JP2016020835A

JP2016020835A - 電磁流量計およびコア

Info

Publication number: JP2016020835A
Application number: JP2014144311A
Authority: JP
Inventors: 公一木村; Koichi Kimura; 彰宏牧野; Akihiro Makino
Original assignee: Tohoku University NUC; Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-02-04
Also published as: WO2016009696A1

Abstract

【課題】コアを生産するときに高品質のものを小さいロットで生産できる技術を提供する。
【解決手段】電磁流量計１は、通電により磁界が生じる励磁コイル１０と、励磁コイル１０の中心部に配置された磁性材料からなるコア２０とを備える。電磁流量計１は、励磁コイル１０で生じる磁界内に配置され、内部を流体が流れる計測管３０と、励磁コイル２０で生じる磁界の方向および計測管３０を流れる流体の方向と直交する方向において対向するように計測管３０に固定された一対の電極４０とを備え、一対の電極４０の間を流体が流れるときに電極４０間で生じる起電力に基づいて流体の流量を計測する。コア２０は、組成式：Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｐ_ｄ‐Ｃｕ_ｅ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，８.０≦ｂ＋ｃ≦２６ａｔ％，８.０≦ｃ≦２５ａｔ％，０．２０≦ｄ≦５.０ａｔ％，０＜ｅ≦２.０ａｔ％）で表される合金を含み、前記合金がアモルファス相およびナノ結晶相を含む。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、電磁流量計およびコアに関する。

一般的に電磁流量計は、通電により磁界が生じる励磁コイルと、励磁コイルの中心部に配置された磁性材料からなるコアとを備えている。また、電磁流量計は、励磁コイルで生じる磁界内に配置され、内部を流体が流れる計測管と、励磁コイルで生じる磁界の方向および計測管を流れる流体の方向と直交する方向において対向するように配置された一対の電極とを備えている（例えば、特許文献１など参照）。

特開２００７−３３３３９２号公報

一般的に、残留励磁方式の電磁流量計の励磁コイルの中心部のコアに用いる磁性材料としては、角形比（残留磁束密度／飽和磁束密度）が１に近いことが好ましい。磁性材料の角形比を高めるためには、例えば、磁性材料における結晶の磁化容易軸の方向を制御する方法が用いられる。磁化容易軸の方向を制御するために磁場中や圧延などの工程を経る必要があった。また、磁性材料からなるコアを生産するときに、溶解処理、鍛造処理、圧延処理、および切削処理などの工程を行う必要があり、多くの工程や複雑な制御を必要としていた。そのため、従来の電磁流量計のコアでは多くの工程や複雑な制御を必要とするので小さなロットで生産することには適しておらず、大きなロットでコアを生産しなければならなかった。また、小ロットでコアを生産しようとするとコストが高くなっていた。

そこで本明細書は、コアを生産するときに高品質のものを小ロットで生産できる技術を提供することを目的とする。

本明細書に開示する電磁流量計では、励磁コイルのコアが、下記の組成式（１）〜（５）のいずれかで表される組成を持ち、アモルファス相にナノ結晶粒が分散して存在する合金で形成されている。

（１）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｐ_ｄ‐Ｃｕ_ｅ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，８．０≦ｂ＋ｃ≦２６ａｔ％，８．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０．２０≦ｄ≦５．０ａｔ％，０＜ｅ≦２．０ａｔ％）
（２）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｐ_ｄ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｄ≦１０ａｔ％）
（３）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｃｕ_ｅ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｅ≦１０ａｔ％）
（４）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｃｕ_ｅ‐Ｎｂ_ｆ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｅ≦１０ａｔ％，０＜ｆ≦１０ａｔ％）
（５）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％）

このような構成によれば、従来技術のように多くの工程や複雑な制御を必要とせずにコアを生産することができる。そのため、コストを抑えるために大きなロットで生産する必要がなく、小さなロットで生産することができる。また、多くの工程や複雑な制御を行わなくても、磁性材料の角形比を高くすることができる。よって、高品質のコアを小ロットで生産することができる。

上記の電磁流量計において、コアは、アモルファス合金を加熱することにより形成されていてもよい。

また、コアの残留磁束密度が、１．２Ｔ以上であってもよい。

実施形態に係る電磁流量計の概略構成図である。コアの斜視図である。コアに用いる磁性材料のＢ−Ｈ曲線（磁気履歴曲線）を示す図である。

以下に説明する実施形態の主要な特徴を列記する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

（特徴１）コアは、複数のシート材の積層体であってもよい。

（特徴２）各シート材は、溶融金属を冷却することによりアモルファス状態で固化したものであってもよい。

（特徴３）各シート材は、溶融金属を金属ロールの上に吐出して冷却することによりアモルファス状態で固化したものであってもよい。

（特徴４）交番磁界を用いる電磁流量計のコアであってもよい。

以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。図１に示すように、電磁流量計１は、励磁コイル１０と、励磁コイル１０の中心部に配置されたコア２０とを備えている。また、電磁流量計１は、計測管３０と、計測管３０に固定された一対の電極４０、４０とを備えている。励磁コイル１０と計測管３０の間には、ヨーク６０が配置されている。

