JP2003316442A - 圧力式流量制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体の流れを高速応答で制御できると共
に、絞り機構を構成する必要最小限の部分を容易に交換
可能とする圧力式流量制御装置を提供する。 【解決手段】 ガスＧが流通するための第１流路３ａお
よび第２流路３ｂをそれぞれ設けると共に、両流路３
ａ，３ｂを連通するように連結することで、一つの流路
ブロック２を形成する第１ブロック２ａおよび第２ブロ
ック２ｂと、第１ブロック２ａに設けられた流体制御弁
７と、この流体制御弁７の下流側圧力Ｐ₁を検出する圧
力センサ８と、第２ブロック２ｂに設けられた開閉弁９
と、両ブロック２ａ，２ｂの接続部分に位置することで
両流路３ａ，３ｂを連通連結すると共に音速ノズル５を
形成する絞りブロック４とを有し、前記流体制御弁７を
用いて絞り機構の上流側における圧力Ｐ₁ を制御するこ
とで、ガスＧの流量Ｆを制御可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスなどの流体
の流量を制御する圧力式流量制御装置、とりわけ、流体
制御弁の下流側に絞り機構を設け、この絞り機構の上流
側の圧力を下流側の圧力の約２倍以上に保持した状態で
流体の流量制御を行う圧力式流量制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流量絞りノズルなどの絞り機構を通るガ
ス流の特徴の一つに、絞り機構の上流側圧力Ｐ₁ と下流
側圧力Ｐ₂ の圧力比Ｐ₂ ／Ｐ₁ がガスの臨界圧力比（空
気や窒素などの場合約０．５）が０．５以下になると、
絞り機構を通るガスの流速が音速となって、絞り機構の
下流側の圧力変動が上流側に伝播しなくなり、絞り機構
の上流側の状態に相応した安定した質量流量を得ること
ができるといった事象がある。

【０００３】上述の事象を応用した装置として、従来よ
り、流路絞りバルブと圧力センサとからなる圧力制御装
置を絞り機構の一次側のガス流路に接続して、絞り機構
の一次側の圧力を二次側の圧力の約２倍以上に維持した
状態でガスの流量制御を行うようにした圧力式流量制御
装置があり、これによって流量制御を高精度で行うこと
ができるといった利点がある。また、絞り機構を用いた
流量制御の応答特性は、圧力センサの応答が高速（一般
的に数ミリ秒）であるため、立ち上がりの応答特性が高
速（例えば数十ミリ秒〜数百ミリ秒）になるという利点
もある。

【０００４】一方、立ち下がりの応答に関しては、流量
絞りバルブから絞り機構までの内容積と絞り機構内の流
路の細さに影響されるため、絞り機構内の流路が細けれ
ば細いほど応答が遅くなる傾向があった。このため、流
体を高速で切り替えるプロセスに使用する場合は、絞り
機構の下流側に開閉弁を設けるなどの工夫を行ってい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、絞り機
構の下流側に開閉弁を設けることで、絞り機構から開閉
弁までの間の流路が長くなり、この流路内に溜まった流
体が開閉弁を開いた瞬間に流れて必要以上の流量の流体
が流れることがあった。また、一般的な圧力式流量制御
装置は、圧力制御装置と、絞り機構と、流体の流れを完
全に止めるための開閉弁とがそれぞれ別体で構成される
ので、部品点数が多くなり、装置全体の構成が複雑とな
って、小型化に問題があった。

【０００６】一方、より小型にするために圧力制御装置
に絞り機構を組み込むことも考えられているが、この絞
り機構の下流側に開閉弁を一体形成することは望ましく
なかった。つまり、絞り機構は詰まったり腐食するなど
して使用不能となることがあるが、圧力制御装置と絞り
機構と開閉弁とが一体成形された圧力式流量制御装置
は、絞り機構だけの不具合によって、その全体を交換す
る必要が生じるので、コストパフォーマンスが悪くなる
という問題がある。

