(57)【要約】【課題】  羽根車と、該羽根車を内装している計量室の寸法とを一定の関係に保つことによって、流量計の器差をフラットにすることである。【解決手段】  流量計１の計量室７において、羽根車１０が占める面積Ｓ１と、水が通過する領域の面積Ｓ２との面積割合Ｒ（Ｒ＝Ｓ１／Ｓ２）が０〜０．１６（好ましくは０〜０．０６）の間に存するように、羽根車１０のボス部１２の外径、各羽根１１の厚みｔ、長さＬを設定し、前記水が通過する領域の面積Ｓ２に対して前記羽根車１０が占める面積Ｓ１を小さくして、大流量域における羽根車１０の回転をスムーズにすることにより、小流量域における器差のピークを小さくする。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入口と流出口を有し、ボス部から半径方向に延設され、流体の流れによって回転する羽根車の羽根が、前記流体の流れ方向の中心軸を中心としてねじれた形状の流量計において、
前記羽根車が内装される計量室を、前記流体の流れ方向と直交する面で切断し、計量室の内径をＤ１、羽根車のボス部の外径をD２、羽根の枚数をｎ、羽根の厚みをｔ、円周率をπとしたとき、
０＜２ｔｎ（Ｄ１−Ｄ２）／［Ｄ１２π−Ｄ２２π−２ｔｎ（Ｄ１−Ｄ２）］＜０．１６
の関係が成立することを特徴とする流量計。
【請求項２】
請求項１の関係が、前記計量室の内径が最小である断面において成立することを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項３】
請求項１の関係が、前記羽根車のボス部の外径が最大である断面において成立することを特徴とする請求項１又は２に記載の流量計。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の流量計に内装されたことを特徴とする羽根車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水道メータ等に使用される流量計と、その羽根車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水道メータ等に使用されている流量計では、流入側から流入した流体（ほとんどの場合、水）が、羽根車に設けられた羽根の間を通過する際に、前記羽根において流体の圧力を受ける側の面を押し回すことにより、該羽根車を回転させる。このときの羽根車の回転数は、流体の流量に比例するため、前記回転数を歯車等でアナログ的に、あるいはセンサー等でデジタル的に変換し、更に表示機構において一定の常数を加えることによって積算流量値に変換して、流体の流量が計測される。
【０００３】
通常の流量計では、流量−器差曲線の特定流量域（特に小流量域）で、器差がプラス傾向を示す。即ち、小流量域では、実際の流量よりも計測流量の方が多くなってしまう。この結果、特定流量域において、器差の「ピーク」と呼ばれる領域が発生してしまう。このピークをなくすために、特許文献１に開示された技術が存している。
【０００４】
しかし、特許文献１に開示された技術では、羽根車の羽根のねじり角を途中で変化させることによって器差のピークをなくしているため、羽根車の製作が難しいという不具合がある。
【０００５】
ところで、器差をどれくらいフラットにする必要があるかを考えると、国際規格及び日本工業規格から判断して流量ポイントＱ３での器差を０％としたときに、流量ポイントＱ２〜Ｑ４の流量範囲において前記器差が±２％に入っていることが必要であると考えられる。更には、流量ポイントＱ１〜Ｑ４の流量範囲においても器差が±２％に入っていることが、器差がフラットであると判断する上で最適と考えられる。
【特許文献１】特開２００４−１４４５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来の流量計に使用されているような製作容易なねじり羽根を使用し、羽根車と該羽根車を内装している計量室の寸法を一定の関係に保つことによって、器差をフラットにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
