JP2010190623A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】羽根車２の羽根部２３を軸方向に平行とし、入口側軸受部材３に斜状案内羽根３３を設けた流量センサにおいて、乱流時の流量―回転数特性のばらつきを抑えられ、且つ、羽根車の回転速度を比較的低くして、長寿命化を図ることができるようにする。
【解決手段】斜状案内羽根３３は、軸方向に直交する断面形状が径方向外方に向かって拡幅する台形状になるように形成される。また、入口側と出口側の各軸受部材３，４の筒状の軸受部３２，４２に、その内周の軸孔を軸受部３２，４２の外方に連通するスリット３２ａ，４２ａを形成する。また、出口側軸受部材４の軸孔は、羽根車２側寄りの部分を大径とした段付き形状に形成され、スリット４２ａは、その端部が軸孔の大径孔部に達するように形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、主として給湯器に用いられる、流体の流れで回転する羽根車を備える流量センサに関する。

一般に給湯器では、熱交換器に連なる給水路に流量センサを介設し、流量センサで検出される通水流量が所定の最小流量以上になったときに、熱交換器を加熱するバーナに着火させるようにしている。

このような給湯器に用いられる流量センサでは、一般的に、羽根車として羽根部が軸方向に対し傾斜したものを用い、センサケースの入口側及び出口側に設けられた一対の軸受部材によりセンサケース内に羽根車を回転自在に保持している。尚、入口側と出口側の各軸受部材は、軸孔を形成した筒状の軸受部を有しており、軸孔に羽根車の回転軸の端部を挿入保持している。このものでは、センサケース内に入口側から出口側に向けて水(流体)が流れるときに羽根車が正転方向に回転するが、水抜き等でセンサケース内に出口側から入口側に向けて水が逆流するときにも、羽根車が逆転方向に回転してしまい、バーナに着火されてしまう。

そこで、従来、羽根車の羽根部を軸方向に平行とし、入口側軸受部材の軸受部の外周に、軸方向に対し傾斜した斜状案内羽根を周方向の間隔を存して複数設けた流量センサも知られている(例えば、特許文献１参照)。このものでは、センサケース内に流体が順方向に流れるときに、斜状案内羽根により流体の流れが旋回流となって羽根車に回転力が付与される。一方、逆流時には出口側から流入する流体に旋回運動が与えられないため、羽根車は回転せず、バーナへの着火を防止できる。

ところで、上記従来例の斜状案内羽根は、軸方向に直交する断面形状が径方向に一定幅で真直にのびるストレート形状になるように形成されている。そして、羽根車の羽根部の斜状案内羽根寄りの部分には、後述する如く、径方向外側が高圧になる分布で旋回流による動圧が作用する。ここで、流量センサの上流側で流れが乱された場合(乱流時)、乱れた流れは径方向外側に偏流する傾向があって、この傾向が斜状案内羽根による旋回で助長されるため、羽根部の径方向外側に作用する動圧が大きく変動する。そのため、流量―回転数特性が乱流時に大きくばらつく。また、羽根部の径方向外側に高い動圧が作用するため、羽根車に付与される回転力が大きくなって、羽根車の回転速度が速くなる。その結果、軸受部が比較的早期に摩耗し、寿命が短くなる不具合もある。

特公平７−３７９０６号公報

本発明は、以上の点に鑑み、入口側軸受部材に斜状案内羽根を設けた流量センサであって、乱流時の流量―回転数特性のばらつきを抑えられ、且つ、羽根車の回転速度を比較的低くして、長寿命化を図ることができるようにしたものを提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、流体の流れで回転する羽根車を備える流量センサであって、羽根車を収納するセンサケースと、センサケースの入口側及び出口側に設けられ、センサケース内に羽根車を回転自在に保持する一対の軸受部材とを備え、羽根車の羽根部は軸方向に平行であり、入口側と出口側の各軸受部材は、羽根車の回転軸の端部を挿入する軸孔を形成した筒状の軸受部を有すると共に、入口側軸受部材の軸受部の外周に、軸方向に対し傾斜した斜状案内羽根が周方向の間隔を存して複数設けられるものにおいて、各斜状案内羽根は、軸方向に直交する断面形状が径方向外方に向かって拡幅する台形状になるように形成されることを特徴とする。

本発明によれば、各斜状案羽根間の流路の径方向外側の断面積が狭くなり、流体の流れが径方向内側に絞られる。そのため、羽根車の羽根部の斜状案内羽根寄りの部分には、径方向中間部が高圧で、径方向外側程低圧になる分布で旋回流による動圧が作用する。そして、乱流時にも、羽根車の回転速度に最も影響する部分である羽根部の径方向外側の部分に作用する動圧は大きく変動しない。従って、乱流時の流量―回転数特性のばらつきを小さく抑えることができる。また、羽根部の径方向外側の部分に作用する動圧が低くなるため、上記従来例のものに比し、羽根車に付与される回転力が小さくなり、羽根車が比較的低速で回転する。その結果、軸受部の摩耗を抑制して、長寿命化を図ることができる。

