JP6421370B2 - 流量計及びポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、流量計及びポンプ装置に関するものである。

従来、流量計として、フォロープレートの下降距離計測機器と、下降時間を計測するタイマーと、下降距離と下降時間から単位時間当たりの下降距離を算出し、容器の開口面積から汲み上げ量を演算する演算器とを備えたものが公知である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、前記従来の流量計は、構成が複雑で高価なものである。また他に、超音波流量計等もあるが、やはり高価である。

特開２００６−４６１５６号公報

本発明は、一軸偏心ねじポンプと同様な機構を利用して、簡単かつ安価な構成の流量計及びポンプ装置を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、
管状部材、管状部材内に配置され、入口から出口に向かう流動方向に所定ピッチで形成された雌ねじ形状の貫通孔を有するステータ、及び、雄ねじ形状に形成され、前記ステータの貫通孔内に挿通されることにより、その内周面との間に流動空間を形成するロータを備え、前記流動空間を流動体が流動することにより、前記ステータと前記ロータが相対的に回転する流量計本体と、
前記ステータと前記ロータの相対回転数を検出する検出体と、
を備えた流量計と、
管状部材、管状部材内に配置され、入口から出口に向かう流動方向に所定ピッチで形成された雌ねじ形状の貫通孔を有するステータ、及び、雄ねじ形状に形成され、前記ステータの貫通孔内に挿通されることにより、その内周面との間に流動空間を形成し、前記流動空間を流動体が流動することにより回転するロータを備えたポンプ体と、
前記ポンプ体を回転駆動する駆動体と、
前記検出体によって検出される前記ステータ又は前記ロータの回転数に基づいて流量を算出し、得られた算出流量を予め設定した目標流量と比較し、前記算出流量が目標流量となるように、前記駆動体の回転を駆動制御する制御装置と、
を備え、
前記流量計と前記ポンプ体とは、ロータの１回転当たりの通過流量が同一であり、
前記制御装置は、前記ポンプ体のロータの回転数が前記流量計で検出されるロータの回転数と合致するように、前記駆動体の回転を駆動制御することを特徴とするポンプ装置を提供する。

本発明によれば、流路途中には流量計本体を配置しただけでよく、防水構造は不要である。したがって、構成を簡略化して安価に製作することができる。

第１実施形態に係る流量計の正面断面図である。 第２実施形態に係る流量計の正面断面図である。 図２Ａのストッパを示す側面図である。 第３実施形態に係る流量計の正面断面図である。 第４実施形態に係る流量計の正面断面図である。 図４Ａのステータ及びロータ部分を示す断面図である。 本実施形態に係る流量計の適用例を示す正面断面図である。 本実施形態に係る流量計の他の適用例を示す正面断面図である。 本実施形態に係る流量計とポンプ体に於けるピッチの違いを示す部分断面図である。 本実施形態に係る流量計の他の適用例を示す正面断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また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相違している。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る流量計１を示す。この流量計１は、流量計本体２と、その構成部品であるロータ６の回転を検出するための検出体３とで構成されている。

流量計本体２は、管状部材４内にステータ５を取り付け、ステータ５内にロータ６を挿入したもので、ロータ６の一端部には磁石部７が一体化されている。

管状部材４は、筒状で、一端が出口８、他端が入口９となっている。但し、ステータ５及びロータ６が収容される管状部材本体に吸引管と吐出管を取り外し可能に装着した構成とすることも可能である。

ステータ５は、適宜移送する材料に応じて選択されるゴム、樹脂等の弾性材料（例えば、シリコンゴム、シリコンオイルを含有する化粧品等ではフッ素ゴム）を筒状（例えば、円筒状）に形成したものである。ステータ５の中心孔１０は、その内周面がｎ条（ｎは自然数）で単段あるいは多段の雌ネジ形状とされている。ここでは、中心孔１０は、ステータ５の中心線を中心とする螺旋状に形成されている。

