KR20180056710A - 유량 제어 장치 및 유량 제어 장치를 사용하는 이상 검지 방법 - Google Patents

유량 제어 장치 및 유량 제어 장치를 사용하는 이상 검지 방법 Download PDF

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Abstract

스로틀부(12), 상류측의 제어 밸브(18), 상류측의 제 1 압력 센서(14), 하류측의 제 2 압력 센서(24)를 구비하는 유량 제어 장치(10)와 하류 밸브(24)를 사용하여 행하는 이상 검지 방법으로서, 제어 밸브 및 하류 밸브를 열림 상태로부터 닫힘 상태로 변화시키는 스텝과, 제어 밸브 및 하류 밸브를 닫힘 상태로 유지한 채 상류 압력 및 하류 압력을 측정하는 스텝과, (a) 상류 압력과 하류 압력의 차가 소정값에 도달한 시점에서의 상류 압력을 상류 수속 압력으로서 추출하고, 하류 압력을 하류 수속 압력으로서 추출하는 스텝 및 (b) 제어 밸브 및 하류 밸브를 닫힘 상태로 변화시킨 시점으로부터 상류 압력과 하류 압력의 차가 소정값에 도달한 시점까지의 시간을 수속 시간으로서 추출하는 스텝 중 적어도 한쪽을 포함하고, 스텝(a) 또는 (b) 중 어느 하나의 스텝에서 얻은 데이터와 기준이 되는 값의 비교 에 의거하여 이상의 유무를 판단한다.

Description

유량 제어 장치 및 유량 제어 장치를 사용하는 이상 검지 방법
본 발명은 유량 제어 장치 및 유량 제어 장치를 사용하는 이상 검지 방법에 관한 것이며, 특히 압력식 유량 제어 장치를 포함하는 유체 공급 시스템에 있어서 제어 밸브나 하류 밸브 또는 스로틀부 등의 이상의 유무를 검지하는 기술에 관한 것이다.
반도체 제조 장치나 화학 플랜트에 있어서 재료 가스나 에칭 가스 등의 유량을 제어하기 위해서 다양한 타입의 유량계 및 유량 제어 장치가 이용되고 있다. 이 중에서 압력식 유량 제어 장치는 피에조 소자 구동형의 압력 제어 밸브와 스로틀부(예를 들면, 오리피스 플레이트)를 조합한 비교적 간단한 기구에 의해 각종 유체의 유량을 고정밀도로 제어할 수 있으므로 널리 이용되고 있다.
특허문헌 1에는 스로틀부 상류측에 설치된 압력 센서를 사용하여 유량을 제어하도록 구성된 압력식 유량 제어 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 압력식 유량 제어 장치는 임계 팽창 조건 P1/P2≥약 2(P1: 스로틀부 상류측의 가스 압력, P2: 스로틀부 하류측의 가스 압력)를 만족할 때, 스로틀부를 통과하는 가스의 유속은 음속으로 고정되고, 유량은 하류측 가스 압력(P2)에 의하지 않고 상류측 가스 압력(P1)에 의해 결정된다는 원리를 이용해서 유량 제어를 행하고 있다.
임계 팽창 조건을 만족할 때, 유량(Qc)은 예를 들면, 다음 식에 의해 주어진다.
Qc=Ｓ·C·P1/T11/2
여기서, S는 오리피스 단면적, C는 가스 물성에 의해 정해지는 정수(플로우 팩터), T1은 상류측 가스 온도이다. 상기 식으로부터 가스 온도(T1) 및 플로우 팩터(C)가 일정할 때, 유량(Qc)은 상류 압력(P1)에 비례하는 것을 알 수 있다. 이 때문에 제어 밸브의 개폐 조정에 의해 상류 압력(P1)을 제어하는 것만으로 유량을 고정밀도로 제어할 수 있다.
또한, 상류측의 압력 센서와 함께 스로틀부 하류측에도 압력 센서를 설치하는 압력식 유량 제어 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2). 하류측 압력 센서를 구비하는 경우, 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차가 작고, 임계 팽창 조건을 만족하지 않는 경우이어도 유량을 산출할 수 있다. 구체적으로는 각 압력 센서에 의해 측정된 상류 압력(P1) 및 하류측 압력(P2)에 의거하여 소정의 계산식 Qc=KP2m(P1-P2)n(여기서 K는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 정수, m, n은 실제의 유량으로부터 도출되는 지수)로부터 유량(Qc)을 산출할 수 있다.
일본특허공개 2004-212099호 공보 일본특허공개 2004-138425호 공보 일본특허공개 2009-265988호 공보 일본특허공개 2008-15581호 공보
압력식 유량 제어 장치에서는 가스가 흐르는 미세 개구(오리피스)가 형성된 스로틀부가 사용되고 있으며, 이 미세 개구에 막힘이나 형상 변화가 생기면 정밀도 좋게 유량을 제어하는 것이 곤란해진다. 이 문제에 대해서 특허문헌 3에는 제어 밸브를 급속하게 닫았을 때의 압력 강하 특성에 의거하여 스로틀부의 상태를 판단하여 유량 제어의 정밀도를 자기 진단할 수 있는 구성이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 4에는 스로틀부 하류측에 설치된 밸브의 개방 동작에 의해 생기는 상류 압력의 변동의 크기에 의거하여 하류측 밸브의 동작이 정상인지 아닌지를 판정하는 유량 제어 장치가 개시되어 있다.
