JP4791017B2 - 流量計 - Google Patents

Description

この発明は、熱式流速センサなどの流速センサを用いた流量計に関するものである。

従来より、この種の流量計として、熱式流速センサを用いた流量計が使用されている。この流量計では、熱式流速センサを用いて流体の流速を検出し、この検出した流速に流路の断面積を乗じて流体の流量を求める。

図６に熱式流速センサのセンサ部の一例を示す。図７にこのセンサ部のダイアフラム部の概略断面構造を示す。図６および図７において、１はシリコンチップ（基台）、２は基台１の上面に空間３を設けて薄肉状に形成されたダイアフラム部、４はダイアフラム部２上に形成された金属薄膜の発熱体（ヒータ）、５Ｕおよび５Ｄはヒータ４の両側に形成された金属薄膜の感熱抵抗体（温度センサ）、６はダイアフラムを貫通するスリット、７は周囲温度センサ（金属薄膜の感熱抵抗体）、Ｐ１〜Ｐ６は電極パッドである。ヒータ２や温度センサ５Ｕ，５Ｄは例えば窒化シリコンからなる薄膜の絶縁層８により覆われている。

このセンサ部９は、図８に示されるように、センサパッケージ１０のヘッダ部１１に搭載される。すなわち、ヘッダ部１１上にセンサ部９をダイボンド接合（機械的接合）し、センサ部９上の電極パッドＰ１〜Ｐ６とヘッダ部１１上の電極ピンＴ１〜Ｔ６との間をワイヤボンド接合（電気的接合）する。そして、このセンサ部９を搭載したセンサパッケージ１０を熱式流速センサ１２とし、図９に示すように、Ｏリング１３を介して管路１５にセットする。この際、熱式流速センサ１２のセンサ部９は、計測対象の流体に晒されるように、管路１５における流路１４の内部に突き出すようにして配置する。

この熱式流速センサ１２を用いた流量計１６の原理を述べる。センサ部９において、ヒータ４は周囲温度より一定の温度高くなるように駆動され、温度センサ５Ｕ，５Ｄは定電流または定電圧で駆動される。計測対象の流体の流速が零の時には温度センサ５Ｕ，５Ｄの温度は同一になり、温度センサ５Ｕ，５Ｄの抵抗値に差は生じない。計測対象の流体の流れがある時には、上流に位置する温度センサ（上流側温度センサ）５Ｕは、ヒータ４の方向へ向かう流体の流れにより熱が運び去られるので冷却される。一方、下流に位置する温度センサ（下流側温度センサ）５Ｄは、ヒータ４の方向からの流体の流れによって熱せられる。これによって、上流側温度センサ５Ｕと下流側温度センサ５Ｄの抵抗値に差が生じ、この抵抗値の差を電圧値の差として検出することにより、計測対象の流体の流速ｖが求められる。この流速ｖに流路１４の断面積Ｓを乗じることによって計測対象の流体の流量Ｑが求められる。

この流量計１６では、センサ部９における流路１４の断面積を小さくし、センサ部９を通過する流体の流速を高めることによって、低流量の計測が可能である。すなわち、図１０に示すように、流路１４を途中で絞り、この絞り部１４−２を流れる流体にセンサ部９が晒されるように、熱式流速センサ１２を管路１５にセットすることによって、低流量の計測が可能となる（例えば、特許文献１，２参照）。図１１に図１０におけるＩ−Ｉ線断面図を示す。なお、図１０および図１１では、簡略化のために、熱式流速センサ１２は断面としては示していない。この場合、絞り部１４−２では流体の流速が高まり、すなわち入口部１４−１の流速ｖよりもセンサ部９を通過する流体の流速ｖ１が大きくなり、この高められた流体の流速ｖ１と絞り部１４−２の流路の断面積Ｓ１とから計測対象の流体の流量Ｑが求められる。

