专利名称：垫片式节流器及使用了该节流器的压力式流量控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种垫片式节流器(orifice)及使用了该垫片式节流器 的压力式流量控制装置的改良技术。更具体而言，涉及使用了能够廉价、 高效率且稳定地制造的薄金属板的具有高精度孔径的垫片式节流器；使 用了该垫片式节流器的压力式流量控制装置；和能够不漏地、迅速地进 行节流器的更换，从而可容易地变更现场安装后的压力式流量控制装置 的流量范围，并且可将流量控制精度保持在± 1%FS以内的高精度的节流 器更换型压力式流量控制装置。
背景技术：
以往，作为节流器大多采用下述构造通过机械加工等对节流板直 接穿设节流孔，然后，将该节流板在配管管路的接头部或设备与管路的 连接部等恰当位置夹入到管路内，并以气密状态直接将其紧固固定。然而，在上述直接紧固固定型的节流器中，由于因紧固固定而可能 使得节流板发生变形，所以，无法使节流板大幅度变薄。因此，无法利 用薄的节流板稳定且廉价地制造具有既定孔径及形态的无流量特性偏差 的高精度节流器。另外，为了解决上述问题，开发了一种将节流板熔接到适当的保持 配件上，然后将熔接于该保持配件的节流板插入并固定到管路内的节流器。但是，如果进行熔接，则存在着下述难题因热带来的影响会使得 节流孔径发生变化，并且有时会因为热应力而在薄的节流板上产生裂紋， 还会降低节流板的耐腐蚀性。这样，对于节流器、尤其是压力式流量控制装置等中所使用的对形 状与孔径等设置了 一定限制的高精度节流器而言，不仅无法实现廉价的 制造，而且，向管路等中的插入固定在结构上也存在很多困难，因此， 实用上残留着各种问题。另一方面，将节流器作为其必须的构成部件的压力式流量控制装置， 与以质量流量控制器为代表的热式质量流量控制装置(MFC)相比，在响应性与控制精度、制造成本、控制的稳定性、维护性等方面具有优越的 特性，因此被广泛应用在半导体制造等技术领域。图7 (a)及图7 (b)是表示前述现有的压力式流量控制装置FCS的 基本构成图，由控制阀2、压力检测器6、节流器8、流量运算电路13、 31、流量设定电路14、运算控制电路16、流量输出电路12等形成了压 力式流量控制装置FCS的主要部分。另外，在图7 (a)及图7 (b)中，3是节流器上游侧配管，4是阀 驱动部，5是节流器下游側配管，7是温度检测器，9是阀，15是流量变 换电路，10、 11、 22、 28是放大器，17、 18、 29是A/D变换器，19是 温度修正电路，20、 30是运算电路，21是比较电路，Qc是运算流量信号， Qf是切换运算流量信号，Qe是流量设定信号，Qo是流量输出信号，Qy 是流量控制信号，P。是气体的供给压力，P,是节流器上游側气体压力，P2 是节流器下游側气体压力，k是流量变换率。当节流器上游侧气体压力P,与节流器下游侧气体压力P2之比P,/P2 与流体的临界值相等或比其低时(所谓当气体的流动处于临界状态下之 时)，主要使用前述图7(a)的压力式流量控制装置FCS,在节流器8 中流通的气体流量Qc由Qc = KP,(其中，K是比例常数)表示。另外，在处于临界状态和非临界状态的两种流动状态的气体的流量 控制中，主要使用前述图7 (b)的压力式流量控制装置FCS，在节流器8 中流动的气体的流量可由Qc = KP2m (Pt-P2) n (K是比例常数，m和n是 常数)表示。并且，在前述图7 (a)及图7 (b)的压力式流量控制装置中，流量 控制的流量设定值作为流量设定信号Qe以电压值表示。