DE69615933T2

DE69615933T2 - Durchflussdruckregelgerät

Info

Publication number: DE69615933T2
Application number: DE69615933T
Authority: DE
Inventors: Ryosuke Dohi; Hiroyuki Fukuda; Nobukazu Ikeda; Koji Kawada; Yukio Minami; Akihiro Morimoto; Koji Nishino
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2016-05-30
Also published as: IL118586A; IL118586A0; TW300947B; CA2177790C; US5669408A; JP3291161B2; EP0749058A3; KR0173535B1; EP0749058A2; DE69615933D1; KR970002526A; CA2177790A1; EP0749058B1; JPH08338546A; US5791369A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Regelgerät für Gase oder dergleichen, wie es hauptsächlich in Halbleiterfabriken und chemischen Fabriken verwendet wird.
Geräte zum Regeln der Durchflußmenge von Gasen, sogenannte Mengenflußregler, werden in Halbleiterfabriken verbreitet eingesetzt.
Jedoch treten bei derartigen Mengenflußreglern nach dem Stand der Technik gewisse Probleme auf, wie beispielsweise: (1) relativ langsame Reaktionsgeschwindigkeiten bei thermischen Durchflußfühlern, (2) mangelhafte Präzision bei der Steuerung im Bereich niedriger Durchflußmengen und variierende Präzision bei verschiedenen Produkten, (3) häufige Betriebsstörungen und ungenügende Stabilität, und (4) hohe Produktkosten, teure Austauschkomponenten und somit hohe Betriebskosten.
Um derartige Probleme der Mengenflußregler zu vermeiden, werden häufig Durchflußregler mit Differenzdruckregelung verwendet, wie beispielsweise die in Fig. 12 gezeigte Anordnung.
Ein derartiger Durchflußregler mit Differenzdruckregelung bestimmt eine Druckdifferenz ΔP zwischen Fluid auf der stromaufwärtigen Seite und Fluid auf der stromabwärtigen Seite einer Öffnung 30 aus von Druckfühlern 31, 32 erfaßten Werten, berechnet in seiner CPU eine erfaßte Durchflußmenge als Qc = K ΔP und eine Durchflußmengendifferenz (Qy = Qc - Qs) zwischen der erfaßten Durchflußmenge Qc und einer Soll-Durchflußmenge Qs, gibt die Durchflußmengendifferenz Qy als ein Steuersignal an ein Durchflußmengensteuerventil 33 ab und steuert das Öffnen und Schließen des Durchflußmengensteuerventils 33, um die Durchflußmengendifferenz Qy auf Null zu bringen.
Bei diesem Durchflußregler mit Differenzdruckregelung treten gewissen Probleme auf, nämlich: (1) Da ein Bereich der erfaßten Durchflußmenge Qc mit einer Potenz von ¹/&sub2; eines Bereichs der Druckfühler 31, 32 ansteigt, sinkt die Genauigkeit der Erfassung der Durchflußmenge Qc. (2) Um die Meßgenauigkeit für die Durchflußmenge zu erhöhen, muß eine Fließströmung von Fluid erzeugt werden, indem relativ lange geradlinige Durchführungen stromaufwärts und stromabwärts der Öffnung angeordnet werden, wodurch die Größe der Einrichtung zunimmt. (3) Da zwei Druckfühler notwendig sind, ist es schwierig, die Herstellungskosten zu senken.
Ein anderer Durchflußregler ist in der US-A-4 836 233 offenbart. Dieses Dokument betrifft Verbesserungen in der Halbleiterwaferproduktion und offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren der durch turbulente Fluidströmung in einer Vakuumkammer beim Belüften der Kammer hervorgerufenen Partikelverunreinigungen. Insbesondere gibt die US-A-4 836 233 eine Einrichtung an, die die Durchflußmenge in der Kammer steuert, so daß die Geschwindigkeit eines bestimmten Fluids Schallgeschwindigkeit nicht erreicht oder übersteigt. Die Einrichtung der US-A-4 836 233 enthält Mittel zum Messen eines Kammerdrucks stromabwärts einer Öffnung (P1) und Mittel zum Messen eines Kammerdrucks stromaufwärts einer Öffnung (P2). Die gemessenen Werte von P1 und P2 werden einem Rechner