流量制御装置および流量制御方法
【課題】従来よりも計装コストを低減させる。
【解決手段】ガスが流通する流路１１に配置され、発熱抵抗体、上流側測温抵抗素子および下流側測温抵抗素子を有するセンサ１２と、発熱抵抗体を発熱させたときの上流側測温抵抗素子および下流側測温抵抗素子の検出温度に基づいてガスの物性値を算出する物性値算出部３１１と、上記検出温度に基づいてガスの流量を算出する流量算出部３１２と、ガスの置換時に開閉され、ガスの流量を調節する調節弁４０と、算出された物性値または流量に基づいて調節弁４０の開度を制御する弁制御部３３０と、センサ１２の出力信号を、物性値算出部３１１または流量算出部３１２のいずれか一方への入力に切り替える切替部３２０と、を備える。
【解決手段】ガスが流通する流路１１に配置され、発熱抵抗体、上流側測温抵抗素子および下流側測温抵抗素子を有するセンサ１２と、発熱抵抗体を発熱させたときの上流側測温抵抗素子および下流側測温抵抗素子の検出温度に基づいてガスの物性値を算出する物性値算出部３１１と、上記検出温度に基づいてガスの流量を算出する流量算出部３１２と、ガスの置換時に開閉され、ガスの流量を調節する調節弁４０と、算出された物性値または流量に基づいて調節弁４０の開度を制御する弁制御部３３０と、センサ１２の出力信号を、物性値算出部３１１または流量算出部３１２のいずれか一方への入力に切り替える切替部３２０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流量制御装置および流量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流量制御装置を用いてガスを供給する場合には、供給開始前に、配管内や機器内に滞留している流体を、これから供給するガスで置換してからガスの供給を開始する。具体的には、配管内や機器内を真空ポンプ等で真空引きし、配管内や機器内に残留する空気等を十分に抜いてからガスの供給を開始する。これは、流量制御装置で供給するガスに空気等の余分な流体が混じっていると、流量制御装置の流量精度に誤差が生じたり、ガスを供給するプロセスに問題が生じたりするためである。真空引きを行う場合には、対象となる空間の圧力を圧力計で測定し、この圧力計の値が真空状態となる所定の圧力値以下となるように対象空間内の空気を抜いていく。確実にガス置換されたかどうかを確認する場合には、真空引き後に充填したガスの濃度を濃度計で測定し、ガスの濃度が目標濃度に到達するまで、真空引きとガス充填とを繰り返す。下記特許文献１および２には、機器内のガス置換を行うガス置換装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−１６７３０９号公報
【特許文献２】特開平１−９８７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流量制御装置を用いてガスを供給するシステムでガス置換を行う場合には、上述したように、濃度計や圧力計を設ける必要がある。また、上述した特許文献１および２に記載されたガス置換方法を採用する場合であっても、濃度計や圧力計が必要となる。したがって、流量制御装置を用いてガスを供給するシステムでガス置換を行う場合には、濃度計や圧力計を設けなければならず、計装コストがかさんでしまう。
【０００５】
よって本発明は、従来よりも計装コストを低減させることができる流量制御装置および流量制御方法を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様によれば、流体が流通する流路に配置され、発熱素子および温度検出素子を有するセンサと、前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流体の物性値を算出する物性値算出部と、前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、前記流路に滞留する流体を置換するためおよび前記流路を流れる流体の流量を調節するために、調節弁の開度を制御する弁制御部と、前記流路に滞留する流体の置換完了を確認するときには前記センサの出力信号を前記物性値算出部への入力に切り替え、前記流路に流体が流れるときには前記センサの出力信号を前記流量算出部への入力に切り替える切替部と、を備える、流量制御装置を提供することができる。
【０００７】
また、本発明の態様によれば、流体が流通する流路に配置されたセンサに含まれる発熱素子を発熱させたときの当該センサに含まれる温度検出素子の温度に基づいて、前記流体の物性値を算出する物性値算出工程と、前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出工程と、前記流路に滞留する流体を置換するためおよび前記流路を流れる流体の流量を調節するために、調節弁の開度を制御する弁制御工程と、前記流路に滞留する流体の置換完了を確認するときには前記センサの出力信号を前記物性値算出工程への入力に切り替え、前記流路に流体が流れるときには前記センサの出力信号を前記流量算出工程への入力に切り替える切替工程と、を含む、流量制御方法を提供することができる。
【０００８】
本発明の態様における流量制御装置および流量制御方法によれば、流路に滞留する流体の置換完了を確認するときには、流路に配置されたセンサの検出値に基づいて流体の物性値を算出し、算出した物性値に基づいて置換が完了したことを確認することができる、一方、流体が供給されているときには、流路に配置されたセンサの検出値に基づいて供給される流体の流量を算出し、算出した流量に基づいて調節弁の開度を制御することができる。これにより、流量制御装置を用いてガスを供給するシステムでガス置換を行う場合の計装設備を簡易な構成とすることが可能となる。
【０００９】
上記流量制御装置において、前記物性値算出部は、前記物性値に基づいて前記流体の濃度を算出し、前記物性値算出部によって算出される前記濃度が所定の目標値に到達したときに、前記置換完了に至ったと判定する置換完了判定部をさらに備えることとしてもよい。また、上記弁制御部は、前記流路内が真空引きされているときには前記調節弁を開弁させ、前記流路内が真空引きされていないときには前記調節弁を閉弁させ、前記置換完了判定部は、前記弁制御部によって前記調節弁が閉弁させられているときに、前記置換完了に至ったか否かを判定することとしてもよい。さらに、上記切替部は、前記置換完了判定部によって前記置換完了に至ったと判定された場合に、前記センサの出力信号を前記流量算出部への入力に切り替えることとしてもよい。
【００１０】
これにより、確実にガス置換を行うことが可能となる。
【００１１】
上記流量制御装置において、前記物性値は、放熱係数であることとしてもよい。これにより、放熱係数に対応する流体の濃度を算出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来よりも計装コストを低減させることができる流量制御装置および流量制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態における流量制御装置を含むガス供給システムの構成図である。
【図２】図１に示す流量制御装置の側方断面図である。
【図３】図２に示すセンサの斜視図である。
【図４】図３に示すＩＶ−ＩＶ線矢視方向断面図である。
【図５】実施形態におけるガスの物性値および流量の算出手順を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載では、同一または類似の部分を同一または類似の符号で表す。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明と照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態おける流量制御装置を含むガス供給システムの模式図である。図１に示すように、ガス供給システム１は、ガス（流体）を貯蔵するガスボンベ４と、ガスの供給を遮断または許容する遮断弁５と、ガスの流量およびガスの物性値を計測してガスの流量を制御する流量制御装置２と、ガスが充填されるチャンバ６と、ガスを流通させる配管Ｐ内を真空引きするための真空ポンプ７と、を含んで構成される。
【００１６】
図２は、図１に示す流量制御装置２の側方断面図である。図２に示すように、流量制御装置２は、ガスを流通させる配管Ｐの一部に取り付けられる流路保持体１０と、計測ユニット３０と、調節弁４０とを含んで構成される。なお、図２は断面図であるが、計測ユニット３０の内部は模式的に示している。実際には計測ユニット３０の内部に、例えば、中央演算処理装置（以下、「ＣＰＵ」という。）と、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶装置と、Ｉ／Ｏ回路とが含まれている。
【００１７】
流路保持体１０の内部には、ガスが上流側（図２において左側）から下流側（図２において右側）に流通する流路１１が形成されている。計測ユニット３０は、後述するように、流路１１を流れるガスの流量およびガスの物性値を計測する。
