JP2010185856A

JP2010185856A - 渦流量計

Info

Publication number: JP2010185856A
Application number: JP2009031915A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Hanada; 敏広花田
Original assignee: Asahi Organic Chemicals Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Yukizai Corp
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2010-08-26
Also published as: CN101858761A; KR20100092877A; TW201030323A; CN101858761B

Abstract

【課題】流量測定時のノイズや圧力損失が抑えられ、管路から流体漏れが起こることを防止し、成形や加工が容易で組み立て易い渦流量計を提供する。
【解決手段】管路と、該管路に直交して設けられた渦発生体と、該渦発生体によって発生されるカルマン渦の発生周期を測定する測定手段とを具備し、該測定手段によって測定されたカルマン渦の発生周期から該管路内を流れる流体の流量を演算する渦流量計において、該渦発生体の流体の流れに正対した面の輪郭が鼓状であることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、化学工場、半導体製造分野、食品分野、バイオ分野などの各種産業における流体輸送において、流路中に渦発生体を設け、渦発生体の下流に発生するカルマン渦を検出して流量を測定する渦流量計に関するものである。

従来の渦流量計は、図８に示すように本体ハウジング１０１に形成された管流路１０２を横切って延在する柱状の渦発生体１０３と、管流路１０２を流れる流体の流れ方向において渦発生体１０３より下流側に配置された渦検出器１０４とを有し、管流路１０２を流れる流体の流量を管流路１０２に発生するカルマン渦によって測定する渦流量計であり、管流路１０２のうち、渦発生体１０３及び渦検出器１０４が配置される測定流路部１０５の流路断面形状が、渦発生体１０３の長手方向と同方向に短軸を渦発生体１０３の長手方向に直交する方向に長軸を有する楕円形状とするものであった。この渦流量計は、圧力損失を低減させ、測定流路部１０５におけるカルマン渦の発生を安定させ、低流量測定を再現性よく行うことができるものであった。

特開平６−３４４０５号公報

しかしながら、上記従来の渦流量計は図９より渦発生体１０３の測定流路部１０５内周面付近の段差部分があり、また本体ハウジング１０１と渦発生体１０３との繋ぎ目の部分に僅かなズレや凹凸が生じやすく、流体が流れたときにこれらの段差や凹凸によって流路内に流量測定に邪魔な流体の乱れが起こるためノイズの発生や圧力損失の原因となり、精度の良い流量測定の妨げになるという問題があった。また、渦発生体１０３は本体ハウジング１０１とは別体で形成されており、本体ハウジング１０１に形成された管流路１０２を横切るように柱状の渦発生体１０３を配置させた構成のものであるため、管流路１０２と渦発生体１０３とのシールが十分に行われていなかったり位置ずれが生じると流体が渦流量計内部に漏れ、流体による装置の破損の恐れがあった。また、渦発生体１０３を本体ハウジング１０１に組み込む際、流体の流れ方向に対する渦発生体１０３の角度のずれがないように設置位置を調整するなど組み立てが煩雑であり、組立工程も多く時間が掛かるという問題があった。さらに小型の流量計を形成する場合では渦発生体１０３の機械的強度が不足する問題もあった。

本発明の目的は、上記従来技術に存する問題を解消して、流量測定時のノイズや圧力損失が抑えられ、管路から流体漏れが起こることを防止し、成形や加工が容易で組み立て易い渦流量計を提供することである。

本発明は上記目的に鑑み、管路と、該管路に直交して設けられた渦発生体と、該渦発生体によって発生されるカルマン渦の発生周期を測定する測定手段とを具備し、該測定手段によって測定されたカルマン渦の発生周期から該管路内を流れる流体の流量を演算する渦流量計において、該渦発生体の流体の流れに正対した面の輪郭が鼓状であることを第１の特徴とする。

前記渦発生体の流体の流れに正対した面の両縁部が円弧状を有し対称的に形成されてなることを第２の特徴とする。

前記管路内の前記渦発生体が配置された流路の断面が円形状を有し対称的に設けられることを第３の特徴とする。

前記渦発生体が切削加工または射出成形により前記管路と一体的に成形されてなることを第４の特徴とする。

前記測定手段が、前記渦発生体の下流側の前記管路の管壁に、所定周期の送信信号により超音波を送信する超音波送信器と、該超音波送信器から送信されかつ前記管路内に発生するカルマン渦によって変調する超音波を受信する超音波受信器と、を対向させて配置したものであることを第５の特徴とする。