zugeführt und von diesem verarbeitet. Der Rechner berechnet einen Wert für das Verhältnis r = P1/P2. Der berechnete Wert wird mit einem vorbestimmten kritischen Verhältnis von P1/P2 verglichen, wobei der vorbestimmte Wert der Schwellenwert ist, bei dem die Durchflußmenge eines bestimmten Fluids in dem Gerätesystem Schallgeschwindigkeit erreichen würde. Ausgehend von diesem Vergleich erzeugt der Rechner ein Signal, welches das Öffnen und Schließen eines stromaufwärts der Öffnung angeordneten Strombegrenzungsventils steuert, um den Druck (P2) einzustellen und dadurch das Verhältnis P1/P2 auf einem Sollwert zu halten, der leicht über dem kritischen Verhältnis liegt, so daß die Fluide in dem Gerät Schallgeschwindigkeit nicht erreichen können und turbulente Fluidströmung in der Vakuumkammer verhindert wird.
Es ist demnach eine direkte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Durchflußregelgerät mit Druckregelung anzugeben, das die bei Mengenflußreglern und Durchflußreglern mit Differenzdruckregelung auftretenden Probleme beseitigt, nämlich (1) allgemein geringe Erfassungsgenauigkeit und (2) die Schwierigkeit, Größe und Herstellungskosten der Einrichtung zu reduzieren. Folglich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Durchflußregelgerät mit Druckregelung anzugeben, das geeignet ist, die Durchflußmenge mit hoher Genauigkeit zu regeln, dabei aber relativ klein und kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Durchflußregelgerät mit Druckregelung anzugeben, das auf der Basis eines von einem einzigen Druckfühler erfaßten Drucks eine erfaßte Durchflußmenge in einer Form zu berechnen, die normal proportional zu einem erfaßten Druckwert ist.
Entsprechend gibt die vorliegende Erfindung ein Durchflußregelgerät mit Druckregelung zum Regeln der Durchflußmenge eines Fluids an, mit
Mitteln zum Bilden einer Öffnung;
einem stromaufwärts der Öffnung angeordneten Steuerventil zum Steuern der Strömung des Fluids auf diese zu;
einem Druckfühler zum Messen des Drucks P1 des Fluids zwischen dem Steuerventil und der Öffnung;
einer Einheit zum Öffnen und Schließen des Steuerventils;
und einer Berechnungs-Steuervorrichtung, die geeignet ist, ein dem gemessenen Druck P1 entsprechendes Signal zu empfangen und ein Ausgangssignal Qy zum Ansteuern der Einheit auszugeben, wodurch der Druck stromaufwärts der Öffnung so eingestellt werden kann, daß die Durchflußmenge stromabwärts der Öffnung reguliert wird;
das dadurch gekennzeichnet ist, daß
das Gerät ferner Mittel enthält, die den Druck P1 stromaufwärts der Öffnung mehr als doppelt so hoch halten wie den Druck P2 des Fluids stromabwärts der Öffnung;
und daß die Berechnungs-Steuervorrichtung ferner geeignet ist, ein Durchflußmengen-Steuersignal Qs zu empfangen, eine berechnete Durchflußmenge Qc durch die Öffnung anhand der Formel Qc = KP1 zu berechnen, wobei K eine Konstante ist, und das der Differenz zwischen Qs und Qc entsprechende Ausgangssignal Qy zu berechnen.
Als Ergebnis wird eine Meßgenauigkeit im niedrigen Durchflußbereich gegenüber herkömmlichen Mengenflußreglern erhöht, während bei besten Ergebnissen Probleme vermindert und zudem Herstellungskosten erheblich gesenkt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben und erklärt. Die beschriebenen und dargestellten Eigenschaften können, in anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung, einzeln oder in bevorzugten Kombinationen eingesetzt werden. Die oben erwähnten sowie weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wie es in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt wird, in denen die Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten jeweils gleiche Elemente bezeichnen. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; stattdessen wurde der klaren Darstellung der Erfindungsprinzipien erhöhte Bedeutung beigemessen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm, das einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Durchflußreglers mit Druckregelung veranschaulicht;
