JP6137542B2 - 圧損低減構造及び流量計及びサイレンサ及び整流器 - Google Patents

Description

本発明は、内容物を収容した大流路と、その端部に連絡された小流路とに流れる流体の圧力損失を低減させる圧損低減構造及びその圧損低減構造を備えた流量計及びサイレンサ及び整流器に関する。

配管の途中に接続される超音波流量計、サイレンサ及び消音器等は、超音波素子や消音壁等の内容物を収容するために、配管より流体通過面積が大きな大流路を備えている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２６８６４号公報（図１）

しかしながら、上記した構造では、大流路と配管内の小流路との間を通過する流体の圧力損失が問題になり得る。これに対し、図１３に示すように内容物５を収容した大流路２と小流路３との間にテーパ流路４を追加した構造が一般的に知られているが、超音波流量計、サイレンサ、消音器等の構造によっては、テーパ流路４を追加したことで、流路の軸方向で大型化したり、部品点数が増えたり、組み立て作業が困難になる等の問題が生じることがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、テーパ流路を設けずに、圧力損失を抑えることが可能な圧損低減構造及び流量計及びサイレンサ及び整流器の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係る圧損低減構造は、小流路と、小流路の端部に連絡されかつ小流路に対して流体通過面積が段付き状に大きくなった大流路と、を備え、大流路に消音壁、超音波素子、その他の内容物を収容すると共に、小流路から大流路へ流入する流体又は大流路から小流路へ流入する流体の圧力損失を低減させる圧損低減構造であって、大流路の内側面のうち大流路と小流路との段差面寄り位置から環状板を張り出させて、段差面と環状板との間に環状溝を設けるか、或いは、段差面から筒壁を突出させて、その筒壁と大流路の内側面との間に環状溝を設けるか、或いは、段差面の一部を環状に陥没させて環状溝を設けたところに特徴を有する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の圧損低減構造において、大流路の内側面から張り出した内容物としての環状の第１消音壁と、第１消音壁に間隔をあけて対向しかつ第１消音壁の内側開口全体を覆った内容物としての第２消音壁とを大流路の軸方向に交互に並べて、流体を伝播する超音波を低減させるサイレンサを構成すると共に、第１消音壁を大流路の段差面寄り位置に配置して環状板に兼用したところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の圧損低減構造において、段差面及び段差面における小流路の開口及び環状板の内側開口は、同心の円形をなし、環状板の内側開口の開口面積を、段差面における小流路の開口面積の１．１〜１．４倍とし、段差面と環状板との間隔を、小流路の開口径の０．５〜０．８倍としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧損低減構造。

請求項４の発明は、請求項２に記載の圧損低減構造において、環状板の内側開口の開口面積を、段差面における小流路の開口面積の１．１〜１．４倍とし、環状板の隣の第２の消音壁と段差面との間隔の０．５〜０．７倍としたところに特徴を有する。

請求項５の発明に係る流量計において、請求項２乃至４の何れか１の請求項に記載の第１及び第２の消音壁を収容した大流路を対にして、大流路より流体通過面積が小さい計測管路の両端部に接続し、両大流路における計測管路と反対側の端部寄り位置に第１消音壁を配置して環状板に兼用し、両大流路のうち計測管路寄りの端部にそれぞれ超音波素子を設けて計測管路を介して互いに対向するように配置したところに特徴を有する。

請求項６の発明に係る流量計は、請求項１乃至４の何れか１の請求項に記載の圧損低減構造を備えたところに特徴を有する。

請求項７の発明に係るサイレンサは、請求項１乃至４の何れか１の請求項に記載の圧損低減構造を備えたところに特徴を有する。

請求項８の発明に係る整流器は、請求項１又は３に記載の圧損低減構造を備えたところに特徴を有する。

請求項１の圧損低減構造のように、大流路と小流路との境界部分に環状溝を設けると、後述する実験にて確認できたように、大流路から小流路へ流入するとき又は小流路から大流路へ流入するときの流体の圧力損失が抑えられる。即ち、本発明によれば、テーパ流路を設けずに、圧力損失を抑えることが可能になる。ここで、請求項３の圧損低減構造のように、段差面及び段差面における小流路の開口及び環状板の内側開口を、同心の円形をなすようにし、環状板の内側開口の開口面積を、段差面における小流路の開口面積の１．１〜１．４倍とし、段差面と環状板との間隔を、小流路の開口径の０．５〜０．８倍とすることが好ましい。

