KR102421713B1

KR102421713B1 - 유량계

Info

Publication number: KR102421713B1
Application number: KR1020207005581A
Authority: KR
Inventors: 다카히로 가와모토; 다쿠오 시마다; 신지 도비마츠; 데츠아키 세키네
Original assignee: 도플로 코포레이션 가부시키가이샤
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2022-07-15
Also published as: US20200284627A1; KR20200050456A; CN111094904A; WO2019049290A1

Abstract

[과제] 높은 신뢰성과 저비용을 양립한 유량계를 제공한다. [해결수단] 본 발명의 유량계(1)는, 유로(13) 내에서 회전 가능하게 지지되는 임펠러(42)와, 임펠러(42)의 회전에 따른 자계 강도의 변화를 검지하는 GMR 센서(53)와, GMR 센서(53)에 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 마그넷(57)을 구비하고, 임펠러(42)를 자화되지 않은 자성체로 하며, GMR 센서(53)와 바이어스 마그넷(57)을 유로(13)의 외부에 배치함으로써, 유로(13)를 흐르는 유체에 쇳가루가 포함되어 있어도, 쇳가루가 임펠러(42)에 부착 퇴적되어 임펠러(42)의 원활한 회전이 방해되는 일이 없기 때문에, 유량계(1)의 측정 정밀도를 확보할 수 있다.

Description

유량계

본 발명은, 유로를 흐르는 유체의 유량을 임펠러의 회전수에 기초하여 측정하는, 임펠러식의 유량계에 관한 것이다.

예를 들어, 특허문헌 1에는, 급수관 내의 유수량을 조정하는 유량 조절 밸브와, 이 유량 조절 밸브에 연통하는 유로 내에 설치되어 외주에 마그넷을 배치한 임펠러와, 유로의 외벽에 고정되어 임펠러의 회전수를 측정하는 유량 센서를 구비하는 급탕 장치가 개시되어 있다. 이 급탕 장치에서는, 유량 센서는 임펠러의 회전에 따른 자기(磁氣) 변화를 펄스 신호로 변환하고, 컨트롤러는 유량 센서로부터 출력된 펄스 신호(회전수 신호)에 기초하여 유수량을 산출한다.

일반적으로, 유량 센서의 임펠러는, 내마모성을 확보하기 위해, 회전축(샤프트)의 재료로서 고경도강, 세라믹 등이 적용된다. 또한, 임펠러는, 날개부(블레이드)의 형상이 복잡하기 때문에, 마그넷 분체(粉體)를 혼합한 플라스틱 재료를 회전축과 함께 인서트 사출 성형하여 날개부를 성형하고, 또한, 회전축과 일체 성형된 날개부에 착자(着磁)함으로써 제조되어 있었다. 그리고, 이러한 임펠러를 구비하는 유량계는, 예를 들어, 임펠러의 회전에 따른 자속 밀도의 변화를 홀 소자에 의해 검출하고, 이 검출 결과에 기초하여 임펠러의 회전수를 측정하며, 또한, 임펠러의 회전수로부터 유로를 흐르는 유체의 유량이 연산 장치에 의해 산출되고 있었다.

특허문헌 1: 일본공개특허 2007-46816호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2009-229099호 공보

이러한 유량계는, 임펠러의 날개부(블레이드)가 착자되기 때문에, 예를 들어, 유로를 흐르는 유체에 쇳가루가 포함되면, 이 쇳가루가 날개부에 부착된다. 이 경우, 날개부에 쇳가루가 퇴적되어, 임펠러의 원활한 회전이 방해된다. 그 결과, 유량의 계측 오차가 커지고, 장치의 신뢰성이 저하된다는 문제가 있다. 또한, 날개부의 정밀도를 높이기 위해, 종래는 임펠러를 절삭 가공에 의해 제조하고 있었는데, 제조 비용이 대폭으로 증가한다는 문제도 있다.

