JP4109360B2

JP4109360B2 - 流量制御バルブとこれを用いたマスフローコントローラ

Info

Publication number: JP4109360B2
Application number: JP31019098A
Authority: JP
Inventors: 亨一石川; 悟安河内
Original assignee: Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2018-10-30
Also published as: JP2000137527A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量制御バルブとこれを用いたマスフローコントローラに関するものであり、より詳しくはガス流路閉止機能を付加した流量制御バルブとこれを用いたマスフローコントローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流路絞りノズルを通るガスの流れの特徴として、ノズルの一次側の圧力Ｐ₁と二次側圧力Ｐ₂の圧力比Ｐ₂／Ｐ₁がガスの臨界圧力比以下（空気や窒素などの場合は、約０．５以下）になると、ノズルを通るガスの流速が音速になって、ノズル二次側の圧力変動が一次側に伝播しなくなる事象がある。これは音速ノズルと呼ばれており、この流量制御の形態をとれば、ノズルの一次側の状態に相応した安定した質量流量のガスをノズルの二次側に得ることができる。
【０００３】
上述の事象を応用した装置の一つとして、流量制御ノズルと圧力センサとからなる圧力制御装置を流路絞りノズルの一次側のガス流路に接続して、流路絞りノズルの一次側の圧力を二次側の圧力の約２倍以上に保持した状態でガスの流量制御を行うようにした圧力式のマスフローコントローラがあり、このマスフローコントローラにおいて要となるのが流路絞りノズルである。このマスフローコントローラによれば、制御の速度が早くなると共に、前記流路絞りノズルの二次側に閉止弁を設けることにより、例えば反応炉などに接続することで、反応炉に制御された質量流量のガスを瞬時に供給することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記流路絞りノズルにはその機械加工精度に限界があると共に、流路絞りノズルの取付位置等の不特定な因子があるために、その圧力−流量特性や、温度−流量特性がまちまちにならざるを得なかった。したがって、流量仕様変更やメンテナンス時などに流路絞りノズルを交換することにより、一次側のガス流路の圧力制御によって制御される流量が微妙に変化することがあった。このため、圧力制御装置に入力されたガス流量の設定信号に対する制御圧力の高さを、各流路絞りノズルに応じて調節しなおす必要があった。
【０００５】
そこで、従来より圧力制御装置と流路絞りノズルと閉止弁とを一体的に組み合わせて、一つの流路絞りノズルに合わせて調節された圧力制御装置をこの流路絞りノズルと組み合わせることにより、流路絞りノズルの特性変動を補償するマスフローコントローラを構成することが行われている。
【０００６】
しかしながら、上記構成のマスフローコントローラは圧力制御装置と流路絞りノズルを一体化しているので、流路絞りノズルの交換時に圧力制御装置も共に交換する必要が生じ、ガス流量の仕様の数だけマスフローコントローラを用意しなければならなかった。つまり、流路絞りノズルが詰まったり腐蝕するなどして使用不能となった場合には、圧力制御装置ごと新しいものと取り替える必要があるために、コストが高くなるという不都合があった。
【０００７】
本発明は、このような実情を考慮に入れて成されたものであって、その目的は、個々の特性が異なっていても煩雑な調節作業を必要とせずにマスフローコントローラに組み込むことができると共にガス流路の開閉制御を可能とする流量制御バルブとこれを用いたマスフローコントローラを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の流量制御バルブは、ガス流路中に設けた流路絞りノズルと、この流路絞りノズルの下流側近傍において前記流路を開閉する閉止弁と、少なくとも前記流路絞りノズルの取付位置を因子とし、個々の流路絞りノズル毎に予め測定された流路絞りノズルの一次側の圧力−流量特性データを記録した記憶部と、この記憶部に記録されたデータを外部から読み出し可能とするインターフェイスとを有することを特徴としている。また、前記閉止弁が、バルブシートと、このバルブシートから離間した状態とバルブシートを押圧する状態とに切り換わることにより前記ガス流路を開閉するダイアフラムとを備えていてもよく、前記インターフェイスが、前記閉止弁の外部からの開閉制御を可能とするバルブ開閉命令を通信可能とするものであってもよい。
