KR20220035833A - 매스 플로우 컨트롤러 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유량을 정밀하게 계측하여, 고정밀도의 유량 제어를 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
매스 플로우 컨트롤러는, 유체를 유통시키는 배관(1)과, 상류측의 유체와 하 류측의 유체에 차압을 발생시키는 층류 소자(2)와, 층류 소자(2)보다 상류측의 유체의 절대압(P1)과 하류측의 유체의 절대압(P2)의 차압(ΔP)을 계측하는 차압 센서(5)와, 절대압(P2)을 계측하는 절대압 센서(6)와, 절대압(P2)이 일정해지도록 밸브(3)의 개도를 제어하는 압력 제어부(10)와, 차압(ΔP)과 절대압(P2)에 기초하여 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부(11)와, 유량 산출부(11)에 의해 산출된 유량의 값과 유량 설정값이 일치하도록 밸브(4)의 개도를 제어하는 유량 제어부(12)를 구비한다.

Description

매스 플로우 컨트롤러{MASS FLOW CONTROLLER}

본 발명은, 층류형 유량계 등의 차압식 유량계를 이용한 매스 플로우 컨트롤러에 관한 것이다.

층류 차압식 매스 플로우 컨트롤러는, 유체가 층류 소자를 통과할 때의 압력 강하를 계측하여 유체의 유량으로 환산하고, 유량이 설정값과 일치하도록 제어하는 유체 제어기기이다(특허문헌 1, 특허문헌 2 참조). 층류 차압식 매스 플로우 컨트롤러는, 기체 또는 액체의 제어기기로서 산업 분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 반도체 산업 등에서는, 매스 플로우 컨트롤러의 하류측이 진공 챔버에 접속되고, 에칭 가스 등의 유량 제어에 사용되고 있다.

도 3에, 실제로 층류 소자를 사용하여 유체의 유량과, 층류 소자의 상류측과 하류측의 유체의 차압과의 관계를 계측한 결과를 나타낸다. 도 3의 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107은 각각, 하류측의 유체의 압력이 1 kPaA, 5 kPaA, 10 kPaA, 20 kPaA, 40 kPaA, 60 kPaA, 80 kPaA, 100 kPaA일 때의 유량과 차압과의 관계를 나타내고 있다. 하류측의 압력 변화에 의해 유체의 점성 및 밀도가 변화되기 때문에, 유량과 차압의 관계는 하류압측의 압력이 낮아지면 비선형성을 나타낸다.

도 3으로부터 밝혀진 바와 같이, 층류 차압식 매스 플로우 컨트롤러의 문제점은, 하류측의 압력 변동에 의해 층류 소자에서의 유량-차압 특성이 크게 변동하는 것이다. 예컨대 하류측의 압력 1 kPaA의 조건으로 유량을 100 ml/min로 했을 때의 발생 차압과 하류측의 압력 100 kPaA의 조건으로 유량을 100 ml/min로 했을 때의 발생 차압을 비교하면, 4배 이상의 차압 변동이 있다. 이 때문에, 계측한 하류측의 압력 및 차압을 사용하여 유량을 산출하는 경우에는, 차압 센서에 넓은 계측 범위가 요구된다.

또한, 하류측의 압력이 낮아짐에 따라 유량-차압 특성의 비선형성이 강해지기 때문에, 하류측 압력의 계측 오차의 영향이 유량의 환산 정밀도에 크게 영향을 주게 된다. 즉, 하류측의 압력을 계측하는 절대압 센서에는, 넓은 계측 범위에 걸쳐 높은 계측 정밀도가 요구된다. 매스 플로우 컨트롤러의 하류측은 다양한 환경 하의 장치에 접속되기 때문에, 하류측의 압력은 각각의 사용 환경에 따라 상이하다. 이 때문에, 하류측의 압력이 크게 변동하는 사용 환경에서는, 차압으로부터 유량을 정밀하게 계측하기 어려운 경우가 있었다.

[특허문헌 1] 일본 특허 제4987977호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 제2015-34762호 공보

