JPH0466819A - 大流量質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体製造装置等のガス流量を計測する大流量
質量流量計に関するものであり、一般には制御弁と共に
用いられ、質量流量を制御するマスフローコントーラの
構成部品の１つである。

［従来の技術］ 従来、半導体製造装置等で用いられる高純度ガス供給系
には、マスフローコントローラが組みこまれガス流量を
制御していた。第２図に示したこれらマスフローコント
ローラは質量流量計と制御弁とそれらを制御する電子回
路部から構成される。

第３図に構造を示す。

質量流量計は多数の細管からなるバイパス流路とステン
レスで出来た細管の外側にニッケルを主成分とする感熱
抵抗線を巻き、内部で流体により移動する熱量を測定す
ることにより流量を計測するセンサ部とからなる。

センサ部とバイパス部を流れる流量比が一定であれば、
センサ部と流れる流量の測定により全流量を測定するこ
とができる。

一般には、センサ部とバイパス部はほぼ同一の内径のパ
イプを使用し、その両端の圧力差はほぼ流量に比例する
。

しかし、例えば５ｆｆ／ｗｉｎというような大流量の測
定においては、センサの出力電圧の流量に対する直線性
を有する範囲が制限されるため、バイパス部の細管数を
増加させる事が必要となり大型化し、コスト高につくこ
とになった。

［発明が解決しようとする問題点〕 このような従来の問題を解決するため、種々のバイパス
流路の構造が考案されているが、直線性が悪く実用化さ
れているものは少ない。これに対し、特開昭６２−１１
２０１４は、バイパス構造ではなく、センサ流路にオリ
フィスを追加することにより、直線性を　ねる事なく、
大流量化を図っている。

しかしこの発明では、流体に接触する部分を石英ガラス
で構成した為工作精度が低く、特にバイパス流路とセン
サ流路との流量比を決定する主な要因であるオリフィス
の寸法精度を高めることが出来ず、高々数Ｑ／Ｗｉｎの
流量迄しか測定できなかった。また感熱抵抗線を用いた
センサも、流路が熱伝導の低いガラスで構成されている
ため、感度が高く低流量範囲しか出力の直線性が保証で
きない。さらに、ガラスを用いたことにより、オリフィ
スとセンサチューブとの間に大きな空間ができ、オリフ
ィスとこの空間により構成される流体の移動の遅れが存
在し、高速で流体を制御する妨げとなっている。

本発明はこれらの点を本質的に改善することを目的とし
てなされた。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は金属でできたセンサ流路とバイパス流路からな
る大流量質量流量計のセンサ流路の一部にセンサ流路よ
り小径の絞りを挿入し、センサとバイパス流路との流量
比を流量によらず一定とし、大流量時の線型状を飛躍的
に改善したものである。

［作　用〕 感熱型質量流量型は、流体の圧力、密度、粘性等に依ら
ず質量流量を測定できる優れた流量計であり、バイパス
部を流れる流体との分流比が一定であれば、容易に全流
量を測定できる。

ところが、センサ流路及びバイパス流路は、「流体の力
学」中山他養賢堂１９７９出版、Ｐ９２に示される様に
、チョーク構造をしており、流量に対し圧力差ΔＰは直
接関係なく、（１）式の様に表される。チョーク構造の
例を第４図に示す。

””　１．１６＋６．２５／σパ・・　　　　（２）こ
こに ｐＱ ｐＱ（３） Ｑ：流量 △Ｐ：圧力差 Ｐ：密度 μ：粘度 ｄ：内径 Ｑ：長さ 大流量流量計用にバイパスの小型化は、ｄを大きく、息
を小さくする事により、実現されるが。

