JP3463241B2 - 渦流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は渦流量計に関し、詳
しくは、低速の流体においても正確な流量の測定を可能
とする渦発生体に関する。

【０００２】

【従来の技術】渦流量計は、円管内に二次元柱状物体た
る渦発生体を設け、その円管内を流体が通過した際に、
その渦発生体によって生じた渦流の周波数から流速を求
め、その流速にその円管の内側断面積を乗じた値を流量
として表示するものである。

【０００３】円管内を一様に流動する流体の流速Ｕは、
その二次元物体たる定形物の大きさ、所謂渦発生体の大
きさｄ（後述する。）とストローハル数Ｓｔが一定値で
ある場合には、その流れの中に設けた渦発生体によって
放出される渦の放出数ｆに比例するという特徴がある。
その特徴は なる関係式で表示される。 限って流速Ｕを正確に測定することができるから、前述
の如く、流量を算出して表示できるのである。

【０００４】ストローハル数Ｓｔは、流速Ｕ、該渦発生
体の大きさｄ、レイノルズ数、流体の動粘性係数等によ
る因子によって定まるものであることもあって、流速Ｕ
の広範囲の変動に対して、一定値を保持する渦発生体は
未だ出現していなかった。このため、渦流量計における
渦発生体について、流速Ｕの広範囲の変動に対して、ス
トローハル数Ｓｔを一定値に近づける努力が従前からな
されてきた。しかし、従来の渦発生体では、ストローハ
ル数Ｓｔのバラツキが大きいために、流速の誤差が大き
くなって、流量値の誤差が大きくなるという問題があっ
た。

【０００５】また、流体が空気等の気体である場合、そ
の流体の最遅流速の測定可能範囲は、従来の渦流量計で
は流速Ｕ＝４ｍ／ｓｅｃ前後が限界とされ、産業分野に
おいては、渦流量計の最遅流量測定限界が少なくとも流
速２ｍ／ｓｅｃであって欲しいとの要望がかねてから強
く、最遅流速の測定可能限界においても問題があった。
このため、関係者の間で渦発生体の改良努力が種々なさ
れてきたが、未だ、流速Ｕ＝２ｍ／ｓｅｃにおいて、流
速の測定に適した強い渦を規則的に放出する簡素な流量
計が出現していなかった。

【０００６】渦流量計における渦発生体は、当初は円形
柱のものが用いられていたが、円形柱を渦発生体に用い
た渦流量計は、ストローハル数Ｓｔのバラツキが大きい
ため、流量測定可能範囲が狭く、また、流速Ｕ＝２ｍ／
ｓｅｃなる気体の流量を測定できなかった。

【０００７】そこで、円形柱の渦発生体の改良がなさ
れ、その改良された渦発生体に係る流速検出器が特公昭
５２−１３１００号に開示されている。図７（ａ）は特
公昭５２−１３１００に開示されているカルマン渦に係
る流速検出器２１の部分断面斜視図であり、その流速検
出器２１は、カルマン渦を渦発生体の両斜視図側面に沿
って一斉に揃えるために、導圧孔２２ａ，２２ｂと２箇
所の空洞部２４ａ，２４ｂと透孔２３が必要であるとし
て、これらが具備されている。

【０００８】流速検出器２１は、図７（ａ）にに表示し
ているように、両側面に軸方向に複数個の導圧孔２２
ａ，２２ｂを具備し、一方の導圧孔２２ａの列が一方の
空洞部２４ａに他方の導圧孔２２ｂの列が他方の空洞部
２４ｂに連通し、両者の空洞部２４ａ，２４ｂは透孔２
３を介して連通したものである。透孔２３を通過する流
体の流速は、透孔２３が、流速検出器２１の構造上、絞
り部の役目を果たすため、いずれの空洞部２４ａ，２４
の流速よりも早くなる。透孔２３の流速は、透孔２３の
測壁に、傾斜面と流れを遮る垂直壁を具備した流れ制御
体２５を設け、その流れ制御体２５の垂直壁に流体変位
検出素子２６を設けることにより、流体を流体変位素子
２６に当接させて、流速検出器２１にカルマン渦を放出
させながら、その当接回数を検出して行うものである。

【０００９】以上の如く、特公昭５２−１３１００に開
示されている流速検出器は、構造が極めて複雑であると
いう問題がある。

【００１０】図８は、特許公報第２５５７１５３号に開
示されている渦流量計２７の断面図を表わしたものであ
り、その渦流量計２７は、渦発生体２８を具備した主導
管２９と、その主導管の上流側に正六角形状のセルから
なるハニカム状の整流器３０と、その主導管２９に隣接
した副導管（図示せず。）とからなるものであり、その
構造が極めて複雑であるという問題がる。

