JPS6228406B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、測定すべき流体の流れによつて作
動されるタービン手段を有するロータを備えた本
体から構成されていて、そのロータの回転速度が
流量に関係するタイプの流量計に関する。ロータ
の回転速度は、ロータの回転数を連続的に計るこ
とによつて、たとえば、電磁手段を用いることに
よつて測定することが多い。

上述したタイプの流量計の一例が英国特許明細
書第1398274号に開示してある。この明細書に
は、２組のタービン羽根と、該羽根に対応して羽
根の各下流にある２個の軸受ヘツドと、これ等タ
ービン羽根と軸受ヘツドとを両端部に備えるスピ
ンドルとで形成されたロータを有するタイプの流
量計が記載してある。流体の流れは分離されて、
各一部は各組のタービン羽根を通過し、更に軸受
ヘツドを通過する。ここで、軸受ヘツドは、対応
する軸受座と協働して、ロータを回転支持するラ
ジアル方向とスラスト方向の組合せ流体軸受とし
て動作する。

流れのない状態で上方軸受ヘツドは頂部軸受座
に着座しそれを実質的に密封する。次に流量計を
流体が流れ始めると、ロータ上下の各受軸ヘツド
の流入ダクト側が流出ダクト側よりも高圧となる
ので、上下受軸ヘツドはそれぞれ上向き、下向き
の力を受ける。ある最小流量以下では、上記ロー
タは頂部軸受座を密封したままなので、上記上向
き押力は下向き押力よりも大であり、しかもそれ
ら上向き、及び下向き押力の差は流量とともに大
となる。従つて最小流量以上になると、上向き押
力と、ロータ重量及び下向き押力とがつりあい、
上側受軸ヘツドが軸受座からリフトする。

従つて、上記最小流量以下では、ロータの移
動、即ちリフトはないので流量は記録されない。
従つて、それを超えると、流量計のフアクタ（単
位体積当りのパルス即ち、ロータの回転数で表わ
される）が急激に増加する流量の範囲がある。流
量計のフアクタは、低流量時にピーク値をとつた
後一旦落ちこみ、次にロータの回転数と流量とが
実質的に比例するほぼフラツトな線形領域に入
る。

このピーク値をとる原因は、層流から乱流への
転移によるものと思われる。

このフラツトな線形領域では、上述の様にロー
タの回転速度（パルス数）が流量にほぼ比例する
ので、パルス数から流量を計算するのは、容易で
あるのに対し、上記ピーク前後の非線形領域で
は、流量とパルス数との関数関係は複雑であり、
流量の計算が困難である。従来の流量計において
は、上記非線形領域が広く不便であつた。

上記の問題を解決するため、本発明者は次の点
に注目した。即ち、ロータ両端間における流れの
分離は等しいものではなく流量で変化するもので
あること。また、ロータ両端の流れ特性を適当に
選択することによつて、層流から乱流への転移に
ずれを与えることができることである。

この効果によつて、ロータの一端固有の特性曲
線におけるピーク値からの降下を、他端固有の特
性曲線におけるピーク値への上昇と一致させるこ
とによつて、これらの両効果を互いに実質的に相
殺させることが出来る。言い換えればロータ一端
の特性曲線における上記の落ち込みを他端の特性
曲線と相殺させることが出来、その結果、上記線
形領域の開始点をより低流量側にシフトさせるこ
とができる。本発明はこの様に、流量計の動作に
おいて実効的もしくは実質的な線形領域の開始点
を低流量側へシフトさせ、該線形領域を拡大する
ことを目的とする。

