JP2004157719A

JP2004157719A - Mass-flow controller

Info

Publication number: JP2004157719A
Application number: JP2002322175A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nakamura; 浩之中村; Tadahiro Yasuda; 忠弘安田; Yoshiro Kimura; 美良木村
Original assignee: Stec KK
Current assignee: Stec KK
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2004-06-03

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mass-flow controller that can perform stable flow rate control even if pressure varies either upstream or downstream and also perform high-precision flow rate control by employing a pressure system as a control system under no influence of a diversion ratio by a bypass. <P>SOLUTION: The mass-flow controller D is equipped with a flow rate control valve 2 for controlling the flow rate of fluid flowing in a pressure flow passage 1, a flow rate detecting means 3 for detecting the flow rate of the fluid, a pressure control valve 4 which is arranged upstream from the flow rate control valve 2, and a pressure detecting means 5 which is arranged between the pressure control valve 4 and flow rate control valve 2. The pressure detecting means 5 is constituted to detect absolute pressure and the flow rate detecting means 3 is constituted to detect the differential pressure of the fluid flowing in the flow passage 1; and the pressure control valve 4 is controlled according to a pressure signal Sb outputted from the pressure detecting means 5. Further, the flow rate control valve 2 is controlled according to a differential pressure signal Sa outputted from the flow rate detecting means 3 and the pressure signal Sb. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体流量を制御するマスフローコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても、目的とする流量を常に安定して流すことができるマスフローコントローラを開発中である（特願２００２−０８２２９７の明細書および図面参照）。
【０００３】
すなわち、前記マスフローコントローラは、流量制御弁とバイパス流路中に設けられる流量センサとを有し、さらに、前記流量制御弁の上流側に配置された圧力制御弁と、この圧力制御弁と流量制御弁との間に配置された圧力センサと、この圧力センサの出力をフィードバックすることで圧力制御弁を制御する制御部とを有している。
【０００４】
そして、前記マスフローコントローラでは、前記圧力制御弁の制御により、その入口側（上流側）における圧力変動の影響が流量制御に及ぶことを防止でき、また、前記流量制御弁の制御により、その出口側（下流側）における圧力変動の影響が流量制御に及ぶことを防止でき、従って、その上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても、目的とする流量を常に安定して流すことができるのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のマスフローコントローラでは、前記流量センサとしてサーマルセンサを用いていたことから、流体によっては、温度や圧力影響で比熱や粘度等の物性が変化し、この変化が、前記バイパス流路の上流側における流体の分流比に影響を及ぼし、ひいては、前記流体の流量の制御精度にまで悪影響を及ぼすおそれがあった。
【０００６】
この発明は上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても安定した流量制御を行え、また、バイパスによる分流比に影響されない制御方式である圧力式を採用することで、より高精度な流量制御を行うことができるマスフローコントローラを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のマスフローコントローラは、流路内を流れる流体の流量を制御するための流量制御弁と、前記流体の流量を検出するための流量検出手段と、前記流量制御弁の上流側に配置される圧力制御弁と、この圧力制御弁と前記流量制御弁との間に配置される圧力検出手段とを備えたマスフローコントローラであって、前記圧力検出手段が絶対圧力を検出するように構成してあるとともに、前記流量検出手段が、前記流路内を流れる流体における差圧を検出するように構成してあり、前記圧力検出手段から出力される圧力信号に基づいて前記圧力制御弁を制御し、また、前記流量検出手段から出力される差圧信号と前記圧力信号とに基づいて前記流量制御弁を制御するようにした（請求項１）。
