JP5501806B2 - 圧力センサ、差圧式流量計及び流量コントローラ - Google Patents

Description

本発明は、液体の圧力を検出する圧力センサ、そしてこの圧力センサを備えた差圧式流量計及び流量コントローラに関する。

従来、配管流路の途中にオリフィスプレートを設置し、オリフィスプレートの前後で圧力差を測定して液体の流量を測定する差圧式流量計が知られている。また、差圧式流量計で検出した流量に基づいて電動弁等の弁開度を調整し、所定の流量を維持するように制御する流量コントローラも公知である。（たとえば、特許文献１を参照）
上述した差圧式流量計において、たとえば図８に示すように、流体圧力を検知する圧力センサ１は、流体主流路２からＴ字状に分岐した圧力導入管３の先端部に圧力計測部４を配置した構成とされる。

また、上述した圧力センサ１は、たとえば８０℃以上の高温流体や流路内で脈動する流体も取り扱うことがあり、さらに、配管流路２の構成によってはウォーターハンマの影響を受けることもある。従って、圧力センサ１の良好な計測状態を維持するためには、圧力センサ１の設置条件や流体の条件（種類及び温度条件等）に応じて、高温流体対策、脈動対策及びウォーターハンマ対策のようなダメージ軽減対策が必要となる。
従来の圧力センサにおいて、具体的なダメージ軽減対策としては、たとえば図９に示す圧力センサ１′のように、圧力導入管３Ａの管径を細くすること、圧力導入管３Ａを長くして圧力計測部４を流体主流路から離すこと、及びこれらの組合せが行われている。

特開平５−２３３０６８号公報

ところで、上述した圧力センサは、たとえば半導体製造装置のように、高純度薬液及び純水を交互に流すような配管流路に使用されることもある。このような半導体製造装置の場合、使用液の清浄度やウエハー処理の均一性を重要視するため、配管流路内の液置換性は極めて重要である。すなわち、配管流路を流す流体が変更された場合、前に流れていた流体が少しでも残ると清浄度低下の原因となるので、残液のない状態まで洗浄によって完全に置換されることが必要となる。

しかし、上述したダメージ軽減対策は、洗浄による置換を行う際、前使用液が滞留しやすい比較的容量の大きいデッドボリュームを形成する。特に、細く長い圧力導入管は、洗浄時の置換が行われにくいデッドボリュームの空間となるため、半導体製造装置のような用途に使用可能とするためには、上述したダメージ軽減対策の改善が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、洗浄等による液体の置換を容易かつ完全に実施できるダメージ軽減対策を施した圧力センサを提供することにあり、さらに、この圧力センサを用いて構成される差圧式流量計及び流量コントローラを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る圧力センサは、流体主流路を流れる液体の圧力を検出する圧力センサにおいて、前記流体主流路の直管部から分岐した位置に圧力計測空間部を設けて圧力計測部を設置し、前記流体主流路と前記圧力計測空間部との間を、前記流体主流路より管径の細い導入管及び流出管を介して接続し、前記流体主流路は、前記導入管の分岐位置に拡径部を備えていることを特徴とするものである。

このような本発明の圧力センサによれば、流体主流路と圧力計測空間部との間が、流体主流路より管径の細い導入管及び流出管を介して接続されているので、圧力計測空間部に流入する液体用として、流体主流路をバイパスして流れる循環流路が形成される。すなわち、流体主流路と圧力計測空間部との間を接続する流路に、デッドボリュームが形成されることはない。
このため、流体主流路及び圧力センサを洗浄する際には、圧力計測空間部内に液体の流れが生じるため、内部の液体を確実に置換することができる。そして、導入管及び流出管は流体主流路より管径が細いため、圧力計測空間部へ到達する脈動やウォーターハンマを緩和することができる。

