DE69938368T2

DE69938368T2 - Durchflussregeleinrichtung mit Umschaltung in Abhängigkeit vom Fluid

Info

Publication number: DE69938368T2
Application number: DE69938368T
Authority: DE
Inventors: Tadahiro Sendai-shi Ohmi; Satoshi Fujiicho Nirasaki-shi Kagatsume; Jun Fujiicho Nirasaki-shi Hirose; Kouji Nishino
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2019-08-10
Also published as: CN1275217A; EP1026566A4; US6314992B1; DE69927932T2; EP1564615B1; JP3522544B2; TW455751B; DE69938368D1; WO2000011532A1; ATE308074T1; KR100329977B1; EP1026566A1; CN1225680C; EP1026566B1; ATE389202T1; DE69927932D1; JP2000066732A; KR20010031388A; EP1564615A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für Durchflussmengen, die sich für eine Vielzahl von Fluids wie Gasen zur Verwendung bei der Herstellung solcher Produkte wie Halbleiter, Chemikalien und Präzisionsmaschinenteile eignet. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein umschaltbares Durchflussmengensteuersystem für Fluids, das eine hochgenaue Steuerung der Durchflussmengen einer Vielzahl von Fluids mit Hilfe einer Öffnung über spezifische Durchflussmengenbereiche erlaubt, und in welchem die darin angebrachte Öffnung derart auswechselbar ist, dass die Art des Fluids und die Durchflussmenge stark geändert werden können.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Massendurchflussregler werden in Fluidversorgungssystemen für solche Fertigungseinrichtungen wie solche für Halbleiter und chemische Produkte weithin verwendet.
In 7 ist ein Beispiel für einen Erzeuger einer hochreinen Feuchtigkeit zur Verwendung in Halbleiterfertigungseinrichtungen gezeigt. In einen Reaktor RR werden über Ventile V₁ bis V₃ drei Gasarten – H₂-Gas, O₂-Gas und N₂-Gas – eingeleitet, wobei die Durchflussmengen von Massendurchflussreglern MFC 1 bis MFC 3 geregelt werden. Das heißt, dass zuerst das Ventil V₃ öffnet wird, wobei die Ventile V₁ und V₂ in geschlossener Stellung gehalten werden, und der Reaktor RR mit N₂-Gas gespült wird. Dann wird das Ventil V₃ geschlossen, und die Ventile V₁ und V₂ werden geöffnet, um H₂-Gas und O₂-Gas mit spezifischen Durchflussmengen in den Reaktor RR einzuleiten. In dem Reaktor RR können das H₂-Gas und das O₂-Gas mit Platin, das als Katalysator dient, ohne Verbrennung zu H₂O reagieren. Der mithin erzeugte hochreine Wasserdampf wird in (nicht gezeigte) Produktionseinrichtungen geführt.
Massendurchflussregler erfahren jeweils eine Linearitätskorrektur und -einstellung auf einen speziellen Gas- und Durchflussbereich und können nicht für andere Gase als diejenigen verwendet werden, auf welche die Massendurchflussregler eingestellt sind. Deshalb sind die Massendurchflussregler MFC 1 bis MFC 3 jeweils für H₂-Gas, O₂-Gas und N₂-Gas installiert, d. h. ein spezieller Massendurchflussregler ist in der in 7 gezeigten Weise auf ein spezielles Gas eingestellt. Ein anderes Problem ist, dass der Massendurchflussregler selbst sogar bei dem gleichen Gas ausgewechselt werden muss, wenn der Durchflussbereich, d. h. die volle Durchflussmenge, geändert werden soll.
Bei einem Gasversorgungssystem, das in 7 gezeigt ist, werden Ersatzgeräte für die Massendurchflussregler MFC 1 bis MFC 3 gelagert. Diese Massendurchflussregler selbst sind kostspielig, und ebenso ihre Ersatzteile. Dadurch werden Ausrüstungskosten und Betriebskosten nach oben getrieben.
Eine Linearitätskorrektur und -einstellung nimmt viel Zeit in Anspruch. Wenn an Stelle des Auswechselns des Massendurchflussreglers die Linearitätskorrektur und -einstellung jedes Mal dann, wenn Gasarten und Durchflussbereiche geändert werden, für ein neues Gas erfolgen, muss die Produktionsanlage zeitweilig ausgesetzt werden. Aus diesem Grund müssen dauernd Ersatz-Massendurchflussregler auf Vorrat gehalten werden.
