JP2006284320A - 高温流体用流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温の測定管やセンサ等から回路部への熱伝達を遮断することができ、さらに、被測定流体からの熱エネルギーの放散が少ない高温流体用流量計を提供する。
【解決手段】 金属管１１の一端部をセンサ３に連結し、金属管１１の金属フランジ部１１ａと、樹脂管１２の樹脂フランジ部１２ａとを連結し、電波ノイズを遮蔽する金属シールド管３２に導線３１を収納し、金属シールド管３２を金属管１１および樹脂管１２の内部に通して、樹脂管１２の終端まで導かれた導線３１を回路部２２へ接続した。他の態様では、導線３１への電波ノイズを遮蔽するために樹脂管１２の管面にメッキ等の金属薄膜を形成し、金属シールド管３２を省略した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定管の内部を流れる高温の被測定流体をセンサで検知し、該センサから出力される流量に応じた電気信号を導線によって回路部へ導く高温流体用流量計に関する。

測定管の内部に高温の流体を導入し、各種のセンサによってその流量を電気信号に変換し、該電気信号を回路部で処理して流量を計測する流量計では、高温となった測定管からの熱が、熱伝導または輻射・対流により回路部に伝達して回路基板等が加熱されると、電気信号の処理に誤動作を生じる等の不具合が生じることがある。このため、回路部への熱伝達を遮断する必要がある。

特許文献１に記載された技術では、測定管から離間した回路基板へセンサからの電気信号を送る導線を金属管の管路に収納するとともに、この金属管の外面に設けた放熱フィンによって金属管の熱伝導を抑制している。また、金属管の管路に絶縁板を配置して、金属管内部における回路部収納ケース側への熱輻射・対流を遮断して、回路部収納ケースに収納された回路基板を熱から保護している。
実開昭６０−３４２６号公報

しかしながら、放熱フィンによる放熱で回路部への熱伝導を抑制する方法では、被測定流体の熱エネルギーが放熱により奪われるので、エネルギー効率の点では望ましくない。また、被測定流体の放熱を抑えるために、測定管に厚手の保温材が巻装されることがあるが、保温材によって金属管が覆われた部分では放熱フィンによる充分な放熱ができなくなるため、金属管の熱伝導による回路部への熱伝達を充分に抑制することが困難になる。その結果、回路部収納ケース内の温度が雰囲気温度に対して非常に高くなり、回路基板の温度が許容範囲を超えてしまう。

本発明は、高温の測定管やセンサ等から回路部への熱伝達を遮断することができ、さらに、被測定流体からの熱エネルギーの放散が少ない高温流体用流量計を提供することを目的としている。

本発明の高温流体用流量計は、測定管の内部を流れる高温の被測定流体をセンサで検知し、該センサから出力される流量に応じた電気信号を導線によって回路部へ導く高温流体用流量計であって、
前記導線を管路内に通して前記回路部へ導く金属管および樹脂管を備え、
前記金属管の一端部を前記センサに連結し、前記金属管の他端部に形成された金属フランジ部と、前記樹脂管の一端部に形成された樹脂フランジ部とを連結し、
前記金属管の管路の少なくとも一部から前記樹脂管の管路全体までの管路内に配置され、前記電気信号への外部からの電波ノイズを遮蔽する金属シールド管に前記導線を収納し、該樹脂管の終端まで導かれた前記導線を前記回路部へ接続したことを特徴とする。

本発明の高温流体用流量計は、測定管の内部を流れる高温の被測定流体をセンサで検知し、該センサから出力される流量に応じた電気信号を導線によって回路部へ導く高温流体用流量計であって、
前記導線を管路内に通して前記回路部へ導く金属管および樹脂管を備え、該樹脂管の管
外面および／または管内面には金属薄膜が形成されているとともに、
前記金属管の一端部を前記センサに連結し、前記金属管の他端部に形成された金属フランジ部と、前記樹脂管の一端部に形成された樹脂フランジ部とを連結し、
前記導線を前記金属管および前記樹脂管の管路内に通して、該樹脂管の終端まで導かれた前記導線を前記回路部へ接続したことを特徴とする。

上記の発明では、測定管側に配置された金属管と回路部側に配置された樹脂管とをフランジで連結した管路に導線を収納し、これによって回路部への熱伝達を遮断している。第１に、耐熱性を有する金属管をセンサに連結することによって、被測定流体からの熱により高温（例えば２００℃程度にも達することがある）となる測定管の近傍位置における耐熱性を確保している。金属管の厚さは、強度等の他の条件が許容する範囲内においてできる限り薄く形成される。これによって、金属管による回路部側への熱伝導を抑制している。

