JP5043245B1 - 流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を損なわずに、微小流量変化や瞬間的な流量変動を正確に計測することができる流量センサを提供する。
【解決手段】流入口１５と流出口１６を有し、内部に流体を流通させる円形の計量室１１と、前記計量室の内部に軸支され、前記計量室の内部を流通する前記流体の圧力を羽根部に受けて回転する羽根車３０と、前記羽根車の回転による磁束変化の頻度を検知する検知部と、を備え、前記計量室内において、前記流入口と前記流出口の間に、前記計量室の内周面と前記羽根車の前記羽根部の先端の回転軌跡とで仮想される空間が前記流体の流路１８として形成され、前記流路内において、前記計量室の内周面が前記流入口及び前記流出口の内壁面よりも外側へ屈曲している。
【選択図】図３

Description

本発明は配管内を流れる被測定流体の流量を測定する流量センサに関する。詳しくは、流路内に設けた羽根車の回転数を計数して流量を求める羽根車流量センサに関する。

従来から、複数の羽根を有する羽根車を流量センサ本体の流路内に回転自在に収容し、流体の流れによって回転する羽根車の回転数を信号として出力し、被計測流体の流量を計測する羽根車流量センサが知られている。羽根車流量センサは、流入口から流出口に至る流路内を流れる被測定流体によって羽根車が回転させられ、羽根車に設けられたマグネットの磁束変化を流路の外側に設けた検出素子で検出して羽根車の回転数を検知している（特許文献１参照）。

羽根車の回転数は、流体の流量に比例し、羽根車の各羽根が検出素子の対向位置を通過する際に、検出素子は出力信号を出し、流量が多い場合にはその出力信号の間隔が小さく、流量が少ない場合には出力信号の間隔は大きくなる。従って、単位時間当りの出力信号回数によって流量が演算できる。

上記形式の流量センサは、羽根車が流路内に収容されていることから、流量センサ全体を小型化することができ、配管内での流量センサの占めるスペ−スが小さくなる利点があるが、微少流量での羽根車の回転力が小さく微少流量の計測精度が不十分であるという問題があった。

計測精度を高めるには、流量センサ本体内の流れと羽根車の回転とが正確に比例する必要があるが、流量が少ない場合は羽根車の羽根に流体の回転力を充分に作用させることができないという問題があった。又、羽根車の羽根端縁と本体壁面との間を通過し羽根車の回転に関与しない流れが存在し、この流量分が信号としては変換されないことがある。従って、実際の流量と検出素子によって検出される流量との間に誤差が生じ、この結果、流量センサとしての計測精度が低下する虞があった。

特開平８−６１９９９号公報

本発明は、上記事実に鑑みてなされたものであり、小型化を損なわずに、微小流量変化や瞬間的な流量変動を正確に計測することができる流量センサを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の流量センサは、
流入口と流出口を有し、内部に流体を流通させる円形の計量室と、
前記計量室の内部に軸支され、前記計量室の内部を流通する前記流体の圧力を羽根部に受けて回転する羽根車と、
前記羽根車の回転による磁束変化の頻度を検知する検知部と、を備え、
前記計量室内において、前記流入口と前記流出口の間に、前記計量室の内周面と前記羽根車の前記羽根部の先端の回転軌跡とで仮想される空間が前記流体の流路として形成され、
前記流路内において、前記計量室の内周面が前記流入口及び前記流出口の内壁面よりも外側へ屈曲し、
前記流入口と前記流出口が、前記計量室と、前記流入口の内壁面の一端が前記計量室の内周面と連接する点（Ａ）と前記計量室の中心（Ｏ）とを結ぶ線の前記計量室の中心（Ｏ）を通る第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と成す角度をθ１、前記流出口の内壁面の一端が前記計量室の内周面と連接する点（Ｂ）と前記計量室の中心（Ｏ）とを結ぶ線の前記第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と成す角度をθ２、前記計量室の内周面の直径をＤ１、前記羽根車の羽根部直径をＤ２、とするとき、前記流入口の軸心（ａ１）は前記計量室の中心（Ｏ）を通り前記第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と直交する第２の対称軸（Ｘ−Ｘ）と５度ないし１０度の角度をなし、前記流出口の軸心（ａ２）は前記第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と直交し、
５度≦（θ１−θ２）≦１０度、
Ｄ２／Ｄ１＜ＣＯＳθ１、
Ｄ２／Ｄ１＜ＣＯＳθ２、
の関係を満たして連接されている、
ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、最大の回転モーメントで羽根車を回転させることができる。更に、コアンダ効果によって、流体が流路の内周面に付着しながら流出口へと流出する為に、流路内で羽根車の回転抵抗が少なくなり、微少流量であっても、羽根車を確実に回転させることができる。その結果、微小流量変化や瞬間的な流量変動を正確に計測することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の流量センサにおいて、
前記計量室の内周面の直径Ｄ１と、前記羽根車の羽根部直径Ｄ２との比（Ｄ２／Ｄ１）が、０．８７≦Ｄ２／Ｄ１≦０．９３である、
ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、羽根車の計量室内での回転抵抗を最小にし、計測精度を高くすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の流量センサにおいて、
前記流入口の内径をｄ１としたときに、５≦Ｄ１／ｄ１である、
ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、微小流量の領域でも、羽根車の回転数を高くして、計測のための分解能を高くすることができる。

