JP3871566B2 - Thermal flow meter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱線を用いて流量を計測する熱式流量計に関する。さらに詳細には、流量計に流入する流体の入射角による測定出力への影響をなくした熱式流量計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から熱線を用いて流量を計測する熱式流量計の1つとして、半導体マイクロマシニングの加工技術で製造された測定チップをセンサ部として使用するものがある。この種の熱式流量計としては、例えば、図24に示すものが挙げられる。図24の熱式流量計101においては、入口ポート102に流入させた被測定流体を、整流機構103で整流させた後に、計測流路104を介して、出口ポート105から流出させており、被測定流体の流量を計測するために、電気回路106に接続された測定チップ111を計測流路104に露出させている。
【0003】
この点、測定チップ111は、図25に示すように、シリコンチップ116において、上流温度センサ112、ヒータ113、下流温度センサ114、周囲温度センサ115(上述したセンサ112〜115は、「熱線」に相当する)などを、半導体マイクロマシニングの加工技術を設けたものである。
【0004】
従って、図24の熱式流量計101においては、被測定流体が計測流路104に流れていないときは、図25の測定チップ111の温度分布がヒータ113を中心に対称となる一方、被測定流体が計測流路104に流れているときは、上流温度センサ112の温度が低下し、下流温度センサ114の温度が上昇するので、図25の測定チップ111の温度分布の対称性は、被測定流体の流量に応じて崩壊することになる。このとき、この崩壊の程度は、上流温度センサ112と下流温度センサ114の抵抗値の差になって現れるので、電気回路106を介して、被測定流体の流量を計測することが可能となる。
【0005】
しかしながら、図24の熱式流量計101では、図25の測定チップ111において、6個の電極D1、D2、D3、D4、D5、D6をシリコンチップ116に設けており、上流温度センサ112、ヒータ113、下流温度センサ114、周囲温度センサ115のそれぞれと電気回路106とを接続することを、6個の電極D1〜D6を使用したワイヤーボンディングにより行っていた。
【0006】
従って、図24の熱式流量計101では、測定チップ111が計測配管104の中で露出し、ボンディングワイヤーWが計測配管104に介在するので、大流量の計測対象気体が計測配管104に流れると、その風圧などを受けてボンディングワイヤーWが切れる恐れがあり、それを防ぐためには、カバー機構を設けるなど(例えば、特開平10−2773号の「支持体13a」)の対策を行う必要があった。
【0007】
そこで、本出願人は、このような問題点を解決するため、熱線が設けられた測定チップをセンサ部とするものであって、測定チップの熱線と電気回路との接続に関し、ワイヤーボンディングの使用を回避した熱式流量計を、特願2000−368801にて提案した。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特願2000−368801で提案した熱式流量計では、流量計に流れ込む被測定流体の入射角による出力特性への影響を受けていた。そのため、計測流量が大きくなるに連れて、出力誤差が大きくなるという問題があった(図12参照)。なお、上記した図24の熱式流量計101では、整流機構103を設けることにより、この問題を解消している。ところが、入口ポート102と計測流路104との間に整流機構103を設けているため、その分だけ流量計が大きくなっていた。
【0009】
また、特願2000−368801で提案した熱式流量計において小流量の計測を行う場合には、主流路(請求項にいう「バイパス流路」に相当する)を閉鎖して流量計測を行うが、このときに被測定流体が流量計内部で漏れるおそれがあった。そして、このような内部漏れが発生すると、正確に流量を計測することができない。従って、小流量の計測を高精度に行うためには、内部漏れを発生させないようにすることが必要である。
【0010】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、流体の入射角による計測出力への影響をなくすとともに、内部漏れを防止することができる熱式流量計を提供することを課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するためになされた本発明に係る熱式流量計は、流量を計測するための熱線が架設されたセンサ流路の他に、センサ流路に対するバイパス流路を備える熱式流量計において、流体が流れ込む入口流路とバイパス流路およびセンサ流路とを連通させるエルボ部を有することを特徴とするものである。
【0012】
この熱式流量計では、流量計に流れ込んだ被測定流体は、入口流路を流れ、熱線が架設されたセンサ流路と、センサ流路に対するバイパス流路とに分流される。ここで、入口流路とバイパス流路およびセンサ流路とは、エルボ部により連通されている。このため、入口流路を流れた被測定流体は、エルボ部を通った後に、センサ流路およびバイパス流路に流れ込む。これにより、入口流路を流れる被測定流体は、エルボ部で流れが乱され、さらに強制的に流れの向きが変えられる。このため、エルボ部を通過した被測定流体は、入射角の影響をほとんど受けていない。従って、センサ流路には、入射角度の影響をほとんど受けいていない被測定流体が流れ込む。よって、計測出力に被測定流体の入射角の影響が出にくい。すなわち、出力誤差が抑制される。また、新たにエルボ部を設けるだけなので、流量計が大きくなることもない。なお、エルボ部の屈曲角度は、センサ流路へ流れ込む被測定流体に入射角の影響が出ない程度の角度に設定すればよい。
【0013】
ただし、エルボ部は、90度に屈曲していることが望ましい。こうすることにより、計測出力への被測定流体の入射角の影響を受けにくくするとともに、被測定流体の流れを極力妨げないようにすることができるからである。すなわち、エルボ部を鋭角に屈曲させると、その屈曲部で被測定流体の流れが淀んでしまい好ましくなく、逆にエルボ部を鈍角に屈曲させると、入射角の影響を抑制する効果が低減するからである。また、エルボ部の屈曲角度が90度であれば、各流路を形成するための加工が非常に簡単に行えるという利点もある。
【0014】
さらに、エルボ部とバイパス流路との連通部にフィルタが設けられていることがより望ましい。これにより、計測出力への被測定流体の入射角の影響をさらに抑制することができるからである。特に、フィルタは、メッシュであることがよい。こうすることにより、流量計に流れ込んだ被測定流体の入射角による計測出力への影響をほとんどなくすことができるからである。なぜなら、被測定流体がメッシュを通過することにより、被測定流体の流れに細かな乱れが非常に多く形成されるためである。
【0015】
また、本発明に係る熱式流量計においては、バイパス流路とセンサ流路との間に複数枚のメッシュを積層したフィルタを設けてもよい。
【0016】
これにより、被測定流体は、積層されたフィルタを通過した後にセンサ流路に流れ込む。このため、センサ流路に流れ込む被測定流体の流れが整えられる。なぜなら、被測定流体は、複数のメッシュを通過するたびに、流れの乱れが減少していくためである。従って、バイパス流路に流れ込む被測定流体の流れが乱れたとしても、バイパス流路とセンサ流路との間に設けられたフィルタにより、センサ流路に流れ込む被測定流体の流れが整えられる。また、上記したように、センサ流路に流れ込む被測定流体の流れが、被測定流体の入射角の影響を受けることもない。従って、非常に安定した測定出力が得られる。なお、各メッシュは直接重ねるよりも、所定の間隔をとって重ねる方がよい。より大きな整流効果が得られるからである。
【0017】
さらに、本発明の係る熱式流量計においては、バイパス流路内に、溝を形成した薄板を積層した積層体を有することもよい。
【0018】
これにより、バイパス流路が複数の小さいな流路に分割され、パイパス流路に流れ込む被測定流体は、各溝を流れる。このため、バイパス流路を流れる被測定流体の流れが整えられる。すなわち、積層体が整流機構となっているのである。ここで、1枚の薄板に複数の溝を形成することにより、積層体により多くの溝を備えることができ、より大きな整流効果が得られる。なお、複数の溝を形成する場合には、薄板の片面のみだけに溝を形成してもよいし、薄板の両面に溝を形成してもよい。
【0019】
そして、上記したように、センサ流路に流れ込む被測定流体の流れが、被測定流体の入射角の影響を受けることもない。従って、非常に安定した測定出力が得られる。
【0020】
さらにまた、本発明の係る熱式流量計においては、センサ流路から流出する流体とバイパス流路から流出する流体とを、ボディに形成された出口流路にて合流させる遮蔽壁を有し、遮蔽壁が、複数の遮蔽板を積層することにより形成されたものであることもよい。
【0021】
これにより、センサ流路から流出する被測定流体とバイパス流路から流出する被測定流体とが、ボディに形成された出口流路で合流する。つまり、センサ流路から被測定流出する流体とバイパス流路から流出する被測定流体とが、センサ流路の出口付近で合流することがない。つまり、センサ流路とバイパス流路との合流地点が、センサ流路に架設された熱線から遠ざけられている。従って、センサ流路とバイパス流路との合流地点に発生する流れの渦が、センサ流路における被測定流体の流れを乱さない。また、上記したように、センサ流路に流れ込む被測定流体の流れが、被測定流体の入射角の影響を受けることもない。従って、非常に安定した測定出力が得られる。
【0022】
なお、遮蔽壁は、センサ流路とバイパス流路との合流地点に発生する流れの渦が、センサ流路における被測定流体の流れに影響を与えないところまで合流地点を遠ざけられる大きさであればよい。従って、遮蔽壁の先端が、出口流路の上面に位置する場合もあれば、出口流路の中央に位置する場合もあり得る。
【0023】
ここで、出口流路もバイパス流路に対してエルボ部を介して連通させるのがよい。こうすることにより、出口流路がバイパス流路に対し同一直線上に形成されないため、遮蔽壁を設けることにより得られる上記の効果がより大きくなるからである。
【0024】
なお、上記した積層メッシュ、積層体、および遮蔽板を任意に組み合わせてもよい。これにより、上記した効果が相乗的に得られるからである。
【0025】
本発明の係る熱式流量計は、熱線を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極が表面に設けられた基板を、側面開口部を備える流体流路が形成されたボディに対し、側面開口部を塞ぐようにしてシールパッキンを介して密着させることにより形成されたバイパス流路と、熱線とその熱線に接続する熱線用電極とが設けられた測定チップを、熱線用電極と電気回路用電極とを接着して基板に実装することにより、測定チップあるいは基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成されたセンサ流路とを備え、シールパッキンは、測定チップおよび基板に接触するシート部と、前記ボディの側面開口部の外周に沿って形成された溝に配置されるリング部とを有し、シート部とリング部とが一体形成されたものであることを特徴とするものである。なお、本明細書における「側面開口部」とは、ボディの側面(言い換えると、入出力ポートが開口していない面)であって基板が装着される面に開口した開口部を意味する。
