JP2004144576A

JP2004144576A - 流量計及びその羽根車

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Publication number: JP2004144576A
Application number: JP2002308846A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kawanishi; 川西　将範; Shinji Enotani; 榎谷　伸治; Teppei Oyama; 大山　鉄平
Original assignee: Ricoh Elemex Corp
Current assignee: Ricoh Elemex Corp
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-23
Also published as: JP4155504B2

Abstract

【課題】ピークの出る器差の発生を抑制し得る流量計を提供する。
【解決手段】流入口と流出口を有し、流体の流れによって回転する羽根車１０の中心軸から放射状にのびたねじれた形状の羽根を有する流量計を対象とする。そして、羽根１３のねじれ角が一定でなく、羽根１３の途中から変化し、流出側から流入側のねじれ角を減じたその差が、１°から１０°の範囲内であるようにする。その際、ねじれた羽根１３の、流体によって圧力を受ける側の面（受圧面）１４のねじれ角を増加させること、その面１４とは反対側の面（非受圧面）１５のねじれ角を増加させること、双方の面１４，１５のねじれ角を共に増加させることのいずれも可能である。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流入口と流出口を有する流量計に関し、特に流体の流れによって回転する羽根車の羽根が、その中心軸を中心としてねじれた形状を有するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流量計の羽根車１００は、図１８に示すように、流体の流入側から流出側に至るまで、図１８に示す関係を維持したねじれ角一定の羽根１１３で、流体が羽根１１３の間を通過することにより、流体の圧力を受ける側の羽根面を流体が押し回し、回転軸を中心として、羽根車が回転する。この回転数が、流速に比例することにより、歯車等にてアナログ的に、あるいはセンサー等でデジタル的に、一定の常数を表示機構で加え積算流量値に変換し、計量する機構となっていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
実開平３−１３６９０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなねじれ角が一定の羽根を有する羽根車では、流体の流入側の回転力と流出側の回転力が等しくならないため、羽根に流入側と流出側の回転力の差が抵抗として作用し、流量−器差曲線においてある流量域（特に小流量域）で器差がプラス傾向を示す、つまりピークの出る器差の原因となっていた。また、流体の圧力を受けない反対側の面も、ねじれ角が一定のため、羽根の回転によってねじ曲げられた水流を羽根の面に境界層が生じて縮流させることになり、ピークの出る器差の原因となっていた。
【０００５】
この発明は、ピークの出る器差の発生を抑制し得る流量計を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
この発明は、流入口と流出口を有する流量計において、流体の流れによって回転する羽根車の羽根が、その中心軸を中心としてねじれた形状の流量計において、当該羽根のねじれ角が一定でなく、羽根の途中から変化し、流出側から流入側のねじれ角を減じたその差が、１°から１０°の範囲内である羽根車を備えることを特徴とする。
【０００７】
このようにしたことにより、羽根車において流体の圧力を受ける面の、流体の流入側の回転力と流出側の回転力をほぼ等しくすることにより、羽根に流入側と流出側の回転力の差が抵抗として作用することを無くし又は抑制し、ピークの出ないフラットな器差になり易くなる。
【０００８】
また発明は、ねじれた羽根の、流体によって圧力を受ける側の面のねじれ角が一定でなく、羽根の途中から変化し、流出側から流入側のねじれ角を減じたその差が、１°から１０°の範囲内であることを特徴とする。
【０００９】
ここでは、流体の圧力を受ける側の面のみの、ねじれ角を１°〜１０°の範囲内で増加させてやることにより、ピークの器差を改善することができる。
