JP5068194B2 - 流量計 - Google Patents

Description

本発明は、フローセンサと整流器とを併用して、被測定流体の流量の検出を行う流量計に関する。

流体を用いた各種のシステム装置では、流体の流量を検出して、所定のプロセス制御を進めることがある。このようなシステム装置における流量検出には、高い精度が求められるため、流量計には、温度や圧力などの影響を受けやすい体積流量を検出するのではなく、質量流量を検出する流量計が用いられる傾向にある。
こうした質量流量を検出する流量計には、簡便で、高精度な流量計測が行えるよう、特許文献１に開示されているような熱式フローセンサを用いた構造や特許文献３に開示されているような超音波式フローセンサを用いた構造など、各種方式の流量計がある。

熱式フローセンサを用いた流量計は、被測定流体が流通する流路の壁面に、該壁面を流れる被測定流体の流速を検出するマイクロフローセンサ（登録商標名）などといった微小な熱式フローセンサを設けて、熱式フローセンサの有る一点における被測定流体の流速を検出し、同流速から流路全体の流量を検出する流量計である。すなわち、同流量計は、熱式フローセンサ上を流れる流体がもたらす温度分布の変化から、熱式フローセンサの有る地点での質量流速（流速ｘ密度）を求め、この質量流速に流路の断面積を掛けて、流路断面の全体を相似形として、流路を流れる被測定流体の質量流量を検出する。

超音波式フローセンサを用いた流量計は、被測定流体の流れの上流側と下流側から超音波を交互に打ち込んで、超音波の伝播時間の差から被測定流体の流速を検出したり（時間差式）、超音波を流体のごみや気泡に当てて、反射波の周波数変化から流速を検出したり（ドップラ式）するなどの手法で、被測定流体の流速を検出する。そして、予め設定した密度を流速に乗じて、質量流速を求め、この質量流速に断面積を掛けて、流路断面の全体を相似形として、流路を流れる被測定流体の体積流量を検出する。

このような流速を検出するフローセンサを用いた流量計は、流路断面の全体の流れが相似形であることを前提として、検出地点（一点あるいは複数の点）の流速から流路の全体の流量を検出するために、どのような大きさの断面積の流路にも対応しやすい利点がある。反面、この流量計は、他の方式の流量計では問題とならないようなわずかな流れの乱れや上流の曲がり管や段差やバルブなどを発生源とした乱れ（旋回流や噴流）に影響されやすい。

そこで、こうした流量計の多くは、フローセンサの上流の流路に整流器用の収納部を形成し、この収納部内に、流速分布の偏りを矯正する整流器を設置し、整流器で被測定流体を整流して、再現性のある均一な流速分布を得ることが行われている。例えば、特許文献４に開示されているような超音波式フローセンサを用いた構造についても同様に、上述の再現性のある均一な流速分布を得ることが行われている。

ところで、この整流器は、所定位置からずれると、被測定流体の流れが、設定されている仕様に対して変化してしまう。このため、外部から加わる振動や衝撃などで、所定の固定位置からずれると、フローセンサからのセンサ出力の再現性が保てなくなり、質量流量の計測精度が悪化する。特に整流器は、例えばスペーサと金網とを交互に積層するなど多くの部材を組み合わせて構成されることが多く、部品公差のばらつきを要因としたがたつきが収納部の壁面との間で生じやすい。

そこで、整流器の固定には、従来、特許文献１や特許文献２でも開示されているようにＯリングやバネワッシャなどの弾性体で、収納部の片側の壁面へ整流器を押し付けながら固定する技術が用いられている。つまり、弾性体の弾性変形により、整流器と収納部間のがたを吸収して、振動や衝撃などで整流器が位置ずれするのを防いでいた。
特開平１１−１３２８１３号公報 特開２００４−９３１５９号公報 特開平１０− ９９１３号公報 特開２００１−２４１９７９号公報

ところが、同構造は、特許文献１や特許文献２に示されるように、流速を検出する検出位置から上流の流路に弾性体収納用の空間部を形成し、この空間部内に弾性体を収めて整流器を押し付ける構造である。このため、弾性体の整流器を押す反力が、流路の有る流量計本体に加わる。
これでは流量計本体には、この反力に耐えながら弾性体を支持する強度が求められる。しかも、この反力は、整流器の製品公差のばらつきにより、かなりばらつくので、流量計本体には、ばらつきを考慮した反力に耐える強度が必要となる。

