JP2008216085A - 流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定流体の流路にフローセンサを設けるために形成した開口部の上流側開口端の角部において発生した渦の影響をフローセンサの検出精度に及ぼさないようにした流路構造を有する流量形を提供する。
【解決手段】入口１５ａから出口１５ｂまで直管をなす流路１５の途中の壁面１５ｄに長手方向に沿って長い開口部１６が形成されたハウジング１２と、ハウジング１２に取り付けられ流路１５の外側に開口部１６を密封するように配置された回路基板３１と、回路基板３１に設けられ開口部１６内に位置しかつ検出面３２ａが流路１５の内壁面１５ｄよりも流路中心軸線から見て外側に位置するフローセンサ３２とを備えた流量計１１であって、流路１５の開口部１６と対向する側の内壁面１５ｄに流路の入口１５ａから流入した被測定流体をフローセンサ３２の検出面３２ａに沿わせて流すように膨出部１８を形成した構成としたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に低圧の空気等からなる被測定流体の微少な流量測定に好適に利用可能な流量計に関する。

ガスや空気等の流体の流量を検出する流量計として熱式の気体流速センサを用いた流量計が知られている。この流量計は、ハーメチックシール構造の部品上にセンサを搭載しこれを流路に取り付けるようにしたもので、特に高圧の流体の流量を検出する場合に適している。しかしながら、このハーメチックシール構造の流量計は、コストが高いという問題がある。

また、このようなハーメチックシール構造とは異なる構造を有する流量計として、流量計のボディの一部である蓋体に形成された流路の一部に開口したセンサ孔を、流路に検出面が臨むようにフローセンサを配置した回路基板を密接して封止することによって流路を形成する流量計が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、フローセンサは蓋体の内面よりも所定距離（約０.０５ｍｍ）だけ流路壁の外側に位置するように、即ち、流路よりも引っ込んだ位置に検出面が配置されている。センサ孔は、フローセンサの流路の長手方向両側に所定の隙間（約０.７ｍｍ）ができる大きさであり、蓋体とフローセンサとの間には段差のある隙間が存在している。
特開２００５―３１５７８８号公報（４頁、図４、図５）

例えば給湯器のブロアに流れる空気のように圧力の低い被測定対象流体の流量を測定する場合、上述した後者の流量計の更なるコスト低減を図るために、図７に示すようにハウジング１に流体の入口２ａから出口２ｂまで直管をなす流路２の途中の内壁面２ｃに長手方向（流体の流れる方向）に沿って長い開口部２ｄを形成し、入口２ａ側に流入する被測定流体の流れを整流するための整流器３を設け、ハウジング１に流路２の外側に開口部２ｄを密封して覆うように回路基板４を取り付け、この回路基板４に開口部２ｄ内に位置しかつ検出面５ａが流路２の内壁面２ｃよりも外側に位置するようにフローセンサ５を設けた基板タイプの構造の流量計９が提案されている。

図７に示した構造の流量計において流路２を通流する被測定流体の整流器３通過後の流速分布は図８の流速分布Ａで示すように流路２の内壁面２ｃにおいては流速ゼロであり、流路２の中心部に向かって徐々に大きくなり、流路２の中心部で最大流量となっている。ところが、流路２が急拡大する開口部２ｄの位置においては流路２の内壁面２ｃと回路基板４の下面４ａとの間の空間部（凹部）の容積（開口部２ｄの容積）分だけ急拡大したことにより、開口部２ｄの上流側開口端２ｅの直角をなす角部２ｆが流路２の内壁面に形成され、この角部２ｆにおいて渦７が発生する。そして、この渦７の影響により被測定流体の流れは流れ方向に対して流速が減速又は逆流するような流体挙動が生じる。

このため、流速分布は渦７の発生位置から下流側で渦７の影響を受ける範囲（影響圏）８内にある流路においては、流速分布Ｂ及び流速分布Ｃに示すように流路内壁面２ｃから近い位置（流路２の内壁面２ｃと回路基板４の下面４ａとの間）では流れ方向に対して流速が減速又は逆流することがある。そして、渦７の影響を受ける範囲８を脱すると、流速分布Ｄは流路２の内壁面２ｃおよび回路基板４の下面４ａにおいて流速がゼロであり、流路２の中心部に向かって流速が大きくなり、流路の中心部で最大となる。尚、図８は、被測定流体の流路２内における流体挙動及び流速分布を分かりやすく示した模式的に示したものである。

