유량계 및 유량 콘트롤러{FLOWMETER AND FLOW CONTROLLER}
본 발명은, 예를 들면, 화학 공장, 반도체 제조, 식품 및 바이오 등의 각종 산업 분야에서의 유체 수송 배관에 이용되어 유체의 유량을 계측하기에 매우 적합한 유량계 및 이를 구비한 유량 콘트롤러에 관한 것이다. 본 출원은 일본 특허출원 2009-024713호에 기초하며, 해당 출원 명세서 및 도면에 기재된 내용은 모두 본원에 원용된다.
종래, 유체의 유량을 계측하는 유량계로서 여러 가지의 형식의 유량계가 제안되고 있다. 그 중에서, 예를 들면 액체의 유속을 계측하는 경우, 차압식 유량계는 유체에 함유되는 기포 등의 영향을 받는 레이저식 유량계 등과 비교하여 측정 오차가 생기기 어려워 정확하게 유량을 측정할 수 있다는 이점을 갖고 있다. 이 때문에, 차압식 유량계를 이용한 여러 종류의 유량 콘트롤러가 제안되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 참조). 그러나, 차압식 유량계는 다른 방식의 유량계와 비교하여 측정 가능한 유량의 범위가 한정된다는 문제가 있다. 구체적으로, 측정 가능한 유량 범위의 상한이 하한의 유량에 대해 약 10배의 유량으로 제한된다는 문제가 있다. 이 때문에, 차압식 유량계에서의 측정 가능한 유량 범위를 초과한 범위에서 유체의 유량을 측정하는 경우에는, 복수의 차압식 유량계를 조합하여 유체의 유량을 측정하는 방법도 생각할 수 있다. 그러나, 유량의 계측에 이용되는 유량계의 수가 증가하기 때문에 유량계 또는 유량 콘트롤러의 생산 비용이 상승한다는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 제조 비용의 상승을 억제하면서 넓은 유량 범위에서의 유량을 측정할 수 있는 유량계, 및 이를 구비한 유량 콘트롤러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다. 본 발명의 제1 형태의 유량계에는, 측정 대상인 유체가 흐르는 상류측 유로 및 하류측 유로와, 상기 상류측 유로에서의 상기 유체의 제1 압력을 측정하는 상류측 압력 센서와, 상기 하류측 유로에서의 상기 유체의 제2 압력을 측정하는 하류측 압력 센서를 구비하고, 상기 제1 압력과 상기 제2 압력의 차분에 기초하여 상기 유체의 유량을 얻는 차압식 유량계로서, 상기 상류측 유로 및 상기 하류측 유로의 사이에 배치되고 적어도 상기 상류측 유로보다 유로 면적이 작은 제1 스로틀부와, 상기 상류측 유로에서의 상기 상류측 압력 센서 및 상기 제1 스로틀부의 사이로부터 분기하여 상기 하류측 유로에 접속되는 바이패스 유로와, 바이패스 유로를 흐르는 유체의 유량을 제어하는 개폐 밸브와, 상기 바이패스 유로 및 상기 하류측 유로의 사이에 배치되고 적� ��도 상기 바이패스 유로보다 유로 면적이 작은 제2 스로틀부가 마련된다. 본 발명의 제1 형태에 의하면, 제1 스로틀부와, 제2 스로틀부 및 제2 스로틀부에서의 유체의 흐름을 제어하는 개폐 밸브가 마련되어 있기 때문에, 제조 비용의 상승을 억제하면서 넓은 유량 범위에 걸친 유량을 측정할 수 있다. 구체적으로는, 측정 대상 유체의 유량이 제1 스로틀부만을 이용해 측정할 수 있는 유량 범위 내인 경우에는, 개폐 밸브를 닫아 제1 스로틀부에만 유체를 통과시키고, 제1 스로틀부의 전후에서의 유체의 압력차를 상류측 압력 센서 및 하류측 압력 센서에 의해 측정함으로써 유체의 유량이 측정된다. 반면, 측정 대상 유체의 유량이 제1 스로틀부만으로 측정 가능한 유량 범위를 초과하는 경우에는, 개폐 밸브를 열어 제1 스로틀부 및 제2 스로틀부에 유체를 통과시키고, 제1 스로틀부 및 제2 스로틀부 전후에서의 유체의 압력차를 상류측 압력 센서 및 하류측 압력 센서에 의해 측정함으로써 유체의 유량이 측정된다. 상기 형태에서 제1 스로틀부는 제2 스로틀부보다 유로 단면적이 작은 구성이 바람직하다. 상기와 같은 구성에 의하면, 제1 스로틀부가 제2 스로틀부보다 큰 유로 단면적을 갖는 경우나 대략 동등한 유로 단면적을 갖는 경우에 비해 보다 적은 유체의 유량을 측정할 수 있다. 상기 형태에서 상기 개폐 밸브에는 밸브체 및 밸브 시트가 마련되고, 상기 밸브 시트의 면과 상기 개폐 밸브로부터 상기 제2 스로틀부를 향해 대략 수평 방향으로 연장되는 상기 바이패스 유로에서의 내주면의 하단이 대략 동일 평면상에 배치되는 구성이 바람직하다. 상기와 같은 구성에 의하면, 개폐 밸브가 닫혔을 때에 개폐 밸브의 내부, 및 바이패스 유로에서의 개폐 밸브와 제2 스로틀부의 사이에 유체가 고이는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로는, 개폐 밸브가 닫혔을 경우, 개폐 밸브의 내부에 남겨진 유체는 바이패스 유로 및 제2 스로틀부를 통해 하류측 유로로 흘러나올 수 있다. 상기 형태에서는 상류측 유로, 상류측 압력 센서, 제1 스로틀부, 바이패스 유로, 제2 스로틀부 및 개폐 밸브가 배치된 제1 섀시와, 하류측 유로 및 하류측 압력 센서가 배치된 제2 섀시가 마련되고, 상기 제1 섀시 및 상기 제2 섀시는 접속 분리가 가능하게 구성되어 있는 구성이 바람직하다. 