従つて本発明は、スピンドル両端に軸受ヘツド
とタービン手段とを備えるロータと、該ロータを
装着させた流路を有する本体とで構成されてお
り、前記軸受ヘツドは本体に形成した軸受座と協
働してラジアル方向とスラスト方向との組合せ流
体軸受として動作し、前記タービン手段は、上記
各軸受ヘツドと連係して、流体の流れに応じて前
記ロータを回転させるように構成した流量計であ
つて、上記ロータ各端を通る各々の流れが層流か
ら乱流へと転移する時の各転移流量が、ロータ両
端において異なり、かつこれら二転移流量間の流
量領域においては、流体単位体積当りのロータ回
転数を示すロータ一端の固有の特性曲線の減少
が、同じく流体単位体積当りのロータ回転数を示
すロータ他端固有の特性曲線の増加によつて補整
されるように、上記ロータの一端の軸受ヘツド及
びタービン手段の形状及び寸法のうちの一つある
いはいくつかが、ロータ他端の軸受ヘツド及びタ
ービン手段の形状及び寸法のうちの一つあるいは
いくつかと異なることを特徴とする流量計にあ
る。

尚、前記軸受ヘツド及びタービン手段の形状及
び寸法とは、後述の軸受ヘツドに穿設させた通路
又は穿孔の寸法、間隔数、配向等を含むものとす
る。

この発明は、タービン羽根を備えたタイプのロ
ータ、たとえば、前述した明細書第1398274号に
開示してあるようなロータに適用できる。しかし
ながら、ロータの軸受ヘツドを貫通する角度を付
けた流路によつてタービン手段を形成する羽根な
しタイプのロータに本発明を適用したならば、本
発明は特に有用である。上述の配置にあつては、
軸受ヘツドに穿孔した種々の配置の流路を提供す
ることが比較的容易である。

本発明の第２図から第６図が示す実施例の流量
計は、両端のあるロータと、流入通路と流出通路
とを有している本体とから構成されており、前記
流入通路は、それから流体の流れを分離するステ
ータ流路に続いており、前記ロータは、前記ステ
ータ流路に配置してあると共に、軸受座と協働し
ていて前記ステータ流路を通つて流れている流体
中に前記ロータを支承しているラジアル方向とス
ラスト方向の組合せ軸受を形成する一対の軸受ヘ
ツドを有しているタイプの流量計であつて、前記
ロータを回転するタービン手段が、前記軸受ヘツ
ドを貫通する角度を付けた複数の流路で形成され
ていると共に、ロータ一端のタービン手段及び軸
受ヘツドの形状及びサイズのうち一つ又はいくつ
かがロータ他端のタービン手段及び軸受ヘツドの
形状及びサイズの一つ又はいくつかと異なる構造
としたことを特徴とするものである。

このような設計の効果はいくつかある。第１の
効果は上部流路、即ち軸受座を通る通路が、低流
量時にも密閉されないので、前記リフトがより早
く起こると考えられることである。これは即ち、
流量計の流量が、軸受座から前述のロータ上端の
軸受ヘツドがリフトする時の流量に達するのが早
いからである。かくして、軸受ヘツドと本体軸受
座の壁との間隔次第では、前述の流路又は穿孔の
寸法形状がリフトポイントを決める決定的要因と
なる。何故なら、これによつて、軸受ヘツド前後
の圧力降下が調節されるからである。また、ロー
タ組立体の質量もまた２本のタービン羽根を除去
することによつて減少し、このことは、上述した
第１のポイントと共にリフトを早めるのに効果が
ある。かくして、低流量時の性能が潜在的に改善
される。従来の羽根付きロータの場合であると、
高流量時には、羽根間の干渉によつて圧力降下が
増加してしまうので、羽根を除去すると、同じ体
積流れに対して流量計前後の圧力降下が減少する
ことが期待できる。また、羽根の先端におけるク
リアランスに対する依存性がなくなつてしまうこ
と、および、構成要素の数が減少することによつ
て、製造コストも低下する。従つて、本発明によ
れば、従来の設計に比べて、より敏速にかつより
安価により秀れた流量計を製造することが可能で
ある。

