JP6254863B2 - Flow control valve and flow control device using the same - Google Patents
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Description
本発明は流量制御弁及びこれを用いた流量制御装置に関し、特に所定の流体流量に一定化または可変後の流体流量を一定化する機能を備えた流量制御弁と、当該流量制御弁を備えた流量制御装置に関する。 The present invention relates to a flow rate control valve and a flow rate control device using the same, and more particularly, to a flow rate control valve having a function of making a fluid flow rate constant or variable after a predetermined fluid flow rate, and the flow rate control valve. The present invention relates to a flow control device.
半導体の製造工程では、シリコンウエハ(基板)表面を希釈した薬液で洗浄する処理等が行われる。これは、パーティクルや金属汚染物、酸化膜等を除去することを目的としており、複数種の薬液や純水を適当な比率で混合した処理液が使用される。処理液には、APM(アンモニアと過酸化水素水と純水)、HPM(塩酸と過酸化水素水と純水)、DHF(フッ酸と純水)、SPM(硫酸と過酸化水素水)等が挙げられる。例えば、この洗浄処理が枚葉式の装置で実施される場合、水平に保持されて回転しているウエハの表面に処理液等が供給される。 In a semiconductor manufacturing process, a process of cleaning the surface of a silicon wafer (substrate) with a diluted chemical is performed. This is intended to remove particles, metal contaminants, oxide films, and the like, and a treatment liquid in which a plurality of types of chemical liquids and pure water are mixed at an appropriate ratio is used. Treatment liquids include APM (ammonia, hydrogen peroxide and pure water), HPM (hydrochloric acid, hydrogen peroxide and pure water), DHF (hydrofluoric acid and pure water), SPM (sulfuric acid and hydrogen peroxide), etc. Is mentioned. For example, when this cleaning process is performed in a single wafer type apparatus, a processing liquid or the like is supplied to the surface of the wafer held and rotated horizontally.
枚葉式の洗浄装置では、混合された処理液がタンクに貯蔵されておりその処理液をウエハへ供給するキャビネット方式と、ウエハ直前で混合した処理液を直接供給するインラインミキシング方式がある。装置には流体の混合部があり、高濃度の薬液(原液)や純水が流通する配管が接続され、混合液の生成が行われる。ウエハを1枚ずつ処理する枚葉式の装置によるとウエハ表面に供給される混合液は少量であり、インライン方式を用いる場合、混合部への供給される薬液は微少量となる。例えば、DHFの生成では、フッ酸と純水の流量比は1:100であり、純水の流量が2.0L/minに設定されていると、必要なフッ酸の流量は0.02L/minとなる。このような微少量の薬液を制御する必要がある処理では、わずかな流量変化によりその洗浄効果に大きなばらつきが生じてしまう。そのため、混合部に対し薬液や純水を高精度に供給することができる定流量弁が必要となる。 In a single wafer cleaning apparatus, a mixed processing solution is stored in a tank, and there are a cabinet method for supplying the processing solution to the wafer and an in-line mixing method for directly supplying the processing solution mixed immediately before the wafer. The apparatus has a fluid mixing section, and a pipe through which a high concentration chemical solution (raw solution) and pure water circulates is connected to generate a mixed solution. According to a single wafer processing apparatus that processes wafers one by one, a small amount of liquid mixture is supplied to the wafer surface, and when an in-line method is used, a small amount of chemical liquid is supplied to the mixing unit. For example, in the production of DHF, when the flow rate ratio of hydrofluoric acid to pure water is 1: 100, and the flow rate of pure water is set to 2.0 L / min, the required flow rate of hydrofluoric acid is 0.02 L / min. min. In such a process that needs to control a very small amount of a chemical solution, a slight variation in flow rate causes a large variation in the cleaning effect. Therefore, a constant flow valve capable of supplying a chemical solution and pure water to the mixing unit with high accuracy is required.
また、半導体製造における大規模集積化、加工の微細化が進み、国際半導体技術ロードマップ(ITRS)において、2014年に24nmプロセスとなることが定められている。プロセスで表される数字(24nm)は、MPUにおける最下層の最も狭い配線のピッチ(線幅+線間隔)の半分(ハーフピッチ)として定義されている。このように配線幅が定められる中にあっては、半導体製造工程内における流体の流通経路に微細なゴミ(パーティクル)の混入は、製品の歩留まりに大きな影響を与える。パーティクルは、配線ピッチの4分の1(2014年のプロセスの場合、12nm)以下とする必要があることから、流体の清浄度を維持しながら流通させる部材は大きな意味を持つ。 In addition, with the progress of large-scale integration and finer processing in semiconductor manufacturing, the International Semiconductor Technology Roadmap (ITRS) stipulates that the process will be 24 nm in 2014. The number (24 nm) represented by the process is defined as half (half pitch) of the pitch (line width + line interval) of the narrowest wiring in the lowest layer in the MPU. While the wiring width is determined in this way, the entry of fine dust (particles) into the fluid flow path in the semiconductor manufacturing process greatly affects the product yield. Since the particles need to be ¼ or less of the wiring pitch (12 nm in the case of the 2014 process), a member that circulates while maintaining the cleanliness of the fluid has great significance.
特許文献1に開示の定流量弁では、同軸上に配置された複数のダイヤフラムが被制御流体の圧力に対し一体に変動するように構成されている。流入部側に存在する弁座には、各ダイヤフラムと一体に変動する弁体がバルブの開閉動作を行う。これらにより、定流量弁内における差圧が調節されることで被制御流体の流出量を所定の流量に制御することが可能となる。また、流路構造は被制御流体を滞留させることがなく、差圧調節を簡単にできて応答性がよい。
The constant flow valve disclosed in
しかし、微少流量域で制御を行う場合は、狭い開度で弁体を進退させる必要がある。この定流量弁では、複数のダイヤフラムが軸部で連結され、弁座が形成される流路内に前記軸部を挿通した構成である。このため、制御時の弁体の動作により、弁座と弁体が摺動するおそれがある。 However, when control is performed in a minute flow range, it is necessary to advance and retract the valve body with a narrow opening. This constant flow valve has a configuration in which a plurality of diaphragms are connected by a shaft portion and the shaft portion is inserted into a flow path in which a valve seat is formed. For this reason, there exists a possibility that a valve seat and a valve body may slide by operation | movement of the valve body at the time of control.
特許文献2に開示の流量制御装置では、一次側流体に圧力変動が発生した場合に、第1圧力制御弁部によって第1圧力制御弁部の二次側が所定圧力に維持されて流量が制御される。一方、二次側流体に圧力変動が発生した場合に、第2圧力制御弁部によって第2圧力制御弁部の一次側が所定圧力に維持されて流量が制御される。従って、流量制御装置の一次側または二次側において圧力変動が発生した場合であっても、流体流量の安定化を高精度で実現することが可能である。
In the flow control device disclosed in
しかしながら、上記の流量制御装置では、二次側において流体の流出が停止される等により、流量制御装置内の流体圧力が上昇する場合がある。その際、第1圧力制御弁部が急激な閉動作を行うことによって、第1圧力制御弁部の弁座に対して弁体が強く衝突するおそれがある。 However, in the above flow control device, the fluid pressure in the flow control device may increase due to the fluid outflow being stopped on the secondary side. At this time, the valve body may collide strongly against the valve seat of the first pressure control valve portion by the sudden closing operation of the first pressure control valve portion.
従来の定流量弁や流量制御装置にあっては、それぞれ上記のような作動により弁座と弁体等とが想定外の接触をして発塵する可能性も懸念される。そのため、微少流量を高精度で供給することが可能であり、さらに高い清浄度を維持することが可能な装置が求められている。 In the conventional constant flow valve and flow control device, there is a concern that the valve seat and the valve body may cause an unexpected contact with each other due to the above operation and generate dust. Therefore, there is a demand for an apparatus that can supply a minute flow rate with high accuracy and can maintain a higher degree of cleanliness.
