JP5354438B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流路を流れる液体の温度を制御し温度制御部分の上流側及び下流側の流体の温度差に基づき流量を測定する熱式流量計に関し、特により広い測定レンジで流量の測定が可能な熱式流量計に関する。

従来の流路を流れる液体の温度を制御し温度制御部分の上流側及び下流側の流体の温度差に基づき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 特開２００６−０１０３２２号公報 特開２００６−２２６７９６号公報

図６はこのような従来の熱式流量計の一例を示す構成ブロック図である。図６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６中”ＦＬ０１”に示すように被測定液体が流れる流路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に接続される。

ここで，図６に示す従来例の動作を図７を用いて説明する。図７は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である。演算制御手段５は予め測定された被測定液体の温度に対して、被測定液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７中”ＣＨ１１”に示すように図７中”ＨＴ１１”に示す伝熱手段２の設置位置を中心にして対称な温度分布を有する。このため、図７中”ＴＳ１１”及び”ＴＳ１２”に示す温度検出手段３及び４の設置位置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７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、図７中”ＴＳ１１”及び”ＴＳ１２”に示す温度検出手段３及び４の設置位置における温度はそれぞれ異なることになり、図７中”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液体の流量に依存した信号となるので、このような温度差に基づき演算制御手段５で流路１を流れる被測定液体の流量を求めることができる。

この結果、流路１を流れる被測定液体の温度を伝熱手段２で制御し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、演算制御手段５で当該温度の温度差に基づき流量を求めること（以下、温度差法と呼ぶ。）により、被測定液体の流量を測定することが可能になる。

但し、図６に示す従来例では、流路１として金属の細管等を用いるために金属を腐食するような液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８及び図９は”特許文献２”に記載された従来の熱式流量計の他の一例を示す斜視図及び断面図である。図８及び図９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、レーザ加工、サンドブラスト加工、ウエットエッチング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、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シリコン基板９には図８中”ＨＬ２１”及び”ＨＬ２２”に示すような孔が形成され、それぞれ被測定液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、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。

ここで、図８及び図９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。

一方、図８及び図９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、接液部分が全てガラスとなり耐腐食性が向上するものの、ガラスは熱伝導率が小さいので、流路を流れる液体の流量が大きい場合には、伝熱手段８直下の液体が十分に温まらない。

このため、伝熱手段８直下の温度が十分に温まっていない場合には、流量の増加に伴なって上流側と下流側との温度差が小さくなるように変化する。

一方、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。

すなわち、図１０は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であり、図１０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、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った。

例えば、図８及び図９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、耐腐食性が向上するものの、図１０中”ＡＲ３１”に示すような流量が小さく、伝熱手段８直下の温度が十分に温まっている状況下でのみしか流量の測定ができなくなってしまうといった問題点があった。

このような問題点を解決するために本願出願人の出願に係る”特許文献５”が考案された。図１１は”特許文献５”に記載された熱式流量計の他の一例を示す構成ブロック図、図１２は熱式流量計の他の一例のセンサ部分の具体例を示す平面図及び断面図である。

図１１及び図１２において、１１及び１２はガラス基板、１３はヒータ等の伝熱手段、１４及び１５はサーミスタや白金測温抵抗体等の温度検出手段、１６は被測定液体が流れる流路、１７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。

図１１中”ＦＬ４１”に示すように被測定液体が流れる流路１６の中央部分には伝熱手段１３が設けられ、この流路１６上であって伝熱手段１３から等間隔の位置には温度検出手段１４及び１５が設けられる。

また、図１１中”ＴＵ４１”及び”ＴＤ４１”に示すように温度検出手段１４及び１５の出力はそれぞれ演算制御手段１７に接続され、図１１中”ＣＴ４１”に示すように演算制御手段１７からの温度制御のための制御信号は伝熱手段１３に接続される。

