(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率の小さな管路に熱伝導率の大きな複数の電極を設け、前記管路に流れる測定流体の流量を測定する熱式流量計において、前記管路はフッ素系樹脂で、前記電極は高熱伝導性セラミックで形成され、これらの電極の一端の表面には加熱測温センサおよび又は測温センサとして機能する電気抵抗体からなる金属が回路パターンによって形成されるとともに、電極の管路との接続部分にはフッ素系樹脂がコーティングされ、そのコーティング部と管路を構成するフッ素系樹脂が超音波溶着されていることを特徴とする熱式流量計。
【請求項２】
前記回路パターンは端子部分を除いて絶縁部材でコーティングされてい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】
流体の流れに沿って所定の距離を隔てて設けた２つの加熱測温センサと、これら加熱測温センサによる熱の影響が及ばない上流側に設けられた１つの測温センサと、前記加熱測温センサと測温センサの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路を設け、これらブリッジ回路からの出力差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱式流量計。
【請求項４】
流体の流れに沿って所定の距離を隔てて設けた２つの加熱測温センサと、これら加熱測温センサによる熱の影響が及ばない上流側に設けられた２つの測温センサと、前記加熱測温センサと測温センサの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路を設け、これらブリッジ回路からの出力差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱式流量計。
【請求項５】
前記測温センサは一つの電極に２つの測温回路が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱式流量計。
【請求項６】
２つの加熱測温センサのそれぞれを用いて加熱測温センサの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路を設け、これらブリッジ回路を構成する一つの抵抗を所定の流体温度によって定まる抵抗値とし、これらブリッジ回路からの出力差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の熱式流量計。
【請求項７】
２つの加熱測温センサのうち上流側に配置した加熱測温センサの電極を管路に僅かに突出させて流体温度に対する感度を向上させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱式流量計。
【請求項８】
流体の流れに沿って設けられた３つの測温センサおよび１つの加熱測温センサからなり、前記３つの測温センサのうち一つの測温センサは前記加熱測温センサによる熱の影響が及ばない上流側に配置され、２つの測温センサは前記加熱測温センサを挟んで上流側と下流側の等距離の位置に配置され、前記加熱測温センサと上流側に設けた測温センサにより前記加熱測温センサの温度を流体温度に対して所定の温度差を有するように制御し、前記２つの測温センサと加熱測温センサの温度差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安価で、且つ、圧力損失が少なく、信頼性の高い熱式流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来例を示すもので特開平１０−８２６７８号公報に記載された熱式流量計である。この従来例について簡単に説明する。図１０において、１１は管路で、塩化ビニール樹脂が使用されている。１２，１４は柱状の第１，第２電極で金属（例えば銅）により構成され、それぞれの一端が測定流体２に接している。１３は第１電極１２の他端に設けられた加熱測温センサであり、薄膜チップ抵抗温度センサが用いられている。
【０００３】
１５は、第２電極１４の他端に設けられた測温センサである。
なお、測温センサ１５は加熱測温センサ１３による加熱の影響の及ばない管路１１の上流側に設けられている。
加熱測温センサ１３および測温センサ１５と管路１１，電極１２，１４，測定流体２間の熱伝達特性は同様となるように構成されている。
【０００４】
ここで、乱流境界層中に伝達される熱量Ｑは、次式で示される。
Ｑ＝αＳ（Ｔ−Ｔ０）
Ｓ  ；電極１２の接測定流体の面積
Ｔ  ；電極１２の温度Ｔ０；測定流体２の流体温度
α；熱伝達率
【０００５】
α＝０．０２３Ｒｅ０．８Ｐｒ０．４λ／Ｄ