【０００９】
すなわち、流量制御の要となる流路絞りノズルと閉止弁の一体となった流量制御バルブに、流路絞りノズルの特性を記憶させた記憶部を設けているので、前記記憶部に記録された流路絞りノズルの特性を外部からインターフェイスを介して読み出すことができる。したがって、前記記憶されたデータを読み取ることにより、流路絞りノズルは外部との連携を容易に行うことができ、特性の異なる流路絞りノズルを用いても外部に接続される機器の設定をしなおす必要は全くなく、流路絞りノズルだけを取り替えても常に正確な流量制御を容易に行うことができる。
【００１０】
前記流路絞りノズルの近傍に温度検知センサを設けると共に、この温度検知センサからの測定温度データを前記インターフェイスを介して読み出し可能とし、かつ、前記記憶部に流路絞りノズルの温度−流量特性データを記憶する場合には、ガスの流量制御を行なう上で、温度補正を行うことも可能となる。すなわち、本発明の流量制御バルブによるガスの流量制御を温度条件が異なる場合にも正確に行うことができる。
【００１１】
さらに、前記流路絞りノズルの近傍に加熱ヒータを設けると共に、この加熱ヒータを前記インターフェイスを介して外部から制御可能とする場合には、流路絞りノズルを通過するガスが低蒸気圧ガス〔例えばＣｌＦ₃（三フッ化塩素）やＳｉＨ₂Ｃｌ₂（ジクロルシラン）など〕の場合にも、断熱膨張によって再液化することを防ぐことができる。
【００１２】
また、交換可能である前記流量制御バルブと、この上流側の流路に供給するガスの圧力を調節する圧力制御装置と、この圧力制御装置の制御部とからなり、前記制御部が流量制御バルブとのデータのやり取りを行なうインターフェイスを有し、前記記憶部に記録されたデータを基にガス流量の設定信号で設定された流量のガスを流出できるように流量制御バルブに供給するガスの圧力を調節可能とするマスフローコントローラを形成した場合には、圧力制御装置の制御部が、流路絞りノズルの特性を記憶させた記憶部をインターフェイスを介して読み出すことができる。したがって、流路絞りノズルと圧力制御装置との連携を容易に行うことができ、特性の異なる流路絞りノズルを用いても圧力制御装置を設定しなおす必要は全くなく、流路絞りノズルの取り替えを調整作業なしに容易に行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一例を図面に基づいて説明する。図１は例えば反応炉に安定した質量流量のガスを供給するようにした閉止弁１ｖ（後述する）を備えたマスフローコントローラＭｃを示しており、このマスフローコントローラＭｃは流量制御バルブ１と圧力制御装置２とから構成されている。図１において、３はガス流路４ａ，４ｂが形成された本体ブロックで、耐化学薬品性を有する素材、例えばステンレス鋼よりなり、この本体ブロック３の左右両端には、それぞれガス導入用ならびにガス導出用のパイプ継手５，６が形成されている。
【００１４】
７はガス流量を調整するための流量調整弁で、前記ガス流路４ａ，４ｂにわたって設けられており、８は圧力センサで、前記ガス流路４ｂに臨ませて設けられている。前記流量調整弁７は例えばピエゾ式バルブよりなり、次のように構成されている。即ち、一次側のガス流路４ａに連通するガス導入流路９と、二次側のガス流路４ｂに連通するガス導出流路１０とを、それぞれブロック１１に形成すると共に、このブロック１１を本体ブロック３に形成された凹部１２に内蔵すると共に、前記弁ブロック１３とブロック１１との間に、上方にやゝ撓ませたダイアフラム１４を配置して、前記ガス導入流路９とガス導出流路１０とを連通させるダイアフラム室１５を形成している。
【００１５】
そして、ダイアフラム押圧手段（例えば圧電素子型アクチュエータ）１６のプランジャ１７を、前記ガス導入流路９に相対峙させる状態で弁ブロック１３に貫設させて成り、圧力センサ８が圧力変化を検知して、その検知情報に基づいて圧電素子型アクチュエータ１６に所定の電圧が印加されると、その印加量に応じてプランジャ１７が押圧駆動され、これによって、ガス導入流路９とダイアフラム１４との隙間調整すなわち開度調整が行われることで、二次側のガス流路４ｂに流れるガス流量が制御されるのである。
【００１６】