In US-A-5 791 369 ist eine mit Druck funktionierende Durchflussmengensteuervorrichtung zum Steuern der Durchflussmenge eines Fluids offenbart. Der Druck P₁ an der stromauf gelegenen Seite der Öffnung wird durch Öffnen und Schließen des Steuerventils eingestellt, wodurch die Durchflussmenge auf der stromab gelegenen Seite der Öffnung gesteuert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das umschaltbare Durchflussmengensteuersystem für Fluids gemäß der vorliegenden Erfindung spricht mit dem Massendurchflussregler diese Probleme an. Zur Veranschaulichung wird in Anspruch 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Durchflussmengensteuersystem geschaffen, welches die Durchflussmenge des Fluids steuert, wobei der Druck P₁ auf der stromauf gelegenen Seite des Öffnungsglieds etwa zwei Mal oder noch höher als der Stromab-Druck P₂ gehalten wird, wobei das umschaltbare Durchflussmengensteuersystem für Fluids Folgendes umfasst: ein Öffnungsglied, das durch ein anderes auswechselbar ist, um einen geeigneten Öffnungsdurchmesser gemäß der Art des Fluids und dem Bereich der Durchflussmenge bereitzustellen, ein Steuerventil, das auf der stromauf gelegenen Seite desselben vorgesehen ist, einen Druckdetektor, der zwischen dem Steuerventil und dem Öffnungsglied vorgesehen ist, und einen Durchflussmengenberechnungskreis, in dem aus dem von dem Druckdetektor detektierten Druck P₁ die Durchflussmenge Q_c mit der Gleichung Q_c = KP₁ berechnet wird (wobei K eine Konstante ist), einen Durchflussmengeneinstellkreis zum Ausgeben eines Durchflussmengeneinstellsignals Q_e, einen Durchflussmengenumrechnungskreis zum Umwandeln des Durchflussmengeneinstellsignals Q_e in das die Durchflussmenge benennende Signal Q_s, um die gesamte Durchflussmenge zu ändern, und einen Berechnungssteuerkreis zum Ausgeben der Differenz zwischen dem die Durchflussmenge benennenden Signal Q_s und der berechneten Durchflussmenge Q_c als Steuersignal Q_y an die Ansteuervorrichtung für das Steuerventil und dadurch zum Öffnen oder Schließen des Steuerventils, um das Steuersignal auf Null zu bringen, und mithin zum Steuern der Durchflussmenge auf der stromab gelegenen Seite des Öffnungsglieds.
In Anspruch 2 gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein umschaltbares Durchflussmengensteuersystem für Fluids nach der Definition in Anspruch 1 geschaffen, wobei der Durchflussmengenumrechnungskreis derart konfiguriert ist, dass das Durchflussmengeneinstellsignal Q_e mit der Umrechnungsrate k zu dem die Durchflussmenge benennenden Signal Q_s (Qs = kQ_e) multipliziert wird.
In Anspruch 3 gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein umschaltbares Durchflussmengensteuersystem für Fluids nach der Definition in Anspruch 1 oder Anspruch 2 geschaffen, wobei der Durchflussmengenumrechnungskreis aus einem DIL-Gehäuseschalter ausgebildet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eines von den Anwendungsbeispielen für das umschaltbare Durchflussmengensteuersystem für Fluids FCS, welches die vorliegende Erfindung verkörpert, bei dem durch ein umschaltbares Durchflussmengensteuersystem für Fluids FCS hindurch eine Vielzahl von Fluids geleitet wird.
2 ist ein Blockschaltbild des umschaltbaren Durchflussmengensteuersystems für Fluids gemäß einer ersten Ausführungsform.
3 ist ein Blockschaltbild des umschaltbaren Durchflussmengensteuersystems für Fluids gemäß einer zweiten Ausführungsform.
4 zeigt die Beziehung zwischen Durchflussmengen und Durchflussmengeneinstellsignalen bis zum vollen Maß unter unterschiedlichen Steuerdrücken.
5 ist ein Blockschaltbild des umschaltbaren Durchflussmengensteuersystems für Fluids gemäß einer dritten Ausführungsform.
6 ist eine Schnittansicht des Kernteils bei einem Installationsbeispiel für das Öffnungsglied.
7 ist ein Anordnungsplan für das System zur Zuführung von Gasen nach dem Stand der Technik zu dem Generator für hochreine Feuchtigkeit zur Herstellung von Halbleitern.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bekanntlich erreicht die Strömungsgeschwindigkeit eines durch eine Düse laufenden Gases die Schallgeschwindigkeit, wenn das Verhältnis P₂/P₁ des Gasdrucks stromab der Düse zu demjenigen stromauf derselben (wobei P₁ der Druck auf der stromauf gelegenen Seite; P₂ der Druck auf der stromab gelegenen Seite ist) unter den kritischen Druck des Gases (bei Luft, Stickstoff usw. etwa 0,5) fällt. In diesem Zustand pflanzt sich eine Druckänderung auf der stromab gelegenen Seite der Düse nicht mehr auf die stromauf gelegene Seite fort, und mithin lässt sich eine stabile Massendurchflussrate erhalten, die zu dem Zustand auf der stromauf gelegenen Seite der Düse korrespondiert.
