TWI680279B

TWI680279B - 熱能式流量感測器

Info

Publication number: TWI680279B
Application number: TW105104444A
Authority: TW
Inventors: 倉田敏徳; Toshinori Kurata; 両角克也; Katsuya Morozumi
Original assignee: 日商Ｓｍｃ股份有限公司; Smc Corporation
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2019-12-21
Also published as: DE102016102294A1; JP2016151491A; KR102559872B1; JP6172475B2; US20160238421A1; CN105890686A; TW201636582A; US10254141B2; KR20160101862A; CN105890686B

Abstract

在構成熱能式流量感測器(10)的偵測器(14)中形成測量流路(26)。在該測量流路(26)的流體流向，設置溫度感測器(30)於上游側，以及設置加熱器(32)於下游側。此外，設置防熱傳壁(40)於該溫度感測器(30)與該加熱器(32)之間。較佳為，設置諸如孔口(42)之類的整流構件於該防熱傳壁(40)的下游側上，以及於該溫度感測器(30)與該加熱器(32)之間。

Description

熱能式流量感測器

本發明係有關於一種熱能式流量感測器，其具有配置於供流體流動通過之流路之上游側的溫度感測器，以及設置於該流路之下游側的加熱元件。

以熱能式流量感測器而言，於供流體流動通過之流路的上游側設置有溫度感測器，而於該流路的下游側設置有加熱器(加熱元件)。而且，流體係由加熱器加熱，而流體的流速或流量係基於溫度感測器所測定的流體溫度來偵測。

此類熱感測器是在附接至主體或其類似者使得流路沿著水平方向延伸的情形下使用。因此，流體會沿水平方向流動。

當安裝空間太窄以致於不能使流路沿著水平方向設置時，依具體情況，有勢必要以使流路沿著垂直方向延伸的姿勢使用熱能式流量感測器。然而，當溫度感測器位在上方位置而加熱器位在下方位置時，隨著流體在流路內的上升，在下方位置處受熱而經歷升溫的流體會產生對流。此時，如果已升溫的流體接觸到溫度感測器，而溫度感測器即偵測到向上上升流體的溫度。結果，帶來的缺陷是會降低流體之流速或流量的偵測準確度。

因此，在日本早期公開實用新型申請案公開號：06-080130中，已提出一種質量流量計，在主體沿著垂直方向延伸時水平地配置一對溫度感測器於其中。

揭示於日本早期公開實用新型申請案公開號：06-080130的質量流量計適用在以主體沿著垂直方向延伸的姿勢配置時，而該質量流量計在以主體沿著水平方向延伸的姿勢配置時則不能使用。這是因為，在此姿勢下，在質量流量計的流路內產生前述對流。

更具體的是，在根據上述習知技術的質量流量計中，其缺點明顯是在該質量流量計在使用時的姿勢有限。

本發明的主要目標是要提供一種熱能式流量感測器，它能夠準確地且與姿勢無關地評估流動通過流路之流體的流速或流量。

根據本發明之一具體實施例的熱能式流量感測器包含設置於供流體流動通過之流路之上游側的溫度感測器，以及設置於下游側的加熱元件。在該溫度感測器與該加熱元件之間設置防熱傳壁(heat transfer preventing wall)用於防止由於加熱元件所產生之熱而升溫的流體接觸該溫度感測器。該防熱傳壁係與發熱元件及溫度感測器雙方分離。

高溫流體有低於低溫流體的比重。因此，在流路以沿著垂直方向的姿勢配置，且溫度感測器垂直向上地安置以及加熱元件垂直向下地安置的情形時，由於加熱元件而已經歷升溫的流體容易在朝向溫度感測器側的方向上升。換言之，容易發生對流。

在本發明中，如上述，防熱傳壁設置在溫度感測器與加熱元件之間。經由該防熱傳壁，而防止已升溫的流體接觸該溫度感測器。而且，來自加熱元件的輻射熱也被中斷。由於此理由，溫度感測器避免偵測到除了流體在變熱及接觸溫度感測器前之溫度以外的溫度。

在此情形下，該溫度感測器容易可靠地偵測流體在被加熱元件加熱之前的準確溫度。結果，不論熱能式流量感測器的姿勢如何，可準確地偵測流體的流速或流量。換言之，該熱能式流量感測器的姿勢沒有限制。

