JP2019164046A

JP2019164046A - 熱式流量計

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Publication number: JP2019164046A
Application number: JP2018052361A
Authority: JP
Inventors: 池　信一; Shinichi Ike; 信一池
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26

Abstract

【課題】樹脂製の配管を用いた熱式流量測定において、配管の強度低下を招くことなく、高い精度で正確な流量が測定できるようにする。【解決手段】配管１０１の肉薄部１０１ａにおける外壁に、第１補強管１２１，第２補強管１２２，第３補強管１２３を備える。第１補強管１２１および第２補強管１２２は、肉薄部１０１ａに、配管１０１の長手方向に互いに離して設けられている。また、第１補強管１２１および第２補強管１２２は、それぞれ配管１０１の周囲を覆い、配管１０１の外壁に内壁が接している。第３補強管１２３は、樹脂からなり、肉薄部１０１ａのうち、第１補強管１２１および第２補強管１２２によって覆われている領域以外の領域において、配管１０１の周囲を覆い、配管１０１の外壁に内壁が接して形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、流体における熱拡散の作用を利用して流量を測定する熱式流量計に関する。

流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する装置としては、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、熱式流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。熱式流量計は、気体の検出が可能であり、圧力損失が基本的にはなく、質量流量が測定できるなどの利点がある。このような液体の流量を測定する熱式流量計は、微量な流量の測定に適している。

熱式流量計には、ヒータの上下流の温度差により流量を測定する方法と、ヒータの消費電力による流量を測定する方法とがある。例えば、水溶液の流量を測定する場合、ヒータ温度を水温に対し、プラス１０℃など一定温度に加温駆動で動作させ、上流と下流との温度差またはヒータの電力から、流量を算出する。

このような熱式流量計を、レジスト塗布装置のフォトレジスト供給機構で用いる場合、配管には、樹脂製の配管が用いられている。これは、金属等の汚染物がフォトレジストに混入することを防止するためである。しかしながら、樹脂製の配管を用いる場合、熱の伝導があまりよくない。このため、例えば、測定対象の流体を効率良く短時間で加熱できず、また、流体の温度を短時間で測定できないため、高い精度で正確な流量測定ができないという問題がある。

上述した樹脂製配管を用いる場合の問題を解消するために、管壁を外側から切削して他の部位より薄くした箇所にセンサ部を設ける技術が提案されている（特許文献１参照）。この技術によれば、樹脂製の配管を用いても、より迅速に流体を加熱でき、また、より迅速に流体の流れによる温度変化を検出することができ、高精度で被測定流体の流量を測定することができるようになる。

特開２０１２−２０２９７１号公報

しかしながら、配管を薄くした箇所は、機械的な強度が低下するという問題が発生する。このように、従来の技術では、樹脂製の配管を用いる場合、配管の強度低下を招くことなく、高い精度で正確な流量測定ができないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、樹脂製の配管を用いた熱式流量測定において、配管の強度低下を招くことなく、高い精度で正確な流量が測定できるようにすることを目的とする。

本発明に係る熱式流量計は、測定対象の流体を輸送する樹脂製の配管と、配管の一部に形成されてその一部の配管の厚さが他の部分より薄い肉薄部と、肉薄部に、配管の長手方向に互いに離して設けられ、それぞれ配管の周囲を覆い、配管の外壁に内壁が接する第１補強管および第２補強管と、肉薄部のうち第１補強管および第２補強管によって覆われている領域以外の領域において、配管の周囲を覆い、配管の外壁に内壁が接する樹脂からなる第３補強管と、第１補強管の外壁に接して設けられ、流体の温度を測定するように構成された温度測定部、第２補強管の外壁に接して設けられ、流体を加熱するように構成されたヒータを備え、ヒータの温度とヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定されている設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータに加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成されたセンサ部と、流体の流量をセンサ値から算出するように構成された流量算出部とを備え、第１補強管および第２補強管は、第３補強管を形成する材料より高い熱伝導度を有する材料から構成されている。

上記熱式流量計において、肉薄部は、配管の周方向に形成されている。

上記熱式流量計において、肉薄部は、配管の管壁の厚さは周方向に一定とされている。

上記熱式流量計において、第３補強管は複数設けられ、第１補強管および第２補強管の少なくとも一方は、２つの第３補強管に接している。

上記熱式流量計において、第１補強管および第２補強管は、金属、セラミック、またはシリコンから構成されている。例えば、金属は、銅である。

上記熱式流量計において、温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータの電力をセンサ値として出力する。

上記熱式流量計において、温度測定部は、第１温度測定部、第２温度測定部、第３温度測定部から構成され、第１温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、第２温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定し、第３温度測定部は、ヒータより下流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と、第１温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、第２温度測定部が測定した流体の温度と第３温度測定部が測定した流体の温度との温度差をセンサ値として出力する。