【００１８】
流路保持体１０には、上流側の端部に注入口１３、下流側の端部に排出口１４がそれぞれ設けられている。流路１１は、注入口１３および排出口１４のそれぞれに取り付けられる配管Ｐと連通している。また、流路１１の上流側の途中には、流路１１の内径を狭める絞り１５が設けられている。絞り１５における流路１１の断面積は、流路１１を流れるガスの速度（流速）がセンサ１２の速度検出範囲内となるように適宜設定される。
【００１９】
流路１１の下流側の途中にある流路１１ａと流路１１ｂとの間には、流路１１を流れるガスの流量を調節する調節弁４０が設けられている。調節弁４０は、例えばソレノイド弁である。調節弁４０は、流路１１ａから流路１１ｂに流れるガスを中継する流路４３および流路４４と、流路４３および流路４４を連通する弁室４５と、弁室４５を形成する弁座４２と、弁室４５内に収納されて流路４４を開閉する弁体４６と、弁体４６に連結される磁性体のプランジャ４７と、入力電力（電流）に応じて発生する電磁力によってプランジャ４７を図２において上下方向に移動させるソレノイドコイル４８と、を備える。
【００２０】
ソレノイドコイル４８に供給される電流に応じた電磁力によってプランジャ４７が連続的に移動することによって、プランジャ４７に連結された弁体４６の開度が連続的に制御される。その結果、流路１１ａ、流路４３、流路４４および流路１１ｂを通じて排出口１４に流出するガスの量を連続的に制御することが可能となる。なお、調節弁４０は、ソレノイド弁に限定されず、例えば、電動モータや流体プランジャをアクチュエータとして用いたもの、ボール弁、バタフライ弁を用いたもの等、様々なものを採用することが可能である。
【００２１】
流路１１の絞り１５部分の内面（内壁）には、センサ１２が設置されている。センサ１２は、流路１１を流れるガスの速度または瞬時流量を検出する。センサ１２としては、種々の構成を採用することができるが、本実施形態では、高感度のセンサとして、ダイヤフラムを有する熱式センサを用いる。
【００２２】
図３は、図２に示すセンサ１２の斜視図であり、図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線矢視方向断面図である。図３および図４に示すように、センサ１２は、キャビティ２６が設けられた基板２０と、基板２０上にキャビティ２６を覆うように配置された絶縁膜２５と、絶縁膜２５に設けられた発熱素子としての発熱抵抗体２１と、発熱抵抗体２１より上流側（図３，図４において左側）に設けられた温度検出素子としての上流側測温抵抗素子２２と、発熱抵抗体２１より下流側（図３，図４において右側）に設けられた温度検出素子としての下流側測温抵抗素子２３と、上流側測温抵抗素子２２より上流側に設けられたガス温度センサ２４と、を有する。
【００２３】
絶縁膜２５のキャビティ２６を覆う部分は、熱容量が小さく、基板２０に対して断熱性を有するダイヤフラムを構成する。ガス温度センサ２４は、流路１１に流入してきたガスの温度を測定する。発熱抵抗体２１は、キャビティ２６を覆う絶縁膜２５の中心に配置されており、駆動回路（不図示）から付与される電力によって発熱する。発熱抵抗体２１は、ガス温度センサ２４が計測したガスの温度よりも一定温度（例えば１０℃）高くなるように加熱される。上流側測温抵抗素子２２は、発熱抵抗体２１より上流側の温度を検出するために用いられる。下流側測温抵抗素子２３は、発熱抵抗体２１より下流側の温度を検出するために用いられる。
【００２４】
ここで、図２に示した流路１１中のガスが静止（停止）している場合に、図３および図４に示す発熱抵抗体２１によって加えられた熱は、上流方向と下流方向へ対称的に拡散する。したがって、上流側測温抵抗素子２２および下流側測温抵抗素子２３の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子２２および下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗は等しくなる。これに対し、流路１１中のガスが上流から下流に流れている場合に、発熱抵抗体２１によって加えられた熱は、下流方向に運ばれる。したがって、上流側測温抵抗素子２２の温度よりも、下流側測温抵抗素子２３の温度が高くなる。そのため、上流側測温抵抗素子２２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗との間に差が生じる。
【００２５】
下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子２２の電気抵抗との差は、流路１１を流れるガスの速度や流量と相関関係がある。それゆえに、下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子２２の電気抵抗との差から、流路１１を流れるガスの速度や流量を算出することが可能となる。また、流路１１中のガスが下流から上流に流れる場合であっても、同様に、上流側測温抵抗素子２２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗との差から、流路１１を流れるガスの速度や流量が算出することが可能となる。
【００２６】
図３および図４に示す基板２０の材料としては、シリコン(Ｓｉ)などが使用可能である。絶縁膜２５の材料としては、酸化ケイ素(ＳｉＯ2)などが使用可能である。キャビティ２６は、異方性エッチングなどにより形成される。また発熱抵抗体２１、上流側測温抵抗素子２２、下流側測温抵抗素子２３およびガス温度センサ２４の各材料には白金(Ｐｔ)などが使用可能であり、リソグラフィ法などにより形成可能である。
【００２７】
図２に示す計測ユニット３０は、流路保持体１０上に配置されている。計測ユニット３０は、センサ１２および調節弁４０に電気的に接続されたＣＰＵ３００と、ＣＰＵ３００に電気的に接続された記憶装置４００、表示装置５００および入力装置６００と、を備える。記憶装置４００は、例えばＤＲＡＭなどの揮発性メモリから構成される。表示装置５００は、例えばＬＥＤなどの発光体により表示部が構成され、この表示部に各種情報が表示される。入力装置６００は、例えば入力キーにより入力部が構成され、この入力部から各種設定や情報が入力される。
【００２８】
ＣＰＵ３００は、ＲＯＭ（不図示）に予め書き込まれた各種制御プログラムや各種情報などを読み込み、種々の演算処理を実行したり、流量制御装置２の各種電子機器を制御したりする。ＣＰＵ３００は、機能的には、例えば、算出部３１０と、切替部３２０と、弁制御部３３０とを有する。
【００２９】
算出部３１０は、センサ１２の出力信号を入力値として、物性値または流量を算出する。すなわち、算出部３１０は、発熱抵抗体２１を発熱させたときの上流側測温抵抗素子２２および下流側測温抵抗素子２３の温度に基づいて、流路１１を流れるガスの物性値を算出する物性値算出部３１１と、発熱抵抗体２１を発熱させたときの上流側測温抵抗素子２２および下流側測温抵抗素子２３の温度に基づいて、ガスの流量を算出する流量算出部３１２と、を有する。
【００３０】
切替部３２０は、流路１１を流れるガスの置換完了を確認するときには、算出部３１０を物性値算出部３１１に切り替え、流路１１に流体が流れるときには、算出部３１０を流量算出部３１２に切り替える。すなわち、切替部３２０は、流路１１を流れるガスの置換完了を確認するときには、センサ１２の出力信号を物性値算出部３１１への入力に切り替え、流路１１に流体が流れるときには、センサ１２の出力信号を流量算出部３１２への入力に切り替える。ここで、ガス置換とは、配管Ｐ内および流路１１内に滞留する気体を、これから供給するガスで置換することをいう。本実施形態におけるガス供給システム１では、ガス置換を、例えば以下のような手順で行う。
【００３１】
最初に、ユーザの操作指示に従って、真空ポンプ７を駆動させ、調節弁４０を開弁（全開）し、遮断弁５を閉弁する。調節弁４０を開弁して遮断弁５を閉弁することで、配管Ｐ、流路１１およびチャンバ６からなる閉空間を形成することができ、真空ポンプ７を駆動させることで、この閉空間から所定時間空気を抜き続ける（以下、「真空引き」という。）ことができる。続いて、ユーザの操作指示に従って、真空ポンプ７を停止させ、調節弁４０を閉弁（全閉）し、遮断弁５を開弁することで、配管Ｐおよび流路１１内に、これから供給するガスを充填する。
【００３２】
続いて、ガスの置換が完了したか否かを確認するために、ユーザの操作指示（例えば、濃度計測開始ボタンを押下）に従って、切替部３２０が算出部３１０を物性値算出部３１１に切替える。続いて、物性値算出部３１１は、センサー１２の出力信号に基づいて配管Ｐおよび流路１１内に充填したガスの濃度を算出する。続いて、充填したガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したか否かをユーザが判定する。この場合に、例えば、ＣＰＵ３００は、算出したガスの濃度を表示部に表示させ、ユーザの操作指示（例えば、“ＯＫ”または“ＮＧ”ボタンを押下）に従って、充填したガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したか否かを判定する。
