(57)【要約】流量を測定するための装置および方法。流量センサは、センサ導管および少なくとも１つの毛細管チューブを含むバイパスを含む。センサ導管の長さ、内径および断面の形状の少なくとも１つは、少なくとも１つの毛細管チューブの対応する長さ、内径、および断面の形状に実質的に等しい。
2005534007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量センサであって、
流体の入口および流体の出口を含むハウジングと、
前記入口および前記出口の間に配置されかつ流体が流れるように前記入口および前記出口に接続されるバイパスとを含み、前記バイパスは少なくとも１つの毛細管チューブを含み、前記流量センサはさらに、
センサ導管によって流体が流れるように前記ハウジングの入口および出口に接続されるセンサユニットを含み、前記少なくとも１つの毛細管チューブは、前記センサ導管の長さに実質的に等しい長さを有する、流量センサ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの毛細管チューブは、前記センサ導管の直径に実質的に等しい直径を有する、請求項１に記載の流量センサ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの毛細管チューブは、前記センサ導管のものと実質的に同じ断面の形状を有する、請求項２に記載の流量センサ。
【請求項４】
前記センサ導管は、毛細管チューブである、請求項１に記載の流量センサ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの毛細管チューブの入口効果は、前記センサ導管の入口効果に実質的に等しい、請求項５に記載の流量センサ。
【請求項６】
前記ハウジングは、流体を集めるための手段をさらに含む、請求項１に記載の流量センサ。
【請求項７】
前記センサ導管は、流体が流れるように前記流体を集めるための手段に接続される入口を含む、請求項６に記載の流量センサ。
【請求項８】
前記バイパスは、複数の毛細管チューブを含む、請求項６に記載の流量センサ。
【請求項９】
前記バイパスを通る流体の流れを制御するための手段をさらに含む、請求項８に記載の流量センサ。
【請求項１０】
前記バイパスは、前記バイパスの周辺に一様に配置された複数の開口部を含む、請求項６に記載の流量センサ。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの毛細管チューブは、前記センサ導管のものと実質的に同じ断面の形状を有する、請求項１に記載の流量センサ。
【請求項１２】
流量センサであって、
流体の入口および流体の出口を含むハウジングと、
前記入口および前記出口の間に配置されかつ流体が流れるように前記入口および前記出口に接続されるバイパスとを含み、前記バイパスは少なくとも１つの毛細管チューブを含み、前記流量センサはさらに、
センサ導管によって流体が流れるように前記ハウジングの入口および出口に接続されるセンサユニットを含み、前記少なくとも１つの毛細管チューブは、前記センサ導管の入口効果に実質的に等しい入口効果を有する、流量センサ。
【請求項１３】
前記バイパスは、前記バイパスの周辺に一様に配置されかつ流体が流れるように前記センサ導管と連絡する複数の開口部を含み、前記センサユニットは、前記流量センサの配向
に実質的に感度がない、請求項１２に記載の流量センサ。
【請求項１４】
流体の流量を測定するためのプロセスであって、
入口効果を有する少なくとも１つのバイパスチューブに流体を通すステップと、
前記少なくとも１つのバイパスチューブの前記入口効果に実質的に等しい入口効果を備えたセンサ導管を有するセンサユニットに前記流体を通すステップと、
前記センサ導管内で前記流体の特性を測定するステップとを含む、プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
この発明は、毛細管流量センサに関し、特に毛細管のバイパスを備えた毛細管流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
流体の流れの制御は、多くの業界で重要である。たとえば、半導体の製造の多くのプロセスは、制御された条件下で２つ以上の気体の正確な反応を必要とする。質量流量計は、分子レベルの化学反応を制御するために使用される。
【０００３】
