JP4805091B2 - Thermal mass flow sensor and mass flow controller - Google Patents

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Description

本発明は、例えばマスフローコントローラにおける流量制御の際などに用いられる熱式質量流量センサに関するものである。   The present invention relates to a thermal mass flow sensor used for flow control in a mass flow controller, for example.

従来、試料ガスの流れる金属製の中空細管の外側に、2本の感熱抵抗体をコイル状に巻いて形成した上流側センサ部と下流側センサ部とを備えたセンサ部を具備する熱式質量流量センサが知られている。   Conventionally, a thermal mass provided with a sensor unit including an upstream sensor unit and a downstream sensor unit formed by winding two thermal resistors in a coil shape outside a metal hollow thin tube through which a sample gas flows. A flow sensor is known.

具体的に、中空細管は、感熱抵抗体により加熱されており、試料ガスが流れていないときは、2つのコイルの中心に対して対称的な温度分布となっている。これに対し、試料ガスが中空細管内に流れているときは、下流側センサ部には、上流側センサ部によって温められた試料ガスが流入するため、上流側センサ部と比べて温度が高くなり、上流側センサ部及び下流側センサ部間に温度差が形成される。この結果、前記温度分布が非対称となる。   Specifically, the hollow thin tube is heated by the thermal resistor, and when the sample gas is not flowing, the temperature distribution is symmetrical with respect to the centers of the two coils. On the other hand, when the sample gas flows in the hollow thin tube, the sample gas heated by the upstream sensor unit flows into the downstream sensor unit, and therefore the temperature is higher than that of the upstream sensor unit. A temperature difference is formed between the upstream sensor unit and the downstream sensor unit. As a result, the temperature distribution becomes asymmetric.

このときの温度差(ΔT)と試料ガスの質量流量には一定の関係が成り立っているので、温度差を、両センサ部に対して設けたブリッジ回路により検出することで、質量流量を測定できるように構成されている(例えば、特許文献1参照)。
特許公開平7−271447
Since a certain relationship is established between the temperature difference (ΔT) and the mass flow rate of the sample gas at this time, the mass flow rate can be measured by detecting the temperature difference using a bridge circuit provided for both sensor units. (For example, refer patent document 1).
Patent Publication 7-271447

しかしながら、このような従来の構成では、例えば、センサ感度を上げたり、フルスケール(FS)レンジを広げたりするためにセンサ部(コイル)全体の平均温度を上げると、ガス種によっては化学反応しやすいといった問題点を有している。   However, in such a conventional configuration, for example, when the average temperature of the entire sensor unit (coil) is increased in order to increase the sensor sensitivity or expand the full scale (FS) range, a chemical reaction occurs depending on the gas type. It has the problem of being easy.

また、従来のようにセンサ部全体に亘って単位長さ当たりの巻数が同じものでは、そのセンサ部によって中空細管の平均温度を上げた場合、平均温度を上げた後の中空細管の温度分布(図13(Jb))と平均温度を上げる前の中空細管の温度分布(図13(Ja))とを比べても、温度分布の中央に現れるピークの鋭さはほとんど変わらず、微小な変化を好適に検知することは困難であり、センサ感度を向上できるとは言い切れない。   Further, in the case where the number of turns per unit length is the same throughout the entire sensor unit as in the prior art, when the average temperature of the hollow thin tubes is increased by the sensor unit, the temperature distribution of the hollow thin tubes after the average temperature is increased ( Compared with FIG. 13 (Jb)) and the temperature distribution of the hollow thin tube before raising the average temperature (FIG. 13 (Ja)), the sharpness of the peak appearing at the center of the temperature distribution is hardly changed, and a minute change is preferable. Therefore, it cannot be said that the sensor sensitivity can be improved.

また、特に低蒸気圧ガスの流量を精度良く検知するには、上流側感熱抵抗体及び下流側感熱抵抗体間に生じる温度差に対する流量変化の直線性(以下、「直線性」と略す)を確保できる流量を、センサ部へ流す必要があり(直線性の確保できる流量をセンサ部へ流すフルスケール流量とすることを初段制限という)、他の試料ガスを検知する場合に比べ、フルスケールが制限され、また、センサ感度が低下するといった問題点を有している。   In particular, in order to accurately detect the flow rate of low vapor pressure gas, the linearity of the flow rate change with respect to the temperature difference generated between the upstream side thermal resistor and the downstream side thermal resistor (hereinafter abbreviated as “linearity”). It is necessary to flow the flow rate that can be secured to the sensor unit (referring to the full-scale flow rate that flows to the sensor unit as the flow rate that can ensure linearity is called the first stage restriction), compared to the case where other sample gases are detected. However, there is a problem that the sensor sensitivity is reduced.

このようなことは、上述した定電流型制御の場合に限らず、定温度型制御の場合において、電力差に対する流量変化の直線性及び微小な変化の検出を行う場合も同様に問題となっている。   This is not only the case of the constant current type control described above, but also in the case of the constant temperature type control, the linearity of the flow rate change with respect to the power difference and the detection of a minute change are also a problem. Yes.

