JP2008233073A - 流量計および流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱式流量センサへの疎密波の影響を抑えてその計測精度の向上を図った簡易な構造の流量計を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、流路に面して設けられて該流路を流れる流体の流量を検出する熱式流量センサに加えて、前記流路に設けられて該流路内に生じた疎密波の前記熱式流量センサへ伝播を遮断する極細通路（例えば細管）を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、応答性および計測精度の高い簡易な構造の流量計およびこの流量計を用いた流量制御装置に関する。

気体（流体）の流量を高精度に検出する流量計として、発熱素子を間にして気体の通流方向に一対の感温素子を設けた流量センサを用い、前記一対の感温素子により検出される温度差から前記気体の質量流量を計測する熱式質量流量計が知られている（特許文献１）。また前記流量センサとしては、シリコンチップの表面に形成した窒化シリコンや酸化シリコン等からなるダイアフラム上に、白金等からなる発熱抵抗素子および一対の感温抵抗素子を並べて設けた素子構造を有する流量センサが知られている（特許文献２）。

この種の熱式質量流量計は、概略的には図２０に示すように流路１を形成した流量計本体２の内壁面に上述した素子構造の流量センサ３を設け、該流量センサ３に沿って気体が通流するようにした構成を有する。このような構成の熱式質量流量計は、微少流量域での流量検出が可能な上、流量検出幅（計測レンジ）が広く、しかもその検出応答性が高いと言う特徴を有している。
特開２００４−３８８７号公報 特開２００６−１１８９２９号公報

しかしその反面、上述した熱式質量流量計においては、例えば流量計本体２やその配管等に加わった衝撃に起因してその流路内における気体に疎密波（圧力波）が生じると、この疎密波が流量センサ３に伝播するので、気体が流れていない場合であっても前記疎密波を流量として検出してしまうと言う不具合がある。即ち、流量センサ３は、検出感度が高いので上述した疎密波による前記気体の分子移動を、あたかも気体の流れとして検出してしまう。これ故、気体に生じる疎密波は、熱式質量流量計の計測精度や計測再現性を悪化させると言う問題がある。

このような問題は、特に微少流量を計測する場合において深刻である。即ち、流量センサ３が検出しようとする微少流量に相当するセンサ出力に比較して、一般的には数１００Ｈz以下の前述した疎密波に起因するセンサ出力の変化の方が大きい。これ故、本来計測したい微少流量（信号成分）が前記疎密波に起因する外乱（ノイズ成分）に埋もれ易く、その計測精度や計測再現性が悪くなる。

ところで上述した疎密波等を減衰させるものとして、図２１に示すような単一空洞形消音器が知られている。この消音器は、流路１の入口部と出口部とをそれぞれ小径化した縮小部４,５とし、これらの縮小部４,５に挟まれた空洞（拡大部）６との間で空間的なフィルタを実現したものである。しかしながらこの種の消音器においては、その消音量（減衰量）が図２２に示すような周波数依存性を有し、特定の周波数成分に対してのみ有効に機能する。この為、周波数が不特定な疎密波に対する消音器設計が困難であり、特に１００Ｈz程度以下の低周波数を消音する（減衰させる）ことが非常に困難である。これ故、前述した課題を効果的に解消することができないと言う問題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、流路に面して設けられた熱式流量センサへの疎密波の影響を抑え、前記熱式流量センサが持つ特性を活かしながらその計測精度の向上を図った簡易な構造の流量計と、この流量計を用いて実現される制御性能の安定した流量制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、流路に面して設けられて該流路を通流する流体の流量を検出する熱式流量センサと、前記流路に設けられて該流路内に生じた疎密波の前記熱式流量センサへの伝播を遮断するための極細通路とを備えていることを特徴とする流量計である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の流量計において、前記極細通路は、前記流路における前記熱式流量センサの上流側または下流側に設けられてその流路断面積を絞り込むものであって、その内部に形成される前記疎密波によって生じる境界層厚さの略２倍に相当する流路断面寸法を有していることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１乃至２に記載の流量計において、前記極細通路は、その内部に前記疎密波によって生じる境界層を形成する長さを有していることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２に記載の流量計において、前記境界層厚さは、前記疎密波によって生じる速度境界層厚さ及び温度境界層厚さの小さい方の厚さであることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１に記載の流量計において、前記極細通路は、流量計本体に形成された流路に着脱自在に装着されて前記流路を塞ぐ部材に、同部材を貫通して形成されていることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１に記載の流量計において、前記極細通路は、所定の流路断面積および所定の流路長を有する細管により形成され、前記細管は、流量計本体に形成された流路に着脱自在に装着されて前記流路を塞ぐ部材に、同部材を貫通して取り付けられていることを特徴とする。

