JP3917485B2

JP3917485B2 - 流量制御装置

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Publication number: JP3917485B2
Application number: JP2002212835A
Authority: JP
Inventors: 川展之石; 口寛山
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2022-07-22
Also published as: JP2004054705A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭酸ガスなどの微少量の流体を流すのに好適な流量制御装置およびそれに使用される圧力制御弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体及び液晶の集積回路や電子部品の洗浄工程では、超純水が多量に使用されている。このような超純水は、不純物をほとんど取り除いているため、水としての純粋な特性が現われる。このため、高い絶縁性を示す超純水は、固体と接触することにより静電気を発生し、帯電することから、ＬＳＩなどの製造工程で高圧ジェットによりウェハ面に超純水を噴出させると、超純水が帯電して、静電気による障害が発生し易い。このような静電気の発生は、炭酸ガスなどを超純水に微少に溶解させれば、効果的に抑えられることが知られている。
【０００３】
ところで、このような処理液は、例えば、図３示したように、超純水流量センサー３０に入った実際の流量と、設定比抵抗値によって、炭酸ガス注入量が演算され、この演算値でマスフロー・コントローラ３１の開度の調整を行い、同時に炭酸ガス量を測定しながら、超純水ライン３２へ炭酸ガスを注入し、混合フィルター３３を通すことによって得られている。
【０００４】
また、このような超純水の供給装置で使用されるＣＯ₂の量は、極めて少量で良いことから、例えば、図３におけるマスフロー・コントローラ３１で使用される制御弁の弁開度は極めて小さくて良い。
従来、このような用途で使用される圧力制御弁は、純水比例弁が採用されていたり、ピエゾバルブが採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水バイパス方式で使用される純水比例弁では、アスピレータ（吸気器）がポンプの二次側に配置されるため、噴射するＣＯ₂の圧力が高くなる。又、洗浄装置の配管が高価になるという問題があった。
また、ガス流量制御方式で使用されるピエゾバルブは、高価であるとともに、純水供給ラインに圧力変動が生じて、二次側に高圧が作用してしまうことがある。すると、その高圧がＣＯ₂を供給するための流量制御装置に影響を与えて、ＣＯ₂ガスの流れに悪影響が及び、例えば、圧力制御弁の二次側に高圧が作用した場合には、微少流量の制御が困難になるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑み、微少流体を流すのに好適で、しかも安価であり、さらに二次側に圧力変動となる外乱が生じた場合に、その外乱の影響を極力抑えることのできる流量制御装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る流量制御装置は、
カバー部材内に収納されたモータと、
前記カバー部材の下端側に取り付けられ、軸方向にピストン収容室が形成され、さらに、一次側に接続される第１のポート及び一次側よりも低圧の二次側に接続される第２のポートとがそれぞれ形成された弁ハウジングと、
前記カバー部材と前記弁ハウジングとの間に収容され、前記モータからの出力により回転するスピンドルと、
前記スピンドルの螺子部に移動可能に螺合され、軸方向にのみ直線移動可能であるとともに回転不能なナット部材と、
前記ナット部材の先端部に第１のシール部材を介して取り付けられ、
前記ナット部材とともに軸方向にのみ移動可能な第１のリテーナと、
前記ピストン収容室内に収容され、前記第１のリテーナに対向配置されたピストンと、
