DE112014005572T5

DE112014005572T5 - Vorrichtung zur druckabhängigen Durchflußregelung

Info

Publication number: DE112014005572T5
Application number: DE112014005572.7T
Authority: DE
Inventors: Toshihide Yoshida; Atsushi Matsumoto; Kouji Nishino; Ryousuke Dohi; Katsuyuki Sugita; Takashi Hirose; Kaoru Hirata; Nobukazu Ikeda
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2016-12-01
Also published as: US10372145B2; KR101902855B1; WO2015083343A1; CN105556411A; JP2015109022A; TW201701095A; KR102087645B1; TWI658351B; KR20180108851A; KR20160028474A; US20160349763A1; TW201535081A; TWI566067B; JP6372998B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Einrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate, die in der Lage ist, die Eigenschaften der Abfallantwort zu verbessern, durch Verkürzen der Abfallantwortzeit zum Zeitpunkt des Umschaltens der Durchflussrate. Die Einrichtung (1) zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Körper (5) mit einer Fluidpassage (4), die mit einem Fluideinlass (2) und mit einem Fluidauslass (3) kommuniziert, und ein Regelventil (CV) zur Druckregelung, welches an dem Körper (5) festgelegt ist, um die Fluidpassage (4) zu öffnen und zu schließen, eine an dem Verlauf der Fluidpassage (4) an der stromabwärtigen Seite des Regelventils (CV) zur Druckregelung angeordnete Öffnung (OL), und einen Drucksensor (P1), der an dem Körper (5) festgelegt ist, um den Druck innerhalb der Fluidpassage (4) zwischen dem Regelventil (CV) zur Druckregelung und der Öffnung (OL) zu messen, wobei die Fluidpassage (4) einen ersten Passagebereich (4a) umfasst, der das Regelventil (CV) für die Druckrgelung mit einer Druckmesskammer (4b) an einer Druckmessoberfläche (P1a) des Drucksensors (P1) verbindet, sowie einen zweiten Passagebereich (4c), der die Druckmesskammer (4b) abseits des ersten Passagebereichs (4a) mit der Öffnung (OL) verbindet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Verbesserung einer Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate, und insbesondere auf eine Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate mit einem immens verbesserten Betriebsverhalten einer Versorgungseinrichtung für Materiegas für Apparate zur Halbleiterherstellung od dgl. durch eine Verbesserung der Abfallantwort.
Stand der Technik
Bislang waren bei einer Einrichtung zur Versorgung von Apparaten zur Halbleiterherstellung od. dgl. mit einem Materiegas thermische Durchflussregeleinrichtungen und druckgesteuerte Durchflussregeleinrichtungen weit verbreitet, um die Durchflussraten der zugeführten Gase zu regeln. Wie in 6 dargestellt, besteht eine Vorrichtung FCS zur druckgesteuerten Durchflussregelung insbesondere aus einem Regelventil CV für die Druckregelung, einem Temperatursensor T, einem Drucksensor P, einer Öffnung OL, einer Reglereinheit CD zur Durchführung von Berechnungen, bestehend aus einem Schaltkreis CDa zur Berechnung einer Temperaturkompensation/Durchflussrate, einem Komparator-Schaltkreis CDb, einem Schaltkreis CDc für die Eingabe und Ausgabe, einem Ausgabeschaltkreis CDd sowie aus anderen Komponenten, und hat exzellente Durchflussrateneigenschaften, welche die Durchführung einer stabilen Durchflussratenregelung erlauben, selbst wenn der Versrogungsdruck auf der Primärseite erheblich schwankt.
Das heisst, bei der Vorrichtung FCS zur druckgesteuerten Durchflussratenregelung nach 6 werden die Messwerte von dem Drucksensor P und dem Temperatursensor T in den Schaltkreis CDa zur Berechnung eine Temperaturkompensation/Durchflussrate eingegeben, wo die Temperaturkompensations- und Durchflussratenberechnung für den ermittelten Druck ausgeführt wird, und ein Durchflussratenberechnungswert Qt wird in den Komparatorschaltkreis CDb eingegeben. Darüber hinaus wird ein der vorgegebenen Durchflussrate entsprechendes Eingangssignal Qs über ein Terminal In eingegeben und gelangt über den Eingangs-Ausgangs-Schaltkreis CDc an den Komparatorschaltkreis CDb, wo er mit dem von dem Schaltkreis CDa zur Berechnung der Temperaturkompensation/Durchflussrate berechneten Wert Qt für die Durchflussrate verglichen wird. Wenn als Ergebnis dieses Vergleichs das eingegebene Signal Qs für die Durchflussrate kleiner ist als der Rechenwert Qt für die Durchflussrate, wird das Steuersignal Pd an den Antriebsteil des Regelventils CV ausgegeben. Dieser aktiviert das Regelventil CV in Schließrichtung, und diese Aktivierung in Schließrichtung bleibt so lange aktiv, bis die Differenz (Qs – Qt) zwischen dem vorgegebenen Eingangssignal Qs für die Durchflussrate und dem Rechenwert Qt für die Durchflussrate null wird.
