JP2005265819A - 分流式流量センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い測定精度及び測定安定性を維持しながら小形化及びコスト低減が可能な新規な構造を有する分流式流量センサ装置を提供する。
【解決手段】主流路とバイパス流路を備え、バイパス流路の壁面に熱式流量センサ２１１が配置されている。主流路におけるバイパス流路との分流部より上流側に第１整流手段１４が配置され、かつ、バイパス流路における熱式流量センサの上流側に第２整流手段２４が配置されている。主流路部材１１の側面に形成された開口部にバイパス流路部材１２が挿入されることによって主流路部材１１の側面開口部が封止されると共に、バイパス流路の入口１２１及び出口１２２が主流路中に位置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、主流路とバイパス流路を備え、バイパス流路の壁面に熱式流量センサを配置した分流式流量センサ装置に関する。

気体の流量を測定するための流量センサとして、熱式流量センサと呼称されているものがある。これは、白金線のような抵抗体を気体の流れに晒し、抵抗体に電流を流したときに生ずる発熱が気体の流れによって冷却される度合いを検出することによって気体の流量を測定するものである。

近年、半導体製造技術の進展に伴い、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる加工技術を用いて数ミリ角のシリコンチップ上に白金薄膜を形成した小型の熱式流量センサが開発され、使用されている。このような熱式流量センサを流路の内壁に取り付け、絞り部や整流部と一体化した流量センサ装置も実用化されている（例えば特許文献１参照）。この流量センサ装置は、流量測定の対象となる装置又は設備における気体の配管の途中に挿入されるようにして使用される。

上記のような小型の熱式流量センサを用いた流量センサ装置では、気体の流量が大きくなると流路内の気流が乱れ、測定精度が低下する傾向がある。そこで、気体の流路を主流路とバイパス流路とに分け、バイパス流路の壁面に熱式流量センサを配置し、バイパス流路を流れる一部の流量から全体の流量を推定することが行われる。つまり、主流路とバイパス流路との分流比から全体の流量を推定する。また、この分流比を変えれば、測定可能な流量のレンジを変えることができる。

主流路とバイパス流路とを一体化した流量センサ装置も開発されている（例えば特許文献２参照）。このように、主流路とバイパス流路を備え、バイパス流路の壁面に熱式流量センサを配置した構造を有する流量センサ装置を分流式流量センサ装置ということにする。なお、特許文献２に開示された流量センサ装置では、バイパス流路をセンサ流路と呼称し、主流路をバイパス流路と呼称している。
特公平６−４３９０７号公報 特開２００３−３２９５０４号公報

上記のような分流式流量センサ装置の測定精度を高め、安定した測定出力が得られるようにするためには、主流路及びバイパス流路における気体の流れを円滑にし、気流の乱れを最小限に抑えることが重要である。特に、バイパス流路における熱式流量センサの周辺での気流の乱れを最小限に抑えることが重要である。他方、分流式流量センサ装置の小形化及びコスト低減の要望に応える必要もある。

本発明は、上記のような課題に鑑み、高い測定精度及び測定安定性を維持しながら小形化及びコスト低減が可能な新規な構造を有する分流式流量センサ装置を提供することを目的とする。

本発明による分流式流量センサ装置の第１の構成（請求項１）は、主流路とバイパス流路を備え、バイパス流路の壁面に熱式流量センサを配置した分流式流量センサ装置において、前記主流路における前記バイパス流路との分流部より上流側に第１整流手段が配置され、かつ、前記バイパス流路における前記熱式流量センサの上流側に第２整流手段が配置されていることを特徴とする。なお、整流手段は、複数のメッシュ又は多孔板を所定間隔で重ねたものをいう。あるいは、断面ハニカム状のチューブを整流手段としてもよい。

本発明による分流式流量センサ装置の第２の構成（請求項２）は、第１の構成において、前記第１整流手段を含む主流路が形成された主流路モジュールと、前記第２整流手段を含むバイパス流路が形成されたバイパス流路モジュールとを備え、前記主流路モジュールの側面に形成された開口部に前記バイパス流路モジュールが挿入されることによって前記開口部が封止されると共に、前記バイパス流路の入口及び出口が前記主流路中に位置するように構成されていることを特徴とする。

本発明による分流式流量センサ装置の第３の構成（請求項３）は、第１又は第２の構成において、前記バイパス流路の入口が前記主流路の断面の略中央部に位置するように構成されていることを特徴とする。

本発明による分流式流量センサ装置の第４の構成（請求項４）は、第１、第２又は第３の構成において、前記バイパス流路の入口を構成するバイパス流路モジュールの先端部が前記主流路の上流側に突出していることを特徴とする。

本発明による分流式流量センサ装置の第５の構成（請求項５）は、第１から第４のいずれかの構成において、前記第２整流手段が複数のメッシュ板を重ねたものであり、各メッシュ板はメッシュ（又は多数の小孔）が形成されたメッシュ部とメッシュが形成されていない板状部とからなり、前記メッシュ部を前記板状部より薄く形成することにより、隣接するメッシュ板のメッシュ部の間に一定の隙間が形成されていることを特徴とする。

本発明の第１の構成によれば、高い測定精度及び測定安定性を維持しながら分流式流量センサ装置の小形化が可能となる。第１整流手段は主として分流前の主流路における径方向の流量分布、つまり流路断面内の流量分布を均一にする働きを有する。特に、分流式流量センサ装置の上流側の管路形状が直線状ではなく屈曲している（例えばＬ字状に曲がっている）場合や管路の径が変化している場合に気流の偏り（偏流）が発生しやすく、そのような場合に第１整流手段の効果が大きい。また、第２整流手段は、バイパス流路における熱式流量センサの上流側で整流を行い、熱式流量センサ近傍での気流の乱れを抑える働きを有する。特に、気流が速い場合やバイパス流路の断面が大きい場合に第２整流手段の効果が大きい。

