(57)【要約】【課題】流路が鉛直方向に沿って延在するような姿勢であっても、該流路内を流通する流体の流速ないし流量を精度よく測定する熱式フローセンサを提供する。【解決手段】熱式フローセンサ１０を構成する検出部１４に形成された測定用流路２６の上流側には温度センサ３０が配設され、下流側にはヒータ３２が配設される。さらに、温度センサ３０とヒータ３２の間には、熱伝達防止壁４０が設けられる。なお、温度センサ３０とヒータ３２の間であって且つ熱伝達防止壁４０の下流に、オリフィス４２等の整流手段を設けることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流通する流路の上流側に配設された温度センサと、下流側に配設された発熱体とを有する熱式フローセンサにおいて、
前記温度センサと前記発熱体との間に、前記発熱体が発した熱によって温度上昇した前記流体が前記温度センサに接触することを防止するための熱伝達防止壁が設けられていることを特徴とする熱式フローセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のセンサにおいて、前記温度センサと前記発熱体との間で且つ前記熱伝達防止壁の下流に、前記流体の気流を整える整流手段が設けられていることを特徴とする熱式フローセンサ。
【請求項３】
請求項２記載のセンサにおいて、前記整流手段がオリフィスであることを特徴とする熱式フローセンサ。
【請求項４】
請求項２記載のセンサにおいて、前記整流手段が、通気孔が形成された通気体であることを特徴とする熱式フローセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサにおいて、前記熱伝達防止壁の、前記流路の延在方向に対して直交する幅方向寸法が、前記温度センサの、前記流路の延在方向に対して直交する幅方向寸法の２倍以上であることを特徴とする熱式フローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体が流通する流路の上流側に配設された温度センサと、下流側に配設された発熱体とを有する熱式フローセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱式フローセンサでは、流体が流通する流路の上流側に温度センサが配設されるとともに、下流側にヒータ（発熱体）が配設される。そして、前記ヒータによって流体を加熱する一方、温度センサで測定された流体の温度に基づき、該流体の流速ないし流量を検出する。
【０００３】
この種の熱式フローセンサは、流路が水平方向に沿って延在するようにボディ等に取り付けられ、この状態で使用される。このため、流体は水平方向に沿って流通する。
【０００４】
水平方向では取付スペースが狭小であるとき等、場合によっては、熱式フローセンサを、流路が鉛直方向に沿って延在するような姿勢で用いざるを得ないこともあり得る。しかしながら、上方に温度センサ、下方にヒータが位置したときには、下方で加熱されて温度上昇を起こした流体が流路内を上昇することに伴って対流が生じる。このとき、温度上昇した流体が温度センサに接触すると、該温度センサは、流体の温度を併せて検出してしまう。その結果として、流体の流速ないし流量の検出精度が低下するという不具合が惹起される。
【０００５】
そこで、特許文献１において、ボディが垂直方向に沿って延在するときに１対の温度センサが水平となるマスフローメータが提案されるに至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開平６−８０１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１記載のマスフローメータは、ボディが垂直方向に沿って延在する姿勢となるときに使用し得るものであり、ボディが水平方向に沿って延在する姿勢となるときには使用することができない。この姿勢では、マスフローメータの流路内で上記の対流が生じるようになるからである。
【０００８】
すなわち、従来技術に係るマスフローメータには、使用する際の姿勢が制限されてしまうという不具合が顕在化している。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、流路内を流通する流体の流速ないし流量を、姿勢に関わらず精確に評価することが可能な熱式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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、流体が流通する流路の上流側に配設された温度センサと、下流側に配設された発熱体とを有する熱式フローセンサにおいて、
