JPH0678926B2

JPH0678926B2 - 流量計

Info

Publication number: JPH0678926B2
Application number: JP59015298A
Authority: JP
Inventors: チヤールズ・エフ・ドレクセル; リチヤード・エフ・ブレアー
Original assignee: Tylan Corp
Current assignee: Entegris Inc
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1984-02-01
Publication date: 1994-10-05
Anticipated expiration: 2009-10-05
Also published as: GB2146781A; FR2551545A1; GB8400171D0; JPS6056219A; NL193641B; DE3408779A1; FR2551545B1; DE3408779C2; NL193641C; GB2146781B; US4524616A; NL8400089A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、圧力差測定・試験装置、流量計及び導管絞り
弁の分野に関する。

先行技術において、圧力計又は他の装置が流量絞り弁の
両側に接続される様々な流量計が開発されている。

質量流量計は、絞り弁の両側の圧力差を直接測定するの
ではなく、流体のごく一部の実際の流れを測定すること
により、流体の流量を測定する。このような用途では、
流体の流れを２つ以上の流路に分割し、個々の流路と流
路の間の比を正確に維持しなければならない。質量流量
検出は、気体の重量流量を測定する手段である。同じ条
件の下では、体積の等しい理想気体は同数の分子を含む
ので、質量流れの制御は分子の流れを制御することと同
じである。これに対し、体積流れの測定と制御は、分子
流れを測定するために、局部的な温度条件及び圧力条件
について修正しなければならない。

通常の質量流量計においては、流れのごくわずかな部分
が測定部又はセンサ部に分岐される。分岐される比率は
40000分の１程度と低くても良く、測定部は、通常は、
直径に比べてはるかに長い非常に細い管状導管であるの
で、導管全体に層流が形成される。流体が層流である
間、流量は圧力降下に直接比例し、粘度に反比例する。
これに対し、乱流である間は、流量は圧力降下の平方根
に比例し、粘度とは殆ど無関係である。従って、質量流
量計を設計する場合、各流路において層流を確保する条
件を提供することが重要である。

バイパス組立体又は一次流路は気体の流れを正確に分割
し、気体のサンプルをセンサを介して導き、残りの気体
が流量計の内部で層流を形成することができるようにす
る。一般に、バイパス組立体は複数のごく近接した流体
流路を有し、各流路は、流体の層流を確保するために十
分に小さな有効直径を有する。たとえば、ふるい材料に
より境界を限定される複数本の細長い連続する流路を限
定することにより所望の圧力降下を得るために、複数枚
の網目ふるい板が積重ねられる。あるいは、ふるい材料
をマンドレルの周囲に螺旋状に巻付け、巻付けた状態の
まま固着して、螺旋状の層の間に流路を形成する。ま
た、流れ絞り弁として１枚又は複数枚の円板を並設して
使用することにより層流を確保することができる。それ
ぞれの円板は、その周囲から円板の両側の開口まで形成
される流路を有する。流路は円板の周囲へ導かれ、導管
により開口へ搬送されるので、流体の層流を確保するの
に十分な大きさの長さ対直径比を有する細長い流路が形
成される。

質量流量計は、圧力修正又は温度修正を行なう必要はな
く、５標準立方センチメートル／分（SCCM）未満から約
500標準リットル／分（S1m）までの流量の気体を正確且
つ確実に測定し、制御する。流れ測定部又はセンサは、
気体の流れを測定するために２つの加熱抵抗温度計が外
側に巻付けられた管又は導管から構成すれば良い。たと
えば、特定の質量流量計においては、ブリッジ回路が温
度差を検出し、校正範囲内の気体の流量に比例する０か
ら約5vdcの直線出力信号を発生する。質量流れ制御装置
において、信号は電位差計又は電源からの指令電圧と比
較される。この比較により、弁の開放度を変化させる誤
り信号が発生され、設定点に達成するまで流量は変化す
る。帰還回路は、最適の安定性及び応答を動的に補償す
る。質量流量計の最良の校正状態を維持するために、セ
ンサ導管の流量を層流の範囲内に維持して、直線出力信
号を全目盛流量、たとえば前述のセンサに関しては０か
ら5vdcにわたって維持しなければならない。

上述のバイパス組立体は、質量流量計の一次流路内に層
流を形成し、そのような流量計によりある範囲内で質量
流量を正確且つ確実に測定し、制御することができる。
しかしながら、センサ組立体の出力はセンサを流れる流
体の流量に従って、すなわちバイパス流量絞り弁の両端
の圧力降下に従って変化するので、最適のセンサ流れを
維持する圧力降下に関連する流体の体積を増減するため
にバイパス組立体内の流量絞り弁の位置をずらすだけの
ことにより、流れ比、すなわち測定部に対するバイパス
部を流れる流体の量を変化させることができる。所定の
センサ流れ範囲に応答するように流量計を校正すると、
圧力が変化したとき、センサ流れは校正限界を越える。
すなわちセンサ管の層流範囲を越えるので、流体の入力
圧力を変えることにより流量計内の総流れを変化させる
ことは実質的に不可能である。

