WO2015141437A1 - 熱式質量流量計及びこれを用いた質量流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　２５０℃に加熱することが必要な凝結性のガスを取り扱う場合であっても、センサチューブの内部でガスが再液化又は凝結しない熱式質量流量計及びこれを用いた質量流量制御装置を提供すること。 【解決手段】　ベースの設置面に接して設けられ、センサチューブ及びセンサワイヤを収容するケースを有する熱式質量流量計において、ベースの設置面及びケースの側面とそれぞれ面接触をしている熱の良導体でなる伝熱ブロックを設ける。好ましい実施の形態においては、ベースの側面に接して設けられた温度調節ブロックをさらに設ける。

Description

熱式質量流量計及びこれを用いた質量流量制御装置

　この発明は、熱式質量流量計に関する発明であり、これに限定されるものではないが、高温の流体に使用することができるように改良された熱式質量流量計の構造及びこの熱式質量流量計を用いた質量流量制御装置に関する。

　質量流量計（マスフローメータ）は、半導体の製造プロセスにおいてチャンバー内に供給されるガスの質量流量をモニタリングする目的で広く使用されている。質量流量計は単独で使用されるほか、流量制御弁及び制御回路などの他の部品と組み合わせて質量流量制御装置（マスフローコントローラ）を構成する部品としても使用される。質量流量計にはさまざまな形式のものがあるが、中でも、熱式質量流量計は、比較的簡単な構造でガスの質量流量を正確に測定できることから、広く普及している。

　熱式質量流量計は、例えば特許文献１に開示されているように、ガスが流れる流路が設けられたベースと、流路の中間に設けられたバイパスと、バイパスの上流側で流路から分岐しバイパスの下流側で流路と合流するセンサチューブと、センサチューブに巻かれた一対のセンサワイヤと、前記センサチューブ及び前記センサワイヤを収容するケースと、センサワイヤ及び他の抵抗素子によって構成されたブリッジ回路を含むセンサ回路とを有している。バイパスはガスに対して流体抵抗を有するので、流路を流動するガスのうち一定の割合のガスがセンサチューブに分岐する。センサチューブに流れるガスの質量流量を測定することにより、流路を流れるガスの質量流量を検知することができる。

　センサワイヤに所定の電流を流すと、センサチューブを流れるガスに熱が与えられる。この熱はガスの流動に伴い上流側から下流側へと移動する。熱の移動によりセンサワイヤの温度分布がセンサチューブの長さ方向に対して非対称となり、センサワイヤの電気抵抗の温度変化によりブリッジ回路の端末間に電位差が生じる。この電位差をセンサ回路で検出することにより、センサチューブを流れるガスの質量流量を測定することができる。

　ところで、半導体の製造プロセスでは、ある種の液体材料の気化ガスや固体材料の昇華ガスのように、常温で凝結しやすいガスを用いる場合がある。このような場合、凝結性のガスが配管内で凝結してしまわないように、プロセスチャンバーに至るまでの全ての配管系を臨界温度以上の温度に加熱保持しなければならない。そこで、質量流量制御装置について、ガスが流動する部分を加熱するためのいくつかの提案がなされている。

　例えば特許文献２には、ガス温度を２５０℃に保ちながら流量制御を行う圧力式流量制御装置の発明として、流路が形成されたバルブボディの外側面に加熱用ヒータを備える圧力式流量制御装置の発明が開示されている。この加熱用ヒータは、バルブボディ全体を加熱して、バルブボディに形成された流路を流通するガスの温度を設定温度に保つために設けられたものである。

　また、例えば特許文献３には、圧力式流量制御装置などに好適に用いられる制御バルブであって、ガス導入流路とガス導出流路とを形成した第１ブロックの流路絞りノズルの近傍に、この流路絞りノズルを通過するガスを加熱するためのヒータを設けてある制御バルブの発明が開示されている。このヒータは、流路絞りノズルを通過するガスが低蒸気圧ガスの場合、断熱膨張によって再液化することが考えられることから、その再液化を防ぐために設けられたものである。

　さらに、例えば本出願人の出願に係る特許文献４には、少なくともセンサ部を収容して覆うケース部材を熱良導性材料によって形成し、該ケース部材の外側に温度制御可能な加熱手段を設けた質量流量制御装置の発明が開示されている。このケース部材は、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）などの液体原料をガス化した気化ガスがマスフローコントローラを通過する際に再液化しないように、本体ボディに比べて加熱され難いセンサ部を含むマスフローコントローラの各部の温度を短時間で均一に加熱し、これを一定に調整維持するために設けられたものである。

特開２００９－１９２２２０号公報 国際公開第２０１１／０６７８７７号 特開２０００－７５９３１号公報 特開平６－２１４６５８号公報

　上記の特許文献４に開示された発明は、熱式質量流量計を用いた質量流量制御装置において、熱式質量流量計のセンサチューブを流れるガスの温度が流路を流れるガスの温度に比べて大きく低下することを防止することができる点で、一定の効果を発揮するものである。しかしながら、センサチューブはベースから突出して設けられているため、熱式質量流量計の周囲の環境温度の影響を受けて冷却されやすい。このため、センサチューブを流れるガスの温度を高い温度に維持するのが困難な場合がある。

　例えば、熱式質量流量計を用いた従来技術に係る質量流量制御装置において、常温で極めて液化しやすい凝結性のガスを取り扱うような場合、液化を防止する目的でガスの温度を例えば２５０℃に加熱保持しようとしても、熱式質量流量計のセンサチューブを流れるガスの温度が流路を流れるガスの温度に比べて大きく低下し、センサチューブの内部でのガスの再液化や凝結を確実に防止することができない場合がある。センサチューブの内部でガスが再液化したり凝結したりすると、生成した液体又は固体がセンサチューブの内部に付着してセンサチューブの断面積や熱容量が変化し、熱式質量流量計の測定値に誤差が生じる原因となる。

