KR102127647B1 - 압력식 유량 제어 장치, 그 유량 산출 방법 및 유량 제어 방법 - Google Patents

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코우지 니시노
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Abstract

압력식 유량 제어 장치(1)는 오리피스(5)의 상류측 압력(P1)을 하류측 압력(P2)의 약 2배 이상으로 유지한 상태에서, 혼합 가스를 구성하는 2종류의 가스의 혼합비가 X:(1-X)이며, 2종류의 가스의 밀도, 비열비 및 기체정수를 혼합비율로 가중해서 산출한 혼합 가스의 평균 밀도 ρ, 평균 비열비 κ 및 평균 기체정수 R을 이용하여, 혼합 가스의 유동계수(FF)를 FF=(k/ρ){2/(κ+1)}1/(κ-1)[κ/{(κ+1)R}]1/2에 의해 산출하고, 오리피스를 통과하는 혼합 가스의 유량(Q)을, 오리피스 단면적을 S, 오리피스의 상류측의 혼합 가스의 압력을 P1, 온도를 T1로 해서, Q=FF·S·P1(1/T1)1/2에 의해 산출한다.

Description

압력식 유량 제어 장치, 그 유량 산출 방법 및 유량 제어 방법
본 발명은 반도체 제조 설비 또는 화학 플랜트 등에서 사용되는 압력식 유량 제어 장치, 그 유량 산출 방법 및 유량 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 복수의 가스가 혼합된 혼합 가스를 공급하기 위해서 사용되는 압력식 유량 제어 장치, 그 유량 산출 방법 및 유량 제어 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 설비 또는 화학 플랜트 등에 있어서는 가스를 정밀도 좋게 공급하는 것이 요구된다. 가스유량의 제어 장치로서 매스 플로우 컨트롤러(열식 질량 유량 제어기)가 알려져 있다.
또한, 별도의 원리에 근거하여, 열식 질량 유량 제어기보다 간단한 구성의 가스유량의 제어 장치로서 압력식 유량 제어 시스템이 알려져 있다. 예를 들면, 하기 특허문헌 1 및 2에는, 입력하는 가스의 유량을 컨트롤 밸브에 의해 조절하고, 오리피스를 통해서 배출하는 압력식 유량 제어 장치가 개시되어 있다. 이 압력식 유량 제어 장치는, 오리피스의 상류측의 압력(P1)과 하류측의 압력(P2)의 관계가 소정의 조건을 만족시킬 경우의 가스의 유량(Q)을, 상류측의 압력(P1)을 측정함으로써 제어한다. 오리피스 유출시의 가스의 유속이 그 가스 온도에서의 음속에 도달한다라는 가정 하에서, 즉 오리피스의 상류측의 압력(P1)과 하류측의 압력(P2)의 관계가 임계 팽창 조건 P1/P2≥약 2를 충족시킬 경우에, 유량(Q)은 Q=FF·S·P1(1/T1)1/2로 나타내어지고, 상류측의 압력(P1)에 비례한다. 여기에서, FF는,
FF=(k/γs){2/(κ+1)}1/(κ-1)[κ/{(κ+1)R}]1/2로 나타내어지는 유동계수(m3K1/2/kgsec)이다.
k는 정수이며(g를 중력가속도(m/sec2)로 해서, k=(2g)1/2=4.429), Q(m3/sec)는 표준상태에 있어서의 체적유량, S(m2)는 오리피스 단면적, P1(kg/m2abs)은 상류측 절대압력, T1(K)은 상류측 가스 온도, γs(kg/m3)는 가스의 표준상태에 있어서의 밀도, κ(무차원)은 가스의 비열비, R(m/K)은 기체정수이다.
따라서, 상류측의 압력(P1)을 측정해서 유량(Q)을 산출하고, 산출된 유량(Q)이 소망의 유량으로 되도록 컨트롤 밸브를 제어함으로써, 소망의 유량을 실현할 수 있다.
일본 특허공개 평 8-338546호 공보 일본 특허공개 2000-322130호 공보
특허문헌 1 및 2에 개시된 오리피스의 상류측의 압력(P1)을 측정함으로써 가스의 유량을 계산하여 소망의 유량을 실현하는 제어 방법은, 단일 종류의 가스에 관해서 적용할 수는 있지만, 혼합 가스에 관해서 적용할 수 없다. 이것은 유동계수(FF)가 각 가스의 특성값(밀도(γs), 비열비(κ), 기체정수(R))을 포함하기 때문이다.
