JP6416529B2 - 圧力式流量制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体製造装置等の流体供給ラインに介設されて流体(ガス)の流量制御を行う圧力式流量制御装置の改良に係り、特に、立下げ時の応答性を高めることにより、半導体製造装置用等の原料ガス供給装置の作動性能を大幅に高めることを可能にした圧力式流量制御装置に関するものである。
従前から、半導体製造装置用等の原料ガス供給装置においては、供給ガスの流量制御に熱式流量制御装置や圧力式流量制御装置が広く利用されている。特に、図8に示す圧力式流量制御装置FCSは、圧力制御用コントロール弁CV、温度検出器T、圧力センサP、オリフィスOL、温度補正・流量演算回路CDaと比較回路CDbと入出力回路CDcと出力回路CDd等から成る演算制御部CD等から構成されており、一次側供給圧が大きく変動しても安定した流量制御が行えると云う優れた流量特性を具備している。
即ち、図8の圧力式流量制御装置FCSでは、圧力センサP及び温度検出器Tからの検出値が温度補正・流量演算回路CDaへ入力され、ここで検出圧力の温度補正と流量演算が行われ、流量演算値Qtが比較回路CDbへ入力される。また、設定流量に対応する入力信号QSが端子Inから入力され、入出力回路CDcを介して比較回路CDbへ入力され、ここで温度補正・流量演算回路CDaからの流量演算値Qtと比較される。比較の結果、設定流量に対応する入力信号Qsが流量演算値Qtより小さい場合には、コントロール弁CVの駆動部へ制御信号Pdが出力される。これによりコントロール弁CVが閉鎖方向へ駆動され、設定流量に対応する入力信号Qsと演算流量値Qtとの差(Qs−Qt)が零となるまで閉弁方向へ駆動される。
前記圧力式流量制御装置FCSでは、オリフィスOLの下流側圧力Pと上流側圧力Pとの間にP/P≧約2の所謂臨界膨張条件が保持されていると、オリフィスOLを流通するガス流量QがQ=KP(但しKは定数)となり、また、臨界膨張条件が満たされていないと、オリフィスOLを流通するガス流量QがQ=KP (P−P(但しK、m、nは定数)となる。
従って、圧力Pを制御することにより流量Qを高精度で制御することができ、しかも、コントロール弁CVの上流側ガスGoの圧力が大きく変化しても、制御流量値が殆ど変化しないという優れた特性を発揮することができる。
尚、ガス流量QをQ=KP(但しKは定数)として演算する方式の圧力式流量制御装置は、FCS−N型と呼ばれることがあり、また、ガス流量QをQ=KP (P−P(但しK、m、nは定数)として演算する方式の圧力式流量制御装置は、FCS−WR型と呼ばれることがある。
更に、この種の圧力式流量制御装置には、この他に、複数のオリフィスOLを並列状に連結し、切換弁によって少なくとも一つのオリフィスにガスを流通させるようにしたオリフィス機構、例えば、二個のオリフィスを並列状に接続し、一つのオリフィスの入口側に切換弁を設けてそれを開又は閉とすることにより流量制御範囲を変更できるようにしたオリフィス機構を上記FCS−N型のオリフィスとして用いたFCS−SN型や、同じオリフィス機構を上記FCS−WR型のオリフィスとして用いたFCS−SWR型と呼ばれているものもある。
尚、上記FCS−N型、FCS−SN型、FCS−WR型及びFCS−SWR型の各圧力式流量制御装置そのものの構成や作動原理等は既に公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する(特開平8−338546号、特開2003−195948号等)。
また、圧力式流量制御装置FCSには、図9に示すように、(a)の如き構成の臨界条件下のガス流体を対象とする圧力式流量制御装置FCS(以下、FCS-N型と呼ぶ。特開平8−338546号等)、(b)の臨界条件下と非臨界条件下の両ガス流体を対象とするFCS-WR型(特開2003−195948号等)、(c)の臨界条件下のガス流体を対象とする流量切換型のFCS-SN型(特開2006−330851号等)、及び(d)の臨界条件下と非臨界条件下の両ガス流体を対象とする流量切換型のFCS-SWR型(特許第5430007号等)が存在する。
尚、図9において、P,Pは圧力センサ、CVはコントロール弁、OLはオリフィス、OLは小口径オリフィス、OLは大口径オリフィス、ORVはオリフィス切換弁である。
しかし、この種の圧力式流量制御装置FCSでは、微小な穴径のオリフィスOLを使用しているため、ガスの置換性が悪く、圧力式流量制御装置FCSの圧力制御用コントロール弁CVを閉鎖して出力側を開放した場合に、コントロール弁CVとオリフィスOL間の空間部のガスの排出に多くの時間が掛かり、所謂ガスの立下げ応答性が極めて悪いと云う問題がある。
一方、前記圧力式流量制御装置FCSにおいては、立下げ応答特性を高めるため、コントロール弁CVとオリフィスOL間の流体通路の内容積を可能な限り小さくする工夫が為されている。
図10は前記圧力式流量制御装置の一例を示すものであり、当該圧力式流量制御装置は、圧力制御用コントロール弁40の流体の流れ方向を通常の圧力制御用コントロール弁40とは逆向きにし、金属製ダイヤフラム弁体41の外周縁部と弁室底面との間隙を通して流体(ガス)を流入させ、弁座42の中央から流体を流出させることにより流体通路の内容積を減少させ、また、オリフィス43を開閉弁44に組み込むことによりオリフィス43と開閉弁44との間の内容積を減少させるようにしたものであり、内容積の減少により立下り特性の改善を図るようにしたものである(特許第3522535号、特許第4137267号)。
尚、図10において、45は本体、46は流体入口、47は流体出口、48は圧力センサ、49は制御盤、50は圧力制御用コントロール弁40と圧力センサ48の圧力検知面上の圧力検知室とを接続する垂直姿勢の第1流路、51は第1流路50に接続された水平姿勢の第2流路、52は第2流路51とオリフィス43とを接続する垂直姿勢の第3流路である。
しかし、図10に示す圧力式流量制御装置においても、立下げ応答特性を大幅に向上させることは困難であり、従前の圧力式流量制御装置には、立下げ応答特性が悪いと云う問題が依然として残されている。
