JP6257833B1 - 流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】流体温度が低温から高温まで幅広い温度範囲で流量の測定が可能な流量計を提供する。【解決手段】本発明の流量計１は、内部に流路６を有する金属製のボディ２と、流路６内に回転可能に支持される羽根車１０と、羽根車１０の回転数を検出するピックアップコイル３０と、ピックアップコイル３０を収容する金属製のコイルケース５０と、ピックアップコイル３０の検出信号を増幅するアンプ回路基板４０と、アンプ回路基板４０を収容する樹脂製のアンプケース６０と、を備え、コイルケース５０とアンプケース６０が内部に断熱材７２を有する樹脂製のケース７０を介して連結されており、ボディ２からアンプ回路基板４０へと温度が直接伝達するのを防ぐことができる。【選択図】図２

Description

本発明は、羽根車の回転数に基づいて流体の流量を測定する羽根車式の流量計において、特に流体の急激な温度変化にも対応できる構造に関する。

従来、この種の流量計として、例えば下記の特許文献１に記載された羽根車式の流量メータが知られている。この流量メータは、磁気センサによって羽根車の回転を検出するものであり、羽根車が配置された計量室と磁気センサとの間に、合成樹脂製の断熱板が配置され、かつ断熱用空気室が構成されている。また、断熱用空気室の外周壁を構成する部分には、断熱用空気室と外部との間で空気の出入りを可能とする放熱用通気孔と放熱フィンが構成されている（特許文献１の図１を参照）。

特開平１０−０５４７４２号公報

前記の特許文献１に記載された流量メータによると、計量室と磁気センサの間に断熱板が設けられているため、計量室を流れる流体から磁気センサへと伝導により熱が直接伝わることは防ぐことができる。

しかしながら、計量室と磁気センサの間には断熱用空気室が設けられているため、この室内の空気が温められて対流が発生する。この対流により、磁気センサを収容するセンサ配置室の金属製の側面壁に熱が伝わり、その熱の輻射によってセンサ配置室内の磁気センサが温度上昇してしまうという問題がある。

また、計量室を流れる流体の温度が急激に低くなると、センサ配置室内の温かい空気が冷やされ、結露が発生する。この結露の水滴により、磁気センサの導線が錆びて接触不良を起こし、磁気センサの故障に繋がるという問題も考えられる。

そこで、本発明は、このような問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、羽根車式の流量計において、流体の急激な温度変化があっても、低温から高温まで幅広い温度範囲で流量の測定が可能な流量計を提供することにある。

前記の課題を解決するために、本発明は、以下の特徴を有する流量計を提供するものである。まず、請求項１に係る発明は、内部に流路を有する金属製のボディと、前記ボディの内部で前記流路内に回転可能に支持される羽根車と、前記ボディの外部で前記羽根車の回転数を検出するピックアップコイルと、前記ピックアップコイルを収容する金属製のコイルケースと、前記ピックアップコイルの検出信号を増幅するアンプ回路基板と、前記アンプ回路基板を収容する樹脂製のアンプケースと、を備え、前記コイルケースと前記アンプケースが内部に断熱材を有する樹脂製のケースを介して連結されていることを特徴とする流量計である。

また、請求項２に係る発明は、前記コイルケースが前記ボディと前記ケースとの接続部分に介在しており、前記ピックアップコイルのグランド導線が前記コイルケースの内側に接続され、当該コイルケースは内部に耐熱材が充填され、かつ前記ボディに接続されることにより、前記グランド導線が前記コイルケースを経由して前記ボディに導通していることを特徴とする請求項１に記載の流量計である。

また、請求項３に係る発明は、前記羽根車を支持する支持枠が前記流路に湾曲止輪で固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の流量計である。

また、請求項４に係る発明は、前記羽根車の回転軸を支持する軸受が樹脂製であり、前記支持枠にプッシュナットで固定されていることを特徴とする請求項３に記載の流量計である。

また、請求項５に係る発明は、前記支持枠を構成する旋回流プレートが非磁性金属を材料とするメタルインジェクションモールディングにより成形されていることを特徴とする請求項３に記載の流量計である。

