JP6659199B2

JP6659199B2 - 流量計

Info

Publication number: JP6659199B2
Application number: JP2017051324A
Authority: JP
Inventors: 貴弘川本; 卓雄島田; 慎二飛松; 徹明関根
Original assignee: Toflo Corp
Current assignee: Toflo Corp
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2037-03-16
Also published as: JP2017173323A

Description

本発明は、流路を流れる流体の流量を羽根車の回転数に基づき測定する、羽根車式の流量計に関する。

例えば、特許文献１には、給水管内の流水量を調整する流量調節弁と、当該流量調節弁に連通する流路内に設けられて外周にマグネットを配した羽根車と、流路の外壁に固定されて羽根車の回転数を測定する流量センサと、を備える給湯装置が開示されている。当該給湯装置では、流量センサは、羽根車の回転に伴う磁気変化をパルス信号に変換し、コントローラは、流量センサから出力されたパルス信号（回転数信号）に基づき流水量を算出する。

一般に、流量センサの羽根車は、耐摩耗性を確保するため、回転軸（シャフト）の材料として高硬度鋼、セラミックス等が適用される。また、羽根車は、翼部（ブレード）の形状が複雑であるため、マグネット紛体を混合したプラスチック材料を回転軸と共にインサート射出成形して翼部を成形し、さらに、回転軸と一体成形された翼部に着磁することで製造されていた。そして、このような羽根車を備える流量計は、例えば、羽根車の回転に伴う磁束密度の変化をホール素子により検出し、当該検出結果に基づき羽根車の回転数を測定し、さらに羽根車の回転数から流路を流れる流体の流量が演算装置により算出されていた。

特開２００７−４６８１６号公報特開２００９−２２９０９９号公報

このような流量計は、羽根車の翼部（ブレード）が着磁されるため、例えば、流路を流れる流体に鉄粉が含まれると、当該鉄粉が翼部に付着する。この場合、翼部に鉄粉が堆積し、羽根車の円滑な回転が妨げられる。その結果、流量の計測誤差が大きくなり、装置の信頼性が低下するという問題がある。また、翼部の精度を高めるため、従来は羽根車を切削加工により製造していたが、製造コストが大幅に増加するという問題もある。

一方、特許文献２には、流量計の羽根に吸着した鉄粉その他の不要物を除去する技術が開示されている。この流量計は、管路の内周面に回転体の磁極に対向する突出部を設け、磁極に吸着した鉄粉等の不要物をこの突出部に衝突させて磁極から除去するというものである。しかし、この方法によると鉄粉等の不要物を多少は除去できるものの、突出部に衝突する厚さになるまでは不要物が磁極に堆積することになる。つまり、羽根車が永久磁石であり、羽根の先端が着磁されて磁極を構成しているため、鉄粉等の吸着を完全に無くすことはできず、上記の問題の根本的な解決にはなっていない。

そこで本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高い信頼性と低コストとを両立した流量計を提供することを課題としてなされたものである。

上記課題を解決するため、本発明に係る流量計は、流路内で回転可能に支持される羽根車と、前記羽根車の回転に伴う磁気の変化を検知するＧＭＲセンサと、前記ＧＭＲセンサに磁界を印加するマグネットと、を備え、前記羽根車が磁化していない磁性体からなり、前記ＧＭＲセンサと前記マグネットが同一のセンサ基板上でかつ前記羽根車の回転半径方向に直列に実装されて前記流路の外部に配置されていることを特徴とする。

また、本発明に係る流量計において、前記ＧＭＲセンサは、前記センサ基板上に、前記羽根車の回転方向に間隔をあけて２個のＧＭＲ素子が配置されてホイートストンブリッジが構成されているとよい。

また、本発明に係る流量計において、前記羽根車を構成する回転軸と複数個の翼部とが磁化していない磁性体を材料とするメタルインジェクションモールディングにより一体成形されているとよい。

本発明によれば、羽根車を磁化していない磁性体とし、磁気センサとマグネットを流路の外部に配置したことにより、流路を流れる流体に鉄粉が含まれていても、鉄粉が羽根車に付着堆積して羽根車の円滑な回転が妨げられることがないため、流量計の測定精度が確保される。また、羽根車の回転軸と複数個の翼部とを一体成形することにより、回転軸と複数個の翼部とを接合する必要がないので、羽根車の信頼性を高めることができる。また、回転軸と複数個の翼部とを磁化していない磁性体を材料とするメタルインジェクションモールディングにより一体成形することにより、複雑な形状の羽根車を高い精度で成形することができる。よって、高い信頼性と低コストとを両立した流量計を提供することができる。