請求項２の圧損低減構造では、サイレンサを構成する第１と第２の消音壁のうち、大流路の内側面から張り出した環状の第１消音壁を、第１消音壁を大流路の段差面寄り位置に配置して環状板に兼用したので、大流路と小流路との間にテーパ流路を追加したものに比べて圧損低減構造を流路の軸方向でコンパクトにすることができる。ここで、環状板の構造としては、請求項４の圧損低減構造のように、その環状板の内側開口の開口面積を、段差面における小流路の開口面積の１．１〜１．４倍とし、段差面と環状板との間隔を、環状板の隣の第２の消音壁と段差面との間隔の０．５〜０．７倍とすることが好ましい。

なお、請求項５，６，７，８の発明によれば、本発明に係る圧損低減構造を流量計、サイレンサ、整流器に備えたことで、テーパ流路を設けずに、圧力損失を抑えることが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る超音波流量計の側断面図 超音波流量計の分解斜視図 第２実施形態に係る超音波流量計の側断面図 第３実施形態に係る整流器の側断面図 第４実施形態に係るフィルタの側断面図 第５実施形態に係るフィルタの側断面図 第６実施形態に係るサイレンサの側断面図 シミュレーションによる速度分布線図 環状板の変形例を示した断面図 （Ａ）環状板の変形例の正面図、（Ｂ）そのＸ−Ｘ切断面の断面図 （Ａ）環状板の変形例の正面図、（Ｂ）そのＹ−Ｙ切断面の断面図 他の実施形態（５）に係る超音波流量計の側断面図 従来の圧損低減構造の概要図

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の超音波流量計１０（本発明の「流量計」に相当する）は、１対の素子収容管１３，１３の間を計測管１２で連絡した構造をなしている。

図２に示すように、各素子収容管１３は、円筒壁１３Ａの一端に六角柱構造の配管接続部１１を備えている。一方、図１に示した計測管１２は、断面長円形の扁平形状をなし、計測管１２の内側が本発明に係る「計測管路」になっている。また、計測管１２の両端部からは円形のフランジ板１２Ａ，１２Ａが側方に張り出していて、それらフランジ板１２Ａ，１２Ａが各素子収容管１３における配管接続部１１と反対側の開放口内に嵌合されて、例えば溶着されている。

各素子収容管１３における配管接続部１１の中心部には、ガス配管１００を接続するために接続孔１１Ａが貫通形成されている。そして、接続孔１１Ａ内が本発明に係る「小流路」をなす一方、円筒壁１３Ａ内が本発明に係る「大流路」をなし、さらに配管接続部１１のうち円筒壁１３Ａ内に臨んだ一端面が、本発明に係る段差面１３Ｅをなしている。

なお、接続孔１１Ａは、円筒壁１３Ａ側に向かって徐々に縮径した、所謂、テーパ螺子になっていて、段差面１３Ｅにおける接続孔１１Ａの開口の直径は、段差面１３Ｅの直径に対して略２／８〜４／８程度になっている。

各素子収容管１３には、段差面１３Ｅ側から順番に、本発明に係る第１消音壁２５、第２消音壁２３、第１消音壁２２及び第２消音壁２１が並べて収容されていて、これら消音壁群からサイレンサ１３Ｓが構成されている。具体的には、両第１消音壁２２，２５は、円筒壁１３Ａの内径と略同一の外径を有した円環状をなしている。また、段差面１３Ｅ側の第１消音壁２５は、本発明の「環状板」も兼ねていて、その第１消音壁２５における内側開口２５Ｘの開口面積は、段差面１３Ｅにおける接続孔１１Ａの開口面積の１．１〜１．４倍になっている。また、他方の第１消音壁２２における内側開口２２Ｘの口径は、一方の第１消音壁２５における内側開口２５Ｘの口径よりは若干小さく、接続孔１１Ａの口径よりは若干大きくなっている。さらに、他方の第１消音壁２２には、内側開口２２Ｘの開口縁を断面円形に膨出させてなる膨出リング部２２Ｂが備えられている。なお、一方の第１消音壁２５は、均一の板厚になっている。

