(57)【要約】【課題】流体圧力Ｐと流体温度Ｔから直接的に実際の流量Ｑを導出して、高精度に流体を制御できる圧力式流量制御方法を実現する。【解決手段】本発明に係るＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法、流体温度Ｔと流体圧力Ｐに対する絞り部材通過流量Ｑの関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を実測により求めておき、コントロールバルブを開度Ｖに調節したときに流体圧力Ｐと流体温度Ｔを検出し、この流体圧力Ｐと流体温度Ｔから前記関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）により絞り部材通過流量Ｑを導出し、この絞り部材通過流量Ｑと設定流量Ｑｓとの差をゼロに接近させるようにコントロールバルブの開度Ｖを調節することにより絞り部材通過流量Ｑを設定流量Ｑｓに制御することを特徴とする。コンピュータや電子回路を用いて、全て実験データだけを根拠にして流量制御するから、極めて高精度且つ高速の流量制御を実現できる。【選択図】  図６
2004212099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Ｐを検出する圧力センサと流体温度Ｔを検出する温度センサを有して、コントロールバルブの開度により流体圧力Ｐを調節して絞り部材通過流量を設定流量Ｑｓに制御する音速条件を利用した圧力式流量制御方法において、流体温度Ｔと流体圧力Ｐに対する絞り部材通過流量Ｑの関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を求めておき、コントロールバルブを開度Ｖに調節したときに流体圧力Ｐと流体温度Ｔを検出し、この流体圧力Ｐと流体温度Ｔから前記関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）により絞り部材通過流量Ｑを導出し、この絞り部材通過流量Ｑと前記設定流量Ｑｓとの差をゼロに接近させるようにコントロールバルブの開度Ｖを調節することにより絞り部材通過流量Ｑを設定流量Ｑｓに制御することを特徴とするＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法。
【請求項２】
前記コントロールバルブの開度調節により、絞り部材通過流量Ｑと設定流量Ｑｓの差が微小流量ΔＱより小さくなったときに絞り部材通過流量Ｑは設定流量Ｑｓに制御されたと判断する請求項１に記載のＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法。
【請求項３】
前記コントロールバルブの開度Ｖは微小開度ΔＶを単位として調節される請求項２に記載のＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法。
【請求項４】
流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Ｐを検出する圧力センサと流体温度Ｔを検出する温度センサと、下流側配管に設けられて絞り部材通過流量Ｑを計測する流量計を有した音速条件において流量を計測する流量測定装置を使用し、コントロールバルブを開度Ｖに調節した状態で、流体圧力Ｐ、流体温度Ｔ及び絞り部材通過流量Ｑを測定し、この関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を出力し、前記コントロールバルブの開度Ｖを微小開度ΔＶだけ変化させながら関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を次々と出力することを特徴とするＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定方法。
【請求項５】
流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Ｐを検出する圧力センサと流体温度Ｔを検出する温度センサと、下流側配管に設けられて絞り部材通過流量Ｑを計測する流量計と、コントロールバルブの上流側に配設されて流体温度Ｔを可変する加熱手段を有した音速条件において流量を計測する流量測定装置を使用し、流体温度Ｔを一定に保持した状態でコントロールバルブを開度Ｖに調節し、この開度状態で流体圧力Ｐ、流体温度Ｔ及び絞り部材通過流量Ｑを測定し、この関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を出力し、前記コントロールバルブの開度Ｖを微小開度ΔＶだけ変化させながら関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を次々と出力し、更に前記加熱手段により流体温度ＴをΔＴだけ変化させて同様の工程で関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を次々と出力することを特徴とするＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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方法に関し、更に詳細には、オリフィスやノズル等の絞り部材形状と流体の種類が決まったときに、流体の圧力・温度に対する絞り部材通過流量の依存関係を使用して、絞り部材通過流量を所望の設定流量に制御する圧力式流量制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造設備や化学プラントなどでは、原料となる複数のガスを所定の流量で供給し、これらの原料ガスを反応室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。特に、残留ガスが引火性の場合には爆発の危険性がある。
