JPH0640816U - 流体流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 乱流及び層流の双方において、効果的に作動
する。 【構成】 パドルホイール手段の回転軸線が、空洞の長
手方向軸線から空洞内への入口導管手段の仮想長手方向
の延長部の縁部までの約１／３に位置する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は一般的に流量計に関し、そして更に特定的に、実質的に円筒状の空洞 内に回転可能に取付けられているパドルホイールを有する型式の流量計に関する 。

【０００２】

【従来技術及びその課題】

この特定的な型式の流体流量計の例はエドウインポウンダー（Edwin Pounder ）に対する米国特許第４,１７３,１４４号に記載されている。この特許は円筒状 の空洞内で回転するため取付けられているパドルホイールと、空洞を通過して流 れ、そして流量にほぼ対応する角速度でパドルホイールを回転する流体を導くた めの入口導管及び出口導管とを含んでいる。パドルホイールは空洞の長手方向の 軸線に整合した軸線の周りを回転し、そして特殊な光学センサが流体の流量を示 す信号を提供するためその角速度を感知する。

【０００３】 上述の如き流量計は特に比較的高流量において一般に申し分なく働いてきたが 、これ等の流量計はそれ等が効果的に作動するレイノルズ数の範囲内に制限され ると信じられていた。これ等の装置は比較的高いレイノルズ数、即ち乱流を有す る流れを測定するとき一般的に効果的であるが、比較的低いレイノルズ数、即ち 層流を有する流れに対しては一般的に効果がない。これは分配される流体の粘度 が著しく変化し、そして層流かあるいは乱流のいづれかである場合、ソフトドリ ンク自動販売機の如き流量計の適用においては欠点である。

【０００４】 従つて、広範囲のレイノルズ数を含む流体の流れに対して効果的に作動できる 改良されたパドルホイール型流量計の必要性があることを理解されなければなら ない。乱流状況及び層流状況の双方にわたるレイノルズ数の範囲に対して効果的 に作動できる流量計に対して特に必要性がある。本考案はこの必要性を満たして いる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

本考案は広範囲のレイノルズ数に亘り効果的に作動する改良されたパドルホイ ール型流体流量計において具体化される。この流量計は実質的に円筒状の空洞を 規定している手段を有しているハウジングと、空洞を通り流れる流体を導くため の空洞の周囲と実質的に接線方向に整合した入口導管手段及び出口導管手段とを 含んでいる。流量計は更に流体の流れに従つて回転するため空洞内に取付けられ たパドルホイール手段と、パドルホイール手段の角速度を感知し、対応する信号 を生ずるための手段とを含んでいる。本考案によれば、流体の流れが広い範囲の レイノルズ数に亘り規定された方向にパドルホイール手段を回転するように、パ ドルホイール手段は空洞の長手方向の軸線から変位した軸線の周りを回転するた め取付けられている。

【０００６】 更に特定的に、入口導管手段及び出口導管手段は互に実質的に並行であり、そ して流体は入口から出口へ、空洞を経て実質的に１８０度の１平面内を流れる。 また、出口導管手段は圧力損失を減少するため、入口導管手段よりも大きな断面 積を有しており、そして双方の導管手段は好ましくは実質的に円形である断面を 有している。パドルホイールは複数の実質に等間隔にへだてたパドルを含み、各 々はそのベースに孔を有している。

【０００７】 流量計の作動範囲を最も効果的に拡大するため、パドルホイールは空洞に入る 流体の流れの方向に実質的に直角に、入口導管手段の方向に空洞の長手方向の軸 線から変位されている。パドルホイールの少くとも１部分は空洞内への入口導管 手段の仮想延長部内へ突出している。好ましい実施態様において、パドルホイー ルは空洞の直径の約６０％の直径を有しており、そしてこれは空洞の長手方向の 軸線から入口導管手段の仮想延長部の縁部までの距離の約¹/₃に置かれている軸 線の周りを回転する。従つて、流量計は乱流状況及び層流状況の双方にわたり、 少くとも約４００乃至１のダイナミツクな（dynamic）範囲のレイノルズ数に亘 り効果的に作動する。

【０００８】 本考案の他の観点において、パドルホイールは、小さな破片が軸受内にとどま るのを防止するためシールを含む特殊な針状軸受（needlle bearing）の中を回 転する。

【０００９】 本考案の他の観点及び利点は、実施例により、本考案の原理を例示している、 添付図面と関連して引用された好ましい実施態様の下記の記載から明らかとなる であろう。