上記した課題を解決するための請求項１の発明は、流入口と流出口を有し、ボス部から半径方向に延設され、流体の流れによって回転する羽根車の羽根が、前記流体の流れ方向の中心軸を中心としてねじれた形状の流量計において、前記羽根車が内装される計量室を、前記流体の流れ方向と直交する面で切断し、計量室の内径をＤ１、羽根車のボス部の外径をD２、羽根の枚数をｎ、羽根の厚みをｔ、円周率をπとしたとき、
０＜２ｔｎ（Ｄ１−Ｄ２）／［Ｄ１２π−Ｄ２２π−２ｔｎ（Ｄ１−Ｄ２）］＜０．１６
の関係が成立することを特徴としている。
【０００８】
請求項１の発明の式は、計量室における流体の流れ方向と直交する面で、流体が通過する面積と羽根が占める面積との割合（面積割合）を示している。ここで、流量計において、流量−器差曲線の特定流量域（特に小流量域）で器差がプラス傾向を示す原因として、流体の流量を計測するために設置された羽根車が、前記流体の流れを阻害することが考えられる。乱流、層流の違いにより、流れの中に置かれた各羽根に対する抵抗が流量に比例せず、乱流域である大流域において抵抗が増し、羽根車の回転を阻害させる。ところが、層流となる小流域においては、各羽根への抵抗が小さくなり、羽根車の回転がスムーズとなる。この結果、小流域での器差が大流域と比較して、みかけ上大きくなり、これがピークとなる。この推察から展開すると、計量室における流体の流れ方向と直交する面で、流体が通過する面積と該流体の通過を阻害する各羽根が占める面積との割合が、器差のピークに影響を与えると考えられる。
【０００９】
即ち、上記した式の値（面積割合）が、０(０％)より大きく、かつ、０．１６(１６％)よりも小さくなることが必要である。上記した関係を保つことが、流量ポイントＱ３における器差を０％としたときに、流量ポイントＱ１〜Ｑ４における器差が±２％を超えないようなフラットな器差特性を得るための最低限の要件となる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明を前提として、請求項１の関係が、前記計量室の内径が最小である断面において成立することを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明は、計量室の内径が流体の流れ方向に対して変化している場合、請求項１の関係が、前記計量室の内径が最小の断面において成立する必要があることを示している。即ち、計量室において羽根車が設置してある部分の内径が羽根車のボス部の外径に比べて十分に大きい場合、流体が通過する面積は十分に大きくなるため、請求項１の関係は容易に満たされる。しかし、流体が羽根車を通過するまでに計量室の内径が小さくなると、請求項１の関係が満たされなくなり、器差のピークをなくす効果も小さくなる。そこで、計量室の内径が流体の流れ方向に対して変化している場合には、該計量室の内径が最小である断面において請求項１の関係が満たされる必要がある。これにより、器差のピークがなくなり、フラットな器差特性が得られる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明を前提として、請求項１の関係が、前記羽根車のボス部の外径が最大である断面において成立することを特徴としている。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の発明と同様の考えであり、計量室の内径ではなく、羽根車のボス部の外径が最大の部分で請求項１の関係が満たされる必要があることを示している。これにより、器差のピークがなくなり、フラットな器差特性が得られる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の流量計に内装されたことを特徴とする羽根車である。
【００１５】