さらに、上記の要求を満たすとともに、所望の流量に設定を変更することができ、しかも当該変更後においても一定流量を維持することができれば、装置の集約も進む。特に、微少流量域における定流量化及び流量自体の制御を実現する装置があれば、これまで以上に流体供給の利便性が高まり、また、流体の清浄度をより保つことができる。そこで、流体流量の定流量化及び流量自体の制御を一括して実現する新たな装置が望まれていた。 Furthermore, if the above requirements are satisfied and the setting can be changed to a desired flow rate, and if a constant flow rate can be maintained even after the change, the apparatus is consolidated. In particular, if there is a device that realizes constant flow in a minute flow rate range and control of the flow rate itself, the convenience of fluid supply can be improved more than before, and the cleanliness of the fluid can be further maintained. Therefore, there has been a demand for a new apparatus that realizes constant control of the fluid flow rate and control of the flow rate in a lump.
本発明は、前記の点に鑑みなされたものであり、弁座と弁体等との想定外の接触を抑制して流体の清浄度をより高い状態に保つとともに、流体を一定流量に維持する流量制御弁と、これを用いた流量制御装置を提供する。 The present invention has been made in view of the above points, and suppresses unexpected contact between the valve seat and the valve body to maintain a higher fluid cleanliness and maintain the fluid at a constant flow rate. A flow control valve and a flow control device using the same are provided.
すなわち、請求項1の発明は、被制御流体の流入部に接続された流入側チャンバと被制御流体の流出部に接続された流出側チャンバの間の流路に設けられた絞り部と、前記流出側チャンバに形成された弁座を有する弁本体部と、前記流入側チャンバに配置され該流入側チャンバを被制御流体と接する第1チャンバと該第1チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第2チャンバに区画し、前記第1チャンバ内の流体圧力を受圧する第1ダイヤフラムと、前記流出側チャンバに配置され該流出側チャンバを被制御流体と接する第3チャンバと該第3チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第4チャンバに区画し、前記第3チャンバ内の流体圧力を受圧しかつ前記第4チャンバ内の付勢手段によって該第4チャンバ側に常時付勢されているとともに前記弁座に対し進退動する弁体を備えた第2ダイヤフラムと、前記第2チャンバと前記第4チャンバを接続するチャンバ間接続部を有し、前記第1ダイヤフラムは前記第2チャンバ内に供給される加圧気体により前記第1チャンバ側に常時加圧され、前記第2ダイヤフラムは前記第2チャンバ内に流入後前記チャンバ間接続部を経由して前記第4チャンバ内に流入する加圧気体により前記第3チャンバ側に常時加圧されており、前記絞り部前後の圧力変動により生じた前記第1ダイヤフラム及び前記第2ダイヤフラムの進退動は前記加圧気体を通じて互いのダイヤフラムに伝達され、前記第1ダイヤフラム及び前記第2ダイヤフラムの進退動により前記弁体を前記弁座に対して進退動させて被制御流体の流量を一定に保持するようにしたことを特徴とする流量制御弁に係る。
That is, the invention of
請求項2の発明は、前記付勢手段が付勢ばねである請求項1に記載の流量制御弁に係る。
The invention according to
請求項3の発明は、前記絞り部には絞り開口部が形成されており、前記絞り開口部に対して進退することによって前記絞り部を通過する被制御流体の流量を制御する絞り制御弁体と、前記絞り制御弁体を進退動させる絞り制御弁体進退手段が備えられる請求項1に記載の流量制御弁に係る。 According to a third aspect of the present invention, a throttle opening is formed in the throttle and the throttle control valve body controls the flow rate of the controlled fluid passing through the throttle by moving forward and backward with respect to the throttle opening. And a throttle control valve body advancing / retreating means for moving the throttle control valve body forward and backward.
請求項4の発明は、前記絞り制御弁体進退手段がモータである請求項3に記載の流量制御弁に係る。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the flow control valve according to the third aspect, wherein the throttle control valve body advance / retreat means is a motor.
請求項5の発明は、前記絞り制御弁体進退手段が進退調圧気体である請求項3に記載の流量制御弁に係る。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the flow control valve according to the third aspect, wherein the throttle control valve body advancing / retreating means is an advancing / retreating pressure gas.
請求項6の発明は、前記絞り制御弁体進退手段がねじ部材である請求項3に記載の流量制御弁に係る。 A sixth aspect of the present invention relates to the flow control valve according to the third aspect, wherein the throttle control valve body advancing / retreating means is a screw member.
請求項7の発明は、前記絞り開口部が平坦状の絞り弁座として形成され、かつ前記絞り弁座と対向する前記絞り制御弁体の先端も平板状の平板先端部として形成されている請求項3に記載の流量制御弁に係る。
In the invention of
請求項8の発明は、請求項3に記載の流量制御弁と、被制御流体の流量検知部と、演算部とを備え、前記流量制御弁及び前記流量検知部が、被制御流体の供給部と被制御流体の流体混合部との間の流体配管に接続していることを特徴とする流量制御装置に係る。
An eighth aspect of the invention includes the flow rate control valve according to
請求項9の発明は、前記絞り制御弁体進退手段を制御する信号を生成する制御部が設けられる請求項8に記載の流量制御装置に係る。 A ninth aspect of the present invention relates to the flow rate control device according to the eighth aspect, wherein a control unit that generates a signal for controlling the throttle control valve body advancing / retreating means is provided.
請求項10の発明は、前記演算部が前記流量検知部の流量計測値に基づいてフィードバック制御を行う請求項8に記載の流量制御装置に係る。
The invention according to
請求項1の発明に係る流量制御弁によると、被制御流体の流入部に接続された流入側チャンバと被制御流体の流出部に接続された流出側チャンバの間の流路に設けられた絞り部と、前記流出側チャンバに形成された弁座を有する弁本体部と、前記流入側チャンバに配置され該流入側チャンバを被制御流体と接する第1チャンバと該第1チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第2チャンバに区画し、前記第1チャンバ内の流体圧力を受圧する第1ダイヤフラムと、前記流出側チャンバに配置され該流出側チャンバを被制御流体と接する第3チャンバと該第3チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第4チャンバに区画し、前記第3チャンバ内の流体圧力を受圧しかつ前記第4チャンバ内の付勢手段によって該第4チャンバ側に常時付勢されているとともに前記弁座に対し進退動する弁体を備えた第2ダイヤフラムと、前記第2チャンバと前記第4チャンバを接続するチャンバ間接続部を有し、前記第1ダイヤフラムは前記第2チャンバ内に供給される加圧気体により前記第1チャンバ側に常時加圧され、前記第2ダイヤフラムは前記第2チャンバ内に流入後前記チャンバ間接続部を経由して前記第4チャンバ内に流入する加圧気体により前記第3チャンバ側に常時加圧されており、前記絞り部前後の圧力変動により生じた前記第1ダイヤフラム及び前記第2ダイヤフラムの進退動は前記加圧気体を通じて互いのダイヤフラムに伝達され、前記第1ダイヤフラム及び前記第2ダイヤフラムの進退動により前記弁体を前記弁座に対して進退動させて被制御流体の流量を一定に保持するようにしたため、弁座と弁体等との想定外の接触を抑制して流体の清浄度をより高い状態に保つとともに、流体を一定流量に維持することができる。 According to the flow control valve of the first aspect of the present invention, the restriction provided in the flow path between the inflow side chamber connected to the inflow portion of the controlled fluid and the outflow side chamber connected to the outflow portion of the controlled fluid. A valve body having a valve seat formed in the outflow side chamber, a first chamber disposed in the inflow side chamber and contacting the inflow side chamber with a controlled fluid, and a back side of the first chamber. A first diaphragm that is partitioned into a second chamber that is not in contact with the control fluid and receives the fluid pressure in the first chamber; a third chamber that is disposed in the outflow side chamber and that is in contact with the controlled fluid; The rear surface of the third chamber is divided into a fourth chamber that is not in contact with the fluid to be controlled, receives the fluid pressure in the third chamber, and constantly moves to the fourth chamber side by the biasing means in the fourth chamber. A second diaphragm having a valve body that is biased and moves forward and backward with respect to the valve seat; and an inter-chamber connecting portion that connects the second chamber and the fourth chamber, wherein the first diaphragm is The pressurized gas supplied into the second chamber is constantly pressurized toward the first chamber, and the second diaphragm flows into the second chamber and then flows into the fourth chamber through the inter-chamber connection. Is constantly pressurized by the pressurized gas flowing into the third chamber, and the forward and backward movements of the first diaphragm and the second diaphragm caused by pressure fluctuations before and after the throttle portion are mutually transmitted through the pressurized gas. Transmitted to the diaphragm, the valve body is moved forward and backward with respect to the valve seat by the forward and backward movement of the first diaphragm and the second diaphragm, so that the flow rate of the controlled fluid is constant. Since to hold can be maintained with keeping the cleanliness of the fluid to a higher state by suppressing the unexpected contact between the valve seat and the valve body or the like, a fluid to a constant flow rate.
