JP5728841B2 - 流量測定用構造体および流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象の流体が流れる導管部と、該導管部を流れる流体を分流し、分流された流体を、該流体の流量を測定するための検出素子へ導く分流部とを備える流量測定用構造体と、該流量測定用構造体を用いた流量測定装置とに関するものである。

流量測定装置は、気体または液体である流体の流量を測定するものである。ここで、流量とは、或る断面を単位時間に移動する流体の量をいう。

一般に、流量測定装置は、測定対象の流体が流れる流路に、該流体の流量を測定するための検出素子が設けられ、該検出素子からの検出信号を用いて上記流体の流量を測定するものである。流量測定装置の用途としては、例えば、ガスメータ、燃焼機器、自動車の内燃機関などにおいて燃焼に利用される気体の流量の測定、医療機器における呼気および吸気の流量並びに血液の流量の測定、産業機器における空気の流量の監視、各種機器におけるフィルタの目詰まりの監視などが挙げられる。

一般に、流量測定装置は、構造上の観点から直管型と分流型とに分類される。図１７の（ａ）は、直管型の流量測定装置の基本構造を示しており、同図の（ｂ）・（ｃ）は、分流型の流量測定装置の基本構造を示している。

直管型の流量測定装置２００は、図１７の（ａ）に示すように、測定対象の流体が内部を流れる導管部２０１に、該流体の流量を測定するための検出素子２０２が直接設けられた構造となっている。一般に、直管型の流量測定装置２００では、検出素子２０２の検出可能範囲まで上記流体の流速を低下させる必要がある。このため、導管部２０１内の断面積を大きくする必要があり、流量測定装置２００が大型化することになる。

そこで、大流量の流体を測定する場合には、分流型の流量測定装置が用いられる。分流型の流量測定装置は、測定対象の流体を分流し、分流された流体の流量を測定することにより、全体の流量を推定するものである（例えば、特許文献１〜５を参照）。

具体的には、図１７の（ｂ）に示す分流型の流量測定装置２１０では、導管部２０１内に、流れる上記流体に適当な抵抗を与える抵抗体２１１が設けられている。また、導管部２０１の周辺部であって、抵抗体２１１の上流側および下流側には、上記流体の分流が流れる分流部２１２の導入口２１３および排出口２１４がそれぞれ接続されている。そして、分流部２１２に検出素子２０２が設けられている。上記の構成によると、導管部２０１を流れる流体に対し抵抗体２１１が適当な抵抗を与える。これにより、流体の一部が分流部２１２の導入口２１３に流れ込むことになる。

一方、図１７の（ｃ）に示す分流型の流量測定装置２２０は、導管部２０１の中央部に、上記流体の分流が流れる分流部２２２が設けられ、この分流部２２２に検出素子２０２が設けられた構造となっている。この場合、分流部２２２自体が、導管部２０１における流体の流れを妨げる抵抗体として機能するので、分流部２２２に流体が流れ込むことになる。

特表２００３−５２３５０６号公報（２００３年０８月０５日公表） 特開平１１−１６６７２０号公報（１９９９年０６月２２日公開） 特開２００６−３２９９２７号公報（２００６年１２月０７日公開） 特開２００６−３０８５１８号公報（２００６年１１月０９日公開） 特開２０１０−０６０２８７号公報（２０１０年０３月１８日公開）

一般に、導管部２０１内には、測定対象の流体の他に、塵埃が含まれることが多い。図１８の（ａ）は、図１７の（ａ）に示す直管型の流量測定装置２００において、検出素子２０２に塵埃２０３が付着した様子を示している。この場合、検出素子２０２の測定精度が低下することになる。なお、図１７の（ｂ）・（ｃ）に示す分流型の流量測定装置２１０・２２０でも同様の問題が発生する。

また、図１８の（ｂ）は、図１７の（ｂ）に示す分流型の流量測定装置２１０において、分流部２１２に塵埃２１６が侵入して付着した様子を示している。この場合、分流部２１２の流量が低下するので、導管部２０１における抵抗体２１１付近の流量ａと、分流部２１２の流量ｂとの比ａ：ｂ（以下、分流比と称する。）が変化することになる。

分流型の流量測定装置２１０は、分流部２１２の流量を測定し、測定した流量と分流比ａ：ｂとから、導管部２０１を出入する流量を推定するものであるから、分流比ａ：ｂが変化すると、導管部２０１を出入する流量の推定精度が低下することになる。さらに、分流部２１２に塵埃２１６が堆積して、分流部２１２を上記流体が流れなくなると、上記流量の測定が不能となる。なお、図１７の（ｃ）に示す分流型の流量測定装置２２０でも同様の問題が発生する。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、分流部に塵埃が侵入することを抑制できる流量測定用構造体および分流型の流量測定装置を提供することになる。

