JP6010440B2 - フローセンサ - Google Patents

Description

本発明は、フローセンサに関する。

工業炉、ボイラ、空調熱源機器等の各種産業機器においては、気体や液体等の流体が適切な流量で供給されることが求められていることから、流体の流量を正確に計測するためのフローセンサが種々開発され、実用に供されている。かかるフローセンサは、硫黄酸化物（ＳＯ_X）、窒素酸化物（ＮＯ_X）、塩素分子（Ｃｌ₂）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ₃）等の腐食性ガスの流量を計測するために用いられる場合もある。そこで、現在においては、フローセンサを構成するセンサチップの基体を耐食性のあるガラスで作製し、センサチップからの電気信号を取り出すための電極を基体の裏面に設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

近年においては、さらに耐食性を向上させる目的で、フローセンサを構成する台座及びセンサチップの双方をガラスで作製して両者を接合する技術の開発が進められている。このようなガラス製フローセンサと流路ボディの間のシーリングを行う際には、台座の脆弱性を勘案して、流路ボディに形成した貫通孔と、フローセンサの台座と、の間にＯリング等の弾性シール部材を挟み込む方法（以下、「軸シール法」という）が採用されている。

特開２０１１−１８５８６９号公報

ところで、ガラス製フローセンサと流路ボディとの間のシーリングを行うために軸シール法を採用する際には、シール性を確保するためにＯリングの内径を台座の外径よりも小さく設定する必要がある。そして、ガラス製フローセンサを流路ボディに取り付ける際には、流路ボディの貫通孔に形成した段部にＯリングを配置した状態で、貫通孔に台座を挿入していた。

しかし、上記のような方法でガラス製フローセンサを流路ボディに取り付けると、Ｏリングの内径が台座の外径よりも小さく設定されていることから、台座を流路ボディの貫通孔に挿入することが困難であり、場合によっては、Ｏリングから加えられる締付力によって台座が破損する虞があった。

本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、フローセンサにおいて、流路ボディの貫通孔への台座の挿入を容易にするとともに、流路ボディへの取付けの際に台座に作用する締付力を緩和して台座の破損を防ぐことを目的とする。

本発明に係る第一のフローセンサは、被測定流体を流通させる流路を有する流路ボディと、円筒状の台座と、台座に接合された状態で流路内に配置され被測定流体の流量を検出するセンサチップと、を備えるものであって、流路ボディは、流路と外部とを連通する台座挿入用の貫通孔を有し、貫通孔は、流路と連続する第一部分と、第一部分より大きい内径を有し外部と連続する第二部分と、第一部分及び第二部分からなり弾性シール部材を配置するための段部と、から構成され、第二部分は、段部側から外部側になるに従って内径が漸次大きくなるように形成されている。

かかる構成を採用すると、流路ボディの貫通孔の第二部分の内径が、段部側から外部側になるに従って漸次大きくされているので、流路ボディの貫通孔の段部に弾性シール部材を配置した状態（又は台座に弾性シール部材を巻き付けた状態）で外部から台座を貫通孔に容易に挿入することができる。また、外部から台座を流路ボディの貫通孔に挿入する際に、弾性シール部材から台座に対して加えられる締付力を緩和することができるので、台座の破損を防ぐことができる。

本発明に係る第一のフローセンサにおいて、流路ボディの貫通孔の第二部分のうち段部から所定長の部分の内径を一定にすることが好ましい。

かかる構成を採用すると、流路ボディの貫通孔の第二部分のうち段部から所定長の部分の内径が一定にされているため、貫通孔の第二部分の段部付近の内壁面と台座の外壁面との間に、弾性シール部材を確実に挟み込むための一定のスペースを形成することができる。

本発明に係る第二のフローセンサは、被測定流体を流通させる流路を有する流路ボディと、円筒状の台座と、台座に接合された状態で流路内に配置されて被測定流体の流量を検出するセンサチップと、を備えるものであって、流路ボディは、流路と外部とを連通する台座挿入用の貫通孔を有し、貫通孔は、流路と連続する第一部分と、第一部分より大きい内径を有し外部と連続する第二部分と、第一部分及び第二部分からなり弾性シール部材を配置するための段部と、から構成され、台座は、貫通孔に挿入される際に流路側に配置される部分から外部側に配置される部分になるに従って外径が漸次大きくなるように形成されている。

