JP4945581B2 - 流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流量計に関し、特に、熱交換の原理を用いた大流量測定用の流量計に関するものである。

従来、大流量（例えば５ＣＣＭ（ｍＬ／ｍｉｎ）以上）を測定する流量計は、センサ特性の都合上から、センサ管の他にバイパス管を設け、流体を分流させることにより流量測定を行っている。

しかしながら、特に粘性の高い流体の流量を測定する場合等には、センサ管とバイパス管の入り口に気泡が滞留してしまう。そうすると、センサ管へ流入する流体とバイパス管へ流入する流体との分流比が変化してしまい、測定誤差を生じてしまうという問題がある。

一方、特許文献１に示すように、流体を分流させずに、単管を用いた微小流量用の流量計がある。この流量計は、流体が流れる流通管の一部が電子冷却装置（ペルチェ素子等）によって冷却されるとともに、流通管の冷却領域の温度を検出する第１温度検出部と、冷却装置における流通管から離れた部分の温度を検出するフィードバック制御用の第２温度検出部と、流通管の冷却領域よりも上流側の非冷却領域の温度を検出する第３温度検出部と、を備えている。そして、第２温度検出部の検出温度Ｔ_２と第３温度検出部の検出温度Ｔ_３との差（Ｔ_３−Ｔ_２）が一定となるように冷却装置を制御し、流通管に液体を流した時の温度変化を第１温度検出部により測定して、第２温度検出部Ｔ_２の検出温度と第１温度検出部の検出温度Ｔ_１との温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）に基づいて、その流量を測定するものである。

しかしながら、この流量計を大流量の測定に適用した場合には、流通管を液体が高速で通り抜けてしまい、冷却領域に流入した流体が十分に冷やされず、温度差（Ｔ_２−Ｔ_１）の値が大きくなってしまう（図７左側参照）。

また、図８に示すように、大流量なので電子冷却装置に温度分布が生じてしまい、第２温度検出部の検出温度Ｔ_２に基づいて制御をしても、大流量の流体を十分に冷やすことができないという問題がある。

以上の結果、リニア特性を示す大流量における流量Ｘ％のΔＴ_{Ｘ％大流量}／ΔＴ_{１００％大流量}を示す曲線が直線から離れてしまう（リニア特性が悪化する）という問題がある（図７右側参照）。そうすると、例えば第１温度検出部の外乱影響によりゼロ点が微小変動してしまうと、大きな測定誤差を引き起こしてしまうという問題が生じてしまう（図７右側参照）。

また、冷却装置の容量を大きくするということも考えられるが、装置全体が大きくなってしまうという問題がある。
特開２００４−４５２９０号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、装置全体を大型化させること無く、リニア特性を向上させつつ、安定した大流量の測定を可能にすることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る流量計は、流体が流れる流通管と、前記流通管の一部を冷却する冷却装置と、前記冷却装置により冷却される前記流通管の冷却領域の温度を検出する第１温度検出部と、前記冷却装置の温度を検出する第２温度検出部と、前記流通管において前記冷却領域よりも上流側の非冷却領域の温度を検出する第３温度検出部と、前記第２温度検出部の検出温度と前記第３温度検出部の検出温度との差が所定値となるように前記冷却装置を制御するとともに、前記第２温度検出部の検出温度と前記第１温度検出部の検出温度との差に基づいて前記流通管を流れる流体の流量を算出する情報処理部と、を備え、前記第２温度検出部が、前記冷却装置において、前記流通管に前記流体が流れることにより、前記流体から温度影響を最初に受ける部分近傍に配置していることを特徴とする。ここで、「温度影響を最初に受ける部分近傍」とは、温度影響を最初に受ける部分又はその近傍をいい、「その近傍」とは、物理的には、冷却装置の構造上、温度影響を最初に受ける部分に可及的に近づけられる範囲をいい、機能的には、本発明に係る流量計の機能を奏する範囲である。

このようなものであれば、第２温度検出部を冷却装置における流体からの温度影響を最初に受ける部分近傍に配置しているので、大流量を測定する場合であっても、流体を十分に冷やすことができるようになり、リニア特性を向上させることができる。また、大流量を測定する場合であっても、単管で構成することができるとともに、冷却装置の容量を大きくする必要がないので、流量計を大型化する必要もない。さらに、気泡滞留の心配がなく、安定した流量測定を行うことができる。

