WO2014174782A1 - 流量制御用の多孔型オリフィスプレート及びこれを用いた流量制御装置 - Google Patents

流量制御用の多孔型オリフィスプレート及びこれを用いた流量制御装置 Download PDF

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orifice
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control
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薫 平田
敦志 日高
正明 永瀬
土肥　亮介
池田　信一
西野　功二
勝幸 杉田
廣瀬　隆
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株式会社フジキン
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    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
    • F16L55/02—Energy absorbers; Noise absorbers
    • F16L55/027—Throttle passages
    • F16L55/02709—Throttle passages in the form of perforated plates
    • F16L55/02718—Throttle passages in the form of perforated plates placed transversely
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
    • G05D7/0629—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means
    • G05D7/0635—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means

Definitions

  • the present invention relates to an improvement in an orifice plate for flow rate control and a pressure control type flow rate control device using the same, and in particular, in a pressure control type flow rate control device used in a gas supply device for semiconductor manufacturing equipment, etc.
  • a wide flow rate range can be obtained.
  • the present invention relates to a porous orifice plate for flow rate control capable of performing highly accurate flow rate control over a wide range, and a pressure control type flow rate control device using the same.
  • FIG. 13 shows an example of the configuration of a pressure control type flow control device using an orifice previously disclosed by the present inventors.
  • the flow control device 21 includes a control valve 22, a pressure detector 23, and a temperature detector. 24, an orifice 25, an arithmetic and control unit 26, amplifiers 27a and 27b, A / D conversions 28a and 28b, etc. (Japanese Patent Laid-Open No. 8-338546).
  • the flow command values Qs and Qc are compared, and a control signal Qy corresponding to the difference Qc ⁇ Qs between them is input to the drive unit 30 of the control valve 22.
  • the control valve 22 is controlled to be opened and closed by the control signal Qy so that the difference Qc ⁇ Qs between the two becomes zero, whereby the flow rate downstream of the orifice 25 is always held at the set flow rate (flow rate command value) Qs. .
  • the orifice 25 is formed by punching one small hole having an inner diameter of 0.01 to 0.20 mm by pressing, electric discharge machining or etching on a metal plate having a thickness of 0.02 to 0.20 mm.
  • the hole diameter of the orifice is appropriately selected according to the required control flow rate of the gas.
  • the orifice 25 is generally formed by electric discharge machining or etching. However, in order to reduce the machining cost, the orifice may be formed by so-called cutting using a drill weight (special feature). Kaihei 11-117915).
  • FIG. 14 shows the flow rate control characteristics when the gas is nitrogen gas in the pressure control type flow rate control device of FIG. 13, and shows the case where the downstream side of the orifice 25 is atmospheric pressure.
  • the upstream pressure P 1 is at a range greater than about 2 times the downstream pressure P 2
  • flow rate Qc and a P 1 is held in a linear relationship
  • Qc orifice will be directly proportional to the pressure P 1 on the upstream side, an orifice upstream side pressure P 1 by automatic control, it is possible to perform the flow rate of the feedback control that flow orifice.
  • A shows the flow rate control characteristics when the orifice has a hole diameter of 0.37 mm ⁇ and B shows 0.20 ⁇ .
  • both lines A and B have good linearity in the range of P 2 ⁇ 0.5P 1 (that is, P 2 / P 1 ⁇ 0.5). , enables highly accurate flow rate control by adjusting the P 1.
  • control range of the critical pressure ratio P 2 / P 1 decreases as the control flow rate of the flow rate control device increases and the orifice diameter increases, and gas is supplied to the vacuum chamber of the semiconductor manufacturing apparatus. In some cases, various inconveniences occur.
  • the pressure ratio P 2 / P 1 at which the critical expansion condition is satisfied changes as the orifice diameter increases.
  • the actual critical expansion is caused by the difficulty that the flow rate (pressure) control range fluctuates.
  • the present invention relates to the above-mentioned problem in the conventional flow rate control orifice plate and the pressure control type flow rate control device using the same, that is, the pressure at which the actual critical expansion condition is satisfied as the orifice inner diameter increases.
  • the ratio P 2 / P 1 will fluctuate (decrease), the control range of the pressure ratio P 2 / P 1 will become narrower, and the problems such as reduced flow control accuracy of the pressure control flow control device will be solved Even if the fluid flow rate is increased and the orifice inner diameter is increased, the pressure ratio P 2 / P 1 in the actual flow rate control can always be kept constant and the manufacturing cost of the orifice plate can be reduced.
  • An object of the present invention is to provide a flow control orifice plate and a pressure control type flow control device using the same.
  • the present inventors change the orifice upstream side pressure P 1 that satisfies the critical expansion condition of the fluid by changing the orifice diameter ⁇ . It was verified to what extent the ratio P 2 / P 1 of the orifice downstream pressure P 2 (hereinafter referred to as the pressure ratio P 2 / P 1 ) actually fluctuates.