本発明に係る流量測定用構造体は、測定対象の流体が流れる導管部と、該導管部を流れる流体を分流し、分流された流体を、該流体の流量を測定するための検出素子へ導く分流部とを備える流量測定用構造体であって、上記課題を解決するために、上記分流部の導入口は、上記導管部内の中央部および周辺部の一方に設けられており、上記導管部は、上記導入口の上流に設けられ、上記流体を上記中央部および周辺部の他方へ案内する案内部を備えることを特徴としている。

上記の構成によると、分流部の導入口の上流に導管部の案内部が設けられている。そして、上記導入口が上記導管部内の周辺部に設けられている場合、上記案内部は上記流体を上記導管部内の中央部へ案内する。これにより、上記導管部を流れる塵埃は、上記案内部により上記中央部に案内されるので、上記周辺部に設けられた導入口から上記分流部に侵入することを抑制することができる。

一方、上記導入口が上記中央部に設けられている場合、上記案内部は上記流体を上記周辺部へ案内する。これにより、上記導管部を流れる塵埃は、上記案内部により上記周辺部に案内されるので、上記中央部に設けられた導入口から上記分流部に侵入することを抑制することができる。

本発明に係る流量測定用構造体では、上記分流部の導入口は、上記導管部内の周辺部に設けられており、上記案内部は、上記導入口の上流に設けられ、上記流体を上記中央部へ導くものである場合、上記案内部は、上記導管部の内径が上流から下流に向かうにつれて狭くなる傾斜部が、少なくとも上記導入口の近くに形成されたものであってもよい。

上記導入口に侵入し易い塵埃は、上記導入口の上流側の近くを流れるものである。従って、上記の構成によると、上記導入口の上流側の近くに設けられた傾斜部により、上記導入口に侵入しやすい塵埃が上記中央部に案内されるので、上記導入口から上記分流部に侵入することを抑制することができる。

なお、上記傾斜部は上記導管部内の全周に亘って形成しても良い。この場合、上記傾斜部により上記導管部内の断面積が狭くなるので、上記流体の流速が増加し、上記塵埃を上記導入口から素早く遠ざけることができる。その結果、上記導入口から上記分流部に侵入することを確実に抑制することができる。また、上記傾斜部により、上記周辺部の流体が上記中央部の流体と混合されるので、上記導管部内の流速分布を均一化することができる。その結果、上記流体の流量を正確に推定することができる。

本発明に係る流量測定用構造体では、上記導管部において、上記導入口の下流側に、上記流体に適当な抵抗を与える抵抗体をさらに備えており、該抵抗体は、上記導管部内の中央部にて開口していることが好ましい。この場合、上記中央部に集まった塵埃を上記抵抗体の開口から下流へ速やかに移動させることができる。その結果、上記導入口から上記分流部に侵入することを確実に抑制することができる。

本発明に係る流量測定用構造体では、上記分流部の導入口は、上記導管部内の中央部に設けられており、上記案内部は、上記導入口の上流に設けられ、上記流体を上記周辺部へ導くものである場合、上記案内部には、上記流体に、上記導管部内を旋回する流れを発生させる構造を有していることが好ましい。

この場合、上記旋回する流れにより、上記流体には上記導管部内の中央部から周辺部に向かう遠心力が働くことになる。従って、上記導管部内を流れる塵埃は、上記遠心力により上記周辺部に移動することになるので、上記中央部に設けられた上記導入口から上記分流部に侵入することを抑制することができる。また、上記案内部により、上記流体を撹拌することになるので、上記導管部内の流速分布を均一化することができる。その結果、上記流体の流量を正確に推定することができる。

ところで、上記案内部が上記旋回する流れを発生させることにより、上記案内部を通過した流体には圧力損失が発生することになる。そこで、本発明に係る流量測定用構造体では、上記導管部は、上記導入口の上流において広くなっていてもよい。この場合、上記導管部は上記導入口までに狭くなっているので、上記導管部に導入された流体は、上記導入口までに圧力が上昇することになり、上記圧力損失を低減させることができる。

本発明に係る流量測定用構造体では、上記導管部および上記分流部は上記流体が逆流することが可能であり、上記導管部は、上記流体が逆流する場合の案内部をさらに備えてもよい。この場合、双方向の流体の流量を測定可能な構造となる。

なお、測定対象の流体の流量を測定する流量測定装置であって、上記構成の流量測定用構造体と、該流量測定用構造体の分流部に配置される、上記流量を測定するための検出素子とを備える流量測定装置であれば、上述の効果と同様の効果を奏することができる。

