JP2020020736A

JP2020020736A - 層流型差圧流量計

Info

Publication number: JP2020020736A
Application number: JP2018146656A
Authority: JP
Inventors: 智蔡; Chi Cai; 興仁結城; Koji Yuki
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2020-02-06

Abstract

【課題】層流発生機構を用いた差圧式の流量測定で、測定対象の流体の温度をより正確に測定できるようにする。【解決手段】温度センサ１０４は、層流発生機構１０２の最も外側の細流路１０６の外側に接して設けられて層流発生機構１０２を通過する流体の温度を測定する。温度センサ１０４は、層流発生機構１０２の最も外側の層流板１０７の外側に接して設けられている。温度センサ１０４は、層流発生機構１０２の最も外側の細流路１０６の路壁（層流板１０７）を介して層流発生機構１０２を通過する流体の温度を測定する。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、流路の途中に設けられた層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差から流路を流れる流体の流量を計測する層流型差圧流量計に関する。

流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する装置として、可動部がなく、低流量を感度よく測定可能で有などの特長を有する層流型差圧流量計がある。層流型差圧流量計は、流路の途中に流体の流れを層流とする層流発生機構を備え、層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差から流路を流れる流体の流量を計測する（例えば、特許文献１参照）。

流体の温度は、密度や粘性に影響を及ぼし流量値に影響を与えるので、流量を精度良く計測するには、差圧を発生させる層流発生機構を通過する流体の温度をできるだけ正確に計測することが重要となる。質量流量を求めるために用いる粘性係数μには温度依存性があり、これまで、レイノルズの式、アンドレードの式、ＷＬＦの式、増子マギルの式など、粘性係数と温度の関係を表す数式がいくつか提案されている。いずれも温度が変わると粘性係数が変化し、流量換算の結果が変化する。

特開２００８−１１６２８３号公報

ところで、現在、一般には、流体の温度を測定する温度センサを、流路に挿入し、また、配管の管壁内に埋め込んで用いている。しかしながら、このような構成では、管壁の熱容量による熱的応答性の遅れや、管壁に取り付けられた他の部品からの伝熱の影響などを受けて、流体の温度が正確に測定できず、流量計測に誤差が発生するという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、層流発生機構を用いた差圧式の流量測定で、測定対象の流体の温度をより正確に測定できるようにすることを目的とする。

本発明に係る層流型差圧流量計は、測定対象の流体が流れる流路と、流路の途中に設けられ、複数の細流路から構成されて複数の細流路を通過させることで流体を層流とするように構成された層流発生機構と、層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差を差圧として取得するように構成された差圧取得部と、層流発生機構の最も外側の細流路の外側に接して設けられて層流発生機構を通過する流体の温度を測定するように構成された温度センサと、差圧取得部が取得した差圧および温度センサが測定した温度により流路を通過する流体の流量を求めるように構成された流量計測部とを備える。

上記層流型差圧流量計において、温度センサは、層流発生機構の最も外側の細流路の路壁を介して層流発生機構を通過する流体の温度を測定する。

上記層流型差圧流量計において、層流発生機構は、金属から構成されていればよい。

上記層流型差圧流量計において、温度センサが設けられた細流路の温度センサの周囲に形成され、温度センサが設けられた細流路の路壁の厚さを薄くする溝部を備えるようにしてもよい。

上記層流型差圧流量計において、温度センサを覆って形成され、温度センサと周囲とを断熱するための断熱構造を備えるようにしてもよい。

上記層流型差圧流量計において、層流発生機構は、各々同じ板厚とされた複数の層流板が所定の間隔を開けて流路の流れの方向に平行に配置され、複数の層流板の間を細流路として通過させることで流体を層流とし、温度センサは、層流発生機構の最も外側の層流板の外側に接して設けられている。

上記層流型差圧流量計において、層流発生機構は、機構本体と、機構本体を貫通する複数の貫通孔とから構成され、貫通孔を細流路として通過させることで流体を層流とし、温度センサは、層流発生機構の最も外側の貫通孔の壁の外側に接して設けられている。

