流体測定装置
【課題】流体の物性を適切に測定可能な測定装置を提供する。
【解決手段】流体を流す流路管１０に配置される測定装置１であって、流路管１０の外部に配置されるチャンバ５と、流路管１０内部に突出するよう配置される、流路管１０内部からチャンバ５に流体を導入する導入部材２０と、チャンバ５に配置され、流体の物性を測定するマイクロチップ８と、を備える測定装置１を提供する。導入部材２０が流路管１０内部に突出しているため、流路管１０内部の流体を効率的にチャンバ５に導入することが可能となる。
【解決手段】流体を流す流路管１０に配置される測定装置１であって、流路管１０の外部に配置されるチャンバ５と、流路管１０内部に突出するよう配置される、流路管１０内部からチャンバ５に流体を導入する導入部材２０と、チャンバ５に配置され、流体の物性を測定するマイクロチップ８と、を備える測定装置１を提供する。導入部材２０が流路管１０内部に突出しているため、流路管１０内部の流体を効率的にチャンバ５に導入することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測技術に関し、流体測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスを効率よく使用するためには、濃度変化等によるガス物性の変化を監視、制御する必要がある。そのため、ガスの物性を測定する測定装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。流路を流れるガス等の流体の物性を測定する測定装置においては、安定的な測定の観点から、流路からチャンバにガスを導き、チャンバ内のセンサで、ガスの物性を測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１７４０１０号公報
【特許文献２】特開２００７−２４８２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、流体を流路からチャンバに効率的に導かないと、チャンバ内にガスを充填するために必要な時間が長くなり、ガス等の流体の物性の変化を適切に測定できないという問題があった。そこで本発明は、流路から流体を効率的にチャンバに導き、流体の物性変化を適切に測定可能な測定装置を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様は、流体を流す流路管に配置される測定装置であって、流路管の外部に配置されるチャンバと、流路管内部に突出するよう配置される、流路管内部からチャンバに流体を導入する導入部材と、チャンバに配置され、流体の物性を測定するセンサと、を備える測定装置であることを要旨とする。本発明の態様に係る測定装置によれば、導入部材が流路管内部に突出しているため、流路管内部の流体を効率的にチャンバに導入することが可能となる。そのため、センサによって流体の物性を適切に測定することが可能となる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、流体の物性を適切に測定可能な測定装置を提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る測定装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロチップの斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロチップの図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る補助ヒータに関する回路図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る測定装置の中央演算処理装置の模式図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るガスの放熱係数と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るガスの放熱係数と濃度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施の形態の比較例に係る測定装置の断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る測定装置の断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る導入部材の図９のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る測定装置の断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る導入部材の図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ方向から見た断面図である。
【図１３】本発明の実施例に係るチャンバ内のガスの置換に要する時間を示すグラフである。
【図１４】本発明のその他の実施の形態に係る導入部材の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【０００９】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る測定装置１は、断面図である図１に示すように、上流側から下流側に気体又は液体等の流体を流す流路管１０に配置される。測定装置１は、流路管１０の外部に配置されるチャンバ５と、流路管１０内部に突出するよう配置される、流路管１０内部からチャンバ５に流体を導入する導入部材２０と、チャンバ５に配置され、流体の物性を測定するマイクロチップ８を含むセンサと、を備える。以下において、「流体」としてガスが流路管１０を流れる例を説明する。
【００１０】
流路管１０には、開口１１が設けられている。また、流路管１０の外壁には、開口１１を囲むように、円筒状の雌ねじ１２が配置されている。雌ねじ１２としては、Ｒｃねじ（ＩＳＯ規格）等が使用可能である。チャンバ５は、雌ねじ１２にはまる雄ねじ１３と一体的に成形されている。チャンバ５は、雄ねじ１３を雌ねじ１２にはめ込むことにより、流路管１０の外部に固定される。はめあわされた雄ねじ１３と雌ねじ１２は、流路管１０とチャンバ５の接続部を構成する。雄ねじ１３内部には、流路管１０内部とチャンバ５内部とを連通させる貫通孔１４が設けられている。
【００１１】
導入部材２０は管状であり、互いに連通された導入口としての開口２１と、排出口としての開口２２とを有する。開口２１は円管状の導入部材２０の先端を管の軸線に対して斜めに切り落とした形状に設けられている。導入部材２０は、開口２１が流路管１０の上流に向くように、例えば貫通孔１４の内壁に固定される。ここで「開口２１が流路管１０の上流に向く」とは、開口２１全体が完全に上流を向いていることを必ずしも意味しない。流路管１０の上流側から導入部材２０を見たときに、開口２１の一部が見える状態であれば良い。また、導入部材２０の外径は貫通孔１４の内径よりも小さいので、導入部材２０の外側には空間が存在する。
【００１２】
流路管１０内部に突出する管状の導入部材２０の導入口としての開口２１が流路管１０内のガスの進行方向に対して斜めになるよう設けられており、流路管１０の上流側に対向しているため、導入部材２０の内壁が流路管１０の上流側に露出する。したがって、流路管１０内部を上流側から流れてきたガスの一部は、導入部材２０の開口２１に入り、導入部材２０の内壁に衝突して、進行方向を変えられる。そのため、導入部材２０の上流側と下流側で差圧が発生し、進行方向を変えられたガスの一部が導入部材２０内部に流れ込み、排出口としての開口２２を介してチャンバ５に導かれる。さらにチャンバ５に導かれたガスの一部は、貫通孔１４（導入部材２０の外側の空間）を通って、開口１１から流路管１０の内部に還流する。