さらに、図１２を用いて熱式流量計の他の一例のセンサ部分の具体例をより詳細に説明する。

超音波加工、レーザ加工、サンドブラスト加工、ウエットエッチング等によってガラス基板１２の短手方向の中央部分であってガラス基板１２の長手方向に沿うように長方形の溝が形成される。また、当該長方形の溝が形成された側のガラス基板１２にはガラス基板１１が接着や熱圧着等により貼り合わされ、接液部分が全てガラスで構成された流路１６が形成される。

また、流路１６に接しない側のガラス基板１１上であって流路１６の中央部分上に位置する部分にはヒータ等の伝熱手段１３が蒸着やスパッタリング等によって形成され、流路１６の上に位置し流路１６に接しない側のガラス基板１１上であって伝熱手段１３から等間隔の位置には温度検出手段１４及び１５が蒸着やスパッタリング等によって形成される。

すなわち、伝熱手段１３、温度検出手段１４及び１５は流路１６に接しない側のガラス基板１１に形成されるので非接液の状態にある。

ここで、図１１及び図１２に示す熱式流量計の他の一例の動作を図１３を用いて説明する。図１３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、図６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１７は予め測定された被測定液体の温度に対して、被測定液体が数度程度高い一定温度になるように伝熱手段１３を制御する。

このような状態で、上流側の温度検出手段１４及び下流側の温度検出手段１５で検出される温度の温度差は被測定液体の流量に依存した信号となるので、このような温度差に基づき演算制御手段１７で流路１６を流れる被測定液体の流量を求めることができる。

但し、前述の従来例の説明のように、流路の接液部分が全てガラスとした場合には、ガラスの小さな熱伝導率のために、例えば、温度差は図１３中”ＴＤ５１”に示すようにピークを有する特性となり、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った。

このため、演算制御手段１７は上流側の温度検出手段１４及び下流側の温度検出手段１５で検出される温度の温度差を求めると共に上流側の温度検出手段１４及び下流側の温度検出手段１５で検出される温度の温度和を求めて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１４及び下流側の温度検出手段１５で検出される温度の温度和は、図１３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図１３中”ＴＤ５１”に示す温度差を除算することにより、図１３中”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。

図１３中”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。

この結果、接液部分が全てガラスで構成された流路１６を流れる被測定液体の温度を伝熱手段１３で制御し２つの温度検出手段１４及び１５によって伝熱手段１３の上流側及び下流側の流体の温度を測定し、演算制御手段１７で当該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、当該規格化された温度差に基づき流量を求めることにより、耐腐食性が高く被測定液体の広い流量範囲を測定することが可能になる。

しかし、図１１及び図１２に示す熱式流量計の他の一例では、流路（細管）を流れる被測定流体の流量が大きくなるにつれて、流量変化に対する温度分布変化量が小さくなり、温度差（流量信号）が飽和してしまう。このため、規格化された温度差に基づき流量を求める場合であっても、測定レンジが狭くなってしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、より広い測定レンジで流量の測定が可能な熱式流量計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
流路を流れる液体の温度に基づき流量を測定する熱式流量計において、
前記流路に沿って間隔をあけて設けられた一対の温度検出部からなる第１の温度検出手段、
前記第１の温度検出手段を構成する前記一対の温度検出部の間に設けられた伝熱手段、および、
前記第１の温度検出手段を構成する前記一対の温度検出部のそれぞれにおいて検出される同時刻における温度差に基づいて前記流路を流れる液体の流量を算出する第１の算出部、
を具備する第１の流量算出手段と、
前記流路に沿って間隔をあけて設けられた一対の温度検出部からなる第２の温度検出手段、および、
第２の温度検出手段を構成する前記一対の温度検出部のぞれぞれにおいて温度が検出され、一方の温度検出部の温度検出の時刻と他方の温度検出部の温度検出の時刻との時間差に基づいて前記流路を流れる液体の流量を算出する第２の算出部、
を具備する第２の流量算出手段と、
前記第１の流量算出手段における流量の算出結果、および前記第２の流量算出手段における流量の算出結果のいずれかを流量の測定値として選択する選択手段と、
を備えることにより、より広い測定レンジでの流量の測定を可能にする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である熱式流量計において、
前記選択手段は測定する流量が一定値以下であると判断した場合に、前記第１の流量算出手段における流量の算出結果を流量の測定値として選択し、測定する流量が一定値以上であると判断した場合に、前記第２の流量算出手段における流量の算出結果を流量の測定値として選択することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１または請求項２記載の発明である熱式流量計において、
前記流路の接液部分が全てガラスで構成されたことを特徴とする。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２及び請求項３の発明によれば、流路上であって伝熱手段から等間隔の位置に上流側及び下流側の温度検出手段を設け、流路上であって下流側の温度検出手段の外側に第２の温度検出手段を設けると共に、測定する流量に応じて、測定方法（温度差法、或いは、ＴＯＦ（Time of Flight：以下、単にＴＯＦ法と呼ぶ。）法）を適宜選択して流量を求めることにより、より広い測定レンジでの流量の測定を可能にする。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る熱式流量計の一実施例を示す構成ブロック図、図２は本発明に係る熱式流量計の一実施例のセンサ部分の具体例を示す平面図及び断面図である。

