(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開閉弁を配設した流路断面積が大きい主流路と、該主流路における開閉弁の上流側と下流側とにそれぞれ開口する入口ポートと出口ポートを有する流路断面積が小さいバイパス流路と、該バイパス流路に設けられて一定流量未満の小流量時の流速を計測するための超音波振動子と、前記主流路と直列に連通する主流路計測部と、該主流路計測部に設けられて一定流量以上の流量時の流速を計測するための超音波振動子とを具備したガスメータであって、
前記開閉弁を、ほぼ水平に配置した支軸の回りに揺動可能に設けられ、該支軸を含む垂直面と水平面の間の所定角度範囲で流体の動圧および弁差圧により揺動するように前記支軸の上方に配設するとともに、前記所定角度範囲の垂直面に近い方への開閉弁の限界角度を定めるストッパを設け、
前記入口ポートを、前記開閉弁が当接する弁座部における前記支軸から最も遠い部分の弁座内径側に開口し、
前記入口ポートが開口する部分の弁座内径側に、開弁時における主流路の流れ方向の下流側にいく程、前記支軸から遠く離れる傾斜面を形成したことを特徴とするガスメータ。
【請求項２】
前記開閉弁の少なくも周縁部を、弾性材料で可撓性のあるリップ状に形成したことを特徴とする請求項１記載のガスメータ。
【請求項３】
ケースの上部に入口と出口を備え、入口のすぐ下流に前記主流路計測部を配置し、出口のすぐ上流に前記開閉弁を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載のガスメータ。
【請求項４】
前記主流路計測部と開閉弁との間を連通する流路部分に遮断弁を配設したことを特徴とする請求項３記載のガスメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本願発明の発明者等は、小型、安価で、かつ、広いレンジャビリティに対応できる気体流量計を特願平１１−１８３１１２号（特開２００１−１２９７８号公報）で提案した。この気体流量計はガス等の気体の流量を計測するもので、流路中にフラッパー弁を気体の動圧および弁差圧により開閉するように配置し、かつそのフラッパー弁は気体の設定微少流量時に閉じるようにし、更に、流路中には、前記フラッパー弁の閉じ状態時に気体を微少量流通させるバイパス流路を設け、該バイパス流路部には熱式フローセンサーを備え、更に、前記フラッパー弁が配置された流路部とバイパス流路部の気体が合流する下流側の流路またはフラッパー弁が配置された流路部とバイパス流路部へ気体を供給する上流側の流路に推測式気体流量計を配置していた。
【０００３】
図１２〜図１４にその具体例を示す。図１２に示すように、流路１に流路面積可変機構２とその下流に位置して推測式気体流量計３が設けられている。図１３と図１４に示すように流路面積可変機構部２を形成する流路形成体４は、流通方向に対して直交する方向の断面（図１４）において、一方の側壁５と、他方の側壁６と、上壁７と、下壁８とからなり、内部に流路９を有する。前記他方の側壁６は断面コ字状に形成され、前記流路９は流通方向に対して直交する方向の断面が縦長の長方形に形成されている。更に、上流側壁１０の中央部には流入口１０ａが形成され、該流入口１０ａに、後述する主流路１６とバイパス流路１７へ気体を供給する流路１２が接続されている。下流側壁１３の中央部には流出口１３ａが形成され、該流出口１３ａに、後述する主流路１６とバイパス流路１７の気体が合流して流出する流出路１４が接続されている。
【０００４】
前記流路９内は、間仕切り板１５により大流量流通部と微少流量流通部とに区画され、その大流量流通部を主流路１６とし微少流量流通部をバイパス流路としている。前記主流路１６には板材、例えば発泡材などの軽量の薄板からなるフラッパー弁１８が、流通する気体の動圧および弁差圧により開閉するように備えられている。該フラッパー弁１８は、主流路１６にほぼ嵌合する大きさの方形板で形成され、その上下方向の中央部から上方に偏心した位置に水平の支軸１９が固着され、該支軸１９の両端が前記の両側壁５，６に回転可能に嵌合されて、フラッパー弁１８が支軸１９を中心として回転するようになっている。
