JP2009236850A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】流路が直角に曲がる角部分を無くし、角部分により生じる被計測流体の流れの乱れ、せん断層や圧力境界面の発生を低減し、しかも、流路の製造を簡便とするとともに流量計測時に被計測流体が接触する部材数を極力減らした超音波流量計を提供する。
【解決手段】フッ素樹脂からなる単一の管部材Ｐを曲げ加工して、順次、上流直管部１２、第１曲管部１３、中央直管部１４、第２曲管部１５及び下流直管部１６からなる流路部１１を形成するとともに、第１曲管部及び第２曲管部の外周側に中央直管部の管方向に対向するように第１超音波送受信部４１及び第２超音波送受信部４２をそれぞれ配置するとともに、第１超音波送受信部を収容する第１収容部３１及び第２超音波送受信部を収容する第２収容部３２を合成樹脂のインサート成形により流路部に一体に結合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計に関し、特に超音波が被計測流体中を伝播する時間差により流体の流量を計測する超音波流量計に関する。

超音波流量計は流路内に抵抗物を設ける必要がないため、流体を汚染することなく流体流量を計測できる。そこで、超音波流量計は、半導体製造分野におけるシリコンウエハーをはじめとする薬液、超純水等の高い清浄度が要求される各種流体の流量計測等の分野で広く普及している。

超音波流量計を設けた流体流路の管径が３００ｍｍ前後の比較的大径である場合には、超音波送受信部を管路の反対側に対向して配置することも、あるいは管路の同じ側に距離を設けて配置することも可能である。いずれにしても超音波送受信部同士の間隔を長くできるため、正確な流量測定が容易である。しかし、例えば流体流路の管径が４ｍｍ程度の小径からなる少流量用の流体計である場合、前記の管径が大径の場合のような超音波送受信部の配置は困難である。超音波送受信部同士の間隔を長くできないため、超音波の伝播距離を十分に確保できない問題点があった。

この点に対応するため、例えば、図７に示す流路構造を備えた超音波流量計１００が提案されている（例えば、特許文献１等参照。）。特許文献１の超音波流量計１００では、超音波送受信部１０１を収容する収容部１０３、超音波送受信部１０２を収容する収容部１０４が用意され、当該各収容部の内部に流体の入口側１０６と出口側１０７に２本の流路１０８，１０９が形成される。そして、一方の収容部の出口と他方の収容部の入口に中央管路１１１が溶着される。符号１１２は上流管路、１１３は下流管路である。両管路１１２，１１３も収容部１０３，１０４に溶着されて接続される。こうして、上流から下流までの一連の流路が形成される。超音波送受信部同士は中央管路を介して対向する位置に配置され、超音波送受信部同士の間に十分な間隔ができる。この流量計の両収容部並びに各管路は、ともに薬液等の腐食性流体に耐性を有するフッ素樹脂からなる。

図示する超音波流量計の問題点として、収容部内の流路から把握されるように、収容部における流路同士は直角に曲がっている。流路が直角に曲がる部位（直交部位１２０）では、被計測流体の圧力損失が大きくなりやすい。図８から理解されるように、被計測流体の主流Ｆｍは収容部１０３内の流路１０８，１０９の中央を進む。被計測流体は直交部位を通過する際に、流体の主流は狭められながら流通する。収容部１０４においても同様である。このとき、被計測流体の流速は直交部位で急に衰え、主流の層と直交部位付近の層の速度差が大きくなる。すると、被計測流体の主流の一部は主流から剥離して渦Ｆｖを作る。直交部位付近に生じた渦の層はせん断層と称される。せん断層では流体の流れが激しく変動し不安定な状態が形成される。直交部位付近に生じた渦に起因するせん断層は超音波の伝播（伝搬）に影響を与え、伝播時間の正確な測定を妨げる。

また、被計測流体の性質上、直交部位ではいったん流体の流れに乱れが生じ、その後に安定した流れになるものの、途中の直交部位では圧力境界面ＰＩが生じる。圧力境界面に超音波を照射すると反射波が生じる。反射波は、照射した送信波の周波数、振幅、波形を変化させる。従って、超音波の伝播時間差を利用して計測する流量計は反射波により大きな影響を受け、正確な流量測定に支障が生じていた。

