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WO2011067877A1 - 圧力式流量制御装置 - Google Patents

圧力式流量制御装置 Download PDF

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WO2011067877A1
WO2011067877A1 PCT/JP2010/004859 JP2010004859W WO2011067877A1 WO 2011067877 A1 WO2011067877 A1 WO 2011067877A1 JP 2010004859 W JP2010004859 W JP 2010004859W WO 2011067877 A1 WO2011067877 A1 WO 2011067877A1
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WO
WIPO (PCT)
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temperature
pressure
valve body
detector
temperature detector
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2010/004859
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
日高敦志
永瀬正明
土肥亮介
池田信一
西野功二
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujikin Inc
Original Assignee
Fujikin Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Fujikin Inc filed Critical Fujikin Inc
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Priority to KR1020127010986A priority patent/KR101375678B1/ko
Priority to CN201080054335.1A priority patent/CN102640070B/zh
Publication of WO2011067877A1 publication Critical patent/WO2011067877A1/ja
Priority to US13/483,328 priority patent/US9574917B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y10T137/7722—Line condition change responsive valves
    • Y10T137/7758—Pilot or servo controlled
    • Y10T137/7761—Electrically actuated valve

Definitions

  • FIG. 16 shows an example, and the pressure type flow rate control device is provided with a throttle mechanism S (hereinafter referred to as an orifice S) having a small hole of an appropriate diameter on the downstream side of the valve portion V, and is provided on the orifice.
  • a throttle mechanism S hereinafter referred to as an orifice S
  • FIG. 17 is a longitudinal sectional view showing an example of a pressure type flow control device.
  • VD is a valve body
  • V is a valve portion
  • S is an orifice constituting a throttle mechanism
  • P is a pressure detector (FIG. in 17, only the pressure detector P of pressure P 1 is shown, the pressure detector for detecting the pressure P 2 of the orifice S downstream are not shown.)
  • PE is a piezoelectric element
  • K case body
  • the fluid that flows in (hereinafter sometimes referred to as gas) flows from the valve portion V through the orifice S and flows out downstream. Opening of the valve portion V is adjusted by the expansion and contraction degree of the piezoelectric elements PE that constitutes the valve driving unit, whereby the fluid flow upstream pressure P 1 is controlled to flow through the orifice S orifice S is adjusted.
  • the detectors for gas pressures P 1 and P 2 , the detector for gas temperature T, the orifice S, etc. in FIG. 16 are integrally incorporated in a valve body VD having an appropriate shape as shown in FIG.
  • the gas temperature T is detected by inserting a thermistor temperature detector TC from the side of the valve body VD and positioning its tip in the vicinity of the fluid passage. This temperature is detected and assumed to be the gas temperature T.
  • the inner volume of the fluid passage on the upstream side of the orifice S of the valve body VD hardly changes. Therefore, the gas density at 250 ° C. in the fluid passage is 1 / 1.384 times the gas density at 0 ° C.
  • the thermistor temperature detector TC does not directly detect the gas temperature T in the fluid passage, the actual gas temperature T and the temperature detector TC are detected by the temperature gradient in the valve body VD. Difference between the detected temperature and the flow rate control accuracy.
  • the temperature gradient in the valve body VD is the cause of the decrease in flow control accuracy when a pressure type flow control device is installed in the thermostat and the temperature difference between the gas temperature and the valve body VD is made zero.
  • the flow rate control accuracy is greatly improved, and this is proved.
  • the thermistor temperature detector when a thermistor temperature detector that is less expensive than a temperature detector using a thermocouple or a platinum resistance thermometer is used as the temperature detector TC, the thermistor temperature detector increases as the gas temperature increases. It was found that the flow rate control error might exceed the allowable range due to temperature measurement error due to individual differences.
  • Table 1 below shows the results of measuring the detection temperature accuracy of a thermistor temperature detector for so-called high temperatures (up to 250 ° C).
  • a Volb body VD is installed in a constant temperature bath 31 set to 1.8 ° C. to 100 ° C.
  • thermocouple temperature detectors TN and TM are connected to the constant temperature chamber 31 and a valve.
  • the thermistor temperature detector TC is installed in the insertion hole 14 of the valve body VD, and the respective temperatures are detected.
  • the thermocouple temperature detectors TN and TM were used to confirm that the temperature in the thermostatic chamber was the set temperature of the thermostatic chamber 31.
  • “measured value” means a temperature detected by the thermistor temperature detector TC, and ⁇ T indicates a difference between the actually measured value and the set temperature of the thermostat 31.
  • the measurement error due to the individual difference of the thermistor temperature detector increases as the set temperature of the thermostat increases, and when the set temperature of the thermostat is 100 ° C., the detected temperature of the thermistor temperature detector is the maximum It was found that an error of + 5.02 ° C. was generated.
  • the present invention minimizes the decrease in flow rate control accuracy due to the difference between the temperature detected by the temperature detector and the actual gas temperature T, and controls the flow rate of gas at 50 ° C to 500 ° C.
  • Pressure type flow control device for high-temperature gas that can reduce the error to ⁇ 1.0% F.S. (FS is an abbreviation for full scale) over the flow rate range of 1 to 100%.
  • the main object of the invention is to provide the above.
  • a pressure type flow rate control device having a structure in which the thermistor temperature detector TC is inserted into the valve body from the side surface of the valve body VD shown in FIG.
  • a jacket heater H as a heating heater is applied to the bottom surface and the four side surfaces, the valve body VD is heated by the jacket heater H, the inner surface temperature of the heater H (measurement point M 20 ), and the insertion hole of the thermistor temperature detector TC.
  • the inner surface temperature (position M 10 about 10 mm away from the fluid passage) and the fluid passage temperature (measurement point M 0 ) are measured using a thermocouple temperature detector (not shown), and the temperature distribution of the valve body VD is determined. It was measured.
  • the valve body VD is made of stainless steel and has a width of 124 mm, a depth of 40 mm, and a height of 39 mm.
  • the jacket heater H is a heater manufactured by Shinwabanes Co., Ltd.
  • the jacket heater H is detachable by a hook-and-loop fastener or the like.
  • P is a pressure detector.
  • FIG. 2 shows the relationship between the measured points M 20 and M 20 and the distance between the fluid passage center M 0 and the measured temperature, and the depth direction (length 40 mm) passing through the fluid passage center of the valve body VD. The temperature distribution is shown.
  • the temperature of the inner surfaces M 20 and M 20 of the heater H measured by the thermocouple temperature detector is about 284 ° C.
  • the hole bottom temperature of the insertion hole of the thermistor temperature detector TC is 268 ° C.
  • the fluid passage The temperature at the center M 0 was about 253 ° C., and it was found that there was a temperature difference of about 14.1 ° C. between the temperature at the fluid passage center M 0 and the temperature detected by the thermistor temperature detector TC.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory diagram of a test apparatus used for measuring the temperature distribution and flow rate control accuracy of the valve body VD of FIG. N 2 gas source (0.6 MPa ⁇ G) to filter F, pressure regulator RG (adjusted to 0.2 MPa ⁇ G), flow meter MFC, preheating piping HT, jacket heater H (up to 250 ° C.), N 2 gas is circulated in the order of the backup heating pipe HB and the vacuum pump VP, and each point of the valve body VD of the pressure type flow control device FCS (for example, points M 1 to M 5 in FIG. 9 described later).
  • various flow rates were measured using the temperature as a parameter in order to evaluate the flow rate control accuracy described below.
  • FIG. 4 shows the flow rate control accuracy using the temperature of the valve body VD obtained from the result of the flow rate measurement by the measurement device of FIG. 3 as a parameter, and the flow rate control of the hot gas using the conventional pressure type flow rate control device.
  • the gas temperature measured by the thermistor temperature detector inserted in the side surface of the valve body that is, the temperature of the valve body VD of the pressure type flow control measure FCS becomes higher, the flow control accuracy decreases. It turned out to be bigger.
  • FIG. 5 shows the set temperature of the gas obtained from the flow measurement result using the measuring device of FIG. 3, the temperature of the thermistor temperature detector TC, and the gas temperature (by the thermocouple temperature detector at the fluid passage center M 0 ).
  • This shows the relationship between the difference between the detected temperature and the flow rate error (% FS), and shows the difference between the gas temperature and the detected temperature of the valve body VD (detected temperature of the thermistor temperature detector TC). If the amount is reduced, the flow control accuracy is improved.
  • the flow rate error (flow rate deviation) of the pressure type flow rate control device per digit is 0.077% F.S. ./Digit is known. Therefore, in order for the flow rate error to become 2% FS, a flow rate deviation of about 26 digits (2% FS / 0.077% FS / digit) is required.