本実施形態に係る流量計を示した図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面断面図、（ｃ）は底面図である。図１の流量計における羽根車の平面図及び側面図である。図１の流量計を適用した流量制御装置の断面図であって、特に、流路の軸線とボールシャフトの軸線とを含む平面による断面図である。

まず、図１と図２を参照して、本発明の流量計１の一実施形態を説明する。なお、便宜的に、図１における上下（方向）を流量計１の上下と定める。

図１に示されるように、流量計１は、プラスチック又は非磁性金属からなるボディ１２と、当該ボディ１２の内部を上下方向へ延びて流体（水）が下から上へ向かって流れる流路１３と、を有する。ボディ１２は、当該ボディ１２の下端に開口してアダプタ１７が接続（嵌合）される流入口１４と、当該ボディ１２の上端に開口してアダプタ１７が接続（嵌合）される流出口１５と、を有する。なお、アダプタ１７には、管継手を接続するための管用テーパねじが形成される。

本実施形態の流量計１は、流路１３を流れる流体の流量を羽根車４２の回転数に基づき間接的に測定する、所謂、羽根車（タービン）式流量計であり、羽根車４２と、当該羽根車４２を回転可能に支持する支持枠４５と、を有する。羽根車４２は、磁化していない磁性体からなり、図２に示されるように、流路１３の軸線Ｌ（図１参照）上に配置される回転軸４３と、当該回転軸４３の周囲に等間隔で設けられる複数個（本実施形態では「４個」）の翼部４４（タービン翼）と、を有する。そして、本実施形態における羽根車４２の製造は、磁化していない磁性体の金属粉を材料とするメタルインジェクションモールディング（ＭＩＭ：Metal Injection Molding）が適用され、回転軸４３と複数個の翼部４４とが一体（同時）に成形される。なお、メタルインジェクションモールディングの材料（磁性体）として、例えば、磁性ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ６３０）が適用される。

図１に示されるように、支持枠４５は、流入する流体に旋回流を生じさせる旋回流プレート４６と、羽根車４２の翼部４４を囲うスリーブ４７と、流出する流体の流れを整える整流プレート４９に分割して構成される。旋回流プレート４６は、プラスチック又は非磁性金属により構成され、中央には羽根車４２の回転軸４３の下端を支持する軸受部４８Ａが設けられる。スリーブ４７と整流プレート４９は、プラスチック又は非磁性金属により構成され、整流プレート４９の中央には羽根車４２の回転軸４３の上端を支持する軸受部４８Ｂが設けられ、同一円周上に複数個の円形孔４９Ａが形成される。なお、支持枠４５（スリーブ４７）は、上端が流路１３に形成された段部５０に突き当てられることにより、上下方向、すなわち、流路１３の軸線Ｌに沿う方向へ位置決めされる。また、支持枠４５（旋回流プレート４６）は、流路１３の内周に装着された金属製のＣ形止め輪５６により、下方向（上流側）への移動が阻止される。

一方、流量計１は、羽根車４２の回転数を測定するセンサユニット５１を備える。センサユニット５１は、センサ基板５２と、当該センサ基板５２に実装されるＧＭＲ（Giant Magnetoresistance）センサ５３と、当該ＧＭＲセンサ５３にバイアス磁界を印加するバイアスマグネット５７（例えば、フェライト系バルク磁石）と、を含み、流路１３を構成する支持枠４５の外部に配置されている。すなわち、センサユニット５１は、ボディ１２の凹部１６に装着された防水コネクタ６６の内部に収容されることにより、流体が流れる流路１３からは完全に隔離されている。そして、センサユニット５１は、ＧＭＲセンサ５３により検知した羽根車４２の回転に伴う磁界強度の変化に基づき当該羽根車４２の回転数を測定し、測定結果に応じたパルス信号（便宜的に「回転数信号」と称する）を、防水コネクタ６６を介して外部へと出力する。

なお、本実施形態において、ＧＭＲセンサ５３は、センサ基板５２上に、羽根車４２の回転方向（図１における視線方向）に間隔をあけて２個のＧＭＲ素子が配置されてホイートストンブリッジが構成されており、当該２個のＧＭＲ素子の抵抗値の変化に基づき、磁界強度の変化を検出するように構成されている。また、図１における符号５５は、センサ基板５２と防水コネクタ６６のコネクタ端子とを接続する信号ケーブルである。

次に、図３を参照して、前記構成からなる流量計１を内蔵した流量制御装置１１について説明する。なお、便宜的に、図３における上下（方向）を流量制御装置１１の上下と定める。