質量流量計は、典型的には、２つの平行な通路または枝路を通るように流体の流れを向けるという原則で動作する。一方の通路は、流体の質量流量を測定するためのセンサ流路を提供し、他方の通路は、流体の流れの残り（大部分）がそこを通って流れる主流路を提供する。この２つの平行な通路は、流体が流れるように各端部で接続され、流量計を通って流れる流体の合計量が、センサ流路を流れる流体に主流路を流れる流体を加えた和になるようにされる。質量流量センサが正確な測定値を提供するには、理想的には、センサ流路を流れる流体の量と主流路を流れる流体の量との比が、流量計が動作するように意図される流量、圧力、温度等の範囲にわたって一定であるべきである。センサ経路と主流路との実際の比は、しかしながら、センサ経路とバイパス経路との「圧力−流量」の特性の適合によって決定される。
【０００４】
導管を通る流体（液体または気体）の質量流量を測定する従来の質量流量計が知られている。熱伝達可能にセンサチューブと連絡する１つまたは複数の感温性の抵抗素子を用い、電気的な出力信号を提供する熱式質量流量センサも知られている。これらセンサは、層流路であるセンサチューブの壁からセンサチューブを通る流体への伝熱量が、流体と流路の壁との間の温度勾配、流体の比熱、および流路内の流体の質量流量の関数であるという原則に基づいて動作する。流体の比熱は、圧力または温度とともに大きく変化しないため、特定の流体に対して較正された熱式質量流量センサは、幅広い範囲の動作条件で正確な質量流量の読取値を提供する。
【０００５】
熱式質量流量センサは、典型的には、通常、毛細管サイズの寸法の断面を有するセンサチューブを流れる流体にエネルギを伝える１つまたは複数の加熱素子を含む。センサチューブは、入口および出口を含むことが一般的であり、各々は、流体が流れるように質量流量計の流体の主流路に接続される。センサチューブの入口は、典型的には、流体の主流路の入口の下流にあり、センサチューブの出口は、典型的には、流体の主流路の出口の上流にある。流体がセンサチューブを通って流れると、熱は、上流の加熱素子または抵抗から下流の加熱素子または抵抗に向かって運ばれ、温度差は、センサチューブおよび流体の主流路を通って流れる流体の質量流量に比例する。
【０００６】
バイパスまたは層流素子は、典型的にはセンサチューブの入口と出口との間に位置付けられる流体の主流路にあり、流体の主流路のバイパス区間を通る層流が最大の設計流量になるようにする。この最大値を超えると、流れは乱流となる。図１は、バイパスを通る層流を提供するために平行にともに束ねられた複数の毛細管チューブ１０６からなる毛細管バイパス１０４を備えた質量流量センサチューブ１０２を有する従来の流量計１００を示す。一般的に、流体が毛細管チューブ１０６の束などの層流素子を通って流れるとき、質量流量センサの対向する端部間の差圧は、流体が層流を形成している場合、流体の体積流
量に比例する。典型的には、センサチューブへの入口は毛細管バイパスの入口の上流にあり、センサチューブの出口はバイパスの出口の下流にある。流体の流れは、レイノルズ数が２０００を超えないときに層流であることが知られている。
【０００７】
センサチューブを通って流れる流体の質量の、入口を通って流体の主流路へと流れる流体の合計質量に対する比は、一般に「分流比」と称される。分流比は、センサチューブ、流体の主流路、およびバイパスの幾何学的形状によって決定される。分流比は、流量計が設計された質量流量の全範囲にわたって一定であるのが理想的である。分流比が一定であるとき、バイパスは「線形」であると言われる。残念ながら、実際には、分流比は、測定可能な範囲で流体の質量流量の関数として、およびその用途に使用される流体の粘性の関数として変動する（たとえば、１つの流体に対する分流比は、同じ流量の別の（たとえば、より密なまたは密度が低い）流体のものとは異なり得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特定の流量計の分流比は、従来の質量流量計で適切なバイパスを選択して、それが質量流量の或る範囲内で適度に一定であるようにすることによって局所的に最適化できることがある。しかしながら、低流量の用途に設計された従来の質量流量計は、高流量の用途には適切でなく、その逆も然りである。一方で、流量の測定は、バイパスを通る流体の流れが線形である場合のみ正確であり、典型的には、設計された流量の範囲の下端での流量は、設計された流量の範囲の上端の流量よりもより線形である。また、バイパスの設計された流量の範囲を下回るあまりにも低い流量を測定しようとすると、センサチューブを通る流量が不十分となり、これは２つの加熱素子間の差の不正確な測定値につながり得る。このことは、さらにあまりにも低いセンサの出力信号につながり、良好な精度の流量の読取値を提供できなくなる。またはこれに代えて、バイパスの設計の流量の範囲を超える流量を測定しようとすると、分流比が大きく非線形になり、流量センサの精度に悪影響を及ぼす。
