JP2025014199A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】レンジアビリティが広い熱式流量計を提供する。
【解決手段】流体通路２の通路壁（第１の通路壁６）を用いて形成された絞り４，５と、通路壁の壁面に流体の流れる方向へ間隔をおいて並べて設けられた複数の流量測定用のセンサチップ（第１～第３のセンサチップ１１～１３）とを備える。絞り４，５を構成する通路壁（第１の通路壁６の第１、第２の傾斜部６ｄ，６ｅ）は、流体が流れる方向に向かうにしたがって通路断面積が漸次小さくなるように傾斜している。複数のセンサチップは、流体通路２における流体の流速が異なる複数の位置にそれぞれ設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体通路の絞りの下流側にセンサチップが設けられた熱式流量計に関する。

熱式流量計に用いられる熱式流量センサのセンサチップは、半導体の微細加工技術を利用してシリコン基板上に白金製の測温抵抗体やヒーターを複数形成したものが一般に知られている。熱式流量センサによって流体の流量を取得する方法としては、ヒーターの上下流に配置された温度センサによって熱の分布を取得して流量換算する方法と、ヒーターの消費電力を流量値に換算する方法とがある。

従来の熱式流量センサとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。
特許文献１に開示された熱式流量センサは、流体通路に形成された絞りと、この絞りの下流側に設けられたセンサチップとを備えている。絞りは、流体が流れる方向の下流側に向かうにしたがって流路断面積が徐々に減少するように形成されている。このように絞りを備えることにより、助走距離を短縮することができ、装置の小型化を図ることができる。助走距離とは、流体通路の入口から発達した流れに達するまでの長さである。熱式流量計は、発達前の流れ、あるいは発達した流れとなる流体の流速を熱式流量センサによって測定し、この流速に流体通路の断面積を乗じて流量を求める構成が採られている。熱式流量センサのセンサチップは、測定可能な流速に下限と上限とがあるため、流体通路に設置するにあたっては、流体通路を流れる流体の流速と適合するものが採用されている。

特許第３３８５３０７号公報

従来の熱式流量センサに用いられるセンサチップは、測定可能な流速の範囲が限られているために、流体通路を流れる流体の流速が測定可能な流速を下回ると測定精度が低下してしまう。このため、従来の熱式流量計は、レンジアビリティが狭いという問題があった。

本発明の目的は、レンジアビリティが広い熱式流量計を提供することである。

この目的を達成するために本発明に係る熱式流量計は、流体通路の通路壁を用いて形成された絞りと、前記通路壁の壁面に流体の流れる方向へ間隔をおいて並べて設けられた複数の流量測定用のセンサチップとを備え、前記絞りを構成する前記通路壁は、流体が流れる方向の下流側に向かうにしたがって通路断面積が漸次小さくなるように傾斜し、前記センサチップは、前記流体通路における流体の流速が異なる複数の位置にそれぞれ設けられているものである。

本発明は、前記熱式流量計において、前記絞りは、流体の流れる方向に間隔をおいて並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられ、前記絞りの下流端には、流体の流れる方向と平行に延びる通路壁が接続され、前記センサチップは、流体の流れる方向と平行に延びる前記通路壁における、前記絞りの前記下流端との境界部分に設けられていてもよい。

本発明は、前記熱式流量計において、複数の前記センサチップは、一定の勾配で傾斜して前記絞りを構成する一つの通路壁に設けられていてもよい。

本発明は、前記熱式流量計において、前記流体通路の通路断面の形状は矩形で、複数の前記センサチップは、前記矩形の一辺を構成する通路壁に設けられていてもよい。

本発明によれば、流体通路の上流側に配置されたセンサチップでは流速が低くて測定できない場合であっても、この流体が絞りを通ることによって、流体の流速が上昇する。上昇した流速が下流側のセンサチップの測定可能な流速の範囲に入ることにより、この流体の流速を下流側のセンサチップで測定することが可能になる。
したがって、複数のセンサチップを使用してレンジアビリティが広い熱式流量計を提供することができる。

図１は、本発明に係る熱式流量計の基本的な構成を示す断面図である。 図２は、流体通路を流体の流れる方向から見た断面図である。 図３は、絞りを有する流体通路を流体が流れる際の流速分布を示す模式図である。 図４は、流量に応じて使用するセンサチップを変える測定例を示す断面図である。 図５は、熱式流量センサの具体的な実施の形態を示す断面図である。 図６は、熱式流量センサの変形例を示す断面図である。 図７は、流体通路を流体の流れる方向から見た断面図である。 図８は、熱式流量センサの変形例を示す断面図である。

