专利名称：射流振荡流量计的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种测量通道中流体流量的装置，特别是一种用 于确定气体流速的射流振荡流量计。
背景技术：
射流振荡流量计是本领域内公知的。例如，Horton等的美国专利 第3,185,166号、Testerman等的美国专利第3,273,377号、Taplin的美 国专利第3,373,600号、Adams等的美国专利第3,640,133号、Villarroel 等的美国专利第3,756,068号、Zupanick的美国专利第4,150,561号、 Bauer的美国专利第4,244,230号和Drzewiecki的美国专利第6,553,844 号。这些传统的射流振荡器包括一个具有两个通道的射流放大器，通 道输出端反馈到输入端以产生自由流动振荡(free running oscillation)， 其中，通过将反馈回来的流体横向施加于输入流从而迫使其输入另一 通道的方式，使得流体交替流过一个通道和另一通道。
多 数的射流振荡流量计测量例如体积流量、密度、质量、焓和流 体体积模量等参数。在测量体积流量的情况下，该测量典型地通过测 量流体从一个通道转移到另一通道的频率来完成。由于流体通过时间 与流速相关，该频率与体积流量线性相关。由于放大器管口面积已知， 由速度和面积的乘积得出体积流量。在多数情况下，多数流体的声反 馈时间设计为仅占整个流体通过时间的很少的百分比。
在美国专利第6，076，392号中，通过测量流体取样流的流量和流体 中的声速来确定气体混合物的组分。为了确定流体样本的密度和粘度 特性，需要测量体积流量，为了确定流体的比热特性，需要测量声速。在1972年的Ind. Eng. Chem. Fundam.(化学基础工业工程)第11 巻第3期Anderson等人发表的文献"A Fluidic-Electronic Hybrid System for Measuring the Composition of Binary Mixtures (—禾中用于领lj量二元混 合物的组分的射流-电子混合系统)"中，揭示了对于温度在-20到+120 ° C范围内的气体，气体的密度可以利用振荡流量计来确定。压力脉冲 在气体中传播的速度(声速)与气体密度的平方根成比例。然而，该 系统需要一个单独的液体汽化器。
因此，想要提供一种结合在燃料电池中的射流振荡流量计来测量 高温蒸汽的体积流速。此外，结合附图和本发明的背景技术，本发明 的其他期望特征和特性将从随后的本发明详细描述和所附的权利要求 中变得明了。
发明内容
提供一种成整体的汽化器和流量计来确定气体的流速。该装置包 括形成汽化室的外罩，用于在受热时将流体转化为气体蒸汽。振荡流 量计在外罩中形成，从而与汽化室成整体，该振荡流量计用于接收气 体蒸汽并提供指示气体蒸汽流速的频率信号。
本发明将在下文中与以下附图结合描述，附图中相同的标号指示 相同的部件，并且
图1是依照本发明的示例性实施方式的射流振荡流量计的示意 图；以及
图2是包括图1的射流振荡流量计的燃料电池系统的方框图。
具体实施例方式
以下对本发明的详细描述实质上仅仅是示例性的，并不意图作为 本发明或对本发明的应用和使用的限制。而且，也不意图受到本发明 的前述背景技术中或本发明的以下详细描述中呈现的任何理论的限制。
如图1所示，依照本发明的示例性实施方式的气体振荡流量计10 包括在外罩12内的汽化室14和流量计16。理想地，该设备应该能够 在被测流体的沸点温度的最小值到二级处理温度的最大值范围内运 行。外罩12包括能够经受高温的材料，例如金属，但优选包括陶瓷。 汽化室12可选择地(optionally)包括全部分隔开的多孔材料18。多孔 材料18可以包括例如氧化锆或氧化铝。多孔材料18改善了流体的散 布从而达到更好的均衡蒸发。
流量计16包括流量计入口管嘴26以及第一和第二分流通道28， 30。通过输出通道42， 44， 46， 48，可以到达排气口 32， 34， 36和 38 (输出通路)。压电室52在第一分流通道28和第一回流通道54之 间隔开，压电室56在第二分流通道30和第二回流通道58之间隔开。 压电装置62位于压电室52之内，压电装置64位于压电室56之内。 在一些实施方式中，例如多层陶瓷实施方式中，不同的部件可以位于 不同的层面。为了简明，图1中所示的不同的组件位于相同的层面。
