JP2013221777A - 流量計測器および配管群の流量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラ等の管寄せ部に接続される枝管（伝熱管）や、急縮小管等を流れる流体の流量を安定して計測でき、設置等の計測準備の負担が大幅に軽減される流量計測器を提供することを目的とする。
【解決手段】配管１０内を流れる流体１１の流量を計測する流量計測器１は、上流側に再付着距離までの縮流効果により流体を整流できるオリフィス２１を、下流側に流速計測部４を、それぞれ有し、流速計測部４は、オリフィス２１から、再付着距離Ｌｒと整流距離Ｌｄを合計した距離Ｌ＝Ｌｒ＋Ｌｄ以上離れた整流された流体１１の流速を計測できる位置に設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラ等の管寄せ部に接続される枝管（伝熱管）や、急縮小管等のように流体の態様が変化して偏流が発生する箇所でも流体の流量を安定して計測でき、設置等の計測準備も大幅に簡略化される流量計測器および配管群の流量計測方法に関するものである。

配管内を流れる流体の流量を計測する方法に、ピトー管等の流速計を用いて配管の特定の位置での流体の流速を計測し、その位置での配管の断面積を乗じて流量を求める方法がある。この方法では、流速計を設置する位置において、配管長手方向に直交する面内で流体の流速が概ね均一で、計測した流速が平均流速と見なせれば、流量を安定して正確に計測することができる。しかしそのためには、上流側に十分長い直管部を設ける等して、流れを安定させる必要があり、配管長手方向に長くなってしまうため、特許文献１等のように上流側にハニカム格子状の整流器を設けて流量計測の全長をコンパクトにする方法が知られている。

特開平１１−１１８５４７号公報

一方、図３に示すように、ボイラや蒸気発生器等、熱交換器の管寄せ部７１には、多数の枝管７２が接続されるが、各枝管７２の入り口付近は、流れの方向や広さの変化に起因して流体の流れが安定しない。また、図４に示す急縮小管７５のように配管径ｄが大きく変化する急縮小部７６付近も同様である。前述のように、各枝管７２や急縮小管７５の流体の流量を、流れが安定する位置で計測しようとすると、計測部の上流側に整流するための距離Ｌ２（図４参照）を確保するか、特許文献１のように整流器を追加する必要があった。

例えば、特許文献１の流量計を図３の管寄せ部７１の枝管７２に設置する場合、入口から一定距離Ｌ１以上離れた直管部に、予め流量計７３の長さ分の距離を空けて２つのフランジ７４を設けて、流量計７３を着脱可能に接続する等の設置作業が必要となる。しかし、多数の枝管７２が林立する管寄せ部７１では枝管７２同士の間隔も狭くアクセスが困難なため、流量計７３を一度設置すると計測対象の配管１０を他の配管に変更することは容易ではなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、熱交換器の管寄せ部７１に接続される枝管（伝熱管）７２や、急縮小管７５等を流れる流体の流量を安定して計測でき、設置等の計測準備の負担が大幅に軽減される流量計測器および配管群の流量計測方法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、本発明の流量計測器および配管群の流量計測方法は以下の構成を採用する。
すなわち、本発明にかかる配管内を流れる流体の流量を計測する流量計測器は、上流側に再付着距離までの縮流効果により流体を整流できるオリフィスを、下流側に流速計測部を、それぞれ有し、流速計測部は、オリフィスから、再付着距離Ｌｒと整流距離Ｌｄを合計した距離Ｌ＝Ｌｒ＋Ｌｄ以上離れた整流された流体の流速を計測できる位置に設置されることを特徴とする。

再付着距離Ｌｒは、オリフィスの孔径ｄ１や厚さｔ等の寸法や配管径、流体の性状等を設定すれば、解析や実験で予め求めることができる。また、整流距離Ｌｄも同様に解析や実験で予め求めることができる。このように、オリフィスから流速計測部までの距離を、再付着距離Ｌｒと整流距離Ｌｄを合計した距離Ｌ＝Ｌｒ＋Ｌｄ以上に設定することで、安定した流速が得られ、値の精度や再現性も把握できる。

