JP5968836B2 - ガス供給システム及びガス供給システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス供給システム及びガス供給システムの制御方法に関するものである。

従来から、ガス供給源から消費先へガスを供給する際には、コントロール弁を用いて、消費先に供給するガスの圧力を制御している。具体的には、コントロール弁の二次側のガスの圧力に基づいてコントロール弁の開度を自動的に調整し、二次側のガスの圧力を所望の圧力値にコントロールしている。

ここで、コントロール弁は、弁体内のガスが流れる流路面積を弁の開度で調節し、二次側に流れるガス流量を制御して、二次側のガスの圧力をコントロールする仕組みとなっている。また、コントロール弁には精密さが要求されており、弁体シール部が円錐（ニードル）状となっている。このため、コントロール弁が最も閉じた状態である「開度０％」でもガスの流れを完全に止めることは困難であり、内部スローリーク（以下、「出流れ」という）が生じてしまうという問題があった。そして、この出流れが生じると、コントロール弁の二次側の消費先において、ガスが消費されていないにもかかわらず、コントロール弁の二次側にガスが流れてしまうため、ガスの圧力上昇を招いてしまうという問題があった。このため、コントロール弁の二次側のガスの圧力上昇を防ぐため、コントロール弁と併せて、ガスを遮断するための遮断弁が設けられることが一般的であった。

ところで、コントロール弁と遮断弁とを備えたガス供給システムとしては、特許文献１が知られている。ここで、図３は、コントロール弁と遮断弁とを備えた従来のガス供給システムの構成を示す系統図である。

図３に示すように、従来のガス供給システム１１０は、高圧ガス容器１０１から消費先までガスを供給するためのガス供給経路Ｌ１０１と、ガス供給経路Ｌ１０１に設けられたコントロール弁１０２、遮断弁１０３および圧力指示調節計１０４と、遮断弁１０３の開閉を制御する制御装置１０５と、を備えて概略構成されている。また、ガス供給経路Ｌ１０１の一次側から、遮断弁１０３、コントロール弁１０２、圧力指示調節計１０４の順で設けられている。

ここで、コントロール弁１０２は、消費先へのガスの供給圧力を制御する弁であり、コントロール弁の開度を制御する制御部がアクチュエーターと一体となった構造となっている。このコントロール弁１０２は、圧力指示調節計１０４からの信号に基づいて、自動的に弁の開度を調節する。具体的には、圧力指示調節計１０４の値が所望の圧力よりも高い場合は、コントロール弁１０２を閉じる方向に、逆に圧力指示調節計１０４の値が所望の圧力よりも低い場合は、コントロール弁１０２を開ける方向に自動的に弁の開度を調整する。これにより、圧力指示調節計１０４の圧力が所望の圧力で安定するようにコントロールする。

また、遮断弁１０３は、消費先へのガスの供給を遮断するための弁であり、コントロール弁１０２の開度に基づいて、その開閉が制御される。具体的には、コントロール弁１０２の開度が規定の開度まで閉じた際に遮断弁１０３は閉じられる。一方、コントロール弁１０２の開度が規定の開度まで開いた際に遮断弁１０３は開けられて、ガスが供給される。これにより、コントロール弁１０２の「出流れ」による消費先へのガスの供給圧力の過剰な上昇を防止する。

さらに、圧力指示調節計１０４は、消費先へのガスの供給圧力を測定するとともに、測定した圧力値と設定された圧力値との差を求め、コントロール弁１０２に開度制御の信号を発信する。更にまた、制御装置１０５は、コントロール弁１０２の開度が規定の値となったときに外部から信号を受信して、遮断弁１０３に開閉の命令を送信（発信）する。

次に、従来のガス供給システム１１０の制御方法を、図４を参照して説明する。ここで、図４の横軸は、時間（工程）の流れを示しており、縦軸は、上から遮断弁１０３の開閉状態、コントロール弁１０２開度、消費先へのガスの供給圧力、消費先のガス消費量、を示している。なお、消費先のガスの消費量について、ガスが消費されている工程を「消費工程」、ガスの消費がゼロの工程を「ゼロ工程」と定義する。

