JP2016109615A

JP2016109615A - 流量計

Info

Publication number: JP2016109615A
Application number: JP2014249041A
Authority: JP
Inventors: 池　信一; Shinichi Ike; 信一池
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】流体の流量を正確に測定可能な流量計を提供すること。
【解決手段】本発明の一側面に係る流量計は、流体が流通する複数の分流路が形成された配管と、前記配管の外壁に配置されるフローセンサであって、いずれかの分流路を流通する流体の流量を測定するフローセンサと、を備え、前記フローセンサが配置される分流路の最狭幅が当該分流路を流れる流体の層流状態を維持可能な限界幅以下である、流量計。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流量を正確に測定可能な流量計に関する。

従来、ガスや空気等の被測定流体の流量変化を検出するフローセンサとして、少なくとも１つの温度センサ及び熱源が組み込まれてなる半導体モジュールを有する、液体用のフローセンサにおいて、液体を導くパイプを具備し、前記半導体モジュールは前記パイプの外面に設けられており、前記温度センサ及び前記熱源は前記パイプの外面と熱的接触していることを特徴とするフローセンサが知られていた（特許文献１）。

特表２００３−５３２０９９号公報

ここで、特許文献１のフローセンサにおいて、流体の速度分布は、配管径に応じて変化する。たとえば、配管径が大きくなると、フローセンサ近傍の流体の速度分布勾配が小さくなり、単に配管径を大きくしても流体の正確な流量を測定することができないおそれがある。また、配管径を大きくしていけば流体の流量レンジを上げることができるが、単に配管径を大きくすると、流体の流れが乱れやすく、流体の流量測定の精度が悪化するおそれがある。

そこで、本発明は、流体の流量を正確に測定可能な流量計を提供することを目的の一つとする。

上記課題を解決するために、本発明の一側面に係る流量計は、流体が流通する複数の分流路が形成された配管と、前記配管の外壁に配置されるフローセンサであって、いずれかの分流路を流通する流体の流量を測定するフローセンサと、を備え、前記フローセンサが配置される分流路の最狭幅が当該分流路を流れる流体の層流状態を維持可能な限界幅以下である、流量計。

本発明によれば、フローセンサが配置される分流路の最狭幅が当該分流路を流れる流体の層流状態を維持可能な限界幅以下であることによって、フローセンサが配置される分流路を流れる流体の流量を正確に測定可能な流量計を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る流量計の側面断面図である。図１のＩ−Ｉ方法から見た断面図である。本発明の第１実施形態に係るフローセンサの構成例を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係るフローセンサの図２のII−II方向から見た断面図である。本発明の第１実施形態に係る流量計の断面図の例を示す図である。同図（ａ）は、図２に示す流量計の断面図、すなわち、図１のＩ−Ｉ方法から見た断面図である。同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す流量計の配管径よりも大きい配管径の配管を備える流量計の断面図である。本発明の第２実施形態に係る流量計の断面図の例を示す図である。同図（ａ）は、配管の軸心に対して垂直な断面が略四角形状の配管を備える流量計の断面図の例を示す図である。同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す流量計の配管の配管径よりも大きい配管径の配管を備える流量計の断面図である。同図（ｃ）は、同図（ｂ）に示す流量計の配管の配管径は同じであるが、当該配管の分流路と異なる分流路（格子状の分流路を含む）の配管を備える流量計の断面図である。

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。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施形態を組み合わせる等）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、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。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がある。

（発明原理）
上記したとおり、流体の速度分布は、配管径に応じて変化する。たとえば、配管径が大きくなると、フローセンサ近傍の流体の速度分布勾配が小さくなるため、流体の流速に対するセンサが検出する流体の速度は低下する。このように、単に配管径を大きくしても流体の正確な流量を測定することができないおそれがある。

また、配管径を大きくしていけば流体の流量レンジを上げることができるが、単に配管径を大きくすると、流体が層流（流速の方向がそろった規則的な流れ）状態から乱流（流体の各小部分が不規則にまじりあい、乱れを含むような流れ）状態に遷移しやすくなるため、流体の流量測定の精度が悪化するおそれがある。

そこで、本願発明者は、鋭意研究の結果、流体が流通する複数の分流路が形成された配管と、いずれかの分流路を流通する流体の流量を測定するフローセンサと、を備えることで、フローセンサが配置される分流路を流れる流体の速度分布勾配が大きく、フローセンサの検出感度が高い流量計であって、フローセンサが配置される分流路を流れる流体の流速分布を一定に保つことができる流量計を開発した。

そして、フローセンサが配置される分流路を流れる流体の流速分布を一定に保つためには、フローセンサが配置される分流路を流れる流体が層流状態を維持可能なように、流量計を構成する必要がある。

