JP2007057270A - 流体モニタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、流体の流量、圧力、温度、濃度または流速などを容易に且つ確実にモニタを行うことができ、流体のモニタを行いながら流量の微細な調節ができ、配管及び配線接続が容易であり、脈動した流体が流れても問題なく流体のモニタを行うことができる流体モニタ装置を提供することにある。
【解決手段】 本発明に係る流体モニタ装置は、流体の特性を表すパラメータを計測する計測器３と、開口面積が調節可能な絞り弁４とを具備することを特徴としている。そして、前記パラメータは、流量と、圧力と、温度と、濃度と、流速と、の少なくとも一つを含んでいる。
【選択図】 図１

Description

本発明は流体のモニタが必要とされる流体輸送配管に使用される流体モニタ装置に関するものである。さらに詳しくは、主として流体の流量、圧力、温度、濃度または流速などを容易に且つ確実にモニタを行うことができ、流体のモニタを行いながら流量の微細な調節ができ、配管及び配線接続が容易であり、脈動した流体が流れても問題なく流体のモニタを行うことができる流体モニタ装置に関するものである。

従来、半導体製造工程の一工程として、フッ酸等の薬液を純水で希釈した洗浄水を用いてウェハ表面をエッチングする湿式エッチングが用いられている。これら湿式エッチングの洗浄水の濃度は高い精度をもって管理する必要があるとされている。流体の管理において、流路の特定の箇所における流体の状態、例えば流量、圧力、温度、濃度または流速などの定期的なモニタを行う必要があり、純水や薬液などを流すラインにおいて流体を計測する装置が設けられている。

流体を計測する装置として種々提案されているが、図１５に示されるような超音波流量計３０１があった（例えば、特許文献１参照）。その構成は、流路３０２の上流と下流に離れて対向して設けられた一対の超音波センサ３０３、３０４を有し、一方の超音波センサ３０３から他方の超音波センサ３０４への信号の伝播時間と他方の超音波センサ３０４から一方の超音波センサ３０３への信号の伝播時間とから流路３０２を流れる流体の流量を測定する超音波流量測定方法において、一方の超音波センサ３０３から他方の超音波センサ３０４への信号の伝播時間の測定と、他方の超音波センサ３０４から一方の超音波センサ３０３への信号の伝播時間とを一定の時間間隔で交互に繰り返し、１回の測定におけるいずれか一方の超音波センサ３０３から他方の超音波センサ３０４への信号の伝播時間と、その前後における逆方向への信号の伝播時間の平均とを比較して流量を計算することを特徴とするものであった。その効果は、流体の流速変化、温度変化や超音波センサの温度変化による流量測定の誤差を低減することができるものであった。このような超音波流量計に別途流量を表示する表示器を設けることで流体のモニタが行なわれていた。

特開平２００３−１３０６９７号公報

しかしながら、前記従来の超音波流量計３０１の場合、流体のモニタを行うときには装置内に超音波流量計３０１と表示器を設ける必要があり、配線や設置作業は煩雑であるという問題があった。また、従来の流量計側を行なう装置には、通常流量計側を行なう機能しか設けられておらず、流体のモニタを行ないながら流量の微調節を行いたい場合、別途流量を調節する装置を設ける必要があり、この場合、構成要素が多く分かれているため、半導体製造装置内などに設置する際に、各構成要素の配管接続作業、電気配線やエア配管作業、各構成要素の調整をそれぞれ行なわなくてはならず、作業が複雑で時間を要するとともに、配管や配線が煩わしくミスが起こる恐れがあるという問題があった。さらに、装置に流入する流体が圧力変動周期の短い脈動した流れであった場合、超音波流量計は流体の変動の影響を受けることになり、安定した流量の計測を行なうことができなくなり、流体のモニタを安定してできなくなるという問題があった。

本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、流体の流量、圧力、温度、濃度または流速などを容易に且つ確実にモニタを行うことができ、流体のモニタを行いながら流量の微細な調節ができ、配管及び配線接続が容易であり、脈動した流体が流れても問題なく流体のモニタを行うことができる流体モニタ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の流体モニタ装置の構成を図に基づいて説明すると、流体の特性を表すパラメータを計測する計測器３と、開口面積が調節可能な絞り弁４とを具備することを第一の特徴とする。流体の特性を表すパラメータとは、例えば、流量、圧力、温度、流速、粘度、比重量、濃度、湿り度その他の流体の特性を表す指標値を言う。

また、前記流体の圧力変動を減衰させる圧力調整弁８３をさらに具備することを第二の特徴とする。

前記流体の流れを開放又は遮断するための開閉弁６１をさらに具備することを第三の特徴とする。

前記弁４、６１、８３および前記計測器３が、独立した接続手段を用いずに直接接続されていることを第四の特徴とする。独立した接続手段とは、別体のチューブや接続管等のことを言う。

前記弁４、６１、８３および前記計測器３が、一つのベースブロック１４６に配設されていることを第五の特徴とする。

前記弁４、６１、８３および前記計測器３が、１つのケーシング１６９内へ収納配設されていることを第六の特徴とする。

前記パラメータが、流量と、圧力と、温度と、濃度と、流速と、の少なくとも一つを含むことを第七の特徴とする。

前記絞り弁４が、上部に設けられた弁室１６の底面に弁座面１５が形成され、弁座面１５の中心に設けられた連通口１７に連通する入口流路１８と弁室１６に連通する出口流路１９を有する本体１４と、ステムの軸方向の進退移動により連通口１７に挿入可能で接液面の中心から垂下突設された第一弁体２４と弁座面１５に接離可能にされ第一弁体２４から径方向へ隔離した位置に形成された円環状凸条の第二弁体２５と第二弁体２５から径方向へ連続して形成された薄膜部２６とが一体的に設けられた隔膜２３と、上部にハンドル４５が固着され下部内周面に雌ネジ部４１と外周面に雌ネジ部４１のピッチより大きいピッチを有する雄ネジ部４２を有する第一ステム４０と、内周面に第一ステム４０の雄ネジ部４２と螺合する雌ネジ部４８を有する第一ステム支持体４７と、上部外周面に第一ステム４０の雌ネジ部４１に螺合される雄ネジ部３３を有し下端部に隔膜２３が接続される第二ステム３２と、第一ステム支持体４７の下方に位置し第二ステム３２を上下移動自在かつ回動不能に支承する隔膜押さえ３４と、第一ステム４０と隔膜押さえ３４を固定するボンネット５１とを具備することを第八の特徴とする。
なお、本制御弁の基本的構成は、特開２００５−１５５８７８に開示されているものである。

前記圧力調整弁８３が、下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙９６と第二の空隙９６に連通する入口流路９８と上部に上面が開放して設けられ第二の空隙９６の径よりも大きい径を持つ第一の空隙９７と第一の空隙９７に連通する出口流路９９と第一の空隙９７と第二の空隙９６とを連通し第一の空隙９７の径よりも小さい径を有する連通孔１００とを有し、第二の空隙９６の上面が弁座１０１とされた本体８８と、側面あるいは上面に設けられた給気孔１０４と排出孔１０５とに連通した円筒状の空隙１０２を内部に有し、下端内周面に段差部１０３が設けられたボンネット８９と、ボンネット８９の段差部１０３に嵌挿され中央部に貫通孔１０６を有するバネ受け９０と、下端部にバネ受け９０の貫通孔１０６より小径の第一接合部１１１を有し上部に鍔部１０９が設けられボンネット８９の空隙１０２内部に上下動可能に嵌挿されたピストン９１と、ピストン９１の鍔部１０９下端面とバネ受け９０の上端面で挟持支承されているバネ９２と、周縁部が本体８８とバネ受け９０との間で挟持固定され、本体８８の第一の空隙９７に蓋する形で第一の弁室１１８を形成する中央部が肉厚とされた第一ダイヤフラム１１４と、上面中央にピストン９１の第一接合部１１１にバネ受け９０の貫通孔１０６を貫通して接合固定される第二接合部１１６と、下面中央に本体８８の連通孔１００と貫通して設けられた第三接合部１１７とを有する第一弁機構体９３と、本体の第二の空隙９６内部に位置し本体の連通孔１００より大径に設けられた弁体１１９と、弁体１１９上端面に突出して設けられ第一弁機構体９３の第三接合部１１７と接合固定される第四接合部１２１と、弁体１１９下端面より突出して設けられたロッド１２２と、ロッド１２２下端面より径方向に延出して設けられた第二ダイヤフラム１２４とを有する第二弁機構体９４と、本体８８の下方に位置し第二弁機構体９４の第二ダイヤフラム１２４周縁部を本体８８との間で挟持固定する突出部１２６を上部中央に有し、突出部１２６の上端部に切欠凹部１２７が設けられると共に切欠凹部１２７に連通する呼吸孔１２８が設けられているベースプレート９５とを具備し、ピストン９１の上下動に伴って第二弁機構体９４の弁体１１９と本体８８の弁座１０１とによって形成される流体制御部１２９の開口面積が変化するように構成されていることを第九の特徴とする。
なお、本制御弁の基本的構成は、特開２００４−３８５７１に開示されているものである。