また、整流器として形状が単純なオリフィスを採用するので、特許文献１のようなハニカム格子状の整流器と比較してメンテナンスが容易である。

本発明の流量計測器では、オリフィスを備える整流部と、オリフィスを通過した流体の流れが確実に安定する計測位置に流速計測部を設置するために、オリフィスと流速計測部の間に延長管部を挟んで、整流部と延長管部および流速計測部を一体構造にした。これにより、オリフィスと流速計測部を個別に配管に直接設置する場合と比較して、オリフィスと流速計測部の間の距離を精度よく管理できるようになり、計測精度（バラつき）と計測の再現性が向上する。このため、設置の際に現場での寸法管理が簡略化され、計測準備の作業効率が向上する。

更に、本発明の流量計測器では、整流部、延長管部および流速計測部を、別体に分割可能な組立式にしたため、オリフィスや流速計測部に不具合が発生したとき等に容易にメンテナンスすることができる。

また、本発明の流量計測器は、流速検出部の下流側に計測対象の配管との接続部を有し、整流部の上流側には接続部を有しない構成とするので、例えば流量計測器を枝管の入り口部に設置する場合にも、従来のように枝管を切断したりフランジを外したりして、枝管の途中に流量計測器を挿入設置する必要がなくなり、設置や取外しが容易になる。

本発明の流量計測器の接続部は配管に着脱容易に接続するので、管寄せ部のように計測対象の配管（枝管）が多い場合、設置や交換の作業が容易である。

また、本発明の流量計測器の接続部は、ネジの螺合で計測対象の配管と接続するので、本発明の一体構造の流量計測器は計測対象の配管の端部に予め形成したネジにねじ込むだけで、取付け、取外し可能になる。

本発明の流速計測部には、流れ方向に直交して配置された２本の円筒からなり、円筒のうち上流側の円筒は上流に向けて全圧計測用孔を有し、下流側の円筒は側方から下流方向の範囲に静圧計測用孔を有すピトー管を採用する。これにより、流速計測にオリフィスを採用する差圧式流速計等と比べて余計な圧損を必要とせず、直管長も短く構成できる。

また、本発明の配管群の流量計測方法は、計測対象配管群のうち一の配管の端部に、整流部、延長管部、流速計測部および接続部を備えた一体型流量計測器を、接続部を用いて設置する第１工程と、この配管の流量を計測する第２工程と、この配管から接続部を用いて一体型流量計測器を取り外して他の計測対象配管に再設置する第３工程と、一体型流量計測器を再設置した計測対象配管の流量を計測する第４工程を有し、第１工程と第２工程を実施した後、第３工程と第４工程とを繰り返す。
これにより、計測対象の配管が多くても、適切な個数の計測器で、任意に計測対象の配管を選んで、容易に、かつ精度・再現性よく各配管の流量が計測できる。

さらに、本発明の配管群の流量計測方法は、複数の前記一体型流量計測器を用い、前記計測対象配管群のうちの複数の計測対象配管の流体の流量を並行して計測する。
本発明の一体型流量計測器は、寸法管理が容易であるので、計測精度が一定の範囲に揃った流量計測器を、複数組製作することができる。これにより、計測対象の配管が多くても、適切な個数の計測器で、並行して計測作業を行うことが可能になり、計測作業の効率を上げることができる。

本発明の流量計測器は、予めオリフィスによって生じる再付着距離と整流距離を考慮して、流速が安定するようにオリフィスと流速計測部との間の距離を定めるため、得られる値の精度や再現性が把握でき、流量計測器の全長も必要最低限に抑えることができる。
また、一体構造をしており、計測対象配管の入り口部分にねじ込んで取り付けるため、設置性に優れており、多数の配管の流量を同時並行で計測することも可能になる。
さらに、整流にはオリフィスを採用し、オリフィス・延長管部・流速計測部が分解組立を前提として構成されているので、メンテナンス性にも優れている。