図１において、１８はガラス基板、１９はガラス基板１８に形成された流路、２０は流路１９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、２１，２２，２３及び２４はサーミスタや白金測温抵抗体等の温度検出手段、２５は流量を求めるＣＰＵ等の演算制御手段である。また、１８，１９，２０，２１，２２，２３及び２４は流量計チップ５０を構成している。

図１中”ＩＮ６１”に示す流入孔から被測定流体が注入され、図１中”ＯＴ６１”に示す流出孔から被測定流体が放出される。このため、流路１９では図１中”ＦＬ６１”に示す方向に被測定流体が流れることになる。

図１中”ＦＬ６１”に示すように被測定液体が流れる流路１９の中央部分には伝熱手段２０が設けられ、この流路１９上であって伝熱手段２０から等間隔の位置には温度検出手段２２及び２３が設けられる。

同様に、流路１９上であって温度検出手段２２及び２３の外側（伝熱手段２０が設けあれていない側）であり、且つ、伝熱手段２０から等間隔の位置には温度検出手段２１及び２４が設けられる。

また、温度検出手段２１，２２，２３及び２４の出力はそれぞれ演算制御手段２５に接続され、演算制御手段２５からの温度制御のための駆動信号は伝熱手段２０に接続される。

さらに、図２を用いて本発明に係る熱式流量計の一実施例の流量計チップ５０の具体例をより詳細に説明する。図２において，２６はガラス基板であり、１８，１９，２０，２１，２２，２３及び２４は図１と同一符号を付してある。

超音波加工、レーザ加工、サンドブラスト加工、ウエットエッチング等によってガラス基板１８の短手方向の中央部分であってガラス基板１８の長手方向に沿うように長方形の溝が形成される。また、当該長方形の溝が形成された側のガラス基板１８にはガラス基板２６が接着や熱圧着等により貼り合わされ、接液部分が全てガラスで構成された流路１９が形成される。

また、流路１９に接しない側のガラス基板２６上であって流路１９の中央部分上に位置する部分にはヒータ等の伝熱手段２０が蒸着やスパッタリング等によって形成され、流路１９の上に位置し流路１９に接しない側のガラス基板２６上であって伝熱手段２０から等間隔の位置には温度検出手段２２及び２３が蒸着やスパッタリング等によって形成される。

同様に、流路１９の上に位置し流路１９に接しない側のガラス基板２６上であって温度検出手段２２及び２３の外側（伝熱手段２０が設けられていない側）であり、且つ、伝熱手段２０から等間隔の位置には温度検出手段２１及び２４が蒸着やスパッタリング等によって形成される。

すなわち、伝熱手段２０、温度検出手段２１，２２，２３及び２４は流路１９に接しない側のガラス基板２６に形成されるので非接液の状態にある。

ここで、図１に示す実施例の動作を図３、図４及び図５を用いて説明する。図３は演算制御手段２５の動作を説明するフロー図、図４は温度差法とＴＯＦ法の２つの測定方法を用いた場合の流量測定範囲の一例を示す特性曲線図、図５はＴＯＦ法による流量の測定を説明する説明図である。

