JP2670882B2 - 熱式質量流量計センサー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、被測定流体が流れるセンサーパイプにヒー
タを巻設し、ヒータ自体又はヒータ前後の温度に基づい
てセンサーパイプ内を流れる流体の流量を測定する熱式
質量流量計センサーの改良に関するものである。

［従来の技術］ 小流量の計測装置としては例えば特開平１−107114号
公報に開示されたごとく、流体が流れるセンサーパイプ
を冷却する例も見られるが、一般には冷却するよりも加
熱する方が簡明であるから、加熱式の質量流量計が用い
られる。

加熱式流量計の一般的な構成は、被測定流体が流れる
センサーパイプの一部を加熱してその上流側と下流側と
の温度差を検出し、またはセンサーパイプの上流側と下
流側に感熱抵抗線を巻回して、センサーパイプを加熱す
ると同時に感熱抵抗線の抵抗値の変化から上流側と下流
側との温度差を検出し、その温度差から被測定流体の流
量を測定するものである。

温度差の検出は通常ホイーストンブリッジ回路によっ
て行われるが、特公昭53−702号公報の技術は、温度変
化による電気抵抗値の変化を利用しているものの、セン
サーパイプ自体を電気抵抗としているためにブリッジ回
路が通常のホイーストンブリッジとはなりえず、したが
ってブリッジ回路の出力が流量に対して線形に変化しな
いおそれがある。

センサーパイプの材質は、耐食性を持たせるため従来
よりステンレス鋼が用いられてきたが、内層をステンレ
ス鋼とし外層に熱伝導率の高い銀や銅などを用いて２層
管とした技術もある（実公平１−25295号）。しかしな
がら流体がCl₂,ClF₃,F₂等のハロゲン系のガスのときに
は、内層がステンレス鋼であっても腐食を起こしやす
い。特にセンサーパイプの肉厚は一般に著しく薄いか
ら、僅かの腐食があっても信頼性を損なうおそれがあ
る。また加熱式の質量流量計では流体を加熱しているた
めに、高温の流体に対してもセンサーパイプの耐食性が
保証されている必要があるが、ステンレス鋼の耐食性は
ハロゲンガスが高温になると劣ってくるという問題点が
ある。

ここで熱式流量計の作用を説明すると、上流側と下流
側の検温位置に対応する位置での流体の温度は、流量が
０のときには互いに等しくすなわち温度差は０である。
次いで流量を増加すると、上流位置での流体の温度は流
量の増加に従って低下するが、下流位置での流体の温度
は、上流位置の流体温度の低下ほどは低下せず、また加
熱位置と検温位置との位置関係によっては却って上昇
し、いずれにしろ両者の温度差は０より増加し、一般に
はこの温度差は流体の流量に従って線形に増加する。流
体の流量を更に増加すると、上流位置での流体の温度の
低下には限度があり、同時に、流体は加熱部において十
分に加熱されないうちに下流位置に至るから、両位置の
流体の温度差は再び減少し、したがって流量の計測範囲
には限度がある。

次にセンサーパイプの温度に着目すると、長手方向の
熱伝導が悪いと、上記上下流位置での流体温度差がその
ままセンサーパイプの温度差に反映されるから、流量計
としての感度は高くはなるが、他方において温度の高い
下流側のセンサーパイプから温度の低い上流側に熱が補
給されないから、早期に流量の計測範囲の上限に至って
しまう。前記ステンレス鋼は金属材料中熱伝導率が低い
ものであるから、センサーパイプとしてステンレス鋼を
用い、またはステンレス鋼を内層として用いる構成で
は、流量の計測範囲が狭いという問題点がある。

次にセンサーパイプの径方向の熱伝導を見ると、流体
の温度はセンサーパイプの内面に至り、センサーパイプ
の肉厚を伝わり、しかる後外面に取付けた検温手段に至
るから、径方向の熱伝導が悪いと流量の過渡変化に対す
る応答特性が遅くなる。ステンレス鋼は熱伝導率が低い
から、センサーパイプとしてステンレス鋼を用い、また
はステンレス鋼を内層として用いる構成では、流量の過
渡変化に対する応答が悪化するという問題点もある。セ
ンサーパイプの径方向の熱伝導を良くする手段の一とし
て、センサーパイプの肉厚を薄くする技術もあるが（特
開昭62−192618号）、センサーパイプの強度上の信頼性
を欠くおそれが生じる。同様に２層構造のステンレス鋼
の肉厚を薄くすると強度上の信頼性を欠くおそれが生じ
る。

