JP4940938B2 - 熱式質量流量計 - Google Patents

Description

本発明は、キャピラリ内を流れる流体の質量流量を、流体の流れ方向における温度分布に基づいて測定する熱式質量流量計に関するものである。

図２を参照しながら従来の熱式質量流量計を説明する。図２は従来の熱式質量流量計の一例を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）はキャピラリ表面の温度分布を示すグラフである。（Ｂ）において、縦軸は温度であり、横軸はキャピラリの流れ方向における位置である。なお、破線で示された曲線はキャピラリ内を流体が流れていない状態での温度分布を示し、実線で示された曲線はキャピラリ内を流体が流れている状態での温度分布を示している。

キャピラリ１１の周面上に発熱体１２が接触している。キャピラリ１１の流れ方向に沿って発熱体１２の上流側と下流側の等距離の位置に、キャピラリの表面温度を測定するための１対の感熱体１４，１６が接触している。この例では、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によって１つの基板に発熱体１２と感熱体１４，１６を作りこんだ流量測定用チップ１８を用い、その流量測定用チップ１８をキャピラリ１１に取り付けて、キャピラリ１１内を流れる流量の測定を行なっている（例えば、特許文献１参照。）。

上記の熱式質量流量計は、発熱体１２によってキャピラリ内の流体を所定温度まで加熱し、発熱体１２から一定距離だけ離れた感熱体１４及び１６でキャピラリ１１の表面温度を測定する。流体が静止している状態では、図２（Ｂ）の破線で示されるように、キャピラリ１１の表面温度は発熱体１２をピークとする左右（上流側と下流側）対称の温度分布となり、発熱体１２の上流と下流に配置された感熱体１４，１６の測定温度差は０となる。

図２（Ｂ）の実線で示されるように、キャピラリ１１内を流体が流れると、キャピラリ１１表面の温度分布は全体的に下流側に移動し、温度センサ１４，１６における検出温度に差が生じる。キャピラリ１１表面の温度分布は、キャピラリ１１内を流れる流体の流量の増大に伴なって下流側に移動し、そのピーク位置が感熱体１４と１６の間にある場合には、ピーク位置が下流側にあるほど両感熱体１４，１６における検出温度の差は大きくなる。すなわち、キャピラリ１１表面の温度分布のピーク位置が感熱体１４と１６の間にある状態においては、キャピラリ１１内を流れる流体の流量と感熱体１４，１６による検出温度差には相関関係が成立し、この相関関係を予め把握しておくことで、感熱体１４，１６の検出温度差からキャピラリ１１内の流体流量が求められる。
米国特許第６８１３９４４号

ＭＥＭＳ技術を用いて１枚の基板に発熱体１２及び感熱体１４，１６を作りこむことは、製造設備などの問題から安価に実現することはできない。
そこで、キャピラリの表面に感熱体や発熱体を別個に取り付けて、ＭＥＭＳ技術を用いることなく熱式質量流量計を構成することが提案されている。

キャピラリ表面に発熱体と感熱体を別個に取り付けて熱式質量流量計を構成する場合、感熱体としてダイオードがよく使用されている。これは、ダイオードを定電圧駆動すれば約８００００ｐｐｍ／℃の検出感度が得られ、通常の感熱体の中では最も感度が高いからである。また、発熱体としてもダイオードが用いられていることが多い。

しかし、一般に市販されているダイオードは、ダイオード素子を保護する目的で、内部のダイオード素子がモールド樹脂の中心部に配置されている。熱式質量流量計の感熱体は被測定流体の温度変化だけを測定することを目的としているのに対し、ダイオードのそのような構造によって目的外の温度変化も重畳して測定してしまい、目的外の温度変化がノイズとなってＳＮ比（Signal to Noise Ratio、以下、Ｓ／Ｎと表わす）が悪化する。

また、ダイオードのモールド樹脂はエポキシ樹脂であり、熱的に良導体ではない。そのため、感熱体や発熱体として使用したときは熱的な応答が遅くなり、流量計としての応答も遅くなる。