本発明の絞り弁４は、開口面積を調節可能にすると共に流路を絞って流量を安定させる構成であれば特に限定されるものではないが、図２に示すような本発明の絞り弁４の構成を有しているものが好ましい。これは幅広い流量範囲で流量調節を行なうことができ、絞り弁４の微小な開度を容易に且つ精密に調節できるので開度の微調節を短時間で行なうことができると共に、高さ方向の場所を取らずにコンパクトな構造であり流体モニタ装置１を小さく設けることができるため好適である。

また、図２において絞り弁４の第一ステム４０の外周面に設けられた雄ネジ部４２と下部内周面に設けられた雌ネジ部４１のピッチ差は、雄ネジ部４２のピッチの６分の１になるように形成されているが、ピッチ差は、雄ネジピッチの２０分の１から５分の１の範囲に設けるのが望ましい。弁体は全閉から全開までに一定範囲のリフト量を得るので、ハンドル４５のストロークが大きくなり過ぎて弁高が大きくならないようするためにピッチ差を雄ネジピッチの２０分の１より大きくすると良く、弁を細かいオーダーで精度の良い調節を行うためにピッチ差を雄ネジピッチの５分の１より小さくすると良い。

また、図３において第一弁体２４の直線部３０の外径Ｄ_１は、連通口１７の内径Ｄに対して０．９７Ｄで設定されているが、直線部３０の外径Ｄ_１は連通口１７の内径Ｄに対して０．９５Ｄ≦Ｄ_１≦０．９９５Ｄの範囲内であることが望ましい。第一弁体２４と連通口１７とを摺接させないためにＤ_１≦０．９９５Ｄが良く、流量調節をスムースに行うために０．９５Ｄ≦Ｄ_１が良い。

また、第一弁体２４のテーパ部３１のテーパ角度は軸線に対して１５°で設定されているが、１２°〜２８°の範囲内であることが望ましい。弁を大きくさせずに広い流量範囲を調節ずるために１２°以上が良く、開度に対して流量を急激に変化させないために２８°以下が良い。また、第二弁体２５の円環状凸条の径Ｄ_２は、連通口１７の内径Ｄに対して１．５Ｄで設定されているが、第二弁体２５の円環状凸条の径Ｄ_２は、連通口１７の内径Ｄに対して１．１Ｄ≦Ｄ_２≦２Ｄの範囲内であることが望ましい。第一弁体２４と第二弁体２５の間には環状溝部２８を確実に設け環状溝部２８に流体の流れを抑制させる空間部分を得るためには１．１Ｄ≦Ｄ_２が良く、開度に対して第二弁体２５と弁座面１５とで形成される開口面積の増加率を抑えるためにＤ_２≦２Ｄが良い。

また、本発明の計測器３は、流体の特性を表すパラメータが計測されて計測値が表示されるものなら特に限定されないが、流量計、圧力計、温度計、濃度計、流速計であることが好ましく、計測器３は超音波を用いて計測が行われるものが好ましい。このうち流体のモニタには流量計が良く用いられ、流量計は超音波流量計、超音波式渦流量計であることが好ましい。特に図１や図１２に示すような超音波流量計の場合、微小流量に対して精度良く流量計測ができるため、微小流量のモニタを行うのに好適である。また図１３に示すような超音波式渦流量計の場合、大流量に対して精度良く流量計測ができるため、大流量のモニタを行うのに好適である。このように、流体の流量に応じて超音波流量計と超音波式渦流量計を使い分けることで精度の良い流体のモニタを行うことができる。

また、計測器３は計測した流体の計測値を電気信号に変換して出力されるものであることが好ましく、出力された計測値は、デジタル表示されるものが好ましい。また、自動的に一定時間ごとに計測を行い、モニタ部６で計測値を記憶させる構成であることが好ましい。計測値を記憶させる場合、例えばパソコンに計測値を取り込ませて、経時的に計測値をグラフ表示したり、特定期間の計測値の平均値を取っても良い。これは流体の状態の定期的な把握と分析が容易に行なえるので好適である。

本発明は図８に示すように、流体モニタ装置８１に圧力調整弁８３を設けても良い。圧力調整弁８３は流入する流体の圧力を一定圧に調整して流出させるものであれば特に限定されるものではないが、図９に示すような本発明の圧力調整弁８３の構成を有しているものが好ましい。これはコンパクトな構造であり、且つ流入した流体が圧力変動周期の早い脈動した流れであっても、圧力調整弁８３によって圧力を一定圧に安定させることができ、これにより脈動の影響で流体の計測値が読み取りにくくなることを防止することができるため好適である。

また、本発明は図６に示すように、流体モニタ装置５９に開閉弁６１を設けても良い。これは、開閉弁６１を設けることにより、開閉弁６１を遮断することで流体モニタ装置５９のメンテナンス、修理、部品交換（以下、メンテナンス等と記す）を容易に行なうことができるため好適である。また、流体モニタ装置５９に開閉弁６１を備えておけば、流路を遮断してメンテナンス等のために流体モニタ装置５９を分解したときに、流路内に残った流体が分解した部分から漏れ出ることを最小限に抑えることができる、さらに流路内で何らかのトラブルが発生した際に、開閉弁６１で流体の緊急遮断を行なうことができるので好適である。

また、開閉弁６１は流体の流れを開放又は遮断する機能を有していれば、その構成は特に限定されるものでなく、手動によるものでも良く、エア駆動、電気駆動、磁気駆動などの自動によるものであっても良い。自動の場合、制御回路を設けて計測器６２とリンクさせ計測値に応じて開閉弁６１を駆動させるようにしても良く、流体モニタ装置５９から独立して駆動させても良い。流体モニタ装置５９とリンクさせて駆動させる場合、流体モニタ装置５９内で一括制御を行なうことができるので好適である。流体モニタ装置５９から独立して駆動させる場合、流体モニタ装置５９にトラブルが発生した際に、開閉弁６１で流路を緊急遮断させる場合に流体モニタ装置５９のトラブルに影響せずに駆動を行うことができるため好適である。

また、開閉弁６１の設置位置は、メンテナンス等を行うためには他の弁６３および計測器６２より上流側に設置することが望ましい。さらに開閉弁６１を他の弁６３および計測器６２より上流側と下流側の両方に設けた構成にしても良い。このとき、両方の開閉弁６１を閉止することで、流体モニタ装置５９の上流側と下流側の流れを止めることで流体の逆流などが防止され、メンテナンス等を行うときに流体の漏れが確実に防止されるために好適である。

本発明の流体モニタ装置は、図１、６、８、１０に示すように、隣り合う弁４、６１、８３および計測器３が、チューブや接続管等の独立した接続手段を用いずに直接接続されていることが好ましい。これは、各構成要素がチューブや接続管を用いずに直接接続されることにより、流体モニタ装置１をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができ、設置作業が容易になり作業時間が短縮でき、流体モニタ装置１内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができるため好適である。このとき、弁４、６１、８３および計測器３の本体は、同一のベースブロックを用いた構成でも良く、別個の部材を流路のシールおよび流路の方向転換を行なうための接続部材１２、１３を介在させて直接接続しても良い。この構成の場合、特に計測器３のメンテナンスが容易になるので好適である。

本発明の流体モニタ装置は、図１１に示すように、弁１４０、１４１、１４３および計測器１４２が、流路の形成された一つのベースブロック１４６に配設されていることが好ましい。これは、各構成要素が一つのベースブロック１４６に配設されることにより、流体モニタ装置１３８をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができ、設置作業が容易になり作業時間が短縮でき、流体モニタ装置１３８内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができ、さらに部品点数を少なくすることができるので流体モニタ装置１３８の組み立てを容易にすることができるため好適である。

本発明の流体モニタ装置は、図１２に示すように、１つのケーシング１６９内に設置してなる構成であることが好ましい。これは、１つのケーシング１６９内に設置してなることにより、流体モニタ装置１６８が一つのモジュールとなるため、設置が容易になり、設置作業の作業時間が短縮できるため好適である。また、ケーシング１６９によって弁１７１、１７２、１７４および計測器１７３が保護されると共に、流体モニタ装置１６８をブラックボックス化することで、本発明のような流体モニタ装置１６８を半導体製造装置などに設置したときに、半導体製造装置の利用者が流体モニタ装置１６８を安易に分解することにより不具合が生じることを防止することができるため好適である。

