JP2837112B2 - 音速ノズルを用いた質量流量制御方法および装置 - Google Patents

音速ノズルを用いた質量流量制御方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、音速ノズルを利用した
質量流量制御方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年においては各種産業の発展に伴い質
量流量の制御を行う必要が増大し、質量流量を精度良く
制御できないと製造等が適切に実施できない分野が多く
なってきている。例えば、半導体産業の分野では、微細
加工技術の発展と共に高集積化が進み、半導体製造プロ
セスの微細化にもとないウエハ上に生成される薄膜の制
御は重要となってきている。この薄膜の成長制御はプロ
セスガスの微少流量制御によって行われる。したがっ
て、このような製造過程において使用されるプロセスガ
ス等の流体の流量制御は、再現性、安定性だけでなく、
正確な絶対値としての質量流量が要求される。現在のと
ころ、このようなプロセスガス等の流体の流量制御は、
その殆どが熱式の質量流量計を用いて行われている。し
かしながら、いままでの質量流量計を用いた流量制御で
は、微少流量制御を必要とされるレベルで精度よく正確
に行うことを期待できない場合がある。
【０００３】ここで、質量流量計としては音速ノズルが
利用されている。一般的には、この音速ノズルは、質量
流量にして約５０グラム／分以上の中流量域において使
用されている。音速ノズルは、そのレイノルズ数が１０
6 以上の領域においては流出係数が一定であり、その変
動率が０．１パーセント以下である。また、その上流側
流体圧力と下流側流体圧力の関係を臨界圧力比以下に保
持して音速流を形成すれば、下流側の流体圧力、温度等
の流体条件に影響されずに一定の質量流量で流体を供給
することができる。したがって、非常に正確に一定の質
量流量を得ることができる。しかし、レイノルズ数が１
０6 よりも小さな領域では流出係数が非線型で大幅に変
化するので、このような範囲での使用、すなわち、微少
流量域では全く利用されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、音速ノズ
ルの利用領域として全く考慮されていなかった低レイノ
ルズ数域に着目し、音速ノズルを定流量素子としてでは
なく可変流量素子として利用可能なことを見いだした。
【０００５】そして、本発明の課題は、この点に鑑み
て、このようなレイノルズ数の低い領域において音速ノ
ズルを用いて、従来に比べて精度良く微少流量制御を行
うことの可能な流量制御方法および装置を実現すること
にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の音速ノズルを用いた質量流量制御方法
は、流体供給源と流体が供給される側の間を連通する流
体通路に、音速ノズルを直列に接続し、この音速ノズル
の下流側流体圧力（Ｐｄ）および上流側流体圧力（Ｐ
ｕ）の比を臨界圧力比よりも小さくなるように保持し、
当該音速ノズルのスロート直径に基づくレイノルズ数
（ＲｅＴＨ）に対応する実際の流出係数（Ｃｄ）を較正
試験により求め、この関係に基づき、前記音速ノズルの
上流側流体圧力（ｐｕ）または流体温度（Ｔｕ）を変化
させて、前記音速ノズルを通過する流体の質量流量を目
標とする流量（Ｑｍ）となるように制御するようにして
いる。
【０００７】ここで、使用する音速ノズルの個数は１個
でもよいが、制御レンジを広げるためには、同一径ある
いは異なる径の音速ノズルを流体通路に対して並列に多
数個接続すればよい。
【０００８】また、本発明の方法は、特に微少流量制御
に適したものであり、レイノルズ数が１０6 未満の領域
内において使用される。特に、レイノルズ数が１０4 以
下の領域内において使用することができる。
【０００９】一方、本発明の質量流量制御装置は、上記
方法を具現化したものであり、流体供給源から供給され
る流体を被供給側に向けて供給するための流体通路に直
列接続状態に介挿した音速ノズルと、この音速ノズルの
上流側流体圧力（Ｐｕ）および下流側流体圧力（Ｐｄ）
を検出する圧力検出手段と、前記音速ノズルの上流側流
体温度（Ｔｕ）を検出する温度検出手段と、予め求めら
れた前記音速ノズルのスロート直径に基づくレイノルズ
数（ＲｅＴＨ）と実際の流出係数（Ｃｄ）の対応関係を
記憶している記憶手段と、前記音速ノズルの上流側流体
圧力および密度のうちの少なくとも一方を変更可能な変
更手段と、この変更手段を制御して、目標とする質量流