以上のように、本発明に係る流量測定用構造体は、分流部の導入口の上流に設けられた導管部の案内部により、上記導管部を流れる塵埃は、上記導入口の位置から離れた位置に案内されるので、上記導入口から上記分流部に侵入することを抑制できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態である流量測定装置を一部切り欠いて示す斜視図である。 上記流量測定装置の概要図である。 上記流量測定装置に利用される検出素子の検出原理を示す断面図である。 上記流量測定装置において、対象気体が流れる導管部における塵埃の流れを示す断面図である。 上記流量測定装置と比較例の流量測定装置とのシミュレーション結果を示すグラフである。 上記流量測定装置の一変形例を示す概要図である。 上記流量測定装置の別の変形例を示す概要図である。 上記流量測定装置の他の変形例を示す概要図である。 本発明の別の実施形態である流量測定装置の概略構成を示す断面図である。 上記流量測定装置の概要図である。 上記流量測定装置と比較例の流量測定装置とのシミュレーション結果を示すグラフである。 上記流量測定装置の一変形例を示す概要図である。 上記流量測定装置の別の変形例を示す概要図である。 上記流量測定装置のさらに別の変形例を示す概要図である。 上記流量測定装置のさらに別の変形例を示す概要図である。 上記流量測定装置の他の変形例を示す概要図である。 直管型および分流型の流量測定装置の基本構造を示す断面図である。 上記流量測定装置の検出素子および分流部に塵埃が付着した様子を示す断面図である。

〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図８を参照して説明する。図１および図２は、本実施形態の流量測定装置１の概要を示すものであり、図２の（ａ）は分解組立図であり、図２の（ｂ）は斜視図であり、図１は一部を切り欠いた斜視図である。

流量測定装置は、気体または液体である流体の流量を測定するものであり、本実施形態の流量測定装置１は、流体を分流し、分流された流体の流量を測定することにより、全体の流量を推定する分流型の流量測定装置である。なお、以下では、流量測定装置１の測定対象は気体として説明するが、これに限定するものではなく、測定対象は液体でもよい。

流量測定装置にて上記流量を測定する方式としては、差圧式、電磁式、面積式、超音波式、羽根車式、熱式、コリオリ式、容積式、渦式、タービン式、ピトー管式などが挙げられる。本実施形態の流量測定装置１は、熱式の質量流量測定装置であるが、これに限定するものではなく、分流型の流量測定装置に適用可能な任意の方式を利用することができる。

図１および図２に示すように、流量測定装置１は、流量測定用構造体１０、シール部材１１、検出素子１２、回路基板１３、およびカバー１４を備える構成である。なお、図１ではカバー１４を省略している。

流量測定用構造体１０は、測定対象の気体（以下、対象気体と称する。）の流量を測定するためのものであり、合成樹脂などによって形成される。具体的には、流量測定用構造体１０は、対象気体が流れる導管部２０と、対象気体を分流し、分流された気体（以下、分流気体と称する。）の流量を検出するための分流部２１と、分流部２１上に配置されるシール部材１１、検出素子１２、および回路基板１３を収容する収容部２２とを備える構成である。なお、流量測定用構造体１０の詳細については後述する。

検出素子１２は、分流部２１に配置され、分流気体の流量を検出するものである。なお、検出素子１２の詳細については後述する。回路基板１３は、検出素子１２が下面に実装されており、検出素子１２からの検出信号を用いて、対象気体の流量を測定するための各種回路が上面に実装されている。シール部材１１は、流量測定用構造体１０と回路基板１３との間から分流気体が漏洩することを防止するものであり、ゴムなどの絶縁体によって形成されている。カバー１４は、回路基板１３を保護するためのものであり、収容部２２の先端を覆うように、流量測定用構造体１０と同様の材料で形成されている。

次に、流量測定用構造体１０の詳細について説明する。図１に示すように、導管部２０には、流れる対象気体に適当な抵抗を与える抵抗体３０が設けられている。抵抗体３０の形状としては、図１に示すような対象気体の流れを中央に絞る形状、スポーク状、格子状などが挙げられる。また、導管部２０の内面において、抵抗体３０の上流側には、対象気体が分流されて分流部２１に流れるための導入口３１が形成される一方、抵抗体３０の下流側には、分流流体が分流部２１から流れて対象気体に合流するための排出口３２が形成されている。

分流部２１には、検出素子１２が配置される検出室３３と、検出室３３と導入口３１および排出口３２とをそれぞれ連通するための細管部３４・３５とが形成されている。なお、導入口３１および排出口３２は、複数個形成しても良い。この場合、細管部３４および細管部３５も、それぞれ複数個形成することになる。

上記構成の流量測定用構造体１０において、導管部２０を流れる対象気体に対し抵抗体３０が適当な抵抗を与える。これにより、対象気体の一部が導入口３１に流れ込み、上記分流気体として、細管部３４を介して検出室３３を通過し、細管部３５を介して排出口３２から排出され、対象気体に合流する。従って、抵抗体３０を通過する気体の流量ａと、分流部２１を通過する分流気体の流量ｂとの分流比ａ：ｂが、抵抗体３０の幾何形状によって決まることが理解できる。