【００３３】
上記判定において、算出したガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したと判定された場合に、ガス置換を終了する。一方、上記判定において、算出したガスの濃度が適正範囲内の濃度に満たないと判定された場合には、上述した閉空間の形成から真空引きおよびガスの充填までの各手順を、充填したガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達するまで繰り返し行う。ガス置換が終了した後は、調節弁４０を開弁し、ガスの供給を開始する。
【００３４】
なお、調節弁４０および遮断弁５の開閉制御や真空ポンプ７の駆動・停止制御は、ＣＰＵ３００が行うこととしてもよいし、ＣＰＵ３００とは別に設けられたガス供給システム１全体を統括制御するＣＰＵ（不図示）が行うこととしてもよい。また、調節弁４０および遮断弁５の開閉動作や真空ポンプ７の駆動・停止動作を開始するタイミングは、ユーザの操作指示に限定されず、例えば、ＣＰＵ３００が予め設定された各種条件を判定して開始させることとしてもよい。
【００３５】
また、算出部３１０を物性値算出部３１１に切り替える際の切替部３２０への指示は、ユーザの操作指示に限定されず、ＣＰＵ３００が指示することとしてもよい。また、ガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したか否かを判定するのは、ユーザに限定されず、ＣＰＵ３００が判定することとしてもよい。具体的には、例えば、図２に示すようにＣＰＵ３００に置換完了判定部３１３を設け、この置換完了判定部３１３が、予め設定された設定値に従って、ガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したか否かを判定する。そして、置換完了判定部３１３が、ガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したと判定した場合に、ガスの置換が完了したと判定する。さらに、算出部３１０を流量値算出部３１１に切り替える際の切替部３２０への指示についても、ＣＰＵ３００が行うこととしてもよい。例えば、置換完了判定部３１３によってガスの置換が完了したと判定された場合に、ＣＰＵ３００が切替部３２０に、流量値算出部３１１への切り替え指示を出力する。
【００３６】
物性値算出部３１１は、流路１１を流れるガスの物性値を算出する。ガスの物性値としては、例えば、放熱係数、熱伝導率および発熱量等がある。本実施形態では、ガスの物性値として放熱係数を算出する場合について説明する。
【００３７】
物性値算出部３１１は、下記（１）式に示すように、雰囲気ガスの放熱係数ＭOを算出する。具体的に、物性値算出部３１１は、センサ１２の発熱抵抗体２１の駆動電力ＰHを、発熱抵抗体２１の発熱温度ＴHとガス温度センサ２４で測定されたガス温度ＴOとの差で割ることで、発熱抵抗体２１と熱的に平衡な状態にあるときのガスの放熱係数ＭOを算出する。なお、放熱係数ＭOの単位は、例えば[Ｗ／℃]である。
【００３８】
ＭO＝ＰH／（ＴH−Ｔ0） ・・・ （１）
【００３９】
ここで、熱的に平衡な状態とは、発熱抵抗体２１の発熱と、発熱抵抗体２１から雰囲気ガスへの放熱とが釣り合っている状態をいう。発熱抵抗体２１の発熱温度ＴHは、発熱抵抗体２１と雰囲気ガスとの間が熱的に平衡な状態にあるときに安定する。したがって、上記（１）式は、発熱抵抗体２１と雰囲気ガスとの間が熱的に平衡な状態にあることを前提としている。上記（１）式に含まれる発熱抵抗体２１の発熱温度ＴHは、下記（２）式〜（４）式を用いて算出することができる。
【００４０】
まず、発熱抵抗体２１の抵抗値ＲHは、温度によって変化し、発熱抵抗体２１の抵抗値ＲHと発熱抵抗体２１の発熱温度ＴHとの関係は、下記（２）式により与えられる。
【００４１】
ＲH＝ＲSTD×｛１＋α（ＴH−ＴSTD）＋β（ＴH−ＴSTD）2｝ ・・・ （２）
【００４２】
上記（２）式のＴSTDは標準温度を表し、例えば２０℃である。ＲSTDは標準温度ＴSTDにおける予め計測された抵抗値を表す。αは１次の抵抗温度係数、βは２次の抵抗温度係数を表す。
【００４３】
また、発熱抵抗体２１の抵抗値ＲHは、発熱抵抗体２１の駆動電力ＰHと発熱抵抗体２１の通電電流ＩHとを用いて下記（３）式により与えられる。
【００４４】
ＲH＝ＰH／ＩH2 ・・・ （３）
【００４５】
さらに、発熱抵抗体２１の抵抗値ＲHは、発熱抵抗体２１にかかる電圧ＶHと発熱抵抗体２１の通電電流ＩHとを用いて下記（４）式によっても与えられる。
【００４６】
ＲH＝ＶH／ＩH ・・・ （４）
【００４７】
なお、上記（１）式に含まれるガス温度ＴOは、ガス温度センサ２４ではなく、発熱抵抗体２１を用いて計測することとしてもよい。ガス温度ＴOに影響しない程度の電力を発熱抵抗体２１に供給することにより、発熱抵抗体２１でガス温度ＴOを測定することが可能となる。この場合、発熱抵抗体２１は、発熱素子に加え、さらに温度検出素子として用いられることになる。発熱抵抗体２１でガス温度ＴOを測定する場合には、ガス温度センサ２４を省略し、センサ１２の構造を簡素化してもよい。ただし、発熱抵抗体２１とガス温度センサ２４を別個に設けた方が、より正確な放熱係数ＭOを測定することができる。
【００４８】
また、センサ１２は、熱伝導性の基板２０の温度を一定に保つ補助ヒータをさらに備えることとしてもよい。基板２０の温度を一定に保つことにより、発熱抵抗体２１が発熱する前のセンサ１２近傍の雰囲気ガスの温度を、基板２０の温度と近似させることができる。そのため、雰囲気ガスの温度の変動を抑制することができ、より高い精度で放熱係数ＭOを算出することが可能となる。なお、補助ヒータにも電気抵抗素子等を使用することができる。また、ガス温度センサ２４を補助ヒータとして兼用することもできる。
【００４９】
さらに、ガスの物性値として熱伝導率や発熱量を算出する場合に、物性値算出部３１１は、例えば以下のようにして熱伝導率や発熱量を算出することができる。まず、ガスの放熱係数とガスの熱伝導率は、一般に比例関係にある。したがって、ガスの放熱係数とガスの熱伝導率との対応関係を示す近似式またはテーブルを記憶装置４００に予め記憶させておく。これにより、物性値算出部３１１は、記憶装置４００に記憶された近似式またはテーブルを用いることで、先に算出したガスの放熱係数に対応するガスの熱伝導率を算出することができる。
【００５０】
また、ガスの発熱量は、ガスの放熱係数を変数とする方程式によって算出することが可能である。したがって、その方程式を記憶装置４００に予め記憶させておく。これにより、物性値算出部３１１は、先に算出したガスの放熱係数を、上記方程式に代入することでガスの発熱量を算出することができる。
【００５１】
物性値算出部３１１は、ガスの放熱係数ＭOに基づいてガスの濃度（ガスと空気との成分比率）を、例えば以下のように算出する。ガスの放熱係数とガスの濃度とは、一般に比例関係にある。この関係に基づいて、供給するガスの放熱係数とガスの濃度との対応関係を示す近似式またはテーブルを予め作成し、記憶装置４００に記憶させておく。物性値算出部３１１は、記憶装置４００に記憶された近似式またはテーブル用いることで、ガスの放熱係数に対応するガスの濃度を算出する。
【００５２】
流量算出部３１２は、下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗の値と上流側測温抵抗素子２２の電気抵抗の値との差に基づいて、流路１１を流れるガスの速度（流速）Ｖを算出する。流量算出部３１２は、下記（５）式に示すように、速度（流速）Ｖに絞り１５における流路１１の垂直断面積Ａを乗じて、ガスの瞬時流量Ｑを算出する。
【００５３】
Ｑ＝Ｖ×Ａ ・・・ （５）
【００５４】
ここで、ガスの速度Ｖの単位は、例えば［ｍ／ｍｉｎ］であり、絞り１５における流路１１の垂直断面積Ａの単位は、例えば［ｍ2］である。また、ガスの瞬時流量Ｑは、正方向に流れるガスの瞬時流量が正の値、負方向に流れるガスの瞬時流量が負の値となる。
【００５５】
流量算出部３１２は、所定の検出間隔ごとにセンサ１２を駆動してガスの瞬時流量Ｑを算出し、算出した瞬時流量Ｑを記憶装置４００に記憶することを継続して繰り返し実行する。流量算出部３１２は、瞬時流量Ｑの検出開始時点から現在までの瞬時流量Ｑを記憶装置４００から読み込み、読み込んだ各瞬時流量Ｑを積算してガスの積算流量を算出する。流量算出部３１２は、算出した積算流量を、記憶装置４００に記憶させるとともに、表示装置５００の表示部に表示させる。
【００５６】
切替部３２０は、流路１１に滞留するガスの置換完了を確認するときに、算出部３１０を物性値算出部３１１に切り替える。具体的に、切替部３２０は、流路１１を滞留するガスの置換完了を確認するときに、算出部３１０を物性値算出部３１１に切り替える。切替部３２０は、流路１１に流体が流れるときに、算出部３１０を流量算出部３１２に切り替える。なお、上述した置換完了判定部３１３は、物性値算出部３１１によって算出されるガスの濃度と所定の目標値とを比較して、置換完了を判定することとすればよい。