以上説明したように、本発明によれば、温度センサを、層流発生機構の最も外側の細流路の外側に接して設けるようにしたので、層流発生機構を用いた差圧式の流量測定で、測定対象の流体の温度がより正確に測定できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における層流型差圧流量計の構成を示す構成図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１における層流型差圧流量計の層流発生機構１０２の断面を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態１における他の層流型差圧流量計の構成を示す構成図である。図３は、本発明の実施の形態１における他の層流型差圧流量計の構成を示す構成図である。図４Ａは、本発明の実施の形態２における層流型差圧流量計の構成を示す構成図である。図４Ｂは、本発明の実施の形態２における層流型差圧流量計の層流発生機構１０２ａの断面を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態おける層流型差圧流量計について説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における層流型差圧流量計について図１Ａ、図１Ｂを参照して説明する。なお、図１Ａの層流発生機構１０２は、測定対象の流体が流れる方向に平行な断面を示し、図１Ｂは、測定対象の流体が流れる方向に垂直な断面を示している。この層流型差圧流量計は、測定対象の流体が流れる流路１０１と、流路１０１の途中に設けられた層流発生機構１０２と、差圧取得部１０３と、温度センサ１０４と、流量計測部１０５とを備える。

層流発生機構１０２は、複数の細流路１０６から構成されて複数の細流路１０６を通過させることで流体を層流とする。実施の形態１において、層流発生機構１０２は、各々同じ板厚とされた複数の層流板１０７が所定の間隔を開けて流路１０１の流れの方向に平行に配置されている。層流発生機構１０２は、複数の層流板１０７の間を細流路１０６として通過させることで流体を層流とする。層流発生機構１０２（層流板１０７）は、例えば、ステンレス鋼などの金属から構成されている。なお、層流板１０７は、枠部１０８に支持されて固定されている。

層流発生機構１０２は、例えば、断面視矩形とされ、幅３０ｍｍ以下、厚さ１０ｍｍ以下程度の大きさである。また、層流発生機構１０２は、流れの方向の長さが３０ｍｍ以下程度とされている。また、層流発生機構１０２は、１〜１００枚程度の層流板１０７から構成され、層流板１０７は、厚さ０．１〜１０ｍｍ程度とされている。複数の層流板１０７を用いる場合は、層流発生機構１０２の厚さ方向に、０．０１〜１ｍｍ程度の間隔で配置されている。層流板１０７の各寸法、使用枚数，配置間隔などは、層流発生機構１０２の断面視の寸法により、適宜に設定すればよい。例えば、層流発生機構１０２の厚さを１０ｍｍ以下と例示したが、層流発生機構１０２を２枚の層流板１０７から構成するのであれば、層流発生機構１０２の厚みは２枚の層流板１０７の厚みに等しい０．２ｍｍ程度となる。

差圧取得部１０３は、層流発生機構１０２の上流側と下流側の流体の圧力の差を差圧として取得する。例えば、層流発生機構１０２の上流側には、上流側の流体の圧力を引き出す第１導圧路（不図示）が設けられ、層流発生機構１０２の下流側には、下流側の流体の圧力を引き出す第２導圧路（不図示）が設けられている。また、第１導圧路の末端には、上流側の流体の圧力（Ｐ１）を検出する上流側圧力センサ（不図示）が設けられ、第２導圧路の末端には、下流側の流体の圧力（Ｐ２）を検出する下流側圧力センサ（不図示）が設けられている。差圧取得部１０３は、上流側圧力センサが測定した圧力Ｐ１と、下流側圧力センサが測定した圧力Ｐ２との差を差圧ΔＰとして求める。