図３に示されるように、流量制御装置１１は、プラスチック又は非磁性金属からなるボディ１２と、当該ボディ１２の内部を上下方向へ延びて流体（水）が下から上へ向かって流れる流路１３と、を有する。ボディ１２は、当該ボディ１２の下端に開口してジョイントアダプタ７１が接続される流入口１４と、当該ボディ１２の上端に開口してアダプタ１７が接続（嵌合）される流出口１５と、を有する。ここでは、便宜的に、ボディ１２の流入口１４から流出口１５までの流路を総称して流路１３という。なお、アダプタ１７には、管継手を接続するための管用テーパねじが形成される。

（流量調節弁）
流量制御装置１１は、ボールバルブ機構により構成される流量調節弁２１を備える。流量調節弁２１は、軸部２５と、当該軸部２５の先端（図３における右端）に設けられて流路１３を遮断可能なボール部２３と、を備えた弁体２２を有する。軸部２５の基端（図３における左端）は、モータアクチュエータ２４の回転軸２４Ａに接続される。ボディ１２には、当該ボディ１２を水平方向（図３における左右方向）へ貫通して流路１３に連通する軸孔２６が形成される。軸孔２６には、弁体２２の軸部２５が摺動可能に嵌合される。なお、弁体２２の軸部２５とボディ１２の軸孔２６との間は、Ｏリング２７によりシールされる。また、モータアクチュエータ２４は、ステッピングモータ、減速機構、及び位置検出センサを含む。

流量調節弁２１は、弁体２２のボール部２３を挟んで流路１３の上流側及び下流側に配置される一対のボールパッキン２８及び２９を有する。上流側のボールパッキン２８は、固定ナット３０にて下流側（図３における上側）へ押し付けられることにより、弁座部２８Ａがボール部２３に対して摺動可能に密着する。また、下流側のボールパッキン２９は、固定ナット３１にて上流側（図３における下側）へ押し付けられることにより、弁座部２９Ａがボール部２３に対して摺動可能に密着する。ここで、図３に示されるのは、流量調節弁２１が全開の状態であり、この状態では、弁体２２のボール部２３の流路２３Ａの軸線は、ボールパッキン２８及び固定ナット３０を貫通して延びる流路３２の軸線と、ボールパッキン２９及び固定ナット３１を貫通して延びる流路３３の軸線とに一致し、延いては流路１３の軸線Ｌに一致する。

なお、流路３２は、ボール部２３側（弁座部２８Ａ側）とは反対側（図３における左側）の端部に、流路面積が漸次縮径される縮径部３２Ａを有する。また、流路３３は、ボール部２３側（弁座部２９Ａ側）とは反対側（図３における右側）の端部に、流路面積が漸次拡径される拡径部３３Ａを有する。また、固定ナット３０と流路１３との間は、Ｏリング３４によりシールされる。また、固定ナット３１と流路１３との間は、Ｏリング３５によりシールされる。さらに、図３における符号３６は、軸孔２６に対する弁体２２の軸線方向（図１における左右方向）への移動を阻止する抜け止めプレートである。また、図３における符号５９は、旋回流プレート４６とスリーブ４７との間をシールするＯリングである。

（制御部）
流量制御装置１１は、流量計１からなる流量測定部４１の測定結果（羽根車４２の回転数）に基づき流量調節弁２１の開度をフィードバック制御する制御部６１を備える。制御部６１は、演算部、記憶部等を備える、所謂、マイクロコンピュータであり、流量測定部４１から出力された回転数信号（流量測定部４１により測定された流量）に基づき、流量調節弁２１の開度をフィードバック制御（ＰＩＤ制御）する。すなわち、制御部６１は、回転数信号を流量の測定値に変換、換言すると、データテーブルに基づき回転数を流量に換算し、当該測定値（流量測定値）と設定値（流量目標値）とを演算処理する。そして、演算処理結果に基づきモータアクチュエータ２４を制御することにより、弁体２２、延いてはボール部２３を回転させ、流路１３を流れる流体の流量を調節するように構成される。

制御部６１は、ボディ１２の一側面（図３における左側面）に形成された凹部１６に収容される制御基板６２を有する。ボディ１２の一側面には、モータアクチュエータ２４を収容するアルミ合金製のハウジング６３が設けられ、当該ハウジング６３と凹部１６との間の空間は、パッキン６４により密閉される。なお、パッキン６４は、ボディ１２の凹部１６の周縁に形成されたパッキン溝６５に嵌め込まれる。また、ハウジング６３の下部には、外部との通信（本実施形態では「ＲＳ４８５」）に使用される防水コネクタ６６が取り付けられる。また、防水コネクタ６６と制御基板６２とは、信号ケーブル６７（本実施形態では「５芯」）により接続される。また、図３における符号６８は、制御基板６２に実装されたＬＥＤ（フルカラー）である。さらに、図３における符号６９は、ＬＥＤ６８を外部から視認するための透明樹脂からなる光伝送窓である。

