JP6037845B2 - 流体制御装置 - Google Patents

Description

本発明は流体の制御が必要とされる流体輸送配管に使用される流体制御装置に関する。

従来、流体の制御が必要とされる流体輸送配管に用いられる流体制御装置として、図８に示すような流体制御装置１０１がある（例えば、特許文献１参照）。流体制御装置１０１は、内部に流路１０８が形成されたハウジング本体１０２と、ハウジング本体１０２に収容され流路１０８に接続された制御弁１０３と、ハウジング本体１０２に収容され流路１０８に接続された圧力センサ１０４と、圧力センサ１０４に接続されている流路１０８内に位置する絞り部１０５と、制御弁１０３を電気的に駆動する電動モータを具備するドライバ１０６と、制御弁１０３及び圧力センサ１０４に電気的に接続されるコントローラ１０７と、ハウジング本体１０２に接続されドライバ１０６とコントローラ１０７とを収容するハウジングカバー１０９とを備える。流体制御装置１０１は、流路１０８内で測定された圧力差と絞り部１０５の直径とから流路１０８内の流量を測定し、測定した流量に基づいて制御弁１０３をフィードバック制御で駆動することで、流路１０８内の流量を高精度に制御する。

特開２００１−２４２９４０号公報

しかしながら、従来の流体制御装置１０１では、運転中にコントローラ１０７やドライバ１０６から熱が発生するため、発生した熱が気密性の高いハウジングカバー１０９内に滞留することによって、流体制御装置内の温度が上昇する。流体制御装置内の温度が上昇すると、熱が圧力センサ１０４に影響を及ぼしセンサ出力に異常が発生するため、正確な測定値が得られないというおそれがある。特に、コントローラ１０７は発熱量が大きいため圧力センサに影響を与えやすい。また、流体制御装置をコンパクトにするために、コントローラ１０７の直下には圧力センサ１０４が配置されることが多く、コントローラ１０７から発生した熱は圧力センサ１０４に伝わりやすい。

また、コントローラ１０７やドライバ１０６から発生した熱は、流体制御装置内の流路１０８を流れる流体にも影響を及ぼすおそれがある。熱が流体の温度を上昇させることによって正確な測定値が得られないおそれがある。また、流体中の成分の凝固や粘度などの物性の変化、化学反応の促進などが生じるおそれがある。

本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、制御弁を駆動する電動式駆動部や制御弁の開度を調整しフィードバック制御するための制御部などから発生する熱が流体の流量を検出する流量計センサ部に伝わることを抑えることによって、流体制御装置内の温度変化の影響を受けにくい、安定した流量制御が可能な流体制御装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明によれば、流体制御装置であって、電気式駆動部と、バルブ本体を有する流量制御部とを備え、弁開度を変化させることで流量を変化させるように構成された電動制御弁と、超音波を発信し且つ受信する超音波振動子を有し、該超音波振動子によって受信された超音波を電気信号に変換する流量計センサ部と、該電気信号を受信して流量を演算する流量計アンプ部と、該演算された流量に基づいて該弁開度を制御する制御部とを具備し、該流量計センサ部が第一のケーシング内に配置され、該電動制御弁と該流量計アンプ部と該制御部とが第二のケーシング内に配置され、該第一のケーシングが、第一蓋部と、第一筐体部と、ベース部とを有し、該第二のケーシングが、第二蓋部と、第二筐体部と、底部とを有するとともに、該第二筐体部の外周面の一部に該バルブ本体の側面が含まれ、該流量制御部が該第一のケーシングの外側に配置され、該第一蓋部と該底部との間と、該第一筐体部と該流量制御部との間に空間層が設けられ、該第一蓋部と該底部との間に設けられた空間層は、該第一蓋部と該底部とを組み合わせることによって形成され、該第一蓋部と該底部とが同じ形状を有する、流体制御装置が提供される。

請求項１の発明では、流量計センサが配置された第一のケーシングと、電動制御弁と流量計アンプ部と制御部とが配置された第二のケーシングとの間に空間層が設けられたことにより、制御部、流量計アンプ部、および電動制御弁の電気式駆動部から発生する熱が流量計センサ部に伝わるのを抑えることができるので、温度変化の影響を受けにくい、安定した流量制御が可能な流体制御装置を提供することができる。

本発明によれば、制御部、流量計アンプ、電気式駆動部から発生する熱が流量計センサ部に伝わるのを抑えることができるので、温度変化の影響を受けにくい、安定した流量制御が可能な流体制御装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置を示す縦断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置の要部拡大図である。 本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置の別の要部拡大図である。 本発明の第１の実施形態に用いられる流量計センサ部の要部を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置の別の要部拡大図である。 本発明の第１の実施形態に用いられる空間層を形成する部材を示す分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る流体制御装置を示す縦断面図である。 従来の流体制御装置を示す縦断面図である。 様々な条件におけるセンサ周辺温度の結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明が本実施形態に限定されないことは言うまでもない。