請求項４の発明に係る羽根車は、請求項１の関係を満たす流量計の計量室に内装されている。このため、羽根のねじれ形状が簡単なものになり、羽根車の製作が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本明細書では、流量計の一実施例である縦型軸流羽根車式流量計（以下、単に「流量計」と記載する）について説明する。図１は本発明の実施例の流量計１の正面断面図、図２の（ａ）は羽根車１０の斜視図であり、（ｂ）は同じく正面図、図３の（ａ）は厚みｔが一定の羽根１１の断面図であり、（ｂ）は厚みｔ１，ｔ２が基端部から先端部にかけて漸減する羽根１１の断面図、図４は羽根車１０が内装された計量室７の拡大断面図、図５は図４のＸ−Ｘ線断面図である。
【実施例１】
【００１７】
図１に示されるように、本実施例の流量計１は、流体（本実施例の場合、水）の上流側に配置される補足管２と、それに合体された下ケース３とを備え、それらにまたがって流入口４から流出口５に至る水の流路が形成される。下ケース３の中央部には、ほぼ垂直上方へ導かれる水流に対する整流器６が位置すると共に、それに付随する調整器８があり、それらの上側に計量室７が設けられている。
【００１８】
前記計量室７の内部には羽根車１０が、整流器６に固定された垂直方向のピボット軸９に上側からわずかな隙間をもって挿入された状態で、垂直方向の軸線回りに回転自在に設置されている。羽根車１０の中心線の回りには、その中心線に対して複数枚（本実施例の場合、１２枚）の羽根１１がボス部１２と一体に形成され、それらの羽根１１は、羽根車１０の中心線を中心とするらせん状の面に沿ってねじれて形成されている。下ケース３の管路において上方へ導かれた水は、整流器６で整流された後、下側から羽根車１０に当たり、その羽根１１のねじれに基づき羽根車１０を回転させつつ、羽根車１０の軸方向に通過し、その後、方向を変えて流出口５から下流側に流出される。
【００１９】
羽根車１０の回転は、電子式流量計の場合、羽根車１０の上部に内蔵された磁石（図示せず）により、その回転をＭＲセンサーなどで検知して電気信号に置き換え、電子カウンター１３で積算される。電子カウンター１３は、遮水ケース１４内に納められていて、開閉式の蓋１５で被われている。羽根車１０の下方に配置される整流器６には、中心線から放射状に延びる複数の整流羽根１６が取付けられた調整器８が付属して設けられている。そして、各整流羽根１６のうちの１枚を、垂直軸に対して微小角度だけ調整することで、羽根車１０の羽根１１に当たる水流の向きをわずかに変えて、羽根車１０の回転数を微調整することができる。なお、機械式流量計の場合、羽根車１０の回転が歯車等により回転積算計に伝達されることにより、回転数がカウントされる構成である。
【００２０】
図２に示されるように、羽根車１０は、外周面に各羽根１１が延設された斜め円筒形状のボス部１２と、該ボス部１２に連結されて羽根車１０全体を回転支持するための回転軸１７とを有している。前記回転軸１７の外径は、前記ボス部１２の外径よりも小さい。前記各羽根１１は、水流の乱れを生じさせにくくするために、回転軸１７の軸線に対して等間隔で、かつ同じ方向にねじれた状態で取付けられている。羽根車１０の各羽根１１に水の圧力が作用することにより、回転軸１７の軸心を中心に羽根車１０が回転される。このときの回転数が換算されて電子カウンター１３に表示されることにより、水の通過量が計測される。なお、羽根車１０の羽根１１には、図３の（ａ），（ｂ）に示されるように、厚みｔが延設方向の全長に亘って一定であるものと、基端部から先端部にかけての厚みｔ１，ｔ２が漸減するもの（徐々に薄くなっているもの）とが存している。
【００２１】
ここで、流量計１において、流量−器差曲線の特定流量域（特に小流量域）で器差がプラス傾向を示す原因として、水の流量を計測するために設置された羽根車１０が、水の流れを阻害するためと考えられる。乱流、層流の違いにより、流れの中に置かれた各羽根１１に対する抵抗が流量（面積が一定のため、流速でも同じになる）に比例せず、乱流域である大流域において抵抗が増し、羽根車１０の回転を阻害させる。ところが、層流となる小流域においては、各羽根１１への抵抗が小さくなり、羽根車１０の回転がスムーズとなり、小流域での器差が大流域と比較して、みかけ上大きくなり、これがピークとなる。この推察から展開すると、計量室７における水の流れ方向と直交する面で、水が通過する面積Ｓ１と、該水の通過を阻害する各羽根１１が占める面積Ｓ２との割合（面積割合Ｒ）が、器差のピークに影響を与えると考えられる。