［発明が解決しようとする課題］ そこで、センサーパイプを、ステンレス鋼よりも耐食
性に富むとともにステンレス鋼よりも熱伝導率の高い金
属材料による単層管によって形成することが考えられる
が、この場合、次の問題を生じる。

一般に熱式質量流量計センサーの基板はステンレス鋼
によって形成されており、またセンサーパイプはシール
性をもって基板に固定する必要がある。従来のようにセ
ンサーパイプをステンレス鋼によって形成したときに
は、該センサーパイプの基板への密封・固定は、ろう付
けすることによって容易に達成することができた。なお
基板は十分な厚さがあり、また基板が接する流体の温度
は加温されてはいないから、基板はステンレス鋼によっ
て形成して問題はない。但しろう材については、耐食性
の観点から例えばニッケルを主体とするろう材を用いる
必要がある。

しかるにセンサーパイプを例えばニッケルによって形
成したときに、ニッケルを主体とするろう材によって基
板にろう付けしようとすると、ろう材中の不純物がセン
サーパイプに溶け込んでその融点を下げ、センサーパイ
プが溶けてしまう。またセンサーパイプと基板との間を
ビーム溶接しようとすると、センサーパイプの熱容量が
基板の熱容量に比して著しく小さいために、適正に溶接
することができない。

したがって本発明は、流量の過渡変化に対する応答特
性に優れ、ハロゲンガスに対する耐食性にも優れ、計測
できる最大流量レンジも大きく取ることができ、しかも
容易に製作することができる熱式質量流量計センサーを
提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、センサーパイプを、ステンレス鋼よりも耐
食性に富むとともにステンレス鋼よりも熱伝導率の高い
金属材料による単層管によって形成し、更に、センサー
パイプの管端にステンレス鋼製のパイプを外嵌し、ステ
ンレスパイプとセンサーパイプの管端との間をビーム溶
接し、ステンレスパイプと熱式質量流量計センサーの基
板との間をろう付けすることにより、上記目的を達成し
たものである。上記金属材料としては、例えばニッケル
又は白金を挙げることができる。

［作用］ 本発明は、ステンレス鋼よりも熱伝導率の高い金属材
料によってセンサーパイプを構成しているから、センサ
ーパイプの内面側と外面側との熱伝導が良くなり、流量
の過渡変化に対する応答特性が良くなる。

同時に、温度の高い下流側のセンサーパイプから濃度
の低い上流側に熱が補給され、したがって流量計として
の感度は低くなるものの、流量の計測範囲は広くなる。
この結果、流体をセンサーパイプとこれをバイパスする
バイパス流路とに流すときのバイパス流路の流量は小さ
くて済むから、バイパス流路の構造を簡単化することが
できるし、全流量に対する計測流量の比率が高いから、
流量計全体としての精度は向上する。

また本発明は、ステンレス鋼よりも耐食性に富む金属
材料によってセンサーパイプを構成しているから、ステ
ンレス鋼によってセンサーパイプを構成したときよりも
耐食性が向上する。すなわち熱式質量流量計は主として
半導体製造装置におけるガスの流量制御に用いられ、
N₂,Ar,He,Cl₂ほか各種のガスを通す。中でもCl₂,ClF₃,F
₂等のハロゲン系のガスは腐食性が非常に強く、特に高
温域では殆どの金属を腐食させ、ステンレス鋼も腐食す
るが、純ニッケルはステンレス鋼以上の耐食性があり、
例えばClF₃に対して約600℃まで殆ど侵されない。した
がってステンレス鋼よりも耐食性に富む金属、例えばニ
ッケル、白金等では、半導体製造分野に使用されるハロ
ゲン系のガスに高温域で使用しても耐食性を有し、長期
の寿命が保障される。

