JP2002526853A - 流体流制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流体の流量を制御するための方法及び装置。流体、好ましくはガスがその中を流れる通路（２６）内に設けられた、既知の圧力低下−流量特性を有する流量制限器（２８）。上流の圧力センサ（１４）は、流量制限器（２８）の上流の流路（２６）内の流体の圧力を測定する。下流圧力センサ（１６）は、流量制限器（２８）の下流の流路（２６）内の流体の圧力を測定する。圧力レギュレータは、流量制限器（２８）の前後での圧力低下に基づいて流量制限器（２８）の上流又は下流の圧力を調節して、流量制限器（２８）の前後での実際の圧力低下が、流体の所望の流量に伴う圧力低下に密接に対応するようになされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の分野） 本発明は、流体流量制御に関し、より特定すると、ガスの流れを制御する装置
及び方法に関する。

【０００２】 （発明の背景） 流体特にガスの流量を測定し且つ制御する必要がある多くの工業的及びその他
の用途が存在する。典型的には、ガスの流れは、タービンメーター、ロトメータ
ー、熱式質量流量制御装置又は音波ガス速度オリフィスのような容積式流量装置
を使用して測定及び制御される。

【０００３】 正しい制御の必要性は、半導体工業において特に深刻である。コンピュータチ
ップの生産は、限定的ではないが、水素、シラン、ヘリウム、窒素、酸素及びア
ルゴンを含む種々のプロセス流体及びガスの正確な制御を必要とする。半導体工
業における現在の“技術状態”は、全てが直列に接続された流量コントローラ、
圧力変換器、フィルタ、制御弁及び圧力レギュレータを含む“ガス粘着性物質”
を組み込んだガスパネルとしばしば称される複雑化したガス供給装置を利用して
いる。これらの装置の流量制御部は、高いイニシャルコスト及び維持コストを有
し、短期間の目盛校正を必要とし、電子的なドリフト及びスパン（ｓｐａｎ：期
間）によって生じる不正確さを避ける役目を果たし並びに極めて速いか又は極め
て遅い流速が必要とされるときに不正確な流速を生じるかもしれない。

【０００４】 再現性が絶対的正確さよりも重要である状況においては、ガス供給圧力に対す
る一定の校正されたガスの流れを提供するために、正確に校正されたオリフィス
が使用されて来た。多くの固定された流速が必要とされる場合には、適当なオリ
フィスを選択するための切り換え機構によって、たくさんのオリフィスが互いに
並列に接続されても良い。しかしながら、このようなオリフィスの使用は、通常
は、一つ以上の一定の不変のガス流を必要とする用途に限定される。さもなけれ
ば、これらの使用が満足すべきものである固定された流れの用途においてさえも
、このようなオリフィスは、極端な乱流、そのための浸食及び流れの不安定さを
惹き起こす速いガスの流れを必要とし且つ詰まりを受け易い。

【０００５】 （例えば、本願の譲受人であるモットコーポレーション（Ｍｏｔｔ Ｃｏｒｐ
ｏｒａｔｉｏｎ）によって製造され且つ販売されているタイプであり且つ互いに
並列又は直列の）精密な多孔質焼結金属からなる流量制限器（ｆｌｏｗ ｒｅｓ
ｔｒｉｃｔｏｒ）もまた、適用された上流圧力に対する特定された下流の流れを
提供するために使用される。このような流量制限器は、従来のオリフィスよりも
、塞ぎ、詰まり及び摩耗を受け難く、比較的遅い流速で動作し、円滑で一定の下
流の流れを提供する。しかしながら、オリフィスと同様に、これらの使用は、基
本的に一定で不変の流れを必要とする用途に限られていた。

【０００６】 熱式流量コントローラと同様に、流速及び圧力の範囲に亘って流体の流れを正
確に測定し且つ制御することができるが、広い流速範囲に亘ってより正しく、よ
り低廉で極めて少ない校正、修理及びメンテナンスを必要とし、電子的なドリフ
ト及びスパンを受け難い装置の必要性が依然として存在する。

【０００７】 （発明の概要） 本発明は、制御バルブよりもむしろ圧力調節を利用する、流体特にガスの流量
を制御するための方法及び装置を特徴とする。公知の圧力低下−流量特性を有す
る流量制限器が、流体が流れる通路内に設けられ、この流量制限器の前後での圧
力低下が測定され、流量制限器内を流れる流体の圧力低下が、同流量制限器の前
後での実際の圧力低下が所望の流量に伴う圧力低下と密接に対応するようになさ
れる。

【０００８】 好ましい実施形態においては、圧力レギュレータが流量制限器の前後での圧力
低下に基づいて及び流量制限器の圧力低下−流量特性を規定するデータに関して
流量制限器の上流又は下流でガスの圧力を調節して、実際の圧力低下が、所望の
ガスの流量に伴う圧力低下に対して密接に対応するようにする。

【０００９】 特に好ましい実施形態においては、流量制限器は、多孔性の焼結金属部品を含
んでおり、上流の圧力センサは、流量制限器の上流における流路内のガスの圧力
を示すデータを測定し且つ提供し、センサからのデータは、ガスの所望の流量を
示すデータ及び流量制限器の圧力低下−流量特性を示す公知のデータと比較され
、装置は、同比較に基づいて圧力レギュレータ（従って、ガス圧力）を制御する
。

【００１０】 本発明を具体化している流体流量コントローラは、このような流量制限器が配
置される流体流路と、流量制限器の上流及び下流の両方に配置された流路内を流
れる流体の圧力を測定するための圧力センサと、を含んでいる。センサに応答す
る圧力レギュレータは、流量制限器の上流か下流の流体の圧力を調整して、流量
制限器の前後での所望の圧力低下を提供する。

【００１１】 好ましいガス流量コントローラは、当該コントローラへの入口と同コントロー
ラからの出口との間に平行に結合された一対のガス流路を有しており、バルブが
、ガス流への流路のうちの一つを開き或いは閉じる。