Ｒｅ；レイノルズ数
Ｐｒ；プラントル数
λ  ；熱伝導率
Ｄ  ；測定管路１１の内径
よって、Ｔ−Ｔ０とλが一定であれば、熱量Ｑはαに比例する。αはＲｅの関数であることから、熱量Ｑは流速に比例することになる。αを書き直すと、
【０００６】
α＝０．０２３λ／Ｄ（ＶＤ／ν）０．８（νρｃ／λ）０．４
ν；動粘度
ρ；密度
ｃ；比熱
【０００７】
上記の式から、熱伝達率αは、熱的特性と動粘度νによって変化するが、液温によって補正出来る。以上の事から、加熱された第１電極１２から、測定流体２に伝達される熱量Ｑを測定することによって、流速（流量）が計測できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この様な従来装置においては、耐薬品性やコンタミネーションを嫌う半導体プロセスで使用する超純水の測定に際しては問題があり、また、電極の取付けに際しては接着を用いているため信頼性に対しても問題があった。更に従来の構成においては、流量ゼロのときは加熱測温センサにより、流体が徐々に加熱されるが、この加熱は、加熱測温センサとその付近の流体との熱の収支が平衡に達するまで、数十分から数時間の長時間に渡って続き、出力のドリフトとなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上述の問題点を解決するものである。本発明の目的は、安価で、且つ、信頼性が高く、出力ドリフトのない熱式流量計を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、請求項１においては、
熱伝導率の小さな管路に熱伝導率の大きな複数の電極を設け、前記管路に流れる測定流体の流量を測定する熱式流量計において、前記管路はフッ素系樹脂で、前記電極は高熱伝導性セラミックで形成され、これらの電極の一端の表面には電気抵抗体からなる金属が回路パターンによって形成されるとともに、電極の管路との接続部分にはフッ素系樹脂がコーティングされ、そのコーティング部と管路を構成するフッ素系樹脂が超音波溶着されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２においては、請求項１記載の熱式流量計において、
前記回路パターンは端子部分を除いて絶縁部材でコーティングされていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３においては、請求項１又は２記載の熱式流量計において、
流体の流れに沿って所定の距離を隔てて設けた２つの加熱測温センサと、これら加熱測温センサによる熱の影響が及ばない上流側に設けられた１つの測温センサと、前記加熱測温センサと測温センサの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路を設け、これらブリッジ回路からの出力差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする。
請求項４においては、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱式流量計において、
流体の流れに沿って所定の距離を隔てて設けた２つの加熱測温センサと、これら加熱測温センサによる熱の影響が及ばない上流側に設けられた２つの測温センサと、前記加熱測温センサと測温センサの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路を設け、これらブリッジ回路からの出力差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする。
【００１３】
請求項５においては、請求項４に記載の熱式流量計において、
前記測温センサは一つの電極に２つの測温回路が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６においては、請求項３〜５のいずれかに記載の熱式流量計において、
２つの加熱測温センサのそれぞれを用いて加熱測温センサの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路を設け、これらブリッジ回路を構成する一つの抵抗を所定の流体温度によって定まる抵抗値とし、これらブリッジ回路からの出力差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする。
【００１５】
請求項７においては、請求項１〜６のいずれかに記載の熱式流量計において、
２つの加熱測温センサのうち上流側に配置した加熱測温センサの電極を管路に僅かに突出させて流体温度に対する感度を向上させたことを特徴とする
【００１６】