本発明によれば、小型化を損なわずに、微小流量変化や瞬間的な流量変動を正確に検出することができる流量センサを得ることができる。

本実施形態に係る流量センサの縦断面図である。 （ａ）は本実施形態に係る流量センサの平面視の断面図、（ｂ）は平面視の部分拡大断面図である。 本実施形態に係る流量センサを上方から平面視した本体の断面模式図である。 （ａ）は、本実施形態に係る流量センサの羽根車の磁性体側に視点を設けた斜視図、（ｂ）は、本実施形態に係る流量センサの羽根車のニードル部に視点を設けた斜視図である。 （ａ）は、本実施形態に係る流量センサの羽根車の磁性体側に視点を設けた平面図、（ｂ）は、本実施形態に係る流量センサの羽根車のＥ−Ｅ矢視の断面図である。 本実施形態に係る流量センサにおける流体の流れを説明するための部分断面模式図である。 本実施形態に係る流量センサにおける流体の流れを説明するための断面模式図である。 本実施形態に係る流量センサの回転立ち上がり時間と、計量室の内周面と羽根車との間隙との関係を説明するための図である。 本実施形態に係る流量センサの計量室内における流体の逆流を説明するための断面模式図である。 比較例１に係る流量センサの回転立ち上がり時間を説明するための図である。 本実施形態に係る流量センサの流入口の内径と検出素子で出力される出力パルス数との関係を示す図である。 本実施形態に係る流量センサにおける通水流量と検出素子で出力される出力パルス数及び羽根車の回転数との関係の一例を示す図である。 （ａ）は、比較例１に係る流量センサの計量室の断面模式図、（ｂ）は、比較例２に係る流量センサの計量室の断面模式図、（ｃ）は、比較例３に係る流量センサの計量室の断面模式図である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施形態の具体例を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
尚、以降の説明の理解を用意にするために、図面において、第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）方向をＹ方向、第２の対称軸（Ｘ−Ｘ）方向をＸ方向、上下方向をＺ方向とする。又、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

（１）流量センサの全体構成
図１は本実施形態に係る流量センサ１の縦断面図、図２（ａ）は平面視の断面図、図２（ｂ）は平面視の部分拡大断面図である。図１及び図２を参照しながら、流量センサ１の全体構成を説明する。
流量センサ１は一端が上方（Ｚ方向）に開口された本体１０と、本体１０の上方開口面を閉塞する蓋体２０とによって画成された計量室１１内に回転自在に保持された羽根車３０と、羽根車３０の回転を検知する検知基板４０と、を備えて構成されている。

図２（ａ）に示すように、本体１０は、上方（Ｚ方向）に開口された平面視円形の凹状の計量室１１を有している。計量室１１には、被計量流体の流入口１５と、被計量流体の流出口１６とが、計量室１１の内周面１７に開口して連接している。計量室１１内には、流入口１５と流出口１６との間に、計量室１１の内周面１７と、羽根車３０の羽根部３２の先端の回転軌跡１９で仮想される空間が流路１８として形成されている（図２（ｂ）参照）。

流入口１５は、流体の流れと直角方向の断面形状が円形で、被計量流体を流入可能に形成され、被計量流体を供給する供給管（不図示）と接続可能なボス部１５ｂと、供給管との係止部１５ｃを備えている。流出口１６は、同様に流体の流れと直角方向の断面形状が円形で、流入口１５から流入された被計量流体が流路１８を通過したのち流出可能に形成され、流出口１６から流出された被計量流体を流通させる排出管（不図示）と接続可能なボス部１６ｂと、排出管との係止部１６ｃとを備えている。
本実施形態に係る流量センサ１は、流入口１５と、計量室１１の内周面１７と、羽根車３０の羽根部３２の先端の回転軌跡１９と、流出口１６と、で流体の流量を計測するための流路１８が形成されている。

計量室１１の中心には、後述する羽根車３０のボス軸部３１の一端に設けられたニードル部３５を受けるスラスト軸受部１２が形成されている。計量室１１の上方には、計量室１１の内周面１７よりも更に外側に、Ｏリング５０の受け部となる環状凹部１３ａが形成されている。

蓋体２０は、一面において、上方（Ｚ方向）に開口され、周囲を壁面で囲まれた凹状の基板収納部２１を有している。又、他面側には、底面を有する円筒体２２を有し、その底面の中心に、羽根車３０の一面に設けられた凹部を軸支する突状のニードル部２３が形成されている。円筒体２２の略中央部（Ｚ方向）には、円形のフランジ部２２ａが形成され、本体１０の上端部内周面に形成された環状凹部１３ａとの間で、Ｏリング５０を挟持し、本体１０と蓋体２０とによって画成された計量室１１が密封されている。

検知基板４０は、一面に検出素子Ｓを備え、他の一面には検知基板４０と外部機器（不図示）とを接続するワイヤーハーネス４１が接続されている。検出素子Ｓとしては、ホールＩＣ等の磁気検出素子を用いることができる。検知基板４０は、検出素子Ｓを羽根車３０側に対向させ、ワイヤーハーネス４１を上方へ延在した状態で、蓋体２０の基板収納部２１内に、充填剤Ｊを用いて固定・封止されている。
充填剤Ｊとしては、特に限定されないが、エポキシ樹脂を、所定の硬化剤とともに用いることができる。例えば、主剤としてのエポキシ樹脂１００重量部に対して硬化剤１５重量部を混合し、６０°Ｃの温度で３時間保持することで、固化させることができる。

