JP2022518487A - 差圧ベースの流量計 - Google Patents

Abstract

【解決手段】様々な実施形態は、装置、および装置を形成するための方法を含む。一実施形態では、装置は、流路に沿って流体を搬送するための入口部および出口部を有する流量計である。流れ制限要素が流路内に形成され、流体に圧力降下を与える。流量センサが、流れ制限要素の上流を流れる流体と直接流体連通する流量センサの第１の表面と、第１の表面の反対側の流量センサの部分にあり、流れ制限要素の下流を流れる流体と直接流体連通する第２の表面とを有する。流量センサは、少なくとも１つの流れ制限要素による流体の差圧を感知する。他の装置およびシステムが開示される。
【選択図】図３Ａ

Description

優先権の主張
本出願は、２０１９年１月２５日に出願された名称を「ＤＩＦＦＥＲＥＮＴＩＡＬ－ＰＲＥＳＳＵＲＥ－ＢＡＳＥＤ ＦＬＯＷ ＭＥＴＥＲＳ」とする米国特許出願番号第６２／７９６，９６９号の優先権の利益を主張し、上記の出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書に開示の主題は、半導体および関連産業で使用される様々な種類の機器に関する。より具体的には、本開示の主題は、双方ともに差圧センサに基づく、流体の体積流量または流体の質量流量のいずれかを決定する装置に関する。

多くの工業プロセスでは、様々なプロセス流体の正確かつ精密な測定および制御が必要である。非圧縮性流体（例えば、液体）の測定などの特定のプロセスでは、体積流量（例えば、リットル／分（ｌｐｍ）、標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）、または立方メートル／秒（ｍ³／ｓ））さえ測定すればよい。しかしながら、圧縮性流体（例えば、ガス）の測定などの他のプロセスでは、質量流量の測定（例えば、ミリグラム／分（ｍｇ／ｍ）、またはキログラム／秒（ｋｇ／ｓ））が必要な場合が多い。したがって、圧縮性流体の場合、流体の体積質量密度（本明細書では単に質量密度とも呼ばれる）の議論は、絶対圧力と温度の関数であると考えてよい。例えば、半導体および関連産業では、質量流量計およびマスフローコントローラを使用して、プロセスチャンバに導入されるプロセス流体の質量を正確かつ精密に測定および制御する。多種多様な技術は、熱デバイス、超音波飛行時間型デバイス、コリオリデバイス、および圧力ベースのデバイスなどのデバイス内における流量を測定できる。

圧力ベースの流量計は、定義された流量制限を利用して、測定される流量に対応して圧力降下をもたらす。圧力ベースの流量計が質量流量計またはマスフローコントローラとして配置される場合、流量計はまた、流体性質と流量制限の両方の知識を組み合わせた、温度測定、結果として生じる圧力降下、および（圧縮性流体の場合）絶対圧力の測定を利用して、質量流量を計算する。

図１を参照すると、従来技術の差圧ベースの流量計１００の断面図が示されている。差圧ベースの流量計１００は、流路１１３内を流れる流体のための流体入口１０９および流体出口１１１と、制限要素１０７とを含む。第１の空洞１０３Ａおよび第２の空洞１０３Ｂは、それぞれ第１の圧力ポート１０５Ａおよび第２の圧力ポート１０５Ｂによって流路１１３に結合される。第１の空洞１０３Ａは、差圧センサ１０１の第１の側１０１Ａと流体圧力連通しており、第２の空洞１０３Ｂは、差圧センサ１０１の第２の側１０１Ｂと流体圧力連通している。流体が流路１１３を流れると、制限要素１０７により、流体の圧力が制限要素１０７の下流側（流体出口の側）の圧力よりも大きくなるように上流側（流体入口１０９の側）の圧力がより大きくなる。その結果、より高い流体圧力（制限要素１０７の上流側）は、第１の圧力ポート１０５Ａを通して第１の空洞１０３Ａに伝達される。同様に、より低い圧力（制限要素１０７の下流側）は、第２の圧力ポート１０５Ｂを通して第２の空洞１０３Ｂに伝達される。したがって、差圧センサ１０１の第１の側１０１Ａは、差圧センサ１０１の第２の側１０１Ｂよりも高い圧力を受ける。空洞１０３Ａ、１０３Ｂは圧力ポート１０５Ａ、１０５Ｂによって流路に結合されるが、空洞は、流路１１３を流れる流体に直接結合されない。よって、空洞１０３Ａ、１０３Ｂは、制限要素１０７のいずれかの側で圧力の変化を受ける。

当業者は、差圧センサ１０１の動作を理解している。しかしながら、一般に、差圧センサ１０１は、一種の可撓性ダイヤフラムと見なされる可能性がある。差圧センサ１０１の第１の側１０１Ａの圧力が差圧センサ１０１の第２の側１０１Ｂの圧力よりも大きいと、差圧センサ１０１は、撓むかまたは屈曲する。この撓みにより、２つの圧力の差に比例する電気信号が生成される。したがって、差圧センサ１０１は、生成された電気信号に基づいて流体の流量に対して較正できる。

しかしながら、差圧ベースの流量計１００に関する重要な懸念は、第１の空洞１０３Ａおよび第２の空洞１０３Ｂが各々、差圧ベースの流量計１００の動作中にフラッシュされない「デッドボリューム」を含むことである。その結果、様々な種類の汚染物質が空洞１０３Ａ、１０３Ｂのいずれかの中に捕捉され、いずれ流路１１３内の流体の流れに放出される可能性がある。半導体プロセス動作に使用される差圧ベースの流量計１００の場合、汚染物質により、製作中の１つまたは複数の集積回路に欠陥が生じる場合がある。このような欠陥により、１つまたは複数の集積回路が動作不能となる可能性があり、集積回路を製作する企業にとって収益の重大な損失をもたらす場合がある。