【０００９】
１つの流体に対して設計された流量センサが異なる流体で使用されるときにも不正確な読取値が生じ得る。異なる流体は異なる粘性を有し、このことはチューブ内の流れのレイノルズ数（以下の詳細な説明を参照）に影響を及ぼす。レイノルズ数は「圧力−流量」の特性を支配するため、異なる流体は、センサおよびバイパス内で異なる「圧力−流量」の特性を生成する。さらに、センサチューブは加熱されているため、センサの特徴であるセンサチューブ内の流体の温度は、流体の主流路またはバイパス流路内の流体の温度とは異なる。流体の粘性は温度とともに変動し、圧力の低下は粘性に比例し、異なる流体は異なる粘性対温度の曲線を有するため、異なる流体は、ここでも同じ流量センサ内で異なる分流比を有し得る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
概要
一実施例では、この発明は、流体の入口および流体の出口を有するハウジングを含む流量センサを提供する。少なくとも１つの毛細管チューブを含むバイパスは、入口と出口との間に配置され、かつ流体が流れるように入口および出口に接続され、センサユニットは、センサ導管を介して流体が流れるように入口および出口に接続される。少なくとも１つの毛細管チューブは、センサ導管のものと実質的に等しい長さを有する。毛細管チューブは、センサ導管の内径および断面の形状に実質的に等しい内径および／または断面の形状を有してもよい。
【００１１】
この発明の別の実施例では、ハウジング、バイパスおよびセンサユニットを含む流量センサが提供される。ハウジングは、入口および出口を含む。バイパスは、入口と出口との
間に配置され、かつ流体が流れるように入口および出口に接続される少なくとも１つの毛細管チューブを含む。センサユニットは、センサ導管を介して流体が流れるようにハウジングの入口および出口に接続される。少なくとも１つの毛細管チューブは、センサ導管の入口効果に実質的に等しい入口効果を有する。
【００１２】
別の実施例は、流体の流れを測定するためのプロセスに向けられ、これは入口効果を有する少なくとも１つのバイパスチューブに流体の一部分を通すステップと、少なくとも１つのバイパスチューブの入口効果と実質的に等しい入口効果を備えたセンサ導管を有するセンサユニットに流体の別の部分を通すステップと、センサ導管内で流体の特性を測定するステップとを含む。
【００１３】
この発明の他の利点、新規の特徴および目的は、概略的でありかつ同じ縮尺で描かれていない添付の図面とともに検討されたときに、この発明の非限定的な実施例の以下の詳細な説明から明らかであろう。図面では、さまざまな図面に示される各同一の構成要素またはほぼ同一の構成要素は、典型的には単一の数字で表現される。明らかにするために、当業者がこの発明を理解するために図示が必要でない場合には、すべての図面ですべての構成要素が示されるわけではなく、図示されるこの発明の各実施例のすべての構成要素が示されるわけではない。この明細書と引用により援用される文献とが対立する開示を含む場合、この明細書が支配するべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明の好ましい非限定的な実施例を添付の図面を参照して例によって説明する。
【００１５】
詳細な説明
この発明は、幅広い範囲の流量および流体の特性にわたってバイパスの線形性が改善された流量センサに向けられる。従来の質量流量計またはコントローラは、適合する「圧力−流量」の特性を有さない任意のセンサ経路およびバイパス経路を用いる。これら従来の質量流量コントローラの一例は、０．０１３インチの内径の２．０インチの長さの毛細管センサチューブ、および０．０３０インチの内径の１．０インチの長さの毛細管チューブを含むバイパスからなり得る。従来の質量流量コントローラの別の例は、０．０１０インチの内径の３．０インチの長さの毛細管センサチューブ、および円錐形のプラグと円錐形のハウジングとの間に形成された環状の空隙を含むバイパスからなり得る。これらの例のどれにおいても、センサの「圧力−流量」の特性曲線は、流量比がバイパスとセンサとの間で計算されるときに一定でない分流比が流量の関数として得られるように、バイパスの特性曲線とは大きく異なる。これは、バイパスの非線形性として知られる。バイパスの非線形性は、精度を低下させ、質量流量コントローラを較正するために必要な費用を増加させる。
【００１６】
