JP2013253828A

JP2013253828A - 流量計

Info

Publication number: JP2013253828A
Application number: JP2012128800A
Authority: JP
Inventors: Hisao Kiyota; 久夫清田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: JP6017844B2

Abstract

【課題】個体差の少ない流量計を提供する。
【解決手段】流体が流れるキャピラリ５と、キャピラリ５の表面に配置された第１の熱伝導膜１１と、第１の熱伝導膜１１上に配置された第１の感熱抵抗素子１２と、キャピラリ５の表面に、第１の熱伝導膜１１と間隔をおいて配置された第２の熱伝導膜２１と、第２の熱伝導膜２１上に配置された第２の感熱抵抗素子２２と、を備え、第１の感熱抵抗素子１２が、電気絶縁体からなる第１の固定部材と、第１の固定部材の内部に挿入された第１の白金抵抗体と、を備え、第２の感熱抵抗素子が、電気絶縁体からなる第２の固定部材と、第２の固定部材の内部に挿入された第２の白金抵抗体と、を備える、流量計。
【選択図】図３

Description

本発明は計測技術に関し、特に流量計に関する。

半導体装置の製造工程、工業炉、ボイラ、及び空調熱源機器等においては、適切な流量の流体が供給されることが求められている。そのため、流量を正確に計測するための流量計が種々開発されている。特に半導体装置の製造工程においては、熱式質量流量キャピラリセンサが多く用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

熱式質量流量キャピラリセンサにおいては、流体が流れる管にバイパス管路としてキャピラリが設けられ、キャピラリの少なくとも２カ所において、絶縁被膜された感熱抵抗体の細線が巻き付けられる。キャピラリ内部に流体が流れていない場合は、２カ所における感熱抵抗体の抵抗値は同じである。しかし、キャピラリに流体が流れると、キャピラリの上流側に巻き付けられた感熱抵抗体から下流側に巻き付けられた感熱抵抗体に、流体が熱を運搬する。そのため、キャピラリの下流側に巻き付けられた感熱抵抗体のほうが、上流側に巻き付けられた感熱抵抗体よりも抵抗値が高くなる。二つの感熱抵抗体の間に生じた抵抗値の差は、キャピラリ内部を流れる流体の流量に依存するため、二つの感熱抵抗体の間に生じた抵抗値の差から、キャピラリ内部を流れる流体の流量を求めることが可能である。

特公平６−６３８０５号公報

しかし、従来の熱式質量流量キャピラリセンサにおいては、感熱抵抗体及び絶縁被膜の均一性に個体差があり、キャピラリに流体が流れていない場合における、上流側に巻き付けられた感熱抵抗体の抵抗値と、下流側に巻き付けられた感熱抵抗体の抵抗値と、の差が、流量計の個体毎に異なる場合があった。そこで、本発明は、個体差の少ない流量計を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様によれば、（ａ）流体が流れるキャピラリと、（ｂ）キャピラリの表面に配置された第１の熱伝導膜と、（ｃ）第１の熱伝導膜上に配置された第１の感熱抵抗素子と、（ｄ）キャピラリの表面に、第１の熱伝導膜と間隔をおいて配置された第２の熱伝導膜と、（ｅ）第２の熱伝導膜上に配置された第２の感熱抵抗素子と、を備え、（ｆ）第１の感熱抵抗素子が、電気絶縁体からなる第１の固定部材と、第１の固定部材の内部に挿入された第１の白金抵抗体と、を備え、（ｇ）第２の感熱抵抗素子が、電気絶縁体からなる第２の固定部材と、第２の固定部材の内部に挿入された第２の白金抵抗体と、を備える、流量計が提供される。

本発明によれば、個体差の少ない流量計を提供可能である。

本発明の実施の形態に係る流量計の上面図である。本発明の実施の形態に係る流量計の図１に示したＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。本発明の実施の形態に係る流量計の部分拡大図である。本発明の実施の形態に係る流量計の基体の上面図である。本発明の実施の形態に係る流量計の基体の図４に示したＶ−Ｖ方向から見た断面図である。本発明の実施の形態に係る流量計の回路の模式図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

実施の形態に係る流量計は、上面図である図１及びＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である図２に示すように、流体が流れる流路３が設けられた基体１を備える。基体１には、流路３のバイパス流路であるキャピラリ５が挿入される。キャピラリ５の部分拡大図である図３に示すように、流量計は、キャピラリ５の表面に配置された第１の熱伝導膜１１と、第１の熱伝導膜１１上に配置された第１の感熱抵抗素子１２と、図３に示すキャピラリ５の表面に、第１の熱伝導膜１１と間隔をおいて配置された第２の熱伝導膜２１と、第２の熱伝導膜２１上に配置された第２の感熱抵抗素子２２と、をさらに備える。第１の感熱抵抗素子１２は、電気絶縁体からなる第１の固定部材と、第１の固定部材の内部に挿入された第１の白金抵抗体１３と、を備え、第２の感熱抵抗素子２２は、電気絶縁体からなる第２の固定部材と、第２の固定部材の内部に挿入された第２の白金抵抗体２３と、を備える。

