CN108780332B - 流量控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的流量控制装置具有：控制阀；设置于所述控制阀的下游侧的第一流路；第二流路；和设置于所述第一流路和所述第二流路之间的扩张室，所述第二流路设置在与所述第一流路的延长线不同的位置。

Description

流量控制装置
技术领域
本发明涉及流量控制装置。
背景技术
以往，如图11所示，已知有流量控制装置(也称为压力式流量控制装置)，其具备：形成有将气体入口2a和气体出口2b连通的流路2的主体区块3、介于流路2存在的节流部OR、在节流部OR上游部介于流路2存在的控制阀4、在控制阀4和节流部OR之间检测流路2内的压力的第一压力检测器5a和以基于第一压力检测器5a的检测值成为规定流量的方式对控制阀4进行控制的控制器6(专利文献1等)。
这种控制利用了如下原理：当节流部OR的上游压力(P1)和下游压力(P2)之间保持为(P1/P2)≧大约2的所谓临界膨胀条件时，使在节流孔等的节流部OR流通的气体G的流量(Q)成为Q＝KP1(K为常数)的关系。
基于该原理，以使利用第一压力检测5a检测出的上游压力(P1)成为规定压力的方式，以高精度对控制阀4进行反馈控制，由此能以高精度将通过节流部OR的流量(Q)控制在规定流量。在控制阀4中，使用了能以高精度进行控制的压电驱动式控制阀或电磁阀等。
在非临界膨胀条件下，流量Qc＝K2P2 m(P1-P2)n(K2是取决于流体的种类和流体温度的比例系数，指数m、n是从实际流量导出的数值)的关系成立。通过在节流部OR的下游侧单独设置的第二压力检测器(未图示)检测下游压力(P2)。在非临界膨胀条件下，利用非临界膨胀条件下成立的所述关系式，能从节流部OR上游侧的第一压力检测器5a的输出和节流部OR下游侧的所述第二压力检测器的输出通过运算求出流量，流量控制装置以求出的流量与设定流量相同的方式控制控制阀的开闭度(专利文献2等)。
但是，受配置在这种流量控制装置的上游的压力调节阀(未图示)等的影响，流过流路2的气体G的压力周期性振动，会有第一压力检测器5a的检测压力产生波动(脉动)的现象。检测压力的波动让流量的控制不稳定。
以往，为了抑制这样的波动，已知有软性对策和机械性对策。软性对策，例如以改变在流量控制装置的控制器的运算中使用的系数进而抑制波动的方式进行最适控制(例如，专利文献3等)。但是，软性对策不容易将改变的系数的最适值导出。
作为机械性对策，例如，已知有：使金属网格板或流孔板等具有整流作用的整流板介于流路内对气体进行整流的技术，或通过在流路的途中形成扩大流路截面积的腔室而吸收压力变动的技术(例如专利文献4～6等)。
现有技术文献
专利文献1：日本专利特开2003-120832号公报
专利文献2：日本专利特开2010-218571号公报
专利文献3：日本专利特开2015-158755号公报
专利文献4：日本专利特开2005-24080号公报
专利文献5：日本专利特开2011-80822号公报
专利文献6：日本专利特开平8-135881号公报
发明内容
虽然从以往就已知在流路途中构成腔室的技术，但都是在已设的配管的途中进行设置的构造，因此抑制配管输送中发生的流体的压力变动成为前提。并且，由于是设置在配管途中的构造，因此通常腔室的入口和出口在同一轴线上构成。由此，如果伴随压力变动的流体进入腔室内，虽然在流量小的情况下，由于进入腔室的流体扩散到全部腔室而可抑制压力变动，但是在大流量的流体进入腔室的情况下，在扩散到腔室之前会到达腔室出口，因此不能抑制全部的流体的压力变动。虽然考虑过扩大腔室面积以使得即使是大流量的流体的压力变动也能够得到抑制，但是近年来，由于半导体制造装置正在推进小型化，因此流量控制装置难以确保大容量。并且，虽然通过在流量控制装置的上游侧设置腔室，能抑制来自上游的流体所包含的压力变动，但是由于流量控制装置内存在的控制阀等也是产生压力变动的主要原因之一，所以仅在流量控制装置的外部设置腔室是不够的。
