JP7159754B2

JP7159754B2 - 羽根車式流量計

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Publication number: JP7159754B2
Application number: JP2018181291A
Authority: JP
Inventors: 貴之岩渕; 雅仁石丸; 伸一郎村上
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: JP2020051885A

Description

本発明は、流体の流量を羽根車の回転によって計測する羽根車式流量計に関する。

従来、羽根車式流量計において、羽根車の回転数に基づいて流体の流速を計測する技術が知られている。この種の羽根車式流量計を開示するものとして特許文献１～３がある。特許文献１～３には、互いに組み立てられる第一ハウジングと第二ハウジングとを有してハウジングが構成され、羽根車の一端部が第一ハウジング内に支持されるとともに、他端部が第二ハウジングに支持される構成の羽根車式流量計について記載されている。

特開２００８－２１５８６７号公報特開２００８－２１５８６８号公報特開２０１０－１４５１５２号公報

従来の羽根車式流量計において、流体が低流量のときに、羽根車式流量計の測定値が実際の流量からずれ易い傾向があった。羽根車式流量計の製造時には固体差が生じないようにセンサの補正を行っているが、補正で係数を乗じたとしても低流量で計測値のずれを無くしているわけではない。低流量での正確な計測という観点で従来技術には改善の余地があった。

本発明は、低流量においても流体の流量を正確に測定できる羽根車式流量計を提供することを目的とする。

本発明は、流入口及び流出口を有し、内部に流体を流通させる流路が形成されるハウジングと、前記ハウジングの内部に軸支され、前記流路に流体が流通することにより回転する羽根車と、を備え、前記流路を形成する流路壁面における前記羽根車よりも前記流入口側に整流部が形成される羽根車式流量計に関する。

前記整流部は、前記流出口側にテーパ部を含んで形成されることが好ましい。

前記整流部は環状に形成されることが好ましい。

本発明の羽根車式流量計によれば、低流量においても流体の流量を正確に測定できる。

本発明の一実施形態に係る羽根車式流量計を示す図である。本実施形態の羽根車式流量計の内部を示す図１のＡ－Ａ線断面図である。本実施形態の羽根車式流量計のハウジングの内部を示す図１のＢ－Ｂ線断面図である。本実施形態の羽根車式流量計の第１ハウジングを流入口側から見た図である。本実施形態の羽根車式流量計の羽根車を流入口側から見た図である。図５のＣ－Ｃ線断面矢視図である。図５のＤ－Ｄ線断面矢視図である。図５のＥ矢視図である。整流部が有る場合と無い場合における器差の違いを示すグラフである。変形例の羽根車式流量計の内部を示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る羽根車式流量計１を示す図である。図２は、本実施形態の羽根車式流量計１の内部を示す図１のＡ－Ａ線断面図である。

まず、羽根車式流量計１の全体構成について説明する。図１及び図２に示す羽根車式流量計１は、温水等の流体を流通させる管路（図示省略）に配置される。なお、計測対象の流体は、液体の水の他、例えば、空気、ガス、油又は蒸気等のように、気体や液体であってもよい。

図１に示すように、羽根車式流量計１は、流体の流量を計測する流量計本体２と、計測結果を表示する表示器３と、を備える。

図２に示すように、流量計本体２は、流体が流れる流路１０を形成するハウジング４と、ハウジング４の流路１０に配置される羽根車５と、磁気センサ６を保持するセンサホルダ７と、を含んで構成される。なお、以下の説明において、「流れ方向」は、流体の流れる方向であり、羽根車５の回転軸と平行な方向のことを意味する。

羽根車５は、着磁又は磁石の内蔵により、回転によって磁界が変化するように構成される。磁気センサ６は、羽根車５の回転によって生じた磁界の変化を検出する。

表示器３は、各種機器を内蔵するケーシング３１と、ケーシング３１の内部に配置される基板等によって構成される電子部品３２と、各種の操作を行う操作部３３と、流量を表示するディスプレイ３４と、を含んで構成される。羽根車式流量計１の電源が入り、流量の測定が開始されると、磁気センサ６の検出信号に基づいて電子部品３２が流量を算出し、算出結果がディスプレイ３４に表示される。操作部３３は、設定の変更に用いられる。

次に、流量計本体２の内部の構成について説明する。図３は、本実施形態の羽根車式流量計１のハウジング４の内部を示す図１のＢ－Ｂ線断面図である。図４は、本実施形態の羽根車式流量計１の第１ハウジング４０を流入口４１側から見た図である。なお、図４では、羽根車５や第２ハウジング６０等の図示を省略している。