Wenn bei der druckabhängigen Durchflussrgelungseinrichtung FCS zwischen einem Druck P₂ an der stromabwärtigen Seite und einem Druck P₁ an der stromaufwärtigen Seite der Öffnung OL eine sogenannte kritische Ausdehnungsbedingung eintritt, d. h., P₁/P₂ ≥ etwa 2, so wird die Durchflussrate Q des durch die Öffnung OL strömenden Gases Q = KP₁ (wobei K eine Konstante ist), wogegen die Durchflussrate Q des durch die Öffnung OL strömenden Gases Q = KP₂ ^m(P₁ – P₂)ⁿ wird (wobei K, m, n Konstanten sind), wenn die kritische Ausdehnungsbedingung nicht erfüllt ist.
Demzufolge kann die Durchflussrate Q mit hoher Genauigkeit geregelt werden, indem der Druck P₁ geregelt wird, und selbst wenn sich der Druck eines Gases G₀ stromaufwärts des Regelventils CV erheblich ändert, verändert sich der Wert der geregelten Durchflussrate kaum, was ein ausgezeichnetes Verhalten zeigt.
Die Einrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate, welche die Durchflussrate Q des Gases zu Q = KP₁ berechnet (wobei K eine Konstante ist), kann als FCS-N-artig bezeichnet werden, und die Einrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate, welche die Durchflussrate Q des Gases zu Q = KP₂ ^m(P₁ – P₂)ⁿ berechnet (wobei K, m, n Konstanten sind), kann als FCS-WR-artig bezeichnet werden.
Ferner umfasst die Einrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate dieser Art auch sogenannte FCS-SN-Typen und FCS-SWR-Typen. Eine FCS-SN-artige Einrichtung verwendet als Öffnung des obigen FCS-N-Typs eine Öffnungsmechanik, wobei eine Mehrzahl von Öffnungen OL parallel geschalten sind, und ein Gas strömt durch wenigstens eine Öffnung via ein Schaltventil, bspw. eine Öffnungsmechanik, bei welcher zwei Öffnungen parallel geschalten sind, und wobei ein Schaltventil an der Einlassseite einer Öffnung angeordnet ist, um eine Änderung des Regelbereichs für die Durchflussrate durch Öffnen und Schließen eines Ventils zu erlauben, während eine FCS-SWR-artige Einrichtung die selbe Öffnungsmechanik als eine Öffnung des obigen FCS-WR-Typs verwendet.
Es sollte angemerkt werden, dass die Strukturen, Funktionsweisen, etc. der Einrichtung zur druckabhängigen Durchflussregelung, selbst vom obigen FCS-N-Typ, FCS-SN-Typ, FCS-WR-Typ und FCS-SWR-Typ, bekannt sind, und aus diesem Grund wird ihre detaillierte Erklärung hier unterlassen ( Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. H8-338546 , Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2003-195948 , etc.).
Außerdem umfassen die Arten von Einrichtungen FCS zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate, wie in 7 dargestellt, eine Einrichtung FCS zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate (die im Folgenden als FCS-N-Typ bezeichnet wird. Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. H8-338546 , unter anderen) mit einer Struktur wie in (a), bestimmt für ein Gas-Fluid unter kritischen Bedingungen, einen für ein Gas-Fluid unter kritischen und nicht-kritischen Bedingungen bestimmten Typ FCS-WR gemäß (b) ( Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2003-195948 , unter anderen), einen für ein Gas-Fluid unter kritischen Bedingungen bestimmten Durchlflussraten-Umschalt-Typ FCS-S gemäß (c) ( Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2006-330851 , unter anderen), und einen FCS-SWR-Typ vom Durchflussraten-Umschalt-Typ gemäß (d) (Internationale Patentveröffentlichung WO2009/141947 , unter anderen), der sowohl für Gas-Fluide unter sowohl kritischen Bedingungen als auch nicht-kritischen Bedingungen bestimmt ist.
Es sollte angemerkt werden, dass in 7 P₁ und P₂ Drucksensoren bezeichnen, CV bezeichnet ein Regelventil, OL bezeichnet eine Öffnung, OL₁ bezeichnet eine Öffnung mit kleinem Durchmesser, OL₂ bezeichnet eine Öffnung mit großem Durchmesser, und ORV bezeichnet ein Ventil zum Umschalten von Öffnungen.
8 ist eine Querschnittdarstellung, die eine bekannte Einrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate (FCS-WR-Typ) zeigt, 5A zeigt einen Körper, 2 bezeichnet einen Fluid-Einlass, CV bezeichnet ein Regelventil zur Druckregelung, P₁ und P₂ bezeichnen Drucksensoren, OL bezeichnet eine Öffnung, und 3 bezeichnet einen Fluid-Auslass.
Jedoch hat die Einrichtung FCS zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate von dieser Art eine schlechte Ersetzbarkeit des Gases, da eine Öffnung OL mit einem winzigen Durchmesser verwendet wird, und sie hat das Problem, dass die sogenannte Abfall-Antwort für das Gas extrem schlecht ist, wenn das Regelventil CV zur Druckregelung der Einrichtung FCS für die druckabhängige Durchflussregelung geschlossen wird und die Auslassseite freigegeben wird, da es eine graume Zeit dauert, bis das Gas aus dem Raumbereich zwischen dem Regelventil CV und der Öffnung OL abgelassen ist.