本発明の計測器３、絞り弁４、圧力調整弁８３、開閉弁６１の設置の順番は、どのような順番に設けても良く特に限定されない。

また、本発明の流体モニタ装置は、流体のモニタを行なう必要のある用途であれば、いずれに使用しても良いが、半導体製造装置内へ配置されることが好適である。半導体製造工程の前工程では、フォトレジスト工程、パターン露光工程、エッチング工程や平坦化工程などが挙げられ、これらの洗浄水の濃度を、純水と薬液の流量比で管理する際に本発明の流体モニタ装置を用いてモニタを行うことが好適である。

また、本発明の計測器３、絞り弁４、開閉弁６１、圧力調整弁８３の各部品の材質は、樹脂製であれば塩化ビニル、ポリプロピレン（以下、ＰＰと記す）、ポリエチレンなどいずれでも良いが、特に流体に腐食性流体を用いる場合はポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）、ポリビニリデンフルオロライド（以下、ＰＶＤＦと記す）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂（以下、ＰＦＡと記す）などのフッ素樹脂であることが好ましく、フッ素樹脂製であれば腐食性流体に用いることができ、また腐食性ガスが透過しても弁４、６１、８３および流量計測器３の腐食の心配がなくなるため好適である。

本発明は以上のような構造をしており、以下の優れた効果が得られる。
（１）流体の流量、圧力、温度、濃度または流速などを容易に且つ確実にモニタを行なうことができ、流体のモニタを行いながら流量を調節することができる。
（２）流体モニタ装置の構成要素がチューブや接続管等の独立した接続手段を用いずに直接接続されているため、流体モニタ装置をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができ、設置作業が容易になり作業時間が短縮でき、流体モニタ装置内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができる。
（３）流体モニタ装置が流路の形成された一つのベースブロックに配設されていることにより、流体モニタ装置をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができ、設置作業が容易になり作業時間が短縮でき、流体モニタ装置内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができ、さらに部品点数を少なくすることができるので流体モニタ装置の組み立てを容易にすることができる。
（４）流体モニタ装置が１つのケーシング内に設置してなることにより、設置が容易になり、設置作業の作業時間が短縮でき、各弁および計測器がケーシングにより保護されると共に、流体モニタ装置をブラックボックス化することで、安易に流体モニタ装置を分解させることを防ぎ、不慣れな利用者が流体モニタ装置を分解することにより不具合が生じることを防止することができる。
（５）本発明の構成の絞り弁を用いることにより、広い流量範囲で流量調節を行なうことができ、さらに絞り弁の微小な開度を容易に且つ精密に調節できるので開度の微調節を短時間で行なうことができると共に、コンパクトな構造であるため流体モニタ装置を小さく設けることができる。
（６）流体モニタ装置に開閉弁を設けることにより、開閉弁を閉状態にすることで流体モニタ装置のメンテナンス、修理、部品交換を、流体が漏れ出ることなく容易に行なうことができると共に、流路内で何らかのトラブルが発生した際に、開閉弁で流体の緊急遮断を行なうことができる。
（７）流体モニタ装置に本発明の構成の圧力調整弁を用いることにより、脈動した流体が流れたとしても圧力を一定圧に安定させることができ、コンパクトな構成であるため流体モニタ装置を小さく設けることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に示す実施例を参照して説明するが、本発明が本実施例に限定されないことは言うまでもない。図１は本発明の第一の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。図２は図１の絞り弁の拡大図である。図３は図２の絞り弁が開状態を示す要部拡大図である。図４は図２の絞り弁が閉状態を示す要部拡大図である。図５は図２の絞り弁が半開状態を示す要部拡大図である。図６は本発明の第二の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。図７は図６の開閉弁の拡大図である。図８は本発明の第三の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。図９は図８の圧力調整弁の拡大図である。図１０は本発明の第四の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。図１１は本発明の第五の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。図１２は本発明の第六の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。図１３は本発明の第七の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。図１４は図１３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

以下、図１乃至図５に基づいて本発明の第一の実施例である流体モニタ装置について説明する。

１は半導体製造のエッチング工程を行う半導体製造装置内に設置された流体モニタ装置である。流体モニタ装置１は、流体流入口２、計測器３、絞り弁４、流体流出口５、モニタ部６から形成され、その各々の構成は以下の通りである。

２はＰＦＡ製の流体流入口である。流体流入口２は後記計測器３の入口流路７に連通している。

３は流体の流量を計測する超音波流量計である計測器である。計測器３は、入口流路７と、入口流路７から垂設された直線流路８と、直線流路８から垂設され入口流路７と同一方向に平行して設けられた出口流路９とを有し、入口、出口流路７、９の側壁の直線流路８の軸線と交わる位置に、超音波振動子１０、１１が互いに対向して配置されている。出口流路９は後記絞り弁４の入口流路１８に連通している。超音波振動子１０、１１はフッ素樹脂で覆われており、該振動子１０、１１から伸びた配線は後記モニタ部６の演算部５７に繋がっている。なお、計測器３の超音波振動子１０、１１以外はＰＦＡ製である。また、入口流路７と流体流入口２とは接続部材１２を介して流路の方向転換が行なわれて直接接続され、出口流路９と後記絞り弁４の入口流路１８とは接続部材１３を介して流路の方向転換が行なわれて直接接続されて連通している。

図２に示すように、４は開口面積が調節可能な絞り弁である。絞り弁は本体１４、隔膜２３、第二ステム３２、隔膜押さえ３４、第一ステム４０、第一ステム支持体４７、ボンネット５１で形成される。

１４はＰＴＦＥ製の本体である。本体１４の上部に後記隔膜２３とで形成される略すり鉢形状の弁室１６を有しており、弁室１６の底面には後記第二弁体２５の圧接によって流路の全閉シールを行う弁座面１５が形成され、弁座面１５の中心に設けられた連通口１７に連通する入口流路１８と弁室１６に連通する出口流路１９を有している。弁室１６の上方には後記隔膜押さえ３４の嵌合部３６を受容する凹部２１が設けられていて、その底面には後記隔膜２３の環状係止部２７が嵌合する環状凹部２０が設けられている。また本体１４の上部外周面には、後記ボンネット５１が螺着される雄ネジ部２２が設けられている。

２３はＰＴＦＥ製の隔膜であり、隔膜２３の下部に接液面の中心から垂下突設された第一弁体２４と、第一弁体２４から径方向へ隔離した位置に形成された先端が断面円弧状の円環状凸条の第二弁体２５と、第二弁体２５から径方向へ連続して形成された薄膜部２６と、薄膜部２６の外周に断面矩形状の環状係止部２７と、隔膜２３の上部に後記第二ステム３２の下端部に接続される接続部２９が一体的に設けられている。第一弁体２４は、下方に向かって直線部３０とテーパ部３１とが連続して設けられており、第一弁体２４と第二弁体２５の間には環状溝部２８が形成されている。環状溝部２８は、その空間部で流体の流れを抑制させるために、全閉時に環状溝部２８と弁座面１５とで形成される空間部分の体積が、全閉時に第一弁体２４の直線部３０と連通口１７とで形成される空間部分の体積の２倍以上に設定される。また、図３に示すように、第一弁体２４の直線部３０の外径Ｄ_１は、連通口１７の内径Ｄに対して０．９７Ｄで設定され、第一弁体２４のテーパ部３１のテーパ角度は軸線に対して１５°で設定され、第二弁体２５の円環状凸条の径Ｄ_２は、連通口１７の内径Ｄに対して１．５Ｄで設定されている。隔膜２３は、環状係止部２７を本体１４の環状凹部２０に嵌合された状態で本体１４と後記隔膜押さえ３４とで挟持固定される。

３２はＰＰ製の第二ステムである。第二ステム３２の上部外周面には後記第一ステム４０の雌ネジ部４１に螺合される雄ネジ部３３が設けられ、下部外周は六角形状に形成され、下端部には隔膜２３の接続部２９が螺着により接続されている。