両第２消音壁２１，２３は、第１消音壁２２，２５の内側開口２２Ｘ，２５Ｘの全体を覆った円板状をなしている。また、両第２消音壁２１，２３には、外縁部を断面円形に膨出させてなる膨出リング部２１Ｂ，２３Ｂが備えられている。

段差面１３Ｅのうち接続孔１１Ａを間に挟んだ２箇所には、１対の雌螺子孔１１Ｎ，１１Ｎが形成され、それら１対の雌螺子孔１１Ｎ，１１Ｎの同軸上に、第１及び第２の消音壁２１，２２，２３，２５を貫通する１対の螺子挿通孔２４，２４が形成されている。そして、１対の雄螺子３０，３０が、第１及び第２の消音壁２１，２２，２３，２５の螺子挿通孔２４，２４に挿通されて雌螺子孔１１Ｎ，１１Ｎに締め付けられていると共に、隣り合った第１と第２の消音壁２１，２２の間、第１と第２の消音壁２２，２３の間、第１と第２の消音壁２３，２５の間、及び、第１消音壁２５と段差面１３Ｅとの間に、雄螺子３０，３０に通されたカラー２４Ｓ，２４Ｓが挟まれている。これにより、第１消音壁２５、第２消音壁２３、第１消音壁２２、第２消音壁２１が円筒壁１３Ａ内で一定間隔に並んでいる。そして、第１消音壁２５と段差面１３Ｅとの間に本発明に係る環状溝２６が形成されている。なお、段差面１３Ｅ側の第１消音壁２５と段差面１３Ｅとの間隔は、段差面１３Ｅにおける接続孔１１Ａの開口径の０．５〜０．８倍となっている。

各素子収容管１３，１３における第２消音壁２１，２１とフランジ板１２Ａ，１２Ａとの間には、対向する１対の超音波素子１５，１５が備えられている。各超音波素子１５は、例えば、フランジ板１２Ａから突出した図示しない支持突部に保持されている。

本実施形態の構成は以上である。次に、本実施形態の作用効果について説明する。超音波流量計１０は、図１に示すように、ガス配管１００の途中に取り付けられる。そして、１対の超音波素子１５，１５の間で超音波を送受波し、一方の超音波素子１５から他方の超音波素子１５への超音波の到達時間を計測して、その計測結果に基づいて計測管１２を通過するガスの流量を計測する。

その超音波流量計１０による流量計測中に、例えば、ガス配管１００に取り付けられている図示しないバルブの開閉に伴った超音波ノイズが超音波流量計１０に届くことがある。しかしながら、本実施形態の超音波流量計１０では、第１及び第２の消音壁２１，２２，２３，２５からなるサイレンサ１３Ｓが、１対の超音波素子１５，１５の上流側と下流側とに配置されているので、上流側と下流側との何れから超音波ノイズが伝播してきても、その超音波ノイズの影響を抑えた流量計測を行うことができる。

具体的には、超音波ノイズは、接続孔１１Ａから円筒壁１３Ａに進入すると、第１消音壁２５の内側開口２５Ｘを通過して第２消音壁２３に衝突する。そして、第２消音壁２３に沿って放射状に拡散してから第２消音壁２３と円筒壁１３Ａとの間を通過し、第１消音壁２２の内側開口２２Ｘで重なり合う。その後、次の第２消音壁２１に衝突して放射状に拡散してから第２消音壁２１と円筒壁１３Ａとの間を通過し、計測管１２の手前で重なり合う。このように、超音波ノイズが蛇行した経路を伝播することで減衰するため、超音波ノイズの影響を抑えた流量計測を行うことができる。

