JP4443980B2 - 流量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量検出装置、熱式流量検出装置などの流量検出装置に関するものである。

流量検出装置としては、フロート式、羽根車式、カルマン渦式、差圧式、熱式、超音波式など、各種の方式のものが提案されている。

ここで、流量検出の対象となる被検出流体が低流量の場合には、超音波流量検出装置が適している。超音波流量検出装置では、一般に、被検出流体が通される直線状の流路に一対の圧電素子が対向して設けられている（特許文献１、特に図７，８を参照）。そして、一方の圧電素子から発信された超音波信号を他方の圧電素子が受信するまでの伝搬時間と、その逆、即ち他方の圧電素子から一方の圧電素子への伝搬時間との時間差に基づき、流量を検出するようになっている。かかる流量検出を高精度に行なう場合には、圧電素子間の距離を長くすればよいが、超音波検出装置の小型化や設置性向上に鑑みると、高精度化に十分な距離を確保することは困難である。

上記問題点に鑑みて、被検出流体それ自体を伝搬媒体として利用することにより、一対の圧電素子を対向させて配置する必要のない超音波流量検出装置が提案されている（特許文献１、特に図２を参照）。このような超音波流量検出装置によれば、一対の圧電素子が対向配置されている必要がないため、それら両圧電素子間の流路を曲線状に形成することができ、両圧電素子間の距離を確保して流量検出の高精度化を図りつつ装置全体の小型化を図ることも可能となる。

しかしながら、装置小型化のために流路を曲線状に形成するには、流路を管で形成してその管を折り曲げるか、またはブロック状の本体に流路のための孔を形成するしかない。前者の場合、製品間誤差を生じやすいし、デッドスペースが大きくなって小型化にも限界がある。後者の場合、孔は後加工などによって直線的にしか形成できないため、ブロック内に形成される曲線流路は中途で所定角度で鋭く折れ曲がることとなり、流路の折れ曲がり箇所で圧力損失が発生したり液溜まりが発生しやすい。また、直線的にしか孔を形成できない以上、その流路密度を高めることは、作業上困難であるばかりか一定の限界があるし、加工工数も増大して流量検出装置のコスト高に結びつく。

以上、超音波流量検出装置について説明したが、その他の流量検出装置、例えば熱式流量検出装置などでは、被検出流体のメイン流路に対してバイパス流路を形成し、そのバイパス流路で流量検出を行なうのが一般的である。被検出流体の熱変化を検出するために流量を絞る必要があるからである。そして、バイパス流路の存在が、装置の大型化、設置性低下、シール部増加、コスト高などの要因となっている。
特開平１０−１２２９２３号公報

本発明は、低コストで滑らかな曲線流路やバイパス流路を形成でき、結果として小型化及び設置性向上を図ることができる流量検出装置を得ることを主たる目的とするものである。

また、超音波流量検出装置に適用した場合にあっては、上記主目的を達成しつつ、流量検出の高精度化を図ることができ、半導体装置や医療分析装置、生体補助装置などの極微小流量の検出に適したものを得ることを目的とするものである。

さらに、熱式流量検出装置に適用した場合にあっては、上記主目的を達成しつつ、メイン流路とバイパス流路との間のシール作業を不要とできるなどの利点を得ることを目的とするものである。

以下、上記課題を解決するのに有効な手段につき、必要に応じて効果等を示しつつ説明する。なお以下では、理解を容易にするため、発明の実施の形態において対応する構成を括弧書き等で適宜示すが、この括弧書き等で示した具体的構成に限定されるものではない。

手段１．ボディと、該ボディに形成された複数のポート（第１ポート１４、第２ポート１５）と、該ボディ内に配置されて各ポート間を連通する流路（流路１３，２６、メイン流路２９、バイパス流路３０）と、該流路を流通する流体の流量を検出する流量検出手段（圧電素子２０，２１、発熱素子３３、熱検出素子３４）とを備えた流量検出装置において、
前記ボディを略直方体のブロック（流路ブロック１２）とし、前記流路をそのブロックに直接形成されたものとするとともに該流路を湾曲（Ｕ字状の流路１３又は蛇行させた流路２６）又は分岐（メイン流路２９に対するバイパス流路３０）させたことを特徴とする流量検出装置。

手段１によれば、圧力損失が少なく液溜まりも少ない湾曲した流路を得る場合、従来のような管を折り曲げて曲線流路を形成することによる大型化を回避できる。また、分岐させた流路を得る場合、従来のような分岐部位におけるシールなどの作業工数がなくなる。そして、ボディ全体として略直方体のブロックによって構成されることから、小型化及び設置性向上に寄与することができ、また集積化やマニホールド化にも適する。

