(57)【要約】【課題】  検出感度の低下を抑制して感度の改善を図ることができるフローセンサを提供すること。【解決手段】  流体が流れる配管Ｐの途中に設置されるフローセンサ１であって、配管の上流側に接続される上流側筒部２と、配管の下流側に接続される下流側筒部３と、上流側筒部と下流側筒部とを連結する中間筒部４と、上流側筒部に設置された上流側温度センサ５Ａと、下流側筒部に設置された下流側温度センサ５Ｂと、下流側筒部に設置され電気抵抗により発熱する発熱体６とを備え、中間筒部が、上流側筒部及び下流側筒部よりも熱伝導率の小さい材料で形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる配管の途中に設置されるフローセンサであって、
前記配管の上流側に接続される上流側筒部と、
前記配管の下流側に接続される下流側筒部と、
前記上流側筒部と前記下流側筒部とを連結する中間筒部と、
前記上流側筒部に設置された上流側温度センサと、
前記下流側筒部に設置された下流側温度センサと、
前記下流側筒部に設置され電気抵抗により発熱する発熱体とを備え、
前記中間筒部が、前記上流側筒部及び前記下流側筒部よりも熱伝導率の小さい材料で形成されていることを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のフローセンサにおいて、
前記上流側筒部及び前記下流側筒部が、金属で形成され、
前記中間筒部が、樹脂で形成されていることを特徴とするフローセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のフローセンサにおいて、
前記上流側温度センサ及び前記下流側温度センサが、前記上流側筒部又は前記下流側筒部に貼り付けられた又は巻き付けられた絶縁性フィルムと、
前記絶縁性フィルムにサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部と、
前記薄膜サーミスタ部に形成された一対の対向電極とを備えていることを特徴とするフローセンサ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のフローセンサにおいて、
前記上流側温度センサを覆う上流側風防部と、
前記下流側温度センサ及び前記発熱体を覆う下流側風防部とを備え、
前記上流側風防部と前記下流側風防部とが、分離していることを特徴とするフローセンサ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のフローセンサにおいて、
前記上流側筒部及び前記下流側筒部の内径が、前記配管の内径よりも大きく設定されていることを特徴とするフローセンサ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のフローセンサにおいて、
前記発熱体が、前記下流側温度センサよりも下流側に配されていることを特徴とするフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管を流れる流体の流量を測定可能な熱型フローセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱体より上流側の温度センサと、発熱体に近い下流側に配された温度センサとの２つの温度センサの温度差によって流量を測定するフローセンサが知られている。例えば、特許文献１では、流体を通す管に取り付けた発熱体と、管の発熱体の上流側及び下流側にそれぞれ設けた上流側及び下流側温度検出手段と、両温度検出手段の検出温度差に基づいて管を通過する流体の流量を求める演算手段とを有した熱式流量計が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２では、液体が流通するＵ字形流管と、Ｕ字形流管に巻き付けられた抵抗線の加熱手段と、加熱手段の前後でＵ字形流管に巻き付けられ温度を測定する一対の感熱抵抗線とを備えた熱式流量センサが記載されている。
さらに、特許文献３では、２つの感熱抵抗素子を支持している２つの基板にガスが流れる通路を形成する筒体が設けられ、その外表面上に抵抗線のヒータが巻きつけられているフローセンサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１０７０９３号公報
【特許文献２】特開平２−１４１６２１号公報