【００１１】以上の事情により、渦流量計においては、
２ｍ／ｓｅｃの流速の気体においても、簡素な形状で以
て、安定した強い渦を規則的に放出する渦発生体の出現
が関係者の間で熱望されていた。

【００１２】

【解渦決しようとする課題】簡素な形状の渦発生体を用
いた簡素な構造の渦流量計で以て、広範囲の流速におけ
る流量、並びに、２ｍ／ｓｅｃの低流速における流量を
測定できるようにする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】１．渦発生体の形状を半
円状柱の平面を狭幅で平行に対向させた円柱状とし、そ
の渦発生体を渦流量計の直円管内に固設する。 ２．渦発生体の形状を二等辺三角柱の底面と半円状柱の
平面とをを狭幅で平行に対向させた組み合わせ柱状と
し、その渦発生体を渦流量計の直円管内に固設する。

【００１４】

【発明の実施の態様】本発明は、直円管内の渦発生体の
抵抗に関する研究を鋭意研究した結果に基づいてなされ
たもので、管内流中における各種の渦発生体形状毎に一
様流中の抵抗係数、レイノルズ数、渦発生体の上下方向
の大きさ、円管の直径等との相互関係を実験により研究
した結果に基づいて最適形状を探査したことによって完
成したものである。尚、前述の調査研究した内容は、日
本機械学会論文集６５巻６２９号Ｂ編（１９９９年１
月）において『直円管内の渦発生体の抵抗係数とストロ
ーハル数』著者五十嵐保（本発明者）の題目で掲載され
ている。

【００１５】図３（ａ）は、本発明の渦発生体２の断面
図を表し、図中の４および５は半円状柱を、９はスリッ
トを表し、スリット９は、半円状柱４と半円状柱５のそ
れぞれの平面を狭幅で平行に対向して設けた空隙であ
り、ｄはスリット９の上端から下端までの距離を表す。
渦発生体２は、その断面の外形が円形状をなした円柱状
体であり、その大きさを以下ｄで以て、スリット９の幅
をｓで以て表示する。渦発生体２は、直円管３内に流体
の流れ方向に直交し、かつ、スリット９を流体の流れ方
向に対して垂直にして固設する。ここに直円管３の内径
を以下Ｄで以って表示する。渦発生体２の形状は、ｄ／
Ｄ＝０．２〜０．３０およびｓ／ｄ＝０．０９〜０．１
１なる関係を有する。

【００１６】前述の寸法関係を有していない前述の円柱
状体は、渦発生体として使用した場合、ストローハル数
Ｓｔが流速の変化に対してバラツクため、所謂一定値で
なくなるため、渦流量計の渦発生体に適さない。

【００１７】本発明の渦発生体は、特公昭５２−１３１
００に開示されている前述の流体検出器における渦発生
体が、複数の導圧孔と２箇所の空洞部とこれらの空洞部
を連結する透孔を具備しなければならないのに対し、単
なる一様幅の貫通溝、所謂スリット９を具備するだけで
よいから、構造が格別に簡素である。

【００１８】また、本発明の渦発生体は、特公昭５２−
１３１００における渦発生体がその境界層において導圧
孔２２ａ，２２ｂ部でしか吸い込みと吹き出しをしない
のに対し、スリット９の全幅、即ち直円管３の略全幅で
吸い込みと吹き出しを効率良く現出するため、特公昭５
２−１３１００における渦発生体よりも、強い渦を一斉
に規則的に交互に放出する。

【００１９】本発明の渦発生体２によって放出される渦
８の強さは、特公昭５２−１３１００に係る渦発生体を
兼ねた流速検出器１７の導圧孔１８ａ，１８ｂを沢山並
べて、単にスリット状に近似させても、渦発生体２の流
体の吸い込みや吹き出しの抵抗が流速検出器１７のそれ
よりも小さいために、流速検出器１７によって放出され
る渦の強さよりも、更に強いものとなる。

【００２０】図６（ａ）は、本発明の渦発生体１６の断
面図を表わし、図中の１７は二等辺三角柱を、１８は半
円状柱を、２０はスリットを表わし、スリット２０は二
等辺三角柱１７の底面と半円状柱１８の平面を狭幅で平
行に対向して設けた空隙であり、ｄはスリット２０の上
端から下端までの距離を表わす。渦発生体１６は、その
断面形状が二等辺三角形と半円状形とを隙間を設けて組
み付けた組合わせ柱状体であり、その大きさを以下ｄで
以て、スリット２０の幅を以下ｓで以て表示する。