이렇게 압력식 유량 제어 장치에 있어서 스로틀부나 그 상류 또는 하류에 설치된 밸브 등에 정상 상태로부터의 이변이 생기고 있지 않은지 어떤지를 검지하는 것은 안정한 유량 제어 동작을 행하기 위해서 중요하다. 또한, 이상의 검지는 유체 공급 시스템에 압력 유량 제어 장치를 장착한 채, 가능한 한 간편한 방법으로 행해지는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 유량 제어 장치를 포함하는 유체 공급 시스템에 있어서 유량 제어 장치를 이용하여 밸브나 스로틀부의 이상을 간편하게 검지하는 방법을 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 이상 검출 방법은 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측에 설치된 제어 밸브와, 상기 스로틀부의 상류측 또한 상기 제어 밸브의 하류측에 설치된 제 1 압력 센서와, 상기 스로틀부의 하류측에 설치된 제 2 압력 센서를 구비하는 유량 제어 장치와, 상기 제 2 압력 센서의 하류측에 설치된 하류 밸브를 사용한 이상 검지 방법으로서, 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브를 열림 상태로부터 닫힘 상태로 변화시키는 스텝과, 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브를 닫힘 상태로 유지한 채 상기 제 1 압력 센서 및 상기 제 2 압력 센서를 사용하여 상류 압력 및 하류 압력을 측정하는 스텝과, 다음의 스텝(a) 및 스텝(b) 중 적어도 한쪽의 스텝: (a) 상기 상류 압력과 상기 하류 압력의 차가 소정값에 도달한 시점 또는 상기 소정값을 하회한 시점에서의 상류 압력을 상류 수속(收束) 압력으로서 추출하고, 하류 압력을 하류 수속 압력으로서 추출하는 스텝, (b) 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브를 열림 상태로부터 닫힘 상태로 변화시킨 시점으로부터 상기 상류 압력과 상기 하류 압력의 차가 소정값에 도달한 시점 또는 상기 소정값을 하회한 시점까지의 시간을 수속 시간으로서 추출하는 스텝을 포함하고, 상기 스텝(a) 또는 상기 스텝(b) 중 어느 하나의 스텝에서 얻은 데이터와, 상기 데이터의 각각 기준이 되는 값의 비교에 의거하여 이상의 유무를 판단한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 이상 검출 방법은 상기 상류 수속 압력 및 상기 하류 수속 압력을 추출하는 스텝(a)과, 상기 수속 시간을 추출하는 스텝(b)의 양쪽을 포함하고, 상기 스텝(a) 및 상기 스텝(b)에서 얻은 양쪽의 데이터와, 상기기준이 되는 값 각각의 비교에 의거하여 이상의 유무를 판단한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 상류 수속 압력 및 상기 하류 수속 압력에 대해서는 기준 압력을, 상기 수속 시간에 대해서는 기준 시간을 상기 기준이 되는 값으로 한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 기준 압력은 미리 측정된 정상 상태에 있어서의 수속 압력이며, 상기 기준 시간은 미리 측정된 정상 상태에 있어서의 수속 시간이다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 이상 검출 방법은 상기 제 1 압력 센서 및 상기 제 2 압력 센서를 사용하여 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브를 닫기 전의 열림 상태에 있어서의 상기 상류 압력 및 상기 하류 압력을 측정하는 스텝과, 측정된 상기 열림 상태에 있어서의 상기 상류 압력 및 상기 하류 압력에 의거하여 상기 기준 압력 및 상기 기준 시간을 결정하는 스텝을 더 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 이상 검출 방법은 상기 열림 상태에 있어서의 상기 상류 압력 및 상기 하류 압력과, 상기 기준 시간 및 상기 기준 압력의 관계를 나타내는 표를 미리 준비하는 스텝과, 상기 표에 따라 상기 기준 압력 및 상기 기준 시간을 결정하는 스텝을 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 상류 압력과 하류 압력 차의 소정값은 0으로 설정되어 있고, 상기 상류 압력과 상기 하류 압력이 같게 된 시점에 있어서 상기 상류 수속 압력, 상기 하류 수속 압력 또는 상기 수속 시간을 추출한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 상류 수속 압력 또는 상기 하류 수속 압력에 의거하여 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브의 시트 리크를 검지하고, 상기 수속 시간에 의거하여 상기 스로틀부가 갖는 개구부의 확대 및 축소를 검지한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 장치는 상기 제어 밸브의 하류측에 설치된 온도 센서를 더 구비하고, 상기 이상 검출 방법은 상기 온도 센서의 출력에 의거하여 상기 상류 수속 압력 또는 상기 하류 수속 압력을 보정하는 스텝을 더 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브가 닫힘 상태로 유지된 상태에서 상기 상류 압력과 상기 하류 압력의 차가 수속 후에도 기준이 되는 값으로부터 어긋난 채 유지될 때, 상기 제 1 압력 센서 또는 상기 제 2 압력 센서가 이상인 것으로 판단한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측에 설치된 제어 밸브와, 상기 스로틀부의 상류측 또한 상기 제어 밸브의 하류측에 설치된 제 1 압력 센서와, 상기 스로틀부의 하류측에 설치된 제 2 압력 센서와, 상기 제 1 압력 센서와 상기 제 2 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제어 밸브를 제어함으로써 유량이 설정 유량이 되도록 제어하는 연산 처리 회로를 구비하고, 상기 제 2 압력 센서의 하류에 있어서, 상기 유량 제어 장치에 내장된, 또는 상기 유량 제어 장치의 외부에 배치된 하류 밸브가 설치되어 있고, 상기 연산 처리 회로는 상기 하류 밸브의 닫힘 시에 상기 제어 밸브가 닫혀진 상태에서 상기 제 1 압력 센서 및 상기 제 2 압력 센서의 출력에 의거하여 상류 압력과 하류 압력의 차를 연산하고, 상기 연산에 의해 얻어진 상기 차가 소정값에 도달한 시점 또는 상기 소정값을 하회한 시점의 상기 상류 압력 또는 상기 하류 압력을 메모리에 격납된 기준 압력과 비교하거나, 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브가 닫혀진 시점으로부터 상기 차가 소정값에 도달한 시점 또는 소정값을 하회한 시점까지의 시간을 메모리에 격납된 기준 시간과 비교하거나 중 어느 하나 또는 양쪽의 비교를 행하고, 상기 기준 압력 또는 상기 기준 시간과의 비교에 의거하여 이상 판정 신호를 생성한다.