【００１３】
なお、開口２１を斜めに設けず、ガスの進行方向と平行に設けてもよい。具体的には、開口２１を、円管状の導入部材２０の先端を管の軸線に対して垂直に切り落とした形状に設けてもよい。導入部材２０が流路管１０内部に突出するよう配置されているため、開口２１をガスの進行方向と平行に設けても、導入部材２０の上流側と下流側で差圧が発生し、進行方向を変えられたガスの一部が導入部材２０内部に流れ込む。
【００１４】
導入部材２０を流れる流量に対してチャンバ５の容積が小さい場合、チャンバ５内の流体の置換が速くなる利点はあるが、マイクロチップ８の測定値が流体の流速の影響を受け易いという欠点が生じる。逆に、導入部材２０を流れる流量に対してチャンバ５の容積が大きい場合、チャンバ５内の流体の置換が遅くなる欠点はあるが、マイクロチップ８の測定値が流体の流速の影響を受けにくいという利点が生じる。したがって、導入部材２０を流れる流体の流量とチャンバ５の容積との関係については、何回かの試行によって最適な状態に定めることが望ましい。
【００１５】
チャンバ５内に配置されたマイクロチップ８は、斜視図である図２、及びＩIＩ−ＩIＩ方向から見た断面図である図３に示すように、キャビティ６６が設けられた基板６０、及び基板６０上にキャビティ６６を覆うように配置された絶縁膜６５を備える。基板６０の厚みは、例えば０．５ｍｍである。また、基板６０の縦横の寸法は、例えばそれぞれ１．５ｍｍ程度である。絶縁膜６５のキャビティ６６を覆う部分は、断熱性のダイアフラムをなしている。
【００１６】
さらにマイクロチップ８は、絶縁膜６５に設けられた発熱抵抗体６１と、発熱抵抗体６１を挟むように絶縁膜６５に設けられた第１の測温抵抗素子６２及び第２の測温抵抗素子６３と、基板６０上に設けられたガス温度センサ６４を備える。ガス温度センサ６４も電気抵抗素子等からなる。発熱抵抗体６１は、キャビティ６６を覆う絶縁膜６５の中心に配置されている。発熱抵抗体６１は、電力を与えられて発熱し、図１に示すチャンバ５内に導入されて発熱抵抗体６１に接するガスを加熱する。図２及び図３に示すガス温度センサ６４は、絶縁膜６５を介して発熱抵抗体６１から隔離されて設けられており、図１に示すチャンバ５内に導入されたガスのガス温度を検出する。
【００１７】
図２及び図３に示す基板６０の材料としては、シリコン（Ｓｉ）等が使用可能である。絶縁膜６５の材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等が使用可能である。キャビティ６６は、異方性エッチング等により形成される。また発熱抵抗体６１、第１の測温抵抗素子６２、第２の測温抵抗素子６３、及びガス温度センサ６４のそれぞれの材料には白金（Ｐｔ）等が使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能である。
【００１８】
ここで、発熱抵抗体６１は、温度によって抵抗値が変化する。発熱抵抗体６１の発熱温度ＴHと、発熱抵抗体６１の抵抗値ＲHの関係は、下記（１）式で与えられる。
RH = RSTD×[1+α(TH-TSTD) + β(TH-TSTD)2] ・・・(1)
（１）式において、ＴSTDは標準温度を表し、例えば２０℃である。ＲSTDは標準温度ＴSTDにおける予め計測された抵抗値を表す。αは１次の抵抗温度係数、βは２次の抵抗温度係数を表す。また、発熱抵抗体６１の抵抗値ＲHは、発熱抵抗体６１の駆動電力ＰHと、発熱抵抗体６１の通電電流ＩHから、下記（２）式で与えられる。
RH = PH / IH2 ・・・(2)
あるいは発熱抵抗体６１の抵抗値ＲHは、発熱抵抗体６１にかかる電圧ＶHと、発熱抵抗体６１の通電電流ＩHから、下記（３）式で与えられる。
RH = VH / IH ・・・(3)
【００１９】
発熱抵抗体６１の発熱温度ＴHは、発熱抵抗体６１とガスの間が熱的に平衡になったときに安定する。なお、熱的に平衡な状態とは、発熱抵抗体６１の発熱と、発熱抵抗体６１からガスへの放熱と、が釣り合っている状態をいう。平衡状態において、下記（４）式に示すように、発熱抵抗体６１の駆動電力ＰHを、発熱抵抗体６１の発熱温度ＴHとガスのガス温度ＴOとの差で割ることにより、ガスの放熱係数ＭOが得られる。なお、放熱係数ＭOの単位は、例えばＷ／℃である。
MO = PH / (TH - TO) ・・・(4)
【００２０】
発熱抵抗体６１の通電電流ＩHと、駆動電力ＰH又は電圧ＶHは計測可能であるため、上記（１）乃至（３）から発熱抵抗体６１の発熱温度ＴHが算出可能である。また、ガスのガス温度ＴOは、図２に示すガス温度センサ６４で測定可能である。したがって、図２及び図３に示すマイクロチップ８を用いて、図１に示すチャンバ５内に導入されたガスの放熱係数ＭOが算出可能である。
【００２１】
図２及び図３に示すマイクロチップ８は、熱伝導性の基板６０の温度を一定に保つ補助ヒータをさらに備えていてもよい。基板６０の温度を一定に保つことにより、マイクロチップ８の近傍のガスの温度が、基板６０の一定の温度と近似する。そのため、ガスの温度の変動が抑制され、より高い精度で放熱係数ＭOを算出することが可能となる。補助ヒータにも電気抵抗素子等が使用可能である。また、ガス温度センサ６４が補助ヒータを兼ねていてもよい。
【００２２】
図４に示すように、ガス温度センサ６４は、抵抗ブリッジ回路の一部をなしている。抵抗ブリッジ回路は、ガス温度センサ６４と直列に接続された抵抗素子１８１と、ガス温度センサ６４及び抵抗素子１８１と並列に接続された抵抗素子１８２，１８３を備える。ここで、ガス温度センサ６４の抵抗値をＲｒ、抵抗素子１８１，１８２，１８３の固定された抵抗値をそれぞれＲ181，Ｒ182，Ｒ183とする。抵抗ブリッジ回路には、オペアンプ１７１が接続されている。ガス温度センサ６４を補助ヒータとして機能させる場合、抵抗素子１８１とガス温度センサ６４の間のブリッジ電圧Ｖ2aが、抵抗素子１８２と抵抗素子１８３の間のブリッジ電圧Ｖ2bと等しくなるよう、ブリッジ駆動電圧Ｖ1がフィードバック制御される。これにより、ガス温度センサ６４の抵抗値Ｒｒが一定となり、ガス温度センサ６４が補助ヒータとして一定の温度で発熱する。
【００２３】
図１に示すように、マイクロチップ８は、断熱部材１８を介してチャンバ５内に配置される。断熱部材１８によって、マイクロチップ８の温度が、チャンバ５の内壁の温度変動の影響を受けにくくなる。断熱部材１８の熱伝導率は、例えば１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。なお、チャンバ５内に、マイクロチップ８を覆うように、金網等のフィルタを配置してもよい。フィルタを配置することにより、チャンバ５内に導入されるガスに含まれる塵芥等が、マイクロチップ８に衝突することを防止することが可能となる。また、フィルタを配置することにより、マイクロチップ８に向かうガスの流速を緩和することも可能となる。
【００２４】
測定装置１は、マイクロチップ８に電気的に接続された回路基板１００を含む計測ユニット３０をさらに備える。回路基板１００は、図５に模式的に示す中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００を備える。ＣＰＵ３００は、放熱係数算出部３０１を含む。放熱係数算出部３０１は、上記（４）式に示すように、図２及び図３に示すマイクロチップ８の発熱抵抗体６１の駆動電力ＰHを、発熱抵抗体６１の発熱温度ＴHとガス温度センサ６４で測定されたガスのガス温度ＴOとの差で割り、発熱抵抗体６１と熱的に平衡なときのガスの放熱係数の値を算出する。
