WO2007055370A1 - 流体制御装置と圧力調節弁と制御方法 - Google Patents

Abstract

　高圧流体を大流量の条件下で調節弁を用いて急激に減圧すると、気体の膨張により流体自身の温度が急激に低下し、調節弁の下流部の温度が氷点下になる可能性がある。気体中に水分が含まれている場合、縮流部である弁孔の弁座－弁体－弁座間隙の流路表面で水分が凍りつき、弁体の動きを妨げ、流体制御に支障をきたすことがある。これにより、気体の脈動、調節弁の異常振動、弁座のエロージョン、騒音等を引き起こし、気体供給システムの健全な運転の維持は困難となる。流体圧力の制御機器では弁座付近の縮流部が氷結しても流体制御を可能とすることが重要である。 　制御対象の流体流路に沿って、遮断弁（２）と、調節弁（３）と、圧力センサー（４）とを一体化して設け、該圧力センサー（４）の検出圧力信号をもとに、遮断弁（２）と、調節弁（３）とを自動制御することを特徴とする流体制御装置。

Description

明 細 書

流体制御装置と圧力調節弁と制御方法

技術分野

[0001] 本発明は、半導体製造プラントや液晶製造プラントなどを代表とする高圧ガス利用 施設で用いられる。流体を利用する燃料電池の燃料供給装置や、分析装置や、医 療機器にも使用される。特に、流体の圧力と流量の制御装置に関する。

背景技術

[0002] 現在、半導体製造装置や液晶製造装置などに用いられる様々な流体、特に高圧 流体は、まず減圧弁によって圧力が制御され、その後、流量計によって製造装置へ の流量が制御される。また、流量計は通常 IMPa (パスカル)以下の低圧条件下で使 用されるので、高圧ボンべを直接つな!/、で流量計を高圧条件下で使用することはで きない。

[0003] 通常、ガスボンベに収容されているガスの圧力は、そのまま利用するには圧力が高 すぎる。また、ガス圧力は周囲温度、ガス残量等の要因により大きく変動する。そのた め、ガスを利用するガス供給設備では、供給ガス圧力制御機器が利用されている。 一般的に、この制御機器は圧力変化をダイヤフラムで検知し、ダイヤフラムの偏位に 連動して動く調節弁を持ち、供給ガスの入口圧力が変動しても出口圧力が一定とな るよう調節弁を作動させて、所定の出口ガス圧力を得るようにしている（例えば、特許 文献 1参照)。

特許文献 1 :特開 2004— 318683号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 通常、ボンべ等に封入されている高圧流体は流体圧力制御機器内の自力式減圧 弁によって減圧され、流体利用設備に供給される。しかし、従来使用されている自力 式減圧弁では、上流側圧力の変化や流量変化によって調圧精度が低下する。特に 流量変化が大きく大流量になると共にその傾向が著しぐ調圧されるべき下流側圧力 は数十パーセント変化してしまう。また、流体が気体の場合、大流量の条件下で急激 に減圧すると、気体の膨張により流体自身の温度が急激に低下し、減圧弁の下流部 の温度が氷点下になる可能性がある。特に、流路の最小断面積部となる弁座付近の 縮流部で、流体温度が最低となる場合が多い。気体中に水分が含まれている場合、 縮流部である弁孔の弁座 弁体 弁座間隙の流路表面で水分が凍りつき、弁体の 動きを妨げる。自力式減圧弁の駆動力では弁体を動かすことができなくなり、流体制 御に支障をきたすことがある。特に、榭脂製の弁座を用いている場合、弁座が凍りつ くと、弁座に損傷を及ぼす可能性がある。弁座が損傷を受けると、弁座でのガス漏洩 量が多くなり、その結果、下流側配管の圧力が上昇するので、下流の機器を危険に 晒すことになる。自力式減圧弁に遮断機能が備わっていないことも一つの問題である 。また、制御しょうとする気体が液化しやすい条件の場合、減圧弁縮流部の低温領 域で気体が液ィ匕する場合が多い。これにより、気体の脈動、減圧弁の異常振動、弁 座のエロージョン、騒音等を引き起こし、気体供給システムの健全な運転の維持は困 難となる。従来、このような低温により引き起こされる問題に対して、弁の外表面にヒ 一ターを設置し、温度制御装置を介して加熱する等の処置が取られてきた。大流量 用の場合、弁が非常に大型になり高価になると共に、低温対策のためにヒーターや 温度制御装置を用意しなければならないという経済的な問題もある。さらに、従来半 導体製造装置用に使用される自力式減圧弁の構造にお!ヽては、同目的の遮断弁の 構造に比して、流路とならないむだな空間が多ぐガス置換特性が悪く残留成分が残 り易い、反応生成物やパーティクル等を捕獲し易 ヽ等の問題がある。

[0005] 流体圧力制御機器では、上流側圧力の変化や流量変化に対して下流圧力を設定 圧力の通りに一定に維持する、制御対象の流体流路の最小断面積部となる弁座付 近の縮流部を氷結させなヽ、例え弁座付近の縮流部で氷結が起きても制御不能に 陥らない、半導体製造装置用の用途にも十分に対応できる等の工夫が極めて重要 である。それらを満足する流体圧力制御装置を安価で提供することも重要な課題で ある。

