(57)【要約】【課題】液体の流量計測において、適切な防液性を備えつつ超音波の入出力特性に優れた流量計測装置及びセンサユニットを提供する。【解決手段】本実施形態に係るセンサユニット６０は、超音波信号の送受信を行うために超音波振動する整合層６１ｂ（振動面）を備えた超音波センサ６１と、整合層６１ｂと対向して配置され、計測流路５１ｃを流れる液体を隔てるように整合層６１ｂを覆うキャップ部材６２と、整合層６１ｂに塗布されて、キャップ部材６２との間隙に充填されたグリース６３と、を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が流れる計測流路が内部に形成された計測ユニットと、
前記計測流路を流れる液体の流量計測を行うセンサユニットと、を有し、
前記計測ユニットは、
前記計測流路に臨むように前記センサユニットが組み付けられるセンサ取付部を有し、
前記センサユニットは、
超音波信号の送受信を行うために超音波振動する振動面を備えた超音波センサと、
前記振動面と対向して配置され、前記計測流路を流れる液体を隔てるように前記振動面を覆うキャップ部材と、
前記振動面に塗布されて、前記キャップ部材との間隙に充填されたグリースと、
を備えることを特徴とする流量計測装置。
【請求項２】
前記キャップ部材は、環状のシール部材を介して前記センサ取付部に組み付けられることを特徴とする請求項１に記載された流量計測装置。
【請求項３】
前記超音波センサは、
端部に位置する主面が振動する円柱体のセンサ本体と、
前記センサ本体の主面の外側に配設された整合層と、を備え、
前記キャップ部材は、
前記整合層と、前記センサ本体の周側部とを覆うカップ形状を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載された流量計測装置。
【請求項４】
液体が流れる計測流路が内部に形成された計測ユニットに対して前記計測流路に臨むように組み付けられて、前記計測流路を流れる液体の流量計測を行うセンサユニットにおいて、
超音波信号の送受信を行うために超音波振動する振動面を備えた超音波センサと、
前記振動面と対向して配置され、前記計測流路を流れる液体を隔てるように前記振動面を覆うキャップ部材と、
前記振動面に塗布されて、前記キャップ部材との間隙に充填されたグリースと、
を備えることを特徴とするセンサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量計測装置及びセンサユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化などを背景に、自然エネルギー、特に、太陽エネルギーを利用した太陽熱給湯システムなどが知られている（例えば特許文献１参照）。この太陽熱給湯システムにあっては、熱量を求める過程において、流量センサにより液体の流量を計測することが行われる。
【０００３】
一方で、ガスメータなどの分野においては、超音波センサによりガスの流量を計測する技術が知られている（例えば特許文献２，３参照）。ガスメータにおける超音波センサは、気体を計測対象としているため、これをそのまま液体の流量計測に転用することは難しい。
【０００４】
なお、例えば特許文献４には、石油ガス存在下で用いた場合に、このガス成分が液化したときであっても劣化が生じ難い超音波センサが開示されている。この超音波センサにおいては、センサ素子が整合層とケース本体とからなるケース内に収納され、センサ素子が整合層を介して超音波信号を送受信する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２１３６４４号公報
【特許文献２】特開２００８−２８７９号公報
【特許文献３】特開２００８−２８７２号公報
【特許文献４】特開２００２−２７７３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、超音波センサは、センサ素子の内部部品やセンサ素子の振動面と反対側に位置付けられる端子など、導電部材を数多く備えている。超音波センサにより液体の流量を計測する場合には、振動面を液体に臨ませる必要があるが、これらの導電部材を液体に曝すことなく、振動面のみを液体に接触させることは技術的に難しい。
【０００７】
