JP2008249662A - 熱式質量流量センサー、及び流量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】輸液用チューブの材質や肉厚に影響を受けずに、より高い測定精度を得られる熱式質量流量センサーを提供する。
【解決手段】熱式質量流量センサー１で流量測定を行う場合には、第１の熱伝導体４１のチューブ収容部４１ａに流路の上流側に位置する輸液用チューブＴ、第２の熱伝導体４２のチューブ収容部４２ａに流路の下流側に位置する輸液用チューブＴを、それぞれ嵌め込む。輸液用チューブＴの第２の熱伝導体４２の取付個所は、その前後よりも上方に位置している。熱式質量流量センサー１は、第２の温度センサ５２から入力された検知信号が示す検知温度、及び、目標温度の情報に基づいて発熱体６を発熱させ、その間に積分制御に用いた積分回路からの出力電圧値、予め記憶した電流値情報や比熱や比重等の情報、及び各温度センサ５１，５２から入力された検知信号に基づき、演算を実行し、流量を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、配管内を流れる流体の流量を計測する熱式質量流量センサーに関する。また、本発明は、配管内を流れる流体の流量を測定する方法に関する。

従来、配管内を流れる流量の測定に用いる熱式質量流量センサーとしては、下記の特許文献１に示す液体用熱式質量流量計が開示されている。この熱式質量流量計は、合成樹脂製の配管内を流れる被測定液体の温度を液温センサで計測し、この液温センサによる計測箇所を通過した被測定液体を、伝熱素子を用いて加熱する。伝熱素子を用いた加熱温度の調整は、液温センサによる計測温度に基づき行われる。伝熱素子及び液温センサは定温度手段で覆われ、その外側は更に断熱部材で覆われている。定温度手段は、液温センサによる計測温度に基づき温度調整を行い、これにより断熱部材内が一定の温度に保たれる。断熱部材の外側の外気温は、外気温測温センサにより計測されている。外気温測温センサでの計測温度に基づき、伝熱素子による加熱に用いた熱量から、外部に伝達された熱量が差し引かれ、被測定液体の加熱に用いられた熱量が算出される。そして、算出された熱量に基づき、被測定液体の流量が計測される。

特開２００５−２３３８５９号公報

動脈路確保に使用するヘパリン(heparin)添加生理食塩水や、治療のために頭蓋腔内から排出される脳脊髄液等の流量の計量に用いられる熱式質量流量センサーでは、感染防止のために、これらの輸液用チューブ内にセンサを配置することなく、輸液用チューブを測定用の管路としてそのまま用い、例えば、３０（ｍｌ／ｈｒ）以下の流量で管路内に被測定液体を流動させつつ、０．１（ｍｌ／ｈｒ）〜０．０１（ｍｌ／ｈｒ）程度の流量変化を測定する必要がある。このため、輸液用チューブの材質や肉厚に影響を受けずに、より高い測定精度で流量を測定することが求められている。しかしながら、上記特許文献１に記載の液体用熱式質量流量計では、輸液用チューブを測定用の管路としてそのまま用いて精度の高い流量測定を十分に行うことができなかった。

本発明は斯かる課題に鑑みてなされたもので、上記課題を解決できる熱式質量流量センサーを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明は、被測定流体が流れる配管に接触させられる第１の熱伝導体と、この第１の熱伝導体の温度を検知する第１の温度センサと、前記配管における前記第１の熱伝導体の接触箇所よりも被測定流体の流路の下流側に接触させられる第２の熱伝導体と、この第２の熱伝導体の温度を検知する第２の温度センサと、前記第２の熱伝導体を加熱する加熱手段と、前記第２の温度センサによる検知温度が前記第１の温度センサによる検知温度よりも高い所定の温度となるように前記加熱手段による加熱動作を制御する加熱制御手段と、前記加熱手段による加熱に用いられた熱量から前記配管を流れた被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを備え、前記配管における前記第２の熱伝導体の接触した管路を、その前後の管路よりも上方に配置したことを特徴とする。
また、本発明は、前記配管における少なくとも前記第１の熱伝導体の接触箇所と前記第２の熱伝導体の接触箇所とを結ぶ管路を、各前記熱伝導体及び各前記温度センサと共に覆って外部と断熱する断熱部材を備えることを特徴とする。
また、本発明は、前記断熱部材は、前記配管が内部に入る第１の挿通孔と、前記第１の挿通孔から内部に入った前記配管が外部に出る第２の挿通孔とを備え、前記第１の挿通孔は、前記第２の挿通孔よりも上方に形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記第２の熱伝導体の接触した管路の周囲の温度を調整する温度調整手段と、前記第２の熱伝導体の接触した管路の周囲の温度を検知する調整温度センサと、前記第１の温度センサでの検知温度と前記調整温度センサによる検知温度とが一致するように前記温度調整手段による温度調整動作を制御する調整温度制御手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明は、被測定流体が流れる配管に第１の熱伝導体を接触させると共に、前記配管における前記第１の熱伝導体の接触箇所よりも被測定流体の流路の下流側に第２の熱伝導体を接触させて、その接触箇所を前後の管路よりも上方に固定して配置し、前記第１の熱伝導体の温度よりも高い所定の温度となるように前記第２の熱伝導体を加熱しながら前記配管に被測定流体を流通させ、前記配管における前記第２の熱伝導体の接触箇所の管路を前記被測定流体が流通している間、前記第２の熱伝導体の加熱に用いられた熱量に基づき前記配管を流れた被測定流体の流量を算出することを特徴とする。
また、本発明は、前記第２の熱伝導体の接触した管路の周囲の温度が前記第１の熱伝導体の温度と一致するように前記第２の熱伝導体の接触した管路の周囲の温度を調整することを特徴とする。