また本発明は、センサーパイプの管端にステンレス鋼
製のパイプを外嵌し、ステンレスパイプとセンサーパイ
プの管端との間をビーム溶接し、ステンレスパイプと熱
式質量流量計センサーの基板との間をろう付けしている
から、適正な溶接を行うことができる。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は本発明の一実施例の熱式流量計センサーＳの外観図
であり、一対のケース４と４′とはほぼ対称に形成され
たアルミ材よりなり、第２図はケース４′を外した正面
図である。ケース4,4′の合せ面３に形成した溝５内に
は、セラミック繊維をペーパ状に成形したセラミックペ
ーパから成る断熱材６を装置して、センサーパイプ１を
抱くように組立てられている。センサーパイプ１は略Ｕ
字状に折曲した細管で、センサーパイプの両端1a,1bが
基板２を貫通するように固定されている。センサーパイ
プ１は外径0.6mm、内径0.52mmで、成分がほぼ全量ニッ
ケルによって構成されており、その熱伝導率κはκ＝94
W/m/Kであり（理科年表60年版による）、ステンレス鋼
のκ＝24.5W/m/K（同前）と比べて約3.8倍大きい。

このセンサーパイプの両端1a,1bは図示しないメイン
パイプに接続されており、該メインパイプにはこのセン
サーパイプ１と並列にバイパス流路が形成されており、
センサーパイプ１の流量Q₃とバイパス流路の流量との比
が一定になるように設計されており、こうしてセンサー
パイプ１の流量Q₃よりメインパイプの全流量が求められ
る様になっている。

センサーパイプ１の外周には一対のコイル7,8が巻回
されており、ケース4,4′内の溝５に収納されている。
コイル7,8は加熱要素であると同時に感温要素でもあ
り、白金、鉄−ニッケルなどを芯線とする極細のエナメ
ル被覆金属線によって形成されている。センサーパイプ
１の外面には、ポリイミド樹脂をトルエンで希釈した絶
縁材が薄く塗布され、その上から上記ヒータ兼センサー
コイル7,8をセンサーパイプ１の長さ方向に100〜200回
程巻回し、更に上記絶縁材を塗布して絶縁被膜を形成し
て、コイル間及びコイルとセンサーパイプとの間の絶縁
を図っている。コイル7,8は流体の温度より50℃〜100℃
高く加熱されるが、上記の絶縁材は耐熱性があり、コイ
ルの絶縁は破壊しない。

第３図はセンサーパイプ１の上流側と下流側との温度
差を検出する手段を示し、ヒータ兼センサーコイル7,8
の電気抵抗値をR₇,R₈とすると、この抵抗は他の一対の
固定抵抗R₁,R₂とでブリッジ回路を構成している。ブリ
ッジ回路には定電流源10からの定電流Ibが流れ、コイル
7,8のジュール熱によってセンサーパイプ１は室温ない
しは流体の温度よりも50〜100℃温度が上昇した状態と
なる。センサー流量Q_SがQ_S＝０の場合には、ブリッジが
バランスしてブリッジ回路の不平衡電圧ΔＥはΔＥ＝０
である。センサーパイプ１に流量Q_Sが流れると、熱がコ
イル７からコイル８側へ運ばれて、コイル７の温度が下
がりコイル８の温度が上昇する。この温度変化によって
コイル7,8の抵抗値R₇,R₈が変化し、ブリッジ回路に不平
衡電圧ΔＥをもたらし、ΔＥは差動増幅器11の出力とし
て取り出され、この出力はセンサー流量Q_Sに比例するか
ら、メインパイプの質量流量が求められる。

ヒータ兼センサー7,8はケース4,4′内の溝５内で断熱
材６に密着して包囲されているから、溝５内には対流が
生ぜず、したがって本質量流量計センサーＳの姿勢の変
化によるゼロドリフトやスパンドリフトが解消される。

第４図は、本実施例におけるセンサーパイプ１内を流
れる流量Q_Sに対する不平衡電圧ΔＥを測定した結果
（Ａ）を示し、比較のためステンレス単層管の場合
（Ｂ）及びステンレス管の外面に銅メッキを施した場合
（Ｃ）について、他の条件は同一で測定した結果も示し
た。この図から解る通りステンレス単層管では、流量Q_S
と不平衡電圧ΔＥとがリニアに変化する範囲はQ_S＝7cc/
minまでで、そのときΔＥ＝70mVであり、またステンレ
ス管の外面に銅メッキを施した２層管では、リニアに変
化する範囲はQ_S＝8cc/minまでで、そのときΔＥ＝45mV
であるのに対して本実施例では、リニアに変化する範囲
はQ_S＝15cc/minまでで、そのときΔＥ＝50mVであった。
すなわち本実施例では検出感度が多少低下するものの、
リニアに変化する範囲の上限流量が約２倍に増加した。

