JP2010096512A

JP2010096512A - 流量センサ

Info

Publication number: JP2010096512A
Application number: JP2008264936A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Shimazu; 智行島津
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-14
Also published as: JP4954177B2

Abstract

【課題】羽根車を大きく形成すると、小さな力では羽根車が回転しなくなるため低流量での感度が鈍り、低流量では羽根車が流速に比例して回転しない。羽根車を小さく形成すると羽根車の自重が軽くなり、低流量でも安定して羽根車を回転させることは可能であるが、逆に大流量では高速で回転するため、羽根車の軸受部が摩擦しやすいという不具合が生じる。
【解決手段】羽根車を流れ方向に対して移動自在に設けると共に、流体の流れを受け、羽根車を下流側に移動させる流体受け部を羽根車に設け、羽根車の下流側に、流体の流れによって流れ方向に移動することなく回転する制動羽根車を設け、かつ、羽根車と制動羽根車との間を離間させる方向に付勢する付勢手段と、この付勢手段による付勢力に抗して羽根車が制動羽根車に所定距離まで近づいた場合に、羽根車と制動羽根車とを連結させて両羽根車を等速で回転させる連結機構を設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体が流れる管路内に設けた羽根車と、この羽根車の外周に設けた磁極の磁界を管路の外部から検知する磁気センサとからなる流量センサに関する。

従来のこの種の流量センサとして、例えば、管路内に羽根車を設け、管路内に流体が流れるとその流れによって羽根車を回転させるようにしたものが知られている。この羽根車の羽根の先端は帯磁され磁極が設けられている。羽根車の回転数は流速にほぼ比例して増減する。一方、管路の外部には磁気センサが取り付けられており、羽根車の回転により変化する磁界をこの磁気センサで検知している。

磁気センサからの出力信号により羽根車の回転数が検出できる。この回転数は上述のように管路内の流速に比例しているので、管路内の断面積と流速から管路内の流体の流量を求めることができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−００９５０３号公報（図１）

上述のような流量センサでは流体の流れによって羽根車を回転させるが、羽根車を比較的大きく形成すると、小さな力では羽根車が回転しなくなるため低流量での感度が鈍り、低流量では羽根車が流速に比例して回転しないという問題が生じる。一方、羽根車を比較的小さく形成すると羽根車の自重が軽くなり、低流量でも安定して羽根車を回転させることは可能であるが、逆に大流量では高速で回転するため、羽根車の軸受部が摩耗しやすいという不具合が生じる。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、低流量での感度を向上させると共に大流量時での摩耗等の不具合を解消することのできる流量センサを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明による流量センサは、流体が流れる管路の途中に、羽根の先端に磁極を有し流体の流れによって回転する羽根車を設けると共に、羽根車の回転数を検出するため、管路の外部から羽根車の先端の磁極による磁界を検知する磁気センサを備えた流量センサにおいて、上記羽根車を流れ方向に対して移動自在に設けると共に、流体の流れを受け、羽根車を下流側に移動させる流体受け部を羽根車に設け、羽根車の下流側に、流体の流れによって流れ方向に移動することなく回転する制動羽根車を設け、かつ、羽根車と制動羽根車との間を離間させる方向に付勢する付勢手段と、この付勢手段による付勢力に抗して羽根車が制動羽根車に所定距離まで近づいた場合に、羽根車と制動羽根車とを連結させて両羽根車を等速で回転させる連結機構を設けたことを特徴とする。

上記構成によれば、低流量時では流体受け部が流れを受けることにより生じる羽根車を下流側に移動させようとする力は小さいので、弾性手段による弾性力に抗して羽根車が下流に移動することはない。そのため羽根車は制動羽根車から独立して単独で回転する。

流速が大きくなると羽根車を下流側へ移動させる力が大きくなり、付勢力に抗して徐々に羽根車は制動羽根車に接近する。両羽根車の距離が所定距離まで近づくと連結機構により羽根車と制動羽根車とが連結するので、羽根車の質量が両羽根車の合計質量に増加したことになり、羽根車の回転数が減速される。なお、流速が小さくなると付勢手段によって羽根車と制動羽根車との距離が再び離されるので、連結機構による連結が解除される。