このため、整流器を押し付ける構造を採用した流量計本体は、強度的な負担が過大で、反力に十分に耐えうる製品、具体的には金属製にするという負担が強いられていた。しかし、金属性の流量計本体は、成形に費やす工程が複雑になりやすいうえ、重量的な負担も強いられやすいという問題があり、改善が求められている。
そこで、本発明の目的は、流量計本体に過大な強度的な負担を強いずに、整流器の設置が行える流量計を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、流量計本体に設けられた入口と出口と、入口と出口を結ぶ流路が形成された流量計において、流量計本体に設けられ、流路を流れる被測定流体の流速を検出するフローセンサと、フローセンサで流速を検出する位置から上流の流路部分に形成された収納部と、収納部に収納され、フローセンサへ流れる被測定流体の流速分布の偏りを矯正する整流器と、収納部の下流側の流路の壁面のうち、フローセンサから周方向へずれてフローセンサから遠ざけた地点に、収納部のフローセンサ側の端となる流路の内面から当該流路内に突き出るように形成された複数のボス部と、ボス部に形成されたねじ穴と、整流器を貫通してボス部に形成したねじ穴へねじ込むことによって整流器を前記流量計本体に一体的に固定するねじ部材とを有することとした。
同構成により、整流器は、製品公差のばらつきがねじ込み深さで吸収されながら、流量計本体と一体的に固定されるから、流量計本体は、ねじ部材を支持する強度だけでよく、従来の弾性体を用いたときのような反力に耐える強度は必要せずにすむ。つまり、流量計本体は、過大な強度的負担が強いられずにすむ。

好ましくは、整流器を固定する構造をそのまま活用して、整流器の全体にくまなく被測定流体の流線が行き渡らせるよう、流路の入口には、流入孔を有する流入用部材が固定され、収納部は、流路の入口から、フローセンサで流速を検出する位置の上流の所定地点まで、流路の流路断面より大きな筒形の空間部を形成して、当該空間部の下流端を整流器が収まる部位とし、整流器は、入口側から前記空間部の下流端側へ貫通する通孔を有し、ボス部は、空間部の下流端をなす流路の壁面に形成され、ねじ部材は、入口側から通孔を通してねじ穴へねじ込むことによって収納部に収めた整流器を流量計本体と一体的に固定し、流入用部材が流路の入口に固定されると、整流器と流入用部材との間に、流入孔の流路断面および整流器の被測定流体が通過する通流部の直径より大きな流路断面を有する拡大した流路部分が形成されることとした。

この拡大した流路部分では、整流器へ進入する被測定流体は、周囲へ拡がる挙動を示すから、被測定流体の流線は、整流器の全体にくまなく行き渡る。
また好ましくは、流量計の成形性や軽量化などが図れるよう、流量計本体は合成樹脂部材で成形される合成樹脂製とした。

本発明によれば、整流器は、ねじ部材のねじ込みにより、製品公差のばらつきがねじ込み深さで吸収されながら、流量計本体に一体的に固定される。これにより、整流器は、外部から加わる振動や衝撃でも、位置ずれせずに固定できる。それ故、流量計本体は、ねじ部材を支持する強度だけで、従来の弾性体を用いたときのような弾性体の反力に耐える強度は不要となる。

したがって、整流器は、過大な強度的負担を流量計本体に強いずに設置できる。よって、流量計本体は、過大な強度が加わることを要因とした材質の制約は解放され、製作の自由度が増し、成形性に優れた部材や軽量化に優れた部材や安価な部材などを用いた成形が可能となり、流量計の低廉化や軽量化を図ることができる。