【０００７】そこで、本発明者らは特願平１０−３１０
１９０号において、流量絞りノズルの下流側近傍に閉止
弁を一体的に形成してなる流量制御バルブを用いること
により、ガスの流量を制御可能とする圧力式流量制御装
置を提案している。この流路制御バルブを用いた圧力式
流量制御装置は、流量制御の応答の遅れを可及的になく
すことができると共に、流量絞りノズルが使用不能にな
った場合には、流路制御バルブを交換することで容易に
これに対応することができ、コストパフォーマンスが向
上するという利点がある。

【０００８】しかしながら、上述の圧力式流量制御装置
を用いたとしても流量絞りノズルの交換に伴って流量制
御バルブを共に交換する必要が生じ、それだけコストが
かかることは避けられなかった。

【０００９】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たものであって、その目的は、流体の流れを高速応答で
制御できると共に、絞り機構を構成する必要最小限の部
分を容易に交換可能とする圧力式流量制御装置を提供す
ることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の圧力式流量制御装置は、流体が流通するた
めの第１流路および第２流路をそれぞれ設けると共に、
両流路を連通するように連結することで、一つの流路ブ
ロックを形成する第１ブロックおよび第２ブロックと、
第１ブロックに設けられた流体制御弁と、この流体制御
弁の下流側圧力を検出する圧力センサと、第２ブロック
に設けられた開閉弁と、両ブロックの接続部分に位置す
ることで両流路を連通連結すると共に絞り機構を形成す
る絞りブロックとを有し、前記流体制御弁を用いて絞り
機構の上流側における圧力を制御することで、流体の流
量を制御可能とすることを特徴としている。

【００１１】上記圧力式流量制御装置によれば、一体的
に連通連結可能とする一つの流路ブロック内の第２流路
に配置された開閉弁が絞り機構の二次側に位置するの
で、開閉弁の閉鎖によって流体の流れを瞬時に止めるこ
とができ流量制御の立ち下がりに対する高速応答を達成
できると共に、開閉弁が絞り機構の二次側に位置する一
方で第１流路に配置された圧力センサが絞り機構の一次
側に位置するから、圧力センサと絞り機構との間に圧力
損失の原因となる開閉弁などの流路抵抗体がなにもな
く、この圧力センサの出力をフィードバックして流体制
御弁を制御することで、流体の流量を精度よく制御でき
る。また、一つの流路ブロック内に流体制御弁と、絞り
機構と、開閉弁とを設けているので、コンパクト化を達
成し、応答の遅れや流量のオーバーシュートを引き起こ
す原因となる流路ブロック内の流路の容積を必要最小限
に小さくすることができる。

【００１２】加えて、第１ブロックと第２ブロックの接
続部分を外すだけで、両ブロックの接続部分に位置する
絞りブロックを取り出すことが可能であり、これを交換
できるので、絞り機構に何らかの異常が生じた場合ある
いは定期的に、この絞り機構を構成する絞りブロックだ
けを交換することで、メンテナンスにかかるコストを削
減することができる。

【００１３】前記圧力センサによって検出される絞り機
構の上流側における圧力の測定値を入力して、流体制御
弁に適宜の開度制御信号を出力することにより、絞り機
構を流れる流体の流量が設定値になるように制御すると
共に、設定値が所定の閾値より小さいときは開閉弁を閉
じ、設定値が閾値より大きいときに開閉弁を開けるよう
に制御し、かつ、開閉弁が閉じている状態では流量値の
モニタ出力を０とする制御部を有する場合（請求項２）
には、設定値の入力信号に合わせた迅速かつ正確な流量
制御を行うとともに、現在の流体の流量値を的確に出力
することができる。

【００１４】前記絞りブロックの下流側に位置する第２
流路に、絞り機構を流れる流体の流れに沿う方向に乱れ
のない流体の流れを形成するための二次側流路を有する
場合（請求項３）には、絞り機構の二次側における流体
の流れを適切なものとするために必要最小限の流路を確
保することができ、それだけ安定性を向上できる。

【００１５】なお、絞り機構としては、ノズルであって
もよく、またはオリフィス（細孔）であってもよいが、
前者の場合、ガスなどの流体を滑らかに通過させること
ができ、後者の場合、加工が簡単である。