図１乃至図６に基づいて、本発明の第１の実施形態である流体制御装置について説明する。本発明の流体制御装置は、電気式駆動部７と流量制御部８とを備えた電動制御弁と、流量計センサ部３と、流量計アンプ部５と、制御部６とを具備する。電動制御弁は、弁開度を変化させることで流量を変化させるように構成される。流量計センサ部３は、図２に示されるように、超音波を発信し且つ受信する一対の超音波振動子１９を有し、超音波振動子１９によって受信された超音波を電気信号に変換する。流量計アンプ部５は流量計センサ部３から電気信号を受信して流量を演算する。制御部６は、演算された流量に基づいて電動制御弁の弁開度を制御する。

流量計センサ部３は第一ケーシング１内に配置され、電動制御弁と流量計アンプ部５と制御部６とは第二ケーシング４内に配置される。第一ケーシング１と第二ケーシング４との間に空間層１４ａ、１４ｂが設けられる。

まず、図１乃至図４を参照して、第一ケーシング１と、第一ケーシング１内に配置された部品とについて説明する。第一ケーシング１はＰＰＧ（ガラス繊維強化ポリプロピレン）製であり、ベース部１１と筺体部１２と蓋部１３とを有する。ベース部１１および筺体部１２は一体成形されている。また、ベース部１１には、電動制御弁の流量制御部８が第一ケーシング１の筺体部１２との間に空間層１４ｂを形成して配置されることができるように空間が形成されている。筺体部１２の上面には開口が形成されている。開口は、蓋部１３が筺体部１２にボルト・ナット（図示せず）によって接合されることによってふさがれる。図２に示されるように、筺体部１２の一方の端面には流体流入部受口１５が形成され、流体流入部受口１５は流体流入部２を支持する。筺体部１２の他方の端面には接続配管部材受口１６が形成され、流量計センサ部３と流量制御部８とを接続する配管を支持する。流体流入部受口１５の中心軸線と接続配管部材受口１６の中心軸線とは同一軸線上に存在している。

流体流入部２はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製の継手である。流体流入部２には、中央に流体流入部本体１７が形成され、流体流入部本体１７の両側に継手部が形成されている。流体流入部２は、流体流入部本体１７を第一ケーシング１の流体流入部受口１５に嵌合することによって固定される。また、流体流入部２は、筺体部１２の内部で、接続部材２４を介して流量計センサ部３の入口流路２１（図４参照）に接続されている。

図２および図３に示されるように、流量計センサ部３は、測定管１８と、一対の超音波振動子１９と、支持部２０とを有する。測定管１８は、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）製であり、図４に示されるように、入口流路２１と、入口流路２１に連通する直線流路２２と、直線流路２２に連通する出口流路２３とを有する。図２に示されるように、入口流路２１の上流側の端部には、入口流路２１を流体流入部２に接続する接続部材２４が設けられ、出口流路２３の下流側の端部には、出口流路２３を流量制御部８に接続する接続部材２４が設けられている。直線流路２２には、一対の超音波振動子１９が配置される一対の伝送体２５が互いに対向するように一体的に形成されている。伝送体２５は略円錐状をなし、測定管１８を取り囲むように形成されている。また、伝送体２５は測定管１８の軸線方向に対して垂直な方向に延びる軸線方向端面２６を有している。

図２に示される超音波振動子１９は、図４に示されるように超音波トランスデューサ２７と音響整合部材２８とを有している。音響整合部材２８はガラスエポキシ樹脂製である。音響整合部材２８は、超音波トランスデューサ２７の配線部分を受容する切り欠き部を有するドーナツ形状すなわち穴あき円板形状を有する。音響整合部材２８の外径は支持部材２９の振動子受容部３０（図３参照）の内径と略同一である。音響整合部材２８の内径は測定管１８の外径よりも大きい。ひとつの超音波振動子１９にはふたつの音響整合部材２８が使用される。一方の音響整合部材２８は伝送体２５の軸線方向端面２６と超音波トランスデューサ２７との間に配置され、他方の音響整合部材２８は一方の音響整合部材２８と共に超音波トランスデューサ２７を挟み込むように配置される。音響整合部材２８は、その内周面が測定管１８の外周面から離間するように配置される。

超音波トランスデューサ２７はチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料から構成されている。超音波トランスデューサ２７は、ドーナツ形状すなわち穴あき円板形状を有している。超音波トランスデューサ２７の外径は支持部材２９の振動子受容部３０の内径と略同一である。超音波トランスデューサ２７の内径は測定管１８の外径よりも大きい。超音波トランスデューサ２７は、その内周面が測定管１８の外周面から離間するように配置される。超音波振動子１９はフッ素樹脂で覆われている。図２に示されるように、超音波振動子１９から延びた配線が、第二ケーシング４に配置された流量計アンプ部５に接続されている。