図３に示すように、ハウジング４は、第１ハウジング４０と、第２ハウジング６０と、を組み合せて構成される。第１ハウジング４０と第２ハウジング６０は、何れも流体が流通可能な筒状に形成されている。

第１ハウジング４０と第２ハウジング６０が、同一軸線上で連結されることにより、流路１０が形成される。即ち、ハウジング４全体として筒状に形成されている。本実施形態の第１ハウジング４０と第２ハウジング６０は、Ｏリング８を介して連結される。

第１ハウジング４０には流体が流入する流入口４１が形成され、第２ハウジング６０には流体が流出する流出口６１が形成される。流入口４１には一次側の配管（図示省略）が接続され、流出口６１には二次側の配管（図示省略）が接続される。流入口４１、流路１０及び流出口６１は連通しており、羽根車式流量計１の外部から流入口４１を通じて内部に流入した流体は、流路１０を通って流出口６１から外部に流出する。

第１ハウジング４０は、羽根車５の流入口４１側を保持する保持部４２と、第１ハウジング４０の内部に形成される複数のリブ４６と、第１ハウジング４０の流路壁面４５に形成される整流部９０と、を備える。流路壁面４５は、筒状に形成される第１ハウジング４０の内周面である。

保持部４２は、第１ハウジング４０の中空部の流出口６１側に形成される。保持部４２の流出口６１側には軸受部４７が埋設される。軸受部４７は、羽根車５の回転軸５０の流入口４１側（一側）の端部を回転可能に支持する。

図４に示すように、３個のリブ４６が周方向で等間隔に配置される。３個のリブ４６は、それぞれ、第１ハウジング４０の中心から第１ハウジング４０の流路壁面４５まで延びている。また、図３に示すように、リブ４６は、保持部４２の流入口４１側で流れ方向に延びる板状になっている。

整流部９０は、流入口４１から流入した流体の流れを羽根車５に至る前に整流する部材である。整流部９０は、第１ハウジング４０の流路壁面４５に周方向に延びる突条部として形成される。図４に示すように、整流部９０は、複数のリブ４６間に隙間なく形成されている。従って、整流部９０は、流入口４１側から見たときに、第１ハウジング４０の流路壁面４５に環状に形成される。

整流部９０は、流れ方向において複数のリブ４６が形成される範囲に位置する。整流部９０は、リブ４６が形成される範囲において流出口６１よりも流入口４１寄りに形成される。

次に、第２ハウジング６０について説明する。第２ハウジング６０は、羽根車５の流出口６１側を保持する保持部６２と、第２ハウジング６０の内部に形成される複数のリブ６６と、を備える。

保持部６２は、第２ハウジング６０の中空部の中央に形成される。保持部６２の流入口側には軸受部６７が埋設される。軸受部６７は、羽根車５の回転軸５０の流出口６１側（他側）の端部を回転可能に支持する。また、第２ハウジング６０の中空部において、保持部６２の流入口４１側には羽根車５を配置するスペースが形成されており、羽根車５は第２ハウジング６０の内部で回転する。

図２に示すように、第２ハウジング６０においても、３個のリブ６６が周方向で等間隔に配置される。３個のリブ６６は、第２ハウジング６０の中心から流路壁面６５まで延びている。流路壁面６５は、筒状に形成される第２ハウジング６０の内周面である。

また、図３に示すように、リブ６６は、保持部６２の流出口６１側に位置し、流れ方向に延びる板状になっている。

次に、図３を参照して本実施形態の整流部９０及び羽根車５の位置関係について説明する。流路１０における流入口４１と流出口６１の間の流路直径Ｄは、羽根車５の回転を許容する長さであって、流れ方向に直交する方向の長さである。図３では、羽根車５の羽根部５２の向きが斜めになっているが、図中の一点鎖線で示す羽根車５の回転時の羽根車直径ｄ１は、流路直径Ｄよりも僅かに短い長さに設定されており、流路直径Ｄと羽根車５の羽根車直径ｄ１は、略同じ長さになっている。

縮流直径ｄ２は、流路１０における整流部９０によって縮径された部位の長さであり、流れ方向に直交する方向の長さである。縮流直径ｄ２は、流路壁面４５から突出する整流部９０の高さによって決まるものであり、整流部９０の先端面を内周面としたときの流路径とも言える。縮流直径ｄ２は、第１ハウジング４０及び第２ハウジング６０の軸線を合わせた状態で、流路直径Ｄ及び羽根車直径ｄ１よりも短く設定される。例えば、羽根車直径ｄ１又は流路直径Ｄに対して０．８９倍～０．９３倍の範囲の長さに設定される。羽根車５の手前で流路１０が縮流され、羽根車５周りの流速が調整される。

