JP2005291923A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 流量計に大流量の被測定流体が流れ込んだ場合に測定部の破損を防止することができる熱式流量計を提供すること。
【解決手段】 熱式流量計１において、ボディ４１に形成された流路空間４４に配置される積層体５０中に、直径０．５ｍｍのオリフィス５２Ａが２箇所に形成されたオリフィス板５２を配置する。これにより、積層体５０にオリフィス５２Ａが設けられる。そして、熱式流量計１に流れ込んだ被測定流体は、オリフィス５２Ａを通過した後にセンサ流路Ｓに流れ込む。したがって、大流量の被測定流体が熱式流量計１に流れ込んだとしても、オリフィス５２Ａによって被測定流体の流量が絞られるため、測定チップ１１の破損を確実に防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、抵抗体（熱線）を用いて流量を計測する熱式流量計に関する。さらに詳細には、大流量時において抵抗体を備える測定部が破損することを防止することができる熱式流量計に関するものである。

近年、例えば漏れ検査などに、高速応答かつ小型の熱式流量計が利用されている。このような熱式流量計の１つとして、例えば、特開２００３−１９４６０８号公報に開示されたものがある。この熱式流量計は、流量を計測するための熱線が架設されたセンサ流路の他に、センサ流路に対するバイパス流路を備えており、バイパス流路は、熱線を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極が表面に設けられた基板を、側面開口部を備える流体流路が形成されたボディに対し、側面開口部を塞ぐようにして密着させることにより形成され、センサ流路は、熱線とその熱線に接続する熱線用電極とが設けられた測定チップを、熱線用電極と電気回路用電極とを接着して基板に実装することにより、測定チップあるいは基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成されている。

そして、この熱式流量計では、測定チップに設けられた熱線は、測定チップを基板に実装した際に、測定チップに設けられた熱線用電極と基板の表面に設けられた電気回路用電極とが接着されることによって、熱線を用いた計測原理を行うための電気回路に接続される。一方、基板がボディに対して密着されると、ボディの内部において、バイパス流路が形成される。このとき、基板又は基板に実装された測定チップに溝が設けられているので、ボディの内部において、バイパス流路に対するセンサ流路も形成される。

そして、ボディの内部を流れる被測定流体は、バイパス流路とセンサ流路の断面積比に応じて、バイパス流路とセンサ流路とに分流される。このとき、測定チップに設けられた熱線は、センサ流路に橋設された状態にあるので、熱線を用いた計測原理を行うための電気回路により、センサ流路を流れる被測定流体の流量、ひいては、ボディの内部を流れる被測定流体の流量を測定する。このようして、この熱式流量計は、高速応答で安定した計測結果を出力することができるようになっている。

特開２００３−１９４６０８号公報（第３〜５頁、第１図）

しかしながら、従来の熱式流量計では、流量計に大流量の被測定流体が流れたときに、測定チップが破損するおそれがあった。例えば、熱式流量計を使用して漏れ検査を行う場合に、ワークにエアを充填する動圧時にその充填エアが大量にセンサ流路に流れてしまい、測定チップが破損するおそれがあった。

ここで、測定チップの破損を防止するためには、測定チップの強度を高めることが考えられる。ところが、測定チップの強度を高めると、測定チップに対して微細加工を施すことができなくなり、熱式流量計の感度が低下してしまう。このため、単純に測定チップの強度を高めることはできない。

そこで、本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、流量計に大流量の被測定流体が流れ込んだ場合に測定部の破損を防止することができる熱式流量計を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る熱式流量計は、流量を計測するための抵抗体が架設されたセンサ流路を備える熱式流量計において、ボディに形成された側面開口部に配置された積層体と、前記側面開口部を塞ぐように前記ボディに密着して固定された基板とを有し、前記基板は、抵抗体を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極を備え、前記積層体は、エッチング加工された複数の薄板と、前記センサ流路を流れる被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓ以下となるように有効断面積を変更する有効断面積変更手段とを備え、前記センサ流路は、抵抗体とその抵抗体に接続する抵抗体用電極とが設けられた測定チップを、前記抵抗体用電極と前記電気回路用電極とを接着して前記基板に実装することにより、前記測定チップあるいは前記基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成され、前記測定チップは、流れ方向上流側に設けられた上流温度検出抵抗体と、流れ方向下流側に設けられた下流温度検出抵抗体と、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との間に設けられ、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体とを加熱する発熱抵抗体と、被測定流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体とを備えており、前記電気回路により、前記発熱抵抗体と前記流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御され、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との温度差に基づき被測定流体の流量が測定されることを特徴とするものである。
なお、本明細書における「側面開口部」とは、ボディの側面（言い換えると、入出力ポートが開口していない面）であって基板が装着される面に開口した開口部を意味する。

