JP2015114236A - 流体機器及び流体機器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体の物理量をより精度高く検出することができる流体機器及び流体機器の製造方法を提供する。【解決手段】第一端が作動流体に接触する第一面に開口するとともに該第一端とは反対側の第二端が第一面とは異なる第二面に開口する導電用孔部１２１０が形成され、電気絶縁性の材料から形成されたインペラ翼１２１と、導電用孔部内１２１０を充填するように設けられて、導電性接着剤から形成された導電部３と、導電部３に第一面側から接続され、作動流体の物理量を検出するセンサ２と、導電部３に第二面側から接続された導線４とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、作動流体の物理量を検出するセンサを有する流体機器及び流体機器の製造方法に関する。

構造物の表面における作動流体の物理量を計測する手段の一つとして、構造物の表面に孔を形成し、その孔から作動流体を取り出し、取り出した先で該作動流体の物理量の検出、計測を行う方法が知られている。
例えば、飛行機の主翼表面の圧力分布を測定するための技術として、翼の表面に開口する多数の小孔と、これらの小孔を翼根に連通させる通路とを相互に干渉しないように配置した風洞試験用模型が知られている（特許文献１）。

特許第４４４６６０８号公報

ところで、構造物表面の孔から作動流体を取り出し、取り出した先で作動流体の物理量の検出、計測を行うと、その間に作動流体の物理量が変化してしまい、構造物表面における物理量を正しく知ることができない場合がある。例えば、構造物表面の圧力変動を計測する場合、圧力変動が孔内を伝わる間に減衰してしまい、取り出した先で計測した作動流体の圧力変動は、構造物表面における実際の変動よりも小さくなってしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、作動流体の物理量をより精度高く検出することができる流体機器及び流体機器の製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明の一態様として以下の手段が提供される。
即ち、本発明に係る一態様としての流体機器は、第一端が作動流体に接触する第一面に開口するとともに該第一端とは反対側の第二端が第一面とは異なる第二面に開口する導電用孔部が形成され、電気絶縁性の材料から形成された機器本体と、前記導電用孔部内を充填するように設けられて、流動性を有する電気伝導材料を固化することで形成された導電部と、前記導電部に第一面側から接続され、前記作動流体の物理量を検出するセンサと、前記導電部に第二面側から接続された導線と、を備えることを特徴とする。
当該流体機器によれば、センサが作動流体の物理量を機器本体の第一面側で検出し、この検出値は導電部及び導線を介して外部に出力される。したがって、作動流体の物理量に変動が生じた場合でも、当該物理量に対応する検出値が精度高く出力される。

また、本発明に係る流体機器において、前記センサは、前記導電部に挿し込まれる凸状の端子を有していてもよい。
これにより、端子が導電部へ挿し込まれるだけでセンサと導電部が接続されるため、センサと導電部の接続作業がより簡単となる。

また、本発明に係る流体機器において、前記導電部に伴って延びて前記導電部への電磁波を遮蔽するシールド部を備えていてもよい。
これにより、導電部への外乱としての電磁波の侵入が抑制されるため、作動流体の物理量に対応する検出値をより高い精度で出力することができる。

また、本発明に係る流体機器において、前記機器本体に、前記導電用孔部を該導電用孔部の外周側から囲うように延びるシールド用孔部が形成され、前記シールド部は、前記シールド用孔部を充填するように設けられた流動性を有する電気伝導材料を固化することで形成されていてもよい。
これにより、導電部と同様の形成過程によりシールド部を形成することができる。

また、本発明に係る流体機器において、前記シールド部は、前記導電用孔部の内周面と前記導電部の外周面の間に介在された電磁遮蔽材料によって形成されていてもよい。
これにより、シールド部を設けるために機器本体に形成する孔部の数を削減することができる。なお、上記電磁遮蔽材料は、孔部内周面に吹き付け等によってコーティングされるものであってもよい。

また、本発明に係る流体機器において、前記導電用孔部は前記機器本体に複数形成されており、前記導電部は、これら複数の導電用孔部のそれぞれに設けられて、前記導電用孔部毎に互いに異なる色彩であってもよい。
これにより、信号線としての導電部の識別性が向上し、導電部と導線の接続作業におけるミスを抑制することができる。

