(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口から出口に通じると共に互いに並列に配設された複数の流路と、これら各流路の周壁を構成して、その各流路における入口と出口の間を仕切るようにした多孔質の透過膜と、入口と出口の差圧を計測する差圧センサと、前記複数の流路を切り替える切替手段と、前記差圧センサの信号に基づいて流体の流速又は流量を演算する演算部と、前記切替手段を制御する制御部とを具備し、流路を流れる被計測流体が一定流量の際に、異なる流路で測定したときの差圧の相関が異なる場合に、透過膜の目詰まりの異常と検知することを特徴とする気体用流量計。
【請求項２】
少なくとも２つの透過膜の通気特性が異なることを特徴とする請求項１記載の気体用流量計。
【請求項３】
前記透過膜の厚み、又は／及び、開孔率を変えて、透過膜の通気特性が異なるようにしたことを特徴とする請求項２記載の気体用流量計。
【請求項４】
少なくとも２つの透過膜の面積が異なることを特徴とする請求項１記載の気体用流量計。
【請求項５】
前記切替手段が各透過膜にそれぞれ直列に配設された電磁弁であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の気体用流量計。
【請求項６】
透過膜が筒形に形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の気体用流量計。
【請求項７】
透過膜がアコーディオン状に折りたたんで形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の気体用流量計。
【請求項８】
被計測流体が水素であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の気体用流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気体、特に分子量の小さい水素ガスのような気体の流量を計測するのに好適な気体用流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体用流量計として、ゴム膜式、回転子式などの容積流量計とか、超音波流量計とか、フルイディック流量計、カルマン渦流量計とか、オリフィスやベンチュリを用いる絞り流量計などが公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術では、分子量が小さい（密度が小さい）水素ガス等の気体の流速や流量の測定が困難であるという問題点があった。その理由は、容積式流量計では構造上に機械的な損失が伴うので、隙間からの漏れが大きく測定誤差が大きい。超音波流量計は出力が小さく、音速も速く不可である。同様に、フルイディック流量計やカルマン渦流量計も、出力が小さく測定できない。そして、絞り流量計も差圧が小さく、レンジャビリティが狭い等の理由による。そこで、本発明は前記問題点を解消できる気体用流量計を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、入口から出口に通じると共に互いに並列に配設された複数の流路と、これら各流路の周壁を構成して、その各流路における入口と出口の間を仕切るようにした多孔質の透過膜と、入口と出口の差圧を計測する差圧センサと、前記複数の流路を切り替える切替手段と、前記差圧センサの信号に基づいて流体の流速又は流量を演算する演算部と、前記切替手段を制御する制御部とを具備し、流路を流れる被計測流体が一定流量の際に、異なる流路で測定したときの差圧の相関が異なる場合に、透過膜の目詰まりの異常と検知することを特徴とする気体用流量計である。
【０００５】
この発明で、重力加速度をｇ、差圧をΔＰ、気体の密度をγとすると、流速ｑはベルヌーイの公式から次の（１）式で求められる。
【０００６】
ｑ＝Ｋ・（２ｇ・ΔＰ／γ）1/2 ・・・（１）
また、（１）式を書き換えると、差圧ΔＰは次の（２）式で表される。
【０００７】
ΔＰ＝Ｋ′・γ・ｑ2 ／２ｇ    ・・・（２）
即ち、密度γに比例して差圧ΔＰが小さくなる。なお、（１）（２）式でＫとＫ′は比例定数である。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の気体用流量計において、少なくとも２つの透過膜の通気特性が異なることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項３の発明は、請求項２の気体用流量計において、前記透過膜の厚み、又は／及び、開孔率を変えて、透過膜の通気特性が異なるようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１の気体用流量計において、少なくとも２つの透過膜の面積が異なることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１〜４の何れか１項の気体用流量計において、前記切替手段が各透過膜にそれぞれ直列に配設された電磁弁であることを特徴とするものである。
電磁弁は、膜式ガスメータで広く実用化されている電磁弁を用いて開閉するのが簡便である。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１〜５の何れか１項の気体用流量計において、透過膜が筒形に形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１〜６の何れか１項の気体用流量計において、透過膜がアコーディオン状に折りたたんで形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項１〜７の何れか１項の気体用流量計において、被計測流体が水素であることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に従って説明する。