そこで本発明は、感熱体及び発熱体がそれぞれ個別にキャピラリに取り付けられた熱式質量流量計のＳ／Ｎと応答性を安価に向上させることを目的とするものである。

本発明は、内部を流体が流れるキャピラリの周面に配置され、キャピラリ内の流体を加熱するための発熱体と、発熱体とは別体として構成され、キャピラリの周面でかつ発熱体と同じ側で、発熱体の上流側と下流側の等距離の位置に配置された上流側感熱体及び下流側感熱体と、上流側感熱体と下流側感熱体による測定温度差からキャピラリ中を流れる流体の流量を求める演算部と、を備えた熱式質量流量計であって、上流側及び下流側の感熱体は、感熱素子としてのサーミスタ又は測温抵抗と、そのサーミスタ又は測温抵抗を覆う保護樹脂からなり、該サーミスタ又は測温抵抗が保護樹脂の外装面の一方に偏って配置されたものであり、キャピラリとの接触面が該サーミスタ又は測温抵抗に近い側の外装面となっていることを特徴とするものである。

本発明の熱式質量流量計では、発熱体も、発熱素子としての抵抗体とその抵抗体を覆う保護樹脂からなり、該抵抗体が保護樹脂の外装面の一方に偏って配置されたものであり、キャピラリとの接触面が該抵抗体に近い側の外装面となっていることが好ましい。

本発明の熱式質量流量計は、上流側及び下流側の感熱体が感熱素子としてのサーミスタ又は測温抵抗とそのサーミスタ又は測温抵抗を覆う保護樹脂からなり、該サーミスタ又は測温抵抗が保護樹脂の外装面の一方に偏って配置されたものであり、キャピラリとの接触面が該サーミスタ又は測温抵抗に近い側の外装面となっているので、キャピラリ表面の温度変化（目的の温度変化）に対する感度が感熱体の周囲の温度変化（目的外の温度変化）に対する感度よりも大きくなり、Ｓ／Ｎが向上する。
更には、キャピラリとの接触面から感熱素子までの熱抵抗が小さくなり、応答性が向上する。

発熱体も、発熱素子としての抵抗体とその抵抗体を覆う保護樹脂からなり、該抵抗体が保護樹脂の外装面の一方に偏って配置されたものであり、キャピラリとの接触面が該抵抗体に近い側の外装面となっていれば、抵抗体で発生した熱のキャピラリとは異なる方向への放熱が減って熱の浪費が低減されるので、キャピラリの加熱効率が向上し、結果として熱式質量流量計のＳ／Ｎが向上する。
更には、キャピラリとの接触面から発熱素子までの熱抵抗が小さくなり、応答性が向上する。

図１は本発明の熱式質量流量計の一実施例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置での断面図である。
キャピラリ２の主表面に接するように発熱体４が配置されている。発熱体４は発熱素子としての抵抗体がモールド樹脂で覆われたものであり、抵抗体はモールド樹脂の中心よりもキャピラリとの接触面側に偏って配置されている。

キャピラリ２の周面の発熱体４の上流側と下流側の発熱体４から等しい位置に、１対の感熱体６，８が配置されている。感熱体６，８は、感熱素子７がモールド樹脂９で覆われたものである。感熱素子７は測温抵抗又はサーミスタである。感熱素子７はモールド樹脂９の中心よりもキャピラリ２との接触面側に偏って配置されている。発熱体４及び感熱体６，８は熱伝導性接着剤１０によってキャピラリ２に固着されている。

なお、図示は省略されているが、感熱体６，８は演算処理部に接続されている。演算部には予め測定された感熱体６，８の検出温度差（出力信号差）とキャピラリ２の流体流量との相関関係が例えば検量線として記録されており、両感熱体６，８の温度差に基づいてキャピラリ２の流体流量を算出するようになっている。