Mithin offenbarten die Erfinder der vorliegenden Erfindung in der Ungeprüften, Offengelegten Japanischen Patentanmeldung unter 08-338546 , dass die Durchflussmenge des durch die Öffnung laufenden Gases dann, wenn an Stelle einer Düse eine Öffnung verwendet wird, bei einem festen, winzigen Durchmesser der Öffnung nur proportional dem Druck P₁ auf der stromauf gelegenen Seite der Düse ist, wobei eine Linearität sehr hoher Präzision festgestellt wird.
Mit anderen Worten, man erhält die Durchflussmenge Qc des durch die Öffnung laufenden Gases dann, wenn das Gas Luft, Stickstoff oder dergleichen ist, aus der Gleichung Qc = KP₁ (wobei K eine Konstante ist), wobei der Stromauf-Druck P₁ zwei Mal oder noch höher als der Stromab-Druck P₂ eingestellt wird. Die Konstante K ist nur vom Öffnungsdurchmesser abhängig. Dadurch bietet sich der Vorteil, dass die vorzunehmende Verfahrensänderung dann, wenn eine neue Öffnung eingerichtet wird, nur in der Änderung der Konstanten K besteht.
Es ist auch anzumerken, dass durch die Verwendung einer Öffnung bei der vorliegenden Erfindung die volle Durchflussmenge leichter umgeschaltet werden kann. Das Durchflussmengeneinstellsignal Qe wird in einem Spannungswert angegeben, und wenn beispielsweise ein Druckbereich von 0 bis 3 kgf/cm²abs. in einem Spannungsbereich von 0 bis 5 Volt ausgedrückt wird, korrespondiert der volle Skalenwert von 5 Volt zu 3 kgf/cm²abs. Hier soll angenommen werden, dass die Durchflussmengenumrechnungsrate k in dem Durchflussmengenumrechnungskreis auf 1 eingestellt ist. Das heißt in Anspruch 5 gemäß der vorliegenden Erfindung dann, wenn 5 Volt als Durchflussmengeneinstellsignal Qe eingegeben werden, das berechnete Durchflussmengenumschaltsignal Qf (Qf = kQc) 5 Volt beträgt und das Steuerventil derart reguliert wird, dass der Druck P1 auf der stromauf gelegenen Seite auf 3 kgf/cm²abs. gebracht wird.
Auch in Anspruch 5 gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt das Durchflussmengenbenennungssignal Qs dann, wenn 5 Volt als Durchflussmengeneinstellsignal Qe eingegeben werden, ebenfalls 5 Volt, weil Qs = kQe und das Steuerventil derart reguliert wird, dass der Druck P₁ auf der stromauf gelegenen Seite 3 kgf/cm2abs. beträgt.
Als Nächstes wird ein Beispiel beschrieben, bei welchem der Druckbereich auf 0 bis 2 kgf/cm2abs. umgeschaltet wird und sich dieser Druckbereich in einem Durchflussmengeneinstellsignal Qe von 0 bis 5 Volt ausdrückt. Das heißt, der volle Skalenwert von 5 Volt ergibt 2 kgf/cm²abs. In diesem Fall wird die Durchflussmengenumrechnungsrate k auf 2/3 eingestellt. Wenn beispielsweise in Anspruch 1 gemäß der Erfindung ein Durchflussmengeneinstellsignal Qe von 5 Volt eingegeben wird, beträgt das berechnete Durchflussmengenumschaltsignal Qf 5 × 2/3 Volt, da Qf = kQc. In ähnlicher Weise beträgt in Anspruch 5 gemäß der Erfindung das Durchflussmengenbenennungssignal 5 × 2/3 Volt, da Qs = kQe, und das Steuerventil wird derart betätigt, dass der Stromauf-Druck P₁ 3 × 2/3 = 2 kgf/cm²abs. beträgt. Mit anderen Worten, eine volle Durchflussmengenumschaltung erfolgt derart, dass Qe = 5 Volt die Durchflussmenge P₁ = 2 kgf/cm²abs. ausdrückt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Durchflussmengen einer Vielzahl von Gasarten von einer einzigen Öffnung gesteuert werden können. Hat die Öffnung den gleichen Öffnungsdurchmesser, ist die Durchflussmenge Qc durch die Gleichung Qc = KP1 gegeben, wobei die Konstante K festgelegt ist.
Das heißt, dass zwar der Öffnungsdurchmesser und die Konstante k bekanntlich proportional zueinander sind, die Konstante K jedoch abhängig von der Art des Gases verschieden ist. Hier werden die Konstanten für H₂-Gas, O₂-Gas und N₂-Gas jeweils in KH, KO und KN angegeben. Die Konstante K wird gewöhnlich in einem Strömungsfaktor FF ausgedrückt, bei dem Stickstoffgas als Standard dient. Wenn die Strömungsfaktoren FF für H₂-Gas, O₂-Gas und N₂-Gas durch FFH, FFO und FFN ausgedrückt werden, dann FFH = KH/KN und FFO = KO/KN. Es versteht sich, dass FFN = KN/KN = 1.