【０００８】
また、前記流量検出手段が、前記流路中に配置される層流素子と、前記流路内における層流素子よりも上流側の位置および下流側の位置にそれぞれ連通流路を介して連通する差圧式センサとを備えているとしてもよい（請求項２）。
【０００９】
上記の構成からなる本発明では、上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても安定した流量制御を行え、また、バイパスによる分流比に影響されない制御方式である圧力式を採用することで、より高精度な流量制御を行うことができるマスフローコントローラを提供することが可能となる。
【００１０】
すなわち、上記マスフローコントローラでは、その上流側において圧力変動が発生しても、圧力検出手段の出力に基づいてフィードバック制御される圧力制御弁によってその影響を確実に除去できるとともに、マスフローコントローラの下流側において圧力変動が発生しても、流量検出手段の出力に基づいてフィードバック制御される流量制御弁によってその影響を確実に除去することができる。
【００１１】
従って、マスフローコントローラの上流側および下流側のいずれにおいて圧力変動が発生しても常に安定した流量の制御を行うことができ、言い換えれば、マスフローコントローラ内に圧力調整機能があるので、流量制御弁の上流側における圧力を常に一定に保つことが可能であり、その性能を最大限に発揮することができるのである。それゆえ、流量精度および安定性も向上することとなる。
【００１２】
また、前記マスフローコントローラでは、流量検出手段として、検出した差圧から流量を導出する差圧式であることから、バイパス流路を必要とするサーマル式の流量センサを用いた場合に比して、応答速度が数ミリ秒という非常に早い高速応答を実現でき、また、流体の温度や粘性等の物性値変化に影響を受けにくく、より精度の高い測定が可能となり、ひいては、より精度の高い流量制御が可能となる。
【００１３】
さらに、前記層流素子が、テーパ面を外面に有するテーパブロックと、このテーパブロックの外側に配置され、テーパ面を内面に有する筒状ブロックとで構成され、前記テーパブロックの位置を上流側および下流側に移動可能に構成したとしてもよい（請求項３）。この場合には、前記流路内を流れる流体の流量範囲を容易に変えることが可能となる。
【００１４】
また、前記圧力制御弁が、シャットオフ機能をもつソレノイドバルブまたはピエゾバルブであるとしてもよい（請求項４）。すなわち、前記圧力制御弁としてシャットオフできないバルブを用いた場合には、弁のシャットオフが完全にはできないため、微少流量域での制御時には、前記流路の圧力制御弁と流量制御弁との間における流体の圧力が上昇し、同じく前記流路の圧力制御弁と流量制御弁との間に配置された圧力検出手段からの出力に基づいた圧力補正をかけたとしても、前記流量制御弁により制御される流量の精度が狂ってしまうという問題が生じる。これに対して、前記シャットオフを簡単に行えるソレノイドバルブまたはピエゾバルブを用いた場合には、微少流量域での制御時にも、前記流路の圧力制御弁と流量制御弁との間における流体の圧力の上昇を抑えることができ、前記流量制御弁により制御される流量の精度の維持が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を、図を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施例に係るマスフローコントローラＤの構成を概略的に示す説明図である。
マスフローコントローラＤは、流路１が内部に形成される流路ブロックＢと、前記流路１内を流れる流体（例えば、ガス）の流量を制御するための流量制御弁２と、前記流体の流量を検出するための流量検出手段３と、前記流量制御弁２の上流側に配置される圧力制御弁４と、この圧力制御弁４と前記流量制御弁２との間に配置される圧力検出手段５と、前記流体の温度を測定するための温度測定手段Ｔと、前記流量制御弁２および圧力制御弁４を制御するための制御部Ｃとを備えている。
【００１６】
前記流路ブロックＢ内には、一端側（図１では左端側）から他端側（図１では右端側）に向けて、前記流路１の上流部分１ａと、中間部分１ｂと、下流部分１ｃとが隔てて設けられている。
【００１７】
前記上流部分１ａは、断面がほぼＬ字形状をしており、その上流端は、流路ブロックＢの一端側（左端側）に露出しており、下流端は、流路ブロックＢの一側面（図１では上面）に露出している。
【００１８】
前記中間部分１ｂは、断面がほぼコの字形状をしており、その上流端および下流端がともに、流路ブロックＢの一側面（図１では上面）に露出している。
【００１９】
前記下流部分１ｃは、断面がほぼＬ字形状をしており、その上流端は、流路ブロックＢの一側面（図１では上面）に露出しており、下流端は、流路ブロックＢの他端側（右端側）に露出している。
【００２０】
前記流量制御弁２は、例えば、ピエゾバルブを用いて構成されている。詳しくは、前記流路ブロックＢの一側面（上面）に設けられた中間部分１ｂの下流端が弁座６として形成されており、前記流量制御弁２は、前記弁座６に対して近接・離間自在に当接するダイアフラム２ａと、そのアクチュエータ２ｂとを備えている。さらに、流量制御弁２は、前記ダイアフラム２ａが前記弁座６から離間した状態では、前記流路ブロックＢの一側面（上面）に設けられた中間部分１ｂの下流端（弁座６）およびこの中間部分１ｂの下流端の近傍に配置された下流部分１ｃの上流端を、互いに連通させ、かつ両者を外部から隔離する状態で閉塞するように構成されている。
【００２１】
そして、前記流量制御弁２では、上流側からの流体を下流側へと導出する開口が形成された前記中間部分１ｂの下流端（弁座６）に対して、前記ダイアフラム２ａが近接・離間することにより、前記中間部分１ｂの下流端から下流側へ導出される流体の流量が制御されることとなる。
