KR20010031388A

KR20010031388A - 유체가변형 유량제어장치

Info

Publication number: KR20010031388A
Application number: KR1020007004402A
Authority: KR
Inventors: 카가쯔메사토시; 히로세준; 니시노코우지; 다다히로 오미
Original assignee: 다다히로 오미; 오가와 슈우헤이; 가부시키가이샤 후지킨; 히가시 테츠로; 도쿄 일렉트론 가부시키가이샤
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2001-04-16
Also published as: EP1026566A4; CN1225680C; CN1275217A; JP3522544B2; TW455751B; JP2000066732A; KR100329977B1; ATE389202T1; EP1564615B1; WO2000011532A1; ATE308074T1; DE69927932D1; DE69938368T2; EP1026566A1; EP1026566B1; US6314992B1; EP1564615A1; DE69927932T2; DE69938368D1

Abstract

본 발명에 관한 유체가변형 유량제어장치는, 1대의 유량제어장치에 의해, 풀스케일 유량을 자유롭게 변경가능하고, 게다가 복수종의 유체를 고정밀도에 유량제어가능하도록 한 것이다.

구체적으로는, 오리피스 상류측압력P₁을 하류측압력P₂의 약 2배이상으로 유지하여 유체의 유량제어를 행하는 유량제어장치FCS에 있어서, 유체의 종류나 유량범위에 따라서 적절한 오리피스 지름에 설정하기 위하여 교환가능하게 설치한 오리피스(8)와, 그 상류측에 설치한 컨트롤밸브(2)와, 컨트롤밸브(2)와 오리피스(8)의 사이에 설치한 압력검출기(6)와, 이 압력검출기(6)의 상류측검출기압력P₁에서 유량을 Qc=KP₁(K는 정수)로 하여 연산하는 유량연산회로(14)와, 유량설정신호Qe를 출력하는 유량설정회로(16)와, 풀스케일유량을 절환하기 위하여 연산유량신호Qc에 유량변환율k을 걸어서 절환연산유량신호Qf(Qf=kQc)로 변환하는 유량변환회로(18)와, 이 Qf와 Qe의 차를 제어신호Qy로 하여 컨트롤밸브(2)의 구동부(4)로 출력하는 연산제어회로(20)로 구성되고, Qy가 영으로 되도록 컨트롤밸브(2)를 개폐제어한다.

Description

유체가변형 유량제어장치{VERSATILE FLOW RATE CONTROLLER}

일반적으로, 반도체 제조시설이나 화학품 제조시설의 유체공급장치로서 고정밀도의 유량제어를 필요로 하는 것은, 그 대부분이 유량제어장치를 이용하고 있다.

도 7은 반도체 제조장치용 고순도 수분발생장치의 일례를 나타내는 것이다. 3종류의 H₂가스, O₂가스 및 N₂가스는, 유량제어장치 MFC1 내지 MFC3에 의해 유량제어되면서 밸브 V1 내지 V3를 통하여 반응로RR로 도입된다. 우선, 밸브 V3를 열고, V1ㆍV2를 닫아서 반응로RR를 N₂가스로 퍼지한다. 뒤이어, 밸브V3를 닫고, V1ㆍV2를 열어서 반응로RR 내에 H₂가스와 O₂가스를 소정유량으로 공급하고, 여기서 백금촉매에 의해 비연소 하에서 H₂O가스를 생성하고, 이 고순도 수증기를 후방의 도시하지 않은 설비에 공급하는 것이다.

일반적으로, 유량제어장치는, 가스의 종류마다 및 유량 범위마다 선 라이저 보정을 하고 있기 때문에, 조정한 가스종 이외의 가스에는 사용가능하지 않다는 결점을 보유한다. 따라서, 도 7에 나타내져 있는 바와 같이, H₂가스, O₂가스, N₂가스마다 각각 유량제어장치 MFC1 내지 MFC3가 배치되어 있는 것이다. 또, 동 종의 가스에서도 유량범위 즉 풀스케일 유량을 변경하는 경우에는, 유량제어장치 전체를 변환할 필요가 있다.

그러나, 도 7과 같은 가스 공급설비에서는, 통상 각각의 유량제어장치 MFC1 내지 MFC3 마다 예비품을 구비하여 두고, 유량제어장치의 제품가격이 높고 변환용부품도 고가이기 때문에, 설비비나 운전비용이 높게 된다라는 불합리함이 존재한다.