そして、本実施形態の超音波流量計１０では、大流路である円筒壁１３Ａと小流路である接続孔１１Ａとの間にテーパ流路を設けずに環状溝２６を設けたことにより、後述する実験で確認できたように、流体の圧力損失を抑えることができる。また、その環状溝２６が、円筒壁１３Ａの内側面から張り出した第１消音壁２５と、円筒壁１３Ａの一端の段差面１３Ｅとの間に形成されているので、大流路である円筒壁１３Ａと小流路である接続孔１１Ａとの間にテーパ流路（図１３参照）を追加したものに比べて超音波流量計１０を円筒壁１３Ａと接続孔１１Ａの軸方向でコンパクトにすることができる。しかも、環状溝２６が、超音波ノイズを低減させるための第１消音壁２５を用いて形成されているので、一層のコンパクト化が図られる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態は、図３に示されている。この第２実施形態の超音波流量計１０Ｖは、前記第１実施形態の第１消音壁２５の代わりに、本発明に係る筒壁２７を備えている。その筒壁２７は、段差面１３Ｅのうち接続孔１１Ａの開口と同心となる位置から第２消音壁２３に向かって突出した円筒状をなしている。また、筒壁２７の軸長は、段差面１３Ｅと第２消音壁２３の段差面１３Ｅ側端面との間の距離の０．５〜０．７倍になっている。そして、筒壁２７と円筒壁１３Ａの内側面との間が本発明に係る環状溝２６Ｖになっている。その他の構成については上記第１実施形態と同じであるため、同じ構成については、同一符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の構成によっても、後述する実験で確認できたように、テーパ流路を設けずに円筒壁１３Ａと接続孔１１Ａとの間を通過するときの流体の圧力損失を抑えることができる。

［第３実施形態］
図４には、本発明を整流器５０に適用した第３実施形態が示されている。この整流器５０は、大径管５１と小径管５２とを接続してなるハウジング５３を備え、小径管５２にガス配管１００が接続される一方、大径管５１に整流構造体５４が、本発明に係る「内容物」として収容されている。整流構造体５４は、芯部材５４Ａから放射状に複数のフィン５４Ｂを張り出した構造をなしている。また、複数のフィン５４Ｂは、芯部材５４Ａの軸方向に対して僅かに傾斜している。そして、整流構造体５４が、大径管５１と小径管５２との間の段差面５３Ｅから離れた位置に嵌合固定され、その整流構造体５４と段差面５３Ｅとの間に前記第１実施形態で説明した第１消音壁２５と同じ形状の環状板５５が備えられている。なお、環状板５５は、段差面５３Ｅと整流構造体５４の段差面５３Ｅ側端面との間の距離の０．５〜０．７倍の距離だけ段差面５３Ｅから離れた位置に配置されている。本実施形態の整流器５０によれば、ガスを整流化することができかつ流体の圧力損失を抑えることができる。

［第４実施形態］
本実施形態は図５に示されており、この実施形態のフィルタ５０Ｖは、前記第３実施形態の整流構造体５４の代わりにフィルタ本体５４Ｖを大径管５１に収容している。即ち、本実施形態のフィルタ本体５４Ｖは、大径管５１の軸方向に貫通した複数のセル流路５４Ｃを備えている。そして、フィルタ本体５４Ｖと段差面５３Ｅとの間に環状板５５が配置された構造になっている。

［第５実施形態］
本実施形態は図６に示されており、この実施形態のフィルタ５０Ｗは、前記第４実施形態のセル構造のフィルタ本体５４Ｖの代わりに、板金に複数の孔を穿孔してなるパンチングメタル５４Ｗを大径管５１に収容した構造になっている。