【００１６】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。図１，図２は、本発明の一つの実施例
を示す。まず、図１は、この発明の圧力式流量制御装置
１の一例を示し、この図において、２は例えば直方体状
の流路ブロックで、例えばステンレス鋼よりなる。この
流路ブロック２は第１ブロック２ａと第２ブロックに分
離可能に構成されると共に、連結時には、両ブロック２
ａ，２ｂにそれぞれ制御対象であるガスＧなどの流体が
流通するために形成された第１流路３ａ，第２流路３ｂ
が連通連結することにより一つの流路３を構成する。

【００１７】４は両ブロック２ａ，２ｂの接続部分に位
置することで両流路３ａ，３ｂを連通連結すると共に絞
り機構５を構成する絞りブロックである。本例では絞り
機構５の一例として音速ノズルである例を示しており、
音速ノズル５はガスＧを乱れなく絞った状態で音速条件
における流れを形成することができ、以下の説明では音
速ノズル５として説明するが、本発明は絞り機構５を音
速ノズルに限定するものではなく、構成が簡単になるオ
リフィスなどであってもよい。

【００１８】本例の絞りブロック４は例えば螺合される
ことにより第１ブロック側の嵌入穴に埋設される。ま
た、６ａ，６ｂはそれぞれ第１ブロックと絞りブロック
４，絞りブロック４と第２ブロックの間の接合部におけ
るシールを確保するためのＯリングであり、Ｂ…は両ブ
ロック２ａ，２ｂを一体的に連結した状態を保つために
適所に設けられた締付けビスである。

【００１９】７は第１ブロック３ａに設けられた流体制
御弁、８はこの流体制御弁７の下流側における圧力を検
出するための圧力センサ、９は第２ブロック３ｂに設け
られた開閉弁、１０は制御部、１１はメモリである。

【００２０】流体制御弁７は弁体７ａおよび弁座７ｂ
と、弁体７ａを駆動するアクチュエータ７ｃとを有する
ものであり、制御部１０からの開度制御信号Ｃ₁ によっ
て弁体７ａの開度を制御することによって、第１流路３
ａを構成する２つの流路３ａ₁，３ａ₂ の間を流れるガ
スＧの流量を制御するものである。また、流体制御弁７
による流量制御によって流路３ａ₂ における圧力Ｐ₁ が
変動する。

【００２１】圧力センサ８は流体制御弁７による流量制
御に応じて変動する流路３ａ₂ （絞り機構５の上流側）
における圧力Ｐ₁ を検出し、これを制御部１０に出力す
るものである。

【００２２】開閉弁９は弁体９ａと弁座９ｂとアクチュ
エータ９ｃとを有し、制御部１０からの開閉制御信号Ｃ
₂ によって弁体９ａを駆動することにより、第２流路３
ｂを構成する２つの流路３ｂ₁ ，３ｂ₂ の間を流れるガ
スＧの流れを閉鎖したり開放するように制御するもので
ある。

【００２３】制御部１０は流量の設定値Ｆｓを表す例え
ばアナログの流量設定信号Ｓｉｎを受信すると共に、前
記圧力センサ８によって検出した音速ノズル５の上流側
における圧力Ｐ₁ を検出し、音速ノズル５の下流側にお
ける圧力Ｐ₂ との間に音速が成り立つ条件（例えばＰ₂
／Ｐ₁ ＜１／２であるが望ましくはＰ₂ ／Ｐ₁ ＜１／
３）であることを確認すると共に、圧力Ｐ₁ を用いた演
算によって音速ノズル５を流れる流量Ｆを算出し、この
流量Ｆが設定値Ｆｓになるように流体制御弁７に制御信
号Ｃ₁ を出力するものである。

【００２４】また、制御部１０は流量設定値Ｆｓが所定
の閾値（設定信号Ｓｉｎが例えば５０ｍＶ）未満になる
と、開閉弁９に対して開閉制御信号Ｃ₂ を出力すること
により弁体９ａを閉鎖させる。これによって流量設定信
号Ｆｓの立ち下がりに対する応答速度を極めて高速にす
ることができる。