【特許文献３】特開２００５−２４４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来のフローセンサでは、補償用となる上流側の温度センサに下流側の発熱体の熱が管を介して伝わってしまい、上流側と下流側との温度センサ間の温度差が小さくなって検出感度が低下してしまう問題があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、検出感度の低下を抑制して感度の改善を図ることができるフローセンサ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】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るフローセンサは、流体が流れる配管の途中に設置されるフローセンサであって、前記配管の上流側に接続される上流側筒部と、前記配管の下流側に接続される下流側筒部と、前記上流側筒部と前記下流側筒部とを連結する中間筒部と、前記上流側筒部に設置された上流側温度センサと、前記下流側筒部に設置された下流側温度センサと、前記下流側筒部に設置され電気抵抗により発熱する発熱体とを備え、前記中間筒部が、前記上流側筒部及び前記下流側筒部よりも熱伝導率の小さい材料で形成されていることを特徴とする。
【０００８】
このフローセンサでは、中間筒部が、上流側筒部及び下流側筒部よりも熱伝導率の小さい材料で形成されているので、発熱体の熱が熱伝導率の小さい中間筒部によって上流側筒部に伝わり難く、上流側温度センサと下流側温度センサとの間の温度差が大きくなって検出感度を改善することができる。このように、中間筒部が、両側の上流側筒部と下流側筒部との熱分離を行うことで、流量に対する温度変化が増加し、検出感度が改善する。
【０００９】
第２の発明に係るフローセンサでは、第１の発明において、前記上流側筒部及び前記下流側筒部が、金属で形成され、前記中間筒部が、樹脂で形成されていることを特徴とする。
すなわち、このフローセンサでは、上流側筒部及び下流側筒部が、金属で形成され、中間筒部が、樹脂で形成されているので、金属の上流側筒部及び下流側筒部が流体に対して高い放熱性が有すると共に、樹脂の中間筒部が両側の金属の上流側筒部及び下流側筒部に対して熱伝導率がかなり小さく、高い断熱効果を得ることができる。
【００１０】
第３の発明に係るフローセンサでは、第１又は第２の発明において、前記上流側温度センサ及び前記下流側温度センサが、前記上流側筒部又は前記下流側筒部に貼り付けられた又は巻き付けられた絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムにサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部に形成された一対の対向電極とを備えていることを特徴とする。
すなわち、このフローセンサでは、上流側温度センサ及び下流側温度センサが、上流側筒部又は下流側筒部に貼り付けられた又は巻き付けられた絶縁性フィルムと、絶縁性フィルムに形成された薄膜サーミスタ部及び一対の対向電極とを備えているフィルム型温度センサであるので、薄い薄膜サーミスタ部が絶縁性フィルムと共に曲げ易いと共に、膜状の薄膜サーミスタ部が面接触していることで、線状の抵抗体を用いた温度センサに比べて、より高精度な温度測定が可能になる。
【００１１】
第４の発明に係るフローセンサでは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記上流側温度センサを覆う上流側風防部と、前記下流側温度センサ及び前記発熱体を覆う下流側風防部とを備え、前記上流側風防部と前記下流側風防部とが、分離していることを特徴とする。
すなわち、このフローセンサでは、上流側温度センサを覆う上流側風防部と、下流側温度センサ及び発熱体を覆う下流側風防部とを備えているので、風による外乱等の外界の影響を遮断することができると共に、上流側風防部と下流側風防部とが分離しているので、上流側風防部と下流側風防部との間の伝熱を抑制することができる。
【００１２】
第５の発明に係るフローセンサでは、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記上流側筒部及び前記下流側筒部の内径が、前記配管の内径よりも大きく設定されていることを特徴とする。