そして、流体主流路が導入管の分岐位置に拡径部を備えているので、ベンチュリ管の作用により圧力計測空間部の置換特性はより一層向上する。
また、圧力計測空間部に設置される圧力計測部は、流体と受圧面とが接液しないようにするため、通常フッ素樹脂（ＰＦＡ）シートを介在させている。このため、上述した脈動やウォーターハンマの緩和は、検出精度に影響するフッ素樹脂シートの浮き上がり防止にも有効である。このようなフッ素樹脂シートの浮き上がり防止は、高温液体を取り扱う場合において特に有効となる。

上記の発明において、前記流体主流路から分岐する前記導入管の分岐角度θ１及び前記流体主流路に合流する前記流出管の合流角度θ２は、いずれの角度も鋭角であることが好ましく、これにより、流体主流路から圧力計測空間部へ、そして、圧力計測空間部から流体主流路へ向かうスムーズな流体流れが形成される。

上記の発明において、前記圧力計測空間部に接続された前記導入管の出口開口及び前記流出管の入口開口は、前記流体主流路の軸中心から互いにオフセットした位置に配置されていることが好ましく、これにより、圧力計測空間部内に旋回流を形成して置換特性を向上させることができる。

上記の発明において、前記圧力計測空間部の底面は、前記導入管の出口開口及び前記流出管の入口開口へ向けて下る凸面に形成されていることが好ましく、これにより、圧力計測空間部内の液体を流体主流路側へ確実に流出させることができる。

本発明に係る差圧式流量計は、流体主流路の直管部に設けた一対の圧力センサ間にオリフィスが配設され、前記圧力センサで検出した二つの圧力値により得られる差圧を流量に換算して流量測定を行う差圧式流量計であって、前記圧力センサとして、請求項１から４のいずれかに記載の圧力センサが用いられていることを特徴とするものである。

このような本発明の差圧式流量計によれば、圧力センサとして、請求項１から４のいずれかに記載の圧力センサが用いられているので、流体主流路及び圧力センサを洗浄する際には内部の液体を確実に置換することができる。また、導入管及び流出管が流体主流路より管径が細いため、圧力計測空間部へ到達する脈動やウォーターハンマを緩和することができる。

本発明に係る流量コントローラは、請求項５に記載の差圧式流量計と、前記流体主流路に設けられ、前記差圧式流量計の流量測定値と予め定めた設定流量値との差が所定の範囲内に入るよう開度制御される流量調整弁と、を具備して構成したことを特徴とするものである。

このような流量コントローラによれば、請求項５に記載の差圧式流量計を備えているので、流体主流路及び圧力センサを洗浄する際には内部の液体を確実に置換することができる。また、導入管及び流出管が流体主流路より管径が細いため、圧力計測空間部へ到達する脈動やウォーターハンマを緩和することができる。

上述した本発明によれば、洗浄等による液体の置換を容易かつ完全に実施できるダメージ軽減対策を施した圧力センサを提供することができる。すなわち、本発明の圧力センサは、脈動やウォーターハンマにより圧力計測部が受けるダメージを緩和し、しかも、洗浄や液体の置換時に液体が滞留するデッドボリュームを生じないものとなる。
また、この圧力センサを用いて構成される差圧式流量計及び流量コントローラは、洗浄等による液体の置換を容易かつ完全に実施でき、しかも、脈動やウォーターハンマにより圧力計測部が受けるダメージを緩和するダメージ軽減対策が施されたものとなる。

本発明に係る圧力センサの一実施形態を示す図で、（ａ）は内部構造を示す要部断面図、（ｂ）は圧力計測空間部を圧力計測部（センサ本体）側から見た平面図である。 本発明に係る差圧式流量計及び流量コントローラの構成例を示す系統図である。 差圧式流量計を構成するボディ（流体主流路）の構成例を示す断面図である。 図１（ｂ）の変形例を示す図で、圧力計測空間部を圧力計測部（センサ本体）側から見た平面図である。 圧力計測空間部の底面形状に係る変形例を示す断面図である。 本発明の圧力センサについて、置換性能を検証するための純水／塩水置換試験装置を示す系統図である。 図６の試験装置を用いて実施した置換性能試験の結果を示す図である。 一般的な圧力センサの内部構造（従来例）を示す要部断面図である。 ダメージ軽減対策を施した圧力センサの内部構造（従来例）を示す要部断面図である。