したがって、本明細書に記載の様々な実施形態において、開示される主題は、デッドボリュームを有さない、いくつかの種類の差圧ベースの流量計を開示する。

このセクションで説明されている情報は、当業者に以下に開示された主題の文脈を提示するために提供されており、認められた先行技術と見なされるべきではない。

図１は、従来技術の差圧ベースの流量計の断面図を示す。

図２は、本開示の主題による差圧ベースの流量計の一実施形態の断面図を示す。

図３Ａは、本開示の主題による差圧ベースの流量計の別の実施形態の断面図を示す。

図３Ｂは、図３Ａの差圧ベースの流量計の実施形態のセクションを示す。

図４Ａは、本開示の主題による差圧ベースの流量計の別の実施形態の断面図である。

図４Ｂは、図４Ａの差圧ベースの流量計の実施形態で使用される流量センサキャリアの詳細を示す。

図４Ｃは、本開示の主題による差圧ベースの流量計の別の実施形態の断面図を示す。

図４Ｄは、図４Ｃの差圧ベースの流量計の実施形態で使用される流量センサキャリアの詳細を示す。

ここで添付の様々な図面に示されるいくつかの一般的かつ具体的な実施形態を参照して、本開示の主題を詳細に説明する。以下の説明では、本開示の主題の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、当業者には、本開示の主題がこれらの具体的な詳細の一部またはすべてがなくても実践されてもよいことは明らかであろう。他の例では、本開示の主題を不明瞭にしないために、周知のプロセスステップ、構築技術、または構造は、詳細には説明されていない。

本実施形態に記載の各々において、様々な差圧ベースの流量計は、体積流量計と見なされる場合がある。しかしながら、本開示の主題を読んで理解したところに基づいて、当業者には、本開示の体積流量計の様々な実施形態の各々を、質量流量計またはマスフローコントローラに変換する方法を認識するであろう。このような技術も、以下でより詳細に説明されている。

ここで図２を参照すると、本開示の主題による差圧ベースの流量計２００の一実施形態の断面図が示されている。差圧ベースの流量計２００は、流体が流路２０５を流れるための流体入口２０１および流体出口２０３を含むように示されている。図２はまた、第１の側２０７Ａおよび第２の側２０７Ｂを有する流量センサ２０７、ならびに流れ制限要素２１１と、流量計本体２１５とを含むように示されている。流路２０５を流れる流体は流量センサ２０７と直接水圧または空気圧連通しているので、従来技術の差圧ベースの流れによって要求されるような、図１の第１および第２の圧力ポート１０５Ａ、１０５Ｂが圧力を第１および第２の空洞１０３Ａ、１０３Ｂに中継する必要はない。その結果、圧力ポート１０５Ａ、１０５Ｂおよび空洞１０３Ａ、１０３Ｂが本開示の主題の様々な実施形態では必要とされないので、汚染物質を捕捉し、後で放出する可能性があるデッドボリュームがない。さらに、流路が連続的であるため、差圧ベースの流量計２００は、動作中に連続的にフラッシュされる。

流れ制限要素２１１は、流路２０５内の第１の屈曲部２０９と流路２０５内の第２の屈曲部２１３との間に位置する。第１および第２の屈曲部２０９、２１３により、流路２０５を流れる流体が流量センサ２０７の対向する側（すなわち、第１の側２０７Ａおよび第２の側２０７Ｂ）を通過して流れることができる。流れ制限要素２１１は、流路２０５を流れる流体が流れ制限要素２１１の下流よりも流れ制限要素２１１の上流でより高い圧力を有するように、任意の種類の流量制限デバイスを備えてもよい。（特定の実施形態では、差圧ベースの流量計２００の設計は、双方向である。したがって、流量センサ２０７の対向する側の圧力差を逆にしてもよい。）このような流量制限デバイスは、例えば、流路２０５を横切って配置されているプレートに機械加工もしくは他の方法で形成されたオリフィス、または層流要素を含んでもよい。他の実施形態では、流れ制限要素２１１は、流路２０５の面積に縮小した断面積を構成して、縮小した面積の流路の上流を流れる流体の圧力を増加させることができる。このようなデバイスおよび技術は、当技術分野で知られている。

一実施形態では、流量センサ２０７は、流量センサ２０７の第１の側２０７Ａと第２の側２０７Ｂの流体圧力間の圧力差として認めた圧力差を感知する差圧センサを備える。この実施形態では、流量センサ２０７を一種の可撓性ダイヤフラムと見なすことができる。

当業者に知られているように、差圧センサは、当技術分野で知られている他の流量センサよりもはるかに広い範囲の流体流量を測定できる。検出可能な流体流量の範囲は、「ターンダウン比」として知られている。ターンダウン比は「レンジアビリティ」とも呼ばれ、流量計が流体の流量を正確に測定できる範囲を示す。したがって、ターンダウン比は、測定範囲の上限と測定範囲の下限を表し、上限と下限の比率として表される。本明細書に開示の流量計の様々な実施形態の各々において、ターンダウン比は、少なくとも約１００：１以上としてよい。