この熱式流量計では、流量計に流れ込んだ被測定流体は、抵抗体が架設されたセンサ流路に流れ込む。そして、抵抗体を用いた計測原理に基づき、センサ流路を流れる被測定流体の流量、つまり熱式流量計の内部を流れる被測定流体の流量が測定される。具体的には、電気回路により、発熱抵抗体と流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御され、上流温度検出抵抗体と下流温度検出抵抗体との温度差に基づき被測定流体の流量が測定される。このとき、順方向の流れの場合には出力が増加し、逆方向の流れの場合には出力が減少するため、被測定流体の流れ方向も検知することができる。

そして、積層体には、センサ流路を流れる被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓ以下となるように有効断面積を変更する有効断面積変更手段が設けられている。このため、この熱式流量計に大流量の被測定流体が流れ込んだとしても、有効断面積変更手段によってセンサ流路を流れる被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓ以下に抑えられる。そして、センサ流路を流れる被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓ以下であれば、測定チップが破損しないことが確認されている（図８参照）。したがって、この熱式流量計では大流量の被測定流体が流れ込んでも、測定チップが破損することはない。

なお、積層体の構成（各薄板の組み合わせ）を変更してバイパス流路を形成していもよい。このようなバイパス流路を形成することにより、フルスケール流量を大きくすることができる。

ここで、前記有効断面積変更手段は、前記積層体に設けられたオリフィスであることが望ましい。あるいは、前記有効断面積変更手段は、複数の前記薄板に設けられた開口部により前記積層体に形成された蛇行流路であってもよい。
このようにして有効断面積変更手段を構成することにより、センサ流路を流れる被測定流体の流速を１０００ｍ／ｓ以下に確実に絞ることができるからである。

また、上記課題を解決するためになされた本発明に係る別形態の熱式流量計は、流量を計測するための抵抗体が架設されたセンサ流路を備える熱式流量計において、ボディに形成された側面開口部に配置された積層体と、前記側面開口部を塞ぐように前記ボディに密着して固定された基板とを有し、前記基板は、抵抗体を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極を備え、前記積層体は、エッチング加工された複数の薄板を備え、前記ボディは、前記センサ流路を流れる被測定流体の流速を１０００ｍ／ｓ以下にするオリフィスを備え、前記センサ流路は、抵抗体とその抵抗体に接続する抵抗体用電極とが設けられた測定チップを、前記抵抗体用電極と前記電気回路用電極とを接着して前記基板に実装することにより、前記測定チップあるいは前記基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成され、前記測定チップは、流れ方向上流側に設けられた上流温度検出抵抗体と、流れ方向下流側に設けられた下流温度検出抵抗体と、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との間に設けられ、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体とを加熱する発熱抵抗体と、被測定流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体とを備えており、前記電気回路により、前記発熱抵抗体と前記流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御され、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との温度差に基づき被測定流体の流量が測定されることを特徴とするものである。

この熱式流量計でも、流量計に流れ込んだ被測定流体は、抵抗体が架設されたセンサ流路に流れ込む。そして、抵抗体を用いた計測原理に基づき、センサ流路を流れる被測定流体の流量、つまり熱式流量計の内部を流れる被測定流体の流量が測定される。具体的には、電気回路により、発熱抵抗体と流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御され、上流温度検出抵抗体と下流温度検出抵抗体との温度差に基づき被測定流体の流量が測定される。このとき、順方向の流れの場合には出力が増加し、逆方向の流れの場合には出力が減少するため、被測定流体の流れ方向も検知することができる。

そして、ボディには、センサ流路を流れる被測定流体の流速を１０００ｍ／ｓ以下にするオリフィスが設けられている。このため、この熱式流量計に大流量の被測定流体が流れ込んだとしても、ボディに設けられたオリフィスによってセンサ流路を流れる被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓ以下に抑えられる。そして、上記したように、センサ流路を流れる被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓ以下であれば、測定チップが破損しないことが確認されている（図８参照）。したがって、この熱式流量計でも大流量の被測定流体が流れ込んだとしても、測定チップが破損することはない。

さらに、上記課題を解決するためになされた本発明に係る別形態の熱式流量計は、流量を計測するための抵抗体が架設されたセンサ流路と、入口流路と、出口流路とを備える熱式流量計において、ボディに形成された側面開口部に配置された積層体と、前記側面開口部を塞ぐように前記ボディに密着して固定された基板とを有し、前記基板は、抵抗体を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極を備え、前記積層体は、エッチング加工された複数の薄板を備え、前記ボディは、前記入口流路と前記出口流路とを前記センサ流路を介さずに連通させる連通流路と、その連通流路に設けられた逆止弁とを備え、前記センサ流路は、抵抗体とその抵抗体に接続する抵抗体用電極とが設けられた測定チップを、前記抵抗体用電極と前記電気回路用電極とを接着して前記基板に実装することにより、前記測定チップあるいは前記基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成され、前記測定チップは、流れ方向上流側に設けられた上流温度検出抵抗体と、流れ方向下流側に設けられた下流温度検出抵抗体と、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との間に設けられ、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体とを加熱する発熱抵抗体と、被測定流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体とを備えており、前記電気回路により、前記発熱抵抗体と前記流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御され、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との温度差に基づき被測定流体の流量が測定されることを特徴とするものである。