ここで、分流部２１の検出室３３に配置される検出素子１２の詳細について説明する。図３は、本実施形態の熱式質量流量測定装置１に利用される検出素子１２の検出原理を示すものであり、同図の（ａ）は、分流気体が流れていない状態を示し、同図の（ｂ）は、分流気体が流れている状態を示している。

本実施形態の検出素子１２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いてシリコンウエハから形成された小型のフローセンサ（以下、ＭＥＭＳフローセンサと称する。）である。具体的には、図３の（ａ）に示すように、シリコン基板４０の上面には、キャビティ４１が形成され、このキャビティ４１を覆うように、絶縁膜４２が形成されている。

絶縁膜４２の中央部には、ポリシリコンによってヒータ４３が形成され、ヒータ４３の上流側と下流側とにそれぞれサーモパイル４４・４５が形成されている。サーモパイル４４・４５は、Ａｌの線素とポリシリコンの線素とを交互に接続してジグザグ状に配置したものである。サーモパイル４４・４５は、ヒータ４３に関して対称に配置してあり、ヒータ４３の両側の対称な位置の温度を計測する。

絶縁膜４２の周辺部には、複数の外部接続端子４６が形成されている。なお、図示していないが、複数の外部接続端子４６がヒータ４３およびサーモパイル４４・４５にそれぞれ電気的に接続するための配線が形成されている。そして、ヒータ４３、サーモパイル４４・４５、外部接続端子４６に絶縁膜４２がさらに形成され、エッチングにより、外部接続端子４６が一部露出するようになっている。

流量の測定時には、ヒータ４３は所定温度で発熱しており、ヒータ４３の周囲には所定の温度分布（温度勾配）αが生じている。サーモパイル４４・４５は対称な配置となっているから、図３の（ａ）に示すような、ヒータ４３上での分流気体の流れが無い場合、両サーモパイル４４・４５の検知温度は等しく、温度差はゼロになる。

これに対し、図３の（ｂ）に示すような、ヒータ４３上での分流気体の流れが生じると、ヒータ４３の熱が気体の流れβによって下流側へ輸送され温度分布αが下流側へシフトする。これにより、下流側のサーモパイル４５の検知温度が上昇する一方、上流側のサーモパイル４４の検知温度が下降するので、両サーモパイル４４・４５の検知温度の温度差が生じることになる。この温度差は分流気体の質量流量に比例しているので、検出素子１２が温度差を検出することにより、分流気体の質量流量を測定することができる。そして、測定された分流気体の質量流量と上述の分流比ａ：ｂとを用いて、対象気体の質量流量を推定することができる。

さらに、本実施形態の検出素子１２であるＭＥＭＳフローセンサは、微小構造ゆえに熱容量が小さく、このため、計測範囲が他の熱式の検出素子に比べて広く、従来不得意とされてきた極低流速のガスの計測が可能である。さらに、原理的に双方向の流量測定が可能であり、電池駆動も可能なほど消費電力が小さい。

図１に戻ると、本実施形態では、流量測定用構造体１０の導管部２０において、導入口３１の上流側に、対象気体を中央部に案内する傾斜部（案内部）５０が設けられている。図４は、流量測定装置において、対象気体が流れる導管部における塵埃Ｄの流れを示すものである。同図の（ａ）には本実施形態の流量測定装置１が示され、同図の（ｂ）には比較例である流量測定装置１００が示されている。比較例の流量測定装置１００は、本実施形態の流量測定装置１から傾斜部５０を省略したものである。

図４の（ｂ）を参照すると、傾斜部５０を省略した場合、抵抗体３０以外に流れの方向を変更する構造物がないため、塵埃Ｄの流れの方向は、図示の矢印のように、導管部２０の中心軸と同じ方向となることが理解できる。このため、導管部２０において、導入口３１から図示の矢印とは反対方向に存在する塵埃Ｄ1は、導入口３１に容易に侵入することになり、流量測定装置１００の測定精度が低下することになる。

一方、図４の（ａ）を参照すると、傾斜部５０を設けた場合、塵埃Ｄの流れの方向は、図示の矢印のように、傾斜部５０により導管部２０の中央へ向けられ、傾斜部５０を通過した後も、慣性力により当該方向にしばらく進み、抵抗体３０を通過すると、導管部２０の中心軸と同じ方向となることが理解できる。さらに、傾斜部５０では、導管部２０内の断面積が狭くなる分、気体および塵埃Ｄの流速が増加する。従って、傾斜部５０と抵抗体３０との間であって、導管部２０の内面に設けられている導入口３１に塵埃Ｄが侵入することを抑制できることが理解できる。