様々な実施形態において、図２に示すように、流量センサ２０７は、流量センサ２０７の対向する側で互いに対して約１８０°離れた方向に流れる流体の流量を測定するように配置される（すなわち、流量センサ２０７の対向する側の入口および出口の流れは、互いに実質的に平行であるが、反対方向である）。しかしながら、流体入口２０１および流体出口２０３における流体が互いに実質的に平行に流れる必要はない。すなわち、流体入口２０１から流れる流体は、ほぼ反対方向の流体出口２０３に向かって流れる必要はない。流体入口２０１および流体出口２０３を例えば、約０°～約４５°離れた角度で配置してもよい。他の実施形態では、流体入口２０１および流体出口２０３は、例えば、約４５°～約６０°離れた角度で配置されてもよい。さらに他の実施形態では、流体入口２０１および流体出口２０３は、例えば、約６０°～約９０°以上離れた角度で配置されてもよい。その結果、流量センサに近接した流体の流れが層流レジームで流れることが望ましい実施形態では、流体入口２０１および流体出口２０３は、様々な角度で配置されてもよく、本開示の主題の範囲内であると見なされることになる。

例えば、上述の流体入口２０１および流体出口２０３の様々な方向シナリオの各々は、流量センサ２０７に近接する流路の一部において、流量センサ２０７の対向する側で互いに約１８０°の方向に流れていてもよい。しかしながら、流量センサ２０７の遠位（例えば、以下でより詳細に説明するように、流量センサ２０７の近くの層流レジームに対応するために適度に距離をおいた流量センサ２０７の上流および下流）に、流路を、差圧ベースの流量計２００上にカプラまたは継手を載置する際の便宜のために、上述のように互いに任意の相対角度で配置できる。

図２を引き続き参照すると、第１の屈曲部２０９および第２の屈曲部は、流れ制限要素２１１の対向する側にある。しかしながら、差圧ベースの流量計２００の所与の実施態様について、流体の流れが層流レジームであることが望ましい場合、第１の屈曲部２０９および第２の屈曲部２１３の少なくとも１つは各々、流れ制限要素２１１の上流および下流にそれぞれ、少なくとも５～７つの直径（内部寸法に基づいて、また、流路の断面が円形であると仮定して）に位置してもよい。あるいは、または少なくとも５～７つの直径に増加した経路の長さに加えて、当技術分野で知られている様々な整流器デバイスも同様に流路２０５内で使用してもよい。流体力学の基本原理に基づいて、当業者は、層流流体の流れに対応するように流路２０５を配置およびサイズ設定する方法を認識するであろう。例えば、流路２０５が円形の断面積を有さない場合、例えば、長方形の断面を有する流路の場合の水圧直径、屈曲部２０９、２１３の上流および下流のチャネルの長さなどの別の関連する内部特性長さ寸法を選択して層流を復元してもよい。本開示の主題を読んで理解することに基づいて、当業者は、流路の長さ（例えば、屈曲部の前または後）を決定して、所与の流体流量、流体密度、および流体の動粘度に対して層流を生成する方法を認識するであろう。

層流流体の流れを備える代わりに、他の実施形態では、流量センサ２０７は、流量の変量がかなり安定している、乱流または遷移流レジームに対して較正されてもよい。流れの許容可能な変量は、所与の流体および対象の流量に対して経験的に決定してもよく、または当技術分野で知られている数値流体力学（ＣＦＤ）分析を使用して事前に決定してもよい。例えば、当業者は、流れが例えば、公称流量の±１０％を超えて変化しない場合、乱流流量が所定の許容範囲内にあり得ると決定してもよい。このような較正技術は、関連技術において知られている。

全体として、差圧ベースの流量計２００は、当技術分野で知られている様々な手段によって構築してもよい。例えば、様々な実施形態において、差圧ベースの流量計２００は、材料の１つまたは複数の積層から構築されてもよく、各積層は、最終組み立ての前に少なくとも部分的に機械加工または他の方法で形成（例えば、成形）される。特定の例示的な実施形態では、第１の積層部分を、３１６Ｌステンレスから機械加工してもよい。第１の積層部分を実質的にミラーリングする第２の積層部分もまた、機械加工される。次に、流量センサ２０７および流れ制限要素２１１が載置され、積層部分の１つに接着（例えば、溶接、化学接着、または他の方法で連結）される。次いで、２つの積層部分は、共に溶接または連結される。

他の実施形態では、流量計本体２１５は、鋳造、成形、焼結、または他の方法で形成され、共に接合された部分を有してもよい。さらに他の実施形態では、流量計本体は、付加製造技術（例えば、３Ｄプリンタから印刷される）を使用して部分的または完全に製造されてもよい。このような技術および他の技術は、当技術分野で知られている。

流量計本体２１５は、当技術分野で知られている多数の材料の１つまたは複数から形成されてもよい。例えば、差圧ベースの流量計２００が苛性または腐食性流体を運ぶことが予想される場合、流量計本体２１５の少なくとも一部を形成するために、様々な種類のセラミック材料（例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、または酸化ベリリウム（ＢｅＯ））またはステンレス鋼（例えば、種類３０４または３１６Ｌ）を選択してもよい。他の用途では、様々な種類の機械加工可能なおよび／または成形可能なポリマーおよび高性能プラスチックを選択して、流量計本体２１５の少なくとも一部を形成してもよい。

図３Ａは、本開示の主題による差圧ベースの流量計３００の別の実施形態の断面図を示す。層流レジームにおける流体の流れを測定するために使用されると、長い流路により、流体が流量センサ３０９の面に粘性衝突する可能性が低減または排除され、したがって遷移または乱流による測定誤差が低減または排除される。しかしながら、以下でより詳細に論じられるように、差圧ベースの流量計３００も、遷移流レジームおよび乱流レジームの流れにおいて使用するために較正できる。

