WO2020208697A1

WO2020208697A1 - 流量センサー

Info

Publication number: WO2020208697A1
Application number: PCT/JP2019/015399
Authority: WO
Inventors: 行雄本望; 浩志伊與田; 進萩原
Original assignee: 株式会社エルフ; 公立大学法人大阪; 株式会社技術開発総合研究所
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2020-10-15
Also published as: JPWO2020208697A1

Abstract

構造が簡単で、計測精度が高い流量センサーを提供する。　所定長さＬを有する円柱構造のオリフィス部５を備え、前記オリフィス部５の出入り口の差圧検出により流量を計測することを特徴とする。

Description

流量センサー

　本発明は、気体（蒸気）や液体の流量を計測する流量センサーに関する。

　一般に、任意の流路の最小断面部前後の差圧計測により流量計測する方法として、ＪＩＳ規格では、オリフィス型流量計や、ベンチュリー型流量計が規定されている（特許文献１参照）。例えば、「ＪＩＳ　Ｚ８７６２－１」～「ＪＩＳ　Ｚ８７６２－４」。

特許第３３０２０６６号公報

　従来のオリフィスやベンチュリー型流量計の基本構造では、粘性による流量係数への影響を最小とするため、最小流路断面長さを最小としている。この結果、充分な長さの直管部を装備しない場合、整流が不足し、流量係数の確度低下を生じる。計測断面の流れ状態を「整流」するためには、流量計の前後に、流路径の凡そ１０～２０倍の長さの直管部が必要となる。
　また、すべての型式において、片流れ計測であって、逆流(吹き戻し)を伴う流量計測ができないという課題がある。

　差圧式流量計では、平均差圧を検出するために、断面全体からの差圧検出のためのフランジを設ける必要がある。
　フランジ構成のため、外径寸法が大きくなり、蒸気流量計測の場合は、放熱防止のための断熱材の被覆が容易でない。
　流量センサー（オリフィス）の脱着も容易でなく、一台毎の削加工部分が多いため、その都度の校正試験が必要となる。

　本発明の目的は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で、計測精度が高い流量センサーを提供することにある。

　本発明は、所定長さを有する円柱構造のオリフィス部を備え、前記オリフィス部の出入り口の差圧検出により流量を計測することを特徴とする。

　本発明は、前記オリフィス部の内径をｄ、長さをＬとし、入口内径端の内壁と出口端の軸中心との成す角をθとしたとき、
　　　　Ｌ≧（ｄ／２）／ｔａｎ（θ／２）
　の関係式を満たし、かつ、
　　　　５°≦θ≦６０°
　を満たすことを特徴とする。

　本発明によれば、構造が簡単で、計測精度が高い流量センサーを提供できる。

図１は一実施形態による流量センサーを示す図である。図２は同流量センサーの一部拡大図である。図３は一実施形態によるオリフィス部を示す断面図である。図４は別実施形態による流量センサーを示す斜視図である。図５は図４のＶ－Ｖ断面図である。図６は別実施形態による流量センサーを示す図である。図７は別実施形態によるオリフィス部を示す断面図である。

　以下、本発明による流量センサーの一実施形態を説明する。
　図１は、流量センサーの一実施形態を示す図である。
　入口継手（入口部）１は、内径ｄ１であり、流入口１ａには面取りＲが形成されている。また、出口継手（出口部）２は、入口継手１と同じ内径ｄ２であり、流出口２ａには面取りＲが形成されている。入口継手１と出口継手２との間には、フェルール（ｆｅｒｒｕｌｅ）によって配管を、かしめる構造のジョイント３、４を用いて、円柱構造のオリフィス部５が水密に連結されている。
　流量センサーは、気体（蒸気）や液体の流量計測に適し、特に蒸気の流量計測に適する。矢印Ｙは、流体の流れの方向を示している。

