Thermal mass flow meters (TMFMs) are most widely used for measuring mass flow rates in the semiconductor industry. A TMFM should have a short response time in order to measure the flow rate rapidly and to measure the time-varying flow rate with accuracy. Therefore it is important to study transient heat transfer phenomena in the senor tube of a TMFM. Many models have been presented by previous investigators. But all of them focused on steady heat transfer phenomena, so it is impossible to analyze transient heat transfer phenomena in the sensor tube using previous models. Furthermore, it is impossible to predict the response time using results from previous research works. In the present thesis, a simple numerical model for transient heat transfer phenomena of the sensor tube of a TMFM is presented. The proposed model treats the fluid region and the tube region separately. Numerical solutions for the tube temperature and the fluid temperature at a transient state are obtained using the proposed model and compared with experimental results to validate the proposed model. Based on numerical solutions, heat transfer mechanism at a transient state in the sensor tube is explained. In the present thesis, a correlation for predicting the response time of a sensor tube is also presented. The functional form of the correlation is obtained using scale analysis and coefficients appearing in the correlation are obtained by the proposed numerical model. The correlation is verified by experimental results. Using the proposed correlation, physical meaning and characteristics of the response time of the sensor tube are presented.
열식 질량 유량계는 반도체 제조 산업 및 화학 산업 등에서 가장 널리 쓰이는 유량 측정 장치이다. 특히 열식 질량 유량계의 핵심 부분인 센서관은 유량을 빠르게 측정하고 시간에 따라 변화하는 유량을 정확히 측정하기 위하여 빠른 응답 시간을 가져야 한다. 하지만 기존의 연구들은 센서관에서의 정적 열전달 현상의 분석에 초점이 맞추어져 있거나 센서관의 동적 특성을 정성적으로 분석하는데 그쳤기 때문에 센서관에서의 과도 열전달 현상에 대해 엄밀하게 분석할 수 없었고 센서관의 응답 시간을 정량적으로 예측할 수가 없었다.
따라서 본 연구에서는 열식 질량 유량계 센서관에서의 과도 열전달 현상 해석을 위한 수치 모델을 제시하고 이를 이용하여 응답 시간을 예측할 수 있는 상관식을 제시하였다. 본 연구에서는 센서관의 관과 유체를 각기 다른 영역으로 구분하여 모델링하였고 이를 이용하여 과도 상태에서의 관 온도 및 유체 온도에 대한 수치해를 구하였다. 또한 구해진 수치해를 실험 결과와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다. 검증된 수치해를 통하여 과도 상태의 센서관에서 일어나는 열전달 현상에 대해 분석하였다. 또한 제시된 수치 모델을 Scale Analysis 를 통해 분석하여 센서관의 응답 시간을 예측할 수 있는 상관식을 제시하였다. 또한 제시된 상관식을 실험 결과를 통해 검증하였다. 마지막으로 상관식을 통하여 센서관의 응답 시간이 가지는 물리적 의미와 특성들에 대해 분석하였다. 본 연구를 통해 구한 상관식을 이용함으로써 센서관의 응답시간을 크게 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다.