한편, 특허문헌 2에는, 유량계의 날개에 흡착된 쇳가루 그 밖의 불요물을 제거하는 기술이 개시되어 있다. 이 유량계는, 관로의 내주면에 회전체의 자극(magnetic pole)에 대향하는 돌출부를 마련하고, 자극에 흡착된 쇳가루 등의 불요물을 이 돌출부에 충돌시켜 자극으로부터 제거한다는 것이다. 그러나, 이 방법에 의하면 쇳가루 등의 불요물을 다소 제거할 수는 있지만, 돌출부에 충돌하는 두께가 되기까지는 불요물이 자극에 퇴적되게 된다. 즉, 임펠러가 영구 자석이고, 날개의 끝단이 착자되어 자극을 구성하고 있기 때문에, 쇳가루 등의 흡착을 완전히 없앨 수는 없어, 상기 문제의 근본적인 해결은 되지 않는다.

그래서, 본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 높은 신뢰성과 저비용을 양립한 유량계를 제공하는 것을 과제로 하여 이루어진 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 유량계는, 유로 내에서 회전 가능하게 지지되는 임펠러와, 상기 임펠러의 회전에 따른 자기 변화를 감지하는 자기 센서와, 상기 자기 센서에 자계를 인가하는 마그넷을 구비하고, 상기 임펠러가 자화되지 않은 자성체로 이루어지며, 상기 자기 센서와 상기 마그넷이 상기 유로의 외부에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관한 유량계에 있어서, 상기 임펠러를 구성하는 회전축과 복수개의 날개부가 일체 성형되어 있으면 좋다.

또한, 본 발명에 관한 유량계에 있어서, 상기 회전축과 상기 복수개의 날개부가 자화되지 않은 자성체를 재료로 하는 메탈 인젝션 몰딩에 의해 일체 성형되어 있으면 좋다.

본 발명에 의하면, 임펠러를 자화되지 않은 자성체로 하고, 자기 센서와 마그넷을 유로의 외부에 배치함으로써, 유로를 흐르는 유체에 쇳가루가 포함되어 있어도, 쇳가루가 임펠러에 부착 퇴적되어 임펠러의 원활한 회전이 방해되는 일이 없기 때문에, 유량계의 측정 정밀도가 확보된다. 또한, 임펠러의 회전축과 복수개의 날개부를 일체 성형함으로써, 회전축과 복수개의 날개부를 접합할 필요가 없으므로, 임펠러의 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 회전축과 복수개의 날개부를 자화되지 않은 자성체를 재료로 하는 메탈 인젝션 몰딩에 의해 일체 성형함으로써, 복잡한 형상의 임펠러를 높은 정밀도로 성형할 수 있다. 이에 따라, 높은 신뢰성과 저비용을 양립한 유량계를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 실시형태에 관한 유량계를 나타낸 도면으로, (a)는 평면도, (b)는 정면 단면도, (c)는 저면도이다.
도 2는, 도 1의 유량계에서의 임펠러의 평면도 및 측면도이다.
도 3은, 도 1의 유량계를 적용한 유량 제어 장치의 단면도로서, 특히, 유로의 축선과 볼 샤프트의 축선을 포함하는 평면에 의한 단면도이다.

우선, 도 1과 도 2를 참조하여, 본 발명의 유량계(1)의 일 실시형태를 설명한다. 또, 편의상, 도 1에서의 상하(방향)를 유량계(1)의 상하로 정한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 유량계(1)는, 플라스틱 또는 비자성 금속으로 이루어지는 몸체(12)와, 이 몸체(12)의 내부를 상하 방향으로 연장하여 유체(물)가 아래로부터 위로 향하여 흐르는 유로(13)를 가진다. 몸체(12)는, 이 몸체(12)의 하단에 개구되어 어댑터(17)가 접속(끼워맞춤)되는 유입구(14)와, 이 몸체(12)의 상단에 개구되어 어댑터(17)가 접속(끼워맞춤)되는 유출구(15)를 가진다. 또, 어댑터(17)에는, 관 조인트를 접속하기 위한 관용 테이퍼 나사가 형성된다.

