JP5344912B2 - 磁気式流量制御装置および磁気式流量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、少流量の水の測定を可能にするために、特に、水量メーターと共に使用される、一般的に、特に流量制御装置に至る、少流量の測定を可能にする装置及び方法に関する。

システムにおいて様々なユーザーによる水使用量を測定するために、各ユーザーには、給水配管に水量メーターが供給されており、該メータは、メーターを通過する水の量を測定しかつ記録するものである。その測定量は、自らの使用量を追跡するためにユーザーが、ならびに、請求書作成を目的として、町など、各地給水業者が利用することができる。

多くの建物においては、メーターで測定するには少なすぎる低容量での水漏れおよび他の水の需要がある。しかしながら、これらの流れは一日中続くことから、測定されない使用量は、その建物に供給される水全体の最大１５％までに達する可能性がある。これまで、この問題は、より高いクラスの計量システム、即ち、クラスＢからクラスＣ、または、クラスＤさえも用いることによって処理されている。各測定クラスには、長所と短所がある。クラスＡから高い方のクラスに移ると、低流量を測定するメーターの能力が劇的に向上する。しかしながら、メーターの機能の信頼性は、システム利用経費と同様に、クラスが高くなる毎に問題となる。

この問題に対応する別の方法は、より小さい直径のメーターを使用する、即ち、３／４インチから１／２インチに小さくすることである。このようにすると、直径が小さくなるほど、メーターが故障することなく長時間機能する公称容積値が低くなることから、低流量を測定する能力が増す。この方法の欠点は、特定の流量での水量メーター全体にわたる圧力降下が直径に反比例して大きくなるという点である。したがって、パイプの直径が小さくなると、メーター全体にわたって許容できない圧力降下が発生する可能性がある。さらに、パイプの直径を小さくし、その結果、圧力が下がると、結果的に、水圧の損失が消費者にもたらされる可能性がある。この圧力損失を防止するため、供給圧が高くなるほど、大きなパイプが必要とされる。これは、インフラ経費の大幅な増加およびメーター全体にわたる圧力損失に起因するネルギーの浪費を意味する。したがって、これらの方法では、測定されない水流量の問題が多少軽減されると考えられるが、満足な解決策とはならないと共に、更に、諸問題が発生する。

多射式、単射式、容積式、油圧振幅メーターなど、幾つかの異なる種類の水量メーターが今日使用されている。各メーターの流量および容積の測定範囲は、以下のパラメータによって定義されており、図１に示す。図１は、従来の水量メーターの流量Ｑの百分率の測定誤差を示すグラフである。Ｑ_{ｓｔａｒｔ}は、メーターがメーター自身を通って流れる容積に応答し始める時点での流量である。測定誤差は、１０％台である可能性がある。図示したように、０と、全く測定することができないときに水量メーターが停止するＱ_{ｓｔａｒｔ}との間には範囲がある。最小流量Ｑ_ｍｉｎから、より高い流量Ｑｔ（Ｑ_{ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ}）まで、約±５％の誤差が容認可能である。Ｑｔ（Ｑ_{ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ}）では、測定の容認可能な百分率の誤差は、±２％の誤差を上回ることはできない。図示したように、ＱｔからＱ_ｍａｘ（１気圧未満の圧力降下を伴うメーターを通る可能な最大流量）まで、測定は、±２％未満の誤差という最適範囲にある。図示したように、このようなメーターにおいては、結果的に緩やかな小容量流量となる緩やかな漏れＱ_ｌｅａｋは、Ｑ_{ｓｔａｒｔ}またはＱ_ｍｉｎよりも低い可能性があり、水量メーターではまったく検出不可能となるであろう。

従来のメーターは、広範囲の流量にわたって測定するように設計されたものである。しかしながら、これは、範囲の高端部と低端部での測定は、仮に測定されたとしても、測定は極めて不正確であることを意味する。特定の流量にわたってより正確な測定結果が得られるように、複合メーターが開発された。複合水量メーターは、多量の水流を判断する給水主管に結合することができる主メーターと、少量の水流を判断するバイパス導管内に配置される補助メーターを含む。これらの装置は、一般的に、製造および保守の経費が非常に高い。

測定されない量の流体がメーターを通過するのを抑止する機械式装置が、Ｍｅｉｎｅｋｅの英国特許第２０８３号公報で説明されている。この特許には、可変抵抗が間に置かれた主管と引込み管とを有するメーターについて記載されている。該装置は、転動式ウエイトによって加重されるスロット付きレバーによって作用される、主管と引込み管との間の弁を含む。ウエイトが外方の位置にあるとき、流体の通過に対する抵抗が大きいが、引込み管において流体圧力が下がるにつれて、ウエイトがスロットの他端に摺動するように弁とレバーが上昇すると、抵抗が小さくなり、その結果、弁の即時開放が可能となる。

永久磁石と、磁場によって引き付けられる可動式ポペット弁とを使用する種々の公知の弁がある。一般的に、ポペット弁は、円形であり、ポペット弁を弁座から移動させて弁を開くのに十分な圧力が生じるまで弁座内の磁石によって保持される。このような弁の機構の一つは、欧州特許公開第９２５４６５号公報で示されると共に説明されている。この出願では、弁機構の開口部内にくさび形の大きさとされた少なくとも一つの円形の横断面積を有する封止体を有する圧力開磁気閉式流体用弁機構が説明されている。

このような装置の別の実施例は、Ｍｏｒｒｉｓ等の米国特許第５，３２０，１３６号公報で示されている。この特許では、弁体と、弁体内に配置された可動式ポペット弁と、磁石とを有する磁気式作動逆止め弁が記載されている。ポペット弁に作用する液圧が最小閾値を下回ったとき、該ポペット弁が磁石に引き付けられて、管が閉鎖される。緩やかな流量の液体が続く場合、液体は、回収液体の圧力が磁力を超えて開位置にポペット弁が移動するまでポペット弁で集められ保持される。該ポペット弁及び磁石は、磁気的に引き付けられた微粒子を捕捉して、微粒子が弁座領域まで流れるのを防止するように構成される。