【００１７】
図１の実施例で、入口１から入った気体は、流路２に配設された多孔質の透過膜３を通過（透過）して出口４へと流れる。５はケース、６は仕切り板、７は円筒形の透過膜３の図示右端を閉じるように透過膜に取り付けられた底板である。
【００１８】
透過膜３は後述するように微細な孔が多数配設された多孔質の膜で、厚さがｔ、外径がφであるが、厚さｔは図面では誇張して大きく示してある。入口１と出口４の圧力、即ち透過膜３の前後の圧力Ｐ1 ，Ｐ2 は差圧センサ８で電気信号に変換され、演算部９で前記（１）式を使って流速を演算し、更に流速に透過膜３の面積を乗じて流量を算出する。こうして算出された流量は表示部１０に表示される。電源部１１は演算部に電力を供給する。
【００１９】
図１の実施例で、透過膜３の面積が１００ｃｍ2 で、差圧が１００Ｐａのときの透過膜３の通気量が１００ｃｍ3 ／ｓｅｃ、即ち１ｃｍ3 ／ｓｅｃ・ｃｍ2 であれば、１時間の通気、即ち流量は１００×３６００＝３６０Ｌ／ｈとなる。また、透過膜３の面積が１／１０の１０ｃｍ2 であれば、同じ条件での通気量（流量）は３６Ｌ／ｈとなる。
【００２０】
図２の実施例は、多孔質の透過膜３が長方形の平面状に形成されている点が図１の実施例と異なる。この実施例で、図１の実施例と同じ機能を果たす要素は同じ符号を付してその説明を省略する。なお、図１と図２の実施例で、透過膜を自動車の吸気系のエアフィルタのようにアコーディオン状に折り畳んだ形状に形成して面積を大きくして流路抵抗を減らすことができる。
【００２１】
図３の実施例は、入口１と出口４の間に、３つの流路２Ａ，２Ｂ，２Ｃが互いに並列に配設され、各流路に円筒形の多孔質の透過膜３Ａ，３Ｂ，３Ｃが設けてある。透過膜３Ａ，３Ｂ，３Ｃを破線で示したのは、カクレ線を意味するわけではなく、多孔質の膜をという気持ちで破線であらわした。このことは前記図２の透過膜３とか、後述の図４の透過膜でも同様である。
【００２２】
７Ａ，７Ｂ，７Ｃはそれぞれ透過膜３Ａ，３Ｂ，３Ｃの図示右端を閉じる底板である。１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは公知のガスメータに用いられている開閉用の電磁弁で、それぞれの弁体１２ａ，１２ｂ，１２ｃで流路２Ａ，２Ｂ，２Ｃをそれぞれ開閉する。弁体が図示の位置では流路が開いており、図示の位置より右方へ移動して仕切り板６の座部に当接すると、対応する流路２Ａ，２Ｂ又は２Ｃを閉じる。
【００２３】
９Ａはマイクロコンピュータで構成された演算・制御部で、差圧センサ８の信号に基づいて、（１）式によって流速や流量を演算すると共に、流量に応じて流路切替手段としての電磁弁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを開閉制御する。被測定気体が水素ガスのような分子量が小さいものでは、（２）式で示したように差圧ΔＰが小さく、図１，図２のような単一流路の流量計ではレンジャビリティが小さいので、図３の実施例のように複数の流量を設けて切り替えて使用すると良い。
【００２４】
１つの流路の計測範囲が１：２の場合、透過膜の面積は２n 、即ち２0 ＝１，２１＝２，２2 ＝４，…というように異なる値に定めると良く、図３の実施例では、透過膜３Ａ，３Ｂ，３Ｃの面積は、夫々１０ｃｍ2 ，２０ｃｍ2 ，４０ｃｍ2 にしてある。演算・制御部９Ａで、電磁弁１２Ａ，１２Ｂ及び１２Ｃを開閉制御することで、透過膜の総面積を次のように変更できる。
【００２５】
［１］電磁弁１２Ａだけを開      総面積は透過膜３Ａの１０ｃｍ2
［２］電磁弁１２Ｂだけを開      総面積は透過膜３Ｂの２０ｃｍ2 
［３］電磁弁１２Ａと１２Ｂを開  総面積は３Ａ＋３Ｂ＝３０ｃｍ2 
［４］電磁弁１２Ｃを開          総面積は３Ｃの４０ｃｍ2 
［５］電磁弁１２Ａと１２Ｃを開  総面積は３Ａ＋３Ｃ＝５０ｃｍ2 
［６］電磁弁１２Ｂと１２Ｃを開  総面積は３Ｂ＋３Ｃ＝６０ｃｍ2 
［７］電磁弁３つとも開          総面積は３Ａ＋３Ｂ＋３Ｃ＝７０ｃｍ2 
こうして、［１］〜［７］の７通りの組み合わせで、透過膜の総面積を１０ｃｍ2 から７０ｃｍ2 まで７通りに切り替えて使用することになり、１流路での計測範囲が１：２であるから、切り替え使用することで７倍のレンジャビリティの１：１４となる。
【００２６】
図４の実施例は図３の実施例のように複数の流路の透過膜の面積を変えるのではなく、面積は同じにして、厚さとか開孔率などを変えて通気特性の違う透過膜を用いている。即ち、図４では、透過膜３Ａ，３Ｂ，３Ｃの通気特性をそれぞれ１ｃｍ3 ／ｓｅｃ・ｃｍ2 ，２ｃｍ3 ／ｓｅｃ・ｃｍ2 ，４ｃｍ3 ／ｓｅｃ・ｃｍ2 としている。こうすることで、前記図３の実施例の場合と同様に［１］〜［７］の７通りに切り替え手段としての電磁弁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを切り替え制御することで実質的なレンジャビリティの拡大を図ることができる。
【００２７】