(발명의 효과)
본 발명의 실시형태에 의하면 유량 제어 장치를 사용하여 용이하게 또한 높은 정밀도로 밸브나 스로틀부의 이상을 검지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2(a)는 유체 공급 시에 있어서의 상태, (b)는 이상 검지 시에 있어서의 상태를 나타내는 모식도이다.
도 3은 유체 공급 시부터 밸브 닫힘 동작을 행했을 때의 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 유체 공급 시로부터 밸브 닫힘 동작을 행했을 때의 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)의 변화를 나타내는 그래프이며, 이상이 생기고 있을 때의 모습을 일점 쇄선으로 나타낸다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치(10)의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 유량 제어 장치(10)는 미세 개구를 갖고 가스 공급로(유로)에 개재하는 스로틀부(12)(예를 들면, 오리피스 플레이트)와, 스로틀부(12)의 상류측에 설치된 제 1 압력 센서(14) 및 온도 센서(16)와, 제 1 압력 센서(14)의 상류측에 설치된 제어 밸브(18)를 구비하고 있다. 또한, 유량 제어 장치(10)는 스로틀부(12)의 하류측에 있어서 제 2 압력 센서(24)를 구비한다. 제 1 압력 센서(14)는 제어 밸브(18)와 스로틀부(12) 사이의 유로의 압력을 측정할 수 있고, 제 2 압력 센서(24)는 스로틀부(12)와 하류 밸브(28)(후술) 사이의 유로의 압력을 측정할 수 있다.
유량 제어 장치(10)는 제 1 압력 센서(14) 및 제 2 압력 센서(24)의 출력에 의거하여 제어 밸브(18)의 개폐 동작을 제어하는 연산 처리 회로(30)를 더 구비하고 있다. 연산 처리 회로(30)는 외부 제어 장치(40)로부터 받아들인 설정 유량과, 제 1 및 제 2 압력 센서(14, 24)의 출력으로부터 산출된 유량을 비교하여 설정 유량에 가까워지도록 제어 밸브(18)의 구동부(19)를 제어한다.
유량 제어 장치(10)에 있어서, 유로는 금속제 블록으로 형성된 구멍으로서 형성되어 있어도 좋다. 또한, 제 1 압력 센서(14) 및 제 2 압력 센서(24)로서는 예를 들면, 실리콘 단결정의 센서 칩과 다이어프램을 내장하는 압력 센서가 사용된다. 제 1 압력 센서(14)와 제 2 압력 센서(24)가 동일한 정격 압력을 갖고 있어도 좋다. 또한, 제어 밸브(18)로서는 예를 들면, 금속제 다이어프램 밸브가 사용되고, 구동부(19)로서는 예를 들면, 피에조 소자 구동부(피에조 액추에이터)가 사용된다.
이렇게 구성된 유량 제어 장치(10)를 포함하는 유체 공급 시스템에 있어서, 제어 밸브(18)의 상류측은 원료 가스나 캐리어 가스 등의 가스 공급원(도시하지 않음)에 접속되고, 제 2 압력 센서(24)의 하류측은 하류 밸브(28)를 통해 반도체 제조 장치의 프로세스 쳄버(2)에 접속되어 있다. 프로세스 쳄버(2)에는 진공 프로세스를 행하기 위한 진공 펌프(4)가 접속되어 있고, 가스 공급 시에는 프로세스 쳄버(2)의 내부가 진공 처리된다.