かかる構成を採用すると、台座の外径が、流路ボディの貫通孔に挿入される際に流路側に配置される部分から外部側に配置される部分になるに従って漸次大きくされているので、流路ボディの貫通孔の段部に弾性シール部材を配置した状態（又は台座に弾性シール部材を巻き付けた状態）で外部から台座を貫通孔に容易に挿入することができる。また、外部から台座を流路ボディの貫通孔に挿入する際に、弾性シール部材から台座に対して加えられる締付力を緩和することができるので、台座の破損を防ぐことができる。

本発明に係るフローセンサにおいて、貫通孔の第二部分の内壁面と、台座の外壁面と、の間に外部から段部付近まで挿入されて弾性シール部材を押さえる押さえ部材をさらに備えることができる。

本発明に係るフローセンサにおいて、台座に接合される基体と、基体の流路側の面に形成され電気抵抗素子を含む流速検出部と、電気抵抗素子に電気的に接続され基体の内部を通って台座側の面まで配される電極と、を有するセンサチップを採用するとともに、センサチップの電極から外部に電気信号を取り出すための電導部材を台座の内部に配することができる。

本発明に係るフローセンサにおいて、台座と基体とを、接着剤（例えばフッ素樹脂系接着剤）により接合することができる。また、台座と基体とを、希フッ化水素酸接合、常温活性化接合又は拡散接合により接合してもよい。

本発明に係るフローセンサにおいて、台座及びセンサチップの双方を、ガラス（石英ガラスや硼珪酸ガラス）、シリコン又はセラミックから構成することができる。また、台座の熱膨張率と、センサチップの熱膨張率と、を同一に設定することが好ましい。

かかる構成を採用すると、台座とセンサチップの熱膨張率が等しいため、両者の界面における歪みが生じ難くなる。

本発明によれば、フローセンサにおいて、流路ボディの貫通孔への台座の挿入を容易にするとともに、流路ボディへの取り付けの際に台座に作用する締付力を緩和して台座の破損を防ぐことが可能となる。

本発明の第一実施形態に係るフローセンサの断面図である。 本発明の第一実施形態に係るフローセンサの台座が挿入されていない流路ボディの断面図である。 本発明の第一実施形態に係るフローセンサの台座が挿入されていない流路ボディと弾性ガスケットの断面図である。 本発明の第一実施形態に係るフローセンサの台座が挿入されていない流路ボディ、弾性ガスケット及びガスケット押さえ部材の断面図である。 本発明の第一実施形態に係るフローセンサのチップ及び台座の斜視図である。 図５のVI−VI部分の断面図である。 本発明の第二実施形態に係るフローセンサの断面図である。 本発明の第二実施形態に係るフローセンサの台座を流路ボディに挿入する前の状態を示す断面図である。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜第一実施形態＞
まず、図１〜図６を用いて、本発明の第一実施形態に係るフローセンサ１について説明する。

本実施形態に係るフローセンサ１は、図１及び図２に示すように、気体又は液体等の被測定流体を流通させる流路２及び流路２と外部とを連通する台座挿入用の貫通孔３が設けられた流路ボディ４と、流路ボディ４の貫通孔３に挿入された円筒状の台座１０と、貫通孔３と台座１０の間に配置され、台座１０を締め付ける弾性シール部材５と、台座１０に接合された状態で流路２内に配置されて被測定流体の流量を検出するセンサチップ２０と、を備える。

図２に示すように、流路ボディ４の貫通孔３は、図１に示した台座１０の外周と略同一の内周を有し流路２と連続する第一部分５１と、第一部分５１と連続し第一部分５１の内周より大きい内周を有する第二部分５２と、を有している。貫通孔３の第二部分５２は、流路ボディ４の外面（外部）と連続している。貫通孔３の第一部分５１及び第二部分５２の断面形状は、円である。貫通孔３の内部には、第一部分５１と第二部分５２とからなり弾性シール部材５を配置するための段部５３が形成されている。

