(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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Ｐ1とオリフィスの下流側圧力Ｐ2を用いて、オリフィスを通過する流体流量Ｑｃを実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍ及びｎは実測値に合うように前記実験流量式を演算によりフィットさせたものであって、ｍは０．４０＜ｍ＜０．５０の定数、ｎは０．５０＜ｎ＜０．６５の定数）により演算すると共に、前記オリフィスから流出する流体が非臨界条件の下で作動することを特徴とする改良型圧力式流量制御装置。
【請求項２】
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ロールバルブと、オリフィスとコントロールバルブの間に設けて上流側圧力Ｐ1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Ｐ2を検出する下流側圧力センサと、上流側圧力Ｐ1と下流側圧力Ｐ2から演算流量Ｑｃを実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍ及びｎは実測値に合うように前記実験流量式を演算によりフィットさせたものであって、ｍは０．４０＜ｍ＜０．５０の定数、ｎは０．５０＜ｎ＜０．６５の定数）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Ｑｓで供給するように指令する流量設定手段と、設定流量Ｑｓと演算流量Ｑｃとの流量差ΔＱを演算する減算手段と、この流量差ΔＱ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から構成され、下流側配管に設定流量Ｑｓの流体を供給制御することを特徴とする改良型圧力式流量制御装置。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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ロールバルブと、オリフィスとコントロールバルブの間に設けて上流側圧力Ｐ1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Ｐ2を検出する下流側圧力センサと、上流側圧力Ｐ1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Ｐ1と下流側圧力Ｐ2から演算流量Ｑｃを実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍ及びｎは実測値に合うように前記実験流量式を演算によりフィットさせたものであって、ｍは０．４０＜ｍ＜０．５０の定数、ｎは０．５０＜ｎ＜０．６５の定数）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ＱｃをＱｃ＝ＫＰ1（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Ｑｓで供給するように指令する流量設定手段と、設定流量Ｑｓと演算流量Ｑｃとの流量差ΔＱを演算する減算手段と、この流量差ΔＱ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から構成され、下流側配管に設定流量Ｑｓの流体を供給制御することを特徴とする改良型圧力式流量制御装置。
【請求項５】
臨界圧力比ｒc（＝Ｐ2／Ｐ1）は（２／（ｎ＋１））n/(n-1)（但し、ｎはＣｐ／Ｃｖで定義される流体分子の比熱比）で計算され、圧力比Ｐ2／Ｐ1が臨界圧力比ｒc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置。
【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装置に関し、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流体流量を正確に供給制御する改良型圧力式流量制御装置に関する。
【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、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。
【０００３】
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、その処理に余分な手間が掛かるという事態が生じる。
【０００４】
そこで、ガス流量を正確に供給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▼低流量域における流量精度が悪い、▲３▼作動時のトラブルが多い、しかも▲４▼高コストである、等の多くの欠点があった。
【０００５】
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、即ち音速領域に強制設定して流量制御する圧力式流量制御装置を開発し、特開平１０−５５２１８号としてその発明を公開している。
【０００６】
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。上流側圧力Ｐ1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圧力Ｐ2で供給する場合を考える。ここで、上流側圧力Ｐ1と下流側圧力Ｐ2は絶対圧力で表されている。
【０００７】
オリフィスを通過する流体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）では、下流側流量ＱはＱ＝ＳＣ（Ｐ2（Ｐ1−Ｐ2））1/2／Ｔ1/2で与えられるが、音速に達した後の臨界条件（音速領域）ではＱ＝ＳＣＰ1／Ｔ1/2が成立する。ここで、Ｔはオリフィス通過時の流体の絶対温度、Ｓはオリフィス孔断面積、Ｃは比例係数である。
【０００８】
流体速度が音速に達する臨界条件は、圧力比Ｐ2／Ｐ1の臨界値ｒcで与えられることが流体力学から分かっている。この臨界値ｒcは、ガスの比熱比ｎを用いて、Ｐ2／Ｐ1＝ｒc＝（２／（ｎ＋１））n/(n-1)により与えられる。
