(57)【要約】【課題】  従来技術による流量計の問題点を解決し、流量を直接的に検出できる安価な流量計を実現すること。【解決手段】  本願発明の流量計は、金属ダイヤフラムを用いた１個の差圧圧力計と、測定する流量範囲に応じて交換可能なオリフィス６とを用いている。差圧圧力計は、上下両面に金属電極面が形成されたディスク状のセラミックス電極１に対して、一組の金属製のダイヤフラム２ａ，２ｂが前記セラミック電極の電極面から等しい間隔を保って同セラミック電極に対向するように保持される構造になされている。上記構造の差圧計をオリフィスを含む流体流路内に、オリフィスの上流と下流との流体圧が、各々、一組の金属製のダイヤフラムの各々の流体接触面にかかるように配置し、各々のダイヤフラムと各々のセラミック電極面との間の静電容量の変化により、差圧を検知して流量を測定するようになされている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入口と流出口とを含む流体流路と、
同流体流路内に配置されたオリフィスと、
２つのダイヤフラムが対向し、同２個のダイヤフラムのうちの一方のダイヤフラムがオリフィスの上流側の流体に接し、他方のダイヤフラムがオリフィスの下流側の流体と接するように配置された差圧計と、を含む流量計。
【請求項２】
請求項１に記載の流量計であって、
前記ダイヤフラムの各々は、少なくとも一部分が金属で構成されており、これらのダイヤフラム間に近接して、固定されたディスク状電極体との間で、２つの静電容量を持つコンデンサを構成してなることを特徴とする流量計。
【請求項３】
請求項２に記載の流量計であって、
前記２つのダイヤフラムは、各々にかかる圧力が相互に伝達される手段を備えることを特徴とする流量計。
【請求項４】
請求項２に記載の流量計であって、
前記２つのダイヤフラムの間が１パスカル以下の真空に保たれていることを特徴とする、流量計。
【請求項５】
請求項２に記載の流量計であって、
前記２つのダイヤフラムの各々の金属部分が相互に電気的に接続されている、ことを特徴とする流量計。
【請求項６】
請求項２に記載の流量計において、測定流体と接触する部分全てをフッ素系樹脂で構成した、ことを特徴とする流量計。
【請求項７】
請求項１乃至６のうちのいずれか一の項に記載の流量計であって、
前記オリフィスを脱着交換可能とし、計測流量に応じてオリフィス通路の形状を変更可能としたことを特徴とする流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、流量計に関し、特に、薬液等の高純度の液体の流量計測に有効に利用することができる流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
薬液の流量計測には、金属イオン等の混入を防ぐためにテフロン（登録商標）製の流量計が使用されている。この種の流量計では、一般に、流体の流速によって生ずる超音波の伝播時間差を計測する方式が用いられている。この方式では、流量が少ない場合誤差が大きくなり、毎分数１００ｍｌ（ミリリットル）以下の流量においては正確な計測が困難となる。又、流体中に気泡が混入すると、超音波の伝播が乱れるため、やはり正確な計測が困難となる。
【０００３】
一方、テフロン（登録商標）被膜で被覆した２個のダイヤフラム式の圧力計とノズルを用い、流体がノズルを通過する時発生する圧力をそれぞれ検出し、その圧力差から流量を得る方式が知られている（特許文献１参照）。この方式では、毎分数１０ｃｃからの流量検出が可能である。この方式の問題点は、２個の特性が同一の圧力計が必要になりコストが高くなること、及び強度の点からテフロン（登録商標）ダイヤフラムの厚みをある程度厚くする必要があり、あまり薄くすることができず、このためヒステリシスが発生して分解能及び感度が限定されるという問題が生じていた。
【特許文献１】米国特許第６，５７８，４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明は、上記従来技術による流量計の問題点を解決し、流量を直接的に検出できる安価な流量計を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明の流量計は、流入口と流出口とを含む流体流路と、同流体流路内に配置されたオリフィスと、２つのダイヤフラムが対向して配置され、同２個のダイヤフラムのうちの一方のダイヤフラムがオリフィスの上流側の流体に接し、他方のダイヤフラムがオリフィスの下流側の流体と接するように配置された差圧計とによって構成されている。
【０００６】