以下、本発明に係る熱式流量計の一実施の形態を図１を参照して詳細に説明する。
図１に示す熱式流量計１は、流体通路２を含む熱式流量センサ３を用いて構成されている。流体通路２には、気体や液体などの流体が図１中に矢印Ａで示す方向（図１においては左側から右側）に向けて流れる。

図１に示す流体通路２には、２つの絞り４，５が設けられている。これらの絞り４，５は、流体の流れる方向に予め定めた間隔をおいて並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられている。流体が絞り４，５を通過することにより、流体の流速が上昇する。図１においては、流体が絞りを通過して流速が増加することを、大きさの異なる矢印Ａ～Ｃを用いて表現している。矢印Ｂで示す流速は、矢印Ａで示す流速より速く、矢印Ｃで示す流速より遅い。

流体通路２は、図２に示すように、通路断面の形状が矩形となるように形成されている。図２の破断位置は、図１中にII－II線によって示す位置である。
上述した２つの絞り４，５は、矩形の一辺となる通路壁に設けられている。詳述すると、２つの絞り４，５は、流体通路２を形成する第１～第４の通路壁６～９のうち、図２において最も下に描かれている第１の通路壁６を用いて形成されている。

第１の通路壁６は、図１に示すように、流体が流れる方向と平行に延びる第１～第３の平行部６ａ～６ｃと、これらの第１～第３の平行部６ａ～６ｃの間で絞り４，５を構成する第１および第２の傾斜部６ｄ，６ｅとを有している。
第１の傾斜部６ｄは、第１の平行部６ａと第２の平行部６ｂとの間に形成されている。第２の傾斜部６ｅは、第２の平行部６ｂと第３の平行部６ｃとの間に形成されている。
第１の傾斜部６ｄと第２の傾斜部６ｅは、それぞれ流体が流れる方向の下流側に向かうにしたがって通路断面積が漸次小さくなるように傾斜している。

図１に示すように、流体の流れる方向に対する第１の傾斜部６ｄの傾斜角度は、第２の傾斜部６ｅの傾斜角度より小さい。第１の傾斜部６ｄと第２の傾斜部６ｅの傾斜角度は、適宜変更することができる。
第２～第４の通路壁７～９は、平坦な壁面を有し、流体が流れる方向と平行に延びている。第２の通路壁７は、第１の通路壁６とは対向する位置に設けられ、第３および第４の通路壁８，９は、第１の通路壁６と第２の通路壁７とを接続している。

第１の平行部６ａには、流量測定用の第１のセンサチップ１１が設けられ、第２の平行部６ｂには、流量測定用の第２のセンサチップ１２が設けられている。第３の平行部６ｃには、流量測定用の第３のセンサチップ１３が設けられている。すなわち、第１～第３のセンサチップ１１～１３は、流体通路２における流体の流速が異なる複数の位置に設けられている。
これらの第１～第３のセンサチップ１１～１３は、図１および図２に示すように、第１～第３の平行部６ａ～６ｃの壁面との間に段差が生じることがないように配置されている。なお、第３の通路壁８と第４の通路壁９とが並ぶ方向における第１～第３のセンサチップ１１～１３の位置は、図２に示すように中央部でもよいし、第３の通路壁８や第４の通路壁９に近付くように偏った位置でもよい。

第１のセンサチップ１１は、第１の平行部６ａの下流側であって絞り４の上流側近傍に位置付けられており、流体通路２内においてほとんど速度境界層が存在しないフラットな流速分布となる流体の流速を測定する構成が採られている。一般に、流路内の流体の流れは、図３に示すように「発達前のフラットな流れ」と、「発達中の流れ」と、「発達後の流れ」とに分類される。図３において最も左側となる上流部に設けられている絞り１４の途中や絞り１４の直後は、矢印で流速を示すように、内壁面にほとんど速度境界層が存在しないフラットな速度分布（発達前のフラットな流れ）となる。絞り１４を通過して通路径が一定の通路１５に流入した流体の流れは、層流境界層（速度境界層）１６が生じる助走区間Ｌ（発達中の流れとなる状態）を経て（発達後の流れ）である平衡に達した層流１７となる。平衡後の流速分布は、図３中に示す放物線で示す流速分布で安定する。

