JP2018080929A - 流体機器 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の熱膨張などによって圧力センサに加わる過度の圧力を低減する。【解決手段】流体が流れる内部流路Ｒ１に流体抵抗素子４が設けられたボディユニット２と、ボディユニット２に設けられて、内部流路Ｒ１の流体抵抗素子４の上流側および下流側の圧力を検知する圧力センサ３、３と、ボディユニット２の流体抵抗素子４の上流側に設けられて、流体の熱膨張等による圧力変動をダイアフラムの変形によって吸収する変動吸収部５とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサが搭載された流体機器に関する。

圧力センサが搭載された流体機器としては、例えば差圧式の流量計がある。この流量計は、流体が流れる流路に流体抵抗素子を設け、当該流体抵抗素子の上流側及び下流側それぞれに圧力センサを設け、当該上流側圧力センサ及び下流側圧力センサの差圧により、流体の流量を測定するものである。

この差圧式の流量計を組み込んだ流体回路では、流量計の上流側及び下流側に開閉弁が設けられる場合があり、流量計に流体を流さない場合には、上流側及び下流側の開閉弁が閉じられる。

しかしながら、この状態で流体の温度が上昇した場合には、流体が熱膨張してしまい、開閉弁の間の密閉空間の圧力が上昇してしまう。この圧力の上昇により、流量計の圧力センサなどの構成部品に例えば許容過大圧を超える過度の圧力がかかってしまい、構成部品にダメージを与えてしまう。例えば、構成部品の故障、ゼロ点変化、スパン変化が生じてしまう。

特開２００８−１９６８５８号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、流体の熱膨張などによって圧力センサに加わる過度の圧力を低減することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る流体機器は、流体が流れる内部流路が形成されたボディユニットと、前記ボディユニットに設けられて、前記内部流路の圧力を検知する圧力センサと、前記ボディユニットに設けられて、前記流体の圧力変動を吸収する変動吸収部と、を具備することを特徴とする。

この流体機器であれば、ボディユニットに設けられた変動吸収部が流体の熱膨張などにより生じる圧力変動を吸収するので、流体の熱膨張などに伴う内部流路の圧力の上昇を抑えることができる。これにより、圧力センサに加わる過度の圧力を低減することができ、流体の熱膨張などにより生じる圧力変動による圧力センサへのダメージを低減することができる。

ここで、前記変動吸収部は、前記流体の熱膨張を吸収するものであることが望ましい。

本発明の効果が顕著となる構成としては、前記圧力センサは、前記内部流路の圧力の変化に応じて変形するダイアフラムを用いて圧力を検知するものであることが考えられる。ダイアフラムは流体の熱膨張などにより生じる圧力変動による影響を受けて変形しやすいため、変動吸収部を設けたことの効果が顕著となる。

流体機器の具体的な構成としては、差圧式流量計が考えられる。この差圧式流量計の場合には、前記内部流路に流体抵抗素子が設けられており、前記圧力センサは、前記流体抵抗素子の上流側に設けられた上流側圧力センサ、及び前記流体抵抗素子の下流側に設けられた下流側圧力センサを有する構成となる。また、差圧式流量計は、その下流側に流量制御弁が設けられて、流量制御弁とともに流量制御機器を構成する。
この場合、流体抵抗素子の下流側に変動吸収部を設けた場合には、変動吸収部がバッファ（緩衝器）として作用してしまい、流量制御弁による流量制御の応答性を悪くしてしまう。
このため、流量制御弁による流量制御の応答性を悪くすることなく、熱膨張による圧力センサへのダメージを低減するためには、前記変動吸収部は、前記上流側圧力センサ又は前記流体抵抗素子の上流側に設けられていることが望ましい。
一方、差圧式流量計は、その上流側に流量制御弁が設けられて、流量制御弁とともに流量制御機器を構成する場合もある。この場合には、前記変動吸収部は、前記下流側圧力センサ又は前記流体抵抗素子の下流側に設けられていることが望ましい。

ボディユニットに変動吸収部を簡単に設けるためには、前記変動吸収部は、ボディユニットの外面に取り付けられていることが望ましい。

変動吸収部の構成を簡単にするためには、前記変動吸収部は、前記流体の圧力変動に伴って変形するダイアフラムを有するものであることが望ましい。

変動吸収部のダイアフラムが流体の熱膨張などにより生じる圧力変動により変形しやすくするためには、前記変動吸収部のダイアフラムは、平面視において環状をなすとともに断面波形状をなす波状部を有することが望ましい。

