JP6987130B2 - ロータ組立体を有する流量計 - Google Patents

Description

このセクションは、説明される実施形態のさまざまな態様のより良好な理解を容易にする背景情報を提供することが意図されている。したがって、これらの説明は、この観点から読まれるものであり、従来技術の承認として読まれるものではないことが、理解されるべきである。

流量計は、管路内の流体の体積流量を測定する。一部の流量計は、流体の流路における回転のために支持されるロータを採用する。典型的なロータは、外輪、タービン、またはペルトン水車デザインを有する。流路を通して流体を流すことにより、ロータと相互に作用し、ロータを回転させる。ロータの結果として得られる回転を測定することにより、流体の流量が示され、それは管路内の流体の体積流量を決定する（求める）ために処理することができる。

本発明の実施形態の詳細な説明のために、ここで、添付図面を参照する。

１つまたは複数の実施形態による流量計を示す。 １つまたは複数の実施形態による、図１の流量計の断面を示す。 １つまたは複数の実施形態による、線Ａ−Ａに沿った図１の流量計の断面を示す。 １つまたは複数の実施形態による、図１のロータ組立体を示す。

本開示は、流体の流量を測定するための方法及び機器を提供する。特に、本開示は、流量計ハウジングの流れ孔で回転するためのロータ組立体を提供し、ロータ組立体は熱拡散金属材料を含む。

管路によって運ばれる流体は、デブリを含んでいる可能性がある（たとえば、砂、岩石、または他のデブリを有するシェールオイルまたはガス）。浸蝕を防止するために、タービンロータを有する流量計は、合金鋼タービンロータの孔を通して機械プレスされる炭化タングステン軸を使用することができる。しかしながら、炭化タングステン軸はもろく、壊れやすい。さらに、機械プレスされたロータは弱くなる可能性があり、軸から離れてすべる。鋼の延性及び炭化タングステンと略同等の硬度を得るために、流量計は、熱化学拡散プロセスを使用して硬化される合金鋼軸を含むことができる。さらに、ロータは、付加製造によって軸と一体化することができ、軸から離れてすべる可能性のあるロータを排除する。

図１は、１つまたは複数の実施形態による、流量計１００の分解図を示す。図２は、１つまたは複数の実施形態による、流れ孔１０７を見下ろす図１の流量計１００の断面を示す。図３は、１つまたは複数の実施形態による、図２の線Ａ−Ａに沿った図１の流量計の断面を示す。矢印１４０は、流れ孔１０７を通る流体の流れ方向を示す。

示されるように、流量計１００は、ロータ組立体１１０を保持するハウジング１０１と、ロータ組立体１１０の回転速度などのロータ組立体１１０の状態を測定するためのセンサユニット１２０とを含む。ハウジング１０１は、入口端１０３と、出口端１０５と、入口端１０３と出口端１０５との間でハウジング１０１を通って延在する流れ孔１０７とを含む。流れ孔１０７を通る流体の流れがロータ組立体１１０を回転させるように、ロータ組立体１１０は少なくとも部分的に流れ孔１０７に配置される。

支持組立体１３０は、ハウジング１０１に結合されて、流れ孔１０７での回転のためにロータ組立体１１０を支持する。ロータ組立体１１０は、軸１１１に結合された、または、軸１１１と一体化されたロータ１１３を有するロータ軸１１１を含む。特に、軸１１１は、支持組立体１３０に回転可能に結合され、支持組立体１３０は、それを通して軸１１１を受ける孔１３３をそれぞれが有する支持ベーン１３１を含む。さらに、孔１３３は、回転軸１１１と支持組立体１３０との間の摩擦を低減するための軸受を含んでもよい。ハウジング１０１は、支持組立体１３０を流れ孔１０７に固定するリテーナリング１３５を受ける１つまたは複数の溝１０８を含むことができる。支持組立体１３０は示されるように説明されたが、支持組立体１３０は、流体の流れがロータ組立体１１０を回転させるように、軸１１１を受けて、ロータ組立体１１０を少なくとも部分的に流れ孔１０７に位置付けるために、ハウジング１０１に結合される任意の好適な装置を含むことができることは認識されるべきである。