【０００５】
更に、該フラッパー弁１８は、その支軸１９より下部が、支軸１９よりも流路９の下流側へ若干位置するような傾斜状態において、そのフラッパー弁１８の上端部が前記上壁７に固設したストッパー２０に当接するように備えられており、気体の流量が０〜設定微少流量時においては、そのフラッパー弁１８の自重とストッパー２０への当接によって、図１３の実線で示すように所定の傾斜角θで閉状態が保持され、設定の微少流量以上の流量時には、その気体の動圧および弁差圧によってそのフラッパー弁１８が図１３の鎖線で示すように押し開かれるようになっている。該フラッパー弁１８の両側端と、両側壁５，６間にフラッパー弁１８が開閉移動できる隙間ｄを形成する。
【０００６】
前記バイパス流路１７には熱式フローセンサー２１が備えられている。図の例では下壁８側の中央部に備えられている。該熱式フローセンサー２１は、例えば、シリコンチップ上の流れが当る表面に発熱部の上流側と下流側に流体温度検出部を配置したもので、流量に応じて発熱部の両側の流体温度検出部の電気抵抗が変化するため、この変化を電気信号として検出し、増幅、Ａ／Ｄ変換してマイコンにより流量を求めるものである。推測式気体流量計３は、例えば超音波式、渦式、フルイディック式、熱線式等の流量計である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者等は、前記従来技術を発展させて、膜式ガスメータに代る推測式ガスメータを実用化すべく鋭意研究を重ねたところ、前記従来のフラッパー弁では、弁の開度が大きくなる程弁の復元力（弁荷重）が大きくなるため、弁が流体の動圧及び弁差圧で開き始めると、弁荷重が増加して閉弁しようとして弁の動作が不安定になってハンチングを発生し、流体振動を発生させる要因となったり、配管中に圧力変動の発生源があったり、配管条件によって圧力変動に同期して弁が開閉振動したりすることがあるという第１の問題点の存在に気付いた。また、フラッパー弁と弁座との当接部の寸法精度が良くないと弁部のシール性が悪くなって弁漏れが生じ、小流量時の流量計測の誤差が大きくなるとか、このような弁漏れを無くすには、極めて高精度の加工精度が要求されて、生産コストへの悪影響が出るなどの第２の問題点の存在に気付いた。
【０００８】
そこで、本発明はこれらの問題点を解消できる小型でかつレンジャビリティの広い超音波方式のガスメータを提供することを目的とする。特に本発明で一番解決したい課題は、開閉弁が開き始めるときにハンチングが発生するのを防止することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するために、請求項１の発明は、開閉弁を配設した流路断面積が大きい主流路と、該主流路における開閉弁の上流側と下流側とにそれぞれ開口する入口ポートと出口ポートを有する流路断面積が小さいバイパス流路と、該バイパス流路に設けられて一定流量未満の小流量時の流速を計測するための超音波振動子と、前記主流路と直列に連通する主流路計測部と、該主流路計測部に設けられて一定流量以上の流量時の流速を計測するための超音波振動子とを具備したガスメータであって、
前記開閉弁を、ほぼ水平に配置した支軸の回りに揺動可能に設けられ、該支軸を含む垂直面と水平面の間の所定角度範囲で流体の動圧および弁差圧により揺動するように前記支軸の上方に配設するとともに、前記所定角度範囲の垂直面に近い方への開閉弁の限界角度を定めるストッパを設け、
前記入口ポートを、前記開閉弁が当接する弁座部における前記支軸から最も遠い部分の弁座内径側に開口し、
前記入口ポートが開口する部分の弁座内径側に、開弁時における主流路の流れ方向の下流側にいく程、前記支軸から遠く離れる傾斜面を形成したことを特徴とするガスメータである。
【００１０】