本発明の第２の構成によれば、バイパス流路を１つのモジュールとしたことにより、分流式流量センサ装置の組み立てが容易となり、装置のコスト低減に寄与する。装置のメンテナンス性も改善される。

本発明の第３の構成によれば、バイパス流路の入口を主流路の断面の略中央部に位置させることにより、気流の乱れや偏流の影響を受けやすい管路の壁面付近ではなく、比較的安定した気流となる中央部の気体をバイパス流路へ導くことができる。その結果、バイパス流路を流れる気体の流量が安定しやすく、熱式流量センサによる流量測定の安定性が向上する。

本発明の第４の構成によれば、バイパス流路の入口を構成するバイパス流路モジュールの先端部が主流路の上流側に突出しているので、主流路中に配置されたバイパス流路の入口の周辺部に起因する主流路の気流の乱れが低減される。主流路の気流が乱れると熱式流量センサが配置されたバイパス流路の気流も乱れるので、主流路の気流の乱れを抑えることが重要である。

本発明の第５の構成によれば、流路方向に短いスペースに装着可能な複数のメッシュ板からなる整流手段を構成することができる。一定の隙間を隔てて重ねられた複数のメッシュ部によって整流効果が高くなる。比較的小形に構成されるバイパス流路モジュールでは、熱式流量センサの上流側に流路方向に長いスペースを確保することが困難であるので、このような構造が第２整流手段に適している。また、スペーサを介在させずに複数のメッシュ板を重ねるだけでよいので、組み立てが容易になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。

図１２は、本発明の実施例に係る分流式流量センサ装置の全体構成を示す外観図である。本実施例の分流式流量センサ装置は、ヘッド部３１とアンプ部３２が電気ケーブル２７で接続された構成を有する。アンプ部３２は更に電気ケーブル１０を介して外部機器（図示せず）に接続することができる。

図１３は、本発明の実施例に係る分流式流量センサ装置のヘッド部の外観を示す斜視図である。また、図１は分流式流量センサ装置のヘッド部の分解図であり、図２は分流式流量センサ装置のヘッド部の主要部断面図である。この分流式流量センサ装置は、金属製の略円筒状の主流路部材（主流路モジュール）１１と、その側面（図１等では上面）に形成された開口部に挿入されるバイパス流路モジュールを備えている。バイパス流路モジュールは、金属製又は樹脂製のバイパス流路部材１２と流量センサ基板２１で構成されている。主流路部材１１の側面開口部とバイパス流路部材１２との間には、バイパスパッキン１３が介装されている。また、詳しくは後述するが、基板パッキン２２によって主流路部材１１（主流路モジュール）の側面開口部とバイパス流路モジュールとの封止（気密性の確保）が成されている。

この分流式流量センサ装置は、略円筒状の主流路部材１１の両端部を流量測定対象の装置や設備における気体の管路に挿入して使用される。主流路部材（主流路モジュール）１１は気体の主流路を構成し、バイパス流路モジュール（バイパス流路部材１２及び流量センサ基板２１）は主流路から分流して流れる気体のバイパス流路を構成する。図２において、主流路を気体が流れる様子を太い矢印線で示し、バイパス流路を気体が流れる様子を細い矢印線で示している。

主流路部材１１の上流側部分には、複数のメッシュ板１４１とスペーサ１４２を交互に重ねた構造の第１整流手段１４が装着されている。図示の例では、６枚のメッシュ板１４１と５枚のスペーサ１４２が交互に重ねられて第１整流手段１４が構成されている。一例として、各メッシュ板１４１は厚み０．１ｍｍの円板状の金属板に直径約０．２ｍｍの小孔が多数形成されたものであり、各スペーサ１４２は厚み１．０ｍｍの金属製の円環状部材である。

第１整流手段１４は、図２に示すように、主流路部材１１の上流側内壁面に設けられた段部１１１に押し当てられ、メッシュロック１５を用いて固定されている。メッシュロック１５は、円環状部材の外周に雄螺子が形成されたものであり、主流路部材１１の段部１１１より上流側の内壁面に形成された雌螺子と螺合するようにねじ込まれる。第１整流手段１４は、分流前の主流路における径方向の流量分布、つまり流路断面内の流量分布を均一にする働きを有する。この働きの詳細については後述する。

主流路部材１１の下流側部分には、測定レンジ調整部材１６及びメッシュフィルタ１７が装着されている。測定レンジ調整部材１６は、略円筒形の部材であり、一端側に鍔部１６１を有する。図２に示すように、主流路部材１１の下流側内壁面に形成された段部１１２に、Ｏリング（オーリング）１８を挟むようにして測定レンジ調整部材１６の鍔部が押し当てられ、測定レンジ調整部材１６の円筒形部分が主流路部材１１の下流側円筒形部分に挿入される。測定レンジ調整部材１６の円筒形部分の外径と、主流路部材１１の下流側円筒形部分の内径はほぼ等しく、両者の隙間ができるだけ小さいことが望ましい。

測定レンジ調整部材１６の鍔部１６１の外側端面にメッシュフィルタ１７の外周部を挟むようにしてメッシュロック１９がねじ込まれ、これによって測定レンジ調整部材１６及びメッシュフィルタ１７が固定されている。メッシュロック１９は、上述のメッシュロック１５と同様に、円環状部材の外周に雄螺子が形成されたものであり、主流路部材１１の段部１１２より下流側の内壁面に形成された雌螺子と螺合するようにねじ込まれる。

メッシュフィルタ１７は、下流側の管路から気体が逆流したときに気体中の異物（ごみ）が分流式流量センサ装置の内部に入り込むのを防止するために設けられている。また、測定レンジ調整部材１６は、主流路の断面積を変えることによって測定レンジを変更することを容易にするために使用される。したがって、この測定レンジ調整部材１６が装着される場合と装着されない場合がある。

