特許 7507012 ガス濃度流量測定装置、酸素濃縮装置、およびガス濃度流量測定装置の組み立て方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-19

(45)【発行日】2024-06-27

(54)【発明の名称】ガス濃度流量測定装置、酸素濃縮装置、およびガス濃度流量測定装置の組み立て方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/667 20220101AFI20240620BHJP

   G01F 1/66 20220101ALI20240620BHJP

   G01N 29/024 20060101ALI20240620BHJP

   A61M 16/10 20060101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

G01F1/667 A

G01F1/66 101

G01N29/024

A61M16/10 B

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020093011

(22)【出願日】2020-05-28

(65)【公開番号】P2021188981

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-05-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000112602

【氏名又は名称】フクダ電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112689

【弁理士】

【氏名又は名称】佐原 雅史

(74)【代理人】

【識別番号】100128934

【弁理士】

【氏名又は名称】横田 一樹

(72)【発明者】

【氏名】本多 茂

(72)【発明者】

【氏名】溝田 巌

(72)【発明者】

【氏名】上山 喜弘

(72)【発明者】

【氏名】竹内 雅彦

【審査官】羽飼 知佳

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－０３０９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２１０１２３２９４（ＣＮ，Ｕ）

【文献】中国実用新案第２０８６２１５６０（ＣＮ，Ｕ）

【文献】中国実用新案第２１０５７２１１９（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｆ １／６６－ １／６６７

Ｇ０１Ｎ ２９／０２－２９／０３６

Ａ６１Ｍ １６／００－１６／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスが流通する測定流路を形成する測定部と、
前記測定流路における上流側および下流側にそれぞれ配置された一対の超音波センサと、
前記ガスの温度を測定する温度センサと、
一方の前記超音波センサから発信された超音波の伝搬速度と、他方の前記超音波センサから発信された超音波の伝搬速度との差分に基づいて前記ガスの流量を算出するとともに、前記ガスの流量および前記超音波の伝搬速度から前記超音波の音速を算出し、前記音速と前記ガスの温度と前記ガスの成分とに基づいて前記ガス中の特定の成分の濃度を算出する演算制御装置と、
少なくとも前記超音波センサを電気的に接続する装置基板パターンを有する装置基板と、
を備え、
前記測定部および前記装置基板のうちの一方には該一方から他方に向かって突出するように爪部が設けられ、
前記測定部および前記装置基板のうちの他方には、前記爪部が係合して前記測定部と前記装置基板とが前記装置基板の厚さ方向へ相対移動することを規制する係合面が設けられ、
前記装置基板の表面には、前記装置基板パターンに電気的に接続されて前記ガスの圧力を測定する圧力センサが設けられ、
前記測定部は、
前記測定流路を形成する流路形成部と、
前記測定流路に連通して前記圧力センサを配置可能なセンサ配置空間を内側に形成するとともに、前記流路形成部から前記装置基板の表面に向かって延びる圧力センサ取付部と、
を有し、
前記爪部は、前記センサ配置空間周りに設けられているガス濃度流量測定装置。

【請求項2】

前記測定部には、前記装置基板へ向かって突出するように前記爪部が設けられ、
前記装置基板には前記厚さ方向に貫通して前記爪部が前記装置基板の表面側から挿通可能な爪挿通孔が設けられ、
前記係合面は、前記装置基板における前記表面とは反対側の裏面に形成されている請求項１に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項3】

前記装置基板には前記爪挿通孔とは離れた位置で固定部が設けられ、
前記測定部には、前記爪部と前記係合面とが係合した状態で、前記固定部に固定可能な被固定部が設けられている請求項２に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項4】

前記固定部は、前記測定部と前記装置基板とが前記装置基板の面方向へ相対移動することを規制する請求項３に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項5】

前記爪部は前記センサ配置空間を前記装置基板の面方向から挟むように対をなして設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項6】

前記圧力センサ取付部は、前記圧力センサ配置空間を内部に有する筒形状の収容筒を有しており、
前記爪部が前記係合面に係合した状態で、前記収容筒が前記装置基板または前記圧力センサに接近することで、前記センサ配置空間が外気から隔離される請求項１から５のいずれか一項に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項7】

前記収容筒における前記装置基板または前記圧力センサに接近する部分に、前記センサ配置空間を外気から隔離するようにシールリングが配置される請求項６に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項8】

前記収容筒の内周面には、前記装置基板に向かって拡径する環状の段部が形成されており、
前記シールリングは、前記爪部が前記係合面に係合した状態で、前記段部および前記装置基板によって前記厚さ方向に挟まれる請求項７に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項9】

前記シールリングは、前記収容筒の内周面、および、該収容筒の内部に配置される前記圧力センサの外周面の間によって前記シールリングの径方向に挟まれる請求項７または８に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項10】

前記測定部は、
前記測定流路の上流側に配置されて、前記ガスを前記測定流路に導入する導入流路が内側に形成された導入部と、
前記測定流路の下流側に配置されて、前記ガスを前記測定流路から導出する導出流路が内側に形成された導出部と、
をさらに有し、
前記導入部および前記導出部のうちの少なくとも一方は、前記装置基板の表面に沿って前記流路形成部から突出して設けられ、
前記圧力センサ取付部は、前記導入部および前記導出部のうちの少なくとも一方から前記装置基板の表面に向かって突出して設けられ、
前記センサ配置空間は、前記導入流路および前記導出流路のうちの一方を介して前記測定流路に連通している請求項１から９のいずれか一項に記載のガス濃度流量測定装置。

【請求項11】

前記ガスとしての酸素含有ガス中の酸素濃度、および前記酸素含有ガスの流量を測定する請求項１から１０のいずれか一項に記載のガス濃度流量測定装置と、
前記ガス濃度流量測定装置を組み込んだ濃縮装置本体と、
を備える酸素濃縮装置。