図３の差圧ベースの流量計３００は、流路３０７を流れる流体のための流体入口３０１および流体出口３０３を含むように示されている。図３は、第１の側３０９Ａおよび第２の側３０９Ｂを有する流量センサ３０９と、流量センサ３０９を流量コントローラまたはマイクロプロセッサ（図示せず）などの外部デバイスに結合するセンサワイヤ３１５とを含むように示されている。図３はまた、第１の層流要素３０５と、第２の層流要素３１３と、流れ制限要素３１１と、流量計本体３１７とを含むように示されている。

様々な実施形態において、第１の層流要素３０５および第２の層流要素３１３の少なくとも１つは、任意である。層流要素３０５、３１３が任意であるかどうかは、図２の差圧ベースの流量計２００を参照して論じたように、流量センサ３０９が層流レジーム、遷移流レジーム、または乱流レジームにおける流体の流量を測定するように配置されているかどうかに少なくとも部分的に依存する。

層流要素３０５、３１３が任意であるかどうかに関する別の考慮事項は、流体入口３０１に対する流量センサ３０９の第１の側３０９Ａの物理的場所（距離）、ならびに流れ制限要素３１１に対する流量センサ３０９の第２の側３０９Ｂの物理的場所（距離）に少なくとも部分的に依存する。例えば、差圧ベースの流量計３００は、流量センサ３０９が流体入口３０１から十分離れた距離にあるように構築されてもよく、または流体を差圧ベースの流量計３００に搬送する管、チャネル、もしくは他の配管の組み合わせが、流体が第１の側３０９Ａ上の流量センサ３０９の上流端を通過する少なくとも直前に、流体の第１の速度プロファイルが層流レジームにあるように、十分な長さを有するように構築されてもよい。このような決定および計算は、当業者にはよく理解されている。同様に、流れ制限要素３１１の下流側から第２の側３０９Ｂ上の流量センサ３０９の上流端までの物理的距離は、流体の第２の速度プロファイルが層流レジームにあるように構築され得る。

したがって、１つまたは複数の層流要素３０５、３１３は、差圧ベースの流量計３００に使用されてもよい。例えば、差圧ベースの流量計３００の様々な実施形態および構成に対して、３つ以上の層流要素（２つのみが示されている）を使用してもよい。加えて、複数の流れ制限要素３１１（１つのみが示されている）は、特定の種類の流体または特定の範囲の流体の流れのために使用されてもよい。例えば、低流量を測定するとき、複数の流れ制限要素３１１を使用して圧力差を増加させてもよく、この場合流量センサ３０９が差圧センサとして選択される。

図２の差圧ベースの流量計２００と同様に、流路２０５を流れる流体が圧力センサと直接水圧または空気圧連通しているので、従来技術の図１の差圧ベースの流量計によって要求されるような、第１および第２の圧力ポート１０５Ａ、１０５Ｂが圧力を第１および第２の空洞１０３Ａ、１０３Ｂに中継する必要はない。その結果、圧力ポート１０５Ａ、１０５Ｂおよび空洞１０３Ａ、１０３Ｂが本開示の主題の様々な実施形態では必要とされないので、汚染物質を捕捉し、後で放出する可能性があるデッドボリュームがない。

図２の流れ制限要素２１１に関して論じたように、図３の流れ制限要素３１１は、様々な種類の流量制限デバイスを備えてもよい。例えば、流れ制限要素３１１は、層流要素、貫通してドリル加工もしくは他の方法で形成された１つまたは複数のオリフィスを有する流体の流れの方向に対して横方向に構成されているプレート、または別個の流量制限デバイスのない流路における制限的屈曲部であってもよい。また、流量センサ３０９は、図２の流量センサ２０７を参照して上述したように、１つまたは複数の種類の流量センサを備えてもよい。本明細書で提供される本開示の主題を理解しやすくするために、流量センサ３０９は、差圧センサと見なされてもよい。

また、図２を参照して論じたように、流量センサ３０９は、流量センサ３０９の対向する側で互いに約１８０°の方向に流れる流体の流量を測定するように配置される（すなわち、流量センサ３０９の対向する側の入口および出口の流れは、互いに実質的に平行であるが、反対方向である）。しかしながら、流体入口３０１および流体出口３０３における流体が互いに実質的に平行に流れる必要はない。すなわち、流体入口３０１から流れる流体は、ほぼ反対方向に流体出口３０３に向かって流れる必要はない。流体入口３０１および流体出口３０３は、例えば、約０°～約４５°離れた角度で配置されてもよい。他の実施形態では、流体入口３０１および流体出口３０３は、例えば、約４５°～約６０°離れた角度で配置されてもよい。さらに他の実施形態では、流体入口３０１および流体出口３０３は、例えば、約６０°～約９０°以上離れた角度で配置されてもよい。その結果、流量センサに近接した流体の流れが層流レジームで流れることが望ましい実施形態では、流体入口３０１および流体出口３０３は、様々な角度で配置されてもよく、本開示の主題の範囲内であると見なされることになる。

例えば、上述の流体入口３０１および流体出口３０３の様々な方向シナリオの各々は、流量センサ３０９に近接する流路の一部において、流量センサ３０９の対向する側で互いに約１８０°の方向に流れていてもよい。しかしながら、流量センサ３０９の遠位（例えば、本明細書でより詳細に説明されるように、流量センサ３０９の近くの層流レジームに対応するために適度に距離をおいた流量センサ３０９の上流および下流）に、流路を、差圧ベースの流量計３００上にカプラまたは継手を載置する際の便宜のために、上述のように互いに任意の相対角度で配置できる。

