(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路の外側面に沿って少なくとも一周して外囲して配置され、前記外側面を均一に覆う面発熱体と、
前記面発熱体上に前記流路を通過する流体が流れる方向に所定の間隔を空けて配置される第１及び第２の温度検出素子と、
前記面発熱体の前記流体が流れる方向の両端に配置される電極と、を備え、
前記面発熱体は、カーボンナノチューブとセルロース繊維とを混ぜ合わせて形成されたカーボンナノチューブペーパーであることを特徴とする熱式流量計。
【請求項２】
前記第１の温度検出素子により検出される温度と前記第２の温度検出素子により検出される温度との温度差に対応する信号に基づいて、前記流路の内部を通過する流体の流量を算出することを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
【請求項３】
前記温度差に対応する信号を補正して前記流体の流量を算出する補正回路を備えることを特徴とする請求項２に記載の熱式流量計。
【請求項４】
前記面発熱体は、前記流路の外側面に接着剤を用いて接着されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の熱式流量計。
【請求項５】
各々が、流路の外側面に沿って少なくとも一周して外囲して配置され、前記外側面を均一に覆う面発熱体、前記面発熱体上に前記流路を流体が流れる方向に所定の間隔を空けて配置される第１及び第２の温度検出素子、及び前記面発熱体の前記流体が流れる方向の両端に配置される電極を備えた複数の熱式流量計と、
前記複数の熱式流量計に各々接続されて、前記複数の熱式流量計から出力された信号に基づき、前記流路の内部を通過する流体の流量の異常を検知する複数の異常流量検出用電子回路と、
を備え、
前記面発熱体は、カーボンナノチューブとセルロース繊維とを混ぜ合わせて形成されたカーボンナノチューブペーパーであることを特徴とする多チャンネル熱式流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量計に関し、特に、発熱体を備えた熱式流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱式流量計には、流路を通過する流体の流れを主流とバイパス流とに分け、バイパス流の流速を測ることにより、全体の流量を算出する構成を備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１０は、流路管から分岐された細管を備え、細管を流れるバイパス流の流速から流量を測定する従来の熱式流量計の概略構成を示す図である。図１０に示す熱式流量計は、バイパス流Ｙの流れる細管３１３にヒータ（発熱抵抗体）３１０を巻き付け、ヒータ３１０を挟んで流体の上流側と下流側とに温度センサ（温度抵抗素子）３１１ａ、３１１ｂを配置する構成を備えるものである。
【０００４】
このような従来の熱式流量計は、流体が流れていないときにはヒータ３１０の熱が両側の温度センサ３１１ａ、３１１ｂに均等に伝わり、温度センサ３１１ａ、３１１ｂの出力信号がバランスするものの、流体が流れると、上流側温度センサ３１１ａの出力信号と下流側温度センサ３１１ｂの出力信号のバランスが崩れることから、この出力信号の変化度合が流速に比例することを利用して流体の流量を算出しようとするものである。
【０００５】
このような従来の熱式流量計には、図１０に示すように、主流Ｘの通過する主流路３１４の内部に、例えば複数の細孔を有する金属板や複数の金属細管等で構成されるフローエレメント３１５を配置し、流れＦに適当な抵抗を与えることにより、主流Ｘに対するバイパス流Ｙの比率を決定する構成を備えるものがある。図１０に示す従来の熱式流量計は、このようなフローエレメント３１５の構成を備えることにより、主流Ｘとバイパス流Ｙとが一定の比率で増減するため、バイパス流Ｙの流速を測定することにより全体の流量を算出することが可能となる。
【０００６】
また、従来の熱式流量計には、図１０に示す熱式流量計のように流路管から分岐された細管３１３の構成を備えることなく、流路管の内部にヒータや温度センサを配置することにより、流量を測定しようとするものもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２５９０３９号公報
【特許文献２】特開２００５−０５５３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の熱式流量計のように、流路管から分岐された細管３１３を通過するバイパス流の流速を測定する構成である場合には、細管３１３やフローエレメント３１５を製造する際に高い精度が要求されることから、製造プロセスが複雑化し、製造コストが高くなる虞があった。
【０００９】
また、上述した特許文献２に記載の熱式流量計のように、流路管の内部にヒータや検出素子を備える構成である場合には、これらの流路管内部に配置される構成が、流路障害や圧力損失を生じさせる虞があった。
【００１０】