図５は、図４の（ａ）・（ｂ）に示す流量測定装置１・１００に対し、流体解析ソフトウェアを用いて、分流部２１に流入する塵埃Ｄの量をシミュレーションした結果を示している。このシミュレーションでは、対象気体が導管部２０に流入する流量は１００Ｌ（リットル）／ｍｉｎとした。また、塵埃Ｄは、径が０．１μｍ、比重が３０００ｋｇ／ｍ^３の粒子とし、１００００００個を導管部２０に流入させた。なお、本実施形態の流量測定装置１の分流比ａ：ｂと、比較例の流量測定装置１００の分流比ａ：ｂとが一致するように工夫した。

図５において、横軸は経過時間を示し、縦軸は、検出素子１２が配置される検出室３３を通過する上記粒子の数を示している。また、実線は、本実施形態の流量測定装置１のグラフであり、破線は、比較例の流量測定装置１００のグラフである。図５を参照すると、本実施形態の流量測定装置１は、比較例の流量測定装置１００に比べて、検出室３３を通過する上記粒子の数が１０分の１以下であり、塵埃Ｄの分流部２１への侵入が抑制されていることが理解できる。

ところで、実際の機器内の配管は、屈曲を繰り返している。このような配管を経て流量測定装置１の導管部２０に導入される対象気体は、導管部２０の断面における流速分布が不均一となる。上述の分流比ａ：ｂは、上記流速分布が均一であることを前提として決定されているため、導入口３１付近での流速が平均流速と異なる場合、分流比が異なることになり、対象気体の流量を正確に推定できなくなる。

これに対し、本実施形態では、傾斜部５０により、導管部２０における周辺部の気体が中央部の気体と混合されるので、上記流速分布を均一化することができる。従って、分流比は同じとなり、対象気体の流量を正確に推定することができる。

なお、本実施形態では、傾斜部５０の内径は、図１に示すように、上流から下流に向かうにつれて徐々に狭くなり、最も狭い部分から急激に導管部２０の内径に戻るように形成しているが、これを導管部２０の内径に徐々に戻るように形成してもよい。

図６は、図１に示す本実施形態の流量測定装置１の一変形例を示すものであり、同図の（ａ）は、一部を切り欠いた斜視図であり、同図の（ｂ）は、正面図、すなわち、対象気体の流れる方向から見た図である。図６に示す流量測定装置１は、図１に示す流量測定装置１に比べて、傾斜部の構造が異なり、その他の構成は同様である。

図６に示す傾斜部５１は、図１に示す傾斜部５０を、導入口３１に近い部分のみに形成した構造となっている。この場合でも、図４の（ｂ）に示すような、導入口３１に侵入しようとする塵埃Ｄ1を、導管部２０の中央部に移動できるので、導入口３１への塵埃Ｄの侵入を抑制することができる。

図７は、本実施形態の流量測定装置１の別の変形例を示すものであり、同図の（ａ）は、一部を切り欠いた斜視図であり、同図の（ｂ）は、正面図である。図７に示す流量測定装置１は、図１に示す流量測定装置１に比べて、抵抗体の構造が異なり、その他の構成は同様である。

図７に示す抵抗体５２は、中央部５３において開口しており、周辺部５４において導管部２０の軸を中心とする二重の円周に沿って、長孔が多数形成されている。このように、本実施形態に用いられる抵抗体３０・５２は、中央部が開口していることが望ましい。この場合、傾斜部５０・５１・５５により導管部２０の中央に移動した塵埃Ｄを下流側にスムーズに移動させることができ、その結果、導入口３１への塵埃Ｄの侵入を確実に抑制することができる。

図８は、本実施形態の流量測定装置１の他の変形例を示すものである。同図の（ａ）は、正面図であり、同図の（ｂ）は、図２の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って断面し、矢印方向に見た図である。図８に示す流量測定装置１は、図１に示す流量測定装置１に比べて、傾斜部の構造が異なり、その他の構成は同様である。

図８に示す傾斜部５５は、図１に示す傾斜部５０に、螺旋状のガイド部５６を複数形成したものである。この場合、傾斜部５５により、導管部２０における周辺部の気体が旋回しながら中央部の気体と混合されるので、上記流速分布をさらに均一化することができ、さらに塵埃Ｄが導管部２０の周辺部へ拡散することを防止することができる。なお、ガイド部５６は、図示の例では凸部として形成されているが、凹部として形成してもよい。

なお、本実施形態の導管部２０、分流部２１、および検出素子１２は、対象気体を反対方向に流す、すなわち逆流してもよい。そこで、本実施形態の傾斜部５０・５１・５５を、抵抗体３０・５２に関して対称な位置に追加することにより、対象気体を逆流しても上述の効果を奏することができる。すなわち、本発明は、双方向の流体の流量を測定可能な流量測定装置に適用可能である。