혼합 가스를 구성하는 각 가스의 유동계수(FF)를 혼합되어 있는 가스의 비율로 가중 처리(이하, 「곱하기」라고도 함)해서 얻어진 값을, 혼합 가스의 유동계수(FF)로 하는 것이 생각된다. 예를 들면, 가스 A 및 B의 혼합 가스에 관해서 가스 A의 비율을 X(0≤X≤1), 가스 B의 비율을 (1-X)로 하고(가스 A : 가스 B=X:(1-X)), 가스 A 및 B의 유동계수(FF)를 각각, FF(A) 및 FF(B)로 해서, 혼합 가스의 유동계수 FF(AB)를,
FF(AB)=X·FF(A)+(1-X)·FF(B)
에 의하여 산출하고, 유량(Q)을 Q=FF(AB)·S·P1(1/T1)1/2에 의해 산출하는 것이 생각된다. 그러나, 이 방법에서는 실측결과와의 오차가 큰 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하여 혼합 가스의 유량을 정밀도 좋게 산출하고, 그 산출값을 이용하여 혼합 가스의 유량을 소망의 값으로 제어하는 압력식 유량 제어 장치, 그 유량 산출 방법 및 유량 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시형태에 따른 압력식 유량 제어 장치는 오리피스의 상류측 압력(P1)을 하류측 압력(P2)의 약 2배 이상으로 유지한 상태에서 상기 오리피스를 통과하는 혼합 가스의 유량(Q)을, 유동계수(FF)로부터 산출하는 압력식 유량 제어 장치이며, 상기 혼합 가스는 제1가스 및 제2가스로 이루어지고, 상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합비는 제1가스:제2가스=X:(1-X)로 되고, 상기 혼합 가스의 평균 밀도 ρAV, 평균 비열비 κAV 및 평균 기체정수 RAV를, 상기 제1가스의 밀도 ρ(A), 상기 제2가스의 밀도 ρ(B), 상기 제1가스의 비열비 κ(A), 상기 제2가스의 비열비 κ(B), 상기 제1가스의 기체정수 R(A), 및 상기 제2가스의 기체정수 R(B)를 이용하여,
ρAV=X·ρ(A)+(1-X)·ρ(B),
κAV=X·κ(A)+(1-X)·κ(B), 및
RAV=X·R(A)+(1-X)·R(B)에 의해 계산하는 제1연산수단과, k를 정수로 하고, 상기 평균 밀도 ρAV, 상기 평균 비열비 κAV(κAV) 및 상기 평균 기체정수 RAV를 이용하여, 상기 혼합 가스의 유동계수(FF)를, FF=(k/ρAV){2/(κAV+1)}1/(κAV-1)[κAV/{(κAV+1)RAV}]1/2에 의해 산출하는 제2연산수단과, 상기 혼합 가스의 유동계수(FF) 를 이용하여 상기 오리피스로부터 출력되는 상기 혼합 가스의 유량(Q)을, Q=FF·S·P1(1/T1)1/2(단, 오리피스 단면적(S), 상기 오리피스의 상류측의 가스의 온도(T1))에 의해 산출하는 제3연산수단을 구비한다.
상기 압력식 유량 제어 장치는 상기 오리피스의 상류측에 배치되고, 입력되는 상기 혼합 가스의 상기 오리피스에의 공급량을 조절하기 위한 조절수단과, 산출된 상기 혼합 가스의 상기 유량(Q)이 소정의 목표유량(Q0)으로 되도록, 상기 조절수단에 의한 공급량을 제어하는 제어수단을 더 구비할 수 있다.
