JP2007127466A - 流量センサー - Google Patents

Abstract

【課題】 従来品の欠点を解消し、容易に高感度が実現でき且つ傾斜誤差の生じない流量センサーを提供すること。
【解決手段】 一組の平行部分を有する１本の流路と、当該流路の前記平行部分の一部に設けられて流体を所定の温度に加熱する測温抵抗体とを備え、流路中を流れる流体流量の変化によって生ずる流路の温度分布の変化から流体流量を検出する流量センサーにおいて、前記平行部分の片側には上流側に第１の上流側測温抵抗体と、下流側に第１の下流側測温抵抗体が並んで設けられ、前記平行部分のもう一方側には上流側に第２の上流側測温抵抗体と下流側に第２の下流側測温抵抗体が並んでそれぞれ設けられていることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流量センサーに関し、特に、熱式の質量流量計のための流量センサーであって、細管を加熱すると共に細管中に流体を流してその時生ずる細管の温度分布の変化から質量流量を検出するようになされた熱式の質量流量計のための流量センサーの誤差の低減と感度の改善に関する。

一般的に、熱式の質量流量計のための流量センサーにおいては、細管の加熱及び温度計測は、細管上に設けられた測温抵抗体に通電することによって行なわれる。
流体流量計の流量センサーの従来例としては、米国特許第３，９３８，３８４号に記載されたものがある。この特許においては、加熱した細管中を流れる流体流量を検出するセンサーにおいて、細管外部に生ずる対流を防止し、センサー傾斜時の誤差を防止するために断熱材が使用されている。断熱材としては、グラスウールなどが現在一般的に用いられているが、これは、製造時の使用量の管理が難しく、また、湿度により特性が変化し易いという欠点がある。（特許文献１参照）
また、例えば米国特許第４，５１７，８３８号においては、測温抵抗体として巻かれた一組のコイルの間にスペーサーを設けると共に細管外周を狭い溝で構成した例が示されている。このように構成することにより、センサーが傾斜した時に生じる細管外部の空気の対流を減少させ、対流によって生じる傾斜誤差を減少させることが意図されている。しかしながら、このスペーサーが設けられる位置は、通常、細管上で温度が一番高くなる位置であり、この位置で熱が伝達して逃げるという欠点がある。また、狭い溝も熱を吸収して感度が低下するという欠点もある。（特許文献２参照）
一方、米国特許第４，８１５，２８０号においては、測温抵抗体として多層のコイルを用いている。多層にすることによって短いコイル幅を実現し且つ早い応答時間を得ることが意図されている。しかしながら、この構造では、細管とコイル外周部の熱の伝達により高感度のセンサーを得難いという問題がある。また、極めて細いコイルを多層で均一に製作することは極めて困難であり、製造上の問題も多い。（特許文献３参照）
米国特許第３，９３８，３８４号公報 米国特許第４，５１７，８３８号公報 米国特許第４，８１５，２８０号公報

本発明は、上記したような従来品の欠点を解消し、容易に高感度が実現でき且つ傾斜誤差の生じない流量センサーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の流量センサーにおいては、一組の平行部分を有する１本の流路と、当該流路の前記平行部分の一部に設けられて流体を所定の温度に加熱する測温抵抗体とを備え、流路中を流れる流体流量の変化によって生ずる流路の温度分布の変化から流体流量を検出する流量センサーにおいて、前記平行部分の片側の上流側に第１の上流側測温抵抗体と、同下流側に第１の下流側測温抵抗体とが並んで設けられ、前記平行部分のもう一方側の上流側には第２の上流側測温抵抗体と、同下流側に第２の下流側測温抵抗体とが並んで設けられている。

前記第１の上流側測温抵抗体と第２の上流側測温抵抗体とは、電気的に接続されて一組の上流側測温抵抗体を構成する。また、第１の下流側測温抵抗体と第２の下流側測温抵抗体とは、電気的に接続されて一組の下流側測温抵抗体を構成する。

第１の上流測温抵抗体及び第１の下流側測温抵抗体の外周と、第２の上流測温抵抗体及び第２の下流側測温抵抗体の外周とは、空気の移動が容易に生じないよう隔離されている。

流路を形成する細管は、第１の上流及び下流の測温抵抗体が設けられる部分と第２の上流及び下流の測温抵抗体が設けられる部分とが互いに平行になるように曲げられている。
このように構成された一組の上流側測温抵抗体と一組の下流側測温抵抗体との抵抗値の変化から流体流量が検出される。