  • Figure 1 is a system of a test apparatus and subjected to a flow rate characteristic test such as a pressure ratio P 2 / P 1 of the flow control porous type orifice plate according to conventional flow control single-hole orifice plate and the invention (flow rate measuring device) 1 is a gas inlet, 2 is a pressure regulator, 3 is a pressure gauge, 4 is a molar block flow meter, 5 is a pressure control type flow control device, 6 is a control valve, 7 is an orifice plate, and 8 is an orifice.
  • a flow rate characteristic test such as a pressure ratio P 2 / P 1 of the flow control porous type orifice plate according to conventional flow control single-hole orifice plate and the invention (flow rate measuring device) 1 is a gas inlet
  • 2 is a pressure regulator
  • 3 is a pressure gauge
  • 4 is a molar block flow meter
  • 5 is a pressure control type flow control device
  • 6 is a control valve
  • 7 is an orifice plate
  • 8
  • upstream pressure detector 9 an orifice downstream side pressure detector
  • 10 is an orifice downstream side pressure P 2 of the control valve
  • 11 is a vacuum exhaust pump
  • P 1 is an orifice upstream side pressure
  • P 2 is the orifice downstream side pressure .
  • the pressure Po 2 of the pressure gauge 3 is adjusted to 300 kPa abs by the pressure regulator 2.
  • the set flow rate of the pressure control type flow control device 5 is set to 100% F.V. S. (Rated flow rate) is set, and the vacuum pump 11 is operated.
  • the test gas was N 2 gas.
  • the error (set point error (SP%)) of each measured flow rate Qc of the pressure control type flow rate control device 5 with the measured flow rate Qs of the mole block flow rate measuring device 4 as a reference value is expressed as (Qc ⁇ Qs). * 100 / Qs (SP%) was calculated. The flow rate was measured for 100%, 50%, 20%, and 10% of the set flow rate of the pressure control type flow rate control device 5.
  • a pore size different three kinds of pressure control type flow rate control apparatus of the orifice (F.S.130sccm, F.S.850sccm, F.S.1600sccm) pressure ratio (P 2 / P 1 ) and the set point error (SP%) are expressed using the setting input (set flow rate) to the pressure control type flow rate control device 5 as a parameter.
  • the flow rate range (rated flow rate SP) is larger and the orifice hole diameter is larger, so the set point error (SP%) is zero, that is, the range of P 2 / P 1 where the critical expansion condition is satisfied is smaller. I was able to confirm.
  • FIG. 6 and FIG. 7 show the pressure ratio P 2 / P 1 with a set point error (SP%) within ⁇ 1% from the flow rate adjustment result obtained by the test apparatus of FIG. Between the set flow rate (%) and the flow rate linearity error (FS%) based on the control flow rate at 100% setting, that is, the set flow rate (%) and the linearity error (FS). In the range of the pressure ratio P 2 / P 1 where the critical expansion condition is satisfied, the flow rate linearity error F. S. % Is ⁇ 1% F.V. S. was found to be within.
  • the present invention was created based on the results of the flow rate characteristic tests as shown in FIGS. 2 to 7, and the present inventors have established that the critical expansion condition is established as the orifice diameter of the single-hole orifice plate is smaller. Focusing on the fact that the range of the pressure ratio P 2 / P 1 is increased, when the control flow rate is increased, the orifice diameter of the single-hole orifice plate is not increased according to the flow rate width as before. By changing the number of orifices of the porous orifice plate having a hole diameter and thereby responding to the increase in the control flow rate, the range of the pressure ratio P 2 / P 1 that satisfies the critical expansion condition of the orifice circulation fluid is maximized and constant. It was conceived that the increased flow rate can be accommodated in the held state.
  • an opening area of one orifice necessary for the flow of a fluid having a predetermined flow rate is divided, and a plurality of openings having a total opening area equal to the opening area are divided.
  • the basic structure of the present invention is that a smaller orifice is provided.
  • a second aspect of the present invention is the first aspect in which the plurality of orifices are formed by press working.
  • a third aspect of the present invention is the orifice plate according to the first aspect, wherein the orifice plate has a thickness of 20 to 200 ⁇ m and is an orifice plate for a pressure control type flow control device.
  • the thickness of the orifice plate is 20 to 200 ⁇ m
  • the diameter of each of the plurality of orifices is 0.010 to 0.200 mm
  • the number is 2 to 100.
  • the vertical plane shape of the plurality of orifices is a shape composed of a rectangular portion and a trapezoidal portion.
  • the back side surface of the portion of the orifice plate in which the plurality of orifices are drilled is finished by polishing.
  • the ratio P 2 / P 1 between the orifice upstream pressure (P 1 ) and the orifice downstream pressure (P 2 ) satisfies the gas critical expansion condition.
  • the gas flow rate Q changes in direct proportion to the gas pressure (P 1 ) on the upstream side of the orifice under the condition below the pressure ratio.
