JP2011117757A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、流体用配管の途中に設置し流体の流量を検出する流量センサに関するものである。
【解決手段】 本発明は、流体入口部２より流体が流入する筒状の内径部を有する器体１と、器体内に配置され、流入する流体に旋回流を生じさせる固定羽根３’と、固定羽根の流体流入方向下流側に設けられ，旋回流を受けて回転する回転羽根８’及び前記回転羽根の回転を検知する検知手段を具備して成る流量センサにおいて、固定羽根の外形を前記流体入口部１ａの内径と同じくし、固定羽根の先端３ａと流体入口部との角度を９０°超に設定し、回転羽根の外形を固定羽根の外形と同一径とし、回転羽根数は４枚以上，固定羽根数は６枚以上の各偶数枚とし、かつ固定羽根の枚数を回転羽根の枚数と異なるようにして成る流量センサである。
【選択図】 図６

Description

本発明は、流体用配管の途中に設置し流体の流量を検出する流量センサに関するものである。

従来、この種の機器としては、流路の上流側に旋回流を生じさせる固定羽根（傾斜羽根）を配置するとともに、前記旋回流を受けて回転するように前記固定羽根の下流に当該流路の中心軸を中心に回転自在の回転羽根を配置し、この回転羽根の回転数を検知して当該流路内に流れる流体の流量を検出する流量センサが知られている。この検知は、例えば前記回転羽根を着磁するとともに、該回転羽根と対向するように、当該流量センサの流管外側に磁気センサ（ホール素子）を設けることによって行うことができる。

このような流量センサとしては、次に例挙する特許公報のごときものが先行技術として知られているが、それぞれ次のような問題点があった。

特公平７−３７９０６号公報 特許３６１５６６７号公報

特許文献１にあっては、固定羽根の数を回転羽根の数より大きい隣り合う自然数とする流量センサが開示されている。この特許文献１においては、固定羽根の枚数及び回転羽根の枚数は、それぞれ５枚と４枚、あるいは６枚と５枚等の組み合わせについて記載されているが、回転羽根を着磁してホール素子にてその回転を検知する場合には、回転羽根の枚数は偶数である必要があるから、実質的には偶数枚の回転羽根と、それよりも１つ枚数の多い固定羽根を用いる技術に関して記載されているといえる。この特許文献１によれば、固定羽根が５枚、回転羽根が４枚の場合は、どの状態で停止していても固定羽根により旋回流となった水流は回転羽根のどれかに必ず作用するため、該回転羽根を確実に回転させる効果を奏するものであると記載されている。

特許文献２にあっては、前述のように回転羽根の枚数に比べて固定羽根の枚数を１枚多くした技術を前提に、静音化を求めるために、回転羽根を４枚、固定羽根を７枚とした流量センサが開示されている。

しかし、当該流量センサの構成を簡略化すべく、回転羽根の軸受を合成樹脂で成形するような場合は、その軸受の摩耗が大きく耐久性に欠ける懸念があり、また回転羽根の回転に起因する騒音もさらに低減させる必要があった。

そこで、本発明は、騒音をさらに低減し、かつ当該流量センサの耐久性の向上を図ることを目的とするものである。

本発明は、流体入口部より流体が流入する筒状の内径部を有する器体、前記器体内に配置され、流入する流体に旋回流を生じさせる固定羽根、前記固定羽根の流体流入方向下流側に設けられ，前記旋回流を受けて回転する回転羽根及び前記回転羽根の回転を検知する検知手段を具備して成る流量センサにおいて、前記固定羽根の外形を前記流体入口部の内径と同じくし、前記固定羽根の先端と前記流体入口部との角度を９０°超に設定し、前記回転羽根の外形を前記固定羽根の外形と同一径とし、前記回転羽根数は４枚以上，固定羽根数は６枚以上の各偶数枚とし、固定羽根の枚数を回転羽根の枚数と異なるようにして成るものである。