図４に示されるように、支持部２０は、支持部材２９と、ストッパー３１と、押圧板３２と、クッション３３と、押圧部材３４とを有する。支持部材２９はＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）製であり角柱形状を有している。図３に示されるように、支持部材２９の上部には、流量計センサ部３の流路軸線と同一の中心軸線を有する貫通孔３５が形成されている。図４に示されるように、支持部材２９の下部には、第一ケーシング１に固定される固定用突部３６が形成されている。また、支持部材２９の上面には配線を通すためのスリット３７が形成されている。スリット３７は貫通孔３５と連通している。貫通孔３５は、振動子受容部３０と、ストッパー受容部３８と、開口部３９とを有している。開口部３９は支持部材２９の一方の端面に形成されている。開口部３９の直径は伝送体２５の外径よりも大きく形成されている。ストッパー受容部３８は開口部３９と振動子受容部３０との間に形成されている。ストッパー受容部３８の直径は開口部３９の直径よりも大きく形成されている。振動子受容部３０は支持部材２９の他方の端面に形成されている。振動子受容部３０の直径はストッパー受容部３８の直径よりも大きく形成されている。図４に示されるように、振動子受容部３０の端部には雌ねじ部４０が形成され、内周面には径方向に沿って係合溝４１が形成されている。

ストッパー３１はＰＶＣ製である。ストッパー３１は、円筒形状を有し、円周方向に二分割されている。ストッパー３１は支持部材２９のストッパー受容部３８に配置される。ストッパー３１の外径は支持部材２９のストッパー受容部３８の内径と略同一である。ストッパー３１の内径は測定管１８の外径よりも大きい。ストッパー３１の一方の端部の内周面は伝送体２５の外形と相補的な形状に形成されている。

押圧板３２はＳＵＳ（ステンレススチール）製である。押圧板３２は、径方向に延びる係合突起４２を有し且つドーナツ形状すなわち穴あき円板形状を有する。押圧板３２の係合突起４２は支持部材２９の係合溝４１と係合する。押圧板３２は音響整合部材２８に当接するように配置される。超音波トランスデューサ２７の内径は測定管１８の外径よりも大きい。このため、超音波トランスデューサ２７は、その内周面が測定管１８の外周面から離間するように配置される。クッション３３はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）製である。クッション３３は、測定管１８の外径よりも大きい内径を有するＯリングで形成されている。

押圧部材３４はＰＶＣ製であり、円筒形状を有している。押圧部材３４の外径は支持部材２９の振動子受容部３０の内径と略同一である。押圧部材３４の内径は測定管１８の外径よりも大きい。押圧部材３４の外周面には、支持部材２９の雌ねじ部４０に螺合する雄ねじ部４３が形成されている。図３に示されるように、押圧部材３４の一方の端面には、クッション３３を収容する凹部４４が形成されている。

流量計センサ部の組み立て方法について、図４を参照して説明する。支持部材２９の貫通孔３５に測定管１８を挿入する。その後、ストッパー受容部３８にストッパー３１を装着し、支持部材２９と伝送体２５とでストッパー３１を挟持する。伝送体２５の軸線方向端面２６に一方の音響整合部材２８、超音波トランスデューサ２７、他方の音響整合部材２８の順で配置する。押圧板３２の係合突起４２を支持部材２９の係合溝４１と係合させながら、押圧板３２を振動子受容部３０に挿入して音響整合部材２８に当接させる。クッション３３を装着した押圧部材３４を支持部材２９に螺着させる。押圧部材３４は、超音波振動子１９を押圧板３２を介して伝送体２５に押圧することによって、超音波振動子１９を伝送体２５に密着固定する。このとき、押圧部材３４が回動しても押圧板３２は回動しないので、超音波振動子１９は回動することなく伝送体２５に押圧される。一対の超音波振動子１９が一対の伝送体２５に装着された後に、流量計センサ部３の測定管１８の両端部には接続部材２４が装着される。その後、支持部２０をベース部１１にボルト・ナット（図示せず）で固定することによって、流量計センサ部３が第一ケーシング１に固定される。次いで、流量計センサ部３の入口流路２１には流体流入部２が接続され、出口流路２３には出口流路２３と流量制御部８とを接続する配管が接続される。このとき、流体流入部２と、流量計センサ部３と、出口流路２３と流量制御部８とを接続する配管とは同じ流路軸線を有している。また、流量計センサ部３は二つの支持部２０で支持され、流量計センサ部３に接続される流体流入部２と第二連結体７３とが第一ケーシング１によって支持される。従って、流量計センサ部３は四点で支持されることになり、外部要因からの振動を受けにくい。

次に、図１および図５を参照して、第二ケーシング４と、第二ケーシング４に配置された部品について説明する。第二ケーシング４は、ＰＰＧ製であり、蓋部５１、筺体部５２、底部５３を有する。筺体部５２は筺体本体５４と配線接続部５５と流量制御部８のバルブ本体５６とを構成部品として有する。配線接続部５５は、ＰＴＦＥ製であり、流量制御装置に電気を供給する電源配線などのコネクターが設けられている。本実施形態では、バルブ本体５６の外周面が露出している。バルブ本体５６の側面が筺体本体５４の外周面と連結することで、バルブ本体５６の外周面が筺体部５２の外周面の一部を構成している。このように、本実施形態では、バルブ本体５６が筺体部５２の一部として兼用されている。バルブ本体５６が第二ケーシング４の一部を構成することによって、第二ケーシング４の筺体部５２が電動制御弁全体を収容する場合と比べて、第二ケーシング４がコンパクトに形成される。

