JPH06214658A - 温度調節機能付きマスフローコントローラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マスフローコントローラの各部の温度を短時
間で均一に加熱し、これを一定に調節維持して気化ガス
の再液化を防止すること。 【構成】 金属製の本体と、流量を検出するセンサ部
と、流量を調節するバルブ部と、これらの働きを制御す
る制御回路部とを備えたマスフローコントローラであっ
て、前記本体に当接して少なくとも前記センサ部を収容
して覆うケース部材を熱良導性材料によって形成し、該
ケース部材の外側に温度制御可能な加熱手段を設けたこ
とを特徴とする温度調節機能付きマスフローコントロー
ラ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＶＤ装置、光ファイ
バー製造装置、半導体製造装置などに使用されるプロセ
スガスの流量を制御するマスフローコントローラに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】マスフローコントローラ（以下ＭＦＣと
いうことがある）の基本構成は、耐食性の良いステンレ
ス鋼（例えばSUS 316L）材等からなる本体と、流体の質
量流量を検出するセンサ部と、センサ部の信号と設定信
号とを比較制御する制御回路部と、制御回路からの信号
に基づいて流量調節を行うバルブ部とからなっている。
センサ部としては、SUS 316L材等の細管をセンサ管と
し、この細管の上流側と下流側にそれぞれ温度係数の大
なる感熱コイルを巻き、他の抵抗体とでブリッジ回路を
構成し、両感熱コイルに供給する電流を一定に保持しこ
の部分を一様に周囲温度より数10°Ｃ高く加熱してお
き、この状態で流体がセンサ管を流れると上流から下流
への熱移動が生じ、温度分布が変化するこのときの温度
変化を検出し、これを電気的な信号に変換して質量流量
を測定する熱式質量流量センサがある。（例えば特開昭
56−23094 号公報参照）

【０００３】半導体素子を製造するためにはＴＥＯＳな
どの液体原料をガス化してＣＶＤ装置等に供給する必要
がある。この方法としては、液体原料が入ったタンク内
にキャリアガスを導入し、このときのバブリングにより
液体原料を気化させるバブリング方式や、キャリアガス
を用いないで直接原料タンクを加熱して液体原料を気化
させる直接気化方式等がある。いずれの方式によっても
常温では蒸気圧が低い原料を一定の温度に加熱してガス
化させ、これをマスフローコントローラを介して下流側
のＣＶＤ装置に送出している。このときの重要な課題の
１つとして、マスフローコントローラを通過する気化ガ
スが再液化しないようにすることがある。その為、マス
フローコントローラ自体の温度を気化ガスが凝縮しない
温度、例えば80°Ｃ〜150 °Ｃ以上に加熱して維持して
おくことが行われる。ところが、従来このような加温、
加熱の方法としては、例えばＭＦＣを含む配管系を恒温
槽内に収容する手段や、ＭＦＣや配管の外面にテープヒ
ータを巻き付ける等の手段があった。しかし、前者では
装置が大がかりとなって費用やスペース上の無駄が多い
ことばかりか温度上昇に時間が掛かり過ぎるという問題
があった。また後者では、ヒータを巻き付けること自体
手間であるし、均一な巻き方ができないため加熱不足あ
るいは、局部的な過加熱が生じやすく温度分布が一様で
なくマスフローコントローラの流量精度が低下するとい
う問題があった。そこで、このような問題を解決するも
のとして、特開昭64−67243 号あるいは特開平２−2615
29号では、マスフローコントローラの金属製本体にヒー
タなどの加熱手段を設け、この加熱手段によってマスフ
ローコントローラを直接加熱することが提案されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の例では、マスフ
ローコントローラの本体ボディに直接ヒータを設けるの
でボディ部分の温度は十分に上昇し、ここを流れる気化
ガスの再液化は防ぐことができる。ところが、実際セン
サ部の温度は、本体ボディほど加温されないのでセンサ
管側を流れるガスは再液化する可能性が残されている。
その上本体を覆うケースは通常プラスチックあるいは鉄
板製なので、センサ部の周囲温度が安定するには相当の
時間がかかるという問題がある。また、このＭＦＣのセ
ンサは、感熱コイル部の温度と周囲温度との温度差をあ
る一定の値に保持した上で、センサ管にガスが流れるこ
とによる熱移動の温度変化を検出するので、前記のよう
に実際のガス温度とセンサ部の周囲温度との差が一様で
なかったり、周囲温度が不安定に変化すると、たとえ断
熱材で覆っていてもガス温度と流量検出コイルの温度差
が校正時と異なるので流量検出精度が著しく悪化すると
いう問題がある。更にこの手のセンサは、温度が変化す
るとゼロ点がシフトするという傾向があるので、高温使
用ではこの問題が顕著に現われるという問題がある。以
上のことより、本発明はマスフローコントローラの各部
の温度を短時間で均一に加熱し、これを一定に調節維持
して、気化ガスの再液化を防止すると共に、流量検出精
度が悪化せず、ゼロ点のシフトが抑制された温度調節機
能付マスフローコントローラを提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属製の本体
と、流量を検出するセンサ部と、流量を調節するバルブ
部と、これらの働きを制御する制御回路部とを備えたマ
スフローコントローラであって、前記本体に当接して少
なくとも前記センサ部を収容して覆うケース部材を熱良
導性材料によって形成し、該ケース部材の外側に温度制
御可能な加熱手段を設けた温度調節機能付きマスフロー
コントローラである。本発明において、上記ケース部材
を構成する熱良導性材料としてはアルミニウムあるいは
銅又はこれらの合金からなり、金属製の本体の大部分の
表面、例えば長手方向の両側面と下面に当接して覆うよ
うに形成することが望ましい。また、加熱手段は、板状
のヒータとし、温度センサ並びに温度調節器を備え、前
記ケース部材の外側でも本体ボディに相当する部位に設
置した方が良く、さらにケース部材の外側に外ケース部
材を設け、このケース部材と外ケース部材との間に断熱
材を充填することが望ましい。

