JP3913048B2

JP3913048B2 - 背圧制御弁

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Publication number: JP3913048B2
Application number: JP2001364254A
Authority: JP
Inventors: 亨一石川
Original assignee: Ace Inc
Current assignee: Ace Inc
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: JP2003167635A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一次側のガスを所定の圧力に制御する背圧制御弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセス等の大気圧近傍で各種処理を行う製造プロセスにおいて、例えば拡散処理やコーター・デペロッパーなどを用いて処理を行う場合、処理室の圧力変動が製品の膜厚や物理的性質に影響を与える。従って、これらプロセスにおいては処理室内圧を安定に制御する必要がある。
【０００３】
これらのプロセスでは、大気圧よりも処理室の圧力を一般に−50〜−100Paの陰圧状態にしている。大気圧以下にしている理由は、プロセスで使用されるガスや有機系材料が大気環境下へ漏れ出ることを防ぐためであり、これは通常処理室２次側をダクトラインに連結することにより行われている。
【０００４】
このような場合、他部所におけるダクトの運用状況に応じて、ダクトの排気圧の変動が起り、これに伴い処理室内の圧力は直接影響を受けて変動してしまう。また、処理室へ供給する原料ガス量やガス種も各プロセスによって異なるので、これらのガスの流量、密度、粘性等が更に処理室の圧力変化の原因になっている。
【０００５】
このため、処理室の１次側からのガス導入量や２次側の圧力変動にともなう処理室の圧力変化を自動で補正できる背圧制御弁の実現が望まれている。
【０００６】
弁の一次側と二次側との圧力差が少ない場合に、この微差圧状態で一次側圧力を所定圧に自動制御する弁としてバタフライ弁、ボールバルブなどがある。これらの弁は、弁部のクリアランス（開度）あるいはコンダクタンスをアクチュエータによって調整して圧力を制御する。これらの弁は、クリアランスが大きくとれ、高Cv値（空塔流量）が得られるため、弁の前後の圧力差が少ない（微差圧）条件下における背圧（１次側圧力）の制御に適している。
【０００７】
これらの弁を用いて一次側圧力を自動制御しようとする場合、先ず１次側圧力信号を取り込み、任意圧力になるよう弁部クリアランス即ちアクチュエータをフィードバック制御するのが一般的である。この場合、二次側圧力が変化すると、これに伴い一次側圧力が直ちに変動するので、その変動を補う様にフィードバック制御が働き、その結果バルブ開度が制御される。しかし、弁の駆動を含めたフィードバックループの応答遅れがあるので、一次側圧力に瞬時変動が必ず生じる。
【０００８】
特に、二次側をダクトラインに連結している場合、他部所のダクトの使用状況に応じて、排気圧が変動するため、制御している一次圧は、直接排気圧の影響を受けて変動する。この影響を緩和するために、二次側のダクトラインにバラストガスを供給したり、一次側ダクトラインにバッファー装置を設けることが行われている。
【０００９】
しかし、これらの対策を施しても、圧力変動の影響を無くするところまでには至らず、むしろ付帯設備の増加につながっているにすぎない場合が多い。
【００１０】
図７は、上記目的に使用されている従来の背圧弁の一例を示す。従来、流体回路中のユ−スポイントの下流に図７に示すような背圧制御弁７０を安全弁（リリ−フバルブ）として配備し、その背圧制御弁７０の一次側（上流側）の流体を所定の圧力状態に制御（保持）している。