これらの従来の弁においては、ポペット弁の動きによって、相対的に小さな表面積にわたって弁座が直ちに開かれて、ポペット弁を引き付ける磁力との間で平衡に達するまで弁を通る液体の小さな流れが可能になり、かつ、ポペット弁が、それ以上弁座から遠ざからなくなるまでポペット弁に作用する流体圧力が減じられる。したがって、これらの弁では、従来の水量メーターによる測定のための十分に大きな流れを供給しない。
従来の磁気弁機構は、開位置において平衡を達成するように設計されている。したがって、流体圧が磁場の力に打ち勝つと、ポペット弁は、弁座から移動して、流体流用の小さな開口部および緩やかな圧力減少が生じる。同時に、ポペット弁が移動するにつれて磁場の力が低減され、閾値を上回った弁を通る相対的に一定の流体流がある限り、ポペット弁が開位置の状態で平衡に到達する。

また、米国特許第６，３１７，０５１号公報では、高圧を受けて通過する水を有する配管用パイプの漏れの存在を判断する水流モニタリングシステムが知られている。該システムは、パイプ（管）に取り付けられる流れモニターと、流れが予め選択された期間にわたって持続した時点、または、いつ水量が予め選択された累積容量閾値を超えたかを判断するためにタイマーまたは累積容量計で構成された制御装置とを含み、論理構成品は、弁がパイプを通る流れを停止するように起動される時の流量の変化に応答する。この解決策は、非常に複雑であり、製造および保守に経費が高い。

したがって、低容量の流体を集中させて、容認可能な割合による誤差で従来のメーターで測定することができる測定可能な流量として解放される十分な容量になるまでは流体流を防止する装置に対する切実な需要があり、このような装置は、流路に作用する流体圧が降下したときに迅速に流路を閉鎖することが望ましいであろう。

本発明に従って、高圧力の流体容量に至る低圧流入を予め定義された閾値圧力に経時的に変形させ、測定可能な流量にて流出を供給できるように、流体の通過を制御する磁気式流量制御装置を提供する。したがって、該流量制御装置は、測定誤差が最小になるように、容量が実質的に従来の流量計の最適な測定範囲にあるときに流量の測定を可能にすることができる。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、水量メーターで測定可能な流量の流体を通過させる磁気式流量制御装置であって、該磁気式流量制御装置は、入口と出口とを有する流体流路と、前記入口全体にわたって取り付けられた停止部材と、前記流体流路内で前記停止部材に隣接して配置された変位可能部材とを含み、前記停止部材と前記変位可能部材のうちの少なくとも一方が磁石を含み、前記停止部材と前記変位可能部材のうちの他方が、前記流体流路を閉鎖かつ封止するために前記変位可能部材を前記停止部材と係合させるのに十分な、前記変位可能部材に作用する磁力を生じるように強磁性部分を含み、前記流体流路は、前記入口側に形成され、変位可能部材の外周面に摺接して流体流路を封止するための封止部分と、前記出口側に形成され、前記封止部分よりも太径に形成されていて変位可能部材の外周面とは径方向に離間することで流体流路を開放する開放部分とを含み、前記開放部分には、内径方向に延出し、流体流路を開放する状態で変位可能部材をガイドする複数のガイド素子が形成され、前記封止部分は、変位可能部材が流体流路を封止した状態のままで入口から出口の方向に一定の長さを移動する距離を備えていて、変位可能部材が、前記入口の圧力と前記出口の圧力との差圧を受けて封止部分を停止部材から遠ざかる方向に移動することで、変位可能部材と停止部材との間で生じる磁力が低減することになって変位可能部材の出口に向かう動きを加速させる一方、前記差圧が低減したときに変位可能部材に作用する磁力を受けて該変位可能部材が停止部材に向かう方向に移動することで、変位可能部材と停止部材との間に生じる磁力が増大することになって変位可能部材の入口に向かう動きを加速させると共に、前記変位可能部材が流体流路を封止した状態のままで封止部分を移動する距離を、漏れ状態の開放位置で変位可能部材が均衡状態となることを防止し、かつ、ハンチングを防止することができる距離にして、磁気式流量制御装置を通過する流体流量が水量メーターで測定可能な流量となるように構成したことを特徴とする磁気式流量制御装置である。
請求項２の発明は、前記封止部分は、少なくとも一部が環状のシール部材で形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気式流量制御装置である。
請求項３の発明は、流体流路が、前記変位可能部材と封止しながら係合するように適合かつ構成されたシール部材を含み、該シール部材が、前記封止係合を維持しながら前記距離が得られるように前記流体流路に沿った該変位可能部材の動きを可能にする一定の直径の長形部分を含むことを特徴とする請求項１または２記載の磁気式流量制御装置である。
請求項４の発明は、変位可能部材は水力学的形状を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１記載の磁気式流量制御装置である。
請求項５の発明は、前記停止部材は、頂部と底部に開放端があるハウジング内に変位可能に配置された、前記変位可能部材および前記停止部材の係合の地点を決定する調整ネジをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１記載の磁気式流量制御装置である。
請求項６の発明は、前記ハウジングは、側壁と、前記ハウジングの前記頂部開放端部を封止するキャップとを含み、前記調整ネジが、前記側壁内の補完的環状螺旋山によって前記ハウジング内で両方向に垂直軸に沿って変位される環状螺旋山を含むことを特徴とする請求項５記載の磁気式流量制御装置である。
請求項７の発明は、前記調整ネジは非腐食性強磁性材料で形成され、前記ハウジングは非腐食性材料で形成され、かつ、実質的に封止されることを特徴とする請求項５又は６記載の磁気式流量制御装置である。
請求項８の発明は、前記停止部材に向かって戻るために前記変位可能部材を圧迫するように適合され構成された戻り素子をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１記載の磁気式流量制御装置である。
請求項９の発明は、前記戻り素子が磁石を含むことを特徴とする請求項８に記載の磁気式流量制御装置である。
請求項１０の発明は、漏れ状態での該流量制御装置内の前記変位可能部材の動きが、ヒステリシス動作によって特徴づけられることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１記載の磁気式流量制御装置である。
請求項１１の発明は、前記変位可能部材の動きを感知し、かつ、前記感知された動きに対応する出力を供給するように配設されたセンサーをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１記載の磁気式流量制御装置である。
請求項１２の発明は、水量メーターで測定可能な流量にするために流体流量を制御する方法であって、入口と出口とを有する流体流路と、前記入口全体にわたって取り付けられた停止部材と、前記流体流路内で前記停止部材に隣接して配置された変位可能部材とを含み、前記停止部材と前記変位可能部材のうちの少なくとも一方が磁石を含み、前記停止部材と前記変位可能部材のうちの他方が、前記流体流路を閉鎖かつ封止するために前記変位可能部材を前記停止部材と係合させるのに十分な、前記変位可能部材に作用する磁力を生じるように強磁性部分を含み、前記流体流路は、前記入口側に形成され、変位可能部材の外周面に摺接して流体流路を封止するための封止部分と、前記出口側に形成され、前記封止部分よりも太径に形成されていて変位可能部材の外周面とは径方向に離間することで流体流路を開放する開放部分とを含み、前記流体流路には、開放部分から内径方向に延出し、流体流路を開放する状態で変位可能部材をガイドする複数のガイド素子が形成され、前記封止部分は、変位可能部材が流体流路を封止した状態のままで入口から出口の方向に一定の長さを移動する距離を備えていて、変位可能部材が、前記入口の圧力と前記出口の圧力との差圧を受けて封止部分を停止部材から遠ざかる方向に移動する工程と、該変位可能部材が停止部材から遠ざかるにつれて変位可能部材と停止部材との間の磁力が低減する工程と、該磁力が低減することで変位可能部材の出口に向かう動きを加速させて該変位可能部材を開放部分に移動させる工程と、開放部分に移動した変位可能部材が、前記入口の圧力と前記出口の圧力との差圧が低減したときに該変位可能部材に作用する磁力を受けて停止部材に向かう方向に移動する工程と、該変位可能部材が停止部材に近づくにつれて変位可能部材と停止部材との間の磁力が増大する工程と、該磁力が増大することで変位可能部材の入口に向かう動きを加速させて該変位可能部材を停止部材に係合するまで移動させる工程とを含むと共に、前記変位可能部材が流体流路を封止した状態のままで封止部分を移動する距離を、漏れ状態の開放位置で変位可能部材が均衡状態となることを防止し、かつ、ハンチングを防止することができる距離にして、流体流路を通過する流体流量が水量メーターで測定可能な流量となるようにしたことを特徴とする磁気式流量制御方法である。
請求項１３の発明は、前記変位可能部材を、前記出口の近くに設置された戻り素子により前記入口に向かって圧迫する工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の磁気式流量制御方法である。
請求項１４の発明は、前記変位可能部材と前記停止部材との係合地点を、調整ネジで決定する工程を含むことを特徴とする請求項１２又は１３記載の磁気式流量制御方法である。
請求項１５の発明は、前記調整ネジは、停止部材内に配されていて頂部と底部に開放端があるハウジング内に変位可能に配置されており、該調整ネジで前記変位可能部材および前記停止部材の係合の地点を決定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１４記載の磁気式流量制御方法である。
請求項１６の発明は、前記変位可能部材の動きを感知する工程と、前記感知された動きに対応する出力信号を供給する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１記載の磁気式流量制御方法である。

