KR20030074743A - 개량형 압력식 유량제어장치 - Google Patents

개량형 압력식 유량제어장치 Download PDF

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수기야마카주히코
이누이슈지로
사카이타이지
우에야마마사노리
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가부시키가이샤 후지킨
다다히로 오미
도쿄 엘렉트론 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 비임계영역에 있어서 압축성 유체의 실제의 유량에 고정밀도로 부합하는 실험유량식을 확립하고, 이 실험유량식을 이용하여 고정밀도로 유량의 제어를 하도록 한 개량형 압력식 유량제어장치를 제공한다.
비임계영역(비음속영역)에 있어서의 압축성 유체의 실험유량식을 Qc=KP2 m(P1-P2)n에 의해서 표시하고, 오리피스(4)를 통과하는 유체유량을 상기 Qc=KP2 m(P1-P2)n(K는 비례정수, m과 n은 정수)에 의해 연산하여 정확하고 또한 고속으로 목적하는 유량으로 제어할 수 있도록 한 개량형 압력식 유량제어장치를 제공한다. 또한, 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)으로부터 얻어지는 압력비 P2/P1=r을 항상 임계값(rC)과 비교하여 임계조건(r≤rC) 하에서는 Qc=KP1에 의해, 또한, 비임계조건(r〉rC) 하에서는 Qc=KP2 m(P1-P2)n에 의해 유량을 연산하여 유체의 전체조건에 대응하면서 정확하고 또한 고속으로 목적하는 유량으로 유량을 제어할 수 있도록 한 개량형 압력식 유량제어장치를 제공한다.

Description

개량형 압력식 유량제어장치{IMPROVED PRESSURE TYPE FLOW RATE CONTROL APPARATUS}
반도체 제조설비나 화학프린트 등에서는 원료로 되는 복수의 가스를 소정의 유량으로 공급하고, 원료가스를 반응로 중에서 화학반응시켜서 목적으로 하는 가스를 생성하는 경우가 많다. 이와 같은 경우에 원료가스의 공급유량이 정확하지 않으면 화학반응에 과부족이 생기고, 목적으로 하는 가스 중에 원료가스가 잔류하는 사태가 생긴다.
미반응상태에서 잔류하는 원료가스는 불순물 가스로 되고, 목적으로 하는 가스의 순도를 저하시킨다. 특히, 미반응 잔류가스가 폭발성 가스인 경우에는 뒤이은 제조설비에 있어서 폭발의 위험성이 뒤따르고, 폭발성 미반응 잔류가스의 제거처리에 여분의 수고가 든다라는 사태가 생긴다.
여기서, 공급하는 가스의 유량을 정확하게 제어하는 것이 필요하고, 종래로부터 질량유동 컨트롤러를 가스유량 제어장치로서 이용하는 경우가 많았다. 그런데, 질량유동 컨트롤러에는, ①응답속도가 비교적 느리고, ②저유량영역에 있어서의 유량정밀도가 나쁘며, ③작동시의 문제가 많고, ④높은 비용이라는 등의 많은 결점이 있었다.
그때문에, 질량유동 컨트롤러 이외의 방식에서 가스유량제어의 정밀도를 높일 필요성이 지적되어 왔다. 이 요청을 받아서 본 발명자들은 오리피스를 통과하는 유체를 임계조건, 즉 유체의 유속이 음속영역으로 되도록 강제적으로 설정하여 유체의 유량을 제어하도록 한 압력식 유량제어장치를 개발하고, 일본 특개평10-55218호로서 그 발명을 공개하고 있다.
도 5는 종래로부터 이용되고 있는 유체의 유량을 연산하기 위한 이론식 설명도이다. 상류측의 유체압력이 P1으로 설정된 상류측 배관으로부터 오리피스에 유입된 유체를 하류측 배관에 하류측 압력(P2)으로 공급하는 경우를 고려한다. 여기서, 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)은 절대압력으로 표시되어 있다.
오리피스를 통과하는 유체의 속도가 음속에 도달하기 전과 음속에 도달한 후에는 유체의 유량조건이 극단적으로 변화한다는 것은 알려져 있다. 음속에 도달하기 전의 비임계조건(비음속영역) 하에서는 하류측 유량(Q)은 Q=SC(P2(P1-P2))1/2/T1/2으로 주어지지만 음속에 도달한 후의 임계조건(음속영역) 하에서는 Q=SCP1/T1/2가 성립한다. 여기서, T는 오리피스 통과시의 유체의 절대온도, S는 오리피스구멍의 단면적, C는 비례계수이다.