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、主たる目的は、直線性の確保できる領域を拡大させてフルスケールを広げ、また高感度に流量を検知できるといった、熱式質量流量センサを提供し、また、マスフローコントローラに採用した場合にあっては、フルスケールを広げ、さらに高精度な流量制御を実現し得るマスフローコントローラを提供することにある。   The present invention has been made paying attention to such problems, and the main purpose is to expand the area where the linearity can be ensured, expand the full scale, and detect the flow rate with high sensitivity. To provide a mass flow controller that can provide a mass flow sensor and, when employed in a mass flow controller, expands the full scale and realizes highly accurate flow control.

すなわち、本発明に係る熱式質量流量センサは、試料ガスが流れる中空細管と、温度の変化にともなって電気抵抗値が増減する感熱抵抗体から成り且つ前記中空細管の上流側及び下流側にそれぞれコイル状に巻き付けて成る上流側センサ部及び下流側センサ部とを具備し、前記両センサ部の抵抗値変化に基づいて、前記中空細管を流れる試料ガスの流量を検知するようにした熱式質量流量センサであって、前記両センサ部が、それぞれの両端部のうち各センサ部が合い寄る内側の所定領域に、その外側領域よりも前記感熱抵抗体の単位長さ当たりの巻数を多くした多数巻部を具備していることを特徴とする。   That is, the thermal mass flow sensor according to the present invention is composed of a hollow thin tube through which a sample gas flows and a thermal resistor whose electric resistance value increases or decreases as the temperature changes, and is provided upstream and downstream of the hollow thin tube, respectively. A thermal mass comprising an upstream sensor section and a downstream sensor section wound in a coil shape, and detecting the flow rate of the sample gas flowing through the hollow thin tube based on a change in resistance value of both sensor sections. The flow sensor, wherein both of the sensor parts have a larger number of turns per unit length of the thermal resistor than the outer area in a predetermined area inside each sensor part of each of both ends. A winding portion is provided.

ここで、「単位長さ当たりの巻数を多く」とは、例えば、感熱抵抗体の巻付間隔を一定としながら各センサ部の内側の所定領域のみを複数段(例えば、2段)に巻き付けることでその内側の所定領域における巻数をその外側領域のものよりも多くするといった態様や、巻き付ける段数を1段としながら各センサ部の内側の所定領域における巻付間隔を、その外側領域の巻付間隔よりも狭めることで、その内側の所定領域における巻数を多くするといった態様などが挙げられる。   Here, “more windings per unit length” means, for example, that only a predetermined area inside each sensor unit is wound in a plurality of stages (for example, two stages) while keeping the winding interval of the thermal resistor constant. Thus, the number of windings in the predetermined region on the inside is larger than that in the outer region, and the winding interval in the predetermined region inside each sensor unit while the number of winding steps is one, the winding interval in the outer region For example, an aspect of increasing the number of turns in a predetermined region inside the narrower region by narrowing the width of the wire is included.

このようなものによれば、各センサ部の感熱抵抗体を所定幅で設けることにより、中空細管内に流れる試料ガス中の分子に対して、直線性(上流側センサ部及び下流側センサ部間に生じる温度差(電力差)に対する流量変化の直線性)の確保に必要な熱量を与えることができる。   According to such a configuration, by providing the thermal resistor of each sensor part with a predetermined width, linearity (between the upstream sensor part and the downstream sensor part) can be obtained with respect to the molecules in the sample gas flowing in the hollow thin tube. The amount of heat necessary to ensure the linearity of the flow rate change with respect to the temperature difference (power difference) generated in

一方、各センサ部の内側の所定領域に設けた多数巻部により、図10のHaに示すように、センサ部全体の温度分布に現れる中央のピークを鋭くすることができる。したがって、検知時に上流/下流での差を大きくすることができ、変化を高感度に捉えることができるので、センサ感度が向上する。   On the other hand, a multiple peak provided in a predetermined region inside each sensor unit can sharpen the central peak appearing in the temperature distribution of the entire sensor unit, as indicated by Ha in FIG. Therefore, the upstream / downstream difference can be increased at the time of detection, and the change can be captured with high sensitivity, so that the sensor sensitivity is improved.

また、特に、低蒸気圧ガスのように初段制限が必要で厳しくフルスケールが制限される試料ガスに対しても、直線性の確保できる領域を拡大させフルスケールを拡げ、且つセンサを高感度化できるため、良好に流量を検知できる。   In particular, even for sample gases that require a first-stage restriction, such as low vapor pressure gas, and where full scale is severely restricted, the area where linearity can be secured is expanded to expand full scale, and the sensor is highly sensitive. Therefore, the flow rate can be detected well.

中空細管中央に現れる温度分布のピークを鋭くさせるには、各多数巻部が、各センサ部の内側端から設けられていることが好ましい。   In order to sharpen the peak of the temperature distribution that appears at the center of the hollow thin tube, it is preferable that each of the multiple winding portions is provided from the inner end of each sensor portion.