また、特許文献４に開示される手法によれば、整合層を設けているため、整合層と液体とが接触しても問題はない。しかしながら、この特許文献４に開示される手法は、ガス成分が液化した程度の防液性を想定しており、液体そのものの流量を計測する際に、液体に曝される環境を想定するものではない。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体の流量計測において、適切な防液性を備えつつ超音波の入出力特性に優れた流量計測装置及びセンサユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決するために、第１の発明は、液体が流れる計測流路が内部に形成された計測ユニットと、計測流路を流れる液体の流量計測を行うセンサユニットと、を有する流量計測装置を提供する。この場合、計測ユニットは、計測流路に臨むようにセンサユニットが組み付けられるセンサ取付部を有している。また、センサユニットは、超音波信号の送受信を行うために超音波振動する振動面を備えた超音波センサと、振動面と対向して配置され、計測流路を流れる液体を隔てるように振動面を覆うキャップ部材と、振動面に塗布されて、キャップ部材との間隙に充填されたグリースと、を備えている。
【００１０】
ここで、第１の発明において、キャップ部材は、環状のシール部材を介してセンサ取付部に組み付けられることが好ましい。
【００１１】
また、第１の発明において、超音波センサは、端部に位置する主面が振動する円柱体のセンサ本体と、センサ本体の主面の外側に配設された整合層と、を備え、キャップ部材は、整合層と、センサ本体の周側部とを覆うカップ形状を備えることが好ましい。
【００１２】
また、第２の発明は、液体が流れる計測流路が内部に形成された計測ユニットに対して計測流路に臨むように組み付けられて、計測流路を流れる液体の流量計測を行うセンサユニットを提供する。このセンサユニットは、超音波信号の送受信を行うために超音波振動する振動面を備えた超音波センサと、振動面と対向して配置され、計測流路を流れる液体を隔てるように振動面を覆うキャップ部材と、振動面に塗布されて、キャップ部材との間隙に充填されたグリースと、を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、液体の流量計測において、適切な防液性を備えつつ超音波の入出力特性に優れた流量計測装置及びセンサユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係る削減熱量算出装置を含む太陽熱給湯システムの構成を模式的に示す説明図
【図２】本実施形態に係る流量計測装置を示す正面図
【図３】本実施形態に係る流量計測装置の内部構造を模式的に示す説明図
【図４】本実施形態に係る流量計測装置を示す側面図
【図５】キャップ部材の構成を示す説明図
【図６】流量計測装置の変形例を示す正面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本実施形態に係る削減熱量算出装置５を含む太陽熱給湯システム１の構成を模式的に示す説明図である。太陽熱給湯システム１は、水道管１２と、温水管１３と、混合水管１４と、加熱水管１５とを備えている。さらに、太陽熱給湯システム１は、太陽熱温水器２と、混合弁３と、給湯器４とを備えている。
【００１６】
水道管１２は、台所、洗面所、風呂、トイレ等の住宅用水道器具の各々に水を供給する。また、水道管１２は、冷水を太陽熱温水器２まで供給する。
【００１７】
太陽熱温水器２は、集熱器２１と熱媒配管２２と貯湯槽２３とを有している。集熱器２１は、日当たりの良い住宅の屋根などに設置され、太陽熱を取り込んで熱媒を温めるものである。また、熱媒配管２２は、集熱器２１と貯湯槽２３とを接続するものであり、内部に熱媒が流れる構成となっている。熱媒は熱媒配管２２を介して集熱器２１と貯湯槽２３とを循環する。貯湯槽２３は、水道管１２からの冷水が導入されるとともに、熱媒配管２２を通じて流れてくる暖められた熱媒により冷水を加熱して予熱温水として貯湯しておくものである。
【００１８】
温水管１３は、貯湯槽２３からの予熱温水を給湯器４側に供給するための配管である。この温水管１３の終端には混合弁３が設置されており、温水管１３からの予熱温水は混合弁３の温水流入口３１から混合弁３に供給される。また、水道管１２は接続点Ａにて分岐しており、水道管１２からの冷水は混合弁３の冷水流入口３２を介して混合弁３に供給可能となっている。混合弁３は、後述の如く流入する予熱温水と冷水とを混ぜて混合水とする。
【００１９】
混合水管１４は、混合弁３の混合水流出口３３と給湯器４とを接続する配管であり、混合水は、この混合水管１４を介して混合弁３から給湯器４に供給される。なお、本実施形態における混合弁３は、混合水の温度が所定の温度となるように、温水と冷水との混合割合を自動的に調整する自動温度調節機能付湯水混合弁である。もっとも、混合弁３の構成はこれに限られるものではない。
【００２０】