前記第１のリテーナと前記ピストンとの間に介装され、前記ピストンを前記第１のリテーナから常時遠ざける方向に押圧する圧縮スプリングと、
前記ピストンの下端部側に配置された気密部材を、前記ピストンとともに挟持する第２のリテーナと、
前記弁ハウジングの前記第１のポートと前記第２のポートとの間の流体通路内に構成され、前記第１のポートから前記第２のポートへの流体の圧力を調整する弁機構と、
前記ピストン収容室の側壁に外部と連通する均圧導入口と、を備えた減圧式の圧力制御弁と、
前記圧力制御弁の前記第２のポート側に接続された絞り弁を配置した流量調整装置において、
前記均圧導入口と前記絞り弁の二次側とを接続し、
前記絞り弁の二次側の圧力を前記均圧導入口に作用させて前記弁孔の開度を調整し、もって、前記絞り弁の一次側の圧力と前記絞り弁の二次側の圧力との間の差圧を一定とするように構成したことを特徴としている。
【０００８】
係る構成による流量制御装置では、絞り弁の二次側に圧力変動が生じた場合に、その圧力を圧力制御弁のピストン収容室内に取り込むことにより、圧力制御弁内に構成された弁機構の開度を調整し、これにより、この圧力制御弁の第１のポートから第２のポートに流れる流体の圧力を調整することができる。また、これにより、絞り弁の一次側と絞り弁の二次側との間の差圧を一定にし、流量変動を小さくすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の一実施例による流量制御装置を示したもので、図２はその一部を拡大して示したものである。
この圧力制御弁４０は、アクチュエータとしてのモータ１５がカバー部材１６内に収納されている。また、カバー部材１６の下面には、両端部にフランジ１４ａ、１４ｂが形成されたボンネット部材１４が螺子１９により取り付けられている。そして、ボンネット部材１４の下面には、ピストン収容室５２ａが形成された第２本体５２がボルト４２により取り付けられている。また、第２本体５２の下面には、水平方向に第１のポート２０ａと第２のポート２０ｂとが略直線状に形成されるとともに、これら第１、第２のポート２０ａ、２０ｂと直交する方向に、リテーナ収容室５６が上位に、弁体収容室５７が下位にそれぞれ形成された弁本体７が取り付けられている。
【００１２】
一方、この弁本体７の弁体収容室５７側の開口には、下蓋２が螺子５９により取り付けられている。
そして、本実施例では、ボンネット部材１４と、第２本体５２と、弁本体７と、下蓋２とにより、弁ハウジング５５が構成されている。
モータ１５の回転力を伝達するスピンドル１２は、下端側がボンネット部材１４内に挿入され、頭部側は止め金具６０が介装されることにより、図１における上下方向への移動が防止されている。そして、スピンドル１２の外周側に形成された螺子部には、有底筒状のナット部材１１が螺合されている。
【００１３】
ナット部材１１は、ボンネット部材１４の内周溝に挿入された回転止めピン１３に、外方に突出された外周突部１１ａが係止されることにより、回転不能にされている。したがって、モーター１５からスピンドル１２に加えられた回転駆動力は直線運動としてナット部材１１に伝達される。よって、ナット部材１１は、ボンネット部材１４内を直線的に移動する。
【００１４】
このナット部材１１の底部側には、第１の気密部材としてのベローフラム８がボンネット部材１４と第２本体５２との間に介装されている。そして、ナット部材１１の底部に、略凸状の第１のリテーナ６が背中合わせで被せられ、ベローフラム８を挟持した状態で、螺子７２によりナット部材１１に一体的に取り付けられている。
【００１５】
さらに、第２本体５２内には、有底筒状のピストン２１が摺動自在に収容され、このピストン２１と第１のリテーナ６との間に圧縮スプリング１０が介装されている。
一方、本実施例では、第２本体５２の側面に、外部の圧力が導入される均圧導入口８０が形成されている。そして、この均圧導入口８０には、図２に示したように、第２のポート２０ｂの下流側に接続された絞り弁８１の二次側通路と配管８２を介して接続されている。
【００１６】
