JP2004212099A - Q=q(p,t)関係を用いた圧力式流量制御方法及びq=q(p,t)関係測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係るQ=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法、流体温度Tと流体圧力Pに対する絞り部材通過流量Qの関係Q=Q(P,T)を実測により求めておき、コントロールバルブを開度Vに調節したときに流体圧力Pと流体温度Tを検出し、この流体圧力Pと流体温度Tから前記関係Q=Q(P,T)により絞り部材通過流量Qを導出し、この絞り部材通過流量Qと設定流量Qsとの差をゼロに接近させるようにコントロールバルブの開度Vを調節することにより絞り部材通過流量Qを設定流量Qsに制御することを特徴とする。コンピュータや電子回路を用いて、全て実験データだけを根拠にして流量制御するから、極めて高精度且つ高速の流量制御を実現できる。
【選択図】 図6
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は主として半導体製造設備や化学プラント等で使用される圧力式流量制御方法に関し、更に詳細には、オリフィスやノズル等の絞り部材形状と流体の種類が決まったときに、流体の圧力・温度に対する絞り部材通過流量の依存関係を使用して、絞り部材通過流量を所望の設定流量に制御する圧力式流量制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造設備や化学プラントなどでは、原料となる複数のガスを所定の流量で供給し、これらの原料ガスを反応室の中で化学反応させて目的ガスを生成する場合が多い。このような場合に、原料ガスの供給流量が正確でないと化学反応に過不足が生じ、目的ガスの中に原料ガスが残留する事態が生じる。特に、残留ガスが引火性の場合には爆発の危険性がある。
【0003】
従来、ガス流量を正確に制御するために、配管内に絞り部材を配置し、この絞り部材を通過する理論流量として出来るだけ精度の良い流量式が選択されてきた。特に、流量制御の容易性から、絞り部材を通過するガス流の流速を音速領域に設定する音速条件下での流量制御方法が利用されている。
【0004】
この音速条件とは、絞り部材の上流側圧力Pと下流側圧力Pdの圧力比Pd/Pを約0.5の臨界値より小さくしたとき、絞り部材を通過するガスの流速が音速に到達することである。音速条件下では、絞り部材を通過するガス流の理論流量Qは上流側の流体条件にのみ依存し、下流側の流体条件に依存しないことが分かっている。このような性質から、流体を音速条件に設定して、上流側の流体条件だけを操作して流体を流量制御する方法が開発されつつある。
【0005】
特許第2837112号では、流体の絞り部材としてノズルを用いて、流体を音速条件下で流量制御する方法が開示されている。この意味で、この特許公報では、このノズルを音速ノズルと称している。
【0006】
音速ノズルから流出する流体の流速は音速cであり、流体密度をρ、音速ノズルのスロート部の最小断面積をSとすると、理論流量QthはQth=ρ・c・Sで与えられる。音速条件が成立しているから、流体密度ρと音速cは上流側の流体圧力P、流体温度Tにのみ依存し、また断面積Sは音速ノズルの形状にのみ依存する。
【0007】
流体密度ρ及び音速cはρ=ρ(P,T)及びc=c(P,T)として書くことができ、これらの関数形が分かっているから、流体圧力Pと流体温度Tを測定できれば、理論流量QthはQth=ρ・c・Sにより演算して求めることができる。しかし、実際の流量Qは理論流量Qthから多少ずれることが知られている。
【0008】
図7はオリフィスからなる絞り部材14の概略説明図である。この絞り部材14には内部に絞り孔14aが穿設されており、この絞り孔14aは最小断面直径D及び最小断面積Sを有している。
【0009】
流体が絞り孔14aの中を点線矢印a方向に進入すると、流体は管路の内面から次第に剥離しながら進行する。この剥離部分を境界層と呼び、この境界層は次第に発達するから、絞り孔14aを出た段階で、流体流断面積Aは最小断面積Sより小さくなるのが通常である。
【0010】
従って、実際の流量QはQ=ρ・c・Aとなり、A<Sであるため、実際の流量は理論流量より小さくなり、Q<Qthが成立している。上述したように、この主たる原因は境界層の発達による縮流現象である。
【0011】
そこで、実際の流量Qと理論流量Qthの比をCdで表すと、Q/Qth=Cdとなり、このCdを流出係数と呼んでいる。Cd<1が成立し、その主原因は縮流現象によりA<Sが成立するからである。そこで、従来から実際の流量Qを演算するのに、理論流量Qthと流出係数Cdを算出し、Q=Cd×Qthから実流量Qを導出することが行われていた。
