(57)【要約】【課題】配管の肉薄部における気体の透過が防止できる状態で、熱式流量計を用いた正確な流量測定を行う。【解決手段】配管１０１、ガスバリア膜１２１、センサ部１０２、流量算出部１０３を備える。配管１０１の一部には、その一部の管壁の厚さが他の部分より薄い肉薄部１０１ａが形成され、ガスバリア性を備える無機材料から構成されたガスバリア膜１２１は、肉薄部１０１ａを覆って形成されている。センサ部１０２は、肉薄部１０１ａにガスバリア膜１２１を介して設けられている。【選択図】  図１
2020106473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の流体を輸送する、フッ素樹脂製の配管と、
前記配管の一部に形成されて、その一部の管壁の厚さが他の部分より薄い肉薄部と、
前記肉薄部を覆う無機材料からなるガスバリア膜と、
前記肉薄部に前記ガスバリア膜を介して設けられ、前記流体を加熱するように構成されたヒータ、および前記肉薄部において前記流体の温度を測定するように構成された温度測定部を備え、前記ヒータの温度と前記ヒータの熱影響を受けない位置における前記流体の温度との差が設定されている設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータに加熱された前記流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成されたセンサ部と、
前記センサ値を元に前記流体の流量値を求める流量算出部と
を備える熱式流量計。
【請求項２】
請求項１記載の熱式流量計において、
前記肉薄部は、前記配管の周方向の一部に形成されていることを特徴とする熱式流量計。
【請求項３】
請求項１記載の熱式流量計において、
前記肉薄部は、前記配管の周方向の全域に形成されていることを特徴とする熱式流量計。
【請求項４】
請求項３記載の熱式流量計において、
前記肉薄部における前記配管の管壁の厚さは、周方向に沿って一定とされていることを特徴とする熱式流量計。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記ガスバリア膜は、シリコン、炭化シリコン、および酸化アルミニウムのいずれかから構成されていることを特徴とする熱式流量計。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記温度測定部は、前記配管に沿って前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置で前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と前記温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータの電力を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記温度測定部は、
前記配管に沿って、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定する第１温度測定部と、
前記配管に沿って、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定する第２温度測定部と、
前記配管に沿って、前記ヒータより下流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定する第３温度測定部と
を備え、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と、前記第１温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記第２温度測定部が測定した前記流体の温度と前記第３温度測定部が測定した前記流体の温度との温度差を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体における熱拡散の作用を利用して流量を測定する熱式流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が、工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する装置としては、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、熱式流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。熱式流量計は、圧力損失が基本的にはなく、質量流量が測定できるなどの利点がある。また、流路をフッ素樹脂から構成することで、腐食性の液体の流量を測定可能とした熱式流量計も用いられている（特許文献１参照）。このような液体の流量を測定する熱式流量計は、微量な流量の測定に適している。
【０００３】
熱式流量計には、ヒータの上下流の温度差により流量を測定する方法と、ヒータの消費電力による流量を測定する方法とがある。例えば、液体の流量を測定する場合、ヒータ温度を液温に対し、一定温度に加温駆動で動作させ、上流と下流との温度差またはヒータの電力から、流量を算出する（特許文献２参照）。
【０００４】
このような熱式流量計では、配管を流れる測定対象の流体を効率良く短時間で加熱するために、配管の一部の管壁の厚さを他の部位より薄く形成した肉薄部にセンサ部を設けるようにしている（特許文献１参照）。特に、フッ酸などの腐食性ガスが測定対象の場合、配管材料として金属やガラスなどを用いることができず、フッ素樹脂を用いているが、フッ素樹脂は熱伝導率が低いため、配管の一部に肉薄部を設けてここにセンサ部を設けるようにしている。このように構成することで、フッ素樹脂から配管を構成しても、感度を低下させること無く流体の流れによる温度変化を検出することができ、高精度で被測定流体の流量を測定することができるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２０２９７１号公報
