JPS595919A - 感熱形流量検出器 - Google Patents

感熱形流量検出器

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JPS595919A
JPS595919A JP57115981A JP11598182A JPS595919A JP S595919 A JPS595919 A JP S595919A JP 57115981 A JP57115981 A JP 57115981A JP 11598182 A JP11598182 A JP 11598182A JP S595919 A JPS595919 A JP S595919A
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heat
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heat generating
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Hiroshi Sato
博 佐藤
Koji Tanimoto
考司 谷本
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Mitsubishi Electric Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、流動流体の流動量を発熱体と流動流体間の
熱伝達を利用して検出する流址検出器に関するものであ
る。
従来、上記のような波音検出器として第1図に示すもの
があった。第1図において、1はシリコン半導体からな
るバルク状発熱体、2 if−この発熱体1への給電と
その支持を兼ねる電極リード、3は電極リード2を固定
したトランジスタ・パッケージに相当する支持体、4は
取出しリー ド、5はステンレススチール製の1己管パ
イプ、6はパイプ5の内部を通過するミネラルスピリッ
ツなどの被測定流体、7は差動プリツノや増巾器を含む
検出回路で、取11目2リード4、電極リード2を介し
てパイプ5内に設置された発熱体1に接続されている。
8は検出回路7からの検出出力信号である。
次に、以十のように構成された感熱形流皺検出器の動作
について説1明する。発熱体1への給電電力をPin 
、発熱体lと被画定流体6の間の熱伝達IItをPou
t hl−ると、熱平衡状態ではPin−Pout=h
−As・、ΔTが成立する。ここで、hは発熱体1と被
測定流体の間の熱伝達率、A8は発熱体lの表面積、耳
は発熱体1と被測定流体の間の温贋差である。
一般に、レイノルズ数Reが1 <Re< 2000の
層流条件下では、熱伝達率りはa、bを定数とすると、
実験公式h=a+b−v  で近似できる。ここで、■
は流体の平均流速を意味している。発熱体への給電電力
Pinは発熱体lの抵抗をRs 、  電流をIs。
電圧をVsとすれは、Pin = Is2・Rs = 
Vs2/Rsで表わされるので、発熱体1の電気的イン
ピーダンスを検出回路7で計測することにより、流速V
または流目Qが検出出力信号として得られる。発熱体1
は0.7 X O,7X O,15−のシリコンチップ
であり、燐Pを101′′確 ドープしたN形の均質材
料からなる。また、支持体3はTO−46)ランジスタ
・パッケージを流用しており、ステンレススチール製の
パイプ5は0.767 Cm x 30硼(径×長さ)
であり、発熱体1は後部の前端から25.3czのとこ
ろに設置されている。
従来の感熱形流鼠検出器は5以上のように構成されてい
るので、レイノルズjli2000〜30oOノ流れが
不安定となる層流から乱01シへの遷移領域を避けてレ
イノルズ数が2000以下の条件に設定するようになっ
て1?す、熱伝達率としては低い値を、流れとしては層
流状態を使わなければならない。
まだ、発熱体となるシリコンチップが均質なバルク状発
熱体であるため熱容址が大きく熱的平衡状態に達するだ
めの熱的時定数も比較的大きなものになってしまう。さ
らに、発熱体lがある程度の大きさを有し、電極リード