従って、図７に示すような構造の流量計では上述したような渦７の影響による流速分布の変化が起こり、その変化が起こっている範囲８にフローセンサ５の検出面５ａがある場合は検出精度の悪化を招くという問題がある。この問題は特に最大流速が速い大流量域において顕著に発生する。

また、フローセンサ５が流路２の内壁面２ｃよりも流路中心軸線から見て外側（凹んだ部分）に位置していることにより、流れ方向に対して流速が減速又は逆流している被測定流体の流れが検出面５ａを通過するためにフローセンサ５の出力が図９に示すように飽和してしまい、流量を正確に測定することができなくなるという問題がある。尚、特許文献１に開示されている流量計においても上述した構造の流量計と略同様の傾向があると考えられる。

本発明の目的は、被測定流体の流路にフローセンサを設けるために形成した開口部の上流側開口端の角部において発生した渦の影響をフローセンサの検出精度に及ぼさないようにした流路構造を有する流量計を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明に係る流量計は、
入口から出口まで直管をなす流路の途中の壁面に長手方向に沿って長い開口部が形成されたハウジングと、前記ハウジングに取り付けられ前記流路の外側に前記開口部を密封して覆うように配置された回路基板と、前記回路基板に設けられ前記開口部内に位置しかつ検出面が前記流路の内壁面よりも流路中心軸線から見て外側に位置するフローセンサとを備えた流量計であって、
前記流路の前記開口部と対向する側の内壁面に当該流路の入口から流入した被測定流体を前記フローセンサの検出面に沿わせて流すように膨出部を形成したことを特徴としている。

被測定流体がハウジングの流路を流れる際に開口部上流側開口端の角部において発生する渦によって流路内壁面から離れた位置で流速がゼロになる位置が、膨出部が形成されていない場合に比べて回路基板に向けてシフトする。この結果、渦の影響を受ける範囲が短くなり、フローセンサの検出面においては安定した流速分布が得られる。これにより、フローセンサの出力が高流量域まで安定して正確に測定することが可能となる。

また、本発明の請求項２に記載の流量計は、請求項１に記載の流量計において、前記膨出部は前記流路の内壁面が前記フローセンサ側に徐々に高くなる傾斜部と、前記フローセンサと対向する領域に形成された平面部と、当該平面部から前記内壁面に向かって徐々に低くなる傾斜部とが連続して形成されていることを特徴としている。

流路の入口から流入した被測定流体は、流路の内壁面がフローセンサ側に徐々に高くなる傾斜部により回路基板に向けてシフトされ、フローセンサと対向する領域に形成された平面部によりフローセンサの検出面に沿って流れ、平面部から内壁面に向かって徐々に低くなる傾斜部により前記シフトが解除される。これにより、流路内を流れる被測定流体をフローセンサの検出面側にシフトさせかつ検出面に沿わせて流すことができ、フローセンサの出力が高流量の流域まで安定して検出可能となると共に、被測定流体がフローセンサの検出面に角度をもって当たることにより生じる、被測定流体に含まれるゴミや粉塵が検出面に付着するのを防止することができる。

本発明によると、流路の開口部と対向する内壁面に膨出部を形成することにより被測定流体の流速分布が回路基板に向けてシフトするので、開口部の上流側開口端角部で発生する渦の影響を受ける範囲を短くすることができ、この結果、フローセンサの検出面において安定した流速分布が得られ、フローセンサの出力が高流量の流域まで安定して流量を正確に測定することが可能となる。また、流路の内壁面に膨出部を形成するだけの簡単な構成であり、安価な流量計を提供することが可能であり、特に被測定流体が低圧の空気等である場合の流量計に好適に利用できる。

また、本発明によると、膨出部の形状を、流路の内壁面がフローセンサ側に徐々に高くなる傾斜部と、フローセンサと対向する領域に形成された平面部と、平面部から内壁面に向かって徐々に低くなる傾斜部とを連続して形成することにより、流路内を流れる被測定流体をフローセンサの検出面に沿わせて流すことができ、フローセンサの出力が高流量の流域まで安定して検出することが可能となると共に、被測定流体がフローセンサの検出面に角度をもって当たることが防止されるので検出面のダイアフラム構造を破損から保護することができる。

以下、本発明の実施形態に係る流量計について図面に基づいて説明する。図１及び図２に示すように流量計１１は、ハウジング１２、蓋体１３、回路基板３１等により構成されている。ハウジング１２は、図１に示すように上方から見て略正方形状の箱体をなし、図２に示すように上部に回路基板３１を収容する回路基板収容室（以下「収容室」という）１４が形成され、この収容室１４の下側の中央位置に図中左右方向に断面円形の直管状の流路１５が形成されている。流路１５の入口１５ａ、出口１５ｂは、ハウジング１２の両側部から外方に延出されており、図示しない外部の被流体流路に接続されるようになっている。そして、被測定流体は、図２の矢印で示すように入口１５ａから流路１５に流入して出口１５ｂから流出する。尚、以後流路１５の入口１５ａ側を上流側、出口１５ｂ側を下流側という。