ダイヤフラムを用いた差圧圧力計は、上下両面に金属電極面が形成されたディスク状のセラミックス製の電極に対して、一組の金属製のダイヤフラムが前記セラミック電極の電極面から等しい間隔を保って同セラミック電極に対向するように保持される構造になされている。セラミック電極の電極面は、金属ダイヤフラムと直接接触することなく同セラミック電極の外部へと電気的に接続されるようになされている。このように、セラミック電極の一方の電極面は、空隙を挟んで、一方の金属ダイヤフラムと対向しているので、両者の間に一つのコンデンサが構成され、セラミック電極の他方の電極面も、他方の金属ダイヤフラムとの間でもう一つ別のコンデンサを構成する。金属ダイヤフラムにおけるセラミック電極に対向する面と反対側の面は、流量制御される流体と接触するため、同流体を汚染しないようにテフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂でコーティングされる。また、上記電極以外の測定流体と接触する部分全てをフッ素系樹脂で構成するのが好ましい。これらのコンデンサの容量は、金属ダイヤフラムが変位すなわち撓むことによって空隙距離が変わることによって変化する。たとえば、空隙が狭くなるとコンデンサの容量は増大し、空隙が広くなると静電容量は減少する。
【０００７】
流量計の流体流路は、上記のような構造の差圧圧力計の一方の金属ダイヤフラムの流体接触面から他方の金属ダイヤフラムの流体接触面につながるように設けられ、同流体流路の途中にオリフィスが配置される。従って、オリフィスの上流側の流体による流体圧が差圧圧力計の一方の金属ダイヤフラムの面にかかり、オリフィスの下流側の流体による流体圧が差圧圧力計の他方の金属ダイヤフラムの面にかかる。これらオリフィス上流側及び下流側の圧力は、前記の2つのダイヤフラムからなるコンデンサのそれぞれの値を変化させるので、これらの値をそれぞれ検出することで、対応する流体流量が検知される。
【０００８】
ここで一組のダイヤフラムを剛性のロッドによって連結すると、これらのダイヤフラムは、それぞれの流体接触面に作用する流体圧の差に応じて変位する。この変位位置を前記のコンデンサ容量の差として電気的に検出することにより、ダイヤフラム両面に作用する流体圧の差を検出することが出来る。検知された流体圧の差から流路内を流れる流体の流量を知ることができる。
【０００９】
オリフィスは、同流体流路に対してプラグ状に脱着可能なオリフィスプラグとされるのが好ましい。オリフィスの穴径及び形状等によって定まる種々のコンダクタンスを有するオリフィスプラグを選択的に使用することにより、広範囲の流量測定が可能となる。
【００１０】
更に、上記の説明では、一組のダイヤフラムは剛性のロッドによって連結されてダイヤフラムの変位による差圧を直接検出できるようになされているが、一組のダイヤフラムの間を真空若しくは負圧にすることにより、それぞれのコンデンサが絶対流体圧を検知するようにし、検知した絶対圧を差し引きすることにより差圧を求めるようにしても良い。かかる負圧は、１パスカル以下であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明の流量計は、１個のオリフィスと、対向する２個のダイヤフラムからなる１個の差圧計で流量計を実現したことにより、構造が簡単になり安価な流量計を提供できる。
更に、差圧計を流体流路中に埋設する構造としたことにより、ダイヤフラムの破損が生じた場合にも、流体の外部への流出を防ぐことが出来るため、有害な流体計測の安全性が高まる。
【００１２】
更に、差圧の検出を、少なくとも一部が金属から成る２個のダイヤフラムと、ダイヤフラムに近接して設置された固定電極との間の静電容量の差から検出するため、抵抗歪ゲージ等で生ずる熱雑音の発生が無く好感度に信号を検出できる。
【００１３】
更に、対向する２個のダイヤフラムの間にロッドを入れて、一方の側のダイヤフラムにかかる圧力を他方の側のダイヤフラムに伝えることにより、２個のダイヤフラムが受ける圧力の差圧成分のみの変化を検出可能である。更に、ロッドでダイヤフラムの強度が増すため高い流体圧力下であっても使用可能となる。
【００１４】
更に、対向する２個のダイヤフラムの間を真空に保つことにより、それぞれのダイヤフラムにかかる絶対圧と、それらの差を検出できるため、圧縮性の流体であっても正確な流量の検出が可能となる。
【００１５】
更に、２個のダイヤフラムの一部を金属とし、それらを電気的に接続し同電位とすることにより、電気的シールド効果により外部ノイズの影響が無く安定した信号が検出可能である。
【００１６】