【０００９】
比熱比ｎはｎ＝Ｃｐ／Ｃｖで与えられ、Ｃｐは定圧比熱、Ｃｖは定積比熱である。２原子分子ガスでは、ｎ＝７／５＝１．４であり、ｒc＝０．５３となる。また非直線型３原子分子ガスでは、ｎ＝８／６＝１．３３であり、ｒc＝０．５４となる。従って、これらの数値をｒc＝約０．５と表記する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示すように、上流側圧力Ｐ1を一定とし、下流側圧力Ｐ2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Ｐ2／Ｐ1≦ｒc（＝約０．５）であるから、Ｐ2≦ｒcＰ1（≒０．５Ｐ1）の領域が音速領域である。逆に、Ｐ2＞ｒcＰ1（≒０．５Ｐ1）が非音速領域（非臨界条件）となる。
【００１１】
前述したように、流体が非臨界条件（非音速領域）にあるとき、オリフィスを通過する流体流量ＱｃはＱｃ＝ＳＣ（Ｐ2（Ｐ1−Ｐ2））1/2／Ｔ1/2で表される。この式を簡単にすると、Ｑｃ＝Ｋ（Ｐ2（Ｐ1−Ｐ2））1/2となり、比例定数ＫはＫ＝ＳＣ／Ｔ1/2で表される。
【００１２】
この流量式はベルヌーイの定理から導出されるが、ベルヌーイ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。実際のガス流では圧縮したり膨張したりするのが通常であるから、この理論流量式Ｑｃは実際の流量と比較して当然に誤差を有する。
【００１３】
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。しかし、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制御を行なう事ができない。
【００１４】
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／Ｐ1を臨界圧力比ｒcより強制的に小さくして臨界条件を設定し、この臨界条件下で流量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Ｑｃ＝ＫＰ1で、比例定数ＫはＫ＝ＳＣ／Ｔ1/2で与えられる。
【００１５】
この臨界条件では、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。しかし、この高精度制御性も臨界条件が成立することが前提である。臨界条件が成立しない流体に対し、Ｑｃ＝ＫＰ1で流量制御すると相当の誤差を有することになる。
【００１６】
流量式としてＱｃ＝ＫＰ1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Ｐ1と下流側圧力Ｐ2が接近し、非臨界条件が出現することがある。このような場合には、この流量式は成立しないから、流量制御に大きな誤差を含むことになってしまう。
【００１７】
つまり、従来の圧力式流量制御装置では二つの重大な欠点が存在する。第１に、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、非臨界条件での圧縮性流体の流量制御に大きな誤差が生じている。第２に、臨界条件の流量式を使用しても、下流側圧力Ｐ2が上昇するに従って非臨界条件が出現し、流量式が変化するために大きな誤差を生み出すことがある。
【００１８】
従がって、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に非臨界領域における流量制御を行なう事である。また、その第二目的は、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＝ＫＰ1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の流量制御を実現する事である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
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、オリフィスの上流側圧力Ｐ1とオリフィスの下流側圧力Ｐ2を用いて、オリフィスを通過する流体流量Ｑｃを実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍ及びｎは実測値に合うように前記実験流量式を演算によりフィットさせたものであって、ｍは０．４０＜ｍ＜０．５０の定数、ｎは０．５０＜ｎ＜０．６５の定数）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。
【００２０】
請求項２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ロールバルブと、オリフィスとコントロールバルブの間に設けて上流側圧力Ｐ1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Ｐ2を検出する下流側圧力センサと、上流側圧力Ｐ1と下流側圧力Ｐ2から演算流量Ｑｃを実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍ及びｎは実測値に合うように前記実験流量式を演算によりフィットさせたものであって、ｍは０．４０＜ｍ＜０．５０の定数、ｎは０．５０＜ｎ＜０．６５の定数）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Ｑｓで供給するように指令する流量設定手段と、設定流量Ｑｓと演算流量Ｑｃとの流量差ΔＱを演算する減算手段と、この流量差ΔＱ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から構成され、下流側配管に設定流量Ｑｓの流体を供給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。
【００２１】
請求項３の発明は、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である。
【００２２】
