JPH0317226Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 (1) 考案の属する技術分野の説明 本考案は、ガス等の流体の流量測定用の分流機
構に関し、詳しくは、被測定流量を一定の分流比
でセンサー流量とバイパス流量に分流し、センサ
ー流量を測定することにより、被測定流量を求め
る流量測定装置に関するものである。さらに詳し
くは、大流量で一定の分流比をえるためのバイパ
スの改良に関するものである。

(2) 従来技術の説明 このような分流機構を使用した代表例として、
熱式質量流量計がある。この熱式質量流量計はパ
イプ内を流れるガスの流量をガスと無接触的に測
定することができ、ガスの圧力、温度に無関係に
質量流量が測定可能なために半導体工業を中心と
して数多く使用されている。

従来の分流機構の代表例を第１図に示す。この
例は本出願と同一出願人の出願に係る実公昭55−
44180号公報に詳細に記載されている。本考案は
これの改良に関するものである。

第１図において、１はベース、２はバイパス丸
穴、３はバイパス丸穴内に同心的に保持され、両
端がとがつた円柱状中子、４，５は中子３を同心
的に保持するためのスペーサである。バイパス丸
穴２と中子３間にはギヤツプｇを持つた円環状空
間が構成される。

６はセンサーパイプであり、その外側には感温
抵抗R₁，R₂が巻かれている。感温抵抗R₁，R₂は
固定抵抗R₃，R₄と組合わせられて、ホイートス
トンブリツジを構成している。感温抵抗R₁，R₂
は電源Es……により、センサーパイプ６を室温
より約100℃温度を上昇させている。このように
感温抵抗R₁，R₂はヒータの役も兼ねている。被
測定体積流量Ｑは矢印のように、センサーパイプ
体積流量Q₁とバイパス体積流量Q₂に分流される
（以下体積流量の「体積」を省略し単に流量と略
記する）。

ここで被測定流量Ｑ＝０の場合には、センサー
パイプ流量Q₁＝０であり、感温抵抗R₁，R₂の温
度上昇は等しい。従つて、ブリツジの不平衡出力
電圧△Ｅ＝０の状態で平衡している。センサーパ
イプ６内に流量Q₁が流れると、感温抵抗R₁の温
度は低下し感温抵抗R₂の温度は反対に上昇し、
不平衡出力電圧△Ｅが発生する。この△Ｅはセン
サーパイプ６内の流量Q₁の質量流量に比例する。
センサーパイプ流量Q₁とバイパス流量Q₂の分流
比Q₂／Q₁が常に一定に保持されるならば、被測
定流量Ｑの質量流量が求められる。

流量変化に対するレスポンスを良くするため
に、センサーパイプ６は非常に細いパイプが使用
される。代表例として、外径0.35mm、内径0.25
mm、パイプ肉厚0.05mm程度のステンレスパイプが
標準である。このように細いパイプを使用するの
はレスポンス改善の目的以外に、センサーパイプ
流量Q₁と不平衡出力電圧△Ｅを比例させるため
でもある。

不平衡出力電圧△Ｅは増幅器７で増幅された後
に必要によりリニヤライザを通し被測定流量Ｑに
正比例する信号として外部に取出され制御信号と
なる。

前記のセンサーパイプを使用した場合に、セン
サー流量Q₁と不平衡出力電圧△Ｅがほぼ正比例
するのはN₂ガスで5SCCM（Standard Cubic
Centimeter Per Minute）までである。Q₁＝
5SCCM（N₂）の場合、センサーパイプの長さ70
mmのとき、センサーパイプ両端の差圧は約100mm
H₂Ｏになる。このように低差圧で微少流量しか
流れないために、センサーパイプ６内の流量は完
全な層流になつている。バイパス流量Q₂による
バイパス内の流れも層流化することにより、被測
定流量Ｑに無関係に一定の分流比Q₂／Q₁を保持
することができる。

被測定流量Ｑのスパンが増大すれば、バイパス
ギヤツプｇも増大する。バイパス内径10mm、セン
サーパイプ取付間隔20mmの場合、被測定流量Ｑ＝
10SLM（Standard Liter Per Minute）N₂のと
きのバイパスギヤツプｇ＝0.287mmである。これ
以上の流量を測定するにはバイパスギヤツプｇを
さらに増大させなければならない。ギヤツプｇの
増大によりバイパス内の流れのレイノルズ数が上
り、層流状態が保持できず、乱流状態になつてし
まう。そのために、バイパス流量Q₂とセンサー
流量Q₁の分流比Q₂／Q₁が一定でなくなり、流量
で変るようになり、質量流量計としての機能を失
つてしまう。

