JP5357478B2 - 差圧式流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被計測流体の流体圧力を検知する第１圧力検知部と第２圧力検知部とが圧力損失部を介して配置された差圧式流量測定装置に関する。

流体の流量を測定する流量センサーとして、回転式流量センサー、浮子式流量センサー、超音波流量センサー、カルマン渦流量センサー等の種々の流量センサーがある。回転式流量センサーや浮子式流量センサーでは羽根車や浮子が流路内で可動することにより流路にパーティクル（微細なゴミ）が発生してしまう等の問題がある。超音波流量センサーやカルマン渦流量センサーは流体（液体）の流通時に発生する気泡に弱く流体の乱れによって精度にばらつきが生じる等の問題がある。特に、半導体製造や医療現場等のように高清浄度が求められる環境や発泡性流体が用いられる現場での使用には難しい面があった。

上記の問題点を解決した流量センサーとして、差圧式流量センサーが知られている。従来の差圧式流量センサーは、流体流路内に圧力損失部（オリフィス）を挟んで２つの圧力検知部（圧力センサー）を配置し、オリフィスの前後に差圧を発生させて２つの圧力センサーによってそれぞれ検知された流体圧力の圧力差に基づいて流量の測定が行われる（例えば、特許文献１，２，３等参照。）。

現状、上記差圧式流量センサーを用いて流量測定を行う場合、想定される流量測定範囲に対応した差圧式流量センサーが流通ラインに配置される。そして、現在使用中の流量センサーの流量測定範囲外に測定流量を変化させる際には、想定外の圧力変動が発生するため、流量センサーの流量測定範囲をその変動圧力に対応させて変更しなければならい。流量測定範囲を変更する場合には、単一のオリフィスによって測定可能な測定範囲が限定されることから、流路内に配置されたオリフィスを他の測定範囲に対応したオリフィスに交換したり、差圧式流量センサー自体を他の測定範囲が設定された流量センサーに交換する必要があった。

しかし、オリフィスや流量センサー自体の交換をする際には、流体の流通を一時的に停止させてオリフィスや流量センサーの取り外しや取り付け作業を行わなければならない。このような交換作業は手間であり、常時、複数の流量センサーを配置しなければならないことから、設備のコストもかさむ。また特に、オリフィスの交換を行う場合には、交換作業の際にゴミ等が流路内に混入する等の汚染の可能性があり、流通させる流体や使用環境の清浄度に悪影響を与えることが懸念される。このことから、各種の流量領域に対応して最適な測定精度を維持することができるようなレンジアビリティの大きい差圧式流量センサーが求められている。

そこで、一の装置において、被計測流体の清浄度に影響を与えることなく、簡便に複数の測定範囲（計測レンジ）の異なる流体流量の測定に対応した差圧式流量測定装置が求められるに至った。
特開２００７−７８３８３号公報 特開２００６−１５３６７７号公報 特開２００６−２５０９５５号公報

本発明は前記の点に鑑みなされたものであり、一の装置でありながら、計測対象である流体の清浄度に影響を与えることなく、簡便に複数の計測レンジの異なる流体流量を測定することができる差圧式流量測定装置を提供するものである。

すなわち、請求項１の発明は、被計測流体の流体圧力を検知する第１圧力検知部と第２圧力検知部とが圧力損失部を介して配置された差圧式流量測定装置において、前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部とが被計測流体に対してダイヤフラムからなる保護膜を介して配置されており、前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部との間を単一の流路で接続する接続流路部と、前記接続流路部に配置され、ダイヤフラム部と一体に形成されるとともに貫通孔が形成されたポペット弁体を有し、該ポペット弁体が弁室内で前記圧力損失部を有する流出口に対して進退して開閉制御されるとともに、前記流出口の閉鎖時に前記貫通孔を介して前記弁室への流入側流路と前記弁室からの流出側流路とを連通させて、被計測流体が前記貫通孔を流通する際に前記流入側流路と前記流出側流路との間に差圧を生じさせる開閉弁部と、前記開閉弁部の開閉動作を制御する演算部とを備えたことを特徴とする差圧式流量測定装置に係る。