特開平8−338546号公報 特開平10−55218号公報 特開2003−195948号公報 特開2006−330851号公報 特許第5430007号公報 特許第3522535号公報 特許第4137267号公報
本発明は、従来の圧力式流量制御装置における上述のような問題を改善すべく、流量制御における立下げ応答性の向上、即ち、流量制御における立ち下がり時間を一層短縮し得る圧力式流量制御装置を提供することを主たる目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の請求項1の発明は、流体入口と流体出口との間を連通する流体通路を設けた本体と、本体に水平姿勢で固定されて流体通路を開閉する圧力制御用コントロール弁と、本体に垂直姿勢で固定されて圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路を開閉する開閉弁と、開閉弁の上流側の流体通路に設けたオリフィスと、本体に固定されて圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内圧を検出する圧力センサとを備え、前記流体通路は、圧力制御用コントロール弁に接続される水平姿勢の第1通路部と、第1通路部とオリフィスとを接続する垂直姿勢の第2通路部と、第2通路部と圧力センサとを接続する水平姿勢の第3通路部とを備え、前記圧力センサは、ケーシングと、ケーシングに外方へ突出する状態で設けられて圧力導入孔を形成する圧力導入パイプと、ケーシング内に設けられて圧力導入孔に連通する受圧室と、ケーシング内に設けられて受圧室の圧力に応じて変位するダイヤフラムと、ケーシング内に設けられてダイヤフラムの変位により圧力を電気信号に変換する圧力検出素子とを備え、前記圧力導入パイプの先端部を本体に気密状に取り付け、圧力導入パイプの圧力導入孔と第3通路部とを連通させたことに特徴がある。
本発明の請求項2の発明は、流体入口と流体出口との間を連通する流体通路を設けた本体と、本体に水平姿勢で固定されて流体通路を開閉する圧力制御用コントロール弁と、本体に前記圧力制御用コントロール弁に対向する状態で固定されて圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路を開閉する開閉弁と、開閉弁の上流側の流体通路に設けたオリフィスと、本体に固定されて圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内圧を検出する圧力センサとを備え、前記流体通路は、圧力制御用コントロール弁とオリフィスとを接続する水平通路部と、水平通路部と圧力センサとを接続する垂直通路部とを備え、前記圧力センサは、ケーシングと、ケーシングに外方へ突出する状態で設けられて圧力導入孔を形成する圧力導入パイプと、ケーシング内に設けられて圧力導入孔に連通する受圧室と、ケーシング内に設けられて受圧室の圧力に応じて変位するダイヤフラムと、ケーシング内に設けられてダイヤフラムの変位により圧力を電気信号に変換する圧力検出素子とを備え、前記圧力導入パイプの先端部を本体に気密状に取り付け、圧力導入パイプの圧力導入孔と垂直通路部とを連通させたことに特徴がある。
本発明の請求項3の発明は、流体入口と流体出口との間を連通する流体通路を設けた本体と、本体に水平姿勢で固定されて流体通路を開閉する圧力制御用コントロール弁と、本体に前記圧力制御用コントロール弁に対向する状態で固定されて圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路を開閉する開閉弁と、開閉弁の上流側の流体通路に設けたオリフィスと、本体に固定されて圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内圧を検出する圧力センサとを備え、前記流体通路は、圧力制御用コントロール弁と圧力センサの圧力検知面上の圧力検知室とを接続する第4通路部と、第4通路部と離間して圧力検知室とオリフィスとを接続する第5通路部とを備え、前記本体の同じ面に流体入口と流体出口を形成し、流体入口及び流体出口を本体の一方向に配置する構成としたことに特徴がある。
本発明の請求項4の発明は、請求項1、請求項2又は請求項3の何れかに記載の発明において、開閉弁及びオリフィスを、開閉弁内にオリフィスを一体的に組み付け固定した構成のオリフィス内蔵型弁により形成したことに特徴がある。
本発明の請求項5の発明は、請求項1に記載の発明において、圧力制御用コントロール弁が金属製ダイヤフラム弁体を備え、当該金属製ダイヤフラム弁体が開閉弁の下方位置に配設されていると共に、金属製ダイヤフラム弁体の中央部が本体に形成した弁座に当離座し、前記弁座の中央位置に第1通路部が形成されていることに特徴がある。
本発明の請求項6の発明は、請求項2に記載の発明において、圧力制御用コントロール弁が金属製ダイヤフラム弁体を備え、当該金属製ダイヤフラム弁体の中央部が本体に形成した弁座に当離座すると共に、前記弁座の中央位置に水平通路部が形成されていることに特徴がある。
本発明の請求項7の発明は、請求項3に記載の発明において、圧力制御用コントロール弁が金属製ダイヤフラム弁体を備え、当該金属製ダイヤフラム弁体の中央部が本体に形成した弁座に当離座すると共に、前記弁座の中央位置に第4通路部が形成されていることに特徴がある。
本発明の請求項8の発明は、請求項3に記載の発明において、圧力センサが、本体に形成した挿着孔にリングガスケットを介して挿着され、また、圧力センサの圧力検知面上の圧力検知室が、挿着孔の内底面とリングガスケットと圧力センサの圧力検知面とで囲まれた空間から成り、更に、第4通路部が圧力検知室の圧力制御用コントロール弁側の端部に接続されていると共に、第5通路部が圧力検知室の開閉弁側の端部に接続されていることに特徴がある。
本発明の請求項9の発明は、請求項1に記載の発明において、第1通路部、第2通路部及び第3通路部の断面形状を円形とし、その内径を0.5mm〜1.0mmとしたことに特徴がある。
本発明の請求項10の発明は、請求項2に記載の発明において、水平通路部及び垂直通路部の断面形状を円形とし、その内径を0.5mm〜1.0mmとしたことに特徴がある。