【００２２】
前記流量検出手段３は、前記流路１内を流れる流体における差圧を検出するように構成されており、詳しくは、前記流路１（本実施例では流路１の中間部分１ｂ）中に配置される層流素子７と、前記流路１（中間部分１ｂ）内における層流素子７よりも上流側の位置および下流側の位置にそれぞれ連通流路８，９を介して連通する差圧式センサ１０とを備えている。
【００２３】
前記層流素子７は、前記流路１を絞る流路絞り手段ともなるものでもあり、一端側ほど細くなる（例えば、下流側ほど細くなる）テーパ面を外面に有するテーパブロック７ａと、このテーパブロック７ａの外側に配置され、一端側ほど細くなる（例えば、下流側ほど細くなる）テーパ面を内面に有する筒状ブロック７ｂとで構成されている。そして、流路１内にその上流側から導入され、流路１内を経て、さらにその下流側へと導出される流体が、前記層流素子７におけるテーパブロック７ａと筒状ブロック７ｂとの間を必ず通るように構成されている。
【００２４】
また、前記テーパブロック７ａは、その位置を上流側および下流側に移動可能に構成してあり、これにより、流路１内を流れる流体の流量範囲を容易に変えることが可能となっている。
【００２５】
図２は、前記差圧式センサ１０の構成を概略的に示す説明図である。
前記差圧式センサ１０は、前記流路１（中間部分１ｂ）内における層流素子７よりも上流側および下流側の位置に前記連通流路８，９を介して連通する空間１１を形成するブロック体１２と、このブロック体１２内に配置されるとともに、前記空間１１を２つの空間１３，１４に隔て、一方の空間１３を、前記流路１（中間部分１ｂ）内における層流素子７よりも上流側の位置に前記連通流路８を介して連通する上流側空間１３とし、他方の空間１４を、前記流路１（中間部分１ｂ）内における層流素子７よりも下流側の位置に前記連通流路９を介して連通する下流側空間１４とするダイアフラム１５と、このダイアフラム１５から適宜の間隔をあけて前記下流側空間１４内に配置される固定電極１６と、この固定電極１６を保持するための保持体１７と、前記固定電極１６に一端が固定され、他端に電圧が加えられる導電線１８とを備えている。
【００２６】
前記ダイアフラム１５は、例えば、ステンレスなどの金属薄膜からなり、１０μｍ程度の厚みを有している。
【００２７】
前記固定電極１６は、例えば、セラミックからなる薄板体の表面にスパッタリングなどによりＡｕの膜を形成してなるものである。
【００２８】
前記保持体１７には、この保持体１７を貫く方向における流体の移動を許容するための貫通孔１７ａが複数設けられている。
【００２９】
前記導電線１８は、例えば、ステンレスからなり、他端には１００Ｖの電圧が印加される。
【００３０】
上記の構成からなる差圧式センサ１０では、前記流路１（中間部分１ｂ）内の流体において、層流素子７よりも上流側および下流側の位置における圧の差が、前記ダイアフラム１５の弾性変形となって現れることとなる。そして、ダイアフラム１５の弾性変形（図２中の破線参照）により、ダイアフラム１５−固定電極１６間における静電容量が変化するのであり、この変化量は、前記流路１（中間部分１ｂ）内における層流素子７よりも上流側および下流側の位置における圧の差に対応するものとなっている。また、このとき、前記静電容量の変化量は、差圧信号Ｓａとして前記制御部Ｃに入力されることとなる。
【００３１】
前記圧力制御弁４は、例えば、シャットオフ機能をもつソレノイドバルブを用いて構成されている。詳しくは、前記流路ブロックＢの一側面（上面）に設けられた上流部分１ａの下流端が弁座１９として形成されており、前記圧力制御弁４は、前記弁座１９に対して近接・離間自在に当接するバルブ基体４ａと、そのアクチュエータ４ｂとを備えている。さらに、圧力制御弁４は、前記バルブ基体４ａが前記弁座１９から離間した状態では、前記流路ブロックＢの一側面（上面）に設けられた上流部分１ａの下流端（弁座１９）およびこの上流部分１ａの下流端の近傍に配置された中間部分１ｂの上流端を、互いに連通させ、かつ両者を外部から隔離する状態で閉塞するように構成されている。
【００３２】
そして、前記圧力制御弁４では、上流側からの流体を下流側へと導出する開口が形成された前記上流部分１ａの下流端（弁座１９）に対して、前記バルブ基体４ａが近接・離間することにより、前記上流部分１ａの下流端から下流側へ導出される流体の流量が制御されることとなる。
【００３３】
前記圧力検出手段５は、例えば、絶対圧力計であり、前記圧力制御弁４と流量検出手段３との間における流体の絶対圧力を検出するように構成してある。なお、本実施例では、前記圧力検出手段５は、前記流路１の中間部分１ｂの上流部を形成する壁面に埋設されている。そして、前記圧力検出手段５により検出した絶対圧力は、圧力信号Ｓｂとして前記制御部Ｃに入力されることとなる。
【００３４】
前記温度測定手段Ｔは、前記流路１の中間部分１ｂの前記層流素子７の上流側および下流側の位置にそれぞれ配置された温度センサＴａおよびＴｂを備えており、前記流路１の中間部分１ｂの前記層流素子７の上流側および下流側の位置における流体の温度を検出し、その温度を温度信号（図示せず）として前記制御部Ｃに入力するように構成されている。
【００３５】
前記制御部Ｃは、前記流量制御信号Ｓｆを出力して前記流量制御弁２をフィードバック制御する流量制御部Ｃｆと、前記流量制御信号Ｓｐを出力して前記圧力制御弁４をフィードバック制御する圧力制御部Ｃｐと、制御しようとする流体１の流量および圧力の設定値や、前記流量検出手段３，圧力検出手段５，温度測定手段Ｔにより検出・測定されたそれぞれの値を表示する表示部（図示せず）と、外部とのインターフェースＩとを備えている。
【００３６】
前記流量制御部Ｃｆは、前記流量検出手段３からの差圧信号Ｓａと、前記圧力検出手段５からの圧力信号Ｓｂと、前記温度測定手段Ｔからの温度信号と、予め入力されている流量の設定値とに基づいて流量制御信号Ｓｆを形成し、これを前記流量制御弁２に出力するように構成されている。
【００３７】
