JP5605969B2 - 流量モニタ付圧力式流量制御装置と、これを用いた流体供給系の異常検出方法並びにモニタ流量異常時の処置方法 - Google Patents
流量モニタ付圧力式流量制御装置と、これを用いた流体供給系の異常検出方法並びにモニタ流量異常時の処置方法 Download PDFInfo
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Description
この圧力式流量制御装置FCSは、図16に示すようにコントロール弁CV、温度検出器T、圧力検出器P、オリフィスOL及び演算制御部CD等から構成されており、その演算制御部CDは、温度補正・流量演算回路CDa、比較回路CDb、入出力回路CDc及び出力回路CDd等から構成されている。
また、絞り部26は、その一次側と二次側における圧力差が所定値以上であるときに一次側の圧力に応じた流量の流体を流す音速ノズルである。尚、図17及び図18に於いて、SPa、SPbは圧力信号、Pa、Pbは圧力、Fは流量、Sfは流量信号、Cpは弁開度制御信号である。
第1の問題は、演算制御部28aが、第2圧力センサ27bの出力SPbと熱式流量センサ25の流量出力Sfの両信号を用いて開閉制御弁24を開閉制御すると共に、第1圧力センサ27aの出力SPaを用いて熱式流量センサ25の流量出力Sfを補正する構成としており、第1圧力センサ27a及び第2圧力センサ27bの二つの圧力信号と熱式流量センサ25からの流量信号との三つの信号を用いて、開閉制御弁24の開閉制御を行うようにしている。
そのため、演算制御部28aの構成が複雑になるだけでなく、圧力式流量制御装置FCSとしての安定した流量制御特性や優れた高応答性が逆に低減されてしまうと云う問題がある。
更に、前記各ガス供給系A、B及びガス使用系Cには夫々バルブV1、V2及びV3が夫々介設されている。
図6及び図7に於いて、1は流量モニタ付圧力式流量制御装置、2は熱式流量センサ、3はコントロール弁、4は温度センサ、5は圧力センサ、6はオリフィス、7は制御部、8は入口側流路、9は出口側流路、10は機器本体内の流体通路であり、図6に於ける熱式流量センサ2とコントロール弁3の取付位置を入れ替えしたものが図7の流量モニタ付圧力式流量制御装置である。
また、熱式流量センサ2を流量モニタ用センサとしたのは、主として流量やセンサとしての使用実績と流量センサとしての優れた特性のためであり、また、リアルタイム測定の容易性、ガス種の変化に対する対応性、流量測定精度、使用実績等が他の流量測定センサよりも高い点を勘案した結果である。更に、オリフィスを用いた圧力式流量制御装置の機器本体内の流体通路10に熱式流量センサ2を一体的に組み付けしたのは、流量モニタが行い易く且つ流量モニタ付き圧力式流量制御装置の小型化が図り易いからである。
更に、流体供給源側の流体圧力に変動があっても、熱式流量センサ2の出力特性に大きな変動が発生せず、結果として流体供給側の圧力変動に対して安定した流量モニタと流量制御が行える。
図1は本発明に係る流量モニタ付圧力式流量制御装置1の実施形態に係る構成概要図であり、流量モニタ付圧力式流量制御装置1は、圧力式流量制御部1aと熱式流量モニタ部1bとの二つの部分から構成されている。
また、この圧力式流量制御部1aには、公知の零点調整機構や流量異常検出機構、ガス種変換機構(F.F.値変換機構)等の各種付属機構が設けられていることは勿論である。
更に、図1に於いて8は入口側通路、9は出口側通路、10は機器本体内の流体通路である。
即ち、図4に示すように、熱式流量センサ2は、バイパス群2dとこれを迂回するセンサ管2eとを有しており、これにバイパス群2dと比較して少量のガス流体を一定の比率で流通させている。
また、このセンサ管2eには直列に接続された制御用の一対の抵抗線R1、R4が巻回されており、これに接続されたセンサ回路2bによりモニタされた質量流量値を示す流量信号2cを出力する。
また、本実施形態においては、熱式流量モニタ部1bとして、株式会社フジキン製のFCS-T1000シリーズに搭載されるセンサを使用している。
図1を参照して、流量モニタ付圧力式流量制御装置の圧力式流量制御部1aは、実質的に図16に示した従前の圧力式流量制御装置FCSと同等の構成を有しており、当該圧力式流量制御部1aには、流量の設定機構に該当する流量設定回路(図示省略)と、圧力の表示機構に該当する圧力表示機構(図示省略)と流量を表示する流量出力回路(図示省略)等が設けられている。
また、当該圧力式流量制御部1aには、所謂流量自己診断機構(図示省略)が設けられており、後述するように初期設定した圧力降下特性と診断時の圧力降下特性とを対比して、異常状態を判定すると共にその判定結果を出力するよう構成されている。
尚、図19において、V1、V2、V3はバルブであり、流体圧駆動部や電動駆動部を備えた自動開閉弁が一般に使用されている。
イ バルブV1の動作異常
a.所定の実ガス(プロセスガスGp)を流通せしめて、FCSにより所定の設定流量のガスを流通させる。この時、FCSの流量指示値や圧力指示値(配管路8及び又は配管路9)が0へと変化する場合には、バルブV1の動作に異常(不動作)があることになる。