図２は、この発明による質量流量センサ２０５を含む質量流量コントローラ２００を示す。流量センサ２０５は、バイパス２１５が配置される流体の入口２１４および流体の出口２２２を有するバイパスハウジング２１０を提供する。ここで使用されるように、流体は液体または気体として規定される。センサ導管２１８は、入口２２０および出口２２４を含む。バイパス２１５は、毛細管センサ導管の長さに実質的に等しい長さを有する１つまたは複数の毛細管チューブを含む。センサ導管、および１つまたは複数の毛細管チューブは、実質的に類似の内径、および実質的に類似の断面の形状を有してもよい。「実質的に等しい」または「実質的に同じ」という言葉は、ここでは、同一またはほぼ同一である特性を規定するために使用され、生産中に起こる変動を含むように意図される。当該技術分野で知られるように、「毛細管チューブ」という語句は、ここでは、小さな内径を有する任意のチューブを規定するために使用され、必ずしもではないが、互いに対する流体の分子の相対的な引力および固体のそれに対するものによって流体の表面を上昇または下降
させる大きな毛管現象を含む。
【００１７】
センサ導管および毛細管バイパスの組合せの一実施例では、センサ導管および１つまたは複数のバイパス毛細管チューブの長さは実質的に等しい。好ましい実施例では、センサ導管の長さおよび内径は、１つまたは複数のバイパス毛細管チューブの長さおよび直径と実質的に等しい。さらに好ましい実施例では、センサ導管の長さ、直径および断面の形状は、１つまたは複数のバイパス毛細管チューブの長さ、直径および断面の形状と実質的に等しく、センサおよびバイパスに対する同一の「圧力−流量」の特性が得られる。１つまたは複数のバイパス毛細管チューブに実質的に同一の「圧力−流量」の特性を提供するセンサ導管の長さ、直径および断面の形状の組合せであれば、この発明によるセンサの線形性を増加させるために使用することができる。
【００１８】
図２では、センサユニット２１８のセンサ導管の入口２２０は、流体が流れるようにハウジングの入口２１４に接続される。好ましい実施例では、センサ導管は毛細管チューブである。一般に、流体は、ハウジングの入口２１４からバイパス２１５を通ってハウジングの出口２２２へと流れ、流体の一部分はセンサ導管２１８を通って流れる。センサ導管および１つまたは複数の毛細管チューブの長さは実質的に等しく、センサ導管および１つまたは複数の毛細管チューブの内径および断面の形状も実質的に同じであるため、バイパスの分流比は一定であり、バイパスの線形性の範囲は増加し、これによりセンサの読取の精度は流量および気体の特性の幅広い範囲にわたって増加する。さらに、バイパスの線形性が改善されるため、流量センサの動作可能な範囲がセンサの高流量の範囲で増加する。さらに、線形性が改善されるため、異なる流体で切換えるときに精度が大きく増し、これにより他の流体に対する付加的な試験を避けられる。
【００１９】
毛細管チューブは、ハウジング２１０、および毛細管チューブを通って流れると予想される流体との適合性に対して選択された任意の材料で作られてもよい。たとえば、毛細管チューブは、金属またはプラスチックなどの非腐食性材料で作られてもよい。一実施例では、毛細管チューブはバルブ金属で作られる。好ましい実施例では、毛細管チューブは、３０４ステンレス鋼または３１６Ｌステンレス鋼で作られる。ハウジング内の毛細管チューブは、場所によって異なり得る。２つ以上の毛細管チューブは互いに対する配置で異なり得るが、しかしながら、毛細管チューブは実質的に平行でなければならない。毛細管チューブは、微細な公差で機械加工してもよい。毛細管チューブは、正方形、円形、長方形、三角形等の任意の形状であってもよい。五角形、六角形、台形などの他の断面の形状もすべてこの発明の範囲内で企図され得る。毛細管チューブは、毛細管チューブをハウジングに挿入するために圧縮できるように、かつハウジングに対して張力を提供するために拡張できるように側に沿ってスリットを有するロール状の金属シートであってもよい。毛細管チューブは、事前に選択された不規則な形状の断面を有してもよい。流体に層流を生成する断面の形状および長さの任意の組合せを使用可能である。
【００２０】