【0012】
しかし、流出係数Cdは絞り孔14aの形状や流体の種類、更には流体圧力Pや流体温度Tに依存する。換言すれば、流出係数Cdは絞り部材14と流体条件に依存する複雑な係数である。
【0013】
この複雑性を回避するため、特許第2837112号では、流出係数Cdが流体のレイノルズ数Reにのみ依存する量と考え、Cd−Re関係を具体的に導出している。図8は従来特許第2837112号によって得られたCd−Re関係図である。このCd−Re関係は、絞り部材14や流体条件が変わっても、レイノズル数Reが同一の流体では同一の流出係数Cdを使用できることを主張するものである。
【0014】
この考え方を実際の流体に適用すると、絞り部材から流出する流体の条件から、流体のレイノズル数Reを算出し、Cd−Re関係からこのReに対応する流出係数Cdを導出する。他方、理論流量QthをQth=ρ×c×Sから算出し、実際の流量QをQ=Cd×Qthとして演算する。このQを絞り部材通過流量と判断するのである。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
このような考え方の基礎は、流体力学的相似性という概念に存在する。実物の飛行機で風洞実験を行うことは不可能であるから、幾何学的に縮小した模型飛行機で風洞実験を行う。このとき、模型飛行機の形状が実物飛行機に対し相似的に縮小されるだけでなく、流体環境自体も実物条件に対し相似状態になければならない。この相似状態を流体力学的相似性と言う。
【0016】
流体力学的相似性を決めるパラメータとして、レイノズル数Re、オイラー数E、フルード数F、マッハ数M、ウェーバ数Wなどが用いられる。実物流体条件と模型流体条件において、これらのパラメータが同一であるなら、二つの流れは流体力学的に相似性を有すると判断するのである。このことから、模型実験で得られた実験結果は実物実験でも成立すると考える。
【0017】
しかし、これらのパラメータの全てを二つの流れで同一にすることはかなり困難であるから、流体環境において主として作用する力関係から主たるパラメータを定め、この主たるパラメータを同一にすれば、近似的に流体力学的相似性は満足されると判断するのが通常である。
【0018】
前述した特許第2837112号では、レイノズル数Reを主たるパラメータと定めて、流出係数Cdに対しCd=Cd(Re)なる関数関係を設定したのである。
【0019】
しかしながら、流体力学的相似性という概念は物理学の第一原理から導出された科学的真理ではなく、流体力学が確立されてきた約200年間の経験則でしかない。流体力学的相似性を満足した模型実験の結果は、大筋として実物実験を予測させるものではあるが、微細な実験結果に対しては、同一結果を与える保証とはならないのである。最終的には、実物実験で決めるしか方法が無いのである。言い換えると、Cd=Cd(Re)なる実験的関数関係は厳密に成立するものではない。
【0020】
更に、多数のパラメータの中から主たるパラメータとしてレイノズル数Reだけを取り上げ、流出係数Cdがレイノズル数Reだけに依存するという近似性が問題である。換言すると、Cd=Cd(Re)という関係式は近似式でしかなく、この近似式がどの程度の誤差を含むかは前記公報には全く議論されていない。
【0021】
また、前記特許公報は、かなりの誤差を含むと考えられる関係式Cd=Cd(Re)を用いて流出係数Cdを算出し、このCdを用いて、Q=Cd×Qthとして流量Qを導出する間接的方法を用いている。このような間接的方法により流量Qを導出することに更に誤差を生じる危険性が含まれている。
【0022】
前述したように、半導体製造設備や化学プラントでは、爆発などの危険性を排除するために、過不足の無い化学反応が要求され、流体の流量制御も高精度に行うことが要求される。つまり、Cd=Cd(Re)を用いた近似的且つ間接的流量制御では、このような高精度の流量制御を実現することは極めて難しい。
【0023】