したがって、本発明は、磁石と、流路内に配置された変位可能な磁気封止部材とを有する流体流路を含む磁気流量制御装置および磁気式流量制御方法を提供するものであり、変位可能部材および流体流路は、流路を通る変位可能部材の第一の動作中に封止されたままであり、それによって、流体容量および変位可能部材に作用する圧力を徐々に増強するように成形され、かつ、流路を通る流体の測定可能な容量を生成するように封止を迅速に全開するように成形される。
好適な実施形態によれば、該磁気式流量制御装置および磁気式流量制御方法は、変位可能部材を磁石に向かって戻させるように適合され、かつ、構成された戻り素子を含む。
好適な実施形態によれば、該磁気式流量制御装置および磁気式流量制御方法は、磁石に結合され、かつ、停止部材内に取り付けられた、変位可能部材および調整ネジの係合地点を決定する調整ネジをさらに含む。
本発明の一つの実施形態によれば、該磁気式流量制御装置および磁気式流量制御方法は、強磁性体を有する流体入口と流体出口との間に封止壁を定義する流路と、流路内に封止するよう配置された変位可能で磁気的に引き付ける封止部材とを含み、該封止壁および封止部材は、低減された磁場に打ち勝つように予め定義された差圧に達するまで、封止部材と封止壁との間の封止を維持しながら、流路を通る変位可能部材の摺動動作を可能にする相互作用する輪郭を有し、その時点で、該変位可能部材は、封止壁から開かれて、かつ、即時圧力降下を生じ、かつ、流路を通る測定可能な容量／流体流のパルスを可能にするにように流体入口から遠ざかるように加速される。
本発明の好適な実施形態によれば、磁気式流量制御装置内での変位可能部材の動きは、ヒステリシス動作によって特徴づけられる。
本発明の一つの実施形態によれば、変位可能部材は、封止を維持しながら封止壁に沿った動作を可能にする、一定の直径の中央長形部分を有する水力学的な形状を有する。前記中心部分は、言い換えると、流体パルスの容量を制御する、変位可能部材のヒステリシス動作を制御する。

