(57)【要約】  熱質量流量制御装置(１００)は、センサ組立体(１０２)とバルブ組立体(１０４)と質量流量制御装置ハウジング(１０８)とを含んでいる。熱グラウンド(１４８)が、質量流量制御装置ハウジング(１０８)とセンサ組立体(１０２)との間の伝導性熱路を限定し、そして、熱グラウンド(１４８)の限定された断面により、センサ組立体(１０２)における、外部から負わせられる温度勾配を実質的に排除する。制御装置(１００)は、熱放散エレメントをも備えており、この熱放散エレメントは、バルブ組立体から、センサ組立体から離れる方向への路に沿って、熱エネルギを導く。
2005514613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱質量流量制御装置ハウジングであって、
ａ）バイパス・チューブを取り囲んでいる第１チャンバであって、第２チャンバを装着する壁部を備えているものと、
ｂ）センサ・チューブを取り囲んでいる第２チャンバであって、第１チャンバの前記壁部へ装着する壁部を備えており、両方の壁部は、バイパス・チューブへのアクセスをセンサ・チューブにもたらすべく、それらを貫通して形成されている入力孔及び出力孔を備えている、ものと、
ｃ）第１チャンバと第２チャンバとの間に形成されている熱グラウンドであって、第１チャンバと第２チャンバとの間の全熱伝導路を実質的に構成しているものと、
ｄ）第２チャンバの少なくとも部分との伝導性熱接触状態にある伝導性熱エレメントであって、第２チャンバ内からの熱エネルギを第１チャンバから離れる方向へ導くべく形成されているものと、
を具備している熱質量流量制御装置ハウジング。
【請求項２】
熱グラウンドが、入力孔と出力孔との間に位置させられている請求項１に記載の熱質量流量制御装置ハウジング。
【請求項３】
伝導性熱エレメントが、第２チャンバを実質的に取り囲んでいる請求項１に記載の熱質量流量制御装置ハウジング。
【請求項４】
熱グラウンドが、入力孔と出力孔との間の実質的に中間に位置させられている請求項２に記載の熱質量流量制御装置ハウジング。
【請求項５】
熱グラウンドが、第１チャンバと第２チャンバとの間の、長方形の断面の伝導性熱接触体を提供している請求項４に記載の熱質量流量制御装置ハウジング。
【請求項６】
伝導性熱エレメントが、実質的に第１チャンバに面している１つ以上の外面と、実質的に第１チャンバから離れる方向へ面している１つ以上の外面とを備えており、且つ、実質的に第１チャンバから離れる方向へ面している１つ以上の外面が、第１チャンバから離れる方向への熱エネルギの流れを加速させる構造物を備えている請求項３に記載の熱質量流量制御装置ハウジング。
【請求項７】
熱グラウンドが、第１チャンバと第２チャンバとの間の、円形の断面の伝導性熱接触体を提供している請求項４に記載の熱質量流量制御装置ハウジング。
【請求項８】
第１チャンバと第２チャンバとを実質的に包囲しているエンクロージャを更に具備しており、熱伝導性エレメントが、前記エンクロージャとの伝導性熱接触をすべく構成されている請求項１に記載の熱質量流量制御装置ハウジング。
【請求項９】
熱伝導性エレメントが、高熱伝導性材料から成っている請求項４に記載の熱質量流量制御装置ハウジング。
【請求項１０】
熱質量流量制御装置であって、
ａ）導管を通る流体の流量を制御する制御バルブ組立体であって、熱質量流量制御装置ハウジングとの熱伝導性連通状態にあるものと、
ｂ）導管を通る流体の流量を導管の第１領域と第２領域との間の温度における差の関数として検知し且つ制御信号を前記流体の流量の関数として発生するセンサ組立体であって、前記質量流量制御装置ハウジングとの熱伝導性連通状態にあるものと、
ｃ）バルブ組立体とセンサ組立体との間に形成されている熱グラウンドであって、センサ組立体とバルブ組立体との間の全熱伝導路を実質的に構成しているものと、
ｄ）第２チャンバの少なくとも部分との伝導性熱接触状態にある伝導性熱エレメントであって、第２チャンバ内からの熱エネルギを第１チャンバから離れる方向へ導くべく形成されているものと、
を具備している熱質量流量制御装置。
【請求項１１】
熱センサが、前記導管用の入力孔及び出力孔を備えていると共に、前記熱グラウンドが、前記入力孔と前記出力孔との間に位置させられている請求項１０に記載の熱質量流量制御装置。
