(57)【要約】【課題】特に高速流領域においても、検出素子面付近での乱流発生を防止できて被測定流体の安定した流速流量計測が可能でその計測精度が向上して計測範囲を広く確保することができる信頼性の高い流量計を得ることにある。【解決手段】被測定流体の流路１内に配置した検出素子４を有し、その検出素子面に被測定流体を接触させて被測定流体の流量を電気的に計測する流量計において、前記検出素子４の上流端４ａ側が下流端４ｂ側よりも前記流路１の内壁面１ａに接近する方向に前記検出素子４の表面を傾斜させたものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体の流路内に配置した検出素子を有し、その検出素子面に被測定流体を接触させて被測定流体の流量を電気的に計測する流量計において、前記検出素子の上流端側が下流端側よりも前記流路の内壁面に接近する方向に前記検出素子面を傾斜させたことを特徴とする流量計。
【請求項２】
検出素子の上流端側が下流端側よりも流路の内壁面に接近する方向に検出素子面が傾斜するように前記検出素子の台座を前記流路の壁部に設置したことを特徴とする請求項１記載の流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被測定流体の流路に設置されて被測定流体の流量を熱式流量センサで計測する流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の流量計としての熱式流量センサを流路に設置した状態を示す断面図、図９は図８の要部拡大図である。
図において、１はガス等の被測定流体を流す流路（配管）、２はその流路１に設置した熱式流量センサである。この熱式流量センサ２は、台座３上に一体的に設けられた検出素子（センサチップ）４を備え、この検出素子４の検出素子面には、ヒータ５と、該ヒータ５を挟んで上流側および下流側に位置する測温抵抗体６，７とが配置された構成となっている。
【０００３】
かかる構成の熱式流量センサ２は、台座３を流路１の壁部に気密状態に固着することにより、被測定流体の流れに対して検出素子４が水平となるように該検出素子４を流路１の内部に突出させた取り付け構成としている。
【０００４】
次に動作について説明する。
流路１の矢印方向に被測定流体が流れている状態でヒータ５が通電・加熱されると、上流側の測温抵抗体６が被測定流体で冷却されて温度低下すると共に、下流側の測温抵抗体７がヒータ５で加熱された被測定流体により温度上昇する。したがって、上流側の測温抵抗体６と下流側の測温抵抗体７とでは温度差が生じ、その温度差は被測定流体の流速に比例することから、前記温度差を信号として取り出すことで被測定流体の流量が計測される。
【０００５】
このように上流側の測温抵抗体６と下流側の測温抵抗体７との温度差により被測定流体の流量を計測する熱式流量センサ２は、従来から種々構成のものが提供されている（例えば、特許文献１〜特許文献３）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２−２５９５２７号公報
【特許文献２】
特開平４−２９５７２４号公報
【特許文献３】
特開平８−１４６０２６号公報
【特許文献４】
特開平８−２８５６５２号公報
【特許文献５】
特開２００２−１８１５９４公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱式流量センサからなる流量計は以上のように構成され、検出素子４が流路１内に水平状態に突出しているので、検出素子４の上流側端部（上流側エッジ）４ａに被測定流体が衝突して検出素子面上での被測定流体の流れに乱れが発生し、この乱れ現象は被測定流体の流速が速くなるにつれて大きくなり、流量計測精度が大幅に低下するという課題があった。すなわち、被測定流体の流速が速くなるにつれて、検出素子４の上流側端部４ａに被測定流体が衝突することで被測定流体の跳ね返り流が発生し、これにより検出素子４の周辺には渦流が発生するため、特に被測定流体の高速流領域では流量計測の安定性が損なわれて計測精度が低下するという課題があった。
【０００８】
そこで、上記課題の解決を意図した発明として、例えば特許文献４に記載された熱式流量センサおよび特許文献５に記載された流量制御ユニットがある。