前記渦発生体の流体の流れに正対した面の最小幅Ｗが、該正対した面の両縁部の円弧の半径Ｒの０．８〜１．３倍であり、且つ該渦発生体の流体の流れ方向の厚みＴが該半径Ｒの１．２〜１．５倍であることを第６の特徴とする。

本発明において鼓（つづみ）状とは、渦発生体１２の流体の流れに正対した面の輪郭が、その両縁部２２、２３の中央が括れた形状であることを言う。このとき、渦発生体１２の両縁部２２、２３は各々段差のない直線または曲線で形成されるが、スムーズな流体の流れのために円弧状を有し対称的に形成されてなることが望ましい。さらに渦発生体１２が配置された測定部流路１５の流路断面、すなわち渦発生体１２を挟んだ２つの流路１６、１７の断面形状が円形状で対称的に設けられていることが望ましい（図２、図４参照）。渦発生体１２の両縁部２２、２３が円弧状になることで渦発生体１２が配置された測定部流路１５の流路断面が円形状や略楕円形状となる。これは、渦発生体１２の流体の流れに正対した面の輪郭が鼓状であることにより、渦発生体１２の両側の流路１６、１７を流れる流体を安定させて良好なカルマン渦Ｋを発生させるものである。渦発生体１２の縁部２２、２３が円弧状を有して対称的に形成されると、流路１６、１７の流路断面が円形状や長円形状や楕円形状となって流体の乱れの原因となる段差や凹凸がなくなるのでノイズや圧力損失が低減される。特に流路１６、１７の断面形状が円形状で対称的に設けられていると、スムーズに流体が流れるのでカルマン渦Ｋの発生以外の流体の乱れが抑えられ、より安定したカルマン渦Ｋの発生が行われ、より精度の良い流量の測定を行うことができるため好適である。

なお、本体１、振動子押さえ４、５、バネ押さえ８、９の材質はポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）、ポリビニリデンフルオライド、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン等のフッ素樹脂が好適に使用されるが、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂などのその他のプラスチック或いは金属でも良く特に限定されない。

本発明は以上のような構成をしており、これを用いることにより以下の優れた効果が得られる。
（１）渦発生体の両側の流路を円形状や長円形状や楕円形状に形成し、流体の乱れの原因となる段差や凹凸をなくしてノイズや圧力損失を低減させることができる。
（２）渦発生体の両側の流路が、スムーズに流体が流れるのでカルマン渦の発生以外の流体の乱れが抑えられて安定したカルマン渦の発生が行われ、より精度の良い流量の測定を行うことができる。
（３）渦発生体と本体とが一つの部品で形成されているので組立手間が簡略化されて組立時間を短縮できる。
（４）渦発生体と本体とが一つの部品で形成されているので渦発生体の機械的強度が高く、より小型の流量計を作ることができる。
（５）切削加工や射出成形で成形しやすい形状であり、加工手順と加工時間を大幅に短縮して製造することができる。
（６）切削加工や射出成形で成形しやすい形状であり、流量調節弁等と一体化してコンパクトな流量制御装置とすることができる。

本発明の渦流量計を入口流路側から見たときの平面図である。図１のＡ−Ａ縦断面図である。図２のＢ−Ｂ縦断面図である。渦発生体の形状を示す拡大斜視図である。本体の第１の加工途中を示す縦断面図である。本体の第２の加工途中を示す縦断面図である。本体の加工後を示す縦断面図である。従来の渦流量計を示す部分断面図である。従来の渦流量計を示す要部拡大図である。

以下、本発明の実施の形態について図面に示す実施例を参照して説明するが、本発明が本実施例に限定されないことは言うまでもない。以下、本発明の渦流量計の実施形態について説明する。

