JP2010223858A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体であるガスの流量計測精度を向上させる。
【解決手段】ガスの流路を形成する流路部２１と、流路を複数の分割流路に分割する格子状の流路分割部材２２と、いずれかの分割流路のガスの流量を検出する流れセンサ３１と、流れセンサ３１を保持する保持部３２と流量計測装置１であって、保持部３２は、当該保持部３２が配置されている分割流路とは異なる分割流路Ｆに流れセンサ３１の検出面が露出するように、流れセンサ３１を保持するとともに、分割流路Ｆの内壁を形成する面と流れセンサ３１の検出面とが、略同一平面上に位置するように流れセンサ３１を保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流量を計測する流量計測装置に関する。

従来、ガス等の流体の流量を計測する流量計測装置として、流体の流れを整える整流部を流路に設け、この整流部を流れる流体の流量を流れセンサで計測するものがある（例えば、下記特許文献１の図３、および特許文献２の図１１、図１２参照）。これらの整流部は、流路を格子状に分割する分割部材によって構成されており、この分割部材によって流路が複数の分割流路に分割されている。流量計測装置の流れセンサは、整流部の外郭から分割流路内に突出して取り付けられている。

特開平１１−１８３２１２号公報 特開２０００−３５３４９号公報

上述した従来技術では、分割流路内に流れセンサが突出しているため、分割流路を流れる流体の一部が流れセンサに衝突してしまい、流体の流速が速くなった場合には流体の流れの乱れが大きくなることが考えられる。通常の測定範囲での流速では問題とならないが、流速が速くなって流体の流れが乱れると流量の計測値に誤差が生ずるおそれがあるため、測定可能な流速の上限が制限されている。

本発明は、流体の流速が速いときの流量計測精度を向上させることを目的の一つとする。

本発明に係る流量計測装置の一態様は、流体の流路を形成する流路部と、流路を複数の分割流路に分割する流路分割部材と、いずれかの分割流路の流体の流量を検出する流量検出部と、流量検出部を保持する保持部と、を備え、上記保持部は、当該保持部が配置されている分割流路とは異なる分割流路に流量検出部の検出面が露出するように、流量検出部を保持する。

かかる構成を採用することで、流量検出部の検出面を、保持部が配置されている分割流路とは異なる分割流路に露出させることができるため、上記検出面を露出させた分割流路を流れる流体が、流量検出部に衝突することなく流れるように流量検出部の位置を調節したうえで保持させることが可能となる。これにより、流量検出部は、安定して流れている流体の流量を検出することが可能となる。

本発明によれば、流体の流速が速いときの流量計測精度を向上させることができる。

実施形態における流量計測装置を流れ方向の上流側から見たときの断面図である。 図１のII-II矢視断面図である。 図２の計測ユニット付近を拡大した図である。 図１の流量センサを例示する斜視図である。 図４のV-V矢視断面図である。 第１変形例における計測ユニットを流れセンサ取り付け面の上方から見たときの平面図である。 第１変形例における流量計測装置の計測ユニット付近を示す図であり、図６のVII-VII矢視断面図で示す計測ユニットとその周辺を含めた断面図である。 第２変形例における流量計測装置の計測ユニット付近を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであるため、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることもある。

図１〜図３に、本実施形態における流量計測装置の構成例を示す。図１は、流量計測装置を流れ方向の上流側から見たときの断面図であり、図２は、図１のII-II矢視断面図であり、図３は、図２の計測ユニット付近を拡大した図である。ここで、流量計測装置の計測対象となる流体としては、例えばガス等の気体や液体が挙げられるが、本実施形態では、計測対象となる流体としてガスを用いた場合について例示的に説明する。

本実施形態の流量計測装置１は、ガスが流通する配管の一部に取り付けられ、ガスの瞬時流量を検出する。また、流量計測装置１は、検出した瞬時流量を積算してガスの使用量（積算流量）を算出する。