상기 압력식 유량 제어 장치는 3종류 이상의 가스의 각각에 관해서, 밀도, 비열비 및 기체정수를 기억하는 기억수단과, 외부로부터 상기 제1가스 및 상기 제2가스를 특정하는 특정 정보를 접수하는 수신수단을 더 구비하고, 상기 제1연산수단은 상기 특정 정보에 대응하는 상기 가스의 상기 밀도 ρ(A) 및 ρ(B), 상기 비열비 κ(A) 및 κ(B), 및 상기 기체정수 R(A) 및 R(B)를 상기 기억수단으로부터 판독하여, 상기 혼합 가스의 상기 평균 밀도 ρAV, 상기 평균 비열비 κAV 및 상기 평균 기체정수 RAV를 계산할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 압력식 유량 제어 장치의 유량 산출 방법은, 오리피스의 상류측 압력(P1)을 하류측 압력(P2)의 약 2배 이상으로 유지한 상태에서 상기 오리피스를 통과하는 혼합 가스의 유량(Q)을 산출하는 압력식 유량 제어 장치의 유량 산출 방법이며, 상기 혼합 가스는 제1가스 및 제2가스로 이루어지고, 상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합비는 제1가스:제2가스=X:(1-X)로 되고, 상기 제1가스의 밀도 ρ(A), 상기 제2가스의 밀도 ρ(B), 상기 제1가스의 비열비 κ(A), 상기 제2가스의 비열비 κ(B), 상기 제1가스의 기체정수 R(A), 및 상기 제2가스의 기체정수 R(B)를 이용하여, 상기 혼합 가스의 평균 밀도 ρAV, 평균 비열비 κAV 및 평균 기체정수 RAV를,
ρAV=X·ρ(A)+(1-X)·ρ(B),
κAV=X·κ(A)+(1-X)·κ(B), 및
RAV=X·R(A)+(1-X)·R(B)에 의해 계산하는 제1스텝과,
k를 정수로 하고, 상기 평균 밀도 ρAV, 상기 평균 비열비 κAV(κAV) 및 상기 평균 기체정수 RAV를 이용하여, 상기 혼합 가스의 유동계수(FF)를 FF=(k/ρAV){2/(κAV+1)}1/(κAV-1)[κAV/{(κAV+1)RAV}]1/2에 의해 산출하는 제2스텝과, 상기 혼합 가스의 유동계수(FF)를 이용하여 상기 오리피스로부터 출력되는 상기 혼합 가스의 유량(Q)을, Q=FF·S·P1(1/T1)1/2(단, 오리피스 단면적(S), 상기 오리피스의 상류측의 가스의 온도(T1))에 의해 산출하는 제3스텝을 구비한다.
본 발명의 실시형태에 따른 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 방법은, 혼합 가스가 통과하는 오리피스의 상류측에 유량 조절수단이 배치된 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 방법으로서, 상기의 유량 산출 방법에 의해 상기 오리피스를 통과하는 상기 혼합 가스의 유량(Q)을 산출하는 스텝과, 산출된 상기 유량(Q)이 소정의 목표유량(Q0)으로 되도록 상기 유량 조절수단을 조정하는 스텝을 구비한다.
(발명의 효과)
본 발명의 실시형태에 따른 압력식 유량 제어 장치에 의하면, 혼합 가스의 유량을 정밀도 좋게 산출할 수 있으므로, 그 산출값을 이용하여 혼합 가스의 유량을 정밀도 좋게 소망의 값으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 압력식 유량 제어 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 도 1의 제어부의 내부 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 도 1의 압력식 유량 제어 장치의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
본 발명에 따른 압력식 유량 제어 장치의 실시형태에 대해서 이하에 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 전체 도면 및 전체 실시형태를 통해서 동일하거나 또는 유사한 구성 부분에는 같은 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 압력식 유량 제어 장치를 나타내고 있다. 압력식 유량 제어 장치(1)는 혼합 가스 공급로(2), 컨트롤 밸브(3), 상류측 유로(4), 오리피스(5), 배출 유로(6), 압력 검출기(7), 온도 검출기(8), 구동부(9), 제어부(10)를 구비해서 구성되어 있다. 컨트롤 밸브(3)는 오리피스(5)의 상류측에 있어서 유량 조절수단으로서 설치되고, 구동부(9)의 제어를 받아서 압력식 유량 제어 장치(1)의 외부로부터 혼합 가스 공급로(2)를 통해서 공급되는 가스의 공급량을 제어하고, 상류측 유로(4)로 배출한다.
혼합 가스 공급로(2), 상류측 유로(4) 및 배출 유로(6)는 배관에 의해 형성 되어 있어도 되고, 컨트롤 밸브(3) 등이 부착된 본체 블록 내에 형성된 것이라도 된다. 컨트롤 밸브(3)에는 다이어프램이 사용되고, 예를 들면 다이렉트 터치형의 메탈 다이어프램 밸브가 사용된다. 구동부(9)에는, 예를 들면 압전소자형 구동 장치(피에조 액츄에이터)가 사용된다. 이에 한정하지 않고, 구동부(9)에는 자왜소자형 구동 장치, 솔레노이드형 구동 장치, 모터형 구동 장치, 공기압형 구동 장치, 또는 열팽창형 구동 장치가 사용될 수 있다.
