WO2003058363A1 - Advanced pressure type flow control device - Google Patents

Description

明 細 書

改良型圧力式流量制御装置

発明の技術分野

本発明は、 主として半導体製造設備や化学プラント等で使用される圧力式流量 制御装置に関するものである。 更に詳細には、 流体速度が音速よりも小さい領域 で供給される流体の流量を、 新規な実験式を用いて正確に定め、 この実験式に基 づいて、 供給する流体流量を正確に制御するようにした改良型圧力式流量制御装 置に関するものである。

従来の技術

半導体製造設備や化学ブラントなどでは、 原料となる複数のガスを所定の流量 で供給し、 原料ガスを反応炉の中で化学反応させて、 目的ガスを生成する場合が 多い。 このような場合に、 原料ガスの供給流量が正確でないと、 化学反応に過不 足が生じ、 目的ガスの中に原料ガスが残留する事態が生じる。

未反応状態で残留する原料ガスは、 不純物ガスとなり、 目的ガスの純度を低下 させる。 特に、 未反応残留ガスが爆発性のガスである場合には、 後続の製造設備 において爆発の危険性が付きまとい、 爆発性の未反応残留ガスの除去処理に余分 な手間が掛かるという事態が生じる。

そこで、 供給するガスの流量を正確に制御することが必要となり、 従来からマ スフローコントローラをガス流量制御装置として利用する場合が多かった。 とこ ろが、 マスフローコントローラには、 ①応答速度が比較的遅い、 ②低流量領域に おける流量精度が悪い、 ③作動時のトラプルが多い、 ④高コストである、 等の多 くの欠点があった。

そのため、 マスフローコントローラ以外の方式でガス流量制御の精度を高める 必要性が、 指摘されていた。 この要請を受けて、 本発明者等は、 オリフィスを通 過する流体を臨界条件、 即ち流体の流速が音速領域になるように強制的に設定し て、 流体の流量を制御するようにした圧力式流量制御装置を開発し、 特開平 1 0 一 5 5 2 1 8号としてその発明を公開している。

図 5は、 従来から用いられている流体の流量を演算するための理論式の説明図 である。 上流側の流体圧力が に設定された上流側配管からオリフィスに流入 した流体を、下流側配管に、下流側の圧力 P 2 で供給する場合を考える。 ここで、 上流側圧力 Pi と下流側圧力 P ₂ は絶対圧力で表されている。

オリフィスを通過する流体の速度が音速に達する前と、 音速に達した後では、 流体の流量条件が極端に変化する事が分かっている。 音速に達する前の非臨界条 件 （非音速領域） の下では、 下流側流量 Qは Q=SC (Ρ₂ (Ρ -Ρ₂ ) ) ^1/2 /Ύ^{1 2} で与えられる力 音速に達した後の臨界条件 （音速領域） の下では、 Q = SCP! ζτ^1/2 が成立する。 ここで、 Τはオリフィス通過時の流体の絶対温 度、 Sはオリフィス孔の断面積、 Cは比例係数である。

流体速度が音速に達する臨界条件は、 圧力比 P₂ /Pi の臨界値 r _c で与えら れること力 流体力学から分かっている。 この臨界値 r。 は、 ガスの比熱比 nを 用いて、 Ρ₂ /Ρ = r _c = (2/ (n+ 1) ) 一¹) により与えられる。 比熱比 nは n = CpZC vで与えられる。 伹し、 C pは定圧比熱、 C vは定積 比熱である。 2原子分子ガス (例えば〇₂ や H₂ ) では、 n = 7/5 = 1. 4で あり、 r。 =0. 5 3となる。 また非直線型 3原子分子ガスでは、 n = 8Z6 = 1. 3 3であり、 r _c =0. 54となる。 従って、 これらの数値を r _c 二約 0. 5と表記する。

