JP2019128352A

JP2019128352A - 流量計

Info

Publication number: JP2019128352A
Application number: JP2019003069A
Authority: JP
Inventors: シュテファン，ツァンダー; Zander Stefan
Original assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Current assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2019-08-01
Also published as: CN110068370A; EP3514505A1; US11274951B2; CN110068370B; DE102018101278A1; US20190226888A1

Abstract

【課題】計測チューブの内部の流体の小さな流量でも使用できる流量計を提供する。【解決手段】流体が通る計測チャンバ１１を形成する計測チューブ１０を有し、計測チャンバ内に配置された少なくとも１つの渦発生体１２を有し、さらに、計測チャンバ内で渦発生体の下流に配置され、渦発生体における渦の形成によって偏向され得る計測体１３を有する流量計であって、計測チャンバ内に突出する少なくとも１つの突起１５が、計測チャンバを画定する内壁１４において渦発生体の上流に形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流量を計測するための流量計であって、流体が通って流れることができる計測チャンバを形成する計測チューブを有し、計測チャンバ内に配置された少なくとも１つの渦発生体（bluff body）を有し、さらに、計測チャンバ内で渦発生体の下流に配置され、渦の形成によって偏向され得る計測体を有する流量計に関する。

独国特許発明第１９８８２２３９号明細書は、例えば、流体の流量を計測するための流量計であって、流体が通って流れることができる計測チャンバを形成する計測チューブを有し、計測チャンバ内に配置された少なくとも１つの渦発生体を有し、さらに、計測チャンバ内で渦発生体の下流に配置され、渦の形成によって偏向され得る計測体を有し、上述した機能を有するような渦発生体が障害物とも呼ばれる、流量計を開示している。そのような流量計は、流量に比例して高くなる剥離周期を有する渦が渦発生体において形成される、という原理に基づく。渦発生体において起きる周期的な渦剥離は、計測体によって、例えばピエゾ素子を用いて、計測することができる。処理において、形成渦の剥離周期に基づく初期計測値として流体の流量を決定するためにカルマン渦列の原理が使用される。渦列の形成および渦の強さは概して、レイノルズ数に依存し、よって流量にも依存する。流量が小さくなると、渦の発現が一層弱くなるので、ピエゾ素子によって発生できる電圧信号も弱くなる。よって、非常に弱い電圧信号の分析が、小さな流量の結果として、より著しく困難になる。

電圧信号を増幅するための既知の可能性は、計測体の感度を高めることから成る。適切な構造および材料の対応する選択により、例えばピエゾセラミックへの曲げモーメントの伝達性を向上できるので、ピエゾ素子内で発生されうる引張力が大きくなる。圧力センサの電子増幅も知られているが、都合が悪いことに干渉信号も増幅される。

独国特許発明第１９８８２２３９号明細書

本発明の基になる問題は、流体の流量を計測するための流量計をさらに改良することであり、そのようなさらなる改良は、小さな流量でも分析可能な計測信号を容易に供給することにより、小さな流量でも簡単な手段で計測するのに適する。

この問題は、特性を明らかされている特徴と併せて、請求項１の前文による流量計に基づいて解決される。本発明の有利な発展が、従属請求項において特定される。

本発明は、計測チャンバ内に延びる少なくとも１つの突起を、計測チャンバを画定する内壁において渦発生体の上流に形成する、という技術的教示を含む。

本発明の核心には、計測チューブの内部の流体の小さな流量でも使用できる渦増幅がある。この効果は、渦発生体の上流に少なくとも１つの突起を配置することにより、突起において乱流の形成がもたらされるという事実と、突起において形成された乱流が、突起から剥離し、渦発生体において発生した形成カルマン渦列の渦を増幅させることができるという事実により生じると想定し得る。これにより、渦発生体から周期的に剥離するより強い渦により、計測体に作用するより強い荷重が生じる。

渦発生体は、特に有利には、計測チャンバを通る長手軸線に交差して、例えば垂直軸線において延在し、少なくとも１つの突起は、長手軸線を中心に垂直軸線に対して回転した位置で内壁に配置される。回転は、例えば６０°〜９０°、好ましくは８０°〜９０°、特に好ましくは９０°の角度を有することができ、そのため、突起は、垂直軸線に直交して配置されることが特に好ましい。