従って、従来は圧力降下は略同じに保持しつつ異なる一
次流量を得る為に、例えば特公昭54−3743号に示されて
いる如く流路の大きさが相互に異なる交換可能な複数の
層流形成要素を準備し、これらを置き換えることにより
流れ比を変化させていた。しかしながらこのような従来
例の場合には、異なる一次流量を得ようとする度毎にバ
イパス流量絞り弁を分解して層流形成要素を置き換えな
ければならないので、一次流量の変更作業には多くの時
間を要し煩雑であるばかりでなく流路の大きさが相互に
異なる複数の層流形成要素を準備し管理する作業も煩雑
でコストの高い作業であった。また上述したような複数
の層流形成要素を使用した一次流量の変更は段階的にし
か行うことが出来ず、段階を細かく設定しようとすれば
準備しなければならない層流形成要素の種類が増大して
コストの増大を生じさせていた。

また上述した如く構成されている従来の絞り弁ではセン
サ管の流入口が層流形成要素を伴ったバイパス流量絞り
弁よりも上流でバイパス組み立て体のバイパス流路に接
続されている。これは層流形成要素に枚数を変更するこ
とによりバイパス流路中でのバイパス流路の長手方向に
おけるバイパス流量絞り弁の位置が変わりセンサ管に流
入する流体の圧力に対するバイパス流量絞り弁の影響が
大きく変わることを無くし、ひいては上記位置の変更に
より上記流入口とバイパス流量絞り弁の層流形成要素の
下流のセンサ管の流出口との間の圧力降下が大きく変動
されることをなくす為である。しかしながら、この為に
バイパス流路の長手方向におけるセンサ管の流入口と流
出口との間の距離が必然的に大きくなり、流量の小刻み
な変動については測定することが出来ない。

この発明は上記事情のもとでなされ、この発明の目的
は、一次流量の変更作業を容易に短時間で行うことが出
来、しかも一次流量の変更も易いコストで連続して行う
ことが出来、さらには流量の小刻みな変動についても測
定することが出来る流量計を提供することである。

このような発明の目的を達成する為に、この発明に従っ
た流量計は：少なくとも部分的にテーパ状をした内周面
を有し流体が流れる孔が形成されたハウジングと；ハウ
ジングの孔中に配置され、孔の内周面のテーパ状をした
部分に対して平行な部分的にテーパ状をした外周面を有
しており、ハウジングの孔の内周面のテーパ状をした部
分と上記外周面のテーパ状をした部分との間に環状のテ
ーパ状の間隙を形成し、ハウジングの孔の内周面のテー
パ状をした部分の長手方向に移動自在で上記間隙の大き
さを変更自在であり、上記間隙を流れる流体の層流を維
持する流量絞り弁と；ハウジングの孔に対し上記長手方
向に相互に離間した位置で連通された２個のタップを両
端部に有しており、少なくとも上記孔中の流体の流れの
上流側に位置するタップが上記孔に対して上記間隙にお
いて流体が層流を維持している範囲に連通しているバイ
パス計測導管と；を備えていることを特徴としている。

このような構成であれば、流量絞り弁をハウジングの孔
の内周面のテーパ状をした部分の長手方向に沿い移動さ
せるだけで、バイパス計測導管の両端部間の圧力降下を
一定としたままハウジングの孔の内周面のテーパ状をし
た部分と上記外周面のテーパ状をした部分との間の環状
のテーパ状の間隙を流れる流体の流量を流体の層流を維
持した状態で無段階に連続して調整することが出来る。

しかもハウジングの孔に対し上記長手方向に相互に離間
した位置で連通された２個のタップを両端部に有してい
るバイパス計測導管が少なくともハウジングの孔中の流
体の流れの上流側に位置するタップを上記孔に対して上
記間隙において流体が層流を維持している範囲に連通さ
せているので、ハウジングの孔中での上記孔の長手方向
における流量絞り弁の位置によるセンサ管に流入する流
体の圧力に対するバイパス流量絞り弁の影響を略一定と
することが出来、ひいては上記位置の変動により上記上
流側に位置するタップと上記流れの下流側に位置するタ
ップとの間における圧力降下が大きく変動することをな
くすことが出来る。しかも、上記上流側に位置するタッ
プと上記流れの下流側に位置するタップとの間の距離が
短縮されて前述した従来の場合と比べ流量のより小刻み
な変動について測定することが出来る。

