TWI261666B - Apparatus and method for thermal dissipation in a thermal mass flow sensor - Google Patents

Description

1261666 九、發明說明： 相關申請案 本案將讓渡給與本案同^ —讓渡人且為同時申請之Jesse Ambrosina和lsao suzuki所發明、、熱質流感測器之隔熱裝置及 5 方法專利申請案及 Jesse Ambrosina、Isao Suzuki 和 Ali Shajii 所發明質流控制器之熱管理裝置及方法〃專利申請案就其完 整内容納入做為參考。 發明所屬之技術領域 本發明關於質流測量系統，更特定言之係關於大致消弭原 本可能強加於一熱質流感測器之熱梯度的熱質流感測器殼體。 先前技術 毛細官熱質流感測器利用以下事實：在一層流管内流動之 15 ，體從官壁所得到的熱轉移係隨該流體之質流率、流體溫度與 =壁溫度之差、及該流體之比熱而變化。質流控制器運用多種 二=感^為構造。舉例來說，有一種構造涉及一具備與感測器 Z熱傳^接觸之二個或更多電阻元件的不銹鋼流管。此等電阻 常Ϊ由一具有一高熱阻係數的材料構成。每一元件能當 鋏:器、—偵測器、或二者兼具。該等元件其中一或多個 Γ埶=供能而對通過該管的流體供熱。若以恆定電流供應此等 :::髀：能從該等元件的溫度差推導出通過該管之流體質流 疮_貝凌率亦能由改變通過加熱器之電流以維持一恆定溫 度曲線的方式推導。 20 1261666 此等熱質流感測器可為附接於一質流控制器，讓流體從該 控制器之旁通管饋送至毛細管（在本說明書中亦稱為感測器 管）。由於質流測量是依據因電阻元件造成之流體熱效應，任 何加諸於此等電阻元件之外來差溫皆可能對一質流率之測量 5造成誤差。不幸的是，熱質流感測器經常是在一可能有外來熱 梯度強加其上之環境中運作。舉例來說，一熱質流感測器可能 是在非常靠近一在作業中發散顯著功率之閥線圈之處運作。由 閥線圈作業產生之熱可能透過一熱傳導路徑（例如由一質流控 制器殼體提供的路徑）連通至該質流感測器。由此方式連通的 10熱可能對該質流感測器殼體強加一熱梯度，隨後可能將此外來 熱梯度疊加於感測器的電阻元件上，從而導致質流測量有誤。 因此非常需要一種大致消弭外加熱梯度之熱質流感測器。 發明内容 15 一依據本發明原則之熱質流控制器包含一感測器總成、一 控制閥總成、及一讓該控制閥總成和感測器總成附接之熱質流 控制器殼體。一熱傳導元件將熱從該控制閥總成帶離該感測器 總成，藉此減少對該感測器總成之不受控制熱作用。在一範例 實施例中，該熱質流控制器包含一大致包住該感測器總成和控 2〇制閥總成的熱傳導圍蔽件。該熱傳導元件大致圍繞與該控制閥 總成達成熱傳導接觸，且同時與該圍蔽件達成實質的傳導性熱 接觸。 在一不包含該圍蔽件的實施例中，該熱傳導元件 < 在一或 多個表面上包含使來自該控制閥總成内之熱能加速發散的結 1261666 構。此等結構可包含位在該熱傳導元件之非面對該感測器總成 的一或多個外表面上的鰭片。該熱傳導元件可為由一高熱傳導 率材料（例如鋁）構成。在一範例實施例，該熱傳導元件是整 合於該控制閥總成。也就是說，在此範例實施例中，該控制閥 5總成之外壁是形成為將熱能帶離該熱質流控制器感測器總成。 熟習此技藝者在閱讀過以下較佳實施例詳細說明後會更 明瞭以上及其他本發明優點，該等實施例繪於所附圖式中。為 便於說明，圖式中的元件可能不是依比例繪製。 10 實施方式 一依據本發明原則之熱質流控制器包含一熱質流感測器 總成和一控制閥總成。在一範例實施例中，該熱質流感測器總 成是附接於熱質流控制器殼體且包含一附接於控制閥總成並 提供一通往周遭大氣的低熱阻抗路徑以發散該控制閥總成内 15因閥運作產生之熱的散熱器。 