質量流量コントローラおよび同コントローラを動作させる方法
本発明の一実施形態は、熱センサおよび同センサを使用する方法を含む。１つの熱センサは、外部の長手方向および直交方向温度勾配に影響を受けない信号を出力するようにする。一実施形態において、質量流量コントローラ熱センサは、上流管部分、管屈曲部分、および下流管部分を備える毛細管を含み、下流部分は、上流部分にほぼ平行である。一実施形態において、上流管部分と下流管部分との間の距離は、上流部分および下流部分長さの半分とほぼ同じであり、第１の対になった熱検知素子は、上流管部分に結合し、第２の対になった熱検知素子は、下流管部分に結合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的には質量流量コントローラに関する。具体的に、限定はしないが、本発明は、質量流量コントローラ熱センサおよび同センサを動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な質量流量コントローラ（ＭＦＣ）は、流体の供給を制御するように構成され、かつ適合化されたデバイスである。流体の指定される供給量は、たとえば、ＭＦＣから供給される流体の１分間当りの立方センチメートルまたはグラム数にてユーザーが設定することができる。ＭＦＣから供給される流体の流量を制御するために、典型的なＭＦＣは、ＭＦＣの実際の流量を示す出力信号を生成する。この実際の流量は、ユーザー指定の流量と比較され、必要があれば、流量を変更するように制御弁が調節され、その結果、ＭＦＣから送り出される流体流れは、指定された供給量で放出される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
図面に示される本発明の例示的な実施形態を以下に要約する。これらおよび別の実施形態は、詳細な説明の部分でより十分に説明する。しかし、本発明を、本発明のこの概要または詳細な説明において説明される形態に限定する意図はないことを理解されたい。特許請求の範囲に述べる本発明の技術思想および範囲内にある、多数の変更形態、均等物、および別の構造があることを当業者は理解されたい。
【０００４】
本発明の実施形態は、質量流量コントローラ関連のデバイスおよび同デバイスを動作させる方法を提供する。たとえば、一実施形態は、質量流量コントローラ熱センサを含む。熱センサは、毛細管、第１の対になった検知素子、および第２の対になった検知素子を備える。１つの毛細管は、質量流量コントローラバイパスを横断して主流体流路に結合する。第１の対になった検知素子は、毛細管の上流部分に結合し、第２の対になった検知素子は、毛細管の下流部分に結合し、第２の対になった検知素子は、第１の対になった検知素子とほぼ反対方向にある。さらに、一実施形態において、上流部分および下流部分は、ほぼ平行であり、２つの部分間の距離は、２つの部分の長さの半分とほぼ同じである。
【０００５】
本発明の別の例示的な実施形態は、質量流量コントローラ熱センサを動作させる方法である。１つの方法において、流体は、第１の方向で少なくとも１つの熱検知素子全体にわたって熱を受け取られる。流体は、第２の方向でも第２の熱検知素子にわたって受け取られる。その際、長手方向および直交方向温度勾配が、第１および第２の検知素子にわたって外部熱源から誘発され、質量流量信号が、熱センサから出力される。この出力は、長手方向および直交方向温度勾配に影響を受けない。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、質量流量コントローラを含む。一実施形態において、質量流量コントローラは、主流路、熱センサ、および差動増幅器を含む。熱センサは、主流路に結合するｕ字形の毛細管と、その管に結合する少なくとも１つの検知素子とを備える。少なくとも１つの熱検知素子は、素子の温度にほぼ比例する電圧を有する信号を出力するようにする。差動増幅器は、（ｉ）少なくとも１つの熱検知素子の出力信号を受け取り、（ｉｉ）質量流量コントローラを通って流れている流体の流量にほぼ比例する電圧の差動増幅器信号を出力するようにする。さらに、差動増幅器によって出力される電圧は、直交方向および長手方向温度勾配に影響を受けない。
【０００７】
これらおよび別の実施形態を、本明細書により詳細に説明する。
【０００８】
本発明の様々な目的および利点ならびにより十分な理解は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を参照し、添付の図面と併せて読めば、明らかになり、より容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、主流路に結合する熱センサを含む質量流量コントローラの部分図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、反対方向の熱検知素子の２つの対を有し、主流路に結合する熱センサを含む別の質量流量コントローラの部分図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、熱電対列検知素子を有し、主流路に結合する熱センサを含む、さらに別の質量流量コントローラの部分図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、質量流量コントローラ熱センサを動作させる方法のフローチャートである。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、質量流量コントローラブリッジ回路の概略図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による、（ｉ）質量流量コントローラ熱センサの一部分、および（ｉｉ）熱温度勾配の概略図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による、（ｉ）質量流量コントローラ熱センサの一部分、および（ｉｉ）熱温度勾配の概略図である。
【図７】本発明の例示的な実施形態による、ＭＦＣの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
必要に応じて、いくつかの適切な図面を通して同様または類似の素子を同一の参照番号で示すが、特に図１には、本発明の例示的な実施形態による質量流量コントローラ熱センサ１００が示される。熱センサ１００の一実施形態は、毛細管１０２および１つまたは複数の熱検知素子１１６、１１８を備える。一実施形態は、上流熱検知素子１１６および下流熱検知素子１１８から構成することができる。さらに、毛細管１０２は、上流部分１０６、下流部分１０８、および管屈曲部分１１０を備えてもよい。
【００１１】
一実施形態において、流体が質量流量コントローラ（ＭＦＣ）を通って流れるとき、流体は、主流路１１２を通ってバイパス１１４に向かって流れる。流体の一部分は、バイパス１１４に入る前に、毛細管１０２に入る。一実施形態において、毛細管１０２内の流体は、管屈曲部分１１０まで上流管部分１０６を通って第１の方向に流れ、主流路１１２内に戻るまで下流管部分１０８を通って第１の方向とほぼ反対方向の第２の方向に流れ、バイパス１１４の主流路１１２の下流に再び入る。
【００１２】
熱センサ１００の１つまたは複数の変形形態は、質量流量コントローラを通って流れている流体の流量を決定するのに使用される１つまたは複数の信号（図１には示さず）を出力するようにするものである。流体流量を決定するために、１つまたは複数の上流検知素子１１６からの出力電圧は、１つまたは複数の下流検知素子１１８からの出力電圧と比較される。素子１１６、１１８の温度が変動すると、出力電圧も変動する。したがって、毛細管１０２を通る流体は、上流検知素子１１６から下流検知素子１１８まで熱を運ぶとき、素子１１６、１１８によって異なる電圧が生成される。センサ１１６、１１８間の電圧差に基づいて、ＭＦＣを通る流体の流量を得ることができる。その際、熱センサ１００によって出力される、この流体流量は、実際の流体流量を増加または減少させるために制御弁１０４を調節するのに使用することができ、その結果、実際の流体流量は、ユーザーによって設定される所定の流体流量に等しくなる。
【００１３】
熱センサ１００によって測定される流体流量が、熱検知素子１１６、１１８の温度変化に依存するので、あらゆる外部熱源が、検知素子１１６、１１８によって出力される電圧レベルに影響を及ぼす可能性がある。したがって、外部熱源によって、質量流量コントローラ熱センサ１００は、誤った流体流量を出力する可能性がある。外部熱源は、図６Ａおよび６Ｂに示されるように、長手方向勾配６８０および直交方向勾配６９０からなる温度勾配を発生させる。長手方向勾配６８０は、管部分１０６、１０８内の流体流れに平行な温度勾配部分を含む。他方、直交方向勾配６９０は、流体流れに垂直な温度勾配部分を含む。直交方向勾配６９０は、横勾配と呼ぶこともできる。
【００１４】
本発明の一実施形態は、温度勾配６８０、６９０が熱センサ１００の出力に与える影響を最小化する。たとえば、一実施形態において、上流管部分１０６と下流管部分１０８との間の距離１２０が、長手方向温度勾配６８０の影響をほぼ相殺するようにする長さに設定される。ほぼ反対方向の上流および下流検知素子１１６、１１８は、ほぼ同様の上流および下流管部分１０６、１０８を形成する。上流および下流管部分１０６、１０８間の適当な距離１２０で組み合わせられる同様の管部分１０６、１０８は、長手方向勾配６８０の影響を相殺するように機能する。さらに、下流検知素子１１８とほぼ反対方向に上流検知素子１１６を配置することが、あらゆる直交方向勾配６９０の影響を最小化する。