図４は、１つまたは複数の実施形態による、図１のロータ組立体１１０を示す。ロータ１１３は、１つまたは複数のロータブレード１１５を含み、それはタービンロータ上のタービンブレードとして示される。ロータブレード１１５は、たとえば、タービンブレード、外輪上のパドル、ペルトン水車の上のブレードなどのブレードの任意の好適な構造を含むことができる。１つまたは複数の実施形態において、ロータ軸１１１及びロータ１１３は、ロータ１１３が軸１１１の延長であるように、材料の同じブロックから構成される単一の一体化された本体を形成することができる。すなわち、ロータ組立体１１０は、ロータ軸１１１と、ロータ軸１１１と一体化されたロータブレード１１５とを含むことができる。他の実施形態において、ロータ１１３は、ロータ１１３を軸１１１に機械プレスするなどして、軸１１１に固定的に結合することができる。

ロータ組立体１１０は、金属材料及び拡散物質を備える熱拡散金属材料を含む。金属材料の表面は、少なくとも１つの拡散物質を使用する熱化学拡散によって、表面の分子構造を変化させることによって硬化される。一例として、拡散物質は、金属材料を硬化させる、または、金属材料の耐浸蝕性を高める、少なくとも１つのガスまたは薬品（たとえば、窒素、アルミニウム、マグネシウム、またはシリコン）を含むことができる。拡散物質は、セラミック（たとえば、酸化アルミニウムまたは酸化シリコン）などの非金属材料を含むことができる。熱拡散金属材料は、もろくなることなく、ベース金属材料（たとえば、合金鋼）の延性を維持することができる。その延性を維持することにより、硬化された金属材料は割れに耐えることができる。一例として、熱拡散金属材料は、鋼の延性を維持する合金鋼を含んでもよいが、その耐浸蝕性を高めるために硬化される。

熱化学拡散プロセスを経る前に、ベース金属材料（たとえば、合金鋼）の硬さに対する金属材料の拡散層の硬さが硬さスケールに従って増加するとき（たとえば、ロックウェルＣスケールでの１０、２０、３０、４０、またはより高い硬さのロックウェル硬さ）、熱拡散金属材料は硬化することができる。熱拡散金属材料の結果として得られる硬さは、金属材料が熱化学拡散プロセスにさらされる拡散温度または時間に依存させることができる。拡散層は、金属材料の表面から予め決められた分子深さに及ぶ、金属材料の予め決められた分子層とすることができる。熱拡散金属材料は、合金鋼（たとえば、ＳＡＥ４１４０鋼）または任意の他の好適な鉄鋼材料を含むことができる。

熱化学拡散プロセスはまた、金属材料の耐食性も高めることができる。拡散物質はまた、金属材料の耐食性を高める少なくとも１つのガスまたは薬品（たとえば、窒素、アルミニウム、マグネシウム、またはシリコン）を含むことができる。熱拡散金属材料は、塩水または海水によって引き起こされる腐食に耐えることができる。金属材料の耐食性を高めることにより、少なくとも６０日以上の塩水への連続的な曝露での塩水による腐食に耐えることができる。金属材料の耐食性を高めることは、海水または他の誘電金属材料の存在下でのガルバニック腐食反応に少なくとも６０日以上耐えることを含むことができる。そのため、ロータ組立体１１０は、浸蝕、腐食、及び割れのうちの少なくとも１つに対する耐性を提供するように構成される熱拡散金属材料を含むことができる。さらに、軸１１１、ロータ１１３、またはその両方は、熱拡散金属材料を含むことができる。

流量計１００に含まれる任意の好適な構成要素は、浸蝕、腐食、または割れに対するそれらの耐性を高めるために、好適な熱化学拡散プロセスを使用して、分子的に変化させてもよい。例として、流量計１００のハウジング１０１、支持組立体１３０、または軸受は、浸蝕、腐食、または割れに対するそれらの耐性を高めるために、好適な熱化学拡散プロセスを使用して、分子的に変化させることができる。熱拡散金属材料は、Ｆｌｉｎｔ，ＭｉｃｈｉｇａｎのＷｏｏｄｗｏｒｔｈ，Ｉｎｃ．から入手可能なＮＡＮＯＷＥＡＲ（登録商標）と呼ばれる熱化学拡散プロセスを使用して、分子的に変化させることができる。