Fig. 2 eine vertikale, zum Teil geschnittene Ansicht eines Durchflußreglers mit Druckregelung gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine zum Teil geschnittene Seitenansicht des in Fig. 2 gezeigten Durchflußreglers mit Druckregelung;
Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht eines Steuerventils mit einer Antriebseinheit in der Art eines piezoelektrischen Elements zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 eine Schnittansicht an der Linie V-V in Fig. 4;
Fig. 6 eine segmentierte vertikale Schnittansicht eines Befestigungsteils eines Druckfühler eines erfindungsgemäßen Durchflußreglers mit Druckregelung;
Fig. 7 eine zum Teil geschnittene vertikale Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Durchflußreglers mit Druckregelung;
Fig. 8 eine segmentierte vertikale Teilschnittansicht einer weiteren Ausführungsform zum Bereitstellen einer Öffnung in einem Ventilhauptkörper eines Steuerventils der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 eine segmentierte vertikale Schnittansicht einer noch weiteren Ausführungsform zum Bereitstellen einer Öffnung in einem Ventilhauptkörper eines Steuerventils der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ein Diagramm zur Darstellung der Durchflußregelungs-Kennlinien eines erfindungsgemäßen Durchflußreglers mit Druckregelung, wobei ein Druck stromabwärts der Öffnung im Vakuumbereich liegt;
Fig. 11 ein Diagramm zur Darstellung der Durchflußregelungs-Kennlinien eines erfindungsgemäßen Durchflußreglers mit Druckregelung, wobei ein Druck stromabwärts der Öffnung auf Atmosphärendruck liegt; und
Fig. 12 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Durchflußreglers mit Differenzialdruckregelung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ein als Hintergrund bekanntes Merkmal von durch eine Düse strömendem Gas ist, daß eine Durchflußgeschwindigkeit des die Düse durchströmenden Gases bei einem unter ein kritisches Gasdruckverhältnis (etwa 0,5 im Fall von Luft oder Stickstoff) abfallenden Druckverhältnis P2/P1 des Gases stromaufwärts und stromabwärts einer Düse Schallgeschwindigkeit erreicht und Druckschwankungen an der stromabwärtigen Seite der Düse nicht zur stromaufwärtigen Seite übertragen werden, so daß ein dem Zustand der stromaufwärtigen Seite der Düse entsprechender stabiler Mengendurchfluß erreicht wird.
Im Falle einer Düse drückt ein Produkt eines Düsenquerschnitts und der Schallgeschwindigkeit wegen der Viskosität des Gases nicht direkt die tatsächliche Durchflußmenge des Gases aus, und es muß zur Berechnung der Durchflußmenge des Gases selbstverständlich ein durch eine Form (oder Gestalt) der Düse bestimmter Ausströmungskoeffizient ermittelt werden.
