CN102354228B

CN102354228B - 流量限制器

Info

Publication number: CN102354228B
Application number: CN201110170487.4A
Authority: CN
Inventors: D·T·马德; W·W·怀特; V·米勒; C·戴维斯; 木村美良; 安田忠弘
Original assignee: Horiba Stec Inc
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd; Horiba Stec Inc
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: JP2007531931A; JP2011257004A; CN102354228A; JP5295318B2; WO2005086643A2; EP1721227A2; EP2365412B1; WO2005086643A3; CN1922561A; KR20060134085A; EP1721227A4; EP2365412A1

Abstract

具有第一盘和第二盘的流量限制器，其中第一盘具有至少一个入口和至少一个出口以及流动路径，第二盘没有流动路径。第一盘和第二盘是叠置在一起的。质量流量控制器包括输入、输出、流动路径、压力传感器以及上述流量限制器。

Description

流量限制器

本申请是2005年2月24日提交的名称为“流量限制器”的中国专利申请200580006003.5(PCT/US2005/005653)的分案申请。

I.描述

I.A.相关申请

本申请要求2004年2月7日提交的共同待审的序列号为60/548,109的美国临时专利申请的优先权，在此以参考形式结合引用该申请的公开内容。本申请也是由Daniel Mudd等人提交的名称为“Higheraccuracy pressure based flow controller”的共同待审的美国专利申请10/652,506号的部分延续，该美国专利申请要求2002年8月28日提交的序列号为No.60/406,511的美国临时专利申请的优先权，在此以参考形式结合引用上述两个申请的内容。

I.B.技术领域

本公开讲授了与用于流速测量的流量限制器相关的技术，例如，该流量限制器为质量流量控制器的一部分。所公开讲授的内容帮助在流量限制器中设置流动路径，所述流动路径干净并且在其性能上没有偏差。

I.C.背景技术

1.介绍

流量限制器被用于许多用途，包括质量流量控制器。传统的流量限制器由烧结的合金金属或过滤器构成，其中它们的流阻在生产过程中不能对照性能中可允许的设计值范围加以控制。设计者经常需要从现有已生产的产品中选择合适的流量限制器，从而得到适用的流量限制器。此外，流量限制器可能在流量测量的用途中表现出非线性特征。

传统的流量限制器是由烧结的合金金属或网状元件(mesh-like element)制造的。这些流量限制器在流量控制装置中被用作流动压力下的缓冲器。例如，流量计就能够利用流量限制器的压差和流动特征。

对于这种由烧结的合金材料制成的流量限制器，难以控制孔隙密度的等级。此外，这类产品必须从现货供应制造的产品中选择，以获得某个特定范围的流阻。

2.传统烧结的流量限制器中的问题

烧结的元件据认为不像热质量流量控制器中的限制器设计那样干净。

烧结的元件的性能通常在流量高于5SLM以上时恶化。烧结的元件限制器因为流体通过它时呈现出声速(而不是层流)特性，会损失很大一部分所需非线性性质。这是因为通过流量限制器的较高流量所使用的水力直径增加。

烧结的元件通常在质量流量控制器的较低入口压力下不工作。这样就使较高入口压力成为必需，而这通常对于在目前市场上广泛接受的情况来说是个障碍。因此希望有较低压降。

II.发明内容

所公开讲授内容提供了用于克服上述相关技术流量限制器和质量流量控制器的某些缺陷而确保某些优点的技术。

根据所公开讲授内容的一个方面，提供了一种具有第一盘和第二盘的流量限制器，所述第一盘具有至少一个入口和至少一个出口以及流动路径，而所述第二盘没有流动路径。所述第一盘和第二盘是叠置在一起的。