請求項2の発明に係る流量制御弁によると、請求項1の発明において、前記付勢手段が付勢ばねであるため、ダイヤフラムの付勢の機構は安価かつ簡易となる。
According to the flow control valve of the invention of
請求項3の発明に係る流量制御弁によると、請求項1の発明において、前記絞り部には絞り開口部が形成されており、前記絞り開口部に対して進退することによって前記絞り部を通過する被制御流体の流量を制御する絞り制御弁体と、前記絞り制御弁体を進退動させる絞り制御弁体進退手段が備えられるため、弁座と弁体等との想定外の接触を抑制して流体の清浄度をより高い状態で一定流量を維持するとともに、流通する流体流量域の設定を変更可能として装置の集約を進めることができる。 According to the flow control valve of the third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the throttle portion is formed with a throttle opening, and passes through the throttle portion by moving forward and backward with respect to the throttle opening. The throttle control valve body that controls the flow rate of the controlled fluid and the throttle control valve body advancing / retreating means for moving the throttle control valve body forward and backward are provided, so that unexpected contact between the valve seat and the valve body is suppressed. Thus, it is possible to maintain a constant flow rate with a higher degree of fluid cleanliness, and to change the setting of the circulating fluid flow rate range so that the apparatus can be consolidated.
請求項4の発明に係る流量制御弁によると、請求項3の発明において、前記絞り制御弁体進退手段がモータであるため、絞り制御弁体の進退量を精度良く再現することができる
。
According to the flow control valve of the fourth aspect of the invention, in the third aspect of the invention, since the throttle control valve body advance / retreat means is a motor, the advance / retreat amount of the throttle control valve body can be accurately reproduced.
請求項5の発明に係る流量制御弁によると、請求項3の発明において、前記絞り制御弁体進退手段が進退調圧気体であるため、絞り制御弁体の進退の応答性を高めることができる。 According to the flow control valve of the fifth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the throttle control valve body advance / retreat means is an advancing / retreating pressure gas, so that the response of the throttle control valve body to advance / retreat can be enhanced. .
請求項6の発明に係る流量制御弁によると、請求項3の発明において、前記絞り制御弁体進退手段がねじ部材であるため、開度調整に関連する部材を簡素化し、構造を簡単にすることができる。
According to the flow control valve of the invention of
請求項7の発明に係る流量制御弁によると、請求項3の発明において、前記絞り開口部が平坦状の絞り弁座として形成され、かつ前記絞り弁座と対向する前記絞り制御弁体の先端も平板状の平板先端部として形成されているため、微少流量域の流量制御に対応することができ、軸のずれから弁体の弁座側への接触を防ぐことができる。
According to the flow control valve of the invention of
請求項8の発明に係る流量制御装置によると、請求項3に記載の流量制御弁と、被制御流体の流量検知部と、演算部とを備え、前記流量制御弁及び前記流量検知部が、被制御流体の供給部と被制御流体の流体混合部との間の流体配管に接続しているため、装置全体の小型化が進む。また、被制御流体と接触する部材数は抑制され、被制御流体の清浄度は維持されやすい。
According to the flow control device according to the invention of
請求項9の発明に係る流量制御装置によると、請求項8の発明において、前記絞り制御弁体進退手段を制御する信号を生成する制御部が設けられるため、絞り制御弁進退手段の円滑な制御が可能である。 According to the flow control device of the ninth aspect of the invention, in the eighth aspect of the invention, since the control unit for generating a signal for controlling the throttle control valve body advance / retreat means is provided, smooth control of the throttle control valve advance / retreat means is provided. Is possible.
請求項10の発明に係る流量制御装置によると、請求項8の発明において、前記演算部が前記流量検知部の流量計測値に基づいてフィードバック制御を行うため、流量制御弁の二次側(下流側)に生じた流量変化に直ちに応答して、被制御流体の流量の増減を行い、常時一定の流量で被制御流体を流通させることができる。
According to the flow control device of the invention of
本発明に規定し、図示する各実施例の流量制御弁10A,10X,10Y,及び10Zは、主に半導体製造工場や半導体製造装置等の流体管路に配設され、流体の流通制御に用いられる。具体的に、当該流量制御弁は、シリコンウエハの洗浄等に用いる超純水や、フッ酸、過酸化水素水、アンモニア水、塩酸等の各種処理に用いる薬液の流通流量を一定化する機能を備えた弁である。さらには、その内部を流通する流体流量を所望の流量域に可変することも可能な弁である。
The
流量制御弁10Aは単一の弁内において定流量機能を発揮する弁である。そして、流量制御弁10X,10Y,及び10Zは、単一の弁内において定流量機能と可変制御機能の2種類の異なる機能を兼備する弁として位置づけられる。このような機能性のある弁であることから、設置に要する場所は少なくなる。加えて、複数の弁に別れていた機能を集約しているため、被制御流体の配管が簡素化され、被制御流体の清浄度は高められる。特に、本発明の流量制御弁はシリコンウエハの枚葉方式による洗浄に対応した被制御流体の制御に好適である。
The flow
第1実施例の流量制御弁10Aは、流体流量を一定化する定流量機能を担う定流量機能部CFのみを備えた構成である。これに対し、第2ないし第4実施例の流量制御弁10X,10Y,10Zは、流体流量を一定化する定流量機能を担う定流量機能部CFと所望の流量域に可変制御可能な可変制御機能部VFx,VFy,VFzの2箇所の部位を備えた構成である。定流量機能部CFに含まれる弁本体部11、第1ダイヤフラム30、及び第2ダイヤフラム35等と、可変制御機能部VFx,VFy,VFzの絞り制御弁体120等の主要部材には、前記の被制御流体による腐食、あるいは被制御流体の清浄度に影響を与えない性質が求められる。
The
各実施例の流量制御弁の主要構成部材は、いずれもPTFE、PFA、PVDF等のフッ素樹脂、またはステンレス鋼等の耐食性金属、もしくはこれらの組み合わせ等、その他の耐食性及び耐薬品性の高い材料によって形成される。特に、被制御流体と接触する部位の部材には前記の樹脂素材が用いられる。本願において図示し開示する各実施例の流量制御弁は、いずれもフッ素樹脂のブロックから切削により加工、形成される。 The main components of the flow control valve of each embodiment are made of other highly corrosion- and chemical-resistant materials such as fluororesins such as PTFE, PFA, and PVDF, corrosion-resistant metals such as stainless steel, or combinations thereof. It is formed. In particular, the resin material described above is used for a member in a portion that comes into contact with the controlled fluid. The flow control valves of the embodiments shown and disclosed in the present application are all processed and formed by cutting from a fluororesin block.