例如，如果设上 游側压力Pi的压力控制范围0 3(kgf/cm、bs)由电压范围0 5V表示， 则Qe-5V(满标值)相当于3(kgf/cm2abs)的压力P,下的流量Qc = KP"具体而言，现在在将流量变换电路15的变换率k设定为1时，若输 入了流量设定信号Qe = 5V,则切换运算流量信号Qf ( Qf = kQc )达到5V, 控制阀2被进行开闭操作，直到上游侧压力P,达到3 (kgf/cm2 abs)为 止。结杲，与P,-3 (kgf/cm2 abs)对应的流量Qc-KP,的气体在节流器 8中流通。另外，在将应该控制的压力范围切换为0~2 ( kgf/cm2 abs ),并由 0-5V的流量设定信号Qe表示该压力范围时(即，在满标值5V表示2(kgf/cm2 abs)的情况下)，前述流量变换率k被设定为2/3。结果，若输入流量设定信号Qe = 5V,则根据Qf = kQc,切换运算流 量信号Qf成为Qf = 5 x 2/3V,控制阀2被进行开闭操作，直到上游側压 力P,成为3 x 2/3=2 ( kgf/cm2 abs )为止。即，按照Qe = 5V表示与P, = 2 (kgf/cm2 abs)相当的流量Qc = KP, 的方式，变换满标的流量。另外，在前述图7(b)的压力式流量控制装置中也同样，在节流器 8中流通的气体的流量Qc由Qc = KP2ffl ( - P2) n ( K是比例常数，m和n 是常数)表示，若气体种类变化，则前述比例常数K发生变化。如上所述，在上述现有的压力式流量控制装置中，通过调整流量变 换电路15的变换率k,可切换与Qe = 5V (满标.F. S.)对应的节流器上 游侧压力P:下的流量Qc:KPh然而，该流量切换范围始终是比前述Qe =5V (F. S.值)所对应的上游侧压力P,下的流量Qc-KP"J、的流量范围， 上游侧压力Pi下的流量Qc成为通过由节流器的孔径等确定的常数k来唯 一决定的流量值。换言之，由电压范围0~5V表示节流器上游侧压力P,的压力控制范 围0~3 (kgf/cm2 abs),为了将Qe = 5V下的流量值Qc自身例如扩大切 换到5倍的流量，需要将节流器自身变换成常数K具有5倍的值的节流器。图8是表示能够实现上述节流器更换的压力式流量控制装置的一个 例子，在形成压力式流量控制装置FCS的控制阀2的阀体23的流体出口 側设置有节流器插入孔24,将具有适当孔径的节流器8更换自如地插在 该节流器插入孔24内，并通过按压配件32、轴承33及密封部件35a来 确保流体通路34的气密性。专利文献1特开平8 - 3385"号公报专利文献2特开2000 - 66^2号公报专利文献3特开2000 - 322130号公报专利文献4特开2003 - 195948号公报专利文献5特开2004 - "9109号公报可是，在现有的前述图7 (a)及图7 (b)的压力式流量控制装置中， 由于被控制流体的供给压力P。通常被保持为恒定值，所以，控制流量的 最大值Qc由所使用的节流器8唯一决定，只要不改变节流器8自身，则难以大幅变更所述流体的控制流量的最大或最小流量Qc 。而且，在现有的图8中，每当更换节流器8时都需要取下按压配件32,并且根据情况还需要更换密封部件35a,不仅节流器8的更换需要花费很多功夫，而且，配管管路的解体也花费时间。并且，在图8的节流器更换方式中，由与节流器8的表面侧抵接的密封部件35a和与节流器5的背面側抵接的阀主体侧密封用接触座35b构成节流器8的密封机构，而且，通过按压配件32的旋入按压力来确保节流器8两面的密封性，因此，完全防止从所谓节流器密封部的外部泄漏显然十分困难。此外，作为节流器8，如图8所示，采用了通过机械加工对薄金属制 节流板穿设了既定内径的节流孔的节流器，但如上所述，由于是直接紧 固固定节流器8的结构，所以，无法使节流板的厚度极薄，结果，不能 够廉价制造高精度的节流器。而且，在将薄的节流板熔接于节流器保持配件、并夹压固定该节流 器保持配件的节流器中，也如上所述，存在着无法防止因熔接热而产生 节流板的变形或裂紋、及腐蚀的发生等问题。