JP2014021026A - 軸流式流量センサー - Google Patents

Abstract

【課題】流れの方向や速度分布の影響を受けずに高い精度で流量を検出可能な軸流式流量センサーを提供する。
【解決手段】流体の流れによって回転する羽根車の上流側に、複数の連通孔を有する整流部を設ける。そして各連通孔には、上流側からの流体の圧力を受けると、連通孔の面積が小さくなる方向に変形する変形部を設けておく。こうすれば、通路内で流速が大きな箇所では連通孔の面積が小さくなって流れを減速させる。また、減速した分の流体は他の箇所に回り込むので、流速が小さい部分の流速を増加させる。このため、整流部の下流側では、流れの方向および流速分布が常に同じ状態となり、このような流れによって羽根車を回転させることができるので、流量の検出精度を大きく向上させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、通路内に設けた羽根車が流体の流れによって回転する時の回転速度を検出することによって、流体の流量を検出する軸流式流量センサーに関する。

通路内を流れる流体（水など）の流量を検出するセンサーとしては、種々の方式のセンサーが知られており、その一つとして軸流式流量センサーが存在する。この軸流式流量センサーは、通路内に設けた羽根車に対して回転軸の方向から流体を流すことによって羽根車を回転させ、その時の羽根車の回転速度に基づいて流量を検出する。軸流式流量センサーは構造が簡単であるため、信頼性が高く、安価に製造することができ、更には、流量に比例した出力を得ることができるという優れた特性を有している。

もっとも、この軸流式流量センサーには、羽根車に流入する流れの方向が揃っていないと、検出精度が低下するという欠点がある。たとえば、流体が羽根車に向かって真っ直ぐに流入する場合と、少し旋回しながら流入する場合とでは羽根車の回転速度が変わるので、検出流量が変わってしまう。あるいは、旋回しながら流入する場合でも、通路の断面全体に亘って均一に旋回している場合と、通路の断面上で強く旋回する箇所と弱く旋回する箇所とが混在する場合とでは、羽根車の回転速度が変わって検出流量が変わってしまう。そこで、羽根車の上流に整流板を設けて、流れの方向を整流してから羽根車に流入させる技術が提案されている（特許文献１、特許文献２など）。

特開２００３−３０２２６３号公報 特開２００４−３３３４０２号公報

しかし、羽根車の上流側に整流板を設けただけでは、軸流式流量センサーの検出精度を十分に改善することができない場合があるという問題があった。これは、軸流式流量センサーの検出精度は羽根車に流入する流れの方向だけでなく、通路断面での流速分布にも影響されるため、単に整流板を設けて流れの方向を揃えただけでは検出精度を十分に改善できない場合があるためである。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題に対応してなされたものであり、流れの方向や通路断面での流速分布の影響を受けることなく、十分な検出精度で流量を検出可能な軸流式流量センサーの提供を目的とする。

上述した課題を解決するために本発明の軸流式流量センサーは次の構成を採用した。すなわち、
流体が流れる通路が内部に形成された本体ケースと、該通路内に設けられ、前記流体の流れによって該流れの方向を回転軸として回転する羽根車と、該羽根車の上流側で前記通路を横断して設けられて該羽根車に流入する流れの方向を整流する整流部と、前記羽根車の回転速度を検出する検出手段とを備える軸流式流量センサーにおいて、
前記整流部には、該整流部の上流側と下流側とを連通させる複数の連通孔が、前記通路の断面に亘って設けられており、
各々の前記連通孔には、前記整流部が上流側から前記流体の圧力を受けると、該連通孔の面積が小さくなる方向に変形する変形部が設けられている
ことを特徴とする。