さらに、図１０に示す従来の熱式流量計のように、細管３１３に巻き付けて配置するヒータ３１０を、金属からなる発熱線を用いてコイル状に形成する場合には、流路管の形状によっては加工が難しく、断線の虞や、流体に対して均一に加熱することができない虞があった。
【００１１】
本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、流路管の内部に複雑な構成を備えることなく、面発熱体を用いて流体を加熱する構成を備えることにより、安定した流量の測定を可能とし、信頼性が高く、且つ簡素な構造で安価な熱式流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態に係る熱式流量計は、流路の外側面の一部を外囲して配置される面発熱体と、前記面発熱体上に所定の間隔で配置される第１及び第２の温度検出素子と、前記面発熱体の両端に配置される電極と、を備え、前記面発熱体は、炭素材料とセルロース繊維とを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の一実施形態に係る熱式流量計は、前記炭素材料が、カーボンナノチューブまたはカーボンブラックであってもよい。
【００１４】
また、本発明の一実施形態に係る熱式流量計は、前記第１の温度検出素子により検出される温度と前記第２の温度検出素子により検出される温度との温度差に対応する信号に基づいて、前記流路の内部を通過する流体の流量を算出してもよい。
【００１５】
また、本発明の一実施形態に係る熱式流量計は、前記温度差に対応する信号を補正して前記流体の流量を算出する補正回路を備えていてもよい。
【００１６】
また、本発明の一実施形態に係る熱式流量計は、前記面発熱体が、前記流路の外側面に接着剤を用いて接着されるものであってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、流路管の内部に複雑な構成を備えることなく、面発熱体を用いて流体を加熱する構成を備えることにより、安定した流量の測定を可能とし、信頼性が高く、且つ簡素な構造で安価な熱式流量計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱式流量計の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す熱式流量計の構成例を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る熱式流量計に備わる流量検出回路の構成例を示す図である。
【図４】図３に示す流量検出回路の構成例を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る熱式流量計の動作原理を説明するための図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る熱式流量計の動作原理を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る熱式流量計に備わる流量検出回路の構成例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る熱式流量計の構成例を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る熱式流量計の構成例を説明するための図である。
【図１０】従来の熱式流量計の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施することができる。
【００２０】
本発明の一実施形態に係る熱式流量計の基本的な構造について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る熱式流量計の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す熱式流量計の構成例を示す断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る熱式流量計は、流体の通過する流路１３の外側面の一部を外囲して配置される面発熱体１０と、面発熱体１０上に所定の間隔で配置される第１の温度検出素子１１ａ及び第２の温度検出素子１１ｂと、面発熱体１０の両端に配置される電極１２と、を備える。本実施形態においては、面発熱体１０は、炭素材料とセルロース繊維とを含むシート状の発熱体であり、流路１３の外側面に容易に沿わせることが可能な程度の柔軟性を有する。
【００２２】
面発熱体１０に含まれる炭素材料は、例えば、カーボンナノチューブ(CNT)であってもよい。このような面発熱体１０は、カーボンナノチューブとパルプ等のセルロース繊維とを混ぜ合わせて形成するカーボンナノチューブ・ペーパー（シート）であってもよい。炭素材料にカーボンナノチューブを用いることにより、セルロース繊維との結束性が良いため、破断強度及び機械的な引っ張り強度に優れ、高い耐久性を有する面発熱体１０を実現することができる。また、カーボンナノチューブを用いて面発熱体１０を構成することにより、金属線からなる発熱体よりも電流密度を高くすることができるため、電気伝導性・熱伝導性に優れ、良好な発熱分布を有する面発熱体１０を実現することができる。なお、カーボンナノチューブは、単層のシングルウォールナノチューブ (SWNT)、二層のダブルウォールナノチューブ (DWNT)、多層のマルチウォールナノチューブ (MWNT)であってもよい。