【００２２】
図４及び図５を参照しながら、流量計１の計量室７において各羽根１１が占める面積Ｓ１と、水が通過する領域の面積Ｓ２とを求める。計量室７の内径をＤ１、ボス部１２の外径をＤ２、羽根１１の厚みをｔ、羽根１１の枚数をｎ（本実施例の場合、ｎ＝１２）、羽根１１の長さをＬとすると、図５より、各羽根１１が占める面積Ｓ１と、水が通過する領域の面積Ｓ２は、それぞれ以下のようになる。
Ｓ１＝ｔ×ｎ×Ｌ                                    式（１）
Ｓ２＝[(Ｄ１２−Ｄ２２)×π／４]−Ｓ１              式（２）
【００２３】
ここで、各羽根１１の先端部と計量室７の内壁面との隙間ｅが極めて小さい（１〜３mm）。しかも、前記隙間ｅは、流れてきた異物との噛み込み等を防ぐために設けられているものであり、流量計１の器差をフラットにするという機能に関するものではない。よって、隙間ｅを無視できるとすると、Ｌ≒(Ｄ１−Ｄ２)／２となる。これを、式（１）に代入すると、各羽根１１が占める面積Ｓ１は以下のように表される。
Ｓ１＝ｔ×ｎ×(Ｄ１−Ｄ２)／２                        式（３）
【００２４】
上記した式（３）を式（２）に代入すると、水が通過する領域の面積Ｓ２は以下のように表される。
Ｓ２＝(Ｄ１２−Ｄ２２)×π／４−ｔ×ｎ×(Ｄ１−Ｄ２)／２            式（４）
【００２５】
式（３）と式（４）より、各羽根１１が占める面積Ｓ１と水が通過する領域の面積Ｓ２との割合（面積割合Ｒ）を求める。
Ｒ＝Ｓ１／Ｓ２
＝[ｔｎ(Ｄ１−Ｄ２)／２]／[π(Ｄ１２−Ｄ２２)／４−ｔｎ(Ｄ１−Ｄ２)／２]
＝２ｔｎ(Ｄ１−Ｄ２)／[Ｄ１２π−Ｄ２２π−２ｔｎ(Ｄ１−Ｄ２)]
なお、上式においては、乗算の記号（「×」）の表示を省略している。
【００２６】
そして、図３の（ｂ）に示されるように、羽根車１０における各羽根１１の厚みが長さ方向に漸減している場合、各羽根１１における最も厚い部分の厚みｔ１と、最も薄い部分の厚みｔ２との平均値をとって、羽根１１の厚みｔとする。即ち、この場合の羽根１１の厚みｔは、ｔ＝(ｔ１−ｔ２)／２で表される。
【００２７】
また、各羽根１１とボス部１２との接続部分には、各羽根１１の強度を増すために丸面取り（Ｒ面取り）をするのが普通であるが、上式では丸面取りがないものとして羽根の厚みｔを決定している。
【００２８】
本出願人は、各種の大きさの流量計１において、水が通過する領域の面積Ｓ１と羽根車１０の各羽根１１が占める面積Ｓ２を調べ、それらの面積割合Ｒを算出した。そして、流量ポイントＱ１−Ｑ３の器差を測定した。更に、水の流量を変えたときの器差を測定した。その結果を、図６及び図７に示す。
【００２９】
図６の(ａ)に示される各測定データを、図６の（ｂ）においてグラフに示す。このグラフより、面積割合Rが１８％の場合には、小流量域において器差のピークが発生するが、１１％以下の場合には、小流量域であってもピークが発生していないことがわかる。
【００３０】
また、図７の（ａ）に示される各測定データをプロットしたグラフを、図７の（ｂ）に示す。そして、各データＡ1,Ａ4,Ａ5を補間して直線１８（上限域）で結ぶと共に、各データＡ7,Ａ8を補間して直線１９（下限域）で結ぶ。これにより、すべてのデータＡ１〜Ａ８が、２本の直線１８，１９の間に配置される。このグラフより、直線１８において器差が２％になるときの面積割合Ｒは１６％である。即ち、面積割合Ｒが１６％よりも小さい場合に、流量ポイントＱ３における器差を０％としたときに、流量ポイントＱ１〜Ｑ４における器差が±２％を超えないフラットな器差特性を示す。これは、水が通過する面積Ｓ１に対して、羽根車１０の各羽根１１が占める面積Ｓ２の割合（面積割合Ｒ）が小さいために、羽根車１０自身の回転負荷が小さくなり、大流量域における羽根車１０の回転がスムーズになることによって、小流量域における器差のピークがみかけ上小さくなることに起因すると推定される。