【００５７】
弁制御部３３０は、流路１１内の真空引きが実行されているときには調節弁４０を開弁させ、真空引きが実行されていないときには調節弁４０を閉弁させる。
【００５８】
弁制御部３３０は、算出部３１０が流量算出部３１２に切り替えられている間、流量算出部３１２によって算出された瞬時流量に基づいて、調節弁４０の開度を制御し、流路１１を流れるガスの流量を調整する。弁制御部３３０は、瞬時流量が設定値よりも多い場合には、調節弁４０の開度が小さくなるように制御してガスの流量を減少させる。弁制御部３３０は、瞬時流量が設定値よりも少ない場合には、調節弁４０の開度が大きくなるように制御してガスの流量を増加させる。
【００５９】
次に、図５を参照して、本実施形態におけるガス供給システム１の動作について説明する。図５は、ガス供給システムにおけるガスの物性値および流量の算出手順を説明するためのフローチャートである。
【００６０】
最初に、ガス供給システム１を起動すると、流量制御装置２の切替部３２０は、算出部３１０を物性値算出部３１１に切り替える。（ステップＳ１０１）。これと並行して、流量制御装置２のＣＰＵ３００は、遮断弁５を閉弁し、調節弁４０を開弁して真空引きを所定時間実行する（ステップＳ１０２）。続いて、ＣＰＵ３００は、調節弁４０を閉弁し、遮断弁５を開弁する（ステップＳ１０３）。これにより、流量制御装置２の流路１１（流路１１ｂを除く）内に、これから供給するガスが充填される。なお、切替部３２０の切替、遮断弁５および調節弁４０の開閉動作は、ユーザの操作指示に従って開始することとしてもよい（以下、同様）。
【００６１】
続いて、流量制御装置２の物性値算出部３１１は、上記（１）式を用いて放熱係数ＭOを算出する（ステップＳ１０４）。なお、放熱係数ＭOの算出は、ユーザの操作指示に従って開始することとしてもよい。また、上記ステップＳ１０１の処理は、ステップＳ１０４の直前に実行してもよい。
【００６２】
続いて、流量制御装置２の物性値算出部３１１は、上記ステップＳ１０４で算出された放熱係数ＭOに対応するガスの濃度を算出する（ステップＳ１０５）。
【００６３】
続いて、流量制御装置２の切替部３２０は、算出されたガスの濃度が所定の目標値に到達したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）には、処理を上記ステップＳ１０２に移行する。
【００６４】
一方、上記ステップＳ１０６の判定でガスの濃度が所定の目標値に到達したと判定された場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）に、流量制御装置２の切替部３２０は、算出部３１０を流量算出部３１２に切り替える（ステップＳ１０７）。これと並行して、流量制御装置２の弁制御部３３０は、調節弁４０を所定開度開弁させる（ステップＳ１０８）。
【００６５】
続いて、流量制御装置２の流量算出部３１２は、所定の検出間隔ごとにセンサ１２を駆動し、上記（５）式を用いてガスの瞬時流量Ｑを算出する（ステップＳ１０９）。
【００６６】
続いて、流量制御装置２の弁制御部３３０は、上記ステップＳ１０９で算出された瞬時流量Ｑに基づいて、調節弁４０の開度を制御する（ステップＳ１１０）。これにより、ガスの供給量が適正に制御される。
【００６７】
上述したように、実施形態における流量制御装置２を含むガス供給システム１によれば、配管Ｐや流路１１に滞留するガスの置換完了を確認するときには、流路１１に配置されたセンサ１２の検出値に基づいてガスの物性値を算出し、ガスの置換完了を確認することができる。一方、ガスを供給しているときには、流路１１に配置されたセンサ１２の検出値に基づいてガスの流量を算出し、算出した流量に基づいて調節弁４０の開度を制御することができる。
【００６８】
これにより、ガスを置換しているときには、流路１１内のガスが正常に置換されたことを、算出した物性値に基づいて判定してからガスの供給を開始させることが可能となる。一方、ガスを供給しているときには、算出したガスの流量に基づいてガスの供給量を適正に制御させることが可能となる。
【００６９】
また、ガスの物性値である放熱係数に基づいてガスの濃度を算出し、このガスの濃度が所定の目標値に到達した場合に、ガスが正常に置換されたと判定することができるため、濃度計を設けることなく確実にガス置換を行うことができる。さらに、ガスの濃度が所定の目標値に到達しない場合には、ガスの濃度が所定の目標値に到達するまで真空引きを繰り返すことができるため、圧力計を設けることなく確実にガス置換を行うことができる。
【００７０】
（その他の実施形態）
本発明を、上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす記述および図面は、この発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替の実施形態、実施例および運用技術が明らかになるはずである。
【００７１】
例えば、上述した実施形態では、ガス供給システム１を起動したときにガス置換を行っているが、ガス置換を行うタイミングは、これに限定されない。例えば、ガス置換を開始することを示すガス置換開始命令を受信した場合に、ガス置換を行うこととしてもよい。また、例えば、真空ポンプ７の駆動動作、調節弁４０の開弁動作および遮断弁５の閉弁動作がユーザの操作指示に従って開始されるときに、ガス置換を行うこととしてもよい。これにより、例えば、濃度や成分等が異なる複数のガスを切り替えることができるガス供給システムにも本発明を適用することができる。例えば、一のガスから他のガスに切り替える際に、ガス置換開始命令を発令する等してガス置換を実行させ、算出部３１０を流量算出部３１２から物性値算出部３１１に切り替えることとしてもよい。
【００７２】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含する。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００７３】
１…ガス供給システム、２…流量制御装置、４…ガスボンベ、５…遮断弁、６…チャンバ、７…真空ポンプ、１０…流路保持体、１１…流路、１２…センサ、１３…注入口、１４…排出口、２０…基板、２１…発熱抵抗体、２２…上流側測温抵抗素子、２３…下流側測温抵抗素子、２４…ガス温度センサ、２５…絶縁膜、２６…キャビティ、３０…計測ユニット、４０…調節弁、４２…弁座、４３、４４…流路、４５…弁室、４６…弁体、４７…プランジャ、４８…ソレノイドコイル、３００…ＣＰＵ、３１０…算出部、３１１…物性値算出部、３１２…流量算出部、３１３…置換完了判定部、３２０…切替部、３３０…弁制御部、４００…記憶装置、５００…表示装置、６００…入力装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は流量制御装置および流量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流量制御装置を用いてガスを供給する場合には、供給開始前に、配管内や機器内に滞留している流体を、これから供給するガスで置換してからガスの供給を開始する。具体的には、配管内や機器内を真空ポンプ等で真空引きし、配管内や機器内に残留する空気等を十分に抜いてからガスの供給を開始する。これは、流量制御装置で供給するガスに空気等の余分な流体が混じっていると、流量制御装置の流量精度に誤差が生じたり、ガスを供給するプロセスに問題が生じたりするためである。真空引きを行う場合には、対象となる空間の圧力を圧力計で測定し、この圧力計の値が真空状態となる所定の圧力値以下となるように対象空間内の空気を抜いていく。確実にガス置換されたかどうかを確認する場合には、真空引き後に充填したガスの濃度を濃度計で測定し、ガスの濃度が目標濃度に到達するまで、真空引きとガス充填とを繰り返す。下記特許文献１および２には、機器内のガス置換を行うガス置換装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−１６７３０９号公報
【特許文献２】特開平１−９８７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流量制御装置を用いてガスを供給するシステムでガス置換を行う場合には、上述したように、濃度計や圧力計を設ける必要がある。また、上述した特許文献１および２に記載されたガス置換方法を採用する場合であっても、濃度計や圧力計が必要となる。したがって、流量制御装置を用いてガスを供給するシステムでガス置換を行う場合には、濃度計や圧力計を設けなければならず、計装コストがかさんでしまう。
【０００５】