３４はＰＰ製の隔膜押さえである。隔膜押さえ３４の上部には外周が六角形状の挿入部３５が、下部には外周が六角形状の嵌合部３６がそれぞれ設けられており、中央部外周には鍔部３７が設けられている。隔膜押さえ３４の内周には六角形状の貫通孔３８が設けられ、下端面から貫通孔３８に向かって縮径するテーパ部３９が設けられている。挿入部３５は後記第一ステム支持体４７の中空部４９に回動不能に嵌合され、嵌合部３６は本体１４の凹部２１に回動不能に嵌合される。貫通孔３８には第二ステム３２を挿通させ、第二ステム３２を上下移動自在かつ回動不能に支承している。

４０はＰＰ製の第一ステムである。第一ステム４０の下部内周面には第二ステム３２の雄ネジ部３３が螺合するピッチが１．２５ｍｍの雌ネジ部４１と、外周面にはピッチが１．５ｍｍの雄ネジ部４２が設けられており、雄ネジ部４２と雌ネジ部４１のピッチ差は０．２５ｍｍであり、雄ネジ部４２のピッチの６分の１になるように形成されている。第一ステム４０の下部外周には径方向に突出して設けられたストッパー部４３が設けられ、上部には後記把持部４６を有するハンドル４５が固着されている。

４７はＰＰ製の第一ステム支持体である。第一ステム支持体４７の上部内周面には第一ステム４０の雄ネジ部４２に螺合される雌ネジ部４８が設けられており、下部内周には後記隔膜押さえ３４の挿入部３５を回動不能に嵌合する六角形状の中空部４９が設けられており、下部外周には後記ボンネット５１によって固定される鍔部５０が設けられている。

５１はＰＰ製のボンネットである。ボンネット５１の上部には第一ステム支持体４７の鍔部５０の外径より小さい内径を有する係止部５２が設けられ、下部内周面には本体１４の雄ネジ部２２に螺着される雌ネジ部５３が設けられている。ボンネット５１は、第一ステム支持体４７の鍔部５０と隔膜押さえ３４の鍔部３７を、係止部５２と本体１４の間で挟持した状態で本体１４に螺着していることで各部品を固定することができる。

５はＰＦＡ製の流体流出口である。

６はモニタ部である。モニタ部６は前記計測器３から出力された信号から流量を演算する演算部５７と、測定値を表示する表示部５８を有している。演算部５７には、送信側の超音波振動子１０に一定周期の超音波振動を出力する発信回路と、受信側の超音波振動子１１からの超音波振動を受信する受信回路と、各超音波振動の伝播時間を比較する比較回路と、比較回路から出力された伝播時間差から流量を演算する演算回路とを備えている。表示部５８には、デジタル表示にて演算部５７から出力された計測値が表示される。なお、本実施例ではモニタ部６は流体モニタ装置１と別体で設けられた構成であるが、流体モニタ装置１と一体的に設けても良く、流体のモニタを行ないながら流体の微調節を行い易い配置にすることが好ましい。

次に、本発明の第一の実施例である流体モニタ装置の作動について説明する。

流体モニタ装置１の流体流入口２に流入した流体は、まず計測器３に流入し、直線流路８で流量が計測される。流体の流れに対して上流側に位置する超音波振動子１０から下流側に位置する超音波振動子１１に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子１１で受信された超音波振動は電気信号に変換され、モニタ部６の演算部５７へ出力される。超音波振動が上流側の超音波振動子１０から下流側の超音波振動子１１へ伝播して受信されると、瞬時に演算部５７内で送受信が切換えられて、下流側に位置する超音波振動子１１から上流側に位置する超音波振動子１０に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子１０で受信された超音波振動は、電気信号に変換され、モニタ部６内の演算部５７へ出力される。このとき、超音波振動は直線流路８内の流体の流れに逆らって伝播していくので、上流側から下流側へ超音波振動を伝播させるときに比べて流体中での超音波振動の伝播速度が遅れ、伝播時間が長くなる。出力された相互の電気信号は演算部５７内で伝播時間が各々計測され、伝播時間差から流量が演算される。演算部５７で演算された流量は電気信号に変換されて表示部５８に出力され、表示部５８で流量の計測値が表示される。

計測器８４を通過した流体は絞り弁４に流入する。絞り弁４に流入した流体は、絞り弁４で精密に開口面積が調製されることによって、一定流量に調節されて流出される。

ここで絞り弁４が微小な開度の調節を行なう作動について説明する。まず、本実施例の絞り弁４が全閉状態（図４の状態）において、入口流路１８から流入してきた流体は、弁座面１５に圧接された第二弁体２５によって閉止される。

ハンドル４５を弁が開放する方向に回動させると、ハンドル４５の回動に伴なって第一ステム４０が外周面の雄ネジ部４２のピッチ分だけ上昇し、逆に第一ステム４０の内周面の雌ネジ部４１に螺合された第二ステム３２は第一ステム４０の雌ネジ部４１のピッチ分だけ下降する。ただし、第二ステム３２は回動不能の状態で隔膜押さえ３４の貫通孔３８に収容されており上下方向のみに移動可能であるため、第二ステム３２は本体１４に対して第一ステム４０外周面の雄ネジ部４２と内周面の雌ネジ部４１のピッチ差分、本実施例では第一ステム４０の雄ネジ部４２のピッチが１．５ｍｍ、第一ステム４０の雌ネジ部４１のピッチが１．２５ｍｍにしているので、第一ステム４０に連動したハンドル４５を１回転させることによって第二ステム３２は０．２５ｍｍ（雄ネジ部４２のピッチの６分の１）上昇する。これに伴って、第二ステム３２と接続された隔膜２３が上昇することで最初に本体１４の弁座面１５に圧接されていた第二弁体２５が弁座面１５から離間し、第一弁体２４は隔膜の上昇に伴なって上昇し、絞り弁４が半開状態となる（図５の状態）。流体は入口流路１８から弁室１６へと流れ込み、出口流路１９を通過して排出される。

次に上記絞り弁４が半開状態（図５の状態）から、さらにハンドル４５を開方向に回動させると第一ステム４０の下部外周のストッパー部４３が第一ステム支持体４７の天井面５６に圧接して回動は停止される。ハンドル４５、第一ステム４０および第二ステム３２の回動と連動して隔膜２３が上昇し、第一弁体２４と第二弁体２５は隔膜２３の上昇に伴なって上昇し、弁は全開状態となる（図２、図３の状態）。なお、第一弁体２４は、全開状態でも連通口１７から抜けることはないので、絞り弁４は全閉から全開まで流量調節が行われる。

上記作用において、絞り弁４が全閉から全開に至るまで、開度によって第一弁体２４と連通口１７とで形成される第一流量調節部５４の開口面積Ｓ１と、第二弁体２５と弁座面１５とで形成される第二流量調節部５５の開口面積Ｓ２は変化するが、Ｓ１とＳ２の大小関係によって流量を調節する作用がそれぞれ異なる。以下に絞り弁４の開度の全閉から全開に至るまでのＳ１とＳ２の関係と流量の調節の仕組みを図３乃至図５に基づいて説明する。

Ｓ１＞Ｓ２の場合、絞り弁４の開度は全閉から微開の時であり、流量は第二流量調節部５５によって、つまりＳ２の大小によって調節される。Ｓ１＞Ｓ２の範囲内では、第一流量調節部５４は、第一弁体２４の直線部３０と連通口１７で流量を一定に調節することができ、流体は第一流量調節部５４によって流量を一定にされた後、第二流量調節部５５に至る前にまず環状溝部２８により形成される空間部分に流れ込む。流体は環状溝部２８の底面に当たり、径方向へ広がって第二弁体２５の内周面に当たり、さらに流れの向きを変えて第二流量調節部５５に至るため、空間部分で流体の流れが一旦停滞される。そのため流体は、空間部分で流れが抑制されて急激な流量の増加を抑えることができ、第二流量調節部５５で十分制御可能な流れで第二流量調節部５５に至り、第二流量調節部５５で精度良く流量が調節されるため、絞り弁４が微開時の微小流量の調節が可能となる。このとき、第二弁体２５の円環状凸条の径Ｄ_２は、連通口１７の内径Ｄに対して１．１Ｄ≦Ｄ_２≦２Ｄの範囲内で設けられているため、流量の増加を抑制するのに効果的な環状溝部２８を第一弁体２４と第二弁体２５の間に形成することができ、環状溝部２８により形成される空間部分で第一流量調節部５４からの流体の流れを抑制することができる。

Ｓ１＝Ｓ２の場合、第一流量調節部５４の開口面積Ｓ１と第二流量調節部５５の開口面積Ｓ２が同一となり、この時点を境に流量を調節する部分が第二流量調節部５５から第一流量調節部５４へと切り替わる。つまりＳ１の大小によって流量は調節される。