상기 구성에 있어서, 프로세스 쳄버(2)에의 가스의 공급을 완전하게 차단하기 위해서 하류 밸브(28)에는 제어 밸브(18)보다 리크가 적고 밸브 폐쇄력이 강한 밸브가 사용되고 있어도 좋다. 또한, 도 1에는 하류 밸브(28)가 유량 제어 장치(10)의 외부에 배치된 실시형태가 나타내어져 있지만 유량 제어 장치(10)의 스로틀부(12)(및 제 2 압력 센서(24))의 하류측에 있어서 하류 밸브(28)가 유량 제어 장치(10)에 내장되어 있어도 좋다. 유량 제어 장치(10)의 외부에 배치된 하류 밸브(28) 및 유량 제어 장치(10)에 내장된 하류 밸브(28) 중 어느 것을 사용해도 후술하는 본 실시형태에 의한 이상 검지 방법을 실시할 수 있다. 또한, 하류 밸브(28)의 개폐 동작은 본 실시형태에서는 외부 제어 장치(40)에 의해 제어되지만 다른 실시형태에 있어서 연산 처리 회로(30)에 의해 제어되어도 좋다.
또한, 반도체 제조 라인에서는 다른 종류의 가스를 공급하기 위한 복수의 유로가 프로세스 쳄버(2)에 접속되어 있다. 이 때문에 실제의 실시형태에 있어서는 각각의 가스의 유로에 대해서 유량 제어 장치(10) 및 하류 밸브(28)가 설치되어 있다. 프로세스 쳄버(2)에 공급하는 가스의 종류의 스위칭은 각 유로에 설치된 하류 밸브(28)의 개폐 제어에 의해 행할 수 있다.
유량 제어를 행할 때, 외부 제어 장치(40)에 있어서 설정된 설정 유량이 외부 제어 장치(40)로부터 연산 처리 회로(30)로 보내어진다. 연산 처리 회로(30)는 제 1 및 제 2 압력 센서(14, 24)의 출력(및 온도 센서(16)의 출력(가스 온도(T1))에 의거하여 임계 팽창 조건 또는 비임계 팽창 조건에 있어서의 유량 계산식에 의거하여 유량을 연산하고, 스로틀부(12)를 통과하는 유체의 유량이 설정 유량이 되도록 제어 밸브(18)를 제어한다. 또한, 연산 처리 회로(30)는 연산한 유량을 유량 출력값으로서 외부 제어 장치(40)에 출력하고, 외부 제어 장치(40)에 설치된 표시부(42)에 유량 출력값을 표시시킬 수 있다.
이렇게 해서 설정 유량에 따라 가스가 흐르고 있는 상태에서는 도 2(a)에 나타내는 바와 같이 제어 밸브(18)가 설정 유량에 적합한 개방도로 열리고, 또한 하류 밸브(28)도 열림 상태로 설정되어 있다. 이 때, 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)은 서로 다른 일정 상태로 유지되고, 구체적으로는 상류 압력(P1)은 설정 유량에 의거하는 제어 압력으로 유지되고, 하류 압력(P2)은 예를 들면 진공압으로 유지된다. 임계 팽창 조건을 만족하는 경우, 상류 압력(P1)은 하류 압력(P2)의 약 2배 이상의 크기로 설정되어 있다.
여기서, 본 실시형태의 이상 검지 방법에서는 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 제어 밸브(18) 및 하류 밸브(28)를 열림 상태로부터 닫힘 상태로 변화시킨다. 또한, 도 2(b)에 있어서 검게 전부 칠해진 밸브(18, 28)는 이들이 닫혀 있는 것을 의미하고 있다.
제어 밸브(18)를 닫는 동작은 예를 들면, 외부 제어 장치(40)로부터 유량 제어 장치(10)에 보내어지는 설정 유량을 0으로 설정함으로써 행할 수 있다. 또한, 하류 밸브(28)는 예를 들면 외부 제어 장치(40)에 의해 닫힘 상태로 설정된다. 이것에 의해 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)이 모두 평형 압력(P')으로 변화된다.
도 3은 가스 유통 상태로부터 제어 밸브(18) 및 하류 밸브(28)를 닫는 동작을 행했을 때의 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3에 나타내는 바와 같이 제어 밸브(18) 및 하류 밸브(28)가 시각(t1)에 닫혀지고, 그 후 닫힘 상태가 유지되고 있을 때, 상류 압력(P1)은 가스 유통 상태의 초기압력으로부터 강하하고, 하류 압력(P2)은 가스 유통 상태의 초기 압력으로부터 상승하여 즉, 차압이 해소되도록 압력 변동이 생긴다. 그리고, 양측의 밸브(18, 28)의 닫힘 상태가 유지되고 있으므로 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)은 시간의 경과와 함께 실질적으로 같은 평형 압력(P')으로 수속된다.
이 과정에 있어서, 도 1에 나타내는 연산 처리 회로(30)는 제 1 압력 센서(14) 및 제 2 압력 센서(24)의 출력으로부터 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차(P1-P2)를 계속적으로 산출한다. 그리고, 본 실시형태에서는 차(P1-P2)가 0이 되었을 때(즉, 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)이 같게 되었을 때), 그 때의 압력(P1, P2)(여기서는 같은 압력값(P'))을 수속 압력 또는 평형 압력으로서 검출 또는 추출한다.