請求項７の発明は、メイン流路からバイパスしたバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた熱式流量センサと、前記バイパス流路に設けられ、同バイパス流路内に生じた疎密波の前記熱式流量センサへの伝播を遮断するための極細通路とを備えていることを特徴とする流量計である。
請求項８の発明は、請求項７に記載の流量計において、前記メイン流路に設けられ、前記極細通路と略同じ寸法を有し、互いに並列な複数の極細通路を更に備えていることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の流量計と、前記流路を流れる流体の流量を調整する流量制御弁と、前記流量計の出力に基づいて前記流量制御弁の開度を制御する制御手段とを具備していることを特徴とする流量制御装置である。

本発明の請求項１の流量計によれば、熱式流量センサが設けられた流路に、極細流路が設けられているので、該流路内に生じた疎密波のエネルギを前記流路の外部に散逸させ、これによって前記熱式流量センサへ伝播を遮断する作用を呈し、前記熱式流量センサが有する特性を十分に活かしながら、流路内に生じた疎密波の影響を除去することができる。従って流路に流体（気体）が通流していないにも拘わらず、その流路内に生じた疎密波を気体の流れとして誤検出してしまうような虞がなくなる。この結果、熱式流量センサを組み込んだ流路に上述した極細通路を設けると言う簡易な構成でありながら、計測の安定化とその計測精度の向上を図ることができる。

請求項２の流量計によれば、極細通路が、その内部に形成される疎密波によって生じる境界層厚さの略２倍に相当する流路断面寸法（内径）を有するので、前記境界層での流体の粘性によるせん断応力を利用して前記疎密波のエネルギを流路の外部に効果的に散逸させることができる。
請求項３の流量計によれば、極細流路が、その内部に前記疎密波による境界層を形成する長さを有するので、前記境界層での流体の粘性によるせん断応力を利用して前記疎密波のエネルギを流路の外部に効果的に散逸させることができる。

請求項４の流量計によれば、極細通路の断面寸法が、疎密波によって生じる速度境界層及び温度境界層の小さい方の厚さによって設定されるので、流体の性質に応じて疎密波のエネルギを効果的に外部に散逸させることができる。
請求項５の流量計によれば、流量計本体に形成された流路に、極細通路が形成された部材を装着することによって、極細通路を流量計に容易に設けることができる。

請求項６の流量計によれば、流量計本体に形成された流路に、極細通路としての細管が取り付けられた部材を装着することによって、極細通路を流量計に容易に設けることができる。
請求項７の流量計によれば、流量センサがバイパス通路に設けられているので、メイン流路を流れる流量を、より大きく設定することが可能となる。

請求項８の流量計によれば、メイン流路に、バイパス流路の極細流路と略同じ寸法を有し、互いに並列な複数の極細通路が設けられているので、温度によって分流比（メイン流路を流れる流量に対するバイパス通路を流れる流量の比）が変わることを防ぐことができる。
請求項９の流量制御装置によれば、流路内に生じた疎密波の影響を受けることなく前記流路を通流する流体の微少流量を正確に検出することができるので、時間遅れの少ない高速な制御応答性が要求される流量制御弁の制御を信頼性良く高精度に行い得る等の効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明の実施例に係る流量計は図１(ａ)(ｂ)にその概略構成を示すように、流路１を有する流量計本体２の同通路１の内壁面に熱式流量センサ３が設けられている。前記流路１における前記熱式流量センサ３の近傍（上流側または下流側）に、該流路１内に生じた疎密波の前記熱式流量センサ３へ伝播を遮断する極細通路としての細管７が設けられている。尚、細管７を熱式流量センサ３の上流側に設ける場合には、図１(ａ)に示すように熱式流量センサ３から或る程度の距離を隔てて設け、細管７を通過した気体の流れが安定化した後に熱式流量センサ３に到達するようにすることが好ましい。しかし細管７を熱式流量センサ３の下流側に設ける場合には、図１(ｂ)に示すように熱式流量センサ３からの距離を大きく隔てて設ける必要はない。