【請求項12】

ガスの濃度および流量を測定するガス濃度流量測定装置の組み立て方法であって、
前記ガスが流通する測定流路を形成する測定部を前記装置基板の表面に接近させて、前記装置基板および前記測定部のうちの一方に設けられた爪部を他方に設けられた係合面に対して係合させる工程と、
前記装置基板の固定部に前記測定部に設けられた被固定部を固定する工程と、
超音波を発信および受信可能な超音波センサを、前記測定流路の上流側と下流側とに配置し、かつ、前記装置基板パターンに電気的に接続する工程と、
一方の前記超音波センサから発信されて前記測定流路内を通過する超音波の伝搬速度と他方の前記超音波センサから発信されて前記測定流路内を通過する超音波の伝搬速度との差分に基づいて前記ガスの流量を算出するとともに前記ガスの流量および前記超音波の伝搬速度から前記超音波の音速を算出して前記音速と前記ガスの温度と前記ガスの成分とに基づいて前記ガス中の特定の成分の濃度を算出する演算制御装置を設ける工程と、
を含み、
前記爪部を前記係合面に係合させた状態において、前記測定部は、前記測定流路に連通して周りに前記爪部が配置されるセンサ配置空間を内側に形成するとともに、前記流路形成部から前記装置基板の表面に向かって延びる圧力センサ取付部を有し、
前記爪部を前記係合面に係合させる工程では、前記爪部を前記測定部および前記装置基板のうちの前記一方から前記他方に向かって突出するように配置して前記爪部を前記係合面に係合させて前記測定部と前記装置基板とが前記装置基板の厚さ方向へ相対移動することを規制する際、前記装置基板の表面において前記センサ配置空間に、前記装置基板パターンに電気的に接続されて前記ガスの圧力を測定する圧力センサを設けるガス濃度流量測定装置の組み立て方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスの濃度および流量を測定するガス濃度流量測定装置と、ガス濃度流量測定装置を組み込んだ酸素濃縮装置と、ガス濃度流量測定装置の組み立て方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１に記載されているようにガスの流通する測定管に超音波送受信器を対向して配置して、ガスの流量および濃度を計測する超音波式のガス濃度流量測定装置が知られている。

【0003】

このようなガス濃度流量測定装置は酸素濃縮装置にも使用されている。特許文献２に示すように酸素濃縮装置は、例えば空気を圧縮した後に空気中の窒素を取り除き、高濃度の酸素を生成する装置である。なお酸素濃縮装置は、例えば呼吸不全等の理由により在宅で酸素を補給しなければならない患者に対して酸素を供給するために用いられる装置である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許６３０５２０９号公報

【文献】特許５４９９２６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで従来の超音波式のガス濃度流量測定装置では、例えば超音波送受信器からの信号を受信してガスの流量や濃度を算出する演算装置が設けられた装置基板に対して測定管が取り付けられる。しかしながら現状ではガス濃度流量測定装置のコンパクト化によって装置基板は非常に小さく、測定管を装置基板へ取り付ける作業には手間を要する。

【0006】

そこで本発明は、組み立ての簡素化を図り、コスト低減が可能なガス濃度流量測定装置等を提供する。

【0007】

本発明の一態様に係るガス濃度流量測定装置は、ガスが流通する測定流路を形成する測定部と、前記測定流路における上流側および下流側にそれぞれ配置された一対の超音波センサと、前記ガスの温度を測定する温度センサと、一方の前記超音波センサから発信された超音波の伝搬速度と、他方の前記超音波センサから発信された超音波の伝搬速度との差分に基づいて前記ガスの流量を算出するとともに、前記ガスの流量および前記超音波の伝搬速度から前記超音波の音速を算出し、前記音速と前記ガスの温度と前記ガスの成分とに基づいて前記ガス中の特定の成分の濃度を算出する演算制御装置と、少なくとも前記超音波センサを電気的に接続する装置基板パターンを有する装置基板と、を備え、前記測定部および前記装置基板のうちの一方には爪部が設けられ、前記測定部および前記装置基板のうちの他方には、前記爪部が係合して前記測定部と前記装置基板とが前記装置基板の厚さ方向へ相対移動することを規制する係合面が設けられている。

【0008】

上記のガス濃度流量測定装置では、前記測定部には、前記装置基板へ向かって突出するように前記爪部が設けられ、前記装置基板には前記厚さ方向に貫通して前記爪部が前記装置基板の表面側から挿通可能な爪挿通孔が設けられ、前記係合面は、前記装置基板における前記表面とは反対側の裏面に形成されていてもよい。

【0009】

上記のガス濃度流量測定装置では、前記装置基板には前記爪挿通孔とは離れた位置で固定部が設けられ、前記測定部には、前記爪部と前記係合面とが係合した状態で、前記固定部に固定可能な被固定部が設けられていてもよい。

【0010】

上記のガス濃度流量測定装置では、前記固定部は、前記測定部と前記装置基板とが前記装置基板の面方向へ相対移動することを規制してもよい。

【0011】

上記のガス濃度流量測定装置では、前記装置基板の表面には、前記装置基板パターンに電気的に接続されて前記ガスの圧力を測定する圧力センサが設けられ、前記測定部は、前記測定流路を形成する流路形成部と、前記測定流路に連通して前記圧力センサを配置可能なセンサ配置空間を内側に形成するとともに、前記流路形成部から前記装置基板の表面に向かって延びる圧力センサ取付部と、を有し、前記爪部は、前記センサ配置空間周りに設けられていてもよい。

【0012】

上記のガス濃度流量測定装置では、前記爪部は前記センサ配置空間を前記装置基板の面方向から挟むように対をなして設けられていてもよい。

【0013】

上記のガス濃度流量測定装置では、前記圧力センサ取付部は、前記圧力センサ配置空間を内部に有する筒形状の収容筒を有しており、前記爪部が前記係合面に係合した状態で、前記収容筒が前記装置基板または前記圧力センサに接近することで、前記センサ配置空間が外気から隔離されていてもよい。

【0014】

上記のガス濃度流量測定装置では、前記収容筒における前記装置基板または前記圧力センサに接近する部分に、前記センサ配置空間を外気から隔離するようにシールリングが配置されてもよい。