この発明では、小流量時には主流路の開閉弁が閉じて、ガスがバイパス通路を流れる。バイパス通路のガスの流速はバイパス通路に設けられた超音波振動子で計測される。流量が一定以上になると、流体の動圧および弁差圧により開閉弁が押されて下流側に揺動開弁する。このとき、開閉弁は一気に開いてハンチングすることはない。そして開閉弁による圧力損失は小さくなる。主流路計測部に設けられた超音波振動子で中〜大流量時の流速を計測する。
更に、開弁後の開きが大きくなる程弁体は垂直面に近づくため、開閉弁を閉じようとする弁荷重が小さくなって、ハンチングの発生を抑える。また、弁体が垂直面まで動く（開く）と、弁体の自重による閉弁力（弁荷重）が零になり、弁が復旧しなくなる虞れがあるが、本発明では、ストッパの作用で弁体の動き（揺動）が制限されて、このような虞れは全くなくなる。従って、開閉弁が復旧不能になる虞れはない。
更に、開閉弁の開弁部を通過して流れるガスの流れが速くなる程、傾斜面の存在により、バイパス通路へガスがより入りにくくなり、その面からも開閉弁のハンチングの発生を効果的に抑制する。
【００１１】
更に、開閉弁は支軸から最も遠い部分で弾性体の漏れやすいところから開き始め、その近くにバイパス通路の入口ポートを設けたので、発生するかも知れないハンチング周期が小さくなる方向で開閉弁が追従できずに安定し、ハンチングの発生を抑制する。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１のガスメータにおいて、前記開閉弁の少なくとも周縁部を、弾性材料で可撓性のあるリップ状に形成したことを特徴とするものである。
この発明では、小流量時に弁体のリップ状周縁部がしなやかに曲がって弁座に密着するため、シール部の安定性が良く、弁漏れが少なくなる。
【００２４】
請求項３の発明は、請求項１又は２のガスメータにおいて、ケースの上部に入口と出口を備え、入口のすぐ下流に前記主流路計測部を配置し、出口のすぐ上流に前記開閉弁を配置したことを特徴とするものである。
【００２５】
この発明では、バイパス通路の超音波振動子で小流量時の流速を計測し、主流路計測部に設けた超音波振動子で中〜大流量時の流速を計測することで、小型でレンジャビリティの広い、かつ開閉弁のハンチングが発生しない、安定に作動する超音波方式のガスメータを実現できる。
【００２６】
請求項４の発明は、請求項３のガスメータにおいて、主流路計測部と開閉弁との間を連通する流路部分に遮断弁を配設したことを特徴とするものである。
【００２７】
この発明では、ガスの流量が所定の流量をオーバーしたときなどに、遮断弁を閉じて、いわゆる流量オーバー遮断などの機能を備えた小型の安全機能付ガスメータを実現できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に従って説明する。
【００２９】
〔実施例１〕
図１に示す実施例１で、ガスメータのケース３１の上部の入口３２から矢印Ａのように流入するガスは、入口３２の直下（すぐ下流）に配設された主流路計測部３３を通って遮断弁３４の弁体３５と弁座３６との間を通過して、主流路３７へ流入する。ガスの流量が設定微小流量未満のときは、フラッパー状の開閉弁３８が自重で支軸３９の回りに反時計方向に付勢されて、弁座４０に当接して閉じている。ガスは弁座部の、支軸３９から一番遠い距離の部分に開口する入口ポート４１からバイパス流路４２を通過し、主流路３７の開閉弁３８の下流に開口する出口ポート４３から主流路３７に戻り、ガスメータのケース３１の上部に設けた出口４４から流出する。バイパス流路４２には図示されてない一対の超音波振動子が設けられていて、バイパス流路のガスの流れに対し、流れ方向と同じ順方向への超音波パルスの送受と、流れ方向と逆の方向への超音波パルスの送受を行って、図示されてない電子回路とによって順方向と逆方向の超音波の伝搬時間を計測して流速を演算し、バイパス流路４２の流路断面積を乗じて流量を求める。
【００３０】