상기와 같은 구성에 의하면, 제1 섀시 및 제2 섀시를 분리 가능하게 함으로써 제1 스로틀부 및 제2 스로틀부를 노출시킬 수 있다. 이 때문에, 제1 스로틀부 및 제2 스로틀부의 교환이나 청소 등의 유지 보수를 행하기 쉬워진다. 상기 구성에서 제1 스로틀부 및 제2 스로틀부의 적어도 한쪽은, 상기 제1 섀시에 대해 탈착 가능하게 되어 있는 구성이 바람직하다. 상기와 같은 구성에 의하면, 제1 스로틀부 및 제2 스로틀부의 적어도 한쪽을 제1 섀시로부터 탈착 가능하게 함으로써 제1 스로틀부 및 제2 스로틀부의 적어도 한쪽의 유지 보수가 더욱 쉬워진다. 또한, 제1 스로틀부 및 제2 스로틀부의 적어도 한쪽을 다른 스로틀부로 교환할 수도 있다. 본 발명의 제2 형태의 유량 콘트롤러에는, 상기 제1 형태의 유량계와 상기 유체의 유량을 조절하는 조절 밸브가 마련된다. 본 발명의 제2 형태에 의하면, 상기 제1 형태의 유량계가 마련되기 때문에 넓은 유량 범위에서 유체의 유량을 조절할 수 있다.
본 발명의 유량계 및 유량 콘트롤러에 의하면, 제1 스로틀부와, 제2 스로틀부 및 제2 스로틀부에서의 유체의 흐름을 제어하는 개폐 밸브가 마련되어 있기 때문에, 제조 비용의 상승을 억제하면서 넓은 유량 범위에 걸치는 유량을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 유량 콘트롤러의 개략 구성을 설명하는 모식도이다.
도 2는 도 1의 제1 몸체의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 3은 도 2의 제1 몸체의 구성을 설명하는 측면도이다.
도 4는 도 1의 제2 몸체의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 5는 제어부의 구성을 설명하는 블록도이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 유량 콘트롤러에 대해, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 따른 유량 콘트롤러의 개략 구성을 설명하는 모식도이다. 본 실시 형태에서는, 본 발명의 유량 콘트롤러(1)를 반도체 등의 생산에 이용되는 약액의 유량을 조절하는 것에 적용하여 설명한다. 유량 콘트롤러(1)에는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 제1 몸체(제1 섀시)(2A) 및 제2 몸체(제2 섀시)(2B)와, 상류측 유로(3A) 및 하류측 유로(3B)와, 상류측 압력 센서(4A) 및 하류측 압력 센서(4B)와, 바이패스 유로(5)와, 제1 오리피스부(제1 스로틀부)(6A) 및 제2 오리피스부(제2 스로틀부)(6B)와, 개폐 밸브(7)와, 유량 조절 밸브(조절 밸브)(8)와, 제어부(9)(도 5 참조)가 마련된다. 바꾸어 말하면, 유량 콘트롤러(1)에는 상류측 압력 센서(4A), 하류측 압력 센서(4B), 바이패스 유로(5), 제1 오리피스부(6A), 제2 오리피스부(6B) 및 개폐 밸브(7) 등으로 구성되는 차압식 유량계(유량계)(11), 및 유량 조절 밸브(8)와 제어부(9) 등으로 구성되는 유량 조절부(12)가 마련된다. 제1 몸체(2A) 및 제2 몸체(2B)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 유량 콘트롤러(1)의 외형을 구성함과 함께 차압식 유량계(11)의 구성 요소나 유량 조절부(12)의 구성 요소를 내부에 수납하는 것이다. 제1 몸체(2A) 및 제2 몸체(2B)를 형성하는 재료로는, 유량을 조절하는 약액에 대한 내성, 즉 내약품성이 높은 재료인 것이 바람직하다. 구체적으로는, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), PCTFE(폴리클로로트리플루오로에틸렌), PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체) 등의 불소 수지 재료, 또는 PEEK(등록상표, 폴리에테르·에테르·케톤) 등의 재료인 것이 바람직하다. 도 2는 도 1의 제1 몸체의 구성을 설명하는 모식도이다. 도 3은 도 2의 제1 몸체의 구성을 설명하는 측면도이다. 제1 몸체(2A)에는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 상류측 유로(3A)와, 상류측 압력 센서(4A)와, 바이패스 유로(5)와, 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)와, 개폐 밸브(7)가 마련된다. 또한, 제1 몸체(2A)에는 외부 유로와의 접속에 이용되는 상류측 커넥터(21A)와, 제2 몸체(2B)와의 접합에 이용되는 제1 오목부(22A) 및 제2 오목부(23A)가 마련된다. 