【００１１】
前記従来の背圧制御弁７０は、流体回路に接続される被制御流体の流入部７３を有する第一チャンバ７２と、被制御流体の流出部７５を有する第二チャンバ７４と、前記第一チャンバ７２と第二チャンバ７４とを連通しかつ弁座７７が形成された連通流路７６を備えるボディ本体７１と、前記連通流路７６の第一チャンバ７２側に位置して前記弁座７７を開閉する弁部８１と、前記第一チャンバ７２内に配されるダイヤフラム部８２を備える弁機構体８０とからなる。
【００１２】
前記ダイヤフラム部８２はその外周部８３がボディ本体７１に固定され、前記第一チャンバ７２をダイヤフラム部内側の前記流入部７３を含む弁室９１と外側の調圧室９２に区画し、前記調圧室９２において調圧気体やスプリング等（図では調圧気体）の調圧手段９３によりダイヤフラム部８２を所定方向（図では弁室方向となる下向き）に所定設定圧力で調圧するように構成されている。
【００１３】
符号９４は調圧気体のための給気ポ−ト、９５は同じく排気ポ−トである。
【００１４】
前記背圧制御弁７０は、流体回路内の圧力、つまり当該背圧制御弁７０における一次側の流体圧力を前記弁機構体８０によって受け、該一次側の流体圧力と弁機構体８０を押す前記調圧手段９３の設定圧力とのバランスによって弁座７７の開度コントロ−ルが行われ、一次側の流体を所定の圧力状態に保持する。
【００１５】
より具体的に説明すると、弁機構体８０に作用する流体からの押圧力が調圧手段９３による押圧力よりも大きくなると、弁機構体８０が調圧室方向（図では上向き）に移動して弁座７７が開かれ、流体回路内の流体が排出される。これに対して、弁機構体８０に作用する流体からの押圧力が第一調圧手段９３による押圧力よりも小さくなると、弁機構体８０が第二チャンバ方向に移動して弁座７７が閉じられ、流体回路内の流体の排出が減少される。
【００１６】
しかしながら、前記従来の背圧制御弁７０にあっては、放出流量の変化等に伴う二次側（流出側）の圧力変動に対応する機能を何ら有していない。そのため、前記二次側の圧力変動に起因する影響（該変動に伴う弁機構体８０の動きの抑制等）が懸念される。特に、前記ボディ本体７１の連通流路７６が大径となる場合には、弁機構体８０の弁部側受圧面８１ａの面積も大になるので、前記第二次側の圧力変動の影響が著しくなる。また、前記二次側の圧力変動に対応する機能を有していないことを理由に、当該背圧制御弁７０の用途は安全弁としての用途が中心であった。さらに、当該背圧制御弁７０において、前記調圧手段９３がスプリングで構成される場合には、前記弁機構体８０の動作時にヒステリシスが生じ、反復精度が悪化して一次側の流体圧力を所定圧に精度良く制御できない欠点がある。
【００１７】
また、上記背圧制御弁や、この背圧制御弁のダイアフラム部をベローズ形状に変更した弁などが微差圧制御に使用されている。この場合、弁体の自重と１次側及び２次側の圧力差を調圧室92の圧力を調整することでバランスを保っている。
【００１８】
しかし、１次側の流量増加などにともなう圧力増加に対して、弁体は開く方向に作用するため、弁体自体が機械的にバランスをとる背圧制御弁としての効果は認められるが（バタフライやボールバルブでは、弁体自体での機械的補正がないため、圧力増加し、その後、フィードバックで弁対が開く方向に作用する。）、弁部のクリアランスを制御する方式は、前述の方法と同様であるので２次側圧力変化の影響を直接受けてしまう。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記問題を解決するため種々検討した結果、弁の開度を決定する弁体の位置を制御する第一調圧室と第二調圧室とを設けると共に、弁の１次側圧力信号を検出し、第一調圧室と第二調圧室とのどちらかの圧力を任意に制御することにより弁体の位置をフィードバック制御して１次側圧力を所定圧にできることを見出した。
【００２０】
