JP2022154946A

JP2022154946A - 流量計

Info

Publication number: JP2022154946A
Application number: JP2021058221A
Authority: JP
Inventors: 大輝浅原; Daiki Asahara; 英之坂田; Hideyuki Sakata; 圭浩近藤; Yoshihiro Kondo; 康嘉杉本; Yasuyoshi Sugimoto
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-10-13

Abstract

【課題】省スペースのもとでさらに正確に計測を行うことが可能な流量計を提供する。
【解決手段】流量計は、流路上に配置されたオリフィスと、オリフィスの上流側、及び下流側にそれぞれ配置された圧力計測部と、を備え、オリフィスは、流路の中心軸を中心とする円盤状のオリフィス本体と、オリフィス本体における中心を含む部分に開口する中心孔部と、中心孔部を外周側から囲むように配置された複数の周辺孔部と、を有し、オリフィス本体の外周側の端縁から最も外周側に位置する周辺孔部までの距離をＡとし、中心孔部から周辺孔部までの距離をＢとし、中心孔部、及び周辺孔部の直径をＣとしたとき、Ｃ≦Ａ≦Ｂが成立している。
【選択図】図２

Description

本開示は、流量計に関する。

流路を流れる流体の流量を測定するための装置として、オリフィスを用いた流量計が知られている（例えば下記特許文献１）。下記特許文献１に記載された流量計は、一つの孔が形成されたオリフィス（絞り）と、このオリフィスの上流側と下流側に配置された圧力センサと、を備えている。オリフィスの前後における流体の差圧を圧力センサによって計測することで流体の流量を得ることができる。

ところで、このような流量計を用いる場合、偏流や旋回流の影響を避けて正確な計測を行うために、オリフィスを流路の直線部分に配置する必要がある。つまり、流路の曲折部や湾曲部から所定の距離だけ離間した位置にオリフィスを配置する必要がある。

特開平５－１０７０９０号公報

しかしながら、上記のように流路の直線部分を設けることは、配管の敷設スペースの増大や設備の建造コストの増大につながる虞があった。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、省スペースのもとでさらに正確に計測を行うことが可能な流量計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、本開示に係る流量計は、流路上に配置されたオリフィスと、該オリフィスの上流側、及び下流側にそれぞれ配置された圧力計測部と、を備え、前記オリフィスは、前記流路の中心軸を中心とする円盤状のオリフィス本体と、該オリフィス本体における前記中心を含む部分に開口する中心孔部と、該中心孔部を外周側から囲むように配置された複数の周辺孔部と、を有し、前記オリフィス本体の外周側の端縁から最も外周側に位置する前記周辺孔部までの距離をＡとし、前記中心孔部から前記周辺孔部までの距離をＢとし、前記中心孔部、及び前記周辺孔部の直径をＣとしたとき、Ｃ≦Ａ≦Ｂが成立している。

本開示によれば、省スペースのもとでさらに正確に計測を行うことが可能な流量計を提供することができる。

本開示の実施形態に係る流量計の構成を示す全体構成図である。本開示の実施形態に係るオリフィスの正面図である。本開示の実施形態に係るオリフィスの要部拡大断面図である。本開示の実施形態に係るオリフィスの前後における流体の流れの様子を示す説明図である。本開示の実施形態に係るオリフィスの変形例を示す正面図である。本開示の実施形態に係るオリフィスのさらなる変形例を示す正面図である。

（流量計の構成）
以下、本開示の実施形態に係る流量計１００について、図１から図４を参照して説明する。流量計１００は、流路９０中を流れる流体の流量を計測するための装置である。図１に示すように、流量計１００は、オリフィス１０と、圧力計測部２０と、演算部３０と、を備えている。

（オリフィスの構成）
流路９０は円形の断面を有する直線状の配管である。オリフィス１０は、この流路９０の中途位置に設けられている。図２に示すように、オリフィス１０は、流路９０の中心軸Ｏを中心とする円盤状をなしている。オリフィス１０は、円盤状のオリフィス本体１１と、このオリフィス本体１１に形成された中心孔部１２、及び複数の周辺孔部１３と、を有している。

中心孔部１２は、上述の中心軸Ｏを含む部分に形成された円形の孔であり、オリフィス本体１１を当該中心軸Ｏ方向に貫通している。中心孔部１２の中心と中心軸Ｏとは一致している。なお、ここで言う「一致」とは実質的な一致を指すものであって、製造上のわずかな誤差は許容される。