本発明の多数巻部の望ましい態様としては、一本の感熱抵抗体のうち前記中空細管の外周に所定幅で巻き付けて成る1段目の巻線部と、前記一本の感熱抵抗体のうち前記1段目の巻線部に巻き付けた残りの感熱抵抗体の全部または一部を前記1段目の巻線部に重ねて前記所定幅よりも幅狭で巻き付けて成る多段目の巻線部とを具備し、前記多数巻部が、前記多段目の巻線部により構成されているものが挙げられる。   As a desirable aspect of the multi-winding portion of the present invention, among the one thermal resistor, the first-stage winding portion wound around the outer periphery of the hollow thin tube with a predetermined width, and the one thermal resistor A multi-stage winding section formed by overlapping all or a part of the remaining heat-sensitive resistor wound around the first-stage winding section on the first-stage winding section so as to have a width smaller than the predetermined width. And the multi-winding part is constituted by the multi-stage winding part.

本発明の望ましい態様としては、前記多段目の巻線部の巻幅を、前記1段目の巻線部の巻幅の1/2以下に設定しているものが挙げられる。   As a desirable mode of the present invention, one in which the winding width of the multi-stage winding portion is set to ½ or less of the winding width of the first-stage winding portion can be mentioned.

ところで、フルスケールを広げ、高精度な流量制御を実現できるマスフローコントローラを提供するには、このマスフローコントローラが、上述した熱式質量流量センサと、試料ガスが流れる流路に設けた流量制御バルブと、前記熱式質量流量センサの出力する測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御バルブの弁開度を制御する制御部と、を具備して成ることが望ましい。   By the way, in order to provide a mass flow controller that can expand the full scale and realize high-accuracy flow control, the mass flow controller includes the above-described thermal mass flow sensor, and a flow control valve provided in the flow path through which the sample gas flows. It is desirable that the apparatus further comprises a measured flow rate value output from the thermal mass flow sensor and a control unit that controls the valve opening degree of the flow rate control valve based on a set flow rate value that is a target flow rate.

このように本発明に係る熱式質量流量センサは、各センサ部の感熱抵抗体を所定幅で設けることにより、中空細管内に流れる試料ガス中の分子に対して、直線性の確保に必要な熱量を与えることができる。   As described above, the thermal mass flow sensor according to the present invention is necessary for ensuring the linearity with respect to the molecules in the sample gas flowing in the hollow thin tube by providing the thermal resistor of each sensor portion with a predetermined width. The amount of heat can be given.

一方、各センサ部の内側の所定領域に設けた多数巻部により、センサ部全体の温度分布に現れる中央のピークを鋭くすることができる。したがって、検知時に上流/下流での差を大きくすることができ、変化を高感度に捉えることができるので、センサ感度が向上する。   On the other hand, the central peak appearing in the temperature distribution of the entire sensor portion can be sharpened by the multiple winding portions provided in a predetermined region inside each sensor portion. Therefore, the upstream / downstream difference can be increased at the time of detection, and the change can be captured with high sensitivity, so that the sensor sensitivity is improved.

また、特に、低蒸気圧ガスのように初段制限が必要で厳しくフルスケールが制限される試料ガスに対しても、直線性の確保できる領域を拡大させフルスケールを拡げ、且つセンサを高感度化できるため、良好に流量を検知できる。   In particular, even for sample gases that require a first-stage restriction, such as low vapor pressure gas, and where full scale is severely restricted, the area where linearity can be secured is expanded to expand full scale, and the sensor is highly sensitive. Therefore, the flow rate can be detected well.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

本実施形態の熱式質量流量センサAは、図1に模式図を示すように、中空細管1と、この中空細管1の上流側及び下流側にそれぞれ設けられた上流側センサ部としての上流側コイル2a及び下流側センサ部としての下流側コイル2b(以下、「コイル2」と総称する)とを具備し、試料ガスGの瞬時流量がコイル2によって電気信号(抵抗値)として検出された後、内部電気回路3(ブリッジ回路31、増幅回路32、補正回路33)によってその電気信号が増幅等されて、検出流量に応じた値を有するセンサ出力信号として出力されるようにしたものである。以下、各部について、具体的に説明する。   As shown in the schematic diagram of FIG. 1, the thermal mass flow sensor A of the present embodiment includes a hollow thin tube 1 and an upstream side as an upstream side sensor unit provided on the upstream side and the downstream side of the hollow thin tube 1 respectively. A coil 2a and a downstream coil 2b as a downstream sensor section (hereinafter collectively referred to as "coil 2"), and after the instantaneous flow rate of the sample gas G is detected by the coil 2 as an electrical signal (resistance value) The electric signal is amplified by the internal electric circuit 3 (bridge circuit 31, amplifier circuit 32, correction circuit 33) and output as a sensor output signal having a value corresponding to the detected flow rate. Hereinafter, each part is demonstrated concretely.

