JP2010048736A

JP2010048736A - 軸流式容積流量計

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Publication number: JP2010048736A
Application number: JP2008214872A
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Inventors: Katsuichi Uchida; 勝一内田
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Filing date: 2008-08-25
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Abstract

【課題】圧力損失を軽減可能とし、安価で高精度な軸流式容積流量計を提供する。
【解決手段】軸流式容積流量計１は、一対のねじれ方向の異なる同形同大のロータ１０と、ロータ１０が収容されたケーシング４と、ケーシング４の流入側端を封止する流入側蓋２と、流入側蓋２のフランジ２２に形成された流入口２１と、ケーシング４の流出側端を封止する流出側蓋３と、流出側蓋３のフランジ３２に形成された流出口３１とを備える。流入口２１と流出口３１とが、被測定流体の流れ方向に沿って一直線上に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸流式容積流量計、より詳細には、ケーシング内に一対のねじれ方向の異なるスパイラル歯車を備えた軸流式容積流量計に関する。

従来、軸流式容積流量計は、パイロット歯車の有無により２種類に分けられるが、パイロット歯車を有する場合には歯面の摩擦抵抗を考慮する必要がない反面、部品点数や組立作業の難易度の観点から製造コストが大きくなる。従って、安価な流量計を構築するためにはパイロット歯車を付加しない方が好ましい。しかし、パイロット歯車の無いものにあってはロータ歯面の摩擦抵抗が精度に大きく影響するため、従来技術では安価に高精度な流量計を構築することが困難な状況であった。

例えば、特許文献１には既存の代表的な軸流式容積流量計が記載されている。これは、図１９（Ａ），（Ｂ）に示すように、ロータ歯形の異なる一対のものを使用しているが、ロータ歯形が異なる場合には製作において各歯形に応じた工具を製作するなどの手間が必要となる問題が有る他、バランスが保ち難く、高回転の使用には向かないという欠点がある。また、器差曲線について流量が増加するにつれ器差がマイナスしていく特性を持つ。

このようなことから高精度な計量を実現するためには、ロータとケーシング間や、両ロータにより形成される定容積部分からの計量液の漏洩を抑えることが重要である。この漏洩はロータとケーシングの隙間の大きさや幅、計量前後の差圧（流量計の圧力損失）に依存するため、高精度化を実現するためには、例えば、ロータとケーシングの隙間やロータ相互の隙間を縮小する、圧力損失を軽減させる、などの方法が考えられるが、前者の隙間の縮小は相互運動を行う部品であるために限界があり、既に実用上の限界レベルに達しているものと考えられる。
独国特許出願公開第ＤＥ１９５１３７８１Ａ１号明細書

従来の軸流式容積流量計において、圧力損失を軽減させるために、曲り部を存在させないなどの種々の構造が検討されているが、上記特許文献１に記載の従来の軸流式容積流量計の場合、一対のロータが２葉と３葉の構成となっており、大きさも異なることから、相互のバランスが取りにくく、高回転下での使用が難しい他、製作に関しても手間がかかるという問題があった。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、圧力損失を軽減可能とし、安価で高精度な軸流式容積流量計を提供すること、を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、一対のねじれ方向の異なる同形のスパイラル歯車と、該一対のスパイラル歯車が収容されたケーシングと、該ケーシングの流入側端を封止する流入側蓋と、該流入側蓋の配管接続部に形成された流入口と、前記ケーシングの流出側端を封止する流出側蓋と、該流出側蓋の配管接続部に形成された流出口とを備え、前記流入口と前記流出口とが、被測定流体の流れ方向に沿って一直線上に配置されたことを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記ケーシング内に前記スパイラル歯車を回転自在に支持する軸受部を備え、前記軸受部は、流入側及び流出側をラジアル玉軸受としたことを特徴としたものである。

第３の技術手段は、第２の技術手段において、前記軸受部は、流出側をアンギュラ玉軸受としたことを特徴としたものである。

第４の技術手段は、第１〜第３のいずれか１の技術手段において、請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸流式容積流量計において、前記ケーシングの流入側端及び流出側端には一部開口した蓋部が形成され、
前記蓋部の開口面積は、前記スパイラル歯車と前記ケーシングとで形成される計量室の流入面積以上であることを特徴としたものである。

第５の技術手段は、第４の技術手段において、前記ケーシングは、前記スパイラル歯車の軸方向の少なくとも一端と、前記蓋部との間に空間を設けたことを特徴としたものである。

第６の技術手段は、第１〜第５のいずれか１の技術手段において、前記一対のスパイラル歯車のいずれか一方の後端に取り付けられた磁石円盤と、該磁石円盤の回転を検出する検出部とを備えたことを特徴としたものである。