温度差法は、微小流量には感度があるものの流量が大きくなると温度差（流量信号）が飽和してしまい、一方、ＴＯＦ法は、一定流量よりも大きな流量において感度がある。

このため、演算制御手段２５が測定する流量に応じて、測定方法（温度差法、或いは、ＴＯＦ法）を適宜選択して流量を求めることにより、より広い測定レンジでの流量の測定を可能にする。

すなわち、先ず第１に、演算制御手段２５は、予め測定された被測定液体の温度に対して、被測定液体が数度程度高い一定温度になるように伝熱手段２０を制御する。

このような状態で、図３中”Ｓ００１”において演算制御手段２５は、測定する流量が、低流量領域であるか否かを判断する。

もし、図３中”Ｓ００１”において低流量領域であると判断した場合には、図３中”Ｓ００２”において演算制御手段２５は、温度差法により、上流側の温度検出手段２２と、下流側の温度検出手段２３との間の温度差に基づいて流路１９を流れる被測定液体の流量を求める。

例えば、流路１９の幅及び深さを”０．５ｍｍ”とし、伝熱手段２０と温度検出手段２２及び２３との間隔、温度検出手段２２と温度検出手段２１の間隔、温度検出手段２３と温度検出手段２４の間隔をそれぞれ”０．５ｍｍ”とした場合、温度差法では図４中”ＣＨ７１”に示すような特性になり、”０．３ｍＬ／ｍｉｎ”より低流量領域で流量測定が可能になる。

もし、図３中”Ｓ００１”において低流量領域ではないと判断した場合には、図３中”Ｓ００３”において演算制御手段２５は、ＴＯＦ法により、下流側の温度検出手段２３と温度検出手段２４との間の温度検出の時刻の時刻差に基づいて流路１９を流れる被測定液体の流量を求める。

例えば、図５中”ＦＬ８１”に示すように被測定液体が流路を流れた場合、時刻”Ｔ０”で図５中”ＨＴ８１”に示す伝熱手段（伝熱手段２０に相当）により加熱された温度は、流路を伝播して時刻”Ｔ１”で図５中”ＴＳ８１”に示す温度検出手段（温度検出手段２３に相当）で検出され、さらに、時刻”Ｔ２”で図５中”ＴＳ８２”に示す温度検出手段（温度検出手段２４に相当）で検出されることになる。

ここで、”Ｌ２＝Ｔ２−Ｔ１”は被測定流体の流速であるで、当該流速が分かれば、既知である流路の断面積から流量を測定することができる。

例えば、流路１９の幅及び深さを”０．５ｍｍ”とし、伝熱手段２０と温度検出手段２２及び２３との間隔、温度検出手段２２と温度検出手段２１の間隔、温度検出手段２３と温度検出手段２４の間隔をそれぞれ”０．５ｍｍ”とした場合、ＴＯＦ法では図４中”ＣＨ７２”に示すような特性になり、”０．２ｍＬ／ｍｉｎ”より高流量領域で流量測定が可能になる。

また、例えば、図４中”ＯＬ７１”に示す領域では、温度差法とＴＯＦ法による流量測定可能領域がオーバーラップ（重複）しているので、当該領域より低流量領域か、或いは、高流量領域かで測定方法（温度差法、或いは、ＴＯＦ法）を切り換えることにより、”０．０１ｍＬ／ｍｉｎ”〜”１０ｍＬ／ｍｉｎ”の広い領域にわたって流量の測定が可能になる。

この結果、流路上であって伝熱手段から等間隔の位置に上流側及び下流側の温度検出手段を設け、流路上であって上流側及び下流側の温度検出手段の外側であり、且つ、伝熱手段から等間隔の位置に２つの温度検出手段をそれぞれ設けると共に、測定する流量に応じて、測定方法（温度差法、或いは、ＴＯＦ法）を適宜選択して流量を求めることにより、より広い測定レンジでの流量の測定を可能にする。