なお、本実施例では、前記温度測定手段Ｔから制御部Ｃ（流量制御部Ｃｆ）に入力される温度信号は、２つの温度センサＴａ，Ｔｂからの温度信号であり、２つの温度信号を平均化することにより用いるようにしている。
【００３８】
前記圧力制御部Ｃｐは、前記圧力検出手段５からの圧力信号Ｓｂと、予め入力されている圧力の設定値とに基づいて圧力制御信号Ｓｐを形成し、これを前記圧力制御弁４に出力するように構成されている。
【００３９】
前記インターフェースＩは、前記流量検出手段３，圧力検出手段５，温度測定手段Ｔにより検出・測定されたそれぞれの値を外部に出力可能としている。
【００４０】
そして、前記流量制御部Ｃｆからの流量制御信号Ｓｆにより、前記弁座６に対する前記流量制御弁２のダイアフラム２ａの距離が調整され、これにより、前記弁座６が形成されている流路１の中間部分１ｂの下流端からその下流側へと導出される流体の流量が設定流量となるように制御されることとなる。
【００４１】
また、前記圧力制御部Ｃｐからの圧力制御信号Ｓｐにより、前記弁座１９に対する前記圧力制御弁４のバルブ基体４ａの距離が調整され、これにより、前記弁座１９が形成されている流路１の上流部分１ａの下流端からその下流側へと導出される流体の流量が調整され、前記流路１の圧力制御弁４と流量制御弁２との間における流体の圧力が設定圧力となるように制御されることとなる。
【００４２】
上記の構成からなるマスフローコントローラＤでは、圧力制御弁４の下流側における圧力が設定した圧力となるように、圧力制御部Ｃｐにより圧力制御弁４をフィードバック制御するように構成してあるので、たとえマスフローコントローラＤの入口側（上流側）の圧力が何らかの影響によって変動することがあっても、マスフローコントローラＤは安定した制御を行うことができる。また、流量制御弁２の下流側における流量が設定した流量となるように、流量制御部Ｃｆにより流量制御弁２をフィードバック制御するように構成してあるので、マスフローコントローラＤの出口側（下流側）の圧力が変動してもその影響を受けることがない。従って、上記の構成からなるマスフローコントローラＤでは、その前段に従来のような調圧器を設ける必要がなくなることとなる。
【００４３】
また、前記マスフローコントローラＤでは、前記圧力制御弁４よりも下流側における流体の圧力を所定の圧力に保つようにしてあり、これにより、圧力制御弁４の下流側にある流量検出手段３による流量の検出をより正確に行えることが可能となっている。
【００４４】
さらに、圧力制御弁４と流量検出手段３とを並べて配置し、その間に位置する流路１の中間部分１ｂをできるだけ短くし、これにより、圧力制御弁４と圧力検出手段５との距離ができるだけ短くなるように構成しているので、圧力制御弁４に出力される圧力制御信号Ｓｐに対する圧力制御弁４の下流側における圧力の調整の時間的な遅れが可及的に小さくなり、ひいては、前記流量検出手段３における圧力の変動を可及的に小さくすることができる。
【００４５】
また、前記圧力検出手段５を、流路１中の圧力制御弁４と流量検出手段３との間において（流路１の中間部分１ｂにおいて）、できるだけ流量検出手段３に近い位置に配置することにより、乱流などの影響の少ない圧力を前記圧力検出手段５により検出させることができ、それだけ、マスフローコントローラＤによる流量の制御精度および安定性を向上させることが可能となっている。
【００４６】
また、前記マスフローコントローラＤでは、前記流量検出手段５として差圧式センサ１０を用いていることから、サーマル式の流量センサを用いた場合に比して、応答速度が数ミリ秒という非常に早い高速応答を実現でき、また、流体の温度や粘性等の物性値変化に影響を受けにくく、より精度の高い測定が可能となり、ひいては、より精度の高い流量制御が可能となる。
【００４７】
また、前記マスフローコントローラＤでは、前記圧力制御弁４としてシャットオフ機能をもつソレノイドバルブを用いていることから、以下のような効果が得られる。すなわち、シャットオフできないバルブを用いた場合には、弁のシャットオフが完全にはできないため、微少流量域での制御時には、前記流量制御弁２の上流側（中間部分１ｂ内）における流体の圧力が上昇し、中間部分１ｂ内に配置された圧力検出手段５からの圧力信号Ｓｂに基づいた圧力補正をかけたとしても、前記流量制御弁２により制御される流量の精度が狂ってしまうという問題が生じる。これに対して、前記シャットオフを簡単に行えるソレノイドバルブを用いた場合には、微少流量域での制御時にも、前記流量制御弁２の上流側（中間部分１ｂ内）における流体の圧力の上昇を抑えることができ、前記流量制御弁２により制御される流量の精度の維持が可能となる。なお、前記圧力制御弁４として、シャットオフ機能をもつソレノイドバルブに代えて、シャットオフ機能をもつピエゾバルブを用いてもよい。
【００４８】
また、前記マスフローコントローラＤでは、層流素子７としてテーパブロック７ａを用い、このテーパブロック７ａを上流側および下流側に移動させて自在に位置決めできるように構成してあることから、流路１内を流れる流体の流量範囲を容易に変えることが可能となっている。
【００４９】
【発明の効果】
上記の構成からなる本発明によれば、上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても安定した流量制御を行え、また、バイパスによる分流比に影響されない制御方式である圧力式を採用することで、より高精度な流量制御を行うことができるマスフローコントローラを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るマスフローコントローラの構成を概略的に示す説明図である。
【図２】上記実施例における差圧式センサの構成を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
１…流路、２…流量制御弁、３…流量検出手段、４…圧力制御弁、５…圧力検出手段、Ｄ…マスフローコントローラ、Ｓａ…差圧信号、Ｓｂ…圧力信号。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a mass flow controller that controls a fluid flow rate.
