JP3870969B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は流量測定装置、例えば、工場における空気流量を監視する産業機器、睡眠時無呼吸症候群用治療機器等の医療機器等に使用される小型の流量測定装置に関する。

一般に、流量測定装置のうち、大流量を直接測定する直管型流量測定装置では、流量検出素子の測定可能領域まで流速を低くするために配管の直径を大きくする必要があり、装置の小型化に限界があった。特に、流速が速くなると、流量検出素子の出力直線性が低下し、精度の高い測定が困難になる。このため、小型化を図るとともに、測定精度を向上するために主流路に副流路を設け、前記副流路に流れる流体の流量を測定し、これに基づいて主流路を流れる流体の流量を換算する小型の流体測定装置が提案されている。

従来、副流路を設けた流量測定装置としては、例えば、主流路に流れ制限器を設けた流量モジュールがある（特許文献１参照）。また、第１の主管路ブロックと、第２の主管路ブロックとからなる燃焼ガス流量測定装置がある（特許文献２参照）。
特表２００３−５２３５０６号公報 特許第３３４０６５５号公報

しかしながら、前者によれば、圧力損失が大きく、エネルギーロスが大きい。一方、後者によれば、構成部品として副流路を構成するために２部品が必要であり、部品点数，組立工数が多い。
また、副流路型流量測定装置であっても、接続される機器内における配管が複雑であると、主流管内を流れる流速分布が一様でなく、不均一になりやすい。そして、流速分布が不均一であると、分流比が崩れ、正確な流量測定が困難となる。
さらに、例えば、測定する流体の中には塵埃等が混入していることがあり、塵埃等が流量検出素子に付着すると、流量検出素子の特性が変化し、故障しやすいという問題点がある。

本発明は、前記問題点に鑑み、小型で塵埃等が侵入しにくく、高い測定精度を有するとともに、圧力損失の小さい流量測定装置を提供することを課題とする。

本発明にかかる流量測定装置は、前記課題を解決すべく、本発明にかかる流量測定装置は、流体が流れる主流路を有する主流管と、前記主流路内に設けられ、流体の流れを絞るオリフィスと、前記主流管に一体に設けられるとともに、一端が前記オリフィスの上流側において対向するように設けた一対の導入口に連通し、かつ、他端が前記オリフィスの下流側において対向するように設けた一対の排出口に連通する副流路を設けた副流路ブロックとからなり、前記副流路が、上流側が第１分岐点となる前記導入口に連通するとともに、下流側が第２分岐点となる一対の導入流路と、上流側が前記第２分岐点で前記導入流路から分岐し、前記主流路と平行となるように形成されるとともに、下流側が一対の前記排出口にそれぞれ連通する一対の第１副流路と、上流側が前記第２分岐点で前記導入流路から分岐し、前記主流路に交差するように形成された一対の第２副流路と、上流側が一対の前記第２副流路の下流側にそれぞれ連通し、流量検出素子を配置するとともに、下流側が一対の前記排出口にそれぞれ連通する検出流路と、からなる構成としてある。

本発明によれば、第１，第２分岐点で流体の流れが２回分流することになる。このため、大きな圧力損失を生じさせることなく、装置の小型化を維持しつつ、流量検出素子の測定可能領域まで流速を低下させることができる。この結果、流量検出素子の出力直線性を活用でき、測定精度の高い小型の流量測定装置が得られる。また、２回の分流作用で、流体に混入している塵埃等が検出流路内に侵入しにくくなり、塵埃等に基づく不具合を回避できる。
また、本発明によれば、前述の効果に加え、対向する位置に設けた一対の導入口から流入した流体が検出流路内で合流し、その流量が流量検出素子で測定される。このため、主流路内の流速が不均一であっても、前記検出流路内で平均化されるので、より一層、測定精度の高い流量測定装置が得られる。

本発明にかかる実施形態としては、第１副流路の流路断面積を調整可能としておいてもよい。
本実施形態によれば、第１副流路の流路断面積を調整することにより、検出流路に流れる流量を調整できるので、使用できる流量検出素子の選択範囲が広がる。

本発明にかかる他の実施形態としては、上流側を導入口に連通した導入流路と、下流側を排出口に連通した排出流路と、を同一方向に揃えて並設してもよい。
本実施形態によれば、導入流路と排出流路とが同一方向に揃っているので、成型作業において同時に型抜きできることから、主流管に一体成型することが可能となる。

本発明にかかる異なる実施形態としては、導入口に連通する導入流路を、流入した流体の一部が主流路の流れと逆方向に流れるように断面略Ｌ字形状としておいてもよい。
本実施形態によれば、導入流路に流入した流体の一部が主流路の流れと逆方向に流れるとともに、残る一部が排出流路に流出する。このため、塵埃等が検出流路により一層侵入しにくくなり、塵埃等に基づく不具合をより一層確実に回避できるという効果がある。