前記温度センサと前記発熱体との間に、前記発熱体が発した熱によって温度上昇した前記流体が前記温度センサに接触することを防止するための熱伝達防止壁が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
高温の流体は、低温の流体に比して比重が小さい。このため、流路が鉛直方向に沿う姿勢であり、且つ温度センサが鉛直上方、発熱体が鉛直下方に位置する場合、発熱体によって加熱され温度上昇を起こした流体は、温度センサ側に向かって上昇し易い。すなわち、対流が起こり易い。
【００１２】
ここで、本発明においては、上記の通り、温度センサと発熱体との間に熱伝達防止壁が設けられている。この熱伝達防止壁によって、上昇した流体が温度センサに接触することが防止される。また、発熱体からの輻射熱が遮られる。このような理由から、温度センサが、該温度センサに接触する加熱前の流体の温度以外の温度を検出することが回避される。
【００１３】
要するに、この場合、温度センサは、発熱体によって加熱される前の流体の温度を精確に検出することが容易である。従って、熱式フローセンサの姿勢に関わらず、流体の流速ないし流量を精度よく検出することができる。すなわち、熱式フローセンサの姿勢が制限されることがない。
【００１４】
そして、この場合、温度センサと発熱体を同一軸線上に配置することができるので、熱式フローセンサを小型のものとして構成することができる。
【００１５】
なお、場合によっては、流体が熱伝達防止壁の影響を受けて乱流となる可能性がある。この懸念を払拭するために、温度センサと発熱体との間で且つ熱伝達防止壁の下流に、流体の気流を整える整流手段を設けることが好ましい。これにより流体が層流となり、流体が下流の発熱体側に円滑に流通するようになる。従って、上昇した流体が温度センサに接触することが一層有効に防止される。すなわち、流速ないし流量の検出精度が一層向上する。
【００１６】
整流手段の好適な具体例としては、オリフィスが挙げられる。この場合、流路の一部を絞ればよい。
【００１７】
整流手段は、通気孔が形成された通気体であってもよい。この場合の具体例としては、多孔質体、メッシュ又はハニカム構造体が挙げられる。
【００１８】
また、熱伝達防止壁の、流路の延在方向に対して直交する幅方向寸法を、温度センサの、流路の延在方向に対して直交する幅方向寸法の２倍以上に設定することが好ましい。これにより、上昇した流体が温度センサに接触することを一層有効に防止し得るとともに、発熱体からの輻射熱を一層有効に遮ることができるようになるからである。すなわち、温度センサによる流体の温度検出の精度が一層向上する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、温度センサと発熱体との間に熱伝達防止壁を設けるようにしているので、発熱体によって温度上昇した流体で生じた対流が温度センサに接触することが防止される。このため、温度センサが、発熱体によって加熱される前の流体の温度を精確に検出することができる。
【００２０】
すなわち、この場合、熱式フローセンサの姿勢に関わらず、流体の流速ないし流量を精度よく検出することができる。従って、熱式フローセンサを使用するに際し、その姿勢が制限されることがない。
【００２１】
この効果は、温度センサと発熱体との間で且つ熱伝達防止壁の下流に、流体の気流を整える整流手段を設けたときに一層顕著となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱式フローセンサの側面一部断面図である。
【図２】図１の熱式フローセンサにおける測定用流路の模式的正面図である。
【図３】オリフィスが形成されていない熱式フローセンサにおける測定用流路の模式的正面図である。
【図４】熱伝達防止壁のみを設けたときに温度センサで測定された流体の温度の振れ幅と、熱伝達防止壁及びオリフィスを設けたときに温度センサで測定された流体の温度の振れ幅とを併せて示したグラフである。
【図５】整流手段として通気体を用いた熱式フローセンサにおける測定用流路の模式的正面図である。
【図６】図１及び図２とは別形状の熱伝達防止壁の平面図である。