図３Ａを引き続き参照すると、流れ制限要素３１１は、流路３０７内の第１の層流要素３０５と流路３０７内の第２の層流要素３１３との間に位置する。その結果、第１および第２の層流要素３０５、３１３により、流路３０７を流れる流体が流量センサ３０９の対向する側（第１の側３０９Ａおよび第２の側３０９Ｂ）を通過して流れることができる。差圧センサに基づく流量センサ３０９と共に使用されるとき、流れ制限要素３１１は、流路３０７を流れる流体が流れ制限要素３１１の下流よりも流れ制限要素３１１の上流でより高い圧力を有するように、任意の種類の流量制限デバイスを備えてもよい。このような流量制限デバイスは、例えば、流路３０７を横切って配置されているプレートに機械加工もしくは他の方法で形成されたオリフィスを含んでもよい。様々な実施形態において、流れ制限要素３１１はまた、追加の層流要素を備えてもよい。（層流要素は、層流要素の長さ全体にわたって圧力降下を引き起こすことが当技術分野で知られている。）他の実施形態では、図２を参照して述べたように、流路３０７の断面積は、縮小した面積の流路の上流を流れる流体の圧力を増加させるために、縮小されてもよい。様々な実施形態において、流路３０７の直径ｄ₁は、流路３０７の第２の部分の直径ｄ₂よりも大きいまたは小さいように選択されてもよい（図３Ｂ参照）。このようなデバイスおよび技術は、当技術分野で知られている。

図３Ｂは、図３Ａの差圧ベースの流量計３００の実施形態のセクション３３０（図３ＡのセクションＡ－Ａにおける）を示す。本開示の主題を読んで理解したところに基づいて、当業者は、図３Ａおよび図３Ｂの差圧ベースの流量計３００が、例えば、図２を参照して上述した材料または技術のいずれかを使用して構築されてもよいことを認識するであろう。

図４Ａは、本開示の主題による差圧ベースの流量計４００の別の実施形態の断面図を示す。差圧ベースの流量計４００は差圧センサに基づくものとして説明されているが、差圧ベースの流量計４００は、当技術分野で知られている様々な流量センサのいずれかを使用することができる。したがって、「差圧ベースの流量計」という用語は、以下に説明するように、図４Ａの様々な実施形態を理解しやすくするために主に使用される。

図４の差圧ベースの流量計４００は、流体入口４０１、流体出口４０３、上流部分流路４０５Ｌ、下流部分流路４０５Ｒ、第１のエンクロージャ部分４０７Ｌ、第２のエンクロージャ部分４０７Ｒ、および流量センサキャリア４０９を含むように示されている。上流部分流路４０５Ｌおよび下流部分流路４０５Ｒは、それぞれ、流量センサキャリア４０９の上流および下流である。流量センサキャリア４０９は、上流側４１３Ａおよび下流側４１３Ｂを有する。

図４Ｂは、図４Ａの差圧ベースの流量計４００の実施形態で使用される流量センサキャリア４０９の詳細を示す。図４Ａおよび図４Ｂを同時に参照すると、流量センサキャリア４０９は、差圧センサ４１３、ならびに第１の貫通孔４１１、第２の貫通孔４１７、および第３の貫通孔４１９を含むように示されている。貫通孔４１１、４１７、４１９は、流量センサキャリア４０９を通って、実質的に同じ方向に形成され、流体が流量センサキャリア４０９を通って上流部分流路４０５Ｌから下流部分流路４０５Ｒに流れることができるオリフィスを備える。

本開示の主題を読んで理解すると、当業者は、第１、第２、および第３の貫通孔４１１、４１７、４１９の少なくとも２つは任意であり、流量センサキャリア４０９の単一の貫通孔さえあればよいことを認識するであろう。他の実施形態では、３つを超える貫通孔（例えば、４つ以上）が存在してもよい。さらに、任意の貫通孔を当技術分野で独立して知られている様々な技術を通じて様々な直径および形状に形成してもよい。このような技術には、レーザ穴あけ、機械穴あけ、放電加工（ＥＤＭ）、または当技術分野で知られている他のサブトラクティブ機械加工動作が挙げられる。例えば、貫通孔４１１、４１７、４１９の少なくとも１つは、円錐形または先細の入口および／または出口を有してもよく、円形、楕円形、または他の断面の孔を有してもよい。他の実施形態では、流量センサキャリア４０９の全体は、上述したような付加的な機械加工技術から形成されてもよい。形成された後、差圧センサ４１３は、当技術分野で独立して知られている技術によって、流量センサキャリア４０９に圧入、溶接、化学接着、または他の方法で連結されてもよい。

特定の例示的な実施形態において、示すように、第１のエンクロージャ部分４０７Ｌは、２つの端部：第１の端部（流体入口４０１を含む）および流量センサキャリア４０９を受け入れるように配置されている第２の端部を有する入口管構造を備える。第１の端部を、例えば、当技術分野で知られているように、ＶＣＲ（登録商標）金属間シール特徴にフレア加工するか、または雄型ＶＣＲ（登録商標）管スタブに溶接してもよい。他の実施形態では、第１の端部は、例えば、ＶＣＯ（登録商標）Ｏリング式面シール継手として形成され得る（ＶＣＲ（登録商標）およびＶＣＯ（登録商標）シール継手は、米国オハイオ州ソロンのスウェージロック社の登録商標である）。当業者は、他の種類の継手も同様に使用してもよいことを認識するであろう。

入口管構造の残りの端部（すなわち、第２の端部）は、実質的に一方向（例えば、正のｙ方向）にフレア加工されてもよい。実質的に一方向のフレア加工は、第１のエンクロージャ部分４０７Ｌの下部（例えば、入口管）を実質的に変形させず、かつ第２のエンクロージャ部分４０７Ｒの下部（例えば、出口管）を実質的に変形させないままにし、それによって界面領域４１５に楕円形の断面積を形成する。実質的に一方向のフレア加工は、図４Ａに示すように、第１の界面特徴４２１および第２の界面特徴４２３を生成する。