また、本発明に係る一態様としての流体機器の製造方法は、第一端が作動流体に接触する第一面に開口するとともに該第一端とは反対側の第二端が第一面とは異なる第二面に開口する孔部が形成されている機器本体を電気絶縁性の材料から形成するステップと、前記孔部内に、流動性を有する電気伝導材料を充填して該電気伝導材料を固化させることで導電部を形成するステップと、を備える。

さらに、本発明にかかる流体機器の製造方法は、前記第一面に、前記作動流体の物理量を検出するセンサを取り付けるステップと、前記導電部に、第二面側から導線を接続するステップと、を備えていてもよい。
当該流体機器の製造方法によれば、導電部が孔部内における信号線として機能するため、孔部内に導線を配線する作業が不要となる。

また、本発明に係る流体機器の製造方法において、前記機器本体は、光造形によって形成されてもよい。
これにより、孔部が形成されている機器本体は一体成形により形成される。したがって、機器本体に対し機械加工等により孔部を形成する場合と比較して、容易に形成することができる。

本発明の流体機器及び流体機器の製造方法によれば、作動流体の物理量をより精度高く検出することができる。

第１実施形態に係る流体機器の断面図である。 第１実施形態に係るインペラ翼の斜視図である。 第１実施形態に係るインペラ翼の要部拡大図である。 第２実施形態に係るインペラ翼の要部拡大図である。 第２実施形態に係るインペラ翼の変形例の要部拡大図である。 第３実施形態に係るインペラ翼の要部拡大図である。 第３実施形態に係るインペラ翼の製造手順を示す図である。

次に、本発明の第１実施形態ついて、図１から図３を参照して説明する。
図１は本実施形態における流体機器１の断面図である。流体機器１は、例えば光造形により電気絶縁性の材料から形成された試験用の流体機器である。
ここで、光造形とは、光に反応し硬化する液体へ光を照射し硬化させ、積層することで構造物を成形する造形手法である。これにより、基本構造物を成形した後機械加工等を施さなければ成形できない複雑な構造物であっても、容易に一体成形することができる。

流体機器１は、略円筒形状のケーシング１０と、ケーシング１０と同軸上に配置された主軸１１と、主軸１１の上流端に固定されたインペラ（機器本体）１２と、インペラ１２の下流端に隣接されて主軸１１の中途部が貫通するディフューザハブ１３と、ケーシング１０の軸線方向略全幅に跨る案内羽根１４と、ケーシング１０の上流側に接続された吸込ベルマウス１５と、を備えている。

ケーシング１０は、インペラ１２の周囲を覆うと共に上流側に開口する吸込ベルマウス１５の下流側を接続しており、案内羽根１４の上流側端から下流側端に跨って略円筒形状とされている。

インペラ１２は、上流側軸心付近を頂点とする略円錐形状のインペラハブ１２０と、インペラハブ１２０に固定された複数のインペラ翼１２１と、を備えている。また、インペラハブ１２０には、主軸１１の一端が接続されている。尚、主軸１１の他端は図示しない駆動モータ等が接続され、この駆動モータ等により主軸１１が回転するとインペラ１２が一体的に回転するように構成されている。

ディフューザハブ１３は、インペラ１２の下流側に隣接されており、主軸１１が貫通すると共にインペラ１２と主軸１１の回転を許容している。

案内羽根１４は、ケーシング１０又はディフューザハブ１３と一体に形成されており、ケーシング１０の内面とディフューザハブ１３の外周とに跨っている。

このような構成において、流体機器１は、駆動モータの駆動によって主軸１１とインペラ１２とが一体に回転すると共に、吸込ベルマウス１５から吸い込まれた流体が、インペラ１２の回転により圧力上昇した後に、案内羽根１４によって整流されつつ下流側へと吐き出される。

図２は、インペラ翼１２１の斜視図である。インペラ翼１２１には、作動流体接触面に一端が開口し、他端がインペラハブ１２０に固定される翼根部分において開口する導電用孔部１２１０が２つ形成されている。インペラ翼１２１は、光造形により、あらかじめ導電用孔部１２１０が形成された状態へ一体成形されることにより製造される。