中空細管1は、長手方向に各部略等断面形状を有するステンレス製のものであって、本実施形態では、逆U字状を成すようにしてベース4に立設させている。なお、実施態様に応じて、該中空細管1の内径寸法および外径寸法を変更することができ、また、他の素材を用いて形成することもできる。また、中空細管1を支持するベース4を、省略した構成とすることもできる。   The hollow thin tube 1 is made of stainless steel having substantially the same cross-sectional shape in the longitudinal direction. In this embodiment, the hollow thin tube 1 is erected on the base 4 so as to form an inverted U shape. Note that, depending on the embodiment, the inner diameter and the outer diameter of the hollow thin tube 1 can be changed, and other hollow materials can be used. Further, the base 4 that supports the hollow thin tube 1 may be omitted.

上流側コイル2aは、温度の変化にともなって電気抵抗値が増減する感熱抵抗体Kを巻きつけて成るものであって、本実施形態では、図2に示すように、両端部のうち下流側コイル2b側の所定領域X(換言すると、各コイル2が合い寄る内側の所定領域X)に、その外側領域Yよりも感熱抵抗体Kの単位長さ当たりの巻数を多くした多数巻部としての多重巻部Tを具備して成る。   The upstream coil 2a is formed by winding a thermal resistor K whose electrical resistance value increases or decreases with a change in temperature. In this embodiment, as shown in FIG. As a multi-winding portion in which the number of turns per unit length of the thermal resistor K is larger than that in the outer region Y in the predetermined region X on the coil 2b side (in other words, the inner predetermined region X where each coil 2 approaches). A multi-winding portion T is provided.

具体的に本実施形態では、この多重巻部Tを、1段目の巻線部m1に対して2重巻きした2段目の巻線部m2に設定している。   Specifically, in this embodiment, the multiple winding portion T is set to the second winding portion m2 that is double-wound with respect to the first winding portion m1.

ここで、1段目の巻線部m1は、一本の感熱抵抗体Kのうち前記中空細管1の外周に所定幅で巻き付けて成るものである。   Here, the first winding portion m1 is formed by winding the outer circumference of the hollow thin tube 1 with a predetermined width in one thermal resistor K.

また、2段目の巻線部m2は、前記一本の感熱抵抗体Kのうち前記1段目の巻線部m1に巻き付けた残りの感熱抵抗体Kの全部を、該1段目の巻線部m1の内側端m11から外側端m12に向けて該1段目の巻線部m1の外周に前記所定幅よりも幅狭(1/10程度)で巻き付けて成るものである。   Further, the second-stage winding part m2 includes all of the remaining thermal resistor K wound around the first-stage winding part m1 among the one thermal resistor K. The wire portion m1 is wound around the outer periphery of the first-stage winding portion m1 from the inner end m11 to the outer end m12 so as to be narrower (about 1/10) than the predetermined width.

下流側コイル2bは、上流側コイル2aに用いた感熱抵抗体Kと同じ感熱抵抗体Kを、中心線CLで対称にして巻きつけて成るものであって、本実施形態では、両端部のうち上流側コイル2a側の所定領域X(換言すると、各コイル2が合い寄る内側の所定領域X)に、その外側領域Yよりも感熱抵抗体Kの単位長さ当たりの巻数を多くした多重巻部Tを具備して成る。なお、該下流側コイル2bの多重巻部Tの構成は、上流側コイル2aの多重巻部Tの構成と同様としている。   The downstream coil 2b is formed by winding the same thermal resistor K as the thermal resistor K used for the upstream coil 2a symmetrically with respect to the center line CL. Multiple winding portions in which the number of turns per unit length of the thermal resistor K is larger than that of the outer region Y in the predetermined region X on the upstream coil 2a side (in other words, the predetermined region X on the inner side where each coil 2 approaches) T is comprised. The configuration of the multiple winding portion T of the downstream coil 2b is the same as the configuration of the multiple winding portion T of the upstream coil 2a.

以下、コイル2を構成する1段目の巻線部m1および2段目の巻線部m2の役割(センサ感度特性に対する影響、直線性に対する影響)を明らかにするためにCAE解析によるシミュレーションを行った。その結果を、図3〜図5に示しながら、各巻線部の役割を説明する。   Hereinafter, in order to clarify the role of the first winding part m1 and the second winding part m2 constituting the coil 2 (influence on sensor sensitivity characteristics, influence on linearity), a simulation by CAE analysis is performed. It was. The results of the results will be described with reference to FIGS.

なお、シミュレーションは、コイル2の平均温度を一定とし、試料ガスとしてはCを用いている。また、巻線仕様等の条件は、図3〜図5中に明示している場合を除き、次の条件とした。 In the simulation, the average temperature of the coil 2 is constant, and C 4 F 8 is used as the sample gas. Moreover, conditions, such as winding specification, were made into the following conditions except when clearly shown in FIGS.