この特定の例示的な実施形態を続けると、第２のエンクロージャ部分４０７Ｒは、出口管を備え、第２の界面特徴４２３を形成する出口管の上流部分のフレア部分から始まり、第１の界面特徴４２１と嵌合する。出口管は、出口管の下流部分で、出口管を、例えば、比例弁ブロック（図示しないが、当技術分野で知られている）に接続する結合特徴で終端する。出口管の出口端部または比例弁ブロックのいずれかは、例えば、ＶＣＲ（登録商標）またはＶＣＯ（登録商標）シール継手特徴で終端する。次に、流量センサキャリア４０９は、界面特徴４２１、４２３において、入口管と出口管との間に載置、形成、または他の方法で備え付けられる。次いで入口管と出口管は、界面領域４１５で互いに接着され、互いに実質的に同一直線上にある（例えば、軌道レーザ溶接、干渉もしくは圧入、化学接着剤、それらの組み合わせ、または当技術分野で知られている他の技術による）。

第１のエンクロージャ部分４０７Ｌ、第２のエンクロージャ部分４０７Ｒ、および流量センサキャリア４０９は、図２を参照して上述した１つまたは複数の材料または技術のいずれかを使用して構築され得る。あるいは、第１のエンクロージャ部分４０７Ｌおよび第２のエンクロージャ部分４０７Ｒは、例えば、ステンレス鋼管、銅管、ポリマーベースの管、または他の材料を含む、当技術分野で知られている様々な種類の管材料を使用して構築されてもよい。管は、少なくとも部分的に流体の流れの考慮事項（例えば、流体の腐食性、ならびに流体が運ばれる圧力）、汚染の考慮事項、および当技術分野で知られている他の考慮事項に基づいて選択される。

別の特定の例示的な実施形態では、第１のエンクロージャ部分４０７Ｌおよび第２のエンクロージャ部分４０７Ｒは、管構造を備えることができる。当技術分野で知られているように、管構造は、例えば、それ自体では流体搬送中に遭遇する動作圧力に耐えられない可能性がある薄壁管から形成され得る。しかしながら、管構造は、動作中に管が確実に変形しないように、管構造の各々の外側の型などの１つまたは複数の構造部品でバックアップされ得る。バックアップ部品としては、例えば、繊維強化ポリマー、セラミック、ポリマー、金属、または当技術分野で知られている他の適切な材料を含むことができる。加えて、バックアップ部品は濡れていないため、部品の純度要件は限られているか、または全くない。その結果、構造の機能は、流体の純度を維持する機能から分離される。薄壁管は、化学的性質に抵抗することが知られている材料から選択され、粒子トラップを低減または排除するように形成され得る。さらに、当技術分野で知られているように、ハイドロフォーミング、空気圧フォーミング、または機械的フレア加工などの動作を使用して、管を形成してもよい。

流体速度、流体密度、および流体動粘度などの要因に応じて、流量センサキャリア４０９の上流側４１３Ａ、ひいては差圧センサ４１３に対する速度衝突が大きくなる可能性がある。さらに、流量センサキャリア４０９によって生成される抗力もまた、大きくなる可能性がある。したがって、差圧ベースの流量計４００は、差圧ベースの流量計４００内に搬送される様々な種類の流体の各々に対して較正する必要があり得る。しかしながら、図４Ａの差圧ベースの流量計４００は、図２および図３Ａの差圧ベースの流量計２００、３００よりも安価で構築可能である。

図４Ａおよび図４Ｂの差圧ベースの流量計４００と少なくともいくつかの態様において同様に、図４Ｃは、本開示の主題による差圧ベースの流量計４３０の別の実施形態の断面図を示す。

図４Ｃの差圧ベースの流量計４３０は、流体入口４３１、流体出口４３３、上流部分流路４３５Ｌ、下流部分流路４３５Ｒ、第１のエンクロージャ部分４３７Ｌ、第２のエンクロージャ部分４３７Ｒ、および流量センサキャリア４３９を含むように示されている。上流部分流路４３５Ｌおよび下流部分流路４３５Ｒは、それぞれ、流量センサキャリア４３９の上流および下流である。流量センサキャリア４３９は、上流側４４３Ａおよび下流側４４３Ｂを有する。

図４Ｄは、図４Ｃの差圧ベースの流量計４３０の実施形態で使用される流量センサキャリア４３９の詳細を示す。図４Ｃおよび図４Ｄを同時に参照すると、流量センサキャリア４３９は、差圧センサ４４３と、複数の貫通孔４４１とを含むように示されている。複数の貫通孔４４１は、流量センサキャリア４３９を通って、実質的に同じ方向に形成され、流体が流量センサキャリア４３９を通って上流部分流路４３５Ｌから下流部分流路４３５Ｒに流れることができるオリフィスを備える。

本開示の主題を読んで理解すると、当業者は、流量センサキャリア４３９に複数の貫通孔４４１のうち、単一の貫通孔さえあればよいことを認識するであろう。さらに、当業者は、図４Ｄに示される数を超える追加の貫通孔を使用してもよいことを認識するであろう。複数の貫通孔４４１、ならびに流量センサキャリア４３９は、様々な材料から形成されてもよく、図４Ａおよび図４Ｂを参照して上述のように、様々な形状を有する。

図４Ｃの差圧ベースの流量計４３０は、図４Ｃの界面領域４１５における実質的に楕円形の断面積と比較して、図４Ｃの界面領域４４５が実質的に丸形の断面積を有するという点で、図４Ａの差圧ベースの流量計４００とは異なる。すなわち、図４Ｃの第１の界面特徴４４７および第２の界面特徴４４９は、実質的に３つの方向（例えば、正のｘ、ｙ、およびｚ方向）にフレア加工され得る。