圖1剖面圖繪出一依據本發明原則之熱質流控制器的主要 組件。熱質流控制器1〇〇包含一熱質流感測器總成102和一控 制閥總成104。控制閥總成104連接於熱質流控制器殼體108 以回應由一大體上就圖2說明時說明之熱質流感測器電路產生 2〇的控制信號控制氣體流率。熱質流控制器100包含一用來接收 一道欲受計量氣體流的入口 106。工作氣體經由入口 106進入 熱質流控制器且通過閥開口 110行進至一旁通管道112。閥114 在熱質流感測器及相關電路的控制下運作以准許經精確測量 的工作氣體量為一處理用途（例如可為用於積體電路製程）進 7 1261666 入入口埠l〇6、通過控制器、且從出口埠116離開。旁通管道 112連接於入口璋106以接收並載送氣體流。 一層流元件118架在管道112内且提供一跨熱質流感測器 102之壓力降並驅使一部分氣體通過熱質流感測器102的感測 5器管120。熱質流感測器包含感測通過控制器100之氣體流率 並控制控制閥總成114作業的電路。熱質流感測器總成102附 接於熱質流控制器構成旁通管道112—邊界之一壁122。壁122 内的輸入孔124和輸出孔126提供讓一行經熱質流控制器1〇〇 之氣體到熱質流感測器總成102的出入口。在此範例實施例 ίο中，熱質流感測器總成102包含一用來附接於壁122之底板 128。底板128舉例來說可為利用螺紋孔和匹配螺栓的組合附 接於該壁且附接於熱質流感測器總成的其他部分。感測器管 120之輸入段130和輸出段132延伸穿過相應的底板128輸入 孔134和輸出孔136且穿過熱質流控制器壁122的孔124和 15 126 〇 該熱質流感測器總成包含頂部138和底部140，此二部分 在接合時形成一將感測器官工作區（亦即由與感測器管熱接觸 之電阻元件之終端定義的區域）之兩端保持在大致相同溫度的 熱夾141。此熱夾亦形成一包圍感測器管12〇工作區的隔室 2〇 142。也就是說’熱質流感測器管在隔室142内的區段有兩個 或更多電阻元件144J46與其熱連通，每—電阻元件可當作一 加熱器、:摘測^或二者兼具。該等元件其中一或多個經電 流供能以對流過管120的流體供熱。 通常是由-相較於感測器管之熱傳導率有高熱傳導率之 I26l666 材料製成的熱夾141與感測器管正好處於電阻元件Μ*下游之 部分且與感測器管正好處於電阻元件146上游之部分達成良好 的熱傳導接觸。該熱夾因而圍住並保護電阻元件144和146及 感剩器管120。此外，熱夾141將與其接觸之感測器管部分、、熱 5錯定（thermally anchor) //於環境溫度或此溫度附近。為了消 拜因溫度差造成之極微小誤差，感測器管可在熱夾内移動以確 保兩個線圈之電阻的任何差值是因通過感測器管之流體流而 非因環境強加於線圈之溫度梯度所造成。 散熱器150以良好熱連通狀態附接於控制閥總成104之殼 10體152。在閥114運作中由一螺線管消耗的功率可產生大量的 熱’此熱能可能通過熱質流控制器殼體108且將一外來熱梯度 燮加於熱質流感測器總成102上。此一疊加於熱質流感測器電 p且元件144和146上的外來熱梯度會對於通過感測器管之質流 判定造成錯誤。也就是說，由於熱質流感測器依靠流體流過感 15测器管120的傾向以建立一熱梯度測量通過管120之流體質 量，一外加熱梯度會造成一錯誤讀數。在本範例實施例中’散 熱器150大致圍住控制閥總成體部152且將熱帶離體部152。 在散熱器150是對大氣開放的一實施例中，可對該散熱器 添加例如鰭片（圖中未示）的部件以增加從控制閥總成體部152 20和熱質流感測器總成102帶走的熱運輸量。也就是說，可將鰭 片添加於散熱器150非面向熱質流感測器總成1〇2的〆或多側 以增加從熱質流感測器總成102和控制閥總成1 帶走的熱對 流和熱輻射運輸量。