また、図３の実施例に比較して流量計をコンパクトにできる。なお、図３，図４の実施例においても、多孔質の透過膜を自動車のエアフィルタのようにアコーディオン状に折り畳んだ形状に形成することで、透過膜の面積を増やして、流量計をコンパクトなままで通気量を増加することができる。
【００２８】
ところで、上記各実施例に用いる多孔質の透過膜としては、微細な孔を多数明けた次のような樹脂製の透過膜を用いることができる。この透過膜は、ミクロテックスの商品名で市販されている日東電工製の四ふっ化エチレン樹脂多孔質膜とか、ブレスロンの商品名で市販されている日東電工製のポリエチレン多孔質膜、超高分子量ポリエチレン多孔質シートで、表１の諸特性を備えている。
【００２９】
【表１】
0004691236.tif 000002
【００３０】
ミクロテックスは、耐薬品性、耐熱性、はっ水性などは四ふっ化エチレン樹脂の特性をもち、１ｃｍ2 あたり数億個以上の微細孔をもっている。そのため、防水性、透湿性、通気性などの特性を有する。ブレスロンは、耐薬品性、はっ水性などに優れている。図５にミクロテックスＮＴＦ−５２００の通気度と透過空気圧の関係を示す。また、図６に透過空気圧０．００２７ｋｇ／ｃｍ2 の条件におけるミクロテックスＮＴＦ−５２００の膜の厚さと通気度の関係を示す。
【００３１】
なお、これらの透過膜を図１〜図４の実施例に用いる場合、ミクロテックス又はブレスロンの膜又はシートをそのまま用いてもよく、それともこれらの膜又はシートを各種不織布、織布、ガラスクロスなどと組み合わせてラミネートするなどして用いることができる。図７にミクロテックス又はブレスロンの膜を基布とラミネートした場合の断面拡大図を模式的に示す。
【００３２】
本発明は、上述のように微細な細孔を多数有する多孔質の透過膜を用いているので、水素ガスのような分子量の小さい洗浄な気体の小流量計測に好適であるが、被計測流体中の汚れ物質のために透過膜に目詰まりが生じた場合でも、複数の流路をもつものでは、流路を切り替えることにより測定値、即ち圧力差の相関から、目詰まりなどの異常を知ることができる。こうして自己チェック機能をもつこともできる。
【００３３】
なお、前記図３と図４の実施例では、３つの各流路でのレンジャビリティが１：２の場合で、２0 ，２1 ，２2 の特性の３流路、即ち１０ｃｍ2 ，２０ｃｍ2 ，４０ｃｍ2 又は１ｃｍ3 ／ｓｅｃ・ｃｍ2 、２ｃｍ3 ／ｓｅｃ・ｃｍ2 、４ｃｍ3 ／ｓｅｃ・ｃｍ2 の特性の３流路（透過膜）を設けたが、一般的にレンジャビリティが１：Ｋの場合にはＸn（ｎ＝０，１，２，…）毎の特性（Ｘ）の複数流路を組み合わせるのが良く、そうすることで総合的なレンジャビリティは１：（Ｋn+1 −Ｋ）に向上する。また、同じ流路をｎ個組み合わせた場合の総合的なレンジャビリティは１：ｎＫとなる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の気体用流量計は上述のように構成されているので、水素のような分子量の小さい清浄な気体の比較的小流量の計測をする簡単な構造の流量計が実現できる。そして、従来の流量計のように、整流のため上・下流の配管が不要で、透過膜の形状も自由に決められるため、流量計をコンパクトにできる。そして、安いコストで製作できる。また、接続配管から異物が混入した異常時には、透過膜がフィルタとなって不純物などの異物をせき止める効用もある。
【００３５】
また、流量計全体としての総合的なレンジャビリティを拡大できる。
また、目詰まりなどの異常を自己チェックできる利点がある。
【００３６】
請求項６の発明では、透過膜を３次元的な形状としたので、その分、流量計がコンパクトになる。
【００３７】
そして、請求項７の発明では、透過膜を折り畳んだ形状にしたので、よりコンパクトにできる。また、請求項５の発明では、広く実用化されているガスメータ用の電磁弁などを用いて容易に実用化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の縦断面とブロック図。
【図２】本発明の他の実施例で、（ａ）は縦断面とブロック図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図。
【図３】本発明の更に他の実施例の縦断面とブロック図。
【図４】本発明の更に他の実施例の縦断面とブロック図。
【図５】透過膜の特性線図。
【図６】透過膜の特性線図。
【図７】透過膜のラミネート構造を説明する断面模式図。
【符号の説明】
１      入口
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ    流路
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ    透過膜
４      出口
６      仕切り板
８      差圧センサ
９      演算部
９Ａ    演算・制御部
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ    電磁弁
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ    弁体
【図１】
0004691236.tif 000003
【図２】
0004691236.tif 000004
【図３】
0004691236.tif 000005
【図４】
0004691236.tif 000006
【図５】
0004691236.tif 000007
【図６】
0004691236.tif 000008
【図７】
0004691236.tif 000009