JPH1164060A - 質量流量制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 取付け姿勢に起因して生ずるサーマルサイフ
ォン現象を生じないようにし、取付け姿勢の如何に拘り
なく流体の質量流量を精度よく検出できる質量流量制御
装置を提供すること。 【解決手段】 本体ブロック１に形成された流体入口２
ａと流体出口３ａとの間に、流体をバイパスさせるバイ
パス部１５と、流体の流量測定を行うためのセンサ部５
とを並列的に設けた質量流量制御装置において、前記セ
ンサ部５とバイパス部１５との間に、センサ部５におけ
るセンサ素子１２，１３が設けられた流路部分１１ａと
平行となる流路２６ｂを設けるとともに、この平行流路
２６ｂを前記センサ部５における発熱量と同程度に加熱
するためのヒータ２７を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、流体流量を制御
するマスフローコントローラや流体の流量を測定するマ
スフローメータなどの質量流量制御装置に関し、特に、
自己発熱抵抗体などのセンサ素子を用いてサーマル方式
によって質量流量を計測する質量流量制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】上記マスフローコントローラなどの質量
流量制御装置は、半導体製造装置などに各種の分野で広
く用いられている。図６は、従来のマスフローコントロ
ーラを概略的に示すもので、この図において、１は本体
ブロック、２，３は本体ブロック１の両端に連設される
流体導入用継手、流体導出用継手である。４は流体入口
２ａと流体出口３ａとの間に形成される流体流路で、流
体流量を測定するためのセンサ部５と流量を制御するた
めの制御弁部６とが設けられている。

【０００３】前記センサ部５は、流体流路４に臨むよう
に開設された測定流路入口７と測定流路出口８との間
を、本体ブロック１の上面にシール機構９を介して設け
られるセンサブロック１０を挿通するように逆Ｕ字状に
形成された例えば薄肉毛細管（キャピラリ）よりなるセ
ンサ管１１の上部の平坦なセンサ流路部分１１ａに２つ
の熱式質量流量センサ素子としての自己発熱抵抗体（以
下、単にセンサ素子という）１２，１３を巻回してなる
もので、センサ素子１２，１３はブリッジ回路（図示し
てない）に接続されている。なお、１４はセンサ管１１
およびセンサ素子１２，１３を覆う断熱性のカバーであ
る。

【０００４】そして、１５はセンサ部５に対して並列的
に流体流路４に形成されるバイパス部で、定分流比特性
を有する層流素子１６が設けられている。

【０００５】前記制御弁部６は、次のように構成されて
いる。すなわち、バイパス部１５よりも下流側の流体流
路４に、弁口１７とこの弁口１７を開閉する弁体１８と
これの下端部周囲に設けられるダイヤフラム１９を備え
た弁ブロック２０が設けられている。この弁ブロック２
０の上方には、弁体１８を下方に押圧駆動する弁アクチ
ュエータとしてのピエゾスタック２１が、弁ブロック２
０上に立設された筒状のバルブケース２２内に収容され
た状態で設けられている。２３はピエゾスタック２１の
出力を弁体１８に伝えるための金属製の真球である。

【０００６】上記構成のマスフローコントローラにおい
ては、例えば流体入口２ａから流入したガスＧは、セン
サ部５とバイパス部１５に分流される。センサ部５にお
いてガスＧの質量流量に比例した温度変化を捉えてブリ
ッジ回路で電気信号に変換され、この信号は増幅回路
（図示してない）や補正回路（図示してない）を経て流
量出力信号として比例制御回路（図示してない）に入力
される。この比例制御回路には外部から流量設定信号が
入力されており、流量出力信号と流量設定信号とを比較
してその差信号をバルブ駆動回路（図示してない）に送
り、このバルブ駆動回路からの制御信号によって制御弁
部６が前記差信号がゼロになるように動作し、常に設定
された流量に制御するのである。