ロータ６は、金属材料からなる軸体をｎ−１条で単段あるいは多段の雄ネジ形状としたもので、ここでは軸心を中心とする螺旋状に形成されている。ロータ６は、ステータ５の中心孔１０内に配置される。この状態では、ロータ６の回転中心は、ステータ５の中心線から偏心している。そして、ステータ５とロータ６とで、長手方向につながった移送空間１１が形成される。

磁石部７は、円柱状の永久磁石（以下、この永久磁石を被検出磁石１２と記載する）を円筒状のカバー１３で覆ったものである。被検出磁石１２は、軸心を通り、軸方向に沿う平面で２分割した各部位で逆極性となるように着磁されている。すなわち、一方の半円部がＮ極で、他方の半円部がＳ極とされている。被検出磁石１２の一端部にはロータ６の一端部に固定される連結部１４が設けられている。カバー１３は、一端が開口する筒状で、被検出磁石１２側から装着され、連結部１４の外周部に嵌合一体化される。但し、カバー１３は樹脂封止によって被検出磁石１２を覆うように形成することも可能である。

検出体３は、前記ロータ６に一体化した磁石部７の回転を検出するためのものである。検出体３には、磁石部７の回転に伴う被検出磁石１２による磁界の向き及び磁束密度の変化を検出する、例えば、磁気センサを使用することができる。要は、被検出磁石１２の回転を検出できるものであれば、いずれの構成のものでも使用可能である。

なお、検出体３で検出された磁界の向き及び磁束密度の変化は制御装置１５に入力される。制御装置１５は、入力された磁界の向き及び磁束密度の変化に基づいて、ロータ６の回転数を判断し、流動体の流量を演算する。また、制御装置１５での演算結果である流動体の流量については、表示装置１６に表示する。

前記構成からなる流量計１では、流量計本体２を、流量を検出したい配管の途中に接続し、その外周側に検出体３を配置するだけでよい。流量計本体２内を流動体が流動すると、その流れによってロータ６が回転する。ロータ６の回転により、その一端部に一体化した磁石部７が回転し、その外周側での磁界の向き及び磁束密度が変化する。検出体３は、その磁界の向き及び磁束密度の変化を検出し、制御装置１５に送信する。

制御装置１５では、受信した磁界の向き及び磁束密度の変化に基づいてロータ６の回転数を判断し、流量を演算する。流量の演算では、ロータ６が１回転すれば、移送される流動体の流量がどれだけになるのかが分かっているので、予めこのデータをデータテーブルとして記憶しておく（流量計本体２の種類の違いによって、ステータ５及びロータ６のねじ形状のピッチ、移送空間１１のサイズ等が異なり、ロータ６が１回転することにより移送される流動体の流量が相違する。そこで、流量計本体２の違いに応じてロータ６が１回転する際の流量を記憶しておき、接続される流量計本体２に応じた１回転での流量を選択するようにすればよい。）。そして、磁界の向き及び磁束密度の変化からロータ６の回転数と、基準位置から何度回転したのかが分かるので、流動体の流量を正確に演算する。

前記構成の流量計１によれば、次のような効果がある。
（１）流量計本体２を流量の検出を希望する配管の途中に接続するだけでよいので、設置作業を簡単に行うことができる。
（２）流量計本体２は、管状部材４内にロータ６、ステータ５及び磁石部７のみを収容しただけの単純な構成である。
（３）管状部材４内の構成部品は流動体中にそのまま配置でき、別途防水構造を施す必要がない。
（４）ロータ６の回転は、管状部材４の外部に設けた検出体３によって行うことができる。検出体自体は流動体に浸漬されることがないので、防水構造を設ける必要がなく、コストアップを招来することもない。
（５）１つの検出体３を複数の流量計本体２でのロータ６の回転検出に利用することができる。
（６）ステータ５が摩耗すれば、流量計本体２のみ、可能であればステータ５のみを交換することができる。

以下の実施形態では、図１に示すものと基本的構成は同じであるので、対応する部分に対応する符号を付してその説明を省略する。

（第２実施形態）
図２Ａは、第２実施形態に係る流量計１を示す。
この流量計１の流量計本体２は、図１に示す第１実施形態に係る構成に加えてストッパ１７を設けた構成となっている。