筺体本体５４には、上面に上面開口が形成され、底面に底面開口が形成され、一方の端面には端面開口が形成されている。上面開口は、蓋部５１が筺体本体５４にボルト・ナット（図示せず）によって接合されることによってふさがれる。底面開口は、底部５３とバルブ本体５６とが筺体本体５４にボルト・ナット（図示せず）によって接合されることによってふさがれる。端面開口には、端面開口の内周面に沿って嵌合突起５７が形成されている。端面開口は、嵌合突起５７に対応する嵌合溝５８を有する配線接続部５５が嵌着されることによってふさがれる。また、第二ケーシング４は、流量計アンプ部５および制御部６を収納する電装収納部５９と、電動制御弁を収納する駆動部収納部６０とから成る。電装収納部５９と駆動部収納部６０との間には仕切板６１が設けられている。一方の空間の熱を他方の空間に伝えないようにするための断熱材や、ノイズを効果的に遮断するための金属板などの遮蔽材を仕切板６１に取り付けても良い。また、筺体本体５４の外周面には放熱リブや放熱溝などを設けても良い。

流量計アンプ部５は、流量計センサ部３から出力された信号から流量を演算する演算部を有している。演算部は、発信側の超音波振動子１９に一定周期の超音波を発信する発信回路と、受信側の超音波振動子１９からの超音波を受信する受信回路と、各超音波の伝搬時間を比較する比較回路と、比較回路から出力された伝搬時間の差から流量を演算する演算回路とを備えている。

制御部６は、流量計アンプ部５によって演算された流量が、設定された流量になるようにフィードバック制御することで電気式駆動部７を制御する制御回路を有している。また、制御部６には外部から電源が供給されている。

電動制御弁の流量制御部８と電気式駆動部７とはボルト・ナット（図示せず）によって接合されている。本実施形態では電動制御弁としてピンチバルブが用いられている。流量制御部８のバルブ本体５６は第一ケーシング１のベース部１１にボルト・ナット（図示せず）によって接合されている。また、流量制御部８のバルブ本体５６と第一ケーシング１の筺体部１２との間には空間層１４ｂが形成されている。

図１および図５を参照して、流量制御部８について説明する。流量制御部８では電気式駆動部７からの伝達により弁開度が可変される。図５に示されるように、流量制御部８は、チューブ７１と、バルブ本体５６と、第一連結体７２と、第二連結体７３と、保持体７４とを備える。チューブ７１はフッ素ゴムとシリコンゴムとの複合体からなる。チューブ７１はバルブ本体５６内に収容されて流路を形成している。バルブ本体５６はＰＶＣ製である。バルブ本体５６の流路軸線上にはチューブ７１を受容する断面矩形状の直線溝７５が設けられている。また、直線溝７５の両端部には、連結体７２、７３と保持体７４とを受容する断面矩形状の嵌合溝７６が直線溝７５よりも深くなるように設けられている。

第一連結体７２および第二連結体７３はＰＦＡ製である。第一連結体７２は、流量制御部８と外部配管とを接続する配管である。第二連結体７３は、流量制御部８と流量計センサ部３とを接続する配管である。第一連結体７２および第二連結体７３の一方の端部には、チューブ７１の端部に挿入可能に形成された挿入部７７が設けられている。第一連結体７２の他方の端部には、流量制御装置の外部の配管に接続される継手部７８が設けられている。第二連結体７３の他方の端部には、第一ケーシング１の接続配管部材受口１６に挿入されることで、流量計センサ部３の測定管１８に装着された接続部材２４に接続される継手部７８が設けられている。第一連結体７２および第二連結体７３の中央には、嵌合溝７６に嵌合可能な鍔部７９が設けられている。第二連結体７３の継手部７８が第一ケーシング１の接続配管部材受口１６に挿入されて流量計センサ部３に接続されることによって、流量計センサ部３の流路軸線と流量制御部８の流路軸線とが位置決めされる。

保持体７４はＰＶＣ製であり、保持体７４の中央には、貫通孔８０が形成されている。貫通孔８０の一方の端部には、連結体７２、７３の挿入部７７に接続された状態のチューブ７１の外径と略同径の内径を有した拡径部８１が設けられている。

連結体７２、７３と保持体７４とは、チューブ７１の両端を保持体７４の貫通孔８０に各々貫通させ且つチューブ７１の両端に連結体７２、７３の挿入部７７を挿着した状態で、保持体７４の拡径部８１において互いに嵌着される。次いで、連結体７２、７３と保持体７４とは、チューブ７１をバルブ本体５６の直線溝７５に挿入して連結体７２、７３の鍔部７９と保持体７４とを圧接された状態で、バルブ本体５６の嵌合溝７６に各々嵌合して固定される。

