TW202300873A - 熱式流量感測器及流體控制裝置 - Google Patents

Abstract

為了達成流體的溫度分佈的迅速穩定化，提高響應速度，並且降低自外部對所測定的流量的熱影響，而包括：一對電阻線13A、13B，捲繞於供流體流動的配管20上；散熱部61，將來自電阻線13A、電阻線13B的熱向外部散熱；以及低熱傳導構件70，設置於散熱部61的周圍，且熱傳導率較散熱部61低。

Description

熱式流量感測器及流體控制裝置

本發明是有關於一種熱式流量感測器及包括所述熱式流量感測器的流體控制裝置。

熱式流量感測器包括捲繞於細管上的一對電阻線，利用由於流體於該細管中流動而於上游側及下游側產生溫度差的情況，來測定流體的流量。

作為所述熱式流量感測器，於專利文獻1中，有如下感測器，即，為了達成響應速度的高速化而包括將電阻線的熱向外部散熱的散熱器，且構成為使流體的溫度分佈迅速穩定。

然而，於如此包括散熱器的情況下，若來自外部的熱經由散熱器傳遞至電阻線，則所測定的流量有可能受到溫度影響。

再者，作為此種溫度影響，例如於流體通過配置於熱式流量感測器的下游的流體控制閥後，若該流體膨脹則溫度降低，因此，藉此產生的冷氣有時經由散熱器傳遞至電阻線。另外，作為其他的溫度影響，亦考慮到負責流量算出等的中央處理單元（central processing unit，CPU）等的發熱經由散熱器傳遞至電阻線。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2015-052545號公報

[發明所欲解決之課題]

因此，本發明是為解決所述問題點而成，其主要課題在於達成流體的溫度分佈的迅速穩定化，提高響應速度，並且降低自外部對所測定的流量的熱影響。 [解決課題之手段]

即，本發明的熱式流量感測器的特徵在於，包括：一對電阻線，捲繞於供流體流動的配管上；散熱部，將來自所述電阻線的熱向外部散熱；以及低熱傳導構件，設置於所述散熱部的周圍，且熱傳導率較所述散熱部低。

根據此種熱式流量感測器，由於熱傳導率較散熱部低的低熱傳導構件設置於散熱部的周圍，因此可藉由所述低熱傳導構件抑制自外部向散熱部傳熱。 藉此，可達成流體的溫度分佈的迅速穩定化，提高響應速度，並且降低自外部對所測定的流量的熱影響。

作為具體的實施形態，可列舉所述散熱部分別設置於所述一對電阻線的上游側及下游側，所述低熱傳導構件是支撐該些散熱部的呈平板狀的構件。 若為此種結構，由於作為低熱傳導構件而使用有支撐一對散熱部的呈平板狀的構件，因此例如與後述的框狀的構件相比，作為低熱傳導構件而可使用大的構件，可更可靠地抑制來自外部的熱傳遞至散熱器。另外，由於作為低熱傳導構件而使用呈平板狀的構件，因此低熱傳導構件的製造容易。

另外，作為另一實施形態，可列舉所述散熱部分別設置於所述一對電阻線的上游側及下游側，所述低熱傳導構件是包圍該些散熱部的呈框狀的構件。 若為此種結構，藉由使框狀的低熱傳導構件的內側為熱傳導率高的構件（例如與低熱傳導構件的外側相同的構件），可充分地發揮將電阻線的熱向外部散逸等的基於散熱器的散熱效果，並且抑制來自外部的熱經由散熱器傳遞至電阻線。

較佳的是，所述散熱部與所述配管的外周面接觸，本發明的熱式流量感測器更包括緩衝部，所述緩衝部與所述散熱部接觸，並且設置於夾持所述配管的各位置處，所述緩衝部由與所述低熱傳導構件相同的材質構成。 若為此種結構，由於在散熱部的兩側設置有與低熱傳導構件相同材質的緩衝部，因此可更可靠地抑制自外部向散熱部傳遞的熱。

較佳的是，更包括感測器罩，所述感測器罩形成有收容所述一對電阻線的空洞部，所述空洞部被挖掘成能夠嵌入所述低熱傳導構件。 若為此種結構，藉由將低熱傳導構件嵌入至空洞部，低熱傳導構件被定位並被固定，因此可謀求組裝性的提高。