Demzufolge wurden, während man zu der vorliegenden Erfindung gelangte, wiederholte Tests durchgeführt, um Ausströmungskoeffizienten für verschiedene Formen von Düsen und Fluiden (Gasen) zu ermitteln. Im Verlauf dieser wiederholten Tests wurde festgestellt, daß die Druckschwankungen an der stromabwärtigen nicht zur stromaufwärtigen Seite übertragen wurden, wenn das Druckverhältnis P2/P1 des Gases unter dem kritischen Gasdruckverhältnis lagen. Das Verhältnis zwischen der Öffnungsform (oder -gestalt) und der Gasdurchflußmenge und das Verhältnis zwischen dem Gasdruck P1 der stromaufwärtigen Seite und der Gasdurchflußmenge im Fall einer kleinen Öffnung anstelle einer Düse wurden weiter gemessen und getestet. Als Ergebnis wurde entdeckt, daß sich die Durchflußmenge des eine plattenförmige kleine Öffnung durchströmenden Gases in einem normalen oder direkten Verhältnis zu dem Gasdruck P1 der stromaufwärtigen Seite ungeachtet der Art des Gases ändert, wenn der Durchmesser der kleinen Öffnung konstant ist, solange das Druckverhältnis P2/P1 von Gas unter dem kritischen Gasdruckverhältnis liegt.
Das heißt, die erfaßte Durchflußmenge Qc des die kleine Öffnung durchströmenden Gases ist normal proportional zu dem Druck P1 an der stromaufwärtigen Seite der Öffnung, und daher ist es möglich, durch eine automatische Steuerung des Drucks P1 an der stromaufwärtigen Seite eine Rückführungssteuerung der die Öffnung passierenden Durchflußmenge zu realisieren.
Da die Durchflußmenge des die Öffnung durchströmenden Gases nicht von der Verteilung der Gasströmungsgeschwindigkeit an der stromaufwärtigen Seite der Öffnung oder von Druckschwankungen an der stromabwärtigen Seite beeinflußt wird, wird darüberhinaus an der stromaufwärtigen Seite keine geradlinige Durchführung benötigt, und die Größe der Vorrichtung kann bei geringeren Herstellungskosten wesentlich reduziert werden.
Da zwischen der Durchflußmenge und dem Druck eine lineare Funktion erstellt wird, werden der Meßbereich des Druckfühlers und der Bereich der Durchflußmenge identisch. Deshalb wird im Vergleich zu einem herkömmlichen Durchflußregler mit Differenzdruckregelung eine größere Genauigkeit der Erfassung der Durchflußmenge erreicht.
Bei der Herstellung eines Durchflußsteuerventils des Tastscheibentyps war es bisher die Praxis, die Durchflußmenge Qc des das Ventil durchströmenden Gases im Fall des unter dem kritischen Gasdruckverhältnis liegenden Druckverhältnisses P2/P1 empirisch anhand der Formel Qc = KSP1 zu ermitteln (wobei S ein minimaler Durchflußquerschnitt, P1 ein Primärseitendruck und K eine Konstante ist).
Jedoch beträgt die tatsächliche Gasdurchflußmenge Q bei diesem Durchflußsteuerventil etwa ±20% der anhand der Formel Qc = KSP1 berechneten Durchflußmenge, und es ist schwierig, die Relation von Qc = KSP1 anzuwenden und die Gasdurchflußmenge präzise zu messen.
Die Erfinder gelangten auf der Basis der vorgenannten Erkenntnisse zu vorliegender Erfindung, die einen Durchflußregler mit Druckregelung betrifft, zum Regeln der Durchflußmenge eines Fluids, indem der Druck P1 stromaufwärts einer Öffnung mehr als doppelt so hoch gehalten wird wie ein stromabwärts der Öffnung herrschender Druck P2, mit einer Öffnung 5, einem auf einer stromaufwärtigen Seite der Öffnung 5 angeordneten Steuerventil 2, einem zwischen dem Steuerventil 2 und der Öffnung 5 vorgesehenen Druckfühler 3 und einer Berechnungs- Steuervorrichtung 6 zum Berechnen einer Durchflußmenge Qc ausgehend von dem durch den Druckfühler 3 erfaßten Druck P1 unter Verwendung der Formel Qc = KP1 (wobei K eine Konstante ist), und zum Zuführen einer Differenz zwischen einem Durchflußmengen-Steuersignal Qs und dem berechneten Durchflußmengen-Signal Qc an eine Antriebseinheit 14 des Steuerventils 2 als ein Steuersignal Qy, wobei der Druck P1 stromaufwärts der Öffnung durch Öffnen und Schließen des Steuerventils eingestellt wird, wodurch die Durchflußmenge stromabwärts der Öffnung gesteuert wird.