以下、添付の図面を参照してさらに説明する。

第１図は、従来の流量計における代表的な特性
曲線を図示している。実線で開示した曲線は、上
記流量計の特性曲線であつて、流量計を通過する
流量に対して、流量計フアクタ、即ち単位体積当
りのパルス数をプロツトしたものである。第１図
からわかるように流量X₄とX₅との間の範囲で
は、上記流量計フアクタは適度に一定であり、有
用な測定結果が得られる。そして点線Y₂とY₃と
の間の流量計フアクタの値の範囲は線形領域とし
て知られている。X₄以下の流量に対しては、駆
動トルクが最初に抗力に打ち勝つ際、正の流量
X₁で読みとるゼロから流量計フアクタは急激に
上昇する。流量計フアクタY₁の流量X₂から、流
量計フアクタがピーク値Y₄を示す流量X₃までの
間には、使用可能な非線形範囲があり、またピー
ク値Y₄からは、流量計フアクタは線形範囲まで
低下する。他方、流量X₅を超えると、特性曲線
の急上昇により示されるキヤビテーシヨンが開始
して流量計は不正確になつてしまう。

第２図から第６図は本発明の実施例を示す。

第２図は、流入ダクト２と流出ダクト３を備え
ている本体１から構成されている流量計を図示し
ている。流入ダクト２はステータ流路４に流体を
供給する。このステータ流路４の内部で、流れは
分離され、その一部が上側の軸受座５に向かい、
残りは下側の軸受座６に向つて流れる。これらの
分離した流れは流出ダクト３の中で再び合流す
る。軸受座５と６はテーパ孔の形状になつてい
て、ロータ上側と下側の軸受ヘツド９と１１のそ
れぞれに形成してある截頭円錐台状の表面７と８
と協働する。軸受ヘツド９と１１はスピンドル１
２両端に付設されて、そのスピンドルと共に流量
測定ロータを構成する。このロータは、電磁セン
サを作動する（図示していない）インサートを有
している。電磁センサは、１回転当り所定数のパ
ルスを発生するように動作する。

前述した公知の流量計、たとえば、英国特許明
細書第1398274号に開示されておりかつ本明細書
添付図面の第８図に図示してある流量計では、ス
テータ流路４に沿う流体流れに応答してロータを
回転させるタービン羽根２１すなわちベーンをロ
ータが有している。本発明は、上記タービン羽根
２１すなわちベーンのパラメタを適当に変化させ
ることによつて、そうした公知のロータに適用で
きるけれども、第２図ないし第６図に図示した実
施例にあつては、軸受ヘツド９と１１とに、角度
を付けた複数の流路１３（第３図と第４図を参
照）が形成してある。これらの流路１３は、そこ
を通る流体の流れによつてロータを回転させるタ
ービン手段として動作する。第３図は、ロータに
唯１本の流路の位置を図示していて残りの流路は
図解を簡単にするために省略してあるのに対し
て、第４図は、６個の等間隔穿孔を形成してある
軸受ヘツド９を図示している。これらの穿孔の
数、寸法、間隔および配向は、ロータに要求され
る特性に従つて選定されることは自明である。

ロータは流れている流体中に懸架してあるの
で、軸受ヘツドは、軸受座と協働して、実質的に
無摩擦状態でロータを回転させるスラスト方向と
ラジアル方向の組合せ軸受を形成している。

流量計全体の特性曲線の適当な形状を得るため
に、上側と下側の軸受ヘツド９と１１に形成して
ある流路１３の形状寸法は異なつているのが普通
で、第５図と第６図に12本の流路１３を形成して
いる軸受ヘツド１１が示してある。又、流路の形
状寸法だけでなく、受軸ヘツドの形状寸法をロー
タ上下端において異なるものとしても、上記特性
曲線の形状を適当に変形させることができる。こ
のため、上記下側軸受ヘツド１１は、本発明にお
ける軸受ヘツドの一変形例として、第３，４図の
上側軸受ヘツド９よりも大径に描かれている。