또한, 본 명세서에 있어서 차(P1-P2)가 0이 된다(즉, 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)이 같게 된다)고 하는 경우, 완전히 0이 아니라 오차에 의한 근소한 차가 생기고 있는 경우를 포함하고 있어도 좋다. 예를 들면, 차(P1-P2)가 수속 압력(P')의 소정 비율 이하 또는 미리 설정된 소정값 이하가 되었을 때는 차(P1-P2)가 실질적으로 0, 즉 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)이 실질적으로 같게 된 것으로 판단할 수 있다. 또한, 차(P1-P2)가 미리 설정된 어느 정도의 크기의 소정값에 도달한 시점 또는 소정값을 하회한 시점을 수속 시로 간주할 수도 있다.
차(P1-P2)가 0이 아닌 때를 수속 시라고 판단하는 경우, 수속 시의 상류 압력과 하류 압력은 다른 것이 된다. 이 때문에 연산 처리 회로(30)는 차(P1-P2)가 소정값 이하가 되었을 때(즉, 소정값에 도달하거나, 또는 소정값을 하회했을 때)를 수속 시로 해서 그 시점에서의 상류 수속 압력(P1')과 하류 수속 압력(P2)'을 각각 추출하도록 구성되어 있어도 좋다.
상기와 같이 해서 수속 압력을 검출함과 동시에 연산 처리 회로(30)는 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)의 변화 개시 시점(t1)(즉, 제어 밸브(18) 및 하류 밸브(28)가 열림 상태로부터 닫힘 상태로 변화된 시점)으로부터 상기 압력 수속 시점(t2)(즉, 차(P1-P2)가 실질적으로 0이 된 점)까지의 시간을 수속 시간(Δt)으로서 추출한다. 이 때에도 연산 처리 회로(30)는 차(P1-P2)가 소정값 이하가 되었을 때(즉, 소정값에 도달하거나, 또는 소정값을 하회했을 때)를 수속 시로 해서 수속 시간(Δt)을 추출해도 좋다.
이렇게 해서 구해진 수속 압력(P') 및 수속 시간(Δt)(이하, 통합해서 측정값 또는 데이터라고 부르는 경우가 있다)은 미리 설정된 기준 압력(P0) 및 미리 설정된 기준 시간(Δt0)과 비교되고, 그 비교 결과에 의거하여 이상의 검지가 이루어진다. 또한, 상기와 같이 상류 수속 압력(P1')과 하류 수속 압력(P2)'이 개별적으로 측정되고 있는 경우에는 각각의 데이터(상류 수속 압력(P1')과 하류 수속 압력(P2)')을 기준 상류 압력(P01)과 기준 하류 압력(P02)과 각각 비교해서 이상의 유무를 판단할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 기준 압력(P0) 및 기준 시간(Δt0)(이하, 통합해서 기준값이라고 부르는 경우가 있다)은 정상 상태 시에 있어서 마찬가지로 해서 측정된 수속 압력(P0) 및 수속 시간(Δt0)이다. 기준 압력(P0) 및 기준 시간(Δt0)은 정상 상태가 확인되고 있는 사용 초기 단계 등에 있어서 미리 측정되고, 연산 처리 회로(30)에 설치된 메모리(기억 장치)에 격납되어 있다. 단, 기준값으로서는 이상 상태일 때의 측정값, 전회 측정값 또는 측정에 의하지 않는 설정값 등도 사용할 수 있다.
또한, 본 실시형태와 같이 기준값으로서 정상 시의 측정값을 사용하는 경우에 있어서 기준 압력(P0) 및 기준 시간(Δt0)은 이상 검지를 행할 때와 마찬가지의 조건에서 얻어진 것인 것이 바람직하다. 예를 들면, 기준 압력(P0) 및 기준 시간(Δt0)은 이상 검지를 행할 때와 같은 초기 상류 압력(P1) 및 초기 하류 압력(P2)(또는 유량 설정값)에서 측정된 정상 상태에서의 수속 압력 및 수속 시간인 것이 요구된다. 이 때문에 복수의 초기 상류 압력(P1) 및 초기 하류 압력(P2)의 세트(또는 복수의 유량 설정값)에 대응하는 복수의 기준 압력(P0) 및 기준 시간(Δt0)의 세트를 메모리에 격납해 둠과 아울러 이상 검지를 행할 때에는 대응하는 기준값을 사용하도록 해도 좋다.
보다 구체적으로 설명하면 유량 제어 장치(10)나 외부 장치에 구비된 메모리에 열림 상태에 있어서의 초기 상류 압력 및 초기 하류 압력과, 기준 시간 및 기준 압력의 관계를 나타내는 표(테이블)를 미리 격납해 두고, 이것을 사용하여 기준 압력 및 기준 시간을 결정하도록 하면 좋다. 이 경우, 유량 제어 장치(10)는 우선 이상 검출을 행하기 전(즉, 제어 밸브(18) 및 하류 밸브(28)를 닫기 전)에 있어서의 초기 상류 압력 및 초기 하류 압력을 제 1 압력 센서 및 제 2 압력 센서를 사용하여 측정하고, 이들의 초기 상류 압력 및 초기 하류 압력에 대응하는 기준 압력 및 기준 시간을 상기의 표로부터 결정하고, 결정된 기준 압력 및 기준 시간을 이용하여 이상 검출 동작을 행하면 좋다.
또한, 별도의 실시형태에 있어서, 유량 제어 장치(10)는 이상 검지를 행할 때에 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)(또는 유량 설정값)을 기준값의 측정 조건에 적합하게 하도록 미리 변경하는 동작을 행해도 좋다.