冷却装置の具体的な実施の態様としては、前記冷却装置が、一方に吸熱面及び他方に放熱面を有するペルチェ素子と、前記吸熱面に設けられ、前記流通管の一部を覆う被覆部を有する高熱伝導性のプレート部材と、を備えていることが望ましい。

このとき、第２温度検出部の具体的な配置態様としては、前記第２温度検出部が、前記プレート部材において、前記流通管に前記流体が流れることにより、前記流体から温度影響を最初に受ける部分近傍に設けられていることが望ましい。

さらに、大流量の測定においてさらにリニア特性を向上させるためには、前記情報処理部が、流量に応じて、前記第３温度検出部の検出温度と前記第２温度検出部の検出温度との差を変更するものであることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、装置全体を大型化させること無く、リニア特性を向上させつつ、大流量の測定を可能にすることができる。

本発明の一実施形態に係る流量計の模式的構成図。 同実施形態における流量計の模式的縦断面図。 同実施形態における流量計の斜視図。 その他の変形実施形態に係る流量計の冷却装置及び温度検出部を示す縦断面図。 その他の変形実施形態に係る流量計の冷却装置及び温度検出部を示す斜視図。 その他の変形実施形態に係る流量計の基準温度差を変更した場合の流体温度変化を示す図。 特許文献１の流量計を用いて大流量測定を行った場合のリニア特性を示す図。 流体測定の際に生じる温度分布を示す模式図。

符号の説明

１・・・・流量計
２・・・・流通管
３・・・・冷却装置
３１・・・ペルチェ素子
３２・・・プレート部材
４・・・・第１温度検出部
５・・・・第２温度検出部
６・・・・第３温度検出部
７・・・・第４温度検出部
８・・・・情報処理部

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は、本実施形態に係る流量計１を示す模式的構成図である。図２は、流量計１の縦断面図であり、図３は、流量計１の斜視図である。

＜装置構成＞

本実施形態に係る流量計１は、図１、図２及び図３に示すように、流体Ｆが流れる流通管２と、前記流通管２の一部を冷却する冷却装置３と、前記冷却装置３により冷却される前記流通管２の冷却領域２ａの温度を検出する第１温度検出部４と、前記冷却装置３の温度を検出する第２温度検出部５と、前記流通管２において前記冷却領域２ａよりも上流側の非冷却領域２ｂの温度を検出する第３温度検出部６と、冷却装置３等が収容されるハウジングＨ内の雰囲気温度を検出する第４温度検出部７と、前記４つの温度検出部４〜７からの検出信号を受信して、前記冷却装置３を制御するとともに、前記流通管２を流れる流量を算出する情報処理部８と、を備えている。

以下に各部２〜８について説明する。

流通管２は、内部に液体又はガスなどの流体Ｆを流通させる直管であり、例えば外径が、０．８ｍｍ、内径が０．６ｍｍのステンレス鋼から形成されている。このように熱伝導率の優れたステンレス鋼から形成しているので、応答性に優れ、安定した大流量測定を素早く行うことができる。また、流通管２の両端部には、外部の配管に接続するための継手部材９１、９２が設けられている。そして、その中腹部分は、ハウジングＨに挿通するように設けられている。

このハウジングＨは、例えばステンレス鋼からなる概略直方体形状をなすものであり、冷却装置３、４つの温度検出部４〜７及び配線基板１０を収容するものである。その内部が外部と遮断された気密状態となるように、ハウジングＨの流通管２の挿通部分や配線基板１０の延出部分は、シール部材などによって隙間が生じないように構成されている。

配線基板１０は、その上面に、４つの温度検出部４〜７に所定の大きさの電流を供給するための電流回路や、冷却装置３を制御するための温度制御回路などが形成されている。また、この配線基板１０は、ハウジングＨ外の情報処理部８と接続するための接続端子部１０１を備え、その接続端子部１０１はハウジングＨの外部に延出している。配線基板１０の中央部分には開口１０ａが設けられ、その開口１０ａ内に冷却装置３が設けられている。