かかる本発明の軸流式流量センサーにおいては、本体ケースの通路内を流体が流れると通路内に設けられた羽根車が回転する。羽根車の上流側には、通路の断面に亘って複数の連通孔が形成された整流部が設けられており、流体は整流部で流れの方向が整流された後に羽根車に流入する。尚、整流部によって整流された流れの態様としては、羽根車に向かって直進する流れであっても良いし、旋回する流れであっても良い。ここで、各々の連通孔には、上流側からの流体の圧力を受けると、連通孔の面積が小さくなる方向に変形する変形部が設けられている。

こうすれば、整流部に流れ込む流速が大きな箇所では、流体から大きな圧力を受けて連通孔の面積が小さくなるので、その箇所での流れが減速する。また、減速したことによる流量が減少した分は他の箇所に回り込むので、流速が小さい箇所での流速を増加させる。このため、整流部の下流側では流速分布が平坦化されることになり、たとえ整流部に流れ込む流速分布がどのようなものであっても、整流部の下流側ではほぼ同じような流速分布とすることができる。加えて、整流部には複数の連通孔が形成されているので、流れの向きも整えられる。結局、整流部の下流側では、流れの向きも流速分布も、常に同じ状態の流れが得られることとなり、このような流れによって羽根車を回転させることができるので、流量の検出精度を大きく向上させることが可能となる。

また、上述した本発明の軸流式流量センサーにおいては、連通孔の長さに相当する板厚の弾性部材に、羽根車の回転軸と平行な複数の連通孔を貫通させることによって変形部を形成してもよい。そして、連通孔が形成された弾性部材を、流れの下流側から支持部によって支えることとしてもよい。

こうすれば、所定の板厚を有する弾性部材に複数の連通孔を設けるだけで、変形部を有する連通孔を簡単に製造することができる。また、弾性部材を下流側から支持部によって支えておけば、流体の圧力によって弾性部材が撓んでしまうこともない。

また、上述した本発明の軸流式流量センサーにおいては、流体の圧力によって変形しない材料で形成された基板に複数の連通孔を形成し、連通孔が基板に開口する部分に弾性部材による変形部を設けることとしてもよい。

このようにしても、連通孔の開口部に設けられた変形部を流体の圧力で変形させて連通孔の面積を小さくすることができる。その結果、連通孔が形成された整流部の上流側の流速分布が違っていても、下流側ではほぼ同じような流速分布が得られる。加えて、基板に形成された連通孔によって、流れを整流することもできる。その結果、下流側の羽根車には、流れの向きと流速分布とが同じ状態の流れが供給されることとなって、流量の検出精度を大きく向上させることが可能となる。

本実施例の軸流式流量センサー１の構造を示す分解組立図である。 軸流式流量センサー１の上流側の配管形状の違いによって管路内での流速分布が変化する様子を例示した説明図である。 管路断面での流速分布の違いによって羽根車３０の回転速度が変化する理由を示す説明図である。 整流部１０の基本的な動作を示す説明図である。 整流部１０が上流側の流速分布の違いを吸収して平坦な流速分布に変換するメカニズムを示した説明図である。 第１変形例の整流部８０についての説明図である。 第２変形例の整流部９０を備える軸流式流量センサー１の構造を示す分解組立図である。

図１は、本実施例の軸流式流量センサー１の構造を示す分解組立図である。本実施例の軸流式流量センサー１は、水などの流体が流れる円形断面の通路６０ｃが内部に形成された本体ケース６０と、通路６０ｃ内に収容される羽根車３０と、羽根車３０を上下から挟んで軸支する軸受部４０，５０と、本体ケース６０の外側面に設けられた磁気センサー７０などを備えている。

