JP6844874B2 - 質量流量センサ、その質量流量センサを備えるマスフローメータ及びその質量流量センサを備えるマスフローコントローラ - Google Patents
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Description
一方で、このようなマスフローメータやマスフローコントローラを垂直方向に流体を流すように配置すると、特許文献1で図7を参照して説明される通り、サーマルサイフォニング現象によって、ゼロ点が変動するという課題がある。
サーマルサイフォニング現象(サーマルサイフォン現象とも言う。)とは、マスフローメータやマスフローコントローラを垂直方向に流体を流すように配置、すなわち一対のセンサ素子が垂直方向に並んで設けられている状態で、一次側の流体圧力が高い場合に、分子量の大きいガスに使用する際に生じる現象であり、センサ素子で温められた流体がセンサ管を上昇し、主流路(いわゆるバイパス部)に合流し、主流路にて冷却された流体が降下し、再びセンサ管に流入する現象である。
このサーマルサイフォニング現象が生じた場合、マスフローメータやマスフローコントローラに流体が流れていない(流量ゼロ)であっても、センサ管内の流体は移動するため、センサ素子は流量を感知し、ゼロ点の変動が生じる。
しかし、近年特に半導体分野では、マスフローメータやマスフローコントローラが搭載されるシステムの集積化が進み、マスフローメータやマスフローコントローラの小型化が求められる状況においては、センサ管の管長の増加やヒーターの追加は困難である。
そこで、鉛直方向に流体を流すマスフローメータやマスフローコントローラのために、U字状の開口部が水平方向を向くように配置すると共に、U字状の一対の側部に水平方向に並んでセンサ素子(感熱抵抗体)を配置することでサーマルサイフォニング現象によるゼロ点変動を抑制することが可能であるが、より高い精度が要求される状況においては、流量がゼロの際に、センサ管の端部が接続される本体ブロックによる放熱の影響で、一対のセンサ素子の熱バランスが崩れることで生じるゼロ点変動が問題となる。
ゼロ点におけるセンサ管の温度分布は、2つのセンサ素子の中間部の温度が最も高く、中間部から離れるにつれて温度は下がり、線対称な山なりを示す。
(1)本発明の質量流量センサは、流体が端部から他の端部に流れ、底部と前記底部から端部までを繋ぐ2本の直線状部を有するU字形状の流路管と、前記いずれかの直線状部に巻き付けられた第1感熱抵抗体と、前記第1感熱抵抗体から端部寄りに離間して設けられ、前記第1感熱抵抗体が巻き付けられた前記直線状部に巻き付けられた第2感熱抵抗体と、前記第1感熱抵抗体を挟んで前記第2感熱抵抗体と反対側となる側の前記流路管上に接触するように設けられた放熱部と、を備える。
なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。
図1は本発明に係る第1実施形態の質量流量センサ20を備えたマスフローコントローラ1の断面図であり、図2は本発明に係る第1実施形態の質量流量センサ20の主要部を示す断面図である。
なお、図1及び図2に記載の上及び下は、通常の使用時における上側及び下側を示している。
図1に示すように、マスフローコントローラ1は、本体ブロック10と、本体ブロック10に取り付けられた筐体19と、を備えている。
なお、第1開口部10a及び第2開口部10bには、流体が流れる配管との接続のための図示しない接続継手が取り付けられる。
また、第2主流路12の第1流路12aの内径D2と第3主流路13の第3流路13aの第1開口部10a側の内径D4は、ほぼ同じ内径になっている。
制御部16は、後述する質量流量センサ20の第1感熱抵抗体24及び第2感熱抵抗体25の抵抗値を求めるブリッジ回路等を備え、この抵抗値の変化から主流路内を流れる流体の流量を求める演算を行う質量流量センサ20の演算部として機能する。
図2に示すように、質量流量センサ20は、流体が端部(第1端部21とも言う。)から他の端部(第2端部22とも言う。)に流れ、底部23Bと底部23Bから端部(第1端部21及び第2端部22)までを繋ぐ2本の直線状部(直線状部22B及び直線状部22A)を有するU字形状の開口側を水平方向に向けて配置されたU字形状の流路管23を備えている。
なお、本願におけるU字形状とは、底部に曲率を有する形状のみではなく、底部が直線状である形状(いわゆるコの字)も含む。
なお、引出線部24a及び引出線部25aの長さを調節することで第1感熱抵抗体24及び第2感熱抵抗体25の抵抗値の調整が行われている。
そして、細径管である流路管23をウェルドベース27で保持することで、流路管23の形状安定性が高まるため、流路管23が振動等で破損することを回避できる。
例えば、放熱部26として機能するアーム部26Dは、0度における熱伝導率が100W/m・K以上の材料で形成されていることが好ましい。
したがって、ウェルドベース27のベースになる部材に放熱性の高い金属等の素材を用い、そのベースになる部材と一対の端子27a及び一対の端子27b等の電流が流れる部分とが絶縁されるようにすれば、放熱部26を介した放熱性を一層高めることができる。