【００１０】
またこの発明は、ねじれた羽根の、流体によって圧力を受ける側の反対側の面のねじれ角が一定でなく、羽根の途中から変化し、流出側から流入側のねじれ角を減じたその差が１°から１０°の範囲内である羽根車を備えることを特徴とする。
【００１１】
このように、流体の圧力を受けない反対側の面のみ、ねじれ角を１°から１５°の範囲で増加させてやることにより、羽根の回転によってねじ曲げられた流体の流れを縮流させることなく、ピークの器差を改善することができる。
【００１２】
さらに本発明では、羽根のねじれ角が、羽根の途中から変化し、流出側から流入側のねじれ角を減じたその差が、１°から１０°の範囲内で、羽根が「く」の字形に折れ曲がった羽根車とすることを特徴とする。
【００１３】
一般に、羽根車の羽根のねじれ角が流入側から徐々に１°ないし１０°変化して、流出側のねじれ角に達するような羽根車の製作は相当の工数と時間を要し、容易なことではない。そこで、製作を容易にする目的で、ねじれ角の変化は徐々にするのではなく、ある位置で１回のみ変化するような羽根車、言い換えれば羽根が「く」の字形に折れ曲がった羽根車を用いたときでも、器差のピークを下げるという効果を充分に得ることができる。
【００１４】
なお、羽根においてねじれ角を多段に変化させることもでき、また羽根において流出側で流入側よりねじれ角を増加させる際、流出側において、流体の圧力を受ける側の面と、それとは反対側の面とで、ねじれ角を同じにすることもできるし、互いに異ならせることもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。
図１は、この発明が適用される流量計の一例を示している。この例の流量計１は、水流の上流側に位置する補足管２と、それに合体された下ケースと３を備え、それらにまたがって流入口４から流出口５に至る流体（一般には水）の流路が形成される。下ケース３の中央部には、ほぼ垂直上方へ導かれる水流に対する整流器６が位置するとともに、それに付随する調整器８があり、それらの上側に計量室７が位置している。
【００１６】
その計量室７の内部には羽根車１０が、整流器６に固定された垂直方向のピボット軸９に上側からわずかな隙間をもって挿入された状態で、垂直方向の軸線回りに回転自在に設置される。羽根車１０の中心線の回りには、その中心線に対してねじれた複数の羽根１３がボス１２と一体に形成され、それらの羽根１３は、羽根車１０の中心線を中心とするらせん状の面に沿ってねじれるように形成されている。下ケース３の管路において上方へ導かれた流体は、整流器６で整流された後、下側から羽根車１０に当たり、その羽根１３のねじれに基づき羽根車１０を回転させつつ、羽根車１０の軸方向に通過し、その後方向を変えて流出口５から下流に流出する。
【００１７】
羽根車１０の回転は、電子式流量計の場合、羽根車１０の上部に内蔵された磁石により、その回転をＭＲセンサーなどで検知して電気信号に置き換えられて、電子カウンター２４で積算される。電子カウンター２４は遮水ケース２０内に納められ、開閉式の蓋１８で被われる。羽根車１０の下方に位置する整流器６は、垂直方向の中心線から放射状に延びる複数の整流羽根１９を有し、それらの羽根の１枚を垂直軸に対して微小角度調整することで、羽根車１０の羽根１３に当たる水流の向きをわずかに変えることにより、羽根車１０の回転数を微調整するのが調整器８であり、整流器６に付属して設けられている。なお、機械式の流量計の場合は、羽根車１０の回転が複数の歯車等により機械的な回転積算計等を介してカウントされる。
【００１８】
図２に示すように、羽根車１０は、回転軸１１に、その回転軸１１よりも径が大きく、羽根車１０よりは径の小さいボス１２が設けられ、このボス１２に回転軸１１の軸線に対してねじれた複数（例えば６枚）の羽根１３が等間隔に設けられている。羽根車１０を有する流量計１は、上述のように羽根車１０の複数の羽根１３のそれぞれの流体の圧力を受ける側の面１４が水流の力を受けて、その羽根車１０を回転軸１１とともに、その軸線の回りに回転させる構造となっており、一定の常数を表示機構によって加えてやることにより、通過量を（この流量計が）計測するようになっている。
【００１９】
そして、この羽根車１０の複数の羽根１３の中央面１３ｃを、流出側からのねじれ角α’から流入側のねじれ角αを減じた値が、１°から１０°の範囲になるように、ねじれ角を途中で変化させる（図２（ｇ）参照）。この変化については、流入側からねじれ角が流出側に向かって一定の関係で滑らかに増加していく変化、そのねじれ角が増加及び減少をして流出側で目的のねじれ角になるような変化、滑らかな変化でなく、目的のねじれ角まで数回に分ける変化が挙げられるが、この場合、流出側に向かって一定の関係で滑らかに増加していく変化の方が、水の流れを乱さないことから望ましい。