課題を解決するための手段

[0006] 上記目的を達成するために、請求項 1に記載した、制御対象の流体流路に沿って 、遮断弁と、調節弁と、圧力センサーとを設け、該圧力センサーの検出圧力信号をも とに、遮断弁と、調節弁とを自動制御することを特徴とする流体制御装置。

請求項 2に記載した、請求項 1で、遮断弁と、調節弁と、圧力センサーとを一体化し た構造を特徴とする流体制御装置。

請求項 3に記載した、制御対象の流体流路に沿って、遮断弁と、調節弁と、調節弁 の下流に配置された温度センサーと、加熱ヒーターと、圧力センサーとを設け、該圧 力センサーの検出圧力信号をもとに、遮断弁と、調節弁とを自動制御すると同時に、 該温度センサーの信号をもとに加熱ヒーターの発熱量を自動制御して下流に配置さ れた機器が結露温度以下の低温に晒されるのを防止することを特徴とする流体制御 装置。

請求項 4に記載した、請求項 3で、遮断弁と、調節弁と、調節弁の下流に配置され た温度センサーと、加熱ヒーターと、圧力センサーとを一体化した構造の流体制御装 置。

請求項 5に記載した、調節弁の上流あるいは下流、あるいは上流と下流にオリフィス 機構を配したことを特徴とする流体制御装置。

請求項 6に記載した、請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5 、ずれカゝ の調節弁のベローズ部にパージおよびベント流路を設けることを特徴とする流体制 御装置。

請求項 7に記載した、請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5、請求項 6 の!、ずれかで、調節弁の下流側にフィルターを配置することを特徴とする流体制御 装置。

請求項 8に記載した、請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5、請求項 6 、請求項 7のいずれかで、圧力センサーが遮断弁と調節弁の間に追加配置されるこ とを特徴とする流体制御装置。

請求項 9に記載した、請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5、請求項 6 、請求項 7、請求項 8のいずれかで、調節弁駆動部に均等配置された複数の駆動軸 付勢手段、ゴム製ダイヤフラムを備え、正作動多段式としたことを特徴とする流体制 御装置。

請求項 10に記載した、請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5、請求項 6、請求項 7、請求項 8のいずれかで、調節弁駆動部に均等配置された複数の駆動 軸付勢手段、ゴム製ダイヤフラムを備え、逆作動多段式としたことを特徴とする流体 制御装置。

[0008] 請求項 11に記載した、弁座と弁体との間隙流路を調整して流体を制御する調節弁 において、弁座と弁体の間隙流路で形成される流路制御部を多段式とし、下流側の 流路制御部の流路断面積が上流側の流路制御部の流路断面積よりも大きいことを 特徴とする調節弁。

請求項 12に記載した、弁座と弁体との間隙流路を調整して流体を制御する調節弁 にお 、て、弁座とガスケットとを一体化した構造を特徴とする調節弁。

[0009] 請求項 13に記載した、流体制御装置の流体流路に沿って設けた流量計の流量測 定結果と、同様に流体制御装置の流体流路に沿って配置した圧力計の圧力測定結 果とを、電気信号として前記流体制御装置のコントローラーにフィードバックすること を特徴とする流体の制御方法。

[0010] 請求項 14に記載した、請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5、請求項 6、請求項 7、請求項 8、請求項 9、請求項 10のいずれかで、メタルダイヤフラムを用 いた遮断弁と、ベローズシールを用いた調節弁とで構成したことにより、流体の滞留 を最小にする構造を有し、なおかつ、流体が接触する流路全面が鏡面研磨されてい ることを特徴とする流体制御装置。

発明の効果

[0011] 請求項 1、 2、 3、 4の発明によれば、流体圧力制御装置が電気機械式自動制御機 構を備えることにより、一次側 (流体供給側)の流体圧力や供給流体の流量の増減に 依存しないで、二次側 (流体需要側)の圧力を常に一定に保つことができる。また、制 御装置において、圧力センサーを最上流側に配置すれば、流体需要側の圧力制御 だけでなぐ流体供給側の圧力制御も可能となる。さらに、制御装置の弁箱は一体型 でもよいが、遮断弁と調節弁を備える弁箱と圧力センサーを備える流路に分割し、ガ スケットを介して連結して使用してもよい。通常、圧力センサーの感圧部は圧力セン サ一の継手接続部よりも遠ざけて設計されているため、その内部流路は袋小路とな つていることが多い。継手接続時に、ガスケット近傍の部材が歪んでその影響を受け 易いからである。弁箱と圧力センサー流路を分離型とすれば、圧力センサーを圧力 センサー流路に設置した後でも圧力センサーの校正は容易であり、また、圧力セン サーを圧力センサー流路に設置したまま交換することが可能となる。これにより、圧力 センサーの感圧部を圧力センサーの継手接続部に近づけて設計することができるた め、内部流路の袋小路となる部分は最小となりガス置換特性が改善する。

[0012] また、請求項 1、 2の発明によれば、遮断弁を調節弁の上流側に配置する場合、調 節弁の上下流の差圧が遮断弁のものに比して高差圧となるため、調節弁が低温に晒 されても、遮断弁は低温に晒されることがなぐ流体供給システムにおいて流体遮断 機能を健全に維持することができる。し力も、調節弁が低温に晒さらされても、自力式 減圧弁と比較して強力な電気機械駆動力を持たせることにより、例え弁体が凍りつい ても容易に弁体を動力して流体を制御することが可能である。そのうえ、調節弁の弁 座に金属製の弁座のみを用いれば、流量特性劣化と弁座部遮断時の流体漏れ量を 最小限に保つことが可能である。

