(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入口と流出口を有し、流体の流量を計測する羽根車を流入口と流出口に対して縦方向に配置した縦型ウォルトマン式流量計において、
流入口から導入される被計量流体を羽根車の軸方向に沿う向きに流れを変えて、被計量流体を羽根車に当てて計量するとともに、流入口の中心線の延長線に対し前記羽根車に近い側を上側、羽根車から遠い側を下側とし、かつ流入口の断面積をＳ１、羽根車に対する下側からの導入部の断面積をＳ２としたとき、Ｓ１からＳ２に至るまでの断面積の変化として、Ｓ２／Ｓ１が０．７〜１．４とされたことを特徴とする流量計。
【請求項２】
前記被計量流体をＬ字状管部により羽根車の軸方向に沿う向きに流れを変え、Ｌ字状管部の曲がり部に、その曲がりに対応する湾曲形状を有する整流板を備える請求項１に記載の流量計。
【請求項３】
前記羽根車の流体入口側に近接して整流器が設けられ、前記湾曲形状の整流板はその整流器と一体的に設置されている請求項２に記載の流量計。
【請求項４】
前記Ｌ字状管部の曲がり部に、その曲がりに対応する湾曲形状を有する整流板を備え、その整流板はＬ字状管部と一体的に形成されている請求項３に記載の流量計。
【請求項５】
前記羽根車の流体入口側に近接して整流器が設けられ、その整流器のボス部を支える整流板が２〜４個とされた請求項１ないし４のいずれか１項に記載の流量計。
【請求項６】
前記羽根車の流体入口側に近接して整流器が設けられ、その整流器の流体流入口の内径側へ、そこを通る流体に大容量域で絞り効果による縮流を生じさせるエッジが付けられた請求項１ないし５のいずれか１項に記載の流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水道メータ等の流量計に関し、特に縦型ウォルトマン式流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の、縦型ウォルトマン式流量計は、図１６に示すように、ストレーナ１０６を通過した後、補足管１０２を通って、下ケース流入口１０３から入った被計量流体は、Ａ部分で一度下に下がり、流体の量を計測する羽根車の下にある滞留部分Ｂへ到達後、上昇する。流れが乱れた被計量流体は整流器１０４に設置してある放射状の整流板１０５で整流され、ビポット１０６に設置してある羽根車１０７を回転させて、Ｃ部で再び下方に流れを変えて下ケース流出口１０８に向かう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、流量計内を流れる流体は、通過面積の拡大、縮小の繰り返し、整流器に設置してある数多くの整流板の影響で圧力損失が大きく、このことが容量が小さくなる原因や、ピークの出る器差の原因になっていた。
【０００４】
また、整流板を設置しすぎると圧力損失が大きくなったり、器差のピークが大きな流量から出始める問題があるため、流れが乱れるところに最小数の整流板を設置することによって効果的に整流させる必要があった。また、下ケースと整流器、整流板の組み合わせによって中心がずれることがあり、そのため偏流が発生してピークが出る器差の原因となっていた。
【０００５】
本発明の課題は、流量計内の被計量流体の通過面積の拡大・縮小の繰り返し、整流器の数多くの整流板等に起因する容量の低下や器差のピークの発生を緩和する流量計を提供することにある。またこの発明の別の課題は、整流器に設置された数多くの整流板の影響で圧力損失が大きくなることを軽減し、また器差のピークが大きな容量から出始める問題を緩和ないし防止する流量計を提供することにある。さらにこの発明の別の課題は、下ケースと整流器、整流板の組み合わせの際の中心をずれにくくし、偏流の発生ひいては器差のピークの発生を抑制する流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
この発明は、流入口と流出口を有し、流体の流量を計測する羽根車を流入口と流出口に対して縦方向に配置した縦型ウォルトマン式流量計において、