本発明によれば、被測定流体を流通させる管路をそのまま用いて、精度の高い測定を行うことが可能となる。

本発明の最良の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態の熱式質量流量センサー１が備える温度検出部２の構成の概略を示す図であり、（ａ）は正面から内部を見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での温度検出部２の断面を示す図である。温度検出部２は、箱体３の内部に備えられている。箱体３の底壁には挿通孔３１，３２が設けられている。図１（ｂ）に示すように、箱体３は、例えば、発泡スチロール等の断熱部材３６ａ及び断熱部材３６ｂを嵌め合わせて構成される。また、温度検出部２は、輸液用チューブＴに取り付けられる２つの熱伝導体４１，４２と、各熱伝導体４１，４２の温度を検知する温度センサ５１，５２と、熱伝導体４２を加熱するための発熱体６とを備えて構成されている。一方の断熱部材３６ａには収容凹部３６１が設けられている。収容凹部３６１には、輸液用チューブＴ、熱伝導体４１，４２，温度センサ５１，５２，及び発熱体６が収容される。

熱伝導体４１，４２は、例えば、アルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属から形成されている。図１（ｂ）に示すように、熱伝導体４２は、長方形の一側面に円弧状の切欠部を設けた断面形状を有している。円弧状の切欠部は輸液用チューブＴを収容するチューブ収容部４２ａを構成している。チューブ収容部４２ａを構成する切欠部は、円弧状を呈している。チューブ収容部４１ａは、側方から輸液用チューブＴが嵌め込まれて、その表面を輸液用チューブＴの外周面に密着させる構成を有している。熱伝導体４２も熱伝導体４１と同様の構成を有している。本実施形態では、各チューブ収容部４１ａ，４２ａは、一般的に用いられるポリプロピレンやポリブタジエン等のポリエチレンやポリ塩化ビニル等の合成樹脂製の輸液用チューブ（外径５ｍｍ，内径３ｍｍ）を輸液用チューブＴとして用いた場合に、その表面を輸液用チューブＴの外周面に密着させて係止できるように構成されている。

温度センサ５１，５２としては、測温抵抗体（白金線、金属皮膜、炭素皮膜抵抗体）や熱電対、IC温度センサー等を用いることができる。温度センサー自体が発する熱が測定結果に与える影響を抑えるために、温度センサ５１，５２としては、消費電力が少ないものを用いることが望ましい。このため、本実施形態では、消費電力が数十マイクロワットの半導体IC温度センサーを、温度センサ５１，５２として用いている。温度センサ５１，５２は、温度検出用の検出部を熱伝導体４１，４２に接触させている。発熱体６は、金属皮膜抵抗器であり、熱伝導体４２に接触させられている。

図２は、熱式質量流量センサー１の制御回路のハードウエア構成の概略を示すブロック図である。図２に示すように、熱式質量流量センサー１の端末装置７は、各種の演算や制御を行う演算制御部７１と、複数のキーからなる入力部７２と、各種の表示を行う表示部７３と、外部機器とのデータ通信を行う送受信部７４と、時間の管理を行う時計部７５と、演算制御部７１での処理に用いられる各種データを記憶する記憶部７６とを備えて構成されている。なお、演算制御部７１は、ＣＰＵ（Central Prosessing Unit）と、制御プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）と、制御プログラムが演算等に使用するＲＡＭ（Random Access Memory）とから構成される。送受信部７４を介して端末装置７とデータ通信を行う外部機器には、上述した温度センサ５１，５２、及び、上述した発熱体６による発熱を行う発熱制御装置７７がある。これらは、ケーブル線を介して端末装置７と電気的に接続されている。

第１の温度センサ５１及び第２の温度センサ５２は、検出部での検出結果に応じた検出信号を端末装置７に入力する。発熱制御装置７７は、端末装置７から入力される制御信号に従い、ＰＩＤ（Proportinal Integral Differential）制御を行い、発熱体６を発熱させる。また、発熱制御装置７７は、ＰＩＤ制御の際に作動させた積分回路からの出力電圧値を示す出力電圧信号を端末装置７に入力する。

送受信部７４は、演算制御部７１の制御プログラムの制御に従い、温度センサ５１，５２及び発熱制御装置７７から入力されるアナログ信号を、時計部７５で計時される所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換する。また、入力部７２から入力された被測定流体の比熱や比重等の流量測定に用いるデータを、記憶部７６に記憶する。表示部７３は、演算制御部７１の制御に基づき、計測データや流量測定の結果等のデータを表示する。記憶部７６は、発熱制御装置７７の積分回路を作動させる電流値の情報を、電流値情報として記憶している。また、記憶部７６は、発熱制御装置７７の制御により発熱体６を発熱させ、第２の熱伝導体４２を加熱する目標温度Ｔ_１の情報を記憶している。目標温度Ｔ_１は、第１の温度センサ５１からの入力信号が示す温度より高い所定の温度（例えば５℃）に設定されている。

演算制御部７１は、送受信部７４から入力されたデジタル信号を所定の時間間隔でサンプリングした経過時間と共に計測データとして記憶部７６に記憶し、後述する演算の実行等の各種処理を行う。また、発熱制御装置７７に制御信号を供給して、第２の温度センサ５２からの入力信号が示す温度が目標温度Ｔ_１となるように、発熱制御装置７７による発熱体６の発熱を制御する。