図３は、バイパス流路部材１２の斜視図である。また、図４はバイパス流路部材１２及び流量センサ基板２１で構成されるバイパス流路モジュールの断面図である。バイパス流路部材１２は、主流路部材１１の側面開口部を封止するように装着されたときに、主流路の断面の略中央部に位置するバイパス流路の入口１２１及び出口１２２を備え、入口１２１から出口１２２に至るバイパス流路がバイパス流路部材１２の内部に形成されている。図４において、バイパス流路を気体が流れる様子を矢印線で示している。

図３及び図４から分かるように、バイパス流路部材１２の上面には凹部１２３が形成され、この凹部１２３の前後が入口１２１及び出口１２２に連通している。図１及び図２に示すように、バイパス流路部材１２の上面には、流量センサ基板２１が被せられ、基板パッキン２２を挟んで流量センサ基板２１が主流路部材１１に固定される。つまり、バイパス流路部材１２の凹部１２３とその上側開口を塞ぐ流量センサ基板２１によってバイパス流路の一部が形成されている。

図５は、主流路部材１１の側面開口部にバイパス流路部材１２が装着され、その上に流量センサ基板２１が取り付けられる様子を示す斜視図である。図２の断面図に良く示されているように、基板パッキン２２は、主流路部材１１の側面（上面）開口部の周囲に設けられた段部とバイパス流路部材１２の上端部外周面とで形成される溝にはめ込まれる。４本の固定螺子２３と下基板ホルダ２８５によって流量センサ基板２１が主流路部材１１の上面に締め付けられると、基板パッキン２２が変形して主流路部材１１の側面開口部とバイパス流路部材１２の側面と流量センサ基板２１の下面とが同時に封止される。流量センサ基板２１等の取り付け構造については後で説明を加える。

図２及び図４に示すように、流量センサ基板２１の下面には、チップ部品である熱式流量センサ２１１が実装されている。つまり、バイパス流路の壁面の一部を構成する流量センサ基板２１の下面に熱式流量センサ２１１が配置されている。なお、図３において、バイパス流路の一部を形成する凹部１２３の横に第２の凹部１２４が形成されているが、これは流量センサ基板２１の下面に実装される熱式流量センサ２１１の引き出し線（ワイヤ）を保護するモールド部を逃げるためのものである。そのようなモールド部が無い熱式流量センサを用いる場合は凹部１２４が不要であり、また、バイパス流路の一部を形成する凹部１２３を流路方向に直角な方向（幅方向）に中央からずらして配置する必要もない。幅方向の寸法を更に小さく構成することも可能である。

前述のように、バイパス流路の入口１２１は主流路の断面の略中央部に位置する（図２参照）。これにより、気流の乱れが発生しやすい管路の壁面付近ではなく、比較的安定した気流となる中央部の気体をバイパス流路の入口１２１からバイパス流路へ導くことができる。その結果、バイパス流路を流れ込む気体の流量が安定しやすく、熱式流量センサ２１１による流量測定の安定性が向上する。

また、図２及び図４から分かるように、バイパス流路の入口１２１を構成するバイパス流路部材１２の先端部は上流側へ突出し、入口１２１の周辺部１２１ａが球面状に形成されている。つまり、主流路（の気体の流れ）に沿って流線形となるように形成されている。これにより、主流路中に配置されたバイパス流路の入口１２１の周辺部１２１ａに起因する主流路の気流の乱れが低減される。主流路の気流が乱れれば、熱式流量センサ２１１が配置されたバイパス流路の気流に影響が出るので、主流路の気流の乱れを抑えることが重要である。同様の理由により、バイパス流路の出口１２２を構成するバイパス流路部材１２の後端部は下流側へ突出し、出口１２２の周辺部１２２ａも球面状（流線形）に形成されている。

図２及び図４によく示されているように、バイパス流路の途中において熱式流量センサ２１１の上流側に第２整流手段２４が配置されている。第２整流手段２４は、複数（この例では５枚）の金属製メッシュ板２５を重ねたものであり、各メッシュ板２５はメッシュ（多数の小孔）が形成されたメッシュ部２５１とメッシュが形成されていない板状部２５２とからなる（図６参照）。メッシュ部２５１は板状部２５２より薄く形成されている。これにより、隣接するメッシュ板２５のメッシュ部２５１の間に一定の隙間が形成されている。

一例として、板状部２５２の厚みが０．２ｍｍ、メッシュ部２５１の厚みが０．１ｍｍであり、隣接するメッシュ板２５のメッシュ部２５１の間に０．１ｍｍの隙間が形成されている。本実施例のメッシュ板２５は、エッチング加工によってメッシュ部２５１が精密加工されたエッチングメッシュである。金網、フィルタ材、ハニカム材等を用いてメッシュ板２５を形成してもよいが、エッチングメッシュは組み立て時のばらつきに起因する整流効果の差が発生しにくい点で優れている。

図６は、バイパス流路部材１２と第２整流手段２４との分解図である。この図に良く示されているように、第２整流手段２４を構成する５枚のメッシュ板２５のそれぞれは、上側の薄肉のメッシュ部２５１とそれ以外の厚肉の板状部２５２からなる。板状部２５２のうちの下側部分２５３には、横長のスリットが３列にわたって互い違いにずれるように形成され、これによって上下方向の変形（圧縮）が可能なように構成されている。また、メッシュ部２５１の一方の側部には、板状部２５２の一部である突出部２５４が形成されている。

図６において、バイパス流路部材１２の上面には、メッシュ収容溝１２５が形成され、重ねられた５枚のメッシュ板２５の突出部２５４がこのメッシュ収容溝１２５に嵌り込むように装着される。また、薄板ばね部材を加工して形成されたメッシュ押さえばね２６を用いて、５枚のメッシュ板２５が重ね方向に押圧され固定されている。図４から分かるように、メッシュ押さえばね２６はバイパス流路中に位置するので、その下面中央部に大きな開口２６ａが形成され、気流を妨げないようになっている。また、バイパス流路部材１２の上面の上流側に浅い凹部１２６が形成されており、メッシュ押さえばね２６の水平部分２６ｂがこの凹部１２６に嵌り込むようになっている。