[0013] 請求項 2、 3の発明によれば、本発明の流体圧力の制御装置の下流部分がいった ん低温状態に晒されても、熱電対等の温度センサーと電熱線等のヒーターによる温 度調節機能を備えることにより、流体縮流部等の温度低下部を加熱して、低温状態 での不具合を回避することができる。特に、下流に配置された機器を低温から守るこ とが可能になる。また、新たに温度制御装置を用意する必要がなぐ経済的である。

[0014] また、請求項 2、 4の発明によれば、流体制御装置が小型化でき、流体制御装置の 設置場所の自由度が高まる。

[0015] 請求項 5の発明によれば、調節弁の上下流にオリフィスを配置し、調節弁にかかる 流体差圧を軽減してオリフィス部にも差圧を分配させる多段減圧機構を備えること〖こ より、調節弁の流体縮流部における急激な圧力降下'温度降下を抑制し、流体縮流 部での流体中の水分の凍結、流体の液ィ匕によるトラブルを回避することができる。

[0016] 請求項 6の発明によれば、調節弁にベローズシールを用いる場合、その部分は流 体の袋小路となるため、ガス置換特性が悪ィ匕する。ベローズシール部に、パージ (pur ge)およびベント (vent)流路を設けることにより、ガス置換特性 (高速化、高純度化)を 改善することができる。 [0017] 調節弁は弁体と弁孔の間隙面積を調節することによって流量を調節する。その構 造上、どうしても微少な磨耗異物が発生する。請求項 7の発明によれば、調節弁の下 流にフィルターを配置することにより、調節弁等で発生する異物の流体需要側への 流入を防止できる。

[0018] 請求項 8の発明によれば、遮断弁と調節弁の間にも圧力センサー備えることにより、 調節弁での正確な流量特性の測定が可能となり、また、本発明の流体圧力の制御機 器の遮断弁と調節弁のいずれかの弁座部にリークが発生した場合、どちらの弁座部 でリークが発生しているか同定可能になり、装置異常の自己診断手段として利用でき る。また、高圧流体等はボンベによって供給されることが多ぐボンベに詰められた高 圧流体の残圧監視手段としても使用可能である。

[0019] 請求項 9の発明によれば、調節弁に正作動多段式の駆動部を備えることにより、駆 動部形状がコンパクトになり、かつ、高出力で駆動部操作用の流体室の圧力変化を 小さなヒステリシス差で調節弁の弁開度に変換でき、高圧流体の高精度な制御がで きる。また、電源遮断あるいは駆動部操作流体圧力が消失した場合、弁体が全開と なり、上流圧力を開放する場合に有効である。

[0020] 請求項 10の発明によれば、調節弁に逆作動多段式の駆動部を備えることにより、 駆動部形状がコンパクトになり、かつ、高出力で駆動部操作用の流体室の圧力変化 を小さなヒステリシス差で調節弁の弁開度に変換でき、高圧流体の高精度な制御が できる。また、電源遮断あるいは駆動部操作流体圧力が消失した場合、弁体が全閉 となり、上流圧力を遮断する場合に有効である。

[0021] 請求項 11の発明によれば、調節弁の流路制御部が多段式となっているので、請求 項 3の発明と同様に、調節弁に力かる流体差圧を複数に分割し、一つ当たりの差圧 を軽減させる多段減圧機構を備えて!/、るので、調節弁の流体縮流部における急激な 圧力降下'温度降下を抑制し、流体縮流部での流体中の水分の凍結、流体の液ィ匕 によるトラブルを回避することができる。

[0022] 請求項 12の発明によれば、弁座とガスケットとを一体ィ匕しているので、小型で、気 密性に優れた調節弁が実現できる。また、少なくとも弁体に接触する弁座の表面に 高価で耐摩耗性の有るコバルト基合金 (Co— Cr— W合金：例えばステライト (登録商 標)）を少量だけ溶接して用いることができ、ステンレス等の一般金属材料製、合成榭 脂製の弁座を使用する場合に比して、弁座の劣化が少なぐ調節弁の流量制御特性 の劣化を少なくできる。

[0023] 請求項 13の発明によれば、主に圧力制御を行い、流量計が予めコントローラーに て設定された値を超えた場合、流量を制限する、あるいは逆に、設定された値を下回 つた場合、流量を増やすというように、圧力制御と共に流量の制御がある程度可能と なる。また、主に流量制御を行い、流体圧力が予めコントローラ一にて設定された値 を超えた場合、圧力が低下するように流量を制限する、あるいは逆に、設定された値 を下回った場合、圧力が増加するように流量を増やすというように、流量制御と共に 圧力に関してもある程度の制御が可能となる。

[0024] 請求項 14の発明によれば、メタルダイヤフラムを用いた遮断弁と、ベローズシール を用いた調節弁とで構成したことにより、流体の滞留を最小にする構造を有し、なお かつ、流体が接触する流路全面が鏡面研磨されているので、ガス残留成分、反応生 成物、パーティクル等が流路内に残らず、半導体製造装置用として最適な流体制御 装置を提供できる。