【0026】
このような熱式流量計では、測定チップに設けられた熱線は、測定チップを基板に実装した際に、測定チップに設けられた熱線用電極と基板の表面に設けられた電気回路用電極とが接着されることによって、熱線を用いた計測原理を行うための電気回路に接続されている。一方、基板がボディに対して密着されると、ボディの内部において、バイパス流路が形成される。このとき、基板又は基板に実装された測定チップに溝が設けられているので、ボディの内部において、バイパス流路に対するセンサ流路も形成される。
【0027】
そして、ボディの内部を流れる被測定流体は、バイパス流路とセンサ流路の断面積比に応じて、バイパス流路とセンサ流路とに分流されることになる。従って、小流量測定時には、バイパス流路が閉鎖(全閉)される。そして、測定チップに設けられた熱線は、センサ流路に橋設された状態にあるので、熱線を用いた計測原理を行うための電気回路により、センサ流路を流れる被測定流体の流量、ひいては、ボディの内部を流れる被測定流体の流量を測定することができる。
【0028】
ここで、小流量測定時、つまりバイパス流路が閉鎖された場合には、バイパス流路内で被測定流体が漏れないようにすることが重要である。なぜなら、このような内部漏れが生じると、被測定流体の流量を正確に測定することができないからである。
【0029】
そのため、この熱式流量計には、シールパッキンが備わっている。そして、シールパッキンのリング部がボディに形成された溝に装着されているため、シールパッキンは動かない。従って、リング部と一体的に成形されているシート部も動かない。そして、バイパス流路を閉鎖するための閉鎖板の頭部がシート部の片面に密着するとともに、シート部の反対面は測定チップおよび基板に密着する。つまり、測定チップと閉鎖板、および測定チップとボディの隙間がなくなる。このため、バイパス流路を閉鎖した場合、シールパッキンのシート部によりバイパス流路の上面が完全にシールされる。また、シールパッキンのリング部により、基板とボディとの接触部分も完全にシールされる。つまり、シールパッキンにより、被測定流体の内部漏れと外部漏れとが防止されるのである。従って、被測定流体の漏れがないので、流量測定を正確に行うことができる。特に、被測定流体の内部漏れが防止されているので、小流量計測時において、高精度な流量計測を行うことができる。
【0030】
そして、シールパッキンのシート部には、測定チップとの接触部分に凹部が形成されていることが望ましい。これにより、シート部の測定チップおよび基板に対する密着性が高まり、内部漏れをより効果的に防止することができるからである。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱式流量計を具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。
【0032】
(第1の実施の形態)
まず、第1の実施について説明する。そこで、第1の実施の形態に係る熱式流量計の概略構成を図1に示す。図1に示すように、本実施の形態に係る熱式流量計1は、大別してボディ41とセンサ基板21とから構成されるものである。そして、ボディ41上面に開口する流路空間44を塞ぐように、センサ基板21がシールパッキン48を介しボディ41に密着されている。具体的には、センサ基板21は、基板押さえ31がボディ41にネジ固定されることにより、ボディ41に密着するようになっている。これにより、センサ流路S、およびセンサ流路Sに対するバイパス流路である主流路Mが形成されている。すなわち、本実施の形態に係る熱式流量計1は、センサ流路とバイパス流路とを備える熱式流量計である。
【0033】
ここで、ボディ41は、図2および図3に示すように、直方体形状のものである。なお、図2はボディ41の平面図であり、図3は図2におけるA−A断面図である。このボディ41には、両端面に入口ポート42と出口ポート46とが形成されている。そして、入口ポート42からボディ中央に向かって入口流路43が形成され、同様に出口ポート46からボディ中央に向かって出口流路45が形成されている。なお、入口流路43および出口流路45は、流路空間44の下方に形成されている。
【0034】
また、ボディ41の上部には、主流路Mおよびセンサ流路Sを形成するための流路空間44が形成されている。この流路空間44の横断面は、長方形の両短辺を円弧状(半円)にした形状になっており、その中央部に円弧状の凸部44Cが形成されている。凸部44Cは、メッシュ板51の位置決めを行うためのものである。そして、流路空間44の下面の一部が入口流路43および出口流路45に連通している。すなわち、流路空間44と入口流路44および出口流路45との連通部に、それぞれ90度に屈曲したエルボ部43Aおよび45Aが形成されている。
【0035】
これにより、入口流路43に流れ込んだ被測定流体の入射角による計測出力への影響を抑制することができる。なぜなら、入口流路43に流れ込んだ被測定流体は、エルボ部43Aで流れを乱され、かつその流れが強制的に上方(一方向)に向けられるので、入射角の影響を受けにくくなるからである。そして、このような効果が大きく、かつ被測定流体の流れを極力妨げないようにするために、エルボ部43Aの屈曲角度を90度としている。また、エルボ部43Aの屈曲角度を90度にすれば、ボディ41に各流路を形成するための加工が容易となるという製造上の利点も得られる。また、エルボ部43Aを新たに設けただけなので、流量計が大きくなることもない。
【0036】
なお、被測定流体の入射角による計測出力への影響を抑制するには、入口側にのみエルボ部43Aを設ければよいが、本実施の形態では、出口側にもエルボ部45Aを設けている。これは、計測出力の乱流ノイズを小さくするためである。この点についての詳細は、第2の実施の形態において説明する。
【0037】
そして、この流路空間44の下面に、図1に示すように、メッシュ板51が配設される。このメッシュ板51は、底板37とともにボディ41にねじ固定されている。これにより、主流路Mとエルボ部45Aとの連通部にメッシュ部51Mが設けられる。ここで、メッシュ板51について、図4、図5を用いて説明する。なお、図4(a)はメッシュ板の平面図であり、図4(b)は図4(a)におけるA−A断面図であり、図5はメッシュ部の拡大図である。
【0038】
メッシュ板51は、図4に示すように、両端部にメッシュ部51Mが形成された厚さが0.3mmの薄板である。なお、メッシュ板51の投影形状は、流路空間44の横断面形状と同じになっている。メッシュ部51Mは、直径4mmの円形状であり、図5に示すように、メッシュを構成する孔(直径0.2mm)の中心間距離がすべて0.27mmとなるように形成されている。すなわち、各孔の中心が正三角形の各頂点となるように孔が形成されている。このメッシュ部51Mの形成は、エッチング(マイクロマシニング加工)により行われる。なお、メッシュ部51Mの厚さは、図4(b)に示すように他の部分よりも薄くなっており、その厚さは、0.05〜0.1mmとなっている。また、出口側に配置されるメッシュ部51M(図4では右側)には、遮蔽部51Cが形成されている。この遮蔽部51Cは、第2の実施の形態で述べる遮蔽壁47の一部を構成するものである。従って、本実施の形態においては、遮蔽部51Cはなくてもよい。
【0039】
このように、主流路Mとエルボ部45Aとの連通部にメッシュ部51Mを設けることにより、入口流路43に流れ込んだ被測定流体の入射角による計測出力への影響をほとんどなくすことができる。なぜなら、被測定流体がメッシュ部51Mを通過することにより、被測定流体の流れに細かな乱れが非常に多く形成されるからである。また、メッシュ板51を設けることによっても、流量計が大きくなることはない。
【0040】
図2に戻って、ボディ41の上面には、流路空間44の外周に沿うように溝49が形成されている。この溝49は、シールパッキン48を装着するためのものである。ここで、溝49に装着されるシールパッキン48について、図6を用いて説明する。なお、図6(a)はシールパッキンの平面図であり、図6(b)は図6(a)におけるA−A断面図であり、図6(c)は図6(a)におけるB−B断面図である。
【0041】
シールパッキン48は、リング部48Aとシート部48Bとを備える。すなわち、リング部48Aとシート部48Bとを一体的に成形したものである。なお、シールパッキン48の材質は、フッ素ゴム、NBR、シリコンゴム等の弾性ゴムであればよい。そして、シート部48Bには、後述する測定チップ11に嵌合するように凹部48Cが形成されている。これにより、図7に示すように、シート部48Bがセンサ基板21および測定チップ11に密着するようになっている。このため、主流路Mを閉鎖したときに、底板37の頭部がシート部48Bに密着する。つまり、シート部48Bにより、測定チップ11とボディ41および測定チップ11と底板37の隙間がなくなる。そして、シールパッキン48のリング部48Aがボディ41に形成された溝49に装着されているため、シールパッキン48は動かない。従って、シート部48Bも動かない。シート部48Bは、リング部48Aと一体的に成形されているからである。このため、主流路Mを底板37により閉鎖した場合に、ボディ41内部での被測定流体の漏れを防止することができる。
【0042】
また、シールパッキン48のリング部48Aがボディ41に形成された溝49に装着されていることから、リング部48Aは流体流路44の外周に沿って配置される。そして、この状態でセンサ基板21がボディ21に密着させられる。従って、ボディ21とセンサ基板21との密着部には、シールパッキン48のリング部48Aが介在する。また、上記したようにシールパッキン48は動かない。従って、被測定流体が熱式流量計1の外部に漏れることも防止される。
【0043】
このように、リング部48Aとシート部48Bとを一体的に成形したシールパッキン48を使用することにより、被測定流体の外部漏れと内部漏れの両方を防止することができる。
【0044】
一方、センサ基板21は、測定流量を電気信号として出力するものである。このためセンサ基板21には、図8に示すように、ベースとなるプリント基板22の表面側(ボディ41への装着面側)において、その中央部に溝23が加工されている。そして、この溝23の両側に、電気回路用電極24,25,26,27が設けられている。一方、プリント基板22の裏面側には、電気素子で構成される電気回路32が設けられている(図1参照)。そして、プリント基板22の中で、電気回路用電極24〜27が電気回路32に接続されている。さらに、プリント基板22の表面側には、後述するようにして、測定チップ11が実装されている。
