KR102421590B1 - 유량 제어 방법 및 유량 제어 장치 - Google Patents
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Abstract
유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브(6)와, 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브(8)와, 제 1 컨트롤 밸브의 하류측의 유체 압력을 측정하는 압력 센서(3)를 구비하는 유량 제어 장치(100)를 사용하여 행하는 유량 제어 방법은, (a) 압력 센서의 출력에 의거하여 제 1 유량이 되도록 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어하면서 제 2 컨트롤 밸브를 개방한 상태로 유지하여 제 1 유량으로 유체를 흘리고 있는 상태로부터, 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 폐쇄하는 스텝과, (b) 압력 센서의 출력에 의거하여 제 1 컨트롤 밸브의 하류에 잔류하는 압력을, 제 2 컨트롤 밸브의 개도를 조정함으로써 제어하여 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 제 2 유량으로 유체를 흘리는 스텝을 포함한다.
Description
본 발명은 유량 제어 방법 및 유량 제어 장치에 관한 것이고, 특히 반도체 제조 장치나 화학 플랜트 등에 있어서 적합하게 이용되는 유량 제어 방법 및 유량 제어 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 장치나 화학 플랜트에 있어서, 재료 가스나 에칭 가스 등의 유체의 흐름을 제어하기 위해서, 다양한 타입의 유량계나 유량 제어 장치가 이용되고 있다. 이 중에서, 압력식 유량 제어 장치는 컨트롤 밸브와 스로틀부(예를 들면, 오리피스 플레이트)를 조합시킨 비교적 간단한 기구에 의해 각종 유체의 유량을 고정밀도로 제어할 수 있으므로 널리 이용되어 있다. 또한, 압력식 유량 제어 장치는 1차측 공급압이 크게 변동되어도 안정적인 유량 제어가 행해진다고 하는 우수한 유량 제어 특성을 갖고 있다.
압력식 유량 제어 장치에 사용되는 컨트롤 밸브로서는 금속 다이어프램 밸브체를 압전소자 구동 장치(이하, 피에조 액츄에이터라고 부르는 경우가 있음)에 의해 개폐시키는 압전소자 구동식 밸브가 사용되어 있다. 특허문헌 1에, 압력식 유량 제어 장치가 개시되어 있고, 특허문헌 2에 컨트롤 밸브로서 사용되는 노멀 오픈형의 압전소자 구동식 밸브가 개시되어 있다.
압력식 유량 제어 장치는 스로틀부의 상류측의 유체 압력(이하, 상류 압력이라고 부르는 경우가 있음)을 제어함으로써 유량을 조정하도록 구성되어 있다. 상류 압력은 스로틀부 상류측에 설치된 컨트롤 밸브의 개도를 조정함으로써 제어할 수 있고, 컨트롤 밸브를 이용하여 상류 압력을 소망 유량에 대응하는 압력과 일치시킴으로써 소망 유량으로 유체를 흘릴 수 있다.
그러나, 압력식 유량 제어 장치에서는 오리피스 플레이트 등의 미세한 개구부를 가진 스로틀부가 사용되어 있으므로, 유량을 스텝 다운, 즉 고설정 유량으로부터 저설정 유량으로 이행시킬 때에 응답성을 높게 하는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있었다. 스텝 다운시의 응답성을 높게 할 수 없는 주된 이유는 컨트롤 밸브와 스로틀 사이의 가스를, 스로틀부를 통해서 유출시키는 구성이므로, 컨트롤 밸브를 스로틀링했다고 해도 상류 압력 및 유량을 급속하게 저하시키는 것은 곤란하기 때문이다.
이러한 유량 스텝 다운시의 응답성에 대한 대책으로서는, 컨트롤 밸브와 스로틀부 사이의 유로 용적을 가능한 한 작게 하는 것이 고려된다. 그러나, 압력식 유량 제어 장치는 컨트롤 밸브와 스로틀부 사이의 유체 압력을 압력 센서의 출력 등에 의거해서 제어하므로, 상기 유로 용적을 감소시키는 것에도 한계가 있다. 이 때문에, 특히 스로틀부의 개구지름이 작은 소유량 레인지에서의 유량 제어를 행할 때에는 역시 충분한 스텝 다운 응답성이 얻어지지 않고, 종래의 제어 방식에서는 100% 유량으로부터 5% 유량으로 저하시킬 때에 2초 이상의 시간을 요하는 경우도 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 특히 유량 스텝 다운시의 응답성을 향상시킬 수 있는 유량 제어 방법 및 유량 제어 장치를 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 방법은 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측 또한 상기 제 2 컨트롤 밸브의 상류측의 유체 압력을 측정하는 압력 센서를 구비하고, 상기 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어함으로써 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 흐르는 유체의 유량을 제어하도록 구성된 유량 제어 장치를 이용하여 행하는 유량 제어 방법으로서, (a) 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 제 1 유량이 되도록 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어하면서 상기 제 2 컨트롤 밸브를 개방한 상태로 유지하여 상기 제 1 유량으로 유체를 흘리고 있는 상태로부터, 상기 제 1 컨트롤 밸브를 폐쇄하는 스텝과, (b) 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 잔류하는 압력을, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도를 조정함으로써 제어하고, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 제 2 유량으로 유체를 흘리는 스텝을 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 스텝 (b)에 있어서 α를 비례정수, ΔP/Δt를 상기 압력 센서가 출력하는 상류 압력의 변화 ΔP와 상기 상류 압력의 변화 ΔP에 요한 시간 Δt의 비인 압력 변화율, V를 상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 내용적이라고 했을 때, Q=α·(ΔP/Δt)·V로 나타내어지는 빌드다운 유량 Q가 상기 제 2 유량과 일치하도록 상기 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도가 피드백 제어된다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 방법은 상기 스텝 (b)를 행한 후, 상기 압력 센서의 출력이 소정값까지 저하한 시점에서, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어하여 상기 제 2 유량으로 하류에 유체를 흘리는 스텝 (c)를 더 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 스텝 (a)에 있어서, 상기 제 1 유량으로 유체를 흘리고 있을 때, 및 상기 스텝 (c)에 있어서 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어하여 상기 제 2 유량으로 유체를 흘릴 때, 상기 제 2 컨트롤 밸브는 전개(全開)로 개방되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 스텝 (a)에 있어서 상기 제 1 컨트롤 밸브는, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 상기 제 2 유량이 되도록 제어할 때의 개도보다 작은 개도로 폐쇄된다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 스텝 (a)에 있어서 상기 제 1 컨트롤 밸브를 폐쇄하는 타이밍과, 상기 스텝 (b)에 있어서 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도의 조정을 개시하는 타이밍이 동기하고 있다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측 또한 상기 제 2 컨트롤 밸브의 상류측의 유체 압력을 측정하는 압력 센서와, 상기 제 1 컨트롤 밸브 및 상기 제 2 컨트롤 밸브의 동작을 제어하는 제어 회로로서, 상기 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브를 제어함으로써 유량을 제어하도록 구성된 제어 회로를 구비하고, 상기 제어 회로는 (a) 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 제 1 유량이 되도록 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어하면서 상기 제 2 컨트롤 밸브를 개방한 상태로 유지하여 상기 제 1 유량으로 유체를 흘리고 있는 상태로부터, 상기 제 1 컨트롤 밸브를 폐쇄하는 스텝과, (b) 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류에 잔류하는 압력을, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도를 조정함으로써 제어하고, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 제 2 유량으로 유체를 