JP4825254B2 - 差圧流量計 - Google Patents

Description

本発明は、差圧流量計に関するものであり、とりわけ微小流量の液体を正確に測定可能とする差圧流量計に関する。

図４はオリフィスを用いた液体の液体流量制御機器２１の構成を示す図である。図４において、２２は液体Ｆが流通する第１流路２２ａ〜第３流路２２ｃを設けた本体ブロック、２３は第１流路２２ａと第２流路２２ｂの間に介在させたオリフィス、２４はオリフィス２３の上流側における液体Ｆの圧力Ｐ_１を測定する圧力センサ、２５はオリフィス２３の下流側における液体Ｆの圧力Ｐ_２を測定する圧力センサ、２６は第２流路２２ｂと第３流路２２ｃの間における流路の開度を調整する流量調整弁、２７は演算処理部、２８はケースである。

上記構成の液体流量制御機器２１において、液体Ｆがオリフィス２３を通過すると、このオリフィス２３の絞り部分２３ａの形状に合わせた圧力降下が生じる。したがって、前記演算処理部２７は両圧力センサ２４，２５の測定値Ｐ_１，Ｐ_２を用いてオリフィス２３による圧力差（Ｐ_１−Ｐ_２）から液体Ｆの流量を求めることができる。つまり、液体流量制御機器２１は一点鎖線に示す部分から図示左側部分において差圧流量計２１Ａを形成している。また、演算処理部２７はオリフィス２３を流れる液体Ｆの流量が設定流量Ｖset になるように流量調整弁２６に対する開度制御信号Ｓを出力する。

ところで、オリフィス２３は液体Ｆが流れる管径を基準にして標準オリフィスの形状寸法がＪＩＳ（日本工業規格）で定められている。また、その標準オリフィスを使うことにより、オリフィス２３の両端における圧力差（Ｐ_１−Ｐ_２）と流量Ｖとの間には、以下の式（１）に示す関係がある。
Ｖ＝ＣＡ_０√｛２（Ｐ_１−Ｐ_２）／ρｘ｝ … 式（１）
但し、Ａ_０は絞り部分２３ａの断面積、ρｘ（ｘは液体の種類を示している）は液体Ｆの比重、Ｃは流量係数である。

また、前記オリフィス２３に代えてノズルを用いた場合にも前記式（１）の関係がある。このノズルの流入部の形状はオリフィスと同じ丸みをもつ形状であり、それに続く円筒部を形成してなり、ノズルの形状についてもオリフィス同様規格化され、その流量係数が測定されている。そして、一般的にオリフィスまたはノズルを用いた差圧流量計２１Ａは絞り部分２３ａにおいて乱流が生じるので、一般的に乱流領域の大きな流量の測定に使われている。

特開２００１−１２５６４９号公報

ところが、上述のようなオリフィスまたはノズルを用いた差圧流量計２１Ａは微小流量の測定には使用が困難であった。すなわち、オリフィスまたはノズルを用いて微小流量の測定を行なうためには、絞り部分２３ａの径を極微小径に形成する必要が生じ、例えば数ｍＬ／ｍｉｎ程度の流量を測定しようとする場合には直径が数十μｍ程度のかなり小径（極微小径）の絞り部分２３ａを形成する必要があった。また、微小流量のオリフィスまたはノズルの製作には、高度な技術を要する微細加工を必要としており、絞りを用いた微小流量の差圧流量計を製造する場合には、この絞りの部分の製造コストがかかることが避けられなかった。

さらに、絞り部分２３ａの径が小さくなると、この絞り部分２３ａを透過する液体Ｆに極小さな不純物（パーティクル）が含まれているだけで、この絞り部分２３ａが閉塞することがあった。この問題は絞り部分２３ａが小さい場合に顕著に現れていた。

加えて、絞り部分２３ａを通過する液体Ｆの圧力Ｐ_１，Ｐ_２はノズルの前後において大きく変動するので、液体に大きな圧力変化を与えると、減圧沸騰によるキャビテーション（発泡現象）が起こり、これによってさまざまな弊害が生じることがあった。

本発明は上述の事柄を考慮に入れて成されたものであって、その目的は、閉塞などの問題を起こすことなく極微小流量の測定を安定して行うことができると共に製造コストを削減できる差圧流量計を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の差圧流量計は、液体が一端側から他端側へ流通するキャピラリと、
そのキャピラリを備えるキャピラリブロックと、
前記キャピラリの両端側における圧力差を測定する圧力センサと、
前記液体が流通する第１流路、第２流路およびそれら流路と前記圧力センサとを連通させるための連通部が内部に設けられるブロックと、
前記圧力センサで測定される圧力差に基づいて前記液体の流量を求める演算処理部と、を有し、
前記ブロックの第一の面には、外側から前記キャピラリブロックが接続される接続部が設けられ、
前記ブロックの前記第一の面とは異なる面において、外側から前記圧力センサが接続される接続部が設けられ、
前記キャピラリの前記一端側および他端側は、それぞれ前記第１流路および第２流路と連通するように設けられ、前記第１流路に流入した前記液体が前記キャピラリの前記一端側から他端側を通じて前記第２流路へ流れるよう構成されていることを特徴としている。（請求項１）。