被測定流体からの熱エネルギーの放散を抑えるために測定管に保温材を巻装する場合には、高温である保温材の内部から保温材の外側に渡って金属管を配置し、保温材の外側に金属フランジ部を露出させる。

第２に、測定管近傍の高温となった部位から離れた位置において、上記の金属管に対して樹脂管を連結しているので、熱伝導率が金属よりも遥かに小さい樹脂材によって、回路部側への熱伝導がさらに抑制される。

第３に、金属管と樹脂管とをフランジで連結することによって、高温の測定管（または測定管に巻装された保温材）から回路部を収納したケースへ向かう輻射および対流が、フランジによって遮蔽される。金属フランジ部は、輻射熱を放熱する作用も与える。特に、測定管に保温材を巻装する場合には、金属管と保温材との隙間において輻射と対流が起こるが、この隙間から回路部側へ流れる熱い空気の流れと輻射との両方がフランジによって遮蔽され、回路部を収納するケースから離れる方向へ熱が拡散される。

以上の作用により、回路部を収納するケース内の温度を雰囲気温度と同程度にすることができる。このように、本発明では回路部への熱伝達を放熱により抑制するのではなく、薄肉の金属管と、樹脂管とを連結して熱伝導を小さく抑えることで熱伝達を抑制しているため、被測定流体の熱エネルギーを必要以上に奪うことがない。

好ましくは、金属管と樹脂管との連結部またはそれよりも樹脂管側の位置に、管路内周面から内方へ張り出した断熱壁が設けられる。この断熱壁は例えば、金属管と樹脂管との間に挟んで固定した金属板状の部材や、樹脂管と一体に成形され樹脂管の内周面から内方へ張り出した樹脂壁などによって構成することができる。この断熱壁によって、金属管の内部における回路部側への熱の輻射および対流を充分に遮蔽することができる。

また、本発明における一態様では金属シールド管に導線を収納しているので、樹脂管から管路に侵入する外部からの電波ノイズが金属シールド管によって遮蔽され、これによって、導線を通じてセンサから回路部へ送られる微弱な電気信号が保護される（したがって、樹脂管の管路全体に渡り金属シールド管を配置する必要があるが、金属管が電磁波を充分に遮蔽する場合には必ずしも金属管の管路全体に渡り金属シールド管を配置する必要はない。この場合には、金属シールド管を、金属管の管路の少なくとも一部から樹脂管の管路全体までの領域に配置すればよい）。なお、金属シールド管は非常に薄いので、金属シールド管による熱伝導は回路部には影響しない。

また、本発明における他の態様では、樹脂管の管面に金属メッキ等の金属膜を施してい
るので、金属管と樹脂管とを連結して構成された管路全体が外部の電波ノイズから遮蔽される。したがって、上記の金属シールド管を用いる必要はなく、導線をそのまま管路に収納してセンサから回路部へ導くことができる。

本発明の高温流体用流量計によれば、高温の測定管やセンサ等から回路部への熱伝達を遮断することができ、さらに、被測定流体からの熱エネルギーの放散が少ない。

以下、図面を参照しながら本発明について説明する。図１は、本発明の一実施形態における高温流体用流量計を示した断面図（保温材を図示省略している）、図２は、図１の高温流体用流量計を流路方向から見た正面図、図３は、測定管とセンサとの接続部周辺の拡大断面図である。

本実施形態の高温流体用流量計は、測定管の流路に設けた渦発生体によりカルマン渦を発生させ、このカルマン渦の交番圧力変化をセンサで交番応力として検知することにより被測定流体の流量を計測する渦流量計である。この渦流量計１は、配管フランジ（図示せず）の間に測定管２を接続して配管から測定管２に流入する高温の被測定流体の流量を計測するものである。

測定管２は、ロストワックス法（インベストメントキャスト法）などの精密鋳造によって成形される。ロストワックス法による場合、最初に密ろう、松脂などの熱可溶性の材料を用いて測定管２およびセンサ部３の模型を作製し、次にけい砂、ジルコニア粉末などの耐火材料でこの模型を被覆する。その後、耐火材料で被覆された模型を加熱して熱可溶性の模型を溶出し、これにより空洞となった模型部に、ステンレス鋼などの鋳造金属を注入して固化する。そして耐火材料を取り除き、最後に鋳造された測定管２の表面が平滑面となるようにサンドブラストなどによって表面処理する。