本発明の一実施形態にかかる流量計測器を示した縦断面図である。 図１の流量計測器内部の流体の挙動の説明するための縦断面図である。 管寄せ部を示す斜視図である。 急縮小管での流量計測を説明するための縦断面図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図１及び図２を用いて説明する。

本実施形態に係る流量計測器１の構成を、図１を用いて説明する。
流量計測器１は、図１において左方の上流側から右方の下流側に向かって、整流部２、延長管部３及び流速計測部４を直列に接続した状態で、一体に構成されている。計測対象の流体１１は、流量計測器１の内部を、整流部２、延長管部３及び流速計測部４の順に流れる。計測対象の流体１１としては、典型的には水等の液体が挙げられるが、もちろん気体であっても適用可能である。
これらの接続は、例えば、ネジの螺合により、組立・分解可能であることが望ましい。即ち、流量計測器１は、整流部２と延長管部３、および延長管部３と流速計測部４が、ネジによる螺合で結合される。螺合の固定には例えばダブルナットや緩み止材等を使用し、計測中に緩まないようにする。

整流部２は、有蓋円筒形状をしており、蓋部の中央にオリフィス２１を有している。円筒部内側面には雌ネジが形成されており、延長管部３外側面に形成された雄ネジに接続される。

延長管部３は、略円筒形状をした延長管であり、一端には整流部２と螺合できるよう外側面に雄ネジが形成されており、他端には管径拡大部を有し、内側面に形成された雌ネジで流速計測部４の外側面に接続される。延長管部３の長さは、後述するように、オリフィス２１と流速計測部４との距離から定められる。

流速計測部４は、延長管部３と同様に略円筒形状をしており、一端には延長管部３と接続する雄ネジが設けられ、他端には計測対象配管１０と接続する接続部５が設けられている。接続部５は、内側面に雌ネジが形成された管径拡大部を有している。なお、接続部５は、流速計測部４と別体に形成しても良い。この場合、接続部５と流速計測部４は螺合等の方法で接続される。

これに加えて流速計測部４は、その本体部の外部に設置された差圧計６５を有し、また、円筒内部にはピトー管６を有する。
ピトー管６は、流体１１の流れ方向に直交して流体計測部４の管内に配置された２本の円筒６１，６２からなり、上流側の円筒６１は、上流に向けて全圧計測用孔６３を有し、下流側の円筒６２は側方から下流方向の範囲に静圧計測用孔６４を有する。全圧計測用孔６３は流体１１の上流側方向に、静圧計測用孔６４は下流側の円筒の側方から下流方向の範囲に設けられる。
更に、両円筒６１，６２は、これら円筒６１，６２の差圧を計測する差圧計６５に接続され、ここで得られた全圧と静圧の差圧である動圧と、別途計測された流体１１の温度や予め把握されている流体１１の密度から、流速を求めることができる。

図３に示したように、通常の管寄せ部７１の枝管７２は円筒である。計測対象の配管１０の端部が管寄せ部７１に突出している場合は、接続部５の雌ネジにて計測対象の配管１０に予め形成された雄ネジで螺合する。計測対象の配管１０への着脱は、この接続部５での着脱のみで行うことができる。管寄せ部７１に対して計測対象の配管１０の端部が突出しない場合は、接続部５に雄ネジ、配管１０に雌ネジを形成して螺合させても良い。
なお、計測対象の配管１０が、例えば角管の空調ダクトであって、円筒ではない場合にも、差し込みや、フランジ接続等、ネジの螺合以外の接続手段を採用すれば、本発明の流量計測器を適用することができる。

ここで、延長管部３の長さを決定する方法を、図２を用いて説明する。
本実施形態の流量計測器１が計測対象とする配管１０に流入する流体１１は、管寄せ部７１等から配管１０に流入する際に管径も、流れの方向も大きく変化するため、整流状態ではないと考えられる。流量あるいは流速を計測するためには、流れが整流であることが必要なので、本実施形態の流量計測器１では整流を目的にオリフィス２１を設けている。

