JP6846293B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量計に関する。

従来、例えば燃料等を用いることなく太陽光などの再生可能エネルギーを利用して水等の液体を昇温させる昇温システムが知られている。また、この昇温システムにおいて再生可能エネルギーを利用して得られた熱量を計測する熱量計が提案されている（特許文献１参照）。この熱量計では、例えば昇温前の液体温度と、昇温後の液体温度と、昇温させられた液体の流量とを計測することで、再生可能エネルギーを利用して得られた熱量を算出するようになっている。このような熱量計において昇温させられた液体の流量計測には例えば羽根車式の流量計が用いられている。

ここで、羽根車式の流量計は安価であるものの、決して流量の計測精度が高いとはいえない。そこで、超音波流量計を用いることが考えられる。超音波流量計は、例えばガスメータ内に内蔵されたものが知られており、複数枚の平行配置される分流板と、分流板を収納する四角筒と、四角筒内に超音波を出射すると共に超音波を受信する超音波センサとを備えている（特許文献２参照）。

特開２０１２−２５１７２６号公報 特開２０１２−１０３０８７号公報

しかし、一般に水等の液体流路は円形配管によって構成されていることから、このような円形配管に特許文献２に記載の四角筒を有する超音波流量計を接続すると、円形配管と四角筒（四角配管）との接続部において液体の流れの中に局所的な乱れが発生してしまう。そして、この局所的な乱れが発生した場合にはこの乱れの影響を受けて流量の計測精度が低下してしまう傾向にある。

また、特許文献２に記載の超音波流量計の四角筒は樹脂により構成されている。ここで、熱量計においては、暖かい液体や冷たい液体など種々の温度の液体が通過することから、樹脂により形成される四角配管は暖かい液体が流れているときに熱膨張してしまい、配管の太さが変化して流量の計測精度の低下を招いてしまう可能性がある。

そこで、超音波流量計の配管を金属により構成することが考えられる。しかし、配管を金属で構成した場合には、いわゆる多重反射なるものが発生する。例えば超音波信号には配管内に出射された後に散乱や屈折して受信側超音波センサによって受信されないものが存在してしまう。ここで、金属は、超音波信号を吸収し難く反射し易い傾向にあることから、受信側超音波センサにより受信されなかった超音波信号は、金属配管内を何度か反射した後に受信側超音波センサにて受信されてしまうなど、ノイズとなってしまい、流量の計測精度の低下を招いてしまう。

なお、上記問題については、超音波流量計を熱量計に用いる場合に限られるものではなく、他の装置等に用いられる場合においても生じ得るものである。例えば配管径の変化の問題については、温度変化が大きい液体の流量を測定する他の装置等においても共通する問題である。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、流量計測精度の低下を抑えることが可能な超音波流量計を提供することにある。

本発明に係る超音波流量計は、液体が流れる円形配管に介在配置されると共に、２つの超音波センサ間を超音波信号が伝搬する際の伝搬時間に基づいて液体の流量を計測する超音波流量計であって、少なくとも超音波信号送受信用の２つの開口が形成され、内壁が略円形となる円流路を有した金属製のユニットと、前記ユニットの前記円流路の内側において前記円流路に接して配置され、前記円流路の前記２つの開口の形成位置に対応して２つの貫通孔が形成されると共に内壁が略円形となる樹脂配管と、を備え、超音波信号送受信用の前記２つの開口は、前記ユニットのうち前記円流路の同一側に形成されており、前記樹脂配管は、同一側に設けられる前記２つの開口の位置に応じて、前記２つの貫通孔が同一側に設けられると共に、前記２つの貫通孔の対向側に穴部が形成され、前記ユニットは、前記穴部に対応する位置において超音波信号の反射面が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る超音波流量計によれば、円流路を有した金属製のユニットと円流路の内側に内壁が略円形となる樹脂配管とを備えるため、上流側の円形配管を流れてくる液体は円滑に超音波流量計に導入及び排出されることとなり、液体の流れの中の局所的な乱れを抑えることができる。また、樹脂配管が金属製の円流路の内側でこれに接して配置されることから、樹脂配管の熱膨張を抑え付けることとなる。さらに、ノイズとなる超音波信号は樹脂配管に吸収される。従って、流量計測精度の低下を抑えることが可能な超音波流量計を提供することができる。