第７の技術手段は、第６の技術手段において、前記検出部は、アモルファスセンサで構成され、前記ケーシングの流出側端に形成された前記蓋部の流出側面近傍に設けられたことを特徴としたものである。

第８の技術手段は、第６の技術手段において、前記磁石円盤の取付部周辺の円盤面には複数の空気抜き孔が形成されたことを特徴としたものである。

第９の技術手段は、第６の技術手段において、前記磁石円盤が取り付けられていない他方のスパイラル歯車の後端に、前記磁石円盤と同じ慣性モーメントを持つカウンターウェイトが取り付けられたことを特徴としたものである。

第１０の技術手段は、第１〜第９のいずれか１の技術手段において、前記一対のスパイラル歯車は、各スパイラル歯車の軸直角断面における歯底円上の一点から歯先円近傍の歯先点までの間をトロコイド歯形で形成した第１の歯面と、前記歯先点に接続される歯先端部の少なくとも一部をトロコイド形成曲線で構成すると共に、該トロコイド形成曲線から成る歯形に接続される一点連続接触歯形を形成した第２の歯面とを有し、一方の歯車が有する前記第２の歯面の前記歯先端部が、他方の歯車が有する前記第１の歯面の前記トロコイド歯形と噛み合うように構成されたことを特徴としたものである。

本発明によれば、ケーシング内に一対のねじれ方向の異なる同形のスパイラル歯車を備えると共に、被測定流体の流れ方向と同じ方向に流入口及び流出口が一直線上に配置され、曲り部が存在しないため、圧力損失を軽減しつつ、安価に高精度化を図ることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の軸流式容積流量計に係る好適な実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る軸流式容積流量計の構成例を示す図である。図２（Ａ）は軸流式容積流量計のＸＸ断面を示し、図２（Ｂ）は軸流式容積流量計のＹＹ断面を示す。
図３は、図１に示す軸流式容積流量計を９０°回転させた状態を側面から見た図である。図４（Ａ）は図３に示す軸流式容積流量計を流入側蓋から見た状態を示し、図４（Ｂ）は図３に示す軸流式容積流量計を流出側蓋から見た状態を示す。図中、１は軸流式容積流量計で、該軸流式容積流量計１は、流入側蓋２、流出側蓋３、ケーシング４、軸受固定部５，６、軸受部７，８、スパイラル歯車（以下、ロータ）１０を備える。

図１〜図４において、ケーシング４は、ロータ１０を収容し、ロータ１０のロータ軸を両端部に設けられた軸受部７，８で回転自在に支持する。一対のロータ１０は同形同大で構成され、ねじれ方向が異なり、互いに噛み合いながら回転する。また、ケーシング４には、流出口３１と流入口２１に連通する計量室Ｍが設けられ、開口した計量室Ｍの両端部を封止するために流入側蓋２，流出側蓋３が取り付けられる。流入側蓋２には、被測定流体が流入する流入口２１と、外部配管（図示せず）と接続するためのフランジ２２とが設けられる。流出側蓋３には、被測定流体が流出する流出口３１と、外部配管と接続するためのフランジ３２とが設けられる。フランジ２２，３２は配管接続部に相当し、それぞれ流入口２１，流出口３１が形成され、軸流式容積流量計１はフランジ２２，３２を介して外部配管と接続される。なお、被測定流体は図中矢印の方向に流入する。

発信磁石（図示せず）を設けた磁石円盤がロータ１０のロータ軸に一体的に取り付けられ、この磁石円盤がロータ軸の回転に合わせて回転する。また、この磁石円盤に近接して磁気センサ（図示せず）が配設される。磁気センサとしては、例えば、ホール素子や、磁気抵抗素子、アモルファス金属繊維を用いたバルクハウゼンジャンプを利用した磁気センサなどが考えられる。この磁気センサにより磁石円盤の回転、すなわち、ロータ１０の回転を検出して、被測定流体の流量を計測する。この磁石円盤の構成については後述の図８〜図１２において詳細に説明するものとする。

本実施形態の軸流式容積流量計１は、流入口２１と流出口３１とが、被測定流体の流れ方向に沿って一直線上に配置されており、流入口２１から流出口３１にかけて曲り部が存在しないように構成される。このため、曲り部に起因する圧力損失を低減することができる。また、一対のロータ１０は、同形同大で構成されているため、異形のロータと比べ、製造コストを抑えて安価に生産することができる。