흘리는 스텝을 실행하도록 구성되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 2 컨트롤 밸브는 노멀 오픈형의 밸브이다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 장치는 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 별도의 압력 센서를 더 구비한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측 또한 상기 제 2 컨트롤 밸브의 상류측의 유체 압력을 측정하는 압력 센서를 구비하고, 상기 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 하류측의 유량을 제어하는 유량 제어 장치로서, 제 1 유량으로부터 상기 제 1 유량보다 작은 제 2 유량으로 유량을 제어할 때에, 상기 제 1 컨트롤 밸브를 폐쇄함과 아울러, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도를 제어하고, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류에 잔류한 압력의 변화율이, 상기 제 2 컨트롤 밸브로부터 유출될 때의 유량이 상기 제 2 유량으로 될 때의 변화율과 일치하도록, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도를 제어한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 컨트롤 밸브는 상기 제 1 유량으로부터 상기 제 2 유량으로 유량을 제어할 때에, 상기 제 2 유량에 대응하는 개도보다 작은 개도로 제어된다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도는 α를 비례정수, ΔP/Δt를 상기 압력 센서가 출력하는 상류 압력의 변화 ΔP와 상기 상류 압력의 변화 ΔP에 요한 시간 Δt의 비인 압력 변화율, V를 상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 내용적이라고 했을 때, Q=α·(ΔP/Δt)·V로 나타내어지는 유량 Q가 상기 제 2 유량으로 될 때의 ΔP/Δt를 유지할 수 있는 개도로 제어된다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 장치는 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 별도의 압력 센서를 더 구비한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측 또한 상기 제 2 컨트롤 밸브의 상류측의 유체 압력을 측정하는 제 1 압력 센서를 구비하고, 상기 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 하류측의 유량을 제어하는 유량 제어 장치로서, 제 1 유량으로부터 상기 제 1 유량보다 작은 제 2 유량으로 유량을 제어할 때에, Q=K1·P1에 의한 유량의 제어로부터, Q=α·(ΔP/Δt)·V에 의한 제어로 스위칭하여 유량을 제어하고, 상기 제 1 압력 센서의 압력이 소정의 압력에 도달한 시점에서, Q=K1·P1에 의한 제어로 되돌리는 것을 특징으로 하고, 여기서 Q는 유량, K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, P1은 상기 제 1 압력 센서가 출력하는 상류 압력, α는 비례정수, ΔP/Δt는 상기상류 압력의 압력 변화율, V는 상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 내용적이다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 압력 센서의 압력이 Q=K1·P1에 의한 제어에 있어서의 상기 제 2 유량에 상당하는 압력에 도달한 시점에서, Q=α·(ΔP/Δt)·V에 의한 제어로부터 Q=K1·P1에 의한 제어로 되돌려진다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측 또한 상기 제 2 컨트롤 밸브의 상류측의 유체 압력을 측정하는 제 1 압력 센서와, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측의 유체 압력을 측정하는 제 2 압력 센서를 구비하고, 상기 제 1 및 제 2 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 하류측의 유량을 제어하는 유량 제어 장치로서, 제 1 유량으로부터 상기 제 1 유량보다 작은 제 2 유량으로 유량을 제어할 때에, Q=K2·P2m(P1-P2)n에 의한 유량의 제어로부터, Q=α·(ΔP/Δt)·V에 의한 제어로 스위칭하여 유량을 제어하고, 상기 제 1 및 제 2 압력 센서의 압력이 소정의 압력에 도달한 시점에서, Q=K2·P2m(P1-P2)n에 의한 제어로 되돌리는 것을 특징으로 하고, 여기서 Q는 유량, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, P1은 상기 제 1 압력 센서가 출력하는 상류 압력, P2는 상기 제 2 압력 센서가 출력하는 하류 압력, m 및 n은 실제의 유량을 바탕으로 도출되는 지수, α는 비례정수, ΔP/Δt는 상기 상류 압력의 압력 변화율, V는 상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 내용적이다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 압력 센서의 압력이 Q=K2·P2m(P1-P2)n에 의한 제어에 있어서의 상기 제 2 유량에 상당하는 압력에 도달한 시점에서, Q=α·(ΔP/Δt)·V에 의한 제어로부터 Q=K2·P2m(P1-P2)n에 의한 제어로 되돌린다.
또한, 소정 실시형태에 있어서, 유량 제어 장치에는 개도 조정 가능한 제 1 컨트롤 밸브 및 제 2 컨트롤 밸브와, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 개도 고정의 스로틀부가 설치되어 있어도 좋다. 상기 스로틀부와 상기 제 2 컨트롤 밸브는 일체적으로 설치되어 오리피스 내장 밸브를 구성하고 있어도 좋다. 또한, 제 1 유량으로부터, 상기 제 1 유량보다 작은 제 2 유량으로 유량을 저하시킬 때, 상기 스텝 (a)에 있어서, 제 1 컨트롤 밸브를 제 2 유량에 대응하는 개도보다 작은 개도로 폐쇄함과 아울러, 스텝 (b)에 있어서 제 1 컨트롤 밸브를 폐쇄하는 동작에 연동시켜서, 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 폐쇄한 상태로 유지한 채, 제 2 컨트롤 밸브의 개도를 제 2 유량에 적합하도록 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 제어해도 좋다.
(발명의 효과)
본 발명의 실시형태에 의하면, 유량을 저하시킬 때의 응답성을 향상시킬 수 있는 유량 제어 방법 및 유량 제어 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 의한 유량 스텝 다운시에 있어서의 유량 제어 방법을 설명하기 위한 도면이고, (a)은 설정 유량, (b)는 제어 유량, (c)는 상류 압력 P1, (d)는 제 1 컨트롤 밸브의 구동 전압, (e)는 제 2 컨트롤 밸브의 구동 전압을 각각 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 의한 유량 스텝 다운시에 있어서의 유량 제어 방법을 설명하기 위한 도면이고, (a)은 설정 유량, (b)는 제어 유량, (c)는 상류 압력 P1, (d)는 제 1 컨트롤 밸브의 구동 전압, (e)는 제 2 컨트롤 밸브의 구동 전압을 각각 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 방법을 나타내는 플로우차트이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이하에 설명하는 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시형태의 유량 제어 방법을 행하는 유량 제어 장치(100)의 구성을 나타낸다. 유량 제어 장치(100)는 도시하지 않은 가스 공급원으로부터 공급되는 가스(G0)의 유로(1)에 설치된 제 1 컨트롤 밸브(6)와, 제 1 컨트롤 밸브(6)의 하류측에 설치된 스로틀부(2)와, 제 1 컨트롤 밸브(6) 및 스로틀부(2)의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브(8)와, 제 1 컨트롤 밸브(6)와 스로틀부(2) 사이의 가스의 압력(상류 압력 P1) 및 가스 온도 T를 검출하는 제 1(또는 상류) 압력 센서(3) 및 온도 센서(5)를 구비하고 있다.
본 실시형태의 유량 제어 장치(100)는 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측의 하류 압력 P2을 측정하는 제 2(또는 하류) 압력 센서(4)를 더 구비하고 있다. 제 1 압력 센서(3)는 제 1 컨트롤 밸브(6)와 스로틀부(2) 사이의 유체 압력인 상류 압력 P1을 측정할 수 있고, 제 2 압력 센서(4)는 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측의 압력인 하류 압력 P2를 측정할 수 있다. 단, 다른 형태에 있어서, 유량 제어 장치(100)는 제 2 압력 센서(4) 및 온도 센서(5)를 구비하고 있지 않아도 좋다.
