(57)【要約】【課題】前後の翼車を連結するばねのばね定数が小さい設計であっても、前後の翼車におけるトルク差を検出するばねを、過大荷重に対して保護することが可能なタービン型質量流量計を提供する。【解決手段】流管２の流れ方向の中心軸を中心として回転可能に支持された上流側翼車７と、中心軸を中心として上流側翼車７の下流側で回転可能に支持された、被測定流体の流れにより受けるトルクが上流側翼車７と異なる下流側翼車８と、上流側翼車７と下流側翼車８とを連結するコイルばね１１と、を備える。被測定流体により受ける上流側翼車７と下流側翼車８との間のトルク差で生ずる、上流側翼車７に対する下流側翼車８の相対的な位相角度差を、所定角度までに制限する位相角度差制限機構をさらに備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流管の流れ方向の中心軸を中心として回転可能に支持された上流側翼車と、前記中心軸を中心として前記上流側翼車の下流側で回転可能に支持された、被測定流体の流れにより受けるトルクが前記上流側翼車と異なる下流側翼車と、前記上流側翼車と該下流側翼車とを連結するコイルばねと、を備えるタービン型質量流量計であって、被測定流体により受ける前記上流側翼車と下流側翼車との間のトルク差で生ずる、前記上流側翼車に対する前記下流側翼車の相対的な位相角度差を、所定角度までに制限する位相角度差制限機構を備えたことを特徴とするタービン型質量流量計。
【請求項２】
前記上流側翼車は、前記中心軸を中心として前記下流側翼車側に延伸する円筒状のボス部を有し、前記下流側翼車は、前記中心軸を中心として前記上流側翼車側に延伸する円筒状のボス部を有し、前記上流側のボス部及び下流側のボス部は、前記中心軸に直交するお互いの位相角度差が前記所定角度で制限されるように円周方向に隙間を持たせて嵌合する嵌合部を有し、前記位相角度差制限機構は各嵌合部により構成されることを特徴とする請求項１記載のタービン型質量流量計。
【請求項３】
前記上流側翼車は、前記中心軸を中心として前記下流側翼車側に延伸する円筒状のボス部を有し、前記下流側翼車は、前記中心軸を中心として前記上流側翼車側に延伸する円筒状のボス部を有し、前記上流側のボス部及び下流側のボス部は、いずれか一方のボス部が他方のボス部内に納まる径をもち、内側のボス部は、外側に向かって後付けされた凸設部を有し、外側の円筒は、前記凸設部を挿入し該凸設部が円周上で前記所定角度分だけ移動可能な長さをもつ孔部を有し、前記位相角度差制限機構は前記凸設部及び孔部により構成されることを特徴とする請求項１記載のタービン型質量流量計。
【請求項４】
前記コイルばねは、前記上流側翼車との連結部分である上流側ばね端末と、前記下流側翼車との連結部分である下流側ばね端末とを、双方ヒンジ型，双方直線起こし型，ヒンジ型と直線起こし型との組合わせ、のいずれか１とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１記載のタービン型質量流量計。
【請求項５】
前記コイルばねは、１つのコイルばねからなるシングル構造又は２つのコイルばねを重ねたダブル構造をもつことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１記載のタービン型質量流量計。
【請求項６】
前記流管内の前記上流側翼車の上流側に挿着された圧力損失が小さく高効率のホモジナイザと、当該タービン型質量流量計における流管内の所定箇所の流体圧を計測する２つの圧力計と、該所定箇所の差圧を計測する差圧計と、前記流管内の被測定流体の温度を計測する温度計と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１記載のタービン型質量流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン型質量流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ブレードの取り付け角度が異なる２つの翼車（羽根車ともいう）をスプリングで同軸に接続し、その２つの翼車の流体トルク差に比例したスプリングの撓みによって生ずる２つの翼車の位相角度差を、時間差として計測して質量流量を計測することで、多相流流量計として機能するタービン型質量流量計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のタービン型質量流量計や、同様に２つの翼車及びそれらを連結するスプリングを有するタービン型質量流量計は、油ガス田等の坑井から産出される油・水・ガスの混相流（以下、多相流という）の各相の質量流量（及び体積流量）を、相分離することなく計測する際に主として用いられている。