【００２５】
図５に示すＣＰＵ３００には、熱伝導率記憶装置３５２が接続されている。ここで、図６は、ガス温度ＴOが０℃、２０℃、及び４０℃のときのプロパンガスの放熱係数と熱伝導率との関係を示す。図６に示すように、ガスの放熱係数と熱伝導率とは、一般に比例関係にある。そこで、図５に示す熱伝導率記憶装置３５２は、図１に示すチャンバ５に導入されるガスの放熱係数と熱伝導率との対応関係を、近似式あるいはテーブル等で予め保存する。
【００２６】
図５に示すＣＰＵ３００は、熱伝導率算出部３０２をさらに含む。熱伝導率算出部３０２は、放熱係数算出部３０１からガスの放熱係数の算出された値を受信し、熱伝導率記憶装置３５２からガスの放熱係数と熱伝導率との対応関係を読み出す。さらに熱伝導率算出部３０２は、ガスの放熱係数の値と、ガスの放熱係数と熱伝導率との対応関係とに基づいて、図１に示すチャンバ５に導入されたガスの熱伝導率を算出する。
【００２７】
図５に示すＣＰＵ３００には、濃度記憶装置３５３がさらに接続されている。ここで、図７は、ガス温度ＴOが０℃、２０℃、及び４０℃のときのプロパンガスの放熱係数と濃度との関係を示す。図７に示すように、ガスの放熱係数とガスの濃度とは、一般に比例関係にある。そこで、図５に示す濃度記憶装置３５３は、図１に示すチャンバ５に導入されるガスの放熱係数と濃度との対応関係を、近似式あるいはテーブル等で予め保存する。
【００２８】
図５に示すＣＰＵ３００は、濃度算出部３０３をさらに含む。濃度算出部３０３は、放熱係数算出部３０１からガスの放熱係数の算出された値を受信し、濃度記憶装置３５３からガスの放熱係数と濃度との対応関係を読み出す。さらに濃度算出部３０３は、ガスの放熱係数の値と、ガスの放熱係数と濃度との対応関係とに基づいて、図１に示すチャンバ５に導入されたガスの濃度を算出する。
【００２９】
以上示した第１の実施の形態に係る測定装置１は、流路管１０に開口１１と雌ねじ１２を設けることにより、流路管１０の太さに関係なく、流路管１０に容易に配置可能である。そのため、流路管１０が既設の配管であっても、流路管１０に測定装置１を容易に配置可能である。また、流路管１０内部を流れるガスの一部をチャンバ５に導入することにより、ガスの物性を測定するため、ガスの総てをチャンバに導入する測定装置と比較して小型化が可能となる。
【００３０】
また、測定装置１を小型化するために、雌ねじ１２と雄ねじ１３の径を細くすると、雌ねじ１２の貫通孔１４内にマイクロチップ８を配置するのが困難になる。そのため、雄ねじ１３と一体的に成形されたチャンバ５内にマイクロチップ８が配置されている。ここで、図８に示すように、導入部材２０を設けなかった場合、流路管１０からチャンバ５に流入するガスはわずかである。そのため、流路管１０を流れるガスと同じガスにチャンバ５内が置換されるのに時間がかかるという問題がある。すなわち、流路管１０を流れるガスの組成が変化した場合、その変化をマイクロチップ８が検出するまでに時間がかかり、応答性が悪い。
【００３１】
これに対し、第１の実施の形態によれば、図１に示すように、流路管１０内部に突出するよう配置された管状の導入部材２０の導入口としての開口２１が、流路管１０の上流側に対向している。そのため、流路管１０を流れるガスが効率的にチャンバ５内に導入される。したがって、流路管１０を流れるガスと同じガスでチャンバ５内が置換されるのに必要な時間を短縮することが可能となり、応答性が良い。また、従来、計測装置が取り付けられる流路管１０に設けられていたオリフィスを省略することも可能となる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図９及びＸ−Ｘ方向から見た断面図である図１０に示すように、第２の実施の形態に係る測定装置１の導入部材２２０には、複数の貫通孔２５，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆが平行に設けられている。円柱状の導入部材２２０の断面において、複数の貫通孔２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆは円周上に一定の間隔をおいて設けられており、貫通孔２５は、円周の中心に設けられている。
【００３３】
図９に示すように、流路管１０内に突出するように位置する、導入部材２２０の端部は、略円錐状である。貫通孔２６ａは、導入部材２２０の略円錐状の端部の側面に設けられた開口２２１ａと、チャンバ５側の端部に設けられた開口２２２ａとを連通する。貫通孔２６ｄは、導入部材２２０の略円錐状の端部の側面に設けられた開口２２１ｄと、チャンバ５側の端部に設けられた開口２２２ｄとを連通する。図１０に示す貫通孔２６ｂ，２６ｃ，２６ｅ，２６ｆのそれぞれも、略円錐状の端部の側面に設けられた開口と他端に設けられた開口とを連通する。また、図９に示す貫通孔２５は、略円錐状の端部の頂点に設けられた開口２２３と他端の開口２２４を連通する。
【００３４】
開口２２３以外の複数の開口は、略円錐状の端部の側面に設けられているため、流路管１０内のガスの進行方向に対して斜めになる。したがって、流路管１０内部を上流側から流れてきたガスの一部が、複数の開口の少なくとも一部に入り、導入部材２２０の内壁に衝突して進行方向を変えられ、当該貫通孔を通してチャンバ５に導入され、他の貫通孔を通って開口２２３及び開口２２１ｄ等から流路管１０の内部に還流する。
【００３５】
また、図１に示すように導入部材２０の開口２１が１個しかない場合、図１に示すようなねじによる接続部を用いると、ねじ込み具合によって開口２１が上流側に対向しているか否か、外部から目視確認が困難である場合が生じうる。これに対し、図９及び図１０に示す導入部材２２０は、略円錐状の端部の側面に円周上に等間隔に設けられた少なくとも３つ以上の複数の開口を有する。そのため、流路管１０内に導入部材２２０をいずれの向きに挿入しても、複数の開口のいずれかを、流路管１０の上流向かせることが可能となる。ここで「開口のいずれかを、流路管１０の上流に向かせる」とは、開口全体が完全に上流を向いていることを必ずしも意味しない。流路管１０の上流側から導入部材２２０を見たときに、少なくともいずれかの開口の一部が見える状態であれば良い。なお、図９においては、導入部材２２０が雄ねじ１３内の貫通孔１４に挿入されている例を示しているが、導入部材２２０と雄ねじ１３を一体的に成形してもよい。
【００３６】
（第３の実施の形態）
図１１及びＸＩＩ−ＸＩＩ方向から見た断面図である図１２に示すように、第３の実施の形態に係る測定装置１の雄ねじ１３の貫通孔１４に挿入された導入部材３２０は、断面において放射状に配置された複数の仕切り板３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄを備える。複数の仕切り板３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄは、雄ねじ１３の貫通孔１４を４つの空間に仕切る。また、導入部材３２０の複数の仕切り板３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄは、流路管１０内に突出する。
【００３７】
