JP3686748B2

JP3686748B2 - Orifice for pressure flow control device and method for manufacturing the same

Info

Publication number: JP3686748B2
Application number: JP23016097A
Authority: JP
Inventors: 忠弘大見; 哲加賀爪; 一彦杉山; 収深田; 進尾澤; 義浩佐藤; 亮介土肥; 富雄宇野; 功二西野; 浩幸福田; 信一池田; 道雄山路
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Priority date: 1997-08-15
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: JPH11117915A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の圧力式流量制御装置に用いる音速ノズル（オリフィス）とその製造方法の改良に関するものであり、主として半導体製造設備のガス供給系に於いて利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造設備のガス供給系の流量制御装置としては、従前からマスフローコントローラが多く使用されて来たが、近年これに代わるものとして圧力式流量制御装置が開発されている。
図２０は、本願発明者が先きに公開した圧力式流量制御装置を示すものであり、オリフィス５の上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂との比Ｐ₂／Ｐ₁をガスの臨界圧力比以下に保持した状態に於いて、オリフィス下流側の流体流量ＱをＱ＝ＫＰ₁（但しＫは定数）として演算することを基本とするものである（特開平８−３３８５４６号）。
尚、図２０に於いて、１は圧力式流量制御装置、２はコントロール弁、３は弁駆動部、４は圧力検出器、５はオリフィス、７は制御装置、７ａは温度補正回路、７ｂは流量演算回路、７ｃは比較回路、７ｄは増幅回路、２１ａ・２１ｂは増幅回路、２２ａ・２２ｂはＡ／Ｄ変換回路、２４は反転増幅器、２５はバルブ、Ｑｙは制御信号、Ｑｃは演算信号、Ｑｓは流量設定信号である。
【０００３】
前記圧力式流量制御装置はコントロール弁２を開・閉制御してオリフィス上流側圧力Ｐ₁を調整することにより、オリフィス下流側流量Ｑを高精度で制御することができ、優れた実用的効用を奏するものである。
しかし、この圧力式流量制御装置にも解決すべき多くの問題が残されており、その中でも特に音速ノズル（オリフィス）に係わる問題が重要な問題点となっている。
【０００４】
先ず、第１の問題はオリフィスの製造コストの点である。オリフィスとしては、口径が１０μｍφ〜０．８ｍｍφ程度のものが要求される場合があり、１０μｍφ〜０．８ｍｍφの微細な口径を有する音速オリフィスは、通常放電加工やエッチング加工により形成されている。しかし、放電加工やエッチング加工によりオリフィスを所定の形状、例えばＩＳＯ９３００に規定されているような形状に加工する場合には、オリフィスの製作費が著しく高くつくと云う難点がある。
【０００５】
第２の問題はオリフィスの流量特性のバラツキの点である。微細な口径を有する音速オリフィスは、加工の困難性とも相俟ってその流量特性が所定の範囲内に揃い難く、個体差が著しく大きくなる傾向にある。その結果、流量測定の精度が悪化したり、測定値の校正に手数がかかり過ぎると云う問題がある。
【０００６】
第３の問題は、流量特性曲線上のリニヤー性の範囲の問題である。
オリフィス上流側の圧力Ｐ₁とオリフィス下流側圧力Ｐ₂との比Ｐ₂／Ｐ₁がガスの臨界圧力比（空気や窒素の場合約０．５）以下になると、オリフィスを通るガス流速が音速となってオリフィス下流側の圧力変動がオリフィス上流側へ伝播しなくなり、オリフィス上流側の状態に相応した安定した質量流量が得られると言われている。
しかし、現実の流量特性曲線に於いては、所謂リニヤー特性となる圧力比範囲、即ちＱ＝ＫＰ₁として流量演算の出来る圧力比範囲は臨界圧力比の点よりも遙に低い値となり、それだけ流量制御の可能な範囲が狭くなると云う難点がある。また、リニヤー特性そのものにも若干問題が残されており、高度なリニヤー性が得難いために、制御精度の一層の向上を図り難いと云う難点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の圧力式流量制御装置用オリフィスに於ける上述の如き問題、即ち（イ）オリフィスの製造コストの引下げが図り難いこと、（ロ）オリフィスの加工が困難なうえ、加工精度のバラツキがそのまま制御流量の個体差に結びつき、高精度で安定した流量制御ができないこと、（ハ）オリフィスの流量特性上のリニヤー特性の圧力比範囲が狭く、広い圧力比範囲に亘って高精度な圧力流量制御ができないこと、及び（ニ）リニヤー特性が高度なものでないため、制御精度の一層の向上を図り難いこと等の問題を解決せんとするものであり、比較的簡単に加工ができて製造コストの大幅な引下げを図れると共に、流量特性上のバラツキも比較的少なく、且つ広い圧力比範囲に亘って高精度な圧力流量制御を達成出来るようにした圧力式流量制御用オリフィスとその製造方法を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、オリフィスの上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂との比Ｐ₂／Ｐ₁をガスの臨界圧力比以下に保持した状態下でオリフィス下流側の流体流量ＱをＱ＝ＫＰ₁（但し、Ｋは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置用オリフィスに於いて、金属薄板製本体部材（Ｄ）に第１の直径（φ）のドリル錐（６ａ）を用いて穿設した下孔（６）の一方の開口端部を切削してラッパの吹口状に形成した第１の長さ（Ｌ₁）の入口テーパ部（１）と、前記第 