発明が解決しょうとする課題

図 5に示すように、 上流側圧力 を一定とし、 下流側圧力 P ₂ を変数として 臨界条件と非臨界条件を構成する場合を考える。臨界条件は P ₂ ≤ r _c (= 約 0. 5) であるから、 Ps r Pi (=0. 5 P_x ) の領域が音速領域であ る。 逆に、 P₂ (=0. 5 P ) が非音速領域 （非臨界条件） となる。 前述したように、 流体が非臨界条件 （非音速領域） の下にあるとき、 オリフィ スを通過する流体流量 Q cは Q c = SC (P₂ (P! -P₂ ) ) ^1/2 /T^1/2 で 表される。 この式を簡単にすると、 Qc=K (Ρ₂ (Ρ_χ -Ρ₂ ) ) ^1/2 となり、 比例定数 Κは K=SCZT^1/2 で表される。

この流量式はベルヌーィの定理から導出される。 しカゝし、ベルヌーィの定理は、 流体が非圧縮性であるときに成立する理想的条件下の定理である。 一方、 実際の ガス流では、 流体が圧縮したり膨張したりするのが通常であるから、 上記の理論 流量式 Q cは、 実際の流量と比較して当然に誤差を有する。 流体の非圧縮性が近似的に満足されるのは、 流体の圧力変化が小さい場合、 即 ち比重量の変化が小さい場合である。 流体がこのような理想的条件を満足する場 合には、 この流量式を用いて流体の流量制御が行なわれている。 し力 し、 多くの 場合には、 この流体条件から外れるため、 この流量式を用いると精度の高い流量 の制御を行なう事ができない。

そこで、本発明者等は前述した特開平 10— 55218号を公開し、圧力比 P₂ /Pi を臨界圧力比 より強制的に小さくして臨界条件を設定し、この臨界条 件の下で流量を制御する方式を提案している。 従って、 使用する理論流量式は Q c=KPa で、 比例定数 Kは K=SCZT^1/2 で与えられる。

この臨界条件の下では、 流量 Qcが下流側の流体条件に依存しないため、 流量 制御が高精度に行なえるという利点を有している。

し力 し、 この高精度な制御性が得られるのも、 臨界条件が成立することが前提 となっている。 臨界条件が成立しない流体に対し、

の流量式で流量 を制御すると、 相当の誤差を有することになる。

また、 流量式として

を使用しても、 実際の流量が大きい場合には 臨界条件が成立しているが、 流量が小さくなるに従って、 上流側圧力 と下流 側圧力 P₂ が接近し、 非臨界条件になることがある。 このような場合には、 この

は成立しないから、 流量制御に大きな誤差を含むことになつ てしまう。

つまり、 従来の圧力式流量制御装置には、 二つの重大な欠点が存在する。 第 1 は、 非臨界条件下で使用される理論流量式が非圧縮性流体を前提としているため に、 非臨界条件下で圧縮性流体の流量を制御したときには、 大きな誤差が生じる ことである。また、第 2は、臨界条件下の流量式 Qc=K Pi を使用していても、 下流側圧力 P₂ が上昇するに従って非臨界条件が出現する場合があり、 流量式 Q c=KP₁ が流量式 Κ (Ρ₂ (Ρ_χ 一 Ρ₂ ) ) ^1/2 に変化するため、 大きな誤差 を生ずることがある。

従がつて、 本発明に係る改良型圧力式流量制御装置の第一目的は、 非臨界領域 において、圧縮性流体の実際の流量に高精度にフィットする流量実験式を確立し、 この流量実験式を用いて、 高精度で非臨界領域における圧縮性流体の流量制御を 行なう事である。

また、 本発明の第二目的は、 流体条件が臨界条件か非臨界条件かを常に判断し ながら、 臨界条件においては Qc KPi の流量式を用い、 非臨界条件において は前記流量実験式を用いて、 流量の全領域に対して、 高精度な流量の制御を実現 できるようにする事である。

