JP2014016238A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性のあるフローセンサを提供する。
【解決手段】気体又は液体等の流体が流される流路１、及び外面から流路１に通じる挿入孔２が設けられた流路ボディ３と、流路ボディ３の挿入孔２に挿入されたガラス製の台座１１と、挿入孔２と台座１１の間に配置された弾性ガスケット５と、台座１１の上面に配置されたチップ２０と、を備えるフローセンサ。チップ２０は、ガラス製の基体と、基体の上面に配置され、流路１の内部に位置する、電気抵抗素子を含む流速検出部と、基体を貫通し、電気抵抗素子と電気的に接続された電極と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は計測技術に関し、特にフローセンサに関する。

工業炉、ボイラ、及び空調熱源機器等においては、気体又は液体等の流体が適切な流量で供給されることが求められている。そのため、流量を正確に計測するためのフローセンサが種々開発されている。また、フローセンサは、硫黄酸化物（ＳＯ_X）、窒素酸化物（ＮＯ_X）、塩素分子（Ｃｌ₂）、及び三塩化ホウ素（ＢＣｌ₃）等の腐食性ガスの流量を計測するために用いられることもある。そこで、フローセンサのチップの基体を耐食性のあるガラスで作製し、チップからの電気信号を取り出すための電極を基体の裏面に設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−１８５８６９号公報

フローセンサのさらなる耐食性の向上が望まれている。そこで、本発明は、耐食性のあるフローセンサを提供することを目的の一つとする。

本発明の態様によれば、（ａ）流路、及び外面から流路に通じる挿入孔が設けられた流路ボディと、（ｂ）流路ボディの挿入孔に挿入されたガラス製の台座と、（ｃ）挿入孔と台座の間に配置された弾性ガスケットと、（ｄ）台座の上面に配置されたガラス製の基体と、（ｅ）基体の上面に配置され、流路の内部に位置する、電気抵抗素子を含む流速検出部と、（ｆ）基体を貫通し、電気抵抗素子と電気的に接続された電極と、を備える、フローセンサが提供される。

本発明によれば、耐食性のあるフローセンサを提供可能である。

本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの台座が挿入されていない流路ボディの断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの台座が挿入されていない流路ボディと弾性ガスケットの断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサのチップと台座の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサのチップと台座の図４に示したＶ−Ｖ方向から見た断面図である。 本発明の第１の実施の形態の比較例に係るフローセンサの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサの台座が挿入されていない流路ボディの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサの台座が挿入されていない流路ボディと弾性ガスケットの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサの台座が挿入されていない流路ボディ、弾性ガスケット、及びガスケット押し部材の断面図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、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は勿論である。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係るフローセンサは、図１に示すように、気体又は液体等の流体が流される流路１、及び外面から流路１に通じる図２に示す挿入孔２が設けられた流路ボディ３と、流路ボディ３の挿入孔２に挿入された図１に示すガラス製の台座１１と、挿入孔２と台座１１の間に配置され、台座１１を締め付ける弾性ガスケット５と、台座１１の上面に配置され、流路１内部に位置するチップ２０と、を備える。

図２に示すように、流路ボディ３の挿入孔２は、流路１と連続しており、図１に示した台座１１の外周と略同一の内周を有する第１の部分２０１と、第１の部分２０１と連続しており、第１の部分２０１の内周より大きい内周を有する第２の部分２０２と、第２の部分２０２と連続しており、第１の部分２０１と同じ内周を有する第３の部分２０３と、を有する。したがって、流路ボディ３において、挿入孔２の第２の部分２０２は、第１の部分２０１及び第３の部分２０３に対して窪んでおり、溝を形成している。例えば、挿入孔２の第１の部分２０１、第２の部分２０２及び第３の部分２０３の断面形状は円である。

図１に示す弾性ガスケット５は、例えば耐食性を有する弾性体からなる。弾性ガスケット５としては、例えばオーリング（Ｏ−リング）が使用可能である。弾性ガスケット５は、図３に示すように、挿入孔２の第２の部分２０２にはめ込まれて配置されている。例えば、挿入孔２に配置されていない状態での弾性ガスケット５の外周は、弾性ガスケット５が挿入孔２に配置された状態で充分な気密性を有するよう、挿入孔２の第２の部分２０２の内周より大きい。また、弾性ガスケット５の内周は、図１に示す台座１１の外周より小さい。さらに、弾性ガスケット５の厚みは、挿入孔２の深さ方向における第２の部分２０２の幅より大きい。

