JP5272930B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は流量測定装置に関し、具体的には気体の流量を測定するための流量測定装置に関する。

一般的な直管型流量測定装置は、図１（ａ）又は（ｂ）に示すように、流量検出素子１１によって流路１２内を流れる気体の流速Ｖを測定し、測定した流速Ｖと流路断面積などに基づいて流路１２内における気体流量を測定するものである。

このような構造の流量測定装置では、流路１２内に一定流量の気体が流れる場合、図１（ａ）のように流路断面積が小さいと気体の流速Ｖが大きくなり、図１（ｂ）のように流路断面積が大きいと気体の流速Ｖが小さくなる。一方、流量検出素子１１は所定の測定可能レンジを有しており、気体の流速Ｖが測定可能レンジより外れると流速Ｖの計測精度が低下したり、計測不能になったりする。そのため、たとえば２００liters／min（以下、liters／minをＬ／minと略記する。）といった大流量の気体を直接測定する直管型流量測定装置では、流量検出素子１１の測定可能レンジまで流速Ｖを低くするために流路１２の直径を大きくする必要があり、装置の小型化に限界があった。

そこで、大流量測定用の流量測定装置を小型化するため、図２に示すようなバイパス流路構造の流量測定装置が提案されている。バイパス流路構造の流量測定装置では、主流路１３から副流路１４を分岐させてあり、主流路１３内にオリフィス２５を設けている。主流路１３内を流れる気体は、オリフィス２５の前後で発生した差圧によって一部が副流路１４に分流され、副流路１４に流れる気体の流速Ｖｐが流量検出素子１１で測定される。そして、主流路１３と副流路１４に流れる気体の分流比、副流路１４における流速Ｖｐ及び副流路１４の流路断面積などから総流量を求める方式となっている。

（特許文献１について）
バイパス流路構造の流量測定装置としては、特許文献１に開示されたものが公知となっている。図３に示すように、この流量測定装置２１では、主流管２２内に主流路１３を形成すると共に主流管２２の外側に副流路１４を形成してあり、主流路１３内に開口した導入口２３と排出口２４がそれぞれ副流路１４の両端に連通している。また、主流路１３内には、導入口２３と排出口２４との中間にオリフィス２５が設けられており、オリフィス２５の開口径や形状によって主流路１３と副流路１４の分流比を調整している。

しかし、この流量測定装置２１では、部品点数を削減し、分流比の製造ばらつきを低減するため、オリフィス２５を主流管２２に一体成形している。そのため、オリフィス２５の開口径や形状の変更ができず、オリフィス２５の開口径等を変更しようとすれば主流管２２の全体を新たに設計し直して製造する必要があり、用途に応じた流量レンジの流量測定装置を品揃えするためにコストが高くつき、また大きな在庫スペースも必要になる問題があった。

一方、オリフィス２５を交換可能にして主流管２２を共用化しようとすれば、図４に示すように、オリフィス２５を主流管２２と別々に形成することが考えられる。この場合には、図４に示すように、オリフィス２５を主流路１３内に納め、接着剤２６でオリフィス２５の全周を主流路１３の壁面に接着すればよい。

しかし、この方法では、接着剤２６の塗布工程や接着剤の加熱硬化処理などにより流量測定装置の組立工数が増加する。また、接着剤２６を塗布されたオリフィス２５を主流路１３内に納入する方法では、接着剤２６が主流路１３の壁面（特に、導入口２３の付近）に付着するために測定精度の低下を招く恐れがある。あるいは、あらかじめ主流路１３の壁面に接着剤２６を塗布しておいて後からオリフィス２５を納入する方法でも、接着剤２６がオリフィス２５と主流路１３の壁面の間からはみ出したりするので、測定精度の低下を招き、接着剤の管理も必要となる。

（特許文献２について）
オリフィスを主流管と別々に形成し、接着剤を用いないでオリフィスを主流路内に固定できるようにしたバイパス流路構造の流量測定装置としては、特許文献２に開示されたものがある。特許文献２に開示された流量測定装置３１では、図５に示すように、主流路１３内にオリフィス２５と円筒状をしたカラー３２を納入し、主流路１３内に形成された当止め部３４とカラー３２の間にオリフィス２５を挟み込んで保持している。カラー３２の端面と当止め部３４にはそれぞれ嵌合孔３５、３７が形成されており、カラー３２の嵌合孔３５に圧入した支持ピン３８をオリフィス２５の通孔３６に挿通させるとともに、当止め部３４の嵌合孔３７に挿入している。これによってカラー３２が回り止めされ、カラー３２に開口された通気孔３３が導入口２３に合わせて位置決めされる。さらに、カラー３２の後方には、ガス整流板３９と補助スペーサ４０が交互に納められている。

また、特許文献２のような構造では、主流路１３の奥で支持ピン３８を当止め部３４の嵌合孔３７に挿入しなければならないので、その作業を行いにくい。そのため、図６（ｂ）に示すように、カラー３２の後端部外周に突部４２を突出させ、この突部４２を図６（ａ）のように主流路１３の壁面に設けた窪み４１に嵌合させることでカラー３２の回り止めを行う方法も考えられる。

特許第３８７０９６９号公報 特願２００４−３５５０４５号公報

しかしながら、図５に示した特許文献２のような構造や図６（ａ）（ｂ）に示したような構造では、部品の製造ばらつきによってカラー３２の通気孔３３と導入口２３との間に位置ずれの生じることがある。たとえば図５のような構造では、カラー３２における通気孔３３の位置ばらつきや嵌合孔３５の位置ばらつき、当止め部３４における嵌合孔３７の位置ばらつきなどにより通気孔３３と導入口２３の位置がずれる。図６のような構造でも、カラー３２における通気孔３３の位置ばらつきや突部４２の位置ばらつき、主流路１３の窪み４１の位置ばらつきにより通気孔３３と導入口２３の位置がずれる。

こうして通気孔３３と導入口２３の位置がずれると、主流路１３から副流路１４へ流れ込む気体の流れに影響が生じるので、主流路１３と副流路１４の間における分流比がばらつき、流量測定装置の測定精度が低下する原因となる。