冷却装置３は、ハウジングＨ内部に設けられ、ハウジングＨ内部に配設される流通管２の一部（冷却領域２ａ）を冷却するものであり、流通管２の一方に吸熱面及び他方に放熱面を有するペルチェ素子３１と、前記吸熱面に設けられ、前記流通管２の一部（冷却領域２ａ）を覆う被覆部３２２を有する高熱伝導性のプレート部材３２と、を有している。

ペルチェ素子３１は、平板形状をなし、図示しない電源により印加される電圧が制御されることにより、その吸熱面の温度が制御される。また、ペルチェ素子３１の放熱面には、ヒートシンク１１が接触して設けられている。このヒートシンク１１は、ハウジングＨの下部開口を閉塞するように設けられ、外部に複数の放熱フィン１１１を備えている。

プレート部材３２は、例えばステンレス鋼、銅又は白金等の熱伝導性の優れた素材から形成されたものであり、ペルチェ素子３１の吸熱面に接触して設けられる平板部３２１と、その平板部３２１の一辺から突出して設けられた逆Ｌ字形状をなす被覆部３２２とからなる。

そして、平板部３２１の一部と被覆部３２２とからなる凹部に前記流通管２が収容される。このように、流通管２において、凹部に収容されている部分が冷却領域２ａとなる。さらに、本実施形態では、前記凹部と流通管２との隙間に接着剤３３を充填して、流通管２とプレート部材とを熱的な接触を実現して熱伝達が迅速に行われるようにしている。

第１温度検出部４は、プレート部材３２の被覆部３２２の下流側外面に取り付けられ、流通管２の冷却領域２ａの温度を検出するものである。そして、第１温度検出部４は、その温度検出信号を情報処理部８に出力する。第１温度検出部４としては、リニアサーミスタ、白金温度計、抵抗温度素子、巻き線、熱電対等を用いることができる。特に、測定精度の向上のため抵抗温度素子が好ましい。なお、後述する第２、第３、第４温度検出部５、６、７においても同様のものを用いることができる。

第２温度検出部５は、プレート部材３２の表面に取り付けられて、ペルチェ素子３１の吸熱面の温度を検出するものである。そして、第２温度検出部５は、その温度検出信号を情報処理部８に出力する。

その具体的配置について説明する。

第２温度検出部５は、冷却装置３において、流通管２に流体Ｆが流れることにより、前記流体Ｆから温度影響を最初に受ける部分近傍すなわち、流通管２の冷却領域２ａの上流側部分近傍に取り付けられている。ここで、温度影響を最初に受ける部分近傍とは、冷却装置３の構造上最も流通管２に近づけることができる部分である。より具体的には、流通管２を収容（被覆）するプレート部材３２の平板部３２１及び被覆部３２２において、流通管２の冷却領域２ａの上流側部分に取り付けられている。本実施形態では、プレート部材３２の平板部３２１において、凹部を形成する部分と隣接する部分（充填用接着剤３３と隣接する部分）の上流側に設けている。

このように第２温度検出部５を配置しているので、流体Ｆが流れることによりペルチェ素子３１に温度分布が生じることを好適に防ぐことができ、流体Ｆを所定の温度により冷却することができる。つまり、ペルチェ素子３１に与える電力を、流量に応じて調節することにより、大流量であっても熱交換を充分に行うことができるようになる。

第３温度検出部６は、ハウジングＨ内に収容された流通管２において、その冷却領域２ａよりも上流側の非冷却領域２ｂの流通管２の温度を検出するものであり、検出部ホルダ６１によって流通管２表面に設けられている。そして、第３温度検出部６は、その温度検出信号を情報処理部８に出力する。

第４温度検出部７は、ハウジングＨ内の雰囲気温度を測定するものである。その設置位置は、ハウジングＨ内の雰囲気温度を検出できる部位であれば良く、本実施形態では、ハウジングＨ内における配線基板１０の表面に設けている。そして、第４温度検出部７は、その温度検出信号を情報処理部８に出力する。

情報処理部８（流量計本体部）は、前記４つの温度検出部４〜７からの検出温度に基づいて、流量を算出するものである。その機器構成はＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、ＡＤ変換器等を備えた汎用乃至専用のコンピュータである。そして、情報処理部８は、前記メモリの所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってＣＰＵ、周辺機器等を協働させることにより、第２温度検出部５の検出温度Ｔ_２と前記第３温度検出部６の検出温度Ｔ_３との差（Ｔ_３−Ｔ_２）（以下、基準温度差（Ｔ_３−Ｔ_２）という。）が所定値となるように前記冷却装置３を制御するとともに、前記第２温度検出部５の検出温度Ｔ_２と前記第１温度検出部４の検出温度Ｔ_１との差（Ｔ_１−Ｔ_２）（以下、測定温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）という。）に基づいて前記流通管２を流れる流体Ｆの流量を算出する。