収容室１４の底板１４ａの中央部は、流路１５との隔壁を形成しており、図２及び図３に示すように流路１５の中央部１５ｃの上部に長手方向（被測定流体の流れる方向）に沿って長い長方形状をなす開口部１６が形成されている。この開口部１６は、上流側開口端１６ａ、下流側の開口端１６ｂが図５に拡大して示すように流路１５に対して直角状の角部１６ｃ，１６ｄをなしている。

収容室１４の底板１４ａの上面１４ｂは、開口部１６の周縁部１４ｃが僅かに高く（略１ｍｍ程度）形成されており、回路基板３１を載置する載置部（以下「載置部１４ｃ」という）とされている。載置部１４ｃの両側部には回路基板３１を固定するためのねじ孔１７が形成されている。そして、載置部１４ｃの開口部１６の周縁部１４ｄ、ねじ孔１７の周縁部１４ｅは、載置部１４ｃの上面から同じ高さとされている。これらの周縁部１４ｄ及び１４ｅは、回路基板３１を載置部１４ｃに載置して接着剤で固定する際に接着剤が開口部１６及びねじ孔１７内に入り込むことを防止するためのもので、載置部１４ｃから僅かに高く（略０.１ｍｍ程度）形成されている。

流路１５の内壁面１５ｄの開口部１６と対向する側の内壁面１５ｄには図２に示すように開口部１６に向かって膨出する膨出部１８が形成されている。この膨出部１８は、流路１５を流れる被測定流体を回路基板３１に向けてシフトさせて、この回路基板３１の下面３１ａに設けられ開口部１６の略中央位置に配置されたフローセンサ３２の検出面３２ａに沿わせて流すためのものである。

膨出部１８は、上流側の傾斜部１８ａと中央の平面部１８ｂと下流側の傾斜部１８ｃからなり、これらの傾斜部１８ａと平面部１８ｂと傾斜部１８ｃが連続して形成されている。上流側の傾斜部１８ａは、開口部１６の上流側開口端１６ａと対向する内壁面１５ｄの位置から緩やかな傾斜（勾配約５°〜３０°）をなして徐々に高くなり、平面部１８ｂは、フローセンサ３２の上流側の任意の位置から下流側の任意の位置までフローセンサ３２の検出面３２ａと対向する領域に回路基板３１と対向して平行に形成され、下流側の傾斜部１８ｃは、平面部１８ｂから開口部１６の下流側開口端１６ｂと対向する内壁面１５ｄの位置まで緩やかな傾斜（勾配約５°〜３０°）をなして徐々に低くなっている。

このように膨出部１８の上流側の傾斜部１８ａと下流側の傾斜部１８ｃを緩やかな傾斜面とすることにより、流路１５の開口部１６の部分（凹部）が急拡大部とならないようにすることが可能となる。即ち開口部１６における流路１５の断面積が急に大きくなることによる流路１５内を流れる被測定流体の流れの乱れを防止することが可能となる。

また、流路１５は、フローセンサ３２の前後の流路における流路抵抗の不均一をなるべく無くすために開口部１６が流路の一部となっている流路部分（凹部）の断面積と、開口部１６の上流側及び下流側の断面積が略同じになるように形成されている。このようにして、流路１５の開口部１６と対向する内壁面１５ｄに膨出部１８が形成されている。このハウジング１２は、例えば合成樹脂部材により一体に形成されている。

尚、膨出部１８は、流路１５を流れる被測定流体を回路基板３１に向けてシフトさせてフローセンサ３２の検出面３２ａに沿わせて流すようにすれば良く、上流側の傾斜面１８ａ、下流側の傾斜部１８ｃの形状は、上述したように緩やかなテーパ状に形成しても良く、或いは僅かに凸面をなす曲面で形成しても良い。更に細かい段差をなす階段状に形成することも可能である。

流路１５の入口１５ａは、図２に示すように流路１５と段差をなして拡径して形成されており、入口１５ａから流路１５に流入する被測定流体の流れを整流するための整流器２１が嵌挿収容されている。この整流器２１は、円筒形状をなし被測定流体の流れる方向に沿って所定の間隔を存して整流用の金網２２が複数枚（例えば、４枚）並設して形成されている。

