JPH08500666A - 流量変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流量変換装置は、スリーブ内を移動してオリフィス面積を可変するピストンを含んで構成される。該ピストンは、流れの遮断位置から両方向に移動可能である。この両方向の移動は、スプリングの弾性力に抗してなされる。ピストンは、流量と対応した特定の位置決めが確実になされ、流量変換素子の位置を感知して小流量を示す信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】 流量変換装置 本発明は、流量変換装置に関する。 流量変換装置は管路または導管内の流体流量を決定するために用いられ、大抵 の流体系の基礎的なパラメータに関する情報を提供する。 しかしながら、流体流れは測定するのが困難であって、商業的に有用な流量変 換装置は、殆ど流量の動的表示よりもむしろ、流量の時間平均の表示を行ってい る。 従って、流量変換装置は所定の観察時間を必要とし、当該観察時間における平 均流量を示す信号を、その後に出力する。例を出して述べると、通常使用されて いる流量変換装置のうちの１つでは、管路内に配設されたタービンを用い、該タ ービンの回転をセンサーが検出して、通路内の流体流量を示す信号を出力する。 流体系を正確に観察し、或いは制御するには、当該系における流体を動的に測定 しなければならないが、同時に、系内の流れが測定装置によって妨害されてはな らないということが重要となる。更には、装置を観察するに際し、比較的大流量 の流れにおいて、小さな流量変化を測定し、そしてそれが正しく信頼性があるこ とが望ましい。 従来から、流量の動的測定を行う装置が なされてきたが、いずれも機能不足 であって、且つ所望の正確さを持つのものはなかった。マカベ（McCabe）の米国 特許第 4,304,136号，バンコ（BanKo）の米国特許第 4,507,976号及びテオドレ スク（Teodrescu）の米国特許第4,619,146号は夫々、ピストン位置の変化に対応 して流量が増加すると、ピストンがオリフィスを連続的に開き、該ピストンが流 量の 表示を行う動的流量計を開示している。しかしながら、これら流量計は一方向性 のものであり、従って、一方向の流体流れにのみ適用できるものであった。 ネルソン（Nelson）の米国特許第 4,366,718号及びウォルターズ（Walters） の米国特許第 4,459,860号は、両方向の流体流れを測定できる双方向性の流量計 を開示している。これらは、夫々の流量計では、固定部材に関して可動部材が流 量ゼロの位置に中心付けられており、該中心位置付けは、可動部材の両端に作用 する一対のスプリングによってなされる。これら夫々の流量計を用いると、前記 中心位置は一対のナイフエッジ間に設けることが必要である。しかしながら、こ の中心位置付けは、スプリング長さが変われば、必ず可動部材がオフセットする ように、スプリングを正確にマッチングしなければならない。このことは、小流 量に対して非線形の応答を生じさせる結果となる。 上記に鑑み、本発明の目的は、従来のものの上記不都合点を除去し、または減 少する流量変換装置を提供するものである。 本発明によると、管路内の流体流量を測定する流量変換装置を提供するもので あって、 該流量変換装置は前記管路内に挿入され、且つ管路内の流れに対して障害とな るスリーブを含む本体と、 前記スリーブ内を摺動自由であり、相反する方向を向く複数の流体反作用面を 有し、該流体反作用面の１つは前記スリーブの一側において流体圧力を受け、他 の１つは前記スリーブの他側において流体圧力を受けるピストンと、 前記スリーブに形成され、前記ピストンの移動方向に離間する第１グループ及 び第２グループの透孔群と、 前記ピストン内に形成され、一方又は他方の前記第１グループ及 び第２グループの透孔群にオーバーラップするように移動可能であり、これによ って、スリーブの一側から他側に流れる流体流れ用のオリフィスを形成するポー トと、 前記ピストンと前記本体との間で作用し、前記ポートが前記透孔群の軸方向間 に位置して、前記スリーブを通る流体流れを遮断する所定位置に向け、前記ピス トンを弾性付勢する付勢手段と、 前記ピストンと協働し、前記所定位置に対するピストン位置を示す信号を出力 する信号発生手段と、 を含んで構成され、 前記付勢手段は、前記本体内に形成したキャビティ内に位置するコイルスプリ ングを含んで構成され、 前記キャビティは、軸方向に離間する一対の当接面を含んでおり、該当接面は 前記コイルスプリングと協働して、前記コイルスプリングが前記当接面を超えて 軸方向移動するのを阻止する面であり、 前記ピストンは、前記コイルスプリングを通って延伸されて、該コイルスプリ ングの両端に係合可能であって、ピストンが前記所定位置から軸方向に移動する と、前記コイルスプリングの一端が近接する当接面に係合する一方、前記コイル スプリングの他端が前記ピストンに係合して、コイルスプリングを圧縮すべく構 成され、 前記信号発生手段が前記管路を流れる流体の流量を示す信号を出力する、 流量変換装置。 