TWI664399B - Mass flow sensor, mass flow meter including the mass flow sensor, and mass flow controller including the mass flow sensor - Google Patents

Mass flow sensor, mass flow meter including the mass flow sensor, and mass flow controller including the mass flow sensor Download PDF

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Abstract

為了提供一種減少零點之變動的質量流量感測器、包括此質量流量感測器的質量流量計以及包括此質量流量感測器的質量流量控制器，本發明之質量流量感測器20包括：U字形的流路管23，係流體從端部(第1端部21)流至另一端部(第2端部22)，並具有底部及從底部連接至端部(第1端部21、第2端部22)的2支直線狀部(直線狀部22B、直線狀部22A)；第1感熱電阻體24，係被捲繞於任一個直線狀部(直線狀部22B或直線狀部22A)；第2感熱電阻體25，係被設置成與第1感熱電阻體24分開並靠近端部(第2端部22或第1端部21)，被捲繞於第1感熱電阻體24所捲繞之直線狀部(直線狀部22B或直線狀部22A)；以及散熱部26，係被設置成和隔著第1感熱電阻體24與第2感熱電阻體25成為相反側之側的流路管23上接觸。

Description

質量流量感測器、包括此質量流量感測器的質量流量計以及包括此質量流量感測器的質量流量控制器
本發明係有關於一種質量流量感測器、包括此質量流量感測器的質量流量計以及包括此質量流量感測器的質量流量控制器。
使流體在水平方向流動之質量流量計或質量流量控制器係將U字形之感測器管設置成將U字形的底部配置成朝上，並將一對感測器元件設置成在水平方向排列於U字形的底部。 另一方面，將這種質量流量計或質量流量控制器配置成使流體在垂直方向流動時，如在專利文獻1參照第7圖之說明所示，具有零點因熱虹吸現象而變動的課題。 熱虹吸現象係在將質量流量計或質量流量控制器配置成使流體在垂直方向流動，即將一對感測器元件設置成在垂直方向排列之狀態，在一次側之流體壓力高的情況，在用於分子量大之氣體時所產生的現象，被感測器元件所加熱之流體在感測器管上升，在主流路(所謂的旁通部)匯流後，在主流路被冷卻的流體下降，再流入感測器管的現象。 在發生熱虹吸現象的情況，即使在質量流量計或質量流量控制器流體是未流動(流量零)，亦因為感測器管內的流體係流動，所以感測器元件係感測流量，而發生零點的變動。
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平11-64060號公報
藉由進行專利文獻1之對策，即使將質量流量計或質量流量控制器配置成使流體在垂直方向流動，亦可防止熱虹吸現象。
可是，近年來尤其在半導體領域，搭載質量流量計或質量流量控制器的系統進行密集化，在質量流量計或質量流量控制器被要求小型化的狀況，感測器管之管長的增加或加熱器的追加係困難。
因此，為了使流體在垂直方向流動之質量流量計或質量流量控制器，將U字形的開口部配置成朝向水平方向，且在U字形之一對側部將感測器元件(感熱電阻體)配置成在水平方向排列，藉此，可抑制虹吸現象所造成之零點的變動，但是在被要求更高之精度的狀況，在流量為零時，由於連接感測器管之端部的本體塊之散熱的影響，由一對感測器元件失去熱平衡所產生之零點的變動成為問題。