請求項２の発明は、被計測流体の流体圧力を検知する第１圧力検知部と第２圧力検知部とが圧力損失部を介して配置された差圧式流量測定装置において、前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部とが被計測流体に対してダイヤフラムからなる保護膜を介して配置されており、前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部との間を単一の流路で接続する接続流路部と、前記接続流路部に配置され、ダイヤフラム部と一体に形成されるとともに多段形状に形成されたニードル弁体を有し、該ニードル弁体が弁室内で前記圧力損失部を有する流出口に対して進退して開閉制御されるとともに、前記ニードル弁体の前記流出口に対する挿入状態に応じて前記流出口の開口量を可変させて、被計測流体が前記流出口を流通する際に前記弁室への流入側流路と前記弁室からの流出側流路との間に差圧を生じさせる開閉弁部と、前記開閉弁部の開閉動作を制御する演算部とを備えたことを特徴とする差圧式流量測定装置に係る。

請求項３の発明は、前記第１圧力検知部と、前記第２圧力検知部と、前記接続流路部と、前記開閉弁部のいずれもが単一の本体ブロック内に配置されている請求項１又は２のいずれか１項に記載の差圧式流量測定装置に係る。

請求項１の発明に係る差圧式流量測定装置は、被計測流体の流体圧力を検知する第１圧力検知部と第２圧力検知部とが圧力損失部を介して配置された差圧式流量測定装置において、前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部とが被計測流体に対してダイヤフラムからなる保護膜を介して配置されており、前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部との間を単一の流路で接続する接続流路部と、前記接続流路部に配置され、ダイヤフラム部と一体に形成されるとともに貫通孔が形成されたポペット弁体を有し、該ポペット弁体が弁室内で前記圧力損失部を有する流出口に対して進退して開閉制御されるとともに、前記流出口の閉鎖時に前記貫通孔を介して前記弁室への流入側流路と前記弁室からの流出側流路とを連通させて、被計測流体が前記貫通孔を流通する際に前記流入側流路と前記流出側流路との間に差圧を生じさせる開閉弁部と、前記開閉弁部の開閉動作を制御する演算部とを備えたため、一の装置でありながら被計測流体の清浄度に影響を与えることなく、簡便に複数の測定範囲の異なる流体流量を測定することができる。

請求項２の発明に係る差圧式流量測定装置は、被計測流体の流体圧力を検知する第１圧力検知部と第２圧力検知部とが圧力損失部を介して配置された差圧式流量測定装置において、前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部とが被計測流体に対してダイヤフラムからなる保護膜を介して配置されており、前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部との間を単一の流路で接続する接続流路部と、前記接続流路部に配置され、ダイヤフラム部と一体に形成されるとともに多段形状に形成されたニードル弁体を有し、該ニードル弁体が弁室内で前記圧力損失部を有する流出口に対して進退して開閉制御されるとともに、前記ニードル弁体の前記流出口に対する挿入状態に応じて前記流出口の開口量を可変させて、被計測流体が前記流出口を流通する際に前記弁室への流入側流路と前記弁室からの流出側流路との間に差圧を生じさせる開閉弁部と、前記開閉弁部の開閉動作を制御する演算部とを備えたため、弁体部分が熱変形の影響を受けにくくなるとともに、一の装置でありながら被計測流体の清浄度に影響を与えることなく、簡便に複数の測定範囲の異なる流体流量を測定することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記第１圧力検知部と、前記第２圧力検知部と、前記接続流路部と、前記開閉弁部のいずれもが単一の本体ブロック内に配置されているため、部品点数等を減らして装置の簡略化及び小型化を実現できるとともに、メンテナンス等の管理も容易となる。

以下添付の図面に従ってこの発明を詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例に係る差圧式流量測定装置の縦断面図、図２はポペット弁体を有する開閉弁部の縦断面図、図３は第２実施例に係る差圧式流量測定装置の縦断面図、図４はニードル弁体を有する開閉弁部の縦断面図、図５は多段形状に形成されたニードル弁体の要部断面図である。