温度センサ１０４は、層流発生機構１０２の最も外側の細流路１０６の外側に接して設けられて層流発生機構１０２を通過する流体の温度を測定する。実施の形態１において、温度センサ１０４は、層流発生機構１０２の最も外側の層流板１０７の外側に接して設けられている。温度センサ１０４は、層流発生機構１０２の最も外側の細流路１０６の路壁（層流板１０７）を介して層流発生機構１０２を通過する流体の温度を測定する。温度センサ１０４は、例えば、よく知られた白金薄膜温度センサである。白金薄膜温度センサは、一般的な熱電対に比べ、自身の熱容量が１／５０程度と小さく、自身の伝熱の影響などが発生しにくい。

流量計測部１０５は、差圧取得部１０３が取得した差圧および温度センサ１０４が測定した温度により流路１０１を通過する流体の流量を求める。よく知られているように、質量流量は、差圧に比例し、流体の粘性係数に反比例する。また、流体の粘性係数は、よく用いられている粘性係数と温度の関係を表す数式より、測定した流体の温度より求めることができる。

以上に説明したように、実施の形態１によれば、温度センサ１０４を、層流発生機構１０２の最も外側の細流路１０６（層流板１０７）の外側に接して設けている。層流発生機構１０２では、多くの細流路１０６を用いるようにするため、細流路１０６の路壁（層流板１０７）は、薄い構造体となる。このため、細流路１０６の路壁（層流板１０７）は、熱容量が少なく、細流路１０６を流れる流体の温度は、路壁（層流板１０７）を介して、より損失が少なく、かつ、より少ない熱応答で、温度センサ１０４に伝わる。これらのことにより、実施の形態１によれば、温度センサ１０４は、流体の温度をより正確に測定することが可能となり、測定対象の流体の温度がより正確に測定できるようになる。

ところで、図２に示すように、温度センサ１０４が設けられた細流路１０６の温度センサ１０４の周囲に、細流路１０６の路壁（層流板１０７）の厚さを薄くする溝部１０９を備えるようにしてもよい。溝部１０９を設けて薄くすることで、温度センサ１０４の周囲の路壁（層流板１０７）における熱容量を、より低減することができる。

また、図３に示すように、温度センサ１０４を覆う断熱構造１１０を設け、断熱構造１１０により温度センサ１０４を封止し、温度センサ１０４と周囲とを断熱するようにしてもよい。断熱構造１１０は、例えば、断熱構造１１０の内部を真空排気した真空容器である。また、断熱構造１１０は、例えば、断熱材から構成した塗膜である。このように断熱構造１１０を設けることで、温度センサ１０４の上部側の伝熱経路を遮断して周囲温度変動の影響を低減することができ、流体の温度をより正確に測定することが可能となる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における層流型差圧流量計について図４Ａ、図４Ｂを参照して説明する。なお、図４Ａの層流発生機構１０２ａは、測定対象の流体が流れる方向に平行な断面を示し、図４Ｂは、測定対象の流体が流れる方向に垂直な断面を示している。なお、図４Ａと図４Ｂとは、異なる縮尺としている。この層流型差圧流量計は、測定対象の流体が流れる流路１０１と、流路１０１の途中に設けられた層流発生機構１０２と、差圧取得部１０３と、温度センサ１０４と、流量計測部１０５とを備える。

実施の形態２では、層流発生機構１０２ａを、機構本体２０２と、機構本体２０２を貫通する複数の貫通孔２０７とから構成し、貫通孔２０７を細流路１０６として通過させることで流体を層流としている。複数の貫通孔２０７は、流れの方向の断面方向に、所定の間隔で配列（例えば正方配列）した状態で配置されている。温度センサ１０４は、層流発生機構１０２ａの最も外側の貫通孔２０７の壁の外側に接して設ける。他の構成は、前述した実施の形態１と同様である。層流発生機構１０２ａ（機構本体２０２）は、例えば、金属から構成されている。