軸受部７，８は、ケーシング４内にロータ１０のロータ軸を回転自在に支持する。これら軸受部７，８は、流入側（軸受部７）及び流出側（軸受部８）をラジアル玉軸受（図７に後述）などで構成するが、スラスト荷重が大きい場合には、流出側の軸受部８にラジアル玉軸受の中でも耐荷重性に優れたアンギュラ玉軸受とすることが好ましい。なお、流入側の軸受部７については一般にスラスト荷重は小さい。これは、被測定流体が流量計内を流れると圧力差によりロータ１０が流出側に押し付けられるため、スラスト荷重は流出側が大きくなり、流入側は小さくなる。このため、流入側の軸受部７は必ずしもアンギュラ玉軸受にする必要はない。

また、ケーシング４の流入側端及び流出側端には一部開口した蓋部が形成されている。この蓋部は前述の軸受固定部５，６（以下、しばしば蓋部５，６という）に相当し、蓋部５の開口面積、すなわち、図２（Ａ）に示す蓋部５に形成された抜き孔５１の面積は、ロータ１０の流入面積以上とする。この流入面積は、図２（Ｂ）に示す白抜き部分Ｓの面積、すなわち、ロータ１０とケーシング４とで形成される計量室Ｍの流入面積に相当する。これにより、計量室Ｍ内の圧力差をなくして圧力損失を低減することが可能となる。なお、流出側の蓋部６についても蓋部５と同様の抜き孔が形成されているものとする。

また、図１において、ケーシング４は、ロータ１０の軸方向の流入側端と蓋部５との間、及びロータ１０の軸方向の流出側端と蓋部６との間に空間ｇを設けている。これにより、さらに圧力損失を低減させることが可能となる。蓋部５，６には被測定流体が通過できるように抜き孔が設けられている。この蓋部５，６とロータ１０の計量室との間の流入及び流出の流路において、蓋部５，６との間に空間がないと流路が絞られてしまうため、圧力損失が増大するものと考えられる。上記のように空間ｇを設けることで、圧力損失のさらなる低減が可能となる。なお、図１の例ではロータ１０の軸方向の両端に空間ｇを設けるようにしているが、ロータ１０の軸方向のいずれか一端にのみ空間ｇを設けるようにしてもよい。

図５は、図１に示した軸流式容積流量計が備えるロータの構成例を示す図である。図５（Ａ）はロータの軸直角断面を示し、図５（Ｂ）はロータの軸断面の一部を示す。図５（Ａ）中、１１は半径ｒ_１の歯底円、１２は半径ｒ_２のピッチ円、１３は半径ｒ_３の歯先円、１４は回転中心を示す。
また、図６は、図５に示すロータを側面から見た状態を示す図で、図中、Ｌはピッチ長を示す。

一対のロータ１０は、各ロータの軸直角断面における歯底円１１上の一点から歯先円１３近傍の歯先点までの間をトロコイド歯形で形成した第１の歯面と、歯先点に接続される歯先端部の少なくとも一部をトロコイド形成曲線で構成すると共に、トロコイド形成曲線からなる歯形に接続される一点連続接触歯形を形成した第２の歯面とを有し、一方のロータが有する第２の歯面の歯先端部が、他方のロータが有する第１の歯面のトロコイド歯形と噛み合うように構成される。なお、第１の歯面におけるトロコイド歯形の長さは、第２の歯面におけるトロコイド形成曲線から成る歯形の長さに応じて決定される。

図５（Ａ），（Ｂ）において、曲線ａｂはトロコイド曲線、曲線ｂｃは円弧曲線、曲線ｃｄは歯先円１３に内接する半径ｒ_３の円弧曲線、曲線ｄｅｆは円弧及びサイクロイドを組み合わせた複合曲線、曲線ｆｇは歯底円１１に外接する半径ｒ_１の円弧曲線、曲線ｇｈｉは円弧及びサイクロイドを組み合わせた複合曲線、曲線ｉｊは歯先円１３に内接する半径ｒ_３の円弧曲線、曲線ｊｋｌは円弧及びサイクロイドを組み合わせた複合曲線、曲線ｌａは歯底円１１に外接する半径ｒ_１の円弧曲線を示す。なお、トロコイド形成曲線としては、例えば、円弧，楕円弧，ラセン，正弦曲線，双曲線，インボリュート曲線，及びそれらの複合曲線等であってもよい。これら曲線の構成は対となる他方のロータも同様である。

また本例において、ロータの構成では、バランスに優れることによる高回転での使用が可能な他、加工時に必要となる専用工具の製作が容易になるというメリットがある。

また、本例の場合、一点連続接触歯形として、後述するロジックス歯形の代わりに、サイクロイド系曲線で構成した歯形を用いている。サイクロイド系曲線を用いた場合に歯面の摩擦は増加するが、インボリュートと同様，パイロット機能を有しており、実用に耐えることができる。一点連続接触歯形部は，以上に述べたロジックス，サイクロイド系，円弧等，すなわちウイルドハーバー・ノビコフ系の歯形が考えられる。