すなわち、このフローセンサでは、上流側筒部及び下流側筒部の内径が、配管の内径よりも大きく設定されているので、上流側筒部及び下流側筒部の内周面の面積が大きくなり流体への放熱性が向上して、より高精度な温度測定が可能になる。
【００１３】
第６の発明に係るフローセンサは、第１から第５の発明のいずれかにおいて、前記発熱体が、前記下流側温度センサよりも下流側に配されていることを特徴とする。
すなわち、このフローセンサでは、発熱体が、下流側温度センサよりも下流側に配されているので、発熱部から下流側温度センサへの熱の移動と対向する方向に流体が流れることで、流体への放熱性が向上して、より高精度な温度測定が可能になる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るフローセンサによれば、中間筒部が、上流側筒部及び下流側筒部よりも熱伝導率の小さい材料で形成されているので、発熱体の熱が熱伝導率の小さい中間筒部によって上流側筒部に伝わり難く、上流側温度センサと下流側温度センサとの間の温度差が大きくなって検出感度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るフローセンサの一実施形態において、中心軸に沿って破断した斜視図である。
【図２】本実施形態において、設置台にセットしたフローセンサを示す斜視図である。
【図３】本実施形態において、フローセンサの断面及び演算部等との接続を示す図である。
【図４】本実施形態において、上流側温度センサ及び下流側温度センサを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るフローセンサにおける一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。
【００１７】
本実施形態のフローセンサ１は、図１から図３に示すように、気体や液体等の流体が流れる配管Ｐの途中に設置されるフローセンサであって、配管Ｐの上流側に接続される上流側筒部２と、配管Ｐの下流側に接続される下流側筒部３と、上流側筒部２と下流側筒部３とを連結する中間筒部４と、上流側筒部２に設置された上流側温度センサ５Ａと、下流側筒部３に設置された下流側温度センサ５Ｂと、下流側筒部３に設置され電気抵抗により発熱する発熱体６とを備えている。
上記上流側温度センサ５Ａは、リファレンス（補償）用センサであり、上記下流側温度センサ５Ｂは、ヒータである発熱体６側センサとなる。
【００１８】
上記中間筒部４は、上流側筒部２及び下流側筒部３よりも熱伝導率の小さい材料で形成されている。
本実施形態では、上流側筒部２及び下流側筒部３が、金属で形成され、中間筒部４が、樹脂で形成されている。例えば、上流側筒部２及び下流側筒部３が、アルミニウム管で形成され、中間筒部４が、アクリル系樹脂管で形成されている。
上流側筒部２と下流側筒部３と中間筒部４とは、それぞれ同じ軸線上につながった円筒部となっている。
【００１９】
上記上流側温度センサ５Ａ及び下流側温度センサ５Ｂは、図４に示すように、上流側筒部２又は下流側筒部３に貼り付けられた又は巻き付けられた絶縁性フィルム７と、絶縁性フィルム７にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部８と、薄膜サーミスタ部８に形成された一対の対向電極９とを備えている。
なお、本実施形態では、一対の対向電極９は、薄膜サーミスタ部８の上にパターン形成されている。また、本実施形態の上流側温度センサ５Ａ及び下流側温度センサ５Ｂは、上流側筒部２又は下流側筒部３の外周面に約１／４周の長さで貼り付けられているが、全周にわたって貼り付け又は巻き付けても構わない。
【００２０】
本実施形態のフローセンサ１は、さらに上流側温度センサ５Ａを覆う上流側風防部１０Ａと、下流側温度センサ５Ｂ及び発熱体６を覆う下流側風防部１０Ｂとを備えている。
上記上流側風防部１０Ａと下流側風防部１０Ｂとは、互いに離間して分離している。すなわち、上流側風防部１０Ａと下流側風防部１０Ｂとは、中間筒部４を間に挟んで上流側と下流側とに分かれて設置されている。
【００２１】
上流側風防部１０Ａと下流側風防部１０Ｂとは、それぞれ上流側筒部２又は下流側筒部３の外周を覆って設置され、空洞部１０ａを内部に形成している。すなわち、上流側風防部１０Ａの空洞部１０ａ内には、上流側温度センサ５Ａが収納され、下流側風防部１０Ｂの空洞部１０ａ内には、下流側温度センサ５Ｂ及び発熱体６が収納されている。