図１および図５を参照して、電気式駆動部７について説明する。電気式駆動部７は、挟圧子８２を上下動させるために使用される。電気式駆動部７は、前述したように流量制御部８にボルト・ナットによって接合されている。電気式駆動部７は、ボンネット８３と、モータ部８４と、ステム８５と、挟圧子８２とを有する。

モータ部８４はステッピングモータを有する。モータ部８４の下部に配置されたステム８５はモータの軸にギアを介して連結される。挟圧子８２はステム８５の下部に接続されている。モータ部８４を駆動してステム８５を上下動させることにより、挟圧子８２でチューブ７１を押圧したりチューブ７１を解放したりすることができる。

ボンネット８３は、ＰＶＣ製であり、板状の形状を有する。ボンネット８３の下面には、バルブ本体５６より突出した連結体７２、７３の鍔部７９と保持体７４の上部とが嵌合するための凹部が設けられている。ボンネット８３とモータ部８４との間には止水部材が装着されている。止水部材は流量制御部８から漏洩した流体がモータ部８４に流入することを防いでいる。

図１および図６を参照して、空間層１４ａ、１４ｂについて説明する。空間層１４ａは、第一ケーシング１の蓋部１３と第二ケーシング４の底部５３との間に形成されている。空間層１４ｂは、第一ケーシング１の筺体部１２と第二ケーシング４のバルブ本体５６との間に形成されている。空間層１４ａは、第一ケーシング１の蓋部１３と第二ケーシング４の底部５３とを組み合わせることによって形成されている。第一ケーシング１の蓋部１３と第二ケーシング４の底部５３とは同じ形状を有する。図６に示されるように、蓋部１３および底部５３は長方形の板形状を有する。蓋部１３および底部５３は同一形状なので、以後、蓋部１３についてのみ説明する。蓋部１３の空間層１４ａ側の面の一方の短辺の両端部には突部９１が形成され、他方の短辺の両端部には座９２が形成されている。座９２は、突部９１と同じ形状の底部５３の突部を受容できるように突部９１と相補的な形状を有する。また、蓋部１３には、配線を通すための同一形状のふたつの開口９３、９４が形成されている。一方の開口９３の周縁部には環状突起９５が形成され、他方の開口９４の周縁部には、開口９４から離間した位置に環状突起９６が形成されている。環状突起９６の内径は環状突起９５の外径よりも大きい。蓋部１３の第一ケーシング１側の面および底部５３の第二ケーシング４側の面に、熱をより効果的に遮断するための断熱材やノイズをより効果的に遮断するための金属板などの遮蔽材を取り付けても良い。また、底部５３の第二ケーシング４側の面に、制御部６の制御盤などを取り付けるための台座を形成してもよい。

蓋部１３と底部５３とを組み合わせて空間層１４ａを形成する方法について、図６を参照して説明する。まず、同一形状の一対の部材である蓋部１３と底部５３とを互いに向かい合わせる。次いで、蓋部１３の突部９１を底部５３の座９２に相当する座に当接させ、蓋部１３の環状突起９５および環状突起９６を底部５３の蓋部１３の環状突起９５、９６に相当する環状突起にそれぞれ嵌合させ、蓋部１３と底部５３とを重ね合わせる。このとき、蓋部１３と底部５３の間にＯリングなどの密封部材を介在させてもよい。密封部材を介在させることによって、第二ケーシングへの外気の浸入を防ぐと共に、第二ケーシング内の熱を流量計センサ部３に伝わりにくくすることができる。流体制御装置をコンパクトにするためには空間層１４ａを狭くする必要があるが、狭い空間層１４ａを単一部品から形成しようとすると、空間層１４ａを形成する部材の成形および加工が難しくなる。本実施形態では、同一形状の一対の部材を組み立てることによって空間層１４ａを形成しているので、空間層１４ａを形成する部材の成形および加工が容易である。また、一種類の部材から空間層１４ａを形成することができるので、部品点数を減少させることができる。

また、本実施形態では、突部９１と座９２が第一ケーシング１と第二ケーシング４とを連結する連結部として作用している。突部９１と座９２のそれぞれには貫通孔が形成されている。貫通孔はボルト挿通孔として用いられ、第一ケーシング１と第二ケーシングとはボルトによって連結されている。第一ケーシング１と第二ケーシング４との連結部として突部９１および座９２以外を用いてもよく、例えば、蓋部１３と底部５３との環状突起９５、９６を互いに接着することによって第一ケーシング１と第二ケーシング４とを連結させてもよい。

