KR20110079691A

KR20110079691A - 질량 유량 제어기 및 그를 동작시키는 방법

Info

Publication number: KR20110079691A
Application number: KR1020117009668A
Authority: KR
Inventors: 알렉세이 스미르노프; 마이크 맥도날드; 저스틴 모크
Original assignee: 어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2011-07-07
Also published as: TWI472729B; EP2338036A1; CN102187183B; JP5505419B2; EP2338036B1; JP2012505416A; WO2010045172A1; US7971480B2; EP2338036A4; US20100089459A1; KR101619870B1; TW201027052A; CN102187183A

Abstract

본 발명의 1 실시예는 열 센서 및 그를 사용하는 방법에 관련된다. 하나의 열 센서는 외부 종방향 및 직교방향 열 구배에 의해 영향받지 않는 신호를 출력하기에 적합하다. 1 실시예에서, 질량 유량 제어기 열 센서는, 상류 튜브 부, 튜브 만곡부 및 하류 튜브 부를 갖는 모세관을 포함하고, 상기 하류부는 상류부와 실질적으로 평행하다. 1 실시예에서, 상류 튜브 부와 하류 튜브 부 간의 거리는 상류 튜브 부와 하류 튜브 부 길이들의 절반보다 크지 않으며, 제1 쌍의 열 감지 요소들이 상류 튜브 부에 결합되고 제2 쌍의 열 감지 요소들이 하류 튜브 부에 결합된다.

Description

질량 유량 제어기 및 그를 동작시키는 방법{MASS FLOW CONTROLLER AND METHOD OF OPERATING THE SAME}

본 발명은 일반적으로 질량 유량 제어기에 관한 것이다. 특히, 이에 한정되는 것은 아니나, 본 발명은 질량 유량 제어기 열 센서 및 그를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.

일반적인 질량 유량 제어기(MFC)는 유체의 방출을 제어하도록 구성되고 그에 적합한 장치이다. 유체의 특정 방출률은, 예컨대, 분당 MFC로부터 방출되는 유체의 입방센티미터 또는 그램으로 환산하여 사용자에 의해 설정될 수도 있다. MFC로부터 방출되는 유체의 유속(flow rate)을 제어하기 위해, 일반적인 MFC는 MFC의 실제 유속을 나타내는 출력 신호를 발생한다. 이 실제 유속은 사용자 지정 유속과 비교되고 필요한 경우, MFC로부터 방출되는 유체의 흐름이 지정된 방출률로 방출되도록 흐름을 변경하기 위해 제어 밸브가 조정된다.

도면에 도시된 본 발명의 예시적 실시예는 하기와 같이 요약된다. 이들 및 다른 실시예는 구체적인 실시예에 보다 상세히 기재되어 있다. 그러나, 이들 발명의 상세한 설명이나 실시예에 기술된 형태로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 특허청구범위에 표현된 발명의 정신 및 관점 내에 들어가는 수많은 개조, 등가물 및 다른 구성이 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.

본 발명의 예시적 실시예는 질량 유량 제어기 관련 장치 및 그를 동작시키기 위한 방법을 제공한다. 예컨대, 1 실시예는 질량 유량 제어기 열 센서를 포함한다. 상기 열 센서는 모세관, 제1 쌍의 감지 요소들, 및 제2 쌍의 감지 요소들을 포함한다. 하나의 모세관은 질량 제어기 바이패스를 가로질러 주 유체 흐름 라인에 결합되어 있다. 제1 쌍의 감지 요소는 모세관의 상류부에 결합되고 제2 쌍의 감지 요소는 모세관의 하류부에 결합되며, 상기 제2 쌍의 감지 요소는 일반적으로 제1 쌍의 감지 요소에 대향한다. 또한, 상기 상류부 및 하류부는 1 실시예에서 일반적으로 평행하며, 이때 두 부분 사이의 거리는 두 부분의 길이들의 절반보다 크지 않다.

본 발명의 다른 예시적 실시예는 질량 유량 제어기 열 센서를 동작시키기 위한 방법이다. 하나의 방법에서, 유체는 적어도 하나의 열 감지 요소를 가로질러 제1 방향으로 수용된다. 유체는 또한 제2 열 감지 요소를 가로질러 제2 방향으로 수용된다. 종방향(longitudinal) 및 직교방향(orthogonal)의 온도 구배가 외부 열 원(thermal source)으로부터 상기 제1 및 제2 감지 요소를 가로질러 유도되고 질량 유속 신호가 열 센서로부터 출력된다. 상기 출력은 종방향 및 직교방향 열 구배들에 의해 영향받지 않는다.

본 발명의 다른 실시예는 질량 유량 제어기를 포함한다. 1 실시예에서, 질량 유량 제어기는 주 흐름 라인, 열 센서 및 차동 증폭기를 포함한다. 열 센서는 주 흐름 라인에 결합된 u자형 모세관 및 상기 모세관에 결합된 적어도 하나의 감지 요소를 포함한다. 상기 적어도 하나의 열 감지 요소는 이 요소의 온도에 일반적으로 비례하는 전압을 갖는 신호를 출력하기에 적합하다. 상기 차동 증폭기는 (i) 적어도 하나의 열 감지 요소 출력 신호를 수신하고, (ii) 차동 증폭 신호를 출력하며, 상기 차동 증폭 신호는, 질량 유량 제어기를 통해 흐르는 유체의 유속에 일반적으로 비례하는 전압을 포함한다 또한, 상기 차동 증폭기에 의해 출력되는 전압은 종방향 및 직교방향 온도 구배에 의해 영향받지 않는다.