図４に示すように、先ず、時刻ｔ’１までの消費工程では、遮断弁１０３が「開」状態、コントロール弁１０２が「調整開」状態であり、消費先へのガスの供給圧力は所望の圧力値である規定調整圧力値Ｐｃにコントロールされている。

次に、時刻ｔ’１において、消費工程からゼロ工程になると、高圧ガス容器１０１からのガスの供給は止まらずに、消費先へのガスの供給圧力は徐々に上昇し始める。それに伴い、圧力指示調節計１０４から信号が送られて、コントロール弁１０２は徐々に閉じられる。そして、時刻ｔ’２において、コントロール弁１０２の開度が規定開度まで閉じられたときに、遮断弁１０３が「閉」じられ、それまで上昇を続けていた消費先へのガスの供給圧力の上昇が止まり、その時の圧力値に維持される。その後も引き続き、コントロール弁１０２の開度は、「全閉」である０％まで閉じ続け、消費工程が始まるまで「全閉」状態を維持する。

次に、時刻ｔ’４において、再びゼロ工程から消費工程になると、消費先へのガスの供給が始まるが、遮断弁１０３が引き続き「閉」状態であり、高圧ガス容器１０１からのガスの供給が遮断されたままとなる。このため、消費先へのガスの供給圧力は下がり始め、それに伴い、圧力指示調節計１０４から信号が送られて、コントロール弁１０２は徐々に開けられる。そして、時刻ｔ’５において、コントロール弁１０２の開度が規定開度まで開けられたときに、遮断弁１０３が「開」けられて、ガス供給経路Ｌ１０１にガスが供給される。

その後、一時的に消費先へのガスの供給圧力は所望の圧力である規定調整圧力値Ｐｃよりも低くなるものの、コントロール弁１０２が「調整開」状態となり、消費先へのガスの供給圧力は所望の圧力値である規定調整圧力値Ｐｃにコントロールされる。

特開２０１２−１１２５２１号公報

このように、従来のガス供給システムの制御方法では、消費工程からゼロ工程に移行するたびに、遮断弁１０３が必ず開閉動作を行っていた。また、コントロール弁１０２の「調整開」状態において、遮断弁１０３を開閉する開度まで閉じてしまうことも多々生じていた。

さらに、最近の半導体などの生産工程では、消費工程とゼロ工程とが非常に頻繁に繰り返されるようになっているため、遮断弁の開閉頻度も高くなり、遮断弁への負荷が増大するという問題があった。これにより、遮断弁の寿命の早期化が懸念されていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、遮断弁の開閉頻度の低減が可能なガス供給システムおよびガス供給システムの制御方法を提供することを課題とする。

本発明は以下の構成を備える。
請求項１に係る発明は、ガス供給源から消費先までガスを供給するためのガス供給経路に、消費先へのガスの供給圧力を制御するコントロール弁からなる第一の弁と、前記第一の弁の一次側に設けられ消費先への前記第一の弁によるガスの出流れを遮断する第二の弁とを有するガス供給システムの制御方法であって、
前記消費先において、ガスが消費されている状態からガスの消費が停止した際に、前記供給圧力が上昇して、第一の閾値に到達した際に、前記第二の弁を閉止するとともに、
前記消費先において、ガスの消費が停止した状態からガスの消費が開始された際に、前記供給圧力が低下して、第二の閾値に到達した際に、前記第二の弁を開放することを特徴とするガス供給システムの制御方法である。

本発明のガス供給システム及びガス供給システムの制御方法によれば、消費先へのガスの供給圧力に基づいて第二の弁の開閉制御を行うとともに、第二の弁を閉じる圧力を適切な値に設定することができるため、消費先へのガスの供給を遮断する第二の弁（すなわち、遮断弁）の開閉頻度を低減することが可能となる。