次に、本発明の第一の実施形態である流体制御装置の作動について、図１乃至図５を参照して説明する。センサモジュールの流体流入部２から流入した流体は、まず流量計センサ部３に流入する。流量計センサ部３に流入した流体の流量が直線流路２２において以下の方法で計測される。流体の流れに対して上流側（図１では左側）に位置する超音波振動子１９から下流側（図１では右側）に位置する超音波振動子１９に向かって超音波が発信される。下流側の超音波振動子１９によって受信された超音波は電気信号に変換され、流量計アンプ部５の演算部へ出力される。超音波が下流側の超音波振動子１９によって受信されると、流量計アンプ部５の演算部内で送受信が瞬時に切換えられる。したがって、下流側の超音波振動子１９から上流側の超音波振動子１９に向かって超音波が発信される。上流側の超音波振動子１９によって受信された超音波は、電気信号に変換され、流量計アンプ部５の演算部へ出力される。このとき、超音波は直線流路２２内の流体の流れに逆らって伝搬していく。このため、上流側から下流側へ超音波を伝搬させるときに比べて流体中での超音波の伝搬速度が遅れるので、超音波の伝搬時間が長くなる。流量計アンプ部５の演算部内で、出力された各電気信号から伝搬時間が各々計測され、伝搬時間の差から流量が演算される。流量計アンプ部５で演算された流量は電気信号に変換されて制御部６に出力される。

次に、流量計センサ部３を通過した流体は電動制御弁の流量制御部８に流入する。制御部６は、リアルタイムに計測された流量と任意の設定流量との差をゼロにするように信号を電気式駆動部７に出力する。電気式駆動部７はその信号に応じて流量制御部８の挟圧子８２を駆動させる。このことによって、流量制御部８から流出する流体の流量を設定流量で一定となるように制御することができる。

このとき、流量計アンプ部５および制御部６から熱が発生するため、第二ケーシング４内の温度は周囲温度よりも高温となる。しかしながら、第二ケーシング４と第一ケーシング１との間には空間層１４ａが形成されているので、流量計アンプ部５および制御部６から発生した熱が流量計センサ部３に伝わるのを防ぐことができる。従って、流量計アンプ部５および制御部６から発生した熱が流量計センサ部３に及ぼす影響を小さくすることができる。

ここで、電気式駆動部７からの伝達による流量制御部８の作動について説明する。流量制御部８は、電気式駆動部７のモータ部８４がステム８５を上下動させることによって、ステム８５を介して挟圧子８２を上下動させることができる。挟圧子８２を上下動させることによって、挟圧子８２でチューブ７１を押圧または解放することができる。このことによってチューブ７１の開口面積を変化させることができるので、流量制御部８を流れる流体の流量を制御することができる。

このとき、電動制御弁の電気式駆動部７から熱が発生するため、第二ケーシング４内の温度は周囲温度よりも高温となる。しかしながら、第二ケーシング４と第一ケーシング１との間には空間層１４ｂが形成されているので、電気式駆動部７から発生した熱が流量計センサ部３に伝わるのを防ぐことができる。従って、流電気式駆動部７から発生した熱が流量計センサ部３に及ぼす影響を小さくすることができる。

以上の作動により、センサモジュールの流体流入部２に流入する流体は、設定流量で一定になるように制御され、流体流出口９７から流出される。本発明の流体制御装置では、第一ケーシング１と第二ケーシング４との間に形成された空間層１４ａ、１４ｂによって、制御部６、流量計アンプ部５、および電気式駆動部７から発生した熱が流量計センサ部３に伝わりにくくなっている。従って、制御部６などから発生した熱による超音波振動子１９の温度上昇を抑えることができ、正確な流量を安定的に測定することができる。また、流体制御装置を流れる流体の温度変化を抑えることができるので、流体の粘度などの物性や懸濁状態などの性状の変化を抑えることができ、正確な流量を安定的に測定することができる。特に、本発明の流体制御装置は、小さな温度変化でも温度変化の影響を受け易い、微小流量の流体制御に優れた効果を発揮する。

また、流量制御部８の側面が第二ケーシングから露出していることから、流量制御部８からの流体の漏洩が発見しやすく、流体の漏洩が周囲環境に及ぼす影響を小さくすることができる。特に、流体が腐食性流体であるような場合には、流体の漏洩を早期に発見することは重要である。また、腐食に弱い流量計アンプ部５、制御部６、電気式駆動部７などの各部品が第二ケーシング４によって周囲環境から隔離されているため、第一ケーシング１または流量制御部８から腐食性流体が漏洩しても、これら部品の腐食が防止される。

次に、本発明の第一の実施形態である流体制御装置を半導体製造装置内に設置する手順について説明する。まず本発明の流体制御装置を半導体製造装置内の管路の所定位置に配置する。次いで、流体流入部２、流体流出口９７を管路の配管と接続させ、流体制御装置を半導体製造装置内に固定する。最後に電源などの配線を接続する。以上の手順により、本発明の流体制御装置では流体制御に必要な部品が一体的に組みつけられているため、流体制御装置の半導体製造装置内への設置が非常に容易にかつ短時間で行なうことができる。また、流体制御装置の交換作業が容易である。