【0045】
ここで、測定チップ11について、図9を用いて説明する。なお、図9(a)は測定チップの平面図であり、図9(b)は測定チップの側面図である。測定チップ11は、図9に示すように、シリコンチップ12に対して、半導体マイクロマシニングの加工技術を実施したものであり、このとき、溝13が加工されるとともに、熱線用電極14、15、16、17が溝13の両側に設けられる。さらに、このとき、温度センサ用熱線18が、熱線用電極14、15から延設されるとともに溝13の上に架設され、また、流速センサ用熱線19が、熱線用電極16、17から延設されるとともに溝13の上に架設される。さらに、測定チップ11においては、センサ流路Sの下流側に流速センサ用熱線19を設け、センサ流路Sを流れる被測定流体F2の助走区間Lを長く設けている。センサ流路Sを流れる被測定流体F2の流れを整えるためである。
【0046】
そして、測定チップ11の熱線用電極14、15、16、17を、センサ基板21の電気回路用電極24、25、26、27(図8参照)のそれぞれと、半田リフロー又は導電性接着剤などで接合することによって、測定チップ11をセンサ基板21に実装している。従って、測定チップ11がセンサ基板21に実装されると、測定チップ11に設けられた温度センサ用熱線18と流速センサ用熱線19は、測定チップ11の熱線用電極14〜17と、センサ基板21の電気回路用電極24〜27(図8参照)とを介して、センサ基板21の裏面側に設けられた電気回路32(図1参照)に接続されることになる。
【0047】
また、測定チップ11がセンサ基板21に実装されると、測定チップ11の溝13は、センサ基板21Aの溝23と重なり合う。よって、図1に示すように、測定チップ11が実装されたセンサ基板21をボディ41にシールパッキン48を介して密着すると、ボディ41の流路空間44において、センサ基板21と測定チップ11との間に、測定チップ11の溝13やセンサ基板21の溝23などからなる細長い形状のセンサ流路Sが形成される。そのため、センサ流路Sには、温度センサ用熱線18と流速センサ用熱線19とが橋を渡すように設けられる。
【0048】
続いて、上記した構成を有する熱式流量計1の作用について説明する。熱式流量計1においては、図1に示すように、入口ポート42を介して入口流路43へ流れ込んだ被測定流体(図1のF)は、流路空間44にて、主流路Mへ流れ込むもの(図1のF1)と、センサ流路Sへ流れ込むもの(図1のF2)とに分流される。そして、主流路Mおよびセンサ流路Sから流れ出した被測定流体は、合流して、出口流路45を介して出口ポート46からボディ41の外部に流れ出す(図1のF)。
【0049】
ここで、入口流路43に流れ込んだ被測定流体(図1のF)は、エルボ部43Aでその流れが乱されるとともに、強制的に流れの向きを上方に変えられる。さらに、メッシュ部51Mを通過する。このため、被測定流体の流れに細かな乱れが非常に多く形成される。これらのことにより、センサ流路Sに流れ込む被測定流体には、入口流路43に流れ込んだ被測定流体の入射角による影響が出ない。
【0050】
そして、センサ流路Sを流れる被測定流体(図1のF2)は、センサ流路Sに橋設された温度センサ用熱線18と流速センサ用熱線19とから熱を奪う。そうすると、センサ基板21の裏面側に設けられた電気回路が、温度センサ用熱線18と流速センサ用熱線19などの出力を検知しながら、温度センサ用熱線18と流速センサ用熱線19とが一定の温度差になるように制御する。
【0051】
なお、熱式流量計1において流量レンジを変更するには、底板37の高さを変更することにより行う。例えば、最小流量レンジ(0.5l/min)にするには、図10に示すように、底板37により主流路Mを閉鎖する。このようにして、流量レンジを変更できるのは、センサ流路Sの断面積は一定であるものの、主流路Mの断面積が変更され、これに伴い、主流路Mへ流れ込む被測定流体(図1のF1)の流量と、センサ流路Sへ流れ込む被測定流体(図1のF1)の流量とが変化するからである。
【0052】
このときの熱式流量計1における出力の一例を図11に示す。図11のグラフは、本実施の形態の熱式流量計1において、ボディ41の入口ポート42へ流れ込む被測定流体の流量が、0.5(l/min)、1(l/min)、2(l/min)、3(l/min)、4(l/min)、5(l/min)、6(l/min)、7(l/min)、8(l/min)、9(l/min)、10(l/min)のときにおける入射角による計測出力への影響(出力誤差)を示したものである。また、図12のグラフは、改善前の熱式流量計(本出願人が特願2000−368801にて提案したもの)において、上記と同じ条件下における各流量の出力誤差を示したものである。
【0053】
図11と図12図とを比較すると、本実施の形態の熱式流量計1は、改善前の熱式流量計と比べ、出力誤差が小さいことがわかる。具体的には、改善前の熱式流量計における出力誤差が「±10%」であったのに対し、本実施の形態の熱式流量計1における出力誤差が「±1.5%」になった。すなわち、出力誤差が約1/7となった。このように、熱式流量計1では、被測定流体の入射角度の影響が計測出力に出にくい。すなわち、熱式流量計1は、被測定流体の入射角度の影響をほとんど受けないので、流量計への配管の自由度が非常に高いと言える。
【0054】
そして、熱式流量計1の最小流量レンジである0.5(l/min)に設定する場合には、図10に示すように、底板37により主流路Mが閉鎖される。このとき、熱式流量計1においては、底板37の頭部がシールパッキン48のシート部48Bに密着する。しかも、上記したようにシート部48Bは動かない。従って、熱式流量計1では、主流路Mを閉鎖したときに主流路Mにおいて被測定流体が漏れない。これにより、小流量の計測も精度よく行うことができる。
【0055】
以上、詳細に説明したように第1の実施の形態に係る熱式流量計1によれば、流路空間44と入口流路44との連通部に、90度に屈曲したエルボ部43Aが形成されている。これにより、入口流路43に流れ込んだ被測定流体は、エルボ部43Aで流れを乱され、かつ強制的にその流れの向きを上方に変えられる。従って、センサ流路を流れる被測定流体の流れに入射角の影響が出にくくなる。すなわち、入射角による測定出力の影響が抑制される。
【0056】
また、主流路Mとエルボ部45Aとの連通部にメッシュ部51Mを設けている。このため、被測定流体がメッシュ部51Mを通過するため、被測定流体の流れに細かな乱れが非常に多く形成される。これにより、センサ流路を流れる被測定流体の流れに入射角の影響がより出にくくなる。従って、入射角による測定出力への影響がほとんどなくなる。
【0057】
このように熱式流量計1では、入口流路43と主流路M(およびセンサ流路S)とを連通させる90度に屈曲したエルボ部43Aが設けられ、このエルボ部43Aと主流路Mとの連通部にメッシュ部51Mが配置されている。これにより、入口流路42に流れ込む被測定流体の入射角が大きくなっても、センサ流路Mを流れる被測定流体の流れに影響を及ぼさない。従って、計測出力が、入口流路42に流れ込む被測定流体の入射角の影響をほとんど受けない。しかも、エルボ部43Aを設け、メッシュ部51Mを配置しただけなので、流量計が大きくなることもない。
【0058】
また、第1の実施の形態に係る熱式流量計1によれば、リング部48Aとシート部48Bとを一体的に成形したシールパッキン48を介して、センサ基板21がボディ41に密着されている。そして、シールパッキン48のリング部48Aがボディ41に形成された溝49に装着されている。このため、リング部48Aは流体流路44の外周に沿って配置される。従って、ボディ21とセンサ基板21との密着部には、シールパッキン48のリング部48Aが介在する。これにより、被測定流体が熱式流量計1の外部に漏れることが防止される。
【0059】
さらに、シールパッキン48のシート部48Bには、測定チップ11に嵌合する凹部48Cが形成されている。これにより、シート部48Bがセンサ基板21および測定チップ11に密着する。このため、主流路Mを閉鎖したときに、底板37の頭部がシート部48Bに密着する。つまり、測定チップ11とボディ41および測定チップ11と底板37の隙間がなくなる。そして、シールパッキン48のリング部48Aがボディ41に形成された溝49に装着されているので、リング部48Aと一体的に成形されたシート部48Bは動かない。従って、主流路Mを底板37により閉鎖した場合に、ボディ41内部での被測定流体の漏れを防止することができる。
【0060】
すなわち、リング部48Aとシート部48Bとを一体的に成形したシールパッキン48を備える熱式流量計1では、被測定流体の外部漏れと内部漏れの両方を防止することができる。
【0061】
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態について説明する。そこで、第2の実施の形態に係る熱式流量計の概略構成を図13に示す。図13に示すように、第2の実施の形態に係る熱式流量計201は、第1の実施の形態に係る熱式流量計1とほぼ同様の構成を有するものであるが、流路空間44に積層フィルタ50が装着されている点が異なる。このため、第1の実施の形態と異なる点を中心に説明する。従って、第1の実施の形態と同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。なお、本実施の形態の熱式流量計201でも、エルボ部43Aを設けたことによる効果、およびシールパッキン48を用いたことによる効果は、第1の実施の形態と同様に得られる。
【0062】
そこで、積層フィルタ50について、図14を用いて説明する。積層フィルタ50は、図14に示すように、4種類の薄板を合計11枚積層したものである。すなわち、下から順に、メッシュ板51、第1遮蔽板52,52,52,52、メッシュ板51、第2遮蔽板53、メッシュ板51、第2遮蔽板53、メッシュ板51、および第3遮蔽板54が積層されて接着されたものである。これら各遮蔽板52〜54は、すべて厚さが0.5mmであり、エッチングにより各形状の加工(マイクロマシニング加工)がなされたものである。そして、各遮蔽板52〜54の投影形状は流路空間44の横断面形状と同じになっている。また、メッシュ板51の投影形状も、上記したように流路空間44の横断面形状と同じである。従って、積層フィルタ50が流路空間44に隙間なく装着されるようになっている。
【0063】
ここで、各遮蔽板について詳細に説明する。まず、第1遮蔽板52について、図15を用いて説明する。なお、図15(a)は第1遮蔽板の平面図であり、図15(b)は図15(a)におけるA−A断面図である。第1遮蔽板52は、図15に示すように、外周部52Bおよび遮蔽部52Cを残すようにエッチング加工されたものである。これにより、第1遮蔽板52には、第1開口部61と第2開口部62とが形成されている。なお、第1遮蔽板52の厚さは、0.5mmである。
【0064】