さらに、請求項６に係る発明は、前記羽根車を構成する回転軸と翼部とが磁性金属を材料とするメタルインジェクションモールディングにより一体成形されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の流量計である。

本発明の請求項１に係る流量計によれば、コイルケースとアンプケースが樹脂製のケースを介して連結されているため、ボディからアンプ回路基板へと温度が直接伝達するのを防ぐことができる。また、ケースの内部に断熱材が設けられているため、ケースの内部空間で空気の対流が起こらず、流路に高温の流体が流れた場合にはアンプ回路基板への熱伝達を防ぐことができ、逆に、流路に低温の流体が流れた場合にはアンプ回路基板の結露を防ぐことができる。

本発明の請求項２に係る流量計によれば、ケースとボディの接続部分に金属製のコイルケースが介在しているため、コイルケースが緩衝材となってヒートショックによるケースの破損を防止することができる。また、グランド導線がコイルケースを経由してボディに導通しており、コイルの検出信号が外乱ノイズの影響を受け難く、かつコイルケースの内部に耐熱材が充填されており、低温の流体によりボディが結露してもグランド導線が錆びず接触不良が発生しないため、ピックアップコイルを長期間にわたり精度良く動作させることができる。

本発明の請求項３に係る流量計によれば、羽根車を支持する支持枠が流路に湾曲止輪で固定されているため、流体の温度差による熱収縮があってもねじの緩みや接着の剥がれ等が起こらず、流路内での支持枠のガタツキを抑え、スラスト方向への位置ずれを防止することができる。

本発明の請求項４に係る流量計によれば、羽根車の回転軸を支持する軸受が樹脂製であり、支持枠にプッシュナットで固定されているため、流体の急激な温度変化が生じても軸受が外れることがなく、羽根車を安定して支持することができる。

本発明の請求項５に係る流量計によれば、旋回流プレートが非磁性金属を材料とするメタルインジェクションモールディングにより成形されているため、耐熱性を有し、かつ複雑な形状の旋回流構造を高い精度で実現することができる。

本発明の請求項６に係る発明によれば、羽根車を構成する回転軸と翼部とが非磁性金属を材料とするメタルインジェクションモールディングにより一体成形されているため、複雑な形状の羽根車を高い精度で成形することができる。

本発明に係る流量計の外観を示す斜視図である。 図１の流量計の内部構造を示す斜視断面図である。 図１の流量計の内部構造を示す平断面図である。 図３の流量計の左側面図である。 図３の流量計の右側面図である。 図３の流量計におけるピックアップコイル付近の部分拡大断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態の流量計１は、ボディ２に内蔵された羽根車１０の回転数に基づいて流体の流量を測定する軸流羽根車（タービン）式流量計であって、羽根車１０の回転数を検出する磁気センサとアンプからなるセンサユニット３がボディ２に装着されたセンサ・アンプ一体型の流量計である。この流量計１の用途としては、例えば半導体製造装置の温度制御チラーの水平配管に取り付けて、フッ素系不活性液体の流量測定に使用することができる。また、流体温度は少なくとも−８０℃の極低温から＋２００℃の高温まで、幅広い温度範囲で流量測定が可能である。

図２と図３に示すように、流量計１は、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）からなる金属製のボディ２を備えている。ボディ２の内部には、一端に開口した流入口４から他端に開口した流出口５にかけて連通し、流体が流入口４から流出口５に向かって流れる流路６が設けられている。この流路６内には、流体の流れる方向と平行な軸を有する羽根車１０が支持枠２０によって回転可能に支持されている。

羽根車１０は、磁化していない磁性体からなり、流路６の軸線Ｌ上に配置される回転軸１１と、回転軸１１の周囲に等間隔で設けられた複数枚（本実施形態では４枚）の翼部１２，１２，…（図１を参照）を有する。本実施形態の羽根車１０の製造は、磁化していない磁性体の金属粉を材料とするメタルインジェクションモールディング（ＭＩＭ：Metal Injection Molding）が適用され、回転軸１１と複数枚の翼部１２，１２，…が同時に一体成形される。なお、メタルインジェクションモールディングの磁性材料として、磁性ステンレス鋼（例えばＳＵＳ６３０）を使用することができる。

