JPH037243B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は全体として流体流量の検知装置に関
し、更に詳しくは、被計測流体の全流量に対して
正確に線型分流することができ、かつ流体の流れ
に関する変数に対して実質的に独立な流れを分離
することができる流体分流装置に関するものであ
る。

先行技術に関する説明 電子部品の製造工程、またはガス状あるいは液
状流体の流れを利用する他の製造工程において
は、流体の供給管を介して流れる流体量、あるい
は特定の処理チヤンバー等に流れ込む流体量を正
確に計測することが必要になる。更に、流体の圧
力、温度、粘性あるいは分子量に変化がある場合
にも、流量表示が正確であることが重要となる。

種々の流量計がこれまでに開示されている。そ
れらの内には、E.T.Booth，Jrの米国特許第
2594618号、Frank D.Wernes等による米国特許
第3433068号、およびRichard F.Blairによる米
国特許第3938384号も含まれている。これらの開
示による流量計においては、流体およびその可変
パラメータに関する変動に対して、その精度を電
子装置あるいは他の補償手段によつて補償するよ
うにし、分流に伴う非線型問題に対しては適宜補
償を行なうようにしている。

しかしながら、これら先行技術に付随する主な
問題は、流体の分流系自体が流れの主体と、検出
要素に廻される部分流との間における線型関係
を、一般には維持し得ないことに起因している。
その結果、分岐された流れが、主流に対して線型
関係にないために、検出出力は当然のことながら
非線型となり、この非線型部分が補償の対象とな
らねばならない。

発明の概要 したがつて、本発明の主たる目的は、分岐され
た流れが、主流に正比例する特性を備えた流体流
量計用分流装置を提供することである。

本発明の他の目的は、構造が簡素であり、かつ
種々のガスの流量計測に当つて、複雑な再較正を
必要としない分流装置を提供することである。

更に、本発明の他の目的は被測定ガスが通過す
る際に、通過ガスに対し最小限の圧力降下しか生
じさせないような分流装置を提供することであ
る。

要約すれば、本発明の分流装置の一実施例は、
流体の検出装置内通過を許す入口・出口を備えた
空洞を形成するハウジングと、この空洞を２つの
チヤンバに分割し、分流装置を流れるすべての流
体が両チヤンバを流れるように前記空洞に設けた
多孔性隔壁状部材と、この多孔性部材の特定領域
を通る流体を分離する分離路を形成し、かつそこ
を通過する流体を熱的な、あるいは他の適当な型
の検出手段に廻送し、ついでそれをチヤンバの下
流に回帰させる装置とからなつている。流れを分
離する多孔性部材の表面積は、その全面積に比し
て小さくなつている。

本発明による装置の主な利点は、流体の流れを
広い流量範囲に亘つて、固定した比率での分岐で
きるので、広範囲に亘つて線型応答が得られるこ
とである。

本発明による装置の他の利点は、分流比が入
口・出口における圧力から独立しているため、装
置の圧力係数は実効的にゼロとなることである。

本発明による装置の更に他の利点は、分流比が
流れの温度に対し独立であるため、分岐路に設け
た検出要素の温度係数をゼロと仮定すれば、装置
の温度係数は実効的にはゼロとなることである。

本発明による装置の更に他の利点は、分流比が
流体の分子量、密度、粘性に対し独立であること
にある。このことは、一つの物質流体に対し装置
を較正すれば、検出器出力に対し単純な較正因子
を適用することによつて、他の物質流体に対して
も装置を使用可能にすることに外ならない。一般
に検出器出力は流量および比熱の関数であるか
ら、物質の比熱から導びかれる較正因子は、新た
な較正に要する因子そのものとなる。

上述の利点および他の利点は、以下添附の図面
に示す本発明の実施例に関して行なう詳細な説明
によつて当業者には明らかとなるであろう。

図面の説明 第１図は本発明による流量計用分流装置の切欠
き側面図である。

第２図は第１図の装置とその端部から見た切欠
き図である。

第３図は本発明による装置の動作特性を示すグ
ラフである。

第４図は本発明による装置の他の実施例の側面
を示す切欠き図である。

第５図は第４図に示す装置の一端部から見た切
欠き図である。

実施例の説明 先ず第１図および第２図を参照する。同図に於
いて、本発明による流量計はその全体を１０とし
て示されており、流れの一部を分流する分流装置
１２、検出流の体積を検出するセンサ装置１４お
よび計測した流量を適当に表示する表示装置１６
を含んで構成されている。本発明の流量計とは別
に、センサ１４および表示装置１６は流れの体積
を正確に測定し、これに対応する出力を表示する
装置であれば、どんなものであつてもよい。