図1の縦断面図を用い、流通流量を一定化する機能を備えた第1実施例の流量制御弁10Aから説明する。弁本体部11は、被制御流体の流入部12に接続された流入側チャンバ20と被制御流体の流出部13に接続された流出側チャンバ25の間の流路に設けられた絞り部15と、流出側チャンバ25に形成された弁座16を有する。この弁本体部11は、複数の本体ブロック11A,11C,11Dの組み合わせにより形成される。絞り部15は、流路内の流体圧力を損失させて流入側チャンバ20と流出側チャンバ25の流体圧力に差圧を生じさせる。図中の符号17は流出側チャンバ25と流出部13とを接続する弁座16の流出開口部である。以降の各図中の符号Fmは被制御流体である。Fmを付した図は被制御流体の流通状態を示す。
The
実施例の弁本体部11では、本体ブロック11Aに流入部12、流出部13、絞り部15、弁座16がそれぞれ形成される。本体ブロック11Aと本体ブロック11Bは組み合わされ、流入側チャンバ20が形成される。本体ブロック11Aと本体ブロック11Cは組み合わされ、流入側チャンバ25が形成される。本体ブロック11Bに固定ガイド部40が取り付けられる。本体ブロック11Cと本体ブロック11Dの組み合わせにより可動ガイド部50は収容される。そして、弁本体部11にはチャンバ間接続部70が備えられる。
In the valve
流入側チャンバ20は、第1ダイヤフラム30により、被制御流体と接する側となる第1チャンバ21と、第1チャンバ21の背面側となり被制御流体と接しない側となる第2チャンバ22に区画される。実施例の第1ダイヤフラム30は、ダイヤフラム面となる肉薄の可動膜部31と、可動膜部31の外周に配置される外周部32から構成される。外周部32は、本体ブロック11Aと本体ブロック11Bとの間に狭着されて所定位置に固定される。
The
第2チャンバ22は狭小部24を通じて、本体ブロック11Bに形成された収容部23と接続する。固定ガイド部40は収容部23に収容される。固定ガイド部40の先端部41にガイド筒部43が形成され、ガイド筒部43内に可動シャフト34が進退自在に挿通される。図示の第1ダイヤフラム30では、第2チャンバ22側の中央部分に保護盤部材33が備えられる。可動シャフト34の先端は保護盤部材33と接続される。双方の接続は、機械的な接続ではなく互いに接触(当接)しているのみである。保護盤部材33には第1ダイヤフラムと本体ブロック11Bの密着を防ぐ溝が設けられている。
The
本体ブロック11Bには給気流入口62と給気誘導部63が形成される。さらに、給気誘導部63は収容部23に接続される。そこで、本体ブロック11Bに流入した加圧気体60は、収容部23及び狭小部24を通じて第2チャンバ22内に流入可能である。この結果、第2チャンバ22には狭小部24を通過した加圧気体60の圧力が加わり、第1ダイヤフラム30は第1チャンバ21側に押圧される(詳細は図2参照)。
An
固定ガイド部40の先端部41には補助ばね45(コイルばね)が配置される。ばね45の弾性により固定ガイド部40の段部42から可動シャフト34の板部48は離れる作用が生じる。補助ばね45の付勢力は可動シャフト34側に加わり、当該可動シャフト34を通じて第1ダイヤフラム30は第1チャンバ21側に常時加圧される。第1ダイヤフラム30には、狭小部24を通過した加圧気体60による加圧とともに補助ばね45の付勢力も加わる。
An auxiliary spring 45 (coil spring) is disposed at the
流出側チャンバ25は、第2ダイヤフラム35により、被制御流体と接する側となる第3チャンバ26と、第3チャンバ26の背面側となり被制御流体と接しない側となる第4チャンバ27に区画される。実施例の第2ダイヤフラム35は、ダイヤフラム面となる肉薄の可動膜部36と、可動膜部36の外周に配置される外周部37から構成される。外周部37は、本体ブロック11Aと本体ブロック11Cとの間に狭着されて所定位置に固定される。
The
第3チャンバ26は本体ブロック11Aに形成され、絞り部15から流出開口部17を介して流出部13へ至る被制御流体の流路を形成する。第4チャンバ27は本体ブロック11Cに形成され、可動ガイド部50を収容する収容部28,53と一体となる。双方の間に狭小部29が置かれる。
The
図示の実施例においては、第4チャンバ27(収容部28,53)の内部に収容された可動ガイド部50の周囲に付勢手段55として付勢ばね56が備えられる。また、第2ダイヤフラム35は可動ガイド部50の先端部51に同ダイヤフラムの固定部39を通じて固定される。双方の固定方法は適宜であり、実施例は双方の螺合とする機械的な接続である。従って、可動ガイド部50及び第2ダイヤフラム35の動作は常に一体となる。さらに、可動ガイド部50の段部52と本体ブロック11Cの狭小部29との間に収容された付勢ばね56の作用により、段部52と狭小部29は互いに離れる。そこで、可動ガイド部50に引っ張られ第2ダイヤフラム35も第4チャンバ27側に常時付勢される。可動ガイド部50の段部52の上面部分にも本体ブロック11Dとの密着を防ぐ溝が形成されている。
In the illustrated embodiment, a biasing
第2ダイヤフラム35には弁体38が備えられる。第2ダイヤフラム35は第3チャンバ26内の被制御流体の流体圧力を受圧し、弁座16に対し弁体38を進退動(前進後退動作)させる。弁体38は弁座16側に向かって突出して形成された突出部であり、実施例ではテーパ状に形成されている。前出の付勢ばね56の作用により、弁体38は弁座16に対して接触して流出開口部17を閉鎖(閉弁)することはなく、常時適度な間隙を形成する。また、弁体38と弁座16との不用意な接触も回避される。特に、付勢手段55として付勢ばね56(コイルばね)を用いていることから、ダイヤフラムの付勢の機構は安価かつ簡便となり、その分安価にすることができる。
The
第1ダイヤフラム30及び第2ダイヤフラム35による流入側チャンバ20及び流出側チャンバ25の区画から容易に理解できるように、流路を流通する被制御流体の接触(接液)部位は限定される。そのため、本発明の定流量弁内を流通する被制御流体は高い清浄度で維持される。なお、第2ダイヤフラム35に形成される弁体38の形状は図示の円錐形状に限られず、円柱体等の適宜である。また、第2ダイヤフラム35を第4チャンバ27側に常時付勢する付勢手段55は付勢ばね56以外にも、適宜の区画を設けこれに流入する付勢用の空気(図示せず)を用いることもできる。
As can be easily understood from the division of the
さらに、図示から理解されるように、第2チャンバ22と第4チャンバ27を接続するチャンバ間接続部70が設けられる。チャンバ間接続部70は、加圧気体60の流通順に、本体ブロック11Bに形成された第1管部71及び第1接続口73、接続管部75、本体ブロック11Dに形成された第2接続口74、本体ブロック11Cに形成された第2管部72から構成される。接続管部75は樹脂製または金属製の配管である。
Furthermore, as can be understood from the drawing, an
第2チャンバ22に流入して第1ダイヤフラム30を第1チャンバ21側に加圧した加圧気体60は、同第2チャンバ22から第1管部71、接続管部75、及び第2管部72を経由して、第4チャンバ27内に流入する。そこで、第2ダイヤフラム35は第4チャンバ27内に流入する加圧気体60を通じて押圧される。こうして第2ダイヤフラム35も第3チャンバ26側に押圧される。
The
なお、チャンバ間接続部70の配置、形成部位等は当該流量制御弁において適宜である。たとえば、チャンバ間接続部70を構成する管部を弁本体部11の本体ブロック内に直接形成してもよい。加圧気体60の移動に支障をきたさない限り、比較的自由に設計される。
In addition, arrangement | positioning of the
流量制御弁10Aでは、本体ブロック11Cには排気誘導部64と排気流出口65が形成される。そして、第4チャンバ27内に流入した加圧気体60は、排気誘導部64、排気流出口65を経由して流量制御弁10Aの外部に排気される。加圧気体60は電空変換器(電空レギュレータ)61から常時一定圧力で流量制御弁10A内に供給され、流量制御弁より排気される。
In the
ここで、図2の部分拡大図を用い、狭小部24及び可動シャフト34の近傍と加圧気体60の流路を説明する。図示から把握されるように、収容部23の末端の狭小部24には弁座部24eが形成される。可動シャフト34の板部48はこの弁座部24eと当接可能であり、弁体としても作用する。第1ダイヤフラム30が第1チャンバ21からの流体圧力を受けることにより板部48が弁座部24eから離間し、給気誘導部63から収容部23に流入した加圧気体60(破線矢印)が第2チャンバ22へと流入する。オリフィスとして機能する狭小部24を通過する際の圧力損失により、第2チャンバ22へ流入する気体圧力は減少する。減圧後の加圧気体は60t(破線矢印)としている。第2チャンバ22以降のチャンバ間接続部70及び第4チャンバ27においては、途中にオリフィス等の圧力損失部を設けていないことから、ほぼ加圧気体60tの圧力状態が維持され流通する。このため、第2チャンバ22と第4チャンバ27における気体圧力はともに同一である。