このような問題に対して、被計測流体の流路の曲がり角を滑らかにすることも検討されてきた。例えば、図７のフッ素樹脂からなる収容部１０３，１０４の場合、流路１０８，１０９はドリルの切削により形成される。切削加工の場合、図９のとおり、ドリルＤｌの切削により直交部位の外回り部分１２１を滑らかにすることは可能である。しかし、ドリルＤｌの切削では直交部位の内回り部分１２２を滑らかにすることは困難である。特に、流路の管径が細い管路により超音波流量計を組み立てる場合、依然として角部分が存在するため、流体の流れの乱れ、せん断層や圧力境界面の発生を解消するには至らなかった。

加えて、前出の図７のとおり、収容部内の流路１０８，１０９と各管路１１１，１１２，１１３を溶着により接続するため、製造時の手間、コスト増の問題もある。さらに、高清浄度の流体を流通させるに当たり、流体流路において流体が接触する部材数を極力減らすことが望まれる。
特開２０００−１４６６４５号公報

本発明は前記の点に鑑みなされたものであり、被計測流体の流路中から流路が直角に曲がる角部分を無くし、当該角部分により生じる被計測流体の流れの乱れ、せん断層や圧力境界面の発生を低減し、しかも、流路の製造を簡便とするとともに流量計測時に被計測流体が接触する部材数を極力減らした超音波流量計を提供する。

すなわち、請求項１の発明は、単一の管部材を曲げ加工して、順次、上流直管部、第１曲管部、中央直管部、第２曲管部及び下流直管部からなる流路部を形成するとともに、前記第１曲管部及び第２曲管部の外周側に前記中央直管部の管方向に対向するように第１超音波送受信部及び第２超音波送受信部をそれぞれ配置したことを特徴とする超音波流量計に係る。

請求項２の発明は、前記管部材がフッ素樹脂からなる請求項１に記載の超音波流量計に係る。

請求項３の発明は、前記第１超音波送受信部を収容する第１収容部及び前記第２超音波送受信部を収容する第２収容部が合成樹脂のインサート成形により前記流路部に一体に結合されてなる請求項２に記載の超音波流量計に係る。

請求項１の発明に係る超音波流量計によると、単一の管部材を曲げ加工して、順次、上流直管部、第１曲管部、中央直管部、第２曲管部及び下流直管部からなる流路部を形成するとともに、前記第１曲管部及び第２曲管部の外周側に前記中央直管部の管方向に対向するように第１超音波送受信部及び第２超音波送受信部をそれぞれ配置したため、被計測流体の流路中から流路が直角に曲がる角部分を解消することができ、当該角部分により生じる被計測流体の流れの乱れ、せん断層や圧力境界面の発生を低減できる。また、被計測流体の流路の製造を簡便とするとともに流量計測時に被計測流体が接触する部材数を極力減らことも実現できた。

請求項２の発明に係る超音波流量計によると、請求項１の発明において、前記管部材がフッ素樹脂からなるため、流路部を流通する流体が腐食性の薬液である場合においても耐薬品性に優れ、超音波流量計の流路の耐久性を向上させる。

請求項３の発明に係る超音波流量計によると、請求項２の発明において、前記第１超音波送受信部を収容する第１収容部及び前記第２超音波送受信部を収容する第２収容部が合成樹脂のインサート成形により前記流路部に一体に結合されてなるため、収容部の製造を簡素化するとともに流路部（曲管部）との密着性も高めることができる。

以下添付の図面に従ってこの発明を詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例に係る超音波流量計の断面図、図２は流路部の曲げ加工の概略工程図、図３は曲管部の拡大断面図、図４は収容部の形成を示す模式図、図５は第２実施例の超音波流量計の断面図、図６は第３実施例の超音波流量計の概略斜視図である。

本発明の超音波流量計は、例えば、シリコンウエハー等の半導体製造設備における超純水、薬液等の流体の供給経路に接続され、流通する流体流量の計測に用いられる。とりわけ、本発明の超音波流量計は、極めて清浄度が高い流体の流量測定に用いられる。

