(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスフローセンサ管の周囲に加熱と温度検出を兼ねる１本のコイルが巻かれており、被測定流体の加熱前の温度と略同一の周囲温度とコイル温度との温度差と、コイルに供給した電力又は電圧から流量を演算する質量流量計において、
前記温度差が、前記周囲温度の関数として変化し、コイルに供給される前記電圧が前記周囲温度により影響を受けないように前記コイル温度が制御されることを特徴とする質量流量計。
【請求項２】
マスフローセンサ管の周囲に加熱と温度検出を兼ねる１本のコイルが巻かれており、被測定流体の加熱前の温度と略同一の周囲温度を検知する温度センサと、該温度センサに接続された周囲温度検出回路と、コイル温度を検出するコイル温度検出回路と、コイル温度を制御するコイル加熱回路と、流量演算回路を有し、該流量演算回路は周囲温度とコイル温度との温度差と、コイルに供給した電力又は電圧を基に流量を演算する質量流量計において、
前記温度差が、前記周囲温度の関数として変化し、コイルに供給される前記電圧が前記周囲温度により影響を受けないように前記コイル温度が制御されることを特徴とする質量流量計。
【請求項３】
マスフローセンサ管の周囲に加熱と温度検出を兼ねる並列接続された複数本のコイルが巻かれており、被測定流体の加熱前の温度と略同一の周囲温度とコイル温度との温度差と、コイルに供給した電力又は電圧から流量を演算する質量流量計において、
前記温度差が、前記周囲温度の関数として変化し、コイルに供給される前記電圧が前記周囲温度により影響を受けないように前記コイル温度が制御されることを特徴とする質量流量計。
【請求項４】
マスフローセンサ管の周囲に加熱と温度検出を兼ねる並列接続された複数本のコイルが巻かれており、被測定流体の加熱前の温度と略同一の周囲温度を検知する温度センサと、該温度センサに接続された周囲温度検出回路と、コイル温度を検出するコイル温度検出回路と、コイル温度を制御するコイル加熱回路と、流量演算回路を有し、該流量演算回路は周囲温度とコイル温度との温度差と、コイルに供給した電力又は電圧を基に流量を演算する質量流量計において、
前記温度差が、前記周囲温度の関数として変化し、コイルに供給される前記電圧が前記周囲温度により影響を受けないように前記コイル温度が制御されることを特徴とする質量流量計。
【請求項５】
前記周囲温度を検知する温度センサは前記被測定流体の加熱前の温度と略同一温度となる伝熱ブロックに取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の質量流量計。
【請求項６】
前記温度差と、前記周囲温度との関係がΔＴ＝（Ｔｓo−Ｔａo）（１＋αＴｓo）（１−αＴａ）となるように制御されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の質量流量計。
尚、上式においてΔＴは前記コイル温度と前記周囲温度との前記温度差、Ｔａは前記周囲温度、Ｔａoは基準となる周囲温度、ＴｓoはＴａoのときの加熱・感熱コイルの温度、αはコイルの抵抗の温度の温度係数である。
【請求項７】
分流を有していないことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の質量流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は質量流量計に関するものであり、特に分流（バイパス）がなくとも大きな流量を測定可能な質量流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
質量流量計（マスフローメータ）は超ＬＳＩ等の半導体の製造工程や、各種工業における製造工程において、気体や液体の質量流量を計測するのに用いられている。
【０００３】