カラー３２の位置ずれが起きると分流比にばらつきが生じる現象を確認するため、本発明の発明者らは、つぎのような実験を行った。まず、実験を行うため２種類の流量測定装置（標準モデル１、２）を用意した。これらの流量測定装置は、主流路１３の流路断面積が０.０００３１ｍ^２、オリフィス２５の断面積（開口面積）が０.０００１８ｍ^２、副流路１４の流路断面積が５.００×１０^−５となっており、外径２４ｍｍ、内径２２ｍｍのカラー３２には直径５ｍｍの通気孔３３が開口されている。標準モデル１は流量の大きなタイプ（設定流量５００Ｌ／min）であり、標準モデル２は流量の小さなタイプ（設定流量３００Ｌ／min）である。

これらの流量測定装置を用い、通気孔３３が導入口２３と一致した位置からカラー３２の軸方向あるいは円周方向にずれた場合の分流比の変化率や、主流路１３、副流路１４及びオリフィス２５における平均流速及び流量を測定した。この結果を図７に示す。

図７におけるサンプルNo.１、No.４はそれぞれ、標準モデル１、２を用いて、図８（ａ）（ｂ）のように通気孔３３がカラー３２の長さ方向でも円周方向でも導入口２３と一致するように調整したものである。サンプルNo.２、No.５はそれぞれ、標準モデル１、２を用いて、図９（ａ）のように通気孔３３がカラー３２の軸方向において導入口２３から０.２５ｍｍ（通気孔３３の直径の５％）ずれるように調整したものである。サンプルNo.３、No.６はそれぞれ、標準モデル１、２を用いて、図９（ｂ）のように通気孔３３がその円周方向において導入口２３と一致する位置から１.２度だけずれるように調整したものである。

また、各サンプルNo.１〜６の分流比変化率とは、通気孔３３の位置ずれがないときの分流比を主流路の流量：副流路の流量＝Ａ：Ｂ、位置ずれが生じたときの分流比を主流路の流量：副流路の流量＝ａ：ｂとしたとき、次式で表されるものである。なお、主流路の流量とは、副流路に流れる気体の流量を含まないものである。

図７によれば、標準モデル１、２では、通気孔３３がその直径の５％だけカラー３２の軸方向にずれると、分流比変化率が約６〜１５％程度変化する。また、通気孔３３がカラー３２の円周方向に１.２度ずれると、分流比変化率が約１０〜１８％程度変化することが分かる。しかも、分流比の変化は、大流量用の流量測定装置ほど顕著になることが分かる。

よって、流量測定装置（特に、大流量用の流量測定装置）の測定精度を向上させるためには、カラーの通気孔と導入口との位置ずれをなくし、分流比のばらつきを小さくすることが望まれる。

なお、図９（ａ）（ｂ）に示したように導入口２３が通気孔３３の縁で部分的に塞がれないようにするためには、通気孔３３の直径を導入口２３の直径よりも大きくする方法が考えられる。しかし、この方法でも、通気孔３３と導入口２３の間に段差部分が生じるので、この段差部分によって副流路１４側へ分流される気体の流れに乱れが生じ、結局分流比のばらつきを小さくすることはできなかった。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、オリフィスを保持させるための部材（オリフィス保持部材）を用いてオリフィスを保持させるようにしたバイパス流路構造の流量測定装置において、オリフィス保持部材の製造ばらつきや位置ずれ等による分流比の変化を小さくすることにある。

本発明に係る流量測定装置は、両端が開口した主流路および前記主流路から分岐した副流路を有する流路ブロックと、前記副流路に設けられた流量測定素子と、前記主流路の壁面で開口し、かつ、前記副流路に連通した分流口及び回収口とを備え、前記主流路に流れる気体の一部を前記分流口から前記副流路へ分流させ、前記副流路を通過した気体を前記回収口から前記主流路へ戻すようにした流量測定装置において、前記流路ブロックの前記主流路となる空間の周面にて、前記分流口を含む領域と前記回収口を含む領域とを除く領域に保持部材収納部が凹設され、前記主流路内にオリフィスが納入され、前記保持部材収納部に嵌め込まれたオリフィス保持部材が、前記オリフィスに当接することによって前記オリフィスを保持し、前記主流路のうち前記保持部材収納部を形成された領域以外の壁面と前記オリフィス保持部材の内面とによって前記主流路の壁面が構成されていることを特徴としている。

本発明の流量測定装置にあっては、オリフィスを保持させるためのオリフィス保持部材が、主流路となる空間の周面のうち分流口を含む領域と回収口を含む領域とを除く領域に凹設された保持部材収納部に嵌め込まれているので、オリフィス保持部材や保持部材収納部にばらつき（誤差）があっても、オリフィス保持部材が分流口や回収口に重なる恐れがない。また、オリフィス保持部材が主流路内で回って分流口や回収口に干渉する恐れもない。そのため、オリフィスを流路ブロックと別体にして交換可能としたバイパス流路構造の流量測定装置において、部品のばらつきによる分流比のばらつきを小さくすることができる。また、主流路のうち保持部材収納部を形成された領域以外の壁面と保持部材収納部に嵌め込まれたオリフィス保持部材の内面とによって、主流路の壁面をほぼ滑らかに形成することができるので、主流路における気体の流れもスムーズにできる。これらの結果、本発明によれば、分流比を安定させて流量測定装置の測定精度を向上させることができる。

本発明に係る流量測定装置のある実施態様では、前記流路ブロックの前記主流路となる空間の周面に当止め部を突設し、前記オリフィスを前記当止め部に当接させることによって位置決めし、前記オリフィス保持部材の端面と前記当止め部の間に前記オリフィスを挟み込んで保持させている。かかる実施態様によれば、オリフィスを主流路内に突設された当止め部に当接させて位置決めしているので、オリフィスの位置決め精度が高くなり、分流比のばらつきを低減できる。