오리피스(5)는 상류측 유로(4)로부터 입력되는 가스를 조르면서 그 유량을 제어하여 하류측의 배출 유로(6)로 출력한다. 배출 유로(6)는 가스를 공급하는 대상의 장치(반응로 등)에 접속되어 있다. 오리피스(5)에는, 예를 들면 판 형상의 금속 박판제 개스킷에 절삭가공에 의해 구멍부를 형성한 것이 사용된다. 이 밖에, 에칭 또는 방전가공에 의해 금속막에 구멍을 형성한 오리피스를 사용할 수 있다. 또한, 오리피스(5)에는 음속 노즐이나 소자 등으로 유로를 조른 유량의 제한기도 포함된다. 가스의 유량은 오리피스(5)에 의존한다.
압력 검출기(7)는 상류측 유로(4) 내의 가스의 압력을 측정한다. 압력 검출기(7)에는, 예를 들면 반도체 변형형 압력센서가 사용된다. 이에 한정하지 않고, 압력 검출기(7)에는 금속박 변형형 압력센서, 정전용량형 압력센서, 또는 자기저항형 압력센서 등을 사용할 수 있다.
온도 검출기(8)는 상류측 유로(4) 내의 가스의 온도를 측정한다. 온도 검출기(8)에는, 예를 들면 서미스터가 사용된다. 이에 한정하지 않고, 열전대형 온도센서나 측온저항형 온도센서 등의 공지의 각종 온도센서가 사용될 수 있다.
제어부(10)는 압력식 유량 제어 장치(1) 전체를 제어한다. 제어부(10)는, 도 2를 참조하여 CPU(Central Processing Unit)(20), ROM(Read Only Memory)(21), RAM(Random Access Memory)(22), I/O부(23) 및 버스(24)를 구비해서 구성되어 있다. 또한, 도 2에 있어서는, 도 1에 나타낸 압력식 유량 제어 장치(1)의 구성요소 중, 압력 검출기(7) 및 온도 검출기(8) 이외의 것을 생략하고 있다.
CPU(20)는 ROM(21)에 기록된 프로그램을 실행함으로써 압력식 유량 제어 장치(1)의 기능을 실현한다. ROM(21)은, 예를 들면 전기적으로 기록 가능한 불휘발성메모리이며, 소정의 프로그램과, 프로그램을 실행함에 있어서 필요한 데이터(파라미터 등)가 기억되어 있다. RAM(22)은 휘발성 메모리이며, CPU(20)가 프로그램을 실행할 때의 워크 에리어로서, 또한 연산 결과의 값을 1차적으로 기억하기 위해서 사용된다.
I/O부(23)는 외부와 데이터를 교환하기 위한 인터페이스이다. I/O부(23)는 압력 검출기(7) 및 온도 검출기(8)로부터 출력되는 아날로그 신호를, CPU(20)가 취급할 수 있는 디지털 신호로 변환하기 위해서 A/D 변환기(도시하지 않음)를 구비하고 있다. A/D 변환기는 소정의 주기로 디지털 신호를 생성해서 버퍼(도시하지 않음)에 기억한다. 따라서, 버퍼의 데이터는 소정의 주기로 갱신된다. 버퍼에 기억된 데이터는 소정의 타이밍에서 CPU(20)에 의해 판독되고, 후술하는 연산에 사용된다. 또한, A/D 변환기의 입력측에 압력 검출기(7) 및 온도 검출기(8)로부터 출력되는 아날로그 신호를 소정의 레벨로 증폭하기 위한 증폭기(앰프) 등을 구비하고 있어도 된다. I/O부(23)는 구동부(9)의 제어신호를 출력해도 좋다.
또한, I/O부(23)는 도시하지 않지만, 컴퓨터 등의 외부 장치와 정보를 교환하기 위한 인터페이스를 구비하고 있어도 된다. 이것에 의해, 외부 장치와의 인터페이스를 통해서 ROM(21)으로의 프로그램 및 데이터의 기록을 행할 수 있다. 외부 장치와의 인터페이스를 구비하고 있지 않을 경우에는, ROM(21)을 착탈식으로 구성해 두면, ROM(21)을 새로운 것으로 교환함으로써 프로그램 및 파라미터를 갱신할 수 있다. 또한, 외부 장치를 이용하여 ROM(21)의 데이터를 갱신할 수도 있다.
