JP4201861B2

JP4201861B2 - 流量センサー

Info

Publication number: JP4201861B2
Application number: JP32103397A
Authority: JP
Inventors: 喜代志山岸; 淳小池; 眞一井上; 健二友成
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2017-11-21
Also published as: JPH11153465A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体流量検知技術に属するものであり、特に、配管内を流れる流体の流量を検知するための流量センサーに関する。本発明の流量センサーは特に幅広い環境温度条件下において流体の流量を正確に測定するのに好適である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、各種流体特に液体の流量（あるいは流速）を測定する流量センサー（あるいは流速センサー）としては、種々の形式のものが使用されているが、低価格化が容易であるという理由で、いわゆる熱式（特に傍熱型）の流量センサーが利用されている。
【０００３】
この傍熱型流量センサーとしては、基板上に薄膜技術を利用して薄膜発熱体と薄膜感温体とを絶縁層を介して積層し、基板を配管に取付けたものが使用されている。発熱体に通電することにより感温体を加熱し、該感温体の電気的特性例えば電気抵抗の値を変化させる。この電気抵抗値の変化（感温体の温度上昇に基づく）は、配管内を流れる流体の流量（流速）に応じて変化する。これは、発熱体の発熱量のうちの一部が基板を経て流体中へと伝達され、この流体中へ拡散する熱量は流体の流量（流速）に応じて変化し、これに応じて感温体へと供給される熱量が変化して、該感温体の電気抵抗値が変化するからである。この感温体の電気抵抗値の変化は、流体の温度によっても異なり、このため、上記感温体の電気抵抗値の変化を測定する電気回路中に温度補償用の感温素子を組み込んでおき、流体の温度による流量測定値の変化をできるだけ少なくすることも行われている。
【０００４】
このような、薄膜素子を用いた傍熱型流量センサーに関しては、例えば、特開平８−１４６０２６号公報に記載がある。
【０００５】
ところで、従来の流量センサーは配管部分に取り付けられる金属製の管路を有しており、該金属製管路内を流体が通過するようになっている。そして、この金属製管路が外気に露出している。金属製管路は熱伝導性が高いため、外気温が変化するとその影響が直ちに管路内の流体（特に管路壁と接する部分）に伝達され、熱式流量センサーの流量測定の精度の低下をもたらす可能性がある。特に、流量が微少である場合には測定精度に与える影響が大きくなる。このような問題は、管路内を流れる流体の温度と外気温との差が大きい場合に顕著となる。
【０００６】
また、流体が粘性流体特に粘度の比較的高い粘性流体である場合には、配管内の流体の流れと直交する断面における流速分布が顕著となる（断面内の中央部と外周部とで流速が大きく異なる）。従来の管壁に単に基板またはそれに接続されたケーシング部分を露出させたものの場合には、上記流速分布が、流量測定の精度に大きな影響を与える。これは、流量検知に際して、配管の断面中央部分を流れる流体の流速が考慮されず、配管の管壁近傍における流体の流速のみが考慮されるからである。このように、従来の流量センサーでは、比較的高い粘度を持つ粘性流体の場合には、正確な流量測定が困難であるという問題点があった。尚、常温において粘度が低い流体であっても、温度が低下するにつれて粘度が上昇するので、以上のような流体の粘性に関連する問題が発生する。特に、単位時間あたりの流量が多い場合より流量が比較的少ない場合には上記問題点が一層顕著である。
【０００７】
そして、流量センサーが使用される温度環境は、地理的条件及び屋内外の別などにより極めて広い範囲であり、更に、これらに季節的条件及び昼夜の別などが加わり、温度環境の変化も極めて大きく、このような幅広い環境温度条件下において正確に流量を検知する流量センサーが望まれている。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、外部環境温度条件による測定精度への悪影響を阻止することで、測定精度の向上した熱式流量センサーを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の目的は、比較的高い粘度の粘性流体であっても、配管内を流れる該流体の流量を正確に測定できる流量センサーを提供することにある。
【００１０】
更に、本発明の目的は、比較的少ない流量であっても、配管内を流れる該流体の流量を正確に測定できる流量センサーを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