이들 및 다른 실시예는 후에 상세히 설명된다.

본 발명의 각종 목적과 이점 및 보다 완전한 이해를 위해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 주 흐름 라인에 결합된 열 센서를 포함하는 질량 유량 제어기의 부분도이다.
도2는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 주 흐름 라인에 결합되고 두 쌍의 대향하는 열 감지 요소를 갖는 열 센서를 포함하는 다른 질량 유량 제어기의 부분도이다.
도3은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 주 흐름 라인에 결합되고 서모파일 감지 요소를 갖는 열 센서를 포함하는 또 다른 질량 유량 제어기의 부분도이다.
도4는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 질량 유량 제어기 열 센서를 동작시키는 방법의 플로우 챠트이다.
도5는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 질량 유량 제어기 브리지 회로의 개략도이다.
도6A 및 도6B는 본 발명의 1 실시예에 따른 각각의 (i) 질량 유량 제어기 열 센서의 부분, 및 (ii) 열 온도 구배의 개략도이다.
도7은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 MFC의 개략도이다.

도면을 참조하면, 여러 도면에 걸쳐 유사한 부재들이 동일한 참조 부호로 표시되어 있고, 특히 도1에는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 질량 유량 제어기 열 센서(100)가 도시되어 있다. 상기 열 센서(100)의 1 실시예는 모세관(102) 및 하나 이상의 열 감지 요소(116,118)를 포함한다. 1 실시예는 상류 열 감지 요소(116) 및 하류 열 감지 요소(118)로 구성될 수도 있다. 또한, 모세관(102)은 상류부(106), 하류부(108) 및 튜브 만곡부(110)를 가질 수도 있다.

1 실시예에서, 유체가 질량 유량 제어기(MFC)를 통해 흐를 때, 유체는 주 흐름 라인(112)을 통해 바이패스(114)를 향해 흐른다. 바이패스(114)로 들어가기에 앞서, 유체의 일부는 모세관(102)으로 들어간다. 1 실시예에서, 모세관(102)의 유체는 상류부(106)를 통해 제1 방향으로 튜브 만곡부(110)로 흐르고, 일반적으로 제1 방향과 반대의 제2 방향으로 하류부(108)를 통해 주 흐름 라인(112)으로 돌아오고 바이패스(114)의 하류 주 흐름 라인(112)으로 다시 들어간다.

열 센서(100)의 하나 이상의 변형례는 질량 유량 제어기를 통해 흐르는 유체의 유속을 결정하기 위해 사용되는 하나 이상의 신호(도시되지 않음)를 출력하기에 적합하다. 유체의 유속을 결정하기 위해, 하나 이상의 상류 감지 요소(116)로부터의 출력 전압이 하나 이상의 하류 감지 요소(118)로부터의 출력 전압과 비교된다. 상기 요소들(116,118)의 온도가 변동함에 따라 출력 전압도 변동한다. 따라서, 모세관(102)을 통한 유체가 상류 감지 요소(116)로부터 하류 감지 요소(118)로 열을 전달함에 따라, 상이한 전압들이 상기 요소들(116,118)에 의해 발생된다. 센서들(116,118) 간의 전압 차에 기초하여, MFC를 통한 유체의 유속이 얻어질 수도 있다. 열 센서(100)에 의해 출력된 이 유속은 실제 유체 유속을 증감시키도록 제어밸브(104)를 조정하기 위해 사용되며 이에 따라 실제 유체 유속이 사용자에 의해 설정된 소정 유체 유속과 같아진다.

열 센서(100)에 의해 측정된 유체의 유속이 열 감지 요소들(116,118)의 온도 변화에 따르기 때문에, 임의의 외부 열 원(thermal source)이 상기 감지 요소들(116,118)에 의해 출력되는 전압 레벨에 영향을 미칠 수도 있다. 따라서, 상기 외부 열 원들은 질량 유량 제어기 열 센서(100)가 부정확한 유체 유속을 출력하도록 야기할 수도 있다. 상기 외부 열 원은 도6A 및 도6B에 도시된 바와 같이, 종방향 구배(680 및 직교방향 구배(690)로 구성되는 온도 구배를 발생한다. 종방향 구배(680)는 튜브 부(106,108)에 있어서 유체 흐름에 대해 평행한 온도 구배 부를 포함한다. 한편, 직교방향 구배(690)는 유체 흐름에 대해 수직한 온도 구배 부를 포함한다. 직교방향 구배(690)는 횡방향(transversal) 구배로 지칭될 수도 있다.

본 발명의 1 실시예는 온도 구배들(680,690)이 열 센서(100)의 출력에 대한 영향을 최소화한다. 예컨대, 1 실시예에서, 상류 튜브 부(106)와 하류 튜브 부(108) 간의 거리(120)는 종방향 온도 구배(680)의 영향을 실질적으로 상쇄시키기 위해 적합한 길이로 설정된다. 실질적으로 대향하는 상류 및 하류 튜브 부(116,118)는 실질적으로 유사한 상류 및 하류 튜브 부(106,108)를 생성한다. 상류 및 하류 튜브 부(106,108) 간에 적절한 길이(120)로 결합된 유사한 튜브 부(106,108)들은 종방향 구배(680)의 효과를 캔슬하도록 작용한다. 또한, 하류 감지 요소(118)에 대해 실질적으로 반대편에 상류 감지 요소(16)를 위치시키는 것은 임의의 직교방향 구배(690)의 효과를 최소화한다.