整流部２に設けられたオリフィス２１は縮流効果を有し、これにより流量計測器１に入る前の流体１１の流れが乱流状態にあっても安定化することができる。ただし、孔径ｄのオリフィス２１を通過した直後は、管径がＤまで拡大するため、再付着する位置１２までは配管内壁から剥離した流れである。
図２左側の孔径ｄのオリフィス２１から延長管部３に流入した流体１１は、ピトー管６を備えた流速計測部４を経由して、接続部５によって結合された計測対象の配管１０に至る。このとき、流体１１はオリフィス２１を通過してから再付着点１２までの距離Ｌｒの間は内壁１３から剥離している。また、再付着点１２から距離Ｌｄの間は管中央部と内壁の間には速度差のある層流状態であるので、平均流速を計測するには不適当である。このため、ピトー管６で全圧の計測に使用する上流側の円筒６１は、再付着点１２から距離Ｌｄ以上離れた流速が平均化される位置、即ちオリフィス２１から距離Ｌ＝Ｌｒ＋Ｌｄ以上離れた位置に設置する。図１に示すように、延長管部３の長さＬｅｘは、流速計測部４入口から上流側の円筒６１までの長さＬｅ０を考慮して、Ｌｅｘ＝Ｌｒ＋Ｌｄ−Ｌｅ０以上と決定することができる。

ここで、再付着距離Ｌｒは、予め解析や実験で求めることができる。例えば、「オリフィス急拡大付着流れに発生する渦構造に関する実験的研究 日本航空宇宙学会 １９９９年 第３１回 流体力学講演会」には、オリフィス直径Ｄ＝３０ｍｍ、下流の配管の内径８０ｍｍ、長さ７００ｍｍ、オリフィスのステップ高さＨ＝２５ｍｍの条件で主流流速Ｕ０＝１５ｍ／ｓで試験したところ、オリフィスから再付着点Ｘｒ（図２で１２で示す点）までの距離ＬｒはＬｒ＝１０．６Ｈと確認されたと報告されている。また、整流距離Ｌｄも同様に予め解析や実験で求めることができる。このように、オリフィス２１から、流速計測部までの距離を、再付着距離Ｌｒと整流距離Ｌｄを合計した距離Ｌ＝Ｌｒ＋Ｌｄ以上に設定することで、安定した流速が得られ、値の精度や再現性も把握できる。

複数の計測対象の配管１０がある場合、上述した構成の流量計測器１は、以下のように使用される。
予め、整流部２、延長管部３、流速計測部４を接続し、一体型の流量計測器１を構成し、校正を行っておく。また、計測対象の配管１０の端部には予め流量計測器１を接続できるよう雄ネジが形成されている。また、ここでは差圧計６５は流速計測部４と一体になっているものとして説明するが、差圧計６５を別体に設置する場合は適宜着脱するものとする。
最初の計測の準備として、流体の流量を計測する計測対象の配管１０の端部に、一体型の流量計測器１の接続部５をねじ込んで設置する（第１工程）。
次に、計測対象の配管１０に流体１１を流して、予め設定された計測条件を満足したら、流体１１の流量を一体型の流量計測器１で計測する（第２工程）。
前の工程での計測が終了すると、流体１１を流すのを止め、適宜排水等した後、接続部５を用いて計測対象の配管１０から流量計測器１を取り外す。ここで、まだ未計測の計測対象の配管１０が残っていれば、その未計測の計測対象の配管１０に流量計測器１の接続部５を再びねじ込んで設置する（第３工程）。
流量計測器１を計測対象の配管１０に設置した後、計測対象の配管１０に流体１１を流し、予め設定された計測条件を満足したら、流量の計測を行う（第４工程）。
本実施形態の流量計測器１は、整流部２から流速計測部４まで、再現性を有して繰り返し計測することが可能なので、第１工程、第２工程を実施した後、未計測の計測対象の配管１０が無くなるまで、第３工程と第４工程を繰り返すことで、複数の計測対象の配管１０をすべて計測することができる。