b.FCSへ所定の実ガス(プロセスガスGp)を流通せしめて、FCSの実ガス制御流量が所定流量となっているか否かを診断中(以下、実ガス流量自己診断時と呼ぶ)に、FCSから供給圧不足のエラー信号が発信された場合には、バルブV1の動作に異常(不動作)があることになる。
a.パージガスGとしてN2を流通せしめて、FCSにより所定の設定流量のガスを流通させる。この時FCSの流量指示値や圧力指示値が0へと変化する場合には、バルブV2の動作異常(不動作)があることになる。
b.FCSへN2ガスを流通せしめて、FCSのN2制御流量が設定流量となっているか否かを診断中(以下、N2流量自己診断時と呼ぶ)に、FCSから供給圧不足のエラー信号が発信された場合には、バルブV2の動作に異常(不動作)があることになる。
a.N2又は実ガスを流した状態下におけるN2流量自己診断時又は実ガス流量自己診断時に、FCSから流量自己診断エラー信号が発信された場合には、バルブV3の動作に異常(不動作)があることになる。
b.配管9b等の真空引きの際に、FCSの圧力出力表示が零に下降しない場合には、バルブV3の動作に異常(不動作)があることになる。
c.FCSの流量設定時に、前記流量設定値を適宜に変化させてもFCSの圧力表示値に変化がない場合には、バルブV3の動作異常(不動作)があることになる。
イ バルブV1のシートリーク
a.N2によるFCSの流量自己診断時に、バルブV1にシートリークがあると、N2が実ガスGp側へ逆流し、バルブV1の上流側の実ガスGpがN2と実ガスGpとの混合ガスになる。
その後、FCSの実ガス流量自己診断を実施すると、当該実ガス流量自己診断が混合ガスで行われることになり、診断値が異常値となる。
この診断値が異常値となることにより、バルブV1にシートリークがあることが判明する。
実ガス流量自己診断時の診断値が異常値となった場合には、バルブV2にシートリークが発生していることになる。
何故なら、FCSの上流側配管8の実ガスGp内へN2ガスが混入することになり、FCSでは混合ガスによる実ガス流量自己診断が行われるために、診断値が異常値となる。
FCSによる流量制御の完了後、バルブV3を閉の状態に保持すると共に、FCSの流量設定を0(流量が零となるように設定)にする。
その後、FCSの圧力指示値が下降すれば、バルブV3にシートリークが発生していることになる。
尚、本フローシートは、図19において、イ.各バルブV1、V2、V3、FCS及び配管系8、9、9b等には、シートリーク以外の外部リーク(例えば継手やボンネット等からの漏れ)は無いこと、ロ.各バルブの駆動部は正常に動作すること、ハ.FCSは正常に動作すること、ニ.V1、V2は同時に開放することが無いこと等が前提となっている。
また、P1が上昇すれば、V2の動作は正常と判断される(ステップS11)。
その後ステップS21でFCSの圧力表示P1をチェックし、圧力表示P1が増圧しなければ、ステップS22でバルブV1、V2にシートリークが無いと判断して、異常チェックを完了する(ステップS31)。
尚、流量自己診断とは、前記したように初期設定した圧力降下特性と診断時の圧力降下特性とを対比し、その差が予め定めた範囲外となった場合に異常と判断するものである。
また、圧力降下特性の形態の欄の数値(1〜4)は、後述するように具体的な故障の種類Aに対して夫々発生する圧力降下特性の形態の類形を示すものである。
即ち、図22では、ガス供給源側からの供給圧不足のために、100%流量保持時に制御圧が不足することになり、圧力降下特性の形態が後述する類形4の形態となる。
また、図23・(b)では、オリフィス2次側の外部からリークガスが2次側へ流入するためオリフィス2次側圧力が上昇し、圧力降下特性の形態は上記図23・(a)の場合と同じ類形2の形態となる。
逆に、図24・(b)では、フローファクタ(F.F.)の小さなガスが流入するため、絞り機構(オリフィス)からガスが抜け難くなり、圧力降下特性における圧力降下が遅れる(類形1の形態)。尚、以下の記述では、絞り機構をオリフィスでもって表現する。
逆に、図25・(b)ではオリフィスが拡経するため、オリフィスからガスが抜け易くなり、圧力降下が早まることになる(類形3の形態)。
また、零点がマイナス側に変動しているときには、圧力降下が早まることになり、その圧力降下特性は類形3の形態となる。
[類形1の圧力降下特性(診断直後から圧力降下が遅れる)]
フローファクタの小さなガスの混入、オリフィスへの生成物の付着・ゴミ詰まり、コントロールバルブのゴミの噛み、生成物付着(シートリーク)、ゼロ点のプラス変動等の故障の場合に発生する。
[類形2の圧力降下特性(診断途中から圧力降下が遅れる)]
2次側バルブのエアオペレーション機構の故障、2次側への外部からのリーク等の故障の場合に発生する。
[類形3の圧力降下特性(診断直後から圧力降下が早くなる)]
フローファクタの大きなガスの混入、不適切なゼロ点入力、腐食による穴(オリフィス)の詰まり、オリフィスプレートの破損、ゼロ点のマイナス変動等の故障の場合に発生する。
[類形4の圧力降下特性(診断時の初期が100%流量に達しない)]
供給圧力の不足、1次側バルブのエアオペレーション機構の故障、(プレフィルタの)ゴミ詰まり、コントロールバルブ駆動部の伝達系の異常(コントロールバルブの故障)等の場合に発生する。