  • a pressure flow control device for high-temperature gas for semiconductor manufacturing equipment is usually used in a state where a plurality of pressure flow control devices are arranged in parallel. Accordingly, the structure in which the temperature detector (thermistor) is attached from the side surface of the valve body VD as shown in FIG. 18 has a problem in securing a maintenance space for the temperature detector. As a result, the pressure type flow rate control device Will lead to an increase in size. Therefore, it is desirable that the temperature detector is positioned above the axis of the fluid passage of the valve body VD and can be detachably attached to the valve body from above the valve body VD. Further, the mounting position in the axial direction is preferably between the orifice S and the downstream side of the valve portion (valve mechanism) composed of a valve seat and a diaphragm valve body provided in the fluid passage of the control valve V.
  • the present invention has been developed on the basis of the results of the flow rate characteristic test of the pressure type flow rate control apparatus using many high temperature fluids (hot gases) as described above.
  • a throttle mechanism a temperature detector that detects a gas temperature between the valve portion and the throttle mechanism, a pressure detector that detects a gas pressure between the valve portion and the throttle mechanism, and the temperature detector And a calculation control device for calculating the gas flow rate flowing through the throttle mechanism based on each detection value of the pressure detector and controlling the valve drive unit, the temperature detector including the valve unit and the throttle mechanism.
  • the arithmetic and control unit when the temperature detector is a thermistor temperature detector, the arithmetic and control unit includes a detection value correction means for correcting an error in a temperature detection value of the thermistor temperature detector, and the detection value correction. Pressure correction means for correcting the pressure value detected by the pressure detector based on the correction value corrected by the means.
  • the detection value correction means corrects an error in the gas temperature detected by the thermistor temperature detector based on a temperature characteristic related to the detection temperature of the thermistor temperature detector.
  • the temperature characteristic is related by an approximate expression obtained by two or more different temperatures.
  • the approximate expression is the following expression 1.
  • the valve body includes a valve body, a fluid inlet side connection portion having a fluid inlet side joint fixed to one side surface of the valve body, and a fluid having a fluid outlet side joint fixed to the other side surface of the valve body. And a filter holding part at a position facing the fluid inlet side connection part of the valve body, and a throttle mechanism holding part at a position facing the fluid outlet side connection part of the valve body. It is desirable to have a configuration.
  • the heater for heating is a flat plate heater or a jacket type heater for heating the valve body to 50 ° C. to 500 ° C.
  • the temperature detector for detecting the fluid temperature is desirably a temperature detector such as a thermistor, a platinum-side temperature resistor, or a thermocouple.
  • the mounting hole of the fluid temperature detector provided immediately above the outlet side fluid passage is a hole having an appropriate depth, and the distance between the bottom surface and the upper wall surface of the outlet side fluid passage is 0.1-5. 0.0 mm is desirable.
  • the flow rate control accuracy of the pressure type flow rate control device is such that the flow rate error is 1.0% F.V. S. The following is desirable.
  • the fluid temperature detector is fixed by placing a spacer above the fluid temperature detector inserted into the mounting hole, and a flange portion provided on the upper surface of the spacer below the cylindrical holder that forms the control valve. It is desirable to press and fix with.
  • the pressure detector and the temperature detector are configured separately from the valve body and combined with the valve body.
  • a thermistor temperature detector and a resistance temperature detector conventionally used are used, and the mounting position is set to a position near the throttle mechanism on the fluid outlet side of the valve body, and above the valve body.
  • the temperature error is ⁇ 1.0% F.S. over a flow rate range of 1 to 100% with a high temperature gas of 50 ° C. to 500 ° C. by simply inserting a temperature detector from S. It becomes possible to control the flow rate with the following accuracy, and has extremely high practical utility.
  • the flow rate control accuracy is improved by correcting the temperature measurement error due to individual differences in the thermistor temperature detector. Can do.
  • the temperature detector is inserted into the valve body from the upper surface side of the valve body, even when a large number of pressure type flow control devices are arranged in parallel, Easy maintenance and inspection of the detector. As a result, the gas supply device incorporating the pressure type flow rate control device can be greatly downsized.
  • a fluid temperature detector is disposed immediately above the fluid outlet side passage of the valve body so that the distance between the bottom surface of the fluid temperature detector and the upper wall surface of the fluid outlet side passage is 0.1 to 5.0 mm. Therefore, there is almost no difference between the temperature detected by the fluid temperature detector and the actual fluid temperature, and as a result, extremely accurate fluid flow rate temperature correction can be performed, and high flow control accuracy can be obtained. it can.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram of the valve body of the conventional pressure type flow control device provided with the heater for heating. An example of the temperature distribution from the center of the fluid passage when the valve body of the pressure type flow control device is heated to 250 ° C. by a heater is shown. It is explanatory drawing of the measuring apparatus used for the temperature distribution and flow control accuracy measurement of the valve body of a pressure type flow control apparatus. It is a diagram which shows the flow control accuracy characteristic when the valve body of FIG. 1 is heated to each temperature. The actual measured value of the difference between the gas temperature (fluid passage center temperature) and the valve body detection temperature when the valve body of FIG.
  • FIG. 1 is heated to each temperature by the jacket heater, and the flow rate deviation (flow rate error) when the temperature difference occurs
  • FIG. 7 shows measured values (extracts) of temperature detectors at various portions when the valve body of FIG. 6 is heated to 250 ° C. by a jacket heater.
  • FIG. 6 is a plan view of a valve body VD used in the pressure type flow rate control device according to the present invention.
  • the valve body VD includes a fluid inlet side joint 1, a fluid outlet side joint 2, a gas inlet side connection portion 3, and a gas outlet.
  • the side connection part 4 and the valve body 5 are formed.
  • the gas inlet side connection part 3 is fixed on the upstream side of the valve body 5, and the fluid inlet side joint 1 is provided on the gas connection side connection part 3. The same applies to the downstream side of the valve body 5.
  • the gas outlet side connection portion 4 is airtightly attached to the valve body 5, and the fluid outlet side joint 2 is provided on the outlet side of the gas outlet side connection portion 4.
  • the fluid passage is horizontally drilled in the central axis direction of the valve body VD, and various members constituting the valve portion V and the like are airtightly mounted and fixed on the central valve body 5.
  • 6 and 7 are vertical fluid passages
  • 8 and 9 are gas leak inspection holes
  • 10 and 11 are attachment holes for various detectors
  • 13 is a bolt hole
  • 14 is a temperature detector attachment. It is a hole.
  • a temperature detector mounting hole 14 is formed on the gas outlet side connecting portion 4 side of the valve body 5 of the valve body VD, and a thermistor temperature detector TC for detecting the gas temperature is inserted here. It is fixed.
  • a thermistor is used as the temperature detector, but it goes without saying that a thermocouple, a platinum resistance thermometer, or the like may be used.
  • a mounting hole 14 is drilled to a depth at which a thick portion of 0.1 to 5.0 mm, preferably 0.3 to 1.5 mm, more preferably 0.5 to 1.2 mm remains. ing.
  • FIG. 7 shows an enlarged cross-sectional view of a portion of the valve main body 5.
  • 14 is a temperature detector mounting hole
  • 15 and 16 are fluid passages
  • 17 is a valve seat constituting the valve portion V.
  • 18 is a metal diaphragm valve body that constitutes the valve portion V
  • 19 is a spring (disc spring)
  • 20 is a diaphragm retainer
  • PE is a piezoelectric element that constitutes a valve drive portion
  • 21 is a cylindrical body that accommodates the piezoelectric element PE
  • 22 is a heat-resistant O-ring
  • 23 is a filter holder
  • 24 is an orifice holder
  • TC is a thermistor temperature detector
  • P is a pressure sensor
  • 26 is a cylinder holder
  • 27 is a diaphragm retainer
  • 28 is a fixing bolt
  • 30 Is a presser adapter.
  • the internal structure of the valve main body 5 and the valve drive mechanism are well known in
  • the temperature detector mounting hole 14 is formed at an upper position substantially in the center of the horizontal dimension of the horizontal fluid passage 16 on the gas outlet side of the valve body 5. As described above, the thickness dimension t between the ceiling wall of the fluid passage 16 and the bottom surface of the mounting hole 14 is set to 0.1 to 5.0 mm (here, about 0.5 mm).
  • the thermistor temperature detector TC is inserted into the temperature detector mounting hole 14 and can be fixed by, for example, screwing a fixing screw into a screw hole formed on the side of the valve body VD (not shown). .
  • FIG. 8 is a modification of the embodiment shown in FIG. 7, and the position of the temperature detector mounting hole 14 is different from that of FIG.
  • the thermistor temperature detector TC shown in FIG. 8 is formed in a short cylindrical shape, and the spacer 25 is formed in a cylindrical shape, and is mounted above the thermistor temperature detector TC inserted into the mounting hole 14. Is placed.
  • a lead wire lead hole (not shown) is provided in the center of the spacer 25, and the upper wall surface thereof is tightened by a fixing bolt 28 by a flange portion provided below the cylindrical body holder 26. It is pressed and fixed.
