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マルチフィジックスシミュレーションによるガス流れデバイスのスマートソリューションの設計

_インドが化石燃料への依存度を下げる方向に進むにつれて, より多くの都市の家庭に, より多くの温室効果ガスを排出する石炭や木材などの燃料の代わりに, パイプでつながれた天然ガスが供給されると予想されます. 家庭用ガスメーターのさまざまな設計を最適化するために, Raychem RPGの研究者はマルチフィジックスシミュレーションに目を向けました. _

Aditi Karandikar 著
2021年6月

20世紀の間, インドのエネルギー政策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, 国は液化石油ガス(LPG)と圧縮天然ガス(CNG)を調理や輸送に広く使用することで, よりガスベースの経済になるよう努めてきました. 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. どのようにするのでしょうか?ガスメーターを使うのです.

ガスメーターの原理

ガスメーター(図1)は, 住宅, 商業, および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品質に関係なく, 定義された量を測定します. したがって, メーター内を移動するガスの実際の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, ガスメーターにはいくつかの異なる一般的な設計があります. ガスメーターの主なタイプには, 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, コリオリメーターなどがあります.

図1. ガスメーター(画像は Raychem RPG の厚意による).

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つであり, 市場シェアのほぼ80%を占めています. 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)ではガスメーターの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.

ガスメーター設計のチャレンジ

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, 可動部品とダイヤフラムからの漏れが測定エラー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, ガスメーターの筐体サイズは固定されているため, 新しいメーターの設計は, 指定された筐体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, 承認されない確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, ガスメーターの部品点数を最小限に抑え, 品質テスト段階での不合格率を減らし, 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 COMSOL Multiphysics®ソフトウェアでシミュレーション解析を実行しました.

シミュレーションで4台のガス流量計設計を評価

Raychem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台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.

Scotch–Yoke 機構によるダイアフラムメーター

新しいガスメーターの最初の設計は, 既存のダイア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Scotch–Yoke機構に置き換えられ, 部品点数が削減されています.

図2. Scotch–Yoke デザインのジオメトリ.

最適化された設計(図2)に到達した後, Raychem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部品点数は, 以前のダイアフラム設計の35部品から5または6部品に大幅に削減され, システムの機械的耐久性と完全性が保証されました.

メビウスバンドタービンメーター

次の設計はメビウスバンド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, ガス量を測定します. 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. シャフトの出力はベベルギアシステムに転送されます. タービンはガスの速度を推定し, 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, COMSOL Multiphysics® のアドオン製品である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3)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.

図3. 2つの異なる角度からのメビウスバンドガスメーターのガス流れ速度プロファイル.

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. ガス量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, Raychem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.

磁気ボール/ディスクによるタービンメーターデザイン

3番目のメーターの設計では, 磁力によってボールまたはディスクなどの物体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. 研究者たちは, AC / DCモジュールとCFDモジュール, COMSOL Multiphysics® のアドオンを使用して磁気特性とデバイス性能を解析し, 最適化された設計に到達しました(図4). 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.

図4. 磁気ボール/ディスクメーターのコンセプト(左)とディスクの流体誘起運動のシミュレーション(右).

羽根付きタービンメーター

最後の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, 固定ガイド羽根とランナー羽根を備えたタービンアセンブリが, 障害要素としてメインの流路に配置されています(図5). 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系になります. ガイド羽根はノズルとして機能し, ガスの流れをランナー羽根に向けて送ります. ランナー羽根はシャフトとベベルギアのペアを回転させます. ガス流量は, かさ歯車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. Raychemチームは, CFDモジュールと COMSOL Multiphysics® を備えたマルチボディダイナミクスモジュールを使用して設計を完成させました. シミュレーション解析により, 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.

図5. タービンのデザイン(左)と COMSOL Multiphysics® で実行された設計評価(右).

将来の研究プラン

検証済みの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, 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れらの流量計の性能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される予定です.

謝辞

Raychem チームはTito Kishan 氏とGanesh Bhoye 氏に, それぞれTRIZと設計工学での協力を感謝します.