运行时，液体在入口 20处流入室14。液体可以包括例如甲醇和 水的混合物(例如可以用于随后将详细描述的燃料电池系统中)。液体 将浸透一部分多孔材料18。通过主动加热该室或通过从热联结二级处 理回收废弃热量的方式，为室14提供热量22，使得气体蒸汽在出口 24排出室14夕卜。需要的加热温度在入口流体的最大沸点温度之上并在 结构材料的热限制之下。
从出口 24排出的气体蒸汽以一定速度进入流量计入口管嘴26。 当气体蒸汽进入流量计16时，大部分气体蒸汽将进入第一或第二分流 通道。例如，气体蒸汽可能进入分流通道28，绕行通过压电室52和第 一回流通道54，通过第一管嘴66。当该气体蒸汽通过第一管嘴66时， 其与进入流量计入口管嘴26的气体蒸汽发生冲击，使进入的气体蒸汽转向并引起大部分进入的气体蒸汽立刻转入第二分流通道30。气体蒸
汽然后将绕行通过压电室56和第二回流通道58，通过第二管嘴68。 当该气体蒸汽通过第二管嘴68时，其与进入流量计入口管嘴26的气 体蒸汽发生冲击，使进入的气体蒸汽转向并引起大部分进入的气体蒸 汽再次进入第一分流通道28。只要气体蒸汽进入流量计16，从流量计 16的一边到另一边的这种交换将会以循环方式持续，该循环方式具有 依赖于气体流速的一定频率。
当气体蒸汽充满流量计16且压力加强时，气体蒸汽将进入输出通 道42， 44， 46， 48并通过排气口32， 34， 36， 38排出流量计16。排 气口 32， 34， 36， 38可以会聚到单一的出口 (未示出)。此外，虽然 只显示了四个排气口32， 34， 36， 38，但可以使用任何数量的排气口 。 典型地，两边将设置相等数量的排气口。
当气体蒸汽通过压电室52， 56时，压力脉冲足以驱动压电装置 62， 64，从而产生一个指示流量计16振荡特性频率的交流电信号60。 气体从一个通道28， 30转移到另一通道的频率大体上与体积流量线性 相关。
气体振荡流量计10可以被十分有效地用在消耗液体燃料并在燃 料沸点以上的温度运行的任何应用中，例如内燃机、微反应堆、特别 是燃料电池。燃料电池是电化学电池，其中，由燃料氧化反应产生的 自由能变化被转换为电能。重整制氢型燃料电池(RHFC)利用由液态 或气态烃类燃料例如甲醇处理得到的氢燃料，使用被称为燃料重整器 的反应堆将燃料转化为氢。由于甲醇在相对低的温度下比其他烃类燃 料例如乙醇、汽油或丁烷更易于重整为氢气，因此甲醇是便携式应用 中用于燃料重整器的优选燃料。从甲醇到氢的重整或转化通常以三种 不同类型的重整中的一种来进行。这三种类型是蒸汽重整、部分氧化 重整和自热重整。在这些类型中，由于蒸汽重整最容易控制且在较低 的温度下能产生由重整器输出的较高浓度的氢，因此蒸汽重整是甲醇重整的优选方法，从而被推选使用。
利用多层叠片陶瓷技术，陶瓷组件和系统目前被开发用于微流体 化学处理和能量管理系统，例如燃料电池。由这些叠片陶瓷组件构成 的整体结构对化学反应呈惰性和稳定性，并能够耐高温。这些结构也 可以提供小型化组件，将电气和电子线路或元件高程度地嵌入或结合 在陶瓷结构中以进行系统控制并发挥作用。此外，用来形成包括微通 道结构的陶瓷组件或装置的陶瓷材料被认为是极好的催化剂载体，因 此格外适合于微反应堆装置，微反应堆装置用于产生与小型化燃料电
池结合使用的氢。美国专利第6,569,553号中公开了在陶瓷材料中形成 燃料电池的一个例子。
图2中示出了燃料电池系统的简化框图，包括射流振荡流量计10 的一个示例性实施方式。甲醇和水的混合物70由燃料泵72提供并经 由燃料管线71到达射流振荡流量计10。甲醇和水的混合物70如前所 述被转化为气体蒸汽。利用燃料电池92 (电加热器，未示出，可提供 启动所需热量)的废弃热量为气体振荡流量计10提供热量22。如前所 述生成频率信号60，也生成蒸汽温度信号73，并将其提供给微控制器 74。微控制器74将控制信号76传送给燃料泵72以响应于频率信号60 控制泵送的燃料量。每个频率与具体的流速成比例。泵控制电路74基 于频率信号60和蒸汽温度信号73确定流速，并通过控制信号76增加、 减少或保持燃料流速来指引燃料泵72。