1 zeigt eines von den Anwendungsbeispielen für das umschaltbare Durchflussmengensteuersystem für Fluids FCS, welches die vorliegende Erfindung verkörpert. Die Einheit des umschaltbaren Durchflussmengensteuersystem für Fluids FCS kann den Durchfluss dreier Arten von Gasen steuern, des H₂-Gases, des O₂-Gases und des N₂-Gases. Die Durchflussmengenumrechnungsrate k, die durch den Durchflussmengenumrechnungskreis 18 in dem umschaltbaren Durchflussmengensteuersystem für Fluids FCS gegeben ist, wird für jedes Fluid auf der Basis eines bestimmten Verhältnisses mit dem Strömungsfak tor FF darin bestimmt. Dieses Verhältnis wird später ausführlich beschrieben. Hier werden die Umrechnungsraten für H₂-Gas, O₂-Gas und N₂-Gas durch kH, kO und kN (=1) dargestellt.
Zuerst wird das Ventil V₃ geöffnet, während das Ventil V₁ und das Ventil V₂ in geschlossener Stellung bleiben, um den Reaktor RR mit N₂-Gas zu spülen. Da die Durchflussmengenumrechnungsrate k für Stickstoff oder kN 1 beträgt, wird das berechnete Durchflussmengenumschaltsignal Qf fast gleich Qe, da Qf = kOc (wobei in Anspruch 5 gemäß der Erfindung das Durchflussmengenbenennungssignal Qs gleich Qe wird, da Qs kQe). Das Steuerventil wird geöffnet oder geschlossen, bis diese Durchflussmenge erreicht ist.
Im nächsten Schritt wird das Ventil V₁ geöffnet, während das Ventil V₂ und das Ventil V₃ geschlossen sind, so dass H₂-Gas in den Reaktor RR eingeleitet wird. Da die Durchflussmengenumrechnungsrate k für H₂-Gas kH beträgt, wird das berechnete Durchflussmengenumschaltsignal Qf annähernd gleich kH × Qe, da Qf = kQc (in Anspruch 5 gemäß der Erfindung wird das Durchflussmengenbenennungssignal Qs gleich kH × Qe, da Qs = kQc) – kH Mal so hoch wie das Durchflussmengeneinstellsignal Qe für N₂-Gas. Mithin wird das Steuerventil so eingestellt, dass der Stromauf-Druck P₁ kH mal so hoch wie für N₂-Gas ist. Der gleiche Vorgang wird befolgt, wenn das Ventil V₂ zum Einleiten von O₂-Gas geöffnet wird und das berechnete Durchflussmengenumschaltsignal Qf auf einen Wert nahe k0 × Qe eingestellt wird (wobei in Anspruch 5 gemäß der Erfindung das Durchflussmengenbenennungssignal Qs auf k0 × Qe eingestellt wird, um das Steuerventil zu regulieren.
Die Anwendung des umschaltbaren Durchflussmengensteuersystems für Fluids FCS gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es in 1 gezeigt ist, erfolgt in Halbleiterfertigungsanlagen praktisch noch nicht. Das Verfahren zur Zuführung einer einzigen Gasart durch das Ventil V₁, das Ventil V₂ und das Ventil V₃ und eine einzige FCS-Einheit hindurch bei sehr verschiedenen Durchflussmengen wird jedoch in der Praxis angewandt.
2 ist ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des umschaltbaren Durchflussmengensteuersystems für Fluids gemäß der vorliegenden Erfindung, während 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des umschaltbaren Durchflussmengensteuersystems für Fluids ist.
Das umschaltbare Durchflussmengensteuersystem für Fluids FCS umfasst ein Steuerventil 2, eine Steuerventilansteuervorrichtung 4, einen Druckdetektor 6, ein Öffnungs glied 8, ein an die Öffnung angepasstes Ventil 10, einen Anschluss zum Abziehen von Gas 12, einen Durchflussmengenberechnungskreis 14, einen Durchflussmengeneinstellkreis 16 und einen Berechnungssteuerkreis 20.
Der Durchflussmengenberechnungskreis 14 umfasst einen Temperaturdetektor 23, Verstärker 22, 24, A/D-Wandler 26, 28, einen Temperaturkompensationskreis 30 und einen Berechnungskreis 32. Der Berechnungssteuerkreis 20 besteht aus einem Vergleichskreis 34 und einem Verstärkerkreis 36.
Der Durchflussmengenumrechnungskreis 18 ist bei der ersten Ausführungsform auf der Ausgangsseite des Verstärkers 22 des Druckdetektors 6 in dem Durchflussmengenberechnungskreis 14 (2) und bei der zweiten Ausführungsform auf der Ausgangsseite des Durchflussmengeneinstellkreises 16 (3) vorgesehen.
Das Steuerventil 2 umfasst ein so genanntes Direktberührungs-Membranventil aus Metall, das später beschrieben wird. Seine Steuerventil-Ansteuervorrichtung 4 ist eine piezoelektrische Ansteuereinheit. Alternativen zu dieser Ansteuervorrichtung für das Steuerventil 2 sind eine magnetostriktive Ansteuereinheit oder eine elektromagnetische Ansteuereinheit, eine motorgetriebene Ansteuereinheit, eine pneumatische Art und eine mit Wärmedehnung funktionierende Ansteuereinheit.