このように、本実施形態では羽根車１０をメタルインジェクションモールディングで製造したので、複雑な形状の羽根車１０を高い精度で成形することができる。また、切削加工の羽根車に比べて、製造コストを大幅に削減することができる。さらに、回転軸と翼部を接合した羽根車に比べて、接合部が剥がれることもなく、過酷な使用条件下でも高い信頼性を確保することができる。

図３に示すように、支持枠２０は、流入口４から流入する流体に旋回流を生じさせる旋回流プレート２１と、流出口５へと流出する流体の流れを整える整流プレート２２とから構成されている。旋回流プレート２１は、非磁性金属（例えばＳＵＳ３１６）からなり、外側に複数枚の羽根部２３，２３，…（図４を参照）が形成され、内側中央に回転軸１１の一端を支持する軸受２４が設けられている。ここで、旋回流プレート２１は、非磁性金属を材料とするメタルインジェクションモールディングにより成形されているため、耐熱性を有し、かつ複雑な形状の旋回流構造を高い精度で実現することができる。整流プレート２２は、同じく非磁性金属（例えばＳＵＳ３１６）からなり、同一円周上に複数個の円形の貫通孔２５，２５，…（図５を参照）が形成され、内側中央に回転軸１１の他端を支持する軸受２６が設けられている。

本実施形態において、旋回流プレート２１と整流プレート２２は、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）等の金属からなるＣ形の湾曲止輪２７，２７（図４、図５を参照）をボディ２の溝部７，７に嵌めて、流路６の左右両側から内側に向かって押さえ付けることにより、流路６に固定され、かつ抜け止めされている。このため、流体の温度差による熱収縮があってもねじの緩みや接着の剥がれ等が起こらず、流路６内での旋回流プレート２１と整流プレート２２のガタツキを抑え、支持枠２０のスラスト方向への位置ずれを防止することができる。

また、本実施形態では、軸受２４，２６が支持枠２０とは別材質の特殊な樹脂（例えばポリイミド）で構成されている。軸受２４，２６は、その端部の軸を金属（例えばＳＵＳ３０４）製のプッシュナット２８（図４、図５を参照）に圧入し、それぞれが旋回流プレート２１と整流プレート２２の端面に固定されている。このため、流体の急激な温度変化が生じても軸受２４，２６が支持枠２０から外れることがなく、羽根車１０を安定して支持することができる。

流量計１は、ボディ２の外部で羽根車１０の回転数を検出するピックアップコイル３０を備えている。ピックアップコイル３０は、樹脂（例えばＰＰＳ）製のボビン３１と、ボビン３１の中心に設けられた電磁ステンレス製のコア３２と、ボビン３１の外周に巻き付けられた耐熱エナメル線のコイル３３とからなる磁気センサである。

ピックアップコイル３０は、アンプ回路基板４０から電源導線３４を介してコイル３３に電流を流して磁界を発生させ、磁化していない磁性体からなる羽根車１０の翼部１２がコイル３３の近傍を通過する際に磁束密度を変化させ、コイル３３に発生する誘導起電力によって交流波の検出信号を出力する。ここで、羽根車１０を磁化していない磁性体とし、ピックアップコイル３０を流路６の外部に配置したことにより、流路６を流れる流体に鉄粉等が含まれていても、鉄粉等が翼部１２に付着堆積して羽根車１０の円滑な回転が妨げられることがないため、流量計１の測定精度を確保することができる。

また、ピックアップコイル３０から出力された検出信号は、信号導線３５を介してアンプ回路基板４０に伝送される。アンプ回路基板４０では交流波の検出信号を増幅整形して矩形波のパルス信号に変換し、そのパルス信号は、丸型防水コネクタ４１に接続されるコネクタ付ケーブル（図示省略）を介して外部に出力される。したがって、出力されたパルス信号から羽根車１０の回転数を算出し、その回転数に基づいて流路６を流れる流体の流量を測定することができる。