流入口から導入される被計量流体を羽根車の軸方向に沿う向きに流れを変えて、被計量流体を羽根車に当てて計量するとともに、流入口の中心線の延長線に対し前記羽根車に近い側を上側、羽根車から遠い側を下側とし、かつ流入口の断面積をＳ１、羽根車に対する下側からの導入部の断面積をＳ２としたとき、Ｓ１からＳ２に至るまでの断面積の変化として、Ｓ２／Ｓ１が０．７〜１．４とされたことを特徴とする。
【０００７】
このように、流体の経路の通過断面積の変化をほぼ一定ないしその変化を小さくすることにより、流量計に対する流体の導入から羽根車に至る流路の通過面積の拡大・縮小の繰り返しに伴う流れの乱れや圧力損失が改善され、流量計の容量の増大を図り、また器差のピークを緩和することができる。Ｓ２／Ｓ１の値は、上記の範囲から外れると、流れの乱れや圧力損失を改善する効果が得られにくいので、上記範囲内に設定するのがよい。
【０００８】
また、被計量流体をＬ字状管部により羽根車の軸方向に沿う向きに流れを変え、Ｌ字状管部の曲がり部に、その曲がりに対応する湾曲形状を有する整流板を備えるようにすれば、流体はいっそうスムーズに流れ、その流れの乱れが少なく、圧力損失も軽減されるから、流量計の容量がさらに高まり、また器差（流量計の計量の許容公差）をいっそうフラットなものとできる。
【０００９】
また、羽根車の流体入口側に近接して整流器が設けられ、前記湾曲形状の整流板を、その整流器と一体的に設置すれば、部品点数を減らすことができ、部品点数が増えることによるコストアップを防ぐことが可能となり、かつ整流板の形成や設置も容易である。
【００１０】
逆に、前記Ｌ字状管部の曲がり部に、その曲がりに対応する湾曲形状を有する整流板を、そのＬ字状管部と一体的に形成するものとすれば、曲がり部に設置される整流板を整流器とは分離して作ることによって、一体では樹脂成形が不可能、あるいは樹脂成形型が複雑になってしまうような形状に対しても、目的の形状を作成できるようになる。
【００１１】
また、羽根車の流体入口側に近接して設けられる整流器のボス部を支える整流板を、２〜４個とすることで、過度の整流化に伴う圧力損失を軽減し、器差のフラット化に寄与する。
【００１２】
さらに、羽根車の流体入口側に近接して整流器が設けられ、その整流器の流体流入口の内径側へ、そこを通る流体に大容量域で絞り効果による縮流を生じさせるエッジが付けられる場合は、小流量域と大流量域での器差のバランスがよくなり、これも別の意味で器差のフラット化に寄与する。
【発明の実施の形態】
【００１３】
次に、この発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。
以下の例は、例えば水道メータに適用される流量計であり、その場合の被計量流体は水である。
【００１４】
図１及び図２において、流量計１は、補足管１０と、その補足管１０が接続された本体部２とを備え、本体部２は下ケース１１と、その下ケース１１の上部に設けられた計量装置３とを含む。下ケース１１は、補足管１０とジョイント４により連結された直管状の流入管部分１２と、その直管状の流入管部分１２から所定の曲率半径で直角に曲げられたＬ字管状の曲がり部として曲管部（以下、Ｌ字状管部又はＬ字状管ともいう）１６と、計量室１７の羽根車１５を経た被計量流体を導くＬ字管状の流出管部分５とを備える。
【００１５】
下ケース１１内の計量室１７は、曲がり部（Ｌ字管部）１６の垂直管部分の上端に位置し、この計量室１７内に垂直方向のピボット（回転支持軸）１４により羽根車１５が水平面内で回転可能に収容されている。羽根車１５の中心部には下向きに開口する中心穴６が形成され、この中心穴６（図３）がピボット１４に緩く嵌合するともに、そのピボット１４の先端で羽根車１５が回転可能に支持される。羽根車１５は自身の中心線のまわりに螺旋状にねじれた複数の羽根１５ａを備え、ほぼ垂直下方から流入する被計量流体により回転する。
【００１６】