さらに、この実施態様においては、前記流路ブロックの前記主流路となる空間の周面に、前記当止め部から前記流路ブロックの一方端面にかけて、均一な断面形状の保持部材収納部を凹設し、前記オリフィス保持部材にその長さ方向全長にわたって切欠き部を形成し、前記オリフィス保持部材の切欠き部に前記主流路のうち前記保持部材収納部を形成された領域以外の壁面を納めるようにして、前記オリフィス保持部材を前記保持部材収納部に挿入していてもよい。かかる実施態様によれば、硬質ないし剛性のあるオリフィス保持部材でも保持部材収納部に容易に挿入することができるので、硬質ないし剛性のあるオリフィス保持部材を用いてオリフィスをしっかりと固定することができる。

また、前記実施態様においては、前記流路ブロックの前記主流路となる空間の周面に、前記当止め部から前記流路ブロックの一方端面に向けて、均一な断面形状の保持部材収納部を凹設し、前記オリフィス保持部材にその長さ方向の一部に切欠き部を形成し、前記オリフィス保持部材の切欠き部に前記主流路のうち前記保持部材収納部を形成された領域以外の壁面を納めるようにして、前記オリフィス保持部材を前記保持部材収納部に挿入していてもよい。かかる実施態様によれば、硬質ないし剛性のあるオリフィス保持部材でも保持部材収納部に容易に挿入することができるので、硬質ないし剛性のあるオリフィス保持部材を用いてオリフィスをしっかりと固定することができる。

本発明に係る流量測定装置の別な実施態様では、前記流路ブロックの前記主流路となる空間の周面に溝状の保持部材収納部を設け、前記オリフィスの外周面に突起を設け、前記保持部材収納部に前記突起を嵌め込んで前記オリフィスを前記主流路内に納入し、前記保持部材収納部に挿入した棒状の前記オリフィス保持部材によって前記オリフィスを保持させている。かかる実施態様によれば、小さな断面積のオリフィス保持部によってオリフィスを保持できるので、気体の流れを安定させることができる。

本発明に係る流量測定装置のさらに別な実施態様では、前記主流路内に納入されたオリフィスを、前記主流路の一方開口から前記保持部材収納部に嵌め込まれた前記オリフィス保持部材と前記主流路の他方開口から前記保持部材収納部に嵌め込まれた別な前記オリフィス保持部材とで挟み込んで保持している。かかる実施態様では、両側のオリフィス保持部材で挟み込むことによってオリフィスを固定しているので、主流路内にオリフィスを位置決めするための当止め部が必要なくなり、両側のオリフィス保持部材の長さを調整することによりオリフィスを任意の位置で保持させることができ、それによって分流比を調節することが可能になる。

本発明に係る流量測定装置のさらに別な実施態様では、前記オリフィス保持部材が、複数個のオリフィス保持部材によって構成されている。かかる実施態様では、オリフィス保持部材が複数個に分割されているので、オリフィスの厚みに応じてオリフィス保持部材の個数を調整することができる。オリフィスの前後にそれぞれ複数個のオリフィス保持部材が用いられている場合には、両側のオリフィス保持部材の個数を調整することでオリフィスの位置を変えることができる。よって、分流比を容易に調整することができる。

本発明に係る流量測定装置のさらに別な実施態様では、前記流路ブロックの端面に取り付けたエンドキャップによって前記オリフィス保持部材の端面を押さえている。かかる実施態様では、エンドキャップによってオリフィス保持部材の端面を押さえているので、エンドキャップによってオリフィス保持部材の脱落を防止することができる。

また、このように実施態様では、前記オリフィス保持部材の端面と前記エンドキャップとの間に弾性部材を挟み込んでもよい。オリフィス保持部材の端面とエンドキャップとの間に弾性部材を挟み込めば、弾性部材の弾性反発力によってオリフィス保持部材をオリフィスに押圧させることができ、オリフィスを確実に保持することができる。

本発明に係る流量測定装置のさらに別な実施態様では、前記流路ブロックが、互いに別体となった主流路部と副流路部を組み立てて構成されており、前記主流路部に前記主流路が形成され、前記副流路部に前記副流路が形成されている。かかる実施態様によれば、用途に応じて副流路部を取り換えることができる。また、１本の流路に流量検出素子を備えた市販もしくは既存の流量測定装置を副流路部として利用することができる。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

図１（ａ）及び（ｂ）は、直管型流量測定装置の測定原理を説明するための概略断面図である。 図２は、バイパス流路構造の流量測定装置の測定原理を説明するための概略断面図である。 図３は、特許文献１に開示された流量測定装置の一部破断した断面図である。 図４は、特許文献１に開示された流量測定装置の改良案を説明する断面図である。 図５は、特許文献２に開示された流量測定装置の概略断面図である。 図６（ａ）は、特許文献２に開示された流量測定装置の改良案を説明する概略断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の流量測定装置に用いるカラーを示す斜視図である。 図７は、流量測定装置の６つのサンプルを用い、カラーの通気孔の位置ずれと分流比変化率との関係を調べた結果を表したものである。 図８（ａ）及び（ｂ）は、図７に表したサンプルNo.１とNo.４の構造を示す概略図である。 図９（ａ）は、図７に表したサンプルNo.２とNo.５の構造を示す概略図である。図９（ｂ）は、図７に表したサンプルNo.３とNo.６の構造を示す概略図である。 図１０は、本発明の実施形態１による流量測定装置の外観斜視図である。 図１１（ａ）は、実施形態１の流量測定装置の平面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）のＹ−Ｙ線断面図である。 図１２は、実施形態１の流量測定装置の分解斜視図である。 図１３（ａ）及び（ｂ）は、図１２中に表されている流路ブロックの正面図及び背面図である。 図１４（ａ）は、図１３（ａ）のＺ−Ｚ線断面図である。図１４（ｂ）は、同上の流路ブロックの一部破断した斜視図である。 図１５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、互いに開口面積の異なるオリフィスを示す正面図である。図１５（ｄ）は、オリフィス保持スペーサの正面図である。 図１６（ａ）及び（ｂ）は、オリフィス、オリフィス保持スペーサ及びシールリングを装着された流路ブロックの斜視図及び正面図である。 図１７（ａ）及び（ｂ）は、流量検出素子による流量検出の原理を説明するための概略断面図である。 図１８は、実施形態１による流量測定装置の変形例を示す断面図である。 図１９は、実施形態１による流量測定装置の別な変形例であって、エンドキャップを除いた状態の正面図である。 図２０（ａ）は、実施形態１による流量測定装置のさらに別な変形例であって、エンドキャップを除いた状態の正面図である。図２０（ｂ）は、当該変形例に用いられるオリフィスとオリフィス保持スペーサの正面図である。 図２１（ａ）は、実施形態１による流量測定装置のさらに別な変形例を示す断面図である。図２１（ｂ）は、図２１（ａ）のＷ−Ｗ線断面図である。 図２２は、同上の流量測定装置に用いられている流路ブロックの斜視図である。 図２３は、本発明の実施形態２による流量測定装置を示す断面図である。 図２４は、実施形態２の流量測定装置に用いられる流路ブロックの一部破断した斜視図である。 図２５（ａ）は、実施形態２の流量測定装置に用いられるオリフィス保持スペーサの斜視図である。図２５（ｂ）は、実施形態２の流量測定装置に用いられる別なオリフィス保持スペーサを示す斜視図である。 図２６は、本発明の実施形態３による流量測定装置であって、エンドキャップを除いて中央で破断した状態の斜視図である。 図２７は、実施形態３による流量測定装置の変形例であって、エンドキャップを除いて中央で破断した状態の斜視図である。 図２８は、本発明の実施形態４による流量測定装置であって、エンドキャップを除いて中央で破断した状態の斜視図である。 図２９は、本発明の実施形態５による流量測定装置の斜視図である。 図３０は、実施形態５による流量測定装置の一部分解した斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。