또한, 후술하는 바와 같이, 스로틀부(2)와 제 2 컨트롤 밸브(8)는 오리피스 내장 밸브(9)로서 일체적으로 형성되고, 스로틀부(2)와 제 2 컨트롤 밸브(8)의 밸브체는 근접해서 배치되는 경우가 있다. 이 경우, 상기 형태와는 달리, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측에 스로틀부(2)를 배치할 수도 있다. 또한, 스로틀부(2)가 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측에 배치되어 있는 경우, 제 1 압력 센서(3)는 제 1 컨트롤 밸브(6)와 제 2 컨트롤 밸브(8) 사이의 유체 압력인 상류 압력 P1을 측정하게 된다. 제 1 압력 센서(3)는 제 1 컨트롤 밸브(6)의 하류측 또한 제 2 컨트롤 밸브(8)의 상류측의 유체 압력을 검출하도록 배치되어 있으면 좋고, 제 1 컨트롤 밸브(6)와 스로틀부(2) 사이의 유체 압력을 측정하는 것이어도 좋고, 제 1 컨트롤 밸브(6)와 제 2 컨트롤 밸브(8) 사이의 유체 압력을 측정하는 것이어도 좋다.
유량 제어 장치(100)는 제 1 컨트롤 밸브(6) 및 제 2 컨트롤 밸브(8)에 접속된 제어 회로(7)를 더 구비하고 있다. 제어 회로(7)는 제 1 압력 센서(3)가 출력하는 신호에 의거하여 제 1 컨트롤 밸브(6)의 개도를 제어함으로써 유량을 제어함과 아울러, 유량 스텝 다운일 때에는 제 1 압력 센서(3)가 출력하는 신호에 의거하여 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도를 제어함으로써 유량을 제어하도록 구성되어 있다. 또한, 도시하는 형태에서는 제어 회로(7)가 제 1 컨트롤 밸브(6)와 제 2 컨트롤 밸브(8)의 쌍방에 공통적으로 설치되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 제 1 컨트롤 밸브(6) 및 제 2 컨트롤 밸브(8)의 각각에 대하여 별개의 제어 회로가 설치되어 있어도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
제어 회로(7)는 유량 제어 장치(100)에 내장된 것이어도 좋고, 유량 제어 장치(100)의 외부에 설치된 것이어도 좋다. 제어 회로(7)는, 전형적으로는 CPU, ROM이나 RAM 등의 메모리(기억 장치) M, A/D 컨버터 등을 내장하고 있으며, 후술하는 유량 제어 동작을 실행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함하고 있어도 좋다. 제어 회로(7)는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에 의해 실현될 수 있다.
제어 회로(7)는 컴퓨터 등의 외부 장치와 정보를 교환하기 위한 인터페이스를 구비하고 있어도 좋고, 이것에 의해 외부 장치로부터 ROM으로의 프로그램 및 데이터의 써넣기 등을 행할 수 있다. 제어 회로(7)의 구성요소(CPU 등)는 모두가 장치 내에 일체적으로 설치되어 있을 필요는 없고, CPU 등의 일부의 구성요소를 별도의 장소(장치 외)에 배치하고, 버스에 의해 서로 접속하는 구성으로 해도 좋다. 그 때, 장치 내와 장치 외를 유선 뿐만 아니라 무선으로 통신하도록 해도 좋다.
유량 제어 장치(100)의 하류측은 도시하지 않은 하류 밸브를 통해서, 예를 들면 반도체 제조 장치의 프로세스 쳄버에 접속되어 있다. 프로세스 쳄버에는 진공펌프가 접속되어 있고, 전형적으로는 프로세스 쳄버의 내부가 진공 배기된 상태에서, 유량 제어 장치(100)로부터 유량 제어된 가스(G1)가 프로세스 쳄버에 공급된다. 상기 하류 밸브로서는, 예를 들면 압축 공기에 의해 개폐 동작이 제어되는 공지의 공기 구동 밸브(Air Operated Valve)나 전자 밸브 등의 온오프 밸브를 사용할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 스로틀부(2)는 오리피스 플레이트에 의해 구성되어 있다. 오리피스 플레이트는 오리피스 단면적이 고정되어 있으므로, 개도가 고정된 스로틀부로서 기능한다(또한, 오리피스에 막힘이나 경년 열화 등이 발생되어 오리피스 단면적은 의도하지 않고 변화될 수 있지만, 본 명세서에서는 의도적으로 개도를 제어하도록 구성되어 있지 않는 스로틀부를 개도 고정의 스로틀부라고 부르기로 함). 본 명세서에 있어서, 「스로틀부」란 유로의 단면적을 앞뒤의 유로 단면적보다 작게 제한한 부분을 의미하고, 예를 들면 오리피스 플레이트나 경계 노즐, 음속 노즐, 슬릿 구조 등을 이용하여 구성되지만, 다른 것을 이용하여 구성할 수도 있다. 오리피스 또는 노즐의 지름은, 예를 들면 10㎛∼500㎛로 설정된다.
제 1 컨트롤 밸브(6) 및 제 2 컨트롤 밸브(8)로서는, 개도 조정 가능한 밸브가 사용되고, 예를 들면 금속제 다이어프램 밸브체를 피에조 액츄에이터를 이용하여 개폐하는 공지의 압전소자 구동식 밸브가 사용된다. 압전소자 구동식 밸브는 압전소자에의 구동 전압에 따라 개도를 변경하는 것이 가능하도록 구성되어 있고, 구동 전압의 제어에 의해 임의 개도로 조정하는 것이 가능하다.
유량 제어 장치(100)에 있어서, 제 1 컨트롤 밸브(6)는 제어 회로(7)에 의해 제 1 압력 센서(3)로부터의 출력에 의거해서 그 개도가 제어되고, 제 1 압력 센서(3)로부터 출력되는 상류 압력 P1이 입력된 설정값으로 유지되도록 피드백 제어 된다. 제 1 컨트롤 밸브(6)는 유량 제어의 주요 밸브, 즉 메인 유량 제어 밸브로서 사용된다. 제 1 컨트롤 밸브(6)에는, 여기서는 노멀 클로즈형의 밸브가 사용되고 있다. 또한, 제 1 컨트롤 밸브(6)로서, 노멀 오픈형의 밸브를 사용해도 좋다.
한편, 제 2 컨트롤 밸브(8)는 유량을 고유량으로부터 저유량으로 스텝 다운시킬 때에 주로 사용되는 것이며, 스텝 다운 유량 제어 밸브로서의 기능을 갖고 있다. 여기서, 스텝 다운 유량 제어 방식이란, 소위 빌드다운식의 유량 제어를 의미하고 있다. 제 2 컨트롤 밸브(8)는 유량의 스텝 다운을 행할 때 이외에는 전개 또는 적어도 스로틀부(2)의 개구 면적보다 큰 개구 단면적을 갖는 개도로 유지된다. 제 2 컨트롤 밸브(8)는 노멀 클로즈형 또는 노멀 오픈형 중 어느 것이어도 좋지만, 노멀 오픈형의 밸브를 사용하면, 유량 스텝 다운 기간 이외의 기간에는 구동 전압을 인가할 필요가 없으므로 저소비 전력화를 실현할 수 있다. 제 2 컨트롤 밸브(8)는 전개시에 스로틀부(2)의 하류측의 흐름을 제한하지 않도록 설계되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 바와 같이, 본 실시형태에서는 제 2 컨트롤 밸브(8)와 스로틀부(2)가 일체적으로 형성되어 있고, 이들은 오리피스 내장 밸브(9)를 구성하고 있다. 오리피스 내장 밸브(9)는, 예를 들면 특허문헌 3에 기재되어 있고, 본 실시형태에서도 마찬가지의 구성의 오리피스 내장 밸브를 사용할 수 있다. 오리피스 내장밸브(9)에서는 제 2 컨트롤 밸브(8)의 밸브체와 스로틀부(2)로서의 오리피스 플레이트가 근접해서 배치되어 있으며, 이들 사이의 유로 용적은 대략 0으로 간주해도 좋다. 이 때문에, 오리피스 내장 밸브(9)를 사용하면, 유량의 입상 및 입하의 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 오리피스 내장 밸브(9)를 사용하는 경우, 제 1 컨트롤 밸브(6)와 제 2 컨트롤 밸브(8) 사이의 내용적 V는 제 1 컨트롤 밸브(6)와 오리피스 플레이트까지의 내용적과 등가라고 생각할 수 있다. 이 때문에, 후술하는 바와 같이, 상기 내용적 V를 이용하여 유량 제어를 행하는 경우에, 비교적 높은 정밀도로 근사적인 내용적 V가 얻어지기 쉽다고 하는 이점이 있다.