図１は第１実施例の超音波流量計１０Ａを示す。流量が計測される流体（被計測流体Ｆ）は、単一の管部材Ｐを曲げ加工により屈曲して形成した流路部１１を流通する。図示の超音波流量計１０Ａの流路部１１によると、直線状の管部材Ｐを曲げ加工することにより、順次上流側から下流側にかけて、上流直管部１２、第１曲管部１３、中央直管部１４、第２曲管部１５、及び下流直管部１６が形成される。こうして、単一の管部材Ｐの流路部１１において直線状の中央直管部１４が形成され、超音波の伝播（伝搬）、計測に必要とされる管路長が得られる。上流直管部１２及び下流直管部１６は、図示しない流体供給路に適宜接続される。

この流路部１１の第１曲管部１３の外周側２１に第１超音波送受信部４１、また、第２曲管部１５の外周側２２に第２超音波送受信部４２がそれぞれ配置される。第１超音波送受信部４１及び第２超音波送受信部４２は、超音波を発信する発信部と、一方の超音波送受信部側から発信され流路部１１内を伝播した超音波を受信する受信部とを備えた公知装置である。実施例の超音波送受信部は、発信部（超音波振動子）と受信部を組み合わせた装置である。なお、これに代えて、発信部と受信部を別々に配置した装置とすることもできる。符号４３は超音波送受信部のケーブルである。

図示のとおり、第１超音波送受信部４１及び第２超音波送受信部４２は、流路部１１の中央直管部１４を挟んで双方が互いに対向する位置Ｌｉを成して配置される。第１超音波送受信部４１と第２超音波送受信部４２の対向位置Ｌｉは、直線状の中央直管部１４の管方向Ｌｔとほぼ平行を保つ。このため、第１曲管部１３に設けられた第１超音波送受信部４１、及び第２曲管部１５に設けられた第２超音波送受信部４２は、流路部１１の中央直管部１４を挟んで双方ともほぼ対称な配置となる。従って、超音波送受信部間おける超音波の伝播の偏りが低減される。

流路部１１の元となる管部材Ｐの材質は、曲げ加工、成形の容易さを考慮して各種の樹脂材料から選択される。ただし、流路部を流通する流体の性質上、純水の他に、アルカリ性や酸性の腐食性薬液の使用もある。このため、管部材Ｐの材質には、耐腐食、耐候性にも優れている樹脂が望まれる。

そこで、請求項２の発明に規定するように、管部材Ｐはフッ素樹脂からなる。材料となるフッ素樹脂は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）、ＦＥＰ（パーフルオロエチレンプロペンコポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）等である。これらのフッ素樹脂は、内部を流通する流体の性質、曲げ加工のしやすさを考慮して選択される。図示の第１実施例、並びに後述する第２，第３実施例の超音波流量計に用いられている管部材はＰＦＡ製である。

管部材Ｐから実施例の流路部１１を形成する曲げ加工の工程は、一例として、図２のとおり示すことができる。はじめに、図２（ａ）のように、曲面部を有する公知の曲げ加工治具６０が、管部材Ｐの第１曲管部または第２曲管部を形成する予定位置に挿入される。次に管部材Ｐの曲管部の予定位置付近が適度に加熱され、当該部位の管部材は軟化する。続いて同図（ｂ）のとおり、管部材Ｐが熱で軟化した状態を維持している間に、管部材Ｐは曲げ加工治具６０を用いて徐々に屈曲変形される。その後、同図（ｃ）のように、さらに管部材Ｐの屈曲が進み、所望の曲げ角度まで屈曲変形される。加工に際し、曲げ加工治具６０の他に曲げ加工型６５も用いられる。

図２の各工程から理解されるように、前出の図１に示した第１曲管部１３（第１曲面部１７）または第２曲管部１５（第２曲面部１８）が形成される。図２（ｃ）の左右方向の管路は中央直管路１４であり、上下方向の管路は上流直管部１２または下流直管部１６となる。開示の曲げ加工の曲げ角度は、管部材の長さ方向に対して直角である。むろん、管部材Ｐからの曲げ加工は、図示の例に限らず、適宜の手法を用いることができる。

図３は曲げ加工により形成された管路の拡大断面図である。図１の実施例の第１曲管部、第２曲管部はともに同形状であるため、第１曲管部１３の近傍のみを示し説明する。上流直管部１２の上流より流路部１１に流入してきた被計測流体Ｆは、図示の矢印のとおり、上流直管部１２内を直進する。前述の曲げ加工により、第１曲管部１３の流路内部に第１曲面部１７が形成される。第１曲面部１７は緩やかな円弧状の曲面形状となり、外第１曲面部１７ｏと内第１曲面部１７ｉを有する。