상류측 커넥터(21A)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 제1 몸체(2A)에서의 측면에 배치된 커넥터로서, 외부의 유로와 상류측 유로(3A)를 연통시키는 것이다. 제1 오목부(22A)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 제2 몸체(2B)의 제1 볼록부(22B)와 서로 끼워지는 부분으로서, 제1 몸체(2A)에서의 제2 몸체(2B)와 대향하는 면에 대략 원주 형상으로 형성된 함몰이다. 또한, 제1 오목부(22A)의 바닥면에는 상류측 유로(3A) 및 바이패스 유로(5)가 개구하고 있다. 그리고, 상류측 유로(3A)의 개구부에는 제1 오리피스부(6A)가 배치되는 오목부가 형성되고, 바이패스 유로(5)의 개구부에는 제2 오리피스부(6B)가 배치되는 오목부가 형성된다. 제2 오목부(23A)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 제2 몸체(2B)의 제2 볼록부(23B)와 서로 끼워지는 부분이다. 바꾸어 말하면, 제2 오목부(23A)는 제1 몸체(2A)의 바닥면 중 제2 몸체(2B)를 향해 함몰하는 부분이면서 또한 제2 몸체(2B)를 향해 개구한 부분이다. 도 4는 도 1의 제2 몸체(2B)의 구성을 설명하는 모식도이다. 제2 몸체(2B)에는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 하류측 유로(3B)와, 하류측 압력 센서(4B)와, 유량 조절 밸브(조절 밸브)(8)가 마련된다. 또한, 제2 몸체(2B)에는 외부 유로와의 접속에 이용되는 하류측 커넥터(21B)와, 제1 몸체(2A)와의 접합에 이용되는 제1 볼록부(22B) 및 제2 볼록부(23B)가 마련된다. 하류측 커넥터(21B)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 제2 몸체(2B)에서의 측면에 배치된 커넥터로서, 외부의 유로와 하류측 유로(3B)를 연통시키는 것이다. 제1 볼록부(22B)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 제1 몸체(2A)의 제1 오목부(22A)와 서로 끼워지는 부분으로서, 제2 몸체(2B)에서의 제1 몸체(2A)와 대향하는 면에 대략 원통 형상으로 형성된 돌출부이다. 또한, 제1 볼록부(22B)의 내부는 하류측 유로(3B)로 되어 있으며, 제1 볼록부(22B)의 외주면에는 제1 오목부(22A)의 내주면과 접촉함으로써 약액 누설을 방지하는 O-링(24B)이 마련된다. 한편, 제1 볼록부(22B)는 제1 몸체(2A) 및 제2 몸체(2B)가 조립되었을 때 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)를 제1 오목부(22A)의 바닥면에 밀어붙이도록 구성되어 있다. 제2 볼록부(23B)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 제1 몸체(2A)의 제2 오목부(23A)와 서로 끼워지는 부분이다. 바꾸어 말하면, 제2 볼록부(23B)는 제2 몸체(2B)에서의 바닥면이 제1 몸체(2A)를 향해 돌출된 부분이다. 이와 같이, 제1 몸체(2A) 및 제2 몸체(2B)를 분리 가능하게 함으로써 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)를 노출시킬 수 있다. 이 때문에, 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)의 교환이나 청소 등의 유지 보수가 쉬워진다. 상류측 유로(3A) 및 하류측 유로(3B)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 외부로부터 공급된 약액이 흐르는 유로이다. 상류측 유로(3A)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 제1 몸체(2A)의 내부에 형성되고, 외부로부터 공급된 약액이 흐르는 유로이다. 또한, 상류측 유로(3A)는 상류측 커넥터(21A)와 연결됨과 동시에 하류측 유로(3B)와 연결되는 유로이다. 상류측 유로(3A)에는 약액 흐름의 상류측으로부터 차례로 상류측 압력 센서(4A)와, 바이패스 유로(5)와, 제1 오리피스부(6A)가 마련된다. 구체적으로는, 상류측 유로(3A)에서의 상류측의 단부와 바이패스 유로(5)가 연결되는 부분과의 사이에는, 상류측 압력 센서(4A)를 향해 연장되는 분기 유로가 마련된다. 이 분기 유로에 의해 상류측 압력 센서(4A)에서의 압력 검출면과 약액의 접촉이 확보된다. 또한, 상류측 유로(3A)에서의 상류측 압력 센서(4A)와 제1 오리피스부(6A)의 배치 위치와의 사이에는, 바이패스 유로(5)의 상류측 단부가 접속된다. 한편, 상류측 유로(3A)에서의 하류측 단부에는, 제1 오리피스부(6A)가 탈착 가능하게 배치되는 오목부가 마련된다. 이와 같이 함으로써 제1 오리피스부(6A)를 제1 몸체(2A)로부터 탈착 가능하게 할 수 있기 때문에, 제1 오리피스부(6A)의 유지 보수가 쉬워진다. 