この超音波流量計によれば、樹脂配管は、２つの貫通孔の対向側に穴部が形成され、ユニットは、穴部に対応する位置において平面となる反射面が形成されているため、超音波センサからの超音波信号は樹脂よりも反射し易い金属によって反射でき、超音波信号を適切に反射することができる。

また、本発明に係る超音波流量計において、前記ユニットは、本体部と、前記本体部に対して着脱可能に構成されると共に前記反射面が形成された後付け部品とを有することが好ましい。

この超音波流量計によれば、本体部に対して着脱可能に構成されると共に反射面が形成された後付け部品を備えるため、超音波信号を反射すべく凹凸が少ない滑らかな面を有する反射面を別部品で形成した後に本体部に組み付けることができ、作製の容易化を図ることができる。

本発明によれば、流量計測精度の低下を抑えることが可能な超音波流量計を提供することができる。

本発明の実施形態に係る超音波流量計を含む太陽熱給湯システムの構成図である。 図１に示した流量計を示す斜視図である。 図２に示す流量計のＡ矢視図である。 図２に示す流量計のＢ−Ｂ断面図である。 図２〜図４に示した流量計のうち一部品を取り外したときの下方斜視図である。 図２〜図４に示した流量計の一部品を示す斜視図である。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波流量計を含む太陽熱給湯システムの構成図である。なお、以下においては、超音波流量計が再生可能エネルギーとして太陽光を利用したシステムに用いられる例を説明するが、再生可能エネルギーは、太陽光に限らず、水力、風力、潮力、地熱、及びバイオマスなどであってもよく、超音波流量計はこれらを利用したシステムに搭載されていてもよい。さらに、超音波流量計は再生可能エネルギーを利用しないシステムに用いられてもよい。また、以下では、水を加熱対象の液体として説明するが、特にこれに限らず、加熱対象は他の液体であってもよい。

図１に示すように、本実施形態に係る太陽熱給湯システム１は、水道管１１と、冷水管１２と、温水管１３と、混合水管１４と、加熱水管１５とを備えている。さらに、太陽熱給湯システム１は、太陽熱温水器２と、混合弁３と、給湯器４とを備えている。

水道管１１は、台所、洗面所、風呂、トイレ等の住宅用水道器具の各々に水を供給するものである。また、水道管１１には冷水管１２が接続されている。冷水管１２は、水道管１１を介して流れてくる冷水を太陽熱温水器２まで導くものである。

太陽熱温水器２は、集熱器２１と熱媒配管２２と貯湯槽２３とを有している。集熱器２１は、日当たりの良い住宅等の屋根などに設置され太陽光を利用して熱媒を暖めるものである。また、熱媒配管２２は、集熱器２１と貯湯槽２３とを接続するものであり内部に熱媒が流れる構成となっている。熱媒は熱媒配管２２を介して集熱器２１と貯湯槽２３とを循環する。貯湯槽２３は、冷水管１２からの冷水を導入すると共に、熱媒配管２２を通じて流れてくる暖められた熱媒により冷水を加熱して予熱温水とし、貯湯しておくものである。

温水管１３は、貯湯槽２３からの予熱温水を給湯器４側に供給するための配管である。この温水管１３の終端には混合弁３が設置されており、温水管１３からの予熱温水は混合弁３の温水流入口３１から混合弁３に供給される。また、冷水管１２は接続点Ａにて分岐しており、冷水管１２からの冷水は混合弁３の冷水流入口３２を介して混合弁３に供給可能となっている。混合弁３は、上記の如く流入する予熱温水と冷水とを混ぜて混合水とするものである。