【００１５】
図６Ａおよび６Ｂに示されるように、上流検知素子１１６は、第１の対になった検知素子６１６’および６１６’’を含むことができ、下流検知素子１１８は、第２の対になった検知素子６１８’および６１８’’を含むことができる。第１および第２の検知素子対６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’は、図１に示される上流および下流検知素子１１６、１１８に組み込むことができることを理解されたい。上流検知素子Ａ６１６’およびＢ６１６’’は、第１の対になった熱検知素子と呼ぶことができ、下流検知素子Ｃ６１８’およびＤ６１８’’は、第２の対になった熱検知素子と呼ぶことができる。第２の対になった熱検知素子６１８’、６１８’’は、第１の対になった熱検知素子６１６’、６１６’’とほぼ反対方向であることができる。
【００１６】
一実施形態において、上流管部分１０６と下流管部分１０８との間の距離１２０は、上流および下流管部分１０６、１０８の長さ１２２の半分とほぼ同じである。しかし、別の実施形態においては、距離１２０は、可能な限り小さくする必要がある。少なくとも一実施形態においては、距離１２０は、図６Ａおよび６Ｂに示されるように、第１の対になった検知素子６１６’、６１６’’と第２の対になった検知素子６１８’、６１８’’との間の距離にほぼ等しくすることができる。
【００１７】
図１に示されるように、上流および下流管部分１０６、１０８の長さ１２２は、第１の温度障壁１２６の端部から第２の温度障壁１２４の端部まで測定される、上流および下流管部分主要区域を含むことができる。温度障壁１２６、１２４は、周囲温度にほぼ等しい温度に保持するようにする材料から構成することができる。したがって、温度障壁１２６、１２４は、毛細管１０２の一部分を周囲温度にほぼ保持するようにすることができる。一実施形態において、上流管部分入口領域１２８、下流管部分出口領域１３０、および管屈曲部分１１０は、周囲温度にほぼ保持することができる。温度障壁１２４、１２６は、毛細管区域を周囲温度と異なる温度に保持するようにすることもできる。屈曲部分１１０の温度が上流管部分入口領域１２８および下流管部分出口領域１３０にほぼ等しくなるように確実にすることによって、熱センサ１００での熱吸引をほぼ防止する。
【００１８】
上流および下流管部分１０６、１０８は、ほぼ一直線で、平行で、ほぼ等しい長さ１２２を有するものとできる。上流および下流部分１０６、１０８の１つまたは複数の区域は、ほぼ一直線とはならずに、ほぼ平行で対称的にすることができることも企図される。さらに、上流および下流管部分１０６、１０８間の距離１２０は、反対方向の上流および下流検知素子１１６、１１８間の距離１２０、または対の素子６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’間の距離１２０と呼ぶこともできることを理解されたい。一実施形態において、上流および下流管部分長さ１２２は、約１５ｍｍから約３０ｍｍまでとすることができ、２つの部分１０６、１０８間の距離１２０は、約３ｍｍから約１０ｍｍまでとすることができる。
【００１９】
図６Ａに示されるように、一実施形態において、上流および下流管部分６０６、６０８間の距離６２０を最小化することによって、長手方向温度勾配６８０による上流熱検知素子６１６’、６１６’’の温度変化は、長手方向温度勾配６８０による下流熱検知素子６１８’、６１８’’の温度変化にほぼ等しくすることが可能である。距離１２０によって、ほぼ同様の長手方向温度勾配６８０が、それぞれの熱検知素子６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’に影響を及ぼし、長手方向温度勾配６８０の影響を相殺することができる。たとえば、図６Ａにおいて、長手方向温度勾配６８０の方向は、上流管部分６０６の流体流れ方向とほぼ同様であり、その結果、上流検知素子Ｂ６１６’’の温度が、温度勾配６８０によって上昇する。長手方向温度勾配６８０は、下流管部分１０８に沿って流体流れと反対方向である。したがって、温度勾配６８０によって、センサＣ６１８’の温度が上昇する。長手方向温度勾配６８０が、管１０６、１０８に沿って一定である必要はない。しかし、勾配６８０は、両管部分１０６、１０８で同じである必要があり、それは、管部分１０６、１０８間の距離１２０を最小化することによって達成される。
【００２０】
一実施形態において、長手方向温度勾配６８０によるセンサＣ６１８’の温度の上昇は、センサＢ６１６’’の温度の上昇にほぼ等しい。センサ６１６’’、６１８’に対する長手方向温度勾配６８０の影響を相殺するために、センサ６１６’’、６１８’の一方の温度上昇が、センサ６１６’’、６１８’の他方の温度上昇から差し引かれる。一実施形態において、それぞれのセンサ６１６’’、６１８’によって出力される電圧信号を処理することによって、温度の相殺が行われる。たとえば、これらの電圧は、限定はしないが、図５に示されるブリッジ回路５４２などのブリッジ回路５４２によって相殺することができる。
【００２１】
図１に示される例示的な実施形態の変形形態は、同様の方法で横温度勾配６９０の影響を相殺するようにすることもできる。しかし、上流および下流管部分１０６、１０８に対する影響が同様である間は変動する可能性がある長手方向温度勾配６８０と異なり、直交方向温度勾配６９０は、上流および下流管部分１０６、１０８に沿っては変動しない。たとえば、管部分１０６、１０８に沿った、温度勾配６９０の温度変動は、センサ１１６、１１８によって、不正確な流体流量表示値に変換される誤電圧を発生させる可能性がある。
【００２２】
再び図６を参照すると、図１の上流熱センサ１１６は、上流検知素子Ａ６１６’およびＢ６１６’’によって表され、図１の下流熱センサ１１８は、下流検知素子Ｃ６１８’およびＤ６１８’’と表される。ほぼ一定の直交方向温度勾配６９０は、第１の方法で上流熱検知素子６１６’、６１６’’に影響を及ぼし、第２の方法で下流熱検知素子６１８’、６１８’’に影響を及ぼす。図６Ｂに示される温度勾配６９０は、ほぼ下流管部分６０８から上流管部分６０６の方向に進む。したがって、それぞれの上流素子６１６’、６１６’’の温度は、ほぼ同じ量だけ上昇する。図６Ａに示される長手方向温度勾配６８０による素子Ｂ６１６’’およびＣ６１８’の温度上昇と同様に、素子Ａ６１６’およびＢ６１６’’に対する横温度勾配６９０の影響を相殺するために、熱センサ１００は、素子６１６’、６１６’’の一方の温度上昇を素子６１６’、６１６’’の他方の温度上昇で差し引くようにする。一実施形態において、それぞれの素子６１６’、６１６’’によって出力される電圧上昇は、限定はしないが、図５に示されるブリッジ回路５４２などのブリッジ回路５４２によって相殺することができる。
【００２３】
図２に示されるように、熱センサ２００は、第１の上流抵抗温度計素子２１６’、上流ヒータ２３４、および第２の上流抵抗温度計素子２１６’’を備える上流熱検知素子２１６を含めることができる。下流検知素子２１８は、第１の下流抵抗温度計素子２１８’、下流ヒータ２３２、および第２の下流抵抗温度計検知素子２１８’’から構成することができる。上流ヒータ２３４は、第１および第２の上流抵抗温度計素子２１６’、２１６’’間で上流管部分２０６に結合することができ、下流ヒータ２３２は、第１および第２の下流抵抗温度計素子２１８’、２１８’’間で下流管部分２０８に結合することができる。別の実施形態において、検知素子２１６’、２１６’’、２１８’、２１８’’の１つまたは複数は、ヒータ２３４、２３２として機能するようにできる。ヒータ／素子は、毛細管２０２を通って流れている流体を加熱することができる。さらに別の実施形態において、ヒータ２３２、２３４は、ヒータではなく、冷却デバイスを備えることができる。そのような実施形態において、熱センサ１００は、毛細管２０２を通って流れている流体を加熱する熱センサ１００とほぼ同じ方法で動作し、したがって、検知素子２１６’、２１６’’、２１８’、２１８’’温度の上昇に比例する様々な検知素子２１６’、２１６’’、２１８’、２１８’’電圧を出力することができる。しかし、ヒータ２３２、２３４の代わりに冷却デバイスを使用するときには、流体を冷却することができ、検知素子２１６’、２１６’’、２１８’、２１８’’の電圧は、検知素子２１６’、２１６’’、２１８’、２１８’’の温度の低下にほぼ比例する。
【００２４】
さらに図３に示されるように、上流および下流センサ１１６、１１８は、熱電対列センサ３３６から構成することができる。熱電対列センサ３３６は、第１の出力部３３８および第２の出力部３４０から構成することができる。しかし、図１および２に示される熱センサ１００と異なり、１つの熱電対列センサ３３６は、長手方向および直交方向温度勾配６８０、６９０による温度の上昇および低下に対して調節される信号を生成するようにすることができる。この調節は、技術的に知られる熱電対測定の原理によって行われる。したがって、センサ出力部３３８、３４０における信号は、実際の流体流量を決定するために直接使用することができる。
【００２５】