또한, 제1 오리피스부(6A)를 다른 오리피스부로 교환할 수도 있다. 한편, 상류측 유로(3A)는 도중에 하류를 향해 내려가는 방향으로 꺾어져 연장되도록 형성된다. 구체적으로는, 상류측 유로(3A)에서의 상류측 부분, 바꾸어 말하면, 상류측 커넥터(21A)와의 접속부로부터 상류측 압력 센서(4A)와 바이패스 유로(5)와의 사이까지의 부분은 대략 수평으로 연장되도록 형성되고, 하류측 부분, 바꾸어 말하면, 상류측 압력 센서(4A)와 바이패스 유로(5)와의 사이부터 하류측의 단부까지의 부분은 하류측을 향해 내려가는 경사를 갖도록 형성된다. 한편, 전술한 바와 같이, 상류측 유로(3A)는 도중에 하류를 향해 내려가는 방향으로 꺾어져 연장되도록 형성되어도 되고, 상류측의 단부로부터 하류측의 단부까지 대략 수평 방향으로 연장되어 형성되어도 되며, 특별히 한정하는 것은 아니다. 하류측 유로(3B)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 제2 몸체(2B)의 내부에 형성되고, 외부로부터 공급된 약액이 흐르는 유로이다. 또한, 하류측 유로(3B)는 상류측 유로(3A)와 연결됨과 동시에 하류측 커넥터(21B)와 연결되는 유로이다. 하류측 유로(3B)에는 약액 흐름의 상류측으로부터 차례로 하류측 압력 센서(4B)와, 유량 조절 밸브(8)가 마련된다. 구체적으로는, 하류측 유로(3B)에서의 상류측 단부와 유량 조절 밸브(8)의 배치 위치의 사이에는, 하류측 압력 센서(4B)를 향해 연장되는 분기 유로가 마련된다. 이 분기 유로에 의해 하류측 압력 센서(4B)에서의 압력 검출면과 약액의 접촉이 확보된다. 또한, 하류측 유로(3B)에서의 하류측 압력 센서(4B)와 하류측 유로(3B)에서의 하류측 단부와의 사이에는, 유량 조절 밸브(8)가 배치된다. 상류측 압력 센서(4A)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상류측 유로(3A)를 흐르는 약액의 압력을 측정하는 센서이고, 하류측 압력 센서(4B)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 하류측 유로(3B)를 흐르는 약액의 압력을 측정하는 센서이다. 상류측 압력 센서(4A) 및 하류측 압력 센서(4B)에 이용되는 센서로는, 액체 등의 유체의 압력을 측정할 수 있는 것이면 되고, 예를 들면, 피에조(piezo)식 압력 센서나 정전 용량식 압력 센서나 스트레인 게이지(Strain gauge)식 압력 센서 등을 이용할 수 있다. 상류측 압력 센서(4A)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 제1 몸체(2A)에 배치됨과 동시에 상류측 커버(41A)에 의해 덮여 있다. 이에 따라, 상류측 압력 센서(4A)가 약액의 증기 등과 접촉하는 것이 방지된다. 구체적으로는, 제1 몸체(2A)에서의 상면의 개폐 밸브(7)와 인접한 위치에서, 약액 흐름의 상류측(도 2의 우측)에 배치된다. 상류측 압력 센서(4A)에는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 검출한 약액의 압력과 관련되는 신호를 전달하는 센서 케이블(42A)이 접속된다. 센서 케이블(42A)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 상류측 커버(41A)로부터 하류측 커버(41B)를 향해 연장됨과 동시에, 상류측 압력 센서(4A)가 출력한 압력과 관련되는 신호를 제어부(9)에 입력하는 것이다. 하류측 압력 센서(4B)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 제2 몸체(2B)에 배치됨과 동시에 유량 조절 밸브(8)와 함께 하류측 커버(41B)에 덮여 있다. 이에 따라, 하류측 압력 센서(4B) 및 유량 조절 밸브(8)가 약액의 증기 등과 접촉하는 것이 방지된다. 구체적으로는, 제2 몸체(2B)에서의 상면의 유량 조절 밸브(8)와 인접한 위치에서, 약액 흐름의 상류측(도 4의 우측)에 배치된다. 바이패스 유로(5)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 제1 몸체(2A)의 내부에 형성된 상류측 유로(3A)로부터 분기하는 유로이다. 바이패스 유로(5)에는 약액 흐름의 상류측으로부터 차례로 개폐 밸브(7) 및 제2 오리피스부(6B)가 마련된다. 구체적으로, 바이패스 유로(5)는 상류측 유로(3A)에서의 상류측 압력 센서(4A)와 제1 오리피스부(6A)와의 사이로부터 상방(도 2의 상방)을 향해 연장되어 개폐 밸브(7)의 밸브실(72)과 접속된다. 또한, 바이패스 유로(5)는 밸브실(72)의 측면으로부터 대략 수평 방향(도 2의 좌우 방향)을 향해 연장되어 하류측 유로(3B)와 접속된다. 밸브실(72)로부터 제2 오리피스부(6B)까지 연장되는 바이패스 유로(5)는, 그 하단이 개폐 밸브(7)의 밸브 시트(73)와 대략 동일 평면상에 배치된다. 