ガスの流れが早くなって設定微小流量以上になると、ガスの動圧及び弁差圧によって開閉弁３８が支軸３９の回りに時計方向に揺動して開く。そして、開閉弁３８の図示左寄り、即ち支軸３９からの距離が大きい辺りが先ず弁座４０から離れる。この辺りはちょうどバイパス流路４２の入口ポート４１に近いため、開閉弁３８の図示左端部が弁座４０から離れ、弁と弁座の間をガスが図示上方へ流れると、入口ポート４１からバイパス流路４２へガスが入りにくくなり、開閉弁３８は益々開くようになる。そして、開く程に符号３８′で示すように支軸３９を含む垂直面に近づくため、自重による閉弁力が小さくなり、開度が増す方向に作用する。こうしてハンチングが抑制されて、スムースに弁開度が大きくなり、開閉弁による圧力損失の増大を防いでいる。
【００３１】
こうして流れが早くなったときの中〜大流量のガスの流速は、主流路計測部３３に配設された図示されてない一対の超音波振動子によって計測され、主流路計測部３３の流路断面積を乗ずることで流量に換算される。なお、この主流路計測部３３の図示されてない一対の超音波振動子による順方向と逆方向の超音波の伝搬時間を測定して流速を求めるための制御や演算は、図示されてない電池駆動の電子回路により行う。そして、微小流量時の前記バイパス流路４２の流量と、中〜大流量時の主流路計測部３３の流量を積算してガス使用量として図示されてない表示部に表示する。
【００３２】
流量が大きくなって、開閉弁３８が符号３８′に示す角度位置よりも更に時計方向へ回動すると、開閉弁３８の先端近くがケース３１のストッパ部（ストッパともいう）４５に当って、回動（揺動）が制限される。こうすることで、開閉弁３８が支軸３９を含む垂直面または垂直面を超えた角度まで開弁してしまって、復旧（閉弁）不能になってしまうことを防止する。なお、図示されてない前記電子回路は、マイコンによる流量監視機能を備えていて、異常流量時には遮断弁３４を閉じて弁体３５を弁座３６に当接させてガスの流れを止め、ガスメータ下流へのガスの供給を遮断する。こうして安全機能付ガスメータ（いわゆるマイコンメータ）として働く。４６はガスメータ外部から手動操作して、遮断弁３４を開弁（復帰）させるための復帰機構である。
【００３３】
上述のように、中〜大流量を計測する主流路計測部３３を入口３２の直下（すぐ下流）に、開閉弁３８を出口４４の直下（すぐ上流）に配設し、遮断弁を主流路計測部３３と開閉弁３８を連通する流路部分に配設したので、レンジャビリティの広い超音波方式のガスメータを小型・コンパクトに形成できた。
【００３４】
〔実施例２〕
図２〜図７に示す実施例２において、前記図１の実施例１と同一の符号を付けた要素は、実施例１の場合と同じ機能を果たすものであるため、重複した説明は省略する。この実施例２では、特に図２，３及び６に示すように、開閉弁３８は、支軸３９に揺動可能に支承された弁フレーム３８ａと、ＮＢＲ製の厚み０．３ｍｍの薄板状円板からなる弁ゴム３８ｂと、該弁ゴム３８ｂを両面から挟む受板３８ｃ，３８ｄと、弁ゴム３８ｂと両受板３８ｃ，３８ｄの中央に弁フレーム３８ａの可動端を連結固着するリベット３８ｅ，３８ｅとからなり、弁座４０と協働する。支軸３９は開閉弁台４７に取り付けられ、開閉弁台４７は図２と図３に示すようにケース３１内の所定の場所に収納固定され、こうすることで、開閉弁３８が出口４４の直下（すぐ上流）に配設されている。
【００３５】
ガスメータを流れるガスの流量が設定微小流量未満のときは、開閉弁３８が図２と図３に示すように傾斜していて、自重による弁荷重が閉弁力として作用し、弁ゴム３８ｂの周縁部がしなやかに弾性変形して撓み、特に図７（ｂ）に示すように弁座４０の座面に密接してシール状態になっている。なお、図７は、弁フレーム３８ａ、受板３８ｃ，３８ｄ及びリベット３８ｅを図示しないで省略し、図面を簡略にしている。弁ゴム３８ｂは受板３８ｃ，３８ｄに挟まれた中央部は、両受け板３８ｃと３８ｄの形状に沿って球面の一部を形成しているが、開閉弁３８を構成するために両受板などに組み付ける前の弁ゴム単体部品としての自由状態では、厚み０．３ｍｍのＮＢＲ製の薄い円板状平板で、その周縁のリップ状部分が、組み付け後の開閉弁のシール部の動作を安定化して微小流量時の弁漏れを防止するのに効果的に作用する。