【００２５】一方、流量設定値Ｆｓが所定の閾値よりも
大きくなると、開閉弁９に対して流路３ｂ₁ ，３ｂ₂ 間
を開放するための開閉制御信号Ｃ₂ を出力する。なお、
本発明の圧力式流量制御装置１は音速ノズル５の二次側
流路を構成する第２流路３ｂ ₁ が、音速ノズル５内のガ
スＧの流れに沿う方向（音速ノズル５の下流側の流路を
延長する方向）に必要最小限の流路を形成することで、
音速ノズル５の二次側部分における圧力Ｐ₂ の上昇を防
止すると共に、この部分の容積を可及的に小さくしてい
る。

【００２６】本例では、音速ノズル５の二次側流路３ｂ
₁ の容積を約０．２ｍＬとすることができる。つまり、
開閉弁９を音速ノズル５の二次側に設けることで、流量
設定値Ｆｓの立ち下がりに対する応答速度を可及的に速
くすると共に、二次側流路３ｂ₁ の容積が小さいので開
閉弁９の開弁時における大流量のガスＧの流れを最小限
に抑えて立上り応答速度も速くできる。さらに、開閉弁
９を音速ノズル５の二次側に設けることで、音速ノズル
５の一次側にはバルブのような圧力損失となる流路抵抗
体がなく、音速ノズル５の特性を最大限に生かした精度
の高い制御を行うことができ、それだけ音速ノズル５を
用いた流量制御の精度を向上できる。

【００２７】なお、制御部１０が開閉弁９に対してこれ
を閉鎖させるための開閉制御信号Ｃ ₂ を出力している状
態では、音速ノズル５の下流側における圧力Ｐ₂ が高く
なるので上述の音速条件が成り立たず、実際には流路３
に対して流れる流量Ｆが０（つまり閉鎖状態）であるに
もかかわらず、圧力センサ８の部分にはガスＧが溜まっ
ており、このガスＧの圧力Ｐ₁ が検出される。そこで、
制御部１０は開閉弁９を閉じている間は圧力センサ８か
らの出力に関係なく、モニタ出力のための流量値Ｆｍを
０であるとして、このモニタ出力用の流量Ｆｍをモニタ
出力信号Ｓｏｕｔとして出力する。これによって、圧力
式流量制御装置１は正確な現在の流体の流量値Ｆｍを的
確に出力することができる。

【００２８】前記メモリ１１は圧力式流量制御装置１の
制御にかかわる各種情報を記憶するものであり、例え
ば、前記音速ノズル５の特性として少なくとも圧力−流
量特性データを記憶している。この圧力−流量特性デー
タは音速ノズル５の形状に大きく依存するものであり、
望ましくは絞りブロック４毎に実測することで求められ
るものである。これによって、圧力式流量制御装置１は
同一形状の音速ノズル５であってもその機械加工精度の
限界によって生じる些細な特性の違いがあっても、これ
に影響されることのなく、高精度の流量制御を行うこと
ができる。

【００２９】また、メモリ１１には、流体制御弁７の開
度制御信号Ｃ₁ に対する特性や、圧力センサ８の特性な
ど種々の特性データが含まれて、前記制御部１０がこれ
らの特性のズレを演算などによって補正して流量制御を
行なうことが望ましい。

【００３０】なお、前記絞りブロック４は例えば腐蝕や
詰まりなどによって、その特性が悪くなることがある。
そこで、絞りブロック４の特性が悪くなった場合には、
これを取り替える必要が生じる。あるいは定期的にこの
絞りブロック４を交換することが望ましい。

【００３１】図２は前記絞りブロック４を交換方法を説
明する図である。２ｃは前記絞りブロック４を螺合する
ための凹部、２ｄは凹部２ｃに嵌入する突起、１ａはカ
バー体、１３（１３ａ，１３ｂ）は前記開閉制御信号Ｃ
₂ を通信するための接続コネクタである。