并且，为了抑制控制阀4和节流部OR之间的压力振动，考虑安装整流板。但是，如果金属网等的整流板介于图11的流路2存在，压力损失会增加。这是由于构成整流板的网格等导致流路的截面积变小，由此会对流体施加阻力，存在产生压力损失的问题。
并且，在维修时更换金属网等的整流板的情况下，必须将连接到气体出口2b的配管等部件(未图示)或由流孔板等形成的节流部OR等拆除、分解，耗费功夫。而且，在组装时，将薄板的整流板插入并安装到流路内之际，也存在整流板在流路内倾斜等而难以插入的情况。
此处，本发明主要目的在于提供一面满足大流量且装置的小型化的要求一面使流路内的波动得到抑制的流量控制装置。进一步地，本发明的目的在于提供维修性和组装性得到提升的流量控制装置。
为了达成上述目的，本发明所涉及的流量控制装置的第一方式具有：控制阀、设置在所述控制阀的下游侧的第一流路、第二流路以及设置所述第一流路和所述第二流路之间的扩张室，所述第二流路设置在与第一流路的延长线不同的位置。
并且，本发明所涉及的流量控制装置的第二方式具有：控制阀、设置在所述控制阀的下游侧的第一流路、第二流路、设置所述第一流路和所述第二流路之间的扩张室以及配设在所述扩张室内的整流板。
并且，本发明所涉及的流量控制装置的第三方式，在所述第一方式或所述第二方式中，在所述第二流路设置有节流部。
并且，本发明所涉及的流量控制装置的第四方式，在所述第三方式中，在所述控制阀和所述节流部之间设置有第一压力检测器。
并且，本发明所涉及的流量控制装置的第五方式，在所述第四方式中，所述第一压力检测器在所述第二流路上设置于节流部的更上游。
并且，本发明所涉及的流量控制装置的第六方式，在所述第五方式中，还具有用于在所述节流部下游侧检测所述第二流路内的压力的第二压力检测器。
本发明所涉及的流量控制装置的第七方式，在所述第一方式或第二方式中，还设置有主体区块(主体块体)，其形成有所述第一流路和所述第二流路，所述扩张室由形成于所述主体区块的主体凹部和盖体构成，所述盖体以对形成于所述主体区块的所述主体凹部进行闭锁的方式安装于所述主体区块。
本发明所涉及的流量控制装置的第八方式，在所述第七方式中，所述盖体形成有用于增加所述扩张室的容积的盖体凹部。
本发明所涉及的流量控制装置的第九方式，在所述第八方式中，所述主体区块和所述盖体经由金属密封垫圈而接合。
本发明所涉及的流量控制装置的第十方式，在所述第九方式中，在所述主体凹部的周围形成有用于容纳所述盖体的柱坑部。
本发明涉所及的流量控制装置的第十一方式，在所述第十方式中，所述盖体在所述盖体凹部的周围形成有柱坑孔，所述柱坑孔为将所述盖体固定于所述主体区块的螺钉用。
本发明所涉及的流量控制装置的第十二方式，在所述第一方式中，所述扩张室内配设有整流板。
本发明所涉及的流量控制装置的第十三方式，在所述第二方式或所述第十二方式中，所述扩张室内设置有整流板保持体，所述整流板保持体位于所述第一流路在所述扩张室开口的上游侧开口和所述第二流路在所述扩张室开口的下游侧开口之间，且从所述上游侧开口隔着规定间隙保持所述整流板。
本发明所涉及的流量控制装置的第十四方式，在所述第十三方式中，所述整流板保持体在管状体的周壁具有开口部，所述开口部以面对所述扩张室的下游侧开口的方式加以配设。
本发明所涉及的流量控制装置的第十五方式，在所述第十三方式中，所述扩张室由形成于所述主体区块的主体凹部和盖体形成，所述盖体以对形成于所述主体区块的所述主体凹部进行闭锁的方式安装于所述主体区块，所述整流板保持体固定于所述盖体。