본 실시형태의 유량계(1)는, 유로(13)를 흐르는 유체의 유량을 임펠러(42)의 회전수에 기초하여 간접적으로 측정하는, 이른바 임펠러(터빈)식 유량계로서, 임펠러(42)와, 이 임펠러(42)를 회전 가능하게 지지하는 지지틀(45)을 가진다. 임펠러(42)는, 자화되지 않은 자성체로 이루어지며, 도 2에 나타낸 바와 같이, 유로(13)의 축선(L)(도 1 참조) 상에 배치되는 회전축(43)과, 이 회전축(43)의 주위에 등간격으로 설치되는 복수개(본 실시형태에서는 「4개」)의 날개부(44)(터빈 날개)를 가진다. 그리고, 본 실시형태에서의 임펠러(42)의 제조는, 자화되지 않은 자성체의 금속 분말을 재료로 하는 메탈 인젝션 몰딩(MIM: Metal Injection Molding)이 적용되어, 회전축(43)과 복수개의 날개부(44)가 일체로(동시에) 성형된다. 또, 메탈 인젝션 몰딩의 재료(자성체)로서, 예를 들어, 자성 스테인리스강(예를 들어, SUS630)이 적용된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 지지틀(45)은, 유입되는 유체에 선회류를 발생시키는 선회류 플레이트(46)와, 임펠러(42)의 날개부(44)를 둘러싸는 슬리브(47)와, 유출되는 유체의 흐름을 조정하는 정류 플레이트(49)로 분할하여 구성된다. 선회류 플레이트(46)는, 플라스틱 또는 비자성 금속으로 구성되며, 중앙에는 임펠러(42)의 회전축(43)의 하단을 지지하는 베어링부(48A)가 설치된다. 슬리브(47)와 정류 플레이트(49)는, 플라스틱 또는 비자성 금속에 의해 구성되고, 정류 플레이트(49)의 중앙에는 임펠러(42)의 회전축(43)의 상단을 지지하는 베어링부(48B)가 설치되며, 동일 원주상에 복수의 원형구멍(49A)이 형성된다. 또, 지지틀(45)(슬리브(47))은, 상단이 유로(13)에 형성된 단부(段部; 50)에 부딪침으로써, 상하 방향, 즉 유로(13)의 축선(L)을 따른 방향으로 위치 결정된다. 또한, 지지틀(45)(선회류 플레이트(46))은, 유로(13)의 내주에 장착된 금속제의 C형 스냅 링(56)에 의해, 하방향(상류측)으로의 이동이 저지된다.

한편, 유량계(1)는, 임펠러(42)의 회전수를 측정하는 센서 유닛(51)을 구비한다. 센서 유닛(51)은, 센서 기판(52)과, 이 센서 기판(52)에 실장되는 GMR(Giant Magnetoresistance) 센서(53)와, 이 GMR 센서(53)에 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 마그넷(57)(예를 들어, 페라이트계 벌크 자석)을 포함하고, 유로(13)를 구성하는 지지틀(45)의 외부에 배치되어 있다. 즉, 센서 유닛(51)은, 몸체(12)의 오목부(16)에 장착된 방수 커넥터(66)의 내부에 수용됨으로써, 유체가 흐르는 유로(13)로부터는 완전히 격리되어 있다. 그리고, 센서 유닛(51)은, GMR 센서(53)에 의해 검지한 임펠러(42)의 회전에 따른 자계 강도의 변화에 기초하여 이 임펠러(42)의 회전수를 측정하고, 측정 결과에 따른 펄스 신호(편의상 「회전수 신호」라고 부름)를, 방수 커넥터(66)를 개재하여 외부로 출력한다.

또, 본 실시형태에 있어서, GMR 센서(53)는, 센서 기판(52) 상에, 임펠러(42)의 회전 방향(도 1에서의 시선 방향)으로 간격을 두고 2개의 GMR 소자가 배치되어 휘트스톤 브릿지(wheatstone bridge)가 구성되어 있고, 이 2개의 GMR 소자의 저항값의 변화에 기초하여, 자계 강도의 변화를 검출하도록 구성되어 있다. 또한, 도 1에서의 부호 55는, 센서 기판(52)과 방수 커넥터(66)의 커넥터 단자를 접속하는 신호 케이블이다.