이와 같이 함으로써, 개폐 밸브(7)가 닫혔을 때, 개폐 밸브(7)의 내부인 밸브실(72), 및 바이패스 유로(5)에서의 개폐 밸브(7)와 제2 오리피스부(6B)의 사이에 약액이 고이는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로는, 개폐 밸브(7)가 닫혔을 경우, 밸브실(72)에 남겨진 약액은 바이패스 유로(5) 및 제2 오리피스부(6B)를 통해 하류측 유로(3B)로 흘러나올 수 있다. 한편, 바이패스 유로(5)에서의 하류측의 단부에는 제2 오리피스부(6B)가 탈착 가능하게 배치되는 오목부가 형성된다. 이와 같이 하여 제2 오리피스부(6B)를 제1 몸체(2A)로부터 탈착 가능하게 함으로써, 제2 오리피스부(6B)의 유지 보수가 한층 더 쉬워진다. 또한, 제2 오리피스부(6B)를 다른 오리피스부로 교환할 수도 있다. 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 차압식 유량계(11)에서의 스로틀부를 구성하는 것이다. 제1 오리피스부(6A)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 상류측 유로(3A)에서의 하류측의 단부에 형성된 오목부에 배치되는 대략 원주 형상의 부재이다. 제1 오리피스부(6A)에는 중심축선에 따라 연장되는 제1 스로틀 유로가 형성되며, 제1 스로틀 유로는 제2 스로틀 유로보다 유로 단면적이 좁게 형성된다. 이와 같이 함으로써, 제1 오리피스부(6A)가 제2 오리피스부(6B)보다 큰 유로 단면적을 갖는 경우나 대략 동등한 유로 단면적을 갖는 경우에 비해, 보다 적은 약액의 유량을 측정할 수 있다. 본 실시 형태에서 제1 오리피스부(6A)에서의 제1 스로틀 유로의 유로 단면적은, 차압식 유량계(11)에서 약 3(㎖/min) 내지 약 30(㎖/min)의 범위의 유량을 계측할 수 있는 면적인 경우에 적용하여 설명한다. 제2 오리피스부(6B)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 바이패스 유로(5)에서의 하류측의 단부에 형성된 오목부에 배치되는 대략 원주 형상의 부재이다. 제2 오리피스부(6B)에는 중심축선을 따라 연장되는 제2 스로틀 유로가 형성되며, 제2 스로틀 유로는 제1 스로틀 유로보다 유로 단면적이 넓게 형성된다. 본 실시 형태에서 제2 오리피스부(6B)에서의 제2 스로틀 유로의 유로 단면적은, 제1 오리피스부(6A)와 함께 사용되었을 경우에, 차압식 유량계(11)에서 약 20(㎖/min) 내지 약 200(㎖/min)의 범위의 유량을 계측할 수 있는 면적인 경우에 적용하여 설명한다. 개폐 밸브(7)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 바이패스 유로(5) 및 제2 오리피스부(6B)로의 약액의 유입을 제어하는 것이다. 개폐 밸브(7)는 제1 몸체(2A)의 상면의 상류측 압력 센서(4A)와 인접한 위치에서, 약액 흐름의 하류측(도 2의 좌측)에 배치된다. 개폐 밸브(7)에는 밸브체(71), 밸브실(72), 및 밸브 시트(73)가 마련된다. 한편, 개폐 밸브(7)로는 공지의 개폐 밸브를 이용할 수 있으며, 특별히 한정하는 것은 아니다. 밸브체(71)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 밸브실(72)의 내부를 상하 방향(도 2의 상하 방향)으로 이동하여, 밸브 시트(73)와 함께 약액의 흐름을 제어하는 것이다. 밸브체(71)에는 상하 방향으로 연장되는 대략 원주 형상으로 형성된 본체와, 당해 원주 형상으로 형성된 본체의 원주면으로부터 플랜지 형상으로 형성된 박막을 갖는 다이어프램(diaphragm)부가 마련된다. 밸브체(71)의 본체에서의 하단은, 밸브 시트(73)와 접촉 분리함으로써 바이패스 유로(5) 및 제2 오리피스부(6B)에서의 약액의 흐름을 제어한다. 구체적으로는, 밸브체(71)의 본체에서의 하단이 밸브 시트(73)와 접촉함으로써 바이패스 유로(5) 및 제2 오리피스부(6B)에서의 약액의 흐름이 저지된다. 한편, 밸브체(71)의 본체에서의 하단이 밸브 시트(73)로부터 떨어짐으로써 바이패스 유로(5) 및 제2 오리피스부(6B)에 약액이 흐르게 된다. 밸브체(71)의 다이어프램부는 밸브실(72)의 벽면의 일부를 형성함과 동시에, 밸브체(71)의 본체에서의 상하 방향으로의 이동을 허용하는 것이다. 구체적으로는, 밸브체(71)의 다이어프램부는 밸브실(72)에서의 상측의 벽면을 구성하고, 또한 다이어프램부의 박막이 변형함으로써, 밸브체(71)의 본체가 상하 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 밸브실(72)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 바이패스 유로(5)와 연통된 공간일 뿐만 아니라 내부에 밸브체(71)의 본체를 수납하는 것이다. 또한, 밸브실(72)에서의 바닥면(도 2에서의 하측면)의 대략 중앙에는 밸브 시트(73)가 형성된다. 