本发明所涉及的流量控制装置的第十六方式，在所述第十三方式中，所述整流板熔接固定于所述整流板保持体。
本发明所涉及的流量控制装置的第十七方式，在所述第二方式或所述第十二方式中，所述整流板由金属网形成得到。
发明效果
根据本发明，通过将扩张室配置于在流量控制装置内使压力振动产生的控制阀的下游侧，能够使在流量控制装置的上游侧和所述控制阀产生的压力振动一并减少。
并且，通过所述第一流路而流入到所述扩张室的流体通过所述结构的第二流路从所述扩张室流出，由此流入所述扩张室的流体不能以和流入方向相同的方向流出，因此实现了即使是大流量，在扩张室扩散后也能从扩散室流出，能够利用扩散室确保压力变动抑制效果。
并且，通过在盖体形成用于增大所述扩张室的容积的盖体凹部，能够一面提升盖体的刚性确保关闭所述主体凹部时的密封性能一面使扩张室的容积增加。
进一步地，通过在所述主体凹部的周围形成的柱坑部容纳形成了所述盖体凹部的所述盖体，能够一面提升盖体的刚性确保密封性能一面使扩张室的容积增大，同时能够抑制盖体从主体区块向外突出的尺寸，抑制流量控制装置的尺寸增加。
进一步地，通过在扩张室配置整流板，能够一面防止扩大整流板的面积而压力损失增加，一面能够减少压力振动。
并且，扩张室为由形成于主体区块的主体凹部和对该主体凹部进行闭锁的盖体形成，同时利用容纳于扩张室内的整流板保持体将整流板保持在规定位置的结构，由此，通过将盖体从主体区块卸下，能将整流板从主体区块卸下。由此，即使不将连接于气体出口的配管部件或节流部等卸下，也能容易地进行整流板的更换、堵塞的除去等的维修。并且即使在组装薄的整流板时，也能够在载于整流板保持体上的状态下插入主体凹部，容易组装。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的流量控制装置的第一实施方式的主要部分的纵剖主视图。
图2是表示本发明所涉及的流量控制装置的第二实施方式的主要部分的纵剖主视图。
图3是表示本发明所涉及的流量控制装置的第三实施方式的主要部分的纵剖主视图。
图4是分解表示图3的流量控制装置的内部构成要素的一部分的立体图。
图5是表示本发明所涉及的流量控制装置的第四实施方式的主要部分的纵剖主视图。
图6是分解表示图5的流量控制装置的内部构成要素的一部分的立体图。
图7是表示为作为本发明所涉及的流量控制装置的构成要素的整流板的一实施方式的平面图。
图8是监控比较例的流量输出的图表。
图9是监控本发明所涉及的流量控制装置的实施例1的流量输出的图表。
图10是监控本发明所涉及的流量控制装置的实施例2的流量输出的图表。
图11是表示以往的流量控制装置的部分纵剖主视图。
符号说明
1 流量控制装置
1a 气体入口
2b 气体出口
2c 入口侧流路
2d 第一流路
2e 第二流路
3 主体区块
3b 主体凹部
3b1 柱坑部
4 控制阀
5a 第一压力检测器
5b 第二压力检测器
6 控制器
7 扩张室
7a 上游侧开口
7b 下游侧开口
8 整流板
13 盖体
13a 盖体凹部
13b 柱坑孔
OR 节流部
具体实施方式
以下参照图1～图10对本发明的实施方式进行说明。其中，包含现有技术，对全部附图和全部实施方式通用，对同一或类似的构成部分标注相同符号。
首先，参照图1对本发明所涉及的流量控制装置的第一实施方式进行说明。