【請求項１２】
熱グラウンドが、入力孔と出力孔との間の実質的に中間に位置させられている請求項１１に記載の熱質量流量制御装置。
【請求項１３】
熱グラウンドが、前記センサ組立体と前記質量流量制御装置ハウジングとの間の、長方形の断面の伝導性熱接触体を提供している請求項１２に記載の熱質量流量制御装置。
【請求項１４】
熱グラウンドの主軸が、質量流量センサの動作セクションによって定められる軸に直交している請求項１３に記載の熱質量流量制御装置。
【請求項１５】
質量流量センサの動作セクションによって定められる軸が、前記入力孔と前記出力孔との間のラインによっては定められない請求項１４に記載の熱質量流量制御装置。
【請求項１６】
伝導性熱エレメントが、第２チャンバを実質的に取り囲んでいる請求項１０に記載の熱質量流量制御装置。
【請求項１７】
伝導性熱エレメントが、実質的に第１チャンバに面している１つ以上の外面と、実質的に第１チャンバから離れる方向へ面している１つ以上の外面とを備えており、且つ、実質的に第１チャンバから離れる方向へ面している１つ以上の外面が、第１チャンバから離れる方向への熱エネルギの流れを加速させる構造物を備えている請求項１１に記載の熱質量流量制御装置。
【請求項１８】
第１チャンバと第２チャンバとを実質的に包囲しているエンクロージャを更に具備しており、熱伝導性エレメントが、前記エンクロージャとの伝導性熱接触をすべく構成されている請求項１０に記載の熱質量流量制御装置。
【請求項１９】
熱伝導性エレメントが、高熱伝導性材料から成っている請求項１１に記載の熱質量流量制御装置。
【請求項２０】
第２チャンバの外面が、実質的に円筒状であり、且つ、熱伝導性エレメントの内面が、実質的に円筒状であると共に、それぞれ、実質的に、外面全体と内面全体との間の伝導性熱接触を促進するサイズのものである請求項１３に記載の熱質量流量制御装置。
【請求項２１】
熱伝導性エレメントが、第２チャンバの外面と一体である請求項１０に記載の熱質量流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願〕
発明者がジェシ・アンブロジーナ及びイサオ・スズキである、「熱質量流量センサの熱隔離のための方法及び装置」と題されている特許出願(代理人整理番号ＭＫＳ−９２)と、発明者がジェシ・アンブロジーナ及びアリ・シャジイである、「熱質量流量センサにおける熱放散のための方法及び装置」と題されている特許出願(代理人整理番号ＭＫＳ−９３)とであって、本出願と同じ譲受人へ譲渡され且つ本出願と同一の日付けで出願されたものは、それらの全体を引用することにより、本明細書に組み入れられている。
【０００２】
〔発明の分野〕
本発明は、質量流量測定システムに関し、より具体的には、そうでないならば質量流量センサに負わせられるかも知れないところの温度勾配を実質的に排除する質量流量センサ・ハウジングに関する。
【０００３】
［発明の背景］
毛管熱質量流量センサは、薄板製のチューブの壁から、このチューブ内を流れる流体への熱伝達が、流体の質量流量、流体温度と壁温との間の差、及び流体の比熱の関数である、という事実を利用している。質量流量制御装置は、種々の質量流量センサ構成を採用している。例えば、一のタイプの構造体は、ステンレス鋼の流れチューブであって、このセンサ・チューブとの熱伝導性接触状態にある２つ以上の抵抗素子を備えているものを含んでいる。抵抗素子は、通常、大きい温度係数の抵抗を有している材料から成っている。素子の各々は、加熱器、検出器、又はそれら両方として機能し得る。１つ以上の素子が、チューブを通る流体の流れに熱を供給すべく、電流で付勢される。加熱器が一定の電流を供給されるならば、チューブを通る流体の質量流量は、素子における温度差から演繹され得る。流体の質量流量は、また、加熱器を流れる電流を変化させて一定の温度分布を維持することによっても演繹され得る。
【０００４】