本実施形態では、ピックアップコイル３０による磁気センサとアンプ回路基板４０とが一体化されてセンサユニット３を構成しており、このセンサユニット３がボディ２の外部に取り付けられ、急激な温度変化にも対応できるように以下の構造を備えていることが特徴である。

まず、ピックアップコイル３０は、金属の中でも熱伝導率の低いステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）からなる金属製のコイルケース５０に収容されており、流路６内に設けられた羽根車１０に対しボディ２の薄肉部８を隔てて近接配置されている。これに対し、アンプ回路基板４０は、透明な合成樹脂（例えばＰＭＭＡ）からなる樹脂製のアンプケース６０に収容されており、アンプ回路基板４０に実装された電源ＬＥＤランプ４２の点灯や消灯を、透明なアンプケース６０の外部から目視で確認できるようになっている。

そして、内蔵されたピックアップコイル３０とアンプ回路基板４０との間の距離を延長するように、耐熱性に優れた合成樹脂（例えばＰＰＳ）からなる樹脂製のケース７０が設けられており、このケース７０を介してコイルケース５０とアンプケース６０が連結されている。アンプケース６０とケース７０は、ねじ６１で固定され、両者の接合面には、フッ素ゴム等からなるＯリング６２が挿入されている。このようにコイルケース５０とアンプケース６０の間に樹脂製のケース７０を介在させることにより、ボディ２からアンプ回路基板４０へと温度が直接伝達するのを防ぐことができる。

また、樹脂製のケース７０を直接ボディ２に接続すると、流路６の内部を流れる流体のヒートショックにより樹脂が割れてケース７０が破損する恐れがある。そこで、本実施形態では、樹脂製のケース７０と金属製のボディ２との接続部分に、ステンレス鋼からなる金属製のコイルケース５０が介在している。コイルケース５０の上方外周には雄ねじ部５１が設けられており、この雄ねじ部５１をケース７０の雌ねじ部７１に嵌めてねじ込み接続することにより、コイルケース５０がケース７０に連結されている。このため、熱伝導率の低いステンレス鋼のコイルケース５０が緩衝材となって熱伝達を遅らせることにより、ヒートショックによるケース７０の破損を防止することができる。

また、ケース７０の内部には、ピックアップコイル３０の電源導線３４や信号導線３５等のケーブルが設けられているが、これらのケーブルの外周を覆うように弾性発泡体（例えばニトリルゴム）からなる断熱材７２が設けられている。このため、ケース７０の内部空間で空気の対流が起こらず、流路６に高温の流体が流れていてもアンプ回路基板４０への熱伝達を防ぐことができ、逆に、流路６に低温の流体が流れていてもアンプ回路基板４０の結露を防ぐことができる。

さらに、本実施形態では、ピックアップコイル３０を長期間にわたり精度良く使用するために以下の構造を採用している。

一般に、ピックアップコイルは出力される検出信号が微弱な電磁波であり、外乱ノイズの影響を受け易い磁気センサである。この外乱ノイズ対策として、通常の設計では、ピックアップコイルのグランド導線をアンプ回路基板経由でケースの外部に出し、外側のボディアースへ丸形端子を使用してねじで接続している。これにより、ボディとコイルのグランドが同一電位となり、ボディに乗ったノイズはキャンセルされ、安定して検知することが可能になる。

しかし、ボディ内部の流路に低温の流体を流す場合、ボディの内外の温度差による結露や凍結が起こる。このため、ボディ外部に接続した丸形端子は、大気中の水分を吸収して錆びる等の接触不良を引き起こす可能性が高く、長期間安定して導通させることが困難である。

そこで、本実施形態では、ピックアップコイル３０のグランド導線３６が導電性を有する金属製のコイルケース５０の内側に接続され、そのコイルケース５０の内部に耐熱材（例えば耐熱エポキシ樹脂）５２が充填されている。図６に拡大して示すように、グランド導線３６の接続は、その先端に圧着ピン端子３７が取り付けられており、この圧着ピン端子３７をコイルケース５０のピン孔５３に挿入して半田付けすることにより接続されている。なお、図６ではピックアップコイル３０の構造を分かりやすくするため、耐熱材５２の図示を省略してある。