従って、本発明は、Cd=Cd(Re)という間接的関係を使用しないで、流体圧力Pと流体温度Tから直接的に実際の流量Qを導出することにより、高精度に流体を制御できる圧力式流量制御方法を実現することを目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために為されたものであり、第1の発明は、流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Pを検出する圧力センサと流体温度Tを検出する温度センサを有して、コントロールバルブの開度により流体圧力Pを調節して絞り部材通過流量を設定流量Qsに制御する音速条件を利用した圧力式流量制御方法において、流体温度Tと流体圧力Pに対する絞り部材通過流量Qの関係Q=Q(P,T)を求めておき、コントロールバルブを開度Vに調節したときに流体圧力Pと流体温度Tを検出し、この流体圧力Pと流体温度Tから前記関係Q=Q(P,T)により絞り部材通過流量Qを導出し、この絞り部材通過流量Qと前記設定流量Qsとの差をゼロに接近させるようにコントロールバルブの開度Vを調節することにより絞り部材通過流量Qを設定流量Qsに制御することを特徴とするQ=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法である。この方法では、実測により事前に求められているQ=Q(P,T)を用いて、コントロールバルブをある開度Vに開放した状態での絞り部材通過流量Qを導出し、この絞り部材通過流量Qと設定流量Qsとの差を算出し、この流量差をゼロにする方向にコントロールバルブの開度Vを開閉調節して、同じ演算を繰り返しながら絞り部材通過流量Qを設定流量Qsに一致するまで制御する方式である。従って、コンピュータ制御によりほぼ瞬時に絞り部材通過流量Qを設定流量Qsに制御することができ、設定流量Qsが変化した場合にも直ちに追随して流量制御することが可能となる。しかも実測により事前に関係Q=Q(P,T)を求めているから、全て実験データだけを根拠にして流量制御するから、極めて高精度の流量制御を実現できる。
【0025】
第2の発明は、コントロールバルブの開度調節により、絞り部材通過流量Qと設定流量Qsの差が微小流量ΔQより小さくなったときに絞り部材通過流量Qは設定流量Qsに制御されたと判断するQ=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法である。コンピュータ制御する場合には、絞り部材通過流量Qが設定流量Qsと数値的に完全に一致することは無いから、絞り部材通過流量Qと設定流量Qsとの差、即ち、Q−Qs又はQs−Qの値が微小流量値ΔQより小さければ実質上一致したと判断することを主張している。このΔQの値は制御精度によって自在に決めることができ、粗制御ではΔQは大きく設定され、また精密制御ではΔQは極めて小さく設定される。このように、この方法を用いれば粗から精密に至る広範囲の流量制御を自在に行うことが可能となる。
【0026】
第3の発明は、コントロールバルブの開度Vは微小開度ΔVを単位として調節されるQ=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法である。絞り部材通過流量Qと設定流量Qsが不一致であると、コントロールバルブの開度を大小制御して絞り部材通過流量Qを設定流量Qsに接近させる。この演算過程はコンピュータにより高速演算できるから、微小開度ΔVを任意の値に置いても、反復制御により直ちに設定流量Qsに流量制御することができる。しかも、微小開度ΔVを小さくすると、絞り部材通過流量Qを細かく制御できるから、流量の高速高精度制御が可能となる。
【0027】
第4の発明は、流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Pを検出する圧力センサと流体温度Tを検出する温度センサと、下流側配管に設けられて絞り部材通過流量Qを計測する流量計を有した音速条件において流量を計測する流量測定装置を使用し、コントロールバルブを開度Vに調節した状態で、流体圧力P、流体温度T及び絞り部材通過流量Qを測定し、この関係Q=Q(P,T)を出力し、前記コントロールバルブの開度Vを微小開度ΔVだけ変化させながら関係Q=Q(P,T)を次々と出力するQ=Q(P,T)関係測定方法である。コントロールバルブの開度Vを大きくすると、上流側の流体圧力Pは増大し、その結果絞り部材通過流量Qを可変することができる。コンピュータ制御により、コントロールバルブを微小開度ΔVだけ変化させながら流体圧力Pを微小変化させてQ=Q(P,T)の関係を次々に実験的に導出し、広範囲の流体圧力に対し絞り部材通過流量Qを測定することができる方法を与える。このQ=Q(P,T)関係をコンピュータに記憶させると、第1から第3までの発明をコンピュータ制御により実現することが可能となる。
【0028】