本発明は、流体流圧力の緩慢低減を経時的に測定可能な流体流に変える磁気式流量制御装置および磁気式流量制御方法に関する。閾値差圧に到達すると、流量制御装置を通る流路は、急激に開いて相対的に大きな開口部になり、その結果、特に、従来の水量メーターにおける流体容量の測定を可能にするために、流路を通る高流量にて流体容量が生成される。本発明の装置は、低流量を統合して、測定可能な流体流量（短時間にわたって流れる高容量）に変えることによって、流体を流量計によって最適な誤差範囲で測定することができる。これは、許容標準値内（即ち、最大能力での多射水量メーターでは１気圧未満）である流量計の圧力降下を維持しながら達成される。したがって、本発明は、制御装置の下流側にて、パルス的に、実質的に高流量の流れと無流との間の相対的に鋭い移動を実現する。

図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、および図２Ｄは、閉鎖かつ封止された位置で流体流管１１内に配置された、本発明の一つの実施の形態に従って構成され、作動する磁気式流量制御装置１０の概略側面図および横断面図である。流量制御装置１０は、流体入口１４と流体出口１６とを有する本体２０を通る流体流路１２を含む。流体入口１４は、流体源、例えば、水道に結合される。流体出口１６は、下流側に、例えば、消費者の、例えば、住宅に入る給水配管に結合される。図示した実施の形態においては、流体入口１４は、強磁性体を含むか、または、強磁性体で形成することができる強磁性停止部材１８を含む。停止部材１８は、本体２０に取り付けられ、本明細書では、環状封止部材１９として示す一つ以上の封止部材を含む。
本明細書では一定の直径の部分と内壁２３とを有する長尺状のシール部材として示す、環状部材とすることができるシール部材２２が本体２０内に取り付けられる。流体流路１２の長さに沿って複数のガイド素子２４を本体２０内に設置することができるか、または、本体２０は、内部ガイド素子も含むように構成することができる。本体部材２０の下流側端部には、流体が流体出口１６から流出する支持素子２８によって本体２０内に取り付けられた、出口停止部材２６が配置される。
ガイド素子２４間の流体流路１２内に変位可能部材３０が配置され、かつ、シール部材２２の内壁２３間で移動するように配設される。変位可能部材３０が、変位可能部材の動きの速度を増強するように、選択された距離にわたってシール部材２２に対して移動するあいだ、変位可能部材３０とシール部材２２とは摺接することになって流体封止を実現するように構成される。これによってシール部材２２は流体流路１２の封止部分１２ａとなり、該封止部分１２ａで変位可能部材が加速する。そして変位可能部材３０が封止部分１２ａを過ぎ、図面から明らかなように封止部分１２ａに対して出口側に形成され、封止部分１２ａよりも太径であって変位可能部材３０の外周面とは径方向に離間することで流体流路１２の封止を開放する開放部分１２ｂに至って封止係合が分離されたときに、変位可能部材は入口から遠ざかり続け、かつ、流体流路１２の迅速かつ完全な開口を実現するようにする。図示する実施の形態において、変位可能部材３０は停止部材１８に当接して、閉鎖位置において流体流路１２への流体流を抑止するように適合され、かつ、構成される。変位可能部材３０は、流路が開状態であるときに流体流を妨げないように水力学的な形状を有することが好ましい。例示した実施の形態においては、変位可能部材３０は、ここでは円筒形部分として示す、一定の直径の部分３２を含む。円筒形部分３２は、相互に少なくとも部分的に整合している限り、シール部材２２に沿って摺動して封止しながらシール部材２２と係合するように適合され、および、構成される。シール部材２２および変位可能部材３０のいずれかまたは両方は、変位可能部材が速度を増強するために、長形部分に沿って封止係合を維持しながら相対運動を可能にするために長形部分を含むことができることが認識されるであろう。

図２Ｄに示す本発明の別の実施の形態によれば、変位可能部材３０の少なくとも一部分３２は、本体２０への封止係合のための封止材４５を含むことができ、その結果、シール部材２２が不要となる。変位可能部材３０のうち、封止材４５を含む部分３２は、変位可能部材の動きの速度を増強するように、選択された距離にわたって変位可能部材３０が本体２０に対して移動する間に流体シールを供給するように構成される。図２Ｄに示すように、部分３２の封止材４５は、変位可能部材３０が閉鎖かつ封止された位置にあるときに、本体２０と封止係合している。

変位可能部材３０内には磁石３４が取り付けられるか、または、変位可能部材３０は磁性体で形成することができる。磁気回路を閉路するために、強磁性体３６の一部分についても変位可能部材３０において磁石３４の周囲に取り付けられることが好ましい。
戻り部材３８は、変位可能部材３０に関連づけられることが好ましい。戻り部材３８は、変位可能部材を全開位置から停止部材１８に向かって後退させるように構成かつ配置される。例示した実施の形態においては、戻り部材３８は、変位可能部材３０の段差部３９と停止部材２６との間に付勢される圧縮バネである。代替の実施の形態によれば、戻り部材３８は、金属体または別の磁石（図示せず）であり、停止部材２６内または停止部材２６の近くに配置され、かつ、変位可能部材３０において磁石３４と反発する磁力を生じるように配設することができる。

本発明の１つの実施の形態によれば、流量制御装置に隣接して磁気センサー３１が結合される。センサー３１は、変位可能部材の動きを検出して、それに対応する出力信号を供給することが可能な、リード・スイッチ、またはコイル、または他の適切なセンサーとすることができる。センサー３１は、出力信号を受信してセンサーによって供給されたデータを編集するコンピュータ３３または任意の他の装置と結合されることが好ましい。該データは、変位可能部材の動きが漏れの存在を示すか否か判断するために処理される。必要に応じて、コンピュータ３３は、アラームまたは漏れの他の表示など、警告を行う制御装置３５に結合することができる。

本発明の代替の実施の形態によれば、磁石は入口内の停止部材内に取り付けることができ、該変位可能部材は強磁性体で製造することができ、または、共に磁石を含むことができる。唯一の要件は、流体流がない場合に変位可能部材を停止部材と封止しながら接触するように保持するのに十分強力で、かつ、変位可能部材が停止部材から遠ざかれるにつれて徐々に低減される磁力が、変位可能部材と停止部材間で生じることである。