熱式質量流量計の基本原理は、導管内に測定すべき流体（気体又は液体）を流し、ヒーターで導管内の流体を直接又は間接的に加熱し、上流における周囲温度とコイル温度との差と、下流における周囲温度とコイル温度との差を検出して、（又は上流において奪われた熱量と上流において奪われた熱量との差を検出して、）それを比較することにより流量を求めている。
【０００４】
しかし、この方式では、流量の増加に対してコイルから流体が奪う熱量の変化量が急激に少なくなるため、測定すべき流体の流量が大きいときには、上流と下流の差が少なくなり、正確な質量流量を計測することが困難となる。そのため微小流量の測定にしか適用することができない。
【０００５】
そこで、近年では分流（バイパス）を設けて導管を流れる流体の一部を所定の割合で分岐して、マスフローセンサ管を通過する微小な流体の質量流量を測定し、その計測結果を基に計算及び補正を行って換算することにより、全量の質量流量を算出する分流式の質量流量計が普及している。
【０００６】
図７は分流式の質量流量計の構成の概要を示した図である。マスフローセンサ管(23)を通過する流体と、分流(20)を通過する流体の流量を所定の比率とするために分流(20)にはバイパス素子(22)が備えられている。バイパス素子(22)はマスフローセンサー管(23)と同一又は類似の径を有する細管(21)を数本から数千本束ねた構造のものが一般的である。
【０００７】
感熱素子に電流を流すことにより加熱ヒータとしての役割をも兼ね備えるようにしたため、上流１本，下流１本の計２本の感熱素子(24)，(25)を用いている。今日ではこの方式が質量流量計の基本的かつ標準的構成となっている。
【０００８】
しかしながら、バイパス素子の存在はマスフローセンサ管とバイパス素子の寸法，構造の違いによる流量誤差を招き易く、周囲温度や流体温度の相違によって流量値に影響を受け易い。
【０００９】
また、バイパス素子へのガスの吸着と、それに伴う残留ガスにより半導体製造工程の汚染を招くという問題や、バイパス製造の組立誤差，寸法誤差により装置により流量値に固体差が生じるという問題もある。更には構造の複雑化やコストアップの原因にもなっている。
【００１０】
バイパス素子による弊害は他にもある。
マスフローセンサに対する各流体の感度は夫々異なる値を有するので、質量流量計を製造するに際して各種流体を実際に使用して構成することが精度を維持し、固体差を無くす上では最も望ましい。
【００１１】
しかしながら、実際のガス等を流せば製品内部に一部が残留し、販売先の半導体製造工程の汚染につながる。また、実際のガスは反応性が高く、毒性を有するものも多いので、製造時に常時保管しておくことは安全性の点で問題がある。更には著しいコストアップの原因となる。
【００１２】
そこで、実際のガスの代わりに窒素ガスを使用してここの製品を校正することが一般的となっている。そこで、校正に先立って各種ガスと窒素ガスとのマスフローセンサの感度比を測定し数値データとして管理している。この数値のことを変換係数（コンバージョンファクタ：以下「ＣＦ」と略す）と呼んでいる。そして、製造に際しては窒素ガスを流して各ガス用のＣＦを用いて流量校正をしている。校正後の検査段階において流量が正確に校正されているかどうかを測定するが、このときにも窒素ガスが使用される。
【００１３】
このような構成や検査の後に合格品として顧客に納入され設置されるが、顧客での受入検査や装置始動の段階になって、測定流量が正確ではない又は装置の固体差がある等の不具合が見つかることがある。これは窒素ガスを用いＣＦで変換して校正し、実際のガスを使用していないからである。つまり、ＣＦが正確ではなく、機種間，装置固体間で異なり、流量の大きさが異なることに起因する。
【００１４】
また、マスフローセンサからの流量出力は、一般に周囲温度の変化による影響を受ける。そのために電気回路の中に温度影響を電気的に補正する温度補償回路が設けられていることが多い。温度補償をするには恒温槽の中に製品をセットし、校正用の窒素ガスを流しながら温度を変化させ、基準となる質量流量計により校正する作業が行われる。