前述のように、流量センサ基板２１が主流路部材１１の上面に締め付けられると、メッシュ押さえばね２６の水平部分２６ｂがバイパス流路部材１２の上面の凹部１２６と流量センサ基板２１の下面との間に挟み込まれて固定されると共に、５枚のメッシュ板２５の上端面が流量センサ基板２１の下面に当接して下方に押される。このとき、前述したように、各メッシュ板２５の下側部分２５３に設けられた横長スリットによる上下方向の変形（圧縮）を許容する構造が機能する。

すなわち、各メッシュ板２５の下端面はバイパス流路部材１２に形成された段部１２７（図４参照）に当接し、上端面は流量センサ基板２１の下面に当接する。そして、流量センサ基板２１が４本の固定螺子２３で主流路部材１１の上面に締め付けられるに伴って、各メッシュ板２５は上下方向に若干圧縮される。このような構造としたことにより、各メッシュ板２５（第２整流手段２４）は、がたつきの無い状態で確実に固定される。図２及び図４から分かるように、各メッシュ板２５の上側部分のメッシュ部２５１がバイパス流路中に位置し、下側部分２５３はバイパス流路から外れた箇所に位置する。

第２整流手段２４は、バイパス流路における熱式流量センサ２１１の上流側で更なる整流を行い、熱式流量センサ２１１の近傍での気流の乱れを抑える働きを有する。この働きの詳細については後述する。また、上記のように、スペーサを介さずに複数のメッシュ板２５を直接重ねながら隣接するメッシュ部間に隙間を設けた構造により、十分な整流作用を確保しながら流路方向の長さ（厚み）をできるだけ小さくした第２整流手段２４を実現している。流路方向に比較的長いスペースを確保することができる主流路の第１整流手段１４と異なり、熱式流量センサ２１１の上流側に配置される第２整流手段２４は、流路方向に短いことが好ましい。これにより、バイパス流路部材１２ひいては分流式流量センサ装置全体の小形化が可能となる。

図１に示すように、分流式流量センサ装置のヘッド部とアンプ部との電気接続のための電気ケーブル２７が上下のケーブルブッシュ２７１，２７２と２本の固定螺子（図示を省略）を用いて主流路部材１１の上面に固定されている。分流式流量センサ装置のヘッド部及びアンプ部の電気回路の構成については後述する。また、流量センサ基板２１の上には、ヘッド部の電気回路を構成するプリント基板が内蔵された上ケースユニット２８が被せられている。

図７は、上ケースユニット２８及び流量センサ基板２１の分解図である。また、図１４は、分流式流量センサ装置のヘッド部の上ケースユニットを含む内部構造を示す断面図である。上ケースユニット２８は、樹脂製の上ケース２８１と、その内部に収容される表示基板２８２、メイン基板２８３、上基板ホルダ２８４及び下基板ホルダ２８５を含んでいる。図１にも示されているように、上ケースユニット２８（上ケース２８１）の上面には、２種類のＬＥＤ表示２８ａ及び２８ｂが備えられている。第１のＬＥＤ表示２８ａは、アンプ部からの制御によってオン・オフされるＬＥＤ表示であり、現在の流量があらかじめ設定した流量より多いか少ないかを表示する。第２のＬＥＤ表示２８ｂは、４個のＬＥＤ（発光ダイオード）を順番に点灯させることにより気体が流れている様子を表す。流量に応じてＬＥＤを順番に点灯させる速度（周期）を変化させることにより、流量が視覚的に分かるような表示である。表示基板２８２には、第１のＬＥＤ表示２８ａに対応するＬＥＤ２８２ａと第２のＬＥＤ表示２８ｂに対応する４個のＬＥＤ２８２ｂが実装されている。

メイン基板２８３には、熱式流量センサ２１１の出力信号の処理回路、上記のＬＥＤ表示２８ａ及び２８ｂの駆動回路、アンプ部との通信のための回路、電源回路等の回路部品が実装されている。メイン基板２８３は、基板間コネクタ２８３ａを介して表示基板２８２と上下一体に接続され、これらの基板２８２，２８３は樹脂製の上基板ホルダ２８４に固定される。上基板ホルダ２８４の下面の前後の端部には下方に突出した係合突起部２８４ａが設けられ、これらに係合する係合部２８５ａが下基板ホルダ２８５の前後の端部に形成されている。前後一対の係合突起部２８４ａと係合部２８５ａが係合することによって、上基板ホルダ２８４と下基板ホルダ２８５は一体に結合される。

樹脂製の下基板ホルダ２８５は、強度を高めるために、水平板部と両側の側板部２８５ｂからなる断面Ｈ形状の構造を有する。バイパス流路を流れる気体の圧力によって流量センサ基板２１が撓むのを防止するために、下基板ホルダ２８５の下面が流量センサ基板２１の上面に接触した状態で、図５に示したように下基板ホルダ２８５が主流路部材１１の側面開口部に螺子止めされる。下基板ホルダ２８５の強度を高めるための断面形状はＨ形状に限らず、例えば断面コ形状（Ｕ形状）としてもよい。十分な強度を確保できる金属で下基板ホルダ２８５を作る場合は側板部２８５ｂを省いた水平板部のみの形状としてもよい。

また、側板部２８５ｂは、上ケースユニット２８の両側壁の一部を兼ねている。すなわち、図７に示すように、上ケース２８１の両側面の比較的広い面積に矩形の切欠き２８１ａが形成され、この切欠き２８１ａに下基板ホルダ２８５の側板部２８５ｂが嵌り込み、上ケース２８１の側面と下基板ホルダ２８５の側板部２８５ｂの表面が面一になるように構成されている。そして、下基板ホルダ２８５の側板部２８５を含む上ケースユニット２８の側面全体に樹脂シート（図示を省略）が貼られる。このような構造により、各基板２８２，２８３の面積を最大限確保しながら上ケースユニット２８の幅を小さくすることができる。

