(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧機器内に使用される空気のエネルギーを測定する方法であって、
前記空気の熱力学の最大工業仕事と運動エネルギーとの総和から求めたエクセルギｅを前記空気のエネルギーとし、前記空気の単位質量のエクセルギｅを、
前記空気の単位質量のエンタルピをｈとし、前記空気の単位質量のエントロピをｓとし、前記空気の単位質量の平均流速をｖとし、大気状態における絶対温度をＴａとし、大気状態における前記空気の単位質量のエンタルピをｈａとし、大気状態における前記空気の単位質量のエントロピをｓaとすると、
【数１】
0003571303.tif 000010
の式から求めることを特徴とする空気エネルギー測定方法。
【請求項２】
空気圧機器内に使用される空気のエネルギーを測定する装置であって、
前記空気が導入される管、この管内に導入される空気の流量を求める流量計、前記空気の温度を求める温度計及び前記空気の圧力を求める圧力計を有する測定部と、大気圧を求める大気圧計と、大気温度を求める大気温度計と、前記流量計、前記温度計、前記圧力計、前記大気圧計及び前記大気温度計から計測されたデータを基に前記空気の単位質量のエクセルギｅを求める演算手段と、この演算手段の演算結果を表示する表示手段とを備え、
前記演算手段は、前記空気の単位質量のエクセルギｅを、
前記空気の単位質量のエンタルピをｈとし、前記空気の単位質量のエントロピをｓとし、前記空気の単位質量の平均流速をｖとし、大気状態における絶対温度をＴaとし、大気状態における前記空気の単位質量のエンタルピをｈａとし、大気状態における前記空気の単位質量のエントロピをｓaとすると、
【数２】
0003571303.tif 000011
の式から求めることを特徴とする空気エネルギー測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気圧機器内に使用される空気のエネルギーを測定する空気エネルギー測定方法及び測定装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、空気圧シリンダ装置、空気圧アクチュエータを始めとする空気圧機器が計測・制御システムに用いられている。
これらの空気圧機器は、圧縮機で圧縮された空気をエネルギーとして仕事を行うものであり、そのエネルギー評価は、空気圧機器を設計するにあたり、重要である。
従来では、空気圧機器のエネルギー評価は大気状態に換算した空気体積消費量で行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
環境への影響として空気圧の省エネ対策が求められている現在では、圧縮機を作動して不必要な圧縮空気を製造することは好ましくない。
そのため、空気圧機器のエネルギー評価を行うに際して、従来のように、出力のみではなく、空気圧機器へ入力される空気のエネルギーにも着目することが望まれている。
【０００４】
本発明の目的は、空気圧機器の適正なエネルギー評価を行える空気エネルギー測定方法及び測定装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、空気圧機器に入力される空気エネルギーを測定することで前記目的を効果的に達成しうることを見出し、本発明を完成したものである。
即ち、本発明の空気エネルギー測定方法は、空気圧機器内に使用される空気のエネルギーを測定する方法であって、前記空気の熱力学の最大工業仕事と運動エネルギーとの総和から求めたエクセルギｅを前記空気のエネルギーとしたことを特徴とする。
【０００６】
本発明では、エクセルギｅとして、今まで評価対象とされた熱力学の最大工業仕事だけでなく、エネルギーとして無視できない空気の流速から求められる運動エネルギーを加味したので、空気圧機器のエネルギー評価を適正に行うことができる。
【０００７】
ここで、本発明では、前記空気の単位質量のエクセルギｅを、前記空気の単位質量のエンタルピをｈとし、前記空気の単位質量のエントロピをｓとし、前記空気の単位質量の平均流速をｖとし、大気状態における絶対温度をＴａとし、大気状態における前記空気の単位質量のエンタルピをｈａとし、大気状態における前記空気の単位質量のエントロピをｓａとすると、
【０００８】
【数３】
0003571303.tif 000002
【０００９】
の式から求める構成である。
この構成では、「（ｈ−ｈａ）−Ｔa（ｓ−ｓa）」の式によって、空気の熱力学の最大工業仕事が求められ、「（ｖ２／２）」の式によって空気の運動エネルギーが求められるため、エクセルギｅを適正に求めることができる。
【００１０】