  • the flow control orifice plate is the porous orifice according to any one of claims 1 to 7, To do.
  • the fluid is circulated at the critical expansion conditions, the fluid flow rate Q flowing through the orifice at a flow rate control orifice plate so as directly proportional to the orifice upstream side pressure P 1, the flow of the desired fluid flow rate
  • the required opening area of one orifice is divided, and a plurality of orifices having a total opening area equal to the opening area are provided.
  • the control flow rate increases and the orifice opening area increases. It is held at a constant value without fluctuation, and this can effectively prevent a decrease in the control range (flow rate control range) of P 2 / P 1 .
  • the flow control range can be expanded and the control accuracy can be improved.
  • the plurality of orifices can be easily formed by press working, it is possible to produce an orifice plate at a lower cost than the conventional production by laser machining or the like.
  • FIG. 6 is the same diagram as FIG. 5 at 850 sccm. F. S.
  • FIG. 6 is the same diagram as FIG. 5 at 1600 sccm.
  • 1 shows an example of a porous orifice plate according to the present invention. It is a top view which shows the further another example of the porous orifice plate which concerns on this invention. It is a top view which shows the further another example of the porous orifice plate which concerns on this invention.
  • FIG. 11 is a relationship diagram between the pressure ratio P 2 / P 1 and the set point error (S.P.%) similar to that in FIGS. 2 to 4 when the porous orifice plate of FIG. 10 is used.
  • S.P.% set point error
  • FIG. 10 is a relationship diagram between a set flow rate (%) and linearity error (FS%) similar to those in FIGS. 5 to 7 when the porous orifice plate of FIG. 10 is used. It is a lineblock diagram of a publicly known pressure control type flow control device. It is a diagram which shows the flow control characteristic of the pressure control type flow control apparatus of FIG.
  • FIG. 8 shows an example of a flow control orifice plate according to the present invention.
  • FIG. 8A is a plan view
  • FIG. 8B is a back view
  • FIG. 8C is a cc view of FIG.
  • a total of 15 orifices 12 having a hole diameter of 0.085 mm are provided on an orifice plate 7a having an outer diameter of 3.5 mm and a thickness of 0.05 mm.
  • the vertical plane shape of the orifice 12 is formed by pressing into a shape comprising a rectangular portion 12a and a trapezoidal portion 12b as shown in FIG. 5C.
  • the depth of the orifice 12 is the thickness of the orifice plate 7a.
  • the portion provided with the orifice 12 on the back surface side of the orifice plate 7a is polished in a narrow width to form a polished surface 12c, and the front and back of the orifice plate 7a are discriminated by the polished surface 12c.
  • FIG. 9 shows another example of the flow rate control porous orifice plate 7a according to the present invention, except that the number of the orifices 12 is five and the hole diameter of the orifices 12 is 0.135 mm. The other points are the same as the flow rate control porous orifice plate of FIG.
  • FIG. 10 is an enlarged plan view showing still another example of a flow rate control porous orifice plate 7a according to the present invention, in which 37 orifices 12 having a hole diameter ⁇ of 79 ⁇ m (0.079 mm) are provided.
  • the outer diameter, thickness, etc. of the orifice plate 7a in FIG. 10 are the same as those of the orifice plate 7a in FIGS.
  • FIG. 11 shows the same relationship curve as in FIG. 2 when the porous orifice plate 7a of FIG. 10 is used in place of the single-hole orifice plate 7 in the test apparatus of FIG. 1, that is, the pressure ratio P 2. This shows the relationship with / P 1 .
  • the pressure ratio P 2 / P 1 at the time of 100% input is about 0.42
  • the pressure ratio P 2 / P 1 at the time of 100% input is about 0.40
  • P 2 / P that satisfies the critical expansion condition is satisfied. It can be seen that the range of 1 can be widened. Note that there is a slight difference as described above between the pressure ratio P 2 / P 1 at which the theoretical critical expansion condition is satisfied and the pressure ratio P 2 / P 1 at which the critical expansion condition is obtained in actual measurement. The reason why this occurs is theoretically unanalyzed and currently under consideration, but it is assumed that the difference in the flow state of the fluid on the orifice outlet side has an effect.
  • FIG. 12 is the same diagram as FIG. 5 when the porous orifice plate 7a of the present invention is used, and the pressure ratio P 2 / P with a set point error (SP%) within ⁇ 1%.
  • 1 is a diagram showing the relationship between a set flow rate (%) in 1 and an error (flow linearity error) (FS%) with respect to a control flow rate when 100% is set.
  • the flow linearity error (FS%) is ⁇ 1% F.S. for the porous orifice plate 7a of the present invention. S. Has been confirmed to be within.
  • the pressure control type flow control device includes the orifice plate of the F180 type pressure control type flow control device manufactured by Fujikin Co., Ltd. or the pressure control type flow control device shown in FIG. It is converted into a plate. Therefore, the detailed description is abbreviate
  • the porous orifice plate for flow control according to the present invention and the pressure control type flow control device using the same are adjusted by adjusting the number of orifices 12 according to the control flow, so that the control flow becomes large.