[0002]
[Prior art]
The present applicant is developing a mass flow controller which can always stably flow a target flow rate regardless of pressure fluctuations on either the upstream side or the downstream side (Japanese Patent Application No. 2002-082297). And drawings).
[0003]
That is, the mass flow controller has a flow rate control valve and a flow rate sensor provided in a bypass flow path, and further includes a pressure control valve disposed upstream of the flow rate control valve; It has a pressure sensor arranged between the valve and a control unit that controls the pressure control valve by feeding back the output of the pressure sensor.
[0004]
In the mass flow controller, by controlling the pressure control valve, it is possible to prevent the influence of the pressure fluctuation on the inlet side (upstream side) from affecting the flow rate control. It is possible to prevent the influence of the pressure fluctuation on the (downstream side) from affecting the flow rate control. Therefore, even if the pressure fluctuation occurs on either the upstream side or the downstream side, the target flow rate can always be flowed stably. You can.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described mass flow controller, since a thermal sensor is used as the flow rate sensor, depending on the fluid, physical properties such as specific heat and viscosity change due to the influence of temperature and pressure, and this change occurs upstream of the bypass flow path. This may affect the flow split ratio of the fluid on the side, and may adversely affect the control accuracy of the flow rate of the fluid.
[0006]
The present invention has been made in consideration of the above-described matters, and has as its object to perform stable flow control even when pressure fluctuation occurs on either the upstream side or the downstream side, and is not affected by the flow division ratio by the bypass. An object of the present invention is to provide a mass flow controller capable of performing more accurate flow rate control by adopting a pressure type as a control method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a mass flow controller according to the present invention includes a flow control valve for controlling a flow rate of a fluid flowing in a flow path, a flow rate detecting means for detecting a flow rate of the fluid, A mass flow controller including a pressure control valve disposed upstream of the valve and pressure detection means disposed between the pressure control valve and the flow control valve, wherein the pressure detection means detects an absolute pressure. While being configured to detect, the flow rate detecting means is configured to detect a differential pressure in the fluid flowing in the flow path, and based on a pressure signal output from the pressure detecting means, A pressure control valve is controlled, and the flow rate control valve is controlled based on the differential pressure signal output from the flow rate detection means and the pressure signal (claim 1).
[0008]
In addition, the flow rate detection unit communicates with the laminar flow element disposed in the flow path and a position on the upstream side and a position on the downstream side of the laminar flow element in the flow path via a communication flow path. A differential pressure sensor may be provided (claim 2).
[0009]
In the present invention having the above-described configuration, it is possible to perform a stable flow rate control even if a pressure fluctuation occurs on any of the upstream side and the downstream side, and to adopt a pressure type which is a control method which is not affected by a branch ratio by a bypass. Therefore, it is possible to provide a mass flow controller capable of performing a more accurate flow rate control.
[0010]
That is, in the mass flow controller, even if a pressure fluctuation occurs on the upstream side, the influence can be reliably removed by the pressure control valve that is feedback-controlled based on the output of the pressure detection unit, and the pressure fluctuation occurs on the downstream side of the mass flow controller. Even if a pressure fluctuation occurs, its influence can be reliably removed by the flow control valve that is feedback-controlled based on the output of the flow detection means.
[0011]
Therefore, even if pressure fluctuation occurs on either the upstream side or the downstream side of the mass flow controller, it is possible to always control the flow rate stably. In other words, since the mass flow controller has a pressure adjusting function, the flow control valve The pressure on the upstream side can always be kept constant, and the performance can be maximized. Therefore, the flow rate accuracy and stability are also improved.
[0012]
Further, in the mass flow controller, since the flow rate detecting means is a differential pressure type in which a flow rate is derived from the detected differential pressure, the response is smaller than in the case where a thermal type flow sensor requiring a bypass flow path is used. Very fast response with a speed of several milliseconds can be realized, and it is hard to be affected by changes in physical properties such as temperature and viscosity of the fluid, enabling more accurate measurement, and thus more accurate flow rate control Becomes possible.
[0013]
Further, the laminar flow element is constituted by a tapered block having a tapered surface on an outer surface and a cylindrical block disposed outside the tapered block and having a tapered surface on an inner surface. It may be configured to be movable to the downstream side (claim 3). In this case, it is possible to easily change the flow rate range of the fluid flowing in the flow path.
[0014]
Further, the pressure control valve may be a solenoid valve or a piezo valve having a shut-off function. That is, when a valve that cannot be shut off is used as the pressure control valve, the valve cannot be completely shut off. Even if the pressure of the fluid during the rise increases and the pressure is corrected based on the output from the pressure detecting means disposed between the pressure control valve and the flow control valve in the flow path, the flow control valve A problem arises in that the accuracy of the controlled flow rate is out of order. On the other hand, when a solenoid valve or a piezo valve that can easily perform the shut-off is used, the pressure of the fluid between the pressure control valve and the flow control valve in the flow path is controlled even in the control in a very small flow rate range. Can be suppressed, and the accuracy of the flow rate controlled by the flow control valve can be maintained.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a mass flow controller D according to one embodiment of the present invention.
