JP4189070B2 - マスフローメータの流量検出機構 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスフローメータの流量検出機構に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来よりマスフローメータの流量検出機構においては、ガス流路に層流を得るように構成されており、その構成としてはエッチングプレートを用いるかあるいは特公昭59−41126号公報記載のように、バイパス部に複数本の毛細管を用いるものがある。
【0003】
また、図9に示すように、特公平6−78926号公報記載の流量検出機構は、ガスの流量を検出するにあたって、先ず流路1Pよりガスを導入し、流量絞り弁2Pとハウジング3Pに形成された孔のテーパ状内周面4Pとの間にガスを流すことで、ガスの流れを層流としていた。そして、層流をなしているテーパ状内周面4Pの部分に設けた流入口ポート5Pからガスの一部を分流してセンサー管へ導入し、流出口ポート6Pより流出させて流入口ポート5Pより下流側の前記周面4P、流路7Pを介し流量制御部へと流通させていた。一方、ガスの残部については、周面4P、流路7Pを介して流量制御部へと流通させていた。
【0004】
また、米国特許第5,099,881号に記載のマスフローコントローラの流量検出機構は、図10に示すように、流路1P’より導入されたガスを、プラグ2P’とホルダ3P’とで一部がテーパ状に形成された環状の通路4P’に流すことにより、ガスの流れを層流としている。そして、環状の通路4P’の途中に設けた貫通孔5P’からガスの一部を分流させ、これを注入口6P’からセンサー部7P’へ導入し、このガスの流量をセンサー部7P’により測定し、注出口8P’から前記通路4P’の下流側に注出して流路9P’を介し流量制御部へと流通させていた。尚、ガスの残部については、環状の通路4P’,流路9P’を介して流量制御部へと流通させていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来の流量検出機構は何れも、流量絞り弁2Pやプラグ2P’によって、テーパ状内周面4Pや環状の通路4P’に安定した層流を形成し、この安定した層流が形成されている部分から流量測定用の流路を分流することが、測定値を安定させるために極めて重要な要素となっており、それだけ流量検出機構の製造に高精度を要求するものとなっていた。
【0006】
例えば、図9に示した例においては、流量絞り弁2Pの中心軸と、流路1Pの中心軸とを正確に合わせて安定した層流を得るために、流量絞り弁2Pをネジ8Pに螺合していた。ところが、この構成は部品点数が多くなり、それだけ加工にコストがかかる欠点を有する等の不都合があった。
【0007】
図10に示した例においては、プラグ2P’の中心軸と流路1P’の中心軸とを合わせるために、まずプラグ2P’の基本形状を旋盤で切削した後に、極めて煩雑な製作工程によりプラグ2P’を流路1P’に固定する必要があった。すなわち、上述した各従来の技術には、流量検出機構の製造に手間と費用がかかるという問題があった。
【0008】
さらに、上述の従来技術では、流路1P,1P’に流すガスの最大流量を、層流化したガス流に乱流が生じない程度に制限する必要があった。すなわち、図9に示した例においては、テーパ状内周面4Pを流れるガスに僅かな乱れでも生じると、それが直接的に測定結果に影響を与えるため、テーパ状内周面4Pを流れるガスに乱流が生じない程度の流量のガスしか流すことができなかった。
【0009】
また、図10の示した例においては、貫通孔5P’を設けた部分における上流側のガスの層流に幾らかの乱れが生じても、これをホルダ3P’の外周に設けた環状のチャンバー12P’である程度は吸収できるが、注出口8P’を連通させたプラグ2P’の外周部分13P’における乱流は、測定結果に大きな影響を与えていた。
【0010】