羽根車３０は、ボス軸部３１と、複数の羽根部３２と、磁性体３３と、からなる。ボス軸部３１は、羽根部３２の中心部の一端側に先端が円錐状に突出して形成されたニードル部３５と、羽根部３２の中心部の他端側にスラスト軸受部３８と、を有し、本体１０と蓋体２０によって画成された計量室１１内に回転自在に軸支される。
羽根車３０は、複数の羽根部３２の先端部の面が計量室１１の流路１８を流れる被計量流体からの圧力を受けることにより、回転するように形成されている。
羽根車３０は、ボス軸部上方端に、ボス軸部３１の中心と同心に円形の磁性体３３を備えている。

（２）本体の構成
（２．１）計量室の構成
図３ないし図５を参照しながら本体１０の構成について、以下具体的に説明する。
図３は、本実施形態に係る流量センサを上方（Ｚ方向）から平面視した本体１０の断面模式図である。本体１０に形成された計量室１１には、羽根車３０が回転自在に軸支されている。計量室１１の内周面１７には、流入口１５と、流出口１６と、が開口して連接されている。

本体１０には、流入口１５が、流入口１５の内壁面１５ａの一端と計量室１１の内周面１７とが交わる点Ａにおいて、第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と角度θ１をなし、かつ、第２の対称軸（Ｘ−Ｘ）と５度ないし１０度の角度で連接されている。流出口１６は、軸心ａ２が第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と直交し、かつ、流出口１６の内壁面１６ａの一端と計量室１１の内周面１７とが交わる点Ｂにおいて、第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と角度θ２をなし、流入口１５と流出口１６は、式（１）ないし（３）の関係を満たして連接されている。
５度≦（θ１−θ２）≦１０度・・・（１）
Ｄ２／Ｄ１＜ＣＯＳθ１・・・（２）
Ｄ２／Ｄ１＜ＣＯＳθ２・・・（３）
従って、計量室１１には、流入口１５と流出口１６との間に計量室の中心Ｏから角度（θ１＋θ２）の範囲（図３のＡ点からＢ点の範囲）で、計量室１１の内周面１７と、羽根車３０の羽根部３２の先端の回転軌跡１９で仮想される空間が、流路１８として形成されている。
又、流路１８の内周面（図３のＡ点からＢ点の範囲）１７は、流入口１５の内壁１５ａが連接されたＡ点から、流出口１６の内壁１６ａが連接されたＢ点の間の領域において、外側（Ｙ方向）に湾曲している。

（２．２）流入口・流出口の構成
流入口１５及び流出口１６は、流体の流れと直角方向の断面形状が円形で、被計量流体が流れる配管（不図示）の途中に接続されるために、それぞれ配管と接続可能なボス部を備えている。又、流路内は断面形状が一定であり、流入口１５及び流出口１６は同一内径に形成されている。流入口１５及び流出口１６は、その内径をｄ１、計量室１１の内周面１７の直径をＤ１としたときに、式（４）の関係を有して連接されている。
５≦Ｄ１／ｄ１・・・（４）

計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１に対して、流入口１５の内径ｄ１が大きすぎると、微小流量の領域で、流速が低くなり羽根車３０の回転数が少なくなる。その結果、検出素子Ｓで検出されるパルス数が減り、計測の分解能が低下しやすい。

（２．３）羽根車の構成
次に、本実施形態に係る羽根車３０について、図４及び図５を参照しながら具体的に説明する。図４（ａ）は、本実施形態に係る羽根車３０の磁性体３３側に視点を設けた斜視図である。図４（ｂ）は、本実施形態に係る羽根車３０のニードル部３５に視点を設けた斜視図である。図５（ａ）は、本実施形態に係る羽根車３０の磁性体３３側に視点を設けた平面図、図５（ｂ）は、本実施形態に係る羽根車３０のＥ−Ｅ矢視の断面図である。

羽根車３０は、ボス軸部３１と、複数の羽根部３２と、磁性体３３と、からなる。ボス軸部３１には、ニードル部３５と、磁性体３３が嵌入される平面視小判状の軸部３７が形成されている。軸部３７には、その中央部に凹状のスラスト軸受部３８が形成され、蓋体２０の下面に突状に形成されたニードル部２３を支持する。羽根車３０のニードル部３５は、先端部が円錐状に形成され、本体１０の底面中央部に形成された凹状のスラスト軸受部１２で軸支される。ボス軸部３１は、蓋体２０の下面に形成された突状のニードル部２３でスラスト軸受部３８が軸支され、本体１０の底面中央部に形成された凹状のスラスト軸受部１２でニードル部３５を軸支されることにより、計量室１１内で回転可能とされている。

複数の羽根部３２は、本実施形態においては、図５（ａ）に示すように、ボス軸部３１に対して、放射状に配置された６枚の羽根から構成され、各羽根の外側端の角部は、羽根車３０の回転下流側がＲ形状に形成されている。従って、羽根車３０の回転に伴う流体の抵抗を低減し、特に流体の微少流量域においても、羽根車の回転効率を向上させることができる。尚、各羽根の外側端の角部は、Ｃ面が形成されていても良い。