前記流量制御バルブ１は、次のように構成されている。すなわち、図２に示すように、第１ブロック１８に、本体ブロック３（図１）の二次側ガス流路４ｂに接続されるパイプ１９と反応炉２０に接続されるパイプ２１との接続口２２，２３を形成している。また、前記接続口２２，２３に連通させる状態で、それぞれ上部側で開口するガス導入流路２４とガス導出流路２５とをＬ字状に形成している。
【００１７】
前記ガス導入流路２４は第１ブロック１８の中心部に位置されており、このガス導入流路２４のまわりに環状凹部ａを形成している。そして、ガス導入流路２４の上部開口を第１ブロック１８周部の上端面よりもやゝ控えさせる一方、ガス導出流路２５の上部開口については、これをガス導入流路２４の上部開口よりもやゝ控えさせており、このガス導出流路２５の上部開口を前記凹部ａに臨ませている。
【００１８】
一方、ノズルブロック２６の中心部には、流路絞りノズル２７（以下、単にノズルともいう）を形成すると共に、このノズルブロック２６の上部フランジ２８に、前記ノズル２７と同芯状のバルブシート２９を環状に形成して、ノズルブロック２６を前記ガス導入流路２４に圧入（ノズルブロック２６とノズル２７との熱膨張係数の差を利用した圧入や機械的な圧入などを任意に選択可能）している。また、締め込み部材３０によってノズルブロック２６周部の上端面に向けて圧着される第２ブロック３１と前記第１ブロック１８との間に、バルブシート２９から離間させるように上方にやゝ撓ませたダイアフラム３２を配置しており、前記ガス導入流路２４とガス導出流路２５とを連通させるダイアフラム室３３を形成する。
【００１９】
更に、ダイアフラム押圧手段（例えば圧電素子型アクチュエータ）３４のプランジャ３５は、前記ガス導入流路２４に相対峙させる状態で第２ブロック３１に貫設させて成るものである。そして、後述する流路閉止命令に基づいて、圧電素子型アクチュエータ３４に所定の電圧が印加されると、これに伴ってプランジャ３５が押圧駆動され、ダイアフラム３２が環状のバルブシート２９を押圧して、ガス導入流路２４が閉止（図３を参照）されることで、反応炉２０へのガスの供給が停止され、この状態では、流路絞りノズル２７の一次側へのガスの逆拡散が確実に防止できる。
【００２０】
一方、流路開通命令に基づいて、プランジャ３５が引き上げ駆動されると、これに伴ってダイアフラム３２がバルブシート２９から離間することで、反応炉２０へのガスの供給が再開される。この際、流路絞りノズル２７を通過した制御ガスのみが反応炉２０に供給されることから、反応炉２０には正確な制御量のガス供給が成されることになる。なお、３６は流路絞りノズル２７の近傍に設けられた例えば白金抵抗や熱電対、サーミスタなどによる温度検知センサである。
【００２１】
次に、上記構成の流量制御を行なう制御部の構成および制御方法を図１および図３を用いて説明する。図１，３において、１ｍは流量制御バルブ１に設けられた記憶部、１ｉはインターフェイスである。２’は圧力制御装置２の制御部であって、この制御部２’はインターフェイス１ｉとのデータのやりとりや設定信号Ｓの入力用のインターフェイス２ｉを有している。
【００２２】
また、前記制御部２’は前記圧力センサ８を接続したブリッジ回路２ｂと、ブリッジ回路２ｂからのアナログの圧力信号をデジタル信号に変換して入力するＡ／Ｄ変換器２ａと、前記ダイアフラム押圧手段１６を制御するアナログ信号を出力するＤ／Ａ変換器２ｄと、このＤ／Ａ変換器２ｄの出力電圧を調節するＤＣ−ＤＣコンバータ２ｅと、ダイアフラム押圧手段１６を制御してガス流路４ｂに供給されるガスの圧力を調節すると共に、入力した設定信号Ｓに従って前記インターフェイス２ｉ，１ｉを介して流量制御バルブ側の閉止用バルブ１ｖを開閉させるためのバルブ開閉命令を出力するＣＰＵ２ｃとを有している。なお、本発明は閉止用バルブ１ｖを自動制御するものに限定するものではなく、閉止用バルブ１ｖが手動で開閉できるように構成してもよい。
【００２３】
前記記憶部１ｍは例えばＥＥＰ−ＲＯＭからなり、少なくとも前記流路絞りノズル２７の圧力−流量特性データおよび温度−流量特性データ（以下、これらを特性データともいう）を記録している。これらのデータは個々の流路絞りノズル２７によって異なるものであり、かつ、流路絞りノズル２７を形成したノズルブロック２６の取付位置等の不特定な因子があるので、その特性は流量制御バルブ１毎に異なるものである。
【００２４】
