ガスフローデバイス用のスマートソリューションの設計

20世紀の間、インドのエネルギー地形は化石燃料によって支配され、ディーゼル、石油、灯油がほとんどの産業および家庭用に使用されていました。インドの田舎では、人口の大部分がまだ料理に石炭、木、または糞の火を使用していました。しかし、過去数十年の間に、国はよりガスベースの経済になるよう努めており、液化石油ガス（LPG）と圧縮天然ガス（CNG）が調理や輸送に広く使用されています。最近、パイプでつながれた天然ガスも多くの都市の家庭で利用できるようになり、消費者の家に直接途切れることのない調理用ガスの快適さを提供しています。この新しい開発では、ガスユーティリティプロバイダーが消費されているガスの量を測定する必要があります。どのように？ガスメーターの助けを借りて。

ガスメーターは、住宅、商業、工業用の建物で使用される特殊な流量計で、パイプラインを介して供給されるCNGやLPGなどの燃料ガスの量を測定します。気体は圧縮性が高く、温度や圧力の変化に敏感であるため、液体よりも測定が困難です。ガスメーターは、メーターを流れるガスの加圧量や質に関係なく、定義された量を測定します。したがって、メーターを通過する実際のガス量を正確に測定するには、温度、圧力、および発熱量の値を調整する必要があります。測定するガスの体積流量、予想される流量の範囲、測定するガスの種類、およびその他の要因に応じて、ガスメーターのいくつかの異なる設計が一般的です。ガスメーターの主な種類には、ダイヤフラムメーター、回転変位メーター、タービンメーター、超音波流量計、コリオリ流量計などがあります。

Raychem RPGは、インドの国内ガスメーターの大手プロバイダーの1つです。インドのグジャラート州にあるRaychemイノベーションセンター（RIC）で、研究者はガス流量計の4つの新しい設計を開発しました。これらは、マルチフィジックスシミュレーションソフトウェアを使用して概念化、最適化、検証されました。

ガス流量計の設計上の課題

現在インドで利用可能なすべてのガスメーターには、独自の制限があります。たとえば、ダイヤフラムメーターでは、可動部品やダイヤフラムからの漏れが測定誤差を引き起こす可能性があります。一方、回転式変位計とタービン計は35個近くの部品を備えているため、機械的な故障や疲労の可能性が高くなります。さらに、ガスメーターのエンクロージャーサイズは固定されているため、新しいメーターの設計は、指定されたエンクロージャーサイズ内に収まる必要があります。したがって、デバイスのサイズは、新しいガスメーター設計のもう1つの重要な基準です。これらのさまざまな基準はすべて、これらのデバイスが最終的な品質テスト段階で承認されることを困難にします。実際、拒否率は非常に高くなる可能性があります。

Ishant Jain氏が率いるRaychemチームは、ガス流量計のコンポーネント数を最小限に抑え、品質テスト段階での不良率を減らし、それによってこれらのデバイスの総製造コストを削減することに着手しました。そのために、RaychemチームはCOMSOLMultiphysics®ソフトウェアでシミュレーション分析を実行しました。

シミュレーションによる設計の検証

チームは、TRIZを使用した設計の最適化、問題解決の方法論、および顧客の要件に基づいて4つのガスメーターを開発しました。彼らは、従来のガスメーター設計の有限要素モデルを検証することから始めました。次に、チームは調査結果を拡張して、提案された設計を評価しました。

新しいガスメーターの最初の設計は、既存のダイヤフラムシステムを変更したもので、パンタグラフアセンブリがスコッチヨークメカニズムに置き換えられ、コンポーネントの数が削減されています。

最適化された設計（図1）に到達した後、チームは、測定の精度と感度を向上させることに加えて、元の設計からいくつかの機械部品を排除することができました。メーターシステムのコンポーネント数は、以前のダイアフラム設計の35コンポーネントから5または6コンポーネントに大幅に削減されたため、システムの機械的耐久性と完全性が保証されました。

次の設計はメビウスの帯タービンで構成されており、タービンの回転を使用してガス流量を測定します。これらのガスメーターは、メビウスの帯を通過するガスの速度を測定することにより、ガスの体積を測定します。メビウスの帯状のローターは、その上を通過するガスの流れの邪魔になり、シャフトを回転させます。シャフトの出力はかさ歯車システムに転送されます。タービンはガスの速度を推測し、ガスは電子的または機械的なカウンターに機械的に伝達されます。

Raychemチームは、CFDモジュールとマルチボディダイナミクスモジュールを使用して、乱流ガスの流れ（図2）と、タービンで発生する応力とトルクをモデル化しました。

メビウスバンドタービンガスメーターは、ガス流量が多い場合に良好に機能することに注意することが重要です。ガスの体積はその流量によって決定されるため、圧力損失の低い流量を測定している間は、デバイスの有効性が制限されます。この問題を回避するために、チームはよく知られた原理に基づいて別の流量計を設計しました。同じ極性の磁石は互いに反発します。

3番目のメーターの設計では、オブジェクト（通常はボールまたはディスク）が、磁力によってパイプが浮くようにパイプの内側に配置されます。パイプ内のガスの流れに伴って物体が持ち上げられ、ガスの流れは磁気プレートが上昇する高さによって測定されます。この種のメーターは高感度で、わずかな圧力降下でも測定できます。研究者は、AC / DCモジュールとCFDモジュールを使用して磁気特性とデバイス性能を研究し、最適化された設計に到達しました（図3）。

この場合、チームは、ガス流量のわずかな変動に対しても良好に機能する高感度デバイスを提案することができました。

最終的な設計もタービンの回転に基づいていますが、異なるタービン設計が使用されています。ここでは、固定ガイドベーンとランナーベーンを備えたタービンアセンブリが、障害要素としてメインチャネルに配置されています（図4）。回転するタービンによって捕捉されたエネルギーは、熱センサーにエネルギーを与えるために使用されるため、このデバイスは自己エネルギーシステムになります。

ガイドベーンはノズルとして機能し、ガスの流れをランナーベーンに向けて送ります。ランナーベーンはシャフトとベベルギアのペアを回転させます。ガスの流れは、かさ歯車のペアの回転に基づいて、または熱センサーを使用して温度の低下を測定することによって測定されます。

将来の展望とアプリケーション

シミュレーション研究により、Raychemチームは、ハウジング内にU字型のチューブとセンサーのみを備えたスマートエネルギーガスメーターを設計することができ、非常にコンパクトで設置が簡単になりました。検証されたシミュレーション結果は、Raychemの4つの新しいガスメーター設計の中核です。

Raychemチームは、これらの流量計の性能が家庭用および産業用アプリケーションの要件に適合することに自信を持っています。これらのデザインは生産の最終候補に挙げられており、まもなくインド全土の都市部の消費者が利用できるようになり、自宅に設置されたガスメーターの内部に直接設置できるようになります。

この記事は、COMSOLInc.のマーケティングマネージャーであるAditiKarandikarによって書かれました。詳細については、をご覧ください。 ここ 。

Raychemチームは、TRIZアプリケーションを支援してくれたTito Kishanと、設計エンジニアリングを支援してくれたGaneshBhoyeに感謝します。