9 zeigt ein Beispiel für das Abfall-Reaktions-Verhalten einer bekannten Einrichtung vom FCS-N-Typ zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate zum Zeitpunkt einer kontinuierlichen Stufe. Wenn die zugeführte Gasmenge schrittweise reduziert wird, während das Gas mit einer bestimmten Durchflussrate über die Einrichtung zur druckabhängigen Durchflussregelung zugeführt wird, wobei ein (nicht dargestelltes) motorbetriebenes Luftventil an der stromabwärtigen Seite der Öffnung OL freigegeben ist, braucht es im Fall einer Einrichtung zur druckabhängigen Durchflussregelung für geringe Durchflussraten (Linie B) im Verhältnis zu dem Fall einer Einrichtung zur druckabhängigen Durchflussregelung für große Durchflussraten (Linie A) 1,5 Sekunden oder mehr, um im laufenden Betrieb die Durchflussrate auf ein vorgegebenes Niveau zu senken.
Genauer gesagt, im Fall eines FCS-N-Typs und eine FCS-WR-Typs beträgt der Druck auf der stromabwärtigen Seite der Öffnung OL 100 Torr, und daher braucht es, um die Durchflussrate von 100% auf 1% oder von 100% auf 4% zu senken, jeweils ungefähr 1 Sekunde oder mehr, aber in Bezug auf Vorrichtungen zur Herstellung von Halbleitern (bspw. Ätzgeräte) ist es erforderlich, die Durchflussrate von 100% auf 1% innerhalb von 1 Sekunde zu senken.
Wenn der Druck an der stromabwärtigen Seite der Öffnung OL₁ bei 100 Torr liegt, werden im Fall von FCS-S- oder FCS-SWR-Typen außerdem zum Absenken der Durchflussrate von 100% auf 10% und von 100% auf 0,16 jeweils ungefähr 1,2 Sekunden oder mehr benötigt, aber in Bezug auf Vorrichtungen zur Herstellung von Halbleitern (bspw. Ätzgeräte) ist es erforderlich, die Durchflussrate von 100% auf 10% innerhalb von 1,2 Sekunden zu senken.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. H8-338546
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. H10-55218
Patentdokument 3: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2003-195948
Patentdokument 4: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2006-330851
Patentdokument 5: Internationale Patentveröffentlichung WO2009/141947

Überblick über die Erfindung
Technisches Problem
Um das oben erwähnte Problem bei einer bekannten Einrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate zu lösen, erstrebt die Erfindung gemäß der vorliegenden Anmeldung hauptsächlich eine Verbesserung im Hinblick auf die Abfall-Reaktion der Durchflussregelung, d. h., eine Einrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate zu schaffen, die in der Lage ist, die Abfallzeit bei der Durchflussregelung zu reduzieren.
Lösung des Problems
Um das obige Ziel zu erreichen, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate einen Körper mit einer Fluid-Passage, die mit einem Fluid-Einlass kommuniziert und mit einem Fluid-Auslass, ein Regelventil zur Druckregelung, das an dem Körper festgelegt ist, um die Fluid-Passage zu öffnen und zu schließen, eine Öffnung, die an dem Verlauf der Fluid-Passage an der stromabwärtigen Seite des Regelventils für die Druckregelung angeordnet ist, und einen Drucksensor, der an dem Körper festgelegt ist, um den Innendruck der Fluid-Passage zwischen dem Regelventil für die Druckregelung und der Öffnung zu messen, wobei die Fluid-Passage einen ersten Passage-Bereich umfasst, der das Regelventil für die Druckregelung mit einer Druckmesskammer an einer Druckmessoberfläche des Drucksensors verbindet, einen zweiten Passage-Bereich, der die Druckmesskammer und die Öffnung verbindet und von dem ersten Passage-Bereich entfernt ist, wobei die Fluid-Passage derart konfiguriert ist, dass sie durch die Druckmesskammer hindurch läuft.
Bevorzugt ist der Drucksensor unterhalb des Regelventils für die Druckregelung angeordnet, und der erste Passage-Bereich ist derart konfiguriert, dass er sich in vertikaler Richtung von dem Regelventil zur Druckregelung bis zu der Druckmesskammer erstreckt.
Bevorzugt ist das Regelventil zur Druckregelung mit einem metallischen Membranelement versehen, und der erste Passage-Bereich ist derart konfiguriert, dass er sich in vertikaler Richtung von einem zentralen Bereich des Metallmembran-Ventilelements bis zu dem Regelventil für die Druckregelung erstreckt.
Bevorzugt ist der erste Passage-Bereich mit einem Endbereich der Druckmesskammer verbunden.
Bevorzugt ist der zweite Passage-Bereich mit einem Endbereich der Druckmesskammer verbunden.
Bevorzugt ist der zweite Passage-Bereich mit einem Endbereich der Druckmesskammer verbunden, welcher dem ersten Passage-Bereich der Druckmesskammer gegenüber liegt.
Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate einen Körper mit einer Fluid-Passage, die mit einem Fluid-Einlass kommuniziert und mit einem Fluid-Auslass, ein Regelventil zur Druckregelung, das an dem Körper festgelegt ist, um die Fluid-Passage zu öffnen und zu schließen, eine Öffnung, die an dem Verlauf der Fluid-Passage an der stromabwärtigen Seite des Regelventils für die Druckregelung angeordnet ist, und einen Drucksensor, der an dem Körper festgelegt ist, um den Innendruck der Fluid-Passage zwischen dem Regelventil für die Druckregelung und der Öffnung zu messen, wobei der Drucksensor unterhalb des Regelventils für die Druckregelung angeordnet ist, und wobei die Fluid-Passage einen ersten Passage-Bereich umfasst, der sich in vertikaler Richtung von dem Regelventil für die Druckregelung bis zu einer Druckmesskammer an der Druckmessoberfläche des Drucksensors erstreckt, sowie einen dritten Passage-Bereich, der den ersten Passage-Bereich mit der Öffnung verbindet.
Bevorzugt ist der Drucksensor mittels einer Ringdichtung in einen vertieften Bereich eingesetzt, der in die Bodenfläche des Körpers eingeformt ist, wobei die Druckmesskammer von der inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs, der Ringdichtung und einer Druckmessoberfläche des Drucksensors umgeben ist, und wobei an beiden Seiten der Ringdichtung Dichtflächen ausgeformt sind, um sich an die innere Umfangsfläche anzulehnen.
Bevorzugt umfasst die Ringdichtung Dichtflächen an beiden Seiten, eine innere Umfangsfläche, eine äußere Umfangsfläche, eine innere, konische Fläche zwischen der inneren Umfangsfläche und den Dichtflächen an beiden Seiten, und eine äußere, konische Fläche zwischen der äußeren Umfangsfläche und den Dichtflächen an beiden Seiten, wobei die innere, konische Fläche kleiner ist als die äußere, konische Fläche.
Außerdem wird es bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate einen Körper mit einer Fluid-Passage umfasst, die mit einem Fluid-Einlass kommuniziert und mit einem Fluid-Auslass, ein Regelventil zur Druckregelung, das an dem Körper festgelegt ist, um die Fluid-Passage zu öffnen und zu schließen, einen Drucksensor, der an dem Körper festgelegt ist, um den Innendruck der Fluid-Passage an der stromabwärtigen Seite des Regelventils für die Druckregelung und einer Öffnung zu messen, und eine Öffnung, die an dem Verlauf der Fluid-Passage an der stromabwärtigen Seite des Drucksensors angeordnet ist, und wobei der Drucksensor mittels einer Ringdichtung in einen vertieften Bereich eingesetzt ist, der an der Bodenfläche des Körpers ausgeformt ist, wobei die Druckmesskammer von der inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs, der Ringdichtung und einer Druckmessoberfläche des Drucksensors umgeben ist, und wobei an beiden Seiten der Ringdichtung Dichtflächen ausgeformt sind, um sich an die innere Umfangsfläche anzulehnen.
Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen der inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs und der Druckmessoberfläche von 0,13 bis 0,30 mm.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Erfindung zu der vorliegenden Anmeldung kann die innere Kapazität der Fluidpassage zwischen dem Regelventil für die Druckregelung und der Öffnung gegenüber einem herkömmlichen Beispiel reduziert werden, indem die Konfiguration derart gewählt wird, dass die Fluidpassage durch die Druckmesskammer hindurch läuft, und infolgedessen können die Abfall-Eigenschaften verbessert werden.
Durch eine Anordnung des Drucksensors unterhalb des Regelventils für die Druckregelung, und durch eine vertikale Erstreckung der Fluidpassage (erster Passagebereich), welche die zwei Komponenten von dem Druckregelventil für die Druckregelung in die Druckmesskammer verbindet, können außerdem die zwei Komponenten auf kürzestem Wege verbunden werden, und die innere Kapazität der Fluidpassage zwischen dem Regelventil zur Druckregelung und der Öffnung kann reduziert werden.
Außerdem werden ein erster Passagebereich und ein zweiter Passagebereich an Endbereichen der Druckmesskammer vorgesehen, wodurch die als Fluidpassage genutzte Druckmesskammer effektiv genutzt werden kann, was zu einer Reduzierung der inneren Kapazität der Fluidpassage zwischen dem Regelventil für die Druckregelung und der Öffnung beitragen kann.
Indem der Ringdichtung, welche die Höhe der Druckmesskammer bestimmt, ein Querschnitt dergestalt verliehen wird, dass deren Dichtfläche veranlasst wird, sich an der inneren Umfangsoberfläche anzulehnen, kann der zur Gewährleistung der Dichtwirkung erforderliche Bereich der Dichtfläche beibehalten werden, und gleichzeitig kann die innere Umfangsoberfläche an die flache Oberfläche angenähert werden, um die Kapazität des von der inneren Umfangsoberfläche umgebenen Raums zu reduzieren. Dies kann zu einer Reduzierung der inneren Kapazität der Fluidpassage zwischen dem Regelventil zur Druckregelung und der Öffnung beitragen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate zeigt.
2 ist ein vergrößertes Diagramm eines in 1 von einem Kreis mit einer gerippten Umfangslinie umgebenen Bereichs.
3 ist eine expandierte Querschnittsansicht der in die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate gemäß 1 eingebauten Ringdichtung.
4 ist eine Grafik, welche die Druckabfallzeiten (Abfallzeiten) der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate zeigt sowie einer bekannten Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate zeigt.
6 ist ein einfaches Blockschaltbild, welches eine bekannte Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate zeigt.