よって本発明は、従来よりも計装コストを低減させることができる流量制御装置および流量制御方法を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様によれば、流体が流通する流路に配置され、発熱素子および温度検出素子を有するセンサと、前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流体の物性値を算出する物性値算出部と、前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、前記流路に滞留する流体を置換するためおよび前記流路を流れる流体の流量を調節するために、調節弁の開度を制御する弁制御部と、前記流路に滞留する流体の置換完了を確認するときには前記センサの出力信号を前記物性値算出部への入力に切り替え、前記流路に流体が流れるときには前記センサの出力信号を前記流量算出部への入力に切り替える切替部と、を備える、流量制御装置を提供することができる。
【０００７】
また、本発明の態様によれば、流体が流通する流路に配置されたセンサに含まれる発熱素子を発熱させたときの当該センサに含まれる温度検出素子の温度に基づいて、前記流体の物性値を算出する物性値算出工程と、前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出工程と、前記流路に滞留する流体を置換するためおよび前記流路を流れる流体の流量を調節するために、調節弁の開度を制御する弁制御工程と、前記流路に滞留する流体の置換完了を確認するときには前記センサの出力信号を前記物性値算出工程への入力に切り替え、前記流路に流体が流れるときには前記センサの出力信号を前記流量算出工程への入力に切り替える切替工程と、を含む、流量制御方法を提供することができる。
【０００８】
本発明の態様における流量制御装置および流量制御方法によれば、流路に滞留する流体の置換完了を確認するときには、流路に配置されたセンサの検出値に基づいて流体の物性値を算出し、算出した物性値に基づいて置換が完了したことを確認することができる、一方、流体が供給されているときには、流路に配置されたセンサの検出値に基づいて供給される流体の流量を算出し、算出した流量に基づいて調節弁の開度を制御することができる。これにより、流量制御装置を用いてガスを供給するシステムでガス置換を行う場合の計装設備を簡易な構成とすることが可能となる。
【０００９】
上記流量制御装置において、前記物性値算出部は、前記物性値に基づいて前記流体の濃度を算出し、前記物性値算出部によって算出される前記濃度が所定の目標値に到達したときに、前記置換完了に至ったと判定する置換完了判定部をさらに備えることとしてもよい。また、上記弁制御部は、前記流路内が真空引きされているときには前記調節弁を開弁させ、前記流路内が真空引きされていないときには前記調節弁を閉弁させ、前記置換完了判定部は、前記弁制御部によって前記調節弁が閉弁させられているときに、前記置換完了に至ったか否かを判定することとしてもよい。さらに、上記切替部は、前記置換完了判定部によって前記置換完了に至ったと判定された場合に、前記センサの出力信号を前記流量算出部への入力に切り替えることとしてもよい。
【００１０】
これにより、確実にガス置換を行うことが可能となる。
【００１１】
上記流量制御装置において、前記物性値は、放熱係数であることとしてもよい。これにより、放熱係数に対応する流体の濃度を算出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来よりも計装コストを低減させることができる流量制御装置および流量制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態における流量制御装置を含むガス供給システムの構成図である。
【図２】図１に示す流量制御装置の側方断面図である。
【図３】図２に示すセンサの斜視図である。
【図４】図３に示すＩＶ−ＩＶ線矢視方向断面図である。
【図５】実施形態におけるガスの物性値および流量の算出手順を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載では、同一または類似の部分を同一または類似の符号で表す。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明と照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態おける流量制御装置を含むガス供給システムの模式図である。図１に示すように、ガス供給システム１は、ガス（流体）を貯蔵するガスボンベ４と、ガスの供給を遮断または許容する遮断弁５と、ガスの流量およびガスの物性値を計測してガスの流量を制御する流量制御装置２と、ガスが充填されるチャンバ６と、ガスを流通させる配管Ｐ内を真空引きするための真空ポンプ７と、を含んで構成される。
【００１６】
図２は、図１に示す流量制御装置２の側方断面図である。図２に示すように、流量制御装置２は、ガスを流通させる配管Ｐの一部に取り付けられる流路保持体１０と、計測ユニット３０と、調節弁４０とを含んで構成される。なお、図２は断面図であるが、計測ユニット３０の内部は模式的に示している。実際には計測ユニット３０の内部に、例えば、中央演算処理装置（以下、「ＣＰＵ」という。）と、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶装置と、Ｉ／Ｏ回路とが含まれている。
【００１７】
流路保持体１０の内部には、ガスが上流側（図２において左側）から下流側（図２において右側）に流通する流路１１が形成されている。計測ユニット３０は、後述するように、流路１１を流れるガスの流量およびガスの物性値を計測する。
【００１８】
流路保持体１０には、上流側の端部に注入口１３、下流側の端部に排出口１４がそれぞれ設けられている。流路１１は、注入口１３および排出口１４のそれぞれに取り付けられる配管Ｐと連通している。また、流路１１の上流側の途中には、流路１１の内径を狭める絞り１５が設けられている。絞り１５における流路１１の断面積は、流路１１を流れるガスの速度（流速）がセンサ１２の速度検出範囲内となるように適宜設定される。
【００１９】
流路１１の下流側の途中にある流路１１ａと流路１１ｂとの間には、流路１１を流れるガスの流量を調節する調節弁４０が設けられている。調節弁４０は、例えばソレノイド弁である。調節弁４０は、流路１１ａから流路１１ｂに流れるガスを中継する流路４３および流路４４と、流路４３および流路４４を連通する弁室４５と、弁室４５を形成する弁座４２と、弁室４５内に収納されて流路４４を開閉する弁体４６と、弁体４６に連結される磁性体のプランジャ４７と、入力電力（電流）に応じて発生する電磁力によってプランジャ４７を図２において上下方向に移動させるソレノイドコイル４８と、を備える。
【００２０】
ソレノイドコイル４８に供給される電流に応じた電磁力によってプランジャ４７が連続的に移動することによって、プランジャ４７に連結された弁体４６の開度が連続的に制御される。その結果、流路１１ａ、流路４３、流路４４および流路１１ｂを通じて排出口１４に流出するガスの量を連続的に制御することが可能となる。なお、調節弁４０は、ソレノイド弁に限定されず、例えば、電動モータや流体プランジャをアクチュエータとして用いたもの、ボール弁、バタフライ弁を用いたもの等、様々なものを採用することが可能である。
【００２１】
流路１１の絞り１５部分の内面（内壁）には、センサ１２が設置されている。センサ１２は、流路１１を流れるガスの速度または瞬時流量を検出する。センサ１２としては、種々の構成を採用することができるが、本実施形態では、高感度のセンサとして、ダイヤフラムを有する熱式センサを用いる。
【００２２】
図３は、図２に示すセンサ１２の斜視図であり、図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線矢視方向断面図である。図３および図４に示すように、センサ１２は、キャビティ２６が設けられた基板２０と、基板２０上にキャビティ２６を覆うように配置された絶縁膜２５と、絶縁膜２５に設けられた発熱素子としての発熱抵抗体２１と、発熱抵抗体２１より上流側（図３，図４において左側）に設けられた温度検出素子としての上流側測温抵抗素子２２と、発熱抵抗体２１より下流側（図３，図４において右側）に設けられた温度検出素子としての下流側測温抵抗素子２３と、上流側測温抵抗素子２２より上流側に設けられたガス温度センサ２４と、を有する。
【００２３】
絶縁膜２５のキャビティ２６を覆う部分は、熱容量が小さく、基板２０に対して断熱性を有するダイヤフラムを構成する。ガス温度センサ２４は、流路１１に流入してきたガスの温度を測定する。発熱抵抗体２１は、キャビティ２６を覆う絶縁膜２５の中心に配置されており、駆動回路（不図示）から付与される電力によって発熱する。発熱抵抗体２１は、ガス温度センサ２４が計測したガスの温度よりも一定温度（例えば１０℃）高くなるように加熱される。上流側測温抵抗素子２２は、発熱抵抗体２１より上流側の温度を検出するために用いられる。下流側測温抵抗素子２３は、発熱抵抗体２１より下流側の温度を検出するために用いられる。
【００２４】