発熱機能と感温機能とを有する流量検知部と、該流量検知部からの熱が被検知流体に伝達され吸熱されるように形成された該被検知流体のための管路とを備えており、前記流量検知部において発熱に基づき前記被検知流体による吸熱の影響を受けた感温が実行され、該感温の結果に基づき前記管路内の被検知流体の流量を検知する流量センサーであって、
前記管路の形成されたケーシングは前記管路を画定する金属製の内側部分と該内側部分を覆っている合成樹脂製の外側部分とを含んでいることを特徴とする流量センサー、
が提供される。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記外側部分に素子収容部が形成されており、該素子収容部に前記流量検知部の少なくとも一部が収容されている。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記素子収容部には前記流量検知の際の流体温度補償を行うための流体温度検知部の少なくとも一部が収容されている。
【００１４】
本発明の一態様においては、前記素子収容部は蓋により覆われている。
【００１５】
本発明の一態様においては、前記流量検知部には前記管路内へと延びている第１の熱伝達用部材が付設されており、該第１の熱伝達用部材は前記管路の断面の少なくとも中央部の近傍に至るように延びている。
【００１６】
本発明の一態様においては、前記流体温度検知部には前記管路内へと延びている第２の熱伝達用部材が付設されており、該第２の熱伝達用部材は前記管路の断面の少なくとも中央部の近傍に至るように延びている。
【００１７】
本発明の一態様においては、前記第２の熱伝達用部材と前記内側部分との間が第２のシール材によりシールされている。
【００１８】
本発明の一態様においては、前記第１の熱伝達用部材と前記内側部分との間が第１のシール材によりシールされている。
【００１９】
本発明の一態様においては、前記第１のシール材はガラスからなる。
【００２０】
本発明の一態様においては、前記第２のシール材はガラスからなる。
【００２１】
本発明の一態様においては、前記流量検知部は、第１の基板上に薄膜発熱体と該薄膜発熱体の発熱の影響を受けるように配置された流量検知用薄膜感温体とを形成してなる。
【００２２】
本発明の一態様においては、前記第１の熱伝達用部材は前記第１の基板に接合されている。
【００２３】
本発明の一態様においては、前記薄膜発熱体と前記流量検知用薄膜感温体とは前記第１の基板の第１面上にて第１の絶縁層を介して積層されている。
【００２４】
本発明の一態様においては、前記第１の熱伝達用部材は前記第１の基板の第２面に接合されている。
【００２５】
本発明の一態様においては、前記第１の熱伝達用部材の前記管路の方向の寸法は、前記管路の断面内における前記第１の熱伝達用部材の延在方向と直交する方向の寸法より大きい。
【００２６】
本発明の一態様においては、前記流体温度検知部は、第２の基板上に流体温度検知用薄膜感温体を形成してなる。
【００２７】
本発明の一態様においては、前記第２の熱伝達用部材は前記第２の基板に接合されている。
【００２８】
本発明の一態様においては、前記流体温度検知用薄膜感温体は前記第２の基板の第１面上にて第２の絶縁層を介して積層されている。
【００２９】
本発明の一態様においては、前記第２の熱伝達用部材は前記第２の基板の第２面に接合されている。
【００３０】
本発明の一態様においては、前記第２の熱伝達用部材の前記管路の方向の寸法は、前記管路の断面内における前記第２の熱伝達用部材の延在方向と直交する方向の寸法より大きい。
【００３１】
本発明の一態様においては、前記素子収容部内には配線基板が配置されており、該配線基板の配線と前記流量検知部とが電気的に接続されている。
【００３２】
本発明の一態様においては、前記配線基板の配線と前記流体温度検知部とが電気的に接続されている。
【００３３】
本発明の一態様においては、前記流量検知部は合成樹脂で封止されている。
【００３４】
本発明の一態様においては、前記流体温度検知部は合成樹脂で封止されている。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３６】
図１は本発明による流量センサーの一実施形態を示す一部切欠側面図であり、図２はその断面図である。
【００３７】
これらの図において、２はケーシング本体部であり、該ケーシング本体部を貫通して管路４が形成されている。該管路４はケーシング本体部２の両端まで延びている。該ケーシング本体部２の両端において、外部配管と接続するための接続部（例えばオネジ）６ａ，６ｂが形成されている。
【００３８】