【００２０】
図２に示すものは、流体の圧力を受ける側の面１４と、その流体の圧力を受ける面とは反対側の面１５の双方において、ねじれ角（垂直線に対するなす角をねじれ角とすればαとなる）を流出側で増加させたものであり、羽根１３の厚みは一定となり、ねじれ角の変化の範囲が１°〜１０°となる。好ましくは４〜７°に設定することができる。そのねじれ角の範囲が小さすぎると、器差をフラットにする効果が得にくくなり、逆に大きすぎると、羽根車１０を回転させる力の成分が過小になって、そのため別の面での抵抗（上向きのスラスト力など）が生じやすいので、上記の範囲が望ましいと言える。
【００２１】
また図３に示すように、流体の圧力を受ける側の面１４のみ、ねじれ角を１°から１０°の範囲で増加させてやってもよい。この場合でも、流入側から流出側に向かって一定の関係で滑らかに増加していく変化、ねじれ角が増加及び減少をして流出側で目的のねじれ角になるような変化、滑らかな変化ではなく、目的のねじれ角まで数回に分ける変化が挙げられるが、この場合、流出側に向かって一定の関係で滑らかに増加していく変化の方が、水の流れを乱さないことから望ましい。
【００２２】
さらに、図４に示すように、流体の圧力を受けない反対側の面１５のみ、ねじれ角を１°から１０°の範囲で増加させてやってもよい。この場合も、流入側から流出側に向かって一定の関係で滑らかに増加していく変化、ねじれ角が増加及び減少をして流出側で目的のねじれ角になるような変化、滑らかな変化ではなく、目的のねじれ角まで数回に分ける変化が挙げられるが、この場合、流出側に向かって一定の関係で滑らかに増加していく変化の方が、水の流れを乱さないことから望ましい。
【００２３】
また図５に示すように、羽根１３のねじれ角が、羽根の途中から変化し、流出側から流入側のねじれ角を減じたその差が、１°から１０°の範囲内で、羽根１３が「く」の字形に折れ曲がった羽根車とすることができる。
【００２４】
羽根車の製作上、滑らかに製作することは容易でなく、そこで上述のフラットな器差の効果を確保しつつ、製作を容易にする観点からねじれ角の変化を１回にしたものが、上記「く」の字状の形態である。ねじれ角を変化させる位置は、羽根車の流入側から流出側へ向かう中間の位置から流出側までの間にするのが好ましい。その中でも、羽根車の流入側から流出側へ向かう中間の位置から流出側までの間に変化するのがよい。
【００２５】
図６は、羽根１３の流体の圧力を受ける側の面１４（圧力作用面ともいう）と、流体の圧力を受ける側の面１４とは反対側の面１５（圧力非作用面ともいう）の双方で、ねじれ角を流入側より流出側を大きくし、かつ流出側の各面１４と１５のねじれ角を互いに異ならせたものである。
【００２６】
また、図７は「く」の字形の羽根１３とする場合に、流出側でのねじれ角を同一にする形態、異ならせる形態をそれぞれ概念的に示している。そして、上述のようなねじれ角の変化を、羽根の半径方向寸法（突出寸法）の全長（ｄ）にわたって形成してもよいし、その全長の一部（例えば外周側の半分等）としてもよい。
【００２７】
図８は、羽根１３のねじれ角を、「く」の字形の１段階の変化ではなく、２段階等、複数段に変化させた例を示している。
【００２８】
また、図９は、羽根１３の流出側のねじれ角を流入側より大きく変化させる
際に、流出側における圧力作用面１４と圧力非作用面１５とのねじれ角を同一にしたもの（ａ）、前者を後者より大きくしたもの（ｂ）、後者を前者より大きくしたもの（ｃ）の例を示している。
【００２９】
以上のような羽根車１０の羽根１３の形態の変更により、例えば図２のようにすれば、図１０のように、器差のピークが生じにくくフラットに近くなる。図１１は図３の、図１２は図４の、また図１３は図５の形態に対応する器差の変化を示しており、程度の差こそあれ、器差のフラット化の効果が認められる。
【００３０】
以下に、このような効果が生じる理由を説明するが、あくまでも実験結果に基づいた推測であって、この推論の是非でこの発明が影響を受けるわけではない。羽根車の回転制御について、今、図１４のような、高さがｈの羽根車の任意の羽根Ｐ０−Ｐｈの流入側の粒子（点）Ｐ０を考える。また、羽根車には、抵抗がない理想の状態を想定する。
【００３１】
この点の、流体の粒子（点）Ｐ０は、ｔ秒後にはＰ０（０）からＰ０（ｔ）に移動する。また、羽根上の流入側の粒子（点）Ｆ０は、ｔ秒後にはＦ０（０）からＦ０（ｔ）に移動する。