図７は、本発明の軸流式容積流量計が備える軸受部の構成例を示す図である。図７（Ａ）は流入側の軸受部７の構成を示し、図中、７１は外輪，７２は内輪，７３は保持器，７４は玉を示す。図７（Ｂ）は流出側の軸受部８の構成を示し、８１は外輪，８２は内輪，８３は保持器，８４は玉を示す。

本例の場合、図７（Ａ）に示す軸受部７は深溝玉軸受で構成され、図７（Ｂ）に示す軸受部８はアンギュラ玉軸受で構成される。前者の深溝玉軸受は、転がり軸受の中で最も代表的なものであり、その用途は広く、内輪７２・外輪７１に設けられた軌道の溝は、転動する玉７４の半径よりわずかに大きい半径の円弧の横断面をなしているラジアル荷重のほかに、両方向のスラスト荷重（アキシアル荷重ともいう）を負荷することができる。この軸受は、摩擦トルクが小さく、高速回転する箇所や低騒音、低振動が要求される用途に適している。
一方、後者のアンギュラ玉軸受は、ラジアル荷重と一方向のスラスト荷重を負荷することができる。例えば、玉８４と内輪８２・外輪８１とは１５°、２５°、３０°、４０°の接触角を持っており、この接触角が大きくなるほどスラスト荷重の負荷能力は大きくなり、接触角が小さいほど高速回転には有利となる。通常、２個の軸受を対向させ内部隙間を調整して使用する。

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る軸流式容積流量計の構成例を示す図である。図９（Ａ）は軸流式容積流量計のＸＸ断面を示し、図９（Ｂ）は軸流式容積流量計のＹＹ断面を示す。
図１０は、図８に示す軸流式容積流量計を９０°回転させた状態を側面から見た図である。図１１（Ａ）は図１０に示す軸流式容積流量計を流入側蓋から見た状態を示し、図１１（Ｂ）は図１０に示す軸流式容積流量計を流出側蓋から見た状態を示す。軸流式容積流量計１は、前述の第１の実施形態と同様に、流入側蓋２、流出側蓋３、ケーシング４、軸受固定部５，６、軸受部７，８、ロータ１０を備える。本実施形態の流量計は、第１の実施形態の流量計とロータ１０の形状が異なる以外は同様の構成を備えるものとする。

すなわち、図８〜図１１において、ケーシング４は、ロータ１０を収容し、ロータ１０のロータ軸を両端部に設けられた軸受部７，８で回転自在に支持する。一対のロータ１０は同形同大で構成され、ねじれ方向が異なり、互いに噛み合いながら回転する。また、ケーシング４には、流出口３１と流入口２１に連通する計量室Ｍが設けられ、開口した計量室Ｍの両端部を封止するために流入側蓋２，流出側蓋３が取り付けられる。流入側蓋２には、被測定流体が流入する流入口２１と、外部配管と接続するためのフランジ２２とが設けられる。流出側蓋３には、被測定流体が流出する流出口３１と、外部配管と接続するためのフランジ３２とが設けられる。

図８において、流量計は、一対のロータ１０のいずれか一方の後端に取り付けられた磁石円盤（以下、ピックアップ円盤）９ａと、ピックアップ円盤９ａの回転を検出する検出部に相当するアモルファスセンサ９ｂとを備える。アモルファスセンサ９ｂは、ケーシング４の流出側端に形成された蓋部６の流出側面近傍に設けられている。このピックアップ円盤９ａは、蓋部６より流出する被測定流体の流れを遮らない程度の大きさとし、ロータ１０の回転負荷にならないように軽量な材質を用いることが望ましい。また、アモルファスセンサ９ｂは、蓋部６より流出する被測定流体の流れを遮らないように蓋部６のリブ裏側に設けられる。

また、ピックアップ円盤９ａが取り付けられていない他方のロータ１０の後端には、ピックアップ円盤９ａと同じ慣性モーメントを持つカウンターウェイト９ｃが取り付けられている。これにより、ロータ１０の回転バランスを良好に保つことができる。

図１２は、ピックアップ円盤９ａの構成例を示す図である。図１２（Ａ）はピックアップ円盤９ａの側面図、図１２（Ｂ）はピックアップ円盤９ａの正面図、図１２（Ｃ）はピックアップ円盤９ａのＸ部を拡大した図である。ピックアップ円盤９ａの外周部に沿って発信磁石が配設されている。Ｎは発信磁石のＮ極、Ｓは発信磁石のＳ極を示す。また、ピックアップ円盤９ａ及びその取付部周辺（すなわち、図１２（Ａ）において右側に突出した部分の周辺）には複数の空気抜き孔ｈ１〜ｈ１０が形成されている。このピックアップ円盤９ａの取付部がロータ１０の後端に取り付けられた際に、空気抜き孔ｈ１〜ｈ１０により空気抜けを容易にしている。