ここで、レイノルズ数Ｒｅにより層流状態と乱流状態とが規定されている。たとえば、円管内の流体では、Ｒｅが２０００より小さい場合は層流であり、Ｒｅが４０００より大きい場合は乱流となる。また、２０００以上４０００以下の領域では、流体の状態は不安定であって、遷移域と呼ばれる。一般に、流体の状態が層流から乱流に変化するときのレイノルズ数を臨界レイノルズ数という。臨界レイノルズ数は、一般に円管内の流体の場合、約２０００である。よって、たとえば、レイノルズ数が２０００以下の流体は、層流状態であることがわかる。

つぎに、臨界レイノルズ数Ｒｅは以下の（１）式で求められる。Ｖは、フローセンサが配置される分流路を流れる流体の流速（ｍ／ｓｅｃ）であり、ｄは、フローセンサが配置される分流路の最狭幅（ｍ）であって、後述する図２においては、「ｄ」で示す長さであり、νは、流体の動粘度（ｍ²／ｓｅｃ）である。

Ｒｅ＝（Ｖ・ｄ）／ν・・・（１）

ここで、仮に、フローセンサの流速測定範囲が最大０．５（ｍ／ｓ）とすると、フローセンサが配置される分流路を流れる流体の層流状態を維持可能な限界幅ｄは、（１）式を変形した、（２）式に、Ｖ＝０．５、ｄ＝２０００、νとして、たとえば水の動粘度１．００４×１０^-6（２０℃）を代入すると、約４ｍｍとなる。

ｄ＝（Ｒｅ・ν）／Ｖ・・・（２）

以上より、フローセンサが配置される分流路の最狭幅が、たとえば約４ｍｍ以下であれば、フローセンサが配置される分流路を流れる流体の層流状態を維持することが可能であり、フローセンサが配置される分流路を流れる流体の流量を正確に測定可能な流量計を提供することができる。

なお、本実施形態においては、フローセンサの流速測定範囲が最大０．５（ｍ／ｓ）と仮定したが、フローセンサの流速測定範囲は、フローセンサの設計や能力などによって様々な値を取りうるので、この値に限定されない。また、臨界レイノルズ数についても、２０００に限定されるわけでなく、２０００より小さい値として１５００などが採用されてもよい。

以下、上記原理に鑑み本発明の各実施形態を説明する。第１実施形態では、円管型の配管を備える流量計について説明する。第２実施形態では、配管の軸心に対して垂直な断面が略四角形状の配管を備える流量計について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る流量計の側面断面図である。図２は、図１のＩ−Ｉ方法から見た断面図である。図１および図２に示すように、流量計１は、例示的に、配管１１と、配管１１内を流れる流体の流量を測定するフローセンサ５１と、を備えて構成されている。

円管状の配管１１内には、配管１１の軸心に沿って流体の流れを分割する円筒状の仕切板３１Ａが同心円上に配置されている。また、図１においては不図示であるが、図２に示すように、配管１１内には、円筒状の仕切板３１Ａの外側の流体の流れをさらに分割する仕切板３１Ｂが、配置されている。配管１１内に仕切板３１Ａ，Ｂが配置されることで、配管１１には、流体が流通する、仕切板３１Ａ内側に設けられた分流路２１Ｒおよび仕切板３１Ａ外側に設けられた複数の分流路２２Ｒ〜２５Ｒが形成される。

フローセンサ５１は、いずれかの分流路を流通する流体の流量を測定する。フローセンサ５１は、たとえば、図２に示すように、分流路２４Ｒに設置され、分流路２１Ｒ〜２５Ｒのうち分流路２４Ｒを流通する流体の流量を測定する。なお、フローセンサ５１は、いずれかの分流路を流通する流体の流量を測定することができればよく、図１および図２の例では、配管１１の外壁に設置されている。

図３は、本発明の第１実施形態に係るフローセンサの構成例を示す斜視図である。図４は、本発明の第１実施形態に係るフローセンサの図２のII−II方向から見た断面図である。図３及び図４に示すように、フローセンサ５１は、キャビティ１０２が設けられた基板１０１と、基板１０１上にキャビティ１０２を覆うように配置された絶縁膜１０３と、絶縁膜１０３に設けられたヒータ１０４と、ヒータ１０４より上流側に設けられた上流側測温抵抗素子１０５と、ヒータ１０４より下流側に設けられた下流側測温抵抗素子１０６と、上流側測温抵抗素子１０５より上流側に設けられた周囲温度センサ１０７と、を有している。

絶縁膜１０３のキャビティ１０２を覆う部分は、断熱性のダイアフラムを構成している。周囲温度センサ１０７は、配管１１を流通する被測定流体の温度を測定する。ヒータ１０４は、キャビティ１０２を覆う絶縁膜１０３の略中心に配置されており、配管１１を流通する被測定流体を、周囲温度センサ１０７が計測した温度よりも一定温度高くなるように加熱する。上流側測温抵抗素子１０５はヒータ１０４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１０６はヒータ１０４より下流側の温度を検出するために用いられる。

