JP2010066184A - 質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】管内を流れる各種の流体の流量を、管に外部から力がかかっても、正確に質量流量を測定することができる、小型軽量な質量流量計とする。
【解決手段】内部に流体が流通する硬質性曲がり管と、硬質性曲がり管を収納し且つ硬質性曲がり管の収納状態で、外部から力がかかっても硬質性曲がり管の変形を阻止する剛性外骨格と、剛性外骨格の曲がり部外周部分に形成した貫通穴によって形成される硬質性曲がり管の開放面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、剛性外骨格の直管部分に形成した貫通穴によって形成される弾性管の開放面に貼付した直管ストレインゲージとを備え、これらのストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測する。
【選択図】図１

Description

この発明は例えば心肺補助循環路において血液流量を測定する場合等において、簡易に質量流量を測定することができる質量流量計に関する。

従来より各種流体の流量を測定するため、種々の技術が開発され、また提案されている。この種の技術において、比較的簡単な装置で流量を計測する手法として、曲がり管を流れる流体の各種作用を測定することにより流量を測定する手法が提案されている。例えば特開平９−７９８８１号公報には、曲がり管の内側と外側にそれぞれ濃度測定部を設け、両濃度測定部で測定した濃度により曲がりパイプの内側及び外側における流体の濃度差を測定し、体積流量を測定する手法が提案されている。

また、特開平４−２７６５１９号公報には、管路において水平面内にＵ字管を接続し、Ｕ字管と管路との接続部に曲げモーメント測定用歪ゲージと、軸力測定用歪ゲージとを設け、Ｕ字管に作用する鉛直下向きの流体重量を継ぎ手に作用する曲げ歪として、また水平面内に作用する流体の慣性力を軸歪として測定することによって、流体の質量流量を測定する手法が提案されている。なお、曲管で連結した平行な管路に作用するコリオリ力を検出することによって質量流量を計測する技術はコリオリ力流量計として広く用いられている。
特開平９−７９８８１号公報 特開平４−２７６５１９号公報 特開２００７−２１８７７５号公報

流体の流量を測定する前記従来の技術において、特開平９−７９８８１号公報に開示されている技術においては、濃度変化が生じにくい流体では計測が困難であり、例えば血液流の流量測定には不向きである。また、特開平４−２７６５１９号公報に開示されている技術においては、静圧補償手段がないため、流路抵抗が変化した場合の流量を計測することが困難である、という欠点がある。またコリオリ流量計はＵ字管を振動させる装置が必要となり、大型の装置となる問題がある。

それに対して本願発明者等により、前記特許文献３として示すような特開２００７−２１８７７５号公報に開示している質量流量計を提案している。この技術においては、曲がり管における管路内の流体の遠心力ないし向心力が作用する部分にストレインゲージを貼付し、その信号をブリッジ回路に導いて質量流量を計測するものであり、更に静圧及び温度補償用のストレインゲージを用い、その信号もブリッジ回路に導いて容易に静圧補償及び温度補償を行い、正確な流量の測定を可能としている。

先に本発明者等が提案した前記のような質量流量計においては、上記のような構成を採用することにより、グラムオーダーで計量できる超軽量な質量流量計とすることができるものであるが、先に提案した曲がり管を用いた質量流量計では、曲がり管が弾性を有する場合にはその管に貼付するストレインゲージからは、曲がり管に作用する流体流量に基づく力を正確に測定することができないので、この部分の管を硬質の管とし、且つこの硬質の管を用いて管に作用する流体の遠心力による力を正確に検出するために、薄肉部を形成してストレインゲージを貼付している。

しかしながら、単なる硬質管にストレインゲージを貼付しただけでは、この質量流量計を人工心臓ポンプに装着したときに外部から各種の力がこの硬質管に作用して変形し、所定の曲がり形状に基づく計測値とは異なった状態の計測値となり、正確な質量流量を測定することができない。特にストレインゲージを貼付するため硬質管に薄肉部を形成すると更に曲がり管の曲がり形状が変形しやすくなる問題もある。このことはこの質量流量計を人工心臓ポンプに取り付けるとき以外にも、種々の用途で同様の問題が生じることは明らかである。