  • the range of the pressure ratio P 2 / P 1 where the critical expansion condition is satisfied can be kept wide and constant, whereby highly accurate flow rate control can be stably performed over a wide range.
  • porous orifice plate according to the present invention can be applied not only to a pressure-controlled flow rate control device but also to any orifice such as an orifice device or a fluid diversion device that is inserted into a normal pipe line to control a fluid flow rate. Is.

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Abstract

　本発明は、制御流量制御用オリフィスプレートに於いて、制御流量の増大に対応するため、オリフィスの孔径を大きくすると、臨界膨張条件が成立するオリフィス上・下流の圧力比Ｐ２／Ｐ１が変動し、流量制御範囲が狭くなることを防止する。　本発明は、流量制御用オリフィスプレート７ａに於いて、所定流量の流体の流通に必要な一つのオリフィスの開口面積を分割し、前記開口面積に等しい総開口面積を有する複数個のオリフィス１２を設けた構成とする。

Description

流量制御用の多孔型オリフィスプレート及びこれを用いた流量制御装置
　本発明は、流量制御用のオリフィスプレート及びこれを用いた圧力制御式流量制御装置の改良に関するものであり、特に、半導体製造装置用ガス供給装置等で用いる圧力制御式流量制御装置において、オリフィスを流通する流体の臨界膨張条件が成立するオリフィス上流側圧力Ｐ１、オリフィス下流側圧力Ｐ２の圧力比P２/P１の範囲を広く且つ安定に保持できるようにすることにより、広い流量範囲に亘って高精度な流量制御を行えるようにした流量制御用の多孔型オリフィスプレートとこれを用いた圧力制御式流量制御装置に関するものである。
　オリフィス上流側圧力Ｐ１、オリフィス下流側圧力Ｐ２の圧力比P２/P１が気体の臨界膨張条件が成立する圧力比以下になると、オリフィスを流通する気体の流速が音速となり、オリフィス下流側の圧力P2の変動が上流側に伝播せず、その結果、オリフィスプレートを流通する気体流量は、オリフィスの孔径が一定であれば気体の種類に拘わらず、オリフィス上流側の気体圧力P１に正比例して変化することになる。
　一方、オリフィスの有する上述のような特性を利用して、オリフィスを用いた流体の流量制御装置が多数開発されている。
　図１３は、本発明者等が先に公開したオリフィスを用いた圧力制御式流量制御装置の構成一例を示すものであり、当該流量制御装置２１はコントロール弁２２、圧力検出器２３、温度検出器２４、オリフィス２５、演算制御装置２６、増幅器２７ａ、２７ｂ、Ａ／Ｄ変換２８ａ・２８ｂ等から形成されている（特開平８－３３８５４６号）。
　そして、圧力検出器２３によりオリフィス２５の上流側の流体圧力P１が検出され、演算制御装置２６へ入力され、演算制御装置２６ではＱｃ＝ＫＰ１の演算式を用いて流量Ｑｃが演算されると共に、流量指令値ＱｓとＱｃの比較が行われ、両者の差Ｑｃ－Ｑｓに相当する制御信号Ｑｙがコントロール弁２２の駆動部３０へ入力される。
　また、コントロール弁２２は、制御信号Ｑｙによって両者の差Ｑｃ－Ｑｓが零になる方向に開閉制御され、これによりオリフィス２５の下流側の流量が設定流量（流量指令値）Ｑｓに常時保持される。
　更に、前記オリフィス２５は、厚さ０．０２～０．２０ｍｍの金属板にプレス加工、放電加工やエッチング加工によって内径０．０１～０．２０ｍｍの小孔を一つ穿設することにより形成されており、気体の所要制御流量によってオリフィスの孔径は適宜に選定される。
　尚、オリフィス２５の形成は、一般には放電加工やエッチング加工により行われているが、加工コストの引下げを図るために、ドリル錘を用いた所謂切削加工によりオリフィスが形成される場合もある（特開平１１－１１７９１５号）。
　図１４は、図１３の圧力制御式流量制御装置において、気体を窒素ガスとした場合の流量制御特性を示すものであり、オリフィス２５の下流側を大気圧とした場合を示すものである。
　この図１４からも明らかなように、上流側圧力Ｐ１が下流側圧力Ｐ２の約２倍を越える範囲に於いては、流量ＱｃとＰ１とはリニアな関係に保持され、Ｑｃはオリフィス上流側の圧力Ｐ１に正比例することになり、オリフィス上流側圧力Ｐ１を自動制御することにより、オリフィスを流通する流量のフィードバック制御を行うことができる。尚、図１４に於いて、Ａはオリフィスの孔径が０．３７ｍｍφ、Ｂは０．２０φの場合の流量制御特性を示すものである。