そのような熱質量流量センサは、質量流量制御装置へ取着され得、この場合、制御装置のバイパス・チューブからの流体が、毛管(本明細書においてはセンサ・チューブとも呼ばれている)に供給される。質量流量測定は抵抗素子に対する流体の温度作用に依存するので、抵抗素子に分け与えられる外因性示差温度は、質量流量の測定において誤差を生じさせ得る。不幸なことに、熱質量流量センサは、しばしば、外因性温度勾配がそれらに負わせられ得るかも知れないところの環境で作動させられる。例えば、熱質量流量センサは、バルブ・コイルに極めて近接した位置で作動させられ得、そのバルブ・コイルは、それが作動する際に、かなりのパワーを散逸する。バルブ・コイルの作動によって発生された熱は、質量流量制御装置ハウジングによってもたらされるような伝導性熱路を介して、質量流量センサへ伝えられ得る。このようにして伝えられた熱は、温度勾配を質量流量センサ・ハウジングに負わせ得、その質量流量センサ・ハウジングは、順次、外因性温度勾配をセンサの抵抗素子に負わせ、これにより、質量流量測定における誤差が、生じる。
【０００５】
従って、外部から負わせられる温度勾配を実質的に排除する質量流量センサは、非常に望ましいであろう。
【０００６】
［発明の概要］
本発明の原理に従う質量流量センサにおいては、質量流量センサ・ハウジングは、底板を介して質量流量制御装置へ取着される。質量流量センサは、質量流量センサ・ハウジング内に、所定の軸に沿って向けられている質量流量センサ・チューブを備えている。底板は、センサ・ハウジングと一体であってよく、又は、それは、例えば螺刻されている通し孔及びボルトのような種々の取着手段のいずれかにより、ハウジングに取着されていてもよい。底板は、質量流量制御装置とセンサとの間の熱路を提供すべく構成されており、これにより、センサと制御装置ハウジングとが、実質的に同じ平均温度に維持される。更に、底板によって提供されている熱路は、そうでないならば質量流量制御装置ハウジングとの熱伝導性接触を通して質量流量センサ・ハウジングに負わせられるかも知れないところの温度勾配を実質的に低減させ又は排除すべく構成されている。
【０００７】
説明用実施形態においては、センサ・ハウジングは、質量流量センサ・ハウジングと質量流量制御装置ハウジングとの間に熱グラウンドを確立している。熱グラウンドは、センサ・ハウジングの設置断面積よりも著しく小さい断面積を特徴としている。熱グラウンドの断面は、円形、長方形又は他の幾何学的形状を有し得る。熱グラウンドは、質量流量センサ・ハウジングの全平均温度と質量流量制御装置ハウジングの全平均温度とを実質的に同じレベルに維持するに十分な熱路を提供する。更に、熱グラウンドは、流量センサ・チューブの中間点と実質的に一致しているセンサ・ハウジングの領域内に位置させられている。熱グラウンドによって生成される熱路は、センサ・ハウジングの平均温度と質量流量制御装置ハウジングの平均温度とを実質的に等しく維持するに十分である。
【０００８】
質量流量制御装置ハウジングの平均温度における変化と質量流量センサ・ハウジングの平均温度における対応している変化との間の許容可能な遅れ時間は、質量流量の読みの正確度に影響を与える設計選択事項である。許容され得る遅れ時間(所定の温度シフトに対する)を仮定するならば、対応する熱流値が、計算され得る。そして、熱流値は、熱グラウンドの材料に対して要求される熱伝導率及び断面積を決定すべく使用され得る。流量センサ・ハウジングを横切る温度勾配が確立する可能性を最小にすべく、熱グラウンドの断面積は、最小にされている。即ち、アルミニウムのような使い易い構造材料の場合、熱グラウンドの断面積は、熱質量流量センサ・ハウジングと熱質量流量制御装置ハウジングとの間の温度差を排除するに十分に大きくなければならないが、その一方で、熱グラウンドの断面を横切る温度勾配の確立を防止するに十分に小さくなければならない。
【０００９】
説明用実施形態においては、質量流量センサ・ハウジングは、長方形の断面を有している熱グラウンドを備えている。熱グラウンドは、流量センサ・チューブの軸に直角に向けられていると共に、センサ・チューブの入力孔と出力孔との間の実質的に中間に位置させられている。本発明の原理に従う質量流量センサ・ハウジングは、差動電流熱質量流量変換器のような質量流量センサと共に使用されるのに特に良く適している。熱グラウンドは、質量流量センサに対する熱グラウンドの位置の比較的容易な調節を可能にする遣り方で形成され得る。そのような実施形態においては、質量流量センサの位置は、質量流量センサの熱クランプの影響を「ゼロ」にすべく調節され得る。
【００１０】