次に、第2遮蔽板53について、図16を用いて説明する。なお、図16(a)は第2遮蔽板の平面図であり、図16(b)は図16(a)におけるA−A断面図である。第2遮蔽板53は、図16に示すように、外周部53B、遮蔽部53C、および中央部53Dを残すようにエッチング加工されたものである。すなわち、第1遮蔽板52の中央にも未加工の部分を残したものである。これにより、第2遮蔽板53には、第3開口部63と第4開口部64、および第2開口部62が形成されている。
【0065】
最後に、第3遮蔽板54について、図17を用いて説明する。なお、図17(a)は第3遮蔽板の平面図であり、図17(b)は図17(a)におけるA−A断面図である。第3遮蔽板54は、図17に示すように、外周部54B、および遮蔽部54Cを残すようにエッチング加工されたものである。すなわち、第2遮蔽板53において第4開口部64を形成しないことにより、遮蔽部53Cと中央部53Dとが一体となって遮蔽部54Cが構成されているものである。これにより、第3遮蔽板54には、第3開口部63と第2開口部62が形成されている。
【0066】
ここで図13に戻って、上記したメッシュ板51、第1遮蔽板52、第2遮蔽板53、および第3遮蔽板54を組み合わせて、図14に示すように積層して接着した積層フィルタ50を流路空間44に装着することにより、第1遮蔽板52に設けられた第1開口部61によって主流路Mが形成されている。また、各薄板51〜54に設けられたメッシュ部51、第1開口部61、および第3開口部63によって、入口流路43と主流路Mおよびセンサ流路Sとを連通させる第1連絡流路5が形成されている。
【0067】
そして、エルボ部43Aと流路空間44(主流路M)との連通部にメッシュ部51Mが配置されている。これにより、第1の実施の形態で述べた効果が得られる。すなわち、センサ流路Sに流れ込む被測定流体には、入口流路43に流れ込んだ被測定流体の入射角による影響が出ない。
【0068】
また、積層フィルタ50を流路空間44に装着することにより、主流路Mとセンサ流路Sとの間にメッシュ部51Mが3層配置されている。各メッシュ部51Mの間隔は、メッシュ板51と第2遮蔽板53とがスペーサの役割を果たし、0.7mmとなっている。これにより、各メッシュ部51Mを通過するごとに流れが整えられた被測定流体を、センサ流路Sに流し込むことができる。
【0069】
また、各薄板51〜54に設けられたメッシュ部51、第1開口部61、および第4開口部64によって、主流路Mと出口流路45とを連通させる第2連絡流路6が形成されている。さらに、各薄板51〜54に設けられた第2開口部62によって、センサ流路Sと出口流路45とを連通させる第3連絡流路7が形成されている。これら第2連絡流路6と第3連絡流路7との間には、遮蔽壁47が形成されている。この遮蔽壁47は、各薄板51,52,53,54に設けられた各遮蔽部51C,52C,53C,54Cによって構成されたものである。そして、この遮蔽壁47により、センサ流路Sから流れ出す被測定流体と主流路Mから流れ出す被測定流体との合流地点が、エルボ部45Aと流路空間44との連通部となっている。
【0070】
そして、出口流路45と主流路Mとはエルボ部45Aにより連通されている。このため、出口流路45が主流路Mの下方に配置されることになる。従って、センサ流路Sから流出する被測定流体と主流路Mから流出する被測定流体とが、センサ流路Sの出口付近で合流することがない。すなわち、センサ流路Sと主流路Mとの合流地点が、後述する計測チップ11から遠ざけられている。従って、センサ流路Sと主流路Mとの合流地点に発生する流れの渦が、センサ流路Sにおける計測チップ11の部分を流れる被測定流体の流れを乱さない。
【0071】
つまり、出口側にもエルボ部45Aを設けるのは、上記した遮蔽壁47を形成して、センサ流路Sと主流路Mとの合流地点に発生する流れの渦が、センサ流路Sにおける計測チップ11の部分を流れる被測定流体の流れを乱さないようにする効果を大きくするためである。
【0072】
そして、上記構成を有する熱式流量計201で、熱式流量計201の入口ポート42へ流れ込む被測定流体(図1のF)の流量が10(l/min)のときの出力を確認した。その結果を図18、図19に示す。なお、図18のグラフは、熱式流量計1からの出力(ブリッジ出力)を示したものである。図19のグラフは、熱式流量計1からの出力を電気的フィルター(ローパスフィルタ)に通した後の出力(アンプ出力)を示したものである。また、図18、図19とも、実線が第1の実施の形態に係る熱式流量計1の出力を示し、破線が改善前の熱式流量計の出力を示す。
【0073】
図18、図19から明らかなように、第2の実施の形態に係る熱式流量計1は、改善前の熱式流量計に比べ、出力の振動幅が小さいことがわかる。ここで、この振動幅の出力値に対する比率をノイズと定義すると、図18において、改善前の熱式流量計におけるノイズが「22.36(%FS)」であるのに対し、第1の実施の形態に係る熱式流量計1におけるノイズは「2.77(%FS)」である。また、図19において、改善前の熱式流量計におけるノイズが「4.96(%FS)」であるのに対し、第2の実施の形態に係る熱式流量計1におけるノイズは「0.43(%FS)」である。すなわち、第2の実施の形態に係る熱式流量計1によれば、ノイズを約1/10にすることができる。これは、上記したようにセンサ流路Sを流れる被測定流体の流れが非常に整ったものになっているからである。なお、ブリッジスパンは、第1の実施の形態に係る熱式流量計1が「0.415(V)」であり、改善前の熱式流量計が「0.405(V)」である。
【0074】
このように積層フィルタ50を流路空間44に装着することにより、センサ流路Sに、入射角の影響をほとんど受けていなくて、しかも流れが整った被測定流体を流すことができる。従って、熱式流量計201の計測出力は、入射角の影響をほとんど受けないとともに、非常に安定している。
【0075】
以上、詳細に説明したように第2の実施の形態に係る熱式流量計201によれば、ボディ41に形成された流路空間44に積層フィルタ50が装着されている。そして、積層フィルタ50の最下面には、メッシュ板51が配置されている。このため、主流路Mとエルボ部45Aとの連通部にメッシュ部51Mが設けられている。そして、被測定流体がメッシュ部51Mを通過するため、被測定流体の流れに細かな乱れが非常に多く形成される。これにより、センサ流路を流れる被測定流体の流れに入射角の影響がより出にくくなる。従って、入射角による測定出力への影響がほとんどなくなる。
【0076】
そして、熱式流量計201にも、入口流路43と主流路M(およびセンサ流路S)とを連通させる90度に屈曲したエルボ部43Aが設けられている。また、このエルボ部43Aと主流路Mとの連通部にメッシュ部51Mが配置されている。これらのことにより、入口流路42に流れ込む被測定流体の入射角が大きくなっても、センサ流路Mを流れる被測定流体の流れに影響を及ぼさない。従って、計測出力が、入口流路42に流れ込む被測定流体の入射角の影響をほとんど受けない。
【0077】
また、積層フィルタ50には、主流路Mとセンサ流路Sとの間に配置される3層のメッシュ部51Mが備わっている。このため、被測定流体は、3層のメッシュ部51Mを通過した後にセンサ流路Sに流れ込む。これにより、センサ流路Sに流れ込む被測定流体の流れが整えられる。つまり、主流路Mに流れ込む被測定流体の流れが乱れたとして、主流路Mとセンサ流路Sとの間に設けられた3層のメッシュ部51Mにより、センサ流路Sに流れ込む被測定流体の流れは整えられるのである。また、メッシュ部51Mを3層設けているので、より大きな整流効果が得られる。
【0078】
さらに、積層フィルタ50には、積層フィルタ50を構成する各薄板51,52,53,54に設けられた各遮蔽部51C,52C,53C,54Cによって形成された遮蔽壁47が備わっている。このため、センサ流路Sから流出する被測定流体と主流路Mから流出する被測定流体とが、ボディ41に形成された出口流路45(エルボ部45A)で合流する。つまり、センサ流路Sから流出する被測定流体と主流路Mから流出する被測定流体とが、センサ流路Sの出口付近で合流することがない。これにより、センサ流路Sと主流路Mとの合流地点が、測定チップ11から遠ざけられている。従って、センサ流路Sと主流路Mとの合流地点に発生する流れの渦が、センサ流路Sにおける被測定流体の流れを乱さない。
【0079】
このように熱式流量計201は、入口流路43と主流路M(およびセンサ流路S)とを連通させる90度に屈曲したエルボ部43Aが設けられているとともに、ボディ41に形成された流路空間44に積層フィルタ50が装着されていることにより、センサ流路Sにおける被測定流体の流れが入射角の影響を受けず、しかもその流れが非常に整えられている。よって、入射角の影響を受けずに安定した測定出力を得ることができる。
【0080】
(第3の実施の形態)
最後に、第3の実施の形態について説明する。そこで、第3の実施の形態に係る熱式流量計の概略構成を図20に示す。図20に示すように、第3の実施の形態に係る熱式流量計301は、第2の実施の形態に係る熱式流量計201とほぼ同様の構成を有するものであるが、流路空間44に積層フィルタ50の代わりに積層フィルタ60が装着されている点が異なる。すなわち、本実施の形態に係る熱式流量計301には、複数の溝を備えた積層フィルタ60が流路空間44に装着されている。また、積層フィルタ60は、第2の実施の形態の積層フィルタ50に対し、メッシュ部51Mが備わっていない点でも相違する。このため、第2の実施の形態と異なる点を中心に説明する。従って、第2の実施の形態と同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。なお、本実施の形態の熱式流量計301でも、エルボ部43Aを設けたことによる効果、およびシールパッキン48を用いたことによる効果は、第1の実施の形態と同様に得られる。
【0081】
そこで、積層フィルタ60について、図21を用いて説明する。積層フィルタ60は、図21に示すように、3種類の薄板を合計10枚積層したものである。すなわち、下から順に、メッシュ板51、溝フィルタ55,55,55,55,55,55,55,55、および第3遮蔽板54が積層されて接着されたものである。
【0082】
ここで、溝フィルタ55について、図22を用いて説明する。なお、図22(a)は溝フィルタの平面図であり、図22(b)は図22(a)におけるA−A断面図であり、図22(c)は図22(a)におけるB−B断面図である。溝フィルタ55は、図22に示すように、外周部55B、遮蔽部55C、および中央部55Dを残し、中央部55Dに溝55Eが形成されるようにエッチング加工されたものである。すなわち、溝フィルタ55は、第2遮蔽板53の中央部53D(図16参照)に溝55Eを設けたものとなっている。そして、溝フィルタ55の中央部55Dには、片面2本ずつ合計4本の溝55Eが形成されている。この溝55Eの深さは0.35mmであり、溝55Eの幅は0.9mmである。そして、隣り合う溝の間隔は1.05mmとなっている。なお、溝フィルタ55の厚さは、0.5mmである。
【0083】