【００１２】 いくつかの好ましい装置はモジュール構造からなり、複数の積み重ねられた直
線状のモジュールを含んでいる。典型的には、モジュールのうちの一つは、迂回
流路を形成しており且つ制御バルブを含んでおり、モジュールのうちの他のもの
は、流量制限器を含んでいる通路を形成しており、超高効率のガスフィルタを流
量制限器に対して直列に取り付けても良い。流量制限器の圧力低下−流量特性を
表すデータを記憶しているメモリを含む電子モジュールは、圧力センサから信号
を受け取り且つ上流圧力レギュレータを制御するための信号を出力する。

【００１３】 本発明の他の目的、特徴及び利点は、図面と組み合わせてなされた本発明の好
ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかであろう。 （好ましい実施形態の説明） 図１は、全体が符号１０で示され、上流の圧力センサ１４と下流の圧力センサ
１６との間に直列に結合されたガス流量制御モジュール１２を含んでいる制御装
置を示している。代替的な設計においては、圧力センサ１４及び１６は、ガス流
制御モジュール１２の一部分ではないが、各々、入口２２及び出口２４に近接し
て取り付けられる。供給源１８からのガスは、圧力レギュレータ２０を介して装
置１０内へと流れ込む。圧力レギュレータは、調整可能であって、ガス流制御モ
ジュール１２内へ流れ込むガスの圧力を制御することができる。

【００１４】 流量制御モジュール１２は、入口２２，出口２４、同入口と出口との間に延び
ている流路２６及び流路２６内に取り付けられた多孔質の焼結金属流量制限器２
８を有している。流路には、遮断バルブ３０も設けられている。図示されている
ように、遮断バルブ３０は、弁体の頭部が弁座３６から離れている全開位置と、
弁体の頭部が弁座３６上に着座して流路を閉じる閉止位置（図示せず）との間で
弁体３４の動きを制御するバルブアクチュエータ３２（例えば、ソレノイド又は
空気圧駆動のアクチュエータ）を含んでいる。図示した実施形態においては、弁
体３４は、（例えば、螺旋状ばね３８によって、又は別の方法として膜又は蛇腹
タイプの機構によって）閉止位置へと付勢され、“ノーマルクローズ”として示
され、アクチュエータ３２への電力が切られたときにバルブ３０が自動的に閉じ
るようになされている。バルブはまた、電力が切られた場合に、“ノーマルオー
プン”として作動するように設計することもできる。

【００１５】 流量制限器２８は、流路２６内に固定され且つ流路２６の前記幅に亘る多孔質
の焼結金属部材又は多孔質の焼結金属封入アセンブリを含んでいる。図示した実
施形態においては、流量制限器２８は、流量制御モジュール１２の出口２４に隣
接して取り付けられている。流路２６内の流量制限器２８の位置は重要ではなく
、別の方法として、同流量制限器は、例えば、入口２２に隣接して又は弁座３６
の上流又は下流に近接した短い流路部分２６ｂ、２６ａのうちの一つの中に配置
することができる。

【００１６】 流体、例えば、ガス又は流体の多孔質焼結金属内を流れる流量は、部材の上流
及び下流の圧力に依存し、多孔質の部材の前後での圧力の低下が大きければ、同
部材の中を流れる流量はより大きくなる。従って、部材内の流量は、圧力の低下
を大きくすることによって増加せしめられ、同圧力の低下を小さくすることによ
って減少させることができる。一般的に、流量と圧力低下とは、上流の圧力を調
整することによって変えることができる。

【００１７】 どのような特定の部材に対しても、流量と圧力低下との間の正しい関係は、部
材自体ばかりでなく、同部材内を流れる特定の流体の粘度、密度（ガスの場合）
及び全体の圧力に依存する。いかなる特定の流体及び圧力に対しても、流体と圧
力低下との間の関係は、（例えば、正確な体積計及び標準規格技術協会（Nation
al Institute of Standards and Technology）の標準による圧力ゲージを使用し
て）経験的に決定することができる。典型的な多孔質の焼結金属流量制限器の圧
力低下と流体の流れとの関係が図２に示されている。図２のデータは、３０ＰＳ
ＩＧの入力圧力及び大気圧への出口において、すなわち、流量制限器の前後での
圧力低下が３０ＰＳＩであるときに、１００ＳＣＣＭ（分当たりの標準立方セン
チメートル）を供給するように名目的に関係付けられている標準的な処理制御Ｍ
ｏｔｔ 流量制限器の、水素、ヘリウム、窒素、空気、酸素及びアルゴンに対
する流れの特性を示している。図２に示されているように、いかなる所与の圧力
低下においても、水素及びヘリウムの流れはより大きくなり、空気、酸素及びア
ルゴンの流れは窒素の流れよりも小さくなるであろう。これらのガスのいずれの
流量も、圧力の低下に従って非直線的に増加し、例えば、流量制限器の前後での
圧力差が２０ＰＳＩであるときに図２に示されている特性を有している流量制限
器中の窒素の流量は約６０ＳＣＣＭであり、３０ＰＳＩの圧力差では１００ＳＣ
Ｍであり、４０ＰＳＩでは約１６０ＳＣＣＭである。どのような特定の圧力低下
に対しても、流量制限器中を流れるガスの量は、全体の圧力レベルに依存する。
流量制限器に対して、１００ＰＳＩＧの入口圧力及び７０ＰＳＩＧの出口圧力に
おいて流量制限器内のガスの流量（例えば、分における時間単位当たりの標準立
方フィート又はリットルで測定した体積）は、入口圧力が３０ＰＳＩＧであり且
つ出口圧力が大気圧であるときの流量よりも大きいであろう。

【００１８】 一以上の流体のための特定の流量制限器の圧力低下−流量特性の規定するデー
タは、流量制限器の流量制御データ（Flow Rate Control Data）と称される。実
際問題として、本発明において使用される流量制限器の設計及び製造において使
用される工程は、同じ設計、全体の大きさ及び形状の異なる流量制限器の流量制
御データが一致するように規定されることが望ましい。