なお、ピックアップ円盤９ａ、アモルファスセンサ９ｂ、及びカウンターウェイト９ｃは、前述の図１に示した軸流式容積流量計においても同様に配設されているものとする。

このように、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ケーシング内に一対のねじれ方向の異なる同形のスパイラル歯車を備えると共に、被測定流体の流れ方向と同じ方向に流入口及び流出口が一直線上に配置され、曲り部が存在しないため、圧力損失を軽減しつつ、安価に高精度化を図ることができる。

図１３は、図８に示した軸流式容積流量計が備えるロータの構成例を示す図である。図１３（Ａ）はロータを側面から見た状態を示し、図１３（Ｂ）はロータの軸直角断面を示す。図１３（Ｂ）中、１０はロータ、１１は半径ｒ_１の歯底円、１２は半径ｒ_２のピッチ円、１３は半径ｒ_３の歯先円、１４は回転中心を示す。

図１３において、ロータ１０では、曲線ａｂはトロコイド曲線、歯先端部に相当する曲線ｂｃはインボリュート曲線、曲線ｃｄは歯先円１３に内接する半径ｒ_３の円弧曲線、曲線ｄｅｆは円弧及び曲率波状変動曲線を組み合わせた複合曲線、曲線ｆｇは歯底円１１に外接する半径ｒ_１の円弧曲線、曲線ｇｈｉは円弧及び曲率波状変動曲線を組み合わせた複合曲線、曲線ｉｊは歯先円１３に内接する半径ｒ_３の円弧曲線、曲線ｊｋｌは円弧及び曲率波状変動曲線を組み合わせた複合曲線、曲線ｌａは歯底円１１に外接する半径ｒ_１の円弧曲線を示す。なお、これら曲線の構成は対となる他方のロータも同様である。

このように、本実施形態では、曲線ｂｃのインボリュート曲線の終端点（点ｃ）に連続する曲線は円弧曲線や曲率波状変動曲線などの一点連続接触歯形となる。この曲率波状変動曲線とは、ロジックスギア（例えば、特公平２−１５７４３号公報を参照）と呼ばれ、歯形曲線の曲率が歯丈方向に周期的に増減する連続且つ微分可能な関数で、接触点における相対曲率が実質的に０であり、滑り率もまた０となるように構成されたものである。

さらに具体的に言えば、この歯車の相手歯車と接触する部分の歯形曲線は、その曲率が増加、減少を繰り返しながら、周期的に変化するように構成されている。そして、曲率が極小となる点では、そのロジックス歯車と相手歯車の曲率中心が何れもピッチ線上の同一点にある。

ポンプでは直接ロータを回すため、ロータ摩擦についてそれほど考慮する必要がないが、容積流量計の場合、圧力損失を減少させて精度を向上させることが重要となる。このため、ロータ間の噛み合いに一点連続接触歯形を用いて、ロータ摩擦を低減させ、圧力損失を小さくしている。また、ロータ摩擦の低減によりロータの磨耗量を減少させることができるため、ロータの耐久性の向上を図ることもできる。

なお、本実施形態では、一点連続接触歯形として、ロジックス歯形を例示しているが、インボリュート曲線を用いてもよい。インボリュート曲線を用いた場合、ロジックス歯形と比較して加工が簡単というメリットがある。

また、インボリュート曲線を歯先端部に用いて、また、インボリュート曲線が描くトロコイドを採用することにより相対曲率が小さくなり、歯面間の隙間やブローホールでの漏洩を抑制することができる。

図１３において、ロータ１０は、ロータ長を２ピッチ以上の長さで構成すると共に、曲線ｃｄ，曲線ｉｊに相当する歯先面積を小さくし、ロータ１０とケーシング４との摩擦を低減して，圧力損失を小さくするように構成される。例えば、歯先端部から連続し且つケーシング４に接触する歯形部分の長さ（曲線ｃｄ，曲線ｉｊ）が、ロータ１０の１ピッチ長の０．１７０倍未満０．００１倍以上となるように構成する。具体例を挙げると、ロータ１０のピッチ長を１００ｍｍとした場合、曲線ｃｄの長さは１２．５ｍｍ（ロータ１０の１ピッチ長の０．１２５倍）となる。また、曲線ｉｊの長さは１．３ｍｍ（ロータ１０の１ピッチ長の０．０１３倍）となる。なお、ピッチ長とは、図１２（Ａ）に示す長さＬに相当する。