一実施形態において、熱電対列センサ３３６が上流管部分３０６に結合する位置の数は、熱電対列センサ３３６が下流管部分３０８に結合する位置の数に等しい。さらに、熱電対列センサ３３６が第１の上流象限３８０に結合する位置の数は、熱電対列センサ３３６が第２の下流象限３９５に結合する位置の数に等しく、熱電対列センサ３３６が第１の下流象限３９０に結合する位置の数は、熱電対列センサ３３６が第２の上流象限３８５に結合する位置の数に等しい。一実施形態において、熱電対列センサ３３６は、同じ位置数で４つの全ての象限３８０、３８５、３９０、３９５に結合することができる。それに加えて、熱電対列センサ３３６は、「高温」結合位置で第１の上流象限３８０および第１の下流象限３９０に結合することができ、熱電対列センサ３３６は、「低温」結合位置で第２の上流象限３８５および第２の下流象限３９５に結合することができる。
【００２６】
図５に示されるように、一実施形態がブリッジ５４２を使用するとき、ブリッジは、１つまたは複数の信号５４６、５４８を差動増幅器５４４に送ることができる。ブリッジ５４２は、周知のホイートストンブリッジとして機能するようにできる。一実施形態において、差動増幅器５４４は、１つまたは複数の信号５４６、５４８を変換し、その電圧が流体流量にほぼ比例する差動増幅器信号５５０を出力するようにできる。
【００２７】
図４の４００で始めているもの（フロー）は、質量流量コントローラ熱センサ１００を動作させる方法が示されている。４０５で、１つの方法は、少なくとも１つの第１の熱検知素子にわたって第１の方向に流れている流体を受け取るステップから構成される。たとえば、図１に示されるように、流体は、管屈曲部分１１０に向かって主流路１１２から毛細管１０２の上流部分１０６内に流れ、上流管部分１０６に結合する上流熱検知素子１１６にわたって通過することができる。同様に、４１０で、第２の方向の流体は、少なくとも１つの第２の熱検知素子にわたって受け取られる。それは、管屈曲部分１１０から下流管部分１０８を通り、下流管部分１０８に結合する下流検知素子１１８を通って、主流路１１２まで流れている流体によって達成される。
【００２８】
図４の４１５および４２０で、図６Ａおよび６Ｂの長手方向および直交方向温度勾配６８０、６９０などの温度勾配は、それぞれ、少なくとも１つの第１および第２の熱検知素子間にわたって外部熱源に誘発される可能性がある。たとえば、該勾配６８０、６９０は、図１の上流および下流素子１１６、１１８間にわたって動いていくかもしれない。さらに、４２５で、質量流量信号は、熱センサ１００によって出力することができるが、質量流量信号（図１には示さず）は、ＭＦＣを通って流れている流体の質量流量にほぼ比例する電圧となる。１つの質量流量信号は、熱検知素子１１６、１１８によって出力される電圧を利用することによって得ることができる。熱検知素子１１６、１１８の出力電圧は、素子１１６、１１８の温度にほぼ比例させることができる。一実施形態において、第１の対になった検知素子６１６’、６１６’’および第２の対になった検知素子６１８’、６１８’’を備えるとき、それぞれの素子６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’の電圧は、それぞれの素子の温度にほぼ比例する。熱センサ１００によって出力される１つの質量流量信号は、長手方向および直交方向温度勾配６８０、６９０に影響を受けない。本方法は、４３０で終了する。
【００２９】
１つの方法において、質量流量出力信号は、長手方向温度勾配６８０に影響を受けないが、それは、該勾配６８０が検知素子１１６、１１８の一方の少なくとも一部分に与える温度変化が、勾配６８０が検知素子１１６、１１８の他方の少なくとも一部分に与える温度変化によって相殺されるからである。１つの方法において、それぞれの検知素子１１６、１１８の少なくとも一部分の温度変化は、距離１２０が上流または下流管部分１０６、１０８の長さ１２２の半分とほぼ同じため、ほぼ等しくすることができる。
【００３０】
別の方法において、第１および第２の熱検知素子１１６、１１８は、図６Ｂに示されるように、対になった上流および下流熱検知素子６１６’、６１６’’、６１８’、および６１８’’を含む。直交方向温度勾配６９０は、第１の上流熱検知素子６１６’と第２の下流熱検知素子６１８’’との間に温度差振幅を誘発する。１つの方法において、温度差振幅は、第２の下流熱検知素子６１８’’に対する第１の上流熱検知素子６１６’の温度上昇から成る。同様に、直交方向温度勾配６９０は、第２の上流熱検知素子６１６’’と第１の下流熱検知素子６１８’との間に温度差振幅を誘発する。この温度差振幅は、第１の下流熱検知素子６１８’に対する第２の上流熱検知素子６１６’’の温度上昇から成る。
【００３１】
１つの方法において、熱センサ１００は、第１の上流熱素子６１６’の温度変化を第２の上流熱検知素子６１６’’の温度変化で相殺するようにする。そうするために、第１の上流熱素子６１６’の温度変化は、第２の下流熱素子６１８’’の温度変化から差し引かれ、第１の直交方向勾配温度変化を得ることができる。さらに、第１の下流検知素子６１８’の温度変化は、第２の上流熱検知素子６１６’’の温度変化から差し引かれ、第２の直交方向勾配温度変化をもたらすことができる。したがって、第２の直交方向温度変化は、第１の直交方向勾配温度変化と比べて符号は異なるが、ほぼ等しい絶対値を有する。その結果、２つの直交方向温度変化を組み合わせることによって、２つの直交方向勾配温度変化の値が互いに相殺するので、基本的に無視できる温度変化をもたらす。
【００３２】
上述した温度変化の組合せは、それぞれのセンサ６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’の出力信号を組み合わせることによって行うことができる。そのような信号の組合せは、回路ブリッジおよび信号変換を行うことによって行うことができる。たとえば、図５に示されるブリッジ５４２および差動増幅器５４４を使用することができる。そうするために、第１および第２の信号５４６、５４８は、熱検知素子５１６’、５１６’’、５１８’、５１８’’によって生成される電圧からブリッジ回路５４２によって生成することができる。信号５４６、５４８は、差動増幅器５４４によって受け取ることができ、次に、増幅器５４４は、ＭＦＣを通る流体の流量にほぼ比例する電圧を有する差動増幅器信号５５０を生成することができる。
【００３３】
図７は、本発明のさらに別の実施形態を示す。図７は、主流路７１２、熱センサ７００、および差動増幅器７４４を含む質量流量コントローラ７５２の図である。ＭＦＣ７５２は、検知素子７１６’、７１６’’、７１８’、７１８’’を備えるブリッジ回路７４２および制御モジュール７７０を含めることもできる。制御モジュールは、制御弁信号７５５を生成するようにすることができる。一実施形態において、熱センサ７００は、ｕ字形断面を有する毛細管７０２から構成される。毛細管７０２は、主流路７１２に結合する上流管部分７０６、および主流路７１２に結合するほぼ平行な下流管部分７０８から構成させることができる。下流管部分７０８は、上流管部分７０６から第１の距離７２０に位置するが、距離７２０は、熱センサ７００内の毛細管７０２の上流および下流部分７０６、７０８間の距離である。上流管部分入口領域１２８と下流管部分出口領域１３０との間の距離は、距離７２０とは大幅に異なる可能性がある。一実施形態において、第１の距離７２０により、差動増幅器信号７５０は、図６Ｂに示される長手方向温度勾配６８０にほとんど影響を受けないようにすることもできる。
【００３４】
それに加えて、ＭＦＣ７５２は、毛細管７０２に結合する少なくとも１つの検知素子から構成される。少なくとも１つの検知素子は、上流検知素子対７１６’、７１６’’、および上流検知素子対７１６’、７１６’’とほぼ反対方向の下流検知素子対７１８’、７１８’’から構成することができる。それぞれの素子は、ブリッジ回路７４２によって受け取られるようにする信号を生成することができ、ブリッジ回路は、差動増幅器７４４によって受け取られるようにする信号の対７４６、７４８を出力するようにすることができる。別の実施形態において、ＭＦＣ７５２は、図３に示される熱電対列センサ３３６、または、上流および下流管部分７０６、７０８にそれぞれ結合する、図２に示されるほぼ反対方向のヒータの対２３２、２３４から構成することができる。
【００３５】
ＭＦＣ７５２の一実施形態は、差動増幅器信号７５０を出力するようにする差動増幅器７４４を含めることもできる。一実施形態において、差動増幅器信号７５０は、質量流量コントローラ７５２を通って流れている流体の流量にほぼ比例する電圧となる。さらに、差動増幅器信号７５０は、図６Ａおよび６Ｂに示されるように、直交方向および長手方向温度勾配６８０、６９０にほとんど影響を受けない。
【００３６】
ＭＦＣ７５２の多くの変形形態において、図６Ｂに示される直交方向温度勾配６９０によってもたらされる、熱検知素子１１６、１１８の少なくとも一方の第１の温度変化は、熱検知素子１１６、１１８の他方の第２の温度変化によって相殺できる。熱検知素子１１６、１１８は、図６Ｂに示される素子Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’から構成できることを理解されたい。さらに、直交方向温度勾配６９０によってもたらされる温度変化を相殺するＭＦＣ７５２の能力によれば、差動増幅器信号７５０は、直交方向温度勾配６９０に影響を受けない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的には質量流量コントローラに関する。具体的に、限定はしないが、本発明は、質量流量コントローラ熱センサおよび同センサを動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な質量流量コントローラ（ＭＦＣ）は、流体の供給を制御するように構成され、かつ適合化されたデバイスである。流体の指定される供給量は、たとえば、ＭＦＣから供給される流体の１分間当りの立方センチメートルまたはグラム数にてユーザーが設定することができる。ＭＦＣから供給される流体の流量を制御するために、典型的なＭＦＣは、ＭＦＣの実際の流量を示す出力信号を生成する。この実際の流量は、ユーザー指定の流量と比較され、必要があれば、流量を変更するように制御弁が調節され、その結果、ＭＦＣから送り出される流体流れは、指定された供給量で放出される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