（第１の実施形態）
以下、図１０〜図１７を参照して本発明の実施形態１による流量測定装置を説明する。図１０は実施形態１の流量測定装置５１を示す斜視図である。図１１（ａ）は流量測定装置５１の平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、図１１（ｃ）は図１１（ｂ）のＹ−Ｙ線断面図である。図１２は流量測定装置５１の分解斜視図である。

図１２に示すように、流量測定装置５１は、主として、主流路５３と副流路５６を有する流路ブロック５２、流量検出素子６１を有する回路基板６０、カバー６２、オリフィス６３、オリフィス保持スペーサ６５（オリフィス保持部材）、一対のシールリング６７及び一対のエンドキャップ６８によって構成されている。

まず、図１２の流量測定装置５１に用いられている流路ブロック５２の構造を説明する。図１３（ａ）、（ｂ）は流路ブロック５２の正面図及び背面図である。図１４（ａ）は図１３（ａ）のＺ−Ｚ線断面図である。図１４（ｂ）は分流導入路７２を通過する箇所で破断した流路ブロック５２の斜視図である。流路ブロック５２は、主流路５３を形成された主流路部５５ａと、副流路５６を形成された副流路部５５ｂとを一体成形したものであって、合成樹脂成形品となっている。

図１４（ａ）に示すように、主流路部５５ａは前後方向に貫通した主流路５３を有しており、主流路５３の軸方向におけるほぼ中央部では、オリフィス６３を当接させるための環状をした当止め部７５が主流路５３の壁面から突出している。図１３（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、当止め部７５よりも前方では、主流路５３の内面のうち上面を除く領域が、主流路５３の壁面となるべき面から一定の深さだけ除去されていて断面Ｃ字状のスペーサ収納部７４（保持部材収納部）が凹設されている。この結果、スペーサ収納部７４は当止め部７５から主流路部５５ａの前端面まで均一な断面で軸方向に延びている。また、主流路５３の上部に残った流路壁部５４も、当止め部７５から主流路部５５ａの前端面まで均一な断面で軸方向に延びている。図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、主流路部５５ａの前端面及び後端面には、主流路５３の端面開口を囲むようにして環状のリング保持溝５８が形成されている。リング保持溝５８の外側において、主流路部５５ａの前端面及び後端面の四隅には、それぞれネジ孔５９が形成されている。

副流路部５５ｂは主流路部５５ａの上面に設けられている。図１２及び図１４（ａ）（ｂ）に示すように、副流路部５５ｂのほぼ全体には、上面が開口した浅いボックス状の外観を呈する副流路形成室５７が形成されている。副流路形成室５７の底部には、前後方向に延びた副流路５６が形成され、流路ブロック５２内には、副流路５６の両端から主流路５３に向けてそれぞれ垂直な分流導入路７２と分流回収路７３が延びている。分流導入路７２の下端の分流口７２ａは当止め部７５よりも前方において（つまり、後述のオリフィス６３よりも前方に位置するように）流路壁部５４の壁面５３ａで開口している。同様に、分流回収路７３の下端の回収口７３ａは当止め部７５よりも後方において主流路５３の天面で開口している。

つぎに、図１２の流量測定装置５１に用いられているオリフィス６３とオリフィス保持スペーサ６５について説明する。オリフィス６３は外周の一部にフランジ６４を有し、中央部には、気体の流れを制御するための開口部７６を有している。オリフィス６３は、主流路５３と副流路５６との分流比に応じて例えば図１５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のように開口部７６の面積（開口面積）の異なる複数種類のものが用意されている。ここに示したオリフィス６３はいずれも中央部に円形の開口部７６があいたものであるが、オリフィス６３としては、これ以外にもハニカム状に多数の孔があいたものや、微細な多数の孔を有する多孔質体であってもよい。ただし、以下においては、円形の開口部７６を有するオリフィス６３を用いた場合について説明する。

いずれのオリフィス６３も、開口部７６の中心からフランジ６４のない部分の縁までの半径は、流路ブロック５２の主流路５３の中心から流路壁部５４の壁面５３ａまでの半径に等しくなっている。また、フランジ６４は、流路ブロック５２におけるスペーサ収納部７４の断面形状と同じ形状で同じサイズとなっており、オリフィス６３の開口部７６の中心からフランジ６４の縁までの半径は、流路ブロック５２における主流路５３の中心からスペーサ収納部７４までの半径に等しくなっている。なお、気体の通過をスムーズにするため、開口部７６の縁にはテーパーを施している。