以下、本発明を図１〜図６に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は流量計の外観を示す斜視図、図２は同流量計の断面図、図３は同流量計の一部を分解した斜視図、図４は同分解した断面図をそれぞれ示している。
図１〜図４中１は流量計の本体（本願の流量計本体に相当）である。本体１は、合成樹脂製で、全体が射出成形などで所定の形状に成形されている。すなわち、この本体１は、図４に示されるようにほぼ筒形をなしていて、一端に入口２ａを有し、他端に出口２ｂを有し、中間に入・出口２ａ，２ｂをつなぐ直線状に延びるテーパ形の流路２（入口側が大）を有している。このうち入口２ａには、入側の配管部材３ａ（図１および図２中に二点鎖線で図示）と接続可能な流入用部材４が組み付く。流入用部材４には、流入口５を構成する口体部６を中央に配置し、その周りにフランジ部７を形成した部品が用いてある。同流入用部材４は、固定手段、例えば図１および図６に示されるようにねじ部材９でフランジ部７の外周部分を、入口２ａの周りに形成したボス部１ａにねじ止めする構造によって、入口２ａ端に固定してある。この固定により、入口２ａに、配管部材３ａからの流体を受け入れる流入口５を形成している。図３中の７ａはそのねじ部材９が挿入されるフランジ部７の貫通孔、１ｂはそのねじ部材９がねじ込まれるボス部１ａのねじ穴をそれぞれ示している。また出口２ｂには、出側の配管部材３ｂ（図２および図４中に二点鎖線で図示）と接続可能なフランジ形の口体部８が一体に形成されていて、配管部材３ａからの被測定流体、例えばガス流体が、入口２ａから流路２を通じ出口２ｂへ流れて、配管部材３ｂへ導かれるようにしてある。

本体１、例えば上部の出口２ｂ寄りの本体部分には、図１〜図４に示されるように扁平形の電装ボックス部１０が形成されている。この電装ボックス部１０の内部には、センサユニット１１が収められている。センサユニット１１は、例えば電装ボックス部１０の底面に設置した回路基板１２の下面に、フローセンサとして、例えばマイクロフローセンサ（登録商標）といった微小な半導体チップで形成された熱式フローセンサ１３を搭載し、回路基板１２の上面に、該センサ出力から熱式質量流速や質量流量を求めるのに必要な回路を構成する各種電子部品１４や、得られた測定信号を出力する端子台部１５などを搭載して構成される。このうち熱式フローセンサ１３の下面は、電装ボックス部１０と流路２間の壁部２ｃ（電装ボック部１０と流路２の壁を兼ねる）に形成されたセンサ露出用の開口１６から、流路２内に臨んでいる。つまり、熱式フローセンサ１３は、流路２の壁面に沿って設けてある。この熱式フローセンサ１３の流路２に臨む面には、図示はしないが流速検出部が設けられている。同流速検出部は、例えば中央にヒータ部を配置し、そのヒータ部を挟んだ流路２の上流側と下流側にそれぞれ温度センサ部を配置した構造となっていて、上・下流の温度センサ部で、熱式フローセンサ１３上をガス流体が流れるときのヒータ部周囲の温度分布の変化を検知して、熱式フローセンサ１３上を流れるガス流体の流速を検出する。そして、回路基板１２上の回路部１４にて、熱式フローセンサ１３の有る地点における質量流速（流速ｘ密度）を求め、さらにこの質量流速に、熱式フローセンサ１３を通る流路断面の断面積を掛ける演算処理を施すことにより、当該流路断面の全体を相似形として、流路２を流れる質量流量が検出されるようにしている。つまり、流路２の壁面の一点（あるいは複数の点）で流速を検出するだけで、流路２の全体の流量が検出される構造にしてある。

また図２〜図４に示されるように熱式フローセンサ１３の上流側の流路部分には、流路２の流路断面より大きな径寸法を有する整流器用の収納部２０（本願の収納部に相当）が形成されている。この収納部２０は、図４に詳しく示されるように本体１の入口２ａから、熱式フローセンサ１３で流速を検出する検出位置の近くの所定地点まで延びた、流路２の流路断面より大きな筒形の空間部２１で形成してある。この空間部２１に、流路断面の全体の流速を相似形にする重要な部品である整流器２２が収納されている。詳しくは空間部２１は、整流器２２の外径に基づいた径寸法をもち、下流端を整流器２２が収まる部位にしてある。また整流器２２は、例えば図３および図４に示されるように円形の金網２４と円環形のスペーサ２５とを流路２の流通方向に沿って交互に複数、重ね合わせてモジュール化してある（積層）。これにより、整流器２２は、入口２ａから空間部２１へ挿入することによって、空間部２１の下流端と重なり合うように配置される。

この整流器２２による整流作用、具体的には金網２４における気体流の微細化、金網２４間のスペースにおける拡散化の繰り返しにより、熱式フローセンサ１３へ向かうガス流体の流速分布の偏りが矯正される。この整流器２２により、流量計上流の曲がり管や段差やバルブなどを発生源とした乱れ（旋回流や噴流）や微小な渦は整流され、図２中の二点鎖線αで示されるような再現性のある均一な流速分布の気体流（熱式フローセンサ１３の流量に無関係系な出力変動を無視できる程度の、乱れの無い流れ）が、熱式フローセンサ１３へ導かれるようにしている。つまり、この整流器２２との併用により、熱式フローセンサ１３のセンサ出力から、高精度の質量流量（流量）が検出される。