Here, the vicinity of the
図3以降の第2ないし第4実施例の流量制御弁10X,10Y,10Zは、前掲の図1等の流体流量を一定化する定流量機能を担う定流量機能部CFに加え、各実施例に対応して所望の流量域に可変制御可能な可変制御機能部VFx,VFy,VFzも備える。第2ないし第4実施例の流量制御弁の定流量機能部CFにおける第1ダイヤフラム30及び第2ダイヤフラム35の進退動に関する動作及び機構、加圧気体60の作用は全て第1実施例の流量制御弁10Aと同一である。そこで、相違部分のみの説明とし、共通部分については同一符号を用い説明を省略する。
The
図3の縦断面図に示す第2実施例の流量制御弁10Xの定流量機能部CFにおいて、弁本体部11では、本体ブロック11Aに流入部12、流出部13、絞り部15、弁座16が形成される。そして、絞り部15に絞り開口部18とともに同絞り開口部18と接続する制御弁室100が形成される。さらに、制御弁室100と流出側チャンバ25の第3チャンバ26と接続する連絡流路108も形成される。従って、流量制御弁10Xの流入部12に流入した被制御流体は、流入側チャンバ20の第1チャンバ21、絞り部15(絞り開口部18)、制御弁室100、流出側チャンバ25の第3チャンバ26、流通開口部17(弁座16)を経由して流出部13から流量制御弁10Xの外部に流出する。
In the constant flow rate functional part CF of the
これより、図4及び図5の流量制御弁10Xを用い、定流量機能部CFの第1ダイヤフラム30と第2ダイヤフラム35の進退動と弁体38の進退動との関係を説明する。図4は、流量制御弁10Xの一次側圧力の上昇により第1ダイヤフラム30側の被制御流体の流体圧力が高まった状態である。図3の第1ダイヤフラム30の状態と比較して第1ダイヤフラム30は第1チャンバ21側から第2チャンバ22側に押され(後退)、可動シャフト34の板部48と狭小部24との間の開口量は拡大する。
The relationship between the advance / retreat of the
第2チャンバ22及び第4チャンバ27はチャンバ間接続部70により接続されている。同時に、加圧気体60(特には図2の加圧気体60t)が常時流通して、両チャンバ22,27に対しそれぞれ所定の圧力が加わっている。そこで、第2チャンバ22の体積変化に伴う加圧気体60tの圧力変化から、第2ダイヤフラム35は第4チャンバ27側から第3チャンバ26側に押される(前進)。すると、第2ダイヤフラム35に備えられた弁体38は弁座16に対して前進し、流通開口部の開口量は縮小される。
The
図5は、流量制御弁10Xの一次側圧力の低下により第1ダイヤフラム30側の被制御流体の流体圧力が低くなった状態である。図4の説明とは逆に、第1ダイヤフラム30が第2チャンバ22側から第1チャンバ21側に押し戻される(前進)。このことにより、可動シャフト34の板部48と狭小部24との間の開口量は縮小する。可動シャフト34の板部48の動きに伴い、加圧気体60tの圧力変化が生じることとなり、図3の第2ダイヤフラム35の状態と比較して第2ダイヤフラム35は第3チャンバ26側から第4チャンバ27側に押される(後退)。第2ダイヤフラム35は弁体38とともに弁座16から後退し、流通開口部17の開口量は拡大される。
FIG. 5 shows a state in which the fluid pressure of the controlled fluid on the
第1ダイヤフラム30及び第2ダイヤフラム35は絞り部15の前後の被制御流体の圧力変動を常時受ける。そして、第1ダイヤフラム30の進退動により調整された加圧気体60tが第2ダイヤフラム35の進退動へと伝達される。
The
このように第1ダイヤフラム30の進退に追従して加圧気体の気体圧力60(60t)が変化することで第2チャンバ22及び第4チャンバ27の内部圧力が変化することになり、第2ダイヤフラム35の進退位置も変化する。この結果、流量制御弁の上流または下流に生じた被制御流体の圧力変動は第2ダイヤフラム35と弁体38の進退動作に正確に反映され、弁体38は弁座16に対して進退動する。そこで、流出開口部17の開度(開口量)は調整され、結果的に流量制御弁10Xを通過する被制御流体の流量は一定に維持される。
Thus, the internal pressure of the
流量制御弁10Xの定流量機能部CFにおける被制御流体の流量と流体圧力の関係について、図3を参照して説明する。以下の説明に際し、第1ダイヤフラム30に加わる流体圧力を「P1」、第2ダイヤフラム35に加わる流体圧力を「P2」、第2ダイヤフラム35に加わる流出部13側の流体圧力を「P3」、流量制御弁10X内に供給される加圧気体60の加圧力を「P4」とする。なお、「P4」は狭小部24を通過した圧力損失後の圧力である。
The relationship between the flow rate of the controlled fluid and the fluid pressure in the constant flow rate function unit CF of the flow
また、補助ばね45による第1ダイヤフラム30に加わる荷重(補助ばねのばね荷重)を「SP1」、付勢手段55である付勢ばね56により第2ダイヤフラム35を弁座16から離す方向に加わる荷重(付勢ばねのばね荷重)を「SP2」とする。第1ダイヤフラム30の有効受圧面積を「S1」、第2ダイヤフラム35の有効受圧面積を「S2」、弁座16の流通開口部17の面積を「S3」とする。ここで言うダイヤフラムにおける有効受圧面積とは、その可動部である薄肉の膜部からなるダイヤフラム面の可動膜部が有効に圧力を受ける面積である。
Further, the load applied to the
加圧気体60の加圧力「P4」について、補助ばねのばね荷重「SP1」を含めると次のとおり表すことができる。この式が第1ダイヤフラム30のバランス式である。
P4=P1−(SP1/S1)
The pressure “P4” of the
P4 = P1- (SP1 / S1)
第2ダイヤフラム35のバランス式について、第4チャンバ27側(図示の上向き)の力(Fu)は次のとおりである。
Fu=(S2−S3)×P2+S3×P3+SP2
また、第2ダイヤフラム35の第3チャンバ26側(図示の下向き)の力(Fd)は次のとおりである。
Fd=S2×P4
Regarding the balance type of the
Fu = (S2-S3) * P2 + S3 * P3 + SP2
Further, the force (Fd) on the
Fd = S2 × P4
第2ダイヤフラム35において、両方の力は均衡するため(Fu=Fd)、両式は等しくなり、次のとおり表される。
(S2−S3)×P2+S3×P3+SP2=S2×P4
ここに、前出の第1ダイヤフラム30のバランス式のP4が代入され、次のとおり表される。
(S2−S3)×P2+S3×P3+SP2=S2×{P1−(SP1/S1)}
In the
(S2-S3) * P2 + S3 * P3 + SP2 = S2 * P4
The balance formula P4 of the
(S2-S3) * P2 + S3 * P3 + SP2 = S2 * {P1- (SP1 / S1)}
ここで、弁座16の流通開口部17の面積S3をごく小さくすることにより、第2ダイヤフラム35に加わる流出部13側の流体圧力P3は無視可能となる。そのため、S3及びP3を含む項は無視され、次の式となる。
S2×P2+SP2=S2×{P1−(SP1/S1)}
Here, by making the area S3 of the flow opening 17 of the
S2 * P2 + SP2 = S2 * {P1- (SP1 / S1)}
加えて、第1ダイヤフラム30の有効受圧面積S1と第2ダイヤフラム35の有効受圧面積S2は等しい(S1=S2)ことから、S1もS2も全て共通の「S」に置き換えられ(S=S1=S2)、次の式となる。
S×P2+SP2=S×P1−SP1
整理すると次の式となる。
S(P1−P2)=SP1+SP2
In addition, since the effective pressure receiving area S1 of the
S * P2 + SP2 = S * P1-SP1
To summarize, the following formula is obtained.