【００３６】
弁座４０の内径部（内径ともいう）４０ａの、前記支軸３９から最も離れた辺りに開口するバイパス流路４２の入口ポート４１の部分には、開閉弁３８の開弁時における主流路３７の流れ方向の下流側（図２，３におけるほぼ図示斜め右方向）にいく程、前記支軸から遠く離れる傾斜面４０ｂが形成してある。こうすることで、開閉弁３８が開いて、ガスの流れが早くなる程入口ポート４１からバイパス流路４２へのガスが流入しにくくなって、開閉弁３８のハンチングの発生を抑制する。図７（ａ）で、符号３８ｂ′を付した仮想線の２点鎖線からなる円は、弁座４０に閉弁時の弁ゴム３８ｂが密接したときの外周円を示す。この図７（ａ）で明らかなように、外周円３８ｂ′と弁座４０の内径４０ａに挟まれる半径方向の幅がΔＲの環状部分４８は、開閉弁３８が閉弁時における弁座４０への弁ゴム３８ｂの密接部分（シール部）を示すが、前述のように傾斜部４０ｂを形成して弁座４０の一部を切り欠いたため、弁座４０に弁ゴム３８ｂが密接する環状部分４８の幅ΔＲは、傾斜部（切欠部）４０ｂに隣接する部分では小さい幅Δｒとなる。こうすることで、流量が設定微小流量を超えて開閉弁３８が開き始めるときに、小さい幅Δｒの部分が支軸３９から一番遠く離れていて最も早く弁座から離れようとし、しかもΔｒ＜ΔＲであるため、小さい力で弁ゴムが弁座から容易に離れ易くなる。こうして、微小流量を少し超えた流量ではこの部分から通気するので、開閉弁３８がハンチングを生じることもない。そして、開閉弁３８が開く程、弁荷重が小さくなるので、開閉弁に起因するガスメータの最大流量時の圧力損失を増大させない。
【００３７】
図７では、弁座４０の一部、特に支軸３９から最も離れた部分に傾斜部４０ｂを形成して、弁座を切欠くことで、シール部の半径方向の幅を狭い幅Δｒにし、開閉弁が開き始めるときに傾斜部（切欠部）の存在によりガスが漏れ（通気し）やすくした。こうすることで、開閉弁が開き始めるときのハンチングの発生を防止している。図８（ａ）（ｂ）の例では、弁ゴム３８ｂの外周の一部、特に支軸３９から最も離れた部分を切欠部３８Ｂを形成することで、シール部としての環状部分４８の半径方向の幅Δｒを狭い幅Δｒ′とし、図７（ａ）（ｂ）の場合と同じ作用効果を得ている。なお、図８の例では、図７の場合の傾斜部４０ｂは形成してない。
【００３８】
バイパス流路４２には、図５で黒く塗り潰して示したように、超音波振動子４９と５０がバイパス流路４２の長手方向に一定の距離を離して配設されている。そして、図示されない電池駆動の電子回路で駆動・制御されて、両振動子間で超音波パルスの送受を行い、流れの順方向と逆方向に対する超音波の伝搬時間を測定し、測定した両方向の伝搬時間に基づいて、バイパス流路４２を流れるガスの流速を演算し、更にバイパス流路の流路断面積を乗じて流量を求める。
【００３９】
開閉弁３８が開弁してからの中〜大流量時の流量は、入口３２と主流路３７の間の主流路計測部３３において超音波方式で計測される。図２において、黒く塗り潰して示したように、超音波振動子５１と５２が主流路計測部３３において一定の距離を隔てて対向配置されている。前記バイパス流路の場合と同様に、図示されない電池駆動の電子回路で両振動子５１と５２を駆動制御して、両振動子間で超音波パルスの送受を行って、両振動子間における超音波の順方向と逆方向の伝搬時間を計測する。そして計測した両伝搬時間に基づいて流速を算出し、流路断面積を乗じて流量を求める。
【００４０】
図５で、５３は液晶表示部でプリント配線基板５４に実装され、前記電子回路で時間積算した流量をガス使用量として表示する。５５はガラス窓である。なお、この実施例２では、図２と図３に示すように、ケース３１の側壁に傾斜したふくらみを設けてストッパ４５を形成している。
【００４１】
〔実施例３〕