羽根車１５を回転させつつそこを通過した被計量流体は、計量室１７の外周の開口から羽根車１５の半径方向外方へ流出し、Ｌ字管状の流出管部分５により垂直下方から水平方向に所定の曲率で方向を変え、下流に導かれる。被計量流体の流量にほぼ比例する羽根車１５の回転数は、電子的又は機械的に流量に変換されて計量装置３で計量され、所定の流量の表示がなされる。
【００１７】
羽根車１５の下側に近接して下ケース１１には整流器１３が固定されている。整流器１３は環状をなして、その環状内に例えば放射状に又はそれ以外の配列携帯で複数の整流板を有し、また中心部に上記ピボット１４を備えて、羽根車１５の支持機構を兼ねている。下方から導かれる被計量流体はこの整流器１３を通過することにより、その整流板で整流された後、羽根車１５に当たるようになっている。
【００１８】
この流量計１において、補足管１０と直管状の流入管部分１２（流入口）は水平方向で同軸上にあり、さらに流出管部分５（流出口）も同軸上にある。言い換えば、補足管１０及び流入管部分１２等の中心線の延長線に対し、羽根車１５に近い側を上側、羽根車１５から遠い側を下側としたとき、補足管１０から流入管部分１２を経て導入される被計量流体を下向きに下げることなく、まっすぐ水平に導入し、そのままＬ字状管部（Ｌ字管）１６により羽根車１５の軸方向に沿う向き（垂直上方）に流れの方向を変えて、被計量流体を羽根車１５に当てて計量する構成である。
【００１９】
また、この流量計１においては、流入管部分１２の流路断面積（流入口の断面積）をＳ１、羽根車１５に対する下側からの導入部の断面積（整流器１３の内径又は羽根車１５の外径に対応する断面積とも言える）をＳ２としたとき、Ｓ１からＳ２に至るまでの断面積の変化として、Ｓ１とＳ２とはほぼ等しくなるように、あるいは等しくなくとも両者の差は所定値以下とされている。すなわち、Ｓ１からＳ２に至るまでの断面積の変化として、Ｓ２／Ｓ１は０．７〜１．４の範囲に規定される。
【００２０】
ストレーナ９及び補足管１０を通過した被計量流体は、下ケース１１へ入る。流入口部分１２は補足管１０から続く直管を延長するように延びていき、整流器１３に設置してあるピボット１４上の羽根車１５に、被計量流体が垂直に当たるように、上述のようにＬ字管のごとく直管が所定の曲率で直角に曲げられて、Ｌ字状管部１６とされる。その際、羽根車１５の羽根車外径や計量室１７及び整流器１３の内径が補足管１０の内径と同寸法になっていない場合、下ケース流入口１２から続く関係管径を羽根車１５や計量室１７内の直径に合わせるために、補足管１０から続く直管部分（流入管部分）１２で徐々に目的の管径へ変化させてもよいし、Ｌ字状管部１６の部分で変化させてもよい。またＬ字状管部１６の曲率半径は、圧力損失や器差性能への影響を考慮すると、流量計の高さと長さが許す限りできるだけ大きくとる方がよい。
【００２１】
上述の整流器１３は、Ｌ字状管部１６において水平から垂直に所定の曲率半径でほぼ直角に曲がり終えた部分に設けられている。図２に示すように、そのＬ字状管部１６の曲がり部には、被計量流体の流れを乱さないための整流板１９が配置される。整流板１９は、Ｌ字状管部１６の曲がり部の曲率にほぼ対応する曲率の曲がり（湾曲形態）を有し、Ｌ字状管部１６の管壁の曲がりに沿って所定長さ延びるものである。整流板１９の凹曲面側の板面には、その整流板１９と垂直に交わるリブ２１がＬ字状管部１６の中心線と平行な方向に延びるように形成されている。
【００２２】
図３に示すように、上記整流板としては、適数（例えば１〜４枚、好適には３枚程度）のものを用いることができ、複数設ける場合は、複数の整流板２０が所定の間隔、かつ同様の曲率半径で互いにほぼ平行に設けられる。また、各整流板２０と垂直に交わるように（Ｌ字状管部１６の中心線と平行な方向に延びるように）、整流板２０の幅方向の中間に適数（例えば１枚）のリブ２１が、各整流板１９にまたがり、それらと一体的に形成されている。言い換えればリブ２１が各整流板２０を連結して一定の強度を確保する。これらの整流板２０（又は前述の１９）は、整流器１３の下端部に連結されて、その整流器１３によって位置固定に支持されている。