【００３１】
更に、流量計１がよりフラットな器差特性を示すのは、直線１９において器差が２％になるときの面積割合Ｒの値（６％）以下の場合である。即ち、面積割合Ｒが０〜０．０６の範囲内に存する場合である。なお、図７の（ａ）において、口径１００の場合で、羽根１１の枚数ｎが１２の器差における「Ｎ／Ａ」の表示は、当該データの測定ができなかったことを示している。
【００３２】
上記した結果、流量ポイントＱ３における器差を０％とすると、面積割合Ｒが０〜０．１６の範囲に存する場合に、流量ポイントＱ１〜Ｑ４における器差が±２％を超えないフラットな器差特性を示す。更に好ましくは、前記面積割合Ｒが０〜０．０６の範囲に存する場合である。これにより、流量計１において器差のピークがなくなり、フラットな器差特性が得られる。
【００３３】
なお、計量室７の内径Ｄ１が水の流れ方向に対して変化している場合には、該計量室７の内径Ｄ１が最小である断面において、面積割合Ｒが０〜０．１６の範囲に存することが必要である。なぜならば、計量室７の内径Ｄ１が最も小さい部分において、水が通過する領域の面積Ｓ１が最小になる（即ち、面積割合Ｒが最大になる）からである。換言すれば、断面が最小の部分で面積割合Ｒが０〜０．１６の範囲に存すれば、それよりも大きな断面の部分では、面積割合Ｒが０〜０．１６の範囲に存することが確実だからである。同様にして、羽根車１０のボス部１２の外径が最大である断面において、面積割合Ｒが０〜０．１６の範囲に存することが必要である。
【００３４】
上記した面積割合Ｒをできるだけ小さくする方法として、羽根車１０の羽根１１の枚数ｎを減らして面積割合Ｒを小さくすること、あるいは羽根車１０の各羽根１１の厚みｔを薄くして面積割合Ｒを小さくすることも効果的である。ただし、羽根車１０の各羽根１１の枚数ｎを減らして面積割合Ｒを小さくする方法の場合、前記羽根１１の枚数ｎを極端に減らすと、計量室７内において羽根車１０の回転に作用しない水の量（不感水量）が多くなり、微小流領域において羽根車１０が自身の回転負荷抵抗に負けてしまい、その結果、前記羽根車１０が流量に比例して回転しなくなり、器差特性が大きくマイナスになったり、羽根車１０が不動になったりするおそれがある。また、羽根車１０の各羽根１１の厚みｔを薄くしすぎると、各羽根１１が強度不足によって破損したり、器差異常等を発生したりするおそれがある。このため、上記した各種の方法を組み合わせながら、面積割合Ｒが０〜０．１６の範囲（好ましくは、０〜０．０６の範囲）になるように流量計１を設計することが必要である。
【００３５】
本明細書では、縦型軸流羽根車式流量計について説明した。しかし、本発明に係る面積割合Ｒの関係を、横型軸流羽根車式流量計に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例の流量計１の正面断面図である。
【図２】（ａ）は羽根車１０の斜視図であり、（ｂ）は同じく正面図である。
【図３】（ａ）は厚みｔが一定の羽根１１の断面図であり、（ｂ）は厚みｔ１，ｔ２が基端部から先端部にかけて漸減する羽根１１の断面図である。
【図４】羽根車１０が内装された計量室７の拡大断面図である。
【図５】図４のＸ−Ｘ線断面図である。
【図６】（ａ）は水の流量を変化させたときの面積割合Ｒに対する器差を測定したものであり、（ｂ）は各面積割合Ｒにおける流量−器差曲線である。
【図７】（ａ）は各口径の流量計１に対する器差を測定したものであり、（ｂ）は各データＡ１〜Ａ８をプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
Ｄ１：計量室の内径
Ｄ２：ボス部の外径
ｎ：羽根の枚数
ｔ：羽根の厚み
１：流量計
４：流入口
５：流出口
７：計量室
１０：羽根車
１１：羽根
１２：ボス部
【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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