유체속도가 음속에 도달하는 임계조건은 압력비(P2/P1)의 임계값(rC)으로 주어진다는 것이 유체역학으로부터 판명되어 있다. 이 임계값(rC)는 가스의 비열비(n)를 이용하여 P2/P1=rC=(2/(n+1))n/(n-1)에 의해 주어진다.
비열비(n)는 n=Cp/Cv로 주어진다. 단, Cp는 정압비열, Cv는 정적비열이다. 2원자분자가스(예컨대 O2나 H2)에서는 n=7/5=1.4이고, rC=0.53으로 된다. 또한, 비직선형 3원자분자가스에서는 n=8/6=1.33이고, rC=0.54로 된다. 따라서, 이들 수치를 rC= 약 0.5로 표기한다.
본 발명은 주로 반도체 제조설비나 화학프린트 등에서 사용되는 압력식 유량제어장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 유체속도가 음속보다 작은 영역에서 공급되는 유체의 유량을 신규한 실험식을 이용하여 정확하게 정하고, 이 실험식에 기초하여 공급하는 유체유량을 정확하게 제어하도록 한 개량형 압력식 유량제어장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 관한 비임계조건 하에 있어서의 유량실험식과 유량설정값의 비교도이다.
도 2는 본 발명에 관한 실험유량식을 이용한 개량형 압력식 유량제어장치의 제1실시형태의 사용상태를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 관한 실험유량식을 이용한 개량형 압력식 유량제어장치의 제2실시형태의 사용상태를 나타내는 구성도이다.
도 4는 제어용 유량식이 다른 경우의 유량의 비교도이다.
도 5는 종래로부터 이용되고 있는 유체유량의 이론식의 설명도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
2 … 제1실시형태에 관한 개량형 압력식 유량제어장치
3 … 제2실시형태에 관한 개량형 압력식 유량제어장치(NFCS)
4 … 오리피스 4a … 오리피스구멍
6 … 상류측 배관 8 … 하류측 배관
10 … 상류측 압력센서 12 … 하류측 압력센서
14 … 온도센서 15a … 압력비 연산수단
15b … 임계조건 판단수단 16 … 제어회로
17 … 유량연산수단 17a … 임계유량 연산수단
17b … 비임계유량 연산수단 18 … 유량설정수단
19 … 감산수단 20 … 밸브구동부
22 … 컨트롤밸브 24 … 가스탱크
26 … 조정기 27 … 공급측 배관
28 … 밸브 29 … 제어측 배관
30 … 밸브 32 … 쳄버
34 … 드라이 펌프 P1… 상류측 압력
P2… 하류측 압력 r … 압력비(P2/P1)
rC… 임계값 Qc … 연산유량
Qs … 설정유량 ΔQ … 유량차
도 5에 나타내는 바와 같이, 상류측 압력(P1)을 일정하게 하고, 하류측 압력 (P2)을 변수로 하여 임계조건과 비임계조건을 구성하는 경우를 고려한다. 임계조건은 P2/P1≤rC(=약 0.5)이기 때문에 P2≤rCP1(≒0.5P1)의 영역이 음속영역이다. 반대로, P2〉rCP1(≒0.5P1)이 비음속영역(비임계조건)으로 된다.
상기한 바와 같이, 유체가 비임계조건(비음속영역) 하에 있을 때 오리피스를 통과하는 유체유량(Qc)은 Qc=SC(P2(P1-P2))1/2/T1/2로 표시된다. 이 식을 간단하게 하면 Qc=K(P2(P1-P2))1/2로 되고, 비례정수(K)는 K=SC/T1/2로 표시된다.
이 유량식은 베루누이의 정리로부터 도출된다. 또한, 베루누이의 정리는 유체가 비압축성일 때에 성립하는 이상적 조건 하의 정리이다. 한편, 실제가스흐름에서는 유체가 압축되거나 팽창하는 것이 통상적이기 때문에 상기 이론유량식(Qc)은 실제의 유량과 비교하여 당연히 오차를 갖는다.
유체의 비압축성이 근사적으로 만족되는 것은 유체의 압력변화가 작을 경우, 즉, 비중량의 변화가 작은 경우이다. 유체가 이와 같은 이상적 조건을 만족하는 경우에는 상기 유량식을 이용하여 유체의 유량제어를 하고 있다. 또한, 많은 경우에는 상기 유체조건으로부터 벗어나기 때문에 상기 유량식을 이용하면 정밀도가 높은 유량의 제어를 할 수 없다.