또한, 가스 온도(T1)에 의해 수속 압력이 변동될 우려가 있으므로 기준값의 조건과 적합하게 하기 위해서 측정된 수속 압력을 가스 온도(T1)에 의거하여 보정하고 나서 기준값과의 비교를 행해도 좋다. 보다 구체적으로는 유량 제어(10)에 설치된 서미스터 등의 온도 센서(16)의 출력(T1)에 의거하여 연산 처리 회로(30)는 수속 압력(P')을 보정한 수속 압력(P'')을 연산하고, 이 보정 후의 수속 압력(P'')을 메모리로부터 읽어 낸 기준 압력과 비교해서 이상의 검지를 행하면 좋다.
도 4는 정상 시의 측정 결과(일점 쇄선으로 나타내는 그래프)로부터 구한 기준 압력(P0) 및 기준 시간(Δt0)에 대해서 이상 검지 시에 측정된 수속 압력(P') 및 수속 시간(Δt)이 어긋났을 경우의 압력 변화의 예를 나타내는 그래프이다. 도 4에 나타내는 바와 같이 이상이 발생하고 있는 경우에는 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)의 변화가 정상 시와는 다른 것이 되고, 그 결과 수속 압력(P') 및 수속 시간(Δt)은 기준 압력(P0) 및 기준 시간(Δt0)과 다른 값을 취한다.
이하, 정상 상태의 기준값(Δt0, P0)과 측정값(Δt, P')의 비교에 의거하여 행하는 이상 검지의 판단예를 설명한다.
·Δt>Δt0 또한 P'=P0의 경우:
측정된 수속 시간(Δt)이 기준 시간(Δt0)을 상회하고, 측정된 수속 압력(P')이 기준 압력(P0)과 같은 경우, 스로틀부의 이상, 보다 구체적으로는 개구부의 막힘의 이상이 생기고 있다고 판단할 수 있다. 이것은 개구부의 막힘에 의해 차압의 해소에 보다 긴 시간이 필요하게 되었기 때문이라고 생각되기 때문이다.
·Δt<Δt0 또한 P'=P0의 경우:
측정된 수속 시간(Δt)이 기준 시간(Δt0)을 하회하고, 측정된 수속 압력(P')이 기준 압력(P0)과 같은 경우, 스로틀부의 이상, 보다 구체적으로는 개구부의 확대가 생기고 있다고 판단할 수 있다. 이것은 개구부의 확대에 의해 차압의 해소가 보다 적은 시간에 완료되었기 때문이라고 생각되기 때문이다.
·Δt>Δt0 또한 P'>P0의 경우(도 4에 나타내는 경우) :
측정된 수속 시간(Δt)이 기준 시간(Δt0)을 상회하고, 측정된 수속 압력(P')이 기준 압력(P0)을 상회하는 경우, 제어 밸브의 이상, 보다 구체적으로는 제어 밸브의 시트 리크가 생기고 있다고 판단할 수 있다. 이것은 스로틀부 상류측(즉, 고압측)에 배치되어 있는 제어 밸브에 시트 시크가 생기고 있으면 평형 압력이 고압측으로 어긋나는 것에 기인한다고 생각되기 때문이다. 또한, 시트 시크가 생기고 있는 것에 의해 수속 시간은 보다 길어지는 것으로 생각된다.
·Δt>Δt0 또한 P'<P0의 경우:
측정된 수속 시간(Δt)이 기준 시간(Δt0)을 상회하고, 측정된 수속 압력(P')이 기준 압력(P0)을 하회하는 경우, 하류 밸브의 이상, 보다 구체적으로는 하류 밸브의 시트 리크가 생기고 있다고 판단할 수 있다. 이것은 스로틀부 하류측(즉, 저압측)에 배치되어 있는 하류 밸브에 시트 시크가 생기고 있으면 평형 압력이 저압측으로 어긋나는 것에 기인한다고 생각되기 때문이다. 또한, 시트 시크가 생기고 있는 것에 의해 수속 시간은 보다 길어지는 것으로 생각된다.
이상, 4개의 예를 들어 스로틀부, 제어 밸브, 및 하류 밸브의 이상을 판별하는 방법을 설명했지만 그 외의 비교 결과에 의거하여 이상을 판단할 수도 있다. 예를 들면, Δt=Δt0 또한 P'<P0의 경우, 개구부의 확대가 생김과 아울러 하류 밸브의 시트 리크가 생기고 있다고 판단하는 것도 생각된다.
이렇게 실제로 생긴 이상 상태에 대하여 기준값과 측정값의 비교 결과를 대응시켜 둠으로써 다양한 이상 발생의 판단 재료로 사용할 수 있다. 또한, 상기에는 측정된 수속 시간(Δt)과 수속 압력(P')의 쌍방의 비교 결과에 의거하여 이상을 검지하는 예를 설명했지만 이것에 한정되지 않고 어느 한쪽만의 측정 결과에 의거하여 이상의 검지를 행해도 좋다. 예를 들면, 수속 시간(Δt)이 기준값을 대폭 상회한다고 판별되었을 경우, 그 결과만으로 하류 밸브의 시트 리크나 밸브 닫힘 동작 이상을 검지할 수 있다.