S (P1-P2) = SP1 + SP2
絞り部15の前後に生じる差圧(P1−P2)を「ΔP」として表すため、前記の式は次のとおりとなる。
ΔP={(SP1+SP2)/S}
Since the differential pressure (P1−P2) generated before and after the
ΔP = {(SP1 + SP2) / S}
被制御流体の流量を「Q」、絞り部15の開度面積により設定される流量係数を「A」とすると、上記の式から理解されるように、流量制御弁10Xの絞り部15による差圧(ΔP)は、補助ばねのばね荷重と付勢ばねのばね荷重の和(SP1+SP2)と、第1ダイヤフラム30及び第2ダイヤフラム35の有効受圧面積S(=S1=S2)により決定される。そこで、流体の流量(Q)は、差圧(ΔP)によって決定されることから、下記の式で表される。
Q=A×√(ΔP) … (i)
=A×√{(SP1+SP2)/S}
Assuming that the flow rate of the controlled fluid is “Q” and the flow coefficient set by the opening area of the
Q = A × √ (ΔP) (i)
= A × √ {(SP1 + SP2) / S}
従って、流量制御弁10Xの定流量機能部CFでは、補助ばねのばね荷重と付勢ばねのばね荷重を調整することで差圧(ΔP)を変化させて、流体の流量(Q)を変更させることが可能となる。なお、ばね荷重の調整としては、ばね自体の交換、手動あるいはモータ駆動等によりばね荷重を変化させる方法等がある。例えば、螺合により固定される固定ガイド部40の取り付け時の進入量を加減してもよい。
Therefore, the constant flow rate function unit CF of the
流量制御弁10Xのもう一つの特徴である可変制御機能部VFxは、第1チャンバ21と第3チャンバ26を接続する間の絞り部15において、その開口量(開度)を増減する機能を有する。図3、図6、及び図7等を用い、流量制御弁10Xの可変制御機能部VFxを説明する。
The variable control function unit VFx, which is another feature of the
図示実施例の流量制御弁10Xにおいて、本体ブロック11Aに制御弁室100が形成される。この制御弁室100は、第1チャンバ21に接続された絞り部15から流入した被制御流体が第3チャンバ26に接続された連絡流路108へと通過するための双方を連結する空間である。そして、制御弁室100に絞り制御弁体120が備えられる。
In the
さらに図7の絞り制御弁体120付近の拡大図に示すように、絞り部15が制御弁室100に接続される部位は絞り開口部18であり、この絞り開口部18が絞り制御弁体120に対応する絞り弁座19である。絞り弁座19は制御弁室100の本体ブロック11A側の底面と同一の平面であり、平坦状に形成される。絞り制御弁体120は、絞り弁座19と対向する先端部(シール部)121、絞り制御弁薄膜部123、絞り制御弁外周部124等を備える弁付きのダイヤフラム構造である。絞り弁座19の平坦形状に対応するため、絞り制御弁体120の先端部121も平板状に形成され平板先端部122となっている。平板先端部122は絞り開口部18の開口直径よりも大きな直径である。絞り制御弁外周部124は、本体ブロック11Aと収容ブロック(ハウジングブロック)101との間に狭着されて所定位置に固定される。
Further, as shown in the enlarged view of the vicinity of the throttle
実施例のとおり、絞り弁座19とともに絞り制御弁体120も平板先端部122としている理由は、特に、150mL/min以下、さらには、5ないし20mL/min以下の微少流量域の被制御流体の流量制御に対応するためである。例えば、従来のニードル弁において微少流量域の流量制御に合わせて部材を小型化する場合、部材自身の公差、製造や組み立て時の軸のずれ等の要因から弁体が弁座側に接触しやすくなる。すると、弁座や弁体が削られて弁座の開口部の大きさが変化して通過する流体流量が変化するおそれがある。これに対し、図示実施例のとおり、弁体側と弁座側をともに平坦状とすることにより、前述の問題は回避される。むろん、微少流量域の被制御流体の流量制御までを所望せず、通常の流量制御に用いる場合には、既存のニードル弁等を利用することができる。
As in the embodiment, the reason why the throttle
絞り制御弁体120は接合部125を介して調整ピストン部111の下端であるピストン接合部114と接合される。絞り制御弁体120の先端部121の制御を正確にする都合上、それぞれは螺合等により機械的に接続される。絞り制御弁体120の絞り制御弁薄膜部123の背後側の空間に溜まる空気は呼吸穴109を通じて入出する。図示の都合上、呼吸穴109の末端は紙面奥側に通じる(図示せず)。
The throttle
図3に戻り、同図等から把握されるように、可変制御機能部VFxには絞り制御弁進退手段110が備えられる。絞り制御弁進退手段110は絞り制御弁体120を絞り開口部18に向けて進退動させる。図3ないし6に示す第2実施例の流量制御弁10Xの可変制御機能部VFxでは、絞り制御弁進退手段110はモータ130である。
Returning to FIG. 3, as can be understood from FIG. 3, the variable control function unit VFx is provided with a throttle control valve advance / retreat means 110. The throttle control valve advance / retreat means 110 moves the throttle
本体ブロック11B及び11C内に挿入された収容ブロック101の収容空間部103の中にピストン部ばね112を伴った調整ピストン部111が挿通され、その上部側にモータ130が配置される。調整ピストン部111の上端のピストン受動部113はモータ130のモータシャフト(回転軸)132と回転可能に接続される。そして、各部材を収容後、収容ブロック101にシールブロック102が被せられる。調整ピストン部111の上端のピストン受動部113には、調整ピストン部111の回り止めのための突条部115が備えられる。そして、調整ピストン部111は収容ブロック101側の収容溝部107に挿入される。
The
モータ130は絞り制御弁体120の先端部121(平板先端部122)の進退量を精度良く再現できる限りいずれを用いてもよい。例えば、公知のステッピングモータやサーボモータが好ましく用いられる。他に、超音波モータを用いても良い。実施例は、ステーター、ローター等の駆動部131によりモータシャフト132を回転する公知のステッピングモータについて概略例示する。モータシャフト132の回転等に関連するねじ等の部材は自明であるため図示を省略する。モータ130の駆動部131に対する回転量の制御は、配線ケーブル133と接続された演算部7、制御部8を通じて実行される。これらについては、後出の図10にて説明する。なお、各種のモータにはエンコーダ等(図示せず)も備えられる。
Any
絞り制御弁体120の進退動作について、図3、図6、及び図7とともに説明する。絞り開口部18の開度(開口量)が大きい状態は、図3及び図7(a)と対応する。絞り制御弁体120の先端部121(平板先端部122)と絞り弁座19との間に適度な距離が保たれている。
The advance / retreat operation of the throttle
次に、モータ130の駆動部131においてモータシャフト132が所定量回転し、同モータシャフト132を介して調整ピストン部111が押し下げられる。すると、調整ピストン部111と連動して絞り制御弁体120も前進する。図6及び図7(b)に示すように、先端部121(平板先端部122)は絞り弁座19に対してより接近し、絞り開口部18の開度(開口量)は小さくなる。そこで、流量制御弁10Xの絞り部15を通過する被制御流体の流量自体は抑制される。
Next, the
再度、流量を増加する場合、モータ130の駆動部131においてモータシャフト132が所定量逆方向の回転し、同モータシャフト132を介して調整ピストン部111が押し上げられ、調整ピストン部111と連動して絞り制御弁体120は後退する。先端部121(平板先端部122)は絞り弁座19に対して離れ、図3及び図7(a)に示す距離にまた戻る。このように、モータ130の駆動部131を適時作動させることにより絞り制御弁体120を最適な位置に進退移動可能となり、絞り開口部18の開度は調整されて絞り部15を通過する被制御流体の流量の増減調整は容易となる。
When the flow rate is increased again, the
流体の流量(Q)と差圧(ΔP)の関係は、前述の式(i)のとおりである。
Q=A×√(ΔP) … (i)
同式(i)において、差圧(ΔP)を変化させて流量(Q)を増減させようとする場合、流量(Q)は差圧(ΔP)の1/2乗倍変化することになる。このため、差圧(ΔP)の変化量を変化させたとしても、差圧(ΔP)の変化に見合う分の流量(Q)を変化させることは難しい。また、差圧(ΔP)の調整はばねの調整等を伴うため必ずしも簡単ではない。
The relationship between the flow rate (Q) of the fluid and the differential pressure (ΔP) is as in the above-described equation (i).
Q = A × √ (ΔP) (i)
In the equation (i), when the flow rate (Q) is to be increased or decreased by changing the differential pressure (ΔP), the flow rate (Q) changes by a power of 1/2 of the differential pressure (ΔP). For this reason, even if the amount of change in the differential pressure (ΔP) is changed, it is difficult to change the flow rate (Q) corresponding to the change in the differential pressure (ΔP). Further, adjustment of the differential pressure (ΔP) is not always easy because it involves adjustment of a spring and the like.