本発明は、センサ管を通じて一定で最適の流れを確保す
るためにバイパス組立体の両側における一定の圧力降下
を維持しながら、広範囲にわたる流量を提供するように
連続的に調節可能であるバイパス組立体を提供する。こ
れは、内周面が円錐台形の孔の表面とほぼ平行であり且
つ円錐台形の孔との間に、層流を提供するような太さ対
幅比を有する環状の間隙を限定することができる円錐台
形の流量絞り弁を設けることにより達成される。円錐台
形部分は、様々な太さの環状間隙を提供するために、円
錐台形の孔の内部で軸方向に選択的に移動することがで
きる。いくつかの関連実施例を示すが、それぞれの実施
例は上述の利点を提供する。本発明の調節可能な層流バ
イパス組立体は、直線流量計を構成するために、測定部
として動作する細長い層流導管と組合わせることもでき
る。このような流量計は、流入口及び流出口を有するハ
ウジングを含み、ハウジングはこの流入口と流出口との
間に流体路を限定する。調節可能な流れ要素は、層流を
維持するのに適切である寸法を有する環状間隙を限定す
るように、測定部の導管と並列にこの流路に配設され
る。測定部の導管を流れる流体の流量を測定する手段が
設けられる。この手段は先行技術において知られてお
り、本発明の一部を構成するものではない。

必要に応じて、本発明の実施例の詳細が開示されてい
る。しかしながら、それらの実施例は単に本発明の例を
示しているにすぎず、本発明は図示される特定の持施例
とは異なる形態をとることもできる。たとえば、質量流
量計に関してバイパス組立体を説明するが、本発明の流
量計を希望に応じて体積流量計として使用することもで
きる。構造及び機能の詳細は必ずしも限定的なものとし
て解釈する必要はなく、特許請求の範囲の基礎として解
釈すべきである。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

第１図に関して説明する。流路Ａ及びＢは、流入口P₁か
ら流量計を介して流出口P₂に至る流れを形成する。PATH
Aとして示される線は流量計の測定部を介する流体の流
れを表わし、PATH Bとして示される線は流量計のバイパ
ス部へ向う流体の流れを示す。各流体路について圧力降
下は同じであるのが最適である。

ここに図示される特定の実施例において、PATH Aはセン
サ流れを示し、層流を確保するために十分な長さの管か
ら構成される。PATH Bは円錐台形の調節可能なバイパス
流れ組立体を含み、この組立体は後述するように層流を
確保するために比例調整される。

次に第２図及び第３図に関して説明する。流量計10は、
本発明に従って調節可能な層流バイパスを含むように図
示されている。流量計10は、以下にさらに詳細に説明す
るように流路14を限定するために穴ぐり及び端ぐりされ
たハウジング12を含む。流路14は、それぞれ測定される
流体の流れのための流入口ポート16及び流出口ポート18
を両端に有する。流路14の上流側20は、流路14を流体源
（図示せず）と連結できるようにするために雄ねじ継手
24を受入れる雌ねじ部22を含む。上流側20は、雄ねじ継
手24により圧縮保持されて微粒子汚染物質の流入を妨げ
る微細な網目スクリーン28を受入れる肩部26を含む。第
４図に示されるように、流出口ポート18は、流路14の下
流側との結合を可能にする継手32の雄ねじ部（図示せ
ず）とかみ合い、それを受入れる雄ねじ部30を含む。

第２図，第３図及び第４図のそれぞれにおいて、流出口
ポート18の上流側に、流量計の動作中に通常は開放位置
にある流れ制御弁組立体（図示せず）を受入れるための
流路14の中間部分34が示されている。流れ制御弁及びそ
の機能は先行技術において知られており、それ自体本発
明の一部を成すものではない。中間部分34に採用するこ
とのできる特に有利な流れ制御弁は、米国特許第3,650,
505号に示されている。

孔36及び38の形態をとるハウジング12の上流側タップと
下流側タップは、測定管又はセンサ管44のそれぞれの装
着端部40及び42を配設するために設けられる。装着端部
40及び42は、センサ管44の端部が間隙なく固着される管
状の部材であり、そのため、装着端部40に流入する流体
は全て、センサ管44を通して導かれ、装着端部42から流
出する。測定部管は非常に細長いもので、この実施例に
おいて、センサ管44の内径は0.010インチ（0.25mm）、
その長さは2.50インチ（6.35cm）である。熱素子46及び
48は、センサ管44を流れる流体の質量流量を検出する。
この検出方法は先行技術において知られており、ここで
さらに説明する必要はない。有利な流体流れ測定システ
ムは米国特許第3,938,384号に記載されている。流量計
の電子回路は先行技術において知られており、それ自体
は本発明の一部を構成しない第２のハウジング50の内部
に収納される。