また、演算制御部７１は、記憶部７６に記憶した計測データ及び比熱や比重のデータに基づき、輸液用チューブＴの内部を流れる被測定流体の流量を算出する。具体的には、演算制御部７１は、以下の演算式（１）を実行して、流量Ｒ（ｍ^３／ｈ）を算出する。
Ｒ＝Ｑ／（（ｔ２−ｔ１）×Ｃｐ×ρ）・・・・・・・（１）
ここで、Ｑ：発熱体６の発熱に用いた消費電力（Ｗｈ）、ｔ１：第１の温度センサ５１での検知温度（℃）、ｔ２：第２の温度センサ５２での検知温度（℃）、Ｃｐ：被測定流体の比熱（Ｊ／（ｇ・Ｋ））、ρ：被測定流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）である。

なお、消費電力Ｑは、発熱制御装置７７から供給される出力電圧信号が示す電圧値と、記憶部７６に記憶した電流値情報の示す電流値に基づき算出される。つまり、演算制御部７１は、第２の温度センサ５２での検知信号が示す温度が第１の温度センサ５１での検知温度よりも所定温度高い目標温度Ｔ_１に達し、出力電圧信号が示す電圧値が安定すると、その電圧値を基準電圧情報として記憶部７６に記憶し、その後に入力される出力電圧信号が示す電圧値から基準電圧情報が示す電圧値を減算し、得られた値に電流値情報が示す電流値を乗じることにより、被測定流体の発熱に用いた消費電力Ｑを算出する。

次に、熱式質量流量センサー１を用いた被測定流体の流量測定の動作について説明する。
熱式質量流量センサー１で流量測定を行う場合には、まず、第１の熱伝導体４１のチューブ収容部４１ａに流路の上流側に位置する輸液用チューブＴ、第２の熱伝導体４２のチューブ収容部４２ａに流路の下流側に位置する輸液用チューブＴを、それぞれ嵌め込み、各チューブ収容部４１ａ，４２ａの内周面を輸液用チューブＴの外周面に密着させる。この状態では、熱伝導体４１，４２、温度センサ５１，５２、及び発熱体６が、輸液用チューブＴと共に断熱部材３６ａの収容凹部３６１内に収容され、箱体３を構成する断熱部材３６ａ，３６ｂで覆われている。また、輸液用チューブＴは、箱体３の底面に形成された挿通孔３１から箱体３の内部に進入して上方に向けてほぼ垂直に延びており、この垂直部分の一部には第１の熱伝導体４１が取り付けられている。

輸液用チューブＴは、上方に延びた後に屈曲して水平方向に延びている。この水平部分には第２の熱伝導体４２が取り付けられている。輸液用チューブＴは、水平方向に延びた後に屈曲して下方に延び、箱体３の底面の挿通孔３２から箱体３の外部に延びている。つまり、輸液用チューブＴにおける第２の熱伝導体４２の取付個所は水平に配置され、また、他の箇所よりも上方に位置している。このようにして箱体３の内部に輸液用チューブＴが取り付けられた状態で、流量測定が行われる。

第１の温度センサ５１及び第２の温度センサ５２からは検知温度を示す検知信号が出力されており、演算制御部７１は、この検知信号を記憶部７６に記憶する。演算制御部７１は、第２の温度センサ５２から入力された検知信号が示す検知温度、及び、記憶部７６に記憶された目標温度Ｔ_１の情報を含む制御信号を、発熱制御装置７７に対して出力する。この制御信号を入力された発熱制御装置７７は、検知温度及び目標温度Ｔ_１の情報に基づき、発熱体６を発熱させる。そして、第２の温度センサ５２での検知温度が目標温度Ｔ_１に達して安定すると、演算制御部７１は、流量測定が可能な状態であることを示唆する制御信号を表示部７３に供給する。この制御信号を受信した表示部７３は、この制御信号に対応する表示を行う。一方、発熱制御装置７７は、発熱体６を発熱させている間、積分制御に用いた積分回路からの出力電圧値を示す出力電圧信号を出力する。これにより、輸液用チューブＴ内を第２の熱伝導体４２の取付箇所まで流れてきた被測定流体により冷却される熱伝導体４２を加熱する際に用いられた電圧値の情報が演算制御部７１に供給される。

演算制御部７１は、発熱制御装置７７から入力された出力電圧信号、及び、各温度センサ５１，５２から入力された検知信号を所定の時間間隔でサンプリングし、記憶部７６に記憶された電流値情報や比熱や比重等の情報に基づき、上記式（１）の演算を実行し、流量Ｒ（ｍ^３／ｈ）を算出する。そして、算出した流量を、演算に用いた各種情報及び時計部７５での計時結果と共に、記憶部７６に記憶する。記憶部７６に記憶された各情報は、入力部７２からの信号入力等に基づく要求に応じて、表示部７３に表示される。

本実施形態による熱式質量流量センサー１によれば、被測定流体が流れる輸液用チューブＴに接触した各熱伝導体４１，４２の温度が温度センサ５１，５２により検知され、輸液用チューブＴにおける被測定流体の流路の下流側に位置する管路に接触した熱伝導体４２が加熱される。この加熱は、第２の温度センサ５２による検知温度が第１の温度センサ５１による検知温度よりも高い目標温度Ｔ_１となるように制御され、加熱に用いられた熱量に基づいて、輸液用チューブＴを流れた被測定流体の流量が算出される。