これらメッシュ板51、溝フィルタ55、および第3遮蔽板54を図21に示すように積層して接着した積層フィルタ60を、ボディ41に形成された流路空間44に装着することにより、図20に示すように、エルボ部43Aと流路空間44(主流路M)との連通部にメッシュ部51Mが配置されている。これにより、第1の実施の形態で述べた効果が得られる。すなわち、センサ流路Sに流れ込む被測定流体には、入口流路43に流れ込んだ被測定流体の入射角による影響が出ない。
【0084】
また、積層フィルタ60を、ボディ41に形成された流路空間44に装着することにより、溝フィルタ55の中央部55Dに形成された溝55Eによって主流路Mに多数の細かい流路が形成されている。これにより、主流路Mに流れ込む被測定流体は、各溝55Eを流れる。このため、主流路Mを流れる被測定流体の流れが整えられる。また、溝フィルタ55では、両面に溝55Eを形成することにより、積層体フィルタ60により多くの溝55Eを備えることができ、より大きな整流効果が得られる。
【0085】
なお、積層フィルタ60には、各薄板51,54,55に設けられた遮蔽部51C,54C,55によって形成された遮蔽壁47Aが備わっている。この遮蔽板47Aも、第1の実施の形態に係る熱式流量計1に備わる遮蔽板47と同様の効果を奏する。すなわち、センサ流路Sと主流路Mとの合流地点に発生する流れの渦が、センサ流路Sにおける被測定流体の流れを乱さない。
【0086】
そして、上記構成を有する熱式流量計301で、第2の実施の形態と同様の条件下(流量:10(l/min))における出力を確認したところ、ブリッジ出力におけるノイズは「6.84(%FS)」であり、アンプ出力におけるノイズは「1.42(%FS)」であった。従って、第3の実施の形態に係る熱式流量計301によれば、ノイズを約1/3にすることができる。なお、ブリッジスパンは「0.679(V)」である。そして、改善前の熱式流量計のブリッジ出力におけるノイズが「22.36(%FS)」であり、アンプ出力におけるノイズが「4.96(%FS)」である。
【0087】
このように積層フィルタ60を流路空間44に装着することにより、センサ流路Sに、入射角の影響をほとんど受けていなくて、しかも流れが整った被測定流体を流すことができる。従って、熱式流量計301の計測出力は、入射角の影響をほとんど受けないとともに、非常に安定している。
【0088】
以上、詳細に説明したように第3の実施の形態に係る熱式流量計301によれば、ボディ41に形成された流路空間44に積層フィルタ60が装着されている。そして、積層フィルタ60の最下面には、メッシュ板51が配置されている。このため、主流路Mとエルボ部45Aとの連通部にメッシュ部51Mが設けられている。そして、被測定流体がメッシュ部51Mを通過するため、被測定流体の流れに細かな乱れが非常に多く形成される。これにより、センサ流路Sを流れる被測定流体の流れに、入射角の影響がより出にくくなる。従って、入射角による測定出力への影響がほとんどなくなる。
【0089】
そして、熱式流量計301にも、入口流路43と主流路M(およびセンサ流路S)とを連通させる90度に屈曲したエルボ部43Aが設けられている。また、このエルボ部43Aと主流路Mとの連通部にメッシュ部51Mが配置されている。これらのことにより、入口流路42に流れ込む被測定流体の入射角が大きくなっても、センサ流路Mを流れる被測定流体の流れに影響を及ぼさない。従って、計測出力が、入口流路42に流れ込む被測定流体の入射角の影響をほとんど受けない。
【0090】
また、積層フィルタ60には、主流路Mを複数の流路に分割する溝55Eが備わっている。このため、主流路Mに流れ込む被測定流体の流れが整えられる。これにより、主流路Mにおける被測定流体の流れが、センサ流路Sにおける被測定流体の流れに悪影響を及ぼさない。つまり、センサ流路Sにおける被測定流体の流れが常に安定する。
【0091】
さらに、積層フィルタ60には、積層フィルタ60を構成する各薄板51,54,55に設けられた遮蔽部51C,54C,55Cによって形成された遮蔽壁47Aが備わっている。このため、センサ流路Sから流出する被測定流体と主流路Mから流出する被測定流体とが、ボディ41に形成された出口流路45(エルボ部45A)で合流する。つまり、センサ流路Sから流出する被測定流体と主流路Mから流出する被測定流体とが、センサ流路Sの出口付近で合流することがない。これにより、センサ流路Sと主流路Mとの合流地点が、測定チップ11から遠ざけられている。従って、センサ流路Sと主流路Mとの合流地点に発生する流れの渦が、センサ流路Sにおける被測定流体の流れを乱さない。
【0092】
このように熱式流量計301は、入口流路43と主流路M(およびセンサ流路S)とを連通させる90度に屈曲したエルボ部43Aが設けられているとともに、ボディ41に形成された流路空間44に積層フィルタ60が装着されていることにより、センサ流路Sにおける被測定流体の流れが入射角の影響を受けず、しかもその流れが非常に整えられている。よって、入射角の影響を受けずに安定した測定出力を得ることができる。
【0093】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態においては、流量レンジを変更する場合の例として、底板37の高さを変化させる方法を例示したが、別の方法として、図23に示すように、底板37の高さは常に一定(すなわち主流路の高さ)として、断面積を変化させるようにしてもよい。また、積層フィルタは、上記で例示したものだけに限られず、各薄板51〜56を任意に組み合わせて構成することができる。
【0094】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明に係る熱式流量計によれば、入口流路とセンサ流路およびバイパス流路とを連通させるエルボ部が形成されている。これにより、入口流路に流れ込んだ流体は、エルボ部で流れを乱され、かつその流れが強制的に変えられる。従って、センサ流路における流体の流れが入射角の影響を受けにくくなる。よって、入射角による測定出力への影響がほとんどなくなる。
【0095】
また、本発明に係る熱式流量計には、エルボ部とバイパス流路との連通部にフィルタが設けられている。このため、流体はエルボ部を流れた後にフィルタを通過する。このとき、流体の流れに細かな乱れが非常に多く形成される。従って、センサ流路における流体の流れに入射角の影響をより受けにくくなる。よって、入射角による測定出力への影響がより抑制される。しかも、入射角の影響をなくすために、流量計が大きくなることもない。
【0096】
また、本発明に係る熱式流量計には、測定チップおよび基板に接触するシート部と、ボディの側面開口部の外周に沿って形成された溝に配置されるリング部とが備わるとともに、それらシート部とリング部とが一体形成されたシールパッキンを備えている。このため、バイパス流路を閉鎖板により閉鎖したときに、シート部により、測定チップと閉鎖板および測定チップとボディの隙間がなくなり、バイパス流路の上面が完全にシールされる。従って、流体の内部漏れが防止されるため、小流量測定時の出力特性が安定する。
【0097】
さらに、本発明に係る熱式流量計は、バイパス流路とセンサ流路との間に設けられたフィルタ、バイパス流路内に配置される溝を形成した薄板を積層した積層体、あるいはセンサ流路から流出する流体とバイパス流路から流出する流体とを、ボディに形成された出口流路にて合流させる遮蔽壁の少なくとも1つを備えている。これにより、センサ流路における流体の流れを安定させることができる。従って、測定出力が安定して得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る熱式流量計の概略構成図である。
【図2】ボディの平面図である。
【図3】図2のA−A断面図である。
【図4】メッシュ板を示す図であり、(a)が平面図、(b)がA−A断面図である。
【図5】図4のメッシュ部の拡大図である。
【図6】シールパッキンを示す図であり、(a)が平面図、(b)がA−A断面図、(c)がB−B断面図である。
【図7】図1のA−A断面図である。
【図8】センサ基板の斜視図である。
【図9】測定チップを示す図であり、(a)が平面図であり、(b)が側面図である。
【図10】最小流量レンジに設定した場合における底板の形状を示す図である。
【図11】熱式流量計の出力の一例を示す図である。
【図12】改善前の熱式流量計の出力の一例を示す図である。
【図13】第2の実施の形態に係る熱式流量計の概略構成図である。
【図14】積層フィルタの分解斜視図である。
【図15】第1遮蔽板を示す図であり、(a)が平面図、(b)がA−A断面図である。
【図16】第2遮蔽板を示す図であり、(a)が平面図、(b)がA−A断面図である。
【図17】第3遮蔽板を示す図であり、(a)が平面図、(b)がA−A断面図である。
【図18】熱式流量計の出力(ブリッジ出力)の一例を示す図である。
【図19】同じく、熱式流量計の出力(アンプ出力)の一例を示す図である。
【図20】第3の実施の形態に係る熱式流量計の概略構成図である。
【図21】積層フィルタの分解斜視図である。
【図22】溝フィルタを示す図であり、(a)が平面図であり、(b)がA−A断面図であり、(c)がB−B断面図である。
【図23】流量レンジの別の変更方法を説明するための図である。
【図24】従来の熱式流量計の断面図である。
【図25】従来の熱流量計で使用された測定素子の斜視図である。
【符号の説明】
1 熱式流量計
41 ボディ
43 入口流路
43A エルボ部
44 流路空間
47 遮蔽壁
48 シールパッキン
48A リング部
48B シート部
48C 凹部
50 積層フィルタ
51 メッシュ板
51M メッシュ部
M 主流路(バイパス流路)
S センサ流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal flow meter that measures a flow rate using a hot wire. More specifically, the present invention relates to a thermal flow meter that eliminates the influence on the measurement output due to the incident angle of the fluid flowing into the flow meter.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as one type of thermal flow meter that measures a flow rate using a hot wire, there is one that uses a measurement chip manufactured by a semiconductor micromachining processing technique as a sensor unit. An example of this type of thermal flow meter is shown in FIG. In the