ちなみに前記細管７は、例えば流体の通流方向に後述するように所定の流路断面積及び流路長さを有するものであって、例えば前記流路１を塞ぐ部材８の前後を貫通して同部材８に取り付けられている。なお、細管７は、流路１を通流する気体の計測流量を妨げることがない流路断面積を有するものである。尚、計測流量が多い場合には、例えばその最大流量に応じて上述した細管（極細通路）７を複数本並列に設けられるものである。

さて上述したように熱式流量センサ３への疎密波の伝播を遮断する役割を担う前記細管７は、その流路１内における疎密波により発生する（速度）境界層での、気体の粘性によるせん断応力により、該流路１内に生じた疎密波のエネルギを散逸させる作用を呈するものである。この疎密波のエネルギの散逸は、疎密波が持つ振動エネルギを熱エネルギに変換し、気体の熱伝導により前記熱エネルギを流路１の外部に放出することにより実現される。具体的には前記熱エネルギの放出は、細管７およびこの細管７を保持した前記部材８から流量計本体２を介して行われる。特にこのような作用を呈する細管７は、後述するようにその管径（流路断面積寸法）が前記疎密波によって生じる境界層厚さの略２倍となるように設定され、またその管路長は、細管流路内において前記疎密波による境界層を形成する長さを有するものとして設定される。

ここで、速度境界層について説明する。細管７内に流れがない場合には、当然のことながら図２(ａ)に示すように速度境界層は存在しない。しかしこの状態で前記細管７に疎密波に起因する振動流が加わると、細管７内には図２(ｂ)(ｃ)にそれぞれ示すように速度境界層が形成される。但し、細管７内に形成される速度境界層の形状は前記振動流の振幅や周期、更には細管７の形状等により変化する。また速度境界層は一定の厚さｄvまで発達するだけなので、図２(ｂ)に示すように細管７の流路断面寸法（管径）が大きい場合には、その内壁に沿って速度境界層が形成されるだけである。しかし図２(ｃ)に示すように細管７の流路断面寸法（管径）が小さい場合には、速度境界層は細管７内の全体を満たすことになる。

これに対して細管７内に流体の流れ（定常流）が存在する場合には、図３(ａ)に示すように前記流体の流れ自体によって前記細管７内に速度境界層が形成される。この速度境界層が十分に発達するに要する長さは、専ら、その管径Ｄと流体のレイノルズ数Ｒeによって定まる。そしてこの状態で前記細管７に前述した振動流が加わると、図３(ｂ)(ｃ)にそれぞれ示すように細管７の内壁面から均一な速度境界層が形成される。そして細管７の流路断面寸法（管径）が小さい場合には、前述した流れがない場合と同様に、図３(ｃ)に示すように速度境界層は細管７内の全体を満たすことになる。

ちなみに前記疎密波が持つエネルギ（疎密波エネルギ）の散逸は、前述した境界層内での細管７の内壁における気体の粘性による圧力エネルギの熱エネルギ化と、細管７を介する前記熱エネルギの外部放出とにより生じる。この結果、その流路断面の全てを満たすように形成された速度境界層により前記疎密波が持つエネルギが外部に散逸され、これによって前記疎密波の伝播が阻止される。尚、前述した速度境界層の厚さｄvは、粘性係数をμ、流体の密度をρ、疎密波の角振動数をωとしたとき、
ｄv＝（２μ／ρω）^１／２
として示される。

また細管７の径Ｄに対するパワー損失の割合Ｗiは、その流路の断面積をＳ、比熱比をκとしたとき
Ｗi＝｛ｄv＋（κ−１）ｄh｝・（πＤ／Ｓ）
として決定される。しかし細管７の長さに対する前記パワー損失の割合Ｗiは、速度境界層の形成のされ方により、専ら、その長さに比例すると考えられる。従って細管７の長さを長くすれば、これに伴って疎密波の阻止効果を高めることができる。しかし逆に細管７の長さが長くなる程流路抵抗が大きくなるので、気体の流れに対する圧力損失の問題が生じる。故に、疎密波の阻止効果と圧力損失との兼ね合いに応じて細管７の長さを決定することが必要である。