【００３２】図２に示すように、本発明の圧力式流量制
御装置１はガスＧを流通するための流路ブロック２が２
つのブロック２ａ，２ｂに分離可能であり、両ブロック
２ａ，２ｂの接続部分に絞りブロック４を位置させてい
るので、両ブロック２ａ，２ｂの接続部分を分離するこ
とで絞りブロック４を取り出すことができる。

【００３３】絞りブロック４の交換手順を説明すると、
両ブロック２ａ，２ｂの分離は例えば各ビスＢを取り外
して行い、絞りブロック４を回転させて前記凹部２ｃか
ら取り出すことができる。このとき、前記接続コネクタ
１３ａ，１３ｂは分離して制御部１０と開閉弁９との電
気的な接続が切り離される。

【００３４】次いで、新しい絞りブロック４’を再び凹
部２ｃに螺合してこれを組み付けた後に、前記突起２ｄ
を凹部２ｃに嵌合させると共に、接続コネクタ１３ａ，
１３ｂを当接させた状態で再びビスＢを締めつけること
により、絞りブロック４だけを交換することができる。
このとき、接続コネクタ１３によって同時に制御部１０
と開閉弁９との電気的な接続が回復する。

【００３５】交換した新しい絞りブロック４’が交換前
の絞りブロック４と同一形状である場合は、前記メモリ
１１（図１参照）の内容を変更する必要性はないが、新
しい絞りブロック４’内の音速ノズル５の特性が交換前
の絞りブロック４のと異なる場合には、メモリ１１の内
容を変更する必要がある。つまり、本発明の圧力式流量
制御装置１は絞りブロック４の交換によってその特性を
変更することも可能である。

【００３６】また、新しい絞りブロック４’に交換した
ときは、その特性データをメモリ１１に転送することが
より望ましい。メモリ１１に対する書き込みは上位情報
処理装置を前記制御部１０に接続することによって行っ
ても、メモリーカードなどの記録媒体を用いてメモリ１
１に転送できるようにしてもよい。

【００３７】図３は本発明の圧力式流量制御装置１の変
形例を示す図である。本例においてい図１，図２と同じ
符号を付した部分は同一または同等の部分であるから、
その詳細な説明を省略する。

【００３８】図３において、１４は絞りブロック、１５
はこの絞りブロック１４の上面に取付けられて音速ノズ
ル５の特性を記憶するメモリ、１６はメモリ１５の上面
に形成された端子面に接触する接続端子、１７は温度セ
ンサである。また、２ｅは絞りブロック１４を嵌入する
凹部、２ｆ，２ｇは両ブロック２ａ，２ｂをその接続部
分の一端側において傾動可能に係止するための係合部で
ある。

【００３９】前記絞りブロック１４は、例えばその外形
が矩形または断面Ｄ字状であり、一つの平面にフラッシ
ュメモリやＥＰ−ＲＯＭのような不揮発性のメモリ１５
を貼着してなり、その製造段階においては、内部に形成
された音速ノズル５の圧力−流量特性や温度−流量特性
を測定し、これをメモリ１５に特性データＤとして記録
している。また、本例の絞りブロック１４は螺合するこ
となく凹部２ｃに嵌入するものである。

【００４０】接続端子１６は絞りブロック１４を凹部２
ｃ内に嵌入したときに、メモリ１５の各端子に接触する
ことにより、前記制御部１０がメモリ１５内に記録して
ある音速バルブ５の特性データＤを読み出し可能とする
ものである。なお、制御部１０は絞りブロック１４を凹
部２ｃ内に嵌入したときにメモリ１５内の内容をメモリ
１１に転送しても、メモリ１５に対して直接アクセスし
て各部を制御してもよい。また、温度センサ１７は音速
ノズル５の近傍における温度Ｔを検出するものであり、
この温度Ｔと温度−流量特性とを用いてより正確な流量
制御を可能としている。