すなわち、図10のような流量検出機構では環状の通路4P’の下流側13P’においてプラグ2P’の周りに乱流が生じない程度の流量のガスを流すことに制限されるだけでなく、プラグ2P’の外周部分13P’において乱流が生じないようにするためには、流路9P’、ホルダ3P’、プラグ2P’の中心軸を厳密に合わせる必要が生じていた。さらに、前記図10に示すようなチャンバー12P’は、その容積で圧力変動を吸収するものであるから、流路中にガス溜まり部分14P’を生じさせており、ガスを切り換えた時のガスの置換特性を悪くする原因となっていた。
【0011】
そして、上記各例の何れにおいても、安定した層流を形成できるような流量絞り弁2P,プラグ2P’の形状は、流路1P,1P’に流すガスの最大流量を一定の限界内に抑えるものであり、実質的に約25mmの長さの流量絞り弁2P,プラグ2P’において20L/s程度の流量を精度良く流すことが限界であった。したがって、これより大流量のガスを精度良く流すためには、流量検出機構の構造を大きくする必要があり、それだけ製造コストを引き上げる原因となると共に、マスフローコントローラの全体的な外形を規格外の大きさにするものとなっていた。
【0012】
本発明は、上述した点を考慮に入れてなされたものであって、バイパス流路の上流側の圧力が変化してもセンサー流路管において安定した層流が得られるマスフローメータの流量検出機構を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のマスフローメータの流量検出機構は、ブロック内に設けた孔に挿入された円筒形状のホルダを備え、該ホルダの入口端の外周部に環状溝による環状の隙間が設けられ、該環状の隙間を前記ホルダの内周側に連通させるための貫通孔が前記ホルダの入口端に設けられ、前記ホルダの内部には、抵抗物を挿入したバイパス流路が形成され、また、前記環状の隙間に連通するように前記ブロックに設けられたガス導入孔と、前記ブロックに設けられたガス導出孔と、前記ガス導入孔、ガス導出孔にわたって設けられセンサー部を有するセンサー流路管とを備え、前記ホルダの入口側から流入したガスの一部は前記貫通孔、環状溝、ガス導入孔、センサー流路管、ガス導出孔を流通し、残部は前記ホルダ内部の前記バイパス流路を流通するように構成してあり、
さらに、前記貫通孔を、前記環状の隙間の幅方向中央において前記ガス導入孔に最も近い位置から環状の隙間の周方向に避けた位置に臨ませてあることを特徴としている(請求項1)。
【0014】
したがって、本発明によれば、貫通孔を経てガス導入孔に向かうガスは、層流の状態となるので、バイパス流路の上流側の圧力が変化してもセンサー流路管において安定した層流が得られ、その結果、抵抗物の上流側と下流側の差圧に基づいてガスの流量を精度良く測定できる。
【0015】
また、抵抗物によって制限されるバイパス流路のガスの流れは、流量検出機構の入口と出口のガスの圧力差とバイパス流路を流れるガスの流量との比例関係を保持する程度であれば、層流になる必要がなく、少々の乱れが生じても測定結果に悪影響を及ぼすことがなくなるので、抵抗物とホルダとの中心軸を厳密に合わせる必要がなくなり、流量検出機構の形成に多大のコストがかかることはない。つまり、常に安定した測定を行うことができるマスフローメータの流量検出機構を安価にて提供できる。
【0016】
また、前記ホルダの内周部にテーパ部分を形成すると共に、これに挿入される抵抗物の外周部にホルダのテーパ部分に対して平行なテーパ部分を形成し、抵抗物の位置を調節して前記バイパス流路の抵抗の大きさを調節可能とした場合には、一組のホルダおよび抵抗物によって多種類の流量を設定可能となり、それだけ部品点数を削減できるので、生産コストをさらに引き下げることができる。
【0017】
一方、前記抵抗物が、表面に複数のリブを突設した帯状体と平坦な帯状体とを前記リブを介して筒状に巻き込み、この筒状の軸方向に互いに平行な複数の孔を前記バイパス流路として形成した場合には、多流量のガスであっても安定した測定を行うことができる。
【0018】