此外，零點係在質量流量計或質量流量控制器流體未流動的情況，意指2個感測器元件所感測之溫度相同之狀態。
在零點之感測器管的温度分布係2個感測器元件之中間部的溫度最高，並隨著遠離中間部而溫度係下降，顯示線對稱的山狀。
本發明係鑑於上述之情況所開發者，其目的在於提供一種減少零點之變動的質量流量感測器、包括此質量流量感測器的質量流量計以及包括此質量流量感測器的質量流量控制器。
本發明係為了達成該目的，藉以下的構成所掌握。 (1)本發明之質量流量感測器包括：U字形之流路管，係流體從端部流至另一端，並具有底部及從該底部連接至端部的2支直線狀部：第1感熱電阻體，係被捲繞於該任一個直線狀部；第2感熱電阻體，係被設置成與該第1感熱電阻體分開並靠近端部，被捲繞於該第1感熱電阻體所捲繞之該直線狀部；以及散熱部，係被設置成和隔著該第1感熱電阻體與該第2感熱電阻體成為相反側之側的該流路管上接觸。
(2)在該(1)項的構成，該質量流量感測器係包括具有連接該第1感熱電阻體及該第2感熱電阻體之端部的端子之熔接基座；該散熱部係該熔接基座的一部分。
(3)在該(2)項的構成，該散熱部被固定於該流路管，該流路管被固持於該熔接基座。
(4)在該(1)至(3)項中任一項的構成，該散熱部係係以在0度之導熱率為100W/m˙K以上的材料所形成。
(5)在該(1)至(4)項中任一項的構成，該流路管被配置成使U字形之開口側朝向水平方向。
(6)本發明之質量流量計係包括：流體所流動的主流路；具有如該(1)至(5)項中任一項之構成的質量流量感測器；以及輸出部，係向外部輸出關於藉該質量流量感測器所檢測出之該流體之流量的信號；該質量流量感測器之該流路管的各個該端部與該主流路連接。
(7)本發明之質量流量控制器係包括：流體所流動的主流路；具有如該(1)至(5)項中任一項之構成的質量流量感測器；以及流量調整閥，係被設置於該主流路的出口側，並根據藉該質量流量感測器所檢測出之該流體的流量，將在該主流路內流動之流體的流量調整成所設定之流量；該質量流量感測器之該流路管的各個該端部與該主流路連接。
若依據本發明，可提供一種減少零點之變動的質量流量感測器、包括此質量流量感測器的質量流量計以及包括此質量流量感測器的質量流量控制器。
以下，根據附加圖面，詳細地說明用以實施本發明之形態(以下稱為「實施形態」)。 此外，在實施形態之說明的整體，對相同之元件附加相同之編號。 (第1實施形態)
第1圖係包括本發明之第1實施形態的質量流量感測器20之質量流量控制器1的剖面圖，第2圖係表示本發明之第1實施形態的質量流量感測器20之主要部的剖面圖。 此外，在第1圖及第2圖所所記載之上及下係表示在平常之使用時的上側及下側。
在以下，一面說明質量流量控制器1，一面亦說明本實施形態之質量流量感測器20。 如第1圖所示，質量流量控制器1包括本體塊10與被安裝於本體塊10之框體19。
本體塊10包括主流路，該主流路係具有從成為流體之入口的第1開口部10a所延伸的第1主流路11、從第1主流路11所延伸的第2主流路12以及從成為流體之出口的第2開口部10b所延伸的第3主流路13。 此外，在第1開口部10a及第2開口部10b，被安裝用以與流體所流動的配管連接之未圖示的連接接頭。
第1主流路11成為從第1開口部10a延伸至第2開口部10b之具有內徑D1之直線狀的流路。
又，第2主流路12係成為大致L字形的流路，第2主流路12包括：第1流路12a，係從第1主流路11之與第1開口部10a相反側的端部11a成直線狀地延伸至第2開口部10b側，並具有比內徑D1小的內徑D2；及第2流路12b，係從第1流路12a之第2開口部10b的端部延伸至框體19側，並與本體塊10的外部連通。