第5の発明は、流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Pを検出する圧力センサと流体温度Tを検出する温度センサと、下流側配管に設けられて絞り部材通過流量Qを計測する流量計と、コントロールバルブの上流側に配設されて流体温度Tを可変する加熱手段を有した音速条件において流量を計測する流量測定装置を使用し、流体温度Tを一定に保持した状態でコントロールバルブを開度Vに調節し、この開度状態で流体圧力P、流体温度T及び絞り部材通過流量Qを測定し、この関係Q=Q(P,T)を出力し、前記コントロールバルブの開度Vを微小開度ΔVだけ変化させながら関係Q=Q(P,T)を次々と出力し、更に前記加熱手段により流体温度TをΔTだけ変化させて同様の工程で関係Q=Q(P,T)を次々と出力するQ=Q(P,T)関係測定方法である。この方法によれば、流体温度Tを可変にして、各種の流体温度Tに対してQ=Q(P,T)関係を導出でき、広範囲の流体温度Tと広範囲の流体圧力Pに対する絞り部材通過流量Qを求めることができる。このQ=Q(P,T)関係をコンピュータに記憶させれば、第1から第3までの発明を各種の流体温度Tに対してコンピュータ制御により実現することが可能となる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るQ=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法及びQ=Q(P,T)関係測定方法の実施形態を添付する図面に従って詳細に説明する。
【0030】
本発明に用いられる絞り部材とは内部に絞り孔を形成された部材で、流体の流れを絞りながらその流量を制御して流体流を下流側に供給する部材である。この絞り部材には、平板にオリフィス孔を形成したオリフィス、ノズル孔を内部に形成したノズル、ベンチュリ管などの流体素子が含まれる。
【0031】
絞り部材に関して上流側の流体圧力Pと下流側の流体圧力Pdが与えられたとき、その圧力比Pd/Pが臨界値(通常ガスの場合は約0.5)より小さい場合に、絞り孔14aを流れる流体の流速は音速cになることが知られている。本発明では、この条件を音速条件と呼んでいる。
【0032】
本発明では、前記音速条件を前提にして、Q=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法と、Q=Q(P,T)関係測定方法が提供される。話の流れを分かりやすくするため、まずQ=Q(P,T)関係を実測する測定方法が説明され、次にこのようにして得られたQ=Q(P,T)関係を用いて絞り部材通過流量Qを設定流量Qsに制御する圧力式流量制御方法が説明される。
【0033】
図1は本発明に用いられるQ=Q(P,T)関係測定装置1の構成図である。このQ=Q(P,T)関係測定装置1は、供給側連結部5を介して供給側配管6と流体供給源4に接続され、また流出側連結部7を介して流出側配管8に接続されている。
【0034】
流体供給源4と供給側配管6の外周には流体温度Tを可変に設定するために加熱手段3が設けられている。流出側配管8には真空ポンプ12が接続されている。真空ポンプ12により矢印b方向に排気して下流側の流体圧力Pdが小さく設定され、その結果、Pd/P<約0.5の音速条件が保持されている。
【0035】
流体供給源4から原料ガスが供給され、Q=Q(P,T)関係測定装置1により下流側に絞り部材通過流量Qの原料ガスが供給される。上流側において原料ガスの流体温度Tと流体圧力Pを可変すると、絞り部材通過流量Qが変動する。通常は、加熱手段3により流体温度Tを一定にし、流体圧力Pだけを可変して、絞り部材通過流量Qを変化させてQ=Q(P)関係(T:一定)を測定する。また、加熱手段3を調節して流体温度Tを可変し、各温度TにおいてQ=Q(P)を求めて、最終的にQ=Q(P,T)関係が得られる。
【0036】
絞り部材14の上流側配管16にはコントロールバルブ20が配置され、絞り部材14の下流側配管18にはマスフローメーター等の流量計11が配置され、最終的に流出側配管8に接続されている。コントロールバルブ20は駆動部22に連結されており、駆動部22によりコントロールバルブ20の開度が自動制御される。
【0037】
上流側配管16には圧力センサ24と温度センサ26が配置され、上流側における流体圧力Pと流体温度Tを測定する。圧力信号と温度信号はA/Dコンバータ28、30を介して入出力ポート30に入力される。
【0038】
また、下流側配管18に配置されている下流側圧力センサ27及び流量計11により下流側圧力Pd及び絞り部材通過流量Qが測定され、その下流側圧力信号と流量信号はA/Dコンバータ31、33を介して入出力ポート30に入力される。
【0039】
制御回路32により演算された開度信号は入出力ポート34から駆動部22に出力され、この駆動信号によりコントロールバルブ20の開度が制御され、上流側の流体圧力Pを可変して、この流体圧力Pに規定される流量の原料ガス流体を下流側に供給する。
【0040】