本発明を適用した一実施形態であるガス供給システムの構成を示す系統図である。 本発明を適用した一実施形態であるガス供給システムの制御方法を説明するための図である。 従来のガス供給システムの構成を示す系統図である。 従来のガス供給システムの制御方法を説明するための図である。

以下、本発明を適用した一実施形態であるガス供給システムについて、これを用いるガス供給システムの制御方法とあわせて、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

先ず、本実施形態の一実施形態であるガス供給システム１０の構成について説明する。
図１は、本発明を適用した一実施形態であるガス供給システム１０の一例を示す系統図である。図１に示すように、ガス供給システム１０は、高圧ガス容器（ガス供給源）１から消費先までガスを供給するためのガス供給経路Ｌ１と、ガス供給経路Ｌ１に設けられたコントロール弁（第一の弁）２、遮断弁３（第二の弁）及び圧力指示調節計（圧力測定手段および判定部）４と、遮断弁３の開閉を制御する制御装置（制御部）５と、を備えて概略構成されている。このガス供給システム１０は、高圧ガス容器１から供給されたガスをコントロール弁２によってガスの供給圧力をコントロールして消費先に供給するシステムである。

高圧ガス容器１は、消費先に供給するガスを、消費先への供給圧力よりも高い状態で準備できるガス供給源であればよい。このようなガス供給源としては、特に高圧ガス容器１に限定されるものではなく、例えばガス製造装置なども用いることができる。また、消費先でのガスの消費量が多い場合には、複数の高圧ガス容器や複数のガス製造装置をガス供給源として用いてもよい。

ガスの供給先となる消費先としては、例えば、半導体製造装置等が挙げられるが、特に限定されるものではない。また、高圧ガス容器１から供給するガスとしては、例えば、半導体の原料ガス（アンモニアガス等）、クリーニングガス（塩素ガス等）及びキャリアガス（窒素ガス等）が挙げられる。

ガス供給経路Ｌ１は、高圧ガス容器１と消費先との間に設けられており、高圧ガス容器１内のガスを消費先に送る供給路である。ガス供給経路Ｌ１の材質としては、特に限定されるものではないが、高圧ガス容器１から供給するガスの性質にあわせて選定することが望ましい。一般的には、金属製の配管や樹脂製のチューブなどが用いられる。また、供給先へのガスの供給圧力が高い場合や、高圧ガス容器１内のガスが腐食性を有する場合には、金属製（例えばＳＵＳ等）の配管を用いることが好ましい。

コントロール弁２は、消費先へのガスの供給圧力を制御するために、ガス供給経路Ｌ１に設けられている。このコントロール弁２は、消費先へのガスの供給圧力を精度良くコントロールできるものであれば特に限定されるものではない。この消費先へのガスの供給圧力を精度良くコントロールできる弁としては、例えばニードル弁が挙げられる。

また、コントロール弁２は、信号線Ｃ１によって圧力指示調節計４と接続されている。これにより、コントロール弁２は、圧力指示調節計４からの信号に基づいて、自動的に弁の開度が調節される。具体的には、圧力指示調節計４の測定値が所望の圧力よりも高い場合は、コントロール弁２を閉じる方向に、逆に圧力指示調節計４の測定値が所望の圧力よりも低い場合は、コントロール弁２を開く方向に調節する。これにより、圧力指示調節計４の圧力が所望の圧力で安定するようにコントロールすることができる。

遮断弁３は、消費先へのガスの供給を遮断するために、ガス供給経路Ｌ１に設けられている。この遮断弁３は、消費先へのガスの供給を遮断できるものであれば特に限定されるものではないが、ガス供給の開始および停止を短時間で行えるように、開閉時間が短いほうが望ましい。このような遮断弁３としては、例えば、電磁弁などが挙げられる。