流量計測装置１は、ガスが流通する配管と接続される流路ユニット２と、流路ユニット２内を流通するガスの流量を計測する計測ユニット３と、を有する。

流路ユニット２は、ガスが流通する流路の内壁を形成する流路部２１と、流路部２１の流路を格子状に分割する流路分割部材２２と、を有する。流路分割部材２２は、流路を縦方向（図１に示す紙面の上下方向）に分割する部材と、流路を横方向（図１に示す紙面の左右方向）に分割する部材とを組み合わせた格子形状の部材により構成される。このような流路分割部材２２を設けることで流路部２１内の流路を複数の分割流路に分割することができる。流路部２１内の流路を複数の分割流路に分割することで、流路部２１のガスの流れを整えることができる。

なお、流路分割部材２２を構成する部材は、格子形状には限定されない。流路部２１内の流路を、より小さな断面積を有する複数の分割流路に分割することができる部材であれば、他の形状の部材であってもよい。

計測ユニット３は、流路部２１内を流通するガスの瞬時流量を検出する流れセンサ３１（流量検出部）と、流れセンサ３１をガスと接触可能な位置に保持する保持部３２と、を有する。

計測ユニット３は、流路ユニット２の流路部２１を貫通し、一段目の流路分割部材２２Ａに接触した状態で流路ユニット２に取り付けられている。計測ユニット３が接触する流路分割部材２２Ａには、計測ユニット３の流れセンサ３１が貫通可能なセンサ用穴部が設けられており、計測ユニット３は、センサ用穴部に流れセンサ３１を挿入した状態で流路ユニット２に固定されている。

流れセンサ３１は、保持部３２が配置されている分割流路とは異なる分割流路Ｆ（図１、図２参照）のガスの流量を検出する。流路全体の流量は分割流路Ｆの流量の関数（例えば一次関数）とみなせるため、その関数を試行により予め定めておくことで、分割流路Ｆの流量から流路全体の流量を算出することが可能となる。保持部３２は、流れセンサ３１の検出面が分割流路Ｆに露出するように、流れセンサ３１を保持する。図３に示すように、保持部３２は、流れセンサ３１の検出面３１ｐと、分割流路Ｆの内壁を形成する流路分割部材２２Ａの下面２２Ａｐとが、同一平面上に位置するように流れセンサ３１を保持する。

なお、流れセンサ３１の検出面３１ｐと流路分割部材２２Ａの下面２２Ａｐとは必ずしも同一平面上に位置する必要はなく、略同一平面上に位置していればよい。

このように、本発明は、流れセンサ３１が分割流路Ｆ内に突出してガスの流れを乱すことがないように、保持部３２を、敢えて分割流路Ｆとは異なる分割流路内に配置している。これにより、流れセンサ３１を分割流路Ｆ内に突出させることなく、流れセンサ３１の検出面３１ｐを分割流路Ｆに露出させることを可能とした。これは、保持部３２を分割流路内に配置することによりガスの流れが妨げられるという不利益よりも、流れセンサ３１の検出面３１ｐを、流路分割部材２２Ａの下面２２Ａｐと同一平面上に位置することによって得られる検出精度の向上効果の方が大きいことに着眼したものである。

流れセンサ３１の検出面３１ｐには複数の電極が設けられている。これらの電極と、保持部３２の内部に設けられたリード電極３４（非絶縁部）とは、例えばボンディングワイヤ３３によって電気的に接続される。流れセンサ３１と流路分割部材２２Ａとの間には、ボンディングワイヤ３３をリード電極３４と接続させるための隙間部が設けられている。この隙間部は、流路分割部材２２Ａに設けるセンサ用穴部の径を、流れセンサ３１の径よりも大きくすることで設けることができる。

流れセンサ３１としては、種々の構成を採用することができる。本実施形態においては、例示的に、ダイヤフラムを有する熱式流量センサを採用する。なお、かかる熱式流量センサに代えて、超音波式等の流量センサを採用することもできる。