【図７】図１、図２及び図６とは別形状の熱伝達防止壁の平面図である。
【図８】図１、図２、図６及び図７とは別形状の熱伝達防止壁の平面図である。
【図９】図１、図２、及び図６〜図８とは別形状の熱伝達防止壁の平面図である。
【図１０】図１、図２、及び図６〜図９とは別形状の熱伝達防止壁の平面図である。
【図１１】図１、図２、及び図６〜図１０とは別形状の熱伝達防止壁の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る熱式フローセンサにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態に係る熱式フローセンサ１０の側面一部断面図である。この熱式フローセンサ１０は、ボディ１２と、該ボディ１２に保持された検出部１４とを有する。
【００２５】
ボディ１２について概略説明すると、該ボディ１２は、主流路１６が形成されるとともに両端が開口した中空体からなり、略直方体形状をなす。なお、主流路１６には、管継手を介して管部材（いずれも図示せず）が接続される。
【００２６】
図１から諒解されるように、本実施の形態では、主流路１６が鉛直方向に沿って延在する。流体は、鉛直上方から鉛直下方に向かって主流路１６内を流通する。すなわち、鉛直上方が流体の流通方向上流側、鉛直下方が流通方向下流側である。
【００２７】
管部材には、主流路１６に連通する往路１８及び復路２０が形成されている。この場合、往路１８が上流側、復路２０が下流側に位置する。
【００２８】
ボディ１２の一側面には、凹部２２が形成されている。検出部１４の一部は、この凹部２２に進入している。そして、検出部１４を構成する下面カバー２４が凹部２２の底壁に当接する。ここで、該下面カバー２４には、往路１８及び復路２０の各々に個別に連通する測定用流路２６（流路）が形成されている。なお、下面カバー２４には、測定用流路２６を囲繞するようにシール部材２８が設けられており、このシール部材２８により、ボディ１２と検出部１４との間のシールがなされている。
【００２９】
測定用流路２６には、温度センサ３０及びヒータ３２（発熱体）が上流側から下流側に向かってこの順序で配設されている。すなわち、温度センサ３０が上流側、ヒータ３２が下流側に位置する。これら温度センサ３０及びヒータ３２は、下面カバー２４に支持されたセンサベース３４に設けられ、これにより、所定箇所に位置決め固定されている。
【００３０】
温度センサ３０及びヒータ３２は、同一軸線上に位置している（図２参照）。従って、測定用流路２６を幅広とする必要や、このために検出部１４を大型化する必要がない。
【００３１】
センサベース３４はセンサ基板３６を支持しており、一方、検出部１４に設けられたコネクタ部３８には、図示しない制御回路が電気的に接続される。センサ基板３６を介して、制御回路からの指令信号がヒータ３２に伝達されるとともに、温度センサ３０からの信号が制御回路に伝達される。
【００３２】
図１及び図２に示すように、温度センサ３０とヒータ３２との間には、熱伝達防止壁４０が設けられる。熱伝達防止壁４０は、温度センサ３０の直下に位置しており、換言すれば、ヒータ３２に比して温度センサ３０に近接している。
【００３３】
温度センサ３０及び熱伝達防止壁４０の、測定用流路２６の延在方向であるＸ方向に直交するＹ方向を幅方向とすると、熱伝達防止壁４０の幅方向寸法Ｗ１は、温度センサ３０の幅方向寸法Ｗ２に比して大きいことが好ましい。一層詳細には、Ｗ１がＷ２の２倍以上であると好適である。
【００３４】
なお、熱伝達防止壁４０は、測定用流路２６の内壁から離間している。すなわち、熱伝達防止壁４０と測定用流路２６の内壁との間には、流体が十分に流通可能なクリアランスが形成されている。結局、熱伝達防止壁４０を設けたことによって流体の測定用流路２６内での流通が妨げられることはない。
【００３５】
図２に示すように、測定用流路２６は、温度センサ３０とヒータ３２の間であって且つ熱伝達防止壁４０の下流側で絞られている。すなわち、測定用流路２６にはオリフィス４２が形成されている。後述するように、オリフィス４２は、測定用流路２６内を流通する流体の気流を整える整流手段として機能する。
【００３６】
検出部１４を構成する上面カバー４４には、図示しない表示部が設けられる。検出部１４によって測定された流速ないし流量は、表示部に表示される。
【００３７】
本実施の形態に係る熱式フローセンサ１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００３８】