【０００３】
従来、ガス流量を正確に制御するために、配管内に絞り部材を配置し、この絞り部材を通過する理論流量として出来るだけ精度の良い流量式が選択されてきた。特に、流量制御の容易性から、絞り部材を通過するガス流の流速を音速領域に設定する音速条件下での流量制御方法が利用されている。
【０００４】
この音速条件とは、絞り部材の上流側圧力Ｐと下流側圧力Ｐｄの圧力比Ｐｄ／Ｐを約０．５の臨界値より小さくしたとき、絞り部材を通過するガスの流速が音速に到達することである。音速条件下では、絞り部材を通過するガス流の理論流量Ｑは上流側の流体条件にのみ依存し、下流側の流体条件に依存しないことが分かっている。このような性質から、流体を音速条件に設定して、上流側の流体条件だけを操作して流体を流量制御する方法が開発されつつある。
【０００５】
特許第２８３７１１２号では、流体の絞り部材としてノズルを用いて、流体を音速条件下で流量制御する方法が開示されている。この意味で、この特許公報では、このノズルを音速ノズルと称している。
【０００６】
音速ノズルから流出する流体の流速は音速ｃであり、流体密度をρ、音速ノズルのスロート部の最小断面積をＳとすると、理論流量ＱｔｈはＱｔｈ＝ρ・ｃ・Ｓで与えられる。音速条件が成立しているから、流体密度ρと音速ｃは上流側の流体圧力Ｐ、流体温度Ｔにのみ依存し、また断面積Ｓは音速ノズルの形状にのみ依存する。
【０００７】
流体密度ρ及び音速ｃはρ＝ρ（Ｐ，Ｔ）及びｃ＝ｃ（Ｐ，Ｔ）として書くことができ、これらの関数形が分かっているから、流体圧力Ｐと流体温度Ｔを測定できれば、理論流量ＱｔｈはＱｔｈ＝ρ・ｃ・Ｓにより演算して求めることができる。しかし、実際の流量Ｑは理論流量Ｑｔｈから多少ずれることが知られている。
【０００８】
図７はオリフィスからなる絞り部材１４の概略説明図である。この絞り部材１４には内部に絞り孔１４ａが穿設されており、この絞り孔１４ａは最小断面直径Ｄ及び最小断面積Ｓを有している。
【０００９】
流体が絞り孔１４ａの中を点線矢印ａ方向に進入すると、流体は管路の内面から次第に剥離しながら進行する。この剥離部分を境界層と呼び、この境界層は次第に発達するから、絞り孔１４ａを出た段階で、流体流断面積Ａは最小断面積Ｓより小さくなるのが通常である。
【００１０】
従って、実際の流量ＱはＱ＝ρ・ｃ・Ａとなり、Ａ＜Ｓであるため、実際の流量は理論流量より小さくなり、Ｑ＜Ｑｔｈが成立している。上述したように、この主たる原因は境界層の発達による縮流現象である。
【００１１】
そこで、実際の流量Ｑと理論流量Ｑｔｈの比をＣｄで表すと、Ｑ／Ｑｔｈ＝Ｃｄとなり、このＣｄを流出係数と呼んでいる。Ｃｄ＜１が成立し、その主原因は縮流現象によりＡ＜Ｓが成立するからである。そこで、従来から実際の流量Ｑを演算するのに、理論流量Ｑｔｈと流出係数Ｃｄを算出し、Ｑ＝Ｃｄ×Ｑｔｈから実流量Ｑを導出することが行われていた。
【００１２】
しかし、流出係数Ｃｄは絞り孔１４ａの形状や流体の種類、更には流体圧力Ｐや流体温度Ｔに依存する。換言すれば、流出係数Ｃｄは絞り部材１４と流体条件に依存する複雑な係数である。
【００１３】
この複雑性を回避するため、特許第２８３７１１２号では、流出係数Ｃｄが流体のレイノルズ数Ｒｅにのみ依存する量と考え、Ｃｄ−Ｒｅ関係を具体的に導出している。図８は従来特許第２８３７１１２号によって得られたＣｄ−Ｒｅ関係図である。このＣｄ−Ｒｅ関係は、絞り部材１４や流体条件が変わっても、レイノズル数Ｒｅが同一の流体では同一の流出係数Ｃｄを使用できることを主張するものである。
【００１４】
この考え方を実際の流体に適用すると、絞り部材から流出する流体の条件から、流体のレイノズル数Ｒｅを算出し、Ｃｄ−Ｒｅ関係からこのＲｅに対応する流出係数Ｃｄを導出する。他方、理論流量ＱｔｈをＱｔｈ＝ρ×ｃ×Ｓから算出し、実際の流量ＱをＱ＝Ｃｄ×Ｑｔｈとして演算する。このＱを絞り部材通過流量と判断するのである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
このような考え方の基礎は、流体力学的相似性という概念に存在する。実物の飛行機で風洞実験を行うことは不可能であるから、幾何学的に縮小した模型飛行機で風洞実験を行う。このとき、模型飛行機の形状が実物飛行機に対し相似的に縮小されるだけでなく、流体環境自体も実物条件に対し相似状態になければならない。この相似状態を流体力学的相似性と言う。
【００１６】
流体力学的相似性を決めるパラメータとして、レイノズル数Ｒｅ、オイラー数Ｅ、フルード数Ｆ、マッハ数Ｍ、ウェーバ数Ｗなどが用いられる。実物流体条件と模型流体条件において、これらのパラメータが同一であるなら、二つの流れは流体力学的に相似性を有すると判断するのである。このことから、模型実験で得られた実験結果は実物実験でも成立すると考える。
【００１７】
しかし、これらのパラメータの全てを二つの流れで同一にすることはかなり困難であるから、流体環境において主として作用する力関係から主たるパラメータを定め、この主たるパラメータを同一にすれば、近似的に流体力学的相似性は満足されると判断するのが通常である。
【００１８】
前述した特許第２８３７１１２号では、レイノズル数Ｒｅを主たるパラメータと定めて、流出係数Ｃｄに対しＣｄ＝Ｃｄ（Ｒｅ）なる関数関係を設定したのである。