次に、温度境界層について説明する。温度境界層の厚みｄhは流体の粘性等によって変化する。具体的には流体中に伝わる運動量の度合いと熱量の度合いとの比として定義されるプラントル数Ｐrが［＝１］である場合には、図４(ｂ)に示すように速度境界層と温度境界層とは等しい。これに対して、例えば水銀のようにプラントル数Ｐrが［＜１］である場合には、図４(ａ)に示すように温度境界層が速度境界層よりも厚く発達し、また油のようにプラントル数Ｐrが［＞１］である場合には、図４(ｃ)に示すように温度境界層が速度境界層よりも薄くなる。このような温度境界層の厚さｄhは、その熱伝導率をＫ、定圧比熱をＣpとしたとき、
ｄh＝（２Ｋ／ρωＣp）^１／２
として示される。

具体的には疎密波の周波数が１０Ｈz,５０Ｈz,１００Ｈｚおよび５００Ｈzの場合における空気、水素、および水の速度境界層の厚さｄvと温度境界層の厚さｄhは次表のようになり、図５に示すような周波数依存性を示す。但し、図５において実線は速度境界層の厚さｄvの変化を示し、また破線は温度境界層の厚さｄhの変化を示している。

また細管７の径が０.２ｍｍ,０.４ｍｍおよび１.０ｍｍの各場合における空気、水素、および水の１波長当たりのパワー損失の割合Ｗiは次表のようになる。そして細管７の径Ｄの違いによる空気に対するパワー損失の割合Ｗiの周波数特性は図６に示すようになり、また細管７の径Ｄを一定（０.２ｍｍ）にしたときの水素、空気、水のそれぞれに対するパワー損失の割合Ｗiの周波数特性は図７に示すようになる。

これらの周波数特性から、疎密波の周波数が高くなるに従ってパワー損失の割合Ｗiが小さくなるが、その管径Ｄを細くすることによってパワー損失の割合Ｗiを或る程度大きく確保し得ることが判る。従って、例えば流体が空気であり、振動によって生じる疎密波の周波数が一般的に１００Ｈz以下、またセンサの応答周波数の上限から最大でも５００Ｈz程度であることを考慮した場合、細管７の径Ｄを前記速度境界層の厚さｄv（０.１ｍｍ）の略２倍、つまり０.２ｍｍとして設定しておけば、周波数が５００Ｈz以下の疎密波の全てに亘って、該疎密波が有するエネルギを散逸させてその伝播を効果的に阻止し得ることが判る。

尚、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｈ_２，Ｎ_２，Ｏ_２，Ａir，ＣＯ，ＣＯ_２，ＮＯ，Ｎ_２Ｏ，ＳＯ_２，ＮＨ_３，ＳＦ_６，ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_２，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６，Ｃ_３Ｈ_６，Ｃ_３Ｈ_８等の一般的な気体における常圧下でのプラントル数Ｐrは［０.６５〜０.７５］程度なので、速度境界層の厚さｄvと温度境界層の厚さｄhとが略等しいと看做し得る。従って流量計測対象（流体）が上述した一般的な気体である場合には、疎密波の伝播を遮断する作用を呈する前記細管７を実現するには、上述したようにその管径を疎密波によって生じる境界層厚さの略２倍として設定すれば十分である。またその管長については、その内部に前記疎密波による境界層が形成される長さのものであれば十分である。また細管７は、あくまで流路１の一部をなすものであるから、前述したようにその流路長が長くなる程、圧力損失が大きくなる。従ってこの圧力損失を考慮した場合には、上述した条件を満たす範囲でその管長をできる限り短くすることが好ましい。なお、計測する流体及び周波数によっては、速度境界層の厚さが温度境界層よりも大きくなる場合があるが、その場合には、細管７の径を温度境界層の厚さの略２倍に設定することにより、疎密波が有するエネルギを効果的に散逸させてその伝播を阻止することができる。

図８は細管７による疎密波の減衰効果を確認した実験結果を示したもので、図８(ａ)は細管７を設けないときの流量センサ３の出力、図８(ｂ)は流量センサ３の上流側に細管７を設けたときの流量センサ３の出力、そして図８(ｃ)は流量センサ３の下流側に細管７を設けたときの流量センサ３の出力をそれぞれ示している。尚、この実験は、その流路１に気体を通流させない状態において流量計本体２に衝撃を加えることで、流路１内に疎密波を生じさせて行った。この実験結果に示されるように、その流路１に前述した仕様の細管７を組み込むことで流路１内を伝播する疎密波を効果的に打ち消し、つまり疎密波エネルギを散逸させて流量センサ３にその影響が及ぶことを阻止し得ることが確認できた。