本発明の請求項11の発明は、請求項3に記載の発明において、第4通路部及び第5通路部の断面形状を円形とし、その内径を0.5mm〜1.0mmとしたことに特徴がある。
本発明の請求項12の発明は、請求項2に記載の発明において、本体の同じ面に流体入口と流体出口を形成し、流体入口及び流体出口を本体の一方向に配置する構成としたことに特徴がある。
本発明は、流体通路を設けた本体に圧力制御用コントロール弁を水平姿勢で固定すると共に、開閉弁を垂直姿勢で固定しているため、圧力制御用コントロール弁と開閉弁との距離を短くすることができ、圧力制御用コントロール弁と開閉弁の上流側に設けたオリフィスとの間の流体通路の内容積を、従来に比して小さくすることができ、その結果、立下り特性を向上させることができる。
本発明は、流体通路を設けた本体に圧力制御用コントロール弁と開閉弁とを水平姿勢で対向状に固定しているため、圧力制御用コントロール弁と開閉弁との距離を短くすることができ、圧力制御用コントロール弁と開閉弁の上流側に設けたオリフィスとの間の流体通路の内容積を、従来に比して小さくすることができ、その結果、立下り特性を向上させることができる。
本発明は、開閉弁及びオリフィスを、開閉弁内にオリフィスを一体的に組み付け固定した構成のオリフィス内蔵型弁により形成しているため、圧力式流量制御装置の一層の小型化を図れ、流体通路の内容積をより小さくすることができる。
本発明は、圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内圧を検出する圧力センサが、圧力センサのケーシングから外方へ突出する圧力導入パイプを備え、圧力導入パイプの先端部を本体に気密状に取り付けているため、本体に圧力センサを取り付けるためのスペースが小さくて済み、圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの距離をより一層短くすることができ、流体通路の内容積を更に小さくすることができる。
本発明は、第4通路部が圧力検知室の圧力制御用コントロール弁側の端部に接続されていると共に、第5通路部が圧力検知室の開閉弁側の端部に接続されているため、第4通路部と第5通路部の長さを短くすることができ、その結果、圧力制御用コントロール弁と開閉弁の上流側に設けたオリフィスとの間の流体通路の内容積を小さくすることができる。
本発明は、流体通路の第1通路部と第2通路部と第3通路部の断面形状又は流体通路の水平通路部と垂直通路部の断面形状若しくは第通路部と第5通路部の断面形状をそれぞれ円形とし、その内径をそれぞれ0.5mm〜1.0mmとしているため、流体通路の内容積を更に小さくすることができる。
本発明は、本体の同じ面に流体入口と流体出口を形成し、流体入口及び流体出口を本体の一方向に配置する構成としているため、圧力式流量制御装置を集積化した際に、流体入口及び流体出口が全て同じ方向を向くので、配管を行い易くなる。
本発明の第1の実施形態に係る圧力式流量制御装置の断面図である。 図1に示す圧力式流量制御装置の要部の拡大断面図である。 本体に取り付けた圧力センサの拡大断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る圧力式流量制御装置の断面図である。 図4に示す圧力式流量制御装置の要部の拡大断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る圧力式流量制御装置の断面図である。 本発明の第4の実施形態に係る圧力式流量制御装置の断面図である。 従来の圧力式流量制御装置を示す基本構成図である。 従来の各種形式の圧力式流量制御装置を示す概略構成図である。 従来の圧力式流量制御装置を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1及び図2は本発明の第1の実施形態に係る圧力式流量制御装置を示し、当該圧力式流量制御装置は、流体入口1と流体出口2との間を連通する流体通路3を設けた本体4と、本体4に水平姿勢で固定されて流体通路3を開閉する圧力制御用コントロール弁5と、本体4に垂直姿勢で固定されて圧力制御用コントロール弁5の下流側の流体通路3を開閉する開閉弁6と、開閉弁6の上流側の流体通路3に設けたオリフィス7と、本体4に固定されて圧力制御用コントロール弁5とオリフィス7との間の流体通路3の内圧を検出する圧力センサ8とを備え、前記流体通路3は、圧力制御用コントロール弁5に接続される水平姿勢の第1通路部3aと、第1通路部3aとオリフィス7とを接続する垂直姿勢の第2通路部3bと、第2通路部3bと圧力センサ8とを接続する水平姿勢の第3通路部3cとを備えている。
前記圧力式流量制御装置は、圧力制御用コントロール弁5と開閉弁6とが本体4に対して直角に配置された垂直配置型となっており、圧力制御用コントロール弁5の一端部を開閉弁6の下方位置に配設し、圧力制御用コントロール弁5と開閉弁6とを出来るだけ近づけている。
尚、図1において、9はプリント配線板に電子部品が実装された制御盤、10はケーシング、11は接続用コネクタである。
前記本体4は、横長の直方体状に形成された入口側ブロック4aと、入口側ブロック4aの一端部上面(図1に示す入口側ブロック4aの右側端部上面)に配置されて縦長の直方体状に形成された本体ブロック4bと、入口側ブロック4aの一端面(図1に示す入口側ブロック4aの右側端面)及び本体ブロック4bの一側面(図1に示す本体ブロック4bの右側面)に配置されて縦長の直方体状に形成された出口側ブロック4cとから成り、各ブロック4a、4b、4cを固定ボルト(図示省略)で連結することにより一体化されている。
また、入口側ブロック4aの下面に流体入口1が形成されていると共に、出口側ブロック4cの下面に流体出口2が形成されており、入口側ブロック4a、本体ブロック4b及び出口側ブロック4cには、流体入口1と流体出口2との間を連通する流体通路3が形成されている。
更に、入口側ブロック4aと本体ブロック4bとの間の流体通路3の連結箇所及び本体ブロック4bと出口側ブロック4cとの間の流体通路3の連結箇所には、シール用のガスケット12がそれぞれ介在されている。