【０００６】

【作用】以上によってマスフローコントローラは、熱伝
導良好なケースを介して全体的に均等に加熱されるの
で、各部の温度は均一に上昇し、かつ短時間で所望の温
度に到達することができる。その為、本体温度（ほぼガ
ス温度に近似している。）とセンサ部の周囲温度との温
度差が小さくなり、かつ周囲温度自体の変動がなくなり
安定してくるのでセンサ部の流量測定精度の悪化が抑え
られる。また、加熱手段によってマスフローコントロー
ラの温度を自由に設定し調節維持することができるの
で、予めＭＦＣを実際使用する設定温度にした状態でゼ
ロ点の校正、調整等を行えば、使用条件に合わせた補正
を行うことになるのでゼロ点のズレが抑制される。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。図１は一実施例を示す温度調節機能付きマス
フローコントローラの概略外観図（継手部分は省略）で
外ケースは一点鎖線で示している。図２はその縦断面図
である。例えば、このマスフローコントローラ１は、略
長方体形状でSUS 316L等のステンレス鋼からなる本体ボ
ディ２と、同じくSUS 316L材からなるセンサ管53の上流
側と下流側に感熱コイル５ａ，５ｂを巻いてブリッジ回
路を構成し（図示せず）、この管内を流体が流れること
による温度分布の変化を電圧変化として検出し質量流量
を測定するセンサ部５と、このセンサ部からの信号と予
め設定された信号とを比較制御する制御回路部（図示せ
ず）と、制御回路部からの信号に基づいて決定した電圧
を圧電素子に印加して駆動するバルブ部６とを備えてい
る。上記本体ボディ２の両側部には流入口91と流出口92
があり、この間に所定の割合でガスを分けて流すバイパ
ス部８と上記センサ部５のセンサ管53がある。従って、
流入口91から流入したガスはこれらを通過して再び合流
し、バルブ部６の弁座61とメタルダイアフラム62との間
で流量制御され、所定の流量が流出口92から送出され
る。またセンサ部５は外部の熱的影響を極力避けるため
に断熱材52を充填したアルミ製のケース51の中に収めら
れ、本体ボディの上部に固定されている。バルブ部６は
積層型圧電素子63を駆動源とし皿状のメタルダイアフラ
ム62を直接弁座61に接離させて流量を制御するようにな
っている。また制御回路部は、高温使用では熱的な影響
を避けるため別置とするので、ケーブル10を介して外部
で接続されている。以上のマスフローコントローラとし
ては、例えば特開平４−7320号等に開示されているもの
を用いることができる。

【０００８】本実施例ではこれら従来のマスフローコン
トローラにおいて、センサ部５とバルブ部６を収容し本
体の長手方向の側面２ａ，２ｂ及び下面２ｃに当接して
覆うケース部材３（以下内ケースという）を設けてい
る。この内ケース３はアルミ製で熱伝導率が比較的良好
な特性を備えている。これは銅板や、それらの合金であ
ってもよく熱伝導率が約70Kcal／m・h・°Ｃ以上である材
料であれば良い。加熱手段７は、シリコンゴムの中に電
熱体を埋設したラバーヒータ７ａ，７ｂ，７ｃで金属本
体ボディの側面２ａ，２ｂ及び下面２ｃに相当する内カ
バー３の外面に直接接着して設けている。このラバーヒ
ータ７は組付け等の扱いが容易で初期の加熱上昇速度が
早いという特性がある点で都合がよい。しかしヒータは
他の電熱線等の一般的な手段であっても良い。73は温度
センサでヒータに窓をあけるなどしてここに装着してい
る。そして温度設定制御器（図示せず）は外部に設けら
れている。これらによってマスフローコントローラの各
部の温度を所定の温度に加熱し、また調節維持するもの
である。また所定の温度に達した場合とか、異常があっ
た場合にはランプやブザーなどで表示するなどの制御を
行うこともできる。更に、内ケース３の外側には鉄板製
の外ケース４を設け、この内ケース３と外ケース４の間
にはグラスウールあるいはセラミックペーパ等の断熱材
12を充填している。従って、ヒータ７の熱は外側に逃げ
ることなく直接内ケース３全体に伝わり、本体ボディ２
や内ケース３内部を即座にかつ均一に加温することがで
きる。

