JP2005164353A - 質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサー管を装置に簡単に組付けることができ、しかも、強酸や強アルカリなど腐食性の高い流体であっても測定が可能な質量流量計を提供する。
【解決手段】 本発明の質量流量計10では、管路20の測定部Ｍの肉厚d2を薄く保持したまま支持部Ｓの肉厚d1を厚く形成しているので、流体Fの測定精度を損なうことなく管路20の基材強度を高めることができる。したがって管路20を容易に装置に組付けることができる。また、管路20は、その素材として熱伝導度が非常に高く、耐腐食性にも非常に優れた非晶質炭素が使用されているので、メタル汚染のおそれはなく、強酸や強アルカリなどの腐食性の高い流体Fであっても測定することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、質量流量計に関するものであり、特に、腐食性流体の精密測定を可能にした質量流量計に関するものである。

質量流量計は、超ＬＳＩ等の半導体製造工程や各種工業における製造工程において、気体や液体（以下、「流体(F)」という。）の質量流量を測定するために用いられるものである。

一般に、質量流量計の内部には流体(F)が流れる管路が設けられており、当該管路には流体(F)の質量流量を測定するための測定手段が取り付けられている。なお、このような質量流量計としては、例えば特許文献１のようなものが知られている。

前記測定手段では、流体(F)の温度が管路を介して測定され、これを基に流体(F)の質量流量が算出されることから、測定感度を向上させるためには、管路の材質として熱伝導率が高いものを選択する必要がある。また、測定に対する応答性を高めるためには、管路の肉厚を薄くする必要がある。さらにまた、管路内には常に流体(F)が流れるため、ある程度の耐食性も求められる。そこで、従来では管路の材質としてステンレス材などの金属が一般に用いられていた。
特開平１１−６７５３号公報（図１）

しかしながら、応答性を高めるために管路の肉厚を薄くすれば、管路の基材強度は低下してしまい、装置への組み付けが困難となる。そのため、実際には管路にある程度の肉厚を持たせざるを得ず、その分測定精度等が犠牲になるという問題があった。

また、ステンレス材などの金属にある程度の耐食性があるといっても、流体(F)が管路内を通流すると、流体(F)（特に液体）との接触面から金属が極微量溶出することは避けられず、メタル汚染を重視する用途には使用できないという問題があった。

さらにまた、半導体製造工程などでは、フッ酸などの強酸、あるいは強アルカリといった非常に腐食性の高い流体(F)の流量を測定したいという強い要望があるが、当該流体(F)はステンレス材を腐食してしまうという問題があった。

なお、上述した理由により、強酸或いは強アルカリといった腐食性流体を微小流量測定することができるような質量流量計はこれまで存在しなかった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、メタル汚染が生じることがなく、しかも微小流量の腐食性流体であっても精度良く測定できる質量流量計を提供することである。

請求項１に記載した発明は、「内部を流れる流体(F)の質量流量を測定するための測定用管路(20)(70)を有し、その両端が支持状態で取り付けられている質量流量計(10)において、測定用管路(20)(70)は、非晶質炭素からなり、流体(F)の質量流量を測定する測定手段が取り付けられる測定部(M)、および測定部(M)の両側に一体的に形成され、測定部(M)よりも肉厚の支持部(S)を有する」ことを特徴とするものである。

この発明によれば、測定用管路(20)(70)は、熱伝導度が高く、しかも、化学薬品などに対する耐腐食性に非常に優れた非晶質炭素により形成されているので、流体(F)との接触により非晶質炭素が流体(F)中に溶出することはなく、また、強酸や強アルカリなどの高腐食性流体(F)であっても腐食することがない。また、測定部(M)の肉厚(d2)は薄く保持したまま支持部(S)の肉厚(d1)が厚く形成されているので、測定精度を損なうことなく測定用管路(20)(70)の基材強度を向上させることができる。

なお、測定用管路(20)(70)には、図１に示すように、流体(F)の全流量が通流するようになっている管路(20)と、図６に示すように、流体(F)の全流量の一部だけが通流するようになっているセンサー管(70)の両方が含まれるものとする。