流路管１０内部を上流側から流れてきたガスの一部は、複数の仕切り板３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄの少なくとも一部に衝突して進行方向を変えられ、４つに仕切られた雄ねじ１３の貫通孔１４の一部を通って、チャンバ５に導入される。なお、少なくとも３つ以上の仕切り板を設けることにより、流路管１０内に導入部材３２０をいずれの向きに挿入しても、仕切り板のいずれかを流路管１０の上流側に対向させることが可能となる。なお、図１１においては、導入部材３２０が雄ねじ１３内の貫通孔１４に挿入されている例を示しているが、導入部材３２０と雄ねじ１３を一体的に成形してもよい。
【００３８】
（実施例）
図１、図８、及び図１１に示す測定装置１のチャンバ５に充填された濃度１００％の窒素（Ｎ2）ガスを、濃度１００％の二酸化炭素（ＣＯ2）ガスに置換するために要する時間を計測した結果を、図１３に示す。図１３において、横軸は流路管１０内のガスの流速を示し、縦軸はチャンバ５内に充填されたガスの置換に要した時間を示す。導入部材を有さない図８に示す測定装置１の場合、流路管１０内のガスの流速が２ｍ／ｓ以下ではチャンバ５内のガスの置換は長い時間を要した。また、流路管１０内のガスの流速が２ｍ／ｓより早くなっても、チャンバ５内のガスを置換するために数分を要した。これに対し、図１及び図１１に示す測定装置１の場合、流路管１０内のガスの流速が２ｍ／ｓ以下となっても、チャンバ５内のガスを２０秒以内に置換することが可能であった。よって、本発明の実施の形態に係る導入部材により、チャンバ５内のガスの置換を効率的に行えることが示された。
【００３９】
（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
【００４０】
例えば、図１において、雄ねじ１３と雌ねじ１２を用いてチャンバ５と流路管１０を接続する例を説明したが、フランジ（図示せず）を用いてチャンバ５と流路管１０を接続してもよい。雄ねじ１３と導入部材２０を一体化すると、雄ねじ１３をどの程度まで回転させて雌ねじ１２にねじ込むか（回転角）によって、導入部材２０の開口２１の向きが異なってしまい、開口２１を上流に向かせて配置することが困難な場合が生じうる。これに対し、フランジを用いることにより、例えばチャンバ５に固定された導入部材２０の開口２１を上流に向けたまま、チャンバ５と流路管１０を接続することが可能となる。すなわち、測定装置１において貫通孔１４を有する筒状部分の開口端に一方のフランジが設けられ、流路管１０において開口１１の周囲に立ち上げた筒状部分の開口端に他方のフランジが設けられている。これらのフランジにはそれぞれ締結用の複数のボルト孔が予め設けられており、それぞれのボルト孔の位置が合うように両フランジを突き合わせてボルト・ナットにより締結する。両フランジの各ボルト孔の位置がそれぞれ適切に配置されていれば、開口２１を正確に上流に向けて固定することができる。
【００４１】
あるいは、図１において、チャンバ５の周囲に回転自在かつ脱落不能に設けられた図示しない袋ナット（中央に貫通孔を有し、この貫通孔にチャンバ５が挿入されているもの）を用いて、測定装置１と流路管１０とを結合する構造を採ることもできる。この場合、測定装置１の円筒部の外周面と、流路管１０の開口１１の周囲に立ち上げた円筒部の内周面とには、それぞれ雄ねじ１３および雌ねじ１２は形成せずに、単なる嵌め合い状態とする。そして、流路管１０の開口１１の周囲に立ち上げた円筒部の外周面に雄ネジを形成し、これに対応する雌ねじを上記袋ナットの内周面に形成し、両者を締結することで測定装置１を流路管１０に固定する。この構成によれば、測定装置１と流路管１０との位置関係を固定したまま袋ナットを回転させて両者の締結を行えるので、開口２１を正確に上流に向けた状態で固定することができる。上記以外にも、測定装置１と流路管１０との位置関係に回転を生じさせない締結構造は種々のものが公知であるので、用途に応じて適宜採用することができる。
【００４２】
また、図１４に示すように、管状の導入部材４２０の側壁を周回するように少なくとも３つ以上の複数の開口４２ａ，４２ｂ，４２ｃを設けてもよい。図８に示す流路管１０内に、図１４に示す導入部材４２０をいずれの向きに挿入しても、複数の開口４２ａ，４２ｂ，４２ｃのいずれかが、流路管１０の上流側に対向する。また、複数の開口４２ａ，４２ｂ，４２ｃは管状の導入部材４２０の側壁に設けられているため、流路管１０内のガスの進行方向に対して垂直になる。そのため、ガスを効率的に導入部材４２０の内部に取り込むことも可能となる。また、ねじ締結を用いる部分以外については、管・筒・孔の断面形状が円形に限定されるものではない。角管・角筒・角孔であっても良い。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１ 測定装置
５ チャンバ
８ マイクロチップ
１０ 流路管
１１ 開口
１４ 貫通孔
１８ 断熱部材
２０，２２０，３２０ 導入部材
２１，２２１ａ，２２１ｄ，２２３ 開口
２２，２２２ａ，２２２ｄ，２２４ 開口
２５，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ 貫通孔
３０ 計測ユニット
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ 仕切り板
６０ 基板
６１ 発熱抵抗体
６２ 測温抵抗素子
６３ 測温抵抗素子
６４ ガス温度センサ
６５ 絶縁膜
６６ キャビティ
１００ 回路基板
１７１ オペアンプ
１８１，１８２，１８３ 抵抗素子
３０１ 放熱係数算出部
３０２ 熱伝導率算出部
３０３ 濃度算出部
３５２ 熱伝導率記憶装置
３５３ 濃度記憶装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測技術に関し、流体測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスを効率よく使用するためには、濃度変化等によるガス物性の変化を監視、制御する必要がある。そのため、ガスの物性を測定する測定装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。流路を流れるガス等の流体の物性を測定する測定装置においては、安定的な測定の観点から、流路からチャンバにガスを導き、チャンバ内のセンサで、ガスの物性を測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１７４０１０号公報
【特許文献２】特開２００７−２４８２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、流体を流路からチャンバに効率的に導かないと、チャンバ内にガスを充填するために必要な時間が長くなり、ガス等の流体の物性の変化を適切に測定できないという問題があった。そこで本発明は、流路から流体を効率的にチャンバに導き、流体の物性変化を適切に測定可能な測定装置を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様は、流体を流す流路管に配置される測定装置であって、流路管の外部に配置されるチャンバと、流路管内部に突出するよう配置される、流路管内部からチャンバに流体を導入する導入部材と、チャンバに配置され、流体の物性を測定するセンサと、を備える測定装置であることを要旨とする。本発明の態様に係る測定装置によれば、導入部材が流路管内部に突出しているため、流路管内部の流体を効率的にチャンバに導入することが可能となる。