また、本発明は、流体が流入する流体流入口を構成する第１筒状内壁部、及び該第１筒状内壁部よりも径大な第２筒状内壁部を有する器体と、流入する流体に旋回流を生じさせる６枚以上の偶数枚の固定羽根、該固定羽根をその外周部分にて支持する周囲環状部、及び該固定羽根をその内周部分で支持する第１軸受を有し、前記第２筒状内壁部に収容される固定羽根部と、前記固定羽根部の流体流入方向下流側に設けられ、前記旋回流を受けて回転する４枚の回転羽根、及び該回転羽根の中心軸に設けられた支軸を有する回転羽根部と、前記回転羽根部を収容する筒状部、及び第２軸受を有し、前記第２筒状内壁部の，前記固定羽根部よりも流体流入方向下流側に配置される筒状収容体と、前記回転羽根の回転を検知する検知手段とを具備し、前記回転羽根部の支軸の両端は、前記第１軸受及び第２軸受に支持され、前記周囲環状部は、前記第１筒状内壁部及び第２筒状内壁部の段差と同一幅に設定され、前記筒状部は、前記第１筒状内壁部及び第２筒状内壁部の段差よりも小幅に設定され、前記回転羽根は、前記周囲環状部の内径と同一の径に設定され、前記固定羽根の先端と前記第１筒状内壁部との成す角度は９０°超に設定されて成るものである。

前記手段第１記載の流量センサによれば、固定羽根の外形を流体入口部と同一径とし、固定羽根の先端と流体入口部との角度を９０°超とすることで、乱流の生成が少なく、また流体を少ない抵抗で、かつ効率的に旋回流とすることができ、また回転羽根の外形を固定羽根の外形と同一とすることにより、旋回流の全てを回転羽根の回転領域内に導入することができるので、固定羽根及び回転羽根をそれぞれ偶数枚とし、かつそれらの枚数を異なるようにして、回転羽根の回転数を下げるようにしても、該回転数を流体の流量に応じてリニアに増減させることができる。これにより当該流量センサの性能（分解能）を低下させることなく、その耐久性が向上する。

前記手段第２記載の流量センサによれば、６枚以上の偶数枚の固定羽根、該固定羽根の外周を支持する周囲環状部、及び該固定羽根の内周を支持する第１軸受より固定羽根部を形成し、４枚の回転羽根、及び該回転羽根の中心に設けられた支軸より回転羽根部を構成し、前記回転羽根を収容する筒状部、及び第２軸受より筒状収容体を構成するようにしたので、器体内にこれらを挿入するだけで各羽根部分を構成することが出来、前記手段第１記載の効果を、極めて簡単な構成で達成することができる。

本発明の一実施例の斜視図で、図２の左斜め奥方向から見た図 同上の正面図 同上の平面図 同上の左側面図 同上の右側面図 図３Ａ−Ａ線の断面図 固定羽根を６枚（偶数）と５枚（奇数）にした場合における当該流量センサの特性グラフ

本発明は、旋回流を生じさせる固定羽根と、旋回流により回転される回転羽根と、該回転羽根の回転を検知する検知手段を具備して成る流量センサにおいて、前記した構成手段から成る構造を有するものであり、それぞれの作用を行うものである。

本発明の一実施例を、図１乃至図６について説明する。

１は全体が合成樹脂材により成形された流量センサの器体で、この器体の内径部は円筒形状になる。この器体１の内径部は、流体の上流側より下流側に、第１筒状内壁部１ａ、第２筒状内壁部１ｂ、第３筒状内壁部１ｃが形成され、それぞれ順次内径大に成る。

この実施例においては、前記器体１の流体流入方向の上流側の端部外形は、当該流量センサが接続される流管に設けられた雌継手に挿入される雄継手の形状に成り、またその反対方向の端部内形（流体流入方向下流側の端部外形）は、本流量センサが接続される流管に設けられた雄継手が挿入される雌継手の形状に成る。

２は器体１の流体入口部で、前記第１筒状内壁部１ａは流体入口部２を構成する。この第１筒状内壁部１ａの奥部に形成された第２筒状内壁部１ｂには固定羽根部３を設ける。

前記第１筒状内壁部１ａの内径と、固定羽根部３の周囲環状部４の内径（即ち、周囲環状部４の内側に設けられた固定羽根３’の外形寸法）とは同一径寸に成り、両者間に段差はない。換言すれば、前記周囲環状部４の厚みは、前記第１筒状内壁部１ａと第２筒状内壁部１ｂとの段差と同一幅に設定されている。これにより、第１筒状内壁部１ａに流入する流体は、乱れることなくスムーズに固定羽根部３に流入することになる。

前記固定羽根部３は、第１筒状内壁部１ａより流入した流体に旋回流を生じさせるための６枚の固定羽根３’と、この固定羽根の外端部を連結する周囲環状部４と、前記各固定羽根の内端部を器体１の中心軸部分において連結する第１軸受６とから成り、合成樹脂により一体的に形成されている。前記第１軸受６は、後述する支軸５の流体流入側端部を回動自在に支持する。