The mass flow controller D includes a flow path block B in which the flow path 1 is formed, a flow control valve 2 for controlling a flow rate of a fluid (for example, gas) flowing in the flow path 1, and a flow rate of the fluid. , A pressure control valve 4 disposed upstream of the flow control valve 2, and a pressure detection means disposed between the pressure control valve 4 and the flow control valve 2. 5, a temperature measuring means T for measuring the temperature of the fluid, and a control section C for controlling the flow control valve 2 and the pressure control valve 4.
[0016]
In the flow channel block B, an upstream portion 1a, an intermediate portion 1b, and a downstream portion of the flow channel 1 are arranged from one end (the left end in FIG. 1) to the other end (the right end in FIG. 1). 1c is provided separately.
[0017]
The upstream portion 1a has a substantially L-shaped cross section, the upstream end of which is exposed at one end side (left end side) of the flow path block B, and the downstream end is located at one side surface of the flow path block B. (Upper surface in FIG. 1).
[0018]
The intermediate portion 1b has a substantially U-shaped cross section, and both the upstream end and the downstream end are exposed on one side surface (the upper surface in FIG. 1) of the flow path block B.
[0019]
The downstream portion 1c has a substantially L-shaped cross section, the upstream end of which is exposed on one side surface (the upper surface in FIG. 1) of the flow path block B, and the downstream end of the flow path block B It is exposed at the other end (right end).
[0020]
The flow control valve 2 is configured using, for example, a piezo valve. More specifically, the downstream end of the intermediate portion 1b provided on one side surface (upper surface) of the flow path block B is formed as a valve seat 6, and the flow control valve 2 is located close to the valve seat 6. The actuator includes a diaphragm 2a that comes into contact with the diaphragm 2a and an actuator 2b. Further, when the diaphragm 2a is separated from the valve seat 6, the flow control valve 2 is connected to the downstream end (valve seat 6) of the intermediate portion 1b provided on one side surface (upper surface) of the flow path block B, and The upstream end of the downstream portion 1c arranged near the downstream end of the intermediate portion 1b is closed so as to communicate with each other and isolate them from the outside.
[0021]
In the flow control valve 2, the diaphragm 2a approaches and separates from the downstream end (valve seat 6) of the intermediate portion 1b in which an opening for leading fluid from the upstream side to the downstream side is formed. Thus, the flow rate of the fluid led from the downstream end of the intermediate portion 1b to the downstream side is controlled.
[0022]
The flow rate detecting means 3 is configured to detect a pressure difference in a fluid flowing in the flow path 1. Specifically, the flow rate detection means 3 is provided in the flow path 1 (in this embodiment, an intermediate portion 1 b of the flow path 1). A differential pressure type in which the laminar flow element 7 to be disposed communicates with the upstream and downstream positions of the laminar flow element 7 in the flow path 1 (intermediate portion 1b) via communication flow paths 8 and 9, respectively. And a sensor 10.
[0023]
The laminar flow element 7 also serves as flow path restricting means for restricting the flow path 1. The laminar flow element 7 has a tapered block 7a having a tapered surface on the outer surface that becomes thinner toward one end (for example, becomes thinner toward the downstream side). The cylindrical block 7b is disposed outside the block 7a and has a tapered surface on the inner surface that becomes thinner at one end (for example, becomes thinner at the downstream side). Then, the fluid introduced into the flow channel 1 from the upstream side and passed through the flow channel 1 to the downstream side flows between the tapered block 7a and the cylindrical block 7b in the laminar flow element 7. It is configured to always pass through.
[0024]
The position of the tapered block 7a is configured to be movable to the upstream side and the downstream side, so that the flow rate range of the fluid flowing in the flow path 1 can be easily changed.
[0025]
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the differential pressure sensor 10. As shown in FIG.
The differential pressure sensor 10 includes a block that forms a space 11 that communicates with the laminar flow element 7 in the flow path 1 (intermediate portion 1 b) at positions upstream and downstream of the laminar flow element 7 via the communication flow paths 8 and 9. And the space 11 is separated from the laminar flow element 7 in the flow path 1 (intermediate portion 1b). The upstream space 13 communicates with the upstream position via the communication flow path 8, and the other space 14 is located at a position downstream of the laminar flow element 7 in the flow path 1 (intermediate portion 1 b). A diaphragm 15 serving as a downstream space 14 communicating through the communication flow path 9, a fixed electrode 16 disposed in the downstream space 14 at an appropriate distance from the diaphragm 15, and a fixed electrode 16. For holding A bearing member 17, the one end to the fixed electrode 16 is fixed, and a conductive wire 18 to which a voltage is applied to the other end.
[0026]
The diaphragm 15 is made of, for example, a metal thin film such as stainless steel and has a thickness of about 10 μm.
[0027]
The fixed electrode 16 is formed, for example, by forming an Au film on the surface of a thin plate made of ceramic by sputtering or the like.
