JP4641764B2

JP4641764B2 - 羽根車式の流量計

Info

Publication number: JP4641764B2
Application number: JP2004248116A
Authority: JP
Inventors: 一彦橘園; 茂大塚
Original assignee: 有限会社シーエムエムディ
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-27
Also published as: JP2006064560A

Description

本発明は、複箱型接線流羽根車式の流量計に関する。

一般的な羽根車式流量計は、計測器である以上計測結果に一定傾向のばらつきがあり、これに個々の流量計の器差が加わって、計器全体の計測誤差を生じる。このような計測誤差を抑制するために各種の提案がなされており、例えば特許文献１には、羽根車が収容される計量室の天井壁に、器差を補正する調整片を備えた流量計が記載されている。これによれば、調整片を調整し変位させることにより、ばらつきの全体傾向を増加側、あるいは減少側へ変化させることができるので、器差に基づくばらつきの特性を検定公差の範囲内に収めることが可能となる。

特開２００２−３１０７４７号公報（段落番号００２２、図２）

上記特許文献１に記載の流量計の問題は、調整片を付加したとしても、この種の流量計において避けられない一定傾向のばらつき特性そのものを補正して、計測精度の向上を図ることができないことにある。このばらつき特性は、流量計の構造の違いやメーカーの応じて僅かずつ異なるものの、羽根車式流量計である限りは計測結果のばらつき特性に大差はない。つまり、先のばらつき特性は、流量計が羽根車式であることが要因であると推測される。

本発明の目的は、計測結果が実際の送水量より漸減し、あるいは増加するのを解消して、複箱型接線流羽根車式の流量計の計測精度の向上を図ることにある。

本発明は、図２ないし図４に示すごとく、流入口２と流出口３とを備える主ケース１と、主ケース１内に装填される有底筒状の内ケース５と、内ケース５の上部に装着される上ケース６とを備えており、内ケース５の内底面と上ケース６の外底面とで区画される計測室Ｍ内に、水の通過流量を計測する羽根車１０が、内ケース５の内底面に突設された縦軸１７まわりに回転自在に支持されており、主ケース１の内部が、流入口２に連なる下室２１と、流出口３に連なる上室２２とに内ケース５によって仕切られていて、該下室２１の周縁に開設された複数個の入口２３から羽根車１０に向けて水を噴射することにより、該羽根車１０を回転させて計測室Ｍの通過水量を計測する複箱型接線流羽根車式の流量計を対象とする。図１および図５に示すごとく、羽根車１０は、縦軸１７に遊転自在に軸支される筒状の羽根ボス２９と、該羽根ボス２９の周面に放射状に張り出し形成された複数個の羽根体３０とを含む。そして、計測室Ｍに臨む羽根ボス２９の周面２９ａが、流出側に拡がるテーパー状に形成されており、羽根体３０の表面に、渦発生用の凹凸部４０が形成されていることを特徴とする。ここで言う「テーパー状」とは、図１に示すような、羽根ボス２９の周面２９ａが縦断面視で直線状のテーパー状となっている形態だけでなく、図６に示すごとく、羽根ボス２９の周面２９ａが縦断面視で曲線状（Ｒ状）のテーパー状となっている形態を含む概念である。

羽根ボス２９の下端縁と上端縁とで規定される周面２９ａの傾斜角度θは、３〜５°の範囲（３°以上、５°以下）に設定する。

この種の複箱式接線流羽根車式の流量計の問題の一つに、送水量の大きな状況下では、計測結果が実際の送水量に比べて小さくなりやすいことがある。かかる計測誤差の発生要因の一つに、羽根体３０の流出側（上方側）領域において渦が発生しやすいということが挙げられる。より詳しくは、羽根体３０の流出側（上方側）では、運動エネルギーが圧力エネルギーに変換された結果、流入側に比べて高圧となっているために、当該流出領域では渦が発生しやすく、そのために、送水量の大きな状況下で計測結果が実際の送水量に比べて小さくなりやすい。換言すれば、高流量域でマイナス誤差を生じやすいという点に問題があった。

かかる不具合を解消するため、本発明の請求項１においては、計測室Ｍに臨む羽根ボス２９の周面２９ａを流出側に拡がるテーパー状（図示例では、上拡がりのテーパー状）に形成してある。当該形態によれば、実質的に流出側（上方側）に係る羽根体３０の翼面積を、流入側（下方側）よりも小さくできるので、渦の発生を効果的に抑えることができる。加えて、流入側（下方側）の翼面積は、従来同様に大きく確保されているため、羽根車１０の回転効率が損なわれることもない。しかるに、請求項１記載によれば、回転効率を良好に担保しながら、渦の発生を効果的に抑えることができるので、高流量域におけるマイナス誤差の発生を小さくできる。このことは、複箱型接線流羽根車式の流量計の計測精度の向上に貢献できることを意味する。