手術中に頻繁に行われる動脈血採血の度に注射を行うと患者や医師の負担になることから、一度採血用注射を行うと、その針を動脈に刺したまま確保することが、一般的に行われている。その際には、血液凝固を抑えるために微量（１ｍｌ／ｈｒ〜３ｍｌ／ｈｒ）のヘパリン添加生理食塩水の注入が持続的に行われる。動脈への輸液は、動脈圧よりも高い圧力を加えて行われるために滴下筒を使用する事ができず、しかも、このような高い圧力の下で１ｍｌ／ｈｒ〜３ｍｌ／ｈｒといった微量の液体の流量を、病原体等への感染の虞を避けた状態で監視するのは困難であった。このため、従来は、動脈へ輸液される液体の流量監視は行われていなかった。また、頭蓋内に溜まって脳を圧迫している脳脊髄液を一時的に排出する治療を行う際に、排出される脳脊髄液の流量が約２０ｍｌ／ｈｒと微量であることから、従来は、排出の際の流量の常時監視は行われていなかった。

しかしながら、本実施形態による熱式質量流量センサー１によれば、輸液用チューブＴに接触させた熱伝導体４１，４２を介して輸液用チューブＴ内の被測定流体の温度の検知や加熱を行うので、測定の度に各熱伝導体４１，４２を輸液用チューブＴに着脱することにより、人体から排出された流体や人体に注入する流体等の病原体等に感染するおそれのあるヘパリン添加生理食塩水や、治療用の脳脊髄液等の輸液や排液でも、注入や排出に用いる輸液用チューブＴ等の配管を測定用の配管としてそのまま用いて、精度の高い測定を行うことが可能となる。

また、本実施形態による熱式質量流量センサー１によれば、輸液用チューブＴにおける少なくとも各測定個所を結ぶ管路が、各熱伝導体４１，４２及び各センサ５１，５２と共に、断熱部材３６ａ，３６ｂで覆われているので、輸液用チューブＴや熱伝導体４１，４２から外部に漏れる熱量を断熱部材３６ａ，３６ｂにより抑えることができることから、被測定流体の質量の算出精度を高めることができる。

また、箱体３の内部が全て断熱部材３６ａ，３６ｂで埋められて空洞が殆どないため、空洞がある場合に生じる空気の対流や発熱体６等からの輻射による熱の伝導等が第１の温度センサー５１の計測結果に影響を及ぼすことを避けることができる。また、第１の温度センサ５１と第２の温度センサ５２とを結ぶ輸液用チューブＴ内で生じる被測定流体の温度差に基づき発生する対流を抑えることができる。このため、正確な温度計測を行うことができる。

また、本実施形態による熱式質量流量センサー１によれば、測定個所の管路がその前後の管路よりも上方に位置していることから、縦方向に沿って配置された管路に各熱伝導体４１，４２が位置している場合のように、輸液用チューブＴ内の被測定流体に生じる温度差により生じる密度差を解消する方向、つまり、被測定流体における温度の高い密度の小さい部分が上方に移動し温度の低い密度の高い部分が下方に移動するのに伴い対流が発生するのを抑えて、第２の温度センサ５２による測定の誤差を抑えることができる。このため、被測定流体の質量の算出精度を高めることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は本発明の第２の実施形態の熱式質量流量センサー１ａが備える温度検出部２ａの構成の概略を示す図であり、（ａ）は正面から内部を見た図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での温度検出部２ａの断面を示す図である。

本実施形態の熱式質量流量センサー１ａは、上記第１の実施形態の熱式質量流量センサー１と同様に、熱伝導体４１，４２、第１の温度センサ５１、第２の温度センサ５２、及び発熱体６を備える温度検出部２ａを箱体３の内部に収容して構成されている。熱伝導体４１，４２、第１の温度センサ５１、第２の温度センサ５２、発熱体６、及び箱体３は、熱式質量流量センサー１が備えるものと同様の構成を有している。熱伝導体４１，４２、第１の温度センサ５１、第２の温度センサ５２、及び発熱体６は、一方の断熱部材３６ａが備える収容凹部３６１に収容されている。また、箱体３は、上記第１の実施形態の箱体３とほぼ同様の構成を有しているが、挿通孔３１，３２に代えて、上壁に設けられた挿通孔３３、及び、下壁に設けられた挿通孔３４を備えている。

また、熱式質量流量センサー１ａの温度検出部２ａは、電子冷却素子８１、調整用熱伝導体８２、放熱用熱伝導体８３、及び調整用温度センサ８４を備えている。放熱用熱伝導体８３は、例えば、アルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属から構成されており、矩形の平板状を呈している。断熱部材３６ａには開口３５が設けられており、放熱用熱伝導体８３はこの開口３５から背面側を一部露出させて開口３５内に取り付けられている。電子冷却素子８１は、例えば、ペルチェ素子から構成されており、放熱用熱伝導体８３と同様の形状を有している。電子冷却素子８１は、その背面を放熱用熱伝導体８３の前面に合わせて放熱用熱伝導体８３に取り付けられている。

調整用熱伝導体８２は、例えば、アルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属から構成されており、平板体の中央部に矩形の開口８３ａを設けた形状を呈している。調整用熱伝導体８２は、その背面を電子冷却素子８１の前面に合わせて電子冷却素子８１に取り付けられている。また、調整用温度センサ８４は、温度検出用の検出部を調整用熱伝導体８２の前面に接触させている。また、上述した第２の熱伝導体４２は、調整用熱伝導体８２の開口８２ａの内側に位置して、電子冷却素子８１の前面側にチューブ収容部４２ａを向け、電子冷却素子８１の前面と離間して配置されている。