なお、このタービン型質量流量計は、油・水・ガスに限らず、気体及び二相の液体の三相以下の流体を一相毎に求めるものである。
【０００４】
さらに、特許文献１に記載のタービン型質量流量計における、各相の流量の具体的な計算方法や具体的な手段についての提案もなされている（例えば、特許文献２参照）。以下、特許文献２に記載の流量計及び多相流体流量演算方法について、その概略を説明する。
【０００５】
図７は、従来技術によるタービン型質量流量計の一構成例を示す図であり、特許文献２に記載の流量計の一構成例を示す図である。図７中、２は流管（流量計管体）、１４はホモジナイザ、１５，１６は圧力計、１７は差圧計、１８は演算部、１９は出力部、２０は温度計、２１は流管、４１はタービン型質量流量計の主要部、４３，４４はサポートフィン、４５，４６は回転軸、４７は第１翼車、４８は第２翼車、４９，５０は軸受、５１はスプリング、５２，５３はピックアップである。
【０００６】
ここで例示するタービン型質量流量計の主要部４１では、ブレードの取り付け角度θ１の第１翼車４７が、サポートフィン４３で支えられた上流側の軸受４９に回転軸４５で回転自在に支持されている。さらに主要部４１では、第１翼車４７の後流側にスプリング５１で同軸に接続された取り付け角度θ２（θ２＞θ１）の第２翼車４８が、サポートフィン４４で支えられた下流側の軸受５０に回転軸４６で回転自在に支持されている。ここで、第１翼車４７と第２翼車４８のブレードは各々任意の数で等しくなくともよい。翼車の回転は、流管２の各々の翼車の周方向で軸方向に並設されたピックアップ５２，５３により電磁的に検出される。なお、サポートフィン４３，４４は、単に軸受４９，５０を支えるもので格別整流作用は必要としない。
【０００７】
この多相流流量計は、タービン型質量流量計主要部４１の上流側に、流入する多相流を均質に混合するホモジナイザ１４が挿着され、タービン型質量流量計主要部４１の下流に多相流体の温度を計測する温度計２０が挿入された流管２１が接合されている。
【０００８】
ホモジナイザ１４は、タービン型質量流量計主要部４１の上流側の流管２に挿着される部材であり、スタティックミキサ部１４ａ，１４ｂ及び捻れフィン束部１４ｃからなる。スタティクミキサ部１４ａ，１４ｂは、４５°方向に交差し固定された邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントを９０°位相をずらして直列に複数個接続したものである。捻れフィン束部１４ｃは、短冊状のプレートをその長手方向と直角に捻った捻れフィンエレメントをパイプ断面全面にわたって束ね接合したものである。
【０００９】
また、ホモジナイザ１４の上流側２ａ位置の圧力を計測するための圧力計１５と、タービン型質量流量計主要部４１の下流側２ｂ位置の圧力を計測するための圧力計１６がそれぞれ配置され、前述した位置２ａ、２ｂ間の圧力損失ΔＰを計測する差圧計１７と、更に、タービン型質量流量計主要部４１で計測された多相流体の体積流量ＱＭＰと液体質量流量ＧＬおよび気体体積流量ＱＧ，油体積流量ＱＯ，水分体積流量ＱＷ等を演算出力する演算部１８と出力部１９が設けられている。演算部１８での演算方法について、以下にその概略を説明する。
【００１０】
以上のごとく構成された流量計に、質量流量Ｇの流体が矢印方向に流速υで流入したとき、タービン型質量流量計主要部４１においては、スプリング５１で連結された各々の翼車が一体になり、流速υに比例した角速度ωで回転する。また、第１翼車４７と第２翼車４８とはスプリング５１で連結されているので、第１翼車４７と第２翼車４８が流体から受けるトルク差に比例し、スプリング５１のばね定数ｋで定まる捩り偏位角δが生ずる。この捩り偏位角δは、前述した通り、流体から受けるトルク差に比例するが、このトルク差は多相流の質量流量Ｇｍｐに関係するので、捩り偏位角δは多相流の質量流量Ｇｍｐと一定の関係にあることになる。