更に、本発明の原理に従う質量流量制御装置は、センサ組立体と、バルブ組立体と、質量流量制御装置ハウジングとを備えており、その質量流量制御装置ハウジングには、バルブ組立体とセンサ組立体とが、取着されている。熱伝導性エレメントが、バルブ組立体からの熱を、センサ組立体から離れる方向へ導き、これにより、センサ組立体への熱の管理されていない寄与が、低減させられる。説明用実施形態においては、質量流量制御装置は、センサ組立体とバルブ組立体とを実質的に包囲している熱伝導性エンクロージャを備えている。熱伝導性エレメントは、バルブ組立体を実質的に取り囲んでおり且つこのバルブ組立体との熱伝導性接触をしており、同時に、エンクロージャとの十分な伝導性熱接触をしている。
【００１１】
エンクロージャを備えていない実施形態においては、熱伝導性エレメントは、バルブ組立体内からの熱エネルギの散逸を加速させる１つ以上の表面上に構造体を備え得る。そのような構造体は、熱伝導性エレメントの、センサ組立体に面していない、１つ以上の外面に位置させられるフィンを含み得る。熱伝導性エレメントは、アルミニウムのような、高熱伝導性材料から成り得る。説明用実施形態においては、熱伝導性エレメントは、バルブ組立体と一体である。即ち、この説明用実施形態においては、バルブ組立体の外壁は、熱エネルギを質量流量制御装置のセンサ組立体から離れる方向へ導くべく形成されている。
【００１２】
本開示のこれらの及び他の利点は、当業者に、添付されている図面の図に示されている好適な実施形態の以下の詳細な記載を読んだ後には、より明らかになるであろう。説明の利便性のために、図の中の要素は、正しい縮尺で描かれていないこともあり得る。
【００１３】
［開示の詳細な記載］
本発明の原理に従う質量流量制御装置は、質量流量センサ組立体とバルブ組立体とを備えている。説明用実施形態においては、質量流量センサ組立体は、質量流量制御装置ハウジングに取着されていると共に、熱グラウンドを備えており、この熱グラウンドは、質量流量制御装置ハウジングと質量流量センサとの間の温度勾配を最小にすべく構成されている。熱グラウンドは、また、外部から負わせられる温度勾配であって、質量流量センサに沿うものを最小にすべく構成されている。熱グラウンドは、センサ・ハウジングの設置断面積よりも著しく小さい断面積を特徴としている。熱グラウンドの断面は、円形、長方形又は他の幾何学的形状を有し得る。熱グラウンドは、質量流量センサ・ハウジングの全平均温度と質量流量制御装置ハウジングの全平均温度とを実質的に同じレベルに維持するに十分な熱路を提供する。更に、熱グラウンドは、流量センサ・チューブの中間点と実質的に一致しているセンサ・ハウジングの領域内に位置させられている。説明用の質量流量制御装置のバルブ組立体は、ヒートシンクを備えており、このヒートシンクは、バルブ組立体ハウジングに取着されていると共に、周囲大気への低熱インピーダンス路であって、バルブ組立体内でのバルブの作動を通して発生した熱を放散させるためのものを提供する。
【００１４】
図１の断面図は、本発明の原理に従う質量流量制御装置の主要な部品を示している。質量流量制御装置１００は、熱質量流量センサ組立体１０２と、バルブ組立体１０４とを備えている。バルブ組立体１０４は、質量流量センサ回路によって発生される制御信号に応答してガスの流量を制御すべく、質量流量制御装置ハウジング１０８に接続されており、その質量流量センサ回路は、図４に関する議論において概括的に記載される。質量流量制御装置１００は、計量されるべきガスの流れを受容する入口１０６を備えている。プロセス・ガスは、入口１０６を通って質量流量制御装置に入り、そして、バルブ付き開口部１１０を通ってバイパス・チャンネル１１２へ移動する。バルブ１１４は、質量流量センサ及び関連している回路の制御下で作動し、もって、精密に計量された量のプロセス・ガスが、入口ポート１０６内へ入り、制御装置を通り、そして、集積回路の製造において採用され得るような処理用途のために、出口ポート１１６から出て行く。バイパス・チャンネル１１２は、ガス流を受容し且つ運ぶべく、入口ポート１０６に接続されている。
【００１５】