請求項８においては、請求項１に記載の熱式流量計において、
流体の流れに沿って設けられた３つの測温センサおよび１つの加熱測温センサからなり、前記３つの測温センサのうち一つの測温センサは前記加熱測温センサによる熱の影響が及ばない上流側に配置され、２つの測温センサは前記加熱測温センサを挟んで上流側と下流側の等距離の位置に配置され、前記加熱測温センサと上流側に設けた測温センサにより前記加熱測温センサの温度を流体温度に対して所定の温度差を有するように制御し、前記２つの測温センサと加熱測温センサの温度差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の一例を示す要部構成説明図である。図において、図１０に示す従来例とは管路および電極の材質や固定方法が異なっている。
即ち、本実施例においては管路１１ａとしてフッ素系樹脂（例えばテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を使用し、電極１２ａ，１４ａの材質として高熱伝導性セラミック（例えば窒化アルミニウム）を使用する。
【００２０】
また、電極１２ａ，１４ａは例えば断面がＴ字状に形成され、管路に接する側の鍔部にフッ素系樹脂がコーティングされており、管路を構成するフッ素系樹脂と超音波溶着により管路に気密に固定されている。また、窒化アルミニウム電極の他端に形成された加熱測温センサ１３ａの加熱素子としては電気抵抗体からなる金属（例えばニッケルが）が真空蒸着などで成膜されており、同様に膜状に形成された測温回路パターンの端子部分を除く箇所は例えばポリイミド等で絶縁コーティングされている。
【００２１】
上述の構成によればコンタミネーションがないので薬品製造や半導体製造プロセスなどに適用可能である。また、窒化アルミニウムは射出成形が可能なので、電気的、機械的特性の揃った電極を安価に製作することが可能である。また、窒化アルミニウムの電極にセンサ回路パターンを直接形成すれば余分な熱抵抗を低減させることができ熱的・電気的に安定したものとなる（従来例のように薄膜チップ抵抗を電極上に接着すると、チップ抵抗の基材や接着剤の熱抵抗が存在することとなる。この熱抵抗が応答速度を悪化させる）。
【００２２】
また、電極の小型化が可能となり、管形の小さな微小流量にも対応できるようになる。更に電極の熱抵抗が減少するので電極内の温度分布がなくなり、温度測定の精度の向上が図れ分解能も向上する。
【００２３】
図２，図３は流体の流速がゼロか若しくは極めて遅い場合のドリフトを除去した本発明の実施形態の一例を示す断面構成図および流量検出回路のブロック構成図である。この例においては流体の流れに沿って加熱測温センサ３１（Ｒｓ１），３２（Ｒｓ２）と測温センサ３３（Ｒｔ１），３４（Ｒｔ２）を用い、加熱測温センサ３２を加熱測温センサ３１の下流に設置する。
【００２４】
両者の間隔は上流側の加熱測温センサ３１の熱が下流側の加熱測温センサ３２に流体の流れにより伝搬する距離とする。加熱測温センサ３１（Ｒｓ１）と測温センサ３３（Ｒｔ１）、および加熱測温センサ３２（Ｒｓ２）と測温センサ３４（Ｒｔ２）の２組のセンサを用いて、２個のブリッジ回路（加熱測温センサ３１（Ｒｓ１）の測定回路３７と加熱測温センサ３２（Ｒｓ２）の測定回路３８）を構成する。
【００２５】
各測定回路の帰還回路３５，３６により、各加熱測温センサの温度Ｔｈは、流体温度Ｔ０に対して、例えば５℃高い温度とするよう制御される。
加熱測温センサ３２の近傍の流体温度は、上流に設置した加熱測温センサ３１から伝搬する熱により、流体温度Ｔ０から若干高い温度Ｔｗとなる。
【００２６】
加熱測温センサ３１の測定回路３７と加熱測温センサ３２の測定回路３８の出力  Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２は、自乗回路３９，４０に接続される。各自乗回路の出力を差動回路４１に入力して差演算を行い、流量出力Ｖｏｕｔ３を得る。流量出力Ｖｏｕｔ３は流量に対しノンリニアであるため、補正演算回路２５にて、流量に換算する演算を行う。
【００２７】
以下に流量演算方式を説明する。
各加熱測温センサから流体が奪う熱量は以下の式となる。
加熱測温センサ３１の熱量
ＱＵ＝α×Ｓ×（Ｔｈ−Ｔ０）＋周囲への熱伝導・・・▲１▼
加熱測温センサ３２の熱量
ＱＬ＝α×Ｓ×（Ｔｈ１−Ｔｗ）＋周囲への熱伝導・・・▲２▼
【００２８】
α  ：  熱伝達率  ∝Ｖ０．５（流体の流速（層流）の０．５乗に比例する）
Ｖ：  流体の流速
Ｓ  ：  各センサの接液面積
Ｔ０  ：  流体温度  ，  Ｔｈ  ：  加熱測温センサの温度
Ｔｗ  ：  加熱測温センサ３２近傍の流体温度
また、周囲への熱伝導は、流路壁にそって伝導する熱流やゼロ流量時の流路内の液体への熱伝達に相当する。