層流がチューブを通って生じるようにするためには、ある基本的な条件を満たさなくてはならない。これら条件はシステムを通る流体の物理的な特性、流体の最大の流量、およびシステム内の流体に対して許容される最大の圧力の低下によって確立される。毛細管チューブを通る流体に対する体積流量、Ｑは、Ｑ＝π（ΔＰ）ｒ4／８μＬによって計算することができ、ΔＰはセンサ構造にわたる圧力の低下であり、ｒは毛細管チューブの断面の有効半径であり、μはセンサを通る流体の粘性であり、Ｌは毛細管チューブの長さである。所与の流体に対する粘性μは既知であり、体積流量Ｑ、および圧力の低下ΔＰは、実験によって確立されたパラメータである。しかしながら、構造を通る層流を提供するために、システム内で層流を確実にする最大のレイノルズ（Ｒｅ）数は、毛細管チューブに対しては超えられてはならない。Ｒｅ数はＲｅ＝２ｒＶρ／μであり、Ｖは流体の平均粘性、ρは流体の密度、μは流体の粘性である。層流を確保するため、Ｒｅ数は、層流を生成
する最大のＲｅ数（Ｒmlf）より小さくなくてはならず、ｒ＝Ｒmlfμ／２ρＶである。本質的に丸い毛細管に対してＶ＝Ｑ／πｒ2であるＶを置換え、かつｒ＝２Ｑρ／Ｒmlfπμに置換えると、ｒ≧２Ｑρ／Ｒmlfπμは層流を確保する。バイパスを通る層流を提供する通路であればどのようなものを使用してもよいが、しかしながら、通路は毛細管チューブなどのように小さくなる傾向がある。この発明の好ましい実施例では、毛細管チューブは実質的に円形の断面領域を有し、約０．００５インチから約０．０５インチの内径を有し、約１インチから約１．５インチの長さを有する。
【００２１】
チューブ内に層流を維持することに加え、毛細管チューブおよびセンサ導管は、層流が十分に発達していないチューブの入口で実質的に同じ「入口効果」を有することが好ましい。円形のチューブ内の流れは、チューブの入口で２次元の境界層の形で始まる。流れが下流に進むと、２次元の境界層は、チューブの中心線で成長し、出会い、結合する。ある距離を下流へと移動した後、安定した放物線軌道速度のプロファイルが現われる。毛細管チューブ内の層流は、チューブ内の速度分布が安定した放物線軌道のプロファイルを示すときに「十分に発達している」と言われる。十分に発達した層状のチューブの流れの「圧力−流量」の関係は、式Ｑ＝π（ΔＰ）ｒ4／８μＬによって正確に表わされるが、しかしながら、この関係は、流れが十分に発達していないチューブの入口の領域では当てはまらない。
【００２２】
チューブの入口領域の流れは、非線形的に全体的な圧力の低下に寄与する。チューブの大部分での流れが十分に発達している場合、圧力−流量の関係は、実質的に全体として上述の式によって決定され、圧力−流量の関係は線形であると言われる。しかしながら、入口領域がチューブの全長の大きな部分を占める場合、圧力−流量の関係は上述の式から逸脱し、非線形になる。圧力−流量の非線形性への入口効果の厳密性は、パラメータＬ／（Ｄ×Ｒｅ）、すなわち、チューブの長さＬの、レイノルズ数と毛細管チューブの直径との積に対する比に反比例する。比Ｌ／（Ｄ×Ｒｅ）が十分に大きい（たとえば１００よりも大きい）とき、流れはほぼ全体的に十分に発達し、入口効果はほぼ無視可能であり、圧力−流量の関係はほぼ完全に線形である。比Ｌ／（Ｄ×Ｒｅ）が１０よりも小さいとき、チューブ内の流れの大部分は入口効果を受け、圧力−流量の関係は大きく非線形である。
【００２３】
質量流量コントローラの限られた空間でのセンサバイパスの組合せでは、非常に大きなＬ／Ｄの毛細管チューブを使用するのは非実用的である。したがって、質量流量コントローラのチューブ内の流れは一般に完全には十分に発達せず、何らかの圧力−流量の非線形性が生じる。入口効果によるバイパスの非線形性によって、バイパスの分流比は流量の関数として変動する。この発明の実施例は、同じ長さ、同じ内径、および同じ断面の形状の毛細管チューブを使用することによって、バイパスの分流比の変動を最小化して、同じ比Ｌ／（Ｄ×Ｒｅ）が設計によってセンサの毛細管チューブおよびバイパスの毛細管チューブで同時に達成されるようにする。したがって、センサの非線形性の特性、およびバイパスのそれは、一般的な圧力の低下でセンサの毛細管チューブを通って流れるのと実質的に同じ量の気体が各バイパス毛細管チューブに流れる程度に互いに適合する。
【００２４】
上述のように、毛細管チューブは、任意の構成でバイパスに配置してもよい。たとえば、毛細管チューブは束ねて、バイパスにぎっしりと詰め込んでもよい。バイパスは、円形、三角形、正方形、六角形、八角形等の任意の内側の形状を有してもよい。一実施例では、バイパスの内面は六角形の形状であり、毛細管チューブをぎっしりと詰め込まれる。別の実施例では、バイパスの内面は円形である。別の実施例では、バイパスの内部は、毛細管チューブを支持するための１つまたは複数の流体の流れの開口部からなり得る。開口部は、毛細管チューブを支持するように任意の構成で作られ配置されてもよい。たとえば、開口部は、円形、六角形等であってもよく、バイパスの内面にわたって任意に間隔をあけられてもよい。またはこれに代えて、開口部は、図１３に示されるように、バイパスにわ