発明の開示

請求項 1の発明は、 流量制御用のオリフィスに流体を流通させるとき、 オリフ イスの上流側圧力 Pi とオリフィスの下流側圧力 P ₂ を用いて、 オリフィスを通 過する流体流量 Qcを Qc=KP₂ ^m (Ρχ -Ρ₂ ) ^η (Κは比例定数、 mと η は定数） により演算することを特徴とする改良型圧力式流量制御装置である。 請求項 2の発明は、 流 i制御用のオリフィスと、 オリフィスの上流側配管に設 けたコント口ールバルブと、 オリフィスとコント口ールバルブの間に設けて上流 側圧力 Pi を検出する上流側圧力センサと、 オリフィスの下流側配管に設けて下 流側圧力 P ₂ を検出する下流側圧力センサと、 上流側圧力 Pa と下流側圧力 P ₂ から演算流量 Qcを Qc=KP₂ ^m (Ρχ _Ρ₂ ) ^η (Κは比例定数、 mと ηは 定数） により演算する流量演算手段と、 下流側に流体を設定流量 Q sで供給する ように指令する流量設定手段と、 設定流量 Q sと演算流量 Q cとの流量差 Δ Qを 演算する減算手段と、 この流量差 をゼロにするようにコントロールバルブを 開閉制御する駆動部とから構成され、 下流側配管に供給する流体の流量を設定流 量 Q sに制御することを特徴とする改良型圧力式流量制御装置である。

請求項 3の発明は、 請求項 2の発明に於いて、 前記ォリフィスから流出する流 体の速度が、 音速よりも小さい状態にある非臨界条件の下で作動させるようにし た改良型圧力式流量制御装置である。

請求項 4の発明は、 流量制御用のオリフィスと、 オリフィスの上流側配管に設 けたコント口ールバルブと、 オリフィスとコント口ールバルブの間に設けて上流 側圧力 Ρ ₁ を検出する上流側圧カセンサと、 オリフィスの下流側配管に設けて下 流側圧力 Ρ₂ を検出する下流側圧力センサと、 上流側圧力 Pi と下流側圧力 P₂ の圧力比によってオリフィスから流出する流体が臨界条件 （音速領域） にあるか どうかを判断する臨界条件判断手段と、 非臨界条件では上流側圧力 と下流側 圧力 P₂ から演算流量 Q cを Qc =KP₂ ^m (Pi -P₂ ) ⁿ (Kは比例定数、 mと nは定数） により演算する非臨界流量演算手段と、 臨界条件では前記演算流 量 Q cを Qc^KP (Kは比例定数） により演算する臨界流量演算手段と、 下 流側に流体を設定流量 Q sで供給するように指令する流量設定手段と、 設定流量 Q sと演算流量 Qcとの流量差 AQを演算する減算手段と、 この流量差 をゼ 口にするようにコントロールバルブを開閉制御する駆動部とから構成され、 下流 側配管に供給する流体の流量を設定流量 Q sに制御することを特徴とする改良型 圧力式流量制御装置である。

請求項 5の発明は、請求項 3又は請求項 4の発明に於いて、臨界圧力比 r。 (= P₂ /V, ) は (2/ (n+ 1) ) ^{n/ (n}一¹) (伹し、 nは Cpノ C Vで定義され る流体分子の比熱比） で計算され、 圧力比 Ρ₂ /Ρχ が臨界圧力比 r。 以下のと きに臨界条件と判断し、 また臨界圧力比より大きいときに非臨界条件と判断する ようにした改良型圧力式流量制御装置である。