すなわち、キャピラリに液体を流通させることにより、この液体に生じる圧力損失をキャピラリの全長に分散することができる。したがって、キャピラリの流路を長くすればするほど、その流路の径を前記絞り部２３ａに比べて大径にすることができ、液体に含まれる不純物などによってキャピラリが閉塞するなどの問題が生じることを防止できる。また、仮にキャピラリが大きな不純物によって閉塞することがあったとしても、このキャピラリを低コストにて交換することが可能となる。

加えて、比較的流路径が大きなキャピラリは極微小の絞り部分を形成したオリフィスやノズルに比べてはるかに低コストにて製造可能であるから、それだけ差圧流量計の製造コストを削減できる。さらに、短いノズルやオリフィスによって圧力変化を形成することがなく、長いキャピラリを用いて圧力損失を形成して、キャピラリを流通する液体の圧力が急激に変化することがないので、液体の流れによって液体にキャビテーションが発生することを防止できる。

また、圧損部分を比較的径の大きなキャピラリに変更することにより、キャピラリ内において層流領域を形成できる。そして、一直線状に配置されたキャピラリ内の層流領域における流量Ｖとキャピラリの両端における圧力差（Ｐ_１−Ｐ_２）との間には以下の式（２）に示す関係がある。
Ｖ＝πｒ^４（Ｐ_１−Ｐ_２）／（８×Ｌ×ηｘ） … 式（２）
但し、ｒはキャピラリの内部流路の半径、Ｌはキャピラリの長さ、ηｘは液体の粘度（ｘは液体の種類を示している）である。

また、本発明では、前記圧力センサとして、前記第１流路に連通する第１圧力センサおよび前記第２流路に連通する第２圧力センサ、または、前記第１流路と第２流路を橋渡しするように配置された差圧センサが少なくとも設けられるのが好ましい（請求項２）。そして、前記圧力センサが前記差圧センサである場合には、１つの圧力センサを用いてキャピラリの上流側と下流側における圧力差を確実に測定でき、２つの圧力センサを用いてキャピラリの上流側と下流側における圧力を測定して減算する場合に比べて、圧力センサの固体差による影響を最小限に抑えることができる。また、圧力センサの数を削減することで、製造コストの削減をはかることができる。また、本発明では、前記ブロックの接続部に対する、前記キャピラリブロックの螺合により、前記キャピラリは、前記第１流路および第２流路に着脱可能に取付けられているのが好ましい（請求項３）。さらに、本発明では、前記ブロックの接続部に対する螺合により、前記圧力センサは、前記ブロックに着脱可能に取付けられているのが好ましい（請求項４）。

以上説明したように本発明では、オリフィスやノズルのような短い絞り部分を形成する場合に比べて長いキャピラリを用いた緩やかな圧力損失部分を形成することにより、キャピラリの内部流路の断面積を比較的大きくして圧損部分の閉塞を防止できるだけでなく、微細な製造を行う必要がないので、それだけ製造コストを削減することができる。また、キャピラリ内を液体が流れるときに生じる圧力変化が緩慢であるから、それだけキャビテーションの発生を防止できる。

図１，２は、本発明の第１実施例である差圧流量計１の構成を示す図である。図１はその全体的な構成を概略的に示しており、図２は一部を分解して示す斜視図である。

図１に示すように、２は液体Ｆが流通する第１流路２ａおよび第２流路２ｂを形成してなる本体ブロック、３は第１流路２ａに連通するように設けた第１圧力センサ、４は第２流路２ｂに連通するように設けた第２圧力センサ、５は第１流路２ａと第２流路２ｂとを連通連結するように設けたキャピラリ、６は両圧力センサ３，４によって測定された圧力Ｐ_１，Ｐ_２の測定値を用いて流量Ｖを算出する演算処理部である。

図２に示すように、本体ブロック２は例えばベースブロック２Ａと、圧力測定ブロック２Ｂと、キャピラリブロック２Ｃと、蓋体２Ｄとに分けることができる。そして、例えば圧力測定ブロック２Ｂに対する圧力センサ３，４の接続部およびキャピラリブロック２Ｃに対する蓋体２Ｄの接続部は例えばビス７の螺合および解除によって着脱可能に形成されている。また、ベースブロック２Ａには液体Ｆの流入部および流出口を形成する配管の接続部材８，９が形成されている。