貫通孔３の第二部分５２は、図２に示すように、段部５３側から外部側になるに従って内径が漸次大きくなるように形成されている。さらに具体的に説明すると、第二部分５２のうち段部５３から所定長の部分５２ａの内径は一定にされており、この所定長の部分５２ａを除く部分５２ｂは、外部側になるに従って内径が漸次大きくなるように形成されている。

図１に示す弾性シール部材５は、例えば耐食性を有する弾性体から構成されている。弾性シール部材５としては、例えばＯリングを使用することができる。図３に示すように、弾性シール部材５は、貫通孔３の内部の段部３３に配置されている。貫通孔３に配置されていない状態における弾性シール部材５の外周は、弾性シール部材５が貫通孔３に配置された状態で充分な気密性を有するよう、貫通孔３の第二部分５２の内周より大きく設定されている。また、弾性シール部材５の内周は、図１に示す台座１０の外周より小さく設定されている。

弾性シール部材５は、図１及び図４に示すように、押さえ部材６によって、貫通孔３の段部５３に押しつけられている。押さえ部材６は、例えば金属等からなる筒状部材を採用することができる。押さえ部材６の外周は、貫通孔３の第二部分５２の所定長部分５２ａの内周と同一に設定され、押さえ部材６の内周は、図１に示す台座１０の外周と同一に設定される。押さえ部材６は、台座１０の側壁と、貫通孔３の第二部分５２の内壁と、の間に配置されることとなる。

台座１０及び押さえ部材６は、板状部材７によって、流路ボディ４に固定される。板状部材７は、ボルト８によって、流路ボディ４に固定される。なお、押さえ部材６と板状部材７とは、一体化していてもよい。流路２を流れる被測定流体の圧力が上昇しても、弾性シール部材５は押さえ部材６で固定されているため、弾性シール部材５の動きは拘束され、弾性シール部材５のシール性が保たれる。板状部材７は、例えば金属からなる。弾性シール部材５によって、流路２を流れる被測定流体が板状部材７に到達しないため、板状部材７の材料は、必ずしも耐食性を有していなくてもよい。

斜視図である図５及びVI-VI部分における断面図である図６に示すように、台座１０の上面に配置されたセンサチップ２０は、基体２１と、基体２１の上面に配置され流路２の内部に位置する電気抵抗素子２３を含む流速検出部２２と、基体２１を貫通し電気抵抗素子２３と電気的に接続された電極２４Ａ、２４Ｂと、を有する。

台座１０の上面に配置された基体２１にはキャビティ２５が設けられている。キャビティ２５は、エッチング法やサンドブラスト法等により形成される。基体２１の材料としては、例えば、ガラス（石英ガラスや硼珪酸ガラス）、シリコン、セラミック等を使用することができる。流速検出部２２において、電気抵抗素子２３は、例えばガラス部材に含まれている。流速検出部２２は、基体２１のキャビティ２５を覆うように配置されている。また、流速検出部２２の両端には、キャビティ２５の開口２６が設けられている。

流速検出部２２において、耐食性のあるガラス部材の内部に設けられた電気抵抗素子２３は、平行に配置された第一測温素子３２、発熱素子３１及び第二測温素子３３を含む。発熱素子３１は、電力を与えられて発熱し、流速検出部２２表面を流れる流体を加熱する。第一測温素子３２及び第二測温素子３３は、流速検出部２２表面を流れる流体の温度に依存した電気信号を出力する。第一測温素子３２は発熱素子３１より例えば上流側の流体の温度を検出するために用いられ、第二測温素子３３は発熱素子３１より例えば下流側の流体の温度を検出するために用いられる。発熱素子３１、第一測温素子３２及び第二測温素子３３のそれぞれの材料としては、白金（Ｐｔ）等の導電性材料を使用することができる。