또, 만약 가스종 변경이나 유량범위 변경의 때에 유량제어장치를 변환하지 않아서, 그 마다 선 라이저 보정을 하여 바로잡은 경우에는, 신속한 대응이 가능하지 않기 때문에 제조프린트의 일시정지라는 최악의 사태를 초래할지도 모른다. 그 때문에, 상기한 바와 같이, 예비의 유량제어장치를 항상 재고로서 보존지지하여 둘 필요가 있다.

본 발명에 관한 유체가변형 유량제어장치는 상기 결점을 해소하기 위하여 이루어진 것이고, 그 구성을 요약하면, 청구항 1의 발명은 오리피스 상류측압력P₁을 하류측압력P₂의 약 2배이상으로 지지하여 유체의 유량제어를 행하는 유체제어장치에 있어서, 유체의 종류나 유량범위에 따라서 적절한 오리피스 지름으로 설정하기 위하여 변환가능하게 설치한 오리피스와, 그 상류측에 설치한 컨트롤밸브와, 컨트롤밸브와 오리피스 간에 설치한 압력검출기와, 이 압력검출기의 검출압P₁에서 유량을 Qc=KP₁(K는 정수)로서 연산하는 유량연산회로와, 유량설정신호Qe를 출력하는 유량설정회로와, 풀스케일 유량을 절환하기 위하여 연산유량신호Qc를 절환연산유량신호Qf에 변환하는 유량변환회로와, 이 절환연산유량신호Qf와 유량설정신호Qe의 차를 제어신호Qy로서 컨트롤밸브의 구동부로 출력하는 연산제어회로로 구성되고, 제어신호 Qy가 영으로 되도록 컨트롤밸브를 개폐하여 오리피스 하류측유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다.

청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 있어서, 전기유량변환회로(18)를, 연산유량Qc에 변환율k을 곱하여 절환연산유량신호Qf(Qf=kQc)로 변환하는 것으로 한 것이다.

또한, 청구항 3의 발명은, 청구항 1의 발명에 있어서, 유량변환회로를 압력검출기의 출력증폭기의 증폭율을 조정하는 것으로 한 것이다.

청구항 5의 발명은, 오리피스 상류측압력P₁을 하류측압력P₂의 약2배 이상으로 유지하여 유체의 유량제어를 행하는 유량제어장치에 있어서, 유체의 종류나 유량범위에 따라서 적절한 오리피스 지름으로 설정하기 위하여 교환가능하게 설치한 오리피스와, 그 상류측에 설치한 컨트롤밸브와, 컨트롤밸브와 오리피스 간에 설치한 압력검출기와, 이 압력검출기의 검출압력P₁에서 유량을 Qc=KP₁(K는 정수)로서 연산하는 유량연산회로와, 유량설정신호Qe를 출력하는 유량설정회로와, 풀스케일 유량을 절환하기 위하여 유량설정신호Qe를 유량지령신호Qs로 변환하는 유량변환회로와, 이 유량지령신호Qs와 연산유량Qc와의 차를 제어신호Qy에서 컨트롤밸브의 구동부로 출력하는 연산제어회로로 구성되고, 제저신호Qy가 영으로 되도록 컨트롤밸브를 개폐하여 오리피스 하류측유량을 제어하는 점을 특징으로 한다.

청구항 6의 발명는, 청구항 5의 발명에 있어서, 상기 유량변환회로를, 유량설정신호Qe에 유량변환율k를 곱하여 유량지령신호Qs(Qs=kQe)로 변환하는 것으로 한 것이다.

본 발명은 반도체나 화학품, 약품, 정밀기계부품 등의 제조에 이용하는 가스 등의 각종 유체의 유량제어장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 각종 유체나 유량범위에 대하여 동일 오리피스로 고정밀도 유량제어가능하고, 게다가 오리피스를 변환가능하게 하는 것에 의해 유체의 종류나 유량범위를 대폭적으로 가변가능하도록 한 유체가변형 유량제어장치에 관한 것이다.

도 1은, 본 발명에 관한 유체가변형 유량제어장치FCS의 사용가능예의 1개를 나타내는 것이고, 복수유체을 1기의 FCS를 이용하여 공급하는 경우를 나타내는 것이다.

도 2는, 본 발명의 제 1실시예에 관한 유체가변형 유량제어장치의 블록구성도이다.

도 3은, 본 발명의 제 2실시예에 관한 유체가변형 유량제어장치의 블록구성도이다.

도 4는, 동일 유체에 대한 풀스케일 유량의 변경의 설명도이다.