また、本実施形態の場合、ロータ１０が２葉の例について示しているが、２葉にすることで、ロータ１０の高回転時における振動発生を回避することが可能となり、これにより、計測流量範囲を拡大することができる。

また、ロータ１０には円弧曲線を用いているが、この円弧曲線で構成される部分をパイロット部とするためにパイロット歯車が不要となる。この結果、パイロット歯車の組立調整及び部品削減によるコストダウンが可能となる。

また、ロータ形状について、歯底（短径）と歯先（長径）の比率を大きくすることにより、流体から与えられるトルクが増大し、少ない流量での計測感度を向上させることができる。例えば、ロータ１０の長径の長さを、短径の長さの２．５倍以上とする。このことは、強度が必要となるポンプでは不可能であるが、容積流量計の場合、ポンプほどの強度が必要ないため、長短径比を大きくすることができる。

図１４は、本発明の軸流式容積流量計が備えるロータの他の構成例を示す図である。図１４（Ａ）はロータを側面から見た状態を示し、図１４（Ｂ）はロータの軸直角断面を示す。図１４（Ｂ）に示すロータ１０において、曲線ａｂはトロコイド曲線、歯先端部に相当する曲線ｂｃはインボリュート曲線、曲線ｃｄは歯先円１３に内接する半径ｒ_３の円弧曲線、曲線ｄｅｆは円弧及びインボリュート曲線を組み合わせた複合曲線、曲線ｆｇは歯底円１１に外接する半径ｒ_１の円弧曲線、曲線ｇｈｉは円弧及びインボリュート曲線を組み合わせた複合曲線、曲線ｉｊは歯先円１３に内接する半径ｒ_３の円弧曲線、曲線ｊｋｌは円弧及びインボリュート曲線を組み合わせた複合曲線、曲線ｌａは歯底円１１に外接する半径ｒ_１の円弧曲線を示す。

本例の場合、一点連続接触歯形として、ロジックス歯形の代わりに、インボリュート曲線を用いている。インボリュート曲線を用いた場合、ロジックス歯形と比較して加工が簡単というメリットがある。

図１４に例示するロータの場合、図６，１３に例示したロータよりもさらに曲線ｃｄ，曲線ｉｊに相当する歯先面積を小さくし、ロータ１０とケーシング４との摩擦を低減して圧力損失を小さくしている。ここでも、歯先端部から連続し且つケーシング４に接触する歯形部分の長さ（曲線ｃｄ，曲線ｉｊ）が、ロータ１０の１ピッチ長の０．１７０倍未満０．００１倍以上となるように構成される。具体例を挙げると、ロータ１０のピッチ長を１００ｍｍとした場合、曲線ｃｄの長さは０．５ｍｍ（ロータ１０の１ピッチ長の０．００５倍）となる。また、曲線ｉｊの長さは０．５ｍｍ（ロータ１０の１ピッチ長の０．００５倍）となる。なお、ピッチ長とは、図１４（Ａ）に示す長さＬに相当する。

ここで図示は省略するが、本発明の軸流式容積流量計は、１葉のロータ(１ピッチ以上で構成される)でも、２葉のロータでも同様に適用することができるが、好ましくはロータを２葉にすることで、ロータの高回転時における振動発生を回避することが可能となり、これにより、計測流量範囲を拡大することができる。

図１５は、本発明の各実施形態のロータの軸断面を比較して説明するための図である。図１５（Ａ）は図６に示した本発明のロータの軸断面の一部を示し、図１５（Ｂ）は図１３に示した本発明のロータの軸断面の一部を示し、図１５（Ｃ）は図１４に示した本発明のロータの軸断面の一部を示す。図中、Ｌはピッチ長、ｔａ，ｔｂはシール長、ｒ_１は歯底円（短径）の半径、ｒ_２はピッチ円の半径、ｒ_３は歯先円（長径）の半径を示す。

また、図１６は、図１５に示した各ロータの諸元の一例を示した図である。諸元としては、ピッチ円直径（２ｒ_２）、リード（ピッチ）長（Ｌ）、軸断面シール長（ｔａ）、軸断面シール長（ｔｂ）、長径（２ｒ_３）、短径（２ｒ_１）、長短径比、全長、歯形曲線構成が含まれる。なお、（Ａ）が図１５（Ａ）に示す本発明のロータ、（Ｂ）が図１５（Ｂ）に示す本発明のロータ、（Ｃ）が図１５（Ｃ）に示す本発明のロータにそれぞれ対応する。