基体１は例えば金属からなる。基体１は、例えば直方体である。流路３は、基体１の第１の側面から、第１の側面と対向する第２の側面に貫通する貫通孔である。流路３を流れる流体は、気体であっても、液体であってもよい。上面図である図４及びＶ−Ｖ方向から見た断面図である図５に示すように、基体１には、第１の側面及び第２の側面と隣り合い、第１の側面及び第２の側面と垂直な上面から、流路３に向かって二つの貫通孔３１、３２が設けられている。流路３の貫通孔３１、３２の間には、層流素子４０が配置されている。流路３の貫通孔３１、３２の間には、圧損素子が配置されていてもよい。図１及び図２に示したキャピラリ５の両端は、図４及び図５に示した貫通孔３１、３２に挿入されている。

図１乃至図３に示したキャピラリ５は、例えばＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス鋼等の金属からなり、熱伝導率は例えば１６Ｗ／ｍＫである。キャピラリ５の外径は例えば３５０乃至１０００μｍであり、肉厚が５０μｍである。ただし、キャピラリ５の材料、熱伝導率、及び形状は、これらに限定されない。

図３に示した第１の熱伝導膜１１及び第２の熱伝導膜２１のそれぞれは、キャピラリ５の表面の一部に固定されていてもよいし、キャピラリ５の表面を周回するように巻き付けられていてもよい。第１の熱伝導膜１１及び第２の熱伝導膜２１のそれぞれは、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属等の熱伝導性物質からなる。第１の熱伝導膜１１及び第２の熱伝導膜２１のそれぞれの熱伝導率は例えば４２０Ｗ／ｍＫであり、キャピラリ５の熱伝導率よりも高い。第１の熱伝導膜１１及び第２の熱伝導膜２１のそれぞれの膜厚は、例えば５μｍである。第１の熱伝導膜１１及び第２の熱伝導膜２１のそれぞれは、例えばスパッタリング法や、電気メッキ法により、キャピラリ５上に成膜される。ただし、第１の熱伝導膜１１及び第２の熱伝導膜２１のそれぞれの材料、熱伝導率、形状、及び形成方法は、これらに限定されない。

第１の感熱抵抗素子１２の第１の固定部材及び第２の感熱抵抗素子２２の第２の固定部材のそれぞれは、電気絶縁体からなる。第１の固定部材及び第２の固定部材の熱伝導率は高い方が好ましく、熱容量は小さい方が好ましい。電気絶縁体としては、例えばガラスやアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックスが挙げられる。セラミックスの純度が低いと、第１の固定部材及び第２の固定部材に挿入される第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３が不純物で汚染され、第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３の抵抗値のドリフトの原因となったり、切断の原因となったりする。そのため、第１の固定部材及び第２の固定部材のそれぞれの材料となるセラミックスは、高純度セラミックスが好ましい。第１の固定部材及び第２の固定部材のそれぞれは、例えば円柱状であり、第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３が挿入される一又は複数の穴が設けられている。第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３が挿入される穴の直径は、キャピラリ５の直径よりも小さい。ただし、第１の固定部材及び第２の固定部材のそれぞれの材料及び形状は、これらに限定されない。

例えば、第１の熱伝導膜１１と第１の感熱抵抗素子１２の第１の固定部材は、ろう付けにより接合されており、第２の熱伝導膜２１と第２感熱抵抗素子２２の第２の固定部材も、ろう付けにより接合されている。ろう材の材料としては、銀、リン銅等が使用可能であるが、これらに限定されない。また、第１の熱伝導膜１１と第１の感熱抵抗素子１２の第１の固定部材とを、半田により固定してもよい。第２の熱伝導膜２１及び第２感熱抵抗素子２２の第２の固定部材についても同様である。

図２に示した第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３のそれぞれは、抵抗値のドリフトを抑制する観点から、純白金（Ｐｔ１００）からなることが好ましい。第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３のそれぞれは、例えば直径が数μｍの細線からなる巻線であってもよい。ただし、第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３のそれぞれの材料及び形状は、これらに限定されない。