導電用孔部１２１０には、その内部を充填されるように導電性接着剤（流動性を有する電気伝導材料）で形成された導電部３が設けられている。ここで、導電性接着剤とは、樹脂と電気伝導体（例えば金属やカーボン）の混合物であり、物質同士を固着する性質と電気を通す性質の両方を併せ持っている。導電部３は、光造形によりインペラ翼１２１が形成された後、導電用孔部１２１０に導電性接着剤を流し込み、固化させることによって設けられる。
なお、導電部３は、上記のような導電性接着剤に限られず、流動性を有する電気伝導材料を固化することで形成されるものであればいかなるものであってもよい。

導電用孔部１２１０の作動流体接触面（第一面）側の開口部には、薄型の圧力センサ２が取り付けられている。圧力センサ２は、例えば、接触している作動流体の圧力を電気信号に変換するひずみゲージ式や、圧力変化に連動する電気抵抗の変化を検出するピエゾ抵抗型のものを使用することができる。

また、導電用孔部１２１０の翼根部側（第二面）の開口部には、圧力センサ２で検出した電気信号を圧力値に変換する計測機器へ接続するための導線４が取り付けられている。導線４は、導電部３に電気的に接続されている。

図３は、インペラ翼１２１の要部拡大図である。圧力センサ２は、導電部３へ挿し込まれるように接続される針状の端子２０を２つ有している。端子２０は、それぞれ異なる導電部３へ挿し込まれるように接続されている。これにより、端子２０、導電部３及び導線４が、圧力センサ２の信号線として機能する。

上記のような流体機器１によれば、圧力センサ２は、作動流体の圧力を、導電用孔部の作動流体接触面側の開口部で検出し、検出値を導電部及び導線を介して外部に出力する。これにより、作動流体の圧力変動を高い精度で計測することが可能となる。
また、本実施形態では、端子２０、導電部３及び導線４が実質的な信号線として機能するため、圧力センサ２から導電用孔部１２１０を介してインペラ翼１２１の外部までの、信号線配線作業が不要となる。

また、本実施形態では、圧力センサ２は、針状の端子２０を有しているため、端子２０を導電部３へ挿し込むだけで簡単に圧力センサ２と導電部３を接続することができる。
この針状の端子２０には、導電部３から抜け難くするために、例えば釣り針のようなかえしが形成されていてもよい。また、導電性接着剤が固化する前に端子２０を差し込むならば、端子２０の先端が例えばＴ字状やクリスマスツリー形状をなしていてもよい。また、このような形状に限られず、端子２０は導電部３から抜け難くなるような形状であればいかなる形状であってもよい。

尚、本実施形態では、端子２０は針状であるとしたが、これに限定されることはない。例えば棒状であってもよいし、導電部３に挿し込めるような凸状であればどのような形状でもよい。
さらに、導電部３に針状の端子２０を設けるのみならず、導線４における導電部３との接続箇所を針状に形成してもよい。また、この場合も針状のみならず、導電部３に差し込めるような凸状ならばいかなる形状であってもよい。

また、本実施形態では、圧力センサ２と導電部３は端子２０によって接続されるとしたが、これに限定されることはない。例えば、圧力センサと導電部３を直接導電性接着剤で接続してもよい。

また、本実施形態では、圧力センサ２で検出した電気信号は、ワイヤー状に延びる導線４を介して計測機器に接続されるとしたが、これに限定されることはない。例えば、２つの導線４を、２つの針状端子を持つ接続部品に統合してもよい。これにより、端子２０と同様に、計測機器と導電部３を簡単に接続することができるようになる。

次に、本発明に係る流体機器の第２実施形態について図４と図５を参照して説明する。尚、本実施形態では、上述した第１実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の流体機器１は、インペラ翼１２１に導電性シールド部５が設けられている点で第１実施形態と異なる。

図４は、インペラ翼１２１の断面図における圧力センサ２周辺の拡大図である。インペラ翼１２１には、導電部３を外周側から囲うように円柱状に延びるシールド用孔部１２１１が形成されており、シールド用孔部１２１１には、その内部を充填されるように導電性接着剤で形成された導電性シールド部５が形成されている。また、インペラ翼１２１は、円柱状のシールド用孔部１２１１の内側領域と外側領域を接続するための接続部１２１２を有している。