以上説明したように、本発明によれば、肉薄部に第１補強管，第２補強管，第３補強管を備えるようにしたので、樹脂製の配管を用いた熱式流量測定において、配管の強度低下を招くことなく、高い精度で正確な流量が測定できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における熱式流量計の構成を示す構成図である。図２Ａは、本発明の実施の形態における熱式流量計の一部構成を示す断面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態における熱式流量計の一部構成を示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態における他の熱式流量計の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態おける熱式流量計について図１，図２Ａ，図２Ｂを参照して説明する。この熱式流量計は、測定対象の流体を輸送する合成樹脂から構成された配管１０１と、センサ部１０２と、流量算出部１０３とを備える。配管１０１は、例えば、フッ素樹脂から構成されている。また、この熱式流量計は、配管１０１の肉薄部１０１ａにおける外壁に、第１補強管１２１，第２補強管１２２，第３補強管１２３を備える。

肉薄部１０１ａは、一部が配管１０１の他の部位より薄い領域である。肉薄部１０１ａは、例えば、配管１０１の他の領域より外形が細い。また、肉薄部１０１ａは、例えば、肉薄部１０１ａは、配管１０１の周方向に形成されている。また、肉薄部１０１ａは、配管１０１の管壁の厚さは周方向に一定とされている。

第１補強管１２１および第２補強管１２２は、肉薄部１０１ａに、配管１０１の長手方向に互いに離して設けられている。また、第１補強管１２１および第２補強管１２２は、それぞれ配管１０１の周囲を覆い、配管１０１の外壁に内壁が接している。第２補強管１２２は、第１補強管１２１の下流側の配管１０１の外壁に接して設けられている。第１補強管１２１および第２補強管１２２は、後述する第３補強管１２３を形成する材料より高い熱伝導度を有する材料から構成されている。第１補強管１２１および第２補強管１２２は、例えば、シリコン、セラミック、または金属から構成されている。第１補強管１２１および第２補強管１２２は、例えば、銅から構成されていればよい。

第３補強管１２３は、樹脂からなり、肉薄部１０１ａのうち、第１補強管１２１および第２補強管１２２によって覆われている領域以外の領域において、配管１０１の周囲を覆い、配管１０１の外壁に内壁が接して形成されている。第３補強管１２３は、例えば、合成樹脂（プラスチック）から構成されている。また、例えば、第３補強管１２３は複数設けられ、第１補強管１２１および第２補強管１２２の少なくとも一方は、２つの第３補強管１２３に接している。

実施の形態において、センサ部１０２は、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、電力計測部１１４を備える。温度測定部１１１は、第１補強管１２１の外壁に接して設けられている。ヒータ１１２は、第２補強管１２２の外壁に接して設けられている。第２補強管１２２は、第１補強管１２１の下流に設けられているので、ヒータ１１２は、温度測定部１１１より下流に設けられるものとなる。温度測定部１１１、例えば、熱伝導性接着剤により、第１補強管１２１の外壁に接着固定されている。温度測定部１１１は、流体の温度を測定する。ヒータ１１２は、例えば、熱伝導性接着剤により、第２補強管１２２の外壁に接着固定されている。

ここで、センサ部１０２は、ヒータ１１２の温度と、ヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２に加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力する。実施の形態において、制御部１１３が、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定されるヒータ１１２の熱影響を受けない位置、例えばヒータ１１２より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。

また、電力計測部１１４は、制御部１１３により制御されているヒータ１１２の電力を計測して出力する。センサ部１０２を構成する電力計測部１１４から出力される電力がセンサ値となる。流量算出部１０３は、電力計測部１１４が計測して出力したヒータ１１２の電力（センサ値）より、流体の流量を算出する。

以上に説明したように、実施の形態によれば、肉薄部１０１ａに第１補強管１２１，第２補強管１２２，第３補強管１２３を備えるようにしたので、樹脂製の配管１０１の、周囲より肉薄とされている肉薄部１０１ａにおける強度低下が抑制できるようになる。また、温度測定部１１１が設けられる第１補強管１２１、およびヒータ１１２が設けられる第２補強管１２２は、金属、セラミック、またはシリコンなどの第３補強管１２３より熱伝導率の高い材料から構成しているので、流体を迅速に加熱可能であり、流体の温度測定の精度を低下させることがない。また、第１補強管１２１，第２補強管１２２の周囲の肉薄部１０１ａは、樹脂からなる第３補強管１２３を設けるので、流路方向の熱の逃げが防げるようになり、効率的にヒータ１１２の熱を流体に伝えることができる。