本発明にかかる実施形態を図１ないし図１６の添付図面に従って説明する。
本実施形態にかかる流量測定装置は、図１および図２に示すように、主流管１１の外周面に副流路を形成する副流路ブロック２０を一体成型したベース１０と、中央部に測定孔３１を有し、前記副流路ブロック２０の開口部をシールするシール板３０と、前記測定孔３１に挿入される流量検出素子４１を下面中央に有し、前記シール板３０に積み重ねられる回路基板４０と、前記副流路ブロック２０の開口部を被覆するカバー５０と、から構成されている。なお、シール板３０と回路基盤４０とはネジ４３を介して副流路ブロック２０に固定される。

前記ベース１０は、主流管１１内を貫通する主流路１２の内周面の中央部に十文字形状のオリフィス１３を設けてある。そして、前記オリフィス１３を設けた内周面のうち、上下で対向するように第１調整リブ１４，１４を突設する一方、左右で対向するように第２調整リブ１５，１５を突設してある。前記第１，第２調整リブ１４，１５は、流速分布の不均一を是正し、より一層正確な流量測定を行うために設けられている。

シール板３０はゴム等の絶縁材からなるものであり、流体の漏洩を防止し、回路基板４０を保護するためのものである。

回路基板４０は、下面中央に取り付けた流量検出素子４１がデータを検出し、上面に設けた制御回路４２が前記データに基づいて主流路１２の流量を換算して出力する。前記流量検出素子４１としては、例えば、熱式流量検出素子、熱線式流量検出素子等が挙げられ、特に、限定するものではない。

一方、副流路ブロック２０内に形成される副流路は、図３に示すように、前記オリフィス１３の上流側近傍に位置する内周面のうち、左右で対向する位置に設けた第１分岐点である一対の導入口２１，２１から始まり、前記オリフィス１３の下流側近傍に位置する内周面のうち、左右で対向する位置に設けた一対の排出口２８，２８で終わる流路である。

前記副流路は、図６に示すように、線対称となるように形成されており、前記導入口２１，２１から流入した流体を上昇させる平面略Ｌ字形状の導入縦溝２２，２２が設けられている。そして、前記導入縦溝２２の上端に位置する第２分岐点２０ａで、主流路１２と平行に形成されている第１副流路２３と、前記主流路１２に直交する方向に形成されている第２副流路２４とに分かれる。前記第１副流路２３は中央に位置する仕切り壁２３ａを越えて平面略Ｌ字形状の排出縦溝２７に連通する。

前記第２副流路２４は線対称となるように設けた他の第２副流路２４と第１合流点２０ｂで合流し、前記主流路１２と平行に形成した検出流路である第３流路２５に連通する。前記第３流路２５を形成するために設けた一対の略Ｃ字形状の仕切り壁２９のうち、対向面の中間部に突部２９ａが対向するように形成され、巾狭の検出区域となっている。流路を絞ることにより、流れの不均一を是正するためである。そして、前記第３流路２５の下流側に位置する第３分岐点２０ｃで左右に一対の第４副流路２６，２６にそれぞれ分岐する。ついで、第４副流路２６は、その下流側に位置する第２合流点２０ｄで前記第１副流路２３の下流側と合流するとともに、排出縦溝２７に連通する。最後に、前記排出縦溝２７の下流側に位置する前記排出口２８を介して主流路１２に連通する。

本実施形態において、第１分岐点である導入口２１で流体が分流することから、導入縦溝２２に塵埃等は侵入しにくい。さらに、導入口２１に連通する導入縦溝２２を平面略Ｌ字形状とし、前記導入口２１から流入した流体が主流路１２の流れと逆方向に流れるようにした。質量が大きい塵埃、液体等は逆方向に流れにくいので、検出流路である第３流路２５により一層塵埃等が侵入しにくくなる。
また、前記排出縦溝２７を断面略Ｌ字形状としたのは、上流側と下流側とのバランスを考慮して円滑な流れを確保するためである。

本実施形態によれば、導入縦溝２２および排出縦溝２７を並設するように同一方向に揃えて形成してあるので、型抜きを同時に行うことができ、主流管１１に副流路ブロック２０を一体成型できる。このため、部品点数、組立工数が少なく、組立精度の高い流量測定装置を得られるという利点がある。

次に、前述の構造からなる流量測定装置の測定方法について説明する。
まず、主流路１２の上流側から流れてきた流体はオリフィス１３に当たることにより、偏流の影響が低減化される。そして、偏流の度合いが少なくなった流体の一部が第１分岐点である導入口２１から導入縦溝２２に流入する。このとき、流体に混入している塵埃等は質量が大きいので、その大部分が主流路１２の流れに従って下流側に流れる。

前記導入縦溝２２は平面略Ｌ字形状を有しているので、流入した流体の一部は主流路１２の流れと逆方向に流れるが、塵埃等は気体に比べて質量が大きいので、逆方向に流れにくい。このため、塵埃等は第２分岐点２０ａから第１副流路２３を介して排出縦溝２７に流れる。したがって、第２分岐点２０ａから第２副流路２４に流れ込む流体は塵埃等の混入が極めて少なくなり、流量検出素子４１を汚染しにくい。