更に、オリフィスをプラグ構造として脱着交換可能としたことにより、広範囲の流量計測に対応できる。また、脱着可能にすることにより、オリフィスの汚染等による修理、メンテナンスが容易となる。
【００１７】
更に、測定流体接触部をすべてフッ素樹脂で構成することにより、金属イオン等の汚染を発生することがなく、純度の高い流体の流量計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本願発明の流量計の一つの実施形態の構成を示す上面図及び側方断面図である。また、図２は、図１の線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。図１において、テフロン（登録商標）製のベース４には、流体の流入口４ａ及び流出口４ｅが設けられている。ベース４の上部には、テフロン（登録商標）製のカバー５がボルト７により密封固定されている。ベース４とカバー５との間には、室すなわち空間が設けられており、同空間内に、図３に示された構成の差圧計が埋設されている。図２に示されているように、上記室又は空間をバイパスするように流体流路が設けられ、同流体流路の途中にプラグ状に脱着可能なオリフィスプラグ６が嵌挿されている。流体は、流入口４ａから流入し、室４ｂに入り、図２に示す通路４ｃを通り、オリフィスプラグ６に設けたオリフィス穴６ａを通り、通路５ｃから室５ｂに至る。液体は、その後、通路４ｄを通り、流出口４ｅから出て行く。４ｇ、４ｆは、液体の漏れを防ぐテフロン（登録商標）製のＯ‐リングである。
【００１９】
図３は、図１の実施形態において使用されている差圧計の分解図である。ディスク状のセラミック電極１の上下両面には、金属製のダイヤフラム２ａ及び２ｂがろう付けにより気密に接合されている。セラミック電極１の上下両面には、導電性金属メッキによる電極面１ａ及び１ａ'が形成されており、更に、導通穴１ｂ、１ｃにも同じく導電性金属メッキが施されて、セラミック電極の上下の電極面が個々に電気的に絶縁されて側面への電気的導通がなされている。かかる導電電極は、更に、図示していないリード線等によってセラミック電極の側面からベース４の外部へと導通される。
【００２０】
ダイヤフラム２ａは、電極面１ａと一個のコンデンサを構成し、ダイヤフラム２ｂは、電極面１ａ'と１個のコンデンサを構成する。
金属ダイヤフラム２ａ、２ｂのセラミック電極と反対側の面には、テフロン（登録商標）コーティング３ａ、３ｂが施されている。金属ダイヤフラム２ａ，２ｂのテフロン（登録商標）コーティング面３ａ，３ｂと反対側の面の中心部には、各々、突出部が設けられている。同突出部には、剛性の金属ロッド２ｃが圧入されている。金属ロッド２ｃは、セラミック電極１の中心に設けられた貫通穴１ｄに、大きな遊びがなく且つ抵抗無く同穴内で動くことができるように挿通されている。このようにして、金属ダイヤフラム２ａ，２ｂは、それらの間にセラミック電極１を挟んだ状態で、ロッド２ｃによって相互に結合されている。このようにして差圧計が一体部品として構成され、一体部品として構成された差圧計は、ベース４とカバー５とによって形成された空間内に気密に埋設される。
【００２１】
図面ではわかりにくいけれども、金属ダイヤフラム２ａ，２ｂとこれらが各々対向するセラミック電極１の電極面との間には僅かな空隙がある。この空隙は、２５ｍｍの外径のダイヤフラムの電極の場合に、金属ダイヤフラムとそれぞれの対向するセラミック電極面との間に各々、約３０ｐＦ（ピコファラッド）の静電容量が生ずように設定される。金属ダイヤフラム２ａ，２ｂのテフロン（登録商標）コーティング面３ａ，３ｂは、流体流路内の流体によって圧力を受ける。テフロン（登録商標）コーティング面３ａ，３ｂが流通する液体等によって圧力を受けると、金属ダイヤフラム２ａ，２ｂが撓んで変形し、その撓み量に応じて前記２個のコンデンサの静電容量が変化する。空隙距離が減少すると静電容量は増加し、逆に、空隙距離が増大すると静電容量は減少する。図１及び２に図示した構造においては、ダイヤフラム２ｂのテフロン（登録商標）コーティング面３ｂは、流体に流れが生ずると、流体がオリフィス６を通過するために必要な圧力だけ３ａに比べ余分に力を受ける、上下２つのダイヤフラムは剛体のロッド２ｃによって連結されているので、室４ｂに流入する流体の流量に応じて、図１の断面図においてそれぞれのダイヤフラムは、上方へ移動する。この結果、各々のダイヤフラムと各々の対向するセラミック電極面との間に生じる静電容量が、ダイヤフラム２ｂ側では増大し、他方は減少する。即ち、それぞれのダイヤフラムが受ける圧力の差に応じて２個の静電容量に差が生じ、この差を電気的に検出することによってその差圧から流量を検出することが出来る。
【００２２】