中心孔部１２の周囲には、当該中心孔部１２を外周側から囲むようにして複数の周辺孔部１３が形成されている。本実施形態では、中心孔部１２の周囲に６０°ずつの角度をあけて６つの周辺孔部１３が等間隔で形成されている。また、中心孔部１２からそれぞれの周辺孔部１３までの距離は互いに等しい。加えて、流路９０の壁面から周辺孔部１３までの距離は、複数の周辺孔部１３の間で一定である。さらに、これら６つの周辺孔部１３の周囲には、全体が正六角形状となるように等間隔をあけて１２個の周辺孔部１３が形成されている。周辺孔部１３の直径は、中心孔部１２の直径と同一である。また、中心孔部１２、及び周辺孔部１３のいずれか一つを基準とした場合に、これら中心孔部１２、及び周辺孔部１３のうちの他の一つまでの距離が、いずれの孔部を基準とした場合であっても互いに等しい。なお、ここで言う「等しい」、「同一」とは実質的な等しさと同一を指すものであって、製造上のわずかな誤差は許容される。

ここで、流路９０の内壁（つまり、オリフィス本体１１の外周側の端縁１１ａ）から最も外周側に位置する周辺孔部１３までの距離をＡとする。さらに、中心孔部１２の中心から当該最も外周側に位置する周辺孔部１３までの距離をＢとする。また、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の直径をＣとする。このとき、Ｃ≦Ａ≦Ｂの関係が成立している。つまり、最も外周側に位置する周辺孔部１３は、流路９０の内壁から十分に離間した位置に形成されている。

さらに、ここで、外周側に位置する１２個の周辺孔部１３によって画成される正六角形の領域を孔形成領域１４と呼ぶ。この孔形成領域１４の面積と、流路９０の断面積の比率は、０．１６以上０．８０以下とされる。このように、孔形成領域１４は、流路断面積に対して十分に小さく形成されている。

また、孔形成領域１４内における中心孔部１２と周辺孔部１３とが占める面積の比率（開孔率）は、０．４０以上０．９０以下である。

さらに、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の直径Ｃと流路９０の直径との比率は、０．１以上０．１５以下である。

図３に示すように、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の直径Ｃに対して、オリフィス本体１１の厚さＤ（中心軸Ｏ方向の寸法）は、０．１Ｃ以上０．５Ｃ以下である。

また、図３に示すように、中心孔部１２の上流側を向く端縁１２ａ、及び周辺孔部１３の上流側を向く端縁１３ａには面取りが施されておらず角部が形成されている。一方で、中心孔部１２の下流側を向く端縁１２ｂ、及び周辺孔部１３の下流側を向く端縁１３ｂのみには面取り部１５が形成されている。面取り部１５では、上流側から下流側に向かうに従って開口面積が次第に拡大している。

（圧力計測部、演算部の構成）
再び図１に示すように、オリフィス１０の上流側、及び下流側には、流路９０における静圧を計測する圧力計測部２０が１つずつ設けられている。圧力計測部２０としては静圧を計測して当該数値を電気信号として演算部３０に送信する圧力センサが一例として用いられる。演算部３０は圧力計測部２０から受信した数値をもとに、オリフィス１０の上流側と下流側における差圧を算出し、さらにこの差圧に基づいて流路９０における流体の流量を導出する。

（作用効果）

ところで、このような流量計１００を用いる場合、偏流や旋回流の影響を避けて正確な計測を行うために、オリフィス１０を流路９０の直線部分に配置する必要がある。つまり、流路９０の曲折部や湾曲部から所定の距離だけ離間した位置にオリフィス１０を配置する必要がある。しかしながら、上記のように流路９０に長い直線部分を設けることは、配管の敷設スペースの増大や設備の建造コストの増大につながる虞があった。そこで、本実施形態では、オリフィス１０に中心孔部１２、及び周辺孔部１３が形成されている。

上記構成によれば、図４に示すように、中心孔部１２を通過した流れによって流路９０の中心に１つの噴流が形成される。この噴流に連行されるようにして周辺孔部１３を通過した流れが安定化する。このため、例えばオリフィス１０の上流側に流路９０の曲折部や湾曲部が設けられている場合（つまり、上流側に旋回流や偏流が形成されている場合）であっても、オリフィス１０の下流側における流れ場が均一化され、省スペースのもとで正確な流量計測を行うことが可能となる。