制御回路32は入出力ポート34、RAM36、CPU38及びROM40から構成される。ROM40の中にT−P−Qメモリ部42が含まれている。このT−P−Qメモリ部42に、流体温度T・流体圧力Pのときの絞り部材通過流量Qが記憶され、このデータ群を本発明ではQ=Q(P,T)で表記し、関係Q=Q(P,T)又はQ=Q(P,T)関係とも称する。
【0041】
このQ=Q(P,T)関係測定装置1では、流体温度Tに保持された流体が供給され、コントロールバルブ20の開度を次第に大きくしながら流体圧力Pを増大させる。流体圧力Pに対応した絞り部材通過流量Qが測定され、一定の流体温度TにおけるP−Q関係が測定されながら、T−P−Qメモリ部42に記憶されてゆく。次に、流体温度Tを変化させて同様の操作を繰り返し、広範囲の流体温度Tに対するP−Q関係、即ちQ=Q(P,T)関係が測定されることになる。
【0042】
図2は本発明に用いられるQ=Q(P,T)関係を測定する具体的フロー図である。このフローにおいて使用される物理量は前記Q=Q(P,T)関係測定装置1により計測されるものである。
【0043】
ステップm1では、音速条件(Sonic Flow Condition)が設定されている。下流側流体圧力Pdと上流側流体圧力Pの比率Pd/Pが臨界値である約0.5より小さいこと、即ちPd/P<約0.5がこの実験の前提条件となる。この音速条件は、下流側に真空ポンプ12が配置され、この真空ポンプ12により下流側ガスを強制的に吸引することによって実現されている。
【0044】
ステップm2では、流体温度Tが初期温度T0に設定され、刻み温度ΔT及び最高温度Tmaxが入力される。流体温度の調節は加熱手段3により行われ、最初は初期温度T0に設定されるが、以後はT0+ΔT、T0+2ΔT・・・と刻み温度幅で昇温されてゆく。
【0045】
ステップm3では、コントロールバルブ20の開度Vが初期開度V0に設定され、開度の刻み幅(微小開度)ΔVと最大開度Vmaxが初期設定される。微小開度ΔVを小さくすると精密測定が可能になり、初期開度V0を小さくし、且つ最大開度Vmaxを大きくすると広範囲のP−Q測定が可能になる。
【0046】
ステップm4では、流体温度T、上流側流体圧力P、下流側流体圧力Pd及び絞り部材通過流量Qが測定される。下流側流体圧力Pdが測定される理由は、Pd/P<約0.5が保持されているかどうか、即ち音速条件が満足されているかどうかを常時観察するためである。もし音速条件が満足されていない場合には強力な真空ポンプ12に交換する必要がある。
【0047】
ステップm5では、流体温度Tと流体圧力Pと絞り部材通過流量Qが出力される。表現を変えると、Q=Q(P,T)の一点が出力されたことに相当し、これらのデータはT−P−Qメモリ部42に出力され記憶される。
【0048】
ステップm6では、コントロールバルブ20の開度Vが最大開度Vmaxに達したかどうかが判定される。最大開度Vmaxに達していなければ、ステップm7に進行し、開度Vを微小開度ΔVだけ増加させてステップm4にフィードバックし、再び同じフローを繰り返す。この一連のステップにより、初期温度T0における関係Q=Q(P,T0)が得られる。
【0049】
ステップm6において、最大開度Vmaxに達しておれば、ステップm8に移行する。このステップm8では、流体温度Tが最大温度Tmaxに達したかどうかが判定される。最大温度Tmaxに達していない場合には、ステップm9に移行し、流体温度Tを刻み温度ΔTだけ昇温して、ステップm3に移行する。
【0050】
流体温度TをΔTだけ昇温して、開度VをV0〜Vmaxまで変化させて、関係Q=Q(P,T0+ΔT)が測定される。このように次々と流体温度Tを昇温させながら、広範囲の流体温度Tに対して、P−Q関係が測定される。従って、Q=Q(P,T)関係を与える(T,P,Q)の3次元データ群が測定され、T−P−Qメモリ部42に格納される。
【0051】
ステップm8において、流体温度Tが最大温度Tmaxに到達した場合には、全データ測定が終了したので、測定フローは終了する。しかも、この段階で、(T,P,Q)の全データがT−P−Qメモリ部に記録され、測定が完了する。
【0052】
図3はQ=Q(P,T)関係を3次元座標で表現したグラフである。流体温度TがT1、T2,T3の場合におけるQ=Q(P,T)関係、即ちQ=Q(P,T1)、Q=Q(P,T2)及びQ=Q(P,T3)が実線グラフで表されている。これらのグラフで表される連続面がQ=Q(P,T)によって与えられる。
【0053】
図4は流体温度Tが常温であるときに行われるQ=Q(P,T)関係を測定する具体的フロー図である。このフローは図2に示されるフローからステップm2、m8、m9を除いたものに一致している。従って、その要点だけを説明する。
【0054】