【0015】

上記のガス濃度流量測定装置では、前記収容筒の内周面には、前記装置基板に向かって拡径する環状の段部が形成されており、前記シールリングは、前記爪部が前記係合面に係合した状態で、前記段部および前記装置基板によって前記厚さ方向に挟まれてもよい。

【0016】

上記のガス濃度流量測定装置では、前記シールリングは、前記収容筒の内周面、および、該収容筒の内部に配置される前記圧力センサの外周面の間によって前記シールリングの径方向に挟まれてもよい。

【0017】

上記のガス濃度流量測定装置では、前記測定部は、前記測定流路の上流側に配置されて、前記ガスを前記測定流路に導入する導入流路が内側に形成された導入部と、前記測定流路の下流側に配置されて、前記ガスを前記測定流路から導出する導出流路が内側に形成された導出部と、をさらに有し、前記導入部および前記導出部のうちの少なくとも一方は、前記装置基板の表面に沿って前記流路形成部から突出して設けられ、前記圧力センサ取付部は、前記導入部および前記導出部のうちの少なくとも一方から前記装置基板の表面に向かって突出して設けられ、前記センサ配置空間は、前記導入流路および前記導出流路のうちの一方を介して前記測定流路に連通していてもよい。

【0018】

本発明の一態様に係る酸素濃縮装置は、前記ガスとしての酸素含有ガス中の酸素濃度、および前記酸素含有ガスの流量を測定する上記のガス濃度流量測定装置と、前記ガス濃度流量測定装置を組み込んだ濃縮装置本体と、を備えている。

【0019】

また本発明の一態様に係る組み立て方法は、ガスの濃度および流量を測定するガス濃度流量測定装置の組み立て方法であって、前記ガスが流通する測定流路を形成する測定部を前記装置基板の表面に接近させて、前記装置基板および前記測定部のうちの一方に設けられた爪部を他方に設けられた係合面に対して係合させる工程と、前記装置基板の固定部に前記測定部に設けられた被固定部を固定する工程と、超音波を発信および受信可能な超音波センサを、前記測定流路の上流側と下流側とに配置し、かつ、前記装置基板パターンに電気的に接続する工程と、一方の前記超音波センサから発信されて前記測定流路内を通過する超音波の伝搬速度と他方の前記超音波センサから発信されて前記測定流路内を通過する超音波の伝搬速度との差分に基づいて前記ガスの流量を算出するとともに前記ガスの流量および前記超音波の伝搬速度から前記超音波の音速を算出して前記音速と前記ガスの温度と前記ガスの成分とに基づいて前記ガス中の特定の成分の濃度を算出する演算制御装置を設ける工程と、を含んでいる。

【発明の効果】

【0020】

上記のガス濃度流量測定装置等によれば、組み立ての簡素化を図り、コスト低減が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施形態に係る酸素濃縮装置の全体図である。

【図2】上記酸素濃縮装置の構成を示すブロック図である。

【図3】上記酸素濃縮装置におけるガス濃度流量測定装置のブロック図である。

【図4】上記酸素濃縮装置におけるガス濃度流量測定装置の全体斜視図である。

【図5】上記酸素濃縮装置におけるガス濃度流量測定装置の全体斜視図であって、構成部品に分解して示す図である。

【図6】上記ガス濃度流量測定装置における測定部の圧力センサ取付部を測定部長手方向から見た図であって、図５のＩ－Ｉ断面図である。

【図7】上記ガス濃度流量測定装置における測定部の圧力センサ取付部を基板下方から見た平面図である。

【図8】上記ガス濃度流量測定装置における測定部の圧力センサ取付部を基板面横方向から見た図であって、図７のＩＩ矢視図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
（全体構成）
図１および図２に示すように、本実施形態の酸素濃縮装置１は、患者に酸素を供給する装置であり、外部から取り込んだ空気Ａを濃縮し、高濃度（例えば、９０％程度）の酸素含有ガスＧを生成する。具体的には酸素濃縮装置１は、吸気フィルタ１１、圧縮機１２、窒素吸着機構１３、タンク１４、および筐体１２０（図１参照）を有する濃縮装置本体１００と、濃縮装置本体１００に組み込まれたガス濃度流量測定装置１５とを備えている。

【0023】

酸素濃縮装置１では、筐体１２０の背面に設けられた吸気フィルタ１１を介して外部から取り込まれた空気Ａを圧縮機１２で圧縮し、圧縮された空気Ａに含まれる窒素を窒素吸着機構１３で触媒（図示省略）に吸着させて高濃度の酸素を含有する酸素含有ガス（酸素および窒素を含有するガス）Ｇを生成し、患者へ供給可能とする。以下、酸素含有ガスＧを単に「ガスＧ」とする。

【0024】

ここで図２に示すように窒素吸着機構１３は一対の吸着塔１３ａ、１３ｂを備えている。一対の吸着塔１３ａ、１３ｂの中にはゼオライト等の触媒が充填されている。吸着塔１３ａおよび１３ｂのうちの一方を加圧して触媒に窒素を吸着させ、他方を減圧して触媒に吸着されている窒素を放出し、次の加圧に備える。このように窒素吸着機構１３では、一対の吸着塔１３ａ、１３ｂを交互に加圧および減圧させて高濃度の酸素が生成される。窒素吸着機構１３で生成された高濃度の酸素はタンク１４に蓄えられる。タンク１４に蓄えられた酸素は、ガスＧとしてガス濃度流量測定装置１５を通った後に患者に供給される。すなわち、本実施形態の酸素濃縮装置１はＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式を採用している。

【0025】

ここで酸素濃縮装置１の各構成部品は、不図示の制御ユニットによって統括的に制御される。制御ユニットは、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭなどから構成され、各種制御を実行する。ＣＰＵは、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて各種機能を実現する。ＲＡＭは、ＣＰＵの作業領域として使用される。ＲＯＭは、ＣＰＵで実行されるプログラムを記憶する。