進而，第3主流路13係成為大致L字形的流路，第3主流路13包括：第3流路13a，係從第2開口部10b成直線狀地延伸至第1開口部10a側，且第2開口部10b側之內徑D3大，第1開口部10a的內徑D4小；及第4流路13b，係從第3流路13a之第1開口部10a側的端部延伸至框體19側，並與本體塊10的外部連通。
此外，第1主流路11的內徑D1與第3主流路13之第3流路13a之第2開口部10b側的內徑D3係成為與因應於用以與配管連接之未圖示的連接接頭之大致相同的內徑。 又，第2主流路12之第1流路12a的內徑D2與第3主流路13之第3流路13a之第1開口部10a側的內徑D4係成為大致相同的內徑。
而且，質量流量控制器1係被收容於框體19內，並被設置流量控制閥14，該流量控制閥14係在主流路的出口(第2開口部10b)側被設置成覆蓋從第1開口部10a側往第2開口部10b側並列地配置之開口部12ba與開口部13ba，該開口部12ba係與第2流路12b的外部連通，該開口部13ba係與第4流路13b的外部連通。
例如，在流量控制閥14，使用以螺線管驅動之電磁閥或壓電致動器驅動之壓電閥等，並作用為流量調整閥，該流量調整閥係根據藉後述之質量流量感測器20所檢測出之流體的流量，將在主流路內流動之流體的流量調整成所設定之流量。
另一方面，本體塊10包括：內徑小之直線狀的第1分支流路11b，係從第1主流路11的中間部延伸至框體19側，並與本體塊10的外部連通；及內徑小之直線狀的第2分支流路11c，係從比第1主流路11之第1分支流路11b更靠近端部11a側的位置延伸至框體19側，並與本體塊10的外部連通；在從第1主流路11內的第1分支流路11b至第2分支流路11c之間，被設置具有定流量特性的旁通元件15。
而且，經由第1分支流路11b將在主流路(第1主流路11內)流動之流體的一部分供給至後述的質量流量感測器20，在質量流量感測器20內通過的流體經由第2分支流路11c在主流路(第1主流路11)內再匯流。
又，質量流量控制器1包括框體19內所收容之控制部16。 控制部16係包括求得後述之質量流量感測器20的第1感熱電阻體24及第2感熱電阻體25之電阻值的橋接電路，並作用為進行從該電阻值的變化求得在主流路內流動之流體的流量之計算之質量流量感測器20的計算部。
又，控制部16係包括：放大電路；及比較控制電路等，係比較設定流量與在主流路內流動之流量並控制流量控制閥14；並具有進行作為質量流量控制器1之整體之控制的功能。
進而，質量流量控制器1係包括被設置於框體19的外周，並與控制部16以電性連接的輸出入部17(例如，輸出入連接器)，可接收(輸入)從外部機器所輸入之關於設定流量的信號及向外部機器傳送(輸出)關於主流路內之流體之流量的信號。
其次，一面參照第2圖，一面詳細地說明質量流量感測器20。 如第2圖所示，質量流量感測器20包括流體從端部(亦稱為第1端部21)流至另一端部(亦稱為第2端部22)，並朝向水平方向配置U字形的開口側之U字形的流路管23，該流路管23具有底部23B及從底部23B連接至端部(第1端部21及第2端部22)的2支直線狀部(直線狀部22B及直線狀部22A)。 此外，在本發明之U字形係不僅在底部具有曲率的形狀，亦包含底部是直線狀的形狀(所謂的コ字形)。
又，質量流量感測器20包括：第1感熱電阻體24，係被捲繞於流路管23之第2端部22側的直線狀部22A；及第2感熱電阻體25，係被設置成與第1感熱電阻體24分開並靠近第2端部22側，被捲繞於第1感熱電阻體24所捲繞之直線狀部22A。
此外，從第1圖所示之本體塊10的第1分支流路11b所流出的流體被供給至流路管23的第1端部21，從流路管23之第2端部22所流出的流體係被供給至第1圖所示之本體塊10的第2分支流路11c。