流れ方向において、整流部９０と羽根車５の間の距離Ｌは、流路直径Ｄと羽根車５の羽根車直径ｄ１よりも長くなるように設定される。例えば、距離Ｌは、流路直径Ｄと羽根車５又は羽根車直径ｄ１に対して１．０倍～２．０倍の範囲に設定される。これにより、流体の流れ方向において、最適な流速で羽根車５に流体を送ることができる位置に整流部９０が配置されることになる。

整流部９０の流れ方向における幅ｂは、本実施形態では整流部９０の流路壁面４５からの突出高さ（Ｄ-ｄ２／２）よりも大きく、流路直径Ｄ又は羽根車直径ｄ１よりも小さく設定される。例えば、流路直径Ｄ又は羽根車直径ｄ１に対して０．１５倍～０．２５倍の範囲に設定される。これにより、最適な流速で羽根車５に流体を送ることができる縮径距離で整流部９０が構成されることになる。

以上説明した整流部９０により、羽根車５の手前で流路１０が縮径され、流体が縮流されることにより、最適な流速で羽根車５に流体を送ることができる。

次に、羽根車５について説明する。羽根車５は、ボス軸部５１と、複数の羽根部５２と、を備える。ボス軸部５１は、略円柱状に形成されている。複数の羽根部５２は、ボス軸部５１の外周面上に、等間隔に設けられている。複数の羽根部５２は、交互にＳ極、Ｎ極となるように着磁されている。

図５は、本実施形態の羽根車式流量計１の羽根車５を流入口側から見た図である。図６は図５のＣ－Ｃ線断面矢視図、図７は図５のＤ－Ｄ線断面矢視図、図８は図５のＥ矢視図である。図５の羽根車５の回転中心を通るとともに径方向に延びる仮想的な一点鎖線を羽根基準線Ａとする。羽根基準線Ａは、軸方向に直交する方向である。

図５～図８に示すように、本実施形態では４枚の羽根部５２がボス軸部５１に接続される。４枚の羽根部５２は、何れも、ボス軸部５１から径方向外側に向かって螺旋状に延びている。

図６のＣ－Ｃ線断面矢視図において、羽根部５２の一側の端部と他側の端部を結ぶ仮想的な直線である二点鎖線Ｂ１と羽根基準線Ａがなす角度をαとする。また、図７のＤ－Ｄ線断面矢視図において、羽根部５２の一側の端部と他側の端部を結ぶ仮想的な直線である二点鎖線Ｂ２と羽根基準線Ａがなす角度をβとする。図８のＥ矢視図において、羽根部５２の一側の端部と他側の端部を結ぶ仮想的な直線である二点鎖線Ｂ３と羽根基準線Ａがなす角度をγとする。

本実施形態の羽根部５２は、α＜β＜γの関係となっており、羽根部５２の基端側から先端側に進むにつれて流れ方向に対する角度が大きくなる形状となっている。

これによって、流速が低下し易い流路壁面６５側でも流体を回転中心側と同様に捉えることができ、羽根車５の回転をより適切なものにすることができる。上述の通り、整流部９０によっても流路壁面４５，６５側の流速が上昇しているので、整流部９０と併せてより一層低流量における計測値のばらつきを抑制できる。

また、羽根部５２は、径方向外側に向かうにつれて断面形状が変化するように構成される。羽根部５２の翼型の位置や迎え角度は、必要な揚力や抗力、流路１０の形状、羽根車５の回転数等、各種の条件によって決まる。

例えば、本実施形態の羽根車５は、１枚の羽根部５２が３種類（複数種類）の翼型によって構成されている。羽根部５２において、ボス軸部５１側がゲッチンゲン４４８翼型の形状となっており、中央部分がＭ－５０翼型の形状となっており、先端側がＲ.Ａ.Ｆ.１２翼型の形状に構成されている。各翼型の面のつなぎ形状は滑らかに形成されている。この構成により、必要な揚力を満たしつつ、抗力の低い羽根車５を実現できる。

次に、図９を参照して整流部９０による低流量時の器差低減効果について説明する。図９は、整流部９０が有る場合と無い場合における器差の違いを示すグラフである。図９の横軸は流量（Ｌ／Ｈ）であり、縦軸は羽根車式流量計１の計測値と実際の流量との間の固体差を示す器差（％ＲＤ）である。