しかし、式(i)において、流量(Q)は流量係数(A)に対しては単純な比例関係である。そうすると、流量係数(A)を変化させることによって、効果的に流量(Q)を変化させることができる。すなわち、同式における流量係数(A)の増減に相当する事項は、絞り開口部18の開度量である。
However, in the equation (i), the flow rate (Q) is a simple proportional relationship with respect to the flow rate coefficient (A). Then, the flow rate (Q) can be effectively changed by changing the flow rate coefficient (A). That is, the matter corresponding to the increase / decrease of the flow coefficient (A) in the equation is the opening amount of the
従って、流量制御弁10Xは定流量機能部CFに加えて可変制御機能部VFxを備えていることにより、比較的容易に流量係数を変化させることができる。よって、より幅広く流量域の可変調整が可能となる。また、絞り開口部18の開度を調節する絞り制御弁進退手段110にモータ130が使用されていることから、容易に目的とする流量域への変更が可能である。
Therefore, the
図8は第3実施例の流量制御弁10Yの縦断面図である。流量制御弁10Yにおいても、流体流量を一定化する定流量機能を担う定流量機能部CFと所望の流量域に可変制御可能な可変制御機能部VFyの2箇所の部位を有する。流量制御弁10Yにおける定流量機能部CFも前述の流量制御弁10A、10Xの定流量機能部と同様の構成である。同一の符号を用い説明を省略する。
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of the
第3実施例の流量制御弁10Yの可変制御機能部VFyは、絞り制御弁進退手段110として進退調圧気体150を用いる例である。調整ピストン部111はピストン部ばね151とともに収容ブロック101内に収容されシールブロック102に接続され固定される。ピストン受動部113は断面視T字状であり、その縁は収容ブロック101の内壁106と接している。シールブロック102に接続される収容ブロック101に流入口104が形成される。符号105は呼吸穴である。収容ブロック101は本体ブロック11B等と接している。このため、流入口104及び呼吸穴109は本体ブロック11B等と接しないようにするため、紙面の前側または後側に開口する。
The variable control function unit VFy of the
進退調圧気体150が流入口104から収容ブロック101の収容空間部103に流入することによって、流入圧力に応じて調整ピストン部111はピストン部ばね112に抗してばねを縮める方向に作用する。そうすると、図示の例では、絞り制御弁体120は調整ピストン部111に接続されているため、常時絞り制御弁体120は絞り開口部18の絞り弁座19から離隔する動作となる。逆に、絞り制御弁体120をより絞り弁座19に近接させる場合、進退調圧気体150の流入圧力を低下させることで可能となる。
When the advance /
進退調圧気体150の流入圧力は電空変換器(電空レギュレータ)(図示せず)により調整される。電空変換器の制御等については、図10にて説明する。第3実施例の流量制御弁10Yは、絞り制御弁進退手段110として進退調圧気体150を用いているため、絞り制御弁体120の進退量の調節は速くなり、応答性を高めることができる。
The inflow pressure of the advance /
図9は第4実施例の流量制御弁10Zの縦断面図である。流量制御弁10Zにおいては、流量制御弁10A、10Xと同構造の流体流量を一定化する定流量機能を担う定流量機能部CFと、所望の流量域に可変制御可能な可変制御機能部VFzの2箇所の部位を有する。流量制御弁10Zにおける定流量機能部CFも前述の流量制御弁10A、10Xの定流量機能部と同様の構成である。同一の符号を用い説明を省略する。
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of the flow control valve 10Z of the fourth embodiment. In the flow rate control valve 10Z, there are a constant flow rate function unit CF having a constant flow rate function that makes the fluid flow rate of the same structure as the flow
第4実施例の流量制御弁10Zの可変制御機能部VFzは、絞り制御弁進退手段110としてねじ部材(ボルト部材)140を備える例である。流量制御弁10Zにおいて、絞り制御弁体120はシールブロック102により本体ブロック11Aに狭着されて所定位置に固定される。そして、調整ピストン部111はピストン部ばね112とともに収容ブロック101内に収容されシールブロック102に接続され固定される。収容ブロック101のねじ穴部142にねじ部材140のねじ溝141が挿通される。符号143は固定ナットである。
The variable control function unit VFz of the flow control valve 10Z of the fourth embodiment is an example including a screw member (bolt member) 140 as the throttle control valve advance / retreat means 110. In the flow control valve 10Z, the throttle
調整ピストン部111のピストン受動部113は、調整ねじ141の回転(正回転)によりピストン部ばね112に抗して押し込まれる。結果、絞り制御弁体120は絞り開口部18の絞り弁座19に接近する。調整ねじ141を逆に回転(逆回転)すると、ピストン部ばね112が伸び、調整ピストン部111のピストン接合部114と接合された絞り制御弁体120を伴って絞り開口部18の絞り弁座19から離隔する。こうして、調整ねじ141の回転に応じて所望の絞り開口部18の開度(開口量)を得ることができる。絞り制御弁進退手段110にねじ部材140を採用することによって、開度調整に関連する部材を簡素化し、構造を簡単にすることができる。
The piston
これまでに図示し説明した第1実施例の流量制御弁10A、並びに第2実施例ないし第4実施例の流量制御弁10X、10Y、及び10Zは、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成の一部を適宜に変更して実施することができる。
The
これより図10を用い、本発明の流量制御装置について説明する。当該流量制御装置に使用する流量制御弁は、当該流量制御弁に絞り制御弁体進退手段110を備え、外部信号の制御下で流路の開度を調整し流量を可変する流量制御弁である。以下、流量制御弁10として図示し説明する。
The flow control device of the present invention will now be described with reference to FIG. The flow rate control valve used in the flow rate control device is a flow rate control valve that includes the throttle control valve body advance / retreat means 110 in the flow rate control valve, and adjusts the opening of the flow path under the control of an external signal to vary the flow rate. . Hereinafter, the
図10の概略図はシリコンウエハWを1枚ずつ処理する枚葉方式の基板処理装置である。シリコンウエハWはスピンチャック1の回転盤に載置される。シリコンウエハWの直上に処理液を放出する処理液ノズル2が備えられる。シリコンウエハの洗浄等の処理液は流体配管3を通じて処理液ノズル2に供給される。
The schematic diagram of FIG. 10 is a single wafer type substrate processing apparatus for processing silicon wafers W one by one. The silicon wafer W is placed on the rotating disk of the
処理液は流量制御弁にて説明済みの被制御流体であり、超純水や、フッ酸、過酸化水素水、アンモニア水、塩酸等である。各被制御流体は種類毎に供給部9A,9B,9Cに貯蔵され、それぞれの供給部に対応した流体配管3a,3b,3cを通じて流体混合部4に供給される。供給された被制御流体は流体混合部4において均一に混合され、流体配管3を通じて処理液ノズル2に供給される。そして被制御流体の供給を制御する流量制御装置5A,5B,5Cは、図示のとおり、流体配管3a,3b,3cの管路中に接続される。各流量制御装置は種類毎の被制御流体の供給部に対応する。
The treatment liquid is a controlled fluid that has already been described with reference to the flow control valve, such as ultrapure water, hydrofluoric acid, hydrogen peroxide water, ammonia water, hydrochloric acid, or the like. Each controlled fluid is stored in the
流量制御装置5A,5B,5Cには、流量制御弁10、被制御流体の流量検知部6、演算部7が備えられる。さらに、流量制御弁内の絞り制御弁体進退手段を制御する信号を生成する制御部8も備えられる。流量制御弁10、流量検知部6、演算部7、及び制御部8は信号線sにより接続されている。そこで、流量制御装置5Aを例にすると、流量制御弁10及び流量検知部6は、被制御流体の供給部9Aと被制御流体の流体混合部4との間の流体配管3aに接続されている。図示の流量制御装置のように、被制御流体の流量制御に関連する部材は流量制御弁のみとなる。このため、装置全体の小型化も可能となる。また、被制御流体と接触する部材数は抑制され、被制御流体の清浄度が維持されやすい。
The flow
流量制御弁10は、前述の第2実施例または第3実施例の流量制御弁10Xまたは10Yのいずれを用いても良い。流量検知部6は流量制御弁10の二次側(下流側)の流量を検知する公知の流量計である。例えば、差圧式流量計、超音波式流量計等である。演算部7はマイクロコンピュータやPLC(プログラマブル・ロジック・コントローラ)等の公知の演算装置である。外部からの指示、または流量検知部6により検出した被制御流体の流量計測値の変化に応じて流量制御弁10の流量制御のための信号を生成する。
As the
制御部8は、絞り制御弁進退手段のステッピングモータ、サーボモータ等の駆動に必要なパルス発信器、コントローラ、ドライバ等である。絞り制御弁進退手段が加圧気体の場合、制御部8は電空変換器であり、所定圧力に調整された加圧気体が当該制御部から可変制御機能部に供給される。制御部8は、流量制御弁10内の絞り制御弁進退手段としてモータまたは加圧気体を用いる際に不可欠である。特に、絞り制御弁進退手段であるモータの回転量の円滑な制御、または加圧気体の供給圧力の調整等の具体的な動作制御において重要である。
