JP5492802B2 - 渦流量計及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、渦流量計及びその製造方法に関する。

従来より、ガスが流通する所定の流路が形成された流管に配置した渦発生体により渦列を発生させ、この周波数に基づいて被測定ガスの流量を測定（算出）する渦流量計が提案され、実用化されている。現在においては、流管に接続される円筒状の本体部と、渦発生体部と、を精密鋳造で一体成形して渦流量計を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３１９５５２１号公報

ところで、渦流量計については、校正（実際に流量を流して調整すること）を行うことなく精度を確保するために、各構成部品の寸法値がＪＩＳ規格で定められている。例えば、渦流量計の構造として「標準１型」及び「標準２型」の２種類の構造が規定されている（ＪＩＳＺ８７６６）。

これら２種類の構造のうち標準１型構造は、円筒状の本体部と渦発生体部との間に微小な間隙（溝）を形成することを特徴としている。このような標準１型構造を採用すると、渦流量計上流に配置される整流用直管の長さを短くすることができ、また、この整流用直管の必要長さを確保することができれば整流器を別途設置する必要がない、等の使用者にとっての種々のメリットがある。

ところが、前記した特許文献１に記載されたような従来の一体的な精密鋳造による渦流量計製造方法を採用すると、標準１型構造の特徴である間隙を形成することが困難である。このため、標準１型構造の種々のメリットを享受しつつ渦流量計を安価に製造する技術が待望されていた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、種々のメリットを有するいわゆる標準１型構造の渦流量計を容易にかつ安価に得ることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る渦流量計は、被測定流体が流通する流管に接続される円筒状の本体部と、この本体部に形成された円筒状の流路の軸方向に対して直角な方向に延在するように流路内に配置される渦発生体部と、を備え、流路内における渦発生体部と本体部との接続部に間隙が形成される渦流量計であって、本体部及び渦発生体部は、精密鋳造により別々に成形された上で溶接接合されてなるものである。

また、本発明に係る製造方法は、被測定流体が流通する流管に接続される円筒状の本体部と、この本体部に形成された円筒状の流路の軸方向に対して直角な方向に延在するように流路内に配置される渦発生体部と、を備え、流路内における渦発生体部と本体部との接続部に間隙が形成される渦流量計を製造する方法であって、本体部及び渦発生体部を精密鋳造により別々に成形する部品成形工程と、部品成形工程で成形した本体部と渦発生体部とを溶接接合する溶接接合工程と、を備えるものである。

かかる構成及び方法を採用すると、精密鋳造により別々に成形した本体部及び渦発生体部を溶接接合することにより、いわゆる標準１型構造（本体部の流路内における渦発生体部と本体部との接続部に間隙が形成される構造）の渦流量計を容易にかつ安価に得ることができる。

本発明に係る製造方法において、部品成形工程で本体部の側壁に貫通孔を形成することができる。かかる場合には、溶接接合工程において、本体部の貫通孔から流路内を流路径方向に沿って横断するように渦発生体部を挿入し、本体部の貫通孔と渦発生体部との接続部を本体部の側壁外部において溶接することにより、本体部と渦発生体部とを接続することができる。

また、本発明に係る製造方法において、部品成形工程で本体部及び渦発生体部をロストワックス法により別々に成形することができる。

本発明によれば、種々のメリットを有するいわゆる標準１型構造の渦流量計を容易にかつ安価に得ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る渦流量計の正面図である。 図１に示す渦流量計を図１に示す矢印II方向から見た側面図である。 図１に示す渦流量計の本体部及び渦発生体部の拡大正面図である。 図２に示す渦流量計の本体部及び渦発生体部の拡大側面図である。 （Ａ）は、図４に示す本体部及び渦発生体部のVA-VA線に沿った断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）の本体部と渦発生体部との間に形成される間隙の拡大図である。 図５（Ａ）に示すVI-VI線に沿った断面図である。 本発明の実施形態に係る渦流量計に搭載される熱式流れセンサの斜視図である。 図７に示すVIII-VIII線に沿った断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る渦流量計１について説明する。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態に限定するものではない。