また、熱式質量流量センサー１ａは、図２に示す発熱制御装置７７の他に、図示しない温度調整装置も備える。温度調整装置は、端末装置７から入力される制御信号に従い、ＰＩＤ制御を行い、電子冷却素子８１による温度調整を行う。また、演算制御部７１は、発熱制御装置７７による発熱体６の発熱の他に、温度調整装置による電子冷却素子８１での温度調整も制御する。温度調整装置による温度調整は、第１の温度センサ５１からの入力信号が示す温度を目標温度Ｔ_２とし、調整用温度センサ８４からの入力信号が示す温度が目標温度Ｔ_２と一致するように行われる。なお、第２の熱伝導体４２は、上記第１の実施形態と同様に目標温度Ｔ_１で加熱されている。

次に、熱式質量流量センサー１ａを用いた被測定流体の流量測定の動作について説明する。
熱式質量流量センサー１ａで流量測定を行う場合には、第１の実施形態の熱式質量流量センサー１の場合と同様に、第１の熱伝導体４１のチューブ収容部４１ａに流路の上流側に位置する輸液用チューブＴ、第２の熱伝導体４２のチューブ収容部４２ａに流路の下流側に位置する輸液用チューブＴを、それぞれ嵌め込む。この状態では、図３に示すように、輸液用チューブＴにおける第２の熱伝導体４２に嵌め込まれた箇所は、電子冷却素子８１及び調整用熱伝導体８２に周囲を囲まれている。また、第２の熱伝導体４２の取付箇所に対して被測定流体の上流側及び下流側に位置する輸液用チューブＴは、放熱用熱伝導体８３に近接して位置している。

第１の実施形態の熱式質量流量センサー１の場合と同様に、熱伝導体４１，４２、第１の温度センサ５１，第２の温度センサ５２、発熱体６、及びこれらの取り付けられた輸液用チューブＴは、断熱部材３６ａの収容凹部３６１に収容され、箱体３を構成する断熱部材３６ａ，３６ｂで覆われている。また、輸液用チューブＴにおける第２の熱伝導体４２に取り付けられた個所の配置、及び、第１の熱伝導体４１の取り付け箇所との位置関係も、第１の実施形態の熱式質量流量センサー１の場合と同様になっている。さらに、本実施形態の熱式質量流量センサー１ａでは、電子冷却素子８１、調整用熱伝導体８２、放熱用熱伝導体８３、及び調整用温度センサ８４も、断熱部材３６ａの開口３５に収容されて、断熱部材３６ａで覆われている。

また、熱式質量流量センサー１ａでは、箱体３の内部の輸液用チューブＴの配置形状が、第１の実施形態の熱式質量流量センサー１の場合と異なっている。つまり、本実施形態では、箱体３の上壁に設けられた挿通孔３３から輸液用チューブＴが箱体３の内部に進入し、そのまま箱体３の底面付近まで下方に延びている。この経路の途中にある輸液用チューブＴに第１の熱伝導体４１が取り付けられている。輸液用チューブＴは、箱体３の底面付近まで下方に延びた後、屈曲して水平方向に延びている。そして、更に屈曲して斜め上方に向けて延びた後に屈曲して水平方向に延びている。この水平部分の輸液用チューブＴには、第２の熱伝導体４２が取り付けられている。輸液用チューブＴは、水平方向に延びた後、屈曲して下方に延び、箱体３の下壁に設けられた挿通孔３４を通って外部に出ている。このため、挿通孔３３から箱体３の内部に進入して箱体３の底面付近まで延びる輸液用チューブＴ内の被測定流体に作用する重力により、熱伝導体４２の取付箇所を通過する前の被測定流体の逆流が抑えられる。一方、熱伝導体４２の取付箇所から下方に延びて挿通孔３４から箱体３の外部に出た輸液用チューブＴ内の被測定流体に作用する重力により、熱伝導体４２の取付箇所を通過した被測定流体の逆流が抑えられる。このため、被測定流体の流量の測定精度を高めることができる。

演算制御部７１は、上記第１の実施形態の場合と同様に、発熱制御装置７７の制御を行って発熱体６を発熱させ、輸液用チューブＴ内を流れる被測定流体の流量を測定する。また、演算制御部７１は、第１の温度センサ５１及び調整温度センサ８４からの入力信号が示す各検知温度、及び、調整用温度センサ８４の目標温度Ｔ_２の情報を含む制御信号を、温度調整装置に対して出力する。本実施形態では、目標温度Ｔ_２が第１の温度センサ５１での検知温度と同じ値に設定されている。この制御信号を入力された温度調整装置は、各検知温度及び目標温度Ｔ_２の情報に基づき制御を行い、電子冷却素子８１による温度調整を行わせる。これにより、第２の熱伝導体４２の周囲の温度が、第１の熱伝導体の取付箇所の輸液用チューブＴ内を流通する被測定流体の温度と同じ温度に保たれる。

本実施形態による熱式質量流量センサー１ａによれば、上記第１の実施形態による熱式質量流量センサー１と同様の作用効果を得られる。しかも、本実施形態による熱式質量流量センサー１ａによれば、調整用温度センサ８４での検知温度が第１の温度センサ５１での検知温度と一致するように温度調整が行われ、輸液用チューブＴにおける熱伝導体４２が接触した管路の周囲の温度が、熱伝導体４１が接触した管路を流れる被測定流体の温度と同じ温度に保たれる。このため、熱伝導体４１，４２や輸液用チューブＴによって加熱された外気の影響等による温度変化を抑えて、被測定流体の加熱に必要な熱量を精度良く測定して、被測定流体の流量の算出精度を高めることができる。