【００１９】
しかしながら、流体力学的相似性という概念は物理学の第一原理から導出された科学的真理ではなく、流体力学が確立されてきた約２００年間の経験則でしかない。流体力学的相似性を満足した模型実験の結果は、大筋として実物実験を予測させるものではあるが、微細な実験結果に対しては、同一結果を与える保証とはならないのである。最終的には、実物実験で決めるしか方法が無いのである。言い換えると、Ｃｄ＝Ｃｄ（Ｒｅ）なる実験的関数関係は厳密に成立するものではない。
【００２０】
更に、多数のパラメータの中から主たるパラメータとしてレイノズル数Ｒｅだけを取り上げ、流出係数Ｃｄがレイノズル数Ｒｅだけに依存するという近似性が問題である。換言すると、Ｃｄ＝Ｃｄ（Ｒｅ）という関係式は近似式でしかなく、この近似式がどの程度の誤差を含むかは前記公報には全く議論されていない。
【００２１】
また、前記特許公報は、かなりの誤差を含むと考えられる関係式Ｃｄ＝Ｃｄ（Ｒｅ）を用いて流出係数Ｃｄを算出し、このＣｄを用いて、Ｑ＝Ｃｄ×Ｑｔｈとして流量Ｑを導出する間接的方法を用いている。このような間接的方法により流量Ｑを導出することに更に誤差を生じる危険性が含まれている。
【００２２】
前述したように、半導体製造設備や化学プラントでは、爆発などの危険性を排除するために、過不足の無い化学反応が要求され、流体の流量制御も高精度に行うことが要求される。つまり、Ｃｄ＝Ｃｄ（Ｒｅ）を用いた近似的且つ間接的流量制御では、このような高精度の流量制御を実現することは極めて難しい。
【００２３】
従って、本発明は、Ｃｄ＝Ｃｄ（Ｒｅ）という間接的関係を使用しないで、流体圧力Ｐと流体温度Ｔから直接的に実際の流量Ｑを導出することにより、高精度に流体を制御できる圧力式流量制御方法を実現することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために為されたものであり、第１の発明は、流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Ｐを検出する圧力センサと流体温度Ｔを検出する温度センサを有して、コントロールバルブの開度により流体圧力Ｐを調節して絞り部材通過流量を設定流量Ｑｓに制御する音速条件を利用した圧力式流量制御方法において、流体温度Ｔと流体圧力Ｐに対する絞り部材通過流量Ｑの関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を求めておき、コントロールバルブを開度Ｖに調節したときに流体圧力Ｐと流体温度Ｔを検出し、この流体圧力Ｐと流体温度Ｔから前記関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）により絞り部材通過流量Ｑを導出し、この絞り部材通過流量Ｑと前記設定流量Ｑｓとの差をゼロに接近させるようにコントロールバルブの開度Ｖを調節することにより絞り部材通過流量Ｑを設定流量Ｑｓに制御することを特徴とするＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法である。この方法では、実測により事前に求められているＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を用いて、コントロールバルブをある開度Ｖに開放した状態での絞り部材通過流量Ｑを導出し、この絞り部材通過流量Ｑと設定流量Ｑｓとの差を算出し、この流量差をゼロにする方向にコントロールバルブの開度Ｖを開閉調節して、同じ演算を繰り返しながら絞り部材通過流量Ｑを設定流量Ｑｓに一致するまで制御する方式である。従って、コンピュータ制御によりほぼ瞬時に絞り部材通過流量Ｑを設定流量Ｑｓに制御することができ、設定流量Ｑｓが変化した場合にも直ちに追随して流量制御することが可能となる。しかも実測により事前に関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を求めているから、全て実験データだけを根拠にして流量制御するから、極めて高精度の流量制御を実現できる。
【００２５】
第２の発明は、コントロールバルブの開度調節により、絞り部材通過流量Ｑと設定流量Ｑｓの差が微小流量ΔＱより小さくなったときに絞り部材通過流量Ｑは設定流量Ｑｓに制御されたと判断するＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法である。コンピュータ制御する場合には、絞り部材通過流量Ｑが設定流量Ｑｓと数値的に完全に一致することは無いから、絞り部材通過流量Ｑと設定流量Ｑｓとの差、即ち、Ｑ−Ｑｓ又はＱｓ−Ｑの値が微小流量値ΔＱより小さければ実質上一致したと判断することを主張している。このΔＱの値は制御精度によって自在に決めることができ、粗制御ではΔＱは大きく設定され、また精密制御ではΔＱは極めて小さく設定される。このように、この方法を用いれば粗から精密に至る広範囲の流量制御を自在に行うことが可能となる。
【００２６】
第３の発明は、コントロールバルブの開度Ｖは微小開度ΔＶを単位として調節されるＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法である。絞り部材通過流量Ｑと設定流量Ｑｓが不一致であると、コントロールバルブの開度を大小制御して絞り部材通過流量Ｑを設定流量Ｑｓに接近させる。この演算過程はコンピュータにより高速演算できるから、微小開度ΔＶを任意の値に置いても、反復制御により直ちに設定流量Ｑｓに流量制御することができる。しかも、微小開度ΔＶを小さくすると、絞り部材通過流量Ｑを細かく制御できるから、流量の高速高精度制御が可能となる。