Funktionsweise der Erfindung

Der Fluiddruck P1 stromaufwärts der Öffnung 5 wird von dem Druckfühler 3 erfaßt und der Berechnungs-Steuervorrichtung 6 zugeführt.
In der Berechnungs-Steuervorrichtung 6 wird die Durchflußmenge Qc anhand der Formel Qc = KP1 berechnet, die Durchflußmengen-Steuersignale Qs und Qc werden verglichen und ein der Differenz aus Qc - Qs entsprechendes Steuersignal Qy wird der Antriebseinheit 14 des Steuerventils 2 zugeführt.
Das heißt, das Steuerventil 2 wird durch das Steuersignal Qy geöffnet oder geschlossen, um die Differenz Qc - Qs auf Null zu bringen, so daß die Durchflußmenge Qc stromabwärts der Öffnung immer auf der Soll-Durchflußmenge (Durchflußmengen-Sollwert) Qs gehalten wird.

Ausführungsbeispiele

Nachstehend wird anhand der Zeichnungen eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der in dem Blockdiagramm von Fig. 1 dargestellte Durchflußregler gemäß der Erfindung besteht aus einem Steuerventil 2, einem Druckfühler 3, einem Temperaturfühler 4, einer Öffnung 5, Berechnungs-Steuervorrichtung 6, Verstärkern 7a, 7b, A/D-Wandlern 8a, 8b, einem der Öffnung zugeordneten Ventil 9, einem Gasentnahmeanschluß 11 und anderen Elementen.
Das Steuerventil 2 ist ein Metallmembranventil des nachstehend beschriebenen sogenannten Direktberührungstyps, und seine Antriebseinheit enthält eine Antriebsvorrichtung in der Ausführung mit einem piezoelektrischen Element. Andere mögliche Beispiele der Antriebseinheit des Steuerventils 2 können unter anderem Ausführungen umfassen, die mit magnetischer Verformung, mit einem Solenoid, motorisch, mit Luftdruck oder mit Wärmedehnung arbeiten.
Der Druckfühler 3 ist ein Halbleiter-Verformungsdruckfühler, er kann jedoch auch ein Metallfolien-Verformungsdruckfühler, ein kapazitiver Druckfühler, Magnetwiderstands-Druckfühler und andere Arten von Druckfühlern sein.
Als Temperaturfühler 4 kann anstelle eines Thermoelement-Temperaturfühlers u. a. auch ein Widerstands-Kolbentemperaturfühler verwendet werden.
Die Öffnung 5 wird hergestellt, indem mit Hilfe eines Funkenschneiders ein Loch in eine dünne Metallplattendichtung geschnitten wird, aber es kann auch eine Öffnung verwendet werden, die mit einem extrem dünnen Rohr oder durch Ätzen in einer Metallmembran gebildet wird.
Die Berechnungs-Steuervorrichtung 6 besteht aus einer sogenannten Steuerschaltkarte und umfaßt eine Temperatur-Korrekturschaltung 6a, eine Durchflußmengen-Berechnungsschaltung 6b, einen Komparator 6c, einen Verstärker 6d und andere Elemente.
Wie in Fig. 1 zu erkennen, wird der Gasdruck P1 auf der Auslaßseite des Steuerventils 2, das heißt an der stromaufwärtigen Seite der Öffnung 5, von dem Druckfühler 3 erfaßt, und ein entsprechendes durch den Verstärker 7a und den A/D- Wandler 8a digitalisiertes Signal wird in die Durchflußmengen-Berechnungsschaltung 6b eingegeben.
Ähnlich wird die Gastemperatur T1 stromaufwärts der Öffnung von dem Temperaturfühler 4 erfaßt, und ein durch den Verstärker 7b und den A/D-Wandler 8b digitalisiertes Signal wird in die Temperatur-Korrekturschaltung 6a eingegeben.
In der Berechnungs-Steuerschaltung 6 wird eine Durchflußmenge Q' = KP1 unter Verwendung des Drucksignals P1 berechnet, und die Durchflußmenge Q' wird durch Verwendung des Korrektursignals aus der Temperatur-Korrekturschaltung 6a einer Temperaturkorrektur unterzogen, und ein Signal für die berechnete Durchflußmenge Qc wird in den Komparator 6c eingegeben.
Andererseits erfolgt die Eingabe eines Durchflußmengen-Befehlssignals Qs in den Komparator 6c, wo dieses mit dem Signal für die berechnete Durchflußmenge Qc verglichen wird, und das Differenzsignal Qy = Qc - Qs wird als Steuersignal an die Antriebseinheit 14 des Steuerventils 2 ausgegeben.
Das heißt, wenn das Signal der berechneten Durchflußmenge Qc größer ist als das Durchflußmengen-Befehlssignal Qs, wird die Ventil-Antriebseinheit 14 in Schließrichtung des Ventils 2 betätigt, und wenn Qc kleiner ist als Qs, wird die Ventil-Antriebseinheit in Öffnungsrichtung des Steuerventils 2 betätigt, wodurch der Öffnungsgrad des Steuerventils 2 automatisch gesteuert wird, um Qc = Qs zu erreichen.