　熱式質量流量計の流路が形成されるベースに一般に採用されるステンレス鋼は、他の金属や合金に比べて熱伝導率が低い。このため、特許文献２に開示されたバルブボディ全体を加熱するための加熱用ヒータや、特許文献４に開示されたマスフローコントローラの各部の温度を一定に調整維持するためのケース部材を用いても、流路を加熱するヒータから離れた位置に設けられるセンサチューブの温度を流路の温度と同じ温度に維持することは容易ではない。

　特許文献３に開示された圧力式流量制御装置の流路絞りノズルの近傍に設けられたヒータのように、流路を加熱するヒータとは別に、熱式質量流量計の近傍に専用のヒータを設けることも考えられる。しかし、熱式質量流量計は、センサチューブを流れるガスの微小な温度差により質量流量を測定するものであるから、熱式質量流量計自体をヒータで温度調節すると、ヒータのオンオフによって熱式質量流量計の測定値が変動するおそれがある。

　また、熱式質量流量計の感度を高めるためにセンサチューブは細い管によって構成されているので、センサチューブを流れる流体の流量はあまり大きくない。このため、センサチューブを流れる流体の有する熱を熱式質量流量計の温度を維持するための熱源として利用することはできない。

　本発明は、熱式質量流量計を用いた質量流量制御装置に特有の上記の諸課題に鑑みてなされたものであり、温度を例えば２５０℃に保持することが必要なガスを取り扱うことが可能な熱式質量流量計及びこれを用いた質量流量制御装置の提供を目的としている。

　本発明に係る熱式質量流量計は、センサチューブなどが収容されたケースの側面に熱を供給することでセンサチューブの温度を流路の温度と等しく高温に維持することを目的として、ベースの設置面及びケースの側面とそれぞれ面接触をしている伝熱ブロックを有している。この伝熱ブロックは伝熱材料によって形成されている。即ち、この伝熱ブロックは熱の良導体であり、ベースの設置面からケースの側面に向かって効率的に熱伝導を行うので、センサチューブが流路から離れていても、両者の間に介在し、センサチューブの温度が流路の温度に比べて大きく低下しないようにすることができる。

　また、伝熱ブロックは、自ら能動的に熱を発生するものではなく、単にベースの熱をケースに伝える受動的な役割を担っているに過ぎないので、伝熱ブロックによるケースの加熱効果は緩やかなものであり、伝熱ブロックとの熱的接触によって熱式質量流量計の測定値が変動するおそれはない。

　本発明の好ましい実施の形態において、本発明に係る熱式質量流量計は、ベースの設置面だけでなく、側面からも熱を受け取ってケースに伝熱することを目的として、ベースの側面と伝熱ブロックの少なくとも一の側面とそれぞれ面接触をしている伝熱シートをさらに有している。この伝熱シートも伝熱材料によって形成されている。即ち、この伝熱シートも熱の良導体であり、ベースの設置面からの熱に加えてベースの側面からも伝熱ブロックに向かって効率的に熱の伝導を行うことができる。

　本発明の好ましい実施の形態において、本発明に係る熱式質量流量計は、伝熱ブロックの上面を覆うように設けられた断熱材をさらに有している。断熱材を設けることにより、ベースから伝導された熱が伝熱ブロックの表面から周囲に放熱されることを防止し、ケースの保温効果がさらに高まる。また、本発明は、上記の熱式質量流量計を用いた質量流量制御装置の発明である。

　本発明に係る熱式質量流量計は、従来ベースの設置面及び側面から外部に放出されていた熱を有効に利用してケース及びその内部のセンサチューブの温度を流路の温度と同程度に維持することができるので、付加的な熱源を設けることなく、また、熱式質量流量計の機能を損なうことなく、流路に比べてセンサチューブの温度が大きく低下することを確実に防止することができる。これにより、温度を例えば２５０℃に保持することが必要なガスを取り扱おうとする場合でも、センサチューブの内部でガスが再液化したり凝結したりしないので、ガスの質量流量を安定に計測することができる。

本発明の一の実施の形態を示す側面図である。 本発明の一の実施の形態を示すガスの入口側から見た正面図である。 本発明の一の実施の形態を示す上面図である。 本発明の他の実施の形態を示す側面図である。 本発明の他の実施の形態を示すガスの入口側から見た正面図である。 本発明のもう一つの実施の形態を示す側面図である。 本発明のもう一つの実施の形態を示すガスの入口側から見た正面図である。 図７に示した伝熱ブロックの形状の１つの変形例を示すガスの入口側から見た正面図である。 図７に示した伝熱ブロックの形状のもう１つの変形例を示すガスの入口側から見た正面図である。 本発明のもう一つの実施の形態を示す上面図である。 本発明のさらにもう一つの実施の形態を示す側面図である。 本発明のさらにもう一つの実施の形態を示すガスの入口側から見た正面図である。 本発明のさらにもう一つの実施の形態を示す上面図である。 本発明のまたさらにもう一つの実施の形態を示す側面図である。 本発明のまたさらにもう一つの実施の形態を示すガスの入口側から見た正面図である。 本発明のまたさらにもう一つの実施の形態を示す上面図である。

　本発明を実施するための形態について図を用いて詳しく説明する。なお、ここで説明する実施の形態は本発明の実施の形態を例示するものにすぎず、本発明の実施の形態はここに例示する形態に限られない。また、本発明における「上面」、「側面」、「底面」などの用語の意義は、図１、図２、図４及び図５に記載された熱式質量流量計及び質量流量制御装置の上下方向を基準に解釈するものとする。