【００２３】
また、面発熱体１０に含まれる炭素材料は、カーボンブラックであってもよい。炭素材料がカーボンブラックである場合も、カーボンナノチューブと同様に高い耐久性を有し、電気伝導性・熱伝導性に優れ、良好な発熱分布を有する面発熱体１０を実現することができる。カーボンブラックは、例えば、サーマルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等であってもよい。
【００２４】
このような炭素材料を用いて形成される面発熱体１０は、既存の接着剤を用いて流路１３の外側面に沿わせて容易に接着させることができる。このように、本発明の一実施形態に係る面発熱体１０によれば、流路１３の形状によらず、簡易な製造工程により、流路１３の外側面に沿わせて固定することができる。従って、面発熱体１０は、図１に示すように、例えば流路１３が円筒状である場合には、円筒状の形状を有していてもよく、流路１３の形状に応じて多様な形状を有して配置される。
【００２５】
本発明の一実施形態に係る面発熱体１０によれば、流路１３の外側面を均一に覆って配置することができるため、流路１３を通過する流体に対して均一に加熱することができる。すなわち、流路１３を外囲する面発熱体１０は、流路１３の外側面上のいずれの位置においても接しており、流路１３の外側面上において面状に偏りのない発熱分布を有して発熱させることができるため、流路１３の内部を通過する流体全体を偏りなく加熱することができる。従って、例えば、気泡を含む液体状の流体が流路１３を通過する場合にも偏りなく流体全体を加熱することができる。
【００２６】
また、本発明の一実施形態に係る面発熱体１０は、上述したように熱伝導性に優れた構成を有し、発熱効率に優れることから、低消費電力を実現することができる。さらに、本発明の一実施形態に係る面発熱体１０は、簡易な製造工程で金属線からなる発熱体よりも安価に製造することができる。
【００２７】
ここで、図２を参照すると、図２には、流路１３の外側面上に配置された面発熱体１０の両端を覆う位置において、電極１２が配置された構成が図示されている。このとき、流路１３は、絶縁性の材料から構成されたものである。しかし、流路１３は金属管であってもよく、金属管である場合には、流路１３と面発熱体１０との間に絶縁性の層を備えるものとする。
【００２８】
電極１２は、面発熱体１０と同様に流路１３を外囲することの可能な長さを有するシート状の形態を有していてもよい。例えば、電極１２は、銅テープからなる銅電極であってもよい。電極１２は、面発熱体１０の両端部において面発熱体１０に接続され、面発熱体１０を発熱させる電流を供給する電源に接続される。電極１２は、導電性の接着剤により面発熱体１０に接着されて固定されていてもよい。
【００２９】
図１及び図２に示すように、面発熱体１０上には所定の間隔で第１の温度検出素子１１ａと第２の温度検出素子１１ｂとが配置される。このとき、図２に示すように、第１の温度検出素子１１ａから電極１２までの距離ｄ１と、第２の温度検出素子１１ｂから電極１２までの距離ｄ２とをそれぞれ同じ距離とする。距離ｄ１と距離ｄ２とを同じ距離とすることにより、面発熱体１０からの熱が均等に伝わる位置に第１及び第２の温度検出素子１１ａ、１１ｂを配置することができ、第１及び第２の温度検出素子１１ａ、１１ｂにより検出される検出電位に誤差が生じることを低減させることができる。
【００３０】
このような構成を有する熱式流量計は、第１及び第２の温度検出素子１１ａ、１１ｂを含んで構成される流量検出回路を備える。以下、図３乃至図６を参照し、本発明の一実施形態に係る熱式流量計に備わる流量検出回路の構成及び動作について説明する。
【００３１】
図３は、本発明の一実施形態に係る熱式流量計に備わる流量検出回路の構成例を示す図である。図４は、図３に示す流量検出回路の構成例を説明するための図である。図５及び図６は、本発明の一実施形態に係る熱式流量計の動作原理を説明するための図である。
【００３２】
図３及び図４に示すように、本発明の一実施形態に係る熱式流量計に備わる流量検出回路は、第１の温度検出素子１１ａと第２の温度検出素子１１ｂとを含んで構成されるブリッジ回路３０と、ブリッジ回路３０から出力された信号を演算処理する増幅回路３１とを備える。また、図３に示すように、第１の温度検出素子１１ａと第２の温度検出素子１１ｂとが所定の間隔で配置される面発熱体１０は、その両端部に電極１２が配置され、電極１２を介して電源４０に接続される構成を備える。
【００３３】
ブリッジ回路３０は、図３及び図４に示すように、第１の温度検出素子１１ａと第２の温度検出素子１１ｂと第３の抵抗２１ａと第４の抵抗２１ｂとを含む４つの抵抗が、電源２０に接続された構成を備える。ここで、第１の温度検出素子１１ａと第２の温度検出素子１１ｂとは、例えば、白金抵抗体を備えるものであってもよい。ブリッジ回路３０は、流路１３内を流体が流れていないときには平衡状態にあり、流体が流れるとブリッジ回路３０の平衡が崩れて出力信号が得られるものである。ブリッジ回路３０から出力された信号は増幅回路３１を経た後、補正回路５０において補正され、流量に対応する信号が取り出される。