前記圧力制御用コントロール弁5は、その一端部が本体ブロック4bの下端部他側面(図1に示す本体ブロック4bの下端部左側面)に水平姿勢でねじ込み固定されている。
この圧力制御用コントロール弁5は、公知の円板状の金属製ダイヤフラム弁体13とピエゾ駆動素子14等を用いた開閉弁であり、ピエゾ駆動素子14への通電によりこれが伸長し、円筒体15を弾性体16の弾力に抗して本体ブロック4bから離間する方向(図1の左方向)へ移動させることにより弁体押え17が本体ブロック4bから離間する方向へ移動し、金属製ダイヤフラム弁体13が自己弾性力により湾曲形状に復元して弁座18から離座し、弁が開放されるようになっている。また、弁開度は、ピエゾ駆動素子14への印加電圧を変動することにより調節されている。
圧力制御用コントロール弁5の金属製ダイヤフラム弁体13が当離座する弁座18は、本体ブロック4bの金属製ダイヤフラム弁体13の中央部に対向する位置に形成されており、この弁座18の中央位置には、圧力制御用コントロール弁5に接続される水平姿勢の第1通路部3aが形成されている。図2においては、圧力制御用コントロール弁5の金属製ダイヤフラム弁体13の外周縁部と弁座18との間隙を通してガスを流入させ、弁座18の中央からガスを流出させる構造としている。これにより、金属製ダイヤフラム弁体13を閉じた状態で圧力制御用コントロール弁5とオリフィス7との間の流体通路3の内容積を減少させることができる。
また、圧力制御用コントロール弁5は、金属製ダイヤフラム弁体13が開閉弁6の下方位置になるように配設されている。これにより、圧力制御用コントロール弁5に接続される水平姿勢の第1通路部3aの長さを短く設定することができ、第1通路部3aの内容積を縮小することができる。
前記第1通路部3aは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、出来るだけ小さい内径とすることが好ましく、この実施形態においては、第1通路部3aの内径を0.5mm〜1.0mmとしている。この第1通路部3aは、長さが短く且つ内径も小さいので、その内容積を小さくすることができる。
前記開閉弁6は、その下端部が本体ブロック4bの上端面に垂直姿勢でねじ込み固定されている。
この開閉弁6には、圧力式流量制御装置の小型化及び流体通路3の内容積の削減を図るために開閉弁6とオリフィス7とを一体的に組み付け固定した構造のオリフィス内蔵型弁が使用されている。
即ち、オリフィス内蔵型弁は、公知の金属製ダイヤフラム弁体23及びオリフィス7等を有する弁機構と空気圧型弁駆動部19を用いた開閉弁6であり、従来公知(例えば、特許第3522535号公報及び特許第4137267号公報等)のものと同様構造に構成されている。
前記弁機構は、図1及び図2に示す如く、本体ブロック4bの上端面に形成した凹部20に設けられており、凹部20に挿着されて流出路21aを形成したインナーディスク21と、インナーディスク21の中心部に挿着されて流入路22a及び弁座22bを形成した弁座体22と、弁座体22の中心部に設けられて弁座体22の流入路22aに連通するオリフィス孔(図示省略)を形成したオリフィス7と、弁座体22の弁座22bに当離座する円板状の金属製ダイヤフラム弁体23と、金属製ダイヤフラム弁体23の外周縁部をインナーディスク21との間で挟持するボンネットインサート24及びボンネット25と、金属製ダイヤフラム弁体23を押圧する弁体押え26と、弁体押え26を保持するステム27と、ステム27を下方へ付勢するスプリング28等から成る。
尚、オリフィス7には、中心部に貫通状の通路を形成した凸状のオリフィスベース7aと、中心部に前記凸状のオリフィスベース7aの通路に連通する貫通状の通路を形成した凹状のオリフィスベース7bと、両オリフィスベース7a、7b間に気密状に挿着されて中心部にオリフィス孔(図示省略)を形成したオリフィスプレート7cとから成る従来公知のガスケット型オリフィスが使用されている。
そして、前記開閉弁6のオリフィス7と第1通路部3aの下流側端部とは、本体ブロック4bに形成した垂直姿勢の第2通路部3bにより連通状に接続されている。
前記第2通路部3bは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、出来るだけ小さい内径とすることが好ましく、この実施形態においては、第2通路部3bの内径を0.5mm〜1.0mmとしている。また、第2通路部3bは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、第2通路部3bの長さは出来るだけ短い方が好ましく、開閉弁6を第1通路部3aに出来るだけ近づけて配置する。
前記圧力センサ8は、図2及び図3に示す如く、円筒状のケーシング30と、ケーシング30の軸心位置に外方へ突出する状態で設けられて圧力導入孔31aを形成する圧力導入パイプ31と、圧力導入パイプ31の先端部に溶接により固着したガスケット押え32と、ケーシング30内に設けられて圧力導入孔31aに連通する受圧室33と、ケーシング30内に設けられて受圧室33の圧力に応じて変位するダイヤフラム34と、ケーシング30内に設けられてダイヤフラム34の変位により圧力を電気信号に変換する感圧素子やストレンゲージから成る圧力検出素子(図示省略)とを備え、前記ダイヤフラム34の表面が圧力検知面(受圧面)となり、そこにかかる圧力を電気信号に変換することで、圧力を検出するものである。
この圧力センサ8は、その外径が8mmに形成されており、図10に示す従来の圧力センサの外径(16mm)に比べて半分になっているので、設置スペースが小さくて済む。その結果、圧力制御用コントロール弁5と開閉弁6との距離を縮めることができ、第2通路部3bの長さを短くできてその内容積を小さくすることができる。
また、圧力センサ8は、圧力センサ8のケーシング30から外方へ突出する圧力導入パイプ31を備え、圧力導入パイプ31の先端部を本体4に気密状に取り付けているため、本体4に圧力センサ8を取り付けるためのスペースが小さくて済み、圧力制御用コントロール弁5とオリフィス7との距離を一層短くすることができ、流体通路3の内容積を更に小さくすることができる。