【0026】

図１に示すように筐体１２０は略直方体形状をなしている。筐体１２０には操作ボタン１２１、ディスプレイ１２２、および、ガス濃度流量測定装置１５に接続されてガスＧを吐出する吐出チューブ（ゴムチューブ等）１２３が設けられている。

【0027】

（ガス濃度流量測定装置）
次にガス濃度流量測定装置１５の詳細について説明する。
ガス濃度流量測定装置１５は筐体１２０に組み込まれている。図２に示すように、ガス濃度流量測定装置１５は、タンク１４の下流側に設けられて、ガスＧ中の酸素の濃度および流量を計測可能となっている。より具体的には図３に示すように、ガス濃度流量測定装置１５は超音波式の測定装置であって、測定部２０と、温度センサ３０と、演算制御装置４０と、装置基板５０と、超音波センサ６０と、圧力センサ７０と、比例弁８０とを備えている。

【0028】

（装置基板）
図４および図５に示すように装置基板５０は、一対の端縁５０ａ、および端縁５０ａに直交する一対の端縁５０ｂを有する矩形のプリント基板であって、基材５１、基材５１に設けられて伝導体によって形成された装置基板パターン５２、および、基材５１を貫通する装置基板ホール５１ａ周りに設けられて装置基板パターン５２に電気的に接続される複数の装置基板ランド５３を有している。なお装置基板ホール５１ａは、後述する各電子部品を挿入実装するための孔であるが、装置基板ホール５１ａの無い装置基板ランド５３も設けられて、後述する各電子部品が装置基板５０に面実装されてもよい。

【0029】

さらに図５に示すように装置基板５０には、端縁５０ａが延びる基板面縦方向に間隔を空けて一対が配置された爪挿通孔５１ｂが形成されている。各々の爪挿通孔５１ｂは、端縁５０ｂが延びる基板面横方向に延びる矩形状の孔であって装置基板５０を厚さ方向に貫通している。爪挿通孔５１ｂには後述する測定部２０の爪部２８が挿通可能となっている。また装置基板５０には爪挿通孔５１ｂとは離れた位置で装置基板５０を厚さ方向に貫通するボルト挿通孔５１ｃが形成されている。本実施形態ではボルト挿通孔５１ｃは基板面縦方向および基板面横方向に爪挿通孔５１ｂと離れた位置で、基板面横方向に間隔をあけて一対が設けられている。

【0030】

（温度センサ）
図５に示すように温度センサ３０は、装置基板５０の表面上に設けられている。温度センサ３０は、後述する測定流路Ｆを流通するガスＧの温度Ｔを測定流路Ｆの下流側で測定可能となっている。温度センサ３０は装置基板ランド５３にはんだ付けによって固定されて装置基板パターン５２（図４参照）に電気的に接続されている。

【0031】

（圧力センサ）
圧力センサ７０は、温度センサ３０と同じように装置基板５０の表面上に設けられている。より具体的には圧力センサ７０は一対の爪挿通孔５１ｂに基板面縦方向に挟まれる位置で装置基板５０に設けられている。圧力センサ７０は後述する測定流路Ｆを流通するガスＧの圧力を測定流路Ｆの上流側で測定可能となっている。圧力センサ７０は装置基板ランド５３にはんだ付けによって固定されて装置基板パターン５２（図４参照）に電気的に接続されている基部７１と、基部７１から装置基板５０の表面と離れる方向に突出するセンサ部７２とを有している。圧力センサ７０で測定されたガスＧの圧力は、例えば後述する演算制御装置４０（図３参照）における演算において、圧力によって変動し得る定数を確定する際に用いられる。

【0032】

（測定部）
図４および図５に示すように測定部２０は、装置基板５０の表面上に固定されて設けられている。以下、装置基板５０を基準として表面から離れる方向を基板上方とし、装置基板５０の表面と反対側の裏面から離れる方向を基板下方とする。測定部２０は筒状をなしている。より具体的には測定部２０は、測定管２１と、測定管２１の両端部に設けられた超音波センサ取付部２２、温度センサ取付部２３、導出部２４、導入部２５、および圧力センサ取付部２６とを有している。

【0033】

（測定管）
測定管２１は、タンク１４（図３参照）からのガスＧが流通する測定流路Ｆを内側に形成する円筒状をなしている。測定管２１は例えばＡＢＳ樹脂等の樹脂材料によって形成されている。

【0034】

以下、測定管２１の延びる方向を測定部長手方向とする。測定部長手方向は上述の基板面縦方向に一致する。また測定部長手方向に直交する測定管２１の径方向を測定部径方向とし、測定管２１の周方向を測定部周方向とする。測定部径方向のうち、装置基板５０の表面に沿う方向が上述の基板面横方向に一致する。

【0035】

（超音波センサ取付部）
超音波センサ取付部２２は、測定管２１における測定部長手方向の両端部、すなわち測定流路Ｆの上流側および下流側の端部に一つずつ設けられている。本実施形態では超音波センサ取付部２２は測定管２１と同じ樹脂によって測定管２１と一体成型されている。超音波センサ取付部２２は測定管２１よりも外径が大径の筒状をなしている。図５に示すように各々の超音波センサ取付部２２には、測定部長手方向に貫通して測定流路Ｆにつながる断面円形状の孔である開口２２ａが形成されている。

【0036】

（温度センサ取付部）
温度センサ取付部２３は、測定流路Ｆの下流側の超音波センサ取付部２２Ｘに近接する位置で、測定管２１の外周面から基板下方に突出して設けられている。本実施形態では温度センサ取付部２３は測定管２１と同じ樹脂によって測定管２１と一体成型されている。温度センサ取付部２３の内側には、測定流路Ｆにつながる空間（不図示）が形成されている。この空間は基板下方に向かって開口し、装置基板５０に設けられた温度センサ３０を基板上方から覆うようにして装置基板５０の表面に接して温度センサ取付部２３が設けられている。温度センサ取付部２３にはボルト穴（被固定部）２３ａが設けられている。ボルト（固定部）３５が装置基板５０のボルト挿通孔５１ｃに装置基板５０の裏面側から挿通され、ボルト穴２３ａに螺合することで温度センサ取付部２３が装置基板５０に固定されている。これにより測定部２０と装置基板５０とが、装置基板５０の表面に沿う面方向（基板面縦方向および基板面横方向）へ相対移動することが規制されている。