【００２７】
第４の発明は、流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Ｐを検出する圧力センサと流体温度Ｔを検出する温度センサと、下流側配管に設けられて絞り部材通過流量Ｑを計測する流量計を有した音速条件において流量を計測する流量測定装置を使用し、コントロールバルブを開度Ｖに調節した状態で、流体圧力Ｐ、流体温度Ｔ及び絞り部材通過流量Ｑを測定し、この関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を出力し、前記コントロールバルブの開度Ｖを微小開度ΔＶだけ変化させながら関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を次々と出力するＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定方法である。コントロールバルブの開度Ｖを大きくすると、上流側の流体圧力Ｐは増大し、その結果絞り部材通過流量Ｑを可変することができる。コンピュータ制御により、コントロールバルブを微小開度ΔＶだけ変化させながら流体圧力Ｐを微小変化させてＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）の関係を次々に実験的に導出し、広範囲の流体圧力に対し絞り部材通過流量Ｑを測定することができる方法を与える。このＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係をコンピュータに記憶させると、第１から第３までの発明をコンピュータ制御により実現することが可能となる。
【００２８】
第５の発明は、流量制御用の絞り部材と、絞り部材の上流側配管に設けられたコントロールバルブと、絞り部材とコントロールバルブの間に設けられて上流側の流体圧力Ｐを検出する圧力センサと流体温度Ｔを検出する温度センサと、下流側配管に設けられて絞り部材通過流量Ｑを計測する流量計と、コントロールバルブの上流側に配設されて流体温度Ｔを可変する加熱手段を有した音速条件において流量を計測する流量測定装置を使用し、流体温度Ｔを一定に保持した状態でコントロールバルブを開度Ｖに調節し、この開度状態で流体圧力Ｐ、流体温度Ｔ及び絞り部材通過流量Ｑを測定し、この関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を出力し、前記コントロールバルブの開度Ｖを微小開度ΔＶだけ変化させながら関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を次々と出力し、更に前記加熱手段により流体温度ＴをΔＴだけ変化させて同様の工程で関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を次々と出力するＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定方法である。この方法によれば、流体温度Ｔを可変にして、各種の流体温度Ｔに対してＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を導出でき、広範囲の流体温度Ｔと広範囲の流体圧力Ｐに対する絞り部材通過流量Ｑを求めることができる。このＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係をコンピュータに記憶させれば、第１から第３までの発明を各種の流体温度Ｔに対してコンピュータ制御により実現することが可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法及びＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定方法の実施形態を添付する図面に従って詳細に説明する。
【００３０】
本発明に用いられる絞り部材とは内部に絞り孔を形成された部材で、流体の流れを絞りながらその流量を制御して流体流を下流側に供給する部材である。この絞り部材には、平板にオリフィス孔を形成したオリフィス、ノズル孔を内部に形成したノズル、ベンチュリ管などの流体素子が含まれる。
【００３１】
絞り部材に関して上流側の流体圧力Ｐと下流側の流体圧力Ｐｄが与えられたとき、その圧力比Ｐｄ／Ｐが臨界値（通常ガスの場合は約０．５）より小さい場合に、絞り孔１４ａを流れる流体の流速は音速ｃになることが知られている。本発明では、この条件を音速条件と呼んでいる。
【００３２】
本発明では、前記音速条件を前提にして、Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法と、Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定方法が提供される。話の流れを分かりやすくするため、まずＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を実測する測定方法が説明され、次にこのようにして得られたＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いて絞り部材通過流量Ｑを設定流量Ｑｓに制御する圧力式流量制御方法が説明される。
【００３３】