以下に、情報処理部８の具体的な説明とともに流量の算出方法を説明する。

情報処理部８は、電流回路によって、４つの温度検出部４〜７に所定の大きさ（例えば１．０ｍＡ）の電流を流すとともに、第２温度検出部５の検出温度Ｔ_２と第３温度検出部６の検出温度Ｔ_３との基準温度差（Ｔ_３−Ｔ_２）が所定の値（例えば１０℃）となるように、温度制御回路において、例えばＰＩＤを用いてペルチェ素子３１を制御する。

この条件下において、流通管２に流体Ｆが流れていない場合、冷却装置３のプレート部材３２は、全て同一温度であるから、第２温度検出部５の検出温度Ｔ_２と、第１温度検出部４の検出温度Ｔ_１とは等しくなり、測定温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）はゼロである。

一方、流通管２に流体Ｆが流れている場合には、第１温度検出部４の検出温度Ｔ_１は、流体Ｆの流量に応じて上昇するので、第１温度検出部４の検出温度Ｔ_１と第２温度検出部５の検出温度Ｔ_２との間に測定温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）が生じる。したがって、基準温度差（Ｔ_３−Ｔ_２）が所定値となるようにして、測定温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）を測定することにより、流通管２内に流れる流体Ｆの流量を求めることができる。

さらに、ペルチェ素子３１の設定温度と流体Ｆの温度との温度差を常に一定の大きさに維持するため、情報処理部８は、第１温度検出部４、第２温度検出部５、第３温度検出部６が設けられているハウジングＨ内の雰囲気温度を第４温度検出部７によって検出する。そして、情報処理部８は、この第４温度検出部７の検出温度Ｔ_４と第３温度検出部６の検出温度Ｔ_３との温度差（Ｔ_４−Ｔ_３）を、ペルチェ素子３１の温度制御値に加算して、流体Ｆの温度変化に追従するように、ペルチェ素子３１の温度を制御する。

例えば、第３温度検出部６の検出温度Ｔ_３と、第２温度検出部５の検出温度Ｔ_２との基準温度差（Ｔ_３−Ｔ_２）が１０℃となるように、ペルチェ素子３１を制御する場合には、ペルチェ素子３１の温度Ｔが、Ｔ＝１０℃＋α（Ｔ_４−Ｔ_３）、但し、αは任意の補正係数、となるように制御する。αは、例えばシミュレーションにより、流体の種類毎又は機器毎により流体の温度変化に追従するような値を見つけ出すことにより得られる。

＜本実施形態の効果＞

このように構成した本実施形態に係る流量計１によれば、第２温度検出部５を冷却装置３における流体Ｆからの温度影響を最初に受ける部分に配置しているので、大流量を測定する場合であっても、流体Ｆを十分に冷やすことができるようになり、つまり、初段出力（ΔＴ_１０％（＝Ｔ_２−Ｔ_{１ １０％}））を抑えることができるので、リニア特性を向上させることができる。

また、大流量を測定する場合であっても、冷却装置３の容量を大きくする必要もなく、単管で構成することができるので、流量計１を大型化する必要もない。第２温度検出部５の配置を変更するだけで良いので、既存の流量計１に若干の変更を加えるだけで大流量測定に用いることができる。さらに、単管で構成しているので、気泡滞留の問題が生じず、安定的に大流量の測定を行うことができる。

＜その他の変形実施形態＞

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、前記実施形態では、第２温度検出部５を、プレート部材３２の平板部３２１において、凹部を形成する部分と隣接する部分（充填用接着剤３３と隣接する部分）の上流側に設けているが、冷却装置３（プレート部材３２）において、流通管２の冷却領域２ａの上流側部分近傍に取り付けられているものであれば良い。図４に示すように、平板部３２１において、凹部を形成する部分の上流側に設けるようにしても良い。このとき、第２温度検出部５は、充填用接着剤３３内に埋設されることになる。接着剤３３としては、熱伝導性の良いもの、ペースト状で硬化後は弾性体であるものが好ましい。具体的には、シリコンなどである。

