電室56在第二分流通道30和第二回流通道58之間隔開。 壓電裝置62位于壓電室52之內，壓電裝置64位于壓電室56之內。 在一些實施方式中，例如多層陶瓷實施方式中，不同的部件可以位于 不同的層面。為了簡明，圖1中所示的不同的組件位于相同的層面。
運行時，液體在入口 20處流入室14。液體可以包括例如甲醇和 水的混合物(例如可以用于隨后將詳細描述的燃料電池系統中)。液體 將浸透一部分多孔材料18。通過主動加熱該室或通過從熱聯結二級處 理回收廢棄熱量的方式，為室14提供熱量22，使得氣體蒸汽在出口 24排出室14夕卜。需要的加熱溫度在入口流體的最大沸點溫度之上并在 結構材料的熱限制之下。
從出口 24排出的氣體蒸汽以一定速度進入流量計入口管嘴26。 當氣體蒸汽進入流量計16時，大部分氣體蒸汽將進入第一或第二分流 通道。例如，氣體蒸汽可能進入分流通道28，繞行通過壓電室52和第 一回流通道54，通過第一管嘴66。當該氣體蒸汽通過第一管嘴66時， 其與進入流量計入口管嘴26的氣體蒸汽發生沖擊，使進入的氣體蒸汽轉向并引起大部分進入的氣體蒸汽立刻轉入第二分流通道30。氣體蒸
汽然后將繞行通過壓電室56和第二回流通道58，通過第二管嘴68。 當該氣體蒸汽通過第二管嘴68時，其與進入流量計入口管嘴26的氣 體蒸汽發生沖擊，使進入的氣體蒸汽轉向并引起大部分進入的氣體蒸 汽再次進入第一分流通道28。只要氣體蒸汽進入流量計16，從流量計 16的一邊到另一邊的這種交換將會以循環方式持續，該循環方式具有 依賴于氣體流速的一定頻率。
當氣體蒸汽充滿流量計16且壓力加強時，氣體蒸汽將進入輸出通 道42， 44， 46， 48并通過排氣口32， 34， 36， 38排出流量計16。排 氣口 32， 34， 36， 38可以會聚到單一的出口 (未示出)。此外，雖然 只顯示了四個排氣口32， 34， 36， 38，但可以使用任何數量的排氣口 。 典型地，兩邊將設置相等數量的排氣口。
當氣體蒸汽通過壓電室52， 56時，壓力脈沖足以驅動壓電裝置 62， 64，從而產生一個指示流量計16振蕩特性頻率的交流電信號60。 氣體從一個通道28， 30轉移到另一通道的頻率大體上與體積流量線性 相關。
氣體振蕩流量計10可以被十分有效地用在消耗液體燃料并在燃 料沸點以上的溫度運行的任何應用中，例如內燃機、微反應堆、特別 是燃料電池。燃料電池是電化學電池，其中，由燃料氧化反應產生的 自由能變化被轉換為電能。重整制氫型燃料電池(RHFC)利用由液態 或氣態烴類燃料例如甲醇處理得到的氫燃料，使用被稱為燃料重整器 的反應堆將燃料轉化為氫。由于甲醇在相對低的溫度下比其他烴類燃 料例如乙醇、汽油或丁烷更易于重整為氫氣，因此甲醇是便攜式應用 中用于燃料重整器的優選燃料。從甲醇到氫的重整或轉化通常以三種 不同類型的重整中的一種來進行。這三種類型是蒸汽重整、部分氧化 重整和自熱重整。在這些類型中，由于蒸汽重整最容易控制且在較低 的溫度下能產生由重整器輸出的較高濃度的氫，因此蒸汽重整是甲醇重整的優選方法，從而被推選使用。