図１は本発明に用いられるＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定装置１の構成図である。このＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定装置１は、供給側連結部５を介して供給側配管６と流体供給源４に接続され、また流出側連結部７を介して流出側配管８に接続されている。
【００３４】
流体供給源４と供給側配管６の外周には流体温度Ｔを可変に設定するために加熱手段３が設けられている。流出側配管８には真空ポンプ１２が接続されている。真空ポンプ１２により矢印ｂ方向に排気して下流側の流体圧力Ｐｄが小さく設定され、その結果、Ｐｄ/Ｐ＜約０．５の音速条件が保持されている。
【００３５】
流体供給源４から原料ガスが供給され、Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定装置１により下流側に絞り部材通過流量Ｑの原料ガスが供給される。上流側において原料ガスの流体温度Ｔと流体圧力Ｐを可変すると、絞り部材通過流量Ｑが変動する。通常は、加熱手段３により流体温度Ｔを一定にし、流体圧力Ｐだけを可変して、絞り部材通過流量Ｑを変化させてＱ＝Ｑ（Ｐ）関係（Ｔ：一定）を測定する。また、加熱手段３を調節して流体温度Ｔを可変し、各温度ＴにおいてＱ＝Ｑ（Ｐ）を求めて、最終的にＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係が得られる。
【００３６】
絞り部材１４の上流側配管１６にはコントロールバルブ２０が配置され、絞り部材１４の下流側配管１８にはマスフローメーター等の流量計１１が配置され、最終的に流出側配管８に接続されている。コントロールバルブ２０は駆動部２２に連結されており、駆動部２２によりコントロールバルブ２０の開度が自動制御される。
【００３７】
上流側配管１６には圧力センサ２４と温度センサ２６が配置され、上流側における流体圧力Ｐと流体温度Ｔを測定する。圧力信号と温度信号はＡ／Ｄコンバータ２８、３０を介して入出力ポート３０に入力される。
【００３８】
また、下流側配管１８に配置されている下流側圧力センサ２７及び流量計１１により下流側圧力Ｐｄ及び絞り部材通過流量Ｑが測定され、その下流側圧力信号と流量信号はＡ／Ｄコンバータ３１、３３を介して入出力ポート３０に入力される。
【００３９】
制御回路３２により演算された開度信号は入出力ポート３４から駆動部２２に出力され、この駆動信号によりコントロールバルブ２０の開度が制御され、上流側の流体圧力Ｐを可変して、この流体圧力Ｐに規定される流量の原料ガス流体を下流側に供給する。
【００４０】
制御回路３２は入出力ポート３４、ＲＡＭ３６、ＣＰＵ３８及びＲＯＭ４０から構成される。ＲＯＭ４０の中にＴ−Ｐ−Ｑメモリ部４２が含まれている。このＴ−Ｐ−Ｑメモリ部４２に、流体温度Ｔ・流体圧力Ｐのときの絞り部材通過流量Ｑが記憶され、このデータ群を本発明ではＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）で表記し、関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）又はＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係とも称する。
【００４１】
このＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定装置１では、流体温度Ｔに保持された流体が供給され、コントロールバルブ２０の開度を次第に大きくしながら流体圧力Ｐを増大させる。流体圧力Ｐに対応した絞り部材通過流量Ｑが測定され、一定の流体温度ＴにおけるＰ−Ｑ関係が測定されながら、Ｔ−Ｐ−Ｑメモリ部４２に記憶されてゆく。次に、流体温度Ｔを変化させて同様の操作を繰り返し、広範囲の流体温度Ｔに対するＰ−Ｑ関係、即ちＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係が測定されることになる。
【００４２】
図２は本発明に用いられるＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を測定する具体的フロー図である。このフローにおいて使用される物理量は前記Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定装置１により計測されるものである。
【００４３】
ステップｍ１では、音速条件（Sonic Flow Condition）が設定されている。下流側流体圧力Ｐｄと上流側流体圧力Ｐの比率Ｐｄ／Ｐが臨界値である約０．５より小さいこと、即ちＰｄ／Ｐ＜約０．５がこの実験の前提条件となる。この音速条件は、下流側に真空ポンプ１２が配置され、この真空ポンプ１２により下流側ガスを強制的に吸引することによって実現されている。
【００４４】
ステップｍ２では、流体温度Ｔが初期温度Ｔ０に設定され、刻み温度ΔＴ及び最高温度Ｔｍａｘが入力される。流体温度の調節は加熱手段３により行われ、最初は初期温度Ｔ０に設定されるが、以後はＴ０＋ΔＴ、Ｔ０＋２ΔＴ・・・と刻み温度幅で昇温されてゆく。
【００４５】
ステップｍ３では、コントロールバルブ２０の開度Ｖが初期開度Ｖ０に設定され、開度の刻み幅（微小開度）ΔＶと最大開度Ｖｍａｘが初期設定される。微小開度ΔＶを小さくすると精密測定が可能になり、初期開度Ｖ０を小さくし、且つ最大開度Ｖｍａｘを大きくすると広範囲のＰ−Ｑ測定が可能になる。
【００４６】