1 の直径（φ）のドリル錐（６ａ）より僅かに太径の第２の直径（φ₁）のドリル錐（２ａ）により当該入口テーパ部（１）に連続して形成した入口テーパ部（１）の前記第 1 の長さ（Ｌ ₁ ）より短い第２の長さ（Ｌ）の絞り平行部（２）と、前記下孔（６）の他方の開口端部を前記第２の直径（φ ₁ ）のドリル錐（２ａ）より太径の第３の直径（φ₂）のドリル錐（４ａ）で拡径することにより形成した前記絞り平行部（２）に連続する前記第 1 の長さ（Ｌ ₁ ）と第２の長さ（Ｌ）との合計長さより大きい第３の長さ（Ｌ₂）の短いテーパ拡径部（３）及びこれに連続する長い平径拡径部（４）とから構成され、且つ前記絞り平行部（２）の直径を１０μｍ〜０．９ｍｍとしたことを発明の基本構成とするものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、入口テーパー部１を、断面視に於いて内壁面が曲線となる形状の入口テーパー部としたものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、入口テーパー部１を、断面視に於いて内壁面が曲線となる形状の入口テーパー部としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明に係る圧力式流量制御装置オリフィスの縦断面図であり、図に於いて、Ａはオリフィス、１は入口テーパー部、２は絞り平行部、３はテーパー拡径部、４は平行拡径部である。
当該オリフィスＡは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ、ＦＳ９等）の丸棒（直径８〜１１ｍｍφ）や薄板（厚さ約８〜１０ｍｍ）を切削加工することに形成されており、その入口側（流体の高圧側）Ｂは平面状に、また出口側（流体の低圧側）Ｃは凹曲面状（部分球殼面）に、更にオリフィスの内径φ₁は０．１１ｍｍφに夫々形成されている。
【００１４】
即ち、前記入口テーパー部１は曲率半径Ｒが０．２２ｍｍのラッパの吹口状の彎曲面に形成されており、この入口テーパー部１に連続して長さＬが０．０５ｍｍの絞り平行部２が形成されている。
当該絞り平行部２の内径φ₁は０．１１ｍｍφに選定されており、この絞り平行部２がオリフィスＡの内径を規制している。
【００１５】
前記、テーパー拡径部３は絞り平行部２に連続して形成されており、本実施例に於いては、後述する外径０．２ｍｍφの穿孔用キリの先端刃の形状（先端角１２０°）により決まる傾斜角αが約６０°の斜面を備えたテーパー拡径部３とされている。
更に、前記平行拡径部４はテーパー拡径部３と連続して形成されており、その内径φ₂は０．２ｍｍφに選定されている。
【００１６】
図２は、本発明に係るオリフィスＡの他の実施態様を示すものであり、当該実施態様に於いては入口テーパー部１が、断面視に於いて内壁面が直線となる形状（即ち円錐面状のテーパー部１）に形成されており、その傾斜角α_Oは１２０°に選定されている。
また、オリフィス内径φ₁は０．１４ｍｍ、入口テーパー部１の深さＬ₁＝０．２５ｍｍ、絞り平行部２の長さＬ＝０．０５ｍｍ、平行拡径部４の内径φ₂＝０．１６ｍｍ、傾斜角α＝６０°、テーパー拡径部３と平行拡径部４との長さＬ₂＝０．６５ｍｍに夫々選定されている。
【００１７】
尚、上記図１及び図２の実施例ではオリフィス内径φ₁を０．１ｍｍφ及び０．１４ｍｍφとしているが、本発明に係るオリフィスとしては、内径φ₁が１０μｍφ〜０．９ｍｍφ程度のものが最適である。
【００１８】
次に、本発明に係る圧力式流量制御装置用オリフィスの具体的な製造方法について、前記図１のオリフィスＡの製造を例にとって説明する。
図３乃至図９を参照して、先ずステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ、ＦＳ９等）の丸棒（直径８〜１１ｍｍφ）や薄板（厚さ約８〜１０ｍｍ）を切削加工して、図３に示す如き形状の本体部材Ｄを形成する。
尚、本体部材Ｄの入口側外表面Ｂは平面状に、また出口側外表面Ｃは球面状（凹曲面状）に夫々形成されている。
【００１９】
前記本体部材Ｄの形成が終れば、次に、入口側外表面Ｂの中心部に図４に示す如き形状のセンタータッピンを行なう。
即ち、立型タッピッグセンター機を用いて、ＨＳＳ材製の先端を鋭い尖頭状に形成したポンチ５ａにより所謂センターもみを施し、図４の如き断面が三角形のセンター凹部５を形成する。尚、ポンチ５ａの先端角は９０°、凹所５の深さは０．１ｍｍである。
【００２０】
次に、φ＝０．１ｍｍφの超硬ドリル錐６ａにより、図５に示す如く前記センター凹部５から内方へ向けて図５の如く穿孔加工を行ない、下孔６を形成する。
そして、その後に、図６の如き形状を有する曲率半径Ｒ＝０．２２ｍｍのアールバイト１ａを用いて、前記図５の下孔６の入口側をテーパー加工し、図７に示すような断面視において内壁面が曲線となる形状の入口テーパー部１を形成する。
尚、図２のオリフィスＡの製作に於いては、前記アールバイト１ａに代えて、先端角α_Oが６０°のストレートバイト（図示省略）を使用し、図２の如き断面視に於いて内壁面が直線の入口テーパー部１（即ち円錐状のテーパー部）を形成する。
【００２１】
更に、前記入口テーパー部１の形成後にφ＝０．１１ｍｍφのドリル錐２ａに交換し、流体入口側Ｂより流体出口側Ｃへ向けて０．１１ｍｍφの穿孔を行なう。これにより、前記０．１ｍｍφのドリル錐６ａによる穿孔が０．１１ｍｍφに開孔される。
【００２２】