図面の簡単な説明

[0025] [図 1]第 1の実施例である流体制御装置の構成概念図

[図 2]第 2の実施例である流体制御装置の構成概念図

[図 3]第 3の実施例である流体制御装置の構成概念図

[図 4]調節弁のベローズ部に設けたパージおよびベント部近傍の断面図

[図 5]調節弁下流側にフィルターを配置することを特徴とする流体制御装置の構成概 念図

[図 6]圧力センサーが遮断弁と調節弁の間に追加配置されたことを特徴とする流体制 御装置の構成概念図

[図 7]調節弁駆動部を正作動多段式としたことを特徴とする流体制御装置の構成概 念図

[図 8]調節弁駆動部を逆作動多段式としたことを特徴とする流体制御装置の構成概 念図 圆 9A]2段式流路制御部を有する、弁座と弁座保持具とガスケットとを一体ィ匕した構 造の調節弁

圆 9B]2段式流路制御部を有する、弁座がガスケットを一体ィ匕した弁座保持具と独立 した構造の調節弁

[図 10A]流路制御部が 1段構造の調節弁の圧力、温度、流量変化を示す模式図

[図 10B]流路制御部が 3段構造の調節弁の圧力、温度、流量変化を示す模式図

[図 11]請求項 11に記載した流体流量の制御方法を示す概念図

[図 12]本発明の流体制御装置を用いた窒素ガス供給システムの概念図

圆 13]本発明の流体制御装置を用いた窒素ガス供給システムの運転特性 (実測値） 符号の説明

1、 21、 31、 51、 61、 91 流体流入 PI

2、 12、 22、 32、 52、 62 遮断弁

3、 13、 23、 33、 43、 53、 63 調節弁

3A、 23A、 33A 弁体

3B、 23B、 33B 弁座

4、 14、 24、 34、 54、 64A、 64B 圧力センサー

5、 25、 35、 55、 65、 92 流体流出 PI

6、 26、 36、 46、 56、 66、 70、 80 …調節弁駆動部

7, 17

8、 18

9、 19 コントローラー

15 流量計

28 力嘟ヒ一タ一

29 温度センサー

38、 39 オリフィス

41 ベローズ

42 ベントおよびパージ流路

44、 45 ベントおよびパージ口 47 ボンネット

58 フィルター

71、 81 制御空気取り入れ口

72A、 72B、 82A、 82B ダイヤフラム

73A、 73B、 83A、 83B 制御空気室

74A、 74B、 84A、 84B 通気孔

75、 85 調節弁駆動軸

96 弁座とガスケットが一体化した構造の弁座保持具

96B 弁座が弁座保持具から独立した構造のガスケット一体形 弁座保持具

97 弁座

98 ##：

G1 第一段目流路制御部

G2 第二段目流路制御部

S ボンネットとべローズの間の 間隙

発明を実施するための最良の形態

[0027] 本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本発明はその趣旨をはずれな い限り、以下の実施例によって限定されるものではない。

実施例 1

[0028] 図 1は第 1の実施例である請求項 2の流体制御装置の構成概念図である。制御対 象の流体流路に沿って、遮断弁 (2)と、調節弁 (3)と、圧力センサー (4)とを一体ィ匕 して設け、該圧力センサー (4)の圧力検出信号をもとに、遮断弁 (2)と、調節弁 (3)と をコントローラ（9)の指示により自動制御することを特徴とする。

[0029] 図 1において、高圧ガスボンベ等に収容された高圧流体は流体流入口（1)から流 体制御装置に流入して、遮断弁 (2)、調節弁 (3)、圧力センサー (4)各部の流路を 経由して、所定の圧力に減圧されて、流体流出口（5)から流出する。流体の流路を 理解しやす 、ように、流体流入口（ 1)、遮断弁 (2)、調節弁 (3)、圧力センサー (4)、 流体流出口（5)の主要部は断面図で示している。

[0030] 所望の流体流出口（5)圧力はコントローラー（9)で初期設定する。まず、圧力セン サー (4)が流体流出口（5)の圧力を測定してコントローラー（9)に測定値を伝達する 。圧力センサー (4)の測定値と流体流出口（5)の圧力設定値との偏差に応じて、コン トローラー (9)は電磁弁 (7)と電気空気圧 (以下電空と略記する)変換機 (8)に、制御 プログラムにより演算された電気制御信号を送出する。制御信号を受け取った電磁 弁 (7)により機械的に遮断弁 (2)が開口され、次に電空変換機 (8)で電気制御信号 が空気圧変化に変換されて圧力調節弁駆動部 (6)に入力され、調節弁 (3)の弁体（ 3A)を機械的に上下に移動させ、流体流出口（5)で所望の圧力が得られるように、 弁体 (3A)と弁座 (3B)との間隙がフィードバック制御により自動調節される。

実施例 2

[0031] 図 2は第 2の実施例である請求項 4の流体制御装置の構成概念図である。制御対 象の流体流路に沿って、遮断弁 (22)と、調節弁 (23)と、調節弁の下流に配置され た温度センサー（29)と、加熱ヒーター (28)と、圧力センサー（24)とを一体化して設 け、該圧力センサー (24)の圧力検出信号をもとに、遮断弁 (22)と、調節弁 (23)とを 自動制御すると同時に、該温度センサー（29)の信号をもとに加熱ヒーター（28)の発 熱量を自動制御することを特徴とする。温度センサー（29)の温度検出点を流体の流 路中に置いても良い。