  • FIGS. 9 and 10 show the temperature of each part of the valve body of FIG. 6 and the state of temperature rise actually measured by the flow rate measuring device shown in FIG. 3, and M 1 is a side block on the inlet side of the valve body, M 2 is the inlet side of the body body of the valve body, M 3 is the upper surface of the diaphragm of the body body, M 4 is the mounting position of the temperature detector (thermistor temperature detector) for detecting the improved gas temperature according to the present invention. There, M 5 is a temperature detecting position provided respectively in the side block of the valve body outlet side shows the internal temperature of the body at a position spaced 1mm from each fluid passage (gas passage).
  • the valve body VD is composed of a body main body 5, a gas inlet side connection portion 3 and a fluid outlet side joint portion 4, and includes a gas inlet side connection portion (gas inlet side side block) 3 and a fluid outlet side joint portion.
  • the (gas outlet side block) 4 is screwed and fixed to the body body 5 in an airtight manner. Further, each of the joint portions (side blocks) 3 and 4 is integrally provided with a fluid inlet side joint 1 and a fluid outlet side joint 2.
  • the temperature distribution at each point (M 1 to M 5 ) on the fluid passage of the valve body VD heated to about 250 ° C. by the heating of the heater H depends on the heating time. As the time passes, the temperature becomes constant and stable, and the temperature width between each point becomes ⁇ 3.0 ° C. or less. As a result, it can be seen that the temperature range of the gas flowing in the fluid passage also has a value of ⁇ 3.0 ° C. or less.
  • the average gas temperature T of M 1 to M 5 is about 253.1 ° C.
  • the conventional mounting hole of the thermistor temperature detector formed inward from the side surface of the body body 5 shown in FIG. It was found that the temperature difference from the detected temperature (about 267.2 ° C.) measured at the bottom position (M 6 ) with a thermocouple temperature detector was 14.1 ° C.
  • FIG. 11 is a perspective view of a high-temperature gas pressure type flow rate control device using a valve body according to the present invention.
  • the bottom surface and four side surfaces of the valve body VD are surrounded by a flat heater H.
  • the outside is protected by the heat insulating material TS. Note that some gases require heating to near 500 ° C. In such a case, the valve body needs to be heated to around 500 ° C by the heater H in order to control it. It must be possible to measure up to around 500 ° C.
  • the difference between the actual gas temperature flowing in the fluid passage and the temperature detected by the thermistor temperature detector TC is ⁇ 3.0 ° C. or less as described above. It becomes.
  • the flow rate control accuracy of the high-temperature gas pressure type flow rate control device is greatly improved.
  • Flow rate error is ⁇ 1.0% F.D. over a flow range of 10-100%. S. It has been confirmed that:
  • the pressure type flow control device for high-temperature gas used in the flow control accuracy test is manufactured by Fujikin Co., Ltd., part number FCSP7002-HT250-4J2-F100A [rated flow rate (FS flow rate) 2.6-2550SCCM, heater heating Temperature range-250 ° C (Max300 ° C), orifice inner diameter 18-660 ⁇ m, fluid passage diameter 4.35mm, primary side gas pressure Max300KPaabs (200KPaG), secondary side vacuum].
  • the pressure type flow rate control device based on the temperature measured by the thermistor temperature detector TC, are corrected pressure value P 1 detected by the pressure detector P.
  • the pressure is corrected by, for example, the following equation 2, when the temperature measured by the thermistor temperature detector TC changes from T 0 to T 1 , the pressure P detected by the pressure detector P is corrected to the pressure P ′. Is done.
  • the temperature T 0 is usually an initial set temperature, and for example, a room temperature can be set.
  • the temperature detected by the thermistor temperature detector TC has (i) variation in measurement error ( ⁇ T) due to individual differences, and (ii) there is almost no error or error in the vicinity of room temperature.
  • the flow rate control accuracy is not affected.
  • ⁇ T measurement error
  • the measurement error ( ⁇ T) tends to gradually increase toward the positive side as the measurement temperature increases from near room temperature
  • near room temperature It has been found that an error occurs on the negative side at a lower temperature. Therefore, if this tendency is used, it becomes possible to approximate the temperature characteristic of the temperature detected by the thermistor temperature detector TC with a straight line.
  • FIG. 12 shows a graph in which the temperature characteristic of the temperature detected by the thermistor temperature detector TC is linearly approximated by a solid line.
  • the Y axis (vertical axis) is the temperature corresponding to the temperature detected by the thermistor temperature detector TC
  • the X axis (horizontal axis) is the temperature corresponding to the set temperature.
  • the “corresponding temperature” is used, as will be described below, because the temperature includes a case where the temperature is actually measured and a case where the temperature is not actually measured.
  • the straight line indicated by the broken line in FIG. 12 indicates an ideal state where the temperature corresponding to the temperature detected by the thermistor temperature detector TC is equal to the temperature corresponding to the set temperature, and the solid line indicating the approximate expression is easy to understand. Therefore, the inclination is exaggerated.
  • the gas temperature is measured using a high-precision temperature detector such as a thermocouple or a platinum resistance temperature detector, and an error from the actual gas temperature is detected in the thermistor temperature detector TC. In comparison, it is ensured that the measurement error is sufficiently small.
  • a high-precision temperature detector such as a thermocouple or a platinum resistance temperature detector
  • the measurement error is sufficiently small.
  • the set temperature for example, the temperature detected by the thermocouple temperature detector of the jacket heater H that is PID-controlled by a thermocouple temperature detector that detects the gas temperature can be used.
  • the temperature corrected to the ideal temperature is substituted into T 1 of equation 2
  • the pressure detected by the pressure detector P is substituted into P of equation 2
  • the initial set temperature is By substituting for T 0 in Equation 2, a corrected pressure P ′ is obtained.
  • the pressure-type flow rate control device uses the pressure P ′ corrected as described above, the pressure-type flow rate control device, as in the past, has a critical condition (r ⁇ R) where the pressure ratio (P 2 ′ / P 1 ′) is equal to or lower than the critical pressure ratio.
  • the control block diagram shown in FIG. 13 illustrates a type that does not include a pressure detector on the downstream side of the throttle mechanism S, that is, a pressure-type flow rate control device that is used under critical conditions.
  • a valve body VD is connected between the gas source 40 and the vacuum pump VP, and the critical condition can be achieved by driving the vacuum pump VP.
  • the detection signals of the thermistor temperature detector TC and the pressure detector P are amplified by the amplifiers 41 and 42, converted into digital signals by the A / D converters 43 and 44, and then sent to the arithmetic and control unit C.
  • the jacket heater H is PID-controlled so as to reach a set temperature based on the detection value of the thermocouple temperature detector 46 by a temperature control device 45 provided separately from the arithmetic control device C of the pressure type flow rate control device. .
  • the detection value of the thermocouple temperature detector 46 is displayed as a temperature on the temperature display monitor 47.
  • the piping connecting the gas source 40 and the valve body VD of the pressure type flow rate control device is also heated by the heating device 48.
  • the detected temperature detected by the thermistor temperature detector TC is corrected after the measurement error due to the individual difference of the thermistor temperature detector TC is corrected by the detection value correcting means 50.
  • the pressure is corrected by the pressure correction means 51 based on the measured temperature, the flow rate Qc is calculated based on the corrected pressure, and the flow rate is controlled so that the calculated flow rate Qc becomes the set flow rate Qs.
  • an initial set temperature T 0 preferably room temperature (20 to 26 ° C.) is input to the arithmetic control device C through the input device 52 (FIG. 13).
  • the jacket heater H calculates the display temperature displayed on the temperature display monitor 47 as the initial set temperature T 0 by displaying the gas temperature with the power turned on and the heater turned off and not heated. You may input into the control apparatus C.
  • the set temperature of the jacket heater H is set to a temperature different from the initial set temperature T 0 , preferably a temperature T 1 of 100 ° C. or higher, and the temperature T 1 is input to the arithmetic and control unit C.
  • the display temperature T 2 (the temperature detected by the thermistor temperature detector) of the temperature display monitor 54 of the pressure type flow control device is input to the arithmetic control device C. Input through 52.
  • the CPU 54 calculates a constant a from the following equation 4 and (X0, Y0), (X1, Y1) stored in the storage unit 53 (step 3), and then calculates the calculated a. To calculate a constant b (step 4).
  • the calculated constants (a, b) are stored in the storage unit 53 of the arithmetic and control unit C.
  • a corrected temperature Ta is calculated by calculation from the detected temperature T of the thermistor temperature detector TC (step 5).
  • the calculated post-correction temperature Ta is stored in the storage unit 53.
  • the CPU 54 of the arithmetic and control unit C substitutes the corrected temperature Ta obtained by Expression 6 into T of the above expression 2 stored in the storage section 53 and stores it in the storage section 53 at T 0 of Expression 2.
  • the corrected pressure P ′ is calculated as shown in the following equation 7 (step 6).
  • the calculated pressure P is stored in the storage unit 53.
  • the pressure type flow control device is controlled by the pressure P ′ corrected as described above.
  • a conventionally well-known method can be adopted for controlling the pressure type flow control device by the pressure P ′.