ダイアフラムの塑性変形による破損を防止するとともに、流体機器の安全性を確保するためには、前記変動吸収部は、前記ダイアフラムの変形に伴う膨出側に前記ダイアフラムと所定距離離間して設けられた変形規制部を有することが望ましい。

本発明によれば、ボディユニットに設けられた変動吸収部が流体の熱膨張などにより生じる圧力変動を吸収するので、流体の熱膨張などにより生じる圧力変動によって圧力センサに加わる過度の圧力を低減することができる。

本実施形態の流量計の構成を模式的に示す断面図である。 同実施形態の変動吸収部の構成を模式的に示す部分拡大図である。 同実施形態のダイアフラムの構成を示す平面図である。 同実施形態の変動吸収部の作用を示す模式図である。 変動吸収部の設置の変形例を模式的に示す断面図である。 変動吸収部の変形例を模式的に示す断面図である。 変動吸収部の変形例を模式的に示す断面図である。 変動吸収部の変形例を模式的に示す断面図である。 変動吸収部の変形例を模式的に示す断面図である。

以下に本発明に係る流量計の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の流量計１００は、例えば半導体製造プロセスに用いられるものである。

具体的にこの流量計１００は、図１に示すように、例えば半導体プロセス用液体等の液体が流れる内部流路Ｒ１が形成されたボディユニット２と、当該ボディユニット２に設けられて、内部流路Ｒ１の圧力を検知する圧力センサ３とを備えている。なお、ボディユニット２は、前記液体に対して耐食性を有する材料から形成されており、例えばステンレス鋼製である。また、その他、圧力センサ３等の接液部材も同様に、前記液体に対して耐食性を有する材料から形成されており、例えばステンレス鋼製である。

ボディユニット２は、内部流路Ｒ１が貫通したブロック状をなすものである。内部流路Ｒ１の途中には、例えば層流素子やオリフィスなどの流体抵抗素子４が設けられている。また、ボディユニット２の上流側である流路一端部には、外部流入配管Ｈ１が接続される。ボディユニット２の下流側である流路他端部には、外部流出配管Ｈ２が接続される。なお、外部流入配管Ｈ１及び外部流出配管Ｈ２は、圧力センサ３のダイアフラム３１よりも剛性の高い材質により構成されている。そして、外部流入配管Ｈ１及び外部流出配管Ｈ２には、例えば空圧弁や電磁弁などの開閉弁Ｖ１、Ｖ２が設けられている。

圧力センサ３は、内部流路Ｒ１の圧力の変化に応じて変形するダイアフラム３１を用いて圧力を検知するものである。本実施形態の圧力センサ３は、前記ダイアフラム３１とダイアフラム３１から離間して設けられた固定電極３２との間の静電容量を検出することにより圧力を測定する静電容量型の圧力センサである。

また、圧力センサ３は、流体抵抗素子４の上流側に設けられた上流側圧力センサ３ａと、流体抵抗素子の下流側に設けられた下流側圧力センサ３ｂとを有している。ここで上流側圧力センサ３ａは、ボディユニット２に形成された上流側導入路Ｒ１１及び上流側導出路Ｒ１２の開口を覆うようにボディユニット２に取り付けられる。また、下流側圧力センサ３ｂは、ボディユニット２に形成された下流側導入路Ｒ１３及び下流側導出路Ｒ１４の開口を覆うようにボディユニット２に取り付けられる。上流側導入路Ｒ１１、上流側導出路Ｒ１２、下流側導入路Ｒ１３及び下流側導出路Ｒ１４はいずれも、内部流路Ｒ１における流体抵抗素子４の近傍においてボディユニット２の一面に開口するように形成されている。なお、上流側圧力センサ３ａ及び下流側圧力センサ３ｂはセンサ駆動回路により駆動され、各センサ３ａ、３ｂにより得られた静電容量を示す検出信号は、増幅回路により増幅されて、演算回路により流量に換算される。

然して、本実施形態のボディユニット２には、特に図２に示すように、内部流路にある流体の熱膨張などにより生じる圧力変動を吸収する変動吸収部５（以下、熱膨張吸収部５ともいう。）が設けられている。