なお、上記羽根車は、上記制動羽根車の回転軸線に沿って上流側に延設された回転軸に回転自在に取り付けることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明は、流速が遅い状態では羽根車が単独で回転できるので感度が高く、また流速が増加すると羽根車は制動羽根車と連結して回転するので高速になりにくく、摩耗等の不具合が生じない。

図１を参照して、Ｐは流体である水が流れる管路である。この管路Ｐ内に樹脂製のスリーブ１を挿入し、そのスリーブ１に制動羽根車２を回転自在に保持させた。スリーブ１の上流側端部には水流を回転させるための整流フィン１１が設けられている。また、制動羽根車２から上流側に延設されている回転軸２１に羽根車３が取り付けられている。この羽根車３は回転軸２１に対して回転自在であり、かつ回転軸２１の軸線すなわち水流方向に対して移動自在である。また、羽根車３と制動羽根車２との間には付勢手段であるバネ部材４が挿入されており、羽根車３と制動羽根車２との間隔を広げる方向に付勢力が作用するように形成されている。管路Ｐの外周には磁気センサ５が取り付けられており、この磁気センサ５の出力信号は演算部６に入力される。

図２を参照して、制動羽根車２には４枚の羽根２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが形成されており、上部には回転軸２１が設けられている。各羽根のうち、羽根２ａの先端はＮ極に帯磁されており、羽根２ｂの先端はＳ極に帯磁されている。残りの羽根２ｃ，２ｄは共に帯磁されておらず、したがって先端には磁極が設けられていない。

また、羽根２ａの上縁には連結機構となる凹部状の係合凹部２３が形成されており、残りの羽根２ｂ，２ｃ，２ｄの上縁には切欠き状の逃げ部２２が形成されている。

羽根車３には４枚の羽根３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが形成されており、各羽根３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの上面には十文字状の水平面からなる流体受け部３１が形成されている。また、羽根３ａの下部には上記係合凹部２３に係合して共に連結機構を構成する係合凸部３２が形成されている。なお、羽根３ａ，３ｃは共にＮ極に帯磁され、羽根３ｂ，３ｄはＳ極に帯磁されている。

バネ部材４は上下２枚のワッシャ部４１と両ワッシャ部４１を連結する帯状の弾性変形部４２とから構成されている。上下方向から圧縮方向の外力が作用すると弾性変形部４２が変形して両ワッシャ４１の間隔が狭くなるが、外力が無くなると弾性変形部４２が復元して両ワッシャ部４１の間隔が拡がる、スプリングとして機能する。

上記構成によれば、水流が整流フィン１１を通過して回転流になると、その回転流が羽根車３および制動羽根車２の各羽根に作用して両羽根車２，３を回転させる。ただし、羽根車３は制動羽根車２より上流に位置し、かつ回転を阻害する摩擦力や質量が小さいので低流速時から回転を開始し、流速の上昇に対応して回転数が急速に上昇する。これに対して制動羽根車２は低流速での感度が低く、かつ、流速の上昇に対して回転数の増加速度も遅い。

図３を参照して、流速が低速であり、羽根車３と制動羽根車２との距離がバネ部材４によって広げられている状態では、係合凸部３２は係合凹部２３に係合することがないので、図３(ａ)に示すように、羽根３ａと羽根２ａとは相互に同期することなく個別に回転している。なお、上述のように羽根３ａの回転速度は羽根２ａの回転速度より速い。

流速が増加し、流体受け部３１で受ける水流により羽根車３が下流側、すなわち制動羽根車２側に移動すると、図３(ｂ)に示すように係合凸部３２が係合凹部２３に係合する。羽根車３は常に制動羽根車２よりも高速で回転しようとするので、係合凸部３２は係合凹部２３に押し付けられた状態を保持することになり、したがって、羽根車３と制動羽根車２とは同期して同じ速度で回転する。なお、流速が減少して羽根車３が上流側に戻ると、図３(ａ)に示す状態に戻り、再び羽根車３と制動羽根車２とは互いに独立して回転することになる。