〔実施の形態２〕
次に、本発明の他の実施形態について、図９〜図１６を参照して説明する。図９および図１０は、本実施形態の流量測定装置６０の概略構成を示すものである。図９は、図２の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って断面し、矢印方向に見た図であり、図１０の（ａ）は、一部を切り欠いた正面図であり、図１０の（ｂ）は、図９のＢ−Ｂ線に沿って断面し、矢印方向に見た図である。

本実施形態の流量測定装置６０は、図１および図２に示す流量測定装置１に比べて、流量測定用構造体における導管部および分流部の構造が異なり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図９および図１０に示すように、本実施形態の流量測定用構造体６１は、導管部６２の中央部にて対象気体を分流する分流型の流量測定装置である。本実施形態の分流部６３は、導管部６２において検出素子１２が設けられる部分から、導管部６２の中央部まで突出している。

分流部６３の基端部には、検出素子１２が配置される検出室７１が形成される一方、分流部６３の先端部には、上流側に導入口７２が形成され、下流側に排出口７３が形成されている。また、分流部６３には、検出室７１と導入口７２および排出口７３とをそれぞれ連通するための細管部７４・７５とが形成されている。また、分流部６３の先端部を支持する３本の支持部材７６が、それぞれ、分流部６３の先端部から導管部６２の内面まで形成されている。

上記構成の流量測定用構造体６１において、導管部６２を流れる対象気体に対し、分流部６３および支持部材７６が抵抗体として適当な抵抗を与える。これにより、対象気体の一部が導入口７２に流れ込み、上記分流気体として、細管部７４を介して検出室７１を通過し、細管部７５を介して排出口７３から排出され、対象気体に合流する。従って、分流部６３以外を通過する気体の流量ａと、分流部６３を通過する分流気体の流量ｂとの分流比ａ：ｂが、分流部６３の幾何形状によって決まることが理解できる。

本実施形態では、図９および図１０（ａ）に示すように、流量測定用構造体６１の導管部６２において、導入口７２の上流側に渦発生部（案内部）８０が設けられている。渦発生部８０は、対象気体に対し、導管部６２内の軸を中心として旋回する流れを発生させるものである。

図９および図１０（ａ）に示す渦発生部８０の例では、対象気体を導管部６２の周辺部から導入するための円板部８１が上流側に設けられ、対象気体を導管部６２の中央部から排出するための開口部８２が下流側に設けられている。円板部８１と開口部８２との間には、導管部６２の軸を中心とする円周上に多数（図示の例では８枚）の湾曲板８３が配置されている。湾曲板８３は、上流側から見て左回りに進むにつれて、導管部６２の軸の側へ傾いている。

上記構成によると、渦発生部８０では、円板部８１および開口部８２により、対象気体が導管部６２の周辺部から中央部に向かって流れる。このとき、湾曲板８３により、対象気体は、図１０の（ａ）に示すように、上流側から見て左回りに旋回する流れとなる。

従って、渦発生部８０を通過した対象気体は、図１０（ｂ）に示すように、上流側から見て左回りに回転しながら、導管部６２を下流側に流れることになる。これにより、導管部６２を流れる対象気体および塵埃Ｄには遠心力が働く。遠心力は質量に比例するので、対象気体よりも質量の大きい塵埃Ｄには、対象気体よりも大きな遠心力が働くことになる。従って、塵埃Ｄは導管部６２の周辺部を流れることになる。その結果、導管部６２の中央部に設けられている、分流部６３の導入口７２に塵埃Ｄが侵入することを抑制できる。

また、遠心力を利用しているので、流量測定装置６０の取付け方向により、導入口７２に塵埃Ｄが侵入する割合が変化することを抑制することができる。従って、流量測定装置６０の取付け方向の制限が無い。

図１１は、図５のグラフと同様に、流体解析を用いて、分流部６３に流入する塵埃Ｄの量をシミュレーションした結果を示している。図１１において、実線は、本実施形態の流量測定装置６０のグラフであり、破線は、比較例の流量測定装置のグラフである。この比較例の流量測定装置は、本実施形態の流量測定装置６０から渦発生部８０を省略したものである。

このシミュレーションでは、対象気体が導管部６２に流入する流量は１００Ｌ（リットル）／ｍｉｎとした。また、塵埃Ｄは、径が０．１μｍ、比重が３０００ｋｇ／ｍ^３の粒子とし、１００００００個を導管部６２に流入させた。なお、本実施形態の流量測定装置６０の分流比ａ：ｂと、上記比較例の流量測定装置の分流比ａ：ｂとが一致するように工夫した。

図１１において、横軸は経過時間を示し、縦軸は、検出素子１２が配置される検出室７１を通過する上記粒子の数を示している。図１１を参照すると、本実施形態の流量測定装置６０は、検出室３３を通過する上記粒子の数がほぼゼロのままであり、塵埃Ｄの分流部２１への侵入が良好に抑制されていることが理解できる。