以下、本発明に係る圧力センサ、差圧式流量計及び流量コントローラの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）に示す圧力センサ１０は、たとえば配管等により形成される流体主流路１１の直管部に設置され、液体流路１１を流れる液体の圧力を検出するものである。このような圧力センサ１０は、流体主流路１１の適所に設置して圧力検出を行うだけでなく、たとえば図２に示す流量コントローラ２０において、差圧式流量計３０を構成する差圧検出用圧力センサ３１，３２としてオリフィス３３の上流側及び下流側に設置される。

流量コントローラ２０は、差圧式流量計３０と、流体主流路１１に設けられた電動弁等の流量調整弁２１とを具備して構成される。この流量コントローラ２０は、差圧式流量計３０の流量測定値と予め定めた設定流量値との差が所定の範囲内に入るように、流量調整弁２１の開度制御をする装置である。
図示の流量コントローラ２０には、差圧式流量計３０の流量算出部と、流量コントローラ２０の流量制御部とを備えた制御部４０が設けられている。

差圧式流量計３０の流量算出部は、差圧検出用圧力センサ３１，３２が各々検出した圧力値の信号を受けて、流量計測値を算出するための制御部である。
流量制御部は、流量算出部で得られた流量測定値の信号を受け、この流量測定値と設定流量値との差に基づいて開度調整信号を算出し、この開度調整信号により流量調整弁３１の開度制御を行うための制御部である。

従って、上述した流量算出部及び流量制御部は、各々単独の制御部としてもよいし、両方を一体化した制御部４０としてもよい。
すなわち、単に流量測定を行う差圧式流量計３０として使用する場合には、流量算出部のみを備えていればよいが、流量コントローラ２０として使用する場合には、流量算出部及び流量制御部の両方が必要となるため、別体の両制御部間を電気的に接続した構成、あるいは、両制御部を一体化した制御部４０を備えていればよい。

さて、本実施形態において、図１（ａ）に示す圧力センサ１０は、流体主流路１１の直管部から分岐した位置に圧力計測空間部１２設け、この圧力計測空間部１２に対してセンサ本体である圧力計測部４を設置している。そして、流体主流路１１と圧力計測空間部１２との間は、流体主流路１１より管径の細い導入管１３及び流出管１４を介して接続されている。従って、圧力センサ１０は、流体主流路１１を流れる流体が導入管１３及び流出管１４を通って流体主流路１１から分岐し、圧力計測空間部１２を通過して流れるバイパス流路を備えている。

図示の圧力計測空間部１２は、上面が開口するとともに、底面１２ａを平面にしたお椀形の空間である。
また、圧力計測空間部１２は、図１（ｂ）に示すように、平面視において流体主流路１１の軸中心線ＣＬ上に中心がある円形となる。そして、導入管１３及び流出管１４は、いずれも円形断面の分岐流路とされ、圧力計測空間部１２に接続された導入管１３の出口開口１３ａ及び流出管１４の入口開口１４ａは、いずれも軸中心ＣＬ上に配置されている。

本実施形態において、流体主流路１１から分岐する導入管１３の分岐角度θ１及び流体主流路１１に合流する流出管１４の合流角度θ２は、いずれの角度も９０度以下の鋭角にすることが望ましい。このように、鋭角とした分岐角度θ１及び合流角度θ２は、流体主流路１１から圧力計測空間部１２へ、そして、圧力計測空間部１２から流体主流路１１へ向かう流体流れをスムーズにする。すなわち、導入管１３は、流体主流路１１内を流れる流体の流れ方向から大きな方向転換をすることなくスムーズに分岐し、流出管１４は、流体主流路１１内を流れる流体の流れ方向に対して大きな方向転換をすることなくスムーズに合流するようになっている。
なお、上述した導入管１３及び流出管１４は、流体主流路１１と圧力計測空間部１２との間を接続していればよく、分岐角度θ１及び合流角度θ２については、特に鋭角に限定されることはない。