【００２９】
各測定回路３７，３８の構成より、各測温センサ３３，３４の電圧は次式となる。
Ｖｓ１＝Ｒｓ１／（Ｒｓ１＋Ｒ１１）×Ｖｏｕｔ１
Ｖｓ２＝  Ｒｓ２／（Ｒｓ２＋Ｒ１２）×Ｖｏｕｔ２
上述の流体が奪う熱量と各センサへの供給電力がバランスするよう各測定回路３７，３８の帰還回路が動作する。したがって、
0003582718.tif 000002
【００３０】
Ｒ１１とＲ１２、Ｒｓ１とＲｓ２を同じ定数とすれば、Ｖｏｕｔ１とＶｏｕｔ２の自乗差Ｖｏｕｔ３から以下のように流速Ｖすなわち流量と相関する出力が得られる。
0003582718.tif 000003
【００３１】
上述のように▲１▼，▲２▼式の差分出力を得ることにより、流路内の流体への熱伝達を含む周囲への熱伝導が出力に現れることを阻止することができる。すなわち、ゼロ流量時、流路内の液体を徐々に加熱するドリフト状の出力成分をキャンセルすることができる。
【００３２】
図４は図３に示す流量検出回路の他の実施例を示すブロック構成図である。この例では補正演算回路としてマイコンなどの演算回路を用いたもので、自乗回路や差動回路をデジタル演算により行って流量を演算する。
【００３３】
図５（ａ，ｂ）は図２に示す管路の他の実施例を示す要部構成説明図である。図（ａ，ｂ）において、図２に示すものとは測温センサ３３，３４を一つの電極の上に２つ形成した点が異なっている。なお、図では測温センサを形成する電極を大きく示しているが、実際には配線パターンは小面積に形成可能であり図２に示す測温センサ一つの上に２つの配線パターンを形成する。
従って図５に示す構成によれば電極材料を１つ削減することができコスト低下を図ることができる。
【００３４】
図６，図７は本発明の実施形態の他の実施例を示す断面構成図および流量検出回路のブロック構成図である。この例においては流体の流れに沿って加熱測温センサ３１（Ｒｓ１），３２（Ｒｓ２）を用い、加熱測温センサ３２を加熱測温センサ３１の下流に設置する。
【００３５】
両者の間隔は上流側の加熱測温センサ３１の熱が下流側の加熱測温センサ３２に流体の流れにより伝搬する距離とする。
そして、この実施例においては図３に示す３３および３４の測温センサ（Ｒｔ１），３２（Ｒｔ２）に代えて、同等の抵抗値を有する固定抵抗（Ｒ１３），（Ｒ
２３）を用いる。
【００３６】
この場合は、測温センサによる流体温度の測定に代え流体温度をユーザ入力により、補正演算回路２５に入力する。補正演算回路２５は、加熱測温センサ３１，
３２の設定温度Ｔｈと流体温度Ｔ０の差を一定温度（例えば５℃）に設定するよう、可変抵抗Ｒ１４およびＲ１５を変化させる。流体温度が一定にコントロールされ
ているアプリケーションでは、このような構成とすることで電極数を削減してコスダウンを図ることができる。また、ユーザ側で使用する流体温度が固定されている場合は、ユーザ入力ではなく、工場出荷時に調整・設定してもよい。この場合、ユーザインタフェースおよび可変抵抗の制御回路を省略でき、更なるコストダウン効果を得ることができる。
【００３７】
なお、図２，図５，図６に示すように加熱測温素子を２個使用する場合、流速が速くなると流体３が上下流側の加熱測温素子の部分を通過する時間が早くなり下流側での流体の温度上昇が小さくなる。そのためそれぞれの電極近傍の流体温度が等しくなって差動出力がゼロに近くなる。その様な場合は上流側の電極を管路に僅かに突出するように形成する。
【００３８】
即ち上流側の温度検出感度を下流側に比較してあげておくようにすれば、差動出力がゼロになるのを防止することができる。
その突出量は例えば管径６ｍｍの場合上流側を０．３ｍｍ程度とし、下流側は管壁と略同一面になるようにしたり、接液面積に差を持たせて例えば上流側の電極径を２ｍｍ、下流側の電極径を１ｍｍのようにしてもよい。
【００３９】
図８（ａ，ｂ）は更に他の実施例を示す要部構成図および流量検出回路のブロック構成図である。この例においては加熱センサは１個とし、この加熱センサを中心として、等距離（Ｌ１＝Ｌ２）の上流および下流に、測温センサを２個設ける。図８（ａ）に示すように、最も上流に設置した測温センサ５１（Ｒｔ１）と、加熱センサ５０（Ｒｓ１）で、定温度差制御回路を構成する。すなわち、加熱センサ５０（Ｒｓ１）の温度Ｔｈは、流体温度Ｔ０に対し、ある一定温度分、例えば５℃高い温度に設定する。
【００４０】
これらの図において、管路１１内を流体が流れると、加熱センサ５０から測温センサ５２へ熱が伝搬する。その結果、測温センサ５２近傍の流体温度  Ｔｗ２が上昇し、測温センサ５２の抵抗値Ｒｔ２が増加する。このＲｔ２の抵抗値変化を、測温センサ５２（Ｒｔ２），５３（Ｒｔ３）の測定回路５５にて検出する。
【００４１】