此處，例如於流體控制閥的附近產生的冷氣等來自外部的熱有可能經由安裝於所述感測器罩的蓋體傳遞至散熱器，若所述熱自散熱器傳遞至電阻線，則熱影響會波及到由熱式流量感測器測定的流量。 因此，於包括安裝於所述感測器罩的蓋體的結構中，亦可更包括隔熱部，所述隔熱部夾在所述蓋體與所述散熱部之間，對該些進行隔熱。 若為此種結構，可抑制來自外部的熱經由蓋體傳遞至散熱器，可更可靠地降低對由熱式流量感測器測定的流量的熱影響。

另外，作為抑制來自外部的熱經由蓋體傳遞至散熱器的另一形態，亦可為所述散熱部相對於所述蓋體非接觸地設置。

本發明的流體控制裝置的特徵在於包括：所述熱式流量感測器；塊體，設置有所述熱式流量感測器，並且形成有供所述流體流動的內部流路；以及流體控制閥，設置於所述塊體。 若為此種流體控制裝置，則可發揮與所述熱式流量感測器同樣的作用效果，可達成流體的溫度分佈的迅速穩定化，提高響應速度，並且降低自外部對所測定的流量的熱影響。再者，作為來自外部的熱影響的因素，可列舉由於流體通過流體控制閥而產生的冷氣、或負責流量算出等的CPU等的發熱等。

進而，本發明的流體控制裝置的特徵在於包括：熱式流量感測器；塊體，設置有所述熱式流量感測器，並且形成有供所述流體流動的內部流路；以及流體控制閥，設置於所述塊體，所述熱式流量感測器具有：一對電阻線，捲繞於供流體流動的配管上；以及低熱傳導構件，設置於所述電阻線的周圍，將所述電阻線與外部熱隔離。 若為此種流體控制裝置，則可降低自外部對所測定的流量的熱影響。 [發明的效果]

根據以上所述的本發明，可達成流體的溫度分佈的迅速穩定化，提高響應速度，並且降低自外部對所測定的流量的熱影響。

以下，參照圖式對本發明的一實施形態的熱式流量感測器進行說明。

本實施形態的熱式流量感測器S例如構築對半導體製造製程中使用的流體的流量進行控制的流體控制裝置100。

如圖1所示，所述流體控制裝置100是質量流量控制器，其包括：形成有供流體流動的內部流路X（以下亦稱為主流路X）的金屬製（例如不鏽鋼製）的塊體B；設置於所述塊體B的熱式流量感測器S及流體控制閥V；以及控制部C，控制流體控制閥V的開度，以使藉由熱式流量感測器S測定的測定流量接近預先設定的設定流量。再者，雖未圖示，但亦可於熱式流量感測器S的上游側設置壓力感測器。

而且，所述流體控制裝置100的特徵在於熱式流量感測器S，因此以下說明詳細情況。

如圖2所示，熱式流量感測器S包括感測器流路L1以及流量檢測機構10，所述感測器流路L1設定成分支流路L的一部分，所述分支流路L自主流路X分支，於較所述分支點更靠下游側的合流點與主流路X合流，所述流量檢測機構10檢測流體的流量。再者，於主流路X中的分支點與合流點之間設置有具有定流量特性的作為阻力體R的層流組件，主流路X及感測器流路L1的分流比成為規定的設計值。

如圖2及圖3所示，感測器流路L1由直徑尺寸小的配管20（以下亦稱為細管20）形成。此處，於所述塊體B，經由基座30安裝有感測器罩40，感測器流路L1以通過所述感測器罩40內的方式被收容。再者，細管20或基座30例如是不鏽鋼等的金屬製的構件，感測器罩40包含熱傳導率較細管20或基座30高的例如氧化鋁等。

如圖2所示，流量檢測機構10包括：感測器部11，用於檢測分流至感測器流路L1的流量；以及流量算出部12，取得來自該感測器部11的輸出訊號，算出流經主流路X的氣體的至少質量流量。

感測器部11收容於感測器罩40，且包括捲繞於細管20的一對電阻線13A、13B。所述電阻線13A、電阻線13B是電阻值隨著溫度的變化而增減的發熱電阻線，纏繞於細管20的外周面，兼作加熱器與溫度感測器。