즉, 본 실시형태에서는 스텝(a): 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차가 소정값에 도달한 시점에서의 상류 압력을 상류 수속 압력으로서 검출하고, 하류 압력을 하류 수속 압력으로서 검출하는 스텝과, 스텝(b): 제어 밸브 및 하류 밸브를 열림 상태로부터 닫힘 상태로 변화시킨 시점으로부터 상류 압력과 하류 압력의 차가 소정값에 도달한 시점 또는 소정값을 하회한 시점까지의 시간을 수속 시간으로서 검출하는 스텝 중 적어도 어느 한쪽을 행함과 아울러 스텝(a) 및/또는 스텝(b)에서 얻은 데이터(측정값)와, 데이터의 각각 기준이 되는 값(대응하는 기준값)의 비교 에 의거하여 이상의 유무를 판단할 수 있다.
또한, 상기에는 기준값과 측정값의 대소관계에 의거하여 이상을 검지하는 예를 나타내고 있지만 대소관계뿐만 아니라 기준값과 측정값의 차의 크기에 의거하여보다 상세한, 또는 다방면에 걸치는 이상 검지를 행할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만 다양한 개변이 가능하다. 예를 들면, 제어 밸브 및 하류 밸브가 닫힘 상태로 유지된 상태에서 상류 압력과 하류 압력의 차가 수속 후에도 0 초과의 일정 엇갈림값으로 유지될 때, 엇갈림값에 의거하여 제 1 압력 센서 또는 제 2 압력 센서의 이상을 검출하도록 구성되어 있어도 좋다.
이것은 본래라면 양 밸브가 닫혀진 경우, 상류 압력과 하류 압력은 같은 평형 압력으로 수속될 것인데도 실제로 그렇게 되지 않는 것은 제 1 압력 센서 또는 제 2 압력 센서에 고장이나 오차(제로점 엇갈림 등)이 생기고 있기 때문이라고 생각되기 때문이다.
또한, 압력 센서에 불비가 있는 경우, 상류 압력과 하류 압력의 수속 압력이 다른 것이 되고, 그 차가 수속 상태에 있어서도 소정의 범위 내에 들어가지 않을 가능성도 있다. 이 때문에 상기와 같은 수속 상태에 있어서의 항상적인 오차에 의한 압력차가 관찰되었을 때에는 이 오차를 연산에 의해 빼서 구한 압력차에 의해 수속 시점을 확정하도록 해도 좋다.
또한, 본원 출원인에 의한 국제출원 제 PCT/JP2016/004210호에는 스로틀부를 사이에 끼우는 양측의 밸브가 닫혀진 유로 내에 있어서 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차로부터 상류측 압력 센서 및 하류측 압력 센서의 이상 검출을 행하는 기술이 기재되어 있고, 상기 본 발명의 실시형태에 있어서도 마찬가지의 기술을 적용하는 것이 가능하다. 참고를 위해 국제출원 제 PCT/JP2016/004210호의 개시 내용의 모두를 본 명세서에 원용한다.
또한, 상기에 설명한 실시형태에서는 밸브 폐쇄 후에 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)이 실질적으로 같은 평형 압력에 도달한 시점(즉, 차가 실질적으로 0이 된 시점)을 수속 시간으로 하고, 그 때의 압력을 수속 압력으로 하고 있지만 이것에 한정되지 않는다. 상기와 같이 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차가 0 초과의 유의한 값(소정값)에 도달한 시점을 수속 시로 간주해서 그 때의 상류 압력(P1)(및 하류 압력(P2)) 및 도달 시간을 마찬가지의 측정 방법으로 측정된 정상 시의 기준값과 대조하여 이상을 검지하도록 해도 좋다.
(산업상 이용 가능성)
본 발명의 실시형태에 의한 이상 검출 방법은 특히 유량 제어 장치를 포함하는 유체 공급 시스템에 있어서 밸브나 스로틀부의 이상을 검출하기 위해서 바람직하게 이용된다.