　図２は、入口継手１の拡大図である。出口継手２の拡大図は、入口継手１と左右対象に表れるため、図示を省略している。
　オリフィス部５の一端５ａは、図１に示すように、入口継手１の小径の内周部１ｅに隙間なく嵌合している。入口継手１には、内周部１ｅに連続して、内径ｄ１の拡径部１ｆが形成され、拡径部１ｆの内周と一端５ａの外周の間には、図２に示すように、環状空間の入口導圧部７が形成される。オリフィス部５の他端５ｂは、図１に示すように、出口継手２の小径の内周部２ｅに隙間なく嵌合する。出口継手２には、内周部２ｅに連続して、内径ｄ２の拡径部２ｆが形成され、拡径部２ｆの内周と他端５ｂの外周の間には、環状空間の入口導圧部９が形成される。

　入口継手１には、入口導圧部７に連通する開口１ｂが形成され、開口１ｂには入口圧力導管１１が接続されている。出口継手２には、出口導圧部９に連通する開口２ｂが形成され、開口２ｂには出口圧力導管１３が接続されている。
　入口圧力導管１１および出口圧力導管１３には、差圧計１５が接続され、差圧検出に基づいた流量計測が行われる。

　図３は、オリフィス部５を示している。
　オリフィス部５は円柱構造の本体５０を備え、本体５０の入口および出口の流路内壁端面には、面取りＲが施されている。本体５０は外径をＤとし、内径をｄとし、長さをＬとする。内径ｄは全長に亘って一様である。
　例えば、外径Ｄ＝３．０～６．３５ｍｍ、内径ｄ＝２．０～５．３５ｍｍであり、Ｌ＝５０ｍｍ程度である。本体５０の材料としては、内壁の表面粗さの小さいＳＵＳ製のシームレス・パイプ（ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐｉｐｅ)が使用され、例えば市販の標準「ＳＵＳ３１６製シームレス・パイプ」などが好適である。本体５０の外周面、内周面の何れにもテフロン・コート（テフロン：登録商標）が施されていてもよい。
　極細チューブであれば、市販の精密細管として、例えばＳＵＳ３０４セミシームレス・パイプがあり、本体５０の内径が、ｄ＝０．１３～１．６９ｍｍ程度である。これをオリフィス部５に使用することで、極めて微小流量の計測が可能となる。従来型のオリフィスやベンチュリー型流量計の基本構造では、内径ｄ≦１ｍｍのオリフィスの製造は極めて困難であり、現実的には、内径ｄ≦３ｍｍの実現も困難である。精密細管の使用により、例えば内径ｄ≦１ｍｍのオリフィスの製造が可能となる。精密細管の他に、例えば注射針用パイプや、精密ガラス細管等の使用も可能である。
　本体５０の材料は、上記に限定されず、例えばＰＶＣ樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）樹脂、テフロン等の樹脂製であってもよい。

　内径ｄのオリフィス部５は、（２×ｄ²）以上の流路断面積を有する入口継手１及び出口継手２に接続することが望ましい。このとき入口継手１及び出口継手２の内径ｄ１、ｄ２は、「≧（√２）×ｄ²」である。

　＜最小断面積長さ＞
　あらゆる流体の流れは、例えば、従来型「オリフィス」の場合は、次式（１）で、ノズルを通る流量Ｑｏが決定される。
　　　Ｑｏ＝ζ・Ａ・（２ｇ・（Ｐ１－Ｐ２）／γ）^1/2・・・（１）
　　　　但し、ζ＝流量係数、Ａ＝流路最小断面積、ｇ＝重力加速度、γ＝流体比重量、
　　　　Ｐ１＝検査面（最小断面）入口圧力、Ｐ２＝検査面（最小断面）出口圧力
　式（１）より明らかなように、最小断面部を流れる流量Ｑｏは、物理（構造）的に、流路の最小断面積Ａにより、一義的に決定される。
　凡そ、約１００年以上前から、最小断面積Ａでの「粘性影響による圧損影響（ΔＰ＝（Ｐ１－Ｐ２））」を排除するために、最小断面長さを極力最小（ほぼゼロ）とするように、流量計の構造が規格化されてきた。