図１に示す本発明の第１実施例に係る差圧式流量測定装置１０Ａは、被計測流体の流体圧力を検知する第１圧力検知部２０と第２圧力検知部２５とが圧力損失部３０を介して配置され、第１圧力検知部２０と第２圧力検知部２５との間を単一の流路で接続する接続流路部４０と、接続流路部４０に配置された開閉弁部５０と、開閉弁部５０の開閉動作を制御する演算部８０とを備える。図１において、符号１２は被計測流体の流入流路、１３は被計測流体の流出流路、１５は電空レギュレータ、４１は接続流路部４０の流入側流路、４２は接続流路部４０の流出側流路を表す。

この差圧式流量測定装置１０Ａでは、図示のように、第１圧力検知部２０と、第２圧力検知部２５と、接続流路部４０と、開閉弁部５０のいずれもが単一の本体ブロック１１内に配置されるように構成されている。単一の本体ブロック１１は、第１ブロック１１ａと第２ブロック１１ｂとからなり、図示しないボルト等によって一体に形成される。

また、本体ブロック１１、各圧力検知部２０，２５、圧力損失部３０、接続流路部４０，開閉弁部５０等における被計測流体が接触する部材は、耐食性、耐薬品性に優れたフッ素樹脂から形成されている。部材の材料となるフッ素樹脂は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）、ＦＥＰ（パーフルオロエチレンプロペンコポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）等である。これらのフッ素樹脂は、流通する流体の性質、加工のしやすさ等を考慮して選択される。これにより、被計測流体の計測時にその清浄度に影響を与えることが抑制される。

第１及び第２圧力検知部２０，２５は、被計測流体に対してダイヤフラム等の保護膜（図示せず）を介して配置され、被計測流体の圧力によって押圧された前記保護膜からの荷重を検知する公知の圧力センサーが用いられる。図１に示すように、第１圧力検知部２０は本体ブロック１１の流入流路１２側（上流となる一次側）に配置され、第２圧力検知部２５は本体ブロック１１の流出流路１３側（下流となる二次側）に配置される。この図において、符号２１は第１圧力検知部２０が検知した圧力信号を後述する演算部８０に送信するための信号線、２６は第２圧力検知部２５が検知した圧力信号を演算部８０に送信するための信号線である。

圧力損失部３０は、流路面積を絞ることによって、第１圧力検知部２０が検知する流体圧力と第２圧力検知部２５が検知する流体圧力とに所定の差圧を発生させるように構成される。実施例の圧力損失部３０は、着脱可能な公知のオリフィス部３１として構成されている。

開閉弁部５０は、図１，２に示すように、貫通孔６６が形成されたポペット弁体６５Ａを有するポペット弁装置６０Ａとして構成される。図１，２において、符号６２は接続流路部４０に形成された弁室、６３は被計測流体が流入側流路４１から弁室６２内に流入する流入口、６４は被計測流体が弁室６２内から流出側流路４２に流出する流出口、６７はポペット弁体６５Ａと一体に形成されたダイヤフラム部、７０はポペット弁体６５Ａの作動機構（シリンダ装置）、７１はそのシリンダ室、７２はシリンダ室７１と弁室６２とを区画する区画ブロック、７３はポペット弁体６５Ａと連結されたピストン部材、７４，７５はピストン部材７３を進退させる作動流体の流出入部、７６はエア抜き部、７７はポペット弁体６５Ａの取付部材、７８はポペット弁体６５Ａを前進方向に付勢するバネからなる弾性部材である。

このポペット弁装置６０Ａでは、流出口６４にオリフィス部３１が配置され、ポペット弁体６５Ａが弁室６２内で流出口６４に対して進退して開閉制御される。実施例では、電空レギュレータ１５が後述の演算部８０からの信号に基づいてポペット弁体６５Ａのを進退させるエアー（作動流体）の供給，停止を行う。これにより、流出口６４から流出する流体の流通が制御される。