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ロールバルブと、オリフィスとコントロールバルブの間に設けて上流側圧力Ｐ1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Ｐ2を検出する下流側圧力センサと、上流側圧力Ｐ1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Ｐ1と下流側圧力Ｐ2から演算流量Ｑｃを実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍ及びｎは実測値に合うように前記実験流量式を演算によりフィットさせたものであって、ｍは０．４０＜ｍ＜０．５０の定数、ｎは０．５０＜ｎ＜０．６５の定数）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ＱｃをＱｃ＝ＫＰ1（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Ｑｓで供給するように指令する流量設定手段と、設定流量Ｑｓと演算流量Ｑｃとの流量差ΔＱを演算する減算手段と、この流量差ΔＱ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から構成され、下流側配管に設定流量Ｑｓの流体を供給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。
【００２３】
請求項５の発明は、臨界圧力比ｒc（＝Ｐ2／Ｐ1）は（２／（ｎ＋１））n/(n-1)（但し、ｎはＣｐ／Ｃｖで定義される流体分子の比熱比）で計算され、圧力比Ｐ2／Ｐ1が臨界圧力比ｒc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置である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る非臨界条件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に使用される従来の理論流量式を検討した。ベルヌーイの定理から導出される従来流量式は、Ｑｃ＝Ｋ（Ｐ2（Ｐ1−Ｐ2））1/2である。書き換えると、Ｑｃ＝ＫＰ21/2（Ｐ1−Ｐ2）1/2となる。
【００２５】
この従来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、この構造形式をできるだけ変えない複数パラメータを有した実験流量式を確立する必要がある。
【００２６】
そこで、本発明者等は、実験流量式として、Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−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＝ＳＣ／Ｔ1/2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。
【００２７】
図１において、横軸は下流側圧力Ｐ2を表し、単位はｋＰａＡ（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ＳＣＣＭで、標準状態におけるcc／min単位の流量を表す。Ｐ2＝４．８[ｋＰａＡ]の縦破線は臨界値ｒc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。
【００２８】
図中、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Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）nを演算によりフィットさせ、パラメータｍ、ｎを決定する。その結果、ｍ＝０．４７１５２及びｎ＝０．５９４９２が得られた。
【００２９】
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ィットしている。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。
【００３０】
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＝０．４７１５２及びｎ＝０．５９４９２の値は、流量が０〜１０ｓｃｃｍの領域において成立する値であるが、流量範囲が０〜１００ｓｃｃｍや０〜１０００ｓｃｃｍ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。
【００３１】
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及び０．５０＜ｎ＜０．６５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の値が用いられる。
【００３２】
前述したｍ＝０．４７１５２及びｎ＝０．５９４９２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。しかしながら、ベルヌーイ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。本発明はこの現実流体に対して具体的に成立する流量実験式を発見してなされたものである。
【００３３】
以上から、非臨界条件における流量制御では、実験流量式としてＱｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（０．４０＜ｍ＜０．５０、０．５０＜ｎ＜０．６５）を利用すれば、高精度の流量制御を実現できる。これはベルヌーイの定理から得られる従来のＱｃ＝ＫＰ21/2（Ｐ1−Ｐ2）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、臨界条件における理論流量式としてＱｃ＝ＫＰ1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。
【００３４】
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い場合を前提に構成されている。
【００３５】
この改良型圧力式流量制御装置２には、オリフィス孔４ａ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１０、下流側圧力センサ１２、温度センサ１４、制御回路１６、バルブ駆動部２０及びコントロールバルブ２２が配置されている。