Ｓ１＜Ｓ２の場合、絞り弁４の開度は微開から大きくして全開に至るまでであり、第二流量調節部５５では細かい流量調節が困難となり、第一流量調節部５４によって、つまりＳ１の大小によって調節される。Ｓ１＜Ｓ２の範囲内では、第一流量調節部５４は第一弁体２４のテーパ部３１と連通口１７で流量を調節しており、第一弁体２４のテーパ部３１は、絞り弁４の開度に対して開口面積Ｓ１が比例して増加するように設定されているため、絞り弁４の開度を大きくするにつれて流量は線形に比例して増加するように調節することができる。

このことから、本発明の絞り弁４は、開度が微小なときには第二流量調節部５５によって流量調節を行い、開度を大きくすると第二流量調節部５５から第一流量調節部５４に切り替わって流量調節を行うので、全閉から全開に至るまで開度に対して流量が良好な比例関係を得ることができ、微小な流量から大きな流量まで確実な流量の調節が可能となり、幅広い流量範囲で流量調節を行うことができる。

次に、絞り弁４が全開状態からハンドル４５を逆に閉方向に回動させた場合は、開方向に回動させた場合とは逆の作動で弁体が降下し、絞り弁４の開度に応じて流量調節が行われる。ハンドル４５を閉方向に回動させて全閉状態にした時には第二弁体２５と弁座面１５とが線接触によって確実な全閉シールを行うことができる。絞り弁４が全閉状態のとき、第一弁体２４は常に連通口１７とは非接触であるため、絞り弁４の長期的な使用により、弁体や弁座面１５が摩耗などによって変形することがなく、長期間の使用によって流量調節特性が安定できなくなることを防止できる。

以上の作動により、流体モニタ装置１の流体流入口２に流入する流体は、計測器３で測定され、絞り弁４で一定流量に調節されて流体流出口５から流出される。これにより流量を安定させて計測器３で計測することができるため、安定した流体のモニタを行なうことができ、モニタを行なうと同時に流量の微調節を行なうことができる。計測器３である超音波流量計は、流体の流れ方向に対する伝播時間差から流量を計測するため微小流量でも正確に流量を計測でき、微小流量の流体のモニタに優れた効果を発揮する。また、絞り弁４は微小な開度の調節を容易に行なうことができる構成であるため、開度の微調節を精密且つ短時間で行なうことができる。

次に、図６、図７基づいて本発明の第二の実施例である流体モニタ装置について説明する。

５９は流体モニタ装置である。流体モニタ装置５９は、流体流入口６０、開閉弁６１、計測器６２、絞り弁６３、流体流出口６４、モニタ部６５から形成され、その各々の構成は以下の通りである。

６１は開閉弁である。開閉弁６１は本体６６、駆動部６７、ピストン６８、ダイヤフラム押さえ６９、弁体７０で形成される。

６６はＰＴＦＥ製の本体であり、軸線方向上端の中央に弁室７１と、弁室７１と連通した入口流路７２と出口流路７３とを有しており、入口流路７２は流体流入口６０に連通し、出口流路７３は計測器６２に連通している。また、本体６６の上面における弁室７１の外側には環状溝７４が設けられている。

６７はＰＶＤＦ製の駆動部であり、内部に円筒状のシリンダ部７５が設けられ、前記本体６６の上部にボルト・ナット（図示せず）で固定されている。駆動部６７の側面にはシリンダ部７５の上側及び下側にそれぞれ連通された一対の作動流体供給口７６、７７が設けられている。

６８はＰＶＤＦ製のピストンであり、駆動部６７のシリンダ部７５内に密封状態且つ軸線方向に上下動自在に嵌挿されており、底面中央にロッド部７８が垂下して設けられている。

６９はＰＶＤＦ製のダイヤフラム押さえであり、中央部にピストン６８のロッド部７８が貫通する貫通孔７９を有しており、本体６６と駆動部６７の間に挟持されている。

７０は弁室７１に収容されているＰＴＦＥ製の弁体であり、ダイヤフラム押さえ６９の貫通孔７９を貫通し且つダイヤフラム押さえ６９の下面から突出した前記ピストン６８のロッド部７８の先端に螺着されており、ピストン６８の上下動に合わせて軸線方向に上下するようになっている。弁体７０は外周にダイヤフラム８０を有しており、ダイヤフラム８０の外周縁は本体６６の環状溝７４内に嵌挿されており、ダイヤフラム押さえ６９と本体６６との間に挟持さている。第二の実施例のその他の構成は第一の実施例と同様なので説明を省略する。

次に、本発明の第二の実施例である流体モニタ装置の作動について説明する。

流体モニタ装置５９の流体流入口６０に流入した流体は、まず開閉弁６１に流入する。開閉弁６１が閉状態の場合、流体は開閉弁６１で遮断され、開閉弁６１から下流には流体が流れなくなる。これにより、流体モニタ装置５９内の計測器６２、絞り弁６３、モニタ部６５のメンテナンス等を容易に行なうことができる。また、流路内で何らかのトラブルが発生した際に、開閉弁６１を閉状態にすることで流体の緊急遮断することができ、例えば腐食性流体が漏れ出ることで半導体製造装置内の部品を腐食させるなどの二次災害を防止することができる。また開閉弁６１が開状態の場合、流体は開閉弁６１を通過して計測器６２に流入し、計測器６２で測定され、絞り弁６３で一定流量に調節されて流体流出口６４から流出される。

ここで、開閉弁６１の作動を説明する。作動流体供給口７７から外部より作動流体として圧縮空気が注入されると、圧縮空気の圧力でピストン６８が押し上げられるためこれと接合されているロッド部７８は上方へ引き上げられ、ロッド部７８の下端部に接合された弁体７０も上方へ引き上げられ弁は開状態となる。

一方、作動流体供給口７６から圧縮空気が注入されると、ピストン６８が押し下げられるのにともなって、ロッド部７８とその下端部に接合された弁体７０も下方へ押し下げられ、弁は閉状態となる。

以上の作動により、流体モニタ装置５９の流体流入口６０に流入する流体は、開閉弁６１を閉状態にすることにより、流体モニタ装置５９のメンテナンス等を容易に行なうことができ、また流体の緊急遮断を行なうことが可能である。第二の実施例のその他の作動は第一の実施例と同様なので説明を省略する。

次に、図８、図９に基づいて本発明の第三の実施例である流体モニタ装置について説明する。

８１は流体モニタ装置である。流体モニタ装置８１は、流体流入口８２、圧力調整弁８３、計測器８４、絞り弁８５、流体流出口８６、モニタ部８７から形成され、その各々の構成は以下の通りである。

８３は操作圧に応じて流体圧力を制御する圧力調整弁である。圧力調整弁８３は本体８８、ボンネット８９、バネ受け９０、ピストン９１、バネ９２、第一弁機構体９３、第二弁機構体９４、ベースプレート９５で形成される。

８８はＰＴＦＥ製の本体であり、下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙９６と、上部に上面開放して設けられた第二の空隙９６の径よりも大きい径を持つ第一の空隙９７を有し、側面には第二の空隙９６と連通している入口流路９８と、入口流路９８と対向する面に第一の空隙９７と連通している出口流路９９と、さらに、第一の空隙９７と第二の空隙９６とを連通し第一の空隙９７の径よりも小さい径を有する連通孔１００とが設けられている。第二の空隙９６の上面部は弁座１０１とされている。また、出口流路９９は後記流体流出口５に連通している。

８９はＰＶＤＦ製のボンネットであり、内部に円筒状の空隙１０２と下端内周面に空隙１０２より拡径された段差部１０３が設けられ、側面には空隙１０２内部に圧縮空気を供給するために空隙１０２と外部とを連通する給気孔１０４および給気孔１０４より導入された圧縮空気を微量に排出するための微孔の排出孔１０５が設けられている。なお、排出孔１０５は圧縮空気の供給において必要ない場合は設けなくてもかまわない。

９０はＰＶＤＦ製で平面円形状のバネ受けであり、中央部に貫通孔１０６を有し、略上半分がボンネット８９の段差部１０３に嵌挿されている。バネ受け９０の側面部には環状溝１０７が設けられ、Ｏ−リング１０８を装着することによりボンネット８９から外部への圧縮空気の流出を防いでいる。

９１はＰＶＤＦ製のピストンであり、上部に円盤状の鍔部１０９と、鍔部１０９の中央下部より円柱状に突出して設けられたピストン軸１１０と、ピストン軸１１０の下端に設けられた雌ネジ部からなる第一接合部１１１を有する。ピストン軸１１０はバネ受け９０の貫通孔１０６より小径に設けられており、第一接合部１１１は後記第一弁機構体９３の第二接合部１１６と螺合により接合されている。