図１４から分かるように、アンプ部との電気接続のための電気ケーブル２７は、メイン基板２８３に接続されている。そして、メイン基板２８３と流量センサ基板２１とが基板間コネクタ２１ａによって電気的に接続されている。図７から分かるように、上基板ホルダ２８４及び下基板ホルダ２８５のそれぞれの中央部に、基板間コネクタ２１ａを挿通させる貫通孔２８４ｂ，２８５ｃが形成されている。

上ケース２８１の両側面の下端部には計４箇所の係合孔２８１ｂが形成されており、これらに対応する係合突起１１ａが主流路部材１１の上部側面に形成されている。４対の係合孔２８１ｂ及び係合突起１１ａを互いに係合させることにより、上ケース２８１が主流路部材１１の上部に固定される。

図８は、ヘッド部の電気回路の構成を示すブロック図である。また、図９はヘッド部に接続されるアンプ部の電気回路の構成を示すブロック図である。前述のヘッド部３１とアンプ部３２との電気接続のための電気ケーブル２７には、４本の電線、すなわちヘッド電源ライン、アナログ信号／通信線、ヘッド表示信号／通信線、及びグランド（ＧＮＤ）ラインが含まれている。アナログ信号／通信線は、ヘッド部３１で検出された流量に相当する電圧信号（アナログ信号）をアンプ部３２に送るための信号線路とディジタル通信線路とを兼ねている。また、ヘッド表示信号／通信線は、アンプ部３２からヘッド部３１のＬＥＤ表示のオン・オフを制御するための信号線路とディジタル通信線路とを兼ねている。

ヘッド部３１は、前述の熱式流量センサ２１１、その出力信号の処理回路である一対のブリッジ回路３１１と差動増幅器３１２、Ｖ−Ｆ変換回路３１３、前述の第１及び第２のＬＥＤ表示２８ａ，２８ｂに対応する複数のＬＥＤを含むＬＥＤ表示回路３１４、電気的にデータ書き換え可能なメモリ素子であるＥＥＰＲＯＭ３１５、２個のアナログスイッチ３１６Ａ，３１６Ｂ、電源回路３１７及び２個の電圧検出回路３１８Ａ，３１８Ｂを備えている。

熱式流量センサ２１１は、白金薄膜で構成されたヒータ抵抗３０１と温度補償抵抗３０２を二組備え、それぞれの組が上流側と下流側とに離間して配置されている。上流側及び下流側のヒータ抵抗３０１に一定の電流を流したときに、気流が無い場合は両者の発熱による温度に差が無いが、気体の流量が多くなるにつれて、上流側のヒータ抵抗３０１が下流側のヒータ抵抗３０１に比べて冷却されて温度が下がる度合いが大きくなる。

したがって、両者の温度差から気体の流量が検出できる。実際には、本実施例の熱式流量センサ２１１では、上流側及び下流側のヒータ抵抗３０１が共に設定温度（抵抗値）になるように、一対のブリッジ回路３１１によってそれぞれのヒータ抵抗３０１に電流が供給される。そして、上流側及び下流側のヒータ抵抗３０１の電流の差（電圧の差）が差動増幅回路３１２で増幅され、得られた出力電圧が気体の流量に相当する検出信号となる。なお、各ヒータ抵抗３０１と組になっている温度補償抵抗３０２は、周囲温度の変化を補償するための抵抗である。

差動増幅回路３１２の出力電圧（流量に相当する検出信号）は、アナログスイッチ３１６Ａを通ってアナログ信号／通信線でアンプ部３２へ送られると共に、Ｖ−Ｆ変換回路３１３に与えられる。Ｖ−Ｆ変換回路３１３は、入力された流量に相当する電圧信号を周波数（周期）信号に変換し、変換後の信号をＬＥＤ表示回路３１４に与える。この信号に基づいて、ＬＥＤ表示回路３１４は前述の第２のＬＥＤ表示２８ｂを構成する４個のＬＥＤを与えられた周期で順番に点灯させる。このようにして、流量が多いほど短い周期で（速い速度で）、４個のＬＥＤが順番に繰り返し点灯する。

また、ＬＥＤ表示回路３１４に含まれる第１のＬＥＤ表示２８ａを構成するＬＥＤは、アンプ部３２からの制御信号によって点灯又は消灯される。すなわち、アンプ部３２からの制御信号がヘッド表示信号／通信線を通してヘッド部３１に与えられ、この制御信号はアナログスイッチ３１６Ｂを通って電圧検出回路３１８Ｂに与えられる。そして、電圧検出回路３１８Ｂの出力信号がＬＥＤ表示回路３１４に与えられている。なお、この信号は、上記の第２のＬＥＤ表示２８ｂのオン・オフ制御にも使用される。例えば、流量が所定値以下であるとアンプ部３２が判断したときは、アンプ部３２からヘッド部に与えられる制御信号によって第１のＬＥＤ表示２８ａがオフになると共に、流れ表示を行う第２のＬＥＤ表示２８ｂもオフになる。

また、ＥＥＰＲＯＭ３１５は、ヘッド部の固有（識別）データや特性データの記憶に使用され、アンプ部３２からの通信制御によって、その記憶データの読み出し及び書き込みが行われる。このとき、アナログ信号／通信線とヘッド表示信号／通信線が２本の通信ラインとして使用される。また、２個のアナログスイッチ３１６Ａ，３１６Ｂのオン・オフは、アンプ部３２からヘッド部３１の電源回路３１７にヘッド電源ラインを通して与えられる電源電圧によって制御することができる。このために、アンプ部３２から供給される電源電圧を電圧検出回路３１８Ａに入力し、その出力電圧がアナログスイッチ３１６Ａ，３１６Ｂの制御端子に与えられている。