ステップｍ４では、流体温度Ｔ、上流側流体圧力Ｐ、下流側流体圧力Ｐｄ及び絞り部材通過流量Ｑが測定される。下流側流体圧力Ｐｄが測定される理由は、Ｐｄ／Ｐ＜約０．５が保持されているかどうか、即ち音速条件が満足されているかどうかを常時観察するためである。もし音速条件が満足されていない場合には強力な真空ポンプ１２に交換する必要がある。
【００４７】
ステップｍ５では、流体温度Ｔと流体圧力Ｐと絞り部材通過流量Ｑが出力される。表現を変えると、Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）の一点が出力されたことに相当し、これらのデータはＴ−Ｐ−Ｑメモリ部４２に出力され記憶される。
【００４８】
ステップｍ６では、コントロールバルブ２０の開度Ｖが最大開度Ｖｍａｘに達したかどうかが判定される。最大開度Ｖｍａｘに達していなければ、ステップｍ７に進行し、開度Ｖを微小開度ΔＶだけ増加させてステップｍ４にフィードバックし、再び同じフローを繰り返す。この一連のステップにより、初期温度Ｔ０における関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ０）が得られる。
【００４９】
ステップｍ６において、最大開度Ｖｍａｘに達しておれば、ステップｍ８に移行する。このステップｍ８では、流体温度Ｔが最大温度Ｔｍａｘに達したかどうかが判定される。最大温度Ｔｍａｘに達していない場合には、ステップｍ９に移行し、流体温度Ｔを刻み温度ΔＴだけ昇温して、ステップｍ３に移行する。
【００５０】
流体温度ＴをΔＴだけ昇温して、開度ＶをＶ０〜Ｖｍａｘまで変化させて、関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ０＋ΔＴ）が測定される。このように次々と流体温度Ｔを昇温させながら、広範囲の流体温度Ｔに対して、Ｐ−Ｑ関係が測定される。従って、Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を与える（Ｔ，Ｐ，Ｑ）の３次元データ群が測定され、Ｔ−Ｐ−Ｑメモリ部４２に格納される。
【００５１】
ステップｍ８において、流体温度Ｔが最大温度Ｔｍａｘに到達した場合には、全データ測定が終了したので、測定フローは終了する。しかも、この段階で、（Ｔ，Ｐ，Ｑ）の全データがＴ−Ｐ−Ｑメモリ部に記録され、測定が完了する。
【００５２】
図３はＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を３次元座標で表現したグラフである。流体温度ＴがＴ１、Ｔ２，Ｔ３の場合におけるＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係、即ちＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ１）、Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ２）及びＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ３）が実線グラフで表されている。これらのグラフで表される連続面がＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）によって与えられる。
【００５３】
図４は流体温度Ｔが常温であるときに行われるＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を測定する具体的フロー図である。このフローは図２に示されるフローからステップｍ２、ｍ８、ｍ９を除いたものに一致している。従って、その要点だけを説明する。
【００５４】
まず、ステップｋ１で音速条件が設定される。流体は装置を取り巻く雰囲気と熱平衡状態にあるから、流体温度は環境温度Ｔと一致している。ステップｋ２では、コントロールバルブ２０が初期開度Ｖ０に設定される。この初期開度Ｖ０で流体が絞り部材１４に流れる。ステップｋ３では、流体温度Ｔ、上流側流体圧力Ｐ、下流側流体圧力Ｐｄ及び絞り部材通過流量Ｑが測定される。
【００５５】
ステップｋ４では、流体温度Ｔと流体圧力Ｐと絞り部材通過流量Ｑが出力され、Ｔ−Ｐ−Ｑメモリ部４２にその出力データが格納される。ステップｋ５では、開度Ｖが最大開度Ｖｍａｘに到達しているかどうかが判別され、到達していなければ、ステップｋ６に移行して微小開度ΔＶだけ増加させて、ステップ３に飛び、同様のステップを繰り返す。
【００５６】
ステップｋ５でコントロールバルブ２０の開度Ｖが最大開度Ｖｍａｘに到達すれば、その段階で常温測定は終了する。このようにして、環境温度ＴにおけるＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係が測定される。
【００５７】
図５は本発明に用いられる圧力式流量制御装置２の構成図である。この圧力式流量制御装置２は、図１に示されるＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定装置１から流量計１１、下流側圧力センサ２７、Ａ／Ｄコンバータ３１・３３及び加熱手段３を除外したものに一致している。
【００５８】
圧力式流量制御装置２の構成部材の作用効果は、Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定装置１の構成部材の作用効果と同一であるから、その説明は省略する。従って、本装置の目的と異なる部材の作用効果についてだけ説明する。
【００５９】