　図１は、本発明に係る熱式質量流量計１を有する質量流量制御装置の一の実施の形態を示す側面図である。本発明に係る熱式質量流量計１は、内部に流体の流路２ｄが設けられ、一の設置面２ａを有するベース２と、流路２ｄの中間に設けられたバイパス３と、バイパス３の上流側で流路２ｄから分岐し設置面２ａの外側を迂回した後バイパス３の下流側で流路２ｄに合流するセンサチューブ４ａ、センサチューブ４ａに巻かれた一対のセンサワイヤ４ｂ、及びベース２の設置面２ａに接して設けられセンサチューブ４ａ及びセンサワイヤ４ｂを収容するケース４ｃを備えた流量センサ４と、センサワイヤ４ｂ及び他の抵抗素子によって構成されたブリッジ回路を含むセンサ回路（図示せず）と、を有している。

　ベース２は、本発明に係る熱式質量流量計１及び質量流量制御装置の全体の構造の基盤となる直方体の構成部品である。また、本発明に係る熱式質量流量計において、ベース２は（図２及び３に記載の）ヒータ８で加熱された際に相当の熱容量を有する熱源としての機能をも有する。ベース２の上面は設置面２ａといい、ケース４ｃ、流量制御弁９などの構成部品がベース２の設置面２ａに接して設けられる。ベース２の内部には、長手方向に沿って流体の流路２ｄが設けられ、流路２ｄの両端にはガスの入口と出口が設けられる。ベース２を構成する材料には、耐食性に優れていることから一般にステンレス鋼が用いられる。ステンレス鋼の熱伝導率は約１５Ｗ／ｍ・Ｋであり、他の金属や合金に比べて低い。

　ケース４ｃは、流量センサ４の主要な構成部品であるセンサチューブ４ａ及びセンサワイヤ４ｂを収容する空洞を有する扁平な直方体の部品である。ケース４ｃは、センサチューブ４ａ及びセンサワイヤ４ｂの周囲の温度を均一に保つことで質量流量の正確な計測を可能にする機能を有する。このため、ケース４ｃには、熱伝導率の高いアルミニウム合金などの材料が一般に用いられる。ケース４ｃは、その底面がベースの設置面２ａに接するように設けられている。ケース４ｃの形状は扁平な直方体であり、ケース４ｃの底面は、ベースの設置面２ａの一部と接触しているに過ぎない。また、ベースを構成する材料であるステンレス鋼の熱伝導率は大きくない。このため、ベースの設置面２ａからケース４ｃの底面に伝わる熱の量は、ケース４ｃの温度を流路２ｄの温度と同等に保つことができるほど大きくない。

　ケース４ｃは基本的には上記の通り扁平な直方体であるが、ベース２の設置面２ａへの固定のためのねじ穴を設けるなどの目的で脚部を設けてもよい。この場合、ケースの脚部はベースの設置面２ａからケース４ｃへの熱の伝達経路となるので、そのことを考慮してケースの脚部を設計する必要がある。具体的には、ケース４ｃの脚部は、ケース４ｃと同一の材料でケース４ｃの本体と一体不可分に構成し、ベースの設置面２ａその接触面積が大きく取れるように設計することが好ましい。また、特許文献４に記載されているように、少なくとも流量センサ４を収容して覆うケース部材に相当する容器をさらに設けてもよい。この場合、当該容器とケース４ｃとの間の熱伝導が妨げられないように留意する必要がある。

　本発明に係る熱式質量流量計１は、特徴的な構成部品として、ベースの設置面２ａに接して、ケース４ｃと隣り合う位置に設けられた伝熱ブロック５をさらに有している。図１、図２及び図３のハッチングが施されている部分は、伝熱ブロック５の実施の形態を例示している。この伝熱ブロック５の底面５ｃとベースの設置面２ａとは面接触をしており、伝熱ブロック５の少なくとも一の側面５ｂとケース４ｃの側面とは面接触をしている。ここで、面接触とは、一の部品と他の部品とが接触する位置が平面によって構成され、両者が隙間なく接触していることをいう。伝熱ブロック５の表面がベースの設置面２ａとケースの側面の双方に面接触することで、ベースの設置面２ａから伝熱ブロック５を介してケース４ｃの側面に熱が滞りなく伝導し、ベース２とケース４ｃの温度差が減少する。これにより、ベース２の内部に形成された流路２ｄとケース４ｃの内部に収容されたセンサチューブ４ａの温度差も減少する。

　部品と部品との間に隙間があるとそこに空気が存在することになるが、空気は熱伝導率が低く熱伝導の障害となるため、隙間があることは好ましくない。そこで、面接触させたい部品の表面をできるだけ平滑にし、部品を組み合わせたときの平行度を高めることで、理想的な面接触を実現することができる。しかしながら、部品の加工精度を高めるにはコストがかかるし、隙間を完全にゼロにすることは実際には不可能である。部品間の隙間が好ましくは最大で０．２ｍｍを越えなければ、本発明における面接触による伝熱の効果を得ることができる。部品間の隙間が最大で０．１ｍｍを越えなければ、より好ましい。

　部品間の隙間に存在する空気は熱伝導を妨げる断熱材として機能するので、本発明の好ましい実施の形態において、空気よりも熱伝導率が高い物質を部品間に挿入して、隙間をできるだけ排除することができる。この目的には、柔軟性を有し熱伝導性及び耐熱性のある間隙材を用いることが好ましい。

　伝熱ブロック５は、熱伝導率ができるだけ高い材料によって構成することが好ましい。伝熱ブロック５は伝熱材料によって形成されている。本明細書において、伝熱材料は、高い熱伝導率を有する材料（即ち、熱の良導体）を指し、少なくともステンレス鋼よりは高い熱伝導率を有する。具体的には、銅若しくはアルミニウム又は銅若しくはアルミニウムを含む合金を用いることができる。伝熱ブロック５に好適に用いることができるアルミニウムを含む合金としては、例えば熱伝導性に優れた工業用純アルミニウム（国際アルミニウム合金名が１０００番台のもの）や、強度と加工性に優れたＡｌ－Ｍｇ系合金（国際アルミニウム合金名が５０００番台のもの）など、がある。