【００３６】
制御回路１６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、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１６は、実験流量式による流量Ｑｃを演算する流量演算手段１７と、流すべき設定流量Ｑｓを指令する流量設定手段１８と、演算流量Ｑｃと設定流量Ｑｓの流量差ΔＱ（＝Ｑｓ−Ｑｃ）を計算する減算回路１９から構成されている。流量差ΔＱはＱｃ−Ｑｓにより算出されてもよい。
【００３７】
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２４と、この高圧ガスのガス圧力を適度に調整するレギュレータ２６と、このガスを供給側配管２７からコントロールバルブ２２に供給するバルブ２８が接続されている。
【００３８】
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２９と、バルブ３０と、チャンバー３２、及び真空ポンプとして機能するドライポンプ３４が連結されている。
【００３９】
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２７に所定圧力のガスが供給され、下流側ではドライポンプ３４により制御側配管２９が低圧に設定されている。
【００４０】
コントロールバルブ２２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Ｐ1が上流側圧力センサ１０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Ｐ2が下流側圧力センサ１２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１４により測定される。
【００４１】
この実施例では、ドライポンプ３４の排気調整により、オリフィス孔４ａか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。従がって、制御回路１６では圧力比Ｐ2／Ｐ1は演算されず、臨界値ｒcとの比較判断はなされない。即ち、この実施例はＰ2／Ｐ1＞ｒcが常に成立した非臨界条件を前提として流量制御が行なわれる。
【００４２】
上流側圧力Ｐ1、下流側圧力Ｐ2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Ｐ1・Ｐ2からＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）nが計算され、最終的に演算流量ＱｃがＱｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）nから演算される。この演算流量Ｑｃがオリフィス４により現在供給されている流量を示す。
【００４３】
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Ｑｓとして入力される。この設定流量Ｑｓと前記演算流量Ｑｃは減算手段１９に入力され、流量差ΔＱがΔＱ＝Ｑｓ−Ｑｃにより計算される。この流量差ΔＱ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。
【００４４】
そこで、この流量差ΔＱの信号がバルブ駆動部２０に出力され、この流量差ΔＱ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。従がって、流量不足（ΔＱ＞０）ならコントロールバルブ２２は少しだけ開度を大きくし、流量過剰（ΔＱ＜０）ならコントロールバルブ２２は少しだけ開度を小さくし、ΔＱをゼロにするように自動調整される。
【００４５】
この改良型圧力式流量制御装置２では、上流側圧力Ｐ1と下流側圧力Ｐ2が連続的に計測されるから、コントロールバルブ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。
【００４６】
本発明の要点となる実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）nは非臨界条件下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。従がって、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。
【００４７】
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の内部構成は図２の第１実施形態と異なっているだけで、他の構成は図２と同様であるから、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。
【００４８】
第２実施形態では、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２から圧力比Ｐ2／Ｐ1を算出し、流体が臨界条件にあるか非臨界条件にあるかを常時判断し、臨界条件では流量式Ｑｃ＝ＫＰ1を用い、非臨界条件では実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）nを用いて現在最も厳密な方式で流量制御を行なうものである。
【００４９】
この第２実施形態の改良型圧力式流量制御装置３がベストモードであるから、この改良型圧力式流量制御装置３をＮＦＣＳ（New Flow Control System）と称する。制御回路１６は、圧力比演算手段１５ａ、臨界条件判断手段１５ｂ、臨界流量演算手段１７ａ、非臨界流量演算手段１７ｂ、流量設定手段１８及び減算手段１９から構成されている。
【００５０】
上流側圧力Ｐ1と下流側圧力Ｐ2が入力されると、圧力比演算手段１５ａでは圧力比Ｐ2／Ｐ1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１５ｂに入力され、臨界値ｒcと比較される。
【００５１】
前述したように、臨界値ｒｃは（２／（ｎ＋１））n/(n-1)により与えられ、２原子分子ガスではｒc＝０．５３、非直線型３原子分子ガスではｒc＝０．５４であり、ｒｃ＝約０．５と表記される。
【００５２】