図４Ｃの第１の界面特徴４４７および第２の界面特徴４４９がフレア加工されると、次に、流量センサキャリア４３９は、界面特徴４４７、４４９において、第１のエンクロージャ部分４３７Ｌと第２のエンクロージャ部分４３７Ｒとの間に載置、形成、または他の方法で備え付けられる。次いで、第１のエンクロージャ部分４３７Ｌと第２のエンクロージャ部分４３７Ｒは、界面領域４４５で互いに接着され、互いに実質的に同一直線上にある（例えば、軌道レーザ溶接、干渉もしくは圧入、化学接着剤、それらの組み合わせ、または当技術分野で知られている他の技術による）。

当業者には認識可能なように、本明細書に記載の差圧ベースの体積流量計の様々な実施形態の各々は、追加の構成要素を追加することによって質量流量計またはマスフローコントローラに形成され得る。当技術分野で知られているように、マスフローコントローラは、所定の設定値の形で電気信号として送信される設定流量に従って、流体の流量を自動的に制御するように配置される。特に、流体がガスである場合、マスフローコントローラは、温度変化または他の要因によるガス圧の変化の影響を実質的に受けない。これらの要因は、別個に測定して検討することができるためである。例えば、マスフローコントローラはまた、上述の様々な体積流量計に加えて、体積流量計に結合された制御弁、弁アクチュエータ、およびコントローラのすべてを含む。本開示の主題を読んで理解したところに基づいて、当業者は、どの構成要素が必要であるか、およびそれらの構成要素を本明細書に記載の様々な体積流量計に結合して様々な種類の質量流量計を形成する方法を容易に認識するであろう。

全体として、本明細書に含まれる本開示の主題は、半導体製作環境（ファブ）において「ツール」の動作の部分を制御するために動作可能であり、かつ使用可能な流量計構成要素を一般に説明するか、またはそれらに関する。このようなツールは、様々な種類の堆積（ＡＬＤ（原子層堆積）、ＣＶＤ（化学気相堆積）、ＰＥＣＶＤ（プラズマ強化ＣＶＤ）などのプラズマベースのツールを含む）およびエッチングツール（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）ツール）、ならびに様々な種類の熱炉（例えば、急速熱アニーリングおよび酸化など）、イオン注入、ならびに様々なファブに見られ、当業者に知られている様々な他のプロセスおよび計測ツールを含むことができる。しかしながら、本開示の主題は、半導体環境に限定されず、ロボットアセンブリ、製造、機械加工環境での流体制御動作（例えば、物理気相堆積（ＰＶＤツール）を使用する動作を含む）などの多数の工作機械環境、ならびに様々な他の環境に使用できる。本明細書で提供される開示を読んで理解すると、当業者は、本開示の主題の様々な実施形態が、他の種類のプロセスならびに多種多様なツールおよび構成要素と共に使用されてもよいことを認識するであろう。

本明細書で使用される、「または」という用語は、包括的または排他的な意味で解釈されてもよい。さらに、提供される本開示を読んで理解したところに基づいて、他の実施形態は、当業者によって理解されるであろう。さらに、本明細書で提供される本開示を読んで理解したところに基づいて、当業者は、本明細書で提供される技術および例の様々な組み合わせのすべてが様々な構成に適用されてもよいことを容易に理解するであろう。

様々な実施形態が別個に論じられているが、これらの別個の実施形態は、独立した技術または設計と見なされることを意図していない。上に示したように、様々な部分の各々は、相互に関連していてもよく、各々は別個に、または本明細書で論じられる他の実施形態と組み合わせて使用されてもよい。例えば、方法、動作、およびプロセスの様々な実施形態が説明されてきたが、これらの方法、動作、およびプロセスは、別個にまたは様々な組み合わせで使用されてもよい。

その結果、本明細書で提供される本開示を読んで理解したところに基づいて、当業者には明らかであるように、多くの修正および変形を行うことができる。例えば、様々な実施形態の各々は、単一の差圧センサを使用するものとして示され、説明されている。しかしながら、本開示の主題を読んで理解したところに基づいて、当業者は、例えば、それぞれの流量計を通って搬送されると予想される流体の粘度に応じて、２つ以上の差圧センサが実施形態の各々で使用されてもよいことを認識するであろう。さらに、１つまたは複数の流れ制限要素を、本明細書に記載の様々な実施形態の各々と共に使用して、様々な差圧センサによって測定される差圧降下を増加させてもよい。低い流体流量（例えば、１ｓｃｃｍ未満）を測定する場合、より高い圧力降下を使用することができ、圧力降下が高いほど、低流量での流量計の精度が向上する。

さらに、本明細書に列挙されたものに加えて、本開示の範囲内の機能的に同等の方法およびデバイスは、前述の説明から当業者には明らかであろう。いくつかの実施形態、材料、および構築技術の部分および特徴は、他の実施形態に含まれるか、または、他の実施形態に代用されてもよい。このような修正および変形は、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲の条件およびこのような特許請求の範囲の権利が与えられる同等物の全範囲によってのみ限定されるものである。本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図するものではないことも理解されたい。

本開示の要約書は、読者が技術的開示の性質を迅速に確認できるように提供されている。要約書は、特許請求の範囲の解釈または限定に使用されないことを理解した上で提出されている。また、前述の発明を実施するための形態において、本開示を合理化する目的で、様々な特徴が単一の実施形態に一緒にグループ化されてもよいことが理解され得る。この開示方法は、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。したがって、以下の特許請求の範囲は、本明細書によって発明を実施するための形態に組み込まれ、各請求項は別個の実施形態として独立するものである。