流れセンサ３１は、例えば図４および図５に示すように、キャビティ３１６（図５参照）が設けられた基板３１０と、基板３１０上にキャビティ３１６を覆うように配置された絶縁膜３１５と、絶縁膜３１５に設けられたヒータ３１１と、ヒータ３１１よりも上流側に設けられた上流側測温抵抗素子３１２と、ヒータ３１１よりも下流側に設けられた下流側測温抵抗素子３１３と、上流側測温抵抗素子３１２よりも上流側に設けられた周囲温度センサ３１４とを有している。なお、絶縁膜３１５の表面（基板３１０と接触していない方の面）側が、流れセンサ３１の検出面となる。また、上流側測温抵抗素子３１２、下流側測温抵抗素子３１３および周囲温度センサ３１４が、流れセンサ３１の検出素子を構成する。

図５に示すように、絶縁膜３１５のキャビティ３１６を覆う部分は、熱容量が小さく、基板３１０に対して断熱性を有するダイヤフラムを構成している。周囲温度センサ３１４は、分割流路Ｆに流入してきた流体の温度を測定する。ヒータ３１１は、キャビティ３１６を覆う絶縁膜３１５の中心に配置されており、周囲温度センサ３１４が計測した流体の温度よりも一定温度（例えば１０℃）高くなるように、加熱される。上流側測温抵抗素子３１２はヒータ３１１より上流側の温度を検出するために用いられ、下流側測温抵抗素子３１３はヒータ３１１より下流側の温度を検出するために用いられる。

ここで、分割流路Ｆ中の流体が静止している場合、ヒータ３１１で加えられた熱は、上流方向および下流方向へ対称的に拡散する。従って、上流側測温抵抗素子３１２および下流側測温抵抗素子３１３の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子３１２および下流側測温抵抗素子３１３の電気抵抗は等しくなる。これに対し、分割流路Ｆ中の流体が上流から下流に流れている場合、ヒータ３１１で加えられた熱は、下流方向に運ばれる。したがって、上流側測温抵抗素子３１２の温度よりも、下流側測温抵抗素子３１３の温度が高くなる。

そのため、上流側測温抵抗素子３１２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子３１３の電気抵抗との間に差が生じる。下流側測温抵抗素子３１３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３１２の電気抵抗との差は、分割流路Ｆ中の流体の速度や流量と相関関係がある。そのため、下流側測温抵抗素子３１３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３１２の電気抵抗との差を基に、分割流路Ｆを流れる流体の速度や流量を算出することができる。

図４および図５に示す基板３１０の材料としては、シリコン(Ｓｉ)等が使用可能である。絶縁膜３１５の材料としては、酸化ケイ素(ＳｉＯ₂)等が使用可能である。キャビティ３１６は、異方性エッチング等により形成することができる。また、ヒータ３１１、上流側測温抵抗素子３１２、下流側測温抵抗素子３１３および周囲温度センサ３１４の各材料には白金（Ｐｔ）等が使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能である。

上述したように、本実施形態における流量計測装置１によれば、流れセンサ３１の検出面３１ｐを、保持部３２が配置されている分割流路とは異なる分割流路Ｆに露出させることができる。そのため、分割流路Ｆを流れるガスが流れセンサ３１に衝突することなく流れるように、流れセンサ３１の位置を調節したうえで保持させることが可能となる。具体的には、例えば、分割流路Ｆの内壁を形成する流路分割部材２２Ａの下面２２Ａｐと、流れセンサ３１の検出面３１ｐとが、同一平面上に位置するように流れセンサ３１を保持させることができる。これにより、流れセンサ３１は、安定して流れているガスの流量を検出することができるため、ガスの流量計測精度を向上させることが可能となる。

[第１変形例]
なお、上述した実施形態では、流れセンサ３１と流路分割部材２２Ａとの間に、ボンディングワイヤ３３をリード電極３４と接続させるための隙間部を設けているが、隙間部を設ける手法は、実施形態で説明した手法には限定されない。具体的に、図６および図７を参照して説明する。図６は、第１変形例における計測ユニットを流れセンサ取り付け面の上方から見たときの平面図である。図７は、第１変形例における流量計測装置の計測ユニット付近を示す図であり、図６のVII-VII矢視断面図で示す計測ユニットとその周辺を含めた断面図である。