【００１９】 図１の装置を通る流体の流量を制御するために、流量制限器２８の上流及び下
流での圧力が、圧力センサ１４、１６を使用して監視され、上流と下流との間の
差が測定され、圧力レギュレータ２０から（必要に応じて上方又は下方へ）流れ
る流体の圧力は、流量制限器２８の前後で測定された圧力低下が所望の流れを生
じるために必要とされる圧力低下に対応するように調整される。再度、図２から
の例示的なデータを使用して、図１の流量制限器２８が図２に示された流量制御
データを有する場合には、圧力レギュレータ２０は、大気に対して流量制限器２
８の前後で２０ＰＳＩの圧力低下を提供して６０ＳＣＣＭの窒素の流れを生じさ
せ、大気に対して３０ＰＳＩの圧力低下を提供して１００ＳＣＣＭの窒素の流れ
を生じさせ、及び大気に対して４０ＰＳＩの圧力低下を提供して１６０ＳＣＣＭ
の窒素の流れを生じさせるように調整される。

【００２０】 多くの状況においては、流量制限器の下流の圧力は、大気圧よりも高く、従っ
て、流量制限器の前後での圧力低下は、レギュレータ２０の出口圧力と同じとい
うよりはむしろ若干小さい。しかしながら、流体の流れの管理装置１２の出口は
、流量制限器２８の下流の圧力が大気圧にほぼ等しくなるように十分開いている
場合には、流量制限器２８の前後での圧力低下は、入口圧力センサ１４によって
示されるゲージ圧力（及びレギュレータ２０の出口圧力にも）ほぼ等しいであろ
う。これらの状況においては、いくつかの用途において、上流のゲージ圧力が流
量制限器２８の前後での圧力低下に等しいと仮定すると、下流圧力センサ１６を
備えないか又は利用しないこと及び上流圧力を単に増すことによって、流れ制御
装置１０内を通る流れを制御することが可能である。しかしながら、一般的に、
同じ差圧においては、より高い装置入口圧力及び出口圧力は、流量制限器を通る
増大した流れを生じるであろう。

【００２１】 従来の粉末金属処理技術を使用して、多孔質の金属部材の大きさ及び／又は構
造を変えることによって、広い範囲の所望の目標流量、例えば、完全な真空から
１００以上のＰＳＩまでに亘る出口圧力における所望の目標流量の２％以内の流
量のための多孔質の焼結金属流量制限器を作ることができる。多孔質の焼結金属
からなる流量制限器は、例えば、プラス又はマイナス０．５％以上のより緊密な
流量誤差を得るように個々に調整することができる。例えば、目標の流量が３０
ＰＳＩの圧力低下において２００ＳＣＣＭのガスである場合に、この流量は、形
状、大きさ及び多孔率が表面積の２倍であることを除いて図２に示された部材と
同じ流量制御データを有する部材を使用するか又はより薄いか若しくはより大き
く開口した部材を作ることによって、達成することができる。同様に、２０ＰＳ
Ｉにおける１００ＳＣＣＭの目標流量は、より薄いか若しくはより大きく開口し
た部材を使用するか又は表面積の約１．４３（１００／７０）倍であるが同じ流
量制御データを有する部材を使用することによって達成することができ、３０Ｐ
ＳＩにおける５０ＳＣＣＭの目標流量は、より厚いか若しくはより閉じた部材又
は半分の表面積を有する部材を使用して達成される。種々の圧力において種々の
流量を有する流量制限器が市販されている。

【００２２】 図３は、バルブコントローラが遮断機能を提供するのではなく迂回流を制御す
る以外は図１の装置とほぼ類似している、全体が符号１００で示されている流量
制御装置を示している。図３の実施形態の流量制限器の配置は、図１の装置によ
る場合よりも、装置の動作にとってより重要である。装置１０の各部に対応する
装置１００の各部分は、接頭辞“１”を付加した同じ番号を使用して特定されて
いる。

【００２３】 図示しているように、図３の装置１００は、上流のセンサ１１４と下流の圧力
センサ１１６との間に直列に接続されたガス流制御モジュール１１２を含んでい
る。図１の設計と同様に、圧力センサ１１４及び１１６は、各々、モジュール１
１２の一部ではなく入口１２２及び出口１２４に近接して取り付けても良い。供
給源１１８からのガスは、圧力レギュレータ１２０を介して装置１００内へと流
れ込む。

【００２４】 ガス流制御モジュール１１２は、入口１２２、出口１２４及び同入口と出口と
の間に延びている流路１２６を有している。図示されているように、流路１２６
の中心部分は、符号１２５及び１２７によって示された２つの平行に結合された
流路部分を含んでいる。多孔質の焼結金属流量制限器１２８が流路部分１２５内
に取り付けられている。遮断バルブ１３０が流路部分１２７内に設けられている
。図示しているように、遮断バルブ１３０は、弁体の頭部が弁座１３６から離れ
ている完全に開口した位置（図示せず）と、弁体の頭部が弁座１３６上に着座し
ていて流路部分１２７を閉じている閉止位置（図示されている）との間での弁体
１３４の動作を制御するバルブアクチュエータ１３２（例えば、ソレノイド又は
空気圧レギュレータ）を含んでいる。明らかであろうように、流路部分１２７は
、バルブ１３０が開いているときに、入口１２２からの流れが、本質的に制限さ
れないで出口１２４へと流れることができる迂回流を提供する。一方、バルブ１
３０が閉じているときには、全ての流れが、流路部分１２５及びそれに取り付け
られた流量制限器１２８を通過する。

【００２５】 バルブ１３０が閉じていると、ガス流制御モジュール１１２を通るガスの流量
は、圧力センサ１１４及び１１６を監視することによって制御される。図１の実
施形態及び図３のガス流制御モジュール１１２による一般的に好ましい実施にお
いては、（上流圧力センサ及び下流圧力センサによって測定される）流量制限器
の前後での圧力低下は、上流圧力センサ１１４の上流の圧力レギュレータ１２０
を使用して変えることができる。