その後、本体部材Ｄのチャッキング方向を転換し、且つ錐を図８に示す如きセンタードリル（外径０．３ｍｍφ×先端角９０°）７に取り替え、先きに穿孔したφ＝０．１１ｍｍφの孔の出口側端部から内方へその刃先きより０．０５ｍｍだけ入れ、出口側端部に残った所謂バリを取る。
【００２３】
前記センタードリル７によるバリ取りが終れば、外径０．２ｍｍφ、先端角１２０°の拡径用ドリル錐４ａにより、図９に示す如くφ＝０．２ｍｍφの平行拡径部４を形成する。
そして、最後に前記ドリル錐４ａを前記φ＝０．１１ｍｍφのドリル錐２ａに取り替え、絞り平行部２とテーパー拡径部３との境界に残されたバリを除去する。
【００２４】
本発明のオリフィスＡは、上記の如くアールバイト１ａ、０．１ｍｍφのドリル錐６ａ、０．１１ｍｍφのドリル錐２ａ、０．２ｍｍφのドリル錐４ａ及びセンタードリル７による切削、穿孔及びバリ取り加工だけで形成され、特別な研磨工程や放電加工等の穿孔加工を必要とすることが無い。
即ち、本発明に係るオリフィスＡは、極めて簡単な工程により且つ安価に製造される。
【００２５】
図１０は、本発明により形成した図１の４個のオリフィス（平行拡径部の内径φ₂＝０．２ｍｍ）Ａの流量特性を示すものである。
図１０からも明らかなように、Ｐ₂／Ｐ₁＝０．６３３（Ｐ₁＝３．０ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ、Ｐ₂＝１．８９ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ）の範囲に亘って、流量と１次側圧力Ｐ₁との間のリニアー性がよく確保されていることが判る。
即ち、アールバイト１ａとドリル錐２ａ、４ａ、６ａ及びセンタードリル７によるバリ取りだけの加工によるオリフィスＡの形式にも拘わらず、何れのオリフィスＡにあってもそのリニアー特性がＰ₂／Ｐ₁＝０．６３３の点まで保持されており、高い実用的効用を有するものである。
【００２６】
図１１は本発明に係る上記４個の中の３個のオリフィスＡの流量−直線性誤差特性を示すものであり、図１１からも明らかなように直線性誤差は、Ｎｏ１オリフィスでは＋０．６６％〜−０．４１％の間に、Ｎｏ２オリフィスでは＋０．７４％〜−０．４２％の間に、Ｎｏ３オリフィスでは＋０．６９％〜−０．４３％の間に夫々あり、精度的には十分に実用に耐え得るものであることが判る。
また、各個体の間に若干流量差があるものの、Ｐ₂／Ｐ₁が約０．６３３の範囲に於いて何れも圧力−流量の間に比例関係が成立しており、優れたリニアー特性（即ち、Ｑ＝ＫＰ₁）を有するものであることが判る。
【００２７】
一方、図１２は、従前のＩＳＯ９３００に規定されている音速ノズル型オリフィスの流量特性を示すものであり、２個の内の１個はＰ₂／Ｐ₁＝０．６０（Ｐ₁＝３．０ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ、Ｐ₂＝１．９ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ）の範囲に亘ってリニアー性が確保されているが、他の一組はＰ₂／Ｐ₁＝０．５３３位いまでしかリニアー性が確保できておらず、各オリフィス間に大きな固体差のあることが判る。
即ち、当該音速ノズル型のオリフィスは複雑な形状に研磨工程等を経て仕上げられており、製造コストが著しく高価なものであるにも拘わらず、流量特性の固体差に大きなバラツキがあり、リニアー特性の良いものもある反面リニアー特性の著しく悪いものもあると云う、実用上の致命的な欠陥を有するものであることが判る。
また、図１３は、前記図１２の音速ノズル型オリフィスの圧力−流量直線性誤差特性を示すものであり、直線性誤差は、＋０．７２％〜−０．５８％（Ｎｏ１オリフィス）及び＋０．７２％〜−０．５２％（Ｎｏ２オリフィス）となっている。
【００２８】
図１４は加工工作を著しく簡素化して、φ＝０．１１ｍｍφのドリル錐で入口側から本体部材Ｄに穿孔すると共に、センタードリル７によって出口側の端面のバリ取りを行なったものである。
当該図１３のオリフィスの場合には、加工が簡単で経済性に優れているものの、流量特性に於けるリニアー特性の確保できる領域がＰ₂／Ｐ₁＝０．４６６（Ｐ₁＝３ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ、Ｐ₂＝１．３９ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ）であって、極めて狭い圧力比範囲内しかリニアー性を確保できないと云う難点がある。また、図１５は、前記図１４のオリフィスの圧力−流量直線性誤差特性を示すものであり、直線性誤差は、＋１．６９％〜−１．０２％（Ｎｏ１オリフィス）及び＋１．９２％〜−１．１６％（Ｎｏ２オリフィス）となっている。
【００２９】
図１６は、本発明のオリフィスＡの平行拡径部４を２段に亘って拡径したものであり、平行拡径部４にφ＝０．２ｍｍφの第１平行拡径部４ａとφ＝０．３ｍｍφの第２平行拡径部４ｂを形成したものである。
当該図１６のオリフィスに於いては、加工工程が２工程分（０．２ｍｍφ孔の端部のバリ取り工程と０．３ｍｍφの穿孔工程）増加するにも拘わらず、リニアー性の保持範囲がＰ₂／Ｐ₁＝０．５８３（Ｐ₁＝３ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ、Ｐ₂＝１．７５ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ）までであって、本発明のオリフィスＡの場合よりもリニアー性の確保範囲が狭いと云う難点がある。
また、図１７は、前記図１６のオリフィスの圧力−流量直線性誤差特性を示すものであり、直線性誤差は、＋０．７０％〜−０．４９％（Ｎｏ１オリフィス）、＋０．５９％〜−０．４１％（Ｎｏ２オリフィス）、＋０．７０％〜−０．４８％（Ｎｏ３オリフィス）と夫々なっている。