したがって、いずれのオリフィス６３も、フランジ６４をスペーサ収納部７４に合わせることによって主流路５３内に納入することができ、流路ブロック５２の前端面から主流路５３に納入されたオリフィス６３は当止め部７５に当接して位置決めされる。

オリフィス保持スペーサ６５は、円筒形の一部を長さ方向全長にわたって切欠された形状となっていて、全長にわたるスリット状の切欠き部６６を有している。オリフィス保持スペーサ６５の外径はスペーサ収納部７４の直径に等しく、オリフィス保持スペーサ６５の厚みはスペーサ収納部７４の深さに等しくなっている。切欠き部６６の幅は流路壁部５４の幅に等しくなっている。また、オリフィス６３の厚みとオリフィス保持スペーサ６５の長さを合わせたものは、当止め部７５の前面から流路ブロック５２の前端面までの距離と等しくなっている。

オリフィス保持スペーサ６５は、切欠き部６６を流路壁部５４に合わせることによってスペーサ収納部７４に挿入することができる。オリフィス保持スペーサ６５の略Ｃ字状をした断面形状は、オリフィス６３のフランジ６４の形状と一致するので、オリフィス６３の後からスペーサ収納部７４へオリフィス保持スペーサ６５を挿入すると、図１５（ｄ）に示すように、オリフィス保持スペーサ６５の端面がオリフィス６３のフランジ６４に当接してオリフィス６３が押さえられる。図１６（ａ）及び（ｂ）は、このようにして主流路５３内にオリフィス６３とオリフィス保持スペーサ６５を挿入した状態を表している。

こうしてオリフィス６３とオリフィス保持スペーサ６５を主流路５３内に装着した状態では、当止め部３４よりも前方では、流路壁部５４の壁面５３ａとオリフィス保持スペーサ６５の内面５３ｃによって主流路５３の壁面が形成されている。前方における主流路５３の内径（壁面５３ａ及び内面５３ｃの直径）は、当止め部３４よりも後方における主流路５３の壁面５３ｂの内径と等しくなっている。なお、図示例では、オリフィス保持スペーサ６５を装着した後の主流路５３は断面円形状となっているが、主流路５３は多角形状（たとえば、四角形状、五角形状、六角形状、八角形状など）の断面を有していてもよい。

つぎに、副流路部５５ｂについて説明する。図１２に示すように、流量検出素子６１は、回路基板６０の下面に実装されている。一方、副流路５６は、副流路形成室５７の底面において上面が開口している。図１１（ｂ）に示すように、回路基板６０は、流量検出素子６１を下にした状態で、副流路５６の開口領域を囲むように配置された環状のゴムパッキン（図示せず）を介して副流路形成室５７の底面に重ねられ、熱かしめやネジ止めなどの手段で回路基板６０を副流路形成室５７に固定される。回路基板６０は、少なくとも副流路５６の開口領域に面する部分には孔があいていないので、副流路５６の上面は回路基板６０によって気密的に密閉される。また、流量検出素子６１は、副流路５６のうち部分的に幅の広くなった部分に納まり、副流路５６内の所定位置に位置決めされる。ついで、副流路部５５ｂの上面は、カバー６２によって塞がれる。

流量検出素子６１は、気体の流速を測定できるものであれば、特にその種類は問わない。流量検出素子６１としては、例えばヒータとサーモパイルを有するフローセンサを用いることができる。この流量検出素子６１にあっては、図１７（ａ）に示すように、エッチングによって基板７７の上面にキャビティ７８を形成し、キャビティ７８の上に絶縁性薄膜７９を張って絶縁性薄膜７９の縁を基板７７で保持している。絶縁性薄膜７９の中央部には、ポリシリコンによってヒータ８０を形成し、ヒータ８０の上流側と下流側にそれぞれサーモパイル８１ａ、８１ｂを設けている。サーモパイル８１ａ、８１ｂは、Ａｌの線素とポリシリコンの線素を交互につないでジグザグに配置したものである。サーモパイル８１ａ、８１ｂはヒータ８０に関して対称に配置してあり、ヒータ８０の両側の対称な位置の温度を計測する。なお、符号８２ａ、８２ｂは、ヒータ８０やサーモパイル８１ａ、８１ｂの電極パッドである。

測定時には、ヒータ８０は所定温度で発熱しており、ヒータ８０の周囲には所定の温度分布α（温度勾配）が生じている。サーモパイル８１ａ、８１ｂは対称な配置となっているから、図１７（ａ）のようにヒータ８０の上を気体が流れない場合には、両サーモパイル８１ａ、８１ｂの検知温度は等しく、温度差はゼロになる。これに対し、図１７（ｂ）のようにヒータ８０の上に気体の流れ（矢印で示す）が生じると、ヒータ８０の熱が下流側へ輸送され温度分布αが下流側へシフトするので、下流側のサーモパイル８１ｂの検知温度が上昇し、上流側のサーモパイル８１ａの検知温度が下降し、両サーモパイル８１ａ、８１ｂの検知温度の温度差から気体の流速を算出することができる。

ついで、図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、リング保持溝５８にシールリング６７を嵌め込んだ後、流路ブロック５２の両端面にそれぞれエンドキャップ６８を取り付け、四隅の通孔７０に通したネジ７１を流路ブロック５２のネジ孔５９に締め付けてエンドキャップ６８を流路ブロック５２に固定する。この結果、シールリング６７がエンドキャップ６８の背面と流路ブロック５２の端面との間で押圧され、流路ブロック５２の端面とエンドキャップ６８の間の気密が保たれる。また、エンドキャップ６８でオリフィス保持スペーサ６５の端を押さえることでオリフィス保持スペーサ６５の他端をオリフィス６３に押圧させることができる。エンドキャップ６８の接続ポート６９は、気体の搬送されるパイプ等を接続する部分であって、主流路５３と連通している。こうして組み立てられた流量測定装置５１は、図１０及び図１１に表されている。流量測定装置５１のサイズは、たとえば長さ８０ｍｍ、幅３０ｍｍ、高さ３５ｍｍである。