本実施形態に係る渦流量計１は、図１、図２、図６等に示すように、被測定ガスが流通する流路２ａを形成する円筒状の本体部２、流路２ａ内に配置された渦発生体部３、渦発生体部３の内部に形成されたバイパス流路４、バイパス流路４内に配置された熱式流れセンサ１０、熱式流れセンサ１０のヒータ１４に電流を与えて発熱させる駆動回路、各種情報や制御プログラムを記録するメモリ、各種物理量の演算や駆動回路の制御等を行う中央制御部、各種情報を表示する表示部９等を備えている。なお、駆動回路、メモリ及び中央制御部については、図示を省略している。

本体部２は、図１〜図５に示すように、短い円筒状の部材であり、その内部に円筒状の流路２ａが形成されている。本体部２の両端には、図１に破線で示すように、被測定ガスを流通させる配管１００が接続される。本体部２の側壁には、渦発生体部３を挿入させるための貫通孔２ｂが形成されている。また、本体部２の内壁の貫通孔２ｂに対向する位置には、渦発生体３の端部３ａを嵌め込ませるための凹部２ｃが形成されている。本体部２は、後述するように精密鋳造により成形された上で、渦発生体部３に溶接接合される。

渦発生体部３は、図１〜図５に示すように、本体部２の直径よりも長い柱状部材であり、本体部２の貫通孔２ｂから本体部２の径方向に横断するように本体部２内に挿入され、流路２ａの軸方向に対して直角な方向に延在するように流路２ａ内に配置される。渦発生体部３の端部３ａは、図５（Ａ）に示すように、本体部２の凹部２ｃに嵌め込まれる。渦発生体部３の端部３ａから所定寸法（本体部２の直径より若干長い寸法）離隔した位置には段部３ｂが形成されており、渦発生体部３の端部３ａが本体部２の凹部２ｃに嵌め込まれたときに渦発生体部３の段部３ｂが本体部２の側壁の貫通孔２ｂ外周部分に当接するようになっている。渦発生体部３は、後述するように精密鋳造により成形された上で、本体部２に溶接接合される。

図５（Ａ）に示すように本体部２に渦発生体部３が溶接接合されると、本体部２の流路２ａ内における渦発生体部３と本体部２との接続部に間隙Ｇが形成されるようになっている。具体的に説明すると、図５（Ｂ）に示すように、渦発生体部３の周壁には、本体部２の貫通孔２ｂの内壁と対向する部分（流路２ａに露出する部分）に僅かな段部３ｃが形成されており、このような段部３ｃにより、本体部２の貫通孔２ｂの内壁と、渦発生体部３の周壁と、の間に微小な間隙Ｇが形成される。また、図５（Ｃ）に示すように、本体部２の凹部２ｃの開口部内壁には、渦発生体部３の周壁と対向する部分（流路２ａに露出する部分）に僅かな段部２ｄが形成されており、このような段部２ｄにより、渦発生体部３の周壁と、本体部２の凹部２ｃの内壁と、の間に微小な間隙Ｇが形成される。このような間隙Ｇは、いわゆる標準１型構造の特徴である。

バイパス流路４は、被測定ガスの流通方向（図１及び図６における矢印Ａの方向）に対して直交する方向（図６における矢印Ｂの方向）に延在するように渦発生体部３の内部に形成されており、その両端部は開口４ａとなっている。バイパス流路４の内部には、渦発生体部３で発生する渦列（カルマン渦）により交番の流れが生成される。図５（Ａ）に示すように、渦発生体部３の内部には、バイパス流路４の途中から渦発生体部３の上方に向けて、被測定ガスの流通方向（矢印Ａ方向）及びバイパス流路４の延在方向（矢印Ｂ方向）に直交する方向に延在するように挿通孔３ｄが形成されている。この挿通孔３ｄの内部には、挿通孔３ｄの内径よりも小さい外径を有するパイプ６が着脱自在に挿入されており、このパイプ６の先端部６ａには、熱式流れセンサ１０が実装されるセンサアセンブリ７が固定されている。