したがって本発明は、グラムオーダーで計量できる超軽量であり、流体流動面が円滑で構造の簡単な流量計を得ることを主たる目的とし、特に外部から大きな力が作用してもその力に影響されず、正確な質量流量を測定することができ、特に人工心臓ポンプの質量流量を計測するのに最適な質量流量計を提供することを主たる目的とする。

本発明に係る質量流量計は上記課題を解決するため、内部に流体が流通する曲がった管路を形成した硬質性曲がり管と、前記硬質性曲がり管の変形を阻止する剛性外骨格と、前記硬質性曲がり管外周面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、前記硬質性曲がり管の曲がり部以外の直管部外周面、または前記硬質性曲がり管に接続した直管の外周面に貼付した直管ストレインゲージとを備え、前記曲管外側ストレインゲージの信号と、前記直管ストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測することを特徴とする。

また、本発明に係る他の質量流量計は、内部に流体が流通する曲がった管路部分とそれに続く直管部分を形成した硬質性曲がり管と、前記硬質性曲がり管を収納し、且つ硬質性曲がり管の収納状態で該硬質性曲がり管の変形を阻止する剛性外骨格と、前記剛性外骨格の曲がり部外周部分に形成した貫通穴が開口する部分の硬質性曲がり管外周面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、前記剛性外骨格の直管部分に形成した貫通穴が開口する部分の硬質性曲がり管外周面に貼付した直管ストレインゲージとを備え、前記曲管外側ストレインゲージの信号と、前記直管ストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測することを特徴とする。

また、本発明に係る他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記剛性外骨格は２分割可能とし、前記硬質性曲がり管の外側から被せることにより一体化して硬質性曲がり管に装着可能としたことを特徴とする。

また、本発明に係る他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記硬質性曲がり管及び剛性外骨格を透明材料により形成したことを特徴とする。

また、本発明に係る他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記剛性外骨格の両端により前記硬質性曲がり管を拘束して硬質性曲がり管の所定の曲がり形状を維持して変形を阻止し、前記両端以外の部分には硬質性曲がり管外周面と剛性曲がり管内周面との間に隙間を形成したことを特徴とする。

また、本発明に係る他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記剛性外骨格は、前記硬質性曲がり管の曲がり部分の内側に、該硬質性曲がり管の変形を阻止する突っ張り形状部を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記突っ張り形状部を備えた剛性外骨格は、前記硬質性曲がり管と一体成形したことを特徴とする。

したがって本発明の質量流量計においては、ストレンゲージとプリアンプと、既存のポンプ本体の制御電源を利用する以外のものは不要であり、しかも質量流量を直接計測するので、温度補正以外の流体補正が一切不要で、軽量な質量流量計を構成できる。また、被測定流体の流路中に障害物がないので、人工心臓ポンプとして使用する際に血栓の発生を生じる恐れが無く、また小型に形成することができるので、体内埋め込み型人工心臓用ポンプにも有効に利用することができる。特に硬質曲がり管と更にその硬質曲がり管の変形を阻止する剛性外骨格を備えているので、例えば体内埋め込み型人工心臓ポンプのように、質量流量計測中に外部から大きな力が作用する場合が生じても、その力に影響されず、正確な質量流量を測定することができる。

本発明にかかる質量流量計は、弾性管の中を流れる各種の流体の流量を、簡単な手法により、小型で軽量、且つ安価な装置によって確実に質量流量を測定することができるようにするという課題を、内部に流体が流通する曲がった管路を形成した硬質性曲がり管と、前記硬質性曲がり管の変形を阻止する剛性外骨格と、前記硬質性曲がり管外周面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、前記硬質性曲がり管の曲がり部以外の直管部外周面、または前記硬質性曲がり管に接続した直管の外周面に貼付した直管ストレインゲージとを備え、前記曲管外側ストレインゲージの信号と、前記直管ストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測することにより実現した。