상술한 바와 같이, 스로틀부(2)(여기서는, 오리피스 플레이트)와 제 2 컨트롤 밸브(8)는 무엇이 상류측에 설치되어 있어도 좋지만, 스로틀부(2)와 제 2 컨트롤 밸브(8) 사이의 용적(여기서는, 오리피스 플레이트와, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 다이어프램 밸브체 및 시트부에 의해 둘러싸인 공간)을 극력 작은 용적으로 하는 것이 요망된다.
이상에 설명한 유량 제어 장치(100)는 통상의 유량 제어 모드에 있어서, 임계 팽창 조건 P1/P2≥약 2(아르곤 가스의 경우)를 충족시킬 때, 유량은 상류 압력 P1에 의해 결정된다고 하는 원리를 이용해서 유량 제어를 행한다. 임계 팽창 조건을 충족시킬 때, 스로틀부(2)의 하류측의 유량 Q는 Q=K1·P1(여기서, K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수)에 의해 부여되고, 유량 Q는 상류 압력 P1에 비례한다. 또한, 제 2 압력 센서(4)를 구비하는 경우, 상류 압력 P1과 하류 압력 P2의 차가 작고, 상기 임계 팽창 조건을 충족하지 않는 경우라도, 유량을 연산에 의해 구할 수 있고, 제 1 압력 센서(3) 및 제 2 압력 센서(4)에 의해 측정된 상류 압력 P1 및 하류 압력 P2에 의거하여 Q=K2·P2m(P1-P2)n(여기서, K2는 유체의 종류와 유체온도에 의존하는 정수, m, n은 실제의 유량을 바탕으로 도출되는 지수)로부터 유량Q를 구할 수 있다.
외부 제어 장치 등으로부터 제어 회로(7)에 설정 유량 신호가 보내지면, 제어 회로(7)는 제 1 압력 센서(3)의 출력 등에 의거해서 임계 팽창 조건 또는 비임계 팽창 조건에 있어서의 유량 계산식을 이용하여 유량을 상기 Q=K1·P1 또는 Q=K2·P2m(P1-P2)n으로부터 연산한다. 그리고, 스로틀부(2)를 통과하는 유체의 유량이 설정 유량에 가깝도록(즉, 연산 유량과 설정 유량의 차가 0에 가깝도록), 제 1 컨트롤 밸브(6)를 피드백 제어한다. 연산 유량은, 예를 들면 제어 유량 출력값으로서 표시 장치에 표시되어도 좋다.
본 실시예의 유량 제어 장치(100)는, 또한 유량의 스텝 다운을 행할 때에는 이하에 설명하는 방법에 의해 유량 제어를 행할 수 있다.
도 2는 본 실시형태의 유량 제어 방법에 의해 스텝 다운을 행할 때의 (a) 설정 유량, (b) 제어 유량, (c) 상류 압력 P1, (d) 제 1 컨트롤 밸브(6)(제 1 밸브라고 기재)의 구동 전압, (e) 제 2 컨트롤 밸브(8)(제 2 밸브라고 기재)의 구동 전압의 각각을 나타내는 그래프이다. 도 2에는 설정 유량을 100%로부터 5%로 스텝 다운시키는 예가 나타내어져 있다. 단, 스텝 다운 개시시의 설정 유량 및 스텝 다운 후의 목표 설정 유량은 임의이며 양호한 것은 말할 필요도 없다. 본 실시형태의 유량 제어 방법은 제 1 설정 유량으로부터, 이것보다 작은 제 2 설정 유량으로 유량을 저하시키는 임의의 형태에 있어서 적합하게 실시된다.
이하, 설정 유량·목표 유량 등의 유량값은 모두 소정의 유량값을 100%로 한 비율로 표기한다. 또한, 임계 팽창 조건의 성립시에는 유량과 상류 압력 P1이 비례하는 것을 가미하고, 유량값이 100%일 때의 상류 압력을 100%로 해서 상류 압력도 비율로 표기하는 경우가 있다.
또한, 도 2(d) 및 (e)에는 제 1 컨트롤 밸브(6)가 노멀 클로즈형(NC)이고, 제 2 컨트롤 밸브(8)가 노멀 오픈형(NO)일 때의 구동 전압이 나타내어져 있다. 제 1 컨트롤 밸브(6)는 구동 전압이 낮을수록 밸브 개도가 작고, 구동 전압이 0(전압 무인가)일 때에 완전하게 밸브 폐쇄(CLOSE)한다. 한편, 제 2 컨트롤 밸브(8)는 구동 전압이 높을수록 밸브 개도가 작고, 구동 전압이 0(전압 무인가)일 때에 전개(OPEN)의 상태로 된다.
우선, 스텝 다운 개시 전에 있어서의 설정 유량이 100% 유량인 경우, 제 1 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 100% 유량에 대응하는 개도로 제 1 컨트롤 밸브(6)의 개도가 조정된다. 이 때, 제 2 컨트롤 밸브(8)는 충분히 개방된 상태로 유지되고 있으며, 전형적으로는 전개(OPEN)로 개방되어 있다. 이 상태에 있어서, 100% 유량으로 스로틀부(2) 및 제 2 컨트롤 밸브(8)를 통해서 하류측으로 유체를 흘릴 수 있다. 100% 유량으로 가스를 흘리고 있을 때 상류 압력 P1의 값은, 본 실시예에서는 300kPa abs로 유지되어 있다.
이어서, 도 2에 나타내는 시각 t0에 100% 유량으로 유체를 흘리고 있는 상태로부터 5% 유량으로의 스텝 다운을 개시한다. 이 때, 시각 t0에 있어서, 도 2(d)에 나타내는 바와 같이 제 1 컨트롤 밸브(6)를 5% 유량에 대응하는 개도보다 작은 개도로 폐쇄하는 동작, 본 실시형태에서는 제 1 컨트롤 밸브(6)를 완전하게 폐쇄하는 동작(CLOSE)을 행한다. 제 1 컨트롤 밸브(6)로서 노멀 클로즈형의 밸브가 사용되고 있는 경우에는 구동 전압을 0으로 변경함으로써 제 1 컨트롤 밸브(6)를 전폐 상태로 할 수 있다. 또한, 제어로서는 설정 유량 제로 신호를 제 1 컨트롤 밸브(6)에 입력하도록 해도 좋다.
또한, 시각 t0에 있어서, 제 1 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄하는 동작에 연동시켜서, 도 2(e)에 나타내는 바와 같이 5% 유량으로 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측에 가스를 흘릴 수 있도록 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도를 조절하는 동작이 개시된다. 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도는 최대로 스로틀링된 상태를 보이는 시각 t1에 있어서, 전형적으로는 스로틀부(2)의 개구 면적보다도 작은 개도까지 스로틀링한다.