2と共に流れに撹乱を与える外的要素になってしまい、
構造的に軟弱であるなど、流値検出器としての応答性が
低くなると共に、微少流址または大流蓋の場合に不安定
な特性を有するという欠点があった。
この発明は、上述のような従来の吃のの欠点を除去しよ
うとするもので、外面が流動流体と接触する薄板状の発
熱部材、およびこの発熱部材を支持する熱的、電気的不
良導体不良尋材料からなる絶縁支持部材をMし、発熱部
材の内向側に上記流動流体と非接触の中空部を形成した
発熱体を用いることにより、応答性および信頼性にすぐ
れた高性態の感熱形波m検出器を提供することをU的と
している。
以下、この発明の実施f/11を図について説明する。
実施例1 第2図は実施例1の感熱形流目検出器の検出素子部分の
拡大縦断面図である。第2図において、9は発熱部材で
あり、この発熱部材9は周縁部に比べて中央部の埠さが
薄くなった形状に、サーミスタあるいはPt 、 W、
 Mo 、 Ni、 刀−ポ/Cなどの抵抗材料または
Ni−Cr合金、 Fe −Cr−At合金。
Fe−Cr合金などの合金材料からなる。10は発熱部
材9の内面側中央部に形成された中空部、11は発熱部
材9を熱的、電気的に絶縁して支持する絶縁支持部材で
あり、プラスチックまたはガラスなどのセラミック材か
らなる。上記発熱部材9と絶縁支持部材11とから、こ
れらの内部に流動流体が接触し々い中空部10を形成し
た発熱体1が構成されている。まfc、12は発熱部材
9の外端面に形成したkl 、 Au + Ag HS
 n 、 N iなどの蒸着電極% 13は蒸着電極1
2に一端部が接続されたM。
Auなとの材質のがンディ/グワイヤ、14ハrley
ディングワイヤ13の他端部に接続されて上記支持部4
J’llを責通する4電性拐料のボンディングポストで
ある1゜ 次に、」;述のように構成された発熱体1を有する実施
例1の感熱形θIC1餡検出器の動作について説明する
。絶縁油、ガソリ/、水、空気などの流動流体15が発
熱部I9に衝突t、 %流動流体15の流速まだは流損
に応じた熱伝達が行なわれる。また、ボンディングポス
ト14、日ζンデイングワイヤ13および蒸着型4Il
1112を通じて発熱部材9へ給電された電力は発Al
11i1,449の中央部を加熱する。
この場合に、発熱部材9の中央部は周縁部に比べて厚さ
が薄くなっているため、横方向に拡がる熱抵抗が大きく
、熱容量が小さくなっていることKより、非定常時の熱
的応答時間が短い。
したがって、実施例1の感熱形流証検出器は、中空部1
0での断熱作用に加えて熱的応答性が改善されているの
で、検出器としての応答性がすぐれていると共に、発熱
部材9を絶縁支持部材11に支持したので、従来のもの
に比べて堅牢である。
実施例2 第3図は実施例2の感熱形装置検出器の検出素子部分の
拡大縦断面図である。第3図において、9はエツチング
によって中央部分を削り取ったダイヤフラム状のN形シ
リコン基板16を有する発熱部材であり、上記シリコン
基板16の外面中央部にはP形不純物拡散ノー17が形
成され、シリコン基板16の外面上にはSiO□または
At20.などの酸化膜18が形成されている。lOは
上記シリコン基板16の内面中央部をエツチングにより
削り取って形成した中空部、11はシリコン基板16を
熱的および電気的に絶縁させるセラミック材からなる絶
縁支持部材、12は上記酸化膜18に形成されたコ/ク
タトホール部を介して上記拡散層17に接続されるAt
蒸着電極、13はポンディングワイヤ、14はがンデイ
ングポストである。
次に以上のように構成された発熱体1を有する実施例2
の検出器の動作について説明する。この実施例2で発熱
するのは、N形シリコン基板1のP形不純物拡散層17
に限られ、表面発熱形といわれるものになっている。こ
のため、発熱に必要な電力は小さく、応答性を左右する
熱容量が小さい。また、シリコン基板16の中央部の厚
さが薄くなっており、横方向に拡がる熱抵抗が大きく熱
容量の小さい構成となっている。また、上記拡散層17
表面が絶縁膜18で核われて保睦されている。
この実施例2の感熱形流値検出器は、従来ものに比べて