【００２６】 しかしながら、図３はまた、もう一つ別の方法をも図示している。この別の方
法においては、上流圧力レギュレータ１２０は、省略するか又は強制的な出口圧
力駆動装置と置き換えても良く、圧力流量レギュレータ、例えば、調整可能な流
量制御バルブ１２０ａ（図３において想像線で示されている）を、圧力センサ１
１６の下流に取り付けてもよい。この代替的な方法においては、供給源１１８か
らのガス流は、レギュレータ１２０のような上流圧力レギュレータによって制御
されない。この代替例においては、明らかであるように、ガス流制御モジュール
１００を通るガスの流量及び流量制限器１２８の下流のガスの圧力さえも、バル
ブ１２０ａを開き或いは閉じることによって変えることができる。従って、セン
サ１１４、１１６によって示された圧力が、流量制限器１２８の前後での圧力低
下が所望の流量に対応する値よりも小さい場合に、流量制限器１２８を通るガス
の流量（及び両端の圧力低下）は、バルブ１２０ａを開くことによって増すこと
ができる。同様に、バルブ１２０ａを閉じることによって、流量制限器１２８を
通るガスの流量及び両端の圧力低下の両方が減じられるであろう。

【００２７】 図４は、全体が符号２００によって示された流量制御装置を示している。装置
１０及び１００は、単一の制御された流れを提供していたけれども、装置２００
は、２つの制御された流れ及び迂回する流れをも提供する。装置１０の各部に対
応する装置２００の部分は、接頭辞“２”が付加された同じ参照番号を使用して
特定されており、例えば、ガス流制御装置１０においてはガス流制御モジュール
１２として特定されているのに対して、装置２００のガス流制御装置においては
ガス流制御モジュール２１２として特定されている。

【００２８】 図示されているように、ガス流制御モジュール２１２は、単一の入口２２２と
、符号２２４ａ、２２４ｂ及び２２４ｃによって示された３つの出口とを有して
いる。一般的な四方向バルブ２３０が、入口２２２から出口のうちの選択された
一つへの流れのために設けられており且つ流れ管理装置２００を通るいかなる流
れも阻止する“オフ”状態をも提供する。４つのオン／オフ制御バルブ（図示せ
ず）を備えたマニホルド装置を四方向バルブの代わりに使用することができる。
一つの多孔質の焼結金属流量制限器２２８ａが、出口２２４ａにつながっている
流路２２６ａ内に取り付けられており、第２の多孔質の焼結金属流量制限器２２
８ｂが、出口２２４ｂにつながっている流路２２６ｂ内に取り付けられている。
上流の圧力センサ２１４が、流れ制御モジュール２１２への入口２２２と圧力レ
ギュレータ２２０との間に設けられている。２つの下流圧力センサ２１６ａ、２
１６ｂが設けられており、出口２２４ａ、２２４ｂの各々に隣接され且つ流量制
限器２２８ａ及び２２８ｂの下流に設けられている。良く分かるように、圧力セ
ンサ２１４及び２１６ａは、流量制限器２２８ａの前後での圧力低下を測定する
ために使用され、圧力センサ２１４及び２１６は、流量制限器２２８ｂの前後で
の圧力低下を測定するために使用される。同じく良く分かるように、流量制限器
２２８ａ及び２２８ｂは、異なる圧力低下−流量特性を有しても良く、例えば、
流量制限器２２８ａは、特定の出口圧力において３０ＰＳＩ圧力低下２００ＳＣ
ＣＭを提供するように選択することができ、一方、流量制限器２２８ｂは、同じ
か又は異なる出口出力において同じか異なる圧力低下において５０ＳＣＣＭを提
供するように選択されている。従って、バルブ２３０の位置に依存して、出口２
２４ａは制御された２００ＳＣＣＭ出力を提供し、出口２２４ｂは制御された５
０ＳＣＣＭ出力を提供することができ、圧力レギュレータ２２０からの全出力ガ
ス流を出口２２４ｃから得ることができる。制御された２００ＳＣＣＭ出力が必
要とされる場合には、バルブ２３０は、出口２２４ａを通る流れを指示するよう
に設定され、オペレータは（又は装置なら自動的に）、センサ２１４及び２１６
ａを監視し且つ流量制限器２２８ａの前後での３０ＰＳＩの圧力低下を維持する
ように圧力レギュレータ２２０を調整する。一方、制御された５０ＳＣＣＭ出力
が要求される場合には、バルブ２３０は、出口２２４ｂを通る流れを指示し、オ
ペレータは、センサ２１４及び２１６ｂを監視し且つ流量制限器２２８ｂの前後
での所望の圧力低下を維持するように圧力レギュレータ２２０を調整する。特定
の流量制限器及び所望の流れに依存して、レギュレータ２２０からの出力ガス圧
力は、流れが流量制限器２２８ｂ及び出口２２４ｂを通るときよりもむしろ制御
された流れが流量制限器２２８ａ及び出口２２４ａを通るときに大きく異なる。

【００２９】 図５は、本発明を具体化している全体が符号３００によって示された第４の装
置を図示している。図示されているように、装置３００は、モジュール構造であ
り且つ底部の流れモジュール３０１の頂部に取り付けられた流量制限器３２８を
備えた頂部モジュール３０２からなるガス流制御モジュール３１２を含んでいる
。ボルト３０３は、２つのモジュールを焼結し、シール３０９が設けられていて
、同シールは一方のモジュールから他方のモジュールまで延びている。以前と同
様に、既に説明した装置の各部分に対応する装置３００の部分は、接頭辞“３”
が付加された同じ２つの最後のアラビア数字を有する同じ参照番号を使用して特
定されている。

【００３０】 頂部モジュール３０２は、貫通された通路３２６及び符号３０５及び３０７で
示された２つの交差通路を含んでいる。交差通路３０５は、貫通通路３２６の中
心からモジュール３０１の頂部まで下方へと延びている。交差通路３０７は、モ
ジュール３０２の底部から斜めに延びていて、通路３２６の出口端部３２４のよ
り近くに隣接した貫通通路３２６と交差している。モジュール３０１においては
、概してＵ字形状の通路３２３が一端において交差通路３０５と連通しており、
他端において第２の交差通路３０７と連通している。