図３の第１曲管部１３の第１曲面部１７において、被計測流体Ｆは、その流れの向きを外第１曲面部１７ｏ、内第１曲面部１７ｉの曲面に沿って徐々に変える。外第１曲面部１７ｏ、内第１曲面部１７ｉ付近では、背景技術にて説明した図７、図８から理解されるように、急な方向変化が緩和される。このため、被計測流体Ｆの流れに発生する乱れは減少する。また、背景技術の同図との対比より、被計測流体Ｆの主流から剥離して生じる渦の発生も抑制され、せん断層の発生も低減される。従って、被計測流体の流れの乱れやせん断層の発生等に起因した超音波の伝播の障害が解消される。そこで、正確な流量測定に大きく貢献することができる。

第１実施例の超音波流量計１０Ａによると、超音波送受信部は直接ではなく収容部を介して流路部１１に配置される。図１に開示するとおり、第１超音波送受信部４１は第１収容部３１の内部に収容され第１曲管部１３の外周側２１に固定され、第２超音波送受信部４２は第２収容部３２の内部に収容され第１曲管部１５の外周側２２に固定される。第１収容部３１と第２収容部３２はともに対称な同形状である。

図１からよくわかるように、第１収容部３１は第１曲管部１３（その外周側２１）を包含し、上流直管部１２の一部と中央直管部１４の一部にも及ぶ。第１収容部３１の第１空間部３３には保持具３６が収容され、第１超音波送受信部４１の収容部内の位置決めに用いられる。同様に、第２収容部３２は第２曲管部１５（その外周側２２）を包含し、中央直管部１４の一部と下流直管部１６の一部にも及ぶ。第２収容部３２の第２空間部３４にも保持具３６が収容され、第２超音波送受信部４２の収容部内の位置決めに用いられる。第１，第２空間部３３，３４は蓋３５により封止される。実施例の超音波送受信部のケーブル４３は蓋３５に設けられた孔から外部に導き出される。

第１収容部３１、第２収容部３２は、複数個の部材の組み合わせにより形成することも可能である。ただし、収容部を形成する部品を個々に製造する煩雑さを考慮して、第１収容部３１及び第２収容部３２は、請求項３の発明に規定するように、合成樹脂のインサート成形により流路部１１に一体に結合されて形成される。特に収容部を合成樹脂のインサート成形とすることにより、流路部（曲管部）との密着性は強固となる。この結果、超音波送受信部の位置ずれは解消され、収容部と管路部にノイズも生じにくくなることが予想される。

実施例の第１曲管部と第２曲管部はともに同形状である。そこで、図４を用い流路部１１における第１収容部３１の形成を例示し説明する。はじめに、第１収容部を成形するための一対の成形型５１，５２が用意される。成形型５１（その内部の型内空間５３）に流路部１１の第１曲管部１３が収容され、同時に上流直管部１２、中央直管部１４も成形型５１の所定位置に固定される。流路部１１が収容された成形型５１に成形型５２が張り合わされる。図４では説明の便宜上、成形型５２を透視して示す。成形型内の凸設部５４は、事後的に第１空間部を形成する。

一対の成形型５１，５２同士が張り合わされた後、樹脂射出機５５より型内空間５３へ合成樹脂Ｒが注入され、型内空間５３は合成樹脂Ｒにより充満される。樹脂の冷却後、成形型５１，５２は分離される。こうして、第１空間部を備えた第１収容部が得られる。むろん、第２空間部を備えた第２収容部の場合であっても同様に成形される。

合成樹脂Ｒは樹脂射出機５５内で加熱されるため、熱可塑性樹脂が用いられる。加えて、既に管部材の曲げ加工により得られた樹脂製の流路部（その曲管部）を熱変形させないため、当該管部材の樹脂よりも融点が低い熱可塑性樹脂から選択される。超音波流量計の使用環境を勘案すると、温度耐性、耐薬品性を備えた樹脂が好ましい。具体的に合成樹脂Ｒは、塩化ビニル樹脂の他に、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等のエンジニアリングプラスチックから選択される。