【０００９】
特許文献４では、流路内に水平に設置したセンサチップ（検出素子）の少なくとも上流側端部を斜面状または段階状に形成し、その斜面状部位または段階状部位でセンサチップの水平な表面（検出素子面）上に気体（被測定流体）を導く構成とすることにより、センサチップ上流側の垂直端面に気体が衝突することに起因した当該気体の乱流発生を防止し、高流量側での計測精度を安定させ、計測範囲を広く確保することを意図している。
【００１０】
このような特許文献４の場合、微小流量域では極めて高い感度で被測定流体の流量を計測できるが、センサチップの検出素子面が水平であるために被測定流体の流速が速くなる高速流領域においては、その水平な検出素子面から被測定流体が剥離して前記水平な検出素子面の付近に渦流が発生し、当該渦流は被測定流体の流速が速くなるほど顕著に発生する。そのため、特に高速流領域では流量計測が不安定となって計測精度が低下し、計測範囲を広く確保できなくなるなどの課題があった。
【００１１】
また、特許文献５では、センサ周辺での流体の流れを整流するために、流量計と比例弁との間の管路中に当該管路の内径よりも大きな内径を有する整流部を設けているが、その整流部はハニカム構造にするなど機構的に複雑で且つ大型化するという課題があった。
【００１２】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、特に高速流領域においても、検出素子面付近での乱流発生を防止できて被測定流体の安定した流速流量計測が可能でその計測精度が向上して計測範囲を広く確保することができる信頼性の高い流量計を得ることを目的とする。
【００１３】
また、この発明は、検出素子面およびその付近での渦流発生防止のために検出素子面の上流端側を下流端側より流路内壁面に接近させる方向へ容易かつ確実に所定の傾斜角度で傾斜させることができ、センサ製造時のバラツキを吸収することが可能な流量計を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に係る流量計は、被測定流体の流路内に配置した検出素子を有し、その検出素子面に被測定流体を接触させて被測定流体の流量を電気的に計測する流量計において、前記検出素子の上流端側が下流端側よりも前記流路の内壁面に接近する方向に前記検出素子面を傾斜させたものである。
【００１５】
請求項２記載の発明に係る流量計は、検出素子の上流端側が下流端側よりも流路の内壁面に接近する方向に検出素子面が傾斜するように前記検出素子の台座を前記流路の壁部に設置したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による流量計を流路に設置した状態を示す断面図、図２は図１の要部拡大図であり、図８および図９と同一または相当部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この実施の形態１による流量計は熱式流量センサ２からなるもので、その検出素子（センサチップ）４の台座３は外側フランジ３ａを一体に有している。一方、熱式流量センサ２を設置する流路１の壁部１ａにはセンサ取付孔１ｂが設けられ、このセンサ取付孔１ｂの外側開口部には前記台座３の外側フランジ３ａを嵌め込む凹欠部１ｃが設けられている。
【００１７】
そして、前記凹欠部１ｃの外側から前記センサ取付孔１ｂに検出素子４の台座３を、かつ当該台座３の外側フランジ３ａを前記凹欠部１ｃに嵌め込むことによって、熱式流量センサ２が流路１の壁部に気密状態に取り付けられている。その取り付け状態において、検出素子４は流路１内に露出（突出）し、その検出素子４の上流端４ａが下流端４ｂよりも前記流路１の内壁面に接近する方向に検出素子４の表面（検出素子面）が傾斜している。
【００１８】
なお、前記検出素子４は、その検出素子面と流路１の中心線とのなす角度θが、流路径等との関係から最適な角度（例えば５゜）に設定される。ここで、前記角度θを例えば５゜に設定した場合、センサ製造時のバラツキで前記検出素子４の傾斜角度に±３゜の誤差が生じたとしても、その検出素子面を所定の傾斜方向へ８゜または２゜の角度で傾斜させることができる。
【００１９】