再者，在此情形下，由於溫度感測器與加熱元件可配置於同一條軸線上，可提供減少熱能式流量感測器之大小的結構。

在某些情形下，流體在防熱傳壁的影響下有可能經歷紊流。為了消除此疑慮，較佳之方式為，將整流流體之連續流(streaming flow)的整流構件(rectifying means)設置於防熱傳壁的下游側上以及於溫度感測器與加熱元件之間。藉由此特徵，流體得到層流，而流體能夠順流地平滑流動至加熱元件側。結果，可更有效地防止已升溫的流體接觸溫度感測器。換言之，進一步增強偵測流體之流速或流量的偵測準確度。

提出孔口作為整流構件的較佳詳細示例。在此情形下，流路的一部份可窄化。

該整流構件可為有通風孔形成於其中的通風元件。提出包含多孔構件、網目或蜂巢體的結構作為用於此情形的詳細示例。

此外，防熱傳壁與流路之延伸方向垂直的橫向尺寸(widthwise dimension)較佳係兩倍於或更大於溫度感測器之與流路之延伸方向垂直的橫向尺寸。藉由此特徵，可更有效地防止已上升的流體接觸溫度感測器，以及可更有效地阻斷來自加熱元件的輻射熱。換言之，用該溫度感測器偵測流體溫度的準確度會進一步地增強。

由以下配合附圖的詳細說明，以說明性實施例舉例圖示本發明的一較佳具體實施例，可更加明白本發明以上及其他的目標、特徵及優點。

10‧‧‧熱能式流量感測器

12‧‧‧主體

14‧‧‧偵測器

16‧‧‧主流路

18‧‧‧順向通道

20‧‧‧返回通道

22‧‧‧凹部

24‧‧‧下表面蓋體

26‧‧‧測量流路

28‧‧‧密封構件

30‧‧‧溫度感測器

32‧‧‧加熱器

34‧‧‧感測器基部

36‧‧‧感測器電路板

38‧‧‧連接器

40‧‧‧防熱傳壁

42‧‧‧孔口

44‧‧‧上表面蓋體

46‧‧‧通風孔

48‧‧‧通風元件

50‧‧‧包圍部份

52‧‧‧防熱傳壁

54‧‧‧防熱傳壁

56‧‧‧防熱傳壁

58‧‧‧防熱傳壁

60‧‧‧防熱傳壁

62‧‧‧防熱傳壁

W1‧‧‧橫向尺寸

W2‧‧‧橫向尺寸

第1圖係根據本發明之一具體實施例圖示熱能式流量感測器的側視圖，其中部份以橫截面圖示；第2圖的正面示意圖圖示第1圖熱能式流量感測器的測量流路；第3圖的正面示意圖圖示未形成孔口之熱能式流量感測器的測量流路；第4圖的曲線圖圖示在只設有防熱傳壁時用溫度感測器測量之流體溫度的起伏寬度，以及在設有防熱傳壁及孔口兩者時用溫度感測器測量之流體溫度的起伏寬度；第5圖的正面示意圖圖示熱能式流量感測器的測量流路，其中通風元件係用作整流構件；第6圖係為與第1圖及第2圖所示的防熱傳壁的形狀不同的防熱傳壁的平面圖；第7圖係為與第1圖、第2圖及第6圖所示的防熱傳壁的形狀不同的防熱傳壁的平面圖；第8圖係為與第1圖、第2圖、第6圖及第7圖所示的防熱傳壁的形狀不同的防熱傳壁的平面圖；第9圖係為與第1圖、第2圖及第6圖至第8圖所示的防熱傳壁的形狀不同的防熱傳壁的平面圖；第10圖係為與第1圖、第2圖及第6圖至第9圖所示的防熱傳壁的形狀不同的防熱傳壁第1圖、第2圖及第6圖至第9圖的平面圖；第11圖係為與第1圖、第2圖及第6圖至第10圖所示的防熱傳壁的形狀不同的防熱傳壁的平面圖。