밸브실(72)은 주로 제1 몸체(2A)에 형성된 상측으로 개구하는 대략 원주 형상의 공간과, 당해 공간의 개구를 막는 밸브체(71)의 다이어프램부로 형성된 공간이다. 밸브실(72)에서의 바닥면에는, 밸브실(72)과 상류측 유로(3A)를 연결하는 바이패스 유로(5)의 단부가 개구하고 있다. 또한, 밸브실(72)에서의 원주면에는 밸브실(72)과 하류측 유로(3B)를 연결하는 바이패스 유로(5)의 단부가 개구하고 있다. 밸브 시트(73)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 밸브실(72)의 바닥면에 형성된 바이패스 유로(5)의 개구로서, 밸브체(71)의 본체와 함께 바이패스 유로(5) 및 제2 오리피스부(6B)에서의 약액의 흐름을 제어하는 것이다. 유량 조절 밸브(8)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 유량 콘트롤러(1)를 흐르는 약액의 유량을 조절하는 것이다. 구체적으로는, 차압식 유량계(11)에 의해 측정된 약액의 유량에 기초하여 유량 콘트롤러(1)로부터 유출되는 약액의 유량을 조절하는 것이다. 유량 조절 밸브(8)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 제2 몸체(2B)의 상면의 하류측 압력 센서(4B)와 인접한 위치에서, 약액 흐름의 하류측(도 4의 좌측)에 배치된다. 유량 조절 밸브(8)에는 밸브체(81), 밸브실(82), 및 밸브 시트(83)가 마련된다. 밸브체(81)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 밸브실(82)의 내부를 상하 방향(도 4의 상하 방향)으로 이동하여, 밸브 시트(83)와 함께 약액의 흐름을 제어한다. 밸브체(81)에는 밸브실(82)에서의 벽면의 일부를 구성하는 본체, 본체로부터 하방(도 4의 하방)으로 연장되는 벨로스(bellows)부, 벨로스부의 하단에 배치되고 직경이 큰 원주 형상으로 형성된 대경부 및 대경부로부터 하방(도 4의 하방)으로 연장되는 직경이 작은 대략 원주 형상으로 형성된 소경부가 마련된다. 밸브체(81)의 본체는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 밸브실(82)의 벽면 일부를 형성함과 동시에 벨로스부의 상측의 단부가 장착된다. 구체적으로, 밸브체(81)의 본체는 상측의 단부가 막힌 원통 형상으로 형성된 것으로서, 그 내부에 전술한 벨로스부나 대경부 및 소경부가 배치된다. 밸브체(81)의 본체에서의 상측의 단면에는 밸브체(81)의 대경부 및 소경부를 상하 방향으로 이동시키는 롯드가 삽입되는 관통공이 형성된다. 밸브체(81)의 벨로스부는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 밸브체(81)의 본체와 밸브체(81)의 대경부 및 소경부와의 사이에 배치된 것으로서, 상하 방향(도 4의 상하 방향)으로 신축 가능한 부재이다. 바꾸어 말하면, 밸브체(81)의 벨로스부에서의 상측 단부는 밸브체(81)의 본체와 접속되고, 하측 단부는 밸브체(81)의 대경부와 접속된다. 또한, 밸브체(81)의 내부에는 밸브체(81)의 대경부 및 소경부를 상하 방향으로 이동시키는 롯드가 삽입된다. 밸브체(81)의 대경부 및 소경부는 밸브 시트(83)와 함께 하류측 유로(3B)를 흐르는 약액의 유량을 조절한다. 구체적으로는, 밸브체(81)의 대경부로부터 하방으로 돌출하는 소경부가 밸브 시트(83)에 형성된 개구부에 삽입되는 정도가 조절됨으로써 하류측 유로(3B)를 흐르는 약액의 유량이 조절된다. 또한, 밸브체(81)의 대경부와 밸브 시트(83)가 접촉함으로써 하류측 유로(3B)에서의 약액의 흐름이 저지된다. 밸브실(82)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 하류측 유로(3B)와 연통된 공간임과 동시에 내부에 밸브체(81)의 벨로스부, 대경부 및 소경부를 수납하는 것이다. 또한, 밸브실(82) 바닥면(도 4에서의 하측면)의 대략 중앙에는 밸브 시트(83)가 형성된다. 밸브실(82)은 주로 제2 몸체(2B)에 형성된 상측으로 개구하는 대략 원주 형상의 공간과, 당해 공간의 개구를 막는 밸브체(81)의 본체로 형성된 공간이다. 밸브실(82)의 바닥면에는, 밸브실(82)에 약액을 공급하는 하류측 유로(3B)의 단부가 개구하고 있다. 이 하류측 유로(3B)는 밸브실(82)의 하방에 이를 때까지 대략 수평으로 연장되고, 밸브실(82)의 하방에서 대략 수직 방향의 상방으로 꺾여져 밸브실(82)과 접속된다. 이 개구에는 전술한 밸브체(81)의 소경부가 삽입된다. 또한, 밸브실(82)에서의 원주면에는 밸브실(82)로부터 약액이 유출되는 하류측 유로(3B)의 단부가 개구한다. 이 하류측 유로(3B)는 밸브실(82)로부터 멀어질수록 하방을 향해 기울어진 다음 대략 수평 방향으로 연장된다. 