  • the detected pressure is corrected by the pressure correction means 51 using the corrected temperature. Therefore, the flow rate control error due to the individual difference of the thermistor temperature detector TC is reduced, and the flow rate can be controlled with high accuracy even for a high-temperature gas at 250 ° C.
  • the detection value correction means and the pressure correction means are subjected to correction processing by a program (correction program) recorded in the storage unit 53. If a heater H is attached, a temperature detector attachment hole is machined at an appropriate position of the valve body VD, and a correction program is incorporated, it can be used for high temperatures.
  • the temperature characteristics of the measurement accuracy of the thermistor temperature detector TC are linearly approximated with two (X, Y).
  • the number of temperature measurement points is increased to increase the spline. It is also possible to approximate with a straight line or a curve by correction or least square method.
  • a correction table in which pre-measured data regarding the temperature characteristics of the measurement accuracy of the thermistor temperature detector TC is stored in the storage unit 53, and a correction temperature corresponding to the measured value of the thermistor temperature detector TC is output. You may do it.

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Abstract

温度が１００℃～５００℃の高温ガスであっても、誤差が１．０％Ｆ．Ｓ．以下の高精度な流量制御を在来の温度検出器を用いて行えるようにした高温ガス用圧力式流量制御装置を提供する。 流体通路(１５，１６)が形成されたバルブボディ(ＶＤ)と、流体通路に介在された弁部(Ｖ)と、弁部(Ｖ)を駆動して流体通路を開閉する弁駆動部(ＰＥ、２１)と、流体通路の弁部の下流側に設けられた絞り機構と、弁部と絞り機構との間のガス温度を検出する温度検出器(ＴＣ)と、弁部と絞り機構との間のガス圧力を検出する圧力検出器(Ｐ)と、温度検出器及び圧力検出器の各検出値に基づいて絞り機構を流通するガス流量を演算すると共に弁駆動部を制御する演算制御装置と、を有し、温度検出器(ＴＣ)を、弁部と絞り機構との間の出口側流体通路の真上の位置に、前記バルブボディの上面側よりその内方へ向けて穿設された取付孔内に挿着した。

Description

圧力式流量制御装置
　本発明は、半導体製造装置等で使用する圧力式流量制御装置の改良に関する。詳しくは、圧力検出器周辺の流体温度を検出する温度センサの取付位置と取付構造に改良を加えることにより、在来の温度検出器を用いた温度補正でもって高精度なガス流量制御ができるようにした高温流体用の圧力式流量制御装置に関するものである。
　流体圧力及び流体温度に基づいて高温流体の流量制御を行う装置とは、従前から圧電素子を駆動源とする圧力式流量制御装置が広く知られている。図１６はその一例を示すものであり、当該圧力式流量制御装置は、弁部Ｖの下流側に適宜の口径の小孔を有する絞り機構Ｓ（以下、オリフィスＳと呼ぶ）を設けてオリフィス上・下流側の流体圧力Ｐ１・Ｐ２と流体温度Ｔを検出し、圧力比（Ｐ２／Ｐ１）が臨界圧力比を越える非臨界領域（下流側の流速が音速より遅い速さの亜音速領域）における圧縮性流体のオリフィスＳを通過する流体流量Ｑｃを、Ｑｃ＝ＫＰ２ ｍ（Ｐ１－Ｐ２）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）により演算すると共に、圧力比（Ｐ２／Ｐ１）が臨界圧力比以下である臨界条件（ｒ≦ｒｃ）ではＱｃ＝ＫＰ１により演算し、更に前記流体温度Ｔを用いて流量の温度補正や流量の零点補正を行うことを基本とするものである。尚、図１６に於いて、Ｃは演算制御部、Ｄは弁駆動部、Ｑｓは設定流量、ΔＱは流量調整信号である。
　図１７は圧力式流量制御装置の一例を示す縦断面図であり、図１７に於いて、ＶＤはバルブボディ、Ｖは弁部、Ｓは絞り機構を構成するオリフィス、Ｐは圧力検出器（図１７では、圧力Ｐ１の圧力検出器Ｐのみが示されており、オリフィスＳ下流側の圧力Ｐ２を検出する圧力検出器は図示省略されている。）、ＰＥは圧電素子、Ｋはケース体であり、流入した流体（以下、ガスと呼ぶこともある。）は弁部ＶからオリフィスＳを通過して下流側へ流出する。弁部Ｖの開度は弁駆動部を構成する圧電素子ＰＥの伸縮度合により調整され、これによってオリフィスＳの上流側圧力Ｐ１が制御されてオリフィスＳを流通する流体流量が調整される。
　また、図１６のガス圧力Ｐ１、Ｐ２の検出器やガス温度Ｔの検出器、オリフィスＳ等は、図１８に示す如き適宜の形状のバルブボディＶＤに一体的に組み込みされており、前記ガス温度Ｔは、図１８に示す如く、バルブボディＶＤの側面からサーミスタ温度検出器ＴＣを挿入し、その先端を流体通路の近傍に位置させることにより検出されおり、現実にはバルブボディＶＤの内方の温度を検出し、これをガス温度Ｔと仮定するようにしている。
特開平８－３３８５４６号公報 特開２００３－１９５９４８号公報 特開２００３－１２０８３２号公報 特開２００５－１０１０８号公報 特許４０８２９０１号公報
　図１７のような流量制御装置に於いて、被測定ガスの温度が上昇すると、ガス体積が増加する。いま、ガスが比熱比１．５の理想気体であってその温度が０℃から２５０℃に断熱変化したと仮定すると、下記式８により、２５０℃におけるガスの体積Ｖ２５０は０℃の時の体積Ｖ０の１．３８４倍となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　一方、バルブボディＶＤのオリフィスＳの上流側の流体通路の方は、その内容積が殆ど変化しない。そのため、流体通路内の２５０℃のガス密度は、０℃におけるガス密度の１／１．３８４倍となる。
　従って、例えば流量Ｑｃ＝ＫＰ１の演算式において、ガス温度が２５０℃の時に規定流量のガス流量を得るためには、２５０℃のときの制御圧力Ｐ１を０℃の時の制御圧力Ｐ１の１．３８４倍に調整する必要があり、現実には、この圧力調整（即ち、温度補正）を前記温度検出器ＴＣの検出温度に基づいて行っている。
　しかし、図１８に示したように、サーミスタ温度検出器ＴＣは流体通路内のガス温度Ｔを直接に検出するものでないため、バルブボディＶＤ内の温度勾配によって現実のガス温度Ｔと温度検出器ＴＣの検出温度との間に差異を生ずることになり、流量制御精度の低下を招くことになる。尚、バルブボディＶＤ内の温度勾配が流量制御精度の低下の原因である事は、恒温槽内に圧力式流量制御装置を設置してガス温度とバルブボディＶＤとの温度差を零にした場合に流量制御精度が大幅に向上することから、実証されていることである。
　また、温度検出器ＴＣとして、熱電対や白金測温抵抗体を用いた温度検出器に比較して安価なサーミスタ温度検出器を用いた場合に、ガス温度が高温になるにつれて、サーミスタ温度検出器の個体差に起因する温度測定誤差により、流量制御誤差が許容範囲を超える場合があることが判明した。