【００３１】 流量制限器３２８は、モジュール３０１の頂部に近接して、交差通路３０５の
下方部分内に取り付けられている。通路３２６及び３０５の交差部分に三方向手
動バルブ３３０が設けられている。完全に閉じた位置においては、バルブ３３０
は、通路３２６を介して直接か又は交差通路３０５、３０７を介して入口３２２
から出口３２４まで貫通する流れを防止する。第２の位置においては、バルブ３
３０は、貫通する流れへの通路３２６を閉じるが、交差通路３０５及びＵ字型通
路３２３及び次いで交差通路３０７及び通路３２６の出口３２４への下流部分を
介する通路３２６の入口部分３２６−ｉからの流れは許容する。第３の位置では
、バルブ３３０は、貫通通路３２６を通る流れを許容し、一方、モジュール３０
１内の交差通路３０５、３０７及びＵ字形状の通路３２３を通る流れを阻止する
。別の方法として、バルブ３３０及び手動のオン／オフバルブ３３２（図５にお
いて想像線で示されている）を、通路３２６と３０５との交差箇所の後で通路３
０７と３２６との交差箇所の前の通路３２６内に設けても良い。バルブ３３２は
、通路３２６を２つの部分すなわち入口通路３２６−ｉと出口通路３２６−ｏと
に分けている。完全に閉じた位置においては、バルブ３３０は、ガスの流れを、
入口３２２から、通路３２６−ｉ、通路３０５、３０７を通り、次いで通路３２
６−ｏを通り、出口３２４へと導く。完全に開いた位置においては、バルブ３３
０は、直接、貫通通路３２６を通る流れを許容することによって、迂回する流れ
を可能にし且つ流量制限器３２８を備えた交差通路３０５、Ｕ字状通路３２３並
びにモジュール３０１及び３０２内の通路３０７を通る流れ（典型的には、より
低い流量で）をも許容する。付加的なオン／オフバルブ（図示せず）を圧力レギ
ュレータ３２０及び通路３２６−ｉと３０５との交差箇所との間の通路３２６−
ｉ内に設けて、明確な遮断機能を提供してもよい。

【００３２】 手動の圧力レギュレータ３２０が、バルブ３３０とモジュール３０２への入口
との間に設けられている。既に説明した実施形態における場合と同様に、入口圧
力センサ３１４は、バルブ３３０及び流量制限器３２８の上流のガスの圧力を監
視し、下流圧力センサ３１６は、バルブと流量制限器の下流のガス圧力を監視す
る。

【００３３】 図１、３、４及び５の実施形態においては、図示された圧力センサは、一般的
な圧力ゲージであり、オペレータは、この圧力ゲージから目視で特定の圧力を決
定し且つ関係のある流量制限器の前後での圧力低下を測定するのに必要なデータ
を得ることができる。別の方法として、特定の圧力を表すアナログ又はデジタル
信号を提供する一般的な電子圧力センサを使用しても良い。このような電子圧力
センサは、印刷されるか又はその他の目で見ることができる出力を提供すること
ができる。自動化された装置においては、圧力センサは、圧力信号を自動コント
ローラに提供し且つ圧力レギュレータを所望の流れを形成する圧力低下を測定し
且つ圧力レギュレータを所望の流れを形成する圧力低下を維持するのに要求され
るように圧力レギュレータを制御する。同様の自動化された装置が当技術におい
て良く知られている。

【００３４】 図６は、全体が符号４００によって示されており、同じくモジュール構造であ
るが、付加的にガス流管理制御装置を含んでいる本発明を具体化した第５のガス
流制御装置を示している。装置１０の各部分に対応する装置４００の各部分は、
接頭辞“４”が付加された装置１０に関して使用されたものと同じ参照番号を使
用して特定されている。

【００３５】 図示されているように、装置４００は、６個の積み重ねられたブロック又はモ
ジュール、すなわち、バイパスバルブモジュール４０１、流量制限器及び圧力セ
ンサモジュール４０２，圧力制御及びセンサモジュール４０３、フィルタモジュ
ール４０４、電子機器モジュール４０５、及び入力／読み出しモジュール４０６
を含んでいる。各モジュールは、形状がほぼ矩形であり、種々のモジュールが一
つずつ上下に（又はモジュール４０３及び４０４の場合には隣に）重ねられてい
る。通路が一つのブロックから別のブロック内へと延びている場合には、通路が
金属シール又はＯ−リング、例えば、リング４０９によって、隣接するブロック
の並置された面でシールされている。

【００３６】 バイパスモジュール４０１は、一端にガス入口４２２を有し、他端にガス出口
４２４を有する貫通通路４２１を有し且つ各々が貫通通路４２１からモジュール
４０１の頂面まで上方へと延びている一対の入口及び出口通路４０１−ｉ、４０
１−ｏをも含んでいる。三方向バルブ４３０が、入口通路４０１−ｉとの交差位
置における通路４２１内に取り付けられている。一つの位置においては、バルブ
４３０は、流れを、入口４２２から直接出口４２４へと導き、第２の位置におい
ては、流れを、入口４２２から入口通路４０１−ｉへと導き、第３の位置におい
ては、バルブは入口４２２からの流れを遮断する。

【００３７】 代替的な設計は、三方向バルブ４３０を、入口通路４０１−ｉと出口通路４０
１−ｏとの間に配置された遮断バルブ４３２（図６において想像線で示されてい
る）によって置き換える。この代替的な設計は、バルブ４３２が完全に閉じられ
たときに、入口通路４２２、４０１−ｉ、４０２−ｉ、４０３−ｉ、４０４−ｉ
を通り、流量制限器４２８を通り、出口通路４０４−ｏ、４０２−ｏ、４０１−
ｏ及び４２４を通る流れを許容する。バルブ４３２は、完全に開いたときに、通
路４２１を通り、同じく典型的にはより少ない流量で入口通路４２２、４０１−
ｉ、４０２−ｉ、４０３−ｉ、４０４−ｉを通り、流量制限器４２８を通り、出
口通路４０４−ｏ、４０２−ｏ、４０１−ｏ及び４２４を通る迂回する流れを許
容する。