【００１１】
そして、翼車全体は流速υに比例した角速度ωで回転しているので、ピックアップ５２，５３の検出信号から翼車が偏位角δだけ回転するのに要する時間△ｔを検出し、捩り偏位角δを求める。この時間差△ｔは、総質量流量Ｇｍｐを決定するために使われ、翼車全体の角速度ωは総体積流量Ｑｍｐを決定するために使用される。また、温度計により計測された流体温度Ｔは、液体の密度ρＬを求めるために使用される。そして、この流量計においては、翼車の角速度ω，時間差△ｔ（２つの翼車間に生ずる偏位角δ），流体温度Ｔ，圧力損失△Ｐを測定することによって、それらのデータからベスト値選択プログラムにより、油，水，ガスからなる三相流体の各相の体積流量ＱＯ，ＱＷ，ＱＧを演算し、出力部１９から出力する。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１０−２８１８４５号公報
【特許文献２】
特開２００１−１６５７４１号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のごとく、タービン型質量流量計は、前後の翼車（ロータ）にスプリングを連結して、前後ロータに質量流量に応じたトルク差を発生させ、これをスプリングの撓みに変換し、時間差として測定し、質量流量を得ている。
【００１４】
しかしながら、タービン型質量流量計は、上述のごとく油田やガス田で油井やガス井などの配管に設置して使用される場合が多く、この場合には、生産量の調整，機器の定期点検，坑井の掘り進めなどの理由で流量計の上流側にある弁が閉められ一旦採油（採ガス）が中断されることがある。
【００１５】
この弁が閉められているときには坑井中の油は落下し、ガスで充満されるために弁の直前の圧力は増大しているので、タービン型多相流流量計の上流側の弁を開弁して採油を再開したときには、ガスが暴送し、タービン型質量流量計におけるスプリングに過大荷重（過大トルク）がかかり、スプリングが塑性変形或いは破損してしまうことがある。
【００１６】
実際には、被測定流体の流量を想定してスプリングのばね定数を決めてタービン型質量流量計を設計し、それを油田やガス田で用いることとなる。ここで、（１）スプリングは汎用性のあるものを使用し且つ製作を容易にすること、（２）前後ロータに発生するトルクに対するスプリングの捩り角を大きくすることで、時間差を大きく（例えば、ミリ秒のオーダ）とって安価な検出器を使用すること、などの理由から、スプリングのばね定数はできるだけ小さく（撓みやすくレスポンスが良いように）設定することが重要である。その反面、（１）油田やガス田はその場所や深さによりその産出量の差が激しいこと、（２）上述のごとき過大荷重がかかる恐れがあること、などの理由から、スプリングのばね定数を大きくしておくことも重要である。
【００１７】
上述のごとく、油田やガス田のように気液混合の流れではガスの暴送が起こり易く、ガス流量の想定ミスやコストや検出し易さを優先させた設定により、スプリング（ばね）は塑性変形或いは破損を起こしてしまうこととなる。この現象は、油田やガス田に限らず、同様に突発的な流量の生じ得る様々な設置形態で起こり得る現象である。
【００１８】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、前後の翼車を連結するばねのばね定数が小さい設計であっても、前後の翼車におけるトルク差を検出するばねを、過大荷重に対して保護することが可能な、タービン型質量流量計を提供することをその目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の各技術手段により構成される。
