JP4330505B2 - 液体用レギュレータ - Google Patents

Description

本発明は、１次側の圧力変動はもとより、２次側の圧力変動にも対応して液体の定流量制御及び減圧制御を行うことができる液体用レギュレータに関する。

従来より、薬液等の各種液体流量を制御する液体用レギュレータ（流量制御弁）が広く使用されている。このような液体用レギュレータの一般的な構成は、１次側（上流側）の圧力変動をダイアフラムに受け、このダイアフラムと一体に動作する弁体が液体流路の開度を調整して流量制御を行うようになっている。
近年では、たとえば半導体製造装置のウエハ洗浄ラインにおける薬液注入等のように、１次側の圧力変動だけでなく、２次側（下流側）の圧力変動にも対応できるようにした高精度の流量制御が求められている。なお、２次側の圧力変動とは、たとえば複数流路の合流や主流側の圧力変動等により生じるバックプレッシャの影響、温度変化に伴う流体粘度の変化等に起因した負荷変動のことである。

このような背景から、上述した２次側の圧力変動にも対応可能な流量制御弁として、上下に有効面積の異なるダイアフラムが存在する差圧室内に２次側の流体を導入して流量制御を行うものが提案されている。この場合、差圧室内では上下のダイアフラムが同じ圧力変動を受けることとなり、従って、ダイアフラムの面積差に応じて弁体を動作させる操作力が発生するので、弁開度の変化により流量制御が行われる。（たとえば、特許文献１参照）
特開平１１−８５２８７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の従来技術は、同じ圧力変動を受けるダイアフラムの面積差により発生する弁開度の操作力を利用して２次側の圧力変動に対応するように構成されたものであるから、２次側の圧力変動を確実に反映した流量制御を行うためには十分な面積差を確保する必要がある。すなわち、上下のダイアフラムが同じ圧力変動を受けると互いに打ち消しあう上下逆方向の力（弁体の開閉方向において逆向きの力）を発生するので、面積差や圧力変動が小さい制御条件では弁開度を変化させるのに必要となる操作力を十分に得ることができず、結果として流量制御の応答性に問題を生じることが懸念される。

特に、半導体製造装置のウエハ洗浄ラインで薬液注入の流量制御に使用される液体用レギュレータは、配管径の小さい（呼称：１／４インチ〜４／３インチ程度）流路に使用される場合が多く、従って、レギュレータ自体も小型になるため十分な面積差の確保は極めて困難になる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、比較的小型の液体用レギュレータであっても、１次側の圧力変動だけでなく、２次側の圧力変動に対して優れた流量制御の応答性を発揮し、高精度の流量制御が可能になる液体用レギュレータを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る液体用レギュレータは、弁開度を調整して通過する液体の流量が一定となるよう制御する液体用レギュレータであって、気体による操作圧力をダイアフラムに受けて弁開度の調整力を発生させる第１のダイアフラム室と、２次側から導入した前記液体の圧力変動をダイアフラムに受けて弁開度の調整力を発生させる第２のダイアフラム室と、前記第１及び第２のダイアフラム室で各々発生した前記調整力を受けて軸方向へスライドする軸部と、該軸部と一体に動作して弁開度の調整を行う弁体と、前記第１のダイアフラム室と前記第２のダイアフラム室との間でお互いに干渉しないように遮断する仕切壁と、
前記第１のダイアフラム室と前記第２のダイアフラム室との間で流体の流通を遮断するシール手段と、を具備して構成したことを特徴とするものである。

このような液体用レギュレータによれば、気体による操作圧力をダイアフラムに受けて弁開度の調整力を発生させる第１のダイアフラム室と、２次側から導入した前記液体の圧力変動をダイアフラムに受けて弁開度の調整力を発生させる第２のダイアフラム室と、前記第１及び第２のダイアフラム室で各々発生した前記調整力を受けて軸方向へスライドする軸部と、該軸部と一体に動作して弁開度の調整を行う弁体と、前記第１のダイアフラム室と前記第２のダイアフラム室との間でお互いに干渉しないように遮断する仕切壁と、
前記第１のダイアフラム室と前記第２のダイアフラム室との間で流体の流通を遮断するシール手段と、を具備して構成したので、２次側の圧力変動は、仕切壁とシール手段とによって遮断されて第１のダイアフラム室側に影響するようなことはない。このため、第２のダイアフラム室に導入した２次側の圧力変動は、そのほとんど全てが２次側の圧力変動に起因する弁開度の調整力として軸部に作用し、この調整力を打ち消す逆向きの方向の力をなくすか、あるいは最小限に抑えることができる。