前記キャピラリブロック２Ｃには、平面視略凹字状であり湾曲部１０ａの曲率がキャピラリ５の流路を潰さない程度に大きくなるように形成した溝１０を形成すると共に、キャピラリ５の両端部を前記流路２ａ，２ｂにロウ付け接続するための開口部１１を形成している。すなわち、キャピラリ５を溝１０内に埋め込むことにより、キャピラリブロック２Ｃの大きさをコンパクトに抑えながらキャピラリ５の長さＬを長くすることができる。

キャピラリ５は耐蝕性に優れた材質（例えばステンレスなど）からなる管体であり、その長さＬおよびその内部流路の半径（内径）ｒは前記式（２）に示すように、キャピラリ５の両端における液体Ｆの差圧（Ｐ_１−Ｐ_２）と流量Ｖとの比例関係に影響を与える要素である。なお、式（２）が成立する条件としてキャピラリ５が直管であることとされているが、本例ではキャピラリ５の湾曲部１０ａの曲率をその流路を潰さない程度に大きくすることで、キャピラリ５に所定の曲率以上の直線性を持たせてキャピラリ５内の層流を乱すことがなく、前記式（２）を近似的に適用することが可能である。

したがって、キャピラリ５の長さＬを長くすればするほど、内径ｒを大きくすることができ、それだけキャピラリ５を流通する液体Ｆに詰まりが生じるのを防止できる。本例では一例として５ｍＬ／ｍｉｎ以下の液体Ｆの微小流量を測定可能とするものであり、内径ｒ＝０．２ｍｍ，長さＬ＝２００ｍｍのキャピラリ５を用いる。

また、前記演算処理部６は前記式（２）における粘度ηｘの値を液体Ｆの種類ｘに合わせて記憶する記憶部（図示省略）を有する。なお、実際にはキャピラリ５の内径ｒおよび長さＬの値が固定であるから、前記式（２）を以下の式（３）に示すように簡略化して各液体Ｆの種類に合わせた定数Ｃｘをそれぞれ記憶するようにしてもよい。
Ｖ＝（Ｐ_１−Ｐ_２）×Ｃｘ … 式（３）

なお、本例の差圧流量計１によって測定する液体Ｆの種類ｘは種々考えられるが、単一の液体Ｆのみを測定対象とする場合には複数の液体Ｆの粘度ηｘまたは定数Ｃｘを記憶する必要はない。逆に、差圧流量計１が複数の液体Ｆの粘度ηｘまたは定数Ｃｘを記憶する場合には、測定対象の液体Ｆの種類を選択するためのディップスイッチやロータリースイッチ、さらには、データ通信によって書換え可能な記憶部などからなる設定部を設けることで、差圧流量計１によって取り扱う液体Ｆの種類ｘを選択可能とすることが考えられる。この場合、複数記憶された各粘度ηｘまたは定数Ｃｘの中から適宜に選択して、測定対象となる液体Ｆを切換えることができる。

前記構成の差圧流量計１は、配管の接続部材８を介して液体Ｆが供給されることで、第１流路２ａに流入した液体Ｆがキャピラリ５を通って第２流路２ｂに流れ、接続部材９を介して下流側に流れる。このとき、キャピラリ５を通る液体Ｆにはキャピラリ５の内部流路の断面積に応じた抵抗により徐々に圧力低下が整流状態で発生するので、第１流路２ａ内の内圧Ｐ₁が第２流路２ｂ内の内圧Ｐ₂に比べて高くなる。それゆえに、この差圧（Ｐ₁−Ｐ₂）を圧力センサ３，４によって求めることにより、演算処理部６は前記式（２）または式（３）に示すように液体Ｆの微量流量Ｖを求めることができる。

また、前記差圧流量計１では、液体Ｆに生じる圧力変動が緩やかに生じるので、急激な圧力変動が生じたときに問題となる気泡現象（キャビテーション）の発生を効果的に抑えることができる。つまり、それだけ測定結果の信頼性が向上すると共に液体Ｆに与える影響を小さくすることができる。

加えて、前記キャピラリ５には、図４に示した従来のオリフィス２３のように微小な断面積を有する絞り部分２３ａを形成する必要がないので、キャピラリ５は高度な微細加工によって製造する必要がなく、その加工が極めて容易であって、汎用の用途で大量生産されているものを利用可能であるから、その製造コストを飛躍的に削減することができる。さらに、キャピラリ５の内径ｒが太くなればなるほどキャピラリ５に不純物の詰まりが発生する可能性を小さくすることができ、それだけ差圧流量計１の信頼性を向上できる。