上記したように、この熱式フローセンサ１０は、ボディ１２の主流路１６に管部材が接続され、且つ主流路１６及び測定用流路２６が鉛直方向に沿って延在する姿勢で使用される。このとき、温度センサ３０が鉛直上方（上流側）となり、ヒータ３２が鉛直下方（下流側）となる。同時に、主流路１６と測定用流路２６に連通する往路１８が鉛直上方（上流側）、復路２０が鉛直下方（下流側）となる。
【００３９】
この状態で、制御回路の制御作用下に「ヒータ３２を発熱させる」との指令信号が発信される。ヒータ３２は、センサ基板３６を介してこの指令信号を受信し、発熱する。
【００４０】
管部材に流体（例えば、所定の圧縮気体）が導入されると、該流体が主流路１６に流通する。主流路１６を流通する流体の一部は、往路１８によって分岐し、該往路１８を介して測定用流路２６に導入される。そして、測定用流路２６内の流体の温度が、温度センサ３０によって測定される。測定結果は、信号として制御回路に送信される。
【００４１】
測定用流路２６内の流体は、熱伝達防止壁４０と測定用流路２６の内壁との間のクリアランスを通過してさらに下流側に流通し、ヒータ３２に接触する。ヒータ３２が予め発熱しているので、流体が該ヒータ３２によって加熱される。放散熱量の変化を測定することにより、制御回路が、流体の流速ないし流量が変化したことを検出することができる。
【００４２】
ヒータ３２に接触した流体は、該ヒータ３２からの熱が伝達されることに伴って温度上昇を起こす。その一方で、ヒータ３２よりも上流側の流体は未だ加熱されていないので、比較的低温である。すなわち、測定用流路２６内では、ヒータ３２近傍の流体（加熱済流体）と、ヒータ３２よりも上流の流体との間に温度差が生じる。高温の流体は低温の流体に比して比重が小さいので、比較的上昇し易い。このため、加熱済流体が上流側の温度センサ３０に向かって上昇する流れ、換言すれば、対流が生じる。
【００４３】
ここで、本実施の形態では、温度センサ３０の直下に熱伝達防止壁４０を設けている。上昇した加熱済流体は、この熱伝達防止壁４０に接触する。このため、加熱済流体が温度センサ３０に接触することが回避される。従って、温度センサ３０が加熱済流体の温度を併せて検出することも回避される。勿論、ヒータ３２からの輻射熱も熱伝達防止壁４０によって遮られる。
【００４４】
なお、熱伝達防止壁４０の幅方向寸法Ｗ１を、温度センサ３０の幅方向寸法Ｗ２の２倍以上とすると、加熱済流体が温度センサ３０に接触することや、ヒータ３２からの輻射熱が温度センサ３０に到達することを一層有効に防止することができる。
【００４５】
すなわち、この場合、温度センサ３０には、往路１８から導入された加熱前の流体が接触する。また、ヒータ３２からの輻射熱が温度センサ３０に伝達されることも回避される。以上のような理由から、温度センサ３０は、加熱前の流体の温度を精確に測定することができる。その結果、流体の流速ないし流量を精度よく検出することができる。
【００４６】
整流手段を設けないときには、熱伝達防止壁４０を設けたことに伴い、場合によっては、図３に示すように測定用流路２６内でカルマン渦（乱流）が発生する可能性がある。しかしながら、本実施の形態では、測定用流路２６にオリフィス４２を設けるようにしている。このため、図２に示すように流体の気流が整えられる。すなわち、層流が形成される。従って、乱流が発生する懸念が払拭され、流体が円滑に復路２０側に向かって流通する。このことも、温度センサ３０の精確な温度測定、ひいては流体の流速ないし流量の精度よい検出に寄与する。
【００４７】
表１に、熱伝達防止壁４０及びオリフィス４２の双方を設けていないモデル１、オリフィス４２のみを設けたモデル２、熱伝達防止壁４０及びオリフィス４２の双方を設けたモデル３の各々において、温度センサ３０に伝達された熱を温度として示す。この表１から、熱伝達防止壁４０を設けることによって、温度センサ３０に熱が伝達されることを著しく抑制できることが明らかである。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
また、熱伝達防止壁４０のみを設けた場合（図３参照）と、熱伝達防止壁４０及びオリフィス４２の双方を設けた場合（図２参照）の各々での、温度センサ３０によって測定された温度の振れ幅を図４に示す。この図４から、オリフィス４２を形成することで流体の温度の振れ幅が一層小さくなること、換言すれば、流体の温度が一層安定することが分かる。これは、オリフィス４２を形成したことで測定用流路２６内の流体の気流が整えられて乱流となることが回避され、層流として流通するためである。