【００１０】

【実施例】

図面、そして特に図１乃至図３を参照すると、乱流と層流の双方にまたがり、 広い範囲のレイノルズ数に亘り効果的に作動するパドルホイール型流体流量計が 示されている。この流量計はベースブロツク１１及びキヤツプ１３を具備してい るハウジングを含んでおり、ベースブロツク１１及びキヤツプ１３は一緒に緊め られておりそしてそれ等の間に円筒状の空洞１５を形成するようにほぼ形造られ ている。入口導管１７は空洞内へ流体を供給し、そして出口導管１９は流体を空 洞から運び去る。２つの導管は実質的に互に並行であり、そして流体が空洞を経 て実質的に１８０度進行するように円筒状の空洞の周囲に対して接線方向に方向 づけされる。

【００１１】 流量計は更に円筒状の空洞１５を経て流れる流体の流量に従つて回転するため 円筒状の空洞１５内に取付けられている。空洞に隣接するベース１１内に置かれ た光学センサ２３はパドルホイールの角運動を検出し、そしてその角速度を示す 対応する信号を生ずる。

【００１２】 本考案によれば、パドルホイール２１の回転軸線は、入口導管１７の方向に、 且つ入口導管の長手方向の軸線に対して実質的に直角な方向に、円筒状の空洞１ ５の長手方向の軸線から変位されている。パドルホイールの１部分は空洞内への 入口導管の仮想延長部内へ突出している。パドルホイールの中心から外れた変位 はレイノルズ数範囲を増加し、このレイノルズ範囲に亘り流量計が効果的であり 、そして特定的に流量計を乱流状況及び層流状況の双方内で効果的に作動せしめ ることができる。

【００１３】 更に特定的に、且つ図２及び図３を特定的に参照して説明すると、ベースブロ ツク１１は円筒状の空洞１５の１つの側部を規定している平らな底部壁２５と、 空洞の周囲を規定している円形の側壁２７とを有している環状凹部を含んでいる 。キヤツプ１３は空洞を形成するため一部をベースブロツクの凹部内へ適合して いる環状突起を含んでいる。キヤツプの平らな底部壁２９が空洞の第２の側壁を 形成している。Ｏ−リング３１は空洞からキヤツプとベースブロツクとの間の空 間から外方へ流れる流体を妨げるため、キヤツプ突起内に形成された環状シート ３３内に配置されている。３つのねじ３５がキヤツプ及びベースブロツクを確実 に一緒に締めつけている。

【００１４】 入口導管１７及び出口導管１９の双方は円筒状空洞１５の厚さの約半分の直径 を有する入力導管及び空洞の厚さに実質的に等しい直径を有する出口導管を備え ている円形断面を有している。この大きさの差は詰まりを最少にし、そして流量 計を介しての減少された圧力損失を提供する。

【００１５】 図４及び図５に示されている如く、パドルホイール２１は４つの等間隔のパド ル３７と、パドルの中心において軸の各々の端部に針先（needle point）４１を 備えているステンレススチール軸３９とを含んでいる。孔が各々のパドルのベー スを通り形成されている。軸受４３及び４５（図３）はそれぞれ、空洞の２つの 側壁２５及び２９内に形成されている凹部内に配置されている。パドルホイール 軸の針先はパドルホイールを正しく空洞１５内に中心を合せて保ち、そして流動 する流体によりパドル上に加えられるいかなる側方荷重をも受けるため２つの軸 受内のシートに収容されている。

【００１６】 軸受４３及び４５は更にそれぞれの針先４１から間隔をへだてたパドルホイー ル軸３９の包まれた部分のための１体のシールを含んでいる。これは小さな破片 が針軸受内に引つ掛るのを防止する。しかし乍ら、流体により軸受を潤滑するの を許容するため充分な間隙がある。これ等のシールはまた流れ荷重を受けるため のジヤーナル軸受として作用する。

【００１７】 図２に示されている如く、パドルホイール２１は円筒状空洞１５の直径の約６ ０％の直径を有しており、そして入口導管１７の方向に、空洞の中心から変位し た軸線の周りに回転する。特定的に、この回転軸線は空洞の中心から点線４７に より示された如く、入口導管の仮想延長部の縁部までの距離の約¹/₃変位される 。従つて、パドルホイールは入口導管の流れパターン内へ約半分突出する。この パドルホイールの変位が乱流及び層流の双方にまたがり、流量計が効果的に作動 するレイノルズ数の範囲をかなり拡げることが判明した。流量計は少くとも約４ ００乃至１のレイノルズ数の動的範囲に亘つて作用し、そして少くとも約５００ 乃至１の動的範囲に対して実質的に直線状の性能カーブを有している。