フローセンサ３２は、図２に示すように回路基板３１の下面３１ａの略中央位置に設けられている。このフローセンサ３２は、例えばシリコン基板の上面に窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）が形成され、この絶縁膜の流路１５の中央位置と対応する位置に流量検出部（センサ部）が形成され、更に流量検出部が窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜により被覆された構成とされている。

前記流量検出部が形成されている絶縁膜の部位はダイアフラムとされて流量検出部とシリコン基板とが熱的に遮断されている。前記流量検出部は熱式の検出部で、絶縁膜状に例えば白金薄膜でできた発熱素子としてのヒータと、このヒータの上流側及び下流側に等間隔で配置された例えば白金薄膜でできた抵抗素子としての測温素子とにより構成されている。そして、抵抗素子と測温素子とでホイーストンブリッジ回路をなし、これによってフローセンサ３２の検出部３２ａが形成されている。

前記流量検出部のヒータに通電すると、このヒータは制御回路によりシリコン基板上に設けられた周囲温度センサで測定された被測定流体の温度よりもある一定温度だけ高く加熱され、流路１５を流れる被測定流体を加熱する。被測定流体が流れないときは、ヒータの上流側／下流側に均一の温度分布が形成されており、上流側の測温素子と下流側の測温素子は、略等しい温度に対応する抵抗値を示す。

一方、被測定流体の流れがあるときには、ヒータの上流側／下流側の均一な温度分布が崩れ、上流側の温度が低くなり、下流側の温度が高くなる。そして、上流側の測温素子と下流側の測温素子により構成される例えばホイーストンブリッジ回路により測温素子の抵抗値差即ち温度差を検出して流路１５内を流れる被測定流体の流量を測定する。

回路基板３１は、図２に示すようにハウジング１２の収容室１４に収容されて図３に示す載置部１４ｃの開口部１６の周縁部１４ｄ、ねじ孔１７の周縁部１４ｅに載置される。そして、図４に示すように回路基板３１は、載置部１４ｃと対向する下面３１ａが載置部１４ｃに接着剤２３により接着されて固定される。このとき接着剤２３は、開口部１６の周縁部１４ｄ、ねじ孔１７の周縁部１４ｅより開口部１６、ねじ孔１７内に入り込むことが防止される。これにより、回路基板３１は、開口部１６の周縁部を全周に亘り覆うように載置部１４ｃに密着されて流路１５を気密に封止するので、開口部を挟んで流路側と流路と反対側との気密性が確保される。

そして、フローセンサ３２が開口部１６の略中央位置に配置される。フローセンサ３２は、前述したように薄く形成されており、従って、検出面３２ａは流路１５の内壁面１５ｄよりも外側に位置している。そして、検出面３２ａは、膨出部１８の平面部１８ｂと平行に対向している。

次いで、回路基板３１は、図４に示すようにねじ２４により底板１４ａに固定される。回路基板３１は、載置部１４ｃが底板１４ａの上面１４ｂから僅かに高く形成されていることにより、下面３１ａが上面１４ｂから僅かに離隔して接触することが防止される。次いで、図１及び図２に示すようにハウジング１２に蓋体１３が装着される。

次に上記構成の流量計１１の作用を説明する。図２の矢印で示すように流路１５の入口１５ａから流入した被測定流体は、整流器２１により整流されて流路１５内に流入する。流路１５に流入した被測定流体の流速分布は、その流れは流路内壁面１５ｄにおいて流速がゼロであり、流路１５の中心部に向かって徐々に流速が大きくなり、流路１５の中心部で最大流速となっている。従って、開口部１６の上流側においては図５の流速分布Ａで示すようになる。尚、図５は流路１５内における被測定流体の流体挙動及び流速分布を模式的に示したものである。

そして、開口部１６の上流側の開口端１６ａにおいては、流路１５が急拡大したことにより直角状の角部１６ｃにより渦３５が発生する。この渦３５の影響により被測定流体の流れは流れ方向に対して流速が減速又は逆流するような流体挙動が生じる。このため、流速分布は渦３５の発生位置から下流側で渦３５の影響を受ける範囲（影響圏）３６内にある流路においては、流速分布Ｂで示すように流路１５の内壁面１５ｄから近い位置、即ち内壁面１５ｄから回路基板３１の下面３１ａまでの間の位置では流れ方向に対して流速が減速又は逆流するようなことがある。