羽根車３０は、合成樹脂等を用いて射出成形で作成することができる。合成樹脂としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系の炭素繊維が充填されたポリアセタール（ＰＯＭ）が好適である。羽根車３０は、計量室１１の内部で、被計量流体の流れの圧力を受けて回転するために、流体内での摩擦摩耗特性に優れた材料で形成されることが必要である。
ポリアセタールの本来有する自己潤滑性は、例えば水中内では作用しなくなることがあるが、ＰＡＮ系の炭素繊維を適宜充填することで、炭素繊維が個体潤滑剤として作用し、羽根車の水中での摩擦摩耗特性を良好に維持することができる。

ボス軸部３１の上端側には、リング状の磁性体３３が固定されている。磁性体３３は、例えばフェライト磁性体を混入した合成樹脂で形成され、リングはＮ極及びＳ極に着磁された永久磁石となっている。磁性体３３は、ボス軸部３１の上端面に形成された小判状の軸部３７へ固定されている。固定方法は、特に限定されないが、ボス軸部３１及び羽根部３２が、上述したＰＡＮ系の炭素繊維が充填されたポリアセタール（ＰＯＭ）で形成されている場合は、例えば、熱カシメで固定することができる。

羽根車３０は本体１０の中央部に形成された計量室１１に、計量室１１の内周面１７と間隙Δを有して、回転自在に軸支されている。計量室１１の内周面１７の直径をＤ１、羽根車３０の羽根部３２の直径をＤ２、とした場合、計量室１１の内周面１７と、各羽根部３２の外側端との間隙Δは、Δ＝（Ｄ１−Ｄ２）／２で表され、羽根車３０の羽根部３２の直径Ｄ２と、計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１との比Ｒは、Ｒ＝Ｄ２／Ｄ１で表される（図７参照）。
本実施形態の流量センサ１においては、羽根車３０の羽根部３２の先端と、計量室１１の内周面１７との間に、（５）式の関係を有して流路が形成されているが、その作用については後述する。
０．８７≦Ｒ≦０．９３・・・（５）

（３）作用
本実施形態に係る流量センサ１は、接線流方式の流量センサである。接線流方式の流量センサにおいては、流入口１５から、計量室１１の内周面１７を経由して、流出口１６までの領域が流路１８となり、この領域が羽根車３０に回転力を付与する作用範囲となる。係る作用範囲が広ければ、微少流量であっても正確に計測できる。
又、流入口１５から噴出された流体が、羽根車３０の羽根部３２に当たる位置は、羽根部３２の先端側であるほど、羽根車の回転モーメントは大きくなる。
以下、本実施形態の流量センサ１の作用について説明するが、その前に比較例の流量センサの問題点について、図面を用いて説明する。尚、比較例の流量センサにおいて、本実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

（３．１）比較例の流量センサ
「比較例１」
図１３（ａ）は、比較例１の流量センサ１００の計量室１１０を上方（Ｚ方向）から平面視した断面模式図である。
図１３（ａ）に示すように、比較例１の流量センサ１００は、計量室１１０に、流入口１５０及び流出口１６０が連接され、計量室１１０の中心には、羽根車３０が回転自在に軸支されている。又、流入口１５０及び流出口１６０は、ともに計量室１１０の内周面１７０と、Ａ１点で接線状に連接されている点で、本実施形態に係る流量センサ１と異なっている。

比較例１の流量センサ１００においては、流入口１５０と、流出口１６０と、が計量室１１０の内周面１７０とＡ１点で接線状に連接されているために、流入口１５０から噴出された流体が、羽根車３０の羽根部３２の先端部に当たり、羽根車の回転モーメントは大きくなる。一方、流入口１５０から、計量室１１０の内周面１７０を経由して、流出口１６０までの流路範囲が狭く、羽根車３０に回転を付与する作用が弱くなる。

流入口１５０から計量室１１０へ噴出された流体は、羽根部３２の側面先端部に当たり、羽根車３０を反時計回りに回転させようとする（正流、図１３（ａ）のＦ１参照）。羽根部３２に流体の圧力を受けた羽根車３０は、計量室１１０内で反時計回りに回転し、流入口１５０から噴出された流体は、そのまま、計量室１１０に連接された流出口１６０へと向かう。この時点で、流入口１５０と流出口１６０は、ともに計量室１１０の内周面１７０と接線で連接されているために、流路が屈曲している場合に、流体が壁面に沿って付着しながら流れる、いわゆるコアンダ効果は発生しない。

又、流入口１５０と計量室１１０の内周面１７０とが連接したＣ点は、流入口１５０の内壁１５０ａが９０度を超えて、鋭角に屈曲しているために、コアンダ効果による流体の内周面１７０への付着は生じにくい。従って、流入口１５０から噴出された流体の一部は、Ｃ点から時計回りの方向において、内周面１７０には付着しない状態で、羽根車３０を時計回りに逆転させようとする流れ（逆流、図１３（ａ）のＦＲ参照）になる。

従って、流量センサ１００の計量室１１０内には、羽根車３０を反時計回りに回転させようとする正流（Ｆ１）と、Ｃ点から時計回りの方向の内周面１７０において、羽根車３０を時計回りに逆転させようとする逆流（ＦＲ）が混在した状態になる。その結果、流入口１５０から噴出される流体と、検出素子Ｓによって検出される流量との間に誤差が生じ、流量センサとしての計測精度が低下する要因となる。