여기서, 본 발명자들은 상기 일본 특개평10-55218호를 공개하고, 압력비 (P2/P1)를 임계압력비(rC)보다 강제적으로 작게 하여 임계조건을 설정하고, 이 임계조건 하에서 유량을 제어하는 방식을 제안하고 있다. 따라서, 사용하는 이론유량식은 Qc=KP1으로, 비례정수 K는 K=SC/T1/2으로 주어진다.
이 임계조건 하에서는 유량(Qc)이 하류측의 유체조건에 의존하지 않기 때문에 유량제어가 고정밀도로 행해진다라는 이점을 갖고 있다.
또한, 이 고정밀도의 제어성이 얻어지는 것, 임계조건이 성립하는 것이 전제로 되어 있다. 임계조건이 성립하지 않는 유체에 대해서 Qc=KP1의 유량식으로 유량을 제어하면 상당한 오차를 갖게 된다.
또한, 유량식으로서 Qc=KP1을 사용하더라도 실제의 유량이 큰 경우에는 임계조건이 성립하고 있지만 유량이 작게 됨에 따라 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)이 접근하고, 비임계조건으로 되는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는 상기 유량식 Qc=KP1은 성립되지 않기 때문에 유량제어에 큰 오차를 포함하게 되어버린다.
즉, 종래의 압력식 유량제어장치에는 2개의 중대한 결점이 존재한다. 제1은 비임계조건 하에서 사용되는 이론유량식이 비압축성 유체를 전제로 하고 있기 때문에 비임계조건 하에서 압축성 유체의 유량을 제어하였을 때에는 큰 오차가 생기는 경우가 있다. 또한, 제2는 임계조건 하의 유량식 Qc=KP1을 사용하고 있어도 하류측 압력(P2)이 상승함에 따라 비임계조건이 나타나는 경우가 있고, 유량식 Qc=KP1이 유량식 K(P2(P1-P2))1/2로 변화하기 때문에 큰 오차가 생기는 경우가 있다.
따라서, 본 발명에 관한 개량형 압력식 유량제어장치의 제1목적은 비임계영역에 있어서 압축성 유체의 실제의 유량에 고정밀도로 부합하는 유량실험식을 확립하고, 이 유량실험식을 이용하여 고정밀도로 비임계영역에 있어서의 압축성 유체의 유량제어를 하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2목적은 유체조건이 임계조건인지 비임계조건인지를 항상 판단하면서 임계조건에 있어서는 Qc=KP1의 유량식을 이용하고, 비임계조건에 있어서는 상기 유량실험식을 이용하여 유량의 전체영역에 대하여 고정밀도의 유량의 제어를 실현할 수 있도록 하는 것이다.
청구항1의 발명은, 유량제어용 오리피스에 유체를 통과시킬 때 오리피스의 상류측 압력(P1)과 오리피스의 하류측 압력(P2)을 이용하여 오리피스를 통과하는 유체유량(Qc)을 QC=KP2 m(P1-P2)n(K는 비례정수, m과 n은 정수)에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 개량형 압력식 유량제어장치이다.
청구항2의 발명은, 유량제어용 오리피스와, 오리피스의 상류측 배관에 설치한 컨트롤밸브와, 오리피스와 컨트롤밸브 사이에 설치하여 상류측 압력(P1)을 검출하는 상류측 압력센서와, 오리피스의 하류측 배관에 설치하여 하류측 압력(P2)을 검출하는 하류측 압력센서와, 상류측압력(P1)과 하류측 압력(P2)으로부터 연산유량 (Qc)을 QC=KP2 m(P1-P2)n(K는 비례정수, m과 n은 정수)에 의해 연산하는 유량연산수단과, 하류측에 유체를 설정유량(Qs)으로 공급하도록 지령하는 유량설정수단과, 설정유량(Qs)과 연산유량(Qc)의 유량차(ΔQ)를 연산하는 감산수단과, 상기 유량차(ΔQ)를 제로로 하도록 컨트롤밸브를 개폐제어하는 구동부로 구성되고, 하류측 배관에 공급되는 유체의 유량을 설정유량(Qs)으로 제어하는 것을 특징으로 하는 개량형 압력식 유량제어장치이다.
청구항3의 발명은, 청구항2의 발명에 있어서, 상기 오리피스로부터 유출되는유체의 속도가 음속보다 작은 상태에 있는 비임계조건 하에서 작동시키도록 한 개량형 압력식 유량제어장치이다.