さらに、第２本体５２内のピストン２１の底部側には、第２の気密部材としてダイヤフラム７３が第２本体５２と弁本体７との間に介装されている。そして、ピストン２１の底部には、ダイヤフラム７３を挟んだ状態で、第２のリテーナ７４が背中合わせで被せられ、螺子７５によりピストン２１に一体化されている。
このリテーナ７４には、弁本体７の第１のポート２０ａ、第２のポート２０ｂと同方向の流体通路７４ｂが形成された筒状の脚部７４ｃが具備されている。さらに、筒状の脚部７４ｃの中央部に内方軸部７４ｄが突出形成され、この内方軸部７４ｄは、基部側が太く、先端部側が細く形成されている。そして、この内方軸部７４ｄは、全体として脚部７４ｃの突出長さよりも長く形成されている。また、内方軸部７４ｄの先端側に突出された細い棒状部分７４ｅは、筒状に形成された弁座形成部材４の弁孔４ａ内に挿入されている。
【００１７】
一方、弁本体７内に画成されたリテーナ収容室５６の内部には、受け座面２２が形成されている。そして、この受け座面２２には、第２のリテーナ７４に形成された上記の脚部７４ｃが当接している。
弁座形成部材４は、Ｏリング２３を介して弁体収容室５７内に挿入されている。そして、弁座形成部材４の上面と、弁本体７の受け座面２２とは略面一にされている。
【００１８】
下蓋２は、弁座形成部材４を弁本体７内に封止して移動不能に支持しているが、この下蓋２には、内面側に中央凸部２ａが形成され、この中央凸部２ａに、凹所２４が形成されている。そして、この凹所２４内に、貫通孔２５ａが形成されたガイドピン２５が植設されている。ガイドピン２５の貫通孔２５ａ内には、上記弁体５の軸部分５ａが摺動自在に挿入されている。そして、ガイドピン２５を囲繞するようにして、弁体５の基部側と下蓋２との間に、弁体５を常時上方に押圧する弁閉バネ３が装着されている。このように形成された弁体５の上面には、環状溝が形成され、この環状溝内にＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエン共重合体）などのゴムなどから形成された弾性部材４１が埋設されている。
【００１９】
上記弁座形成部材４に形成された弁孔４ａの内周縁部には、下方に向かって環状の内方突起４ｂが形成され、この内方突起４ｂが弁体５に対する弁座を構成している。
したがって、弁座形成部材４の内方突起４ｂは、弁閉バネ３の付勢力により上方に押圧された弁体５の弾性部材４１と当接している。また、これとは逆に上方側から、圧縮スプリング１０の付勢力が加えられているが、このバネ力が所定の力以上になった場合に、第２のリテーナ７４の棒状部分７４ｅが弁体５を下方に押圧し、ここに構成される弁機構Ｖを開弁することになる。
【００２０】
このようにして、例えば、微少流量の炭酸ガスを流すのに好適な圧力制御弁４０が構成されている。
このような圧力制御弁４０では、図１に示したモータ１５が回転駆動されることより、弁本体７の第１のポート２０ａ、第１の細溝通路７ａ、弁体収容室５７、リテーナ収容室５６、第２の細溝通路７ｂを介して第２のポート２０ｂに流れる流体圧力が調整されることになる。
【００２１】
ここで、本実施例では、上述したように、圧力制御弁４０における第２のポート２０ｂの下流側に絞り弁８１が接続され、この絞り弁８１の二次側の通路と第２本体５２の均圧導入口８０とが配管８２で接続されている。
したがって、絞り弁８１を備えた本実施例の流量制御装置では、仮に絞り弁８１の下流側で大きな圧力変動が生じた場合であっても、後述するように、その圧を均圧導入口８０内に導くことにより、影響を小さくすることができる。
【００２２】
以下に、圧力制御弁４０およびこの圧力制御弁４０が使用された流量制御装置の作用について説明する。