　図１４からも明らかなように、両線Ａ、Ｂとも、Ｐ２＜０．５Ｐ１の範囲（即ち、Ｐ２／Ｐ1＜０．５）に於いて、直線性が良く保持されており、Ｐ１の調整により高精度な流量制御が行える。
　しかし、気体の臨界膨張条件（Ｐ２／Ｐ1＜０．５又は、Ｐ１／Ｐ２＞２）が成立するＰ１の下限値（即ち、直線性が保持されるＰ１の下限値）は、現実にはオリフィスの内径によって若干変化することが判っており、オリフィスの孔径が大になるほど臨界膨張条件が成立するＰ２／Ｐ１の範囲が小さくなる傾向にある。即ち、Ｐ２＝一定のときには、Ｐ１の制御範囲の下限値が大きくなる。
　具体的には、オリフィスの孔径が大きくなると臨界圧比Ｐ２／Ｐ1＜０．５がＰ２／Ｐ1＜０．４５程度に低下することとなり、Ｐ２＝一定の時は、Ｐ1の制御範囲の下限値が大きくなり、Ｐ1の制御範囲が減少する。
　換言すれば、流量制御装置の制御流量が増加してオリフィスの孔径が大径になると、臨界圧比Ｐ２／Ｐ1の制御範囲が減少し、半導体製造装置の真空チャンバーへガス供給を行うような場合には、様々な不都合が起生する。
　上述のように、従前の一つのオリフィスを設けたオリフィスプレートを用いた圧力式流量制御装置には、オリフィスの孔径が大径になるほど臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ２／Ｐ1が変動し、流量（圧力）制御範囲が変動すると云う難点があるため、半導体製造用装置に適用する圧力制御式流量制御装置の技術分野に於いては、オリフィスの孔径が変化しても、現実の臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ２／Ｐ1に変動が生じないようにした流量制御用オリフィスプレート、及び、これを用いた圧力制御式流量制御装置の出現が強く要請されている。
特開平８－３３８５４６号 特開平１１－１１７９１５号
　本願発明は、従前の流量制御用オリフィスプレート及びこれを用いた圧力制御式流量制御装置に於ける上述のような問題、即ち、オリフィスの内径が大きくなるに従って、現実の臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ２／Ｐ1が変動（減少）することになり、圧力比Ｐ２／Ｐ1の制御制御範囲が狭くなると共に、圧力制御式流量制御装置の流量制御精度が低下する等の問題を解決し、流体流量が増加してオリフィスの内径を増大させても、現実の流量制御に於ける圧力比Ｐ２／Ｐ1を常に一定に保持できると共に、オリフィスプレートの製造コストの引き下げを可能にした流量制御用オリフィスプレート及びこれを用いた圧力制御式流量制御装置を提供することを発明の主目的とするものである。
　先ず、本発明者等は、オリフィスが一つのオリフィスプレート（以下、単孔オリフィスプレートと呼ぶ）について、オリフィスの孔径φが変わることにより、流体の臨界膨張条件が成立するオリフィス上流側圧力Ｐ１とオリフィス下流側圧力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ1（以下、圧力比Ｐ２／Ｐ1と呼ぶ）が、現実にどの程度変動するかを検証した。
　図１は、従前の流量制御用単孔オリフィスプレート及び本発明に係る流量制御用多孔型オリフィスプレートの圧力比Ｐ２／Ｐ1等の流量特性試験に供した試験装置（流量測定装置）の系統図であり、１はガス入口、２は圧力調整器、３は圧力計、４はモルブロック流量測定器、５は圧力制御式流量制御装置、６はコントロール弁、７はオリフィスプレート、８はオリフィス上流側圧力検出器、９はオリフィス下流側圧力検出器、１０はオリフィス下流側圧力Ｐ２の調整弁、１１は真空排気ポンプ、Ｐ１はオリフィス上流側圧力、Ｐ２はオリフィス下流側圧力である。なお、最大流量レンジＦ．Ｓ．はＮ２ガスを基準とする。
　試験に供したオリフィスプレートは、厚さ５０μｍの鋼板にφ＝６７μｍ、φ＝１７９μｍ、φ＝２５０μｍのオリフィスを設けた三種類であり、φ＝６７μｍのオリフィスは最大流量レンジ（フルスケール）Ｆ．Ｓ．＝１３０ｓｃｃｍの圧力制御式流量制御装置５に、また、φ＝２５０μｍは最大流量レンジＦ．Ｓ．８５０ｓｃｃｍの圧力制御式流量制御装置５に、更に、φ＝２５０μｍは最大流量レンジＦ．Ｓ．＝１６００ｓｃｃｍの圧力式流量制御装置５に夫々使用されているものである。
　試験に際しては、先ず圧力調整器２により圧力計３の圧力Ｐｏを３００ｋＰａ　ａｂｓに調整する。次に、圧力制御式流量制御装置５の設定流量を１００％Ｆ．Ｓ．（定格流量）に設定し、真空排気ポンプ１１を運転する。その後、真空排気ポンプ１１の上流側の調整弁１０を調整してオリフィス下流側圧力Ｐ２を調整しつつ、モルブロック流量測定器４及び圧力式流量制御装置５にて夫々のガス流量を測定する。尚、試験用のガスはＮ２ガスとした。