도6A 및 도6B에 나타낸 바와 같이, 상류 감지 요소(116)는 제1 쌍의 감지 요소(616' 및 616")들을 포함할 수도 있고, 하류 감지 요소(118)는 제2 쌍의 감지 요소(618' 및 618")들을 포함할 수도 있다. 상기 제1 및 제2 감지 요소 쌍들(616', 616", 618', 618")은 도1에 나타낸 바와 같이 상류 및 하류 감지 요소(116,118)에 통합될 수도 있다. 상류 감지 요소(A616' 및 B616"))는 제1 쌍의 열 감지 요소로 지칭될 수도 있고 또는 하류 감지 요소(C616' 및 D618")는 제2 쌍의 열 감지 요소로 지칭될 수도 있다. 제2 열 감지 요소(618',618")는 상기 제1 열 감지 요소(616',616")에 대해 실질적으로 대향할 수도 있다.

1 실시예에서, 상류 튜브 부(106)와 하류 튜브 부(108) 간의 거리(120)는 상류 및 하부 튜브 부(106,108)의 길이의 절반보다 크지 않다. 그러나, 다른 실시예에서, 거리(120)는 가능한 한 적어야 한다. 적어도 1 실시예에 있어서, 상기 거리(120)는 도6A 및 도6B에 나타낸 바와 같이, 제1 쌍의 감지 요소(616', 616")와 제2 쌍의 감지 요소(618', 618") 간의 거리와 실질적으로 같을 수도 있다.

도1에 나타낸 바와 같이, 상류 및 하부 튜브 부(106,108)의 길이(122)는 제1 온도 배리어(126)의 에지로부터 제2 온도 배리어(124)의 에지까지 측정된, 상류 및 하류 튜브 부 메인 섹션을 포함할 수도 있다. 상기 온도 배리어(126,124)는 온도를 실질적으로 주위온도와 같도록 유지하기 위해 적합한 재료로 구성될 수도 있다. 이와 같이, 온도 배리어(126,124)는 모세관(102)의 부분들을 실질적으로 주위 온도로 유지하한 재료로 적합하게 구성될 수도 있다. 1 실시예에서, 상류 튜브 부 입구 부(128), 하류 튜브 부 입구 부(130) 및 튜브 만곡부(110)는 실질적으로 주위온도로 유지될 수도 있다. 온도 배리어(126,124)는 모세관 부분들이 실질적으로 주위 온도와는 다른 온도로 유지되도록 할 수도 있다. 만곡부(110)의 온도가 상류 튜브 부 입구 부(128) 및 하류 튜브 부 입구 부(130)와 같도록 하면 열 센서(100)에 있어서 열 사이포닝(thermal siphoning)을 실질적으로 방지한다.

상류 및 하부 튜브 부(106,108)는 실질적으로 직선상이고, 평행하며, 실질적으로 같은 길이(122)로 될 수도 있다. 상류 및 하부 튜브 부(106,108)의 하나 이상의 부분들은 실질적으로 직선이 아닐 수도 있으나, 실질적으로 평행하고 대칭일 수 있도록 고려된다. 또한, 상류 및 하부 튜브 부(106,108) 간의 거리(120)는 대향하는 상류 및 하부 감지 요소들(116,118) 또는 요소들(616',616",618',618") 간의 거리(120)로 지칭할 수도 있다. 1 실시예에서, 상류 및 하부 튜브 부 길이(122)는 약 15 mm 내지 약 30 mm이고 두 개의 부분들(106,108) 간의 거리는 약 3 mm 내지 약 10 mm일 수도 있다.

도6A에 나타낸 바와 같이, 1 실시예에서 상류 및 하부 튜브 부(106,108) 간의 길이(620)를 최소화하면 종방향 온도 구배(680)로 인한 상류 열 감지 요소들(616',616")의 온도 변화를 실질적으로 종방향 온도 구배(680)로 인한 하류 열 감지 요소들(618',618")의 온도 변화와 같도록 할 수 있다. 상기 거리(120)는 실질적으로 유사한 종방향 온도 구배들(680)이 각각의 열 감지 요소들(616',616", 618', 618")에 영향을 미칠 수 있도록 하며 종방향 온도 구배(680)의 효과가 상쇄되도록 한다. 예컨대, 도6A에서, 종방향 온도 구배(680)의 방향은 상류 튜브 부(606)의 유체 흐름 방향과 실질적으로 유사하며, 이에 따라 상류 감지 요소(B616")의 온도가 열 구배(680)에 의해 증가된다. 하류 튜브 부(606)를 따라, 종방향 온도 구배(680)는 유체 흐름에 반대이다. 따라서, 온도 구배(680)는 센서 (C618')의 온도가 상승하도록 한다. 종방향 온도 구배(680)는 튜브(106,108)를 따라 일정할 필요는 없다. 그러나, 구배(680는 두 개의 튜브 부(106,108) 모두에 대해 같아야 하며, 이는 튜브 부들(106,108) 간의 거리(120)를 최소화함으로써 달성된다.

1 실시예에서, 종방향 온도 구배(680)로 인한 센서 C's 618' 온도의 증가는 센서 B's 616" 온도의 증가와 실질적으로 동일하다. 센서(616",618') 상의 종방향 온도 구배(680)의 효과를 캔슬하기 위해, 센서들(616",618') 중 하나의 온도 증가를 센서들(616",618') 중 다른 것의 온도 증가로부터 뺀다. 1 실시예에서, 온도의 상쇄는 각 센서(616",618')에 의해 출력되는 전압을 처리함으로써 행해진다. 예컨대, 이들 전압은 예컨대 도5에 도시된 브리지 회로(542)와 같은 예시적 브리지 회로(542)에 의해 캔슬될 수도 있다.