今、上記の圧力制御弁４０を使用した流量制御装置は、超純水の帯電防止のためのガス注入用の制御弁として、例えば、図３のシステムブロック図に示したマスフロー・コントローラ３１に使用される。ここでの開度を調整することにより、例えば、微少の炭酸ガスを純水ライン３２に導入することができる。そして、圧力制御弁４０の弁機構Ｖは閉じられている。この状態から、モータ１５に回転駆動力が加えられると、それに応じてスピンドル１２が回転される。スピンドル１２が回転されると、この回転駆動力はナット部材１１に伝達される。ナット部材１１に回転駆動力が伝達されても、その外周突部１１ａが回転止めピン１３に係止されているため、ナット部材１１は回転することができず、軸方向にのみ直線運動を行う。したがって、このとき、圧縮スプリング１０は圧縮され、この圧縮スプリング力に応じてピストン２１が下方に押圧され、移動する。図１において、ピストン２１が下方に移動すると、これと一体の第２のリテーナ７４も下方に移動し、リテーナ７４の先端の棒状部分７４ｅが弁体５を下方に押圧する。棒状部分７４ｅが弁体５を所定量下方に押圧すると、弁座形成部材４の内方突起４ｂと弁体５の弾性部材４１との係合が解除される。すなわち、弁機構Ｖが開となる。このようにして、弁機構Ｖが開弁されると、一次側の第１のポート２０ａ、弁本体７の細溝通路７ａ、弁座形成部材４内の弁体収容室５７、さらには、第２のリテーナ７４の脚部７４ｃに形成された液通路７４ｂ、弁本体７内のリテーナ収容室５６、弁本体７の細溝通路７ｂ、二次側の第２のポート２０ｂ間が連通される。これにより、例えば炭酸ガス等のボンベから、第２のポート２０ｂ側に微少の炭酸ガスを導くことができる。
【００２３】
第１のポート２０ａ内の圧力が異常に高くなった場合は、一次側の流体圧が弁体５を強制的に上方に移動させるので、弁機構Ｖが閉となる。よって、流体の流れが阻止される。
以下に、この圧力制御弁４０を使用した流量制御装置の作用について説明する。
【００２４】
今、絞り弁８１の下流側すなわち絞り弁８１の二次側で圧力変動が生じ、絞り弁８１の二次側に大きな圧力が作用したとする。
このとき、その圧力は、配管８２を介して圧力制御弁４０の均圧導入口８０内に取り入れられる。
すると、その圧力が圧縮スプリング１０のバネ力に加えられてピストン２１を下方に押圧することになる。これにより、ダイヤフラム７３が下方に押圧され、第２のリテーナ７４が下方に押し下げられ、弁体５が押し下げられる。これにより、弁機構Ｖの弁開度がより大きくなる。すると、第１のポート２０ａから弁孔４ａを通って、流体がリテーナ収容室５６内に取り入れられるので、この圧力が絞り弁８１の一次側に作用することになる。これにより、絞り弁８１の一次側と二次側との間の差圧を一定にする。これにより、絞り弁８１の二次側で生じた圧力変動を略キャンセルすることができる。これにより、第２のポート２０ｂから絞り弁８１を介して安定した流量を下流に供給することができる。したがって、下流側で外乱が生じた場合であっても、微少流量のガスの供給が損われることはない。
【００２５】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されない。
【００２６】
さらに、絞り弁８１は、圧力制御弁４０内に直接組み込まれていてもよく、あるいは配管などを介して接続されていても良い。
また、上記圧力制御弁および流量制御装置は、ＣＯ₂ガスなどの気体に限定されず、水などの液体を流すことも可能である。
以下に、絞り弁８１を設けてＣＯ₂などの気体を流す場合の流量特性について説明する。
【００２７】
先ず、絞り弁８１に気体を通過させる場合の流量計算式は、下記の一般式の通りである。
ΔＰ＜Ｐ２／２，Ｐ２／２＜Ｐ３の場合
【００２８】
【数１】

【００２９】
但し
Ｃｖ：流量係数
Ｑ：流量 [ｍ³／ｈ]
ΔＰ：弁入口側と弁出口側の圧力差 [ＭＰａ]
Ｐ２：弁（絞り弁）の一次側の圧力 [ＭＰａ abs]
Ｐ３：弁（絞り弁）の二次側の圧力 [ＭＰａ abs]
Ｇ：比重（空気の場合：１）
ｔ：温度［℃］
ここで、Ｇ，ｔ，Ｃｖを一定とすると、Ｑ（絞り弁の二次側に流れる流量）に対する変動影響は、
【００３０】
【数２】

【００３１】
となる。
今回の実施例に示した絞り弁８１の二次側の圧力（Ｐ３）から圧力が取り入れられるフィードバック式圧力制御弁は、ΔＰが一定となることにより、
【００３２】
【数３】

【００３３】
だけがＱに対する変動要因である。
よって、絞り弁８１の圧力変動に対する流量特性は図４のようになる。