The
流量検知部6から流量制御弁10に至る信号の流れの一例を挙げると、概ね次のとおりである。流体配管中の被制御流体の流量変化は流量検知部6を通じて計測され、その信号は演算部7に送信される。演算部7では、流量の変化に対応した絞り開口部18(絞り弁座19)の開度とするべく、絞り制御弁体120の最適な進退位置が算出される。併せて、モータの動作のための動作信号が生成される。そして、動作信号が演算部7から制御部8に送信される。制御部8においては、具体的にモータを駆動させるためのパルス信号が生成され、このパルス信号はモータ駆動電流に変換される。そして、モータ駆動電流は流量制御弁10内の絞り制御弁進退手段であるモータに送信される。そこで、モータは規定量回転する。こうして、絞り制御弁体120は絞り開口部18に対して最適量進退する。
An example of a signal flow from the flow
流量検知部6から流量制御弁10に至る信号の流れから理解されるように、演算部7は、流量検知部6の流量計測値に基づいてフィードバック制御を実行する。従って、流量制御弁10の二次側(下流側)に生じた流量変化に直ちに応答して、被制御流体の流量の増減を行い、常時一定の流量で被制御流体を流通させることができる。特に、流量制御弁10は微少流量域の流体にも対応でき、被制御流体の精密制御に都合よい。なお、演算部7と制御部8を集約して演算制御ユニットとしてもよい。
As understood from the signal flow from the flow
本発明に開示する流量制御弁は、流通する流体の圧力変化に対して鋭敏に反応して定流量化を実現することができ、しかも、流体の清浄度をより高い状態で維持することができる。同時に、被制御流体の流体流量域を変更する機能も備える。加えて、本発明に開示の流量制御弁を備えた流量制御装置は、部材間の集約が進み小型化が可能です。従って、半導体製造分野、燃料電池、さらには医療分野等の極めて精密な流量制御、かつ高清浄度を求められる用途に好都合である。 The flow rate control valve disclosed in the present invention can realize a constant flow rate by reacting sensitively to a change in the pressure of the flowing fluid, and can maintain a higher fluid cleanliness. . At the same time, it also has a function of changing the fluid flow rate range of the controlled fluid. In addition, the flow control device equipped with the flow control valve disclosed in the present invention can be reduced in size due to the integration of components. Therefore, it is convenient for applications requiring extremely precise flow rate control and high cleanliness in the semiconductor manufacturing field, fuel cell, and medical field.
5A,5B,5C 流量制御装置
6 流量検知部
7 演算部
8 制御部
10A,10X,10Y,10Z 流量制御弁
11 弁本体部
11A,11B,11C,11D 本体ブロック
12 流入部
13 流出部
15 絞り部
16 弁座
17 流出開口部
18 絞り開口部
19 絞り弁座
20 流入側チャンバ
21 第1チャンバ
22 第2チャンバ
23,28 収容部
24,29 狭小部
25 流出側チャンバ
26 第3チャンバ
27 第4チャンバ
30 第1ダイヤフラム
34 可動シャフト
35 第2ダイヤフラム
38 弁体
40 固定ガイド部
45 補助ばね
50 可動ガイド部
53 収容部
55 付勢手段
56 付勢ばね
60 加圧気体
62 給気流入口
65 排気流出口
70 チャンバ間接続部
75 接続管部
100 制御弁室
101 収容ブロック
102 シールブロック
108 連絡流路
110 絞り制御弁進退手段
111 調整ピストン部
120 絞り制御弁体
121 先端部(シール部)
122 平板先端部
130 モータ
140 ねじ部材
150 進退調圧気体
155 電空変換器(電空レギュレータ)
CF 定流量機能部
VFx,VFy,VFz 可変制御機能部
Fm 被制御流体
5A, 5B, 5C Flow
122
CF Constant flow rate function unit VFx, VFy, VFz Variable control function unit Fm Controlled fluid
Claims (10)
前記流入側チャンバに配置され該流入側チャンバを被制御流体と接する第1チャンバと該第1チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第2チャンバに区画し、前記第1チャンバ内の流体圧力を受圧する第1ダイヤフラムと、
前記流出側チャンバに配置され該流出側チャンバを被制御流体と接する第3チャンバと該第3チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第4チャンバに区画し、前記第3チャンバ内の流体圧力を受圧しかつ前記第4チャンバ内の付勢手段によって該第4チャンバ側に常時付勢されているとともに前記弁座に対し進退動する弁体を備えた第2ダイヤフラムと、
前記第2チャンバと前記第4チャンバを接続するチャンバ間接続部を有し、
前記第1ダイヤフラムは前記第2チャンバ内に供給される加圧気体により前記第1チャンバ側に常時加圧され、前記第2ダイヤフラムは前記第2チャンバ内に流入後前記チャンバ間接続部を経由して前記第4チャンバ内に流入する加圧気体により前記第3チャンバ側に常時加圧されており、
前記絞り部前後の圧力変動により生じた前記第1ダイヤフラム及び前記第2ダイヤフラムの進退動は前記加圧気体を通じて互いのダイヤフラムに伝達され、前記第1ダイヤフラム及び前記第2ダイヤフラムの進退動により前記弁体を前記弁座に対して進退動させて被制御流体の流量を一定に保持するようにした
ことを特徴とする流量制御弁。 A throttle portion provided in a flow path between an inflow side chamber connected to the inflow portion of the controlled fluid and an outflow side chamber connected to the outflow portion of the controlled fluid, and a valve seat formed in the outflow side chamber A valve body having
The fluid pressure in the first chamber is divided into a first chamber that is disposed in the inflow side chamber and that is in contact with the controlled fluid, and a second chamber that is on the back side of the first chamber and is not in contact with the controlled fluid. A first diaphragm for receiving pressure;
Disposed in the outflow side chamber is a third chamber that is in contact with the controlled fluid and a fourth chamber that is on the back side of the third chamber and is not in contact with the controlled fluid, and fluid pressure in the third chamber And a second diaphragm having a valve body that is constantly urged toward the fourth chamber by the urging means in the fourth chamber and that moves forward and backward with respect to the valve seat;
An inter-chamber connection for connecting the second chamber and the fourth chamber;
The first diaphragm is constantly pressurized to the first chamber side by the pressurized gas supplied into the second chamber, and the second diaphragm flows into the second chamber and then passes through the inter-chamber connecting portion. And constantly pressurized to the third chamber side by the pressurized gas flowing into the fourth chamber,
The forward and backward movements of the first diaphragm and the second diaphragm caused by pressure fluctuations before and after the throttle portion are transmitted to the diaphragms through the pressurized gas, and the valves are driven by the forward and backward movements of the first diaphragm and the second diaphragm. A flow rate control valve characterized in that the flow rate of the controlled fluid is kept constant by moving the body forward and backward with respect to the valve seat.
前記流量制御弁及び前記流量検知部が、被制御流体の供給部と被制御流体の流体混合部との間の流体配管に接続していることを特徴とする流量制御装置。 The flow rate control valve according to claim 3, a flow rate detection unit for a controlled fluid, and a calculation unit,
The flow rate control device, wherein the flow rate control valve and the flow rate detection unit are connected to a fluid pipe between a controlled fluid supply unit and a controlled fluid fluid mixing unit.
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