次に流量の過渡変化に対する応答特性を測定した結果
を第５図に示す。第５図は（イ）に示すように流量Q_Sを
０から5cc/minにステップ状に変化させたときの、不平
衡電圧ΔＥの応答を示し、（ロ）のステンレス単層管で
はΔＥの飽和値の63％にまで達する時定数τは、τ＝4s
ecであった。これに対して（ハ）の本実施例では、τ＝
2secであり、応答特性の改善が図られた。

更にセンサーパイプ１内に流す流体が例えば半導体製
造分野に用いられるClF₃の場合、高温になるほど腐食速
度が大きくなり、ステンレス鋼では120℃以下の温度で
しか使用に耐えず、それ以上の温度では短時間で腐食が
発生するが、本実施例のセンサーパイプ１はステンレス
鋼よりも耐食性に富むニッケルで構成されているため、
600℃の高温状態まで十分使用に耐える。このため特に
腐食性の強い上記ハロゲンガス等の流体を高温域状態で
多く流すときにも、長期寿命を確保することが出来るよ
うになった。

なお上記実施例においてセンサーパイプ１を白金製と
しても同様の効果が生じる。

次に本実施例では第６図に示すように、センサーパイ
プ１の管端1a,1bのそれぞれにステンレス鋼製のパイプ
９を外嵌し、このステンレスパイプ９とセンサーパイプ
の管端1a,1bとの間をビーム溶接Ｙし、ステンレスパイ
プ９と基板２との間をろう付けＺしている。ビーム溶接
Ｙについては、センサーパイプ１とステンレスパイプ９
との熱容量に大差がないために、またろう付けＺについ
ては、ステンレスパイプ９も基板２も共にステンレス鋼
製であるために、いずれも適正に行うことができる。な
おステンレスパイプ９とセンサーパイプの管端1a,1bと
の間のビーム溶接Ｙと、ステンレスパイプ９と基板２と
の間のろう付けＺとの順序は、いずれを先に行ってもよ
い。

［発明の効果］ 以上説明のごとく、本発明の熱式質量流量計センサー
によれば、計測できる流量範囲を従来例の約２倍にする
ことができ、更に応答性能及び腐食ガスに対する耐食性
能の向上を図ることができ、しかも容易に製作すること
ができ、総合的に非常に優れた性能の流量計を得ること
が出来るようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の外観図、第２図は一方のケ
ースを外したときの正面図、第３図はブリッジ回路の回
路図、第４図はセンサー流量Q_Sに対する不平衡電圧ΔＥ
の変化を示す特性図、第５図は流量Q_Sのステップ変化に
対する不平衡電圧ΔＥの応答を示す特性図、第６図は第
１図中Ｘ部拡大断面図である。 Ｓ……熱式質量流量計センサー １……センサーパイプ、２……基板、３……合せ面 4,4′……ケース、５……溝、６……断熱材 ７……上流側コイル、８……下流側コイル ９……ステンレスパイプ、Ｙ……ビーム溶接 Ｚ……ろう付け

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 明史 三重県桑名市大福２番地 日立金属株式 会社桑名工場内 (56)参考文献 特開 昭60−13219（ＪＰ，Ａ) 実公 平１−25295（ＪＰ，Ｙ２) 幡野佐一著 「工業材料便覧」 （昭 和56年 日刊工業新聞社発行） Ｐ. 517〜518，Ｐ．523〜524

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定流体が流れるセンサーパイプの上流
   側と下流側との外周面にそれぞれ感熱抵抗線によって形
   成した上流側コイルと下流側コイルとを巻回し、該上流
   側コイルと下流側コイルと他の抵抗とによってブリッジ
   回路を構成し、該ブリッジ回路の不平衡電圧を検出する
   ことによって前記センサーパイプ内を流れる流体の流量
   を測定し、前記センサーパイプを、ステンレス鋼よりも
   耐食性に富むとともにステンレス鋼よりも熱伝導率の高
   い金属材料による単層管によって形成した熱式質量流量
   計センサーにおいて、 前記センサーパイプの管端にステンレス鋼製のパイプを
   外嵌し、該ステンレスパイプと前記センサーパイプの管
   端との間をビーム溶接し、前記ステンレスパイプと熱式
   質量流量計センサーの基板との間をろう付けしたことを
   特徴とする熱式質量流量計センサー。
2. 【請求項２】前記金属材料がニッケルである請求項１記
   載の熱式質量流量計センサー。