청구항4의 발명은, 유량제어용 오리피스와, 오리피스의 상류측 배관에 설치한 컨트롤밸브와, 오리피스와 컨트롤밸브 사이에 설치하여 상류측 압력(P1)을 검출하는 상류측 압력센서와, 오리피스의 하류측 배관에 설치하여 하류측 압력(P2)을 검출하는 하류측 압력센서와, 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)의 압력비에 의해서 오리피스로부터 유출되는 유체가 임계조건(음속영역)에 있는지의 여부를 판단하는 임계조건 판단수단과, 비임계조건에서는 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)으로부터 연산유량(Qc)을 QC=KP2 m(P1-P2)n(K는 비례정수, m과 n은 정수)에 의해 연산하는 비임계유량 연산수단과, 임계조건에서는 상기 연산유량(Qc)을 Qc=KP1(K는 비례정수)에 의해 연산하는 임계유량 연산수단과, 하류측에 유체를 설정유량(Qs)으로 공급하도록 지령하는 유량설정수단과, 설정유량(Qs)과 연산유량(Qc)의 유량차(ΔQ)를 연산하는 감산수단과, 이 유량차(ΔQ)를 제로로 하도록 컨트롤밸브를 개폐제어하는 구동부로 구성되고, 하류측 배관에 공급되는 유체의 유량을 설정유량(Qs)으로 제어하는 것을 특징으로 하는 개량형 압력식 유량제어장치이다.
청구항5의 발명은, 청구항3 또는 청구항4의 발명에 있어서, 임계압력비 (rC)(=P2/P1)는 (2/(n+1))n/(n-1)(단, n은 Cp/Cv로 정의되는 유체분자의 비열비)로 계산되고, 압력비(P2/P1)가 임계압력비(rC) 이하일 때에 임계조건으로 판단하고, 또한, 임계압력비보다 클 때에 비임계조건으로 판단하도록 한 개량형 압력식 유량제어장치이다.
도 1은 본 발명에 관한 비임계조건 하에 있어서의 유량실험식과 유량측정값의 비교도이다. 본 발명자들은 비임계조건 하에서 사용되는 종래의 이론유량식을 검토하였다. 베루누이의 정리로부터 도출되는 종래 유량식은 Qc=K(P2(P1-P2))1/2이다. 바꾸어 쓰면 Qc=KP2 1/2(P1-P2)1/2로 된다.
이 종래의 유량식은 비압축성 유체에 대해서는 정확한 식이고, 예컨대, 비압축성 액체 등의 유체에 대해서는 충분히 정밀도가 있는 유량식이다. 이 유량식을 가스 등의 압축성 유체에 적합시키기 위해서는 이 유량식의 구조 또는 형식을 가능한한 바꾸지 않고, 또한, 복수 파라미터를 갖는 실험유량식을 확립할 필요가 있다.
여기서, 본 발명자들은 실험유량식으로서 Qc=KP2 m(P1-P2)n을 제안하고, 피팅용으로 m과 n의 2파라미터를 도입하는 것으로 하였다. 여기서, 비례정수(K)는 K=SC/T1/2로 주어지고, 가스흐름의 물질조건과 절대온도(T)로부터 계산된다.
도 1에 있어서, 횡축은 하류측 압력(P2)을 표시하고, 단위는 kPaA(킬로파스칼 절대압)이다. 또한, 종축은 유량(Q)을 표시하고, 단위는 SCCM이며, 표준상태에 있어서의 cc/min단위의 유량을 표시한다. P2=4.8[kPaA]의 세로파선은 임계값(rC)의 위치를 나타내고, 좌측의 (A)영역은 임계조건의 영역, 우측의 (B)영역은 비임계조건의 영역을 나타내고 있다.
도 1 중에서 검정 마름모꼴은 유량의 실측값을 도시한 것이고, 이 실측값에 맞도록 상기 실험유량식 Qc=KP2 m(P1-P2)n을 연산에 의해 부합시키고, 파라미터 m,n을 결정한다. 그 결과, m=0.47152 및 n=0.59492가 얻어졌다.
상기 실험유량식에 의해서 계산되는 유량은 검정 사각으로 도시되어 있다.
이 실험유량식은 비임계조건(B)의 전체영역에서 실측값에 고정밀도로 부합하고 있고, 또한, 임계조건(A)의 영역에서도 세로파선에 가까운 영역에서는 실측값에 부합하고 있다. m과 n의 2개의 자유파라미터에 의해서 부합시키기 때문에 임계조건(A)의 영역의 일부에 있어서도 부합하는 영역이 나타난 것이다.