複数の計測対象の配管１０がある場合、上述した計測方法では、計測対象の配管１０の数だけ計測を繰り返す必要がある。計測する配管１０の数が多い場合は以下のように流量計測計１を複数用意して同時並行で計測を行えば計測作業の効率を上げることができる。
具体的には、整流部２、延長管部３、流速計測部４を接続した複数の流量計測器１を用意し、それぞれ事前に計測値の校正を行って補正値を得ておく。上述の計測方法において一度に複数の流量計測器１の設置・取外しを行い、計測値を流量計測器毎の補正値で補正すれば、相互に比較可能な互換性のあるデータが得られる。

以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態の流量計測器１は整流部２から流速計測部４までを一体構造にしたため、オリフィス２１からピトー管６までの距離Ｌを予め調整し、固定することができる。Ｌの調整には、数通りの長さの延長管部３を用意しておき選択する、あるいは整流部２と延長管部３との接続部の螺合部で微調整する等の方法がある。一度Ｌを固定すれば、温度や流体の密度等を管理すれば再現性のある計測が可能である。すなわち、事前に流量計測器１を校正しておくことができるので、計測精度（バラつき）と計測の再現性が向上する。
オリフィス２１や、流速計測部４を個別に配管１０に設置する場合、必ずしも図面通りの形状とは限らない計測対象の配管１０を前提にした設置となることから、枝管の組立状況、設置者の技能等により、取り付け位置や間隔等の条件を同じに保って、再現性を持たせることは困難である。しかし、本実施形態の流量計測器１は、整流部２と流速計測部４とが一体に構成されていることから、オリフィス２１を通過した流体の流れが確実に安定する計測位置に、流速計測部４を事前に精度よく設置することができる。これにより、オリフィス２１と流速計測部４を個別に配管１０に直接設置する場合と比較して、オリフィス２１と流速計測部４の間の距離を精度よく管理できるので、計測精度（バラつき）と計測の再現性が向上する。このため、設置の際に現場での寸法管理が簡略化され、計測準備の作業効率が向上する。

流量計測器１は分解可能なので、オリフィス２１や流速計測部４に異物の詰まりが発生するような不具合が発生したときや、オリフィス２１と流速計測部４との間の距離の調整等も容易にメンテナンスすることができる。
特に、整流器として形状が単純なオリフィス２１は、ハニカム格子等よりも格段にメンテナンスが容易である。

オリフィス２１からピトー管６までの距離Ｌの最小値が設定されるため、計測値の信頼性を確保したまま、流量計測器１の全長を必要最小限に小さくできる。
流量計測器１の取り付け位置は配管の入り口部なので、従来のように枝管７２を切断したり、フランジ７４で接続したりして、枝管７２の途中に流量計測器１を挿入設置する必要がなくなる。これに加え、計測対象の配管１０に対して、ねじ込み式にすれば、設置や取外しが飛躍的に容易になる。

流速の計測にはピトー管６を採用したため、計測部にオリフィスを内蔵させ、その上下流で差圧を計測する差圧式流速計と比較し、余計な圧損を必要とせず、直管長も短く構成できる。

本実施形態の流量計測器１は一体構造であり、整流部２と流速計測部４との位置関係や、整流部２から流速計測部４までの流路である管の内径を同一条件に揃えられるので、計測条件を再現できる。事前に位置関係を精度良く計測・調整でき、複数の流量計測器を互いに校正することもできるので、計測対象の配管１０が複数あるときに、計測対象の配管１０を変更して、計測を繰り返すことができる。
従って、ある配管の端部に、一体型の流量計測器１を設置して、この配管１０の流体の流量を計測した値と、別の配管１０に一体型の流量計測器１を移設してから、この別の配管の流体の流量を計測した値とは、同条件での計測データであるとして比較することができる。
これを繰り返すことで、管寄せ部７１の多数の枝管７２を流れる流体の流量をひとつの流量計測器１で計測することが可能である。