ストッパ１７は、略円柱状で、一端が平坦面、他端が円錐面で構成されている。また、図２Ｂに示すように、外周面には周方向に等間隔で４箇所に断面円弧状の溝部１８が形成されている。これら溝部１８と管状部材４の内周面とで流動体が通過可能な流路が形成される。ストッパ１７は、管状部材４内に圧入され、その平坦面に磁石部７の先端が当接した状態で位置決めされる。これにより、ロータ６及び磁石部７の軸心方向の位置ずれが防止される。

前記構成の流量計本体２を備えた流量計１によれば、磁石部７の先端にはストッパ１７が当接しているので、ロータ６を回転させる場合、出口８側へのロータ６及び磁石部７の移動を阻止することができる。したがって、磁石部７が軸心方向に位置ずれすることがなく、その回転動作を管状部材４の外面に取り付けた検出体３によって確実に検出することが可能となる。

（第３実施形態）
図３は、第３実施形態に係る流量計１を示す。
この流量計１の流量計本体２は、図２Ａ、Ｂに示す第２実施形態に係る構成に加えて、軸受部１９によって磁石部７の先端側を回転可能に支持するようにしたものである。

磁石部７の先端側、すなわちカバー１３の先端部分には、小径の円柱状に形成された軸部２０が形成され、この軸部２０が軸受部１９に回転可能に支持されている。軸受部１９は、磁石部７と共に公転運動し、外周面が管状部材４の内周面に順次接触して転動する。これにより、ロータ６が回転する際の芯振れが抑制される。また軸受部１９によって管状部材４内の流路の大部分が閉鎖されることになるので、カバー１３の軸部２０には連通路２１が形成され、流動体の流れが確保されている。

前記構成の流量計本体２によれば、磁石部７のカバー１３がその軸部２０を軸受部１９によって回転可能に支持され、軸受部１９の外周面は管状部材４の内周面を転動するように構成されている。したがって、流動体の流動によってロータ６が回転しても芯振れすることはない。このため、検出体３によるロータ６の回転状態の検出を安定させることができる。

（第４実施形態）
図４Ａは、第４実施形態に係る流量計１を示す。
この流量計１の流量計本体２は、前述のように、流動体の流動によりロータ６が回転するのではなく、その周囲に配置したステータ５が回転するようになっている。

管状部材４内にはストッパ１７が固定されている。ストッパ１７とロータ６との間はフレキシブルジョイント２２によって連結されている。これにより、ロータ６は、軸心回りの回転を阻止されるものの、周方向への公転移動可能に支持される。

ステータ５は、管状部材４の内周側で両端部を第１ストッパ２３及び第２ストッパ２４によって軸方向への移動を阻止された状態で回転可能となっている。ステータ５の外周面４箇所には永久磁石（被検出磁石２５）が周方向に等分に配置されている。図４Ｂに示すように、被検出磁石２５は、上下に位置するものの外径側をＳ極、内径側をＮ極とし、左右に位置するものの外径側をＮ極、内径側をＳ極としたものである。管状部材４の外周側には、ステータ５に対応する位置に、検出体３が配置されている。

前記構成の流量計１によれば、入口９から流入した流動体は、ロータ６とステータ５とで形成される移送空間１１へと流入する。ロータ６は軸心回りの回転を阻止されているので、流動体の移動によりステータ５が管状部材４の内周を回転する。ロータ６は、ステータ５の回転に伴い、ステータ５の中心孔１０の内周面に摺接しながら周方向に公転移動する。ステータ５の回転により、その周囲で磁束密度が周方向の各位置で増減し、磁界の向きが変化する。検出体３では、この磁束密度と磁界の向きの変化とを検出する。制御装置（図４Ａには図示せず）では、検出体３からの検出信号に基づいてステータ５の回転数を判断し、流量を演算する。