本発明の流量制御バルブ１は、ノズル２７の特性データを記憶部１ｍに記録しているので、ＣＰＵ２ｃはインターフェイス１ｉ，２ｉを介して流路絞りノズル２７の特性データを正確に知ることができる。なお、前記データを記録する記憶部１ｍは例示したＥＥＰ−ＲＯＭに限られず、不揮発性を有するものであればＥＰ−ＲＯＭや、Ｆ−ＲＡＭや、バックアップ電源を付加したその他のＲＡＭであってもよい。また、前記インターフェイス１ｉ，２ｉをどのような形態にするかは任意に選択可能であり、シリアル通信によって接続してもパラレル通信によって接続してもよい。
【００２５】
上記構成により、流量制御バルブ１を圧力制御装置２およびその制御部２’と組み合わせることで、前記設定信号Ｓによって設定された流量を生み出すに必要な流路絞りノズル２７の一次側のガス導入流路２４の目標圧力は、前記圧力−流量特性データから正確に求めることができる。そして、この目標圧力と圧力センサ８から入力した測定圧力を比較し、目標値に近づくように流量調整弁７を制御することにより、流路絞りノズル２７を通るガスの流量を常に一定にすることができる。
【００２６】
さらに、本例の流量制御バルブ１は、ノズル２７の近傍に温度検知センサ３６を設けており、この温度検知センサ３６からの温度測定データをインターフェイス１ｉを介して外部に読み出し可能としている。このように構成することにより、制御部２’は記憶部１ｍに記憶された温度−流量特性データを基に、より正確な流量の制御を行うことができる。
【００２７】
次に、前記ノズル２７の特性データを記録する方法について、図４，５を参照しながら説明する。図４において、図１，２と同じ符号を付した部材は同一または同等の部材であるので、その詳細な説明を省略する。
【００２８】
図４において、ＰＣは特性測定制御用のコンピュータ、Ｍはマスフローメータ、ＲはコンピュータＰＣによって制御される恒温槽、Ｐは吸引ポンプである。本例におけるコンピュータＰＣは、恒温槽Ｒを一定温度に保った状態で、圧力制御装置２に対して圧力設定信号Ｓｐを出力し、圧力制御装置２は設定された圧力のガスを流量制御バルブ１に供給する。
【００２９】
次に、前記コンピュータＰＣは、流量制御バルブ１に対する供給圧力を変動させて、そのときにマスフローメータＭが示す流量を圧力−流量特性データとしてインターフェイス１ｉを介して記憶部に記録する。なお、図４に示した圧力制御装置２は図１に示した圧力制御装置２と同じである必要はなく、流量制御バルブ１の生産時に適当な圧力制御装置２と組み合わせることで、ノズル２７の特性データを測定することが可能であることはいうまでもない。
【００３０】
加えて、恒温槽Ｒの設定温度を段階的に変化させて、例えば１５〜３５℃の間の数ポイントの温度に保った状態における前記圧力−流量特性データをそれぞれ測定し、これを温度−流量特性データとして記録する。なお、本例においては温度の測定範囲を１５〜３５℃に範囲にして例えば３点（１５℃，２５℃，３５℃）の時の特性を測定し、その他の点を補間によって補っている。実在するガスにおいてはこの程度で十分であるが、本発明はこの温度範囲を限定するものではない。すなわち、５〜４５℃など必要に応じて任意に変更可能である。
【００３１】
図５はこれらの特性データをグラフにして示すものである。図５が示すように、流路絞りノズル２７を通過するガスの流量は、温度が高くなるにしたがって少なくなり、この関係は次の理論式（１）によって演算されるものである。ところが、実際の特性データは必ずしもこの理論値どおりにならないために、本例のように温度−流量特性データを予め測定して記憶する方が、より高精度の流量制御を行うことができる。
【００３２】
Ｑ＝ＡＣＰ√（Ｎ／ＲＴ） … 式（１）
但し、Ｑ；ガス流量（Ｋｇ／ｓｅｃ）
Ａ；ノズルスロート部の断面積（ｍ²）
Ｃ；臨界定数
Ｐ；ノズル一次側圧力（Ｐａ）
Ｎ；モル質量（Ｋｇ／ｍｏｌ）
Ｒ；普遍気体定数（Ｊ／°Ｋ・ｍｏｌ）
Ｔ；ガス温度（°Ｋ）
【００３３】
ここで、より正確に流量を制御する上で、温度補正を行うことが重要であることは明白であり、このことから、温度検知センサ３６によって、流路絞りノズル２７を通過するガスの温度をモニタリングするようにしている。なお、上記理論式（１）によって十分の精度が得られる場合には、記憶部１ｍに温度−流量特性データを記録するまでもなく、上記の式（１）から温度補償を行ってもよいことはいうまでもない。
【００３４】
また、上記構成の流量制御バルブ１を、流量制御バルブ１内で温度検知センサ３６が示す温度に基づいて、外部からインターフェイス１ｉを介して読みだすことができる圧力−流量特性データを選択して出力するようにして、温度補償できるように変形することも容易に考えることができる。
【００３５】