本実施形態におけるインペラ翼１２１は、光造形により、あらかじめシールド用孔部１２１１が形成された状態へ一体成形される。このとき、接続部１２１２が形成されることにより、シールド用孔部１２１１の内側領域と外側領域が完全には分断されないため、インペラ翼１２１の一体成形が可能となっている。
また、導電性シールド部５は、光造形によりインペラ翼１２１が形成された後、シールド用孔部１２１１に導電性接着材を流し込み、固化させることによって設けられる。

上記のような流体機器１によれば、導電性シールド部５が、導電部３への外乱としての電磁波の侵入を抑制する。これにより、導電部３におけるノイズの影響を抑制し、圧力センサ２で検出された値をより高い精度で出力することができる。

また、本実施形態では、導電性シールド部５は、導電用孔部１２１０を外周側から囲うように円柱状に延びるシールド用孔部１２１１を充填するように導電性接着剤から形成される。
これにより、導電部３と同様の形成過程により導電性シールド部５を形成することができる。

また、本実施形態では、シールド用孔部１２１１は、導電部３を外周側から囲うように円柱状に延びることとしたが、これに限定されることはない。
例えば、図５に示すように、シールド用孔部１２１１は、導電部３を外周側から囲うように螺旋状に延びるように形成されていてもよいし、２つのシールド用孔部が、導電部３を外周側から囲うように二重螺旋状に延びるように形成されてもよい。
またさらに、導電用孔部１２１０とシールド用孔部１２１１とを同軸に捩じれる螺旋状としてもよい、即ち、導電量孔部１２１０とシールド用孔部１２１１とのツイストペアとして形成してもよい。

次に、本発明に係る流体機器の第３実施形態について図６と図７を参照して説明する。尚、本実施形態では、上述した第１実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の流体機器１は、インペラ翼１２１において、導電用孔部１２１０の内周面と導電部３の外周面の間に電磁遮蔽性シールド部６が設けられている点で第１実施形態と異なる。

図６は、インペラ翼１２１の要部拡大図である。導電用孔部１２１０には、導電部３の外周面に電磁遮蔽材料を含む接着剤で形成された電磁遮蔽性シールド部６が設けられている。ここで、電磁遮蔽材料とは銀、銅、金、アルミニウム等の、電磁波反射損失量や電磁波吸収損失量が比較的大きい物質のことを指す。

図７は、本実施形態におけるインペラ翼１２１の製造手順を示す図である。まず、あらかじめ光造形により形成されたインペラ翼１２１の導電用孔部１２１０へ、導電性接着剤を流し込む（図７（ａ））。次に、流しこんだ導電用接着剤を固化させる（図７（ｂ））。このとき、固化に伴い導電性接着剤の体積が減少し、導電用孔部１２１０には、導電性接着剤で満たされない空隙部分が発生する。最後に、発生した空隙が充填されるように電磁遮蔽材料を含む接着剤を流し込み、固化させる（図７（ｃ））。

上記のような流体機器１によれば、第２実施形態同様、電磁遮蔽性シールド部６が導電部３への外乱としての電磁波の侵入を抑制し、導電部３におけるノイズの影響を抑制し、圧力センサ２で検出された値を、より高い精度で出力させることができる。

また、本実施形態では、電磁遮蔽性シールド部６は、導電用孔部１２１０の内周面と導電部３の外周面の間に形成される。これにより、インペラ翼１２１に形成する孔部の点数を削減することができる。

なお、図７に示す手順の他、以下の手順で導電部３、電磁遮蔽性シールド部６を形成してもよい。即ち、まず、電磁遮蔽材料を含む接着剤を導電用孔部１２１０に流し込む。次いで、導電用孔部１２１０内にエアを吹き付けることで、該導電用孔部１２１０の内周面のみに電磁遮蔽材料を含む接着剤が塗布された状態とする。その後、電磁遮蔽材料を含む接着剤を固化させた後に、導電用接着剤を流し込み固化させる。これによっても、上記同様に導電部３、電磁遮蔽性シールド部６を形成することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、各実施形態において、流体機器１は、圧力センサ２により作動流体の圧力を検出することとしたが、これに限定されることはない。作動流体の物理量を、電気信号や電気抵抗の変化等、電気的に検出できるセンサであれば何でもよい。