この測定回路５５は、測温センサ５２の抵抗Ｒｔ２と測温センサ５３の抵抗  Ｒｔ３のブリッジ出力である。流量と測定回路５５の出力の相関をあらかじめ測定しておき、補正演算回路２５に校正テーブルとして記憶しておく。流量測定時補正演算回路２５にて、前述の校正テーブルを用いて、流量出力を演算・出力する。
【００４２】
測温センサ５２および測温センサ５３は、加熱測温センサ５０から等距離に設置されている。したがって、流量ゼロ時、双方の測温センサ５２，５３への熱伝達量は等しい。そのため、この熱伝達による流体温度の上昇は、測温センサ測定回路５５内のブリッジ回路でキャンセルされる。その結果、従来例で見られた、流路ゼロ時のドリフト状の出力変化が生じない。
【００４３】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。
【００４４】
また、実施例では電極を断面Ｔ字状としたが電極の形状は単なる棒状のものでもよい。その場合はフッ素系樹脂のコーティングは側面のみに行なって電極側面と管路とを超音波溶着により気密に接続する。
また、実施例では電極を管路の上側に設けた図を示したが、流体に気泡を含む場合や管路に空隙ができるような場合は電極を管路の下側に設けてもよい。
特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１，２によれば、
熱伝導率の小さな管路に熱伝導率の大きな複数の電極を設け、前記管路に流れる測定流体の流量を測定する熱式流量計において、前記管路はフッ素系樹脂で、前記電極は高熱伝導性セラミックで形成され、これらの電極の一端の表面には加熱測温センサおよび又は測温センサとして機能する電気抵抗体からなる金属が回路パターンによって形成されるとともに、電極の管路との接続部分にはフッ素系樹脂がコーティングされ、そのコーティング部と管路を構成するフッ素系樹脂が超音波溶着されており、前記回路パターンは端子部分を除いて絶縁部材でコーティングされているので、耐薬品性やコンタミネーションを嫌う半導体プロセスで使用する超純水の測定にも適用可能であり、余分な熱抵抗を低減させることができ熱的・電気的に安定したものとなり、信頼性を向上させることができる。
【００４７】
請求項３，４，６，８の発明によれば、流体の流れに沿って設けた加熱測温センサおよび測温センサを１つ若しくは複数個設け、これらの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路と補正演算回路により流量の測定を行なうようにしたので、流速がゼロか若しくは極めて遅い場合のドリフトを除去することができる。
請求項５の発明によれば、測温センサを一つの電極に２つ形成したので、部品点数を削減することができる。
請求項７の発明によれば、２つの加熱測温センサのうち上流側に配置した加熱測温センサの電極を管路に僅かに突出させて流体温度に対する感度を向上させたので、差動出力がゼロになることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す要部構成説明図である。
【図２】本発明の実施形態の一例を示す断面構成図である。
【図３】図２の流量検出回路のブロック構成図である。
【図４】図２の流量検出回路の他の実施例を示すブロック構成図である。
【図５】本発明の実施形態の他の実施例を示す断面構成図および゛測温センサの一実施例を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施形態の他の実施例を示す断面構成図である。
【図７】図６の流量検出回路のブロック構成図である。
【図８】本発明の実施形態の他の実施例を示す断面構成図である。
【図９】図８の流量検出回路のブロック構成図である。
【図１０】従来例を示す構成説明図である。
【符号の説明】
２    測定流体
１１  管路
１２  第１電極
１３，３１，３２，５０  加熱測温センサ
１４  第２の電極
１５，３３，３４，５１，５２，５３  測温センサ
２５  補正演算回路
３６  帰還回路
３７  加熱測温センサ３１の測定回路
３８  加熱測温センサ３１の測定回路
３９，４０  自乗回路
４１  差動回路
５４  加熱測温センサ５０の定温度差制御回路
５５  加熱測温センサ５２，５３の測定回路
【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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【図９】
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【図１０】
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