流量算出部12是將一對電阻線13A、13B作為結構的一部分的電氣電路，包括橋接電路、放大電路、修正電路等。所述流量算出部12例如是由所述控制部C發揮的功能，將氣體的瞬時流量作為來自一對電阻線13A、13B的電訊號（電壓值）進行檢測，算出感測器流路L1中的流量，並且基於主流路X與感測器流路L1的分流比，算出主流路X中的氣體的流量，輸出與所述算出流量對應的感測器輸出訊號（流量測定訊號）。流量算出部12的電路結構於所述實施形態中為恆溫控制方式，由於其為已知的，因此省略詳細說明。但是，作為流量算出部12的電路結構，亦可為恆流控制方式或恆壓控制方式或低溫度差控制方式。

於所述結構中，如圖3所示，本實施形態的熱式流量感測器S更包括將來自電阻線13A、電阻線13B的熱向外部散熱的散熱器50A、散熱器50B。

所述散熱器50A、散熱器50B用於確保電阻線13A、電阻線13B的熱向外部散逸的路徑，縮短至流體的溫度分佈穩定為止的時間，沿著感測器流路L1分別設置於一對電阻線13A、13B的上游側及下游側。即，沿著感測器流路L1自上游側依次配置有上游側散熱器50A、上游側電阻線13A、下游側電阻線13B及下游側散熱器50B。

若更具體地進行說明，則如圖4所示，散熱器50A、散熱器50B具有：散熱部61，與細管20的外周面接觸並與該細管20熱連接；以及肋狀的緩衝部62，與所述散熱部61一起設置於夾持細管20的各位置處。

所述散熱部61主要發揮基於散熱器50A、散熱器50B的散熱功能，具體而言，是熱傳導性高的例如熱傳導矽等油灰材料。

緩衝部62發揮接收經由散熱部61傳遞的來自電阻線13A、電阻線13B的熱並進行吸熱的所謂作為散熱體（heat sink）的功能，包含熱傳導性較散熱部61低的例如不鏽鋼、樹脂、陶瓷、氧化鋯等。另外，所述緩衝部62亦兼備將所述作為油灰材料的散熱部61以纏於細管20的外周面的狀態進行保持的保持功能。

根據所述結構，來自電阻線13A、電阻線13B的熱自細管20經由散熱部61向外部散熱。藉此，可縮短至流體的溫度分佈穩定為止的時間，進而可謀求感測器部11的響應速度的高速化。

而且，如圖3及圖4所示，本實施形態的熱式流量感測器S設置於所述散熱部61的周圍，且更包括熱傳導率較散熱部61低的低熱傳導構件70。

所述低熱傳導構件70抑制來自外部的熱傳遞至散熱部61，藉此抑制外部的熱經由散熱部61傳遞至電阻線13A、電阻線13B。具體而言，低熱傳導構件70例如包含不鏽鋼、樹脂、陶瓷、氧化鋯等，此處包含與所述緩衝部62相同的材質。即，於所述實施形態中，不僅低熱傳導構件70，而且所述緩衝部62亦抑制來自外部的熱傳遞至散熱部61。

作為來自外部的熱，例如可列舉於圖1所示的流體控制閥V的附近產生的冷氣。 若更詳細地說明，則於流體通過流體控制閥V後，若所述流體膨脹則向外部作功，所述作功量的內部能量下降。藉此，流體的溫度降低，產生冷氣。然後，所述冷氣自支撐流體控制閥V及熱式流量感測器S的塊體B經由所述感測器基座30及感測器罩40欲傳遞至散熱部61。其結果，假設於低熱傳導構件70或緩衝部62與感測器罩40為相同材質的情況下，所述冷氣經由散熱部61傳遞至電阻線13A、電阻線13B，對所測定的流量造成影響。

與此相對，於本實施形態中，低熱傳導構件70抑制所述冷氣經由散熱部61傳遞至電阻線13A、電阻線13B，換言之，低熱傳導構件70將散熱部61及電阻線13A、電阻線13B與塊體B之間熱隔離。

