(57)【要約】【課題】  配管を介して伝わる発熱体から補償側の温度センサ部への熱伝導を抑制でき、高精度な流量測定が可能なフローセンサを提供すること。【解決手段】  流体が流れる主配管２の途中に接続されるフローセンサ１であって、主配管の途中にそれぞれの一端が接続され主配管を分岐すると共に再びそれぞれの他端が主配管に接続され主配管の一部となって流体が内部を流通する第１配管３及び第２配管４と、第２配管に設けられた検出用温度センサ部５Ａと、第１配管及び第２配管よりも上流側又は下流側の主配管に設けられた補償用温度センサ部５Ｂと、第２配管に設けられ検出用温度センサ部の近傍に配された発熱体６とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる主配管の途中に接続されるフローセンサであって、
前記主配管の途中にそれぞれの一端が接続され前記主配管を分岐すると共に再びそれぞれの他端が前記主配管に接続され前記主配管の一部となって流体が内部を流通する第１配管及び第２配管と、
前記第２配管に設けられた検出用温度センサ部と、
前記第１配管及び前記第２配管よりも上流側又は下流側の前記主配管に設けられた補償用温度センサ部と、
前記第２配管に設けられ前記検出用温度センサ部の近傍に配された発熱体とを備え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であって、
前記第２配管が、前記第１配管よりも内径が小さ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３】
請求項１又は２に記載のフローセンサにおいて、
前記補償用温度センサ部が、前記第１配管及び前記第２配管よりも上流側に設けられ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、
前記検出用温度センサ部及び前記補償用温度センサ部が、前記第２配管又は前記主配管の外周面に貼り付けられる又は巻き付けられるセンサ用絶縁性フィルムと、
前記センサ用絶縁性フィルムの表面又は裏面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。
【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温度差で流量を測定可能なフローセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱体を挟む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。
【０００４】
これらフローセンサは、温度を検出する一対のセンサだけでなく、一対のセンサの間に発熱体を設けることで、流量だけでなく流れの方向も検知することが可能であると共に、流れの方向にかかわらず、流量測定が可能である。
また、特許文献４では、バイパス管路に流れる流体を所定の分流比で分流して流す測定管路に設けられる一対の加熱測温センサを用いて流体の質量流量を測定する熱式質量流量計が記載されている。なお、この熱式質量流量計では、一対の加熱測温センサだけで流体の流量測定を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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
【特許文献４】特開平１０−３８６５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来のフローセンサでは、発熱体と検出側の温度センサ部と補償側の温度センサ部とが配管上に直列に並んで設置されているため、発熱体の熱が配管を通じて補償側の温度センサ部にも伝わってしまうことで、補償側の温度センサ部が発熱体の熱の影響を受け、流体の温度測定及び流量測定の精度が低下してしまう問題があった。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、配管を介して伝わる発熱体から補償側の温度センサ部への熱伝導を抑制でき、高精度な流量測定が可能な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】
【０００８】
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、流体が流れる主配管の途中に接続されるフローセンサであって、前記主配管の途中にそれぞれの一端が接続され前記主配管を分岐すると共に再びそれぞれの他端が前記主配管に接続され前記主配管の一部となって流体が内部を流通する第１配管及び第２配管と、前記第２配管に設けられた検出用温度センサ部と、前記第１配管及び前記第２配管よりも上流側又は下流側の前記主配管に設けられた補償用温度センサ部と、前記第２配管に設けられ前記検出用温度センサ部の近傍に配された発熱体とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
このフローセンサでは、第１配管及び第２配管よりも上流側又は下流側の主配管に設けられた補償用温度センサ部と、第２配管に設けられ検出用温度センサ部の近傍に配された発熱体とを備えているので、発熱体が第２配管に設けられて主配管に配された補償用温度センサ部から離れることで、発熱体から補償用温度センサ部への熱伝導を抑制することができる。
【００１０】
第２の発明に係るフローセンサは、第１の発明において、前記第２配管が、前記第１配管よりも内径が小さ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、発熱体が設置される第２配管が、第１配管よりも内径が小さく設定されているので、流量が増え流速が上昇しても細い流路の第２配管内で乱流が発生し難く、安定した流量測定が可能になる。また、第２配管が第１配管よりも細管とされることで熱容量が減少し、発熱体の加熱時間短縮や流量測定の応答性の向上等を図ることが可能になる。さらに、細い第２配管の発熱体から主配管の補償用温度センサ部に熱が伝わり難くなるため、より発熱体を高温にすることも可能になり、補償用温度センサ部と検出用温度センサ部との間に、より大きな温度差を設けて測定精度を向上させることができる。
【００１１】