円筒状の測定管２の管路２ａには、管路２ａに対して垂直に渦発生体３ｃが配置されている。そして渦発生体３ｃの基端側には、渦発生体３ｃと一体化されたセンサ部３が配置されている。センサ部３の内部には、不図示のバイモルフ型センサがガラスにより封着されている。バイモルフ型センサには導線３１が電気的に接続され、その導線３１を引き出す側の接続部３ａはシリコン等の封止材によって封止されている。図３に示したように、センサ部３は高温流体シール用のパッキン５を挟んで測定管２の取り付け面に対して不図示のネジで固定され、これによって、渦発生体３ｃが測定管２に対して片持ち式に固定されている。高温流体シール用のパッキン５としては、例えば高温に対する膨張係数が小さい膨張黒鉛を主材としたものなどが挙げられる。

被測定流体が管路２ａを流れることにより、渦発生体３ｃはカルマン渦を発生させる。このカルマン渦による交番応力変化は、渦発生体３ｃに設けられた不図示の導圧口からセンサ部３の内部に収納されたバイモルフ型センサに作用して検知され、電気信号に変換される。センサ部３からの電気信号は、接続部３ａに接続された導線３１を通じて、回路部収納ケース２１に収納された回路基板（回路部２２）へ伝送され、増幅、演算等の電気的な処理が行われる。

図３に示したように、センサ部３のセンサ固定フランジ３ｂにおける外側の取り付け面に対して、金属管１１のセンサ側フランジ部１１ｃが、不図示の高温流体シール用のパッキンを挟んでネジ固定され、これによってセンサ部３に対して金属管１１が連結されている。導線３１は、金属シールド管３２に収納された状態で、金属管１１の内部を通り回路部２２へ導かれる。

なお、金属シールド管３２は、電磁シールド処理された回路部収納ケース２１に対して、波ワッシャ３５と止め輪３４に挟まれた金属板３３の貫通孔に金属シールド管３２が通される形態で回路部収納ケース２１に固定される。

金属シールド管３２をこのように固定することで、樹脂管１２を通して回路部収納ケース２１の回路部への電磁波をシールドする構成となっている。
図２に示したように、測定管２の外周には、管路２ａを流れる高温の被測定流体からの熱エネルギーの放散を抑えるために、ロックウール保温材などの鉱物繊維系の保温材４が巻装されている。ロングネック構造の金属管１１は、そのセンサ側の領域が保温材４に内包されているとともに、金属フランジ部１１ａが保温材５の外側に露出されている。

図１における金属管１１の管部１１ｂは、強度等の他の条件が許容する範囲内においてできる限り厚さを薄くしている。これにより、センサ部３および保温材４（図２）によって加熱された管部１１ｂから回路部２２側への熱伝導（金属フランジ部１１ａへの熱伝導）を極力抑えている。同時に、金属管１１からの被測定流体の熱エネルギーの放散も抑制している。

金属フランジ部１１ａは、樹脂管１２の樹脂フランジ部１２ａとシール材１３を挟んでネジ１４で固定され、これによって金属管１１と樹脂管１２とが互いに連結されている。金属シールド管３２に収納された導線３１は、金属管１１および樹脂管１２の内部を通り回路部２２へ導かれる。樹脂管１２の材質としては、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等のように耐熱性が高く熱伝導率が小さいものが好ましく用いられる。樹脂管１２の樹脂フランジ部１２ａと反対側の端部は、樹脂製の回路部収納ケース２１に連結されている。本実施形態では、回路部収納ケース２１の配置を調節可能とするために、樹脂管１２を回動軸として、回路部収納ケース２１が樹脂管１２に対して回動自在に連結されている。

金属管１１の管部１１ｂを薄くしても熱伝導の抑制には一定の限界があるが、金属管１１に対して熱伝導率が小さい樹脂管１２を連結して、これらで構成される管路によって導線３１を回路部収納ケース２１へ導くことで、回路部収納ケース２１への熱伝導が大幅に抑制される。