　次に、モルブロック流量測定器４の測定流量Ｑｓを基準値として圧力制御式流量制御装置５の各測定流量Ｑｃの誤差（セットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％））を、（Ｑｃ－Ｑｓ）×１００／Ｑｓ（Ｓ．Ｐ．％）として演算した。
　尚、流量測定は、圧力制御式流量制御装置５の設定流量の１００％、５０％、２０％及び１０％の夫々について行った。
　図２、図３及び図４は、オリフィスの孔径の異なった三種の圧力制御式流量制御装置（Ｆ．Ｓ．１３０ｓｃｃｍ、Ｆ．Ｓ．８５０ｓｃｃｍ、Ｆ．Ｓ．１６００ｓｃｃｍ）の圧力比（Ｐ２／Ｐ1）とセットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）との関係を、圧力制御式流量制御装置５への設定入力（設定流量）をパラメータとして表したものであり、図２～図４の対比から流量レンジ（定格流量　Ｓ．Ｐ．）が大でオリフィスの孔径が大きくなるほど、セットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）が零、即ち臨界膨張条件が成立するＰ２／Ｐ1の範囲が小さくなることが、確認できた。
　また、図５、図６及び図７は、上記図１の試験装置により得られた流量調整結果から、セットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）が±１％以内の圧力比Ｐ２／Ｐ1に於ける設定流量（％）と、１００％設定時における制御流量を基準とした流量直線性誤差（Ｆ．Ｓ．％）の関係、即ち、設定流量（％）と直線性誤差（Ｆ．Ｓ．％）の関係を示すものであり、臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ２／Ｐ1の範囲内に於いては、単孔オリフィスプレートの流量直線性誤差Ｆ．Ｓ．％は±１％Ｆ．Ｓ．以内に収まっていることが判った。
　本発明は上記図２乃至図７の如き流量特性試験の結果を基にして創作されたものであり、本発明者等は、単孔オリフィスプレートのオリフィスの孔径が小さいほど臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ２／Ｐ1の範囲が大きくなることに着目して、制御流量が増大した時には、従前のように流量幅に応じて単孔オリフィスプレートのオリフィスの孔径を大きくするのではなしに、小さな孔径の多孔型オリフィスプレートのオリフィスの数を変化させ、これによって制御流量の増大に対応することにより、オリフィス流通流体の臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ２／Ｐ1の範囲を最大且つ一定に保持した状態で流量増加に対応し得ることに想到した。
　本発明の第１の態様は、流量制御用オリフィスプレートに於いて、所定流量の流体の流通に必要な一つのオリフィスの開口面積を分割し、前記開口面積に等しい総開口面積を有する複数個のより小さなオリフィスを設けた構成としたことを発明の基本構成とするものである。
　本発明の第２の態様は、前記第１の態様に於いて、前記複数のオリフィスをプレス加工により形成したものである。
　本発明の第３の態様は、前記第１の態様に於いて、オリフィスプレートの厚さを２０～２００μｍとすると共に、圧力制御式流量制御装置用のオリフィスプレートとしたものである。
　本発明の第４の態様は、前記第１の態様に於いて、オリフィスプレートの厚さを２０～２００μｍ、前記複数のオリフィスの各々の口径を０．０１０～０．２００ｍｍ、前記複数のオリフィスの数を２～１００個としたものである。
　本発明の第５の態様は、前記第１の態様に於いて、前記複数のオリフィスの縦断平面形状を長方形部分と台形部分とからなる形状としたものである。
　本発明の第６の態様は、前記第５の態様に於いて、前記オリフィスプレートの前記複数のオリフィスを穿設した部分の裏側面を研磨により仕上げしたものである。
　本発明の第７の態様は、前記第１の態様に於いて、オリフィス上流側圧力（Ｐ１）とオリフィス下流側圧力（Ｐ２）の比Ｐ２／Ｐ1が気体の臨界膨張条件が成立する圧力比以下の条件において、気体の流量Ｑがオリフィス上流側の気体圧力（Ｐ1）に正比例して変化するようにしたものである。
　本発明の第８の態様は、圧力制御式流量制御装置に於いて、流量制御用オリフィスプレートを請求項１乃至請求項７の何れかに記載の多孔型オリフィスとしたことを発明の基本構成とするものである。
　本発明では、流体を臨界膨張条件下で流通させ、オリフィスを流通する流体流量Ｑがオリフィス上流側圧力Ｐ１に正比例するようにした流量制御用オリフィスプレートに於いて、所望流量の流体の流通に必要な一つのオリフィスの開口面積を分割し、前記開口面積に等しい総開口面積を有する複数個のオリフィスを設けた構成としている。