また、図５に示すように、第２温度検出部５をプレート部材３２の被覆部３２２の上流側外面（上流側側面又は上流側下面）に設けるようにしても良い。

さらに、前記情報処理部８が、流量に応じて、第２温度検出部５の検出温度Ｔ_２と前記第３温度検出部６の検出温度Ｔ_３との基準温度差（Ｔ_３−Ｔ_２）を変更するようにしても良い。

具体的に、情報処理部８は、図６に示すように、大流量において、流量が大きくなるに連れて、基準温度差（Ｔ_３−Ｔ_２）を小さくするように、ペルチェ素子３１の温度を制御する。

このようなものであれば、基準温度差（Ｔ_３−Ｔ_２）を小さくすることにより、基準温度差（Ｔ_３−Ｔ_２）と測定温度差（Ｔ_１−Ｔ_２）との比が小さくなるので、大流量測定においてリニア特性をさらに向上させることができる。

さらに、前記実施形態の流通管２は、ステンレス鋼を用いて形成したものであったが、その他、アルミニウム、銅、ニッケル等の金属材料の他に、その肉厚を薄くした場合にはフッ化エチレン樹脂、ポリマー系等を用いて形成したものであっても良い。

その上、前記実施形態では、第４温度検出部７の検出温度Ｔ_４を用いて、ハウジングＨ内の雰囲気温度と流体Ｆの温度との差によってペルチェ素子３１の制御温度を補正するものであったが、第４温度検出部７を用いないものであっても良い。

加えて、前記実施形態では、情報処理部８は、基準温度差を（Ｔ_３−Ｔ_２）とし、測定温度差を（Ｔ_１−Ｔ_２）として流体Ｆの流量を算出するものであったが、その他、基準温度差を（Ｔ_３−Ｔ_２）、測定温度差を（Ｔ_２−Ｔ_１）として、基準温度差を（Ｔ_２−Ｔ_３）、測定温度差を（Ｔ_２−Ｔ_１）として、又は基準温度差を（Ｔ_２−Ｔ_３）、測定温度差を（Ｔ_１−Ｔ_２）として、流体Ｆの流量を算出するようにしても良い。

さらに加えて、情報処理部８は、第３温度検出部６の検出温度Ｔ_３と第４温度検出部７の検出温度Ｔ_４との温度差（Ｔ_３−Ｔ_４）を、ペルチェ素子３１の温度制御値に加算して、流体Ｆの温度変化に追従するように、ペルチェ素子３１の温度を制御するようにしても良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明によれば、装置全体を大型化させること無く、リニア特性を向上させつつ、大流量の測定を可能にすることができる。

Claims (4)

1. 流体が流れる流通管と、
   前記流通管の一部を冷却する冷却装置と、
   前記冷却装置により冷却される前記流通管の冷却領域の温度を検出する第１温度検出部と、
   前記冷却装置の温度を検出する第２温度検出部と、
   前記流通管において前記冷却領域よりも上流側の非冷却領域の温度を検出する第３温度検出部と、
   前記第２温度検出部の検出温度と前記第３温度検出部の検出温度との差が所定値となるように前記冷却装置を制御するとともに、前記第２温度検出部の検出温度と前記第１温度検出部の検出温度との差に基づいて前記流通管を流れる流体の流量を算出する情報処理部と、を備え、
   前記第２温度検出部が、前記冷却装置において、前記流通管に前記流体が流れることにより、前記流体から温度影響を最初に受ける部分近傍に配置されていることを特徴とする流量計。
2. 前記冷却装置が、一方に吸熱面及び他方に放熱面を有するペルチェ素子と、前記吸熱面に設けられ、前記流通管の一部を覆う被覆部を有する高熱伝導性のプレート部材と、を備えている請求項１記載の流量計。
3. 前記第２温度検出部が、前記プレート部材において、前記流通管に前記流体が流れることにより、前記流体から温度影響を最初に受ける部分近傍に設けられている請求項２記載の流量計。
4. 前記情報処理部が、流量に応じて、前記第２温度検出部の検出温度と前記第３温度検出部の検出温度との差を変更するものである請求項１、２又は３記載の流量計。

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