【００３８】 流量制限器及びセンサモジュール４０２がバイパスバルブモジュール４０１の
頂部上に取り付けられている。モジュール４０２は、長手断面において段状にな
っており、より薄いほうの部分は、下端においてモジュール４０１の入口通路４
０１−ｉと連通している入口通路４０２−ｉを含んでおり、厚い方の部分は、入
口通路４０２−ｉを有しており、入口通路においては、モジュール４０２の頂部
から下方に延び且つ下方端においてモジュール４０１の出口通路４０１−ｉと連
通している出口通路４０２−ｏと連通している、多孔質の焼結金属流量制限器４
２８が取り付けられている。下流圧力センサ４１６が、流量制限器４２８の下方
の入口通路４０２−ｉの下方部分と交差するテーパーが付けられた横孔内に位置
決めされて、流量制限器の下流のガスの圧力を検知している。

【００３９】 圧力レギュレータモジュール４０３は、下端においてモジュール４０２の通路
４０２−ｉと連通している入口通路部分４０３−ｉと、モジュールの他端に設け
られた出口部分４０３−ｏと、を含んでいる。圧力レギュレータ４２０が入口通
路部分４０３−ｉに取り付けられており、上流圧力センサ４１４が圧力レギュレ
ータ４２０の下流通路４２３に設けられている。

【００４０】 フィルタモジュール４０４は、モジュール４０３の出口通路部分４０３−ｏと
連通している入口通路４０４−ｉと、流量制限器及びセンサモジュール４０２の
入口通路４０２−ｉと連通している出口通路４０４−ｏと、を含んでいる。カッ
プ形状の焼結された多孔質の金属の超高効率（例えば、９対数の減衰（９log re
duction））フィルタ４４０が、入口通路４０４−ｉと出口通路４０４−ｏとの
間に設けられている。フィルタ４４０は、米国特許第５，１１４，４４７号及び
第５，４８７，７７１号によって図示され且つ同時係属中の出願第０８／８９５
，６０５号（これらは全てその参照番号によって本明細書に組み入れられている
）に図示された一般的なタイプのものである。当技術において知られているよう
に、このようなログフィルタは、典型的には約０．１マイクロメータである殆ど
の浸透する粒子サイズにおいて測定された入口プロセス流における粒子の９９．
９９９９９９９％を除去することができる。

【００４１】 電子機器モジュール４０５は、流量制限器４２８の流量制御データを含むメモ
リ部分４５０と、圧力センサ４１４及び４１６によって検知された入力及び出力
ガス圧を表すデータを受け取り、メモリ部分４５０からの流量制御データを使用
して、実際の流量が所望の流れと同じ（許容されている誤差内）であるかを判断
し、（必要ならば）圧力レギュレータ４２０による圧力出力を増大させるか又は
（必要とされるように）減少させる信号を出力するコンパレータ部分４５２と、
を含んでいる。

【００４２】 入力／読み出しモジュール４０６は、所望のガス流量を入力するための入力装
置（例えば、キーボード入力パッド４５４）を含み、任意に、ガスの形式、プロ
セスサイクル時間及びガス流期間のような他の入力装置を含んでいて、オペレー
タが動作を目視で監視できるようになされている。モジュール４０６もまた、リ
アルタイムの入力及び出力圧力、所望の（又は設定された）流量及び実際の流量
を含むプロセス又は流れに関係するデータを示す出力（例えば、デジタルディス
プレイ４５６）をも含んでいる。

【００４３】 作動時には、流量制限器４２８及び装置４００に含まれる特定のプロセスガス
のための実験的に決定された流量制御データが、ユーザーによって又は流量制限
器が元々供給されているものである場合には装置４００の製造者によって、電子
機器モジュール４０６のメモリ部分内に入力される。ガス入口４２２は、プロセ
スガス４１８の供給源に結合され、ガス出口４２４は、プロセスガスを必要とす
る半導体製造運転の入口に結合される。ユーザーは、所望の流量及びおそらく特
定の装置に依存する他のプロセスデータを、キーボード入力パッド４５４を使用
して、モジュール４０６に入力する。バルブ制御装置は、三方向バルブ４３０を
所望の（オフ、制御された流れ、迂回流）位置に設定する。

【００４４】 バルブ４３０が、流れを制御された流れモードすなわち入口４２２を通って装
置４００内へと入り、次いで、フィルタ４４０及び流量制限器４２８を通り、装
置出口４２４へと流れるように導くように設定されると、上流及び下流のガス圧
力を測定する。センサ４１４、４１６からのデータは、モジュール４０６からの
所望の流量データと共に、電子機器モジュール４０５へと送られる。電子機器モ
ジュール４０５は、次いで、入力データを連続的に監視し且つ圧力レギュレータ
４２０を（要求されたように）連続的に調整して、装置の中を流れる実際の流れ
が所望された流れに正確に対応することを確実にする。

【００４５】 （他の実施形態） 上記の実施形態において使用される流量制限器は、とりわけ、Mott Corporati
onによって現在製造され且つ販売されているタイプの多孔質焼結部材である。そ
の他の三次元多孔質部材もまた使用してもよいことは理解されるであろう。例え
ば、多孔質金属流量制限器は、GKN Sinter Metals（コネチカット州、テリービ
ル）、SSI Sintered Specialties（ウィスコンシン州、ジャネスビル）及びChan
d Associates（マサチューセッツ州、ウスター）によっても製造されている。Pa
ll Corp. andMillipore Corporationによって使用されているもののような高効
率ガスフィルタのための多孔質焼結金属媒体は、フィルタ用途に対して典型的に
必要とされているよりもより正確に密度及び流れ圧力低下−流量特性を制御する
ために付加的な処理が採用された場合に、特に、流量制限器のために使用するこ
とができる。１９９８年５月８日に出願された米国特許出願第０９／０７４，９
５７号（参照番号を記すことによって本明細書に組み入れられている）に開示さ
れたもののような、流量制限器内の多孔質部材として採用することができる。最
も広い意味において及びこの出願において使用されているように、“流量制限器
”という用語は、特定のガスに対して及び圧力範囲に亘って、構造内を流れるガ
スの流量が構造の前後での圧力低下に依存し且つ圧力低下−流量特性が良好に規
定されるように、その中をガスが流れる多くの孔又は通路を含んでいる貫流マト
リックスを規定しているあらゆる三次元多孔質構造を包含している。