なお、上流側風防部１０Ａ及び下流側風防部１０Ｂには、空洞部１０ａの内外に連通した貫通部１０ｂがそれぞれ形成されている。これらの貫通部１０ｂは、周方向に延在した０．５ｍｍ程度の隙間である。
【００２２】
上記上流側筒部２及び下流側筒部３の内径は、配管Ｐの内径よりも大きく設定されている。
上流側の配管Ｐと上流側筒部２とは、上流側連結筒部１１Ａを介して連結、接続され、下流側の配管Ｐと下流側筒部３とは、下流側連結筒部１１Ｂを介して連結、接続されている。
【００２３】
上流側連結筒部１１Ａは、上流側筒部２側の内径が上流側筒部２に向けて漸次大きく設定されており、下流側連結筒部１１Ｂは、下流側筒部３側の内径が下流側筒部３に向けて漸次大きく設定されている。
上流側連結筒部１１Ａ及び下流側連結筒部１１Ｂは、例えば樹脂で形成されている。上流側連結筒部１１Ａは、上流側風防部１０Ａの一部と一体に成形されていると共に、下流側連結筒部１１Ｂは、下流側風防部１０Ｂの一部と一体に成形されている。また、中間筒部４は、上流側連結筒部１１Ａの一部及び下流側連結筒部１１Ｂの一部と一体に成形されている。
【００２４】
絶縁性フィルム７は、図４に示すように、長方形状又は帯状に形成されており、薄膜サーミスタ部８は、絶縁性フィルム７の長手方向に延在して設けられている。
したがって、本実施形態では、絶縁性フィルム７が、長手方向を上流側筒部２又は下流側筒部３の周方向に沿わせてこれらの外周面に裏面側を向けて接着剤等で貼り付けられている。
【００２５】
上記絶縁性フィルム７は、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで形成されている。なお、絶縁性フィルム７は、他にＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート，ＰＥＮ：ポリエチレンナフタレート，ＬＣＰ：液晶ポリマー等でも作製できる。
【００２６】
上記薄膜サーミスタ部８は、フレキシブル性を有したサーミスタ膜であって、例えばスパッタリングで成膜されたＭ−Ａｌ−Ｎ膜（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示す）である。
すなわち、薄膜サーミスタ部８は、一般式：ＭｘＡｌｙＮｚ（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示す。０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９８、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。なお、これらの膜については、フレキシブル性と良好なサーミスタ特性とが確認されている。また、薄膜サーミスタ部８には、サーミスタ特性を大きく変えない範囲内において、酸素が含まれていてもよい。
【００２７】
なお、本実施形態では、特にＴｉ−Ａｌ−Ｎのサーミスタ材料で絶縁性フィルム７の長手方向に延在した帯状に形成された薄膜サーミスタ部８を採用している。すなわち、この薄膜サーミスタ部８は、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。
【００２８】
上記発熱体６は、例えば下流側筒部３の外周面において下流側温度センサ５Ｂの隣に巻き付けられたニクロム線である。本実施形態では、下流側温度センサ５Ｂよりも下流側に発熱体６が設置されているが、下流側温度センサ５Ｂの近傍であれば下流側温度センサ５Ｂの上流側に発熱体６を設置しても構わない。
なお、発熱体として、通電により加熱する抵抗加熱が可能なニッケル膜やサーミスタ膜等を、絶縁性フィルム上にミアンダ状に折り返しジグザグに屈曲した線状や帯状にパターン形成したもの等を採用しても構わない。
【００２９】
上記一対の対向電極９は、互いに対向して櫛型状にパターン形成された櫛型電極であり、交互に配された複数の櫛部９ａを有している。
これら一対の対向電極９は、例えば膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０〜１０００ｎｍ形成された電極層とを有している。
一対の対向電極９の基端部には、一対のセンサ用パッド部９ｂが設けられており、外部の回路と接続可能とされている。