そのため、センサによって流体の物性を適切に測定することが可能となる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、流体の物性を適切に測定可能な測定装置を提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る測定装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロチップの斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロチップの図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る補助ヒータに関する回路図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る測定装置の中央演算処理装置の模式図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るガスの放熱係数と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るガスの放熱係数と濃度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施の形態の比較例に係る測定装置の断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る測定装置の断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る導入部材の図９のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る測定装置の断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る導入部材の図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ方向から見た断面図である。
【図１３】本発明の実施例に係るチャンバ内のガスの置換に要する時間を示すグラフである。
【図１４】本発明のその他の実施の形態に係る導入部材の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【０００９】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る測定装置１は、断面図である図１に示すように、上流側から下流側に気体又は液体等の流体を流す流路管１０に配置される。測定装置１は、流路管１０の外部に配置されるチャンバ５と、流路管１０内部に突出するよう配置される、流路管１０内部からチャンバ５に流体を導入する導入部材２０と、チャンバ５に配置され、流体の物性を測定するマイクロチップ８を含むセンサと、を備える。以下において、「流体」としてガスが流路管１０を流れる例を説明する。
【００１０】
流路管１０には、開口１１が設けられている。また、流路管１０の外壁には、開口１１を囲むように、円筒状の雌ねじ１２が配置されている。雌ねじ１２としては、Ｒｃねじ（ＩＳＯ規格）等が使用可能である。チャンバ５は、雌ねじ１２にはまる雄ねじ１３と一体的に成形されている。チャンバ５は、雄ねじ１３を雌ねじ１２にはめ込むことにより、流路管１０の外部に固定される。はめあわされた雄ねじ１３と雌ねじ１２は、流路管１０とチャンバ５の接続部を構成する。雄ねじ１３内部には、流路管１０内部とチャンバ５内部とを連通させる貫通孔１４が設けられている。
【００１１】
導入部材２０は管状であり、互いに連通された導入口としての開口２１と、排出口としての開口２２とを有する。開口２１は円管状の導入部材２０の先端を管の軸線に対して斜めに切り落とした形状に設けられている。導入部材２０は、開口２１が流路管１０の上流に向くように、例えば貫通孔１４の内壁に固定される。ここで「開口２１が流路管１０の上流に向く」とは、開口２１全体が完全に上流を向いていることを必ずしも意味しない。流路管１０の上流側から導入部材２０を見たときに、開口２１の一部が見える状態であれば良い。また、導入部材２０の外径は貫通孔１４の内径よりも小さいので、導入部材２０の外側には空間が存在する。
【００１２】
流路管１０内部に突出する管状の導入部材２０の導入口としての開口２１が流路管１０内のガスの進行方向に対して斜めになるよう設けられており、流路管１０の上流側に対向しているため、導入部材２０の内壁が流路管１０の上流側に露出する。したがって、流路管１０内部を上流側から流れてきたガスの一部は、導入部材２０の開口２１に入り、導入部材２０の内壁に衝突して、進行方向を変えられる。そのため、導入部材２０の上流側と下流側で差圧が発生し、進行方向を変えられたガスの一部が導入部材２０内部に流れ込み、排出口としての開口２２を介してチャンバ５に導かれる。さらにチャンバ５に導かれたガスの一部は、貫通孔１４（導入部材２０の外側の空間）を通って、開口１１から流路管１０の内部に還流する。
【００１３】
なお、開口２１を斜めに設けず、ガスの進行方向と平行に設けてもよい。具体的には、開口２１を、円管状の導入部材２０の先端を管の軸線に対して垂直に切り落とした形状に設けてもよい。導入部材２０が流路管１０内部に突出するよう配置されているため、開口２１をガスの進行方向と平行に設けても、導入部材２０の上流側と下流側で差圧が発生し、進行方向を変えられたガスの一部が導入部材２０内部に流れ込む。
【００１４】
導入部材２０を流れる流量に対してチャンバ５の容積が小さい場合、チャンバ５内の流体の置換が速くなる利点はあるが、マイクロチップ８の測定値が流体の流速の影響を受け易いという欠点が生じる。逆に、導入部材２０を流れる流量に対してチャンバ５の容積が大きい場合、チャンバ５内の流体の置換が遅くなる欠点はあるが、マイクロチップ８の測定値が流体の流速の影響を受けにくいという利点が生じる。したがって、導入部材２０を流れる流体の流量とチャンバ５の容積との関係については、何回かの試行によって最適な状態に定めることが望ましい。
【００１５】
チャンバ５内に配置されたマイクロチップ８は、斜視図である図２、及びＩIＩ−ＩIＩ方向から見た断面図である図３に示すように、キャビティ６６が設けられた基板６０、及び基板６０上にキャビティ６６を覆うように配置された絶縁膜６５を備える。基板６０の厚みは、例えば０．５ｍｍである。また、基板６０の縦横の寸法は、例えばそれぞれ１．５ｍｍ程度である。絶縁膜６５のキャビティ６６を覆う部分は、断熱性のダイアフラムをなしている。
【００１６】
さらにマイクロチップ８は、絶縁膜６５に設けられた発熱抵抗体６１と、発熱抵抗体６１を挟むように絶縁膜６５に設けられた第１の測温抵抗素子６２及び第２の測温抵抗素子６３と、基板６０上に設けられたガス温度センサ６４を備える。ガス温度センサ６４も電気抵抗素子等からなる。発熱抵抗体６１は、キャビティ６６を覆う絶縁膜６５の中心に配置されている。発熱抵抗体６１は、電力を与えられて発熱し、図１に示すチャンバ５内に導入されて発熱抵抗体６１に接するガスを加熱する。図２及び図３に示すガス温度センサ６４は、絶縁膜６５を介して発熱抵抗体６１から隔離されて設けられており、図１に示すチャンバ５内に導入されたガスのガス温度を検出する。
【００１７】
図２及び図３に示す基板６０の材料としては、シリコン（Ｓｉ）等が使用可能である。絶縁膜６５の材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等が使用可能である。キャビティ６６は、異方性エッチング等により形成される。また発熱抵抗体６１、第１の測温抵抗素子６２、第２の測温抵抗素子６３、及びガス温度センサ６４のそれぞれの材料には白金（Ｐｔ）等が使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能である。