第一实施方式的流量控制装置1具备：主体区块3，其具有气体入口2a、气体出口2b、连通于气体入口2a的入口侧流路2c、连接于入口侧流路2c的第一流路2d和连通于气体出口2b的第二流路2e；控制阀4，其固定于主体区块3，同时介于入口侧流路2c和第一流路2d之间而连接于入口侧流路2c和第一流路2d；节流部OR，其在控制阀4的下游介于第二流路2e；第一压力检测器5a，其检测控制阀4和节流部OR之间的压力；控制器6，其以基于第一压力检测器5a的检测值成为规定流量的方式对控制阀4进行控制；和扩张室7，其在第一流路2d和第二流路2e之间形成于主体区块3的内部且对控制阀4和第一压力检测器5a之间的流路截面积进行扩张。
扩张室7具有从控制阀4延伸的第一流路2d开口的上游侧开口7a和第二流路2e开口的下游侧开口7b。第二流路2e设置在与第一流路2d的延长线不同的位置。为了容易地理解“第一流路2d的延长线”，用点划线表示假设延长第一流路2d情况下的假想线VL。由此，第二流路2e和第一流路2d夹持扩张室7，并非位于同一轴线上。因此，下游侧开口7b夹持扩张室7且在不与上游侧开口7a对向的位置形成。
如上所述，在比在流量控制装置内产生压力振动的控制阀4更靠下游配置扩张室7，由此，能够使在比压力式流体控制装置1更靠上游侧以及在控制阀4产生的压力振动一并减少。
并且，形成通过上游侧开口7a流入扩张室7的流体从设置在与第一流路2d的延长线不同位置的下游侧开口7b流出的结构，由此，由于流入扩张室7的流体不能从扩张室7直接流脱，因此实现了即使是大流量在扩张室7内扩散之后也从扩散室7流出，能够确保扩散室7带来的压力变动抑制效果。
主体区块3由不锈钢等形成。图示例的控制阀4具有与在第一流路2d形成的阀座9抵接/分离的金属隔膜阀体10、按压金属隔膜阀体10的阀杆11和驱动阀杆11的驱动部12。驱动部12可将螺线管、压电元件、油压或气压等作为驱动源。图1显示驱动部12处于驱动状态，利用阀杆11按下金属隔膜阀体10，金属隔膜阀体10抵接于阀座9，关闭第一流路2d的状态。驱动部12处于非驱动状态时，通过内设的弹簧等(未图示)阀杆11向图的上方掀起，金属隔膜阀体10利用自身弹性力回复原形从阀座9分离，开通第一流路2d。
在盖体13的内侧形成有盖体凹部13a。通过盖体凹部13a扩张室7的容积进一步增大。盖体13容纳在主体区块3的主体凹部3b周围形成的柱坑部3b1。
盖体13形成有柱坑孔13b。螺钉14贯穿该柱坑孔13b，通过将螺钉14螺接形成于主体区块3的母螺孔，盖体13固定于主体区块3。螺钉14能够为具有六角孔的螺钉。金属密封垫圈15介于盖体13和主体区块3之间。
这种流量控制装置需要小型化，如上所述，通过在盖体13形成盖体凹部13a作为扩张室7的一部分，不仅能确保更大的扩张室7，还能抑制主体区块3的尺寸增大。并且，由于利用金属密封垫圈15盖体13能确保更高的密封性能，因此即使有确保一定厚度且提高刚性的必要，也能在未形成盖体凹部13a的部分确保期望的厚度。并且，通过在盖体13形成柱坑孔13b而埋没螺钉14的头部，能够抑制尺寸增大。
图2显示了本发明所涉及的流量控制装置的第二实施形态。第二实施形态的流量控制装置1具备在节流部OR的下游侧用于检测第二流路2e内的压力的第二压力检测器5b，这点是和第一实施方式主要的差异。通过设置第二压力检测器5b，即使是非临界膨胀条件下也能够控制流量。并且，图2所示的主体区块3连结3个区块要而构成，外壳20固定于主体区块3。
接着，参照图3和图4对本发明所涉及的流量控制装置的第三实施方式进行说明。
第三实施方式的流量控制装置在扩张室7内配设有整流板8、保持整流板8的整流板保持体18、隔离环16和密封环17，这点和上述第一实施方式不同。
整流板8为能够利用因细孔产生的流动阻力而实现气体流速分布(偏流)的均匀化和紊流的衰减的板状部件，能够由金属网、多孔板和蜂窝结构体等形成。
