JP2020118633A

JP2020118633A - 熱式流量計

Info

Publication number: JP2020118633A
Application number: JP2019011984A
Authority: JP
Inventors: 池　信一; Shinichi Ike; 信一池
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-08-06

Abstract

【課題】樹脂製の配管を用いた熱式流量計で正確な流量測定をする。【解決手段】第１接続部１３１に第１配管１０１の入力側を嵌合することで、第１配管１０１と第２配管１０２とが接続され、第２接続部１３２に第１配管１０１の排出側を嵌合することで、第１配管１０１と第３配管１０３とが接続されている。第１接続部１３１の第１配管１０１の外周面と第２配管１０２の内周面との間が溶着し、第２接続部１３２の第１配管１０１の外周面と第３配管１０３の内周面との間が溶着している。【選択図】図１

Description

本発明は、熱式流量計に関し、より詳しくは、樹脂から構成された配管を用いた熱式流量計に関する。

従来のこの種の熱式流量計としては、例えば図３に示す構造のものや、特許文献１に記載されているものがある。図３に示す熱式流量計は、測定管３０１やプリント基板（図示せず）などを備えている。測定管３０１は、ガラス管などの硬質な管材から構成されている。また、フッ酸などの腐食性ガスが測定対象の場合、配管材料として金属やガラスなどを用いることができず、測定管３０１は、フッ素樹脂から構成する。測定管３０１の長手方向の中央部には、図示していない流量検出用のセンサを取り付けるために凹部３０２が形成されている。

測定管３０１の両端部は、それぞれスリーブ３０３を介して継手軸３０４に固定されている。スリーブ３０３と継手軸３０４は、フッ素樹脂によって形成されている。スリーブ３０３は、一端に第１のテーパー面３０５を有する円筒状に形成されており、継手軸３０４の端部に螺合したナット３０６によって継手軸３０４に向けて押されている。第１のテーパー面３０５は、スリーブ３０３の一端から他端に向かうにしたがってスリーブ３０３の外径が次第に大きくなる形状に形成されている。スリーブ３０３の中空部には測定管３０１が嵌合している。

継手軸３０４の軸心部には、貫通孔３０７が形成されている。貫通孔３０７は、測定管３０１の中空部と協働して流体通路（流路）を構成している。継手軸３０４における測定管３０１の側の一端には、スリーブ３０３の第１のテーパー面３０５と嵌合する第２のテーパー面３０８が形成されている。上述したナット３０６が継手軸３０４にねじ込まれることにより、第２のテーパー面３０８に第１のテーパー面３０５が押し付けられ、これら第１のテーパー面３０５および第２のテーパー面３０８どうしが互いに密着するとともに、スリーブ３０３の一端部が縮径して測定管３０１に密着する。これにより、流路から流体が漏洩することがないように測定管３０１と継手軸３０４との接続部分がシールされる。

また、継手軸３０４の他端には、ナット３１３が螺着され、ナット３１３は、チューブ３１０を継手軸３０４の他端に固定する。チューブ３１０は、スリーブ３１１を介して継手軸３０４に固定されている。チューブ３１０およびスリーブ３１１は、フッ素樹脂によって形成されている。スリーブ３１１は、一端に第３のテーパー面３１２を有する円筒状に形成されており、継手軸３０４の端部に螺合したナット３１３によって継手軸３０４に向けて押されている。第３のテーパー面３１２は、スリーブ３１１の一端から他端に向かうにしたがってスリーブ３１１の外径が次第に大きくなる形状に形成されている。スリーブ３１１の中空部にはチューブ３１０が嵌合している。測定管３０１の中空部は、貫通孔３０７と協働して流路を構成している。

継手軸３０４におけるチューブ３１０の側の他端には、スリーブ３１１の第３のテーパー面３１２と嵌合する第４のテーパー面３１４が形成されている。ナット３１３が継手軸３０４にねじ込まれることにより、第４のテーパー面３１４に第３のテーパー面３１２が押し付けられ、これら第３のテーパー面３１２および第４のテーパー面３１４どうしが互いに密着するとともに、スリーブ３１１の一端部が縮径してチューブ３１０に密着する。これにより、流路から流体が漏洩することがないようにチューブ３１０と継手軸３０４との接続部分がシールされる。

特開２０１６−１５６６５０号公報特開２００８−２９２２８６号公報

上述したように、フッ酸などの腐食性の液体が測定対象の場合、配管材料としてフッ素樹脂などの樹脂が用いられている。ところで、上述したように、測定管とチューブとを継手により接続していると、構造的に流路内に段差ができてしまい、流れを乱す元となっていた。この流路における段差により、流路特性にふらつきが生じ、熱式流量計の流量測定結果に再現性が得られないなど、正確な流量測定ができないという問題が生じている。