另外，作為其他熱源，可列舉構成圖1所示的控制部C的CPU或電路基板等設備。即，藉由此種設備發熱，所述熱有可能經由散熱部61傳遞至電阻線13A、電阻線13B。

與此相對，於本實施形態中，低熱傳導構件70抑制來自構成控制部C的設備的熱經由散熱部61傳遞至電阻線13A、電阻線13B，換言之，低熱傳導構件70將散熱部61及電阻線13A、電阻線13B與控制部C的構成設備之間熱隔離。

再者，低熱傳導構件70無需將傳遞至散熱器50A、散熱器50B及電阻線13A、電阻線13B的熱完全隔熱，只要是不對所測定的流量帶來影響的程度，則亦可將來自外部的熱略微傳遞至散熱器50A、散熱器50B及電阻線13A、電阻線13B。

如圖5及圖6所示，所述低熱傳導構件70收容在形成於感測器罩40的空洞部H中。

如圖5及圖6所示，空洞部H貫通感測器罩40而形成，於本實施形態中，被挖掘成能夠嵌入低熱傳導構件70。即，本實施形態的空洞部H於貫通感測器罩40的貫通方向D1上，自跟前側向裏側空間變窄。此處的空洞部H呈階狀，包含跟前側的寬幅空間H1以及裏側的窄幅空間H2。但是，作為空洞部H，未必需要呈階狀，例如亦可呈自跟前側向裏側逐漸變窄的錐狀。

於所述結構中，低熱傳導構件70呈無鬆動地嵌入至空洞部H中的形狀，於所述實施形態中呈平板狀。

具體而言，如圖4～圖6所示，低熱傳導構件70具有支撐上游側的散熱器50A及下游側的散熱器50B各自的散熱部61的第一平板元件71。所述第一平板元件71俯視呈矩形形狀，例如呈長度方向被設定為沿著細管20的管軸方向D2的俯視大致長方形狀。

於所述平板元件的表面71a，與散熱部61一起接觸地設置有夾持所述散熱部61的一對緩衝部62。於一對電阻線13A、13B的上游側，一對緩衝部62設置於夾著細管20的位置，於一對電阻線13A、13B的下游側，另一對緩衝部62設置於夾著細管20的位置。而且，於所述一對緩衝部62之間夾著有所述熱傳導矽等的散熱部61。根據所述結構，散熱部61以與細管20的外周面接觸的狀態保持於一對緩衝部62之間。

另外，如圖4～圖6所示，本實施形態的低熱傳導構件70更具有設置於第一平板元件71的背面71b的第二平板元件72。所述第二平板元件72俯視呈矩形形狀，例如呈長度方向被設定為沿著細管20的管軸方向D2的俯視大致長方形狀。本實施形態的第二平板元件72的沿著與長度方向正交的寬度方向的尺寸較第一平板元件71小。再者，第二平板元件72可與第一平板元件71為一體，亦可為獨立的個體。

而且，藉由將第二平板元件72嵌入至窄幅空間H2中，並且將第一平板元件71嵌入至寬幅空間H1中，低熱傳導構件70無鬆動地嵌入至空洞部H中，低熱傳導構件70相對於感測器罩40被定位並被固定。

如此，於將低熱傳導構件70嵌入至空洞部H中的狀態下，如圖7所示，藉由在感測器罩40安裝蓋體80，組裝熱式流量感測器S。

＜本實施形態的效果＞ 根據如此構成的熱式流量感測器S，熱傳導率較散熱部61低的低熱傳導構件70設置於散熱部61的周圍，因此可藉由所述低熱傳導構件70抑制自外部向散熱部61的傳熱。 其結果，可藉由散熱部61的散熱效果達成流體的溫度分佈的迅速穩定化，提高響應速度，並且藉由低熱傳導構件70降低自外部對所測定的流量的熱影響。

另外，由於低熱傳導構件70是同時分別支撐上游側散熱器50A及下游側散熱器50B的呈平板狀的構件，因此，作為低熱傳導構件70而可使用比較大的尺寸的構件，可更可靠地抑制來自外部的熱向散熱部61傳遞。進而，由於作為低熱傳導構件70而使用呈平板狀的構件，因此低熱傳導構件70的製造容易。