通路６０ｃは、羽根車３０が収納されている部分（収納部６２）の内径が僅かに小さく形成されており、軸受部４０，５０は、収納部６２の端面（通路６０ｃの内径が小さくなる部分）で位置決めされている。また、軸受部４０の上流側の通路６０ｃ内には、複数の連通孔１０ｃが形成されて流れの方向を整流する整流部１０と、整流部１０を下流側から支える支持板２０とが収納されている。尚、支持板２０には、整流部１０の連通孔１０ｃと同じ位置に複数の開口部２２が形成されているため、整流部１０の連通孔１０ｃを通過する流体の流れを支持板２０が妨げることはない。本実施例では、この支持板２０が、本発明における「支持部」に対応する。また、図１に示した例では、羽根車３０の上端が軸受部４０によって軸支されているものとした。しかし、軸受部４０を省略して、その代わりに支持板２０の中央に、羽根車３０の上端を軸支する軸受を設けることとしてもよい。支持板２０に軸受を設けた部分では整流部１０からの流れが妨げられてしまうが、軸受の部分ではもともと流体が流れないので、流れが妨げられても問題は生じない。

羽根車３０は、円柱形状の羽根基部３４と、羽根基部３４の両端に突設された突軸３２と、羽根基部３４の外周側面から放射状に立設された複数枚の羽根３６とを備えている。羽根３６は、羽根基部３４の上端側から下端側に向かって延設されており、更に羽根基部３４の中心軸周りに螺旋状に形成されている。また羽根車３０は、両端の突軸３２が軸受部４０，５０に嵌合することによって軸支されている。

羽根３６の先端部分は、隣の羽根３６同士が交互に逆極性となる様に帯磁されており、羽根車３０が回転すると、磁気センサー７０を用いて磁極の切り換わりを検出することができる。羽根車３０は、通路６０ｃに流入した流量に応じた速度で回転するから、磁気センサー７０は、単位時間あたりに磁極の極性が切り換わる回数から羽根車３０の回転速度を検出することで、通路６０ｃに流入する流量を検出することができる。尚、本実施例では、磁気センサー７０が本発明における「検出手段」に対応する。

整流部１０は、通路６０ｃの内径とほぼ同じ外径の円板形状をしており、通路６０ｃの中心軸（羽根車３０の回転軸）と平行に複数の連通孔１０ｃを有している。このため、上流側から整流部１０に流入した流れは、複数の連通孔１０ｃを通過する際に流れの方向が整流されて、整流部１０の下流側では羽根車３０の回転軸と平行な一方向の流れとなる。

また、整流部１０はゴム材料を用いて形成されており、整流部１０を下流側から支える支持板２０は金属や硬質樹脂などの剛性のある材質で形成されている。このため、整流部１０の上流側の配管形状の違いなどの影響で、整流部１０に流入する流速分布が変化しても、その影響が整流部１０の下流側には伝わらないようにすることができ、羽根車３０には常に同じ流速分布の流れが流入するようにすることができる。その結果、流量の検出精度を大幅に向上させることが可能となる。この点については、後ほど詳しく説明する。尚、流速分布の変動を下流側に伝えない観点からすると、整流部１０は、硬度が５０〜６０度のゴム材料を用いて形成することが望ましい。また、耐水性や耐熱性の観点から、ゴム材料としては、シリコンゴムやＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエンゴム）などが特に好ましい。

図２は、軸流式流量センサー１の上流側の配管形状の違いによって、管路内での流速分布が変化する様子を例示した説明図である。図２（ａ）に示すように配管形状が真っ直ぐな場合は、管路断面の中心部分が最も流速が高く、外側になるほど低くなり、管路の内壁に接する部分では流速が０となるような流速分布となる。一方、図２（ｂ）に例示したように配管が曲がっている場合は、流速が最も高くなる部分が中心から外側に移動した流速分布となる。そして、このような流速分布の違いは、下流側に設けられた羽根車３０の回転速度に影響を与えて、流量の検出精度を低下させる。

図３は、管路断面での流速分布の違いによって、羽根車３０の回転速度が変化する理由を示す説明図である。たとえば、羽根車３０の回転軸から距離Ｒａの位置で羽根車３０に流入する流体に着目すると、この流体は羽根３６を押すことによって羽根車３０を回転させる。この時に羽根車３０を回転させる力（回転トルク）は、流体が羽根３６を押す力の回転方向の成分と、距離Ｒａとを乗算した値となる。また、羽根車３０の回転軸から距離Ｒｂの位置で羽根車３０に流入する流体についても同様に、この流体が羽根車３０を回転させる力（回転トルク）は、流体が羽根３６を押す力の回転方向の成分と、距離Ｒｂとを乗算した値となる。