また、ポペット弁体６５Ａに貫通孔６６を形成したことにより、流出口６４の閉鎖時には、貫通孔６６を介して流入側流路４１と流出側流路４２とが連通される。そして、被計測流体が流通する際には、貫通孔６６により流路面積が絞られていることにより、流入側流路４１と流出側流路４２との間に差圧を生じる。従って、貫通孔６６は、流出口６４に配置したオリフィス部３１とは異なる圧力損失部３０として作用する。

演算部８０は、ＰＬＣ等の公知の演算手段からなる。この演算部８０には、オリフィス部３１の流路面積に対応する差圧の値と、該差圧に基づいて決定される流量値又はそれらの折れ線近似と、貫通孔６６の流路面積に対応する差圧の値と、該差圧に基づいて決定される流量値又はそれらの折れ線近似があらかじめ記憶され、測定誤差等を考慮して記憶されたそれぞれの流量値に最適な流量測定範囲が設定される。実施例の演算部８０では、第１圧力検知部２０が検知した圧力値と第２圧力検知部２５が検知した圧力値に基づいて差圧を演算し、あらかじめ記憶されている差圧と流量値の関係の折れ線近似から流量測定が行われる。

この差圧式流量測定装置１０Ａでは、ポペット弁装置６０Ａが開放状態である場合、被計測流体は、単一の接続流路部４０内を流入側流路４１からオリフィス部３１を経て流出側流路４２に流通する。従って、ポペット弁装置６０Ａの開放時には、オリフィス部３１によって発生される差圧に基づいて流量の測定が行われる。

また、ポペット弁装置６０Ａが閉鎖状態である場合、被計測流体は、単一の接続流路部４０内を流入側流路４１からポペット弁体６５Ａの貫通孔６６を経て流出側流路４２に流通する。従って、ポペット弁装置６０Ａの閉鎖時には、貫通孔６６によって発生される差圧に基づいて流量の測定が行われる。

そこで、差圧式流量測定装置１０Ａの作用について、仮に、オリフィス部３１により測定可能な流量を２０〜１００ｍＬ／ｍｉｎ、貫通孔６６により測定可能な流量を５〜２０ｍＬ／ｍｉｎとして説明する。

まず、１００ｍＬ／ｍｉｎの被計測流体を流通させる場合、演算部８０の操作に基づいてポペット弁装置６０Ａのポペット弁体６５Ａが開放状態に作動される。その際、オリフィス部３１に基づく差圧の値と流量値の折れ線近似が選択され、対応する流量測定範囲が設定される。

また、２０ｍＬ／ｍｉｎの被計測流体を流通させる場合、演算部８０の操作に基づいてポペット弁装置６０Ａのポペット弁体６５Ａが閉鎖状態に作動される。その際、貫通孔６６に基づく差圧の値と流量値の折れ線近似が選択され、対応する流量測定範囲が設定される。

よって、本発明の差圧式流量測定装置１０Ａでは、異なる流量の被計測流体を切替選択して流通させる場合であっても、単一の装置でありながら目的とする各流量に対応した測定範囲を容易に設定することができる。

図３に示す本発明の第２実施例に係る差圧式流量測定装置１０Ｂは、開閉弁部５０としてニードル弁体６５Ｂを有するニードル弁装置６０Ｂを用いた例である。なお、以下の実施例において、第１実施例と同一符号は同一の構成を表すものとして、その説明を省略する。

ニードル弁装置６０Ｂは、図３，４に示すように、ニードル弁体６５Ｂが弁室６２内で流出口６４に対して進退して開閉制御される。実施例では、電空レギュレータ１５が後述の演算部８０からの信号に基づいてニードル弁体６５Ｂのを進退させるエアー（作動流体）の供給，停止を行う。これにより、流出口６４から流出する流体の流通が制御される。その際、流出口６４の開口量が、ニードル弁体６５Ｂの進退位置に応じて微調整されるため、流出口６４は、流入側流路４１と流出側流路４２との間に差圧を生じさせる可変オリフィス部３２からなる圧力損失部３０として作用する。