【００３０】
図１８は、図２に示した本発明の他の実施態様に係るオリフィスＡの流量特性を示すものであり、また、図１９は、図２に示したオリフィスＡのオリフィス流量の直線性誤差曲線を示すものである。
【００３１】
尚、前記直線性誤差（Ｆ．Ｓ．％）は、設定圧力０〜３．０（ｋｇｆ／ｃｍ²・ａｂｓ）の範囲で実測した流量測定曲線を基にして、最小２乗法により最大プラス差及び最大マイナス差を最小且つ等しくする前記流量測定曲線に対する近似直線を求め、この近似直線値と実測値との差を最大流量値に対する％で表わしたものであり、当該オリフィスＡの場合、正方向の流体流れ（図２の矢印イ方向）に対しては最大で＋０．４６％〜−０．４５％の直線性誤差が、また、逆方向の流体流れ（図２の矢印ロ方向）に対しては最大で＋０．２８％〜−０．２８％の直線性誤差が生ずることになり、逆方向の流体流れに対する直線性誤差が著しく小さくなることが判っている。
【００３２】
【発明の効果】
前記図１０に示す本発明のオリフィスＡと図１２、図１３及び図１６の各オリフィスとを対比した場合、本発明のオリフィスＡはオリフィスの加工工程が極めて少ないうえ、その加工も切削と穿孔を中心とするものであり、特別な表面研磨加工等を必要とすることがない。
その結果、本発明のオリフィスＡは、他の形式のオリフィスに比較して極めて安価に製作することができる。
尚、このことは、図２に示した本発明のオリフィスＡの場合にも同様であり、他の形式のオリフィスに比較して極めて安価に製作することができる。
【００３３】
また、本発明のオリフィスＡの流量特性はＰ₂／Ｐ₁＝０．６３３位いの範囲に亘って流量と１次側圧力Ｐ₁との間のリニアー性を保持することができ、しかも各固体間の流量特性曲線がほぼ同じ形態となる。即ち、ほぼ全数がＰ₂／Ｐ₁＝０．６３３の範囲に亘ってリニアー性を保持することになる。
その結果、各オリフィスＡ個々の流量Ｑの補正は、Ｑ＝ＫＰ₁に於ける定数Ｋの補正だけで十分であり、オリフィスＡの流量特性の調整が極めて簡単となる。
更に、本発明のオリフィスＡの流量圧力特性は優れたリニアー性を有しており、且つ直線性誤差（Ｆ．Ｓ．％）も＋０．７４％〜−０．４１％の範囲内にあって比較的低く、十分に実用に耐え得るものである。
【００３４】
更に、図２に示した円錐面状のテーパー部とした本発明のオリフィスＡは、流量の直線性誤差の少ないより高度なリニアー特性を具備するものであり、その結果高精度な流量制御が可能となる。
【００３５】
本発明は上述の通り、圧力式流量制御装置用オリフィスを簡単且つ安価に製造することができ、しかも比較的広い圧力比Ｐ₂／Ｐ₁の範囲に亘って１次圧力Ｐ₁と流量との間にリニアー性を保持できると共に、各個体間の流量特性の調整（流量補正）も簡単に行なえると云う優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧力式流量制御装置用オリフィスの縦断面図である。
【図２】本発明の他の実施態様に係る圧力式流量制御装置用オリフィスの部分縦断面図である。
【図３】オリフィスＡを形成する本体部材の縦断面図である。
【図４】オリフィスＡの加工工程センタータッピング工程の説明図である。
【図５】絞り平行部の形成工程の説明図である。
【図６】入口テーパー部の形成に使用するアールバイトＣの説明図である。
【図７】入口テーパー部と絞り平行部の形成を示す説明図である。
【図８】センタードリルによるバリ取り工程の説明図である。
【図９】テーパー拡径部及び平行拡径部の形成を示す説明図である。
【図１０】本発明によるオリフィスＡ（φ＝０．１１ｍｍφ）の流量特性を示すものである。
【図１１】図１０のオリフィスの流量−直線性誤差特性を示すものである。
【図１２】ＩＳＯ９３００に規されている音速ノズル型オリフィスの流量特性を示すものである。
【図１３】図１２のオリフィスの流量−直線性誤差特性を示すものである。
【図１４】加工を簡素化したφ＝０．１１ｍｍφの穿孔から成るオリフィスの流量特性を示すものである。
【図１５】図１４のオリフィスの流量−直線性誤差特性を示すものである。
【図１６】平行拡径部を２段にしたオリフィスの流量特性を示すものである。
【図１７】図１６のオリフィスの流量−直線性誤差特性を示すものである。
【図１８】円錐状の入口テーパー部を備えたオリフィスＡの流量特性曲線である。
【図１９】円錐状の入口テーパー部を備えたオリフィスＡの流量・直線性誤差曲線である。
【図２０】先願に係る圧力式流量制御装置の構成図である。
【符号の説明】
Ａはオリフィス、φ₁は絞り平行部の内径、φ₂は平行拡径部の内径、Ｄは本体部材、Ｂは流体入口側外表面、Ｃは流体出口側外表面、１は入口テーパー部、１ａはアールバイト、２は絞り平行部、２ａはφ＝０．１１ｍｍφのドリル錐、３はテーパー拡径部、４は平行拡径部、４ａはφ＝０．２ｍｍφの拡径用ドリル錐、５はセンター凹所、５ａはセンタータッピング用ポンチ、６は下孔、６ａはφ＝０．１ｍｍのドリル錐、７はセンタードリル、Ｒは入口テーパー部の曲率半径、Ｌ₁は円錐状入口テーパー部の深さ、Ｌは絞り平行部の長さ、α_Oは円錐状入口テーパー部の傾斜角、αはテーパー拡径部の傾斜角、Ｌ₂はテーパー拡径部と平行拡径部との長さ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a sonic nozzle (orifice) used in a fluid pressure type flow rate control device and a manufacturing method thereof, and is mainly used in a gas supply system of a semiconductor manufacturing facility.