そして、流速が同じであれば、流体が羽根３６を押す力も同じと考えてよいから、距離Ｒａの位置に流入した場合よりも距離Ｒｂに流入した場合の方が羽根車３０を回転させる回転トルクが大きくなる。このため、図２（ａ）に示す流速分布と図２（ｂ）に示す流速分布とでは、羽根車３０を回転させる回転トルクは異なったものとなる。このような理由から、同じ流量であっても羽根車３０の回転速度が異なったものとなり、検出される流量も異なったものとなる。逆に言えば、こうした流速分布の違いを無くすことができれば、流量の検出精度を大きく改善することが可能となる。本実施例の軸流式流量センサー１は、羽根車３０の上流側に設けた整流部１０で流れの方向を整流するだけでなく、流速分布の違いも均一化することによって、流量の検出精度を大幅に改善している。

図４は、流速分布の違いを均一化する整流部１０の基本的な動作を示す説明図である。図４（ａ）には、流れがない場合の整流部１０の一部を拡大した断面図が示されており、図４（ｂ）には、流れがある場合の整流部１０の一部を拡大した断面図が示されている。図４中に示した白抜きの矢印は流体の流れを表している。図４（ａ）に示すように流れが無い場合は、整流部１０には流れの圧力がかからないので、連通孔１０ｃの内径は成形されたままの内径ｄａとなっている。これに対して、図４（ｂ）に示すように流れがある場合には、整流部１０は上流側から流れの圧力を受けるようになり、しかも整流部１０の下流側は支持板２０によって支えられているので、整流部１０が厚さ方向に圧縮される。その結果、連通孔１０ｃの内径が、成形時の内径ｄａから内径ｄｂに縮径される。更に、図４（ｃ）に示すように流れの流速が大きくなると、整流部１０に加わる流れの圧力も大きくなるので、整流部１０の圧縮量も大きくなる。その結果、連通孔１０ｃは内径が更に縮径されて内径ｄｃとなる。

このように整流部１０はゴム材料で形成されており、下流側が支持板２０で支えられているので、流れの圧力を受けた部分では連通孔１０ｃの内径が小さくなる。しかも、流れから受ける圧力が大きくなるほど、連通孔１０ｃの内径が小さくなる。このような整流部１０を管路内に設ければ、どのような流速分布の流れであっても、整流部１０の下流側ではほぼ同じような流速分布とすることができる。尚、本実施例では、ゴム材料で形成された整流部１０の全体が流れの圧力によって変形しているので、本実施例の整流部１０は全体が、本発明における「変形部」に対応している。

図５は、整流部１０が上流側の流速分布の違いを吸収して、同じような流速分布に変換する様子を示した説明図である。たとえば、図５（ａ）に示したように、整流部１０の上流側の流れが、管路の中央部分での流速が最も大きく、外側になるほど流速が小さくなるような流速分布を有していたものとする。これは、真っ直ぐな配管形状の下流側に整流部１０が置かれた場合に相当する（図２（ａ）参照）。

図４を用いて上述したように、本実施例の整流部１０では、流速が大きくなる程その部分に存在する連通孔１０ｃの内径が小さくなるから、管路の中央部分では連通孔１０ｃの内径が最も小さくなって流体の流れが大きく減速される。また、管路の中央から外側に行くほど流速が小さくなるので、連通孔１０ｃが縮径される程度が小さくなり、流れが減速される程度も小さくなる。このように流速に応じて連通孔１０ｃが縮径される結果、流れの速い部分では流速が抑えられ、その分だけ、流れの遅い部分の流速が増加することとなって、整流部１０の下流側では、上流側の流速分布よりも平坦化された流速分布となる。