請求項２に記載した発明は、「測定用管路(20)(70)には、測定部(D)を覆う保護ケース(28)が設けられている」ことを特長とするものである。

この発明によれば、測定部(D)が保護ケース(28)によって完全に覆われるので、測定時における外気の影響を排除することができる。

請求項１に記載した発明によれば、メタル汚染が生じることがなく、しかも微小流量の腐食性流体であっても精度良く測定できる、従来にはない質量流量計を提供することができる。

請求項２に記載した発明によれば、測定時における外気の影響を排除できるので、流体の測定精度をより向上させることができる。

以下、本発明を図示実施例にしたがって説明する。

図１を参照して、本発明の適用された質量流量計(10)は、半導体などの製造工程に組み込まれて流体(F)の質量流量を計測するために使用されるものであり、流体通流部(12)と流量測定部(14)とで構成されている。なお、本実施例の質量流量計(10)は、流体(F)の全流量を測定できるように構成したものである。

流体通流部(12)は、角柱状のブロックで構成されたハウジング(16)を有し、該ハウジング(16)は、所定の間隔を隔てて形成された２つの分割面(17a)(17b)において３つの構成部材、すなわち、流体流入部(16a)、センシング部(16b)、および流体流出部(16c)に分割されている。

流体流入部(16a)は、外部から質量流量計(10)の内部に流体(F)が流入する部分であり、その内部には流体(F)が通流する流体通流路(22)が設けられている。流体通流路(22)は、上流側から下流側に向うにつれて段階的に縮径しており（もちろん連続的に縮径していてもよい）、最下流側の流路内径は、後述する管路(20)の流体通流孔(20a)の内径（図２参照）と略等しく設定されている。最上流側の拡径部分(22a)の内側面には雌ネジ(22b)が螺設されており、雌ネジ(22b)にはコネクタ(24)が取り付けられている。なお、流体通流路(22)の内側面には、流体(F)に対する耐腐食性を高めるため、たとえばＰＦＡのような耐化学薬品性が非常に高い樹脂が塗布されている（後述する管路(20)とは異なり、熱伝導度を考慮する必要はない）。

コネクタ(24)は、外部の導管（図示省略）を質量流量計(10)に接続するためのものであり、たとえばＰＦＡなどの樹脂からなる筒状のコネクタ本体(24a)を有し、その軸方向に設けられた孔が通流孔(24b)である。コネクタ本体(24a)の一端（挿入端側）には雌ネジ(22b)に螺合する雄ネジ(24c)が設けられており、コネクタ本体(24a)の他端には外部の導管（図示省略）を着脱可能に取り付けるための締付用ネジ(24d)がコネクタ本体(24a)に対して螺入・螺退自在に取り付けられている。

また、拡径部分(22a)の中央部分にはコネクタ位置決め用のストッパー(22c)が設けられている。さらに、流体流入部(16a)の上部には、流体流入部(16a)の上面と流体通流路(22)の拡径部分(22a)とを連通するサンプリング用孔(23)が穿設されている。

センシング部(16b)は、測定対象となる流体(F)を測定するための部分であり、その内部には管路(20)が配置される空間(V)が形成されており、上下方向に延びて形成された分割面(19)において２つの構成部材(16b1)(16b2)に分割されている。

管路(20)は、「測定用管路」として機能する筒状部材であり、測定部(M)と、その両端に配置された支持部(S)とで一体的に形成されており、軸方向に設けられた孔が流体通流孔(20a)である（図２参照）。支持部(S)の肉厚(d1)は、測定部(M)の肉厚(d2)よりも肉厚に形成されており、軸方向の長さは、センシング部(16b)における上下流方向（図１における左右方向をいう）の長さと略等しく設定されている。なお、本実施例においては、支持部(S)の肉厚(d1)が１．２５ｍｍ、測定部(M)の肉厚(d2)が０．５ｍｍ、流体通流孔(20a)の内径が０．５ｍｍであり、軸方向の長さは２５ｍｍに設定されている。