また、遮断弁３は、信号線Ｃ３によって制御装置５と接続されている。これにより、遮断弁３は、制御装置５から信号を受信して、自動的に開閉される。

なお、本実施形態では、遮断弁３をコントロール弁２の上流側（一次側）に設けた例を説明しているが、これに限定されるものではなく、遮断弁３をコントロール弁２の下流側（二次側）に設けてもよい。また、本実施形態では、遮断弁３をガス供給経路Ｌ１に１個設けた例を説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、遮断弁３を供給経路Ｌ１に２個以上設けてもよい。

圧力指示調節計４は、消費先へのガスの供給圧力を測定するための圧力測定手段であり、ガス供給経路Ｌ１においてコントロール弁２及び遮断弁３の二次側（下流側）に設けられている。また、圧力指示調節計４は、信号線Ｃ１によってコントロール弁２と、信号線Ｃ２によって制御装置５と、それぞれ接続されている。

圧力指示調節計４には、消費先への供給圧力となる規定調整圧力値Ｐｃを入力することができる。そして、圧力指示調節計４は、この圧力指示調節計４によって測定した圧力値（すなわち、実測値）と規定調整圧力値Ｐｃ（すなわち、設定値）とを基にしてコントロール弁２の開度を算出するとともに、外部信号（制御信号）としてコントロール弁２へ出力することができる。

また、圧力指示調節計４は、判定部を有しており、圧力値について二個の閾値（第一の閾値及び第二の閾値）を設定することができる。そして、圧力指示調節計４は、測定した圧力値（実測値）と設定した二個の閾値とを比較判定し、測定した圧力値が第一の閾値又は第二の閾値に達したとき、その閾値に対応した外部信号を制御装置５に出力することができる。なお、圧力指示調節計４は、圧力値の表示部を有することが好ましいが、表示部を有していなくてもよい。

制御装置５は、圧力指示調節計４から外部信号を受信して、遮断弁３に開閉命令を外部信号として出力する制御手段（の一部）である。この制御装置５は、信号線Ｃ２によって圧力指示調節計４と、信号線Ｃ３によって遮断弁３とそれぞれ接続されている。また、制御装置５は、制御部を有しており、圧力指示調節計４からの外部信号に基づいて、自動的に遮断弁３を開閉させることができる。

なお、本実施形態のガス供給システム１０では、圧力指示調節計４が判定部を、制御装置５が制御部をそれぞれ有した構成例を説明している。しかしながら、構成はこれに限定されるものではなく、例えば、圧力指示調節計４に判定部と制御部とを有する構成であってもよく、また、制御装置５に判定部と制御部とを有する構成であってもよい。

次に、上述したガス供給システム１０を用いた、本実施形態のガス供給システムの制御方法（以下、単に「制御方法」とする）を説明する。
本実施形態の制御方法は、高圧ガス容器１から消費先までガスを供給するためのガス供給経路Ｌ１に、消費先へのガスの供給圧力を制御するコントロール弁２と消費先へのガスの供給を遮断する遮断弁３とを有する制御方法であって、供給圧力が第一の閾値に到達した際に遮断弁３を閉止するとともに、供給圧力が第二の閾値に到達した際に遮断弁３を開放することを特徴とする。

より具体的には、消費先において、ガスが消費されている状態からガスの消費が停止した際に、供給圧力が上昇して第一の閾値に到達するとともに、消費先において、ガスの消費が停止した状態からガスの消費が開始された際に、供給圧力が低下して第二の閾値に到達することを特徴とする制御方法である。

本実施形態の制御方法を、図２を参照して説明する。ここで、図２の横軸は、時間（工程）の流れを示しており、縦軸は、上から遮断弁３の開閉状態、コントロール弁２開度、消費先へのガスの供給圧力、消費先のガス消費量を示している。なお、消費先のガスの消費量について、ガスが消費されている工程を「消費工程」、ガスの消費がゼロの工程を「ゼロ工程」と定義する。