そして、前記圧力センサ8は、圧力導入パイプ31の先端部が本体ブロック4bの他側面(図1に示す本体ブロック4bの左側面)に形成した挿着孔35内にガスケット36を介して割りリング37(又は図示していないU字状リング)及びボンネット38により気密状に取り付け固定されており、圧力導入パイプ31の圧力導入孔31aが本体ブロック4bに形成されて第2通路部3bと圧力センサ8とを接続する水平姿勢の第3通路部3cに連通状に接続されている。
即ち、圧力センサ8は、割りリング37(又はU字状リング)をガスケット押え32に被せると共に、予め圧力導入パイプ31に遊嵌状態で外嵌していたボンネット38を前記割りリング37(又はU字状リング)に被せ、この状態でガスケット押え32、割りリング37(又はU字状リング)及びボンネット38を予めガスケット36を挿着した本体ブロック4bの挿着孔35内へ挿入し、ボンネット38を本体ブロック4bに締め付けて割りリング37(又はU字状リング)によりガスケット押え32及びガスケット36を押圧すると、ガスケット押え32によりガスケット36が押圧され、ガスケット36の一端面と挿着孔35の底面との間及びガスケット36の他端面とガスケット押え32の先端面との間がそれぞれシール部となり、圧力センサ8は本体ブロック4bの挿着孔に気密状に取り付けられることになる。
前記第3通路部3cは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、出来るだけ小さい内径とすることが好ましく、この実施形態においては、第3通路部3cの内径を0.5mm〜1.0mmとしている。また、第2通路部3bは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、第3通路部3cの長さは出来るだけ短い方が好ましく、圧力センサ8を第2通路部3bに出来るだけ近づけて配置する。
図4及び図5は本発明の第2の実施形態に係る圧力式流量制御装置を示し、当該圧力式流量制御装置は、流体入口1と流体出口2との間を連通する流体通路3を設けた本体4と、本体4に水平姿勢で固定されて流体通路3を開閉する圧力制御用コントロール弁5と、本体4に前記圧力制御用コントロール弁5に対向する状態で固定されて圧力制御用コントロール弁5の下流側の流体通路3を開閉する開閉弁6と、開閉弁6の上流側の流体通路3に設けたオリフィス7と、本体4に固定されて圧力制御用コントロール弁5とオリフィス7との間の流体通路3の内圧を検出する圧力センサ8とを備え、前記流体通路3は、圧力制御用コントロール弁5とオリフィス7とを接続する水平通路部3dと、水平通路部3dと圧力センサ8とを接続する垂直通路部3eとを備えている。
前記圧力式流量制御装置は、圧力制御用コントロール弁5と開閉弁6とが本体4に対して対向状に配置された対向配置型となっており、圧力制御用コントロール弁5と開閉弁6とを出来るだけ近づけている。
前記本体4は、横長のブロック状に形成されており、本体4の一側面(図4に示す本体4の下面)には、流体入口1が形成され、また、本体4の他側面(図4に示す本体4の上面)には、流体出口2が形成され、更に、本体4には、流体入口1と流体出口2との間を連通する流体通路3が形成されている。
前記圧力制御用コントロール弁5は、その一端部が本体4の一端面(図4に示す本体4の左側端面)に水平姿勢でねじ込み固定されている。
この圧力制御用コントロール弁5は、公知の円板状の金属製ダイヤフラム弁体13とピエゾ駆動素子14等を用いた開閉弁であり、ピエゾ駆動素子14への通電によりこれが伸長し、円筒体15を弾性体16の弾力に抗して本体4から離間する方向(図4の左方向)へ移動させることにより弁体押え17が本体4から離間する方向へ移動し、金属製ダイヤフラム弁体13が自己弾性力により湾曲形状に復元して弁座18から離座し、弁が開放される。また、弁開度は、ピエゾ駆動素子14への印加電圧を変動することにより調節されている。
圧力制御用コントロール弁5の金属製ダイヤフラム弁体13が当離座する弁座18は、本体4の金属製ダイヤフラム弁体13の中央部に対向する位置に形成されており、この弁座18の中央位置には、圧力制御用コントロール弁5とオリフィス7とを接続する水平通路部3dが形成されている。図4においては、圧力制御用コントロール弁5の金属製ダイヤフラム弁体13の外周縁部と弁座18との間隙を通してガスを流入させ、弁座18の中央からガスを流出させる構造としている。これにより、金属製ダイヤフラム弁体13を閉じた状態で圧力制御用コントロール弁5とオリフィス7との間の流体通路3の内容積を減少させることができる。
前記水平通路部3dは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、出来るだけ小さい内径とすることが好ましく、この実施形態においては、水平通路部3dの内径を0.5mm〜1.0mmとしている。また、水平通路部3dは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、水平通路部3dの長さは出来るだけ短い方が好ましく、対向状に配置した圧力制御用コントロール弁5と開閉弁6とを出来るだけ近づけて配置する。
前記開閉弁6は、その一端部が横長ブロック状の本体4の他端面(図4に示す本体4の右側端面)に水平姿勢でねじ込み固定されており、圧力制御用コントロール弁5と対向状に配置されている。
この開閉弁6には、圧力式流量制御装置の小型化及び流体通路3の内容積の削減を図るために開閉弁6とオリフィス7とを一体的に組み付け固定した構造のオリフィス内蔵型弁が使用されている。
即ち、オリフィス内蔵型弁は、公知の金属製ダイヤフラム弁体23及びオリフィス7等を有する弁機構と空気圧型弁駆動部19を用いた開閉弁6であり、従来公知(例えば、特許第3522535号公報及び特許第4137267号公報等)のものと同様構造に構成されている。