（作用）
図３を参照すると、制御対象となる流体（本実施形態では「水」）は、ジョイントアダプタ７１内のフィルタ７を通過して流入口１４から流路１３内へ導入される。流路１３を流れる流体は、旋回流プレート４６を通過することで一定方向へ旋回する旋回流となる。当該旋回流は、流路１３内に配置された羽根車４２を回転させる。センサユニット５１は、羽根車４２の回転に伴う磁界強度の変化をＧＭＲセンサ５３により検知し、当該磁界強度の変化に基づき羽根車４２の回転数を測定する。そして、センサユニット５１は、流量測定部４１の流量測定結果としての回転数信号（パルス信号）を制御部６１へ出力する。

制御部６１は、受信した回転数信号を流量の測定値に変換し、当該測定値（流量測定値）と設定値（流量目標値）とを演算処理（ＰＩＤ処理）すると共に、当該演算処理結果に応じた制御信号をモータアクチュエータ２４へ出力する。これにより、モータアクチュエータ２４は、制御部６１からの制御信号を受けて作動し、流量調節弁２１（ボールバルブ）の開度、すなわち、流路１３の流路面積が調節され、延いては流路１３を流れる流体の流量が調節される。

（効果）
本実施形態によれば、流量測定部４１の羽根車４２を磁化していない磁性体を材料とするメタルインジェクションモールディングにより製造したので、複雑な形状の羽根車４２を高い精度で成形することができる。また、切削加工された羽根車と比較して、製造コストを大幅に削減することができる。これにより、羽根車４２の回転軸４３と複数個の翼部４４とを一体に成形することが可能であり、回転軸４３と複数個の翼部４４とを別個に製造した羽根車と比較して、部品点数を削減することができる。また、製造コスト削減の観点から、切削加工に代えて回転軸４３と複数個の翼部４４とを接合（圧入、接着等）して製造される羽根車では、接合部の信頼性低下に伴う品質管理の厳格化が問題になるが、本実施形態に係る羽根車４２は、メタルインジェクションモールディングの適用により、これらの問題を解消することができる。

また、本実施形態では、羽根車４２の材料に磁性ステンレス鋼（磁性体）を適用して磁化していない磁性体とし、当該羽根車４２の回転に伴う磁界強度の変化を流路１３の外部に配置されたバイアスマグネット５７とＧＭＲセンサ５３で検知することにより、流路１３を流れる流体の流量を測定するようにした。このため、例えば、流体に鉄粉が含まれる場合であっても、流路１３内の羽根車４２が磁化していないので、翼部４４（ブレード）が磁気を帯びた羽根車のように、鉄粉が羽根車４２に付着堆積して羽根車４２の円滑な回転が妨げられることがない。これにより、流量測定部４１の測定精度が確保され、延いては流量制御装置１１の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態では、制御基板（制御基板６２）を密閉されたハウジング６３内に収容したので、流量制御装置１１を小型化することができる。
また、ハウジング６３の材料に放熱性に優れるアルミニウム合金を適用したので、例えば、比較的温度が高い流体の流量を制御することができる。
また、ハウジング６３の表面に、ＬＥＤ６８（フルカラー）を視認するための光伝送窓６９を設けたので、フィルタ目詰まり、センサ異常等を外部から目視にて確認することができる。

１：流量計
１３：流路
４１：流量測定部
４２：羽根車
４３：回転軸
４４：翼部
５３：ＧＭＲセンサ
５７：バイアスマグネット

Claims

流路内で回転可能に支持される羽根車と、
前記羽根車の回転に伴う磁気の変化を検知するＧＭＲセンサと、
前記ＧＭＲセンサに磁界を印加するマグネットと、を備え、
前記羽根車が磁化していない磁性体からなり、前記ＧＭＲセンサと前記マグネットが同一のセンサ基板上でかつ前記羽根車の回転半径方向に直列に実装されて前記流路の外部に配置されていることを特徴とする流量計。
前記ＧＭＲセンサは、前記センサ基板上に、前記羽根車の回転方向に間隔をあけて２個のＧＭＲ素子が配置されてホイートストンブリッジが構成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量計。
前記羽根車を構成する回転軸と複数個の翼部とが磁化していない磁性体を材料とするメタルインジェクションモールディングにより一体成形されていることを特徴とする請求項１に記載の流量計。