図 2は、図 1に示す制御装置に温度センサー（29)と、加熱ヒーター（28)とを追カロ 配置した構造を有す。調節弁近傍の温度を温度センサー (29)で計測して、調節弁 の下流が結露温度以下の低温に晒されるのを防止するように、加熱ヒーター (28)の 発熱量を自動制御する構造を有して!/、る。

実施例 3

[0032] 図 3は第 3の実施例である請求項 5の流体制御装置の動作を説明するための構成 概念図である。調節弁の上流あるいは下流、あるいは上流下流にオリフィス機構を配 したことを特徴とする。

図 3に示すように、調節弁（33)の上下流にオリフィス（38、 39)を配置し、調節弁（3 3)にカゝかる流体差圧を軽減してオリフィス部にも差圧を分配させる多段減圧機構を 備えることにより、調節弁の流体縮流部における急激な圧力降下 ·温度降下を抑制し ている。

実施例 4

[0033] 図 4に、第 4の実施例である請求項 6の調節弁 (43)のべローズ部 (41)とベントおよ びパージ流路（42)の断面を図示している。置換流体のベントおよびパージ口（44、 45)を利用してベローズ部で停滞して 、る流体を排気する。

調節弁にベローズシールを用いる場合、調節弁の弁体と弁座が形成する間隙を通 り抜けて流入した流体の一部は袋小路になって 、るべローズ部で停滞するため、ガ ス置換特性が悪ィ匕する。この部分に、パージおよびベント流路を設けることにより、ガ ス置換特性を改善することができる。

実施例 5

[0034] 図 5に、第 5の実施例である調節弁（53)の下流側にフィルター（58)を配置すること を特徴とする請求項 7の流体制御装置の概念図を示す。流体の流路を見易くする目 的で主要部は断面図で示して 、る。調節弁（53)で圧力が調節された流体はフィルタ 一（58)で異物が除去されて流体流出口（55)力 流体需要側に送り出される。 実施例 6

[0035] 図 6に、第 6の実施例である圧力センサー（64B)が遮断弁（62)と調節弁（63)の間 に追加配置されることを特徴とする請求項 8の流体制御装置の概念図を示す。流体 の流路を見易くする目的で主要部は断面図で示している。

遮断弁 (62)と調節弁 (63)との間にも圧力センサー (64B)を備え、調節弁 (63)の 上流の圧力を測定して、正確な流量特性の測定を可能とした。また、本発明の流体 圧力の制御機器の遮断弁と調節弁のいずれかの弁座部にリークが発生した場合、ど ちらの弁座部でリークが発生しているか同定可能になり、装置異常の自己診断手段 として利用できる。そのほか、高圧流体等はボンベによって供給されることが多ぐボ ンべに詰められた高圧流体の残圧監視手段としても圧力センサー（64B)は使用可 能である。

実施例 7 [0036] 図 7に、第 7の実施例である調節弁駆動部を正作動 2段式としたことを特徴とする請 求項 9の流体制御装置の調節弁駆動部の断面図を示す。均等配置された複数の駆 動軸付勢手段、ゴム製ダイヤフラム（72A、 72B)、複数の制御空気室（73A、 73B) で構成されている。本図では、空気圧を機械力に変換するダイヤフラムが 2枚ある 2 段式調節弁駆動部を示すが、ダイヤフラムを 3枚以上にしても良い。調節弁駆動部を 多段式として、駆動部形状がコンパクトになり、かつ、高出力を実現できる。また、均 等配置された複数の駆動軸付勢手段、ゴム製ダイヤフラムを備えることにより、流体 室の圧力変化を小さなヒステリシス差で調節弁の弁開度に変換でき、高圧流体の高 精度な制御ができる。

[0037] 電空変換器（図示せず)で生成された自動制御信号である空気が制御空気取り入 れロ（71)を経由して制御空気室（73A、 73B)を行き来して、ダイヤフラム（72A、 72 B)を空気圧により上下させる。それに伴い、ダイヤフラム（72A、 72B)に固定されて V、る調節弁駆動軸 (75)が上下する。調節弁駆動軸は弁体 (図示せず)と連結して!/ヽ るので、弁体と弁座（図示せず）との間隙が自動調節される。本実施例ではダイヤフ ラム（72A、 72B)を空気圧により上下させている力 空気の代わりに、炭酸ガスゃ窒 素ガス等の不活性ガスを使用してもょ 、。

実施例 8

[0038] 図 8に、第 8の実施例である調節弁駆動部を逆作動 2段式としたことを特徴とする請 求項 10の流体制御装置の調節弁駆動部の断面図を示す。均等配置された複数の 駆動軸付勢手段、ゴム製ダイヤフラム（82A、 82B)、複数の制御空気室（83A、 83B )で構成されている。本図では説明を簡単にするために、空気圧を機械力に変換す るダイヤフラムを 2枚有す 2段式調節弁駆動部を示すが、ダイヤフラムを 3枚以上にし ても良い。調節弁駆動部を多段式として、駆動部形状がコンパクトになり、かつ、高出 力を実現できる。また、均等配置された複数の駆動軸付勢手段、ゴム製ダイヤフラム を備えることにより、流体室の圧力変化を小さなヒステリシス差で調節弁の弁開度に 変換でき、高圧流体の高精度な制御ができる。