更に、制御時における圧力チャタリングや弁の取り付け姿勢に基づく弁体の自重の影響が圧力制御に影響をもたらすため、この影響をキャンセルするために自重分を相殺する圧力を両調圧室に加えることにより見かけ重量を無くし、更に片方の調圧室の圧力をフィードバック制御することで安定な背圧制御を行う事が出来ることを見出した。
【００２１】
また更に、１次側の圧力測定箇所に、調圧室の制御に使用したガスを導入することで、制御ラインから有害ガスが拡散して圧力センサを損うことを避けられることを見出した。
【００２２】
本発明は、上記知見に基づき完成するに至ったもので、その目的とするところはガス流体の微差圧制御を目的とした背圧制御弁を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、以下に記載するものである。
【００２４】
〔１〕一次側の被制御ガスを所定の圧力に制御する背圧制御弁であって、被制御ガスの流入部を有する第１チャンバと、被制御ガスの流出部を有する第２チャンバと、前記第１チャンバと第２チャンバとを連通し且つ弁座を形成した連通流路を有するボデイ本体と、
前記連通流路内に配設すると共に前記弁座を開閉する弁部を第１チャンバ側に備えた弁体と、
前記弁体の第１チャンバ側一端に設けられ、第１チャンバと第１調圧室とを隔離する第１ダイアフラムと、
前記弁体の第２チャンバ側他端に設けられ、第２チャンバと第２調圧室とを隔離する第２ダイアフラムと、
第１調圧室内と第２調圧室内との圧力を独立して所定圧力に調節する調圧手段と、
一次側のガス圧力を測定する圧力センサと、
前記圧力センサの検出値に基づき、前記調圧手段を制御する制御部と、
を有する背圧制御弁。
【００２５】
〔２〕制御部の制御方式がフィードバック制御である〔１〕に記載の背圧制御弁。
【００２６】
〔３〕調圧手段が、駆動ガスの圧力を利用する〔１〕に記載の背圧制御弁。
【００２７】
〔４〕調圧手段に用いた駆動ガスを圧力センサを経由して一次側ガスに供給する〔３〕に記載の背圧制御弁。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明につき図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明背圧制御弁の一例を示すものである。図１中、１００は背圧弁ボデイ本体である。２はボデイ本体１００に形成した第１チャンバで、被制御ガスの流入部４と連通している。６は第２チャンバで、被制御ガスの流出部８と連通している。
【００３０】
前記第１チャンバ２と、第２チャンバ６とは、連通流路１０で連結しており、前記連通流路１０には、弁座１２が形成してある。
【００３１】
前記連通流路１０には、弁部１４を第１チャンバ２側に形成した弁体１６を挿入してある。弁体１６の第１チャンバ２側には、第１ダイアフラム１８が取付けてあり、この第１ダイアフラム１８により前記第１チャンバ２は第１調圧室２０と隔離している。なお、２２は第１調圧ガス流入路、２４は第１調圧ガス流出路である。
【００３２】
前記弁体１６の第２チャンバ６側には、前記第１ダイアフラムよりも小面積の第２ダイアフラム２６が取付けてあり、この第２ダイアフラム２６により前記第２チャンバ６は、第２調圧室２８と隔離している。なお、３０は前記第２調圧室２８に調圧ガスを供給する第２調圧ガス流入路である。
【００３３】
４０は、調圧手段としての駆動ガス供給管で、レギュレータ４２、ニードル弁４４を介装しており、その出口は前記第１調圧ガス流入路２２に連結している。４６は分岐管で、前記調圧ガス供給管４０に介装したレギュレータ４２とニードル弁４４との間で駆動ガス供給管４０から分岐し、圧力コントローラ４８を通って、前記第２調圧ガス流入路３０に連結している。
【００３４】
前記第１調圧ガス流出路２４には、センサ取付け管５０の一端が連結してあり、その他端はパージガス路５２と連結している。５４はセンサ取付け管５０に介装した絞り部である。絞り部５４としては、オリフィス、ニードル等が例示できる。前記パージガス路５２は第１チャンバ２内と連通しており、このパージガス路５２を通して第１チャンバ２内の圧力を圧力センサ５６により測定できる。