アンプ部３２は、状態表示ＬＥＤ３２１、キースイッチ３２２、電源回路３２３、Ａ／Ｄ変換回路３２４、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）３２５、ヘッド表示制御回路３２６、ＥＥＰＲＯＭ３２７、入力回路３２８、アナログ出力回路３２９及び制御出力回路３３０を備えている。マイクロプロセッサ３２５は、アンプ部３２の全体の制御を司ると共に、前述の第１のＬＥＤ表示２８ａを制御するための信号をヘッド表示制御回路３２６（を介してヘッド部３１）に与える。また、ヘッド部３１からアナログ信号／通信線を通して送られる差動増幅回路３１２の出力電圧（流量に相当する検出信号）は、Ａ／Ｄ変換回路３２４でディジタル値に変換された後、マイクロプロセッサ３２５に入力される。

状態表示ＬＥＤ３２１は、ヘッド部３１及びアンプ部３２を含む分流式流量センサ装置の動作状態を表示する。キースイッチ３２２は、第１のＬＥＤ表示２８ａの点灯／消灯の制御のための基準流量値やその他の動作条件の設定に使用される。例えば、設定された基準流量値より検出流量値が大きい場合に第１のＬＥＤ表示２８ａを点灯させ、それ以外では消灯させるように制御される。電源回路３２３は、アンプ部３２を構成する各部に電源電圧を供給すると共に、ヘッド部３１にヘッド電源ラインを通して電源電圧を供給する。そして、前述のようにヘッド部３１のアナログ信号／通信線とヘッド表示信号／通信線に挿入された２個のアナログスイッチ３１６Ａ，３１６Ｂのオン・オフを制御するために、マイクロプロセッサ３２５から電源回路３２３にヘッド電圧制御信号が与えられる。電源回路３２３は、このヘッド電圧制御信号にしたがってヘッド電源ラインに供給する電圧を切り替える。

ＥＥＰＲＯＭ３２７は、各種設定値や制御用データの記憶に使用される。その記憶データは、外部機器（例えば上位コントローラ）から入力回路３２８を介してマイクロプロセッサ３２５に入力されるデータによって書き換えることができるようにしてもよい。また、検出された流量値は、マイクロプロセッサ３２５からアナログ出力回路３２９を介して外部機器へ出力することができる。更に、制御出力回路３３０を介してマイクロプロセッサ３２５からの制御信号を外部機器へ出力するための２つの出力ポートが備えられている。例えば、前述のヘッド部及びアンプ部のＬＥＤ表示に対応する（連動する）オン・オフ出力を外部に出力する。２つの出力ポートを用いて４通り（２ビット）のデータを出力することができる。

次に、主流路に設けられた第１整流手段１４とバイパス流路に設けられた第２整流手段２４の効果について説明を加える。前述のように、第１整流手段１４は、主として分流前の主流路における径方向の流量分布、つまり流路断面内の流量分布を均一にする働きを有する。特に、分流式流量センサ装置の上流側に接続される管路の形状がＬ字状に曲がっている場合に、主流路の上流側端部における流路断面内の流量分布が不均一になりやすい。この場合、主流路の壁面に沿って流れる気流が多くなり、流路断面内の中央付近を流れる気流が少なくなる傾向がある。その結果、入口１２１からバイパス流路に流れ込む気流が減少し、流量の測定結果が実際より少なめに検出される傾向がある。第１整流手段１４の働きによって、このような傾向が抑制され、又は緩和される。

図１０は、第１整流手段１４の効果を示すグラフである。横軸は実際の流量（リットル／分）を表し、縦軸はオフセット流量（リットル／分）を表している。ここでいうオフセット流量は、上述のように主流路の上流側にＬ字状に曲がっている管路を接続して気体を流したときに、実際の流量と検出流量（少なめに検出される）との差を意味する。曲線４１は第１整流手段１４を装着しなかったときの測定値をプロットしたものであり、曲線４２は第１整流手段１４を装着したときの測定値をプロットしたものである。

曲線４１から分かるように、第１整流手段１４を装着しなかったときは、流量が増加するに伴ってオフセット流量も増加し、流量１００リットル／分では実際の流量より約２０リットル／分少なめに検出された。これに対して第１整流手段１４を装着したときは、曲線４２に示すように、流量が増加してもごくわずかのオフセット流量を維持し、流量１００リットル／分での実際の流量と検出流量との差は２リットル／分未満であった。

図１１は、第１整流手段１４及び第２整流手段２４のノイズレベルに関する効果を示すグラフである。横軸は実際の流量（リットル／分）を表し、縦軸はノイズレベル（±リットル／分）を表している。ここでいうノイズレベルは、図８に示した差動増幅器３１２の出力電圧（ＤＣ電圧）に重畳されたＡＣ電圧成分を流量に換算したものである。ＡＣ電圧成分は主として気流の乱れによって発生する。ある程度の時間における平均値で測定流量を求めればＡＣ電圧成分（ノイズ）を除くことができるが、その場合は測定値が決定するまでに時間を要するので、いわゆる応答性が悪くなる。また、平均化するためのハードウェア（積分回路）又はソフトウェア処理が必要となる。

図１１において、曲線４３は第１整流手段１４を装着しないで、第２整流手段２４のみを装着したときの測定値をプロットしたものである。曲線４４は、第１整流手段１４を装着し、第２整流手段２４は装着しなかったときの測定値をプロットしたものである。曲線４５は、第１整流手段１４及び第２整流手段２４の両方を装着したときの測定値をプロットしたものである。

曲線４３と曲線４５を比較すれば、ノイズレベルに関しても第１整流手段１４の効果がかなり大きいことが分かる。しかし、曲線４４から分かるように、第１整流手段１４のみ装着して第２整流手段２４は装着しなかったときは、流量１００リットル／分に対して±２０リットル／分に近いノイズレベルが検出された。これに対して、第２整流手段２４も装着した場合は、曲線４５から分かるように、流量１００リットル／分に対して±２リットル／分未満のノイズレベルが検出されたにすぎない。