利用多層疊片陶瓷技術，陶瓷組件和系統目前被開發用于微流體 化學處理和能量管理系統，例如燃料電池。由這些疊片陶瓷組件構成 的整體結構對化學反應呈惰性和穩定性，并能夠耐高溫。這些結構也 可以提供小型化組件，將電氣和電子線路或元件高程度地嵌入或結合 在陶瓷結構中以進行系統控制并發揮作用。此外，用來形成包括微通 道結構的陶瓷組件或裝置的陶瓷材料被認為是極好的催化劑載體，因 此格外適合于微反應堆裝置，微反應堆裝置用于產生與小型化燃料電
池結合使用的氫。美國專利第6,569,553號中公開了在陶瓷材料中形成 燃料電池的一個例子。
圖2中示出了燃料電池系統的簡化框圖，包括射流振蕩流量計10 的一個示例性實施方式。甲醇和水的混合物70由燃料泵72提供并經 由燃料管線71到達射流振蕩流量計10。甲醇和水的混合物70如前所 述被轉化為氣體蒸汽。利用燃料電池92 (電加熱器，未示出，可提供 啟動所需熱量)的廢棄熱量為氣體振蕩流量計10提供熱量22。如前所 述生成頻率信號60，也生成蒸汽溫度信號73，并將其提供給微控制器 74。微控制器74將控制信號76傳送給燃料泵72以響應于頻率信號60 控制泵送的燃料量。每個頻率與具體的流速成比例。泵控制電路74基 于頻率信號60和蒸汽溫度信號73確定流速，并通過控制信號76增加、 減少或保持燃料流速來指引燃料泵72。
氣體蒸汽通過管線81排出射流振蕩流量計10，并進入燃料處理 器80的重整器部分82。盡管可以使用任何氧化劑，但第一氣泵84優 選地向混合器86泵送空氣，以便把空氣和通過管線85從燃料電池92 接收到的燃料相混合。微控制器74確定第一氣泵84的流速并用燃燒 室泵控制信號81控制其速度。空氣和燃料的混合物通過管線87送入 燃燒室88以向重整器82提供熱量。從微控制器74到燃燒室88的加 熱器控制信號79控制由燃燒室88產生的熱量以使重整器82最佳運行。重整器通過管線83向燃料電池92的陽極72提供氫蒸汽。
燃料電池92包括一燃料電極或陽極94和一氧化劑電極或陰極96， 它們被離子傳導電解液98隔開。電極94， 96通過外部電路導體(未 示出)電連接到負載(例如電子電路)上。在電路導體中，通過電子 的流動而傳輸電流，然而在電解液98中，通過離子的流動來傳輸電流， 例如酸性電解液中的氫離子(H+)或堿性電解液中的氫氧離子(OH—)。 理論上，任何能夠連續地供給(如氣體或流體)的可進行化學氧化的 物質，都能在燃料電池的陽極作為燃料被電氧化。同樣地，由第二氣 泵102通過管線103提供的氧化劑可以是任何能以足夠的速率還原的
材料。對于大多數應用，選擇氣態氫做燃料，因為它在有適當的催化 劑時具有高活性并且它具有高功率密度。同樣地，在燃料電池的陰極
96，最常用的氧化劑是氣態氧，對于在陸地上使用的燃料電池，氣態 氧可以容易并經濟地從空氣中得到。當把氣態氫和氧作為燃料和氧化 劑使用時，電極94， 96是多孔的，以允許有盡可能大的氣體-電解液的 連接區域。電極94， 96必須是電子導體，并擁有適當的活性以便產生 相當的反應速率。在陽極94處，引入的氫氣被氧化以產生氫離子(質 子)和電子。由于電解液是非電子導體，因此電子通過外部電路從陽 極94流出。在陰極96處，氧氣被還原并與穿過電解液98遷移的氫離 子以及從外部電路流入的電子進行反應，生成水作為副產物。該副產 物水典型地作為高溫蒸汽通過管線99排出。在燃料電池中進行的全部 反應是陽極94和陰極96的反應之和，反應中的一部分自由能直接釋 放為電能。可利用的自由能和反應熱量之差生成為處在燃料電池92溫 度的熱能。可以看到，只要把氫和氧提供給燃料電池92，通過外部電 路中的電子流和電解液中的離子流，電流的流動將會持續。