ロータ組立体１１０は、付加製造を使用して形成されてもよい。付加製造プロセスの１つの例は、高精度のレーザを使用して、ロータ組立体１１０の望ましい形状に従って金属材料の極薄層を融解する。極薄層は、約２０マイクロメートル以下の厚さの層を含むことができる。この層は、粉末をベースとした冶金技術を使用して、（ａ）ほとんどの酸性及びアルカリ性の薬液に対する耐食性、ならびに、（ｂ）熱化学拡散などの、複数の目的に適した、知られている金属材料から形成される。好適な複数の目的を有する金属材料は、合金鋼を含む。付加製造は、同時に複数の構成要素を製造するそのポテンシャルにより、サイクルタイム（すなわち、生産リードタイム）の減少をもたらすことができる。流量計１００に含まれる任意の構成要素は、付加製造、除去製造、または構成要素を構成する任意の他の好適な製造プロセスを使用して形成されてもよい。

図１〜４を参照すると、流体（たとえば、炭化水素流体）が流れ孔１０７を通って流れると、流体は、支持組立体１３０に結合されたロータ１１３を回転させる。ロータ１１３の回転速度を測定するためのセンサユニット１２０は、導管１０９を通してハウジング１０１内に配置される。任意選択的に、導管１０９は、流体のセンサユニット１２０への接近を防ぐために、流れ孔１０７から隔離されてもよい。示される例において、センサユニット１２０は、ロータ１１３の回転速度を検出するように構成される磁気センサ１２１を含み、それは合金鋼などの磁気的に検出可能な材料を含んでもよい。センサユニット１２０は、ロータ１１３の回転速度を示す信号を生成し、その信号は、ロータ１１３、ブレード１１５、及び流れ孔１０７の知られている寸法と組み合わせて、流れ孔１０７を通る流体の流量を決定するのに使用することができる。プロセッサ１５０は、センサユニット１２０と通信し、センサユニット１２０によって生成された信号を使用して流れ孔１０７を通過する流体の流量を決定するように構成されてもよい。

この説明は、本発明のさまざまな実施形態を対象としている。図面は必ずしも原寸に比例したものではない。実施形態のある特定の特徴は、誇張したスケールで、または、いくぶん概略的な形式で示されてもよく、従来の要素の一部の詳細は、明瞭さ及び簡潔さのために示されなくてもよい。これらの実施形態のうちの１つまたは複数が好ましいことがあるが、開示された実施形態は、特許請求の範囲を含む本開示の範囲を限定するものとして解釈すべきではなく、または、そうでなければ、そのように使用すべきではない。論じられた実施形態のさまざま教示は、望ましい結果をもたらすために、別々に、または、任意の好適な組合せで採用されてもよいことは十分に認識されるべきである。さらに、本説明は幅広い応用を有し、任意の実施形態の説明はその実施形態の例示であることのみを意図し、特許請求の範囲を含む本開示の範囲がその実施形態に限定されることを示唆することを意図しないことを当業者は理解するであろう。

ある特定の用語が、特定の特徴または構成要素に言及するために、説明及び特許請求の範囲を通して使用されている。当業者が認識するように、異なる人が、異なる名称で同じ特徴または構成要素に言及してもよい。本文書は、具体的に述べられない限り、機能ではなく名称が異なる構成要素または特徴間で区別することを意図しない。説明及び特許請求の範囲において、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、オープンエンド様式で使用されるので、「含むが〜に限定されない」と意味するものと解釈すべきである。同様に、用語「結合する（ｃｏｕｐｌｅ）」は、間接的または直接的な接続を意味することを意図している。さらに、用語「軸方向の」及び「軸方向に」は一般に、中心軸（たとえば、本体またはポートの中心軸）に沿っているまたは中心軸と平行であることを意味し、一方、用語「径方向の」及び「径方向に」は一般に、中心軸に垂直であることを意味する。「頂部」、「底部」、「の上」、「の下」、及びこれらの用語の変形例の使用は便宜上行われるが、構成要素の任意の特定の向きを必要としない。

「１つの実施形態」、「ある実施形態」、または類似の用語への本明細書を通した言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれてもよいことを意味する。そのため、本明細書を通した文言「１つの実施形態において」、「ある実施形態において」、及び類似の用語の出現は、必ずしも行うというわけではないが、すべて同じ実施形態に言及してもよい。