進而，質量流量感測器20包括具有一對端子27a及一對端子27b之熔接基座27，該一對端子27a係連接從在直線狀部22A所捲繞之線圈狀的第1感熱電阻體24出來的拉出線部24a，該一對端子27b係連接從在直線狀部22A所捲繞之線圈狀的第2感熱電阻體25出來的拉出線部25a。 此外，藉由調整拉出線部24a及拉出線部25a的長度，調整第1感熱電阻體24及第2感熱電阻體25的電阻值。
而，熔接基座27之一對端子27a及一對端子27b係與控制部16以電性連接，根據流體在流路管23流動時的溫度變化所伴隨之第1感熱電阻體24及第2感熱電阻體25之電阻值的變化，求得在本體塊10的主流路流動之流體的流量。
此熔接基座27係具有以黏著劑固定於U字形之流路管23的複數個臂部26A~26E。
而，藉由以熔接基座27固持是細徑管的流路管23，因為流路管23的形狀穩定性變高，所以可避免流路管23因振動等而損壞。
具體而言，熔接基座27包括：臂部26A，係延伸至流路管23之第1端部21側的直線狀部22B之靠近第1端部21的位置並以黏著劑固定於流路管23；及一對臂部26B與臂部26C，係分別延伸至U字形之底部的直線狀部22C之兩端的位置，並以黏著劑固定於流路管23。
又，熔接基座27係包括延伸至第2端部22之第2端部22側的直線狀部22A之靠近第2端部22的位置並以黏著劑固定於流路管23的臂部26E，且包括被設置成和隔著第1感熱電阻體24與第2感熱電阻體25成為相反側之側之接近第1感熱電阻體24的流路管23上接觸並以黏著劑所固定，是熔接基座27之部分的臂部26D作用為散熱部26。
因此，作用為散熱部26之臂部26D係以散熱性高的材料所形成較佳。
例如，作用為散熱部26之臂部26D係以在0度之導熱率為100W/m．K以上的材料所形成較佳。
此外，熔接基座27係只要成為一對端子27a及一對端子27b等之電流所流動的部分被絕緣即可。
因此，在熔接基座27之成為基座的構件使用散熱性高之金屬等的材料，並作成成為其基座的構件、一對端子27a以及一對端子27b等之電流所流動的部分被絕緣，可更提高經由散熱部26之散熱性。
接著，在以下，說明藉由設置這種散熱部26，可抑制質量流量感測器20之零點(0輸出)的變動。
如第1圖所示，質量流量感測器20係因為流路管23(參照第2圖)的第1端部21及第2端部22成為本體塊10側，所以第1端部21側及第2端部22側係變成易散熱至本體塊10而在本體塊10側所配置之第2感熱電阻體25係易被散熱。 另一方面，位於遠離本體塊10之位置的第1感熱電阻體24係因為不會向本體塊10側散熱，所以不太散熱。
因此，在未設置散熱部26的情況，流體從第1端部21流至第2端部22側，藉流體的流動而第1感熱電阻體24之區域的溫度降低，被第1感熱電阻體24所加熱之流體通過第2感熱電阻體25之區域，藉此，在第2感熱電阻體25之區域的溫度上升時，消除第1感熱電阻體24及第2感熱電阻體25之區域的溫差。
可是，第1感熱電阻體24及第2感熱電阻體25之區域無溫差的狀態(第1感熱電阻體24及第2感熱電阻體25之電阻值相同之狀態)係一般意指流體未流動之狀態。 即，在流體流動至消除第1感熱電阻體24及第2感熱電阻體25之區域的溫差之程度時，成為0輸出(即，流體未流動之時的輸出)，而0輸出變動。
另一方面，將散熱部26設置成和隔著第1感熱電阻體24與第2感熱電阻體25成為相反側之側的流路管23上接觸時，因為第1感熱電阻體24側係被散熱至散熱部26側，所以可實現與第2感熱電阻體25側向本體塊10被散熱者相同之狀態。 即，散熱部26發揮取得第1感熱電阻體24與第2感熱電阻體25之熱平衡的功用。
因此，即使流體不流動，亦成為已消除第1感熱電阻體24及第2感熱電阻體25之區域的溫差之狀態，在流體未流動時，正確地輸出0輸出。 反之，根據流體流動，因為在第1感熱電阻體24及第2感熱電阻體25的區域之間產生溫差，所以輸出因應於流體之流動的輸出。