この場合、前記ダイアフラムが補強部材を備えていることが好ましく、これにより、ダイアフラムの破損や変形を防止することができる。

上述した本発明の液体用レギュレータによれば、２次側の圧力変動が弁開度の調整力に悪影響を及ぼす逆向きの力となって作用するのを防止または最小限に抑え、比較的小型の液体用レギュレータであっても、１次側の圧力変動だけでなく、２次側の圧力変動に対して優れた流量制御の応答性を発揮し、高精度の流量制御が可能になるという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係る液体用レギュレータの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、弁開度を調整して通過する液体の流量が一定となるよう制御する液体用レギュレータの構成例を示す断面図である。なお、図１は流量制御中の状態、図２は全閉の状態を示している。
液体用レギュレータ（以下、「レギュレータ」と呼ぶ）１０のハウジング１１内には、軸部１２と一体に上下方向の開閉動作を行って液体流路の断面積を調整する弁体１３が設けられている。軸部１２は上下に２分割され、上方に位置する上部軸１２Ａには第１ダイアフラム１４の中央部が固定支持され、下方に位置する下部軸１２Ｂには第２ダイアフラム１５の中央部が固定支持されている。

ハウジング１１内には３つの空間部が形成され、軸部１２に沿って上方から順に、第１ダイアフラム１４を収納設置した第１ダイアフラム室１６と、第２ダイアフラム１５を収納設置した第２ダイアフラム室１７と、弁体１３を収納設置した流量制御室１８とに分割される。
第１ダイアフラム室１６の内部は、第１ダイアフラム１４の周囲を全周にわたってハウジング１１に固定支持させることにより、上下の空間に二分割されている。第１ダイアフラム１４の上面側空間１６Ａには、空気等の操作気体を供給する操作圧連結口１９が設けられている。この操作圧連結口１９には、図示省略の操作気体供給管が接続されるようになっており、不活性ガスである窒素などが使用される。なお、以下の説明では、操作気体供給管が供給する操作気体として空気を使用するものとする。

第１ダイアフラム１４の中央部１４ａは厚肉とされ、上部軸１２Ａと一体に形成された円盤状のダイアフラムベッド２０上に固定支持されている。このダイアフラムベッド２０は、第１ダイアフラム１４の補強部材として機能する剛性部材である。また、第１ダイアフラム１４の外周部には、スムーズな上下動を可能にするためダイアフラムベッド２０の補強を受ける薄肉部１４ｂがドーナツ形状に設けられている。このダイヤフラムベッド２０は、操作圧をできるだけ有効に受圧できるように、また、薄肉部１４ｂを補強できるように、第１ダイヤフラム１４の上下運動を妨げない範囲以内で、できるだけ大きくするのが好ましい。ダイアフラムベッド２０は、最低でも第１ダイヤフラム１４の厚肉部である中央部１４ａより大きい直径とする必要がある。
一方、第１ダイアフラム１４の下面側空間１６Ｂは、ハウジング１１を貫通する連通口２１により大気開放されている。従って、第１ダイアフラム室１６では、第１ダイアフラム１４の上面が操作圧連通口１９から供給される下向きの操作圧力Ｐを受け、かつ、第１ダイアフラム１４の下面側が大気開放された状態となるため、操作圧力Ｐと受圧面積との積により求められる操作力（弁開度の調整力）が上部軸１２Ａに作用する。