【００１８】 光学センサ２３は発光ダイオード光源４９と、ベースブロツク１１内に形成さ れた凹部５３内に互に隣接して置かれているホトダイオード４１とを含んでいる 。ベースブロツクは好ましくは光源からの光がベースブロツクを通過するように 透明なポリカーボネート材料で形成される。１つの好適な光学センサはＴＲＷに より製造された、ＯＰＢ７０８型反射レンズ（reflectire objct）センサである 。

【００１９】 パドルホイール２１が回転すると、そのパドル３７の先端はＬＥＤ光源４９か らの光をホトダイオード５１へ連続的に反射する。従つてホトダイオードによる 信号出力の頻度数が回転するパドルホイールの角速度を示す。高反射性材料のパ ドルホイールの形成、あるいは高反射性ペンキ、を使用するパドル先端の塗装は 特に空洞１５を通過する流体が少くともいくらかの不透明度（opacity）を有し ているときは、ホトダイオードへ反射された光の強さを増加し、そしてセンサの 性能を高める。

【００２０】 図６及び図７は非常に高いレイノルズ数と乱流（図６）に対する流れパターン 及び層流・乱流過度状態（図７）以下の非常に低いレイノルズ数に対する流れパ ターンを示している。乱流では渦流が空洞内に発生され、これに対して低いレイ ノルズ数の層流では渦流はなく、そして流体は直接入口導管１７から出口導管１ ９へ流れるのが観察される。流れる流体は図６に表わされた流れと図７に表わさ れた流れとの間の状態の全範囲に渡る流れに対して同じ反時計方向にパドルホイ ールを回転せしめる。

【００２１】 図８はパドルホイール速度とレイノルズ数を函数とする入口流速との比を示す グラフである。１つのカーブＡは円筒状空洞の中心線と同軸線にあるそのパドル ホイールを有している流量計に対するものであり、第２のカーブＢは好ましい実 施態様（図１乃至図７）の流量計に対するものであり、そして第３のカーブＣは 入口導管１７の仮想延長部の縁部４７と整合した軸線の周りに回転するそのパド ルホイールを有する流量計に対するものである。

【００２２】 入口導管１７の方へのパドルホイールの回転軸線の移動は流量計の作動範囲を 低いレイノルズ数を有する流れまで拡大する。しかし乍ら、パドルホイールの回 転軸線が入口導管の流れの縁部まで移動されると、流量計は、特に乱流と層流と の間の過度・領域においていくらか非直線的となる。しかし乍ら、流体の粘度が 知られていれば、流量計の性能カーブにおけるいかなる非直線性も規定の係数に より光学センサの出力信号を単に調整することによつて補償されることができる と理解されるべきである。好ましい実施態様におけるパドルホイールの位置は効 果的なレイノルズ数範囲を拡大するのみならず、改良された直線性を与える良い 問題解決の位置を表わしている。

【００２３】 上記の記載から、本考案が円筒状の空洞内に回転可能に取付けられているパド ルホイールと、流体を空洞を通る流れに導くための入口及び出口とを有する型式 の改良された流量計を提供していることが理解されるべきである。パドルホイー ルの回転軸線が、入口導管の方に、空洞の中心線から変位されているので、流量 計は乱流及び層流の双方にわたつて、広い範囲のレイノルズ数に亘り効果的に作 用する。

【００２４】 本考案は現在、好ましい実施態様を参照して詳細に記載されたけれども、本考 案の範囲から逸脱することなく種々の変更を行なうことができることは当業者に よつて理解されるべきである。従つて、本考案は添付された請求の範囲に限定さ れるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案を具体化している流体流量計の斜視図で
ある。

【図２】図１の矢印２−２の方向に切断したときの流量
計の断面図である。

【図３】図２の矢印３−３の方向に切断したときの流量
計の断面図である。

【図４】図２及び図３に示されたパドルホイールの斜視
図である。

【図５】図４の矢印５−５の方向に切断したときのパド
ルの断面図である。

【図６】比較的高いレイノルズ数に対する流れパターン
を示している、流量計の円筒状の空洞の概略図である。

【図７】比較的低いレイノルズ数に対する流れパターン
を示している、流量計の円筒状の空洞の概略図である。

【図８】１つが図１乃至図７の好ましい実施態様のその
位置である３つの異なるパドルホイール位置に対するパ
ドルホイール先端速度とＩｎ（レイノルズ数）の函数と
しての入口流速との比を示している。

【符号の説明】

１１ ベースブロツク １５ 円筒状の空洞 １７ 入口導管 １９ 出口導管 ２１ パドルホイール ３９ パドルホイール軸 ４３ 軸受

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１０月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】実用新案登録請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項２】 該パドルホイール手段が少くとも該入口
導管手段の仮想延長部内へ少くともほぼ中間に突出して
いる請求項１記載の流体流量計。