　伝熱ブロック５は、ベースの設置面２ａに接して、ケース４ｃと隣り合う位置に設ける必要がある。これにより、ベースの設置面２ａからケース４ｃの側面に向かって熱を効率的に伝導することができる。伝熱ブロック５は、ケース４ｃの周囲を全て囲うように設置することが好ましい。しかし、熱式質量流量計を構成する他の部品との位置関係により、伝熱ブロック５がケース４ｃの周囲を全て囲うことができず、ケース４ｃの周囲の一部が露出していても、ケース４ｃの周囲の他の部分と隣り合う位置に伝熱ブロック５が設けられていれば、本発明の効果を得ることができる。

　伝熱ブロック５のベースの設置面２ａからの高さは、ケース４ｃの高さと同じ高さを有していてもよいし、図１及び図２に例示するように、ケース４ｃの高さよりも低くしてもよい。伝熱ブロック５の高さは、ケース４ｃの高さの少なくとも１／３以上の高さを有していることが、本発明の効果を得る上で好ましい。

　伝熱ブロック５の形状は、直方体を基本とする任意の形状に設計することができる。後述する伝熱シート６と組み合わせる必要から、伝熱ブロック５は、図２に例示するように、組み立てた際の幅がベース２の幅と一致するようにすることが好ましい。また、伝熱ブロック５は、組み立ての便宜上、複数の部分に分割できるように設けることができる。図３に例示する伝熱ブロック５は２個の部分からなっており、ケース４ｃを挟むようにして組み立てて固定することができる。

　ケース４ｃに脚部が設けられている場合、伝熱ブロック５は、ケース４ｃの脚部を避けて設けることができる。ケース４ｃの脚部の高さがケース４ｃの高さの１／３以上の高さを有している場合は、後述する断熱材７と組み合わせる必要から、伝熱ブロック５の高さをケース４ｃの脚部の高さと一致するようにすることが好ましい。

　本発明に係る熱式質量流量計１は、好ましい実施の形態において、ベース２の側面に接して設けられた伝熱シート６をさらに有している。伝熱シート６の表面とベースの側面２ｂとは面接触をしており、伝熱シート６の表面と伝熱ブロックの少なくとも一の側面５ｂとは面接触をしている。使用に際しては、例えば図５に破線で示すように、伝熱シート６の外側にヒータ８を設けることができる。このような構成により、ヒータ８からベースの側面２ｂに伝導する熱の一部が伝熱シート６を介して伝熱ブロックの側面５ｂに供給されるので、ベース２と伝熱ブロック５の温度差が減少するとともに、ベース２とケース４ｃの温度差も減少する。これにより、ベース２の内部に形成された流路２ｄとケース４ｃの内部に収容されたセンサチューブ４ａの温度差も減少する。

　伝熱シート６は、できるだけ高い熱伝導率を有する材料（伝熱材料）であって、シート状に形成しやすい材料によって構成することが好ましい。具体的には、銅若しくはアルミニウム又は銅若しくはアルミニウムを含む合金の板を用いることができる。伝熱シート６に好適に用いることができるアルミニウムを含む合金としては、例えば熱伝導性に優れた工業用純アルミニウムや、強度と加工性に優れたＡｌ－Ｍｇ系合金など、がある。また、グラファイトやシリコーン系材料からなるシートなども、伝熱シート６として好適に用いることができる。伝熱シート６を構成する材料として塑性変形の容易な軟らかい材料を採用すれば、ベース２の側面に加工や組み立てによって生じた段差が多少あったとしても、段差を吸収してベース２の側面に密着させることができるので、好ましい。

　伝熱シート６の厚さは、８．０ｍｍを超えると熱式質量流量計１の幅が増大して接地面積を広く取る必要が生じるので好ましくなく、０．５ｍｍより薄いと熱流方向に垂直な断面積が小さくなって熱の伝導効率が悪くなるので好ましくない。よって、好ましい伝熱シート６の厚さは０．５ｍｍ以上、８．０ｍｍ以下である。より好ましい厚さの範囲は、０．８ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下である。

　伝熱シート６の形状は、図４に例示するように、ベースの側面２ｂ及び伝熱ブロックの側面５ｂを全て覆うことができる長方形であることが好ましい。流量制御弁９の周辺などの昇温したくない部分については、伝熱シート６を設けないようにすることができる。伝熱シート６は、ベースの側面２ｂ及び伝熱ブロックの側面５ｂに接して設けることに加えて、図５に例示するように、伝熱ブロックの上面５ａを覆うように設けることもできる。

　本発明に係る熱式質量流量計１は、好ましい実施の形態において、伝熱ブロックの上面５ａを覆うように設けられた断熱材７をさらに有している。この構成により、伝熱ブロックの上面５ａから外部への熱の放出が妨げられ、伝熱ブロック５がベースの設置面２ａ及び伝熱シート６から受け取った熱が無駄に失われることなくケース４ｃの側面に伝わるようにすることができるので、本発明の効果がさらに増強される。

　断熱材７は、図４及び図５に例示するように、伝熱ブロックの上面５ａ全体を覆うように設けることができる。伝熱ブロック５のベースの設置面２ａからの高さがケース４ｃの高さと一致している場合は、断熱材７は、伝熱ブロックの上面５ａ及びケース４ｃの上面を覆うようにして設けることができる。また、伝熱シート６を伝熱ブロックの上面５ａを覆うようにして設けた場合には、断熱材７はその伝熱シート６をさらに覆うように設けることができる。