다음에, 도 3을 참조하여, 상기 구성으로 이루어지는 유량계(1)를 내장한 유량 제어 장치(11)에 대하여 설명한다. 또, 편의상, 도 3에서의 상하(방향)를 유량 제어 장치(11)의 상하로 정한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 유량 제어 장치(11)는, 플라스틱 또는 비자성 금속으로 이루어지는 몸체(12)와, 이 몸체(12)의 내부를 상하 방향으로 연장하여 유체(물)가 아래로부터 위로 향하여 흐르는 유로(13)를 가진다. 몸체(12)는, 이 몸체(12)의 하단에 개구되어 조인트 어댑터(71)가 접속되는 유입구(14)와, 이 몸체(12)의 상단에 개구되어 어댑터(17)가 접속(끼워맞춤)되는 유출구(15)를 가진다. 여기서는, 편의상, 몸체(12)의 유입구(14)로부터 유출구(15)까지의 유로를 총칭하여 유로(13)라고 한다. 또, 어댑터(17)에는, 관 조인트를 접속하기 위한 관용 테이퍼 나사가 형성된다.

(유량 조절 밸브)

유량 제어 장치(11)는, 볼 밸브 기구에 의해 구성되는 유량 조절 밸브(21)를 구비한다. 유량 조절 밸브(21)는, 축부(25)와, 이 축부(25)의 끝단(도 3에서의 우단)에 설치되어 유로(13)를 차단 가능한 볼부(23)를 구비한 밸브체(22)를 가진다. 축부(25)의 기단(基端; 도 3에서의 좌단)은, 모터 액추에이터(24)의 회전축(24A)에 접속된다. 몸체(12)에는, 이 몸체(12)를 수평 방향(도 3에서의 좌우 방향)으로 관통하여 유로(13)에 연통하는 축구멍(26)이 형성된다. 축구멍(26)에는, 밸브체(22)의 축부(25)가 슬라이딩 가능하게 끼워맞춤된다. 또, 밸브체(22)의 축부(25)와 몸체(12)의 축구멍(26)의 사이는, O링(27)에 의해 시일(seal)된다. 또한, 모터 액추에이터(24)는, 스테핑 모터, 감속 기구, 및 위치 검출 센서를 포함한다.

유량 조절 밸브(21)는, 밸브체(22)의 볼부(23)를 사이에 두고 유로(13)의 상류측 및 하류측에 배치되는 한 쌍의 볼 패킹(28 및 29)을 가진다. 상류측의 볼 패킹(28)은, 고정 너트(30)로 하류측(도 3에서의 상측)으로 눌려붙여짐으로써, 밸브 시트부(28A)가 볼부(23)에 대해 슬라이딩 가능하게 밀착된다. 또한, 하류측의 볼 패킹(29)은, 고정 너트(31)로 상류측(도 3에서의 하측)으로 눌려붙여짐으로써, 밸브 시트부(29A)가 볼부(23)에 대해 슬라이딩 가능하게 밀착된다. 여기서, 도 3에 나타내는 것은, 유량 조절 밸브(21)가 완전 개방된 상태이며, 이 상태에서는, 밸브체(22)의 볼부(23)의 유로(23A)의 축선은, 볼 패킹(28) 및 고정 너트(30)를 관통하여 연장되는 유로(32)의 축선과, 볼 패킹(29) 및 고정 너트(31)를 관통하여 연장되는 유로(33)의 축선에 일치하며, 나아가서는 유로(13)의 축선(L)에 일치한다.

또, 유로(32)는, 볼부(23) 측(밸브 시트부(28A) 측)과는 반대측(도 3에서의 좌측)의 단부에, 유로 면적이 점차 축소되는 직경 축소부(32A)를 가진다. 또한, 유로(33)는, 볼부(23) 측(밸브 시트부(29A) 측)과는 반대측(도 3에서의 우측)의 단부에, 유로 면적이 점차 확대되는 직경 확대부(33A)를 가진다. 또한, 고정 너트(30)와 유로(13)의 사이는, O링(34)에 의해 시일된다. 또한, 고정 너트(31)와 유로(13)의 사이는, O링(35)에 의해 시일된다. 또한, 도 3에서의 부호 36은, 축구멍(26)에 대한 밸브체(22)의 축선 방향(도 1에서의 좌우 방향)으로의 이동을 저지하는 빠짐방지 플레이트이다. 또한, 도 3에서의 부호 59는, 선회류 플레이트(46)와 슬리브(47)의 사이를 시일하는 O링이다.