【0037】

（導出部）
導出部２４は、測定流路Ｆの下流側の超音波センサ取付部２２Ｘに近接する位置で温度センサ取付部２３に設けられている。本実施形態では導出部２４は温度センサ取付部２３と同じ樹脂によって温度センサ取付部２３と一体成型されている。図５に示すように導出部２４は円筒状をなしている。そして導出部２４は温度センサ取付部２３から装置基板５０の表面に沿って測定部径方向の外側（基板面横方向）へ突出するとともに、温度センサ取付部２３の上記空間を介して測定流路Ｆに連通する導出流路Ｆ１を内側に形成している。したがって測定流路Ｆを流通したガスＧは、温度センサ取付部２３における上記空間を介して導出部２４から導出される。

【0038】

（導入部）
導入部２５は、測定流路Ｆの上流側の超音波センサ取付部２２Ｙに近接する位置で測定管２１の外周面から装置基板５０の表面に沿って測定部径方向の外側（基板面横方向）へ突出して導出部２４と平行に延びている。本実施形態では導入部２５は測定管２１と同じ樹脂によって測定管２１と一体成型されている。導入部２５は円筒状をなし、測定流路Ｆに連通する導入流路Ｆ２を内側に有している。導入部２５は後述の比例弁８０を介してタンク１４に接続されている（図２参照）。したがってタンク１４からは比例弁８０および導入流路Ｆ２を介して測定流路ＦにガスＧが流入するようになっている。

【0039】

ここで図６に示すように、導入部２５の外周面を貫通して基板下方に開口する流路開口２５ａが形成されている。流路開口２５ａは測定部径方向（基板面横方向）に、測定管２１から離れた位置で導入部２５に形成されている。

【0040】

（圧力センサ取付部）
次に圧力センサ取付部２６について図６から図８を参照して詳細に説明する。
圧力センサ取付部２６は導入部２５に設けられている。本実施形態では圧力センサ取付部２６は導入部２５と同じ樹脂によって圧力センサ取付部２６と一体成型されている。図６および図７に示すように圧力センサ取付部２６は、円筒形状の収容筒２６ｘを有している。収容筒２６ｘは装置基板５０の表面に対向する対向面２６ａと、対向面２６ａに開口する基板側開口２６ｂとを有している。収容筒２６ｘは導入部２５における流路開口２５ａを外周側から囲むように設けられている。収容筒２６ｘは導入部２５から基板下方に突出して測定管２１から装置基板５０の表面に向かって延びている。対向面２６ａは装置基板５０の表面に設けられた圧力センサ７０の基部７１に接近または接触していることで測定部２０を装置基板５０に支持する支持面として機能し、圧力センサ取付部２６は測定部２０を装置基板５０に支持する支持柱として機能する。

【0041】

また収容筒２６ｘの内部には導入部２５の内側の導入流路Ｆ２につながるセンサ配置空間Ｓが形成されている。センサ配置空間Ｓは対向面２６ａに開口する基板側開口２６ｂによって基板下方に向かって開口している。またセンサ配置空間Ｓは導入部２５の流路開口２５ａを通じて導入流路Ｆ２および測定流路Ｆに連通している。本実施形態では図７に示すように、センサ配置空間Ｓは流路開口２５ａと同心状に同径に形成されている。一方でセンサ配置空間Ｓの径寸法は基板側開口２６ｂよりも小径になっている。すなわち、収容筒２６ｘの内周面には、対向面２６ａからは基板側開口２６ｂに連続して基板上方に延びる環状の段部２６ｙが形成されており、段部２６ｙによって収容筒２６ｘの内径が装置基板５０に向かって拡径されている。そして圧力センサ取付部２６は、収容筒２６ｘによって、装置基板５０に設けられた圧力センサ７０のセンサ部７２を基板上方から覆うようにして装置基板５０に取り付けられている。

【0042】

段部２６ｙは対向面２６ａから基板上方に延びる環状の径方向面２６ｄ１、および、径方向面２６ｄ１に連続して基板下方を向く環状の段差面２６ｄ２によって形成されている。

【0043】

段部２６ｙには例えば樹脂製のパッキンであるシールリング２７（図５参照）が配置されている。装置基板５０に圧力センサ取付部２６が取り付けられた状態で、シールリング２７は段差面２６ｄ２と装置基板５０の表面とによって装置基板５０の厚さ方向に挟まれて、圧力センサ７０の基部７１と段差面２６ｄ２とに接触可能になっている。またシールリング２７は、圧力センサ７０のセンサ部７２を挿通させた状態で、センサ配置空間Ｓにセンサ部７２の一部を突出させている。すなわちセンサ部７２は収容筒２６ｘの内側に配置されている。シールリング２７は径方向面２６ｄ１とセンサ部７２の外周面との間に挟まれて弾性変形した状態となっている。これによりシールリング２７はセンサ配置空間Ｓを外気から隔離するように設けられている。

【0044】

ここで図８に示すように測定部２０には、圧力センサ取付部２６の収容筒２６ｘを測定部長手方向（基板面縦方向）から挟むようにして、一対の爪部２８が設けられている。よって爪部２８はセンサ配置空間Ｓ周りに設けられている。より具体的には、一対の爪部２８は導入部２５に支持された一対の腕２８ａと、各々の腕２８ａの先端に設けられた爪体２８ｂとを有している。なお測定部２０における爪部２８を設ける位置は本実施形態の場合に限定されるものではない。

【0045】

一対の腕２８ａは、導入部２５の外周面において導入部２５の周方向に１８０度離れた位置に設けられている。一対の腕２８ａは、導入部２５の外周面から測定部長手方向に互いに離れる側に延びた後に屈曲または湾曲し、基板下方に向かって延びる板状をなしている。そして一対の腕２８ａはセンサ配置空間Ｓを測定部長手方向から挟むように設けられている。