まず、ステップk1で音速条件が設定される。流体は装置を取り巻く雰囲気と熱平衡状態にあるから、流体温度は環境温度Tと一致している。ステップk2では、コントロールバルブ20が初期開度V0に設定される。この初期開度V0で流体が絞り部材14に流れる。ステップk3では、流体温度T、上流側流体圧力P、下流側流体圧力Pd及び絞り部材通過流量Qが測定される。
【0055】
ステップk4では、流体温度Tと流体圧力Pと絞り部材通過流量Qが出力され、T−P−Qメモリ部42にその出力データが格納される。ステップk5では、開度Vが最大開度Vmaxに到達しているかどうかが判別され、到達していなければ、ステップk6に移行して微小開度ΔVだけ増加させて、ステップ3に飛び、同様のステップを繰り返す。
【0056】
ステップk5でコントロールバルブ20の開度Vが最大開度Vmaxに到達すれば、その段階で常温測定は終了する。このようにして、環境温度TにおけるQ=Q(P,T)関係が測定される。
【0057】
図5は本発明に用いられる圧力式流量制御装置2の構成図である。この圧力式流量制御装置2は、図1に示されるQ=Q(P,T)関係測定装置1から流量計11、下流側圧力センサ27、A/Dコンバータ31・33及び加熱手段3を除外したものに一致している。
【0058】
圧力式流量制御装置2の構成部材の作用効果は、Q=Q(P,T)関係測定装置1の構成部材の作用効果と同一であるから、その説明は省略する。従って、本装置の目的と異なる部材の作用効果についてだけ説明する。
【0059】
この圧力式流量制御装置2では、真空ポンプ12の排気作用により音速条件が自動設定されるため下流側圧力センサ27は取り外されており、また流量制御を目的とするから流量計11も取り外されている。また、流体の常温制御を行うため、加熱手段3も取り外されている。
【0060】
反応室10は流量制御されたガス流体から目的物質を得るための装置である。例えば、この圧力式流量制御装置2によりH2ガスとO2ガスを化学量論的流量に制御し、このH2ガスとO2ガスを反応室10に供給して高純度のH2Oガスを生成し、後段の装置に供給する。
【0061】
また、図示しない外部入力装置により設定流量Qsが圧力式流量制御装置2に入力される。前述したH2ガスとO2ガスであれば、H2:O2=2:1が設定流量Qsに相当する。即ち、この圧力式流量制御装置2により原料ガスを設定流量Qsに制御して、反応室10に供給するのである。
【0062】
図6は本発明に係るQ=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法の実施形態を示す具体的フロー図である。ステップn1では、設定流量Qsが入力され、ステップn2ではコントロールバルブ20の開度Vとして初期開度V0が入力される。
【0063】
同時に、ステップn2では、コンピュータ演算に必要な微小開度ΔVと微小流量ΔQが入力される。微小開度ΔVはコントロールバルブ20の開度Vを開閉制御する最小単位を意味し、また微小流量ΔQは絞り部材14から流出する流量Qを制御する最小単位を意味している。
【0064】
ステップn3では、上流側の流体圧力Pと流体温度Tが測定される。ステップn4では、これらの流体圧力Pと流体温度Tを用いて、T−P−Qメモリ部42に記憶されているQ=Q(P,T)関係を用いることにより絞り部材通過流量Qを導出する。
【0065】
T−P−Qメモリ部42に記憶されているデジタルデータの中に数値的に一致するT、Pが無い場合には、デジタルデータから公知の外挿公式又は内挿公式を用いて、前記T、Pに対応する絞り部材通過流量Qを算出する。
【0066】
ステップn5では、絞り部材通過流量Qが設定流量Qsに微小流量ΔQの範囲内で一致しているかどうかが判断される。即ち、絞り部材通過流量Qと設定流量Qsの流量差Q−Qsの絶対値がΔQ以下であれば、ステップn9において絞り部材通過流量Qが設定流量Qsに流量制御されたと判断し、前記開度Vを固定して流量制御を終了する。
【0067】
もし、流量差Q−Qsの絶対値がΔQより大きければ流量制御を続行するため、ステップn6に進行する。Q−Qs<0であれば、Q<Qsであるから、流量を増加するため流体圧力Pを大きくする必要がある。従って、ステップn7により、開度VをΔVだけ増加して再びステップn3にフィードバックされる。
【0068】
Q−Qs>0であれば、Q>Qsであるから、流量を減少するため流体圧力Pを小さくする必要がある。従って、ステップn8により、開度VをΔVだけ減少して再びステップn3にフィードバックされる。
【0069】
この制御フローでは、絞り部材通過流量Qが設定流量QsにΔQの誤差内で一致するまで演算が繰り返し行われる。コンピュータ制御によって行われるから、絞り部材通過流量Qが設定流量Qsに収束するのはほぼ瞬時である。