(제어부)

유량 제어 장치(11)는, 유량계(1)로 이루어지는 유량 측정부(41)의 측정 결과(임펠러(42)의 회전수)에 기초하여 유량 조절 밸브(21)의 개방도를 피드백 제어하는 제어부(61)를 구비한다. 제어부(61)는, 연산부, 기억부 등을 구비하는, 이른바 마이크로컴퓨터로서, 유량 측정부(41)로부터 출력된 회전수 신호(유량 측정부(41)에 의해 측정된 유량)에 기초하여, 유량 조절 밸브(21)의 개방도를 피드백 제어(PID 제어)한다. 즉, 제어부(61)는, 회전수 신호를 유량의 측정값으로 변환, 다시 말하면, 데이터 테이블을 기초하여 회전수를 유량으로 환산하고, 이 측정값(유량 측정값)과 설정값(유량 목표값)을 연산 처리한다. 그리고, 연산 처리 결과에 기초하여 모터 액추에이터(24)를 제어함으로써, 밸브체(22), 나아가서는 볼부(23)를 회전시키고, 유로(13)를 흐르는 유체의 유량을 조절하도록 구성된다.

제어부(61)는, 몸체(12)의 일 측면(도 3에서의 좌측면)에 형성된 오목부(16)에 수용되는 제어 기판(62)을 가진다. 몸체(12)의 일 측면에는, 모터 액추에이터(24)를 수용하는 알루미늄 합금제의 하우징(63)이 설치되며, 이 하우징(63)과 오목부(16) 사이의 공간은, 패킹(64)에 의해 밀폐된다. 또, 패킹(64)은, 몸체(12)의 오목부(16)의 주연(周緣)에 형성된 패킹 홈(65)에 끼워넣어진다. 또한, 하우징(63)의 하부에는, 외부와의 통신(본 실시형태에서는 「RS485」)에 사용되는 방수 커넥터(66)가 장착된다. 또한, 방수 커넥터(66)와 제어 기판(62)은, 신호 케이블(67)(본 실시형태에서는 「5심」)에 의해 접속된다. 또한, 도 3에서의 부호 68은, 제어 기판(62)에 실장된 LED(풀 컬러)이다. 또한, 도 3에서의 부호 69는, LED(68)를 외부에서 보기 위한 투명 수지로 이루어진 광전송창이다.

(작용)

도 3을 참조하면, 제어 대상이 되는 유체(본 실시형태에서는 「물」)는, 조인트 어댑터(71) 내의 필터(7)를 통과하여 유입구(14)로부터 유로(13) 내로 도입된다. 유로(13)를 흐르는 유체는, 선회류 플레이트(46)를 통과함으로써 일정 방향으로 선회하는 선회류가 된다. 이 선회류는, 유로(13) 내에 배치된 임펠러(42)를 회전시킨다. 센서 유닛(51)은, 임펠러(42)의 회전에 따른 자계 강도의 변화를 GMR 센서(53)에 의해 검지하고, 이 자계 강도의 변화에 기초하여 임펠러(42)의 회전수를 측정한다. 그리고, 센서 유닛(51)은, 유량 측정부(41)의 유량 측정 결과로서의 회전수 신호(펄스 신호)를 제어부(61)로 출력한다.

제어부(61)는, 수신한 회전수 신호를 유량의 측정값으로 변환하고, 이 측정값(유량 측정값)과 설정값(유량 목표값)을 연산 처리(PID 처리)함과 아울러, 그 연산 처리 결과에 따른 제어 신호를 모터 액추에이터(24)로 출력한다. 이에 의해, 모터 액추에이터(24)는, 제어부(61)로부터의 제어 신호를 받아 작동하여, 유량 조절 밸브(21)(볼 밸브)의 개방도, 즉 유로(13)의 유로 면적이 조절되고, 나아가서는 유로(13)를 흐르는 유체의 유량이 조절된다.