　下記表１は、いわゆる高温（～２５０℃）対応のサーミスタ温度検出器の検出温度精度を測定した結果を示している。この測定では、図１９に示す実験装置を用い、１．８℃～１００℃に設定された恒温槽３１内にボルブボディＶＤを設置し、熱電対温度検出器ＴＮ，ＴＭを恒温室３１内とバルブボディＶＤに設置し、サーミスタ温度検出器ＴＣをバルブボディＶＤの挿入孔１４に挿入設置して、それぞれの温度を検出している。熱電対温度検出器ＴＮ，ＴＭは、恒温槽内の温度が恒温槽３１の設定温度になっていることを確認するために利用した。表１において、「実測値」はサーミスタ温度検出器ＴＣによる検出温度を意味し、△Ｔは実測値と恒温槽３１の設定温度との差を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１を参照すれば、恒温槽の設定温度が上昇するにつれてサーミスタ温度検出器の個体差による測定誤差が増加し、恒温槽の設定温度が１００℃の時、サーミスタ温度検出器の検出温度は最大で＋５．０２℃の誤差を生じていることが判明した。
　本発明は、温度検出器による検出温度と現実のガス温度Ｔとの差異に起因する流量制御精度の低下を、可能な限り少なくし、５０℃～５００℃のガスであっても、その流量制御誤差を、１～１００％の流量範囲に亘って±１．０％Ｆ.Ｓ.（但しＦ.Ｓ.はフルスケールの略）以下にすることを可能とした高温ガス用圧力式流量制御装置を提供することを、発明の主目的とするものである。
　本願発明者等は、先ず図１８に示したバルブボディＶＤの側面からバルブボディ内へサーミスタ温度検出器ＴＣを挿着する構造の圧力式流量制御装置について、図１に示すようにバルブボディＶＤの底面及び四側面に加熱用ヒータとしてのジャケットヒータＨを適応し、ジャケットヒータＨによってバルブボディＶＤを加熱すると共に、ヒータＨの内側表面温度（測定点Ｍ２０）、サーミスタ温度検出器ＴＣの挿入孔内面温度（流体通路から約１０ｍｍ離れた位置Ｍ１０）、流体通路温度（測定点Ｍ０）を、熱電対温度検出器（図示せず。）を用いて測定し、バルブボディＶＤの温度分布を測定した。尚、バルブボディＶＤはステンレス鋼により横幅１２４ｍｍ、奥行４０ｍｍ、高さ３９ｍｍに形成されており、また、ジャケットヒータＨにはシンワバネス株式会社製のヒータを使用した。ジャケットヒータＨは、面ファスナー等によって着脱自在となっている。尚、図１に於いてPは圧力検出器である。
　図２は、前記測定点Ｍ２０、Ｍ２０と流体通路中心Ｍ０間の距離と、測定温度との関係を示すものであり、バルブボディＶＤの流体通路中心を通る奥行方向（長さ４０ｍｍ）の温度分布が示されている。
　図２から明らかなように熱電対温度検出器で測定したヒータＨの内表面Ｍ２０、Ｍ２０の温度は約２８４℃、サーミスタ温度検出器ＴＣの挿入孔の孔底面温度は２６８℃、流体通路中心Ｍ０の温度は約２５３℃であり、流体通路中心Ｍ０の温度とサーミスタ温度検出器ＴＣによる検出温度との間には約１４．１℃の温度差が生じていることが判明した。
　図３は、図２のバルブボディＶＤの温度分布や流量制御精度の測定に用いた試験装置の概略説明図である。Ｎ２ガス源（０．６ＭＰａ・Ｇ）からフィルタＦ、圧力調整器ＲＧ（０．２MＰa・Gに調整）、流量測定器ＭＦＣ、プレヒーティング配管路ＨＴ、ジャケットヒータＨ（～２５０℃）、バックアップヒーティング配管路ＨＢ、真空ポンプＶＰの順でＮ２ガスを流通させ、前記圧力式流量制御装置FCSのバルブボディＶＤの各点（例えば、後述する図９の点M1～M5）の温度を測定すると共に、後述する流量制御精度の評価を行うために温度をパラメータとする各種の流量測定を行った。
　図４は、図３の測定装置による流量測定の結果から求めたバルブボディＶＤの温度をパラメータとする流量制御精度を示すものであり、従来の圧力式流量制御装置を用いて高温ガスの流量制御を行った場合には、バルブボディの側面に挿入されたサーミスタ温度検出器によって測定されたガス温度即ち圧力式流量制御措置ＦＣＳのバルブボディＶＤの温度が高温になるに従って、流量制御精度の低下が大きくなることが判明した。
　また、図５は、図３の測定装置を用いた流量測定結果から得られたガスの設定温度と、サーミスタ温度検出器ＴＣの温度とガス温度（流体通路中心Ｍ０の熱電対温度検出器による検出温度）との差と、流量誤差（％Ｆ.Ｓ.）との関係を示すものであり、前記ガス温度とバルブボディＶＤの検出温度（サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度）との差を少なくすれば、流量制御精度が向上することを示すものである。
　図４及び図５に於いて、２５０℃加熱時において２％Ｆ.Ｓ.の流量誤差が全て温度により生じているものと仮定すると、誤差２％Ｆ.Ｓ.がサーミスタ温度検出器ＴＣによる検出温度とガス温度Tの温度差の何度に相当するかが問題となる。
　一方、ガス温度補正に関して、図３による試験装置で用いた供試圧力式流量制御装置FCSでは、１digit当りの圧力式流量制御装置の流量誤差（流量のずれ量）は０．０７７％Ｆ.Ｓ.／digitになることが判っている。従って流量誤差が２％Ｆ.Ｓ.になるには、約２６digits（２％Ｆ.Ｓ.÷０．０７７％Ｆ.Ｓ.／digit）の流量ずれが必要になる。
　また、サーミスタ温度検出器ＴＣの温度モニターの場合のＡＤ分解能による誤差での温度のずれ量は、０．６１℃／digitsであることが判明している。そのため、前記２％Ｆ.Ｓ.の流量誤差は0.61℃／digits×26digits=15.86℃となり、その結果、±１％Ｆ.Ｓ.の流量誤差は、ガス温度とサーミスタ温度との差±7.93℃（15.86℃×１／２）に相当することが判明した。
　一方、半導体製造装置用の高温ガス用圧力式流量制御装置は、通常複数基の圧力式流量制御装置を並列状に配置した状態で使用に供されている。従って、従前の図１８のようにバルブボディＶＤの側面から温度検出器（サーミスタ）を取り付けする構造は、温度検出器の保守用空間を確保する上で問題があり、結果として圧力式流量制御装置の大型化を招来することになる。そのため、温度検出器は、バルブボディＶＤの流体通路の軸心の上方に位置して、且つバルブボディＶＤの上方よりバルブボディへ着脱自在に取り付け出来る構造とするのが望ましい。また、その軸心方向の取付け位置は、コントロールバルブＶの流体通路に設けた弁座及びダイヤフラム弁体とから成るバルブ部（バルブ機構）の下流側とオリフィスＳとの間とするのが望ましい。
　本発明は、上述の如き多くの高温流体（高温ガス）を用いた圧力式流量制御装置の流量特性試験の結果を基にして開発されたものであり、請求項１の発明は、流体通路が形成されたバルブボディと、前記流体通路に介在された弁部と、前記弁部を駆動して前記流体通路を開閉する弁駆動部と、前記流体通路の前記弁部の下流側に設けられた絞り機構と、前記弁部と前記絞り機構との間のガス温度を検出する温度検出器と、前記弁部と前記絞り機構との間のガス圧力を検出する圧力検出器と、前記温度検出器及び圧力検出器の各検出値に基づいて絞り機構を流通するガス流量を演算すると共に前記弁駆動部を制御する演算制御装置と、を有し、前記温度検出器は、前記弁部と絞り機構との間の出口側流体通路の真上の位置に、前記バルブボディの上面側よりその内方へ向けて穿設された取付孔内に挿着されていることを発明の基本構成とするものである。
　また、本発明は、前記温度検出器がサーミスタ温度検出器である場合に、前記演算制御装置は、前記サーミスタ温度検出器の温度検出値の誤差を補正する検出値補正手段と、該検出値補正手段により補正された補正値に基づいて、前記圧力検出器により検出された圧力値を補正する圧力補正手段と、を含むことを特徴とする。
　本発明は、一実施形態において、前記検出値補正手段は、前記サーミスタ温度検出器の検出温度に関する温度特性に基づいて、前記サーミスタ温度検出器により検出されたガス温度の誤差を補正する。
　また、本発明は、一実施形態において、前記温度特性は、２以上の異なる温度により得られる近似式によって関係づけられる。
　また、本発明は、一実施形態において、前記近似式が下記式１である。
　Ｙ＝ａＸ＋ｂ　・・・（式１）
（但し、Ｙはサーミスタ温度検出器による検出温度に対応する温度、Ｘは熱電対又は白金測温抵抗体によるガス測定温度に対応する温度、ａ及びｂはサーミスタ温度検出器の個体毎に定まる定数。）
　前記式１において、２０～２６℃の範囲でＹ＝Ｘと仮定することを利用することが好ましい。
　また、前記バルブボディは、バルブ本体と，該バルブ本体の一方の側面に固定した流体入口側継手を有する流体入口側接続部と，バルブ本体の他方の側面に固定した流体出口側継手を有する流体出口側接続部とから形成されると共に、バルブ本体の流体入口側接続部に対向する位置にフイルタ保持部を、また、バルブ本体の流体出口側接続部に対向する位置に絞り機構保持部を設けた構成とするのが望ましい。
　前記バルブボディの外側面に設けられ、前記流体通路を流通するガス温度を設定温度に保つための加熱用ヒータを更に備えることが好ましい。
　更に、前記加熱用ヒータは，バルブボディを５０℃～５００℃に加熱する、平板状のヒータ若しくはジャケット型のヒータとするのが望ましい。
　前記流体温度を検出する温度検出器は、サーミスタ、白金側温抵抗体や、熱電対等の温度検出器とするのが望ましい。
　前記出口側流体通路の真上に設けた流体温度検出器の取付孔は、適宜の深さを有する孔とすると共に、その底面と出口側流体通路の上壁面との距離を０．１～５．０ｍｍとするのが望ましい。
　前記圧力式流量制御装置の流量制御精度は、ガスの温度が５０℃～５００℃の範囲に於いて、流量誤差が１．０％Ｆ．Ｓ．以下となるようにするのが望ましい。