【0070】
微小開度ΔVと微小流量ΔQを大きく初期設定すれば粗制御になり、また微小開度ΔVと微小流量ΔQを小さく初期設定すれば精密制御が可能である。この微小開度ΔVと微小流量ΔQを初めは大きく設定して粗制御を行い、かなり接近した段階で精密制御に切り換えるフローにしてもよい。この切り換えを多段階で行うことによって効率的な制御を実現できる。
【0071】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例・設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。
【0072】
【発明の効果】
第1の発明によれば、実測により事前に求められているQ=Q(P,T)関係を用いて、コントロールバルブをある開度Vに設定した状態での絞り部材通過流量Qを導出し、この絞り部材通過流量Qと設定流量Qsとの差を算出し、この流量差をゼロにする方向にコントロールバルブの開度Vを開閉調節して、同じ演算を繰り返しながら絞り部材通過流量Qを設定流量Qsに一致するまで自動制御することができる。しかも、コンピュータ制御や電子制御によりほぼ瞬時に絞り部材通過流量Qを設定流量Qsに制御することができ、設定流量Qsが途中から変化した場合にも直ちに追随して流量制御することが可能となる。また、全て実験データだけを根拠にして流量制御するから、直接的に極めて高精度の流量制御を実現できる。
【0073】
第2の発明によれば、コンピュータ制御や電子制御では、絞り部材通過流量Qが設定流量Qsと数値的に完全に一致することは殆ど無いから、絞り部材通過流量Qと設定流量Qsとの差、即ち、Q−Qs又はQs−Qの値が微小流量値ΔQより小さければ実質上一致したと判断して流量制御することができる。このΔQの値は制御精度によって自在に決めることができ、粗制御ではΔQは大きく設定され、また精密制御ではΔQは極めて小さく設定される。このように、この方法を用いれば粗から精密に至る広範囲の流量制御を自在に行うことが可能となる。
【0074】
第3の発明によれば、絞り部材通過流量Qと設定流量Qsが不一致であるときに、コントロールバルブの開度を微小開度ΔVを単位に大小制御して絞り部材通過流量Qを設定流量Qsに接近させることができる。この演算過程はコンピュータや電子回路により高速演算できるから、微小開度ΔVを任意の値に置いても、反復制御により直ちに設定流量Qsに流量制御することができる。しかも、微小開度ΔVを小さくすると、絞り部材通過流量Qを細かく制御できるから、流量の高速高精度制御が可能となる。
【0075】
第4の発明によれば、コントロールバルブを開度Vに調節した状態で、流体圧力P、流体温度T及び絞り部材通過流量Qを測定し、この関係Q=Q(P,T)を出力し、前記コントロールバルブの開度Vを微小開度ΔVだけ変化させながら関係Q=Q(P,T)を次々と出力することができる。コントロールバルブの開度Vを増大させると、上流側の流体圧力Pは増大し、その結果絞り部材通過流量Qを大幅に可変することができる。コンピュータ制御により、コントロールバルブを微小開度ΔVだけ変化させながら流体圧力Pを微小変化させてQ=Q(P,T)の関係を次々に実験的に導出でき、広範囲の流体圧力に対し絞り部材通過流量Qを測定することができる方法である。このQ=Q(P,T)関係をコンピュータに記憶させると、任意の流体の流量制御をコンピュータ制御や電子制御により実現することが可能となる。
【0076】
第5の発明によれば、流体温度Tを一定に保持した状態でコントロールバルブを開度Vに調節し、この開度状態で流体圧力P、流体温度T及び絞り部材通過流量Qを測定し、この関係Q=Q(P,T)を出力し、前記コントロールバルブの開度Vを微小開度ΔVだけ変化させながら関係Q=Q(P,T)を次々と出力することができる。また、加熱手段により流体温度TをΔTだけ変化させて同様の方法で関係Q=Q(P,T)を次々と出力することができる。種々の流体温度Tに対してQ=Q(P,T)関係を導出できるから、広範囲の流体温度Tと広範囲の流体圧力Pに対する絞り部材通過流量Qを求めることができる。このQ=Q(P,T)関係をコンピュータや電子回路に記憶させれば、種々の流体温度Tに対して、任意の流体の流量制御をコンピュータ制御や電子制御により実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いられるQ=Q(P,T)関係測定装置1の構成図である。
【図2】本発明に用いられるQ=Q(P,T)関係を測定する具体的フロー図である。
【図3】Q=Q(P,T)関係を3次元座標で表現したグラフである。