以下參考附圖詳述本發明熱能式流量感測器的一較佳具體實施例。

第1圖根據本具體實施例圖示熱能式流量感測器10的側視圖，其中部份以橫截面圖示。熱能式流量感測器10包含主體12，以及留在主體12中的偵測器14。

為了概括地描述主體12，主體12由中空主體構成，其中形成主流路16且兩端開放，以及有實質長方平行管體(rectangular parallelepiped)的形狀。數個管構件(均未圖示)通過管配件連接主流路16。

由第1圖可瞭解，根據本具體實施例，主流路16沿著垂直方向延伸。流體在主流路16內部從垂直向上方向朝垂直向下方向流動。更具體的是，垂直向上方向是在流向的上游側，以及垂直向下方向是在流向的下游側。

在該等管構件中，形成與主流路16連通的順向通道18及返回通道20。在此情形下，順向通道18位於上游側，以及返回通道20位於下游側。

凹部22形成於主體12的一側面中。偵測器14的一部份進入凹部22。此外，構成偵測器14的下表面蓋體24抵頂凹部22的底壁。個別與順向通道18及返回通道20中之每一者連通的測量流路26形成於下表面蓋體24中。此外，在下表面蓋體24上，設置與測量流路26成包圍關係的密封構件28。經由該密封構件28，將主體12與偵測器14之間的部位密封。

依序從上游側到下游側在測量流路26中設置溫度感測器30與加熱器32(加熱元件)。更具體的是，溫度感測器30位於上游側，以及加熱器32位於下游側。溫度感測器30與加熱器32設置於支撐於下表面蓋體24上的感測器基部34上，藉此將溫度感測器30與加熱器32固定於預定位置。

溫度感測器30與加熱器32同軸地定位在同一條軸線上(參考第2圖)。因此，由於不需要加寬測量流路26，因此也不需要增加偵測器14的大小。

感測器基部34支撐感測器電路板36，而未圖示的控制電路電氣連接至設於偵測器14上的連接器38。通過感測器電路板36，來自控制電路的命令訊號傳送加熱器32，以及來自溫度感測器30的訊號傳送至控制電路。

如第1圖及第2圖所示，防熱傳壁40設置在溫度感測器30與加熱器32之間。防熱傳壁40直接安置在溫度感測器30下面，或換言之，比加熱器32更靠近溫度感測器30地配置。

如果將與X方向(在此情形下，為垂直方向)(其係溫度感測器30及防熱傳壁40之測量流路26延伸方向)垂直的Y方向當作橫向方向，則防熱傳壁40的橫向尺寸W1最好大於溫度感測器30的橫向尺寸W2。更詳細言之，W1係兩倍於或更大於W2為較佳。

防熱傳壁40在橫向方向與測量流路26的內壁分離。更具體的是，在防熱傳壁40與測量流路26的內壁之間，形成充分的間隙(clearance)使得流體能夠流動通過。最後，藉由以此方式設置防熱傳壁40，流體流動通過測量流路26的內部不會有障礙。

如第2圖所示，測量流路26設置於溫度感測器30與加熱器32之間，以及在防熱傳壁40的下游側變窄。更具體的是，在測量流路26中形成孔口42。如下述，孔口42用作用以整流流動通過測量流路26內部之流體之連續流的整流構件。

在構成偵測器14的上表面蓋體44上裝設未圖示的顯示單元。經由偵測器14測量的流速或流量，係顯示於該顯示單元上。

根據本具體實施例的熱能式流量感測器10基本上以上述方式構造。接下來，描述熱能式流量感測器10的操作及優點。

如上述，在本具體實施例的情形下，使用有管構件連接至主體12之主流路16以及有使得主流路16及測量流路26沿著垂直方向延伸之姿勢的熱能式流量感測器10。此時，更特別的是，溫度感測器30垂直向上地安置(在上游側)，以及加熱器32垂直向下地安置(在下游側)。同時，與主流路16及測量流路26連通的順向通道18垂直向上地安置(在上游側)，而返回通道20垂直向下地配置(在下游側)。

在此條件下，在控制電路的控制動作下，發出能“使加熱器32產生熱”的命令訊號。加熱器32通過感測器電路板36接收該命令訊號以及產生熱。

當引進流體(例如，預定壓縮氣體)至管構件時，流體流動通過主流路16。該流體中流動通過主流路16的部份由於順向通道18而分出來，且通過順向通道18進入測量流路26。此外，流體在測量流路26內的溫度係用溫度感測器30測量。測量結果係以訊號傳送至控制電路。