发明内容本发明用于解决现有节流器及利用了节流器的压力式流量控制装置 中的上述问题等，即1、无法利用薄的节流板容易地制造具有既定孔径 及形态的流量特性稳定的节流器；2、在熔接型的节流器中，因热应力容 易产生节流孔的变形或节流板的裂紋；3、在使用了节流器的压力式流量 控制装置中，仅通过改变流量运算电路的变换率k,无法对应流量范围的 大幅扩大；4、在现有的节流器更换方式中，不仅节流器的更换过于费时， 而且产生外部泄漏的可能性高；本发明的主要目的在于，提供一种能够 利用极薄的节流板得到高精度且稳定的流量特性、并可简单地插入到流 体通路内而不漏地进行夹压固定、且能够廉价且容易地制造的节流器及 使用了该节流器的压力式流量控制装置；以及提供一种即便在出厂之后， 也能够在现场变换节流器8,来简单且迅速地改变流量范围，并使来自节 流器8的外部泄漏完全消失，同时能够大幅提高流量控制精度的节流器 可变型压力式流量控制装置。技术方案1的发明涉及一种垫片型节流器，其基本构成为将具有嵌合用突部38a,的节流器基体38a和具有嵌合用凹部38、的节流器基体 38b组合，在两者的端面之间以气密状态插入节流板38c,并且，将两个 节流器基体38a、 38b的两端面38a3、 38&作为垫片的密封面。技术方案2的垫片型节流器，其基本构成为在将两側的端面作为 密封面的短圆筒型节流器基体38d的单侧附近的内部形成向内突出的凸 缘部38d,，将设置有节流孔的薄板状节流板38c遍布整周激光熔接固定 到该凸缘部38d，的外侧面。技术方案3的发明涉及一种压力式流量控制装置，其基本构成为 在具备控制阀、压力检测器、节流器、流量运算电路和运算控制电路的 压力式流量控制装置A中，设前述节流器是技术方案1或技术方案2所 述的垫片型节流器。技术方案4的发明在技术方案3的压力式流量控制装置中，将形成 压力式流量控制装置A的控制阀的阀体23构成为，以气密状态连接具有 流体流通路40a的入口侧块40、具有阀座2b的中央块41和具有出口侧 流体通路42a的出口侧块42。技术方案5的发明在技术方案4的压力式流量控制装置中，将构成 压力式流量控制装置A的节流器的设置位置，设置在控制阀的中央块41 的流体出口侧与出口側安装用块42的流体入口侧之间。技术方案6的发明涉及一种节流器更换型压力式流量控制装置，其 基本构成为在具有流体供给用配管的连接部的入口侧安装用块39和具 有流体取出用配管的连接部的出口侧安装用块4 3之间，配置压力式流量 控制装置A的控制阀2的阀体23,通过使该阀体23的流体入口侧与前述 入口側安装用块39的流体出口侧、前述阀体23的流体出口侧与前述出 口侧安装用块43的流体入口側分别能够分解地以气密状态连接，形成气 体通过前述控制阀2流通的流路，并且，在设置于前述阀体23的出口側 的垫片型节流器插入孔4 2c与设置于出口侧安装用块4 3的流体入口侧的 垫片型节流器插入孔43b之间，拆装自如地插入压力式流量控制装置A 的垫片型节流器38。技术方案7的发明在技术方案6的节流器更换型压力式流量控制装 置中，将形成压力式流量控制装置A的控制阀2的阀体23构成为，以气 密状态连接具有流体流通路40a的入口側块40、具有阀座2b的中央块 41和具有出口侧流体通路42a的出口側块42。技术方案8的发明在技术方案7的节流器更换型压力式流量控制装 置中，在中夬块41中设置有用于插入压力式流量控制装置A的压力检测 器6的压力检测器插入孔41e。本发明技术方案1的垫片型节流器38使节流板38c以气密状态嵌合 紧贴在两个节流器基体38a、 38b之间，所以，不论是极薄的金属板或是 金属皮膜，都能够在不产生变形等的情况下将其夹持在两个节流器基体 38a、 38b之间。