JP5202465B2 - 流量制御装置 - Google Patents
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Description
例えば、半導体製造装置では、熱式流量計の下流側に流体制御弁を配置し、制御手段が熱式流量計から入力される流量測定値に基づいて流体制御弁のバルブ開度を制御し、流量を設定流量に制御する流量制御装置が使用されている(例えば特許文献2参照)。
(1)流量計の流量測定値に基づいて流体制御弁のバルブ開度を制御して流量制御を行う流量制御装置において、前記流量計は、流量を計測するための抵抗体が架設されたセンサ流路の他に、前記センサ流路に対するバイパス流路を備え、前記抵抗体からの出力信号に基づき流体の流量を算出する流量算出手段を有する熱式流量計であり、前記熱式流量計は、流入ポートと前記バイパス流路とを連通させる流入流路と、流出ポートと前記バイパス流路とを連通させる流出流路と、前記センサ流路と前記バイパス流路を介することなく前記流入流路と前記流出流路とを連通する連通流路とが形成されたセンサボディを有し、
前記流体制御弁は、前記流出ポートに接続される入力ポートと、弁部を内蔵する弁室と、前記入力ポートと前記弁室とを連通されるバルブ流路とを有するバルブボディと、前記バルブボディに連結されて前記弁部に駆動力を与える駆動部と、を有し、前記流出ポートと前記入力ポートとを接続するように前記センサボディと前記バルブボディとを面接触させて、前記熱式流量計と前記流体制御弁とを一体化しており、流量を絞るオリフィス流路が設けられたオリフィス部材を前記流出ポートに着脱可能に装着しており、流量に応じて前記オリフィス部材を交換し、前記オリフィス流路のオリフィス径を変更する。
<流量制御装置の全体構成>
図1は、第1実施形態に係る流量制御装置1の断面図である。
流量制御装置1は、熱式流量計2と流体制御弁3とを一体化したものである。流量制御装置1は、熱式流量計2と流体制御弁3が制御手段4に接続され、熱式流量計2が検出した流量検出値に基づいて流体制御弁3のバルブ開度を調整し、流体の流量を設定流量に制御する。流量制御装置1は、熱式流量計2の流出ポート23にオリフィス部材31を装着し、流体制御弁3の弁開閉動作に伴って発生する流路内の圧力変動が熱式流量計2に流れる流体の流れに影響することを防いでいる点に特徴を有する。このような流量制御装置1は、例えば半導体製造装置に組み付けられ、ガスの流量制御を行う。
熱式流量計2は、センサボディ11とセンサ基板12と流路ブロック13と電装部(流量算出手段の一例)14とを有し、センサ基板12からの出力信号を電装部14にて演算処理して、流体の流量を検出するものである。電装部14は、制御手段4に接続され、流量検出値が制御手段4に入力されるようになっている。熱式流量計2には、センサ流路15、センサ流路15に対するバイパス流路16、及びバイパス流路16(及びセンサ流路15)に対する連通流路20とが形成されている。
図2に示すように、流路ブロック13は、3種類の薄板を合計24枚積層した積層体である。すなわち、流路ブロック13は、下から順に、メッシュ板37、スペーサ38、メッシュ板37、スペーサ38、……、メッシュ板37、両端開口板39が積層されて接着されたものである。これらのメッシュ板37及びスペーサ38は、ともに厚さが0.5mm以下のものであり、エッチングにより各形状の加工がなされたものである。そして、その投影形状は流路空間24の横断面形状と同じになっている。これにより、流路ブロック13が流路空間24に隙間無く装着されるようになっている。
センサ基板12には、ベースとなるプリント基板81の表面側(センサボディ11への装着面側)において、その中央部に溝88が加工されている。そして、この溝88の両側に、電気回路用電極82,83,84,85,86,87が設けられている。そして、プリント基板81の表面側には、測定チップ71が実装されている。尚、プリント基板81の裏面側には、電装部14に接続される図示しない接続端子が装着されている。