すなわち、この実施の形態１では、検出素子４を上述のように傾斜したセンサ取付状態とするために、前記センサ取付孔１ｂおよび前記凹欠部１ｃの底面を流路１の中心線（流れ方向）に対して所定の角度で傾斜させている。なお、検出素子４とその台座３および外側フランジ３ａはそれぞれが略平行するように一体化されている。したがって、検出素子４をセンサ取付孔１ｂに挿入して外側フランジ３ａを凹欠部１ｃの傾斜底面に当接固定させることにより、検出素子４の上流端４ａが下流端４ｂよりも流路１の内壁面に接近する方向に検出素子４が傾斜したセンサ取付状態とすることができる。
【００２０】
次に動作について説明する。
流路１内を矢印方向に流れる被測定流体は、その流路１内に露出している検出素子４に接触流動するが、当該検出素子４は上流端４ａが下流端４ｂよりも流路１の内壁面に接近する方向に傾斜しているため、検出素子面全体に被測定流体が万遍なく接触して検出素子４付近で被測定流体の乱流が生じるようなことがなく渦流の発生を未然に防止できる。したがって、上流側の測温抵抗体６と下流側の測温抵抗体７との温度差は被測定流体の流速に正確に比例することとなり、その温度差信号を取り出すことで被測定流体の正確な流量流速が計測される。
【００２１】
以上説明した実施の形態１によれば、流路１内に露出させる検出素子４の上流端４ａが下流端４ｂよりも流路１の内壁面１ａに接近する方向に検出素子４を傾斜させて流路１内に配置するように構成したので、流路１内を流れる被測定流体は検出素子４の傾斜した検出素子面に沿った滑らかな流れとなって当該検出素子面全体に万遍なく接触流動し、検出素子４の近傍で被測定流体の流れに乱れが生じなくなるため、特に、高速流領域においても、被測定流体の流量流速を安定して高精度に計測することができると共に、その計測範囲を広く確保できるという効果がある。
【００２２】
また、上記実施の形態１によれば、検出素子４とその台座３および外側フランジ３ａをそれぞれが平行する通常の一体的構成とする一方、流路１の壁部に設けたセンサ取付孔１ｂおよび凹欠部１ｃの底面を前記流路１の中心線（被測定流体の流れ方向）に対して傾斜させたので、前記センサ取付孔１ｂに検出素子４の台座３を挿入して外側フランジ３ａを前記凹欠部１ｃの底面に当接させるだけで、前記検出素子４を上述のように傾斜した設置状態とすることができるという効果がある。なお、前記凹欠部１ｃおよび前記台座３の外側フランジ３ａは必ずしも設ける必要はなく、要するに、センサ取付孔１ｂを流路１の中心センサに対する傾斜孔として形成し、そのセンサ取付孔１ｂに前記台座３を嵌着するだけの構成とした場合でも同様の効果が得られる。
【００２３】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による流量計を流路の設置した状態を示す断面図であり、図１および図２と同一または相当部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この実施の形態２では、流路１の壁部に設けたセンサ取付孔１ｂを流路１の中心線に対する直角方向に貫通孔として形成し、そのセンサ取付孔１ｂに台座３を嵌め込んで外側フランジ３ａを流路１の外周面に当接した状態で前記台座３の流路側先端面３ｂが流路１の内壁面１ａと略平行するように前記台座３を形成し、当該台座３の前記流路側先端面３ｂに対して検出素子４を、その上流端４ａ側が下流端４ｂ側よりも流路１の内壁面１ａに接近する方向に傾斜させて一体的に設けたものである。このように構成した実施の形態２の場合であっても、上記実施の形態１の場合と同様の作用効果が得られる。
【００２４】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３による流量計を流路の設置した状態を示す断面図であり、図１〜図３と同一または相当部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この実施の形態３では、上記実施の形態２による流量計の検出素子４において、その台座３の流路側先端面３ｂを傾斜面として形成し、当該傾斜面に検出素子４を平行させて当該検出素子４を前記台座３の流路側先端面３ｂに一体化し、その台座３を流路１のセンサ取付孔１ｂに嵌着することで、流路１内に露出（突出）させた検出素子４の上流端４ａ側が下流端４ｂ側よりも流路１の内壁面１ａに接近する方向に検出素子４が傾斜したセンサ取付状態となるように構成したものである。したがって、この実施の形態３の場合も上記実施の形態１の場合と同様の作用効果が得られる。