<C4F8>
分子量:200g
密度(760Torr(21.1度)):8.66kg/m3
定圧比熱(760Torr(21.1度)):159J/(mol・K)
熱伝導比熱(760Torr(21.1度)):0.0102W/(m・K)
粘性率(760Torr(21.1度)):0.012mPa・s
<C4F8>
Molecular weight: 200g
Density (760 Torr (21.1 degrees)): 8.66 kg / m3
Constant pressure specific heat (760 Torr (21.1 degrees)): 159 J / (mol · K)
Heat conduction specific heat (760 Torr (21.1 degrees)): 0.0102 W / (m · K)
Viscosity (760 Torr (21.1 degrees)): 0.012 mPa · s

(1)1段目の巻幅を「変化」させ、2段目の巻幅を「固定」した場合のシミュレーション結果を、図3に示す。   (1) FIG. 3 shows a simulation result when the first stage winding width is “changed” and the second stage winding width is “fixed”.

ここで、図3において、横軸は試料ガスCの流量を示し、縦軸は、上流側コイル2aと下流側コイル2b中央とがつくる平均の温度差を示している。なお、試験パラメータ以外の条件を均一に揃えるため、この温度差は正規化された温度差をとっている。 Here, in FIG. 3, the horizontal axis represents the flow rate of the sample gas C 4 F 8 , and the vertical axis represents the average temperature difference created by the upstream coil 2a and the center of the downstream coil 2b. Note that this temperature difference is a normalized temperature difference in order to uniformly prepare conditions other than the test parameters.

図3から解るように、2段目の巻幅を固定としながら1段目の巻幅を多くしても、感度変化に大きな変化が現れないことが解る。すなわち、センサ感度特性については、2段目の巻線部m2の巻幅が支配的であると考えられる。   As can be seen from FIG. 3, even if the first stage winding width is increased while the second stage winding width is fixed, no significant change appears in the sensitivity change. That is, with respect to the sensor sensitivity characteristic, it is considered that the winding width of the second winding part m2 is dominant.

(2)1段目の巻幅を「固定」し、2段目の巻幅を「変化」させた場合のシミュレーション結果を、図4に示す。   (2) FIG. 4 shows a simulation result when the first stage winding width is “fixed” and the second stage winding width is “changed”.

ここで、図4において、横軸および縦軸は図3と同様としている。   Here, in FIG. 4, the horizontal axis and the vertical axis are the same as those in FIG.

図4から解るように、1段目の巻幅を固定としながら2段目の巻幅を多くしても、直線性変化が少ないことが解る。すなわち、直線性については、1段目の巻線部m1が支配的であると考えられる。   As can be seen from FIG. 4, even if the winding width of the second stage is increased while the winding width of the first stage is fixed, the change in linearity is small. That is, with regard to linearity, it is considered that the first-stage winding portion m1 is dominant.

(3)1段目、2段目の巻幅を略等しくした場合(巻線仕様I)と、1段目の巻幅を2段目の巻幅の約8.3倍とした場合(巻線仕様II)とを比較したシミュレーション結果を、図5に示す。   (3) When the first and second winding widths are substantially equal (winding specification I) and when the first winding width is about 8.3 times the second winding width (winding) The simulation result comparing with the line specification II) is shown in FIG.

ここで、図5において、横軸および縦軸は図3と同様としている。   Here, in FIG. 5, the horizontal axis and the vertical axis are the same as those in FIG.

図5から解るように、巻線仕様IIが巻線仕様Iに比べ、直線性が優れていることがわかる。   As can be seen from FIG. 5, the winding specification II is superior to the winding specification I in terms of linearity.

(4)次に、2段目の巻線部m2の1段目の巻線部m1に対する配置位置を変化させたとき(図6〜図8)の影響を明らかにするためにCAE解析によるシミュレーションを行った。その結果を、図9に示しながら、各巻線部の役割を説明する。   (4) Next, in order to clarify the influence when the arrangement position of the second-stage winding part m2 with respect to the first-stage winding part m1 is changed (FIGS. 6 to 8), simulation by CAE analysis is performed. Went. The role of each winding part will be described with reference to the result shown in FIG.

なお、シミュレーション条件は上述の条件と同様としている。   The simulation conditions are the same as those described above.

図6は、本実施形態に係る配置であり、2段目の巻線部m2を、1段目の巻線部m1におけるコイル2が合い寄る側である内側端部(換言すると各コイル2の「両内」)に配置した態様を示す図である。   FIG. 6 is an arrangement according to the present embodiment, in which the second winding portion m2 is connected to the inner end portion (in other words, each coil 2 of the first winding portion m1). It is a figure which shows the aspect arrange | positioned in "both inside").

図7は、本実施形態との比較例に係る配置であり、2段目の巻線部m2を、1段目の巻線部m1の中央に配置した態様を示す図である。   FIG. 7 is an arrangement according to a comparative example with the present embodiment, and is a diagram showing an aspect in which the second-stage winding part m2 is arranged at the center of the first-stage winding part m1.

図8は、本実施形態との比較例に係る配置であり、2段目の巻線部m2を、1段目の巻線部m1におけるコイル2が合い寄らない側である外側端部(換言すると各コイル2の「両外」)に配置した態様を示す図である。   FIG. 8 shows an arrangement according to a comparative example with the present embodiment, in which the second winding portion m2 is placed on the outer end portion (in other words, the side where the coil 2 in the first winding portion m1 does not come together). Then, it is a figure which shows the aspect arrange | positioned in "both outside") of each coil 2. FIG.