[0028]
The holding body 17 is provided with a plurality of through holes 17a for allowing movement of fluid in a direction penetrating the holding body 17.
[0029]
The conductive wire 18 is made of, for example, stainless steel, and a voltage of 100 V is applied to the other end.
[0030]
In the differential pressure sensor 10 having the above configuration, the pressure difference between the fluid in the flow path 1 (intermediate portion 1 b) at the position upstream and downstream of the laminar flow element 7 causes the elastic deformation of the diaphragm 15. Will appear. The capacitance between the diaphragm 15 and the fixed electrode 16 changes due to the elastic deformation of the diaphragm 15 (see the broken line in FIG. 2). This corresponds to the pressure difference between the upstream and downstream positions of the laminar flow element 7. At this time, the amount of change in the capacitance is input to the control unit C as the differential pressure signal Sa.
[0031]
The pressure control valve 4 is configured using, for example, a solenoid valve having a shut-off function. More specifically, the downstream end of the upstream portion 1 a provided on one side surface (upper surface) of the flow path block B is formed as a valve seat 19, and the pressure control valve 4 is close to the valve seat 19. The actuator includes a valve body 4a that comes into contact with the valve body 4a and an actuator 4b. Further, when the valve base 4a is separated from the valve seat 19, the pressure control valve 4 includes a downstream end (valve seat 19) of an upstream portion 1a provided on one side surface (upper surface) of the flow path block B and The upstream end of the intermediate portion 1b disposed near the downstream end of the upstream portion 1a is configured to be communicated with each other and to be closed in a state where both are isolated from the outside.
[0032]
In the pressure control valve 4, the valve base 4a is moved closer to or away from the downstream end (valve seat 19) of the upstream portion 1a in which an opening for leading fluid from the upstream side to the downstream side is formed. By doing so, the flow rate of the fluid led out from the downstream end of the upstream portion 1a to the downstream side is controlled.
[0033]
The pressure detecting means 5 is, for example, an absolute pressure gauge, and is configured to detect the absolute pressure of the fluid between the pressure control valve 4 and the flow rate detecting means 3. In this embodiment, the pressure detecting means 5 is buried in a wall forming an upstream portion of the intermediate portion 1b of the flow path 1. Then, the absolute pressure detected by the pressure detecting means 5 is input to the control unit C as a pressure signal Sb.
[0034]
The temperature measuring means T includes temperature sensors Ta and Tb arranged at positions on the intermediate portion 1b of the flow path 1 on the upstream and downstream sides of the laminar flow element 7, respectively. The temperature of the fluid at the upstream and downstream positions of the laminar flow element 7 of the portion 1b is detected, and the temperature is input to the control unit C as a temperature signal (not shown).
[0035]
The control unit C outputs the flow control signal Sf to perform feedback control of the flow control valve 2, and the control unit C outputs the flow control signal Sp to perform feedback control of the pressure control valve 4. And a display unit for displaying the set value of the flow rate and pressure of the fluid 1 to be controlled and the respective values detected and measured by the flow rate detecting means 3, the pressure detecting means 5 and the temperature measuring means T (FIG. And an interface I with the outside.
[0036]
The flow control unit Cf includes a differential pressure signal Sa from the flow detecting unit 3, a pressure signal Sb from the pressure detecting unit 5, a temperature signal from the temperature measuring unit T, and a flow rate of a previously input flow. A flow control signal Sf is formed based on the set value and the flow control signal Sf is output to the flow control valve 2.
[0037]
In this embodiment, the temperature signals input from the temperature measuring means T to the control unit C (flow rate control unit Cf) are the temperature signals from the two temperature sensors Ta and Tb, and the two temperature signals are averaged. To be used.
[0038]
The pressure control unit Cp forms a pressure control signal Sp based on the pressure signal Sb from the pressure detecting means 5 and a preset pressure value, and outputs the pressure control signal Sp to the pressure control valve 4. It is configured as follows.
[0039]
The interface I can output the respective values detected and measured by the flow rate detecting means 3, the pressure detecting means 5, and the temperature measuring means T to the outside.
[0040]
Then, the distance of the diaphragm 2a of the flow control valve 2 to the valve seat 6 is adjusted by the flow control signal Sf from the flow control unit Cf, whereby the flow path 1 in which the valve seat 6 is formed is adjusted. The flow rate of the fluid led out from the downstream end of the intermediate portion 1b to the downstream side is controlled to be the set flow rate.
[0041]
Further, the distance of the valve base 4a of the pressure control valve 4 to the valve seat 19 is adjusted by the pressure control signal Sp from the pressure control unit Cp, whereby the flow path 1 in which the valve seat 19 is formed is adjusted. The flow rate of the fluid led from the downstream end of the upstream portion 1a to the downstream side thereof is adjusted, and the pressure of the fluid between the pressure control valve 4 and the flow control valve 2 of the flow path 1 becomes the set pressure. Is controlled.