ここで、実施の形態における熱式流量計の動作について、より詳細に説明する。よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２が消費している電力と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、電力計測部１１４が計測した電力より、流量算出部１０３において、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

なお、図３に示すように、温度測定部（第１温度測定部）１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、温度測定部（第２温度測定部）１１６、温度測定部（第３温度測定部）１１７からセンサ部１０２’を構成してもよい。各温度測定部は、肉薄部１０１ａにおいて、第１補強管１２１ａの外壁に接して設けられている。第１補強管１２１ａは、前述した実施の形態と同様に、肉薄部１０１ａの一部（各温度測定部の配置箇所）において、配管１０１の周囲を覆って形成されて配管１０１の外壁に内壁が接して形成されている。第１補強管１２１ａは、熱伝導性のよいシリコン、セラミック、または金属から構成されている。第１補強管１２１ａは、例えば、銅から構成されていればよい。

なお、ヒータ１１２は、第２補強管１２２の外壁に接して設けられている。また、第１補強管１２１および第２補強管１２２が配置されている以外の肉薄部１０１ａの全域に、第３補強管１２３が、配管１０１の周囲を覆って形成されて配管１０１の外壁に内壁が接して形成されている。

この構成において、制御部１１３は、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定されるヒータ１１２の熱影響を受けない位置、例えばヒータ１１２より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。

温度測定部１１６は、温度測定部１１１より下流側でかつヒータ１１２の上流側における第１補強管１２１ａの外壁に接して設けられている。また、温度測定部１１７は、ヒータ１１２の下流側における第１補強管１２１ａの外壁に接して設けられている。温度測定部１１６，温度測定部１１７は、流体の温度を測定する。

温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差より、流体の流量を算出することができる。この例では、温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差が、センサ値となる。

よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２より上流の流体の温度とヒータ１１２より下流の流体の温度との温度差と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、温度測定部１１６が測定した温度と温度測定部１１７が測定した温度との差（温度差）より、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

以上に説明したように、本発明によれば、測定部に第１補強管，第２補強管，第３補強管を備えるようにしたので、樹脂製の配管を用いた熱式流量測定において、配管の強度低下を招くことなく、高い精度で正確な流量が測定できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…配管、１０１ａ…肉薄部、１０２…センサ部、１０３…流量算出部、１１１…温度測定部、１１２…ヒータ、１１３…制御部、１１４…電力計測部、１２１…第１補強管、１２２…第２補強管、１２３…第３補強管。

Claims

測定対象の流体を輸送する樹脂製の配管と、
前記配管の一部に形成されてその一部の前記配管の厚さが他の部分より薄い肉薄部と、
前記肉薄部に、前記配管の長手方向に互いに離して設けられ、それぞれ前記配管の周囲を覆い、前記配管の外壁に内壁が接する第１補強管および第２補強管と、
前記肉薄部のうち前記第１補強管および前記第２補強管によって覆われている領域以外の領域において、前記配管の周囲を覆い、前記配管の外壁に内壁が接する樹脂からなる第３補強管と、
前記第１補強管の外壁に接して設けられ、前記流体の温度を測定するように構成された温度測定部、前記第２補強管の外壁に接して設けられ、前記流体を加熱するように構成されたヒータを備え、前記ヒータの温度と前記ヒータの熱影響を受けない位置における前記流体の温度との差が設定されている設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータに加熱された前記流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成されたセンサ部と、
前記流体の流量を前記センサ値から算出するように構成された流量算出部と
を備え、
前記第１補強管および前記第２補強管は、前記第３補強管を形成する材料より高い熱伝導度を有する材料から構成されていることを特徴とする熱式流量計。
請求項１記載の熱式流量計において、
前記肉薄部は、前記配管の周方向に形成されていることを特徴とする熱式流量計。
請求項１または２記載の熱式流量計において、
前記肉薄部は、前記配管の管壁の厚さは周方向に一定とされていることを特徴とする熱式流量計。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記第３補強管は複数設けられ、前記第１補強管および前記第２補強管の少なくとも一方は、２つの前記第３補強管に接していることを特徴とする熱式流量計。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記第１補強管および前記第２補強管は、金属、セラミック、またはシリコンから構成されていることを特徴とする熱式流量計。
請求項５記載の熱式流量計において、
前記金属は、銅であることを特徴とする熱式流量計。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と前記温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータの電力を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記温度測定部は、第１温度測定部、第２温度測定部、第３温度測定部から構成され、
前記第１温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記第２温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定し、
前記第３温度測定部は、前記ヒータより下流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と、前記第１温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記第２温度測定部が測定した前記流体の温度と前記第３温度測定部が測定した前記流体の温度との温度差を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。