給湯器４は、例えばガスバーナと熱交換器とを備えており、利用者等によって定められた温度の加熱水（すなわち、湯）を生成するものである。この給湯器４は、住宅に設けられた給湯器用リモコン等と接続されており、給湯器用リモコン等から受信する制御信号に基づいて、例えば、電源オン、電源オフ、及び生成する湯の温度が設定される。
【００２１】
加熱水管１５は、給湯器４と給湯側であるシャワー口等とを接続する配管である。給湯器４にて暖められた加熱水は、この加熱水管１５を介して利用者等に供給されることとなる。
【００２２】
以上の構成により、太陽熱給湯システム１は、太陽熱を利用した太陽熱温水器２によって水道管１２からの冷水を予熱温水とし、これを給湯器４に供給する。これにより、給湯器４にて使用される燃料費や排出される二酸化炭素量等を削減することができる。
【００２３】
次に、削減熱量算出装置５について説明する。削減熱量算出装置５は、太陽熱温水器２の利用によって削減された熱量や二酸化炭素量を算出して積算表示するものであり、演算表示器５ａを備えている。なお、削減熱量算出装置５は、熱量に加えて、ガス料金や二酸化炭素排出量を算出して積算表示する機能を備えていてもよい。
【００２４】
削減熱量算出装置５は、演算表示器５ａが各種の演算を行うために、第１温度センサＴ１と、第２温度センサＴ２と、流量計測装置ＵＳとを備えている。
【００２５】
第１温度センサＴ１は、水道管１２に配置され、太陽熱温水器２により加熱される前の水温、すなわち冷水の温度を検出する。第２温度センサＴ２は、温水管１３に配置され、太陽熱温水器２により加熱されてから給湯器４に供給されるまでの配管内（すなわち温水管１３内）の予熱温水の温度を検出する。
【００２６】
流量計測装置ＵＳは、液体の流量を計測する装置であり、具体的には、温水管１３に配置され、太陽熱温水器２から給湯器４に供給された予熱温水の流量を検出する。流量計測装置ＵＳは、超音波式のものである。
【００２７】
以下、本実施形態の特徴の一つである流量計測装置ＵＳについて説明する。ここで、図２は、本実施形態に係る流量計測装置ＵＳを示す正面図である。図３は、本実施形態に係る流量計測装置ＵＳの内部構造を模式的に示す説明図である。図４は、本実施形態に係る流量計測装置ＵＳ（センサユニット６０を除く）を示す側面図である。
【００２８】
流量計測装置ＵＳは、計測ユニット５０と、一対のセンサユニット６０とを有している。
【００２９】
計測ユニット５０は、ユニット筐体５１と、円筒部材５３と、反射部材５５とで構成されている。
【００３０】
ユニット筐体５１は、流入口５１ａから流出口５１ｂに至る一連の中空部を内部に形成した筐体である。ユニット筐体５１は、例えば黄銅などの金属材料により形成されている。ユニット筐体５１は、中空部の軸方向（液体の流れ方向）に沿った長手形状とされている。ユニット筐体５１の流入口５１ａ側の端部は、その外周面に螺旋状に形成されたねじ山５２を備えており、ユニット筐体５１の流出口５１ｂ側の端部は、その外周面に螺旋状に形成されたねじ山５２を備えている。ユニット筐体５１のそれぞれの端部は、被測定液体が流れる配管（本実施形態では、温水管１３）をねじ接続するための継手として機能する。本実施形態において、流入口５１ａ側には、上流側の温水管１３が接続され、流出口５１ｂ側には、下流側の温水管１３が接続される。
【００３１】
ユニット筐体５１の中空部には、断面円形の筒状体である円筒部材５３が嵌合されている。円筒部材５３は、樹脂材料より成形されている。この円筒部材５３により、ユニット筐体５１の内部に、液体が流れる計測流路５１ｃが形成される。
【００３２】
反射部材５５は、ユニット筐体５１において、センサユニット６０の配置箇所と対向する位置に配置されている。反射部材５５は、ユニット筐体５１の中央部に形成された矩形状の開口部５１ｄに嵌合されており、台状に形成された台状部５５ａが計測流路５１ｃ内に突出している。台状部５５ａの上面５５ａ１は、平坦に仕上げられており、一方のセンサユニット６０から送信された超音波信号を他方のセンサユニット６０へと反射する反射面として機能する。
【００３３】
ユニット筐体５１には、当該センサユニット６０を取り付けるためのセンサ取付部５４が、一対のセンサユニット６０に対応して２箇所に形成されている。本実施形態において、センサ取付部５４は、一方のセンサユニット６０から送信された超音波信号が反射部材５５（台状部５５ａの上面５５ａ１）で反射して他方のセンサユニット６０にて受信されるように、所要の位置にそれぞれ設けられている。
【００３４】