その際の圧力差ΔＰは、１気圧の空気に対し、ｄ　＝０
．８２ｍｍ、　Ｑ　＝　２０　ｍとして第５図の様にな
る。

この図は１本のバイパス流路についての計算値であり、
例えば１００本のバイパスを考えれば流量は１００倍と
なる。

一方、センサ流量に対しｄ　＝０．５２ｍ、Ｑ＝６０両
として計算すると第６図の様になる。

両者は並列に接続されており、圧力差が等しくなる様、
流体は分流する。

全流量に対するセンサ流路を流れる流量は第７図の様に
なり、全流量が増大するに従って、センサに流れる流量
が直線関係からずれ、２次関数的になる事が分る。

このような場合従来は、電子回路によって補正を加えて
いたが１本発明を適用し、同様に流路の計算を行なう。

センサ流路に追加した絞りはｄ　＝０．１ｍｍ、　Ｑ　
＝０．１ｍのものである。第８図の絞りを含むセンサ流
路の流量圧力差の特性を示す。

センサ流路の圧力差と、第５図に示すバイパス流路と圧
力差から、全流量に対するセンサ流量を図示すると第９
図となる。

このように従来は非線形が強く、回路的な手法を用いて
補正しておりかつ、密度や粘性の変化に対し、その都度
補正値を変えていたが、本発明により、流量によらず、
分流比を一定にすることができ、金属で部品を構成する
ことにより工作精度も、ガラスに比べ大幅に向上させる
ことができた。

また、特開昭６２−１１２０１４で用いているオリイス
に対しては、流量と圧力差の関係がほぼ２次式で表され
ることから、本発明を用いたチョーク構造を持つバイパ
ス流路には適さず、むしろより短い流路からなるオリフ
ィス構造を持つバイパス流路に適する事が予想される。

しかもオリフィス構造はその圧力差、流量特性から予想
される様に小流量域において圧力変化が小さいため、分
流比を構造から求めることが困難であり、高い寸法精度
が要求される。

すなわち、パイプを束ねた形状を有するバイパス構造に
対しては、適度な長さを持つ絞りであるチョーク構造が
最適である。

［実施例］ 本発明を１００　Ｑ　／ｗｉｎの大流量マスフローコン
トローラに用いた大流量質量流量計について説明する。

センサは、外径０．６Ｉφのステンレス管でありその外
側に６０μｍのニッケル線を抵抗値が５０Ωとなる様２
カ所に巻き、両者の温度差を抵抗値の差として検出する
ものである。

このセンサは１０　ｃｃ　／　ｗｉｎ　流量において約
１００ｍＶの出力が得られ、それ以上に流量に対しては
直線関係がくずれてしまう。

バイパス部は外径０．９閣、長さ２０Ｉ１１１のパイプ
を７６本束にした構造である。

センサ流路には、内径０．７ｍｍ、長さ０．１ｍ＋の流
路を持つ絞りをセンサパイプの入口側に挿入した。

第一図に本流量計の流量出力特性を示す。参／／ 考のため第一図に同一バイパス構造を持つ１０　Ｑ　／
ｗｉｎの流量計の特性を示す。

従来技術に比較し、本発明を用いた場合大流量において
も線型性が保証され、補正をほとんど必要としない事が
解る。

［実施例２コ 第１図に別の実施例を示す。実施例１と同一のセンサ同
一のバイパス構造を持つが、センサ部とバイパス部の中
間に、細い流路を持つ絞りを交換できる様に構成したも
のである。絞りは穴径約５０μｍ、長さ約０．１ｍであ
る。測定可能な最大流量は２００Ω／ｗｉｎであった。

測定流量範囲の変更が本方式により同一のバイパス構造
のまま容易に実現できた。

［発明の効果］ 本発明に依れば、従来大型化したり、精度が不足してい
た大流量質量流量計を１つの細く短い流路を追加する事
により極めて容易に実現することができた。またその直
線性も従来例と比較し遜色無く、むしろ電子回路による
補正の必要が無いものであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の係る大流量質量流量計の一実施例を示
す図、第２図は構成図、第３図は構造図、第４図はチョ
ークのモデル図、第５図乃至第７図は流量・圧力関係図
、第８図及び第９図は全流量・検出流量関係図、第一図
は全流量・流量計出力／／ の関係図、第一図はバイパス流量・流量計出力の関係図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）金属で出来た細管の外側に少なくとも２つの巻線を
   施した感熱型質量流量計を含むセンサ流路と、これに並
   列に接続されたバイパス流路からなる質量流量計におい
   て、前記センサ通路の１部に前記金属細管の内径より細
   い流路を内径以上の長さに亘り設けたことを特徴とする
   大流量質量流量計。 ２）バイパス流路はセンサ流路の内径より太い多数の流
   路から構成されていることを特徴とする請求範囲第１項
   の大流量質量流量計。 ３）バイパス流路とセンサ流路との間に別の部材で作ら
   れた細い流路を挿入したことを特徴とする請求項第１項
   の大流量質量流量計。