測定チップ71は、シリコンチップ79に対して、半導体マイクロマシニングの加工技術を実施したものであり、このとき、チップ中央に溝78が加工されると共に、抵抗体(熱線)用電極72,73,74,75,76,77がチップ両端に設けられる。
手段4へ出力する。
制御手段4は、周知のマイクロコンピュータである。流量制御装置1は、一次圧力をある圧力に制御した状態で流体制御弁3が出力する流量と流体制御弁3のバルブ開度との関係を予め学習して、制御手段4に記憶している。制御手段4は、流量制御指令を入力すると、設定流量に応じたバルブ開度を決定して、流体制御弁3に起動指令を出力する。そして、制御手段4は、流量制御中には、熱式流量計2が測定した流量が入力されると、その流量を設定流量にするようにバルブ開度を決定して流体制御弁3に制御指令を出力する。
流体制御弁3は、バルブボディ41に駆動部52を取り付けたものである。バルブボディ41は、図中左右端面に入力ポート42と出力ポート47が左右対称に形成されている。バルブボディ41は、入力ポート42と出力ポート47の開口面積は、オリフィス部材31の流出口34の流路断面積より小さく設定され、流体がオリフィス部材31から流体制御弁3へ流れるのをスムーズにして、流体の圧力低下が抑えられるようにしている。バルブボディ41には、弁部を内蔵する弁室45が設けられている。バルブボディ41は、弁室45と同軸上に弁孔44が形成されている。また、バルブボディ41は、入力ポート42から弁孔44へ向かって斜め下向きに入力流路43が形成され、入力ポート42が入力流路43と弁孔44を介して弁室45に連通している。また、バルブボディ41は、弁室45から出力ポート47へ向かって斜め下向きに出力流路46が形成され、弁室45と出力ポート47が連通している。
また、センサボディ11の流入ポート17とバルブボディ41の出力ポート47には、継手5がそれぞれねじ止めされている。
次に、上記流量制御装置1の動作について説明する。
流量制御装置1は、上位装置から流量制御指令が入力されると、制御手段4が、設定流量に応じたバルブ開度を決定し、流体制御弁3を開く。そして、制御手段4は、熱式流量計2が測定した流量を入力し、入力した流量を設定流量にするようにバルブ開度を調整することにより、流量をフィードバック制御する。
そこで、発明者は、図5に示す評価装置61を用いて、オリフィス部材31の効果を調べる実験を行った。評価装置61は、パージガス供給源62に調圧器63、フィルタ64、圧力計65、評価対象物となる流量制御装置1(101)、流量計66を接続して構成した。流量制御装置1はオリフィス部材31を備えるのに対して、流量制御装置101は、オリフィス部材31を備えない。流量制御装置1,101は、何れも、一次圧力を0.5MPaに設定された状態で流量調整されている。コントローラ67は、周知のマイクロコンピュータであって、調圧器63、圧力計65、流量制御装置1(101)の
制御手段4、流量計66に電気通信可能に接続されている。コントローラ67には、流体制御弁3に出力するコマンド指令毎に、調整時圧力(0.5MPa)の下で流量制御装置1(101)が制御する流量を基準値としてそれぞれ記憶している。
流量制御装置1B,101Bは、0L/minから600L/minの範囲で流量制御可能な流体制御弁3を搭載し、オリフィス部材31Bの有無を除き構成が共通する。流量制御装置1B,101Bは、連通流路20の流路内径寸法を直径10.0mm、弁孔44の流路内径寸法を直径6.0mmに設定されている。
流量制御装置1C,101Cは、0L/minから1000L/minの範囲で流量制御可能な流体制御弁3を搭載し、オリフィス部材31Cの有無を除き構成が共通する。流量制御装置1C,101Cは、連通流路20の流路内径寸法を直径12.0mm、弁孔44の流路内径寸法を直径8.5mmに設定されている。