Selbstverständlich erfordert die Erfindung, daß ein Verhältnis von P2/P1 zwischen dem Gasdruck P1 stromaufwärts der Öffnung und dem Gasdruck P2 stromabwärts der Öffnung kleiner als etwa 0,5 ist; das heißt der stromaufwärtige Gasdruck P1 muß mehr als doppelt so hoch sein wie der stromabwärtige Druck P2. Dieses Verhältnis sollte stets hergestellt sein.
Dementsprechend werden, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 angedeutet, der Gasdruck P1 an der stromaufwärtigen Seite und der Gasdruck P2 an der stromabwärtigen Seite einem Umkehrverstärker 10 eingegeben, und wenn = die Größen der Drücke P1 und P2 umgekehrt sind (d. h., in einem Zustand der Gegenströmung) oder wenn sich ein Zustand P2/P1 > 0,5 einstellt (d. h. eine Durchflußmengenregelung mit hoher Präzision findet nicht mehr statt, obwohl eine Gegenströmung nicht verursacht wird) kann das Steuerventil automatisch geschlossen werden.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine vertikale Schnittansicht bzw. eine seitliche Schnittansicht eines Beispiels eines Teils einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei die Berechnungs-Steuervorrichtung 6 ausgenommen ist. Die Fig. 4 und 5 zeigen eine vertikale Schnittansicht bzw. eine perspektivische Schnittansicht an der Linie V-V einer Vorrichtung mit einer Antriebseinheit in der Ausführung mit einem piezoelektrischen Element. In den Fig. 2 bis 4 bezeichnet Bezugszeichen 2 das Steuerventil, Bezugszeichen 3 den Druckfühler, Bezugszeichen 5 die Öffnung, Bezugszeichen 9 das der Öffnung zugeordnete Ventil, Bezugszeichen 11 den Gasentnahmeanschluß, Bezugszeichen 12 einen Ventilhauptkörper, Bezugszeichen 13 eine Membran und Bezugszeichen 14 eine Antriebseinheit.
Das Steuerventil 2 besteht aus dem aus rostfreiem Stahl hergestellten Ventilhauptkörper 12 zur Definition eines Fluid-Einlasses 12a, eines Ventilsitzes 12b, einer Ventilkammer 12c, eines Druckfühler-Befestigungslochs 12d und eines Fluid-Auslasses 12e sowie anderer Elemente einschließlich der Membran 13 aus rostfreiem Stahl, Nickel oder einer Kobaltlegierung und der Antriebseinheit 14 in der Ausführung mit einem piezoelektrischen Element zum Niederdrücken der Membran 13.
In der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung wird die Membran 13 durch die Elastizität einer Belleville-Feder 15 stets nach unten und dadurch in Schließlage gegen den Ventilsitz 12b gedrückt.
Ferner wird ein Membranhalter 16, wenn er ausgefahren wird, durch ein Halteteil 19 des piezoelektrischen Elements nach oben gezogen, indem dem piezoelektrischen Element eine Ladung zugeführt wird. Als Ergebnis wird die Membran 13 elastisch nach oben zurückgestellt und bewegt sich weg von dem Ventilsitz 12b, so daß das Ventil geöffnet wird.
In dieser Ausführungsform umfaßt die Antriebseinheit 14 mit dem piezoelektrischen Element, wie in Fig. 4 gezeigt, eine Kombination von drei in Reihe geschalteten Piezoelementeinheiten 14a mit einem Hub von 16 um, 5 mm · 5 mm · 18 mm, und in den Fig. 4 und 5 bezeichnet das Bezugszeichen 16 den Membranhalter, Bezugszeichen 17 einen Basiskörper, Bezugszeichen 18 eine Kugel, Bezugszeichen 19 ein Halteteil (Super-Invarmaterial) des piezoelektrischen Elements und Bezugszeichen 20 eine Einstellschraube für den Hub.
Das Halteteil 19 des piezoelektrischen Elements ist aus einem Super-Invarmaterial hergestellt, dessen Wärmedehnungsrate annähernd gleich der Wärmedehnungsrate der piezoelektrischen Elemente (Piezoelemente) ist.
Fig. 6 zeigt im Detail einen Abschnitt, in dem der Druckfühler 3 montiert ist, und in diesem Ausführungsbeispiel wird der Druckfühler 3, der aus Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen hergestellt ist, durch Stellmuttern 21 luftdicht an einem O-Ring 22 aus Metall in dem Befestigungsloch 12d gehalten, das an einer Unterseite des Ventilhauptkörpers 12 vorgesehen ist.
In Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 23 eine Hülse und Bezugsziffer 24 ein Lager, und anstelle des metallenen O-Rings 22 können auch ein metallener C-Ring oder eine Metalldichtung verwendet werden.
Ferner ist das Befestigungsloch 12d für den Druckfühler in der dargestellten Ausführungsform etwas stromabwärts der Ventilkammer 12c in dem Boden des Ventilhauptkörpers 12 gebildet, doch kann, wie in Fig. 7 gezeigt, ein Befestigungsloch 12d" einer Ventilkammer 12c" gegenüberliegend an einer Unterseite eines Ventilhauptkörpers 12" vorgesehen sein.