(효과)

본 실시형태에 의하면, 유량 측정부(41)의 임펠러(42)를 자화되지 않은 자성체를 재료로 하는 메탈 인젝션 몰딩에 의해 제조하였으므로, 복잡한 형상의 임펠러(42)를 높은 정밀도로 성형할 수 있다. 또한, 절삭 가공된 임펠러와 비교하여, 제조 비용을 대폭으로 삭감할 수 있다. 이에 의해, 임펠러(42)의 회전축(43)과 복수개의 날개부(44)를 일체로 성형하는 것이 가능하고, 회전축(43)과 복수개의 날개부(44)를 별개로 제조한 임펠러와 비교하여, 부품수를 삭감할 수 있다. 또한, 제조 비용 삭감의 관점에서, 절삭 가공 대신에 회전축(43)과 복수개의 날개부(44)를 접합(압입, 접착 등)하여 제조되는 임펠러에서는, 접합부의 신뢰성 저하에 따른 품질 관리의 엄격화가 문제가 되지만, 본 실시형태에 관한 임펠러(42)는, 메탈 인젝션 몰딩의 적용에 의해, 이러한 문제를 해소할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 임펠러(42)의 재료에 자성 스테인리스강(자성체)을 적용하여 자화되지 않은 자성체로 하고, 이 임펠러(42)의 회전에 따른 자계 강도의 변화를 유로(13)의 외부에 배치된 바이어스 마그넷(57)과 GMR 센서(53)로 검지함으로써, 유로(13)를 흐르는 유체의 유량을 측정하도록 하였다. 이 때문에, 예를 들어, 유체에 쇳가루가 포함되는 경우이어도, 유로(13) 내의 임펠러(42)가 자화되지 않았으므로, 날개부(44)(블레이드)가 자기를 띤 임펠러와 같이, 쇳가루가 임펠러(42)에 부착 퇴적되어 임펠러(42)의 원활한 회전이 방해되는 일이 없다. 이에 의해, 유량 측정부(41)의 측정 정밀도가 확보되고, 나아가서는 유량 제어 장치(11)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 제어 기판(제어 기판(62))을 밀폐된 하우징(63) 내에 수용하였으므로, 유량 제어 장치(11)를 소형화할 수 있다.

또한, 하우징(63)의 재료에 방열성이 우수한 알루미늄 합금을 적용하였으므로, 예를 들어, 비교적 온도가 높은 유체의 유량을 제어할 수 있다.

또한, 하우징(63)의 표면에, LED(68)(풀 컬러)를 보기 위한 광전송창(69)을 마련하였으므로, 필터 막힘, 센서 이상 등을 외부로부터 육안으로 확인할 수 있다.

1: 유량계
13: 유로
41: 유량 측정부
42: 임펠러
43: 회전축
44: 날개부
53: GMR 센서
57: 바이어스 마그넷

Claims

유로 내에서 회전 가능하게 지지되는 임펠러와,
상기 임펠러의 회전에 따른 자기(磁氣)의 변화를 검지하는 GMR 센서와,
상기 GMR 센서에 자계를 인가하는 마그넷을 구비하고,
상기 임펠러가 자화되지 않은 자성체로 이루어지며, 상기 GMR 센서와 상기 마그넷이 동일한 센서 기판상에 상기 임펠러의 회전 반경 방향으로 직렬로 실장되어 상기 유로의 외부에 배치되어 있으며, 상기 GMR 센서가 상기 센서 기판의 유로측에 배치되고, 상기 마그넷이 상기 센서 기판의 반대측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유량계.
청구항 1에 있어서,
상기 GMR 센서는, 상기 센서 기판상에, 상기 임펠러의 회전 방향으로 간격을 두고 2개의 GMR 소자가 배치되어 휘트스톤 브릿지가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유량계.
청구항 1에 있어서,
상기 임펠러를 구성하는 회전축과 복수개의 날개부가 자화되지 않은 자성체를 재료로 하는 메탈 인젝션 몰딩에 의해 일체 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 유량계.