図面に示される本発明の例示的な実施形態を以下に要約する。これらおよび別の実施形態は、詳細な説明の部分でより十分に説明する。しかし、本発明を、本発明のこの概要または詳細な説明において説明される形態に限定する意図はないことを理解されたい。特許請求の範囲に述べる本発明の技術思想および範囲内にある、多数の変更形態、均等物、および別の構造があることを当業者は理解されたい。
【０００４】
本発明の実施形態は、質量流量コントローラ関連のデバイスおよび同デバイスを動作させる方法を提供する。たとえば、一実施形態は、質量流量コントローラ熱センサを含む。熱センサは、毛細管、第１の対になった検知素子、および第２の対になった検知素子を備える。１つの毛細管は、質量流量コントローラバイパスを横断して主流体流路に結合する。第１の対になった検知素子は、毛細管の上流部分に結合し、第２の対になった検知素子は、毛細管の下流部分に結合し、第２の対になった検知素子は、第１の対になった検知素子とほぼ反対方向にある。さらに、一実施形態において、上流部分および下流部分は、ほぼ平行であり、２つの部分間の距離は、２つの部分の長さの半分とほぼ同じである。
【０００５】
本発明の別の例示的な実施形態は、質量流量コントローラ熱センサを動作させる方法である。１つの方法において、流体は、第１の方向で少なくとも１つの熱検知素子全体にわたって熱を受け取られる。流体は、第２の方向でも第２の熱検知素子にわたって受け取られる。その際、長手方向および直交方向温度勾配が、第１および第２の検知素子にわたって外部熱源から誘発され、質量流量信号が、熱センサから出力される。この出力は、長手方向および直交方向温度勾配に影響を受けない。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、質量流量コントローラを含む。一実施形態において、質量流量コントローラは、主流路、熱センサ、および差動増幅器を含む。熱センサは、主流路に結合するｕ字形の毛細管と、その管に結合する少なくとも１つの検知素子とを備える。少なくとも１つの熱検知素子は、素子の温度にほぼ比例する電圧を有する信号を出力するようにする。差動増幅器は、（ｉ）少なくとも１つの熱検知素子の出力信号を受け取り、（ｉｉ）質量流量コントローラを通って流れている流体の流量にほぼ比例する電圧の差動増幅器信号を出力するようにする。さらに、差動増幅器によって出力される電圧は、直交方向および長手方向温度勾配に影響を受けない。
【０００７】
これらおよび別の実施形態を、本明細書により詳細に説明する。
【０００８】
本発明の様々な目的および利点ならびにより十分な理解は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を参照し、添付の図面と併せて読めば、明らかになり、より容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、主流路に結合する熱センサを含む質量流量コントローラの部分図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、反対方向の熱検知素子の２つの対を有し、主流路に結合する熱センサを含む別の質量流量コントローラの部分図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、熱電対列検知素子を有し、主流路に結合する熱センサを含む、さらに別の質量流量コントローラの部分図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、質量流量コントローラ熱センサを動作させる方法のフローチャートである。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、質量流量コントローラブリッジ回路の概略図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による、（ｉ）質量流量コントローラ熱センサの一部分、および（ｉｉ）熱温度勾配の概略図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による、（ｉ）質量流量コントローラ熱センサの一部分、および（ｉｉ）熱温度勾配の概略図である。
【図７】本発明の例示的な実施形態による、ＭＦＣの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
必要に応じて、いくつかの適切な図面を通して同様または類似の素子を同一の参照番号で示すが、特に図１には、本発明の例示的な実施形態による質量流量コントローラ熱センサ１００が示される。熱センサ１００の一実施形態は、毛細管１０２および１つまたは複数の熱検知素子１１６、１１８を備える。一実施形態は、上流熱検知素子１１６および下流熱検知素子１１８から構成することができる。さらに、毛細管１０２は、上流部分１０６、下流部分１０８、および管屈曲部分１１０を備えてもよい。
【００１１】
一実施形態において、流体が質量流量コントローラ（ＭＦＣ）を通って流れるとき、流体は、主流路１１２を通ってバイパス１１４に向かって流れる。流体の一部分は、バイパス１１４に入る前に、毛細管１０２に入る。一実施形態において、毛細管１０２内の流体は、管屈曲部分１１０まで上流管部分１０６を通って第１の方向に流れ、主流路１１２内に戻るまで下流管部分１０８を通って第１の方向とほぼ反対方向の第２の方向に流れ、バイパス１１４の主流路１１２の下流に再び入る。
【００１２】
熱センサ１００の１つまたは複数の変形形態は、質量流量コントローラを通って流れている流体の流量を決定するのに使用される１つまたは複数の信号（図１には示さず）を出力するようにするものである。流体流量を決定するために、１つまたは複数の上流検知素子１１６からの出力電圧は、１つまたは複数の下流検知素子１１８からの出力電圧と比較される。素子１１６、１１８の温度が変動すると、出力電圧も変動する。したがって、毛細管１０２を通る流体は、上流検知素子１１６から下流検知素子１１８まで熱を運ぶとき、素子１１６、１１８によって異なる電圧が生成される。センサ１１６、１１８間の電圧差に基づいて、ＭＦＣを通る流体の流量を得ることができる。その際、熱センサ１００によって出力される、この流体流量は、実際の流体流量を増加または減少させるために制御弁１０４を調節するのに使用することができ、その結果、実際の流体流量は、ユーザーによって設定される所定の流体流量に等しくなる。
【００１３】
熱センサ１００によって測定される流体流量が、熱検知素子１１６、１１８の温度変化に依存するので、あらゆる外部熱源が、検知素子１１６、１１８によって出力される電圧レベルに影響を及ぼす可能性がある。したがって、外部熱源によって、質量流量コントローラ熱センサ１００は、誤った流体流量を出力する可能性がある。外部熱源は、図６Ａおよび６Ｂに示されるように、長手方向勾配６８０および直交方向勾配６９０からなる温度勾配を発生させる。長手方向勾配６８０は、管部分１０６、１０８内の流体流れに平行な温度勾配部分を含む。他方、直交方向勾配６９０は、流体流れに垂直な温度勾配部分を含む。直交方向勾配６９０は、横勾配と呼ぶこともできる。
【００１４】
本発明の一実施形態は、温度勾配６８０、６９０が熱センサ１００の出力に与える影響を最小化する。たとえば、一実施形態において、上流管部分１０６と下流管部分１０８との間の距離１２０が、長手方向温度勾配６８０の影響をほぼ相殺するようにする長さに設定される。ほぼ反対方向の上流および下流検知素子１１６、１１８は、ほぼ同様の上流および下流管部分１０６、１０８を形成する。上流および下流管部分１０６、１０８間の適当な距離１２０で組み合わせられる同様の管部分１０６、１０８は、長手方向勾配６８０の影響を相殺するように機能する。さらに、下流検知素子１１８とほぼ反対方向に上流検知素子１１６を配置することが、あらゆる直交方向勾配６９０の影響を最小化する。
【００１５】
図６Ａおよび６Ｂに示されるように、上流検知素子１１６は、第１の対になった検知素子６１６’および６１６’’を含むことができ、下流検知素子１１８は、第２の対になった検知素子６１８’および６１８’’を含むことができる。第１および第２の検知素子対６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’は、図１に示される上流および下流検知素子１１６、１１８に組み込むことができることを理解されたい。上流検知素子Ａ６１６’およびＢ６１６’’は、第１の対になった熱検知素子と呼ぶことができ、下流検知素子Ｃ６１８’およびＤ６１８’’は、第２の対になった熱検知素子と呼ぶことができる。第２の対になった熱検知素子６１８’、６１８’’は、第１の対になった熱検知素子６１６’、６１６’’とほぼ反対方向であることができる。