Claims (20)

1. 流量計であって、
   入口部および出口部を有し、流体を搬送するように構成されている流路と、
   前記流路の内部にあり、前記流路の前記入口部と前記出口部との間に配置され、前記流体に圧力降下を与えるように構成されている少なくとも１つの流れ制限要素と、
   前記流路の前記入口部と前記出口部との間に配置されている流量センサとを備え、前記流量センサの第１の表面は、前記少なくとも１つの流れ制限要素の上流を流れる前記流体と直接流体連通するように構成され、前記流量センサの前記第１の表面の反対側の前記流量センサの部分の第２の表面は、前記少なくとも１つの流れ制限要素の下流を流れる前記流体と直接流体連通するように構成され、前記流量センサは、前記少なくとも１つの流れ制限要素による前記流体の差圧を感知するように構成されている、流量計。
2. 請求項１に記載の流量計であって、
   前記少なくとも１つの流れ制限要素は、層流要素を備える、流量計。
3. 請求項１に記載の流量計であって、
   前記少なくとも１つの流れ制限要素は、オリフィスを備える、流量計。
4. 請求項１に記載の流量計であって、
   前記少なくとも１つの流れ制限要素は、複数のオリフィスを備える、流量計。
5. 請求項１に記載の流量計であって、
   前記流路の前記入口部および前記出口部は、互いに実質的に平行に配置される、流量計。
6. 請求項１に記載の流量計であって、
   前記流路の前記入口部および前記出口部は、約０°～約４５°離れた角度で配置される、流量計。
7. 請求項１に記載の流量計であって、
   前記流路の前記入口部および前記出口部は、約４５°～約６０°離れた角度で配置される、流量計。
8. 請求項１に記載の流量計はさらに、
   前記少なくとも１つの流れ制限要素の上流にある前記流路内の第１の屈曲部と、前記少なくとも１つの流れ制限要素の下流にある第２の屈曲部とを備える、流量計。
9. 請求項１に記載の流量計であって、
   前記第１の屈曲部および前記第２の屈曲部の少なくとも１つは、前記少なくとも１つの流れ制限要素から離れて少なくとも５～７の特性長さ寸法であり、前記特性長さ寸法は、前記流路の内部寸法に基づく、流量計。
10. 請求項１に記載の流量計であって、
    前記流量センサは、差圧センサである、流量計。
11. 請求項１に記載の流量計であって、
    前記流量計のターンダウン比は、少なくとも約１００：１である、流量計。
12. 流量計であって、
    入口部および出口部を有し、流体を搬送するように構成されている流路であって、内部に形成されている単一の屈曲部を有する流路と、
    前記流路の内部にあり、前記流路の前記入口部と前記出口部との間に配置され、前記流体に圧力降下を与えるように構成されている少なくとも１つの流れ制限要素と、
    第１の表面、および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する少なくとも１つの流量センサと、を備え、前記流量センサの前記第１の表面は、前記少なくとも１つの流れ制限要素の上流を流れる前記流体と直接流体連通するように構成され、前記第２の表面は、前記少なくとも１つの流れ制限要素の下流を流れる前記流体と直接流体連通するように構成され、前記流量センサは、前記少なくとも１つの流れ制限要素による前記流体の差圧を感知するように構成されている、流量計。
13. 請求項１２に記載の流量計であって、
    前記少なくとも１つの制限要素は、前記流路内の前記単一の屈曲部内に位置する、流量計。
14. 請求項１２に記載の流量計であって、
    前記少なくとも１つの流れ制限要素は、層流要素である、流量計。
15. 請求項１２に記載の流量計であって、
    前記少なくとも１つの流れ制限は、貫通して形成された少なくとも１つのオリフィスを有する流体の流れの方向に対して横方向に構成されているプレートである、流量計。
16. 請求項１２に記載の流量計であって、
    前記流路内の前記単一の屈曲部は、前記流路の残りの部分の断面積と比較して縮小した断面積を有し、前記少なくとも１つの流れ制限は、前記縮小した断面積を備える、流量計。
17. 請求項１２に記載の流量計であって、
    前記流路の前記入口部の断面積は、前記流路の前記出口部の断面積よりも大きい、流量計。
18. 請求項１２に記載の流量計であって、
    前記流路の前記出口部の断面積は、前記流路の前記入口部の断面積よりも大きい、流量計。
19. 請求項１２に記載の流量計であって、
    前記流量計は、内部にデッドボリュームが位置しないように構成されている、流量計。
20. 流量計であって、
    流体を搬送するための上流部分流路および下流部分流路であって、互いに実質的に同一直線上にある上流部分流路および下流部分流路と、
    前記搬送される流体の方向に対して横方向に、前記上流部分流路と前記下流部分流路との間に配置されている流量センサキャリアと、
    前記流体の方向と実質的に同じ方向に前記流量センサキャリアを通して形成された少なくとも１つのオリフィスであって、前記上流部分流路と前記下流部分流路との間に圧力降下を提供する少なくとも１つのオリフィスと、
    前記流量センサキャリア内に形成され、第１の表面、および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する流量センサと、を備え、前記流量センサの前記第１の表面は、前記流量センサキャリアの上流を流れる前記流体と直接流体連通するように構成され、前記流量センサの前記第２の表面は、前記流量センサキャリアの下流を流れる前記流体と直接流体連通するように構成され、前記流量センサは、前記少なくとも１つのオリフィスによる前記流体の差圧を感知するように構成されている、流量計。

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