(57)【要約】【課題】通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測し、流量計測誤差の発生を軽減する。【解決手段】層流板１Ａの底面３Ａの層流板１Ｂの溝（流路）２Ｂに重なる位置に薄膜温度センサ５を設ける。薄膜温度センサ５は絶縁保護膜６で覆う。絶縁保護膜６の層流板１Ｂの溝２Ｂに対面する部分の厚みは均一とし、平らな表面とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層されて、通過する流体の流れを層流とする流路を形成する複数の層流板と、前記流路を通過する流体の温度を計測する温度センサとを備え、
前記複数の層流板は、
第１の面に溝が形成された第１の層流板と、
前記第１の層流板の前記第１の面とは反対側の第２の面に重ねられ、前記第１の層流板の前記第２の面と対向する第１の面に溝が形成された第２の層流板とを含み、
前記温度センサは、
前記第１の層流板の前記第２の面の、前記第２の層流板の前記第１の面に形成されている前記溝に重なる位置に設けられた薄膜の温度センサである
ことを特徴とする層流素子。
【請求項２】
請求項１に記載された層流素子において、
前記温度センサは、
前記第１の層流板の前記第２の面において絶縁性の保護膜で覆われている
ことを特徴とする層流素子。
【請求項３】
請求項２に記載された層流素子において、
前記保護膜は、
前記第２の層流板の前記第１の面に形成されている前記溝に対面する部分の厚みが均一とされている
ことを特徴とする層流素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載された層流素子において、
前記第１の層流板は、
前記第１の層流板の前記第１の面に形成されている前記溝から離れた位置に貫通孔を備え、
前記温度センサからの信号が前記貫通孔を通して取り出されるように構成されている
ことを特徴とする層流素子。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載された層流素子において、
前記温度センサは、
検出した温度を無線によって送信するように構成された無線通信回路部を備える
ことを特徴とする層流素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載された層流素子において、
前記温度センサは、
前記第２の層流板の前記第１の面に形成されている前記溝の長手方向の中間に配置されている
ことを特徴とする層流素子。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載された層流素子において、
前記温度センサは、
前記第２の層流板の前記第１の面に形成されている前記溝に沿って複数設けられている
ことを特徴とする層流素子。
【請求項８】
通過する流体の流れを層流とする請求項１から７のいずれか１項に記載された層流素子と、
前記層流素子の上流側と下流側の圧力の差を差圧として取得するように構成された差圧取得部と、
前記差圧取得部によって取得された差圧と前記層流素子に設けられている前記温度センサによって検出された温度とに基づいて前記層流素子を流れる流体の流量を求めるように構成された流量算出部と
を備えることを特徴とする層流型流量計。
【請求項９】
請求項８に記載された層流型流量計において、
前記層流素子に設けられている前記温度センサによって検出された温度に基づいて前記流体の密度を補正するように構成された密度補正部と、
前記層流素子に設けられている前記温度センサによって検出された温度に基づいて前記流体の粘度を補正するように構成された粘度補正部とをさらに備え、
前記流量算出部は、
前記差圧取得部によって取得された差圧と前記密度補正部によって補正された密度と前記粘度補正部によって補正された粘度とから前記層流素子を流れる流体の質量流量を求めるように構成されている
ことを特徴とする層流型流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、層流素子およびこの層流素子を用いた層流型流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、流路を流れる流体の流量を計測する流量計の１つとして、層流型流量計が用いられている。この層流型流量計は、通過する流体の流れを層流、すなわちその流体の流線が常に管軸と平行な流れとする層流素子を備えており、この層流素子の上流側と下流側の流体の圧力の差から流路を流れる流体の流量を計測する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