尚、流量自己診断方法は、前記図20等により説明した方法と同様である。また、当該モニタ流量の異常は、一般に図1に示した熱式流量モニタ部1bのゼロ点のずれ、圧力式流量制御部1aのゼロ点のずれ、流体供給系の異常及び流量モニタ付圧力式流量制御装置1自体の故障等が原因となって発生することが判明している。
尚、当該モニタ付圧力式流量制御装置の流量出力値の校正方法としては、例えば流量検出点を5〜10点ほど適宜に選定し、各点に於けるモニタ流量値と流量出力値との差異を用いて校正する方法等が可能である。
逆に、前記ステップ46で圧力センサのゼロ点にずれが在ることが判れば、ステップ48で圧力センサのゼロ点を調整したあと、再度処理をステップ40へ戻して流量自己診断を実行する。
また、ステップ47で、異常の要因が流体供給系の異常に該当すると判明した場合には、ステップ49で流体供給系の補修若しくは復旧を行い、その後、処理を再度ステップ40へ戻して流量自己診断を行なう。
1aは 圧力式流量制御部
1bは 熱式流量モニタ部
2は 熱式流量センサ
2bは センサ回路
2dは バイパス管群
2eは センサ管
3は コントロール弁
3aは 弁駆動部
4は 温度センサ
5は 圧力センサ
6は オリフィス
7は 制御部
7aは 圧力式流量演算制御部
7bは 流量センサ制御部
7a1は 入力端子
7a2は 出力端子
7b1は 入力端子
7b2は 出力端子
8は 入口側通路
9は 出口側通路
10は 機器本体内の流体通路
11は ガス供給源
12は 圧力調整器
13は パージ用バルブ
14は 入力側圧力センサ
15は データロガ
16は 真空ポンプ
17は 圧力センサ
Pdは コントロール弁の制御信号
Pcは 流量信号
A1は 流量設定入力
A2は 圧力式流量制御装置の流量出力
B1は 熱式流量センサ出力(図6・熱式流量センサが1次側の場合)
B2は 熱式流量センサ出力(図7・熱式流量センサが2次側の場合)
Aは プロセスガス供給系
A1は 配管
Bは パージガス供給系
B1は 配管
Cは プロセスガス使用系
Eは プロセスチャンバ
FCSは圧力式流量制御装置
V1〜V3はバルブ
Goは パージガス
Gpは プロセスガス。
Claims (11)
- 流体の入口側通路と,入口側通路の下流側に接続した圧力式流量制御部を構成するコントロール弁と,コントロール弁の下流側に接続した熱式流量センサと,熱式流量センサの下流側に連通する流体通路に介設したオリフィスと,前記コントロール弁とオリフィスの間の流体通路の近傍に設けた温度センサと,前記コントロール弁とオリフィスの間の流体通路に設けた圧力センサと,前記オリフィスに連通する出口側通路と,前記圧力センサからの圧力信号及び温度センサからの温度信号が入力され、オリフィスを流通する流体の流量値を演算すると共に演算した流量値と設定流量値との差が減少する方向に前記コントロール弁を開閉作動させる制御信号Pdを弁駆動部へ出力する圧力式流量演算制御部及び前記熱式流量センサからの流量信号が入力され当該流量信号からオリフィスを流通する流体流量を演算表示する流量センサ制御部とから成り、前記流量センサ制御部で演算した流体流量と圧力式流量演算制御部で演算した流体流量間の差が設定値を越えると警報表示を行う制御部と,から構成したことを特徴とする流量モニタ付圧力式流量制御装置。
- 圧力センサを、コントロール弁の出口側と熱式流量センサの入口側の間に設けるようにした請求項1に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置。
- コントロール弁,熱式流量センサ,オリフィス,圧力センサ,温度センサ,入口側通路,出口側通路を一つのボディ体に一体的に組み付けすると共に、流体通路をボディ体に一体的に形成するようにした請求項1に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置。
- 流体の入口側通路と,入口側通路の下流側に接続した圧力式流量制御部を構成するコントロール弁と,コントロール弁の下流側に接続した熱式流量センサと,熱式流量センサの下流側に連通する流体通路に介設したオリフィスと,前記コントロール弁とオリフィスの間の流体通路の近傍に設けた温度センサと,前記コントロール弁とオリフィスの間の流体通路に設けた圧力センサ(5)と,前記オリフィスに連通する出口側通路と,前記オリフィスの下流側の出口側通路に設けた圧力センサ(17)と,前記圧力センサ(5)及び圧力センサ(17)からの圧力信号及び温度センサからの温度信号が入力され、オリフィスを流通する流体の臨界膨張条件の監視やオリフィスを流通する流体の流量値を演算すると共に、演算した流量値と設定流量値との差が減少する方向に前記コントロール弁を開閉作動させる制御信号を弁駆動部へ出力する圧力式流量演算制御部及び前記熱式流量センサからの流量信号が入力され当該流量信号からオリフィスを流通する流体流量を演算表示する流量センサ制御部とから成り、前記熱式流量センサ制御部で演算した流体流量と圧力式流量演算制御部で演算した流体流量間の差が設定値を越えると警報表示を行う制御部と,から構成したことを特徴とする流量モニタ付圧力式流量制御装置。
