JPH0125295Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 第１図のように、流体（主として気体）が流れ
るパイプ１を、ヒータ４で流体の温度より高い温
度に加熱し、流れ方向にそつて一定の距離はなれ
た２点Ａ，Ｂの温度をセンサ５，６で測定して、
Ａ，Ｂ間の温度差ΔTを温度差検出器７にて測定
すると、パイプ内を流れる流体の質量流量Fmと
の間には略一定の関係が成立することがわかる。
この原理を用いた流量計は熱式質量流量計
（Thermal Mass Flow Meter）と呼ばれ、各種
のものが実用に供せられている。

この種の流量計を構造上大別すると、つぎの二
種になる。

すなわち、第一の形式は、第２図のように主パ
イプ１にある種の絞り部２を設け、絞りの前後に
入口、出口をもつパイパス管３を設け、バイパス
管に上記の加熱および温度差検出部を装備してバ
イパス管路の流量を検出し、あらかじめ求めたバ
イパス管と主パイプとの流量比から総流量を知る
方式である。

第二の形式は、バイパス部を設けず、第３図の
ように主パイプの流量を直接検出する方式であ
る。

どちらの形式も流体の流路は金属管で構成さ
れ、通常は耐食性をもたせるためにステンレス網
のパイプが使用される。

この種の流量計の応答速度は、加熱および温度
差検出部の管長が短いほど、また管の温度伝導率
が大きいほど速くなる。

一方、流速の検出感度、すなわち一定の流量に
おける温度差ΔTの大きさは、管長が長いほど、
また管の断面積（周長×肉厚）が小さいほど大き
く、流量の検出精度が高くなる。

ステンレス銅は金属の中で最も温度伝導率が小
さいものの一つであるため、応答速度をあまり低
くせずに必要な流量検出感度を得るには、検出部
の管の径を小さく、かつ肉厚を薄くする必要があ
る。

一方、温度伝導率の大きい金属管を使用すれ
ば、管径、管の肉厚についてはステンレス綱より
もはるかに大きくしても性能上の問題はないが、
具体的材料としては金、白金などきわめて高価で
あるか、あるいは銀、銅、アルミニウムなど耐食
性に問題があるかの何れかであり、ステンレス綱
にくらべて実用的に問題が多い。

このような背景から現在実用に供せられている
熱式質量流量計の多くは、バイパス管にきわめて
小径のステンレス綱のパイプを使用した第２図の
タイプである。

しかし、この種の極細バイパス管を使用したも
のは、流体の結露やダストにより管が閉塞し、作
動不良になりやすく、この面での改良が望まれて
いる。管の閉塞を防止するために、管の径をある
程度大きくし、きわめて肉の薄いパイプを使用し
たものも存在はするが、耐圧が低く、また強度上
の信頼性にも問題がある。

また、銅系のパイプを使用したものの例もある
が、耐食上の問題で使用できる流体が制限され
る。

そこで、本考案は特殊な検熱パイプを使用する
ことにより、現在実用に供せられている熱式質量
流量計の欠点を改善し、下記の諸条件を満たし得
る熱式流量計を提供できるようにした。

検出部の管径をある程度大きく、管の閉塞が
生じにくいこと。

応答性、流量検出感度が実用上許容できるレ
ベルにあること。

流体に接する部分の材質はステンレス綱また
はこれ以上の耐食性をもつこと。

管の耐圧、強度は広い実用条件に適応可能な
こと。

従来のものにくらべ著しくコスト高になるも
のでないこと。

前記の条件を満たすには、ステンレス綱と同等
の耐食性、強度を有し、かつ温度伝導率の高いパ
イプを検出部に使用することができればよい。

よつて、本考案に係る熱式質量流量計は、ヒー
タを備えていて、このヒータを挟む２点に温度セ
ンサを配したパイプ内を流体が流れ、かつ前記２
点の各温度の差を検出して流体の質量流量を測定
する熱式流量計において、前記パイプを、内層の
ものが耐蝕性に富むとともに耐圧強度を有し、外
層のものが温度伝導率の高い金属製のものよりな
る複層管にて構成したことを特徴とするものとし
てある。

かくすることにより、ヒータからパイプに与え
られた熱は温度伝導率の高い外層を伝播し、広域
に渡つて内層をその外周面から加熱することがで
きる。

本考案の熱式質量流量計の実施例は、検出部た
る第２図のバイパス管３又は第３図の主管１に第
４図のごとき検熱パイプ１１を用いたもので、こ
の検熱パイプ１１は例えば耐蝕性に富むステンレ
ス層１１ａの外周に温度伝導率の高い金属の層１
１ｂを形成させた多層管としてある。

検熱パイプの外層たる温度伝導率の高い金属の
層１１ｂは、内層たるステンレス層１１ａに直接
密着していることが望ましいので、メツキ、容
射、蒸着などの方法で、例えば極めて温度伝導率
の高い銀や、内層への接合が容易で低コストの銅
などをステンレス層１１ｂの外周面に直接接合さ
せる。