例えば、図６および図７に示すように、保持部３２の流れセンサ３１取り付け面のうち、流れセンサ３１の周縁よりも外側に位置する面を、流れセンサ３１の検出面３１ｐと同一平面上に位置するように突出させ、この突出させた部分と流れセンサ３１との間に溝部を形成させることで、上記隙間部を設けることとしてもよい。言い換えると、保持部３２の流れセンサ３１取り付け面に、流れセンサ３１の平面サイズよりも大きな平面サイズを有する窪み部を設け、その窪み部に流れセンサ３１を嵌め込み、流れセンサ３１の周縁に溝部を形成させることで、上記隙間部を設けることとしてもよい。

[第２変形例]
また、上述した実施形態では、本発明をボンディングワイヤ式の流れセンサに適用した場合について説明しているが、これに限定されない。例えば、図８に示す裏面電極式の流れセンサにも、本発明を適用することができる。図８は、第２変形例における流量計測装置の計測ユニット付近を示す断面図である。図８に示すように、流れセンサ３１の内部には、貫通電極３５が設けられており、この貫通電極３５が、流れセンサ３１の検出面３１ｐに設けられた電極および保持部３２の内部に設けられたリード電極３４とそれぞれ電気的に接続されている。このように、裏面電極式の流れセンサを採用した場合には、流れセンサ３１と流路分割部材２２Ａとの間に隙間部を設けることなく、流路ユニット２に計測ユニット３を取り付けることが可能となる。なお、貫通電極の代わりに、スルーホールを設けることとしてもよい。

[その他の変形例]
また、流れセンサ３１の検出面３１ｐを露出させる分割流路Ｆは、上述した図１に示す位置に設けることには限定されず、いずれかの分割流路に設けることができる。ただし、流れセンサ３１の検出面３１ｐを露出させる分割流路Ｆを、流路の周縁から中心に向けて二段目に形成されるいずれかの分割流路に設けることが望ましい。分割流路Ｆを二段目の分割流路に設けることで、保持部３２が配置される分割流路を、流路の周縁にある分割流路、つまり流路の周縁から中心に向けて一段目に形成されるいずれかの分割流路に限定することができる。これにより、流路内に占める保持部３２の割合を最小限に抑えることができるため、保持部３２がガスの流れを極力妨げることがないようにすることができる。

また、以上の説明において用いた「上」および「下」という語は便宜的な表現であり、必ずしも重力方向に対する方向の限定を表すものではない。

１…流量計測装置、２…流路ユニット、３…計測ユニット、２１…流路部、２２…流路分割部材、３１…流れセンサ、３２…保持部、３３…ボンディングワイヤ、３４…リード電極、３５…貫通電極、３１１…ヒータ、３１２…上流側測温抵抗素子、３１３…下流側測温抵抗素子、３１４…周囲温度センサ、３１５…絶縁膜。

Claims (6)

1. 流体の流路を形成する流路部と、
   前記流路を複数の分割流路に分割する流路分割部材と、
   いずれかの前記分割流路の流体の流量を検出する流量検出部と、
   前記流量検出部を保持する保持部と、を備え、
   前記保持部は、当該保持部が配置されている前記分割流路とは異なる前記分割流路に前記流量検出部の検出面が露出するように、前記流量検出部を保持することを特徴とする流量計測装置。
2. 前記保持部は、前記流量検出部の検出面が露出する前記分割流路の内壁を形成する面と、前記流量検出部の検出面とが、略同一平面上に位置するように前記流量検出部を保持することを特徴とする請求項１記載の流量計測装置。
3. 前記流路分割部材は、格子形状の部材により構成されることを特徴とする請求項１または２記載の流量計測装置。
4. 前記流量検出部の検出面が露出する前記分割流路は、格子状に形成される前記分割流路のうち、前記流路の周縁から中心に向けて二段目に形成されるいずれかの前記分割流路であることを特徴とする請求項３記載の流量計測装置。
5. 前記保持部は、前記検出部と電気的に接続される非絶縁部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の流量計測装置。
6. 前記検出部に含まれる電極と前記非絶縁部とを電気的に接続するボンディングワイヤをさらに備えることを特徴とする請求項５記載の流量計測装置。

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