励磁コイル１０は、コア２０の周囲に巻かれている。励磁コイル１０の中心部には孔１１が形成されている。励磁コイル１０の孔１１にコア２０が挿入されている。励磁コイル１０は、コア２０を囲んでいる。励磁コイル１０は、金属の導線１２が巻き回されることにより形成されている。導線１２は、電源（図示省略）に接続されている。すなわち、励磁コイル１０は、電源（図示省略）に接続されている。励磁コイル１０では、通電により磁界が生じる。電源（図示省略）から励磁コイル１０に電流が流れると磁界が生じる。励磁コイル１０により磁界が生じると、励磁コイル１０の孔１１に配置されたコア２０が磁化する。励磁コイル１０に電流を流したときのコア２０の磁化方向は、励磁コイル１０に流れる電流の方向に依存する。実施形態の電磁流量計１では、経時的に磁界の大きさと方向が変化する交番磁界を用いる。また、励磁コイル１０の通電で生じる磁束がコア２０を通る。コア２０の両端部２２には、磁束を案内するヨーク６０が固定されている。

ヨーク６０は、コア２０と計測管３０の間に配置されている。ヨーク６０の一端部６１は、コア２０に接している。ヨーク６０の他端部６２は、計測管３０に向かって延びており、計測管３０に接している。ヨーク６０は、コア２０から計測管３０へ磁束を案内する。上側のヨーク６０の他端部６２と下側のヨーク６０の他端部６２が、計測管３０を挟んで向かい合っている。上側のヨーク６０の他端部６２と下側のヨーク６０の他端部６２との間に磁界が形成される。上側のヨーク６０の他端部６２と下側のヨーク６０の他端部６２は、流体の流れ方向（計測管３０が延びる方向）と直交する方向において向かい合っている。これにより、流体の流れ方向（計測管３０が延びる方向）と直交する方向に磁界が生じる。ヨーク６０は、軟質の磁性材料から形成されている。軟質の磁性材料としては、例えば、鉄やフェライトを挙げることができる。

図２に示すように、コア２０は、複数のシート材２１を備えている。積層された複数のシート材２１によりコア２０が形成されている。すなわち、コア２０は、複数のシート材２１の積層体である。各シート材２１は、板状あるいはリボン状に形成されている。シート材２１は、半硬質の磁性材料から形成されている。したがって、複数のシート材２１で形成されたコア２０は、半硬質の磁性材料から形成されている。半硬質の磁性材料では、磁界の向きに応じて磁化方向が変わる。この磁性材料としては、例えば、Ｆｅ‐Ｓｉ‐Ｂ‐Ｐ‐Ｃｕ系、Ｆｅ‐Ｓｉ‐Ｂ‐Ｐ系、Ｆｅ‐Ｓｉ‐Ｂ‐Ｃｕ系、Ｆｅ‐Ｓｉ‐Ｂ‐Ｎｂ‐Ｃｕ系、Ｆｅ‐Ｓｉ‐Ｂ系の合金を挙げることができる。より詳細には、コア２０は、下記の組成式（１）〜（５）のいずれかで表される組成を持つ合金で形成されている。

（１）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｐ_ｄ‐Ｃｕ_ｅ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，８．０≦ｂ＋ｃ≦２６ａｔ％，８．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０．２０≦ｄ≦５．０ａｔ％，０＜ｅ≦２．０ａｔ％）より好ましくは（７３≦ａ≦８５ａｔ％，９．６５≦ｂ＋ｃ≦２４．７５ａｔ％，９．６５≦ｃ≦２２ａｔ％，０．２５≦ｄ≦５ａｔ％，０＜ｅ≦０．３５ａｔ％，０＜ｙ／ｘ≦０．５）
（２）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｐ_ｄ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｄ≦１０ａｔ％）
（３）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｃｕ_ｅ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｅ≦１０ａｔ％）
（４）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｃｕ_ｅ‐Ｎｂ_ｆ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｅ≦１０ａｔ％，０＜ｆ≦１０ａｔ％）
（５）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％）