ここで、図２に示した流路１１中のガスが静止（停止）している場合に、図３および図４に示す発熱抵抗体２１によって加えられた熱は、上流方向と下流方向へ対称的に拡散する。したがって、上流側測温抵抗素子２２および下流側測温抵抗素子２３の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子２２および下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗は等しくなる。これに対し、流路１１中のガスが上流から下流に流れている場合に、発熱抵抗体２１によって加えられた熱は、下流方向に運ばれる。したがって、上流側測温抵抗素子２２の温度よりも、下流側測温抵抗素子２３の温度が高くなる。そのため、上流側測温抵抗素子２２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗との間に差が生じる。
【００２５】
下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子２２の電気抵抗との差は、流路１１を流れるガスの速度や流量と相関関係がある。それゆえに、下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子２２の電気抵抗との差から、流路１１を流れるガスの速度や流量を算出することが可能となる。また、流路１１中のガスが下流から上流に流れる場合であっても、同様に、上流側測温抵抗素子２２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗との差から、流路１１を流れるガスの速度や流量が算出することが可能となる。
【００２６】
図３および図４に示す基板２０の材料としては、シリコン(Ｓｉ)などが使用可能である。絶縁膜２５の材料としては、酸化ケイ素(ＳｉＯ2)などが使用可能である。キャビティ２６は、異方性エッチングなどにより形成される。また発熱抵抗体２１、上流側測温抵抗素子２２、下流側測温抵抗素子２３およびガス温度センサ２４の各材料には白金(Ｐｔ)などが使用可能であり、リソグラフィ法などにより形成可能である。
【００２７】
図２に示す計測ユニット３０は、流路保持体１０上に配置されている。計測ユニット３０は、センサ１２および調節弁４０に電気的に接続されたＣＰＵ３００と、ＣＰＵ３００に電気的に接続された記憶装置４００、表示装置５００および入力装置６００と、を備える。記憶装置４００は、例えばＤＲＡＭなどの揮発性メモリから構成される。表示装置５００は、例えばＬＥＤなどの発光体により表示部が構成され、この表示部に各種情報が表示される。入力装置６００は、例えば入力キーにより入力部が構成され、この入力部から各種設定や情報が入力される。
【００２８】
ＣＰＵ３００は、ＲＯＭ（不図示）に予め書き込まれた各種制御プログラムや各種情報などを読み込み、種々の演算処理を実行したり、流量制御装置２の各種電子機器を制御したりする。ＣＰＵ３００は、機能的には、例えば、算出部３１０と、切替部３２０と、弁制御部３３０とを有する。
【００２９】
算出部３１０は、センサ１２の出力信号を入力値として、物性値または流量を算出する。すなわち、算出部３１０は、発熱抵抗体２１を発熱させたときの上流側測温抵抗素子２２および下流側測温抵抗素子２３の温度に基づいて、流路１１を流れるガスの物性値を算出する物性値算出部３１１と、発熱抵抗体２１を発熱させたときの上流側測温抵抗素子２２および下流側測温抵抗素子２３の温度に基づいて、ガスの流量を算出する流量算出部３１２と、を有する。
【００３０】
切替部３２０は、流路１１を流れるガスの置換完了を確認するときには、算出部３１０を物性値算出部３１１に切り替え、流路１１に流体が流れるときには、算出部３１０を流量算出部３１２に切り替える。すなわち、切替部３２０は、流路１１を流れるガスの置換完了を確認するときには、センサ１２の出力信号を物性値算出部３１１への入力に切り替え、流路１１に流体が流れるときには、センサ１２の出力信号を流量算出部３１２への入力に切り替える。ここで、ガス置換とは、配管Ｐ内および流路１１内に滞留する気体を、これから供給するガスで置換することをいう。本実施形態におけるガス供給システム１では、ガス置換を、例えば以下のような手順で行う。
【００３１】
最初に、ユーザの操作指示に従って、真空ポンプ７を駆動させ、調節弁４０を開弁（全開）し、遮断弁５を閉弁する。調節弁４０を開弁して遮断弁５を閉弁することで、配管Ｐ、流路１１およびチャンバ６からなる閉空間を形成することができ、真空ポンプ７を駆動させることで、この閉空間から所定時間空気を抜き続ける（以下、「真空引き」という。）ことができる。続いて、ユーザの操作指示に従って、真空ポンプ７を停止させ、調節弁４０を閉弁（全閉）し、遮断弁５を開弁することで、配管Ｐおよび流路１１内に、これから供給するガスを充填する。
【００３２】
続いて、ガスの置換が完了したか否かを確認するために、ユーザの操作指示（例えば、濃度計測開始ボタンを押下）に従って、切替部３２０が算出部３１０を物性値算出部３１１に切替える。続いて、物性値算出部３１１は、センサー１２の出力信号に基づいて配管Ｐおよび流路１１内に充填したガスの濃度を算出する。続いて、充填したガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したか否かをユーザが判定する。この場合に、例えば、ＣＰＵ３００は、算出したガスの濃度を表示部に表示させ、ユーザの操作指示（例えば、“ＯＫ”または“ＮＧ”ボタンを押下）に従って、充填したガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したか否かを判定する。
【００３３】
上記判定において、算出したガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したと判定された場合に、ガス置換を終了する。一方、上記判定において、算出したガスの濃度が適正範囲内の濃度に満たないと判定された場合には、上述した閉空間の形成から真空引きおよびガスの充填までの各手順を、充填したガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達するまで繰り返し行う。ガス置換が終了した後は、調節弁４０を開弁し、ガスの供給を開始する。
【００３４】
なお、調節弁４０および遮断弁５の開閉制御や真空ポンプ７の駆動・停止制御は、ＣＰＵ３００が行うこととしてもよいし、ＣＰＵ３００とは別に設けられたガス供給システム１全体を統括制御するＣＰＵ（不図示）が行うこととしてもよい。また、調節弁４０および遮断弁５の開閉動作や真空ポンプ７の駆動・停止動作を開始するタイミングは、ユーザの操作指示に限定されず、例えば、ＣＰＵ３００が予め設定された各種条件を判定して開始させることとしてもよい。
【００３５】
また、算出部３１０を物性値算出部３１１に切り替える際の切替部３２０への指示は、ユーザの操作指示に限定されず、ＣＰＵ３００が指示することとしてもよい。また、ガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したか否かを判定するのは、ユーザに限定されず、ＣＰＵ３００が判定することとしてもよい。具体的には、例えば、図２に示すようにＣＰＵ３００に置換完了判定部３１３を設け、この置換完了判定部３１３が、予め設定された設定値に従って、ガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したか否かを判定する。そして、置換完了判定部３１３が、ガスの濃度が適正範囲内の濃度に到達したと判定した場合に、ガスの置換が完了したと判定する。さらに、算出部３１０を流量値算出部３１１に切り替える際の切替部３２０への指示についても、ＣＰＵ３００が行うこととしてもよい。例えば、置換完了判定部３１３によってガスの置換が完了したと判定された場合に、ＣＰＵ３００が切替部３２０に、流量値算出部３１１への切り替え指示を出力する。
【００３６】
物性値算出部３１１は、流路１１を流れるガスの物性値を算出する。ガスの物性値としては、例えば、放熱係数、熱伝導率および発熱量等がある。本実施形態では、ガスの物性値として放熱係数を算出する場合について説明する。
【００３７】
物性値算出部３１１は、下記（１）式に示すように、雰囲気ガスの放熱係数ＭOを算出する。具体的に、物性値算出部３１１は、センサ１２の発熱抵抗体２１の駆動電力ＰHを、発熱抵抗体２１の発熱温度ＴHとガス温度センサ２４で測定されたガス温度ＴOとの差で割ることで、発熱抵抗体２１と熱的に平衡な状態にあるときのガスの放熱係数ＭOを算出する。なお、放熱係数ＭOの単位は、例えば[Ｗ／℃]である。
【００３８】
ＭO＝ＰH／（ＴH−Ｔ0） ・・・ （１）
【００３９】
ここで、熱的に平衡な状態とは、発熱抵抗体２１の発熱と、発熱抵抗体２１から雰囲気ガスへの放熱とが釣り合っている状態をいう。発熱抵抗体２１の発熱温度ＴHは、発熱抵抗体２１と雰囲気ガスとの間が熱的に平衡な状態にあるときに安定する。したがって、上記（１）式は、発熱抵抗体２１と雰囲気ガスとの間が熱的に平衡な状態にあることを前提としている。上記（１）式に含まれる発熱抵抗体２１の発熱温度ＴHは、下記（２）式〜（４）式を用いて算出することができる。