この熱式流量計でも、流量計に流れ込んだ被測定流体は、抵抗体が架設されたセンサ流路に流れ込む。そして、抵抗体を用いた計測原理に基づき、センサ流路を流れる被測定流体の流量、つまり熱式流量計の内部を流れる被測定流体の流量が測定される。具体的には、電気回路により、発熱抵抗体と流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御され、上流温度検出抵抗体と下流温度検出抵抗体との温度差に基づき被測定流体の流量が測定される。このとき、順方向の流れの場合には出力が増加し、逆方向の流れの場合には出力が減少するため、被測定流体の流れ方向も検知することができる。

そして、ボディには、入口流路と出口流路とをセンサ流路およびバイパスを介さずに連通させる連通流路が形成され、その連通流路に逆止弁が設けられている。このため、入口流路と出口流路とで圧力差が発生すると、逆止弁が開き入口流路に流れ込んだ被測定流体の大部分はそのまま出口流路へと流れる。そして、熱式流量計に大流量の被測定流体が流れ込むと入口流路と出口流路とで圧力差が生じるので、熱式流量計に流れ込んだ被測定流体の大部分は、そのまま出口流路へと流れる。その後、入口流路と出口流路との圧力差がなくなると逆止弁が閉じる。

このように、この熱式流量計に大流量の被測定流体が流れ込んだ場合には、ボディに設けられた逆止弁が開き被測定流体の大部分はそのまま出口流路へと流れる。このため、センサ流路を流れる被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓを越えることはない。そして、上記したように、センサ流路を流れる被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓ以下であれば、測定チップが破損しないことが確認されている（図８参照）。したがって、この熱式流量計でも大流量の被測定流体が流れ込んだとしても、測定チップが破損することはない。

本発明に係る熱式流量計によれば、積層体に有効断面積変更手段、ボディにオリフィス、あるいはボディに逆止弁を備えているので、センサ流路に流れ込む被測定流体の流量が絞られる。このため、熱式流量計に大流量の被測定流体が流れ込んだ場合であっても、測定部（測定チップ）の破損を防止することができる。

以下、本発明の熱式流量計を具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
まず、第１の実施の形態について説明する。そこで、第１の実施の形態に係る熱式流量計の概略構成を図１に示す。図１は、熱式流量計１を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態に係る熱式流量計１には、ボディ４１と、センサ基板２１と、積層体５０とが備わっている。そして、積層体５０がボディ４１の流路空間４４に装着された状態で、センサ基板２１がシールパッキン４８を介しボディ４１にネジ固定で密着されている。

ボディ４１は、図２および図３に示すように、直方体形状のものであり、左右対称に構成されている。なお、図２は、ボディ４１を示す平面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。このボディ４１には、両端面に入口ポート４２と出口ポート４６とが形成されている。そして、入口ポート４２からボディ中央に向かって入口流路４３が形成され、同様に出口ポート４６からボディ中央に向かって出口流路４５が形成されている。

また、ボディ４１の上部には、積層体５０を配置するとともにセンサ流路Ｓを形成するための流路空間４４が形成されている。この流路空間４４の横断面は、長方形の両短辺を円弧状（半円）にした形状になっており、その中央部に円弧状の凸部４４Ｃが形成されている。凸部４４Ｃは、積層体５０（各薄板）の位置決めを行うためのものである。そして、流路空間４４の下面の一部が入口流路４３および出口流路４５に連通している。すなわち、入口流路４３と出口流路４５とがそれぞれ９０度に屈曲したエルボ部４３Ａと４５Ａを介して流路空間４４に連通されている。さらに、流路空間４４の外周に沿うようにボディ４１の上面には、シールパッキン４８を装着するための溝４９が形成されている。

積層体５０は、図４に示すように、３種類の薄板を合計１２枚積層したものである。なお、図４は、積層体５０の構造を示す分解斜視図である。この積層体５０は、下から順に、メッシュ板５１、両端開口板５３、メッシュ板５１、両端開口板５３、オリフィス板５２、両端開口板５３，５３、メッシュ板５１、両端開口板５３、メッシュ板５１、両端開口板５３、およびメッシュ板５１が積層されて密着されたものである。

メッシュ板５１、オリフィス板５２、および両端開口板５３は、ともに厚さが０．５ｍｍ以下のものであり、エッチングにより各形状の加工（マイクロマシニング加工）がなされたものである。そして、積層体５０（各薄板）の投影形状は流路空間４４の横断面形状と同じになっている。これにより、積層体５０が流路空間４４に隙間なく装着されるようになっている。

ここで、個々の薄板について説明する。まず、メッシュ板５１について、図５、図６を用いて説明する。なお、図５（ａ）はメッシュ板５１を示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図６は、メッシュ板５１のメッシュ部５１Ｍの拡大図である。メッシュ板５１は、図５に示すように、その両端にメッシュ部５１Ｍが形成された厚さが０．３ｍｍの薄板である。メッシュ部５１Ｍは、直径４ｍｍの円形状であり、図６に示すように、メッシュを構成する孔（直径０．２ｍｍ）の中心間距離がすべて０．２７ｍｍとなるように形成されている。すなわち、各孔の中心が正三角形の各頂点となるように孔が形成されている。なお、メッシュ部５１Ｍの厚さは、図５（ｂ）に示すように他の部分よりも薄くなっており、その厚さは０．０５〜０．１ｍｍとなっている。