【００１８】
ここで、発熱抵抗体６１は、温度によって抵抗値が変化する。発熱抵抗体６１の発熱温度ＴHと、発熱抵抗体６１の抵抗値ＲHの関係は、下記（１）式で与えられる。
RH = RSTD×[1+α(TH-TSTD) + β(TH-TSTD)2] ・・・(1)
（１）式において、ＴSTDは標準温度を表し、例えば２０℃である。ＲSTDは標準温度ＴSTDにおける予め計測された抵抗値を表す。αは１次の抵抗温度係数、βは２次の抵抗温度係数を表す。また、発熱抵抗体６１の抵抗値ＲHは、発熱抵抗体６１の駆動電力ＰHと、発熱抵抗体６１の通電電流ＩHから、下記（２）式で与えられる。
RH = PH / IH2 ・・・(2)
あるいは発熱抵抗体６１の抵抗値ＲHは、発熱抵抗体６１にかかる電圧ＶHと、発熱抵抗体６１の通電電流ＩHから、下記（３）式で与えられる。
RH = VH / IH ・・・(3)
【００１９】
発熱抵抗体６１の発熱温度ＴHは、発熱抵抗体６１とガスの間が熱的に平衡になったときに安定する。なお、熱的に平衡な状態とは、発熱抵抗体６１の発熱と、発熱抵抗体６１からガスへの放熱と、が釣り合っている状態をいう。平衡状態において、下記（４）式に示すように、発熱抵抗体６１の駆動電力ＰHを、発熱抵抗体６１の発熱温度ＴHとガスのガス温度ＴOとの差で割ることにより、ガスの放熱係数ＭOが得られる。なお、放熱係数ＭOの単位は、例えばＷ／℃である。
MO = PH / (TH - TO) ・・・(4)
【００２０】
発熱抵抗体６１の通電電流ＩHと、駆動電力ＰH又は電圧ＶHは計測可能であるため、上記（１）乃至（３）から発熱抵抗体６１の発熱温度ＴHが算出可能である。また、ガスのガス温度ＴOは、図２に示すガス温度センサ６４で測定可能である。したがって、図２及び図３に示すマイクロチップ８を用いて、図１に示すチャンバ５内に導入されたガスの放熱係数ＭOが算出可能である。
【００２１】
図２及び図３に示すマイクロチップ８は、熱伝導性の基板６０の温度を一定に保つ補助ヒータをさらに備えていてもよい。基板６０の温度を一定に保つことにより、マイクロチップ８の近傍のガスの温度が、基板６０の一定の温度と近似する。そのため、ガスの温度の変動が抑制され、より高い精度で放熱係数ＭOを算出することが可能となる。補助ヒータにも電気抵抗素子等が使用可能である。また、ガス温度センサ６４が補助ヒータを兼ねていてもよい。
【００２２】
図４に示すように、ガス温度センサ６４は、抵抗ブリッジ回路の一部をなしている。抵抗ブリッジ回路は、ガス温度センサ６４と直列に接続された抵抗素子１８１と、ガス温度センサ６４及び抵抗素子１８１と並列に接続された抵抗素子１８２，１８３を備える。ここで、ガス温度センサ６４の抵抗値をＲｒ、抵抗素子１８１，１８２，１８３の固定された抵抗値をそれぞれＲ181，Ｒ182，Ｒ183とする。抵抗ブリッジ回路には、オペアンプ１７１が接続されている。ガス温度センサ６４を補助ヒータとして機能させる場合、抵抗素子１８１とガス温度センサ６４の間のブリッジ電圧Ｖ2aが、抵抗素子１８２と抵抗素子１８３の間のブリッジ電圧Ｖ2bと等しくなるよう、ブリッジ駆動電圧Ｖ1がフィードバック制御される。これにより、ガス温度センサ６４の抵抗値Ｒｒが一定となり、ガス温度センサ６４が補助ヒータとして一定の温度で発熱する。
【００２３】
図１に示すように、マイクロチップ８は、断熱部材１８を介してチャンバ５内に配置される。断熱部材１８によって、マイクロチップ８の温度が、チャンバ５の内壁の温度変動の影響を受けにくくなる。断熱部材１８の熱伝導率は、例えば１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。なお、チャンバ５内に、マイクロチップ８を覆うように、金網等のフィルタを配置してもよい。フィルタを配置することにより、チャンバ５内に導入されるガスに含まれる塵芥等が、マイクロチップ８に衝突することを防止することが可能となる。また、フィルタを配置することにより、マイクロチップ８に向かうガスの流速を緩和することも可能となる。
【００２４】
測定装置１は、マイクロチップ８に電気的に接続された回路基板１００を含む計測ユニット３０をさらに備える。回路基板１００は、図５に模式的に示す中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００を備える。ＣＰＵ３００は、放熱係数算出部３０１を含む。放熱係数算出部３０１は、上記（４）式に示すように、図２及び図３に示すマイクロチップ８の発熱抵抗体６１の駆動電力ＰHを、発熱抵抗体６１の発熱温度ＴHとガス温度センサ６４で測定されたガスのガス温度ＴOとの差で割り、発熱抵抗体６１と熱的に平衡なときのガスの放熱係数の値を算出する。
【００２５】
図５に示すＣＰＵ３００には、熱伝導率記憶装置３５２が接続されている。ここで、図６は、ガス温度ＴOが０℃、２０℃、及び４０℃のときのプロパンガスの放熱係数と熱伝導率との関係を示す。図６に示すように、ガスの放熱係数と熱伝導率とは、一般に比例関係にある。そこで、図５に示す熱伝導率記憶装置３５２は、図１に示すチャンバ５に導入されるガスの放熱係数と熱伝導率との対応関係を、近似式あるいはテーブル等で予め保存する。
【００２６】
図５に示すＣＰＵ３００は、熱伝導率算出部３０２をさらに含む。熱伝導率算出部３０２は、放熱係数算出部３０１からガスの放熱係数の算出された値を受信し、熱伝導率記憶装置３５２からガスの放熱係数と熱伝導率との対応関係を読み出す。さらに熱伝導率算出部３０２は、ガスの放熱係数の値と、ガスの放熱係数と熱伝導率との対応関係とに基づいて、図１に示すチャンバ５に導入されたガスの熱伝導率を算出する。
【００２７】
図５に示すＣＰＵ３００には、濃度記憶装置３５３がさらに接続されている。ここで、図７は、ガス温度ＴOが０℃、２０℃、及び４０℃のときのプロパンガスの放熱係数と濃度との関係を示す。図７に示すように、ガスの放熱係数とガスの濃度とは、一般に比例関係にある。そこで、図５に示す濃度記憶装置３５３は、図１に示すチャンバ５に導入されるガスの放熱係数と濃度との対応関係を、近似式あるいはテーブル等で予め保存する。
【００２８】
図５に示すＣＰＵ３００は、濃度算出部３０３をさらに含む。濃度算出部３０３は、放熱係数算出部３０１からガスの放熱係数の算出された値を受信し、濃度記憶装置３５３からガスの放熱係数と濃度との対応関係を読み出す。さらに濃度算出部３０３は、ガスの放熱係数の値と、ガスの放熱係数と濃度との対応関係とに基づいて、図１に示すチャンバ５に導入されたガスの濃度を算出する。
【００２９】
以上示した第１の実施の形態に係る測定装置１は、流路管１０に開口１１と雌ねじ１２を設けることにより、流路管１０の太さに関係なく、流路管１０に容易に配置可能である。そのため、流路管１０が既設の配管であっても、流路管１０に測定装置１を容易に配置可能である。また、流路管１０内部を流れるガスの一部をチャンバ５に導入することにより、ガスの物性を測定するため、ガスの総てをチャンバに導入する測定装置と比較して小型化が可能となる。
【００３０】
また、測定装置１を小型化するために、雌ねじ１２と雄ねじ１３の径を細くすると、雌ねじ１２の貫通孔１４内にマイクロチップ８を配置するのが困難になる。そのため、雄ねじ１３と一体的に成形されたチャンバ５内にマイクロチップ８が配置されている。ここで、図８に示すように、導入部材２０を設けなかった場合、流路管１０からチャンバ５に流入するガスはわずかである。そのため、流路管１０を流れるガスと同じガスにチャンバ５内が置換されるのに時間がかかるという問題がある。すなわち、流路管１０を流れるガスの組成が変化した場合、その変化をマイクロチップ８が検出するまでに時間がかかり、応答性が悪い。