第１の技術手段は、流管の流れ方向の中心軸を中心として回転可能に支持された上流側翼車と、前記中心軸を中心として前記上流側翼車の下流側で回転可能に支持された、被測定流体の流れにより受けるトルクが前記上流側翼車と異なる下流側翼車と、前記上流側翼車と該下流側翼車とを連結するコイルばねと、を備えるタービン型質量流量計であって、被測定流体により受ける前記上流側翼車と下流側翼車との間のトルク差で生ずる、前記上流側翼車に対する前記下流側翼車の相対的な位相角度差を、所定角度までに制限する位相角度差制限機構を備えたことを特徴としたものである。
【００２０】
第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記上流側翼車は、前記中心軸を中心として前記下流側翼車側に延伸する円筒状のボス部を有し、前記下流側翼車は、前記中心軸を中心として前記上流側翼車側に延伸する円筒状のボス部を有し、前記上流側のボス部及び下流側のボス部は、前記中心軸に直交するお互いの位相角度差が前記所定角度で制限されるように円周方向に隙間を持たせて嵌合する嵌合部を有し、前記位相角度差制限機構は各嵌合部により構成されることを特徴としたものである。
【００２１】
第３の技術手段は、第１の技術手段において、前記上流側翼車は、前記中心軸を中心として前記下流側翼車側に延伸する円筒状のボス部を有し、前記下流側翼車は、前記中心軸を中心として前記上流側翼車側に延伸する円筒状のボス部を有し、前記上流側のボス部及び下流側のボス部は、いずれか一方のボス部が他方のボス部内に納まる径をもち、内側のボス部は、外側に向かって後付けされた凸設部を有し、外側の円筒は、前記凸設部を挿入し該凸設部が円周上で前記所定角度分だけ移動可能な長さをもつ孔部を有し、前記位相角度差制限機構は前記凸設部及び孔部により構成されることを特徴としたものである。
【００２２】
第４の技術手段は、第１乃至第３のいずれか１の技術手段において、前記コイルばねは、前記上流側翼車との連結部分である上流側ばね端末と、前記下流側翼車との連結部分である下流側ばね端末とを、双方ヒンジ型，双方直線起こし型，ヒンジ型と直線起こし型との組合わせ、のいずれか１とすることを特徴としたものである。
【００２３】
第５の技術手段は、第１乃至第４のいずれか１の技術手段において、前記コイルばねは、１つのコイルばねからなるシングル構造又は２つのコイルばねを重ねたダブル構造をもつことを特徴としたものである。
【００２４】
第６の技術手段は、第１乃至第５のいずれか１の技術手段において、前記流管内の前記上流側翼車の上流側に挿着された圧力損失が小さく高効率のホモジナイザと、当該タービン型質量流量計における流管内の所定箇所の流体圧を計測する２つの圧力計と、該所定箇所の差圧を計測する差圧計と、前記流管内の被測定流体の温度を計測する温度計と、を備えたことを特徴としたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係るタービン型質量流量計の一構成例を示す図である。図１中、１はタービン型質量流量計の主要部、２は流管（タービン型質量流量計管体）、３，４はサポートフィン、５，６は回転軸、７は上流側翼車（第１翼車）、８は下流側翼車（第２翼車）、９は上流側ボス部、１０は下流側ボス部、１１はコイルばね、１２，１３はピックアップ、１４はホモジナイザ、１４ａ，１４ｂはスタティックミキサ部、１４ｃは捻れフィン束部、１５，１６は圧力計、１７は差圧計、１８は演算部、１９は出力部、２０は温度計、２１は流管である。
【００２６】
本発明に係るタービン型質量流量計は、被測定流体が流れる流管２内に、その主要部１として上流側翼車（前ロータともいえる）７，下流側翼車（後ロータともいえる）８，コイルばね１１に加え、後述する位相角度差制限機構を備え、前後の翼車におけるトルク差を検出するばねを過大荷重に対して保護しながら、気体及び二相の液体からなる三相流体が流れる流管２内の質量流量を、各相を相分離することなく個別に得る画期的な流量計である。なお、被測定流体が、気体と単相の液体とからなる二相流や気体又は液体の単相流であってもその質量流量を測定できることは言及するまでもない。
【００２７】