【００４１】本例の前記絞りブロック１４を交換すると
きは、ネジＢを取り外し、開閉弁９を図示時計周りに傾
動することで、両ブロック２ａ，２ｂを分離し、凹部２
ｃから絞りブロック１４を取り出すことができる。そし
て、この凹部２ｃに新しい絞りブロック１４’を嵌入し
た後に、係合部２ｆ，２ｇを係合してこの係合部２ｆ，
２ｇを中心に開閉弁９を図示反時計周りに回すことによ
り、ブロック２ａから突出する絞りブロック１４を凹部
２ｅに嵌合させると共に接続コネクタ１３ａ，１３ｂを
接続できる。最後にネジＢを締めつけることによって接
続を完了できる。なお、絞りブロック１４はＯリング６
ａ，６ｂを挟み込むように嵌合するので、シールを確実
に行うことができる。しかしながら、本発明はシールの
方法を限定するものではない。

【００４２】本例の場合、絞りブロック１４に特性デー
タＤを記憶したメモリ１５が取り付けられているので、
使用者がメモリ１１に記録された特性データを意識して
書き換える必要がなく、絞りブロック１４の取換えをさ
らに容易に行うことができる。

【００４３】また第１ブロック２ａと第２ブロック２ｂ
は係合部２ｆ，２ｇとネジＢとの組み合わせによって連
通連結されているので、比較的着脱が容易であると共
に、確実なシールを行うことができるが、本発明は第１
ブロック２ａと第２ブロック２ｂを一体的に連結する方
法を限定するものではない。すなわち、前記ネジＢに代
えてフックのようなものを用いてワンタッチで取り外し
可能とすることなど、種々の変形が可能である。

【００４４】

【発明の効果】本発明の圧力式流量制御装置は、流量設
定値の立ち上がり、立ち下がりの何れにも高速応答可能
であると共に、絞り機構に異常が発生しても低コストで
この絞り機構の部分だけを交換可能であり、かつ、高精
度の流量制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力式流量制御装置の一例を示す縦断
面図である。

【図２】前記圧力式流量制御装置の絞り機構を取り替え
る手順を説明する図である。

【図３】前記圧力式流量制御装置の変形例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…圧力式流量制御装置、２…流路ブロック、２ａ…第
１ブロック、２ｂ…第２ブロック、３…流路、３ａ…第
１流路、３ｂ…第２流路、３ｂ₁ …絞り機構の二次側流
路、４，１４…絞りブロック、５…絞り機構（音速ノズ
ル）、７…流体制御弁、８…圧力センサ、９…開閉弁、
１０…制御部、Ｆ…流量、Ｆｓ…設定流量、Ｇ…流体
（ガス）、Ｐ₁ …圧力、Ｓｏｕｔ…モニタ出力。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体が流通するための第１流路および第
   ２流路をそれぞれ設けると共に、両流路を連通するよう
   に連結することで、一つの流路ブロックを形成する第１
   ブロックおよび第２ブロックと、第１ブロックに設けら
   れた流体制御弁と、この流体制御弁の下流側圧力を検出
   する圧力センサと、第２ブロックに設けられた開閉弁
   と、両ブロックの接続部分に位置することで両流路を連
   通連結すると共に絞り機構を形成する絞りブロックとを
   有し、前記流体制御弁を用いて絞り機構の上流側におけ
   る圧力を制御することで、流体の流量を制御可能とする
   ことを特徴とする圧力式流量制御装置。
2. 【請求項２】 前記圧力センサによって検出される絞り
   機構の上流側における圧力の測定値を入力して、流体制
   御弁に適宜の開度制御信号を出力することにより、絞り
   機構を流れる流体の流量が設定値になるように制御する
   と共に、設定値が所定の閾値より小さいときは開閉弁を
   閉じ、設定値が閾値より大きいときに開閉弁を開けるよ
   うに制御し、かつ、開閉弁が閉じている状態では流量値
   のモニタ出力を０とする制御部を有する請求項１に記載
   の圧力式流量制御装置。
3. 【請求項３】 前記絞りブロックの下流側に位置する第
   ２流路に、絞り機構を流れる流体の流れに沿う方向に乱
   れのない流体の流れを形成するための二次側流路を有す
   る請求項１または２に記載の圧力式流量制御装置。