而且，藉由挖掘感測器罩40的空洞部H，藉此將低熱傳導構件70嵌入至空洞部H，從而低熱傳導構件70被定位並被固定，因此可謀求組裝性的提高。

此外，由於緩衝部62為與低熱傳導構件70相同的材質，因此，不僅低熱傳導構件70，而且藉由緩衝部62亦可發揮對散熱部61的傳熱抑制效果。

＜其他實施形態＞ 例如，低熱傳導構件70於所述實施形態中呈平板狀，但如圖8及圖9所示，亦可呈框狀。具體而言，所述低熱傳導構件70同時包圍一對上游側散熱器50A、一對下游側散熱器50B及一對電阻線13A、13B，與所述實施形態同樣地，設置於感測器罩40的空洞部H。再者，此處所說的框狀未必需要為完全無間隙的形狀，只要為可確保抑制自外部向散熱器50A、散熱器50B傳熱的效果的程度，亦可為微小的間隙。

於使用所述框狀的低熱傳導構件70的情況下，所述低熱傳導構件70的內側較佳的是設置有例如與感測器罩40相同的氧化鋁等的熱傳導率較低熱傳導構件70高、更佳為熱傳導率較細管20或基座30高的埋設物90。於此情況下，多個散熱器50A、50B由埋設物90支撐。

若為此種結構，可藉由框狀的低熱傳導構件70抑制來自外部的熱經由散熱器50A、散熱器50B傳遞至電阻線13A、電阻線13B，並且藉由設置於所述低熱傳導構件70的內側的埋設物90，確保將電阻線13A、電阻線13B的熱向外部散逸等的散熱器50A、散熱器50B的散熱效果，且能夠可靠地獲得藉此帶來的響應性的高速化的好處。

另外，作為低熱傳導構件70，如圖10所示，亦可設置成分別圍繞上游側的散熱器50A的散熱部61與下游側的散熱器50B的散熱部61。

進而，所述實施形態的低熱傳導構件70包含與緩衝部62相同的材質，但亦可包含熱傳導性較緩衝部62更低的材質。

而且，如圖11所示，緩衝部62亦可呈圍繞散熱部61的例如コ字狀，且包含熱傳導率較散熱部61低的例如不鏽鋼或氧化鋯等。於此情況下，所述實施形態中的符號70的構件例如亦可設為與感測器罩40相同的材質（例如，氧化鋁）的構件（換言之，符號70的構件未必需要為低熱傳導構件），於此情況下，緩衝部62擔負作為低熱傳導構件70的作用。

此處，例如於流體控制閥V的附近產生的冷氣等來自外部的熱有可能經由安裝於感測器罩40而堵塞空洞部H的蓋體80傳遞至散熱器50A、散熱器50B，若所述熱自散熱部61傳遞至電阻線13A、電阻線13B，則熱影響波及到由熱式流量感測器S測定的流量。 因此，作為熱式流量感測器S，如圖12所示，亦可更包括夾在蓋體80與散熱部61之間且將該些隔熱的隔熱部73，如圖13所示，亦可為散熱部61相對於蓋體80非接觸地設置。再者，作為隔熱部73，例如可列舉包含不鏽鋼、樹脂、陶瓷、氧化鋯等的隔熱部。 若為此種結構，可抑制來自外部的熱經由蓋體80向散熱部61傳遞，從而可更可靠地降低對由熱式流量感測器S測定的流量的熱影響。

另外，於所述實施形態中，於一對電阻線13A、13B的上游側及下游側分別設置有散熱器50，但亦可僅於上游側或下游側的其中一者設置散熱器50，亦可於一對電阻線13A、13B之間設置散熱器50。

另外，作為本發明的流體控制裝置，未必需要包括散熱器50，只要包括設置於電阻線的周圍、且將電阻線與外部熱隔離的低熱傳導構件即可。再者，作為來自外部的熱，可列舉由於流體通過流體控制閥而產生的冷氣、或負責流量算出等的CPU等的發熱等。