　その結果、臨界膨張条件が成立するオリフィス上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２との圧力比Ｐ２／Ｐ1が、制御流量が増大してオリフィスの開口面積が大きくなっても、現実に変動することなく一定の値に保持されることになり、これによりＰ２／Ｐ1の制御範囲（流量制御範囲）の減少を有効に防止することができる。また、当該オリフィスプレートを用いた圧力制御式流量制御装置にあっては、流量制御範囲の拡大と制御精度の向上が可能となる。
　また、前記複数のオリフィスは、プレス加工により容易に形成することが出来るため、従前のレーザ加工等による製造に比較して、低コストでのオリフィスプレートの製造が可能となる。
オリフィスの流量特性試験に供した試験装置の系統図である。 Ｆ．Ｓ．１３０ｓｃｃｍの圧力制御式流量制御装置の圧力比Ｐ２／Ｐ1とセットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）との関係を示す線図である。 Ｆ．Ｓ．８５０ｓｃｃｍの図２と同じ線図である。 Ｆ．Ｓ．１６００ｓｃｃｍの図２と同じ線図である。 Ｆ．Ｓ．１３０ｓｃｃｍの圧力制御式流量制御装置のセットポイント誤差Ｓ．Ｐ．％が±１％以内の圧力比Ｐ２／Ｐ1に於ける設定流量（％）とフルスケールに対する誤差（直線性誤差）（Ｆ．Ｓ．％）の関係を示す線図である。 Ｆ．Ｓ．８５０ｓｃｃｍの図５と同じ線図である。 Ｆ．Ｓ．１６００ｓｃｃｍの図５と同じ線図である。 本発明に係る多孔型オリフィスプレートの一例を示すものである。 本発明に係る多孔型オリフィスプレートの更に他の例を示す平面図である。 本発明に係る多孔型オリフィスプレートの更に他の例を示す平面図である。 図１０の多孔型オリフィスプレートを用いた場合の図２乃至図４と同様の圧力比Ｐ２／Ｐ1とセットポイント誤差（S．P.％）の関係線図である。 図１０の多孔型オリフィスプレートを用いた場合の図５乃至図７と同様の設定流量（％）と直線性誤差（Ｆ．Ｓ．％）との関係線図である。 公知の圧力制御式流量制御装置の構成図である。 図１３の圧力制御式流量制御装置の流量制御特性を示す線図である。
　以下、本発明の実施形態と図面に基づいて説明する。
　図８は本発明に係る流量制御用オリフィスプレートの一例を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は裏面図、（ｃ）は（ｂ）のｃ－ｃ視図である。
　当該図８に於いては、外径３．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍのオリフィスプレート７ａに孔径０．０８５ｍｍのオリフィス１２が合計１５個設けられている。
　また、前記オリフィス１２の縦断平面形状は、（ｃ）に示すように長方形部１２ａと台形部１２ｂとから成る形状にプレス加工により形成されており、オリフィス１２の深さはオリフィスプレート７ａの厚さ０．０５ｍｍと同一寸法である。
　更に、オリフィスプレート７ａの裏面側のオリフィス１２を設けた部分は、細幅状に研磨され、研磨面１２ｃが形成されており、当該研磨面１２ｃによりオリフィスプレート７ａの表裏が判別される。
　図９は、本発明に係る流量制御用多孔型オリフィスプレート７ａの他の例を示すものであり、オリフィス１２の数が５個であり、且つオリフィス１２の孔径が０．１３５ｍｍである点を除いて、その他の点は前記図８の流量制御用多孔型オリフィスプレートと同一である。
　図１０は、本発明に係る流量制御用多孔型オリフィスプレート７ａの更に他の例を示す拡大平面図であり、孔径φが７９μｍ（０．０７９ｍｍ）のオリフィス１２が３７個設けられている。
　尚図１０のオリフィスプレート７ａの外径、厚さ等は前記図８及び図９のオリフィスプレート７ａと同一である。
　当該オリフィス１２の孔径φ＝７９μｍは、株式会社フジキン製のＦ１８０型圧力制御式流量制御装置の単孔型オリフィスプレート７のオリフィスの孔径に相当するものであり、定格流量１８０ｓｃｃｍ（Ｆ．Ｓ．）の制御用オリフィスプレートである。
　従って、図１０の流量制御用多孔型オリフィスプレート７ａは、１８０ｓｃｃｍ×３７＝６．６６０ｓｃｃｍのＦ．Ｓ．流量に相当する。
　図１１は、当該図１０の多孔型オリフィスプレート７ａを、図１の試験装置に於ける単孔型オリフィスプレート７に替えて使用した場合の前記図２と同一の関係曲線即ち、圧力比Ｐ２／Ｐ1との関係を示すものである。
　当該図１１と前記図２との対比からも明らかなように、本発明の多孔型オリフィスプレート７ａの場合には、セットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）が±１％の範囲内となる圧力比Ｐ２／Ｐ1の値が、１０％入力（設定流量１０％）の時でも０．４５を下ることが無く、１００％の入力（設定流量１００％）に於いては、約０．５２のＰ２／Ｐ1値を得ることが出来る。