［第６実施形態］
図７には、本発明をサイレンサ６０に適用した第６実施形態が示されている。このサイレンサ６０は、大径管６１とその両端に配された小径管６２，６２とを接続してなるハウジング６３を備え、両方の小径管６２，６２にガス配管１００，１００が接続される一方、大径管６１に消音構造体６４が、本発明に係る「内容物」として収容されている。消音構造体６４は、例えば、ガラスウールや多孔質体からなるフィルターで形成され、一方の小径管６２から延長した延管６２Ｅによって、大径管６１と他方の小径管６２との間の段差面６３Ｅから離れた位置に固定されている。そして、その消音構造体６４と段差面６３Ｅとの間に前記第１実施形態で説明した第１消音壁２５と同じ形状の環状板６５が備えられている。なお、環状板６５と段差面６３Ｅとの間隔は、段差面６３Ｅにおける小径管６２の開口径の０．５〜０．８倍となっている。

［実施例］
本発明の効果を確認するために、三次元流体解析ソフト（ＳＣＲＹＵ／Ｔｅｒｔａ；ソフトウェアクレイドル社）を使用してシミュレーション実験を行った。具体的には、第１実施形態の超音波流量計１０と略同一の構造をなした第１解析モデル（図１，図８（Ａ）参照）と、その第１解析モデルの第１消音壁２５の代わりに、第２実施形態の超音波流量計１０Ｖの筒壁２７を備えた第２解析モデル（図８（Ｂ）参照）と、第１解析モデルから第１消音壁２５を排除した第３解析モデル（図８（Ｃ）参照）とを作成し、それら第１〜第３の解析モデルの超音波流量計に、４０００［Ｌ／ｈ］で空気を流した場合の圧力損失についてシミュレーション解析を行った。

その結果、第１解析モデルの超音波流量計の全体の圧力損失は、１４９．８４［Ｐａ］となり、第２解析モデルの超音波流量計の全体の圧力損失は、１５１．０４［Ｐａ］となり、第３解析モデルの超音波流量計の全体の圧力損失は、１６６．８６［Ｐａ］となった。この実験から、大流路である円筒壁１３Ａと小流路である接続孔１１Ａとの間に環状溝２６，２６Ｖを設けたことにより流体の圧力損失が抑えられることが確認できた。

なお、図８（Ａ）、図８（Ｂ），図８（Ｃ）には、第１〜第３の解析モデルにおける流速分布線図が示されている。この速度分布線図から、以下の理由により、環状溝２６，２６Ｖを設けたことで圧力損失の低減効果が得られたと考えることができる。即ち、第１〜第３の解析モデルの間で、流入側同士の流速分布線図を比較しても、流出側同士の流速分布線図を比較しても、何れも、環状溝２６，２６Ｖを有しない第３解析モデルに比べて、環状溝２６，２６Ｖを有した第１，２解析モデルでは、速度分布線の密度が低下している、即ち、流速の変化が小さくなっていることが分かる。第１，２解析モデルでは、第３解析モデルに比べて、流れの剥離（図８の黒色部分）と、それに伴う流速の増加（接続孔１１Ａの中心の白色部分）が抑えられていることも分かる。これらから、環状溝２６，２６Ｖを設けたことで、流速の変化が抑えられて、圧力損失の低減効果が得られたと考えられる。

［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）前記実施形態の第１消音壁２５の内縁形状は、図９（Ａ）に示すように、内側開口２５Ｘの内面と第１消音壁２５の表裏の両面とが直交した形状をなしていた。また、第４実施形態の環状板５５も同様であった。これら第１消音壁２５，環状板５５に代えて、図９（Ｂ）〜（Ｎ）に示した環状板２５Ｂ〜２５Ｎのように種々の内縁形状を有した環状板を採用してもよい。

（２）また、図１０に示した環状板２５Ｐのように、内側開口２５Ｘの開口縁における周方向の複数位置に凹部２５Ｔを分散配置した構造や、図１１に示した環状板２５Ｑのように、内側開口２５Ｘの開口縁における周方向の複数位置に突部２５Ｓを分散配置した構造のものを採用してもよい。

（３）前記実施形態では本発明に係る圧損低減構造を超音波流量計に適用した例を示したが、例えば、熱線、カルマン渦、電磁誘導、羽根車等を利用した流量計に適用してもよい。また、流量計の計測対象は液体であってもよい。