図６に示すように、第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３は、抵抗素子Ｒ₁、Ｒ₂と共に、ブリッジ回路を構成する。第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３と、抵抗素子Ｒ₁、Ｒ₂と、には、電圧Ｅが印可される。抵抗素子Ｒ₁、Ｒ₂の接続点ｘと、第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３の接続点ｙと、は、増幅器３０の入力端子に接続されている。増幅器３０は、接続点ｘ、ｙの電位差を取り出す。キャピラリ５に流体が流れると、上流側に配置された第１の熱伝導膜１１から、下流側に配置された第２の熱伝導膜２１に流体が熱を運搬する。そのため、第１の白金抵抗体１３の温度よりも第２の白金抵抗体２３の温度が高くなり、第１の白金抵抗体１３の抵抗値よりも第２の白金抵抗体２３の抵抗値が高くなる。これに伴い、接続点ｘ、ｙの電位差に変化が生じる。接続点ｘ、ｙの電位差の変化は、キャピラリ５を流れる流体の流量に依存する。したがって、接続点ｘ、ｙの電位差に基づき、キャピラリ５を流れる流体の流量を求めることが可能となる。

従来の流量計においては、キャピラリに絶縁被膜された感熱抵抗体の細線を巻き付けている。そのため、巻き付けられた感熱抵抗体の細線の残留応力が強く、感熱抵抗体の抵抗値のドリフトの原因となっている。また、感熱抵抗体をキャピラリに巻き付けると、感熱抵抗体を覆う絶縁膜が変形し、感熱抵抗体とキャピラリの接触面積が一定でなくなるという問題がある。よって、従来の流量計は、流体が流れていないときの出力が一定でなく、また個体差が大きいという問題がある。

これに対し、実施の形態に係る流量計においては、第１の白金抵抗体１３及び第２の白金抵抗体２３のそれぞれは、第１の感熱抵抗素子１２の第１の固定部材及び第２感熱抵抗素子２２の第２の固定部材に設けられた、キャピラリ５の直径よりも小さい穴の中で巻線されているため、残留応力が小さい。また、第１の感熱抵抗素子１２の第１の固定部材及び第２感熱抵抗素子２２の第２の固定部材がセラミックスからなる場合、第１の固定部材及び第２の固定部材は経年劣化しにくい。そのため、実施の形態に係る流量計は、流体が流れていないときの出力を一定に保ちやすく、また個体差を抑制することが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、第１の感熱抵抗素子１２の第１の固定部材及び第２感熱抵抗素子２２の第２の固定部材のそれぞれの材料としては、ポリイミド等の高分子も使用可能である。また、キャピラリの表面に、第２の熱伝導膜と間隔をおいてさらに第３の熱伝導膜を配置し、第３の熱伝導膜上に第３のセラミック碍子を配置し、第３のセラミック碍子の内部に第３の白金抵抗体を挿入してもよい。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

１基体
３流路
５キャピラリ
１１第１の熱伝導膜
１２第１のセラミック碍子
１３第１の白金抵抗体
２１第２の熱伝導膜
２２第２のセラミック碍子
２３第２の白金抵抗体
３０増幅器
３１、３２貫通孔
４０層流素子

Claims

流体が流れるキャピラリと、
前記キャピラリの表面に配置された第１の熱伝導膜と、
前記第１の熱伝導膜上に配置された第１の感熱抵抗素子と、
前記キャピラリの表面に、前記第１の熱伝導膜と間隔をおいて配置された第２の熱伝導膜と、
前記第２の熱伝導膜上に配置された第２の感熱抵抗素子と、
を備え、
前記第１の感熱抵抗素子が、電気絶縁体からなる第１の固定部材と、前記第１の固定部材の内部に挿入された第１の白金抵抗体と、を備え、
前記第２の感熱抵抗素子が、電気絶縁体からなる第２の固定部材と、前記第２の固定部材の内部に挿入された第２の白金抵抗体と、を備える、
流量計。
前記第１の熱伝導膜と、前記第１の感熱抵抗素子と、が、ろう付けにより接合されており、
前記第２の熱伝導膜と、前記第２の感熱抵抗素子と、が、ろう付けにより接合されている、
請求項１に記載の流量計。
前記第１の白金抵抗体及び前記第２の白金抵抗体のそれぞれが純白金からなる、請求項１又は２に記載の流量計。
前記第１の白金抵抗体及び前記第２の白金抵抗体のそれぞれが巻線である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流量計。
前記第１の熱伝導膜及び前記第２の熱伝導膜のそれぞれが銅、金、銀、又はアルミニウムからなる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流量計。
前記キャピラリが金属からなる、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流量計。
前記金属がステンレス鋼である、請求項６に記載の流量計。
前記第１の熱伝導膜及び前記第２の熱伝導膜のそれぞれが、前記キャピラリの表面に巻き付けられている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の流量計。