7 ist ein schematisches Blockschaltbild, welches Vorrichtungen zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate von verschiedenen bekannten Systemen zeigt.
8 ist eine Querschnittsansicht, die den Hauptteil einner bekannten Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate zeigt.
9 ist eine Grafik, die ein Beispiel für die Abfallantwort-Eigenschaften zum Zeitpunkt einer fortdauernden Stufe einer bekannten Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate (FCS-N-Typ) zeigt.
10 ist eine expandierte Querschnittsansicht der in eine bekannte Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate eingebauten Ringdichtung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die Ausführungformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
1 zeigt eine Qerschnittsansicht einer ersten Ausführungform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate, und 2 zeit ein vergrößertes Diagramm eines in 1 von einem Kreis mit einer gerippten Umfangslinie umgebenen Bereichs. Eine Vorrichtung 1 zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate umfasst einen Körper 5 mit einer Fluidpassage 4, die mit einem Fluideinlass 2 und mit einem Fluidauslass 3 kommuniziert, und ein Regelventil CV zur Druckregelung, welches an dem Körper 5 festgelegt ist, um die Fluidpassage 4 zu öffnen und zu schließen, eine an dem Verlauf der Fluidpassage 4 an der stromabwärtigen Seite des Regelventils CV zur Druckregelung angeordnete Öffnung OL, und einen Drucksensor P1, der an dem Körper 5 festgelegt ist, um den Druck innerhalb der Fluidpassage 4 zwischen dem Regelventil CV zur Druckregelung und der Öffnung OL zu messen, wobei die Fluidpassage 4 einen ersten Passagebereich 4a umfasst, der das Regelventil CV für die Druckrgelung mit einer Druckmesskammer 4b an einer Druckmessoberfläche P1a (2) des Drucksensors P1 verbindet, und einen zweiten Passagebereich 4c getrennt von dem ersten Passagebereich 4a, der die Druckmesskammer 4b mit der Öffnung OL verbindet, wobei die Fluidpassage 4 derart konfiguriert ist, dass sie durch die Druckmesskammer hindurch läuft.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate gemäß der ersten Ausführungsform ist von dem oben erwähnten, sogenannten FCS-WR-Typ, und hat einen zweiten Drucksensor P2, welcher den Druck innerhalb der Fluidpassage 4 an der stromabwärtigen Seite der daran angeschlossenen Öffnung misst. Es sollte erwähnt werden, dass in der 1 Bezugszeichen 10 eine Reglerplatine mit auf einer gedruckten Verdrahtungsplatine montierten elektronischen Bauteilen bezeichnet, Bezugszeichen 11 bezeichnet ein Gehäuse, und Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Steckverbinder als Anschluss.
Der Körper 5 ist integral aus einem einlassseitigen Block 5a, einem Körperblock 5b, und einem auslassseitigen Block 5c zusammengesetzt, welche durch Schrauben miteinander verbunden sind. Der Fluideinlass 2 ist in den einlassseitigen Block 5a eingearbeitet. In dem Verbindungsbereich der Fluidpassage 4 zwischen dem einlassseitigen Block 5a und dem Körperblock 5b ist eine Metalldichtung 13 angeordnet. Außerdem sind in dem Verbindungsbereich der Fluidpassage 4 zwischen dem Körperblock 5b und dem auslassseitigen Block 5c Metalldichtungen 14, 15 angeordnet, welche eine Öffnungsplatte 7 mit der in ihrer Mitte eingeformten Öffnung OL einklemmen (welche in der Zeichnung nicht deutlich wiedergegeben ist, da es sich um eine Mikropore handelt). Der Fluidauslass 3 ist in den auslassseitigen Block 5c eingearbeitet.
Das Regelventil CV für die Druckregelung ist ein EIN-AUS-Ventil, welches ein bekanntes Metallmembran-Ventilelement CVa und ein piezoelektisch angetriebenes Element CVb verwendet. Das piezoelektrisch angetriebene Element CVb verlängert sich bei Energiezufuhr und schiebt einen Zylinder CVc entgegen der Elastizität eines elastischen Körpers CVd nach oben, wobei sich ein Haltekörper-Ventilelement CVe nach oben bewegt, und das Metallmembran-Ventilelement CVa biegt sich unter seiner eigenen elastischen Kraft in eine gewölbte Gestalt und kommt frei von dem Ventilsitz 5e, so dass das Ventil geöffnet wird. Außerdem kann die Öffnungsposition des Ventils eingestellt werden, indem die an das piezoelektrisch angetriebene Element CVb angelegte Spannung variiert wird.
Der Drucksensor P1 umfasst eine Membran mit einem auf seiner Oberfläche eingeformten Halbleiter-Dehnmessstreifen. Deren Oberfläche dient als Druckmessoberfläche (druck-empfängliche Oberfläche) und wird durch einen darauf einwirkenden Druck deformiert. Er misst den Druck, indem durch den piezo-resistiven Effekt hervorgerufene Änderungen des elektrischen Widerstandes in elektrische Signale umgewandelt werden.