第３の発明に係るフローセンサは、第１又は第２の発明において、前記補償用温度センサ部が、前記第１配管及び前記第２配管よりも上流側に設けら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、補償用温度センサ部が、第１配管及び第２配管よりも上流側に設けられているので、下流側に設けた場合に比べて発熱体による熱の影響をさらに軽減することができ、より高精度な流量測定が可能になる。
【００１２】
第４の発明に係るフローセンサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記検出用温度センサ部及び前記補償用温度センサ部が、前記第２配管又は前記主配管の外周面に貼り付けられる又は巻き付けられるセンサ用絶縁性フィルムと、前記センサ用絶縁性フィルムの表面又は裏面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、検出用温度センサ部及び補償用温度センサ部が、センサ用絶縁性フィルムと、薄膜サーミスタ部と、一対の対向電極とを備えているので、センサ用絶縁性フィルムを第２配管又は主配管の外周面に貼り付ける又は巻き付けることで、容易に検出用温度センサ部及び補償用温度センサ部を第２配管又は主配管に設置できる。また、薄い薄膜サーミスタ部がセンサ用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。
【発明の効果】
【００１３】
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、第１配管及び第２配管よりも上流側又は下流側の主配管に設けられた補償用温度センサ部と、第２配管に設けられ検出用温度センサ部の近傍に配された発熱体とを備えているので、発熱体が第２配管に設けられて主配管に配された補償用温度センサ部から離れることで、発熱体から補償用温度センサ部への熱伝導を抑制することができる。
したがって、本発明のフローセンサでは、補償用温度センサ部が発熱体から受ける熱の影響を大幅に低減することができ、高精度な流量測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るフローセンサの一実施形態を示す構成図である。
【図２】本実施形態において、取り付け前の検出用温度センサ部及び補償用温度センサ部を示す平面図である。
【図３】本実施形態において、フローセンサの他の例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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及び図２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。
【００１６】
本実施形態のフローセンサ１は、図１に示すように、気体や液体等の流体が流れる主配管２の途中に接続されるフローセンサであって、主配管２の途中にそれぞれの一端が接続され主配管２を２つに分岐すると共に再びそれぞれの他端が主配管２に接続され主配管２の一部となって流体が内部を流通する第１配管３及び第２配管４と、第２配管４の外周面に設けられた検出用温度センサ部５Ａと、第１配管３及び第２配管４よりも上流側又は下流側の主配管２に設けられた補償用温度センサ部５Ｂと、第２配管４の外周面に設けられ検出用温度センサ部５Ａの近傍に配された電気抵抗により発熱する発熱体６とを備えている。
【００１７】
なお、本実施形態では、補償用温度センサ部５Ｂが第１配管３及び第２配管４よりも上流側に設けられている。すなわち、補償用温度センサ部５Ｂは、第１配管３及び第２配管４の上流側端部が接続された部分２ａよりも上流側の主配管２に設置されている。
また、第２配管４が、第１配管３よりも内径が小さく設定されている。すなわち、本実施形態では、円筒状の主配管２と軸線を一致させて同じ径の第１配管３が主配管２に両端が接続されていると共に、第１配管３よりも径が小さい細管の第２配管４がコ字状に屈曲されて両端が主配管２に接続されている。
【００１８】
上記検出用温度センサ部５Ａは、発熱体６の熱の影響を受けた流体の温度変化を検出する検出側の温度センサ部となり、補償用温度センサ部５Ｂは発熱体６の熱の影響を受けていない流体の温度を検出する補償側の温度センサ部となる。
【００１９】
上記第２配管４は、発熱体６から主配管２の補償用温度センサ部５Ｂへの熱伝導を抑制するため、検出用温度センサ部５Ａ及び発熱体６が設置された部分をできるだけ第１配管３の補償用温度センサ部５Ｂから離間させて延在させることが好ましい。
本実施形態では、上記検出用温度センサ部５Ａ及び発熱体６は、第２配管４の中間部に貼り付けられている。
なお、発熱体６の熱が、空間を介して主配管２の補償用温度センサ部５Ｂへ伝わることを防ぐために、第１配管３と第２配管４又は主配管２との間に断熱材を設置しても構わない。
【００２０】
上記第１配管３及び第２配管４は、例えば主配管２と同じ材料で形成されている。
なお、第１配管３及び第２配管４を、熱伝導率の大きいアルミニウム管等の金属管で形成しても構わない。この場合、発熱体６と電気的に絶縁するために絶縁性フィルムを介して第２配管４に発熱体６を巻き付けることが好ましい。
【００２１】
なお、本実施形態では、検出用温度センサ部５Ａ及び補償用温度センサ部５Ｂが、第２配管４又は主配管２の略全周に亘って巻き付けられて延在しているが、これらの外周面の一部に接着剤等で貼り付けられていても構わない。また、上記発熱体６は流路に対して検出用温度センサ部５Ａの下流側に配されているが、検出用温度センサ部５Ａの上流側に配しても構わない。また、発熱体６と検出用温度センサ部５Ａとを流路上の同じ位置に重ねて貼り付けても構わない。
【００２２】
上記検出用温度センサ部５Ａ及び補償用温度センサ部５Ｂは、図２に示すように、第２配管４又は主配管２の外周面に貼り付けられる又は巻き付けられるセンサ用絶縁性フィルム７と、センサ用絶縁性フィルム７の表面又は裏面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の上又は下に互いに対向して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、薄膜サーミスタ部８がセンサ用絶縁性フィルム７の表面に形成され、一対の対向電極９は、薄膜サーミスタ部８の上に形成されている。