また、本実施形態では、渦発生部８０により、導管部６２における中央部の対象気体が周辺部の対象気体に混合され、さらに撹拌されるので、渦発生部８０を通過した対象気体は、導管部２０の断面における流速分布を均一化することができる。従って、上記分流比は一定となり、対象気体の流量を正確に推定することができる。

図１２は、本実施形態の流量測定装置６０の一変形例を示すものである。図１２の（ａ）は、正面図であり、同図の（ｂ）は、図２の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って断面し、矢印方向に見た図である。図１２に示す流量測定装置６０は、図９に示す流量測定装置６０に比べて、渦発生部８０と、その配置領域における導管部６２との構造が異なり、その他の構成は同様である。

図１２に示す導管部６２ａは、渦発生部８０ａが対象気体を排出する排出面の上流側が、内径の大きい大径部６４となっており、上記排出面の下流側が、内径の小さい小径部６５となっている。すなわち、大径部６４は小径部６５よりも広くなっている。また、図１２に示す渦発生部８０ａは、図９に示す渦発生部８０に比べて、複数の湾曲板８３の先端部を通る円周が、下流側の小径部６５の内周と一致するように形成されると共に、開口部８２が省略されている。なお、小径部６５の内径は、図９および図１０（ａ）に示す導管部６２の内径と同じである。

ところで、渦発生部８０・８０ａは対象気体に旋回する流れを与えるので、渦発生部８０・８０ａを通過した対象気体には圧力損失が発生することになる。これに対し、図１２に示す導管部６２ａでは、大径部６４よりも小径部６５の方が狭いので、大径部６４から導入された流体は、小径部６５にて圧力が上昇することになる。従って、上記圧力損失を低減させることができる。

なお、図１２に示す渦発生部８０ａに代えて、図９に示す渦発生部８０を、導入口７２の上流の任意の位置に設けてもよい。しかしながら、図１２に示す渦発生部８０ａを、大径部６４において小径部６５に隣接して設けることにより、開口部８２を省略することができる。

図１３は、本実施形態の流量測定装置６０の別の変形例を示すものである。図１３の（ａ）は、正面図であり、同図の（ｂ）は、図２の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って断面し、矢印方向に見た図である。図１３に示す流量測定装置６０は、図９に示す流量測定装置６０に比べて、渦発生部の構造が異なり、その他の構成は同様である。

図１３に示す渦発生部８０ｂでは、導管部６２の中央部に軸部８４が設けられ、軸部８４を支持する棒状の支持部材８５が複数個設けられており、支持部材８５のそれぞれからは、湾曲板８６が下流に延在している。湾曲板８６は、下流に進むにつれて、上流側から見て右回りに回転するような形状となっている。

図１３に示す渦発生部８０ｂでは、軸部８４により、対象気体が導管部６２の中央部から周辺部に流れる。そして、湾曲板８６により、上流側から見て右回りに旋回する流れとなる。

従って、渦発生部８０ｂを通過した対象気体は、上流側から見て右回りに回転しながら、導管部６２を下流側に流れることになる。これにより、導管部６２を流れる対象気体および塵埃Ｄには遠心力が働く。従って、塵埃Ｄは導管部６２の周辺部を流れることになる。その結果、導管部６２の中央部に設けられている、分流部６３の導入口７２に塵埃Ｄが侵入することを確実に抑制できる。

以上のように、渦発生部８０・８０ａ・８０ｂとしては、種々の構造が考えられる。また、渦発生部８０・８０ａ・８０ｂによって対象気体を旋回させる向きは、上流側から見て左回りでもよいし、右回りでもよい。また、渦発生部８０・８０ａ・８０ｂにおける湾曲板８３・８６の枚数は、１枚以上であればよく、複数枚が軸対象な位置に配置されることが望ましい。

図１４は、本実施形態の流量測定装置６０のさらに別の変形例を示すものである。図１４の（ａ）は、上流側を切り欠いた斜視図であり、同図の（ｂ）は、図２の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って断面し、矢印方向に見た図であり、分流部とその周辺を示している。図１４に示す流量測定装置６０は、図９に示す流量測定装置６０に比べて、分流部の構造が異なり、その他の構成は同様である。

図１４に示す分流部６３ａでは、導管部６２において、検出素子１２が設けられる部分から、中央部を越えて、反対側の内面にまで延在している。さらに、図９に示す分流部６３に比べて、支持部材７６が省略されており、延在方向の垂直面に沿って断面した形状が広くなっており、かつ、導入口７２および排出口７３の間隔と、細管部７４および細管部７５の間隔とが広くなっている。また、上流側および下流側に進むにつれて細くなるような形状となっている。

従って、図１４に示す分流部６３ａのみで、抵抗体として適当な抵抗を対象気体に与えることができる。すなわち、図１４に示す分流部６３ａは、図９に示す分流部６３と抵抗体とが一体に形成されたものであると言える。