上流側翼車７は、流管２の流れ方向の中心軸Ｏ−Ｏを中心として回転可能に支持された翼車である。また、下流側翼車８は、同じく中心軸Ｏ−Ｏを中心として上流側翼車７の下流側で回転可能に支持された翼車であり、被測定流体の流れにより受けるトルクが上流側翼車７と異なる必要がある。また、コイルばね１１は、上流側翼車７と下流側翼車８とを連結するばねで、上述のトルク差を撓みに変換するためのコイル状のばねである。換言すると、上流側翼車７及び下流側翼車８は、コイルばね１１で同軸一体に接続され、流れ方向に支持されたブレードの取り付け角度の異なる２つの回転可能な翼車である。
【００２８】
図１の構成例では、上流側翼車７は、平板を上流側ボス部９に回転軸５と平行に複数枚設けてなる平板ブレードを有するものとして図示し、下流側翼車８は、ヘリカル形の板を下流側ボス部１０に回転軸６とブレード角θＢをつけて複数枚設けてなるヘリカルブレードを有するものとして図示している。ここで、上流側ボス部９は、中心軸（回転軸５）を中心として下流側翼車８側に延伸する円筒状の部分であり、下流側ボス部１０は、中心軸（回転軸６）を中心として上流側翼車７側に延伸する円筒状の部分である。なお、回転軸５，６はその支持方法によっては、同じ中心軸を有する別々の軸として構成されても、一体の軸として構成されてもよい。要するに、上流側翼車７と下流側翼車８とが中心軸を中心に被測定流体の流れによって回転し、且つ、コイルばね１１によって連結された２つの受けるトルクの異なる翼車７，８が相対的に回転可能であるよう、構成すればよい。
【００２９】
また、２つのピックアップ１２，１３は、それぞれ、流管２の上流側翼車７，下流側翼車８の周方向で、回転軸５，６方向に向けて並設されたピックアップであり、上流側翼車７，下流側翼車８の位相角度差を電気信号に変換する装置である。
【００３０】
また、本発明の特徴部分である位相角度差制限機構は、被測定流体により受ける上流側翼車７と下流側翼車８との間のトルク差で生ずる、上流側翼車７に対する下流側翼車８の相対的な位相角度差を、所定角度までに制限する機構である。
【００３１】
さらに、図１では、流管２内に、ホモジナイザ１４と、２つの圧力計（圧力計１５，１６で例示）と、差圧計（差圧計１７で例示）と、温度計２０と、を備えるものとして例示している。２つの圧力計１５，１６は、タービン型質量流量計における流管内にある所定箇所の流体圧を計測する圧力計で、差圧計１７はその所定箇所の差圧を計測する差圧計である。また、温度計２０は被測定流体の温度を計測する温度計である。
【００３２】
ホモジナイザ１４は、上流側翼車７の上流側に挿着された圧力損失が小さく高効率のもので、ラインミキサに比べて抵抗係数及び圧力損失が小さく、捻れフィン束部１４ｃでは、ほとんど圧力損失を受けないよう構成されている。また、多相流体が、捻れフィン束部１４ｃを通過する際、各捻れフィンエレメントの表面に沿って流体が流れることにより、流体は回転させられ、せん断力が作用し、多相流体の中に含まれる気泡は、連続的に次々と切断され、微細化され、ホモジナイザ１４の出口では、気泡の大きさが細かく且つ均一なものとなる。そして、それは流管断面全体にわたって同様に作用し、多相流体、特に問題となる気液二相流においては気体と液体が十分に均質に混合されて、あたかも単一相の流体のごとき特性を呈することが分かった。そのため、このホモジナイザを使用することにより、多相流流体の計測において気液体積流量比をボイド率としてあらわし計測することが可能で、各相流量の計測精度の向上が計られる。
【００３３】
また、ホモジナイザ１４は、捻れフィンエレメントが、それに沿って流れる流体に回転運動を与えるが、回転運動は、各捻れフィンエレメント毎に流管断面を分割してそれぞれ独立して発生するため、回転運動による遠心力は互いに打ち消しあって、遠心力のない流れ（旋回流なし）となり、下流には旋回流が発生しないので、整流器等の設置を必要とせず、機器の構成上もより簡便となる。
【００３４】
なお、図１の実施例では、多相流流量計の差圧を取り出すための圧力計の設置箇所を、ホモジナイザ１４の上流側２ａとタービン型質量流量計主要部１の下流側２ｂに配置し、差圧ΔＰを採用したが、多相流流量計が設置された流管２内に配置されたホモジナイザ１４、タービン型質量流量計主要部１の各構成要素に因る圧力損失を計測できる箇所ならどこでもよく、例えば、ホモジナイザ１４の上流２ａ、ホモジナイザ１４とタービン型質量流量計主要部１の間、タービン型質量流量計主要部１の第１翼車７と第２翼車８の間、タービン型質量流量計主要部１の下流のうちの任意の２カ所を選択し、その差圧を演算に採用してもよい。