尚、流量センサ３の下流側に細管７（極細通路）を設けた場合における疎密波の流量センサ３に対する影響除去効果のメカニズムについては定かではない。しかし流量センサ３は流路１内を高速に伝播する疎密波（圧力波）により生じる流路１内の気体分子の揺らぎを検出しているものと考えられる。そして上述した如く流量センサ３の下流側に細管７を設けた場合には、流路１内の気体の分子に揺らぎが生じる前に疎密波が吸収されてしまうものと推定される。

また図９は細管７の長さを変えたときの疎密波の減衰効果を確認したものであって、図９(ａ)はその管路長を短く設定したときの流量センサ３の出力を、そして図９(ｂ)は管路長を長く設定したときの流量センサ３の出力をそれぞれ示している。尚、この実験は、その流路１に気体（流体）を通流させない状態において流量計本体２に衝撃を加えることで、流路１内に疎密波を生じさせて行った。この実験結果から、細管７の管路長を或る程度長く設定しなければ、つまりその内部に疎密波による境界層が形成される長さを或る程度長く設定しなければ、疎密波の十分なる減衰効果が期待できないことも明らかとなった。また細管７の管路長によって、例えば図１０に示すように疎密波の振幅に対する減衰量についても変化が生じ、管路長が長い程、大きな振幅に対しても十分なる減衰効果が得られることが確認できた。特に１００Ｈz程度以下の低周波の疎密波に対して十分な減衰効果が得られることが確認できた。特に前述した図２２の従来の単一空洞形消音器の減衰特性（実線）と対比して、前記細管７の疎密波に対する減衰特性を一点鎖線にて示すように、概略的には幅広い周波数帯域において前記疎密波に対する必要十分な減衰量を確保し得ることが確認できた。

ところでこの種の流量計においては、その仕様にもよるが一般的には、例えばそのフルスケールの±０.５％の測定精度で、しかも１.５秒以内の応答速度で微少流量を計測し得ることが要求される。このような観点に立脚し、前述した条件を満たすように内径が０.１ｍｍ,０.２ｍｍ,０.３ｍｍ,０.４ｍｍ,０.５ｍｍ,０.８ｍｍの細管を準備すると共にこれらの細管の長さを変え、衝撃波を与えたときの検出精度と応答速度とを評価したところ、次のような実験結果が得られた。尚、この実験は流量計が組み込まれる装置にて発生する振動を想定し、前記振動から求められる加速度を衝撃としてその配管系に加えることにより行った。

そして振動を加えたときの流量計の出力値と、振動を加えないときの出力値とを比較し、その誤差が何％であるかを求めたところ、図１１に示すような結果が得られた。この図１１に示す実験結果からその管径を０.１〜０.４ｍｍに設定すればその計測精度を±０.５％ＦＳ以下に抑え、換言すれば十分なる疎密波に対するエネルギ散逸効果を発揮させて上述した振動による疎密波（圧力波）の影響を抑え得ることが確認できた。

また検出応答性については、図１２に管径０.２ｍｍの細管の長さを変化させたときの例を示すように、その管長が３.０〜６.０ｍｍの範囲において所要とする１.５秒以内の応答性を確保し得ることが確認できた。尚、管径０.３ｍｍの細管においては、管長が４.５〜１３.５ｍｍの範囲において１.５秒以内の応答性が確保でき、また管径０.４ｍｍの細管においては、その管長が６.０〜２４.０ｍｍの範囲において１.５秒以内の応答性が確保できる。

なお、計測する流体、想定する周波数などを考慮し、適切な細管７の管径及び管長を求め、しかしその結果、その管径及び管長では所要の計測流量を得られないという問題がある場合、細管７を複数設けることにより、その問題を解決することができる。つまり、必要な計測流量を保ちながら、複数の各細管７によって疎密波のエネルギを効果的に散逸させることができる。