Der Drucksensor P1 ist in einen an der Unterseite des Körperblocks 5b eingeformten, vertieften Bereich 5d über eine Ringdichtung 16 eingesetzt und wird mittels einer Halteschraube 17 festgelegt. So entsteht durch Einsetzen des Drucksensors P1 in den vertieften Bereich 5d die Druckmesskammer 4b, welche von der inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs 5d, der Ringdichtung 16, und der druck-empfänglichen Oberfläche des Drucksensors P1 umgeben ist, d. h., die Druckmessoberfläche P1a wird gebildet.
Der Ventilsitz 5e, an/von dem das Metallmembran-Ventilelement CVa des Regelventils CV zur Druckregelung anliegt oder freikommt, befindet sich an einer zentralen Position des Membran-Ventilelements CVa. In dem dargestellten Beispiel strömt ein Gas durch einen Freiraum 4e zwischen der äußeren Peripherie des Membran-Ventilelements CVa des Regelventils CV zur Druckregelung und dem Ventilsitz 5e, so dass das Gas von dem Zentrum des Ventilsitzes 5e ausströmt. Dies ist entgegengesetzt zu der Flussrichtung des Fluids in dem bekannten Regelventil zur Druckregelung, welches in 8 dargestellt ist, so dass eine solche Konfiguration in einem Zustand, wenn das Membran-Ventilelement CVa geschlossen ist, die innere Kapazität der Fluidpassage 4 zwischen dem Regelventil CV zur Druckregelung und der Öffnung OL gegenüber der bekannten Konfiguration reduzieren kann.
Der Drucksensor P1 ist unterhalb des Regelventils CV zur Druckregelung angeordnet, und der erste Passagebereich 4a ist derart konfiguriert, dass er sich von dem Regelventil CV zur Druckregelung in vertikaler Richtung bis zu der Druckmesskammer 4b erstreckt. Dies erlaubt es dem ersten Passagebereich 4a, das Regelventil CV zur Druckregelung mit der Druckmesskammer 4b auf kürzestem Wege zu verbinden, und deshalb kann die innere Kapazität des ersten Passagebereichs 4a reduziert werden.
Um jedoch die innere Kapazität des ersten Passagebereichs 4a so klein als möglich zu machen, wird bevorzugt, dass der erste Passagebereich 4a einen möglichst kleinen Durchmesser hat, bspw. einen Durchmesser von 0,5 bis 1,0 mm. Damit die innere Kapazität des ersten Passagebereichs 4a so klein als möglich wird, kann außerdem bevorzugt die Länge des ersten Passagebereichs 4a so kurz als möglich gemacht werden, was dadurch erreicht werden kann, dass der Drucksensor P1 so nah als möglich an das Membran-Ventilelement CVa heran gesetzt wird.
Der erste Passagebereich 4a und der zweite Passagebereich 4c ist mit je einem Endbereich der Druckmesskammer 4b verbunden. Diese Konfiguration erlaubt es, die innere Kapazität der Fluidpassage 4 zu reduzieren, indem die Druckmesskammer 4b so weit als möglich als Fluidpassage 4 genutzt wird. D. h., das Raumvolumen der Druckmesskammer 4b ist unvermeidlich, und daher kann die innere Kapazität der Fluidpassage 4 reduziert werden, indem diese als Fluidpassage genutzt wird.
Obwohl es auch wünschenswert ist, dass die innere Kapazität der Druckmesskammer 4b so klein als möglich ist, wird die Membran, welche eine Komponente der druck-empfänglichen Oberfläche des Drucksensors P1 ist, aus rostfreiem Stahl oder vergleichbaren Materialen hergestellt, welches bei einer hohen Temperatur expandiert und in Richtung zu der inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs 5d anschwillt. Deshalb muss die Druckmesskammer 4b eine derartige Tiefenerstreckung aufweisen, dass die Wärmeausdehnung der Membran des Drucksensors P1 möglich ist. Beispielsweise schwillt ein bestimmter Typ einer Membran eines Drucksensors bei 100°C um etwa 0,13 mm an, so dass die Tiefenerstreckung der Druckmesskammer 4b, d. h., der Abstand zwischen der inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs 5d und der Druckmessoberfläche P1a (im nicht defomrierten Zustand) z. B. zwischen 0,13 und 0,30 mm liegen muss. Die Ringdichtung 16 besteht aus rostfreiem Stahl oder vergleichbaren Materialien und ist mit hoher Präzision endbehandelt, bspw. mit einer Hochglanzpolitur poliert, einer Mischkristall-Wärmebehandlung in einem Vakuumofen unterzogen, oder anderen Behandlungen unterworfen.
Die Ringdichtung 16 muss eine Dichtfläche mit einem gewissen Grad an Oberflächendruck aufweisen, um die Dichtungseigenschaften der Dichtung zu gewährleisten, aber falls das Gebiet der Dichtfläche erhöht wird, erhöht sich auch das zum Festlegen des Drucksensors P1 notwendige Drehmoment. Umm die innere Kapazität der Druckmesskammer P1a zu minimieren, der Dichtfläche ein benötigtes Flächenareal zu erhalten, und auch um einen Anstieg der Materialkosten zu vermeiden, sind die Dichtflächen an beiden Seiten 16a, 16b derart geformt, dass sie zu der Seite der inneren Umfangsfläche 16c hin konisch geneigt verlaufen, wie in 3 dargestellt.