本発明の構成によれば、流路外部に発生する空気の対流による誤差が生じない。例えば、水平に置かれている時には、流路外部に発生する対流によって、各測温抵抗体は、上に位置する方が温度が高くなるが、この対流による測温抵抗の変化量は左右で等しいので、対角状に位置する抵抗体の合成抵抗同士は互いに等しくなり出力への影響は無い。

また、垂直方向に配置された場合、測温抵抗体部の流路は水平方向となって、流路外部に対流は生じない。更に、流路内部では、通常この状態で流路上方に向かう対流が生じ誤差の原因となるが、本発明の構成によれば、垂直に配置された状態でも流路上端と下端が同じ温度に加熱されるために内部に対流が生じない。結局、如何なる方向でも流路の外部及び内部の対流による誤差が無い。

更に、流量の検出感度は、第１の測温抵抗体と第２の測温抵抗体の合成値となるため、極めて高くなる。

図１は本発明による流量センサーの概略構成図を示している。１は両端にフランジ１ｃ、１ｄが接続されたＵ字型の金属チューブであり、流体が入口１ａから流入して出口１ｂから流出するようになされている。図２に更に詳細に示されているように、金属チューブ１の外周には、金属チューブ１の外周に巻き付けられた形態で、流体の入口側の一辺に第１の上流側測温抵抗体４ａと第１の下流側測温抵抗体４ｂとが並んで設けられている。一方、流体の出口側の一辺にも、同じく金属チューブ１の外周を巻く形態で、第２の上流側測温抵抗体４ｃと第２の下流側測温抵抗体４ｄとが並んで設けられている。各測温抵抗体は、金属チューブに巻かれたＮｉ合金による測温用被覆抵抗線によって構成されており、温度によって抵抗が変化する。

金属チューブ１及び測温抵抗体４ａ〜４ｄは金属ケース２に埋設されている。金属ケース２には、第１の上流側測温抵抗体４ａと第１の下流側測温抵抗体４ｂを囲むように空隙２ａが設けられると共に、第２の上流側測温抵抗体４ｃと第２の下流側測温抵抗体４ｄとを囲むように空隙２ｂが設けられている。

各測温抵抗体は端子台３に電気的に接続されている。図２に示されているように、端子台３上には、第１の上流側測温抵抗体４ａと第２の上流側測温抵抗体４ｃとが直列に接続されて一組の上流側測温抵抗体４ａｃを構成し、第１下流側測温抵抗体４ｂと第２下流側測温抵抗体４ｄとが直列に接続されて一組の下流側測温抵抗体４ｂｄを構成するように構成された接続回路３ａが設けられている。また、端子台３には、図３に示すように測温抵抗体４ａｃと４ｂｄとを外部に電気的に接続するための端子３ｂが設けられている。金属ケース２に埋設された金属チューブ１は、金属ケース２と類似した金属ケース５によって密閉される（図３）。

測温抵抗体４ａｃと４ｂｄとは外部から通電されて所定の温度に加熱される。この加熱された状態で金属チューブ内を流体が流れると、その流量に応じて次式の関係で測温抵抗体の抵抗値が変化する。

Ｒ（４ａｃ）−Ｒ（４ｂｄ）＝ＫＱ
Ｒ（４ａｃ）：測温抵抗体４ａｃの抵抗値
Ｒ（４ｂｄ）：測温抵抗体４ｂｄの抵抗値
Ｋ：比例係数 Ｑ：流体の質量流量
この抵抗値の変化量に基づいて流体の流量が計算されて実際の流体流量を測定することができる。

本発明の流量センサーにおいては、Ｕ字形状のチューブの各辺に各々設けられた一対の測温抵抗体のうち、互いに対角状に配置された測温抵抗体同士を直列に接続して一組の測温抵抗体を構成するようにしているので、金属チューブ外部に発生する対流による測定誤差が生じない。すなわち、図４の左図に示すように、水平に置かれている時には、金属チューブ外部の対流（図４の左図において矢印で示されている）によって、各測温抵抗体は、上に位置する方が温度が高くなるため、Ｒ（４ａ）＜Ｒ（４ｂ）、Ｒ（４ｄ）＜Ｒ（４ｃ）（Ｒ（４ａ）〜Ｒ（４ｄ）は各々測温抵抗体の抵抗値）の関係になる。しかしながら、この対流による測温抵抗体の抵抗の変化量は左右で等しいので、
Ｒ（４ａｃ）＝Ｒ（４ｂｄ）
の関係になり出力への影響は無い。また、図４の右図に示すように垂直方向に配置された場合、測温抵抗体部の金属チューブは水平の向きになり、金属チューブ外部に対流は生じない。更に、金属チューブ内部では、この状態で通常チューブ上方に向かう対流が生じ誤差の原因となるが、本発明の構成によれば、垂直に配置された状態でもチューブ上端と下端が同じ温度に加熱されるために内部に対流が生じない。結局、如何なる向きに配置されてもチューブの外部及び内部の対流による誤差が発生しないのである。