図１３は、前述した細管７を組み込んで実現される流量計の具体的な構成例を示す。２は流路１を形成した流量計本体、３は前記流路１に面して前記流量計本体２に組み込んだ流量センサ、７は前記流路１に組み込んだ細管（極細通路）を示している。流量計本体２は、その内部に形成した流路１の両端に配管（図示せず）が接続される雌ねじ部２ａ,２ｂを形成したブロック体からなる。またこのブロック体（流量計本体）２の上面略中央部には流量センサ３の取り付け部２ｃが凹部をなして設けられており、前記流路１はこのセンサ取り付け部２ｃを経由するように設けられている。

流量センサ３は、例えば溝状の流路を形成したガラス等の基体に搭載されて、いわゆる流路付きセンサチップとしてパッケージ化されている。このパッケージ化された流量センサ（流路付きセンサチップ）３を前記取り付け部２ｃに装着することで、該流量センサ３に一体化された流路を介して前述した雌ねじ部２ａ,２ｂ間を結ぶ１本の流路１が形成され、この流路１に面して前記流量センサ３が位置付けられる。尚、流量センサ３は、特に図示しないが、前述した特許文献２に示されるようにシリコン基板表面に形成された窒化シリコンや酸化シリコンなどからなるダイアフラム上に、発熱抵抗素子を間にして流体の通流方向に一対の感温抵抗素子を設け、前記ダイアフラムを流路１に位置付けることで、そのセンサ面に沿って流体が通流するようにした構造のものからなる。

一方、上述したブロック体（流量計本体）２に組み込まれる細管７は、図１４に示されるようにボルト状の細管支持体９にその軸心を貫通して取り付けられ、そして同細管支持体９は、流路１の入口側である雌ねじ部２ａよりも小径の雌ねじ部２ｄを介してブロック体２に取り付けられている。このようにして前記細管支持体９が流路１に組み込まれる。ちなみにこの細管７は、例えばその内径（直径）が０.２ｍｍ、長さが３〜６ｍｍ程度のものからなる。尚、ここでは細管支持体９を流路１の内壁面にねじ込んで嵌め込む構造のものについて示しているが、Ｏリングを用いて流路１の内壁面に細管支持体９を嵌め込む構造であっても良い。このようにして流路１に細管７を装着することで、流路１の入口である雌ねじ部２ａ側から流入する気体は細管７を通って流路１内に導かれ、流量センサ３の設置部（取り付け部２ｃ）を通過した後、その出口である雌ねじ部２ｂ側から流れ出るようになっている。

なお、図１３及び図１４に示される実施例において、細管７の代わりに、細管支持体９に直接極細通路を穿設することも可能である。
かくして上述したように流量センサ３をその流路１に面して設け、その流路１に細管７を設けた構造の流量計によれば、流量計本体２や該流量計本体２に連結された配管（図示せず）に加わった衝撃によりその流路１内に疎密波（圧力波）が生じても、その疎密波（圧力波）の前記流量センサ３への伝播が細管７により阻止されるので、流量センサ３が有する特性を十分に活かしながら、疎密波の影響を受けることなくその流量計測を高精度に行うことが可能となる。つまり気体が流れていないにも拘わらず、疎密波を気体の流量として誤検出することがなくなる。

ちなみに半導体製造工程での成膜プロセスで使われる装置（スパッター、エッチャー、ＣＶＤ等）において、これらの装置で用いられる流体（各種のガス）の流量を微少流量域において計測する場合においても、疎密波を前記流体の流量として誤検出することがなくなるので、微少流量の計測を高精度に行うことができる。例えば薄膜形成装置（成膜装置）などで使用される気体の微少流量（２００ｍＬ/min以下。場合によっては５０ｍＬ/min以下）を計測する場合においても、疎密波を気体の流量として誤検出することがなく、微少流量の計測を高精度に行うことができる。

しかも上述したようにその流路１に細管７を設けると言う簡易でコンパクトな構成であり、従来のような単一空洞形消音器等を組み込む必要がないので、その流路構造自体がシンプルで安価に製作することができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。特に高感度に微少流量を応答性良く検出し得ると言う熱式流量センサ３の特性を十分に活かした流量計を実現することができる。そしてこの流路１に細管７を設ける構成は、流れに脈動波（疎密波の一種）がある場合、流量センサ３付近における脈動を抑制して、精度の良い計測を実現することができる。