第２副流路２４に流れ込んだ流体は第１合流点２０ｂで他の第２副流路２４を流れる流体と合流した後、第３流路２５に流れ込み、対向する突部２９ａ，２９ａの間に配置された流量検出素子４１を通過し、流量が測定される。ついで、前記第３副流路２５の下流側に位置する第３分岐点２０ｃで左右に分かれた流体は第４副流路２６から排出縦溝２７の上流側に流れ、第２合流点２０ｄで導入縦溝２７から第１副流路２３を介して流れてきた流体と合流する。そして、合流した流体は排出縦溝２７に沿って下降し、排出口２８から主流路１２に流出する。

前記流量検出素子４１は、例えば、所定の速度で通過する流体によって奪われる熱量に基づいて電圧の変化を検出することにより、通過する流体の流量を検出するものである。そして、本実施形態によれば、第３副流路２５を通過する流体の速度を低く設定できるので、低速度の流体しか測定できない流量検出素子も使用でき、安価に製造することができる。
また、流量を適宜調整することにより、流量検出素子４１の測定可能領域のうち、直線性に優れた測定領域を選択できるので、測定精度の高い流量測定装置が得られる。
なお、第３副流路２５の流量の調整は第１副流路２３における仕切り壁２３ａの高さや平面積、または、第２副流路２４の断面積を調整することにより、流量検出素子４１に適した流量に調整できる。

本実施形態では、副流路を左右対称に一対設けることにより、流体を合流するようにしてあるので、主流路における流体の速度分布が不均一であっても、平均化されるので、測定精度が向上する。

本願発明にかかる流量測定装置は、気体の流量を測定する場合だけでなく、液体の流量を測定する場合にも適用できものである。

図１Ａおよび図１Ｂは本願発明にかかる流量測定装置の実施形態を示す斜視図および左側面図である。 図１で示した流量測定装置の分解斜視図である。 図３Ａおよび図３Ｂは図１で示した流量測定装置の断面図および平面図である。 図１で示した流量測定装置の断面斜視図である。 図５Ａおよび図５Ｂは図１で示した流量測定装置の平面図およびカバーを外した状態を示す平面図である。 図５Ｂで示した流量測定装置の斜視図である。 図５Ｂで示した流量測定装置の異なる角度から見た斜視図である。 図７の平面断面斜視図である。 図８と異なる位置で切断した図７の平面断面斜視図である。 図９と異なる位置で切断した図７の平面断面斜視図である。 図１０と異なる位置で切断した図７の平面断面斜視図である。 図１２Ａないし図１２Ｄは平面断面図を示し、図１２Ｅは切断位置を示す正面図である。 図１３Ａないし図１３Ｄは側面断面図を示し、図１３Ｅは切断位置を示す平面図である。 本願発明にかかる流量測定装置の流路を簡略的に示した斜視図である。 本願発明にかかる流量測定装置の流路を概略的に示した斜視図である。

符号の説明

１０：ベース
１１：主流管
１２：主流路
１３：オリフィス
１４：第１調整リブ
１５：第２調整リブ
２０：副流ブロック
２０ａ：第２分岐点
２０ｂ：第１合流点
２０ｃ：第３分岐点
２０ｄ：第２合流点
２１：導入口（第１分岐点）
２２：導入縦溝
２３：第１副流路
２３ａ：仕切り壁
２４：第２副流路
２５：第３副流路（検出流路）
２６：第４副流路
２７：排出縦溝
２８：排出口
２９：仕切り壁
２９ａ：突部
３０：シール板
３１：測定孔
４０：回路基盤
４１：流量検出素子
４２：制御回路
５０：カバー

Claims (4)

1. 流体が流れる主流路を有する主流管と、前記主流路内に設けられ、流体の流れを絞るオリフィスと、前記主流管に一体に設けられるとともに、一端が前記オリフィスの上流側において対向するように設けた一対の導入口に連通し、かつ、他端が前記オリフィスの下流側において対向するように設けた一対の排出口に連通する副流路を設けた副流路ブロックとからなり、
   前記副流路が、
   上流側が第１分岐点となる前記導入口に連通するとともに、下流側が第２分岐点となる一対の導入流路と、
   上流側が前記第２分岐点で前記導入流路から分岐し、前記主流路と平行となるように形成されるとともに、下流側が一対の前記排出口にそれぞれ連通する一対の第１副流路と、
   上流側が前記第２分岐点で前記導入流路から分岐し、前記主流路に交差するように形成された一対の第２副流路と、
   上流側が一対の前記第２副流路の下流側にそれぞれ連通し、流量検出素子を配置するとともに、下流側が一対の前記排出口にそれぞれ連通する検出流路と、
   からなることを特徴とする流量測定装置。
2. 第１副流路が、その流路断面積を調整可能としたことを特徴とする請求項１に記載の流量測定装置。
3. 上流側を導入口に連通した導入流路と、下流側を排出口に連通した排出流路と、を同一方向に揃えて並設したことを特徴とする請求項１または２に記載の流量測定装置。
4. 導入口に連通する導入流路を、流入した流体の一部が主流路の流れと逆方向に流れるように断面略Ｌ字形状としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の流量測定装置。

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