　しかしながら、整流が不十分な流体の流れは、一般に「オリフィス」に向かって乱流となって流入し、「オリフィス」に入るとき、所謂偏流が起きる。
　ＪＩＳ既定のオリフィスは、最小断面長さを極力最小（ほぼゼロ）とするように、流量計の構造が規格化されてきているため、最小断面長さが短い分、偏流（流体入口では収縮流となる角度）の影響を受け易く、入口角度が、大きくなることが分かる。
　即ち、ＪＩＳ既定のオリフィスは、流れの偏流影響を受け易く、流量係数が変動し、流量の計測精度が低下する。これを防止するため、従来、入口部・出口部に、オリフィス内径の凡そ、～２０倍～、の直管部を付設し、流れの整流を図っている。
　本発明者らは、整流の如何に関わらず、計測精度を高めるためには、オリフィス部５の最小断面部分の長さＬを長くすることが重要と判断した。

　本実施形態では、オリフィス部５の長さＬに関して、図３に示すように、入口内径端の内壁２０と出口端の軸中心２１との成す角をθとしたとき、次式（２）、かつ、次式（３）を満たすことを条件としている。
　　　Ｌ≧（ｄ／２）／ｔａｎ（θ／２）　　　・・・（２）
　　　５°≦θ≦６０°　　　　　　　　　　　・・・（３）
　オリフィス部５の長さＬは、式（２）を満足する値のうち、最小長さ近傍の長さＬを選択すれば、オリフィス部５の小型化が図れる。
　例えば、θ＝２０°としたとき、ｄ＝２ｍｍの場合には、Ｌ＝５．７ｍｍとなり、ｄ＝１０ｍｍの場合には、Ｌ＝２８．４ｍｍとなり、ｄ＝２０ｍｍの場合には、Ｌ＝５６．７ｍｍとなる。従来型のオリフィスはｄの値に関わらず、Ｌは極力最小（ほぼゼロ）で一定である。尚、式（３）の条件に関しては、望ましくは５°≦θ≦３０°である。

　このように設定することで、オリフィス部５の入口部での偏流（収縮流）影響や、出口部での拡大流の流れ角度を小さくできる。
　本実施形態では、これら構成により、流れの偏流影響を受け難くなるため、流量係数の変動を抑制し、流量計測精度を向上できる。

　本実施形態では、流量センサーが、図１に示すように、図中左右対称の構造となっている。したがって、図中矢印Ｙ方向に流れが発生しているときの流量計測だけでなく、矢印Ｙと逆方向に流れが発生しているときの流量計測ができ、所謂片流れ計測ではない、逆流(吹き戻し)を伴う流量計測が可能となる。

　本実施形態では、オリフィス部５の一端５ａが、ジョイント３を用いて入口継手１に連結され、オリフィス部５の他端５ｂが、ジョイントを用いて出口継手２に連結される。したがって、オリフィス部５は容易に着脱可能である。
　また、ＳＵＳ３１６Ｌ製のシームレス・パイプは、同じ外径でも、内径（肉厚）が異なるパイプが標準化されており、特注製作も可能である。
　一般に、パイプの精密加工技術の向上に伴い、ＳＵＳ３１６Ｌ製のシームレス・パイプは、内壁面表面粗さが鏡面仕上げとなり、安価に入手可能となった。
　「ＪＩＳオリフィス」の場合は、その都度、切削加工・流量校正試験が必要であるのに対し、パイプ構造のオリフィス部５に、シームレス・パイプを使用したとすれば、磨滅性能に優れる「ＳＵＳ３１６Ｌ」等の長さ切断だけの製造となり、その都度校正が不要のため、流量センサーを安価に提供できる。
　例えば、外径＝６ｍｍのパイプを選んだ場合、内径＝２～５ｍｍのオリフィス・エレメントを製作でき、市販のシームレス・パイプを所定長さに切断処理することで、各種流量範囲の流量センサーを構成できる。

　本実施形態では、オリフィス部５の材料として、内壁の表面粗さの小さい、ＳＵＳ製のシームレス・パイプ（ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐｉｐｅ)を使用し、または、オリフィス部５に、テフロン・コートを施し、あるいは、オリフィス部５は、ＰＶＣ樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）樹脂、テフロン等の樹脂製としたため、適用する材料の「接続ジョイント」との組み合わせで、腐食性流体（気体・液体）の流量計測が可能となる。