また、流出側の流体の粒子（点）Ｐｈは、ｔ秒後にはＰｈ（０）からＰｈ（ｔ）に移動する。また、羽根上の流出側の粒子（点）Ｆｈは、ｔ秒後にはＦｈ（０）からＦｈ（ｔ）に移動する。
この理想の状態では、Ｐ０（ｔ）とＰｈ（ｔ）を結んだ線（この状態では直線となる）とＦ０（ｔ）とＦｈ（ｔ）を結んだ線（この状態では直線となる）とは、重なる。すなわち、ｔ秒後の羽根と流体との間に隙間はないという状態を表している。
【００３２】
次に、羽根に抵抗のある状態を図１５で考える。
今、羽根の底面から高さｘの粒子（点）Ｐｘの流体の動きを考える。この点の、流体の粒子Ｐｘは、ｔ秒後にはＰｘ（０）からＰｘ（ｔ）に移動する。この時、羽根には抵抗があるため、回転方向とは逆にａ°だけ向きが変化した位置にＰｘ（ｔ）はある。この角度ａは、ｘが増加すると、ａも同様に増加する関数であることが解る。このため、Ｐ０（ｔ）とＰｈ（ｔ）を結んだ線とＦ０（ｔ）とＦｈ（ｔ）を結んだ線（この状態では直線となる）とは、重ならない。
すなわち、斜線部分の隙間が発生することになる。これが、抵抗となり図１６のように、理想状態から抵抗Ｔだけ、下がった部分が器差曲線になるため、ピーク値が高いメータとなる。
【００３３】
ここで、羽根のねじれ角を途中で、ｂ°だけ増加させるような図１７の羽根車を製作すると、ねじれ角が一定の羽根よりも隙間（ハッチング箇所）が少なくなり、抵抗Ｔの小さい、すなわち、フラットな器差曲線のメータを製作することが出来ることが解る。
【００３４】
次に、流体の圧力を受けない側の羽根の面、図１７のＣ面について考える。
Ｐｘ（０）からＰｘ（ｔ）に向きをわずかに変えた粒子の流れは、羽根と羽根との間の流れに影響し、Ｃ面でも同様に、羽根の流出側では、大きく左側に向きを変えた流れとなる。
このとき、羽根のＣ面をねじれ角一定の羽根で製作した場合、ジグザグでハッチングした箇所Ｚで、縮流が起こり、この縮流が抵抗となりピークの出る原因となる。よって、圧力を受けない側の面も、同様に、ねじれ角を変化させてやるとピークのないメータを製作できることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明が適用される流量計の一例を示す断面図。
【図２】この発明に従う羽根車の例１を示す図。
【図３】この発明に従う羽根車の例２を示す図。
【図４】この発明に従う羽根車の例３を示す図。
【図５】この発明に従う羽根車の例４を示す図。
【図６】この発明に従う羽根車の例５を示す図。
【図７】この発明に従う羽根車の例６を示す図。
【図８】この発明に従う羽根車の例７を示す図。
【図９】この発明に従う羽根車の例８を示す図。
【図１０】図２の羽根車を使用した場合の器差を従来のものと比較して示すグラフ。
【図１１】図３の羽根車を使用した場合の器差を従来のものと比較して示すグラフ。
【図１２】図４の羽根車を使用した場合の器差を従来のものと比較して示すグラフ。
【図１３】図５の羽根車を使用した場合の器差を従来のものと比較して示すグラフ。
【図１４】本発明の羽根車の流体に与えるメカニズムの推論を説明する図。
【図１５】同じく図１４に続く図。
【図１６】同じく図１５に続く図。
【図１７】同じく図１６に続く図。
【図１８】従来の羽根車の例を示す図。
【符号の説明】
１　流量計
４　流入口
５　流出口
７　計量室
９　ピボット軸
１０　羽根車
１１　回転軸
１２　ボス
１３　羽根
１４　圧力作用面（受圧面）
１５　圧力非作用面（非受圧面）

Claims

流入口と流出口を有する流量計に内蔵され、流体の流れによって回転する羽根車の中心軸から放射状にのびたねじれた形状の羽根を有した流量計において、当該羽根のねじれ角が一定でなく、羽根の途中から変化し、流出側から流入側のねじれ角を減じたその差が、１°から１０°の範囲内である羽根車を備えることを特徴とする流量計。
ねじれた羽根の、流体によって圧力を受ける側の面のねじれ角が一定でなく、羽根の途中から変化し、流出側から流入側のねじれ角を減じたその差が、１°から１０°の範囲内である羽根車を備えることを特徴とする流量計。
ねじれた羽根の、流体によって圧力を受ける側の反対側の面のねじれ角が一定でなく、羽根の途中から変化し、流出側から流入側のねじれ角を減じたその差が、１°から１０°の範囲内である羽根車を備えること特徴とする流量計。
羽根のねじれ角が、羽根の途中から変化し、流出側から流入側のねじれ角を減じたその差が、１°から１０°の範囲内で、羽根が「く」の字形に折れ曲がった羽根車を備えることを特徴とする流量計。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の流量計に内蔵された羽根車。