図１５は、本実施形態の流量測定装置６０のさらに別の変形例を示すものである。図１５の（ａ）は、一部を切り欠いた斜視図であり、同図の（ｂ）は、図２の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って断面し、矢印方向に見た図であり、分流部６３とその周辺を示している。図１５に示す流量測定装置６０は、図９に示す流量測定装置６０に比べて、分流部および収容部の構造が異なり、その他の構成は同様である。

図１５に示す分流部６３ｂは、導管部６２の中央部に設けられ、上流側および下流側に開口した円筒部材である。また、図１５に示す収容部２２ｂには、図９に示す収容部２２の底面中央部から分流部６３ｂの検出室７１ｂまで連通する連通部９０が形成されている。連通部９０の底面には、検出素子１２が下面に実装された回路基板１３ｂが配置される。このように、導管部６２の中央部に検出素子１２を設ける分流型の流量測定装置６０にも本発明を適用することができる。

図１６は、本実施形態の流量測定装置６０の他の変形例を示すものである。図１６の（ａ）は、正面図であり、同図の（ｂ）は、図２の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って断面し、矢印方向に見た図である。図１６に示す流量測定装置６０は、図９に示す流量測定装置６０に比べて、渦発生部の構造が異なり、その他の構成は同様である。

図１６に示す渦発生部８０ｃは、図９に示す渦発生部８０を、開口部８２に関して対称な位置に配置したものである。このように、渦発生部８０ｃは、対象気体を導管部６２の中央部から導入し、導管部６２の周辺部から排出する構成であっても良い。

なお、上記実施形態では、導管部６２、分流部６３、および検出素子１２は、対象気体を逆流してもよい。そこで、本実施形態の渦発生部８０・８０ａ〜ｃを、分流部６３に関して対称な位置に追加することにより、対象気体を逆流しても上述の効果を奏することができる。すなわち、本発明は、双方向の流体の流量を測定可能な流量測定装置に適用可能である。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、導管部２０・６２内において上流から下流に向かう方向の垂直断面の形状は、上記実施形態のように円周状であることが望ましいが、方形状など、任意の形状であってもよい。

以上のように、本発明は、分流部の導入口の上流に設けられた導管部の案内部により、上記導管部を流れる塵埃は、上記導入口の位置から離れた位置に案内されるので、上記導入口から上記分流部に侵入することを抑制できるので、分流型である任意の流量測定装置に適用することができる。

１ 流量測定装置
１０ 流量測定用構造体
１１ シール部材
１２ 検出素子
１３・１３ｂ 回路基板
１４ カバー
２０ 導管部
２１ 分流部
２２・２２ｂ 収容部
３０・５２ 抵抗体
３１ 導入口
３２ 排出口
３３ 検出室
３４・３５ 細管部
５０・５１・５５ 傾斜部（案内部）
５３ 中央部
５４ 周辺部
５６ ガイド部
６０ 流量測定装置
６１ 流量測定用構造体
６２・６２ａ 導管部
６３・６３ａ・ｂ 分流部
６４ 大径部
６５ 小径部
７２ 導入口
７３ 排出口
７６ 支持部材
７１・７１ｂ 検出室
７４・７５ 細管部
８０・８０ａ〜ｃ 渦発生部（案内部）
８１ 円板部
８２ 開口部
８３・８６ 湾曲板
８４ 軸部
８５ 支持部材
９０ 連通部
Ｄ 塵埃

Claims (4)

1. 測定対象の流体が流れる導管部と、該導管部を流れる流体を分流し、分流された流体を、該流体の流量を測定するための検出素子へ導く分流部とを備える流量測定用構造体であって、
   上記分流部の導入口は、上記導管部内の周辺部に設けられており、
   上記導管部は、上記導入口の上流に設けられ、上記流体を上記導管部の中央部へ案内する案内部を備え、
   上記案内部は、上記導管部内の径が上流から下流に向かうにつれて狭くなる傾斜部が、上記導管部内の全周に亘って形成されたものであり、
   上記導入口と上記導管部の中心軸との間の距離は、上記傾斜部の下流側の末端部と上記中心軸との間の距離よりも長いことを特徴とする流量測定用構造体。
2. 上記導管部において、上記導入口の下流側に、上記流体に適当な抵抗を与える抵抗体をさらに備えており、
   該抵抗体は、上記導管部内の中央部にて開口していることを特徴とする請求項１に記載の流量測定用構造体。
3. 上記導管部および上記分流部は上記流体が逆流することが可能であり、
   上記導管部は、上記流体が逆流する場合の案内部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の流量測定用構造体。
4. 測定対象の流体の流量を測定する流量測定装置であって、
   請求項１から３までの何れか１項に記載の流量測定用構造体と、
   該流量測定用構造体の分流部に配置される、上記流量を測定するための検出素子とを備えることを特徴とする流量測定装置。

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