図４は、図１及び２の実施形態において使用されているオリフィスプラグ６を示している側面図及び底面図である。オリフィスプラグ６は、テフロン（登録商標）によって構成されており、オリフィス部６ａの流入部と流出部とが異なる流路径を有している。このような構成のオリフィスプラグ６は、ネジ部６ｃによって、図２に示すようにカバー５に螺結される。外部への液体の漏れを防ぐために、テフロン（登録商標）製Ｏ‐リング６ｂが設けられている。図２に示すように流体流路にオリフィスプラグ６及び図３に示す差圧計を配置することにより、流体がオリフィス部６ａを通過するときに生ずる差圧が検出でき、液体の流量を検出することが出来る。
【００２３】
オリフィスプラグ６は、カバー５に取り外し可能に取り付けられており、オリフィス部の形状が異なるものを複数用意しておいて、所要の流量に応じて選択使用することによって広範囲の流量計測に対応することができる。
【００２４】
図５は、本願発明の流量計において使用することができる差圧計の他の実施形態を示す分解図である。この実施形態では、ダイヤフラム２ａ’，２ｂ’間を接続するロッドを無くし、セラミック電極１’と金属ダイヤフラム２ａ’，２ｂ’とを気密にろう付けした後、ダイヤフラムとセラミック電極とによって囲まれた空間内部を真空にする。セラミック電極１’には穴１ｆの先端から金属パイプ１ｇが嵌挿され、真空に吸引した後封止される。金属パイプ１ｇの中には、内部を真空に保つためのゲッター材が一部に埋設される。セラミック電極１’とダイヤフラム２ａ’，２ｂ’とによって２個の静電容量を生じさせている点は、前記の実施形態と同様である。
【００２５】
この構成においては、ダイヤフラム２ａ’，２ｂ’同士がロッドによって連結されていないので、各々、印加される圧力に応じて真空に対して独立に変位し、各静電容量が独立して変化する。この場合の圧力は真空に対する絶対圧であり、従って、静電容量の変化は絶対圧の変化を示す。これらの静電容量の差を検出して絶対圧の差を検出することにより、流量を検出することが出来る。この場合、それぞれの静電容量の値は真空に対する絶対圧力に対応するため、液体のみならず圧力で体積が変化する圧縮性の流体流量も検出可能である。
【００２６】
以上、本願発明を実施形態によって詳細に説明したが、本願発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲で種々の変更及び変形を施すことができる。例えば、金属ダイヤフラムにコーティングしたテフロン（登録商標）は、薄いディスク状テフロン（登録商標）シートで金属ダイヤフラムを覆っても良い。また、差圧計を構成する２個のダイヤフラムは、ロッドによって連結する代わりに、ダイヤフラム間にシリコンオイル等を封入しても良い。
【００２７】
尚、それぞれのダイヤフラムにかかる圧力は、一般的な半導体抵抗歪ゲージをダイヤフラムに用いても検出可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本願発明による流量計は、薬液等の流量制御において有効に利用することができるが、これに限らず、種々の流体の流量制御に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本願発明の流量計の一つの実施形態の構成を示す上面図及び側方断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
【図３】図１の実施形態において使用されている差圧計の分解図である。
【図４】図１の実施形態において使用されているオリフィスプラグの側面図及び底面図である。
【図５】本願発明の流量計において使用することができる差圧計の他の実施形態を示す分解図である。
【符号の説明】
【００３０】
１、１’  セラミック電極、    １ａ  電極面、
１ｂ、１ｃ  導通穴、    １ｄ  貫通穴、
１ｆ  穴、    １ｇ  金属パイプ、
２ａ、２ｂ、２ａ’、２ｂ’  ダイヤフラム、    ２ｃ  金属ロッド、
３ａ、３ｂ  テフロン（登録商標）コーティング面、    ４  ベース、
４ａ  流入口、    ４ｂ  室、    ４ｃ、４ｄ  通路、
４ｅ  流出口、    ４ｆ、４ｇ  Ｏ‐リング、    ５  カバー、
５ｂ  室、    ５ｃ  通路、    ６  オリフィスプラグ、
６ａ  オリフィス部、    ６ｂ  Ｏ‐リング、
６ｃ  ネジ部、    ７  ボルト
【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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