[0003]
In this regard, as shown in FIG. 25, the
[0004]
Therefore, in the
[0005]
However, in the
[0006]
Therefore, in the
[0007]
Therefore, in order to solve such a problem, the present applicant uses a measurement chip provided with a heat ray as a sensor unit, and relates to the connection between the heat wire of the measurement chip and an electric circuit, and uses wire bonding. Japanese Patent Application No. 2000-368801 proposed a thermal flow meter that avoids the above.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the thermal type flow meter proposed in the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2000-368801, the output characteristics are affected by the incident angle of the fluid to be measured flowing into the flow meter. Therefore, there is a problem that the output error increases as the measured flow rate increases (see FIG. 12). In the
[0009]
In addition, when measuring a small flow rate in the thermal flow meter proposed in Japanese Patent Application No. 2000-368801, the main flow channel (corresponding to the “bypass flow channel” in the claims) is closed to measure the flow rate. At this time, the fluid to be measured may leak inside the flowmeter. If such internal leakage occurs, the flow rate cannot be measured accurately. Therefore, in order to measure a small flow rate with high accuracy, it is necessary to prevent internal leakage.
[0010]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a thermal flow meter capable of eliminating the influence on the measurement output due to the incident angle of the fluid and preventing internal leakage. Is an issue.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The thermal flow meter according to the present invention, which has been made to solve the above problems, has a thermal flow rate provided with a bypass flow path for the sensor flow path in addition to the sensor flow path provided with a hot wire for measuring the flow rate. The meter is characterized by having an elbow portion for communicating the inlet flow channel into which the fluid flows, the bypass flow channel, and the sensor flow channel.
[0012]
In this thermal flow meter, the fluid to be measured that has flowed into the flow meter flows through the inlet flow channel and is divided into a sensor flow channel in which a heat ray is installed and a bypass flow channel with respect to the sensor flow channel. Here, the inlet flow path, the bypass flow path, and the sensor flow path are communicated with each other through the elbow portion. For this reason, the fluid to be measured that has flowed through the inlet flow path flows into the sensor flow path and the bypass flow path after passing through the elbow portion. As a result, the fluid to be measured flowing through the inlet channel is disturbed in the elbow portion, and the direction of the flow is forcibly changed. For this reason, the fluid to be measured that has passed through the elbow part is hardly affected by the incident angle. Therefore, the fluid to be measured that is hardly affected by the incident angle flows into the sensor flow path. Therefore, it is difficult for the measurement output to be affected by the incident angle of the fluid to be measured. That is, output error is suppressed. Moreover, since the elbow part is only newly provided, the flow meter does not become large. The bending angle of the elbow part may be set to an angle that does not affect the incident angle on the fluid to be measured flowing into the sensor flow path.
[0013]
However, it is desirable that the elbow part bends at 90 degrees. By doing so, the influence of the incident angle of the fluid to be measured on the measurement output is hardly affected, and the flow of the fluid to be measured can be prevented as much as possible. That is, if the elbow portion is bent at an acute angle, the flow of the fluid to be measured is undesirably stagnated at the bent portion. Conversely, if the elbow portion is bent at an obtuse angle, the effect of suppressing the influence of the incident angle is reduced. It is. Further, if the elbow portion has a bending angle of 90 degrees, there is an advantage that the processing for forming each flow path can be performed very easily.
[0014]
Furthermore, it is more desirable that a filter is provided at the communication part between the elbow part and the bypass flow path. This is because the influence of the incident angle of the fluid to be measured on the measurement output can be further suppressed. In particular, the filter may be a mesh. This is because the influence on the measurement output due to the incident angle of the fluid to be measured flowing into the flowmeter can be almost eliminated. This is because, when the fluid to be measured passes through the mesh, very small disturbances are formed in the flow of the fluid to be measured.