コントローラ67は、パージガス供給源62から流量制御装置1A(1B,1C,101A,101B,101C)に供給されるパージガスの圧力(一次圧力)が圧力計65から入力され、入力される圧力測定値に基づいて調圧器63により一次圧力を所定圧に一定制御する。その状態で、流量制御装置1A(1B,1C,101A,101B,101C)は、コントローラ67から制御手段4に入力される命令に従って流体制御弁3にコマンド指令を供給して弁を開き、流量制御を行う。コントローラ67は、流量制御装置1A(1B,1C,101A,101B,101C)から出力されるパージガスの流量が流量計66から入力される。コントローラ67は、実験中の一次圧力とコマンド指令に対応する基準値を内蔵するメモリから探索し、探索した基準値と流量計66から入力される流量測定値との流量誤差(%F.S./0.1Mpa)を算出して評価する。
また、実験では、流量制御装置1Aの一次圧力を調整時圧力(0.5MPa)より高圧な0.6MPaに制御した状態で、0%F.S.から100%F.S.までのコマンド指令を流体制御弁3に出力して流量制御装置1Aに0L/minから400L/minまでの流量制御を行わせ、各コマンド指令毎に流量誤差を測定した。
上記と同様の実験を流量制御装置101Aにも行った。
また、流量制御装置1Aと同様の手順で、流量制御装置1B,101Bに一次圧力0.4MPaと0.6MPaの下で0L/minから600L/minまで制御させて流量誤差を測定する実験と、流量制御装置1C,101Cに一次圧力0.4MPaと0.6MPaの下で0L/minから1000L/minまで制御させて流量誤差を測定する実験を行った。
これらの実験結果を図6〜図11に示す。図6〜図8は、オリフィス部材31を備えない流量制御装置101A,101B,101Cの実験結果であり、図9〜図11は、オリフィス部材31を備える流量制御装置1A,1B,1Cの実験結果である。
図9の太線に示すように、流量制御装置1Aは、一次圧力が0.4MPaの場合、0〜100%F.S.コマンド指令の流量誤差が−0.3%F.S/0.1MPa以上0.5%F.S/0.1MPa以下の範囲に抑えられる。
また、図9の点線に示すように、流量制御装置1Aは、一次圧力が0.6MPaの場合、0〜100%F.S.コマンド指令の流量誤差が−0.3%F.S/0.1MPa以上0.3%F.S/0.1MPa以下の範囲に抑えられる。
また、図6の点線に示すように、流量制御装置101Aは、一次圧力が0.6MPaの場合、10〜50%F.S.コマンド指令が入力されてパージガスを40〜200L/minに流量制御するまでは、流量制御装置1Aと同様、流量誤差を−0.3%F.S/0.1MPa以上0.3%F.S/0.1MPa以下の範囲にできる。しかし、50%F.S.を超えるコマンド指令が入力されると、流量制御装置1Aで実現された流量誤差範囲を超えて流量誤差がマイナス方向に比例的に大きくなっていく。そして、100%F.S.コマンド指令が入力された場合に至っては、流量誤差が−3.5%F.S/0.1MPaで最大になる。
図10の太線に示すように、流量制御装置1Bは、一次圧力が0.4MPaの場合、0〜100%F.S.コマンド指令の流量誤差が−0.2%F.S/0.1MPa以上1.6%F.S/0.1MPa以下の範囲に抑えられる。
また、図10の点線に示すように、流量制御装置1Bは、一次圧力が0.6MPaの場合、0〜100%F.S.コマンド指令の流量誤差が−0.5%F.S/0.1MPa以上0.1%F.S/0.1MPa以下の範囲に抑えられる。
また、図7の点線に示すように、流量制御装置101Bは、一次圧力が0.6MPaの場合、10〜75%F.S.コマンド指令が入力されてパージガスを60〜450L/minに流量制御するまでは、流量制御装置1Bと同様、流量誤差を−0.5%F.S/0.1MPa以上0.1%F.S/0.1MPa以下の範囲にできる。しかし、75%F.S.を超えるコマンド指令が入力されると、流量制御装置1Bで実現された誤差範囲を越えて流量誤差がマイナス方向に比例的に大きくなっていく。そして、100%F.S.コマンド指令が入力された場合に至っては、流量誤差が−1.1%F.S/0.1MPaで最大になる。