【００３４】
以下、図５及び図６を参照し、流量検出回路の動作原理をさらに詳細に説明する。図５（ａ）は、流体が流れていない場合の温度分布を示す概念図であり、図５（ｂ）は、流体が流れている場合の温度分布を示す概念図である。図６（ａ）は、流体が流れていない場合の温度分布を示すサーモグラフィの画像であり、図６（ｂ）は、流体が流れている場合の温度分布を示すサーモグラフィの画像である。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）において、第１の温度検出素子１１ａにより検出される温度をＴａとし、第２の温度検出素子１１ｂにより検出される温度をＴｂとして図示している。
【００３５】
電源４０から電流が供給されて面発熱体１０が発熱すると、図５（ａ）に示すように、流体が流れていない場合には、面発熱体１０の熱が面発熱体１０の両側に位置する第１及び第２の温度検出素子１１ａ、１１ｂに均等に伝わる。このとき、第１の温度検出素子１１ａにより検出される温度Ｔａと、第２の温度検出素子１１ｂにより検出される温度Ｔｂとが均衡する。従って、ブリッジ回路３０においては、第１の温度検出素子１１ａの抵抗値と、第２の温度検出素子１１ｂの抵抗値とが均衡することから、ブリッジ回路３０からは信号が出力されない。
【００３６】
一方、流体が図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示す方向Ｆに向かって流れると、流体は面発熱体１０の熱を奪いながら流路１３内を通過する。すなわち、上流側で加熱された熱が下流側である方向Ｆに向かって移動する。従って、流体が流れている場合は、下流側の第２の温度検出素子１１ｂにより検出される温度Ｔｂが、上流側の第１の温度検出素子１１ａにより検出される温度Ｔａよりも高くなる。流体が流れている場合の温度分布は、図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）に示す流体の停滞時の温度分布と比較すると、図６（ａ）にｋ１として示す高温の範囲が、図６（ｂ）にｋ２として示す範囲まで広範囲に広がり、流体の移動に伴い下流側に熱が伝搬されることがわかる。
【００３７】
このように、第１の温度検出素子１１ａにより検出される温度Ｔａと、第２の温度検出素子１１ｂにより検出される温度Ｔｂとが流体の移動に伴い変化する。従って、ブリッジ回路３０においては、第１の温度検出素子１１ａの抵抗値と、第２の温度検出素子１１ｂの抵抗値との均衡が崩れて信号が出力される。
【００３８】
このとき、ブリッジ回路３０から出力される信号は、第１の温度検出素子１１ａにより検出される温度と第２の温度検出素子１１ｂにより検出される温度との温度差に対応する信号であり、第１の温度検出素子１１ａの抵抗値と第２の温度検出素子１１ｂの抵抗値との変化に応じて変化する。流体の流速が、第１の温度検出素子１１ａにより検出される温度と第２の温度検出素子１１ｂにより検出される温度との温度差に比例して変化することから、本発明の一実施形態に係る熱式流量計に備わる流量検出回路によれば、ブリッジ回路３０から出力される信号に基づき、流体の流量を算出することができる。
【００３９】
ブリッジ回路３０からの出力信号は、増幅回路３１に入力されて演算処理された後、補正回路５０に入力される。補正回路５０は、増幅回路３１から出力された信号を補正処理して流体の流量に対応する信号を出力するものである。ここで、補正回路５０は、計測値に基づき算出された補正係数を予め保持しており、この補正係数を用いて増幅回路３１から出力された信号を補正してもよい。流体の流速は、第１及び第２の温度検出素子１１ａ、１１ｂにより検出される温度の温度差に比例して変化するが、完全な直線状の比例の関係にないため、補正回路５０によって補正係数を用いて補正することにより、より正確な流量に近い値を算出することができる。
【００４０】
このような流量検出回路を備える熱式流量計の構成について、さらに図７を参照して説明する。図７は、本発明の一実施形態に係る熱式流量計に備わる流量検出回路の構成例を示す図である。図７に示すように、補正回路５０から出力された信号は、図７に示す表示部５１に入力されてもよい。補正回路５０からの出力信号は表示部５１において処理され、流体の流量が表示部５１に表示されてもよい。
【００４１】
また、図７に示すように、面発熱体１０には、電極１２を介して周囲温度検出素子４１を備えた加熱用給電回路４２が接続されていてもよい。加熱用給電回路４２を備えることにより、周囲温度検出素子４１によって面発熱体１０の周囲温度を検出することができるため、検出された面発熱体１０の周囲温度に基づき、面発熱体１０の温度を制御することが可能となる。このように、加熱用給電回路４２によって面発熱体１０の温度が所定の温度範囲を越えないように制御することにより、熱式流量計の流量検出精度を高めることも可能となる。
【００４２】