此外，只要不違背本發明的主旨，亦可進行各種實施形態的變形或組合。

10:流量檢測機構 11:感測器部 12:流量算出部 13A:電阻線（上游側電阻線） 13B:電阻線（下游側電阻線） 20:細管（配管） 30:基座（感測器基座） 40:感測器罩 50:散熱器 50A:散熱器（上游側散熱器） 50B:散熱器（下游側散熱器） 61:散熱部 62:緩衝部 70:低熱傳導構件 71:第一平板元件 71a:表面 71b:背面 72:第二平板元件 73:隔熱部 80:蓋體 90:埋設物 100:流體控制裝置 D1:貫通方向 D2:管軸方向 H:空洞部 H1:寬幅空間 H2:窄幅空間 S:熱式流量感測器 X:主流路（內部流路） L:分支流路 L1:感測器流路 B:塊體 R:阻力體 V:流體控制閥 C:控制部

圖1是表示本發明的一實施形態的流體控制裝置的結構的示意圖。 圖2是表示所述實施形態的熱式流量感測器的結構的示意圖。 圖3是表示所述實施形態的低熱傳導構件的示意圖。 圖4是表示所述實施形態的低熱傳導構件的立體圖。 圖5是所述實施形態的將低熱傳導構件組入至空洞部之前的分解立體圖。 圖6是所述實施形態的將低熱傳導構件組入至空洞部之後的剖面圖。 圖7是表示所述實施形態的組裝了熱式流量感測器的狀態的示意圖。 圖8是表示所述另一實施形態的低熱傳導構件的示意圖。 圖9是表示所述另一實施形態的低熱傳導構件的示意圖。 圖10是表示所述另一實施形態的低熱傳導構件的示意圖。 圖11是表示所述另一實施形態的低熱傳導構件的示意圖。 圖12是表示所述另一實施形態的蓋體的結構的剖面圖。 圖13是表示所述另一實施形態的散熱器的結構的剖面圖。

13A:電阻線(上游側電阻線)

13B:電阻線(下游側電阻線)

20:細管(配管)

50A:散熱器(上游側散熱器)

50B:散熱器(下游側散熱器)

61:散熱部

62:緩衝部

70:低熱傳導構件

71:第一平板元件

71a:表面

71b:背面

72:第二平板元件

D2:管軸方向

Claims (9)

1. 一種熱式流量感測器，包括： 一對電阻線，捲繞於供流體流動的配管上； 散熱部，將來自所述電阻線的熱向外部散熱；以及 低熱傳導構件，設置於所述散熱部的周圍，且熱傳導率較所述散熱部低。
2. 如請求項1所述的熱式流量感測器，其中， 所述散熱部分別設置於所述一對電阻線的上游側及下游側， 所述低熱傳導構件是支撐該些散熱部的呈平板狀的構件。
3. 如請求項1所述的熱式流量感測器，其中， 所述散熱部分別設置於所述一對電阻線的上游側及下游側， 所述低熱傳導構件是包圍該些散熱部的呈框狀的構件。
4. 如請求項1所述的熱式流量感測器，其中， 所述散熱部與所述配管的外周面接觸， 所述熱式流量感測器更包括緩衝部，所述緩衝部與所述散熱部接觸，並且設置於夾持所述配管的各位置處， 所述緩衝部由與所述低熱傳導構件相同的材質構成。
5. 如請求項1所述的熱式流量感測器，更包括感測器罩，所述感測器罩形成有收容所述一對電阻線的空洞部， 所述空洞部被挖掘成能夠嵌入所述低熱傳導構件。
6. 如請求項5所述的熱式流量感測器，更包括： 蓋體，安裝於所述感測器罩；以及 隔熱部，夾在所述蓋體與所述散熱部之間，對該些進行隔熱。
7. 如請求項5所述的熱式流量感測器，更包括蓋體，所述蓋體安裝於所述感測器罩， 所述散熱部相對於所述蓋體非接觸地設置。
8. 一種流體控制裝置，包括： 如請求項1所述的熱式流量感測器； 塊體，設置有所述熱式流量感測器，並且形成有供所述流體流動的內部流路；以及 流體控制閥，設置於所述塊體。
9. 一種流體控制裝置，包括： 熱式流量感測器； 塊體，設置有所述熱式流量感測器，並且形成有供所述流體流動的內部流路；以及 流體控制閥，設置於所述塊體， 所述熱式流量感測器具有： 一對電阻線，捲繞於供流體流動的配管上；以及 低熱傳導構件，設置於所述電阻線的周圍，將所述電阻線與外部熱隔離。

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