上述した構成の流量計を用いて流量制御装置を実現した実施例を図１５に示す。具体的には流路１を有するボディ（ブロック体２に相当）１０に、比例ソレノイド機構１１によって弁開度が調整される流量制御弁１２を設けると共に、前記流路１内に位置付けて流量センサ３を前記ボディ１０に取り付ける。そして流量センサ３の出力に応じてバルブ駆動回路を有する流量制御部２０にて前記比例ソレノイド機構１１を制御する。細管７を有する細管支持体９がボディ１に取り付けられ、これにより流路１に前述した細管７が組み込まれる。

この図１５に示される流量制御装置によれば、流量センサ３に対する疎密波の伝播が阻止されるので、流量センサ３の誤出力を効果的に阻止することが可能となる。この結果、流体が通流していないにも拘わらず、流量センサ３の出力によって比例ソレノイド機構１１が駆動されたり、或いは流量センサ３の出力値の変化によって比例ソレノイド機構１１を誤動作させてしまう等の不具合を未然に防ぐことができるので、その制御精度を十分に高め得る等の効果が奏せられる。

図１６に流量制御装置の別の実施例を示す。この実施例において、メイン流路１を有するボディ１０に、ソレノイド機構１１によって弁開度が調整される流量制御弁１２が接続されている。またボディ１０には、流路１をバイパスするバイパス流路１ａを有する別のボディ１０ａが設けられ、同ボディ１０ａにはバイパス流路１ａ内に位置する流量センサ３が取り付けられている。なお、メイン流路１には絞り１ｃが設けられている。この絞り１ｃは、同絞り１ｃの上流側と下流側に圧力勾配を作り、これによりバイパス流路１ａにも流体が流れるようにするためのものである。

そして、流量センサ３の出力に応じてバルブ駆動回路を有する流量制御部２０にてソレノイド機構１１を制御する。細管７を有する細管支持体９がボディ１０ａに取り付けられ、これにより細管７がバイパス流路１ａに組み込まれる。なお、この細管７の内径及び長さは、上述の実施例と同様に、バイパス流路１ａを流れる流体に形成される疎密波の伝播を阻止するように定められるものである。

この図１６の実施例によれば、細管７によって、流量センサ３に対する疎密波の伝播が阻止されるので、流量センサ３の誤検出が効果的に阻止される。また流量センサ３がバイパス通路１ａに設けられているので、流路１の流量を、図１５の実施例における流量よりも大きく設定することが可能となる。
なお、この図１６に示される実施例のようにバイパス流路を有する構成においては、温度特性が大きくなる、すなわち温度によって分流比（メイン流路を流れる流量に対するバイパス流路を流れる流量の比）が変わってしまう傾向がある。更に詳しくは、気体の温度が高くなるとその粘性が大きくなって細管での抵抗が大きくなり、細管を流れる流量が減少する傾向が生じる。そこで図１７に示される別の実施例においては、メイン流路１におけるバイパス流路１ａの入り口と出口の間に、バイパス流路１ａ内の細管７と同じサイズの細管７が複数本並列に設けられている。これによって、バイパス流路１ａの分流比が温度の変化によって変わらないように構成することが可能になる。なお、メイン流路である流路１に設ける細管７の数は、流路１を流れる流量に応じて決定される。

また、これら図１６及び図１７に示される実施例は、流量制御弁１２を備えた流量制御装置に関するものであるが、このバイパス流路に設けられた流量センサと、バイパス流路に設けられた細管７と、更に必要に応じてメイン流路に設けられ得る複数の細管７とにより、メイン流路の流量を計測するようにした構成は、メイン流路の流量を計測することのみにも使用できることは言うまでもない。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば細管７の流路径とその流路長については、前述したように境界層における疎密波エネルギの散逸が可能な条件の下で設計され、また圧力損失や最大流量等に応じて流路１に組み込む細管７の数を決定することができる。また流量センサ３については、その計測仕様に応じたものであれば採用することができ、特にその構造については限定されない。

また図１８に示すようにブロック体（流量計本体）２における上面略中央部に設けた流量センサ３の取り付け部２ｃと、該ブロック体２の主管路２ｄとを結ぶ小径の連通路２ｅ等に前述した細管７を組み込むことも勿論可能である。更には図１９に流路付きセンサチップの概略構造を例示するように、溝状の流路１１を形成し、この流路１１に流量センサ３を装着したガラス等の基体１２における前記流路（溝）１１に前述した細管７を直接形成することも可能である。この場合には、前記流路をなす溝１１の一部を幅狭の極細通路１３として形成される。具体的にはガラス等の基体１２を、例えばエッチング加工して溝（流路）１１を形成する際、そのマスクパターンを変更して溝１１の一部に所定の微小幅の極細通路１３を形成することができる。