【００３０】
なお、ポリイミド樹脂等で形成された薄い絶縁性保護膜を、センサ用パッド部９ｂを除き、一対の対向電極９を含む薄膜サーミスタ部８上に、スクリーン印刷等で部分的にパターン形成しても構わない。
図１から図３では、流体の流れる方向を二点鎖線の矢印で示している。すなわち、流体は、上流側の配管Ｐから上流側連結筒部１１Ａを介して上流側筒部２、中間筒部４及び下流側筒部３の順にこれらの内部を流通し、下流側連結筒部１１Ｂを介して下流側の配管Ｐへと流れる。
また、図４中、一対の対向電極９及び薄膜サーミスタ部８には、ハッチングを施している。また、図２では、フローセンサ１を設置台１５上に載置した状態を図示している。
【００３１】
上流側温度センサ５Ａ及び下流側温度センサ５Ｂのセンサ用パッド部９ｂには、それぞれの出力に基づいて流体の温度を算出する一対の温度演算部１２が接続されている。
また、発熱体６には、発熱体６の温度を所定の温度に制御する発熱体制御部１３が接続されている。
さらに、一対の温度演算部１２と発熱体制御部１３とには、算出した上流側温度センサ５Ａ及び下流側温度センサ５Ｂにおける各検出温度及び検出温度差と、発熱体６による流体への加熱量（放熱量）と、流体の物性値とに基づいて流体の流量を算出する流量演算装置１４が接続されている。
【００３２】
このように本実施形態のフローセンサ１では、中間筒部４が、上流側筒部２及び下流側筒部３よりも熱伝導率の小さい材料で形成されているので、発熱体６の熱が熱伝導率の小さい中間筒部４によって上流側筒部２に伝わり難く、上流側温度センサ５Ａと下流側温度センサ５Ｂとの間の温度差が大きくなって検出感度を改善することができる。このように、中間筒部４が、両側の上流側筒部２と下流側筒部３との熱分離を行うことで、流量に対する温度変化が増加し、検出感度が改善する。
【００３３】
特に、上流側筒部２及び下流側筒部３が、金属で形成され、中間筒部４が、樹脂で形成されているので、金属の上流側筒部２及び下流側筒部３が流体に対して高い放熱性が有すると共に、樹脂の中間筒部４が金属の上流側筒部２及び下流側筒部３に対して熱伝導率がかなり小さく、高い断熱効果を得ることができる。
【００３４】
また、上流側温度センサ５Ａ及び下流側温度センサ５Ｂが、上流側筒部２又は下流側筒部３に貼り付けられた又は巻き付けられた絶縁性フィルム７と、絶縁性フィルム７に形成された薄膜サーミスタ部８及び一対の対向電極９とを備えているフィルム型温度センサであるので、薄い薄膜サーミスタ部８が絶縁性フィルム７と共に曲げ易いと共に、膜状の薄膜サーミスタ部８が面接触していることで、線状の抵抗体を用いた温度センサに比べて、より高精度な温度測定が可能になる。
【００３５】
また、上流側温度センサ５Ａを覆う上流側風防部１０Ａと、下流側温度センサ５Ｂ及び発熱体６を覆う下流側風防部１０Ｂとを備えているので、風による外乱等の外界の影響を遮断することができると共に、上流側風防部１０Ａと下流側風防部１０Ｂとが分離しているので、上流側風防部１０Ａと下流側風防部１０Ｂとの間の伝熱を抑制することができる。
【００３６】
さらに、上流側筒部２及び下流側筒部３の内径が、配管Ｐの内径よりも大きく設定されているので、上流側筒部２及び下流側筒部３の内周面の面積が大きくなり流体への放熱性が向上して、より高精度な温度測定が可能になる。
また、発熱体６が、下流側温度センサ５Ｂよりも下流側に配されているので、発熱部６から下流側温度センサ５Ｂへの熱の移動と対向する方向に流体が流れることで、流体への放熱性が向上して、より高精度な温度測定が可能になる。
【００３７】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、薄膜サーミスタ部の上に一対の対向電極が形成されているが、薄膜サーミスタ部の下、すなわち薄膜サーミスタ部と絶縁性フィルムとの間に一対の対向電極を形成しても構わない。
【符号の説明】
【００３８】
１…フローセンサ、２…上流側筒部、３…下流側筒部、４…中間筒部、５Ａ…上流側温度センサ、５Ｂ…下流側温度センサ、６…発熱体、７…絶縁性フィルム、８…薄膜サーミスタ部、９…対向電極、１０Ａ…上流側風防部、１０Ｂ…下流側風防部、Ｐ…配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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