図面の簡単な説明

図 1は、 本発明に係る非臨界条件の下における流量実験式と流量測定値の比較 図である。

図 2は、 本発明に係る実験流量式を用いた改良型圧力式流量制御装置の第 1実 施形態の使用状態を示す構成図である。

図 3は、 本発明に係る実験流量式を用いた改良型圧力式流量制御装置の第 2実 施形態の使用状態を示す構成図である。

図 4は、 制御用の流量式が異なる場合の流量の比較図である。

図 5は、 従来から用いられている流体流量の理論式の説明図である。

符号の説明

2は第 1実施形態に係る改良型圧力式流量制御装置、 3は第 2実施形態に係る 改良型圧力式流量制御装置（N F C S )、 4はオリフィス、 4 aはオリフィス孔、 6は上流側配管、 8は下流側配管、 10は上流側圧力センサ、 1 2は下流側圧力 センサ、 14は温度センサ、 1 5 aは圧力比演算手段、 1 5 bは臨界条件判断手 段、 1 6は制御回路、 1 7は流量演算手段、 1 7 aは臨界流量演算手段、 1 7 b は非臨界流量演算手段、 1 8は流量設定手段、 1 9は減算手段、 20はバルブ駆 動部、 2 2はコントロールバルブ、 24はガスタンク、 2 6はレギユレータ、 2 7は供給側配管、 2 8はバルブ、 2 9は制御側配管、 30はバルブ、 3 2はチヤ ンバー、 34はドライポンプ、 Pi は上流側圧力、 P₂ は下流側圧力、 rは圧力 比（ P ₂ /P J ) 、 r _c は臨界値、 Q cは演算流量、 Q sは設定流量、 AQは流 量差である。

発明の実施の形態

図 1は、 本発明に係る非臨界条件の下における流量実験式と流量測定値の比較 図である。 本発明者等は非臨界条件の下で使用される従来の理論流量式を検討し た。 ベルヌーィの定理から導出される従来流量式は、 Q c =K (Ρ₂ (Ρ_α -Ρ₂ ) ) ^{1 /2}である。 書き換えると、 Q c =KP₂ ^1/2 (Ρ_α -Ρ₂ ) ^1/2 となる。 この従来の流量式は、 非圧縮性流体に対しては正確な式であり、 例えば非圧縮 性液体などの流体に対しては、 十分に精度のある流量式である。 この流量式をガ スなどの圧縮性流体に適合させるためには、 この流量式の構造若しくは形式をで きるだけ変えないで、 しかも複数パラメータを有する実験流量式を確立する必要 がある。

そこで、 本発明者等は、 実験流量式として、 Q c =KP₂ ^m (P ₁ -P₂ ) n を提案し、 フィッティング用に mと nの 2パラメータを導入することにした。 こ こで、 比例定数 Kは K= S C/T^1/2 で与えられ、 ガス流の物質条件と絶対温度 Tから計算される。

図 1において、 横軸は下流側圧力 P ₂ を表し、 単位は k P a A (キロパスカル 絶対圧） である。 また、 縦軸は流量 Qを表し、 単位は S C CMで、 標準状態にお ける ccZmin単位の流量を表す。 P₂ -4. 8 [ k P a A] の縦破線は臨界値 r _c の位置を示し、 左側の （A) 領域は臨界条件の領域、 右側の （B) 領域は非臨界 条件の領域を示している。

図 1の中で、 黒菱形は流量の実測値をプロットしたものであり、 この実測値に 合うように前記実験流量式 Q c =KP₂ ^m (P , -P₂ ) ⁿ を演算によりフイツ トさせ、 パラメータ m、 nを決定する。 その結果、 m=0.- 47 1 5 2及び n = 0. 5 94 9 2が得られた。

前記の実験流量式によって計算される流量は、 黒四角でプロットされている。 この実験流量式は、 非臨界条件 （B) の全領域で実測値に高精度にフィットして おり、 また、 臨界条件 （A) の領域でも、 縦破線に近い領域では実測値にフイツ トしている。 mと nの二つの自由パラメータによってフィットさせているため、 臨界条件 （A) の領域の一部においてもフィットする領域が現れたのである。 本発明者等の研究によれば、 二つのパラメータ m、 nの値は、 制御される流量 範囲に依存することが分かっている。 前記した m=0. 47 1 5 2及び11=0. 5949 2の値は、流量が 0〜10 s c c mの領域において成立する値であるが、 流量範囲が 0〜100 s c cni 0〜l 000 s c cmになると、 mと nの値は これらの値からずれてくることが分かっている。

各流量範囲に対してフィットされた mと nの値をバラツキの観点からまとめる と、 0. 40<m< 0. 50及ぴ0. 50<n< 0. 6 5の範囲が得られること が分かった。従って、実際の流量制御においては、制御される流量範囲に応じて、 これらの範囲から選択された最適のパラメータ m、 nの値が用 ヽられる。