【００３１】
これに対し、第１の実施の形態によれば、図１に示すように、流路管１０内部に突出するよう配置された管状の導入部材２０の導入口としての開口２１が、流路管１０の上流側に対向している。そのため、流路管１０を流れるガスが効率的にチャンバ５内に導入される。したがって、流路管１０を流れるガスと同じガスでチャンバ５内が置換されるのに必要な時間を短縮することが可能となり、応答性が良い。また、従来、計測装置が取り付けられる流路管１０に設けられていたオリフィスを省略することも可能となる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図９及びＸ−Ｘ方向から見た断面図である図１０に示すように、第２の実施の形態に係る測定装置１の導入部材２２０には、複数の貫通孔２５，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆが平行に設けられている。円柱状の導入部材２２０の断面において、複数の貫通孔２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆは円周上に一定の間隔をおいて設けられており、貫通孔２５は、円周の中心に設けられている。
【００３３】
図９に示すように、流路管１０内に突出するように位置する、導入部材２２０の端部は、略円錐状である。貫通孔２６ａは、導入部材２２０の略円錐状の端部の側面に設けられた開口２２１ａと、チャンバ５側の端部に設けられた開口２２２ａとを連通する。貫通孔２６ｄは、導入部材２２０の略円錐状の端部の側面に設けられた開口２２１ｄと、チャンバ５側の端部に設けられた開口２２２ｄとを連通する。図１０に示す貫通孔２６ｂ，２６ｃ，２６ｅ，２６ｆのそれぞれも、略円錐状の端部の側面に設けられた開口と他端に設けられた開口とを連通する。また、図９に示す貫通孔２５は、略円錐状の端部の頂点に設けられた開口２２３と他端の開口２２４を連通する。
【００３４】
開口２２３以外の複数の開口は、略円錐状の端部の側面に設けられているため、流路管１０内のガスの進行方向に対して斜めになる。したがって、流路管１０内部を上流側から流れてきたガスの一部が、複数の開口の少なくとも一部に入り、導入部材２２０の内壁に衝突して進行方向を変えられ、当該貫通孔を通してチャンバ５に導入され、他の貫通孔を通って開口２２３及び開口２２１ｄ等から流路管１０の内部に還流する。
【００３５】
また、図１に示すように導入部材２０の開口２１が１個しかない場合、図１に示すようなねじによる接続部を用いると、ねじ込み具合によって開口２１が上流側に対向しているか否か、外部から目視確認が困難である場合が生じうる。これに対し、図９及び図１０に示す導入部材２２０は、略円錐状の端部の側面に円周上に等間隔に設けられた少なくとも３つ以上の複数の開口を有する。そのため、流路管１０内に導入部材２２０をいずれの向きに挿入しても、複数の開口のいずれかを、流路管１０の上流向かせることが可能となる。ここで「開口のいずれかを、流路管１０の上流に向かせる」とは、開口全体が完全に上流を向いていることを必ずしも意味しない。流路管１０の上流側から導入部材２２０を見たときに、少なくともいずれかの開口の一部が見える状態であれば良い。なお、図９においては、導入部材２２０が雄ねじ１３内の貫通孔１４に挿入されている例を示しているが、導入部材２２０と雄ねじ１３を一体的に成形してもよい。
【００３６】
（第３の実施の形態）
図１１及びＸＩＩ−ＸＩＩ方向から見た断面図である図１２に示すように、第３の実施の形態に係る測定装置１の雄ねじ１３の貫通孔１４に挿入された導入部材３２０は、断面において放射状に配置された複数の仕切り板３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄを備える。複数の仕切り板３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄは、雄ねじ１３の貫通孔１４を４つの空間に仕切る。また、導入部材３２０の複数の仕切り板３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄは、流路管１０内に突出する。
【００３７】
流路管１０内部を上流側から流れてきたガスの一部は、複数の仕切り板３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄの少なくとも一部に衝突して進行方向を変えられ、４つに仕切られた雄ねじ１３の貫通孔１４の一部を通って、チャンバ５に導入される。なお、少なくとも３つ以上の仕切り板を設けることにより、流路管１０内に導入部材３２０をいずれの向きに挿入しても、仕切り板のいずれかを流路管１０の上流側に対向させることが可能となる。なお、図１１においては、導入部材３２０が雄ねじ１３内の貫通孔１４に挿入されている例を示しているが、導入部材３２０と雄ねじ１３を一体的に成形してもよい。
【００３８】
（実施例）
図１、図８、及び図１１に示す測定装置１のチャンバ５に充填された濃度１００％の窒素（Ｎ2）ガスを、濃度１００％の二酸化炭素（ＣＯ2）ガスに置換するために要する時間を計測した結果を、図１３に示す。図１３において、横軸は流路管１０内のガスの流速を示し、縦軸はチャンバ５内に充填されたガスの置換に要した時間を示す。導入部材を有さない図８に示す測定装置１の場合、流路管１０内のガスの流速が２ｍ／ｓ以下ではチャンバ５内のガスの置換は長い時間を要した。また、流路管１０内のガスの流速が２ｍ／ｓより早くなっても、チャンバ５内のガスを置換するために数分を要した。これに対し、図１及び図１１に示す測定装置１の場合、流路管１０内のガスの流速が２ｍ／ｓ以下となっても、チャンバ５内のガスを２０秒以内に置換することが可能であった。よって、本発明の実施の形態に係る導入部材により、チャンバ５内のガスの置換を効率的に行えることが示された。
【００３９】
（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
【００４０】
例えば、図１において、雄ねじ１３と雌ねじ１２を用いてチャンバ５と流路管１０を接続する例を説明したが、フランジ（図示せず）を用いてチャンバ５と流路管１０を接続してもよい。雄ねじ１３と導入部材２０を一体化すると、雄ねじ１３をどの程度まで回転させて雌ねじ１２にねじ込むか（回転角）によって、導入部材２０の開口２１の向きが異なってしまい、開口２１を上流に向かせて配置することが困難な場合が生じうる。これに対し、フランジを用いることにより、例えばチャンバ５に固定された導入部材２０の開口２１を上流に向けたまま、チャンバ５と流路管１０を接続することが可能となる。すなわち、測定装置１において貫通孔１４を有する筒状部分の開口端に一方のフランジが設けられ、流路管１０において開口１１の周囲に立ち上げた筒状部分の開口端に他方のフランジが設けられている。これらのフランジにはそれぞれ締結用の複数のボルト孔が予め設けられており、それぞれのボルト孔の位置が合うように両フランジを突き合わせてボルト・ナットにより締結する。両フランジの各ボルト孔の位置がそれぞれ適切に配置されていれば、開口２１を正確に上流に向けて固定することができる。
【００４１】