前記弁機構は、図4及び図5に示す如く、本体4の他端面に形成した凹部20に設けられており、凹部20に挿着されて流出路21aを形成したインナーディスク21と、インナーディスク21の中心部に挿着されて流入路22a及び弁座22bを形成した弁座体22と、弁座体22の中心部に設けられて弁座体22の流入路22aに連通するオリフィス孔(図示省略)を形成したオリフィス7と、弁座体22の弁座22bに当離座する円板状の金属製ダイヤフラム弁体23と、金属製ダイヤフラム弁体23の外周縁部をインナーディスク21との間で挟持するボンネットインサート24及びボンネット25と、金属製ダイヤフラム弁体23を押圧する弁体押え26と、弁体押え26を保持するステム27と、ステム27を本体4側へ付勢するスプリング28等から成る。
尚、オリフィス7には、中心部に貫通状の通路を形成した凸状のオリフィスベース7aと、中心部に前記凸状のオリフィスベース7aの通路に連通する貫通状の通路を形成した凹状のオリフィスベース7bと、両オリフィスベース7a、7b間に気密状に挿着されて中心部にオリフィス孔(図示省略)を形成したオリフィスプレート7cとから成る従来公知のガスケット型オリフィスが使用されている。
そして、前記開閉弁6のオリフィス7と圧力制御用コントロール弁5とは、本体4に形成した上述した水平姿勢の水平通路部3dにより連通状に接続されている。
前記圧力センサ8は、図3に示す如く、円筒状のケーシング30と、ケーシング30の軸心位置に外方へ突出する状態で設けられて圧力導入孔31aを形成する圧力導入パイプ31と、圧力導入パイプ31の先端部に溶接により固着したガスケット押え32と、ケーシング30内に設けられて圧力導入孔31aに連通する受圧室33と、ケーシング30内に設けられて受圧室33の圧力に応じて変位するダイヤフラム34と、ケーシング30内に設けられてダイヤフラム34の変位により圧力を電気信号に変換する感圧素子やストレンゲージから成る圧力検出素子(図示省略)とを備え、前記ダイヤフラム34の表面が圧力検知面(受圧面)となり、そこにかかる圧力を電気信号に変換することで、圧力を検出するものである。
この圧力センサ8は、その外径が8mmに形成されており、図10に示す従来の圧力センサ8の外径(16mm)に比べて半分になっているので、設置スペースが小さくて済む。その結果、圧力制御用コントロール弁5と開閉弁6との距離を縮めることができ、水平通路部3dの長さを短くできてその内容積を小さくすることができる。
そして、前記圧力センサ8は、圧力導入パイプ31の先端部が本体4の他側面に形成した挿着孔35内にガスケット36を介して割りリング37(又はU字状リング)及びボンネット38により気密状に取り付け固定されており、圧力導入パイプ31の圧力導入孔31aが本体4に形成されて水平通路部3dと圧力センサ8とを接続する垂直通路部3eに連通状に接続されている。
この圧力センサ8の本体4への取り付けは、図1に示す第1の実施形態に係る圧力式流量制御装置の圧力センサ8と全く同じである。
前記垂直通路部3eは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、出来るだけ小さい内径とすることが好ましく、この実施形態においては、垂直通路部3eの内径を0.5mm〜1.0mmとしている。また、垂直通路部3eは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、垂直通路部3eの長さは出来るだけ短い方が好ましく、圧力センサ8を水平通路部3dに出来るだけ近づけて配置する。
図6は本発明の第3の実施形態に係る圧力式流量制御装置を示し、当該圧力式流量制御装置は、本体4の同じ面(図6に示す本体4の上面)に流体入口1と流体出口2をそれぞれ形成し、流体入口1及び流体出口2を本体4の一方向に配置すると共に、本体4の流体入口1及び流体出口2を形成した面と反対側の面(図6に示す本体4の下面)の中央位置に圧力センサ8を設けたものである。
この第3の実施形態に係る圧力式流量制御装置は、本体4の同じ面に流体入口1と流体出口2を形成し、本体4の反対側の面の中央位置に圧力センサ8を設けたこと以外は、図4及び図5に示す第2の実施形態に係る圧力式流量制御装置と同様構造に構成されているため、第2の実施形態に係る圧力式流量制御装置と同じ部位・部材には同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。
図7は本発明の第4の実施形態に係る圧力式流量制御装置を示し、当該圧力式流量制御装置は、流体入口1と流体出口2との間を連通する流体通路3を設けた本体4と、本体4に水平姿勢で固定されて流体通路3を開閉する圧力制御用コントロール弁5と、本体4に前記圧力制御用コントロール弁5に対向する状態で固定されて圧力制御用コントロール弁5の下流側の流体通路3を開閉する開閉弁6と、開閉弁6の上流側の流体通路3に設けたオリフィス7と、本体4に固定されて圧力制御用コントロール弁5とオリフィス7との間の流体通路3の内圧を検出する圧力センサ8とを備え、前記流体通路3は、圧力制御用コントロール弁5と圧力センサ8の圧力検知面上の圧力検知室3fとを接続する第4通路部3gと、第4通路部3gと離間して圧力検知室3fとオリフィス7とを接続する第5通路部3hとを備えており、圧力検知室3fを経由するように構成されている。
この第4の実施形態に係る圧力式流量制御装置は、本体4の同じ面(図7に示す本体4の上面)に流体入口1と流体出口2を形成し、本体4の反対側の面(図7に示す本体4の下面)の中央位置に従来公知の圧力センサ8を設けたこと以外は、図4及び図5に示す第2の実施形態に係る圧力式流量制御装置と同様構造に構成されているため、第2の実施形態に係る圧力式流量制御装置と同じ部位・部材には同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。
前記圧力センサ8は、半導体ひずみゲージが表面に形成されたダイヤフラムを備え、その表面が圧力検知面(受圧面)となり、そこにかかる圧力によって変形して発生するピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化を電気信号に変換することで、圧力を検出するものである。
この圧力センサ8は、本体4の一側面(図7に示す本体4の下面)に形成された挿着孔35にリングガスケット29を介して挿入され、押え螺子39によって固定されている。このように、圧力センサ8を挿着孔35に挿着することにより、挿着孔35の内底面とリングガスケット29と圧力センサ8の受圧面である圧力検知面とによって囲まれた圧力検知室3fが形成されている。