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 유량을 정밀하게 계측할 수 있어, 고정밀도의 유량 제어가 가능한 매스 플로우 컨트롤러를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 매스 플로우 컨트롤러는, 유량 제어의 대상이 되는 유체를 유통시키는 배관과, 상기 배관에 설치되고, 상류측의 상기 유체와 하류측의 상기 유체에 차압을 발생시키도록 구성되는 차압 생성 기구와, 상기 차압 생성 기구보다 하류측의 상기 배관에 배치되는 제1 밸브와, 상기 차압 생성 기구보다 상류측의 상기 배관에 배치되는 제2 밸브와, 상기 차압 생성 기구보다 상류측의 상기 유체의 제1 절대압과 하류측의 상기 유체의 제2 절대압의 차압을 계측하도록 구성되는 차압 센서와, 상기 제2 절대압을 계측하도록 구성되는 절대압 센서와, 상기 절대압 센서에 의해 계측된 제2 절대압이 일정해지도록 상기 제1 밸브의 개도(開度)를 제어하도록 구성되는 압력 제어부와, 상기 차압 센서에 의해 계측된 차압과 상기 절대압 센서에 의해 계측된 제2 절대압에 기초하여 상기 유체의 유량을 산출하도록 구성되는 유량 산출부와, 상기 유량 산출부에 의해 산출된 유량의 값과 유량 설정값이 일치하도록 상기 제2 밸브의 개도를 제어하도록 구성되는 유량 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 매스 플로우 컨트롤러의 1 구성예에 있어서, 상기 차압 생성 기구는, 층류 소자이다.

본 발명에 따르면, 절대압 센서에 의해 계측된 제2 절대압이 일정해지도록 제1 밸브의 개도를 제어함으로써, 절대압 센서의 압력 계측 범위를 좁혀, 고분해능으로 계측할 수 있기 때문에, 제2 절대압의 고정밀도의 계측이 가능하다. 또한, 본 발명에서는, 제2 절대압을 일정하게 함으로써, 차압 센서의 압력 계측 범위를 좁혀, 고분해능으로 계측할 수 있기 때문에, 차압의 고정밀도의 계측도 가능해진다. 그 결과, 본 발명에서는, 유량을 정밀하게 계측할 수 있어, 고정밀도의 유제 제어가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 층류 차압식 매스 플로우 컨트롤러의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 층류 차압식 매스 플로우 컨트롤러를 실현하는 컴퓨터의 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 3은 유체의 유량과, 상류측과 하류측의 유체의 차압의 관계를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 층류 차압식 매스 플로우 컨트롤러의 구성을 나타낸 블록도이다. 층류 차압식 매스 플로우 컨트롤러는, 유량 제어의 대상이 되는 유체를 유통시키는 배관(1)과, 배관(1) 내에 설치되고, 상류측의 유체와 하류측의 유체에 차압을 발생시키는 차압 생성 기구인 층류 소자(2)와, 층류 소자(2)보다 하류측의 배관(1)에 배치되는 밸브(3)와, 층류 소자(2)보다 상류측의 배관(1)에 배치되는 밸브(4)와, 층류 소자(2)보다 상류측의 유체의 절대압(P1)과 하류측의 유체의 절대압(P2)의 차압(ΔP)(=P1-P2)을 계측하는 차압 센서(5)와, 절대압(P2)을 계측하는 절대압 센서(6)와, 차압 센서(5)에 유체를 유도하는 도관(7, 8)과, 절대압 센서(6)에 유체를 유도하는 도관(9)과, 절대압(P2)이 일정해지도록 밸브(3)의 개도를 제어하는 압력 제어부(10)와, 차압 센서(5)에 의해 계측된 차압(ΔP)과 절대압 센서(6)에 의해 계측된 절대압(P2)에 기초하여 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부(11)와, 유량 산출부(11)에 의해 산출된 유량의 값과 유량 설정값이 일치하도록 밸브(4)의 개도를 제어하는 유량 제어부(12)를 구비한다.

차압 센서(5)와 절대압 센서(6)로는, 예컨대 반도체 피에조 저항식 압력 센서나, 정전 용량식 압력 센서 등이 있다.

층류 소자(2)로는, 금속 박판을 적층한 구성이 있다. 이 구성의 층류 소자(2)는, 에칭 가공 등으로 유로용 개구부를 형성한 금속 박판의 상하에 다른 금속 박판을 적층함으로써 직사각형 단면의 유로를 형성할 수 있다. 이 층류 소자에 있어서는, 유로 높이가 금속 박판의 두께에 의존하기 때문에, 일반적인 가공에 비해 균일한 높이의 유로를 제작하기 쉽다는 특징이 있다. 또한, 금속 박판으로 형성한 유로의 적층 장수를 변경함으로써 유량 레인지의 조정이 용이하다. 단, 본 발명에서는, 다른 방식의 층류 소자를 이용하여도 상관없다.

압력 제어부(10)는, 절대압 센서(6)에 의해 계측된 절대압(P2)과 미리 정해진 압력 설정값이 일치하도록 밸브(3)의 개도를 제어한다. 이렇게 해서, 층류 소자(2)와 밸브(3) 사이의 하류압이 일정해지도록 제어된다.

유량 산출부(11)는, 차압 센서(5)에 의해 계측된 차압(ΔP)과 절대압 센서(6)에 의해 계측된 절대압(P2)에 기초하여 유체의 유량(Q)을 다음 식에 의해 산출한다.