前述した： m=0. 47 1 5 2及び n = 0. 5 949 2の値は、 これらの範囲か ら選択された m、 nの一例に過ぎない。 し力 しながら、 ベルヌーィの定理から得 られる m=0. 5及び n = 0. 5がこれらの範囲に含まれていないことは、 特筆 すべきことである。 このことは、 実際の流体が非圧縮性流体という理想流体とは 大きく異なることを意味している。 本発明は、 この現実の流体に対して具体的に 成立する流量実験式を発見することにより、 なされたものである。

以上から、 非臨界条件の下における流量制御では、 実験流量式として Q c =K P₂ ^m (Pi -P₂ ) ⁿ (0. 40 <m< 0. 50、 0. 50 < n < 0. 6 5) を利用すれば、 高精度の流量制御を実現できる。 これはベルヌユイの定理から得 られる従来の Qc =KP₂ ^1/2 (Ρχ -Ρ₂ ) ^1/2 よりも、 はるかに実測値を再 現できるものである。 同時に、 臨界条件の下における理論流量式として Q c =K を併用することにより、 非臨界条件及び臨界条件の全領域にわたって、 高精 度の流量制御を達成する事が可能となる。

図 2は本発明の実験流量式を用いた改良型圧力式流量制御装置の第 1実施形態 の使用状態を示す構成例である。 この改良型圧力式流量制御装置 2は、 供給され る流体が非臨界条件の下にある場合、 即ちオリフィス 4から流出する流体の流体 速度が音速より小さレ、場合を前提に構成されている。

この改良型圧力式流量制御装置 2には、 オリフィス孔 4 aを形成したオリフィ ス 4、 上流側配管 6、 下流側配管 8、 上流側圧力センサ 1 0、 下流側圧力センサ 1 2、 温度センサ 1 4、 制御回路 1 6、 バルブ駆動部 2 0及ぴコントロールバル ブ 2 2が配置されている。

制御回路 1 6は、 マイクロコンピュータと内蔵プログラムを中心に構成されて いるが、 電子回路で構成してもよいし、 或いは、 電子回路と汎用パソコンで構成 してもよい。 この制御回路 1 6は、 実験流量式による流量 Q cを演算する流量演 算手段 1 7と、 流すべき設定流量 Q sを指令する流量設定手段 1 8と、 演算流量 Q cと設定流量 Q sの流量差 A Q (= Q s - Q c ) を計算する減算回路 1 9から 構成されている。 流量差 Δ <3は Q c— Q sにより算出されてもよい。

この改良型圧力式流量制御装置 2の上流側には、 高圧ガスを内蔵するガスタン ク 2 4と、 この高圧ガスのガス圧力を適度に調整するレギユレータ 2 6と、 この ガスを供給側配管 2 7からコント口ールバルブ 2 2に供給するバルブ 2 8が接続 されている。

また、 改良型圧力式流量制御装置 2の下流側には、 流量制御されたガスを流通 させる制御側配管 2 9と、 バルブ 3 0と、 チャンバ一 3 2、 及び真空ポンプとし て機能するドライポンプ 3 4が連結されている。

次に、 この改良型圧力式流量制御装置 2の制御動作を説明する。 上流側では供 給側配管 2 7に所定圧力のガスが供給され、 下流側ではドライポンプ 3 4により 制御側配管 2 9が低圧に設定されている。

コント口一/レバルブ 2 2により上流側配管 6にガスが供給され、 このガスの上 流側圧力 が上流側圧力センサ 1 0により計測される。 同時に、 オリフィス 4 から下流に供給されるガスの下流側圧力 P ₂ が下流側圧力センサ 1 2により計測 される。 また、 オリフィス 4を通過するガスの温度は温度センサ 1 4により測定 される。