特開平２−２６３１１７号公報 特開平３−０５３１２５号公報

しかしながら、図１０に示した流量計１６では、絞り部１４−２の流路の断面積Ｓ１がセンサ部９の物理的な大きさによって規制される。すなわち、センサ部９はヘッダ部１１にワイヤボンド接合されており、ボンディングワイヤなどを含めたセンサ部９の物理的大きさにより、絞り部１４−２の幅や高さが規制される。このため、絞り部１４−２の流路の断面積Ｓ１をセンサ部９の物理的大きさによって規制される断面積Ｓ０（図１２参照）以上に小さくすることができず、微少流量を計測する際の支障となっていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、流速センサのセンサ部の物理的大きさに制限されることなく、微少流量を計測することができる流量計を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る流量計は、計測対象の流体が流れる流路と、この流路を流れる流体にそのセンサ部が晒される流速センサと、センサ部の近傍上流側に設けられセンサ部の物理的大きさによって規制される流路の断面積よりも小さい流体の流出口を有する流路絞り部とを備えたものであり、流速センサのセンサ部は、基台と、この基台の上面に空間を設けて薄肉状に形成されたダイアフラム部とを備え、流路における流路絞り部の流体の流出口の高さ方向の位置は、その流出口の上端部が、流路に対して上から下に向かって突き出すように配置されたセンサ部のダイアフラム部の流路を流れる流体に晒される面に一致する位置とされ、流路における流路絞り部の流体の流出口の幅方向の位置は、その流出口の中心がセンサ部のダイアフラムの中心に一致する位置とされていることを特徴とする。
この発明によれば、センサ部の近傍上流側に設けられた小面積の流出口を有する流路絞り部によって流体の流れが絞られ、すなわちセンサ部の物理的大きさによって規制される流路の断面積の開口によって絞る以上の速度で流路絞り部の流出口から流体が噴出し、この高速度の流体がセンサ部を通過する。この際、流路絞り部の流出口から噴出した流体は、流出口とセンサ部との高さ方向および幅方向の位置関係より、センサ部のダイアフラム部の中央を這うようにして通過する。
ここで、センサ部が流路絞り部の流出口の直近に設けられており、センサ部を通過する流体の流速が流路絞り部の流出口から出る流体の流速とほゞ同じであるとすれば、すなわち流路絞り部で流速を高めた流体がほゞ同速度でセンサ部を通過するものとすれば、流速センサが検出する流体の流速と流路絞り部の開口の面積とから、流速センサのセンサ部の物理的大きさに制限されることなく、計測対象の流体の微少流量を求めることが可能となる。

なお、本発明において、センサ部は、必ずしも流路絞り部の流出口の直近に設けなくてもよい。流路絞り部の流出口を出た流体は、下流に向かうに連れて減速し、やがてその減速率が零となる。ここで、減速率が零となった時の流体の速度をｖ０とすると、流路絞り部の流出口を出た流体の流速がほゞｖ０となるまでの範囲内にセンサ部を設ければ、センサ部における流路の断面積の開口で絞る以上の速度で流体がセンサ部を通過するものとなる。この場合、例えば流路絞り部の流出口からセンサ部までの距離によって流路絞り部の流出口の面積を補正するなどすれば、この補正した流路絞り部の開口の面積と流速センサが検出する流体の流速とから、計測対象の流体の微少流量を求めることが可能となる。

また、本発明において、流速センサは流路絞り部が設けられた管路に直接セットするようにしてもよいが、センサ部が搭載された流速センサのヘッド部に流路絞り部を形成したキャップを被せ、このキャップとヘッド部との間の空間をセンサ部が配置される流路とし、このキャップを被せた流速センサを管路にセットするようにしてもよい。

本発明によれば、センサ部の近傍上流側に設けられた小面積の流出口を有する流路絞り部によって、流体の流速が高められ、この流速が高められた流体がセンサ部のダイアフラム部の中央を這うようにして通過するものとなり、センサ部における流路の断面積に拘わらず、すなわち流速センサのセンサ部の物理的大きさに制限されることなく、計測対象の流体の微少流量を計測することが可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明の一実施の形態を示す熱式流速センサを用いた流量計の要部を示す断面図である。同図において、図９と同一符号は図９を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。図２に図１におけるII−II線断面図を示す。なお、図１および図２では、簡略化のために、熱式流速センサ１２は断面としては示していない。