[0039] 電空変換器（図示せず)で生成された制御信号である空気が制御空気取り入れ口（ 81)を経由して制御空気室（83A、 83B)を行き来して、ダイヤフラム（82A、 82B)を 空気圧により上下させる。それに伴い、ダイヤフラム（82A、 82B)に固定されている 調節弁駆動軸 (85)が上下する。調節弁駆動軸 (85)は弁体 (図示せず)と連結して いるので、弁体と弁座 (図示せず)との間隙が自動調節される。空気の代わりに、炭酸 ガスや窒素ガス等の不活性ガスを使用してもょ 、。

実施例 9

[0040] 請求項 11の流路制御部を 2段式とした調節弁の実施例を以下に説明する。説明を 簡単にするために調節弁の流路制御部を 2段式とした調節弁の流路制御部の主要 断面図を図 9Aと図 9Bに示すが、段数は 3段以上でもよ 、。

[0041] 図 9Aでは弁座保持具に弁座とガスケットが一体化（96)しているのに対して、図 9B ではガスケットを一体ィ匕した構造の弁座保持具（96B)に合成樹脂あるいは金属性の 弁座（97)が取り付けられている。その他の構造は図 9Aと図 9Bは同一である。

[0042] 流体流入口（91)から流入した流体は流体縮流部である第一段目流路制御部（G1 )と第二段目流路制御部 (G2)で減圧されて流体流出口（92)に流出する。第二段目 流路制御部 (G2)の流路断面積を第一段目流路制御部 (G1)の流路断面積より大き くして、第一段目流路制御部 (G1)でより大きく減圧して、第二段目流路制御部 (G2 )で急激に減圧しない工夫を施している。流体が気体の場合、減圧と共に気体の体 積は膨張するので、特に、この構造は気体に対して有効である。

[0043] 流路制御部を一段式としたとき、流体縮流部とその前後で流体の流速と圧力と温度 力 Sどのように変化するかを図 10Aで模式的に示す。流路制御部を三段式としたとき は、流体縮流部とその前後で流体の流速と圧力と温度とは図 10Bのように変化する。 この図から、流路制御部の段数を多くすると、流体の流速と圧力と温度の急激な変化 を防止できることが理解できる。

[0044] 本実施例で、請求項 12の弁座とガスケットとを一体ィ匕（96)した調節弁を用いると、 弁座に高価で耐摩耗性の有るステライト（登録商標）等のコバルト、クロム、タンダステ ンなど力もなる合金を少量だけ溶着して用いることができ、ステンレス等の一般金属 材料製、合成樹脂製の弁座を使用する場合に比して、弁座の劣化が少なぐ調節弁 の流量制御特性の劣化を少なくできる。

実施例 10 [0045] 流体制御装置の下流に設けた流量計（15)の流量測定結果と、前記流体制御装置 の調節弁（13)の下流に配置した圧力計 (14)の圧力測定結果とを、電気信号として 前記流体制御装置のコントローラー（19)にフィードバックすることを特徴とする請求 項 13に記載した流体流量の制御方法を示す概念図を図 11に示す。

[0046] 圧力計（14)の圧力測定結果をコントローラー（19)にフィードバックして圧力制御を 行い、流体需要側に設置した流量計（15)で測定された流量が、予めコントローラー（ 19)にて設定された範囲から外れた場合、流量を監視しているコントローラー（19)が 調節弁（13)の開度を調節して流量を制限、増加することが可能である。

[0047] また、流量計（15)の流量測定結果をコントローラー（19)にフィードバックして流量 制御を行い、流体圧力が予めコントローラー（19)にて設定された範囲から外れた場 合、コントローラー（19)が調節弁（13)の開度を調節して、圧力に関してもある程度 の制御が可能である。

実施例 11

[0048] 請求項 14に記載した、メタルダイヤフラムを用いた遮断弁と、ベローズシールを用 いた調節弁とで構成したことにより、流体の滞留を最小にする構造を有し、なおかつ 、流体が接触する流路全面が鏡面研磨されていることを特徴とする流体制御装置に ついて、図 6を用いて説明する。

[0049] 図 6にべローズ上端部のガスケットシール部の断面図を示すように、流体の滞留を 最小にする構造を有すべローズシールを用い、かつ流路全壁面を鏡面研磨仕上げ している。鏡面研磨後の面粗度は中心線平均粗さが 0.： L m以下であることが望ま しい。

[0050] 流体が接触する流路全面が流体の滞留を最小にする構造を有し、かつ流路全壁 面を鏡面研磨仕上げしているので、ガス残留成分、反応生成物、パーティクル等が 流路内に残らず、半導体製造装置用として最適な流体制御装置を提供できる。

[窒素ガス供給システムの運転特性]

請求項 1の制御装置を用いた窒素ガス供給システムの概念図を図 12に示す。高圧 窒素ガスボンベに収容された液体窒素が本発明の流体制御装置により減圧されて 窒素ガスの需要側 (本図では流量計側）に供給される。圧力調節弁の下流で、流量 調節弁の上流にあたる流路には窒素ガスを一時的に蓄えるためのガスタンク (容量 6 .7リツター）が配置されて!、る。