气体蒸汽通过管线81排出射流振荡流量计10，并进入燃料处理 器80的重整器部分82。尽管可以使用任何氧化剂，但第一气泵84优 选地向混合器86泵送空气，以便把空气和通过管线85从燃料电池92 接收到的燃料相混合。微控制器74确定第一气泵84的流速并用燃烧 室泵控制信号81控制其速度。空气和燃料的混合物通过管线87送入 燃烧室88以向重整器82提供热量。从微控制器74到燃烧室88的加 热器控制信号79控制由燃烧室88产生的热量以使重整器82最佳运行。重整器通过管线83向燃料电池92的阳极72提供氢蒸汽。
燃料电池92包括一燃料电极或阳极94和一氧化剂电极或阴极96， 它们被离子传导电解液98隔开。电极94， 96通过外部电路导体(未 示出)电连接到负载(例如电子电路)上。在电路导体中，通过电子 的流动而传输电流，然而在电解液98中，通过离子的流动来传输电流， 例如酸性电解液中的氢离子(H+)或碱性电解液中的氢氧离子(OH—)。 理论上，任何能够连续地供给(如气体或流体)的可进行化学氧化的 物质，都能在燃料电池的阳极作为燃料被电氧化。同样地，由第二气 泵102通过管线103提供的氧化剂可以是任何能以足够的速率还原的
材料。对于大多数应用，选择气态氢做燃料，因为它在有适当的催化 剂时具有高活性并且它具有高功率密度。同样地，在燃料电池的阴极
96，最常用的氧化剂是气态氧，对于在陆地上使用的燃料电池，气态 氧可以容易并经济地从空气中得到。当把气态氢和氧作为燃料和氧化 剂使用时，电极94， 96是多孔的，以允许有尽可能大的气体-电解液的 连接区域。电极94， 96必须是电子导体，并拥有适当的活性以便产生 相当的反应速率。在阳极94处，引入的氢气被氧化以产生氢离子(质 子)和电子。由于电解液是非电子导体，因此电子通过外部电路从阳 极94流出。在阴极96处，氧气被还原并与穿过电解液98迁移的氢离 子以及从外部电路流入的电子进行反应，生成水作为副产物。该副产 物水典型地作为高温蒸汽通过管线99排出。在燃料电池中进行的全部 反应是阳极94和阴极96的反应之和，反应中的一部分自由能直接释 放为电能。可利用的自由能和反应热量之差生成为处在燃料电池92温 度的热能。可以看到，只要把氢和氧提供给燃料电池92，通过外部电 路中的电子流和电解液中的离子流，电流的流动将会持续。
实际上，许多这些单位燃料电池92通常堆叠或"组装(gang)" 在一起以构成燃料电池组合件。通过将一个电池的阳极集电极和堆中 与其最临近的电池的阴极集电极相对接的方式，许多单独的电池以串 联方式电连接。微控制器74控制系统的全部工作。例如，响应来自燃料电池92 的温度信号93和电池电压信号95，燃料电池92的工作点通过来自微 控制器74的加热器控制信号91控制。第二气泵(或送风机)102提供 给阴极96的氧化剂的量由来自微控制器的阴极送风机信号101所控 制。来自燃料电池92并通过管线99和稀释风扇106的废气由微处理 器74通过稀释风扇信号105控制。直流-直流转换器108接收燃料电池 92产生的电流并向微控制器74供电。
虽然在上述对本发明的详细描述中给出了至少一个示例性实施方 式，但是应当意识到还存在大量的变形。可以理解的是，示例性实施 方式仅仅是实施例，并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性 或结构。相反，上述的详细描述将提供给本领域技术人员实施本发明 的示例性实施方式的便利指示。应该了解，在不超出本发明所附的权 利要求中提出的范围的条件下，可以对示例性实施方式在功能和组件 布置上做出各种变化。
权利要求
1.一种装置，包括外罩，该外罩形成汽化室，用于在受热时将流体转化为气体蒸汽；和振荡流量计，该振荡流量计形成在所述外罩中，从而与所述汽化室成整体，用于接收所述气体蒸汽并提供指示所述气体蒸汽的流速的频率信号。
2. 如权利要求l所述的装置，进一步包括位于所述汽化室中的多 孔材料。
3. 如权利要求2所述的装置，其中所述多孔材料包括氧化锆或氧 化铝。
4. 如权利要求l所述的装置，其中所述外罩包括陶瓷材料。
5. 如权利要求l所述的装置，进一步包括 输出端，被联结而用于接收所述气体蒸汽；和 与所述输出端相联结的设备，用于将所述气体蒸汽转化为电或机械动力。
6. 如权利要求l所述的装置，进一步包括 燃料处理器，用于从所述流量计接收所述气体蒸汽流； 燃料电池，从所述燃料处理器接收重整后的氢；和燃料泵，以响应于所述频率信号而确定的流量将所述流体泵送到 所述汽化室。