図は、流量変換装置の断面図である。 本発明の実施例を、流量変換装置の断面を示す添付書類を参照して次に説明す る。 図において、流量変換装置１０は、管路１２内に配設されている。該流量変換 装置１０は、管路１２の壁部に設けたネジ付ボア１８に螺合された雄ネジ１６を 有する本体１４を含む。本体１４には円筒状のスリーブ２０が取り付けてあり、 該スリーブ２０はその下端にＯ−リング２４を設けた環状溝２２を有する。Ｏ− リング２４は管路１２の壁部にシール性を保って係合して、管路１２を通る流体 流れに対して障害となるようにスリーブ２０が作用する。 スリーブ２０には、その軸方向に相互に離間して、２つのグループの透孔群２ ６，２８が設けられる。各グループの透孔群２６，２８は、周方向等間隔に離間 した４つの透孔を有していて、各透孔はスリーブ２０の外面から内面に至って延 びている。これら透孔群は、夫々方形のスロットを形成していて、その長さはス リーブ２０の周面周りに延びている。これにより流体は、透孔群２６または２８ を通過することにより、障害物（バリア）としてのスリーブ２０を流通すること が可能となる。 スリーブ２０内にはピストン３０が摺動自由に配設され、該ピストン２０には 内面３４と外面３６との間を延びる１セットのポート３２が設けられる。該ポー ト３２間にはピストン３０の外面３６周囲に延びる環状溝３８が設けられる。該 環状溝３８は透孔群２６，２８間に延びるが、これら透孔群２６，２８の周縁に かからない程度の長さであって、ピストン３０の外面３６が各透孔群に対してシ ーリング状態を維持できるような寸法に設定される。図示位置では、透孔群２６ ，２８を通る流体流れが遮断されているが、当該遮断位置から軸方向いずれかの 方向にピストン３０が移動すると、透孔群２６，２８の一方または他方を通って 流体流れが許容される。 ピストン３０は、本体１４内に形成したキャビティ４１内に延びる延長部４０ を含む。該延長部４０には、その一端近くにフランジ ４２が設けられると共に、該フランジ４２を超えて磁性体のインサートへ４４が 設けられる。フランジ４２は延長部４０に形成した眉部４３にピストン３０の端 面４５が当接することによりピストン３０との相対位置が定められる。フランジ ４２と端面４５との距離はこのようにして正確に保持される。 前記延長部４０に設けられた磁性体からなるインサート４４はエンドキャップ ４８内に形成したボア４６内に摺動自由に収納される。エンドキャップ４８は本 体１４に収納されて、キャビティ４１の一端を規制する。エンドキャップ４８に はボア４６に近接してホール効果（Hall effect）型の変換素子５２が収納され るボア５０が形成される。変換素子５２はエキポシ樹脂５４によりボア５０内に 密閉され、エンドキャップ４８内に確実に固定される。 エンドキャップ４８は、本体１４から半径方向内方に延びる当接面となる眉部 ５６を含んでいる。環状のディスク５８はフランジ４２の下方に位置して、延長 部４０上に配設され、眉部５６に向けて放射方向に延びる。ディスク５８は延長 部４０上を摺動自由であるが、軸方向の移動は眉部５６またはフランジ４２のい ずれかによって制御されるものである。 キャビティ４１内の延長部４０周りにコイルスプリング６０が配設され、その 一端がディスク５８に寄り掛かり、他端は同様なディスク６２に寄り掛かってい る。ディスク６２は同様に、延長部４０に対して摺動自由であり、放射方向外方 に延びて、キャビティ４１の下端の放射方向に延びる眉部６４に当接する。ディ スク６２は同様に、ピストン３０の端面４５に当接する。 コイルスプリング６０の軸方向長さは、このようにして、ディスク５８，６２ と眉部５６，６４とが夫々当接することによって制限されるが、ピストン３０が スリーブ２０内を軸方向に動くと、ディ スク５８，６２のうちの１つを動かしてコイルスプリング６０を圧縮する。従っ て、コイルスプリング６０は環状溝３８を透孔群２６，２８間に中心位置付ける ように、ピストン３０を保持し、もって管路１２内の流れを遮断する。肩部５６ ，６４間の離間距離はフランジ４２と端面４５との間の離間距離に相当する。こ のため、ディスク５８，６２が肩部５６，６４に当接するときは、同時にフラン ジ４２と端面４５とにも当接する。ピストン３０はこのようにして、物理的な当 接によって中心位置付けられるのであって、コイルスプリング６０の特性によっ て定められるのではない。