【００１５】
その際にバイパス素子とマスフローセンサとの形状，材質，構造，寸法等の違いに起因して流量により温度特性が異なる。したがって、単にデータとしてのＣＦの値を用いて補正しただけでは正確な流量校正値は得られない。したがって、納入先での流量誤差が問題となることがある。
【００１６】
このような問題はバイパス素子を備えた分流を設けたことに起因しているので、可能であれば分流を設けないことが望ましい。分流を用いない方法として、均一に加熱された導管による熱量計式質量流量計がある。これは交流電流を金属製の導管に直接通電することによって、導管を均一に加熱するものである。
【００１７】
この方式では分流の存在に起因する上記したような不都合は生じないが、管に直接電流を流しているためにスパークによる発火事故のおそれがあるため採用されることは少なく、特に安全性を重視する半導体分野においては採用される可能性は極めて低い。
【００１８】
そして、流量が多いと加熱による流体の温度変化が微小となり、検出が困難となるため測定できる流量が少ないという従来からの根本的な問題点が依然解決されていない。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、バイパスの存在に基づく流量測定誤差を解消するために基本的にバイパスを有しない構造で、大きな流量でも計測でき、周囲温度の影響による誤差を生じにくく、しかも安全性が高く安価な質量流量計が求められている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の質量流量計は、マスフローセンサ管(6)の周囲に加熱と温度検出を兼ねる１本のコイル(8)が巻かれており、被測定流体(1)の加熱前の温度と略同一の周囲温度とコイル温度との温度差と、コイル(8)に供給した電力又は電圧から流量を演算する質量流量計において、前記温度差が、周囲温度の関数として変化し、コイルに供給される電圧が周囲温度により影響を受けないようにコイル温度が制御されることを特徴とする。
【００２１】
請求項２の質量流量計は、マスフローセンサ管(6)の周囲に加熱と温度検出を兼ねる１本のコイル(8)が巻かれており、被測定流体(1)の加熱前の温度と略同一の周囲温度を検知する温度センサ(9)と、該温度センサ(9)に接続された周囲温度検出回路(16)と、コイル温度を検出するコイル温度検出回路(17)と、コイル温度を制御するコイル加熱回路(18)と、流量演算回路(19)を有し、該流量演算回路は周囲温度とコイル温度との温度差と、コイル(8)に供給した電力又は電圧を基に流量を演算する質量流量計において、前記温度差が、前記周囲温度の関数として変化し、コイルに供給される電圧が周囲温度により影響を受けないようにコイル温度が制御されることを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項３の質量流量計は、マスフローセンサ管(6)の周囲に加熱と温度検出を兼ねる並列に接続された複数本のコイル(81),(82)が巻かれており、被測定流体(1)の加熱前の温度と略同一の周囲温度とコイル温度との温度差と、コイル(8)に供給した電力又は電圧から流量を演算する質量流量計において、前記温度差が、周囲温度の関数として変化し、コイルに供給される電圧が周囲温度により影響を受けないようにコイル温度が制御されることを特徴とする。
【００２３】
請求項４の質量流量計は、マスフローセンサ管(6)の周囲に加熱と温度検出を兼ねる並列に接続された複数本のコイル(81),(82)が巻かれており、被測定流体(1)の加熱前の温度と略同一の周囲温度を検知する温度センサ(9)と、該温度センサ(9)に接続された周囲温度検出回路(16)と、コイル温度を検出するコイル温度検出回路(17)と、コイル温度を制御するコイル加熱回路(18)と、流量演算回路(19)を有し、該流量演算回路は周囲温度とコイル温度との温度差と、コイル(8)に供給した電力又は電圧を基に流量を演算する質量流量計において、前記温度差が、周囲温度の関数として変化し、コイルに供給される電圧が周囲温度により影響を受けないようにコイル温度が制御されることを特徴とする。