２つの突起が、互いに対向する位置で内壁に配置されるときに、特に良好な増幅効果が得られる。渦発生体が計測チャンバの円形断面を通って垂直方向に延びる場合、突起は、横方向に配置された計測チューブ内で側面に位置する。この点に関して、突起は、互いに対向して直径方向に配置されることが好ましく、突起における事前渦の形成によって生じたより大きな渦の形成により、渦発生体における渦の周期的な形成が、左右両方向で同程度に増幅される。

計測チューブの内壁における突起によって渦増幅を引き起こす著しい利点は、突起を小さくでき、追加の弱い流れ抵抗のみを発生させ得る点にある。これは、特に、計測チャンバの内壁の近傍における流体の流量が、例えば、計測チャンバの中央部よりも既に著しく小さいためである。よって、突起に抗して流れる流体の流量は、流体の名目上の流量よりも著しく小さい。

一般に、計測チャンバは、長手軸線を中心に回転対称に延びる柱状の基本形状を有し、突起または複数の突起は、より具体的には、垂直軸線と平行、よって渦発生体の長手延長方向と平行に延びる流縁（flow edge）を有する。流体が突起に対して流れるときに、静水領域が流縁の後面に形成され、静水領域は、流体中の乱流の形成をもたらし、形成された乱流は、渦発生体において渦を著しく増幅させることができる。この増幅は、計測体に対してより強い影響を与え、その結果、計測信号のより強い信号強度をもたらす。

突起の２つの面の間の流縁は、例えば、互いに対して直角またはより急な角度で配置された２つの面から流縁を形成することにより、例えば、鋭い縁が形成されるような方法で形成される。よって、突起の前面は、傾斜平面を形成することができ、または、平面は、流縁において最終的に終端する湾曲部を有することができる。突起の後面、すなわち、静水領域を画定する面に、突起は平面を有することが好ましい。

流縁の長さは、例えば、より具体的には円形柱状の断面を有する、計測チャンバの直径の１５％〜８０％、好ましくは２５％〜５０％、特に好ましくは３５％に達することができる。計測チャンバの柱状の基本形状の直径は、例えば８ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍ、特に好ましくは１２ｍｍ〜１４ｍｍ、最も好ましくは１３ｍｍの値を有することができ、流縁の長さは、２ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは３ｍｍ〜６ｍｍ、特に好ましくは４．５ｍｍの値を有することができる。この点に関して、計測チャンバが大きいほど、対応して形成されることが好ましい流縁も対応して大きく、計測チャンバが小さいほど、対応して形成されることが好ましい流縁も対応して小さくなるような態様で、流縁の長さ４．５ｍｍは、計測チャンバの直径１３ｍｍに相当する。可能な実施例によると、計測チャンバの内壁から半径方向に長手軸線に向かう方向の突起の高さは、計測チャンバの直径の、例えば２％〜３０％、好ましくは１０％〜２０％、特に好ましくは１３％〜１７％に達することができる。よって、例えば、突起の高さの値は、計測チャンバの直径が１５ｍｍであるときに、１ｍｍ〜３ｍｍ、好ましくは１．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、特に好ましくは２ｍｍとすることができる。

この点に関して、流縁は、内部空間に延びる突起の外端を形成するので、流縁は、内壁から始まる突起の上端を形成する。

突起を製造するために、突起は、計測チューブと共に一部品でおよび／または計測チューブと同じ材料から形成されることが仮定され得る。計測チューブの上流に配置された別個のスクリーン要素を設けることもでき、スクリーン要素は、計測チャンバの直径に対応する通路を備え、少なくとも１つの突起が、スクリーン要素に形成される。例えば、計測チューブが流体ラインに組み込まれるときに、スクリーン要素は、計測チューブの前方に置くことができる。

以下では、本発明を改良する追加の構成が、本発明の好ましい実施例の説明と共に図面に基づいて、より詳細に示される。

計測チューブを有する流量計の図を示しており、計測チューブには、計測チャンバが形成され、対向して配置された２つの突起が、渦発生体の上流で計測チャンバの内壁に位置する。長手軸線の方向から見た流量計の上面図を示す。２つの突起が形成されたスクリーン要素の斜視図を示す。突起を設計するための第１の可能な実施例を示す。突起を設計するための第２の可能な実施例を示す。突起を設計するための別の可能な実施例を示す。