[0015]
In the thermal type flow meter according to the present invention, a filter in which a plurality of meshes are stacked may be provided between the bypass flow path and the sensor flow path.
[0016]
Thereby, the fluid to be measured flows into the sensor flow path after passing through the stacked filters. For this reason, the flow of the fluid to be measured flowing into the sensor flow path is adjusted. This is because the turbulence of the fluid to be measured decreases every time it passes through a plurality of meshes. Therefore, even if the flow of the fluid to be measured flowing into the bypass flow path is disturbed, the flow of the fluid to be measured flowing into the sensor flow path is adjusted by the filter provided between the bypass flow path and the sensor flow path. Further, as described above, the flow of the fluid to be measured flowing into the sensor channel is not affected by the incident angle of the fluid to be measured. Therefore, a very stable measurement output can be obtained. In addition, it is better to overlap each mesh at a predetermined interval rather than directly. This is because a larger rectifying effect can be obtained.
[0017]
Furthermore, the thermal flow meter according to the present invention may have a laminated body in which thin plates having grooves are laminated in the bypass flow path.
[0018]
Thereby, the bypass channel is divided into a plurality of small channels, and the fluid to be measured flowing into the bypass channel flows through each groove. For this reason, the flow of the fluid to be measured flowing through the bypass channel is adjusted. That is, the laminate is a rectifying mechanism. Here, by forming a plurality of grooves in one thin plate, the stacked body can be provided with more grooves, and a larger rectification effect can be obtained. In addition, when forming a some groove | channel, a groove | channel may be formed only in the single side | surface of a thin plate, and a groove | channel may be formed in both surfaces of a thin plate.
[0019]
As described above, the flow of the fluid to be measured flowing into the sensor flow path is not affected by the incident angle of the fluid to be measured. Therefore, a very stable measurement output can be obtained.
[0020]
Furthermore, in the thermal flow meter according to the present invention, the thermal flow meter has a shielding wall that joins the fluid flowing out from the sensor flow path and the fluid flowing out from the bypass flow path in the outlet flow path formed in the body, The shielding wall may be formed by stacking a plurality of shielding plates.
[0021]
As a result, the fluid to be measured flowing out from the sensor flow path and the fluid to be measured flowing out from the bypass flow path merge at the outlet flow path formed in the body. That is, the fluid to be measured flowing out from the sensor flow path and the fluid to be measured flowing out from the bypass flow path do not merge near the outlet of the sensor flow path. That is, the confluence point of the sensor flow path and the bypass flow path is kept away from the heat ray installed in the sensor flow path. Therefore, the vortex of the flow generated at the confluence of the sensor flow path and the bypass flow path does not disturb the flow of the fluid to be measured in the sensor flow path. Further, as described above, the flow of the fluid to be measured flowing into the sensor channel is not affected by the incident angle of the fluid to be measured. Therefore, a very stable measurement output can be obtained.
[0022]
Note that the shielding wall has a size that allows the vortex of the flow generated at the confluence point of the sensor flow path and the bypass flow path to keep the confluence point far enough not to affect the flow of the fluid to be measured in the sensor flow path. That's fine. Therefore, the tip of the shielding wall may be located on the upper surface of the outlet channel, or may be located in the center of the outlet channel.
[0023]
Here, the outlet channel is preferably communicated with the bypass channel via the elbow. By doing so, the outlet channel is not formed on the same straight line with respect to the bypass channel, and thus the above-described effect obtained by providing the shielding wall becomes larger.
[0024]
Note that the above-described laminated mesh, laminated body, and shielding plate may be arbitrarily combined. This is because the above-described effects can be obtained synergistically.
[0025]
The thermal flow meter according to the present invention has a substrate on which a circuit electrode connected to an electrical circuit for performing a measurement principle using a hot wire is provided on a surface, and a fluid flow path including a side opening is formed. A measuring chip provided with a bypass channel formed by close contact with a body through a seal packing so as to close a side opening, a heating wire and a heating wire electrode connected to the heating wire is used for heating wire. An electrode and an electric circuit electrode are bonded and mounted on a substrate to provide a sensor flow path formed by a groove provided in at least one of the measurement chip or the substrate, and the seal packing is attached to the measurement chip and the substrate. It has a seat part that contacts and a ring part that is disposed in a groove formed along the outer periphery of the side opening of the body, and the sheet part and the ring part are integrally formed. It is an feature. In the present specification, the “side opening” means an opening that is open on the side of the body (in other words, the surface where the input / output port is not open) and the substrate is mounted.
[0026]
In such a thermal flow meter, when the measurement chip is mounted on the substrate, the heat wire provided on the measurement chip includes a heat wire electrode provided on the measurement chip and an electric circuit electrode provided on the surface of the substrate. Is bonded to an electric circuit for performing a measurement principle using a hot wire. On the other hand, when the substrate is in close contact with the body, a bypass channel is formed inside the body. At this time, since the groove is provided in the substrate or the measurement chip mounted on the substrate, a sensor flow path for the bypass flow path is also formed inside the body.
[0027]
Then, the fluid to be measured flowing inside the body is divided into the bypass channel and the sensor channel according to the cross-sectional area ratio between the bypass channel and the sensor channel. Therefore, the bypass flow path is closed (fully closed) when measuring a small flow rate. And since the heat ray provided in the measurement chip is in a state of being bridged to the sensor flow path, the flow rate of the fluid to be measured flowing through the sensor flow path by the electric circuit for performing the measurement principle using the heat ray, and consequently The flow rate of the fluid to be measured flowing inside the body can be measured.
[0028]
Here, when measuring a small flow rate, that is, when the bypass channel is closed, it is important to prevent the fluid to be measured from leaking in the bypass channel. This is because when such internal leakage occurs, the flow rate of the fluid to be measured cannot be measured accurately.
[0029]
Therefore, this thermal flow meter is equipped with a seal packing. Since the ring portion of the seal packing is mounted in the groove formed in the body, the seal packing does not move. Accordingly, the seat portion formed integrally with the ring portion does not move. And while the head of the closing plate for closing a bypass channel closely_contact | adheres to the single side | surface of a sheet | seat part, the opposite surface of a sheet | seat part closely_contact | adheres to a measurement chip and a board | substrate. That is, there is no gap between the measurement tip and the closing plate and between the measurement tip and the body. For this reason, when the bypass channel is closed, the upper surface of the bypass channel is completely sealed by the seat portion of the seal packing. In addition, the contact portion between the substrate and the body is completely sealed by the ring portion of the seal packing. That is, the seal packing prevents internal leakage and external leakage of the fluid to be measured. Accordingly, since there is no leakage of the fluid to be measured, the flow rate can be accurately measured. In particular, since internal leakage of the fluid to be measured is prevented, highly accurate flow rate measurement can be performed at the time of small flow rate measurement.
[0030]
And it is desirable for the sheet | seat part of seal packing to form the recessed part in the contact part with a measurement chip | tip. This is because the adhesion of the sheet portion to the measurement chip and the substrate is enhanced, and internal leakage can be more effectively prevented.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a most preferred embodiment that embodies a thermal flow meter of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0032]
(First embodiment)
First, the first implementation will be described. Therefore, FIG. 1 shows a schematic configuration of the thermal flow meter according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
[0033]
Here, as shown in FIGS. 2 and 3, the
[0034]
In addition, a
[0035]
Thereby, the influence on the measurement output by the incident angle of the fluid to be measured flowing into the
[0036]
In order to suppress the influence of the incident angle of the fluid to be measured on the measurement output, it is only necessary to provide the
[0037]
A
[0038]
As shown in FIG. 4, the
[0039]
Thus, by providing the
[0040]
Returning to FIG. 2, a
[0041]
The seal packing 48 includes a
[0042]
Further, since the
[0043]
As described above, by using the seal packing 48 in which the
[0044]
On the other hand, the
[0045]
Here, the
[0046]
Then, the
[0047]
When the
[0048]
Then, the effect | action of the thermal
[0049]
Here, the fluid to be measured (F in FIG. 1) flowing into the
[0050]
Then, the fluid to be measured (F2 in FIG. 1) flowing through the sensor flow path S deprives the heat from the temperature sensor
[0051]
In order to change the flow range in the
[0052]
An example of the output in the thermal
[0053]
Comparing FIG. 11 and FIG. 12, it can be seen that the
[0054]
And when setting to 0.5 (l / min) which is the minimum flow range of the thermal
[0055]
As described above in detail, according to the
[0056]
Further, a
[0057]
As described above, the
[0058]
Further, according to the
[0059]
Further, the
[0060]
That is, in the
[0061]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. Therefore, FIG. 13 shows a schematic configuration of the thermal type flow meter according to the second embodiment. As shown in FIG. 13, the
[0062]
Therefore, the
[0063]
Here, each shielding plate will be described in detail. First, the
[0064]
Next, the
[0065]
Finally, the 3rd shielding
[0066]
Returning to FIG. 13, a
[0067]
And the
[0068]
In addition, by attaching the
[0069]
In addition, the second
[0070]
And the
[0071]
In other words, the
[0072]
And the output when the flow volume of the fluid to be measured (F in FIG. 1) flowing into the
[0073]
As is apparent from FIGS. 18 and 19, the
[0074]
By mounting the
[0075]
As described above in detail, according to the
[0076]
The
[0077]
The
[0078]
Furthermore, the
[0079]
As described above, the
[0080]
(Third embodiment)
Finally, a third embodiment will be described. Therefore, FIG. 20 shows a schematic configuration of the thermal type flow meter according to the third embodiment. As shown in FIG. 20, the
[0081]
Therefore, the
[0082]
Here, the
[0083]
A
[0084]
Further, by mounting the
[0085]
The
[0086]
Then, when the
[0087]
By mounting the
[0088]
As described above, according to the thermal
[0089]
The
[0090]
The
[0091]
Further, the
[0092]
As described above, the
[0093]
It should be noted that the above-described embodiment is merely an example, and does not limit the present invention in any way, and various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in the above-described embodiment, the method of changing the height of the
[0094]
【The invention's effect】
As described above, according to the thermal flow meter of the present invention, the elbow portion that connects the inlet channel, the sensor channel, and the bypass channel is formed. Thereby, the fluid flowing into the inlet channel is disturbed in the elbow portion, and the flow is forcibly changed. Therefore, the flow of fluid in the sensor flow path is not easily affected by the incident angle. Therefore, the influence on the measurement output by the incident angle is almost eliminated.