「比較例２」
図１３（ｂ）に示す比較例２に係る流量センサ２００は、流入口１５０と、流出口１６０と、を第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）の下方寄り（中心Ｏ側）に配置した点で、比較例１に係る流量センサ１００と異なる。比較例２の流量センサ２００においては、比較例１に係る流量センサ１００に比較して、流路範囲は広くなるが、流入口１５０から噴出された流体が、羽根車３０の羽根部３２のボス軸部３１側へ当たり、羽根車３０の回転モーメントは小さくなる。

「比較例３」
図１３（ｃ）に示す比較例３に係る流量センサ３００は、流入口１５０及び流出口１６０がそれぞれ第２の対称軸（Ｘ−Ｘ）に対して角度をなして連接されている。従って、一定の流路範囲を確保しながら、流入口１５０から噴出された流体を、羽根車３０の羽根部３２の先端部に当て、羽根車の回転モーメントも大きくすることができる。

一方、Ｂ点において、計量室１１０の内周面１７０から、流出口１６０の内壁１６０ａへの流路の屈曲が少なくなり、コアンダ効果が発生しにくくなる。その結果、内周面１７０に沿って流れる流体は、流出口１６０の内壁１６０ａに付着した流れになりにくい。従って、流体の一部は、流出口１６０から排出されにくく、計量室１１０の内周面１７０に沿って流動する（図１３（ｃ）のＦ６参照）。
又、流入口１５０及び流出口１６０がともに第２の対称軸（Ｘ−Ｘ）に対して角度をなして連接されているため、配管に接続されて使用される場合に、配管の屈曲が大きくなる。そのため、流入口１５０及び流出口１６０のそれぞれのボス部と、配管との係止部には方向変換のための接続部材が必要になり、信頼性を低下させ、かつコスト上昇する場合がある。又、配管と流量センサ３００との間に、より多くのスペースを必要とする。

（３・２）本実施形態の流量センサ
図６は、本実施形態に係る流量センサ１をＺ方向から平面視した部分断面模式図である。図６中の矢印Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５は、流入口１５から計量室１１へ噴出した流体の流れを説明するものである。

本実施形態に係る流量センサ１の計量室１１は、流入口１５が、第２の対称軸（Ｘ−Ｘ）と５度ないし１０度の角度をなして連接されている。又、流入口１５は、計量室１１及び羽根車３０の羽根部３２に対して、その内壁面１５ａの延長線が、常に羽根車３０の羽根部３２の先端と計量室１１の内周面１７とで仮想される流路１８内に連接されている。
従って、流入口１５から流路１８へ噴出された流体は、羽根部３２の側面先端部に当たり、最大の回転モーメントで羽根車３０を反時計回りに回転させようとする（図４、図７参照）。羽根部３２に流体の圧力を受けた羽根車３０は、計量室１１内で反時計回りに回転し、流入口１５から噴出された流体は、流路１８内において、内周面１７に沿って、流路１８に連接された流出口１６へと向かう（図６のＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５参照）。

流入口１５の内壁面１５ａの一端は計量室１１の内周面１７の一端（図６のＡ点参照）で連接され、流出口１６の内壁面１６ａの一端は計量室１１の内周面１７の一端（図６のＢ点参照）で連接され、羽根車３０に回転力を付与する作用範囲が広く形成されている。
流体の流路１８は、Ａ点で外側（Ｙ方向）に屈曲しているため、流出口１５から計量室１１内に流入した流体にはコアンダ効果が発生し、流体は流路１８内において、内周面１７に付着した流れになる（図６のＦ１、Ｆ２、Ｆ３参照）。
一旦、流路１８の内周面１７に付着した流れが発生すると、この領域の圧力は低くなる。従って、内周面１７の境界における流体の流速は速くなり、微少流量であっても、羽根車３０を反時計回りに確実に回転させることができる。

また、流路１８内において、内周面１７に付着した流れになった流体は、Ｂ点において、流路１８に連接された流出口１６へと向かう（図６のＦ３、Ｆ４、Ｆ５参照）。
流出口１６は、Ｂ点において、第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と直交（第２の対称軸（Ｘ−Ｘ）と平行）して連接されている。そのため、流路１８は、Ｂ点において、流出口１６の内壁１６ａへ屈曲して連接されることになり、内周面１７に沿って流れる流体は、コアンダ効果によって、流出口１６の内面１６ａに付着した流れになる（図６のＦ４、Ｆ５参照）。従って、流体は、流出口１６から排出されやすくなる。

一方、比較例の流量センサ１００と同様に、Ｃ点から時計回りの方向の領域における内周面１７においては、流入口１５の内壁面が９０度を超えて、鋭角に屈曲しているために、コアンダ効果による流体の内周面１７への付着は生じにくく、内周面１７には付着しない状態で、羽根車３０を時計回りに、すなわち、逆転させる流れ（逆流、ＦＲ）が発生する。

図７に示すように、Ｃ点から時計回りの方向の領域における逆流（ＦＲ）は、羽根車３０の羽根部３２の先端と、計量室１１の内周面１７との間隙△が流路となって流れる。間隙△が大きい場合には、この逆流（ＦＲ）が多くなるため、羽根車３０の回転抵抗が大きくなる。又、間隙△が小さい場合には、逆流（ＦＲ）の流量は少ないが、内周面１７での壁面抵抗が大きくなり、羽根車３０の回転抵抗が大きくなる。
羽根車３０の回転抵抗は、計量室１１へ流体を流入させ場合に羽根車３０が定常回転に達するまでの時間（以下、回転立ち上がり時間と記す）Ｔ１に比例する。すなわち、羽根車３０の回転抵抗が低い場合は、回転立ち上がり時間Ｔ１が短くなる。