図２Ｃに示す本発明の一つの実施の形態によれば、停止部材１８は、頂部開放端（図示せず）と底部開放端１５とを有する略円筒形ハウジング１３内に配置された調整ネジ３７と、側壁１７と、ハウジング１３の頂部開放端を封止するＯリング・シール２７を保持する環状溝を含む略円筒形突出部２５を有するキャップ２１とをさらに含む。ハウジング１３は、様々な幾何学形状およびシール２７で構成することができ、キャップ２１および突出部２５は、ハウジング１３の頂端部を封止するために成形することができることが認識されるであろう。

さらに、図２Ｃに示す実施の形態によれば、ハウジング１３は、環状螺旋山４１を有する調整ネジ３７に結合された磁石２９を保持するように適合および構成される。調整ネジ３７は、磁力を強め、かつ、磁石２９を腐食から保護する非腐食性強磁性体で形成できることが好ましい。調整ネジ３７への磁石２９の結合は、磁力によってのみ達成できることが好ましい。調整ネジ３７は、ハウジング１３内に配置され、かつ、下端部１５に隣接して側壁１７内の補完的調整ネジ４３によって支持される。調整ネジ３７は、調整ネジの頂面のドライバー溝３９に設置されたドライバー（ネジ回し）の回転によってハウジング１３内で両方向に垂直軸に沿って変位させることができる。調整ネジ３７を変位させることは、変位可能部材３０および調整ネジ３７の係合点を決定することに対応するものである。調整ネジ３７の下面は、変位可能部材３０の頂面と実質的に完全に係合するように適合および構成される。調整ネジ３７は強磁性体で形成されることが好ましいことから、磁石２９への変位可能部材３０の更なる誘引が得られるように磁力の誘導につながることが認識されるであろう。調整ネジ３７を回すことによって、変位可能部材３０の下面と頂面間の係合を最適化することができ、その結果、磁石２９と変位可能部材３０間の磁力が最大化される。さらに、調整ネジ３７を変位させると、変位可能部材３０に接近するかまたは離れる磁石２９の変位が引き起こされ、その結果、望みどおりに磁力が増減される。
さらに、変位可能部材３０と調整ネジ３７の係合点を決定することによって、変位可能部材３０の一部分３２とシール部材２２との係合面も決定されることが認識されるであろう。したがって、調整ネジを使用して、変位可能部材３０と調整ネジ３７間の封止係合を最適化することができる。さらに、調整ネジ３７は、精度が低く、より安価な部品で、本発明による流量制御装置を構成することを可能にするものであり、磁石２９と変位可能部材３０間の磁力と同様に良好であることが認識されるであろう。ハウジング１３は、磁石２９の腐食を防止するために、非腐食性物質で形成され、実質的にキャップ２１および調整ネジ３７によって封止されることが好ましい。

ここで、本発明の前記実施の形態の作動について図２Ａ、図３、図４、および図５を参照しながら説明する。図２Ａは、閉鎖かつ封止された位置での本発明の装置を示す。上述したように、変位可能部材３０は、流体が、供給圧Ｐ_ｓにおいて、流体入口１４の外側で、変位可能部材３０の上方で、捕捉されるように停止部材１８に当接した状態である。多量の流体が、消費者による等して、使用されるか、下流側が抜かれるとき、流体流路１２の内部圧が低減され、それにより、流体入口１４全体にわたって差圧が生じる。蛇口を開ける等して、多量の流体が利用されるとき、差圧が大きいので、変位可能部材３０は急速に流体流路１２内に移動し、その結果、流量制御装置に入り、該装置を通る流体の流入が可能となる。需要がある限り、差圧は残り、流体は変位可能部材３０を圧迫し続け、公知であるように、該変位可能部材３０の周り及び流路を通る。
しかしながら、流量制御装置の下流側での漏れや小さな流体流が発生した場合、差圧は小さく、増大が非常に遅くて緩やかであり、磁力は、変位可能部材を停止部材に押し当てる働きをし、それで、変位可能部材は移動しない。差圧が大きくなると閾値に到達し、流体出口の方向に変位可能部材３０に作用する差圧の力は、流体入口の方向に変位可能部材３０に作用する磁石の力に等しい。この閾値を過ぎると、変位可能部材３０は、流体出口に向かって流体流路１２を通過し始めることになる。

本発明の特徴として、変位可能部材３０及び流体流路１２（または、流路内のシール部材２２）は、変位可能部材が変位可能部材と流体流路との間シールを開けることなく、予め選択された距離を移動して流路を通ることができるように成形される。本実施の形態においては、これは、実質的に一定の直径の部分３２によって行われる。したがって、図３で見るように、変位可能部材３０の円筒形部分３２は、封止的に係合した状態のままでシール部材２２に沿って移動する。これは、ポペットの移動直後に流路が開く従来の磁気装置と異なり、本発明の流量制御装置における流体入口全体にわたる差圧は、流路を開くことなく大きくなり続けることを意味する。
変位可能部材３０が流体入口全体にわたる差圧によって停止部材１８から遠ざかるにつれて、停止部材１８の強磁性体と変位可能部材３０内の磁石３４間の磁場の力が小さくなる。流体入口の方向に作用する、この磁力の低減は、流体入口を開く働きをする水の容積の圧力によって出口方向での力の増加と共に作用して、流体出口１６に向かった流路１２を通る変位可能部材３０の動きを加速させる役目をし、かつ、変位可能部材３０が入口から遠ざかる速度、したがって、シール部材２２から遠ざかる距離を増大させることが認識されるであろう。

