JP2023140538A

JP2023140538A - 熱式流量センサ

Info

Publication number: JP2023140538A
Application number: JP2022046428A
Authority: JP
Inventors: まゆみ湯山; Mayumi Yuyama
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2023-10-05

Abstract

【課題】短い助走距離でしかも小型のセンサチップを使用しながら高流量を計測することが可能な熱式流量センサを提供する。【解決手段】被測定用の流体が流れる流路８を形成する流路形成部材２を備える。流路形成部材２に設けられ、流路８を流路断面積が等しい第１～第４の分流部１２～１５に分ける分流板１１を備える。流路形成部材２に設けられ、第１の分流部１２に露出するセンサエレメント２４を有するセンサチップ３を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流れを発達した流れとする流路を備えた熱式流量センサに関する。

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は、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、熱式流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。熱式流量計は、気体も測定対象とすることも可能であり、質量流量が測定できるなどの利点がある（特許文献１）。

熱式流量計では、熱式流量センサの箇所を通過する流体が、この箇所より上流側において発達した流れであることが、精度良く流量を測定する上で重要となる。

特開２００６－３４９５７７号公報

ここで、上述した流れが発達するために必要な助走距離を確保するため、熱式流量センサを設けた流路の前段に、従来、さらに配管やチューブなどをつなげていた。ところが、この取り付けのための継手の締め付け方や、取り付けた追加の管の微妙な曲がり具合が、測定精度・再現性に影響をもたらすという問題があった。特に、高流量域になると流速分布の乱れが大きくなるため、上述した追加の管による問題が、流量レンジ拡大の妨げになっていた。しかも、流路内にセンサチップが組み込まれた構造で高流量を測定する場合には、熱式流量センサのセンサチップを太い測定管の中央部まで延びるように形成しなければならないから、センサチップが大型化してしまうという問題もある。
測定管に配管やチューブをつなげることにより生じる不具合は、助走距離を熱式流量センサが含まれる製品内で確保することにより解消することができる。しかし、この構成を採ると、製品サイズが大きくなってしまうという新たな問題が生じる。

本発明の目的は、短い助走距離でしかも小型のセンサチップを使用しながら高流量を計測することが可能な熱式流量センサを提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明に係る熱式流量センサは、被測定用の流体が流れる流路を形成する流路形成部材と、前記流路形成部材に設けられ、前記流路を流路断面積が等しい複数の分流部に分ける少なくとも１つの分流板と、前記流路形成部材に設けられ、前記分流部に露出するセンサエレメントを有する少なくとも一つのセンサチップとを備えているものである。

本発明は、前記熱式流量センサにおいて、前記分流板は、互いに直交する少なくとも２つの板部材によって形成されていてもよい。

本発明は、前記熱式流量センサにおいて、前記流路形成部材は、前記流路の流路断面の形状が矩形となるように４つの流路壁を有し、前記センサチップは、前記４つの流路壁のうち、互いに隣り合う２つの前記流路壁を含む前記分流部について流量を測定するように配置されていてもよい。

本発明において、流路形成部材の流路を流れる流体の総流量は、１つの分流部を流れる流体の流量に分流部の数を乗じることにより求めることができる。
分流部を流れる流体の流れを発達した流れとするために必要な助走距離は、分流板を備えていない場合の流路における助走距離より短くなる。また、分流部を流れる流体の流量を測定するために必要なセンサチップは、分流板を備えていない場合の流路を流れる流体の流量を測定するために必要なセンサチップより小さくてよい。
したがって、本発明によれば、小型化を図りながら、助走距離を確保することが可能な熱式流量センサを提供することができる。

図１は、本発明に係る熱式流量センサの断面図である。図２は、図１におけるII－II線断面図である。図３は、分流板の変形例を示す熱式流量センサの断面図である。図４は、複数のセンサチップを備えた熱式流量センサの断面図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る熱式流量センサの一実施の形態を図１～図３を参照して詳細に説明する。
図１に示す熱式流量センサ１は、流路形成部材２にセンサチップ３を組み付けて構成されている。流路形成部材２は、断面形状が長方形となる角筒を構成する４つの流路壁４～７を有している。詳述すると、通路形成部材２は、断面形状である長方形の２つの長辺となる一対の第１および第２の流路壁４，５と、これらの第１および第２の流路壁４，５の両端どうしを接続する第３および第４の流路壁６，７とを有している。また、流路形成部材２は、これらの第１～第４の流路壁４～７によって囲まれた流路８を有している。

流路８には液体または気体からなる被測定用の流体が流される。第１の流路壁４と第２の流路壁５との間には、複数の分流板１１が設けられている。この実施の形態においては、３枚の分流板１１が設けられ、流路形成部材２の内部の流路８が３枚の分流板１１によって第１～第４の分流部１２～１５に分けられている。

分流板１１は、流路８を流路断面積が等しい複数の分流部（第１～第４の分流部１２～１５）に分けている。ここでいう流路断面積とは、上流側から見た流路８の断面積である。第１～第４の分流部１２～１５の個々の流路断面の形状は矩形である。分流板１１は、図２に示すように、流路形成部材２の上流端２ａから所定の長さだけ下流側に延びている。流体の流れる方向は、図２中に白抜きの矢印で示すように、図２において下から上に向かう方向である。流体の流れる方向における分流板１１の長さが第１～第４の分流部１２～１５の長さに相当する。