図11の太線に示すように、流量制御装置1Cは、一次圧力が0.4MPaの場合、0〜100%F.S.コマンド指令の流量誤差が−0.1%F.S/0.1MPa以上0.1%F.S/0.1MPa以下の範囲に抑えられる。
また、図11の点線に示すように、流量制御装置1Cは、一次圧力が0.6MPaの場合、0〜100%F.S.コマンド指令の流量誤差が−0.1%F.S/0.1MPa以上0.1%F.S/0.1MPa以下の範囲に抑えられる。
また、図8の点線に示すように、流量制御装置101Cは、一次圧力が0.6MPaの場合、10〜15%F.S.コマンド指令が入力されてパージガスを100〜150L/minに流量制御する場合、又は、95〜100%F.S.コマンド指令が入力されてパージガスを950〜1000L/minに流量制御する場合には、流量制御装置1Cと同様、流量誤差を−0.1%F.S/0.1MPa以上0.1%F.S/0.1MPa以下の範囲にできる。しかし、15%F.S.より大きく95%F.S.未満のコマンド指令が入力されると、流量誤差が流量制御装置1Cで実現された誤差範囲を超える。そして、50%F.S.コマンド指令が入力された場合(パージガスを500L/minに流量制御する場合)に至っては、流量誤差が0.3%F.S/0.1MPaで最大になる。
以上の実験結果より、流量制御装置1は、オリフィス部材31を流出ポート23に装着することにより、一次圧力が調整時圧力と異なる条件で使用されても、調整時圧力で流量保証された場合とほぼ同様に流量制御を行えることが分かった。これは、オリフィス部材31の流出口34がオリフィス流路33より流路断面積が小さく、流体制御弁3の動作により発生した圧力変動がオリフィス流路33から上流側に伝播しにくいためと考えられる。
発明者は、オリフィス部材31が流量制御に与える影響を考察するため、上記実験で使用した流量制御装置1C,101Cの流体の流れをシミュレーションした。試験では、上述の実験で使用した流量制御装置1C,101Cのそれぞれについて、一次圧力を調整時圧力(0.5MPa)に一定制御した状態で流体を1000L/minに流量制御する場合の流体の流れと、一次圧力を調整時圧力(0.5MPa)より低圧に一定制御した状態で流体を1000L/minに流量制御する場合の流体の流れをシミュレーションした。シミュレーション結果を図12〜図15に示す。尚、図12〜図15には、シュミレーション部位と流量制御装置1C,101Cの対応関係が分かるように、図1に記載する流路の符号を便宜的に付している。
流量制御装置101C,1Cは共に、制御手段4がセンサ基板12で測定される流量測定値に基づいて流体制御弁3のバルブ開度を制御し、流量制御を行う。従って、熱式流量計2の流量測定値が流量制御装置101C,1Cの信頼性に影響する。熱式流量計2は、上述したように、流体がセンサ流路15を流れる際に上流温度検出抵抗体R1と下流温度検出抵抗体R2との温度差により流量を測定する。そのため、センサ流路15及びバイパス流路16から流路空間24を介して流出流路21へ流れる流体の流れが変わると、流体制御弁3が同じ流量を制御する場合でも、センサ基板12が検出する温度差が変わってしまい、流量測定誤差が生じる。この観点では、流量制御装置101Cは、保証条件と異なる条件で使用される場合と保証条件で使用される場合とで流体の流れが異なるので、一次圧力が調整時圧力からずれると熱式流量計2が精度良く流量を測定できなくなる。その結果、流量制御装置101Cは、流量を精度良く制御できなくなる。これに対して、流量制御装置1Cは、保証条件と異なる条件で使用される場合でも保証条件で使用される場合でも流体の流れが同じなので、一次圧力が調整時圧力であるか否かに関係なく、熱式流量計2が精度良く流量を測定する。その結果、流量制御装置1Cは、精度良く流量を制御できる。