[0051] 図 13に図 12の窒素ガス供給システムの運転特性の実測値を示す。ガスタンクの下 流に配置された流量調節弁の弁開度を急激に変化させると、ガスタンク圧力は急激 に低下あるいは増加しょうとする。それに対抗して、ガスタンク圧力の変化を抑制して 一定に保つように本発明の流体制御装置が作動する。また、どの流量レンジでもガス タンク圧力がほぼ一定に保たれているのが分かる。

産業上の利用可能性

[0052] 請求項 1、 2、 3、 4の発明によれば、流体圧力制御装置が電気機械式自動制御機 構を備えることにより、一次側 (流体供給側)の流体圧力や供給流体の流量の増減に 依存しないで、二次側 (流体需要側)の圧力を常に一定に保つことができる。また、制 御装置において、圧力センサーを最上流側に配置すれば、流体需要側の圧力制御 だけでなぐ流体供給側の圧力制御も可能となる。さらに、制御装置の弁箱は一体型 でもよいが、遮断弁と調節弁を備える弁箱と圧力センサーを備える流路に分割し、ガ スケットを介して連結して使用してもよい。通常、圧力センサーの感圧部は圧力セン サ一の継手接続部よりも遠ざけて設計されているため、その内部流路は袋小路とな つていることが多い。継手接続時に、ガスケット近傍の部材が歪んでその影響を受け 易いからである。弁箱と圧力センサー流路を分離型とすれば、圧力センサーを圧力 センサー流路に設置した後でも圧力センサーの校正は容易であり、また、圧力セン サーを圧力センサー流路に設置したまま交換することが可能となる。これにより、圧力 センサーの感圧部を圧力センサーの継手接続部に近づけて設計することができるた め、内部流路の袋小路となる部分は最小となりガス置換特性が改善する。

[0053] また、請求項 1、 2の発明によれば、遮断弁を調節弁の上流側に配置する場合、調 節弁の上下流の差圧が遮断弁のものに比して高差圧となるため、調節弁が低温に晒 されても、遮断弁は低温に晒されることがなぐ流体供給システムにおいて流体遮断 機能を健全に維持することができる。し力も、調節弁が低温に晒さらされても、自力式 減圧弁と比較して強力な電気機械駆動力を持たせることにより、例え弁体が凍りつい ても容易に弁体を動力して流体を制御することが可能である。そのうえ、調節弁の弁 座に金属製の弁座のみを用いれば、流量特性劣化と弁座部遮断時の流体漏れ量を 最小限に保つことが可能である。

[0054] 請求項 2、 3の発明によれば、本発明の流体圧力の制御装置の下流部分がいった ん低温状態に晒されても、熱電対等の温度センサーと電熱線等のヒーターによる温 度調節機能を備えることにより、流体縮流部等の温度低下部を加熱して、低温状態 での不具合を回避することができる。特に、下流に配置された機器を低温から守るこ とが可能になる。また、新たに温度制御装置を用意する必要がなぐ経済的である。

[0055] また、請求項 2、 4の発明によれば、流体制御装置が小型化でき、流体制御装置の 設置場所の自由度が高まる。

[0056] 請求項 5の発明によれば、調節弁の上下流にオリフィスを配置し、調節弁にかかる 流体差圧を軽減してオリフィス部にも差圧を分配させる多段減圧機構を備えること〖こ より、調節弁の流体縮流部における急激な圧力降下'温度降下を抑制し、流体縮流 部での流体中の水分の凍結、流体の液ィ匕によるトラブルを回避することができる。

[0057] 請求項 6の発明によれば、調節弁にベローズシールを用いる場合、その部分は流 体の袋小路となるため、ガス置換特性が悪ィ匕する。ベローズシール部に、パージ (pur ge)およびベント (vent)流路を設けることにより、ガス置換特性 (高速化、高純度化)を 改善することができる。

[0058] 調節弁は弁体と弁孔の間隙面積を調節することによって流量を調節する。その構 造上、どうしても微少な磨耗異物が発生する。請求項 7の発明によれば、調節弁の下 流にフィルターを配置することにより、調節弁等で発生する異物の流体需要側への 流入を防止できる。

[0059] 請求項 8の発明によれば、遮断弁と調節弁の間にも圧力センサー備えることにより、 調節弁での正確な流量特性の測定が可能となり、また、本発明の流体圧力の制御機 器の遮断弁と調節弁のいずれかの弁座部にリークが発生した場合、どちらの弁座部 でリークが発生しているか同定可能になり、装置異常の自己診断手段として利用でき る。また、高圧流体等はボンベによって供給されることが多ぐボンベに詰められた高 圧流体の残圧監視手段としても使用可能である。

[0060] 請求項 9の発明によれば、調節弁に正作動多段式の駆動部を備えることにより、駆 動部形状がコンパクトになり、かつ、高出力で駆動部操作用の流体室の圧力変化を 小さなヒステリシス差で調節弁の弁開度に変換でき、高圧流体の高精度な制御がで きる。また、電源遮断あるいは駆動部操作流体圧力が消失した場合、弁体が全開と なり、上流圧力を開放する場合に有効である。

[0061] 請求項 10の発明によれば、調節弁に逆作動多段式の駆動部を備えることにより、 駆動部形状がコンパクトになり、かつ、高出力で駆動部操作用の流体室の圧力変化 を小さなヒステリシス差で調節弁の弁開度に変換でき、高圧流体の高精度な制御が できる。また、電源遮断あるいは駆動部操作流体圧力が消失した場合、弁体が全閉 となり、上流圧力を遮断する場合に有効である。