【００３５】
圧力センサ５６の圧力検出値は制御部としての圧力コントローラ４８に送られ、第２調圧室２８の圧力が制御される。
【００３６】
次に、上記構成の背圧弁の動作につき説明する。
【００３７】
先ず、駆動ガス供給管４０に供給された駆動ガスは、レギュレータ４２で一定圧に調圧された後、ニードル弁４４を通って、一定流量で第１調圧室２０へ導入される。第１調圧室２０の出口に連結されたセンサ取付け管５０の絞り部５４により駆動ガス流量が制限されるので、第１調圧室２０内の圧力が適宜な圧力になり、これにより弁体１６が第２調圧室２８の方向（本図においては下方）に押圧される。
これにより、本背圧弁は「閉」の方向に向う。
【００３８】
一方、分岐管４６を通り、圧力コントローラ４８により所定の圧力に調整された駆動ガスが第２調圧ガス流入路３０を通して第２調圧室２８へ導入される。この駆動ガスの圧力により、弁体１６は第１調圧室２０側（本図においては上方）に押圧される。これにより、本背圧弁は「開」の方向に向う。
【００３９】
下部調圧室の圧力は、弁体１６の自重及び上部ダイアフラムと下部ダイアフラムの受圧面積の違いを相殺するため、第１調圧室よりも高い圧力が必要である。
【００４０】
流入部４と、流出部８との微差圧の制御は、圧力センサ５６により検出した第１チャンバ２の圧力信号を圧力コントローラ４８にフィードバックし、第２調圧室２８の内圧を圧力コントローラ４８で調整することにより行われる。
【００４１】
センサ取付け管５０には、第１調圧室２０の圧力制御に使用した駆動ガスが流されているので、被制御ガスがガス拡散により圧力センサへ到達し、圧力センサ５６が腐食される等の問題を避けることができる。センサ取付け管５０内を流れるパージガス量は、圧力測定に影響を及さない流量が望ましい。但し、被制御ガスが圧力センサに悪影響を与えない場合や、圧力センサに耐食仕様を施している場合は、センサ取付け管５０にパージガスをあえて供給する必要はない。
【００４２】
駆動ガスの制御に使用する圧力コントローラ４８は、特開２００１−１５４７４２号に開示された2個の電磁弁による制御方式や、特開２００１−１５４７３８号で提示された比例ソレノイドバルブによる制御方式のバルブを用いても良く、また市販の電空レギュレータを使用しても良い。フィードバック制御方式自体は公知の何れの方式のものでも使用できる。
【００４３】
本例の背圧制御弁は、上述のように弁体１６の自重分を無視できる圧力を両調圧室に加え、片方の調圧室の圧力を制御することで安定な背圧制御を行うことができる。
【００４４】
図２は、本背圧制御弁の他の構成を示すものである。この例においては、駆動ガスをレギュレーター４２を通して一定圧力で第２調圧室に導入し、第１調圧室２０を圧力コントローラ４８により圧力制御することで微差圧制御する方式である。
【００４５】
図3、図4は、圧力コントローラ４８により、駆動ガス供給管４０内の駆動ガス圧力を一定にして調圧室に供給することにより、どちらかの調圧室を一定の圧力とし、対応する調圧室の圧力を制御することで弁体を駆動させ、一次側と二次側とのの微差圧を制御する背圧制御弁を示す。図中、５８は圧力センサで、圧力検出値を圧力コントローラ４８にフィードバックして圧力制御を行っている。なお、上記図２〜４においては、図１と同一主要部に同一符号を付し、その説明を省略した。
【００４６】
いずれの例においても、弁体の自重分を無視できる圧力を両調圧室に加えている。受圧面積の関係から、微差圧制御時において第２調圧室の圧力を第１調圧室の圧力より、高めることが必要である。
【００４７】
（試験例）
試験例１