[0002]
[Prior art]
As a flow control device for a gas supply system of a semiconductor manufacturing facility, a mass flow controller has been used for many years. Recently, a pressure type flow control device has been developed as an alternative to this.
FIG. 20 shows the pressure type flow rate control apparatus previously disclosed by the present inventor. The ratio P ₂ / P ₁ between the upstream pressure P ₁ and the downstream pressure P ₂ of the orifice 5 is determined as the criticality of the gas. In a state where the pressure ratio is kept below, the fluid flow rate Q on the downstream side of the orifice is basically calculated as Q = KP ₁ (where K is a constant) (Japanese Patent Laid-Open No. 8-338546).
In FIG. 20, 1 is a pressure type flow control device, 2 is a control valve, 3 is a valve drive unit, 4 is a pressure detector, 5 is an orifice, 7 is a control device, 7a is a temperature correction circuit, and 7b is Flow rate calculation circuit, 7c is a comparison circuit, 7d is an amplification circuit, 21a and 21b are amplification circuits, 22a and 22b are A / D conversion circuits, 24 is an inverting amplifier, 25 is a valve, Qy is a control signal, Qc is a calculation signal, Qs is a flow rate setting signal.
[0003]
The pressure type flow rate control device can control the orifice downstream pressure P ₁ with high accuracy by opening and closing the control valve 2 to adjust the orifice upstream pressure P _1, and has excellent practical utility. It is what you play.
However, many problems to be solved still remain in this pressure type flow control device, and among them, a problem related to the sonic nozzle (orifice) is an important problem.
[0004]
First, the first problem is the manufacturing cost of the orifice. As the orifice, those having a diameter of about 10 μmφ to 0.8 mmφ may be required, and the sonic orifice having a fine diameter of 10 μmφ to 0.8 mmφ is usually formed by electric discharge machining or etching. However, when an orifice is processed into a predetermined shape, for example, a shape defined in ISO 9300 by electric discharge machining or etching, there is a problem that the manufacturing cost of the orifice is extremely high.
[0005]
The second problem is the variation in the flow characteristics of the orifice. A sonic orifice having a fine diameter has a tendency that flow rate characteristics are difficult to be aligned within a predetermined range in combination with difficulty of processing, and individual differences tend to be extremely large. As a result, there are problems that the accuracy of the flow rate measurement is deteriorated and that the calibration of the measured value takes too much time.
[0006]
The third problem is the linearity range on the flow characteristic curve.
If the ratio P ₂ / P ₁ of the pressure P ₁ and the orifice downstream side pressure P ₂ upstream side of the orifice is less (about 0.5 if air or nitrogen) the critical pressure ratio of the gas, the gas flow rate through the orifice is sonic velocity Thus, it is said that the pressure fluctuation on the downstream side of the orifice does not propagate to the upstream side of the orifice, and a stable mass flow rate corresponding to the state on the upstream side of the orifice can be obtained.
However, in the actual flow rate characteristic curve, the pressure ratio range in which the so-called linear characteristic is obtained, that is, the pressure ratio range in which the flow rate can be calculated as Q = KP ₁ is much lower than the critical pressure ratio, and the flow rate is accordingly increased. There is a drawback that the controllable range is narrowed. Further, some problems remain in the linear characteristics themselves, and it is difficult to obtain a high degree of linearity, so that it is difficult to further improve the control accuracy.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has the above-mentioned problems in the conventional pressure flow control device orifice, that is, (b) it is difficult to reduce the manufacturing cost of the orifice, (b) it is difficult to machine the orifice, and the machining accuracy is improved. Variations directly lead to individual differences in the control flow rate, and high-precision and stable flow control cannot be performed. (C) The pressure ratio range of the linear characteristics on the flow characteristic of the orifice is narrow and high accuracy over a wide pressure ratio range. It is intended to solve problems such as the inability to control the pressure and flow rate and (d) difficulty in further improving the control accuracy due to the lack of advanced linear characteristics. Pressure that enables significant reduction in manufacturing cost, relatively little variation in flow characteristics, and achieves highly accurate pressure flow control over a wide pressure ratio range. There is provided cents flow control orifice and a manufacturing method thereof.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention of claim 1, Q fluid flow rate Q of the orifice downstream the ratio P ₂ / P ₁ of the upstream pressure P ₁ and downstream pressure P ₂ of the orifice in a state held below the critical pressure ratio of the gas = KP ₁ (where K is a constant) In the orifice for a pressure type flow rate control device, a drill cone (6a) having a first diameter (φ) is provided on a metal sheet body member (D) . entrance tapered portion of the first length formed in a trumpet吹口shaped by cutting one opening end of the lower bore (6) bored with (L ₁₎ and (1), the first diameter (phi) drill bit (6a) from drill bit (2a) by the entrance tapered portion entrance tapered portion formed continuously in (1) of the second diameter slightly larger diameter (phi ₁₎ of the (1) the first length and (L ₁₎ shorter than the second length parallel portion aperture (L) (2), the other open end of the lower bore (6) Continuous serial drill bit (2a) than the third diameter (phi ₂₎ the narrowed parallel portion formed by expanding the diameter in drill bit (4a) of the large diameter of the second diameter (φ ₁₎ (2) long continuous first length (L ₁₎ and the total length Halfbeak large third length (L ₂₎ short tapered enlarged diameter portion of the second length (L) (3) and to the The basic structure of the present invention is that the diameter of the aperture parallel portion (2) is 10 μm to 0.9 mm.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the inlet taper portion 1 is an inlet taper portion having a curved inner wall surface in a sectional view.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the inlet taper portion 1 is an inlet taper portion whose inner wall surface is curved in a sectional view.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an orifice of a pressure type flow control device according to the present invention, in which A is an orifice, 1 is an inlet taper portion, 2 is a throttle parallel portion, 3 is a taper enlarged portion, 4 is It is a parallel expanded part.