【００４０】
まず、発熱抵抗体２１の抵抗値ＲHは、温度によって変化し、発熱抵抗体２１の抵抗値ＲHと発熱抵抗体２１の発熱温度ＴHとの関係は、下記（２）式により与えられる。
【００４１】
ＲH＝ＲSTD×｛１＋α（ＴH−ＴSTD）＋β（ＴH−ＴSTD）2｝ ・・・ （２）
【００４２】
上記（２）式のＴSTDは標準温度を表し、例えば２０℃である。ＲSTDは標準温度ＴSTDにおける予め計測された抵抗値を表す。αは１次の抵抗温度係数、βは２次の抵抗温度係数を表す。
【００４３】
また、発熱抵抗体２１の抵抗値ＲHは、発熱抵抗体２１の駆動電力ＰHと発熱抵抗体２１の通電電流ＩHとを用いて下記（３）式により与えられる。
【００４４】
ＲH＝ＰH／ＩH2 ・・・ （３）
【００４５】
さらに、発熱抵抗体２１の抵抗値ＲHは、発熱抵抗体２１にかかる電圧ＶHと発熱抵抗体２１の通電電流ＩHとを用いて下記（４）式によっても与えられる。
【００４６】
ＲH＝ＶH／ＩH ・・・ （４）
【００４７】
なお、上記（１）式に含まれるガス温度ＴOは、ガス温度センサ２４ではなく、発熱抵抗体２１を用いて計測することとしてもよい。ガス温度ＴOに影響しない程度の電力を発熱抵抗体２１に供給することにより、発熱抵抗体２１でガス温度ＴOを測定することが可能となる。この場合、発熱抵抗体２１は、発熱素子に加え、さらに温度検出素子として用いられることになる。発熱抵抗体２１でガス温度ＴOを測定する場合には、ガス温度センサ２４を省略し、センサ１２の構造を簡素化してもよい。ただし、発熱抵抗体２１とガス温度センサ２４を別個に設けた方が、より正確な放熱係数ＭOを測定することができる。
【００４８】
また、センサ１２は、熱伝導性の基板２０の温度を一定に保つ補助ヒータをさらに備えることとしてもよい。基板２０の温度を一定に保つことにより、発熱抵抗体２１が発熱する前のセンサ１２近傍の雰囲気ガスの温度を、基板２０の温度と近似させることができる。そのため、雰囲気ガスの温度の変動を抑制することができ、より高い精度で放熱係数ＭOを算出することが可能となる。なお、補助ヒータにも電気抵抗素子等を使用することができる。また、ガス温度センサ２４を補助ヒータとして兼用することもできる。
【００４９】
さらに、ガスの物性値として熱伝導率や発熱量を算出する場合に、物性値算出部３１１は、例えば以下のようにして熱伝導率や発熱量を算出することができる。まず、ガスの放熱係数とガスの熱伝導率は、一般に比例関係にある。したがって、ガスの放熱係数とガスの熱伝導率との対応関係を示す近似式またはテーブルを記憶装置４００に予め記憶させておく。これにより、物性値算出部３１１は、記憶装置４００に記憶された近似式またはテーブルを用いることで、先に算出したガスの放熱係数に対応するガスの熱伝導率を算出することができる。
【００５０】
また、ガスの発熱量は、ガスの放熱係数を変数とする方程式によって算出することが可能である。したがって、その方程式を記憶装置４００に予め記憶させておく。これにより、物性値算出部３１１は、先に算出したガスの放熱係数を、上記方程式に代入することでガスの発熱量を算出することができる。
【００５１】
物性値算出部３１１は、ガスの放熱係数ＭOに基づいてガスの濃度（ガスと空気との成分比率）を、例えば以下のように算出する。ガスの放熱係数とガスの濃度とは、一般に比例関係にある。この関係に基づいて、供給するガスの放熱係数とガスの濃度との対応関係を示す近似式またはテーブルを予め作成し、記憶装置４００に記憶させておく。物性値算出部３１１は、記憶装置４００に記憶された近似式またはテーブル用いることで、ガスの放熱係数に対応するガスの濃度を算出する。
【００５２】
流量算出部３１２は、下流側測温抵抗素子２３の電気抵抗の値と上流側測温抵抗素子２２の電気抵抗の値との差に基づいて、流路１１を流れるガスの速度（流速）Ｖを算出する。流量算出部３１２は、下記（５）式に示すように、速度（流速）Ｖに絞り１５における流路１１の垂直断面積Ａを乗じて、ガスの瞬時流量Ｑを算出する。
【００５３】
Ｑ＝Ｖ×Ａ ・・・ （５）
【００５４】
ここで、ガスの速度Ｖの単位は、例えば［ｍ／ｍｉｎ］であり、絞り１５における流路１１の垂直断面積Ａの単位は、例えば［ｍ2］である。また、ガスの瞬時流量Ｑは、正方向に流れるガスの瞬時流量が正の値、負方向に流れるガスの瞬時流量が負の値となる。
【００５５】
流量算出部３１２は、所定の検出間隔ごとにセンサ１２を駆動してガスの瞬時流量Ｑを算出し、算出した瞬時流量Ｑを記憶装置４００に記憶することを継続して繰り返し実行する。流量算出部３１２は、瞬時流量Ｑの検出開始時点から現在までの瞬時流量Ｑを記憶装置４００から読み込み、読み込んだ各瞬時流量Ｑを積算してガスの積算流量を算出する。流量算出部３１２は、算出した積算流量を、記憶装置４００に記憶させるとともに、表示装置５００の表示部に表示させる。
【００５６】
切替部３２０は、流路１１に滞留するガスの置換完了を確認するときに、算出部３１０を物性値算出部３１１に切り替える。具体的に、切替部３２０は、流路１１を滞留するガスの置換完了を確認するときに、算出部３１０を物性値算出部３１１に切り替える。切替部３２０は、流路１１に流体が流れるときに、算出部３１０を流量算出部３１２に切り替える。なお、上述した置換完了判定部３１３は、物性値算出部３１１によって算出されるガスの濃度と所定の目標値とを比較して、置換完了を判定することとすればよい。
【００５７】
弁制御部３３０は、流路１１内の真空引きが実行されているときには調節弁４０を開弁させ、真空引きが実行されていないときには調節弁４０を閉弁させる。
【００５８】
弁制御部３３０は、算出部３１０が流量算出部３１２に切り替えられている間、流量算出部３１２によって算出された瞬時流量に基づいて、調節弁４０の開度を制御し、流路１１を流れるガスの流量を調整する。弁制御部３３０は、瞬時流量が設定値よりも多い場合には、調節弁４０の開度が小さくなるように制御してガスの流量を減少させる。弁制御部３３０は、瞬時流量が設定値よりも少ない場合には、調節弁４０の開度が大きくなるように制御してガスの流量を増加させる。
【００５９】
次に、図５を参照して、本実施形態におけるガス供給システム１の動作について説明する。図５は、ガス供給システムにおけるガスの物性値および流量の算出手順を説明するためのフローチャートである。
【００６０】
最初に、ガス供給システム１を起動すると、流量制御装置２の切替部３２０は、算出部３１０を物性値算出部３１１に切り替える。（ステップＳ１０１）。これと並行して、流量制御装置２のＣＰＵ３００は、遮断弁５を閉弁し、調節弁４０を開弁して真空引きを所定時間実行する（ステップＳ１０２）。続いて、ＣＰＵ３００は、調節弁４０を閉弁し、遮断弁５を開弁する（ステップＳ１０３）。これにより、流量制御装置２の流路１１（流路１１ｂを除く）内に、これから供給するガスが充填される。なお、切替部３２０の切替、遮断弁５および調節弁４０の開閉動作は、ユーザの操作指示に従って開始することとしてもよい（以下、同様）。
【００６１】
続いて、流量制御装置２の物性値算出部３１１は、上記（１）式を用いて放熱係数ＭOを算出する（ステップＳ１０４）。なお、放熱係数ＭOの算出は、ユーザの操作指示に従って開始することとしてもよい。また、上記ステップＳ１０１の処理は、ステップＳ１０４の直前に実行してもよい。
【００６２】
続いて、流量制御装置２の物性値算出部３１１は、上記ステップＳ１０４で算出された放熱係数ＭOに対応するガスの濃度を算出する（ステップＳ１０５）。
【００６３】
続いて、流量制御装置２の切替部３２０は、算出されたガスの濃度が所定の目標値に到達したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）には、処理を上記ステップＳ１０２に移行する。
【００６４】
一方、上記ステップＳ１０６の判定でガスの濃度が所定の目標値に到達したと判定された場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）に、流量制御装置２の切替部３２０は、算出部３１０を流量算出部３１２に切り替える（ステップＳ１０７）。これと並行して、流量制御装置２の弁制御部３３０は、調節弁４０を所定開度開弁させる（ステップＳ１０８）。
【００６５】
続いて、流量制御装置２の流量算出部３１２は、所定の検出間隔ごとにセンサ１２を駆動し、上記（５）式を用いてガスの瞬時流量Ｑを算出する（ステップＳ１０９）。
【００６６】
続いて、流量制御装置２の弁制御部３３０は、上記ステップＳ１０９で算出された瞬時流量Ｑに基づいて、調節弁４０の開度を制御する（ステップＳ１１０）。これにより、ガスの供給量が適正に制御される。
【００６７】
上述したように、実施形態における流量制御装置２を含むガス供給システム１によれば、配管Ｐや流路１１に滞留するガスの置換完了を確認するときには、流路１１に配置されたセンサ１２の検出値に基づいてガスの物性値を算出し、ガスの置換完了を確認することができる。一方、ガスを供給しているときには、流路１１に配置されたセンサ１２の検出値に基づいてガスの流量を算出し、算出した流量に基づいて調節弁４０の開度を制御することができる。