なお、湾曲とは、流路の延びる方向にみて少なくとも一部を滑らかな曲線状にした状態を意味する。

手段２．前記ブロックに収容凹部（収容凹部１９，３２）を形成し、その収容凹部内に前記流量検出手段を固定したことを特徴とする上記手段１記載の流量検出装置。

手段２によれば、流量検出手段を収容凹部に収容した上で固定するものであるから、流量検出手段がボディ外面から突出することがなく、ボディを略直方体で形成したことの利点を減殺することがない。

手段３．流量検出手段を少なくとも２の圧電素子（圧電素子２０，２１）によって構成した超音波式の流量検出装置（超音波流量検出装置１１）であって、前記流路は湾曲されたものとし、一つの圧電素子を一のポート近傍に配置するとともに、もう一つの圧電素子を他のポート近傍に配置したことを特徴とする上記手段１又は２記載の流量検出装置。

手段３によれば、流路を湾曲させていることにより、ボディのブロックに対して圧電素子間の流路長を十分確保することができるため、小型化等の要求に応えつつ、流量検出の高精度化を図ることができる。そして、このような流量検出装置は、半導体装置や医療分析装置、生体補助装置などの極微小流量の検出に適したものとなる。

手段４．流量検出手段を発熱素子（発熱素子３３）と熱検出素子（熱検出素子３４）とによって構成した熱式の流量検出装置（熱式流量検出装置２８）であって、前記流路を前記ポートに連通されるメイン流路（メイン流路２９）及び該メイン流路から分岐したバイパス流路（バイパス流路３０）とから構成し、前記発熱素子及び熱検出素子を前記バイパス流路に沿ってかつ該バイパス流路近傍に配置したことを特徴とする上記手段１又は２記載の流量検出装置。

手段４によれば、メイン流路及びバイパス流路がブロック内に直接形成されるものであるため、メイン流路とバイパス流路との接続部分におけるシール等の工程が不要となり、コスト低減に結びつく。また、メイン流路について直線的に形成することにより、被検出流体のメインライン上に直列に流量検出装置を接続することもできる。

手段５．前記ブロックを所定溶剤（水等の溶剤２４）によって溶解しない樹脂成形品（フッ素樹脂からなる成形品）により形成し、
前記流路を、前記所定溶剤によって溶解する材料（水溶性材料）を入れ子型（入れ子型２３）としてインサート成形した後に当該入れ子型を除去することにより形成したものであることを特徴とする上記手段１乃至４のいずれかに記載の流量検出装置。

手段５によれば、湾曲した入れ子型をインサート成形した上で溶解除去することで、ボディが単一のブロックであっても、その内部に汎用加工では得られない湾曲した流路を低コストで簡単に得ることができる。また、分岐した入れ子型をインサート成形すれば、単一のブロック内に汎用加工では得られ難いメイン流路とバイパス流路との組合せ流路を低コストで得ることができる。

手段６．前記樹脂成形品が非水溶性材料であり、前記入れ子型が水溶性材料であることを特徴とする上記手段５記載の流量検出装置。

手段６によれば、溶剤として水等を利用して入れ子型を溶融除去することができる。特に、ボディ側はその内部に直接流路が形成されるものであるため、例えば半導体製造装置のための薬液などを流す場合にはフッ素系樹脂などの耐腐食性に優れたものを利用したいところであるが、この場合にはボディを構成するブロックは非水溶性となる。そこで、入れ子型を水溶性材料で構成することでボディ側に影響を与えることなく入れ子型を確実に溶融除去することができる。

以下、発明を具体化した一実施の形態を図１及び図２に従って説明する。本実施の形態では、流量検出装置として低流量の被検出流体を検出するのに適した超音波流量検出装置に具体化しており、図１（ａ）はその斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）の流路形成面で切断した縦断面図を示している。

図１に示すように、超音波流量検出装置１１は、ボディとしての直方体形状かつ単一構成の流路ブロック１２を装置本体として備えている。流路ブロック１２には、Ｕ字状に湾曲した流路１３が形成されている。流路１３は全長に亘って同径をなすように、すなわち横断面の面積が何れの箇所であっても同一となるように形成されている。流路１３内を流通する流体として薬液などに対応できるよう、流路ブロック１２は耐腐食性に優れたフッ素系樹脂によって構成されている。流路１３の両端は流路ブロック１２の上面において開口され、それら各開口部によって、第１ポート１４及び第２ポート１５が構成されている。第１ポート１４及び第２ポート１５の周囲にはそれぞれ円環状の収容溝１６が形成され、各収容溝１６にはそれぞれシールリング１７が収容されている。なお、図１（ａ）ではシールリング１７の図示を省略している。