次に、オリフィス板５２について図７を用いて説明する。なお、図７（ａ）は、オリフィス５２を示す平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。オリフィス板５２は、図７に示すように、エッチング加工により形成されたオリフィス５２Ａを２箇所に有している。なお、オリフィス板５２の厚さは０．３ｍｍである。

ここで、オリフィス板５２に形成するオリフィス５２Ａの直径は、センサ流路Ｓにおける被測定流体の流速を、測定チップ１１が破損しない程度まで絞れる寸法に決定する必要がある。そこで、発明者らは、オリフィスの直径とセンサ流路Ｓにおける流速および測定チップ１１の破損割合の関係を調べた。その結果を、図８に示す。図８は、１Ｍｐａの被測定流体を熱式流量計１に流し込んだ場合の結果を示す。

図８に示すように、オリフィスを設けない場合には、センサ流路Ｓにおける流速が２０００ｍ／ｓを越えてしまい、３０％程度の割合で測定チップ１１が破損した。オリフィス５２Ａの直径を１．０ｍｍとした場合には、センサ流路Ｓにおける流速が１０４０ｍ／ｓ程度に抑えられるが、５％程度の割合で測定チップ１１が破損した。そして、オリフィス５２Ａの直径を０．５ｍｍとした場合には、センサ流路Ｓにおける流速が６２０ｍ／ｓ程度に抑えられ、測定チップ１１が破損することはなかった。

この調査結果から、センサ流路Ｓにおける被測定流体の流速を１０００ｍ／ｓ以下に抑えることにより、測定チップ１１の破損を防止することができることが判明した。このため、本実施の形態では、オリフィス５２Ａの直径を０．５ｍｍとしている。

本実施の形態では、オリフィス５２Ａを２箇所設けているが、オリフィス５２Ａは１次側、あるいは２次側にのみ設けることもできる。オリフィス５２Ａを１箇所にのみ設ける場合には、１次側に設けることが好ましい。１次側にオリフィス５２Ａを設ける方が、測定チップ１１の破損をより確実に防止することができるからである。

最後に、両端開口板５３について図９を用いて説明する。なお、図９（ａ）は両端開口板５３を示す平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。両端開口板５３は、図９に示すように、外周部５３Ｂと中央部５３Ｄとを残すようにエッチング加工されたものである。これにより、両端開口板５３には、その両端に開口部６３が形成されている。なお、両端開口板５３の厚さは０．５ｍｍである。

図１に戻って、上記したメッシュ板５１、オリフィス板５２、および両端開口板５３を組み合わせて、図４に示すように積層して密着した積層体５０を流路空間４４に装着することにより、連絡流路５，６が形成されている。そして、この連絡流路５，６にそれぞれオリフィス５２Ａが配置されている。なお、連絡流路５は、入口流路４３とセンサ流路Ｓとを連通させるものであり、連絡流路６は、出口流路４５とセンサ流路Ｓとを連通させるものである。

一方、センサ基板２１は、測定流量を電気信号として出力するものである。このためセンサ基板２１には、図１０に示すように、ベースとなるプリント基板２２の表面側（ボディ４１への装着面側）において、その中央部に溝２３が加工されている。そして、この溝２３の両側に、電気回路用電極２４，２５，２６，２７，２８，２９が設けられている。一方、プリント基板２２の裏面側には、電気素子３１、３２、３３、３４などで構成される電気回路が設けられている（図１参照）。そして、プリント基板２２の中で、電気回路用電極２４〜２９が電気素子３１〜３４などで構成される電気回路と接続されている。さらに、プリント基板２２の表面側には、後述するようにして、測定チップ１１が実装されている。

ここで、測定チップ１１について、図１１を用いて説明する。なお、図１１は、測定チップ１１を示す平面図である。測定チップ１１は、図１１に示すように、シリコンチップ１２に対して、半導体マイクロマシニングの加工技術を実施したものであり、このとき、チップ中央に溝１３が加工されるとともに、抵抗体（熱線）用電極１４，１５，１６，１７、１８，１９がチップ両端に設けられる。

また、このとき、上流温度検出抵抗体Ｒ１が、抵抗体用電極１５，１７から延設されるとともに溝１３の上に架設される。さらに、下流温度検出抵抗体Ｒ２が、抵抗体用電極１７，１９から延設されるとともに溝１３の上に架設される。さらにまた、発熱抵抗体Ｒｈが、上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２との間に、抵抗体用電極１６，１８から延設されるとともに溝１３の上に架設される。また、測定チップ１１においては、センサ流路Ｓの順方向上流側に流体温度検出抵抗体Ｒｔが、抵抗体用電極１４，１６から延設される。