【請求項３】 該流量が該入口導管手段から該出口導管
手段へ、該空洞を経て１つの平面において実質的に１８
０度進行する請求項１記載の流体流量計。

【請求項４】 該出口導管手段が該入口導管手段の断面
積よりも大きな断面積を有している請求項３記載の流体
流量計。

【請求項５】 該入口導管手段及び該出口導管手段の双
方が実質的に円形断面を有している請求項１記載の流体
流量計。

【請求項６】 該流量計が乱流状況及び層流状況の双方
にわたる、レイノルズ数の範囲に亘り作動可能であるよ
うに該パドルホイール手段が位置づけされている請求項
１記載の流体流量計。

【請求項７】 該パドルホイール手段が複数の実質的に
等間隔にへだてられたパドルを含んでいる請求項１記載
の流体流量計。

【請求項８】 該パドルホイール手段が各々の端部に針
先を有する回転可能な軸を含み、 該ハウジングが該空洞の対向する側に置かれている第１
の軸受手段及び第２の軸受手段を含み、各々の軸受手段
が、 軸針先を収容するため及び該針先の低摩擦回転を許容す
るようになつているシートと、該軸受手段内に小さな破
片がひつかかるのを防止するため、該針先に隣接する該
軸部分を囲むための環状シールとを含んでいる請求項１
記載の流体流量計。

フロントページの続き (72)考案者 アラン・ジエイ・アレナ アメリカ合衆国カリフオルニア州チノ・ア スターコート6746 (72)考案者 アドリアン・エム・トツテン アメリカ合衆国カリフオルニア州エルモン テ・イービスビーストリート10617

Claims (9)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 実質的に円筒状の空洞を規定している手
   段を有するハウジングと、 該空洞を通つて流れる流体を導くように、該空洞の周囲
   に実質的に接線方向に整合している入口導管手段及び出
   口導管手段と、 該流体の流れに従つて回転する、該空洞内に設けられた
   パドルホイール手段と、 該パドルホイール手段の角速度を感知して、対応する信
   号を生成する手段とを具備し、 該パドルホイール手段が、該空洞の長手方向軸線からず
   れており且つ該空洞の長手方向軸線と平行に延びている
   回転軸線の周りに回転するように設けられていて、 該パドルホイール手段の上記回転軸線が、該空洞の上記
   長手方向軸線から該空洞内への該入口導管手段の仮想長
   手方向の延長部の縁部までの約１／３に位置し、 該パドルホイール手段が複数個のペダルを備えており、
   該ペダルの各々のベース端に孔が設けられていることを
   特徴とする流体流量計。
2. 【請求項２】 該パドルホイール手段の該回転軸線が、
   該空洞に入る流体の流れの方向に対して実質的に直角
   に、該入口導管手段の方向に該空洞の上記長手方向軸線
   から変位されており、 該パドルホイール手段が少くとも一部を該空洞内への該
   入口導管手段の仮想延長部内へ突出している請求項１記
   載の流体流量計。
3. 【請求項３】 該パドルホイール手段が少くとも該入口
   導管手段の仮想延長部内へ少くともほぼ中間に突出して
   いる請求項２記載の流体流量計。
4. 【請求項４】 該流量が該入口導管手段から該出口導管
   手段へ、該空洞を経て１つの平面において実質的に１８
   ０度進行する請求項１記載の流体流量計。
5. 【請求項５】 該出口導管手段が該入口導管手段の断面
   積よりも大きな断面積を有している請求項４記載の流体
   流量計。
6. 【請求項６】 該入口導管手段及び該出口導管手段の双
   方が実質的に円形断面を有している請求項１記載の流体
   流量計。
7. 【請求項７】 該流量計が乱流状況及び層流状況の双方
   にわたる、レイノルズ数の範囲に亘り作動可能であるよ
   うに該パドルホイール手段が位置づけされている請求項
   １記載の流体流量計。
8. 【請求項８】 該パドルホイール手段が複数の実質的に
   等間隔にへだてられたパドルを含んでいる請求項１記載
   の流体流量計。
9. 【請求項９】 該パドルホイール手段が各々の端部に針
   先を有する回転可能な軸を含み、 該ハウジングが該空洞の対向する側に置かれている第１
   の軸受手段及び第２の軸受手段を含み、各々の軸受手段
   が、 軸針先を収容するため及び該針先の低摩擦回転を許容す
   るようになつているシートと、該軸受手段内に小さな破
   片がひつかかるのを防止するため、該針先に隣接する該
   軸部分を囲むための環状シールとを含んでいる請求項１
   記載の流体流量計。