上記のとおり、本実施形態では、フローセンサ５１は、配管１１の外壁に接して配置されており、配管１１の肉厚は、熱伝導の障害に殆どならない程度に薄いので、ヒータ１０５に加えられた熱は管状部材１１内を流れる被測定流体に及ぼされ、被測定流体の温度が上流側測温抵抗素子１０５や下流側測温抵抗素子１０６によって検出されるようになっている。ここで、配管１１内における被測定流体の流量が零の場合、ヒータ１０４で加えられた熱は、上流方向と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１０５の温度と下流側測温抵抗素子１０６の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子１０５の電気抵抗と下流側測温抵抗素子１０６の電気抵抗は等しくなる。これに対し、配管１１内における被測定流体が上流側から下流側へと流通している場合、ヒータ１０４で加えられた熱は下流方向に運ばれる（運搬効果）。従って、上流側測温抵抗素子１０５の温度よりも下流側測温抵抗素子１０６の温度が高くなり、上流側測温抵抗素子１０５の電気抵抗と下流側測温抵抗素子１０６の電気抵抗との間に差が生じる。この電気抵抗の差は、配管１１内を流通する被測定流体の速度や流量と相関関係があることが知られている。このため、上流側測温抵抗素子１０５の電気抵抗と下流側測温抵抗素子１０６の電気抵抗との差に基づいて、配管１１内を流通する被測定流体の速度や流量を測定（算出）することができる。

なお、基板１０１の材料としては、シリコン(Ｓｉ)等が使用可能である。絶縁膜１０３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１０２は、異方性エッチング等により形成される。また、ヒータ１０４、上流側測温抵抗素子１０５、下流側測温抵抗素子１０６及び周囲温度センサ１０７の各々の材料としては、白金(Ｐｔ)等が使用可能であり、これらは、リソグラフィ法等により形成可能である。

図５は、本発明の第１実施形態に係る流量計の断面図の例を示す図である。図５（ａ）は、図２に示す流量計の断面図、すなわち、図１のＩ−Ｉ方法から見た断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す流量計の配管径よりも大きい配管径の配管を備える流量計の断面図である。図５（ａ）および（ｂ）に示すように、図５（ａ）の流量計１Ａと、図５（ｂ）の流量計１Ｂと、は配管径に大きな違いがあるが、フローセンサ５１が配置される分流路２４Ｒの最狭幅ｄ１が共通しており、当該最狭幅ｄ１が当該分流路２４Ｒを流れる流体の層流状態を維持可能な限界幅以下となるように構成されている。この場合、流量計１Ａおよび流量計１Ｂのいずれを採用しても、フローセンサ５１が配置される分流路２４Ｒを流れる流体の流速分布を一定に保つことができ、流体の流量を正確に測定可能である。

なお、本実施形態においては、配管１１の軸心に対して垂直な断面が円形の配管１１を備える流量計１Ａおよび１Ｂを挙げて説明を行ったが、上記断面が楕円形状である流量計であってもよい。

（効果）
第１実施形態によれば、フローセンサが配置される分流路の最狭幅が当該分流路を流れる流体の層流状態を維持可能な限界幅以下であることによって、配管径の大きさによらずフローセンサが配置される分流路を流れる流体の流量を正確に測定可能な流量計を提供することができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る流量計の断面図の例を示す図である。特に、図６（ａ）は、配管の軸心に対して垂直な断面が略四角形状の配管を備える流量計の断面図の例を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す流量計の配管の配管径よりも大きい配管径の配管を備える流量計の断面図である。図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示す流量計の配管の配管径は同じであるが、当該配管の分流路と異なる分流路（格子状の分流路を含む）の配管を備える流量計の断面図である。以下では、第１実施形態と異なる点について特に説明し、他の点については説明を省略する。

図６（ａ）に示すように、流量計１Ｃの配管１１内には、薄板上の仕切板３１が３枚、等間隔に配置されている。そして、当該仕切板３１が配置されることによって、配管１１内には、４つの分流路４１Ｒ〜４４Ｒが形成される。フローセンサ５１は、分流路４１Ｒに設置され、分流路４１Ｒ〜４４Ｒのうち分流路４１Ｒを流通する流体の流量を測定する。

図６（ｂ）に示すように、流量計１Ｄは、流量計１Ｃの配管１１の配管径よりも大きい配管径の配管１１を備える。また、流量計１Ｄの配管１１内には、薄板上の仕切板３１が４枚、垂直方向に等間隔に配置されている。そして、当該仕切板３１が配置されることによって、配管１１内には、５つの分流路４１Ｒ〜４５Ｒが形成される。フローセンサ５１は、分流路４１Ｒに設置され、分流路４１Ｒ〜４５Ｒのうち分流路４１Ｒを流通する流体の流量を測定する。