このようにして構成された流量測定装置５１にあっては、図１１（ｂ）に矢印で示すように接続ポート６９から主流路５３内に気体が流入すると、この気体がオリフィス６３を通過する際の抵抗によってオリフィス６３の前後で圧力差を生じる。この圧力差のため、主流路５３を流れる気体の一部が分流導入路７２を通って副流路５６へ分流され、副流路５６を通過した気体が分流回収路７３を通って再び主流路５３へ回収される。そして、分流された気体が副流路５６を流れる際に、流量検出素子６１によって副流路５６を流れる気体の流量が測定され、主流路５３を流れる気体の流量と副流路５６を流れる気体の流量との分流比に基づいて全流量が算出される。なお、この流量測定装置５１では、前面側から気体を導入してもよく、背面側から気体を導入してもよく、双方向で使用することができる。

このようなバイパス構造によれば、大流量測定用の流量測定装置５１の場合でも、主流路５３の流路断面積を小さくでき、流量測定装置５１を小型化することができる。また、この流量測定装置５１では、測定しようとする流量レンジに応じて、たとえば図１５（ａ）〜（ｃ）のような開口面積の異なるオリフィス６３に変更することで主流路５３と副流路５６との分流比を変更することができ、副流路５６に気体の流速が流量検出素子６１の測定可能レンジ（出力のリニアな範囲）に納まるよう調整できる。よって、顧客要求や用途に応じて種々の流量レンジの流量測定装置を提供することができるとともに、オリフィス６３以外の部品、すなわち流路ブロック５２などの部品を共用化することができ、流量測定装置５１の製造コストも下げることができる。

また、このような構造の流量測定装置５１では、副流路５６へつながる分流口７２ａにオリフィス保持スペーサ６５が重なったり、分流口７２ａとオリフィス保持スペーサ６５が干渉したりすることがない。しかも、主流路５３の壁面は、流路壁部５４の壁面５３ａとオリフィス保持スペーサ６５の内面５３ｃによって、凹凸のない滑らかな面（図示例では、円筒面）となっている。そのため、主流路５３内を流れる気体の流れの安定性が維持され、主流路５３を流れる流量と副流路５６を流れる流量との分流比を一定に保ちやすくなり、流量測定装置５１による流量の測定精度を向上させることができる。

（第１の実施形態の変形例）
図１８は実施形態１の変形例を示す断面図である。この流量測定装置９１では、実施形態１の場合よりも、オリフィス保持スペーサ６５と流路壁部５４の長さを若干短くし、オリフィス保持スペーサ６５の端面と流路壁部５４の端面を主流路部５５ａの前端面よりも若干引っ込めている。そして、オリフィス保持スペーサ６５の端面及び流路壁部５４の端面とエンドキャップ６８の背面との間にＯリング等の弾性部材９２を挟み込み、弾性部材９２を圧締している。このような変形例によれば、弾性部材９２の弾性反発力によってオリフィス保持スペーサ６５をオリフィス６３に押圧させることができるので、確実にオリフィス６３を保持させることができる。

また、オリフィス保持スペーサ６５及び流路壁部５４の各端面とエンドキャップ６８の背面との間には、弾性部材９２とともに塵埃除去用のネット（図示せず）などを挟み込んでもよい。

図１９に示すものは実施形態１の別な変形例であって、エンドキャップ６８を外した状態の正面図である。この変形例の流量測定装置９３では、オリフィス保持スペーサ６５を断面半円状に形成してあり、それに対応してオリフィス６３のフランジ６４やスペーサ収納部７４も半円状に形成している。オリフィス６３が金属などで作製されていて剛性を有している場合には、オリフィス保持スペーサ６５でオリフィス６３の一部を押さえることができればよいので、オリフィス保持スペーサ６５の断面が小さくなっても差し支えない。

図２０（ａ）、（ｂ）に示す変形例（流量測定装置９４）は、オリフィス保持スペーサ６５の断面積とフランジ６４をさらに小さくしたものである。すなわち、図２０（ｂ）に示すように、オリフィス６３の両側に突起状のフランジ６４（突起）を設けてあり、２本のオリフィス保持スペーサ６５は断面形状がフランジ６４の形状と等しい棒状となるように形成されている。また、主流路５３の両側面にはフランジ６４の形状と同じ断面のスペーサ収納部７４を溝状に形成している。そして、図２０（ａ）に示すように、フランジ６４をスペーサ収納部７４に嵌めてオリフィス６３を主流路５３内に納入した後、左右のスペーサ収納部７４にそれぞれオリフィス保持スペーサ６５を挿入してオリフィス６３を保持させている。なお、オリフィス保持スペーサ６５やスペーサ収納部７４の断面形状は、オリフィス保持スペーサ６５がスペーサ収納部７４から主流路５３内へ抜けて脱落しないような形状としている。

図１９や図２０に示したような変形例では、オリフィス保持スペーサ６５の断面積を小さくしているので、オリフィス保持スペーサ６５と流路壁部５４の縁どうしの境目と分流口７２ａとの距離を大きくすることができる。そのため、オリフィス保持スペーサ６５と流路壁部５４の縁どうしの境目で気体の流れに乱れが生じたとしても、分流口７２ａに流れ込む気体に影響が及びにくくなり、分流比を安定させることができる。

図２１（ａ）は、実施形態１のさらに別な変形例による流量測定装置９５を示す断面図、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）のＷ−Ｗ線断面図である。また。図２２は、流量測定装置９５の流路ブロック５２を示す斜視図である。この変形例では、下端の分流口７２ａが流路壁部５４の壁面５３ａで開口するようにして、２つの分流導入路７２を垂直に形成している。副流路形成室５７の底面においては、左右の分流導入路７２の上端間をつなぐようにして合流路９６を水平に設けている。同様に、左右の分流回収路７３の上端間をつなぐようにして分散路９７を水平に設けている。さらに、合流路９６の中央と分散路９７の中央を結ぶようにして副流路５６を設けている。