したがって、変位可能部材３０は、図４で見られるように、流体出口の方向に移動し続ける。以上のように、変位可能部材３０は、既に、流体流路１２に対して選択された距離を通過しており、シール部材２２および変位可能部材３０の内壁の補完的形状のため、シールは、シール部材２２と変位可能部材３０間でまだ開いてない状態である。前記距離は、シール部材２２と変位可能部材３０の間の封止係合の長さで決まる。該長さは、変位可能部材３０が出口の方向に移動しながら、流体流路１２が開かれる地点を越えて動き続けるのに十分な速度を増強するのを可能にするように選択される。前記の速度のため、変位可能部材３０は、停止部材１８から遠ざかり、その結果、変位可能部材を反対方向に圧迫する磁力が減少されて、変位可能部材は、出口の方向での動きを続けることができる。変位可能部材３０は、差圧が、流路を通る流体の流れのために減少したとしても磁力よりも大きいままであるように、十分な距離を移動ことが許容される。このようにして、本発明による流量制御装置は、変位可能部材３０が流体流路１２の閉位置と開位置との間で振動（流体出口１６の方向に移動するための変位可能部材３０にかかる差圧による力に対向するのに、十分に強い磁力によって引き起こされる「ハンチング」として知られている現象）するのを防止する。

磁場の力の影響が小さくなるにつれて、出口方向に作用する圧力は同一又は大きくなり、変位可能部材３０は、図５に示すように、加速された速度で流体流路１２の封止部分１２ａであるシール部材２２を通過して、流体流路１２を開放する開放部分１２ｂ、つまり未封止位置に移動する。変位可能部材３０および流体流路１２は、流路が相対的に大きな表面積を伴って略全開に急激に開くことで、変位可能部材３０の周り及び流路を通過する高流量での前記捕捉された流体の急激な流れが可能になるように、かつ、前述したように、変位可能部材がシール部材から十分に離れており、磁力は変位可能部材に方向を変えて、流路を閉じさせることはできないように設計される。水力学的な形状の変位可能部材を備える広い流路を有する本体のデザインでは、装置を通じたヘッドロス（損失水頭）が相対的に小さいので乱流が防止される。本発明の好適な実施の形態によれば、流量制御装置は、水量メーター（図示せず）と関連があり、流量制御装置によって生成される高流量は、流量計の最適な測定範囲であるように設計される。
この段階にて、抜かれた下流に置換するのに十分な量の流体が、流路を既に通過しており、圧力Ｐ_ｃが上昇し、よって、Ｐ_ｓが再度Ｐ_ｃと等しくなるまで、変位可能部材に作用する差圧が減る。この時点では、実質的に、出口方向に変位可能部材に作用する差圧はなく、磁場は、磁石に作用し始め、変位可能部材が、流体入口の方に引き戻される。変位可能部材が流体入口に接近するにつれて、変位可能部材に作用する磁力が連続的に増大して、変位可能部材は入口に向かって加速する。加えて、戻り部材３８は、存在する場合には、ここで、変位可能部材３０に作用して、停止部材１８の方向に変位可能部材を押し戻す。例示した実施の形態においては、バネ３８は変位可能部材３０を停止部材１８の方に圧迫する。変位可能部材３０が停止部材１８に向かって移動するにつれて、変位可能部材に作用する磁場の力が増大し、一方、差圧は小さいままである。このようにして、変位可能部材３０は、前述したように、差圧が再び増強するまで、全開位置から封止位置、その後は閉鎖位置まで加速する。これによって、かなりの量の流体が未検出で流体流路１２を通過するのが防止される。
変位可能部材に作用する力が、まず、流路を開く方向に、その後、流路を閉じる方向に変位可能部材を加速させて、その結果、水量メーターの測定可能な範囲内の流量バルブのパルスで流量制御装置を通る流体の通過が可能になることは、本発明の特定の特長である。

本発明の好適な実施の形態によれば、漏れ状態で停止部材１８を行き来する変位可能部材３０の動きは、ヒステリシス動作によって特徴づけられる。このようなヒステリシス曲線の一例の概略図を図６に示す。点４０は、図２に対応するものであり、変位可能部材は、停止部材に当接し、流量制御装置は、閉じられると共に封止される。この位置においては、入口全体にわたる差圧はなく、変位可能部材に作用する種々の力の合計は実質的にゼロであり、変位可能部材３０は移動しない。変位可能部材に作用する力の合計は、実質的に方程式
ΣＦ_ｉ＝Ｆ_ｓ−Ｆ_ｍａｇ−Ｆ_ｋ＋ΔＰ×Ａ
によって説明することができ、ここで、Ｆｓは変位可能部材に作用する停止部材１８の力であり、Ｆ_ｍａｇは磁力であり、Ｆ_ｋは戻り素子の力であり、ΔＰはＰ_ｓ−Ｐ_ｃに等しく、Ａは、圧力が作用する変位可能部材の区域である。
流量制御装置の下流側に漏れがあるとき、差圧（Ｐ_ｓ−Ｐ_ｃ）は、緩やかに増大し始めるが、変位可能部材は、磁場の力および戻り力が一定のままであることから、まだ、移動することはできず、一方、停止部材１８の力は、対応する量を減じる。差圧、さらに、流路を開くために作用する全ての他の力が流路を閉じるための磁石と戻り部材との力より大きい値に到達したとき、変位可能部材が移動し始める。変位可能部材が移動し始めるにつれて、磁力は減少し、一方、差圧は増大し、曲線の矢印４４によって示すように、変位可能部材は出口に向かって加速することが、本発明の特定の特長である。停止部材１８からの距離ＸがＬ_Ｈに等しくなるまで、変位可能部材はシールを維持しながら加速し続ける。ここで、Ｌ_Ｈは流路を開く前に変位可能部材が移動する距離である。Ｌ_Ｈはヒステリシス効果の生成において重要なパラメータであり、変位可能部材および流路またはシール部材の補完的形状の結果である。該パラメータＬ_Ｈは、漏れ状態の開放位置での変位可能部材の均衡状態を防止し、かつ、ハンチング（流量制御装置の急激な開閉）を防止するのに十分に大きなものであることが重要である。
Ｌ_Ｈ後、差圧は徐々に降下し、変位可能部材に作用する主要な力は磁力になり、磁力は変位可能部材がＸ_ｍａｘ、つまり、停止部材からの変位可能部材の最大変位、つまり、点４８で停止するまで、基準矢印４６を有する曲線で示すように、流体出口に向かった変位可能部材の動きを鈍速化する。この時点で、例示した実施の形態において、変位可能部材は停止部材２６に当たり、それ以上移動することはできない。この段階において、戻り部材から受け取った昇圧と共に、磁場の増大する力Ｆ_ｍａｇによって、変位可能部材に作用する力が段階的に増加し、変位可能部材の動きの方向が逆転される。符号５０で示すように、変位可能部材は、この時点では、曲線上の矢印５２によって示すように、停止要素１８に向かって再び加速している。変位可能部材が停止部材１８に当たると、変位可能部材に作用する種々の力の合計が、段階的な降下で、曲線上の矢印５４によって示す元の値に降下する。装置を通る正常な水流があるとき、装置は流れを妨げないように開いたままであることが認識されるであろう。しかしながら、水量メーターでは元々測定されないような緩やかな流れの最中、前記装置は流量が実質上パルスの形で０からＱｔに変動することを可能にするものであり、Ｑｔの範囲内のパルス部分の最中の従来の水量メーターによる相対的に低い流量の測定に対応している。