Der Druckdetektor 6 ist ein Halbleiterdrosseldetektor. Alternativen zu dem Druckdetektor 6 sind ein Metallfolien-Druckdrosselsensor, ein Kapazitätssensor und ein Magnetwiderstands-Drucksensor.
Der Temperaturdetektor 23 ist ein Thermoelement-Temperaturdetektor. An seiner Stelle kann eine Vielzahl bekannter Temperatursensoren wie ein Widerstands-Temperatursensor verwendet werden.
Das verwendete Öffnungsglied 8 ist ein Dichtungsring aus Metallfolie mit einer durch Ausschneiden eingebrachten Bohrung. Alternativen dazu sind ein ultradünnes Rohr und eine Metallfolie mit einer durch Ätzen oder Elektroentladungsbearbeitung eingebrachten Bohrung.
Nunmehr wird die Funktionsweise des umschaltbaren Durchflussmengensteuersystem für Fluids FCS, welches die vorliegende Erfindung verkörpert, an Hand von 2 und 3 beschrieben.
In 2 wird der Stromauf-Druck P₁ des Gases auf der Austrittsseite des Steuerventils 2, d. h. auf der stromauf gelegenen Seite der Öffnung 8, durch den Druckdetektor 6 detektiert und zu dem Verstärker 22, dem Durchflussmengenumrechnungskreis 18 und dann zu dem A/D-Wandler 26 ausgegeben. Dann werden die erhaltenen digitalisierten Signale zu dem Berechnungskreis 32 ausgegeben.
Ebenso wird die Gastemperatur T₁ auf der stromauf gelegenen Seite der Öffnung durch den Temperaturdetektor 23 detektiert, und die digitalisierten Signale werden über den Verstärker 24 und den A/D-Wandler 26 zu dem Temperaturkompensationskreis 30 ausgegeben.
Wenn die Durchflussmengenumrechnungsrate k in dem Durchflussmengenumrechnungskreis 18 beispielsweise 1 beträgt, d. h. nicht die volle Durchflussmenge geschaltet ist, dann wird die Durchflussmenge Q auf der Basis des Stromauf-Drucks P₁ mit der Gleichung Q = KP₁ berechnet. Gleichzeitig wird die Temperatur der Durchflussmenge Q durch Kompensationssignale aus dem Temperaturkompensationskreis 30 kompensiert, und die berechnete Durchflussmenge Qc wird zu dem Vergleichskreis 34 ausgegeben.
Falls die Durchflussmengenumrechnungsrate k in dem Durchflussmengenumrechnungskreis 18 auf die Konstante K eingestellt ist, dann ist das berechnete Durchflussmengenumschaltsignal Qf, das aus dem Durchflussmengenberechnungskreis 14 zu dem Berechnungssteuerkreis 20 ausgegeben wird, k Mal so groß wie die berechnete Durchflussmenge Qc, und die Ausgangssignale von Qf = kQc werden in den Berechnungssteuerkreis 20 eingegeben.
Es sei angemerkt, dass die Konstante k eine Durchflussmengenumrechnungsrate bezeichnet und zum Ändern der vollen Durchflussmenge verwendet wird. Der Durchflussmengenumrechnungskreis 18 kann die Durchflussmengenumrechnungsrate k kontinuierlich oder stufenweise andern. Für eine stufenweise Änderung kann beispielsweise ein DIP-Schalter verwendet werden.
Bei der zweiten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, wird der Durchflussmengenumrechnungskreis 18 dagegen auf der Ausgangsseite des Durchflussmengeneinstellkreises 16 vorgesehen. Das aus dem Durchflussmengeneinstellkreis 16 ausgegebene Durchflussmengeneinstellsignal Qe wird über den Durchflussmengenumrechnungskreis 18 in ein Durchflussmengenbenennungssignal Qs (QS = kQe) umgewandelt. Das Durchflussmengenbenennungssignal Qs wird dann in den Berechnungssteuerkreis 20 eingegeben.
Es sei angemerkt, dass bei der zweiten Ausführungsform der detektierte Durchflussmengenwert, der aus dem Durchflussmengenberechnungskreis 14 in den Berechnungssteuerkreis 20 eingegeben wird, die berechnete Durchflussmenge Qc ist.
Nunmehr wird die Funktionsweise des Durchflussmengenumrechnungskreises 18 an Hand von 4 beschrieben.
Es sei angenommen, dass das Durchflussmengeneinstellsignal Qe eine Spannungswertvariable zwischen 0 und 5 Volt ist, wobei 0 Volt durch 0 Prozent und 5 Volt durch 100 Prozent dargestellt sind.
Das heißt, das beispielsweise 80 Prozent 4 Volt darstellen. Wenn das berechnete Durchflussmengenumschaltsignal Qf (oder das Durchflussmengenbenennungssignal Qs) 5 Volt beträgt, wird der Stromauf-Druck P₁ auf 3 kgf/cm²abs. gebracht, so dass die Durchflussmenge 500 SCCM beträgt.