図５（ｂ）には、整流部１０の上流側の配管形状が曲がっていた場合が示されている。図２（ｂ）を用いて前述したように、配管形状が曲がっている部分の下流側では、流速の最も大きい箇所が管路中心から外側に偏った流速分布となる。このような場合でも、流速の最も大きな部分では整流部１０の連通孔１０ｃが最も小さく縮径するので、その部分の流体の流れが大きく減速される。また、その他の部分でも、流速が大きな部分では連通孔１０ｃが縮径されて流速が抑えられ、流速が小さな部分では、流速が抑えられた部分の流れが回り込んで流速が増加する。その結果、整流部１０の下流側では、上流側よりも平坦化された流速分布となる。

このように整流部１０は、上流側からどのような流速分布の流れが流入する場合でも、下流側ではほぼ同じような流速分布に変換する機能を有している。しかも、整流部１０に形成された複数の連通孔１０ｃは、羽根車３０の回転軸と平行に形成されているので、整流部１０は、流れの方向を揃えて整流する機能も有している。その結果、整流部１０の下流側の羽根車３０には、常に流れの向きが同じで、しかも流速分布も同じ流れが流入することになるので、流量の検出精度を大きく向上させることが可能となる。

尚、上述した実施例では、整流部１０の全体がゴム材料で形成されており、流れの圧力を受けると整流部１０が厚さ方向に変形して、連通孔１０ｃの内径が小さくなるものとして説明した。しかし、流れの圧力を受けて連通孔１０ｃが縮径されるのであれば、必ずしも整流部１０の全体が厚さ方向に変形する必要はない。

図６は、このような第１変形例の整流部８０を例示した説明図である。図６（ａ）には、第１変形例の整流部８０の大まかな外観形状が示されている。第１変形例の整流部８０は、金属あるいは硬質樹脂などの剛性のある材質で形成された円板形状の基板８２と、ゴム材料で形成されて基板８２の上流側の面に設けられた円板形状の変形部８４とを備えている。基板８２には、羽根車３０の回転軸と平行に複数の連通孔８０ｃが形成されており、変形部８４には、基板８２の連通孔８０ｃが開口する位置に開口部８４ｃが設けられている。

図６（ｂ）には、連通孔８０ｃおよび開口部８４ｃの断面形状が示されている。図示されるように開口部８４ｃには、上流側に向かって斜め内側に舌部８６が突設されている。このため、図中に矢印で示したように上流側から流れの圧力が加わると、破線で示すように変形部８４の舌部８６が変形して、開口部８４ｃの面積（従って、連通孔８０ｃの開口面積）が小さくなる。更に、流れが速くなるほど、舌部８６は大きく変形するようになって、連通孔８０ｃの開口面積が小さくなる。その結果、前述した本実施例の整流部１０と同様なメカニズムによって、上流側の流速分布の違いを吸収して、ほぼ同じような流速分布に変換されるので、流量の検出精度を大幅に向上させることが可能となる。

また、上述した第１変形例の整流部８０は、基板８２は剛性のある材質で形成することができるので、整流部８０の下流側を支持板２０で支える必要もない。このため、第１変形例の整流部８０を用いれば支持板２０を省略することができ、軸流式流量センサー１の構造をより簡単にすることが可能となる。更に、羽根車３０の上端を軸支する軸受を基板８２に設ければ、軸受部４０も省略することができるので、軸流式流量センサー１の構造をより一層簡単にすることもできる。

尚、以上の説明では、第１変形例の整流部８０は、連通孔８０ｃの上流側に変形部８４（舌部８６）を有するものとして説明した。しかし、上述した変形部８４（舌部８６）の機能から明らかなように、変形部８４（舌部８６）は連通孔８０ｃの上流側に限らず、何れかの位置に有していればよい。従って、たとえば図６（ｃ）に示すように、連通孔８０ｃの下流側に変形部８４（舌部８６）を設けることも可能である。