In dem dargestellten Beispiel hat die Ringdichtung 16 innen liegende, konisch geneigt verlaufende Flächen 16d, 16e zwischen der inneren Umfangsfläche 16c und den Dichtflächen an beiden Seiten 16a, 16b, welche kleiner sind als außen liegende, konisch geneigt verlaufende Flächen 16g, 16h zwischen einer äußeren Umfangsfläche 16f und den Siegelflächen an beiden Seiten 16a, 16b. Die innen liegenden, konisch geneigt verlaufenden Flächen 16d, 16e können weggelassen werden, und die innere Umfangsfläche 16c und die Dichtflächen an beiden Seiten 16a, 16b können rechtwinklig ineinander übergehen.
Indem solchermaßen den Dichtflächen 16a, 16b derartige Querschnittsformen erteilt werden, dass sie zu der Seite der inneren Umfangsfläche 16c hin konisch geneigt verlaufen, kann die innere Kapazität der Druckmesskammer 4b kleiner sein als bei einer bekannten Ringdichtung (siehe 10).
4 ist ein Balkendiagramm, worin für die Vorrichtung zur druckgeregelten Regelung der Durchflussrate mit der in 1 dargestellten Struktur einerseits sowie andererseits für eine Vorrichtung zur druckgeregelten Regelung der Durchflussrate gemäß einem bekannten, in 8 dargestellten Typ, welche jeweils mit dem Fluidauslass an eine Vakuumkammer angeschlossen sind, wobei das Regelventil für die Druckregelung geschlossen ist, während ein Stickstoffgas mit einer vorgegebenen Durchflussrate geregelt wird, jeweils die für jede anhand der inneren Kapazitäten berechneten Abfallzeiten, bis sich die Durchflussrate von 100% auf 1% ändert, miteinander verglichen werden. In der Grafik nach 4 ist entlang der horizontalen Achse ein Durchflussraten-Bereich dargestellt, wobei der Typ mit der höchsten Regel-Durchflussrate weit rechts dargestellt ist, während die vertikale Achse die Abfallzeit anzeigt. Dieses Balkendiagramm lässt erkennen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate die Abfallzeit im Vergleich zu einer konventionellen Einrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate außerordentlich reduzieren kann. Außerdem ist zu bedenken, dass bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate über den größten Teil des Durchflussraten-Bereichs die Abfallzeit auf 1 Sekunde oder weniger abgekürzt werden kann.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate zeigt. Diejenigen Komponenten, welche gleichartig zu denen in der Ausführungsform in 1 sind, werden mit den selben Bezugszeichen versehen, und ihre wiederholte Erklärung wird unterlassen.
Die Vorrichtung 1 zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate gemäß der zweiten Ausführungform unterscheidet sich von der obigen, ersten Ausführungsform dadurch, dass es einen dritten Passagebereich 4f gibt, der an den ersten Passagebereich 4a angeschlossen ist anstelle des zweiten Passagebereichs 4c der obigen ersten Ausführungsform, während die sonstige Konfiguration gleichartig zu der in der ersten Ausführungsform ist. Auch sind bei der zweiten Ausführungsform die Anordnung des Regelventils CV zur Druckregelung und des Drucksensors P1 sowie die Anordnung der Struktur des ersten Passagebereichs 4a genau so wie bei der ersten Ausführungsform, wodurch die innere Kapazität der Fluidpassage 4, die mit der Abfallzeit in Zusammenhang steht, reduziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung soll nicht als auf die oben beschriebenen Ausführungformen begrenzt interpretiert werden, sondern kann in einem Umfang, der von dem Geist der vorliegenden Erfindung nicht abweicht, verschiedenen Abwandlungen unterliegen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur druckabhängigen Durchflussregelung
2: Fluideinlass
3: Fluidauslass
4: Fluidpassage
4a: Erster Bereich der Passage
4b: Druckerkennungskammer
4c: Zweiter Bereich der Passage
4f: Dritter Bereich der Passage
5: Körper
5d: Vertiefter Bereich
CV: Regelventil für die Druckregelung
CVa: Ventilelement mit einer Metallmembran
OL: Öffnung
P1: Drucksensor
P1a: Druckerkennungsoberfläche
16: Ringdichtung

Claims

Eine Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate, umfassend: – einen mit einer Fluidpassage versehenen Körper, welche einen Fluideinlass mit einem Fluidauslass verbindet, – ein Regelventil für die Druckregelung, welches an dem Körper befestigt ist, um die Fluidpassage zu öffnen und zu schließen, – eine im Verlauf der Fluidpassage auf der stromabwärtigen Seite des Regelventils zur Druckregelung angeordnete Öffnung, und – einen an dem Körper befestigten Drucksensor, um den innerhalb der Fluidpassage zwischen dem Regelventil für die Druckregelung und der Öffnung herrschenden Innendruck zu erfassen, – wobei die Fluidpassage einen ersten Passagebereich umfasst, welcher das Regelventil zur Druckregelung mit einer Kammer zur Druckerfassung an einer Druckerfassungsoberfläche des Drucksensors verbindet, sowie einen zweiten, von dem ersten Passagebereich entfernten Passagebereich, welcher die Kammer zur Druckerfassung mit der Öffnung verbindet, wobei die Fluidpassage derart konfiguriert ist, dass sie durch die Kammer zur Druckerfassung verläuft.