结果，不仅能够使用具有更高精度的节流孔的节流板38c,而且通过 将两个节流器基体的外侧端作为密封面而利用，可以将节流器38自身作 为垫片紧密插入固定到管路等中。在技术方案2的垫片型节流器38中，由于将节流板38c的整周激光 熔接到凸缘部38d,的外侧面，所以，与技术方案1的情况同样，能够在 节流板38c几乎不产生加热变形的情况下，制造具有高精度节流孔的垫 片型节流器38。在本发明技术方案3的压力式流量控制装置中，由于使用了技术方 案1或技术方案2的垫片型节流器38,所以，不仅能够实现节流器38 自身的高精度化，而且，几乎能够完全确保节流器38的安装气密性、并 防止变形。在本发明的技术方案6的节流器变换型压力式流量控制装置中，不 仅极容易进行节流器的更换，而且能够基本完全确保节流器38的安装气 密性及防止变形，因此，可进行高精度的流量控制。
图1是对节流器可变型压力式流量控制装置的主要部分进行了剖面 的主^见图。图2是本发明中所使用的第 一 实施例的垫片型节流器的剖面概要图。 图3是图2的垫片型节流器的制造方法的说明图。 图4是本发明中所使用的第二实施例的垫片型节流器的剖面概要图。 图5是垫片型节流器的更换说明图。图6是垫片型节流器更换后的流量控制精度的修正说明图。图7是现有的压力式流量控制装置的构成说明图。图8是表示现有的节流器更换型压力式流量控制装置的一个例子的剖面概要图。附图标记说明A节流器更换型压力式流量控制装置1控制部2控制阀 2a阀体 2b阀座 6压力检测器 23阀体36垫片型过滤器 37垫片38垫片型节流器38a节流器基体(1)38a,嵌合用突部38a2外周面38a3上端面38b节流器基体(2)381^嵌合用凹部38b2内周面38b3下端面38c节流板38d节流器基体38山凸缘部39入口侧安装用块39a流体通3各40入口侧块40a流体通路40b泄漏纟全查孔40c垫片插入孔41中央块41a入口侧流体通路 41b出口侧流体通路41c阀体4悉入孑L41d垫片插入孔41e压力检测器插入孔42出口侧块42a流体通路42b泄漏;险查孔42c垫片型节流器插入孔43出口側安装用块43a流体通路43b垫片型节流器插入孔44压力检测器的固定件45压力检测器的固定用螺栓具体实施方式
下面，根据附图对本发明的实施方式进行说明。图1是对本申请发明的技术方案6所涉及的节流器可变型压力式流 量控制装置A的主要部分实施纵剖后的主视图，图l中，l是控制部，2 是控制阀，2a是控制阀2的阀体，2b是阀座，23是阀体，35是垫片， 36是垫片型过滤器，6是压力检测器，37是垫片，38是垫片型节流器。前述阀体23由入口側块40、中央块41和出口侧块42这三个部件组 装形成。而且，入口側安装用块39和入口侧块40隔着垫片35由固定用 螺栓(省略图示)连接。前述入口側块40与中央块41隔着垫片型过滤器36通过固定用螺栓 (省略图示)连接。而且，前述中央块41与出口侧块42隔着垫片37通过固定用螺一封省 略图示)连接。并且，前述出口侧块42与出口側安装用块43隔着垫片 型节流器38通过固定用螺栓(省略图示)以气密状态且分解自如地连接 固定。前述各块39 ~43都由SUS316L -P (Wmelt )材料形成，在入口側安 装用块39上形成有流入侧配管用接头(省略图示)、流体通路39a及固 定用螺栓的旋入孔(省略图示)等。而且，在前述入口侧块40上形成有流体通路40a、固定用螺栓插入孑L (省略图示)、泄漏-险查孔40b和垫片插入孔40c等。并且，在中央块41中形成有入口侧流体通路41a、出口侧流体通3各41b、具备岡座2b的阀体2a的插入孔41c、垫片插入孔41d、压力才全测器插入孔41e、固定用螺栓旋入孔(省略图示)等。在前述出口侧块42中形成有出口侧流体通路42a、泄漏4全查孔42b、位于流体出口側的节流器垫片插入孔42c、和固定用螺栓插通孔(省略图示)等。