感熱体６のＳ／Ｎ及び応答性の評価について説明する。なお、ここでは感熱体６についてのみ説明するが、感熱体８についても感熱体６と同じように評価することができる。
感熱体６の断面図である図１（ｃ）を参照しながら、感熱体の構造について単純化して１次元的に考えることとする。感熱素子７の中心からモールド樹脂９のキャピラリ２との接触面９ａまでの距離をａ、感熱素子７の中心からモールド樹脂９のキャピラリ２との接触面とは反対側の面９ｂまでの距離をｂ、感熱素子７の中心からキャピラリ２の中心までの距離をｃ、とする。

感熱素子からキャピラリ２までの熱抵抗はａが短いほど小さい。そして、ｃが短いほうがキャピラリ２内を流れる流体の温度変化に対する感熱体の感度が良いことになる。すなわち、ｃの大きさによってキャピラリ２内を流れる流体の温度変化に対する感熱素子の応答性を評価することができる。
また、ｂが小さいと目的外である周囲温度の変化に対する感度が向上してしまうため、ノイズが大きくなる。モールド樹脂の熱伝導率が均一であるとすれば、熱式質量流量計に用いる感熱体としては、ｃが小さくｂが大きいものが好ましい。Ｓ／Ｎは目的信号／目的外信号であるから、単純にｂ／ｃの数値比較からＳ／Ｎの優劣を評価できる。

評価の一例として、ショットキダイオード１（定電流駆動用、ａ＝０.２６ｍｍ，ｂ＝０.３４ｍｍ）、ショットキダイオード２（定電圧駆動用、ａ＝０.２６ｍｍ，ｂ＝０.３４ｍｍ）、サーミスタ（ａ＝０.０５ｍｍ，ｂ＝０.５０ｍｍ）、測温抵抗（ａ＝０.０５ｍｍ，ｂ＝０.４５ｍｍ）についてＳ／Ｎ及び応答性について評価し、これらの比較を行なった。この比較では、キャピラリ２として、外径０.１５ｍｍ（半径０.０７５ｍｍ）、内径０.０７５ｍｍ（半径０.０３７５ｍｍ）のキャピラリを用いた。ここでの「ショットキダイオード」は、感熱素子としてのショットキダイオードがモールド樹脂で覆われているものであり、「サーミスタ」とは、感熱素子としてのサーミスタがモールド樹脂で覆われているものであり、「測温抵抗」とは、感熱素子としての測温抵抗がモールド樹脂で覆われているものである。

各感熱体についてｂ／ｃを求めると、
（ショットキダイオード１）
ｂ／ｃ＝０.３４／（０.２６＋０.０７５）≒１.０
（ショットキダイオード２）
ｂ／ｃ＝０.３４／（０.２６＋０.０７５）≒１.０
（サーミスタ）
ｂ／ｃ＝０.５０／（０.０５＋０.０７５）≒４.０
（測温抵抗）
ｂ／ｃ＝０.４５／（０.０５＋０.０７５）≒３.６
となる。

モールド樹脂の材質が均一であれば、Ｓ／Ｎはｂ／ｃによって決まるので、サーミスタのＳ／Ｎはショットキダイオード１及びショットキダイオード２のＳ／Ｎよりも４倍優れ、測温抵抗のＳ／Ｎはショットキダイオード１及びショットキダイオード２のＳ／Ｎよりも３.６倍優れていることになる。
モールド樹脂の材質が均一であれば、応答性はｃによって決まるので、サーミスタの応答性はショットキダイオード１及びショットキダイオード２の応答性よりも２．６倍優れ、測温抵抗の応答性はショットキダイオード１及びショットキダイオード２の応答性よりも２.６倍優れていることになる。

Ｓ／Ｎと応答性の２点から判断すると、上記の４つの感熱体のうち熱式質量流量計の感熱体として最も好ましいのはサーミスタであり、次に好ましいのが測温抵抗ということになる。すなわち、感熱体６，８としては、素子を保護する目的でモールド樹脂の中心部にダイオード素子が配置されているダイオードよりも、感熱素子がキャピラリ側に接近して配置されているサーミスタや測温抵抗のほうがＳ／Ｎ及び応答性に優れているということができる。