此外，在本實施形態，說明將熔接基座27之一部分作為散熱部26的情況，但是不必散熱部26是熔接基座27的一部分，亦可將散熱性高的構件單獨地設置於與臂部26D相同的位置。
又，在本實施形態，說明以黏著劑將散熱部26固定於流路管23的情況，但是散熱部26係不必以黏著劑固定，只要至少與流路管23接觸即可。
進而，在本實施形態，表示第1感熱電阻體24及第2感熱電阻體25係被捲繞於流路管23之第2端部22側的直線狀部22A，散熱部26被設置成和隔著第1感熱電阻體24與第2感熱電阻體25成為相反側之側的流路管23上接觸的情況，但是亦可將該構成設置於第1端部21側的直線狀部22B，
即，亦可質量流量感測器20係包括：第1感熱電阻體24，係被捲繞於流路管23之第1端部21側的直線狀部22B；第2感熱電阻體25，係被設置成與第1感熱電阻體24分開並靠近第1端部21側，被捲繞於第1感熱電阻體24所捲繞之直線狀部22B；以及散熱部26，係被設置成和隔著第1感熱電阻體24與第2感熱電阻體25成為相反側之側之接近第1感熱電阻體24的流路管23上接觸。
依此方式，亦散熱部26將與本體塊10分開之第1感熱電阻體24散熱，因為使第1感熱電阻體24側之溫度狀態變成與向本體塊10側被散熱之第2感熱電阻體25側之溫度狀態相同的狀態，所以發揮與上述相同之效果。 (第2實施形態)
在第1實施形態，說明了質量流量控制器1的情況，但是在第1實施形態所說明質量流量感測器20係不是被限定為用於質量流量控制器1，亦可用於質量流量計2。 因此，作為第2實施形態，說明包括第1實施形態之質量流量感測器20之質量流量計2。
第3圖係包括本發明之第1實施形態的質量流量感測器20之質量流量計2的剖面圖。 此外，在第3圖所記載之上及下係表示在平常之使用時的上側及下側。 在第2實施形態，亦因為基本構成的大部分係與與第1實施形態一樣，所以在以下，主要說明相異的點，關於係與第1實施形態一樣的點，有省略說明的情況。
在質量流量計2，因為流量控制係不需要，所以如第3圖所示，省略在質量流量控制器1所設置之流量控制閥14。 又，伴隨流量控制閥14的省略，用以將流體供給至在第1圖所記載之流量控制閥14的第2流路12b及將流體從流量控制閥14供至第3流路13a的第4流路13b亦不需要。
因此，將在第1實施形態在本體塊10所設置之第2主流路12及第3主流路13的部分變更成直接連接在第1圖所記載之第2主流路12的第1流路12a與第3主流路13的第3流路13a之出口側流路18。
進而，在第1實施形態，控制部16包括比較設定流量與在主流路內流動之流量並控制流量控制閥14的比較控制電路，但是因為此比較控制電路亦不需要，所以省略。
而且，在第1實施形態，包括與控制部16以電性連接的輸出入部17(例如，輸出入連接器)，可接收(輸入)從外部機器所輸入之關於設定流量的信號及向外部機器傳送(輸出)關於主流路內之流體之流量的信號，但是在質量流量計2，只要可向外部機器傳送(輸出)至少關於主流路內之流體之流量的信號即可。
因此，在第2實施形態，替代第1實施形態的輸出入部17，作為與控制部16以電性連接的輸出部17A，作成可向外部機器傳送(輸出)至少關於主流路內之流體之流量的信號。
但，輸出部17A係因為只要可發揮可向外部機器傳送(輸出)至少關於主流路內之流體之流量的信號的功能即可，所以不必作成只具有可向外部機器傳送(輸出)至少關於主流路內之流體之流量的信號，亦可包括可接收(輸入)來自外部機器之某種信號的功能。
而，關於質量流量感測器20係與第1實施形態一樣，自此，在使流體在鉛垂方向流動的質量流量計2，與在第1實施形態所說明者一樣，可實現抑制0輸出之變動的質量流量計2。