　断熱材７の厚さは、２０ｍｍを超えると厚くしても断熱効果があまり変わらないので好ましくなく、３．０ｍｍより薄いと十分な断熱効果が得られないので好ましくない。よって、好ましい断熱材７の厚さは３．０ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。より好ましい厚さの範囲は、５．０ｍｍ以上、１５ｍｍ以下である。

　断熱材７は、熱伝導率の低い公知の材料によって構成することができる。具体的には、ガラス繊維をバインダで固めたものなど、を好適に用いることができる。

　本発明に係る熱式質量流量計１は、好ましい実施の形態において、ベース２を加熱するヒータ８をさらに有している。ヒータ８は、ベース２を加熱することにより、ベースの流路２ｄの内部を流れるガスの再液化又は凝結を防止する機能を有する。ヒータ８は、図２、図３及び図５に例示するように、ベースの側面２ｂに接して設けられた板状のものとして構成することができる。板状のヒータの構成としては、例えば、アルミニウム合金で形成した板状の部材にニクロム線を含む棒状のカートリッジヒータを挿入したものや、シリコンゴムの中に発熱体を設けたラバーヒータ、セラミックスの板材の中に発熱体を設けたプレートヒータなどを好適に用いることができる。

　ヒータ８は、ベース２の外部でなく、ベース２の内部に埋設された形態で設けることもできる。例えば、ベース２に穴を設け、ニクロム線を含む棒状のカートリッジヒータを挿入して構成することができる。この場合、伝熱シート６は、内蔵されたヒータで加熱されたベースの側面２ｂから外部に放出される熱を受けて伝熱ブロックに伝える機能を有することになる。

　また、本発明に係る熱式質量流量計においてヒータ８は必須の構成要素ではなく、流路２ｄを流れるガス自体が有する熱によってベース２を加熱保持し、その熱をケース４ｃに伝えて使用することも可能である。

　さらに、本発明において、熱が伝達される方向は、以上に説明した実施の形態に限定されず、これとは逆の方向であってもよい。例えば、常温以下の沸点を有する液体の質量流量を測定しようとする場合は、ヒータ８の代わりにクーラ（冷却装置）を設けてベース２を冷却し、ベース２と面接触させた伝熱ブロック５及び伝熱シート６を介してケース４ｃ及びセンサチューブ４ａを冷却する。また、断熱材７を設けて環境温度による温度の上昇を防止する。これにより、センサチューブ４ａを流れる液体の気化及びそれに伴う質量流量の測定誤差の増大を有効に防止することができる。

　上述からも明らかであるように、本発明に係る熱式質量流量計１は、好ましい実施の形態において、ベース２を加熱するヒータ及び／又はベース２を冷却するクーラをさらに有することができる。当該ヒータ及び／又はクーラは、図２、図３及び図５に例示したヒータ８のように、少なくともベースの側面２ｂに接して設けられた伝熱材料からなる板状又はブロック状の部材と、当該部材を加熱及び／又は冷却する発熱体及び／又は冷却体とを有する温度調節ブロックとして構成することができる。

　即ち、本発明に係る熱式質量流量計１は、好ましい実施の形態において、少なくとも前記ベースの側面に接して設けられた温度調節ブロックをさらに有し、前記温度調節ブロックは、伝熱材料によって形成されており、且つ、前記温度調節ブロックを加熱する発熱体及び／又は前記温度調節ブロックを冷却する冷却体を有する。発熱体又は冷却体によって加熱又は冷却された温度調節ブロックは、少なくともベースの側面を介して、ベースを加熱又は冷却することができる。

　本発明の上記好ましい実施の形態に係る熱式質量流量計１を有する質量流量制御装置につき、図６から図８を参照しながら、以下に詳しく説明する。図６から図８の右下がりの斜線によってハッチングが施されている部分は、上記温度調節ブロックの実施の形態を例示している。図６から図８に例示したように、この実施の形態に係る熱式質量流量計１を有する質量流量制御装置においては、図２、図３及び図５に例示したヒータ８が温度調節ブロック１１に置き換えられている。即ち、ヒータ８は温度調節ブロック１１の一の実施の形態であるということができる。なお、図６から図８に示した例においては、温度調節ブロック１１はアルミニウム合金で形成されており、当該温度調節ブロック１１に形成された穴に、ニクロム線を含む棒状のカートリッジヒータ１１ａが発熱体として挿入されている。

　但し、温度調節ブロック１１の構成は上記に限定されない。例えば、温度調節ブロック１１としては、ヒータ８と同様に、例えば、アルミニウム合金で形成した板状又はブロック状の部材にニクロム線を含む棒状のカートリッジヒータを挿入したものや、シリコンゴムの中に発熱体を設けたラバーヒータ、セラミックスの板材又はブロック材の中に発熱体を設けたプレートヒータなどを好適に用いることができる。ベース２を冷却しようとする場合は、温度調節ブロック１１としては、例えば、アルミニウム合金で形成した板状又はブロック状の部材にペルチェ素子などの冷却体を挿入及び／又は貼付したものや、シリコンゴムの中に冷却体を設けたラバーヒータ、セラミックスの板材又はブロック材の中に冷却体を設けたプレートヒータなどを好適に用いることができる。

　温度調節ブロック１１を形成する伝熱材料の具体例としては、上記のように、例えば、銅若しくはアルミニウム又は銅若しくはアルミニウムを含む合金を挙げることができる。温度調節ブロック１１に好適に用いることができるアルミニウムを含む合金としては、例えば熱伝導性に優れた工業用純アルミニウムや、強度と加工性に優れたＡｌ－Ｍｇ系合金など、がある。

　さらに、温度調節ブロック１１は、伝熱材料によって形成された本体部の内部及び／又は周囲に形成された流路に熱媒体を流すことによって温度調節ブロックを加熱又は冷却するようにも構成され得る。この場合、上記熱媒体としては、例えば油、水、空気及び各種ガスなど、熱媒又は冷媒として広く使用されている流体を使用することができる。