また、図２に示した保温材４と金属管１１との隙間では、熱の輻射と対流が発生しており、この隙間４ａから保温材４の外部へ、回路部収納ケース２１の方向に熱い空気の流れが生じるが、金属管１１と樹脂管１２とをフランジ（金属フランジ部１１ａおよび樹脂フランジ部１２ａ）で連結することによって、この熱い空気の流れや輻射がフランジによって遮蔽され、回路部収納ケース２１から離れる方向へ拡散される。さらに、金属フランジ部１１ａは、この熱い空気の流れや輻射による熱を放熱する作用も与える。

なお、本実施形態では、保温材４から金属管１１が外部に露出した部分が少なく、さらに金属フランジ部１１ａの外方（回路部収納ケース２１側）が樹脂フランジ部１２ａによって覆われているので、高温の金属管１１に手指が触れにくく、取り扱いが安全である。

以上のように、本実施形態では、薄厚の金属管１１と、樹脂管１２とを連結して熱伝導を小さく抑えることで回路部収納ケース２１への熱伝達を抑制しているため、被測定流体の熱エネルギーを必要以上に奪うことがない。例えば、被測定流体が蒸気流体である場合には、乾き度の劣化を抑えることができる。

さらに、保温材４側から回路部収納ケース２１へ向かう対流および輻射が金属フランジ
部１１ａおよび樹脂フランジ部１２ａによって遮蔽されるので、回路部収納ケース２１への熱伝達がさらに抑制される。この結果、回路部収納ケース２１の内部温度を外部の雰囲気温度と同程度にすることができ、回路部収納ケース２１に収納された回路部２２の発熱に起因する誤動作を防止することができる。

また、本実施形態では、金属フランジ部１１ａと樹脂フランジ部１２ａとの間に金属製の固定板１５を挟んで固定している。この固定板１５は、金属管１１と樹脂管１２との間から管路の内方へ管路と垂直に張り出し、その中央部には、金属シールド管３２の径にほぼ等しい貫通穴が設けられている。この貫通穴に金属シールド管３２を通し、固定板１５およびその表裏面に設けた一対のナット１６によって金属シールド管３２を固定している。この固定板１５は、金属管１１の内部における回路部２２側への輻射および対流を遮蔽する断熱壁としても機能する。

樹脂管１２は電磁波を透過するので、導線３１の外周を露出させたまま導線３１を樹脂管１２の管路に通すとセンサ部３からの微弱な電気信号に外部からの電波ノイズが入り易くなる。しかし本実施形態では、金属シールド管３２に導線３１を収納しているので、樹脂管１２から管路に侵入する外部の電波ノイズが、金属シールド管３２と、樹脂管１２の回路部収納ケース１２側の端部に設けられた金属板３３とによって遮蔽され、これによって、導線３１を通じてセンサ部３から回路部２２へ伝送される微弱な電気信号が保護される。なお、金属シールド管３２は非常に薄いので、金属シールド管３２による熱伝導は回路部２２には影響しない。

図４は、本発明の他の実施形態における高温流体用流量計を示した断面図である。なお、上述した実施形態における部材に対応するものには同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態では、基本的な構成は上述した実施形態と同様であるが、金属管１１の管路における大部分の範囲において金属シールド管３２を省略した構造となっている。すなわち、電磁波をシールドするために樹脂管１２の管路全体に渡り金属シールド管３２を配置する必要があるが、金属管１１が電磁波を充分に遮蔽する場合には必ずしも金属管１１の管路全体に渡り金属シールド管３２を配置する必要はなく、金属管１１の管路内において導線３１を露出させることができる。したがって、この場合には金属管１１の管路の少なくとも一部から樹脂管１２の管路全体までの領域に金属シールド管３２を配置すればよい。

図５は、本発明の他の実施形態における高温流体用流量計を示した断面図である。なお、上述した実施形態における部材に対応するものには同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態では、基本的な構成は上述した実施形態と同様であるが、樹脂管１２の外面１２ｃ全体に、例えば無電解メッキ等により金属メッキを施し、これによって外部の電波ノイズが樹脂管１２の管路へ通過することを遮蔽している。したがって、上述した実施形態のように導線３１を金属シールド管３２に収納する必要はなく、導線３１をそのまま金属管１１および樹脂管１２の管路に収納してセンサ部３から回路部２２へ導くことができる。