この圧力式流量制御装置２では、真空ポンプ１２の排気作用により音速条件が自動設定されるため下流側圧力センサ２７は取り外されており、また流量制御を目的とするから流量計１１も取り外されている。また、流体の常温制御を行うため、加熱手段３も取り外されている。
【００６０】
反応室１０は流量制御されたガス流体から目的物質を得るための装置である。例えば、この圧力式流量制御装置２によりＨ２ガスとＯ２ガスを化学量論的流量に制御し、このＨ２ガスとＯ２ガスを反応室１０に供給して高純度のＨ２Ｏガスを生成し、後段の装置に供給する。
【００６１】
また、図示しない外部入力装置により設定流量Ｑｓが圧力式流量制御装置２に入力される。前述したＨ２ガスとＯ２ガスであれば、Ｈ２：Ｏ２＝２：１が設定流量Ｑｓに相当する。即ち、この圧力式流量制御装置２により原料ガスを設定流量Ｑｓに制御して、反応室１０に供給するのである。
【００６２】
図６は本発明に係るＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法の実施形態を示す具体的フロー図である。ステップｎ１では、設定流量Ｑｓが入力され、ステップｎ２ではコントロールバルブ２０の開度Ｖとして初期開度Ｖ０が入力される。
【００６３】
同時に、ステップｎ２では、コンピュータ演算に必要な微小開度ΔＶと微小流量ΔＱが入力される。微小開度ΔＶはコントロールバルブ２０の開度Ｖを開閉制御する最小単位を意味し、また微小流量ΔＱは絞り部材１４から流出する流量Ｑを制御する最小単位を意味している。
【００６４】
ステップｎ３では、上流側の流体圧力Ｐと流体温度Ｔが測定される。ステップｎ４では、これらの流体圧力Ｐと流体温度Ｔを用いて、Ｔ−Ｐ−Ｑメモリ部４２に記憶されているＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いることにより絞り部材通過流量Ｑを導出する。
【００６５】
Ｔ−Ｐ−Ｑメモリ部４２に記憶されているデジタルデータの中に数値的に一致するＴ、Ｐが無い場合には、デジタルデータから公知の外挿公式又は内挿公式を用いて、前記Ｔ、Ｐに対応する絞り部材通過流量Ｑを算出する。
【００６６】
ステップｎ５では、絞り部材通過流量Ｑが設定流量Ｑｓに微小流量ΔＱの範囲内で一致しているかどうかが判断される。即ち、絞り部材通過流量Ｑと設定流量Ｑｓの流量差Ｑ−Ｑｓの絶対値がΔＱ以下であれば、ステップｎ９において絞り部材通過流量Ｑが設定流量Ｑｓに流量制御されたと判断し、前記開度Ｖを固定して流量制御を終了する。
【００６７】
もし、流量差Ｑ−Ｑｓの絶対値がΔＱより大きければ流量制御を続行するため、ステップｎ６に進行する。Ｑ−Ｑｓ＜０であれば、Ｑ＜Ｑｓであるから、流量を増加するため流体圧力Ｐを大きくする必要がある。従って、ステップｎ７により、開度ＶをΔＶだけ増加して再びステップｎ３にフィードバックされる。
【００６８】
Ｑ−Ｑｓ＞０であれば、Ｑ＞Ｑｓであるから、流量を減少するため流体圧力Ｐを小さくする必要がある。従って、ステップｎ８により、開度ＶをΔＶだけ減少して再びステップｎ３にフィードバックされる。
【００６９】
この制御フローでは、絞り部材通過流量Ｑが設定流量ＱｓにΔＱの誤差内で一致するまで演算が繰り返し行われる。コンピュータ制御によって行われるから、絞り部材通過流量Ｑが設定流量Ｑｓに収束するのはほぼ瞬時である。
【００７０】
微小開度ΔＶと微小流量ΔＱを大きく初期設定すれば粗制御になり、また微小開度ΔＶと微小流量ΔＱを小さく初期設定すれば精密制御が可能である。この微小開度ΔＶと微小流量ΔＱを初めは大きく設定して粗制御を行い、かなり接近した段階で精密制御に切り換えるフローにしてもよい。この切り換えを多段階で行うことによって効率的な制御を実現できる。
【００７１】
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・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。
【００７２】
【発明の効果】
第１の発明によれば、実測により事前に求められているＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いて、コントロールバルブをある開度Ｖに設定した状態での絞り部材通過流量Ｑを導出し、この絞り部材通過流量Ｑと設定流量Ｑｓとの差を算出し、この流量差をゼロにする方向にコントロールバルブの開度Ｖを開閉調節して、同じ演算を繰り返しながら絞り部材通過流量Ｑを設定流量Ｑｓに一致するまで自動制御することができる。しかも、コンピュータ制御や電子制御によりほぼ瞬時に絞り部材通過流量Ｑを設定流量Ｑｓに制御することができ、設定流量Ｑｓが途中から変化した場合にも直ちに追随して流量制御することが可能となる。また、全て実験データだけを根拠にして流量制御するから、直接的に極めて高精度の流量制御を実現できる。
【００７３】
第２の発明によれば、コンピュータ制御や電子制御では、絞り部材通過流量Ｑが設定流量Ｑｓと数値的に完全に一致することは殆ど無いから、絞り部材通過流量Ｑと設定流量Ｑｓとの差、即ち、Ｑ−Ｑｓ又はＱｓ−Ｑの値が微小流量値ΔＱより小さければ実質上一致したと判断して流量制御することができる。このΔＱの値は制御精度によって自在に決めることができ、粗制御ではΔＱは大きく設定され、また精密制御ではΔＱは極めて小さく設定される。このように、この方法を用いれば粗から精密に至る広範囲の流量制御を自在に行うことが可能となる。
【００７４】