ディスク６２は、前記端面４５に形成した凹部８４に 嵌合する環状リブ８２を含んでいる。該環状リブ８２は凹部８４と協働して、デ ィスク６２をピストン３０の端面４５の中心部に位置付けることができるように する。またこれと反対方向に向くリブ８６は、ディスク６２の半径方向内縁に設 けられ、ここにコイルスプリング６０を受ける。同様なリブ８８がディスク５８ の対向する端面に設けられる。ディスク５８，６２は、これらリブによってコイ ルスプリング６０をそれらの中心部に保持し、コイルスプリング６０に対して軸 方向にピストン３０が移動するに伴うピストン３０のヒステリシスを防止する。 スリーブ２０はこのようにして、管路１２を上流側部分と下流側部分に分け、 矢部Ａで示す流れ方向の場合には、上流側部分が６８であり、下流側部分が７０ となる。しかし、図示実施例を用いて流れ方向を逆にすることもできることは明 らかであり、その場合は７０は上流側部分、６８は下流側部分となる。 本体１４に設けたダクト７２は、前記下流側部分７０とキャビティ４１との間 を流体的に連通する。ダクト７２はピストン３０の外面に形成された軸方向溝７ ４に連通し、その結果下流側部分７０の流体圧力がピストン３０の半径方向の端 面４５に作用することとな る。ダクト７２と軸方向溝７４との連通関係は、本体１４と溝７８との間に作用 してスリーブ２０内のピストン３０の回転を防止するピン７６によって保持され る。ピン７６はまた、変換素子５２と磁性体製インサート４４との組み合わせ構 成を保持して、インサート４４周りの領域における均質性を確保し、もって変換 素子５２から誤信号を発生しないようにしている。ピストン３０はまた、上流側 部分６８の流体に対する半径方向の端面８０を構成する。ピストン３０は従って 、端面８０，４５に作用する流体圧力によって相対する方向に軸方向の力を受け ることとなる。このため、両圧力に何らかの差が生じると、コイルスプリング６ ０に抗してピストン３０をスリーブ２０内で軸方向に動かし、透孔群２６，２８ の一方を環状溝３８が開放する。 従って、その作動は管路１２内の流体流れがない場合、流体の上流側部分６８ 及び下流側部分７０の圧力は等しくなる。この場合、ピストン３０に作用する圧 力は相対する方向に等しく、従ってピストン３０は、眉部５６，６４によって、 透孔群２６，２８を通る流れが遮断される位置に保持される。 管路１２内を上流側部分６８から下流側部分７０に流体が流れようとすると、 上流側部分６８の圧力が最初に増大し、端面８０に作用して、他の端面４５に作 用する圧力よりも大となる。このため、ピストン３０はスリーブ２０内を軸方向 に移動し、環状溝３８が透孔群２６と重なって開放される。この位置では、透孔 群２６と環状溝３８とが重なった結果形成されるオリフィスを通って、上流側部 分から下流側部分へと流体流れが生じる。かかるオリフィスを通る流体流れによ って、上流側部分６８と下流側部分７０との間に圧力差が発生し、端面４５に作 用する圧力は端面８０に作用する圧力よりも小となる。ピストン３０はこのため 、図で軸方向上方に移動し、 端面４５は肩部５６方向に移動する。ピストン３０が移動するディスク６２も共 に輔方向上方に移動する一方、ディスル５８の方は肩部５６に規制されて移動し ない。従って、コイルスプリング６０は圧縮され、ピストン３０に作用する弾性 力が増大する。ピストン３０は従って、オリフィス２６に基づく圧力差とコイル スプリング６０の弾性力とバランスする位置まで移動する。しかし、ピストン３ ０の移動につれてオリフィス面積も増大するから、ピストン３０に作用する圧力 差はオリフィスが固定されている場合よりも小さくなる。従って、管路１２内の 流体流量に応じてピストン３０が所定の位置を占める。 ピストン３０の移動は、ホール効果を有する変換素子５２に関する磁性体製イ ンサートの動きとして検出され、ピストン３０の占める各位置に応じた電圧信号 として取り出される。このようにして、管路１２を通る流体流れの流量を示す信 号が変換素子５２から出力される。流量が増大すると、ピストン３０に作用する 圧力差が増大し、ピストン３０が上昇して、コイルスプリング６０が更に圧縮さ れ、その結果、ピストン３０に作用する前記圧力差に基づく力とコイルスプリン グの圧縮力とがバランスする新たな位置までピストン３０が上昇する。これによ り、変換素子５２は新流量に対応した新しい信号を出力する。 流体流れが管路１２内で逆方向を向いている場合は、部分７０の方が今度は上 流側部分となり、部分６８が下流側部分となる。そして、端面４５に作用する圧 力の方が端面８０に作用する圧力よりも大となる。このため、ピストン３０は下 方に移動してディスク５８がフランジ４２により眉部６４方向に運ばれる。