たって一様に間隔をあけられてもよい。一実施例では、円形の開口部は、バイパス内で円形のパターンで一様に間隔をあけられ、任意で１つまたは複数の付加的な円形の開口部がバイパスの中心にある。これら開口部は、たとえば、以下にさらに詳しく述べるように、いくつかの毛細管チューブおよび／またはピンで満たされ得る都合のよい直径の貫通孔として機械加工してもよい。そのような実施例は、バイパス内の毛細管の寸法の個々のチューブを機械加工するのに必要な費用および精度を回避することを理解されたい。全体的な所望の流量および流体の物理的な特性に基づいて、任意の数の毛細管チューブをバイパスとして使用してもよい。
【００２５】
流量は、毛細管チューブおよび流れの絞りのサイズ、形状および数を変えることによって制御可能である。流れの絞りは、流体の流れに利用可能な体積を低減する。所与の開口部では、バイパスチューブを置換えるためのピンなどの流れの絞りが、流体の流れに利用可能なバイパスチューブの空間の数を低減する。流れの絞りは、これらに限らないが、毛細管チューブ上、その中、またはそれに隣接して位置付けられるプラグ、シール、キャップ等であり得る。またはこれに代えて、流れの絞りは毛細管チューブを置換えてもよい。流れの絞りの１つの構成は、ピン状の装置の形であり、これは毛細管チューブに挿入するか、またはこれに代えて毛細管に隣接してバイパス内の流体の流れの開口部に挿入することができる。ピンは、流体の流れを完全に防止するために固体であってもよく、またはこれに代えて、流体の流れを完全に防止するのではなく、低減するために中空であってもよい。そのような設計によって、使用される毛細管チューブ、および／または流れの絞りの数および／または直径を単に変えることによって、同じバイパスをさまざまな流量で使用することができる。
【００２６】
センサおよびセンサ導管を含むセンサユニットは、センサ導管を介して流体が流れるようにハウジングの入口および出口に接続される。センサユニットは、これらに限らないが、温度および圧力などの流体の物理的な特性を測定することのできる質量流量センサまたは体積流量センサなどの流量センサであってもよい。好ましい実施例では、センサは熱式質量流量センサである。
【００２７】
熱式質量流量センサでは、上流の加熱素子および下流の加熱素子は、流体の予想温度より高い同じ当初の温度に加熱される。当初の温度では、加熱素子は、センサチューブ２１８、およびセンサチューブ２１８を通って流れる流体に熱を供給する。流体がセンサチューブ２１８を通って流れるとき、流体の流れは加熱素子を冷却し、それらの温度を質量流量の関数として低下させる。流れている流体は、下流の加熱素子よりも上流の加熱素子をより冷却する。したがって、流体には、下流の加熱素子を通るときよりも、上流の加熱素子を通るときにより多くの熱が加えられる。なぜなら、上流の加熱素子による流体の加熱によって、流体が下流の加熱素子を通るときにより高い温度になるためである。図示されない回路は、上流の加熱素子と下流の加熱素子との温度の差を測定することによって、センサチューブ２１８を通って流れる流体の質量流量を測定する。他の種類の熱式質量流量センサは、加熱素子を同じ温度に維持するのに必要なエネルギの量の差を測定するなどによって異なる態様で動作する。この発明は、特定の種類の質量流量センサに限定されず、さまざまな異なる種類の質量流量センサ（熱式、圧力式等）で使用可能であることを理解されたい。さらに、これらに限らないが、体積および圧力などの液体の物理的な特性を測定するセンサも企図されることに注意されたい。
【００２８】
上述のように、この発明の一局面によると、センサ導管は、個々の毛細管バイパスチューブのものと実質的に等しい長さ、内径および断面の形状を有してもよい。毛細管チューブのように、センサ導管は、バイパス本体、およびバイパスを通ると予想される流体との適合性に対して選択された任意の材料で作られてもよい。たとえば、センサ導管は、金属またはプラスチックなどの非腐食性の材料で作られてもよい。一実施例では、センサ導管
はバルブ金属で作られる。好ましい実施例では、本体は３０４ステンレス鋼または３１６Ｌステンレス鋼で作られる。センサ導管は、層流を提供するように設計された任意の断面積および形状を有してもよい。
【００２９】