挿入孔２に台座１１が挿入されると、台座１１の側壁と、挿入孔２の第２の部分２０２の内壁と、の間に挟まれることによって、弾性ガスケット５は台座１１の側壁の法線方向に押さえつけられて変形する。変形した弾性ガスケット５は、台座１１の側壁に密着し、台座１１の側壁に垂直方向に圧力を加える。また、弾性ガスケット５は、挿入孔２の第２の部分２０２の内壁にも密着し、第２の部分２０２の内壁に垂直方向に圧力を加える。これにより、弾性ガスケット５は、流路１を流れる流体が、流路ボディ３の挿入孔２の内壁と、台座１１の側壁と、の間を通って、流路ボディ３の外部に漏れ出すことを防止する。

斜視図である図４及びＶ−Ｖ方向から見た断面図である図５に示すように、台座１１の上面に配置されたチップ２０は、ガラス製の基体２１と、基体２１の上面に配置され、流路１の内部に位置する、電気抵抗素子２３を含む流速検出部２２と、基体２１を貫通し、電気抵抗素子２３と電気的に接続された電極２４Ａ、２４Ｂと、を備える。

台座１１の上面に配置された基体２１にはキャビティ２５が設けられている。キャビティ２５は、エッチング法やサンドブラスト法等により形成される。基体２１の材料としては、例えば、石英ガラス、及びテンパックス（登録商標）等のホウケイ酸ガラスが使用可能である。流速検出部２２において、電気抵抗素子２３は、例えば絶縁膜に含まれている。絶縁膜の材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）等が使用可能である。流速検出部２２は、基体２１のキャビティ２５を覆うように配置されている。また、流速検出部２２の両端にはキャビティ２５の開口が設けられている。

流速検出部２２において、耐食性のある絶縁膜の内部に設けられた電気抵抗素子２３は、平行に配置された第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３を含む。発熱素子３１は、電力を与えられて発熱し、流速検出部２２表面を流れる流体を加熱する。第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３は、流速検出部２２表面を流れる流体の温度に依存した電気信号を出力する。第１の測温素子３２は発熱素子３１より例えば上流側の流体の温度を検出するために用いられ、第２の測温素子３３は発熱素子３１より例えば下流側の流体の温度を検出するために用いられる。発熱素子３１、第１の測温素子３２、及び第２の測温素子３３のそれぞれの材料には白金（Ｐｔ）等の導電性材料が使用可能である。

図５に示す電極２４Ａ、２４Ｂは、流速検出部２２内に設けられた回路を介して第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３の少なくとも一つと電気的に接続されている。なお、図５においては、基体２１を貫通する２つの電極２４Ａ、２４Ｂを示したが、基体２１を貫通する電極の数はこれに限定されない。基体２１の裏面には、電極２４Ａに電気的に接続された電導パッド３５Ａと、電極２４Ｂに電気的に接続された電導パッド３５Ｂと、が配置されている。電極２４Ａ、２４Ｂの材料としては、銅（Ｃｕ）、及び銅合金等が使用可能である。電極２４Ａ、２４Ｂは、基体２１にエッチング法やドリルを用いる微細加工法を用いて孔を形成し、孔を電導物質で埋めることにより形成可能である。電導パッド３５Ａ、３５Ｂの材料としては、金（Ａｕ）等が使用可能である。

筒状の台座１１の材料としては、例えば、石英ガラス、及びテンパックス（登録商標）等のホウケイ酸ガラスが使用可能である。チップ２０は、台座１１の上面に配置されている。台座１１と、チップ２０の基体２１と、が、ガラスからなるため、台座１１の上面と、基体２１の裏面と、は、耐食性のある接着剤により接着されることが可能である。接着剤としては、フッ素樹脂系接着剤が使用可能である。あるいは、台座１１の上面と、基体２１の裏面と、は、希フッ化水素酸（ＨＦ）接合法、常温活性化接合法、又は拡散接合法により接合されていてもよい。

台座１１の材料及び基体２１の材料に同じガラスを用いると、台座１１の熱膨張率と、基体２１の熱膨張率と、は、同じになる。そのため、熱膨張率の異なる物同士の界面で生じ得る歪みが、第１の実施の形態に係るフローセンサでは生じにくくなる。

筒状の台座１１の内部には、チップ２０の裏面の電極２４Ａ、２４Ｂから電気信号を外部に取り出すための電導部材４５Ａ、４５Ｂが配置される。電極２４Ａ、２４Ｂと、電導部材４５Ａ、４５Ｂと、は、それぞれ電気的に接続されている。リードピン等が、電導部材４５Ａ、４５Ｂとして使用可能である。