The orifice A is formed by cutting a stainless steel (SUS316L, FS9, etc.) round bar (diameter 8 to 11 mmφ) or a thin plate (thickness of about 8 to 10 mm). Side) B is formed in a planar shape, the outlet side (the low pressure side of the fluid) C is formed in a concave curved surface shape (partial spherical surface), and the inner diameter φ ₁ of the orifice is 0.11 mmφ.
[0014]
That is, the entrance taper portion 1 is formed in a trumpet-shaped bowl-shaped curved surface of a trumpet having a radius of curvature R of 0.22 mm, and the diaphragm parallel portion 2 having a length L of 0.05 mm continuously from the entrance taper portion 1. Is formed.
The inner diameter φ ₁ of the diaphragm parallel part 2 is selected to be 0.11 mmφ, and the diaphragm parallel part 2 regulates the inner diameter of the orifice A.
[0015]
The tapered enlarged portion 3 is formed continuously with the diaphragm parallel portion 2, and in this embodiment, the shape of the tip edge of a drilling drill having an outer diameter of 0.2 mmφ (tip angle 120 °) is described later. ) Is a tapered diameter-expanded portion 3 having an inclined surface with an inclination angle α determined by about 60 °.
Further, the parallel expanded portion 4 is formed continuously with the tapered expanded portion 3, and its inner diameter φ ₂ is selected to be 0.2 mmφ.
[0016]
FIG. 2 shows another embodiment of the orifice A according to the present invention. In this embodiment, the inlet tapered portion 1 has a shape in which the inner wall surface is a straight line in a sectional view (that is, a conical surface). The taper portion 1) is formed with an inclination angle α _O of 120 °.
Further, the orifice inner diameter phi ₁ is 0.14 mm, the depth L ₁ = 0.25 mm of the inlet taper portion 1, a length L = 0.05 mm of the diaphragm parallel portion 2, an inner diameter phi ₂ = 0 parallel expanded diameter portion 4. 16 mm, inclination angle α = 60 °, and the length L _{2 of} the tapered enlarged portion 3 and the parallel enlarged portion 4 are selected to be 0.65 mm.
[0017]
In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the orifice inner diameter φ _{1 is set} to 0.1 mmφ and 0.14 mmφ. However, as the orifice according to the present invention, those having an inner diameter φ ₁ of about ₁₀ μmφ to 0.9 mmφ are optimal. It is.
[0018]
Next, a specific method for manufacturing the orifice for the pressure type flow rate control device according to the present invention will be described taking the manufacture of the orifice A in FIG. 1 as an example.
Referring to FIGS. 3 to 9, first, a round bar (diameter: 8 to 11 mmφ) or a thin plate (thickness: about 8 to 10 mm) of stainless steel (SUS316L, FS9, etc.) is cut into a shape as shown in FIG. The main body member D is formed.
In addition, the inlet side outer surface B of the main body member D is formed in a flat shape, and the outlet side outer surface C is formed in a spherical shape (concave curved shape).
[0019]
After the formation of the main body member D, a center tapping having a shape as shown in FIG.
That is, by using a vertical tapping center machine, a so-called center stirrer is formed by a punch 5a having a sharp tip formed of a tip made of HSS material, and a center recess 5 having a triangular cross section as shown in FIG. 4 is formed. The tip angle of the punch 5a is 90 °, and the depth of the recess 5 is 0.1 mm.
[0020]
Next, drilling is performed as shown in FIG. 5 from the center recessed portion 5 as shown in FIG. 5 by the carbide drill cone 6a of φ = 0.1 mmφ to form the lower hole 6.
Then, the entrance side of the lower hole 6 in FIG. 5 is tapered using an R bite 1a having a curvature radius R = 0.22 mm having a shape as shown in FIG. 6, and a sectional view as shown in FIG. The inlet taper portion 1 having a curved inner wall surface is formed.
In the manufacture of the orifice A in FIG. 2, a straight cutting tool (not shown) having a tip angle α _O of 60 ° is used in place of the round tool 1a, and the inner part in the sectional view shown in FIG. The wall surface forms a straight inlet taper portion 1 (that is, a conical taper portion).
[0021]
Further, after forming the inlet taper portion 1, the drill cone 2a is replaced with φ = 0.11 mmφ, and 0.11 mmφ is drilled from the fluid inlet side B toward the fluid outlet side C. As a result, the drilling by the 0.1 mmφ drill cone 6a is made to 0.11 mmφ.
[0022]
Thereafter, the chucking direction of the body member D is changed, and the cone is replaced with a center drill (outer diameter 0.3 mmφ × tip angle 90 °) 7 as shown in FIG. 8, and φ = 0.11 mmφ previously drilled is changed. A so-called burr remaining at the outlet side end is removed from the outlet side end of the hole inward by 0.05 mm from the cutting edge.
[0023]
When the deburring by the center drill 7 is finished, the parallel expanded portion 4 with φ = 0.2 mmφ is formed as shown in FIG. 9 by the drill cone 4a having an outer diameter of 0.2 mmφ and a tip angle of 120 °.
Finally, the drill cone 4a is replaced with the φ = 0.11 mmφ drill cone 2a, and the burrs left at the boundary between the drawing parallel portion 2 and the tapered enlarged portion 3 are removed.