【図4】流体温度Tが常温であるときに行われるQ=Q(P,T)関係を測定する具体的フロー図である。
【図5】本発明に用いられる圧力式流量制御装置2の構成図である。
【図6】本発明に係るQ=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法の実施形態を示す具体的フロー図である。
【図7】オリフィスからなる絞り部材14の概略説明図である。
【図8】従来特許第2837112号によって得られたCd−Re関係図である。
【符号の説明】
1はQ=Q(P,T)関係測定装置、2は圧力式流量制御装置、3は加熱手段、4は流体供給源、5は供給側連結部、6は供給側配管、7は流出側連結部、8は流出側配管、10は反応室、11は流量計、12は真空ポンプ、14は絞り部材、14aは絞り孔、16は上流側配管、18は下流側配管、20はコントロールバルブ、22は駆動部、24は上流側圧力センサ、26は温度センサ、27は下流側圧力センサ、28・30・31・33はA/Dコンバーター、32は制御回路、34は入出力ポート、36はRAM、38はCPU、40はROM、42はT−P−Qメモリ部、Aは流体流断面積、Cdは流出係数、Dは絞り孔断面直径、ΔQは微小流量、ΔVは微小開度、ΔTは刻み温度、Pは上流側の流体圧力、Pdは下流側の流体圧力、Qは絞り部材通過流量(実際の流量)、Qsは設定流量、Qthは理論流量、Reはレイノズル数、Sは最小断面積、Tは流体温度、T0は初期温度、Tmaxは最大温度、Vは開度、V0は初期開度、Vmaxは最大開度、cは音速、ρは密度。
Claims (5)
- 流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Pを検出する圧力センサと流体温度Tを検出する温度センサを有して、コントロールバルブの開度により流体圧力Pを調節して絞り部材通過流量を設定流量Qsに制御する音速条件を利用した圧力式流量制御方法において、流体温度Tと流体圧力Pに対する絞り部材通過流量Qの関係Q=Q(P,T)を求めておき、コントロールバルブを開度Vに調節したときに流体圧力Pと流体温度Tを検出し、この流体圧力Pと流体温度Tから前記関係Q=Q(P,T)により絞り部材通過流量Qを導出し、この絞り部材通過流量Qと前記設定流量Qsとの差をゼロに接近させるようにコントロールバルブの開度Vを調節することにより絞り部材通過流量Qを設定流量Qsに制御することを特徴とするQ=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法。
- 前記コントロールバルブの開度調節により、絞り部材通過流量Qと設定流量Qsの差が微小流量ΔQより小さくなったときに絞り部材通過流量Qは設定流量Qsに制御されたと判断する請求項1に記載のQ=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法。
- 前記コントロールバルブの開度Vは微小開度ΔVを単位として調節される請求項2に記載のQ=Q(P,T)関係を用いた圧力式流量制御方法。
- 流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Pを検出する圧力センサと流体温度Tを検出する温度センサと、下流側配管に設けられて絞り部材通過流量Qを計測する流量計を有した音速条件において流量を計測する流量測定装置を使用し、コントロールバルブを開度Vに調節した状態で、流体圧力P、流体温度T及び絞り部材通過流量Qを測定し、この関係Q=Q(P,T)を出力し、前記コントロールバルブの開度Vを微小開度ΔVだけ変化させながら関係Q=Q(P,T)を次々と出力することを特徴とするQ=Q(P,T)関係測定方法。
- 流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Pを検出する圧力センサと流体温度Tを検出する温度センサと、下流側配管に設けられて絞り部材通過流量Qを計測する流量計と、コントロールバルブの上流側に配設されて流体温度Tを可変する加熱手段を有した音速条件において流量を計測する流量測定装置を使用し、流体温度Tを一定に保持した状態でコントロールバルブを開度Vに調節し、この開度状態で流体圧力P、流体温度T及び絞り部材通過流量Qを測定し、この関係Q=Q(P,T)を出力し、前記コントロールバルブの開度Vを微小開度ΔVだけ変化させながら関係Q=Q(P,T)を次々と出力し、更に前記加熱手段により流体温度TをΔTだけ変化させて同様の工程で関係Q=Q(P,T)を次々と出力することを特徴とするQ=Q(P,T)関係測定方法。
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