이와 같이, 본 실시형태에서는 유량 스텝 다운의 개시 후, 제 1 컨트롤 밸브(6)는 완전 폐쇄로 폐쇄되는 한편으로, 제 2 컨트롤 밸브(8)는 전형적으로는 스로틀부(2)의 개구 면적보다 작은 개도까지 폐쇄된다. 제 1 컨트롤 밸브(6)가 시각 t0에 있어서 급속하게 폐쇄되므로, 종래와 같이 5% 유량에 대응하는 상류 압력 P1에 도달할 때까지 제 1 컨트롤 밸브(6)를 서서히 스로틀링해 가는 경우와 비교해서, 상류 압력 P1 및 제어 유량은 급속하게 저하한다. 그리고, 동시에 제 2 컨트롤 밸브(8)는 충분하게 작은 개도(전형적으로는 스로틀부(2)의 개구 면적보다 작은 개도)까지 스로틀링되므로, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도 조정에 의해 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측의 유량을 제어할 수 있는 상태로 된다. 이 상태에 있어서는 제 1 컨트롤 밸브(6)를 통한 상류측으로부터의 가스의 유입이 없고, 제 1 컨트롤 밸브(6)와 스로틀부(2) 사이의 잔류 가스, 보다 상세하게는 제 1 컨트롤 밸브(6)와 제 2 컨트롤 밸브(8) 사이의 잔류 가스가 제 2 컨트롤 밸브(8)를 통해서 유출한다.
상기 잔류 가스의 압력은 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도 조정을 행하지 않는 경우, 유출 시간과 함께 지수함수적으로 계속해서 감소되게 된다. 이 때문에, 제 2 컨트롤 밸브(8)에 대해서는 시각 t0 후에 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측을 흐르는 유체를 5% 유량으로 흘릴 수 있도록 개도 제어를 행한다.
보다 구체적으로는, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측에 흐르는 가스의 유량이 5% 유량으로 일정하게 유지되기 때문에, 본 실시형태에서는 시각 t0에 있어서, 제 1 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 ΔP/Δt가 5% 설정에 대응하는 값과 일치하도록 제 2 컨트롤 밸브(8)를 피드백 제어하는 빌드다운 제어 모드로 스위칭된다. 여기서, ΔP/Δt는 제 1 압력 센서(3)가 출력하는 상류 압력 P1의 변화 ΔP와, 상류 압력 P1의 변화 ΔP에 요한 시간 Δt의 비인 상류 압력 P1의 압력 변화율 또는 압력 강하의 기울기에 대응하는 것이다.
이것은 제 1 컨트롤 밸브(6)가 폐쇄된 상태에서, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측에 흐르는 가스의 유량 Q는 Q=α·(ΔP/Δt)·V로 나타낼 수 있고(단, α는 비례정수, V는 제 1 컨트롤 밸브(6)와 제 2 컨트롤 밸브(8) 사이의 내용적), ΔP/Δt가 일정하면 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측에 있어서의 유량도 일정하게 유지되기 때문이다. 또한, 상기한 바와 같이, 제 2 컨트롤 밸브(8)와 스로틀부(2)가 오리피스 내장 밸브의 형식으로 일체적으로 설치되어 있는 경우에는, 상기 내용적 V는 제 1 컨트롤 밸브(6)로부터 스로틀부(2)까지의 유로 용적과 동등한 것으로 간주할 수 있다. 내용적 V는 제 1 컨트롤 밸브(6)의 하류측의 유로의 지름 등으로부터 미리 구해 둘 수 있다. 또한, 내용적 V는 제 1 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄하여 그 하류측을 진공압으로 유지한 상태로부터, 제 1 컨트롤 밸브(6)를 개방함과 아울러 제 2 컨트롤 밸브(8)를 폐쇄하고, 용적 V의 공간에 기지의 기준 유량으로 가스를 유입했을 때의 압력 상승률(ΔP/Δt)을 측정하고, 소위 압력 상승률법을 이용해서 계산에 의해 구하는 것도 가능하다(예를 들면, 특허문헌 4에 개시).
상기와 같은 ΔP/Δt의 측정에 의거하여 유량 Q를 구하고, 소위 빌드다운 방식(예를 들면, 특허문헌 5에 개시)은 전형적으로는 하류측이 진공압 등의 저압으로 유지된 상태에서 상류측의 밸브를 폐쇄한 후의 ΔP/Δt를 측정함으로써 유량 Q를 구하는 방식이다. 보다 구체적으로는, 예를 들면 특허문헌 5에 기재된 바와 같이, Q=(1000/760)×60×(273/(273+T))×V×(ΔP/Δt)에 의해 유량을 구할 수 있다. 여기서, T는 가스 온도(℃)이고, V는 상기 내용적(l)이고, ΔP는 압력 강하의 크기(절대값)(torr)이고, Δt는 ΔP의 압력 강하에 요한 시간(sec)이다.
본 실시형태에 있어서도, 빌드다운 방식에 의거하여 소망 유량(즉, 스텝 다운 후의 목표 유량이며, 여기서는 5% 유량)에 대응하는 ΔP/Δt를 구해 두고, 이 ΔP/Δt가 유지되도록, 제 1 압력 센서(3)의 출력에 의거한 피드백 제어에 의해 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도 조정을 행함으로써, 소망의 일정 유량으로 잔류 가스를 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측으로 계속해서 흘릴 수 있다. 또한, 상기 식으로부터 알 수 있는 바와 같이 가스 온도 T에 의해서도 유량이 변동하기 때문에, 가스 온도T를 측정하는 온도 센서(5)의 출력도 사용해서 ΔP/Δt의 제어를 행하면, 보다 향상된 정밀도로 유량 제어를 행할 수 있다.
상기 빌드다운 방식의 유량 제어를 제 2 컨트롤 밸브(8)에 적용한 경우, 시각 t0에 제 1 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄한 직후에는 상류 압력 P1의 변화율 ΔP1/Δt(도 2(c)에 나타내는 상류 압력 P1의 그래프의 기울기)가 소망 유량에 대응하는 압력 변화율 ΔP1/Δt보다 크므로, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도는 스로틀링된다. 그 후, 제 2 컨트롤 밸브(8)가 충분하게 스로틀링됨과 아울러, 상류 압력 P1의 변화율도 서서히 완만해진다. 그리고, 시각 t1에 있어서, 측정에 의해 얻어진 변화율 ΔP1/Δt가 5% 유량에 상당하는 변화율 ΔP1/Δt에 도달할 때까지 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도가 스로틀링되었을 때에, 제 2 컨트롤 밸브(8)는 최대로 스로틀링된 상태로 되고, 제어 유량도 5% 유량까지 저하된다.
또한, 상기한 바와 같이 해서 5% 유량에 대응하는 개도까지 제 2 컨트롤 밸브(8)를 최대로 스로틀링한 시각 t1 후라도, ΔP1/Δt를 일정한 값으로 유지하는 제어를 계속해서 행하지만, 금번에는 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도는 서서히 개방되게 된다. 이것은 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도가 일정한 상태라면 잔류 가스의 압력의 저하에 수반하여 유량의 저하가 발생되므로 ΔP1/Δt, 즉 유량을 일정한 값으로 유지하기 위해서는 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도를 개방해 가는 것이 필요하게 되기 때문이다. 이 기간에 있어서도, 제 1 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄한 상태로 유지한 채, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도는 제 1 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 ΔP1/Δt가 일정한 값을 유지하도록 피드백 제어에 의해 조정된다.