また、仮にキャピラリ５が何らかの原因で詰まりを発生したり、劣化したとしても、本例の差圧流量計１はキャピラリブロック２Ｃ内にキャピラリ５を着脱可能に取付けられるものであるから、前記蓋体２Ｄを取り外してキャピラリ５の交換をすることが可能である。この場合にも、キャピラリ５が安価であるから従来のオリフィス２３のように高価な部品を交換する場合に比べて、コストを削減できる。さらに、キャピラリ５の交換を行うことで、前記式（２）に示す各値ｒ，Ｌを変更することも可能であり、これによって差圧流量計１の流量仕様の変更を行うことも可能である。

図３は本発明の第２実施例である差圧流量計１の構成を概略的に示す図である。なお、図３において、図１，２と同じ符号を付した部分は同一または同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。

図３において、１２はキャピラリ５の上流側に連通する第１流路２ａと、キャピラリ５の下流側に連通する第２流路２ｂとを橋渡しするように形成された連通部、１３はこの連通部１２内に配置されてこれを閉鎖すると共に両流路２ａ，２ｂ間の差圧（Ｐ_１−Ｐ_２）を測定する差圧センサである。

本例のように、一つの差圧センサ１３によってキャピラリ５の上流側と下流側における圧力の差を検出することにより、複数の圧力センサ３，４を用いて圧力Ｐ_１，Ｐ_２を検出した後にその差（Ｐ_１−Ｐ_２）を演算によって求める場合に比べて装置構成を簡素できる。すなわち、使用する圧力センサの数を削減して差圧流量計１の製造コストを削減できるだけでなく、圧力Ｐ_１，Ｐ_２の差を一つの差圧センサ１３内で測定することで、その測定誤差を可及的に小さくできる。

なお、前記差圧センサ１３は好ましくは連通部１２を閉鎖するように配置したダイヤフラム１３ａを有し、圧力差（Ｐ₁−Ｐ₂）の大きさによって生じるダイヤフラム１３の撓みの大きさから差圧（Ｐ₁−Ｐ₂）を検出することが望ましい。この場合、差圧センサ１３の個体差が影響する部分を最小限に抑えることができるので、それだけ測定精度を向上させることができる。

上述した各例に示す差圧流量計１は何れも液体の微少流量を測定可能とするものであり、極微少流量であっても詰まりやキャビテーションを起こすことがない点において有用であるが、本発明は微少流量を測定することに限定される必要はない。

本発明の第１実施例である差圧流量計の構成を示す概略図である。 前記差圧流量計の斜視図である。 第２実施例の差圧流量計の構成を示す概略図である。 従来の差圧流量計を用いた液体流量制御機器の構成を示す図である。

符号の説明

１ 差圧流量計
３，４ 圧力センサ
５ キャピラリ
６ 演算処理部
１２ 連通部
１３ 差圧センサ
Ｆ 液体
Ｐ_１，Ｐ_２ 圧力
Ｖ 流量

Claims (4)

1. 液体が一端側から他端側へ流通するキャピラリと、
   そのキャピラリを備えるキャピラリブロックと、
   前記キャピラリの両端側における圧力差を測定する圧力センサと、
   前記液体が流通する第１流路、第２流路およびそれら流路と前記圧力センサとを連通させるための連通部が内部に設けられるブロックと、
   前記圧力センサで測定される圧力差に基づいて前記液体の流量を求める演算処理部と、を有し、
   前記ブロックの第一の面には、外側から前記キャピラリブロックが接続される接続部が設けられ、
   前記ブロックの前記第一の面とは異なる面において、外側から前記圧力センサが接続される接続部が設けられ、
   前記キャピラリの前記一端側および他端側は、それぞれ前記第１流路および第２流路と連通するように設けられ、前記第１流路に流入した前記液体が前記キャピラリの前記一端側から他端側を通じて前記第２流路へ流れるよう構成されていることを特徴とする差圧流量計。
2. 前記圧力センサとして、前記第１流路に連通する第１圧力センサおよび前記第２流路に連通する第２圧力センサ、または、前記第１流路と第２流路を橋渡しするように配置された差圧センサが少なくとも設けられることを特徴とする請求項１に記載の差圧流量計。
3. 前記ブロックの接続部に対する、前記キャピラリブロックの螺合により、前記キャピラリは、前記第１流路および第２流路に着脱可能に取付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の差圧流量計。
4. 前記ブロックの接続部に対する螺合により、前記圧力センサは、前記ブロックに着脱可能に取付けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の差圧流量計。

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