【０００９】次に、下記の比較例及び本発明例につい
て、ＭＦＣの各部の温度分布と時間の関係、フルスケー
ル流量に対する流量測定精度及びゼロ点シフト量等につ
いて実験測定を行った。尚、使用ガス体はＮ₂とし、設
定温度は80°Ｃとした。 比較例１：図４に示すようにＭＦＣの本体ボディの側面
及び下面にアルミ板を装着し、この外側全面に上記のラ
バーヒータを接着した。ただし本体上部を覆うカバーは
従来通りの鉄板製である。温度分布の測定結果を図５に
示す。 比較例２：従来のＭＦＣをそのまま恒温槽内に設置し
た。温度分布の測定結果を図６に示す。 本発明例：図３のように上記の実施例のＭＦＣを用い、
予めゼロ点やスパン等の校正は、ＭＦＣを設定温度に保
持した状態で行った。なお、内ケースはアルミ製、外ケ
ースは鉄板製、断熱材はセラミックペーパである。温度
分布の測定結果を図７に示す。

【００１０】上記において、温度測定は図３，図４中の
番号で示す部位に温度センサを装着して行った。また図
５，図６，図７において、横軸は時間（分）、縦軸は温
度（°Ｃ）である。図５に示す比較例１では、各部の温
度上昇の立ち上がりは比較的早いが、その温度はばらつ
いており、ケース内あるいはセンサ部等の多くは設定温
度に到達しない。図６に示す比較例２では各部の温度は
設定温度に到達するが、その時間が長い。図７に示す本
発明例では、比較的短時間でケース内、センサ部及びボ
ディの各部が設定温度に到達し、かつ安定している。以
上の結果をまとめると、

【表１】 以上のように本発明では、内ケースを熱伝導良好な材料
とし、これに加熱手段を設け、さらにその外部を断熱材
で覆ったので、ＭＦＣの各部の温度分布が一様にかつ短
時間で設定温度に到達することができている。また測定
精度、ゼロ点シフト、と全てにおいて比較例よりも性能
が良い結果となった。特に設定温度に到達する時間に関
しては高温用ＭＦＣとして従来にない良好な結果を得る
ことができた。

【００１１】

【発明の効果】本発明の温度調節機能付マスフローコン
トローラによれば、マスフローコントローラの各部を均
一に加熱し、各部の温度を短時間で設定温度、例えば凝
縮温度以上にすることができるので、各所を流れる気化
ガスの再液化を防止することができる。また各部の温度
分布が一様であるのでセンサ部の流量検出精度が悪化し
ないし、ゼロ点の校正を実際の使用温度状態にして行え
るので、高温で使用してもゼロ点のシフトが生じにくい
マスフローコントローラとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の温度調節機能付きマスフローコント
ローラの一実施例を示す概略外観図。

【図２】 図１の縦断面図。

【図３】 実験例の中で本発明例のＭＦＣの態様を示す
図。

【図４】 実験例の中で比較例１のＭＦＣの態様を示す
図。

【図５】 比較例１の実験結果を示す図。

【図６】 比較例２の実験結果を示す図。

【図７】 本発明例の実験結果を示す図。

【符号の説明】

１…温度調節機能付マスフローコントローラ ２…本体ボディ ３…内ケース ４…外ケース ５…センサ部 ６…バルブ部 ７ａ，７ｂ，７ｃ…ラバーヒータ 12…断熱材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製の本体と、流量を検出するセンサ
   部と、流量を調節するバルブ部と、これらの働きを制御
   する制御回路部とを備えたマスフローコントローラであ
   って、前記本体に当接して少なくとも前記センサ部を収
   容して覆うケース部材を熱良導性材料によって形成し、
   該ケース部材の外側に温度制御可能な加熱手段を設けた
   ことを特徴とする温度調節機能付きマスフローコントロ
   ーラ。
2. 【請求項２】 前記ケース部材の外側に外ケース部材を
   設け、前記ケース部材と外ケース部材との間に断熱材を
   充填したことを特徴とする請求項１記載の温度調節機能
   付マスフローコントローラ。