버스(24)는 CPU(20), ROM(21), RAM(22) 및 I/O부(23)의 사이에서 상호로 데이터를 교환하기 위한 버스이다. 또한, 도 1 및 도 2에 있어서 도시하고 있지 않지만, 압력식 유량 제어 장치(1)는 각 부를 동기해서 동작시키기 위한 클록 신호 발생기, 전원회로 등, 동작상 필요한 구성요소도 구비하고 있다. 또한, 제어부(10)의 구성요소(CPU(20) 등)는 장치 내에 일체적으로 구성되어 있을 필요는 없고, CPU(20) 등의 일부의 구성요소를 다른 장소(장치 밖)에 배치하고, 버스(24)로 서로 접속하는 구성으로 하여도 좋다. 그 때, 장치 내와 장치 밖을 유선 뿐만 아니라 무선으로 통신하는 구성으로 해도 좋다.
이와 같이 구성되어 있음으로써, 압력식 유량 제어 장치(1)는 오리피스(5)의 상류측의 압력(P1)과 하류측의 압력(P2)의 관계가 임계 팽창 조건 P1/P2≥약 2를 충족시킬 경우에, 혼합 가스 공급로(2)를 통해서 외부로부터 공급되고, 컨트롤 밸브(3) 및 오리피스(5)를 통과해서 배출 유로(6)로 출력되는 혼합 가스의 유량(Q)을, 압력 검출기(7)에 의해 측정한 혼합 가스의 압력(P1)을 이용하여 산출하고, 유량(Q)이 미리 설정된 유량(Q0)으로 되도록 구동부(9)를 제어해서 컨트롤 밸브(3)를 조절할 수 있다.
도 3의 플로우차트를 참조하여 압력식 유량 제어 장치(1)의 동작을 보다 구체적으로 설명한다. 도 3의 플로우차트의 각 스텝은, 압력식 유량 제어 장치(1)의 전원이 ON되어서, CPU(20)가 ROM(21)으로부터 판독한 소정의 프로그램을 실행함으로써 실현된다.
여기에서는, 혼합 가스 공급로(2)에 공급되는 혼합 가스는 2종류의 가스 A 및 B가 X:(1-X)의 비율로 혼합된 가스로 한다. 유량(Q)의 산출식에는 Q=FF·S·P1(1/T1)1/2를 사용한다. ROM(21)에는 유량(Q)의 산출에 필요한 파라미터로서 가스 A의 비율 X, 가스 A 및 B 각각의 밀도 ρ(A) 및 ρ(B)(kg/m3), 가스 비열비 κ(A) 및 κ(B)(무차원), 및 기체정수 R(A) 및 R(B)(m/K)가 기억되어 있다. 또한, ROM(21)에는 오리피스(5)의 오리피스 단면적 S(m2)도 기억되어 있다.
스텝 40에 있어서, 가스 A의 혼합비 X, 목표유량(Q0), 가스 A 및 B 각각의 밀도 ρ(A) 및 ρ(B), 가스 비열비 κ(A) 및 κ(B), 및 기체정수 R(A) 및 R(B)를 ROM(21)으로부터 판독한다.
스텝 41에 있어서, 압력 검출기(7)에 의해 상류측 유로(4)의 혼합 가스의 압력을 측정하고, 온도 검출기(8)에 의해 상류측 유로(4)의 혼합 가스의 온도를 측정한다. 구체적으로는, 압력 검출기(7) 및 온도 검출기(8)로부터 출력되어, A/D 변환된 디지털 데이터인 압력(P1)(kg/m2abs) 및 온도 T1(K)을, RAM(22)에 기억한다.
스텝 42에 있어서, 평균 밀도 ρAV, 평균 비열비 κAV(또는 κAV), 및 평균 기체정수 RAV를, 다음식에 의해 계산한다.
ρAV=X·ρ(A)+(1-X)·ρ(B)
κAV=X·κ(A)+(1-X)·κ(B)
RAV=X·R(A)+(1-X)·R(B)
스텝 43에 있어서,
FF=(k/ρAV){2/(κAV+1)}1/(κAV-1)[κAV/{(κAV+1)RAV}]1/2에 의해 혼합 가스의 유동계수(FF)를 산출하고, 산출된 유동계수(FF)와, 스텝 40에서 판독한 오리피스 단면적(S)과, 스텝 41에서 취득한 압력(P1) 및 온도(T1)를 이용하여, Q=FF·S·P1(1/T1)1/2에 의해 유량(Q)(m3/sec)을 계산한다.
여기에서, k는 정수(k=4.429)이며, 스텝 42에서 산출된 혼합 가스의 평균 밀도 ρAV, 평균 비열비 κAV, 및 평균 기체정수 RAV를 이용하여 유동계수(FF) 및 유량(Q)이 산출된다.