そして、前記ホルダの内部にガスが前記ホルダの入口側から出口側に流通するように長手方向に一部が切削された抵抗物を挿入して前記バイパス流路を形成してある場合には、抵抗物による抵抗を厳密に設定することができるので、小流量のガスを高精度に測定することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1はマスフローメータの流量検出機構1の断面図であり、図2は前記流量検出機構1の分解斜視図である。また、図3は、図1における流量検出機構1のIII 断面図である。
【0020】
図1〜3に示すように、本発明に係るマスフローメータは、その流量検出機構1において、ブロックB内に設けた孔Hの内部に略円筒形状のホルダ2を挿入しており流量検出機構1の入口3から流入したガスを、まずホルダ2内に導入するように構成している。ホルダ2の入口端の外周部には環状溝による隙間4(以下、環状溝の内部を隙間4として表現する)を設けている。また、前記隙間4にはガスを流通させるための複数の貫通孔7が設けられている。なお、本例においては前記貫通孔7を例えば3個設けているが、その数は問わない。
【0021】
前記貫通孔7は隙間4の幅方向中央に形成しているが、隙間4はガスの流れを層流にする助走区間Rを形成することにより圧力変動を緩和するものであり、その容積により圧力変動を緩和するものではないので、ガスは隙間4の幅方向全体を流れる。つまり、図9に示した従来例のように、溜まり部分14P’を形成することがない。なお、この貫通孔7を隙間4の上流端部に形成することにより、隙間4内に溜まりとなる部分をより確実になくすようにしてもよい。
【0022】
8は前記隙間4に連通して設けられたガス導入孔であり、隙間4の下流側端部に連通するように形成されており、9はホルダ2より下流側の孔H内に連通するように斜めに設けられたガス導出孔である。そして、これらガス導入孔8、ガス導出孔9に挿入するように、センサー流路管10を接続しており、このセンサー流路管10を流れるガスがセンサー部11を通ることによりその流量が測定される。つまり、センサー部11に流通する全てのガス流路にガスの溜まりとなる部分を形成しないように構成している。
【0023】
また、ホルダ2の下流側の内周面には上流側から下流側に向かって流路を絞るようにしたテーパ部分12を形成しており、このホルダ2に挿入される抵抗物13の下流側の外周部には前記テーパ部分12に対して平行なテーパ部分14を形成している。抵抗物13は、ほゞ円柱形状の大径部分13aよりも上流側に前記貫通孔7が位置するように固定することが肝要であり、貫通孔7を流れるガス流が大径部分13aの周囲を流れるガス流の圧力分布の影響を受けないようにしている。
【0024】
前記抵抗物13は例えば旋盤でその基本形状(円柱状の大径部分13aとテーパ部分14)を切削したのちに、その大径部分13aの外周に接するように長手方向に溝15を切削してなる。また、抵抗物13をホルダ2に固定するときは、前記溝15に対してそれぞれ断面C字状のスプリング留め具16を挿入して、留め具16の弾性変形によりその位置を保持する。なお、本発明はホルダ2に対する抵抗物13の固定方法を限定するものではない。たとえば、本例では溝15および留め具16を3つ設ける例を示しているが、大径の抵抗物13の場合には留め具16を4個以上用い固定するなど任意の変形が可能である。
【0025】
上記構成により、流量検出機構1の入口3から流入したガスは、抵抗物13に衝突することにより乱流化し、そのガスの一部が、貫通孔7を通過して測定流路P1 側に流れる(すなわち、水平方向に流れていたガスが垂直方向に流通する)。ガスが貫通孔7を通過すると、隙間4内でホルダ2の外周に沿って流れる助走区間Rを経ることによりガスの層流化がなされると同時にガスの圧力変動も緩和される。次に、このガスがガス導入孔8を流通するときに、ガスの圧力変動がさらに緩和されて、センサー流路管10へは安定したガス流が供給されることとなる。
【0026】
そして、センサー流路管10(測定流路P1 )を通過したガスはガス導出孔9を介して流量検出機構1の出口5へと流出する。このとき、たとえホルダ2と抵抗物13との間においてガス流にある程度の乱流が生じていたとしても、この圧力変動による影響はガス導出孔9によって吸収され、センサー流路管10を通過するガスの流れに悪影響を与えることがない。