【００１６】
一実施形態において、上流管部分１０６と下流管部分１０８との間の距離１２０は、上流および下流管部分１０６、１０８の長さ１２２の半分とほぼ同じである。しかし、別の実施形態においては、距離１２０は、可能な限り小さくする必要がある。少なくとも一実施形態においては、距離１２０は、図６Ａおよび６Ｂに示されるように、第１の対になった検知素子６１６’、６１６’’と第２の対になった検知素子６１８’、６１８’’との間の距離にほぼ等しくすることができる。
【００１７】
図１に示されるように、上流および下流管部分１０６、１０８の長さ１２２は、第１の温度障壁１２６の端部から第２の温度障壁１２４の端部まで測定される、上流および下流管部分主要区域を含むことができる。温度障壁１２６、１２４は、周囲温度にほぼ等しい温度に保持するようにする材料から構成することができる。したがって、温度障壁１２６、１２４は、毛細管１０２の一部分を周囲温度にほぼ保持するようにすることができる。一実施形態において、上流管部分入口領域１２８、下流管部分出口領域１３０、および管屈曲部分１１０は、周囲温度にほぼ保持することができる。温度障壁１２４、１２６は、毛細管区域を周囲温度と異なる温度に保持するようにすることもできる。屈曲部分１１０の温度が上流管部分入口領域１２８および下流管部分出口領域１３０にほぼ等しくなるように確実にすることによって、熱センサ１００での熱吸引をほぼ防止する。
【００１８】
上流および下流管部分１０６、１０８は、ほぼ一直線で、平行で、ほぼ等しい長さ１２２を有するものとできる。上流および下流部分１０６、１０８の１つまたは複数の区域は、ほぼ一直線とはならずに、ほぼ平行で対称的にすることができることも企図される。さらに、上流および下流管部分１０６、１０８間の距離１２０は、反対方向の上流および下流検知素子１１６、１１８間の距離１２０、または対の素子６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’間の距離１２０と呼ぶこともできることを理解されたい。一実施形態において、上流および下流管部分長さ１２２は、約１５ｍｍから約３０ｍｍまでとすることができ、２つの部分１０６、１０８間の距離１２０は、約３ｍｍから約１０ｍｍまでとすることができる。
【００１９】
図６Ａに示されるように、一実施形態において、上流および下流管部分６０６、６０８間の距離６２０を最小化することによって、長手方向温度勾配６８０による上流熱検知素子６１６’、６１６’’の温度変化は、長手方向温度勾配６８０による下流熱検知素子６１８’、６１８’’の温度変化にほぼ等しくすることが可能である。距離１２０によって、ほぼ同様の長手方向温度勾配６８０が、それぞれの熱検知素子６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’に影響を及ぼし、長手方向温度勾配６８０の影響を相殺することができる。たとえば、図６Ａにおいて、長手方向温度勾配６８０の方向は、上流管部分６０６の流体流れ方向とほぼ同様であり、その結果、上流検知素子Ｂ６１６’’の温度が、温度勾配６８０によって上昇する。長手方向温度勾配６８０は、下流管部分１０８に沿って流体流れと反対方向である。したがって、温度勾配６８０によって、センサＣ６１８’の温度が上昇する。長手方向温度勾配６８０が、管１０６、１０８に沿って一定である必要はない。しかし、勾配６８０は、両管部分１０６、１０８で同じである必要があり、それは、管部分１０６、１０８間の距離１２０を最小化することによって達成される。
【００２０】
一実施形態において、長手方向温度勾配６８０によるセンサＣ６１８’の温度の上昇は、センサＢ６１６’’の温度の上昇にほぼ等しい。センサ６１６’’、６１８’に対する長手方向温度勾配６８０の影響を相殺するために、センサ６１６’’、６１８’の一方の温度上昇が、センサ６１６’’、６１８’の他方の温度上昇から差し引かれる。一実施形態において、それぞれのセンサ６１６’’、６１８’によって出力される電圧信号を処理することによって、温度の相殺が行われる。たとえば、これらの電圧は、限定はしないが、図５に示されるブリッジ回路５４２などのブリッジ回路５４２によって相殺することができる。
【００２１】
図１に示される例示的な実施形態の変形形態は、同様の方法で横温度勾配６９０の影響を相殺するようにすることもできる。しかし、上流および下流管部分１０６、１０８に対する影響が同様である間は変動する可能性がある長手方向温度勾配６８０と異なり、直交方向温度勾配６９０は、上流および下流管部分１０６、１０８に沿っては変動しない。たとえば、管部分１０６、１０８に沿った、温度勾配６９０の温度変動は、センサ１１６、１１８によって、不正確な流体流量表示値に変換される誤電圧を発生させる可能性がある。
【００２２】
再び図６を参照すると、図１の上流熱センサ１１６は、上流検知素子Ａ６１６’およびＢ６１６’’によって表され、図１の下流熱センサ１１８は、下流検知素子Ｃ６１８’およびＤ６１８’’と表される。ほぼ一定の直交方向温度勾配６９０は、第１の方法で上流熱検知素子６１６’、６１６’’に影響を及ぼし、第２の方法で下流熱検知素子６１８’、６１８’’に影響を及ぼす。図６Ｂに示される温度勾配６９０は、ほぼ下流管部分６０８から上流管部分６０６の方向に進む。したがって、それぞれの上流素子６１６’、６１６’’の温度は、ほぼ同じ量だけ上昇する。図６Ａに示される長手方向温度勾配６８０による素子Ｂ６１６’’およびＣ６１８’の温度上昇と同様に、素子Ａ６１６’およびＢ６１６’’に対する横温度勾配６９０の影響を相殺するために、熱センサ１００は、素子６１６’、６１６’’の一方の温度上昇を素子６１６’、６１６’’の他方の温度上昇で差し引くようにする。一実施形態において、それぞれの素子６１６’、６１６’’によって出力される電圧上昇は、限定はしないが、図５に示されるブリッジ回路５４２などのブリッジ回路５４２によって相殺することができる。
【００２３】
図２に示されるように、熱センサ２００は、第１の上流抵抗温度計素子２１６’、上流ヒータ２３４、および第２の上流抵抗温度計素子２１６’’を備える上流熱検知素子２１６を含めることができる。下流検知素子２１８は、第１の下流抵抗温度計素子２１８’、下流ヒータ２３２、および第２の下流抵抗温度計検知素子２１８’’から構成することができる。上流ヒータ２３４は、第１および第２の上流抵抗温度計素子２１６’、２１６’’間で上流管部分２０６に結合することができ、下流ヒータ２３２は、第１および第２の下流抵抗温度計素子２１８’、２１８’’間で下流管部分２０８に結合することができる。別の実施形態において、検知素子２１６’、２１６’’、２１８’、２１８’’の１つまたは複数は、ヒータ２３４、２３２として機能するようにできる。ヒータ／素子は、毛細管２０２を通って流れている流体を加熱することができる。さらに別の実施形態において、ヒータ２３２、２３４は、ヒータではなく、冷却デバイスを備えることができる。そのような実施形態において、熱センサ１００は、毛細管２０２を通って流れている流体を加熱する熱センサ１００とほぼ同じ方法で動作し、したがって、検知素子２１６’、２１６’’、２１８’、２１８’’温度の上昇に比例する様々な検知素子２１６’、２１６’’、２１８’、２１８’’電圧を出力することができる。しかし、ヒータ２３２、２３４の代わりに冷却デバイスを使用するときには、流体を冷却することができ、検知素子２１６’、２１６’’、２１８’、２１８’’の電圧は、検知素子２１６’、２１６’’、２１８’、２１８’’の温度の低下にほぼ比例する。
【００２４】
さらに図３に示されるように、上流および下流センサ１１６、１１８は、熱電対列センサ３３６から構成することができる。熱電対列センサ３３６は、第１の出力部３３８および第２の出力部３４０から構成することができる。しかし、図１および２に示される熱センサ１００と異なり、１つの熱電対列センサ３３６は、長手方向および直交方向温度勾配６８０、６９０による温度の上昇および低下に対して調節される信号を生成するようにすることができる。この調節は、技術的に知られる熱電対測定の原理によって行われる。したがって、センサ出力部３３８、３４０における信号は、実際の流体流量を決定するために直接使用することができる。
【００２５】
一実施形態において、熱電対列センサ３３６が上流管部分３０６に結合する位置の数は、熱電対列センサ３３６が下流管部分３０８に結合する位置の数に等しい。さらに、熱電対列センサ３３６が第１の上流象限３８０に結合する位置の数は、熱電対列センサ３３６が第２の下流象限３９５に結合する位置の数に等しく、熱電対列センサ３３６が第１の下流象限３９０に結合する位置の数は、熱電対列センサ３３６が第２の上流象限３８５に結合する位置の数に等しい。一実施形態において、熱電対列センサ３３６は、同じ位置数で４つの全ての象限３８０、３８５、３９０、３９５に結合することができる。それに加えて、熱電対列センサ３３６は、「高温」結合位置で第１の上流象限３８０および第１の下流象限３９０に結合することができ、熱電対列センサ３３６は、「低温」結合位置で第２の上流象限３８５および第２の下流象限３９５に結合することができる。
【００２６】
図５に示されるように、一実施形態がブリッジ５４２を使用するとき、ブリッジは、１つまたは複数の信号５４６、５４８を差動増幅器５４４に送ることができる。ブリッジ５４２は、周知のホイートストンブリッジとして機能するようにできる。一実施形態において、差動増幅器５４４は、１つまたは複数の信号５４６、５４８を変換し、その電圧が流体流量にほぼ比例する差動増幅器信号５５０を出力するようにできる。