また、本実施形態の流量計測器１は、一体構造のため、オリフィス２１や流速計測部４の位置関係の寸法管理が容易で、事前に校正できるので、複数の流量計測器１を用意して同条件の計測を行い、各流量計測器１について、予め補正値を求めておくことが可能である。すなわち、計測精度が一定の範囲に揃った流量計測器１を、複数組製作することができる。これにより、一度に複数の流量計測器１を同時に使用した流量計測を行い、各流量計測器１の計測値を補正することで、相互に比較可能なデータを得ることができる。
管寄せ部７１の枝管７２のように計測対象の配管１０が多数あり、複数の流量計測器１を使用する場合も、事前に各流量計測器１の個別の補正値を得て、それぞれの流量計測器１の計測値を補正することで精度を向上でき、互換性を高めることが可能である。適切な個数の計測器で、並行して計測作業を行え、計測作業の効率を上げることができる。

なお、上述した実施形態では、整流部２、延長管部３及び流速計測部４を接続して一体化する構成として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、整流部２、延長管部３及び流速計測部４を１つの管で構成しても良く、あるいは、延長管部３及び流量計測部を１つの管で構成し、これに整流部２を接続して一体化する構成としても良い。

１ 流量計測器
２ 整流部
３ 延長管部
４ 流速計測部
５ 接続部
６ ピトー管
１０ （計測対象の）配管
１１ 流体（流れ方向）
１２ 再付着点
１３ 内壁
２１ オリフィス
６１ 上流側の円筒
６２ 下流側の円筒
６３ 全圧計測用孔
６４ 静圧計測用孔
６５ 差圧計
７１ 管寄せ部
７２ 枝管
７３ 流量計
７４ フランジ
７５ 急縮小管
７６ 急縮小部

Claims (9)

1. 配管内を流れる流体の流量を計測する流量計測器であって、
   上流側にオリフィスを、下流側に流速計測部を、それぞれ有し、
   該流速計測部は、前記オリフィスから、該オリフィスによって縮流された流体が前記配管に再付着する再付着距離に所定長の整流距離を加えた距離以上離れた位置に設置されることを特徴とする流量計測器。
2. 前記オリフィスを内蔵する整流部と、前記流速計測部と、延長管部とを備え、
   該延長管部は、前記整流部と前記流速計測部の間に接続され、
   該整流部、該延長管部および該流速計測部は、一体構造とされていることを特徴とする請求項１に記載の流量計測器。
3. 前記整流部、前記延長管部および前記流速計測部は、別体に分割可能な組立式であることを特徴とする請求項２に記載の流量計測器。
4. 前記流速計測部の下流側に、計測対象の配管との接続部を有し、
   前記整流部の上流側には接続部を有しないことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の流量計測器。
5. 前記接続部は、前記配管から着脱容易に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の流量計測器。
6. 前記接続部による前記計測対象の配管との接続は、ネジの螺合であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の流量計測器。
7. 前記流速計測部は、流れ方向に直交して配置された２本の円筒からなり、該円筒のうち上流側の円筒は上流に向けて全圧計測用孔を有し、下流側の円筒は側方から下流方向の範囲に静圧計測用孔を有し、ピトー管を構成することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の流量計測器。
8. 計測対象配管群のうちの一の計測対象配管の端部に、整流部、延長管部、流速計測部および接続部を備えた一体型流量計測器を、該接続部を用いて設置する第１工程と、
   前記一の計測対象配管の流体の流量を計測する第２工程と、
   前記一体型流量計測器を、前記接続部を用いて前記一の計測対象配管から取り外して他の計測対象配管に再設置する第３工程と、
   前記他の計測対象配管の流体の流量を計測する第４工程と、
   を有し、
   前記第３工程および第４工程を繰り返すことを特徴とする配管群の流量計測方法。
9. 複数の前記一体型流量計測器を用い、前記計測対象配管群のうちの複数の計測対象配管の流体の流量を並行して計測することを特徴とする請求項８に記載の配管群の流量計測方法。

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