これをさけるために、従来はバイパス丸穴２と
円柱状中子３間に薄肉パイプを同心的に挿入して
バイパスギヤツプｇを２分し、２層バイパスとし
て層流状態を保持していた。さらに大流量になる
と３層、４層等のバイパスを必要とする。そのた
めに、直径の異なる薄肉パイプを何種類も作らな
ければならない。しかもこれらの薄肉パイプを円
柱状中子３と同心的に保持するために複雑な構造
になつていた。

(3) 考案の目的の説明 本考案は従来の技術に内在する上記欠点を除去
する為になされたものであり、従つて本考案の目
的は、廉価に構成できると共に、製作容易な信頼
性の高い新規な層流バイパスを提供することにあ
る。

(4) 考案の構成 上記目的を達成する為に、本考案に係る分流機
構は、バイパス丸穴２が穿かれたベース１と、バ
イパス丸穴２に着脱、調整可能に挿入され、外側
に２条の溝１６が設けられさらに溝１６内に複数
の細孔１７を有するスリーブ１０と、スリーブ１
０内に同心的に挿入されるコア１１を中心に平板
１２、波板１３を巻付けて構成され、スリーブ１
０内に固定される層流エレメント１４とを有し、
２条の溝１６間に熱式質量流量計用センサーパイ
プ６を接続し、上流側に層流化に十分なだけの助
走距離を持たせたことを特徴としている。

(5) 考案の実施例の説明 以下、本考案をその好ましい一実施例について
第２図、第３図に従つて具体的に説明する。

第２図において、参照番号１はベースを示し、
このベース１にはバイパス丸穴２があけられてい
る。このバイパス丸穴２内にスリーブ１０が同心
的に挿入されねじ部１０ａにより調整可能に配置
されている。パイプ状のコア１１には、第３図の
斜視図に示すように、平板１２と波板１３が重ね
巻きされており、これらによつて層流エレメント
１４を構成している。層流エレメント１４の一番
外側は波板１３が占めるように巻かれている。層
流エレメント１４は、スリーブ１０内に挿入さ
れ、ねじ１５でコア１１がベース１に固定され
る。

スリーブ１０の外側には２条の溝１６が設けら
れている。溝１６内の細孔１７でスリーブ１０の
内面と連絡している。

被測定流量Ｑは層流エレメント１４内に形成さ
れた無数の細孔内を層流状に流れる。助走距離Ｌ
だけ流れた下流からは層流エレメント１４内の細
孔の体積流量と単位長さ当りの圧力降下が正比例
するようになる。（ポアズイユの法則）。この圧力
降下のために、前記細孔内の流れの一部はスリー
ブ１０の細孔１７を通り溝１６に集められ、セン
サーパイプ６内を流れるQ₁のセンサー流量とな
る。下流側でセンサー流量Q₁はバイパス流量Q₂
に合流する。層流エレメント１４内の流れはセン
サーパイプ６内の流れと同様に完全に層流である
ので、分流比Q₂／Q₁は一定に保たれる。従つて
センサー流量Q₁を測定することにより、被測定
流量Ｑが求められる。

第３図に示す如き波板１３は表面に凹凸を持つ
たかみ合いロール間に薄板を通すことにより簡単
に製作できる。ただし、波板１３の材質は、スプ
リングバツクを避けるために、完全に光輝焼鈍さ
れたステンレス薄板等が適している。これに反し
て、平板１２は冷間圧延されたままでばね性の強
いものが望ましい。巻き終つた層流エレメント１
４をスリーブ１０に挿入した後に、巻きもどす方
向にコア１１を回転させると、平板１２のスプリ
ングバツクで波板１３はスリーブ１０の内面に強
く押しつけられる。そのために、その後の振動や
衝撃で層流エレメント１４がゆるむことがなく、
分流比Q₂／Q₁を一定に保持することができる。
ここでコア１１に平板１２の末端を点溶接してま
ず平板１２だけを数回巻き込み、それから波板１
３を巻き込むようにすると平板１２のスプリング
バツク力がさらに強くなり望ましい。