分流装置１２はハウジングの主要部となる中空
直方ブロツク１８と、これに適当なボルト２４で
固定された二つの端部プラグ２０および２２から
なる外側体によつて構成されている。これらが図
示の通り組合されると、ブロツク１８、プラグ２
０および２２は、入口オリフイス２８および出口
オリフイス３０を備えた内部空洞２６を形成する
ようになる。この空洞２６の内部には、焼成金属
を用いた管状隔壁３２が設けられる。この隔壁は
その軸に沿う中空部３４を有し、これは入口オリ
フイス２８とその一端３６に於いて連通する一
方、その他端においてキヤツプ３８によつて封じ
られている。

隔壁３２の第一の目的は多孔性の障壁を設け、
これを介して入る流体流を均一に分離し、その同
一部分には同一の流れが生ずるようにすることで
ある。好ましい実施例では、この隔壁を焼成３１
６ステンレス合金によつて形成しているが、この
他焼成した青銅、多孔性セラミツクまたは他の多
孔性物質によつて形成することも可能である。半
導体製造工程に使用する好ましい実施例において
は、隔壁３２を通る通路はほぼその直径が200ミ
クロンのオーダーと思われる。他の流体に対して
は、他の焼成物質または焼成による形成物を用い
てもよく、これによつて通過路寸法を低減し、ま
たは増加させるようにする。

ブロツク１８のねじ切り開口部４０内には、軸
に沿つた孔４４を備えたサンプリングプラグ４２
が設けられる。このプラグ４２は開口４０を介し
て更にねじ込まれておおり空洞２６に達し、隔壁
３２の外表面に対し気密に当接する。孔４４の内
径か0.010インチから0.250インチ（0.25から0.64
mm）程度で、孔４４の断面積に応じ隔壁３２を介
して流れる流体の一部分を分離する。したがつ
て、孔４４を通る流体の体積はその断面積および
隔壁３２の露呈した外表面積によつて決る比率を
持つようになることが理解されよう。ブロツク１
８の頂部にはねじ切り部を有さず、かつプラグ４
２を介してチヤンバ３７から通過して来る帰還ガ
ス流路を構成する第２の孔４６が設けられる。

このブロツク１８の頂部には、ボルト５２によ
つて装着板５０が固定される。この装着板５０は
５４および５６によつて示される位置に孔を有
し、この孔を介してセンサチユーブ６２のそれぞ
れの端部５８および６０を受け入れている。この
センサチユーブ６２は分流路を形成し、プラグ４
２から流れを取込んで測定し通路４６を介して空
洞２６へ分流された流体を戻す働きをする。また
チユーブ６２の各端部ではＯリング６４を用いて
装置からの流体の漏れを防止している。

好ましい実施例におけるセンサ１４はある種の
ブリツヂ装置で構成され、その一例は前掲の
Blair米国特許に開示されている。この装置はセ
ンサ素子として、チユーブ６２の外側表面に巻い
た一対の感熱抵抗線６６および６８を含んでい
る。前記のBlair特許に説明されている通りコイ
ル６６，６８はブリツヂ型検出回路に組込まれ、
熱せられるように構成され、チユーブ６２を通過
する流体の質量流量率が各センサ素子間の温度差
に正比例するようになつている。

次に動作を説明する。流体の流れはまず入口２
８を通つて装置に入り、隔壁３２の内壁によつて
構成されたチヤンバ３５に進み、それから多孔性
部材を半径方向に横切つて隔壁３２の外表面と内
部表面２６によつて区画された外側チヤンバ３７
に入る。多孔性障壁を通過する際、流れは小さな
圧力降下を受け、プラグ４２の孔の面積と障壁３
２の外部全表面積の比に分割される。キヤツプ３
８は隔壁の端部を単に閉じているだけの役を果し
ているので、全体の流れは、隔壁の多孔性壁を通
して流れることになる。