【００２１】渦発生体１６は、直円管３内に、流体の流
れ方向に直交し、かつ、スリット２０を流体の流れ方向
に対して垂直にして固設する。ここに、直円管３の内径
を以下Ｄで以て表示する。

【００２２】尚、二等辺三角柱１７は、その断面が直円
管３の軸心に対し対称な二等辺を有する三角柱であり、
好ましくは正三角柱である。

【００２３】渦発生体１６の形状は、ｄ／Ｄ＝０．２０
〜０．３０およびｓ／ｄ＝０．１５〜０．１６なる寸法
関係を有する。

【００２４】前述の寸法関係を有していない前述の組合
わせ柱状体は、渦発生体として使用した場合に、ストロ
ーハル数Ｓｔが流速の変化に対してバラツクため、所謂
一定値でなくなるため、渦流量計の渦発生体に適さな
い。

【００２５】図９（後に掲載）は、流体における渦発生
体の抵抗係数Ｋとｓ／ｄとの関係をｄ／Ｄ毎に表したも
のである。図９中の抵抗係数Ｋは、Ｋ＝（Ｐ１−Ｐ２）
／０．５ρＵ^２なる式で表示されるものであり、（Ｐ１
−Ｐ２）は渦発生体の前後の圧力差、ρは流体の密度、
Ｕは直円管３内の平均流速を表す。

【００２６】本発明における渦流量計１の渦発生体２お
よび本発明における渦流量計１５の渦発生体１６の両者
共、カルマン渦に係る特有の吸込みと噴出しの現象が交
番的に生じており、図９によって、ｓ／ｄが０．１０以
下のとき、一方では渦発生体２で吸込み現象が生じると
ｓ／ｄの増加と共に抵抗係数Ｋが増大し、ｓ／ｄ＝０．
１０付近に至って極大値となるのに対し、他方では渦発
生体１６で吸込み現象が生じるとｓ／ｄの増加と共に抵
抗係数Ｋが減少を呈していることを知見した。また、渦
流量計１５では、ｓ／ｄ＝０．１５付近に至って極小と
なり、その後増加してｓ／ｄ＝０．２５付近に至って極
大となることを知見した。

【００２７】本特許出願に係る発明は、前述の説明の如
く、ｓ／ｄが０．１０以下の場合、ｓ／ｄが増加するに
従って、渦流量計１５における渦発生体１６の抵抗係数
Ｋは、渦流量計１における渦発生体２の抵抗係数Ｋが増
加傾向にあるとき、減少する現象を呈するという不可解
な性状、並びに、前述の最適なｄ／Ｄおびｓ／ｄの範囲
は抵抗係数Ｋと密接な関係にあることから、公知の技術
から容易に推考し得るものでない。

【００２８】

【実施例１】図１は、本発明の渦発生体２を用いた渦流
量計１の部分断面側面図を表わし、図中の３は直円管
を、２は本発明の渦発生体を表わし、渦発生体２の断面
外形は真円である。

【００２９】図２は、図１の断面Ａ−Ａ図であり、図中
の９は渦発生体２のスリットであり、スリット９は直円
管３の略全幅に亘って所在し、図２における太矢印は、
流体の流れ方向を表わし、その流れは一様流れである。

【００３０】 中や直円管３の内壁付近の流体よりも、渦が発生する直
前の状体、所謂、渦発生体２のスリット９の直近の表面
で流体の境界層が剥離現象を発生する位置に強く表われ
る。従って、流体の圧力変動を検出するための検出孔６
は図２に表わしているように、半円柱５のスリット９付
近に設ける。尚、検出孔６の内径は略１ｍｍである。

【００３１】検出孔６は、図２の断面Ｂ−Ｂを図３
（ｂ）に表わしたように、半円状柱５内で曲がって直円
管３を貫通して導管７に連通し、図２に表わしたように
その導管７を介して直結している。

【００３２】半円状柱５の表面に発生した前述の変動圧
は、検出孔６の流体を介して半導体圧力センサ１０で電
気信号に変換され、その電気信号は増幅器１１で増幅さ
れ、その増幅された電気信号はＦＦＴアナライザ１２で
解析され、その解析により明らかになった時間当たりの
渦の発生数ｆと渦発生体の大きさｄと直円管３の内径Ｄ
とで以て演算器１３で流量を算出し、その算出された流
量を流量表示器１４で表示する。