層流エレメント１１８が、チャンネル１１２内に存在しており、熱質量流量センサ１０２を横切る圧力降下をもたらし、且つ熱質量流量センサ１０２のセンサ・チューブ１２０を通るようにガスの一部を強要する。質量流量センサは、制御装置１００を通るガスの流量を検知する回路を備えていると共に、バルブ組立体１１４の動作を制御する。質量流量センサ組立体１０２は、質量流量制御装置の壁部１２２に取着されており、その壁部１２２は、バイパス・チャンネル１１２の境界部を形成している。壁部１２２における入力孔１２４及び出力孔１２６が、質量流量制御装置１００を通って移動するガスに、質量流量センサ組立体１０２へのアクセスをもたらす。この説明用実施形態においては、質量流量センサ組立体１０２は、壁部１２２への取り付け用の底板１２８を備えている。底板１２８は、例えば螺刻されている孔と螺合するボルトとの組合せを用いて、壁部とセンサ組立体の残りの部分とに取着され得る。センサ・チューブ１２０の入力脚部１３０及び出力脚部１３２が、底板１２８のそれぞれの入力孔１３４及び出力孔１３６を貫通して、そして、孔１２４及び１２６を介して質量流量制御装置壁部１２２を貫通して延びている。
【００１６】
質量流量センサ組立体は、頂部セクション１３８及び底部セクション１４０であって、結合されると、熱クランプ１４１を形成するものを備えており、その熱クランプ１４１は、センサ・チューブ活性領域(即ち、センサ・チューブと熱接触状態にある抵抗素子の両極端部によって画定されている領域)の両端部を、実質的に同じ温度に保持する。熱クランプは、また、センサ・チューブ１２０の活性領域の周りにチャンバ１４２を形成している。即ち、チャンバ１４２内の質量流量センサ・チューブのセグメントは、このセグメントとの熱連通状態にある２つ以上の抵抗素子１４４,１４６を有しており、各抵抗素子は、加熱器、検出器、又はそれら両方として機能する。１つ以上の抵抗素子が、流体がチューブ１２０を通って流れる際にその流体に熱を供給すべく、電流で付勢される。
【００１７】
熱クランプ１４１であって、通常、センサ・チューブの熱伝導性と関連している高い熱伝導性によって特徴付けられている材料で作られているものは、抵抗素子１４４の直ぐ下流にあるセンサ・チューブの部分及び抵抗素子１４６の直ぐ上流にあるセンサ・チューブの部分との良好な熱伝導性接触をしている。これにより、熱クランプは、抵抗素子１４４及び１４６並びにセンサ・チューブ１２０を取り囲み且つ保護する。更に、熱クランプ１４１は、それが周囲温度において又は周囲温度近傍において接触するところのセンサ・チューブのそれらの部分を熱的に「固定」する。温度差に起因する微小な誤差をも排除するために、センサ・チューブは、熱クランプ内において移動させられ得、もって、２つのコイルの抵抗の間の差異は、センサ・チューブを通る流体の流れのためであり、環境からコイル上に負わせられた温度勾配のためではない、ということが、保証される。本発明の原理に従い、センサ・チューブを取り囲んでいるチャンバ(この説明用実施形態における熱クランプ)は、熱グラウンド１４８を介して、質量流量制御装置と接触している。熱グラウンドは、例えば、図示されているように、熱クランプ１４１と底板１２８との間に、及び/又は底板１２８と制御装置ハウジング壁部１２２との間に形成され得る。熱グラウンドは、例えば、制御装置ハウジング壁部と、底板と、又は熱クランプと一体であってよい。あるいは、熱グラウンドは、熱センサ組立体と制御装置ハウジングとの間に位置させられている、別体に形成されている熱伝導性エレメントであってもよい。
【００１８】
図２の説明用実施形態においては、ヒートシンク１５０が、バルブ組立体１０４のハウジング１５２との良好な熱連通状態で取着されている。バルブ１１４の作動中にソレノイドによって散逸させられるパワーは、かなりの量の熱を発生させ得、その熱は、質量流量制御装置ハウジング１０８を通って移動して、センサ組立体１０２上へ外因性温度勾配を付加し得る。センサの抵抗素子１４４及び１４６上に付加される、そのような外因性温度勾配は、センサ・チューブを通る質量流量の決定において誤差を生じさせ得る。即ち、センサ・チューブ１２０を通って流れる流体の質量を測定するための温度勾配を確立するのに、熱質量流量センサは、チューブ１２０を通って流れる流体の性向を当てにしているので、外部から負わせられる温度勾配は、誤った読みをもたらすであろう。この説明用実施形態においては、ヒートシンク１５０は、バルブ組立体の本体１５２を実質的に包囲していると共に、熱を本体１５２から離れる方向へ導く。
【００１９】