図６に示す電極２４Ａ、２４Ｂは、流速検出部２２内に設けられた回路を介して第一測温素子３２、発熱素子３１及び第二測温素子３３の少なくとも一つと電気的に接続されている。なお、図６においては、基体２１を貫通する２つの電極２４Ａ、２４Ｂを示したが、基体２１を貫通する電極の数はこれに限定されない。基体２１の裏面には、電極２４Ａに電気的に接続された電導パッド３５Ａと、電極２４Ｂに電気的に接続された電導パッド３５Ｂと、が配置されている。電極２４Ａ、２４Ｂは、基体２１にエッチング法やドリルを用いる微細加工法を用いて孔を形成し、孔を電導物質で埋めることにより形成することができる。電導パッド３５Ａ、３５Ｂの材料としては、金（Ａｕ）等を使用することができる。

台座１０の材料としては、例えば、ガラス（石英ガラスや硼珪酸ガラス）、シリコン、セラミック等を使用することができる。センサチップ２０は、台座１０の上面に配置されている。台座１０の上面と基体２１の裏面とを、耐食性のある接着剤により接着することができる。接着剤としては、フッ素樹脂系接着剤を使用することができる。あるいは、台座１０の上面と基体２１の裏面とを、希フッ化水素酸（ＨＦ）接合法、常温活性化接合法又は拡散接合法により接合してもよい。

台座１０の材料及び基体２１の材料に同じ材料（例えば石英ガラス）を用いると、台座１０の熱膨張率と基体２１の熱膨張率とは同じになる。そのため、熱膨張率の異なる物同士の界面で生じ得る歪みが、本実施の形態に係るフローセンサ１では生じにくくなる。

台座１０の内部には、センサチップ２０の裏面の電極２４Ａ、２４Ｂから電気信号を外部に取り出すための電導部材４５Ａ、４５Ｂが配置される。電極２４Ａ、２４Ｂと電導部材４５Ａ、４５Ｂとは、それぞれ電気的に接続されている。電導部材４５Ａ、４５Ｂとしては、リードピン等を使用することができる。台座１０は、図１に示す板状部材７によって、流路ボディ４に固定される。

ここで、流速検出部２２表面に接する流体が静止している場合、発熱素子３１から流体に加えられた熱は、流路２の上流方向と下流方向へ対称的に伝播する。したがって、第一測温素子３２及び第二測温素子３３の温度は等しくなり、第一測温素子３２及び第二測温素子３３の電気抵抗は等しくなる。これに対し、第一測温素子３２が配置された側から第二測温素子３３が配置された側に向かって流体に流れている場合、発熱素子３１から流体に加えられた熱は、第二測温素子３３が配置された側に運ばれる。したがって、第一測温素子３２の温度よりも、第二測温素子３３の温度が高くなる。そのため、第一測温素子３２の電気抵抗と、第二測温素子３３の電気抵抗と、に差が生じる。第二測温素子３３の電気抵抗と、第一測温素子３２の電気抵抗と、の差は、流速検出部２２表面に接する流体の速度と相関する。そのため、第二測温素子３３の電気抵抗と、第一測温素子３２の電気抵抗と、の差から、流路２を流れる流体の流量が求められる。

以上説明した実施形態に係るフローセンサ１においては、流路ボディ４の貫通孔３の第二部分５２の内径が、段部５３側から外部側になるに従って漸次大きくされているので、流路ボディ４の貫通孔３の段部５３に弾性シール部材５を配置した状態（又は台座１０に弾性シール部材５を巻き付けた状態）で外部から台座１０を貫通孔３に容易に挿入することができる。また、外部から台座１０を流路ボディ４の貫通孔３に挿入する際に、弾性シール部材５から台座１０に対して加えられる締付力を緩和することができるので、台座１０の破損を防ぐことができる。

また、以上説明した実施形態に係るフローセンサ１においては、流路ボディ４の貫通孔３の第二部分５２のうち段部５３から所定長部分５２ａの内径が一定にされているため、貫通孔３の第二部分５２の段部５３付近の内壁面と台座１０の外壁面との間に、弾性シール部材５を確実に挟み込むための一定のスペースを形成することができる。