　これに対して、最大流量が８５０ｓｃｃｍである前記図３に於いては、１００％入力時の圧力比Ｐ２／Ｐ1が約０．４２であり、最大流量が１６００ｓｃｃｍの前記図４に於いても、１００％入力時の圧力比Ｐ２／Ｐ1が約０．４０程度となっており、本願発明の多孔型オリフィスプレート７ａを利用した場合には、臨界膨張条件が成立するＰ２／Ｐ1の範囲を広くできることが判る。尚、理論上の臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ２／Ｐ1と現実の実測による場合の臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ２／Ｐ1との間に、上述のような若干の相違が生ずる原因は、理論的に未解析であって現在考察中であるが、オリフィス出口側の流体の流れ状態の相違が影響しているものと想定されている。
　図１２には、本発明の多孔型オリフィスプレート７ａを用いた場合の前記図５と同じ線図であり、セットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）が±１％以内の圧力比Ｐ２／Ｐ1に於ける設定流量（％）と１００％設定時における制御流量に対する誤差(流量直線性誤差)（Ｆ．Ｓ．％）の関係を示す線図である。
　図１２からも明らかなように、本発明の多孔型オリフィスプレート７ａについても流量直線性誤差（Ｆ．Ｓ．％）は±１％Ｆ．Ｓ．以内になることが確認されている。
　尚、本発明に係る圧力制御式流量制御装置は、前記株式会社フジキン製のＦ１８０型圧力制御式流量制御装置や図１３に示した圧力制御式流量制御装置等のオリフィスプレートを、本発明のオリフィスプレートに変換したものである。よってその詳細な説明は省略する。
　上述の通り、本発明に係る流量制御用多孔型オリフィスプレート及びこれを用いた圧力制御式流量制御装置は、制御流量に応じてオリフィス１２の数を調整することにより、制御流量が大きくなっても、臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ２／Ｐ1の範囲を広く一定に保持することができ、これにより、高精度な流量制御を広範囲に亘って安定して行うことができる。
　本発明に係る多孔型オリフィスプレートは、圧力制御式流量制御装置のみならず、通常の配管路内へ挿入して流体流量を制御するオリフィス装置や流体分流装置等のあらゆるオリフィスに適用することができるものである。
１　ガス入口
２　圧力調整器
３　圧力計
４　モルブロック流量測定器
５　圧力式流量制御装置
６　コントロール弁
７　オリフィスプレート（単孔型）
７ａ　多孔型オリフィスプレート
８　オリフィス上流側圧力検出器
９　オリフィス下流側圧力検出器
１０　オリフィス下流側圧力Ｐ２の調整弁
１１　真空排気ポンプ
Ｐ１　オリフィス上流側圧力
Ｐ２　オリフィス下流側圧力
Ｐｏ　ガス供給源側圧力
１２　オリフィス

Claims (8)

  1. 　流体の流量制御用オリフィスプレートに於いて、所定流量の流体の流通に必要な一つのオリフィスの開口面積を分割し、前記開口面積に等しい総開口面積を有する複数のオリフィスを設けた構成としたことを特徴とする流量制御用多孔型オリフィスプレート。
  2. 　前記複数のオリフィスをプレス加工により形成するようにした請求項１に記載の流量制御用多孔型オリフィスプレート。
  3. 　前記オリフィスプレートの厚さを２０～２００μｍとすると共に、圧力制御式流量制御装置用のオリフィスプレートとした請求項１に記載の流量制御用多孔型オリフィスプレート。
  4. 　前記オリフィスプレートの厚さを２０～２００μｍ、前記複数のオリフィスの各々の口径を０．０１０～０．２００ｍｍ、前記複数のオリフィスの数を２～１００個とした請求項１に記載の流量制御用多孔型オリフィスプレート。
  5. 　前記複数のオリフィスの各々の縦断平面形状を長方形部分と台形部分とからなる形状とした請求項１に記載の流量制御用多孔型オリフィスプレート。
  6. 　前記オリフィスプレートの前記複数のオリフィスを穿設した部分の裏側面を研磨により仕上げした構成とした請求項５に記載の流量制御用多孔型オリフィスプレート。
  7. 　オリフィス上流側圧力（Ｐ１）とオリフィス下流側圧力（Ｐ２）の比Ｐ２／Ｐ1が、気体の臨界膨張条件が成立する圧力比以下の条件において、気体の流量がオリフィス上流側の気体圧力（Ｐ1）に正比例して変化することを特徴とする請求項１に記載の流量制御用多孔型オリフィスプレート。
  8. 　オリフィスプレートを用いた圧力制御式流量制御装置において、前記オリフィスプレートを請求項１乃至請求項７の何れかに記載の流量制御用多孔型オリフィスプレートとしたことを特徴とする圧力制御式流量制御装置。
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