本実施形態に係る流量センサ１においては、計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１と、羽根車３０の羽根部直径Ｄ２との比Ｒを０．８７≦Ｒ≦０．９３とすることで、羽根車３０の回転抵抗を最小にしている。以下、実施例として具体的に説明する。

「実施例１」
本実施形態に係る流量センサ１の計量室１１の内周面１７と、各羽根部３２の外側端との間隙Δを変化させて、流体を、流入口１５から計量室１１に、微小流量領域に相当する１００ｍｌ/分の流量で流入させた場合の、羽根車３０の回転立ち上がり時間Ｔ１を計測した。具体的には、計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１をＤ１＝１３．２ｍｍとし、羽根車３０の羽根部直径Ｄ２を、それぞれ、Ｄ２＝１１．０ｍｍ、１１．６ｍｍ、１２．２ｍｍ、１２．６ｍｍと変化させ、それぞれの回転立ち上がり時間Ｔ１を計測した。

図８に示すように、回転立ち上がり時間Ｔ１は、計量室の内周面１７と、各羽根部３２の外側端との間隙Δ、あるいは、計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１と、羽根車３０の羽根部直径Ｄ２との比Ｒとに依存した。具体的には、間隙△＝０．８ｍｍ（Ｒ＝０．８７９）の場合が、Ｔ１＝０．２７５１秒と最も短く（図８（ａ））羽根車３０の回転抵抗が小さく、間隙△＝１．１ｍｍ（Ｒ＝０．８３３）の場合が、Ｔ１＝０．３７０７秒と最も長く羽根車３０の回転抵抗が大きくなった（図８（ｂ））。
尚、間隙△＝０．３ｍｍ（Ｒ＝０．９５５）の場合は、Ｔ１＝０．２８４１１秒（図８（ｃ））、間隙△＝０．５ｍｍ（Ｒ＝０．９２４）の場合が、Ｔ１＝０．２８２４秒（図８（ｄ））と、いずれも、間隙△＝０．８ｍｍ（Ｒ＝０．８７９）の場合よりやや長くなった。

図９には、同様に、計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１をＤ１＝１３．２ｍｍとし、羽根車３０の羽根部直径Ｄ２を、それぞれ、Ｄ２＝１１．０ｍｍ、１１．６ｍｍ、１２．２ｍｍ、１２．６ｍｍと変化させたときの、計量室１１の内周面１７と、羽根車３０の羽根部３２の先端との流路における、逆流（ＦＲ）の状態を解析した結果を模式的に示す。

間隙△＝１．１ｍｍ（Ｒ＝０．８３３）の場合は、Ｃ点から時計回りの方向の領域において、逆流（ＦＲ）が多く、羽根車３０の回転抵抗が大きくなっている（図９（ａ）参照）。すなわち、内周面１７においては、流入口１５の内壁面が９０度を超えて、鋭角に屈曲しているために、コアンダ効果による流体の内周面１７への付着は生じにくく、内周面１７には付着しない状態で逆流しやすいが、間隙Δが大きい場合は、この逆流（ＦＲ）が多くなるため、羽根車３０の回転抵抗が大きく、回転立ち上がり時間Ｔ１が長くなると推察される。

一方、間隙△＝０．３ｍｍ（Ｒ＝０．９５５）の場合は、計量室１１の内周面１７と、羽根車３０の羽根部３２の先端との流路が狭く、逆量（ＦＲ）は少なくても、内周面１７での壁面抵抗が大きくなり、回転立ち上がり時間Ｔ１がやや長くなると推察される（図９（ｂ）参照）。
間隙△＝０．８ｍｍ（Ｒ＝０．８７９）、及び間隙△＝０．５ｍｍ（Ｒ＝０．９２４）の場合はＣ点から時計回りの方向の領域において、逆流（ＦＲ）が少なく、羽根車３０の回転抵抗が小さくなっている（図９（ｃ）、（ｄ）参照）。すなわち、計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１と、羽根車３０の羽根部直径Ｄ２との比Ｒを０．８７ないし０．９３とすることで、羽根車３０の回転抵抗を小さくし、微小流量変化や瞬間的な流量変動を正確に計測することができた。

「実施例２」
次に、計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１と、羽根車３０の羽根部直径Ｄ２との比Ｒを０．８７９（間隙△＝０．８ｍｍ）とし、計量室１１への流入口１５の連接角度を変化させて、回転立ち上がり時間Ｔ１を計測した。

比較例１として、流入口１５０が、計量室１１０の一端で内周面１７０と接線として連接されている場合は、羽根車３０の回転立ち上がり時間Ｔ１が、Ｔ１＝０．４１０４秒（図１０参照）であり、本実施例による羽根車３０の回転立ち上がり時間Ｔ１＝０．２７５１（図８（ａ）参照）秒より長くなった。
比較例１の場合は、流入口１５０から流入した流体は、羽根部３２に略垂直に当たり羽根車３０が回転するが、流入口１５０から流出口１６０の領域において、コアンダ効果は発生しない。
一方、本実施例に係る流量センサ１の計量室１１の構成によれば、コアンダ効果により、流入口１５から計量室１１内に流入した流体は、流路１８の内周面１７に付着しながら進行し、流出口１６へと流出する為に、この領域の圧力は低くなる。従って、内周面１７の境界における流体の流速は速くなり、羽根車３０の回転抵抗を少なくし、微小流量変化や瞬間的な流量変動を正確に計測することができた。