する と、前記と同様に、ピストンに作用する力がバランスするまでコイルスプリング ６０が圧縮される。インサート４４はホール効果変換素子５２から 出力される信呼を変化させ、管路１２内の流量と共に流れ方向までも示すユニー クな信号を出力する。 変換素子は、マスター変換素子または流体の特定流量測定装置に従って修正す る。エンドキャップ４８にマイクロプロセッサを取付け、所定の流量に対するピ ストンの動きを記憶し、当該所定の流量に対応した所定の出力信号を出力するよ うにするのも好都合である。この場合、変換素子を交換して１つの変換素子から 他の変換素子に変えることによりピストン変位が変化するとしても、変換素子は 交換可能なものがよい。 上記から明らかなように、流量変換装置１０は、管路１２内の流体流量に対応 して変化する流量対応信号を出力する、簡単で且つ堅実な流量変換装置である。 ピストン３０の位置が透孔群２６，２８を通る流体流量に直接に関連して移動す ることからして、流量の動的測定が可能となり、あらゆる流量変動に対してもピ ストン３０の対応動きが発生することは明らかである。 ピストンの中心位置は積極的に保持され、単一のスプリングが用いられて、双 方の動きをバランスさせ、これにより製造の困難性を最小に留めるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．管路内の流体流量を測定する流量変換装置であって、本発明によると、管 路内の流体流量を測定する流量変換装置を提供するものであって、 該流量変換装置は前記管路内に挿入され、且つ管路内の流れに対して障害とな るスリーブを含む本体と、 前記スリーブ内を摺動自由であり、相反する方向を向く複数の流体反作用面を 有し、該流休反作用面の１つは前記スリーブの一側において流体圧力を受け、他 の１つは前記スリーブの他側において流体圧力を受けるピストンと、 前記スリーブに形成され、前記ピストンの移動方向に離間する第１グループ及 び第２グループの透孔群と、 前記ピストン内に形成され、一方又は他方の前記第１グループ及び第２グルー プの透孔群にオーバーラップするように移動可能であり、これによって、スリー ブの一側から他側に流れる流体流れ用のオリフィスを形成するポートと、 前記ピストンと前記本体との間で作用し、前記ポートが前記透孔群の軸方向間 に位置して、前記スリーブを通る流体流れを遮断する所定位置に向け、前記ピス トンを弾性付勢する付勢手段と、 前記ピストンと協働し、前記所定位置に対するピストン位置を示す信号を出力 する信号発生手段と、 を含んで構成され、 前記付勢手段は、前記本体内に形成したキャビティ内に位置するコイルスプリ ングを含んで構成され、 前記キャビティは、軸方向に離間する一対の当接面を含んでおり、該当接面は 前記コイルスプリングと協働して、前記コイルスプリングが前記当接面を超えて 軸方向移動するのを阻止する面であり、 前記ピストンは、前記コイルスプリングを通って延伸されて、該コイルスプリ ングの両端に係合可能であって、ピストンが前記所定位置から軸方向に移動する と、前記コイルスプリングの一端が近接する当接面に係合する一方、前記コイル スプリングの他端が前記ピストンに係合して、コイルスプリングを圧縮すべく構 成され、 前記信号発生手段が前記管路を流れる流体の流量を示す信号を出力する、 流量変換装置。 ２．１対のディスクが、前記コイルスプリングの両端に配設されると共に、前 記当接面に向け半径方向に延び、一方のディスクは、ピストンの移動によりピス トンに係合して、一方の当接面から他方の当接面に向け移動して、前記コイルス プリングを圧縮する請求の範囲１に記載の流量変換装置。 ３．前記１対のディスクは、ピストンの延長部上を軸方向に摺動自由であり、 前記延長部の軸方向に離間した当接面間に配設される、請求の範囲２に記載の流 量変換装置。 ４．前記延長部の当接面の一方は、流体反作用面の１つである、請求の範囲３ に記載の流量変換装置。 ５．案内手段が前記本体と前記ピストンとの間に作用して、前記本体に対する ピストンの回転を防止する、請求の範囲１に記載の流量変換装置。 ６．前記管路と前記キャビティとを流体的に連通するするダクトを前記本体内 に設けた、請求の範囲５に記載の流量変換装置。 ７．前記ダクトはピストンに形成した通路に接続する請求の範囲６に記載の流 量変換装置。 ８．前記信号発生手段は、ピストンに固定された磁性体製部材と、前記本体に 配設されたホール効果を有するセンサと、を含む請求の 範囲５に記載の流量変換装置。 ９．前記ディスクのそれぞれに環状リブか設けられて、前記コイルスプリング を周部に受ける、請求の範囲４に記載の流量変換装置。 １０．一方の前記ディスクに環状リブが設けられ、当該ディスクを当接面に対 して周方向に配設する、請求の範囲９に記載の流量変換装置。