図9において、横軸および縦軸は図3と同様としている。   In FIG. 9, the horizontal axis and the vertical axis are the same as those in FIG.

図9から解るように、2段目の巻線部m2を、1段目の巻線部m1におけるコイル2が合い寄る側である「両内」に配置した場合が、他の2つの場合に比べ、上流側コイル2aと下流側コイル2bと温度差を大きくとれるので、センサ感度を向上できることが解る。   As can be seen from FIG. 9, the case where the second winding part m <b> 2 is arranged in “both sides” on the side where the coil 2 in the first winding part m <b> 1 approaches is the other two cases. In comparison, the temperature difference between the upstream coil 2a and the downstream coil 2b can be increased, so that it is understood that the sensor sensitivity can be improved.

したがって、本実施形態に係る熱式質量流量センサAによれば、各コイル2の外側領域Yに巻き付けた感熱抵抗体Kにより、中空細管1内に流れる試料ガス中の分子に対して、効率的に直線性の確保に必要な熱量を与えることができる。   Therefore, according to the thermal mass flow sensor A according to the present embodiment, the thermal resistor K wound around the outer region Y of each coil 2 is efficient for the molecules in the sample gas flowing in the hollow thin tube 1. The amount of heat necessary to ensure linearity can be given to the.

一方、各コイル2の内側の所定領域Xに設けた多数巻部Tにより、図10のHaに示すように、コイル2全体の温度分布に現れる中央のピークを鋭くすることができる。したがって、検知時に上流/下流での差を大きくすることができ、変化を高感度に捉えることができるので、センサ感度が向上する。   On the other hand, the multiple peaks T provided in the predetermined region X inside each coil 2 can sharpen the central peak appearing in the temperature distribution of the entire coil 2 as indicated by Ha in FIG. Therefore, the upstream / downstream difference can be increased at the time of detection, and the change can be captured with high sensitivity, so that the sensor sensitivity is improved.

このように、センサ部(コイル2)全体の平均温度を無用に上げることなく中空細管1中央に現れる温度分布のピークを鋭くしてセンサ感度を向上できるため、例えば、低蒸気圧ガスのように初段制限が必要で厳しくフルスケールが制限される試料ガスに対しても、直線性の確保できる領域を拡大させフルスケールを拡げ、且つセンサを高感度化できるため、良好に流量を検知できる。   Thus, the sensor sensitivity can be improved by sharpening the peak of the temperature distribution appearing at the center of the hollow thin tube 1 without unnecessarily increasing the average temperature of the entire sensor unit (coil 2). Even for a sample gas that requires a first stage restriction and the full scale is severely restricted, the flow rate can be detected satisfactorily because the area where the linearity can be secured can be expanded to expand the full scale and the sensor can be highly sensitive.

また、各多数巻部としての多重巻部Tを、各コイル2の内側端から設けているので、中空細管1中央に現れる温度分布のピークを鋭くできる。   Moreover, since the multiple winding part T as each multiple winding part is provided from the inner end of each coil 2, the peak of the temperature distribution which appears in the center of the hollow thin tube 1 can be sharpened.

また、一本の感熱抵抗体Kのうち前記中空細管1の外周に所定幅で巻き付けて成る1段目の巻線部m1と、前記一本の感熱抵抗体Kのうち前記1段目の巻線部m1に巻き付けた残りの感熱抵抗体Kの全部または一部を前記1段目の巻線部m1に重ねて前記所定幅よりも幅狭で巻き付けて成る2段目の巻線部m2とを具備し、多数巻部Tを、2段目の巻線部m2により構成しているため、簡単に製造できるうえ、所定幅で巻き付けた1段目の巻線部m1により中空細管1内に流れる試料ガス中の分子に対して直線性の確保に必要な熱量を与えながら、その1段目の巻線部m1に重ねて前記所定幅よりも幅狭で巻き付けた2段目の巻線部m2によりコイル2全体の温度分布に現れる中央のピークを、好適に鋭くすることができる。このように、直線性を確保してフルスケールを広げつつ、センサの高感度化を図ることができる。   In addition, the first-stage winding portion m1 wound around the outer periphery of the hollow thin tube 1 with a predetermined width in the single thermal resistor K, and the first-stage winding in the single thermal resistor K. A second winding portion m2 formed by overlapping all or a part of the remaining thermal resistor K wound around the wire portion m1 on the first winding portion m1 and winding it to be narrower than the predetermined width; The multi-winding portion T is constituted by the second-stage winding portion m2, so that it can be easily manufactured, and the first-stage winding portion m1 wound with a predetermined width is included in the hollow thin tube 1 A second winding portion wound on the first winding portion m1 so as to be narrower than the predetermined width while giving heat necessary for ensuring linearity to molecules in the flowing sample gas. The central peak appearing in the temperature distribution of the entire coil 2 can be preferably sharpened by m2. In this way, it is possible to increase the sensitivity of the sensor while ensuring linearity and expanding the full scale.