【００２４】
請求項５の質量流量計は、請求項１ないし４のいずれかに記載の質量流量計において、周囲温度を検知する温度センサ(9)は被測定流体(1)の加熱前の温度と略同一温度となる伝熱ブロック(3)に取り付けられていることを特徴とする。
【００２７】
請求項６の質量流量計は、請求項１ないし５のいずれかに記載の質量流量計において、コイル温度と周囲温度との温度差と、周囲温度との関係がΔＴ＝（Ｔｓo−Ｔａo）（１＋αＴｓo）（１−αＴａ）
となるように制御されることを特徴とする。尚、上式においてΔＴはコイル温度と周囲温度との温度差、Ｔａは周囲温度、Ｔａoは基準となる周囲温度、ＴｓoはＴａoのときの加熱・感熱コイルの温度、αはコイルの抵抗の温度の温度係数である。
【００２８】
請求項７の質量流量計は、請求項１ないし６のいずれかに記載の質量流量計において、分流を有していないことを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。
［実施例１］
図１は本実施例の要部の構成を示した図である。
【００３０】
(1)は測定対象となる流体であり、マスフローセンサ管(6)を流体入口(2)から流体出口(7)方向に向かって流れている。マスフローセンサ管(6)の周囲には所定長さにわたって加熱・感熱コイル（以下単に「コイル」という）(8)が均一に巻かれている。
【００３１】
(3)は伝熱ブロックよりなるボディであり、(4)はボディ(3)に設けられた導管であり、流体(1)をマスフローセンサ管(6)に導く通路となる。(5)はフランジ、(13)は蓋体である。(12)はボディ(3)とフランジ(5)との接触部に配されたシール材であり、(14)はフランジ(5)内の空間でマスフローセンサ管(6)の周囲に配された断熱材である。
【００３２】
(9)は周囲温度センサであり、ボディ(3)に設けられた埋設穴(10)に埋設され、周囲に熱伝導性樹脂(11)が充填されている。周囲温度センサ(9)が検出するボディ(3)の温度（周囲温度）Ｔａは、ボディ(3)と熱伝導性樹脂(11)の熱伝導性が高いため、ボディ(3)内の導管(4)を通過する流体(1)の温度と略等しいと近似することができる。尚、周囲温度センサ(9)は必ずしもボディ(3)に埋設する必要はなく、例えばボディ(3)に貼付する等してもよい。
【００３３】
(15)は電子回路基板である。電子回路基板(15)の電子回路の構成を図３に示す。(16)は周囲温度変換回路であり、周囲温度センサ(9)と接続されており、流体(1)の流体入口(2)において検出したデータを後述のコイル加熱回路(18)に伝送する。
【００３４】
(17)はコイル温度検出回路であり、コイル(8)の電圧Ｅｓと電流Ｉｓを検出して、コイル(8)の抵抗値Ｒｓとコイル温度Ｔｓを演算算出し、コイル加熱回路(18)に伝送する。
【００３５】
(18)はコイル加熱回路であり、コイル温度Ｔｓと周囲温度Ｔａとの温度差ΔＴを算出し、その値が所望の値となるようコイル(8)の電圧Ｅｓを制御，供給する。
【００３６】
(19)は流量演算回路であり、検出したコイルの電圧Ｅｓ、電流Ｉｓを基にして、直線化処理，流量構成等の処理を加えて流体の質量流量に比例した信号に変換する。
【００３７】
分流がないため、流体(1)は全量がマスフローセンサ管(6)に流入し、加熱・感熱コイル(8)によって加熱される。
流体(1)の質量流量Ｑｍは、コイル(8)に供給される電力Ｐ又は電圧ＥSの測定値と、温度差ΔＴに基づいて算出される。
【００３８】