【００３５】
図２は、図１のタービン型質量流量計における位相角度差制限機構の一例を示す図で、図２（Ａ）はその斜視図を、図２（Ｂ）は嵌合部の断面図である。図２中、９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂは嵌合部、９ｃ，１０ｃはばね連結部、１１ａは上流側ばね端末、１１ｂは下流側ばね端末である。なお、図２においては、回転軸５，６などは図面の簡略化のため図示していない。
【００３６】
図２で例示する位相角度差制限機構は、上流側ボス部９及び下流側ボス部１０が、お互いが所定角度だけ位相角度差を生ずるような円周方向の隙間を持たせて嵌合する上流側の嵌合部９ａ，９ｂ及び下流側の嵌合部１０ａ，１０ｂを有するようにしている。すなわち、図２（Ｂ）の例では、位相角度差制限機構は各嵌合部９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂにより構成されることとなり、相対的な位相角速度の制限は、図２（Ｂ）における回転中心から見ると、嵌合部９ａの右側と嵌合部１０ｂの左側とが当接し、嵌合部９ｂの右側と嵌合部１０ａの左側とが当接することで行われる。ここで、当接するまでの稼動角度はαとなっており、例えば各嵌合部の角度を５５°とするとα＝７０°となる。また、図２では、位相角度差制限機構として、上流側ボス部９，下流側ボス部１０のそれぞれに同径の２つの嵌合部をもつものとして例示したが、一方に凸部を有し、その凸部が相対位相角度差を生ずるだけの凹部を他方に有するようにしてもよいし、双方に２つ以上の嵌合部をもたせてもよい。
【００３７】
上流側ボス部９には、コイルばね１１の上流側にあるヒンジ型の端末（上流側ばね端末）１１ａが挿入可能な穴がばね連結部９ｃとして設けられており、下流側ボス部１０には、コイルばね１１の下流側にあるヒンジ型の端末（下流側ばね端末）１１ｂが挿入可能な穴がばね連結部１０ｃとして設けられている。そして、コイルばね１１は、双方のボス部９，１０が嵌合部で嵌合された状態で、その周囲に位置することとなる。
【００３８】
また、コイルばね１１に関し、上流側翼車７との連結部分である上流側ばね端末と、下流側翼車８との連結部分である下流側ばね端末とを、図２に示したようにヒンジ型同士にする以外には、直線起こし型同士，図６の３１ａ，３１ｂで後述するような直線起こし型とヒンジ型との組合わせのいずれでも採用可能である。また、ボス部９，１０の単面よりねじ込むねじ込み型同士やねじ込み型とヒンジ型又は直線起こし型との組み合わせでもよい。上流側ボス部９と下流側ボス部１０との直径の違いや、コイルばねとの連結部分の形状などにより、適宜、ばねの端末の形状を選択するとよい。さらに、コイルばねの他に、トーションバーも採用可能である。
【００３９】
また、上流側翼車７と下流側翼車８とを連結するコイルばねは、図１及び図２で図示したように１つのコイルばねからなるシングル構造をもつものでなくとも、２つのコイルばねを重ねたダブル構造をもつものでもよい。ただし、ダブル構造を採用した場合、ばね力をバランスさせることが可能であるが、コイルばねの端末は２つ増えるので、ばね連結部（ばね端末挿入穴）９ｃの軸対称位置と、ばね連結部（ばね端末挿入穴）１０ｃの軸対称位置とに、ばね端末挿入穴等のばね連結部を設けるとよい。
【００４０】
本実施形態によれば、上述のごとき構成により、上流側ボス部９と下流側ボス部１０は、コイルばね１１によりその受けるトルクに従って相対的に位相角度差が生ずるが、位相角度差制限機構によりその位相角度差が制限され、結果として、コイルばね１１に一定以上のトルク（ばねの比例限界内以上の荷重）が作用した時にも、それ以上コイルばね１１に荷重が作用することがなくなる。
【００４１】
次に、本発明に係わる位相角度差制限機構（トルクリミッタ機構ともいえる）の効果を確認する試験結果を示す。