本実施形態では、ケーシング本体部２は、管路４を画定（規定）する内側部分２−１と該内側部分２−１を覆っている外側部分２−２とからなる。内側部分２−１は金属製たとえば銅製、鉄製あるいはステンレススチール製である。また、外側部分２−２は合成樹脂製たとえば塩化ビニル樹脂製である。上記接続部６ａ，６ｂは、内側部分２−１に形成してもよい（即ち、この接続部６ａ，６ｂに外側部分を付与しなくてもよい）し、外側部分２−２に形成してもよい。ケーシング本体部２の合成樹脂製外側部分２−２には、管路４の上方にて素子収容部５が形成されており、該素子収容部５にはケーシング蓋体部８がネジ等により固定されている。該ケーシング蓋体部８と上記ケーシング本体部２とによりケーシングが構成されている。
【００３９】
このように、素子収容部５をケーシング本体部２の合成樹脂製の外側部分２−２に形成することで、素子収容部５とケーシング本体部２と一体的に容易に形成することができる。
【００４０】
上記ケーシングの素子収容部５内には、流量検知部１２が配置されている。該流量検知部１２は、図３に示されている様に、基板１２−１の上面（第１面）上に絶縁層１２−２を形成し、その上に薄膜発熱体１２−３を形成し、その上に該薄膜発熱体のための１対の電極層１２−４，１２−５を形成し、その上に絶縁層１２−６を形成し、その上に流量検知用薄膜感温体１２−７を形成し、その上に絶縁層１２−８を形成したチップ状のものからなる。基板１２−１としては例えば厚さ０．５ｍｍ程度で大きさ２〜３ｍｍ角程度のシリコンやアルミナなどからなるものを用いることができ（アルミナなどの絶縁基板を用いる場合には、絶縁層１２−２を省略することができる）、薄膜発熱体１２−３としては膜厚１μｍ程度で所望形状にパターニングしたサーメットからなるものを用いることができ、電極層１２−４，１２−５としては膜厚０．５μｍ程度のニッケルからなるもの又はこれに膜厚０．１μｍ程度の金を積層したものを用いることができ、絶縁層１２−２，１２−６，１２−８としては膜厚１μｍ程度のＳｉＯ₂ からなるものを用いることができ、薄膜感温体１２−７としては膜厚０．５〜１μｍ程度で所望形状例えば蛇行形状にパターニングした白金やニッケルなどの温度係数が大きく安定な金属抵抗膜を用いることができる（あるいは酸化マンガン系のＮＴＣサーミスターからなるものを用いることもできる）。このように、薄膜発熱体１２−３と薄膜感温体１２−７とが薄膜絶縁層１２−６を介して極く近接して配置されていることにより、薄膜感温体１２−７は薄膜発熱体１２−３の発熱の影響を直ちに受けることになる。
【００４１】
図１及び図２に示されているように、流量検知部１２の下面すなわち基板１２−１の下面（第２面）には、熱伝達用部材としてのフィンプレート１４が熱伝導性良好な接合材１６により接合されている。フィンプレート１４としては例えば銅、ジュラルミン、銅−タングステン合金からなるものを用いることができ、接合材１６としては例えば銀ペーストを用いることができる。尚、ケーシング本体部２には、上記流量検知部１２が配置されている位置において、フィンプレート１４が通過する開口が形成されており、該開口内にはフィンプレート１４を挿入した状態でシール用のガラスが充填され、ガラスシール１８が形成されている。このガラスシール１８は、フィンプレート１４とケーシング本体部内側部分２−１との間に介在している。このように、ガラスシール１８をフィンプレート１４と金属製内側部分２−１との間に介在させたことにより、フィンプレート１４と合成樹脂製外側部分２−２との間に介在させた場合よりも、温度変化に起因する熱膨張収縮に伴うガラスシール１８との熱膨張率差によるシール部のヒビ等の損傷の発生を抑制することができる。
【００４２】
フィンプレート１４は、中央でほぼ直角に曲っており、上部水平部分が流量検知部１２に接合されており、下部垂直部分が管路４内へと延びている。該フィンプレート１４は、ほぼ円形の断面を持つ管路４内において、その断面内の中央を通って上部から下部へと該管路４を横切って延在している。但し、管路４は必ずしも断面が円形である必要はなく、適宜の断面形状が可能である。管路４内において、上記フィンプレート１４の管路方向の寸法Ｌ₁ は該フィンプレート１４の厚さＬ₂ より十分大きい。このため、フィンプレート１４は、管路４内における流体の流通に大きな影響を与えることなしに、流量検知部１２と流体との間の熱伝達を良好に行うことが可能である。
【００４３】
上記ケーシングの素子収容部５内には、流量検知部１２から管路４に沿って隔てられた位置において、流体温度検知部２２が配置されている。該温度検知部２２は、上記流量検知部１２と同様な基板上に、同様な薄膜感温体（流体温度補償用薄膜感温体）を形成したチップ状のものからなる。即ち、温度検知部２２は、図３における薄膜発熱体１２−３、１対の電極層１２−４，１２−５及び絶縁層１２−６を除去したものと同様にして構成することができる。
【００４４】