尚、コイル(8)に供給される電圧ＥSに基づいて算出する場合、周囲温度Ｔａの影響によりコイル(8)の抵抗値Ｒｓが変化し、電圧ＥSも周囲温度Ｔａの影響を受けることになる。そこで、電圧ＥSが周囲温度Ｔａの影響を受けないようにすることが望ましい。
【００３９】
図２は流量測定のための流体の温度分布を示した図である。周囲温度ＴａがTa1のときにコイル温度ＴｓをTs1とすると、コイル(8)の温度Ｔｓと周囲温度Ｔａとの温度差ΔＴがΔＴ１のときに、ΔＴ１＝Ts1− Ta1となるようにTs1を制御する。また、周囲温度ＴａがTa2になったときにはコイル温度をTs2とすると、ΔＴ２＝Ts2− Ta2となるようにTs2を制御する。このようにコイル(8)の温度Ｔｓと周囲温度Ｔａとの温度差ΔＴを一定とせずに、周囲温度Ｔａの変化に対応して変化させるとよい。すなわち、ΔＴをＴａの関数として制御することにより、電圧ＥSが周囲温度Ｔａにより影響を受けないようにすることができる。そのための条件については後述する。
【００４０】
本発明の質量流量計は、従来のような上流と下流の比較による算出ではなく、１カ所での測定値に基づいて算出しているため、流量が大きい場合でも十分に測定することができる。
【００４１】
マスフローセンサ管(6)のコイル(8)部は近似的に等温壁となっており、マスフローセンサ管(6)内における流体(1)の温度の変化は近似的に等温壁上の層流境界層の流体の温度分布の形になる。
【００４２】
流体(1)がマスフローセンサ管(6)を通過する間に、加熱・感熱コイル(8)から吸収する熱量はコイル(8)の消費電力Ｐに等しく、マスフローセンサ管(6)の軸方向ｘの各微小部分ｄｘにおけるコイル(8)の温度Ｔｓ(x)と流体(1)の境界層温度（周囲温度に近似）Ｔａ(x)との差ΔＴ(x)に流体(1)とコイル(8)との間の熱伝導率Θを乗じた値Θ(x)・ΔＴ(x)のコイル長の距離積分値であり、下記の（式１）で表される。
【００４３】
【数１】
0003998295.tif 000002
ここで、ｆ（Ｑｍ）は質量流量Ｑｍの関数を意味する。
【００４４】
コイル(8)の電圧Ｅｓから流体(1)の質量流量Ｑｍを測定する場合は、先述のように電圧ＥSが周囲温度Ｔａにより影響を受けないようにΔＴをＴａの関数として制御するが、そのΔＴとＴａとの関係を求める。
【００４５】
コイル(8)の抵抗値をＲｓとすると、
Ｐ＝Ｅｓ2／Ｒｓ
となり、抵抗の温度係数をα、基準抵抗をＲｓoとすると、
Ｒｓ＝Ｒｓo（１＋αＴｓ）
であるので、上記の式(1)は
Ｅｓ2＝｛Ｒｓo（１＋αＴｓ）（Ｔｓ−Ｔａ）｝Θ・ｆ（Ｑｍ）   （式２）
と書き換えることができる。
【００４６】
次に、（式２）からＴａの影響を除去して流量を算出できる条件を求める。周囲温度Ｔａの基準温度をＴａoとし（Ｔａoは適宜定めればよく、例えば２５℃等と定めることができる）、そのときのコイル(8)の温度をＴｓoとすると、
（１＋αＴｓ）（Ｔｓ−Ｔａ）＝（１＋αＴｓ）ΔＴ＝Ｃ
＝（１＋αＴｓo）（Ｔｓo−Ｔａo）                              （式３）
となり（Ｃは定数）、ΔＴ＝Ｔｓ−Ｔａ、すなわちＴｓ＝ΔＴ＋Ｔａであるので、
（１＋αΔＴ＋αΔＴａ）ΔＴ−Ｃ＝０
これを整理すると、α・ΔＴ2＋（１＋αＴａ）ΔＴ−Ｃ＝０      （式４）
となる。
【００４７】
（式４）の解を求め、２α・Ｃ／（１＋αＴａ）＜１のときの近似式は、
ΔＴ≒Ｃ／（１＋αＴａ）
となり（式３）の関係から、
ΔＴ≒（Ｔｓo−Ｔａo）（１＋αＴｓo）（１−αＴａ）        （式５）
となる。
【００４８】
したがって、（式５）に従ってΔＴをＴａの関数として変化させることによって、出力電圧Ｅｓは、周囲温度Ｔａの影響を受けることなく極めて安定な値が得られる。
【００４９】
尚、本発明は実用上分流を必要としていた従来の質量流量計の弊害を解消し、大きな流量を正確に計測可能とすることを目的とするので、基本的に分流は設けない。しかしながら、特に流量が多い場合には分流を設けることによって対応することができる。この場合、分流を設けたことによる悪影響は生じるが、従来のものに比べて分流素子を構成する細管の数を大幅に少なくすることができ（例えば数本以下）、コストが低減できるほか、分流による悪影響も格段に少なく抑えることができる。