第２図を参照して、調節可能な層流バイパス組立体の第
１の実施例を説明する。ハウジング12の肩部52は、流路
14の内部へ、その軸方向中心線54を越えて延出し、流路
14の中間部分34と一次流れ部分58とを連通する流路56を
形成している。この一次流れ部分58の境界は、ハウジン
グ12に形成される円錐台形の周面又は孔60により限定さ
れる。孔60のテーパ角度は本発明には重要ではなく、流
路14の中で軸方向中心線54に対して垂直である部分の内
部において余剰のテーパ部が当接することにより誘起さ
れると考えられる乱流、又はここで説明するような調節
分解能などの考慮すべき要因によってのみ限定される。
ここで説明する実施例では、例として３度のテーパを示
す。

肩部52は、流路14の軸方向中心線54に沿って配設される
スピンドル66の雄ねじ部64とかみ合い、それを受入れる
雌ねじ孔62を含む。スピンドル66は、中間肉厚部68を含
み、この肉厚部を越えて延出する上流側雄ねじ部70で終
わる。

さらに、第２図において、スピンドル66は、流路14の内
部で円錐台形の流量絞り弁72を支持する。流量絞り弁72
は、円錐台形の孔60の表面とほぼ平行である周面74を有
する。流量絞り弁72は、それぞれスピンドル66の溝80及
び82に配設されるＯリング76及び78を介してスピンドル
66の肉厚部68により支持される。流量絞り弁72はハブ部
84を含み、ハブ部84は、スピンドル66の上流側雄ねじ部
70と噛合する雌ねじ孔86を有する。

スピンドル66を流量絞り部72と組合わせてハウジング12
内に挿入することができる。あるいは、最初にスピンド
ル66をハウジング12内に挿入して、それだけを固着し、
次に流量絞り弁72をスピンドル上にねじで固定すること
もできる。いずれの場合も、スピンドル66の雄ねじ部64
は雌ねじ孔62に挿入され、肉厚部68の下流側端部90が肩
部52に当接するまで、上流側雄ねじ部70のみぞ穴88を介
して締付けられる。スピンドル66をさらに堅固に固着す
るために、下流側端部90と肩部52との間に係止座金92を
配設することができる。流量絞り弁72は、ハブ部84の上
流側面に、第３図に関して詳細に説明するように周面74
と孔60との接近距離を調節できるようにするためにスパ
ンナレンチ（図示せず）又は他の手段を受入れる戻り止
94を有する。

第３図の説明において、そのいくつかの基本的な詳細部
分が第２図の説明と同一である場合には、第３図の同様
の部分を指示するために第２図の図中符号を使用する。

第３図において、流量絞り弁72は、雄ねじが切られたス
ピンドル94により支持される。スピンドル95は、肩部52
の軸方向に心合せされた孔98の内部に締まりばねにより
装着される下流側スプライン部96を含む。流量絞り弁72
は、流量絞り弁72が雄ねじ切りされたスピンドル94を中
心として回転することができるように、スピンドル94と
噛合する内部孔100を有する。この回転により、流量絞
り弁72はハウジング12に関して前進／後退する。このよ
うな回転は、適切な工具を流量絞り弁72の切欠き102に
挿入することにより可能となる。このような前進／後退
により、流量絞り部72は一点鎖線104及び106によりそれ
ぞれが示される位置まで移動し、その結果、周面74と孔
60との間に形成される環状の間隙（環状導管）108の幅
が変化する。上述のように流量絞り弁72が軸方向に移動
すると、この絞り部は肩部52に当接するコイルばね部材
110により確実に保持される。

間隙108及びここで説明する他の間隙に関して、以下、
流量計の環状導管を通る流れの特性（レイノルズ数によ
り表わされる）は、間隙の幅の３乗の関数として説明す
るものとする。すなわち、調節範囲全体を通して環状部
分の層流を均一に維持するために、流量絞り弁が回転し
ている間は、流量絞り部の周面と円錐台形の孔の表面と
をできる限り同心にするべきである。

第４図は別の実施例を示す。第４図において、第２図及
び第３図に関して説明したのと同じ部分は同じ図中符号
により示される。

この場合、ハウジング12は、流路122を介して中間部分3
4と連通するほぼ円筒形の孔120を有する。中間部分34
は、流出口ポート18に通じる流路123と連通する。ハウ
ジング12は、孔120に開口する上流側タップ36と、下流
側タップ38とをさらに含む。