羽根ボス２９の下端縁と上端縁とで規定される周面の傾斜角度θは、３〜５°の範囲に設定することが好ましい。これは、傾斜角度θが３°を下回ったり、５°を超える形態では、低流量域における計測誤差が大きくなるために、計測結果を検定誤差の範囲に収めることが困難になることに拠る。その点、傾斜角度θを３〜５°の範囲としてあると、上述のように高流量域における測定精度を良好に確保しながら、しかも低流量域における計測誤差を可及的に小さくすることができて有利である。

また、従来形態の羽根車式の流量計では、送水量の小さな状況下で計測結果が実際の送水量に比べて大きくなりやすいという問題もある。つまり、低流量域でプラス誤差を生じやすいという問題もある。かかる不具合を解消するため、請求項２記載の本発明では、図７ないし図９に示すように、羽根体３０の表面に凹凸部４０を設けてある。当該形態によれば、先とは逆に、凹凸部４０に由来する渦により、低流量域におけるプラス誤差をマイナス側へ指向させることができるので、結果として低流量域における計測誤差を可及的に小さくできる。このことも、複箱型接線流羽根車式の流量計の計測精度の向上に貢献できることを意味する。

（第１実施形態）
図１ないし図５に、本発明に係る羽根車式の流量計の実施形態を示す。この流量計は、いわゆる複箱型接線流羽根車式と称される流量計であって、図２に示すように、流入口２と流出口３とを備える主ケース１と、主ケース１内に装填される内ケース５と、内ケース５の上部に装着される上ケース６と、上ケース６内に収容される表記機構（図示していない）と、上ケース６の上面を塞ぐ窓板７と、窓板７の外面を揺動開閉する蓋９などで外郭構造を構成している。内ケース５の内部には、水の通過流量を計測する羽根車１０が配置されている。

主ケース１は、上方開口を有する縦円筒状のケース収納室１１の左右に、流入側および流出側の二本のノズル１２・１３が一体に成形された金属鋳造品であり、流入側のノズル１２に流入口２が、流出側のノズル１３に流出口３が開設されている。流入側のノズル１２の内部には、ストレーナー１５が装着されている。

内ケース５は、有底円筒状のプラスチック成形品であり、その内底面中央から上方に向かって、羽根車１０を遊転自在に軸支する支軸１６が突設されている。支軸１６は、上下に長い金属製の縦軸１７と、該縦軸１７の上端に突設した擬宝珠状のピポット軸１９とからなり、縦軸１７の下端に圧嵌固定したソケット２０を介して内ケース５の底壁に固定してある。上ケース６は、内ケース５と略同寸法の外径寸法値を有する有底円筒状のプラスチック成形品であり、内ケース５の筒壁上面に設けられた図外の凹部に、外底面に設けられた図外の凸部を凹凸係合させることにより接合されている。かかる接合状態において、内ケース５の内部、すなわち、内ケース５の底面と筒壁、および上ケース６の底面とで区画される内ケース５の内部空隙に測定室Ｍが形成され、該測定室Ｍの内部に、羽根車１０が縦軸１７まわりに回転自在に配置されている。

主ケース１の内部は、ケース収納室１１に上方開口から落とし込み装着された内ケース５によって、流入口２に連なる下室２１と、流出口３に連なる上室２２とに区分されている。下室２１に臨む内ケース５の筒壁の下周面には、下室２１内の水道水を計測室Ｍへ流入させる９個の入口２３が、等間隔位置に螺旋状に開口してある（図３参照）。同様に、上室２２に臨む内ケース５の筒壁の上周面には、計測室Ｍの水道水を上室２２へ流出させる３個の出口２５が、等間隔位置に螺旋状に開口してある（図４参照）。つまり、入口２３から計測室Ｍ内へ流入した水道水は、計測室Ｍ内を斜め上方へ通過しながら出口２５を介して上室２２へと流出し、その間に羽根車１０を回転させる。