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor unterhalb des Regelventils für die Druckregelung angeordnet ist, und wobei sich der erste Passagebereich in vertikaler Hinsicht von dem Regelventil für die Druckregelung bis zu der Kammer für die Druckerkennung erstreckt
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 2, wobei das Regelventil für die Druckregelung ein Ventilelement mit einer metallischen Membran aufweist, und wobei der erste Passagebereich derart konfiguriert ist, dass er sich vertikal von einem zentralen Bereich des Ventilelements mit einer metallischen Membran des Regelventils für die Druckregelung erstreckt.
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 2, wobei der erste Bereich der Passage mit einem Endbereich der Druckerkennungskammer verbunden ist.
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 1, wobei der zweite Bereich der Passage mit einem Endbereich der Druckerkennungskammer verbunden ist.
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 4, wobei der zweite Bereich der Passage mit einem dem ersten Bereich der Passage gegenüber liegenden Endbereich der Druckerkennungskammer verbunden ist.
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor in einen vertieften, auf einer Unterseite des Körpers eingeformten Bereich über eine Ringdichtung eingesetzt ist, wobei die Kammer zur Druckerkennung von einer inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs umgeben ist, und wobei eine Ringdichtung an beiden Seiten derart geformte Dichtungsflächen aufweist, dass sie sich zu der inneren Umfangsoberfläche hin wölben.
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 7, wobei der Abstand zwischen der inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs der Kammer zur Druckerkennung und der Oberfläche zur Druckerekennung 0,13 bis 0,30 mm beträgt.
Eine Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate, umfassend: – einen mit einer Fluidpassage versehenen Körper, welche einen Fluideinlass mit einem Fluidauslass verbindet, – ein Regelventil für die Druckregelung, welches an dem Körper befestigt ist, um die Fluidpassage zu öffnen und zu schließen, – eine im Verlauf der Fluidpassage auf der stromabwärtigen Seite des Regelventils zur Druckregelung angeordnete Öffnung, und – einen an dem Körper befestigten Drucksensor, um den innerhalb der Fluidpassage zwischen dem Regelventil für die Druckregelung und der Öffnung herrschenden Innendruck zu erfassen, wobei der Drucksensor unterhalb des Regelventils für die Druckregelung angeordnet ist, – wobei die Fluidpassage einen ersten Passagebereich umfasst, welcher sich von dem Regelventil zur Druckregelung vertikal bis zu einer Kammer zur Druckerkennung erstreckt, welche auf der Oberfläche zur Druckerkennung des Drucksensors vorgesehen ist, sowie einen dritten Passagebereich, welcher den ersten Passagebereich mit der Öffnung verbindet.
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 9, wobei der Drucksensor in einen vertieften, in die Unterseite des Körpers eingearbeiteten Bereich über eine Ringdichtung eingesetzt und darin fixiert ist, wobei die Druckmesskammer von einer inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs, der Ringdichtung und einer Druckmessoberfläche umgeben sind, und wobei die Ringdichtung an beiden Stirnseiten Dichtflächen aufweist, wlche derart geformt sind, dass sie zu der Seite der inneren Umfangsfläche hin geneigt verlaufen.
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 10, wobei die Ringdichtung Dichtflächen an beiden Stirnseiten aufweist, eine innere Umfangsfläche, eine äußere Umfangsfläche, innen liegende, geneigt verlaufende Flächen zwischen der inneren Umfangsfläche und den Dichtflächen an beiden Stirnseiten, sowie äußen liegende, geneigt verlaufende Flächen zwischen der äußeren Umfangsfläche und den Dichtflächen an beiden Stirnseiten, wobei die innen liegenden, geneigt verlaufenden Flächen kleiner sind als die außen liegenden, geneigt verlaufenden Flächen.
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 10, wobei der Abstand zwischen der inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs der Druckmesskammer und der Druckmessoberfläche zwischen 0,13 und 0,30 mm liegt.
Eine Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate, umfassend: – einen mit einer Fluidpassage versehenen Körper, welche einen Fluideinlass mit einem Fluidauslass verbindet, – ein Regelventil für die Druckregelung, welches an dem Körper befestigt ist, um die Fluidpassage zu öffnen und zu schließen, – einen an dem Körper befestigten Drucksensor, um den innerhalb der Fluidpassage an der stromabwärtigen Seite des Regelventils für die Druckregelung herrschenden Innendruck zu erfassen, und – eine im Verlauf der Fluidpassage auf der stromabwärtigen Seite des Drucksensors angeordnete Öffnung, – wobei der Drucksensor in einen vertieften, in die Unterseite des Körpers eingearbeiteten Bereich über eine Ringdichtung eingesetzt und darin fixiert ist, wobei die Druckmesskammer von einer inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs, der Ringdichtung und einer Druckmessoberfläche umgeben sind, und wobei die Ringdichtung an beiden Stirnseiten Dichtflächen aufweist, wlche derart geformt sind, dass sie zu der Seite der inneren Umfangsfläche hin geneigt verlaufen..
Die Vorrichtung zur druckabhängigen Regelung der Durchflussrate nach Anspruch 13, wobei der Abstand zwischen der inneren Bodenfläche des vertieften Bereichs der Druckmesskammer und der Druckmessoberfläche zwischen 0,13 und 0,30 mm liegt.