本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１及び図２には本発明の第１実施例を示し、内部に例えば流入口１から流出口２に向けて流体が流通する硬質性曲がり管３を、屈曲部４で屈曲させた例を示している。なお、硬質性曲がり管３としては、この質量流量計を血液の循環量を検出するために用いる際には、血液の凝固性がないことが保証されている内壁面を形成している金属管や、硬質性高分子材料製管が用いられるが、そのほか各種用途に応じて耐薬性等の任意の硬質性材料からなる曲がり管を用いることができる。

図示実施例においては、屈曲部４において硬質性曲がり管３に所定の剛性を維持させるため、図示するような剛性外骨格５を用い、硬質性曲がり管３の外側を覆っている。この剛性外骨格５は硬質性曲がり管３に外部から力が作用したときに変形を確実に防止することができる程度の剛性を有するものであり、使用する環境によって異なるが、金属あるいは硬質樹脂等により任意の厚さ、外周形状に製作することができる。その際には、硬質性曲がり管の屈曲形状を所定の形状に確実に維持することができるならば、硬質性曲がり管に対する支持構造も任意に設計することができる。

剛性外骨格５は図２に示す例においては上下に半割とし、その接合部６において両者は密着できるようにする。それにより、例えば血液を流している硬質性曲がり管３の予め設定した所定の曲がり形状と、下側外骨格７の上側に開口している半円形の溝、及び上側外骨格５の下側に開口している半円形の溝の形状を、前記硬質性曲がり管３の外形及び所定の曲がり形状と一致させるように形成しておく。それにより、下側外骨格７の上向きに開口している半円形の溝内に硬質性曲がり管３を嵌合させた状態で、上側外骨格８の下側に開口している半円形の溝を硬質性曲がり管３の上側に被せて、接着等の各種手段で固定することにより、容易に剛性外骨格５を取り付けることができる。

前記のような剛性外骨格を硬質性曲がり管に固定する際には、硬質性曲がり管に後述するようなストレインゲージを貼付するため、予め硬質性曲がり管にストレインゲージを貼付することが好ましく、そのためには前記のように剛性外骨格５を半割とすることが好ましい。また、この剛性外骨格５を透明材料で形成し、更に硬質性曲がり管３も透明材料とすることにより、質量流量計部分を流れる血液等の流体の流動状態を観察できるようにしても良い。

剛性外骨格５の略屈曲中心部には、屈曲部４の外側に円形の貫通穴９を設け、それにより貫通穴９の内部において、硬質性曲がり管３は円形の開放面１０が形成される。また、直管部分１２の外側に、前記貫通穴９と同様の貫通穴１３を設け、それによりこの貫通穴１３の内部において硬質性曲がり管３には円形の開放面１４が形成される。なお、図示の例では硬質性曲がり管３の直管部分１２を屈曲部４と一体的に形成した例を示したが、この質量流量計の各種用途に応じて、直管部分１２は屈曲部４を形成する硬質性曲がり管と別体で形成し、硬質性曲がり管に接続するようにしても良い。

硬質性曲がり管３における貫通穴９による開放面１０には曲管外側ストレインゲージ１５を接着剤等により貼付し、同様に貫通穴１３による開放面１４には直管ストレインゲージ１６を貼付する。各ストレインゲージの信号はブリッジ回路１７に導き、その出力をアンプ回路１８で増幅し、流量出力装置１９から外部に質量流量として出力する。

これらのストレインゲージのうち曲管外側ストレインゲージ１５は、曲がり管部分１１の外側に貼付しているので、硬質性曲がり管３内を流れる流体の流量に応じた遠心力がこの部分に作用して硬質性曲がり管がわずかにひずみ、そのひずみを検出することにより遠心力を検出して質量流量を測定する。なお、上記のような遠心力が生じると同時に向心力が生じるものであるが、ここでは遠心力の作用のみについて述べる。なお、近年のひずみ検出技術の進歩により、このようなわずかなひずみも正確に測定できるようになっている。