そして、測定チップ１１の熱線用電極１４，１５，１６，１７，１８，１９を、センサ基板２１の電気回路用電極２４，２５，２６，２７，２８，２９（図１０参照）のそれぞれと、半田リフロー又は導電性接着剤などで接合することによって、測定チップ１１をセンサ基板２１に実装している。したがって、測定チップ１１がセンサ基板２１に実装されると、測定チップ１１に設けられた流体温度検出抵抗体Ｒｔ、上流温度検出抵抗体Ｒ１、下流温度検出抵抗体Ｒ２、および発熱抵抗体Ｒｈは、測定チップ１１の抵抗体用電極１４〜１９と、センサ基板２１の電気回路用電極２４〜２９（図１０参照）とを介して、センサ基板２１の裏面側に設けられた電気回路に接続されることになる。これにより、図１２に示す定温度差回路と、図１３に示す出力回路とが構成される。

ここで、図１２に示す定温度差回路は、発熱抵抗体Ｒｈを、流体温度検出抵抗体Ｒｔで検出される流体温度と一定の温度差をもつように制御するための回路である。また、図１３に示す出力回路は、上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２との温度差に相当する電圧値を出力するための回路である。この出力回路では、上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２とが直列に接続され、定電圧Ｖｃが印可されるようになっている。そして、上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２との中点電位Ｖｏｕｔが測定信号として出力されるようになっている。

また、測定チップ１１がセンサ基板２１に実装されると、測定チップ１１の溝１３は、センサ基板２１の溝２３と重なり合う。よって、図１に示すように、測定チップ１１が実装されたセンサ基板２１を、ボディ４１に対して、積層体５０およびシールパッキン４８を介して密着すると、ボディ４１の流路空間４４において、センサ基板２１と測定チップ１１との間に、測定チップ１１の溝１３やセンサ基板２１の溝２３などからなる細長い形状のセンサ流路Ｓが形成される。そのため、センサ流路Ｓには、流体温度検出抵抗体Ｒｔ、上流温度検出抵抗体Ｒ１、下流温度検出抵抗体Ｒ２、および発熱抵抗体Ｒｈが橋を渡すように設けられることになる。

次に、上記した構成を有する熱式流量計１の作用について説明する。熱式流量計１においては、順方向の流れの場合には、入口ポート４２を介して入口流路４３へ流れ込んだ被測定流体は、センサ流路Ｓへ流れ込む。そして、センサ流路Ｓから流れ出した被測定流体は、出口流路４５を介して出口ポート４６からボディ４１の外部に流れ出す。

一方、逆方向の流れの場合には、出口ポート４６を介して出口流路４５へ流れ込んだ被測定流体は、センサ流路Ｓへ流れ込む。そして、センサ流路Ｓから流れ出した被測定流体は、入口流路４３を介して入口ポート４２からボディ４１の外部に流れ出す。

ここで、被測定流体が順方向あるいは逆方向のいずれの方向に流れても、センサ流路Ｓへ流れ込む被測定流体は、積層体５０内におけるメッシュ部５１Ｍを通過した後に、センサ流路Ｓに流れ込む。したがって、非常に流れが整えられた状態の被測定流体が、センサ流路Ｓを流れる。

また、熱式流量計に大流量の被測定流体が流れ込んだ場合には、積層体５０に設けられたオリフィス板５２に形成されたオリフィス５２Ａによって流量が絞られる。具体的には、センサ流路Ｓにおける被測定流体の流速は、確実に１０００ｍ／ｓ以下に抑えられる。本実施の形態では、オリフィス５２Ａの直径を０．５ｍｍとしているので、センサ流路Ｓにおける被測定流体の流速は、約６２０ｍ／ｓに抑えらる。これにより、測定チップ１１の破損を確実に防止することができる（図８参照）。

そして、センサ流路Ｓを流れる被測定流体は、センサ流路Ｓに橋設された発熱抵抗体Ｒｈから熱を奪う。そうすると、センサ基板２１の裏面側に設けられた電気回路（図１２に示す定温度差回路）により、流体温度検出抵抗体Ｒｔと発熱抵抗体Ｒｈとが一定の温度差になるように制御される。

また、センサ基板２１の裏面側に設けられた電気回路（図１３に示す出力回路）により、直列に接続され定電圧Ｖｃが印可された上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２との中点電位Ｖｏｕｔが測定信号として出力される。このとき、被測定流体が順方向の流れの場合には、上流温度検出抵抗体Ｒ１の温度（抵抗値）が低下し、下流温度検出抵抗体Ｒ２の温度（抵抗値）が増加するため、中点電位Ｖｏｕｔが増加する。一方、被測定流体が逆方向の流れの場合には、上流温度検出抵抗体Ｒ１の温度（抵抗値）が増加し、下流温度検出抵抗体Ｒ２の温度（抵抗値）が低下するため、中点電位Ｖｏｕｔは低下する。このため、被測定流体の流れ方向を検知することができる。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る熱式流量計１によれば、ボディ４１に形成された流路空間４４に配置する積層体５０中に、直径０．５ｍｍのオリフィス５２Ａが２箇所に形成されたオリフィス板５２を有する。このため、熱式流量計１に大流量の被測定流体が流れ込んだとしても、オリフィス５２Ａによって被測定流体の流量が絞られる。これにより、センサ流路Ｓにおける被測定流体の流速が確実に１０００ｍ／ｓ以下に抑えられるので、測定チップ１１の破損を確実に防止することができる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係る熱式流量計は、基本的な構成を第１の実施の形態に係る熱式流量計１とほぼ同じくするが、積層体の構成が異なる。具体的には、第２の実施の形態においては、積層体にオリフィス板を設ける代わりに蛇行流路を形成している。そこで、以下の説明では、第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、第１の実施の形態と同様の構成のものについて同符号を付して説明を適宜省略する。