【０００７】ところで、上記構成のマスフローコントロ
ーラは、半導体製造装置の小型化や、配管系統の構成上
または設置スペースなどの関係で、図７に示すように、
２つのセンサ素子１２，１３が巻設されたセンサ流路部
分１１ａ（バイパス部１５と平行な部分）が垂直となる
ように、センサ部５を垂直姿勢の状態となるようにして
設置しなければならないことがある。マスフローコント
ローラをこのように設置することをＺ方向設置という。

【０００８】そして、 マスフローコントローラを上記Ｚ方向に設置する。 分子量の大きいガスを流す。 ガスの一次側圧力が高い。 というような条件が重なると、マスフローコントローラ
のゼロ点が変動する。この現象は一般にサーマルサイフ
ォン現象と呼ばれている。

【０００９】上記サーマルサイフォン現象が発生する原
因について、図７を参照しながら説明すると、センサ素
子１２，１３で温められたガスＧがセンサ管１１のセン
サ流路部分１１ａを矢印Ａ方向に上昇し、次いで、バイ
パス部１５で冷却されて矢印Ｂ方向に降下し、再びセン
サ素子１２，１３方向に戻るといったガスの循環流が生
じる。したがって、マスフローコントローラのガス導入
口２ａが下方になるようにマスフローコントローラが取
り付けられている場合は、センサ管１１内をガスＧが順
方向に流れてプラスの出力が発生し、逆に、ガス導入口
２ａが上方になっている場合は、マイナスの出力が発生
する。

【００１０】なお、上記サーマルサイフォン現象は、マ
スフローコントローラをＺ方向設置したときにおいての
み生じ、マスフローコントローラをこれ以外の状態（姿
勢）で設置した場合には生じないものである。

【００１１】上述のようなサーマルサイフォン現象を回
避する手法として、ａ．センサ管１１の内径を小さくす
る。ｂ．センサ部５における流路を変える。などが試み
られている。

【００１２】しかしながら、上記手法ａによっても、サ
ーマルサイフォン現象を完全に防止することはできず、
センサ管１１を細くすることにより詰まりが生じやすく
なるといった問題がある。また、上記手法ｂによるとき
は、センサ素子１２，１３そのもののを改造する必要が
あるとともに、コンバージョンファクタ（Ｃ．Ｆ．）な
どの流量特性に変化が生じ、そのため、多大の費用が嵩
むとともに、時間が必要になる。

【００１３】なお、上述の課題は、マスフローコントロ
ーラの構成から制御弁部６を除去して構成したマスフロ
ーメータにおいても同様に生じているところである。

【００１４】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、取付け姿勢に起因して生ずるサ
ーマルサイフォン現象を生じないようにし、取付け姿勢
の如何に拘りなく流体の質量流量を精度よく検出できる
質量流量制御装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、本体ブロックに形成された流体入口
と流体出口との間に、流体をバイパスさせるバイパス部
と、流体の流量測定を行うためのセンサ部とを並列的に
設けた質量流量制御装置において、前記センサ部とバイ
パス部との間に、センサ部におけるセンサ素子が設けら
れた流路部分と平行となる流路を設けるとともに、この
平行流路を前記センサ部における発熱量と同程度に加熱
するためのヒータを設けている。

【００１６】上記構成の質量流量制御装置においては、
取付け姿勢の如何に拘りなくサーマルサイフォン現象の
発生を防止することができ、したがって、サーマルサイ
フォン現象によるゼロ点の変動を生じることがないの
で、その取付け姿勢の如何に拘わりなく、質量流量を精
度よく検出することができる。

【００１７】そして、上記質量流量制御装置において
は、センサ部自体の構成を何ら変更したり改造する必要
がなく、従来からのセンサ部をそのまま使用できるとい
った利点がある。

【００１８】また、平行流路とヒータとを一つのブロッ
ク体に形成し、このブロック体を本体ブロックとセンサ
部との間に介装するようにしたり、平行流路を管で形成
し、この管の外周にヒータを設けるようにしてもよく、
このようにした場合、サーマルサイフォン現象を打ち消
すための機構を、質量流量制御装置に対して着脱自在と
できるので、質量流量制御装置が前記Ｚ方向姿勢で取り
付けられる場合のみ、前記機構を取り付けるだけでよ
い。