【００２７】
図４の４００で始めているもの（フロー）は、質量流量コントローラ熱センサ１００を動作させる方法が示されている。４０５で、１つの方法は、少なくとも１つの第１の熱検知素子にわたって第１の方向に流れている流体を受け取るステップから構成される。たとえば、図１に示されるように、流体は、管屈曲部分１１０に向かって主流路１１２から毛細管１０２の上流部分１０６内に流れ、上流管部分１０６に結合する上流熱検知素子１１６にわたって通過することができる。同様に、４１０で、第２の方向の流体は、少なくとも１つの第２の熱検知素子にわたって受け取られる。それは、管屈曲部分１１０から下流管部分１０８を通り、下流管部分１０８に結合する下流検知素子１１８を通って、主流路１１２まで流れている流体によって達成される。
【００２８】
図４の４１５および４２０で、図６Ａおよび６Ｂの長手方向および直交方向温度勾配６８０、６９０などの温度勾配は、それぞれ、少なくとも１つの第１および第２の熱検知素子間にわたって外部熱源に誘発される可能性がある。たとえば、該勾配６８０、６９０は、図１の上流および下流素子１１６、１１８間にわたって動いていくかもしれない。さらに、４２５で、質量流量信号は、熱センサ１００によって出力することができるが、質量流量信号（図１には示さず）は、ＭＦＣを通って流れている流体の質量流量にほぼ比例する電圧となる。１つの質量流量信号は、熱検知素子１１６、１１８によって出力される電圧を利用することによって得ることができる。熱検知素子１１６、１１８の出力電圧は、素子１１６、１１８の温度にほぼ比例させることができる。一実施形態において、第１の対になった検知素子６１６’、６１６’’および第２の対になった検知素子６１８’、６１８’’を備えるとき、それぞれの素子６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’の電圧は、それぞれの素子の温度にほぼ比例する。熱センサ１００によって出力される１つの質量流量信号は、長手方向および直交方向温度勾配６８０、６９０に影響を受けない。本方法は、４３０で終了する。
【００２９】
１つの方法において、質量流量出力信号は、長手方向温度勾配６８０に影響を受けないが、それは、該勾配６８０が検知素子１１６、１１８の一方の少なくとも一部分に与える温度変化が、勾配６８０が検知素子１１６、１１８の他方の少なくとも一部分に与える温度変化によって相殺されるからである。１つの方法において、それぞれの検知素子１１６、１１８の少なくとも一部分の温度変化は、距離１２０が上流または下流管部分１０６、１０８の長さ１２２の半分とほぼ同じため、ほぼ等しくすることができる。
【００３０】
別の方法において、第１および第２の熱検知素子１１６、１１８は、図６Ｂに示されるように、対になった上流および下流熱検知素子６１６’、６１６’’、６１８’、および６１８’’を含む。直交方向温度勾配６９０は、第１の上流熱検知素子６１６’と第２の下流熱検知素子６１８’’との間に温度差振幅を誘発する。１つの方法において、温度差振幅は、第２の下流熱検知素子６１８’’に対する第１の上流熱検知素子６１６’の温度上昇から成る。同様に、直交方向温度勾配６９０は、第２の上流熱検知素子６１６’’と第１の下流熱検知素子６１８’との間に温度差振幅を誘発する。この温度差振幅は、第１の下流熱検知素子６１８’に対する第２の上流熱検知素子６１６’’の温度上昇から成る。
【００３１】
１つの方法において、熱センサ１００は、第１の上流熱素子６１６’の温度変化を第２の上流熱検知素子６１６’’の温度変化で相殺するようにする。そうするために、第１の上流熱素子６１６’の温度変化は、第２の下流熱素子６１８’’の温度変化から差し引かれ、第１の直交方向勾配温度変化を得ることができる。さらに、第１の下流検知素子６１８’の温度変化は、第２の上流熱検知素子６１６’’の温度変化から差し引かれ、第２の直交方向勾配温度変化をもたらすことができる。したがって、第２の直交方向温度変化は、第１の直交方向勾配温度変化と比べて符号は異なるが、ほぼ等しい絶対値を有する。その結果、２つの直交方向温度変化を組み合わせることによって、２つの直交方向勾配温度変化の値が互いに相殺するので、基本的に無視できる温度変化をもたらす。
【００３２】
上述した温度変化の組合せは、それぞれのセンサ６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’の出力信号を組み合わせることによって行うことができる。そのような信号の組合せは、回路ブリッジおよび信号変換を行うことによって行うことができる。たとえば、図５に示されるブリッジ５４２および差動増幅器５４４を使用することができる。そうするために、第１および第２の信号５４６、５４８は、熱検知素子５１６’、５１６’’、５１８’、５１８’’によって生成される電圧からブリッジ回路５４２によって生成することができる。信号５４６、５４８は、差動増幅器５４４によって受け取ることができ、次に、増幅器５４４は、ＭＦＣを通る流体の流量にほぼ比例する電圧を有する差動増幅器信号５５０を生成することができる。
【００３３】
図７は、本発明のさらに別の実施形態を示す。図７は、主流路７１２、熱センサ７００、および差動増幅器７４４を含む質量流量コントローラ７５２の図である。ＭＦＣ７５２は、検知素子７１６’、７１６’’、７１８’、７１８’’を備えるブリッジ回路７４２および制御モジュール７７０を含めることもできる。制御モジュールは、制御弁信号７５５を生成するようにすることができる。一実施形態において、熱センサ７００は、ｕ字形断面を有する毛細管７０２から構成される。毛細管７０２は、主流路７１２に結合する上流管部分７０６、および主流路７１２に結合するほぼ平行な下流管部分７０８から構成させることができる。下流管部分７０８は、上流管部分７０６から第１の距離７２０に位置するが、距離７２０は、熱センサ７００内の毛細管７０２の上流および下流部分７０６、７０８間の距離である。上流管部分入口領域１２８と下流管部分出口領域１３０との間の距離は、距離７２０とは大幅に異なる可能性がある。一実施形態において、第１の距離７２０により、差動増幅器信号７５０は、図６Ｂに示される長手方向温度勾配６８０にほとんど影響を受けないようにすることもできる。
【００３４】
それに加えて、ＭＦＣ７５２は、毛細管７０２に結合する少なくとも１つの検知素子から構成される。少なくとも１つの検知素子は、上流検知素子対７１６’、７１６’’、および上流検知素子対７１６’、７１６’’とほぼ反対方向の下流検知素子対７１８’、７１８’’から構成することができる。それぞれの素子は、ブリッジ回路７４２によって受け取られるようにする信号を生成することができ、ブリッジ回路は、差動増幅器７４４によって受け取られるようにする信号の対７４６、７４８を出力するようにすることができる。別の実施形態において、ＭＦＣ７５２は、図３に示される熱電対列センサ３３６、または、上流および下流管部分７０６、７０８にそれぞれ結合する、図２に示されるほぼ反対方向のヒータの対２３２、２３４から構成することができる。
【００３５】
ＭＦＣ７５２の一実施形態は、差動増幅器信号７５０を出力するようにする差動増幅器７４４を含めることもできる。一実施形態において、差動増幅器信号７５０は、質量流量コントローラ７５２を通って流れている流体の流量にほぼ比例する電圧となる。さらに、差動増幅器信号７５０は、図６Ａおよび６Ｂに示されるように、直交方向および長手方向温度勾配６８０、６９０にほとんど影響を受けない。
【００３６】
ＭＦＣ７５２の多くの変形形態において、図６Ｂに示される直交方向温度勾配６９０によってもたらされる、熱検知素子１１６、１１８の少なくとも一方の第１の温度変化は、熱検知素子１１６、１１８の他方の第２の温度変化によって相殺できる。熱検知素子１１６、１１８は、図６Ｂに示される素子Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ６１６’、６１６’’、６１８’、６１８’’から構成できることを理解されたい。さらに、直交方向温度勾配６９０によってもたらされる温度変化を相殺するＭＦＣ７５２の能力によれば、差動増幅器信号７５０は、直交方向温度勾配６９０に影響を受けない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流管部分、管屈曲部分、および下流管部分を備える毛細管を含む質量流量コントローラ熱センサであって、
前記上流管部分は、上流部分長さを有し、
前記下流管部分は、下流部分長さを有し、前記下流部分長さは、前記上流部分長さにほぼ等しく、前記下流管部分は、前記上流部分にほぼ平行であり、
前記上流管部分と前記下流管部分との間の距離は、前記上流部分および下流部分長さの半分とほぼ同じであり、
第１の対になった熱検知素子は、前記上流管部分に結合し、
第２の対になった検知素子は、前記下流管部分に結合し、前記第１の対になった検知素子とほぼ反対方向である、質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項２】
前記上流管部分は、（ｉ）前記管屈曲部分の第１の端部に結合し、（ｉｉ）第１の方向のガス流を受け取るようにし、
前記下流管部分は、（ｉ）前記管屈曲部分の第２の端部に結合し、（ｉｉ）第２の方向のガス流を受け取るようにし、前記第２の方向は、前記第１の方向とほぼ反対になり、