センサ取付部５４には、センサユニット６０が嵌め込まれる凹状の溝部５４ａと、センサユニット６０をねじ止めするための一対のねじ穴５４ｂとが設けられている。凹状の溝部５４ａの中央には、計測流路５１ｃと連通する連通部５１ｅが形成されている。
【００３５】
センサユニット６０は、超音波信号を送受信して計測流路５１ｃを流れる液体の流量を計測するものであり、計測流路５１ｃの上流側及び下流側にそれぞれ設けられている。本実施形態では、反射面を介して一方のセンサユニット６０から送信された超音波信号を他方のセンサユニット６０で受信する反射型の構造が採られている。
【００３６】
個々のセンサユニット６０は、超音波センサ６１と、キャップ部材６２と、グリース６３とで構成されている。
【００３７】
超音波センサ６１は、超音波信号の送受信を行うものであり、例えば圧電素子が用いられる。超音波センサ６１は、円柱体のセンサ本体６１ａを備えており、端部に位置する主面（端面）６１ａ１が超音波振動する。センサ本体６１ａの主面６１ａ１の外面（表面）には、整合層６１ｂが配設されており、この整合層６１ｂは、主面６１ａ１の超音波振動に応じて超音波振動する。本実施形態において、整合層６１ｂは、超音波センサ６１の振動面として機能するものであるが、整合層６１ｂを備えない構成であってもよい（すなわち、主面６１ａ１自身が振動面となるものであってもよい）。
【００３８】
図５は、キャップ部材６２の構成を示す説明図である。キャップ部材６２は、ユニット筐体５１のセンサ取付部５４に配設されて、超音波センサ６１をユニット筐体５１に取り付けるための部材である。また、キャップ部材６２は、計測流路５１ｃを流れる液体から、超音波センサ６１を保護する機能も備えている。
【００３９】
キャップ部材６２は、カップ形状を備えており、金属製の部材から形成されている。具体的には、センサ取付部５４の溝部５４ａと向き合う一方の主面６２ａ１には、連通部５１ｅの内側へと進入する凸部６２ｂが設けられている。これに対して、他方の主面６２ａ２には、多段状に形成された有底の凹部６２ｃが設けられている。この凹部６２ｃには、当該凹部６２ｃの底面６２ｃ１と超音波センサ６１の整合層６１ｂとが対向するように、超音波センサ６１が収納される。この場合、凹部６２ｃにより、整合層６１ｂを含むセンサ本体６１ａの主面６１ａ１と、センサ本体６１ａの周側部６１ａ２とが覆われる。
【００４０】
また、超音波センサ６１の整合層６１ｂにはグリース６３が塗布されている。このため、超音波センサ６１が凹部６２ｃへと収納された状態において、超音波センサ６１の整合層６１ｂと、凹部６２ｃの底面６２ｃ１との間には、グリース６３が充填される。このグリース６３は、整合層６１ｂと底面６２ｃ１（キャップ部材６２）との間の隙間（空気層）を排除し、振動面である整合層６１ｂの振動をキャップ部材６２の底面６２ｃ１へと伝達させる機能を担っている。これにより、超音波センサ６１から出力される超音波信号は、キャップ部材６２を通過して計測流路５１ｃへと出力される。すなわち、キャップ部材６２の凸部６２ｂから超音波信号が出力されることとなる。
【００４１】
キャップ部材６２の周囲には、一対のフランジ部６２ｄが設けられており、個々のフランジ部６２ｄには、挿通孔６２ｄ１が形成されている。この挿通孔６２ｄ１は、キャップ部材６２をセンサ取付部５４へねじ止めする際に、ねじ（図示せず）をねじ穴５４ｂへと導くための孔となる。
【００４２】
センサユニット６０は、キャップ部材６２を介して、計測ユニット５０のセンサ取付部５４へと組み付けられる。具体的には、キャップ部材６２の主面６２ａ１側と、センサ取付部５４とが互いに向き合う状態で、センサ取付部５４へとセンサユニット６０を嵌め込む。この際、キャップ部材６２の主面６２ａ１側の凸部６２ｂには、Ｏリングなどの環状のシール部材７０が外嵌される。このため、キャップ部材６２の主面６２ａ１と、センサ取付部５４の溝部５４ａとの間にはシール部材７０が配設される。そして、両者の組付け状態にあっては、溝部５４ａの中央に位置する連通部５１ｅの中心側へと、キャップ部材６２の凸部６２ｂが進入した状態となっている。
【００４３】
このような構成の計測ユニット５０において、流量の計測時には、一方の超音波センサ６１から超音波信号が送信される。この場合、超音波センサ６１が動作すると、センサ本体６１ａがその主面６１ａ１に配設された整合層６１ｂを超音波振動させる。整合層６１ｂの振動は、整合層６１ｂとキャップ部材６２との間に充填されたグリース６３を介して、キャップ部材６２の凸部６２ｂの端面へと伝達され、当該端面が超音波振動する。これにより、一方のセンサユニット６０から、計測流路５１ｃを流れる液体を斜めに横切るように超音波信号が出力される。この超音波信号は、反射部材５５にて反射され、他方のセンサユニット６０にて受信される。