挿入部材124は孔120の内部に受入れられ、その上流側端
部128において雄ねじ部126により保持される。雄ねじ部
126はハウジング12の雄ねじ部22と係合する。挿入部材1
24は、挿入され、雌ねじ部22と雄ねじ部126とが係合す
るときに、上流側端部128にある戻り止130と係合するス
パナレンチ（図示せず）又は同様の装置により軸方向に
回転される。

挿入部材124は、この実施例においては下流側部分136に
向かってテーパ状となっている円錐台形の部分134を有
する孔132を限定する。雄ねじが切られているスピンド
ル138は、挿入部材124の内部に軸方向に位置決めされ、
溶接又は他の手段により挿入部材の下流側端部140に取
付けられる。スピンドル138は、流量絞り部146の雌ねじ
144とかみ合い、それを受入れる雄ねじ142を担持する。

流量絞り弁146は円錐台形であり、その周面は円錐台形
の孔部分134の周面とほぼ平行である。流量絞り弁146が
孔部分134に挿入され、雄ねじ部142と雌ねじ144とが係
合したとき、流量絞り弁146を挿入部材124に関して長手
方向に調節して、それらの間に形成される環状の間隙15
0の幅を調節するために、流量絞り弁146をみぞ穴148に
挿入される適切な工具（図示せず）により回転させるこ
とができる。流量絞り弁146の望ましくない回転を防ぐ
ための抵抗力は、流量絞り弁146と挿入部材124の下流側
端部140との間に配設されるばね152により提供される。

第４図に示される実施例において、流入口ポート16から
流入する流体は流量絞り弁146と円錐台形の孔部分134と
の間の間隙150を通り、下流側の孔部分136を通り、次に
円筒形の流路154を通って、中間部分34に流入する。そ
の後、流体は流路123を経て流出口ポート18に向かう。
この場合、間隙150を通る流れは層流であり、先に第２
図に関して説明したように上流側タップ36及び下流側タ
ップ38と連通するセンサ手段により測定される。挿入部
材124とハウジング12との間の流れは、雌ねじ部22と雄
ねじ部126とにより提供されるかみ合い面によって抑止
される。さらに、希望に応じて上流側端部128とハウジ
ング12との間に密封座金（図示せず）を設けることもで
きる。

上流側タップ36は、挿入部材124の内部の流路155を介し
て間隙150を流れる流体と連通する。同様に、下流側タ
ップ38は、流路156を介して間隙150と連通する。流路15
5と流路156との間の望ましくない流れ、すなわち、挿入
部材124とハウジング12との間の流れは、Ｏリング158に
より妨げられ、流路156の下流の同様の流れはＯリング1
60により妨げられる。これらのＯリングは、挿入部材12
4の表面にある戻り止め162及び164の内部にそれぞれ受
入れられる。

次に、第５図及び第６図を参照して、流量絞り弁170の
別の実施例を説明する。流量絞り弁170は、上述の全て
の実施例、又は一次流路を通るガスの体積がかなり大き
い場合、すなわち、流体の流量が多いので、間隙が層流
を維持するために必要な幅を上回るような幅を有してい
なければならない場合に使用できる。第６図において、
流量絞り弁170は円錐台形であり、与えられた何らかの
用途において、前述の円錐台形の孔とほぼ平行である周
壁172に有し、前述のようにスピンドルを受入れるねじ
切りされた孔174を有する。付加的な質量流れを提供す
るために、流量絞り弁170は円筒形の中心部分176と、管
状の中間部分178と、管状の外側部分180とを有するよう
に構成され、これらの部分は溶接箇所182により連結さ
れ、層流を確保する適正な幅を有する環状の間隙184及
び186を形成するように配設される。流量絞り弁170には
長手方向に貫通する複数本の導管を孔あけするなどして
他の層流導管を形成しても良いが、第５図及び第６図に
示される同心の環状導管はそのような管状導管より高い
流量を示し且つ良好な層流を提供することが判明してい
る。第１図及び第２図に関して説明したように、流量絞
り弁170を適切な工具によりハウジング12の内部に挿入
し、調節することができるようにするために、流量絞り
弁170はみぞ穴188を含む。