【００４６】 本発明の範囲は、上記した実施形態に限定されず、むしろ、特許請求の範囲に
よって規定されていること、及び、特許請求の範囲は、以上に述べたものの変形
及び改良を包含することは理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明を具体化している流量制御装置の部分的に断面で示された図で
ある。

【図２】 図２は、図１の装置におけるガス流と圧力低下との相対関係のグラフである。

【図３】 図３は、本発明を具体化している他の流量制御装置の部分的に断面で示された
図である。

【図４】 図４は、本発明を具体化している他の流量制御装置の部分的に断面で示された
図である。

【図５】 図５は、本発明を具体化している他の流量制御装置の部分的に断面で示された
図である。

【図６】 図６は、本発明を具体化している他の流量制御装置の部分的に断面で示された
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アイゼンマン，マーク・アール アメリカ合衆国コネチカット州06013，バ ーリントン，ミラー・ロード 80 (72)発明者 フリンク，ケネス・イー アメリカ合衆国コネチカット州06712，プ ロスペクト，パッティング・グリーン・レ イン 65 (72)発明者 クルハ，エドワード アメリカ合衆国コネチカット州06020，キ ャントン・センター，ハイ・ヴァリー・ド ライブ 117 Ｆターム(参考） 5H307 AA20 BB01 DD06 EE02 EE07 EE19 FF03 FF13 GG11 GG15 JJ03