도 5는, 본 발명의 제 3실시예에 관한 유체가변형 유량제어장치의 블록구성도이다.

도 6은, 오리피스의 설치구조의 일례를 나타내는 요부단면도이다.

도 7은, 종래예에 관한 반도체제조장치용의 고순도수분발생장치의 배치도이다.

(부호의 간단한 설명)

2ㆍ2aㆍ2bㆍ2c ㆍㆍㆍ 컨트롤밸브 2d ㆍㆍㆍ 다이어프램누름

2e ㆍㆍㆍ 다이어프램 2f ㆍㆍㆍ 밸브좌

3 ㆍㆍㆍ 상류측유로 4ㆍ4aㆍ4bㆍ4c ㆍㆍㆍ 구동부

5 ㆍㆍㆍ 하류측유로 6 ㆍㆍㆍ 압력검출기

8 ㆍㆍㆍ 오리피스 8a ㆍㆍㆍ 오리피스구멍

8b ㆍㆍㆍ 오리피스 보지대 8cㆍ8d ㆍㆍㆍ 플랜지

10 ㆍㆍㆍ 오리피스 대응밸브 12 ㆍㆍㆍ 가스취출용 이음매

14 ㆍㆍㆍ 유량연산회로 16 ㆍㆍㆍ 유량설정회로

18 ㆍㆍㆍ 유량변환회로 20 ㆍㆍㆍ 연산제어회로

22ㆍ24 ㆍㆍㆍ 증폭기 23 ㆍㆍㆍ 온도검출기

26ㆍ28 ㆍㆍㆍ A/D변환기 30 ㆍㆍㆍ 온도보정회로

32 ㆍㆍㆍ 연산회로 34 ㆍㆍㆍ 비교회로

36 ㆍㆍㆍ 증폭회로 FCS ㆍㆍㆍ 유체가변형 유량제어장치

Qc ㆍㆍㆍ 연산유량신호 Qf ㆍㆍㆍ 절환연산유량신호

Qe ㆍㆍㆍ 유량설정신호 Qs ㆍㆍㆍ 유량지령신호

k ㆍㆍㆍ 유량변환율

종래, 노즐을 통한 기체류의 특징의 하나로서, 노즐 전후의 기체의 압력비 (P₂/P₁, P₁: 상류측압력, P₂: 하류측압력)가 기체의 임계압력비(공기나 질소 등의 경우는 약 0.5)이하로 되면, 노즐을 통한 기체의 유속이 음속으로 되어서, 노즐 하류측의 압력변동이 상류측에 전달되지 않게 되고, 노즐 상류측의 상태에 상응한 안정된 질량유량을 얻는 것이 가능한 현상이 알려져 있다.

그러나, 본 발명자 등는 일본 특개평8-338546호 공보에 있어서, 노즐의 대신하여 오리피스를 이용하면, 미소 오리피스 지름이 일정한 경우에는, 오리피스를 유통하는 기체유량은 오리피스 상류측의 기체압력P₁에만 비례하고, 극히 정밀도가 높은 직선성을 성립하고 있는 것을 명확하게 하였다.

바꾸어 말하면, 기체가 공기나 질소 등의 경우에, 상류측압력P₁을 하류측압력P₂의 2배이상으로 설정하면, 오리피스를 유통하는 기체유량Qc은 Qc=KP₁(K : 정수)로 주어진다라는 것이고, 정수K는 오리피스 지름에만 의존하고, 오리피스를 교환한 경우에는 이 정수K를 바꾸는 정도로 좋다라는 이점을 보유하고 있다.

또한, 본 발명과 같이 오리피스를 이용하는 경우에는, 풀스케일 유량을 절환하는 것도 간단하게 행하는 것이 가능하다. 유량설정신호Qe는 전압치로 주어지고, 예컨대 압력범위 0 내지 3(kgf/㎠abs)을 전압범위 0 내지 5(V)로 표시한 것으로 한다. 이 경우에는 풀스케일값5(V)은 3(kgf/㎠abs)의 압력의 유량에 상당하고 있다. 이 때, 유량변환회로의 유량변환율k은 1로 설정되어 있는 것으로 한다. 결국, 청구항 1의 발명에 있어서는, 유량설정신호Qe로서 5(V)가 입력되면, 절환연산유량신호 Qf(QF=KqC)는 5V로 되고, 상류측압력P₁이 3(kgf/㎠abs)로 되기까지 컨트롤밸브가 개폐조작된다.