次に、上述の調節可能な層流バイパス組立体のそれぞれ
に関して、層流の維持と調節の方法を説明する。

流路を流れる流れの特性は、レイノルズ数として知られ
る無次元数より表わされる。

（１） R＝4mpVm/u 式中、ｐは流体の密度、Vmは導管の平均速度、ｕは流体
の粘度、ｍは導管の面積（Ａ）を導管の周囲の長さ
（Ｌ）で割った値として定義される水分半径である。導
管の有効直径は4mであると考えることができる。レイノ
ルズ数は、慣性の力と流体の粘度の力との比を表わす。
Ｒの値が小さいときは、流れは層流であり、Ｒの値が大
きければ、慣性の力がまさり、流れは乱流になりがちで
ある。レイノルズ数は、通常は約1600から約2800の範囲
で遷移する。すなわち、1600未満のレイノルズ数で、層
流を得ることができる考えられる。ある特定の構造につ
いて、遷移レイノルズ数は、既知の密度と粘度を有する
流体が乱流状態で流れる平均速度を測定し、その値を上
記の式に代入することにより決定することができる。前
述の実施例は、それぞれ、測定部PATH Aにおける層流と
組合わせてバイパス部PATH Bにおいて層流を得るための
特定の構造を示す。それぞれの実施例において、測定さ
れる流体は気体であるが、構造と概念は液体にも同様に
適用することができる。

定常状態層流についてのもう１つの式が知られている。

式中、Ｖは無次元の抵抗係数であって、層流範囲にわた
って次の式により与えられるものと考えることができ
る。

（３） V＝C/R 式中、Ｃは定数である。式（１）から（３）を組合わせ
ると、流路内の体積流れに対する圧力勾配の直線性を表
わす式が得られる。

上述の式から、PATH Aにおけるセンサ管のレイノルズ数
は次のように表わされる。

式中,dは管の直径、は標準立方センチメートル／分
（SCCM）で表わした質量流れである。また、平均直径がＷ、間隙幅がｔである狭い環状部分−ただ
し、Ｗはｔより大きい−について、及び上述の実施例において、センサ管又は測定管の長さは6.
35cm、直径は0.25mmであり、センサ管は、2SCCMの質量
流れにおいて式（６）を用いて最適の校正状態を維持す
る。

（９）K₁＝205×10⁸/dp このK₁の値を式（６）に代入すると、（10）＝５×10⁸d⁴/L 従って、同じdpを有する環状部分について、式（８）を
利用して上述のセンサ管に関する実験データから、5SCCMのに
おいてR_tが28.7であるとき、式（５）を利用してK₂は4.
5×10^-2であると算出された。このようにして得られたK
₂を式（５）に代入すると、（12）R_t＝６×10^-2/d、また得られたK₂を式（７）に代入すると、（13）R_a＝９×10^-2/W＋ｔこのとき、幅は（14）R_a＝９×10^-2/W と簡略化できるほど狭い。環状部分の平均円周（Ｗ）を
比例して大きくすることが必要とされる場合、レイノル
ズ数（Ｒ）を大きくせずに質量流れ（）を大きくする
ことができる。

上述の調節可能な層流バイパス組立体の寸法は実験によ
り求めることもできる。たとえば、第３図に示されるバ
イパス流量絞り部において、円錐台形の流量絞り部72の
最小直径（Ｄ）は0.416″（1.057cm）であり、孔60はセ
ンサ管の上流側タップ36と下流側タップ38との間で0.5
0″（1.27cm）の長さ（Ｌ）を有する。従って、間隙108
の円周又は幅はπ（0.416）＝1.31（3.327cm）となる。
この数値を式（13）に代入すると、最大レイノルズ数
（Ｒ）は1354である。このＲは遷移レイノルズ数1600よ
り小さいので、第３図のバイパス組立体は層流を提供す
る。

上流側タップ36及び下流側タップ38は、バイパス組立体
の流れ絞り弁と円錐台形の孔との間に形成される間隙の
内部に配設するのが好ましい。前述のような適正な寸法
を有する環状の流路において、環状の流路の開始端から
下流に間隙幅（ｔ）の約20倍の距離をおいた位置に層流
が形成されることは、実験により確かめられている。少
なくとも、流路の下流側端部のごく近くまでは、層流は
維持される。すなわち、上流側タップ36と下流側タップ
38が共に真の層流領域の内部に配設されるならば、タッ
プの両端の圧力降下はバイパス組立体内の流量に比例す
る。しかしながら、場合によっては、タップを層流領域
の外側、すなわちバイパス部の流量絞り弁の上方及び下
方に配置することもできる。流出口の非直線性は流入口
の非直線性に比べれば小さいので、上流側タップを層流
領域内に配置し、下流側タップを層流間隙の外に配置し
て、目的によっては適切な直線性を依然として維持する
ことも可能である。上流側タップ36及び下流側タップ38
が間隙の中に配置されるか、又は外に配置されるかとは
無関係に、そのような任意の位置に所望の層流又は非直
線流れを維持するために、流量絞り弁の前進／後退に注
意すべきである。