なお、各上記実施形態の説明では、熱伝導体４１，４２がその右側面を円弧状に切り欠いて形成されたチューブ収容部４１ａ，４２ａを備えている場合について説明した。しかしながら、取り付けられた輸液用チューブＴの外周面に接触する接触面を備えるのであれば、その形状は任意である。

上記各実施形態の説明では、輸液用チューブＴにおける第２の熱伝導体４２が取り付けられた箇所に被測定流体が流れていない流量“０”の状態、つまり、第２の熱伝導体４２のみが加熱されている状態での積分回路からの出力電圧値を電圧値情報、そのときの電流値を電流値情報として、それぞれ測定の度に記憶部７６に記憶し、演算に用いる場合について説明した。しかしながら、これらの情報を予め記憶部７６に記憶しておき、積分回路からの出力電圧信号とこれらの記憶情報とに基づき、発熱体６の発熱に用いた電力量を算出する構成としてもよい。また、熱伝導体４１の取付箇所と熱伝導体４１の取付箇所とを結ぶ輸液用チューブＴを断熱材で覆う構成としてもよい。この構成によれば、輸液用チューブＴの周囲の温度の影響を抑えて被測定流体の測定精度を高めることができる。

また、第２の熱伝導体４２の取付箇所の管路がその前後の管路よりも上方に位置しているのであれば、箱体３の内部での輸液用チューブＴの配置態様は任意であり、例えば、図４に示すように第１の熱伝導体４１の取付箇所と第２の熱伝導体４２の取付箇所とを結ぶ輸液用チューブＴを円弧状を呈するように配置してもよい。

図５は、熱伝導体４１，４２の取付位置及び輸液用チューブＴの配置態様と、目標温度Ｔ_１に対する誤差との関係を示すグラフである。図５に示す各データＬ１〜Ｌ５は、上記第２の実施形態の熱式質量流量センサー１ａを用いて、第１の温度センサ５１での検知温度よりも５℃高い温度を目標温度Ｔ_１とし、被測定流体を流量６．４（ｍｌ／ｈｒ）で流して計測を行った場合に得られたものである。なお、被測定流体としては生理食塩水，輸液用チューブＴとしてはテルモ株式会社製テルフュージョン（登録商標）ポンプ用輸液セットTS-PA300L41をそれぞれ用い、熱伝導体４１の取付位置に対する熱伝導体４２の取付位置の高さＨは５０（ｍｍ）に設定してある。図５（ａ）に示すデータＬ１〜Ｌ３は、上記第２の実施形態の熱式質量流量センサー１ａを底面を下にして箱体３を配置した場合に得られたデータである。また、図５（ｂ）に示すデータＬ４，Ｌ５は、上記第２の実施形態の熱式質量流量センサー１ａを左側面を下にして箱体３を配置した場合（Ｌ５）、及び、背面を下にして箱体３を配置した場合（Ｌ４）に得られたデータである。各データは、横軸に時間、縦軸に温度誤差をそれぞれ示している。

箱体３を左側面を下にして配置した場合のデータＬ５からは、箱体３の内部に配置された輸液用チューブＴの経路の最も下に位置する箇所に第１の熱伝導体４１が取り付けられ、そこから最も上に位置する箇所に向けて上昇していく輸液用チューブＴの経路の最も下に位置する箇所に第２の熱伝導体４２が取り付けられた場合の測定精度を知ることができる。箱体３を背面を下にして配置した場合のデータＬ４からは、箱体３内に水平に配置された輸液用チューブＴに熱伝導体４１，４２を取り付けた場合の測定精度を知ることができる。なお、図５（ａ）のグラフは、３回分の計測結果のデータを示している。

図５（ａ）に示すグラフに示す各データＬ１〜Ｌ３では、３回の計測とも測定温度の誤差がほぼ約０．０１℃の範囲内に収まった安定した計測結果を得られている。また、約０．０１℃の範囲を超えた最大値も約０．０２℃の範囲には収まっている。これに対して、図５（ｂ）に示すグラフに示す各データＬ４，Ｌ５では、何れも測定温度の誤差の変動が大きく、しかも、箱体３の左側面を下にして配置した場合（Ｌ５）には、約０．０３℃を超える測定温度の誤差が生じている。また、箱体３の背面を下にして配置した場合（Ｌ４）には、箱体３の左側面を下にして配置したときのような大きな誤差は生じていないものの、図５（ａ）に示すデータに比べて約０．０１℃近い誤差が頻繁に発生している。

このため、上記第２の実施形態の熱式質量流量センサー１ａのように、第２の熱伝導体４２の取付箇所の輸液用チューブＴを、その前後の輸液用チューブＴよりも上方に配置することにより、測定温度の誤差、つまり、測定流量の誤差を抑えた計測結果を安定して得られることを確認することができる。

図６は、輸液用チューブＴを流れる被測定流体の流量と、発熱制御装置７７が備える積分回路からの出力電圧値との関係を示すグラフである。図６に示す各データＬ１〜Ｌ５は、上記第２の実施形態の熱式質量流量センサー１ａを用いた流量測定時に、第２の熱伝導体４２の取付箇所の周囲の温度（調整用温度センサ８４での検知温度）が、第１の温度センサ５１での検知温度に対して０．０℃，−０．５℃，−１．０℃の温度差を有する場合に得られたデータである。なお、計測条件は、図５を用いて説明した計測と同じである。