Die Öffnung 5 ist an der stromabwärtigen Seite des Druckfühlers 3 vorgesehen, wie in Fig. 2 gezeigt, und in dieser Ausführungsform ist sie in einem Fluid-Einlaß 9b eines Ventilhauptkörpers 9a des der Öffnung zugeordneten Ventils 9, ein Ventil mit einer Metallmembran, vorgesehen, wobei der Ventilhauptkörper 9a durch Festziehen einer Stellschraube 25 an einem Lager 24 festgelegt ist. In den Fig. 2 und 3 bezeichnet das Bezugszeichen 9c einen Fluid-Auslaß des der Öffnung zugeordneten Ventils 9.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel der Festlegung einer Öffnung 5''' an einem Ventilhauptkörper 12''' eines Steuerventils 2''', wobei die Festlegekonstruktion selbst ähnlich jener von Fig. 2 ist, in der die Öffnung an dem Ventilhauptkörper 9a des der Öffnung zugeordneten Ventils 9 vorgesehen ist.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Beispiel zur Positionierung eines Elements 5"" zur Bildung einer Öffnung, wobei das Element 5"" zur Bildung der Öffnung als solches austauschbar ist.
Das heißt, eine ringförmige Kontaktfläche ist in einem Öffnungs-Befestigungsloch 12f eines Ventilhauptkörpers 12"" gebildet, und ein Öffnungs-Einsatzloch 12g ist in einer Richtung senkrecht zu einem Fluiddurchlaß gebildet. Das die Öffnung bildende plattenförmige Element 5"" ist von oben durch das Einsatzloch 12g in das Befestigungsloch 12f eingesetzt und durch Festspannen eines Halteelements 26 über ein Lager 24b festgelegt.
Beim Austauschen des die Öffnung bildenden Elements 5"", was je nach Spanne der Durchflußmenge erfolgt, wird das Halteelement 26 gelöst, das die Öffnung bildende Element 5"" ausgetauscht und das Halteelement 26 erneut festgelegt.
Bei der Erfindung ist der Ventilhauptkörper 12"" eines Steuerventils 2"" in Form eines Blocks ausgebildet, in dem ein Öffnungs-Befestigungsloch 12f und ein Druckfühler-Befestigungsloch 12d"" einstückig ausgebildet sind, weshalb ein Volumen eines Fluiddurchlaßraums in dem Durchflußregler sehr klein ist und die Gasreinigungsleistung verbessert wird.
Die Fig. 10 und 11 zeigen Kennlinien der Durchflußmengen-Regelung, wenn das Gas des erfindungsgemäßen Durchflußreglers mit Druckregelung Stickstoff ist, und speziell, wenn an der stromabwärtigen Seite der Öffnung 5 ein Vakuum von etwa 10 Torr (in Fig. 10) anliegt und wenn an der stromabwärtigen Seite Atmosphärendruck herrscht (in Fig. 11).
Aus den Fig. 10 und 11 wird deutlich, daß in einem Bereich, in dem der Druck P1 auf der stromaufwärtigen Seite mehr als doppelt so hoch ist wie der Druck P2 auf der stromabwärtigen Seite, die Durchflußmenge Qc und P1 in einem linearen Verhältnis gehalten werden. In den Fig. 10 und 11 beziehen sich die Kennlinien A, B und C auf Öffnungsinnendurchmesser von 0,37 mm, 0,20 mm bzw. 0,07 mm.
Tabelle 1 vergleicht die Präzision und andere Eigenschaften zwischen einem erfindungsgemäßen Druchflußregler mit Druckregelung und einem herkömmlichen Durchflußregler mit Differenzdruckregelung unter der Annahme, daß die Meßbereiche und die Präzision der Druckfühler identisch sind. Tabelle 1
Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, ist die Erfindung im Vergleich zu dem herkömmlichen Durchflußregler mit Differenzdruckmesung ausgezeichnet in der Meßgenauigkeit der Durchflußmenge und im Meßbereich, und sie ist physisch kleiner.
Tabelle 2 vergleicht die Eigenschaften zwischen einem herkömmlichen Standard- Mengenflußregler und der Erfindung. Wie auch aus dieser Tabelle hervorgeht, ist die Erfindung dem Mengenflußregler in der Meßgenauigkeit in niedrigen Durchflußmengenbereichen und in den Herstellungskosten überlegen. Tabelle 2
Bei der Erfindung wird im Vergleich zu dem herkömmlichen Durchflußregler mit Differenzdruckregelung eine höhere Präzision bei der Erfassung der Durchflußmenge erreicht und die Größe der Vorrichtung reduziert, wodurch auch die Kosten gesenkt werden.
Ferner wird dadurch, daß erfindungsgemäß der Druck P1 an der stromaufwärtigen Seite der Öffnung geregelt wird, die Durchflußmenge an der stromabwärtigen Seite der Öffnung in Form einer linearen Funktion als Funktion des Drucks P1 ermittelt, wodurch eine Rückführungssteuerung der Durchflußmenge leicht ist, die Stabilität des Reglers verbessert wird und die Herstellungskosten geringer sind.
Mit der Erfindung werden somit exzellente Wirkungen im praktischen Einsatz erzielt.