本実施形態に係る流量センサ１の流入口１５及び流出口１６は、計量室１１との、流体の流れと直角方向の断面形状が円形で、その内径をｄ１、計量室１１の内周面１７の直径をＤ１としたときに、５≦Ｄ１／ｄ１の関係を有して連接されている。
計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１に対して、流入口１５の内径ｄ１が大きすぎると、微小流量の領域で、流速が低くなり羽根車３０の回転数が少なくなる。その結果、検出素子Ｓで検出されるパルス数が減り、計測の分解能が低下しやすい。以下、実施例として具体的に説明する。

「実施例３」
流量をＱ（ｍｌ／分）、１パルス当たりの流量をＭ（ｍｌ／分）、単位時間当たりの出力パルス数をＰ（Ｈｚ）としたときに、流量は次の（６）式で表される。
Ｑ＝Ｍ×Ｐ・・・（６）
計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１に対して、流入口１５の内径ｄ１が大きすぎる場合、微小流量の領域で、流速が低くなり羽根車３０の回転数が少なくなる。その結果、検出素子Ｓで検出される出力パルス数が減り、計測の分解能が低下する。
流量が少なくなり、単位時間当たりの出力パルス数が少ない場合、具体的には出力パルス数Ｐが１Ｈｚないし２Ｈｚと小さい場合は、微少な流量があるにもかかわらず、流量が０（ｍｌ／分）と誤判断されることがある（図１１参照）。微少流量の領域での計測精度を向上させるために、演算処理において出力パルス数Ｐを平均化処理し、平均化の回数を上げた場合は処理時間がかかり応答性が低下する。又、一定の流量であっても、計数される出力パルス数Ｐには、標準偏差として０．２Ｈｚ程度のバラツキは避けられず、微少流量領域においては、出力パルス数Ｐは３Ｈｚ以上あることが望ましい（図１１参照）。

本実施形態に係る流量センサ１の流入口１５の内径ｄ１を変化させて、流体を、流入口１５から計量室１１に、微小流量領域に相当する１００ｍｌ/分の流量で流入させた場合の噴出される流体の流速と、羽根車３０の回転に応じて出力される出力パルス数を計測した。具体的には、計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１をＤ１＝１３．２ｍｍとし、流入口１５の内径ｄ１を、それぞれ、ｄ１＝２．３ｍｍ、２．４ｍｍ、２．５ｍｍ、２．６ｍｍ、２．７ｍｍと変化させ、それぞれの噴出される流体の流速と、羽根車３０の回転に応じて出力される出力パルス数を計測し、その結果を図１１に示す。

本実施例においては、ｄ１＝２．７ｍｍの場合、流速は２９２ｍｍ／秒と低くなり、平均出力パルス数Ｐは３．８Ｈｚであったが、バラツキを考慮しても３．２Ｈｚの出力パルス数Ｐが得られる。ｄ１＝２．６ｍｍの場合、流速は３１５ｍｍ／秒、出力パルス数Ｐは４．０Ｈｚ、バラツキを考慮した出力パルス数Ｐは３．４Ｈｚであった。ｄ１＝２．５ｍｍの場合は、流速は３４１ｍｍ／秒、出力パルス数Ｐは４．０８Ｈｚ、ｄ１＝２．４ｍｍの場合、流速は３７０ｍｍ／秒、出力パルス数Ｐは４．３Ｈｚであり、微小流量の領域でバラツキを考慮しても、高い分解能が得られた。特に、始動流量が４０（ｍｌ／分）と、極めて微少流量の領域から、流体の流れを検知することができた。

一方、ｄ１＝２．３ｍｍの場合、流速は４０４ｍｍ／秒と速くなり、出力パルス数Ｐも４．５Ｈｚであり、高い分解能が得られたが、流入口１５の内径ｄ１が小さすぎると、壁面抵抗による圧力損失が大きく、かつ、流量が多い領域では、流速が速くなり、羽根車３０の回転が必要以上に高くなる。その結果、羽根車軸の摩耗が大きくなり、流量センサの計測寿命に悪影響を及ぼす。
すなわち、流入口１５の内径ｄ１と、計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１を、５≦Ｄ１／ｄ１を満たして形成することによって、微少流量であっても、応答性を維持しながら高い分解能を得ることができた。

（４）効果
図１２に本実施形態に係る流量センサ１の出力性能の一例を計測流量（ｍｌ／分）と出力パルス数（Ｈｚ）及び羽根車３０の回転数（ｒｐｍ）との関係として示す。この出力性能から、微少流量域である１００（ｍｌ／分）から流量の多い６００（ｍｌ／分）の領域まで安定した出力パルス数が得られた。
本実施形態に係る流量センサ１は、計量室１１の内周面１７と、羽根車３０の羽根部３２の先端の回転軌跡で仮想される空間が、流路１８として形成されている。流路１８の内周面１７は、流入口１５の内壁１５ａが連接されたＡ点から、流出口１６の内壁１６ａが連接されたＢ点の間の領域において、外側（Ｙ方向）に湾曲している。
又、流入口１５は、第２の対称軸（Ｘ−Ｘ）と５度ないし１０度の角度で連接され、流出口１６は、軸心ａ２が第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と直交（第２の対称軸（Ｘ−Ｘ）と平行）して連接されている。その為、流入口１５と流出口１６とを略直線状に配置しながら、流入口１５から、計量室１１の内周面１７を経由して、流出口１６までの流路を広く形成することができる。
従って、流入口１５から流路１８へ噴出された流体は、羽根部３２の側面先端部３２ａに当たり、最大の回転モーメントで羽根車３０を回転させることができる。更に、コアンダ効果によって、流路１８の内周面１７に付着しながら進行し、流出口１６へと流出する為に、この領域の圧力は低くなる。その結果、内周面１７の境界における流体の流速は速くなり、微少流量であっても、羽根車３０に確実に回転させることができる。