本発明が特定の詳細に関して説明されたが、それらが添付の特許請求の範囲に含まれる場合を除き、そのような詳細は本発明の範囲における限定とみなされなければならないことを意図するものではない。

Claims (22)

1. 流体の流量を決定するための流量計であって、
   流れ孔を備えるハウジングと、
   前記流れ孔内の流体の流れによって回転可能であり、熱拡散金属材料を備えるロータ組立体であって、前記熱拡散金属材料が金属材料と拡散物質とを備え、前記拡散物質は、窒素を含む、前記ロータ組立体と、
   前記ロータ組立体の回転速度を示す信号を生成するように構成されるセンサユニットと
   を備える、流量計。
2. 前記ロータ組立体が、前記熱拡散金属材料を備えるロータ軸を備える、請求項１に記載の流量計。
3. 前記ロータ組立体が、ロータ軸と、ロータブレードを備えるロータとを備え、前記ロータが前記流れ孔に少なくとも部分的に配置される、請求項２に記載の流量計。
4. 前記ロータブレードが、タービンブレードを備える、請求項３に記載の流量計。
5. 前記ロータが、機械プレスすることによって、前記ロータ軸に固定的に結合される、請求項３に記載の流量計。
6. 前記ロータ組立体が、ロータ軸と、前記ロータ軸と一体化されたロータブレードと、を備え、前記ロータブレードが前記流れ孔に少なくとも部分的に配置される、請求項１に記載の流量計。
7. 前記一体化されたロータブレードが、タービンブレードを備える、請求項６に記載の流量計。
8. 前記ロータ軸及び前記一体化されたロータブレードが、付加製造によって形成される、請求項６に記載の流量計。
9. 前記熱拡散金属材料が、前記拡散物質の熱化学拡散によって表面の分子構造を変化させることによって硬化された硬化表面を備える、請求項１に記載の流量計。
10. 前記熱拡散金属材料が合金鋼を備える、請求項１に記載の流量計。
11. 前記熱拡散金属材料が、浸蝕、腐食、及び割れに耐えるように構成される、請求項１に記載の流量計。
12. 前記流体が炭化水素流体を備える、請求項１に記載の流量計。
13. 前記流量計ハウジングの流れ孔での回転のためのロータ組立体であって、ロータ軸であって、熱拡散金属材料を備え、流量計ハウジングの流体の流れによって回転可能な前記ロータ軸を備え、
    前記熱拡散金属材料が金属材料と拡散物質とを備え、前記拡散物質は、窒素を含む、ロータ組立体。
14. ロータブレードを備えるロータをさらに備える、請求項１３に記載のロータ組立体。
15. 前記ロータブレードが前記ロータ軸と一体化された、請求項１４に記載のロータ組立体。
16. 前記ロータ軸及び前記一体化されたロータブレードが、付加製造によって形成される、請求項１５に記載のロータ組立体。
17. 流体の流量を決定するための方法であって、
    ハウジングの流れ孔の中に流体を流すことと、
    前記流れ孔の中を流れる前記流体によってロータ組立体を回転させることであって、前記ロータ組立体が熱拡散金属材料を備え、前記熱拡散金属材料が金属材料と拡散物質とを備え、前記拡散物質は、窒素を含む、前記回転させることと、
    前記回転するロータの回転速度を検出することと、
    前記ロータの前記回転速度を示す信号を生成することと、
    前記信号を使用して前記流体の前記流量を決定することと
    を含む、方法。
18. 前記回転させることが、前記熱拡散金属材料を備える軸を回転させることを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記回転させることが、前記軸及び前記ロータ軸と一体化されたロータブレードを回転させることを含み、前記ロータブレードが前記流れ孔に少なくとも部分的にある、請求項１７に記載の方法。
20. 前記熱拡散金属材料は、前記金属材料の硬度よりも大きなロックウェルＣスケールでの約１０乃至約４０の硬度を有している、請求項１に記載の流量計。
21. 前記熱拡散金属材料は、前記金属材料の硬度よりも大きなロックウェルＣスケールでの約１０乃至約４０の硬度を有している、請求項１３に記載のロータ組立体。
22. 前記熱拡散金属材料は、前記金属材料の硬度よりも大きなロックウェルＣスケールでの約１０乃至約４０の硬度を有している、請求項１７に記載の方法。

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