圧力計測空間部１２の上面開口に対し、上方から圧力計測部４を設置する場合には、流体と受圧面４ａとが接液しないようにするため、流体の性状や受圧面４ａの材質等を考慮して、フッ素樹脂（ＰＦＡ）シート５を介在させるのが一般的である。なお、図中の符号６は、圧力計測空間部１２内の流体が圧力計測部４の設置面から流出しないようにシールするＯリングである。

また、本実施形態の流体主流路１１は、導入管１３の分岐位置に設けた拡径部１５を備えていることが好ましい。この拡径部１５は、円形断面を有する流体主流路１１の内径を部分的に拡大したものであり、流体主流路１１に形成されたベンチュリ管として機能するものである。このような拡径部１５は、流体主流路１１において、導入管１３の分岐位置に設けることが最も有効である。

上述した拡径部１５を導入管１３の分岐位置に設けると、非圧縮性流体の液体を流す流体主流路１１内には、ベンチュリ管の作用により圧力計測空間部１２の上流側と下流側との間に圧力差を生じるため、流速の低下した拡径部１５の圧力が圧力計測空間部１２の下流側より高圧になる。すなわち、相対的に高圧となる拡径部１５から低圧となる圧力計測空間部１２の下流側へ向けた流れが形成されるので、圧力計測空間部１２内の液体も導入管１３及び流出管１４を通ってスムーズに置換されるようになり、拡径部１５を設けない場合と比較して置換特性はより一層向上する。
なお、このような拡径部１５は、本実施形態の圧力センサ１０に必須の構成要素ではなく、必要に応じて適宜設ければよい。

図３は、差圧式流量計３０のボディ構成例を示す断面図であり、オリフィス３３の上流側及び下流側にそれぞれ差圧検出用圧力センサ３１，３２が設置される。
この場合、オリフィス３３の上流側となる差圧検出用圧力センサ３１には、図１に示した圧力センサ１０が使用される。従って、図３に示す差圧式流量計３０のボディ３４は、オリフィス３３の上流側に設置する差圧検出用圧力センサ３１として、導入管１３の分岐位置に拡径部１５を備えた圧力センサ１０を設置するようになっている。このため、差圧検出用センサ３１用としては、導入管１３の分岐位置に拡径部１５を備えた流体主流路１１が形成されている。なお、図中の符号３５はオリフィス３３の設置スペースである。

しかし、このボディ３４には、オリフィス３３の下流側に設置する差圧検出用圧力センサ３２用として、拡径部１５のない流体主流路１１を備えている。従って、この場合の差圧検出用圧力センサ３２は、拡径部１５以外の構造が上述した圧力センサ１０と同様の圧力センサとなる。これは、差圧式流量計３０において、オリフィス３３の下流側は、上流側と比較してベンチュリ管による圧力差が生じにくいためである。

このように構成された圧力センサ１０は、流体主流路１１と圧力計測空間部１２との間が、流体主流路１１より管径の細い導入管１３及び流出管１４を介して接続されているので、圧力計測空間部１２に流入する液体用として形成された循環流路を備えている。この循環流路は、圧力計測空間部１２に流入する液体が、流体主流路１１をバイパスして流れるバイパス流路である。すなわち、流体主流路１１と圧力計測空間部１２との間を接続する流路の導入管１３及び流出管１４は、流体主流路１１をバイパスする循環流路として機能するので、圧力空間計測部１２を経由する流体流れが形成される。この結果、圧力計測空間部１２、導入管１３及び流出管１４は、いずれも流体が滞留するデッドボリュームとなるようなことはない。

このため、使用する流体の変更等により流体主流路１１及び圧力センサ１０を洗浄する際には、圧力計測空間部１２内にも必ず液体の流れが生じるため、内部の液体を確実に置換することができる。
また、導入管１３及び流出管１４は、流体主流路１１より管径が細いため、図９に示した圧力導入管３Ａと同様に、圧力計測空間部１２へ到達する脈動やウォーターハンマを緩和することができる。このような脈動やウォーターハンマの緩和は、特に高温液体を取り扱う場合において、検出精度に影響するフッ素樹脂シート５の浮き上がり防止対策としても有効である。