前述出口側安装用块43具备出口侧配管用接头(省略图示)、流体 通路43a及固定用螺栓的旋入孔(省略图示)，以与前述入口側安装用 块39大致相同的方式构成。其中，与前述入口侧安装用块39不同之处 在于，在流体入口側形成有垫片型节流器38的插入孔43c。另外，图1中44是压力检测器的固定件，45是压力检测器的固定用 螺栓。图2是表示本发明技术方案1的垫片型节流器的一个例子的剖面概 要图，其通过所谓压入方式制作。即，该垫片型节流器38通过在节流器基体(1 )38a与节流器基体(2 ) 38b之间夹设具有期望的节流孔径0的圆形节流板38c,并利用图3所示 的推力约为90N的压力机，将节流器基体38a压入到节流器基体38b内、 将二者以气密状态一体固定而形成。其中，构成垫片型节流器38的主要部件全都由SUS316L -LM(Wmelt ) 材料形成。另外，该垫片型节流器38分别在本申请发明的技术方案3所涉及的 压力式流量控制装置及本申请发明的技术方案6所涉及的节流器变换型 压力式流量控制装置中使用。即，节流器基体38a如图2及图3所示，在盘状体的下端面形成有 嵌合用的突部38a,，其外周面38a2与另一盘状体的节流器基体38b的上 端面上形成的嵌合用凹部38b,的内壁面38b2以气密状态紧贴，从而使得 节流板38c以气密状态插入保持在两者的端面间。另外，所组装的垫片型节流器38的环状上端面38a3及环状下端面 38b3，无庸置疑分别作为块42、 43之间的密封用垫片的密封面而发挥功 能。图4是表示本发明技术方案2所涉及的垫片型节流器38的图。该垫片型节流器38通过将节流板38c激光熔接W (整周)到在节流 器基体38d内部的单側设置的凸缘部38山的外側面上而形成，圓筒形的 节流器基体38d的上端面和下端面分别成为密封面。另外，节流器基体38d由SUS316L-LM (W melt )材料形成，而且， 节流板38c可使用与基体38d相同的材质或其他的Ni - Cr合金，并在中 央"^殳置既定内径①的节流孔。接着，对垫片型节流器38的更换进行说明。在因为气体的控制流量或气体种类等的变更，需要更换垫片型节流 器38的情况下，首先如图5所示，将连接入口侧块40和入口側安装用 块(入口側基体块)39的固定用螺栓(省略了图示，为4根)、及连接 出口侧块42及出口侧安装用块(出口侧基体块)43的固定用螺栓(省略 了图示，为4根)取下。接着，将新的垫片型节流器38插入到前述出口側块42的垫片插入 孔42c内，然后，以现状分别将两个块40、 42固定于各安装用块39、 43。此时，由于气体入口側配管及气体出口侧配管都与入口侧安装用块 39及出口侧安装用块43的各连接用接头连接，并且，两个块39、 43完 全不移动，所以，在更换垫片节流器38时，根本不需要取下配管系统。如果完成了前述垫片型节流器38的更换，则调整新的设定流量与控 制流量的关系，例如图6所示，在跨度(span)误差AQ超过既定值(例 如土5。/。F.S.)的情况下、或必须将跨度误差AQ保持在既定值(例如± 1 %F. S.)以下的情况下，将该更换后的垫片型节流器38中与固有的常数 K相关的数据通过节流器数据读取器(省略图示)向控制部A录入，利用 该更换后的垫片型节流器38中与固有的常数K相关的数据，修正流量跨 度误差AQ和流量直线性误差(省略图示)，进行修正使得跨度误差AQ 等成为既定值以下。(产业上的可利用性)本发明能够应用到使用了节流器的流体设备或利用节流器来进行流 体的流量控制的所有流体流量控制装置中，主要被用在半导体制造、化 学产业、药品产业、食品产业等领域。1权利要求