整流板8被不锈钢制的隔离环16和树脂制的密封环17夹持。被隔离环16和密封环17夹持的整流板8通过整流板保持体18隔着规定间隙X保持在比下游侧开口7b更靠上方位置的上游侧开口7a的下方。虽然密封环17由PCTFE(聚三氟氯乙烯)形成，但也可是其他密封材料。虽然在图示例中设置了隔离环16，但是也能通过在主体凹部3b的底面形成台阶而替代隔离环16。
整流板保持体18在管状体的周壁形成有开口部18a(图4)。开口部18a以面对扩张室7的下游侧开口7b的方式加以配设，以使得扩张室7与扩张室7的下游的第二通路2e连通。开口部18a能够具有与扩张室7下游侧的第二流路2e的流路截面积相同或比其更大的开口面积。
环状的衬垫19介于整流板保持体18和盖板13之间。整流板保持体18的下端部嵌入形成于衬垫19的环状凹部19a。
并且，优选整流板8的厚度为0.1～0.5mm。这是因为如果整流板8的厚度超过0.5mm，压力损失会增大，压力振动超过了所需范围。
根据上述第三实施方式的流量控制装置，通过在扩张室7配置整流板8，能够一边防止压力损失的增加，一边减少压力振动。并且，利用立设在盖体13的整流板18而将整流板8保持在规定位置，通过该结构，能够从主体区块3的底部拆除整流板8。由此，即使不拆除连接到气体出口2b的配管部件或节流部OR等，也能够容易地进行整流板8的更换、堵塞的除去等的维修。并且，即使是组入薄的整流板8时，也能够使其装载于整流板保持体18而从下方插入主体凹部3b，很容易进行组装。
接着参照图5和图6对本发明所涉及的流量控制装置的第四实施方式进行说明。在第四实施方式中，整流板保持体18通过熔接、一体成型或其他方法固定于盖体13。整流板保持体18具有在圆筒的周面将开口部18a形成为切口的形状。
并且，整流板8通过熔接固定于整流板保持体18的上面。图示例的整流板8为将线直径0.04mm的不锈钢丝做成平纹组织而做成230目的金属网，空隙率大约是40％。第四实施方式的其他的结构和上述第三实施方式相同。
虽然第四实施方式的流量控制装置在更换整流板8的情况下也同时更换盖体13和整流板保持体18，但是能够提升更换时的操行性，也能提升组装时的操作性。并且，能够全部做成金属制部件，污染难以混入工艺气体。
虽然上述第一～第四实施方式示例了将盖体13设置于主体区块3的底面的例子，但是也可以成为盖体13设置在主体区块3的侧面的结构。
实施例
以下，列举实施例和比较例，对本发明进行更具体的说明。但是，本发明不是被各例限定的发明。
实施例1使用了图1所示的结构的流量控制装置。实施例2使用了图3所示的流量控制装置。作为实施例2的整流板，使用了图7所示的形状的不锈钢制的整流板，即孔径1mm、孔数37个、螺距2mm、厚度0.5mm和开口率22.7％。在实施例1、2中，从控制阀4的阀座9到节流部OR为止的流路的内容积大约是5cc。
比较例使用了图11所示的压力式流量控制装置。在比较例中，从控制阀4的阀座9到节流部OR为止的流路的内容积大约是0.6cc。
实施例和比较例中，节流部OR均使用了孔径1.52mm、厚度1.0mm的流孔板。
在实施例1、实施例2和比较例中，在对下游侧抽真空、控制阀4打开的状态下，将供给压力设为标准压力500kpa，以设定流量为全标度(100％)流量范围的50升/分钟流过氮气，对第一压力检测器5a的检测压力进行监测，对压力振动进行5秒钟计测。
图8为对比较例的相对于设定输入(FCS-IN)的流量输出(FCS-OUT)进行监测得到的图表。图9为对实施例1的相对于设定输入(FCS-IN)的流量输出(FCS-OUT)进行监测得到的图表。图10为对实施例2的相对于设定输入(FCS-IN)的流量输出(FCS-OUT)进行监测得到的图表。
流量控制装置能够基于第一压力检测器5a的检测压力计算流量，输出计算出的流量。并且，检测压力的压力振动将基于检测压力计算出的流量作为波动呈现。从图8～图10的图表可以确认，在各自的流量中，相对于压力振动造成的的流量输出波动的扩张室和整流板带来的衰减效果。