量を得るための制御手段とを有する構成を採用してい
る。
【００１０】この場合においても、多数個の音速ノズル
を並列配置することにより、流量制御範囲を広い範囲に
することができる。すなわち、微少流量から中流量の領
域に渡っての流量制御を実現できる。
【００１１】
【作用】本発明の方法および装置においては、音速ノズ
ルを用いているので、下流側の流体条件に影響されるこ
となく流量の制御を行うことができる。また、音速ノズ
ルのスロート直径に基づくレイノルズ数（ＲｅＴＨ）と
実際の流出係数（Ｃｄ）の対応関係は、再現性があり、
変動幅も０．１パーセント程度に抑制したものを得るこ
とができることが確認されたので、高精度で微少流量制
御を行うことができる。さらには、上流側の流体条件を
変えるのみで流量を調整でき、ノズル径を絞る等といっ
た機械的な可動部分が不要であるので、信頼性のある流
量制御を実現できる。
【００１２】
【実施例】以下に、図面を参照して、本発明の実施例を
説明する。
【００１３】図１には、本発明を適用した質量流量制御
装置の概略構成を示してある。この図に示すように、本
例の質量流量制御装置１は、流体供給源２の側に連通し
ている上流側配管３と、流体供給系の下流側に配置され
ている真空ポンプ４の吸入ポートに連通している下流側
配管５との間に介挿される。
【００１４】この質量流量制御装置１は、上流側配管３
と下流側配管５の間に接続された配管１１を備え、この
配管１１には、上流側から、管内圧力調整用の可変バル
ブ１２と音速ノズル１３がこの順序に配列されている。
音速ノズル１３の上流側には、上流側流体の圧力Ｐｕお
よび温度Ｔｕを検出するための圧力センサ１４および温
度センサ１５が取付けれ、その下流側には、下流側流体
の圧力Ｐｄを検出するための圧力センサ１６が取付けら
れている。
【００１５】これら各センサの出力は、Ａ／Ｄコンバー
タ１７、１８、１９を介してデジタル化されて、マイク
ロコンピュータから構成される制御回路２０に入力され
る。
【００１６】制御回路２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ
等を備え、Ｉ／Ｏポートを介して入力されたセンサ出力
に基づき、予めＲＯＭ内に格納されている制御プログラ
ムを実行して、音速ノズル１３を介して下流側に供給さ
れる流体の質量流量が、目標とする質量流量となるよう
に、ドライバ２１を介して可変バルブ１２を制御して、
音速ノズル１３の上流側流体圧力Ｐｕを変化させる。
【００１７】音速ノズル１３としては、例えば、ＩＳＯ
型トロコイダルスロートソニックベンチュリノズルを用
いることができ、この形式のノズル断面を図２（ａ）に
示してある。音速ノズル１３は、例えば、図２（ｂ）に
示すような形状のノズルホルダ１３０に取り付けて使用
する。本例で使用するのに適したノズル１３のスロート
直径Ｄは約０．２ｍｍから約０．７ｍｍ程度の細いもの
である。従来において一般的に使用されている中流量領
域で使用される音速ノズルのスロート直径は通常は約２
ｍｍ程度のものである。
【００１８】この音速ノズル１３の臨界圧力比（Ｐｄ／
Ｐｕ）は０．５乃至０．６の範囲である。この臨界圧力
比を越えないように上流側および下流側の流体圧力Ｐ
ｕ、Ｐｄを保持すれば、レイノルズ数が大きな領域では
ノズルの流出係数Ｃｄはほぼ一定値をとり、その変動幅
は０．１パーセント以内である。ここで、この流出係数
Ｃｄとは、理論質量流量ＱｍＴＨと実際に精密天秤を使
って測定された質量流量Ｑｍの比である。理論質量流量
は次式で表される。
【００１９】 ＱｍＴＨ＝ａ（＊）・ρ（＊）・Ａ（＊） （１） ａ（＊）：スロート部での音速 ρ（＊）：スロート部での密度 Ａ（＊）：スロートの断面積 一方、図３には、音速ノズルの上流側流体圧力を制御し
て、スロート部分でのレイノルズ数ＲｅＴＨを変化さ
せ、臨界圧力比よりも低い安定した圧力比（例えば、Ｐ
ｄ／Ｐｕ＝０．４）での音速ノズルの流出係数のレイノ
ルズ数の依存性の定性的変化状態を示してある。このグ
ラフから分かるように、レイノルズ数が１０4 以上、通
常は１０6 以上の領域では、一定値をとり、その変動幅
は０．１パーセントに過ぎない。このために、音速ノズ
ルは中流量以上の領域において一定質量流量素子して広
く利用されている。
【００２０】しかし、例えば、１０4 程度よりも低いレ
イノルズ数の領域においては、流出係数はレイノルズ数
の変化に応じて非線型に変動する。したがって、このよ
うな所謂微少流量領域においては音速ノズルが使用され
ることはなかった。しかるに、このような低いレイノル
ズ数の領域における流出係数とレイノルズ数の対応関係
