ガス流量デバイス向けスマートソリューションの革新

20世紀には、インドのエネルギー情勢は化石燃料が支配し、ディーゼル、石油、灯油がほとんどの産業用と家庭用に使用されていました。インド農村部では、人口の大部分が調理に石炭、薪、牛糞を使用していました。しかし、過去数十年でインドはガスベース経済への転換を目指し、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われるようになりました。最近では、パイプド天然ガスも多くの都市家庭で利用可能になり、消費者の自宅に直接途切れない調理用ガスを提供する快適さが生まれました。この新展開は、ガス事業者がどれだけガスが消費されているかを測定することを求めています。どう測るか？ ガスメーターで。

ガスメーターは、住宅、商業、工業ビルで、CNGやLPGなどの燃料ガスがパイプラインを通じて供給される量を測定する特殊な流量計です。ガスは高圧縮性であるため、温度と圧力の変化に敏感で、液体より測定が困難です。ガスメーターは、メーターを通過するガスの加圧量や質に関わらず、一定体積を測定します。したがって、温度、圧力、発熱量を調整して、メーターを通過する実際のガス量を正確に測定する必要があります。測定対象のガス体積流量、想定される流量範囲、測定対象ガスの種類などによって、いくつかの異なるガスメーター設計が一般的です。主なガスメータータイプには、ダイヤフラムメーター、ロータリー変位メーター、タービンメーター、超音波流量計、コリオリメーターなどがあります。

Raychem RPGはインドで家庭用ガスメーターの主要プロバイダーの一つです。インド・グジャラート州のRaychemイノベーションセンター（RIC）で、研究者たちは多物理シミュレーションソフトウェアを用いて、ガス流量計の4つの新設計を概念化、最適化、検証しました。

ガス流量計の設計課題

インドで現在入手可能なすべてのガスメーターには独自の限界があります。例えば、ダイヤフラムメーターでは可動部とダイヤフラムからの漏れが測定誤差を生じます。一方、ロータリー変位メーターとタービンメーターは約35コンポーネントを持ち、機械的故障と疲労の確率が高まります。さらに、ガスメーターのエンクロージャサイズは固定されているため、新しいメーター設計は与えられたエンクロージャサイズ内に収まらなければなりません。したがって、デバイスサイズも新ガスメーター設計の重要な基準です。これらすべての異なる基準が、最終品質テスト段階での承認を困難にしています。実際、不合格率は非常に高くなることがあります。

イシャント・ジャイン氏率いるRaychemチームは、ガス流量計のコンポーネント数を最小化し、品質テスト段階での不合格率を減らし、これらのデバイスの総製造コストを削減することを目指しました。そのため、RaychemチームはCOMSOL Multiphysics®ソフトウェアでシミュレーション解析を行いました。

シミュレーションによる設計検証

チームはTRIZという問題解決手法と顧客要求を用いた設計最適化に基づき、4つのガスメーターを開発しました。まず従来型ガスメーター設計の有限要素モデルを検証し、その結果を提案設計の評価に拡張しました。

最初の新ガスメーター設計は、既存のダイヤフラムシステムの改良で、パントグラフアセンブリをスコッチヨーク機構に置き換え、コンポーネント数を削減しました。

最適化設計に到達した後（図1）、チームは元の設計からいくつかの機械部品を削減することに加え、測定精度と感度を向上させました。メーターシステムのコンポーネント数は、以前のダイヤフラム設計の35から5〜6に大幅削減され、システムの機械的堅牢性と完全性を保証しました。

次の設計はメビウスバンドタービンで、タービンの回転でガス流量を測定します。これらのガスメーターは、メビウスストリップを通過するガスの速度を決定することでガス体積を測定します。メビウスバンド形状のローターをガス流れの経路に配置し、軸を回転させます。軸の出力はベベルギアシステムに伝達されます。タービンはガス速度を推測し、機械的に電子または機械式カウンターに伝達します。

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用いて、乱流ガスフロー（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高いときに良好に動作することに注意が必要です。ガス体積が流量によって決定されるため、低圧力損失での流量測定ではデバイスの効力が限られます。この問題を回避するため、チームはよく知られた原理——同極磁石は互いに反発する——に基づく別の流量計を設計しました。

3番目のメーター設計では、通常ボールまたはディスクの物体がパイプ内に配置され、磁力で浮遊させます。物体はパイプ内のガス流れで持ち上げられ、磁性プレートが上昇した高さでガス流量を測定します。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可能です。研究者たちはAC/DCモジュールとCFDモジュールで磁気特性とデバイス性能を研究し、最適化設計に到達しました（図3）。

このケースでは、ガス流量のわずかな変動でも良好に動作する高感度デバイスを提案できました。

最終設計もタービン回転ベースですが、異なるタービン設計を使用します。ここでは、固定ガイドベーンとランナベーンを持つタービンアセンブリがメインチャネルに閉塞要素として配置されます（図4）。回転タービンが捕捉するエネルギーで熱センサーを駆動し、このデバイスを自己給電システムにしています。

ガイドベーンはノズルとして働き、ガス流れをランナベーンへ導き、軸とベベルギア対を回転させます。ガス流量はベベルギア対の回転、または熱センサーで温度降下を測定することで測定されます。

将来展望と応用

シミュレーション研究により、RaychemチームはU字管とハウジング内のセンサーのみのスマートエナジーガスメーターを設計でき、非常にコンパクトで設置容易になりました。検証済みシミュレーション結果は、Raychemの4つの新ガスメーター設計の核心です。

Raychemチームはこれらの流量計の性能が家庭用と産業用の要件に適すると確信しています。これらの設計は生産候補に絞り込まれ、まもなくインド全土の都市消費者に提供され、自宅のガスメーターに直接取り付けられる予定です。

この記事は、COMSOL Inc.マーケティングマネージャーのアディティ・カランディカルによって書かれました。詳細については、 をご覧ください。

Raychemチームは、TRIZ適用でティトー・キシャン氏、設計エンジニアリングでガネシュ・ボイェ氏の支援に感謝します。