또한, 청구항 5의 발명에 있어서는, 유량설정신호Qe로서 5(V)가 입력되면, Qs=kQe에서 유량지령신호Qs도 5(V)로 되고, 상류측압력P₁이 3(kgf/㎠abs)로 되기까지 컨트롤밸브가 개폐조작된다.

다음으로, 압력범위를 0 내지 2(kgf/㎠abs)을 절환하고, 이 압력범위를 0 내지 5(V)의 유량설정신호Qe로 표시하는 경우를 생각한다. 다시 말하면, 풀스케일값 5(V)이 2(kgf/㎠abs)를 주는 경우이다. 이 때에는 유량변환율k를 2/3으로 설정하는 것으로 된다. 예컨대, 청구항 1의 발명에 있어서 유량설정신호Qe=5(V)가 입력된 것을 하면, Qf=kQc에서 절환연산유량신호Qf=5×2/3(V)로 된다. 마찬가지로, 청구항 5의 발명에서는 Qs=kQe에서 유량지령신호Qs=5×2/3(V)로 되고, 상류측압력P₁이 3×2/3=2(kgf/㎠abs)로 되기까지 컨트롤밸브가 개폐조작된다. 결국, Qe=5(V)가 P₁=2(kgf/㎠abs)의 유량을 표시하도록 풀스케일유량변환이 행해지는 것이다.

더우기, 본 발명에서는 복수의 가스종을 동일 오리피스에 의해 유량제어가능한 이점을 보유한다. 동일 오리피스지름의 오리피스에는, 유량Qc는 Qc=KP₁으로 주어지고, 정수K는 일정치로 된다.

결국 오리피스지름과 정수K는 일대일로 대응하고 있지만, 가스종이 바뀌면 정수K는 변화하는 것이 알려져 있다. 예컨대 H₂가스, O₂가스, N₂가스에 대응하여 KH, K0, KN으로 표시한다. 통상 질소가스를 기준으로 한 플로팩터FF로 표시하는 것이 행해지고 있다. H₂가스, O₂가스, N₂가스의 플로팩터FF를 FFH, FF0, FFN을 표현하면, FFH=KH/KN, FF0=K0/KN으로 주어진다. 물론 FFN=KN/KN=1인 것은 말할 필요도 없다.

도 1은, 본 발명에 관한 유체가변형 유량제어장치의 사용가능예의 일례를 나타내는 것이고, 본 발명에 관한 유체가변형 유량제어장치를 FCS로 표시하면, 이 1대의 FCS로 3종의 H₂가스, O₂가스, N₂가스를 유량제어가능한 것이다. FCS의 안에 어떤 유량변환회로(18)가 주는 유량변환율k는, 유체가 바뀔 때마다 플로팩터FF와 일정한 관계를 가지고서 정해져 있다. 이 관계식은 후술의 실시예에 있어서 상술하지만, 여기서는 H₂가스, O₂가스, N₂가스에 대하여 kH, k0, kN(=1)으로 하여 둔다.

우선, 밸브V를 열고, V1ㆍV2를 닫아서 반응로RR 내를 N₂가스로 퍼지한다. 이 때, 유량변환율k는 kN=1이기 때문에, 절환연산유량신호Qf는 Qf=kQc로 거의 같게 되고(청구항 5의 발명에서는, 유량지령신호Qs는 Qs=kQe에서 Qe로 같게 되고), 이 유량으로 되기까지 컨트롤밸브가 개폐된다.

다음으로, 밸브V1를 열고, V2ㆍV3를 닫아서 반응로RR 내에 H₂가스를 보낸다. 유량변환율k은 kH로 설정되기 때문에, 절환연산유량신호Qf는 Qf=kQc에서 kH×Qe에 거의 가까운 값(청구항 5의 발명에서는, 유량지령신호Qs는 Qs=kQc에서 kH×Qc)으로 되고, N₂가스에 대한 유량설정신호Qe의 kH배로 된다. 따라서, 상류측압력P₁이 N₂가스의 경우의 kH배로 되도록 컨트롤밸브의 개폐조절이 되어지는 것이다. 밸브V2를 열어서 O₂가스를 도입하는 경우에도 마찬가지의 조작이 행해지고, 절환연산유량신호Qf는 ko×Qe로 거의 가까운 값(청구항 5의 발명에서는 유량지령신호Qs는 ko×Qe)으로 설정되고, 컨트롤밸브의 조작되어진다.