【００２３】
このような整流板は、上述のように、例えば曲がり部がＬ字状管部１６ならば、Ｌ字状管部１６の曲率半径に合わせて、圧力損失を最小にするように、平行な整流板２０の枚数を多くしてもよい。その整流板２０と垂直に交わるリブ２１は、圧力損失を大きくしないために、整流板２０の強度を保つ最小形状であることが望ましい。また、複数の整流板２０は、上述のようにＬ字状管部１６の曲がり部に設置することが望ましい。
【００２４】
なお、図４に示す整流板２２のように、流入側の曲がり部分又はＬ字状管部に設置するばかりではなく、流出側の曲管部（流出管部分）５に合わせて設置してもよい。つまり、流出管部分５の曲率にほぼ対応するように、下側に凸となる凸曲面状の湾曲形態の整流板２２を、単独で、又は流入管部分１２側のＬ字状管部１６の曲がり部の整流板１９又は２０と併せて、設けることができる。流出口側にこのような整流板２２を設ける場合は、整流板２２の強度を考慮すると、下ケース２３と一体的に、又は鋳造等で一体に、整流板２２を製作することが最も好ましい。以上の整流板１９、２０、２２はＬ字状管部１６を有する流量計に設置する場合を想定しているが、図５に示す整流板２４のように、従来タイプの管形状の流量計へ設置してもよい。ここで図５（図１６も同様）の管形状は、流入口から進入する流体が曲がり管部でいったん下に下がって羽根車の下方へ至り、その曲がり管部の下部で滞留しつつ上昇して羽根車に当たるタイプのものであり、その曲がり管部に対応して整流板２４を設置することができる。
【００２５】
さらに、図６の示すように曲がり部に設置された整流板２５は、整流器２６と一体で作ることによって部品点数を減らすことができ、コストアップを防ぐことができる。この例では、整流器２６の中心近傍部分が下向きに突出した形態の下側突出部とされ、その下側突出部と一体的に整流板２５（これは図２又は図３の整流板１９又は２０と同様の形態のもの）が設けられる。その場合、整流板２５と整流器２６とを樹脂の一体成形で得ることができる。その図の例は、曲がり管部がＬ字状管１６であるが、図５で示した従来タイプの管形状を有する流量計に適用してもよい。
【００２６】
これとは逆に、Ｌ字状管部１６の曲がり部に設置された整流板１９又は２０は、整流器１３と分離してつくることによって、一体では不可能であり、成形型が複雑になってしまうような形状に対しても、作成できるようになる（図２）。分離して作成した整流板１９又は２０を設置する方法は、例えばネジ２７で整流器１３のボス部７（整流器１３の中心側を構成し、ここから例えば放射状に又はそれ以外の配列携帯で整流板（整流羽根）が形成される）に止める方法（図２）、ネジ２７とナット２８によって整流板１９又は２０を整流器１３のボス部７に止める方法（図３）、インロー２９を作ってはめ合わせる方法（図７）、スプリングで止める方法などがある。
【００２７】
インロー２９は整流板１９又は２０の一部（例えば上端部）に、固定用連結部として形成されるもので、その固定用連結部２９を、Ｌ字状管部１６と整流器１３のハウジング（計量室１７のケース）との接合部に挟み込んで固定する。固定用連結部２９を挟み込むために、Ｌ字状管部１６及び／又は整流器１３の端部には、係合段部８が形成され、上記固定用連結部２９はその係合段部８に嵌め込まれ、シール９を介して整流器１３とＬ字状管部１６との間で挟み込まれて保持される。以上の例は、図５に示した従来タイプの管形状の流量計に適用してもよい。
【００２８】
図１２に示すように、Ｌ字状管部１６の曲がり部に設置する整流板（１９で代表させる）を整流器１３へ設置させる場合、組立性を考慮すると、整流板１９の先端３０は円形になり、小さくなる。それを解消するために、図８に示すように、整流板３１（形態は前述の整流板１９等と同様）を下ケース３２と一体に製作することができる。つまり下ケース３２の管壁と一体に鋳造等で整流板３１を形成し、整流器１３と一体的に製作する場合のような形状の小型化を解消する。