Wenn die Durchflussmengenumrechnungsrate k = 1 beträgt, die beipielsweise dem 0 bis 100 Prozent betragenden Bereich des Durchflussmengeneinstellsignals Qe entspricht, verändert sich das berechnete Durchflussmengenumschaltsignal Qf (oder das Durchflussmengenbenennungssignal Qs) über einen Bereich von 0 bis 100 Prozent, wobei Qf = kQc (oder Qs = kQe), und zeigt hinsichtlich der Durchflussmenge 0 bis 500 sccm an. Gemäß dieser Angabe wird der Stromauf-Druck P₁ zwischen 0 und 3 kgf/cm²/abs. reguliert, was durch die mit schwarzen, runden Punkten markierte Linie A dargestellt ist. Als Nächstes verändert sich bei der Durchflussmengenumrechnungsrate k = 1/2 das berechnete Durchflussmengenumschaltsignal Qf (oder das Durchflussmengenbenennungssignal Qs) zwischen 0 und 50 Prozent, wenn das Durchflussmengeneinstellsignal Qe in dem Bereich von 0 bis 100 Prozent eingegeben wird. Das heißt, die Durchflussmenge wird in der durch die mit weißen, runden Punkten markierten Linie B angezeigten Weise zwischen 0 und 250 sccm reguliert. In diesem Fall liegt der Schwankungsbereich des Stromauf-Drucks P₁ zwischen 0 und 1,5 kgf/cm²/abs. Somit wird die volle Durchflussmenge von 500 SCCM auf 250 SCCM geschaltet.
In dem Vergleichskreis 34 erfolgt ein Vergleich zwischen dem berechneten Durchflussmengenumschaltsignal Qf und dem Durchflussmengenbenennungssignal Qs (oder dem Durchflussmengenbenennungssignal Qs und der berechneten Durchflussmenge Qc). Die Differenz Qy = Qf – Qe (oder Qc – Qs) wird dann über den Verstärkerkreis 36 zu der Ansteuervorrichtung 4 für das Steuerventil 2 ausgegeben.
Falls das berechnete Durchflussmengenumschaltsignal Qf größer als das Durchflussmengeneinstellsignal Qe ist (oder die berechnete Durchflussmenge Qc größer als das Durchflussmengenbenennungssignal Qs ist), wird die Steuerventilansteuervorrichtung 4 in der Schließrichtung für das Steuerventil 2 betätigt. Wenn das Gegenteil der Fall ist, funkti oniert die Steuerventilansteuervorrichtung 4 derart, dass das Steuerventil 2 geöffnet wird. Auf diese Weise wird der Öffnungsgrad für das Steuerventil 2 automatisch reguliert, um Qf = Qc (oder Qc = Qs) zu erreichen.
Bei der vorliegenden Erfindung muss stets die folgende Bedingung erfüllt sein: dass P₂/P₁ kleiner als annähernd 0,5 ist, das heißt, dass P₁ > 2P₂, wobei P₁ der Druck auf der stromauf gelegenen Seite des Öffnungsglieds 8 ist und P₂ der Stromab-Druck auf der stromab gelegenen Seite des Öffnungsglieds 8 ist.
Deshalb kann es derart angeordnet werden, dass der Stromauf-Druck P₁ und der Stromab-Druck P₂ beide konstant überwacht und in einen (nicht gezeigten) Umkehrverstärker eingegeben werden. Wenn der Betrag des Stromauf-Drucks P₁ und derjenige des Stromab-Drucks P₂ umgekehrt werden, was zu einem Rückstromzustand oder dazu führt, dass P₂/P₁ größer als 0,5 wird und die Durchflussmenge nicht mehr präzis reguliert werden kann, wird das Steuerventil 2 automatisch geschlossen.
5 ist ein Blockschaltbild des umschaltbaren Durchflussmengensteuersystems für Fluids gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 5 sind die Teile, die mit denen gemäß 2 identisch sind, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die folgende Beschreibung ist deshalb auf die unterschiedlichen Teile beschränkt. Im Gegensatz zu der Gestaltung gemäß 2 werden bei dieser Ausführungsform drei Steuerventile 2a, 2b und 2c jeweils für N₂-Gas, He-Gas und CF₄-Gas verwendet. Deshalb sind die Ansteuervorrichtungen 4a, 4b und 4c für diese Steuerventile vorgesehen.
Die mit dem Durchflussmengenumrechnungskreis 18 festzulegenden Durchflussmengenumrechnungsraten sind in drei Stufen für N₂-Gas, He-Gas und CF₄-Gas schaltbar und betreffen die Strömungsfaktoren FF der weiter oben genannten, jeweiligen Gase. Als erstes sind in Tabelle 1 die Strömungsfaktoren der verschiedenen Gase angegeben. Wie bereits beschrieben, sind diese Strömungsfaktoren Beträge, die anzeigen, um wie viele Male die Durchflussmenge des Gases größer als diejenige von N₂-Gas unter den Bedingungen ist, dass die verwendete Öffnung und der Druck auf der stromauf gelegenen Seite identisch sind. Tabelle 1