さらに、上記のオリフィス１０では、オリフィス本体１１の外周側の端縁から最も外周側に位置する周辺孔部１３までの距離をＡとし、中心孔部１２から当該周辺孔部１３までの距離をＢとし、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の直径をＣとしたとき、Ｃ≦Ａ≦Ｂが成立している。

上記構成によれば、流路９０の壁面から周辺孔部１３までの距離を確保することができる。これにより、周辺孔部１３から流れ出た噴流が当該壁面に衝突することで形成される流れの乱れが抑制される。その結果、周方向の圧力分布を均一化することができる。したがって、さらに正確な流量計測を行うことが可能となる。

また、上記のオリフィス１０では、中心孔部１２、及び複数の周辺孔部１３によって画定される孔形成領域１４の面積と、流路９０の断面積の比率は、０．１６以上０．８０以下である。

上記構成によれば、流路９０の壁面から周辺孔部１３までの距離を十分に確保することができる。これにより、周辺孔部１３から流れ出た噴流が当該壁面に衝突することで形成される流れの乱れが抑制される。その結果、周方向の圧力分布をさらに均一化することができる。

加えて、孔形成領域１４における中心孔部１２と周辺孔部１３とが占める比率は、０．４０以上０．９０以下である。

上記構成によれば、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の占める比率が適正化され、オリフィス１０の下流側における噴流の流れ場をさらに安定化させることができる。一方で、上記の比率を逸脱すると、孔の間隔（ピッチ）が過大、又は過小となり、孔同士の間で形成される流れが発達し、流れ場が乱れてしまう可能性がある。上記構成によれば、このような可能性を低減することができる。

さらに、上記構成では、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の直径と、流路９０の直径との比率は０．１以上０．１５以下である。

上記構成によれば、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の直径と流路の直径との比率が適正化され、オリフィス１０の下流側における噴流の流れ場をさらに安定化させることができる。

また、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の直径をＣとしたとき、オリフィス１０の厚さＤは０．１Ｃ以上０．５Ｃ以下である。

上記構成によれば、オリフィス１０の厚さＤが適正化されることにより、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の内壁面で生じた流れの剥離が当該壁面に再付着してしまう可能性を低減することができる。これにより、オリフィス１０による圧力損失を十分に得ることができる。したがって、さらに正確な流量計測を行うことが可能となる。

さらに、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の下流側を向く端縁１２ｂ，１３ｂのみに面取り部１５が形成されている。

上記構成によれば、面取り部１５が形成されていることで、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の内壁面で生じた流れの剥離が当該壁面に再付着してしまう可能性をさらに低減することができる。これにより、オリフィス１０による圧力損失をさらに高めることができる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、中心孔部１２から数えて計２列の周辺孔部１３が形成されている例について説明した。しかしながら、周辺孔部１３の構成は上記に限定されず、中心孔部１２から１列のみの周辺孔部１３を形成したり、３列以上の周辺孔部１３を形成したりすることが可能である。

より具体的には、図５に示すように、周辺孔部１３として、相対的に内周側に位置する中径孔部１３ａと、外周側に位置する小径孔部１３ｂと、を有する構成を採ることが可能である。中径孔部１３ａは、中心孔部１２よりも小さな直径を有し、中心軸Ｏの周方向に間隔をあけて複数配列されている。小径孔部１３ｂは、中径孔部１３ａよりもさらに小さな直径を有し、中径孔部１３ａよりも多い数が周方向に配列されている。

このような構成によれば、小径孔部１３ｂによって流路９０の外周側における圧力分布を周方向に均一化することができる。一方で、小径孔部１３ｂよりも内周側の領域では、当該小径孔部１３ｂよりも直径の大きな中径孔部１３ａによって流量を確保することができる。

さらなる変形例として図６に示すように、周辺孔部１３が、中径孔部１３ａを有さず、複数列の小径孔部１３ｂのみを有する構成を採ることも可能である。この場合、直径が同一の小径孔部１３ｂが、内周側と外周側とに間隔をあけて２列配列されている。