図１および図５に示すごとく、羽根車１０は、プラスチック製の縦長のボス２６と、該ボス２６とは別体のプラスチック成形品である回転翼体２７とを含む。回転翼体２７は、円筒状の羽根ボス２９と、羽根ボス２９の周面に等間隔に突設された７枚の羽根体３０とを一体的に形成してなるプラスチック成形品であり、羽根ボス２９の上端開口３１にボス２６の下部を圧嵌装着することにより、両ボス２６・２９を分離不能に一体化してある。ボス２６の上端には、リング状の磁石３２が装着され、その上面中央には部分球面状の上ピボット軸３３を形成してある。図１に示すように、ボス２６の軸中央には、支軸１６の受け入れを許す陥没穴３５を凹み形成し、陥没穴３５の上端奥面には、下面側に部分球面状の軸受面を備えた軸受片３６を固定してある。軸受片３６は、耐磨耗性に優れた素材、例えば人造サファイアで形成する。羽根車１０を支軸１６で軸支した状態においては、軸受片３６の軸受面がピボット軸１９で軸支され、上ピポット軸３３が上ケースの底面に凹み形成した軸受穴３７で上方移動不能に抑え保持される。

使用状態においては、流入口２から計測室Ｍ内へ流入する水道水の流動作用によって、羽根車１０が図３および図４において反時計回転方向へ回転する。この回転動作は、磁石３２と、上ケース６の内部に設けた磁石（図示していない）とからなるマグネットカップリングを介して、上ケース６内の表示機構に伝動される。表示機構には、先の動力を受け継ぐギヤトレインが設けてあり、その終段ギヤで消費水量を表示する数字リングを回転操作し、同時に指針を回転操作して、計測室Ｍ内を通過した水道水の水量を表示する。

そのうえで、本実施形態に係る流量計では、図１に示すごとく、計測室Ｍに臨む羽根ボス２９の周面２９ａを流出側（上方側）に拡がるテーパー状に形成してある。より詳しくは、縦断面視で、羽根ボス２９の周面２９ａが直線状の上拡がりのテーパー状となるようにしている。当該羽根形態によれば、羽根車１０の回転効率の向上を図ることができるので、渦発生などによる回転効率の低下、エネルギー損失を抑えて、高流量域におけるマイナス誤差の低減を図ることができる。

すなわち、計測室Ｍに臨む羽根ボス２９の周面を上拡がりのテーパー状にしてあると、流出側（上方側）に係る羽根体３０の翼面積を、流入側（下方側）に係るそれよりも小さくできる。換言すれば、流入側（下方側）に係る翼面積を、従来同様に大きなものとしながら、流出側（上方側）に係る翼面積を小さくできる。このように、流入側（下方側）に係る翼面積を大きく確保してあると、当該流入側の羽根体３０により、入口２３から計測室Ｍ内に流れ込む流速の大きな水道水を直接的に受け止めることができるので、羽根車１０の回転効率を良好に確保できる。加えて、流出側（上方側）は運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される結果、流入側に比べ比較的高圧（比較的、圧力エネルギー主体領域）となっているため、この高圧部分（圧力勾配：ｄｐ／ｄｚ＞０）では渦発生が起こりやすいが、本実施例のごとく当該部位の羽根体３０の翼面積を小さくしてあると、渦の発生を抑えることができる。以上より、羽根車１０全体として高流領域における誤差をマイナス側からプラス側に移行することができるので、複箱型接線流羽根車式の流量計の計測精度の向上を図ることができる。

また、従来形態に係る羽根車は、ボス、回転翼体、軸受片を保持するための軸受ホルダー、磁石を保持するための磁石ホルダーなどの四点のプラスチック部品を基本部品として、これに軸受片と磁石とを組み付けてなるものであったのに対して、本実施形態に係る羽根車１０は、ボス２６および回転翼体２７の二点のプラスチック部品に、軸受片３６と磁石３２とを組み付けてなるものである。したがって、従来形態に比べて部品点数の削減化を図ることができるので、羽根車１０の製造コスト、さらには流量計の製造コストの削減に貢献できる。

（第２実施形態）
図６は本発明に係る羽根車式の流量計の第２実施形態を示す。そこでは、縦断面視で、羽根ボス２９の周面２９ａが曲線状（Ｒ状）の流出側（上方側）に拡がるテーパー状となるようにしている。それ以外については、先の第１実施形態と同様であるので、同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。

当該羽根形態によっても先の第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、羽根車１０の回転効率の向上を図ることができるので、渦発生などによる回転効率の低下、エネルギー損失を抑えて、高流量域におけるマイナス誤差の低減を図ることができる。