Art des Gases Strömungsfaktor (FF)

N2 1

Ar 0,888

He 2,804

CF₄ 0,556

C₄F₈ 0,344

FF = Durchflussmenge des Gases/Durchflussmenge bezogen auf N₂-Gas (umgewandelte N₂-Durchflussmenge)

Dass die Durchflussmenge verschiedener Gase unter Verwendung einer einzigen Öffnung gesteuert werden kann, ist an Hand von Tabelle 2 ausführlich erläutert. Tabelle 2 Öffnungsgrößen für das umschaltbare Durchflussmengensteuersystem für Fluids FCS, Steuerdruck und Durchflussmengen des N₂-Gases

Öffnungsdurchmesser μm 50 90 170 320 600 810

0,5 10,0 34,9 124,8 442,3 1555,2 2834,5

1,8 38,8 125,9 449,4 1592,6 5599,0 10204,3

Steuerbereich: 0,5 bis 1,8 kgf/cm2/abs.; in SCCM

Öffnungsdurchmesser μm	50	180	470	810
200 Torr	9,8	73,6	501,9	2834,5
1,8	76,2	503,9	3435,6	10204,3

Steuerbereich: 200 Torr (0,263 kgf/cm²/abs.) bis 1,8 kgf/cm²/abs.; SCCM)

Nunmehr wird ein Beispiel, bei welchem der Öffnungsdurchmesser 90 Mikrometer beträgt, an Hand von Tabelle 2 beschrieben. Es wird gezeigt, dass die Durchflussmenge des N₂-Gases 125,9 SCCM beträgt, wenn sich der Steuerdruck, das heißt der Stromauf-Druck P₁, auf 1,8 kgf/cm²abs. beläuft. Mit anderen Worten, die volle Durchflussmenge des N₂-Gases beträgt 125,9 SCCM, was 100 Prozent des Durchflussmengeneinstellsignals Qe und 5 Volt bei dem Spannungswert entspricht. Da die Durchflussmengenumrechnungsrate k für N₂-Gas 1 lautet, beträgt das mit der Gleichung Qs = kQe berechnete Durchflussmengenbenennungssignal Qs 125,9 SCCM oder volle 100 Prozent.
Nunmehr wird unter den gleichen Öffnungs- und Druckbedingungen das He-Gas betrachtet. Bei He-Gas von 300 SCCM ergibt 300 SCCM, dividiert durch FF bei He = 2,804 107,0 SCCM, das ist die Durchflussmenge für das N2-Gas.
Da die vollen Skalenbereiche für N₂-Gas bei dem vorliegenden Beispiel auf 38,8; 125,9; 449,4; 1592,6; 5599,0 und 10204,3 SCCM eingestellt sind, wird ein Öffnungsdurchmesser von 90 Mikrometern für 125,9 SCCM gewählt. Das heißt, die Durchflussmengenumrechnungsrate k für He-Gas muss auf 107,0:125,9 = 0,850 eingestellt werden.
Natürlich kann die Durchflussmengenumrechnungsrate bei der vorliegenden Erfindung auch in anderer Weise festgelegt werden.
Wenn die Durchflussmenge des N₂-Gases gemäß 5 innerhalb eines Bereichs zwischen 0 und 125,9 SCCM reguliert ist, wird die Durchflussmengenumrechnungsrate k in dem Durchflussmengenumrechnungskreis 18 auf k = 1 geschaltet, wobei das Steuerventil 2a über die Steuerventilansteuervorrichtung 4a reguliert wird. In diesem Fall werden das Steuerventil 2b und das Steuerventil 2c normalerweise in geschlossener Stellung gehalten.
Die anderen Einzelheiten der Funktionsweise des umschaltbaren Durchflussmengensteuersystems für Fluids nach der Darstellung in 5 sind die gleichen wie diejenigen in 3 und werden nicht erneut beschrieben.
6 ist eine Schnittansicht des Kernteils bei einem Installationsbeispiel für die Öffnung 8. In 2 bezeichnet die Ziffer 2 ein Steuerventil, welches die Durchflussmenge eines Fluids steuert, wobei die Membranpresse 2d die Membran 2e in Bezug auf den Ventilsitz 2f freihält, um die Öffnnung – zwischen der Membran 2e und dem Ventilsitz 2f – auf einen bestimmten Grad einzuregulieren. In dem Flansch 8c ist ein stromauf gelegener Fluidkanal 3 ausgebildet, und in dem Flansch 8d ist ein stromauf gelegener Fluidkanal 5 ausgebildet. Das Öffnungsglied 8 ist herausnehmbar mit einem Öffnungshalter 8b in zwei Flanschen 8c, 8d eingebaut. Das Öffnungsglied 8 besitzt eine Öffnungsbohrung 8a. Wenn die zwei Flansche 8c, 8d abgenommen sind, kann das Öffnungsglied abmontiert und ohne Schwierigkeit gegen ein anderes ausgewechselt werden. Übrigens ist diese einfache Auswechselbarkeit eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung.
Die Membranpresse 2d wird durch die Steuerventilansteuervorrichtung 4 der piezoelektrischen Art frei auf und ab bewegt. Wenn das piezoelektrische Element zum Bewegen der Membranpresse 2d aktiviert wird, bewegt sich die Membran 2, um durch elastische Kraft in die Ausgangsposition zurückzukehren, was dazu führt, dass sich die Membran 2e von dem Ventilsitz 2f entfernt, um das Ventil zu öffnen. Des Weiteren kann der Druck P₁ auf der stromauf gelegenen Seite des stromauf gelegenen Fluidkanals 3 durch Feinabstimmen der Öffnung frei eingestellt werden.
Neben der Anordnung, die in 6 gezeigt ist, sind verschiedene andere Strukturen möglich, mit denen sich das Öffnungsglied leichter auswechseln lässt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese soeben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern umfasst Konstruktionsvariationen und -änderungen, ohne von Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Wie oben erläutert, lässt sich die Durchflussmenge Qc dann, wenn der Druck P₁ auf der stromauf gelegenen Seite der Öffnung auf einem Pegel gehalten wird, der zwei oder mehrere Male höher als der Druck auf der stromab gelegenen Seite der Öffnung ist, durch Einstellen nur des Stromauf-Drucks P₁ regulieren. Die Durchflussmenge Qc wird mit der Gleichung Qc = KP₁ berechnet und automatisch auf einen gewünschten Pegel gebracht.
Gleichzeitig lässt sich durch bloßes Eingeben des Durchflussmengeneinstellsignals in den Durchflussmengenumrechnungskreis die volle Durchflussmenge auf einen gewünschten Wert schalten. Dann kann die Durchflussmenge leicht angezeigt und abgelesen werden.
Ein anderes Merkmal besteht darin, dass sich durch bloßes Auswechseln eines Öffnungsglieds gegen ein anderes mit einem anderen Öffnungsdurchmesser eine Vielzahl von Fluids befördern lässt. Weiterhin lässt sich die Durchflussmenge jedes Fluids durch bloßes Schalten der Durchflussmengenumrechnungsrate in dem Durchflussmengenumrechnungskreis frei steuern.
Das heißt, es kann eine große Anzahl verschiedener Arten von Fluids mit einer kleineren Anzahl von Teilen gehandhabt werden, was zur Kostensenkung und zur Verbesserung der Gaszuführungstechnologie beiträgt. Mithin wird ein umschaltbares Durchflussmengensteuersystem für Fluids geschaffen, das sehr gut für die Industrie geeignet ist.