또, 도 1과 같은 본 발명에 관한 FCS의 사용방법은, 현실의 반도체 제조프린트 등에서는 아직 실시되어서는 좋지 않지만, 유량이 크게 다른 단일의 가스를 밸브V₁, V₂, V₃및 1대의 FCS를 통하여 공급하는 방법은, 실가동장치에 있어서 실현되고 있다.

도 2는 본 발명에 관한 유체가변형 유량제어장치의 제 1실시예의 블록구성도이고, 도 3은 제 2실시예의 블록구성도이다.

이 유량제어장치FCS는 컨트롤밸브(2), 그 구동부(4), 압력검출기(6), 오리피스(8), 오리피스 대응밸브(10), 가스취출용 이음매(12), 유량연산회로(14), 유량설정회로(16), 유량변환회로(18) 및 연산제어회로(20)로부터 구성되어 있다.

유량연산회로(14)는 온도검출기(23), 증폭회로(22)ㆍ(24), A/D변환기 (26)ㆍ(28), 온도보정회로(30) 및 연산회로(32)로부터 구성된다. 또한, 연산제어회로(20)는 비교회로(34) 및 증폭회로(36)로부터 구성된다.

더우기, 유량변환회로(18)는, 제 1실시예(도 2)에 있어서는 유량연산회로 (14)의 압력검출기(6)의 출력증폭기(22)의 출력측에, 또한, 제 2실시예(도 3)에 있어서는 유량설정회로(16)의 출력측에 각각 설치되어 있다.

상기 컨트롤밸브(2)에는 후술하는 바와 같이, 소위 다이렉트 터치형의 메탈다이어프램밸브가 사용되고 있고, 또한, 그 구동부(4)에는 압전소자형 구동장치가 사용되고 있다. 또, 컨트롤밸브(2)의 구동부로서는 이 외에, 자왜소자형 구동장치나 솔레노이드형 구동장치, 모터형 구동장치, 공기압형 구동장치, 열팽창형 구동장치가 이용되고 있다.

상기 압력검출기(6)에는 반도체 왜형 압력센서가 사용되고 있지만, 압력검출기로서는 이 외에, 금속박 왜형 압력센서나 정전용량형 압력센서, 자기저항형 압력센서 등의 사용도 가능하다.

상기 온도검출기(23)에는 열전대형 온도센서가 사용되고 있지만, 측온저항형 온도센서 등의 공지의 각종 온도센서가 사용가능하다.

상기 오리피스(8)는, 판형상의 금속박판제 가스켓에 절삭가공에 의해서 구멍부를 설치한 오리피스가 사용되고 있지만, 오리피스로서는 이 외에, 극히 가느다란 파이프나 에칭 및 방전가공에 의해 금속막에 구멍을 형성한 오리피스를 사용하는 것이 가능하다.

다음으로, 도 2 및 도 3에 기초하여 본 발명에 관한 유체가변형 유량제어장치FCS의 작동에 관해서 설명한다.

도 2를 참조하여, 컨트롤밸브(2)의 출구측, 즉 오리피스(8)의 상류측의 기체압력P₁이 압력검출기(6)에 의해서 검출되고, 증폭기(22), 유량변환회로(18) 및 A/D변환기(26)를 경유하여, 디지털화된 신호가 연산회로(32)로 출력된다.

마찬가지로, 오리피스 상류측의 기체온도T₁가 온도검출기(23)에서 검출되고, 증폭기(24) 및 A/D변환기(28)를 경유하여, 디지털화된 온도신호가 온도보정회로 (30)에 입력된다.

현재, 유량변환회로(18)의 변환율k이 1의 경우(즉, 풀스케일 유량이 절환이 행해지지 않는 경우)에는, 연산회로(32)에서는 압력신호P₁를 이용하여, 유량Q가 Q=KP₁으로서 연산됨과 아울러, 상기 온도보정회로(30)에서의 보정신호를 이용하여 상기 유량Q의 온도보정이 행해지고, 연산유량Qc가 비교회로(34)로 출력된다.

또한, 유량변환회로(18)의 변환율k이 정수K로 설정되어 있는 경우에는, 유량연산회로(14)에서 연산제어회로(20)로 출력되는 절환연산유량신호Qf는 상기 연산유량Qc의 k배로 되고, Qf=kQc의 출력신호가 연산제어회로(20)로 입력된다.