第２のセンサチップ１２は、図１に示すように、第２の平行部６ｂにおける、上流側の絞り４の下流端（第１の傾斜部６ｄの下流端）との境界部分に設けられている。
第３のセンサチップ１３は、第３の平行部６ｃにおける、下流側の絞り５の下流端（第２の傾斜部６ｅの下流端）との境界部分に設けられている。

流体が絞り４，５（第１の傾斜部６ｄと第２の傾斜部６ｅ）に沿って流れることにより、壁面との接触で流速が低くなる現象が抑えられる。このため、絞り４，５（第１の傾斜部６ｄと第２の傾斜部６ｅ）の下流端と第２、第３の平行部６ｂ，６ｃとの境界部分においては、流速分布が均等になる状態であって、流路内壁面の速度境界層を排除し、流体の流れが均等（フラット）な状態になる。このため、第２のセンサチップ１２と第３のセンサチップ１３は、このような流体の流れが均一な状態の流体の流速を図るようになる。

第１～第３のセンサチップ１１～１３は、熱式流量センサ用のセンサチップとして従来からよく知られているものを用いることができる。また、第１～第３のセンサチップ１１～１３は、測定可能な流速範囲が同一のものを用いることができるし、測定可能な流速範囲が異なるものを用いることができる。第１～第３のセンサチップ１１～１３として測定可能な流速範囲が異なるものを使用する場合は、第２のセンサチップ１２は第１のセンサチップ１１より測定可能な流速が高いものを用い、第３のセンサチップ１３は第２のセンサチップ１２より測定可能な流速が高いものを用いる。

第１～第３のセンサチップ１１～１３は、図１に示すように、それぞれ熱式流量計１の演算部１８に接続されており、測定した流速を信号として演算部１８に送る。演算部１８は、第１～第３のセンサチップ１１～１３が測定した流速に、第１～第３のセンサチップ１１～１３が設けられている流体通路２の通路断面積を乗じて流量を求める。演算部１８には表示部１９が接続されている。表示部１９は、演算部１８が求めた流量を表示するものである。

第１～第３のセンサチップ１１～１３を使用して流体の流速を測定するにあたっては、第１～第３のセンサチップ１１～１３の出力値から最適な値を選択する必要がある。このため、第１～第３のセンサチップ１１～１３の個々について測定可能な流量レンジを予め確認しておき、測定する流量レンジに応じて使用するセンサチップを切替えることが望ましい。この構成を採る場合は、第１のセンサチップ１１で大流量を測定し、第２のセンサチップ１２で中流量を測定し、第３のセンサチップ１３で微小流量を測定することができるようになる。演算部１８には、このような第１～第３のセンサチップ１１～１３の出力値を選択する機能をもたせることができる。

流体通路２内の第１の平行部６ａと対応する部分を流れる流体の流速が第１のセンサチップ１１の測定可能な流速を下回った場合は、第１のセンサチップ１１で正確な流速を測定することはできなくなる。しかし、流体通路２内の第２の平行部６ｂと対応する部分を流れる流体の流速は、第１の平行部６ａと対応する部分の流速より高くなる。このため、第１のセンサチップ１１では測定できなかった流速を第２のセンサチップ１２で測定できるようになる。これと同様に、第２のセンサチップ１２で測定できなかった流速を第３のセンサチップ１３で測定できるようになる。

一方、第１～第３のセンサチップ１１～１３として測定可能な流速範囲が同一のものを使用する場合は、流速が流速範囲に入らないセンサチップの測定値が他のセンサチップの測定値と大きく異なるようになり、エラーとなる。このため、この場合は、エラーが生じていないセンサチップの測定値を用いて流量を求めることができる。

ここで、測定可能な流速範囲が同一の第１～第３のセンサチップ１１～１３を使って大流量、中流量、小流量を測定する場合の測定例を図４（Ａ）～（Ｃ）によって説明する。図４（Ａ）～（Ｃ）においては、流体の流速を矢印の長さと、流速を便宜的に数値化した流速値とによって示している。ここでは、第１～第３のセンサチップ１１～１３で計測可能な流速の範囲を流速値８～１０として説明する。