そこで、まず、第２の実施の形態に係る熱式流量計に備わる積層体５０Ａについて、図１４を参照しながら説明する。図１４は、積層体５０Ａの構造を示す分解斜視図である。積層体５０Ａは、図１４に示すように、４種類の薄板を合計２３枚積層したものである。すなわち、下から順に、メッシュ板５１、両端開口板５３、第１スリット板５４、両端開口板５３、第２スリット板５５、両端開口板５３、第１スリット板５４、両端開口板５３、第２スリット板５５、両端開口板５３、第１スリット板５４、両端開口板５３、第２スリット板５５、両端開口板５３、第１スリット板５４、両端開口板５３、第２スリット板５５、両端開口板５３、第１スリット板５４、両端開口板５３、メッシュ板５１、両端開口板５３、およびメッシュ板５１が積層されて密着されたものである。

ここで、第１スリット板５４は、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、薄板の両端にスリット６４，６４が形成されるようにエッチング加工したものである。そして、その厚さは０．１ｍｍである。なお、図１５（ａ）は第１スリット板５４を示す平面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

また、第２スリット板５５は、図１６（ａ）（ｂ）に示すように、薄板の中央部両端にスリット６５，６５が形成されるようにエッチング加工したものである。そして、その厚さは０．１ｍｍである。なお、図１６（ａ）は第２スリット板５５を示す平面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

そして、上記したメッシュ板５１、両端開口板５３、第１スリット板５４、および第２スリット板５５を組み合わせて図１４に示す順番で積層して密着した積層体５０Ａを流路空間４４に装着することにより、連絡流路５，６が形成される。このため、連絡流路５，６には、第１スリット板５４のスリット６４、第２スリット板５５のスリット６５、および両端開口板５３の開口部６３によって蛇行流路が形成される。

これにより、熱式流量計に大流量の被測定流体が流れ込んだ場合には、積層体５０Ａに形成された蛇行流路によって流量が絞られる。具体的には、センサ流路Ｓにおける被測定流体の流速は、確実に１０００ｍ／ｓ以下に抑えられる。したがって、測定チップ１１の破損を確実に防止することができる。

以上、詳細に説明したように第２の実施の形態に係る熱式流量計によれば、ボディ４１に形成された流路空間４４に配置する積層体５０Ａ中に、第１オリフィス板５４、第２オリフィス板５５、および両端開口板５３を有する。このため、連絡流路５，６に第１スリット板５４のスリット６４、第２スリット板５５のスリット６５、および両端開口板５３の開口部６３によって蛇行流路がそれぞれ形成されている。これにより、センサ流路Ｓにおける被測定流体の流速が確実に１０００ｍ／ｓ以下に抑えられるので、測定チップ１１の破損を確実に防止することができる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態に係る熱式流量計は、基本的な構成を第１の実施の形態に係る熱式流量計１とほぼ同じくするが、オリフィスの配置位置が異なる。具体的には、第３の実施の形態においては、積層体中にオリフィス板を設ける代わりに入口流路および出口流路にそれぞれオリフィスを設けている。そこで、以下の説明では、第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、第１の実施の形態と同様の構成のものについて同符号を付して説明を適宜省略する。

そこで、まず、第３の実施の形態に係る熱式流量計１Ｂについて図１７を参照しながら説明する。図１７は、熱式流量計１Ｂの概略構成を示す断面図である。熱式流量計１Ｂには、図１７に示すように、ボディ４１の流路空間４４に装着された積層体５０Ｂと、入口流路４３および出口流路４５にそれぞれ設けられたオリフィス７０，７０とが備わっている。

積層体５０Ｂは、図１８に示すように、２種類の薄板を合計１２枚積層したものである。なお、図１８は、積層体５０Ｂの構造を示す分解斜視図である。この積層体５０は、下から順に、メッシュ板５１、両端開口板５３、メッシュ板５１、両端開口板５３，５３，５３，５３、メッシュ板５１、両端開口板５３、メッシュ板５１、両端開口板５３、およびメッシュ板５１が積層されて密着されたものである。つまり、積層体５０Ｂは、第１の実施の形態における積層体５０のオリフィス板５２を両端開口板５３に入れ替えたものである。

そして、上記したメッシュ板５１と両端開口板５３とを組み合わせて図１８に示す順番で積層して密着した積層体５０Ｂを流路空間４４に装着することにより、連絡流路５，６が形成される。