図４は、上述した本実施形態の圧力センサ１０について、液体の置換特性を図８に示す従来構造と比較するための試験装置５０を示している。
この試験装置５０は、純水と塩水との液置換特性を比較する試験を行うもので、従来の圧力センサ１または本実施形態の圧力センサ１０に流す流体を三方弁５１で切り換えることにより、時間経過に伴う比抵抗値の変化を抵抗率計５２で計測する。すなわち、試験装置５０は、塩水を流した後に三方弁５１を操作して純水を流し、塩水が純水に置換されたことを意味する純水比抵抗値（１６．７ＭΩ・ｃｍ）に到達するまでの時間経過を測定する装置である。

図６において、塩水は塩水タンク５３内から空気圧により塩水配管５４を通って三方弁５１まで導かれ、純水は純水配管５５を通って三方弁５１まで導かれる。三方弁５１の下流には、圧力センサ１，１０を順番に設置する流体配管５６が接続されている。
なお、図中の符号５２ａは液体の抵抗率を計測する抵抗率計測部、５７は空気圧を調整するレギュレータ、５８は塩水送液圧力を計測する圧力計、５９は純水送液圧力を検出する圧力計、６０は液体の回収タンク、６１は開閉弁である。

図７は、上述した試験装置５０による試験結果を示しており、破線表示が従来構造の圧力センサ１を設置した場合、実線表示が本実施形態の圧力センサ１０を設置した場合である。
ここで、試験条件は下記の通りである。
１）充填流体：塩水（濃度は３％）
２）置換流体：純水
３）流体温度：２５℃
４）環境温度：常温
５）純水流量設定：１５００Ｌ／ｍｉｎ．（送液圧力１５０ｋＰａ）
６）純水比抵抗値（基準値）：１６．７ＭΩ・ｃｍ
７）塩水通液圧力：２００ｋＰａ
８）設置方向：水平

使用した圧力センサ１，１０は、流体主流路２，１１の内径がいずれも直径８ｍｍであり、本実施形態の圧力センサ１０には内径が直径１０ｍｍの拡径部１５を設けてあり、従来の圧力センサ１には拡径部が設けられていない。
また、圧力センサ１には、内径が直径１０ｍｍの圧力導入管（分岐流路）３を設け、圧力センサ１０には、内径が直径３ｍｍの導入管１３及び流出管１４を設けてある。
なお、使用した圧力センサ１，１０は、いずれも使用温度範囲が２０〜６０℃である。

この試験結果によれば、比抵抗値が基準値の１６．７ＭΩ・ｃｍまで到達する時間は、すなわち塩水が置換されて純水になるまでの時間は、破線表示の従来構造と実線表示の本実施形態とを比較すれば、少なくとも７〜８分から５〜６分程度まで短縮されていることが分かる。従って、本実施形態の圧力センサ１０は、流体主流路１１より細径の導入管１３及び流出管１４により脈動やウォーターハンマに対するダメージ軽減対策を施し、しかも、洗浄等による液体の置換を容易かつ完全に実施できる。換言すれば、本実施形態の圧力センサ１０は、ダメージ軽減対策が施されていない図８の従来例と同等またはそれ以上の置換性能を有し、かつ、脈動やウォーターハンマに対する十分なダメージ軽減対策が施されたものとなる。

また、拡径部１５を設けない圧力センサ１０は、図示は省略したものの、塩水を純水に置換するまで１５分程度の時間を要するという試験結果が確認されている。この試験結果は、多少時間が長くかかっても完全に置換されていることを意味している。従って、流体主流路１１に拡径部１０がない圧力センサ１０は、たとえば図９の従来例に示した圧力導入管３Ａのように、ダメージ軽減対策によりデッドボリュームが形成されることはない。