図４に示したように、絞り弁８１の二次側に圧力変動が生じても、絞り弁８１の差圧は一定である。そして、モータ１５のパルスが増えることにより、流量Ｑが比例的に増加し、Ｐ２＋Ｐ３の変動により流体流量が所定の割合で変動しても、この圧力制御弁４０から下流に流れる流量は、３本の実線で示されるようにごく小さな範囲の違いであり、圧力変動により大きな変化がないことが確認された。
【００３４】
以上のことから、絞り弁８１の二次側からＰ３のフィードバックがある場合に、流量特性が略一定になることが確認された。
なお、上記実施例の流量制御装置において、仮に水を流したとする。その場合は、流量Ｑは一定であり圧力変動が影響を与えることはない。
また、この絞り弁８１は、システムの使用条件に合わせて調整が可能であるが、システムとの関係次第では絞り弁ではなく、システムにあったオリフィス等を使用することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る流量調整装置では、圧力制御弁の第２のポート側に接続された絞り弁の二次側の圧力を、均圧導入口に導いて、この均圧導入口に導かれた圧力を流量調整弁における弁開度を調整する圧力に加えているので、圧力制御弁および絞り弁が接続された配管系の下流側において、例えば、圧力変動が生じた場合に、その圧力変動を流量制御装置で吸収することができる。
【００３６】
したがって、流量制御装置の二次側に微少流量を安定して供給することができる。
また、本発明に係る流量制御装置では、アクチュエータからの出力に応じて圧縮スプリングの付勢力を調整し、これにより、流量を制御するので、微量ガスを流すのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の一実施例による流量制御装置の断面図である。
【図２】図２は図１の要部拡大断面図である。
【図３】図３は超純水を製造するときのシステムブロック図である。
【図４】図４は本実施例による流量制御装置における流量特性をモータの出力との関係で示した概略図である。
【符号の説明】
４ａ弁孔
６第１のリテーナ
７弁本体
８第１の気密部材（ベローフラム）
１０圧縮スプリング
１１ナット部材
１２スピンドル
１５モータ（アクチュエータ）
１６カバー部材
２０ａ第１のポート
２０ｂ第２のポート
２１ピストン
４０圧力制御弁
５２本体（第２本体）
５２ａピストン収容室
５５弁ハウジング
５６リテーナ収容室
７３第２の気密部材（ダイヤフラム）
７４第２のリテーナ
８０均圧導入口
８１絞り弁
Ｖ弁機構

Claims

カバー部材内に収納されたモータと、
前記カバー部材の下端側に取り付けられ、軸方向にピストン収容室が形成され、さらに、一次側に接続される第１のポート及び一次側よりも低圧の二次側に接続される第２のポートとがそれぞれ形成された弁ハウジングと、
前記カバー部材と前記弁ハウジングとの間に収容され、前記モータからの出力により回転するスピンドルと、
前記スピンドルの螺子部に移動可能に螺合され、軸方向にのみ直線移動可能であるとともに回転不能なナット部材と、
前記ナット部材の先端部に第１のシール部材を介して取り付けられ、
前記ナット部材とともに軸方向にのみ移動可能な第１のリテーナと、
前記ピストン収容室内に収容され、前記第１のリテーナに対向配置されたピストンと、
前記第１のリテーナと前記ピストンとの間に介装され、前記ピストンを前記第１のリテーナから常時遠ざける方向に押圧する圧縮スプリングと、
前記ピストンの下端部側に配置された気密部材を、前記ピストンとともに挟持する第２のリテーナと、
前記弁ハウジングの前記第１のポートと前記第２のポートとの間の流体通路内に構成され、前記第１のポートから前記第２のポートへの流体の圧力を調整する弁機構と、
前記ピストン収容室の側壁に外部と連通する均圧導入口と、を備えた減圧式の圧力制御弁と、
前記圧力制御弁の前記第２のポート側に接続された絞り弁を配置した流量調整装置において、
前記均圧導入口と前記絞り弁の二次側とを接続し、
前記絞り弁の二次側の圧力を前記均圧導入口に作用させて前記弁孔の開度を調整し、もって、前記絞り弁の一次側の圧力と前記絞り弁の二次側の圧力との間の差圧を一定とするように構成したことを特徴とする流量制御装置。