根据另一方面，提供了一种质量流量控制器，其包括输入端、输出端、流动路径、压力传感器及上述流量限制器。

所公开讲授内容的再一方面是一种制造流量限制器的方法，其包括在第一盘中形成至少一个流动路径。第二盘不含流动路径并且叠置在第一盘上。

III.附图说明

通过参考附图详细描述其优选实施例，所公开的讲授内容的上述目的和优点将变得更为清楚，其中：

图1(a)至(c)显示所述盘的一个示例性实施例。

图2显示叠置盘式限制器的一个示例性实施例。

图3显示一曲线图，表明具有叠置限制器的MFC的一个示例性实施例的六种气体的流量数据。

图4(a)至(c)显示三个示例流动盘的示例性实施例。

图5显示一表格，表明若干可能的限制器类型的示例性结合。

图6显示用于比较的多孔金属限制器和管式限制器的数据。

图7图解说明10件示例Fl_24盘在扩散焊接之前的流量的非线性性质和可变性。

图8A图解说明另一类型的盘在扩散焊接之前的非线性性质和可变性。

图8B显示得自#2盘的另一示例性实施例的数据，其中直到1％的读取范围之内性能得到显著改善。

图9图解说明用于比较的烧结的元件盘式限制器的流量曲线和可变性。

图10图解说明300SCCM限制器的后扩散焊接。

图11图解说明900SCCM限制器、3件叠置在限制器中的300sccm盘的后扩散焊接。

图12A-B显示相同流量类型内各个限制器间的偏差。

图13显示在利用900sccm限制器构造质量流量控制器并以相同的校准和设定点操作6种气体情况下的结果。

图14显示两个曲线图，表明所公开盘式限制器的示例性实施例的测试和模拟结果。

IV.具体实施方式

IVA.大纲

所公开的非烧结的流量限制器具有对应于光亮钢板的厚度形成的流动路径。该流动路径是通过蚀刻处理形成的。这样一个具有流动路径的板被另一个没有蚀刻路径的板所覆盖。这类流动路径元件类似于三明治那样被叠置，从而取得所需流速。盘形的流动路径元件利用扩散焊接被附着到没有流动路径的元件。

在一个示例性实施例中，流动路径的横断面区域，也称窗口，是由板厚以及板厚中的蚀刻深度决定的。通过减少或增加这类窗口的数目，流速的调整和流量限制器两端的压差即可得到控制。此外，在蚀刻宽度和板厚方面进行改变可以控制流动路径的截面积。

流速和流量限制器两端的压差也可通过增加或减少被蚀刻板的数量和板厚来控制。

这样一种流量限制器具有非线性特征，这允许其工作于低流速范围中，从而使得在低压力下工作的压力表所作压力测量中的误差减少。

此种流量限制器可应用于所有流体材料，并且能够以各种组合与用于流体流量测量的压力表使用。

IV.B.示例性实施例

一示例性实施例示于图1中。所公开的叠置盘式限制器的所示实施例由流动盘和间隔盘组成。流动盘具有完全被蚀通部分(例如部分100)。这些被蚀去部分通常宽度恒定并从内部部位110延伸到外部部位120。

间隔盘(图1(b))没有被蚀通部分。它们被置于流动盘的任一侧，如图2所示。由流动盘的被蚀部分形成流动路径，此流动路径为直接位于流动盘上方和下方的间隔盘所限定。间隔盘通常具有大于流动路径110的开始位置的内部直径ID130以及小于流动路径120的结束位置的外部直径OD，从而让气体能够进入和离开流动路径。

这种被蚀通的流动盘与间隔盘相结合，提供了对流动路径水力直径的较好控制。作为必然结果，还取得了对于从限制器到限制器的偏差的较好控制。

一个替换性实施方式是流动盘与流动盘在性质上并非线性而是符合如图1(c)所示的曲线流动路径。这样就能够在给定有限直径流动盘的条件下，使流动路径(多个)的长度达到最大。

在另一个替换性实施例中，利用了优化几何结构，其中流动路径符合阿基米德涡螺旋线图案(即极坐标符号表示法为r＝dα)。

在另一实施例中，取得了主要可压缩的层流，使得装置展现出有益的非线性性质。这允许有较宽动态范围。

在一个示例性实施例中，单个流动路径或多个流动路径被设置于单个盘上。流动路径可以是或可以不是相同的。随后多个盘被叠置在一起，其中间隔盘交错于流动盘之间。这为制作跨越大动态范围的若干不同的限制器提供了基础。这样一种可用动态范围减少了所需的校准工作。