図３は、本発明に係わる位相角度差制限機構の試験時に用いたヒンジ型コイルばねを説明するための図である。また、図４及び図５は、本発明に係わる位相角度差制限機構付タービン型質量流量計とばね角度との関係を説明するためのグラフ図で、図４は、従来のタービン型質量流量計におけるばねの塑性を説明するためのグラフ図、図５は、本発明の位相角度差制限機構を採用したタービン型質量流量計におけるばねの塑性を説明するためのグラフ図である。
【００４２】
また、今回の試験は、本発明の位相角度差制限機構付きのタービン型質量流量計（図５参照）だけでなく、比較の為、従来の制限機構無しのタービン型質量流量計（図４参照）をも、実液ラインに取付け、実液を流して上流側翼車及び下流側翼車にトルクを発生させた。そして、過大質量流量を双方のタービン型質量流量計に供給することで上下流の翼車に対して過大トルクを与えた。但し、双方の流量計とも、後述するヒンジ型コイルばね（図３参照）を用いている。
【００４３】
今回の試験は、オーバル容積式流量計３１型，３４型を校正流量計として用い、ばねの撓み角はこの流量計に組み込まれた電磁式ピックアップを用い、トルク及びばね撓み角の予想値演算には、この流量計に接続された専用フローコンピュータを用いた。
【００４４】
試験には、図３に示すヒンジ型コイルばね１１を用いた。図３のヒンジ型コイルばね１１の形状・寸法は、図面横方向の長さを７６．８（±１．５）ｍｍ、内径を３４．８（±０．２）ｍｍ、ピッチ巻きでその巻き数を１４．５回、巻きのピッチを６．２ｍｍ、２つのヒンジ部分の外側から内側への引っ込み部分の長さを１５．５（±０．３）ｍｍ、２つのヒンジ部分の間の角度（アーム対向角）は１８０（±５）°、２つのヒンジ部分の曲がり部分の局率半径は５ｍｍとし、材質は、ＳＵＳ３１６ＷＰＡとし、そのばね定数を０．１０４３Ｎ・ｍ／度、ばねの許容限界トルク（撓み角）を６．３Ｎ・ｍ（６６°）としている。なお、コイルばねは、各ボス部に対する内径の遊びと流れ方向の遊びとを適切な値にして、後述する「質量流量ＱＬ−撓み角θ」特性の向上をはかった。
【００４５】
図４でその結果を示す、従来のタービン型質量流量計におけるばねは、質量流量を増していくにつれ、「質量流量ＱＬ−撓み角θ」特性の予想カーブ（図４の予測カーブ）に従って角度θが増していく（ばね変形無し特性（＋））。なお、この試験では、質量流量６．２〜４８ｋｇ／ｓ、予想トルク０．２〜１０Ｎ・ｍ、ばね撓み予想角２．５〜１０３°とした。
【００４６】
しかしながら、３８ｋｇ／ｓ（塑性変形分岐点６６°，トルク６．３Ｎ・ｍ）より質量流量が増えた時点で予想カーブから上にずれて塑性変形を起こしていることが分かる。一旦塑性変形を起こしたばねは、質量流量を３８ｋｇ／ｓ以下にしても元に戻らず、図４の一番下のカーブ（予想カーブθ＝０．０９６９ＱＬ１．８）からずれ、下から二番目の変形カーブ、さらには下から３番目の変形カーブに従って、撓み角θは変化し、以前の値を再現していない。その場合、流量計の計測値はプラス側にずれ、その値は流量計の許容精度をはるかに超えることがあり、この試験から、トルクリミッタ設計角度を例えば５５°辺りにしておけばコイルばねの塑性変形を生じさせないことが分かる。なお、図４中、特に楕円で示した部分の実験結果を見ると、塑性変形が生じているのがよく分かる。
【００４７】
この試験を踏まえ、図５でその結果を示す、本発明の位相角度差制限機構を採用したタービン型質量流量計におけるばねの塑性を試験する。ここでのばねは、「質量流量ＱＬ−撓み角θ」特性の予想カーブ（図５中のカーブ）に従って角度θ（θ＝０．０９６９ＱＬ１．８）が増していく。なお、この試験では、質量流量６．２〜６９ｋｇ／ｓ、予想トルク１．９〜２１Ｎ・ｍ、ばね撓み予想角２．５〜２１６°とした。
【００４８】
しかしながら、リミッタ角度（撓み角の制限角度）が４０°，４５°，５５°に設定された３種類の流量計に対して試験を行った結果、図４で示した試験と異なり、それぞれの設定角に応じて、質量流量の増加によっても実測の撓み角は３７．４°，４６．１°，５４．７°を分岐点として増えなかった。さらに、いずれもの場合でも、計測ばね撓み角度は予想リミッタ設定角度付近でストップし、その後、流量を下げた時にも、ばね撓み角度は以前の角度を再現した。すなわち、過大トルクを前後のロータに与えても、リミッタによってコイルばねは保護されていることが分かる。設定角は、コイルばねの許容限界角度が６６°なので、安全を考慮すると５５°付近が現実的と思われる。