- オリフィスを流通する流体が臨界膨張条件を外れると、警報表示を行う制御部とした請求項4に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置。
- コントロール弁,熱式流量センサ,オリフィス,圧力センサ(5),温度センサ,入口側通路,出口側通路,圧力センサ(17)を一つのボディ体に一体的に組み付けすると共に、流体通路をボディ体に一体的に形成するようにした請求項4に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置。
- 流量の設定機構と,流量及び圧力の表示機構と,流量自己診断機構とを備えた請求項1の流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系において、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の上流側及び又は下流側に設けたバルブの異常を、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の圧力の表示値及び又は流量自己診断機構の診断値を用いて検出する方法であって、異常検出の対象とするバルブを、流量モニタ付圧力式流量制御装置の上流側に設けたパージガス供給系のバルブとプロセスガス供給系のバルブ及び流量モニタ付圧力式流量制御装置の下流側のプロセスガス使用系に設けたバルブとすると共に、検出する異常の種類をバルブの開閉動作及びシートリークとした請求項1の流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。
- 流量モニタ付圧力式流量制御装置の流量自己診断機構を、初期設定をした圧力降下特性と診断時の圧力降下特性とを対比して異常を診断する構成の機構とすると共に、プロセスガスとパージガスとの混合ガスが流入した際の前記診断値の変化から、プロセスガス供給系又はパージガス供給系のバルブのシートリークを検出するようにした請求項7に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。
- 流量の設定機構と,流量及び圧力の表示機構と,流量自己診断機構とを備えた請求項1の流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系において、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置並びにその上流側及び又は下流側に設けたバルブの異常を、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の圧力の表示値及び又は流量自己診断機構の診断値を用いて検出する方法であって、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の流量自己診断機構を、初期設定をした圧力降下特性と診断時の圧力降下特性とを対比して異常を診断する構成の機構とすると共に、当該流量自己診断機構による流量自己診断時の圧力降下特性が、前記初期設定時の圧力降下特性に対比して、診断直後から圧力降下が遅れ出すか、診断途中から圧力降下が遅れ出すか、診断直後から圧力降下が早まるか、診断開始時の圧力が初期設定時の圧力に達していないか、の何れの形態に該当するかを判別し、前記判別された流量自己診断時の圧力降下特性の形態から、検出された異常の原因を判定するようにした流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。
- 請求項9の流体供給系の異常検出方法により流量自己診断をし、先ず流量自己診断時の圧力降下特性の形態から検出された異常の原因を判定し、その後圧力センサのゼロ点のずれを確認してゼロ点がずれている場合にはゼロ点調整をしてから再度流量自己診断を行い、また、前記ゼロ点にずれが無い場合には、前記判定した異常の原因が流体供給系の異常か否かを判別し、流体供給系が異常の場合には流体供給系の異常を復旧させ、また、流体供給系に異常が無い場合には、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置自体の異常と判断してその取換えをするようにした流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系のモニタ流量異常時の処置方法。
- 請求項9の流体供給系の異常検出方法により流量自己診断をし、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置のオリフィスの径変化が原因でモニタ流量が異常の場合には、モニタ流量が正しいとして前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の校正を行うようにした流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系のモニタ流量異常時の処置方法。
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