層流型流量計は、流路内を流体が層流状態で流れた場合、ハーゲンポアズイユの法則により、流体の移動に伴う圧力降下が体積流量に比例する現象を利用した流量計である。この層流型流量計において、質量流量と差圧との関係は次式で表される。
Ｑｍ＝ΔＰ・Ｋ・（ρ／（μ・Ｌ））  ・・・・（１）
但し、Ｑｍ：質量流量、ΔＰ：層流素子の上流側と下流側の流体の圧力の差（差圧）、Ｋ：比例定数、ρ：流体の密度、μ：流体の粘性係数（流体の粘度）、Ｌ：流路長。
【０００４】
この（１）式において、流体の密度ρや流体の粘度μは温度に依存する。このため、層流素子の温度を計測し、流体の密度ρや流体の粘度μの補正を行う必要がある。このような補正を精度よく行うには、層流素子を通過する流体の温度をできるだけ正確に計測する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１９１０９０号公報
【特許文献２】特開２００４−７７３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の層流型流量計では、層流素子に流入する流体の温度を検出するようにしたり、層流素子のボディの温度を検出するようにしたりしており（例えば、特許文献２参照。）、層流素子を通過する流体の温度を正しく計測しているとは言い難い。
【０００７】
特に、層流素子のボディの温度では、層流素子のボディの熱容量による熱的応答性の遅れや、層流素子のボディに取り付けられた他の部品からの伝熱影響などを受けて、層流素子を通過する流体の計測温度に誤差が生じ、発生する流量計測誤差が大きくなる。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測し、流量計測誤差の発生を軽減することができる層流素子および層流型流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明に係る層流素子は、積層されて、通過する流体の流れを層流とする流路を形成する複数の層流板と、前記流路を通過する流体の温度を計測する温度センサとを備え、前記複数の層流板（１）は、第１の面（４Ａ）に溝（２Ａ）が形成された第１の層流板（１Ａ）と、前記第１の層流板の前記第１の面とは反対側の第２の面（３Ａ）に重ねられ、前記第１の層流板の前記第２の面と対向する第１の面（４Ｂ）に溝（２Ｂ）が形成された第２の層流板（１Ｂ）とを含み、前記温度センサは、前記第１の層流板の前記第２の面（３Ａ）の、前記第２の層流板の前記第１の面（４Ｂ）に形成されている前記溝（２Ｂ）に重なる位置に設けられた薄膜の温度センサ（５）であることを特徴とする。
【００１０】
この発明において、第１の層流板の溝が形成されている面とは反対側の面には、第２の層流板の溝に重なる位置に、薄膜の温度センサが設けられている。これにより、本発明では、通過する流体の流れに影響を与えることなく、通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測することが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る層流型流量計（２００）は、本発明に係る層流素子（１００）と、前記層流素子の上流側と下流側の圧力の差を差圧として取得するように構成された差圧取得部（１５）と、前記差圧取得部によって取得された差圧と前記層流素子に設けられている前記温度センサ（５）によって検出された温度とに基づいて前記層流素子を流れる流体の流量を求めるように構成された流量算出部（１８）とを備えることを特徴とする。
【００１２】
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、第１の層流板の溝が形成されている面とは反対側の面の第２の層流板の溝に重なる位置に薄膜の温度センサを設けるようにしたので、通過する流体の流れに影響を与えることなく、通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測することが可能となり、流量計測誤差の発生を軽減することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る層流素子の要部を示す図である。
【図２】図２は、層流素子の中央部に位置する層流板の積層状態を示す断面図である。
【図３】図３は、層流板の底面への薄膜温度センサおよびリード部の設置状態を示す平面図である。
【図４】図４は、薄膜温度センサおよびリード部の上に絶縁保護膜を塗布した状態を示す平面図である。
【図５】図５は、流体の流れ方向に沿って薄膜温度センサを３つ設けた例を示す図である。