[0024]
As described above, the orifice A of the present invention is only cut, drilled and deburred by the round tool 1a, the 0.1 mmφ drill cone 6a, the 0.11mmφ drill cone 2a, the 0.2mmφ drill cone 4a and the center drill 7. And does not require a drilling process such as a special polishing process or electric discharge machining.
That is, the orifice A according to the present invention is manufactured by a very simple process and at a low cost.
[0025]
FIG. 10 shows the flow rate characteristics of the four orifices (inner diameter φ ₂ = 0.2 mm of the parallel expanded portion) A of FIG. 1 formed according to the present invention.
As apparent from FIG. 10, the flow rate is 1 over the range of P ₂ / P ₁ = 0.633 (P ₁ = 3.0 kgf / cm ² abs, P ₂ = 1.89 kgf / cm ² abs). It can be seen that the linearity with the secondary pressure P ₁ is well secured.
That is, regardless of the type of the orifice A formed by only deburring by the round bit 1a, the drill cones 2a, 4a, 6a and the center drill 7, the linear characteristic of any orifice A is P ₂ / P _1. = 0.633 is maintained and has high practical utility.
[0026]
FIG. 11 shows the flow rate-linearity error characteristics of three of the four orifices A according to the present invention. As is clear from FIG. 11, the linearity error is +0.66 for the No1 orifice. % To -0.41%, between + 0.74% and -0.42% for the No2 orifice, and between + 0.69% and -0.43% for the No3 orifice. It can be seen that can sufficiently withstand practical use.
In addition, although there is a slight flow rate difference between each individual, a proportional relationship is established between pressure and flow rate in the range where P ₂ / P ₁ is about 0.633, and excellent linear characteristics ( That is, it can be seen that Q = KP ₁ ).
[0027]
On the other hand, FIG. 12 shows the flow rate characteristics of the sonic nozzle type orifice defined in the conventional ISO 9300, and one of the two is P ₂ / P ₁ = 0.60 (P ₁ = 3. Linearity is ensured over the range of 0 kgf / cm ² abs, P ₂ = 1.9 kgf / cm ² abs), but the other set is only linear up to the P ₂ / P ₁ = 0.533 position. Therefore, it can be seen that there is a large solid difference between the orifices.
That is, the sonic nozzle type orifice is finished in a complicated shape through a polishing process and the like, and although the manufacturing cost is extremely expensive, there is a large variation in the solid difference in flow characteristics, and the linear characteristics It can be seen that some of them have a practically fatal defect that some of them have good linear characteristics but some have extremely poor linear characteristics.
FIG. 13 shows the pressure-flow rate linearity error characteristics of the sonic nozzle type orifice shown in FIG. 12. The linearity errors are + 0.72% to -0.58% (No1 orifice) and +0. 72% to -0.52% (No2 orifice).
[0028]
In FIG. 14, the machining is remarkably simplified, and the body member D is drilled from the entrance side with a drill cone of φ = 0.11 mmφ, and the end face on the exit side is deburred by the center drill 7.
In the case of the orifice of FIG. 13, the machining is simple and excellent in economic efficiency, but the region where the linear characteristic can be secured in the flow characteristic is P ₂ / P ₁ = 0.466 (P ₁ = 3 kgf / cm). ² abs, P ₂ = 1.39 kgf / cm ² abs), and the linearity can be ensured only within a very narrow pressure ratio range. FIG. 15 shows the pressure-flow rate linearity error characteristics of the orifice shown in FIG. 14. The linearity errors are + 1.69% to -1.02% (No1 orifice) and + 1.92% to -1.16% (No. 2 orifice).
[0029]
FIG. 16 shows the parallel expanded portion 4 of the orifice A of the present invention expanded in two stages. The parallel expanded portion 4 includes a first parallel expanded portion 4a of φ = 0.2 mmφ and φ = A second parallel expanded portion 4b having a diameter of 0.3 mmφ is formed.
In the orifice shown in FIG. 16, the linearity holding range is P even though the machining process is increased by two processes (the deburring process at the end of the 0.2 mmφ hole and the drilling process of 0.3 mmφ). ₂ / P ₁ = 0.583 (P ₁ = 3 kgf / cm ² abs, P ₂ = 1.75 kgf / cm ² abs), and the linearity securing range is narrower than that of the orifice A of the present invention. There is a difficult point.
FIG. 17 shows the pressure-flow rate linearity error characteristics of the orifice shown in FIG. 16. The linearity errors are + 0.70% to −0.49% (No1 orifice), + 0.59% to -0.41% (No2 orifice) and + 0.70% to -0.48% (No3 orifice), respectively.
[0030]
18 shows the flow rate characteristics of the orifice A according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 2, and FIG. 19 shows the linearity error curve of the orifice flow rate of the orifice A shown in FIG. Is shown.
[0031]
The linearity error (FS%) is the maximum plus difference by the least square method based on the flow rate measurement curve measured in the range of the set pressure 0 to 3.0 (kgf / cm ² · abs). An approximate straight line for the flow rate measurement curve that minimizes and equals the maximum negative difference is obtained, and the difference between the approximate straight line value and the actually measured value is expressed as a percentage of the maximum flow rate value. Linearity error of + 0.46% to -0.45% at the maximum for the fluid flow (in the direction of arrow A in FIG. 2), This results in a linearity error of + 0.28% to -0.28% at maximum, and it has been found that the linearity error with respect to the fluid flow in the reverse direction is significantly reduced.
[0032]
【The invention's effect】
When the orifice A of the present invention shown in FIG. 10 is compared with the orifices of FIGS. 12, 13, and 16, the orifice A of the present invention has very few machining steps for the orifice, and the machining also involves cutting and drilling. It is central and does not require special surface polishing.