【0046】

爪体２８ｂは各々の腕２８ａの先端に設けられている。爪体２８ｂは圧力センサ取付部２６から離れる側へ腕２８ａから突出して設けられている。爪体２８ｂにおける腕２８ａからの突出寸法が基板下方に向かって漸次小さくなることで、爪体２８ｂは先細り形状をなしている。また爪体２８ｂには基板上方を向く平面状の爪面２９が設けられている。腕２８ａおよび爪体２８ｂは、装置基板５０の爪挿通孔５１ｂに基板上方から挿通可能になっているとともに、爪面２９が装置基板５０の裏面に係合するようになっている。すなわち爪面２９が係合する装置基板５０の裏面は係合面５０ｃとして機能する。圧力センサ取付部２６の対向面２６ａが装置基板５０の表面に接触した状態で爪体２８ｂが装置基板５０の係合面５０ｃに係合することで対向面２６ａおよび爪面２９によって圧力センサ７０の基部７１および装置基板５０が挟み込まれ、測定部２０と装置基板５０とが装置基板５０の厚さ方向へ相対移動することが規制されている。

【0047】

ここで図７および図８に示すように測定部２０には、導入部２５が設けられた測定部長手方向の位置において、測定管２１の外周面から基板下方に突出する位置決め突起２１ａが設けられている。爪部２８が装置基板５０に係合した状態で、この位置決め突起２１ａが装置基板５０に形成された位置決め孔５１ｄに挿通されるようになっている。

【0048】

（比例弁）
図４および図５に戻って、比例弁８０は装置基板５０の表面上に固定されている。比例弁８０は測定管２１に対して導入部２５および導出部２４が設けられた側で、装置基板５０の端縁５０ａに沿って、基板面縦方向（測定部長手方向）に導入部２５と導出部２４との間に配置されている。比例弁８０は濃縮装置本体１００の操作ボタン１２１で指定された数値に基づき、測定流路Ｆを流通するガスＧの流量を制御する。

【0049】

比例弁８０には、比例弁８０に対して装置基板５０の端縁５０ａから装置基板５０の表面に沿う面方向（測定部径方向）に一部が突出するとともに、装置基板５０と比例弁８０との間に介在された比例弁ブラケット８１が設けられている。比例弁ブラケット８１は、例えばボルト８５によって比例弁８０に取り付けられている。比例弁ブラケット８１は、比例弁８０を基板下方から支持するとともに、基板下方に突出する爪８１ａによって装置基板５０に取り付けられている。また比例弁ブラケット８１には、タンク１４に接続される入口部８２と、チューブ８４を介して導入部２５に接続される出口部８３とが設けられている。

【0050】

入口部８２は装置基板５０の端縁５０ａに沿って、測定部長手方向に導入部２５の側に向かって延びる円筒状をなしている。出口部８３は入口部８２に併設され、入口部８２を挟んで比例弁８０とは装置基板５０の表面に沿う面方向（測定部径方向）に反対側に配置されている。出口部８３は入口部８２と同様に装置基板５０の端縁５０ａに沿って測定部長手方向に導入部２５の側に向かって延びる円筒状をなしている。入口部８２と出口部８３とは比例弁８０を介して連通している。入口部８２および出口部８３と比例弁８０との間にはパッキン８６が介在されている。

【0051】

よってタンク１４内のガスＧが入口部８２に流入し、比例弁８０を経由して出口部８３に流入し、チューブ８４を介して導入部２５から測定流路Ｆに流入する。また後述する演算制御装置４０（図２参照）によって算出されるガスＧの流量が操作ボタン１２１で指定された流量となるように、比例弁８０が演算制御装置４０によってフィードバック制御されるようになっている。

【0052】

（超音波センサ）
超音波センサ６０は、測定部２０における超音波センサ取付部２２に一つずつ設けられている。よって超音波センサ６０は測定流路Ｆの上流側および下流側に対向して配置されている。各々の超音波センサ６０は、超音波素子６１と、超音波素子６１を支持する素子基板６２と、素子基板６２に設けられた基板端子６３とを有している。

【0053】

（超音波素子）
超音波素子６１は、超音波を発信および受信可能な送受信器である。超音波素子６１は、測定部２０における超音波センサ取付部２２の開口２２ａ内に配置されている。測定流路Ｆの上流側の超音波素子６１Ａから発信された超音波は、測定流路Ｆの下流側の超音波素子６１Ｂによって受信可能となっている。一方で、測定流路Ｆの下流側の超音波素子６１Ｂから発信された超音波は、測定流路Ｆの上流側の超音波素子６１Ａによって受信可能となっている。超音波素子６１は円柱状をなしており、開口２２ａ内に設置された状態で測定部長手方向に延びている。

【0054】

（素子基板）
素子基板６２は矩形のプリント基板であって、超音波素子６１が電気的に接続されている。素子基板６２は、測定部２０に対して測定部長手方向に対向して配置された状態で、ボルト９０によって測定部２０の超音波センサ取付部２２に固定される。

【0055】

ここで素子基板６２において、測定部長手方向に測定部２０の側を向く表面にシールリング６９が接触して設けられている。シールリング６９は樹脂製のパッキンである。シールリング６９は超音波素子６１および開口２２ａの外周側に設けられている。ボルト９０によって素子基板６２が測定部２０へ固定された状態、すなわち素子基板６２が測定部２０に押し付けられた状態でシールリング６９が押しつぶされて弾性変形し、素子基板６２と超音波センサ取付部２２との間の隙間がシールされている。

【0056】

（基板端子）
基板端子６３は素子基板６２に支持されて、測定部長手方向に超音波素子６１と同じ側に設けられている。また基板端子６３の一端は素子基板６２に電気的に接続されている。また基板端子６３の他端は、素子基板６２から基板下方に向かって突出している。そして基板端子６３の他端は装置基板５０の装置基板ホール５１ａに挿通されて、装置基板ランド５３に対してはんだ付けによって電気的に接続されている。