同図において、データＬ１は温度差が０．０℃，データＬ２〜Ｌ４は温度差が−０．５℃，データＬ５は温度差が−１．０℃である場合の計測データである。各データＬ１〜Ｌ５は、横軸に流量を、縦軸に出力電圧値をそれぞれ示している。図６に示すように、データＬ１〜Ｌ５の何れも、積分回路からの出力電圧値は、流量０（ｍｌ／ｈｒ）〜流量４（ｍｌ／ｈｒ）程度まで流量の増加に伴って急激に高くなった後、流量５（ｍｌ／ｈｒ）位からは流量の増加に伴って緩やかに高くなっている。ただ、同じ流量に対する出力電圧値は、データＬ１，データＬ２〜Ｌ４，データＬ５の順で高いことが確認できる。
つまり、積分回路からの出力電圧値が同じでも、第２の熱伝導体４２の周囲の温度と第１の温度センサ５１での検知温度との温度差によって、測定される流量値が違うことが確認できる。具体的には、出力電圧値が約５．７５（Ｖ）のときの流量を見ると、データＬ１では計測流量値が約７（ｍｌ／ｈｒ）、データＬ２〜Ｌ４では計測流量値が約３（ｍｌ／ｈｒ）、データＬ５では計測流量値が約１（ｍｌ／ｈｒ）となっている。このため、第２の熱伝導体４２の取付箇所の周囲の温度と、第１の温度センサ５１での検知温度との間の温度差によって流量の計測結果に大きな差が出ること、つまり、第２の熱伝導体４２の取付箇所の周囲の温度変化に計測結果が敏感に反応することを確認できる。

従って、調整用温度センサ８４での検知温度が第１の温度センサ５１での検知温度と一致するように温度調整を行う上記第２の実施形態の熱式質量流量センサー１ａによれば、このような温度調整を行わない熱式質量流量センサーに比べて精度の高い測定を行うことができることが明らかになった。なお、調整用温度センサ８４での検知温度は、一定の温度を保つことができるのであれば、第１の温度センサ５１での検知温度と一致しなくてもよく、第１の温度センサ５１での検知温度や第２の温度センサ５２での検知温度との関係から流量を算出することが可能な任意の温度、例えば、第１の温度センサ５１での検知温度に比例した温度を設定することができる。ただし、流量算出のための処理負担を軽減できることや、測定精度を高められることから、調整用温度センサ８４での検知温度は、第１の温度センサ５１での検知温度と一致させることが好ましい。

図７は、輸液用チューブＴを流れる被測定流体の流量と、発熱制御装置７７が備える積分回路からの出力電圧値との関係を示すグラフである。図７に示す各データＬ１，Ｌ２は、上記第２の実施形態の熱式質量流量センサー１ａにおいて、第２の熱伝導体４２の長さが、５．０ｍｍ，２０．０ｍｍの各場合に流量測定を行って得られたデータである。なお、計測条件は、図５を用いて説明した計測と同じである。

同図において、データＬ１は第２の熱伝導体４２の長さが５．０ｍｍの場合，データＬ２は第２の熱伝導体４２の長さが２０．０ｍｍの場合に得られた計測データである。各データＬ１，Ｌ２は、横軸に流量を、縦軸に出力電圧値をそれぞれ示している。図７に示すように、データＬ１，Ｌ２の何れも、積分回路からの出力電圧値は、流量の増加に伴って緩やかに高くなっている。ただ、データＬ２の方がデータＬ１に比べて、同じ流量に対する出力電圧値が高いことが確認できる。

また、データＬ１では、計測流量値が約６（ｍｌ／ｈｒ）を超えると、積分回路からの出力電圧値に大きな変化が見られなくなることが確認できる。また、計測流量値が約１０（ｍｌ／ｈｒ）を超えると、流量を増加させても積分回路からの出力電圧値に殆ど変化が見られなくなり、流量の計測が困難であることが予想される。これに対して、データＬ２では、計測流量値が約２０（ｍｌ／ｈｒ）になっても、流量の変化に応じた出力電圧値の変化を確認することができる。これは、第２の熱伝導体４２でも長さが短い場合には、第２の熱伝導体４２による加熱が十分に行われる前に、第２の熱伝導体４２の取付箇所を被測定流体が通過してしまうのに対し、第２の熱伝導体４２の長さが長い場合には、第２の熱伝導体４２の取付箇所を通過する被測定流体を十分に加熱できるためであると考えられる。

この計測結果から、計測できる流量範囲が、第２の熱伝導体４２の長さによって異なることが確認できる。被測定流体の流量に対して第２の熱伝導体４２の長さが短い場合には、被測定流体を目標温度Ｔ_１まで十分に加熱できずに、誤差が生じ易くなることが予想される。逆に、被測定流体の流量に対して第２の熱伝導体４２の長さが長い場合には、被測定流体を目標温度Ｔ_１まで十分に加熱して精度の高い測定を行うことができるものの、第２の熱伝導体４２の加熱に時間がかかることから、計測を開始できる状態になるまでに時間がかかることが予想される。このため、第２の熱伝導体４２の長さは、目的とする計測流量に合わせる必要があることが確認できる。

また、計測結果から、第２の熱伝導体４２の長さが長い程、被測定流体を加熱するのに多くの熱量が用いられることも確認することができる。これは、第２の熱伝導体４２等から外部に熱が漏れることの計測結果への影響が、第２の熱伝導体４２の長さが長い程大きいためであると考えられる。