본 발명자들의 연구에 따르면 2개의 파라미터 m,n의 값은 제어되는 유량범위에 의존하는 것이 판명되어 있다. 상기 m=0.47152 및 n=0.59492의 값은 유량이 0~10sccm의 영역에 있어서 성립하는 값이지만 유량범위가 0~100sccm이나 0~1000sccm으로 되면 m과 n의 값은 이들 값으로부터 벗어나는 것이 판명되어 있다.
각 유량범위에 대해서 부합된 m과 n의 값을 분산의 관점에서 통합하면 0.40〈m〈0.50 및 0.50〈n〈0.65의 범위가 얻어지는 것이 판명되었다. 따라서, 실제의 유량제어에 있어서는 제어되는 유량범위에 따라서 이들 범위로부터 선택된 최적의 파라미터 m,n의 값이 이용된다.
상기 m=0.47152 및 n=0.59492의 값은 이들 범위로부터 선택된 m,n의 일예에 지나지 않는다. 그러나, 베루누이의 정리로부터 얻어지는 m=0.5 및 n=0.5이 이들 범위에 포함되어 있지 않은 것은 특필해야할 것이다. 이것은 실제의 유체가 비압축성 유체라는 이상유체와는 크게 다른 것을 의미하고 있다. 본 발명은 이 현실의 유체에 대해서 구체적으로 성립하는 유량실험식을 발견함으로써 이루어진 것이다.
이상으로부터, 비임계조건 하에 있어서의 유량제어에서는 실험유량식으로서 Qc=KP2 m(P1-P2)n(0.40〈m〈0.50, 0.50〈n〈0.65)를 이용하면 고정밀도의 유량제어를 실현할 수 있다. 이것은 베루누이의 정리로부터 얻어지는 종래의 Qc=KP2 1/2(P1-P2)1/2보다도 매우 실측값을 재현할 수 있는 것이다. 동시에, 임계조건 하에 있어서의 이론유량식으로서 Qc=KP1을 병용함으로써 비임계조건 및 임계조건의 전체영역에 걸쳐서 고정밀도의 유량제어를 달성할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 실험유량식을 이용한 개량형 압력식 유량제어장치의 제1실시형태의 사용상태를 나타내는 구성예이다. 이 개량형 압력식 유량제어장치(2)는 공급되는 유체가 비임계조건 하에 있는 경우, 즉, 오리피스(4)로부터 유출되는 유체의 유체속도가 음속보다 작은 경우를 전제로 구성되어 있다.
상기 개량형 압력식 유량제어장치(2)에는 오리피스구멍(4a)을 형성한 오리피스(4), 상류측 배관(6), 하류측 배관(8), 상류측 압력센서(10), 하류측 압력센서 (12), 온도센서(14), 제어회로(16), 밸브 구동부(20) 및 컨트롤밸브(22)가 배치되어 있다.
제어회로(16)는 마이크로 컴퓨터와 내장 프로그램을 중심으로 구성되어 있지만 전자회로로 구성하여도 좋고, 혹은, 전자회로와 범용 퍼스컴으로 구성하여도 좋다. 이 제어회로(16)는 실험유량식에 의한 유량(Qc)을 연산하는 유량연산수단(17)과, 흘러야하는 설정유량(Qs)을 지령하는 유량설정수단(18)과, 연산유량(Qc)과 설정유량(Qs)의 유량차(ΔQ)(=Qs-Qc)를 계산하는 감산회로(19)로 구성되어 있다. 유량차(ΔQ)는 Qc-Qs에 의해 산출되어도 좋다.
상기 개량형 압력식 유량제어장치(2)의 상류측에는 고압가스를 내장하는 가스탱크(24)와, 이 고압가스의 가스압력을 적절하게 조정하는 조정기(26)와, 상기 가스를 공급측 배관(27)으로부터 컨트롤밸브(22)에 공급하는 밸브(28)가 접속되어있다.
또한, 개량형 압력식 유량제어장치(2)의 하류측에는 유량제어된 가스를 유통시키는 제어측 배관(29)과, 밸브(30)와, 쳄버(32) 및 진공펌프로서 기능하는 드라이 펌프(34)가 연결되어 있다.
이어서, 상기 개량형 압력식 유량제어장치(2)의 제어동작을 설명한다. 상류측에서는 공급측 배관(27)에 소정 압력의 가스가 공급되고, 하류측에서는 드라이 펌프(34)에 의해 제어측 배관(29)이 저압으로 설정되어 있다.