＜第二実施形態＞
次に、図７及び図８を用いて、本発明の第二実施形態に係るフローセンサ１Ａについて説明する。本実施形態に係るフローセンサ１Ａは、第一実施形態に係るフローセンサ１の流路ボディ４の貫通孔３の形状及び台座１０の形状を変更したものであり、その他の構成については実質的に第一実施形態と共通である。このため、異なる構成を中心に説明することとし、共通する構成については詳細な説明を省略することとする。

本実施形態に係るフローセンサ１Ａは、図７及び図８に示すように、流路２及び貫通孔３Ａが設けられた流路ボディ４Ａ、流路ボディ４Ａの貫通孔３Ａに挿入された円筒状の台座１０Ａ、台座１０Ａに接合された状態で流路２内に配置されて被測定流体の流量を検出するセンサチップ２０、貫通孔３Ａと台座１０Ａの間に配置され台座１０Ａを締め付ける弾性シール部材５、弾性シール部材５を押さえる押さえ部材６、板状部材７及びボルト８を備えている。

センサチップ２０、弾性シール部材５、押さえ部材６、板状部材７及びボルト８は、第一実施形態で説明したものと実質的に同一であるので、詳細な説明を省略する。また、台座１０Ａ及びセンサチップ２０の材料や台座１０Ａとセンサチップ２０との接合方法についても、第一実施形態で説明したものと実質的に同一であるので、詳細な説明を省略することとする。

台座１０Ａは、図８に示すように、センサチップ２０側の部分から流路ボディ４Ａの貫通孔３Ａに挿入される。台座１０Ａの一部は、貫通孔３Ａに挿入される際に流路２側に配置されるセンサチップ２０側の部分から反対側（外部側）の部分になるに従って、外径が漸次大きくなるように形成されている。すなわち、台座１０Ａのセンサチップ２０側の端部（流路２側に配置される端部）から軸方向中央部付近までの部分は、外径が漸次大きくなるような変径部（先細部）１１とされている。

一方、台座１０Ａの軸方向略中央部付近からセンサチップ２０の反対側の端部（外部側に配置される端部）までの部分は、外径が一定の定径部１２とされている。なお、台座１０Ａの変径部１１と定径部１２との境界１３は、図７に示すように、台座１０Ａが流路ボディ４Ａの貫通孔３Ａに挿入された際に、軸方向において貫通孔３Ａの段部５３と同じ位置になるように配置されている。

本実施形態における流路ボディ４Ａの貫通孔３Ａは、台座１０Ａの定径部１１の外周と略同一の内周を有し流路２と連続する第一部分５１と、第一部分５１と連続し第一部分５１の内周より大きい内周を有する第二部分５２Ａと、を有している。貫通孔３Ａの第二部分５２Ａは、流路ボディ４Ａの外面（外部）と連続している。また、貫通孔３Ａの内部には、第一部分５１と第二部分５２Ａとからなり弾性シール部材５を配置するための段部５３が形成されている。本実施形態における貫通孔３Ａの第二部分５２Ａは、図８に示すように、一定の内径を有している。貫通孔３Ａの第一部分５１及び第二部分５２Ａの断面形状は、円である。

以上説明した実施形態に係るフローセンサ１Ａにおいては、台座１０Ａの変径部１１の外径が、流路ボディ４Ａの貫通孔３Ａに挿入される際に流路２側に配置されるセンサチップ２０側の部分から外部側に配置される部分になるに従って漸次大きくされているので、流路ボディ４Ａの貫通孔３Ａの段部５３に弾性シール部材５を配置した状態（又は台座１０Ａに弾性シール部材５を巻き付けた状態）で外部から台座１０Ａを貫通孔３Ａに容易に挿入することができる。また、外部から台座１０Ａを流路ボディ４Ａの貫通孔３Ａに挿入する際に、弾性シール部材５から台座１０Ａに対して加えられる締付力を緩和することができるので、台座１０Ａの破損を防ぐことができる。