整流器２２の固定には、本体１に過度な負担を強いないよう、図２〜図４に示されるようにタッピングスクリュなどねじ部材２７だけで、整流器２２を本体１に一体的に固定する固定構造が用いられている。図５や図６にも、このねじ部材２７だけによる整流器２２の固定構造が示されている。
この固定構造を説明すると、図３および図４中２９は、空間部２１の下流側の端をなす壁面２１ａに形成された、複数、例えば２個のねじ穴である。ねじ穴２９、２９は、所定の間隔、ここでは１８０度の地点にそれぞれ形成されている。本実施形態では、このねじ穴２９を形成するに際し、三角錐形のボス部３０を流路２の内面に形成して、ねじ穴２９を形成する箇所を確保している。このようなボス部３０を用いてねじ穴２９を形成する場合、流路２内に突き出るボス部３０の外形部分によって、整流した流れが乱れやすい。そのため、この場合、本実施形態のようにねじ穴２９は、熱式フローセンサ１３の有る地点からずらして形成して、熱式フローセンサ１３に影響を与えないようにすることが望ましい。本実施形態では、２個のねじ穴２９、２９は、いずれも熱式フローセンサ１３から最も遠ざかる、熱式フローセンサ１３の有る位置から９０度ずれた地点に形成して、熱式フローセンサ１３への影響を回避している。

また図３〜図６に示されるように整流器２２の各金網２４や各スペーサ２５には、ねじ穴２９，２９の位置に対応して、それぞれ２個の通孔３２，３２が形成されている。具体的にはスペーサ２５は、内周部の二点に、それぞれボス部３０端と重なり合う座面部２５ａ，２５ａが形成されている。通孔３２，３２は、これら座面部２５ａ，２５ａにそれぞれ形成してある。

これらの構造により、整流器２２は、図３および図４に示されるようにねじ部材２７を、入口２ａ側から、整流器２２の通孔３２を通し、空間部２１端に有るねじ穴２９へねじ込むことによって壁面２１ａと締結させ、本体１と一体的に固定させてある。
こうした固定構造により、整流器２２は、図５に示されるようにねじ部材２７だけで、製品公差のばらつきをねじ込み深さで吸収しながら、本体２と一体的に固定される。

これにより、整流器２２は、外部から加わる振動や衝撃に耐えるように固定、すなわち位置ずれしないよう強固に固定できる。つまり、ねじ部材２７のねじ止めだけで、再現性の有る均一な流速分布を確保することができる。そのため、本体１は、従来のような弾性体を用いたときのような反力に耐える強度は必要とせず、過大な強度的負担から解放される。

したがって、本体１は、ねじ部材２７を支持する強度だけでよいから、従来のような強度を確保するために金属部材の使用が強いられることはなくなり、成形性や重量の点やコストの点などを重点に考慮した成形部材で成形することが可能となる。特に本体１は、本実施形態のように合成樹脂部材で成形された合成樹脂製品にすると、射出成形により製造が可能になるので、成形しやすく、軽量化にも優れた製品になる。これにより、流量計の低廉化や軽量化を図ることができる。

しかも、ねじ部材２７のねじ込みだけで整流器２２を固定する構造は、本体１の制約を解放するだけでなく、ガス気体の流線を整流器２２の全体へくまなく行き渡らせることができる。
すなわち、図５のように整流器２２を固定した後、図６に示されるようにねじ部９で流入用部材４を入口２ａ端に固定するだけで、流入用部材４と整流器２２と間には、拡大した流路部分であるところの拡大部３５が形成される。この点を説明すると、整流器２２のガス流体が通る通流部２２ａの直径をＤ２（図４）とすると、整流器２２を収める空間部２１の直径Ｄ３（図４）はそれより大きい。また流入用部材４の流入口５の直径Ｄ１（図４）は、配管部材３ａの設定に依存して細く、通常、整流器２２の通流部２２ａの直径Ｄ２より、かなり小さい（Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係）。断面積の関係で見ても、流入口５の流路断面積＜整流器２２の通流部２２ａの断面積＜空間部２２の断面積となる。つまり、入口２ａ端に流入用部材４を固定すると、流入用部材４と整流器２２との間には、最も大きい径や断面積を有する空間部、すなわち拡大部３５が形成される。