しかして、熱式質量流量センサAを、マスフローコントローラに組み込めば、熱式質量流量センサAにより、直線性の確保できる領域を拡大させてフルスケールを広げ、また高感度に流量を検知できるため、マスフローコントローラとしてのフルスケールを広げ、非常に高精度な流量制御を実現し得るマスフローコントローラを提供することができる。   If the thermal mass flow sensor A is incorporated in the mass flow controller, the thermal mass flow sensor A can expand the full scale by increasing the area where linearity can be secured, and can detect the flow rate with high sensitivity. The full scale as a mass flow controller can be expanded, and the mass flow controller which can implement | achieve very highly accurate flow control can be provided.

この熱式質量流量センサAを組み込むマスフローコントローラBの具体的態様としては、例えば、図11に示すように、流路の途中で中空細管R1(この中空細管R1に熱式質量流量センサAのコイル2が巻き付けられる)及びバイパスR2に分流された後再び合流して一本の流路になるガス流路Rと、合流点Rxより下流側のガス流路R上に設けた流量制御バルブVと、熱式質量流量センサAの出力する測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御バルブVの弁開度を制御する制御部Cと、を具備して成るものが挙げられるが、これに限られるものではない。   As a specific mode of the mass flow controller B in which the thermal mass flow sensor A is incorporated, for example, as shown in FIG. 11, a hollow thin tube R1 (a coil of the thermal mass flow sensor A in the hollow thin tube R1 is disposed in the middle of the flow path. 2) and a flow path control valve V provided on the gas flow path R on the downstream side of the merge point Rx; The control flow rate value output from the thermal mass flow sensor A and the control unit C that controls the valve opening degree of the flow rate control valve V based on the set flow rate value that is the target flow rate are included. However, it is not limited to this.

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。   The present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、2段目の巻線部m2を、1段目の巻線部m1におけるコイル2が合い寄る側である内側端m11から設けているが、図12に示すように、この内側端m11から外側へオフセットした位置Xoffから設けるようにしても良い。   For example, the second-stage winding part m2 is provided from the inner end m11 on the side where the coil 2 in the first-stage winding part m1 comes into contact, but as shown in FIG. You may make it provide from the position Xoff offset outside.

また、2段目の巻線部m2の巻幅は、本実施形態のものに限られず、例えば、1段目の巻線部m1の巻幅に対して約半分程度にすることができる。   In addition, the winding width of the second winding portion m2 is not limited to that of the present embodiment, and can be, for example, about half the winding width of the first winding portion m1.

また、感熱抵抗体Kの巻付間隔を一定としながら各コイル2の内側の所定領域Xのみを、3段以上にしてもよい。   Alternatively, only the predetermined region X inside each coil 2 may be three or more stages while keeping the winding interval of the thermal resistor K constant.

また、本実施形態では、感熱抵抗体Kの巻付間隔を一定としながら各コイル2の内側の所定領域Xのみを2段に巻き付けることでその内側の所定領域Xにおける巻数をその外側領域Yのものよりも多くしているが、例えば、巻き付ける段数を1段としながら各コイル2の内側の所定領域Xにおける巻付間隔を、その外側領域Yの巻付間隔よりも狭めることで、その内側の所定領域Xにおける巻数を多くしてもよい。   Moreover, in this embodiment, only the predetermined area | region X inside each coil 2 is wound in two steps, making the winding space | interval of the thermal resistor K constant, and the number of turns in the inner predetermined area | region X is set to the outer area | region Y. Although the number of windings is one, the winding interval in the predetermined region X inside each coil 2 is narrower than the winding interval in the outer region Y, for example. The number of turns in the predetermined region X may be increased.

また、各コイル2間に隙間を設けているが、隙間の無い構成とすることもできる。   Moreover, although the clearance gap is provided between each coil 2, it can also be set as the structure without a clearance gap.

また、本発明の熱式質量流量センサは、上述した定電流型のものに適用できるに限らず、定温度型のものにも適用することができる。   Further, the thermal mass flow sensor of the present invention is not limited to the constant current type described above, but can also be applied to a constant temperature type.