（第５実施形態）
図５は、前記実施形態に係る流量計１の適用例を示す。
流量計１は、貯留容器２６に配置される配管２７の途中に配置されている。配管２７は、貯留容器の底面から上方に向かう垂直部２７ａと、その上端部から水平方向に延びる水平部２７ｂと、その先端から鉛直下方に向かう先端部２７ｃとで構成されている。垂直部２７ａの上流側（下方側）にはポンプ体２８が設けられている。垂直部２７ａの下流側（上方側）には流量計本体２９が設けられている。

ポンプ体２８は、第１ストッパ３０、従動磁石３１、ステータ５及びロータ６を備え、この順で、垂直部２７ａの下端部から上方へと配置されている。ポンプ体２８は、駆動体３２によって駆動する。駆動体３２は、モータ３３によって駆動磁石３４が回転駆動する構成である。ここでは、従動磁石３１及び駆動磁石３４には、２極のものが図示されているが、４極、６極、８極…等であっても構わない。

流量計本体２９は、ステータ５及びロータ６、被検出磁石３５を有する磁石部７、第２ストッパ３６を備え、上方に向かってこの順で垂直部２７ａ内に配置されている。磁石部７の周囲には磁気センサ等の検出体３７が設けられている。検出体３７は、流動体が通過することによりロータ６と共に回転する磁石部７の回転数を検出する。ロータ６の回転数と流量との関係は明確であるため、検出した回転数に基づいて流量を算出することができる。

前記構成によれば、駆動体３２によってポンプ体２８を回転駆動することにより、貯留容器２６内の流動体を底面側から吸い上げて上方へと吐出させることができる。このとき、流量計本体２９のロータ６が回転し、その回転に伴う磁石部７の回転動作が検出体３７によって検出される。そして、制御装置（図５では図示せず）にて、検出された回転数に基づいて流量計本体２９を通過する流動体の流量が算出される。

前記第５実施形態では、ポンプ体２８の駆動制御については特に言及しなかったが、例えば、次のようにすることができる。
すなわち、前記ポンプ体２８による流動体の目標流量と、流量計本体２９によって検出（算出）された検出流量とを比較する。検出流量が目標流量よりも小さい場合、ポンプ体２８によって実際に移送できている流量が不足していると判断する。例えば、気化しやすい次亜塩素酸ソーダを移送する場合、移送途中で一部が気体となり、実際の液体流量が減少することがある。そこで、検出流量が目標流量よりも小さければ、駆動体３２の回転数を上方修正してポンプ体２８のロータ６の回転数を増大させる。これにより、流動体の気化に伴う実際の液体流量の減少を防止することができる。この場合、予め、検出流量と目標流量の差から検出流量が目標流量となるようなロータ６の回転数を求めておくようにすればよい。
このように、検出流量と目標流量とを比較してポンプ体２８を駆動制御するようにすれば、流動体の状態如何に拘わらず、確実に目標流量で移送させることができる。

また、ポンプ体２８と流量計本体２９が同一サイズ（ロータ６が１回転するときの通過流量が同じ）である場合、流量計本体２９での検出値がそのままポンプ体２８による流量となる。そこで、流量計本体２９での検出値に基づいて、駆動体３２の回転数を制御してポンプ体２８のロータ６の回転数を流量計本体２９のロータ６の回転数と合致させるようにすればよい。これによれば、流量計本体２９での検出値に対して特別な演算を必要とすることなく、ポンプ体２８でのロータ６の回転数を決定することができる。この場合、駆動体３２の回転数とポンプ体２８のロータ６の回転数をも合致させておけば、より一層、制御が簡単なものとなる。なお、ポンプ体２８と流量計本体２９のサイズが同一でなくても、それぞれの部材でロータ６が１回転するときの流量の比率が明確であれば、その比率に基づいて検出値を補正するようにすればよい。また前述のように、ポンプ体２８によって実際に移送できている流量が不足している場合、同様に駆動体３２の回転数を上方修正すればよい。

（第６実施形態）
図６は、前記実施形態に係る流量計１の他の適用例を示す。
流量計１は、流動体を流動させるポンプ３８に接続される配管３９の途中に設けられている。ポンプ３８は、モータ４０の駆動により吸込口４１を介して流動体を吸い込んで、配管３９へと流動させるもので、一軸偏心ねじポンプのほか、一般的な容量ポンプや非容量ポンプであってもよい。ポンプ３８から吐出される流動体の流量は流量計１によって検出できるようになっている。