この様に、ロータ上端の軸受ヘツド９及びそれ
らに形成した流路１３について、ロータ下端の軸
受ヘツド１１及び流路１３の形状寸法と、各々異
なつた形状寸法を選定することによつて、より広
い動作範囲を得ることができる。特に、同時では
なく順次に層流から乱流への転移が起こるように
することによつて、一方の軸受ヘツドの形状寸法
を選定して、その際他方の軸受ヘツドの形状寸法
を計算して特性曲線の隆起（すなわちピーク）を
なだらかにするように意図してある。かくして、
流路の寸法、数および配向を変化させることによ
つて、タービンタイプの装置に対する粘性流体の
効果を見積つて訂正することができる。理論解析
によれば、各穿孔を通過する流れのレイノズル数
が決定的なパラメタであるので、穿孔の形状寸法
は層流における性能に多大な影響を与えることが
分つている。この解析によれば、さらに、穿孔の
数は、層流の場合、与えられた流量に対して、流
体力学的なスケーリングで半径の４乗に逆比例
し、乱流の場合、穿孔の半径の2.715乗に逆比例
することも分つている。

第７図は、英国特許第1398274号に開示するも
のに基づく市販の流量計の実線で図示した実際の
特性曲線と、本発明に従つて作られた比較すべき
代表的な40mm流量計で得られた特性曲線とを比較
図示している。本発明による代表的な流量計、即
ちロータ一端の軸受ヘツドを第３図が示す軸受ヘ
ツド９とし、かつ他端の軸受ヘツドを第５図に示
す軸受ヘツド１１とした流量計の特性曲線は、点
線で図示してある。図から分るように、線形性の
開始がより低い流量、たとえば、70l／分ではな
く40l／分で起こるということだけでなく、流量
計フアクタの値の一定さで表わされる実際の線形
性も改善されている。

本発明の範囲を逸脱することなく種々の設計変
更ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知の流量計の代表的な特性曲線、
第２図は、本発明による流量計の一実施例を図示
する断面図、第３図は、第２図の上側の軸受ヘツ
ドの代表的な実施例の側面図、第４図は、第２図
の軸受ヘツドの平面図、第５図と第６図は該上側
軸受ヘツドより大径の、第２図の下側の軸受ヘツ
ドの代表例を示す側面図と平面図、第７図は、公
知の流量計の特性曲線と本発明による40mm流量計
の一実施例の特性曲線との比較図、第８図は、本
発明を適用できる公知のタイプの流量計の断面図
である。 １…流量計の本体、２…流入ダクト、３…流出
ダクト、４…ステータ流量、５…上側の軸受座、
６…下側の軸受座、７，８…截頭円錐台状表面、
９，１１…上側と下側の軸受ヘツド、１２…スピ
ンドル、１３…角度を付けた流路、２１…タービ
ン羽根。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ スピンドル両端に軸受ヘツドとタービン手段
   とを備えるロータと、該ロータを装着させた流路
   を有する本体とで構成されており、前記軸受ヘツ
   ドは、本体に形成した軸受座と協働してラジアル
   方向とスラスト方向との組合せ流体軸受として動
   作し、前記タービン手段は、上記各軸受ヘツドと
   連係して、流体の流れに応じて前記ロータを回転
   させるように構成した流量計であつて、上記ロー
   タ各端を通る各々の流れが層流から乱流へと転移
   する時の各転移流量が、ロータ両端において異な
   り、かつこれら二転移流量間の流量領域において
   は、流体単位体積当りのロータ回転数を示すロー
   タ一端固有の特性曲線の減少が、同じく流体単位
   体積当りのロータ回転数を示すロータ他端固有の
   特性曲線の増加によつて補整されるように、上記
   ロータの一端の軸受ヘツド及びタービン手段の形
   状及び寸法のうちの一つあるいはいくつかが、ロ
   ータ他端の軸受ヘツド及びタービン手段の形状及
   び寸法のうちの一つあるいはいくつかと異なる構
   造としたことを特徴とする流量計。