この流量計１６では、流路１４の入口側を拡径し、この拡径した入口部１４−１にノズル１７を装着している。ノズル１７には、その先端に、流路絞り部１７−１が形成されている。すなわち、この実施の形態では、熱式流速センサ１２のセンサ部９の直近上流側に、流路絞り部１７−１を設けている。

流路絞り部１７−１の開口（流出口）Ｈ１の面積Ｓ２は、センサ部９の物理的大きさによって規制される流路１４の断面積Ｓ０（図１２）よりも遙かに小さくされており（例えば、直径０．３ｍｍ）、流出口Ｈ１からセンサ部９の端部までの距離Ｌ１は例えば１ｍｍとされている。また、流路１４における流出口Ｈ１の高さ方向の位置は、その流出口Ｈ１の上端部がセンサ部９のダイアフラム部２の上面にほゞ一致する位置とされている。また、流路１４における流出口Ｈ１の幅方向の位置は、その流出口Ｈ１の中心がセンサ部９のダイアフラム部２の中心にほゞ一致する位置とされている。

なお、ノズル１７には、流路絞り部１７−１の前段に、流路１４の断面積Ｓ１よりもやや小さい断面積Ｓ３の流路導入部１７−２が形成されている。この実施の形態では、流路導入部１７−２と流路絞り部１７−１とを径を変えることによって垂直につないでいるが、図３（ａ）に示すように流路導入部１７−２の壁面をテーパ状とし、流路導入部１７−２と流路絞り部１７−１とを緩やかにつなげるようにしてもよい。また、図３（ｂ）に示すように、流路の入口から流出口Ｈ１までその壁面をテーパ状とした流路絞り部１７−１’としてもよい。流路導入部や流路絞り部の壁面をテーパ状とすることによってスムーズに流体の流れを絞ることができる。

〔流量の計測〕
この流量計１６において、管路１５に流入する計測対象の流体は、ノズル１７の流路導入部１７−２に入り、流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１から出て行く。流出口Ｈ１の面積Ｓ２は、センサ部９の物理的大きさによって規制される流路１４の断面積Ｓ０よりも遙かに小さくされているので、センサ部９の物理的大きさにより規制される流路１４の断面積Ｓ０の開口で絞る以上の速度で、流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１から流体が噴出する。

この流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１から噴出した流体は、流出口Ｈ１とセンサ部９との高さ方向および幅方向の位置関係より、センサ部９のダイアフラム部２の中央を這うようにして通過する。ここで、センサ部９は流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１の直近に設けられているので、センサ部９を通過する流体の流速は流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１から出る流体の流速とほゞ同じとなる。すなわち、流路絞り部１７−１で流速を高めた流体がほゞ同速度でセンサ部９を通過する。これにより、熱式流速センサ１２が検出する流体の流速と流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１の面積とから、熱式流速センサ１２のセンサ部９の物理的大きさに制限されることなく、計測対象の流体の微少流量を求めることができる。

なお、上述した実施の形態では、センサ部９を流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１の直近に設けたが、必ずしも直近に設けなくてもよい。流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１から出た流体は、下流に向かうに連れて減速し、やがてその減速率が零となる。ここで、減速率が零となった時の流体の速度をｖ０とすると、流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１を出た流体の流速がほゞｖ０となるまでの範囲内にセンサ部９を設ければ、センサ部９における流路１４の断面積Ｓ１の開口で絞る以上の速度で流体がセンサ部９を通過するものとなる。この場合、例えば流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１からセンサ部９までの距離Ｌ１によって流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１の面積Ｓ２を補正するなどすれば、この補正した流路絞り部１７−１の流出口Ｈ１の面積Ｓ２と熱式流速センサ１２が検出する流体の流速とから、計測対象の流体の微少流量を求めることが可能となる。