【００２５】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による流量計を流路の設置した状態を示す断面図である。
この実施の形態４では、検出素子４の台座３にボール半導体（例えば、シリコンボール半導体）１０をほぼ半径分だけ埋め込んで一体化し、前記台座３の流路１側の表面から前記ボール半導体１０を半円弧状に突出させ、当該突出部分における上流側円弧面１０ａにセンサチップ（図１〜図４の検出素子４）を張設して球状の半導体構成としたものである。この実施の形態４の場合であっても、前記台座３から流路１内に突出している前記ボール半導体１０の上流側円弧面１０ａに張設したセンサチップは、流路１の内壁面に接近する方向へ円弧状に傾斜した状態となるため、上記実施の形態１の場合と同様の作用効果が期待できる。また、この実施の形態４では、上述のように、台座３にボール半導体１０を部分的に埋め込み一体化するだけでよいので、簡単に製作できるという効果がある。なお、前記ボール半導体１０は、台座３の表面に予め形成した円弧状凹部に接着したものであってもよい。
【００２６】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５による流量計を流路の設置した状態を示す断面図であり、図１〜図５と同一または相当部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この実施の形態５では、流路１内に設けられた分岐流路８内に検出素子４を露出させて設置したものである。この場合も、検出素子４の上流端４ａ側が下流端４ｂ側より前記分岐流路８の内壁面８ａに接近する方向に前記検出素子４を傾斜させて当該検出素子４を前記分岐流路８内の設置したものである。したがって、この実施の形態５にあっても、分岐流路８内における検出素子４の付近で被測定流体の流れに乱れが生じるようなことがなく、分岐流路８内での特に高速流領域においても、被測定流体の流量流速を安定して高精度に計測することができ、その計測範囲を前記分岐流路８において広く確保できるという効果がある。
【００２７】
図７はこの発明による流量計（熱式流量センサ）と従来例の熱式流量センサとを実験して対比した結果を示すグラフ図である。
なお、この発明による流量計としては、図１から図３に示す検出素子４を流路１の中心線に対して傾斜角度５゜で傾斜させた熱式流量センサを用い、従来例の熱式流量センサは検出素子４を流路１内の水平に配置したものを用いた。
その実験の結果、センサ出力σと流速（ｍ／ｓｅｃ）との関係において、この発明による流量計の傾斜した検出素子４では、図７に□印および◇印の曲線で示す特性が得られ、従来例の熱式流量センサにおける水平な検出素子４による特性曲線（図７中の◆■で示す曲線）に比して、特に高速流領域での流速が安定して計測され、その計測精度が大きく向上し、かつ計測範囲を広く確保できた。
【００２８】
また、上述のように検出素子４自体を傾斜させた本発明と、センサチップの少なくとも上流側端部を斜面状又は段階状とした特許文献４との比較においても、特許文献４では１０Ｑ（ｌｉｔｅｒ／ｈｒ）での低流量領域でしか計測精度を向上させることができず、高速流領域ではセンサチップの水平な表面から流体が剥離して当該表面付近に渦流が発生する結果となり、このため、高速流領域においてはセンサ出力に乱れが生じ、安定した正確な計測信号が得られないという危惧がある。
【００２９】
その点、本発明では、流路内に露出する検出素子の上流端側が下流端側よりも流路内壁面に接近する方向に検出素子自体を傾斜させたので、高速流領域においても前記検出素子の傾斜表面に沿った被測定流体の滑らかな流れが得られ、これによって検出素子付近での渦流の発生を未然に防止できるため、図７の■印曲線で示す２０ｍ／ｓｅｃ以上の高速流領域においても安定した高精度の流量流速計測を行うことができる。
これに対して特許文献４の発明の場合、１０Ｑ（ｌｉｔｅｒ／ｈｒ）の領域では流量流速の計測精度に問題はないが、本発明のような２０ｍ／ｓｅｃ以上の高速流領域において高精度の計測を行うことは極めて困難である。