【００４４】
このように、本実施形態に係るセンサユニット６０は、超音波信号の送受信を行うために超音波振動する振動面を備えた超音波センサ６１と、振動面と対向して配置され、計測流路５１ｃを流れる液体を隔てるように振動面を覆うキャップ部材６２と、振動面に塗布されて、キャップ部材６２との間隙に充填されたグリース６３と、を備えている。
【００４５】
この構成によれば、超音波センサ６１が液体に曝される環境にあっても、キャップ部材６２により振動面が覆われることで、適切なシール性を備えることとなる。また、振動面とキャップ部材６２との間隙にはグリース６３が充填されているので、空気層が排除された構造となっている。これにより、超音波信号が適切に伝搬され、キャップ部材６２の凸部６２ｂの端面から出力されるので、超音波の入出力特性に優れた構造となる。その結果、液体の流量計測にあっても、適切な防液性を備えつつ超音波の入出力特性に優れた流量計測装置ＵＳを提供することができる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、気体の流量計測に使用される超音波センサ６１の用途として、液体の流量測定を追加することができる。加えて、水のように超音波の減衰が非常に小さい液体の流量計測においては、金属製のキャップ部材６２を通過することにより超音波が減衰される為、気体を計測する時と同程度の大きさの波高にすることが可能となる。これより、送信波、受信波ともに気体用の流量計測装置と同じ仕様で処理を行うことができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、シール部材７０を備えるため、キャップ部材６２と計測ユニット５０とが水密に接合されることとなる。これにより、キャップ部材６２の裏面側に位置する超音波センサ６１を適切に保護することができる。また、キャップ部材６２が計測ユニット５０に対して直接的に接触している場合には、超音波信号を出力するキャップ部材６２の振動が計測ユニット５０に伝わってしまい、入出力特性が低下する虞がある。しかしながら、本実施形態によれば、シール部材７０が介在しているため、当該シール部材７０により振動を吸収することができる。これにより、入出力特性に優れた構造とすることができる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、キャップ部材６２は、整合層６１ｂと、センサ本体６１ａの周側部６１ａ２とを覆うカップ形状を備えている。この構成によれば、液体に曝される可能性がある範囲をキャップ部材６２で覆うことができるので、防液性の高い構造とすることができる。
【００４９】
なお、上述した実施形態では、一方のセンサユニット６０から送信された超音波信号を反射して他方のセンサユニット６０にて受信する反射型の構造が採られている。しかしながら、本実施形態に示すセンサユニット６０の構造及び流量計測装置ＵＳの構造は、図６に示すように、一方のセンサユニット６０から送信された超音波信号を、当該センサユニット６０と対向する位置にある他方のセンサユニット６０にて受信する構造に適用してもよい。
【００５０】
以上、本実施形態では、太陽熱給湯システムを前提として、流量計測装置について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることなく、その発明の範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。例えば、太陽熱給湯システムへの適用のみならず、流路を流れる液体の流量を計測する流量計測装置として広く適用可能である。また、流量計測装置が備えるセンサユニットも本発明の一部として機能する。
【符号の説明】
【００５１】
１      太陽熱給湯システム
２      太陽熱温水器
３      混合弁
４      給湯器
５      削減熱量算出装置
１３      温水管
ＵＳ      流量計測装置
５０      計測ユニット
５１      ユニット筐体
５３      円筒部材
５４      センサ取付部
５５      反射部材
６０      センサユニット
６１      超音波センサ
６２      キャップ部材
６３      グリース
【図１】
2018194519.tif 000003
【図２】
2018194519.tif 000004
【図３】
2018194519.tif 000005
【図４】
2018194519.tif 000006
【図５】
2018194519.tif 000007
【図６】
2018194519.tif 000008