図１に示す背圧制御弁を用い、制御弁の一次側（高圧側）と二次側（低圧側）で一定差圧を生じさせるために必要な第１調圧室と第２調圧室の圧力関係の実測値をを図５に示す。制御ラインの流量は、2、20L／minで、差圧は、500、1000、1500Paとした。この範囲で上流側が一定差圧を得るための第２調圧室の圧力は、上部調圧室の3〜6倍であった。本例に用いた弁体の自重は、約140ｇであり、この条件で取り付け姿勢（上下反転）による制御への影響をキャンセルできる圧力は、上部調圧室の圧力として4kPa以上が必要であった。
【００４８】
試験例２
ガス流体の供給流量に対し、図１に示す背圧制御弁の構造による調圧室の圧力フィードバック制御を行い、微差圧下における背圧制御が可能であることを確認した。結果を図6に示す。供給流量を5〜20〜5SLMに変化させ、二次側圧力：−300〜−400Pa、制御圧：−100Paでの一次側の圧力の変動を測定した。変動量も少なく、本背圧制御弁は１次側の変動要素に対し、微差圧を制御する上で有効であった。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の背圧制御弁は、弁体の自重分を相殺する圧力を両調圧室に加え、片方の調圧室の圧力をフィードバック制御することで微差圧制御に対する背圧制御弁の取り付け姿勢などの影響を排除して、二次圧の変動に対し一次圧の変動を有効に制御する。また、調圧室の制御に使用したガスをパージガスとしてセンサ取付け管に供給する場合は、被制御ガスが腐食性ガス等の場合でもセンサを損うことなく一次圧を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明背圧制御弁の一例を示す概略図である。
【図２】本発明背圧制御弁の他の例を示す概略図である。
【図３】本発明背圧制御弁の更に他の例を示す概略図である。
【図４】本発明背圧制御弁のまた更に他の例を示す概略図である。
【図５】図１に示す本発明背圧制御弁の第１調圧室と第２調圧室の圧力の関係を示すグラフである。
【図６】図１の本発明背圧制御弁を用いて、一次側ガス供給量を変化させたときの一次側圧力変動を示すグラフである。
【図７】従来の背圧制御弁の１例を示す概略図である。
【符号の説明】
１００背圧弁ボデイ本体
２第１チャンバ
４流入部
６第２チャンバ
８流出部
１０連通流路
１２弁座
１４弁部
１６弁体
１８第１ダイアフラム
２０第１調圧室
２２第１調圧ガス流入路
２４第１調圧ガス流出路
２６第２ダイアフラム
２８第２調圧室
３０第２調圧ガス流入路
４０駆動ガス供給管
４２レギュレータ
４４ニードル弁
４６分岐管
４８圧力コントローラ
５０センサ取付け管
５２パージガス路
５４絞り部
５６圧力センサ
５８圧力センサ
７０背圧制御弁
７１ボディ本体
７２第一チャンバ
７３流入部
７４第二チャンバ
７５流出部
７６連通流路
７７弁座
８０弁機構体
８１弁部
８２前記ダイヤフラム部
８３外周部
９１弁室
９２調圧室
９３調圧手段
９４給気ポ−ト
９５排気ポ−ト

Claims

一次側の被制御ガスを所定の圧力に制御する背圧制御弁であって、
被制御ガスの流入部を有する第１チャンバと、被制御ガスの流出部を有する第２チャンバと、前記第１チャンバと第２チャンバとを連通し且つ弁座を形成した連通流路を有するボデイ本体と、
前記連通流路内に配設すると共に前記弁座を開閉する弁部を第１チャンバ側に備えた弁体と、
前記弁体の第１チャンバ側一端に設けられ、第１チャンバと第１調圧室とを隔離する第１ダイアフラムと、
前記弁体の第２チャンバ側他端に設けられ、第２チャンバと第２調圧室とを隔離する第２ダイアフラムと、
第１調圧室内と第２調圧室内との圧力を独立して所定圧力に調節する調圧手段と、
一次側のガス圧力を測定する圧力センサと、
前記圧力センサの検出値に基づき、前記調圧手段を制御する制御部と、
を有する背圧制御弁であって、前記調圧手段が駆動ガスの圧力を利用するもので、前記調圧手段に用いた駆動ガスを圧力センサを経由して一次側ガスに供給する背圧制御弁。
制御部の制御方式がフィードバック制御である請求項１に記載の背圧制御弁。