1、一种垫片型节流器，其特征在于，使具有嵌合用突部(38a1)的节流器基体(38a)和具有嵌合用凹部(38b1)的节流器基体(38b)组合，在两者的端面之间以气密状态插入节流板(38c)，并且，将两个节流器基体(38a、38b)的两端面(38a3、38b3)作为垫片的密封面。
2、 一种垫片型节流器，其特征在于，在将两侧的端面作为密封面的短圆筒型节流器基体(38d)的一侧附 近的内部形成向内突出的凸缘部(38山)，将设置有节流孔的薄板状节流 板(38c)遍布整周激光熔接固定到该凸缘部(38山)的外侧面。
3、 一种压力式流量控制装置，其特征在于，在具备控制阀、压力检测器、节流器、流量运算电路和运算控制电 路的压力式流量控制装置(A)中，前述节流器是权利要求1或权利要求 2所述的垫片型节流器。
4、 根据权利要求3所述的压力式流量控制装置，其特征在于， 将形成压力式流量控制装置(A)的控制阀的阀体(23)构成为，以气密状态连接具有流体流通路(40a)的入口側块(40)、具有阀座(2b) 的中央块(41)和具有出口側流体通路(42a)的出口侧块(")。
5、 根据权利要求4所述的压力式流量控制装置，其特征在于， 将构成压力式流量控制装置(A)的节流器的设置位置，设置在控制阀的中央块(41)的流体出口侧与出口侧安装用块(42)的流体入口側 之间。
6、 一种节流器更换型压力式流量控制装置，其特征在于， 在具有流体供给用配管的连接部的入口侧安装用块(39)和具有流体取出用配管的连接部的出口側安装用块(43)之间，配置压力式流量 控制装置(A)的控制阀的阀体(23),通过使该阀体(23)的流体入口 侧与前述入口側安装用块(39)的流体出口侧、前述阀体(23)的流体 出口侧与前述出口侧安装用块(43)的流体入口侧分别能够分解地以气 密状态连接，形成气体通过前述控制阀(2)流通的流路，并且，在设置 于前述阀体(23)的出口側的垫片型节流器插入孔(42c)与设置于出口 侧安装用块(43)的流体入口侧的垫片型节流器插入孔(43b)之间，拆 装自如地插入压力式流量控制装置(A)的垫片型节流器(38)。
7、 根据权利要求6所述的节流器更换型压力式流量控制装置，其特 征在于，将形成压力式流量控制装置(A)的控制阀的阀体(23)构成为，以 气密状态连接具有流体流通路(40a)的入口侧块(40)、具有阀座(2b) 的中央块(41 )和具有出口侧流体通路(42a )的出口侧块(42 )。
8、 根据权利要求7所述的节流器更换型压力式流量控制装置，其特 征在于，在中央块(41 )中设置有用于插入压力式流量控制装置(A)的压 力检测器(6)的压力检测器插入孔(41e)。
全文摘要
本发明的目的在于，不分解、组装压力式流量控制装置，就能简单地更换其节流器，从而可容易地进行控制流量的切换。本发明的节流器更换型压力式流量控制装置，在具有流体供给用配管的连接部的入口侧安装用块(39)和具有流体取出用配管的连接部的出口侧安装用块(43)之间，配置压力式流量控制装置(A)的控制阀(2)的阀体(23)，通过使该阀体(23)的流体入口侧与前述入口侧安装用块(39)、前述阀体(23)的流体出口侧与前述出口侧安装用块(43)分别能够分解地以气密状态连接，形成气体通过前述控制阀(2)流通的流路，并且，在设置于前述阀体(23)的出口侧的垫片型节流器插入孔(42c)与出口侧安装用块(43)的垫片型节流器插入孔(43b)之间，拆装自如地插入压力式流量控制装置(A)的垫片型节流器(38)。
文档编号G05D7/06GK101253458SQ200680031240
公开日2008年8月27日 申请日期2006年5月10日 优先权日2005年8月26日
发明者今井智一, 吉田俊英, 土肥亮介, 大见忠弘, 平田薰, 广濑隆, 杉田胜幸, 永濑正明, 池田信一, 田中久士, 筱原努, 西野功二 申请人:株式会社富士金;国立大学法人东北大学