センサ導管は流体が流れるようにバイパス入口に接続され、ここでバイパスに流れ込む流体の一部分または試料はセンサユニットに再び向けられる。流体の入口は、入口から中間の場所へと流体を再び向けるように構成および配置されてもよく、そこで、流体はセンサ導管の入口に吐出される前に集められ得る。バイパスの入口端部は複数の開口部を含んでもよく、これらはスリット、ノッチ等の形であってもよく、バイパスの外周のまわりに位置付けられてもよい。中間の場所で複数の開口部から流体を集めることによって、入口の異なる部分からの流体が混ざり、これによって、より代表的な流体の試料の流れをセンサ導管入口に吐出することができる。図６に示される一実施例では、開口部は、バイパスの入口端部の周辺に一様に間隔をあけられた通路である。この間隔の均一性によって、質量流量計をさまざまな異なる配向で使用することができる。
【００３０】
中間の場所は、バイパスの一部分であってもよいし、またはバイパスに追加されてもよい。流体を受取るための中間の場所は、バイパスの内部であってもよいし、またはバイパスに隣接していてもよく、バイパスの外面に延在する個々のキャビティまたは窪みを含んでもよい。図７Ａに示されるように、窪み３００は、バイパスがハウジング内に位置付けられるときに、バイパスの外面の間に環状の空隙を形成する。好ましい実施例では、流体は、入口から、入口から延在する複数の開口部を通って、バイパスの外面の窪みに向かって運ばれ、これはバイパスがハウジング内に位置付けられるときに環状の空隙を規定する。
【００３１】
図３Ａおよび４Ａは、中程度の流量の条件に使用され得る吐出しブロックまたはハウジングに位置付けられるバイパスの実施例を示す。バイパス４１０は、図５Ａ、５Ｂ、７Ａおよび７Ｂに詳細に示される。バイパスは、バイパスの入口端部の周辺に一様に間隔をあけられかつ流体の一様な代表試料をセンサに吐出するための開口部４００を有する。流体は、バイパスがハウジング内に位置付けられるときに作られた環状の空隙３００に入る。環状の空隙から流体はセンサ導管に入る。図８は、バイパスの内面の一実施例を示す。内面は所望の形状に形成してもよい。図８に示される実施例では、六角形の内面が形成され、特定の用途に所望な毛細管チューブの数に応じて特定の断面積を有するキャビティが作られる。たとえば、図８および図９に示されるように、断面積またはキャビティは、さまざまな外径および／または内径の任意の数の毛細管チューブを受け入れるように変形してもよい。たとえば、図８は、約０．０３７インチの外径を有する９１、１２７、または２１７の毛細管チューブを収容するように構成された六角形のキャビティを示す。同様に、六角形のキャビティは、約０．０２８５インチの外径を有する１６９または２１７の毛細管チューブを収容してもよい。図１５は、約０．１８５インチの外径を有する２７１の毛細管チューブを収容するように構成された六角形のキャビティを示す。キャビティ内に位置付けられる任意の数の毛細管チューブは、毛細管チューブを定位置に保持するためにキャビティ内に張力を提供するように曲げられてもよい。このためには僅かな曲げのみで十分であることを理解されたい。
【００３２】
図３Ｂは、中程度の流量の条件に使用され得る吐出しブロックまたはハウジング内に位置付けられるバイパスの別の実施例を示す。バイパス４２０は、図４Ａ、および図１０および図１１にも詳細に示されるが、開口部４００および環状の空隙３００を含む。図１２および図１３に示されるように、毛細管チューブを支持するための個々の流れの開口部４３０をバイパスに形成してもよい。図１３は、バイパスの周囲に一様に間隔をあけられたいくつかの流れの開口部を示し、中心の流れの開口部を含み得る。図１４Ａおよび図１４Ｂに示されるように、各流れの開口部の直径および場所は、所望の毛細管チューブの数に
応じて異なり得る。各流れの開口部は毛細管チューブで完全に満たされてもよい。またはこれに代えて、毛細管チューブは、図１６に詳細に示されるように、中心のピン４４０または流れの絞りのまわりに位置付けてもよい。所望の数の直線のおよび／または曲げられた毛細管チューブを収容するために任意の組合せおよび構成の流れの開口部を使用してもよいことを理解されたい。
【００３３】
図３Ｃは、低流量の条件で使用され得る吐出しブロックに位置付けられるバイパスの別の実施例を示す。図４Ｂにも示されるバイパス４５０は、図１７Ａに詳細に示されるように、バイパスの入口端部の周辺に一様に間隔をあけられた開口部４００を含む。図１７Ｂは、バイパスの中心に位置付けられた１つの流れの開口部を示し、これは図１８Ａおよび図１９に示されるように流れの開口部内に位置付けられたピンの周囲の毛細管チューブを支持し得る１１。またはこれに代えて、図１７Ｃに示されるように、複数の流れの開口がバイパスの中心のまわりに一様に位置付けられてもよく、図１８Ｂに示されるように、毛細管チューブを支持してもよい３３。ここでも、所望の数の直線のおよび／または曲げられた毛細管チューブを収容するために任意の組合せおよび構成の流れの開口部を使用してもよいことを理解されたい。