また、オリフィス７０，７０は、入口流路４３と連絡流路５、および出口流路４５と連絡流路６との連通部にそれぞれ設けられている。なお、オリフィス７０の直径は０．５ｍｍである。これにより、熱式流量計１Ｂに大流量の被測定流体が流れ込んだ場合には、オリフィス７０，７０によって流量が絞られる。具体的には、センサ流路Ｓにおける被測定流体の流速は、確実に１０００ｍ／ｓ以下に抑えられる。したがって、測定チップ１１の破損を確実に防止することができる。

以上、詳細に説明したように第３の実施の形態に係る熱式流量計１Ｂによれば、入口流路４３および出口流路４５にそれぞれ形成された直径０．５ｍｍのオリフィス７０，７０を有する。このため、センサ流路Ｓへ流れ込む被測定流体の流量が絞られる。これにより、センサ流路Ｓにおける被測定流体の流速が確実に１０００ｍ／ｓ以下に抑えられるので、測定チップ１１の破損を確実に防止することができる。

（第４の実施の形態）
最後に、第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態に係る熱式流量計は、基本的な構成を第３の実施の形態に係る熱式流量計１Ｂとほぼ同じくするが、ボディ４１にオリフィス７０を設ける代わりに、逆止弁を設けた点が異なる。すなわち、第４の実施の形態においては、オリフィスで流量を絞る代わりに、逆止弁を設けてセンサ流路に大流量の被測定流体が流れ込まないようにしているのである。そこで、以下の説明では、第３の実施の形態との相違点を中心に説明し、第３の実施の形態と同様の構成のものについて同符号を付して説明を適宜省略する。

そこで、第４の実施の形態に係る熱式流量計１Ｃについて図１９を参照しながら説明する。図１９は、熱式流量計１Ｃの概略構成を示す断面図である。熱式流量計１Ｃには、図１９に示すように、ボディ４１の流路空間４４に装着された積層体５０Ｂと、入口流路４３と出口流路４５とをセンサ流路Ｓを介さずに連通させる連通流路８０と、その連通流路８０に設けられた逆止弁８１とが備わっている。

逆止弁８１は、入口流路４３と出口流路４５とで圧力差が発生すると開弁する。これにより、入口流路４３と出口流路４５とは連通流路８０によりセンサ流路Ｓを介さずに連通する。このため、熱式流量計１Ｃに大流量の被測定流体が流れ込んだ場合には、入口流路４３と出口流路４５とで圧力差が発生するために逆止弁８１が開弁する。そうすると、入口流路４３に流れ込んだ被測定流体の大部分は、センサ流路Ｓを通過することなくそのまま出口流路４５へ流れる。その後、入口流路４３と出口流路４３との圧力差がなくなると逆止弁８１が閉弁する。つまり、熱式流量計１Ｃの測定レンジ内の流量になると、逆止弁８１が閉じるため、被測定流体はセンサ流路Ｓに流れ込む。

このように、入口流路４３に大流量の被測定流体が流れ込んだ場合には、逆止弁８１が開き被測定流体の大部分はそのまま出口流路４５へと流れる。このため、センサ流路Ｓを流れる被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓを越えることはない。したがって、測定チップ１１１の破損を確実に防止することができる。

以上、詳細に説明したように第４の実施の形態に係る熱式流量計１Ｃによれば、入口流路４３と出口流路４５とをセンサ流路Ｓを介さずに連通する連通流路８０と、その連通流路８０に設けられた逆止弁８１とを有する。このため、大流量の被測定流体がセンサ流路Ｓに流れ込むことが防止される。これにより、センサ流路Ｓにおける被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓを越えることはないので、測定チップ１１の破損を確実に防止することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態においては、センサ流路Ｓに対するバイパス流路を設けていないが、バイパス流路を設けることできる。バイパス流路を形成するには、積層体の上から２番目あるいは４番目、またはその両方の両端開口板５３の中央部５３Ｄに溝を設ければよい。このようにバイパス流路を形成することにより、熱式流量計のフルスケール流量を大きくすることができる。

また、上記した実施の形態においては、積層体として３種類のものを例示したが、これだけに限られず、各薄板５１〜５５、さらにはこれとは異なる形状の薄板を任意に組み合わせて積層体を構成することができる。