컨트롤밸브(22)에 의해 상류측 배관(6)에 가스가 공급되고, 이 가스의 상류측 압력(P1)이 상류측 압력센서(10)에 의해 계측된다. 동시에, 오리피스(4)로부터 하류에 공급되는 가스의 하류측 압력(P2)이 하류측 압력센서(12)에 의해 계측된다. 또한, 오리피스(4)를 통과하는 가스의 온도는 온도센서(14)에 의해 측정된다.
이 실시예에서는 드라이 펌프(34)의 배기량의 조정에 의해 오리피스구멍(4a)으로부터 유출되는 유체속도는 음속보다 작게 설정되어 있고, 항상 비임계조건이 성립하고 있다. 따라서, 제어회로(16)에서는 압력비(P2/P1)는 연산되지 않고, 임계값(rC)과의 비교판단은 이루어지지 않는다. 즉, 이 실시예는 P2/P1〉rC가 항상 성립한 비임계조건 하에 있는 것을 전제로 하여 유체의 유량제어가 행해진다.
상류측 압력(P1), 하류측 압력(P2) 및 가스온도(T)는 유량연산수단(17)에 입력된다. 이 유량연산수단(17)에서는 가스온도(T)로부터 비례정수(K)가 계산되고,양 압력(P1ㆍP2)으로부터 P2 m(P1-P2)n이 계산되고, 최종적으로 연산유량(Qc)이 Qc=KP2 m(P1-P2)n으로부터 연산된다. 이 연산유량(Qc)이 오리피스(4)에 의해 현재 공급되고 있는 유량을 나타내고 있다.
하류측에 공급되야할 목표로 하는 유량은 유량설정수단(18)을 통해서 설정유량(Qs)으로서 입력된다. 이 설정유량(Qs)과 상기 연산유량(Qc)은 감산수단(19)에 입력되고, 유량차(ΔQ)가 ΔQ=Qs-Qc에 의해 계산된다. 이 유량차(ΔQ)가 양이면 유량부족이고, 음이면 유량과잉인 것을 의미한다.
여기서, 상기 유량차(ΔQ)의 신호가 밸브 구동부(20)에 출력되고, 상기 유량차(ΔQ)를 제로로 하도록 컨트롤밸브(22)를 개폐제어한다. 따라서, 유량부족 (ΔQ〉0)이면 컨트롤밸브(22)는 적을수록 개방도를 크게 하고, 유량과잉(ΔQ〈0)이면 컨트롤밸브(22)는 적을수록 개방도를 작게 하고, ΔQ가 제로로 되도록 자동조정한다.
이 개량형 압력식 유량제어장치(2)에서는 상류측 압력(P1)과 하류측 압력 (P2)이 연속적으로 계측되기 때문에 컨트롤밸브(22)의 개폐는 고속으로 연속 제어되고, 유량제어의 고정밀도화, 자동화 및 고속화를 동시에 달성할 수 있는 이점을 갖는다.
본 발명의 요점으로 되는 실험유량식 Qc=KP2 m(P1-P2)n은 비임계조건 하에 있어서의 유체의 유량을 정확하게 표현할 뿐만 아니라, 임계조건의 영역에 있어서도 임계값에 인접하는 영역의 유량을 정확하게 표현하고 있는 것은 이미 설명되어 있다. 따라서, 비임계조건을 전제로 하는 유체제어계에 한정되지 않고, 비임계조건과 임계조건 양자를 포함하는 영역에 대해서도 상기 개량형 압력식 유량제어장치(2)를 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명에 관한 실험유량식을 이용한 개량형 압력식 유량제어장치의 제2실시형태의 사용상태를 나타내는 구성도이다. 이 제2실시형태에서는 개량형 압력식 유량제어장치(3)의 제어회로(16)의 내부구성이 도 2의 제1실시형태의 경우와 다를 뿐이며 다른 구성은 도 2와 마찬가지이므로 다른 점만을 이하에 설명하고, 기타 부분의 설명을 생략한다.
제2실시형태에서는 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)으로부터 압력비 r=P2/P1을 산출하고, 유체가 임계조건 하에 있는지, 혹은, 비임계조건 하에 있는지를 항시 판단하고, 임계조건 하에서는 유량식 Qc=KP1을 이용하고, 비임계조건 하에서는 실험유량식 Qc=KP2 m(P1-P2)n을 이용하여 현재 가장 엄밀한 방식으로 유량제어를 하는 것이다.
상기 제2실시형태의 개량형 압력식 유량제어장치(3)가 베스트모드이기 때문에 상기 개량형 압력식 유량제어장치(3)를 NFCS(New Flow Control System)로 칭한다. 제어회로(16)는 압력비 연산수단(15a), 임계조건 판단수단(15b), 임계유량 연산수단(17a), 비임계유량 연산수단(17b), 유량설정수단(18) 및 감산수단(19)으로 구성되어 있다.