このように、ノイズレベルに関して、第２整流手段２４の効果も大きいことが確認された。第２整流手段２４は、バイパス流路における熱式流量センサ２１１の上流側で更なる整流を行い、熱式流量センサ２１１の近傍での気流の乱れを抑える働きを有する。これによって、ノイズレベルが抑えられる。

次に、バイパス流路部材１２及び流量センサ基板２１によって構成されるバイパスモジュールの詳細な実施例及び変形例について説明を加える。バイパス流路部材１２はアルミニウム等の金属ブロックを切削加工して作製してもよいし、樹脂成形によって作製してもよい。特に樹脂の射出成形によってバイパス流路部材１２を作製する場合は、細部の形状に関して後述するようないくつかの点を考慮することが好ましい。

図４等から分かるように、バイパス流路部材１２及び流量センサ基板２１によって構成されるバイパス流路は、直線的に延びる直管部と直角に曲がる屈曲部との組合せで構成されている。すなわち、バイパス流路は、入口１２１から主流路に沿って（横方向へ）延びる第１直管部Ｂ１から第１屈曲部を経て上方に向かう第２直管部Ｂ２となり、第２屈曲部を経て再び主流路に沿って延びる第３直管部Ｂ３となる。更に第３屈曲部を経て下方に向かう第４直管部Ｂ４となり、第４屈曲部を経て再び主流路に沿って延びる第５直管部Ｂ５となり出口１２２に至る。但し、上記のようなバイパス流路の構成に限るわけではなく、適宜変更可能である。直管部及び屈曲部の数を増やしてもよい。屈曲部を必ずしも直角に曲げる必要はなく鈍角に曲げてもよいし、円弧状に（Ｒを付けて）曲げてもよい。

上記のバイパス流路のうち、第３直管路Ｂ３は前述のようにバイパス流路部材１２の上面に形成された凹部１２３と流量センサ基板２１の下面とによって形成されている。凹部１２３の底面、すなわち流量センサ基板２１に対向する面は平面状に形成されている。したがって、この第３直管路Ｂ３は断面が長方形である。これに対して、第１直管部Ｂ１、第２直管部Ｂ２、第４直管部Ｂ４及び第５直管部Ｂ５の断面は円形である。但し、円形に限らず、楕円形や長円形、又は矩形の断面としてもよい。

樹脂の射出成形によってバイパス流路部材１２を作製する場合に、例えば第１直管部Ｂ１の断面を円形とするのであれば、第２直管部Ｂ２の断面は長円形又は矩形とすることが好ましい。つまり、射出成形で使用される金型において、第１直管部Ｂ１を形成するスライドピンと第２直管部Ｂ２を形成するスライドピンが共に円形断面である場合は、両者の突き合わせ部分の加工が難しい。加工精度が悪い場合は突き合わせ部分でバリが生じやすくなる。そこで、第１直管部Ｂ１を円形とする場合は、第２直管部Ｂ２の断面は長円形又は矩形とする。

より詳しく言えば、図４において第２直管部Ｂ２の管壁のうち少なくとも左側部分に平面部を設けることによって、第１直管部Ｂ１を形成するスライドピンの先端形状を平面とすることができる。これにより、金型（スライドピン）の加工が容易になると共に、樹脂成形品であるバイパス流路部材１２に形成されたバイパス流路内にバリが生ずることを回避することができる。なお、金属ブロックの切削加工によってバイパス流路部材１２を作製する場合は、第１直管部Ｂ１の断面及び第２直管部Ｂ２の断面を共に円形としても問題ない。第５直管部Ｂ５と第４直管部Ｂ４との関係についても、上記の第１直管部Ｂ１と第２直管部Ｂ２との関係と同様のことが言える。

樹脂の射出成形によってバイパス流路部材１２を作製する場合の他の留意点として、射出成形におけるいわゆるヒケを防止するために、肉厚部を抉る肉盗みを設けてもよい。例えば、図４において、第２直管部Ｂ２と第４直管部Ｂ４との間に側面又は下面からブロックを刳りぬくような凹部（肉盗み）を設けてもよい。

図４における第２直管部Ｂ２及び第４直管部Ｂ４の上側部分は、図３からも分かるように幅広の矩形断面となって第３直管路Ｂ３と接続されている。図３から分かるように、第３直管路Ｂ３は、流路方向に直角な方向（幅方向）に中央からずらして（オフセットして）配置されている。これは、前述のように熱式流量センサ２１１の形状によるものである。なお、図４の断面図は、第３直管路Ｂ３の部分のみ中央からずれた（オフセットされた）断面を示している。

図４において、第２整流手段２４（のメッシュ部２５１）と熱式流量センサ２１１は共に第３直管路Ｂ３に配置され、両者の間にバイパス流路の屈曲部は存在しない。これにより、第２整流手段２４によって略均一な気流となった直後の流量が熱式流量センサ２１１によって検出されることになる。また、第３直管路Ｂ３の始まり部分、即ち第２直管部Ｂ２の後の第２屈曲部の直後に第２整流手段２４が設けられており、これを構成するメッシュ板２５の積層方向は主流路に沿った方向、即ち第１整流手段１４のメッシュ板１４１の積層方向と同じである。また、流量センサ基板２１の下面に実装された熱式流量センサ２１１が第３直管路Ｂ３に突出し、この部分でバイパス流路の断面が小さくなっている。したがってこの部分での絞り効果により、流量の検出精度が良くなる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記の実施例に限らず、必要に応じて種々の変更を加えて実施することができる。例えば、上記の実施例の分流式流量センサ装置（ヘッド部）では、主流路及びバイパス流路が、個別の部材である主流路モジュール及びバイパス流路モジュールによって形成され、両者を結合させるように組み立てられているが、下記のように主流路及びバイパス流路を一体の部材に形成するようにしてもよい。