ｒ＞ｒcのときは非臨界条件であり、非臨界流量演算手段１７ｂにより、演算流量ＱｃはＱｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）nから計算される。ｒ≦ｒcのときは臨界条件であり、臨界流量演算手段１７ａにより、演算流量ＱｃはＱｃ＝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。
【００５３】
最終的に、設定流量Ｑｓと演算流量Ｑｃとの流量差ΔＱを減算手段１９で計算して、流量差ΔＱ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２２を開閉制御する。
【００５４】
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流量式Ｑ＝ＫＰ1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ＦＣＳ（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。
【００５５】
最大流量を８０[ＳＣＣＭ]とし、設定流量Ｑｓを１００％としたときに８０[ＳＣＣＭ]の流量が流れるように設定する。従がって、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。
【００５６】
従来のＦＣＳ（黒菱形）ではＱ＝ＫＰ1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、非臨界条件に移行するから、臨界条件の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。従がって、小流量域ではＦＣＳを補正する機構が必要であった。
【００５７】
ところが、ＮＦＣＳの場合には、臨界条件では臨界条件の流量式Ｑｃ＝ＫＰ1を用い、非臨界条件では非臨界条件の実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−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％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。
【００５８】
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。
【００５９】
【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Ｑｃを実際の流量を正確に再現する実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍ及びｎは実測値に合うように前記実験流量式を演算によりフィットさせたものであって、ｍは０．４０＜ｍ＜０．５０の定数、ｎは０．５０＜ｎ＜０．６５の定数）演算するから、流量制御を高精度に行なえる改良型圧力式流量制御装置を実現できる。
【００６０】
請求項２の発明によれば、設定流量Ｑｓに対し、演算流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍは０．４０＜ｍ＜０．５０の定数、ｎは０．５０＜ｎ＜０．６５の定数）で演算し、両者の流量差ΔＱ（＝Ｑｓ−Ｑｃ又はＱｃ−Ｑｓ）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から、供給流量を正確かつ高速に設定流量へと制御できる改良型圧力式流量制御装置を実現できる。
【００６１】
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。
【００６２】
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にあるときには臨界条件の流量式Ｑ＝ＫＰ１を用い、非臨界条件にあるときには非臨界条件の実験流量式Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍは０．４０＜ｍ＜０．５０の定数、ｎは０．５０＜ｎ＜０．６５の定数）を用いて流量制御するから、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制御を高精度に行なうことができる。
【００６３】
請求項５の発明によれば、オリフィスの上流側圧力Ｐ1と下流側圧力Ｐ2を検出するだけで、流体が臨界条件にあるか非臨界条件にあるかを正確に判断でき、あらゆる流体制御に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非臨界条件における流量実験式と流量測定値の比較図である。
【図２】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実施形態の使用構成図である。
【図３】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実施形態の使用構成図である。
【図４】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】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は改良型圧力式流量制御装置、３は改良型圧力式流量制御装置（ＮＦＣＳ）、４はオリフィス、４ａ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、１２は下流側圧力センサ、１４は温度センサ、１５ａは圧力比演算手段、１５ｂは臨界条件判断手段、１６は制御回路、１７は流量演算手段、１７ａは臨界流量演算手段、１７ｂは非臨界流量演算手段、１８は流量設定手段、１９は減算手段、２０はバルブ駆動部、２２はコントロールバルブ、２４はガスタンク、２６はレギュレータ、２７は供給側配管、２８はバルブ、２９は制御側配管、３０はバルブ、３２はチャンバー、３４はドライポンプ、Ｐ1は上流側圧力、Ｐ2は下流側圧力、ｒは圧力比(Ｐ2／Ｐ1)、ｒcは臨界値、Ｑｃは演算流量、Ｑｓは設定流量、ΔＱは流量差である。
【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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