Claims (16)

1.一种流量控制装置，其特征在于，具有：
控制阀；
第一流路，所述第一流路设置于所述控制阀的下游侧；
第二流路；
扩张室，所述扩张室设置于所述第一流路和所述第二流路之间；以及
主体区块，所述主体区块形成有所述第一流路和所述第二流路，
所述第二流路设置在与所述第一流路的延长线不同的位置，
所述扩张室通过由主体凹部和盖体形成的空洞而形成，所述主体凹部形成于所述主体区块，所述盖体以对所述主体凹部进行闭锁的方式安装于所述主体区块，
所述第一流路从所述控制阀笔直地向下方延伸而在所述扩张室的上部开通，所述第二流路在所述扩张室的侧面开通，
流体流入的所述空洞具有所述第一流路的长度以上的深度。
2.一种流量控制装置，其特征在于，所述流量控制装置具有：
控制阀；
第一流路，所述第一流路设置于所述控制阀的下游侧；
第二流路；
扩张室，所述扩张室设置在所述第一流路和所述第二流路之间；
整流板，所述整流板配设于所述扩张室内；以及
主体区块，所述主体区块形成有所述第一流路和所述第二流路，
所述扩张室通过由主体凹部和盖体形成的空洞而形成，所述主体凹部形成于所述主体区块，所述盖体以对所述主体凹部进行闭锁的方式安装于所述主体区块，
所述第一流路从所述控制阀笔直地向下方延伸而在所述扩张室的上部开通，所述第二流路在所述扩张室的侧面开通，
流体流入的所述空洞具有所述第一流路的长度以上的深度。
3.根据权利要求1或2所述的流量控制装置，其特征在于，在所述第二流路设置有节流部。
4.根据权利要求3所述的流量控制装置，其特征在于，在所述控制阀和所述节流部之间设置有第一压力检测器。
5.根据权利要求4所述的流量控制装置，其特征在于，所述第一压力检测器设置于所述第二流路，且于节流部的更上游。
6.根据权利要求5所述的流量控制装置，其特征在于，还具有第二压力检测器，所述第二压力检测器用于在所述节流部下游侧检测所述第二流路内的压力。
7.根据权利要求1或2所述的流量控制装置，其特征在于，所述盖体形成有用于增加所述扩张室的容积的盖体凹部，流体流入的所述扩张室的所述空洞为所述主体凹部的容积以上的容积。
8.根据权利要求7所述的流量控制装置，其特征在于，所述主体区块和所述盖体经由金属密封垫圈接合。
9.根据权利要求8所述的流量控制装置，其特征在于，在所述主体凹部的周围形成有用于容纳所述盖体的柱坑部。
10.根据权利要求9所述的流量控制装置，其特征在于，所述盖体，在所述盖体凹部的周围形成有柱坑孔，所述柱坑孔为将所述盖体固定于所述主体区块的螺钉用。
11.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，在所述扩张室内配设有整流板。
12.根据权利要求2或11所述的流量控制装置，其特征在于，所述扩张室内设置有整流板保持体，所述整流板保持体位于所述第一流路在所述扩张室开口的上游侧开口和所述第二流路在所述扩张室开口的下游侧开口之间且从所述上游侧开口隔着规定间隙保持所述整流板。
13.根据权利要求12所述的流量控制装置，其特征在于，所述整流板保持体在管状体的周壁具有开口部，所述开口部以面对所述扩张室的所述下游侧开口的方式加以配设。
14.根据权利要求12所述的流量控制装置，其特征在于，所述整流板保持体固定于所述盖体。
15.根据权利要求12所述的流量控制装置，其特征在于，所述整流板熔接固定于所述整流板保持体。
16.根据权利要求2或11所述的流量控制装置，其特征在于，所述整流板由金属网形成。
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