この熱膨張吸収部５は、上流側圧力センサ３ａ及び流体抵抗素子４の上流側に設けられており、流体の熱膨張に伴って変形するダイアフラム５１と、当該ダイアフラム５１を支持する支持体５２とを有している。なお、熱膨張吸収部５は、圧力センサ３とは異なり、圧力を測定するものではない。本実施形態の熱膨張吸収部５は、その他の構成部品とともにその配置を容易にするために、ボディユニット２において圧力センサ３が設けられた面（具体的には上面）とは異なる部位に内蔵されており、ボディユニット２の下面側に内蔵されている。なお、熱膨張吸収部５をボディユニット２において圧力センサ３が設けられた面側（上面側）に内蔵しても良いことは言うまでもない。

ダイアフラム５１は、上述した圧力センサのダイアフラム３１よりも変形しやすい構成とされている。具体的にダイアフラム５１は、図３に示すように、平面視において環状をなすとともに断面波形状をなす波状部５１Ｍを有するものである。波状部５１Ｍは、複数の円環状をなす凸部又は凹部が同心円状に設けられることにより形成されている。

このダイアフラム５１は、内部流路Ｒ１に連通する連通空間Ｓ１に面して設けられている（図２参照）。本実施形態の連通空間Ｓ１は、支持体５２により形成されており、導入路Ｒ１５及び導出路Ｒ１６が接続されている。なお、ダイアフラム５１は、内部流路Ｒ１に直接面して設けられる構成としても良い。

ここで、ダイアフラム５１の変形を容易にするためには、ダイアフラム５１の連通空間側の面とは反対側は大気開放されていることが望ましい。また、ダイアフラム５１の変形量を大きくするためには、ダイアフラム５１の連通空間側の面とは反対側を加圧してダイアフラム５１を予め連通空間側に変形させておくことが望ましい。ダイアフラム５１を連通空間側に変形させる構成としては、ダイアフラム５１をガスで加圧して変形させる構成、ばねやゴムなどの弾性体の弾性復帰力により加圧して変形させる構成などが考えられる。

次のこの熱膨張吸収部の作用について説明する。
流量計１００の上流側及び下流側に設けられた上流側開閉弁Ｖ１及び下流側開閉弁Ｖ２が閉じられた状態では、内部流路Ｒ１を含む上流側開閉弁Ｖ１及び下流側開閉弁Ｖ２の間の流路は密閉状態となる。

この状態で、その密閉された流路にある流体の温度が上昇すると、流体は熱膨張する。この膨張した体積は、当該密閉された流路における可撓部分に逃げようとする。ここで、可撓部分は、上流側圧力センサ３ａ及び下流側圧力センサ３ｂのダイアフラム３１と、熱膨張吸収部５のダイアフラム５１とであるが、熱膨張吸収部５のダイアフラム５１の方が変形しやすいので、膨張した体積の大部分が、熱膨張吸収部５のダイアフラム５１の流路とは反対側（本実施形態では大気開放側）への変形により吸収される（図４参照）。

このように構成した流量計１００によれば、ボディユニット２に設けられた熱膨張吸収部５が流体の熱膨張を吸収するので、流体の熱膨張に伴う内部流路Ｒ１の圧力の上昇を抑えることができる。これにより、圧力センサ３に加わる過度の圧力を低減することができ、流体の熱膨張による圧力センサ３のダメージを低減することができる。また、熱膨張吸収部５がボディユニット２の内部に組み込まれているので、流量計１００の小型化が可能となる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、熱膨張吸収部５が、図５に示すように、ダイアフラム５１の変形に伴う膨出側にダイアフラム５１と所定距離離間して設けられた変形規制部５３を有するものであっても良い。この変形規制部５３は、ダイアフラム５１が所定量以上変形して膨出した場合に、当該膨出部分に接触してそれ以上の変形を規制するものである。具体的には、平板部材により構成される。

また、前記実施形態では熱膨張吸収部５がボディユニット２に内蔵されて組み込まれたものであったが、図６に示すように、ボディユニット２に内蔵されずにボディユニット２の外面に外付けされるように構成しても良い。この場合、熱膨張吸収部５は、ボディユニット２に形成された導入路Ｒ１５及び導出路Ｒ１６の開口を覆うようにボディユニット２に取り付けられる。このような構成により、ボディユニットへの内蔵加工を不要にして、簡便に取り付ける事ができる。なお、流体機器の設置スペースを小さくするためには、熱膨張吸収部５は、各圧力センサ３ａ、３ｂと同一面上に設けられることが望ましい。