また、上述した実施例の整流部１０および第１変形例の整流部８０を通過する流れは、羽根車３０に向かって直進する流れに整流されるものとして説明した。しかし、羽根車３０に向かって流れながら旋回するような流れに整流してもよい。

図７には、このような第２変形例の整流部９０を備えた軸流式流量センサー１の分解組立図が示されている。図７に示す軸流式流量センサー１は、図１を用いて前述した軸流式流量センサー１に対して、羽根車３８の羽根３９の形状が、羽根基部３４の中心軸と平行に真っ直ぐに延設されている点と、整流部１０が整流部９０に置き換えられている点とが異なっている。また、第２変形例の整流部９０は、図６に示した第１変形例の整流部８０に対して、基板９２に形成された連通孔９０ｃが羽根車３８の回転軸に対して傾いており、このため、整流部９０を通過した流れは旋回する流れに整流される点が異なっている。

このような第２変形例の整流部９０を備えた軸流式流量センサー１においても、前述した第１変形例の整流部８０と同様に、変形部８４の舌部８６が変形することによって、上流側の流速分布の違いを吸収することができる。更に、基板９２の連通孔９０ｃによって流れの向きを整流して旋回流を生成することができる。その結果、第２変形例の整流部９０の下流側では、常に同じような流速分布で同じように旋回する流れを得ることができるので、流量の検出精度を大幅に向上させることが可能となる。

尚、図７に示した第２変形例の整流部９０の場合も、羽根車３８の上端を軸支する軸受を基板９２に設ければ、軸受部４０も省略することができる。こうすれば軸流式流量センサー１の構造を簡単にすることができる。

以上、本実施例および各種変形例の軸流式流量センサー１について説明したが、本発明は上記の実施例および変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

１…軸流式流量センサー、 １０…整流部、 １０ｃ…連通孔、
２０…支持板、 ２２…開口部、 ３０…羽根車、
３２…突軸、 ３４…羽根基部、 ３６…羽根、
３８…羽根車、 ３９…羽根、 ４０…軸受部、
６０…本体ケース、 ６０ｃ…通路、 ６２…収納部、
７０…磁気センサー、 ８０…整流部、 ８０ｃ…連通孔、
８２…基板、 ８４…変形部、 ８４ｃ…開口部、
８６…舌部、 ９０…整流部、 ９０ｃ…連通孔、
９２…基板

Claims (3)

1. 流体が流れる通路が内部に形成された本体ケースと、該通路内に設けられ、前記流体の流れによって該流れの方向を回転軸として回転する羽根車と、該羽根車の上流側で前記通路を横断して設けられて該羽根車に流入する流れの方向を整流する整流部と、前記羽根車の回転速度を検出する検出手段とを備える軸流式流量センサーにおいて、
   前記整流部には、該整流部の上流側と下流側とを連通させる複数の連通孔が、前記通路の断面に亘って設けられており、
   各々の前記連通孔には、前記整流部が上流側から前記流体の圧力を受けると、該連通孔の面積が小さくなる方向に変形する変形部が設けられている
   ことを特徴とする軸流式流量センサー。
2. 請求項１に記載の軸流式流量センサーにおいて、
   前記変形部は、前記連通孔の長さに相当する板厚の弾性部材に、前記羽根車の回転軸と平行な前記連通孔を複数貫通させることによって形成されており、
   前記連通孔が形成された前記弾性部材は、前記流れの下流側から支持部によって支えられている
   ことを特徴とする軸流式流量センサー。
3. 請求項１に記載の軸流式流量センサーにおいて、
   前記連通孔は、前記流体の圧力によって変形しない材料で形成された基板に形成されており、
   前記変形部は、前記連通孔が前記基板に開口する部分に設けられた弾性部材である
   ことを特徴とする軸流式流量センサー。

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