ヒートシンク１５０が大気へ開放している実施形態においては、バルブ組立体の本体１５２から離れる方向への且つセンサ組立体１０２から離れる方向への熱の移送を増大させるべく、フィン(図示せず)のような構造物が、ヒートシンクに加えられ得る。即ち、フィンが、ヒートシンク１５０の、センサ組立体１０２に面していない、１つ以上の側部に加えられ得、もって、センサ組立体１０２及びバルブ組立体１０４の両方から離れる方向への対流熱移送及び放射熱移送が、増大させられる。図５及び図７に関する議論において記載されている説明用実施形態においては、ヒートシンク１５０は、センサ組立体１０２とバルブ組立体１０４とを取り囲んでいる制御装置ハウジングとの熱伝導性接触をすべく、延在している。そのような実施形態においては、平滑面のヒートシンク１５０が、制御装置ハウジングとのより大きい面接触をもたらし、これにより、バルブ組立体１０４からの放散熱用の、より十分な熱伝導路を提供する。図３の説明用実施形態に示されているような、本発明の原理に従う質量流量制御装置は、そうでないならば質量流量センサ１０２の動作を害するかも知れないところの温度勾配を実質的に排除する、ヒートシンク１５０及び熱グラウンド１４８の両方を採用している。
【００２０】
図４は、本発明の原理に従う質量流量センサの実施形態をより詳細に示している。バイパス・チューブ１１２、層流エレメント１１８、上流の抵抗素子１４６及び下流の抵抗素子１４４は、上述した通りである。頂部１３８及び底部１４０を含んでいる熱クランプ１４１の構成と、この熱クランプのセンサ・チューブ１２０との熱伝導性連通状態とが、ここに、より詳細に図示されている。センサ・チューブ１２０が、その動作セグメントの各端部において、そのチューブの円周全体の周りで、熱クランプ１４１によって実質的に取り巻かれており且つこの熱クランプ１４１との伝導性熱接触状態にある、ということを、センサ・チューブ１２０の破線は、指示している。センサ・チューブの動作セグメントは、説明の目的で、センサ・チューブのセグメントであって、熱クランプの上流脚部１５４と下流脚部１５６との間に配置されているものとして定義される。
【００２１】
バイパス・チューブ１１２の一方の端部１１９が、入力ポートを画成していると共に、バイパス・チューブ１１２の他方の端部が、出力ポート１２１を画成しており、もって、流体は、矢印によって指示されている下流方向において、入力ポートから出力ポートへ流れ得る。層流エレメント１１８は、チューブを通る流体の流れを制限すべく、バイパス・チューブ内に配置されている。センサ・チューブの上流端部は、入力ポートと層流エレメントとの間でバイパス・チューブに連結している。センサ・チューブの下流端部は、層流エレメントと出力ポートとの間でバイパス・チューブに連結しており、流体の全質量のうちの一定の割合が、センサ・チューブを通って、入力ポートから出力ポートへ流れる。センサ・チューブは、毛管の寸法のものであってよく、そして、鋼のような、流体の熱伝導性と比較して相対的に高い熱伝導性によって特徴付けられている材料で作られている。
【００２２】
抵抗素子１４４及び１４６の各々は、センサ・チューブ１２０のそれぞれの部分の周りに捲回されている熱感受性抵抗導体から成っており、それらの導体の連続している各ターンは、前のターンに近接して置かれている。それぞれの素子の各々は、センサ・チューブ１２０の動作セグメントによって定められる軸ＡＸ１に沿うセンサ・チューブ１２０のそれぞれの部分に沿って、延びている。下流の抵抗素子１４４は、抵抗素子１４６の下流に配置されている。これらの素子は、互いに当接しており、又は、製造利便性のために、小さい間隙によって分離させられ且つチューブの中央において電気的に接続されている。各抵抗素子は、それの温度の関数として変化する電気抵抗をもたらす。各抵抗素子の温度は、それの抵抗導体を流れる電流とセンサ・チューブ内の質量流量との関数として変化する。このようにして、抵抗導体の各々は、加熱器及びセンサの両方として動作する。即ち、素子は、この素子を流れる電流の関数として熱を発生する加熱器として機能し、同時に、素子は、この素子の温度がそれの抵抗の関数として測定されるのを可能にするセンサとして機能する。質量流量センサ１０２は、抵抗素子１４６及び１４４にエネルギを供給すべく、典型的にはホイートストンブリッジ構成における、種々の電気回路のいずれをも採用し得、もって、素子における抵抗の変化に依存する温度が、従って、チューブ１２０を通過する流体の質量流量が、測定される。この目的で採用される回路は、例えば、Ｈｉｎｋｌｅ外に対して発行された米国特許第５,４６１,９１３号及びＳｕｚｕｋｉに対して発行された米国特許第５,４１０,９１２号であって、共に、それらの全体を引用することによって本明細書に組み入れられているものに、開示されている。