図４を参照して、Ｌ１は羽根車３が単独で回転した場合の流量と回転数との関係を示すグラフであり、Ｌ２は羽根車３と制動羽根車２とが連結した状態で回転した場合の流量と回転数との関係を示すグラフである。

流れが止まっている状態から流速が徐々に増加すると、羽根車３は直ちに回転を開始し（ａ点）、Ｌ１に沿って回転数が増速する。ｂ点まで増速すると上述のように羽根車３と制動羽根車２とが連結されるため、回転数はｃ点まで急速に減速する。その後は連結した状態を保ったままＬ２に沿って回転数が増速する。

次にその状態から流速が減少すると、Ｌ２に沿って回転数がｄ点まで減速した時点で羽根車３と制動羽根車２との連結が解除され、回転数はｅ点まで急激に増速し、その後はＬ１に沿って羽根車３の回転数が減速する。

この羽根車３の回転数の変化は磁気センサ５で検知することができる。そして、検知された信号は演算部６で演算処理され、流量が求められる。

ところで、演算部６には磁気センサ５からの検知信号しか入力されないので、羽根車３と制動羽根車２とが連結されているか否かを検知信号から判断する必要がある。

この検知信号には羽根車３の回転による信号と制動羽根車２の回転による信号とが互いに重畳されている。演算部６では両信号を最初に分離して、図５に示す２つの信号を得る。図５(ａ)は羽根車３の回転による信号であり、（ｂ）は制動羽根車２の回転による信号を示している。

羽根車３と制動羽根車２とが相互に連結されていない状態では、（ｂ）の波長Ｆ２は（ａ）の波長Ｆ１の２倍より長くなる。したがって、Ｆ１＜０．５Ｆ２であれば羽根車３と制動羽根車２とは相互に連結されていないことが分かり、演算部６は図４のＬ１を用いて流量を求める。

羽根車３と制動羽根車２とが相互に連結されると、Ｆ１＝０．５Ｆ２となり、また羽根３ａと羽根２ａとは共にＮ極に帯磁され、羽根３ｂと羽根２ｂとは共にＳ極に帯磁されていることから、図５の（ｂ）に示す信号が検知信号から分離できなくなる。このことから演算部６は羽根車３と制動羽根車２とが相互に連結したと判断し、図４のＬ２を用いて流量を演算する。

なお、本発明は上記した形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもかまわない。例えば、上記実施の形態では羽根車の上面に流体受け部３１を設けたが、各羽根３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄから水平方向に庇状の突起を設けて、その突起の上面を流体受け部３１として機能させることにより、流体受け部３１の総面積を増加させてもよい。

本発明の一実施の形態の構成を示す図羽根車と制動羽根車とを示す斜視図羽根車と制動羽根車との連結状態を説明する図流速と回転数との関係を示す図検知信号に重畳される信号を示す図

符号の説明

１スリーブ
２制動羽根車
３羽根車
４バネ部材
５磁気センサ
６演算部
１１整流フィン
２１回転軸
２３係合凹部
３２係合凸部
Ｐ管路

Claims

流体が流れる管路の途中に、羽根の先端に磁極を有し流体の流れによって回転する羽根車を設けると共に、羽根車の回転数を検出するため、管路の外部から羽根車の先端の磁極による磁界を検知する磁気センサを備えた流量センサにおいて、上記羽根車を流れ方向に対して移動自在に設けると共に、流体の流れを受け、羽根車を下流側に移動させる流体受け部を羽根車に設け、羽根車の下流側に、流体の流れによって流れ方向に移動することなく回転する制動羽根車を設け、かつ、羽根車と制動羽根車との間を離間させる方向に付勢する付勢手段と、この付勢手段による付勢力に抗して羽根車が制動羽根車に所定距離まで近づいた場合に、羽根車と制動羽根車とを連結させて両羽根車を等速で回転させる連結機構を設けたことを特徴とする流量センサ。
上記羽根車は、上記制動羽根車の回転軸線に沿って上流側に延設された回転軸に回転自在に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。