　ところで、これまでは、伝熱ブロック５の少なくとも一の側面がケース４ｃの側面と面接触をしており、且つ、伝熱ブロック５の底面５ｃがベース２の設置面２ａと面接触をしている本発明の実施の形態について説明してきた。しかしながら、センサチューブ４ａの温度と流路２ｄの温度との差をできるだけ小さく維持する観点からは、伝熱ブロック５が、ベース２とケース４ｃとの間における熱伝導のみならず、温度調節ブロック１１とケース４ｃとの間における熱伝導をもより効率的なものとすることが望ましい。

　上記のような課題に鑑み、本発明の好ましい実施の形態に係る熱式質量流量計１において、前記伝熱ブロックは、前記温度調節ブロックの上面及び／又は少なくとも一の側面と面接触をしている。

　具体的には、例えば、図６から図８に示したように、伝熱ブロック５の底部近傍にフランジ状の底面拡張部５ｄを設けることにより、伝熱ブロック５の底面５ｃの面積を増大させて、伝熱ブロック５の底面５ｃが、ベース２の設置面２ａのみならず、温度調節ブロック１１の上面とも、面接触をするようにしてもよい。これにより、伝熱ブロック５は、ベース２とケース４ｃとの間における熱伝導のみならず、温度調節ブロック１１とケース４ｃとの間における熱伝導をも効率的に行うことができる。その結果、センサチューブ４ａの温度と流路２ｄの温度との差をより小さく維持することができる。

　なお、図６から図８においても、図１から図３及び図５と同様に、伝熱ブロック５は右上がりの斜線によるハッチングが施されている。但し、図１から図３及び図５に示した例においては、伝熱ブロック５の側面５ｂはケース４ｃの側面の一部と面接触をしているのに対し、図６から図８に示した例においては、伝熱ブロック５の側面５ｂはケース４ｃの側面の全部と面接触をしているのみならず、ケース４ｃの上面とも面接触をしている。このように、伝熱ブロック５がケース４ｃの底面以外の総ての面を覆うようにしてもよい。

　上記においては伝熱ブロック５の底部近傍にフランジ状の底面拡張部５ｄを設けることによって伝熱ブロック５の底面５ｃの面積を増大させた実施の形態について例示した。しかしながら、伝熱ブロック５の形状は上記に限定されない。例えば、伝熱ブロック５は、図７ａに示したように、伝熱ブロック５の底面５ｃに平行な平面による断面が底面５ｃに近いほど大きくなる裾広がりの形状を有していてもよい。或いは、図７ｂに示したように、単純に伝熱ブロック５の幅を広げて伝熱ブロック５の底面５ｃが温度調節ブロック１１の上面１１ｃの少なくとも一部を覆うようにしてもよい。

　或いは、例えば、図９から図１１に示したように、伝熱ブロック５の側面５ｂに対向する領域にまで温度調節ブロック１１の一部を上方に向かって延在させ、この延在させた部分と伝熱ブロック５の側面５ｂとを面接触させるようにしてもよい。なお、この温度調節ブロック１１の上方に向かって延在させた部分を以降「上方拡張部１１ｂ」と称する。これにより、伝熱ブロック５は、ベース２とケース４ｃとの間における熱伝導のみならず、温度調節ブロック１１とケース４ｃとの間における熱伝導をも効率的に行うことができる。その結果、センサチューブ４ａの温度と流路２ｄの温度との差をより小さく維持することができる。

　ところで、温度調節ブロック１１とケース４ｃとの間における熱伝導をより効率的に行うためには、図９から図１１に示した例における温度調節ブロック１１の上方拡張部１１ｂと伝熱ブロック５とを一体不可分に形成することが望ましい。このような課題に鑑み、本発明の好ましい別の実施の形態に係る熱式質量流量計１において、前記伝熱ブロックは、前記温度調節ブロックの一部分として、前記温度調節ブロックと一体不可分に形成されている。

　具体的には、例えば、図１２から図１４に示したように、温度調節ブロック１１の一部を上方に向かって延在させるのみならず、さらにケース４ｃの側面に対向する領域に向かっても延在させ、この延在させた部分を、ベース２の設置面２ａのみならず、ケース４ｃの側面とも面接触させるようにしてもよい。なお、この温度調節ブロック１１のケース４ｃの側面に向かって延在させた部分全体を以降「伝熱ブロック機能部１１ｄ」と称する。これにより、伝熱ブロック機能部１１ｄを介して、ベース２とケース４ｃとの間における熱伝導のみならず、温度調節ブロック１１とケース４ｃとの間における熱伝導をも効率的に行うことができる。その結果、センサチューブ４ａの温度と流路２ｄの温度との差をさらにより小さく維持することができる。

　本発明の好ましいさらに別の実施の形態に係る熱式質量流量計１において、少なくとも前記伝熱ブロック又は前記温度調節ブロックの上面を覆うように設けられた断熱材をさらに有する。この構成により、伝熱ブロック５の上面５ａ又は前記温度調節ブロック１１の上面１１ｃから外部への熱の放出が妨げられる。その結果、伝熱ブロック５又は温度調節ブロック１１の伝熱ブロック機能部１１ｄを介してケース４ｃに伝えられるべき熱が無駄に失われることを抑制することができるので、本発明の効果がさらに増強される。

　なお、断熱材は、伝熱ブロック５の上面５ａ又は前記温度調節ブロック１１の上面１１ｃのみならず、ケース４ｃ、伝熱ブロック５及び温度調節ブロック１１の外部に露出している面の一部又は全部を覆うように設けることができる。断熱材の配置、形状及び材料については、既に述べた通りであるので、ここでは説明を繰り返さない。