（４）前記実施形態の超音波流量計１０は、両端部にサイレンサ１３Ｓが備えられていたが、一端部のみにサイレンサを備えた構成にしてもよい。

（５）前記実施形態の超音波流量計１０は、段差面１３Ｅと第１消音壁２５との間に環状溝２６を設けた構成であったが、図１２に示すように、段差面１３Ｅの一部を環状に陥没させて環状溝２６Ｗを設けた構成であってもよい。

１０，１０Ｖ 超音波流量計（流量計）
１０Ｓ サイレンサ
１１Ａ 接続孔（小流路）
１３Ａ 円筒壁（大流路）
１３Ｅ，５３Ｅ 段差面
１３Ｓ サイレンサ
１５ 超音波素子
２１，２３ 第２消音壁
２２，２５ 第１消音壁
２５Ｂ〜２５Ｎ，２５Ｐ，２５Ｑ，５５ 環状板
２６，２６Ｖ，２６Ｗ 環状溝
２７ 筒壁
５０ 整流器
５０Ｖ，５０Ｖ フィルタ
５１ 大径管
５２ 小径管
５４ 整流構造体（内容物）
５４Ｖ フィルタ本体（内容物）
５４Ｗ パンチングメタル（内容物）
６０ サイレンサ
６１ 大径管
６２ 小径管
６４ 消音構造体（内容物）

Claims (8)

1. 小流路と、前記小流路の端部に連絡されかつ前記小流路に対して流体通過面積が段付き状に大きくなった大流路と、を備え、前記大流路に消音壁、超音波素子、その他の内容物を収容すると共に、前記小流路から前記大流路へ流入する流体又は前記大流路から前記小流路へ流入する流体の圧力損失を低減させる圧損低減構造であって、
   前記大流路の内側面のうち前記大流路と前記小流路との段差面寄り位置から環状板を張り出させて、前記段差面と前記環状板との間に環状溝を設けるか、或いは、前記段差面から筒壁を突出させて、その筒壁と前記大流路の内側面との間に環状溝を設けるか、或いは、前記段差面の一部を環状に陥没させて環状溝を設けたことを特徴とする圧損低減構造。
2. 前記大流路の内側面から張り出した前記内容物としての環状の第１消音壁と、前記第１消音壁に間隔をあけて対向しかつ前記第１消音壁の内側開口全体を覆った前記内容物としての第２消音壁とを前記大流路の軸方向に交互に並べて、前記流体を伝播する超音波を低減させるサイレンサを構成すると共に、前記第１消音壁を前記大流路の前記段差面寄り位置に配置して前記環状板に兼用したことを特徴とする請求項１に記載の圧損低減構造。
3. 前記段差面及び前記段差面における前記小流路の開口及び前記環状板の内側開口は、同心の円形をなし、
   前記環状板の内側開口の開口面積を、前記段差面における前記小流路の開口面積の１．１〜１．４倍とし、前記段差面と前記環状板との間隔を、前記小流路の開口径の０．５〜０．８倍としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧損低減構造。
4. 前記環状板の内側開口の開口面積を、前記段差面における前記小流路の開口面積の１．１〜１．４倍とし、前記段差面と前記環状板との間隔を、前記環状板の隣の前記第２の消音壁と前記段差面との間隔の０．５〜０．７倍としたことを特徴とする請求項２に記載の圧損低減構造。
5. 請求項２乃至４の何れか１の請求項に記載の前記第１及び第２の消音壁を収容した前記大流路を対にして、前記大流路より流体通過面積が小さい計測管路の両端部に接続し、
   両前記大流路における前記計測管路と反対側の端部寄り位置に前記第１消音壁を配置して前記環状板に兼用し、
   両前記大流路のうち前記計測管路寄りの端部にそれぞれ前記超音波素子を設けて前記計測管路を介して互いに対向するように配置したことを特徴とする流量計。
6. 請求項１乃至４の何れか１の請求項に記載の圧損低減構造を備えたことを特徴とする流量計。
7. 請求項１乃至４の何れか１の請求項に記載の圧損低減構造を備えたことを特徴とするサイレンサ。
8. 請求項１又は３に記載の圧損低減構造を備えたことを特徴とする整流器。