また、本発明の空気エネルギー測定装置は、空気圧機器内に使用される空気のエネルギーを測定する装置であって、前記空気が導入される管、この管内に導入される空気の流量を求める流量計、前記空気の温度を求める温度計及び前記空気の圧力を求める圧力計を有する測定部と、大気圧を求める大気圧計と、大気温度を求める大気温度計と、前記流量計、前記温度計、前記圧力計、前記大気圧計及び前記大気温度計から計測されたデータを基に前記空気の単位質量のエクセルギｅを求める演算手段と、この演算手段の演算結果を表示する表示手段とを備え、前記演算手段は、前記空気の単位質量のエクセルギｅを、前記空気の単位質量のエンタルピをｈとし、前記空気の単位質量のエントロピをｓとし、前記空気の単位質量の平均流速をｖとし、大気状態における絶対温度をＴａとし、大気状態における前記空気の単位質量のエンタルピをｈａとし、大気状態における前記空気の単位質量のエントロピをｓａとすると、
【００１１】
【数４】
0003571303.tif 000003
【００１２】
の式から求めることを特徴とする。
この構成の発明では、流量計、温度計、圧力計、大気圧計及び大気温度計からエクセルギｅを求めるに必要なデータを得ることができるとともに、これらのデータを基に演算手段で演算した結果を表示手段で表示することで、適正に算出されたエクセルギｅを数値として客観的に認識することができる。そのため、空気圧機器の客観的なエネルギー評価を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本実施形態にかかる空気エネルギー測定装置１の全体構成が示されている。
図１において、空気エネルギー測定装置１は、図示しない空気圧機器に接続される測定部２と、大気圧を求める大気圧計３と、大気温度を求める大気温度計４と、測定部２、大気圧計３及び大気温度計４で計測されたデータから所定の演算を行う演算手段５と、この演算手段５の演算結果を表示する表示手段６とを備えた構成である。
【００１４】
測定部２は、空気圧機器の流路と連通する管２１と、この管２１に設けられた計器設置部２２とを備えている。
この計器設置部２２には、管２１内に導入される空気の流量を求める流量計２３と、管２１内の空気の温度を求める温度計２４と、管２１内の空気の圧力を求める圧力計２５とがそれぞれ取り付けられている。
【００１５】
圧力計２５の構成が図２に示されている。
図２において、本実施形態の圧力計２５は、管２１の内部を流通する空気の圧力を半導体拡散式で計測するダイヤフラム式圧力センサであり、管２１内の空気を導入する本体２５Ａと、この本体２５Ａの内部に設けられたダイヤフラム２５Ｂと、このダイヤフラム２５Ｂに設けられた歪みゲージ２５Ｃとを有する。
なお、本実施形態では、管２１の内部を流通する空気の圧力を計測できれば、その具体的な構造は問わない。例えば、図２で示すダイヤフラム式センサに代えて、ブルドン管式、ベローズ式、その他の圧力計を用いることができる。
【００１６】
温度計２４の構成が図３に示されている。
図３において、本実施形態の温度計２４は、ガラス基板２４Ａと、このガラス基板２４Ａに設けられた２本のデュメット線２４Ｂと、これらのデュメット線２４Ｂの先端部を接合する金属酸化物焼結体２４Ｃとを備えたサーミスタ測温計から構成されている。
なお、本実施形態では、管２１の内部を流通する温度を計測できれば、その具体的な構造は問わない。例えば、図３で示すサーミスタ測温計に代えて、抵抗体温度計、バイメタル型温度計、ダイオード型温度計、トランジスタ型温度計、ＩＣ温度計、その他の温度計を用いることができる。
【００１７】
流量計２３の構成が図４に示されている。
図４において、本実施形態の流量計２３は、２本の熱電対２３Ａと、これらの熱電対２３Ａの一方を収納した加熱金属細管２３Ｂと、熱電対２３Ａの他方を収納した非加熱金属細管２３Ｃとを備えた構成である。加熱金属細管２３Ｂは流動空気に触れることで温度が下がるが、この際、両金属細管２３Ｂ，２３Ｃの温度差が一定となるように加熱金属細管２３Ｂに供給する加熱電流を制御する。これにより、ここで消費される電力は温度差に比例し、かつ、空気の質量流速の関数となるため、加熱電流の制御量を基に流量が測定できる。
【００１８】
なお、本実施形態では、管２１の内部を流通する空気の流量を測定できれば、その具体的な構造は問わない。例えば、図４で示す熱電対方式の流量計に代えて、オリフィス板方式、ベンチュリー管方式、受圧力センサ方式、伝播時間差方式、その他の流量計を用いることができる。ただし、図４で示される熱電対方式の流量計を使用することで、測定レンジを広めることができて、測定の汎用性を確保することができる。
【００１９】
大気圧計３は、圧力計２５と同様の構造であってもよく、それ以外の一般的な構造でもよい。
大気温度計４は、温度計２４と同様の構造であってもよく、それ以外の一般的な構造でもよい。
演算手段５は、空気の単位質量のエクセルギｅやエクセルギ流量Ｅを求めるものである。
エクセルギｅ（Ｊ／Ｋｇ）は、次の式から求められる。
【００２０】
【数５】
0003571303.tif 000004
【００２１】
ここで、ｈは空気の単位質量のエンタルピ（Ｊ／Ｋｇ）であり、ｓは空気の単位質量のエントロピ（Ｊ／ＫｇＫ）であり、ｖは空気の単位質量の平均流速（ｍ／ｓ）であり、Ｔａは大気状態における絶対温度（Ｋ）であり、ｈａは大気状態における空気の単位質量のエンタルピ（Ｊ／Ｋｇ）であり、ｓａは大気状態における空気の単位質量のエントロピ（Ｊ／ＫｇＫ）である。