【特許文献２】特開２００８−２９２２８６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、配管の一部の管壁を薄くした肉薄部は、配管内を流れる気体が透過しやすい状態となる。このため、この箇所より気体が透過して配管の外に漏洩する場合がある。このような状態では、透過して漏洩した気体がセンサ部に影響を及ぼす場合が発生し、高い精度で正確な流量測定ができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、配管の肉薄部における気体の透過が防止できる状態で、熱式流量計を用いた正確な流量測定ができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る熱式流量計は、測定対象の流体を輸送する、フッ素樹脂製の配管と、配管の一部に形成されて、その一部の管壁の厚さが他の部分より薄い肉薄部と、肉薄部を覆う無機材料からなるガスバリア膜と、肉薄部にガスバリア膜を介して設けられ、流体を加熱するように構成されたヒータ、および肉薄部において流体の温度を測定するように構成された温度測定部を備え、ヒータの温度とヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定されている設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータに加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成されたセンサ部と、センサ値を元に流体の流量値を求める流量算出部とを備える。
【０００９】
上記熱式流量計の一構成例において、肉薄部は、配管の周方向の一部に形成されている。
【００１０】
上記熱式流量計の一構成例において、肉薄部は、配管の周方向の全域に形成されている。
【００１１】
上記熱式流量計の一構成例において、肉薄部における配管の管壁の厚さは、周方向に沿って一定とされている。
【００１２】
上記熱式流量計の一構成例において、ガスバリア膜は、シリコン、炭化シリコン、および酸化アルミニウムのいずれかから構成されている。
【００１３】
上記熱式流量計の一構成例において、温度測定部は、配管に沿ってヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置で流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータの電力をセンサ値として出力する。
【００１４】
上記熱式流量計の一構成例において、温度測定部は、配管に沿って、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定する第１温度測定部と、配管に沿って、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定する第２温度測定部と、配管に沿って、ヒータより下流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定する第３温度測定部とを備え、センサ部は、ヒータの温度と、第１温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、第２温度測定部が測定した流体の温度と第３温度測定部が測定した流体の温度との温度差をセンサ値として出力する。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、配管の一部の管壁の厚さを周囲より薄く形成した肉薄部に、ガスバリア膜を形成したので、肉薄部における気体の透過が防止できる状態で、熱式流量計を用いた正確な流量測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る熱式流量計の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における熱式流量計の一部構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における他の熱式流量計の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態に係る熱式流量計について図１，図２を参照して説明する。この熱式流量計は、配管１０１、ガスバリア膜１２１、センサ部１０２、流量算出部１０３を備える。
【００１８】
配管１０１は、フッ素樹脂から構成され、測定対象の流体を輸送する。また、配管１０１の一部には、その管壁の厚さが他の部分より薄い肉薄部１０１ａが形成されている。肉薄部１０１ａは、例えば、配管１０１の周方向の一部の外周面が、部分的にへこむ形状とされている。なお、肉薄部１０１ａは、配管１０１の周方向の全域で、外周面がへこむ状態に形成することもできる。この場合、肉薄部１０１ａは、配管１０１の管壁の厚さが周方向に一定とされているとよい。
【００１９】
ガスバリア膜１２１は、ガスバリア性を備える無機材料から構成され、配管１０１の外壁面の少なくとも一部に形成され、肉薄部１０１ａを覆っている。例えば、ガスバリア膜１２１を構成する材料は、シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化アルミニウムなどの無機材料を挙げることができる。ガスバリア膜１２１は、例えば、気体の透過を防ぐ（ガスバリア）のために、厚さ０．１μｍ程度に形成される。例えば、肉薄部１０１ａの表面を、テトラエッチ（株式会社潤工社製）などの表面処理剤による処理や、Ａｒを用いたドライプラズマによる処理で改質し、改質した肉薄部１０１ａの表面にガスバリア膜１２１を形成する。
【００２０】