ここに説明されるバイパス組立体に関して、円錐台形の
孔及び流量絞り弁について３度のテーパが採用されてい
る。テーパ角度が３度であり、流量絞り弁の長手方向行
程が1/3インチ（0.847cm）であるとき、第３図の調節可
能な層流バイパス組立体の環状の間隙の最大幅（t_max）
は0.333sinθ＝0.0174（0.442mm）である。この値を平
均間隙幅（Ｗ）1.38（3.505）及び間隙長さ0.50（1.2
7）と共に式（11）に代入すると、最大質量流れ（）
は25標準リットル／分である。この最大流れにおいて、
第３図の調節可能な層流バイパス組立体は約1600のレイ
ノルズ数を提供し、この値は所望の層流限界内にある。

広い範囲にわたる絞り弁調節動作についての性能を測定
するために、第３図の組立体を試験した。スピンドル95
と内部孔100とは56回転／インチ（22.05回転/cm）で互
いに螺合する。前述のように、最大上流側後退位置まで
挿入したときの流量絞り弁72の行程は0.847cmであっ
た。すなわち、調節に利用できる回転数は全体で18.6回
転であり、間隙幅（ｔ）の変動は１×10^-3インチ／回転
（2.54×10^-3センチメートル／回転）に等しかった。調
節分解能が±10度であると仮定すると、2.8×10^-5イン
チ（7.112×10^-5センチメートル）の間隙幅（ｔ）の調
節が可能である。式（11）を利用すると、間隙幅（ｔ）
は質量流れとの間に次の式により表わされるような関係
を有する。

（15）t³＝2.1×10^-6 前述のように、第３図の調節可能な層流バイパス組立体
を流量計に挿入し、完全に挿入したときからの回転数に
よって表わされる流量絞り弁の後退度に対して質量流れ
（）を測定した。この試験の結果を第１表に示す。

算出されたレイノルズ数により示されるように、これら
全ての流れは層流であることがわかる。本発明によれ
ば、実施例に説明されるような調節可能な層流バイパス
を含む流量計は、同じセンサ管、すなわち、直径が１×
10^-2インチ（2.54×10^-2センチメートル）で、長さが2.
5インチ（6.35センチメートル）である測定管により質
量流量を10 SCCMから20 SLMまで正確に校正し、質量流
量は簡単に円錐台形の流量絞り弁を回転させることによ
り調節された。流量絞り弁を目視により調節するため、
調節精度は高い。