拡大部３５が無いと、流入口５から流出するガス流体の流線は、そのまま直線的に整流器２２へ進入するために、整流器２２の通流部２２ａへ局所的でしか行き渡らない傾向にある。これに対し拡大部３５が有ると、図２中の矢印ａに示されるように流入口５から流出するガス流体の流線は、拡大部３５の通過する際、流速の低下から、直径方向へ拡がる挙動が与えられる。

これにより、ガス流体の流線は、整流器２２の通流部２２ａの全体にくまなく行き渡り、整流器２２において高い整流効果を発揮させることができる。このため、熱式フローセンサ１３は、一層、高精度な流量測定ができる。しかも、整流器２２を設置する構造は、そのまま流路２を拡大する構造、すなわち拡大部３５を形成する構造を兼ねるので、構造の面、コストの面などの負担が少なくてすみ、安価である。

なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば一実施形態では、熱式フローセンサを用いて流量を測定する流量計に本発明を適用したが、これに限らず、背景技術の欄で述べたような超音波の伝播時間の差から被測定流体の流速を検出する時間差式（例えば特開平１０−９９１３号公報など）や超音波を流体のごみや気泡に当てて、反射波の周波数変化から流速を検出するドップラ式などの超音波式フローセンサを用いて流量を測定する流量計にも本発明を適用してもよい。もちろん、流速を検出するフローセンサと整流器とを併用した流量計であれば、どのような方式の流量計にも本発明の整流器の固定構造を適用しても構わない。また一実施形態では、被測定流体としてガス流体を用いた例を挙げたが、これに限らず、被測定流体は、液体や液体と気体とが混合した混合流体などでもよく、どのような流体でもよい。

本発明の一実施形態に係る流量計の外観を示す斜視図。 図１中のＡ−Ａ線に沿う流量計全体の縦側断面図。 同流量計の整流器を組み込んだ部分を分解した分解斜視図。 図３中のＢ−Ｂ線に沿う流量計の断面図。 整流器を組み付けた状態を示す断面図。 同整流器の組み付けた後、流入用部材を組み付けたときを説明するための図。

符号の説明

１ 本体（流量計本体）
２ａ 入口
２ｂ 出口
２ 流路
４ 流入用部材
５ 流入口
１３ 熱式フローセンサ（フローセンサ）
２０ 整流器用収納部（収納部）
２１ 筒形の空間部
２２ 整流器
２７ ねじ部材
２９ ねじ穴
３２ 通孔
３５ 拡大部

Claims (3)

1. 流量計本体に設けられた入口と出口と、前記入口と出口を結ぶ流路が形成された流量計において、
   前記流量計本体に設けられ、前記流路を流れる被測定流体の流速を検出するフローセンサと、
   前記フローセンサで流速を検出する位置から上流の流路部分に形成された収納部と、
   前記収納部に収納され、前記フローセンサへ流れる被測定流体の流速分布の偏りを矯正する整流器と、
   前記収納部の下流側の前記流路の壁面のうち、前記フローセンサから周方向へずれて前記フローセンサから遠ざけた地点に、前記収納部の前記フローセンサ側の端となる前記流路の内面から当該流路内に突き出るように形成された複数のボス部と、
   前記ボス部に形成されたねじ穴と、
   前記整流器を貫通して前記ボス部に形成したねじ穴へねじ込むことによって前記整流器を前記流量計本体に一体的に固定するねじ部材と
   を有することを特徴とする流量計。
2. 前記流路の入口には、流入孔を有する流入用部材が固定され、
   前記収納部は、前記流路の入口から、前記フローセンサで流速を検出する位置の上流の所定地点まで、前記流路の流路断面より大きな筒形の空間部を形成して、当該空間部の下流端を前記整流器が収まる部位とし、
   前記整流器は、入口側から前記空間部の下流端側へ貫通する通孔を有し、
   前記ボス部は、前記空間部の下流端をなす前記流路の壁面に形成され、
   前記ねじ部材は、入口側から前記通孔を通して前記ねじ穴へねじ込むことによって前記収納部に収めた整流器を前記流量計本体と一体的に固定し、
   前記流入用部材が前記流路の入口に固定されると、前記整流器と前記流入用部材との間に、前記流入孔の流路断面および前記整流器の被測定流体が通過する通流部の直径より大きな流路断面を有する拡大した流路部分が形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
3. 前記流量計本体は、合成樹脂部材で成形されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流量計。

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