【0057】

そして本実施形態では素子基板６２の表面が、装置基板５０の表面に対して交差する（直交する）ように、素子基板６２が基板上方に向かって装置基板５０に立設されており、素子基板６２が装置基板５０の表面上に露出している。

【0058】

（演算制御装置）
図２に戻って演算制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭなどから構成されている。ＣＰＵは、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて各種機能を実現する。ＲＡＭは、ＣＰＵの作業領域として使用される。ＲＯＭは、ＣＰＵで実行されるプログラムを記憶する。本実施形態では演算制御装置４０は装置基板５０の裏面に設けられている（図５参照）。

【0059】

演算制御装置４０は、上流側の超音波素子６１Ａから発信されて下流側の超音波素子６１Ｂで受信されるまでの超音波の伝搬速度ｖ_ＦＷＤ〔ｍ／ｓ〕と、下流側の超音波素子６１Ｂから発信されて上流側の超音波素子６１Ａで受信されるまでの超音波の伝搬速度ｖ_ＲＥＶ〔ｍ／ｓ〕とを算出し、これらの伝搬速度ｖ_ＦＷＤ、ｖ_ＲＥＶの差分に基づいて測定流路Ｆを流通するガスＧの流量Ｑ〔ｍ^３／ｓ〕を算出する。

【0060】

上記の伝搬速度ｖ_ＦＷＤ、ｖ_ＲＥＶは、以下の式（１）、（２）によって算出される。なお、測定流路Ｆの長さ（超音波素子６１Ａ、６１Ｂ間の距離）をＬ〔ｍ〕とする。また、上流側の超音波素子６１Ａから発信されて下流側の超音波素子６１Ｂで受信されるまでの超音波の伝搬時間をｔ_ＦＷＤ〔ｓ〕とし、下流側の超音波素子６１Ｂから発信されて上流側の超音波素子６１Ａで受信されるまでの超音波の伝搬時間をｔ_ＲＥＶ〔ｓ〕とする。

【0061】

【数1】

【数2】

【0062】

ここで演算制御装置４０は、上記式（１）、（２）、および以下の式（３）、（４）から導かれる以下の式（５）によって測定流路Ｆを流通するガスＧの流速ｖ〔ｍ／ｓ〕を算出する。なお測定流路Ｆ内での超音波の音速をｃ〔ｍ／ｓ〕とする。

【0063】

【数3】

【数4】

【0064】

【数5】

【0065】

そして演算制御装置４０は以下の式（６）によって、測定流路Ｆを流通する酸素の流量Ｑ〔ｍ^３／ｓ〕を算出する。なお測定流路Ｆの流路断面積をＡ〔ｍ^２〕とする。演算制御装置４０は算出された流量Ｑが予め設定された流量となるように、比例弁８０の開度を制御する。

【0066】

【数6】

【0067】

次に、演算制御装置４０は上記の式（１）から（５）から導かれる以下の式（７）によって測定流路Ｆ内での超音波の音速ｃ〔ｍ／ｓ〕を算出する。

【0068】

【数7】

【0069】

ここで、ガス中を伝搬する超音波の音速ｃ〔ｍ／ｓ〕は、ガスの平均分子量Ｍ〔ｇ／ｍｏｌ〕と、ガスの温度Ｔ〔Ｋ〕との関数で表現できる。すなわち音速ｃ〔ｍ／ｓ〕は以下の式（８）によって算出される。なお、ｋは比熱比、Ｒは気体定数である。ガスＧの温度Ｔ〔Ｋ〕は温度センサ３０で測定した値であり、本実施形態では測定流路Ｆを流通するガスＧが酸素と窒素の２分子からなる混合ガスであるとしてｋ＝１．４とする。

【0070】

【数8】

【0071】

演算制御装置４０は、上記式（７）、（８）から、測定流路Ｆ中のガスＧの平均分子量Ｍ〔ｇ／ｍｏｌ〕を算出する。そして算出された平均分子量Ｍ〔ｇ／ｍｏｌ〕を基に、以下の式（９）によってガスＧ中の酸素濃度Ｐ_Ｏ２〔％〕を算出する。なお、Ｍ_Ｏ２〔ｇ／ｍｏｌ〕は酸素の分子量であり、Ｍ_Ｎ２〔ｇ／ｍｏｌ〕は窒素の分子量である。Ｍ_Ｏ２＝３２、Ｍ_Ｎ２＝２８である。なお演算制御装置４０は、酸素濃度が予め設定された値となるように上記の制御ユニット（不図示）へ信号を送信し、この制御ユニットで窒素吸着機構１３の制御が行われる。

【0072】

【数9】

【0073】

次に、図５を参照してガス濃度流量測定装置１５の組み立て方法について説明する。
まず、上記の超音波センサ６０を一対準備する（ステップＳＴ１）。その後、測定部２０の開口２２ａの各々の内側に、一つずつ超音波素子６１を配置するようにして超音波センサ取付部２２に対して測定部長手方向に素子基板６２を押しつけ、ボルト９０によって超音波センサ６０を測定部２０に固定する（ステップＳＴ２）。そして、比例弁８０、温度センサ３０、圧力センサ７０、および演算制御装置４０を装置基板５０に固定して、これらを装置基板５０に電気的に接続する（ステップＳＴ３）。そして、測定部２０を装置基板５０に固定するとともに、装置基板５０に対して測定部２０に固定された素子基板６２の基板端子６３を電気的に接続する（ステップＳＴ４）。

【0074】

ステップＳＴ４では、圧力センサ取付部２６における対向面２６ａを装置基板５０の表面に設けられた圧力センサ７０の基部７１に接近させるとともに、爪部２８を爪挿通孔５１ｂに挿通させる。爪体２８ｂが爪挿通孔５１ｂを通過する際には、爪体２８ｂが爪挿通孔５１ｂによって押されて腕２８ａが弾性変形して腕２８ａ同士の間隔が小さくなる（図８参照）。そして爪体２８ｂが爪挿通孔５１ｂを通過した後に復元力によって腕２８ａ同士の間隔が元に戻ると、爪体２８ｂにおける爪面２９が装置基板５０の裏面に係合する。また対向面２６ａを圧力センサ７０に接近させた際には、基板側開口２６ｂを通じて圧力センサ７０のセンサ部７２がセンサ配置空間Ｓに配置される。