また、温度検知部２２には、流量検知部１２と同様にして、接合材１６’によりフィンプレート１４’が接合されており、該フィンプレート１４’と金属製内側部分２−１との間にはガラスシール１８’が介在している。これらフィンプレート１４’、接合材１６’及びガラスシール１８’としては、それぞれ上記フィンプレート１４、接合材１６及びガラスシール１８と同様のものを用いることができる。
【００４５】
流体温度検知部２２は、管路４内の流体流通方向に関して流量検知部１２の上流側に配置するのが好ましい。
【００４６】
尚、以上のような流量検知部１２及び温度検知部２２は、それぞれ合成樹脂被覆２０，２４により封止されている。これら合成樹脂被覆２０，２４は、流量検知部１２及び温度検知部２２に接合されたフィンプレート１４，１４’の位置固定及び姿勢維持の機能をも有する。
【００４７】
上記ケーシングの素子収容部５内には、流量検知部１２及び温度検知部２２以外の部分において、配線基板２６が固定配置されている。該配線基板２６の電極のうちのいくつかは、上記流量検知部１２の電極とボンディングワイヤ２８により電気的に接続されており、同様に上記温度検知部２２の電極とボンディングワイヤ２９により電気的に接続されている。これらボンディングワイヤ２８は、上記合成樹脂被覆２０，２４により封止されている。配線基板２６の電極のうちの他のいくつかは外部リード線３０と接続されていて、該外部リード線３０はケーシング外へと延びている。
【００４８】
図４は本実施形態の流量センサーの回路構成図である。図示されているように、直流電源４０の電圧が、薄膜発熱体１２−３とブリッジ回路４２とに印加される。ブリッジ回路４２中の差動増幅器４４の出力として、流量を示す出力が得られる。即ち、流量検知部１２において、薄膜発熱体１２−３の発熱に基づき、フィンプレート１４を介して被検知流体による吸熱の影響を受けて、薄膜感温体１２−７による感温が実行され、該感温の結果に基づき、更に温度検知部２２でフィンプレート１４’を介して検知される被検知流体温度の補償を行って、管路４内の被検知流体の流量が検知される。
【００４９】
以上の本実施形態によれば、ケーシング本体部２の管路４を画定する金属製内側部分２−１を熱伝導性の低い合成樹脂製外側部分２−２で覆っているので、周囲環境温度条件が変化しても、その影響が直ちに管路４内の被検知流体に及んで流量測定に悪影響を与えるようなことはない。金属製内側部分２−１を用いているので、機械的強度は良好である。
【００５０】
また、フィンプレート１４，１４’を用いているので、被検知流体が比較的高い粘度の粘性流体であっても、更に管路４の断面内の径方向流量分布がどのようなものであろうとも、該流量分布を十分に反映した正確な流量検知が可能である。
【００５１】
従って、比較的少ない微小流量であっても、あるいは幅広い環境温度条件下において、配管内を流れる流体の流量を正確に測定することが可能である。
【００５２】
以上の実施形態においては、フィンプレート１４，１４’が管路断面の中央部を通って上部から下部へと横切っているが、該フィンプレート１４，１４’は管路断面の上部から中央部の近傍にまで延びているものとすることができる。これによって、管路４の断面内の径方向流量分布がどのようなものであろうとも、該流量分布を良好に反映した正確な流量検知が可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流量センサーによれば、外気温の変動による悪影響を受けにくい正確な流量測定が可能である。また、本発明の流量センサーによれば、比較的高い粘度の粘性流体であっても、配管内を流れる該流体の流量を正確に測定することができる。更に、本発明によれば、比較的少ない流量であっても、配管内を流れる該流体の流量を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による流量センサーの一実施形態を示す一部切欠側面図である。
【図２】本発明による流量センサーの一実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明による流量センサーの一実施形態の流量検知部の分解斜視図である。
【図４】本発明による流量センサーの一実施形態の流量センサーの回路構成図である。
【符号の説明】
２ケーシング本体部
２−１ケーシング本体部内側部分
２−２ケーシング本体部外側部分
４管路
５素子収容部
６ａ，６ｂ接続部
８ケーシング蓋体部
１２流量検知部
１２−１基板
１２−２絶縁層
１２−３薄膜発熱体
１２−４，１２−５電極層
１２−６絶縁層
１２−７流量検知用薄膜感温体
１２−８絶縁層
１４，１４’ フィンプレート
１６，１６’ 接合材
１８，１８’ ガラスシール
２０樹脂被覆
２２流体温度検知部
２４樹脂被覆
２６配線基板
２８，２９ボンディングワイヤ