第３の発明によれば、絞り部材通過流量Ｑと設定流量Ｑｓが不一致であるときに、コントロールバルブの開度を微小開度ΔＶを単位に大小制御して絞り部材通過流量Ｑを設定流量Ｑｓに接近させることができる。この演算過程はコンピュータや電子回路により高速演算できるから、微小開度ΔＶを任意の値に置いても、反復制御により直ちに設定流量Ｑｓに流量制御することができる。しかも、微小開度ΔＶを小さくすると、絞り部材通過流量Ｑを細かく制御できるから、流量の高速高精度制御が可能となる。
【００７５】
第４の発明によれば、コントロールバルブを開度Ｖに調節した状態で、流体圧力Ｐ、流体温度Ｔ及び絞り部材通過流量Ｑを測定し、この関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を出力し、前記コントロールバルブの開度Ｖを微小開度ΔＶだけ変化させながら関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を次々と出力することができる。コントロールバルブの開度Ｖを増大させると、上流側の流体圧力Ｐは増大し、その結果絞り部材通過流量Ｑを大幅に可変することができる。コンピュータ制御により、コントロールバルブを微小開度ΔＶだけ変化させながら流体圧力Ｐを微小変化させてＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）の関係を次々に実験的に導出でき、広範囲の流体圧力に対し絞り部材通過流量Ｑを測定することができる方法である。このＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係をコンピュータに記憶させると、任意の流体の流量制御をコンピュータ制御や電子制御により実現することが可能となる。
【００７６】
第５の発明によれば、流体温度Ｔを一定に保持した状態でコントロールバルブを開度Ｖに調節し、この開度状態で流体圧力Ｐ、流体温度Ｔ及び絞り部材通過流量Ｑを測定し、この関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を出力し、前記コントロールバルブの開度Ｖを微小開度ΔＶだけ変化させながら関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を次々と出力することができる。また、加熱手段により流体温度ＴをΔＴだけ変化させて同様の方法で関係Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）を次々と出力することができる。種々の流体温度Ｔに対してＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を導出できるから、広範囲の流体温度Ｔと広範囲の流体圧力Ｐに対する絞り部材通過流量Ｑを求めることができる。このＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係をコンピュータや電子回路に記憶させれば、種々の流体温度Ｔに対して、任意の流体の流量制御をコンピュータ制御や電子制御により実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられるＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定装置１の構成図である。
【図２】本発明に用いられるＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を測定する具体的フロー図である。
【図３】Ｑ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を３次元座標で表現したグラフである。
【図４】流体温度Ｔが常温であるときに行われるＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を測定する具体的フロー図である。
【図５】本発明に用いられる圧力式流量制御装置２の構成図である。
【図６】本発明に係るＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係を用いた圧力式流量制御方法の実施形態を示す具体的フロー図である。
【図７】オリフィスからなる絞り部材１４の概略説明図である。
【図８】従来特許第２８３７１１２号によって得られたＣｄ−Ｒｅ関係図である。
【符号の説明】
１はＱ＝Ｑ（Ｐ，Ｔ）関係測定装置、２は圧力式流量制御装置、３は加熱手段、４は流体供給源、５は供給側連結部、６は供給側配管、７は流出側連結部、８は流出側配管、１０は反応室、１１は流量計、１２は真空ポンプ、１４は絞り部材、１４ａは絞り孔、１６は上流側配管、１８は下流側配管、２０はコントロールバルブ、２２は駆動部、２４は上流側圧力センサ、２６は温度センサ、２７は下流側圧力センサ、２８・３０・３１・３３はＡ／Ｄコンバーター、３２は制御回路、３４は入出力ポート、３６はＲＡＭ、３８はＣＰＵ、４０はＲＯＭ、４２はＴ−Ｐ−Ｑメモリ部、Ａは流体流断面積、Ｃｄは流出係数、Ｄは絞り孔断面直径、ΔＱは微小流量、ΔＶは微小開度、ΔＴは刻み温度、Ｐは上流側の流体圧力、Ｐｄは下流側の流体圧力、Ｑは絞り部材通過流量（実際の流量）、Ｑｓは設定流量、Ｑｔｈは理論流量、Ｒｅはレイノズル数、Ｓは最小断面積、Ｔは流体温度、Ｔ０は初期温度、Ｔｍａｘは最大温度、Ｖは開度、Ｖ０は初期開度、Ｖｍａｘは最大開度、ｃは音速、ρは密度。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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