2, 2a, 2b, 2c: Steuerventil
2d: Membranpresse
2e: Membran
2f: Ventilsitz
3: Stromauf gelegener Fluidkanal
4, 4a, 4b, 4c: Ansteuervorrichtung, Ansteuereinheit
5: Stromab gelegener Fluidkanal
6: Fluiddetektor
8: Öffnungsglied
8a: Öffnungsbohrung
8b: Öffnungshalter
8c, 8d: Flansch
10: An Öffnung angepasstes Ventil
12: Anschluss zum Abziehen von Gasen
14: Durchflussmengenberechnungskreis
16: Durchflussmengeneinstellkreis
18: Durchflussmengenumrechnungskreis
20: Berechnungssteuerkreis
22, 24: Verstärker
23: Temperaturdetektor
26, 28: A/D-Wandler
30: Temperaturkompensationskreis
32: Berechnungskreis
34: Vergleichskreis
36: Verstärkerkreis
FCS: Umschaltbares Durchflussmengensteuersystem für Fluids
Qc: Berechnetes Durchflussmengensignal
Qf: Berechnetes Durchflussmengenumschaltsignal
Qe: Durchflussmengeneinstellsignal
Qs: Durchflussmengenbenennungssignal
k: Durchflussmengenumrechnungsrate

Claims

Umschaltbares Durchflussmengensteuersystem für Fluids, welches die Durchflussmenge eines Fluids steuert, wobei der Druck P₁ auf der stromauf gelegenen Seite (3) des Öffnungsglieds (8) etwa zwei Mal oder noch höher als der Stromab-Druck P₂ gehalten wird und das umschaltbare Durchflussmengensteuersystem für Fluids Folgendes umfasst: ein Öffnungsglied (8), das durch ein anderes auswechselbar ist, um einen geeigneten Öffnungsdurchmesser gemäß der Art des Fluids und dem Bereich der Durchflussmenge bereitzustellen, ein Steuerventil (2, 2a, 2b, 2c), das auf der stromauf gelegenen Seite des Öffnungsglieds (8) vorgesehen ist, einen Druckdetektor (6), der zwischen dem Steuerventil (2, 2a, 2b, 2c) und dem Öffnungsglied (8) vorgesehen ist, einen Durchflussmengenberechnungskreis (14), in dem aus dem von dem Druckdetektor (6) detektierten Druck P₁ die Durchflussmenge Q_c mit der Gleichung Q_c = kP_l berechnet wird (wobei k eine Konstante ist), einem Durchflussmengeneinstellkreis (16) zum Ausgeben eines Durchflussmengeneinstellsignals Q_e, und einen Berechnungssteuerkreis (20) zum Ausgeben der Differenz zwischen dem die Durchflussmenge benennenden Signal Q_s und der berechneten Durchflussmenge Q_c als Steuersignal Qy an die Ansteuerung für das Steuerventil (2, 2a, 2b, 2c) und dadurch zum Öffnen oder Schließen des Steuerventils (2, 2a, 2b, 2c), um das Steuersignal Q_y auf Null zu bringen und mithin zum Steuern der Durchflussmenge auf der stromab gelegenen Seite (5) der Öffnung, dadurch gekennzeichnet, dass das System außerdem einen Durchflussmengenumrechnungskreis (18) zum Umwandeln des Durchflussmengeneinstellsignals Q_e in das die Durchflussmenge benennende Signal Q_s umfasst, um die gesamte Durchflussmenge zu ändern.
Umschaltbares Durchflussmengensteuersystem für Fluids nach Anspruch 1, wobei der Durchflussmengenumrechnungskreis (18) derart konfiguriert ist, dass das Durchfluss mengeneinstellsignal Q_e mit der Umrechnungsrate k in das die Durchflussmenge benennenden Signal Q_s (Qs = kQ_e) multipliziert wird.
Umschaltbares Durchflussmengensteuersystem für Fluids nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Durchflussmengenumrechnungskreis (18) aus einem DIL-Gehäuseschalter (DIP-Schalter) gebildet ist.