サーミスタを感熱体６，８として用いた場合、サーミスタにはダイオードのようなリード端子がないので、例えば基板に感熱体６，８やキャピラリ２を固定して熱式質量流量計を構成するような場合においては、リード端子を基板などに半田付けした後に基板が動くなどしてリード端子が曲がり、感熱体６，８の位置がキャピラリ２の所望の位置から動いてしまうなどの不具合が生じることもないことも利点である。
また、ダイオードを感熱体６，８として用いた場合には、目的外の温度変化の影響を小さくするために厚い断熱材でダイオードを含む測定部分を囲うなどしていたが、ダイオードよりもＳ／Ｎの優れたサーミスタや測温抵抗を感熱体として用いることで、それらを簡略化することも可能になる。

また、発熱体についても、上記の感熱体の場合とは熱の向きが逆であるが、ｂ／ｃ及びｃを用いて同様にＳ／Ｎや応答性について評価することができる。すなわち、ｃが小さい発熱体は発熱素子で発生した熱をキャピラリ内の流体に伝えやすいことになり、逆にｂが小さいと発熱素子で発生した熱がキャピラリとは別の方向へ逃げやすいことになる。よって、モールド樹脂に覆われている発熱素子がキャピラリ２側に偏って配置されているほうが発熱体として好ましい。

例えば、抵抗体（測温抵抗（ａ＝０.０５ｍｍ，ｂ＝０.４５ｍｍ）と同じ）とショットキダイオード１（ａ＝０.２６ｍｍ，ｂ＝０.３４ｍｍ）を比較すると、抵抗体のほうがショットキダイオードよりもＳ／Ｎは３.６倍、応答性は２.６倍優れている。よって、発熱体４としてダイオードよりも抵抗体を用いたほうがＳ／Ｎ及び応答性に優れた熱式質量流量計を構成することができる。なお、ここでの「抵抗体」とは、発熱素子としての抵抗体がモールド樹脂で覆われているものであり、「ショットキダイオード」とは、発熱素子としてのショットキダイオードがモールド樹脂で覆われているのもである。

一実施例の熱式質量流量計を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置における断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ位置における断面図である。 従来の熱式質量流量計を説明するための図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）はキャピラリ表面の温度分布を示すグラフである。

符号の説明

２ キャピラリ
４ 発熱体
６，８ 感熱体
７ 感熱素子
９ モールド樹脂
１０ 熱伝導性接着剤

Claims (2)

1. 内部を流体が流れるキャピラリの周面に配置され、キャピラリ内の流体を加熱するための発熱体と、前記発熱体とは別体として構成され、前記キャピラリの周面でかつ前記発熱体と同じ側で、前記発熱体の上流側と下流側の等距離の位置に配置された上流側感熱体及び下流側感熱体と、前記上流側感熱体と下流側感熱体による測定温度差から前記キャピラリ中を流れる流体の流量を求める演算部と、を備えた熱式質量流量計において、
   前記上流側の感熱体、前記下流側の感熱体、及び前記発熱体はそれぞれの保護樹脂により覆われて個別にパッケージ化されたものであり、
   上流側及び下流側の前記感熱体は、感熱素子としてのサーミスタ又は測温抵抗と、そのサーミスタ又は測温抵抗を覆う前記それぞれの感熱体用保護樹脂からなり、前記サーミスタ又は測温抵抗が前記それぞれの感熱体用保護樹脂の外装面のうちの一方の外装面に偏って配置されたものであり、
   かつ、上流側及び下流側の前記感熱体と前記キャピラリとの接触面が前記一方の外装面となるように、上流側及び下流側の前記感熱体が前記キャピラリに取りつけられていることを特徴とする熱式質量流量計。
2. 前記発熱体は、発熱素子としての抵抗体とその抵抗体を覆う前記発熱体用保護樹脂からなり、前記抵抗体が前記発熱体用保護樹脂の外装面のうちの一方の外装面に偏って配置されたものであり、
   かつ、前記発熱体と前記キャピラリとの接触面が前記一方の外装面となるように、前記発熱体が前記キャピラリに取りつけられている請求項１に記載の熱式質量流量計。

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