　本実施形態では、図１に示すように、環状空間の入口導圧部７と、環状空間の出口導圧部９とから、差圧を取り出している。すなわち、当該「パイプ・オリフィス」で生成される圧力を、「入口／出口」端の外周部に、環状の動圧流路を構成することにより、生成平均差圧を精度良く計測させている。入口・出口部パイプの外周辺部の環状空間７、９の全域から、平均差圧を取り出す構成としているため、ジョイント３、４の回転により、入口圧力導管１１、出口圧力導管１３が相対回転しても、差圧計測値には影響がなく、そのため、配管自由度を向上できる。

　本実施形態では、「パイプ・オリフィス」が、入口継手１と、出口継手２と、オリフィス部５との３種類の部品で構成されるため、簡単な構造となる。
　また、その構造が、最小断面長さの長い、円滑内壁の「パイプ」をオリフィスとして用いているため、直管部不要の「流量センサー」を実現できる。

　本実施形態では、構造簡単で、市場に安価提供が可能である。また、オリフィスとしてのパイプ内径の変更により、各種流量の流量センサーを構成できる。さらに、小型化が図れるため、蒸気等の高温流体計測の場合の放熱軽減のための断熱材等の被覆が容易となる。また、入口／出口の流路が対称構造のため、順流・逆流計測が可能となる。
　シームレス高精密パイプをオリフィスとして使用しているため、「流量センサー」を複数製作する場合には、複数の中の一台を代表校正試験すればよく、すべての「流量センサー」を校正試験する必要がない。

　従前の「差圧方式流量センサー」は、計測差圧が「≦２００（ｍｍＡｑ）」程度の範囲で適用されている。この結果、レンジアビリティＲ（＝最大計測流量／最小計測流量）は、「Ｒ≦１０」程度であった。

　本実施形態では、オリフィス部５を用いた実証試験を行うと、生成差圧「ΔＰ＝～６００(ｍｍＡｑ)」の範囲において、上記式（１）の指数の「１/２＝０．５」とほぼ等しい指数＝０．５５が得られた。また、横軸をｌｏｇΔＰ、縦軸をｌｏｇＱとした、「ｌｏｇΔＰ－ｌｏｇＱ」線図にすると、試験範囲において、式（１）の指数＝０．５５に近い比例定数で、「ｌｏｇΔＰ－ｌｏｇＱ」線図が、直線関係にある。
　市販の「蒸気流量センサー」のレンジアビリティ≦１０、程度に対し、５０倍以上のレンジアビリティが期待できる。

　図４は、本発明による流量センサーの別実施形態を示している。尚、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

　入口継手（入口部）１０１と出口継手（出口部）１０２の間には、円柱型のオリフィス本体２５が水密に連結されている。矢印Ｙは、流体の流れの方向を示す。
　オリフィス部２５の一端２５ａは、入口継手１０１の小径の内周部１０１ｅに隙間なく嵌合している。入口継手１０１には、内周部１０１ｅに連続して、拡径部１０１ｆが形成され、拡径部１０１ｆの内周と一端２５ａの外周との間には、環状空間の入口導圧部１０７が形成される。オリフィス部２５の他端２５ｂは、出口継手１０２の小径の内周部１０２ｅに隙間なく嵌合する。出口継手１０２には、内周部１０２ｅに連続して、拡径部１０２ｆが形成され、拡径部１０２ｆの内周と他端２５ｂの外周との間には、環状空間の入口導圧部１０９が形成される。

　入口継手１０１には開口１０１ｂが形成され、開口１０１ｂには入口圧力導管１１が接続されている。出口継手２には開口１０２ｂが形成され、開口１０２ｂには出口圧力導管１３が接続されている。
　入口圧力導管１１および出口圧力導管１３には、差圧計１５が接続され、差圧検出に基づいた流量計測が行われる。