【図６】図６は、無線温度センサの要部を示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明に係る層流素子を用いた層流型流量計の要部の構成を示す図である。
【図８】図８は、上流側の圧力センサおよび下流側の圧力センサに代えて差圧センサを設けるようにした例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係る層流素子１００の要部を示す図である。この図では、説明上、層流素子１００のみを流体の流れ方向に沿った断面図として示している。
【００１７】
この層流素子１００は、通過する流体の流れを層流とする流路として溝２が形成された複数の金属製の層流板１を備え、これら層流板１は溝２を挟むようにして積層されている。なお、図１において、１０は主流路であり、主流路１０の途中に層流素子１００が設けられている。
【００１８】
図２に、層流素子１００の中央部に位置する層流板１Ａと層流板１Ｂとの積層状態を示す。図２は、層流素子１００を通過する流体の流れ方向から見た断面図である。層流板１Ａには、通過する流体の流れを層流とする流路として溝２Ａが形成されており、層流板１Ｂには、通過する流体の流れを層流とする流路として溝２Ｂが形成されている。この層流板１Ａが本発明でいう第１の層流板に相当し、層流板１Ｂが第２の層流板に相当する。
【００１９】
層流板１Ａは、溝２Ａが形成されている面４（４Ａ）とは反対側の面を底面３（３Ａ）として、層流板１Ｂの溝２Ｂが形成されている面４（４Ｂ）に重ね合わせられている。以下、溝２が形成されている面４を層流板１の「上面」と呼ぶ。層流板１Ａの上面４Ａが本発明でいう第１の層流板の第１の面に相当し、層流板１Ａの底面３Ａが第１の層流板の第２の面に相当し、層流板１Ｂの上面４Ｂが第２の層流板の第１の面に相当する。
【００２０】
層流板１Ａの底面３Ａには、層流板１Ｂに形成されている溝２Ｂに重なる位置に、白金などの薄膜抵抗よりなる温度センサ（以下、「薄膜温度センサ」と呼ぶ。）５が設けられている。本実施の形態では、溝２Ｂの真ん中の位置に対向するように、すなわち溝２Ｂの長手方向および幅方向の中央に位置するように、薄膜温度センサ５が設けられている。この薄膜温度センサ５は、ポリイミドなどからなる絶縁性の保護膜（以下、「絶縁保護膜」と呼ぶ。）６で覆われている。絶縁保護膜６は層流板１Ａの底面３Ａの全面に形成されている。
【００２１】
層流板１Ａの底面３Ａへの薄膜温度センサ５の設置手順について説明する。先ず、図３に示すように、層流板１Ａの底面３Ａに薄膜温度センサ５と、この薄膜温度センサ５につながるリード部７を設置する。この後、図４に示すように、層流板１Ａの底面３Ａの全面に、絶縁保護膜６を厚めに塗布する。この時、薄膜温度センサ５およびリード部７の上の絶縁保護膜６は他の部分よりも厚くなるが、この厚くなった部分を切削により取り除き、絶縁保護膜６の厚みを均一とする。また、層流板１Ａの溝２Ａから離れた位置に形成されている貫通孔８に、層流板１Ａとの絶縁を確保したうえ、ワイヤボンディングあるいは金属材料の充填により、リード部７につながる信号取り出し用配線９を作る。
【００２２】
この層流素子１００において、各層流板１の底面３は薄肉とされており、熱容量が小さく熱交換が行われやすい。また、絶縁保護膜６の層流板１Ｂの溝２Ｂに対面する部分の厚みは均一とされ、平らな表面とされている。これにより、溝２Ｂを通過する流体の流れに影響を与えることなく、溝２Ｂを通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測することができるようになる。
【００２３】
なお、図１に示した層流素子１００では、層流板１Ｂの溝２Ｂの真ん中の位置に対向するように薄膜温度センサ５を設けたが、溝２Ｂに沿って薄膜温度センサ５を複数設けるようにしてもよい。
【００２４】
溝２Ｂを流体が通過すると、圧力降下が発生し、この圧力降下に伴って温度変化が生じる。このため、流体の流れ方向に温度分布ができる。この温度分布が問題となるような場合、溝２Ｂに沿って薄膜温度センサ５を複数設け、複数の薄膜温度センサ５によって検出される温度の例えば平均値を温度計測値とする。
【００２５】
図５に、溝２Ｂに沿って薄膜温度センサ５を３つ設けた例を示す。この層流素子１００’では、上流側に薄膜温度センサ５−１を設け、下流側に薄膜温度センサ５−３を設け、薄膜温度センサ５−１と５−３との中間に薄膜温度センサ５−２を設けている。
【００２６】