なお、図１に示す実施例では説明の簡単のために、上流側及び下流側の温度検出手段と、その外側に２つの温度検出手段をそれぞれ設けているが、上流側の温度検出手段の外側に設けられた温度検出手段２１は必須の構成要素ではない。このため、温度検出手段２４は下流側の温度検出手段２３の外側であって伝熱手段２０に対して任意の位置に設けることができる。

また、一つの熱式流量計で広い測定範囲を網羅できるので、流量変化の大きなアプリケーションにおいて、複数の熱式流量計を用意する必要性はなく、コストや設置スペースの削減が可能になる。

また、メーカ側にとっても、複数の測定範囲に対応した熱式流量計をラインアップする必要性がなく、１種類の熱式流量計を製造して、演算制御手段のプログラムを書き換えることにより複数の測定範囲に対応することができるので、製造コストの削減が可能になる。

また、測定方法（温度差法、或いは、ＴＯＦ法）の選択はハードウェア的ではなく、ソフトウェア的に行なわれるため、可動部がなく、耐久性が高くなる。

また、図１に示す実施例では、上流側の温度検出手段の外側にも温度検出手段２１が設けられているので、この場合には、被測定流体の流れる方向が逆方向になっても同様の測定が可能である。

本発明に係る熱式流量計の一実施例を示す構成ブロック図である。 本発明に係る熱式流量計の一実施例のセンサ部分の具体例を示す平面図及び断面図である。 演算制御手段の動作を説明するフロー図である。 温度差法とＴＯＦ法の２つの測定方法を用いた場合の流量測定範囲の一例を示す特性曲線図である。 ＴＯＦ法による流量の測定を説明する説明図である。 従来の熱式流量計の一例を示す構成ブロック図である。 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である。 従来の熱式流量計の他の一例を示す斜視図である。 従来の熱式流量計の他の一例を示す断面図である。 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である。 熱式流量計の他の一例を示す構成ブロック図である。 熱式流量計の他の一例のセンサ部分の具体例を示す平面図及び断面図である。 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。

符号の説明

１，１０，１６，１９ 流路
２，８，１３，２０ 伝熱手段
３，４，１４，１５，２１，２２，２３，２４ 温度検出手段
５，１７，２５ 演算制御手段
６，１１，１２，１８，２６ ガラス基板
７，９ シリコン基板
５０ 流量計チップ

Claims (3)

1. 流路を流れる液体の温度に基づき流量を測定する熱式流量計において、
   前記流路に沿って間隔をあけて設けられた一対の温度検出部からなる第１の温度検出手段、
   前記第１の温度検出手段を構成する前記一対の温度検出部の間に設けられた伝熱手段、および、
   前記第１の温度検出手段を構成する前記一対の温度検出部のそれぞれにおいて検出される同時刻における温度差に基づいて前記流路を流れる液体の流量を算出する第１の算出部、
   を具備する第１の流量算出手段と、
   前記流路に沿って間隔をあけて設けられた一対の温度検出部からなる第２の温度検出手段、および、
   第２の温度検出手段を構成する前記一対の温度検出部のぞれぞれにおいて温度が検出され、一方の温度検出部の温度検出の時刻と他方の温度検出部の温度検出の時刻との時間差に基づいて前記流路を流れる液体の流量を算出する第２の算出部、
   を具備する第２の流量算出手段と、
   前記第１の流量算出手段における流量の算出結果、および前記第２の流量算出手段における流量の算出結果のいずれかを流量の測定値として選択する選択手段と、
   を備えることを特徴とする熱式流量計。
2. 前記選択手段は測定する流量が一定値以下であると判断した場合に、前記第１の流量算出手段における流量の算出結果を流量の測定値として選択し、測定する流量が一定値以上であると判断した場合に、前記第２の流量算出手段における流量の算出結果を流量の測定値として選択することを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記流路の接液部分が全てガラスで構成された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。

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