【0027】
なお、前記ガス導入孔8およびガス導出孔9はいずれもセンサー流路管10よりその断面積が広く、その容積を広くすることによりガス流に残存する圧力変動を吸収するものであるが、ガス導入孔8,ガス導出孔9にはガス流路に溜まりを形成する部分がないので、ガス置換特性を高く保つことができる。また、隙間4によって十分の効果を得ることができる場合には、ガス導入孔8およびガス導出孔9を細くすることによりガス置換特性を向上させることも可能である。さらに、本発明におけるガス導入孔8およびガス導出孔9を省略することも容易に考えられる。
【0028】
本発明のマスフローメータの流量検出機構は、隙間4内を流れるガスとガス導入孔8を流れるガスの圧力が一定となるように設計されているため、安定した層流が得られる。たとえ入口3から流入するガス流量に変動が生じても、ガスの流量の変動に関係なく、流量検出機構1の入口3と出口5の間に生じたガスの圧力差に比例する流量のガスを安定して流すことができるので、常に安定した流量測定を行うことができる。
【0029】
一方、抵抗物13に衝突して乱流化されたガスの残部は、ホルダ2内部の抵抗物13とホルダ2との間のバイパス流路P2 を流通し、出口5を介して図示しない流量制御部に流通する。そして、このホルダ2の下流端よりもさらに下流側において前記ガス導出孔9を通ったガスとスムーズに合流し、出口側5から流出して図示しない流量制御部に流通する。このとき、流量検出機構1の入口3と出口5のガスの圧力にはバイパス流路を通るガスの流量と、抵抗物13による抵抗の大きさに関係する圧力差が生じることになる。
【0030】
また、測定流路P1 を通ったガスと、バイパス流路P2 を通ったガスとがホルダ2および抵抗物13の下流端よりもさらに下流側において合流することにより、抵抗物13によって生じるかもしれないガス流の乱れの影響が測定流路P1 を流れるガスに現れることがないようにしている。つまり、前記圧力差とバイパス流路P2 を流れるガスの流量との比例関係を保持する程度であれば、抵抗物13によって少々の乱流が生じても測定値に悪影響を及ぼすことは全く無くなる。
【0031】
それゆえに、本発明によれば抵抗物13とホルダ2との間の流路に乱れのない層流を形成する必要がなく、抵抗物13とホルダ2との中心軸を合わせる必要もないので、抵抗物13をより少ない簡単な製作工程により形成することができる。また、抵抗物13の形状が簡素であればある程抵抗物13によるガス溜まりや金属分の発生を避けることができるとともに、洗浄などのメンテナンス作業をより容易に行うことができるようになる。
【0032】
さらに、本例のようにホルダ2の内周面と抵抗物13にテーパ12,14を形成することにより、抵抗物13とホルダ2との位置関係で、抵抗物13による抵抗の大きさを調節することができる。つまり、流量測定範囲が異なる他種類の流量検出機構1を一組のホルダ2と抵抗物13によって形成することができ、生産コストの大幅な削減を達成することができる。
【0033】
図1には測定流量を最小にした状態の抵抗物13の位置を開示しており、一点鎖線にして測定流量を最大にした状態の抵抗物13の位置を示している。また、一点鎖線に示す測定流量を最大にした状態において、抵抗物13の上流端部が孔7よりも下流側に位置することが抵抗物13の形状に影響されない安定した測定を行なう点で肝要である。さらに、測定流量を最小にした状態の抵抗物13の下流端部がガス導出孔9の連通位置よりも上流側に位置し、ガス導出孔9を通ったガスが抵抗物13の下流側の開放された部分に流れることが、孔Hに対する抵抗物13の位置による乱流の影響を受けないようにする点で肝要である。
【0034】
図4は本発明の別の例を示しており、この図において、図1〜3と同じ符号を付した部材は同一または同等の部材であるので、その詳細な説明を省略する。本例に示す流量検出機構1は、抵抗物13およびホルダ2の長さを短くしている。すなわち、本発明の流量検出機構1を用いることにより、抵抗物13による乱流の影響を受けることがないので、抵抗物13をよりコンパクトに形成することが可能となる。したがって、装置全体の大きさを小さくすることができる。