流路ブロック１２の上面における対角位置には一対のネジ孔１８が形成されている。ネジ孔１８は流路ブロック１２を上下方向に貫通するように形成されている。ネジ孔１８には超音波流量検出装置１１を所定箇所に固定する場合にネジが挿通され、当該ネジが固定相手先にねじ込まれる。

流路ブロック１２の左右両側面には収容凹部１９がそれぞれ形成されている。収容凹部１９は、Ｕ字状の流路１３の両ポート１４，１５に接近した位置に配置され、かつ収容凹部１９の底面部が流路１３に接近する深さに形成されている。流路１３内周面と収容凹部１９底面との厚さは従来の超音波流量検出装置に用いられる配管の肉厚程度とされている。このような肉厚に設定したのは、従来のような配管周りに圧電素子を装着する場合と同等の条件を確保するためである。これら両収容凹部１９にはそれぞれ第１圧電素子２０及び第２圧電素子２１が収容されている。そして、両圧電素子２０，２１は例えば接着剤などにより収容凹部１９内において固定されている。なお、両圧電素子２０，２１は同一の素子である。

以上のように構成された超音波流量検出装置１１では、第１ポート１４が薬液等の被検出流体の流入側、第２ポート１５が被検出流体の流出側となるように固定される。そして、両圧電素子２０，２１が図示しない測定回路に接続される。

測定回路においては、まずは第１圧電素子２０を発信側とし第２圧電素子２１を受信側とした第１切換状態とする。この状態において、第１圧電素子２０の超音波振動が流路１３内を流通する被検出流体に伝えられ、その流体の流速に影響を受けた上で超音波が第２圧電素子２１に伝達される。そして、この第１圧電素子２０の発信した超音波が第２圧電素子２１に受信されるまでの第１伝搬時間（ｔ１）を得る。次いで、第２圧電素子２１を発信側とし第１圧電素子２０を受信側とした第２切換状態として、第２圧電素子２１の発信した超音波が第１圧電素子２０に受信されるまでの第２伝搬時間（ｔ２）を得る。そして、第１伝搬時間（ｔ１）と第２伝搬時間（ｔ２）との差が流体の流速に比例して大きくなる性質を利用して、第１伝搬時間（ｔ１）−第２伝搬時間（ｔ２）を演算することにより、流体の流速を知ることができる。

ここで、伝搬時間の差、すなわち第１伝搬時間（ｔ１）−第２伝搬時間（ｔ２）によって流速（流量）を計測する場合、それらの差を大きくとることができる環境であるほど検出精度が高まる。一方、被検出流体の流速が遅いほどその差は小さくなるため、検出精度が低くなる。以上の事情を踏まえ、本実施の形態では、上述のとおり、流路１３をＵ字状にして流路１３の第１圧電素子２０から第２圧電素子２１までの流路長を長くしており、これにより検出精度を高めている。この流路長を直線状の流路によって確保しようとすると、流路ブロックが長大化し、超音波流量検出装置の小型化及び設置性向上の要求に応えられないが、本実施の形態によれば、超音波流量検出装置１１を小型化できるとともに設置性向上を図ることもできる。

また、流路を後加工によって曲線状に形成する場合、Ｖ字状にしたり、コ字状にするなどの加工が必要となるが、これらの場合、流路が直角又は鋭角に折れ曲がる部分が発生する。このような流路折れ曲がり部分では、流路を流通する流体の圧力損失が発生するため、特に低流量の流体を測定するのに適していない。また、流路折れ曲がり部分において液溜まりが発生するので、薬液などを流通させる場合には好ましくない。この点、本実施の形態では、流路１３をＵ字状にして滑らかに湾曲させていることから、圧力損失の発生や液溜まり現象の発生を抑制することができ、低流量の流体に対しても好適なものとなり、薬液などの液溜まりを嫌う流体を被検出流体とする場合にも適している。

さらに、流路を後加工によってコ字状とする場合には、流路ブロックに対して直線的に貫通孔を形成した上で、流路形成に必要のない余剰の孔空け部分の孔埋めを施す必要が生じるため、製作工数が多くなってコスト高となる不利益もある。また、通常の後加工では、Ｕ字状の流路１３を形成することは殆ど不可能であると考えられる。これらの点を、以下に説明する成形方法の採用によって解消している。