Claims

1. Durchflußregelgerät mit Druckregelung zum Regeln der Durchflußmenge eines Fluids mit:

Mitteln zum Bilden einer Öffnung (5);

einem stromaufwärts der Öffnung (5) angeordneten Steuerventil (2) zum Steuern der Strömung des Fluids auf diese zu;

einem Druckfühler (3) zum Messen des Drucks P1 des Fluids zwischen dem Steuerventil (2) und der Öffnung (5);

einer Einheit zum Öffnen und Schließen des Steuerventils (2);

und einer Berechnungs-Steuervorrichtung (6), die geeignet ist, ein dem gemessenen Druck P1 entsprechendes Signal zu empfangen und ein Ausgangssignal Qy zum Ansteuern der Einheit (14) auszugeben, wodurch der Druck stromaufwärts der Öffnung (5) so eingestellt werden kann, daß die Durchflußmenge stromabwärts der Öffnung (5) reguliert wird;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Gerät ferner Mittel enthält, die den Druck P1 stromaufwärts der Öffnung (5) mehr als doppelt so hoch halten wie den Druck P2 des Fluids stromabwärts der Öffnung (5);

und daß die Berechnungs-Steuervorrichtung (6) ferner geeignet ist, ein Durchflußmengen-Steuersignal Qs zu empfangen, eine berechnete Durchflußmenge Qc durch die Öffnung (5) anhand der Formel Qc = KP1 zu berechnen, wobei K eine Konstante ist, und das der Differenz zwischen Qs und Qc entsprechende Ausgangssignal Qy zu berechnen.

2. Durchflußregelgerät mit Druckregelung nach Anspruch 1, wobei ein Mittel zum Bilden der Öffnung (5) austauschbar ist.

3. Durchflußregelgerät mit Druckregelung nach Anspruch 1, wobei eine Montageöffnung des Druckfühlers (12d") und eine Montageöffnung eines die Öffnung bildenden Elements (12f) in einem Ventilkörper (12") des Steuerventils (2) ausgebildet sind, wobei der Ventilkörper des Steuerventils in Blockform ausgebildet ist.

4. Durchflußregelgerät mit Druckregelung nach Anspruch 1, wobei ein der Öffnung zugeordnetes Ventil (9) stromabwärts der Öffnung (5) vorgesehen ist und die Öffnung (5) in einem Fluideinlaß (9b) eines Ventilhauptkörpers (9a) des der Öffnung zugeordneten Ventils (9) angeordnet ist.

5. Durchflußregelgerät mit Druckregelung nach Anspruch 1, wobei die Berechnungs-Steuervorrichtung (6) eine Temperatur-Korrekturschaltung zum Korrigieren des Wertes der berechneten Durchflußmenge Qc in Abhängigkeit von einer Gastemperatur T1 stromaufwärts der Öffnung (5) enthält.

6. Durchflußregelgerät mit Druckregelung nach Anspruch 1, wobei das Steuerventil an einen Ausgang eines Umkehrverstärkers (10) angeschlossen ist, um von diesem ein Ausgangssignal zu empfangen, wobei der Umkehrverstärker (10) erfaßte Werte des stromaufwärtigen Drucks P1 und des stromabwärtigen Drucks P2 empfängt.

7. Durchflußregelgerät mit Druckregelung nach Anspruch 3, wobei ein die Öffnung bildendes Element (5"") austauschbar in die Öffnungs-Montageöffnung (12f) des Ventilhauptkörpers (12"") des Steuerventils (2"") einsetzbar ist.