が判り、しかも、得られた対応関係に再現性があり変動
幅が０．１パーセントのような極めて微少であれば、こ
の領域を利用して、音速ノズルを質量流量制御のための
可変質量流量素子として利用することができる。本発明
者は、この点に着目して、実験を行ったところ、再現性
よくしかも正確にこのような領域におけるレイノルズ数
と流出係数との関係を求めることが可能なことを見いだ
した。すなわち、次式を求めることができる。
【００２１】 Ｃｄ＝ｆ（ＲｅＴＨ） （２） このような関係式を実験により予め求めておき、音速ノ
ズルの上流側流体の圧力Ｐｕおよび温度Ｔｕを検出すれ
ば理論質量流量ＱｍＴＨおよび理論レイノルズ数ＲｅＴ
Ｈを算出でき、算出したレイノルズ数に基づき、上記の
関係式Ｃｄ＝ｆ（ＲｅＴＨ）から実際の流出係数Ｃｄを
算出できるので、次の関係式から実際の質量流量Ｑｍを
算出することができる。
【００２２】 Ｑｍ＝Ｃｄ・ＱｍＴＨ （３） したがって、目標とする質量流量Ｑｍを得るためには、
そのようなＱｍが得られるように、上記の関係式（２）
に基づき、音速ノズルの上流側流体の圧力Ｐｕまたは温
度（Ｔｕ）を制御すればよいことになる（勿論、双方を
制御してもよい。）。密度は、圧力および温度を検出す
ることにより算出することができる。
【００２３】ここで再び図１に戻って本例の質量流量制
御装置１を説明すと、制御回路２０のＲＯＭ内には、音
速ノズル１３を用いて較正試験を行うことによって求め
たレイノルズ数と流出係数の関係式（２）が予め対応テ
ーブルの形態で格納されている。したがって、入力部
（図示せず）を介して目標質量流量を設定入力すれば、
ＣＰＵにより演算が実行されて、その値の質量流量を得
るための上流側圧力Ｐｕおよび密度ρｕが算出され、こ
れらの値となるように、可変バルブ１２が駆動制御され
る。
【００２４】このように構成した本例の質量流量制御装
置１は、音速ノズル１３を使用して、質量流量、特に微
少質量流量を制御するようにしている。低いレイノルズ
数の領域、すなわち１０6 よりも小さな領域、特に１０
4 以下の低い領域においては、実験により、再現性のあ
る変動幅の極めて小さなレイノルズ数と流出係数の関係
式を求めることができるので、極めて精度のよい微少流
量制御機構を実現できる。また、下流側流体の圧力、温
度等の条件が変動してもそれが質量流量には影響しない
という音速ノズルの優れた利点をそのまま活用できると
いう効果がある。さらには、機械的な可動部分を用いる
ことなく、上流側の流体の圧力、温度を変えるのみで目
標とする質量流量を得ることができるので、極めて信頼
性のある制御機構を実現できる。
【００２５】なお、上記の例においては、音速ノズルを
１個だけ使用している。しかし、低いレイノルズ数の領
域において径の細い１個の音速ノズルを使用したのみで
は、広レンジでの質量流量調整を行うことができない。
したがって、一般には、同一径あるいは異なる径の音速
ノズルを多数個並列に接続し、これらの上流側に開閉弁
を接続して、選択的に必要な音速ノズルを用いて、必要
とされる質量流量の流体を下流側に供給することが望ま
しい。例えば、スロート直径Ｄが０．２ｍｍ、０．３ｍ
ｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍの４個の音速ノズルを並列
接続して使用することができる。
【００２６】また、上記の例では、ベンチュリノズルを
用いているが、その他の形状の音速ノズルを用いてもよ
いことは勿論である。また、上記の例では、マイクロコ
ンピュータを用いて、関係式（２）を対応テーブルの形
態でデジタル値として記憶しているが、例えば、関数発
生器等を用いて関係式（２）を発生させてもよい。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の質量流量
制御方法および装置においては、低レイノルズ数の領域
でのレイノルズ数に対する音速ノズルの流出係数の関係
を予め実験により求めておき、この関係に基づき、音速
ノズルの上流側の圧力および密度を調整して、目標とす
る質量流量を得るようにしている。上記の関係は再現性
のある極めて変動幅の少ないものであるので、極めて正
確な微少質量流量の制御を実現することができる。ま
た、音速ノズルを用いているので、下流側の圧力、温度
等の変動要因には左右されずに流量制御を行うことがで
きるという実用上極めて優れた利点がある。さらには、
流量制御を行う部分である音速ノズルには、機械的な可
動部分が無いので、信頼性のある質量流量調整を実現で
きるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である微少質量流量制御装置