また、上述した実施の形態では、熱式流速センサ１２を流路絞り部１７−１が設けられた管路１５にセットするようにしたが、図４に示すように、センサ部９が搭載された熱式流速センサ１２のヘッド部１１に流路絞り部１８−１を形成したキャップ１８を被せ、このキャップ１８とヘッド部１１との間の空間をセンサ部９が配置される流路１８−２とするようにしてもよい。このようにすることによって、図１に示したようなノズル１７を管路１５に設けなくてもよくなり、図５に示すように、ヘッド部１１にキャップ１８を被せた熱式流速センサ１２を管路１５にセットするだけで、それまで測定することができなかった微少流量を測定することができるようになる。

また、上述した実施の形態では、流出口Ｈ１からセンサ部９の端部までの距離Ｌ１を１ｍｍとしたが、この距離Ｌ１は可能な限り近い方がよいことは言うまでもない。

本発明の一実施の形態を示す熱式流速センサを用いた流量計の要部を示す断面図である。 図１におけるII−II線断面図である。 この流量計に用いるノズルの他の例を示す断面図である。 熱式流速センサのヘッド部にキャップを被せるようにした例を示す断面図である。 ヘッド部にキャップを被せた熱式流速センサを管路にセットした状態を示す断面図である。 熱式流速センサのセンサ部の一例を示す斜視図である。 このセンサ部のダイアフラム部の概略断面構造を示す図である。 このセンサ部をセンサパッケージのヘッダ部に搭載した熱式流速センサを示す側面図である。 この熱式流速センサを管路にセットした状態を示す断面図である。 管路の途中を絞りその絞り部に熱式流速センサをセットした状態を示す側断面図である。 図１０におけるＩ−Ｉ線断面図である。 熱式流速センサのセンサ部の物理的大きさによって規制される流路の断面積Ｓ０を示す図である。

符号の説明

１…基台、２…ダイアフラム部、３…空間、４…ヒータ、 ５Ｕ，５Ｄ…温度センサ、６…スリット、７…周囲温度センサ、８…絶縁層、Ｐ１〜Ｐ６…電極パッド、９…センサ部、１０…センサパッケージ、１１…ヘッダ部、１２…熱式流速センサ、Ｔ１〜Ｔ６…電極ピン、１３…Ｏリング、１４…流路、１４−１…入口部、１５…管路、１６…流量計、１７…ノズル、１７−１…流路絞り部、１７−２…流路導入部、Ｈ１…開口（流出口）、１８…キャップ、１８−１…流路導入部、１８−２…流路。

Claims (3)

1. 計測対象の流体が流れる流路と、
   この流路を流れる流体にそのセンサ部が晒される流速センサと、
   前記センサ部の近傍上流側に設けられ前記センサ部の物理的大きさによって規制される前記流路の断面積よりも小さい面積の前記流体の流出口を有する流路絞り部とを備え、
   前記流速センサのセンサ部は、基台と、この基台の上面に空間を設けて薄肉状に形成されたダイアフラム部とを備え、
   前記流路における前記流路絞り部の流体の流出口の高さ方向の位置は、その流出口の上端部が、前記流路に対して上から下に向かって突き出すように配置された前記センサ部のダイアフラム部の前記流路を流れる流体に晒される面に一致する位置とされ、
   前記流路における前記流路絞り部の流体の流出口の幅方向の位置は、その流出口の中心が前記センサ部のダイアフラムの中心に一致する位置とされている
   ことを特徴とする流量計。
2. 請求項１に記載された流量計において、
   前記センサ部は、
   前記流路絞り部の流出口を出た流体の流速の減速率がほゞ零となるまでの範囲内に設けられている
   ことを特徴とする流量計。
3. 請求項１に記載された流量計において、
   前記流速センサは、前記センサ部が搭載されたヘッド部を有し、
   前記流路は、前記ヘッド部に被されるキャップと前記ヘッド部との間の空間として形成され、
   前記流路絞り部は、前記キャップに形成されている
   ことを特徴とする流量計。

Images