在測量流路26內部的流體流動通過在防熱傳壁40與測量流路26內壁之間的間隙，進一步流到下游，並與加熱器32接觸。由於加熱器32被預先加熱，流體係由加熱器32而經受加熱。藉由測量耗散熱量的變化，控制電路能夠偵測該流體之流速或流量的變化。

伴隨自加熱器32傳送的熱，與加熱器32接觸的流體經加熱而升溫。另一方面，由於加熱器32的上游側的流體尚未受熱，該流體的溫度相對低。更具體的是，在測量流路26的內部，在加熱器32附近的流體(受熱後的流體)與比加熱器32在更上游的流體之間產生溫差。由於高溫流體的比重小於低溫流體，高溫流體的溫度相對容易上升。因此，導致了受熱流體的上升流動(即對流)，其係向在上游側的溫度感測器30向上地上升。

在此情形下，根據本具體實施例，防熱傳壁40直接設置在溫度感測器30下面。流體在受熱後，即上升且接觸防熱傳壁40。因此，受熱流體避免於與溫度感測器30接觸。因此，也避免溫度感測器30偵測受熱流體和在受熱前之流體的溫度。當然，來自加熱器32的輻射熱也被防熱傳壁40中斷。

假設設定防熱傳壁40的橫向尺寸W1兩倍於或更大於溫度感測器30的橫向尺寸W2，可更有效地防止與溫度感測器30接觸的受熱流體，以及來自加熱器32的輻射熱到達溫度感測器30。

更具體的是，在此情形下，受熱之前的流體(其自順向通道18引進)與溫度感測器30接觸。此外，來自加熱器32的輻射熱係免於被傳送至溫度感測器30。由於此理由，溫度感測器30能夠可靠地測量流體在受熱前的準確溫度。結果，可準確地偵測到流體的流速或流量。

在不裝設整流構件以及裝設防熱傳壁40時，在某些情形下，如第3圖所示，測量流路26中有可能產生卡門渦流(紊流)。不過，根據本具體實施例，孔口42設置於測量流路26中。因此，如第2圖所示，流體的連續流會被整流或拉直。換言之，形成層流。結果，可免去對於產生紊流的任何顧慮，且可使流體平滑地流到返回通道20。此特徵也有助於溫度感測器30的準確溫度測量，且因此也助於以良好的準確度偵測流體的流速或流量。

在圖表1中，圖示在以下各個情形下熱傳送至溫度感測器30的溫度：既不裝設防熱傳壁40也不裝設孔口42的模型1，只裝設孔口42的模型2，以及裝設防熱傳壁40及孔口42兩者的模型3。由圖表1清楚可見，藉由提供防熱傳壁40可抑制熱傳遞至溫度感測器30。

此外，在只裝設防熱傳壁40的情形下(參考第3圖)，或在裝設防熱傳壁40及孔口42兩者的情形下(參考第2圖)，溫度感測器30測得溫度的起伏寬度圖示於第4圖。由第4圖可瞭解，流體溫度的起伏寬度變愈小，或換言之，流體的溫度由於形成孔口42而變得更穩定。這是因為，藉由形成孔口42，流體在測量流路26內部的連續流會被整流，而避免了紊流，以及流體係如層流地流動。

如上述，根據測量流路26中設有防熱傳壁40及孔口42兩者的本具體實施例，主流路16及測量流路26沿著垂直方向延伸，以及甚至在溫度感測器30與加熱器32配置在同一條軸線上的情形下，可準確地估計流體的流速或流量。更具體的是，可避免熱能式流量感測器10的刻度增加，同時，可改善偵測流體之流速或流量的準確度。

藉由操作者觀察顯示於顯示單元上的流速或流量，可確認流速或流量。

此外，也可在主流路16及測量流路26在水平方向延伸的姿勢下使用熱能式流量感測器10。在此情形下，由於對流難以或不可能發生，可以甚至更大的準確度測量流體的流速或流量。

