JP4811636B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流れにより生じる温度差を検出して、流路を流れる流体の流量を測定する熱式流量計に関するものである。
さらに詳しくは、耐腐食性が高く、広い流量範囲を測定することができるとともに、応答性の良い熱式流量計に関するものである。

従来、流体の流れにより生じる温度差を検出して、流路を流れる流体の流量を測定する熱式流量計に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平０５−０７９８７５号公報 特開平０７−１５９２１５号公報 特開平１０−０８２６７８号公報 特開２００２−１６８６６８号公報

図４は、このような従来の熱式流量計の一例を示す構成図である。図４において、１は金属の細管等で構成される流路、２は流路１を流れる流体の温度を加熱して一定温度にするヒータ等の伝熱手段、３及び４はサーミスタや白金測温抵抗体等の温度検出手段、５は上流側及び下流側の流体の温度差に基づき流量を求めるＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算制御手段である。

図４中、ＦＬ０１に示すように、被測定流体が流れる流路１の中央部分には伝熱手段２が設けられ、この流路１上であって、伝熱手段２から等間隔の位置には温度検出手段３及び４が設けられている。

また、温度検出手段３及び４の出力はそれぞれ演算制御手段５に接続され、演算制御手段５からの温度制御のための制御信号は伝熱手段２に接続されている。

ここで、図４に示す従来例の動作を、図５を用いて説明する。図５は流路の位置に対する流路内の被測定流体の温度分布の一例を示す特性曲線図である。演算制御手段５は予め測定された被測定流体の温度に対して、被測定流体が数度程度高い一定温度になるように伝熱手段２を制御する。

このような状態で、流量がゼロの場合には、図５中、ＣＨ１１に示すように、伝熱手段２の設置位置ＨＴ１１を中心にして、上流側および下流側に対称な温度分布を示す。このため、温度検出手段３及び４の設置位置ＴＳ１１、ＴＳ１２における温度は等しくなる。言い換えれば、温度差はゼロになる。

一方、流路１の流体が流れると、図５中、ＣＨ１２に示すように、温度分布のピークが下流側にシフトする。このため、温度検出手段３及び４の設置位置ＴＳ１１、ＴＳ１２における温度はそれぞれ異なることになり、ＤＴ１１に示すような温度差が生じることになる。

このような温度差は、被測定流体の流量に依存した信号となるので、この温度差に基づき、演算制御手段５において流路１を流れる被測定流体の流量を求めることができる。

すなわち、伝熱手段２により流路１を流れる被測定流体の温度を制御するとともに、２つの温度検出手段３及び４によって伝熱手段２の上流側及び下流側の流体の温度を測定し、その温度差を演算制御手段５により演算することにより、被測定流体の流量を測定することができる。

しかしながら、図４に示す従来例では、流路１として金属の細管等を用いているために、金属を腐食するような流体の流量を測定することはできないといった問題点があった。

このため、前述した特許文献２においては、耐腐食性に優れたガラス基板に流路を形成した熱式流量計（質量流量センサ）が記載されている。

図６及び図７は、特許文献２に記載された従来の熱式流量計の他の例を示す斜視図及び断面図である。図６及び図７において、６はガラス基板、７及び９はシリコン基板、８は伝熱手段、１０はガラス基板６に形成された流路である。

ガラス基板６の中央部分には超音波加工やレーザ加工等によって、長孔である流路１０が形成される。また、ガラス基板６の上面にはシリコン基板７が陽極接合により貼り合わされる。

また、ガラス基板６の下面にはシリコン基板９が陽極接合により貼り合わされる。シリコン基板９において、ガラス基板６に形成された流路１０の両端部分に隣接する部分には、ＨＬ２１及びＨＬ２２に示すような孔が形成され、それぞれ被測定流体の流入孔若しくは排出孔として機能する。

さらに、シリコン基板７上には、白金やニッケル等の抵抗温度係数の大きい金属から構成されるヒータ等の伝熱手段８（温度検出手段を兼ねる）が形成されている。また、シリコン基板７及びガラス基板６上には、配線が適宜形成される。

しかしながら、図６及び図７に示す従来例では、ガラス基板６に流路１０を形成する構成ではあるものの、流路１０の上面及び下面にはシリコン基板７及び９が用いられているので、やはり、耐腐食性に問題がある。

また、図６及び図７に示す従来例において、シリコン基板７及び９をガラス基板に置換することにより、流路を全てガラスにより構成して、耐腐食性を向上させることも考えられるが、ガラスは熱伝導率が小さいので、流路を流れる流体の流量が大きい場合には、伝熱手段８直下の液体を十分に温めることができない。

すなわち、流量が小さく、伝熱手段８直下の温度が十分に温まっている場合には、流量の増加に伴なって上流側と下流側との温度差が大きくなるように変化するが、流量が大きくなり、伝熱手段８直下の温度が十分に温まらない場合には、流量が増加しても、上流側と下流側との温度差が大きく変化することがなくなってしまう。