【００３３】本発明の渦発生体２を具備した渦流量計１
は、以上のようにして、流量表示器１４により流量を読
み取ることができる。また、渦流量計１を自動制御装置
に使用する場合には、演算器１３により算出された流速
や流量の電気信号をその制御に活用することができる。

【００３４】直円管３の内径がＤ＝１５０ｍｍ、渦発生
体２の大きさがｄ＝３０ｍｍ、そのスリット幅がｓ＝３
ｍｍである渦流量計１を用いて、空気の流量を測定した
結果、流速Ｕ＝２．０ｍ／ｓｅｃの低流速ににおいても
正確に流量を測定することができた。尚、この場合のｓ
／ｄ＝０．１０、ｄ／Ｄ＝０．２０、ストローハル数Ｓ
ｔ＝０．２６であった。

【００３５】また、直円管３の内径がＤ＝１５０ｍｍ、
渦発生体２の大きさがｄ＝４０ｍｍ、そのスリット幅が
ｓ＝４ｍｍである渦流量計１を用いて、空気の流量を測
定した結果、流速Ｕ＝２．０ｍ／ｓｅｃの低流速におい
てもに正確に流量を測定することができた。尚、この場
合のｓ／ｄ＝０．１０、ｄ／Ｄ＝０．２７、ストローハ
ル数Ｓｔ＝０．３０であった。

【００３６】以上の測定結果から、渦発生体２および渦
流量計１の性能が確認できた。

【００３７】

【実施例２】図４は、本発明の渦発生体１６を用いた渦
流量計１５の部分断面側面図を表わし、図中の３は直円
管を、Ｄは直円管３の内径を、１２は本発明の渦発生体
を表わす。渦発生体１６を構成する二等辺三角柱１７は
正三角柱であり、半円状柱１８の断面外形は真円の半分
の形状である。

【００３８】図５は、図４の断面Ａ−Ａ図であり、図中
の２０は、渦発生体１６のスリットであり、スリット２
０は直円管３の全幅に亘って所在している。このため、
強い渦が放出される。

【００３９】交番的に放出される渦によって生ずる流体
の圧力変動は、前述の渦流量計１の場合と同様に、渦発
生体１６を構成する下流側の半円状柱１８のスリット２
０付近に設けた検出孔６を用いて捕える。

【００４０】検出孔６は、図５の断面Ｂ−Ｂを図６
（ｂ）に表わしたように、半円状柱１８内で曲がって、
直円管３を貫通して、導管７に連通し、図５に表わして
いるように、導管７を介して半導体圧力センサ１０に接
続している。図５における太矢印は、流体の流れ方向を
表わし、その流れは一様流れである。

【００４１】本発明の渦流量計１５は、以上の構成であ
るから、前述の渦流量計１の場合と同様にして、半円柱
１８の表面に発生した圧力変動を検出して、流量を流量
表示器１４に表示したり、或いは、演算器１３で演算し
た龍量値を電気信号で自動制御装置に送信する。

【００４２】直円管３の内径がＤ＝１５０ｍｍ、渦発生
体１６の大きさがｄ＝５０ｍｍ、そのスリット幅がｓ＝
８ｍｍである渦流量計１５を用いて、空気の流量を測定
した結果、流速Ｕ＝２．０ｍ／ｓｅｃの低流速において
も正確に流量を測定することができた。この測定結果か
ら、渦発生体１６および渦流量計１５の性能が確認でき
た。尚、この場合のｓ／ｄ＝０．１６、ｄ／Ｄ＝０．３
３、ストローハル数Ｓｔ＝０．３４であった。

【００４３】図８に示す特許公報第２５５７１５３号に
開示されている渦流量計２７の渦発生体２８は、ハニカ
ム状の整流器３０との相対角度が４５度であるときに、
渦流量計として供することができものである。

【００４４】本発明の渦流量計１５に係る渦発生体１６
の二等辺三角柱１７の下流側が、半円状柱１８であるの
に対し、渦発生体２８の三角柱の下流側が矩形柱である
点で両者は相違する。また、渦発生体１６は、ハニカム
状の整流器３０や前述の副導管（図示せず。）が無くて
も、渦流量計として十分に供することができる点で、渦
発生体２８と相違する。本発明の渦流量計１５は、前述
のように、極めて簡素であるという渦流量計２７にない
格別の特徴を持つものである。