도1에 도시한 예시적 실시예의 변형예는 유사한 방식으로 횡방향 온도 구배(690)의 효과를 캔슬할 수 있도록 할 수도 있다. 그러나, 상류 및 하부 튜브 부(106,108)의 효과가 유사하면 변동할 수도 있는 종방향 온도 구배(680)와 달리, 직교방향 온도 구배(690)는 상류 및 하부 튜브 부(106,108)를 따라 변동하지 않아야 한다. 예컨대, 상류 및 하부 튜브 부(106,108)를 따른 온도 구배(690)의 온도 변동은 잘못된 전압(들)이 센서들(116,118)에 의해 발생되도록 야기할 수도 있으며, 이는 부정확한 유체 흐름 판독으로서 이해될 수 있다.

도6을 참조하면, 도1의 상류 열 센서(116)는 상류 열 감지 요소들(A616' 및 B616")로 표시되고 도1의 하류 열 센서(118)는 하류 열 감지 요소들(C618' 및 D618")로 표시된다. 실질적으로 일정한 직교방향 온도 구배(690)는 제1 상태에서 상류 열 감지 요소들(616' 및 616")에 영향을 미치고 제2 상태에서 하류 열 감지 요소들(618' 및 618")에 영향을 미친다. 도6B에 나타낸 온도 구배(690)는 일반적으로 하류 튜브 부(608)로부터 상류 튜브 부(606)로의 방향으로 진행한다. 따라서, 각 상류 요소들(616' 및 616")의 온도는 실질적으로 동일한 양으로 증가한다. 도6에 나타낸 종방향 온도 구배(680)로 인한 요소들 B616" 및 C618'의 온도 증가와 유사하게, 요소들(A616' 및 B616") 상의 횡방향 온도 구배(690)의 효과를 캔슬하기 위해, 열 센서(100)가 요소들(616',616") 중 하나에 있어서의 온도의 증가를 요소들(616',616") 중 다른 것에 있어서의 온도의 증가로 감산하도록 한다. 1 실시예에서, 각 요소(616', 616")에 의해 출력되는 전압의 증가는, 이에 한정되지는 않지만 도5에 나타낸 브리지 회로(542)와 같은 브리지 회로(542)에 의해 캔슬될 수도 있다.

도2에 도시한 바와 같이, 열 센서(200)는, 제1 상류 저항 온도계 요소(216'), 상류 히터(234) 및 제2 상류 저항 온도계 요소(216")를 포함하는 상류 열 감지 요소(216)를 포함할 수도 있다. 하류 감지 요소(118)는 제1 하류 저항 온도계 요소(218'), 하류 히터(232) 및 제2 하류 저항 온도계 요소(218")로 구성될 수도 있다. 상류 히터(234)는 제1 및 제2 상류 저항 온도계 요소(216',216") 간의 상류 튜브 부(206)에 결합되고 하류 히터(232)는 제1 및 제2 하류 저항 온도계 요소(218',218") 간의 하류 튜브 부(208)에 결합될 수도 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 감지 요소(216',216",218',218")는 히터(234,232)로서 작용하도록 할 수도 있다. 상기 히터들/요소들은 모세관(202)을 통해 흐르는 유체의 열을 가열하도록 할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 히터들(232,234)은 히터들이 아닐 수도 있으나 냉각 장치(cooling device)를 포함할 수도 있다. 이와 같은 실시예에서, 열 센서(100)는 모세관(202)을 통해 흐르는 유체의 열을 가열하도록 열 센서(100)와 실질적으로 동일한 방식으로 동작할 수도 있으며 이에 따라 감지 요소들(216',216", 218',218")의 온도 증가에 비례한 상기 감지 요소들(216',216",218',218")의 전압 변화를 출력한다. 그러나, 히터(232,234) 대신 냉각 장치를 사용할 때, 유체가 냉각되고 감지 요소들(216',216",218',218")의 전압이 일반적으로 감지 요소들 (216',216", 218',218")의 온도 감소에 비례할 수도 있다.

도3에 도시한 바와 같이, 상류 및 하류 센서(116,118)는 서모파일 (thermopile) 센서(336)로 구성될 수도 있다. 서모파일 센서(336)는 제1 출력(338) 및 제2 출력(340)으로 구성될 수 있다. 그러나, 도1 및 2에 나타낸 열 센서(100)와 달리, 하나의 서모파일 센서(336)는 종방향 및 직교방향 온도 구배들(680,690)로 인한 온도의 증가 및 감소를 위해 조정되는 신호를 발생하도록 될 수 있다. 이 조정은 당업계에 공지된 서모커플(thermocouple)의 원리에 의해 행해진다. 따라서, 센서 출력(338,340)의 신호들은 실제 유체 유속을 결정하기 위해 직접 사용될 수도 있다.