このような構成によれば、複数列の小径孔部１３ｂによって流路９０の外周側における圧力分布を周方向にさらに均一化することができる。

＜付記＞
各実施形態に記載の流量計１００は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る流量計１００は、流路９０上に配置されたオリフィス１０と、該オリフィス１０の上流側、及び下流側にそれぞれ配置された圧力計測部２０と、を備え、前記オリフィス１０は、前記流路９０の中心軸Ｏを中心とする円盤状のオリフィス本体１１と、該オリフィス本体１１における前記中心を含む部分に開口する中心孔部１２と、該中心孔部１２を外周側から囲むように配置された複数の周辺孔部１３と、を有し、前記オリフィス本体１１の外周側の端縁１１ａから最も外周側に位置する前記周辺孔部１３までの距離をＡとし、前記中心孔部１２から前記周辺孔部１３までの距離をＢとし、前記中心孔部１２、及び前記周辺孔部１３の直径をＣとしたとき、Ｃ≦Ａ≦Ｂが成立している。

上記構成によれば、中心孔部１２を通過した流れによって流路９０の中心に１つの噴流が形成される。この噴流に連行されるようにして周辺孔部１３を通過した流れが安定化する。このため、例えばオリフィス１０の上流側に流路の曲折部や湾曲部が設けられている場合であっても、オリフィス１０の下流側における流れ場が均一化され、正確な流量計測を行うことが可能となる。また、上記構成によれば、流路９０の壁面から周辺孔部１３までの距離を確保することができる。これにより、周辺孔部１３から流れ出た噴流が当該壁面に衝突することで形成される流れの乱れが抑制される。その結果、周方向の圧力分布を均一化することができる。

（２）第２の態様に係る流量計１００では、前記複数の周辺孔部は、前記中心孔部からそれぞれ等距離の位置に配列されている。

上記構成によれば、中心孔部１２の周囲における周方向の圧力分布をさらに均一化することができる。

（３）第３の態様に係る流量計１００では、前記流路９０の壁面から前記周辺孔部１３までの距離が、複数の前記周辺孔部１３の間で一定である。

上記構成によれば、流路９０の壁面から周辺孔部１３までの距離を確保することができる。これにより、周辺孔部１３から流れ出た噴流が当該壁面に衝突することで形成される流れの乱れが抑制される。その結果、周方向の圧力分布を均一化することができる。

（４）第４の態様に係る流量計１００では、前記周辺孔部１３は、前記中心軸Ｏに対する周方向に間隔をあけて配列され、前記中心孔部１２よりも小さな直径を有する複数の中径孔部１３ａと、該複数の中径孔部１３ａの外周側に周方向に間隔をあけて配列され、前記中径孔部１３ａよりも小さな直径を有する小径孔部１３ｂと、を有する。

上記構成によれば、小径孔部１３ｂによって流路９０の外周側における圧力分布を周方向に均一化することができる。一方で、小径孔部１３ｂよりも内周側の領域では、当該小径孔部１３ｂよりも直径の大きな中径孔部１３ａによって流量を確保することができる。

（５）第５の態様に係る流量計１００では、前記周辺孔部は、前記中心軸に対する周方向に間隔をあけて配列されるとともに径方向に間隔をあけて配列され、前記中心孔部よりも小さな直径を有する複数列の小径孔部を有する。

上記構成によれば、複数列の小径孔部１３ｂによって流路９０の外周側における圧力分布を周方向にさらに均一化することができる。

（６）第６の態様に係る流量計１００では、前記中心孔部、及び前記周辺孔部は互いに同一の直径を有し、前記中心孔部、及び前記周辺孔部のいずれか一つを基準とした場合に前記中心孔部、及び前記周辺孔部のうちの他の一つまでの距離が互いに等しい。

上記構成によれば、中心孔部、及び周辺孔部を含む領域内における圧力分布と流量分布を均一化することができる。

（７）第７の態様に係る流量計１００では、前記中心孔部１２、及び複数の前記周辺孔部１３によって画定される孔形成領域１４の面積と、前記流路９０の断面積の比率は、０．１６以上０．８０以下である。

（８）第８の態様に係る流量計１００では、前記孔形成領域１４における前記中心孔部１２と前記周辺孔部１３とが占める比率は、０．４０以上０．９０以下である。

上記構成によれば、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の占める比率が適正化され、オリフィス１０の下流側における噴流の流れ場をさらに安定化させることができる。