上述した上部軸１２Ａは、第１ダイアフラム室１６と第２ダイアフラム室１７との間に設けられた仕切壁１１ａを貫通し、第２ダイアフラム１５の上端面に載置される。仕切壁１１ａを貫通する上部軸１２Ａには、シール手段として機能し、また上下運動に適しており、上下運動をした際にもゴミの発生が非常に少ないベローズ２２が介挿されている。仕切壁１１ａは、後述する２次側より受ける圧力変動を第１ダイアフラム室２０に影響を与えず、操作圧連通口１９より加えられる操作圧力を有効に作用するために存在し、できるだけ仕切壁１１ａの内側にできる貫通口１１ｂを小さくするのがよい。ただし、この貫通孔１１ｂは、軸１２ａの強度を考え、あまり小さくしすぎてしまうのは好ましくない。
また、ベローズ２２を介挿したことにより、第１ダイアフラム室１６と第２ダイアフラム室１７との間で流体（後述する２次側から導入した液体及びその圧力変動）が流通して影響するのを阻止することができる。その際、第１ダイヤフラム室１６は流体より隔離することができるので、耐薬品性を考慮しなくてすむようになり、第１ダイヤフラム室１６を安価な汎用樹脂で構成できるようになる。
なお、図示の実施形態ではベローズ２２をシール手段として採用したが、Ｏリングなど他のシール部材を採用可能なことは言うまでもない。

第２ダイアフラム室１７の内部は、第２ダイアフラム１５の周囲を全周にわたってハウジング１１に固定支持させることにより、上下の空間に二分割されている。第２ダイアフラム１５の上面側空間１７Ａには、流量制御室１８を通過した２次側の液体を導入する２次圧同入口２３が設けられている。この２次圧導入口２３には、分岐配管２４が接続されるようになっている。この分岐配管２４は、レギュレータ１０の２次側出口配管２５に設けられているオリフィス２６の下流から分岐させたものである。このオリフィス２６は、所望の設定流量に対応したオリフィス径を適宜選択して使用される。

第２ダイアフラム１５の中央部１５ａは厚肉とされ、その中央部上面に重ねるように一体化して、円盤状のダイアフラムベッド２７が固定されている。このダイアフラムベッド２７は、第２ダイアフラム１５の補強部材として機能する剛性部材である。また、第２ダイアフラム１５の外周部には、スムーズな上下動を可能にするためダイアフラムベッド２７の補強を受ける薄肉部１５ｂがドーナツ形状に設けられている。このダイアフラムベッド２７は、第２ダイヤフラム１５の上下の動きを妨げないように、先端部に第２ダイヤフラム１５とクリアランスができるように丸み２７ａを加えている。
第２ダイアフラム１５の中央部１５ａには、下部軸１２Ｂの上端部が連結されている。この下部軸１２Ｂには、下端部側に弁体１３が一体に設けられている。
従って、第２ダイアフラム室１７では、２次側の圧力変動が第２ダイアフラム１５に作用することにより発生する操作力（弁開度の調整力）が下部軸１２Ｂに作用する

一方、第２ダイアフラム１５の下面側空間１７Ｂは、弁体１３と弁座２８との間に形成される液体流路（隙間Ｓ）の開口面積を介して、流量制御室１８と連通している。
流量制御室１８内では、弁体１３の下端部側に下部ベローズ２９を介して下部弁軸３０が連結されている。ハウジング１１と下部弁軸３０の下端部との間には下部スプリング３１が配設され、この結果、弁体１３が下部スプリング３１から常時上向きの付勢を受けるように構成されている。なお、図中の符号３２は、流量制御室１８に連通する１次側の液体導入管である。

次に、上述した構成のレギュレータ１０について、その作用を流量制御の動作とともに説明する。
図３に示す系統図は、レギュレータ１０を組み込んだ半導体製造装置のウエハ洗浄ラインの一例を示している。図示の洗浄ラインでは、純水を流す主配管１にレギュレータ１０が取り付けられ、レギュレータ１０の下流側にはオリフィス２６が設けられている。オリフィス２６の下流側では、分岐配管２４が主配管１から分岐してレギュレータ１０の第２ダイアフラム室１７に接続されている。