一方、直管ストレインゲージ１６は硬質性曲がり管の直管部分に設けているので、流体の遠心力が作用しない、流体の静圧を測定することによる静圧補償、及び温度補償を行う。各ストレインゲージ１５、１６が貼付される硬質性曲がり管３の開放面１０、１４の大きさは、ストレインゲージが貼付できる大きさで、且つ開放面部分において内部の流体の圧力により硬質性曲がり管３が部分的にひずむとき、そのひずみを検出できる程度に設定する。

各ストレインゲージの信号を処理する回路構成は、先に本件発明者等が提案している前記特許文献３に詳細に記載しているところであるが、本発明においては例えば図３に示すような回路構成により実施することができる。即ち図３に示す例においては、曲管外側ストレインゲージ１５の検出信号としての抵抗値をブリッジ回路１７のＡ部分に入力し、また直管ストレインゲージ１６の検出信号としての抵抗値をブリッジ回路１７の前記Ａ部分に隣接するＣ部分に入力し、他は固定抵抗とする。

それにより、曲がり管部分における曲管外側ストレインゲージ１５による、流体の流量に応じた遠心力の信号をブリッジ回路１７のＡ部分に入力し、遠心力が作用しない直管部分における直管ストレインゲージ１６の信号をＢ部分に入力して、前記曲管外側ストレインゲージ１５で検出している静圧及び温度の値を補償できるようにしている。なお、このブリッジ回路においても、先に提案している前記特許文献３に記載したような合計４個のストレインゲージを用い、その信号をブリッジ回路に入力する手法を採用することもできる。

このブリッジ回路１７の信号は従来のブリッジ回路と同様にプリアンプ１８で信号増幅し、流量出力装置１９においてブリッジ回路の電圧バランス信号を処理して流量の演算を行う。これらの処理により、流体の遠心力と静圧の合計圧力を検出しているストレインゲージＡの信号に対して、流体の静圧と温度に関連した圧力を検出しているストレインゲージＣの信号により、ストレインゲージＡの検出値の補償を行う処理を行うことができる。この測定装置においては、特にブリッジ回路に対する電源２０により流量信号を得ることができ、僅かの電流により正確な測定を行うことができる。

以上は１個のブリッジ回路を用いて質量流量計を構成するものであるが、軽量であれば遠心力検出用ストレインゲージと補償用ストレインゲージの検出信号を別個のブリッジ回路に導き、遠心力検出用ストレインゲージの出力と補償用ストレインゲージの出力を比較演算する比較演算回路を付加して構成することも可能である。

前記実施例においては、硬質性曲がり管に力がかかっても変形しないようにする剛性外骨格を、硬質性曲がり管の曲がり部分及びその近傍の直管部分を含めてその外周面と硬質曲がり管内周面と密着させ、ストレインゲージを貼付する硬質性曲がり管外周の開放面は、剛性外骨格の前記貫通穴によって形成した例を示したが、そのほか、例えば図５に示すような硬質曲がり管５を用いても本発明を実施することができる。なお、同図において前記実施例と同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。

図４に示す剛性外骨格５においては、第１の端部２５において硬質性曲がり管３を強固に拘束し、同様に他の端部である第２の端部２６においても硬質性曲がり管３を強固に拘束することにより、前記実施例と同様に硬質性曲がり管３に外部から大きな力がかかっても硬質性曲がり管の変形を阻止できるようにし、硬質曲がり管の前記両端部以外の部分には硬質性曲がり管３の外周面と硬質曲がり管５の内周面との間に隙間２７を形成している。この硬質曲がり管５においても前記実施例と同様に、曲がり管部分１１に貫通穴を設け、この部分から弾性管外周面にストレインゲージ９を貼付し、直管部分１２にも貫通穴を設けて、この部分から弾性管外周面にストレインゲージ１６を貼付する。なお、予め硬質性曲がり管にストレインゲージを貼り付けておくときには、信号線を取り出す穴以外は必ずしも大きな貫通穴は必要はなく、また剛性外骨格を前記実施例のように半割にしても良い。