2 프로세스 쳄버 4 진공 펌프
10 유량 제어 장치 12 스로틀부
14 제 1 압력 센서 16 온도 센서
18 제어 밸브 19 피에조 소자 구동부
24 제 2 압력 센서 28 하류 밸브
30 연산 처리 회로 40 외부 제어 장치
42 표시부

Claims (11)

  1. 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측에 설치된 제어 밸브와, 상기 스로틀부의 상류측 또한 상기 제어 밸브의 하류측에 설치된 제 1 압력 센서와, 상기 스로틀부의 하류측에 설치된 제 2 압력 센서를 구비하는 유량 제어 장치와, 상기 제 2 압력 센서의 하류측에 설치된 하류 밸브를 사용한 이상 검지 방법으로서,
    상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브를 열림 상태로부터 닫힘 상태로 변화시키는 스텝과,
    상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브를 닫힘 상태로 유지한 채 상기 제 1 압력 센서 및 상기 제 2 압력 센서를 사용하여 상류 압력 및 하류 압력을 측정하는 스텝과,
    하기 스텝(a) 및 스텝(b) 중 적어도 한쪽의 스텝:
    (a) 상기 상류 압력과 상기 하류 압력의 차가 소정값에 도달한 시점 또는 상기 소정값을 하회한 시점에서의 상류 압력을 상류 수속 압력으로서 추출하고, 하류 압력을 하류 수속 압력으로서 추출하는 스텝,
    (b) 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브를 열림 상태로부터 닫힘 상태로 변화시킨 시점으로부터 상기 상류 압력과 상기 하류 압력의 차가 소정값에 도달한 시점 또는 상기 소정값을 하회한 시점까지의 시간을 수속 시간으로서 추출하는 스텝을 포함하고,
    상기 스텝(a) 또는 상기 스텝(b) 중 어느 하나의 스텝에서 얻은 데이터와, 상기 데이터의 각각 기준이 되는 값의 비교에 의거하여 이상의 유무를 판단하는 이상 검지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상류 수속 압력 및 상기 하류 수속 압력을 추출하는 스텝(a)과, 상기 수속 시간을 추출하는 스텝(b)의 양쪽을 포함하고, 상기 스텝(a) 및 상기 스텝(b)에서 얻은 양쪽의 데이터와, 상기 기준이 되는 값 각각의 비교에 의거하여 이상의 유무를 판단하는 이상 검지 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상류 수속 압력 및 상기 하류 수속 압력에 대해서는 기준 압력을, 상기 수속 시간에 대해서는 기준 시간을 상기 기준이 되는 값으로 하는 이상 검지 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기준 압력은 미리 측정된 정상 상태에 있어서의 수속 압력이며, 상기 기준 시간은 미리 측정된 정상 상태에 있어서의 수속 시간인 이상 검지 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 압력 센서 및 상기 제 2 압력 센서를 사용하여 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브를 닫기 전의 열림 상태에 있어서의 상기 상류 압력 및 상기 하류 압력을 측정하는 스텝과,
    측정된 상기 열림 상태에 있어서의 상기 상류 압력 및 상기 하류 압력에 의거하여 상기 기준 압력 및 상기 기준 시간을 결정하는 스텝을 더 포함하는 이상 검지 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열림 상태에 있어서의 상기 상류 압력 및 상기 하류 압력과, 상기 기준 시간 및 상기 기준 압력의 관계를 나타내는 표를 미리 준비하는 스텝과, 상기 표에 따라 상기 기준 압력 및 상기 기준 시간을 결정하는 스텝을 포함하는 이상 검지 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상류 압력과 하류 압력 차의 소정값은 0으로 설정되어 있고, 상기 상류 압력과 상기 하류 압력이 같게 된 시점에 있어서 상기 상류 수속 압력, 상기 하류 수속 압력 또는 상기 수속 시간을 추출하는 이상 검지 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상류 수속 압력 또는 상기 하류 수속 압력에 의거하여 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브의 시트 리크를 검지하고, 상기 수속 시간에 의거하여 상기 스로틀부가 갖는 개구부의 확대 및 축소를 검지하는 이상 검지 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유량 제어 장치는 상기 제어 밸브의 하류측에 설치된 온도 센서를 더 구비하고, 상기 온도 센서의 출력에 의거하여 상기 상류 수속 압력 또는 상기 하류 수속 압력을 보정하는 스텝을 더 포함하는 이상 검지 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브가 닫힘 상태로 유지된 상태에서 상기 상류 압력과 상기 하류 압력의 차가 수속 후에도 기준이 되는 값으로부터 어긋난 채 유지될 때, 상기 제 1 압력 센서 또는 상기 제 2 압력 센서가 이상인 것으로 판단하는 이상 검지 방법.
  11. 스로틀부와,
    상기 스로틀부의 상류측에 설치된 제어 밸브와,
    상기 스로틀부의 상류측 또한 상기 제어 밸브의 하류측에 설치된 제 1 압력 센서와,
    상기 스로틀부의 하류측에 설치된 제 2 압력 센서와,
    상기 제 1 압력 센서와 상기 제 2 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 제어 밸브를 제어함으로써 유량이 설정 유량이 되도록 제어하는 연산 처리 회로를 구비하는 압력식의 유량 제어 장치로서, 상기 제 2 압력 센서의 하류에 있어서 상기 유량 제어 장치에 내장된, 또는 상기 유량 제어 장치의 외부에 배치된 하류 밸브가 설치되어 있고,
    상기 연산 처리 회로는,
    상기 하류 밸브의 닫힘 시에 상기 제어 밸브가 닫혀진 상태에서 상기 제 1 압력 센서 및 상기 제 2 압력 센서의 출력에 의거하여 상류 압력과 하류 압력의 차를 연산하고,
    상기 연산에 의해 얻어진 상기 차가 소정값에 도달한 시점 또는 상기 소정값을 하회한 시점의 상기 상류 압력 또는 상기 하류 압력을 메모리에 격납된 압력과 비교하거나, 상기 제어 밸브 및 상기 하류 밸브가 닫혀진 시점으로부터 상기 차가 소정값에 도달한 시점 또는 소정값을 하회한 시점까지의 시간을 메모리에 격납된 기준 시간과 비교하거나 중 어느 하나 또는 양쪽의 비교를 행하고,
    상기 기준 압력 또는 상기 기준 시간과의 비교에 의거하여 이상 판정 신호를 생성하는 유량 제어 장치.
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