あるいは、図１において、チャンバ５の周囲に回転自在かつ脱落不能に設けられた図示しない袋ナット（中央に貫通孔を有し、この貫通孔にチャンバ５が挿入されているもの）を用いて、測定装置１と流路管１０とを結合する構造を採ることもできる。この場合、測定装置１の円筒部の外周面と、流路管１０の開口１１の周囲に立ち上げた円筒部の内周面とには、それぞれ雄ねじ１３および雌ねじ１２は形成せずに、単なる嵌め合い状態とする。そして、流路管１０の開口１１の周囲に立ち上げた円筒部の外周面に雄ネジを形成し、これに対応する雌ねじを上記袋ナットの内周面に形成し、両者を締結することで測定装置１を流路管１０に固定する。この構成によれば、測定装置１と流路管１０との位置関係を固定したまま袋ナットを回転させて両者の締結を行えるので、開口２１を正確に上流に向けた状態で固定することができる。上記以外にも、測定装置１と流路管１０との位置関係に回転を生じさせない締結構造は種々のものが公知であるので、用途に応じて適宜採用することができる。
【００４２】
また、図１４に示すように、管状の導入部材４２０の側壁を周回するように少なくとも３つ以上の複数の開口４２ａ，４２ｂ，４２ｃを設けてもよい。図８に示す流路管１０内に、図１４に示す導入部材４２０をいずれの向きに挿入しても、複数の開口４２ａ，４２ｂ，４２ｃのいずれかが、流路管１０の上流側に対向する。また、複数の開口４２ａ，４２ｂ，４２ｃは管状の導入部材４２０の側壁に設けられているため、流路管１０内のガスの進行方向に対して垂直になる。そのため、ガスを効率的に導入部材４２０の内部に取り込むことも可能となる。また、ねじ締結を用いる部分以外については、管・筒・孔の断面形状が円形に限定されるものではない。角管・角筒・角孔であっても良い。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１ 測定装置
５ チャンバ
８ マイクロチップ
１０ 流路管
１１ 開口
１４ 貫通孔
１８ 断熱部材
２０，２２０，３２０ 導入部材
２１，２２１ａ，２２１ｄ，２２３ 開口
２２，２２２ａ，２２２ｄ，２２４ 開口
２５，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ 貫通孔
３０ 計測ユニット
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ 仕切り板
６０ 基板
６１ 発熱抵抗体
６２ 測温抵抗素子
６３ 測温抵抗素子
６４ ガス温度センサ
６５ 絶縁膜
６６ キャビティ
１００ 回路基板
１７１ オペアンプ
１８１，１８２，１８３ 抵抗素子
３０１ 放熱係数算出部
３０２ 熱伝導率算出部
３０３ 濃度算出部
３５２ 熱伝導率記憶装置
３５３ 濃度記憶装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流す流路管に配置される測定装置であって、
前記流路管の外部に配置されるチャンバと、
前記流路管内部に突出するよう配置される、前記流路管内部から前記チャンバに前記流体を導入する導入部材と、
前記チャンバに配置され、前記流体の物性を測定するセンサと、
を備える測定装置。
【請求項２】
前記導入部材が管状である、請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記管状の導入部材が、前記流路管の内部に配置される少なくとも一つの開口を有する、請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記開口が、前記流路管内の流体の進行方向に対して斜めになるよう設けられている、請求項３に記載の測定装置。
【請求項５】
前記開口が、前記流路管内の流体の進行方向に対して垂直になるよう設けられている、請求項３に記載の測定装置。
【請求項６】
前記開口の少なくとも一部が、前記流路管の上流を向く、請求項３乃至５のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記導入部材が、複数の前記開口を有する、請求項３乃至６のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記導入部材が、３つ以上の前記開口を有する、請求項３乃至６のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項９】
前記導入部材が、放射状に配置された複数の仕切り板を備える、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記流体が、ガスである、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項１１】
前記流体の物性が、前記ガスの放熱係数である、請求項１０に記載の測定装置。
【請求項１２】
前記流体の物性が、前記ガスの熱伝導率である、請求項１１に記載の測定装置。
【請求項１３】
前記放熱係数に基づいて、前記ガスの濃度を算出する濃度算出部を更に備える、請求項１１に記載の測定装置。
【請求項１】
流体を流す流路管に配置される測定装置であって、
前記流路管の外部に配置されるチャンバと、
前記流路管内部に突出するよう配置される、前記流路管内部から前記チャンバに前記流体を導入する導入部材と、
前記チャンバに配置され、前記流体の物性を測定するセンサと、
を備える測定装置。
【請求項２】
前記導入部材が管状である、請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記管状の導入部材が、前記流路管の内部に配置される少なくとも一つの開口を有する、請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記開口が、前記流路管内の流体の進行方向に対して斜めになるよう設けられている、請求項３に記載の測定装置。
【請求項５】
前記開口が、前記流路管内の流体の進行方向に対して垂直になるよう設けられている、請求項３に記載の測定装置。
【請求項６】
前記開口の少なくとも一部が、前記流路管の上流を向く、請求項３乃至５のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記導入部材が、複数の前記開口を有する、請求項３乃至６のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記導入部材が、３つ以上の前記開口を有する、請求項３乃至６のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項９】
前記導入部材が、放射状に配置された複数の仕切り板を備える、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記流体が、ガスである、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項１１】
前記流体の物性が、前記ガスの放熱係数である、請求項１０に記載の測定装置。
【請求項１２】
前記流体の物性が、前記ガスの熱伝導率である、請求項１１に記載の測定装置。
【請求項１３】
前記放熱係数に基づいて、前記ガスの濃度を算出する濃度算出部を更に備える、請求項１１に記載の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−１９０８３５（Ｐ２０１０−１９０８３５Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３７８１６（Ｐ２００９−３７８１６）
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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