９２はＳＵＳ製のバネであり、ピストン９１の鍔部１０９下端面とバネ受け９０の上端面とで挟持されている。ピストン９１の上下動にともなってバネ９２も伸縮するが、そのときの荷重の変化が少ないよう、自由長の長いものが好適に使用される。

９３はＰＴＦＥ製の第一弁機構体であり、外周縁部より上方に突出して設けられた筒状部１１２を有した膜部１１３と肉厚部を中央部に有する第一ダイヤフラム１１４と、第一ダイヤフラム１１４の中央上面より突出して設けられた軸部１１５の上端部に設けられた小径の雄ネジからなる第二接合部１１６、および同中央下面より突出して設けられ下端部に形成された雌ネジ部からなる後記第二弁機構体９４の第四接合部１２１と螺合される第三接合部１１７を有する。第一ダイヤフラム１１４の筒状部１１２は、本体８８とバネ受け９０との間で挟持固定されることで、第一ダイヤフラム１１４下面より形成される第一の弁室１１８が密封して形成されている。また、第一ダイヤフラム１１４上面、ボンネット８９の空隙１０２はＯ−リング１０８を介して密封されており、ボンネット８９の給気孔１０４より供給される圧縮空気が充満している気室を形成している。

９４はＰＴＦＥ製の第二弁機構体であり、本体８８の第二の空隙９６内部に配設され連通孔１００より大径に設けられた弁体１１９と、弁体１１９上端面から突出して設けられた軸部１２０と、その上端に設けられた第三接合部１１７と螺合により接合固定される雄ネジ部からなる第四接合部１２１と、弁体１１９下端面より突出して設けられたロッド１２２と、ロッド１２２下端面より径方向に延出して設けられ周縁部より下方に突出して設けられた筒状突部１２３を有する第二ダイヤフラム１２４とから構成されている。第二ダイヤフラム１２４の筒状突部１２３は後記ベースプレート９５の突出部１２６と本体８８との間で挟持されることにより、本体８８の第二の空隙９６と第二ダイヤフラム１２４とで形成される第二の弁室１２５を密閉している。

９５はＰＶＤＦ製のベースプレートであり、上部中央に第二弁機構体９４の第二ダイヤフラム１２４の筒状突部１２３を本体８８との間で挟持固定する突出部１２６を有し、突出部１２６の上端部に切欠凹部１２７が設けられると共に、側面に切欠凹部１２７に連通する呼吸孔１２８が設けられており、ボンネット８９との間で本体８８を通しボルト、ナット（図示せず）にて挟持固定している。なお、本実施例ではバネ９０がボンネット８９の空隙１０２内に設けてピストン９１、第一弁機構体９３、第二弁機構体９４を上方へ付勢するような構成であるが、バネ９０をベースプレート９５の切欠凹部１２７に設けてピストン９１、第一弁機構体９３、第二弁機構体９４を上方へ付勢するような構成にしても良い。第三の実施例のその他の構成は第一の実施例と同様なので説明を省略する。

次に、本発明の第三の実施例である流体モニタ装置の作動について説明する。

流体モニタ装置８１の流体流入口８２から流入した流体は圧力調整弁８３に流入する。圧力調整弁８３は電空変換器（図示せず）から一定の操作圧が供給され、流入した流体の圧力変動を圧力調整弁８３の作動により一定にして流出される。

ここで、電空変換器から供給される操作圧に対する圧力調整弁８３の作動について説明する（図９参照）。第二弁機構体９４の弁体１１９は、ピストン９１の鍔部１０９とバネ受け９０とに挟持されているバネ９２の反発力と、第一弁機構体９３の第一ダイヤフラム１１４下面の流体圧力により上方に付勢する力が働き、第一ダイヤフラム１１４上面の操作圧の圧力により下方に付勢する力が働いている。さらに厳密には、弁体１１９下面と第二弁機構体９４の第二ダイヤフラム１２４上面が流体圧力を受けているが、それらの受圧面積はほぼ同等とされているため力はほぼ相殺されている。したがって、第二弁機構体９４の弁体１１９は、前述の３つの力が釣り合う位置にて静止していることとなる。

電空変換機から供給される操作圧力を増加させると第一ダイヤフラム１１４を押し下げる力が増加することにより、第二弁機構体９４の弁体１１９と弁座１０１との間で形成される流体制御部１２９の開口面積が増加するため、第一の弁室１１８の圧力を増加させることができる。逆に、操作圧力を減少させると流体制御部１２９の開口面積は減少し圧力も減少する。そのため、操作圧力を調整することで任意の圧力に設定することができる。

この状態で、上流側の流体圧力が増加した場合、瞬間的に第一の弁室１１８内の圧力も増加する。すると、第一ダイヤフラム１１４の上面が操作圧による圧縮空気から受ける力より、第一ダイヤフラム１１４の下面が流体から受ける力のほうが大きくなり、第一ダイヤフラム１１４は上方へと移動する。それにともなって、弁体１１９の位置も上方へ移動するため、弁座１０１との間で形成される流体制御部１２９の開口面積が減少し、第一の弁室１１８内の圧力を減少させる。最終的に、弁体１１９の位置が前記３つの力が釣り合う位置まで移動し静止する。このときバネ９２の荷重が大きく変わらなければ、空隙１０２内部の圧力、つまり、第一ダイヤフラム１１４上面が受ける力は一定であるため、第一ダイヤフラム１１４下面が受ける圧力はほぼ一定となる。したがって、第一ダイヤフラム１１４下面の流体圧力、すなわち、第一の弁室１１８内の圧力は、上流側の圧力が増加する前とほぼもとの圧力と同じになっている。

上流側の流体圧力が減少した場合、瞬間的に第一の弁室１１８内の圧力も減少する。すると、第一ダイヤフラム１１４の上面が操作圧による圧縮空気から受ける力より、第一ダイヤフラム１１４の下面が流体から受ける力のほうが小さくなり、第一ダイヤフラム１１４は下方へと移動する。それにともなって、弁体１１９の位置も下方へ移動するため、弁座１０１との間で形成される流体制御部１２９の開口面積が増加し、第一の弁室１１８の流体圧力を増加させる。最終的に、弁体１１９の位置が前記３つの力が釣り合う位置まで移動し静止する。したがって、上流側圧力が増加した場合と同様に、第一の弁室１１８内の流体圧力はほぼもとの圧力と同じになっている。

以上の作動により、流体モニタ装置８１に流入する流体は、圧力調整弁８３で一定圧力にされた後に、計測器８４で流量を計測し、絞り弁８５で流量を調節されて流体流出口８６から流出される。このことから、圧力調整弁８３によって一定の流体圧力されるため、流体モニタ装置８１に流入する流体の上流側圧力が変動しても圧力調整弁８３の作動により流量は自立的に一定に保たれるためポンプの脈動など瞬間的な圧力変動が発生しても、脈動の影響で計測値が読み取りにくくなるのを防止し、安定した流体のモニタリングを行なうことができる。

次に、図１０に基づいて本発明の第四の実施例である流体モニタ装置について説明する。

１３０は流体モニタ装置である。流体モニタ装置１３０は、流体流入口１３１、開閉弁１３２、圧力調整弁１３３、計測器１３４、絞り弁１３５、流体流出口１３６、モニタ部１３７から形成されている。なお、本実施例では開閉弁１３２と圧力調整弁１３３の本体は同一のベースブロックに設けられている。第四の実施例のその他の構成および作動は実施例１乃至実施例３と同様なので説明を省略する。第四の実施例では、計測器１３４により流量の計測が行なわれるので、モニタを行なうと同時に絞り弁１３５により幅広い流量範囲での微細な流量調節ができ、開閉弁１３２により流体モニタ装置１３０のメンテナンス等を容易に行なうことができ、流体の緊急遮断を行なうことができる。

ここで、実施例１乃至実施例４において、隣り合う弁および計測器がチューブや接続管を用いずに直接接続されて設けられているため、流体モニタ装置をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができる。また、設置作業が容易になり作業時間が短縮することができ、流体モニタ装置内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができる。

次に、図１１に基づいて本発明の第五の実施例の流体モニタ装置について説明する。

１３８は流体モニタ装置である。流体モニタ装置１３８は、流体流入口１３９、開閉弁１４０、圧力調整弁１４１、流量計測器１４２、絞り弁１４３、流体流出口１４４、モニタ部１４５から形成され、その各々の構成は以下の通りである。