更に、流量の検出感度は、第１の測温抵抗体と第２の測温抵抗体の合成値となるため、極めて高くなる。図５は、本発明の測温抵抗体と従来の測温抵抗体とにおける同じ加熱温度での出力結果を比較したグラフである。グラフから明らかなように、本発明の流量センサーにおける測温抵抗体によると感度がおよそ２倍になり極めて高感度なセンサーが得られる。

図６は、金属チューブの平行辺部分に別の測温抵抗体４ｅ−４ｈを追加し、各々の空隙にある上流側の測温抵抗体同士を直列に接続すると共に、下流側の測温抵抗体同士も同様に直列に接続するように構成したものである。この構成によれば更に高感度のセンサーが実現できる。

また、図６に示した例においては測温抵抗体は、チューブに巻いた被覆抵抗腺で構成したが、セラミック基板に白金等を薄膜形成した薄膜測温抵抗素子を、チューブの一部に接着剤で固定して構成しても良い。

更に、図６に示した例においては流路が金属チューブで構成されているが、シリコンウェーハをエッチングして溝を形成し、これに、表面に複数の抵抗体を設けた別のシリコンウェーハ等を張り合わせて流路を構成しても良い。

図１は、本発明の流量センサーの概略構成図である。 図２は、本発明の流量センサーのセンサー部の詳細な構造を示す正面図である。 図３は、本発明の流量センサーの分解側面図である。 図４は、本発明の流量センサーの２つの配置を示す配置図である。 図５は、本発明の流量センサーと従来の流量センサーとの温度に対する出力を比較したグラフである。 図６は、本発明の別の実施形態による流量センサーのセンサー部の概略構成図である。

符号の説明

１ 金属チューブ、 １ａ 流体入口、
１ｂ 流体出口、 ２，５ 金属ケース、
２ａ，２ｂ 空隙、 ３ 端子台、
３ａ 接続回路、 ４ａ〜４ｈ 測温抵抗体、

Claims (6)

1. １組の平行部を有する１本の流路と、当該流路の前記平行部の一部に設けられて流体を所定の温度に加熱する測温抵抗体を備え、流路中を流れる流体の流量変化によって生ずる流路の温度分布の変化から流体流量を検出する流量センサーにおいて、
   前記平行部の片側には上流側に第１の上流側測温抵抗体と、下流側に第１の下流側測温抵抗体が並んで設けられ、前記平行部のもう一方側には上流側に第２の上流側測温抵抗体と下流側に第２の下流側測温抵抗体が並んでそれぞれ設けられていることを特徴とする流量センサー。
2. 請求項１に記載の流量センサーにおいて、
   前記第１の上流側測温抵抗体と第２の上流側測温抵抗体の合成抵抗で１組の上流側測温抵抗体を構成し、第１の下流側測温抵抗体と第２の下流側測温抵抗体の合成抵抗が１組の下流側測温抵抗体を構成することを特徴とする流量センサー。
3. 請求項１に記載の流量センサーにおいて、
   前記流路は管状に構成され、第１の上流側測温抵抗体と第１の下流側測温抵抗体との外側にこれらの測温抵抗体を囲む閉じた空隙を設けると共に、前記第２の上流側測温抵抗体及び第２の下流側測温抵抗体との外側に、同じくこれらの測温抵抗体を囲む閉じた空隙を設けたケースを備えていることを特徴とする流量センサー。
4. 請求項１又は２に記載の流量センサーにおいて、
   前記流路がシリコンウェーハをエッチングして構成されたものであることを特徴とする流量センサー。
5. 請求項３に記載の流量センサーにおいて、
   前記測温抵抗体が、前記管状流路の外周に絶縁被覆された金属ワイヤーをコイル状に巻いて構成されたものであることを特徴とする流量センサー。
6. 請求項３に記載の流量センサーにおいて、
   前記測温抵抗体が、前記管状流路の外周の一部に接着固定された、薄膜測温抵抗素子で構成されていることを特徴とする流量センサー。