本体１はＰＴＦＥ製であり、両側面に各々開口した流路断面が円形状の入口流路１３と出口流路１４とが形成されている。本体１中央部には入口流路１３と出口流路１４に各々連通する流路断面が略長円形状の測定部流路１５が設けられ、入口流路１３から測定部流路１５に滑らかに連通させるテーパ状の縮径部１８と測定部流路１５から出口流路１４へ滑らかに連通させるテーパ状の拡径部１９が設けられている。測定部流路１５の上流側には流体の流れに正対した面の輪郭が鼓状である渦発生体１２が配置されている。
渦発生体１２の流れに正対した面の両縁部２２、２３は円弧状を有して対称的に形成され、測定部流路１５の内壁と渦発生体１２の両側面とによって流路断面が円形状となる流路１６、１７が各々対称的に形成されている。

本体１の中央部上面には円筒形状の凹部２０が設けられ、凹部２０上部には雌ねじ部が形成されている。また本体１の中央部下面には円筒形状の凹部２１が設けられ、凹部２１下部には雌ねじ部が形成されている。凹部２０、２１の中心軸は測定部流路１５の軸線方向と直交した同一軸線上に位置するように設けられ、且つ渦発生体１２の下流側に凹部２０、２１底面が測定部流路１５を挟んで対向し測定部流路１５内面に対して等距離になるように設けられている。凹部２０、２１の底面には超音波振動子２、３が音響接合剤（図示せず）を介して密着するように配置されている。両超音波振動子２、３は背面をそれぞれ振動子押さえ４、５、バネ６、７の順でバックアップされており、バネ６、７は本体１の凹部２０、２１の雌ねじ部に螺合固定されたバネ押さえ８、９によって保持されることにより、バネ６、７の弾性力で振動子押さえ４、５を介して超音波振動子２、３は各々凹部２０、２１底面に付勢された状態で固定されている。

超音波振動子２はリード線１０を介して制御回路（図示せず）内の発信回路（図示せず）と接続されて超音波送信器となる。超音波振動子３はリード線１１を介して制御回路（図示せず）内の受信回路（図示せず）と接続され超音波受信器となる。

次に、本発明の第一の実施形態である渦流量計の作動について説明する。

図２において入口流路１３より流入した流体は縮径部１８を通過し、測定部流路１５まで流れる。そして流体が渦発生体１２を通過するときに渦発生体１２の流体の流れに正対した面にぶつかる。このとき渦発生体１２の下流側にはカルマン渦と呼ばれる渦が発生する。カルマン渦Ｋは渦発生体１２の両縁部２２、２３から渦巻き方向が異なって交互に発生するが、その発生周期は流体の流速に依存しており、流体の流速に比例した周期となる。超音波は、カルマン渦Ｋの渦巻き方向によってカルマン渦Ｋを通過する際に進行方向に加速、または減速される。そのため超音波受信器である超音波振動子３で受信される超音波は、カルマン渦Ｋによって周波数（周期）が変調する。この変調する周波数を測定することで流体の流速を知ることができ、さらに流速から流体の流量を演算することが可能となる。その後、カルマン渦Ｋを発生させた流体は拡径部１９を通って出口流路１４から流出される。

本実施形態において、発信回路に接続された超音波送信器である超音波振動子２から発振された超音波は、本体１の凹部２０底面から測定部流路１５の内壁へ伝播して、測定部流路１５内を流れる流体中を伝播した後、測定部流路１５の反対側の内壁から凹部２１の底面へ伝播して凹部２１底面に密着した超音波受信器である超音波振動子３に到達して受信される。このとき、超音波が伝播する流体中にカルマン渦Ｋが発生していれば、超音波振動子３によって受信される超音波は変調されて測定され、制御回路（図示せず）でカルマン渦Ｋの発生周期が演算される。

制御回路（図示せず）には、カルマン渦Ｋの発生周期（周波数）から測定部流路１５を流れる流体の流速を求め、流体の流量を演算する演算部（図示せず）が設けられており、演算部には、超音波振動子２に一定周期の駆動信号を出力する発信回路と、超音波振動子３からの検出信号を受信する受信回路と、駆動信号と検出信号との位相を比較する位相比較回路と、位相比較回路から出力されたカルマン渦検出信号を積算して流量を演算する流量演算回路とを有している。