本発明において、空間層１４ａ、１４ｂは第一ケーシング１の上面全体および第一ケーシング１の流量制御部８側の側面の電気式駆動部７付近に形成されている。空間層１４ａ、１４ｂは、大きければ大きい方が断熱効果を発揮しやすいが、小さくても断熱効果を発揮する。なぜならば、本発明の空間層１４ａ、１４ｂは、ケーシングの一部に形成され壁面によって外気から隔離された部屋の一部に外気との連通孔を設けたような、熱が滞留しやすい空間ではなく、空間層１４ａ、１４ｂの周囲の大部分が外気と連通し、外気が空間層１４ａ、１４ｂに簡単に出入りするような熱が滞留しにくい開放された空間であるからである。従って、小さな空間層１４ａ、１４ｂによって流体制御装置の外形をコンパクトにすることができ、流体制御装置を半導体製造装置内のような狭隘なスペースにも設置することができる。

図７を参照して、本発明の第２の実施形態である流体制御装置について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る流体制御装置を示す縦断面図である。第２の実施形態は、第１の実施形態とは異なる第二ケーシング４の構成を有する。すなわち、第１の実施形態では、流量制御部８のバルブ本体５６の側面が第二ケーシング４から露出していたが、第２の実施形態では、流量制御部８全体が第二ケーシング４内に収納されている。なお、図１乃至図６と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第１の実施形態との相違点を主に説明する。

第二ケーシング４の筺体本体５４は、流量制御部８と電気式駆動部７とからなる電動制御弁を収容している。また、筺体本体５４は第一ケーシング１のベース部１１にボルト・ナット（図示せず）によって接合されている。また、筺体本体５４内に流量制御部８を収容したことから、流量制御部８からの流体の漏洩に備えて、モータ部８４を収容するＰＶＣ製のカバー９８が電気式駆動部７のボンネット８３に装着される。第二ケーシング４の大きさを、電動制御弁を余裕をもって収容することができる大きさにすることによって、電動制御弁の種類が変わっても同一種類の第二ケーシング４を使用することができる。第２の実施形態の他の構成及び他の作用は第１の実施形態と同様なので説明を省略する。

本発明において、電気式駆動部７と流量制御部８からなる電動制御弁は、電気式駆動部７からの動力伝達により流量制御部８で流量を制御できるように構成されれば、電動式ニードル弁でも電動式定圧弁でもよく、特に限定されるものではない。

また、本発明において、流量計センサ部３と流量計アンプ部５とで構成される流量計測器は、計測した流量を電気信号に変換して制御部６に出力されるものなら超音波式渦流量計でもよく、特に限定されない。

また、本発明において、第一ケーシング１、第二ケーシング４、流体流入部２、超音波振動子１９を除いた流量計センサ部３、流量制御部８、電気式駆動部７のボンネット８３、挟圧子８２の各種部品の材質は、樹脂でも金属でもよく、特に限定されないが、断熱効果に優れるＰＶＣ、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの樹脂であることが好ましい。さらに、これらの材質は、流体に腐食性流体を用いる場合、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ポリビニリデンフルオロライドなどのフッ素樹脂であることが好ましい。

本発明の流体制御装置において、制御部６、流量計アンプ部５、電気式駆動部７（以下、熱発生源）から発生する熱が流量計センサ部３に及ぼす影響を評価すべく、以下に示す試験方法を実施した。

試験方法
所定の雰囲気温度に調節された空間に内径２ｍｍの流路を有する流体制御装置を配置した。流体として所定の水温に調節された水を流体制御装置に流し、流体の流量が常に１００ｍｌとなるように制御した状態で、流体制御装置を２時間だけ保持した。所定時間が経過した後、流体制御装置の流量計センサ部周辺の雰囲気温度（以下、センサ周辺温度）を測定した。流体制御装置の外気温度（以下、外気温度）は１５℃、２５℃、および４０℃に設定された。流体制御装置を流れる流体の温度（以下、水温）は１５℃、２５℃、および３５℃に設定された。

試験例１
第一ケーシング１と第二ケーシング４との間に空間層１４ａ、１４ｂが設けられた、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置を用いて試験を行った。試験結果を図９に示す。

比較例１
制御部、流量計アンプ部、電動式駆動部、流量計センサ部、および流量制御部が同一ケーシングに収納された流体制御装置を用いて試験を行った。試験結果を図９に示す。

比較例２
制御部、流量計アンプ部、電動式駆動部、流量計センサ部、および流量制御部が同一ケーシングに収納されるとともに、ケーシングの外から圧縮空気によってパージされた流体制御装置を用いて試験を行った。試験結果を図９に示す。

図９に示されるように、外気温度１５℃および２５℃の試験条件では、試験例１、比較例１、および比較例２の全てにおいて、センサ周辺温度が外気温度よりも高くなっているが、試験例１は比較例１および比較例２と比べてセンサ周辺温度の上昇が低く抑えられている。試験例１、比較例１、および比較例２に共通するセンサ周辺温度を上昇させる主な原因としては水温の影響が挙げられる。比較例１および比較例２では、センサ周辺温度を上昇させる原因として、水温の影響以外にも、熱発生源から発生した熱のケーシング内での滞留、エアパージに用いられている圧縮空気の温度の影響などが考えられる。このことから、試験例１では、第一ケーシング１と第二ケーシング４との間に形成された空間層１４ａ、１４ｂが、熱発生源から発生した熱が流量計センサ部に伝わることを防いでいることが推測される。