以上説明したように、本実施形態の流量制御装置1は、流出ポート23と入力ポート42とが連通するようにセンサボディ11とバルブボディ41とを面接触させて熱式流量計2と流体制御弁3とを一体化し、装置のフットスペースを小さくしている。オリフィス部材31は、流出ポート23に装着され、センサボディ11に内蔵されている。流体は、熱式流量計2の流入ポート17から流入流路19、連通流路20、流出流路21、オリフィス部材31のオリフィス流路33、流体制御弁3の入力ポート42、入力流路43、弁孔44へと流れ、流体制御弁3のバルブ開度に応じて出力される。このとき、流体の一部は、連通流路20を通らずに、流入流路19からバイパス流路16とセンサ流路15を介して流出流路21へ流れ込む。流体は、センサ基板12がセンサ流路15を流れる流体の流量を計測して出力する出力信号に基づいて、全体流量が算出される。このようにして算出された全体流量に基づいて流体制御弁3のバルブ開度が制御される。流体は、連通流路20により流量を絞られてセンサ流路15とバイパス流路16に流体が確実に流れるようにしている他、オリフィス流路33により流量を絞られて流出流路21の圧力を一定に維持するようにしている。そのため、流体制御弁3の動作により流路に生じた圧力変動が、オリフィス流路33に塞き止められて流出流路21に伝播しにくく、センサ流路15及びバイパス流路16から流出流路21へ流れる流体の流れに影響しない。その結果、流量制御装置1に供給される流体の圧力が調整時圧力と異なる場合でも、制御される流量と保証流量との間の流量誤差が小さくなる。よって、上記流量制御装置1によれば、流量精度を向上させつつ、装置をコンパクトにできる。
続いて、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態の流体制御装置1は、バイパス流路16と流出流路21とを連通させる第2流路24bの内径寸法を、流入流路19とバイパス流路16とを連通させる第1流路24aの内径寸法より細くしてオリフィスを設けている点が第1実施形態と相違し、その他の点は第1実施形態と共通している。尚、第2流路24bのオリフィス径は、例えば、バイパス流路16と流出流路21との間とを接続する流路にオリフィス部材を配置したり、凸部25の形状を変えることにより、第1流路24aより細く設定されている。
て、流量制御装置1Eは、第2流路24bの流路径を第1流路24aの流路径より小さく
したことにより、一次圧力を調整時圧力より低圧にした状態で流体制御弁3に100%F.S.コマンド指令を入力されて流量を600L/minに制御させた場合の流量誤差が、流量制御装置1Dより小さくなる。これは、流体が第1流路24aからセンサ流路15、バイパス流路16へ流れた流体が第2流路24bで流量を絞られることにより整流され、流体制御弁3からオリフィス部材31を介して流出流路21に伝播した流体の圧力変動が第2流路24bを介してセンサ流路15へ伝播して熱式流量計2の流量測定に影響しにくくなるためと考えられる。
例えば、上記実施形態では、制御手段4をカバー7内に内蔵したが、熱式流量計2と流体制御弁3を上位装置のコントローラに接続し、そのコントローラを制御手段の一例としても良い。
例えば、上記実施形態では、流入ポート17と流入流路19との間、及び、流出流路21と流出ポート23との間にポートフィルタ29を配置するためのポートフィルタ配置部18,22を設けたが、ポートフィルタ配置部18,22を省略して流入ポート17と流入流路19及び流出流路21と流出ポート23をそれぞれ直接連通させても良い。
例えば、上記第2実施形態では、第2流路24bの流路断面積を第1流路24aの流路断面積より小さくしてオリフィスを設けたが、第1流路24aを第2流路24bと同様に流路断面積を小さくしてオリフィスを設けても良い。この場合も、オリフィスは、オリフィス部材を第1及び第2流路24a,24bにそれぞれ配置して設けてもよいし、凸部25の形状により第1及び第2流路24a,24bの流路径を絞ることにより設けてもよい。この場合、第2実施形態のものと比べ、流体が第1及び第2流路で絞られ、第2流路24bから第1流路24aへ伝播しにくくなり、より一層流量制御精度を向上させることができる。
2 熱式流量計
3 流体制御弁
11 センサボディ
13 流路ブロック
14 電装部(流量算出手段の一例)
15 センサ流路