以上の式において、「（ｈ−ｈａ）−Ｔａ（ｓ−ｓａ）」は熱力学の最大工業仕事を示すものであり、「（ｖ２／２）」は空気の運動エネルギーである。
【００２２】
本実施形態では、質量流量を上記の式から展開した次式から求める。
つまり、管２１の内部の流動空気のエクセルギ流量Ｅは
【００２３】
【数６】
0003571303.tif 000005
【００２４】
の式から求める。
以上の式で、Ｑｍは流動空気の質量流量（Ｋｇ／ｓ）であり、Ｒは空気のガス定数（Ｊ／ＫｇＫ）、Ｐは流動空気の絶対圧力（Ｎ／ｍ２）であり、Ｐａは大気の絶対圧力（Ｎ／ｍ２）であり、ｋは空気の比熱比であり、ｄは管２１の直径（ｍ）である。
さらに、体積流量を上記の式から展開した次式から求める。
つまり、管２１内部の流動空気の質量流量Ｑｍを大気状態に変換したその体積流量Ｑαで表示して次の式に置き換えると、管２１内部の流動空気のエクセルギ流量Ｅは次の式で求められる。なお、次の式でραは大気状態の空気の密度を示す。
【００２５】
【数７】
0003571303.tif 000006
【００２６】
数６と数７で示される式のうち、ｋ、ραは空気によって定められた係数であり、Ｐａ、Ｔａは大気状態である。
なお、温度伝達がなく、Ｔ＝Ｔａの仮定の下にある場合、数６は数８に展開され、数７は数９に展開される。
【００２７】
【数８】
0003571303.tif 000007
【００２８】
【数９】
0003571303.tif 000008
【００２９】
図１に示される通り、表示手段６は、演算手段５で求められた演算結果を表示するものであり、エクセルギｅやエクセルギ流量Ｅを空気パワー値として表示する空気パワー表示部６１と、空気パワー値を積算する積算値表示部６２と、積算開始時間設定を表示する開始時間設定表示部６３と、積算終了時間設定を表示する終了時間設定表示部６４と、電源スイッチ部６５と、積算指示部６６と、設定スイッチ部６７とを備えている。
【００３０】
従って、本実施形態によれば、空気圧機器内に使用される空気のエネルギーを、空気の熱力学の最大工業仕事と運動エネルギーとの総和から求めたエクセルギｅとしたから、今まで対象とされた熱力学の最大工業仕事だけでなく、空気の流速から求められる運動エネルギーを加味してエクセルギｅを判断したので、空気圧機器のエネルギー評価を適正に行うことができる。
【００３１】
さらに、空気の単位質量のエクセルギｅを、
【００３２】
【数１０】
0003571303.tif 000009
【００３３】
の式から求めたから、「（ｈ−ｈａ）−Ｔａ（ｓ−ｓａ）」の式によって、空気の熱力学の最大工業仕事が求められ、「（ｖ２／２）」の式によって空気の運動エネルギーが求められるため、エクセルギｅを適正に求めることができる。
【００３４】
また、空気エネルギーを測定する装置として、空気が導入される管２１、この管２１内に導入される空気の流量を求める流量計２３、空気の温度を求める温度計２４及び空気の圧力を求める圧力計２５を有する測定部２と、大気圧を求める大気圧計３と、大気温度を求める大気温度計４と、流量計２３、温度計２４、圧力計２５、大気圧計３及び大気温度計４から計測されたデータを基に空気の単位質量のエクセルギｅを求める演算手段５と、この演算手段５の演算結果を表示する表示手段６とを備え、演算手段５は前述の数式から求める構成としたので、エクセルギｅを求めるに必要なデータを得ることができるとともに、これらのデータを基に演算手段５で演算した結果を表示手段６で表示することで、適正に算出されたエクセルギｅを数値として客観的に認識することができる。
【００３５】
なお、本発明では、表示手段の構成を前記実施形態のものに限定するものではない。例えば、空気パワー表示部６１のみ設けるものであってもよい。
また、前記実施形態では、測定する空気を空気圧機器から測定部２に直接導入するようにしたが、空気圧機器で使用する条件と同じ条件での空気を貯蔵タンクに収納し、この貯蔵タンクから測定部２に空気を導入してエネルギー評価をするものでもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明では、エクセルギｅとして、熱力学の最大工業仕事だけでなく、空気の流速から求められる運動エネルギーを加味したので、空気圧機器のエネルギー評価を適正に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる空気エネルギー測定装置の全体を示す概略構成図である。
【図２】圧力計の概略構成図である。
【図３】温度計の概略構成図である。
【図４】流量計の概略構成図である。
【符号の説明】
１      空気エネルギー測定装置
２      測定部
３      大気圧計
４      大気温度計
５      演算手段
６      表示手段
２１      管
２３      流量計
２４      温度計
２５      圧力計
【図１】
0003571303.tif 000012
【図２】
0003571303.tif 000013
【図３】
0003571303.tif 000014
【図４】
0003571303.tif 000015