また、コア２０に用いる半硬質の磁性材料の合金は、アモルファス相およびナノ結晶粒を含んでいる。すなわち、コア２０に用いる半硬質の磁性材料の合金の断面を観察すると、アモルファス相にナノ結晶粒が分散して存在している。アモルファス相では、原子が不規則に並んでいる。ナノ結晶粒では、数〜数十ｎｍ程度の結晶構造が存在し、結晶部分では原子が規則的に並んでいる。

図３のＢ−Ｈ曲線に示すように、コア２０に用いる磁性材料の飽和磁束密度は、１．５Ｔ（テスラ）以上が好ましく、１．６Ｔ（テスラ）以上がより好ましい。また、コア２０に用いる磁性材料の残留磁束密度は、１．２Ｔ（テスラ）以上が好ましく、１．３Ｔ（テスラ）以上が好ましい。また、コア２０に用いる磁性材料の保持力は、４０〜８０００Ａ／ｍであることが好ましい。

コア２０に用いる半硬質の磁性材料の合金は、上記の組成式を有するアモルファス合金を加熱処理することにより得ることができる。加熱前のアモルファス合金では、ナノ結晶粒が存在せず、アモルファス相のみが存在し、原子が不規則に並んでいる。アモルファス合金を加熱処理することにより、アモルファス相およびナノ結晶粒を含む半硬質の磁性材料の合金を得ることができる。より具体的には、上記の組成式を有する溶融金属を金属ロールの上に吐出し、この溶融金属を冷却する。冷却された溶融金属は、アモルファス状態で固化する。ま、溶融金属を冷却して固化したものを分割することにより複数のシート材２１を形成する。また、複数のシート材２１を積層することによりコア２０を形成する。

図１に示すように、計測管３０は、円形断面を有している。計測管３０の内面には、絶縁性のライニングが形成されている。計測管３０の内部は流体で満たされている。流体が計測管３０の内部を流れている。流体としては、例えば、水を挙げることができる。計測管３０は、上側のヨーク６０の他端部６２と下側のヨーク６０の他端部６２との間において延びている。計測管３０は、励磁コイル１０で生じる磁界内に配置されている。流体は、励磁コイル１０で生じる磁界内を流れる。計測管３０は、磁界方向に直交する方向に延びるように配置されている。

計測管３０に固定された一対の電極４０、４０は、互いに向かい合っている。一対の電極４０、４０は、計測管３０を流れる流体の方向（計測管３０が延びる方向）と直交する方向において対向している。また、一対の電極４０、４０は、上側のヨーク６０の他端部６２と下側のヨーク６０の他端部６２が向かい合う方向に直交する方向において、互いに向かい合っている。すなわち、一対の電極４０、４０は、磁界の方向と直交する方向において、互いに向かい合っている。電極４０は、計測管３０の内部に露出している。電極４０は、計測管３０内の流体に接触する。一対の電極４０、４０は、計測管３０内の流体を挟んで対向している。一対の電極４０、４０の間を流体が流れる。

一対の電極４０、４０は、制御装置７０に接続されている。一対の電極４０、４０は、計測管３０を流れる流体を介して通電する。流体が磁界内を流れると、流体の運動により一対の電極４０、４０間に起電力が生じる。制御装置７０は、一対の電極４０、４０の間に生じる起電力を計測し、計測した起電力に基づいて流体の流量を算出する。流体の流量の算出は、ファラデーの電磁誘導の法則、すなわち、「導体（本実施形態では流体）が磁界内で運動するとき、その導体を通じて磁界方向および運動方向の両者に直角の方向に起電力が発生し、その大きさは磁束密度と速度に比例する」という法則に基づいて実行することができる。起電力に基づいて流体の流量を算出するための計算方法については公知であるので詳細な説明を省略する。

上記の構成を備える電磁流量計１によれば、励磁コイル１０が接続された電源をオンにすると励磁コイル１０に電流が流れて磁界が生じる。磁界が生じると、この磁界における磁束が励磁コイル１０の中心部に配置されたコア２０およびコア２０に接続されたヨーク６０を通る。これにより、上側のヨーク６０の他端部６２と下側のヨーク６０の他端部６２の間に磁界が形成される。また、上側のヨーク６０と下側のヨーク６０の間に形成された磁界内に計測管３０が配置されており、計測管３０内を流体が流れている。これにより、励磁コイル１０で生じた磁界内を流体が流れる。計測管３０が磁界方向と直交する方向に延びているので、流体は磁界方向と直交する方向に流れる。流体が計測管３０を流れるとき、この流体の運動により一対の電極４０、４０間に起電力が生じる。起電力は、磁界の方向および流体の流れの方向に直交する方向に生じる。一対の電極４０、４０間に起電力が生じると、電極４０に接続された制御装置７０が起電力を計測し、この起電力に基づいて計測管３０を流れる流体の流量を算出する。このようにして、流体の流量を計測することができる。