ところで、出口側軸受部材の軸受部に形成する軸孔は、流体の順方向の流れに対向して開口しているため、この軸孔内に流体に混入した異物が侵入しやすくなる。そのため、本発明においては、出口側軸受部材の軸受部の周壁部に、軸孔を当該軸受部の外方に連通する軸方向に長手のスリットを形成することが望ましい。これによれば、軸孔内に異物が侵入しても、この異物は羽根車の回転軸の回転による遠心力でスリットを介して軸受部の外方に弾き飛ばされ、異物の詰まりによる回転不良を防止できる。

この場合、出口側軸受部材の軸受部に形成する軸孔は、羽根車側寄りの部分を大径とした段付き形状に形成され、スリットの羽根車寄りの端部は、軸孔の大径孔部に達することが望ましい。これによれば、大径孔部からスリットを介して軸受部の外方に流体が流れ、この流れに乗って異物が軸孔外に流れる。従って、羽根車の回転軸の回転振れを防止するために、大径孔部以外の軸孔の部分と回転軸とのクリアランスを狭めても、軸孔内での異物の詰まりを効果的に防止できる。

また、入口側軸受部材の軸受部に形成する軸孔内での異物の詰まりを生ずる可能性もある。従って、入口側軸受部材の軸受部の周壁部にも、軸孔を当該軸受部の外方に連通する軸方向に長手のスリットを形成しておくことが望ましい。

本発明の実施形態の流量センサの切断側面図。 実施形態の流量センサの分解斜視図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図。 (ａ)実施形態の流量センサに設ける羽根車の羽根部に作用する動圧分布を示す説明図、(ｂ)従来例の流量センサに設ける羽根車の羽根部に作用する動圧分布を示す説明図。

図１は本発明の実施形態の流量センサを示している。この流量センサは、給湯器の熱交換器に連なる給水路に介設されるものであり、流量センサで検出した通水流量が所定の最低流量以上になったときに、熱交換器を加熱するバーナに着火される。

流量センサは、筒状のセンサケース１と、センサケース１内に収納される羽根車２と、センサケース１の入口側と出口側に設けられ、羽根車２をセンサケース１内で回転自在に保持する一対の軸受部材３，４とで構成されている。尚、流量センサは、センサケース１の入口側が下、出口側が上を向くような姿勢で設置される。

羽根車２は、軸方向(上下方向)に長手の筒状の胴体部２１と、胴体部２１に貫通させた回転軸２２と、胴体部２１の外周面に放射状に配置した、磁気を帯びた複数の羽根部２３とを有している。本実施形態では、図２に示す如く、周方向に９０°間隔で４つの羽根部２３が設けられている。また、各羽根部２３は、軸方向に平行である。

尚、図示しないが、センサケース１の外面にはホール素子等から成る磁気センサが設置されており、各羽根部２３が磁気センサに対向する位置を通過する度に磁気センサからパルスが出力される。そして、単位時間当たりの出力パルス数をカウントして、通水流量を検出する。

入口側軸受部材３は、センサケース１に一体成形されるもので、羽根車２の回転軸２２の下端部を挿入する軸孔３１を形成した筒状の軸受部３２と、図２、図３に示す如く、軸受部３２の外周面から外方に周方向の間隔を存して放射状にのびる、軸方向に対し傾斜した複数の斜状案内羽根３３とを有している。これら斜状案内羽根３３により、センサケース１内に入口側から流入する水(流体)の流れが旋回流となる。そして、旋回流によって羽根車２に回転力が付与され、水の流量に応じた回転数で羽根車２が回転して、通水流量が検出される。尚、本実施形態では、斜状案内羽根３３を、羽根部２３より１個多い５つ設けている。

出口側軸受部材４は、羽根車２の回転軸２２の上端部を挿入する軸孔４１を形成した筒状の軸受部４２と、センサケース１の上端部に嵌合固定される環状のリム部４３と、軸受部４１とリム部４２との間に放射状に配置した４つのスポーク部４４とを有している。

ここで、上記各斜状案内羽根３３は、軸方向に直交する断面形状が径方向外方に向かって拡幅する台形状になるように形成されている。本実施形態の斜状案内羽根３３を用いた場合と、上記従来例の斜状案内羽根を用いた場合とについて、ＦｌｏｗＷｏｒｋｓでシミュレーション解析を行い、羽根車２の羽根部２３に作用する動圧分布を調べた。この解析では、入口側の水圧と出口側の水圧との差圧を２００００Ｐａ（入口側１２１３２５Ｐａ、出口側１０１３２５Ｐａ）とした。