【００１９】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。以下の図において、図６および図７に
示した符号と同一のものは同一物である。

【００２０】図１〜図３は、この発明の一つの実施の形
態を示すものである。図１および図２において、２４は
本体ブロック１とセンサブロック１０との間にサンドイ
ッチ状態に着脱自在に介装されるブロック体（以下、流
路変更ブロックという）で、この流路変更ブロック２４
は、例えば本体ブロック１と同様にステンレス鋼よりな
る。

【００２１】前記流路変更ブロック２４は、図２に示す
ように、その内部に、上端がセンサブロック１０に保持
されたセンサ管１１の上流側の開口１１ｂと連なり、下
端が本体ブロック１側の上流側開口７と連なる鉛直方向
の直線的流路２５と、上端がセンサ管１１の下流側の開
口１１ｃと連なり、下端が本体ブロック１側の下流側開
口８と連なる屈曲流路２６とが形成されるとともに、ヒ
ータ２７が設けられている。

【００２２】前記屈曲流路２６は、図３にも示すよう
に、前記開口１１ｃと連なり、直線的流路２５と平行な
流路２６ａと、この流路２６ａの下流側を直線的流路２
５側に９０°屈曲し、センサ管１１のセンサ素子１２，
１３を設けたセンサ流路部分１１ａと平行になるように
形成された流路２６ｂと、この流路２６ｂの下流側を下
方に９０°屈曲して直線的流路２５と平行になるように
形成された流路２６ｃと、この流路２６ｃの下流側を直
線的流路２５から遠ざかる方向に９０°屈曲し、流路２
６ｂと平行になるように形成された流路２６ｄと、この
流路２６ｄの下流側を下方に９０°屈曲して直線的流路
２５と平行、かつ前記開口８に連なる流路２６ｅとから
なる。

【００２３】前記ヒータ２７は、屈曲流路２６のセンサ
流路部分１１ａに近い平行流路２６ｂに沿うようにして
設けられた穴２８内に例えばねじ込まれるようにして設
けられている。このヒータ２７は、センサ素子１２，１
３によって生ずる熱量と同程度に平行流路２６ｂを加熱
するように、図示してない制御装置によりオンオフさ
れ、発熱量を調整できるように構成されている。

【００２４】そして、上記流路変更ブロック２４は、本
体ブロック１およびセンサブロック１０とにサンドイン
チされた状態で設けられ、それら１，１０と間にはシー
ル部材２９，３０が介装されている。

【００２５】上記構成のマスフローコントローラを、Ｚ
方向姿勢で設置する場合、すなわち、センサ管１１のセ
ンサ流路部分１１ａが垂直となるように、センサ部５を
垂直姿勢の状態となるように設置する場合、前記ヒータ
２７を発熱させる。このヒータ２７の発熱により、図３
において仮想線Ｃで示すような上昇ガス流Ｃが発生す
る。このため、センサ素子１２，１３で温められること
により発生した上昇ガス流Ａは、前記ヒータ加熱によっ
て発生した上昇ガス流Ｃによって打ち消され、バイパス
部１５まで至らず、ガスの循環が生じることがない。つ
まり、ヒータ２７としては、上昇ガス流Ａをキャンセル
させるに必要な上昇ガス流Ｃを発生させる程度に発熱さ
せればよい。

【００２６】したがって、前記条件〜が重なって
も、サーマルサイフォン現象が生ずるといったことがな
くなり、マスフローコントローラのゼロ点が変動すると
いったことがなくなり、ガスの質量流量を精度よく検出
することができる。

【００２７】そして、この実施の形態においては、前記
サーマルサイフォン現象を打ち消すための機構を、本体
ブロック１やセンサブロック１０に対して着脱自在な流
路変更ブロック２４内に設けているので、マスフローコ
ントローラを前記Ｚ方向姿勢で設置する場合のみ、流路
変更ブロック２４を本体ブロック１とセンサブロック１
０との間に取り付けるだけでよい。