[0042]
In the mass flow controller D having the above configuration, the pressure control unit Cp performs feedback control on the pressure control valve 4 so that the pressure on the downstream side of the pressure control valve 4 becomes the set pressure. Even if the pressure on the inlet side (upstream side) of the mass flow controller D fluctuates due to some influence, the mass flow controller D can perform stable control. In addition, since the flow rate control valve 2 is configured to feedback-control the flow rate control valve 2 so that the flow rate on the downstream side of the flow rate control valve 2 becomes the set flow rate, the outlet side (downstream side) of the mass flow controller D ) Is not affected even if the pressure fluctuates. Therefore, in the mass flow controller D having the above-described configuration, it is not necessary to provide a conventional pressure regulator at the preceding stage.
[0043]
In the mass flow controller D, the pressure of the fluid downstream of the pressure control valve 4 is maintained at a predetermined pressure, whereby the flow rate detected by the flow rate detection means 3 downstream of the pressure control valve 4 is reduced. Can be detected more accurately.
[0044]
Furthermore, the pressure control valve 4 and the flow rate detecting means 3 are arranged side by side, and the intermediate portion 1b of the flow path 1 located therebetween is made as short as possible, whereby the distance between the pressure control valve 4 and the pressure detecting means 5 is made as small as possible. Since the pressure control signal Sp output to the pressure control valve 4 is configured to be short, the time delay in adjusting the pressure on the downstream side of the pressure control valve 4 with respect to the pressure control signal Sp is reduced as much as possible. Fluctuations in pressure in the flow rate detecting means 3 can be made as small as possible.
[0045]
Further, the pressure detecting means 5 is arranged between the pressure control valve 4 and the flow rate detecting means 3 in the flow path 1 (at an intermediate portion 1b of the flow path 1) at a position as close to the flow rate detecting means 3 as possible. Accordingly, the pressure having little influence of turbulence or the like can be detected by the pressure detecting means 5, and the control accuracy and stability of the flow rate by the mass flow controller D can be improved accordingly.
[0046]
Further, in the mass flow controller D, since the differential pressure sensor 10 is used as the flow detecting means 5, the response speed is as fast as several milliseconds, which is much faster than when a thermal flow sensor is used. A response can be realized, and it is hard to be affected by a change in a physical property value such as a temperature or viscosity of the fluid, so that a more accurate measurement can be performed. As a result, a more accurate flow rate control can be performed.
[0047]
Further, in the mass flow controller D, since the solenoid valve having a shut-off function is used as the pressure control valve 4, the following effects can be obtained. That is, when a valve that cannot be shut off is used, the valve cannot be completely shut off. Therefore, when controlling in a minute flow rate range, the pressure of the fluid upstream of the flow control valve 2 (in the intermediate portion 1b) is reduced. And the accuracy of the flow rate controlled by the flow rate control valve 2 is degraded even if pressure correction is performed based on the pressure signal Sb from the pressure detection means 5 disposed in the intermediate portion 1b. Occurs. On the other hand, when a solenoid valve that can easily perform the shut-off is used, the pressure of the fluid on the upstream side (in the intermediate portion 1b) of the flow control valve 2 increases even when the control is performed in a minute flow rate range. And the accuracy of the flow rate controlled by the flow control valve 2 can be maintained. Note that, as the pressure control valve 4, a piezo valve having a shut-off function may be used instead of a solenoid valve having a shut-off function.
[0048]
Further, in the mass flow controller D, a tapered block 7a is used as the laminar flow element 7, and the tapered block 7a is moved to the upstream side and the downstream side so that it can be positioned freely. It is possible to easily change the flow rate range of the fluid flowing through.
[0049]
【The invention's effect】
According to the present invention having the above-described structure, a stable flow rate control can be performed even if a pressure fluctuation occurs on any of the upstream side and the downstream side, and a pressure type which is a control method which is not affected by a branch ratio by a bypass is adopted. By doing so, it is possible to provide a mass flow controller capable of performing more accurate flow rate control.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a mass flow controller according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view schematically showing a configuration of a differential pressure sensor in the embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Flow path, 2 ... Flow control valve, 3 ... Flow detection means, 4 ... Pressure control valve, 5 ... Pressure detection means, D ... Mass flow controller, Sa ... Differential pressure signal, Sb ... Pressure signal.

Claims

A flow control valve for controlling a flow rate of a fluid flowing in the flow path, a flow rate detecting means for detecting a flow rate of the fluid, a pressure control valve disposed upstream of the flow control valve, A mass flow controller comprising pressure control means disposed between a control valve and the flow control valve, wherein the pressure detection means is configured to detect an absolute pressure, and the flow detection means , Configured to detect a differential pressure in the fluid flowing in the flow path, controls the pressure control valve based on a pressure signal output from the pressure detection means, and outputs from the flow rate detection means A mass flow controller for controlling the flow control valve based on the differential pressure signal and the pressure signal.

A differential pressure type in which the flow rate detecting means communicates with a laminar flow element disposed in the flow path and a position on the upstream side and a position on the downstream side of the laminar flow element in the flow path via a communication flow path, respectively. The mass flow controller according to claim 1, further comprising a sensor.

The laminar flow element includes a tapered block having a tapered surface on an outer surface, and a cylindrical block disposed outside the tapered block and having a tapered surface on an inner surface. 3. The mass flow controller according to claim 2, wherein the mass flow controller is configured to be movable.

The mass flow controller according to any one of claims 1 to 3, wherein the pressure control valve is a solenoid valve or a piezo valve having a shut-off function.