混合水管１４は、混合弁３の混合水流出口３３と給湯器４とを接続する配管であり、混合水はこの配管１４を介して混合弁３から給湯器４に供給される。なお、本実施形態において混合弁３は、混合水の温度が所定の温度となるように、温水と冷水との混合割合を自動的に調整する自動温度調節機能付湯水混合弁であるが、混合弁３の構成はこれに限られるものではない。

給湯器４は、例えば、ガスバーナと熱交換器とを備えており、利用者等によって定められた温度の加熱水（即ち、湯）を生成するものである。この給湯器４は、住宅に設けられた給湯器用リモコン等と接続されており、給湯器用リモコン等から受信する制御信号に基づいて、例えば、電源オン、電源オフ、及び、生成する湯の温度が設定される。

加熱水管１５は、給湯器４と給湯側であるシャワー口等とを接続する配管である。給湯器４にて暖められた加熱水は、この加熱水管１５を介して利用者等に供給されることとなる。

以上の構成により、太陽熱給湯システム１は、太陽光（再生可能エネルギーの一例）を利用して水道管１１からの冷水を予熱温水とし、これを給湯器４に供給するので給湯器４にて使用される燃料費や排出される二酸化炭素量等を削減することができる。

このような太陽熱給湯システム１には、太陽光の利用により得られた熱量（給湯器４における加熱時において削減された熱量）を計測するための熱量計５が設置される。熱量計５は、太陽熱温水器２の利用によって削減された熱量の他、削減されたガス料金（燃料費）や二酸化炭素排出量を積算表示するものである。この熱量計５は、第１温度センサＴ１と、第２温度センサＴ２と、超音波流量計ＵＳ（以下単に流量計ＵＳと称する）と、表示演算部５ａとを備えている。

第１温度センサＴ１は、冷水管１２に配置され、太陽熱温水器２により加熱される前の水温、すなわち冷水の温度を検出するものである。第２温度センサＴ２は、温水管１３に配置され、太陽熱温水器２により加熱されてから給湯器４に供給されるまでの配管内（すなわち温水管１３内）の予熱温水の温度を検出するものである。流量計ＵＳは、温水管１３に配置され、太陽熱温水器２から給湯器４に供給された予熱温水の流量を検出するものである。ここで、各配管１１〜１５は、断面円形の内壁を有する円形配管にて構成されている。よって、流量計ＵＳは、円形配管の途中に介在配置されることとなる。

表示演算部５ａは、各種演算処理及び表示処理を行うものである。この表示演算部５ａは、マイクロプロセッサ等の演算部を備え、演算部により太陽熱温水器２の利用により削減された熱量等を表示する。具体的に表示演算部５ａは、第２温度センサＴ２により検出された温度と第１温度センサＴ１により検出された温度との差分、及び、流量計ＵＳにより計測された流量に基づいて、削減された熱量等を算出する。

図２は、図１に示した流量計ＵＳを示す斜視図であり、図３は、図２に示す流量計ＵＳのＡ矢視図であり、図４は、図２に示す流量計ＵＳのＢ−Ｂ断面図である。

図２〜図４に示すように、流量計ＵＳは、金属製のユニット１００と、樹脂配管２００と、２つの超音波センサ３００とを備えている。金属製のユニット１００は、流路部１０１と、センサ取付部１０２とを備えている。

流路部１０１は、内壁が断面略円形となる円流路ＣＦＰを有した部位である。この流路部１０１は、外観視して略四角柱形状となっており、その四角柱内部に円流路ＣＦＰが形成された構造となっている。また、流路部１０１は、両端部に、温水管１３と接続するためのねじ切り部ＴＰを有している。ねじ切り部ＴＰには、ゴム製のＯリング等の止水部材が装着されたうえで、温水管１３に接続される構造となっている。