この実施例では、 ドライポンプ 3 4の排気量の調整により、 オリフィス孔 4 a 力 ら流出する流体速度は音速より小さく設定されており、 常に非臨界条件が成立 している。 従がつて、 制御回路 1 6では圧力比 P ₂ / Ρ χ は演算されず、 臨界値 r _c との比較判断はなされない。 即ち、 この実施例は、 P₂ >r。 が常に 成立した非臨界条件の下にあることを前提として、流体の流量制御が行なわれる。 上流側圧力 、 下流側圧力 P ₂ 及びガス温度 Tは流量演算手段 17に入力さ れる。 この流量演算手段 17では、 ガス温度 Tから比例定数 Kが計算され、 両圧 力 Pi · P₂ から P₂ ^m (Ρ —P₂ ) ⁿ が計算され、 最終的に演算流量 Qcが Qc=KP₂ ^m (Pi — P₂ ) ⁿ から演算される。 この演算流量 Q cがオリフィ ス 4により現在供給されている流量を示す。

下流側に供給されるべき目標となる流量は、 流量設定手段 18を通して設定流 量 Q sとして入力される。 この設定流量 Q sと前記演算流量 Q cは減算手段 19 に入力され、 流量差 ΔΟが AQ = Q s_Qcにより計算される。 この流量差 AQ が正なら流量不足であり、 負なら流量過剰であることを意味する。

そこで、 この流量差 AQの信号がバルブ駆動部 20に出力され、 この流量差厶 Qをゼロにするようにコントロールバルブ 22を開閉制御する。 従がつて、 流量 不足 （Δ(3>0) ならコント口ールバルブ 22は少しだけ開度を大きくし、 流量 過剰 （ Δ Q < 0 ) ならコント口ールバルブ 22は少しだけ開度を小さくし、 Δ Q をゼロにするように自動調整される。

この改良型圧力式流量制御装置 2では、 上流側圧力 Pi と下流側圧力 P ₂ が連 続的に計測されるから、 コント口ールバルブ 22の開閉は高速に連続制御され、 流量制御の高精度化と自動化と高速化が同時に達成できる利点を有する。

本発明の要点となる実験流量式 Qc=KP₂ ^m (Ρ_α 一 Ρ₂ ) ^η は、 非臨界条 件の下における流体の流量を正確に表現するだけでなく、 臨界条件の領域におい ても、 臨界値に隣接する領域の流量を正確に表現していることは既に説明してい る。 従がつて、 非臨界条件を前提とする流体制御系に限らず、 非臨界条件と臨界 条件の両者を包含する領域に対しても、 この改良型圧力式流量制御装置 2を使用 することも可能である。

図 3は、 本発明に係る実験流量式を用いた改良型圧力式流量制御装置の第 2実 施形態の使用状態を示す構成図である。 この第 2実施形態では、 改良型圧力式流 量制御装置 3の制御回路 16の内部構成が図 2の第 1実施形態の場合と異なって いるだけで、他の構成は図 2と同様である力 ら、異なる点だけを以下に説明して、 他の部分の説明を省略する。

第 2実施形態では、上流側圧力 P 1と下流側圧力 P 2から圧力比 r = P ₂ Z P ₁ を算出し、 流体が臨界条件の下にあるか、 或いは非臨界条件の下にあるかを常時 判断し、 臨界条件の下では流量式 Q c =K Pi を用い、 非臨界条件の下では実験 流量式 Q c =KP₂ ^m (Ρχ -Ρ₂ ) ^η を用いて、 現在の最も厳密な方式で流量 制御を行なうものである。

この第 2実施形態の改良型圧力式流量制御装置 3がべストモ一ドであるから、 この改良型圧力式流量制御装置 3を NF C S (New Flow Control System ) と称 する。 制御回路 1 6は、 圧力比演算手段 1 5 a、 臨界条件判断手段 1 5 b、 臨界 流量演算手段 1 7 a、 非臨界流量演算手段 1 7 b、 流量設定手段 1 8及び減算手 段 1 9から構成されている。