밸브 시트(83)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 밸브실(82)의 바닥면에 형성된 하류측 유로(3B)의 개구로서, 밸브체(81)와 함께 하류측 유로(3B)에서의 약액의 흐름을 제어하는 것이다. 즉, 유량 콘트롤러(1)에서의 약액의 흐름을 제어하는 것이다. 한편, 유량 조절 밸브(8)로는 공지의 개폐 밸브를 이용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다. 도 5는 제어부의 구성을 설명하는 블록도이다. 제어부(9)는, 도 1 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 유량 조절 밸브(8)를 제어함으로써 유량 콘트롤러(1)를 흐르는 약액의 유량을 제어한다. 제어부(9)에는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 입력부(91)에 입력된 약액의 유량의 목표치와, 상류측 압력 센서(4A)에 의해 측정된 상류측 유로(3A)를 흐르는 약액의 압력과, 하류측 압력 센서(4B)에 의해 측정된 하류측 유로(3B)를 흐르는 약액의 압력이 입력된다. 또한, 제어부(9)로부터는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 개폐 밸브(7)의 개폐를 제어하는 제어 신호와, 유량 조절 밸브(8)에서의 밸브의 개방도를 제어하는 제어 신호가 출력된다. 다음으로, 상기의 구성으로 이루어지는 유량 콘트롤러(1)에서의 유량의 조정 방법에 대해 설명한다. 우선, 입력부(91)에 대해, 약 3(㎖/min) 내지 약 30(㎖/min)의 범위에 포함되는 소정의 유량이 제어 목표로서 입력된 경우에 대해 설명한다. 입력부(91)에 입력된 제어 목표인 약액의 유량값은, 도 5에 도시하는 바와 같이, 제어부(9)로 출력된다. 제어부(9)는 제어 목표인 약액의 유량값이 제1 오리피스부(6A)만으로 측정할 수 있는 유량이므로, 개폐 밸브(7)를 닫는 제어 신호를 출력한다. 개폐 밸브(7)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 제어 신호에 기초하여 밸브체(71)를 하방을 향해 이동시켜 밸브 시트(73)와 접촉시킨다. 이에 따라, 개폐 밸브(7)가 닫힌다. 여기에서, 상류측 유로(3A)를 흐르는 약액의 압력은, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 상류측 압력 센서(4A)에 의해 측정되고, 측정된 약액의 압력값은, 도 5에 도시하는 바와 같이, 제어부(9)에 입력된다. 한편, 상류측 유로(3A)를 흐르는 약액은 바이패스 유로(5)로 유입되지 않고 전부 제1 오리피스부(6A)로 유입된다. 약액은 제1 오리피스부(6A)를 통과할 때에, 약액의 유량에 따라 압력이 저하한다. 구체적으로는, 상류측 유로(3A)에서의 약액의 압력을 P1, 하류측 유로(3B)에서의 약액의 압력을 P2, 제1 오리피스부(6A)를 통과하는 약액의 유량을 Q1이라고 하면, 이하의 식 (1)로 나타내지는 관계식이 성립한다.
한편, 식 (1)에서의 비례계수 k1은 제1 오리피스부(6A)의 형상이나 오리피스의 직경에 따라 정해지는 상수로서, 실측에 의해 구해지는 값이다. 또한 여기에서는, 제1 오리피스부(6A)를 통과하는 약액의 유량 Q1과 유량 콘트롤러(1)를 통과하는 약액의 유량은 동일하게 되어 있다. 제1 오리피스부(6A)를 통과하여 압력이 저하한 약액은, 도 1 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 하류측 유로(3B)로 유입된다. 하류측 유로(3B)를 흐르는 약액의 압력은 하류측 압력 센서(4B)에 의해 측정되고, 측정된 약액의 압력값은, 도 5에 도시하는 바와 같이, 제어부(9)에 입력된다. 제어부(9)는 상류측 압력 센서(4A) 및 하류측 압력 센서(4B)로부터 입력된 약액의 압력, 및, 전술한 식 (1)에 기초하여 상류측 유로(3A) 및 하류측 유로(3B)를 흐르는 약액의 유량을 산출한다. 또한, 제어부(9)는 산출된 유량값과 입력된 제어 목표인 유량값을 비교하여, 산출된 유량값이 제어 목표인 유량값에 가까워지도록 유량 조절 밸브(8)의 개방도를 제어하는 제어 신호를 출력한다. 제어부(9)에서의 유량 조절 밸브(8)의 제어 방법으로는, PID 제어 등의 피드백 제어를 예시할 수 있다. 예를 들면, 산출된 유량값이 제어 목표인 유량값보다 작은 경우에는, 제어부(9)는 유량 조절 밸브(8)에 대해 밸브 개방도를 크게 하는 제어 신호를 출력한다. 유량 조절 밸브(8)는, 도 1 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 제어 신호에 기초하여 밸브체(81)를 밸브 시트(83)로부터 분리시킴으로써 밸브 개방도를 크게 한다. 그러면, 유량 조절 밸브(8)를 통과하는 약액의 유량이 증가하여, 유량 콘트롤러(1)를 흐르는 약액의 유량값이 제어 목표인 유량값까지 증가한다. 