さらに、コイルケース５０の下方外周には雄ねじ部５４が設けられており、この雄ねじ部５４をボディ２の雌ねじ部９に嵌めてねじ込み接続し、ロックナット５５で締め付けることにより、コイルケース５０がボディ２に強固に固定されている。これにより、ピックアップコイル３０のグランド導線３６は、コイルケース５０を経由してボディ２に導通している。

このように、ボディ２とコイルケース５０とグランド導線３６は導通状態となり、その間に電位差が生じないことから、コイル３３から出力される検出信号が外乱ノイズの影響を受け難くなる。また、コイルケース５０の内部に耐熱材５２が充填されているため、ボディ２内部の流路６に低温の流体を流したときに、ボディ２が結露してもコイルケース５０内部のグランド導線３６が錆びることはなく、接触不良が発生しない。したがって、グランド導線３６を安定して導通させることができ、しかもグランド導線３６はコイルケース５０を経由してボディ２に導通する構造であり、最短距離で安定して導通させることが可能になる。したがって、最終的には長期間にわたり外乱ノイズの影響を受け難くし、ピックアップコイル３０を長期間にわたり精度良く動作させることができる。

以上の実施形態では、本発明の流量計の用途として、半導体製造装置の温度制御チラーにおけるフッ素系不活性液体の流量測定に利用する例を挙げたが、これ以外にも油圧機器の流量計測などに利用することができる。また、測定可能な温度範囲を−８０℃〜＋２００℃としたが、流体の種類によっては、この温度範囲外でも測定可能な場合もある。

１：流量計
２：ボディ
３：センサユニット
４：流入口
５：流出口
６：流路
７：溝部
８：薄肉部
９：雌ねじ部
１０：羽根車
１１：回転軸
１２：翼部
２０：支持枠
２１：旋回流プレート
２２：整流プレート
２３：羽根部
２４：軸受
２５：貫通孔
２６：軸受
２７：湾曲止輪
２８：プッシュナット
３０：ピックアップコイル
３１：ボビン
３２：コア
３３：コイル
３４：電源導線
３５：信号導線
３６：グランド導線
３７：圧着ピン端子
４０：アンプ回路基板
４１：丸型防水コネクタ
４２：電源ＬＥＤランプ
５０：コイルケース
５１：雄ねじ部
５２：耐熱材
５３：ピン孔
５４：雄ねじ部
５５：ロックナット
６０：アンプケース
６１：ねじ
６２：Ｏリング
７０：ケース
７１：雌ねじ部
７２：断熱材

Claims (6)

1. 内部に流路を有する金属製のボディと、
   前記ボディの内部で前記流路内に回転可能に支持される羽根車と、
   前記ボディの外部で前記羽根車の回転数を検出するピックアップコイルと、
   前記ピックアップコイルを収容する金属製のコイルケースと、
   前記ピックアップコイルの検出信号を増幅するアンプ回路基板と、
   前記アンプ回路基板を収容する樹脂製のアンプケースと、を備え、
   前記コイルケースと前記アンプケースが内部に断熱材を有する樹脂製のケースを介して連結されていることを特徴とする流量計。
2. 前記コイルケースが前記ボディと前記ケースとの接続部分に介在しており、
   前記ピックアップコイルのグランド導線が前記コイルケースの内側に接続され、当該コイルケースは内部に耐熱材が充填され、かつ前記ボディに接続されることにより、前記グランド導線が前記コイルケースを経由して前記ボディに導通していることを特徴とする請求項１に記載の流量計。
3. 前記羽根車を支持する支持枠が前記流路に湾曲止輪で固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の流量計。
4. 前記羽根車の回転軸を支持する軸受が樹脂製であり、前記支持枠にプッシュナットで固定されていることを特徴とする請求項３に記載の流量計。
5. 前記支持枠を構成する旋回流プレートが非磁性金属を材料とするメタルインジェクションモールディングにより成形されていることを特徴とする請求項３に記載の流量計。
6. 前記羽根車を構成する回転軸と翼部とが磁性金属を材料とするメタルインジェクションモールディングにより一体成形されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の流量計。