主配管１は、分岐配管２４の分岐部より下流側に開閉弁２を備え、同開閉弁２よりさらに下流側には、各々異なる薬液Ａ〜Ｃを供給する３本の薬液配管３，４，５が合流している。各薬液配管には各々開閉弁３ａ，４ａ，５ａが設けられ、同開閉弁を選択的に開くことにより主配管１を流量制御して流す純水に所望の薬液を所定量注入することができる。すなわち、主配管１を一定流量で流れる純水に所定の薬液注入をすることで、所望のウエハ洗浄水を調合することができる。
なお、図中の符号６はレギュレータの１次側圧力を測定する圧力計、７はレギュレータの２次側圧力を測定する圧力計である。

さて、上述したレギュレータ１０では、まず流体を流し所望の圧力ないし流量を得るために、ある一定の空気圧（操作圧力Ｐ）によって第１ダイアフラム１４を押し下げる。この空気圧により発生した操作力は軸１２に伝達され、この軸１２を介して、さらに第２ダイアフラム１５を押し下げて弁体１３を開けるので、所望の設定流量ないし設定圧力をレギュレータ１０の２次側で得ることができる。
この状態では、第２ダイアフラム１５の上面には、空気圧による操作圧が第１ダイアフラム１４及び軸１２を介して第２ダイアフラム１５を押し下げる力として作用し、第２ダイアフラム１５の下面には、弁体１３を上方（全閉方向）に持ち上げている下部スプリング３１の付勢力と１次側の流体圧力との和が、第２ダイアフラム１５を押し上げる力として作用しており、この状態でバランスをとりながら流体を２次側へ供給している。
なお、弁体１３の下部には下部スプリング３１が存在するため、操作圧力Ｐが作用しない場合、弁体１３は全閉位置となる。

上述した状態で１次側の操作圧力Ｐが降下すると、操作圧連結口１９より供給され第１ダイアフラム１４及び軸１２を介して第２ダイアフラム１５を押し下げる方向に、第２ダイアフラム１５の上面に作用する力が、弁体１３を上方に持ち上げている下部スプリング３１の力と１次側の流体圧力との和であり、第２ダイアフラム１５を押し上げる方向に、第２ダイアフラム１５の下面より作用する力よりも大きくなる。このため、第２ダイアフラム１５が弁体１３を押し下げる方向へ変形し、弁体１３と弁座２８とによって形成される流体流路（隙間Ｓ）が広がって大きくなる状態へと自動的に動いて調整される。
上記の状態になると、たとえ１次側の操作圧力Ｐが低下したとしても、弁体１３が押し下げられて流体流路（隙間Ｓ）が大きくなったことにより、２次側へより一層多くの流体を供給できるようになるので、結果としてレギュレータ１０の２次側圧力を一定にすることができる。

また、上述したのと逆の状態が生じたとき、つまり、１次側の操作圧力Ｐが昇圧した際には、操作圧連結口１９より供給され、第１ダイアフラム１４及び軸１２を通して第２ダイアフラム１５を押し下げる方向に、第２ダイアフラム１５の上面に作用している操作力が、弁体１３を上に持ち上げている下部スプリング３１の付勢力と１次側の流体圧力との和であり、第２ダイアフラムを押し上げる方向に、第２ダイアフラム１５の下面より作用する操作力より小さくなる。このため、第２ダイアフラム１５が弁体１３を押し上げる方向へ変形し、弁体１３と弁座２８とによって形成される流体流路（隙間Ｓ）を狭めて小さくする状態へと自動的に導くことができる。
そして、たとえ１次側の操作圧力Ｐが上昇したとしても、弁体１３が押し上げられて流体流路（隙間Ｓ）が小さくなったことにより、２次側へ過度の圧力が供給されることを防止するので、結果として２次側の圧力を一定に保つことができる。

続いて、２次側圧力が変動した際について説明する。ここで、２次側に存在する開閉弁３ａ，４ａ，５ａが開くことにより、流体の注入により２次側圧力が上昇したとする。すると、２次側導入口２３より、２次側の変動圧力がフィードバックされ、第２ダイヤフラム１５の上面に作用し、バルブの開度、すなわち弁体１３と弁座２８とによって形成される流体流路（隙間Ｓ）を大きくする方向に作用する。よって、２次側の圧力が上昇したとしてもバルブの開度を大きくすることにより、さらに強い圧力にて流体を供給することができるようになり、結果として２次側では、同じ流量を得ることができる。