本発明の一つの実施の形態によって生成された経時的に流路を通る流量の概略グラフを図７に示す。水量メーターによって最小誤差で測定することができる流量の値はＱｔである。図示したように、Ｑ_ｌｅａｋはこの範囲で測定するには小さすぎる。本発明の流量制御装置は、パルスを流量計によって最適な誤差範囲で測定することができるように、低流量（Ｑ_ｌｅａｋ）を統合して、Ｑｔの範囲の流体流量のパルス６０に変える。流量の急激な増加６２は、流体流路の急激でかつ広い開放（図６で矢印４６によって表現）の結果であり、一方、パルス６０の相対的に鋭い降下６４は、入口の急激な閉鎖（Ｘ_ｍａｘとＬ_Ｈとの間に曲線５０で表現）の結果である。変位可能部材３０やシール部材２２の一定直径の長さ部分３２によって、Ｑｔでのパルスの幅６６が決まる。

本発明の装置は、流体流管を切断することなく既設の給水管路内に取り付けることができるようにサイズ決定されることが好ましい。図８および図９は、水量メーター管路内に取り付けられた本発明の流量制御装置の二つの実施の形態の図である。図示したように、操作のための適切な位置での流量制御装置の取り付けを可能にするために、取付けフランジ７０を磁気式流量制御装置のいずれかの端部に設置することができる。図８の実施の形態においては、流量制御装置７２は、流量制御装置の流体出口に隣接して取付けフランジを有する。本実施の形態は、流量制御装置が収まることができる出口パイプを有する水量メーターに適切である。あるいは、図９に示すように、取付けフランジ７０は流量制御装置７４の流体入口に隣接して設置することができる。このようにして、流量制御装置は、水量メーター内ではなく記録手段によってしっかりと取り付けることができる。

本発明を限定された数の実施形態について説明したが、多くの変形、改変、および本発明の他の用途を行なうことができることが認識されるであろう。さらに、本発明は、単に、一例として上述したものに限定されないことが認識されるであろう。むしろ、本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明は、図面に関連して行う以下の詳細な説明からさらに理解および認識されるであろう。
従来の水量メーターの流量Ｑにわたる百分率の測定誤差を示すグラフである。 図２Ａは、閉鎖かつ封止された位置での、本発明の一つの実施の形態に従って構成され、作動する流体流量制御装置の概略図である。 図２Ｂは、図２ＡのＢ−Ｂ断面図である。 図２Ｃは、開放かつ未封止の位置での、本発明の一つの実施の形態による流体流量制御装置の概略側面断面図である。 図２Ｄは、閉鎖かつ封止された位置での、本発明の一つの実施の形態による流体流量制御装置の概略側面断面図である。 移動中であるが封止された位置での、図２による流体流量制御装置の概略図である。 更なる移動中であるが封止された位置での、図２による流体流量制御装置の概略図である。 開放かつ未封止の位置での、図２による流体流量制御装置の概略図である。 本発明の好適な実施の形態における変位可能部材のヒステリシス曲線を示すグラフである。 本発明による装置によって生成された経時的な流量を示すグラフである。 水量メーター内に取り付けられた本発明による流体流量制御装置の概略図である。 代替水量メーター内に取り付けられた本発明による流体流量制御装置の概略図である。

Claims (16)