管路(20)の材質としては、熱伝導性が高く、かつ、耐腐食性の高い材質のものが選択され、本実施例では非晶質炭素（Diamond Like Carbon）が好適に使用される。

管路(20)の周囲には、測定部(M)を覆う保護ケース(28)が必要に応じて設けられている（図１および図３参照）。保護ケース(28)は、一辺が管路(20)における測定部(M)の長さよりも長めに、かつ、空間(V)の内径よりも短めに設定された略四角形状（勿論、管路(20)の測定部(M)を覆うことができる限りにおいてその形状は限定されるものではなく、例えば球状であってもよい。）の箱状部材であり、その側面には管路(20)の支持部(S)を挿通するための孔(28a)、および後述するセンサーコイル(32)を挿通するための孔(28b)が支持部(S)およびセンサーコイル(32)の位置に応じて穿設されている。また、保護ケース(28)は、管路(20)およびセンサーコイル(32)をその上下方向から挟み込んで取り付けることができるように、孔(28a)および孔(28b)を分断する分割面(28c)において二分割されている。なお、保護ケース(28)は、接続部材(29)を介して空間(V)の中央部に位置するように配置されている。

流体流出部(16c)は、質量流量計(10)の内部を流れる流体(F)が外部に流出する部分であり、その内部には流体(F)が通流する流体通流路(26)が設けられている。流体通流路(26)は、上流側から下流側に向うにつれて段階的に拡径しており（もちろん連続的に拡径していてもよい）、最上流側の流路内径は、管路(20)の流体通流孔(20a)の内径と略等しく設定されている。また、最下流側の拡径部分(26a)の内側面には雌ネジ(26b)が螺設されており、この雌ネジ(26b)にはコネクタ(24)の雄ネジ(24c)が螺合されている。また、拡径部分(26a)の中央部分にはストッパー(26c)が設けられている。なお、流体通流路(26)の内側面には、たとえばＰＦＡなどの樹脂が塗布されている。

流量測定部(14)は、流体通流部(12)内を通流する流体(F)の質量流量を測定するためのものであり、温度センサー(30)、センサーコイル(32)、および電子制御回路(34)により構成されている。

温度センサー(30)は、流体流入部(16a)に設けられたサンプリング用孔(23)に挿入されて管路(20)の上流側を流れる流体(F)の温度Ｔ₀を測定するためのものであり、図４に示すように、抵抗体(36)、保護管(38)、および導電線(40)により構成されている。

抵抗体(36)は、白金の細線をコイル状に巻回したものであり、その周囲には抵抗体(36)を覆うように保護管(38)が配設されている。保護管(38)は抵抗体(36)の全体を覆うことができるように形成された鞘状の部材であり、その材質としては、熱伝導性が高く、かつ、耐食性の高い材質のものが選択され、非晶質炭素が好適に使用される。抵抗体(36)の端部には導電線(40)の一端が接続されており、導電線(40)の他端が後述する電子制御回路(34)に接続されている。

センサーコイル(32)は、管路(20)の表面温度Ｔ_Sの測定と加熱とを行うものであり、その中央部分は管路(20)の測定部(M)に巻回されており、両端部は電子制御回路(34)に電気的に接続されている（図１および図３参照）。

電子制御回路(34)は、温度センサー(30)にて測定した温度Ｔ₀、およびセンサーコイル(32)にて測定した温度Ｔ_Sを演算し、流体通流部(12)を流れる流体(F)の質量流量を算出するためのものであり、図５に示すように、センサーコイル電流制御回路(42)、電流検出抵抗(43)、温度センサー電流制御回路(44)、電流信号変換回路(46)、温度信号演算回路(48)、センサーコイル温度設定信号出力回路(50)、比較制御回路(52)、流量出力演算回路(54)、および流量信号出力手段(56)により構成されている。なお、電子制御回路(34)では、以下に示す処理が行われて流体(F)の質量流量が算出される。