上記の説明から明らかなように、実施形態に係る電磁流量計１によれば、コア２０が、の組成式（１）〜（５）のいずれかで表される合金を含み、前記合金ではアモルファス相にナノ結晶粒が分散して存在している。これにより、コア２０を生産するときに高品質のものを小ロットで生産することができる。すなわち、従来の技術では、磁性材料の角形比を高めるために、磁界中で磁性材料を熱処理する工程や、溶解処理、鍛造処理、圧延処理、および切削処理などの工程を行う必要があり、コアを生産するために多くの工程や複雑な制御を必要としていた。しかしながら、実施形態に係るコア２０では、このような多くの工程や複雑な制御を必要とせずにコア２０を生産することができる。そのため、コストを抑えるために大きなロットで生産する必要がなく、小さなロットで生産することができる。また、多くの工程や複雑な制御を行わなくても、磁性材料の角形比を高くすることができる。よって、高品質のコア２０を小ロットで生産することができる。

また、上記の構成によれば、アモルファス合金を加熱処理するだけでコア２０を製造することができるので、多くの工程や複雑な制御の必要が無く、コストを削減することができる。また、上記の構成によれば、コア２０の残留磁束密度が１．２Ｔ（テスラ）以上であるので、励磁コイル１０の通電によって生じる磁界が強くなる。これにより、計測管３０を流れる流体に強い磁界が作用するので、電磁流量計１の計測精度が高くなる。また、従来の技術では、上記のコア２０と同等の計測精度にするためには、励磁コイルに流す電流を大きくして磁界を強くする必要があり、消費電力が大きくなっていた。しかしながら、上記のコア２０では、少ない消費電力で計測精度を高めることができる。

以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、計測管３０の上方と下方にそれぞれヨーク６０が配置されており、１つの励磁コイル１０で生じた磁界がヨーク６０を介して計測管３０内の流体に作用する構成であったが、この構成に限定されるものではない。他の実施形態では、計測管３０の上方と下方にそれぞれ励磁コイル１０が配置されており、２つの励磁コイル１０で生じた磁界が計測管３０内の流体に作用する構成であってもよい。また、上記実施形態では、計測管３０が円形断面を有していたが、この構成に限定されるものではなく、計測管３０が矩形状の断面を有していてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１；電磁流量計
１０；励磁コイル
１２；導線
２０；コア
２１；シート材
３０；計測管
４０；電極
６０；ヨーク
６１；一端部
６２；他端部
７０；制御装置

Claims

励磁コイルのコアが、下記の組成式（１）〜（５）のいずれかで表される組成を持ち、アモルファス相にナノ結晶粒が分散して存在する合金で形成されている電磁流量計。

（１）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｐ_ｄ‐Ｃｕ_ｅ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，８．０≦ｂ＋ｃ≦２６ａｔ％，８．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０．２０≦ｄ≦５．０ａｔ％，０＜ｅ≦２．０ａｔ％）
（２）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｐ_ｄ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｄ≦１０ａｔ％）
（３）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｃｕ_ｅ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｅ≦１０ａｔ％）
（４）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｃｕ_ｅ‐Ｎｂ_ｆ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｅ≦１０ａｔ％，０＜ｆ≦１０ａｔ％，）
（５）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％）
前記コアは、アモルファス合金を加熱することにより形成されている請求項１に記載の電磁流量計。
前記コアの残留磁束密度が、１．２Ｔ以上である請求項１または２に記載の電磁流量計。
電磁流量計の励磁コイルに用いるコアであって、下記の組成式（１）〜（５）のいずれかで表される組成を持ち、アモルファス相にナノ結晶粒が分散して存在する合金で形成されているコア。

（１）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｐ_ｄ‐Ｃｕ_ｅ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，８．０≦ｂ＋ｃ≦２６ａｔ％，８．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０．２０≦ｄ≦５．０ａｔ％，０＜ｅ≦２．０ａｔ％）
（２）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｐ_ｄ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｄ≦１０ａｔ％）
（３）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｃｕ_ｅ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｅ≦１０ａｔ％）
（４）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ‐Ｃｕ_ｅ‐Ｎｂ_ｆ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％，０＜ｅ≦１０ａｔ％，０＜ｆ≦１０ａｔ％）
（５）Ｆｅ_ａ‐Ｓｉ_ｂ‐Ｂ_ｃ（７０≦ａ≦９０ａｔ％，１．０≦ｂ≦２０ａｔ％，１．０≦ｃ≦２５ａｔ％）