又、計量室１１の内周面１７の直径Ｄ１と、羽根車３０の羽根部直径Ｄ２との比Ｒを０．８７≦Ｒ≦０．９３として、計量室１１の内周面１７と、羽根部３２の外側端とに間隙を形成している。その結果、羽根車３０の回転抵抗を少なくし、微小流量変化や瞬間的な流量変動を正確に計測することができる。

流路内は断面形状が一定であり、流入口１５及び流出口１６は同一内径に形成されている。その内径をｄ１、計量室１１の内周面１７の直径をＤ１としたときに、５≦Ｄ１／ｄ１の関係を有している。
その結果、微小流量の領域でも、羽根車３０の回転数を高くして、計測のための分解能を高くすることができる。

複数の羽根部３２は、ボス軸部３１に対して、放射状に配置された６枚の羽根から構成され、各羽根の外側端の角部は、羽根車３０の回転下流側がＲ形状に形成されている。従って、羽根車３０の回転に伴う流体の抵抗を低減し、特に流体の微少流量域においても、羽根車の回転効率を向上させることができる。

羽根車３０は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系の炭素繊維が充填されたポリアセタール（ＰＯＭ）を用いて射出成形で作成されている。従って、炭素繊維が個体潤滑剤として作用し、羽根車３０の流体中での摩擦摩耗特性を良好に維持することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、検出素子Ｓの一例として、ホールＩＣ等の磁気検出素子を、羽根車３０には、フェライト磁性体を混入した合成樹脂で形成されたリング状の磁性体３３を例に挙げて説明したが、この組み合わせによる検出方法を備えた流量センサ１に限定されるものではない。例えば、羽根車３０に、複数の切欠き部が形成された遮光版を設け、検出素子Ｓとしてフォトインタラプタを用いて構成された流量センサとしてもよい。

産業上の利用分野

本発明の対象の流量センサは、シャワートイレ、浄水器、瞬間湯沸器等の流量検出用に広く用いることができる。

１、１００、２００、３００・・・流量センサ
１０・・・本体
１１、１１０・・・計量室
１２・・・スラスト軸受部（本体）
１５、１５０・・・流入口
１６、１６０・・・流出口
１７、１７０・・・内周面
１８・・・流路
２０・・・蓋体
２１・・・基板収納部
２２・・・円筒体
２３・・・ニードル部（蓋体）
３０・・・羽根車
３１・・・ボス軸部
３２・・・羽根部
３３・・・磁性体
３５・・・ニードル部（羽根車）
３８・・・スラスト軸受部（羽根車）
４０・・・検知基板
５０・・・Ｏリング
Ｓ・・・検出素子

Claims (3)

1. 流入口と流出口を有し、内部に流体を流通させる円形の計量室と、
   前記計量室の内部に軸支され、前記計量室の内部を流通する前記流体の圧力を羽根部に受けて回転する羽根車と、
   前記羽根車の回転による磁束変化の頻度を検知する検知部と、を備え、
   前記計量室内において、前記流入口と前記流出口の間に、前記計量室の内周面と前記羽根車の前記羽根部の先端の回転軌跡とで仮想される空間が前記流体の流路として形成され、
   前記流路内において、前記計量室の内周面が前記流入口及び前記流出口の内壁面よりも外側へ屈曲し、
   前記流入口と前記流出口が、前記計量室と、前記流入口の内壁面の一端が前記計量室の内周面と連接する点（Ａ）と前記計量室の中心（Ｏ）とを結ぶ線の前記計量室の中心（Ｏ）を通る第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と成す角度をθ１、前記流出口の内壁面の一端が前記計量室の内周面と連接する点（Ｂ）と前記計量室の中心（Ｏ）とを結ぶ線の前記第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と成す角度をθ２、前記計量室の内周面の直径をＤ１、前記羽根車の羽根部直径をＤ２、とするとき、前記流入口の軸心（ａ１）は前記計量室の中心（Ｏ）を通り前記第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と直交する第２の対称軸（Ｘ−Ｘ）と５度ないし１０度の角度をなし、前記流出口の軸心（ａ２）は前記第１の対称軸（Ｙ−Ｙ）と直交し、
   ５度≦（θ１−θ２）≦１０度、
   Ｄ２／Ｄ１＜ＣＯＳθ１、
   Ｄ２／Ｄ１＜ＣＯＳθ２、
   の関係を満たして連接されている、
   ことを特徴とする流量センサ。
2. 前記計量室の内周面の直径Ｄ１と、前記羽根車の羽根部直径Ｄ２との比（Ｄ２／Ｄ１）が、０．８７≦Ｄ２／Ｄ１≦０．９３である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
3. 前記流入口の内径をｄ１としたときに、５≦Ｄ１／ｄ１である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流量センサ。
   

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