尚、圧力検知室3fの内容積は、出来るだけ小さくすることが望まれるが、圧力センサ8の受圧面を構成するダイヤフラムはステンレス等で形成されており、高温になると膨張し、挿着孔35の内底面側に膨らんで盛り上がるので、圧力センサ8のダイヤフラムの熱膨張を圧力検知室3fが許容し得る程度の深さ寸法とする必要がある。例えば、ある種の圧力センサのダイヤフラムは、100℃で0.13mm程度膨れ上がり、圧力検知室3fの深さ寸法、即ち、挿着孔35の内底面と圧力検知面(非変形時)との距離は、例えば、0.13〜0.30mmとされる。
また、リングガスケット29は、ステンレス等で形成され、鏡面仕上げ、真空炉での固溶化熱処理等が施され、高精度に仕上げられる。
前記第4通路部3gは、L字状に形成されており、一端部が圧力制御用コントロール弁5に接続されていると共に、他端部が圧力検知室3fの圧力制御用コントロール弁5側の端部に接続されている。
前記第5通路部3hは、L字状に形成されており、一端部が圧力検知室3fの開閉弁6側の端部に接続されていると共に、他端部がオリフィス7に接続されている。
このように、第4通路部3gと第5通路部3hは、圧力検知室3fの両端部に接続されている。そうすることにより、圧力検知室3fを流体通路3として最大限利用することで、流体通路3の内容積を小さくすることができる。即ち、圧力検知室3fの空間容積は不可避であるため、これを流体通路3として利用することで、流体通路3の内容積を減少させ得る。
前記第4通路部3g及び第5通路部3hは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、出来るだけ小さい内径とすることが好ましく、この実施形態においては、第4通路部3g及び第5通路部3hの内径をそれぞれ0.5mm〜1.0mmとしている。また、第4通路部3g及び第5通路部3hは、その内容積を出来るだけ小さくするためには、第4通路部3g及び第5通路部3hの長さは出来るだけ短い方が好ましく、圧力制御用コントロール弁5と開閉弁6と圧力センサ8とを出来るだけ近づけて配置する。
下記の表1〜表3は、図10に示す従来の圧力式流量制御装置の容量(内容積)と、図1及び図2に示す第1の実施形態に係る圧力式流量制御装置の容量(内容積)と、図4〜図6に示す第2及び第3の実施形態に係る圧力式流量制御装置の容量(内容積)とを比較したものである。
即ち、表1は、図10に示す従来の圧力式流量制御装置の圧力制御用コントロール弁40とオリフィス43との間の流体通路(第1流路50、第2流路51及び第3流路52)の容量と圧力センサ48の圧力検知面上の圧力検知室の容量を示すものであり、表1の(a)、(b)、(c)は第1流路50、第2流路51、第3流路52の内径をそれぞれ1mm、0.7mm、0.5mmとした場合の容量である。
また、表2は、図1及び図2に示す第1の実施形態に係る圧力式流量制御装置の圧力制御用コントロール弁5とオリフィス7との間の流体通路3(第1通路部3a、第2通路部3b、第3通路部3c)の容量と圧力センサ8の受圧室33、圧力導入孔31a及びガスケット36の内周面で囲まれた空間の容量を示すものであり、表2の(a)、(b)、(c)は第1通路部3a、第2通路部3b及び第3通路部3cの内径をそれぞれ1mm、0.7mm、0.5mmとした場合の容量である。
更に、表3は、図4〜図6に示す第2及び第3の実施形態に係る圧力式流量制御装置の圧力制御用コントロール弁5とオリフィス7との間の流体通路3(水平通路部3d及び垂直通路部3e)の容量と圧力センサ8の受圧室33、圧力導入孔31a及びガスケット36の内周面で囲まれた空間の容量を示すものであり、表3の(a)、(b)、(c)は水平通路部3d、垂直通路部3eの内径をそれぞれ1mm、0.7mm、0.5mmとした場合の容量である。
Figure 0006416529
Figure 0006416529
Figure 0006416529
下記の表4は、従来の圧力式流量制御装置の容量(第1流路50、第2流路51、第3流路52及び圧力センサ48の圧力検知室)を100%した場合の第1の実施形態に係る圧力式流量制御装置の容量(第1通路部3a、第2通路部3b、第3通路部3c、圧力センサ8の受圧室33、圧力導入孔31a及びガスケット36の内周面で囲まれた空間)と第2及び第3の実施形態に係る圧力式流量制御装置の容量(水平通路部3d、垂直通路部3e、圧力センサ8の受圧室33、圧力導入孔31a及びガスケット36の内周面で囲まれた空間)をそれぞれ示すものである。
Figure 0006416529
表1〜表4からも明らかなように、第1〜第3の実施形態に係る圧力式流量制御装置は、従来の圧力式流量制御装置に比較して容量を大幅に削減することができる。特に、第2及び第3の実施形態に係る圧力式流量制御装置においては、従来の圧力式流量制御装置に比較して容量を約半分から1/3程度にすることができる。
従って、第1〜第3の実施形態に係る圧力式流量制御装置は、圧力制御用コントロール弁5と開閉弁6の上流側に設けたオリフィス7との間の流体通路3の内容積を、従来に比して小さくすることができ、その結果、立下り特性を向上させることができる。
尚、第4の実施形態に係る圧力式流量制御装置も、圧力制御用コントロール弁5と開閉弁6の上流側に設けたオリフィス7との間の流体通路3の内容積を、従来に比して小さくすることができ、その結果、立下り特性を向上させることができる。
本発明は、半導体製造装置用のガス供給設備やガス供給装置のみならず、化学産業や食品産業、薬品産業等のあらゆるガス供給設備の流量制御装置に適用できるものである。
1は流体入口
2は流体出口
3は流体通路
3aは第1通路部
3bは第2通路部
3cは第3通路部
3dは水平通路部
3eは垂直通路部
3fは圧力検知室
3gは第4通路部
3hは第5通路部
4は本体
5は圧力制御用コントロール弁
6は開閉弁
7はオリフィス
8は圧力センサ
13は金属製ダイヤフラム弁体
29はリングガスケット
30は円筒状のケーシング
31は圧力導入パイプ
31aは圧力導入孔

Claims (12)