図１に示すように、第１の流路壁４における第３の流路壁６と隣り合う部分には、センサチップ３が設けられている。センサチップ３は、図２に示すように、温度センサ２１，２２とヒータ２３とを含むセンサエレメント２４を有し、センサエレメント２４が第１の流路壁４の壁面と同一平面上に位置して第１の分流部１２に露出するように第１の流路壁４に組み付けられている。このセンサチップ３は、第１～第４の流路壁４～７のうち、互いに隣り合う２つの流路壁、すなわち第１の流路壁４と第３の流路壁６を含む第１の分流部１２の流量を測定する。この場合、流路８の総流量（全ての分流部を流れる流体の総流量）は、第１の分流部１２を流れる流体の流量に分流部の数を乗じることにより求めることができる。すなわち、第１の分流部１２の流量を４倍することにより流路８の総流量を求めることができる。

第１の分流部１２におけるセンサチップ３と流路形成部材２の上流端２ａとの間の距離Ｌは、センサチップ３の直上を通過する流体の流れが発達した流れ（層流）となる助走距離と等しいか、それより僅かに長くなるように設定されている。助走距離は、第１の分流部１２の流路断面の寸法に基づいて下記の式（１）により求めることができる。
助走距離＝０．０６５ＲｅＤ……（１）
式（１）において、Ｒｅはレイノルズ数である。レイノルズ数は、（Ｄ×Ｖｍ）／ｃｓｔで求められる。
Ｄは矩形流路の場合、２ａｂ／（ａ＋ｂ）である。ａおよびｂは、第１の分流部１２の流路断面の辺の長さである。
Ｖｍは断面平均速度［ｍ／ｓ］である。
ｃｓｔは動粘度［ｍ²／ｓ］である。

第１の分流部１２の助走距離は、流路形成部材２に分流板１１が設けられていない場合の流路８の助走距離と較べると短くなる。
また、センサチップ３は、流路８の一側部に位置する第１の分流部１２の流量を測定するように、第１の流路壁４における第３の流路壁６と隣接する端部に設けられているから、流路８の中央部の流量を測定する場合と較べて小型のものを使用することができる。
したがって、この実施の形態によれば、短い助走距離でしかも小型のセンサチップを使用しながら高流量を計測することが可能な熱式流量センサを提供することができる。

（分流板の変形例）
分流板は、図３に示すように構成することができる。図３において、図１および図２によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図３に示す分流板１１は、第１および第２の流路壁４，５と平行に延びる第１の板部材１１ａと、第３および第４の流路壁６，７と平行に延びる第２～第４の板部材１１ｂ～１１ｄとによって構成されている。第２～第４の板部材１１ｂ～１１ｄは、第１の板部材１１ａとは直交している。

この実施の形態においては、流路８が第１～第４の板部材１１ａ～１１ｄによって８等分され、流路断面積が等しい第１～第８の分流部３１～３８に分けられている。
なお、第１の板部材１１ａと直交する板部材は、図３に示す例では３枚であるが、１枚でもよい。すなわち、分流板１１は、互いに直交する少なくとも２つの板部材によって形成することができる。
分流板１１を図３に示すように構成することにより、図１に示す形態を採る場合と較べて各分流部の通路断面積を更に小さくすることができるから、より一層小さい熱式流量センサを実現することができる。

（第２の実施の形態）
センサチップ３は、図４に示すように設置することができる。図４において、図１および図２によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する

図４に示すセンサチップ３は、第１の分流部１２の流量を測定する位置と、第４の分流部１５の流量を測定する位置とにそれぞれ設置されている。詳述すると、これらのセンサチップ３，３のうち一方のセンサチップ３は、第１の流路壁４と第３の流路壁６とを含む第１の分流部１２について流量を測定するように第１の流路壁４に配置されている。他方のセンサチップ３は、第１の流路壁４と第４の流路壁７とを含む第４の分流部１５について流量を測定するように第１の流路壁４に配置されている。すなわち、これら２つのセンサチップ３，３は、第１～第４の流路壁４～７のうち、互いに隣り合う２つの流路壁を含む分流部について流量を測定するように配置されている。
このように２つのセンサチップ３，３を使用することにより、測定精度が高くなるとともに、流量の測定において再現性が良い熱式流量センサを実現することができる。

１…熱式流量センサ、２…流路形成部材、３…センサチップ、４～７…第１～第４の流路壁、８…流路、１１…分流板、１１ａ～１１ｄ…第１～第４の板部材、１２～１５，３１～３４…第１～第４の分流部、２４…センサエレメント、３５～３８…第５～第８の分流部。

Claims

被測定用の流体が流れる流路を形成する流路形成部材と、
前記流路形成部材に設けられ、前記流路を流路断面積が等しい複数の分流部に分ける少なくとも１つの分流板と、
前記流路形成部材に設けられ、前記分流部に露出するセンサエレメントを有する少なくとも一つのセンサチップとを備えていることを特徴とする熱式流量センサ。
請求項１に記載の熱式流量センサにおいて、
前記分流板は、互いに直交する少なくとも２つの板部材によって形成されていることを特徴とする熱式流量センサ。
請求項１または請求項２に記載の熱式流量センサにおいて、
前記流路形成部材は、前記流路の流路断面の形状が矩形となるように４つの流路壁を有し、
前記センサチップは、前記４つの流路壁のうち、互いに隣り合う２つの前記流路壁を含む前記分流部について流量を測定するように配置されていることを特徴とする熱式流量センサ。