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、樹脂製の配管を用いた熱式流量計で正確な流量測定ができるようにすることを目的とする。

本発明に係る熱式流量計は、測定対象の流体を輸送する、樹脂製の第１配管と、第１配管の入力側に接続されて、流体を輸送する樹脂製の第２配管と、第１配管の排出側に接続されて、流体を輸送する樹脂製の第３配管と、第１配管に設けられた発熱体を含む流量検出用のセンサとを備え、第１配管の外径は、第２配管および第３配管の外径より細くされ、第２配管は、内径が第１配管の外径と等しくされた第１接続部を備え、第３配管は、内径が第１配管の外径と等しくされた第２接続部を備え、第１接続部に第１配管の入力側を嵌合することで、第１配管と第２配管とが接続され、第２接続部に第１配管の排出側を嵌合することで、第１配管と第３配管とが接続され、第１接続部および第２接続部以外の領域において、第２配管および第３配管の内径は、第１配管の内径と等しくされ、第１接続部の第１配管の外周面と第２配管の内周面との間が溶着し、第２接続部の第１配管の外周面と第３配管の内周面との間が溶着している。

上記熱式流量計の一構成例において、第１接続部の第１配管の外周面と、第２配管の内周面の間の周方向全域が溶着し、第２接続部の第１配管の外周面と、第３配管の内周面との間の周方向全域が溶着している。

上記熱式流量計の一構成例において、第１配管、第２配管、および第３配管は、フッ素樹脂から構成されている。

上記熱式流量計の一構成例において、センサが設けられている領域以外の第１配管の周囲を覆う補強管をさらに備え、補強管の内壁は、第１配管の外壁に接している。

上記熱式流量計の一構成例において、補強管は、フッ素樹脂から構成されている。

上記熱式流量計の一構成例において、センサは、流体を加熱するように構成されたヒータ、および第１配管において流体の温度を測定するように構成された温度測定部を備え、ヒータの温度とヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定されている設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータに加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成され、温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、センサは、ヒータの温度と温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータの電力をセンサ値として出力する。

上記熱式流量計の一構成例において、センサは、流体を加熱するように構成されたヒータ、および第１配管において流体の温度を測定するように構成された温度測定部を備え、ヒータの温度とヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定されている設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータに加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成され、温度測定部は、第１配管に沿って、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定する第１温度測定部と、第１配管に沿って、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定する第２温度測定部と、第１配管に沿って、ヒータより下流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定する第３温度測定部とを備え、センサは、ヒータの温度と、第１温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、第２温度測定部が測定した流体の温度と第３温度測定部が測定した流体の温度との温度差をセンサ値として出力する。

以上説明したように、本発明によれば、流量検出用のセンサが設けられる樹脂製の第１配管の外周面と、樹脂製の第２配管の内周面との間を溶着し、第１配管の外周面と樹脂製の第３配管の内周面との間を溶着し、第１配管と、第２配管および第３配管とを接続するので、樹脂製の配管を用いた熱式流量計で正確な流量測定ができるようになる。

図１は、本発明の実施の形態における熱式流量計の構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態における他の熱式流量計の一部構成を示す構成図である。図３は、熱式流量計の一部構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る熱式流量計について図１を参照して説明する。この熱式流量計は、測定対象の流体を輸送する、樹脂製の第１配管１０１と、第１配管１０１の入力側に接続されて、流体を輸送する樹脂製の第２配管１０２と、第１配管１０１の排出側に接続されて、流体を輸送する樹脂製の第３配管１０３とを有する。互いに接続されている第１配管１０１の中空部，第２配管１０２の中空部、第３配管１０３の中空部は、各々協働して流体通路（流路）を構成している。第１配管１０１、第２配管１０２、および第３配管１０３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene；ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂から構成することができる。

第１配管１０１の外径は、第２配管１０２および第３配管１０３の外径より細くされている。また、第２配管１０２は、内径が第１配管１０１の外径と等しくされた第１接続部１３１を備え、第３配管１０３は、内径が第１配管１０１の外径と等しくされた第２接続部１３２を備える。第１接続部１３１に第１配管１０１の入力側を嵌合することで、第１配管１０１と第２配管１０２とが接続され、第２接続部１３２に第１配管１０１の排出側を嵌合することで、第１配管１０１と第３配管１０３とが接続されている。

