(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が１つ以上の直線状の部分を有し、基部に一体に接続された２つの流量検知用部材を有する、コリオリ式流量計のサブアセンブリ構造を、弾性高分子材料から形成し、
前記２つの流量検知用部材の前記直線状の部分に沿って流路を形成し、
前記流路の入口を封止すること、
を含む、弾性高分子材料からコリオリ式流量計を製造するための方法。
【請求項２】
前記流路の前記入口を封止することが、
弾性高分子材料を溶接または溶融して前記流路の前記入口に入れること、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記流路の前記入口を封止することが、
前記流路の入口を封止する前に、先端が丸いマンドレルを流路の長さ方向に沿って挿入して、前記弾性高分子材料が前記マンドレルの前記丸い先端に対して滑らかな表面を形成できるようにし、これによって前記流路の内側が塞がるのを防止すること、
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記サブアセンブリを形成することが、
弾性高分子材料の１個のブロックから前記サブアセンブリ構造をコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）加工により得ること、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記サブアセンブリを形成することが、
前記弾性高分子材料を用いて前記サブアセンブリ構造を射出成形すること、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記２つの流量検知用部材の前記直線状の部分に沿って前記流路を形成することが、
前記２つの流量検知用部材の前記直線状の部分に沿ってドリル穿孔することで前記流路を形成すること、
を含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、２０１０年２月１２日に出願された、Ａｌａｎ  Ｍ．  Ｙｏｕｎｇ、Ｊｉａｎｒｅｎ  Ｌｉｎ、Ｃｌａｕｓ  Ｗ．Ｋｎｕｄｓｅｎによる米国仮特許出願第６１／３０４，２２８号（「ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ  ＡＮＤ  ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＣＡＬＩＢＲＡＴＩＮＧ  Ａ  ＣＯＲＩＯＬＩＳ  ＭＡＳＳ  ＦＬＯＷ  ＲＡＴＥ  ＳＥＮＳＯＲ」）の優先権の利益を主張するものであり、その内容全体を本明細書に援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、広義には、コリオリ効果を利用した流体質量流量・密度（ｆｌｕｉｄ  ｍａｓｓ ｆｌｏｗ  ｒａｔｅ ａｎｄ  ｄｅｎｓｉｔｙ）測定装置に関し、特に、弾性高分子材料（ＰＦＡすなわちペルフルオロアルコキシ共重合体など）から構成される改善されたコリオリ流量センサを製造及び較正するための方法に関する。
【０００３】
従来技術の説明
コリオリ質量流量計を使用して、パイプラインを流れる流体の質量流量（ならびに他の特性）を測定可能であることが周知である。従来のコリオリ式流量計は、制御下で振動して、その中を流れる流体質量流量に対応したコリオリ偏差（またはこのような偏差が管（単数または複数）に対しておよぼす作用）をセンサにより測定可能にされた１本または２本の管を含む、さまざまな構成を採用している。米国特許第７，１２７，８１５号Ｂ２明細書（第２欄、第５〜２５行目）に説明されているように、コリオリ式流量計の従来技術の多くが金属製のフローチューブを流量の検出を可能とする流量検知用要素として用いることを念頭においているが、従来技術では金属に代えてプラスチックを使用し得ることも示唆されている。’８１５特許には、「流量計をプラスチックで作ることができるという主張だけでは、金属をプラスチックに置き換えられるという抽象論にすぎない。そこでは、動作条件の有効範囲で正確な情報を生成するために、いかにしてプラスチック製の流量計を製造できるかについては教示していない」と述べられている。米国特許第６，７７６，０５３号Ｂ２明細書（第１欄、第５８〜６８行目ならびに第２欄、第１〜１０行目）にも、同様の記述が見られる。