【００２３】
上記センサ用絶縁性フィルム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、センサ用絶縁性フィルム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。
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。
【００２４】
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。
【００２５】
なお、本実施形態では、特にＴｉ−Ａｌ−Ｎのサーミスタ材料でセンサ用絶縁性フィルム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。
【００２６】
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。
【００２７】
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中、流体の流れる方向は、二点鎖線の矢印で示している。また、図２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。
【００２８】
上記発熱体６は、例えばニクロム線等の電熱線を第２配管４に巻き付けたものである。
なお、発熱体として、検出用温度センサ部５Ａと同様に、第２配管４の外周面に貼り付けられる又は巻き付けられる発熱体用絶縁性フィルムと、発熱体用絶縁性フィルムの表面又は裏面に形成された抵抗加熱体とを備えているものを採用しても構わない。
【００２９】
上記センサ用パッド部９ｂには、それぞれ検出用温度センサ部５Ａ又は補償用温度センサ部５Ｂ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１１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１２が接続されている。
さらに、一対の温度演算部１１と発熱体制御部１２とには、算出した検出用温度センサ部５Ａ及び補償用温度センサ部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１３が接続されている。
【００３０】
このように本実施形態のフローセンサ１では、第１配管３及び第２配管４よりも上流側又は下流側の主配管２に設けられた補償用温度センサ部５Ｂと、第２配管４に設けられ検出用温度センサ部５Ａの近傍に配された発熱体６とを備えているので、発熱体６が第２配管４に設けられて主配管２に配された補償用温度センサ部５Ｂから離れることで、発熱体６から補償用温度センサ部５Ｂへの熱伝導を抑制することができる。
特に、補償用温度センサ部５Ｂが、第１配管３及び第２配管４よりも上流側に設けられることで、下流側に設けた場合に比べて発熱体６による熱の影響をさらに軽減することができ、より高精度な流量測定が可能になる。
【００３１】
また、発熱体６が設置される第２配管４が、第１配管３よりも内径が小さく設定されているので、流量が増え流速が上昇しても細い流路の第２配管４内で乱流が発生し難く、安定した流量測定が可能になる。また、第２配管４が第１配管３よりも細管とされることで熱容量が減少し、発熱体６の加熱時間短縮や流量測定の応答性の向上等を図ることが可能になる。さらに、細い第２配管４の発熱体６から主配管２の補償用温度センサ部５Ｂに熱が伝わり難くなるため、より発熱体６を高温にすることも可能になり、補償用温度センサ部５Ｂと検出用温度センサ部５Ａとの間に、より大きな温度差を設けて測定精度を向上させることができる。
【００３２】
さらに、検出用温度センサ部５Ａ及び補償用温度センサ部５Ｂが、センサ用絶縁性フィルム７と、薄膜サーミスタ部８と、一対の対向電極９とを備えているので、センサ用絶縁性フィルム７を第２配管４又は主配管２の外周面に貼り付ける又は巻き付けることで、容易に検出用温度センサ部５Ａ及び補償用温度センサ部５Ｂを第２配管４又は主配管２に設置できる。また、薄い薄膜サーミスタ部８がセンサ用絶縁性フィルム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。
【００３３】
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。
【００３４】
例えば、上記各実施形態では、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。
また、上記実施形態のように、補償用温度センサ部を第１配管及び第２配管よりも上流側の主配管に取り付けていることが好ましいが、図３に示すように、補償用温度センサ部５Ｂを第１配管３及び第２配管４よりも下流側の主配管２に取り付けたフローセンサ１Ｂとしても構わない。すなわち、補償用温度センサ部５Ｂは、第１配管３及び第２配管４の下流側端部が接続された部分２ｂよりも下流側の主配管２に設置されている。
また、上記実施形態において、第１配管３と第２配管４との間に差圧を生じさせ第１配管３と第２配管４との分流比が所定の設計値となるように、第１配管３内に抵抗体を設置しても構わない。特に、第１配管３と第２配管４とが同じ配管径で分岐している場合に、上記抵抗体が設置される。この抵抗体は、複数の内部流路を有する定流量特性を有するバイパス素子等の抵抗部材で構成されている。例えば、抵抗体として、複数本の細管を配管内に挿入して形成したものや、多数の貫通孔を形成した薄い薄板を複数枚積層したものなどが採用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１，１Ｂ…フローセンサ、２…主配管、３…第１配管、４…第２配管、５Ａ…検出用温度センサ部、５Ｂ…補償用温度センサ部、６…発熱体、７…センサ用絶縁性フィルム、８…薄膜サーミスタ部、９…対向電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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