このようにして、プラグ４２を通過した流れの
一部は、流体の全体の流れのある一定部分を代表
することになり、チユーブ６２を通過し、センサ
１４によつて観測される流体質量は、装置１０を
通過する全流量に正比例し、かつそれを代表する
ものとなる。ここに図示の装置は、プラグ４２の
孔面積に対する隔壁３２の多孔性部材の全表面積
の比を調節することによつて種々の範囲にある流
れの測定に供することが可能である。

感熱型流量センサの最大容量は一般には１分間
数立方センチであつて、その線型領域は１分間０
〜５立方センチと０〜50立方センチの間にある。
図示の構成では、信号は装置を通過する全流量を
１分間数百リツタの範囲まで表わすことが可能で
ある。勿論、これは基本センサの範囲の数千倍に
当ることは言うまでもない。

隔壁３２として使用される物質の多孔性は、そ
れが相対的に一様性を有する限り、さほど重要な
問題ではない。この場合、主たる影響因子は最大
孔の寸法であつて、その寸法はプラグの孔４４が
隔壁３２を通過する全流量の代表サンプルを検出
できるようなものでなければならない。

これまで、先行技術による分流装置は、流れの
主体とセンサ素子を通過する流れの一部との間に
線型関係を樹立し得なかつた。しかし、本発明に
よる装置では、均一な多孔性部材の使用によつて
予期したような流れの分流が可能となり、これに
よつて、圧力、温度、粘性あるいは分子量の変化
を加味して、前もつて装置の分流率を変化させる
必要がなくなつた。センサ装置１４は、質量流量
率と、被計測物質の比熱と、センサ定数の積とに
比例する信号を発生するので、図示の装置は被計
測物質の比熱だけから導出した較正因子を単に適
用して初めから較正されている流体流以外の流れ
に対しても使用可能である。例えば、分子量
28.01、比熱（Cp）6.96Cal／Mol／℃の窒素に対
して装置が較正されているとする。これに対し
て、分子量120.91、比熱17.307Cal／Mol／℃のジ
クロロジフル−ロ・メタンCCl₂F₂（フレオン12）
の新たな流体流を考える。この場合、100％指示
（フルスケール）における窒素流は１分間10リツ
タのフレオン12の流れに相当すると仮定する。両
者の関係は 窒素流×（Cp窒素／Cpフレオン12）＝フレオン
流となるので、 フレオン流＝10×（6.96／17.307） ＝4.02 フレオン流 となる。

第３図に示すように、同様の手法によつて他の
物質に対する較正直線群を得ることができる。し
たがつて、本発明の本質的利点は、上述の装置の
出力が流れに対して線型関係を維持できることに
ある。これは、たとえ流れが最初の較正に使用し
た分子量よりもうんと小さいか、うんと大きい分
子量のガス流の場合であつても成立するものであ
る。

さて、第４図および第５図に立帰えつて説明を
しよう。ここには本発明の他の実施例の全体を70
として示してある。この例では、前述の実施例で
用いた円筒状障壁素子３２の代りに、隔壁素子と
して多孔性円板７２を使用している。装置の製造
を容易にするためと、部品交換を容易にする目的
から、内外のチヤンバ７４および７６を構成する
装置部分に修正を加えて、一対のコツプ状部材７
８および８０をハウジングのために使用し、両者
を図示の位置８２でフランジ結合させ、ボルトま
たはねじ８４によつて一体に保持している。

装置への入口はもう一つのコツプ状部材８６に
よつて形成し、このコツプ状部材はその下流側端
部８８で閉じられているが、半径方向に伸張する
複数の開口９０を有している。この開口はそれを
介してガス流を拡散させる働きを有し、円板７２
の入口面にかかる圧力が、円板面積全体に亘つて
実質的に均一になるようにしている。装置の出口
は図示の部材８０に固定された円筒部材９２によ
つて形成させる。

円板７２は環状溝９４内に受け入れられる。こ
の環状溝は部材７８および８０の接合壁内の環状
凹部を向い合せることによつて形成される。図示
の位置９６にはＯリングが使用される。