반대로, 산출된 유량값이 제어 목표인 유량값보다 큰 경우에는, 제어부(9)는 유량 조절 밸브(8)에 대해 밸브 개방도를 작게 하는 제어 신호를 출력한다. 유량 조절 밸브(8)는, 도 1 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 제어 신호에 기초하여 밸브체(81)를 밸브 시트(83)에 접근시킴으로써 밸브 개방도를 작게 한다. 그러면, 유량 조절 밸브(8)를 통과하는 약액의 유량이 감소하여, 유량 콘트롤러(1)를 흐르는 약액의 유량값이 제어 목표인 유량값까지 감소한다. 다음으로, 입력부(91)에 대해 약 20(㎖/min) 내지 약 200(㎖/min)의 범위에 포함되는 소정의 유량이 제어 목표로서 입력된 경우에 대해 설명한다. 입력부(91)에 입력된 제어 목표인 약액의 유량값은, 도 5에 도시하는 바와 같이, 제어부(9)로 출력된다. 제어부(9)는, 제어 목표인 약액의 유량값이 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)를 이용한 경우에 측정 가능한 유량이므로, 개폐 밸브(7)를 여는 제어 신호를 출력한다. 한편, 제1 오리피스부(6A)만을 이용하여 측정할 수 있는 유량의 범위와 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)를 이용하여 측정할 수 있는 유량의 범위가 중복되는 곳에서는 제1 오리피스부(6A)만을 이용하여 측정해도 되고, 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)를 이용하여 측정해도 되며, 특별히 한정하는 것은 아니다. 개폐 밸브(7)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 제어 신호에 기초하여 밸브체(71)를 상방을 향해 이동시켜 밸브 시트(73)로부터 분리시킨다. 이에 따라 개폐 밸브(7)가 열려 상류측 유로(3A)를 흐르는 약액의 일부가 바이패스 유로(5)로 유입된다. 바이패스 유로(5)로 유입된 약액은 개폐 밸브(7)를 통과하여 제2 오리피스부(6B)로 유입된다. 한편, 바이패스 유로(5)로 유입되지 않고 상류측 유로(3A)를 흐른 약액은 제1 오리피스부(6A)로 유입된다. 제2 오리피스부(6B)를 통과하는 약액은 제2 오리피스부(6B)를 통과할 때에, 약액의 유량에 따라 압력이 저하한다. 구체적으로는, 상류측 유로(3A)에서의 약액의 압력을 P1, 하류측 유로(3B)에서의 약액의 압력을 P2, 제2 오리피스부(6B)를 통과하는 약액의 유량을 Q2라고 하면, 이하의 식 (2)로 나타내지는 관계식이 성립한다.
한편, 식 (2)에서의 비례 계수 k2는 제2 오리피스부(6B)의 형상이나 오리피스의 직경에 따라 정해지는 상수로서, 실측에 의해 구해지는 값이다. 또한 여기에서는, 제1 오리피스부(6A)를 통과하는 약액의 유량 Q1과 제2 오리피스부(6B)를 통과하는 약액의 유량 Q2의 합계가, 유량 콘트롤러(1)를 통과하는 약액의 유량과 동일하게 되어 있다. 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)를 통과하여 압력이 저하한 약액은, 도 1 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 하류측 유로(3B)로 유입된다. 하류측 유로(3B)를 흐르는 약액의 압력은 하류측 압력 센서(4B)에 의해 측정되고, 측정된 약액의 압력값은, 도 5에 도시하는 바와 같이, 제어부(9)로 입력된다. 제어부(9)는 상류측 압력 센서(4A) 및 하류측 압력 센서(4B)로부터 입력된 약액의 압력, 및 전술한 식 (1) 및 식 (2)에 기초하여 상류측 유로(3A) 및 하류측 유로(3B)를 흐르는 약액의 유량을 산출한다. 이후의 제어부(9)에서의 제어는 전술한 경우와 마찬가지이므로, 그 설명을 생략한다. 상기한 구성에 의하면, 제1 오리피스부(6A)와, 제2 오리피스부(6B) 및 제2 오리피스부(6B)에서의 약액의 흐름을 제어하는 개폐 밸브(7)가 마련되기 때문에, 유량 콘트롤러(1)의 제조 비용의 상승을 억제하면서 넓은 유량 범위에 걸치는 유량을 측정할 수 있다. 구체적으로는, 약액의 유량이 제1 오리피스부(6A)만을 이용하여 측정할 수 있는 유량 범위 내인 경우에는, 개폐 밸브(7)를 닫아 제1 오리피스부(6A)에만 약액을 통과시키고, 제1 오리피스부(6A) 전후에서의 약액의 압력차를 상류측 압력 센서(4A) 및 하류측 압력 센서(4B)에 의해 측정함으로써, 약액의 유량이 측정된다. 한편, 약액의 유량이 제1 오리피스부(6A)만으로 유량을 측정할 수 있는 유량 범위를 초과하는 경우에는, 개폐 밸브(7)를 열어 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)에 약액을 통과시키고, 제1 오리피스부(6A) 및 제2 오리피스부(6B)의 전후에서의 약액의 압력차를 상류측 압력 센서(4A) 및 하류측 압력 센서(4B)에 의해 측정함으로써, 약액의 유량이 측정된다. |