そこで、上記流路ブロック１２の成形方法について、図２に従い説明する。

まず、Ｕ字状に形成された入れ子型２３を予め製作しておく。入れ子型２３は上記流路１３に合致した形状としておく。入れ子型２３は、水溶性の樹脂材料、即ち水、アルコール等の溶剤に溶解して除去が可能な材料で製作するものとする。水溶性の樹脂材料としては、例えば日本合成化学工業株式会社製の「エコマティＡＸ」（登録商標）がある。次に、入れ子型２３を流路ブロック１２成形のための金型のキャビティ内に配し、流路ブロック１２を構成するためのフッ素系樹脂をキャビティ内に充填することにより、図２（ａ）に示すような入れ子型２３を含んだ流路ブロック１２の成形品を得る。この段階では、入れ子型２３はインサート成形したのと同様、あたかも流路ブロック１２の成形品の一部となっている。

なお、前記収容溝１６、ネジ孔１８及び収容凹部１９は、いずれも流路ブロック１２の外表面から直線的に延びる均等な形状をなしているため、後加工によっても容易に成形することが可能であるし、そうでなくても金型のキャビティ内に中子を配して流路ブロック１２の成形時に同時に成形することもできる。

次に、図２（ｂ）に示すように、入れ子型２３を含んだ流路ブロック１２の成形品を、水、アルコール等の溶剤２４に浸漬し、水溶性の入れ子型２３を溶解させて除去する。この場合、流路ブロック１２の成形品は疎水性のフッ素系樹脂を材料とするため、前記溶剤２４には溶解されることはない。その結果、図２（ｃ）に示すように、入れ子型２３が除去された流路ブロック１２が得られ、その流路ブロック１２内には入れ子型２３と同形の流路１３が形成される。

このようにして流路ブロック１２を得ることにより、流路ブロック１２が一体物であるにもかかわらず、湾曲したＵ字状の流路１３を内部にもつことができる。また、入れ子型２３も成形時には一体型とすることができ、分割型とする必要がない。以上は、入れ子型２３を水溶性材料で構成するとともに、流路ブロック１２の成形品を非水溶性材料（具体的にはフッ素系樹脂）で構成したことにより達成されるものである。また、このようにして構成された流路ブロック１２では、流路１３の中途位置などで型分割面が発生しないので、流路１３内には型バリが発生することはなく、バリが発生するものに比べ圧力損失が少なくかつ液溜まりや気泡溜まりも発生し難いという利点がある。

さらに、入れ子型２３は溶剤２４によって溶解除去することができるため、別途入れ子型２３を取り出すという工程も発生せず、流路１３を含む流路ブロック１２の成形品を低コストで製作できるという利点がある。また、入れ子型２３は自在に形成することができるため、流路１３の形状を設計する際の自由度が非常に高いという利点がある。

また、本実施の形態における超音波流量検出装置１１の装置本体を構成する流路ブロック１２は、コンパクトでありかつ直方体形状をなしていることから、超音波流量検出装置１１の集積化やマニホールド化などに非常に適している。また、圧電素子２０，２１も収容凹部１９に完全に収容され当該収容凹部１９から非突出の状態で固定されていることから、集積化やマニホールド化の際の妨げとならない。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

すなわち、流路ブロック１２に収容溝１６を形成してシールリング１７を設けたが、超音波流量検出装置１１が固定される相手方にシール部材を設ける構成として流路ブロック１２側の収容溝１６及びシールリング１７を省略してもよい。

また、流路ブロック１２を一対の分割ブロックを接合して構成するものとしてもよい。分割ブロックとしては、流路１３が形成された面（図１（ｂ）の断面位置）に沿って２分することが可能であり、これらを接合させれば、入れ子型２３を水溶性のものとせずとも構成できる。但し、分割ブロックの端面にバリが発生するおそれがあるし、分割ブロック間では液漏れ防止のためにシールを施す必要があるなど、製作面や使用面では上記実施の形態の方が有利である。

また、上記実施の形態では、流路１３をＵ字状にしたが、図３（ａ）に示すように、蛇行させた流路２６としてもよい。この場合、流路ブロック１２の大きさに比して、非常に長い流路２６を確保することができるので、超音波流量検出装置１１において高精度な検出とコンパクト化とを非常に高いレベルで達成することができる。また、上記実施の形態や図３（ａ）の例では、流路１３，２６が平面的（二次元的）に形成されていたが、これを例えば螺旋状に延びる流路などのように立体的（三次元的）に形成することも可能である。この場合、螺旋状の入れ子型を利用すれば上記実施の形態と同様の方法で製作することができる。