ただし、２次側導入口２３よりフィードバックされた変動圧力は、同様に第１ダイヤフラム１４にも作用することとなり、この結果バルブの開度を小さくする方向へと動いてしまう。しかし、仕切壁１１ａを設け、さらには、仕切壁１１ａの貫通口１１ｂをできるだけ小さくしていることにより、第１ダイヤフラム１４への影響をできるだけ小さくなるように構成し、バルブの開度を大きくする力、すなわち第２ダイヤフラム１５の上面のみにフィードバックされた２次側の変動圧力が作用することにより、２次側に一定の同じ流量を得ることができる。

２次側に存在する開閉弁３ａ，４ａ，５ａが閉まることにより、２次側圧力が降下した際には、上述したのと反対の作用がおき、弁体１３を閉める方向に力が作用し、結果として２次側に一定の同じ流量を得ることができる。

ところで、上述した実施形態では、軸部１２が、２次側における圧力変動を第１ダイヤフラム１４に影響を与えないように設けられた仕切壁１１ａを貫通し、上下に２分割されている。その際、上部軸１２Ａに介挿されたベローズ２２の下端面２２ａ（図１（ｂ）参照）と第２ダイアフラム１５との間に隙間が生じて受圧面となり、この部分では上下両方向に同じ圧力が作用することとなる。このため、２次側の圧力変動に対する第２ダイアフラム１５の弁開度調整力を減少させる原因となるが、軸部１２の断面積はダイアフラムの受圧面積と比較してかなり小さなものであるから、２次側の圧力変動を反映して十分な操作力を得ることができ、応答性の面で問題になることはない。
なお、軸部１２を一体化して上述した弁開度調整力の減少を防止することも可能ではあるが、その際には仕切壁１１ａとのシール方法が問題となる。前述したように、Ｏリングとすることも可能ではあるが、上下運動においては摩擦力が発生して応答性を悪くし、また、上下運動の度に、Ｏリングが磨耗しゴミを発生させるという問題がある。特に、半導体製造ラインなどの高純度が要求される工程においては、ゴミの発生は非常に大きな問題となる。

また、上述したレギュレータ１０が弁開度の制御に空気圧を使用する場合には、ベローズ２２の下端面２２ａに作用する２次側の圧力変動が１次側の調整力を打ち消す方向に作用することもあるので、これを考慮に入れて十分な操作力を確保するためには、第１ダイアフラム１４の受圧面積を増したり空気圧力供給源の圧力を増して対応することが必要となる。しかし、小径のレギュレータ１０ではダイアフラムの大型化は困難であり、また、空気圧力供給源の圧力を高くして対応する場合も、ハウジングやダイアフラム自体等の耐圧性能の問題や供給源確保の問題も生じてくる。
従って、上述した構成のレギュレータ１０のように、２次側の圧力変動を受けて操作力を発生する２次ダイアフラム１５の有効面積を増すとともに、１次側の第１ダイアフラム室１６と２次側の第２ダイアフラム室１７との間で流体の流通を遮断し、軸部１２を一体化するなどして互いの影響をなくすか、あるいは分割した場合でも影響を最小にすることが重要になる。

また、上述した実施形態においては、剛体のダイアフラムベッド２０及び上部軸１２Ａを一体に連結した傘型形状（断面が略Ｔ字形状）を採用し、また仕切壁１１ａの内側にできるだけ小さくした貫通口１１ｂを設け、上下運動に有利なベローズ２２を採用しているため、操作圧力Ｐによって発生する下向きの操作力をほとんどロスすることなく、弁体１３に対して確実に伝達して動作させることができる。