差圧式流量測定装置１０Ｂの演算部８０には、可変オリフィス部３２の流路面積に対応する差圧の値と、該差圧に基づいて決定される流量値又はそれらの折れ線近似があらかじめ記憶され、測定誤差等を考慮して記憶されたそれぞれの流量値に最適な流量測定範囲が設定されている。実施例の演算部８０では、第１圧力検知部２０が検知した圧力値と第２圧力検知部２５が検知した圧力値に基づいて差圧を演算し、あらかじめ記憶されている差圧と流量値の関係の折れ線近似から流量測定が行われる。なお、可変オリフィス部３２の流路面積は、閉鎖時から開放（全開）時の範囲内で任意の値が段階的に設定される。

そこで、差圧式流量測定装置１０Ｂの作用について、仮に、可変オリフィス部３２により測定可能な流量を、開放（全開）状態から閉鎖状態までの範囲で、開放状態（ニードル弁体６５Ｂは後退位置）の５０〜１００ｍＬ／ｍｉｎ、中間状態（ニードル弁体６５Ｂは中間位置）の２０〜５０ｍＬ／ｍｉｎ、最小状態（ニードル弁体６５Ｂは前進位置）の５〜２０ｍＬ／ｍｉｎの３段階に設定したとして説明する。

まず、１００ｍＬ／ｍｉｎの被計測流体を流通させる場合、演算部８０の操作に基づいてニードル弁装置６０Ｂのニードル弁体６５Ｂが開放（全開）位置に作動される。その際、可変オリフィス部３２の開放状態に基づく差圧の値と流量値の折れ線近似が選択され、対応する流量測定範囲が設定される。

また、５０ｍＬ／ｍｉｎの被計測流体を流通させる場合、演算部８０の操作に基づいてニードル弁装置６０Ｂのニードル弁体６５Ｂが中間位置に作動される。その際、可変オリフィス部３２の中間状態に基づく差圧の値と流量値の折れ線近似が選択され、対応する流量測定範囲が設定される。

また、２０ｍＬ／ｍｉｎの被計測流体を流通させる場合、演算部８０の操作に基づいてニードル弁装置６０Ｂのニードル弁体６５Ｂが前進位置に作動される。その際、可変オリフィス部３２の最小状態に基づく差圧の値と流量値の折れ線近似が選択され、対応する流量測定範囲が設定される。

よって、本発明の差圧式流量測定装置１０Ｂでは、異なる流量の被計測流体を切替選択して流通させる場合であっても、単一の装置でありながら目的とする各流量に対応した測定範囲を容易に設定することができる。

なお、差圧式流量測定装置１０Ｂでは、ニードル弁装置６０Ｂにおいて、図５に示す多段形状に形成されたニードル弁体６５Ｃを用いることができる。このニードル弁体６５Ｃは、多段形状としたことにより、弁体６５Ｃ部分が熱変形の影響を受けにくくなるという利点がある。

実施例のニードル弁体６５Ｃは、流出口６４のより小径の円筒状に形成された第１弁本体６８ａと、第１弁本体６８ａの前進側に設けられたさらに小径の円筒状に形成された第２弁本体６８ｂとによって多段形状に構成されている。このニードル弁体６５Ｃでは、流出口６４に対する弁本体６８ａ，６８ｂの挿入状態に応じて、流出口６４の開口量を容易に可変させることができる。すなわち、流出口６４にニードル弁体６５Ｃが挿入されていない状態（図示せず）では、流出口６４の開口量が全開（開放）状態となる。図５（ａ）に示すように、第２弁本体６８ｂが挿入された状態では、流出口６４の開口量が全開状態よりも小さい状態（中間状態）となる。図５（ｂ）に示すように、第１弁体６８ａが挿入された状態では、流出口６４の開口量が第２弁本体６８ｂを挿入した状態よりも小さい状態（最小状態）となる。