또, 상기 정수k는 유량변환율을 표시하고, 풀스케일 유량을 가변으로 하기 위하여 설치되어 있는 것이다. 따라서, 유량변환회로(18)는 유량변환율k을 연속적으로 가변하는 것이 가능하고, 또한 다단계로 가변을 하는 것도 가능하다. 다단계로 가변을 하는 경우의 일례로서 DIP스위치를 이용하는 것이 가능하다.

한편, 도 3에 나타낸 본 발명의 제 2실시예에는, 유량변환회로(18)는 유량설정회로(16)의 출력측에 설치되어 있고, 유량설정회로(16)에서 출력된 유량설정신호 Qe가 유량변환회로(18)를 통하여 유량지령신호Qs(Qs=kQe)로 변환되고, 이 유량지령신호Qs가 연산제어회로(20)로 입력된다.

또, 이 제 2실시예에 있어서, 유량연산회로(14)에서 연산제어회로(20)로 입력되는 검출유량치는 연산유량Qc으로 된다.

유량변환회로(18)의 기능을 도 4를 이용하여 설명한다.

이제, 유량설정신호Qe는 전압치로 0 내지 5(V)의 사이에서 가변하고, 0(V)를 0(%), 5(V)를 100(%)로 정의한다.

예컨대 80(%)는 4(V)를 지정하는 것이고, 또한 절환연산유량신호Qf(또는 유량지령신호Qs)가 5(V)의 경우에는, 상류측압력P₁은 3(kgf/㎠abs)로 조정되고, 유량은 500SCCM으로 되도록 제어되는 것으로 한다.

이제, 유량변환율k=1의 경우를 고려하면, 유량설정신호Qe의 범위가 0 내지 100[%]에 대응하여 절환연산유량신호Qf(또는 유량지령신호Qs)는 Qf=kQc(또는 Qs=kQe)보다 0 내지 100(%), 즉 유량으로서 0 내지 500SCCM을 지시하는 것으로 된다. 이 지시에 따라서, 상류측압력P₁은 0 내지 3(kgf/㎠abs)이 범위에 걸쳐서 조정되고, 검정 동그라미표의 직선A가 이것에 대응한다. 다음으로, 유량변환율K=1/2의 경우를 고려하면, 유량설정신호Qe로서 0 내지 100(%)가 입력되면 절환연산유량신호 Qf(또는 유량지령신호Qs)는 0 내지 50(%)의 사이를 변화하고, 백색 동그라미표의 직선B로 나타내는 바와 같이, 유량으로서 0 내지 250SCCM의 범위에서 제어되는 것이 된다. 이때, 상류측압력P₁의 조정은 0 내지 1.5(kgf/㎠abs)의 범위로 된다. 결국 풀스케일 유량은 500SCCM에서 250SCCM으로 변환된 것이다.

비교회로(34)에서는, 절환연산유량신호Qf와 유량설정신호Qe(또는 유량지령신호Qs와 연산유량신호Qc)와의 비교가 행해지고, 양자의 차신호Qy=Qf-Qe(또는 Qc-QS)가 증폭회로(36)를 통하여 컨트롤밸브(2)의 구동부(4)에 출력된다.

절환연산유량신호Qf가 유량설정신호Qe(또는 연산유량신호Qc가 유량지령신호 Qs)보다 클 경우에는, 컨트롤밸브(2)를 폐쇄하는 방향으로, 또한 상기 Qf가 Qc(또는 Qc가 Qs)보다 작을 경우에는, 컨트롤밸브(2)를 개방하는 방향으로 구동부(4)가 작동되고, Qf=Qc(또는 Qc=Qs)로 되도록 컨트롤밸브(2)의 개방정도가 자동제어된다.

또, 본 발명에 있어서는, 상기 오리피스(8)의 상류측압력P₁과 하류측압력P₂의 사이에, P₂/P₁이 약 0.5보다 작은 것, 즉 P₁＞2P₂라는 조건이 항상 성립하지 않으면 안된다.

그 때문에, 상류측압력P₁과 하류측압력P₂를 동시에 측정하면서, 양자를 반전증폭기(도시하지 않음)에 입력하고, 압력P₁과 압력P₂의 크기가 역전하여 역류상태로 된 경우나, P₂/P₁＞0.5로 되어서 고정밀도의 유량제어가 불능으로 된 경우에는, 컨트롤밸브(2)를 자동적으로 폐쇄하도록 하여도 좋다.