如上所述，多个流动盘可在由小结合件所保持的单个板被蚀刻。上述板可包括对流动盘和间隔盘来说共同的工具孔。

上述流动盘和间隔盘通过工具销来对准，以确保各盘相对于彼此的正确位置。上述板被点焊或通过其他方式固定，以使它们固定到位，直到它们在适当的相对位置被扩散焊接在一起。

在替换性实施例中，上述的盘可通过扩散焊接以外的其他方式保持在一起(例如机械夹紧)。

夹紧机构具有除去不需要的气体或缓慢干燥的法耶德表面(fayed surface)。上述盘的扩散焊接使得金属表面结合在一起，避免了不希望的法耶德表面。

所推荐的厚度大于0.002″(英寸)的盘可被退火以使得处理期间的晶粒生长最小化，而低于0.002″的盘可被加工硬化50％或更高，以提高盘的刚度从而改善处理。

如上所述，所述盘式限制器由被交错地置于间隔盘之间的流动盘组成。三个示例流动盘示于图4中。它们仅在每个盘上流动路径的数目方面不同。盘Fl.1、Fl.8和Fl.22示于图4(a)-(c)中。

取决于限制器1的所需流量额定值，要包括这些流动盘中的三个，以使所有示例性限制器的尺寸为2,500SCCM及以下。在这样一个示例性结构中，最小的40SCCM限制器将有1个流动路径而2,500sccm限制器将有66个路径。

对于更高流量，叠置更多的流动盘，10SLM具有264个路径，但是所有的限制器叠置装置10SLM低至2mm高，从而允许相同MFC基础中的互换性。

图5示出一表，图解说明示例限制器的类型。

IV.C.限制器的非线性性质

此种限制器设计提供了非线性流量而且也提供了可压缩流量。相比之下，热MFC的层流元件是为小压降设计的，其中LFE上的压降与管路压力相比并不显著。在这种热MFC中，气体密度不沿着其路径明显变化，且流量可被认为是不可压缩的。

在层流中，粘性力处于支配地位并且正比于平行流线之间的剪切速度。对于不可压缩的流量，这种成比例的粘性关系导致标准热MFC中公知的压降与流速之间简单熟悉的线性关系。例如，流量加倍，元件两端的压降即加倍。

对可压缩流量来说，这种简单线性关系不再适用。然而，通过将简单不可压缩流体的理论与有限差分法结合，可以模拟流量、入口和排放压力之间的非线性关系而取得良好结果。通过观察模拟结果并运用条件的工程叠加以确定排放压力的效果，来实现通用控制方程的开发。

可压缩流量下理想层流元件的分析结果概括如下：

1.进入真空的质量流量等于几何常数乘以绝对入口压力的平方。

M_vac＝K_Geo*K_{gas prop＝f(t)}*P² _inlet

2.进入非真空条件的质量流量是绝对入口压力的平方以及绝对排气压力与绝对入口压力之比的函数。具体地说，非真空排气质量流量通过这种压力比的反正弦的余弦来简化。

M_{n_vac}＝M_vac*cos(asin(P_exh/P_inlet))＝K_Geo*^P _2inlet*cos(asin(P_exh/P_lnlet))

根据盘式限制器的示例性实施例的测试数据得到的流量曲线，以及通过完全依赖层流理论进行数值模拟所产生的流量曲线支持通过所公开的限制器的流量主要是可压缩层流这一结论。

虽然所公开盘式限制器的主要机理是可压缩层流，但是次要机理存在并且是造成测试数据与模拟之间偏差的原因。

示例性实施例的实际数据通过以下方程得到最好拟合：

M_vac＝K_Geo*P^1.85 _inlet相对于

M_vac＝K_Geo*P^2.0 _inlet

与理想方程的这一偏差是这些机理的证明，在理想方程中乘方项或幂是1.85而不是2.0。次要机理不计入模拟且通用方程包括：

1.层流在进入LFE时要用有限距离来充分发展。本技术领域中过去的工作提示，层流不会在LFE内充分发展，直到与入口的距离达到50个水力直径为止。

2.即使Reynolds表明气流深入层流状态(laminar regime)中，当潜在动能(1/2)mV²项因气体速度而变得显著时，局部扰动仍能引起额外的寄生动力损耗(parasitic kinetic lose)。(额外细节可在Drexel的美国专利中找到)在此情况下，作者推测，额外的动力损耗是产生SF6和CF4的流量曲线中与较轻气流曲线的纯量倍数的适度偏差的原因(完全由相对粘性决定)，如下面所示。为计入这种效果，可向现有模拟式添加动力损耗项以逼近此效果。