上記のように構成した熱式質量流量計において
質量流量の計測を開始すると、検熱管１１がヒー
タ４によつて加熱され、さらに管内を流れる流体
を加熱する。

ここで、ヒータ４よりも上流における検熱管内
面から流体へ移動する熱量は大であるのに対し、
ヒータ４よりも下流における検熱管内面から、あ
る程度加熱された流体へ移動する熱量は小となる
ので、ヒータ４の適宜上流に配した温度センサ５
の検出値とヒータ４の適宜下流に配した温度セン
サ６の検出値には差異が生じ、この温度差ΔTは
温度差検出器７によつて検出される。

そして、ヒータ４による加熱開始後、適宜時間
が経過すると、検熱管各部の保有熱量と検熱管各
部から管内の流体へ移動する熱量が平衡点に達
し、検熱管各部の温度は平衡温度となる。

この検熱管各部の平衡温度はヒータ４の加熱量
及び流体の比熱と流量によつて特定されるので、
ヒータ４の上下流適所に配した温度センサ５，６
の検出温度から温度差検出器７の検出した温度差
ΔTによつて流体の質量流量を計出する。

しかして、検熱パイプ１１は内層たるステンレ
ス層１１ａの外周に温度伝導率の高い金属層１１
ｂを形成させてあるので、ヒータ４から検熱パイ
プ１１に与えられた熱は温度伝導率の高い金属層
１１ｂを伝播してヒータ４の上下流部分のステン
レス層を外周面から加熱し、検熱パイプの温度上
昇を促す。

したがつて、ヒータ４付近の検熱管が平衡温度
に達して、一定の熱量が流体へ移動するようにな
つた後に、ヒータ４の上下流への熱伝播が始まる
単層の検熱管に比して検熱管各部が平衡温度に達
するまでに流体へ移動する熱量を可及的小ならし
め、検熱管１１の温度センサ５，６を配した部分
の温度が平衡温度に達するのに要する時間を極く
短いものとなし得る。

また、第５図のごとくステンレスパイプ１１ａ
の外側に接合の容易な銅１１ｃの薄膜を例えばメ
ツキし、さらにこの銅１１ｃの外側に銀１１ｄを
例えばメツキした３層構造のものとしても、前述
したと同様に、検熱管１１の温度センサ５，６を
配した部分の温度が平衡温度に達する時間を極く
短いものとなし得る。

第６図は多層管を使用した場合の応答性改善の
効果をステンレスパイプの場合と比較した結果の
一例である。

流速０の状態から急に管内に一定流量の流れが
生じたとき、検出部の二点Ａ，Ｂ間の温度差が時
間とともにどのように変化するかを示したグラフ
で、ステンレスパイプでは真の流量に対応する温
度差に達するのに４分を要するのに対し、外層を
銀とした多層管ではわずか15秒となつた。

なお、この実験に使用した多層管は、内径が
1.8mm、外径が2.0mm、長さが100mmのステンレス
管の表面へ30μmの銀メツキを施したものであり、
単層ステンレス管は、内径が1.8mm、外径が2.0
mm、長さが100mmのものである。

以上説明したように、本考案に係る熱式質量流
量計によれば、ヒータから検熱管に与えられる熱
を、ステンレス層の外周に形成した温度伝導率の
高い金属層から上下流方向に伝播させ、温度伝導
率の低いステンレス層をその外周面から加熱する
ので、ヒータによる局部加熱を疑似的な広域加熱
となし得る。

したがつて、検熱管各部の温度が平衡温度に達
する前に流体へ移動して失われる熱量を可及的小
ならしめ、極く短時間で検熱管各部が平衡温度に
達するので、計測を開始してヒータの適宜上下流
に配した温度センサ５，６によつて温度検出器が
温度差ΔTを検出するまでに要する時間を短時間
に止め、流量計の応答性を著しく向上できる。

なお、第６図において多層管の温度差がステン
レス管の温度差ほど上昇しないのは、温度伝導率
の高い検熱管の外層から検熱管外へ熱が放出され
るためであるが、検熱管の外径、外層の厚さ、温
度センサの配設位置を適宜選定することで、十分
な精度の計測値を計出するに足る温度差ΔTを得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は従来の熱式質量流量計を示
す図、第４図は本考案における検熱パイプの断面
図、第５図は同検熱パイプの他の実施例を示す断
面図、第６図は温度差と応答時間の関係を示すグ
ラフである。 図中、１……主パイプ、２……絞り部、３……
バイパス管、４……ヒータ、５，６……温度セン
サ、７……温度差検出器、１１……検熱パイプ、
１１ａ……ステンレス層、１１ｂ……温度伝導率
の高い金属層、１１ｃ……銅、１１ｄ……銀。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. ヒータを備えていて、このヒータを挟む２点に
   温度センサを配したパイプ内を流体が流れ、かつ
   前記２点の各温度の差を検出して流体の質量流量
   を測定する熱式流量計において、前記パイプを、
   内層のものが耐蝕性に富むとともに耐圧強度を有
   し、外層のものが温度伝導率の高い金属製のもの
   よりなる複層管にて構成したことを特徴とする熱
   式質量流量計。