出力100％時のセンサー流量Q₁はたとえば
5SCCM（N₂）のように決つている。この場合の
センサーパイプ６の差圧も100mmH₂Ｏのように決
められている。被測定流量Ｑのスパンが変つた場
合には、波板１３の山の高さやピツチを変える
か、またはコア１１の断面積を変化させて、必要
な差圧100mmH₂Ｏになるようにする。

本考案は基本的実施例は以上の如く構成されて
いるが、本考案を実施するに当り、次の諸点に注
意する必要があり、またそのような変形も可能で
ある。

センサー流量Q₁を層流エレメント１４の上流
側端面１８よりも上流側から取出すと、助走距離
Ｌの圧力降下を含むようになり、分流比が流量に
より変り好ましくない。また、センサー流量Q₁
の合流点を層流エレメント１４の下流側端面１９
よりも下流側にするのも分流比の点で劣る。ただ
し、構造的には簡単になる。

コア１１は必ずしも必要としない。コアなしで
も巻込むことは可能である。棒状のコアを使用し
ねじ１５でコア１１をベース１に固定するのも省
略してもよい。

スリーブ１０は主として生産上の都合と、層流
エレメントの互換性を出すために入つているもの
であり、巻込まれた層流エレメント１４を直接バ
イパス丸穴２に挿入してもよい。またバイパス丸
穴２も必ずしも丸くなくてもかまわない。

第２図ではパイプ状コア１１の右端がベース１
にねじ固定されているが、このねじは省略しても
よい。

第２図で、センサーパイプ６の代りに、差圧計
を取付ければ、リニヤーな出力を持つ体積流量計
がえられるのはいうまでもない。

(6) 考案の効果の説明 本考案によれば、層流特性を持つバイパスが極
めて廉価に得られる。構造的に層流エレメントの
外径は幾らでも大きくできるので、特に大流量の
測定に適している。

センサーパイプ６で検出されるのは、正確には
センサーの体積流量Q₁でなくて質量流量である。
分流比Q₂／Q₁が一定であるから、全流量Ｑの質
量流量が得られる。オリフイス等を使用してガス
の体積流量を求めるには、ガスの温度、圧力の補
正が必要である。これが測定中に変動するので測
定が困難である。ガスの質量流量を求めるのはさ
らに難しい。

ガスの流量測定で実際に測定したいのは体積流
量Ｑではなく、その質量流量またはこれを標準状
態に換算した標準体積流量である。本考案によれ
ば、圧力、温度に無関係にガスの質量流量または
標準状態体積流量が直接に得られ、実用上の効果
が大きい。

バイパス層流エレメント１４による圧力損失は
200mmH₂Ｏ以下である。これに反して、オリフイ
ス方式で精度良く測定するためには2000mmH₂Ｏ
以上の差圧を必要とする。そのためにエネルギー
消費が大きい。特に大流量測定では大きなエネル
ギー損失になる。本考案は本質的に圧力損失が小
さい省エネルギーの流量測定を可能にしている。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の熱式質量流量計の断面図、第２
図は本考案による熱式質量流量計の分流機構の一
実施例を示す断面図、第３図は本考案による分流
機構の要部斜視図である。 １……ベース、２……バイパス丸穴、３……円
柱状中子、４，５……スペーサ、６……センサー
パイプ、１０……スリーブ、１１……パイプ状コ
ア、１２……平板、１３……波板、１４……層流
エレメント、１５……ねじ、１６……溝、１７…
…細孔、１８……上流側端面、１９……下流側端
面。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 バイパス丸穴２が穿かれたベース１と、 バイパス丸穴２に着脱、調整可能に挿入され、
   外側に２条の溝１６が設けられさらに溝１６内に
   複数の細孔１７を有するスリーブ１０と、 スリーブ１０内に同心的に挿入されるコア１１
   を中心に平板１２、波板１３を巻付けて構成さ
   れ、スリーブ１０内に固定される層流エレメント
   １４と、 を有し、 ２条の溝１６間に熱式質量流量計用センサーパ
   イプ６を接続し、 上流側に層流化に十分なだけの助走距離を持た
   せた、 ことを特徴とする熱式質量流量計の分流機構。