【００３４】
この発明のいくつかの実施例をここに説明し図示してきたが、当業者には、ここに説明される機能を実行するため、および／または結果または利点を得るための他の手段および構造が容易に思い浮かぶであろう。そのような変形および修正の各々はこの発明の範囲内にあると考えられる。より一般的には、当業者には、ここに説明されるすべてのパラメータ、寸法、材料および構成は例示的なものであり、実際のパラメータ、寸法、材料、および構成は、この発明の教示が使用される特定の用途に応じて異なり得ることが理解されるであろう。当業者は、日常的な実験を使用して、ここに説明される発明の具体的な実施例の多くの均等物を認識するかまたは確認することができる。したがって、上述の実施例は例示にすぎず、請求の範囲およびその均等物内にあり、この発明は、説明される以外の他の態様で実現可能であることが理解される。この発明は、ここに説明される各個々の特徴、システム、材料、および／または方法に向けられる。さらに、２つ以上のそのような特徴、システム、材料、および／または方法の任意の組合せは、そのような特徴、システム、材料、および／または方法が互いに矛盾しない場合に、この発明の範囲内に含まれる。
【００３５】
請求項（および上述の明細書）では、「含む（"comprising"）」、「含む（"including"）」、「含む（"carrying"）」、「有する（"having"）」、「含む（"containing"）」、「伴う（"involving"）」等のすべての移行句は、限定されないこと、すなわち、含むことを意味するがそれに限らないことを理解されたい。United States Patent Office Manual of Patent Examining Proceduresのセクション２１１１．０３に記載されるように、「からなる（"consisting of"）」および「から本質的になる（"consisting essentially of"）」という移行句のみが、それぞれ限定的または半限定的な移行句である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の質量流量コントローラの図である。
【図２】この発明の流量センサ導管およびバイパスを備えた流量センサを含む質量流量コントローラの一実施例の図である。
【図３Ａ】この発明の流体のバイパスハウジング内のバイパスの一実施例の図である。
【図３Ｂ】この発明のバイパスハウジング内のバイパスの別の実施例の図である。
【図３Ｃ】この発明のバイパスハウジング内のバイパスの別の実施例の図である。
【図４Ａ】図３Ａおよび図３Ｂのバイパスハウジングの分解図である。
【図４Ｂ】図３Ｃのバイパスハウジングの分解図である。
【図５Ａ】図３Ａのバイパスの別の図である。
【図５Ｂ】図３Ａのバイパスの別の図である。
【図６】線６−６に沿った図５Ａのバイパスの断面図である。
【図７Ａ】図３Ａのバイパスの一実施例の図である。
【図７Ｂ】線７Ｂ−７Ｂに沿った図７Ａのバイパスの断面図である。
【図８】図７Ｂのバイパスの端面図である。
【図９】図７Ｂのバイパス内に位置付けられる毛細管チューブの端面図である。
【図１０】この発明のバイパスの別の実施例の図である。
【図１１】図１０のバイパスの断面図である。
【図１２】図１０のバイパスの端面図である。
【図１３】図１０のバイパスの他の実施例の端面図である。
【図１４Ａ】この発明のバイパスの他の実施例の端面図である。
【図１４Ｂ】この発明のバイパスの他の実施例の端面図である。
【図１５】この発明のバイパスの別の実施例の端面図である。
【図１６】毛細管チューブおよび流れの絞りを備えたバイパス開口部の一実施例の端面図である。
【図１７Ａ】バイパスハウジングの一実施例の端面図である。
【図１７Ｂ】バイパスハウジングの別の実施例の端面図である。
【図１７Ｃ】バイパスハウジングの別の実施例の端面図である。
【図１８Ａ】流れの絞りおよび毛細管チューブを示す図１７Ｂのハウジングの端面図である。
【図１８Ｂ】流れの絞りおよび毛細管チューブを示す図１７Ｃのハウジングの端面図である。
【図１９】図１８Ａの毛細管チューブおよび流れの絞りの端面図である。
【図１】
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【図２】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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