　前記流体温度検出器の固定は、取付孔内へ挿着した流体温度検出器の上方にスペーサを載置し、当該スペーサの上面をコントロールバルブを形成する筒体保持具の下方に設けたフランジ部分によって押圧固定するのが望ましい。
　また、圧力検出器及び温度検出器は、前記バルブボディとは別体で構成され、バルブボディに組み合わせる構成とするのが望ましい。
　本発明に於いては、従来から使用されているサーミスタ温度検出器や抵抗温度検出器を用い、且つその取付位置をバルブボディの流体出口側の絞り機構近傍の位置とすると共に、バルブボディの上方から温度検出器を挿着する構成とするだけで、５０℃～５００℃の高温ガスを１～１００％の流量範囲に亘って、流量誤差±１．０％Ｆ．Ｓ．以下の精度でもって、流量制御することが可能となり、極めて高い実用的効用を奏するものである。
　また、本発明に係る圧力式流量制御装置では、温度検出器としてサーミスタ温度検出器を用いた場合に、サーミスタ温度検出器に個体差による温度測定誤差を補正することにより、流量制御精度を高めることができる。
　また、本発明に係る圧力式流量制御装置では、温度検出器をバルブボディの上面側からバルブボディ内へ挿着する構成としているため、圧力式流量制御装置を並列状に多数配列した場合でも流体検出器の保守点検が容易に行える。その結果、圧力式流量制御装置を組み込みしたガス供給装置等の大幅な小型化が可能となる。
　更に、バルブ本体の流体出口側通路の真上位置に流体温度検出器を配設し、流体温度検出器の底面と流体出口側通路上壁面との間隔が０．１～５．０ｍｍとなるように規制しているため、流体温度検出器による検出温度と実際の流体温度との差異が殆どなくなり、その結果極めて正確な流体流量の温度補正が行えることになり、高い流量制御精度を得ることができる。
加熱用ヒータを設けた従前の圧力式流量制御装置のバルブボディの概要図である。 圧力式流量制御装置のバルブボディをヒータにより２５０℃に加熱したときの流体通路中心からの温度分布の一例を示すものである。 圧力式流量制御装置のバルブボディの温度分布や流量制御精度測定に用いた測定装置の説明図である。 図１のバルブボディを各温度に加熱したときの流量制御精度特性を示す線図である。 図１のバルブボディをジャケットヒータにより各温度に加熱した時のガス温度（流体通路中心温度）とバルブボディ検出温度との差の実測定値及び当該温度差の発生時に於ける流量ずれ（流量誤差）の計算値を示す線図である。 本発明に係る高温ガス用圧力式流量制御装置に用いるバルブボディの平面図である。 図６のバルブボディを構成するバルブ本体部分の詳細を一部切り欠いて示す縦断面図である。 図７の変形例を示す縦断面図である。 図６のバルブボディを用いた場合のバルブボディ内部の各点の、熱電対（サーモカップル）による温度測定値を示す説明図である。 図６のバルブボディをジャケットヒータにより２５０℃に加熱をした時の各部の温度検出器の測定値（抜粋）を示すものである。 本発明に係る高温ガス用圧力式流量制御装置の要部を示す斜視図である。 サーミスタ温度検出器の検出温度の温度特性を近似したグラフである。 本発明に係る圧力式流量制御装置の他の実施形態を示す制御ブロック図である。 図１３に示す圧力式流量制御装置の機能ブロック図である。 図１４に示す圧力式流量制御装置のサーミスタ温度検出器による検出温度誤差を補正し、補正した温度により検出圧力を補正する手順を示すフローチャートである。 従前の圧力式流量制御装置の制御系統の概要図である。 従前の圧力式流量制御装置の縦断面概要図である。 従前の圧力式流量制御装置のバルブボディＶＤ部分を示す平面概要図である。 サーミスタ温度検出器の測定精度を測定するための実験装置を示す概略構成図である。
　以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
　図６は、本発明に係る圧力式流量制御装置に用いるバルブボディＶＤの平面図であり、バルブボディＶＤは、流体入口側継手１、流体出口側継手２、ガス入口側接続部３、ガス出口側接続部４、バルブ本体５とから形成されており、バルブ本体５の上流側にガス入口側接続部３が固定されており、これに流体入口側継手１設けられている。バルブ本体５の下流側も同様であり、ガス出口側接続部４がバルブ本体５へ気密に取り付けられ、このガス出口側接続部４の出口側に流体出口側継手２が設けられている。
　流体通路は、バルブボディＶＤの中心軸線方向に水平に穿設されており、中央のバルブ本体５には、弁部Ｖ等を構成する各種の部材が気密に載置、固定されている。尚、図６に於いて、６、７は垂直方向の流体通路、８、９はガス漏洩検査孔、１０、１１は各種検出器等の取付孔、１３はボルト孔、１４は温度検出器取付孔である。
　本件発明に於いては、バルブボディＶＤのバルブ本体５のガス出口側接続部４側に温度検出器取付孔１４が穿設されており、ここにガス温度検出用のサーミスタ温度検出器ＴＣが挿着固定されている。尚、本実施形態では温度検出器としてサーミスタが使用されているが、熱電対や白金測温抵抗体等であってもよいことは勿論である。
　また、前記温度検出器取付孔１４の底面は流体通路に可能な限り近接している方が好都合であるが本実施形態に於いては、流体通路壁面の耐圧等を考慮して、流体通路との間に０．１～５．０ｍｍ、望ましくは０．３～１．５ｍｍ、さらに望ましくは０．５～１．２ｍｍ厚さの肉厚部が残る深さに、取付孔１４が穿設されている。
　図７は，バルブ本体５の部分の拡大断面図を示すものであり，図７に於いて，１４は温度検出器取付孔，１５，１６は流体通路，１７は弁部Ｖを構成するバルブシート、１８は弁部Ｖを構成する金属ダイヤフラム弁体，１９はスプリング（皿バネ），２０はダイヤフラム押え，ＰＥは弁駆動部を構成する圧電素子，２１は圧電素子ＰＥが収容された筒体，２２は耐熱Ｏリング，２３はフィルタ保持部，２４はオリフィス保持部，ＴＣはサーミスタ温度検出器，Ｐは圧力センサ，２６は筒体保持具，２７はダイヤフラム押え金具，２８は固定用ボルト，３０は押えアダプタである。なお、サーミスタ温度検出器ＴＣの取り付け位置を除き、バルブ本体５の内部構造及び弁駆動機構は、特開２００３－１２０８３２号等において公知であるため、その詳細な説明は省略する。
　温度検出器取付孔１４は、バルブ本体５のガス出口側の水平な流体通路１６の横方向寸法の略中央の上方位置に穿設されている。流体通路１６の天井壁と取付孔１４の底面との間の肉厚寸法ｔは、前述の如く０．１～５．０ｍｍ（ここでは、約０．５ｍｍ）に設定されている。サーミスタ温度検出器ＴＣは、温度検出器取付孔１４に挿入され、図示しないが、例えば、バルブボディＶＤの側方に形成されたネジ穴に固定用ネジを螺入することよって固定することができる。
　図８は、図７に示した実施形態の変更態様であり、温度検出器取付孔１４の位置が図７の態様と相違する。図８に示されたサーミスタ温度検出器ＴＣは、短円柱状に形成されており、スペーサ２５は円柱状に形成されており、取付孔１４内へ挿着したサーミスタ温度検出器ＴＣの上方に載置されている。また、このスペーサ２５の中央にはリード線の引出孔（不図示）が設けられており、その上壁面は筒体保持具２６の下方に設けたフランジ部分によって、固定用ボルト２８の締込みにより押圧固定されている。
　図９及び図１０は、図３に示した流量測定装置により実測した図６のバルブボディ各部の温度とその温度上昇の状態を示すものであり、Ｍ１はバルブボディの入口側のサイドブロック、Ｍ２はバルブボディのボディ本体の入口側、Ｍ３はボディ本体のダイヤフラムの上面、Ｍ４は本発明で云う改善後のガス温度を検出する温度検出器（サーミスタ温度検出器）の取付位置であり、Ｍ５はバルブボディ出口側のサイドブロックに夫々設けられた温度検出位置であり、夫々流体通路（ガス通路）から１ｍｍ離れた位置のボディの内部温度を示すものである。
　尚、バルブボディＶＤは、ボディ本体５とガス入口側接続部３と流体出口側継手部４とから構成されており、ガス入口側接続部（ガス入口側サイドブロック）３及び流体出口側継手部（ガス出口側サイドブロック）４はボディ本体５へ夫々気密にねじ止め固定されている。また、各継手部（サイドブロック）３、４には流体入口側継手１、流体出口側継手２が夫々一体的に設けられている。
　図９及び図１０からも明らかなように、ヒータＨの加熱により２５０℃近傍に昇温させたバルブボディＶＤの流体通路上の各点（Ｍ１～Ｍ５）の温度分布は、加熱時間の経過と共に一定の安定した温度状態となり、各点間の温度幅は±３．０℃以下となる。その結果、流体通路内を流通するガスの温度幅も±３．０℃以下の値となることが判る。
　更に、Ｍ１～Ｍ５のガス温度Ｔの平均は約２５３．１℃となり、図９に示したボディ本体５の側面より内方に向けて形成されたサーミスタ温度検出器の従来の取付孔の底位置（Ｍ６）を熱電対温度検出器により測定した検出温度（約２６７．２℃）との温度差は１４．１℃となることが判明した。
　尚、図１１は、本発明に係るバルブボディを用いた高温ガス圧力式流量制御装置の斜視図を示すものであり、バルブボディＶＤの底面及び四側面は、平板状ヒータＨにより囲まれており、その外方が断熱材ＴＳにより保護されている。なお、ガスによっては５００℃近くまで加熱が必要なものもあり、そのような場合には、それを制御するにはバルブボディをヒータＨにより５００℃前後まで加熱する必要があり、センサ関連についても５００℃前後まで測定できる必要がある。