在一就圖3和5說明之範例實施例中，散 熱器150延伸至與一圍住熱質流感測器總成1〇2和控制閥總成 9 1261666 104之控制器殼體達成熱傳導接觸。在此一實施例中，一平滑 表面散熱器150對控制器殼體提供較大的表面接觸且因而提供 一明顯較大的熱傳導路徑讓熱從控制閥總成1〇4發散。一如圖 3範例貫施例所示之依據本發明原則熱質流控制器運用一散熱 5器150和熱接地148二者以大致消弭原本可能損及熱質流感測 為102運作的熱梯度。 圖2更詳細繪出一依據本發明原則之熱質流感測器的實施 例。旁通管112、層流元件118、上游電阻元件146和下游電 阻元件144如先前所述。在此圖中更詳細地繪出熱夾141 (包 含頂部138和底部140)之排列及其與感測器管12〇的熱傳導 連通。感測器管120的斷線表示該管大致受包圍且在其^業區 段之每一端以其整個外周與齡141傳導性熱接觸。為做範二 ，明管之作魏段定義為配置在熱夾之上游段154 15 /、下％段156之間的熱質流感測器管區段。 -端旁定1管：;：::=:埠， 向從輪入痒流到輸出棒。層流元件二==下游方 通過該管的賴流量。感_、管之_ =:通官内以限制 入埠與層流元件之間。感測器管之—下游=馬f於旁通管的輸 流元件與輸出埠之間，從輸人埠流到輸出旁通管的層 -固定比例流過感測器管。該感測器 體之總質量有 一相較於流體之熱傳導率有一較$ 二毛、、、田官級尺寸且由 製成。 * 傳料的材料（例如鋼） 每一 電阻元件144和146包含— 纏繞於感測器管 120 一 相 20 1261666 應部分之熱敏電阻導體，該等導體之相繼的每一圈都靠近於前 一圈。每一電阻元件沿著一由感測器管12〇作業區段定義之軸 線AX1在感測器管120相應部分延伸。下游電阻元件丨44配 置於電阻元件146的下游。該等元件相互貼鄰或是相隔一小段 間隙以便製造’且在管子中央電連接。每一電阻元件提供一依 其溫度而變化的電阻。每一電阻元件的溫度依流過其電阻導體 之電流和感測器管内之質流率而變化。依此方式，每一電阻元 件同時當作一加熱器和一感測器。也就是說，此元件當作一加 10 15 熱器，可產生依通過該元件之電流而變化的熱，且其同時當作 一感測器，能測得依電阻而變化之元件溫度。熱質流感測器1〇2 可運用多種電子電路中之任一者〔通常採取一惠司登 (Wheatstone)電橋排列〕對電阻元件146和144施加能量、 測量元件内之溫度相關電阻變化且從而測量通過管12〇之流體 的質流率。為此目的使用之電路舉例來說揭示於授證給Hinkie 等人之美國專利第5,461，9丨3號及授證給Suzuki之美國專利第 5,410,912號，该等專利皆就其完整内容納入做為表考。 在運作時，流體從輸入埠119流往輸出埠12/且一部分流 體流過限流層流元件118。剩下的流體流過感测哭1⑽。由 電路（圖中未示）使-電流通過電阻科⑷/⑷致使電阻 兀件144和146發熱並對感測器管12〇加熱，從 器管的流體加熱。由於上游電阻元 游電阻it件144圍住之感測器管⑽制違甶下 流體從上游電阻元件146帶走的埶比從"流體轉移熱’ 的熱多。從此二電阻元件傳; 定乙热里的差值與感測器管内 20 1261666 的流體質流率成正比，延伸來說即是與從輸入埠到輸出埠通過 質流率控制器之總質流率成正比。該電路藉由感測相應電阻的 方式測量此差值且產生一代表通過感測為管之質流率的輸出 信號。 5 底板122可為整合於熱質流感測器總成，或其可為透過多 樣附接方式中之任一者（舉例來説例如有螺紋穿透孔和螺栓） 附接於該總成。底板122設計為在熱質流感測器總成1〇2與熱 質流控制器100其他部分之間提供一熱路徑並藉以將熱質流感 測器總成102和熱質流控制器其他部分的平均溫度維持在大致 1〇 相同的平均溫度。 