センサーコイル電流制御回路(42)には、電流検出抵抗(43)を介してセンサーコイル(32)が接続されており、電力をセンサーコイル(32)に供給することができるようになっている。なお、このとき供給される電力は、後述する方法により制御されている。センサーコイル(32)が上記電力の供給を受けると、センサーコイル(32)が発熱する。すると、電流検出抵抗(43)の両端電圧Ｖ_Rが電流信号変換回路(46)に入力され、電流信号変換回路(46)にてセンサーコイル電流Ｉ_Sが算出される。電流信号変換回路(46)のセンサーコイル電流Ｉ_Sとセンサーコイル(32)のセンサー電圧Ｖ_Sが温度信号演算回路(48)に入力されると、温度信号演算回路(48)ではセンサーコイル温度Ｔ_Sが算出され、算出値Ｔ_Sが比較制御回路(52)に入力される。

一方、管路(20)の上流側を流れる流体(F)の温度Ｔ₀が温度センサー(30)および温度センサー電流制御回路(44)により測定されると、センサーコイル温度設定信号出力回路(50)に入力される。センサーコイル温度設定信号出力回路(50)では、流体温度Ｔ₀と関数関係或いは一定の差となるような値Ｔ_S'が演算され、その演算値Ｔ_S'が比較制御回路(52)に入力される。

比較制御回路(52)に演算値Ｔ_Ｓと演算値Ｔ_S'が入力されると、両演算値が一致するようにセンサーコイル電流制御回路(42)に信号を伝送し、この信号に応じた電力がセンサーコイル電流制御回路(42)からセンサーコイル(32)に供給される。これによりセンサーコイル電流Ｉ_Sの制御が行われ、センサーコイル温度Ｔ_Sと流体温度Ｔ₀とが設定された関係で制御されることになる。

このように、流体(F)の流量出力は、センサーコイル(32)に供給される電力で与えられるため、センサーコイル(32)のセンサー電圧Ｖ_Sを測定することで流体(F)の質量流量が算出される。つまり、センサー電圧Ｖ_Sは、流量出力演算回路(54)を経て流量信号出力手段(56)に入力され、所定の演算が行われて流体(F)の質量流量が表示されることになる。

なお、上記演算処理は全てＣＰＵによるソフトウェアー処理で行われるので、構成を簡略化できる。また、流体(F)の質量流量が流体(F)の温度の関数として算出されるので、測定結果に誤差が生じにくく、非常に正確である。

質量流量計(10)の組み付け状態においては、各部材を所定の位置に配置し、流体流入部(16a)、センシング部(16b)、および流体流出部(16c)に形成されたボルト穴(25a)にボルト(25b)をねじ込んでいく。すると、各部材(16a)(16b)(16c)が一体化されて流体通流路(22)、流体通流孔(20a)、および流体通流路(26)が水密的に接続されることになり、流体(F)が流体通流部(12)の内部を通流できるようになる。

また、管路(20)の周囲には、保護ケース(28)が管路(20)を上下から挟み込むように取り付けられているので、管路(20)の基材強度が保護ケース(28)によって補強されることになる。

質量流量計(10)を使用する際には、流体流入部(16a)および流体流出部(16c)に設けられたコネクタ(24)に図示しない導管を接続し、目的とする場所に質量流量計(10)を設置する。

質量流量計(10)の上流側の導管内を流れてきた流体(F)は、コネクタ(24)の通流孔(24b)、流体流入部(16a)の流体通流路(22)、管路(20)の流体通流孔(20a)、流体流出部(16c)の流体通流路(26)、およびコネクタ(24)の通流孔(24b)を通過して下流側の後工程へと流れていく。このとき、管路(20)の上流側では温度センサー(30)によって流体(F)の温度Ｔ₀が測定され、管路(20)の測定部(D)ではセンサーコイル(32)による温度測定および加熱が行われ、これにより流体(F)の質量流量の測定が行われることは前述したとおりである。

本実施例の質量流量計(10)によれば、管路(20)は非晶質炭素により形成されているので、流体(F)が強酸や強アルカリなどの非常に高い腐食性を有するものであっても腐食することはなく、また流体(F)（特に液体）との接触によるメタル汚染が生じることもない。