また、積分回路からの出力電圧値と被測定流体の流量との関係を表すデータを予め記憶しておき、このデータを参照して流量測定を行う構成によれば、被測定流体以外のものが加熱されることによる計測精度への影響を抑えられると考えられる。このため、上記各実施形態の熱式質量流量センサー１，１ａにおいては、第２の熱伝導体４２として、同じ太さでも長さが長いものを用いる程、被測定流体の流量変化に対する積分回路からの出力電圧値の変動が大きく、計測精度を高めることができ、また、広い範囲の流量を精度良く測定できることが確認できる。また、被測定流体の計測流量を予め予測できるときには、その流量に適した長さの第２の熱伝導体４２を用いる構成とすることによっても、測定精度を高められることが確認できる。

具体的には、動脈路確保に使用するヘパリン添加生理食塩水の輸液のように３（ｍｌ／ｈｒ）以下の流量の計測の場合には熱伝導体４２の長さが（長さ５ｍｍ）と短くすることができ、その時の流量計測の応答速度は約１〜３分程度と速い。このため、動脈路確保に使用するヘパリン添加生理食塩水の輸液の流量測定には、長さ５ｍｍ程度の熱伝導体４２を用いるのが好ましいことが確認できる。また、脳脊髄液の頭蓋腔内からの排液では約２０（ｍｌ／ｈｒ）以下の流量なので熱伝導体４２の長さは２０ｍｍ以上とする必要があり、その時の流量計測の応答速度は約５〜１０分程度と長くなるが、脳脊髄液の頭蓋腔内からの排液の流量測定には、長さ２０ｍｍ程度の熱伝導体４２を用いるのが好ましいことが確認できる。なお、ここで指摘する熱伝導体４２の長さは一般的な外径５ｍｍ,内径３ｍｍの輸液用チューブＴの場合である。

（ａ）は本発明の第１の実施形態の熱式質量流量センサーが備える温度検出部の内部を正面から見た図であり、（ｂ）はＡ−Ａ線での温度検出部の断面を示す図である。 本発明の第１の実施形態の熱式質量流量センサーのハードウエア構成の概略を示すブロック図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態の熱式質量流量センサーが備える温度検出部の内部を正面から見た図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ線での温度検出部の断面を示す図である。 輸液用チューブの配置態様の変形例を示す図である。 輸液用チューブの配置態様と目標温度に対する誤差との関係を示すグラフである。 輸液用チューブを流れる被測定流体の流量と、発熱制御装置が備える積分回路からの出力電圧値との関係を示す第１のグラフである。 輸液用チューブを流れる被測定流体の流量と、発熱制御装置が備える積分回路からの出力電圧値との関係を示す第２のグラフである。

符号の説明

１ 熱式質量流量センサー
２ 温度検出部
３ 箱体
３６ａ，３６ｂ 断熱部材
４１，４２ 熱伝導体
５１，５２ 温度センサ
６ 発熱体
８１ 電子冷却素子
８２ 調整用熱伝導体
８３ 放熱用熱伝導体
８４ 調整用温度センサ

Claims (6)

1. 被測定流体が流れる配管に接触させられる第１の熱伝導体と、この第１の熱伝導体の温度を検知する第１の温度センサと、前記配管における前記第１の熱伝導体の接触箇所よりも被測定流体の流路の下流側に接触させられる第２の熱伝導体と、この第２の熱伝導体の温度を検知する第２の温度センサと、前記第２の熱伝導体を加熱する加熱手段と、前記第２の温度センサによる検知温度が前記第１の温度センサによる検知温度よりも高い所定の温度となるように前記加熱手段による加熱動作を制御する加熱制御手段と、前記加熱手段による加熱に用いられた熱量から前記配管を流れた被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを備え、
   前記配管における前記第２の熱伝導体の接触した管路を、その前後の管路よりも上方に配置したことを特徴とする熱式質量流量センサー。
2. 前記配管における少なくとも前記第１の熱伝導体の接触箇所と前記第２の熱伝導体の接触箇所とを結ぶ管路を、各前記熱伝導体及び各前記温度センサと共に覆って外部と断熱する断熱部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱式質量流量センサー。
3. 前記断熱部材は、前記配管が内部に入る第１の挿通孔と、前記第１の挿通孔から内部に入った前記配管が外部に出る第２の挿通孔とを備え、
   前記第１の挿通孔は、前記第２の挿通孔よりも上方に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱式質量流量センサー。
4. 前記第２の熱伝導体の接触した管路の周囲の温度を調整する温度調整手段と、前記第２の熱伝導体の接触した管路の周囲の温度を検知する調整温度センサと、前記第１の温度センサでの検知温度と前記調整温度センサによる検知温度とが一致するように前記温度調整手段による温度調整動作を制御する調整温度制御手段とを備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の熱式質量流量センサー。
5. 被測定流体が流れる配管に第１の熱伝導体を接触させると共に、前記配管における前記第１の熱伝導体の接触箇所よりも被測定流体の流路の下流側に第２の熱伝導体を接触させて、その接触箇所を前後の管路よりも上方に固定して配置し、
   前記第１の熱伝導体の温度よりも高い所定の温度となるように前記第２の熱伝導体を加熱しながら前記配管に被測定流体を流通させ、
   前記配管における前記第２の熱伝導体の接触箇所の管路を前記被測定流体が流通している間、前記第２の熱伝導体の加熱に用いられた熱量に基づき前記配管を流れた被測定流体の流量を算出することを特徴とする流量測定方法。
6. 前記第２の熱伝導体の接触した管路の周囲の温度が前記第１の熱伝導体の温度と一致するように前記第２の熱伝導体の接触した管路の周囲の温度を調整することを特徴とする請求項５に記載の流量測定方法。

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