台座１１は、図１に示す板状部材６によって、流路ボディ３に固定される。板状部材６は、例えば金属からなる。弾性ガスケット５によって、流路１を流れる流体が板状部材６に到達しないため、板状部材６の材料は、必ずしも耐食性を有していなくてもよい。板状部材６は、ボトル７によって、流路ボディ３に固定される。

ここで、図１及び図４を参照して、流速検出部２２表面に接する流体が静止している場合、発熱素子３１から流体に加えられた熱は、流路１の上流方向と下流方向へ対称的に伝播する。したがって、第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３の温度は等しくなり、第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３の電気抵抗は等しくなる。これに対し、第１の測温素子３２が配置された側から第２の測温素子３３が配置された側に向かって流体に流れている場合、発熱素子３１から流体に加えられた熱は、第２の測温素子３３が配置された側に運ばれる。したがって、第１の測温素子３２の温度よりも、第２の測温素子３３の温度が高くなる。そのため、第１の測温素子３２の電気抵抗と、第２の測温素子３３の電気抵抗と、に差が生じる。第２の測温素子３３の電気抵抗と、第１の測温素子３２の電気抵抗と、の差は、流速検出部２２表面に接する流体の速度と相関する。そのため、第２の測温素子３３の電気抵抗と、第１の測温素子３２の電気抵抗と、の差から、流路１を流れる流体の流量が求められる。

従来のフローセンサにおいては、台座の材料に、ハステロイ（登録商標）及びインコネル（登録商標）等の耐食性金属を用いている。しかし、耐食性金属であっても、高濃度の塩酸、硫酸、王水、及び塩化第二鉄等の腐食性液体に対しては、耐性を有しない。また、台座の材料に耐食性金属を用いると、石英ガラスからなるチップの基体との間で陽極接合をすることが不可能である。

これに対し、第１の実施の形態に係るフローセンサは、チップ２０の基体２１のみならず、台座１１の材料にもガラスを用いているため、高濃度の塩酸、硫酸、王水、及び塩化第二鉄等の腐食性液体の流量を測定することも可能である。また、第１の実施の形態に係るフローセンサにおいては、図１に示すように、弾性ガスケット５が、流路ボディ３の挿入孔２の内壁と、台座１１の側壁と、の間をシールする。そのため、流路１を流れる流体が、流路ボディ３の挿入孔２の内壁と、台座１１の側壁と、の間を通って、流路ボディ３の外部に漏れ出すことを防止することが可能となる。なお、図６に示すように、弾性ガスケット５を、流路ボディ３の外面に接するように配置すると、流路１を流れる流体が、流路ボディ３の外面近傍まで入り込む可能性がある。流路ボディ３の外面近傍まで入り込んだ流体は滞留しうる。滞留した流体は、真空パージの際に抜くことが困難な場合がある。また、台座１１を流路ボディ３から外す作業が生じた際に、滞留していた流体が作業者にとって有害な場合もある。そのため、流体が滞留しうる部分は小さい方が好ましく、図１に示すように、挿入孔２の中間あるいは中間よりチップ２０側に窪んだ第２の部分２０２を設け、第２の部分２０２に弾性ガスケット５を配置することが好ましい。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係るフローセンサにおいては、図７及び図８に示すように、流路ボディ３の挿入孔２が、流路１と連続しており、台座１１の外周と略同一の内周を有する第１の部分２１１と、第１の部分２１１と連続しており、第１の部分２１１の内周より大きい内周を有する第２の部分２１２と、を有する。例えば、挿入孔２の第２の部分２１２は、流路ボディ３の外面と連続している。したがって、挿入孔２の内部には、第１の部分２１１と、第２の部分２１２と、がなす段がある。

図９に示すように、弾性ガスケット５は、挿入孔２の内部の第１の部分２１１と、第２の部分２１２と、がなす段に配置されている。例えば、第２の実施の形態において、挿入孔２に配置されていない状態での弾性ガスケット５の外周は、挿入孔２の第２の部分２１２の内周より大きい。また、弾性ガスケット５の内周は、図７に示す台座１１の外周より小さい。

弾性ガスケット５は、図１０に示すように、ガスケット押し部材８によって、挿入孔２の第１の部分２１１と、第２の部分２１２と、がなす段に押しつけられている。ガスケット押し部材８は、例えば金属あるいはガラス等からなる。ガスケット押し部材８は、例えば筒状である。ガスケット押し部材８の外周は、例えば挿入孔２の第２の部分２１２の内周と同じである。ガスケット押し部材８の内周は、例えば図７に示す台座１１の外周と同じである。ガスケット押し部材８は、台座１１の側壁と、挿入孔２の第２の部分２１２の内壁と、の間に挿入されている。