センサ取付部１０２は、２つの超音波センサ３００を取り付けるための部位であって、側面視して略台形状となる部材である。このセンサ取付部１０２は、上流側の超音波センサ３００ａが取り付けられる上流側取付部１０２ａと、下流側の超音波センサ３００ｂが取り付けられる下流側取付部１０２ｂとからなり、本実施形態において双方の取付部１０２ａ，１０２ｂが流路部１０１の上部（同一側）に設けられている。

上流側取付部１０２ａは、超音波センサ３００ａが取り付けられる取付座１０２ａ１を有している（図３及び図４参照）。さらに、上流側取付部１０２ａは、取付座１０２ａ１に取り付けられた超音波センサ３００ａによる超音波信号の送受信のために、円流路ＣＦＰまでつながる貫通孔（開口）１０２ａ２を有している。貫通孔１０２ａ２の軸方向は、図４に示すように円流路ＣＦＰの軸方向に対して所定角度だけ傾斜している。

下流側取付部１０２ｂも、上流側取付部１０２ａと同様に、超音波センサ３００ｂが取り付けられる取付座１０２ｂ１を有している。また、下流側取付部１０２ｂは、超音波信号の送受信のために、円流路ＣＦＰまでつながる貫通孔（開口）１０２ｂ２を有し、貫通孔１０２ｂ２の軸方向は、図４に示すように円流路ＣＦＰの軸方向に対して所定角度（上流側の貫通孔１０２ａ２とは逆の回転方向に所定角度）だけ傾斜している。

なお、２つの超音波センサ３００は、取付座１０２ａ１，１０２ｂ１にＯリング等の止水部材が取り付けられたうえで、センサ取付部１０２の螺子穴ＳＣ（図３参照）を介してねじ止めされることで、貫通孔１０２ａ２，１０２ｂ２を介して予熱温水が漏れ出さない構造となっている。

樹脂配管２００は、図３及び図４に示すように、金属製のユニット１００のうち円流路ＣＦＰの内側において、これに接して配置されたものであり、内壁が断面略円形となる配管である。この樹脂配管２００には、ユニット１００の貫通孔１０２ａ２，１０２ｂ２の形成位置に対応して２つの貫通孔２０１，２０２が形成されている。特に樹脂配管２００は、円流路ＣＦＰに圧入されるような寸法で設計されており、容易な取外しが不可となっている。

さらに、樹脂配管２００には、穴部２０３が形成されている。穴部２０３は、樹脂配管２００の貫通孔２０１，２０２の対向側に形成されている。特に、穴部２０３により形成される穴の少なくとも一部分は、流路部１０１の長手方向にみて、貫通孔２０１，２０２の間となる位置に形成されている。この穴部２０３が形成されることにより、金属製のユニット１００の円流路ＣＦＰの一部が予熱温水に面することとなる。

ここで、円流路ＣＦＰのうち穴部２０３に対応する箇所は、２つの超音波センサ３００のうちの一方からの超音波信号を他方に反射する反射面ＲＳが形成されている。反射面ＲＳは、超音波信号を反射すべく凹凸が少ない滑らかな面に形成されている。この反射面ＲＳは、樹脂配管２００の内壁よりも内側に突出している。また、反射面ＲＳが樹脂配管２００の内壁よりも内側に突出している関係上、金属製のユニット１００の穴部２０３に対応する箇所には、反射面ＲＳにつながるテーパ面ＴＳが反射面ＲＳの上流側及び下流側に形成されている（図４参照）。なお、反射面ＲＳは、樹脂配管２００の内壁よりも内側に突出する場合に限らず、逆に引っ込むようになっていてもよい（すなわち図３に示す視認状態において反射面ＲＳが見えない状態になっていてもよい）。

図５は、図２〜図４に示した流量計ＵＳのうち一部品を取り外したときの下方斜視図であり、図６は、図２〜図４に示した流量計ＵＳの一部品を示す斜視図である。図５及び図６に示すように、金属製のユニット１００は、本体部１１０と、後付け部品１２０との２部品によって構成されている。