그 후, 빌드다운 방식의 유량 제어에 의해 ΔP/Δt가 소망값으로 되도록 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도를 계속해서 조정하는 동안, 잔류 가스는 상류 압력 P1의 저하를 수반하면서 일정 유량으로 유출한다. 그리고, 제 1 압력 센서(3)의 출력값이 제 1 컨트롤 밸브(6)를 사용한 통상 유량 제어 모드에 있어서의 5% 유량에 대응하는 상류 압력(여기서는, 15kPa abs)까지 저하했을 때를 시각 t2라고 하면, 본 실시형태에서는 시각 t2에 제 1 컨트롤 밸브(6)를 5% 유량에 대응하는 개도(제 1 컨트롤 밸브(6)로부터 스로틀부(2)까지의 내용적의 압력이 15kPa abs로 제어되는 개도)로 개방하도록 하고 있다. 이것에 의해, 제 1 컨트롤 밸브(6)의 상류로부터 가스가 흘러들고, 그 후에도 제 1 컨트롤 밸브(6) 및 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류에 5% 유량으로 가스를 계속해서 흘릴 수 있다. 또한, 시각 t2 후에는 제 2 컨트롤 밸브(8)는 전형적으로는 전개로 개방된 상태로 유지되지만, 제 2 컨트롤 밸브(8)가 노멀 오픈형인 경우에는 구동 전압을 0(전압 무인가)으로 해서 전개(OPEN)로 해 두면 좋다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는 제 2 컨트롤 밸브(8)를 사용한 ΔP/Δt의 측정 결과에 근거한 유량 제어(빌드다운 유량 제어)가 가능하고, 제 1 컨트롤 밸브(6)의 개도 조정에 의한 통상 유량 제어 모드로부터, 유량 스텝 다운 시에는 빌드다운 유량 제어 모드로 스위칭하고, 그 후 다시 통상 유량 제어 모드로 스위칭하는 동작이 행해진다.
단, 다른 형태에 있어서, 통상 유량 제어 모드 후, 유량 스텝 다운을 개시할 때에, 우선 제 2 컨트롤 밸브(8)를 소정의 개도까지 급속하게 스로틀링하는 제어를 행하고, 그 후 빌드다운 유량 제어 모드로 이행해도 좋다. 이것에 의해, 유량 스텝 다운의 응답성을 더욱 향상시킬 수 있다. 제 2 컨트롤 밸브(8)를 최초로 급속하게 스로틀링하는 제어는 상류 압력 P1을 참조하고, 상류 압력 P1이 소정 압력에 도달할 때까지 행하도록 해도 좋다.
상기 예에 있어서, 100% 유량으로부터 5% 유량으로 유량을 스텝 다운시킬 때와 같이 초기 압력이 높으면, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도를 5% 유량에 상당하는 개도까지 저하시키기 위한 밸브체의 이동 거리가 길어진다. 그 때문에, 예를 들면 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도를, 미리 오리피스의 개도보다 약간 큰 정도의 개도까지 일기에 폐쇄해 두고, 거기에서 5% 유량에 상당하는 개도까지 작게 하도록 해도 좋다. 또는, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 최대 개도를 오리피스의 개도보다 약간 큰 정도의 개도로 설정해 둠으로써, 5% 유량에 상당하는 개도까지 제 2 컨트롤 밸브(8)를 신속하게 폐쇄하는 것이 가능하다.
또한, 상기한 바와 같이 피드백 제어 전에 제 2 컨트롤 밸브(8)를 스로틀링하는 동작을 행하는 경우, 잔류하고 있는 상류 압력 P1과 제어하고 싶은 유량에 대응하는 개도를 관련시킨 테이블을 미리 기억 장치 등에 기억시켜 두고, 이것을 이용하여 제 2 컨트롤 밸브(8)의 동작을 제어해도 좋다. 테이블을 사용하는 경우, 빌드다운 제어 모드에 이행했을 때에, 압력 센서가 출력하는 상류 압력 P1과 스텝 다운 후의 설정 유량(5% 유량)에 의거하여 피드백 제어가 아니고, 우선은 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도를 테이블을 따르는 개도 부근까지 가깝게 하고, 거기에서 피드백 제어를 행하면 좋다.
또한, 상기 테이블에 기억하는 항목으로서는 가스종, 잔류 압력, 제어 압력등의 복수의 파라미터가 고려된다. 이 경우에, 각각의 파라미터에 대응한 테이블을 준비해 두어도 좋지만, 기준 테이블을 준비함과 아울러, 예를 들면 가스종이 다른 경우에는, 가스종에 대응하는 보정계수를 형성하여 가스종의 차이를 커버하도록 하고, 기준 테이블을 보정해서 사용하도록 해도 좋다. 또는, 보정하지 않고 기준 테이블을 사용하는 경우라도, 제 2 컨트롤 밸브(8)를 소망 개도에 어느 정도는 가깝게 할 수 있으므로, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 응답성을 향상시키면서 제어의 부하를 작게 할 수 있다.
이상으로 설명한 본 실시형태의 유량 제어 방법에 의하면, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 제어 유량을 시각 t0∼t1까지의 단기간에 있어서 급속하게 저하시킬 수 있고, 단시간에서 저설정 유량까지 유량을 스텝 다운시킬 수 있다. 또한, 그 후에도, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도 조정에 의해 스텝 다운 후의 유량으로 안정적으로 가스를 계속 흘릴 수 있다. 또한, 잔류 가스가 소정 압력까지 저하된 후에는 제 1 컨트롤 밸브(6)를 개방함으로써, 계속해서 저설정 유량으로 가스를 계속해서 흘릴 수 있다. 이것에 의해, 스텝 다운시의 응답성을 현저하게 향상시키면서 저설정 유량으로의 이행을 적절하게 행하는 것이 가능하다.
본 실시형태에 의하면, 오리피스 지름 85㎛의 스로틀부를 사용했을 때에, 100% 유량(200sccm)으로부터 5% 유량(10sccm)까지 저하시키는 시간을 1초 이하, 예를 들면 100밀리초 정도까지 단축하는 것이 가능하다. 상기 시간은 제 2 컨트롤 밸브(8)를 폐쇄하는 속도를 빠르게 할수록 짧게 할 수 있다. 또한, 상기 기재의 치수 및 유량은 어디까지나 일례이며, 오리피스 지름이나 압력이 다르면 유량도 변화되므로, 같은 오리피스 또는 같은 압력에서도 유량이 다른 경우가 있는 것은 물론이다.
또한, 본 실시형태에서는 제 2 컨트롤 밸브(8)는 시각 t1에 있어서 가장 스로틀링된 상태로 되지만, 이 때에도 완전히 폐쇄되지 않아, 스텝 다운 후의 목표 유량으로 가스를 흘릴 수 있다. 이 때문에, 스텝 다운 전부터 스텝 다운 후까지, 소망의 유량 이행을 실현하면서 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측으로 차단없이 연속적으로 가스를 계속해서 공급하는 것이 가능하여 안정적인 가스 공급을 행할 수 있다.
또한, 상기에 설명한 실시형태에서는 도 2(d) 및 (e)에 나타내는 바와 같이 제 1 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄하는 타이밍과, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도를 작게 하기 시작하는 타이밍을 일치시켜 동기시키고 있다. 이와 같이 동작시킨 경우, 시각 t0에 있어서 제 1 컨트롤 밸브(6)의 상류로부터 유입하는 가스가 차단된 후, 제 1 컨트롤 밸브(6)와 제 2 컨트롤 밸브(8) 사이의 잔류 가스가, 스로틀부(2) 및 제 2 컨트롤 밸브(8)를 통해서 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도에 대응하는 유량으로 흘러 나오는 상태로 된다.
단, 상기 제 1 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄하는 타이밍과, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도 조정을 개시하는 타이밍은 반드시 일치하고 있을 필요는 없고, 100% 유량으로부터 5% 유량으로의 과도 응답 시간보다 충분히 짧은 시간이면, 이들이 어긋나 있어도 좋다.