As a result, the orifice A of the present invention can be manufactured very inexpensively compared to other types of orifices.
This also applies to the orifice A of the present invention shown in FIG. 2, and can be manufactured at a very low cost compared to other types of orifices.
[0033]
Further, the flow rate characteristics of the orifice A of the present invention can maintain the linearity between the flow rate and the primary pressure P ₁ over a range of about P ₂ / P ₁ = 0.633, The flow characteristic curves between solids have almost the same form. That is, almost all of them maintain the linearity over the range of P ₂ / P ₁ = 0.633.
As a result, the correction of the flow rate Q of each orifice A is sufficient only by the correction of the constant K at Q = KP ₁ , and the adjustment of the flow rate characteristics of the orifice A becomes extremely simple.
Furthermore, the flow rate pressure characteristic of the orifice A of the present invention has excellent linearity, and the linearity error (FS%) is in the range of + 0.74% to -0.41%. It is relatively low and can sufficiently withstand practical use.
[0034]
Further, the orifice A of the present invention having a conical tapered portion shown in FIG. 2 has a more advanced linear characteristic with less linearity error in flow rate, and as a result, highly accurate flow rate control is possible. It becomes.
[0035]
As described above, according to the present invention, the orifice for the pressure type flow rate control device can be manufactured easily and inexpensively, and the primary pressure P ₁ and the flow rate can be obtained over a relatively wide range of the pressure ratio P ₂ / P ₁ . In addition to maintaining linearity in between, excellent practical utility is achieved in that flow rate characteristics between individual individuals can be easily adjusted (flow rate correction).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an orifice for a pressure type flow control device according to the present invention.
FIG. 2 is a partial longitudinal sectional view of an orifice for a pressure type flow control device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a main body member forming an orifice A.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a process tapping step for an orifice A.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a process of forming a diaphragm parallel portion.
FIG. 6 is an explanatory view of an Earl bite C used for forming an inlet tapered portion.
FIG. 7 is an explanatory view showing the formation of an entrance taper portion and a diaphragm parallel portion.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a deburring process using a center drill.
FIG. 9 is an explanatory view showing the formation of a tapered enlarged portion and a parallel enlarged portion.
FIG. 10 shows a flow rate characteristic of an orifice A (φ = 0.11 mmφ) according to the present invention.
11 shows a flow rate-linearity error characteristic of the orifice of FIG.
FIG. 12 shows the flow rate characteristic of a sonic nozzle type orifice regulated by ISO9300.
13 shows a flow rate-linearity error characteristic of the orifice of FIG.
FIG. 14 shows the flow rate characteristics of an orifice composed of a perforation of φ = 0.11 mmφ with simplified processing.
15 shows the flow rate-linearity error characteristic of the orifice of FIG.
FIG. 16 shows the flow rate characteristics of an orifice having two parallel enlarged diameter portions.
17 shows a flow rate-linearity error characteristic of the orifice of FIG.
FIG. 18 is a flow characteristic curve of the orifice A having a conical inlet taper portion.
FIG. 19 is a flow rate / linearity error curve of an orifice A having a conical inlet taper portion.
FIG. 20 is a configuration diagram of a pressure type flow control device according to a previous application.
[Explanation of symbols]
A is an orifice, φ ₁ is the inner diameter of the diaphragm parallel portion, φ ₂ is the inner diameter of the parallel expanded portion, D is the body member, B is the fluid inlet side outer surface, C is the fluid outlet side outer surface, 1 is the inlet taper portion, 1a is a round bite, 2 is an aperture parallel part, 2a is a drill cone with φ = 0.11mmφ, 3 is a tapered enlarged portion, 4 is a parallel enlarged portion, 4a is a drill cone for enlargement with φ = 0.2mmφ, 5 is a center recess, 5a is a punch for center tapping, 6 is a pilot hole, 6a is a drill cone of φ = 0.1 mm, 7 is a center drill, R is a radius of curvature of the inlet tapered portion, and L ₁ is a conical inlet taper. Depth of the part, L is the length of the diaphragm parallel part, α _O is the inclination angle of the conical inlet taper part, α is the inclination angle of the taper enlarged part, L ₂ is the taper enlarged part and the parallel enlarged part length.

Claims

Upstream pressure P ₁ and downstream pressure P ₂ and the ratio P ₂ / P ₁ an orifice downstream of the fluid flow rate Q and Q = KP ₁ under a state of being kept below the critical pressure ratio of the gas orifice (However, K In the orifice for the pressure type flow rate control device, which is calculated as a constant), a pilot hole drilled in the thin metal plate body member (D) using the drill cone (6a) having the first diameter (φ). A first length (L ₁ ) inlet taper portion (1) formed by cutting one opening end of (6) into a trumpet shape, and a drill cone (1) having the first diameter (φ) 6a) The first length (1) of the inlet taper portion (1) formed continuously with the inlet taper portion (1) by the drill cone (2a) having a diameter slightly larger than that of the second diameter (φ ₁ ) L ₁₎ shorter than the second length (L) of the diaphragm parallel portion (2), wherein the other open end of the lower bore (6) second diameter (phi ₁ ) Of the first length (2) continuous to the diaphragm parallel portion (2) formed by expanding the diameter of the drill cone (4a) having a diameter larger than the drill cone (2a) of the third diameter (φ ₂ ). L ₁₎ and the second length (L) and total length Saya Ri large third length of (L ₂₎ short tapered enlarged diameter portion (3) and a long flat diameter-diameter portion contiguous thereto (4 ), And the diameter of the throttle parallel part (2) is 10 μm to 0.9 mm.

The orifice for a pressure type flow control device according to claim 1, wherein the inlet taper portion (1) is an inlet taper portion whose inner wall surface is curved in a cross-sectional view.