、堅牢で頑強なものとなっており、熱的応答性が実施例
1のものよりさらに改善されている。
なお、実施例2の検出器の上述した以外の構成。
動作は、実施例1のものと同様であるから、説明を省略
する。また、実施例2ではN形シリコン基板にP形不純
物拡散層を形成したものについて説明したが、この考案
は、P形の基板にN形の拡散層を形成してもよく、この
場合でも同様な効果が得られる。
実施例需 第4図は実施例3の感熱形流址検出器の検出素子部分の
拡大縦断面図である。第4図において、16は平坦なN
形シリコン基板、11はガラスなどのセラミックのよう
な絶縁材料からなる筒状の絶縁支持部材であり、この支
持部材11内に中空部10が形成されている。19は一
?/ディングボス)14および上記支持部材11を支持
する電気的絶縁材料製の支持台である。
次に、実施例3の検出器の動作について説明する。この
実施例3で発熱するのは、上記不純物拡散層17のみで
あり、表面発熱形になっていて、発熱電力のほとんどが
絶縁油のような流動流体15との熱伝導に寄与し、流動
体15を加熱する。しかし、一部の装置がシリコン基板
16に伝熱され、上記支持部材11の方に消費される。
そこで、この実施例2では、支持部材11をセラミック
製の筒状とし、縦方向の熱抵抗を大きくとることで、拡
散層17と支持部材11の熱絶縁を可能にしている。
この実施例3の検出器は、検出器としての経時変化が少
なく、出力が安定しており、熱的応答性もすぐれている
なお、実施例3の上述し7た以外の構成、動作は、実施
例2のものとほぼ同様であるから説明を省略する。
実施例4 第5図は実施例4の感熱形′o1シ駿検出器の検出素子
部分の拡大縦断面図である。第4図において。
16は中央部がエツチングされてJ#さが薄くなった実
施例2のものと同様なN形シリコン基板、10はこのシ
リコン基板16と筒状の絶縁支持部材11によってこれ
らの内部に形成された中空部、18はSiO□のような
酸化膜であり、この酸化膜18はシリコン基板表面の中
央部のP形不純物拡散層17が露出するように形成され
ている。
次に、実施例4の検出器の動作について説明する。この
実施例4で発熱するのは、実力用例2と同様に不純物拡
散層17のみであり、表面発熱形になっており、実施例
3と異なるのij:、シリコン基板16の内面中央部が
エツチングされて横方向に拡がる熱抵抗が大きくなつ−
Cいることでめる。このため、発熱電力が有効に流動流
体との熱伝達に使われて、小さな投入電力で高い温反差
を与えることができる。そして、この実施例4の感熱形
流旨検出器は、検出器としての経時変化がなく、出力が
安定しており、とくにその熱的な応答性がすぐれている
なお、実施例4の上述した以外の構成、動作は実施例3
のものとはは同様であるから説明を省略する。
第6図はこの発明の一実施例による感熱形装置検出器の
全体の構成を示している。第6図にお・いて、1は発熱
体%9は発熱体10発熱部材であり、一方の而すなわち
外面が絶縁油などの流動流体15と接触し、他方の面す
なわち内面側に流動流体15と非接触の中空部10が形
成しである。13はボンディングワイヤ、11は発熱部
材9を熱的しよび電気的に絶縁して支持する絶縁支持部
材4はボイディングワイヤ13にがンデイングボスト1
4を介して接続された散り出しリード、7は差動プリツ
ノや増d】器を含む検出回路、8は検出出力信号である
。また、20はホース22に差込まれたニップルであり
、流動流体15の入口側と出口側で対をなしており、出
口側のニップル20に上記支持部材11が固定されてい
る。21はニップル200Å口側と出口側との間に挟着
されて、流動流体15の流れを絞って発熱部材9への衝
突噴流を形成するだめのノズルである。
次に、第6図に示す感熱形流奮検出器の動作について説
明する。絶縁油などの流動流体15は、入口側のホース
22を通ってニップル20へ流れ込み、ノズル21で大
巾に絞られ噴流となって発熱部材9へ衝突する。発熱部
材9で発熱した電力のほとんどが、中空部10で実質的
に熱伝導が遮断され、横方向の熱抵抗も大きいので、直