實際上，許多這些單位燃料電池92通常堆疊或"組裝(gang)" 在一起以構成燃料電池組合件。通過將一個電池的陽極集電極和堆中 與其最臨近的電池的陰極集電極相對接的方式，許多單獨的電池以串 聯方式電連接。微控制器74控制系統的全部工作。例如，響應來自燃料電池92 的溫度信號93和電池電壓信號95，燃料電池92的工作點通過來自微 控制器74的加熱器控制信號91控制。第二氣泵(或送風機)102提供 給陰極96的氧化劑的量由來自微控制器的陰極送風機信號101所控 制。來自燃料電池92并通過管線99和稀釋風扇106的廢氣由微處理 器74通過稀釋風扇信號105控制。直流-直流轉換器108接收燃料電池 92產生的電流并向微控制器74供電。
雖然在上述對本發明的詳細描述中給出了至少一個示例性實施方 式，但是應當意識到還存在大量的變形。可以理解的是，示例性實施 方式僅僅是實施例，并不意圖以任何方式限制本發明的范圍、適用性 或結構。相反，上述的詳細描述將提供給本領域技術人員實施本發明 的示例性實施方式的便利指示。應該了解，在不超出本發明所附的權 利要求中提出的范圍的條件下，可以對示例性實施方式在功能和組件 布置上做出各種變化。
權利要求
1.一種裝置，包括外罩，該外罩形成汽化室，用于在受熱時將流體轉化為氣體蒸汽；和振蕩流量計，該振蕩流量計形成在所述外罩中，從而與所述汽化室成整體，用于接收所述氣體蒸汽并提供指示所述氣體蒸汽的流速的頻率信號。
2. 如權利要求l所述的裝置，進一步包括位于所述汽化室中的多 孔材料。
3. 如權利要求2所述的裝置，其中所述多孔材料包括氧化鋯或氧 化鋁。
4. 如權利要求l所述的裝置，其中所述外罩包括陶瓷材料。
5. 如權利要求l所述的裝置，進一步包括 輸出端，被聯結而用于接收所述氣體蒸汽；和 與所述輸出端相聯結的設備，用于將所述氣體蒸汽轉化為電或機械動力。
6. 如權利要求l所述的裝置，進一步包括 燃料處理器，用于從所述流量計接收所述氣體蒸汽流； 燃料電池，從所述燃料處理器接收重整后的氫；和燃料泵，以響應于所述頻率信號而確定的流量將所述流體泵送到 所述汽化室。
7. 如權利要求l所述的裝置，其中所述振蕩流量計包括 入口，用于接收所述氣體蒸汽；第一和第二分流通道，用于交替接收來自所述入口的所述氣體蒸汽；第一管嘴，用于接收來自所述第一分流通道的所述氣體蒸汽并使 來自所述入口的氣體蒸汽流轉入所述第二分流通道；第二管嘴，用于接收來自所述第二分流通道的所述氣體蒸汽并使 來自所述入口的所述氣體蒸汽流轉入所述第一分流通道；第一傳感器，位于所述第一分流通道中，用于檢測所述氣體蒸汽 流并產生所述頻率信號；和所述氣體蒸汽的出口。
8. 如權利要求7所述的裝置，其中所述第一傳感器包括結合在所 述外罩中的壓電元件或壓阻元件。
9. 如權利要求7所述的裝置，進一步包括第二傳感器，該第二傳 感器位于所述第二分流通道中，用于檢測所述氣體蒸汽流并與所述第 一傳感器相關聯地產生所述頻率信號。