１４６は流体モニタ装置１３８のベースブロックである。ベースブロック１４６は、開閉弁１４０、圧力調整弁１４１、計測器１４２、絞り弁１４３のそれぞれの本体が単一に形成されている。開閉弁１４０の本体としては、ベースブロック１４６の上部に弁室１４７と、弁室１４７と連通した入口流路１４８と出口流路１４９とが形成されており、入口流路１４８は流体流入口１３９に連通している。圧力調整弁１４１の本体としては、ベースブロック１４６の下部に底部まで開放して設けられた第二の空隙１５０と、上部に上面開放して設けられた第二の空隙１５０の径よりも大きい径を持つ第一の空隙１５１を有し、第二の空隙１５０と連通している入口流路１５２と、入口流路１５２と対向する方向に第一の空隙１５１と連通している出口流路１５３、さらに、第一の空隙１５１と第二の空隙１５０とを連通し第一の空隙１５１の径よりも小さい径を有する連通孔１５４とが設けられており、入口流路１５２は開閉弁１４０の出口流路１４９に連通している。計測器１４２としては、入口流路１５５と、入口流路１５５から垂設された直線流路１５６と、直線流路１５６から垂設され入口流路１５５と同一方向に平行して設けられた出口流路１５７とを有し、入口、出口流路１５５、１５７の側壁の直線流路１５６の軸線と交わる位置に、超音波振動子１５８、１５９が互いに対向して配置されており、入口流路１５５は圧力調整弁１４１の出口流路１５３に連通している。絞り弁１４３の本体としては、ベースブロック１４６の上部に略すり鉢形状の弁室１６０を有しており、弁室１６０の底面には弁座面１６１が形成され、弁座面１６１の中心に設けられた連通口１６２に連通する入口流路１６３と弁室１６０に連通する出口流路１６４を有している。弁室１６０の上方には隔膜押さえ１６５を受容する凹部１６６が設けられていて、その底面には環状凹部１６７が設けられており、入口流路１６３は計測器１４２の出口流路１５７に連通し、出口流路１６４は流体流出口１４４と連通している。第五の実施例のその他の構成は、本体が単一で形成されている以外は第四の実施例と同様なので説明を省略する。第五の実施例では、計測器１４２により流量の計測が行なわれるので、モニタを行なうと同時に絞り弁１４３により幅広い流量範囲での微細な流量調節ができ、開閉弁１４０により流体モニタ装置１３８のメンテナンス等を容易に行なうことができ、流体の緊急遮断を行なうことができる。

ここで第五の実施例は、第四の実施例の流体モニタ装置の弁および計測器が流路の形成された一つのベースブロックに配設されている構成であるが、第一の実施例乃至第三の実施例の流体モニタ装置の弁および計測器が流路の形成された一つのベースブロックに配設されている構成であっても良く、各実施例と同様の作動が行なわれる。このとき、流体モニタ装置が流路の形成された一つのベースブロックに配設されているため、流体モニタ装置をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができる。また、設置作業が容易になり作業時間が短縮でき、流体モニタ装置内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができ、さらに部品点数を少なくすることができるので流体モニタ装置の組み立てを容易にすることができる。

次に、図１２に基づいて本発明の第六の実施例の流体モニタ装置について説明する。

１６８は流体モニタ装置である。流体モニタ装置１６８は、ケーシング１６９、流体流入口１７０、開閉弁１７１、圧力調整弁１７２、計測器１７３、絞り弁１７４、流体流出口１７５、モニタ部１７６から形成され、その各々の構成は以下の通りである。

１６９はＰＶＤＦ製のケーシングである。ケーシング１６９内には、ケーシング１６９の底面に開閉弁１７１、圧力調整弁１７２、計測器１７３、絞り弁１７４がボルト、ナット（図示せず）にて固定されており、流体流入口１７０、開閉弁１７１、圧力調整弁１７２、計測器１７３、絞り弁１７４、流体流出口１７５の順で連続して接続された状態で設置されている。また、モニタ部１７６は計測器１７３の上方にケーシング１６９の上部に固定設置されており、表示部１８５はケーシング１６９を貫通して設置され、表示された計測値がケーシング１６９の外側から確認できるように設けられている。

１７３は流体の流量を計測する計測器である。計測器１７３は、入口流路１７７と、入口流路１７７から垂設された第一立上り流路１７８と、第一立上り流路１７８に連通し入口流路１７７軸線に略平行に設けられた直線流路１７９と、直線流路１７９から垂設された第二立上り流路１８０と、第二立上り流路１８０に連通し入口流路１７７軸線に略平行に設けられた出口流路１８１とを有し、第一、第二立上り流路１７８、１８０の側壁の直線流路１７９の軸線と交わる位置に、超音波振動子１８２、１８３が互いに対向して配置されている。超音波振動子１８２、１８３はフッ素樹脂で覆われており、該振動子１８２、１８３から伸びた配線はモニタ部１７６の演算部１８４に繋がっている。なお、計測器１７３の超音波振動子１８２、１８３以外はＰＦＡ製である。入口流路１７７は圧力調整弁１７２に連通し、出口流路１８１は絞り弁１７４に連通する。第六の実施例の弁および計測器の構成は、第四の実施例と同様なので説明を省略する。

流体モニタ装置に流入した流体は、開閉弁１７１と圧力調整弁１７２を通過して計測器１７３に流入する。計測器１７３に流入した流体は、直線流路１７９で流量が計測される。流体の流れに対して上流側に位置する超音波振動子１８２から下流側に位置する超音波振動子１８３に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子１８３で受信された超音波振動は電気信号に変換され、モニタ部１７６の演算部１８４へ出力される。超音波振動が上流側の超音波振動子１８２から下流側の超音波振動子１８３へ伝播して受信されると、瞬時に演算部１８４内で送受信が切換えられて、下流側に位置する超音波振動子１８３から上流側に位置する超音波振動子１８２に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子１８２で受信された超音波振動は、電気信号に変換され、モニタ部１７６内の演算部１８４へ出力される。このとき、超音波振動は直線流路１７９内の流体の流れに逆らって伝播していくので、上流側から下流側へ超音波振動を伝播させるときに比べて流体中での超音波振動の伝播速度が遅れ、伝播時間が長くなる。出力された相互の電気信号は演算部１８４内で伝播時間が各々計測され、伝播時間差から流量が演算される。演算部１８４で演算された流量は電気信号に変換されて表示部１８５に出力され、表示部１８５で計測値が表示される。第六の実施例のその他の部分の作動は、第四の実施例と同様であるので説明を省略する。計測器１７３である超音波流量計は、流体の流れ方向に対する伝播時間差から流量を計測するため微小流量でも正確に流量を計測でき、微小流量の流体のモニタに優れた効果を発揮する。

ここで第六の実施例は、第四の実施例の流体モニタ装置の弁および計測器が１つのケーシング１６９内に設置してなる構成であるが、第一の実施例乃至第三の実施例の流体モニタ装置の弁および計測器が１つのケーシング１６９内に設置してなる構成であっても良く、各実施例と同様の作動が行なわれる。このとき、１つのケーシング１６９内に設置されて流体モニタ装置１６８が一つのモジュールとなるため、設置が容易になり、設置作業の作業時間が短縮でき、各部品がケーシング１６９によって保護されると共に、流体モニタ装置１６８をブラックボックス化することで安易に流体モニタ装置１６８を分解させることを防ぎ、不慣れな利用者が流体モニタ装置を分解することにより不具合が生じることを防止することができる。

次に、図１３に基づいて本発明の第七の実施例である流量計測器が超音波式渦流量計である場合の流体モニタ装置について説明する。

１８６は計測器である。計測器１８６は、入口流路１８７と、入口流路１８７内に垂設されたカルマン渦を発生させる渦発生体１８８と、出口流路１８９とを備える直線流路１９０を有し、直線流路１９０の渦発生体１８８の下流側の側壁に、超音波振動子１９１、１９２が流路軸線方向に直交する位置に互いに対向して配置されている。超音波振動子１９１、１９２はフッ素樹脂で覆われており、該振動子１９１、１９２から伸びた配線はモニタ部１９３の演算部に繋がっている。計測器１８６の超音波振動子１９１、１９２以外はＰＴＦＥ製である。入口流路１８７は圧力調整弁１９６に連通し、出口流路１８９は絞り弁１９７に連通する。第七の実施例のその他の構成は第四の実施例と同様であるので説明を省略する。