図８は、このような流量と検出温度差との関係を示す特性曲線図である。図８中、ＴＤ３１に示すように、上流側と下流側との温度差はピークを有する特性となり、図から明らかなように、測定可能な流量範囲が極めて狭くなってしまうといった問題点がある。

また、熱応答性を良くするために、ガラス基板の厚さを薄くすることも考えられるが、ガラス基板の厚さをあまり薄くしてしまうと、流体圧力に対して十分な強度を得ることができなかったり、厚さの異なるガラス基板同士を接合することが難しくなってしまう。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、耐腐食性が高く、熱応答性に優れ、広い流量範囲を測定することができるとともに、流路の形成が容易な熱式流量計を実現することを目的としたものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、流体の流れにより生じる温度差を検出して流路を流れる流体の流量を測定する熱式流量計において、流路となる溝部が形成された第１のガラス基板と、この第１のガラス基板と接合され管状の流路を形成する第２のガラス基板と、この第２のガラス基板の表面において前記流路内に相当する位置に形成された流量計測部と、この流量計測部を覆うように形成された保護膜とを具備し、前記流量計測部は、流路内の流体に熱を伝える伝熱手段と、この流路上であって伝熱手段から等間隔の位置に設けられた上流側及び下流側の温度検出手段とよりなり、
前記流路を流れる流体の温度を、予め測定された流体の温度に対して高い一定温度になるように前記伝熱手段により制御するとともに、前記上流側及び下流側の温度検出手段で検出された温度の温度差を温度和で除算した規格化された温度差を求め、この規格化された温度差に基づき流量を求める演算制御手段を備えたことを特徴とする。

請求項２では、請求項１の熱式流量計において、前記流量計量部は、前記流路内に配置されることを特徴とする。

請求項３では、請求項１または２の熱式流量計において、前記第１のガラス基板と第２のガラス基板とは、同程度の厚みを有することを特徴とする。

請求項４では、請求項１乃至３のいずれかの熱式流量計において、前記第２のガラス基板表面に形成される流量計測部および保護膜は、半導体技術により形成されることを特徴とする。

請求項５では、請求項４の熱式流量計において、前記保護膜は、パッシベーション膜であることを特徴とする。

請求項６では、請求項５の熱式流量計において、前記パッシベーション膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする。

このように、第２のガラス基板の表面において流路内に相当する位置に流量計測部を形成するとともに、この流量計測部を保護膜により覆うように構成すると、耐腐食性を保ったまま、流量計測部を流路内に配置することができ、熱応答性に優れ、Ｓ／Ｎ比の良好な熱式流量計を実現することができる。
また、演算制御手段により、温度差を温度和で除算した規格化された温度差を求め、この規格化された温度差に基づき流量を求めるようにすると、流量増加に伴う検出温度差の低下を補償して、広い流量範囲を測定することが可能となる。
さらに、流量計測部を流路内に配置することができるので、第１及び第２のガラス基板の厚さを同程度とすることができ、ガラス基板の接合、すなわち、流路の形成が容易となる。

以下、図面を用いて、本発明の熱式流量計を説明する。
図１は本発明の熱式流量計の一実施例を示す構成図である。図において、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。１１は第１のガラス基板、１２は第１のガラス基板１１表面に形成された、流路となる溝部である。溝部１２はエッチングやサンドブラストなどの方法により形成される。１３は第１のガラス基板１１と接合され、溝部１２とともに管状の流路を形成する第２のガラス基板である。ガラス基板同士の接合には、フッ酸や水ガラスなどを使用する方法や、熱融着（熱圧着）による方法などが考えられる。

１４は伝熱手段、１５、１６は温度検出手段であり、温度検出手段１５、１６は伝熱手段１４から等距離の位置に配置されている。これらの伝熱手段１４および温度検出手段１５、１６は、流量計測部を構成しており、第２のガラス基板１３の表面において、流路内に相当する位置に形成される。伝熱手段１４および温度検出手段１５、１６は、例えば、ミアンダ状にパターニングされた金属膜よりなり、蒸着などの半導体技術により形成されている。１７はシリコン酸化膜などのパッシベーション膜よりなる保護膜であり、流量計測部（伝熱手段１４および温度検出手段１５、１６）を覆うように形成されている。

このように、流量計測部（伝熱手段１４および温度検出手段１５、１６）が流路内に配置されているが、表面を保護膜１７により覆われているので、耐腐食性は保たれている。また、保護膜１７は薄く、熱伝導性も良いので、熱応答性に優れ、Ｓ／Ｎ比の良好な熱式流量計を実現することができる。

さらに、流量計測部（伝熱手段１４および温度検出手段１５、１６）を形成する第２のガラス基板１３の厚さを、第１のガラス基板１１と同程度に厚くすることができるので、十分な強度を得ることができるとともに、ガラス基板同士の接合が技術的に容易であり、流路の形成が容易となる。