図１５（Ｂ），（Ｃ）に例示するロータの場合、前述したように、歯先端部から連続し且つケーシングに接触する歯形部分の長さ（曲線ｃｄのシール長ｔａ，曲線ｉｊのシール長ｔｂ）が、ロータの１ピッチ長の０．１７０倍未満０．００１倍以上となるように構成されている。

上記において、ロータのピッチ長を１００ｍｍとした場合、シール長は０．１ｍｍ以上、１７．０ｍｍ未満となる。図１５（Ｂ）の例では、ロータのピッチ長を１００ｍｍとした場合、曲線ｃｄのシール長ｔａは１２．５ｍｍ（ロータの１ピッチ長の０．１２５倍）となる。また、曲線ｉｊのシール長ｔｂは１．３ｍｍ（ロータの１ピッチ長の０．０１３倍）となる。
また、図１５（Ｃ）の例では、ロータのピッチ長を１００ｍｍとした場合、曲線ｃｄのシール長ｔａは０．５ｍｍ（ロータの１ピッチ長の０．００５倍）となる。また、曲線ｉｊのシール長ｔｂは０．５ｍｍ（ロータの１ピッチ長の０．００５倍）となる。

上記のように、ロータのロータ長を２ピッチ以上の長さで構成すると共に、曲線ｃｄ，曲線ｉｊに相当する歯先面積を小さく、すなわち、曲線ｃｄのシール長ｔａ，曲線ｉｊのシール長ｔｂを小さくすることで、ロータとケーシングとの摩擦を低減して圧力損失を小さくするようにしている。

また、図１６に示すように、（Ｂ），（Ｃ）のロータの場合、長短径比を３：１としており、（Ａ）のロータの長短径比２：１と比べて大きくしている。このように、歯底（短径）と歯先（長径）の比率（長短径比）を、（２．５：１）以上、好ましくは（２.５：１）〜（４：１）と大きくすることにより、流体から与えられるトルクが増大し、少ない流量での計測感度を向上させることができる。このことは、強度が必要となるポンプでは不可能であるが、容積流量計の場合、ポンプほどの強度が必要ないため、長短径比を大きくすることができる。

図１７は、本発明の流量計と従来の流量計との圧力損失を比較したグラフの一例を示す図である。図中、ａ１〜ａ３は図１９に示した従来流量計の場合の圧力損失曲線、ｂ１〜ｂ３は図１５（Ｂ）に示した本発明の流量計の場合の圧力損失曲線を示す。また、ａ１及びｂ１は計測対象流体をガソリンとした場合、ａ２及びｂ２は計測対象流体をケロシンとした場合、ａ３及びｂ３は計測対象流体を燃料油とした場合について示したものである。なお、縦軸に圧力損失（ｋＰａ）、横軸に流量（最大流量に対する割合（％））を示す。

図１７に示すように、計測対象流体をガソリンとした場合に、本発明の流量計による圧力損失曲線ａ１と従来流量計による圧力損失曲線ｂ１を比較すると、本発明の流量計は従来流量計よりも圧力損失が小さく改善されていることがわかる。このことは計測対象流体をケロシンとした場合も燃料油とした場合も同じであり、ガソリンの場合と同様に、本発明の流量計は従来流量計よりも圧力損失が小さく改善されている。

図１８は、本発明の流量計と従来の流量計との器差試験結果を比較したグラフの一例を示す図である。図中、ａは図１９に示した従来の流量計による器差曲線である。ｂ１〜ｂ２は図１５（Ｂ）に示した本発明のロータの器差曲線を示し、ｂ１は計測対象流体をガソリンとした場合、ｂ２は計測対象流体をケロシンとした場合について示す。なお、縦軸に器差（％）、横軸に流量（最大流量に対する割合（％））を示す。ここでいう器差とは、流量計の指示量から流量計を通過した実量を減じた値またはその値の実量に対する百分率で表したものである。