また、前記実施形態の熱膨張吸収部５は、１枚のダイアフラム５１を有するものであったが、吸収できる膨張量を増やすために、図７〜図９に示すように、２枚以上のダイアフラムを有するものであっても良い。図７及び図９の熱膨張吸収部５は、２枚のダイアフラム５１ａ、５１ｂを向かい合わせて配置して、それらの周囲に流体が充満するように構成して、ダイアフラム５１ａ、５１ｂが内側に変形するように構成したものであり、図８の熱膨張吸収部５は、２枚のダイアフラム５１ａ、５１ｂの間に流体が充満するように構成して、ダイアフラム５１ａ、５１ｂが外側に変形するように構成したものである。また、図７及び図８は、内部流路Ｒ１から分岐した流路に熱膨張吸収部５を設けた構成であり、図８は、内部流路Ｒ１上に熱膨張吸収部５を設けた構成である。なお、図７及び図９では、２枚のダイアフラム５１ａ、５１ｂの間に変形規制部５３を設けているが、設けることなく、２枚のダイアフラム５１ａ、５１ｂが所定量変形した場合に互いに接触して、一方が他方の変形規制部としての機能を発揮するものであっても良い。

前記実施形態の熱膨張吸収部は、ダイアフラムにより構成しているが、熱膨張に伴って変形する変形部材を有し、その変形部材によりその膨張分を吸収する機構であればよく、例えばベローズを用いて構成したものであっても良い。

さらに、前記実施形態の流体機器１００は、ボディユニット２に圧力センサ３が搭載された流量計であったが、それに加えて、流量制御弁が搭載されたマスフローコントローラとしても良いし、熱式流量計、コリオリ式流量計又は超音波式流量計などの他の方式の流量測定機構が設けられた流体機器に圧力センサが設けられたものとしても良い。

また、流体機器の下流側に流量制御弁が設けられないような流体回路の場合には、熱膨張吸収部は、下流側圧力センサ３ｂ又は流体抵抗素子４の下流側に設けても良い。

前記変動吸収部は、熱膨張吸収部として主な機能を発揮するものであったが、その他、開閉弁Ｖ１、Ｖ２を閉塞した際に生じる流体の圧力変動を吸収するものであっても良い。

前記実施形態の圧力センサは、静電容量式のものであったが、ダイアフラムに歪ゲージを設けたひずみゲージ式のものであっても良いし、ダイアフラムに圧電素子を設けた圧電式（ピエゾ式）のものであっても良い。

前記実施形態の流量測定機構としては、熱式以外にも、圧力式、コリオリ式や超音波式などの種々の流量測定方式を用いることができる。

前記実施形態の流体機器を半導体製造プロセス以外にも用いることができる。

その他、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・流体機器
２・・・ボディユニット
Ｒ１・・・内部流路
３・・・圧力センサ
３１・・・ダイアフラム
３ａ・・・上流側圧力センサ
３ｂ・・・下流側圧力センサ
４・・・流体抵抗素子
５・・・熱膨張吸収部
５１・・・ダイアフラム
５１Ｍ・・・波状部

Claims (8)

1. 流体が流れる内部流路が形成されたボディユニットと、
   前記ボディユニットに設けられて、前記内部流路の圧力を検知する圧力センサと、
   前記ボディユニットに設けられて、前記流体の圧力変動を吸収する変動吸収部と、を具備する流体機器。
2. 前記変動吸収部は、前記流体の熱膨張を吸収するものである、請求項１記載の流体機器。
3. 前記圧力センサは、前記内部流路の圧力の変化に応じて変形するダイアフラムを用いて圧力を検知するものである、請求項１又は２記載の流体機器。
4. 前記内部流路に流体抵抗素子が設けられており、
   前記圧力センサは、前記流体抵抗素子の上流側に設けられた上流側圧力センサ、及び前記流体抵抗素子の下流側に設けられた下流側圧力センサを有しており、
   前記変動吸収部は、前記上流側圧力センサ又は前記流体抵抗素子の上流側に設けられている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の流体機器。
5. 前記変動吸収部は、ボディユニットの外面に取り付けられている、請求項１乃至４の何れか一項に記載の流体機器。
6. 前記変動吸収部は、前記流体の圧力変動に伴って変形するダイアフラムを有するものである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の流体機器。
7. 前記変動吸収部のダイアフラムは、平面視において環状をなすとともに断面波形状をなす波状部を有する、請求項６記載の流体機器。
8. 前記変動吸収部は、前記ダイアフラムの変形に伴う膨出側に前記ダイアフラムと所定距離離間して設けられた変形規制部を有する、請求項６又は７記載の流体機器。