【００２３】
動作時において、流体が、入力ポート１１９から出力ポート１２１へ流れ、そして、流体の一部が、制限的な層流エレメント１１８を通って流れる。残りの流体は、センサ・チューブ１２０を通って流れる。回路(図示せず)が、抵抗素子１４４及び１４６を電流が流れることを引き起こし、もって、抵抗素子１４４及び１４６は、熱を発生し、その熱をセンサ・チューブ１２０へ、これにより、センサ・チューブ１２０を通って流れる流体へ加える。下流の抵抗素子１４４によって取り囲まれているセンサ・チューブ１２０の部分に流体が到達する前に、上流の抵抗素子１４６は熱を流体へ伝達するので、流体は、下流の抵抗素子１４４からよりも、より多くの熱を上流の抵抗素子１４６から奪う。２つの抵抗素子から奪われた熱の量における差は、センサ・チューブ内の流体の質量流量に、拡張すると、入力ポートから出力ポートを通って質量流量制御装置を通過する全質量流量に比例する。回路は、それぞれの抵抗を検知することにより、その差を測定し、センサ・チューブを通る質量流量を表す出力信号を発生する。
【００２４】
底板１２２は、センサ組立体と一体であってよく、又は、それは、例えば螺刻されている通し孔及びボルトのような、種々の取着手段のいずれかにより、組立体へ取着されてもよい。底板１２２は、センサ組立体１０２と質量流量制御装置１００の残りの部分との間の熱路を提供し、これにより、センサ組立体１０２と質量流量制御装置の残りの部分との平均温度を実質的に同じ平均温度に維持すべく、構成されている。更に、底板によって提供されている熱路は、熱グラウンド１４８の使用を通して、温度勾配を実質的に低減させ又は排除すべく構成されており、さもなければ、温度勾配が、質量流量制御装置ハウジングとの熱伝導性接触を通して、質量流量センサ組立体上へ負わせられるであろう。
【００２５】
特に、熱グラウンド１４８は、センサ組立体１０２の設置断面積よりも著しく小さい断面積を特徴としている。熱グラウンドの断面は、円形、長方形、又は他の幾何学的形状を有し得る。熱グラウンドは、質量流量センサ組立体の全平均温度と質量流量制御装置の残りの部分の全平均温度とを実質的に同じレベルに維持するに十分である熱路を提供する。
【００２６】
この説明用実施形態においては、熱グラウンド１４８は、センサ組立体の領域内に位置させられており、流量センサ・チューブ１２０の中間点と実質的に一致しており、且つセンサ・チューブ１２０の軸ＡＸ１に直交している。その位置は、温度勾配がセンサ・チューブ１２０上へ負わせられないということを確実にすべく、選択されている。しかしながら、他の位置決め構成も、本発明の範囲内で意図されている。例えば、Ｍａｇｉｎｎｉｓ，Ｊｒ．へ発行された米国特許第５,６９３,８８０号であって、それの全体を引用することによって本明細書に組み入れられているものに非常に詳細に記載されているように、熱流量センサの正確度は、熱クランプの脚部１５６及び１５４に対するチューブ/抵抗素子組立体の位置に敏感であり得る。米国特許第５,６９３,８８０号において議論されている、熱クランプに関連する位置決め問題に起因する小さい差異を「ゼロ」にすべく、説明用実施形態においては、熱バランスを取るべく努力してセンサ・チューブ１２０を移動させるよりも寧ろ、熱グラウンド１４８が、位置決めされ得る。そのようなバランスを取ることを容易にするために、熱グラウンド１４８は、例えば、拘束シム、熱クランプの下部セクション１４０へ又は底板１２８へグラウンド１４８を摺動可能に取着するための１つ以上のスロットを備えていてもよい。
【００２７】