　図５は、図４のＶ－Ｖ断面図である。
　オリフィス本体２５は、焼結技術により製造されている。
　オリフィス本体２５には、同一内径ｄのｍ個の流路２５Ａ、２５Ａ、２５Ａ…、が並列に長手方向に貫通して、形成されている。ここで、オリフィス本体２５の製造は、焼結技術によるものの他、例えば、流路２５Ａを有する、ｍ個のオリフィス部を、圧入や溶接で一体構成することは可能である。オリフィス本体２５の代替の、市販の製造品として、ハニカムパイプ、異形ハニカムパイプ等が提案されており、該パイプの使用が可能である。流路２５Ａの内径が、ｄ＝０．０７ｍｍ～と、極細の流路２５Ａを有するオリフィス本体２５が提案され、微小流量の計測が可能である。

　オリフィス部５の長さＬに関し、計測流量が小さい場合には、オリフィス部５の必要な最小断面内径ｄが小さいため、上述したように、例えば、式（２）、かつ、式（３）を満たすことを条件で、長さＬを実用的な長さにできる。

　しかしながら、計測流量が大きい場合には、オリフィス部５の必要な最小断面内径ｄが、かなり大きくなってくるため、必要長さＬが、ｄ／２に比例して長くなり、実用的な長さとして選択できなくなる。
　式（２）においてθ＝２０°であれば、ｄ＝１００ｍｍの場合、Ｌ＝２８３．６ｍｍとなり、長すぎて実用的でない。

　この別実施形態は、特に大流量計測を行う場合に好適である。
　即ち、多連装構造とすれば、オリフィス長さＬを実用的な長さにできる。
　最小断面内径ｄの小さい流路２５Ａを、オリフィス本体２５に、ｍ個多連装させることにより、大流量計測の必要内径ｄ・ｍを満たすオリフィス本体２５を構成できる。流路２５Ａの数は、ｍ＝（ｄ・ｍ／ｄ）²により算出し、多連装パイプ構造・オリフィス型流量センサーとすればよい。

　図６は、別の実施形態を示している。
　尚、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
　上記実施形態では、図１に示すように、オリフィス部５の一端５ａが、入口継手１の内径ｄ1の内周に隙間をあけて挿入され、該内周と一端５ａの外周の間に、環状空間の入口導圧部７が形成されている。
　これに対し、図６の実施形態では、オリフィス部５の本体５０の外径Ｄと、入口継手１の内径とがほぼ一致している。オリフィス部５の一端５ａは、入口継手１の内周部１ｅに隙間なく嵌合している。オリフィス部５の一端５ａには、本体５０の周方向に延びる凹溝５１が形成され、本体５０の先端５ｇの外径Ｄ１が本体５０の外径Ｄよりも小さく形成されている。凹溝５１の存在により、入口継手１の内周部１ｅと凹溝５１の間には、環状空間の入口導圧部７が形成される。本体５０の外径Ｄ、本体５０の先端５ｇの外径Ｄ１、凹溝５１の溝底の径Ｄ２、本体５０の内径ｄとしたとき、外径Ｄ＞先端外径Ｄ１＞溝底の径Ｄ２＞内径ｄの関係が成り立ち、オリフィス部５の一端５ａ近傍には、生成差圧を取り出すサージング容積が施される。

　凹溝５１は入口導圧部７に連通する開口１ｂの幅よりも広い幅を備える。凹溝５１は、図示は省略したが、他端５ｂにも形成されている。
　一端５ａに凹溝５１が形成されることで、本体５０の入口には、環状空間の入口導圧部７が形成され、サージング容積が付加されている。他端５ｂにも同様に凹溝が形成されることで、本体５０の出口には、環状空間の出口導圧部９が形成され、サージング容積が付加されている。
　本実施形態では、入口圧力導管１１および出口圧力導管１３から生成差圧を取り出すことができ、精度の良い流量計測が行われる。
　オリフィス部５の端に凹溝を形成し、サージング容積を付加する実施形態は、例えば図４の実施形態にも適用が可能である。