【0035】
なお、図4に示す図は、測定流量を最小にした場合の抵抗物13の位置を示すものであり、一点鎖線にして測定流量を最大にした場合の抵抗物13の位置を示している。すなわち、測定流量を最小にした場合においても抵抗物13の下流端部はガス導出孔9の連通位置よりも上流側に位置することにより、抵抗物13による乱流の影響が測定値に現れることがないようにしている。
【0036】
また、測定流量を最大にした場合(一点鎖線に示す場合)においても、抵抗物13の上流端部が孔7よりも下流側に位置することにより、抵抗物13の形状に関係のない安定した測定を行うことができるようにしている。なお、本例の場合には測定流量を変更するための抵抗物13の操作量dは、例えば2.5mm程度に抑えている。
【0037】
図5は本発明の別の例を示す断面図であり、大流量のガスを測定する例を示している。図5において図1〜4に示した例と異なる点はホルダ2および抵抗物の形状である。したがって、以下の説明では重複説明を避けるために、図1〜4に示した例と同じ符号を付した部材は同一または同等の部材であるので、その詳細な説明を省略する。
【0038】
図5において、17は長手方向に平行な複数の孔をバイパス流路P2 として形成した層流素子からなる抵抗物を示している。この抵抗物17は、例えば図6に示すように、表面に複数のリブ18を突設した第1帯状体19と、平坦な第2帯状体20とをリブ18を介して芯材21に筒状に巻き込んでなるものである。
【0039】
したがって、抵抗物17をホルダ2に挿入してバイパス流路P2 を形成することにより、バイパス流路P2 に生じる抵抗が極めて小さくなる。つまり、本例のように構成することにより、例えば25cm程度の長さの抵抗物で50L/s程度の多流量のガスを流したときにおいても、測定流量P1 に流れるガスの流量をセンサー部11(図1参照)により測定可能な範囲に設定することができる。つまり、多流量のガスを正確に測定することができる。なお、本例の場合においても、図1〜4に示した例と同様に、抵抗物17の上流端よりさらに上流側に貫通孔7を設けることが正確な流量測定を行う上で肝要である。
【0040】
図7は本発明のさらに別の例を示す断面図であり、少流量のガスの流量測定に適している。図7において、22はその外周がホルダ2の内に嵌合するように形成されたほゞ円柱形状であり、かつその長手方向に平行に一部を切削した切削部分23を有する抵抗物である。本例に示す抵抗物22によれば、前記切削部分23によってバイパス流路P2 の断面積を正確に設定することができ、抵抗物22による抵抗を厳密に設定することができる。したがって、少流量のガスを流したときにおける測定精度を向上させることができる。
【0041】
図8は抵抗物の変形例を示すものであり、本例の抵抗物24は断面形状を多角形(例えば5角形)としている。すなわち、各切削部分25によって正確な断面積を有するバイパス流路P2 を形成でき、厳密な流量設定を行うとともに、図7に示す例に比べて流量を増加させることができる。
【0042】
さらに、本発明の抵抗物はエッチングプレートを重ね合わせて形成したり、あるいはキャピラリを設けてバイパス流路P2 を形成してもよい。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマスフローメータの流量検出機構によれば、貫通孔を経てガス導入孔に向かうガスは、層流の状態となるので、バイパス流路の上流側の圧力が変化してもセンサー流路管において安定した層流が得られ、その結果、抵抗物の上流側と下流側の差圧に基づいてガスの流量を精度良く測定できる。つまり、抵抗物によって制限されるバイパス流路のガスの流れは、流量検出機構の入口と出口のガスの圧力差とバイパス流路を流れるガスの流量との比例関係を保持する程度であれば、層流になる必要がなく、バイパス流路のガスの流れに少々の乱れが生じても測定結果に悪影響を及ぼすことがなくなるので、抵抗物とホルダとの中心軸を厳密に合わせる必要がなくなる。つまり、流量検出機構の形成にかかるコストを最小限に抑えると共に、常に安定した測定を行うことができる。