本発明の渦流量計に流入する流体が渦発生体１２を通過する際には、渦発生体１２の下流側に整然とカルマン渦Ｋを発生させることができる。また、渦発生体１２の流体の流れ方向に直交した面の両縁部２２、２３は円弧状に形成され、渦発生体１２の両側面の流路１６、１７の流路断面が円形状であるため、流路１６、１７内は段差や凹凸などの流体流れを乱す要因がなくなり、測定部流路１５を流れるときの圧力損失が低減すると共にカルマン渦Ｋの発生以外の流体の乱れが低減され、流量測定時のノイズの発生を抑えることができる。これらのことから、測定誤差を低減させてより正確な流量測定、特に低流量の測定時の精度の良い測定を行うことができる。

また、渦発生体１２が本体１とは一つの部材で一体的に形成された構成であり、超音波振動子２、３は測定部流路１５から管壁を隔てて凹部底面に配置されているので直接流体に接液しておらず、流路内は一体的に形成されるため、本体１内部への流体漏れが防止される。特に流体が腐食性流体の場合、流体漏れにより本体１内部へ侵入した腐食性流体で渦流量計が破損するという二次被害を防止できる。また、本体１と渦発生体１２が一つの部材で一体的に形成されているのに加えて渦発生体１２の根元部分が厚肉になるので、渦発生体１２の強度が得られる。さらに、別体の部品を組み合わせた時に繋ぎ目の部分にできる僅かなズレや凹凸がないため凹凸によるノイズの発生や圧力損失が防止される。

本発明の渦発生体１２は、流量の広い範囲で安定してカルマン渦Ｋを発生させるために渦発生体１２の流体の流れに正対した面の両縁部２２、２３が鋭角になるように形成することが望ましい。また、渦発生体１２の断面形状は下流側が縮小した台形であることが望ましく、三角形、四角形などであっても良い。このときの縁部２２、２３の角度は６０°から９０°で先端が鋭くエッジが立っている状態が望ましい。なお、渦発生体１２の下流側の縁部には曲面部や面取部を設けても良い。

ここで渦発生体１２の最も括れた箇所の最小幅Ｗは渦発生体１２の流体の流れに正対した面の両縁部２２、２３の円弧の半径Ｒの０．８〜１．３倍であり、渦発生体１２の流体の流れ方向の厚みＴは半径Ｒの１．２〜１．５倍であることが望ましい。カルマン渦Ｋの発生周期は渦発生体１２の幅と流速に比例し、一般的には幅が狭いほど発生周期が短くなり、また流量が増しても発生周期が短くなるが、超音波送受信器を用いて発生周期を精度良く測定するためには発生周期が１ｍｓ以上であることが望ましく、発生周期を１ｍｓ以上にするために渦発生体１２の幅Ｗは０．８Ｒ以上が良い。また、幅Ｗが大きくなると渦発生体１２の両縁部２２、２３から発生する渦同士の相互作用が弱くなってしまい安定したカルマン渦Ｋが困難となるため、安定したカルマン渦Ｋを発生させるために幅Ｗは１．３Ｒ以下が良い。カルマン渦Ｋは渦発生体１２の上流側の縁部２２、２３からの流れが剥離することによって発生しており、厚みＴが小さくなると発生したカルマン渦Ｋがすぐに渦発生体１２の後ろ側へ回り込もうとするために流れが乱れて安定した渦の発生の維持が困難となるため、安定した渦の発生を維持させるために厚みＴは１．２Ｒ以上が良く、また厚みＴが大きくなると下流側の縁部と発生したカルマン渦が干渉すると渦が消失してしまうため、カルマン渦の干渉を起こさないように厚みＴは１．５Ｒ以下が良い。

また、発生させたカルマン渦Ｋを検出する手段は、流体の流量を測定できるためのパラメータを得ることができる物であれば圧力素子など用いても良い。特に本実施形態のように超音波振動子２、３を使用すれば超音波の伝播によって流量を測定できるので、測定部流路１５内に測定端子を設置させなくても良く、測定端子を接液させないで流量を測定できるので好適である。