また流量計測の対象となる流体の種別に応じて前述した細管７の径とその長さを設定すれば良いことは言うまでもなく、流体として前述した水素、空気、水以外のものにも同様に適用可能なことは言うまでもない。また極細通路１３（細管７）については、疎密波エネルギの散逸作用を呈する条件を満たすならば、必ずしも直線状に形成する必要はない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明に係る流量計の基本構造を模式的に示す図である。 定常流が存在しない場合に振動流により細管内に生じる速度境界層の様子を模式的に示す図である。 定常流が存在する場合に振動流により細管内に生じる速度境界層の様子を模式的に示す図である。 速度境界層と温度境界層との関係を示す図である。 疎密波の周波数が変化した場合における水素、空気、水のそれぞれに対する境界層の厚みの変化を示す図である。 細管の径が変化したときの空気に対するパワー損失の割合の変化を示す図である。 細管の径を一定にしたときの水素、空気、水のそれぞれに対するパワー損失の割合の変化を示す図である。 細管の有無による流量センサの出力の変化を対比して示す図である。 細管の長さによる疎密波除去効果を対比して示す図である。 細管の減衰特性を示す図である。 細管の管径の異なりに対する計測精度の変化を示す図である。 細管の長さの違いによる検出応答速度の変化を示す図である。 本発明の一実施形態に係る流量計の概略構成図である。 図１３に示す流量計に組み込まれる細管のユニット化構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係る流量制御装置の概略構成図である。 本発明の別の実施形態に係る流量制御装置の概略構成図である。 更に別の実施形態に係る流量制御装置の概略構成図である。 本発明の別の実施形態に係る流量計の概略構成図である。 本発明の更に実施形態に係る流量計の要部概略構成図である。 熱式質量流量計を用いた流量計の概略構成図である。 単一空洞形消音器の概略構成とその作用を説明する為の図である。 単一空洞形消音器の周波数特性の例と細管の周波数特性とを対比して示す図である。

符号の説明

１ 流路
１ａ バイパス流路
３ 熱式流量センサ
７ 細管
１２ 流量制御弁

Claims (9)

1. 流路に面して設けられて該流路を通流する流体の流量を検出する熱式流量センサと、前記流路に設けられて該流路内に生じた疎密波の前記熱式流量センサへの伝播を遮断するための極細通路とを備えていることを特徴とする流量計。
2. 前記極細通路は、前記流路における前記熱式流量センサの上流側または下流側に設けられてその流路断面積を絞り込むものであって、その内部に形成される前記疎密波によって生じる境界層厚さの略２倍に相当する流路断面寸法を有していることを特徴とする請求項１に記載の流量計。
3. 前記極細通路は、その内部に前記疎密波によって生じる境界層を形成する長さを有していることを特徴とする請求項１乃至２に記載の流量計。
4. 前記境界層厚さは、前記疎密波によって生じる速度境界層厚さ及び温度境界層厚さの小さい方の厚さであることを特徴とする請求項２に記載の流量計。
5. 前記極細通路は、流量計本体に形成された流路に着脱自在に装着されて前記流路を塞ぐ部材に、同部材を貫通して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量計。
6. 前記極細通路は、所定の流路断面積および所定の流路長を有する細管により形成され、
   前記細管は、流量計本体に形成された流路に着脱自在に装着されて前記流路を塞ぐ部材に、同部材を貫通して取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の流量計。
7. メイン流路からバイパスしたバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられた熱式流量センサと、
   前記バイパス流路に設けられ、同バイパス流路内に生じた疎密波の前記熱式流量センサへの伝播を遮断するための極細通路とを備えていることを特徴とする流量計。
8. 前記メイン流路に設けられ、前記極細通路と略同じ寸法を有し、互いに並列な複数の極細通路を更に備えていることを特徴とする請求項７に記載の流量計。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の流量計と、前記流路を流れる流体の流量を調整する流量制御弁と、前記流量計の出力に基づいて前記流量制御弁の開度を制御する制御手段とを具備していることを特徴とする流量制御装置。

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