の概略構成図である。
【図２】図１の装置に組み込まれた音速ノズルの例を示
す図であり、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）はそれをホ
ルダに取付けた状態の縦断面図である。
【図３】音速ノズルにおけるレイノルズ数に対する実際
の流出係数の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 質量流量制御装置 ２ 流体供給源 ３ 上流側配管 ４ 真空ポンプ ５ 下流側配管 １１ 配管 １２ 可変バルブ １３ 音速ノズル １４ 圧力センサ １５ 温度センサ １６ 圧力センサ １７、１８、１９ Ａ／Ｄコンバータ ２０ 制御回路 ２１ ドライバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊奈 義高 神奈川県横浜市港北区新羽町2024−１ ライオンズマンション大倉山新羽町601 (72)発明者 横井 由一 神奈川県横浜市鶴見区上の宮２−24−８ (72)発明者 早川 正男 東京都府中市分梅町５−９−２ 審査官 田良島 潔 (56)参考文献 特開 昭51−144889（ＪＰ，Ａ) 実公 平２−12576（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G05D 7/06

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体供給源と流体が供給される側の間を
    連通する流体通路に、音速ノズルを直列に接続し、この
    音速ノズルの下流側流体圧力（Ｐｄ）および上流側流体
    圧力（Ｐｕ）の比を臨界圧力比よりも小さくなるように
    保持し、当該音速ノズルのスロート直径に基づくレイノ
    ルズ数（ＲｅＴＨ）に対応する実際の流出係数（Ｃｄ）
    を較正試験により求め、この関係に基づき、前記音速ノ
    ズルの上流側流体圧力（Ｐｕ）および流体温度（Ｔｕ）
    のうちの少なくとも一方を変化させて、当該音速ノズル
    を通過する流体の質量流量を目標とする流量（Ｑｍ）と
    なるように制御することを特徴とする質量流量制御方
    法。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記音速ノズルは並
    列接続された複数個の音速ノズルを含み、これらの音速
    ノズルのレイノルズ数と実際の流出係数の関係を個々に
    求め、これらの関係に基づき、複数の音速ノズルを用い
    てこれらを通過する流体の質量流量を目標とする流量と
    なるように制御することを特徴とする質量流量制御方
    法。
  3. 【請求項３】 請求項１または２において、レイノルズ
    数が１０6 未満の領域内において質量流量の制御を行う
    ことを特徴とする質量流量制御方法。
  4. 【請求項４】 流体供給源から供給される流体を被供給
    側に向けて供給するための流体通路に直列接続状態に介
    挿した音速ノズルと、この音速ノズルの上流側流体圧力
    （Ｐｕ）および下流側流体圧力（Ｐｄ）を検出する圧力
    検出手段と、前記音速ノズルの上流側流体温度（Ｔｕ）
    を検出する温度検出手段と、予め求められた前記音速ノ
    ズルのスロート直径に基づくレイノルズ数（ＲｅＴＨ）
    と実際の流出係数（Ｃｄ）の対応関係を記憶している記
    憶手段と、前記音速ノズルの上流側流体圧力を変更可能
    な変更手段と、この変更手段を制御して、目標とする質
    量流量を得るための制御手段とを有することを特徴とす
    る質量流量制御装置。
  5. 【請求項５】 請求項４において、前記音速ノズルは、
    並列接続された複数個の音速ノズルを含んでおり、各々
    の音速ノズルのレイノルズ数と実際の流出係数の関係が
    前記記憶手段によって記憶されていることを特徴とする
    質量流量制御装置。
  6. 【請求項６】 請求項４または５において、レイノルズ
    数が１０6 未満の領域内において質量流量の制御を行う
    ことを特徴とする質量流量制御装置。
JP14276695A 1995-06-09 1995-06-09 音速ノズルを用いた質量流量制御方法および装置 Expired - Lifetime JP2837112B2 (ja)

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