제 1 컨트롤 밸브(6)을 폐쇄하고나서 소정 시간이 경과한 후에 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도를 감소시키는 형태에 있어서는, 제어 유량은 제 2 컨트롤 밸브(8)가 전개인 상태의 기간은 지수함수적으로 자연히 저하된다. 단, 목표 유량에 도달하기 전에 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도의 조정을 개시하고, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도 조정에 의해 유량을 제어할 수 있는 상태를 달성할 수 있으면, 그 후에는 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도 조정을 행해서 유량을 목표 유량으로 제어할 수 있다. 또한, 제 1 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄하기 전에 제 2 컨트롤 밸브(8)를 폐쇄하기 시작하는 경우라도, 상류 압력 P1이 일시적으로 증가할 가능성은 있지만, 제 1 컨트롤 밸브(6)가 폐쇄된 후, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도 조정에 의해 유량 제어를 행하는 것이 가능하다.
이와 같이, 제 1 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄하는 타이밍과, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도 조정을 개시하는 타이밍은, 종래와 비교해서 스텝 다운시의 응답성을 향상시킬 수 있는 한, 상기한 바와 같이 동기하고 있어도 좋고, 또한 어긋남이 있어도 좋다.본 명세서에서는, 상기와 같은 타이밍의 어긋남이 있는 형태도 포함하는 것으로서, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도 조정을 개시하는 동작을, 제 1 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄하는 동작에 연동시켜서 행한다고 하는 바와 같이 기재하는 경우가 있다.
이하, 본 실시형태의 유량 제어 방법의 예시적인 플로우차트에 대해서, 도 3을 사용하여 설명한다.
도 3의 스텝 S1에 나타내는 바와 같이, 우선 제 1 컨트롤 밸브(즉, 제 1 밸브)(6)를 제 1 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 피드백 제어함과 아울러, 제 2 컨트롤 밸브(즉, 제 2 밸브)(8)를 전개함으로써 제 1 유량으로 가스를 흘릴 수 있다.
이어서, 스텝 S2에 나타내는 바와 같이 설정 유량을 제 1 유량으로부터 제 2 유량에 저하시키는 신호를 수취하면, 제어 회로(7)는 제 1 컨트롤 밸브(6)를 전폐로 하는 명령을 내림과 아울러, 제 2 컨트롤 밸브(8)를 제 2 유량에 대응하는 개도로 제어하는 명령을 내리고, 빌드다운 유량 제어 모드로 스위칭한다.
빌드다운 유량 제어 모드에 있어서, 스텝 S3 및 S4에 나타내는 바와 같이 제 1 컨트롤 밸브(6)가 전폐인 상태에서, ΔP/Δt가 제 2 유량에 대응하는 값으로 유지되도록, 제 1 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도가 피드백 제어된다. 보다 구체적으로는, 스텝 S3에 있어서 ΔP/Δt의 측정 결과와 목표값이 비교되고, 비교 결과가 임계값 내일 때에는 스텝 S4-1에 있어서 제 2 컨트롤 밸브(8)의 구동 전압이 유지되고, 비교 결과가 임계값 외일 때에는 스텝 S4-2에 있어서 제 2 컨트롤 밸브(8)의 구동 전압의 변경이 행해진다.
또한, 스텝 S5에 나타내는 바와 같이 제 1 압력 센서(3)의 출력을 감시하고, 제 1 압력 센서(3)의 출력인 상류 압력 P1이 소정값에 도달한 것인지의 여부가 판정된다. 소정값에 도달하고 있지 않은 경우, 스텝 S3으로 되돌아가서 제 2 컨트롤 밸브(8)의 제어를 계속해서 제 2 유량으로 가스를 흘리는 빌드다운 제어 모드를 계속한다.
스텝 S5에 있어서, 제 1 압력 센서(3)의 출력이 소정값에 달한 것으로 판단되었을 때에는 제어의 스위칭을 행하고, 스텝 S6에 나타내는 바와 같이 제 1 컨트롤 밸브(6)를 제 2 유량에 대응하는 개도로 개방함과 아울러 제 2 컨트롤 밸브(8)를 전개로 한다. 이것에 의해, 통량 유량 제어 모드로 스위칭된다. 그 후, 제 1 컨트롤 밸브(6)의 개도는 제 1 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 피드백 제어되고, 제 2 유량으로 가스를 계속해서 흘릴 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 다양한 개변이 가능하다. 예를 들면, 상기에는 스텝 다운 개시시에 제 1 컨트롤 밸브(6)를 완전히 폐쇄하여 차단 상태로 하는 형태를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 스텝 다운 개시 후의 빌드다운 제어 모드에 있어서도, 제 1 컨트롤 밸브(6)가 간신히 개방된 일정 개도의 상태로 유지되고, 목표 유량 미만의 유량으로 가스가 유입하는 상태가 계속되고 있어도 좋다. 이 경우에도, 제 1 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 ΔP/Δt가 소정값을 유지하도록 제 2 컨트롤 밸브(8)의 개도를 조정하면, 제 2 컨트롤 밸브(8)의 하류측에 목표 유량으로 유체를 흘릴 수 있다.
단, 빌드다운 방식에서 사용되는 유량식은, 전형적으로는 상류측의 밸브(제 1 컨트롤 밸브(6))가 폐쇄되어 있는 것을 전제로 하고 있는 식이기 때문에, 상류측이 개방되어서 유체가 용적 V의 부분으로 흘러오는 상태라면, 그 상태의 유량식을 사용하면 유량 제어가 적절하게 행해지지 않을 가능성이 있다. 그러나, 상류로부터 용적 V로 흘러드는 유량이 기지이면, 유량식을 보정해서 사용하는 것도 가능하다고 생각된다. 따라서, 유입량이 기지일 때에는 실질적으로 상류측의 밸브가 폐쇄되어 있는 것과 같은 상황이라고 생각할 수 있다.
또한, 상기에는 제 1 컨트롤 밸브(6)가 전개로 된 시점을 설정 유량의 100%로 해서 설정한 예를 설명했지만, 반드시 그 필요는 없고, 전개가 아닌 중간 개도의 상태를 100% 설정으로 하는 것도 가능하다. 그리고, 상기 실시예에 있어서는 설정 유량 100%에 있어서의 상류 압력 P1은 300kPa abs로 하고 있지만, 이것에 한정하지 않고, 설정하는 유량이나 유량 범위, 유체의 종류 등에 의해서 상류 압력 P1은 다양한 값으로 되는 것은 말할 필요도 없다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 방법 및 유량 제어 장치는 반도체 제조 프로세스에 있어서 유량 스텝 다운시에 고속 응답성이 구해지는 경우 등에 적합하게 이용될 수 있다.