前記固定羽根３’の数は、この例では偶数の６枚である。

前記各固定羽根３’は、前記周囲筒状部４の流体流入方向上流側の端部から該周囲筒状部４の中心方向に向かって形成されており、その先端部（流体流入方向上流側の端部）３ａは、前記第１筒状内壁部１ａから連続して鈍角を成すようにされている。即ち、前記固定羽根３’の先端部３ａは、流体の流出方向に傾斜するように設けられている。そして、図面上の実施例（図６参照）では、前記先端部３ａと前記第１筒状内壁部１ａとの角度は、約１４０°とされている。

この結果、各固定羽根３’が当該流量センサ内を通過する流体の大きな抵抗となるのを妨げ、かつ大きな乱流を伴うことなく、効率的に流入流体を旋回流とすることができる。

７は前記固定羽根部３に連設し，かつ後記回転羽根部８の下流側軸端部を受ける第２軸受９を設けて成る筒状収容体で、この筒状収容体は、前記周囲環状部４とは同一外径を有するが内径は大きく成る筒状部１０と，この筒状部の下流側にその内周壁より中心部方向に延びる３本の腕板１１と，この腕板により支持される第２軸受９とから成り、これらは合成樹脂により一体に成形される。

前記筒状収容体７が第２筒状内壁部１ｂに装着された状態においては、前記筒状部１０の内壁と前記周囲筒状部４の内壁とは段差を有している。換言すれば、筒状部１０の内径断面積は、周囲筒状部７の内径断面積より大である。

８は４枚の回転羽根８’と支軸５とから成る回転羽根部で、前記回転羽根は磁性材料により成形され、それぞれの回転羽根８’の先端部は交互にＮ極とＳ極に着磁されている。

前記回転羽根８’の成形時には、中央部分にその径小となる凹部を有する金属製（例えばステンレス）の支軸５がその回転中心部分に配置される。前記凹部は支軸５の抜け止めの作用をする。前記回転羽根部８は、前記支軸５の前端部及び後端部が前記第１軸受６と第２軸受９とに挿入、支持されることにより、前記筒状収容体７内部に回転自在に設置される。

前記第２軸受９の内部には、図示されるように、その中央部に前記支軸５の方向に突出する突起５’を有し、該突起が支軸５との摺動抵抗を低減させている。

上記のように、前記回転羽根部８を収容する筒状部１０の内径は、前記周囲環状部４の内径より大に形成されており、また回転羽根８’の外周径は前記固定羽根３’の外周径（換言すれば前記周囲環状部４の内周径）と同一とされている。これによって固定羽根部３を通過して形成された旋回流のすべては、回転羽根８’の回転領域に与えられる。

前記固定羽根部３，回転羽根部８及び筒状収容体７は、まず固定羽根部３の第１軸受６に固定羽根部８の支軸５の先端を挿入するとともに、この支軸の後端を筒状収容体７の第２軸受９に挿入しつつ、該筒状収容体７の流体流入方向上流側の端部を前記周囲環状部４の外周に形成された段差部分に嵌合させることにより一体化された構造体とし、これを器体１の、流体流入方向下流側から第２筒状内壁部１ｂに挿入して配置する。

この状態において、前記筒状収容体７の後端部は前記第３筒状内壁部１ｃ内に突出するので、この後端部を流体流入方向の上流側に押圧するように、その周囲に前記第３筒状内壁部１ｃの内壁に嵌合する複数の突起を有するステンレス鋼等の金属製環状弾性体（止め輪）１５によって、前記構造体を第１筒状内壁部１ａの方向へ付勢して器体１内部に固定する。

前記固定羽根部３と前記回転羽根部８とは器体１内部に形成されるところ、前記周囲環状部４の厚さは、前記第１筒状内壁部１ａと第２筒状内壁部１ｂとの段差と同一であり、これにより流体入口部２と周囲環状部４との内壁との間には段差はない。

一方、筒状部１０の外周径は前記周囲環状部４の外周径と同一であり、かつ筒状部１０の厚みは前記周囲環状部４の厚さより薄く形成する。この結果、前記筒状部１０の内壁と前記周囲環状部４の内壁とは段差を有している。