この流量測定装置９５にあっては、主流路５３を流れる気体の一部が２箇所の分流口７２ａから分流導入路７２を通って合流路９６に流れ込み、両端から合流路９６に流れ込んだ気体はその中央部から副流路５６へ送り込まれ、副流路５６を通過する際に流量検出素子６１によって流量を測定される。そして、副流路５６を通過した気体は、分散路９７に流れ込んで左右に分かれ、分流回収路７３を通って再び回収口７３ａから主流路５３に戻り、主流路５３を通過した気体と一緒に流れる。

したがって、このような構造によれば、２箇所の分流口７２ａから分流させた気体を１本の副流路５６へ集めて流速分布の偏りを平均化したうえで流量検出素子６１で気体の流速を測定することができる。よって、副流路５６における流量を安定化させることができ、流量の測定精度を向上させることができる。

なお、副流路部５５ｂにおける流路の構造は特に限定されるものではないので、図２１及び図２２に示したもの以外にも、特許文献１や特願２００８−２２２９９２に開示されたような構造のものであってもよい。

（第２の実施形態）
図２３は、本発明の実施形態２による流量測定装置１０１の断面図である。図２４は、流量測定装置１０１に用いる流路ブロック５２の一部破断した斜視図である。図２５（ａ）は、流量測定装置１０１に用いるオリフィス保持スペーサ６５の斜視図である。

この流量測定装置１０１にあっては、図２５（ａ）に示すように、切欠き部６６をオリフィス保持スペーサ６５の全長にわたって形成せず、切欠き部６６の長さがオリフィス保持スペーサ６５の長さよりも短くなるようにしている。一方、図２４に示すように、流路ブロック５２の主流路５３内においては、切欠き部６６に合致した形状及びサイズの流路壁部５４を残すようにして、それ以外の領域にスペーサ収納部７４を形成している。分流口７２ａは流路壁部５４で開口しており、流路壁部５４の縁と分流口７２ａとの間には、分流比に影響を与えない程度に十分な距離が保たれている。このような実施形態によっても、実施形態１の流量測定装置５１と同様な作用効果を奏することができる。

なお、この実施形態で用いるオリフィス保持スペーサ６５は、図２５（ｂ）に示すように、スリット状の切欠き部６６を有するオリフィス保持スペーサ６５ａと、円筒状のオリフィス保持スペーサ６５ｂとに分けてもよい。

（第３の実施形態）
図２６は、本発明の実施形態３による流量測定装置１０２の一部破断した斜視図である。この実施形態では、以下に説明するように、主流路５３の後部（回収口７３ａの開口している側）も前部（分流口７２ａの開口している側）と同様な構造としている。流量測定装置１０２では、主流路５３内に当止め部７５を設けておらず、主流路部５５ａの前端面から後端面にわたって流路壁部５４とスペーサ収納部７４が形成されている。したがって、オリフィス６３等を納める前の主流路５３は、主流路部５５ａの前端面から後端面にわたって、均一な断面形状となっている。

スペーサ収納部７４の後部には一方のオリフィス保持スペーサ６５が挿入され、その前面にはオリフィス６３が挿入され、オリフィス６３の前方においては、スペーサ収納部７４に他方のオリフィス保持スペーサ６５が挿入されている。一方のオリフィス保持スペーサ６５の長さとオリフィス６３の厚みと他方のオリフィス保持スペーサ６５の長さを合計した寸法は、主流路部５５ａの前端面と後端面との距離に等しくなっており（あるいは、オリフィス保持スペーサ６５の端面に弾性部材９２を挿入する場合には、前記合計寸法は主流路部５５ａの前端面と後端面との距離よりも若干短くなっており）、流路ブロック５２の両面にエンドキャップ６８を取り付けることで、オリフィス６３はオリフィス保持スペーサ６５間に挟まれて位置決め保持される。

このような構造の流量測定装置１０２によれば、前後のオリフィス保持スペーサ６５の長さの和を一定に保ったままで各オリフィス保持スペーサ６５の長さを変えることによりオリフィス６３の位置を変化させることができ、それによって分流比を調整できる。

（第３の実施形態の変形例）
図２７は、実施形態３の変形例を示す一部破断した斜視図である。この流量測定装置１０３では、前後のオリフィス保持スペーサ６５をそれぞれ長さの短い複数のオリフィス保持スペーサ６５ｃによって形成したものである。これらのオリフィス保持スペーサ６５ｃは同じ長さのものを用いるのが望ましい。

このような変形例によれば、各オリフィス保持スペーサ６５ｃの間の間隙のうち、どの間隙にオリフィス６３を挟みこむかによって自由にオリフィス６３の位置を変えることができ、それによって分流比を調整することができる。なお、オリフィス保持スペーサ６５ｃ間にはガス整流板などを挟み込んでもよい。

（第４の実施形態）
図２８は、本発明の実施形態４による流量測定装置１０４の一部破断した斜視図である。図２８の流量測定装置１０４では、オリフィス６３の長さを長くすることによって流体抵抗を大きくしている。流体抵抗を変化させるには、オリフィス６３の開口面積を変化させればよいが、この実施形態のようにオリフィス６３の長さを変えることによっても流体抵抗を変化させることができ、分流比を調整することができる。

オリフィス６３の長さを変化させる場合には、それに応じて実施形態１のような構造のオリフィス保持スペーサ６５の長さを変化させたり、実施形態３のような構造の前後のオリフィス保持スペーサ６５の長さを変化させたり、あるいは実施形態３の変形例のような構造において前部又は後部のオリフィス保持スペーサ６５ｃの数を増減させたりすればよい。

（第５の実施形態）
図２９は、本発明の実施形態５による流量測定装置１０５の斜視図である。図３０は、流量測定装置１０５の一部分解した斜視図である。この流量測定装置１０５では、流路ブロック５２を構成する主流路部５５ａと副流路部５５ｂを別々に形成したものである。主流路部５５ａの上面には、副流路部５５ｂの下端部を嵌め込んで位置決めするための凹部１０６が設けられており、凹部１０６内には分流導入路７２の上端と分流回収路７３の上端が開口している。副流路部５５ｂは、市販もしくは既存の流量測定装置を用いたものである。副流路部５５ｂの内部には副流路５６（市販もしくは既存の流量測定装置の流路）と流量検出素子６１が設けられており、副流路５６の両端は副流路部５５ｂの下面で開口している。