　本発明に係る熱式質量流量計１は、好ましい実施の形態において、流路２ｄを流れる流体の温度と、センサチューブ４ａを流れる流体の温度の差の絶対値が１０℃以上にならないことを特徴としている。この特徴により、流路２ｄ及びセンサチューブ４ａにおける流体の温度差が１０℃未満であるため、センサチューブ４ａの内部でガスが再液化又は凝結するおそれがなくなる。前記の温度差が１０℃以上にならないようにするためには、制御するガスの性質や周囲の環境温度などの条件に応じて、本発明に係る熱式質量流量計の実施の形態から最適な形態を選択して実施すればよい。

　本発明に係る質量流量制御装置は、本発明に係る熱式質量流量計１と、ベースの設置面２ａに接して設けられ、流路２ｄを流れる流体の流量を制御する流量制御弁９と、熱式質量流量計１により検知された流体の流量に基づいて流量制御弁９に制御信号を出力する制御回路（図示せず）とを有している。流量制御弁９は、例えば、ダイアフラム９ａと、ダイアフラム９ａを駆動するアクチュエータ９ｂとによって構成される。本発明に係る熱式質量流量計１を有する質量流量制御装置は、センサチューブ４ａの内部でガスが再液化又は凝結することなく、ガスの質量流量を正しく計測することができるので、計測されたガスの質量流量に基づいてガスの質量流量を設定値に制御することができる。

（実施例１）
　図４及び図５に示された質量流量制御装置（伝熱ブロック、伝熱シート、断熱材及びヒータを備えたもの）を用意し、ベース、センサチューブ及び流量制御弁の位置に温度センサを設置した。センサチューブの測温位置は、センサチューブの下部でセンサチューブを支持している部材の位置とした。この質量流量制御装置を恒温槽に入れ、恒温槽内の環境温度を３１℃に調整した。そして、ヒータに電力を供給して、ベースの温度が１５５℃になるようにヒータの出力を調整した。

　次に、流量制御弁を全開にし、ベースのガスの入口から流路に向けて予め１５５℃に加熱された空気の導入を開始した。このときの空気の流量は２０ｓｌｍであった。流路に導入された空気はガスの出口から恒温槽の外部に放出した。空気の導入開始後の各部の温度測定値の時間変化を観察し、温度が安定するのを待った。そして、温度が安定したときの各部の温度測定値を記録した。

　次に、環境温度を４６℃、６５℃及び８０℃に調整して、それぞれの環境温度において各部の温度が安定したときの温度を上記と同じ方法で測定し、記録した。記録された各部の温度測定値と、ベース（Ｂ）とセンサチューブ（Ｓ）の温度測定値から求められる温度差Ｂ－Ｓを表１の実施例１の欄に示す。

　表１によれば、環境温度が低いほどセンサチューブの温度はベースの温度に比べてより低下する傾向があるが、両者の温度差はたかだか４℃である。また、流量制御弁の位置における温度もベース温度とほぼ同じ温度に保持されている。よって、本発明に係る熱式質量流量計によれば、１５５℃のガスを流した場合であっても、センサチューブの温度低下はたかだか４℃であり、センサチューブ及び流量制御弁の内部でのガスの再液化又は凝結を有効に防止できることが分かる。

（実施例２）
　実施例１で使用した質量流量制御装置と同じ質量流量制御装置を環境温度が２５℃の場所に設置し、ヒータに電力を供給して、ベースの温度が２５０℃になるようにヒータの出力を調整した。ベースの温度が２５０℃で安定したときのセンサチューブの温度は２５０℃、流量制御弁の温度は２３５℃であった。

　次に、流量制御弁を全開にし、ベースのガスの入口から流路に向けて予め２５０℃に加熱された空気の導入を開始した。このときの空気の流量は２０ｓｌｍであった。流路に導入された空気はガスの出口から外部に放出した。

　空気の導入開始後の各部の温度の時間変化を測定した。測定の結果、ベースの温度は、測定の開始から５分が経過するまでは２６０℃まで上昇していたが、その後は２５０℃に安定した。センサチューブの温度は、測定の開始から５分が経過するまでは２５０℃のままであったが、その後徐々に低下し、１０分経過後からは２４５℃で安定した。流量制御弁の温度は、測定の開始から５分が経過するまでは２３５℃のままであったが、その後徐々に低下し、１０分経過後からは２３０℃で安定した。

　この実施例２より、本発明の構成を有する熱式質量流量計では、２５０℃のガスを流した場合であっても、ベースとセンサチューブの温度差Ｂ－Ｓの値はたかだか５℃であり、センサチューブの内部でのガスの再液化又は凝結を有効に防止できることが分かる。

（比較例１）
　実施例１及び実施例２で使用した質量流量制御装置と同じ質量流量制御装置から伝熱ブロック、伝熱シート及び断熱材を取り外したものを用意した。この質量流量制御装置を用いて、実施例１と同じ方法で、環境温度が３１℃、４６℃、６５℃及び８０℃における各部の温度を測定し、記録した。記録された各部の温度測定値と、ベース（Ｂ）とセンサチューブ（Ｓ）の温度測定値から求められる温度差Ｂ－Ｓを表１に示す。

　表１によれば、実施例１の場合と同様に、環境温度が低いほどセンサチューブの温度はベースの温度に比べてより低下する傾向があるが、実施例１に比べて温度が大きく低下しており、温度差Ｂ－Ｓの値は環境温度が３１℃のときは１２℃、環境温度が４６℃のときでも１０℃に達する。また、温度差Ｂ－Ｓに対する環境温度の影響も実施例１の場合に比べて顕著である。さらに、流量制御弁の位置における温度の低下も実施例１の場合に比べて大きくなっている。