스텝 44에 있어서, 스텝 43에서 산출된 유량(Q)과, 스텝 40에서 판독된 목표유량(Q0)의 차분(D)을, D=Q-Q0에 의해 계산한다.
스텝 45에 있어서, 스텝 44에서 산출된 D의 절대값이 소정의 임계값(D0)보다 작은지의 여부를 판정하고, D0보다 작으면 제어는 스텝 41로 돌아가고, D0 이상이면 제어는 스텝 46으로 이행한다.
스텝 46에 있어서, 컨트롤 밸브(3)를 제어하기 위한 제어값을 결정한다. 현상의 컨트롤 밸브(3)의 개폐 상태를, D가 정이면 닫는 방향으로, D가 부이면 여는 방향으로, D의 크기에 따른 제어값을 결정한다. 또한, D의 정부에 따라 컨트롤 밸브(3)의 개폐 방향을 바르게 설정하면, D의 크기에 따라 제어값을 어떻게 결정할지는 임의이다. 예를 들면, D가 크면 제어값을 크게 변화시키고, D가 작으면 제어값을 작게 변화시킬 수 있다. 또한, D의 크기에 의하지 않고, 매회 소정량만 변화시켜도 좋다. 어떻게 해도, 스텝 41∼46이 반복됨으로써 유량(Q)을 목표유량(Q0)으로 할 수 있다.
스텝 47에 있어서, 결정된 제어값을 구동부(9)에 출력한다. 이것에 의해 컨트롤 밸브(3)의 개폐 상태가 조절된다.
스텝 48에 있어서, 종료의 지시가 이루어졌는지의 여부를 판정하고, 종료의 지시를 받았을 경우 제어를 종료하고, 그렇지 않으면 제어는 스텝 41로 돌아간다. 종료의 지시는, 예를 들면 전원의 OFF에 의해 이루어진다.
이상에 의해, 압력식 유량 제어 장치(1)의 배출 유로(6)로부터 출력되는 혼합 가스의 유량(Q)을 목표유량(Q0)으로 조정할 수 있다.
유동계수(FF)에는 기준이 되는 가스(예를 들면 질소(N2))의 유동계수(FF)와의 비(이하, 비FF라고도 한다)를 사용할 수도 있다. 비FF를 사용할 경우에는, 산출된 유량(Q)에 기준이 되는 가스의 유량을 승산해서 실제의 혼합 가스의 유량을 산출하면 된다.
상기에서는 혼합 가스의 혼합비(구체적으로는, 혼합하는 한쪽의 가스 A의 비율 X)를 ROM(21)에 기억해 둘 경우를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 혼합비는 외부 장치로부터 I/O부(23)를 통해서 제어부(10)에 입력되어도 좋다.
또한, 상기에서는 소정의 2종류의 가스에 관해서, 그것들의 파라미터(가스 밀도, 가스 비열비 및 기체정수)를 ROM(21)에 기억해 둘 경우를 설명했지만 이것에 한정되지 않는다. 3종류 이상의 가스의 파라미터(가스 밀도, 가스 비열비 및 기체정수)를 ROM(21)에 기억해 두어도 좋다. 그 경우에는, 외부로부터 공급되는 혼합 가스의 종류의 정보 및 그 혼합비를 외부 장치로부터 제어부(10)에 입력함으로써, ROM(21)에 기억된 임의의 2종류의 가스를 임의의 혼합비로 혼합한 혼합 가스에 관해서 상기와 마찬가지로 유량을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(10)의 구성은 도 2에 한정되지 않는다. CPU(20), ROM(21), RAM(22) 등을 개개의 반도체 소자로서 구성하는 것도, 그것들의 모두 또는 일부를, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등에 의해 1개의 반도체 소자로서 일체로 구성해도 좋다.
(실시예)
이하에 실험결과를 나타내어 본 발명의 유효성을 나타낸다.
도 1과 동일한 구성의 장치를 제작하고, 2종류의 가스가 혼합된 혼합 가스를 컨트롤 밸브(3)에 입력하고, 소정의 오리피스(5)로부터 혼합 가스를 배출하고, 상기한 바와 같이 상류측 유로(4) 내의 가스의 압력(P1) 및 온도(T1)를 실측해서 유동계수(FF)를 계산했다. 한편, 공지의 빌드업법에 의해 같은 혼합 가스의 유량(Q)을 실측하고, 그 값을 이용하여 Q=FF·S·P1(1/T1)1/2에 의해 유동계수(FF)를 계산했다.
표 1은 여러 가지 혼합 가스에 관해서 실험 결과를 정리한 것이다.