上流ィ則圧力 Pi と下流側圧力 P₂ が入力されると、 圧力比演算手段 1 5 aでは 圧力比 P₂ Pi が計算され、 その値 rが記憶される。 この値 _rは臨界条件判断 手段 1 5 bに入力され、 臨界値 r。 と比較される。

前述したように、 臨界値 r cは （2ノ （n+ 1) ) —¹) により与えられ、 2原子分子ガスでは r。 = 0. 5 3、 非直線型 3原子分子ガスでは r。 = 0. 5 4であり、 1"。=約0. 5と表記される。

r > r _c のときは非臨界条件の下にあり、 非臨界流量演算手段 1 7 bにより、 演算流量 Q cは Q c =KP₂ ^m (P₁ 一 P₂ ) ⁿ から計算される。 r≤ r _c のと きは臨界条件の下にあり、 臨界流量演算手段 1 7 aにより、 演算流量 Q cは Q c =KP₁ から計算される。 このように現在の流体が臨界条件又は非臨界条件のい ずれかにあるかを常時チェックしながら、 実際の流量を適切な流量式で推定する のである。

最終的に、 設定流量 Q sと演算流量 Q cとの流量差 AQを減算手段 1 9で計算 して、 流量差 AQがゼロになるようにバルブ駆動部 20を動作させてコントロー ルバルブ 2 2を開閉制御する。

図 4は制御用の流量式が異なる場合の流量の比較図である。 黒菱形は臨界条件 の下における流体の流量式 を全領域 （臨界条件と非臨界条件） に対し て使用した場合を示し、 従来の FC S (Flow Control system ) に相当する。 他 方、 黒三角は、 図 3に示す NFCS (新型 FCS) に相当する。

最大流量を 80 [ S C CM] とし、 設定流量 Q sを 100 %としたときに 80 [ SCCM] の流量が流れるように設定する。 従がつて、 流量が大きいほど臨界 条件 （音速領域） が満足され、 流量が小さくなるほど非臨海条件 （非音速領域） に移行すると考えられる。

従来の F C S (黒菱形）では Q = K P の流量式だけで全領域を制御するから、 設定流量が大きい場合には臨界条件が満足され、 正しい流量を示している。 とこ ろが、 設定流量が小さくなると、 非臨界条件の下に移行するから、 臨界条件の下 における流量式では正確な流量を反映せず、 設定流量が 10%もあるのに流量 = 0と間違った結果を出してしまう。 従がつて、 小流量域では FCSを補正する機 構が必要であった。

ところが、 NFCSの場合には、 臨界条件の下では臨界条件の流量式 Q c =K Pi を用い、非臨界条件の下では非臨界条件の実験流量式 Qc=KP ₂ ^m (Pi — P₂ ) ⁿ を用いるから、 設定流量に比例した正確な流量 Qを算出し、 流量 Qの設 定。 /₀に対する直線性が、 図 4の黒三角に示すように保証されている。

• 本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、 本発明の技術的思想を逸脱 しない範囲における種々の変形例や設計変更などをその技術的範囲内に包含する ことは云うまでもない。

発明の効果

請求項 1の発明によれば、 オリフィスを通過する流体流量 Q cを、 実際の流量 を正確に再現する実験流量式 Qc=KP₂ ^m (P, -P₂ ) ⁿ で演算するから、 流量制御を高精度で行なえる改良型圧力式流量制御装置を実現できる。

請求項 2の発明によれば、設定流量 Q sに対し、演算流量 Q cを Q c = KP ₂ ^m (Ρα — Ρ₂ ) ^η で演算し、 両者の流量差 ΔΟ

。又は<30 _(33) をゼロにするようにコントロールパルプを開閉制御するから、 供給する流体の流 量を正確力つ高速に設定流量に制御できる改良型圧力式流量制御装置を実現でき る。

請求項 3の発明によれば、 オリフィスから流出する流体が非臨界条件の下にあ るときに請求項 2の改良型圧力式流量制御装置を動作させるから、 高精度の改良 型圧力式流量制御装置を提供できる。