【００２９】
その場合、図８のように、整流板３１をＬ字状管部１６の曲がり部３３だけに設置する態様と、図９のように流入管路の直管部分３５から曲がり部３３の連続する整流板３４を下ケース３５と一体に設置する態様があるが、曲がり部３３だけに設置する方が被計量流体への壁面による摩擦抵抗を少なくする点で好ましい。以上の例は曲がり部分がＬ字状管１６の流量計をあげているが、図５に示した従来タイプの管形状を有する流量計にも適用することができる。
【００３０】
さらに、図１０Ａ〜図１０Ｂに示すように、羽根車１５の直下にある整流器３６の整流板３７を２〜４枚にすることができる。図１０Ａの例は、４枚の整流板３７を９０度の等角度間隔で（十字状に）整流器３６のボス部７に設置したものである。図１０Ｂの例は、その４枚のうちの１枚を省略し、非対称に３枚の整流板３７を設けたものである。さらに図１０Ｃの例は、上記４枚の整流板３７のうち整流器３６の中心に関して両側の２枚の整流板３７を廃止し、ボス部７を挟んで半径方向に２枚の整流板３７を１８０度の角度間隔で設置したものである。
【００３１】
このように整流板３７の枚数を少なくすること（従来は６枚〜１０枚程度が普通）により、器差のフラット性を増すことができる。なお、Ｌ字状管部１６（曲がり部分）に複数枚の整流板２０を配置した場合、整流器のボス径（ボス部７）を支えるために設置してある整流板３７とは接しない整流板２０（中央のものを除くａ、ｂで示す両側のもの：図３）と羽根車１５との距離は、５ｍｍ以上離れていることが好ましい。以上の例は曲がり部分がＬ字状管１６の流量計をあげているが、図５に示した従来タイプの管形状の流量計にも適用することができる。
【００３２】
図１１に示すように、整流器４０の入口部又はそれより上流に（上側に）、Ｌ字状管部１６の管内径より狭い流路を付与するために、そのＬ字状管部１６の垂直管部（上部）の中心線とほぼ直角な開口端面（エッジ）４１を形成することができる。このエッジ４１は、Ｌ字状管部１６から羽根車１５へ向かう被計量流体の流れに対する抵抗となり、その流路壁面から内側へ入り込んで位置する段状の絞り部（流路に対してほぼ直角な面から形成される整流器４０の下側（入口側）開口端面）となるものである。
【００３３】
言い換えれば、エッジ４１は、Ｌ字状管部１６から羽根車１５に向かう被計量流体の流れの直径（流路断面積）を狭めて、縮径流（縮流）を生じさせる縮流付与部として機能する。このエッジ４１（縮流付与部）による縮径作用は、被計量流体の流速が小さい場合は弱く、流速が大きいほど強くなる。そして縮径作用が強くなれば、絞り効果により流速が増大し、羽根車１５を回す力も大きくなるから、大容量（高流速）域ほど計量の感度を増加させるように作用すると言える。
【００３４】
そして、整流器４０の入口より上流で発生した偏流は、整流器４０の流入口内径のエッジ４１により発生する縮流によって、かき消されるため、計量への影響が小さくなる。また、上記のように、大容量ではエッジ４１による縮流によって流速が早くなり、逆に小流量ではエッジ４１による縮流は発生しないため、見かけ上のピークが下がる。以上の２点の効果によって、フラットな器差を実現することができる。
【００３５】
この例は、流入口から導入される被計量流体を下側に下げることなしにＬ字状管部により羽根車の軸方向に沿う向きに流れを変えて、被計量流体を羽根車に当てて計量する管形状の流量計であるが、前述のように（図５）、流入口から進入する流体が曲がり管部でいったん下に下がって羽根車の下方へ至り、その曲がり管部の下部で滞留しつつ上昇して羽根車に当たるタイプのものにおける流量計の整流器にも、上述のエッジ４１を形成し、大流量域において積極的に縮流を生じさせ、上述の効果を得るようにすることもできる。
【００３６】