また、超音波流量検出装置１１以外にも、流路長を必要とする他の流量検出装置に適用してもよい。さらに、流路長を確保する目的以外にも、例えば熱式流量検出装置のように、メイン流路から分岐されたバイパス流路を必要とする流量検出装置に適用することもできる。そこで、熱式流量検出装置に適用した場合の一例を図３（ｂ）に示す。同図に示された熱式流量検出装置２８では、メイン流路２９に対してバイパス流路３０を形成する場合、これら流路２９，３０と同一形状をなす単一の水溶性の入れ子型によって形成し、その入れ子型をインサート成形するように流路ブロック３１の成形品を得る。その上で、入れ子型を水等の溶剤で溶解させることで、メイン流路２９とバイパス流路３０との間にシールなどを要しない単一構造の流路ブロック３１を得ることができる。そして、流路ブロック３１のバイパス流路３０に近い位置に一対の収容凹部３２を形成し、それぞれ発熱素子３３及び熱検出素子３４を収容し固定することで、熱式流量検出装置２８が得られる。なお、この例では、メイン流路２９の両端開口部位が配管接続用のポートとされ、ポート周囲の円環状の収容溝にシールリング３５が収容されている。このように構成された熱式流量検出装置２８では、被検出流体のメインラインに対して直列に配管するだけで接続が完了するという利点も生ずる。

また、入力側のポートを１つとし流路を中途で分岐させ、各分岐流路それぞれについて各別の出力側のポートに至らしめるように構成することもできる。逆に、入力側のポートを複数とし各流路を中途で集約（これも全体としてみれば入力側が分岐流路であると解される）させ、その集約流路について１つの出力側のポートに至らしめるように構成することもできる。前者のものを超音波流量検出装置に適用する場合、例えば、入力ポート付近に第１圧電素子を配するとともに各出力ポート付近にそれぞれ第２圧電素子及び第３圧電素子を配することが可能であり、この場合、第１圧電素子と第２圧電素子間、第１圧電素子と第３圧電素子間で個別に伝搬時間差を演算処理することにより流量検出することが可能となる。

（ａ）は本実施の形態にかかる超音波流量検出装置の斜視図、（ｂ）はその流路形成面で切断した縦断面図である。 本実施の形態にかかる超音波流量検出装置の製造工程を説明するものであって、（ａ）は流路ブロックに入れ子型を含んだ成形品を示す図、（ｂ）はその成形品を溶剤に浸漬して入れ子型を取り除く工程を示す図、（ｃ）はその入れ子型が取り除かれた流路ブロックを示す図である。 （ａ）は他の実施の形態にかかる超音波流量検出装置の縦断面図、（ｂ）は他の実施の形態にかかる熱式流量検出装置の縦断面図である。

符号の説明

１１…超音波流量検出装置、１２…流路ブロック、１３…流路、１４…第１ポート、１５…第２ポート、１６…収容溝、１７…シールリング、１８…ネジ孔、１９…収容凹部、２０…第１圧電素子、２１…第２圧電素子、２３…入れ子型、２４…溶剤、２６…流路、２８…熱式流量検出装置、２９…メイン流路、３０…バイパス流路、３１…流路ブロック、３２…収容凹部、３３…発熱素子、３４…熱検出素子、３５…シールリング。

Claims (3)

1. ボディと、該ボディに形成された二つのポートと、該ボディ内に配置されて各ポート間を連通する流路と、該流路を流通する流体の流量を検出する二つの圧電素子とを備えた超音波式の流量検出装置において、
   前記ボディを略直方体のブロックとし、前記流路をそのブロックに直接形成されたものとするとともに、該流路は前記二つのポートの一方につながる直線状部と、他方につながる直線状部と、滑らかな曲線状をなす湾曲部とを有し、
   前記ブロックには、前記一方のポートの近傍で前記流路の直線状部に接近するように収容凹部を形成するとともに、他方のポートの近傍でも前記流路の直線状部に接近するように収容凹部を形成し、それら各収容凹部に前記圧電素子を収容したことを特徴とする流量検出装置。
2. 前記ブロックを所定溶剤によって溶解しない樹脂成形品により形成し、
   前記流路を、前記所定溶剤によって溶解する材料を入れ子型としてインサート成形した後に当該入れ子型を除去することにより形成したものであることを特徴とする請求項１に記載の流量検出装置。
3. 前記樹脂成形品が非水溶性材料であり、前記入れ子型が水溶性材料であることを特徴とする請求項２に記載の流量検出装置。

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