図５に示す本体部１１０は、樹脂配管２００の穴部２０３に対応して形成された開口部１１１を下面（他側）に有している。また、この開口部１１１には、ゴム製リングなどの止水部材が載置されたうえで、図６に示す後付け部品１２０が取り付けられる構成となっている。

後付け部品１２０は、平板状の板部１２１と、板部１２１上に形成される略四角柱形状の突出部１２２とからなる。突出部１２２の上面には、上記した反射面ＲＳ及びテーパ面ＴＳが形成されている。

また、本体部１１０のうち開口部１１１の周囲には４つの螺子穴ＳＣが形成されると共に、後付け部品１２０の板部１２１の４隅にも４つの螺子穴ＳＣが形成されている。互いの４つの螺子穴ＳＣは、後付け部品１２０の突出部１２２を開口部１１１に挿入した場合において、位置が対応するようになっており、この状態でねじ止めが行われることにより、後付け部品１２０は本体部１１０に対して取り付けられ、ねじ止めが解除されることで本体部１１０から取り外しされる。すなわち後付け部品１２０は、本体部１１０に対して着脱自在となっている。

次に、本実施形態に係る流量計ＵＳによる流量計測の様子を説明する。まず、流量計ＵＳの樹脂配管２００内には、貯湯槽２３からの予熱温水が流入する。２つの超音波センサ３００は超音波信号の送受信を行い、不図示の演算部は、２つの超音波センサ３００間の超音波信号の伝搬時間に基づいて予熱温水の流速を計測すると共に、樹脂配管２００の内径に基づいて予熱温水の流量を計測する。なお、演算部は制御基板に搭載されると共に、超音波センサ３００と共に流量計ＵＳに取り付けられるものであるが、これに限らず、図１に示した表示演算部５ａに搭載されていてもよい。

ここで、正確に流量を計測するためには、樹脂配管２００内を予熱温水が安定して流れている必要がある。すなわち、樹脂配管２００内で乱れが発生すると、これが原因となって流量の計測精度が低下することとなる。本実施形態において温水管１３は円形配管であり、樹脂配管２００についても内壁が略円形となっている。このため、円形配管に対して四角配管を接続した場合のような局所的な乱れが発生せず、この乱れによる計測精度の低下が抑えられている。

また、予熱温水の温度は、家庭側での温水の使用量や当日の日射条件等により異なるが、おおむね５０℃以上である。このため、樹脂配管２００は、冷水が流れている場合と比較して熱膨張する可能性がある。ところが、本実施形態に係る流量計ＵＳにおいて、樹脂配管２００は金属製のユニット１００の円流路ＣＦＰに圧入されている。このため、樹脂配管２００が膨張しようとしても、樹脂よりも膨張係数の低い金属製のユニット１００によって抑え付けられることとなり、熱膨張による管径の変化を抑制することとなる。

加えて、超音波信号の一部は、屈折や散乱により所望の経路を伝搬するとは限らず、受信側の超音波センサ３００によって受信されずにノイズ成分となってしまうことがある。ところが、このノイズ成分は、金属よりも超音波信号を吸収し易い樹脂配管２００によって吸収されることから、配管内を何度か反射した後に受信側の超音波センサ３００にて受信されてしまう多重反射の問題が生じ難くなる。

以上により、本実施形態において流量計ＵＳは、計測精度の低下が抑えられている。

このようにして、本実施形態に係る流量計ＵＳによれば、円流路ＣＦＰを有した金属製のユニット１００と円流路ＣＦＰの内側に内壁が略円形となる樹脂配管２００とを備えるため、温水管１３を流れてくる予熱温水は円滑に流量計ＵＳに導入及び排出されることとなり、予熱温水の流れの中の局所的な乱れを抑えることができる。また、樹脂配管２００が金属製の円流路ＣＦＰの内側でこれに接して配置されることから、樹脂配管２００の熱膨張を抑え付けることとなる。さらに、ノイズとなる超音波信号は樹脂配管２００に吸収される。従って、流量計測精度の低下を抑えることが可能な流量計ＵＳを提供することができる。