以上，根據實施形態，說明了本發明，當然可在不超出本發明之主旨的範圍，進行各種的變更。 因此，在不超出本發明之主旨的範圍，進行各種的變更者亦被包含於本發明之技術性範圍，對本專業者從申請專利範圍的記載，這係顯然。
1‧‧‧質量流量控制器
2‧‧‧質量流量計
10‧‧‧本體塊
10a‧‧‧第1開口部
10b‧‧‧第2開口部
11‧‧‧第1主流路
11a‧‧‧端部
11b‧‧‧第1分支流路
11c‧‧‧第2分支流路
12‧‧‧第2主流路
12a‧‧‧第1流路
12b‧‧‧第2流路
12ba‧‧‧開口部
13‧‧‧第3主流路
13a‧‧‧第3流路
13b‧‧‧第4流路
13ba‧‧‧開口部
14‧‧‧流量控制閥
15‧‧‧旁通元件
16‧‧‧控制部
17‧‧‧輸出入部
17A‧‧‧輸出部
18‧‧‧出口側流路
19‧‧‧框體
20‧‧‧質量流量感測器
21‧‧‧第1端部
22‧‧‧第2端部
22A、22B、22C‧‧‧直線狀部
23‧‧‧流路管
23B‧‧‧底部
24‧‧‧第1感熱電阻體
24a‧‧‧拉出線部
25‧‧‧第2感熱電阻體
25a‧‧‧拉出線部
26‧‧‧散熱部
26A、26B、26C、26D、26E‧‧‧臂部
27‧‧‧熔接基座
27a、27b‧‧‧一對端子
第1圖係包括本發明之第1實施形態的質量流量感測器的質量流量控制器的剖面圖。 第2圖係表示本發明之第1實施形態的質量流量感測器之主要部的剖面圖。 第3圖係包括本發明之第1實施形態的質量流量感測器的質量流量計的剖面圖。

Claims (6)

  1. 一種質量流量感測器，其特徵為包括：U字形之流路管，係流體從端部流至另一端，並具有底部及從該底部連接至端部的2支直線狀部：第1感熱電阻體，係被捲繞於該任一個直線狀部；第2感熱電阻體，係被捲繞於該第1感熱電阻體所捲繞之該直線狀部；以及散熱部，係被設置成接觸該流路管；該流路管被配置成使U字形之開口側朝向水平方向；該第2感熱電阻體被設置成相較於該第1感熱電阻體，更靠近連接著該第1感熱電阻體所捲繞之該直線狀部的該端部，且與該第1感熱電阻體分開；該散熱部被設置成沿著該流路管、相較於該第1感熱電阻體以及該第2感熱電阻體，更遠離連接著該第1感熱電阻體所捲繞之該直線狀部的該端部；其中，根據該流體在該流路管流動時的溫度變化所伴隨之該第1感熱電阻體及該第2感熱電阻體之電阻值的變化，求得液體的流量。
  2. 如申請專利範圍第1項之質量流量感測器，其中該質量流量感測器係包括具有連接該第1感熱電阻體及該第2感熱電阻體之端部的端子之熔接基座；該散熱部係該熔接基座的一部分。
  3. 如申請專利範圍第2項之質量流量感測器，其中該散熱部被固定於該流路管，該流路管被固持於該熔接基座。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之質量流量感測器，其中該散熱部係係以在0度之導熱率為100W/m．K以上的材料所形成。
  5. 一種質量流量計，其特徵為包括：流體所流動的主流路；如申請專利範圍第1~4項中任一項之質量流量感測器；以及輸出部，係向外部輸出關於藉該質量流量感測器所檢測出之該流體之流量的信號；該質量流量感測器之該流路管的各個該端部與該主流路連接。
  6. 一種質量流量控制器，其特徵為包括：流體所流動的主流路；如申請專利範圍第1~4項中任一項之質量流量感測器；以及流量調整閥，係被設置於該主流路的出口側，並根據藉該質量流量感測器所檢測出之該流體的流量，將在該主流路內流動之流體的流量調整成所設定之流量；該質量流量感測器之該流路管的各個該端部與該主流路連接。
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