図２に示すように、先ず、時刻ｔ１までの消費工程では、遮断弁３が「開」状態、コントロール弁２が「調整開」状態であり、消費先へのガスの供給圧力は圧力指示調節計４に設定された規定調整圧力値Ｐｃにコントロールされている。

次に、時刻ｔ１において、消費先が消費工程からゼロ工程になると、高圧ガス容器１からのガスの供給は止まらないため、消費先へのガスの供給圧力は徐々に上昇し始める。それに伴い、圧力指示調節計４からコントロール弁２に信号が送られて、コントロール弁２は徐々に閉じられる。そして、コントロール弁２の開度が０％になるまで、消費先へのガスの供給圧力は上昇し続ける。

しかしながら、時刻ｔ２において、コントロール弁２の開度が０％になっても、構造的理由からコントロール弁（ニードル弁等）２は完全には閉止が難しいため、その後も消費先へのガスの供給圧力は緩やかに上昇し続けることとなる。

次に、時刻ｔ３において、消費先へのガスの供給圧力が第一の閾値Ｐ１に到達したとき、遮断弁３が閉じられる。そして、消費先へのガスの供給圧力が第一の閾値Ｐ１を越えている間は、遮断弁３は引き続き「閉」状態を維持する。

次に、時刻ｔ４において、ゼロ工程から再び消費工程になると、消費先へのガスの供給が始まるが、遮断弁３は引き続き「閉」状態であり、高圧ガス容器１からのガスの供給が遮断されたままとなる。このため、消費先へのガスの供給圧力が下がり始める。

しかしながら、時刻ｔ５において、消費先へのガスの供給圧力が第二の閾値Ｐ２に到達すると、圧力指示調整計４から制御装置５へ、さらに制御装置５から遮断弁３へと信号が送られることにより、遮断弁３が開放されて、この遮断弁３の二次側にガスが供給される。その後、消費先へのガスの供給圧力は、圧力指示調節計４に設定された規定調整圧力値Ｐｃよりも一時的に低くなるものの、コントロール弁２は「調整開」状態となるため、再び規定調整圧力値Ｐｃにコントロールされることとなる。

以上のように、ガスの消費先において、「ゼロ工程」である時間Ｔ１（図２中に示す、時刻ｔ１〜ｔ４の間の時間）が比較的長い場合には、消費先へのガスの供給圧力が第一の閾値Ｐ１を超えた場合に遮断弁３が閉止される。これに対して、ガスの消費先において「ゼロ工程」である時間Ｔ２が短い場合について、以下に説明する。

図２に示すように、先ず、時刻ｔ４からｔ６までの消費工程では、遮断弁３が「開」状態、コントロール弁２が「調整開」状態であり、消費先へのガスの供給圧力は圧力指示調節計４に設定された規定調整圧力値Ｐｃにコントロールされた状態となっている。

次に、時刻ｔ６において、消費先が消費工程からゼロ工程になると、高圧ガス容器１からのガスの供給は止まらないため、消費先へのガスの供給圧力は徐々に上昇し始める。それに伴い、圧力指示調節計４からコントロール弁２に信号が送られて、コントロール弁２は徐々に閉じられる。そして、コントロール弁２の開度が０％になるまで、消費先へのガスの供給圧力は上昇し続ける。

次に、時刻ｔ７において、コントロール弁２の開度が０％になっても、消費先へのガスの供給圧力は緩やかに上昇し続ける。

ここで、ガスの消費先においてゼロ工程である時間Ｔ２が短い場合には、消費先へのガスの供給圧力が第一の閾値Ｐ１に到達する前に、時刻ｔ８において、消費工程が再開される。このため、遮断弁３は「閉」状態となることなく、「開」状態のまま、消費先へのガスの供給が始まることとなる。