センサ組立体の平均温度を質量流量制御装置の残りの部分と実質的に同じ平均温度に保つことにおける、熱グラウンドの一の有効性は、制御装置の平均温度における変化と質量流量センサ組立体１０２の平均温度における対応している変化との間の遅れ時間である。許容され得る遅れ時間は、質量流量の読みの正確度に影響を与え得る設計選択事項である。許容され得る遅れ時間(所定の温度シフトに対する)を仮定するならば、対応する熱流値が、計算され得る。そして、熱流値は、熱グラウンドの材料に対して要求される熱伝導率及び断面積を決定すべく使用され得る。流量センサ・ハウジングを横切る温度勾配が確立する可能性を最小にすべく、熱グラウンドの断面積は、最小にされている。即ち、アルミニウムのような使い易い構造材料の場合、熱グラウンドの断面積は、熱質量流量センサ組立体と熱質量流量制御装置ハウジングとの間の温度差を排除するに十分に大きくなければならないが、その一方で、熱グラウンドの断面を横切る温度勾配の確立を防止するに十分に小さくなければならない。説明用実施形態においては、センサ組立体の断面積と熱グラウンドの断面積との比は、少なくとも２対１である。
【００２８】
図５の斜視図は、前述したセンサ組立体及びバルブ組立体の外観図を与えている。バルブ組立体は、ヒートシンク１５０を備えており、このヒートシンク１５０は、バルブ組立体１５２とヒートシンク１５０と図７に関する議論において記載されるべき外部カバーとの間の十分な熱路を提供すべく形成されている。入口ポート１０６及び出口ポート１１６は、前述されている。センサ組立体１０２は、頂部熱クランプ部品１３８及び底部熱クランプ部品１４０であって、底板１２８を介して制御装置組立体の壁部に取着されているものを備えている。底板１２８は、ボルト１６０により、所定の位置に保持されている。質量流量制御装置エレクトロニクス(図示せず)が、金属フランジ１６２により、制御装置に取着される。ヒートシンク１５０の外面は、制御装置エンクロージャの内面との伝導性接触をする。この説明用実施形態においては、ヒートシンクの少なくとも３つの外面が、熱伝導性エンクロージャとの熱伝導性接触をし、ヒートシンクの３つの外面は、図７の検討から明らかになろう。
【００２９】
図６の斜視図は、センサ組立体１０２のより詳細な外観図を提供している。この説明用実施形態においては、熱グラウンド１４８は、センサ・チューブの軸に直交している長方形の断面のものであり、底板１２８に形成されている。図７の斜視図は、本発明の原理に従う質量流量制御装置組立体の図を示しており、この質量流量制御装置組立体においては、熱伝導性エンクロージャ１６４が、前述のように、バルブ組立体とセンサ組立体とを包囲している。バルブ組立体との伝導性熱接触をしているヒートシンクは、エンクロージャ１６４との熱接触をもし得る。やはり、エンクロージャも、エンクロージャの内部と外部との間の熱交換を加速させるべく、フィンのような構造物を組み込み得る。
【００３０】
本開示の具体的な実施形態が図示され且つ記載されてきたが、多数の変形及び変更が当業者に見出されるであろうということは、認識されよう。従って、添付されている請求項は本開示の精神及び範囲内に入る全てのそれらの変形及び変更を包含している、ということが、意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の原理に従う質量流量制御装置であって、質量流量センサ組立体と質量流量制御装置ハウジングとの間の熱グラウンドを採用しているものの断面図である。
【図２】本発明の原理に従う質量流量制御装置であって、質量流量制御装置バルブ組立体と熱伝導性質量流量制御装置エンクロージャとの間に熱伝導路を提供するヒートシンクを採用しているものの断面図である。
【図３】本発明の原理に従う質量流量制御装置であって、質量流量センサ組立体と質量流量制御装置ハウジングとの間の熱グラウンドと、質量流量制御装置バルブ組立体と熱伝導性質量流量制御装置エンクロージャとの間に熱伝導路を提供するヒートシンクとを採用しているものの断面図である。
【図４】本発明の原理に従う質量流量センサ組立体の部分概念ブロック及び部分断面図である。
【図５】本発明の原理に従う質量流量制御装置の外観の斜視図である。
【図６】本発明の原理に従う質量流量制御装置組立体の外観の斜視図である。
【図７】本発明の原理に従う質量流量制御装置であって、熱伝導性エンクロージャを備えているものの外観の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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