流量計１は、配管３９の途中に着脱可能であり、前記各実施形態と同様な構成となっている。ここでは、図２Ａに示すのと同様な構成の流量計本体２及び検出体３で構成されている。詳しくは、配管３９内にはポンプ３８側から順に、ステータ５及びロータ６、ロータ６の一端部に一体化した磁石部７、及び、ストッパ１７が位置している（但し、これらの部材は逆向き、すなわち、ポンプ３８側から、ストッパ１７、磁石部７、及び、ステータ５及びロータ６の順で配置することも可能である。）。流量計１を流動体が通過すると、ロータ６が回転し、その一端部に一体化した磁石部７も回転する。そして、制御装置（図６では図示せず）にて、磁石部７の回転動作に伴う磁界方向と磁束密度の変化に基づいてロータ６の回転数を検出し、その検出結果に基づいて流量を演算する。

なお、本発明は、前記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
前記実施形態では、特に言及しなかったが、流量計として使用する場合、ねじ形状に形成されたステータ５とロータ６のピッチ寸法は、流動体を搬送する場合に比べて大きい値とするのが好ましい。例えば、図７に示すように、ステータ５とロータ６のピッチ寸法Ｐ１に対して２倍のＰ２とするようにすればよい。これにより、流動体が流動する際、ステータ５又はロータ６が回転しやすくなり、流量が少ない場合であっても検出することが可能となる。
また、ステータ５とロータ６の条数を増やすようにしても構わない（例えば、ステータ５を３条、ロータ６を２条とする等）。

前記第５実施形態及び前記第６実施形態では、ロータ６を回転させるように構成したが、これに限らず、ステータ５を回転させたり、双方共に回転させたりすることが可能である。

また、前記ロータ６又は前記ステータ５の回転にはアシスト機能を設けるようにしてもよい。例えば、図８に示すように、配管４３の途中に配置する流量計１は、前記図３に示すのと同様に、一端側から順に配置される第１ストッパ４４、被検出磁石４５、ステータ５及びロータ６を備える。被検出磁石４５はロータ６の一端部に一体化され、第１カバー４６によって覆われている。第１カバー４６の一端側には第１軸部４７が形成されている。第１軸部４７には第１連通路４８が形成されている。第１軸部４７は第１軸受部４９に回転可能に支持されている。

一方、ロータ６の他端部には従動磁石５０が一体化されている。従動磁石５０は第２カバー５１によって覆われている。第２カバー５１の一端側には第２軸部５２が形成されている。第２軸部５２は第２軸受部５３に回転可能に支持されている。第２軸部５２には連通路５４が形成されている。第２軸部５２の先端には第２ストッパ５５が当接し、それ以上の軸方向の移動が阻止されている。

配管４３の外周には、前記被検出磁石４５に対応する位置に検出体３が配置され、前記従動磁石５０に対応する位置に駆動体３２が配置されている。検出体３及び駆動体３２の構成は、前記各実施形態に記載のものと同様であるため、同様な符号を付してこれ以上の説明を省略する。

このようなアシスト機能を備えることにより、流動体の粘性が高い等で、ステータ５又はロータ６を回転させるための初期駆動力が不十分である場合であっても、流動不良が発生せず、スムーズに流量を計測することが可能な状態とすることができる。

図８では、ロータ６の両端部に被検出磁石４５と従動磁石５０をそれぞれ設けるようにしたが、これらと同様な構成の永久磁石を一端部にのみ設け、この永久磁石に被検出磁石４５と従動磁石５０の両機能を持たせるようにしてもよい。すなわち、流動体の流動開始初期には、永久磁石の側方に駆動体３２を配置してロータ６の回転をアシストし、回転が安定すれば、検出体３によってロータ６の回転を検出するようにすればよい。