【0044】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のマスフローメータの流量検出機構の一例を示す断面図である。
【図2】 前記マスフローメータの流量検出機構の分解斜視図である。
【図3】 前記マスフローメータの流量検出機構の断面図である。
【図4】 前記マスフローメータの流量検出機構の変形例を示す断面図である。
【図5】 前記マスフローメータの流量検出機構の一部である抵抗物の別の例を示す断面図である。
【図6】 前記抵抗物の製造工程を示す説明図である。
【図7】 前記抵抗物の変形例を示す断面図である。
【図8】 前記抵抗物の別の変形例を示す断面図である。
【図9】 従来の流量検出機構の断面図である。
【図10】 従来のマスフローコントローラの流量検出機構の断面図である。
【符号の説明】
1…マスフローメータの流量検出機構、2…ホルダ、4…隙間、8…ガス導入孔、9…ガス導出孔、10…センサー流路管、12…テーパ部分、13,17,22,24…抵抗物、14…テーパ部分、18…リブ、19,20…帯状体、23,25…切削部分。
Claims (5)
- ブロック内に設けた孔に挿入された円筒形状のホルダを備え、該ホルダの入口端の外周部に環状溝による環状の隙間が設けられ、該環状の隙間を前記ホルダの内周側に連通させるための貫通孔が前記ホルダの入口端に設けられ、前記ホルダの内部には、抵抗物を挿入したバイパス流路が形成され、
また、前記環状の隙間に連通するように前記ブロックに設けられたガス導入孔と、前記ブロックに設けられたガス導出孔と、前記ガス導入孔、ガス導出孔にわたって設けられセンサー部を有するセンサー流路管とを備え、前記ホルダの入口側から流入したガスの一部は前記貫通孔、環状溝、ガス導入孔、センサー流路管、ガス導出孔を流通し、残部は前記ホルダ内部の前記バイパス流路を流通するように構成してあり、
さらに、前記貫通孔を、前記環状の隙間の幅方向中央において前記ガス導入孔に最も近い位置から環状の隙間の周方向に避けた位置に臨ませてあることを特徴とするマスフローメータの流量検出機構。 - ブロック内に設けた孔に挿入された円筒形状のホルダを備え、該ホルダの入口端の外周部に環状溝による環状の隙間が設けられ、該環状の隙間を前記ホルダの内周側に連通させるための貫通孔が前記ホルダの入口端に設けられ、前記ホルダの内部には、抵抗物を挿入したバイパス流路が形成され、
また、前記環状の隙間に連通するように前記ブロックに設けられたガス導入孔と、前記ホルダの下流側に連通するように前記ブロックに設けられたガス導出孔と、前記ガス導入孔、ガス導出孔にわたって設けられセンサー部を有するセンサー流路管とを備え、前記ホルダの入口側から流入したガスの一部は前記貫通孔、環状溝、ガス導入孔、センサー流路管、ガス導出孔を流通して前記ホルダの下流側に至り、残部は前記ホルダ内部の前記バイパス流路を流通して前記ホルダの下流側に至るように構成してあり、
さらに、前記貫通孔を、前記環状の隙間の幅方向中央において前記ガス導入孔に最も近い位置から環状の隙間の周方向に避けた位置に臨ませてあることを特徴とするマスフローメータの流量検出機構。 - 前記貫通孔を、環状の隙間に対し環状の隙間の周方向に間隔をおいて臨むように複数設けてある請求項1または2に記載のマスフローメータの流量検出機構。
- 少なくとも一つの前記貫通孔を、前記環状の隙間において前記ガス導入孔から最も遠い位置に臨ませてある請求項1〜3のいずれかに記載のマスフローメータの流量検出機構。
- 前記ホルダの内周部にテーパ部分を形成すると共に、これに挿入される抵抗物の外周部にホルダのテーパ部分に対して平行なテーパ部分を形成し、抵抗物の位置を調節して前記バイパス流路の抵抗の大きさを調節可能とした請求項1〜4のいずれかに記載のマスフローメータの流量検出機構。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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