【０００４】
’８１５特許及び’０５３特許には、シアノアクリレート接着剤を用いて金属製の基部に取り付けられた少なくとも１本のＰＦＡ管を有するコリオリ式流量計の製造方法が記載されている。コリオリ式流量計を正しく動作させるための基本は、振動する流量検知用要素（’８１５特許及び’０５３特許の管など）の端部において、固定され、安定していて、変化しないという境界条件が充足される状態で、流量検知用要素が金属製の基部（またはマニホルド）に固定的に取り付けられなければならないことにある。たとえば、’０５３特許では、請求項１（第１４欄、第６５〜６７行目）に、「前記基部に連結された前記フローチューブ装置の端部であって、当該端部に静止したノードを生成するための前記端部」が記載されている。しかしながら、’０５３特許及び’８１５特許の欠点として、通常の動作条件下では、管と金属製の基部との連結の完全性が必ずしも揺るぎなく変化しないものとはかぎらないことがあげられる。むしろ、管が連続的に振動することで、接着剤の接合部に亀裂が生じるか、そうでなければ成分が分解されて経時的に劣化しかねない。また、構造の異なる材料（管、シアノアクリレート接着剤、金属製の基部など）間の熱膨張／収縮差によって、管と金属製の基部との連結の完全性が損なわれ、装置の性能が犠牲になり得るほどに制御のきかない振動特性を生む、不安定な境界条件が生じてしまうことになる。
【０００５】
’８１５特許及び’０５３特許には、その製造方法（すなわち押出成形）では、屈曲または曲率のあるＰＦＡ管が、流量計の製造前に取り除かなければならない本質的な特性を持つことが記載されている（たとえば、‘８１５の第３欄、第４２〜５５行目を参照のこと）。’８１５特許及び’０５３特許によれば、流量計の製造前に管を真っ直ぐにするためのアニーリングプロセスをＰＦＡ管にほどこすことで、この問題を軽減することが可能である（‘８１５の第３欄、第３０〜４１行目を参照のこと）。
【０００６】
シアノアクリレート接着剤とＰＦＡ管との結合を容易にするには、管にエッチングをほどこさなければならないが（’８１５特許に言及されたプロセス）、それには、グリコールジエーテルを含有する加熱浴にＰＦＡ管を沈めて静かに攪拌する必要がある。しかしながら、これらアニーリングプロセス及びエッチングプロセスは、流量計の製造に伴うコストと複雑さを増すものであり、また、それを用いても流量計の製造に適した管を一貫して得られるとはかぎらない。
【０００７】
米国特許第６，４５０，０４２号Ｂ１明細書、米国特許第６，９０４，６６７号Ｂ２明細書、米国特許出願公開第２００２０１３９１９９号Ａ１明細書には、射出成形によるコリオリ式流量計の製造方法ならびに、ビスマス、鉛、スズ、カドミウム、インジウムの混合物を含有し、融点約４７℃の低融点可融性金属合金で作られるコアモールドからの流路の形成方法が記載されている。’０４２特許には、（第２欄、第６５〜６７行目）、「可能性のある形として、ドライバ、ピックオフ、ケースを除き、流量計全体が射出成形で形成される（強調を追加）」と主張されている。しかしながら、この製造方法は、大きな問題と制約を生じる。射出成形のプロセスでは、５０００ｐｓｉを超える圧力、３５０℃を超えることもある温度で、高温のプラスチックを金型に射出する。壁の薄い流路や直径の小さな流路（直径４ｍｍ；壁厚２ｍｍ未満など）を製造する場合、この溶融温度と圧力がゆえに、比較的狭い（かつ可撓性の）可融性金属コアが（場合によってはその表面が溶融して）歪み、装置を使用不能にしかねないほどの流路の変形と汚染を生じさせる可能性が高い。半導体、薬剤、生物薬剤（または他の決定的に高純度を要するプロセス用途）では、いかに微量であろうと金属汚染を回避することが重要である。しかしながら、固体のコア（ステンレス鋼など）の場合とは異なり、比較的柔らかい可溶性金属コアが射出成形プロセスで部分的に溶融または摩耗すると、金属原子は、それが混じって射出されたプラスチックに埋包され、流路が永久に汚染されるから、装置を高純度の用途には適さないものにしてしまいかねない。