１２は前記器体１の後方部に形成した流体出口部で、この流体出口部の外側上部には温度センサ設置部１３が設けられている。この温度センサ設置部１３は、当該流量センサ内を通過する流体の温度を検知する図示されていない温度センサを装着する部分であり、前記流体出口部内に貫通する貫通穴を介して温度センサのプローブが管路内に露出するように、該温度センサが取り付けられる。この温度センサ設置部１３の両側には、前記温度センサ取付用の孔、または雌螺子が形成されている。

１４は前記回転羽根部８と対向する器体１の外側上部に設けた凾部で、この凾部内には、前記回転羽根８’の回転を検知するためのホール素子を設置する基板やリード線から成るセンサブロック（いずれも図示せず）が設置される。前記凾部１４の大きさ、形状、及び該凾部１４の底部に相当する前記器体１の厚さは、設置されるべきホール素子の特性や基板の大きさ等を考慮して適宜決定される。また、前記凾部１４内にセンサブロックの基板が配置された後、該凾部内は合成樹脂材によりモールドされ、またセンサブロックの基板は水密構造となる。

図７は回転羽根を４枚とし、固定羽根を５枚とした場合と６枚とした場合との違いを示した当該流量センサの特性を示したグラフであり、横軸に流体（水）の流量、縦軸にホール素子より出力されるパルスの周波数（これは回転羽根の回転数の２倍に相当する）を示したものである。

固定羽根が６枚の方が５枚のものに比較して、ホール素子の出力パルス数（周波数），即ち回転羽根部の回転数は落ちるが、５枚羽根と同様に水流量値に対してリニアに特性が出ているから、流量検知精度は５枚羽根と遜色がないことがわかる。

また、６枚固定羽根の場合は回転数が少ないから、回転羽根部の軸受部分（第１軸受６、第２軸受９）の負荷が少なく、耐久性に有利でかつ騒音が少ない。

４枚回転羽根に対して６枚固定羽根の場合は、４枚回転羽根に対し５枚固定羽根の場合に比較して、旋回流に当たりにくい回転羽根が増えるため、それが原因で該回転羽根の回転数が落ちると考えられる。

しかし、上記のように、流体入口部２（第１筒状内壁部１ａ）の内径と、固定羽根３’をその外周部にて支持する周囲環状部４の内径（即ち固定羽根３’の外形）とを同一とするとともに、前記固定羽根３’の先端部３ａを流体の流出方向側に傾斜して設けることにより、流体の抵抗や乱流の発生を極力抑えるようにし、かつ回転羽根８’が配置される筒状収容体７の筒状部１０の内径を前記周囲環状部４の内径よりも大きくするとともに、該回転羽根８’の直径を固定羽根３’の直径（筒状環状部７の内径）と同一とした結果、該固定羽根３’で発生した旋回流の全てが回転羽根８’の回転領域内に達し、旋回流が効率的に回転羽根８’に当たるので、回転羽根の回転数は回転羽根が５枚の場合に比較して低いものの、特性がリニアに得られると考えられる。この結果、高精度でかつ耐久性を高めた流量センサが得られることになる。

前記実施例では、回転羽根は４枚であり、かつ固定羽根は６枚であるものとしたが、前記の回転数の低下は、旋回流が固定羽根を奇数枚とした場合に比較して回転羽根に当たりにくいという事象に起因して生じるものと考えられるから、固定羽根は６枚に限定されることはなく、６枚以上の偶数であれば良い。

同様に、回転羽根の枚数も４枚以上の偶数としても良い。この場合は、固定羽根の枚数を回転羽根の枚数と異ならせれば良い。

また、前記各固定羽根３’の先端部３ａと第１筒状内壁部１ｃの内径面との角度は約１４０°であるとしたが、固定羽根が当該流量センサ内を通過する流体の大きな抵抗となることを妨げ、かつ大きな乱流を伴うことなく流入流体を旋回流とするために、９０°超の角度として、該先端部を流体流出側に傾斜させればよい。

さらに、前記の実施例では温度センサ設置部１３が設けられ、その内部に温度センサが配置されるものとしたが、当該流量センサ内を通過する流体の温度検知が必要とされない場合には設ける必要がないことはいうまでもない。

さらにまた、回転羽根の回転軸となる支軸５は金属製であるものとしたが、前記のように回転羽根の回転数が従来の流量センサに比較して低下するので、該支軸５は合成樹脂、セラミック等により形成されてもよい。