また、図１に示した層流素子１００では、層流素子１００の中央部に位置する層流板１Ａの底面３Ａに薄膜温度センサ５を設けるようにしたが、溝２を流れる流体の温度を検出することができればよく、他の層流板１の底面３に薄膜温度センサ５を設けるようにしてもよい。
【００２７】
また、薄膜温度センサ５を薄膜ＩＣとし、この薄膜ＩＣに無線による給電および送受信機能を持たせるようにしてもよい。すなわち、層流板１Ａの底面３Ａに設ける薄膜の温度センサを外部からの電力の供給を無線で受けて動作する無線温度センサ５’（図６参照）とし、温度検出部５１で検出した温度を無線通信回路部５２によってアンテナ５３を通して外部へ送信したり、外部からの指令などをアンテナ５３を通して無線通信回路部５２で受けるようにしたりしてもよい。この無線温度センサ５’では、アンテナ５３を通して供給される外部からの電力を受電部５４で受電し、無線通信回路部５２や温度検出部５１へ供給するようにしている。
【００２８】
〔層流型流量計〕
図７に、本発明に係る層流素子を用いた層流型流量計２００の要部の構成を示す。この層流型流量計２００において、層流素子１００の上流側には、この層流素子１００の上流側の流体の圧力を上流側圧力Ｐ１として検出する圧力センサ１１が設けられ、層流素子１００の下流側には、この層流素子１００の下流側の流体の圧力を下流側圧力Ｐ２として検出する圧力センサ１２が設けられている。
【００２９】
また、この層流型流量計２００には、圧力センサ１１が検出する層流素子１００の上流側圧力Ｐ１と、圧力センサ１２が検出する層流素子１００の下流側圧力Ｐ２とから、層流素子１００を流れる流体の質量流量Ｑｍを演算する流量演算部１４が設けられている。
【００３０】
流量演算部１４は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、差圧測定部１５と密度補正部１６と粘度補正部１７と質量流量算出部１８とを備えている。
【００３１】
流量演算部１４において、差圧測定部１５は、圧力センサ１１からの層流素子１００の上流側圧力Ｐ１と圧力センサ１２からの層流素子１００の下流側圧力Ｐ２とを入力とし、この上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２との差を差圧ΔＰとして求める。
【００３２】
密度補正部１６は、薄膜温度センサ５が検出する層流素子１００を通過する流体の温度Ｔを入力とし、この層流素子１００を通過する流体の温度Ｔに基づいて層流素子１００を流れる流体の密度ρを補正する。粘度補正部１７は、薄膜温度センサ５が検出する層流素子１００を通過する流体の温度Ｔを入力とし、この層流素子１００を通過する流体の温度Ｔに基づいて層流素子１００を流れる流体の粘度μを補正する。
【００３３】
質量流量算出部１８は、差圧測定部１５からの差圧ΔＰと密度補正部１６からの補正された密度ρと粘度補正部１７からの補正された粘度μとを入力とし、前記の（１）式より、層流素子１００を流れる流体の質量流量Ｑｍを算出する。
【００３４】
これにより、層流素子１００を通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測し、流体の密度や流体の粘度の補正を精度よく行って、流量計測誤差の発生を軽減することができるようになる。
【００３５】
なお、この層流型流量計２００では、圧力センサ１１が検出する上流側圧力Ｐ１と圧力センサ１２が検出する下流側圧力Ｐ２との差を差圧測定部１５において差圧ΔＰとして求めるようにしたが、図８に示すように、層流素子１００の上流側と下流側の流体の圧力の差を差圧ΔＰとして検出する差圧センサ１９を設け、この差圧センサ１９が検出する差圧ΔＰを質量流量算出部１８に送るようにしてもよい。図８では、図７に示した層流型流量計２００と区別するために、層流型流量計を２００’として示し、流量演算部を１４’として示している。
【００３６】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…層流板、２…溝、３…底面、４…上面、５…薄膜温度センサ、６…絶縁保護膜、７…リード部、８…貫通孔、９…信号取り出し用配線、１１，１２…圧力センサ、１４，１４’…流量演算部、１５…差圧測定部、１６…密度補正部、１７…粘度補正部、１８…質量流量算出部、１９…差圧センサ、５’…無線温度センサ、５１…温度検出部、５２…無線通信回路部、５３…アンテナ、５４…受電部、１００，１００’…層流素子、２００，２００’…層流型流量計。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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