Q = K × (ΔP + 2 × P2) × ΔP ···(1)

식 (1)에 있어서, K는 유체의 물성이나 유로 형상에 관계하는 정수이다. 식 (1)은, 차압 생성 기구로서 층류 소자(2)를 이용하는 것을 전제로 한 식이다.

유량 제어부(12)는, 유량 산출부(11)에 의해 산출된 유량(Q)의 값과 미리 정해진 유량 설정값이 일치하도록 밸브(4)의 개도를 제어한다.

본 실시예에서는, 하류측의 압력 제어용 밸브(3)를 설치함으로써, 매스 플로우 컨트롤러의 하류측의 압력 변동의 영향을 무시하고 임의의 하류측의 압력으로 제어하면서 유량 제어가 가능해진다. 이것에 의해, 본 실시예에서는, 절대압 센서(6)의 계측 레인지를, 하류측의 압력의 제어 범위 내에서 적절한 레인지로 설계할 수 있다. 따라서, 절대압 센서(6)의 압력 계측 범위를 좁혀, 고분해능으로 계측할 수 있기 때문에, 고정밀도의 압력 센서를 이용하지 않더라도 절대압(P2)의 고정밀도의 계측이 가능하다.

또한, 도 3에 도시된 유량-차압 특성의 관계로부터 밝혀진 바와 같이, 하류측의 압력이 임의의 압력 범위로 고정되면 유량-차압 특성도 고정된다. 즉, 차압 센서(5)의 압력 계측 범위를 좁혀, 고분해능으로 계측할 수 있기 때문에, 차압(ΔP)의 고정밀도의 계측도 가능해진다.

따라서, 본 실시예에서는, 차압(ΔP)과 절대압(P2)을 고정밀도로 계측할 수 있기 때문에 유량을 정밀하게 계측할 수 있어, 고정밀도의 유량 제어가 가능해진다.

본 실시예에서 설명한 압력 제어부(10)와 유량 산출부(11)와 유량 제어부(12)는, CPU(중앙 처리 유닛: Central Processing Unit), 기억 장치 및 인터페이스를 구비하는 컴퓨터와, 이들 하드웨어 자원을 제어하는 프로그램에 의해 실현할 수 있다. 이 컴퓨터의 구성예를 도 2에 나타낸다.

컴퓨터는, CPU(200)와, 기억 장치(201)와, 인터페이스 장치(I/F)(202)를 구비한다. I/F(202)에는, 밸브(3, 4)와 차압 센서(5)와 절대압 센서(6) 등이 접속된다. 이러한 컴퓨터에 있어서, 본 발명의 유량 제어 방법을 실현시키기 위한 프로그램은 기억 장치(201)에 저장된다. CPU(200)는, 기억 장치(201)에 저장된 프로그램에 따라 본 실시예에서 설명한 처리를 실행한다.

본 발명은, 매스 플로우 컨트롤러에 적용할 수 있다.

1: 배관 2: 층류 소자
3, 4: 밸브 5: 차압 센서
6: 절대압 센서 7∼9: 도관
10: 압력 제어부 11: 유량 산출부
12: 유량 제어부

Claims (2)

1. 유량 제어의 대상이 되는 유체를 유통시키는 배관과,
   상기 배관에 설치되고, 상류측의 상기 유체와 하류측의 상기 유체에 차압을 발생시키도록 구성되는 차압 생성 기구와,
   상기 차압 생성 기구보다 하류측의 상기 배관에 배치되는 제1 밸브와,
   상기 차압 생성 기구보다 상류측의 상기 배관에 배치되는 제2 밸브와,
   상기 차압 생성 기구보다 상류측의 상기 유체의 제1 절대압과 하류측의 상기 유체의 제2 절대압의 차압을 계측하도록 구성되는 차압 센서와,
   상기 제2 절대압을 계측하도록 구성되는 절대압 센서와,
   상기 절대압 센서에 의해 계측된 제2 절대압이 일정해지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하도록 구성되는 압력 제어부와,
   상기 차압 센서에 의해 계측된 차압과 상기 절대압 센서에 의해 계측된 제2 절대압에 기초하여 상기 유체의 유량을 산출하도록 구성되는 유량 산출부와,
   상기 유량 산출부에 의해 산출된 유량의 값과 유량 설정값이 일치하도록 상기 제2 밸브의 개도를 제어하도록 구성되는 유량 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 매스 플로우 컨트롤러.
2. 제1항에 있어서,
   상기 차압 생성 기구는, 층류 소자인 것을 특징으로 하는 매스 플로우 컨트롤러.