3.最后，当LFE部分中的管路压力降低到这样一点：此时气体的平均自由程变成流动路径的水力直径的一个显著部分，层流假定即开始恶化。在这样的条件下，质量流量与纯层流理论相比降低。这种流量降低的估计值存在并且通常是气体平均自由程与流动路径水力直径的比值的关键。因此，可向现有模拟式添加分子流影响。

如果增加流动路径的L/D比值，层流力便相对于次要非层流效果而增加。直到设计封装尺寸和部件成本使人能够最大化这一比值，从而得到其性能更逼近地接近于理想层流元件的限制器的程度。

如果设计限制器的几何结构，使其即使在较高可压缩流量压降下仍能大体上保持层流，就可以利用非线性流量曲线。借助这种有益的非线性性质，可以开发出一种质量流量控制器，其相对于热MFC所显示出的％满标度误差特性，显示出％读数误差特性。

流动路径的相对小有效(水力)直径和长的长度导致层流即使在与可压缩气流相关的较高压降下仍能保持。

热MFC的层流元件被设计用于小压降，其中压降与限制器的管路压力相比是小的，并且这类热MFC中的气流可被视为是不可压缩的。

然而，所公开的结构有意地助长可压缩流量。作为所述设计的结果，将限制器置于MFC控制阀的下游并排空MFC到真空，层流元件两端的压降等于大百分比，如果不是限制器的绝对上游压力的100％的话。

为保持层流，其中这些较高压降要求可压缩层流流量限制器的流动路径的有效直径远小于热MFC限制器设计中所看到的直径。所公开的盘式限制器完成了这一任务。

对于不可压缩的层流：

质量流量m等于体积流量Q乘以密度r，并且还正比于压降dP

M＝Q*r

密度反比于气体的绝对压力P_abs

r～1/P_abs

压降正比于体积流量乘以绝对粘性m：

dP～Q*h因此Q～dP/m

可以替代和结合各项，从而得到：

M＝K dP/m*1/P_abs＝K/m*dP/P_abs

假定粘性几乎不随压力改变并且对于给定气体可被认为是固定的，质量流量即变成正比于压降而反比于管路压力。

作为一个示例，对于固定的质量流量，降低流量的绝对管路压力的结果将是使限制器两端的压降加倍。

为用心研究不可压缩层流的特征，可将可压缩流量作为串联的一系列不可压缩流量加以考虑，其中每个连续部分的出口是下一部分的入口。还假定层流元件被抽真空。

在此情况下，所述系列限制器部分的平均管路压力随着限制器的入口压力减少而减少。结果限制器的有效管路压力下降，导致该系列的每sccm的增量压降增加。此结果与所公开的盘式限制器的被观察到的流量特征良好地相关联，其中流量曲线的斜率托/sccm正比于限制器的绝对入口压力值。

IV.D.测试结果

设计了具有足够小直径的示例盘式流量限制器以确保层流，而高压降排放到真空。所述限制器被置于MFC中，并研究了限制器的流量性能。图6显示了多孔金属限制器和用于比较的管式限制器的数据。限制器盘在扩散焊接之前和之后测试了有益的非线性性质、流速和可变性。

图7图解说明扩散焊接之前10件Fl_24盘的流量非线性性质和可变性。

类似地，图8A图解说明扩散焊接之前另一类型盘的非线性性质和可变性。

同样，图8B显示了得自#2盘的另一示例性实施例的数据，其中性能在在1％的读取范围内得到了显著提高。

图10图解说明300SCCM限制器的后扩散焊接。如图所示，目标压降和非线性性质良好。

类似地，图11图解说明900SCCM限制器的后扩散焊接，3件300sccm盘叠置于该限制器内。这表明，垂直叠置没有显著影响通过限制器的流量，现在限制器在焊接期间压力已经减少到500磅。