図５は第２実施例の超音波流量計１０Ｂを示す断面図である。超音波流量計１０Ｂにおいては、第１実施例の超音波流量計１０Ａの上流直管部１２、下流直管部１６の向きと異なり、上流直管部１２及び下流直管部１６はともに同じ側を向けて曲げ加工された流路部１１を備える。図中、図１と共通する箇所は同一符号とした。当該超音波流量計１０Ｂにおいても、第１超音波送受信部４１は流路部１１を挟んで第１曲管部１３の外周側２１に、第２超音波送受信部４２は流路部１１を挟んで第２曲管部１５の外周側２２に対向して配置される（図示の対向位置Ｌｉ参照）。また、第１超音波送受信部４１は第１収容部３１に、第２超音波送受信部４２は第２収容部３２にそれぞれ収容される。

流体の供給経路に超音波流量計を接続して被計測流体Ｆの流量を測定する場合、配管の施工上、第１実施例の超音波流量計１０Ａあるいは第２実施例の超音波流量計１０Ｂが適切に選択される。図５から把握可能であるように、超音波流量計１０Ｂも流体の管路に緩やかな円弧状の曲面が形成されていることには変わりないため、第１実施例の超音波流量計１０Ａと同一作用を発揮する。

開示の第１，第２実施例の超音波流量計においては、管部材を平面方向に曲げ加工して中央直管部、上流直管部及び下流直管部を形成する。加えて、図６の第３実施例の超音波流量計１０Ｃとして開示するとおり、流路部１１を構成する中央直管部１４に対する上流直管部１２ｐ、下流直管部１６ｑの曲げ方向（図中の矢印線参照）を立体的とすることも可能である。図示では曲げ加工により得た流路部を強調するため、第１収容部３１，第２収容部３２を破線とした。むろん、両収容部に音波送受信部が収容されている。図中、図１，図５と共通する箇所は同一符号とした。

これまでに図示し、詳述のとおり、本発明の超音波流量計から被計測流体の流路が直角に曲がる角部分を無くすことができた。そこで、当該角部分により生じる被計測流体の流れの乱れ、せん断層や圧力境界面の発生は低減される。この結果、測定精度の向上を実現することができる。また、流路の製造も簡便となり、流量計測時に被計測流体が接触する部材数も減少できる。よって、シリコンウエハー等の半導体製造設備における超純水、薬液等の極めて清浄度が高い流体の流体流量の計測に好適である。さらには、医薬品分野、生化学分野等における分析機器、製造機器等への適用も可能となる。

本発明の第１実施例に係る超音波流量計の断面図である。 流路部の曲げ加工の概略工程図である。 曲管部の拡大断面図である。 収容部の形成を示す模式図である。 第２実施例の超音波流量計の断面図である。 第３実施例の超音波流量計の概略斜視図である。 従来の超音波流量計の構造断面図である。 図７の直交部位の拡大断面図である。 収容部のドリル加工時を示す概念図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 超音波流量計
１１ 流路部
１２ 上流直管部
１３ 第１曲管部
１４ 中央直管部
１５ 第２曲管部
１６ 下流直管部
１７ 第１曲面部
１８ 第２曲面部
２１ 第１曲管部の外周側
２２ 第２曲管部の外周側
３１ 第１収容部
３２ 第２収容部
３３ 第１空間部
３４ 第２空間部
３５ 蓋
３６ 保持具
４１ 第１超音波送受信部
４２ 第２超音波送受信部
Ｐ 管部材

Claims (3)

1. 単一の管部材（Ｐ）を曲げ加工して、順次、上流直管部（１２）、第１曲管部（１３）、中央直管部（１４）、第２曲管部（１５）及び下流直管部（１６）からなる流路部（１１）を形成するとともに、前記第１曲管部及び第２曲管部の外周側に前記中央直管部の管方向に対向するように第１超音波送受信部（４１）及び第２超音波送受信部（４２）をそれぞれ配置したことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記管部材がフッ素樹脂からなる請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記第１超音波送受信部を収容する第１収容部（３１）及び前記第２超音波送受信部を収容する第２収容部（３２）が合成樹脂のインサート成形により前記流路部に一体に結合されてなる請求項２に記載の超音波流量計。

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