外気温度４０℃の試験条件では、試験例１と比較例２ではセンサ周辺温度が外気温度よりも低いか外気温度と同等程度となっているが、比較例１ではセンサ周辺温度が外気温度よりも高くなっている。この理由は、試験例１の流体制御装置は空間層１４ａ、１４ｂによる断熱効果を有し、比較例２の流体制御装置はエアパージによる放熱効果を有しているが、比較例１の流体制御装置は試験例１および比較例２のような断熱効果および放熱効果を有しておらず、熱発生源から発生した熱がケーシング内で滞留したためと思われる。また、試験例１および比較例２のセンサ周辺温度は同等程度である。このことから、試験例１の流体制御装置では、第一ケーシング１と第二ケーシング４との間に空間層１４ａ、１４ｂを設けることによって、エアパージを行うための設備や動力を用いることなく、熱発生源から発生した熱が流量計センサ部に伝わることが防がれることがわかる。

また、外気温度４０℃の試験条件では、試験例１と比較例２のセンサ周辺温度は同等程度であるが、比較例２のセンサ周辺温度は経時的に変化し不安定であると推測される。なぜならば、比較例２の流体制御装置では、制御部、流量計アンプ部、電動式駆動部、流量計センサ部、および流量制御部が収納されたケーシングにエアパージを施しているため、圧縮空気がケーシング内の温度分布を乱すと考えられるためである。センサ周辺温度が不安定であると流量の計測も不安定になり、安定した流量制御が出来なくなるおそれがある。一方、試験例１ではエアパージのような温度分布を乱す要因がなく、流量計センサ部３が狭い空間で隔離されている。従って、試験例１の流体制御装置では、第一ケーシング１と第二ケーシング４との間に空間層１４ａ、１４ｂを設けることによって、センサ周辺温度が経時変化の少ない安定した状態に保たれる。

１ 第一ケーシング
２ 流体流入部
３ 流量計センサ部
４ 第二ケーシング
５ 流量計アンプ部
６ 制御部
７ 電気式駆動部
８ 流量制御部
１１ ベース部
１２ 筺体部
１３ 蓋部
１４ａ、１４ｂ 空間層
１５ 流体流入部受口
１６ 接続配管部材受口
１７ 流体流入部本体
１８ 測定管
１９ 超音波振動子
２０ 支持部
２１ 入口流路
２２ 直線流路
２３ 出口流路
２４ 接続部材
２５ 伝送体
２６ 軸線方向端面
２７ 超音波トランスデューサ
２８ 音響整合部材
２９ 支持部材
３０ 振動子受容部
３１ ストッパー
３２ 押圧板
３３ クッション
３４ 押圧部材
３５ 貫通孔
３６ 固定用突部
３７ スリット
３８ ストッパー受容部
３９ 開口部
４０ 雌ねじ部
４１ 係合溝
４２ 係合突起
４３ 雄ねじ部
４４ 凹部
５１ 蓋部
５２ 筺体部
５３ 底部
５４ 筺体本体
５５ 配線接続部
５６ バルブ本体
５７ 嵌合突起
５８ 嵌合溝
５９ 電装収納部
６０ 駆動部収納部
６１ 仕切板
７１ チューブ
７２ 第一連結体
７３ 第二連結体
７４ 保持体
７５ 直線溝
７６ 嵌合溝
７７ 挿入部
７８ 継手部
７９ 鍔部
８０ 貫通孔
８１ 拡径部
８２ 挟圧子
８３ ボンネット
８４ モータ部
８５ ステム
９１ 突部
９２ 座
９３ 開口
９４ 開口
９５ 環状突起
９６ 環状突起
９７ 流体流出口
９８ カバー

Claims (1)

1. 流体制御装置であって、
   電気式駆動部と、バルブ本体を有する流量制御部とを備え、弁開度を変化させることで流量を変化させるように構成された電動制御弁と、
   超音波を発信し且つ受信する超音波振動子を有し、該超音波振動子によって受信された超音波を電気信号に変換する流量計センサ部と、
   該電気信号を受信して流量を演算する流量計アンプ部と、
   該演算された流量に基づいて該弁開度を制御する制御部とを具備し、
   該流量計センサ部が第一のケーシング内に配置され、
   該電動制御弁と該流量計アンプ部と該制御部とが第二のケーシング内に配置され、
   該第一のケーシングが、第一蓋部と、第一筐体部と、ベース部とを有し、
   該第二のケーシングが、第二蓋部と、第二筐体部と、底部とを有するとともに、該第二筐体部の外周面の一部に該バルブ本体の側面が含まれ、
   該流量制御部が該第一のケーシングの外側に配置され、
   該第一蓋部と該底部との間と、該第一筐体部と該流量制御部との間とに空間層が設けられ、
   該第一蓋部と該底部との間に設けられた空間層は、該第一蓋部と該底部とを組み合わせることによって形成され、該第一蓋部と該底部とが同じ形状を有する、流体制御装置。

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