また、樹脂配管２００は、２つの貫通孔２０１，２０２の対向側に穴部２０３が形成され、ユニット１００は、穴部２０３に対応する位置において超音波信号の反射面ＲＳが形成されているため、超音波センサ３００からの超音波信号は樹脂よりも反射し易い金属によって反射でき、超音波信号を適切に反射することができる。

また、本体部１１０に対して着脱可能に構成されると共に反射面ＲＳが形成された後付け部品１２０を備えるため、超音波信号を反射すべく凹凸が少ない滑らかな面を有する反射面ＲＳを別部品で形成した後に本体部１１０に組み付けることができ、作製の容易化を図ることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、可能な範囲で適宜他の技術を組み合わせてもよい。

例えば本実施形態に係る流量計ＵＳは温水管１３に介在して設けられているが、これに限らず、第２温度センサＴ２と共に混合水管１４に介在して設けられていてもよい。

さらに、上記実施形態では、金属製のユニット１００を本体部１１０と後付け部品１２０との２部品により構成しているが、これに限らず、３部品以上によって構成してもよいし、１部品によって構成してもよい。

また、上記実施形態に係る流量計ＵＳは、一方の超音波センサ３００からの超音波信号を反射のうえ他方の超音波センサ３００に受信させるＶパス方式を採用しているが、これに限らず、一方の超音波センサ３００からの超音波信号を反射させることなく直接に他方の超音波センサ３００に受信させるＺパス方式であってもよい。また、可能であれば、２回以上反射させる方式のものであってもよい。

加えて、本実施形態では家庭に用いられる熱量計５を例示したが、家庭用に限らず、工業用などの他の用途に用いられる熱量計５であってもよい。さらに、流量計ＵＳは、熱量計５の一要素として用いられるものでなくともよい。

ＵＳ ：超音波流量計
１ ：太陽熱給湯システム
５ ：熱量計
１３ ：温水管（円形配管）
１００ ：ユニット
１０１ ：流路部
１０２ ：センサ取付部
１０２ａ ：上流側取付部
１０２ｂ ：下流側取付部
１０２ａ１，１０２ｂ１ ：取付座
１０２ａ２，１０２ｂ２ ：貫通孔（開口）
１１０ ：本体部
１１１ ：開口部
１２０ ：後付け部品
１２１ ：板部
１２２ ：突出部
２００ ：樹脂配管
２０１，２０２ ：貫通孔
２０３ ：穴部
３００ ：超音波センサ
ＣＦＰ ：円流路
ＲＳ ：反射面
ＴＰ ：ねじ切り部
ＴＳ ：テーパ面

Claims (2)

1. 液体が流れる円形配管に介在配置されると共に、２つの超音波センサ間を超音波信号が伝搬する際の伝搬時間に基づいて液体の流量を計測する超音波流量計であって、
   少なくとも超音波信号送受信用の２つの開口が形成され、内壁が略円形となる円流路を有した金属製のユニットと、
   前記ユニットの前記円流路の内側において前記円流路に接して配置され、前記円流路の前記２つの開口の形成位置に対応して２つの貫通孔が形成されると共に内壁が略円形となる樹脂配管と、
   を備え、
   超音波信号送受信用の前記２つの開口は、前記ユニットのうち前記円流路の同一側に形成されており、
   前記樹脂配管は、同一側に設けられる前記２つの開口の位置に応じて、前記２つの貫通孔が同一側に設けられると共に、前記２つの貫通孔の対向側に穴部が形成され、
   前記ユニットは、前記穴部に対応する位置において超音波信号の反射面が形成されている
   ことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記ユニットは、本体部と、前記本体部に対して着脱可能に構成されると共に前記反射面が形成された後付け部品とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。

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