本発明は更に例えば図５に示すような構成によって実施することもできる。即ち図５に示す例における剛性外骨格５は、硬質性曲がり管３の曲がり部分の内側に、硬質性曲がり管の変形を阻止する突っ張り作用を行う半月状とした例を示している。この半月状の剛性外骨格５は、図５（ｂ）に示すように硬質性曲がり管３とは別部材で形成して硬質性曲がり管３の曲がり部分の内側に接着剤等で固定しても良く、また同図（ｃ）に示すように、硬質性曲がり管３と一体的に形成しても良い。

本発明の第１実施例の断面図、及び信号処理機能ブロックを示す図である。 同実施例の斜視図、及び信号処理機能ブロックを示す図である。 同実施例の信号処理部の説明図である。 本発明の第２実施例の断面図、及び信号処理機能ブロックを示す図である。 本発明の第３実施例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は同実施例における第１実施態様の断面図、（ｃ）は同実施例における第２実施態様の断面図である。

符号の説明

１ 流入口
２ 流出口
３ 硬質性曲がり管
４ 屈曲部
５ 剛性外骨格
６ 接合部
７ 下側外骨格
８ 上側外骨格
９ 貫通穴
１０ 開放面
１１ 曲がり管部分
１２ 直管部分
１３ 貫通穴
１４ 開放面
１５ 曲管外側ストレインゲージ
１６ 直管ストレインゲージ
１７ ブリッジ回路
１８ アンプ回路
１９ 流量出力装置
２０ 電源
２１ 貫通穴
２２ 開放面
２３ 曲管内側ストレインゲージ

Claims (7)

1. 内部に流体が流通する曲がった管路を形成した硬質性曲がり管と、
   前記硬質性曲がり管の変形を阻止する剛性外骨格と、
   前記硬質性曲がり管外周面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、
   前記硬質性曲がり管の曲がり部以外の直管部外周面、または前記硬質性曲がり管に接続した直管の外周面に貼付した直管ストレインゲージとを備え、
   前記曲管外側ストレインゲージの信号と、前記直管ストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測することを特徴とする質量流量計。
2. 内部に流体が流通する曲がった管路部分とそれに続く直管部分を形成した硬質性曲がり管と、
   前記硬質性曲がり管を収納し、且つ硬質性曲がり管の収納状態で該硬質性曲がり管の変形を阻止する剛性外骨格と、
   前記剛性外骨格の曲がり部外周部分に形成した貫通穴が開口する部分の硬質性曲がり管外周面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、
   前記剛性外骨格の直管部分に形成した貫通穴が開口する部分の硬質性曲がり管外周面に貼付した直管ストレインゲージとを備え、
   前記曲管外側ストレインゲージの信号と、前記直管ストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測することを特徴とする質量流量計。
3. 前記剛性外骨格は２分割可能とし、前記硬質性曲がり管の外側から被せることにより一体化して硬質性曲がり管に装着可能としたことを特徴とする請求項１または２に記載の質量流量計。
4. 前記硬質性曲がり管及び剛性外骨格を透明材料により形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の質量流量計。
5. 前記剛性外骨格の両端により前記硬質性曲がり管を拘束して硬質性曲がり管の所定の曲がり形状を維持して変形を阻止し、前記両端以外の部分には硬質性曲がり管外周面と剛性曲がり管内周面との間に隙間を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の質量流量計。
6. 前記剛性外骨格は、前記硬質性曲がり管の曲がり部分の内側に、該硬質性曲がり管の変形を阻止する突っ張り形状部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の質量流量計。
7. 前記突っ張り形状部を備えた剛性外骨格は、前記硬質性曲がり管と一体成形したことを特徴とする請求項６に記載の質量流量計。

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