ちに上記流動流体に吸収される。そして、ノズル21近
傍の流動流体15の流れに限れば、レイノルズ数の範囲
は最小測定流量でも3000以上の値となるように設定
してあり、流れは乱流領域に限られるので安定している
。−!た、発熱体lに衝突した流れは出口側のニップル
20を通してホース22へ流出する。
なお、第6図に示す実施例の流電検出器は、この発明の
実施例1ないし40発熱体のいずれかを用いたものであ
る。
第6図に示す実施例の感熱形流量検出器は、上述したよ
うに構成されているので、従来のもののような配管パイ
プを必要とせず、小形、軽量となっており、またレイノ
ルズ数が高い分だけ、大きな熱伝達率が得られ、中空部
10による断熱効果によって、発熱部材9の熱容蓋が小
さくなっているので、熱的な応答時間が大巾に短縮され
、快出器としての応答性がすぐれている。
以上説明したように、この発明の感熱形流値検出器は、
応答性および信頼性がすぐれ、高性能であるという効果
がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の感熱形流祉検出器を示す構成説明図、第
2図、第3図、第4図および第5図はこの発明の実施例
1.2.3および4による発熱体をそれぞれ示す検出素
子部分の拡大縦断面図、第6図はこの発IIの一=−実
MM例による感熱形流址検出器を示す構成説明図である
。 1・・・発熱体、7・・・検出回路、8・・・検出出力
信号、9・・・発熱部材、io・・・中空部、11・・
・絶縁支持部材、12・・・’Km、13・・・がノデ
イングワイヤ、14・・・+IFンデイングポスト、】
5・・・流動流体。 16・・・シリコン基板、17・・・不純物拡散層、1
8・・・酸化膜、19・・・支持台、20・・・ニップ
ル、21・・・ノズル、22・・・ホース。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。 代理人  為 野 イd −

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)発熱体と流動流体間の熱伝達量から流速゛または
    流値のような上記流動流体の流動量を検出する感熱形流
    鈑検出器において、外面が上記流動流体と接触する薄板
    状の発熱部材、およびこの発熱部材を支持する熱的、電
    気的不良導材料からなる絶縁支持部材を有し、発熱部材
    の内面側に上記流動流体と非接触の中空部を形成した発
    熱体と、この発熱体へ発熱電力を供給すると共に発熱体
    の電気的インピーダンスを計測する検出回路とを備えた
    ことを特徴とする感熱形#t、蓋検出器。
  2. (2)発熱体を構成する発熱部材が感温半導体材料から
    なる特許請求の範囲第1項記載の感熱形流値検出器。
  3. (3)発熱体を構成する発熱部材が不純物拡散層を含む
    シリコン半導体基板である特許請求の範囲第2項記載の
    感熱形流量検出器。
  4. (4)発・熱体を構成する絶縁支持部材がセラミック材
    である特許請求の範囲第1項、第2項または第3項記載
    の感熱形:/気量検出器。
  5. (5)発熱体を構成する絶縁支持部材で発熱部材の周縁
    部を支持した特許請求の範囲第1項、第2項。 第3項または第4項記載の感熱形流箪検出器。
  6. (6)発熱体を構成する発熱部材が中央部に形成された
    不純物拡散層を含んだシリコン半導体基板である特許請
    求の範囲第3項または第5項記載の感熱形流址検出器。
  7. (7)発熱体を構成する発熱部材が流動流体と接するよ
    うに形成された不純物拡散層を含んだシリコン半導体基
    板である特許請求の範囲第3項または第6項記載の感熱
    形流址検出器。
  8. (8)発熱体を構成する発熱部材が不純物拡散層を含ん
    だ部分のみ厚さが薄いシリコン半導体基板である特許請
    求の範囲第3狽、第6項または第7項記載の感熱形流量
    検出器。
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