1 실시예에서, 서모파일 센서(336)가 상류 튜브 부(306)에 결합하는 위치들의 수는 서모파일 센서(336)가 하류 튜브 부(308)에 결합하는 위치들의 수와 같다. 또한, 서모파일 센서(336)가 제1 상류 사분면(quadrant)(380)에 결합하는 위치들의 수는 서모파일 센서(336)가 제2 하류 사분면(395)에 결합하는 위치들의 수와 같고 서모파일 센서(336)가 제1 하류 사분면(quadrant)(390)에 결합하는 위치들의 수는 서모파일 센서(336)가 제2 상류 사분면(385)에 결합하는 위치들의 수와 같다. 1 실시예에서, 서모파일 센서(336)는 동일한 수의 위치들에서 모든 4개의 사분면(380, 385,390,395)에 결합할 수도 있다. 또한, 서모파일 센서(336)는 "핫(hot)" 결합 위치들에서 제1 상류 사분면(380) 및 제1 하류 사분면(390)에 결합할 수도 있고 서모파일 센서(336)는 "콜드(hot)" 결합 위치들에서 제2 상류 사분면(385) 및 제2 하류 사분면(395)에 결합할 수도 있다.

도5에 도시된 바와 같이, 실시예가 브리지(542)를 사용하는 경우, 그 브리지는 차동 증폭기(544)에 하나 이상의 신호(546,548)를 보낼 수도 있다. 상기 브리지(542)는 공지된 휘스톤 브리지(Wheatstone bridge)로서 작용하도록 할 수도 있다. 1 실시예에서, 상기 차동 증폭기(544)는 하나 이상의 신호(546,548)를 변조하여, 그 전압이 유체 흐름에 실질적으로 비례하는 차동 증폭 신호(550)를 출력하도록 할 수도 있다.

400에서 시작하는 도4에는 질량 흐름 제어기 열 센서(100)를 동작시키는 방법이 도시되어 있다. 405에서, 한 방법은 적어도 하나의 제1 열 감지 요소를 가로질러 제1 방향으로 흐르는 유체를 받는 것으로 구성된다. 예컨대, 도1에 나타낸 바와 같이, 유체는, 주 흐름 라인(112)으로부터 모세관(102)의 상류부(106)로, 튜브 만곡부(110)를 향해, 상류 튜브 부(106)에 결합된 상류 열 감지 요소(116)를 가로질러 진행할 수도 있다. 이와 유사하게, 410에서, 유체는, 적어도 하나의 제2 열 감지 요소를 가로질러 제2 방향으로 수용되고, 이는 튜브 만곡부(110)로부터, 하류 튜브 부(108)를 통해, 하류 튜브 부(108) 및 주 흐름 라인(112)에 결합된 하류 감지 요소(118)를 가로질러 흐르는 유체에 의해 달성될 수도 있다.

도4의 415 및 420에서, 도6A 및 6B의 종방향 및 직교방향 열 구배(680,690)와 같은 온도 구배들은 각각, 외부 열 원에 의해 적어도 하나의 제1 및 제2 열 감지 요소들을 가로질러 유도될 수도 있다. 예컨대, 구배(680,690)는 도1에 있어서 상류 및 하류 요소들(116,118)을 가로질러 진행할 수도 있다. 또한, 425에서, 질량 유속 신호가 열 센서(100)에 의해 출력될 수 있으며, 상기 질량 유속 신호(도1에는 도시되지 않음)는 일반적으로 MFC를 통해 흐르는 유체의 질량 유속에 비례하는 전압을 포함한다. 하나의 질량 유속 신호는 열 감지 요소들(116,118)에 의해 출력되는 전압을 이용하여 얻어질 수 있다.

상기 열 감지 요소들(116,118) 출력 전압은 일반적으로 상기 요소들(116, 118)의 온도에 비례할 수도 있다. 제1 쌍의 감지 요소 (616',616") 및 제2 쌍의 감지 요소(618',618")를 포함하는 1 실시예에 있어서 각 요소(616',616", 618',618")의 전압은 각 요소의 온도에 실질적으로 비례한다. 열 센서 (100)에 의해 출력되는 하나의 질량 유속 신호는 종방향 및 직교방향 구배 (680,690)에 의해 영향받지 않는다. 이 방법은 430에서 종료된다.

한 방법에 있어서, 질량 유속 출력 신호는 종방향 구배(680)에 의해 영향받지 않는데 그 이유는 구배(680)가 감지 요소들(116,118)의 하나의 적어도 일부 상에 갖는 온도 변화가, 구배(680)가 감지 요소들(116,118)의 다른 것의 적어도 일부 상에 갖는 온도 변화에 의해 상쇄되기 때문이다. 한 방법에 있어서, 각 감지 요소(116,118)의 적어도 일부의 온도 변화는, 거리(120)가 상류 또는 하류 튜브 부(106,108)의 길이(122)의 절반보다 크지 않은 것으로 인해 실질적으로 같아질 수도 있다.

다른 방법에 있어서, 제1 및 제2 열 감지 요소(116,118)는 도6B에 도시한 바와 같이, 상류 및 하류 열 감지 요소 쌍(616',616",618',618")을 포함한다. 직교방향 열 구배(690)는 제1 상류 열 감지 요소(616')와 제2 하류 열 감지 요소(618") 간의 차동 온도 증폭을 유도한다. 한 방법에 있어서, 상기 차동 온도 증폭은 제2 하류 열 감지 요소(618")와 비교하여 제1 상류 열 감지 요소(616')의 온도 증가를 포함한다. 비슷하게, 직교방향 열 구배(690)는 제2 상류 열 감지 요소(616")와 제1 하류 열 감지 요소(618') 간의 차동 온도 증폭을 유도한다. 이 차동 온도 증폭은 제1 하류 열 감지 요소(618')와 비교하여 제2 상류 열 감지 요소(616")의 온도 증가를 포함할 수도 있다.