図１は、計測チューブ１０を通って流れ方向２３に流れ得る流体の流量を計測するための計測チューブ１０を有する流量計１のクロスカット側面図を示している。このために、計測チューブは、長手軸線１６に沿って延び、例えば円形流れ断面を有する、計測チャンバ１１を備える。垂直軸線１７に沿って延びる渦発生体１２が、計測チャンバ１１の内部に配置されており、垂直軸線１７は、計測チャンバの直径に沿って形成され、よって長手軸線１６に交差して延び、よって仮想平面に対して垂直である。

計測チャンバ１１を通る流れが、矢印で示した流れ方向２３に生じており、計測体１３が、渦発生体１２の下流に位置する。渦発生体１２に対して流れる流体により、周期的に剥離する渦が渦発生体において形成され、渦は、移動方向２２への計測体１３の移動をもたらす。この計測体１３の移動も、周期的に生じるので、特に、計測体１３と共にピエゾ素子を用いることにより、計測信号を得ることができる。この点に関して、計測体１３は、計測チャンバ１１の直径全長に沿って延びていなくてもよく、計測体１３がフィンの態様で計測チャンバ１１内に延びているだけであっても、それで十分である。

渦発生体１２の上流で計測チャンバ１１の内壁１４に、２つの突起１５が、渦発生体１２に対して横方向に位置する。突起１５は、互いに対向して内壁１４に配置されており、図示の実施例によれば、突起１５が配置される直径方向が、渦発生体１２が延びる垂直軸線１７に対して９０°回転される。

流体が計測チャンバ１１を通って流れるときに、突起１５またはその直ぐ後方に乱流が形成され、乱流は、流動体１２における渦に影響を及ぼす、および／または、例えば、流動体１２における渦と合わさることで、渦を増幅することができる。これにより、渦発生体１２において渦の形成が増幅されるので、矢印で示した移動方向２２への計測体１３の移動も増幅させることができる。これにより、より強い計測信号を発生させることができるので、非常に小さな流量でも、計測チューブ１０によって流体の流れの改善された計測値を得ることができる。

図２は、長手軸線１６から見た流量計１の図を示しており、垂直軸線１７は、渦発生体１２と同様に垂直に延びる。突起１５は、それらの前面に流縁１８を有し、渦発生体１２の横方向に位置する。この点に関して、流縁１８は、少なくとも断面において、垂直軸線１７と平行に、よって渦発生体１２と平行に延びる。計測接続ユニット２４が、計測チューブ１０の上方に位置しており、流体が計測チャンバ１１を通って流れるときに、覆われた計測体の移動が生じ、この移動は、好適な計測要素を用いて計測することができ、計測接続ユニット２４によって分析、および、例えば周辺分析ユニットとの、好適な接続を行うことができる。

図３は、突起１５が形成されたスクリーン要素１９の斜視図を示している。スクリーン要素１９は通路２０を備えるので、通路を長手軸線１６の方向の流れが通過することができる。そのようなスクリーン要素１９は、図１による計測チューブ１０の開口または前面に平面２１が来る状態で配置することができる。この図には、突起１５が垂直軸線１７に対し横方向に配置されることをさらに示すように、垂直軸線１７の向きも示している。通路２０の直径はまた、計測チャンバ１１の直径に一致することができる。

図４は、流縁１８を伴う突起１５を形成するための可能な第１の実施例を示している。流れ方向２３において、突起１５は、湾曲した流入面２６を前面に備えており、流入面は、流縁１８において終端しており、所望の渦が形成される静水領域２５が、流縁１８の後方に形成される。この点に関して、突起１５の表示は、計測チューブの内壁１４に配置されている。

図５は、流縁１８を伴って内壁１４に配置された突起１５の別の実施形態を示しており、突起１５は、流れ方向２３とその反対方向との両方に平面を有するので、流入面２６も平坦であり、静水領域２５も平面により画定される。

最後に、図６は、流れ方向２３とは反対に形成された傾斜路状の流入面２６を伴って内壁１４に配置された突起１５の構成を示しており、流入面も、前面の流縁１８において最終的に終端しており、静水領域２５は、突起１５の平面の前方に画定される。