前述の部材８０の内側には小ハウジング９８が
配置されている。この小ハウジングは中空であつ
て、その前後部にそれぞれタツプが立ててあり、
有孔プラグ１００並びに後方プラグ１０２をそれ
ぞれ図示のように受入れることができる。この小
ハウジング９８は更にマニホールドチヤンバ１０
４を構成し、その中にはセンサチユーブ１０６の
入口端が入り込んでいる。

先の実施例と同様に部材８０内の二つの位置１
０８および１１０に於いて適当な孔を設けてチユ
ーブ１０６の各端部を挿し込むようにする。この
実施例では、多孔性円板７２の下流面に対しプラ
グ１００を配置させるのにチユーブ１０６を取り
外さなくともよいので、チユーブは永久的に部材
８０に固定するか、あるいは適当な他の気密装着
装置（図示せず）を利用することもできる。先の
実施例と同様、センサコイル１１２および１１４
をチユーブ１０６に巻き、これを適切な検出用電
子装置に接続する。

上記の装置の動作は先に述べたものと実質的に
同一であり、プラグ１００の孔１０１を通過する
流れの体積は多孔性円板７２の露呈表面を介して
流れる流れの全体積に比例する。したがつて、装
置は先に述べたものと同様の特性を有することに
なる。

これまで、本発明を二種の実施例について述べ
て来たが、この開示に基づく幾多の変更・修正が
当業者にとつて明らかになることが考えられる。
それ故、ここに添付の請求範囲は、本発明の真意
および範囲内に属するかかる変更・修正のすべて
を包含するものと解釈されるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被計測流体の流れからサンプルを分離する分
   流装置と、分流した流体の流れを検出する検出装
   置と、この検出装置の出力を表示する装置を備え
   た流量計において、前記分流装置は： 入口および出口を備えた内部空洞を形成するハ
   ウジングと、 この空洞内に配され、空洞を分割して前記入口
   と連通する第１のチヤンバと、前記出口に連通す
   る第２のチヤンバとを形成する多孔性の隔壁部材
   と、 少なくともその一部が前記第２のチヤンバ内に
   配され、かつ前記隔壁部材の壁に当接し、更に開
   口を有していて、前記多孔性の隔壁部材のうちの
   前記開口により定まる所定領域を流体が通過する
   ように流路を形成するプラグ装置と、 一端が前記プラグ装置に挿通されて前記流路か
   らの流体を受け入れ、他端が前記第２のチヤンバ
   に連通されたセンサチユーブ装置とから成り、こ
   れによつて、前記入口に流入する流体が、前記第
   １のチヤンバ、前記隔壁部材を介して、前記第２
   のチヤンバへと流れるに際し、前記隔壁部材を流
   れた後の当該流体の所定部分は前記センサチユー
   ブ装置を流れてから前記第２のチヤンバへと流
   れ、前記第２のチヤンバへ直接に流入した当該流
   体の残りの部分とともに、前記出口を径て流出す
   るようにした流量計。 ２ 請求の範囲第１項の流量計において、前記隔
   壁部材は多孔性材料からなる細長い管状に形成さ
   れ、その一端は閉止され、また他端は開放されて
   前記入口に連通し、前記管の内径が第１チヤンバ
   の区域を画定している流量計。 ３ 請求の範囲第１項の流量計であつて、前記多
   孔性の隔壁部材は、前記ハウジングの対向壁間に
   延在し、前記空洞を第１および第２のチヤンバに
   分ける平板によつて構成されている流量計。 ４ 請求の範囲第３項の流量計において、前記空
   洞は全体として円筒形であり、前記隔壁部材は円
   板状であつて、前記空洞の軸線を横断するように
   配置されている流量計。 ５ 請求の範囲第４項の流量計において、前記入
   口および出口は円筒形の空洞の軸線に沿つて配置
   され、前記入口には、そこに流入する流体を拡散
   させる拡散装置が設けられ、これによつて前記多
   孔性の隔壁部材の前記第１のチヤンバに面する壁
   面は実質的に一様な流体圧力を受けるようにした
   流量計。