한 방법에서, 열 센서(100)는 제2 상류 열 감지 요소(616")의 온도 변화로 제1 상류 열 감지 요소(616')의 온도 변화를 상쇄하도록 한다. 이와 같이 하기 위해, 제1 상류 열 감지 요소(616')의 온도 변화는 제2 하류 열 감지 요소(618")의 온도 변화로부터 감산되어 제1 직교방향 구배 온도 변화를 얻는다. 또한, 제1 하류 열 감지 요소(618')의 온도 변화는 제2 상류 열 감지 요소(616")의 온도 변화로부터 감산되어 제2 직교방향 구배 온도 변화를 생성할 수 있다. 따라서, 제2 직교방향 온도 변화는 실질적으로 절대치와 같지만, 제1 직교방향 구배 온도 변화와 비교하여 다른 것을 가질 수도 있다. 그 결과, 두 개의 직교방향 온도 변화의 값이 서로 상쇄되기 때문에 상기 두 개의 직교방향 구배 온도 변화를 결합하면 필수적으로 무시할 수 있는 온도 변화를 생성한다.

상기한 바와 같이 온도 변화의 결합은 각 센서(616',616", 618',618") 출력들의 신호를 결합함으로써 행해질 수 있다. 이와 같은 신호들의 결합은 회로 브리지 및 신호 변조를 행함으로써 실행될 수도 있다. 예컨대, 도5에 나타낸 브리지(542) 및 차동 증폭기(544)가 사용될 수도 있다. 그렇게 하기 위해, 제1 및 제2 신호들(546,548)이 열 감지 요소들(516',516",518',518")에 의해 발생되는 전압들로부터 브리지 회로(542)에 의해 발생될 수도 있다. 상기 신호들(546,548)은 차동 증폭기(544)에 의해 수신되고, 증폭기(544)는 MFC를 통해 흐르는 유체의 유속에 일반적으로 비례하는 전압을 갖는 차동 증폭 신호(550)를 생성할 수도 있다.

도7은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 도7은 주 흐름 라인(712), 열 센서(700) 및 차동 증폭기(744)를 포함하는 질량 유량 제어기(752)를 나타낸다. MFC(752)는 브리지 회로(742)와, 감지 요소들(716',716",718',718"), 및 제어 모듈(770)을 포함할 수도 있다. 상기 제어 모듈은 제어 밸브 신호(755)를 발생하도록 할 수도 있다. 1 실시예에서, 열 센서(700)는 u자형 단면을 갖는 모세관(702)으로 구성된다. 모세관(702)은 주 흐름 라인(712)에 결합된 상류 튜브 부(706) 및 주 흐름 라인(712)에 결합된 실질적으로 평행한 하류 튜브 부(708)로 구성될 수도 있다. 상기 하류 튜브 부(708)는 상류 튜브 부(706)로부터 제1 거리(720)에 위치되고, 상기 거리(720)는 열 센서(700) 내측의 모세관(128)의 상류 및 하류 부(706,708) 간의 거리이다. 상류 튜브 부 입구 부(128)와 하류 튜브 부 입구 부(130) 간의 거리는 상기 거리(720)와 실질적으로 다를 수도 있다. 1 실시예에서 상기 제1 거리(720)는 차동 증폭 신호(750)가 도6B에 도시한 종방향 온도 구배(680)에 의해 실질적으로 영향받지 않도록 한다.

또한, MFC(752)는 모세관(702)에 결합된 적어도 하나의 감지 요소로 구성된다. 상기 적어도 하나의 감지 요소는 상류 감지 요소 쌍(716',716") 및 상기 상류 감지 요소 쌍(716',716")과 일반적으로 대향하는 하류 감지 요소 쌍(718',718")으로 구성될 수도 있다. 각 요소는 브리지 회로(742)에 의해 신호가 수신되도록 발생할 수 있으며, 상기 브리지 회로는 차동 증폭기(744)에 의해 수신될 한 쌍의 신호들(746,748)을 출력하도록 할 수도 있다. 다른 실시예에서, MFC(752)는 도3에 나타낸 바와 같이 서모파일 센서(336), 또는 도2에 나타낸 바와 같이 일반적으로 대향하는 한 쌍의 히터(232,234)로 구성될 수도 있으며, 상기 히터들은 각각 상류 및 하류 튜브 부(706,708)에 결합된다.

MFC(752)의 1 실시예는 차동 증폭 신호(750)를 출력하기에 적합한 차동 증폭기(744)를 포함할 수도 있다. 1 실시예에서, 차동 증폭 신호(750)는 질량 유량 제어기(752)를 통해 흐르는 유체의 유속에 일반적으로 비례하는 전압을 포함한다. 또한, 상기 차동 증폭 신호(750)는 도6A 및 6B에 나타낸 바와 같이 직교방향 및 종방향 온도 구배(680,690)에 의해 실질적으로 영향받지 않는다.

MFC(752)의 많은 변형예에 있어서, 도6B에 나타낸 바와 같이 직교방향 온도 구배(690)에 의해 야기되는 열 감지 요소들(116,118)의 적어도 하나에 있어서의 온도의 제1 변화는 열 감지 요소들(116,118)의 다른 것의 온도의 제2 변화에 의해 상쇄될 수도 있다. 상기 열 감지 요소들(116,118)은 도6B에 나타낸 바와 같이 요소들 (A, B, C 및 D616',616",618',618")로 구성될 수 있다. 또한, 직교방향 온도 구배(690)에 의해 야기되는 온도 변화를 캔슬하기 위한 MFC(752)의 성능에 기초하여, 차동 증폭 신호(750)는 직교방향 온도 구배(690)에 의해 영향받지 않는다.