（Ａ）流体通路２に大流量が流れる場合について；
大流量（流速値を１０とする）が流れる場合は、通路断面積が最も大きい第１の平行部６ａに配置した第１のセンサチップ１１によって測定する。第１のセンサチップ１１の測定可能な流速の範囲は大流量の流体の流速に適合しているから、大流量時の流体の流速を第１のセンサチップ１１で測定することができる。

（Ｂ）流体通路２に中流量が流れる場合について；
中流量（流速値７とする）では、流速が小さいため、第１の平行部６ａに設けられている第１のセンサチップ１１では精度良く流速を測ることはできない。第１の平行部６ａで中流量であった流れは、絞り４により通路断面積が小さくなることで流速が増加して第２の平行部６ｂを通過するようになる。図４（Ｂ）においては、流速値７から流速値９に増加する。この場合は、第２の平行部６ｂを通過する流体の流速が第２のセンサチップ１２で測定可能な流速の範囲内に入ることより、第２のセンサチップ１２によって中流量時の流速を精度良く測定することができる。

（Ｃ）流体通路２に小流量が流れる場合について；
小流量（流速値４とする）が流れる場合、小流量では流速が小さいために、第１の平行部６ａに設けられている第１のセンサチップ１１や、第２の平行部６ｂに設けられている第２のセンサチップ１２では精度良く流速を測ることはできない。第１の平行部６ａを通過するときに小流量であった流体の流速は、絞り４を通過して増加した後、絞り５を通過することにより更に増加する。図４（Ｃ）においては、流速値が４→６→８と増加する。この場合は、流体が第３の平行部６ｃを通過する際の流速が第３のセンサチップ１３の測定可能な流速の範囲内に入ることにより、小流量時の流速を第３のセンサチップ１３で精度良く測定することができる。

このように構成された熱式流量計１においては、上流側のセンサチップ（第１、第２のセンサチップ１１，１２）では流速が低いために流速を測定できない場合であっても、絞り４，５によって流速が上昇するとともに、絞り途中や絞り直後は内壁面にほとんど速度境界層が存在しないフラットな流速分布となった流体の流速を下流側のセンサチップ（第２、第３のセンサチップ１２，１３）によって高い精度で測定することができる。したがって、この実施の形態によれば、レンジアビリティが広く、しかも、流体通路の短縮化が図られた熱式流量計を提供することができる。

本発明の熱式流量計に用いる熱式流量センサは、図５～図８に示すように構成することができる。図５～図８において、図１および図２によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図５に示す熱式流量センサ２１は、流体通路２を形成する筐体の内部に二つのセンサチップ１２，１３が収容されている。流体通路２を形成する筐体２２の上流側端部は、上流側の継手２３を介して上流側の配管２４に接続されている。筐体２２の下流側端部は、下流側の継手２５を介して下流側の配管２６に接続されている。

筐体２２内に形成された流体通路２の上流側端部は、上流側の継手２３との接続部から下流側に向かうにしたがって通路断面積が徐々に大きくなるように形成されている。通路断面積を徐々に大きくするにあたっては、第１の通路壁６の壁面と、第１の通路壁６と対向する第２の通路壁７の壁面とを傾斜させて行っている。
第１の通路壁６には、図１に示す形態を採るときと同様に、上流側の絞り４と下流側の絞り５とが形成されている。第１の通路壁６の第１の平行部６ａには、センサチップは設けられていない。

図５に示す熱式流量センサ２１においては、第２のセンサチップ１２では流速が低いために流速を測定できない場合であっても、下流側の絞り５によって流速が上昇するとともに絞り途中や絞り直後は内壁面にほとんど速度境界層が存在しないフラットな流速分布となった流体の流速を第３のセンサチップ１３によって高い精度で測定することができる。したがって、この実施の形態においても、レンジアビリティが広く、しかも、流体通路の短縮化が図られた熱式流量計を提供することができる。

図６に示す熱式流量センサ３１の流体通路２は、図７に示すように矩形断面となるように形成されている。図７の破断位置は、図６中にVII－VII線によって示す位置である。この流体通路２の第１の通路壁６は、一定の勾配で傾斜する傾斜部３２を有している。第２～第４の通路壁７～９は、平坦な壁面を有し、流体が流れる方向に延びている。
第１の通路壁６の傾斜部３２は、流体が流れる方向の下流側に向かうにしたがって通路断面積が漸次小さくなるように傾斜している。この熱式流量センサ３１においては、第１の通路壁６の傾斜部３２によって絞り３３が構成されている。