図４は、上述した構成のレギュレータ１０について、その性能を検証した実験結果を示している。この実験では、使用流体（液体）を水とし、流体温度が２０℃、環境温度が常温の条件で、３種類の操作圧力Ｐ（２０ｋＰａ、３５ｋＰａ、５０ｋＰａ）についてバックプレッシャー（Ｐ２）と流量（Ｑ）との関係を測定した。なお、初期設定は、１次圧力（Ｐ１）を３００ｋＰａ、オリフィス２６の直径を８ｍｍとした。

図４に示す実験結果を見ると、３種類の操作圧力Ｐのいずれの場合においても、バックプレッシャー（Ｐ２）が増加しても流量（Ｑ）が略一定に保たれていることがわかる。すなわち、上述した構成のレギュレータ１０を使用することにより、２次側の圧力変動に応じた弁開度の調整が適切に実施され、所望の流量（Ｑ）を維持するよう優れた応答性を有する定流量制御が行われていることがわかる。また、このような定流量制御は、流量と圧力との間に相関関係があることから、２次側の圧力変動に応じた弁開度の調整が適切に実施されて減圧制御を実施できることも意味している。

続いて、上述したレギュレータ１０の変形例を図５に示して説明する。なお、上述した実施形態のレギュレータ１０と同様の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例は、ハウジング１１の外部となる２次側出口配管２５に設けたオリフィス２６及び分岐配管２４をハウジング１１内に内蔵した場合の構成例を示している。図示のレギュレータ１０′は、流量制御室１８の下流側となるハウジング１１′に、オリフィス２６′及び分岐配管２４′を内蔵した場合のレギュレータ１０′について、構成例を示したものである。
このような一体型の構成とすれば、ラインへの組み付けや取り扱いが容易になる。

以上説明したように、本発明の液体用レギュレータ１０，１０′によれば、２次側の圧力変動が弁開度の調整力に悪影響を及ぼす逆向きの力となって作用するのを防止または最小限に抑えることができるので、比較的小型の液体用レギュレータについても、１次側の圧力変動だけでなく、２次側の圧力変動に対して優れた流量制御の応答性を発揮して高精度の流量制御が可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る液体用レギュレータの一実施形態を示す断面図で、流量制御中の状態である。 図１に示す液体用レギュレータが全閉の状態を示す断面図である。 本発明の液体用レギュレータの適用例として、半導体製造装置のウエハ洗浄ラインの一例を示す系統図である。 本発明による液体用レギュレータについて、その性能を検証した実験結果を示す図である。 本発明に係る液体用レギュレータの変形例を示す断面図で、全閉の状態である。

符号の説明

１０ 液体用レギュレータ
１１ ハウジング
１１ａ 仕切壁
１２ 軸部
１２Ａ 上部軸
１２Ｂ 下部軸
１３ 弁体
１４ 第１ダイアフラム
１５ 第２ダイアフラム
１６ 第１ダイアフラム室
１７ 第２ダイアフラム室
１８ 流量制御室
１９ 操作圧連結口
２０，２７ ダイアフラムベッド
２１ 連通口
２２ ベローズ（シール手段）
２３ ２次圧導入口
２４ 分岐配管
２５ ２次側出口配管
２６ オリフィス
２８ 弁座
２９ 下部ベローズ
３０ 下部弁軸
３１ 下部スプリング
３２ 液体導入管（１次側）

Claims (2)

1. 弁開度を調整して通過する液体の流量が一定となるよう制御する液体用レギュレータであって、
   気体による操作圧力をダイアフラムに受けて弁開度の調整力を発生させる第１のダイアフラム室と、
   ２次側から導入した前記液体の圧力変動をダイアフラムに受けて弁開度の調整力を発生させる第２のダイアフラム室と、
   前記第１及び第２のダイアフラム室で各々発生した前記調整力を受けて軸方向へスライドする軸部と、
   該軸部と一体に動作して弁開度の調整を行う弁体と、
   前記第１のダイアフラム室と前記第２のダイアフラム室との間でお互いに干渉しないように遮断する仕切壁と、
   前記第１のダイアフラム室と前記第２のダイアフラム室との間で流体の流通を遮断するシール手段と、
   を具備して構成したことを特徴とする液体用レギュレータ。
2. 前記ダイアフラムが補強部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の液体用レギュレータ。

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