（第３実施形態）
図７に本発明に係る羽根車式の流量計の第３実施形態を示す。そこでは、各羽根体３０の側面に、渦発生用の凹凸部４０を設けてある点が着目される。ここでの凹凸部４０は、上がり斜面と下り斜面とが周方向に連続する横断平面視で鋸刃状を呈しており、入口２３からの水流を受ける側面の上端縁に、該側面に対して垂直方向に張り出し形成されている。

このように、羽根体３０の側面に凹凸部４０を設けたのは、以下の知見による。すなわち、もともと高流量域側は、流れの剥離による乱流渦発生に起因して、マイナス誤差が現出しやすい（この点については、第１実施形態で詳しく説明した）。この臨界点はレイノルズ数（Ｒｅ＝υｄ／ν）が２２００〜２３００程度、つまり、約0.１５ｍ³ ／ｍｉｎ以上の領域では乱領域となり、流れの剥離により渦が発生しマイナス誤差を生じる。それならば、0.１５ｍ³ ／ｍｉｎ以下の低流量域側でも、わざと渦を発生させ、プラス誤差を打ち消してやれば、全領域での誤差範囲が狭まり、フラットに近い計測結果を得ることができる。つまり、本実施形態のように、羽根体３０の側面に凹凸部４０を設けてあると、低流量域での剥離・渦発生を助長することができるので、その結果フラットに近い計測結果を得ることができる。これにて、低流量域におけるプラス誤差の低減を図ることができる。

図８および図９に、第３実施形態の別形態を示す。図８においては、各羽根体３０の両側面に、上下方向に長い凸部４１を張り出し形成してあり、これで渦発生用の凹凸部４０を形成してある。より詳しくは、各凸部４１は、該羽根体３０の上端縁から下端縁に至るほどの長さ寸法を有しており、各羽根体の両側面には、三本の凸部４１が周方向の等間隔位置に配設されている。

図９においては、各羽根体３０の上下壁面に、凸部４２を上下方向に張り出し形成して、これで渦発生用の凹凸部４０を形成してある。各凸部４２は、各羽根体の上下壁面の周方向の等間隔位置に配設してある。

第１実施形態に係る流量計の要部の縦断正面図流量計の縦断正面図流量計の下室構造を示す横断平面図流量計の上室構造を示す横断平面図羽根車の分解斜視図第２実施形態に係る流量計の要部の縦断正面図第３実施形態に係る流量計の羽根車の斜視図第３実施形態の変形例に示す羽根車の斜視図第３実施形態の変形例を示す羽根車の斜視図

符号の説明

１主ケース
２流入口
３流出口
５内ケース
６上ケース
１０羽根車
１７縦軸
２１下室
２２上室
２３入口
２５出口
２６ボス
２７回転翼体
２９羽根ボス
２９ａ羽根ボスの周面
３０羽根体
４０凹凸部
Ｍ計測室

Claims

流入口（２）と流出口（３）とを備える主ケース（１）と、主ケース（１）内に装填される有底筒状の内ケース（５）と、内ケース（５）の上部に装着される上ケース（６）とを備えており、
内ケース（５）の内底面と上ケース（６）の外底面とで区画される計測室（Ｍ）内に、水の通過流量を計測する羽根車（１０）が、内ケース（５）の内底面に突設された縦軸（１７）まわりに回転自在に支持されており、
主ケース（１）の内部が、流入口（２）に連なる下室（２１）と、流出口（３）に連なる上室（２２）とに内ケース（５）によって仕切られていて、該下室（２１）の周縁に開設された複数個の入口（２３）から羽根車（１０）に向けて水を噴射することにより、該羽根車（１０）を回転させて計測室（Ｍ）の通過水量を計測する複箱型接線流羽根車式の流量計であって、
羽根車（１０）は、縦軸（１７）に遊転自在に軸支される筒状の羽根ボス（２９）と、該羽根ボス（２９）の周面に放射状に張り出し形成された複数個の羽根体（３０）とを含み、
計測室（Ｍ）に臨む羽根ボス（２９）の周面（２９ａ）が、流出側に拡がるテーパー状に形成されており、
羽根体（３０）の表面に、渦発生用の凹凸部（４０）が設けられていることを特徴とする羽根車式の流量計。
羽根ボス（２９）の下端縁と上端縁とで規定される周面（２９ａ）の傾斜角度（θ）が、３〜５°の範囲に設定されている、請求項１記載の羽根車式の流量計。