熱式流れセンサ１０は、バイパス流路４内を流通する被測定ガスに接触するように配置された半導体ダイヤフラムを有する流れセンサである。熱式流れセンサ１０は、図７及び図８に示すように、キャビティ１２が設けられた基板１１、基板１１上にキャビティ１２を覆うように配置された絶縁膜１３、絶縁膜１３に設けられたヒータ１４、ヒータ１４の両側に配置された第１の測温抵抗素子１５及び第２の測温抵抗素子１６、周囲温度センサ１７等を有している。

絶縁膜１３のキャビティ１２を覆う部分は、断熱性のダイヤフラムを構成している。周囲温度センサ１７は、バイパス流路４内を流通する被測定ガスの温度を検出する。ヒータ１４は、キャビティ１２を覆う絶縁膜１３の中心に配置されており、駆動回路から与えられる電流により発熱する。第１の測温抵抗素子１５は、ヒータ１４の一方側の温度を検出するために用いられ、第２の測温抵抗素子１６は、ヒータ１４の他方側の温度を検出するために用いられる。これら第１及び第２の測温抵抗素子１５、１６によりヒータ１４の両側の温度差に対応するセンサ信号を検出して、バイパス流路４内に生成される交番の流れの振幅や周波数に係る情報を得ることが可能となる。このような周波数に係る情報は、中央制御部に入力され、被測定ガスの流量の算出等に使用される。

なお、図７及び図８に示した基板１１の材料としては、シリコン（Ｓｉ）等が使用可能である。絶縁膜１３の材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）等が使用可能である。キャビティ１２は、異方性エッチング等により形成される。ヒータ１４、第１の測温抵抗素子１５、第２の測温抵抗素子１６及び周囲温度センサ１７の各材料には、白金（Ｐｔ）等が使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能である。

熱式流れセンサ１０は、図５（Ａ）に示すように、パイプ６の先端部６ａが渦発生体部３の挿通孔３ｄの最深部まで挿入されることにより、バイパス流路４に臨む位置に配設されることとなる。熱式流れセンサ１０の接続線１８は、図５（Ａ）に示すように、パイプ６の内部空間を通って、図示していないプリント配線基板に接続される。プリント配線基板は、図１及び図２に示すような円筒状のケース８により保護されている。ケース８の上方に取り付けられたハウジング８ａには、被測定ガスの流量等の各種情報を表示する表示部９が設けられている。

次に、本実施形態に係る渦流量計１の製造方法について説明する。

まず、本体部２及び渦発生体部３を、精密鋳造により別々に成形する（部品成形工程）。本実施形態においては、精密鋳造としてロストワックス法を採用している。ロストワックス法の手順としては、まず、蜜蝋や松脂等からなる熱可塑性物質により渦流量計の模型を作り、これを、ケイ砂や石灰粉末等からなる耐火材料で被覆する。この後、加熱して熱可塑性の模型を溶出し、空洞となった模型部に、例えばステンレス鋼の鋳造金属を注入して固化させた後に耐火材料を取り除く。このように鋳造した本体部２及び渦発生体部３の表面を、サンドブラスト等により平滑面となるように表面処理することが好ましい。本実施形態における部品成形工程では、本体部２の側壁に、渦発生体部３を挿入させるための貫通孔２ｂを形成する。

次いで、部品成形工程で成形した本体部２と渦発生体部３とを溶接接合する（溶接接合工程）。本実施形態においては、図５（Ａ）に示すように、本体部２の貫通孔２ｂから流路２ａ内を流路径方向に沿って横断するように渦発生体部３を挿入し、本体部２の側壁の貫通孔２ｂの外周部分５（貫通孔２ｂと渦発生体部３との接続部）に溶接を施すことにより、本体部２と渦発生体部３とを接合している。溶接の種類は特に限定されるものではなく、アーク溶接やスポット溶接等を採用することができる。