　本発明に於いては、図９及び図１０に示したように、流体通路内を流通する現実のガス温度とサーミスタ温度検出器ＴＣによる検出温度との差異が前述の如く±３．０℃以下となる。その結果、高温ガス用圧力式流量制御装置の流量制御精度も大幅に向上することになり、図６の流量測定装置を用いたテストに於いては、ガス温度５０℃～２５０℃に於いて、１０～１００％の流量範囲に亘って流量誤差が±１．０％Ｆ．Ｓ．以下になることが確認されている。
　尚、当該流量制御精度試験に供した高温ガス用圧力式流量制御装置は図１１に示した株式会社フジキン製　品番FCSP7002-HT250-4J2-F100A号　[定格流量（F.S.流量）2.6～2550ＳＣＣＭ、ヒータ加熱温度範囲～250℃（Max300℃）、オリフィス内径18～660μｍ、流体通路口径4.35ｍｍ、１次側ガス圧力Max300KＰaabs(200KＰaG)、２次側真空]のものである。
　次に、サーミスタ温度検出器ＴＣの個体差に起因する測定誤差を補正する実施形態について、以下に説明する。
　既に説明したように、従来、圧力式流量制御装置においては、サーミスタ温度検出器ＴＣによって測定された温度に基づいて、圧力検出器Ｐによって検出された圧力値Ｐ１を補正している。この圧力の補正は、例えば下記式２により、サーミスタ温度検出器ＴＣによって測定されている温度がＴ０からＴ１に変化したときに圧力検出器Ｐによって検出された圧力Ｐが圧力Ｐ’に補正される。なお、温度Ｔ０は、通常は、初期設定温度であり、例えば室温を設定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　サーミスタ温度検出器ＴＣによる検出温度は、表１で示したように、（ｉ）個体差によって測定誤差（△Ｔ）にバラツキがあり、（ｉｉ）室温付近では殆ど誤差が無いか誤差があったとしても流量制御精度に影響が無い程度であり、（ｉｉｉ）室温付近から測定温度の上昇に伴って測定誤差（△Ｔ）が徐々にプラス側に大きくなる傾向がある一方、（ｉｖ）室温付近より低い温度ではマイナス側に誤差を生じることが判明している。そこで、この傾向を利用すれば、サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度の温度特性を直線で近似することが可能となる。
　図１２は、サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度の温度特性を直線近似したグラフを実線で示している。図１２において、Ｙ軸（縦軸）がサーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度に対応する温度であり、Ｘ軸（横軸）は設定温度に対応する温度である。ここで、「対応する温度」としたのは、下記で説明するように、その温度が、実測される場合と、実測定されない場合とを含むためである。図１２に破線で示された直線は、サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度に対応する温度が設定温度に対応する温度に等しい理想的な状態を示しており、近似式を示す実線は、理解容易のため、傾きを誇張して示している。
　前記設定温度は、実測による場合、熱電対又は白金測温抵抗体のような高精度の温度検出器を用いてガス温度が測定され、実際のガス温度との誤差が、サーミスタ温度検出器ＴＣに比較して測定誤差が十分に小さいことが担保される。前記設定温度は、例えば、ガス温度を検出する熱電対温度検出器によってＰＩＤ制御されているジャケットヒータＨの、該熱電対温度検出器の検出温度を利用することができる。
　近似式は、Ｙ＝ａＸ+ｂで表され、定数ａ、ｂは、サーミスタ温度検出器ＴＣの個体毎に定まる。この定数ａ、ｂは、（Ｘ、Ｙ）を２点測定し、連立方程式を解けば求まる。定数ａ、ｂが求まればサーミスタ温度検出器ＴＣの任意の検出温度（Ｙ）を近似式Ｙ＝ａＸ+ｂに代入してＸについて解くことにより、理想温度に補正された温度（Ｘ）が下記式３によって得られる。なお、この場合の式３の補正された温度（Ｘ）は、計算によって求められる温度であり、実際には測定されていない温度である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　表１を参照すれば室温付近では測定誤差は流量制御精度への影響を無視できるほど小さいことが分かっているから、近似式Ｙ＝ａＸ+ｂの定数ａ，ｂを算出するにあたり、室温付近の温度、例えば、２０～２６℃の範囲の温度をＸ＝Ｙと仮定し、実測を一部省略することもできる。例えば、室温Ｔ０を２２℃に設定すれば、近似式は２２＝２２ａ＋ｂとなり、１００℃～２５０℃の任意の設定温度（Ｘ）でサーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度（Ｙ）を得れば、連立方程式を立てることができ、連立方程式を解いて定数ａ，ｂを求めることができる。例えば、１５０℃の設定温度（Ｘ）に対して、サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度（Ｙ）が１５３℃であったとすれば、これらの数値から１５３＝１５０ａ＋ｂを得、２２＝２２ａ＋ｂとの連立方程式を解くことにより、定数ａ，ｂが算出される。なお、この場合のＸ＝Ｙ＝２２℃も、実測によらない、予め設定される温度である。
　圧力補正手段としての上式２において、理想温度に補正された温度を式２のＴ１に代入し、圧力検出器Ｐで検出された圧力を式２のＰに代入するとともに、初期設定温度を式２のＴ０に代入することにより、補正された圧力Ｐ’が得られる。
　上記のようにして補正された圧力Ｐ’を用いて、圧力式流量制御装置は、従来と同様に、圧力比（Ｐ２’／Ｐ１’）が臨界圧力比以下である臨界条件（ｒ≦ｒｃ）では流体流量Ｑｃが演算制御装置ＣにおいてＱｃ＝ＫＰ１’により演算され、設定流量Ｑｓとなるようにフィードバック制御される。なお、圧力比が臨界圧力比を越える非臨界領域における圧縮性流体のオリフィスＳを通過する流体流量ＱｃがＱｃ＝ＫＰ２’ｍ（Ｐ１’－Ｐ２’）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）により演算され、設定流量Ｑｓとなるようにフィードバック制御される。
　上記の温度補正及び圧力補正を、制御ブロック図（図１３）、機能ブロック図（図１４）、及びフローチャート（図１５）を参照しつつ説明する。
　図１３に示す制御ブロック図は、絞り機構Ｓの下流側に圧力検出器を備えないタイプ、即ち、臨界条件下で使用される圧力式流量制御装置を例示している。図１３に示すように、ガス源４０と真空ポンプＶＰとの間に、バルブボディＶＤが接続されており、真空ポンプＶＰを駆動させることにより、臨界条件が達成され得る。サーミスタ温度検出器ＴＣ及び圧力検出器Ｐの各検出信号は、増幅器４１、４２によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器４３、４４によってデジタル信号に変換された後、演算制御装置Ｃに送られる。
　ジャケットヒータＨは、圧力式流量制御装置の演算制御装置Ｃとは別に設けられた温度制御装置４５によって、熱電対温度検出器４６の検出値に基づいて、設定温度になるようにＰＩＤ制御される。熱電対温度検出器４６の検出値は、温度表示モニター４７に温度として表示される。ガス温度調節のため、ガス源４０と圧力式流量制御装置のバルブボディＶＤとを接続する配管類も加熱装置４８によって加熱される。
　図１４の機能ブロック図に示すように、サーミスタ温度検出器ＴＣによって検出された検出温度は、検出値補正手段５０によってサーミスタ温度検出器ＴＣの個体差による測定誤差を補正された後、その補正された温度に基づいて圧力補正手段５１によって圧力が補正され、補正された圧力によって流量Ｑｃが演算され、演算された流量Ｑｃが設定流量Ｑｓとなるように流量制御される。
　最初に、初期設定温度Ｔ０、好ましくは室温（２０～２６℃）を演算制御装置Ｃに入力装置５２（図１３）を通じて入力する。例えば、半導体製造装置のクリーンルーム内は、一般に室温が一定温度に管理されているため、その温度を適用できる。このとき、ジャケットヒータＨは、電源をオンにし、ヒータはオフにして加熱しない状態でガス温度を表示させておくことで、温度表示モニター４７に表示される表示温度を初期設定温度Ｔ０として演算制御装置Ｃに入力しても良い。入力された初期設定温度Ｔ０は、演算制御装置Ｃ内の記憶部５３に（Ｘ０，Ｙ０）＝（Ｔ０，Ｔ０）として記憶される（ステップ１）。
　次に、初期設定温度Ｔ０と異なる温度、好ましくは１００℃以上の温度Ｔ１にジャケットヒータＨの設定温度に設定するとともに、演算制御装置Ｃに温度Ｔ１を入力する。ジャケットヒータＨの温度表示モニター４７が設定温度を示したら、圧力式流量制御装置の温度表示モニター５４の表示温度Ｔ２（サーミスタ温度検出器により検出された温度）を、演算制御装置Ｃに入力手段５２を通じて入力する。演算制御装置Ｃ入力された温度Ｔ１，Ｔ２は、演算制御装置Ｃの記憶部５３に（Ｘ１，Ｙ１）＝（Ｔ１，Ｔ２）として記憶される（ステップ２）。