請求項 4の発明によれば、 オリフィスから流出する流体が臨界条件の下にある ときには、 臨界条件の下における流量式 Q = KP 1を用い、 非臨界条件の下にあ るときには、 非臨界条件の下における実験流量式 Q c=KP ₂ ^m (P₁ -P₂ ) ⁿ を用いて流量の制御をするから、流体が臨界条件から非臨界条件の間を変化して も、 この変化に高速に追従しながら流体の流量の制御を高精度に行なうことがで きる。

請求項 5の発明によれば、 オリフィスの上流側圧力 と下流側圧力 P ₂ を検 出するだけで、 流体が臨界条件の下にあるか或いは非臨界条件の下にあるかを正 確に判断でき、 あらゆる流体の制御に対応することができる。

Claims

請 求 の 範 囲

流量制御用のオリフィスに流体を流通させるとき、 オリフィスの上流側圧力 P とオリフィスの下流側圧力 P ₂ を用いて、 オリフィスを通過する流体流量 <3。を<30 =1^?₂ ^m (P -P₂ ) ⁿ (Kは比例定数、 mと ηは定数） によ り演算することを特徴とする改良型圧力式流量制御装置。

流量制御用のォリフィスと、 オリフィスの上流側配管に設けたコントロール バルブと、 オリフィスとコント口ールバルブの間に設けて上流側圧力 Ρ ₁ を検 出する上流側圧力センサと、 オリフィスの下流側配管に設けて下流側圧力 Ρ ₂ を検出する下流側圧力センサと、 上流側圧力 と下流側圧力 Ρ₂ から演算流 量 Q cを Q c =KP₂ ^m (Pi -P₂ ) ⁿ (Kは比例定数、 mと nは定数） に より演算する流量演算手段と、 下流側に流体を設定流量 Q sで供給するように 指令する流量設定手段と、 設定流量 Q sと演算流量 Q cとの流量差 AQを演算 する減算手段と、 この流量差 Δ Qをゼロにするようにコント口ールバルブを開 閉制御する駆動部とから構成され、 下流側配管に供給する流体の流量を設定流 Q sに制御することを特徴とする改良型圧力式流量制御装置。

前記オリフィスから流出する流体の速度が音速よりも小さい状態にある非臨 界条件の下で作動する請求項 2に記載の改良型圧力式流量制御装置。

流量制御用のオリフィスと、 オリフィスの上流側配管に設けたコント口ール バルブと、 オリフィスとコント口ールバルブの間に設けて上流側圧力 P！ を検 出する上流側圧カセンサと、 オリフィスの下流側配管に設けて下流側圧力 P 2 を検出する下流側圧力センサと、 上流側圧力 Pi と下流側圧力 P ₂ の圧力比に よってオリフィスから流出する流体が臨界条件 （音速領域） にあるかどうかを 判断する臨界条件判断手段と'、 非臨界条件では上流側圧力 Pi と下流側圧力 P ₂ 力 ら演算流量 Q cを Q c =KP₂ ^m (P , -P₂ ) ⁿ (Kは比例定数、 mと nは定数） により演算する非臨界流量演算手段と、 臨界条件では前記演算流量 0。を00 =1^?₁ (Kは比例定数） により演算する臨界流量演算手段と、 下 流側に流体を設定流量 Q sで供給するように指令する流量設定手段と、 設定流 量 Q sと演算流量 Q cとの流量差 を演算する減算手段と、 この流量差 をゼロにするようにコントロールバルブを開閉制御する駆動部とから構成され、 下流側配管に供給する流体の流量を設定流量 Q sに制御することを特徴とする 改良型圧力式流量制御装置。

5 臨界圧力比 r。 （=P₂ /Pi ) は （2 （n+ 1) ) ⁿ " (伹し、 n は CpZCvで定義される流体分子の比熱比）で計算され、圧力比 P₂ /V_x が臨界圧力比 r。 以下のときに臨界条件と判断し、 また臨界圧力比より大きい ときに非臨界条件と判断する請求項 3又は 4に記載の改良型圧力式流量制御装