上記のように、流入口１２側から羽根車１５へと導く被計量流体の管路を、下側に下がることなく、水平から垂直へとＬ字状管部１６で直角に曲げるようにし、また流入側から羽根車１５までの断面変化を小さくした（滞留部をなくした）ことにより、流路の折れ曲がり部分が少なく、また滞留部がほとんどなく、さらに流体の流れの乱れが少なくなり、圧力損失が減少する。その結果、流量計の容量が大きくなった。具体的には、従来品の容量が４２（ｍ３／ｈ）であるのに対し、本発明品では５６（ｍ３／ｈ）に容量がアップすることが認められた。
【００３７】
また、上記のような流量計の曲がり部（Ｌ字状管部１６の曲がり部）に、その曲がりに沿って湾曲する整流板（代表的に１９、２０等）を設けた実施例では、上記に加えて被計量流体の流れがいっそうスムーズになる。そのため図１３に示すように、器差（流量計の計量誤差（公差））のピークが実質的に生じない流量計となる。ちなみに従来品では、小流量域で器差のピークが生じているが、この発明の流量計ではそのような器差のピークが存在しないことがわかる。
【００３８】
また、図１，２のような管路構造に加え、前述の図１０Ａ〜図１０Ｃに示したように、整流器３６の整流板３７（リブ）を２〜４枚に設定した場合には、必要以上の整流化に伴う圧力損失が軽減されたこと等により、図１４に示すように、中流量域から大流量域にかけての器差がきわめて小さくなることが認められた。
【００３９】
また、図１１に示したようなエッジ４１を形成したことにより、小流量域では縮流がほとんど起こらず、大流量域で縮流が生じる。その結果、図１５に示すように、エッジ４１がないものでは、比較的小流量域の器差が大きいのに対し、エッジ４１があるものでは、その小流量域での器差が小さくなる効果が得られることがわかった。
【００４０】
以上は、図２等で補足管１０が水平配置で、羽根車１５が垂直配置となるものとして縦型ウォルトマン式流量計の実施例を説明した。もちろん図２等の配置で流量計が設置され、固定されるのが一般的ではあるが、図２等に示した縦型ウォルトマン式流量計において、補足管１０が垂直等の上下配置になるように９０度等の角度範囲で倒立させた姿勢で設置・固定される場合もある。前記説明における上下、あるいは水平・垂直等の表現は、説明を簡単にするための便宜上のもので、発明の本質を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の実施例である流量計の外観を示す図。
【図２】その全体断面図。
【図３】図２の第１の変形例（複数の整流板の例）を示す断面図。
【図４】図２に第２の変形例（流出側に整流板を配置した例）を示す断面図。
【図５】従来タイプの管形状の流量計の曲がり管部に対応して湾曲形状の整流板を設けた例を示す断面図。
【図６】図２の第３の変形例（整流板を整流器と一体にした例）を示す断面図。
【図７】図２の第４の変形例（請求遺体を整流器へインローで設置する例）を示す断面図。
【図８】図２の第５の変形例（整流板を下ケースに設置する例）を示す断面図。
【図９】図２の第６の変形例（下ケースに設置した整流板を流入口まで延ばした例）を示す断面図。
【図１０】図１０Ａは、整流器にリブ（整流板）を４個形成した例を示す図、図１０Ｂは、整流器にリブ（整流板）を３個形成した例を示す図、図１０Ｃは、整流器にリブ（整流板）を２個形成した例を示す図。
【図１１】整流器の流入口の内側にエッジを形成した例を示す断面図。
【図１２】整流器と一体の整流板の例を示す斜視図。
【図１３】図１、図２に示す実施例の効果を示すグラフ。
【図１４】図１０Ａ〜図１０Ｃに示す実施例の効果を示すグラフ。
【図１５】図１１に示す実施例の効果を示すグラフ。
【図１６】従来例を示す全体断面図。
【符号の説明】
【００４２】
５    流出管部分（流出口）
１０  補足管
１１  下ケース  
１２  流入管部分（流入口）
１３、２６、３６  整流器
１５  羽根車
１６  Ｌ字状管部
１７  計量室
１９、２０、２２、２４、２５、３１、３４、３７、３８、３９  整流板
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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