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流れを制御する方法であって、 複数の孔と既知の圧力低下−流量特性とを有している貫流マトリックスを形
   成している三次元多孔質構造を含む流量制限器を設けることと、 前記流量制限器内を流れる流体の所望の流量を決定することと、 流体を、前記流量制限器の中を通して流れさせることと、 前記流量制限器の中を流れている流体の同流量制限器の前後での圧力低下を、
   同流量制限器の前後での圧力低下が流体の所望の流量に対応するように調節する
   こと、とを含む方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法であって、 前記流量制限器中を流れている流体の圧力低下を、同流量制限器の既知の圧力
   低下−流量特性を表すデータと比較し、同比較に基づいて、前記流量制限器の上
   流の流体の圧力を調節すること、を含む方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の方法であって、 前記流量制限器中を流れている流体の圧力低下を、同流量制限器の既知の圧力
   低下−流量特性を表すデータと比較すること、及び同比較に基づいて前記流量制
   限器の下流のガスの圧力を調節すること、を含む方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の方法であって、 前記流量制限器が多孔質の焼結金属を含んでいる、方法。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の方法であって、 前記流量制限器の上流の流体の圧力を測定し且つ前記上流の圧力を示すデータ
   を提供する第１のセンサと、前記流量制限器の下流の流体の圧力を測定し且つ前
   記下流の圧力を表すデータを提供する第２のセンサとを設けることを含み、前記
   圧力低下が前記データの比較に基づいて決定される、方法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の方法であって、 前記流体の所望の流量、前記上流の圧力を示すデータ、前記下流の圧力を示す
   前記データ、及び前記流量制限器の既知の圧力低下−流量特を表す前記データを
   示す電子信号を提供することを含む、方法。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の方法であって、 前記流量制限器の上流及び下流での流体の圧力が、前記電子信号がより低い場
   合に調節される、方法。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の方法であって、 前記流量制限器の上流での前記流体を調節するために圧力レギュレータを設け
   ることを含む、方法。
9. 【請求項９】 請求項１に記載の方法であって、 前記流量制限器の前後での前記圧力低下が、ある時間間隔に亘ってほぼ連続的
   に監視され、同期間中に、前記流量制限器中を流れている流体の圧力低下が、実
   質的に前記所望の流量に前記流量制限器中の流体の流れを維持するのに必要とさ
   れるように調節される、方法。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載の方法であって、 前記既知の圧力低下−流量特性を示すデータを含んでいるメモリと、前記流量
    制限器の上流又は下流における流体の圧力を示すデータを提供する第１のセンサ
    と、を設けることを含み、前記流量制限器内を流れる流体の圧力低下が、前記メ
    モリ内に含まれる前記データ及び前記第１のセンサによって提供されるデータに
    基づいて調節される、方法。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の方法であって、 前記流量制限器の下流における流体の圧力を示すデータを提供し、前記流量制
    限器内を流れる流体の前記圧力低下が、前記メモリ内に含まれる前記データ及び
    前記第１及び第２のセンサによって提供されるデータに基づいて提供される、方
    法。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至１１のうちのいずれか一の項に記載の方法で
    あって、前記流体がガスである、方法。
13. 【請求項１３】 流体流制御装置であって、 入口及び出口を有するガスの流路と、 たくさんの気孔を含み且つ既知の圧力低下−流量特性を有する貫流マトリック
    スを形成している三次元の多孔質構造を含む流量制限器と、 前記流量制限器の上流又は下流における前記流路内の流体の圧力を測定するセ
    ンサと、 前記既知の圧力低下−流量特性を示すデータを含んでいるメモリと、 前記流路内の流体の圧力を調節するためのレギュレータと、を含む装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の流体流制御装置であって、 前記圧力センサが、前記流量制限器の上流又は下流における前記流路内の流体
    の圧力を示す電子信号を提供し、コンパレータが、前記電子信号と前記メモリ内
    のデータとを関連付け、前記レギュレータが前記関連付けに基づいて調節される
    、装置。
15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の流体流制御装置であって、 前記第１の圧力センサが、前記流量制限器の上流における流体の圧力を測定し
    、前記流量制限器の下流における前記流体内の流体の圧力を示す電子信号を提供
    する第２の圧力センサを含み、 前記コンパレータが、前記電子信号及び前記データの両方を関連付け、前記レ
    ギュレータが、前記信号及び前記データの両方の相対関係に基づいて調節される
    、装置。
16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の流体流制御装置であって、 前記レギュレータが、前記流量制限器の上流における流体の圧力を調節するよ
    うになされた、装置。
17. 【請求項１７】 請求項１３乃至１６のうちのいずれか一の項に記載の流体
    流制御装置であって、前記流体がガスである、装置。
18. 【請求項１８】 流体流制御装置であって、 入口及び出口を有する第１の流体流路と、 たくさんの気孔を含み且つ既知の圧力低下−流量特性を有する前記流路内に位
    置決めされた貫流マトリックスを形成している三次元の多孔質構造を含む流量制
    限器と、 前記流量制限器の上流における前記流路内のガスの圧力を測定するための上流
    圧力センサと、 前記流量制限器の下流における前記流路内のガスの圧力を測定するための下流
    圧力センサと、を含む装置。
19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の流体流制御装置であって、 前記流量制限器の上流又は下流を流れるガスの圧力を調節するためのレギュレ
    ータを含む、装置。
20. 【請求項２０】 請求項１８に記載の流体流制御装置であって、 前記流量制限器の上流の前記第１の流路と連通している入口を有する第２の流
    路を含む、装置。
21. 【請求項２１】 請求項２０に記載の流体流制御装置であって、 前記第２の流路が、前記流量制限器に位置決めされている前記第１の流路の一
    部分に平行に結合されている、装置。
22. 【請求項２２】 請求項２１の流体流制御装置であって、 前記第１及び第２の流路のうちの一つの中に設けられたバルブを含み、同バル
    ブは、前記流路のうちの前記一つの中を流れる流れを許容する第１の位置と、前
    記流路のうちの前記一つの中を流れる流れを遮断する第２の位置と、の間で調節
    可能である、装置。
23. 【請求項２３】 請求項２２に記載の流体流制御装置であって、 前記バルブが前記第１の流路内にある、装置。
24. 【請求項２４】 請求項２０に記載のガス流制御装置であって、 前記第２の流路内に第２の流量制限器が配置されている、装置。
25. 【請求項２５】 請求項２４に記載の流体流制御装置であって、 前記第２の流量制限器の下流における前記第２の流路内の流体の圧力を測定す
    るための第２の下流圧力センサを含んでいる、装置。
26. 【請求項２６】 請求項２４に記載のガス流制御装置であって、 前記第１及び第２の流量制限器の上流における前記第１の流路と連通している
    入口を有する第３の流路を含んでいる、装置。
27. 【請求項２７】 請求項２６に記載のガス流制御装置であって、 前記バルブが、前記第１の流量制限器と前記第３の流路とを流れる流れを遮断
    する第１の位置と、前記バルブが、前記第２及び第３の流路を通る流れを遮断す
    る第２の位置と、前記バルブが、前記第３の流路を通る流れを許容し且つ前記第
    １の流量制限器と前記第２の流路とを通る流れを遮断する第３の位置と、を有す
    るバルブを含み、同バルブは、前記第１の位置、第２の位置及び第３の位置間で
    調節可能である、装置。
28. 【請求項２８】 請求項１８乃至２７のうちのいずれか一の項に記載の流れ
    制御装置であって、前記流体がガスである、装置。
29. 【請求項２９】 複数のほぼ直線状のモジュールを含む流体流制御装置であ
    って、 入口及び出口を有する第１の流体流路を形成している前記モジュールのうちの
    第１のモジュールと、 前記第１の流体流路と連通している入口を有する第２の流体流路を形成してい
    る第２のモジュールであって、たくさんの気孔を含み且つ既知の圧力低下−流量
    特性を有する貫流マトリックスを形成している三次元の多孔質構造を含んでいる
    流量制限器が前記第２の流路内に配置されている、第２のモジュールと、 前記流量制限器の上流における前記流路内の流体の圧力を測定するために、前
    記モジュールのうちの一つに設けられた上流センサと、 前記流量制限器の下流における前記流路内の流体の圧力を特定するための、前
    記モジュールのうちの一つに設けられた下流圧力センサと、を含む装置。
30. 【請求項３０】 請求項２９に記載の流体流制御装置であって、 前記第２の流体流路が、前記第１の流体流路に平行に結合されており且つ前記
    流体流路と連通した出口を有する、装置。
31. 【請求項３１】 請求項２９に記載のガス流制御装置であって、 前記モジュールのうちの第１のモジュールが、前記第１の流路内の流れを許容
    し且つ前記第２の流路及び前記流量制限器を通る流れを遮断する第１の位置と、
    前記第２の流量制限器内を通る流れを許容し且つ前記第２の流路内を流れる流れ
    を遮断する第２の位置と、の間で調節可能である、装置。
32. 【請求項３２】 請求項２９に記載の流体流制御装置であって、 前記モジュールのうちの第３のものが、前記第１の流体流路と連通している入
    口と、前記第３のガス流路と連通している出口とを有し、且つ前記第３の流体流
    路内に配置された高効率フィルタを含んでいる、装置。
33. 【請求項３３】 請求項３２に記載の流体流制御装置であって、 前記フィルタが多孔質の焼結金属濾過部材を含んでいる、装置。
34. 【請求項３４】 請求項３１に記載の流体流制御装置であって、 前記流量制限器の既知の圧力低下−流量特性を示すデータを含んでいるメモリ
    部を含んでいる電子機器モジュールを有する、装置。
35. 【請求項３５】 請求項２９に記載の流体流制御装置であって、 前記モジュールのうちの一つが、前記流量制限器の上流及び下流におけるガス
    の圧力を表す信号を前記上流及び下流のセンサから受け取るための入力部と、前
    記信号及び前記既知の圧力低下−流量特性を表す前記データに応答して前記圧力
    レギュレータを調節するための出力部と、を含んでいる、装置。