7. 如权利要求l所述的装置，其中所述振荡流量计包括 入口，用于接收所述气体蒸汽；第一和第二分流通道，用于交替接收来自所述入口的所述气体蒸汽；第一管嘴，用于接收来自所述第一分流通道的所述气体蒸汽并使 来自所述入口的气体蒸汽流转入所述第二分流通道；第二管嘴，用于接收来自所述第二分流通道的所述气体蒸汽并使 来自所述入口的所述气体蒸汽流转入所述第一分流通道；第一传感器，位于所述第一分流通道中，用于检测所述气体蒸汽 流并产生所述频率信号；和所述气体蒸汽的出口。
8. 如权利要求7所述的装置，其中所述第一传感器包括结合在所 述外罩中的压电元件或压阻元件。
9. 如权利要求7所述的装置，进一步包括第二传感器，该第二传 感器位于所述第二分流通道中，用于检测所述气体蒸汽流并与所述第 一传感器相关联地产生所述频率信号。
10. —种装置，包括外罩，该外罩形成汽化室，用于在受热时将流体转化为气体蒸汽 流；禾口流量计，该流量计形成在所述外罩中，从而与所述汽化室成整体， 该流量计包括入口，用于接收所述气体蒸汽流；第一和第二分流通道，用于交替接收来自所述入口的所述气体蒸汽流；第一管嘴，用于接收来自所述第一分流通道的所述气体蒸汽流并 使来自所述入口的气体流转入所述第二分流通道；第二管嘴，用于接收来自所述第二分流通道的所述气体流并使来 自所述入口的所述气体流转入所述第一分流通道；第一传感器，位于所述第一分流通道中，用于检测所述气体蒸汽流；和所述气体蒸汽的出口。
11. 如权利要求IO所述的装置， 多孔材料。
12. 如权利要求11所述的装置， 氧化铝。进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锆或
13. 如权利要求IO所述的装置，汽化室和所述流量计形成在陶瓷材料中。
14. 如权利要求IO所述的装置，进一步包括第二传感器，该第二 传感器位于所述第二分流通道中，用于与所述第一传感器相关联地检 测所述气体蒸汽流。
15. 如权利要求IO所述的装置，进一步包括用于将来自所述出口 的所述气体蒸汽转化为电或机械动力的设备。
16. 如权利要求IO所述的装置，进一步包括 燃料处理器，用于从所述流量计接收所述气体蒸汽流； 燃料电池，从所述燃料处理器接收重整后的氢；和燃料泵，以响应于所述第一传感器而确定的流量将所述流体泵送 入所述汽化室。
17. —种装置，包括 外罩，该外罩形成有 入口，用于接收流体；汽化室，用于在受热时将所述流体转化为气体蒸汽流； 第一和第二分流通道，用于交替接收来自所述汽化室的所述气体蒸汽流；第一管嘴，用于接收来自所述第一分流通道的所述气体蒸汽流； 第二管嘴，用于接收来自所述第二分流通道的所述气体蒸汽流，其中所述第一和第二管嘴交替地将来自所述汽化室的所述气体蒸汽流分别转入所述第二和第一分流通道；和用于所述气体蒸汽的至少一个出口；和第一传感器，位于所述第一分流通道中，用于检测所述气体蒸汽流。
18. 如权利要求17所述的装置，进一步包括位于所述汽化室中的 多孔材料。
19. 如权利要求17所述的装置，其中所述多孔材料包括氧化锆或 氧化铝。
20. 如权利要求n所述的装置，汽化室和所述流量计形成在陶瓷材料中。
21. 如权利要求17所述的装置，进一步包括第二传感器，该第二 传感器位于所述第二分流通道中，用于与所述第一传感器相关联地检 测所述气体蒸汽流。
22. 如权利要求17所述的装置，进一步包括用于将来自所述出口 的所述气体蒸汽转化为电或机械动力的设备。
23. 如权利要求17所述的装置，进一步包括 燃料处理器，用于从所述流量计接收所述气体蒸汽流；和 燃料电池，从所述燃料处理器接收重整后的氢；燃料泵，以响应于所述第一传感器而确定的流量将所述流体泵送 入所述汽化室。
全文摘要
提供一种装置(10)用于确定气体的流速。该装置包括外罩(12)，其形成汽化室(14)，用于在受热(22)时将流体转化为气体蒸汽。振荡流量计在外罩(12)中形成，从而与汽化室成整体，该振荡流量计用于接收气体蒸汽并提供指示气体蒸汽流速的频率信号(60)。
文档编号G01F1/20GK101305267SQ200680027784
公开日2008年11月12日 申请日期2006年6月6日 优先权日2005年7月29日
发明者乔达里·R·科里佩拉, 斯蒂芬·萨姆斯 申请人:摩托罗拉公司