以上のようにしてカルマン渦Ｋの発生周期を測定することができ、発生周期からの演算により流体の流量が測定可能となる。

次に、図５〜７に基づいて本発明の実施形態の渦流量計の本体の切削加工による内部流路の成形方法について説明する。

流路以外は切削加工済みの本体１において、本体１の一端面から入口流路１３となる有底孔を本体１中央部手前まで形成する。入口流路１３の有底孔の奥部には、奥部に向かって漸次縮径するテーパを設けて縮径部１８を形成する。続いて本体１の他端面から出口流路１４となる有底孔を本体１中央部手前まで形成する。出口流路１４の有底孔の奥部には、奥部に向かって漸次縮径するテーパを設けて拡径部１９を形成する（図５の状態）。

次に、後に渦発生体１２になる部分の壁２４を残して縮径部１８と拡径部１９の奥部に断面楕円状の測定部流路１５となる有底孔を各々形成する（図６の状態）。このとき、残った渦発生体１２となる壁２４は測定部流路１５の入口流路側の位置で凹部２０、２１底面の超音波振動子２、３が配置される位置より上流側に位置する場所に設けられる。

次に、楕円状に残った壁２４の長手方向の両側面側に沿って円形状を形成する貫通孔を各々設ける。この貫通孔が流路１６、１７となり、流路１６、１７間に渦発生体１２が形成される。流路１６、１７となる貫通孔は共に同一の形状となるように形成される。これにより渦発生体１２の流体の流れ方向に正対した面の輪郭が鼓状に形成され、その両縁部２２、２３が円弧状に形成される。渦流量計においては渦発生体１２の縁部２２、２３は鋭いエッジが立っている状態となる。この製造方法であれば縁部２２、２３は容易で確実に鋭いエッジを立てることができるので好適である。また、必要に応じて渦発生体１２の下流側を縮小して台形形状や三角形状にしても良く、出口流路１４側から漸次縮径するテーパを形成するように切削することで容易に形成することができる。なお、流路１６、１７は通常のドリル加工によっても形成しても良い。

以上の手順により、本発明の渦流量計の流路が切削加工によって容易で短時間に製造することができる。この製造方法で成形した本体１の流路は、渦発生体１２と共に一つの部材で一体的に形成されているので水漏れの心配がなく使用することができ、段差や凹凸などがないため流体の流れの乱れが低減されて安定したカルマン渦の発生を行うことができる。この切削加工による成形方法は、渦発生体が配置された流路の部分を形成する貫通孔を切削が可能な範囲にまで小さく設けることができ、小口径の渦流量計の製造に好適である。なお、本体１を射出成形で形成する場合、管路内の渦発生体１２が配置された流路の部分は円柱状のピンで形成することができ、金型製造が容易となる。この射出成形による成形方法は比較的口径の大きい渦流量計の製造に好適である。

１本体
２超音波振動子
３超音波振動子
４振動子押さえ
５振動子押さえ
６バネ
７バネ
８バネ押さえ
９バネ押さえ
１０リード線
１１リード線
１２渦発生体
１３入口流路
１４出口流路
１５測定部流路
１６流路
１７流路
１８縮径部
１９拡径部
２０凹部
２１凹部
２２縁部
２３縁部
２４壁

Claims

管路と、該管路に直交して設けられた渦発生体と、該渦発生体によって発生されるカルマン渦の発生周期を測定する測定手段とを具備し、該測定手段によって測定されたカルマン渦の発生周期から該管路内を流れる流体の流量を演算する渦流量計において、該渦発生体の流体の流れに正対した面の輪郭が鼓状であることを特徴とする渦流量計。
前記渦発生体の流体の流れに正対した面の両縁部が円弧状を有し対称的に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の渦流量計。
前記管路内の前記渦発生体が配置された流路の断面が円形状を有し対称的に設けられることを特徴とする請求項２記載の渦流量計。
前記渦発生体が切削加工または射出成形により前記管路と一体的に成形されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の渦流量計。
前記測定手段が、
前記渦発生体の下流側の前記管路の管壁に、
所定周期の送信信号により超音波を送信する超音波送信器と、
該超音波送信器から送信されかつ前記管路内に発生するカルマン渦によって変調する超音波を受信する超音波受信器と、
を対向させて配置したものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の渦流量計。
前記渦発生体の流体の流れに正対した面の最小幅Ｗが、該正対した面の両縁部の円弧の半径Ｒの０．８〜１．３倍であり、且つ該渦発生体の流体の流れ方向の厚みＴが該半径Ｒの１．２〜１．５倍であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の渦流量計。