図９と図１０に示す実施例３は、開閉弁３８の細部構造と、ストッパ４５の形状が前記実施例２と異なる。なお、図９，１０では、弁フレーム３８ａ、弁ゴム３８ｂ及び受板３８ｃは図面が煩雑になるのを避けるためにハッチングを入れるのを省略した。この実施例３では、前記実施例で使用した弁ゴム３８ｂの下側の受板３８ｄは用いていない。図１０では、開閉弁が弁座４０から離れた状態と、弁座４０に当接した閉弁状態とを示す。閉弁状態では、弁ゴム３８ｂの周縁部である受板３８ｃの外周より外周方向（経大方向）へ延長した部分の一部が弁座４０の弁座面に圧接されて、しなやかに撓んで変形している様子が良くわかる。こうして、安定的にシールを確保する。図１１は実施例３の弁座と弁ゴムの要部を説明する図で、図１０と重複しているところが多いので、詳細説明は省略する。同図（ｂ）で、閉弁時にその周縁部が弁座４０の弁座面に密着当接していた弁ゴム３８ｂが、開閉弁が開き始めると、符号３８ｂ″を付して２点鎖線で示すように、傾斜面４０ｂの辺りから先ず離れ始めて開弁する。なお図９で矢印ＢとＣは、開閉弁３８が閉状態と開状態のときのガスの流れを示す。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のガスメータは上述のように構成されているので、次のような効果を奏する。即ち、開閉弁はハンチングを防止し、かつ圧力損失を増大させない。また、大きく開いても復帰不能になる虞れがない。
更に、開閉弁が開く程、バイパス流路へのガスが入りにくくなるため、より一層開閉弁が安定作動し、ガスメータの計量精度が向上する。
【００４５】
更に、小型で、レンジャビリティが広いガスメータが実現でき、開閉弁がハンチングする虞れもなく安定した測定流量の切り換えができる。
【００４６】
更に、開閉弁のハンチングの発生を更に抑制できる。
【００４８】
請求項２の発明では、更に、微小流量における閉弁時でも、弁ゴムがしなやかに変形して弁座に密接するので、安定したシール性が確保でき、弁漏れも少ない。
請求項３の発明では、ガスメータをコンパクトにまとめることができる。
【００４９】
請求項４の発明では、請求項３で達成したガスメータに異常流量時にガスの供給を止める遮断弁を付加し、小型・コンパクトでレンジャビリティの広い安全機能付ガスメータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の縦断面略図。
【図２】本発明の実施例の縦断正面図。
【図３】図２の一部を拡大した図。
【図４】本発明の実施例の上面図。
【図５】本発明の実施例の縦断側面図。
【図６】本発明の実施例の要部斜視図。
【図７】本発明の実施例の開閉弁の図で、（ａ）は弁座の平面図、（ｂ）は閉弁時の縦断面図。
【図８】本発明の実施例の開閉弁の図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。
【図９】本発明の実施例の開閉弁回りの縦断面図。
【図１０】図９の開閉弁の動作を説明する縦断面図。
【図１１】図９，１０の開閉弁を説明する図で、（ａ）は弁座の平面図、（ｂ）は閉弁時の縦断面図、（ｃ）は弁座の一部分を示す一部破断斜視図。
【図１２】従来技術の縦断面略図。
【図１３】従来技術における流路面積可変機構部回りの縦断面図。
【図１４】従来技術の図１３におけるＡ−Ａ断面図。
【符号の説明】
３１      ケース
３２      入口
３３      主流路計測部
３４      遮断弁
３７      主流路
３８      開閉弁
３８ｂ    弁ゴム
３９      支軸
４０      弁座
４０ａ    内径部
４０ｂ    傾斜面
４１      入口ポート
４２      バイパス流路
４３      出口ポート
４４      出口
４５      ストッパ
４８      環状部分
４９，５０，５１，５２    超音波振動子
ΔＲ，Δｒ，Δｒ′    幅
【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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