　演算制御装置Ｃでは、ＣＰＵ５４が、記憶部５３に記憶されている下記式４と（Ｘ０，Ｙ０），（Ｘ１，Ｙ１）から、定数ａを算出し（ステップ３）、次いで算出されたａを用いて定数ｂを算出する（ステップ４）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　算出された定数（ａ，ｂ）は、演算制御装置Ｃの記憶部５３に記憶される。
　ジャケットヒータＨにより一定温度に加熱された状態で、演算制御装置ＣのＣＰＵ５４は、記憶部５３に記憶されている下記式６と、式４及び式５で求められた定数（ａ，ｂ）と、サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度Ｔとから、演算により補正後温度Ｔａを算出する（ステップ５）。算出された補正後温度Ｔａは、記憶部５３に記憶される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　さらに、演算制御装置ＣのＣＰＵ５４は、記憶部５３に記憶されている上記式２のＴに、式６で求められた補正後温度Ｔａを代入し、式２のＴ０に記憶部５３に記憶されている初期温度Ｔ０を代入して数値演算することにより、下記式７に示すように、補正された圧力Ｐ’を算出する（ステップ６）。算出された圧力Ｐは、記憶部５３に記憶される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　上記のようにして補正された圧力Ｐ’により、圧力式流量制御装置が制御される。圧力Ｐ’によって圧力式流量制御装置を制御する方は従来の公知の方法を採用することができる。なお、式６で得られた補正後温度Ｔａは、流量演算式Ｑｃ＝ＫＰ１’の比例定数Ｋの計算にも利用される。
　上記説明から明らかなように、検出値補正手段５０によりサーミスタ温度検出器ＴＣの個体差による測定誤差を理想温度に補正した後、補正した温度を用いて、圧力補正手段５１により検出圧力を補正しているので、サーミスタ温度検出器ＴＣの個体差による流量制御誤差を減少させ、２５０℃の高温ガスであっても高精度でその流量を制御することが可能となる。
　また、上記したように検出値補正手段及び圧力補正手段は、記憶部５３に記録されたプログラム（補正プログラム）により補正処理が実行されるので、高温用でない従来の圧力式流量制御装置に、ジャケットヒータＨを取り付け、バルブボディＶＤの適宜位置に温度検出器取付孔を加工して、補正プログラムを組み込めば、高温用として使用することができる。
　なお、上記実施形態では、サーミスタ温度検出器ＴＣの測定精度の温度特性を２点の（Ｘ，Ｙ）で直線近似したが、近似精度を向上させるために、たとえば、測温点数を増やしてスプライン補正や最小二乗法によって直線又は曲線で近似することもできる。また、サーミスタ温度検出器ＴＣの測定精度の温度特性に関する予め測定されたデータを蓄積した補正テーブルを記憶部５３に記憶させておき、サーミスタ温度検出器ＴＣの測定値に応じた補正温度を出力するようにしても良い。
Ｖ　弁部
ＶＤ　バルブボディ
ＰＥ　駆動用圧電素子
ＴＣ　サーミスタ温度検出器
Ｐ　圧力検出器
Ｋ　ケース体
Ｈ　ジャケットヒータ（加熱用ヒータ）
ＴＳ　断熱材
Ｓ　オリフィス（絞り機構）
Ｔ　ガス温度
Ｃ　演算制御部
Ｄ　弁駆動部
Ｑｓ　設定流量
ΔＱ　流量調整信号
１　流体入口側継手
２　流体出口側継手
３　流体（ガス）入口側接続部（入口側サイドブロック）
４　流体（ガス）出口側接続部（出口側サイドブロック）
５　バルブ本体
６　流体（ガス）通路（垂直方向）
７　流体（ガス）通路（垂直方向）
８　流体（ガス）漏洩検査孔兼検出器取付孔
９　流体（ガス）漏洩検査兼検出器取付孔
１０　検出器取付孔
１１　検出器取付孔
１３　ボルト孔
１４　温度検出器取付孔
１５　入口側流体通路（水平方向）
１６　出口側流体通路（水平方向）
１７　バルブシート
１８　ダイヤフラム弁体
１９　スプリング（皿バネ）
２０　ダイヤフラム押え
２１　筒体
２２　Ｏリング
２３　フィルタ保持部
２４　絞り機構（オリフィス）保持部
２５　スペーサ
２６　筒体保持具
２７　ダイヤフラム押え金具
２８　固定用ボルト
３０　メタルシール金具

Claims (13)

  1. 　流体通路が形成されたバルブボディと、
    　前記流体通路に介在された弁部と、
    　前記弁部を駆動して前記流体通路を開閉する弁駆動部と、
    　前記流体通路の前記弁部の下流側に設けられた絞り機構と、
    　前記弁部と前記絞り機構との間のガス温度を検出する温度検出器と、
    　前記弁部と前記絞り機構との間のガス圧力を検出する圧力検出器と、
    　前記温度検出器及び圧力検出器の各検出値に基づいて絞り機構を流通するガス流量を演算すると共に前記弁駆動部を制御する演算制御装置と、を有し、
    　前記温度検出器は、前記弁部と絞り機構との間の出口側流体通路の真上の位置に、前記バルブボディの上面側よりその内方へ向けて穿設された取付孔内に挿着されていることを特徴とする圧力式流量制御装置。
  2. 　前記温度検出器がサーミスタ温度検出器であって、
    　前記演算制御装置は、
    　　前記サーミスタ温度検出器の温度検出値の誤差を補正する検出値補正手段と、
    　　該検出値補正手段により補正された補正値に基づいて、前記圧力検出器により検出された圧力値を補正する圧力補正手段と、を含む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。
  3. 　前記検出値補正手段は、前記サーミスタ温度検出器の検出温度に関する温度特性に基づいて、前記サーミスタ温度検出器により検出されたガス温度の誤差を補正す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。
  4. 　前記温度特性は、２以上の異なる温度により得られる近似式によって関係づけられ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。
  5. 　前記近似式は下記式１であ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。
    　Ｙ＝ａＸ＋ｂ　・・・（式１）
    （但し、Ｙはサーミスタ温度検出器による検出温度に対応する温度、Ｘは熱電対又は白金測温抵抗体によるガス測定温度に対応する温度、ａ及びｂはサーミスタ温度検出器の個体毎に定まる定数。）
  6. 　前記式１において、２０～２６℃の範囲でＹ＝Ｘと仮定することを利用する、請求項５に記載の圧力式流量制御装置。
  7. 　前記バルブボディを、バルブ本体と、該バルブ本体の一方の側面に固定した流体入口側継手を有する流体入口側接続部と、前記バルブ本体の他方の側面に固定した流体出口側継手を有する流体出口側接続部とから形成すると共に、前記バルブ本体の流体入口側接続部に対向する位置にフィルタ保持部を、また、前記バルブ本体の流体出口側接続部に対向する位置に絞り機構保持部を設けた構成のバルブボディとした請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
  8. 　前記バルブボディの外側面に設けられ、前記流体通路を流通するガスの温度を設定温度に保つための加熱用ヒータを更に備え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。
  9. 　前記加熱用ヒータが、前記バルブボディを５０℃～５００℃に加熱する、平板状のヒータ若しくはジャケット型のヒータである請求項８に記載の圧力式流量制御装置。
  10. 　前記出口側流体通路の真上に設けた温度検出器の取付孔を所定の深さを有する孔とすると共に、その底面と出口側流体通路の上壁面との距離を０．１～５．０ｍｍとするようにした請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
  11. 　ガス温度が５０℃～５００℃の範囲に於いて、流量誤差が１．０％Ｆ．Ｓ．以下となる流量制御精度を備えた請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
  12. 　前記弁駆動部が積層型圧電素子であって、該弁駆動部を保持する筒体保持具が前記バルブボディに取り付けられているとともに、前記取付孔内へ挿着した温度検出器の上方にスペーサを載置し、当該スペーサの上面を、前記筒体保持具に設けたフランジ部分によって押圧固定することにより、前記温度検出器を前記バルブボディへ固定するようにした請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
  13. 　圧力検出器及び温度検出器が前記バルブボディとは別体で構成され、バルブボディに組み合わせる構成に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。
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