センサ部１０２は、肉薄部１０１ａにガスバリア膜１２１を介して設けられている。センサ部１０２は、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、電力計測部１１４を備える。温度測定部１１１は、測定対象の流体を輸送する配管１０１の肉薄部１０１ａの外壁に、ガスバリア膜１２１を介して設けられている。ヒータ１１２は、温度測定部１１１の下流側の配管１０１の肉薄部１０１ａ外壁に、ガスバリア膜１２１を介し、熱的接触して設けられている。温度測定部１１１、ヒータ１１２は、例えば、熱伝導性接着剤により、ガスバリア膜１２１に接着されて固定されている。温度測定部１１１は、流体の温度を測定する。
【００２１】
センサ部１０２は、ヒータ１１２の温度と、ヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２に加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力する。
【００２２】
実施の形態において、制御部１１３が、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定されるヒータ１１２の熱影響を受けない位置、例えば、配管１０１に沿ってヒータ１１２より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。制御部１１３は、よく知られた駆動回路から構成することができる（特許文献２参照）。また、電力計測部１１４は、制御部１１３により制御されているヒータ１１２の電力を計測して出力する。センサ部１０２を構成する電力計測部１１４から出力される電力がセンサ値となる。
【００２３】
流量算出部１０３は、電力計測部１１４が計測して出力したヒータ１１２の電力（センサ値）より、流体の流量を算出する。
【００２４】
次に、実施の形態における熱式流量計の動作について説明する。よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２が消費している電力と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、電力計測部１１４が計測した電力より、流量算出部１０３において、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。
【００２５】
以上に説明したように、実施の形態によれば、センサ部１０２が設けられる肉薄部１０１ａにガスバリア膜１２１を形成したので、配管１０１の肉薄部１０１ａにおける気体の透過が防止できる状態で、熱式流量計を用いた正確な流量測定ができるようになる。
【００２６】
なお、図３に示すように、温度測定部（第１温度測定部）１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、温度測定部（第２温度測定部）１１６、温度測定部（第３温度測定部）１１７からセンサ部１０２’を構成することもできる。
【００２７】
温度測定部１１１は、肉薄部１０１ａの外壁に、ガスバリア膜１２１ａを介して熱的接触して設けられている。また、温度測定部１１６，ヒータ１１２，および温度測定部１１７は、肉薄部１０１ａ’の外壁に、ガスバリア膜１２１ｂを介して熱的接触して設けられている。ガスバリア膜１２１ａ，ガスバリア膜１２１ｂは、前述同様に、肉薄部１０１ａ，肉薄部１０１ａ’における、測定対象の気体の透過を防止する。
【００２８】
温度測定部１１１は、配管１０１に沿って、ヒータ１１２より上流側でヒータ１１２の熱影響を受けない位置の流体の温度を測定する。制御部１１３は、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定される流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。
【００２９】
温度測定部１１６は、温度測定部１１１より下流側でかつヒータ１１２の上流側における肉薄部１０１ａ’の外壁にガスバリア膜１２１ｂを介して設けられている。また、温度測定部１１７は、ヒータ１１２の下流側における肉薄部１０１ａ’の外壁にガスバリア膜１２１ｂを介して設けられている。温度測定部１１６は、配管１０１に沿ってヒータ１１２より上流側でヒータ１１２の熱影響を受ける位置の流体の温度を測定する。温度測定部１１７は、配管１０１に沿って、ヒータ１１２より下流側でヒータ１１２の熱影響を受ける位置の流体の温度を測定する。
【００３０】
温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差より、流体の流量を算出することができる。この例では、温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差が、センサ値となる。
【００３１】
よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２より上流の流体の温度とヒータ１１２より下流の流体の温度との温度差と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、温度測定部１１６が測定した温度と温度測定部１１７が測定した温度との差（温度差）より、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。
【００３２】
以上に説明したように、本発明によれば、配管の一部の管壁の厚さを周囲より薄く形成した肉薄部に、ガスバリア膜を形成したので、肉薄部における気体の透過が防止できる状態で、熱式流量計を用いた正確な流量測定ができるようになる。肉薄部は、気体が透過しやすい状態となる。特に、配管をフッ素樹脂などの樹脂から構成した場合は、この問題が顕著となる。本発明によれば、このような、配管の肉薄部における気体の透過が防止できるようになる。
【００３３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３４】
１０１…配管、１０１ａ…肉薄部、１０２…センサ部、１０３…流量算出部、１１１…温度測定部、１１２…ヒータ、１１３…制御部、１１４…電力計測部、１２１…ガスバリア膜。
【図１】
2020106473.tif 000003
【図２】
2020106473.tif 000004
【図３】
2020106473.tif 000005