【００５０】
以上のように、測定用流路２６内に熱伝達防止壁４０及びオリフィス４２の双方を設けた本実施の形態によれば、主流路１６及び測定用流路２６が鉛直方向に沿って延在し、且つ温度センサ３０及びヒータ３２を同一軸線上に配置した場合であっても、流体の流速ないし流量を精度よく評価することができる。すなわち、熱式フローセンサ１０が大型化することを回避しながら、流体の流速ないし流量の検出精度の向上を図ることができる。
【００５１】
作業者は、表示部に表示された流速ないし流量を視認することで、当該流速ないし流量を認識することが可能である。
【００５２】
なお、主流路１６及び測定用流路２６が水平方向に沿って延在する姿勢で熱式フローセンサ１０を使用するようにしてもよい。この場合には対流が起こり難いので、流体の流速ないし流量を一層精度よく測定することが可能である。
【００５３】
このように、本実施の形態に係る熱式フローセンサ１０は、主流路１６及び測定用流路２６が鉛直方向に沿って延在する姿勢とするか、又は、主流路１６及び測定用流路２６が水平方向に沿って延在する姿勢とするかに関わらず、流体の流速ないし流量を精度よく測定することができる。従って、取付スペースの広狭に応じて熱式フローセンサ１０の姿勢を選択することが可能となる。
【００５４】
加熱済流体は、復路２０を経由して主流路１６に戻り、さらに、管部材を介して熱式フローセンサ１０の外部に排出される。
【００５５】
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５６】
例えば、温度センサ３０によって測定される温度の振れ幅が小さく、実用上差し支えがないときには、オリフィス４２を設けることなく熱式フローセンサ１０を構成するようにしてもよい。
【００５７】
また、整流手段はオリフィス４２に限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、通気孔４６が形成された通気体４８を温度センサ３０とヒータ３２との間に配設するようにしてもよい。このような通気体４８の具体例としては、多孔質部材、メッシュ又はハニカム構造体等が挙げられる。
【００５８】
さらに、熱伝達防止壁４０は、平板形状のものに限られない。例えば、図６に示すように、温度センサ３０を囲繞する囲繞部５０が設けられた熱伝達防止壁５２であってもよい。この場合、加熱済流体が温度センサ３０に一層接触し難くなるとともに、温度センサ３０がヒータ３２の輻射熱の影響を一層受け難くなるという利点がある。
【００５９】
又は、図７に示す平面視で三角形状の熱伝達防止壁５４であってもよい。この場合、底辺が温度センサ３０に臨むようにしてもよいし、頂点が温度センサ３０に臨むようにしてもよい。さらに、図８に示す平面視で台形状の熱伝達防止壁５６であってもよい。この場合には、下辺が温度センサ３０に臨むようにしてもよいし、上辺が温度センサ３０に臨むようにしてもよい。
【００６０】
また、図９に示す平面視で正方形状の熱伝達防止壁５８であってもよいし、図１０に示す平面視で六角形状の熱伝達防止壁６０であってもよい。図１１に示すように、平面視でトラック形状をなす熱伝達防止壁６２を採用することもできる。
【符号の説明】
【００６１】
１０…熱式フローセンサ                    １２…ボディ
１４…検出部                              １６…主流路
１８…往路                                ２０…復路
２６…測定用流路                          ３０…温度センサ
３２…ヒータ
４０、５２、５４、５６、５８、６０、６２…熱伝達防止壁
４２…オリフィス                          ４６…通気孔
４８…通気体                              ５０…囲繞部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2016151491.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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