また、第１実施形態において、インペラ翼１２１は、光造形により形成されるとしたが、これに限定されることはない。例えば、インペラ翼１２１の基本構造を金属により形成し、さらに導電用孔部１２１０を機械加工等により形成し、導電用孔部の内周面と導電部３の外周面の間に電気絶縁性の接着剤を流し込み、固化させるようにしてもよい。このように、少なくとも導電部３が電気絶縁性の材料により囲まれていれば、センサが検出した電気信号等を導電部及び導線を介して外部に出力することができる。

さらに、実施形態ではインペラ翼１２１に本発明を適用した例について説明したが、例えば案内羽根１４に本発明を適用してもよいし、他の部分に本発明を適用してもよい。
なお、インペラ翼１２１に本発明を適用した場合には、該インペラ翼１２１自体が回転体のため、スリップリングやテレメータを介して信号を取り出す必要がある。案内羽根１４等の静止体に本発明を適用した場合にはその必要がない。

また、各実施形態において、複数の導電部３は、それぞれ異なる色彩の導電性接着剤から形成されていてもよい。これにより、信号線としての導電部３の識別性が向上し、導電部３と導線４の接続作業におけるミスを抑制することができる。

なお、圧力センサ２によって測定をするに際しては、予め校正を行って圧力センサ２の精度を担保しておくことが好ましい。

さらに、本発明は流体機器であるならば実施形態以外のものにも適用可能であり、例えばポンプ、圧縮機、風力機械（送風機）、タービン、これらの試験機器のようなあらゆる流体機器に適用可能である。

１ 流体機器
２ 圧力センサ
３ 導電部
４ 導線
５ 導電性シールド部
６ 電磁遮蔽性シールド部
１０ ケーシング
１１ 主軸
１２ インペラ
１３ ディフューザハブ
１４ 案内羽根
１５ ベルマウス
２０ 端子
１２０ インペラハブ
１２１ インペラ翼（機器本体）
１２１０ 導電用孔部
１２１１ シールド用孔部
１２１２ 接続部

Claims (9)

1. 第一端が作動流体に接触する第一面に開口するとともに該第一端とは反対側の第二端が第一面とは異なる第二面に開口する導電用孔部が形成され、電気絶縁性の材料から形成された機器本体と、
   前記導電用孔部内を充填するように設けられて、流動性を有する電気伝導材料を固化することで形成された導電部と、
   前記導電部に第一面側から接続され、前記作動流体の物理量を検出するセンサと、
   前記導電部に第二面側から接続された導線と、を備える流体機器。
2. 前記センサは、前記導電部に挿し込まれる凸状の端子を有する請求項１に記載の流体機器。
3. 前記導電部に伴って延びて、前記導電部への電磁波を遮蔽するシールド部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体機器。
4. 前記機器本体に、前記導電用孔部を該導電用孔部の外周側から囲うように延びるシールド用孔部が形成され、
   前記シールド部は、前記シールド用孔部を充填するように設けられた流動性を有する電気伝導材料を固化することで形成される請求項３に記載の流体機器。
5. 前記シールド部は、前記導電用孔部の内周面と前記導電部の外周面の間に介在される電磁遮蔽材料によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の流体機器。
6. 前記導電用孔部は前記機器本体に複数形成されており、
   前記導電部は、これら複数の導電用孔部のそれぞれに設けられており、前記導電用孔部毎に互いに異なる色彩である請求項１から６のいずれか一項に記載の流体機器。
7. 第一端が作動流体に接触する第一面に開口するとともに該第一端とは反対側の第二端が第一面とは異なる第二面に開口する孔部が形成されている機器本体を電気絶縁性の材料から形成するステップと、
   前記孔部内に、流動性を有する電気伝導材料を充填して該電気伝導材料を固化させることで導電部を形成するステップと、を備える流体機器の製造方法。
8. 前記第一面に、前記作動流体の物理量を検出するセンサを取り付けるステップと、
   前記導電部に、第二面側から導線を接続するステップと、を備える請求項７記載の流体機器の製造方法。
9. 前記機器本体は、光造形によって形成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の流体機器の製造方法。

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