ところで、上述した導入管１３及び流出管１４は、たとえば図４に示す第１変形例のようにしてもよい。すなわち、この第１変形例では、圧力計測空間部１２に接続された導入管１３の出口開口１３ｂ及び流出管１４の入口開口１４ｂが、流体主流路１１の軸中心ＣＬから互いにオフセットした位置に配置されている。
このような出口開口１３ｂ及び入口開口１４ｂの配置を採用すれば、導入管１３から圧力計測空間部１２内に流入した流体は、圧力計測空間部１２内に旋回流を形成して流出管１４から流出する。この結果、圧力計測空間部１２内の液体は、内部に形成された旋回流により撹拌されて流出するので、置換特性をより一層向上させることができる。

また、図５に示す第２変形例では、圧力計測空間部１２の底面１２ｂが、導入管１３の出口開口１２ａ及び流出管１４の入口開口１３ａへ向けて下る凸面に形成されている。すなわち、圧力計測空間部１２の底面１２ｂは、中央部付近が最も高い凸面に形成されているので、流体主流路１１内の流れが停止した場合、圧力計測空間部１２内の液体を重力により流体主流路１１側へ確実に流出させることができる。
このような凸面形状の底面１２ｂは、たとえば液体として固着しやすい薬液等を流すような場合において、流れを停止しても圧力計測空間部１２内から確実に流出させることができるため、底面１２ｂに薬液の固形物が付着して残ることを防止できる。

このように、上述した本実施形態及びその変形例によれば、圧力センサ１０は、洗浄等による液体の置換を容易かつ完全に実施できるダメージ軽減対策を施したものとなる。従って、上述した圧力センサ１０は、脈動やウォーターハンマにより圧力計測部４の受圧面４ａやフッ素樹脂シート５が受けるダメージを緩和し、しかも、洗浄や液体の置換時に液体が滞留するデッドボリュームを生じないものとなる。

また、圧力センサ１０を用いて構成される差圧式流量計３０及び流量コントローラ２０は、特に圧力センサ１０において、洗浄等による液体の置換を容易かつ完全に実施でき、しかも、脈動やウォーターハンマにより圧力計測部４が受けるダメージを緩和するダメージ軽減対策が施されたものとなる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

４ 圧力計測部
４ａ 受圧面
５ フッ素樹脂シート
１０ 圧力センサ
１１ 流体主流路
１２ 圧力計測空間部
１２ａ，１２ｂ 底面
１３ 導入管
１３ａ，１３ｂ 出口開口
１４ 流出管
１４ａ，１４ｂ 入口開口
１５ 拡径部
２０ 流量コントローラ
２１ 流量調整弁
３０ 差圧式流量計
３１，３２ 差圧検出用圧力
３３ オリフィス
４０ 制御部
θ１ 分岐角度
θ２ 合流角度

Claims (6)

1. 流体主流路を流れる液体の圧力を検出する圧力センサにおいて、
   前記流体主流路の直管部から分岐した位置に圧力計測空間部を設けて圧力計測部を設置し、前記流体主流路と前記圧力計測空間部との間を、前記流体主流路より管径の細い導入管及び流出管を介して接続し、
   前記流体主流路は、前記導入管の分岐位置に拡径部を備えていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記流体主流路から分岐する前記導入管の分岐角度θ１及び前記流体主流路に合流する前記流出管の合流角度θ２は、いずれも鋭角であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記圧力計測空間部に接続された前記導入管の出口開口及び前記流出管の入口開口は、前記流体主流路の軸中心から互いにオフセットした位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記圧力計測空間部の底面は、前記導入管の出口開口及び前記流出管の入口開口へ向けて下る凸面に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧力センサ。
5. 流体主流路の直管部に設けた一対の圧力センサ間にオリフィスが配設され、前記圧力センサで検出した二つの圧力値により得られる差圧を流量に換算して流量測定を行う差圧式流量計であって、前記圧力センサとして、請求項１から４のいずれかに記載の圧力センサが用いられていることを特徴とする差圧式流量計。
6. 請求項５に記載の差圧式流量計と、
   前記流体主流路に設けられ、前記差圧式流量計の流量測定値と予め定めた設定流量値との差が所定の範囲内に入るよう開度制御される流量調整弁と、
   を具備して構成したことを特徴とする流量コントローラ。

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