次に、本発明の第七の実施例である流体モニタ装置の作動について説明する。

流体モニタ装置に流入した流体は、開閉弁１９８および圧力調整弁１９６を通過して計測器１８６に流入する。計測器１８６に流入した流体は、直線流路１９０で流量が計測される。直線流路１９０内を流れる流体に対して超音波振動子１９１から超音波振動子１９２に向かって超音波振動を伝播させる。渦発生体１８８の下流に発生するカルマン渦は、流体の流速に比例した周期で発生し、渦巻き方向が異なるカルマン渦が交互に発生するため、超音波振動はカルマン渦の渦巻き方向によってカルマン渦を通過する際に進行方向に加速、または減速される。そのため、超音波振動子１９２で受信される超音波振動は、カルマン渦によって周波数（周期）が変動する。超音波振動子１９１、１９２で送受信された超音波振動は、電気信号に変換され、モニタ部１９３の演算部１９４へ出力される。演算部１９４では、送信側の超音波振動子１９１から出力された超音波振動と受信側の超音波振動子１９２から出力された超音波振動との位相差から得られたカルマン渦の周波数に基づいて直線流路１９０を流れる流体の流量が演算される。演算部１９４で演算された流量は電気信号に変換されて表示部１９５に出力され、表示部１９５で計測値が表示される。第七の実施例のその他の部分の作動は、第四の実施例と同様であるので説明を省略する。

以上の作動により、超音波式渦流量計は、流量が大きいほどカルマン渦は多く発生するため大流量でも正確に流量を計測でき、大流量の流体のモニタに優れた効果を発揮する。

本発明の第一の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。 図１の絞り弁の拡大図である。 図２の絞り弁が開状態を示す要部拡大図である。 図２の絞り弁が閉状態を示す要部拡大図である。 図２の絞り弁が半開状態を示す要部拡大図である。 本発明の第二の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。 図６の開閉弁の拡大図である。 本発明の第三の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。 図８の圧力調整弁の拡大図である。 本発明の第四の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。 本発明の第五の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。 本発明の第六の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。 本発明の第七の実施例を示す流体モニタ装置の縦断面図である。 図１３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 従来の超音波流量計を示すブロック図である。

符号の説明

１ 流体モニタ装置
２ 流体流入口
３ 計測器
４ 絞り弁
５ 流体流出口
６ モニタ部
５９ 流体モニタ装置
６０ 流体流入口
６１ 開閉弁
６２ 計測器
６３ 絞り弁
６４ 流体流出口
６５ モニタ部
８１ 流体モニタ装置
８２ 流体流入口
８３ 圧力調整弁
８４ 計測器
８５ 絞り弁
８６ 流体流出口
８７ モニタ部
１３０ 流体モニタ装置
１３１ 流体流入口
１３２ 開閉弁
１３３ 圧力調整弁
１３４ 計測器
１３５ 絞り弁
１３６ 流体流出口
１３７ モニタ部
１３８ 流体モニタ装置
１３９ 流体流入口
１４０ 開閉弁
１４１ 圧力調整弁
１４２ 計測器
１４３ 絞り弁
１４４ 流体流出口
１４５ モニタ部
１４６ ベースブロック
１６８ 流体モニタ装置
１６９ ケーシング
１７０ 流体流入口
１７１ 開閉弁
１７２ 圧力調整弁
１７３ 計測器
１７４ 絞り弁
１７５ 流体流出口
１７６ モニタ部
１８６ 計測器
１９３ モニタ部

Claims (9)

1. 流体の特性を表すパラメータを計測する計測器（３）と、
   開口面積が調節可能な絞り弁（４）とを具備することを特徴とする流体モニタ装置。
2. 前記流体の圧力変動を減衰させる圧力調整弁（８３）をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の流体モニタ装置。
3. 前記流体の流れを開放又は遮断するための開閉弁（６１）をさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体モニタ装置。
4. 前記弁（４、６１、８３）および前記計測器（３）が、独立した接続手段を用いずに直接接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の流体モニタ装置。
5. 前記弁（４、６１、８３）および前記計測器（３）が、一つのベースブロック（１４６）に配設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の流体モニタ装置。
6. 前記弁（４、６１、８３）および前記計測器（３）が、１つのケーシング（１６９）内へ収納配設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の流体モニタ装置。
7. 前記パラメータが、流量と、圧力と、温度と、濃度と、流速と、の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の流体モニタ装置。
8. 前記絞り弁（４）が、
   上部に設けられた弁室（１６）の底面に弁座面（１５）が形成され、弁座面（１５）の中心に設けられた連通口（１７）に連通する入口流路（１８）と弁室（１６）に連通する出口流路（１９）を有する本体（１４）と、
   ステムの軸方向の進退移動により連通口（１７）に挿入可能で接液面の中心から垂下突設された第一弁体（２４）と弁座面（１５）に接離可能にされ第一弁体（２４）から径方向へ隔離した位置に形成された円環状凸条の第二弁体（２５）と第二弁体（２５）から径方向へ連続して形成された薄膜部（２６）とが一体的に設けられた隔膜（２３）と、
   上部にハンドル（４５）が固着され下部内周面に雌ネジ部（４１）と外周面に雌ネジ部（４１）のピッチより大きいピッチを有する雄ネジ部（４２）を有する第一ステム（４０）と、
   内周面に第一ステム（４０）の雄ネジ部（４２）と螺合する雌ネジ部（４８）を有する第一ステム支持体（４７）と、
   上部外周面に第一ステム（４０）の雌ネジ部（４１）に螺合される雄ネジ部（３３）を有し下端部に隔膜（２３）が接続される第二ステム（３２）と、
   第一ステム支持体（４７）の下方に位置し第二ステム（３２）を上下移動自在かつ回動不能に支承する隔膜押さえ（３４）と、第一ステム（４０）と隔膜押さえ（３４）を固定するボンネット（５１）とを具備することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の流体モニタ装置。
9. 前記圧力調整弁（８３）が、
   下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙（９６）と第二の空隙（９６）に連通する入口流路（９８）と上部に上面が開放して設けられ第二の空隙（９６）の径よりも大きい径を持つ第一の空隙（９７）と第一の空隙（９７）に連通する出口流路（９９）と第一の空隙（９７）と第二の空隙（９６）とを連通し第一の空隙（９７）の径よりも小さい径を有する連通孔（１００）とを有し、第二の空隙（９６）の上面が弁座（１０１）とされた本体（８８）と、
   側面あるいは上面に設けられた給気孔（１０４）と排出孔（１０５）とに連通した円筒状の空隙（１０２）を内部に有し、下端内周面に段差部（１０３）が設けられたボンネット（８９）と、
   ボンネット（８９）の段差部（１０３）に嵌挿され中央部に貫通孔（１０６）を有するバネ受け（９０）と、下端部にバネ受け（９０）の貫通孔（１０６）より小径の第一接合部（１１１）を有し上部に鍔部（１０９）が設けられボンネット（８９）の空隙（１０２）内部に上下動可能に嵌挿されたピストン（９１）と、
   ピストン（９１）の鍔部（１０９）下端面とバネ受け（９０）の上端面で挟持支承されているバネ（９２）と、
   周縁部が本体（８８）とバネ受け（９０）との間で挟持固定され、本体（８８）の第一の空隙（９７）に蓋する形で第一の弁室（１１８）を形成する中央部が肉厚とされた第一ダイヤフラム（１１４）と、上面中央にピストン（９１）の第一接合部（１１１）にバネ受け（９０）の貫通孔（１０６）を貫通して接合固定される第二接合部（１１６）と、下面中央に本体（８８）の連通孔（１００）と貫通して設けられた第三接合部（１１７）とを有する第一弁機構体（９３）と、
   本体の第二の空隙（９６）内部に位置し本体の連通孔（１００）より大径に設けられた弁体（１１９）と、弁体（１１９）上端面に突出して設けられ第一弁機構体（９３）の第三接合部（１１７）と接合固定される第四接合部（１２１）と、弁体（１１９）下端面より突出して設けられたロッド（１２２）と、ロッド（１２２）下端面より径方向に延出して設けられた第二ダイヤフラム（１２４）とを有する第二弁機構体（９４）と、
   本体（８８）の下方に位置し第二弁機構体（９４）の第二ダイヤフラム（１２４）周縁部を本体（８８）との間で挟持固定する突出部（１２６）を上部中央に有し、突出部（１２６）の上端部に切欠凹部（１２７）が設けられると共に切欠凹部（１２７）に連通する呼吸孔（１２８）が設けられているベースプレート（９５）とを具備し、
   ピストン（９１）の上下動に伴って第二弁機構体（９４）の弁体（１１９）と本体（８８）の弁座（１０１）とによって形成される流体制御部（１２９）の開口面積が変化するように構成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項８のいずれか１項に記載の流体モニタ装置。

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