Claims

질량 유량 제어기 열 센서로서,
상류 튜브 부, 튜브 만곡부, 및 하류 튜브 부를 갖는 모세관으로,
상기 상류 튜브 부는 상류 부 길이를 포함하고,
상기 하류 튜브 부는 하류 부 길이를 포함하고
상기 하류 부 길이는 상류 부 길이와 실질적으로 같고 상기 하류 튜브 부는 상류 부와 실질적으로 평행하고, 상기 상류 튜브 부와 하류 튜브 부 간의 거리는 상류부 및 하류부 길이들의 절반보다 크지 않은, 모세관;
상류 튜브 부에 결합된 제1 쌍의 열 감지 요소들; 및
하류 튜브 부에 결합되고, 상기 제1 쌍의 감지 요소들에 일반적으로 대향하는 제2쌍의 감지 요소들을 포함하는, 질량 유량 제어기 열 센서.
제1항에 있어서,
상기 상류 튜브 부는 (i) 상기 튜브 만곡부의 제1 단부에 결합되고, (ii) 제1 방향으로 가스 흐름을 수용하기에 적합하고;
상기 하류 튜브 부는 (i) 상기 튜브 만곡부의 제2 단부에 결합되고, (ii) 제2 방향으로 가스 흐름을 수용하기에 적합하고, 상기 제2 방향은 일반적으로 제1 방향과 반대이고;
상기 모세관은 일반적으로 U자형인, 질량 유량 제어기 열 센서.
제1항에 있어서,
상기 상류 튜브 부는 입구부와 상류 튜브 부 메인 섹션을 더 포함하고;
상기 하류 튜브 부는 출구부와 하류 튜브 부 메인 섹션을 더 포함하고;
상기 튜브 만곡부, 상기 입구부 및 출구부의 온도는 제1 온도와 같고, 상기 제1 온도는 일반적으로 일정하고 ;
상기 상류 및 하류 튜브 부 메인 섹션의 온도는 제2 온도를 포함하고, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도와 다른, 질량 유량 제어기 열 센서.
제3항에 있어서, 상기 제1 온도는 일반적으로 주위 온도와 같은, 질량 유량 제어기 열 센서.
제1항에 있어서,
제1쌍의 감지 요소들 간의 상류 튜브 부에 결합되는 제1 히터; 및
하류 튜브 부에 결합되고 일반적으로 제1 히터에 대향하는 제2 히터를 포함하는, 질량 유량 제어기 열 센서.
제1항에 있어서,
차동 증폭기를 더 포함하고, 상기 차동 증폭기는, (i) 제1 및 제2 쌍의 감지 요소들로부터 적어도 하나의 신호를 수신하고, (ii) 차동 증폭 신호를 출력하고, 상기 차동 증폭 신호는 모세관을 통해 흐르는 유체의 유속에 일반적으로 비례하는 전압을 포함하는는, 질량 유량 제어기 열 센서.
제6항에 있어서, 상기 차동 증폭기에 의해 출력되는 질량 유속 신호는 감지요소들을 가로질러 직교방향 및 종방향 온도 구배들에 의해 실질적으로 영향받지 않는, 질량 유량 제어기 열 센서.
질량 유량 제어기 열 센서를 동작시키기 위한 방법으로서,
적어도 하나의 제1 열 감지 요소를 가로질러 제1 방향으로 유체의 흐름을 수용하고;
적어도 하나의 제2 열 감지 요소를 가로질러 제2 방향으로 유체의 흐름을 수용하고;
적어도 하나의 제1 및 제2 열 감지 요소들을 가로질러 종방향 열 구배를 수용하고;
적어도 하나의 제1 및 제2 열 감지 요소들을 가로질러 직교방향 열 구배를 수용하고;
종방향 및 직교방향 열 구배에 의해 실질적으로 영향받지 않는 질량 유속 신호를 출력하는, 질량 유량 제어기 열 센서를 동작시키는 방법.
제8항에 있어서,
상기 종방향 열 구배는 적어도 하나의 제1 열 감지 요소를 가로질러 온도의 변화를 유도하고;
상기 종방향 열 구배는 적어도 하나의 제2 열 감지 요소를 가로질러 온도의 변화를 유도하고, 상기 적어도 하나의 제2 열 감지 요소를 가로지른 온도의 변화는 적어도 하나의 제1 열 감지 요소를 가로지른 온도의 변화와 실질적으로 같고;
적어도 하나의 제1 열 감지 요소의 온도 변화의 증가 및 감소의 하나를, 적어도 하나의 제2 열 감지 요소의 온도 변화의 증가 및 감소의 다른 것으로 상쇄하는 것을 더 포함하고, 상기 온도의 증가 및 감소는 종방향 열 구배에 의해 야기되는, 질량 유량 제어기 열 센서를 동작시키는 방법.
제8항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제1 및 제2 열 감지 요소들은 각각 한 쌍의 열 감지 요소들을 포함하고;
상기 직교방향 열 구배는 제1 상류 열 감지 요소와 제2 하류 열 감지 요소 간의 차동 온도 증폭을 유도하고;
상기 직교방향 열 구배는 제2 상류 열 감지 요소와 제1 하류 열 감지 요소 간의 차동 온도 증폭을 유도하는, 질량 유량 제어기 열 센서를 동작시키는 방법.
제10항에 있어서,