前記毛細管は、全体的にＵ字形を有する、請求項１に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項３】
前記上流管部分は、入口領域および上流管部分主要領域をさらに含み、
前記下流管部分は、出口領域および下流管部分主要領域をさらに含み、
前記管屈曲部分、前記入口領域、および前記出口領域の温度は、第１の温度に等しく、前記第１の温度は、ほぼ一定であり、
前記上流および下流管部分主要領域の温度は、第２の温度を有し、前記第２の温度は、前記第１の温度とは異なる、請求項１に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項４】
前記第１の温度は、周囲温度にほぼ等しい、請求項３に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項５】
第１の対になった検知素子の間で前記上流管部分に結合する第１のヒータと、
前記下流管部分に結合し、前記第１のヒータとほぼ反対方向である第２のヒータとをさらに含む、請求項１に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項６】
差動増幅器をさらに含み、前記差動増幅器は、（ｉ）前記第１の対になった検知素子および前記第２の対になった検知素子から少なくとも１つの信号を受け取り、（ｉｉ）前記毛細管を通って流れている流体の流量にほぼ比例する電圧となる差動増幅器信号を出力する、請求項１に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項７】
前記差動増幅器によって出力される前記質量流量信号は、前記検知素子にわたって直交方向および長手方向温度勾配にほとんど影響を受けない、請求項６に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項８】
第１の方向で、少なくとも１つの第１の熱検知素子にわたって、流体流を受け取る機能と、
第２の方向で、少なくとも１つの第２の熱検知素子にわたって、流体流を受け取る機能と、
前記少なくとも１つの第１および第２の熱検知素子にわたって、長手方向温度勾配を受ける機能と、
前記少なくとも１つの第１および第２の熱検知素子にわたって、直交方向温度勾配を受ける機能と、
前記長手方向および直交方向温度勾配にほとんど影響を受けない質量流量信号を出力する機能とを含む、質量流量コントローラを動作させる方法。
【請求項９】
前記長手方向温度勾配は、前記少なくとも１つの第１の熱検知素子にわたって温度変化を誘発し、
前記長手方向温度勾配は、前記少なくとも１つの第２の熱検知素子にわたって温度変化を誘発し、前記少なくとも１つの第２の熱検知素子にわたる前記温度変化は、前記少なくとも１つの第１の熱検知素子にわたる前記温度変化にほぼ等しく、
前記少なくとも１つの第１の熱検知素子の温度の上昇および低下の一方を、前記少なくとも１つの第２の熱検知素子の温度の上昇および低下の他方で相殺する機能であって、前記温度の上昇および低下は、前記長手方向温度勾配によってもたらされる、機能をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの第１および第２の熱検知素子はそれぞれ、対になった熱検知素子を含み、
前記直交方向温度勾配は、第１の上流熱検知素子と第２の下流熱検知素子との間に温度差振幅を誘発し、
前記直交方向温度勾配は、第２の上流熱検知素子と第１の下流熱検知素子との間に温度差振幅を誘発する、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１および第２の上流熱検知素子と前記第１および第２の下流熱検知素子との間の前記温度差振幅を相殺する機能をさらに含み、前記相殺する機能は、（ｉ）正および負の第１の直交方向勾配温度変化の一方を得るために、前記第１の上流熱検知素子の温度変化を前記第２の下流熱検知素子の温度変化で加算および減算する機能の一方と、（ｉｉ）正および負の第２の直交方向勾配温度変化の他方をもたらすために、前記第１の下流熱検知素子の温度変化を前記第２の上流熱検知素子の温度変化で加算および減算する機能の他方と、（ｉｉｉ）前記第１の直交方向勾配温度変化と前記第２の直交方向勾配温度変化とを組み合わせる機能とを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの第１の熱検知素子によって生成される第１の信号を生成する機能と、
前記少なくとも１つの第２の熱検知素子によって生成される第２の信号を生成する機能と、
前記第１および第２の信号を前記差動増幅器によって受け取る機能とをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
主流路と、
熱センサであって、
ｕ字形断面を有し、前記主流路に結合する上流管部分および前記主流路に結合するほぼ平行な下流管部分を含む毛細管であって、前記下流管部分は、前記上流管部分から第１の距離に位置する毛細管、および
前記毛細管に結合し、少なくとも１つの信号を出力するようにする少なくとも１つの検知素子であって、前記少なくとも１つの信号は、当該少なくとも１つの検知素子の温度にほぼ比例する検知素子電圧を有する、少なくとも１つの検知素子を含む熱センサと、
（ｉ）前記少なくとも１つの信号を受け取り、（ｉｉ）前記質量流量コントローラを通って流れている流体の流量にほぼ比例する電圧となる差動増幅器信号を出力するようにする差動増幅器であって、前記差動増幅器信号は、直交方向および長手方向温度勾配に影響を受けない、差動増幅器とを含む質量流量コントローラ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの検知素子は、熱電対列センサを含む、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１５】
前記第１の距離によって、さらに、前記差動増幅器信号が、前記長手方向温度勾配に影響を受けないようにする、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの検知素子は、２つの反対方向の対になった検知素子を含み、第１の検知素子対は、前記上流管部分に結合し、第２の検知素子対は、反対に前記下流管部分に結合し、検知素子の前記反対方向の対は、前記差動増幅器信号が前記直交方向温度勾配に影響を受けないように構成される、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１７】
対になったヒータをさらに含み、第１のヒータは、前記第１の検知素子対の間で前記上流管部分に結合し、第２のヒータは、反対に前記第２の検知素子対の間で前記下流管部分に結合する、請求項１６に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの検知素子は、少なくとも２つの検知素子から構成され、
前記少なくとも２つの検知素子の一方により測定される前記直交方向温度勾配によってもたらされる第１の温度変化が、前記少なくとも２つの検知素子の他方により測定される第２の温度変化によって相殺される、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの検知素子は、第１の対になった検知素子および第２の対になった検知素子を含み、前記第１の対になった検知素子は、前記上流管部分に結合し、前記第２の対になった検知素子は、反対に前記下流管部分に結合し、
前記第２の対になった検知素子は、前記第１の対になった検知素子によって表示されるあらゆる温度変化を相殺するように構成され、前記温度変化は、長手方向温度勾配によるものであり、
第１の下流検知素子は、第２の上流検知素子によって表示されるあらゆる温度変化を相殺するように構成され、前記温度変化は、直交方向温度勾配によるものであり、
第２の下流検知素子は、第１の上流検知素子によって表示されるあらゆる温度変化を相殺するように構成され、前記温度変化は、直交方向温度勾配によるものである、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項２０】
前記質量流量コントローラの少なくとも一部分の温度を周囲温度にほぼ等しく設定するようにするデバイスをさらに含む、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１】
上流管部分、管屈曲部分、および下流管部分を備える毛細管を含む質量流量コントローラ熱センサであって、
前記上流管部分は、上流部分長さを有し、
前記下流管部分は、下流部分長さを有し、前記下流部分長さは、前記上流部分長さにほぼ等しく、前記下流管部分は、前記上流部分にほぼ平行であり、
前記上流管部分と前記下流管部分との間の距離は、前記上流部分および下流部分長さの半分とほぼ同じであり、
第１の対になった熱検知素子は、前記上流管部分に結合し、
第２の対になった検知素子は、前記下流管部分に結合し、前記第１の対になった検知素子とほぼ反対方向である、質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項２】
前記上流管部分は、（ｉ）前記管屈曲部分の第１の端部に結合し、（ｉｉ）第１の方向のガス流を受け取るようにし、
前記下流管部分は、（ｉ）前記管屈曲部分の第２の端部に結合し、（ｉｉ）第２の方向のガス流を受け取るようにし、前記第２の方向は、前記第１の方向とほぼ反対になり、