【００６８】
これにより、ガスを置換しているときには、流路１１内のガスが正常に置換されたことを、算出した物性値に基づいて判定してからガスの供給を開始させることが可能となる。一方、ガスを供給しているときには、算出したガスの流量に基づいてガスの供給量を適正に制御させることが可能となる。
【００６９】
また、ガスの物性値である放熱係数に基づいてガスの濃度を算出し、このガスの濃度が所定の目標値に到達した場合に、ガスが正常に置換されたと判定することができるため、濃度計を設けることなく確実にガス置換を行うことができる。さらに、ガスの濃度が所定の目標値に到達しない場合には、ガスの濃度が所定の目標値に到達するまで真空引きを繰り返すことができるため、圧力計を設けることなく確実にガス置換を行うことができる。
【００７０】
（その他の実施形態）
本発明を、上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす記述および図面は、この発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替の実施形態、実施例および運用技術が明らかになるはずである。
【００７１】
例えば、上述した実施形態では、ガス供給システム１を起動したときにガス置換を行っているが、ガス置換を行うタイミングは、これに限定されない。例えば、ガス置換を開始することを示すガス置換開始命令を受信した場合に、ガス置換を行うこととしてもよい。また、例えば、真空ポンプ７の駆動動作、調節弁４０の開弁動作および遮断弁５の閉弁動作がユーザの操作指示に従って開始されるときに、ガス置換を行うこととしてもよい。これにより、例えば、濃度や成分等が異なる複数のガスを切り替えることができるガス供給システムにも本発明を適用することができる。例えば、一のガスから他のガスに切り替える際に、ガス置換開始命令を発令する等してガス置換を実行させ、算出部３１０を流量算出部３１２から物性値算出部３１１に切り替えることとしてもよい。
【００７２】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含する。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００７３】
１…ガス供給システム、２…流量制御装置、４…ガスボンベ、５…遮断弁、６…チャンバ、７…真空ポンプ、１０…流路保持体、１１…流路、１２…センサ、１３…注入口、１４…排出口、２０…基板、２１…発熱抵抗体、２２…上流側測温抵抗素子、２３…下流側測温抵抗素子、２４…ガス温度センサ、２５…絶縁膜、２６…キャビティ、３０…計測ユニット、４０…調節弁、４２…弁座、４３、４４…流路、４５…弁室、４６…弁体、４７…プランジャ、４８…ソレノイドコイル、３００…ＣＰＵ、３１０…算出部、３１１…物性値算出部、３１２…流量算出部、３１３…置換完了判定部、３２０…切替部、３３０…弁制御部、４００…記憶装置、５００…表示装置、６００…入力装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流通する流路に配置され、発熱素子および温度検出素子を有するセンサと、
前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流体の物性値を算出する物性値算出部と、
前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、
前記流路に滞留する流体を置換するためおよび前記流路を流れる流体の流量を調節するために、調節弁の開度を制御する弁制御部と、
前記流路に滞留する流体の置換完了を確認するときには前記センサの出力信号を前記物性値算出部への入力に切り替え、前記流路に流体が流れるときには前記センサの出力信号を前記流量算出部への入力に切り替える切替部と、を備える、
流量制御装置。
【請求項２】
前記物性値算出部は、前記物性値に基づいて前記流体の濃度を算出し、
前記物性値算出部によって算出される前記濃度が所定の目標値に到達したときに、前記置換完了に至ったと判定する置換完了判定部をさらに備える、
請求項１記載の流量制御装置。
【請求項３】
前記弁制御部は、前記流路内が真空引きされているときには前記調節弁を開弁させ、前記流路内が真空引きされていないときには前記調節弁を閉弁させ、
前記置換完了判定部は、前記弁制御部によって前記調節弁が閉弁させられているときに、前記置換完了に至ったか否かを判定する、
請求項２記載の流量制御装置。
【請求項４】
前記切替部は、前記置換完了判定部によって前記置換完了に至ったと判定された場合に、前記センサの出力信号を前記流量算出部への入力に切り替える、
請求項３記載の流量制御装置。
【請求項５】
前記物性値は、放熱係数である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の流量制御装置。
【請求項６】
流体が流通する流路に配置されたセンサに含まれる発熱素子を発熱させたときの当該センサに含まれる温度検出素子の温度に基づいて、前記流体の物性値を算出する物性値算出工程と、
前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出工程と、
前記流路に滞留する流体を置換するためおよび前記流路を流れる流体の流量を調節するために、調節弁の開度を制御する弁制御工程と、
前記流路に滞留する流体の置換完了を確認するときには前記センサの出力信号を前記物性値算出工程への入力に切り替え、前記流路に流体が流れるときには前記センサの出力信号を前記流量算出工程への入力に切り替える切替工程と、を含む、
流量制御方法。
【請求項１】
流体が流通する流路に配置され、発熱素子および温度検出素子を有するセンサと、
前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流体の物性値を算出する物性値算出部と、
前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、
前記流路に滞留する流体を置換するためおよび前記流路を流れる流体の流量を調節するために、調節弁の開度を制御する弁制御部と、
前記流路に滞留する流体の置換完了を確認するときには前記センサの出力信号を前記物性値算出部への入力に切り替え、前記流路に流体が流れるときには前記センサの出力信号を前記流量算出部への入力に切り替える切替部と、を備える、
流量制御装置。
【請求項２】
前記物性値算出部は、前記物性値に基づいて前記流体の濃度を算出し、
前記物性値算出部によって算出される前記濃度が所定の目標値に到達したときに、前記置換完了に至ったと判定する置換完了判定部をさらに備える、
請求項１記載の流量制御装置。
【請求項３】
前記弁制御部は、前記流路内が真空引きされているときには前記調節弁を開弁させ、前記流路内が真空引きされていないときには前記調節弁を閉弁させ、
前記置換完了判定部は、前記弁制御部によって前記調節弁が閉弁させられているときに、前記置換完了に至ったか否かを判定する、
請求項２記載の流量制御装置。
【請求項４】
前記切替部は、前記置換完了判定部によって前記置換完了に至ったと判定された場合に、前記センサの出力信号を前記流量算出部への入力に切り替える、
請求項３記載の流量制御装置。
【請求項５】
前記物性値は、放熱係数である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の流量制御装置。
【請求項６】
流体が流通する流路に配置されたセンサに含まれる発熱素子を発熱させたときの当該センサに含まれる温度検出素子の温度に基づいて、前記流体の物性値を算出する物性値算出工程と、
前記発熱素子を発熱させたときの前記温度検出素子の温度に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出工程と、
前記流路に滞留する流体を置換するためおよび前記流路を流れる流体の流量を調節するために、調節弁の開度を制御する弁制御工程と、
前記流路に滞留する流体の置換完了を確認するときには前記センサの出力信号を前記物性値算出工程への入力に切り替え、前記流路に流体が流れるときには前記センサの出力信号を前記流量算出工程への入力に切り替える切替工程と、を含む、
流量制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１８０９１０（Ｐ２０１１−１８０９１０Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４５６７４（Ｐ２０１０−４５６７４）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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