在图12A和12B中表明了8个限制器类型中，6个类型的在相同流量类型内的各个限制器间的偏差。采用简单的1点测试作为对扩散焊接限制器的测试。

如图所示，在所有6个受测试的类型中，限制器类型内的标准偏差大约是3％。

作为一项最后的测试，利用900sccm限制器构造了质量流量控制器，并且以同样的校准和设定点操作6种气体。通过询问(queering)MFC在抽真空时上游CDG压力的读数值，采集每种气体的流量曲线。MoI Bloc被与MFC串联放置并用作流量参考。目的是证明各种各样气体中预期的气体到气体的偏差仍会保持为大约+/-20％，如根据层流理论预期的。

结果示于图13中。

如图所示，明显不同的气体类型之间的偏差如所期望的小，并且在所有情况下均表现出了有益的非线性性质。

根据以上公开和讲授内容，本发明的其它修改和变化对本领域技术人员来说将是明显的。因此，虽然本说明书仅具体描述了本发明的特定实施例，显然可进行许多修改而并不背离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种流量限制器，包括：

第一盘，其具有至少一个入口和至少一个出口及连接所述入口和所述出口的流动路径；其中所述流动路径在厚度方向上完全穿过所述第一盘；

没有流动路径的第二盘；

其中多个所述第一盘和多个所述第二盘交错叠置在一起从而形成层叠结构；所述第一盘和所述第二盘是非烧结的金属；形成在所述第一盘中的窗口提供所述入口、所述出口和所述流动路径，并且所述流动路径的横截面积由所述第一盘的厚度调节。

2.根据权利要求1所述的流量限制器，其中所述第一盘和第二盘是利用扩散焊接被叠置的。

3.根据权利要求1所述的流量限制器，进一步包括一定数目的流动路径，该数目是由所需流速决定的。

4.根据权利要求1所述的流量限制器，其中所述流动路径是通过蚀刻形成的。

5.根据权利要求1所述的流量限制器，其中所述流动路径的横截面积是基于所需流速决定的。

6.根据权利要求1所述的流量限制器，其中所述第一盘的数目和所述第二盘的数目是基于流速决定的。

7.根据权利要求1所述的流量限制器，其中所述流动路径的横截面积是恒定的。

8.根据权利要求1所述的流量限制器，其中所述流动路径是直线形的。

9.根据权利要求1所述的流量限制器，其中所述流动路径是曲线。

10.根据权利要求9所述的流量限制器，其中所述流动路径的中心线是阿基米德螺旋线。

11.根据权利要求1所述的流量限制器，其中所述流量限制器具有非线性特征。

12.根据权利要求1所述的流量限制器，其中所述第一盘和第二盘的形状是圆形。

13.根据权利要求1所述的流量限制器，其中通过所述流量限制器的流体流是可压缩的。

14.根据权利要求1所述的流量限制器，其中通过流量限制器的流体流是非线性的。

15.一种制造流量限制器的方法，包括：

在第一盘中形成至少一个入口和至少一个出口以及连接所述入口和所述出口的流动路径，其中所述流动路径在厚度方向上完全穿过所述第一盘；以及

叠置不包含流动路径的第二盘；

16.根据权利要求15所述的方法，其中进行扩散焊接以熔合所述第一和第二盘。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在所述第一盘中形成一定数目的流动路径，该数目是由所需流速决定的。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述流动路径是通过蚀刻形成的。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述流动路径的横截面积是基于所需流速决定的。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一盘的数目和所述第二盘的数目是基于流速确定的。

21.根据权利要求15所述的方法，其中所述流动路径的横截面积是恒定的。

22.根据权利要求15所述的方法，其中所述流动路径是直线形的。

23.根据权利要求15所述的方法，其中所述流动路径是曲线。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述流动路径的中心线是阿基米德螺旋线。

25.根据权利要求15所述的方法，其中所述流量限制器具有非线性特征。

26.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一盘和第二盘的形状是圆形。