流路１５は、開口部１６と対向する流路内壁面１５ｄに開口端１６ａと対向する位置から開口部１６に向かって形成された膨出部１８の傾斜部１８ａにより開口部１６における急拡大による流れの影響が抑制され、渦３５の影響を受ける範囲（影響圏）３６が短くなる。即ち、開口部１６の上流側端１６ａの角部１６ｃにおいて発生する渦３５によって流路内壁面１５ｄから外側に離れた位置で流速がゼロになる位置（渦３５の影響圏３６を示す破線との交点位置）が、膨出部１８が形成されていない場合に比べて回路基板３１に向けてシフトする。

被測定流体が渦３５の影響を受ける範囲３６を脱して平面部１８ｂのフローセンサ３２の上流側に達すると、流速分布Ｃで示すように回路基板３１の下面３１ａにおいて流速がゼロとなり、流路１５の中心部に向かって徐々に流速が大きくなり、流路１５の中心部で最大となる。そして、このような流速分布は、流速分布Ｄで示すように平面部１８ｂのフローセンサ３２の下流側に至るまで維持される。

被測定流体が開口部１６の下流側端面１６ｂを過ぎると、流量分布は再び流路１５の内壁面１５ｄにおいて流速がゼロとなり、流路１５の中心部に向かって徐々に流速が大きくなって流路の中心部で最大となる。

これにより、開口部１６における被測定流体の層流がフローセンサ３２の上流側から下流側に至るまで維持される。この結果、フローセンサ３２の検出面３２ａにおいては安定した流速分布が得られ、フローセンサ３２は、出力が図６に示すように高流量の流域まで安定して正確に流量を測定することが可能となる。また、流路１５内を流れる被測定流体をフローセンサ３２の検出面３２ａに沿わせて流すことにより、被測定流体がフローセンサ３２の検出面３２ａに直接当たって被測定流体に含まれるゴミや粉塵が検出面３２ａに付着するのを防止することができる。

本発明に係る流量計の一実施形態を示す平面図である。 図１に示した流量計の矢線II―IIに沿う断面図である。 図１に示したハウジングの回路基板収容室の上面図である。 図２に示した流量計の矢線IV―IVに沿う一部断面図である。 図２に示した流量計の流路内における被測定流体の流体挙動及び流速分布を模式的に示した説明図である。 図２に示した流量計の流量特性の一例を示すグラフである。 従来の流量計の一例を示す断面図である。 図７に示した流量計の流路内における被測定流体の流体挙動及び流速分布を模式的に示した説明図である。 図７に示した流量計の流量特性の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ ハウジング
２ 流路
２ａ 入口
２ｂ 出口
２ｃ 内壁面
２ｄ 開口部
２ｅ 上流側開口端
２ｆ 角部
３ 整流器
４ 回路基板
４ａ 下面
５ フローセンサ
５ａ 検出面
７ 渦
８ 渦の影響を受ける範囲（影響圏）
９ 流量計
１１ 流量計
１２ ハウジング
１３ 蓋体
１４ 収容室（回路基板収容室）
１４ａ 底板（隔壁）
１４ｂ 上面
１４ｃ 載置部（周縁部）
１４ｄ 開口部の周縁部
１４ｅ ねじ孔の周縁部
１５ 流路
１５ａ 入口
１５ｂ 出口
１５ｃ 中央部
１５ｄ 内壁面
１６ 開口部
１６ａ，１６ｂ 開口端
１６ｃ，１６ｄ 角部
１７ ねじ孔
１８ 膨出部
１８ａ，１８ｃ 傾斜部
１８ｂ 平面部
２１ 整流器
２２ 金網
２３ 接着剤
２４ ねじ
３１ 回路基板
３１ａ 下面
３２ フローセンサ
３２ａ 検出面
３５ 渦
３６ 渦の影響を受ける範囲（影響圏）
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 流路内における被測定流体の流速分布

Claims (2)

1. 入口から出口まで直管をなす流路の途中の壁面に長手方向に沿って長い開口部が形成されたハウジングと、前記ハウジングに取り付けられ前記流路の外側に前記開口部を密封して覆うように配置された回路基板と、前記回路基板に設けられ前記開口部内に位置しかつ検出面が前記流路の内壁面よりも流路中心軸線から見て外側に位置するフローセンサとを備えた流量計であって、
   前記流路の前記開口部と対向する側の内壁面に当該流路の入口から流入した被測定流体を前記フローセンサの検出面に沿わせて流すように膨出部を形成したことを特徴とする流量計。
2. 前記膨出部は前記流路の内壁面が前記フローセンサ側に徐々に高くなる傾斜部と、前記フローセンサと対向する領域に形成された平面部と、当該平面部から前記内壁面に向かって徐々に低くなる傾斜部とが連続して形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の流量計。
   
   

Images