1. 水量メーターで測定可能な流量の流体を通過させる磁気式流量制御装置であって、該磁気式流量制御装置は、
   入口と出口とを有する流体流路と、
   前記入口全体にわたって取り付けられた停止部材と、
   前記流体流路内で前記停止部材に隣接して配置された変位可能部材と
   を含み、
   前記停止部材と前記変位可能部材のうちの少なくとも一方が磁石を含み、前記停止部材と前記変位可能部材のうちの他方が、前記流体流路を閉鎖かつ封止するために前記変位可能部材を前記停止部材と係合させるのに十分な、前記変位可能部材に作用する磁力を生じるように強磁性部分を含み、
   前記流体流路は、前記入口側に形成され、変位可能部材の外周面に摺接して流体流路を封止するための封止部分と、前記出口側に形成され、前記封止部分よりも太径に形成されていて変位可能部材の外周面とは径方向に離間することで流体流路を開放する開放部分とを含み、
   前記開放部分には、内径方向に延出し、流体流路を開放する状態で変位可能部材をガイドする複数のガイド素子が形成され、
   前記封止部分は、変位可能部材が流体流路を封止した状態のままで入口から出口の方向に一定の長さを移動する距離を備えていて、
   変位可能部材が、前記入口の圧力と前記出口の圧力との差圧を受けて封止部分を停止部材から遠ざかる方向に移動することで、変位可能部材と停止部材との間で生じる磁力が低減することになって変位可能部材の出口に向かう動きを加速させる一方、前記差圧が低減したときに変位可能部材に作用する磁力を受けて該変位可能部材が停止部材に向かう方向に移動することで、変位可能部材と停止部材との間に生じる磁力が増大することになって変位可能部材の入口に向かう動きを加速させると共に、
   前記変位可能部材が流体流路を封止した状態のままで封止部分を移動する距離を、漏れ状態の開放位置で変位可能部材が均衡状態となることを防止し、かつ、ハンチングを防止することができる距離にして、磁気式流量制御装置を通過する流体流量が水量メーターで測定可能な流量となるように構成したことを特徴とする磁気式流量制御装置。
2. 前記封止部分は、少なくとも一部が環状のシール部材で形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気式流量制御装置。
3. 流体流路が、前記変位可能部材と封止しながら係合するように適合かつ構成されたシール部材を含み、該シール部材が、前記封止係合を維持しながら前記距離が得られるように前記流体流路に沿った該変位可能部材の動きを可能にする一定の直径の長形部分を含むことを特徴とする請求項１または２記載の磁気式流量制御装置。
4. 変位可能部材は水力学的形状を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１記載の磁気式流量制御装置。
5. 前記停止部材は、頂部と底部に開放端があるハウジング内に変位可能に配置された、前記変位可能部材および前記停止部材の係合の地点を決定する調整ネジをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１記載の磁気式流量制御装置。
6. 前記ハウジングは、側壁と、前記ハウジングの前記頂部開放端部を封止するキャップとを含み、前記調整ネジが、前記側壁内の補完的環状螺旋山によって前記ハウジング内で両方向に垂直軸に沿って変位される環状螺旋山を含むことを特徴とする請求項５記載の磁気式流量制御装置。
7. 前記調整ネジは非腐食性強磁性材料で形成され、前記ハウジングは非腐食性材料で形成され、かつ、実質的に封止されることを特徴とする請求項５又は６記載の磁気式流量制御装置。
8. 前記停止部材に向かって戻るために前記変位可能部材を圧迫するように適合され構成された戻り素子をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１記載の磁気式流量制御装置。
9. 前記戻り素子が磁石を含むことを特徴とする請求項８に記載の磁気式流量制御装置。
10. 漏れ状態での該流量制御装置内の前記変位可能部材の動きが、ヒステリシス動作によって特徴づけられることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１記載の磁気式流量制御装置。
11. 前記変位可能部材の動きを感知し、かつ、前記感知された動きに対応する出力を供給するように配設されたセンサーをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１記載の磁気式流量制御装置。
12. 水量メーターで測定可能な流量にするために流体流量を制御する方法であって、
    入口と出口とを有する流体流路と、
    前記入口全体にわたって取り付けられた停止部材と、
    前記流体流路内で前記停止部材に隣接して配置された変位可能部材と
    を含み、
    前記停止部材と前記変位可能部材のうちの少なくとも一方が磁石を含み、前記停止部材と前記変位可能部材のうちの他方が、前記流体流路を閉鎖かつ封止するために前記変位可能部材を前記停止部材と係合させるのに十分な、前記変位可能部材に作用する磁力を生じるように強磁性部分を含み、
    前記流体流路は、前記入口側に形成され、変位可能部材の外周面に摺接して流体流路を封止するための封止部分と、前記出口側に形成され、前記封止部分よりも太径に形成されていて変位可能部材の外周面とは径方向に離間することで流体流路を開放する開放部分とを含み、
    前記流体流路には、開放部分から内径方向に延出し、流体流路を開放する状態で変位可能部材をガイドする複数のガイド素子が形成され、
    前記封止部分は、変位可能部材が流体流路を封止した状態のままで入口から出口の方向に一定の長さを移動する距離を備えていて、
    変位可能部材が、前記入口の圧力と前記出口の圧力との差圧を受けて封止部分を停止部材から遠ざかる方向に移動する工程と、
    該変位可能部材が停止部材から遠ざかるにつれて変位可能部材と停止部材との間の磁力が低減する工程と、
    該磁力が低減することで変位可能部材の出口に向かう動きを加速させて該変位可能部材を開放部分に移動させる工程と、
    開放部分に移動した変位可能部材が、前記入口の圧力と前記出口の圧力との差圧が低減したときに該変位可能部材に作用する磁力を受けて停止部材に向かう方向に移動する工程と、
    該変位可能部材が停止部材に近づくにつれて変位可能部材と停止部材との間の磁力が増大する工程と、
    該磁力が増大することで変位可能部材の入口に向かう動きを加速させて該変位可能部材を停止部材に係合するまで移動させる工程とを含むと共に、
    前記変位可能部材が流体流路を封止した状態のままで封止部分を移動する距離を、漏れ状態の開放位置で変位可能部材が均衡状態となることを防止し、かつ、ハンチングを防止することができる距離にして、流体流路を通過する流体流量が水量メーターで測定可能な流量となるようにしたことを特徴とする磁気式流量制御方法。
13. 前記変位可能部材を、前記出口の近くに設置された戻り素子により前記入口に向かって圧迫する工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の磁気式流量制御方法。
14. 前記変位可能部材と前記停止部材との係合地点を、調整ネジで決定する工程を含むことを特徴とする請求項１２又は１３記載の磁気式流量制御方法。
15. 前記調整ネジは、停止部材内に配されていて頂部と底部に開放端があるハウジング内に変位可能に配置されており、該調整ネジで前記変位可能部材および前記停止部材の係合の地点を決定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１４記載の磁気式流量制御方法。
16. 前記変位可能部材の動きを感知する工程と、
    前記感知された動きに対応する出力信号を供給する工程と
    をさらに含むことを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１記載の磁気式流量制御方法。

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