도 5는, 본 발명에 관한 유체가변형 유량제어장치의 제 3실시예의 블록구성도이다. 도 2와 동일부분에는 동일부호를 붙여서 그 설명을 생략하고, 다른 부분만을 설명한다. 3종류의 컨트롤밸브(2a), (2b), (2c)는 도 2의 경우와 달라서 N₂가스, He가스, CF₄가스를 각각 제어하는 것으로 한다. 이것에 대응하여 구동부(4a), (4b), (4c)가 부설되어 있다.

또한, 유량변환회로(18)가 정하는 유량변환율은 N₂가스, He가스, CF₄가스에 대응하여 3단절환으로 되고, 상기한 바와 같이 각각의 가스의 플로팩터FF와 관계하고 있다. 따라서, 우선 각종 가스의 플로팩터를 표 11에 주어진다. 이 플로팩터는 이미 설명한 바와 같이, 오리피스 및 상류측압력이 동일한 경우에 있어서, 실가스의 유량이 N₂가스유량의 몇배로 되는가를 나타내는 양이다.

플로팩터의 표

가스종	F.F
N₂	1
Ar	0.888
He	2.804
CF₄	0.556
C₄F₈	0.344

동일 오리피스에서 각종의 가스의 유량제어가 가능한 것을 표 2를 이용하여 이하에 상세하게 설명한다.

표 2에 있어서, 오리피스 지름이 90㎛의 경우를 예로서 설명하면, 제어압력, 즉 상류측압력P₁이 1.8(kgf/㎠abs)일 때에 N₂가스의 유량은 125.9SCCM으로 되는 것을 나타내고 있다. 결국, N₂가스에 대하여 풀스케일 유량은 125.9SCCM으로 되고, 이것을 유량설정신호Qe의 100(%)로 하고, 전압치로는 5(V)로 하는 것이다. N₂가스에 대해서는 유량변환율k=1로 하기 때문에, 유량지령신호Qs도 Qs=kQe에서 풀스케일 125.9SCCM으로, 100(%)로 된다.

이 오리피스조건과 압력조건에서 He가스의 경우를 고려하여 보자. He가스 300SCCM의 경우, FF=2.804로 나누면 107.0SCCM(N₂유량)으로 된다.

본 실시예에서는, N₂가스의 풀스케일 범위로서 38.8, 125.9, 449.4, 1592.6, 5599.0, 10204.3SCCM을 설정하고 있기 때문에 125.9SCCM의90㎛ 오리피스를 선택할 수 있다. 결국, He가스의 유량변환율K로서는, 107.0/125.9=0.850을 설정하지 않으면 안된다.

물론 본 발명에서는 이 이외의 유량변환율의 결정방법도 가능하다.

이상에서, 도 5에 있어서 N₂가스를 0 내지 125.9SCCM의 범위에서 제어하는 경우에는, 유량변환회로(18)의 유량변환율은 k=1로 절환되고, 구동부(4a)를 통해서 컨트롤밸브(2a)가 개폐제어된다. 이 때, 컨트롤밸브(2b), (2c)는 언제나 폐쇄상태이다.

도 5에 나타내는 유체가변형 유량제어장치의 다른 작동은 도 3의 경우와 마찬가지이기 때문에 그 설명은 생략한다.

도 6은 오리피스(8)의 설치구조의 일례를 나타내는 요부단면도이다. 도 중 2는 컨트롤밸브로, 다이어프램누름(2d)으로 다이어프램(2e)을 밸브좌(2f)에 대하여 밸브개도 가능하게 착탈하는 것에 의해 유체의 유량제어를 행한다. 플랜지(8c)의 안에는 상류측유로(3)가 형성되고, 플랜지(8d)의 안에 하류측유로(5)가 형성되어 있다. 오리피스(8)는 양 플랜지(8c), (8d)의 안에 오리피스 유지대(8b)와 서로 착탈가능하게 배치된다. 오리피스(8)는 오리피스구멍(8a)을 보유하고 있고, 양 플랜지(8c), (8d)를 분해하면 용이하게 다른 오리피스로 교환가능하다. 이 교환가능성이 본 발명의 특징의 하나이다.

상기 다이어프램누름(2d)은 전압소자형의 구동부(4)에 의해 상하 가능하게 구동 되어진다. 압전소자로의 입력에 의해 다이어프램누름(2d)이 상승하면, 다이어프램(2e)은 상방으로 탄성복귀하고, 밸브좌(2f)에서 이간하는 것에 의해, 밸브가 열린상태로 된다. 또한, 밸브개방정도의 미세조정에 의해 상류측유로(3)의 압력P₁을 자유롭게 조정가능하다.