　図７は、別の実施形態を示している。尚、図３と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図７では、長さＬ１０の配管２０の内周部に、オリフィス部５の本体５０が嵌合されている。オリフィス部５の長さＬは、上式（２）、かつ、上式（３）を満たす長さＬのうち、最小長さ近傍の長さＬが選択される。図示は省略したが、配管２０の一端２０ａは、例えば図１に示すように、フェルール（ｆｅｒｒｕｌｅ）構造のジョイント３を用いて、入口継手１に水密に連結され、他端２０ｂは、フェルール（ｆｅｒｒｕｌｅ）構造のジョイント４を用いて、出口継手２に水密に連結される。
　本体５０の外径Ｄは配管２０の内径ＤＸとほぼ等しい。配管２０の内径ＤＸと、本体５０の内径ｄとは、（ＤＸ）²≧（ｄ）²の関係にある。

　以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されるものではない。例えば、「広い流量範囲（レンジアビリティＲ≦１００）」を有する、蒸気（気体）用流量センサーは、その全域で高精度流量計測するために、例えば、４０００（ｍｍＡｑ）ＦＳの「高差圧・差圧センサー」と、１，０００（ｍｍＡｑ）ＦＳの「低差圧・差圧センサー」の２台を並列接続して流量計測してもよい。
　本実施形態では、オリフィス部５の長さＬ＝～５０ｍｍ～、と長いため、計測流体の流速による当該部分の磨滅による経時劣化が抑止される。したがって、差圧≦４０ｋＰａに至る音速領域での流量計測が可能である。

　１、１０１　入口継手
　２、１０２　出口継手
　３、４　フェルール構造のジョイント
　５　オリフィス部
　７、１０７　入口導圧部（環状空間）
　９、１０９　出口導圧部（環状空間）
　１１　入口圧力導管
　１３　出口圧力導管
　１５　差圧計
　２０　入口内径端の内壁
　２１　出口端の軸中心
　２５　オリフィス本体
　５０　本体
　θ　成す角

Claims

　所定長さを有する円柱構造のオリフィス部を備え、前記オリフィス部の出入り口の差圧検出により流量を計測することを特徴とする流量センサー。
　前記オリフィス部の内径をｄ、長さをＬとし、入口内径端の内壁と出口端の軸中心との成す角をθとしたとき、
　　　　Ｌ≧（ｄ／２）／ｔａｎ（θ／２）
　の関係式を満たし、かつ、
　　　　５°≦θ≦６０°
　を満たすことを特徴とする請求項１に記載の流量センサー。
　前記オリフィス部の入口に環状空間の入口導圧部を備え、
　前記オリフィス部の出口に環状空間の出口導圧部を備え、
　前記入口導圧部および前記出口導圧部の差圧検出により流量を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の流量センサー。
　前記入口導圧部に入口圧力導管を備え、
　前記出口導圧部に出口圧力導管を備え、
　前記入口圧力導管および前記出口圧力導管の差圧検出により流量を計測することを特徴とする請求項３に記載の流量センサー。
　前記オリフィス部の、入口および出口の流路内壁端面に、面取りＲを施したことを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の流量センサー。
　前記オリフィス部の材料として、内壁の表面粗さの小さい、ＳＵＳ製のシームレス・パイプ（ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐｉｐｅ)を使用したことを特徴とする請求項１～５の何れかに記載の流量センサー。
　前記オリフィス部に、テフロン・コートを施したことを特徴とする請求項１～６の何れかに記載の流量センサー。
　前記オリフィス部は、ＰＶＣ樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）樹脂、テフロン等の樹脂製としたことを特徴とする請求項１～７の何れかに記載の流量センサー。
　前記オリフィス部は、入口継手と出口継手との間にフェルール式のジョイントを介して締結されていることを特徴とする請求項１～８の何れかに記載の流量センサー。
　前記オリフィス部の長さＬ＝５０ｍｍ前後と長くさせることにより、計測流体の流速による当該部分の磨滅による経時劣化を抑止し、差圧≦４０ｋＰａに至る音速領域での流量計測を可能としたことを特徴とする請求項１～９の何れかに記載の流量センサー。
　レンジアビリティ≧１０の、請求項１～１０の何れかに記載の流量センサーを用い、広い流量範囲で、高精度計測を行うため、低差圧用のセンサーと、高差圧用のセンサーとを並列接続させたことを特徴とする流量センサー。