なお、ガスの消費先において再び消費工程になると、遮断弁３は「開」状態であるが、コントロール弁２の開度が０％であり、高圧ガス容器１からのガスの供給が少ないために消費先へのガスの供給圧力が下がり始める（図２中に示す時刻ｔ９付近を参照）。

その後、消費先へのガスの供給圧力は、圧力指示調節計４に設定された規定調整圧力値Ｐｃよりも一時的に低くなるものの、コントロール弁２は「調整開」状態となるため、再び規定調整圧力値Ｐｃにコントロールされることとなる。

このように、第一の閾値Ｐ１を、消費先におけるゼロ工程の状態が短時間の場合には到達せず、かつ、消費先の設備などに影響を与えない値に設定することにより、遮断弁３の開閉回数を減らすことができる。

一方、第二の閾値Ｐ２は、消費工程が開始した後に遮断弁３が開けられることが好ましいため、第一の閾値Ｐ１よりも小さく、消費先へのガスの供給圧力の規定調整圧力値Ｐｃよりも大きい値（すなわち、Ｐｃ＜Ｐ２＜Ｐ１の関係）に設定することが望ましい。

ところで、上述したように、従来のガス供給システム１１０（図３を参照）を用いた従来のガス供給システムの制御方法では、消費先がゼロ工程となる回数よりも遮断弁１０３の作動回数が多くなってしまうという問題があった（図４参照）。具体的には、例えば、ある生産工程において、遮断弁１０３の作動回数は、約１，０００回であった。これに対して、本発明形態のガス供給システム１０及びその制御方法では、同一の生産工程において、遮断弁３の作動回数が数回となり、遮断弁３作動回数を格段に削減することができる。したがって、一般的な遮断弁の寿命回数が１００，０００回であるので、寿命等による遮断弁の交換をすることなく半永久的に使用することができる。

以上説明したように、本実施形態のガス供給システム１０及びガス供給システムの制御方法によれば、消費先へのガスの供給圧力に基づいて遮断弁３の開閉制御を行うとともに、遮断弁３を開閉する圧力である第一及び第二の閾値Ｐ１、Ｐ２を適切な値に設定することができるため、遮断弁３の開閉の頻度を低減することが可能となる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態では、コントロール弁２、遮断弁３、圧力指示調節計４及び制御装置５からなるユニットを、ガス供給経路Ｌ１に１ユニット設けた例を説明しているが、これに限定されるものではない。具体的には、例えば、ガス供給源が高圧の場合には、ガス供給経路に２ユニット以上直列に設けることにより、ガスの圧力を段階的に減圧する構成としてもよい。なお、２ユニット以上設ける場合には、各ユニットに個別に制御装置を設けてもよいし、複数のユニットの遮断弁を制御することが可能な一つの制御装置を設けてもよい。

１・・・高圧ガス容器（ガス供給源）
２・・・コントロール弁（第一の弁）
３・・・遮断弁（第二の弁）
４・・・圧力指示調節計（圧力測定手段および判定部）
５・・・制御装置（制御部）
１０・・・ガス供給システム
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３・・・信号配線
Ｌ１・・・ガス供給経路
Ｐｃ・・・規定調整圧力値
Ｐ１・・・第一の閾値
Ｐ２・・・第二の閾値

Claims (1)

1. ガス供給源から消費先までガスを供給するためのガス供給経路に、消費先へのガスの供給圧力を制御するコントロール弁からなる第一の弁と、前記第一の弁の一次側に設けられ消費先への前記第一の弁によるガスの出流れを遮断する第二の弁とを有するガス供給システムの制御方法であって、
   前記消費先において、ガスが消費されている状態からガスの消費が停止した際に、前記供給圧力が上昇して、第一の閾値に到達した際に、前記第二の弁を閉止するとともに、
   前記消費先において、ガスの消費が停止した状態からガスの消費が開始された際に、前記供給圧力が低下して、第二の閾値に到達した際に、前記第二の弁を開放することを特徴とするガス供給システムの制御方法。

Images