1: 유로 2: 스로틀부
3: 제 1 압력 센서 4: 제 2 압력 센서
5: 온도 센서 6: 제 1 컨트롤 밸브
7: 제어 회로 8: 제 2 컨트롤 밸브
9: 오리피스 내장 밸브 100: 압력식 유량 제어 장치
3: 제 1 압력 센서 4: 제 2 압력 센서
5: 온도 센서 6: 제 1 컨트롤 밸브
7: 제어 회로 8: 제 2 컨트롤 밸브
9: 오리피스 내장 밸브 100: 압력식 유량 제어 장치
Claims (17)
- 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 유체 압력을 측정하는 압력 센서를 구비하고,
상기 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어함으로써 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 흐르는 유체의 유량을 제어하도록 구성된 유량 제어 장치를 이용하여 행하는 유량 제어 방법으로서,
(a) 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 제 1 유량이 되도록 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어하면서 상기 제 2 컨트롤 밸브를 개방한 상태로 유지하여 상기 제 1 유량으로 유체를 흘리고 있는 상태로부터, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 폐쇄하는 스텝과,
(b) 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류에 잔류하는 유체 압력을, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도를 조정함으로써 제어하고, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 제 2 유량으로 유체를 흘리는 스텝을 포함하는 유량 제어 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 스텝 (b)에 있어서 α를 비례정수, ΔP/Δt를 상기 압력 센서가 출력하는 상류 압력의 변화 ΔP와 상기 상류 압력의 변화 ΔP에 요한 시간 Δt의 비인 압력 변화율, V를 상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 내용적이라고 했을 때,
Q=α·(ΔP/Δt)·V
로 나타내어지는 빌드다운 유량 Q가 상기 제 2 유량과 일치하도록 상기 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도가 피드백 제어되는 유량 제어 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스텝 (b)를 행한 후, 상기 압력 센서의 출력이 소정값까지 저하된 시점에서, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어하여 상기 제 2 유량으로 하류에 유체를 흘리는 스텝 (c)를 더 포함하는 유량 제어 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 스텝 (a)에 있어서 상기 제 1 유량으로 유체를 흘리고 있는 기간, 및 상기 스텝 (c)에 있어서 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어하여 상기 제 2 유량으로 유체를 흘릴 때, 상기 제 2 컨트롤 밸브는 전개로 개방되어 있는 유량 제어 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스텝 (a)에 있어서 상기 제 1 컨트롤 밸브는, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 상기 제 2 유량이 되도록 제어할 때의 개도보다 작은 개도로 폐쇄되는 유량 제어 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스텝 (a)에 있어서 상기 제 1 컨트롤 밸브를 폐쇄하는 타이밍과, 상기 스텝 (b)에 있어서 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도의 조정을 개시하는 타이밍이 동기하여 있는 유량 제어 방법. - 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 유체 압력을 측정하는 압력 센서와,
상기 제 1 컨트롤 밸브 및 상기 제 2 컨트롤 밸브의 동작을 제어하는 제어 회로로서, 상기 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브를 제어함으로써 유량을 제어하도록 구성된 제어 회로를 구비하는 유량 제어 장치로서,
상기 제어 회로는,
(a) 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 제 1 유량이 되도록 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 제어하면서 상기 제 2 컨트롤 밸브를 개방한 상태로 유지하여 상기 제 1 유량으로 유체를 흘리고 있는 상태로부터, 상기 제 1 컨트롤 밸브의 개도를 폐쇄하는 스텝과,
(b) 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류에 잔류하는 유체 압력을, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도를 조정함으로써 제어하고, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 제 2 유량으로 유체를 흘리는 스텝을 실행하는 유량 제어 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 컨트롤 밸브는 노멀 오픈형의 밸브인 유량 제어 장치. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 별도의 압력 센서를 더 구비하는유량 제어 장치. - 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 유체 압력을 측정하는 압력 센서를 구비하고,
상기 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유량 제어 장치로서,
제 1 유량으로부터 상기 제 1 유량보다 작은 제 2 유량으로 유량을 제어할 때에,
상기 제 1 컨트롤 밸브를 폐쇄함과 아울러, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도를 제어함으로써, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류 측에 상기 제 2 유량으로 유체를 흘려 보내도록 구성되고,
이때, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도가 α를 비례정수, ΔP/Δt를 상기 압력 센서가 출력하는 상류 압력의 변화 ΔP와 상기 상류 압력의 변화 ΔP에 요한 시간 Δt의 비인 압력 변화율, V를 상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 내용적이라고 했을 때,
Q=α·(ΔP/Δt)·V
로 나타내어지는 유량 Q가 상기 제 2 유량으로 될 때의 ΔP/Δt를 유지할 수 있는 개도가 되도록 제어되는 유량 제어 장치. - 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 유체 압력을 측정하는 압력 센서를 구비하고,
상기 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유량 제어 장치로서,
제 1 유량으로부터 상기 제 1 유량보다 작은 제 2 유량으로 유량을 제어할 때에,
상기 제 1 컨트롤 밸브는 상기 제 2 유량에 대응하는 개도보다 작은 개도로 유지됨과 아울러, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도를 제어함으로써, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류 측에 상기 제 2 유량으로 유체를 흘려 보내도록 구성되고,
이때, 상기 제 2 컨트롤 밸브의 개도가 α를 비례정수, ΔP/Δt를 상기 압력 센서가 출력하는 상류 압력의 변화 ΔP와 상기 상류 압력의 변화 ΔP에 요한 시간 Δt의 비인 압력 변화율, V를 상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 내용적이라고 했을 때,
Q=α·(ΔP/Δt)·V
로 나타내어지는 유량 Q가 상기 제 2 유량으로 될 때의 ΔP/Δt를 유지할 수 있는 개도가 되도록 제어되는 유량 제어 장치. - 삭제
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 별도의 압력 센서를 더 구비하는유량 제어 장치. - 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 유체 압력을 측정하는 제 1 압력 센서를 구비하고,
상기 제 1 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유량 제어 장치로서,
제 1 유량으로부터 상기 제 1 유량보다 작은 제 2 유량으로 유량을 제어할 때에,
Q=K1·P1
에 의한 유량의 제어로부터,
Q=α·(ΔP/Δt) ·V
에 의한 제어로 스위칭하여 유량을 제어하고,
상기 제 1 압력 센서의 압력이 소정의 압력에 도달한 시점에서,
Q=K1·P1
에 의한 제어로 되돌리고, 여기서 Q는 유량, K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, P1은 상기 제 1 압력 센서가 출력하는 상류 압력, α는 비례정수, ΔP/Δt는 상기 상류 압력의 압력 변화율, V는 상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 내용적인 유량 제어 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 압력 센서의 압력이
Q=K1·P1
에 의한 제어에 있어서의 상기 제 2 유량에 상당하는 압력에 도달한 시점에서, Q=K1·P1에 의한 제어로 제어를 되돌리는 유량 제어 장치. - 유로에 설치된 제 1 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 제 2 컨트롤 밸브와,
상기 제 1 컨트롤 밸브의 하류측 또한 상기 제 2 컨트롤 밸브의 상류측의 유체 압력을 측정하는 제 1 압력 센서와,
상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측의 유체 압력을 측정하는 제 2 압력 센서를 구비하고,
상기 제 1 및 제 2 압력 센서가 출력하는 신호에 의거하여 상기 제 2 컨트롤 밸브의 하류측에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유량 제어 장치로서,
제 1 유량으로부터 상기 제 1 유량보다 작은 제 2 유량으로 유량을 제어할 때에,
Q=K2·P2m(P1-P2)n
에 의한 유량의 제어로부터,
Q=α·(ΔP/Δt)·V
에 의한 제어로 스위칭하여 유량을 제어하고,
상기 제 1 및 제 2 압력 센서의 압력이 소정의 압력에 도달한 시점에서,
Q=K2·P2m(P1-P2)n
에 의한 제어로 되돌리고, 여기서 Q는 유량, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, P1은 상기 제 1 압력 센서가 출력하는 상류 압력, P2는 상기 제 2 압력 센서가 출력하는 하류 압력, m 및 n은 실제의 유량을 바탕으로 도출되는 지수, α는 비례정수, ΔP/Δt는 상기 상류 압력의 압력 변화율, V는 상기 제 1 컨트롤 밸브와 상기 제 2 컨트롤 밸브 사이의 내용적인 유량 제어 장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 압력 센서의 압력이
Q=K2·P2m(P1-P2)n
에 의한 제어에 있어서의 상기 제 2 유량에 상당하는 압력에 도달한 시점에서, Q=K2·P2m(P1-P2)n에 의한 제어로 제어를 되돌리는 유량 제어 장치.
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