상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)이 입력되면 압력비 연산수단(15a)에서는 압력비(P2/P1)가 계산되고, 그 값(r)이 기억된다. 이 값(r)은 임계조건 판단수단 (15b)에 입력되고, 임계값(rC)과 비교된다.
상기한 바와 같이, 임계값(rC)는 (2/(n+1))n/(n-1)에 의해 주어지고, 2원자분자가스에서는 rC=0.53, 비직선형 3원자분자가스에서는 rC=0.54이고, rC= 약 0.5로 표기된다.
r〉rC일 때는 비임계조건 하에 있고, 비임계유량 연산수단(17b)에 의해 연산유량(Qc)은 Qc=KP2 m(P1-P2)n으로부터 계산된다. r≤rC일 때는 임계조건 하에 있고, 임계유량 연산수단(17a)에 의해 연산유량(Qc)은 Qc=KP1으로부터 계산된다. 이와 같이 현재의 유체가 임계조건 또는 비임계조건 중 어느 하나에 있는지를 항시 체크하면서 실제의 유량을 적절한 유량식으로 추정하는 것이다.
최종적으로, 설정유량(Qs)과 연산유량(Qc)의 유량차(ΔQ)를 감산수단(19)으로 계산하여 유량차(ΔQ)가 제로로 되도록 밸브 구동부(20)를 동작시켜서 컨트롤밸브(22)를 개폐제어한다.
도 4는 제어용 유량식이 다른 경우의 유량의 비교도이다. 검정 마름모꼴은임계조건 하에 있어서의 유체의 유량식 Q=KP1을 전체영역(임계조건과 비임계조건)에 대해서 사용한 경우를 나타내고, 종래의 FCS(Flow Control System)에 상당한다. 한편, 검정 삼각은 도 3에 나타내는 NFCS(신형 FCS)에 상당한다.
최대유량을 80[SCCM]으로 하고, 설정유량(Qs)을 100%로 하였을 때에 80[SCCM]의 유량이 흐르도록 설정한다. 따라서, 유량이 클수록 임계조건(음속영역)이 만족되고, 유량이 작게 될수록 비임계조건(비음속영역)으로 이행하는 것으로 생각된다.
종래의 FCS(검정 마름모꼴)에서는 Q=KP1의 유량식으로만 전체영역을 제어하기 때문에 설정유량이 큰 경우에는 임계조건이 만족되고, 올바른 유량을 나타내고 있다. 그런데, 설정유량이 작게 되면 비임계조건 하에서 이행하기 때문에 임계조건 하에 있어서의 유량식에서는 정확한 유량을 반영하지 않고, 설정유량이 10%나 되는데도 유량=0으로 틀린 결과가 나와버린다. 따라서, 소유량영역에서는 FCS를 보정하는 기구가 필요하였다.
그런데, NFCS의 경우에는 임계조건 하에서는 임계조건의 유량식 Qc=KP1을 이용하고, 비임계조건 하에서는 비임계조건의 실험유량식 Qc=KP2 m(P1-P2)n을 이용하기 때문에 설정유량에 비례한 정확한 유량(Q)을 산출하고, 유량(Q)의 설정%에 대한 직선성이 도 4의 검정 삼각으로 나타내는 바와 같이 보증되어 있다.
본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을이탈하지 않는 범위에 있어서의 각종 변형예나 설계변경 등이 그 기술적 범위 내에 포함되는 것은 말할 필요도 없다.
청구항1의 발명에 의하면 오리피스를 통과하는 유체유량(Qc)을, 실제의 유량을 정확하게 재현하는 실험유량식 Qc=KP2 m(P1-P2)n으로 연산하기 때문에 유량제어를 고정밀도로 하는 개량형 압력식 유량제어장치를 실현할 수 있다.
청구항2의 발명에 의하면 설정유량(Qs)에 대해서 연산유량(Qc)을 Qc=KP2 m(P1-P2)n으로 연산하고, 양자의 유량차(ΔQ)(=Qs-Qc 또는 Qc-Qs)를 제로가 되도록 컨트롤밸브를 개폐제어하기 때문에 공급되는 유체의 유량을 정확하게 또한 고속으로 설정유량으로 제어할 수 있는 개량형 압력식 유량제어장치를 실현할 수 있다.