図１５は、本発明の別実施例に係る分流式流量センサ装置のヘッド部の主要部断面図である。この構成では、主流路ＭＰ及びバイパス流路ＳＰが共にメインモジュール５１に形成されている。メインモジュール５１の長手方向に沿って設けられた主流路ＭＰに対して上側壁面から主流路ＭＰに突出する突出部５１１が設けられ、この突出部５１１にバイパス流路ＳＰが形成されている。バイパス流路ＳＰは、主流路ＭＰの中心軸に沿って延びるように形成されている。また、メインモジュール５１の突出部５１１の上方には凹部５１２が形成され、この凹部５１２の底とバイパス流路ＳＰの上部壁面中央部とを連通する開口部が形成されている。

凹部５１２及びその底からバイパス流路ＳＰに至る開口部にはサブモジュールを構成するステム部材５２が装着されている。ステム部材５２には鍔部５２１が形成され、この鍔部５２１とメインモジュール５１の凹部５１２との間にＯリング５３が介装されている。ステム部材５２の下端面５２２はバイパス流路ＳＰの壁面の一部を構成し、この下端面５２２に熱式流量センサ２１１が取り付けられている。

また、メインモジュール５１の突出部５１１に形成されたバイパス流路ＳＰの上流側端部には第２整流手段５４が装着されている。第２整流手段５４は、図１６に示すようなメッシュ板５６を複数枚（図１５の例では５枚）重ねて構成されている。図１６において、（ａ）はメッシュ板５６の平面図であり、（ｂ）は側面図である。メッシュ板５６は金属製の円板の周縁部５６１の厚みがその内側のメッシュ部５６２より厚く形成され、メッシュ部５６２には多数の小孔が形成されている。例えばメッシュ部５６２の厚みが０．１ｍｍ、周縁部５６１の厚みが０．２ｍｍであり、複数のメッシュ板５６を重ね合わせたときに、隣接するメッシュ板５６のメッシュ部５６２の間に０．１ｍｍの隙間が形成される。なお、金網、フィルタ材、ハニカム材等を用いて第２整流手段５４を形成してもよい。第１整流手段１４（及びメッシュロック１５）と同様に、第２整流手段５４は、バイパス流路ＳＰの上流側端部の内壁面に形成された段部に押し当てられ、メッシュロック５５を用いて固定されている。

本発明の実施例に係る分流式流量センサ装置のヘッド部の分解図である。 分流式流量センサ装置のヘッド部の主要部断面図である。 バイパス流路部材の斜視図である。 バイパス流路部材及び流量センサ基板で構成されるバイパス流路モジュールの断面図である。 主流路モジュールの側面開口部にバイパス流路モジュールが装着され、その上に流量センサ基板が取り付けられる様子を示す斜視図である。 バイパス流路モジュールと第２整流手段との分解図である。 上ケースユニット及び流量センサ基板の分解図である。 分流式流量センサ装置のヘッド部の電気回路の構成を示すブロック図である。 ヘッド部に接続されるアンプ部の電気回路の構成を示すブロック図である。 第１整流手段の効果を示すグラフである。 第１整流手段及び第２整流手段のノイズレベルに関する効果を示すグラフである。 本発明の実施例に係る分流式流量センサ装置の全体構成を示す外観図である。 本発明の実施例に係る分流式流量センサ装置のヘッド部の外観を示す斜視図である。 分流式流量センサ装置のヘッド部の上ケースユニットを含む内部構造を示す断面図である。 本発明の別実施例に係る分流式流量センサ装置のヘッド部の主要部断面図である。 本発明の別実施例に係る分流式流量センサ装置のヘッド部に使用される第２整流手段を構成するメッシュ板の例を示す図である。

符号の説明

１１ 主流路部材（主流路モジュール）
１２ バイパス流路部材（バイパス流路モジュール）
１４ 第１整流手段
２１ 流量センサ基板（バイパス流路モジュール）
２４ 第２整流手段
２５ 第２整流手段のメッシュ板
１２１ バイパス流路の入口
１２１ａ 入口の周辺部
１２２ バイパス流路の出口
２１１ 熱式流量センサ
２５１ メッシュ部
２５２ 板状部

Claims (5)

1. 主流路とバイパス流路を備え、バイパス流路の壁面に熱式流量センサを配置した分流式流量センサ装置であって、
   前記主流路における前記バイパス流路との分流部より上流側に第１整流手段が配置され、かつ、
   前記バイパス流路における前記熱式流量センサの上流側に第２整流手段が配置されていることを特徴とする分流式流量センサ装置。
2. 前記第１整流手段を含む主流路が形成された主流路モジュールと、前記第２整流手段を含むバイパス流路が形成されたバイパス流路モジュールとを備え、前記主流路モジュールの側面に形成された開口部に前記バイパス流路モジュールが挿入されることによって前記開口部が封止されると共に、前記バイパス流路の入口及び出口が前記主流路中に位置するように構成されていることを特徴とする
   請求項１記載の分流式流量センサ装置。
3. 前記バイパス流路の入口が前記主流路の断面の略中央部に位置するように構成されていることを特徴とする
   請求項１又は２記載の分流式流量センサ装置。
4. 前記バイパス流路の入口を構成するバイパス流路モジュールの先端部が前記主流路の上流側に突出していることを特徴とする
   請求項１、２又は３記載の分流式流量センサ装置。
5. 前記第２整流手段は複数のメッシュ板を重ねたものであり、各メッシュ板はメッシュが形成されたメッシュ部とメッシュが形成されていない板状部とからなり、前記メッシュ部を前記板状部より薄く形成することにより、隣接するメッシュ板のメッシュ部の間に一定の隙間が形成されていることを特徴とする
   請求項１から４のいずれか１項記載の分流式流量センサ装置。

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