【０００８】
プラスチックの射出成形プロセスでは、通常、成形される各要素の厚さを同等にすることが推奨される。そうでないと、成形部品を正確に作れない場合があるからである。’０４２特許を参照すると、この要件は、当該明細書に記載のコリオリ式流量計のすべての構造的な要素すなわち、管壁、「ブレースバー」、流入口フランジ及び流出口フランジ、マニホルド壁などがいずれも、同等の厚さでなければならないことを意味する。しかしながら、射出成形で流量計全体を形成した結果、構造上、及び／又は動的設計上の制約又は妥協を生じさせる可能性があり、これが流量計の性能に悪影響をおよぼすか、及び／又は流量計の性能を制限しかねない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
管材料の「ばね定数」（ヤング率に比例）は温度に応じて変化し、コリオリ式流量計の精度に直接影響する。流体、及び／又は周囲の温度によって流量検知用要素の温度も変わるため、コリオリ式流量計で流量測定の精度を維持するには、温度補償が必要である。対温度についてのヤング率のデータは、従来技術のコリオリ式流量計の作製に用いられているほとんどすべての金属合金（ステンレス鋼またはチタンなど）についてのものが、Ｎ．Ｉ．Ｓ．Ｔ．（または他の技術資料）から入手可能である。しかしながら、弾性ポリマーについては、これに匹敵するようなデータ（弾性率対温度など）は通常、入手できないか、刊行物に記載されている温度がわずかしかないかのいずれかである。よって、コリオリ式流量計の製造にプラスチックを用いることを示唆または説明している従来技術は、流量検知用要素の温度を検知するための手段についても言及している（‘８１５の第４欄、第５９〜６７行目などを参照のこと）ものの、特定の弾性高分子材料に対して一定範囲の動作温度にわたって有効温度補償をいかに実現するかが記載されていない。重大なことに、このような温度補償がなければ、センサの温度が較正時の温度とは実質的に異なってしまうような用途では、流量計は使用できなくなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明の開示
本発明の一面は、機械的な接合部または接着剤を用いずに、好適な実装用の基部（またはマニホルド）に一体に接続された基部と同一材料でできた流量検知用要素（単数または複数）を有することで、振動している流量検知用要素に対しても揺るぎない固定を維持できる境界条件を得られるという、弾性高分子材料からのコリオリ式流量計の製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の面は、接着剤または機械的な接合部を用いずに、好適な実装用の基部（またはマニホルド）と一体に接続される流量検知用要素を有することで、振動している流量検知用要素の端部における境界条件の完全性及び信頼性を徐々に損なう原因となる熱膨張／収縮差を回避した、弾性高分子材料からのコリオリ式流量計の製造方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の態様は、管を使用しない流量検知用要素を採用することで、アニーリング及びエッチングなどの追加のプロセスステップを回避し、それによって流量計の製造プロセスを単純化した、弾性高分子材料からのコリオリ式流量計の製造方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の面は、流路（単数または複数）を永久に汚染しかねない低融点可融性金属合金を使用せずに、弾性高分子材料からコリオリ式流量計を製造し、流量検知用要素（及びそれが持つ流路）を形成する方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の面は、内側に比較的壁の薄い流路及び、及び／又は比較的直径の小さい流路を有する流量検知用要素の製造を可能にする、弾性高分子材料からコリオリ式流量計を製造する方法を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の面の目的は、弾性材料（金属またはプラスチック）から製造されるコリオリ式流量計を較正して、流量計の有用な全動作温度範囲で流量検知用要素のばね定数の正確な温度補償を可能にするための方法を提供することにある。