このような構成を備えた本発明の一実施形態に係る熱式流量計の構成例を、図８及び図９を参照して説明する。図８及び図９は、本発明の一実施形態に係る熱式流量計１００の構成例を示す図である。
【００４３】
図８（ａ）は、熱式流量計１００の概略断面構成を示す図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すＡ−Ａ´線から見た断面構成を示す図である。図８（ａ）に示すように、本発明の一実施形態に係る熱式流量計１００は、筐体１０１内に固定された流路１３の外側面上に、上述した面発熱体１０及び電極１２が配置される。面発熱体１０上には第１の温度検出素子１１ａと第２の温度検出素子１１ｂとが所定の間隔で配置される。
【００４４】
また、図８（ａ）には図示していないが、図３及び図４を参照して上述した流量検出回路が、図８（ａ）に示す電子回路基板１１０上にそれぞれ形成されていてもよい。このとき、上述したブリッジ回路３０、増幅回路３１及び補正回路５０が、それぞれ電子回路基板１１０に形成されていてもよい。なお、図８（ａ）には図示していないが、電子回路基板１１０に形成された第３の抵抗２１ａ及び第４の抵抗２１ｂが、配線を介して第１の温度検出素子１１ａ及び第２の温度検出素子１１ｂに接続されてブリッジ回路３０を構成していてもよい。また、面発熱体１０を発熱させる電流を供給する電源４０及び加熱用給電回路４２についてもそれぞれ電子回路基板１１０に形成されていてもよい。
【００４５】
図８（ａ）に示す熱式流量計１００において、流量検出回路からの出力信号は、出力端子１０２から出力される。出力された信号は、例えば、図９に示す異常流量検出用電子回路ＣＨ１に入力されてもよい。図９は、本発明の一実施形態に係る熱式流量計の概略構成を示す図であり、複数の流路に対してそれぞれ本発明の一実施形態に係る熱式流量計が備えられた多チャンネル熱式流量計の構成を示す図である。図９に示すように、複数の熱式流量計１００−１〜１００−７からの出力信号が、異常流量検出用電子回路基板６０に形成された複数の異常流量検出用電子回路ＣＨ１〜ＣＨ７にそれぞれ入力され、流量の異常を検出する構成を備えていてもよい。
【００４６】
図９に示す異常流量検出用電子回路ＣＨ１〜ＣＨ７は、例えば、複数の熱式流量計１００−１〜１００−７から出力された流量に対応する信号に基づき、それぞれ流量を算出し、算出された流量を所定の閾値と比較して所定の閾値を越える場合を判断する。異常流量検出用電子回路ＣＨ１〜ＣＨ７は、算出された流量が所定の閾値よりも少ない場合及び多い場合に流量不良信号Ｓ１〜Ｓ７を出力し、この流量不良信号Ｓ１〜Ｓ７に基づく通知が管理者等に通知される構成を備えていてもよい。このような構成を備えることにより、本発明の一実施形態に係る熱式流量計１００−１〜１００−７によれば、複数の流路１３のうちいずれの流路１３において流量の異常が生じたかどうかを検知することが容易に可能となる。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態に係る熱式流量計１００によれば、上述したように、流路１３の外側面の一部を外囲して配置される面発熱体１０により、流路１３の内部を通過する流体を偏りなく加熱することが可能となる。また、上述した構成を備える面発熱体１０は、耐久性に優れ、断線等のリスクが低減されることから、熱式流量計１００による安定した流量の測定を可能とする。さらに、本発明の一実施形態に係る熱式流量計１００によれば、面発熱体１０を流路１３の外側面上に既存の接着材を用いて容易に配置することができるため、簡易な製造プロセスで安価に製造することができる。また、流路１３の内部に、複雑な構成を形成する必要がないため、流路１３を通過する流体に対して流路障害や圧力損失を生じさせる虞がない。
【００４８】
以上のとおり、本発明の一実施形態に係る熱式流量計１００によれば、安定した流量の測定を可能とし、信頼性が高く、且つ簡素な構造で安価な熱式流量計を提供することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０…面発熱体、１１ａ…第１の温度検出素子、１１ｂ…第２の温度検出素子、１２…電極、１３…流路、２０…電源、２１ａ…第３の抵抗、２１ｂ…第４の抵抗、３０…ブリッジ回路、３１…増幅回路、４０…電源、４１…周囲温度検出素子、４２…加熱用給電回路、５０…補正回路、５１…表示部、１００…流量計、１１０…電子回路基板
【要約】
【課題】信頼性が高く、且つ簡素な構造で安価な熱式流量計を提供すること。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る熱式流量計は、流路の外側面の一部を外囲して配置される面発熱体と、前記面発熱体上に所定の間隔で配置される第１及び第２の温度検出素子と、前記面発熱体の両端に配置される電極と、を備え、前記面発熱体は、炭素材料とセルロース繊維とを含むことを特徴とする。
【選択図】図１【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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