16 バイパス流路
17 流入ポート
19 流入流路
21 流出流路
23 流出ポート
24 流路空間
24a 第1流路
24b 第2流路
31 オリフィス部材
33 オリフィス流路
41 バルブボディ
43 入力流路(バルブ流路の一例)
44 弁孔(バルブ流路の一例)
45 弁室
Rh 発熱抵抗体(抵抗体の一例)
Rt 流体温度検出抵抗体(抵抗体の一例)
R1 上流温度検出抵抗体(抵抗体の一例)
R2 下流温度検出抵抗体(抵抗体の一例)
Claims (5)
- 流量計の流量測定値に基づいて流体制御弁のバルブ開度を制御して流量制御を行う流量制御装置において、
前記流量計は、流量を計測するための抵抗体が架設されたセンサ流路の他に、前記センサ流路に対するバイパス流路を備え、前記抵抗体からの出力信号に基づき流体の流量を算出する流量算出手段を有する熱式流量計であり、
前記熱式流量計は、流入ポートと前記バイパス流路とを連通させる流入流路と、流出ポートと前記バイパス流路とを連通させる流出流路と、前記センサ流路と前記バイパス流路を介することなく前記流入流路と前記流出流路とを連通する連通流路とが形成されたセンサボディを有し、
前記流体制御弁は、前記流出ポートに接続される入力ポートと、弁部を内蔵する弁室と、前記入力ポートと前記弁室とを連通されるバルブ流路とを有するバルブボディと、前記バルブボディに連結されて前記弁部に駆動力を与える駆動部と、を有し、
前記流出ポートと前記入力ポートとを接続するように前記センサボディと前記バルブボディとを面接触させて、前記熱式流量計と前記流体制御弁とを一体化しており、
流量を絞るオリフィス流路が設けられたオリフィス部材を前記流出ポートに着脱可能に装着しており、
流量に応じて前記オリフィス部材を交換し、前記オリフィス流路のオリフィス径を変更する
ことを特徴とする流量制御装置。 - 請求項1に記載する流量制御装置において、
前記オリフィス流路の流路断面積が、前記連通流路の流路断面積より小さく、且つ、前記バルブ流路の流路断面積より大きい
ことを特徴とする流量制御装置。 - 請求項1又は請求項2に記載する流量制御装置において、
前記流入流路と前記連通流路と前記流出流路と前記オリフィス流路とを同軸上に設けている
ことを特徴とする流量制御装置。 - 請求項1乃至請求項3の何れか1つに記載する流量制御装置において、
前記センサ流路と前記バイパス流路に前記流体を分流させると共に整流する流路ブロックを有し、
前記センサボディは、前記流路ブロックが配置される流路空間が、前記流入流路と前記流出流路とに連通するように設けられ、
前記抵抗体には、
前記センサ流路の流れ方向上流側に設けられた上流温度検出抵抗体と、
前記センサ流路の流れ方向下流側に設けられた下流温度検出抵抗体と、
前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との間に設けられ、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体とを加熱する発熱抵抗体と、
前記センサ流路を流れる流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体とが含まれ、
前記流量算出手段は、前記発熱抵抗体と前記流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御し、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との温度差に基づき流体の流量を算出する
ことを特徴とする流量制御装置。 - 請求項1乃至請求項4の何れか1つに記載する流量制御装置において、
前記バイパス流路を前記流入流路に連通させる第1流路と、前記バイパス流路を前記流出流路に連通させる第2流路とを有し、
前記第2流路、又は、前記第1流路と前記第2流路の両方に、オリフィスを設けた
ことを特徴とする流量制御装置。
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