【００１６】
簡単に説明すると、本発明の実施形態は、２つの実質的に同一な部材を有する流量検知用要素を採用した構造を含み、各部材が、当該部材が一体に接続された支持部から延在する矩形状「Ｕ」（または直線状の部分から形成できる他の可能な形状の中でも、三角形）に形成される。流体は、好適な外部の流体との接続を介して、流量検知用要素の各部材の中を水圧的に直列（または並列）な状態で流れる。流量検知用要素の「足」は、その断面が円形、楕円形、矩形、六角形または八角形であってもよい。この構造は、単一の弾性高分子材料のブロックから製造される。この製造プロセスは、単一の高分子材料のブロックから構造全体をＣＮＣ（コンピュータ数値制御）により加工して、二次的に流路をドリル穿孔して形成することを伴う。あるいは、この構造を射出成形によって製造することも可能であり、その場合流路は、金型内で用いられる固体のコアによって、及び／又は金型から部品を取り出した後の二次的なドリル穿孔作業との組み合わせによって形成される。これらの製造方法では、二次的な（成形後の）作業の後に、完全に機能する（すなわち、動的に応答する）流量計を得られる。好適な二次的な作業（溶接など）で外部の穴（繰り抜きまたはドリル穿孔による）を充填する。
【００１７】
本発明のこれら及び他の目的及び利点については、図面の各図に示されたさまざまな実施形態に関する以下の詳細な説明を読むことで、当業者らには自明になるに違いない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】内側に流路のない、弾性高分子材料から製造されるコリオリ式流量センサのサブアセンブリを部分的に構成した状態を示す図である。
【図２】ドリル穿孔によって内側に流路が形成された、弾性高分子材料から製造されるコリオリ式流量センサのサブアセンブリを部分的に構成した状態を示す図である。
【図３】内側の流路用のドリル穴が封止された、弾性高分子材料から製造されるコリオリ式流量センサのサブアセンブリを部分的に構成した状態を示す図である。
【図４】励振（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）磁石−コイルアセンブリと運動検知磁石／コイルアセンブリとを有するコリオリ式流量センサを部分的に組み立てた状態を示す図である。
【図５】計測用電子機器に接続された、弾性高分子材料から製造されるコリオリ式流量センサを部分的に組み立てた状態を示す図である。
【図６】ＰＦＡから製造されるコリオリ式流量センサから得られる対温度の振動数を示すデータである。
【図７】弾性高分子材料に結合された温度検知手段を示す図である。
【図８】流量検知用要素の別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
詳細な説明
図面（図）及び以下の説明は、特定の実施形態について単に例示的に説明するものである。本明細書に記載の原理から逸脱することなく、本明細書に示す構造及び方法の別の実施形態を利用してもよいことは、当業者であれば、下記の説明から容易に認識できるであろう。いくつかの実施形態については詳細には言及しておらず、その例を添付の図面に示してある。図中、同等または類似の参照符号を用いた部分はいずれも、同等または類似の機能を示し得る点に注意されたい。
【００２０】
図１は、一実施形態による、弾性高分子材料のブロック１個からＣＮＣ加工された高分子材料でできた中実なサブアセンブリ１１０を示す。サブアセンブリ１１０の流量検知用要素は、２つの矩形状「Ｕ」形アセンブリ１２０及び１３０で構成されている。しかしながら、サブアセンブリ１１０には、流体を構造内に流せるようにするための流路が設けられていない。このサブアセンブリ１１０を射出成形によって形成することも可能であるが、ＣＮＣ加工したものと同様に、流路を設けることはない。サブアセンブリ１１０がどのように製造されるか（すなわち、ＣＮＣ加工または射出成形）ということから本質的に、各「Ｕ」は、「分離板」１７５，１８０ならびに１８５，１９０（これらは、「Ｕ」形構造１２０及び１３０に振動に対する境界条件を充足させるものである。）と一体に接続され、その上で、支持部１５５と一体に接続されている。重要なことに、サブアセンブリ１１０は、機械的な接合部や接着剤の使用がないか、あるいは金属製の支持部を用いることなく、１つの中実な部品として製造される。