一方で、本体ブロック10から離れた位置に位置する第1感熱抵抗体24は、本体ブロック10側への放熱がないため、あまり熱が奪われることがない。
つまり、第1感熱抵抗体24及び第2感熱抵抗体25の領域の温度差が解消される程度に流体が流れたときに、0出力(つまり、流体が流れていないときの出力)となり、0出力が変動することになる。
つまり、放熱部26が第1感熱抵抗体24と第2感熱抵抗体25の熱バランスを取る役割を果たす。
逆に、流体が流れることで、第1感熱抵抗体24及び第2感熱抵抗体25の領域の間に温度差が発生するので、流体の流れに応じた出力が出力されるようになる。
第1実施形態では、マスフローコントローラ1の場合について説明したが第1実施形態で説明した質量流量センサ20はマスフローコントローラ1に使用されることに限定されるものではなく、マスフローメータ2に使用されてもよい。
したがって、第2実施形態として、第1実施形態の質量流量センサ20を備えたマスフローメータ2について説明する。
なお、図3に記載の上及び下は、通常の使用時における上側及び下側を示している。
第2実施形態でも、基本的な構成の多くは、第1実施形態と同様であるため、以下では、主に異なる点について説明し、第1実施形態と同様である点については説明を省略する場合がある。
また、流量制御弁14の省略に伴って、図1に記載の流量制御弁14に流体を供給するための第2流路12b及び流量制御弁14から第3流路13aに流体を供給する第4流路13bも不要となる。
したがって、そのような要旨を逸脱しない範囲での種々の変更を行ったものも本発明の技術的範囲に含まれるものであり、そのことは、当業者にとって特許請求の範囲の記載から明らかである。
2 マスフローメータ
10 本体ブロック
10a 第1開口部
10b 第2開口部
11 第1主流路
11a 端部
11b 第1分岐流路
11c 第2分岐流路
12 第2主流路
12a 第1流路
12b 第2流路
12ba 開口部
13 第3主流路
13a 第3流路
13b 第4流路
13ba 開口部
14 流量制御弁
15 バイパス素子
16 制御部
17 入出力部
17A 出力部
18 出口側流路
19 筐体
20 質量流量センサ
21 第1端部
22 第2端部
22A,22B,22C 直線状部
23 流路管
23B 底部
24 第1感熱抵抗体
24a 引出線部
25 第2感熱抵抗体
25a 引出線部
26 放熱部
26A,26B,26C,26D,26E アーム部
27 ウェルドベース
27a,27b 一対の端子
Claims (6)
- 流体が端部から他の端部に流れ、底部と前記底部から前記端部及び前記他の端部までを繋ぐ2本の直線状部を有するU字形状の流路管と、
前記いずれかの直線状部に巻き付けられた第1感熱抵抗体と、
前記第1感熱抵抗体から前記端部又は前記他の端部寄りに離間して設けられ、前記第1感熱抵抗体が巻き付けられた前記直線状部に巻き付けられた第2感熱抵抗体と、
前記第1感熱抵抗体を挟んで前記第2感熱抵抗体と反対側となる側の前記流路管上に接触するように設けられた放熱部と、
前記流路管のU字形状に囲われた領域に位置し、前記第1感熱抵抗体及び前記第2感熱抵抗体の端部が接続される端子を有するウェルドベースと、を備え、
前記放熱部は、前記ウェルドベースのアーム部として、前記流路管の前記底部と前記第1感熱抵抗体の間で前記第1感熱抵抗体に近接する位置に延在する、
ことを特徴とする質量流量センサ。 - 前記放熱部が前記流路管に固定され、前記流路管が前記ウェルドベースに保持されていることを特徴とする請求項1に記載の質量流量センサ。
- 前記放熱部は、0度における熱伝導率が100W/m・K以上の材料で形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の質量流量センサ。
- 前記流路管がU字形状の開口側を水平方向に向けて配置されることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の質量流量センサ。
- 流体の流れる主流路と、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の質量流量センサと、
前記質量流量センサによって検出された前記流体の流量に関する信号を外部に出力する出力部と、を備え、
前記質量流量センサの前記流路管の前記端部及び前記他の端部が前記主流路に接続されていることを特徴とするマスフローメータ。 - 流体の流れる主流路と、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の質量流量センサと、
前記主流路の出口側に設けられ、前記質量流量センサによって検出された前記流体の流量に基づき、前記主流路内を流れる前記流体の流量を設定された流量に調節する流量調節弁と、を備え、
前記質量流量センサの前記流路管の前記端部及び前記他の端部が前記主流路に接続されていることを特徴とするマスフローコントローラ。
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