本発明は、以上の各実施形態に限定されるものではなく、これら実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、上記各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上記各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１・１Ａ…フローセンサ
２…流路
３・３Ａ…貫通孔
４・４Ａ…流路ボディ
５…弾性シール部材
６…押さえ部材
１０・１０Ａ…台座
１１…変径部
２０…センサチップ
２１…基体
２２…流速検出部
２３…電気抵抗素子
２４Ａ・２４Ｂ…電極
４５Ａ・４５Ｂ…電導部材
５１…（貫通孔の）第一部分
５２・５２Ａ…（貫通孔の）第二部分
５２ａ…（第二部分のうち）段部から所定長の部分
５３…（貫通孔の）段部

Claims (11)

1. 被測定流体を流通させる流路を有する流路ボディと、円筒状の台座と、前記台座に接合された状態で前記流路内に配置されて被測定流体の流量を検出するセンサチップと、を備えるフローセンサであって、
   前記流路ボディは、前記流路と外部とを連通する台座挿入用の貫通孔を有し、
   前記貫通孔は、前記流路と連続する第一部分と、前記第一部分より大きい内径を有し外部と連続する第二部分と、前記第一部分及び前記第二部分からなり弾性シール部材を配置するための段部と、から構成され、
   前記第二部分は、前記段部側から外部側になるに従って内径が漸次大きくなるように形成されており、
   前記貫通孔の前記第二部分の内壁面と、前記台座の外壁面と、の間に外部から前記段部付近まで挿入されて前記弾性シール部材を押さえる押さえ部材を備える、フローセンサ。
2. 前記第二部分のうち前記段部から所定長の部分の内径が一定にされている、請求項１に記載のフローセンサ。
3. 被測定流体を流通させる流路を有する流路ボディと、円筒状の台座と、前記台座に接合された状態で前記流路内に配置されて被測定流体の流量を検出するセンサチップと、を備えるフローセンサであって、
   前記流路ボディは、前記流路と外部とを連通する台座挿入用の貫通孔を有し、
   前記貫通孔は、前記流路と連続する第一部分と、前記第一部分より大きい内径を有し外部と連続する第二部分と、前記第一部分及び前記第二部分からなり弾性シール部材を配置するための段部と、から構成され、
   前記台座は、前記貫通孔に挿入される際に前記流路側に配置される部分から外部側に配置される部分になるに従って外径が漸次大きくなるように形成されており、
   前記貫通孔の前記第二部分の内壁面と、前記台座の外壁面と、の間に外部から前記段部付近まで挿入されて前記弾性シール部材を押さえる押さえ部材を備える、フローセンサ。
4. 前記センサチップは、前記台座に接合される基体と、前記基体の前記流路側の面に形成され電気抵抗素子を含む流速検出部と、前記電気抵抗素子に電気的に接続され前記基体の内部を通って前記台座側の面まで配される電極と、を有し、
   前記台座の内部に、前記センサチップの前記電極から外部に電気信号を取り出すための電導部材が配されている、請求項１から３の何れか一項に記載のフローセンサ。
5. 前記台座と前記基体とは、接着剤により接合されている、請求項４に記載のフローセンサ。
6. 前記接着剤は、フッ素樹脂系接着剤である、請求項５に記載のフローセンサ。
7. 前記台座と前記基体とは、希フッ化水素酸接合、常温活性化接合又は拡散接合により接合されている、請求項４に記載のフローセンサ。
8. 前記台座の熱膨張率と、前記センサチップの熱膨張率と、が同一に設定される、請求項１から７の何れか一項に記載のフローセンサ。
9. 前記台座は、ガラス、シリコン又はセラミックから構成される、請求項１から８の何れか一項に記載のフローセンサ。
10. 前記センサチップは、ガラス、シリコン又はセラミックから構成される、請求項１から９の何れか一項に記載のフローセンサ。
11. 前記ガラスは、石英ガラス又は硼珪酸ガラスである、請求項９又は１０に記載のフローセンサ。
    

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