図１８において、本発明のロータによる器差曲線ｂ１と従来ロータによる器差曲線ａの特徴を比較すると、本発明の流量計では従来の流量計よりも器差曲線が流量増加につれ減少することなく、直線性を保つよう改善されていることがわかる。このことは計測対象流体をケロシンとした場合も同様な傾向を示している。このようなことから、本発明の流量計によれば、器差曲線が流量増加につれ減少することなく、直線性を保つよう改善され、計測流量範囲内における極差を０.０５%以内までおさえることが出来、ワイドレンジでの高精度化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る軸流式容積流量計の構成例を示す図である図１に示す軸流式容積流量計のＸＸ断面及びＹＹ断面を示す図である。図１に示す軸流式容積流量計を９０°回転させた状態を側面から見た図である。図３に示す軸流式容積流量計を流入側蓋から見た状態及び流出側蓋から見た状態を示す図である。図１に示した軸流式容積流量計が備えるロータの構成例を示す図である。図５に示すロータを側面から見た状態を示す図である。本発明の軸流式容積流量計が備える軸受部の構成例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る軸流式容積流量計の構成例を示す図である。図８に示す軸流式容積流量計のＸＸ断面及びＹＹ断面を示す図である。図８に示す軸流式容積流量計を９０°回転させた状態を側面から見た図である。図１０に示す軸流式容積流量計を流入側蓋から見た状態及び流出側蓋から見た状態を示す図である。ピックアップ円盤の構成例を示す図である。図８に示した軸流式容積流量計が備えるロータの構成例を示す図である。本発明の軸流式容積流量計が備えるロータの他の構成例を示す図である。本発明の各実施形態のロータの軸断面を比較して説明するための図である。図１５に示した各ロータの諸元の一例を示した図である。本発明の流量計と従来の流量計との圧力損失を比較したグラフの一例を示す図である。本発明の流量計と従来の流量計との器差試験結果を比較したグラフの一例を示す図である。従来の軸流式容積流量計の構成を示す図である。

符号の説明

１…軸流式容積流量計、２…流入側蓋、３…流出側蓋、４…ケーシング、５，６…軸受固定部（蓋部）、７，８…軸受部、９ａ…ピックアップ円盤、９ｂ…アモルファスセンサ、９ｃ…カウンターウェイト、１０…スパイラル歯車（ロータ）、１１…歯底円、１２…ピッチ円、１３…歯先円、１４…回転中心、２１…流入口、２２，３２…フランジ、３１…流出口。

Claims

一対のねじれ方向の異なる同形のスパイラル歯車と、該一対のスパイラル歯車が収容されたケーシングと、該ケーシングの流入側端を封止する流入側蓋と、該流入側蓋の配管接続部に形成された流入口と、前記ケーシングの流出側端を封止する流出側蓋と、該流出側蓋の配管接続部に形成された流出口とを備え、
前記流入口と前記流出口とが、被測定流体の流れ方向に沿って一直線上に配置されたことを特徴とする軸流式容積流量計。
請求項１に記載の軸流式容積流量計において、前記ケーシング内に前記スパイラル歯車を回転自在に支持する軸受部を備え、
前記軸受部は、流入側及び流出側をラジアル玉軸受としたことを特徴とする軸流式容積流量計。
請求項２に記載の軸流式容積流量計において、前記軸受部は、流出側をアンギュラ玉軸受としたことを特徴とする軸流式容積流量計。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸流式容積流量計において、前記ケーシングの流入側端及び流出側端には一部開口した蓋部が形成され、
前記蓋部の開口面積は、前記スパイラル歯車と前記ケーシングとで形成される計量室の流入面積以上であることを特徴とする軸流式容積流量計。
請求項４に記載の軸流式容積流量計において、前記ケーシングは、前記スパイラル歯車の軸方向の少なくとも一端と、前記蓋部との間に空間を設けたことを特徴とする軸流式容積流量計。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の軸流式容積流量計において、前記一対のスパイラル歯車のいずれか一方の後端に取り付けられた磁石円盤と、該磁石円盤の回転を検出する検出部とを備えたことを特徴とする軸流式容積流量計。
請求項６に記載の軸流式容積流量計において、前記検出部は、アモルファスセンサで構成され、前記ケーシングの流出側端に形成された前記蓋部の流出側面近傍に設けられたことを特徴とする軸流式容積流量計。
請求項６に記載の軸流式容積流量計において、前記磁石円盤の取付部周辺の円盤面には複数の空気抜き孔が形成されたことを特徴とする軸流式容積流量計。
請求項６に記載の軸流式容積流量計において、前記磁石円盤が取り付けられていない他方のスパイラル歯車の後端に、前記磁石円盤と同じ慣性モーメントを持つカウンターウェイトが取り付けられたことを特徴とする軸流式容積流量計。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の軸流式容積流量計において、前記一対のスパイラル歯車は、各スパイラル歯車の軸直角断面における歯底円上の一点から歯先円近傍の歯先点までの間をトロコイド歯形で形成した第１の歯面と、前記歯先点に接続される歯先端部の少なくとも一部をトロコイド形成曲線で構成すると共に、該トロコイド形成曲線から成る歯形に接続される一点連続接触歯形を形成した第２の歯面とを有し、
一方の歯車が有する前記第２の歯面の前記歯先端部が、他方の歯車が有する前記第１の歯面の前記トロコイド歯形と噛み合うように構成されたことを特徴とする軸流式容積流量計。