圖3透視圖提供如前所述之熱質流感測器總成和控制閥總 成之一外部透視圖。該控制閥總成包含一形成為在控制閥總成 152、散熱器150及一在就圖丨說明時提到的外罩之間提供一 實質熱路徑的散熱器150。入口埠106和出口埠116如前文所 I5述。熱質流感測器總成102包含經由底板128附接於控制器總 成壁之頂部138和底部14〇熱夾組件。底板128由螺栓160固 持在定位。熱質流控制器電子系統（圖中未示）用一金屬凸緣 162附接於該控制器。散熱器ι5〇之外表面與一控制器圍蔽件 之内表面達成傳導性接觸。在本範例實施例中，散熱器之至少 2〇三個外表面與熱傳導圍蔽件達成熱傳導接觸；檢視圖4即會知 道是散熱器的哪三個外表面。 圖4透視圖繪出一依據本發明原則之熱質流控制器總成， 其中一熱傳導圍蔽件164圍住控制閥總成和熱質流感測器總 成’如前所述。一與控制閥總成傳導性熱接觸之散熱器亦可與 12 1261666 圍蔽件164達成接觸。該圍蔽件亦可納入其他部件（例如鰭片） 以加速該圍蔽件之内外部之間的熱交換。 儘管在此已用圖式和文字說明本發明之特定實施例，應了 解到熟習此技藝者會想出眾多變化和修改。因此，預期中所附 5申請專利範圍涵蓋所有落入本發明真實精神和範圍内之變化 和修改。 圖式簡单說明 圖1為一依據本發明原則之熱質流控制器的剖面圖，其利 ίο用在熱質流控制器控制閥總成與一熱傳導熱質流控制器圍蔽 件之間提供一熱傳導路徑的散熱器； 圖2為一局部為概念性方塊圖且局部為剖面圖之依據本發 明原則熱質流感測器總成； 圖3為一依據本發明原則之質流率控制器的外部透視圖； 15 且 圖4為一依據本發明原則之熱質流控制器的外部透視圖， 其包含一熱傳導圍蔽件。 13 1261666 圖式之元件代號說明： 代表符號 名稱 100 102 104 106 108 110 114 116 118 119 120 121 122 128 130 132 134 136 138 140 141 142 144 146 148 150 152 154 156 160 162 164 熱質流控制器 熱質流感測器總成 控制閥總成 入口璋 熱質流控制器殼體 閥開口 閥 出口璋 層流元件 旁通管輸入埠 感測器管 旁通管輸出埠 熱質流控制器壁 底板 輸入段 輸出段 輸入孔 輸出孔 頂部 底部 熱夾 隔室 電阻元件 電阻元件 熱接地 散熱器 控制閥總成體部 上游段 下游段 螺栓 金屬凸緣 熱傳導圍蔽件 14

Claims (1)

1261666 和第二區之間的溫度差而變化之通過該導管的流體流 率，且用來產生依該流體流率而變化之控制信號，該 熱質流感測器總成與該熱質流控制器殼體係熱傳b導連 通；及 η c) 一熱傳導元件，其與該第二隔室之至少一部分傳導性 熱接觸且形成為將來自於該第二隔室内部的熱能帶離 該第一隔室。 7. 如申請專利範圍第6項之熱質流控制器’其中該熱傳導元 件大致圍繞該第 二隔室。 8. =請專利範圍第7項之熱質流控制器，其中該熱傳導元 帽一隔室之一或多個外表面及大致背 —α至之或多個外表面，且該大致背離第一隔室 9 或多個表面包含加速熱能流離該第—隔室的結構。 15 20 •=請專利範圍第6項之熱質流控制器，其更包括：一圍 住該第一和第二隔室，該熱傳導元件設計 马共该圍敝件達成傳導性熱接觸。 10·專利範圍第7項之熱質流控制器，其中該熱傳導元 牛由一南熱傳導率材料構成。 U.二申圍第9項之熱質流控制器，其中該第二隔室 形，mm?熱傳導元件之内部大致成圓柱 12傳導軸t備促進纽整個外表面與㈣面之間的 12.請專利範圍第6項之熱質流控 件整合於該第二隔室之外部。 〃中》亥熱傳導π 16