さらにまた、前述の説明では、前記固定羽根３’は、前記周囲筒状部４の端部（流体流入上流側端部）から形成された結果、固定羽根３’の先端部３ａは前記第１筒状内壁部１ａの内面から連続して鈍角を形成するようにされるものとしたが、該固定羽根３’は、前記周囲筒状部４の流体流入上流側端部からやや下流側に設けられてもよく、この場合には、該周囲筒状部４の前記端部から固定羽根３’が形成されるまでの内径部分は、前記第１筒状内壁部１ａと同一内径とすればよい。

さらにまた、前記実施例では、前記器体１の両端部は、その流体流入上流側が雄継手、下流側が雌継手の形状となっているものとして説明したが、該両端部の形状は、それぞれ当該流量センサが接続される流管に設けられた継手の形状に応じて適宜決定されれば良い。当該器体１の流体流入側端部を雌継手とする場合（すなわち該流体流入側端部内に、接続されるべき流管に設けられた雄継手が挿入される場合）には、(1)前記第１筒状内壁部１ａの途中まで流管の雄継手が挿入されるときは、第１筒状内壁部１ａに該雄継手を挿入する径大部を設けると共に、該第１筒状内壁部１ａの残りの部分を雄継手の内径と一致するようにし、あるいは、(2)第１筒状内壁部１ａの全長に亘って雄継手が挿入されるときは、前記周囲環状部４の内径（固定羽根３’の外径）を該雄継手の内径と一致するように構成すれば良い。これにより、流量センサ内に流入した流体は、乱れることなく固定羽根に当たり、スムーズに旋回流とすることができる。

１ 器体
１ａ 第１筒状内壁部
１ｂ 第２筒状内壁部
１ｃ 第３筒状内壁部
２ 流体入口部
３ 固定羽根部
３’ 固定羽根
４ 周囲環状部
５ 支軸
６ 第１軸受
７ 筒状収容体
８ 回転羽根部
８’ 回転羽根
９ 第２軸受
１０ 筒状部
１１ 腕板
１２ 流体出口部
１３ 温度センサ設置部
１４ 凾部
１５ 環状弾性体（止め輪）

Claims (2)

1. 流体入口部より流体が流入する筒状の内径部を有する器体、前記器体内に配置され、流入する流体に旋回流を生じさせる固定羽根、前記固定羽根の流体流入方向下流側に設けられ，前記旋回流を受けて回転する回転羽根及び前記回転羽根の回転を検知する検知手段を具備して成る流量センサにおいて、
   固定羽根の外形を前記流体入口部の内径と同じくし、
   前記固定羽根の先端と前記流体入口部との角度を９０°超に設定し、
   前記回転羽根の外形を前記固定羽根の外形と同一径とし、
   前記回転羽根数は４枚以上，固定羽根数は６枚以上の各偶数枚とし、かつ固定羽根の枚数を回転羽根の枚数と異なるようにしたことを特徴とする流量センサ。
2. 流体が流入する流体流入口を構成する第１筒状内壁部、及び該第１筒状内壁部よりも径大な第２筒状内壁部を有する器体と、
   流入する流体に旋回流を生じさせる６枚以上の偶数枚の固定羽根、該固定羽根をその外周部分にて支持する周囲環状部、及び該固定羽根をその内周部分で支持する第１軸受を有し、前記第２筒状内壁部に収容される固定羽根部と、
   前記固定羽根部の流体流入方向下流側に設けられ、前記旋回流を受けて回転する４枚の回転羽根、及び該回転羽根の中心軸に設けられた支軸を有する回転羽根部と、
   前記回転羽根部を収容する筒状部、及び第２軸受を有し、前記第２筒状内壁部の，前記固定羽根部よりも流体流入方向下流側に配置される筒状収容体と、
   前記回転羽根の回転を検知する検知手段とを具備し、
   前記回転羽根部の支軸の両端は、前記第１軸受及び第２軸受に支持され、
   前記周囲環状部は、前記第１筒状内壁部及び第２筒状内壁部の段差と同一幅に設定され、
   前記筒状部は、前記第１筒状内壁部及び第２筒状内壁部の段差よりも小幅に設定され、
   前記回転羽根は、前記周囲環状部の内径と同一の径に設定され、
   前記固定羽根の先端と前記第１筒状内壁部との角度は９０°超に設定されたことを特徴とする流量センサ。

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