【００２１】
図２は、一実施形態による、サブアセンブリ２１０を示すが、ここでのサブアセンブリには、各「Ｕ」の「端部分」の中心線に沿って横方向に、完全に端から端までにわたる流路２４０及び２６０がドリル穿孔により形成されている。同様に、流路２４５、２５０、２６５、２７０が、各「Ｕ」の側脚部の中心線に沿って完全に貫通し、なおかつ支持部２５５を貫通してその最後端（図示せず）から出る形でドリル穿孔により形成されている。また、一実施形態によれば、「Ｕ」を貫通するフローチャネルの形成を終えるにあたり、ドリル穿孔により生じた開口部を図３に示すように封止し、「Ｕ」の端におけるそれぞれの穴が、通路３４０、３４５、３５０ならびに、３６０、３６５、３７０のドリル穿孔により生じた入口に、プラスチックを溶接または溶融して入れることで、封止されている。一実施形態によれば、封止または溶接作業時に流路が塞がるのを防ぐために、穴を封止する前に、先端が丸いマンドレルを各通路の長さ方向に沿って挿入して、プラスチック溶融物がマンドレルの丸い先端に対して滑らかな表面を形成できるようにし、これによって流路の内側が塞がるのを防止する。ブロック３５５の後部に構成される配管接続（図示せず）によって、流体は各「Ｕ」を水圧的に直列または並列な状態で流れることができる。
【００２２】
流量検知用要素の部材は、図１及び図２に示す矩形状「Ｕ」形に限定されるものではなく、直線状の部分から製造すればよい他の形状も取り得る。図８に、流量検知用要素の部材の形状の４つの例すなわち、三角形（オプション（Ａ）及び（Ｅ））、正方形（オプション（Ｂ））、台形（オプション（Ｃ））、直線状（オプション（Ｄ））を示す。
【００２３】
図４は、一実施形態による、支持ブロック４５５に一体に取り付けられた一対の流量検知用要素４２０及び４３０を有するコリオリ式流量計のサブアセンブリ４１０を示す。流体は、ブロック４５５の後部から導かれ、水圧的に直列または並列な状態（すなわち分流）で、流量検知用要素４２０及び４３０各々を通って同一方向に流れるようにされる。流量検知用要素４２０及び４３０は、分離板４７５、４８０、４８５、４９０を貫通して支持ブロック４５５まで延在している。支持ブロック４５５、流量検知用要素４２０及び４３０、分離板４７５、４８０、４８５、４９０はいずれも、弾性高分子材料の１個のブロックから製造されるため、一体に接続されている。
【００２４】
図４には、流量検知用要素４２０に固定的に取り付けられた永久磁石４９２と、同４３０に固定的に取り付けられたコイル４９４とからなる、磁石・コイル「ドライバ」が開示されている。これらの流量検知用要素は、音叉の腕と同様に、逆位相で振動される。図５は、ドライバコイル５１０が、経路５２４経由で電子計測器５２２から受信される信号によって起動されることを示す。振動しているフローチューブ内の材料流によってコリオリ力が発生し、このコリオリ力が、流量検知用要素５２０及び５３０の対向する側に配置された磁石／コイル誘導「ピックオフ」（または「速度センサ」）によって検出される。これらのセンサは、流れで誘導されるコリオリ力により流量検知用要素５２０及び５３０の側脚部で生じる動きに応答する信号を生成する。これらの磁石／コイル誘導センサの出力信号は、経路５２６及び５２８を介して電子計測器５２２に送信され、この電子計測器５２２が、これらの信号を処理し、流体材料の流量を示す出力情報を経路５２９経由で出力する。
【００２５】
固有振動数で逆位相にある流量検知用要素５２０及び５３０の振動は、振動する音叉の腕と類似しており、減衰二次系としてモデリング可能である。湿し（ｄａｍｐｅｎｉｎｇ）を無視すると、流量検知用要素５２０及び５３０が逆位相で振動する励振（または「ドライブ」）モードにおける共鳴振動数ωｄが、以下のように表される。
[数１]
ωｄ＝√（ｋｄ／ｍ）     （１）