３０外部リード線
４０直流電源
４２ブリッジ回路
４４差動増幅器

Claims

発熱機能と感温機能とを有する流量検知部と、該流量検知部からの熱が被検知流体に伝達され吸熱されるように形成された該被検知流体のための管路とを備えており、前記流量検知部において発熱に基づき前記被検知流体による吸熱の影響を受けた感温が実行され、該感温の結果に基づき前記管路内の被検知流体の流量を検知する流量センサーであって、
前記管路の形成されたケーシングは前記管路を画定する金属製の内側部分と該内側部分を覆っている合成樹脂製の外側部分とを含んでおり、
前記外側部分に素子収容部が形成されており、該素子収容部に前記流量検知部が収容されており、
前記流量検知部には前記管路内へと延びている第１の熱伝達用部材が付設されており、該第１の熱伝達用部材は前記管路の断面の少なくとも中央部の近傍に至るように延びていることを特徴とする流量センサー。
前記第１の熱伝達用部材の前記管路の方向の寸法は、前記管路の断面内における前記第１の熱伝達用部材の延在方向と直交する方向の寸法より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の流量センサー。
前記第１の熱伝達用部材と前記内側部分との間が第１のシール材によりシールされていることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の流量センサー。
前記第１のシール材はガラスからなることを特徴とする、請求項３に記載の流量センサー。
前記流量検知部は、第１の基板上に薄膜発熱体と該薄膜発熱体の発熱の影響を受けるように配置された流量検知用薄膜感温体とを形成してなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の流量センサー。
前記第１の熱伝達用部材は前記第１の基板に接合されていることを特徴とする、請求項５に記載の流量センサー。
前記薄膜発熱体と前記流量検知用薄膜感温体とは前記第１の基板の第１面上にて第１の絶縁層を介して積層されていることを特徴とする、請求項５に記載の流量センサー。
前記第１の熱伝達用部材は前記第１の基板の第２面に接合されていることを特徴とする、請求項７に記載の流量センサー。
前記流量検知部は合成樹脂で封止されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の流量センサー。
前記素子収容部内には配線基板が配置されており、該配線基板の配線と前記流量検知部とが電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の流量センサー。
前記素子収容部は蓋により覆われていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の流量センサー。
前記素子収容部には前記被検知流体の流量を検知する際の流体温度補償を行うための流体温度検知部が収容されており、前記流体温度検知部には前記管路内へと延びている第２の熱伝達用部材が付設されており、該第２の熱伝達用部材は前記管路の断面の少なくとも中央部の近傍に至るように延びていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の流量センサー。
前記第２の熱伝達用部材の前記管路の方向の寸法は、前記管路の断面内における前記第２の熱伝達用部材の延在方向と直交する方向の寸法より大きいことを特徴とする、請求項１２に記載の流量センサー。
前記第２の熱伝達用部材と前記内側部分との間が第２のシール材によりシールされていることを特徴とする、請求項１２〜１３のいずれかに記載の流量センサー。
前記第２のシール材はガラスからなることを特徴とする、請求項１４に記載の流量センサー。
前記流体温度検知部は、第２の基板上に流体温度検知用薄膜感温体を形成してなることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれかに記載の流量センサー。
前記第２の熱伝達用部材は前記第２の基板に接合されていることを特徴とする、請求項１６に記載の流量センサー。
前記流体温度検知用薄膜感温体は前記第２の基板の第１面上にて第２の絶縁層を介して積層されていることを特徴とする、請求項１６に記載の流量センサー。
前記第２の熱伝達用部材は前記第２の基板の第２面に接合されていることを特徴とする、請求項１８に記載の流量センサー。
前記流体温度検知部は合成樹脂で封止されていることを特徴とする、請求項１２〜１９のいずれかに記載の流量センサー。
前記素子収容部内には配線基板が配置されており、該配線基板の配線と前記流体温度検知部とが電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１２〜２０のいずれかに記載の流量センサー。