図２は流量計測部（伝熱手段１４および温度検出手段１５、１６）を駆動して、流量に応じた信号を発生する信号処理部分を含む構成図である。図において、前記図１と同様のものは同一符号を付して示す。１８は上流側及び下流側の流体の温度差に基づき流量を求めるＣＰＵ等の演算制御手段である。

演算制御手段１８は、伝熱手段１４に電力を供給して、その発熱温度を制御するとともに、温度検出手段１５及び１６からの出力信号を受け、その温度差を基にして、流路内を流れる流体の流量を算出する。

ここで、演算制御手段１８の動作を図３を用いて説明する。図３は流量に対する上流側と下流側との温度差、温度和及び温度差を温度和で除算した値の関係をそれぞれ示す特性曲線図である。但し、前記図４に示す従来例と同様の動作に関しては、説明を適宜省略する。

演算制御手段１８は予め測定された被測定流体の温度に対して、被測定流体が数度程度高い一定温度になるように、伝熱手段１４の駆動を制御する。

このような状態で、上流側の温度検出手段１５及び下流側の温度検出手段１６で検出される温度の温度差は、図３中、ＴＤ５１で示す如き曲線となる。なお、本発明により、流量計測部における熱応答性は改善されてはいるが、やはり図示のようにピークを持ったものとなっている。

ここで、演算制御手段１８は上流側の温度検出手段１５及び下流側の温度検出手段１６で検出される温度の温度差を求めるとともに、上流側の温度検出手段１５及び下流側の温度検出手段１６で検出される温度の温度和を求め、温度差を温度和で除算することにより、温度差を規格化する。

例えば、上流側の温度検出手段１５及び下流側の温度検出手段１６で検出される温度の温度和は、図３中、ＴＡ５１に示すような特性曲線となり、このような特性曲線の温度和で、ＴＤ５１に示す温度差を除算することにより、ＮＴ５１に示すような、規格化された温度差の特性曲線が得られる。

ＮＴ５１に示すような規格化された温度差は、広い流量範囲において単調増加を示しているので、広い流量範囲を測定することが可能であることがわかる。

なお、上記の説明においては、流量の測定方法として、流路を流れる被測定流体の温度を伝熱手段１４により制御するとともに、２つの温度検出手段１５及び１６によって上流側及び下流側の流体の温度を測定し、演算制御手段１８により温度差応じた流量を求める構成を例示したが、流量計測部の構成はこれに限られるものではなく、例えば、上流側及び下流側に配置された２つのヒータを使用して、これらのヒータの温度差から流体の流量を求めるように構成したものであっても良い。

本発明の熱式流量計の一実施例を示す構成図。 本発明の熱式流量計において、信号処理部分を含む実施例を示す構成図。 流量に対する上流側と下流側との温度差、温度和及び温度差を温度和で除算した値の関係をそれぞれ示す特性曲線図。 従来の熱式流量計の一例を示す構成図。 流路の位置に対する流路内の被測定液体の温度分布の一例を示す特性曲線図。 従来の熱式流量計の他の例を示す斜視図。 従来の熱式流量計の他の例を示す断面図。 上流側と下流側との温度差と、流量との関係を示す特性曲線図。

符号の説明

１、１０ 流路
２、８、１４ 伝熱手段
３、４、１５、１６ 温度検出手段
５、１８ 演算制御手段
６、１１、１３ ガラス基板
７、９ シリコン基板
１２ 溝部
１７ 保護膜

Claims (6)

1. 流体の流れにより生じる温度差を検出して流路を流れる流体の流量を測定する熱式流量計において、流路となる溝部が形成された第１のガラス基板と、この第１のガラス基板と接合され管状の流路を形成する第２のガラス基板と、この第２のガラス基板の表面において前記流路内に相当する位置に形成された流量計測部と、この流量計測部を覆うように形成された保護膜とを具備し、
   前記流量計測部は、流路内の流体に熱を伝える伝熱手段と、この流路上であって伝熱手段から等間隔の位置に設けられた上流側及び下流側の温度検出手段とよりなり、
   前記流路を流れる流体の温度を、予め測定された流体の温度に対して高い一定温度になるように前記伝熱手段により制御するとともに、前記上流側及び下流側の温度検出手段で検出された温度の温度差を温度和で除算した規格化された温度差を求め、この規格化された温度差に基づき流量を求める演算制御手段を備えたことを特徴とする熱式流量計。
2. 前記流量計量部は、前記流路内に配置されることを特徴とする請求項１記載の熱式流量計。
3. 前記第１のガラス基板と第２のガラス基板とは、同程度の厚みを有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱式流量計。
4. 前記第２のガラス基板表面に形成される流量計測部および保護膜は、半導体技術により形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱式流量計。
5. 前記保護膜は、パッシベーション膜であることを特徴とする請求項４に記載の熱式流量計。
6. 前記パッシベーション膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項５に記載の熱式流量計。

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