以上、実施例を図示することにより本発明をいくらか詳
細に説明したが、場合によっては、好都合であるように
形態の変更及び等価のものとの交換が行なわれる。ここ
では特定の用語を使用したが、それらの用語は説明のた
めに使用され、限定的な意味をもつものではない。本発
明の範囲は添付の特許請求の範囲により限定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、分流装置の流体流路の略図；第２図は、調節可能な層流バイパスの一実施例を含む流
量計の各部の部分横断面図；第３図は、調節可能な層流バイパスの第２の実施例の部
分横断面図；第４図は、調節可能な層流バイパスの第３の実施例の部
分横断面図；第５図は、本発明の円錐台形流量絞り弁の変形例の端面
図；及び第６図は、第５図の流量絞り弁の横断面図である。 10…流量計、12…ハウジング、14,56,122,123,154,155,
156…流路、16…流入口ポート、18…流出口ポート、44
…センサ管、72,146,170…流量絞り弁、74…周面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リチヤード・エフ・ブレアーアメリカ合衆国，カリフオルニア州 90803，ロング・ビーチ，マリナ・パシフイカ・ドライブ・サウス 6211 (56)参考文献実開昭55−132461（ＪＰ，Ｕ) 実開昭57−38211（ＪＰ，Ｕ) 特公昭54−3743（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも部分的にテーパ状をした内周面
を有し流体が流れる孔が形成されたハウジングと；ハウジングの孔中に配置され、孔の内周面のテーパ状を
した部分に対して平行な部分的にテーパ状をした外周面
を有しており、ハウジングの孔の内周面のテーパ状をし
た部分と上記外周面のテーパ状をした部分との間に環状
のテーパ状の間隙を形成し、ハウジングの孔の内周面の
テーパ状をした部分の長手方向に移動自在で上記間隙の
大きさを変更自在であり、上記間隙を流れる流体の層流
を維持する流量絞り弁と；ハウジングの孔に対し上記長手方向に相互に離間した位
置で連通された２個のタップを両端部に有しており、少
なくとも上記孔中の流体の流れの上流側に位置するタッ
プが上記孔に対して上記間隙において流体が層流を維持
している範囲に連通しているバイパス計測導管と；を備えていることを特徴とする流量計。
【請求項２】前記流体の流れはガスの流れであることを
特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の流量計。
【請求項３】円錐台形の部分を有していて流体が流れる
第１の流路を規定する第１の流路規定手段と；第１の流路中に配置され第１の流路の円錐台形の部分に
対して略平行な外周面を有した円錐台を含んでおり、第
１の流路の円錐台形の部分と円錐台の上記外周面との間
に環状のテーパ状の間隙を形成し、上記間隙を流れる流
体の層流を維持する流量絞り弁と；第１の流路の円錐台形の部分の長手方向に延出し、ねじ
切りされた外周面上に流量絞り弁の円錐台を回転自在に
支持して上記テーパ状の間隙の大きさを調整するスピン
ドルと；上記環状のテーパ状の間隙において第１の流路に対して
並列に連結されて上記間隙から導入された流体に層流を
形成させ流体の流量を測定する手段を有した第２の流路
を規定する細長い導管と；を備えたことを特徴とする流量計。
【請求項４】前記流体の流れはガスの流れであることを
特徴とする、特許請求の範囲第３項に記載の流量計。
【請求項５】流体の流入口及び流出口と、これら流入口
及び流出口の間を長手方向に延出しこれら流入口及び流
出口を連通させ一部が上記長手方向に沿いテーパ状にさ
れた円錐台形状である孔と、を有した細長いハウジング
と；細長いハウジングの孔の円錐台形状の一部に配置され、
上記孔の円錐台形状の一部に対して略平行な外周面を有
した円錐台を含んでおり、上記孔の円錐台形状の一部と
上記外周面との間に環状のテーパ状の間隙を形成し、上
記間隙を流れる流体の層流を維持する流量絞り弁と；細長いハウジングに配置され、上記孔の円錐台形状の一
部の長手方向に延出し、ねじ切りされた外周面上に流量
絞り弁の円錐台を回転自在に支持して上記テーパ状の間
隙の大きさを調整するスピンドルと；上記環状のテーパ状の間隙において細長いハウジングの
孔に対して連結される細長い導管を有しており、上記間
隙から細長い導管に導入された流体により流体の流量を
測定する手段と；を備えたことを特徴とする流量計。
【請求項６】前記流体の流れはガスの流れであることを
特徴とする、特許請求の範囲第５項に記載の流量計。
【請求項７】流体の流入口及び流出口と、これら流入口
及び流出口の間を延出しこれら流入口及び流出口を連通
させ一部が円錐台形状である第１の流路と、を有したハ
ウジングと；第１の流路中に配置され、第１の流路の円錐台形状の一
部に対して略平行な外周面を有した円錐台を含んでお
り、上記孔の円錐台形状の一部と上記外周面との間に環
状のテーパ状の間隙を形成して上記間隙を流れる流体の
層流を維持し、第１の流路の円錐台形状の一部の長手方
向に選択的移動して上記テーパ状の間隙の大きさを変化
させる流量絞り弁と；細長い導管を有しており、第１の流路から細長い導管に
導入された流体により流体の流量を測定する手段と；上記細長い導管の両端部に設けられ、第１の流路の上記
一部に対して上記一部の長手方向に相互に離間した位置
で上記細長い導管の両端部を連通させるタップを有した
連結手段と；を備えたことを特徴とする流量計。
【請求項８】前記流体の流れはガスの流れであることを
特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載の流量計。
【請求項９】一部が円錐台形状をした第１の流路を規定
する第１の流路規定手段と；第１の流路中に配置され、第１の流路の円錐台形状の一
部に対して略平行な外周面を有した円錐台を含んでお
り、第１の流路の円錐台形状の一部と上記外周面との間
に環状のテーパ状の間隙を形成して上記間隙を流れる流
体の層流を維持する流量絞り弁と；第１の流路の円錐台形状の一部の長手方向に延出し、ね
じ切りされた外周面上に流量絞り弁の円錐台を回転自在
に支持して上記テーパ状の間隙の大きさを調整するスピ
ンドルと；流体の流入口及び流出口を有していて、流入口から流入
した流体の流れに層流を生じさせる第２の流路を規定
し、流体の流量を測定する手段を有した細長い管路と；第２の流路を第１の流路に並列に連結し、第２の流路の
流入口は上記環状のテーパ状の間隙に連通させる連結手
段と；を備えたことを特徴とする流量計。
【請求項１０】前記連結手段は、第２の流路の流入口及
び流出口にタップを有しており、これらのタップは前記
長手方向に相互に離間した位置で上記環状のテーパ状の
間隙に連通されていることを特徴とする、特許請求の範
囲第９項に記載の流量計。
【請求項１１】前記流体の流れはガスの流れであること
を特徴とする、特許請求の範囲第９項に記載の流量計。