Figure 112018118651410-pct00001
표 1의 좌단의 「가스」의 열에는 슬래시(/)의 좌측에 제1가스를 그 비율을 붙여서 나타내고, 슬래시의 우측에 제2가스를 나타내고 있다. 제2가스의 비율(%)은 100에서 제1가스의 비율을 감산한 것이다. 예를 들면, 「5% B2H6/H2」는 5%의 B2H6와 95%의 H2의 혼합 가스를 나타내고 있다.
「FF」의 「계산」의 열에 본 발명의 방법으로 계산된 유동계수(FF)의 값을 나타낸다. 여기에서, FF란 비FF를 의미한다. 상기한 바와 같이, 혼합 가스의 평균 밀도 ρAV, 평균 비열비 κAV, 및 평균 기체정수 RAV를 산출하고, 그것들의 값을 이용하여,
FF=(k/ρAV){2/(κAV+1)}1/(κAV-1)[κAV/{(κAV+1)RAV}]1/2
에 의하여 계산된 비FF이다.
「FF」의 「곱하기」의 열은 표 2의 비FF를 이용하여,
FF(AB)=X·FF(A)+(1-X)·FF(B)에 의해 계산된 값을 나타낸다.
Figure 112018118651410-pct00002
「Range」의 열은 정격유량을 나타내고 있고, 오리피스 단면적을 특정하기 위한 정보를 포함한다. 각각에 대응하는 오리피스 단면적은 빌드업법에 의한 유동계수(FF)의 산출에 이용했다. F600, F200, F1600, F5L, F130, F20은 각각 N2에서의 가스유량을 나타내고 있고, 예를 들면 F600은 600SCCM을 나타내고 있다.
「N2」의 열은 기준 가스로 한 질소 가스의 유량을 나타내고, 「실가스」의 열은 혼합 가스의 빌드업법에 의한 측정값을 나타낸다. 「실측 FF」의 열은 혼합 가스의 실측값으로부터 산출한 비FF를 나타낸다.
「오차」 중 「계산」의 열은 「실측 FF」의 값으로부터 FF의 「계산」의 값을 감산하고, 그 감산값을 「실측 FF」로 나누어서 얻어진 값을 나타낸다. 마찬가지로, 「오차」 중 「곱하기」의 열은 「실측 FF」의 값으로부터 FF의 「곱하기」의 값을 감산하고, 그 감산값을 「실측 FF」로 나누어서 얻어진 값이다.
이들 값을 대비하면, 어느 혼합 가스에 관해서도 본 발명의 방법으로 산출한 비FF 쪽이 오차가 작아, 비FF를 정밀도 좋게 계산할 수 있는 것을 알 수 있다. 특히, 혼합되는 2종류의 가스의 비FF의 차가 클 경우에 있어서도, 비FF를 정밀도 좋게 산출할 수 있어, 본 발명의 유효성이 실증되어 있다.
또한, 본 발명을 적용 가능한 가스는, 표 1 및 표 2에 나타낸 가스에 한정되지 않는다.
이상, 실시형태를 설명함으로써 본 발명을 설명했지만, 상기한 실시형태는 예시이며, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 여러 가지로 변경해서 실시할 수 있다.