前記毛細管は、全体的にＵ字形を有する、請求項１に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項３】
前記上流管部分は、入口領域および上流管部分主要領域をさらに含み、
前記下流管部分は、出口領域および下流管部分主要領域をさらに含み、
前記管屈曲部分、前記入口領域、および前記出口領域の温度は、第１の温度に等しく、前記第１の温度は、ほぼ一定であり、
前記上流および下流管部分主要領域の温度は、第２の温度を有し、前記第２の温度は、前記第１の温度とは異なる、請求項１に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項４】
前記第１の温度は、周囲温度にほぼ等しい、請求項３に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項５】
第１の対になった検知素子の間で前記上流管部分に結合する第１のヒータと、
前記下流管部分に結合し、前記第１のヒータとほぼ反対方向である第２のヒータとをさらに含む、請求項１に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項６】
差動増幅器をさらに含み、前記差動増幅器は、（ｉ）前記第１の対になった検知素子および前記第２の対になった検知素子から少なくとも１つの信号を受け取り、（ｉｉ）前記毛細管を通って流れている流体の流量にほぼ比例する電圧となる差動増幅器信号を出力する、請求項１に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項７】
前記差動増幅器によって出力される前記質量流量信号は、前記検知素子にわたって直交方向および長手方向温度勾配にほとんど影響を受けない、請求項６に記載の質量流量コントローラ熱センサ。
【請求項８】
第１の方向で、少なくとも１つの第１の熱検知素子にわたって、流体流を受け取る機能と、
第２の方向で、少なくとも１つの第２の熱検知素子にわたって、流体流を受け取る機能と、
前記少なくとも１つの第１および第２の熱検知素子にわたって、長手方向温度勾配を受ける機能と、
前記少なくとも１つの第１および第２の熱検知素子にわたって、直交方向温度勾配を受ける機能と、
前記長手方向および直交方向温度勾配にほとんど影響を受けない質量流量信号を出力する機能とを含む、質量流量コントローラを動作させる方法。
【請求項９】
前記長手方向温度勾配は、前記少なくとも１つの第１の熱検知素子にわたって温度変化を誘発し、
前記長手方向温度勾配は、前記少なくとも１つの第２の熱検知素子にわたって温度変化を誘発し、前記少なくとも１つの第２の熱検知素子にわたる前記温度変化は、前記少なくとも１つの第１の熱検知素子にわたる前記温度変化にほぼ等しく、
前記少なくとも１つの第１の熱検知素子の温度の上昇および低下の一方を、前記少なくとも１つの第２の熱検知素子の温度の上昇および低下の他方で相殺する機能であって、前記温度の上昇および低下は、前記長手方向温度勾配によってもたらされる、機能をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの第１および第２の熱検知素子はそれぞれ、対になった熱検知素子を含み、
前記直交方向温度勾配は、第１の上流熱検知素子と第２の下流熱検知素子との間に温度差振幅を誘発し、
前記直交方向温度勾配は、第２の上流熱検知素子と第１の下流熱検知素子との間に温度差振幅を誘発する、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１および第２の上流熱検知素子と前記第１および第２の下流熱検知素子との間の前記温度差振幅を相殺する機能をさらに含み、前記相殺する機能は、（ｉ）正および負の第１の直交方向勾配温度変化の一方を得るために、前記第１の上流熱検知素子の温度変化を前記第２の下流熱検知素子の温度変化で加算および減算する機能の一方と、（ｉｉ）正および負の第２の直交方向勾配温度変化の他方をもたらすために、前記第１の下流熱検知素子の温度変化を前記第２の上流熱検知素子の温度変化で加算および減算する機能の他方と、（ｉｉｉ）前記第１の直交方向勾配温度変化と前記第２の直交方向勾配温度変化とを組み合わせる機能とを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの第１の熱検知素子によって生成される第１の信号を生成する機能と、
前記少なくとも１つの第２の熱検知素子によって生成される第２の信号を生成する機能と、
前記第１および第２の信号を前記差動増幅器によって受け取る機能とをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
主流路と、
熱センサであって、
ｕ字形断面を有し、前記主流路に結合する上流管部分および前記主流路に結合するほぼ平行な下流管部分を含む毛細管であって、前記下流管部分は、前記上流管部分から第１の距離に位置する毛細管、および
前記毛細管に結合し、少なくとも１つの信号を出力するようにする少なくとも１つの検知素子であって、前記少なくとも１つの信号は、当該少なくとも１つの検知素子の温度にほぼ比例する検知素子電圧を有する、少なくとも１つの検知素子を含む熱センサと、
（ｉ）前記少なくとも１つの信号を受け取り、（ｉｉ）前記質量流量コントローラを通って流れている流体の流量にほぼ比例する電圧となる差動増幅器信号を出力するようにする差動増幅器であって、前記差動増幅器信号は、直交方向および長手方向温度勾配に影響を受けない、差動増幅器とを含む質量流量コントローラ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの検知素子は、熱電対列センサを含む、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１５】
前記第１の距離によって、さらに、前記差動増幅器信号が、前記長手方向温度勾配に影響を受けないようにする、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの検知素子は、２つの反対方向の対になった検知素子を含み、第１の検知素子対は、前記上流管部分に結合し、第２の検知素子対は、反対に前記下流管部分に結合し、検知素子の前記反対方向の対は、前記差動増幅器信号が前記直交方向温度勾配に影響を受けないように構成される、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１７】
対になったヒータをさらに含み、第１のヒータは、前記第１の検知素子対の間で前記上流管部分に結合し、第２のヒータは、反対に前記第２の検知素子対の間で前記下流管部分に結合する、請求項１６に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの検知素子は、少なくとも２つの検知素子から構成され、
前記少なくとも２つの検知素子の一方により測定される前記直交方向温度勾配によってもたらされる第１の温度変化が、前記少なくとも２つの検知素子の他方により測定される第２の温度変化によって相殺される、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの検知素子は、第１の対になった検知素子および第２の対になった検知素子を含み、前記第１の対になった検知素子は、前記上流管部分に結合し、前記第２の対になった検知素子は、反対に前記下流管部分に結合し、
前記第２の対になった検知素子は、前記第１の対になった検知素子によって表示されるあらゆる温度変化を相殺するように構成され、前記温度変化は、長手方向温度勾配によるものであり、
第１の下流検知素子は、第２の上流検知素子によって表示されるあらゆる温度変化を相殺するように構成され、前記温度変化は、直交方向温度勾配によるものであり、
第２の下流検知素子は、第１の上流検知素子によって表示されるあらゆる温度変化を相殺するように構成され、前記温度変化は、直交方向温度勾配によるものである、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【請求項２０】
前記質量流量コントローラの少なくとも一部分の温度を周囲温度にほぼ等しく設定するようにするデバイスをさらに含む、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【公表番号】特表２０１２−５０５４１６（Ｐ２０１２−５０５４１６Ａ）
【公表日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３１２４８（Ｐ２０１１−５３１２４８）
【出願日】平成２１年１０月１３日（２００９．１０．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６０４１５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４５１７２
【国際公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月１３日（２００９．１０．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６０４１５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４５１７２
【国際公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]