오리피스(8)의 교환구조는 도 6에 나타내는 이외에도, 공지의 밸브기술을 이용하는 것에 의해 각종 설계변경가능하다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에 있어서의 각종 변형예, 설계변경 등을 그 기술적 범위 내에서 포함하는 것이다.

본 발명은 이상 상기한 바와 같이, 오리피스 상류측압력P₁을 오리피스 하류측압력의 약 2배이상으로 유지하는 것에 의해, 상류측압력P₁을 조정하는 것만으로 하류측유량Qc를 Qc=KP₁의 관계식으로 목적치로 자동제어하는 것이 가능하다.

동시에, 유량설정신호를 유량변환회로에 통하는 정도로 풀스케일 유량을 원하는 값으로 간단히 절환하는 것이 가능하고, 유량의 표시와 이해를 용이하게 하는 것이 가능하다.

또한, 단일 유량제어장치에 의해, 오리피스 지름이 다른 오리피스에 변환하는 것만으로, 복수종의 유체에 대응가능하고, 게다가 각 유체마다 유량변환회로의 유량변환율을 절환하는 것만으로 자유로운 유량제어를 행하는 것이 가능하다.

따라서, 적은 부품에 다수의 유체에 대응가능하기 때문에, 가격의 저하와 기술의 보편화에 공헌할 수 있는 산업상 극히 유익한 유체가변형 유량제어장치를 실현한 것이다.

Claims

오리피스 상류측압력P₁을 하류측압력P₂의 약 2배이상으로 유지하여 유체의 유량제어를 행하는 유량제어장치에 있어서, 유체의 종류나 유량범위에 따라서 적절한 오리피스 지름으로 설정하기 위하여 변환가능하게 설치한 오리피스와, 그 상류측에 설치한 컨트롤밸브와, 이 컨트롤밸브와 오리피스의 사이에 설치한 압력검출기(6)와, 이 압력검출기의 검출압력P₁에서 유량을 Qc=KP₁(K는 정수)로서 연산하는 유량연산회로(14)와, 유량설정신호Qe를 출력하는 유량설정회로와, 풀스케일 유량을 절환하기 위하여 연산유량신호Qc를 절환연산유량신호Qf로 변환하는 유량변환회로(18)와, 이 절환연산유량신호Qf와 유량설정신호Qe와의 차를 제어신호Qy로서 컨트롤밸브의 구동부로 출력하는 연산제어회로로 구성되고, 제어신호Qy가 영으로 되도록 컨트롤밸브를 개폐하여 오리피스 하류측유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 유체가변형 유량제어장치.
제 1항에 있어서, 상기 유량변환회로(18)는, 연산유량Qc에 변환율k을 곱하여 절환연산유량신호Qf(Qf=kQc)로 변환하도록 된 유체가변형 유량제어장치.
제 1항에 있어서, 유량변환회로는, 압력검출기의 출력증폭기의 증폭율을 조정하는 회로로 된 유체가변형 유량제어장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 유량변환회로(18)는 DIP스위치에 의해 구성된 유체가변형 유량제어장치.
오리피스 상류측압력P₁을 하류측압력P₂의 약 2배이상으로 유지하여 유체의 유량제어를 행하는 유량제어장치에 있어서, 유체의 종류나 유량범위에 따라서 적절한 오리피스 지름으로 설정하기 위하여 변환가능하게 설치한 오리피스와, 그 상류측에 설치한 컨트롤밸브와, 이 컨트롤밸브와 오리피스의 사이에 설치한 압력검출기(6)와, 이 압력검출기의 검출압력P₁에서 유량을 Qc=KP₁(K는 정수)로서 연산하는 유량연산회로(14)와, 유량설정신호Qe를 출력하는 유량설정회로(16)와, 풀스케일 유량을 절환하기 위하여 유량설정신호Qe를 유량지령신호Qs로 변환하는 유량변환회로(18)와, 이 유량지령신호Qs와 연산유량Qc의 차를 제어신호Qy로서 컨트롤밸브의 구동부로 출력하는 연산제어회로(20)로 구성되고, 제어신호Qy가 영으로 되도록 컨트롤밸브를 개폐하여 오리피스 하류측유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 유체가변형 유량제어장치.
제 5항에 있어서, 상기 유량변환회로(18)는, 유량설정신호Qe에 변환율k을 곱하여 유량지령신호Qs(Qs=kQe)로 변환하도록 된 유체가변형 유량제어장치.