従来例の斜状案内羽根を用いた場合、羽根部２３の斜状案内羽根寄りの部分(下部)には、図４(ｂ)に示す如く、径方向外側が高圧になる分布で旋回流による動圧が作用する。一方、本実施形態の斜状案内羽根３３を用いた場合は、各斜状案羽根３３間の流路の径方向外側の断面積が狭くなって、流体の流れが径方向内側に絞られる。その結果、羽根部２３の下部に、図４(ａ)に示す如く、径方向中間部が高圧で、径方向外側程低圧になる分布で旋回流による動圧が作用する。また、羽根部２３に作用する動圧は、従来例の斜状案内羽根を用いた場合に比し、全体的に低くなる。

そして、本実施形態では、乱流時にも、羽根車２の回転速度に最も影響する部分である羽根部２３の径方向外側の部分に作用する動圧が大きく変動せず、乱流時の流量―回転数特性のばらつきを小さく抑えられることが判明した。また、羽根部２３の径方向外側の部分に作用する動圧が低くなるため、従来例のものに比し、同一流量で羽根車２に付与される回転力が小さくなり、羽根車２が比較的低速で回転する。その結果、入口側と出口側の各軸受部材３，４の軸受部３２，４２の摩耗を抑制して、長寿命化を図ることができる。

また、本実施形態では、入口側と出口側の各軸受部材３，４の軸受部３２，４２の周壁部に、軸孔３１，４１を当該軸受部３２，４２の外方に連通する軸方向に長手のスリット３２ａ，４２ａを形成している。これによれば、水に混入した異物が軸孔３２，４２内に侵入しても、この異物は羽根車２の回転軸２２の回転による遠心力でスリット３２ａ，４２ａを介して軸受部３２，４２の外方に弾き飛ばされる。従って、異物の詰まりによる回転不良を防止できる。尚、入口側軸受部材３の軸受部３２に形成するスリット３２ａの数は５個とし、出口側軸受部材４の軸受部４２に形成するスリット４２ａの数は２個としている。

本実施形態では、更に、出口側軸受部材４の軸受部４２に形成する軸孔４１が、羽根車２寄りの部分、即ち、下方部分を大径にした段付き形状に形成されている。そして、スリット４２ａを、羽根車２寄りの端部（下端部）が軸孔４１の大径孔部４１ａに達するように形成している。これによれば、入口側から出口側に向けて順方向に水が流れる際に、大径孔部４１ａからスリット４２ａを介して軸受部４２の外方に向かう水の流れを生じ、この流れに乗って異物が軸孔４１外に流れる。従って、羽根車２の回転軸２２の回転振れを防止するために、大径孔部４１ａ以外の軸孔４１の部分と回転軸２２とのクリアランスを狭めても、軸孔４１内での異物の詰まりを効果的に防止できる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、入口側と出口側の各軸受部材３，４の軸受部３２，４２にスリット３２ａ，４２ａを形成しているが、入口側軸受部材３の軸受部３２のスリット３２ａは省略してもよい。即ち、出口側軸受部材４の軸孔４１は、水の順方向の流れに対向して下向きに開口しているため、この軸孔４１内に流体に混入した異物が侵入しやすくなるが、入口側軸受部材３の軸孔３１は上向きに開口しているため、異物が侵入しにくく、異物の詰まり防止対策としてスリット３２ａは必要不可欠ではない。

また、上記実施形態は、流体として水を流す給湯器用の流量センサに本発明を適用したものであるが、給湯器以外の装置で使用する流量センサにも同様に本発明を適用できる。

１…センサケース、２…羽根車、２３…羽根部、３…入口側軸受部材、３１…軸孔、３２…軸受部、３２ａ…スリット、３３…斜状案内羽根、４…出口側軸受部材、４１…軸孔、４１ａ…大径孔部、４２…軸受部、４２ａ…スリット。

Claims (4)

1. 流体の流れで回転する羽根車を備える流量センサであって、
   羽根車を収納するセンサケースと、センサケースの入口側及び出口側に設けられ、センサケース内に羽根車を回転自在に保持する一対の軸受部材とを備え、
   羽根車の羽根部は軸方向に平行であり、入口側と出口側の各軸受部材は、羽根車の回転軸の端部を挿入する軸孔を形成した筒状の軸受部を有すると共に、入口側軸受部材の軸受部の外周に、軸方向に対し傾斜した斜状案内羽根が周方向の間隔を存して複数設けられるものにおいて、
   各斜状案内羽根は、軸方向に直交する断面形状が径方向外方に向かって拡幅する台形状になるように形成されることを特徴とする流量センサ。
2. 前記出口側軸受部材の前記軸受部の周壁部に、前記軸孔を当該軸受部の外方に連通する軸方向に長手のスリットが形成されていることを特徴とする請求項１記載の流量センサ。
3. 前記出口側軸受部材の前記軸受部に形成する前記軸孔は、前記羽根車寄りの部分を大径とした段付き形状に形成され、前記スリットの羽根車寄りの端部は、軸孔の大径孔部に達することを特徴とする請求項２記載の流量センサ。
4. 前記入口側軸受部材の前記軸受部の周壁部に、前記軸孔を当該軸受部の外方に連通する軸方向に長手のスリットが形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の流量センサ。

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