前記実施形態では、図５に示すように、永久磁石を用いてステータ５又はロータ６の回転を検出するようにしたが、次のようにして検出することもできる。
例えば、ステータ５、ロータ６又はこれらに一体化した部材の一部に永久磁石を設け、ステータ５又はロータ６が回転することにより周方向に移動する永久磁石の磁力をホール素子にて検出するようにしてもよい。
また、ステータ５、ロータ６又はこれらに一体化した部材の一部に反射シール（マーク）を設け、ステータ５又はロータ６が回転することにより周方向に移動する反射シール（マーク）を光学式タコメータにて検出するようにしてもよい。この場合、光学式タコメータで管状部材４の外部から反射シール（マーク）を検出するために、管状部材４の一部又は全部を透光性（特に無色透明が好ましい）を有する材料で構成する必要がある。
さらに、ステータ５、ロータ６又はこれらに一体化した部材の一部に溝、突起等のパターンを形成し、ステータ５又はロータ６が回転することにより周方向に移動するパターンに対してストロボ光を照射し、ストロボ効果によって回転数を検出するストロボスコープを使用するようにしてもよい。この場合も、前記光学式タコメータの場合と同様に、管状部材４の一部又は全部を透光性（特に無色透明が好ましい）を有する材料で構成する必要がある。

本発明は、配管等に設置して流動する流動体の流量を計測するための流量計１及びポンプ装置として利用することができる。

１…流量計
２…流量計本体
３…検出体
４…管状部材
５…ステータ
６…ロータ
７…磁石部
８…出口
９…入口
１０…中心孔
１１…移送空間
１２…被検出磁石
１３…カバー
１４…連結部
１５…制御装置
１６…表示装置
１７…ストッパ
１８…溝部
１９…軸受部
２０…軸部
２１…連通路
２２…フレキシブルジョイント
２３…第１ストッパ
２４…第２ストッパ
２５…被検出磁石
２６…貯留容器
２７…配管
２８…ポンプ体
２９…流量計本体
３０…第１ストッパ
３１…従動磁石
３２…駆動体
３３…モータ
３４…駆動磁石
３５…被検出磁石
３６…第２ストッパ
３７…検出体
３８…ポンプ
３９…配管
４０…モータ
４１…吸込口
４２…吐出口
４３…配管
４４…第１ストッパ
４５…被検出磁石
４６…第１カバー
４７…第１軸部
４８…第１連通路
４９…第１軸受部
５０…従動磁石
５１…第２カバー
５２…第２軸部
５３…第２軸受部
５４…連通路
５５…第２ストッパ

Claims (1)

1. 管状部材、管状部材内に配置され、入口から出口に向かう流動方向に所定ピッチで形成された雌ねじ形状の貫通孔を有するステータ、及び、雄ねじ形状に形成され、前記ステータの貫通孔内に挿通されることにより、その内周面との間に流動空間を形成するロータを備え、前記流動空間を流動体が流動することにより、前記ステータと前記ロータが相対的に回転する流量計本体と、
   前記ステータと前記ロータの相対回転数を検出する検出体と、
   を備えた流量計と、
   管状部材、管状部材内に配置され、入口から出口に向かう流動方向に所定ピッチで形成された雌ねじ形状の貫通孔を有するステータ、及び、雄ねじ形状に形成され、前記ステータの貫通孔内に挿通されることにより、その内周面との間に流動空間を形成し、前記流動空間を流動体が流動することにより回転するロータを備えたポンプ体と、
   前記ポンプ体を回転駆動する駆動体と、
   前記検出体によって検出される前記ステータ又は前記ロータの回転数に基づいて流量を算出し、得られた算出流量を予め設定した目標流量と比較し、前記算出流量が目標流量となるように、前記駆動体の回転を駆動制御する制御装置と、
   を備え、
   前記流量計と前記ポンプ体とは、ロータの１回転当たりの通過流量が同一であり、
   前記制御装置は、前記ポンプ体のロータの回転数が前記流量計で検出されるロータの回転数と合致するように、前記駆動体の回転を駆動制御することを特徴とするポンプ装置。

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