（９）第９の態様に係る流量計１００では、前記中心孔部１２、及び前記周辺孔部１３の直径と、前記流路９０の直径との比率は０．１以上０．１５以下である。

上記構成によれば、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の直径と流路９０の直径との比率が適正化され、オリフィス１０の下流側における噴流の流れ場をさらに安定化させることができる。

（１０）第１０の態様に係る流量計１００では、前記中心孔部１２、及び前記周辺孔部１３の直径をＣとしたとき、前記オリフィス１０の厚さは０．１Ｃ以上０．５Ｃ以下である。

上記構成によれば、オリフィス１０の厚さが適正化されることにより、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の内壁面で生じた流れの剥離が当該壁面に再付着してしまう可能性を低減することができる。これにより、オリフィス１０による圧力損失を十分に得ることができる。

（１１）第１１の態様に係る流量計１００では、前記中心孔部１２、及び前記周辺孔部１３の下流側を向く端縁１２ｂ，１３ｂのみに面取り部１５が形成されている。

上記構成によれば、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の下流側の端縁１２ｂ，１３ｂにのみ面取り部１５が形成されていることで、中心孔部１２、及び周辺孔部１３の内壁面で生じた流れの剥離が当該壁面に再付着してしまう可能性をさらに低減することができる。これにより、オリフィス１０による圧力損失をさらに高めることができる。

１００流量計
９０流路
１０オリフィス
１１オリフィス本体
１１ａ端縁
１２中心孔部
１３周辺孔部
１３ａ中径孔部
１３ｂ小径孔部
１４孔形成領域
１５面取り部
２０圧力計測部
３０演算部

Claims

流路上に配置されたオリフィスと、
該オリフィスの上流側、及び下流側にそれぞれ配置された圧力計測部と、
を備え、
前記オリフィスは、
前記流路の中心軸を中心とする円盤状のオリフィス本体と、
該オリフィス本体における前記中心を含む部分に開口する中心孔部と、
該中心孔部を外周側から囲むように配置された複数の周辺孔部と、
を有し、
前記オリフィス本体の外周側の端縁から最も外周側に位置する前記周辺孔部までの距離をＡとし、前記中心孔部から前記周辺孔部までの距離をＢとし、前記中心孔部、及び前記周辺孔部の直径をＣとしたとき、Ｃ≦Ａ≦Ｂが成立している流量計。
前記複数の周辺孔部は、前記中心孔部からそれぞれ等距離の位置に配列されている請求項１に記載の流量計。
前記流路の内周面から前記周辺孔部までの距離が、複数の前記周辺孔部の間で一定である請求項１又は２に記載の流量計。
前記周辺孔部は
前記中心軸に対する周方向に間隔をあけて配列され、前記中心孔部よりも小さな直径を有する複数の中径孔部と、
該複数の中径孔部の外周側に周方向に間隔をあけて配列され、前記中径孔部よりも小さな直径を有する小径孔部と、
を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の流量計。
前記周辺孔部は、
前記中心軸に対する周方向に間隔をあけて配列されるとともに径方向に間隔をあけて配列され、前記中心孔部よりも小さな直径を有する複数列の小径孔部を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の流量計。
前記中心孔部、及び前記周辺孔部は互いに同一の直径を有し、
前記中心孔部、及び前記周辺孔部のいずれか一つを基準とした場合に前記中心孔部、及び前記周辺孔部のうちの他の一つまでの距離が互いに等しい請求項１から３のいずれか一項に記載の流量計。
前記中心孔部、及び複数の前記周辺孔部によって画定される孔形成領域の面積と、前記流路の断面積の比率は、０．１６以上０．８０以下である請求項１から６のいずれか一項に記載の流量計。
前記孔形成領域における前記中心孔部と前記周辺孔部とが占める比率は、０．４０以上０．９０以下である請求項７に記載の流量計。
前記中心孔部、及び前記周辺孔部の直径と、前記流路の直径との比率は０．１以上０．１５以下である請求項６に記載の流量計。
前記中心孔部、及び前記周辺孔部の直径をＣとしたとき、前記オリフィスの厚さは０．１Ｃ以上０．５Ｃ以下である請求項６に記載の流量計。
前記中心孔部、及び前記周辺孔部の下流側を向く端縁のみに面取り部が形成されている請求項１から１０のいずれか一項に記載の流量計。