10. —種裝置，包括外罩，該外罩形成汽化室，用于在受熱時將流體轉化為氣體蒸汽 流；禾口流量計，該流量計形成在所述外罩中，從而與所述汽化室成整體， 該流量計包括入口，用于接收所述氣體蒸汽流；第一和第二分流通道，用于交替接收來自所述入口的所述氣體蒸汽流；第一管嘴，用于接收來自所述第一分流通道的所述氣體蒸汽流并 使來自所述入口的氣體流轉入所述第二分流通道；第二管嘴，用于接收來自所述第二分流通道的所述氣體流并使來 自所述入口的所述氣體流轉入所述第一分流通道；第一傳感器，位于所述第一分流通道中，用于檢測所述氣體蒸汽流；和所述氣體蒸汽的出口。
11. 如權利要求IO所述的裝置， 多孔材料。
12. 如權利要求11所述的裝置， 氧化鋁。進一步包括位于所述汽化室中的其中所述多孔材料包括氧化鋯或
13. 如權利要求IO所述的裝置，汽化室和所述流量計形成在陶瓷材料中。
14. 如權利要求IO所述的裝置，進一步包括第二傳感器，該第二 傳感器位于所述第二分流通道中，用于與所述第一傳感器相關聯地檢 測所述氣體蒸汽流。
15. 如權利要求IO所述的裝置，進一步包括用于將來自所述出口 的所述氣體蒸汽轉化為電或機械動力的設備。
16. 如權利要求IO所述的裝置，進一步包括 燃料處理器，用于從所述流量計接收所述氣體蒸汽流； 燃料電池，從所述燃料處理器接收重整后的氫；和燃料泵，以響應于所述第一傳感器而確定的流量將所述流體泵送 入所述汽化室。
17. —種裝置，包括 外罩，該外罩形成有 入口，用于接收流體；汽化室，用于在受熱時將所述流體轉化為氣體蒸汽流； 第一和第二分流通道，用于交替接收來自所述汽化室的所述氣體蒸汽流；第一管嘴，用于接收來自所述第一分流通道的所述氣體蒸汽流； 第二管嘴，用于接收來自所述第二分流通道的所述氣體蒸汽流，其中所述第一和第二管嘴交替地將來自所述汽化室的所述氣體蒸汽流分別轉入所述第二和第一分流通道；和用于所述氣體蒸汽的至少一個出口；和第一傳感器，位于所述第一分流通道中，用于檢測所述氣體蒸汽流。
18. 如權利要求17所述的裝置，進一步包括位于所述汽化室中的 多孔材料。
19. 如權利要求17所述的裝置，其中所述多孔材料包括氧化鋯或 氧化鋁。
20. 如權利要求n所述的裝置，汽化室和所述流量計形成在陶瓷材料中。
21. 如權利要求17所述的裝置，進一步包括第二傳感器，該第二 傳感器位于所述第二分流通道中，用于與所述第一傳感器相關聯地檢 測所述氣體蒸汽流。
22. 如權利要求17所述的裝置，進一步包括用于將來自所述出口 的所述氣體蒸汽轉化為電或機械動力的設備。
23. 如權利要求17所述的裝置，進一步包括 燃料處理器，用于從所述流量計接收所述氣體蒸汽流；和 燃料電池，從所述燃料處理器接收重整后的氫；燃料泵，以響應于所述第一傳感器而確定的流量將所述流體泵送 入所述汽化室。
全文摘要
提供一種裝置(10)用于確定氣體的流速。該裝置包括外罩(12)，其形成汽化室(14)，用于在受熱(22)時將流體轉化為氣體蒸汽。振蕩流量計在外罩(12)中形成，從而與汽化室成整體，該振蕩流量計用于接收氣體蒸汽并提供指示氣體蒸汽流速的頻率信號(60)。
文檔編號G01F1/20GK101305267SQ200680027784
公開日2008年11月12日 申請日期2006年6月6日 優先權日2005年7月29日
發明者喬達里·R·科里佩拉, 斯蒂芬·薩姆斯 申請人:摩托羅拉公司