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。   In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の一実施形態に係る熱式質量流量センサを示す模式図。The schematic diagram which shows the thermal mass flow sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 同実施形態におけるコイルを模式的に示す図。The figure which shows the coil in the same embodiment typically. 同実施形態におけるシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result in the same embodiment. 同実施形態におけるシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result in the same embodiment. 同実施形態におけるシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result in the same embodiment. 同実施形態における2段目の巻線部の配置態様を模式的に示す図。The figure which shows typically the arrangement | positioning aspect of the 2nd winding part in the embodiment. 図6の配置態様と比較するための異なる配置態様を模式的に示す図。The figure which shows typically the different arrangement | positioning aspect for comparing with the arrangement | positioning aspect of FIG. 図6の配置態様と比較するための異なる配置態様を模式的に示す図。The figure which shows typically the different arrangement | positioning aspect for comparing with the arrangement | positioning aspect of FIG. 図6〜図8に示す2段目の巻線部の配置態様についてのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result about the arrangement | positioning aspect of the 2nd winding part shown in FIGS. 同実施形態におけるセンサ感度を説明する図。The figure explaining the sensor sensitivity in the same embodiment. 同実施形態における熱式質量流量センサを採用したマスフローコントローラを示す模式図。The schematic diagram which shows the mass flow controller which employ | adopted the thermal mass flow sensor in the same embodiment. 本発明の他の実施形態における2段目の巻線部の配置態様を模式的に示す図。The figure which shows typically the arrangement | positioning aspect of the 2nd winding part in other embodiment of this invention. 従来の構成のセンサ感度を説明する図。The figure explaining the sensor sensitivity of the conventional structure.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・・中空細管
2・・・・・センサ部(コイル)
2a・・・・上流側センサ部(上流側コイル)
2b・・・・下流側センサ部(下流側コイル)
A・・・・・熱式質量流量センサ
B・・・・・マスフローコントローラ
G・・・・・試料ガス
K・・・・・感熱抵抗体
m1・・・・1段目の巻線部
m2・・・・2段目の巻線部
m11・・・内側端
T・・・・・多数巻部(多重巻部)
X・・・・・内側の所定領域
Y・・・・・外側領域
1 ... Hollow thin tube 2 ... Sensor (coil)
2a ... Upstream sensor section (upstream coil)
2b ··· Downstream sensor section (downstream coil)
A ... Thermal mass flow sensor B ... Mass flow controller G ... Sample gas K ... Thermal resistor m1 ... Winding part m2 in the first stage ... 2nd winding part m11 ... Inner end T ... Multiple winding parts (multiple winding parts)
X: Inside area Y ... Outer area

Claims (5)

試料ガスが流れる中空細管と、
温度の変化にともなって電気抵抗値が増減する感熱抵抗体から成り且つ前記中空細管の上流側及び下流側にそれぞれコイル状に巻き付けて成る上流側センサ部及び下流側センサ部とを具備し、
前記両センサ部の抵抗値変化に基づいて、前記中空細管を流れる試料ガスの流量を検知するようにした熱式質量流量センサであって、
前記両センサ部が、それぞれの両端部のうち各センサ部が合い寄る内側の所定領域に、その外側領域よりも前記感熱抵抗体の単位長さ当たりの巻数を多くした多数巻部を具備していることを特徴とする熱式質量流量センサ。
A hollow thin tube through which the sample gas flows;
An upstream sensor unit and a downstream sensor unit, each of which is formed of a heat-sensitive resistor whose electrical resistance value increases or decreases with a change in temperature and is wound around each of the upstream side and the downstream side of the hollow thin tube in a coil shape;
A thermal mass flow sensor configured to detect the flow rate of the sample gas flowing through the hollow thin tube based on the resistance value change of the two sensor parts,
The two sensor parts have a plurality of winding parts in which the number of turns per unit length of the thermal resistor is larger than that of the outer area in a predetermined area inside each sensor part of both end parts. A thermal mass flow sensor characterized by comprising:
各多数巻部が、各センサ部の内側端から設けられていることを特徴とする請求項1記載の熱式質量流量センサ。   The thermal mass flow sensor according to claim 1, wherein each of the multiple winding portions is provided from an inner end of each sensor portion. 一本の感熱抵抗体のうち前記中空細管の外周に所定幅で巻き付けて成る1段目の巻線部と、
前記一本の感熱抵抗体のうち前記1段目の巻線部に巻き付けた残りの感熱抵抗体の全部または一部を前記1段目の巻線部に重ねて前記所定幅よりも幅狭で巻き付けて成る多段目の巻線部とを具備し、
前記多数巻部が、前記多段目の巻線部により構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の熱式質量流量センサ。
A first-stage winding portion formed by winding a predetermined width around the outer periphery of the hollow thin tube of one thermal resistor;
Of the one thermal resistor, all or a part of the remaining thermal resistor wound around the first-stage winding portion is overlapped with the first-stage winding portion so that the width is narrower than the predetermined width. A multi-stage winding portion formed by winding,
The thermal mass flow sensor according to claim 1 or 2, wherein the multiple winding portion is constituted by the multi-stage winding portion.
前記多段目の巻線部の巻幅を、前記1段目の巻線部の巻幅の1/2以下に設定していることを特徴とする請求項3記載の熱式質量流量センサ。   4. The thermal mass flow sensor according to claim 3, wherein the winding width of the multi-stage winding portion is set to ½ or less of the winding width of the first-stage winding portion. 請求項1乃至4いずれか記載の熱式質量流量センサと、
試料ガスが流れる流路に設けた流量制御バルブと、
前記熱式質量流量センサの出力する測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御バルブの弁開度を制御する制御部と、を具備して成ることを特徴とするマスフローコントローラ。
The thermal mass flow sensor according to any one of claims 1 to 4,
A flow control valve provided in the flow path through which the sample gas flows;
A mass flow comprising: a measured flow value output from the thermal mass flow sensor; and a control unit that controls a valve opening degree of the flow control valve based on a set flow value that is a target flow rate. controller.
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