図６（ｃ）に示すように、流量計１Ｅは、流量計１Ｄの配管１１の配管径と同一の配管径の配管１１を備える。また、流量計１Ｅの配管１１内には、流量計１Ｄの配管１１内と同様に、薄板状の仕切板３１により分流路４１Ｒが形成されており、配管１１において上記分流路４１Ｒの上方には、複数の薄板状の仕切板３１により複数の格子状の分流路４６Ｒが形成されている。

図６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、流量計１Ｃと、流量計１Ｄ又は流量計１Ｅと、は配管径に大きな違いがあるが、フローセンサ５１が配置される分流路４１Ｒの最狭幅ｄ２が共通しており、当該最狭幅ｄ２が当該分流路４１Ｒを流れる流体の層流状態を維持可能な限界幅以下となるように構成されている。
また、図６（ｂ）および（ｃ）に示すように、流量計１Ｄの配管１１の分流路４２Ｒ〜４５Ｒと、流量計１Ｅの配管１１の分流路４６Ｒと、はそれらの形状が大きく異なっているが、フローセンサ５１が配置される分流路４１Ｒの最狭幅ｄ２が共通しており、当該最狭幅ｄ２が当該分流路４１Ｒを流れる流体の層流状態を維持可能な限界幅以下となるように構成されている。
このように、流量計１Ｃ乃至流量計１Ｅのいずれを採用しても、フローセンサ５１が配置される分流路４１Ｒを流れる流体の流速分布を一定に保つことができ、流体の流量を正確に測定可能である。

なお、本実施形態においては、配管１１の軸心に対して垂直な断面が略四角形状の配管１１を備える流量計１Ｃ乃至１Ｅを挙げて説明を行ったが、上記断面には特に制限はなく、上記断面が他の多角形状である流量計であってもよい。

（効果）
第２実施形態によれば、配管１１の軸心に対して垂直な断面が多角形状の配管１１を備える流量計においても、フローセンサが配置される分流路の最狭幅が当該分流路を流れる流体の層流状態を維持可能な限界幅以下であることによって、配管径の大きさによらずフローセンサが配置される分流路を流れる流体の流量を正確に測定可能な流量計を提供することができる。

（他の実施形態）
本実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

上記各実施形態において、配管１１内に、配管１１の軸心に沿って流体の流れを分割する円筒状の仕切板３１Ａが同心円上に配置される例、薄板状の仕切板３１が配置される例などを説明したが、仕切板３１の形状に特に制限はなく、たとえば、螺旋状であってもよい。また、上記実施形態において、仕切板３１が複数配置される例を説明したが、仕切板３１の枚数（個数）に特に制限はなく、一以上であればよい。

なお、流量計１、１Ａおよび１Ｂの配管１１に形成される分流路２２Ｒ〜２５Ｒ、流量計１Ｃの配管１１に形成される各分流路４１Ｒ〜４４Ｒ、流量計１Ｄの配管１１に形成される各分流路４１Ｒ〜４５Ｒ、および流量計１Ｅの配管１１に形成される各分流路４６Ｒのそれぞれは仕切板によって必ずしも等分されている必要はない。

また、各実施形態において、フローセンサ５１は、配置された分流路を流通する流体のみの流量を測定するように構成されている。これは、たとえば、フローセンサ５１が複数の分流路を流れる流体の流量を同時に測定しようとすると、各分流路を流れる流体の流量を正確に測定することが困難だからであり、上記のとおり構成されていれば、測定対象の流体の流量を正確に測定することができる。

１，１Ａ〜Ｅ流量計
１１配管
２１Ｒ〜２５Ｒ分流路
３１，３１Ａ，３１Ｂ流路部材
４１Ｒ〜４６Ｒ分流路
５１フローセンサ
１０１基板
１０２キャビティ
１０３絶縁膜
１０４ヒータ
１０５上流側測温抵抗素子
１０６下流側測温抵抗素子
１０７周囲温度センサ

Claims

流体が流通する複数の分流路が形成された配管と、
前記配管の外壁に配置されるフローセンサであって、いずれかの分流路を流通する流体の流量を測定するフローセンサと、を備え、
前記フローセンサが配置される分流路の最狭幅が当該分流路を流れる流体の層流状態を維持可能な限界幅以下である、
流量計。
前記限界幅は、以下の式で導出される、請求項１に記載の流量計。

ｄ＝（Ｒｅ・ν）／Ｖ

ｄ：限界幅
Ｒｅ：臨界レイノルズ数
Ｖ：流体の最大流速
ν：流体の動粘度