層流発生機構１０２ａは、例えば、断面視矩形とされ、幅３０ｍｍ以下、厚さ５０ｍｍ以下程度の大きさである。また、層流発生機構１０２ａは、流れの方向の長さが３０ｍｍ以下程度とされている。また、貫通孔２０７は、孔径が３０ｍｍ以下程度とされ、断面視で０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度のピッチで配列されている。また、最も外側の貫通孔２０７の壁の厚さは、０．１ｍｍ程度とされている。貫通孔２０７の孔径や、数、配置間隔などは、層流発生機構１０２ａの断面視の寸法により、適宜に設定すればよい。

以上に説明したように、実施の形態２では、温度センサ１０４を、層流発生機構１０２ａの最も外側の貫通孔２０７の外側に接して設けている。層流発生機構１０２ａでは、多くの細流路１０６を用いるようにするため、隣り合う細流路１０６（貫通孔２０７）の間隔や、最も外側の貫通孔２０７の壁は、薄い構造体となる。

このため、温度センサ１０４と、これに隣り合って配置される貫通孔２０７との間の機構本体２０２の壁は、熱容量が少なく、貫通孔２０７を流れる流体の温度は、この壁を介して、より損失が少なく、かつ、より少ない熱応答で、温度センサ１０４に伝わる。これらのことにより、実施の形態２においても、温度センサ１０４は、流体の温度をより正確に測定することが可能となり、測定対象の流体の温度がより正確に測定できるようになる。

なお、実施の形態２においても、例えば、温度センサを覆って形成され、温度センサと周囲とを断熱するための断熱構造を備えるようにしてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、温度センサを、層流発生機構の最も外側の細流路の外側に接して設けるようにしたので、層流発生機構を用いた差圧式の流量測定で、測定対象の流体の温度がより正確に測定できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…流路、１０２…層流発生機構、１０３…差圧取得部、１０４…温度センサ、１０５…流量計測部、１０６…細流路、１０７…層流板、１０８…枠部。

Claims

測定対象の流体が流れる流路と、
前記流路の途中に設けられ、複数の細流路から構成されて前記複数の細流路を通過させることで流体を層流とするように構成された層流発生機構と、
前記層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差を差圧として取得するように構成された差圧取得部と、
前記層流発生機構の最も外側の細流路の外側に接して設けられて前記層流発生機構を通過する流体の温度を測定するように構成された温度センサと、
前記差圧取得部が取得した差圧および前記温度センサが測定した温度により前記流路を通過する流体の流量を求めるように構成された流量計測部と
を備えることを特徴とする層流型差圧流量計。
請求項１記載の層流型差圧流量計において、
前記温度センサは、前記層流発生機構の最も外側の細流路の路壁を介して前記層流発生機構を通過する流体の温度を測定する
ことを特徴とする層流型差圧流量計。
請求項１または２記載の層流型差圧流量計において、
前記層流発生機構は、金属から構成されていることを特徴とする層流型差圧流量計。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の層流型差圧流量計において、
前記温度センサが設けられた細流路の前記温度センサの周囲に形成され、前記温度センサが設けられた細流路の路壁の厚さを薄くする溝部を備えることを特徴とする層流型差圧流量計。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の層流型差圧流量計において、
前記温度センサを覆って形成され、前記温度センサと周囲とを断熱するための断熱構造を備えることを特徴とする層流型差圧流量計。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の層流型差圧流量計において、
前記層流発生機構は、各々同じ板厚とされた複数の層流板が所定の間隔を開けて前記流路の流れの方向に平行に配置され、複数の層流板の間を細流路として通過させることで流体を層流とし、
前記温度センサは、前記層流発生機構の最も外側の層流板の外側に接して設けられている
ことを特徴とする層流型差圧流量計。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の層流型差圧流量計において、
前記層流発生機構は、機構本体と、前記機構本体を貫通する複数の貫通孔とから構成され、貫通孔を細流路として通過させることで流体を層流とし、
前記温度センサは、前記層流発生機構の最も外側の貫通孔の壁の外側に接して設けられている
ことを特徴とする層流型差圧流量計。