また、第１接続部１３１および第２接続部１３２以外の領域において、第２配管１０２および第３配管１０３の内径は、第１配管１０１の内径と等しくされている。また、第１接続部１３１の第１配管１０１の外周面と第２配管１０２の内周面との間が溶着し、第２接続部１３２の第１配管１０１の外周面と第３配管１０３の内周面との間が溶着している。第１接続部１３１の第１配管１０１の外周面と、第２配管１０２の内周面の間の周方向全域が溶着している。また、第２接続部１３２の第１配管１０１の外周面と、第３配管１０３の内周面との間の周方向全域が溶着している。例えば、よく知られたレーザ溶着により、上述した溶着を実施することができる。

例えば、まず、第２配管１０２の第１接続部１３１に第１配管１０１を嵌合する。この後、第１配管１０１の外周面と第２配管１０２の内周面との界面にレーザ溶着におけるレーザを照射し、この照射を、管の周方向に１周させる。これにより、第１接続部１３１の第１配管１０１の外周面と第２配管１０２の内周面との間を溶着させることができる。第２接続部１３２の第１配管１０１の外周面と第３配管１０３の内周面との間の溶着についても上述同様である。

第１接続部１３１において、第１配管１０１の外周面と第２配管１０２の内周面との間を溶着することで、第１配管１０１と第２配管１０２との接続を固定するので、継手部品を用いた接続のように流路内部に段差構造がなく、管内部をストレートな形状に保つことができる。第２接続部１３２においても同様である。

また、この熱式流量計は、第１配管１０１に設けられた発熱体（ヒータ）を含む流量検出用のセンサ１０４を備える。センサ１０４については、後述する。また、この熱式流量計は、センサ１０４が設けられている領域以外の第１配管１０１の周囲を覆う補強管１０５をさらに備える。補強管１０５の内壁は、第１配管１０１の外壁に接している。補強管１０５は、例えば、第１配管１０１、第２配管１０２、および第３配管１０３と同様に、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂から構成することができる。補強管１０５は、セラミックや金属から構成することもできる。

次に、センサ１０４について説明する。センサ１０４は、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、電力計測部１１４を備える。温度測定部１１１は、第１配管１０１の外壁に設けられている。ヒータ１１２は、温度測定部１１１の下流側の第１配管１０１の外壁に、熱的接触して設けられている。温度測定部１１１、ヒータ１１２は、例えば、熱伝導性接着剤により、第１配管１０１の外壁に接着されて固定されている。温度測定部１１１は、流体の温度を測定する。

センサ１０４は、ヒータ１１２の温度と、ヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２に加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力する。

実施の形態において、制御部１１３が、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定されるヒータ１１２の熱影響を受けない位置、例えば、第１配管１０１に沿ってヒータ１１２より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。制御部１１３は、よく知られた駆動回路から構成することができる（特許文献２参照）。また、電力計測部１１４は、制御部１１３により制御されているヒータ１１２の電力を計測して出力する。センサ１０４を構成する電力計測部１１４から出力される電力がセンサ値となる。このセンサ値より、流量算出部１０６が流体の流量を算出する。

次に、実施の形態における熱式流量計の動作について説明する。よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２が消費している電力と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、電力計測部１１４が計測した電力より、流量算出部１０６において、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

以上に説明したように、実施の形態によれば、流量検出用のセンサ１０４が取り付けられる樹脂製の第１配管に、第２配管および第３配管を嵌合させ、第１配管の外周面と第２配管および第３配管の内周面との間が溶着しているようにしたので、流路に段差などが形成されることがなくなり、樹脂製の配管を用いた熱式流量計で正確な流量測定ができるようになる。

なお、図２に示すように、温度測定部（第１温度測定部）１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、温度測定部（第２温度測定部）１１６、温度測定部（第３温度測定部）１１７からセンサ１０４’を構成することもできる。なお、図２では、第２配管、第３配管を省略して示していない。

温度測定部１１１は、第１配管１０１の外壁に熱的接触して設けられている。また、温度測定部１１６，ヒータ１１２，および温度測定部１１７は、第１配管１０１の外壁に熱的接触して設けられている。

温度測定部１１１は、第１配管１０１に沿って、ヒータ１１２より上流側でヒータ１１２の熱影響を受けない位置の流体の温度を測定する。制御部１１３は、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定される流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。