主流路部５５ａと副流路部５５ｂを組み立てるときには、分流導入路７２及び分流回収路７３の上端開口の周囲にそれぞれＯリングを入れ、凹部１０６に副流路部５５ｂの下端部を嵌め込んで位置決めするとともに、副流路５６の下面開口をそれぞれ分流導入路７２と分流回収路７３に接続する。そして、ネジによって副流路部５５ｂを主流路部５５ａの上面に固定する。

このような実施形態によれば、市販または既存の流量測定装置を利用してバイパス型の流量測定装置を作製することができる。

（その他の実施形態）
実施形態１や実施形態２などでは、分流口７２ａの開口している側（前部）において主流路５３に流路壁部５４やスペーサ収納部７４を設け、主流路５３に納入したオリフィス６３を前方からスペーサ収納部７４に挿入したオリフィス保持スペーサ６５で抑えるようにした。これとは反対に、回収口７３ａの開口している側（後部）において主流路５３に流路壁部５４やスペーサ収納部７４を設け、主流路５３に納入したオリフィス６３を後方からスペーサ収納部７４に挿入したオリフィス保持スペーサ６５で抑えるようにしてもよい。

また、接続ポート６９にはネジ加工を施してあってもよい。

本発明の流量測定装置は、気体の流量を測定するものであり、その応用分野は広範にわたる。例えばガスメータや燃料電池においてガス流量を測定する用途に用いることができる。また、睡眠時無呼吸症候群向け治療機器等の医療機器、工場における空気流量を監視する産業機器（産業用エアライン）、機器組込用途などに使用することもできる。

５１、９１、９３〜９５、１０１〜１０５ 流量測定装置
５２ 流路ブロック
５３ 主流路
５４ 流路壁部
５５ａ 主流路部
５５ｂ 副流路部
５６ 副流路
６０ 回路基板
６１ 流量検出素子
６３ オリフィス
６４ フランジ
６５、６５ａ、６５ｂ、６５ｃ オリフィス保持スペーサ
６６ 切欠き部
７２ 分流導入路
７２ａ 分流口
７３ 分流回収路
７３ａ 回収口
７４ スペーサ収納部
７５ 当止め部

Claims (10)

1. 両端が開口した主流路および前記主流路から分岐した副流路を有する流路ブロックと、前記副流路に設けられた流量測定素子と、前記主流路の壁面で開口し、かつ、前記副流路に連通した分流口及び回収口とを備え、
   前記主流路に流れる気体の一部を前記分流口から前記副流路へ分流させ、前記副流路を通過した気体を前記回収口から前記主流路へ戻すようにした流量測定装置において、
   前記流路ブロックの前記主流路となる空間の周面にて、前記分流口を含む領域と前記回収口を含む領域とを除く領域に保持部材収納部が凹設され、
   前記主流路内にオリフィスが納入され、
   前記保持部材収納部に嵌め込まれたオリフィス保持部材が、前記オリフィスに当接することによって前記オリフィスを保持し、
   前記主流路のうち前記保持部材収納部を形成された領域以外の壁面と前記オリフィス保持部材の内面とによって前記主流路の壁面が構成されていることを特徴とする流量測定装置。
2. 前記流路ブロックの前記主流路となる空間の周面に当止め部を突設し、前記オリフィスを前記当止め部に当接させることによって位置決めし、前記オリフィス保持部材の端面と前記当止め部の間に前記オリフィスを挟み込んで保持させたことを特徴とする、請求項１に記載の流量測定装置。
3. 前記流路ブロックの前記主流路となる空間の周面に、前記当止め部から前記流路ブロックの一方端面にかけて、均一な断面形状の保持部材収納部を凹設し、前記オリフィス保持部材にその長さ方向全長にわたって切欠き部を形成し、前記オリフィス保持部材の切欠き部に前記主流路のうち前記保持部材収納部を形成された領域以外の壁面を納めるようにして、前記オリフィス保持部材を前記保持部材収納部に挿入していることを特徴とする、請求項２に記載の流量測定装置。
4. 前記流路ブロックの前記主流路となる空間の周面に、前記当止め部から前記流路ブロックの一方端面に向けて、均一な断面形状の保持部材収納部を凹設し、前記オリフィス保持部材にその長さ方向の一部に切欠き部を形成し、前記オリフィス保持部材の切欠き部に前記主流路のうち前記保持部材収納部を形成された領域以外の壁面を納めるようにして、前記オリフィス保持部材を前記保持部材収納部に挿入していることを特徴とする、請求項２に記載の流量測定装置。
5. 前記流路ブロックの前記主流路となる空間の周面に溝状の保持部材収納部を設け、前記オリフィスの外周面に突起を設け、前記保持部材収納部に前記突起を嵌め込んで前記オリフィスを前記主流路内に納入し、前記保持部材収納部に挿入した棒状の前記オリフィス保持部材によって前記オリフィスを保持させたことを特徴とする、請求項１に記載の流量測定装置。
6. 前記主流路内に納入されたオリフィスを、前記主流路の一方開口から前記保持部材収納部に嵌め込まれた前記オリフィス保持部材と前記主流路の他方開口から前記保持部材収納部に嵌め込まれた別な前記オリフィス保持部材とで挟み込んで保持していることを特徴とする、請求項１に記載の流量測定装置。
7. 前記オリフィス保持部材が、複数個のオリフィス保持部材によって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の流量測定装置。
8. 前記流路ブロックの端面に取り付けたエンドキャップによって前記オリフィス保持部材の端面を押さえていることを特徴とする、請求項１に記載の流量測定装置。
9. 前記オリフィス保持部材の端面と前記エンドキャップとの間に弾性部材を挟み込んでいることを特徴とする、請求項８に記載の流量測定装置。
10. 前記流路ブロックは、互いに別体となった主流路部と副流路部を組み立てて構成されており、前記主流路部に前記主流路が形成され、前記副流路部に前記副流路が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の流量測定装置。

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