また、応答性を高めるために測定部(M)の肉厚(d2)を薄くする場合であっても、支持部(S)の肉厚(d1)を測定部(M)の肉厚(d2)よりも大きく形成することにより管路(20)全体の基材強度が損なわれることはない。したがって、微小流量測定用といった小径の管路(20)であっても管路(20)を簡単に装置に組み付けることができる。

さらにまた、管路(20)の周囲には、測定部(M)を覆う保護ケース(28)が設けられており、測定部(M)が外気の影響を受けるおそれはないので、測定精度が低下することもない。

次に、図６に示す第２実施例の質量流量計(10')について説明する。本実施例の質量流量計(10')は、大流量の流体(F)を測定するためにバイパス構造とした例であり、流体通流部(12')と流量測定部(14)とで構成されている。なお、以下には、前述実施例と異なる部分だけを説明することとし、一致部分については前述の記載を援用することとする。

流体通流部(12')は、角柱状のブロックで構成されたハウジング(58)を有し、ハウジング(58)の内部には大流量の流体(F)が通流する流路(60)が形成されている。流路(60)の上流側および下流側の内側面には雌ネジ(60a)がそれぞれ形成されており、この雌ネジ(60a)にコネクタ(24)の雄ネジ(24c)がそれぞれねじ込まれている。また、流路(60)の中央部分には、複数のバイパス管(62)が配置されており、これによりバイパス管路(64)が形成される。

ハウジング(58)の上部には、バイパス管路(64)の上流側にて流路(60)とハウジング(58)の上面とを連通するサンプリング用孔(23)および上流側センサ通孔(58a)が穿設されており、更にバイパス管路(64)の下流側にて流路(60)とハウジング(58)の上面とを連通する下流側センサ通孔(58b)が穿設されている。なお、流路(60)、上流側センサ通孔(58a)、および下流側センサ通孔(58b)の内側面には、たとえばＰＦＡなどの樹脂が塗布されている。

ハウジング(58)の上部には、「測定用管路」としてのセンサー管(70)が上面に沿って配置されており、センサー管(70)の上流側端部が接続部材(66a)を介して上流側センサ通孔(58a)に接続され、センサー管(70)の下流側端部が接続部材(66b)を介して下流側センサ通孔(58b)に接続されている。また、センサー管(70)の周囲には、測定部(M)を覆う保護ケース(28)が取り付けられている。

センサー管(70)は、第１実施例における管路(20)と同様、測定部(M)とその両端に配置された支持部(S)とで一体的に構成された筒状部材であり、軸方向に設けられた孔が流体通流孔(70a)である。なお、その他の説明については、第１実施例の記載を援用する。

本実施例において流路(60)内を大流量の流体(F)が通流すると、流体(F)の一部がセンサー管(70)内を通流し、その残部（センサー管(70)を流れる流体(F)のｎ倍の質量流量）がバイパス管路(64)を通流することになる。ここで、センサー管(70)内を流れる流体(F)の質量流量は、前述実施例の要領で測定できるので、分流比から流路(60)全体を通流する流体(F)の全質量流量を算出することができる。

本発明の第１実施例の質量流量計を示す断面図（一部省略）である。 センサー管を示す断面図（一部省略）である。 センサー管と保護ケースを示す斜視図である。 温度センサーを示す断面図（一部省略）である 電子制御回路のブロック図である。 第２実施例の質量流量計を示す断面図（一部省略）である。

符号の説明

１０…質量流量計
１２…流体通流部
１４…流体測定部
１６ａ…流体流入部
１６ｂ…センシング部
１６ｃ…流体流出部
２０…管路
２８…保護ケース
３０…温度センサー
３２…センサーコイル
３４…電子制御回路

Claims (2)

1. 内部を流れる流体の質量流量を測定するための測定用管路を有し、その両端が支持状態で取り付けられている質量流量計において、
   前記測定用管路は、非晶質炭素からなり、流体の質量流量を測定する測定手段が取り付けられる測定部、および前記測定部の両側に一体的に形成され、前記測定部よりも厚肉の支持部を有することを特徴とする質量流量計。
2. 前記測定用管路には、前記測定部を覆う保護ケースが設けられていることを特長とする、請求項１に記載の質量流量計。

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