台座１１及びガスケット押し部材８は、板状部材６によって、流路ボディ３に固定される。板状部材６は、ボトル７によって、流路ボディ３に固定される。なお、ガスケット押し部材８と、板状部材６と、は、一体化していてもよい。流路１を流れる流体の圧力が上昇しても、弾性ガスケット５はガスケット押し部材８で固定されているため、弾性ガスケット５の動きは拘束され、弾性ガスケット５のシール性が保たれる。第２の実施の形態に係るフローセンサにおいては、弾性ガスケット５を配置する溝を挿入孔２の側壁に形成する必要がない。また、弾性ガスケット５を挿入孔２の内部に容易に配置することが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、実施の形態に係るフローセンサは耐食性を有するが、腐食性のない流体の流量の測定に用いてもよいことはもちろんである。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

実施の形態に係るフローセンサは、腐食性液体を扱う理化学分野、医療分野、バイオ分野、及び半導体分野等に適用可能であるが、適用可能な分野はこれらに限定されない。

１ 流路
２ 挿入孔
３ 流路ボディ
５ 弾性ガスケット
６ 板状部材
７ ボトル
８ ガスケット押し部材
１１ 台座
２０ チップ
２１ 基体
２２ 流速検出部
２３ 電気抵抗素子
２４Ａ、２４Ｂ 電極
２５ キャビティ
３１ 発熱素子
３２ 第１の測温素子
３３ 第２の測温素子
３５Ａ、３５Ｂ 電導パッド
４５Ａ、４５Ｂ 電導部材
２０１、２１１ 第１の部分
２０２、２１２ 第２の部分
２０３ 第３の部分

Claims (15)

1. 流路、及び外面から前記流路に通じる挿入孔が設けられた流路ボディと、
   前記流路ボディの前記挿入孔に挿入されたガラス製の台座と、
   前記挿入孔と前記台座の間に配置された弾性ガスケットと、
   前記台座の上面に配置されたガラス製の基体と、
   前記基体の上面に配置され、前記流路の内部に位置する、電気抵抗素子を含む流速検出部と、
   前記基体を貫通し、前記電気抵抗素子と電気的に接続された電極と、
   を備える、フローセンサ。
2. 前記挿入孔が、前記流路と連続しており、前記台座の外周と略同一の内周を有する第１の部分と、前記第１の部分と連続しており、前記第１の部分の内周より大きい内周を有する第２の部分と、を有し、
   前記弾性ガスケットが、前記挿入孔の前記第１の部分と前記第２の部分とがなす段に配置されている、請求項１に記載のフローセンサ。
3. 前記挿入孔の前記第２の部分が前記流路ボディの外面と連続しており、
   前記台座と、前記挿入孔の前記第２の部分の側壁と、の間に挿入されたガスケット押し部材を更に備える、請求項２に記載のフローセンサ。
4. 前記挿入孔が、前記流路と連続しており、前記台座の外周と略同一の内周を有する第１の部分と、前記第１の部分と連続しており、前記第１の部分の内周より大きい内周を有する第２の部分と、前記第２の部分と連続しており、前記第１の部分と同じ内周を有する第３の部分と、を有し、
   前記弾性ガスケットが、前記挿入孔の前記第２の部分に配置されている、請求項１に記載のフローセンサ。
5. 前記弾性ガスケットが、前記台座の側壁と前記挿入孔の内壁との間に挟まれることによって変形している、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフローセンサ。
6. 前記弾性ガスケットが、前記台座の側壁に垂直方向に圧力を加える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフローセンサ。
7. 前記弾性ガスケットがオーリングである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のフローセンサ。
8. 前記台座の内部に配置され、前記電極と電気的に接続された電導部材を更に備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフローセンサ。
9. 前記台座の上面と、前記基体の裏面と、が、接着剤により接着されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のフローセンサ。
10. 前記接着剤がフッ素樹脂系接着剤である、請求項９に記載のフローセンサ。
11. 前記台座の上面と、前記基体の裏面と、が、希フッ化水素酸接合、常温活性化接合、又は拡散接合により接合されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のフローセンサ。
12. 前記台座の熱膨張率と、前記基体の熱膨張率と、が、同じである、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のフローセンサ。
13. 前記台座が、石英ガラス又はホウケイ酸ガラスからなる、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のフローセンサ。
14. 前記基体が、石英ガラス又はホウケイ酸ガラスからなる、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のフローセンサ。
15. 前記台座が筒状である、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のフローセンサ。

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