式中、固有円振動数ωｄ＝２πｆｄ，ｆｄ＝固有振動数（回転／秒）及びｍ＝ｍ要素＋ｍ流体であり、ばね定数ｋｄが「ドライブ」または励振モードにある材料の弾性率に比例する。項ｍ要素は、要流量検知用素５２０（または５３０）の有効質量、項ｍ流体は、その流量検知用要素５２０内にある流体の質量を示す。金属合金（３１６Ｌステンレス鋼など）の場合、弾性率と、その温度による変動に関して十分な資料がある。しかしながら、これは弾性ポリマーには当てはまらない。ばね定数ｋの変動は、振動している流量検知用要素５２０及び５３０で弾性高分子材料のばね定数の温度による変動を適宜補償するのに必要であるが、資料としての記録がない。特に、補償を要する弾性率は、ツイスト（ねじれ）またはコリオリモードｋｃに対応するものである。しかしながら、式（１）から、以下の式を導くことが可能であり、
[数２]
ｋｄ＝ｍωｄ２      （２）
ツイスト（ねじれ）または「コリオリ」応答モードでは、以下のようになる。
[数３]
ｋｃ＝ｍωｃ２      （３）
式中、ｋｃは弾性ポリマーの剪断弾性率（ｓｈｅａr  ｍｏｄｕｌｕｓ）であり、以下の式に表されるように、ラメ定数μによってｋｄと関連し得る。
[数４]
ｋｃ＝ｋｄ／２（１＋μ）＝ｍωｄ２／２（１＋μ）  （４）
【００２６】
よって、温度に応じたωｄ２の変動を測定することで、図６に示すような特定の温度範囲における材料の剪断弾性率（すなわち、応答またはコリオリモードでの材料の弾性率）の変動に比例する量を測定できるようになる。この考察は、弾性ポリマーだけでなく、金属、セラミック、ガラス材料をはじめとする好適なあらゆる弾性材料に適用される。
【００２７】
図７に示したように、一実施形態によれば、温度検知手段７４２が高分子材料に結合され、高分子材料の温度が経路７４４経由で電子計測器７２２に伝達されるようになっている。電子計測器７２２がωｄ２対温度に比例する情報を含むため、この電子計測器は、（他の要因との組み合わせで）実測信号と装置を流れる流体質量流量とを関連させる比例因子である温度に応じた材料の弾性率（または同等に、材料の剪断弾性率）の変動を、正しく明らかにすることができる。
【００２８】
コリオリ式流量計は、自計器に流体が流れていない場合にも流量を表示する。この表示を、「流量ゼロオフセット」または「Ｚ．Ｆ．Ｏ．」と呼ぶ。Ｚ．Ｆ．Ｏ．が生じる原因のひとつに、あたかも流体が装置内を流れているかのように「Ｕ」構造を互いにねじれた状態にする、左から右への構造的、及び／又は質量的な不均衡がある。図４に、Ｚ．Ｆ．Ｏ．の大きさを最小限にする必要に応じて、センサの応答モードでの流量検知用要素４２０及び４３０各々のセンサの慣性モーメントを、単にねじ回しで調節するだけで独立してマニュアルで調節可能にする、２本の調節ねじ４９５及び４９６を示す。
【００２９】
２つの「Ｕ」構造間の質量的または構造的な不均衡は、振動している構造のＱ値を下げる原因となり得る（すなわち、流量検知用要素４２０及び４３０からなる「音叉構造」がバランスしないことがある）ため、センサの測定感度を許容可能なレベル内に保つために振動の十分な振幅を維持するのに、電子計測器が一層多くのエネルギを送らなければならなくなる。この２つの「Ｕ」構造（流量検知用要素４２０及び４３０）間の不均衡を調節するために、一実施形態では、重り（または「ナット」）４９７及び４９８を取り付けたねじ切りロッドを単純な調節手段として加えて、音叉の腕のバランスに似たセンサの流量検知用要素４２０及び４３０のバランスをよくする。
【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（Ａ）】
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【図８（Ｂ）】
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【図８（Ｃ）】
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【図８（Ｄ）】
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【図８（Ｅ）】
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