以此方式，不論是以主流路16及測量流路26在垂直方向延伸的姿勢配置，還是以主流路16及測量流路26在水平方向延伸的姿勢配置根據本具體實施例的熱能式流量感測器10，都可高度準確地偵測流體的流速或流量。結果，有可能選擇姿勢對應至安裝空間之幅度(breadth)及寬度的熱能式流量感測器10。

流體在受熱後經由返回通道20回到主流路16，以及通過管構件排放到熱能式流量感測器10外部。

本發明不特別受限於上述具體實施例，且可做出各種修改而不脫離本發明的實質主旨。

例如，如果用溫度感測器30測量之溫度的起伏寬度小，以及在實際使用時沒有阻礙，可構造不裝設孔口42的熱能式流量感測器10。

此外，該整流構件不限於孔口42。例如，如第5圖所示，經形成有通風孔46的通風元件48可設置於溫度感測器30與加熱器32之間。作為此類通風元件48的詳細示例，可提供由多孔構件、網目或蜂巢體構成的結構構件。

此外，防熱傳壁40不限於板狀構件。例如，如第6圖所示，可提供防熱傳壁52，其中設置包圍溫度感測器30的包圍部份50。在此情形下，所實現的一優點是，流體在受熱後更難以與溫度感測器30接觸，以及使得溫度感測器30更不容易受影響於來自加熱器32的輻射熱。

此外，可提供在如第7圖所示之平面圖中具有三角形狀的防熱傳壁54。在此情形下，三角形的底邊可經配置成可面向溫度感測器30，或三角形的頂點可經配置成可面向溫度感測器30。此外，可提供在如第8圖所示之平面圖中具有梯形形狀的防熱傳壁56。在此情形下，梯形的下表面可經配置成可面向溫度感測器30，或梯形的上表面可經配置成可面向溫度感測器30。

此外，可提供在如第9圖所示之平面圖中具有方形形狀的防熱傳壁58，或在如第10圖所示之平面圖中具有六角形形狀的防熱傳壁60。此外，如第11圖所示，可採用經形成在平面圖中具有跑道形狀的防熱傳壁62。

Claims

一種熱能式流量感測器(10)，其係包含：設置於供流體流動通過之測量流路(26)之上游側的溫度感測器(30)，以及設置於下游側的加熱元件(32)；其中，該測量流路(26)係個別連通於順向通道(18)及返回通道(20)，該順向通道(18)係與該流體所流通之主流路(16)連通，而使該流體的一部分從該主流路(16)分出，該返回通道(20)係與該主流路(16)連通而使該流體返回該主流路(16)；該溫度感測器(30)係在該測量流路(26)內測量藉由該順向通道(18)而從該主流路(16)分出的該流體的溫度；該加熱元件(32)係在該測量流路(26)內加熱與該溫度感測器(30)接觸後之該流體；並且，在該測量流路(26)內的該溫度感測器(30)與該加熱元件(32)之間設置有防熱傳壁(40)，該防熱傳壁(40)係用於防止由於該加熱元件(32)所產生之熱而升溫的該流體接觸該溫度感測器(30)；該防熱傳壁(40)係與該加熱元件(32)及該溫度感測器(30)雙方分離。
如申請專利範圍第1項所述之熱能式流量感測器(10)，其中，於該防熱傳壁(40)的下游側上以及於該溫度感測器(30)與該加熱元件(32)之間設置有整流該流體之連續流的整流構件。
如申請專利範圍第2項所述之熱能式流量感測器(10)，其中，該整流構件為孔口(42)。
如申請專利範圍第2項所述之熱能式流量感測器(10)，其中，該整流構件為有通風孔(46)形成於其中的通風元件(48)。
如申請專利範圍第4項所述之熱能式流量感測器(10)，其中，該通風元件(48)為包含多孔構件、網目或蜂巢體的結構。
如申請專利範圍第1項所述之熱能式流量感測器(10)，其中，該防熱傳壁(40)之與該流路(26)之延伸方向垂直的橫向尺寸(W1)係兩倍於或更大於該溫度感測器(30)之與該流路(26)之該延伸方向垂直的橫向尺寸(W2)。
如申請專利範圍第1項所述之熱能式流量感測器(10)，其中，該防熱傳壁(52)包含包圍該溫度感測器(30)的包圍部份(50)。