上述のように本発明によれば、個々に特性が微妙に異なるノズル２７の特性データを記録した記憶部１ｍは流路絞りノズル２７を設けた流量制御バルブ１に付随されるものであるから、ノズル２７が詰まったり、腐蝕するなどして交換する必要が生じた場合に、流量制御バルブ１を交換するときには記憶部１ｍも共に交換されて、新しいノズル２７の特性を示すデータが読み出し可能となり、流量制御バルブ１の交換に伴って、圧力制御装置２およびその制御部２’の何れも一切調節しなおす必要がない。
【００３６】
すなわち、本発明の流量制御バルブ１を用いることにより、マスフローコントローラを構成する流量制御バルブ１だけを交換することが可能となり、仕様変更やメンテナンス時のノズル交換を行うときにかかるコストを最小限に抑えることができる。
【００３７】
図６は本発明の流量制御バルブ１の別の例を示している。図６は図２の矢符Ｘ−Ｘ線の断面に相当するもので、この流量制御バルブ２が図２に示した流量制御バルブと異なる点は、流路絞りノズル２７の近傍に、温度検知センサ３６に加えて加熱ヒーター３７を設けた点である。なお、その他の点については前述した図１〜５と同じであるので、その詳細な説明を省略する。
【００３８】
即ち、加熱ヒータ３７を設けることにより、ノズル２７を通過するガスが低蒸気圧ガス〔例えばＣｌＦ₃（三フッ化塩素）やＳｉＨ₂Ｃｌ₂（ジクロルシラン）など〕の場合、断熱膨張によって再液化することを避けることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、マスフローコントローラを構成する流量制御バルブだけを交換しても圧力制御装置の調整を一切する必要がなく、常に正確な流量制御を行うことができる。したがって、メンテナンス時や仕様変更時には、従来のように圧力制御装置と流量制御バルブを一体化したマスフローコントローラを全て交換する必要がなく、それだけコストを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流量制御バルブとこれを用いたマスフローコントローラの構成の一例を示す図である。
【図２】前記流量制御バルブの断面図である。
【図３】前記マスフローコントローラの制御回路を示す図である。
【図４】前記流量制御バルブの特性データの計測方法について説明する図である。
【図５】前記特性データの一例を示す図である。
【図６】前記流量制御バルブの別の例を示す図である。
【符号の説明】
１…流量制御バルブ、１ｖ…閉止弁、１ｍ…記憶部、１ｉ…インターフェイス、２…圧力制御装置、２’…制御部、２ｉ…インターフェイス、２４，２５…ガス流路、２７…流路絞りノズル、３６…温度検知センサ、３７…加熱ヒータ、Ｍｃ…メスフローコントローラ。

Claims

ガス流路中に設けた流路絞りノズルと、この流路絞りノズルの下流側近傍において前記流路を開閉する閉止弁と、少なくとも前記流路絞りノズルの取付位置を因子とし、個々の流路絞りノズル毎に予め測定された流路絞りノズルの一次側の圧力−流量特性データを記録した記憶部と、この記憶部に記録されたデータを外部から読み出し可能とするインターフェイスとを有することを特徴とする流量制御バルブ。
前記閉止弁が、バルブシートと、このバルブシートから離間した状態とバルブシートを押圧する状態とに切り換わることにより前記ガス流路を開閉するダイアフラムとを備えた請求項１に記載の流量制御バルブ。
前記インターフェイスが、前記閉止弁の外部からの開閉制御を可能とするバルブ開閉命令を通信可能とするものである請求項１または２に記載の流量制御バルブ。
前記流路絞りノズルの近傍に温度検知センサを設けると共に、この温度検知センサからの測定温度データを前記インターフェイスを介して読み出し可能とし、かつ、前記記憶部に流路絞りノズルの温度−流量特性データを記憶する請求項１〜３のいずれかに記載の流量制御バルブ。
前記流路絞りノズルの近傍に加熱ヒータを設けると共に、この加熱ヒータを前記インターフェイスを介して外部から制御可能とする請求項１〜４の何れかに記載の流量制御バルブ。
請求項１〜５の何れかに記載の流量制御バルブを用い、当該流量制御バルブが交換可能であるマスフローコントローラであり、前記流量制御バルブと、この上流側の流路に供給するガスの圧力を調節する圧力制御装置と、この圧力制御装置の制御部とからなり、前記制御部が流量制御バルブとのデータのやり取りを行なうインターフェイスを有し、前記記憶部に記録されたデータを基にガス流量の設定信号で設定された流量のガスを流出できるように流量制御バルブに供給するガスの圧力を調節可能とすることを特徴とするマスフローコントローラ。