この絞り３３を構成する一つの通路壁（第１の通路壁６の傾斜部３２）に複数のセンサチップ３４，３５が設けられている。図６に示す熱式流量センサ３１においては、上流側のセンサチップ３４と下流側のセンサチップ３５とが流体の流れる方向に所定の間隔をおいて離間するように配置されている。上流側のセンサチップ３４と下流側のセンサチップ３５は、流体が流れる方向とは直交する方向（第３の通路壁８と第４の通路壁９とが並ぶ方向）において傾斜部３２の中央に位置付けられ、傾斜部３２の壁面との間に段差が生じることがないように配置されている。

流体が第１の通路壁６の傾斜部３２に沿って流れる際には、傾斜部３２の壁面との接触で流速が低くなる現象が抑えられる。このため、傾斜部３２が壁面の一部となる通路内（絞り３３内）においては、ほとんど速度境界層が存在しないフラットな流速分布で流体が流れるようになる。この結果、上流側のセンサチップ３４と下流側のセンサチップ３５は、ほとんど速度境界層が存在しないフラットな流速分布の流体の流速を測るようになる。

図６および図７に示す形態を採る場合であっても、流体の流速が上流側のセンサチップ３４で測定可能な流速を下回る場合に、絞り３３によって流速が上昇した流体の流速を下流側のセンサチップ３５によって高い精度で測定することができる。したがって、この実施の形態においても、レンジアビリティが広く、しかも、流体通路の短縮化が図られた熱式流量計を提供することができる。

図８に示す熱式流量センサ３６の第２の通路壁７には、一定の勾配で傾斜する傾斜部３７が設けられている。この傾斜部３７は、第１の通路壁６の傾斜部３２とは、第１の通路壁６と第２の通路壁７との間で流体の流れる方向に延びる流体通路２の中心線ＣＬに対して線対称となるように形成されている。
流体通路２を図８に示すように形成したとしても、図６、図７に示す形態を採るときと同様に、レンジアビリティが広く、しかも、流体通路の短縮化が図られた熱式流量計を提供することができる。

上述した各実施の形態においては、断面形状が矩形の流体通路２の一つの通路壁（第１の通路壁６）に複数のセンサチップ１１～１３、３４，３５を設ける例を示した。この構成を採る場合は、第１の通路壁６を第２～第４の通路壁７～９とは別体に形成することが可能になるから、複数のセンサチップ１１～１３、３４，３５を第１の通路壁６に組み付ける作業を容易に行うことができる。なお、流体通路２の断面形状は、矩形に限定されることはなく、例えば円形としてもよい。

１…熱式流量計、２…流体通路、４，５，３３…絞り、６…第１の通路壁（通路壁）、６ａ～６ｃ…第１～第３の平行部、６ｄ，６ｅ…第１、第２の傾斜部、１１…第１のセンサチップ、１２…第２のセンサチップ、１３…第３のセンサチップ、３２…傾斜部。

Claims (4)

1. 流体通路の通路壁を用いて形成された絞りと、
   前記通路壁の壁面に流体の流れる方向へ間隔をおいて並べて設けられた複数の流量測定用のセンサチップとを備え、
   前記絞りを構成する前記通路壁は、流体が流れる方向の下流側に向かうにしたがって通路断面積が漸次小さくなるように傾斜し、
   前記センサチップは、前記流体通路における流体の流速が異なる複数の位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする熱式流量計。
2. 請求項１に記載の熱式流量計において、
   前記絞りは、流体の流れる方向に間隔をおいて並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられ、
   前記絞りの下流端には、流体の流れる方向と平行に延びる通路壁が接続され、
   前記センサチップは、流体の流れる方向と平行に延びる前記通路壁における、前記絞りの前記下流端との境界部分に設けられていることを特徴とする熱式流量計。
3. 請求項１に記載の熱式流量計において、
   複数の前記センサチップは、一定の勾配で傾斜して前記絞りを構成する一つの通路壁に設けられていることを特徴とする熱式流量計。
4. 請求項１～請求項３のうち何れか一つに記載の熱式流量計において、
   前記流体通路の通路断面の形状は矩形で、
   複数の前記センサチップは、前記矩形の一辺を構成する通路壁に設けられていることを特徴とする熱式流量計。

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