第１の実施の形態に係る熱式流量計の概略構成図である。 ボディの平面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す積層体の分解斜視図である。 メッシュ板を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡ−Ａ断面図である。 図５のメッシュ部の拡大図である。 オリフィス板を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡ−Ａ断面図である。 オリフィスの直径およびセンサ流路における被測定流体の流速と、測定チップの破損割合との関係を示す図である。 両端開口板を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡ−Ａ断面図である。 センサ基板の斜視図である。 測定チップの平面図である。 定温度差回路の回路図である。 出力回路の回路図である。 第２の実施の形態における積層体の分解斜視図である。 第１スリット板を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡ−Ａ断面図である。 第２スリット板を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡ−Ａ断面図である。 第３の実施の形態に係る熱式流量計の断面図である。 図１７に示す積層体の分解斜視図である。 第４の実施の形態に係る熱式流量計の断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 熱式流量計
１１ 測定チップ
１３ 測定チップの溝
１４，１５，１６，１７，１８，１９ 抵抗体用電極
２１ センサ基板
２３ センサ基板の溝
２４，２５，２６，２７，２８，２９ 電気回路用電極
３１，３２，３３，３４ 電気素子
４１ ボディ
４４ 流路空間
５０，５０Ａ、５０Ｂ 積層体
５１ メッシュ板
５２ オリフィス板
５２Ａ オリフィス
５３ 両端開口板
５４ 第１スリット板
５５ 第２スリット板
７０ オリフィス
８０ 連通流路
８１ 逆止弁
Ｒ１ 上流温度検知抵抗体
Ｒ２ 下流温度検知抵抗体
Ｒｈ 発熱抵抗体
Ｒｔ 流体温度検知抵抗体
Ｓ センサ流路

Claims (5)

1. 流量を計測するための抵抗体が架設されたセンサ流路を備える熱式流量計において、
   ボディに形成された側面開口部に配置された積層体と、
   前記側面開口部を塞ぐように前記ボディに密着して固定された基板とを有し、
   前記基板は、抵抗体を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極を備え、
   前記積層体は、
   エッチング加工された複数の薄板と、
   前記センサ流路を流れる被測定流体の流速が１０００ｍ／ｓ以下となるように有効断面積を変更する有効断面積変更手段とを備え、
   前記センサ流路は、抵抗体とその抵抗体に接続する抵抗体用電極とが設けられた測定チップを、前記抵抗体用電極と前記電気回路用電極とを接着して前記基板に実装することにより、前記測定チップあるいは前記基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成され、
   前記測定チップは、
   流れ方向上流側に設けられた上流温度検出抵抗体と、
   流れ方向下流側に設けられた下流温度検出抵抗体と、
   前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との間に設けられ、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体とを加熱する発熱抵抗体と、
   被測定流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体とを備えており、
   前記電気回路により、前記発熱抵抗体と前記流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御され、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との温度差に基づき被測定流体の流量が測定されることを特徴とする熱式流量計。
2. 請求項１に記載する熱式流量計において、
   前記有効断面積変更手段は、前記積層体に設けられたオリフィスであることを特徴とする熱式流量計。
3. 請求項１に記載する熱式流量計において、
   前記有効断面積変更手段は、複数の前記薄板に設けられた開口部により前記積層体に形成された蛇行流路であることを特徴とする熱式流量計。
4. 流量を計測するための抵抗体が架設されたセンサ流路を備える熱式流量計において、
   ボディに形成された側面開口部に配置された積層体と、
   前記側面開口部を塞ぐように前記ボディに密着して固定された基板とを有し、
   前記基板は、抵抗体を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極を備え、
   前記積層体は、エッチング加工された複数の薄板を備え、
   前記ボディは、前記センサ流路を流れる被測定流体の流速を１０００ｍ／ｓ以下にするオリフィスを備え、
   前記センサ流路は、抵抗体とその抵抗体に接続する抵抗体用電極とが設けられた測定チップを、前記抵抗体用電極と前記電気回路用電極とを接着して前記基板に実装することにより、前記測定チップあるいは前記基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成され、
   前記測定チップは、
   流れ方向上流側に設けられた上流温度検出抵抗体と、
   流れ方向下流側に設けられた下流温度検出抵抗体と、
   前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との間に設けられ、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体とを加熱する発熱抵抗体と、
   被測定流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体とを備えており、
   前記電気回路により、前記発熱抵抗体と前記流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御され、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との温度差に基づき被測定流体の流量が測定されることを特徴とする熱式流量計。
5. 流量を計測するための抵抗体が架設されたセンサ流路と、入口流路と、出口流路とを備える熱式流量計において、
   ボディに形成された側面開口部に配置された積層体と、
   前記側面開口部を塞ぐように前記ボディに密着して固定された基板とを有し、
   前記基板は、抵抗体を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極を備え、
   前記積層体は、エッチング加工された複数の薄板を備え、
   前記ボディは、
   前記入口流路と前記出口流路とを前記センサ流路を介さずに連通させる連通流路と、
   その連通流路に設けられた逆止弁とを備え、
   前記センサ流路は、抵抗体とその抵抗体に接続する抵抗体用電極とが設けられた測定チップを、前記抵抗体用電極と前記電気回路用電極とを接着して前記基板に実装することにより、前記測定チップあるいは前記基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成され、
   前記測定チップは、
   流れ方向上流側に設けられた上流温度検出抵抗体と、
   流れ方向下流側に設けられた下流温度検出抵抗体と、
   前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との間に設けられ、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体とを加熱する発熱抵抗体と、
   被測定流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体とを備えており、
   前記電気回路により、前記発熱抵抗体と前記流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御され、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との温度差に基づき被測定流体の流量が測定されることを特徴とする熱式流量計。

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