  1. 流体入口と流体出口との間を連通する流体通路を設けた本体と、本体に水平姿勢で固定されて流体通路を開閉する圧力制御用コントロール弁と、本体に垂直姿勢で固定されて圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路を開閉する開閉弁と、開閉弁の上流側の流体通路に設けたオリフィスと、本体に固定されて圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内圧を検出する圧力センサとを備え、前記流体通路は、圧力制御用コントロール弁に接続される水平姿勢の第1通路部と、第1通路部とオリフィスとを接続する垂直姿勢の第2通路部と、第2通路部と圧力センサとを接続する水平姿勢の第3通路部とを備え、前記圧力センサは、ケーシングと、ケーシングに外方へ突出する状態で設けられて圧力導入孔を形成する圧力導入パイプと、ケーシング内に設けられて圧力導入孔に連通する受圧室と、ケーシング内に設けられて受圧室の圧力に応じて変位するダイヤフラムと、ケーシング内に設けられてダイヤフラムの変位により圧力を電気信号に変換する圧力検出素子とを備え、前記圧力導入パイプの先端部を本体に気密状に取り付け、圧力導入パイプの圧力導入孔と第3通路部とを連通させたことを特徴とする圧力式流量制御装置。
  2. 流体入口と流体出口との間を連通する流体通路を設けた本体と、本体に水平姿勢で固定されて流体通路を開閉する圧力制御用コントロール弁と、本体に前記圧力制御用コントロール弁に対向する状態で固定されて圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路を開閉する開閉弁と、開閉弁の上流側の流体通路に設けたオリフィスと、本体に固定されて圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内圧を検出する圧力センサとを備え、前記流体通路は、圧力制御用コントロール弁とオリフィスとを接続する水平通路部と、水平通路部と圧力センサとを接続する垂直通路部とを備え、前記圧力センサは、ケーシングと、ケーシングに外方へ突出する状態で設けられて圧力導入孔を形成する圧力導入パイプと、ケーシング内に設けられて圧力導入孔に連通する受圧室と、ケーシング内に設けられて受圧室の圧力に応じて変位するダイヤフラムと、ケーシング内に設けられてダイヤフラムの変位により圧力を電気信号に変換する圧力検出素子とを備え、前記圧力導入パイプの先端部を本体に気密状に取り付け、圧力導入パイプの圧力導入孔と垂直通路部とを連通させたことを特徴とする圧力式流量制御装置。
  3. 流体入口と流体出口との間を連通する流体通路を設けた本体と、本体に水平姿勢で固定されて流体通路を開閉する圧力制御用コントロール弁と、本体に前記圧力制御用コントロール弁に対向する状態で固定されて圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路を開閉する開閉弁と、開閉弁の上流側の流体通路に設けたオリフィスと、本体に固定されて圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内圧を検出する圧力センサとを備え、前記流体通路は、圧力制御用コントロール弁と圧力センサの圧力検知面上の圧力検知室とを接続する第4通路部と、第4通路部と離間して圧力検知室とオリフィスとを接続する第5通路部とを備え、前記本体の同じ面に流体入口と流体出口を形成し、流体入口及び流体出口を本体の一方向に配置する構成としたことを特徴とする圧力式流量制御装置。
  4. 開閉弁及びオリフィスを、開閉弁内にオリフィスを一体的に組み付け固定した構成のオリフィス内蔵型弁により形成したことを特徴とする請求項1、請求項2又は請求項3の何れかに記載の圧力式流量制御装置。
  5. 圧力制御用コントロール弁が金属製ダイヤフラム弁体を備え、当該金属製ダイヤフラム弁体が開閉弁の下方位置に配設されていると共に、金属製ダイヤフラム弁体の中央部が本体に形成した弁座に当離座し、前記弁座の中央位置に第1通路部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧力式流量制御装置。
  6. 圧力制御用コントロール弁が金属製ダイヤフラム弁体を備え、当該金属製ダイヤフラム弁体の中央部が本体に形成した弁座に当離座すると共に、前記弁座の中央位置に水平通路部が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の圧力式流量制御装置。
  7. 圧力制御用コントロール弁が金属製ダイヤフラム弁体を備え、当該金属製ダイヤフラム弁体の中央部が本体に形成した弁座に当離座すると共に、前記弁座の中央位置に第4通路部が形成されていることを特徴とする請求項3に記載の圧力式流量制御装置。
  8. 圧力センサは、本体に形成した挿着孔にリングガスケットを介して挿着され、また、圧力センサの圧力検知面上の圧力検知室は、挿着孔の内底面とリングガスケットと圧力センサの圧力検知面とで囲まれた空間から成り、更に、第4通路部が圧力検知室の圧力制御用コントロール弁側の端部に接続されていると共に、第5通路部が圧力検知室の開閉弁側の端部に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の圧力式流量制御装置。
  9. 第1通路部、第2通路部及び第3通路部の断面形状を円形とし、その内径を0.5mm〜1.0mmとしたことを特徴とする請求項1に記載の圧力式流量制御装置。
  10. 水平通路部及び垂直通路部の断面形状を円形とし、その内径を0.5mm〜1.0mmとしたことを特徴とする請求項2に記載の圧力式流量制御装置。
  11. 第4通路部及び第5通路部の断面形状を円形とし、その内径を0.5mm〜1.0mmとしたことを特徴とする請求項3に記載の圧力式流量制御装置。
  12. 本体の同じ面に流体入口と流体出口を形成し、流体入口及び流体出口を本体の一方向に配置する構成としたことを特徴とする請求項2に記載の圧力式流量制御装置。
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