図示した内壁１４は、図３によるスクリーン要素１９の通路２０の内縁によって形成されることもできる。

本明細書に非網羅的に列挙して表した突起１５の構成の全てにおいて、乱流が発生する静水領域２５がそれぞれ形成されており、乱流は、特定の流量から、突起１５から剥離されることができ、流体の流れによって渦発生体１２に導かれる。渦発生体１２において形成され計測体１３に影響を及ぼす主たる渦の増幅が得られることにより、計測体１３における渦周期の可測性の向上がもたらされる。

本発明の実施は、上で示した好ましい実施例に限定されない。むしろ、示した解決策を本質的に異なる実施形態において使用する多数の代替例を想定することができる。請求項、説明または図面から生じる、設計詳細または空間配置などの、特徴および／または利点の全てが、個別および互いの各種組合せの両方で本発明にとって重要となり得る。

１流量計
１０計測チューブ
１１計測チャンバ
１２渦発生体
１３計測体
１４内壁
１５突起
１６長手軸線
１７垂直軸線
１８流縁
１９スクリーン要素
２０通路
２１平面
２２移動方向
２３流れ方向
２４計測接続ユニット
２５静水領域
２６流入面

Claims

流体の流量を計測するための流量計（１）であって、前記流体が通って流れることができる計測チャンバ（１１）を形成する計測チューブ（１０）を有し、前記計測チャンバ（１１）内に配置された少なくとも１つの渦発生体（１２）を有し、さらに、前記計測チャンバ（１１）内で前記渦発生体（１２）の下流に配置され、前記渦発生体（１２）における渦の形成によって偏向され得る計測体（１３）を有する流量計において、
前記計測チャンバ（１１）内に突出する少なくとも１つの突起（１５）が、前記計測チャンバ（１１）を画定する内壁（１４）において前記渦発生体（１２）の上流に形成されていることを特徴とする、流量計（１）。
前記渦発生体（１２）が、前記計測チャンバを通る垂直軸線（１７）に沿って前記計測チャンバ（１１）の長手軸線（１６）に対し横方向に延びている、および／または、前記少なくとも１つの突起（１５）が、前記長手軸線（１６）を中心に前記垂直軸線（１７）に対して６０°〜９０°および／または８０°〜９０°および／または正に９０°だけ回転した位置で前記内壁（１４）に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の流量計（１）。
前記２つの突起（１５）が、互いに対向する位置で前記内壁（１４）に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の流量計（１）。
前記計測チャンバ（１１）が、前記長手軸線（１６）の周囲に延びる柱状の基本形状を有する、および／または、前記突起または前記複数の突起（１５）が、前記垂直軸線（１７）と平行におよび／または前記渦発生体（１２）が延びる長手軸方向と平行に延びる流縁（１８）を備えることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の流量計（１）。
前記流縁（１８）が、少なくとも前記流縁（１８）の近くで互いに対して直角に配置された、前記突起（１５）の２つの面の間に形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の流量計（１）。
前記流縁（１８）の長さが、柱状の前記計測チャンバ（１１）の直径の１５％〜８０％および／または２５％〜５０％および／または３５％に達することを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の流量計（１）。
前記計測チャンバの前記内壁から前記長手軸線（１６）に向かって半径方向に延びる方向での前記突起（１５）の高さが、前記計測チャンバの直径の、例えば２％〜３０％、好ましくは１０％〜２０％、特に好ましくは１３％〜１７％に達することを特徴とする、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の流量計（１）。
前記流縁（１８）が、前記内壁（４）の上方で前記突起（１５）の上端を形成していることを特徴とする、請求項４〜７のうちいずれか一項に記載の流量計（１）。
前記少なくとも１つの突起（１５）が、前記計測チューブ（１０）と共に一部品でおよび／または前記計測チューブ（１０）と同じ材料から形成されている、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の流量計（１）。
前記計測チューブ（１０）の前方で上流に配置されたスクリーン要素（１９）が設けられており、前記スクリーン要素（１９）が、前記計測チャンバ（１１）の直径に対応する通路（２０）を備え、前記少なくとも１つの突起（１５）が、前記スクリーン要素（１９）に形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の流量計（１）。