청구항3의 발명에 의하면 오리피스로부터 유출되는 유체가 비임계조건 하에 있을 때에 청구항2의 개량형 압력식 유량제어장치를 동작시키기 때문에 고정밀도의 개량형 압력식 유량제어장치를 제공할 수 있다.
청구항4의 발명에 의하면 오리피스로부터 유출되는 유체가 임계조건 하에 있을 때에는 임계조건 하에 있어서의 유량식 Q=KP1을 이용하고, 비임계조건 하에 있을 때에는 비임계조건 하에 있어서의 실험유량식 Qc=KP2 m(P1-P2)n을 이용하여 유량의 제어를 하기 때문에 유체가 임계조건으로부터 비임계조건 사이를 변화하여도 이 변화에 고속으로 추종하면서 유체의 유량제어를 고정밀도로 할 수 있다.
청구항5의 발명에 의하면 오리피스의 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)을 검출하는 것만으로 유체가 임계조건 하에 있는지 혹은 비임계조건 하에 있는지를 정확하게 판단할 수 있고, 소위 유체의 제어에 대응할 수 있다.

Claims (5)

  1. 유량제어용 오리피스에 유체를 통과시킬 때 오리피스의 상류측 압력(P1)과 오리피스의 하류측 압력(P2)을 이용하여 오리피스를 통과하는 유체유량(Qc)을 QC=KP2 m(P1-P2)n(K는 비례정수, m과 n은 정수)에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 개량형 압력식 유량제어장치.
  2. 유량제어용 오리피스와, 오리피스의 상류측 배관에 설치한 컨트롤밸브와, 오리피스와 컨트롤밸브 사이에 설치하여 상류측 압력(P1)을 검출하는 상류측 압력센서와, 오리피스의 하류측 배관에 설치하여 하류측 압력(P2)을 검출하는 하류측 압력센서와, 상류측압력(P1)과 하류측 압력(P2)으로부터 연산유량(Qc)을 QC=KP2 m(P1-P2)n(K는 비례정수, m과 n은 정수)에 의해 연산하는 유량연산수단과, 하류측에 유체를 설정유량(Qs)으로 공급하도록 지령하는 유량설정수단과, 설정유량(Qs)과 연산유량 (Qc)의 유량차(ΔQ)를 연산하는 감산수단과, 상기 유량차(ΔQ)를 제로로 하도록 컨트롤밸브를 개폐제어하는 구동부로 구성되고, 하류측 배관에 공급되는 유체의 유량을 설정유량(Qs)으로 제어하는 것을 특징으로 하는 개량형 압력식 유량제어장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 오리피스로부터 유출되는 유체의 속도가 음속보다 작은 상태에 있는 비임계조건 하에서 작동하는 것을 특징으로 하는 개량형 압력식 유량제어장치.
  4. 유량제어용 오리피스와, 오리피스의 상류측 배관에 설치한 컨트롤밸브와, 오리피스와 컨트롤밸브 사이에 설치하여 상류측 압력(P1)을 검출하는 상류측 압력센서와, 오리피스의 하류측 배관에 설치하여 하류측 압력(P2)을 검출하는 하류측 압력센서와, 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)의 압력비에 의해서 오리피스로부터 유출되는 유체가 임계조건(음속영역)에 있는지의 여부를 판단하는 임계조건 판단수단과, 비임계조건에서는 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)으로부터 연산유량(Qc)을 QC=KP2 m(P1-P2)n(K는 비례정수, m과 n은 정수)에 의해 연산하는 비임계유량 연산수단과, 임계조건에서는 상기 연산유량(Qc)을 Qc=KP1(K는 비례정수)에 의해 연산하는 임계유량 연산수단과, 하류측에 유체를 설정유량(Qs)으로 공급하도록 지령하는 유량설정수단과, 설정유량(Qs)과 연산유량(Qc)의 유량차(ΔQ)를 연산하는 감산수단과, 이 유량차(ΔQ)를 제로가 되도록 컨트롤밸브를 개폐제어하는 구동부로 구성되고, 하류측 배관에 공급되는 유체의 유량을 설정유량(Qs)으로 제어하는 것을 특징으로 하는 개량형 압력식 유량제어장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 임계압력비(rC)(=P2/P1)는 (2/(n+1))n/(n-1)(단, n은 Cp/Cv로 정의되는 유체분자의 비열비)로 계산되고, 압력비(P2/P1)가 임계압력비 (rC) 이하일 때에 임계조건으로 판단하고, 또한, 임계압력비보다 클 때에 비임계조건으로 판단하는 것을 특징으로 하는 개량형 압력식 유량제어장치.
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