図９に示すように、低流量（例えば、１０００Ｌ／ｈ以下）の範囲において、整流部９０が無い場合では器差の絶対値の値が大きく、整流部９０が有る場合では器差の絶対値の値が小さくなる傾向がある。例えば、１０００Ｌ／ｈ～８００Ｌ／ｈの間では器差が－約２．５％、－約３％、－約４％・・・となっているのに対して整流部９０が有る場合では、０～１％未満の範囲に収まっている。０点からの絶対的なずれ量が整流部９０によって効果的に抑制されていることがわかる。

以上説明したように、本実施形態の羽根車式流量計１は、流入口４１及び流出口６１を有し、内部に流体を流通させる流路１０が形成されるハウジング４と、ハウジング４の内部に軸支され、流路１０に流体が流通することにより回転する羽根車５と、を備え、流路１０を形成する流路壁面４５における羽根車５よりも流入口４１側に整流部９０が形成される。

これにより、羽根車５の上流側に配置される整流部９０によって最適な流速で羽根車５に流体を送ることができ、低流量から高流量の広いレンジに対応できる羽根車式流量計１を実現できる。

また、本実施形態の整流部９０は環状に形成される。これにより、羽根車５の上流側に配置される整流部９０によって流路１０の縮径を均質に行うことができ、流路１０の円周方向全域にわたって流速を適切に調整できる。

また、本実施形態の羽根車５は、断面形状が翼型のヘリカル状の羽根を複数有するように構成される。これにより、断面形状が翼型のヘリカル状の羽根を用いて低流量から高流量までの広いレンジで流体の流量を測定できる。

次に、図１０を参照して上記実施形態の構成と異なる変形例について説明する。図１０は、変形例の羽根車式流量計１の内部を示す断面図であり、図１のＢ－Ｂ線断面図の位置に相当する。なお、以下の変形例において、上記実施形態と共通又は同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略することがある。

図１０に示す変形例では、整流部２９０の構成が上記実施形態と異なっている。本変形例の整流部２９０は、直線部２９１及びテーパ部２９２を備える。

直線部２９１は、整流部２９０において流入口４１側に形成される。直線部２９１は、整流部２９０において流れ方向に沿う面を形成する。テーパ部２９２は、整流部２９０の流出口６１側の部位である。テーパ部２９２は、流体の流れ方向で流出口６１に近づくにつれて流路壁面４５に近づくテーパ状に形成される。

即ち、変形例の整流部２９０は、流出口６１側にテーパ部２９２を含んで形成される。これにより、上記実施形態と同様の効果を奏するとともに、テーパ部２９２により後流渦発生を抑制し、温度変化依存を減少させて、流体の流量を正確に測定できる羽根車式流量計１を実現できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

上記実施形態では、断面形状が翼型のヘリカル状の羽根を用いた羽根車を例として説明したが、この構成に限定されない。例えば、羽根車は、断面形状が矩形（板型）のヘリカル状の羽根を複数有する構成としてもよい。これによっても、低流量から高流量までの広いレンジで流体の流量を測定できる。このように、羽根車の形状は、上記実施形態や変形例に限定されるわけではなく、事情に応じて適宜変更することができる。

また、流路１０の断面形状は円形に限定されない。楕円や場合によっては多角形であってもよい。

また、整流部９０，２９０は、環状全域に形成される構成に限定されない。場合によっては、整流部９０，２９０の一部に溝が形成されるような構成であってもよい。

１羽根車式流量計
４ハウジング
５羽根車
１０流路
４１流入口
６１流出口
９０，２９０整流部
２９２テーパ部

Claims

流入口及び流出口を有し、内部に流体を流通させる流路が形成されるハウジングと、
前記ハウジングの内部に軸支され、前記流路に流体が流通することにより回転する羽根車と、
前記流路を形成する流路壁面における前記羽根車よりも前記流入口側に形成される整流部と、を備え、
前記整流部は、前記ハウジングの流路壁面に環状に形成され、前記流路壁面から突出する部位を含み、前記整流部と前記羽根車の間の距離は、流路直径と前記羽根車の羽根車直径よりも長くなるように設定され、前記流体の流れ方向において、最適な流速で前記羽根車に前記流体を送る、羽根車式流量計。
前記整流部は、前記流出口側にテーパ部を含んで形成される請求項１に記載の羽根車式流量計。