제1 및 제2 상류 열 감지 요소들과 제1 및 제2 하류 열 감지 요소들 간의 차동 온도 증폭을 상쇄하는 것을 더 포함하고, 상기 상쇄는, (i) 포지티브 및 네가티브 제1 직교방향 구배 온도 변화 중 하나를 얻기 위해 제2 하류 열 감지 요소의 온도 변화로 상기 제1 상류 열 감지 요소의 온도 변화를 가산하는 것 및 감산하는 것의 하나이고; (ii) 포지티브 및 네가티브 제2 직교방향 구배 온도 변화 중 하나를 생성하기 위해 제2 상류 열 감지 요소의 온도 변화로 제1 하류 열 감지 요소의 온도 변화를 가산하는 것 및 감산하는 것의 다른 것이고, (iii) 제2 직교방향 구배 온도 변화와 제1 직교방향 구배 온도 변화를 결합하는 것을 포함하는, 질량 유량 제어기 열 센서를 동작시키는 방법.
제8항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제1 열 감지 요소에 의해 발생되는 제1 신호를 발생하고;
상기 적어도 하나의 제2 열 감지 요소에 의해 발생되는 제2 신호를 발생하고;
차동 증폭기에 의해 상기 제1 및 제2 신호들을 수신하는 것을 더 포함하는, 질량 유량 제어기 열 센서를 동작시키기 위한 방법.
질량 유량 제어기로서,
주 흐름 라인;
열 센서; 및
차동 증폭기를 포함하고,
상기 열 센서는,
u자형 단면을 갖고, 주 흐름 라인에 결합된 상류 튜브 부 및 주 흐름라인에 결합된 실질적으로 평행한 하류 튜브 부를 포함하고, 상기 하류 튜브부는 상기 상류 튜브 부로부터 제1 거리에 위치되는, 모세관; 및 상기 모세관에 결합되고, 적어도 하나의 신호를 출력하도록 되고, 상기 적어도 하나의 신호는 적어도 하나의 감지 요소들의 온도에 일반적으로 비례하는 감지 요소 전압을 포함하는, 적어도 하나의 감지 요소를 포함하고,
상기 차동 증폭기는,
(i) 적어도 하나의 열 감지 요소 출력 신호를 수신하고, (ii) 차동 증폭 신호를 출력하며, 상기 차동 증폭 신호는, 질량 유량 제어기를 통해 흐르는 유체의 유속에 일반적으로 비례하는 전압을 포함하고, 상기 차동 증폭 신호는 직교방향 및 종방향 온도 구배에 의해 영향받지 않는, 질량 유량 제어기.
제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감지 요소는 서머파일 센서를 포함하는, 질량 유량 제어기.
제13항에 있어서, 상기 제1 거리는 또한 상기 차동 증폭 신호가 종방향 온도 구배에 의해 영향받지 않도록 되는, 질량 유량 제어기.
제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감지 요소는 대향하는 두 쌍의 감지 요소를 포함하고, 제1 감지 요소 쌍은 상류 튜브 부에 결합되고 제2 감지 요소 쌍은 하류 튜브 부에 대향하여 결합되고, 상기 대향하는 쌍의 감지 요소들은 차동 증폭 신호가 직교방향 열 구배에 의해 영향받지 않도록 배치되는, 질량 유량 제어기.
제16항에 있어서, 한 쌍의 히터를 더 포함하고, 제1 히터는 상기 제1 감지 요소 쌍 간의 상류 튜브 부에 결합되고 제2 히터는 상기 제2 감지 요소 쌍 간의 하류 튜브 부에 대향하여 결합되는, 질량 유량 제어기.
제13항에 있어서,
상기 적어도 하나의 감지 요소는 적어도 두 개의 감지 요소들로 구성되고;
상기 적어도 두 개의 감지 요소들 중 하나에 의해 측정된 직교방향 온도 구배에 의해 야기된 제1 온도 변화는 상기 적어도 두 개의 감지 요소들 중 다른 것에 의해 측정된 제2 온도 변화에 의해 상쇄되는, 질량 유량 제어기.
제13항에 있어서,
상기 적어도 하나의 감지 요소는 제1 쌍의 감지 요소들 및 제2 쌍의 감지 요소들을 포함하고, 상기 제1 쌍의 감지 요소들은 상류 튜브 부에 결합되고 상기 제2 쌍의 감지 요소들은 하류 튜브 부에 결합되며;
상기 제2 쌍의 감지 요소들은 상기 제1 쌍의 감지 요소들에 의해 기록된 임의의 온도 변화를 상쇄하도록 배치되고, 상기 온도 변화는 종방향 온도 구배로 인한 것이며;
제1 하류 감지 요소는 상기 제2 상류 감지 요소에 의해 기록된 임의의 온도 변화를 상쇄하도록 배치되고, 상기 온도 변화는 직교방향 온도 구배로 인한 것이며;
제2 하류 감지 요소는 상기 제1 상류 감지 요소에 의해 기록된 임의의 온도 변화를 상쇄하도록 배치되고, 상기 온도 변화는 직교방향 온도 구배로 인한 것인, 질량 유량 제어기.
제13항에 있어서,
질량 유량 제어기의 적어도 일부의 온도를 주위 온도와 거의 같도록 설정하기에 적합한 장치를 더 포함하는, 질량 유량 제어기.