1 : 압력식 유량 제어 장치
2 : 혼합 가스 공급로
3 : 컨트롤 밸브
4 : 상류측 유로
5 : 오리피스
6 : 배출 유로
7 : 압력 검출기
8 : 온도 검출기
9 : 구동부
10 : 제어부
20 : CPU
21 : ROM
22 : RAM
23 : I/O부
24 : 버스

Claims (5)

  1. 오리피스의 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)이 임계 팽창 조건을 충족시키는 상태에서 상기 오리피스를 통과하는 혼합 가스의 유량(Q)을, 유동계수(FF)로부터 산출하는 압력식 유량 제어 장치로서,
    상기 혼합 가스는 제1가스 및 제2가스로 이루어지고, 상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합비는 제1가스:제2가스=X:(1-X)로 되고,
    상기 혼합 가스의 평균 밀도 ρAV, 평균 비열비 κAV 및 평균 기체정수 RAV를,
    상기 제1가스의 밀도 ρ(A), 상기 제2가스의 밀도 ρ(B), 상기 제1가스의 비열비 κ(A), 상기 제2가스의 비열비 κ(B), 상기 제1가스의 기체정수 R(A), 및 상기 제2가스의 기체정수 R(B)를 이용하여,
    ρAV=X·ρ(A)+(1-X)·ρ(B),
    κAV=X·κ(A)+(1-X)·κ(B), 및
    RAV=X·R(A)+(1-X)·R(B)에 의해 계산하는 제1연산수단과,
    k를 정수로 하고, 상기 평균 밀도 ρAV, 상기 평균 비열비 κAV 및 상기 평균 기체정수 RAV를 이용하여 상기 혼합 가스의 유동계수(FF)를, FF=(k/ρAV){2/(κAV+1)}1/(κAV-1)[κAV/{(κAV+1)RAV}]1/2에 의하여 산출하는 제2연산수단과,
    상기 혼합 가스의 유동계수(FF)를 이용하여 상기 오리피스로부터 출력되는 상기 혼합 가스의 유량(Q)을, Q=FF·S·P1(1/T1)1/2(단, 오리피스 단면적(S), 상기 오리피스의 상류측의 가스의 온도(T1))에 의해 산출하는 제3연산수단을 구비하는 압력식 유량 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오리피스의 상류측에 배치되고, 상기 혼합 가스의 상기 오리피스로의 공급량을 조절하기 위한 조절수단과,
    산출된 상기 혼합 가스의 상기 유량(Q)이 소정의 목표유량(Q0)으로 되도록 상기 조절수단에 의한 공급량을 제어하는 제어수단을 더 구비하는 압력식 유량 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    3종류 이상의 가스의 각각에 관해서, 밀도, 비열비 및 기체정수를 기억하는 기억수단과,
    외부로부터 상기 제1가스 및 상기 제2가스를 특정하는 특정 정보를 접수하는 수신수단을 더 구비하고,
    상기 제1연산수단은 상기 특정 정보에 대응하는 상기 가스의 상기 밀도 ρ(A) 및 ρ(B), 상기 비열비 κ(A) 및 κ(B), 및 상기 기체정수 R(A) 및 R(B)를 상기 기억수단으로부터 판독하여, 상기 혼합 가스의 상기 평균 밀도 ρAV, 상기 평균 비열비 κAV 및 상기 평균 기체정수 RAV를 계산하는 압력식 유량 제어 장치.
  4. 오리피스의 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)이 임계 팽창 조건을 충족시키는 상태에서 상기 오리피스를 통과하는 혼합 가스의 유량(Q)을 산출하는 압력식 유량 제어 장치의 유량 산출 방법으로서,
    상기 혼합 가스는 제1가스 및 제2가스로 이루어지고, 상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합비는 제1가스:제2가스=X:(1-X)로 되고,
    상기 제1가스의 밀도 ρ(A), 상기 제2가스의 밀도 ρ(B), 상기 제1가스의 비열비 κ(A), 상기 제2가스의 비열비 κ(B), 상기 제1가스의 기체정수 R(A), 및 상기 제2가스의 기체정수 R(B)를 이용하여, 상기 혼합 가스의 평균 밀도 ρAV, 평균 비열비 κAV 및 평균 기체정수 RAV를,
    ρAV=X·ρ(A)+(1-X)·ρ(B),
    κAV=X·κ(A)+(1-X)·κ(B), 및
    RAV=X·R(A)+(1-X)·R(B)에 의해 계산하는 제1스텝과,
    k를 정수로 하고, 상기 평균 밀도 ρAV, 상기 평균 비열비 κAV 및 상기 평균 기체정수 RAV를 이용하여 상기 혼합 가스의 유동계수(FF)를, FF=(k/ρAV){2/(κAV+1)}1/(κAV-1)[κAV/{(κAV+1)RAV}]1/2에 의하여 산출하는 제2스텝과,
    상기 혼합 가스의 유동계수(FF)를 이용하여 상기 오리피스로부터 출력되는 상기 혼합 가스의 유량(Q)을, Q=FF·S·P1(1/T1)1/2(단, 오리피스 단면적(S), 상기 오리피스의 상류측의 가스의 온도(T1))에 의해 산출하는 제3스텝을 구비하는 압력식 유량 제어 장치의 유량 산출 방법.
  5. 혼합 가스가 통과하는 오리피스의 상류측에 유량 조절수단이 배치된 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 방법으로서,
    제 4 항에 기재된 유량 산출 방법에 의해서 상기 오리피스를 통과하는 상기 혼합 가스의 유량(Q)을 산출하는 스텝과,
    산출된 상기 유량(Q)이 소정의 목표유량(Q0)으로 되도록 상기 유량 조절수단을 조정하는 스텝을 구비하는 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 방법.
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