[0095]
Moreover, the thermal type flow meter according to the present invention is provided with a filter at a communication part between the elbow part and the bypass flow path. For this reason, the fluid passes through the filter after flowing through the elbow portion. At this time, a very large amount of fine turbulence is formed in the fluid flow. Accordingly, the flow of fluid in the sensor flow path is less affected by the incident angle. Therefore, the influence on the measurement output due to the incident angle is further suppressed. Moreover, the flow meter does not become large in order to eliminate the influence of the incident angle.
[0096]
Further, the thermal flow meter according to the present invention is provided with a sheet portion that contacts the measurement chip and the substrate, and a ring portion that is disposed in a groove formed along the outer periphery of the side opening of the body. A seal packing in which a seat portion and a ring portion are integrally formed is provided. For this reason, when the bypass channel is closed by the closing plate, the gap between the measuring chip and the closing plate and the measuring chip and the body is eliminated by the seat portion, and the upper surface of the bypass channel is completely sealed. Accordingly, the internal leakage of the fluid is prevented, and the output characteristics at the time of measuring a small flow rate are stabilized.
[0097]
Further, the thermal flow meter according to the present invention includes a filter provided between the bypass flow path and the sensor flow path, a laminate in which thin plates formed with grooves arranged in the bypass flow path are stacked, or a sensor flow There is provided at least one shielding wall that joins the fluid flowing out from the passage and the fluid flowing out from the bypass channel in an outlet channel formed in the body. Thereby, the flow of the fluid in a sensor channel can be stabilized. Therefore, the measurement output can be obtained stably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a thermal type flow meter according to a first embodiment.
FIG. 2 is a plan view of the body.
3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
4A and 4B are diagrams illustrating a mesh plate, in which FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA.
FIG. 5 is an enlarged view of the mesh portion of FIG. 4;
6A and 6B are views showing a seal packing, in which FIG. 6A is a plan view, FIG. 6B is a cross-sectional view along AA, and FIG. 6C is a cross-sectional view along BB.
7 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
FIG. 8 is a perspective view of a sensor substrate.
9A and 9B are diagrams showing a measurement chip, where FIG. 9A is a plan view and FIG. 9B is a side view.
FIG. 10 is a diagram showing the shape of the bottom plate when the minimum flow range is set.
FIG. 11 is a diagram showing an example of an output of a thermal flow meter.
FIG. 12 is a diagram showing an example of an output of a thermal flow meter before improvement.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a thermal type flow meter according to a second embodiment.
FIG. 14 is an exploded perspective view of a multilayer filter.
FIGS. 15A and 15B are diagrams showing a first shielding plate, in which FIG. 15A is a plan view and FIG.
16A and 16B are views showing a second shielding plate, in which FIG. 16A is a plan view and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along line AA.
FIGS. 17A and 17B are views showing a third shielding plate, where FIG. 17A is a plan view and FIG. 17B is a cross-sectional view taken along line AA.
FIG. 18 is a diagram showing an example of an output (bridge output) of a thermal flow meter.
FIG. 19 is a diagram similarly showing an example of an output (amplifier output) of a thermal flow meter.
FIG. 20 is a schematic configuration diagram of a thermal type flow meter according to a third embodiment.
FIG. 21 is an exploded perspective view of a multilayer filter.
22A and 22B are views showing a groove filter, wherein FIG. 22A is a plan view, FIG. 22B is an AA cross-sectional view, and FIG. 22C is a BB cross-sectional view.
FIG. 23 is a diagram for explaining another method of changing the flow range.
FIG. 24 is a cross-sectional view of a conventional thermal flow meter.
FIG. 25 is a perspective view of a measuring element used in a conventional heat flow meter.
[Explanation of symbols]
1 Thermal flow meter
41 body
43 Inlet channel
43A Elbow
44 Channel space
47 Shielding wall
48 Seal packing
48A Ring part
48B seat part
48C recess
50 Multilayer filter
51 mesh board
51M mesh section
M Main channel (Bypass channel)
S Sensor flow path
Claims (9)
流体が流れ込む入口流路と前記バイパス流路およびセンサ流路とを連通させるエルボ部と、
前記エルボ部と前記バイパス流路との連通部にフィルタが設けられていることを特徴とする熱式流量計。In addition to the sensor flow path provided with a heat wire for measuring the flow rate, in the thermal flow meter provided with a bypass flow path for the sensor flow path,
An elbow section for communicating the inlet flow path into which the fluid flows, the bypass flow path and the sensor flow path;
A thermal flow meter , wherein a filter is provided at a communication portion between the elbow portion and the bypass flow path .
前記フィルタは、厚さ0.5mm以下のメッシュであることを特徴する熱式流量計。 The thermal flow meter, wherein the filter is a mesh having a thickness of 0.5 mm or less.
前記メッシュは、エッチング加工により形成されたものであることを特徴する熱式流量計。 The thermal flow meter, wherein the mesh is formed by etching.
前記バイパス流路と前記センサ流路との間に複数枚のメッシュを積層した積層体を設けたことを特徴とする熱式流量計。 A thermal flow meter comprising a laminate in which a plurality of meshes are laminated between the bypass channel and the sensor channel.
前記積層体には溝を形成した薄板が含まれており、前記溝が前記バイパス流路内に配置されていることを特徴とする熱式流量計。 The laminated body includes a thin plate in which a groove is formed, and the groove is disposed in the bypass flow path.
前記積層体には前記フィルタが組み込まれていることを特徴とする熱式流量計。 The thermal flow meter, wherein the filter is incorporated in the laminate.
前記センサ流路から流出する流体と前記バイパス流路から流出する流体とを、ボディに形成された出口流路にて合流させる遮蔽壁を有し、
前記遮蔽壁が、複数の遮蔽板を積層することにより形成されたものであることを特徴とする熱式流量計。In the thermal type flow meter according to any one of claims 1 to 6,
A shielding wall for joining the fluid flowing out from the sensor flow path and the fluid flowing out from the bypass flow path in an outlet flow path formed in the body;
The thermal flow meter, wherein the shielding wall is formed by laminating a plurality of shielding plates.
前記バイパスは、流路熱線を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極が表面に設けられた基板を、側面開口部を備える流体流路が形成されたボディに対し、前記側面開口部を塞ぐようにしてシールパッキンを介して密着させることにより形成され、
前記センサ流路は、熱線とその熱線に接続する熱線用電極とが設けられた測定チップを、前記熱線用電極と前記電気回路用電極とを接着して前記基板に実装することにより、前記測定チップあるいは前記基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成されており、
前記シールパッキンは、
前記測定チップおよび前記基板に接触するシート部と、前記ボディの側面開口部の外周に沿って形成された溝に配置されるリング部とを有し、
前記シート部と前記リング部とが一体形成されたものである
ことを特徴とする熱式流量計。 In the thermal type flow meter according to any one of claims 1 to 7,
The bypass is a substrate provided on the surface with an electrode for an electric circuit connected to an electric circuit for performing a measurement principle using a flow path heat wire, with respect to a body in which a fluid flow path including a side opening is formed. Formed by close contact through a seal packing so as to close the side opening,
The sensor flow path is formed by mounting a measurement chip provided with a hot wire and a hot wire electrode connected to the hot wire on the substrate by bonding the hot wire electrode and the electric circuit electrode. It is formed by a groove provided in at least one of the chip or the substrate ,
The seal packing is
A sheet portion in contact with the measurement chip and the substrate, and a ring portion disposed in a groove formed along the outer periphery of the side opening of the body,
The thermal flow meter, wherein the seat portion and the ring portion are integrally formed.
前記シールパッキンのシート部に、測定チップとの接触部分に凹部が形成されていることを特徴とする熱式流量計。The thermal flow meter according to claim 8,
A thermal flow meter, wherein a recess is formed in a contact portion with the measurement chip in the sheet portion of the seal packing.
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