【００２８】そして、前記流路変更ブロック２４の取付
けに際しては、センサ部５の構成、特に、センサ素子１
２，１３としては従来のこの種のマスフローコントロー
ラに設けられていたセンサ素子をそのまま使用すること
ができ、コンバージョンファクタなどの流量特性に変化
が生ずることがないとともに、改造のために余分なコス
トが生じるといったことがなく、ユーザにとってもきわ
めて望ましい。

【００２９】この発明は、上述の実施の形態に限られる
ものではなく、種々に変形して実施することができ、例
えば、平行流路２６ｂを加熱するヒータとしては、図４
に示すように、プレート状のヒータ３１を流路変更ブロ
ック２４の所定の箇所に設けるようにしてもよい。

【００３０】また、上記の各実施の形態においては、直
線的流路２５および屈曲流路２６を流路変更ブロック２
４内に形成していたが、これに代えて、図５に示すよう
に、本体ブロック１およびセンサブロック１０にそれぞ
れ対応する当接面３２ａ，３２ｂを有するコ字状のステ
ンレス鋼製のブロック体３２に、流路２５，２６をステ
ンレス鋼製の管によって形成し、管２６’の平行流路２
６’ｂの外周にヒータ３０を巻設してもよい。なお、こ
の図５において、’を付した番号は、付してない番号２
５，２６に対応する部材を示している。

【００３１】前記図４および図５にそれぞれ示される実
施の形態における作用効果は、図１〜図３に示した実施
の形態のそれと同じであるので、その詳細な説明は省略
する。

【００３２】この発明は、上記マスフローコントローラ
にのみに限られるものではなく、マスフローコントロー
ラの構成から制御弁部６を除去して構成したマスフロー
メータにおいても同様に適用できることはいうまでもな
い。

【００３３】

【発明の効果】この発明の質量流量制御装置によれば、
その取付け姿勢などに起因するサーマルサイフォン現象
を確実に防止することができ、サーマルサイフォン現象
に起因して生ずるゼロ点シフトがなくすることができ
る。したがって、質量流量制御装置の姿勢の如何に拘り
なく流体、特にガス質量流量を精度よく検出できる。

【００３４】そして、この発明によれば、センサ素子な
どセンサ部の構成をなんら変更する必要がなく、従来の
質量流量制御装置に若干の改良を加えるだけでよいの
で、ユーザサイドに余分な負担を与えたりすることがな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一つの実施の形態における質量流量
制御装置を示す縦断面図である。

【図２】前記質量流量制御装置に組み込まれる流路変更
ブロック近傍の構成を示す分解斜視図である。

【図３】前記流路変更ブロック近傍を拡大して示す図で
ある。

【図４】他の実施の形態における流路変更ブロック近傍
の構成を示す分解斜視図である。

【図５】さらに、他の実施の形態における流路変更ブロ
ックの構成を示す斜視図である。

【図６】従来の質量流量制御装置を示す縦断面図であ
る。

【図７】発明の解決すべき課題を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１…本体ブロック、２ａ…流体入口、３ａ…流体出口、
５…センサ部、１１ａ…センサ流路部分、１２，１３…
センサ素子、１５…バイパス部、２４，３２…ブロック
体、２６ｂ…平行流路、２６’…管、２７，３１，３３
…ヒータ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 本体ブロックに形成された流体入口と流
   体出口との間に、流体をバイパスさせるバイパス部と、
   流体の流量測定を行うためのセンサ部とを並列的に設け
   た質量流量制御装置において、前記センサ部とバイパス
   部との間に、センサ部におけるセンサ素子が設けられた
   流路と平行となる流路を設けるとともに、この平行流路
   を前記センサ部における発熱量と同程度に加熱するため
   のヒータを設けたことを特徴とする質量流量制御装置。
2. 【請求項２】 平行流路とヒータとを一つのブロック体
   に形成し、このブロック体を本体ブロックとセンサ部と
   の間に介装してなる請求項１に記載の質量流量制御装
   置。
3. 【請求項３】 平行流路を管で形成し、この管の外周に
   ヒータを設けてなる請求項１に記載の質量流量制御装
   置。