以上図示し説明したように、本発明の差圧式流量測定装置１０Ａ，１０Ｂでは、いずれも一つの装置でありながら被計測流体の清浄度に影響を与えることなく、簡便に複数の測定範囲の異なる流体流量を測定することができる。そのため、例えば、半導体製造分野において、必要とされる個々の処理毎に異なる測定範囲の流量測定装置を使い分ける必要がなくなり、設備負担を軽減できる。

また、医療機器において、人工透析機等に当該差圧式流量測定装置を内蔵すれば、透析を受ける患者が乳幼児、子供、大人等の体格差によって透析機内を透過させる血液量が異なる場合であっても、各患者毎に透析機を使い分ける必要がなくなり、作業効率や設備負担等を大幅に改善することができる。

さらに、演算部により開閉弁部の開閉動作を制御することにより、圧力損失部の切り替え操作を自動的に行うことができ、測定する流量に対応した流量測定範囲の設定を簡便かつ効率的に行うことができる。

なお、本発明の差圧式流量測定装置は、前述の実施例のみに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成の一部を適宜に変更して実施することができる。例えば、圧力損失部として着脱可能なオリフィス部を用いたが、圧力損失部としては、流路面積を絞って差圧を生じさせることが可能なものであればどのような構成であってもよく、例えば、流路を公知のベンチュリ管構造とする等、適宜の構成を採用することができる。

本発明の第１実施例に係る差圧式流量測定装置の縦断面図である。 ポペット弁体を有する開閉弁部の縦断面図である。 第２実施例に係る差圧式流量測定装置の縦断面図である。 ニードル弁体を有する開閉弁部の縦断面図である。 多段形状に形成されたニードル弁体の要部断面図である。

１０Ａ，１０Ｂ 差圧式流量測定装置
２０ 第１圧力検知部
２５ 第２圧力検知部
３０ 圧力損失部
４０ 接続流路部
５０ 開閉弁部

Claims (3)

1. 被計測流体の流体圧力を検知する第１圧力検知部と第２圧力検知部とが圧力損失部を介して配置された差圧式流量測定装置において、
   前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部とが被計測流体に対してダイヤフラムからなる保護膜を介して配置されており、
   前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部との間を単一の流路で接続する接続流路部と、
   前記接続流路部に配置され、ダイヤフラム部と一体に形成されるとともに貫通孔が形成されたポペット弁体を有し、該ポペット弁体が弁室内で前記圧力損失部を有する流出口に対して進退して開閉制御されるとともに、前記流出口の閉鎖時に前記貫通孔を介して前記弁室への流入側流路と前記弁室からの流出側流路とを連通させて、被計測流体が前記貫通孔を流通する際に前記流入側流路と前記流出側流路との間に差圧を生じさせる開閉弁部と、
   前記開閉弁部の開閉動作を制御する演算部と
   を備えたことを特徴とする差圧式流量測定装置。
2. 被計測流体の流体圧力を検知する第１圧力検知部と第２圧力検知部とが圧力損失部を介して配置された差圧式流量測定装置において、
   前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部とが被計測流体に対してダイヤフラムからなる保護膜を介して配置されており、
   前記第１圧力検知部と前記第２圧力検知部との間を単一の流路で接続する接続流路部と、
   前記接続流路部に配置され、ダイヤフラム部と一体に形成されるとともに多段形状に形成されたニードル弁体を有し、該ニードル弁体が弁室内で前記圧力損失部を有する流出口に対して進退して開閉制御されるとともに、前記ニードル弁体の前記流出口に対する挿入状態に応じて前記流出口の開口量を可変させて、被計測流体が前記流出口を流通する際に前記弁室への流入側流路と前記弁室からの流出側流路との間に差圧を生じさせる開閉弁部と、
   前記開閉弁部の開閉動作を制御する演算部と
   を備えたことを特徴とする差圧式流量測定装置。
3. 前記第１圧力検知部と、前記第２圧力検知部と、前記接続流路部と、前記開閉弁部のいずれもが単一の本体ブロック内に配置されている請求項１又は２のいずれか１項に記載の差圧式流量測定装置。

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