温度測定部１１６は、温度測定部１１１より下流側でかつヒータ１１２の上流側における第１配管１０１おいて、第１配管１０１の外壁に接して設けられている。また、温度測定部１１７は、ヒータ１１２の下流側における第１配管１０１において、第１配管１０１の外壁に接して設けられている。温度測定部１１６は、第１配管１０１に沿ってヒータ１１２より上流側でヒータ１１２の熱影響を受ける位置の流体の温度を測定する。温度測定部１１７は、第１配管１０１に沿って、ヒータ１１２より下流側でヒータ１１２の熱影響を受ける位置の流体の温度を測定する。

温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差より、流体の流量を算出することができる。この例では、温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差が、センサ値となる。

よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２より上流の流体の温度とヒータ１１２より下流の流体の温度との温度差と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、温度測定部１１６が測定した温度と温度測定部１１７が測定した温度との差（温度差）より、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

以上に説明したように、本発明によれば、流量検出用のセンサが設けられる樹脂製の第１配管の外周面と、樹脂製の第２配管の内周面との間を溶着し、第１配管の外周面と樹脂製の第３配管の内周面との間を溶着し、第１配管と、第２配管および第３配管とを接続するので、樹脂製の配管を用いた熱式流量計で正確な流量測定ができるようになる。

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…第１配管、１０２…第２配管、１０３…第３配管、１０４…センサ、１０５…補強管、１０６…流量算出部、１１１…温度測定部、１１２…ヒータ、１１３…制御部、１１４…電力計測部、１３１…第１接続部、１３２…第２接続部。

Claims

測定対象の流体を輸送する、樹脂製の第１配管と、
前記第１配管の入力側に接続されて、前記流体を輸送する樹脂製の第２配管と、
前記第１配管の排出側に接続されて、前記流体を輸送する樹脂製の第３配管と、
前記第１配管に設けられた発熱体を含む流量検出用のセンサと
を備え、
前記第１配管の外径は、前記第２配管および前記第３配管の外径より細くされ、
前記第２配管は、内径が前記第１配管の外径と等しくされた第１接続部を備え、
前記第３配管は、内径が前記第１配管の外径と等しくされた第２接続部を備え、
前記第１接続部に前記第１配管の入力側を嵌合することで、前記第１配管と前記第２配管とが接続され、
前記第２接続部に前記第１配管の排出側を嵌合することで、前記第１配管と前記第３配管とが接続され、
前記第１接続部および前記第２接続部以外の領域において、前記第２配管および前記第３配管の内径は、前記第１配管の内径と等しくされ、
前記第１接続部の前記第１配管の外周面と前記第２配管の内周面との間が溶着し、
前記第２接続部の前記第１配管の外周面と前記第３配管の内周面との間が溶着している
ことを特徴とする熱式流量計。
請求項１記載の熱式流量計において、
前記第１接続部の前記第１配管の外周面と、前記第２配管の内周面の間の周方向全域が溶着し、
前記第２接続部の前記第１配管の外周面と、前記第３配管の内周面との間の周方向全域が溶着している
ことを特徴とする熱式流量計。
請求項１または２記載の熱式流量計において、
前記第１配管、前記第２配管、および前記第３配管は、フッ素樹脂から構成されていることを特徴とする熱式流量計。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記センサが設けられている領域以外の前記第１配管の周囲を覆う補強管をさらに備え、
前記補強管の内壁は、前記第１配管の外壁に接している
ことを特徴とする熱式流量計。
請求項４記載の熱式流量計において、
前記補強管は、フッ素樹脂から構成されていることを特徴とする熱式流量計。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記センサは、前記流体を加熱するように構成されたヒータ、および前記第１配管において前記流体の温度を測定するように構成された温度測定部を備え、前記ヒータの温度と前記ヒータの熱影響を受けない位置における前記流体の温度との差が設定されている設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータに加熱された前記流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成され、
前記温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサは、前記ヒータの温度と前記温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータの電力を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記センサは、前記流体を加熱するように構成されたヒータ、および前記第１配管において前記流体の温度を測定するように構成された温度測定部を備え、前記ヒータの温度と前記ヒータの熱影響を受けない位置における前記流体の温度との差が設定されている設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータに加熱された前記流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成され、
前記温度測定部は、
前記第１配管に沿って、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定する第１温度測定部と、
前記第１配管に沿って、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定する第２温度測定部と、
前記第１配管に沿って、前記ヒータより下流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定する第３温度測定部と
を備え、
前記センサは、前記ヒータの温度と、前記第１温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記第２温度測定部が測定した前記流体の温度と前記第３温度測定部が測定した前記流体の温度との温度差を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。