この後、センサアセンブリ７を先端部６ａに装着したパイプ６を、渦発生体部３の挿通孔３ｄに挿入して、熱式流れセンサ１０をバイパス流路４に臨む位置に配設し、渦発生体部３に円筒状のケース８等を取り付けて渦流量計１を組み立てる（組立工程）。以上の工程群を経て渦流量計１を製造することができる。

以上説明した実施形態に係る渦流量体１の製造方法においては、精密鋳造により別々に成形した本体部２及び渦発生体部３を溶接接合することにより、いわゆる標準１型構造（本体部２の流路２ａ内における渦発生体部３と本体部２との接続部に間隙Ｇが形成される構造）の渦流量計１を容易にかつ安価に得ることができる。

なお、本実施形態においては、流体管２及び渦発生体３を精密鋳造で成形した例を示したが、必要精度によっては、精密鋳造で成形した部品の一部を仕上げ加工することもできる。また、切削加工等の工程を経て流体管２及び渦発生体３を製作してもよい。その他、本発明を、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

１…渦流量計
２…本体部
２ａ…流路
３…渦発生体部
１００…流管
Ｇ…間隙

Claims (3)

1. 被測定流体が流通する流管に接続され側壁に貫通孔が形成された円筒状の本体部と、前記本体部に形成された円筒状の流路の軸方向に対して直角な方向に延在するように前記貫通孔から前記流路内に挿入されて配置される渦発生体部と、を備える渦流量計であって、
   前記流路内の前記貫通孔に対向する位置には、前記渦発生体部の端部を嵌め込ませるための凹部が形成され、
   前記渦発生体部の周壁において前記貫通孔の内壁と対向する部分に段部が形成され、
   前記凹部の開口部内壁において前記渦発生体部の周壁と対向する部分に段部が形成され、
   前記流路内において、前記貫通孔の内壁と前記渦発生体部の周壁との間、及び、前記渦発生体部の周壁と前記本体部の前記凹部の内壁との間、にそれぞれ間隙が形成され、
   前記本体部及び前記渦発生体部は、精密鋳造により別々に成形された上で溶接接合されてなる、渦流量計。
2. 被測定流体が流通する流管に接続される円筒状の本体部と、前記本体部に形成された円筒状の流路の軸方向に対して直角な方向に延在するように前記流路内に配置される渦発生体部と、を備える渦流量計を製造する方法であって、
   前記本体部及び前記渦発生体部を精密鋳造により別々に成形する部品成形工程と、
   前記部品成形工程で成形した前記本体部と前記渦発生体部とを溶接接合する溶接接合工程と、を備え、
   前記部品成形工程では、前記本体部の側壁に貫通孔を形成し、前記流路内の前記貫通孔に対向する位置に、前記渦発生体部の端部を嵌め込ませるための凹部を形成し、前記渦発生体部の周壁において前記貫通孔の内壁と対向する部分に段部を形成し、前記凹部の開口部内壁において前記渦発生体部の周壁と対向する部分に段部を形成し、
   前記溶接接合工程では、前記本体部の前記貫通孔から前記流路内を流路径方向に沿って横断するように前記渦発生体部を挿入し、前記本体部の前記貫通孔と前記渦発生体部との接続部を前記本体部の側壁外部において溶接することにより、前記本体部と前記渦発生体部とを接続し、
   前記流路内において、前記貫通孔の内壁と前記渦発生体部の周壁との間、及び、前記渦発生体部の周壁と前記本体部の前記凹部の内壁との間、にそれぞれ間隙を形成する、渦流量計の製造方法。
3. 前記部品成形工程では、前記本体部及び前記渦発生体部をロストワックス法により別々に成形する、請求項２に記載の渦流量計の製造方法。

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