【００３０】
ここで、本発明の高速流領域である２０ｍ／ｓｅｃを、特許文献４に記載された１０Ｑ（ｌｉｔｅｒ／ｈｒ）と同じ流速単位に換算すると、２０ｍ／ｓｅｃ＝１１，１００（ｌｉｔｅｒ／ｈｒ）となり、本発明の２０ｍ／ｓｅｃと特許文献４に記載の１０Ｑ（ｌｉｔｅｒ／ｈｒ）とでは桁違いの領域となる。したがって、本発明によれば、特許文献４の１０Ｑ（ｌｉｔｅｒ／ｈｒ）の領域とは桁違いの２０ｍ／ｓｅｃ以上の高速流領域での流速を安定して計測することができる。これに対して特許文献４の熱式流量センサにより、１０Ｑ（ｌｉｔｅｒ／ｈｒ）以上の領域で流速を計測しようとすると、本発明のような２０ｍ／ｓｅｃの高速流領域に達する以前にセンサ出力が急激に低下する結果となり、本願発明のような高速流領域での流速を安定して計測することは極めて困難である。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、流路内に配置されて被測定流体の流量流速を検知する検出素子の上流端側が下流端側よりも前記流路の内壁面に接近する方向に前記検出素子自体の検出素子面を傾斜させるように構成したので、流路内を流れる被測定流体は検出素子の傾斜した検出素子面に沿った滑らかな流れとなって当該検出素子面全体に万遍なく接触流動し、検出素子の近傍で被測定流体の流れに乱れが生じなくなり、その乱れに起因した渦流の発生を未然に防止できるため、特に、高速流領域においても、被測定流体の流量流速を安定して高精度に計測することができると共に、その計測範囲を広く確保できるという効果がある。
【００３２】
この発明によれば、検出素子の上流端側が下流端側よりも流路の内壁面に接近する方向に検出素子面が傾斜するように前記検出素子の台座を前記流路の壁部に設置するように構成したので、検出素子の台座を流路の壁部に設置するだけで前記検出素子面を上述のように簡単に傾斜させることができるという効果がある。
【００３３】
また、本発明によれば、検出素子を上述のように意図的に傾斜させたので、センサ製造時に検出素子面の傾斜角度にバラツキが生じても、そのバラツキ角度を吸収できる検出素子面の傾斜角度に設定することが可能となり、このため、センサ製造精度の誤差許容範囲を大きくとることも可能で、センサの生産性が向上するなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による流量計を流路に設置した状態を示す断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】この発明の実施の形態２による流量計を流路に設置した状態を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３による流量計を流路に設置した状態を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態４による流量計を流路に設置した状態を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態５による流量計を流路に設置した状態を示す断面図である。
【図７】この発明による流量計（熱式流量センサ）と従来の熱式流量センサとを実験して対比した結果を示すグラフ図である。
【図８】従来の流量計としての熱式流量センサを流路に設置した状態を示す断面図である。
【図９】図８の要部拡大図である。
【符号の説明】
１  流路
２  熱式流量センサ（流量計）
３  台座
４  検出素子
４ａ  上流端
４ｂ  下流端
５  ヒータ
６  測温抵抗体
７  測温抵抗体
８  分岐流路
８ａ  分岐流路内壁面
１０  ボール半導体
１０ａ  ボール半導体の上流側円弧面
【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】
2004264129.tif 000007
【図６】
2004264129.tif 000008
【図７】
2004264129.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004264129.tif 000011