　これらの結果は、比較例１に係る熱式質量流量計が伝熱ブロック、伝熱シート及び断熱材のいずれも備えないために、周囲の環境温度の影響を受けてセンサチューブ及び流量制御弁の温度が低下しやすいことを示している。よって、伝熱ブロック、伝熱シート及び断熱材を備えない従来の熱式質量流量計に１５５℃のガスを流した場合は、環境温度によってはベースの温度に対してセンサチューブの温度が１０℃以上低下し、センサチューブの内部でのガスの再液化又は凝結を有効に防止できないことが分かる。

（実施例３）
　図１２から図１４に示された実施の形態に係る質量流量制御装置（伝熱ブロック又は温度調節ブロックとカートリッジヒータとを備えたもの）を用意し、カートリッジヒータ及びセンサチューブの位置に温度センサを設置した。これらの質量流量制御装置を用いて、上述した実施例１及び実施例３と同様の条件下、それぞれの環境温度において各部の温度が安定したときの温度を上記と同じ方法で測定し、記録した。記録された各部の温度測定値と、カートリッジヒータ（Ｈ）とセンサチューブ（Ｓ）の温度測定値から求められる温度差Ｈ－Ｓを、以下の表２に示す。

　表２に示したように、上記測定の結果、上記実施の形態に係る質量流量制御装置に含まれる熱式質量流量計によれば、１５５℃、２０５℃、２５０℃及び２８５℃の何れの温度のガスを流した場合であっても、センサチューブの温度低下を十分に低減することができ、センサチューブ及び流量制御弁の内部でのガスの再液化又は凝結を有効に防止できることが確認された。

　１　熱式質量流量計
　２　ベース
　　２ａ　ベースの設置面
　　２ｂ　ベースの側面
　　２ｄ　流路
　３　バイパス
　４　流量センサ
　　４ａ　センサチューブ
　　４ｂ　センサワイヤ
　　４ｃ　ケース
　５　伝熱ブロック
　　５ａ　伝熱ブロックの上面
　　５ｂ　伝熱ブロックの側面
　　５ｃ　伝熱ブロックの底面
　　５ｄ　伝熱ブロックの底面拡張部
　６　伝熱シート
　７　断熱材
　８　ヒータ
　９　流量制御弁
　　９ａ　ダイアフラム
　　９ｂ　アクチュエータ
　１１　温度調節ブロック
　　１１ａ　カートリッジヒータ
　　１１ｂ　温度調節ブロックの上方拡張部
　　１１ｃ　温度調節ブロックの上面
　　１１ｄ　温度調節ブロックの伝熱ブロック機能部

Claims (11)

1. 　一の設置面を有し、内部に流体の流路が設けられたベースと、
   　前記流路の中間に設けられたバイパスと、
   　前記バイパスの上流側で前記流路から分岐し前記設置面の外側を迂回した後前記バイパスの下流側で前記流路に合流するセンサチューブ、前記センサチューブに巻かれた一対のセンサワイヤ、及び前記ベースの設置面に接して設けられ前記センサチューブ及び前記センサワイヤを収容するケースを備えた流量センサと、
   　前記センサワイヤ及び他の抵抗素子によって構成されたブリッジ回路を含むセンサ回路とを有する熱式質量流量計であって、
   　前記ベースの設置面に接して、前記ケースと隣り合う位置に設けられた、伝熱材料によって形成された伝熱ブロックをさらに有し、
   　前記伝熱ブロックの底面と前記ベースの設置面とは面接触をしており、
   　前記伝熱ブロックの少なくとも一の側面と前記ケースの側面とは面接触をしている
   熱式質量流量計。
2. 　前記ベースの側面に接して設けられた、伝熱材料によって形成された伝熱シートをさらに有し、
   　前記伝熱シートの表面と前記ベースの側面とは面接触をしており、
   　前記伝熱シートの表面と前記伝熱ブロックの少なくとも一の側面とは面接触をしている
   請求項１に記載の熱式質量流量計。
3. 　前記伝熱ブロックの上面を覆うように設けられた断熱材をさらに有する
   請求項１又は請求項２のいずれかに記載の熱式質量流量計。
4. 　前記ベースを加熱するヒータ及び／又は前記ベースを冷却するクーラをさらに有する
   請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱式質量流量計。
5. 　少なくとも前記ベースの側面に接して設けられた温度調節ブロックをさらに有し、
   　前記温度調節ブロックは、伝熱材料によって形成されており、且つ、前記温度調節ブロックを加熱する発熱体及び／又は前記温度調節ブロックを冷却する冷却体を有する、
   請求項１に記載の熱式質量流量計。
6. 　前記伝熱ブロックは、前記温度調節ブロックの上面及び／又は少なくとも一の側面と面接触をしている、
   請求項５に記載の熱式質量流量計。
7. 　前記伝熱ブロックは、前記温度調節ブロックの一部分として、前記温度調節ブロックと一体不可分に形成されている、
   請求項５に記載の熱式質量流量計。
8. 　少なくとも前記伝熱ブロック又は前記温度調節ブロックの上面を覆うように設けられた断熱材をさらに有する、
   請求項５から請求項７のいずれかに記載の熱式質量流量計。
9. 　前記ケースに脚部が設けられている
   請求項１から請求項８のいずれかに記載の熱式質量流量計。
10. 　前記流路を流れる流体の温度と、前記センサチューブを流れる流体の温度の差の絶対値が１０℃以上にならない
    請求項１から請求項９のいずれかに記載の熱式質量流量計。
11. 　請求項１から請求項１０のいずれかに記載の熱式質量流量計と、
    　前記ベースの設置面に接して設けられ、前記流路を流れる流体の流量を制御する流量制御弁と、
    　前記熱式質量流量計により検知された流体の流量に基づいて前記流量制御弁に制御信号を出力する制御回路とを有する
    質量流量制御装置。

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