本実施形態では樹脂管１２の内部への電波ノイズの通過を遮蔽するために樹脂管１２の外面１２ｃ全体に金属メッキを施したが、これに限らず、樹脂管１２の内面１２ｄ全体に金属メッキを施してもよく、あるいは樹脂管１２の外面１２ｃと内面１２ｄの両方に金属メッキを施してもよい。また、金属メッキに代えて、スパッタ蒸着、導電性塗料の塗布な
どの方法によって樹脂管１２の外面１２ｃ、内面１２ｄあるいはこれらの両面に金属薄膜を形成し、これによって樹脂管１２の内部への外部からの電波ノイズを遮蔽するようにしてもよい。

なお、本実施形態では、樹脂管１２の樹脂フランジ部１２ａの位置における管内部に、断熱壁１２ｂを設けている。断熱壁１２ｂは、射出成形により樹脂管１２と一体に形成されており、樹脂管１２の内周面から内方へ管路と垂直に張り出している。断熱壁１２ｂの中央部には、導線３１の径にほぼ等しい貫通穴が設けられ、この貫通穴に導線３１を通している。

この断熱壁１２ｂは、金属管１１の内部における回路部２２側への輻射および対流を遮蔽する。断熱壁１２ｂの構造は、この輻射および対流を有効に遮蔽するように壁面が構成されていれば、上記の形状に限らず他の形状であってもよく、また樹脂管１２の内部におけるその位置は、本実施形態のように樹脂フランジ部１２ａの直下に限らず、それよりも回路部２２側の位置であってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。例えば、上述した実施形態では高温流体用流量計が渦流量計である場合について説明したが、この他の構成である高温流体用流量計、例えば、被測定流体の流量に応じて回転子を回転させ、回転子の回転を積算表示して流量を計測する流量計、導電性の被測定流体が磁界に直交して流れる際に発生する起電力を電極で検出することにより流量を測定する電磁流量計、熱電対、発熱抵抗体、半導体基板に抵抗体を形成した半導体素子等の感温部材を用いた熱式流量計などについても本発明を適用することができる。

図１は、本発明の一実施形態における高温流体用流量計を示した断面図である。 図２は、図１の高温流体用流量計を流路方向から見た正面図である。 図３は、測定管とセンサとの接続部周辺の拡大断面図である。 図４は、本発明の他の実施形態における高温流体用流量計を示した断面図である。 図５は、本発明の他の実施形態における高温流体用流量計を示した断面図である。

符号の説明

１ 高温流体用流量計（渦流量計）
２ 測定管
２ａ 管路
３ センサ部
３ａ 接続部
３ｂ センサ固定フランジ
３ｃ 渦発生体
４ 保温材
４ａ 隙間
５ ガスケット
１１ 金属管
１１ａ 金属フランジ部
１１ｂ 管部
１１ｃ センサ側フランジ部
１２ 樹脂管
１２ａ 樹脂フランジ部
１２ｂ 断熱壁
１２ｃ 外面
１２ｄ 内面
１３ シール材
１４ ネジ
１５ 固定板
１６ ナット
２１ 回路部収納ケース
２２ 回路部
３１ 導線
３２ 金属シールド管
３３ 金属板
３４ 止め輪
３５ 波ワッシャ

Claims (2)

1. 測定管の内部を流れる高温の被測定流体をセンサで検知し、該センサから出力される流量に応じた電気信号を導線によって回路部へ導く高温流体用流量計であって、
   前記導線を管路内に通して前記回路部へ導く金属管および樹脂管を備え、
   前記金属管の一端部を前記センサに連結し、前記金属管の他端部に形成された金属フランジ部と、前記樹脂管の一端部に形成された樹脂フランジ部とを連結し、
   前記金属管の管路の少なくとも一部から前記樹脂管の管路全体までの管路内に配置され、前記電気信号への外部からの電波ノイズを遮蔽する金属シールド管に前記導線を収納し、該樹脂管の終端まで導かれた前記導線を前記回路部へ接続したことを特徴とする高温流体用流量計。
2. 測定管の内部を流れる高温の被測定流体をセンサで検知し、該センサから出力される流量に応じた電気信号を導線によって回路部へ導く高温流体用流量計であって、
   前記導線を管路内に通して前記回路部へ導く金属管および樹脂管を備え、該樹脂管の管外面および／または管内面には金属薄膜が形成されているとともに、
   前記金属管の一端部を前記センサに連結し、前記金属管の他端部に形成された金属フランジ部と、前記樹脂管の一端部に形成された樹脂フランジ部とを連結し、
   前記導線を前記金属管および前記樹脂管の管路内に通して、該樹脂管の終端まで導かれた前記導線を前記回路部へ接続したことを特徴とする高温流体用流量計。

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