【００４９】
図６は、本発明の他の実施形態に係るタービン型質量流量計における位相角度差制限機構の一例を示す図である。図６中、２９は上流側ボス部、２９ａ，２９ｂは孔部、２９ｃ，３０ｃはばね連結部、３０は下流側ボス部、３０ａ，３０ｄはビス、３０ｂ，３０ｅはビス穴、３１はコイルばね、３１ａは上流側ばね端末、３１ｂは下流側ばね端末である。
【００５０】
ここで例示する実施形態では、上流側ボス部２９及び下流側ボス部３０はいずれか一方のボス部（下流側ボス部３０で例示）が他方のボス部（上流側ボス部２９で例示）内に納まる径をもつものとする。内側のボス部３０は、外側に向かって後付けされた凸設部（例えばボス部３０に螺入させるネジ等）３０ａ，３０ｄを有し、外側の円筒２９は、凸設部（ネジ付きビス３０ａ，３０ｄで例示）を挿入する孔部２９ａ，２９ｂ（ビス穴３０ｂ，３０ｅで例示）を有する。孔部２９ａ，２９ｂは、凸設部３０ａ，３０ｄが円周上で所定角度分だけ移動可能な長さをもつを細長の切欠き部であり、位相角度差制限機構は凸設部３０ａ，３０ｄ及び孔部２９ａ，２９ｂにより構成される。ここで、凸設部及び孔部は一組でもよいが、その機構上の安定性から、図６で例示したように複数設けることが好ましい。
【００５１】
なお、図６では、コイルばね３１の上流側ばね端末３１ａを直線起こし型、下流側ばね端末３１ｂをヒンジ型とし、上流側ボス部２９の内部のばね連結部２９ｃに直線起こし型の上流側ばね端末３１ａを指し込み、下流側ボス部３０のばね連結部３０ｃにヒンジ型の下流側ばね端末３１ｂを指し込み、上流側ボス部２９内にコイルばね３１を挟んで下流側ボス部３０を挿入した例を示している。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、タービン型質量流量計における前後の翼車を連結するばねのばね定数が小さい設計であっても、前後の翼車におけるトルク差を検出するばねを、過大荷重に対して保護することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るタービン型質量流量計の一構成例を示す図である。
【図２】図１のタービン型質量流量計における位相角度差制限機構の一例を示す図である。
【図３】本発明に係わる位相角度差制限機構の試験時に用いたヒンジ型コイルばねを説明するための図である。
【図４】本発明に係わる位相角度差制限機構付タービン型質量流量計とばね角度との関係を説明するためのグラフ図で、従来のタービン型質量流量計におけるばねの塑性を説明するためのグラフ図である。
【図５】本発明に係わる位相角度差制限機構付タービン型質量流量計とばね角度との関係を説明するためのグラフ図で、本発明の位相角度差制限機構を採用したタービン型質量流量計におけるばねの塑性を説明するためのグラフ図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係るタービン型質量流量計における位相角度差制限機構の一例を示す図である。
【図７】従来技術によるタービン型質量流量計の一構成例を示す図である。
【符号の説明】
１…タービン型質量流量計の主要部、２…流管（タービン型質量流量計管体）、３，４…サポートフィン、５，６…回転軸、７…上流側翼車（第１翼車）、８…下流側翼車（第２翼車）、９，２９…上流側ボス部、９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ…嵌合部、９ｃ，１０ｃ，２９ｃ，３０ｃ…ばね連結部、１０，３０…下流側ボス部、１１，３１…コイルばね、１１ａ，３１ａ…上流側ばね端末、１１ｂ，３１ｂ…下流側ばね端末、１２，１３…ピックアップ、１４…ホモジナイザ、１４ａ，１４ｂ…スタティックミキサ部、１４ｃ…捻れフィン束部、１５，１６…圧力計、１７…差圧計、１８…演算部、１９…出力部、２０…温度計、２１…流管、２９ａ，２９ｂ…孔部、３０ａ，３０ｄ…ビス、３０ｂ，３０ｅ…ビス穴。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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