【0075】

またステップＳＴ４では、温度センサ取付部２３のボルト穴２３ａに対して、装置基板５０の裏面からボルト挿通孔５１ｃに挿通されたボルト３５が螺合することで、装置基板５０に測定部２０が固定される。
なお比例弁８０および演算制御装置４０はステップＳＴ４の後に装置基板５０に固定されてもよい。

【0076】

以上説明した本実施形態の酸素濃縮装置１では、ガス濃度流量測定装置１５の測定部２０には爪部２８が設けられている。また測定部２０には爪部２８とは離れた位置でボルト穴２３ａが設けられている。このため爪部２８を装置基板５０の裏面（係合面５０ｃ）に係合させるとともに、ボルト穴２３ａにボルト３５を螺合させることで測定部２０を装置基板５０に固定できる。このように爪部２８を設けたことで、ボルト３５による固定箇所を削減することができ、ガス濃度流量測定装置１５の組み立てを簡素化でき、コストを低減することができる。

【0077】

またセンサ配置空間Ｓを形成する圧力センサ取付部２６の収容筒２６ｘが測定管２１から基板下方に向かって延びている。そして収容筒２６ｘにはセンサ配置空間Ｓを装置基板５０の表面に向けて開口させる基板側開口２６ｂが設けられている。そして対向面２６ａを圧力センサ７０の基部７１に接近させて対向させ、爪部２８を装置基板５０の裏面に係合させることによって容易に圧力センサ７０をセンサ配置空間Ｓに配置できる。センサ配置空間Ｓは測定流路Ｆに連通しているので、爪部２８を装置基板５０に係合させるのみで必然的に圧力センサ７０がガスＧに接触可能な位置に配置される。よってガス濃度流量測定装置１５の組み立ての作業性を向上することができる。

【0078】

さらに爪部２８がセンサ配置空間Ｓを挟むように一対設けられている。よって爪部２８が装置基板５０に係合した際には、対向面２６ａを圧力センサ７０の基部７１にしっかりと押し付けることができ、対向面２６ａと圧力センサ７０との間に隙間が生じにくくなる。よって圧力センサ７０周りにおいてガスＧが測定部２０の外への漏れ出てしまうことを回避できる。

【0079】

また圧力センサ取付部２６にはシールリング２７が設けられている。このため圧力センサ取付部２６と圧力センサ７０との間がシールされる。よってセンサ配置空間Ｓ内の圧力センサ７０周りのガスＧが測定部２０の外へ漏れ出てしまうことを回避できる。

【0080】

さらにシールリング２７は段部２６ｙに配置されている。したがってガス濃度流量測定装置１５の組み立て時におけるシールリング２７の位置ずれを回避することができる。

【0081】

本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上記実施形態の場合は測定部２０に爪部２８を設けたが、装置基板５０側に爪部２８を設け、爪部２８に係合する係合面５０ｃを測定部２０に設けてもよい。

【0082】

また圧力センサ７０は測定流路Ｆよりも下流側に設けられてもよい。この場合、導出流路Ｆ１とセンサ配置空間Ｓとが連通するように圧力センサ取付部２６を設けるようにする。よって圧力センサ７０の設置位置は上述の場合に限定されない。また圧力センサ７０の全体をセンサ配置空間Ｓによって覆うように圧力センサ取付部２６を設けてもよい。この場合、対向面２６ａは装置基板５０の表面に接触する。

【0083】

さらに段部２６ｙに代えて、圧力センサ取付部２６には対向面２６ａから突出するように径方向面２６ｄ１を有する突起等を形成してもよい。

【0084】

また、装置基板５０上における温度センサ３０、演算制御装置４０、および比例弁８０の設置位置は上述の場合に限定されない。さらに上述の実施形態では温度センサ取付部２３にボルト穴２３ａを設けて測定部２０を装置基板５０にボルト３５で固定しているが、ボルト穴２３ａは測定部２０における他の位置に形成してもよい。すなわち、爪部２８とは異なる位置でボルト３５によって測定部２０が装置基板５０に固定されればよい。また固定部としてボルト３５に代えて結束バンドや爪等を使用してもよい。

【0085】

また、上記のガス濃度流量測定装置１５は、酸素濃縮装置１以外の装置にも使用可能である。また酸素濃縮装置１はＰＳＡ方式の装置に限定されることなく、膜分離方式などの他の方式を用いた装置であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0086】

本発明のガス濃度流量測定装置等によれば、組み立ての簡素化を図り、コスト低減が可能である。

【符号の説明】

【0087】

１ 酸素濃縮装置
１５ ガス濃度流量測定装置
２０ 測定部
２１ 測定管（流路形成部）
２３ 温度センサ取付部
２３ａ ボルト穴（被固定部）
２４ 導出部
２５ 導入部
２５ａ 流路開口
２６ 圧力センサ取付部
２６ｘ 収容筒
２６ｙ 段部
２６ａ 対向面
２６ｂ 基板側開口
２６ｄ１ 径方向面
２６ｄ２ 段差面
２７ シールリング
２８ 爪部
２８ａ 腕
２８ｂ 爪体
２９ 爪面
３０ 温度センサ
３５ ボルト（固定部）
４０ 演算制御装置
５０ 装置基板
５０ａ 端縁
５０ｂ 端縁
５１ａ 装置基板ホール
５１ｂ 爪挿通孔
５１ｃ ボルト挿通孔
６９ シールリング
７０ 圧力センサ
１００ 濃縮装置本体
Ａ 空気
Ｇ 酸素含有ガス
Ｆ 測定流路
Ｆ１ 導出流路
Ｆ２ 導入流路
Ｓ センサ配置空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】