【００４５】

【効果】図１０は、実施例１における本発明の渦流量計
１および実施例２における渦流量計１５について、スト
ローハル数Ｓｔと流速Ｕとの関係を表したものである。
渦流量計１および渦流量計１５は、強い渦が規則的に放
出され、かつ、図１０から明らかなように低流速２ｍ／
ｓｅｃから高流速２０ｍ／ｓｅｃの広範囲の流速変動に
おいて、ストローハル数Ｓｔのバラツキが小さいから、
正確な流量を安定して表示することができる。

【００４６】このため、化学プラント設備において、燃
焼管理の向上による省エネルギ効果の向上、操業管理の
信頼性向上、製品の品質向上等をもたらし、その恩恵に
よる経済的利益は莫大なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の渦流量計の部分断面側面図を表わす。

【図２】図１の断面Ａ−Ａ矢視図を表わす。

【図３】（ａ）図は図２の断面Ａ−Ａ矢視図であり、本
発明の渦発生体を表わす。（ｂ）図は図２の断面Ｂ−Ｂ
矢視図であり、本発明の渦発生体に係る渦の検出孔を表
わす。

【図４】本発明の渦流量計の部分断面側面図を表わす。

【図５】図４の断面Ａ−Ａ矢視図を表わす。

【図６】（ａ）図は図２の断面Ａ−Ａ矢視図であり、本
発明の渦発生体を表わす。（ｂ）図は図２の断面Ｂ−Ｂ
矢視図であり、本発明の渦発生体に係る渦の検出孔を表
わす。

【図７】（ａ）は特公昭５２−１３１００に開示されて
いる渦流量計の流速検出器の部分断面斜視図を表わす。
（ｂ）は図７の断面Ａ−Ａ矢視図を表わす。

【図８】特許公報第２５５７１５３号に開示されている
渦流量計の断面を表わす。

【図９】 抵抗係数Ｋとｓ／ｄとの関係を表したグラフで
ある。

【図１０】 ストローハル数Ｓｔと流速Ｕとの関係を表し
たグラフである。

【符号の説明】１‥‥‥‥‥渦流量計 ２１‥‥‥
‥‥流速検出器 ２‥‥‥‥‥渦発生体 ２２ａ，２
２ｂ‥‥‥‥‥導圧孔 ３‥‥‥‥‥直円管 ２３‥‥‥
‥‥透孔 ４‥‥‥‥‥半円状柱 ２４ａ，２
４ｂ‥‥‥‥‥空洞部 ５‥‥‥‥‥半円状柱 ２５‥‥‥
‥‥流れ制御体 ６‥‥‥‥‥検出孔 ２６‥‥‥
‥‥流体変位検出素子 ７‥‥‥‥‥導管 ２７‥‥‥
‥‥渦流量計 ８‥‥‥‥‥渦 ２８‥‥‥
‥‥渦発生体 ９‥‥‥‥‥スリット ２９‥‥‥
‥主導管 １０‥‥‥‥‥半導体圧力センサ ３０‥‥‥
‥‥ハニカム状の整流器 １１‥‥‥‥‥増幅器 １２‥‥‥‥‥ＦＦＴアナライザ １３‥‥‥‥‥演算器 １４‥‥‥‥‥流量表示器 １５‥‥‥‥‥渦流量計 １６‥‥‥‥‥渦発生体 １７‥‥‥‥‥二等辺三角柱 １８‥‥‥‥‥半円状柱 １９‥‥‥‥‥渦 ２０‥‥‥‥‥スリット

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大きさｄの円柱状体を内部に固設した内径
   Ｄの直円管と該円柱状体との関係がｄ／Ｄ＝０．２〜
   ０．３０である渦発生体において、該円柱状体が半円状
   柱の平面を狭幅に平行に対向して形成されたスリットを
   介在し、かつ、該スリットの幅ｓと該円柱状体の大きさ
   ｄとの間にｓ／ｄ＝０．０９〜０．１１なる関係を具備
   したことを特徴とする渦発生体。
2. 【請求項２】請求項１記載の渦発生体を具備した渦流量
   計。
3. 【請求項３】大きさｄの柱状体を内部に固設した内径Ｄ
   の直円管と該柱状体との関係がｄ／Ｄ＝０．２〜０．３
   ０である渦発生体において、該柱状体が正三角柱の平面
   と半円状柱の平面とを狭幅に平行に対向して形成された
   スリットを介在し、かつ、該スリットの幅ｓと該柱状体
   の大きさｄとの間にｓ／ｄ＝０．１５〜０．１６なる関
   係を具備したことを特徴とする渦発生体。
4. 【請求項４】請求項３記載の渦発生体を具備した渦流量
   計。