[0062] 請求項 11の発明によれば、調節弁の流路制御部が多段式となっているので、請求 項 3の発明と同様に、調節弁に力かる流体差圧を複数に分割し、一つ当たりの差圧 を軽減させる多段減圧機構を備えて!/、るので、調節弁の流体縮流部における急激な 圧力降下'温度降下を抑制し、流体縮流部での流体中の水分の凍結、流体の液ィ匕 によるトラブルを回避することができる。

[0063] 請求項 12の発明によれば、弁座とガスケットとを一体ィ匕しているので、小型で、気 密性に優れた調節弁が実現できる。また、少なくとも弁体に接触する弁座の表面に 高価で耐摩耗性の有るコバルト基合金 (Co— Cr— W合金：例えばステライト (登録商 標)）を少量だけ溶接して用いることができ、ステンレス等の一般金属材料製、合成榭 脂製の弁座を使用する場合に比して、弁座の劣化が少なぐ調節弁の流量制御特性 の劣化を少なくできる。

[0064] 請求項 13の発明によれば、主に圧力制御を行い、流量計が予めコントローラーに て設定された値を超えた場合、流量を制限する、あるいは逆に、設定された値を下回 つた場合、流量を増やすというように、圧力制御と共に流量の制御がある程度可能と なる。また、主に流量制御を行い、流体圧力が予めコントローラ一にて設定された値 を超えた場合、圧力が低下するように流量を制限する、あるいは逆に、設定された値 を下回った場合、圧力が増加するように流量を増やすというように、流量制御と共に 圧力に関してもある程度の制御が可能となる。

[0065] 請求項 14の発明によれば、メタルダイヤフラムを用いた遮断弁と、ベローズシール を用いた調節弁とで構成したことにより、流体の滞留を最小にする構造を有し、なお かつ、流体が接触する流路全面が鏡面研磨されているので、ガス残留成分、反応生 成物、パーティクル等が流路内に残らず、半導体製造装置用として最適な流体制御 装置を提供できる。

Claims

請求の範囲

[1] 制御対象の流体流路に沿って、遮断弁と、調節弁と、圧力センサーとを設け、該圧力 センサーの検出圧力信号をもとに、遮断弁と、調節弁とを自動制御することを特徴と する流体制御装置。

[2] 請求項 1で、遮断弁と、調節弁と、圧力センサーとを一体化した構造を特徴とする流 体制御装置。

[3] 制御対象の流体流路に沿って、遮断弁と、調節弁と、調節弁の下流に配置された温 度センサーと、加熱ヒーターと、圧力センサーとを設け、該圧力センサーの検出圧力 信号をもとに、遮断弁と、調節弁とを自動制御すると同時に、該温度センサーの信号 をもとに加熱ヒーターの発熱量を自動制御して下流に配置された機器が結露温度以 下の低温に晒されるのを防止することを特徴とする流体制御装置。

[4] 請求項 3で、遮断弁と、調節弁と、調節弁の下流に配置された温度センサーと、加熱 ヒーターと、圧力センサーとを一体ィヒした構造の流体制御装置。

[5] 調節弁の上流ある!/、は下流、ある!/、は上流と下流にオリフィス機構を配したことを特 徴とする流体制御装置。

[6] 請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5 、ずれかの調節弁のベローズ部 にパージおよびベント流路を設けることを特徴とする流体制御装置。

[7] 請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5、請求項 6の 、ずれかで、調節弁 の下流側にフィルターを配置することを特徴とする流体制御装置。

[8] 請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5、請求項 6、請求項 7の 、ずれカゝ で、圧力センサーが遮断弁と調節弁の間に追加配置されることを特徴とする流体制 御装置。

[9] 請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5、請求項 6、請求項 7、請求項 8の いずれかで、調節弁駆動部に均等配置された複数の駆動軸付勢手段、ゴム製ダイ ャフラムを備え、正作動多段式としたことを特徴とする流体制御装置。

[10] 請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5、請求項 6、請求項 7、請求項 8の いずれかで、調節弁駆動部に均等配置された複数の駆動軸付勢手段、ゴム製ダイ ャフラムを備え、逆作動多段式としたことを特徴とする流体制御装置。

[11] 弁座と弁体との間隙流路を調整して流体を制御する調節弁において、弁座と弁体の 間隙流路で形成される流路制御部を多段式とし、下流側の流路制御部の流路断面 積が上流側の流路制御部の流路断面積よりも大きいことを特徴とする調節弁。

[12] 弁座と弁体との間隙流路を調整して流体を制御する調節弁において、弁座とガスケ ットとを一体化した構造を特徴とする調節弁。

[13] 流体制御装置の流体流路に沿って設けた流量計の流量測定結果と、同様に流体制 御装置の流体流路に沿って配置した圧力計の圧力測定結果とを、電気信号として前 記流体制御装置のコントローラーにフィードバックすることを特徴とする流体の制御方 法。

[14] 請求項 1、請求項 2、請求項 3、請求項 4、請求項 5、請求項 6、請求項 7、請求項 8、 請求項 9、請求項 10のいずれかで、メタルダイヤフラムを用いた遮断弁と、ベローズ シールを用いた調節弁とで構成したことにより、流体の滞留を最小にする構造を有し 、なおかつ、流体が接触する流路全面が鏡面研磨されていることを特徴とする流体 制御装置。