【００５０】
又、本実施例では計測後の流体(1)を再度ボディ(3)内を通して流体出口(7)に導いているが、ボディ(3)の熱容量は十分に大きいため、加熱された計測後の流体の温度によりボディ(3)の流体入口(2)の温度が上昇してしまうようなことはない。必要であれば、計測後の流体(1)を再度ボディ(3)内を通すことなく質量流量計外に導くような構成としてもよい。
【００５１】
［比較試験］
周囲温度Ｔａがコイル(8)の電圧Ｅｓに与える影響を確認するために、ΔＴを一定とした場合と、ΔＴを（式５）にしたがって周囲温度Ｔａに対応して変化させた場合について、電圧Ｅｓの偏差を調べた。
【００５２】
図４はΔＴを１０℃に固定した場合を示した図であり、(A)は周囲温度ＴａとΔＴとの関係を示し、(B)は電圧Ｅｓの２５℃の値に対する偏差を示している。図から電圧Ｅｓは周囲温度Ｔａの変化とともに変化していることがわかる。
【００５３】
図５はΔＴを周囲温度Ｔａに対応して変化させた場合を示した図であり、(A)は周囲温度ＴａとΔＴとの関係を示し、(B)は電圧Ｅｓの２５℃の値に対する偏差を示している。図から電圧Ｅｓは周囲温度Ｔａが変化してもほとんど変化していない。したがって、コイル(8)の電圧Ｅｓに基づいて流量を算出する場合には、ΔＴを周囲温度Ｔａの関数として制御することにより、流量の測定がより正確になることがわかる。
【００５４】
［実施例２］
図６は本実施例の構成の概要を示した図である。基本構成は図１に示した実施例１と同様であるが、加熱・感熱コイルが２本(81),(82)並列に接続されている点が異なる。この場合でも実施例１と同様の効果が得られる。又、同様にして加熱・感熱コイルを３本以上並列に接続してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によりバイパスの存在に基づく弊害を解消し、大きな流量でも計測でき、周囲温度の影響による誤差を生じにくく、しかも安全性が高く安価な質量流量計を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の構成の概要を示した図。
【図２】実施例の温度分布を示した図。
【図３】電子回路の構成の概要を示した図。
【図４】ΔＴ一定の場合の電圧Ｅｓの偏差を示した図。
【図５】ΔＴを周囲温度Ｔａに対応して変化させた場合の電圧Ｅｓの偏差を示した図。
【図６】実施例２の構成の概要を示した図。
【図７】従来の分流式の質量流量計の構成の概要を示した図。
【符号の説明】
(1)    流体
(2)    流体入口
(3)    ボディ（伝熱ブロック）
(4)    導管
(5)    フランジ
(6)    マスフローセンサ管
(7)    流体出口
(8)    加熱・感熱コイル
(9)    周囲温度センサ
(10)    埋設穴
(11)    熱伝導性樹脂
(12)    シール材
(13)    蓋体
(14)    断熱材
(15)    電子回路基板
(16)    周囲温度変換回路
(17)    コイル温度検出回路
(18)    コイル加熱回路
(19)    流量演算回路
【図１】
0003998295.tif 000003
【図２】
0003998295.tif 000004
【図３】
0003998295.tif 000005
【図４】
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【図５】
0003998295.tif 000007
【図６】
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【図７】
0003998295.tif 000009