特許 7194421 流量制御装置および流量制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-14

(45)【発行日】2022-12-22

(54)【発明の名称】流量制御装置および流量制御方法

(51)【国際特許分類】

   G05D 7/06 20060101AFI20221215BHJP

【ＦＩ】

G05D7/06 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018180516

(22)【出願日】2018-09-26

(65)【公開番号】P2020052648

(43)【公開日】2020-04-02

【審査請求日】2021-08-27

(73)【特許権者】

【識別番号】390033857

【氏名又は名称】株式会社フジキン

(74)【代理人】

【識別番号】110002893

【氏名又は名称】弁理士法人ＫＥＮ知財総合事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100186750

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 健司

(72)【発明者】

【氏名】木村 純

(72)【発明者】

【氏名】篠原 努

【審査官】大古 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－９７７５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１５３４５５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｄ ７／００ － ７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体が流通する流路に設けられた制御弁と、
前記流路の前記制御弁の上流側に設けられかつ通過する流体に圧力損失を生じさせる流体抵抗要素と、
前記流体抵抗要素の上流側の流体の圧力を検出する上流側圧力センサと、
前記流体抵抗要素の下流側の流体の圧力を検出する下流側圧力センサと、
前記上流側圧力センサで検出される一次側圧力および下流側圧力センサで検出される二次側圧力に基づいて前記流体抵抗要素を通過する流体の流量を計量する流量計量部と、
前記流量計量部で計量される流量が前記制御弁により制御すべき目標流量に追従するように前記制御弁を制御するフィードバック制御部と、を有する流量制御装置であって、
前記流量計量部は、検出された前記一次側圧力および前記二次側圧力を使用して流量を計量する計量部と、
前記計量部で計量される流量を検出された二次側圧力の時間変化に基づいて算出される補正流量との線形和で補正する補正部と、を有する流量制御装置。

【請求項2】

前記流体は気体である、請求項１に記載の流量制御装置。

【請求項3】

前記補正部は、前記二次側圧力の時間変化量に所定の定数を乗算することにより前記補正流量を算出する、請求項１または２に記載の流量制御装置。

【請求項4】

前記計量部は、少なくとも前記一次側圧力および前記二次側圧力をパラメータとする関数により流量を算出し、又は、前記一次側圧力および前記二次側圧力に流量が対応付けられたマップから流量を決定する、請求項１ないし３のいずれかに記載の流量制御装置。

【請求項5】

前記流体抵抗要素は、オリフィスを含む、請求項１ないし４のいずれかに記載の流量制御装置。

【請求項6】

前記上流側圧力センサの上流側にガスフィルタが設けられている、請求項１ないし５のいずれかに記載の流量制御装置。

【請求項7】

流体に圧力損失を生じさせる流体抵抗要素の上流側の流体の検出圧力である一次側圧力と下流側の流体の検出圧力である二次側圧力に基づいて、前記流体抵抗要素を通過する流体の流量を計量し、
計量される流量が制御弁により制御すべき目標流量に追従するように前記制御弁をフィードバック制御する流量制御方法であって、
検出される前記一次側圧力および前記二次側圧力を使用して前記流体抵抗要素を通過する流体の流量を計量し、
計量された流量を前記二次側圧力の時間変化に基づいて算出される補正流量で補正する、ことを含む流量制御方法。

【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】

従来から、流量制御装置による流量制御の応答性を向上することが課題として存在する。すなわち、流量制御装置の目標流量の変更に素早く流量が追従し、かつ流量のオーバーシュートやアンダーシュートをほぼ起こさないことが求められている。
例えば、特許文献１に開示された技術は、流量計によって計量された計量流量が実際に流れている流量と時間的に乖離していることによるフィードバック制御系の不安定化を改善することを課題としている。この課題を解決するために、特許文献１は、オリフィスや層流素子などの流体抵抗要素の上流側と下流側の流体の圧力を検出し、検出した圧力にフィルタリング処理を施し、フィルタリング処理後の圧力に基づいて流量を算出し、算出された流量を使用して制御弁をフィードバック制御する技術を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１９１５９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、フィルタの各定数の決定方法は、試行錯誤により決定する、あるいは、流量制御装置の動作をシミュレーションすることができるソフトウエアを用いて決定する必要があり、容易ではない。

【0005】

本発明は、上述の事情に鑑みてされたものであり、その目的の一つは、検出した圧力にフィルタリング処理を施すことなく、目標流量の変更に素早く流量が追従し、かつ流量のオーバーシュートやアンダーシュートが抑制された流量制御装置および流量制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の流量制御装置は、流体が流通する流路に設けられた制御弁と、
前記流路の前記制御弁の上流側に設けられかつ通過する流体に圧力損失を生じさせる流体抵抗要素と、
前記流体抵抗要素の上流側の流体の圧力を検出する上流側圧力センサと、
前記流体抵抗要素の下流側の流体の圧力を検出する下流側圧力センサと、
前記上流側圧力センサで検出される一次側圧力および下流側圧力センサで検出される二次側圧力に基づいて前記流体抵抗要素を通過する流体の流量を計量する流量計量部と、
前記流量計量部で計量される流量が前記制御弁により制御されるべき目標流量に追従するように前記制御弁を制御するフィードバック制御部と、を有する流量制御装置であって、
前記流量計量部は、検出された一次側圧力および二次側圧力を使用して流量を計量する計量部と、
前記計量部で計量される流量を検出された二次側圧力の時間変化に基づいて算出される補正流量で補正する補正部と、を有する。

【0007】

前記流体は気体である。

【0008】

好適には、前記補正部は、前記二次側圧力の時間変化量に所定の定数を乗算することにより前記補正流量を算出する、ことができる。

【0009】

さらに好適には、前記決定部は、少なくとも一次側圧力および二次側圧力をパラメータとする関数により算出し、又は、一次側圧力および二次側圧力に流量が対応付けられたマップから流量を決定する、ことができる。

【0010】

好適には、前記流体抵抗要素は、オリフィスを含む、構成を採用できる。

【0011】

さらに好適には、前記上流側圧力センサの上流側にガスフィルタが設けられている、構成を採用できる。

【0012】

本発明の流量制御方法は、流体に圧力損失を生じさせる流体抵抗要素の上流側の流体の検出圧力と下流側の流体の検出圧力に基づいて、前記流体抵抗要素を通過する流体の測定流量を決定し、
決定される前記測定流量が目標流量に追従するように前記制御弁をフィードバック制御する流量制御方法であって、
測定流量を決定する際に、検出された一次側圧力および二次側圧力を使用して測定流量を決定し、
決定された測定流量を検出された二次側圧力の時間変化に基づいて算出される補正量で補正する、ことを含む。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、目標流量の変更に素早く制御弁を通過する流体の実流量が追従し、かつ目標流量に対するオーバーシュートやアンダーシュートが抑制される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態に係る流量制御装置の概略構成図。

【図2】計量部で計量される流量の時間遅れの発生原因を説明するための図。

【図3】目標流量がステップ状に変化した場合の計量部における計量流量Ｑ１と補正後の計量流量Ｑを示すグラフである。

【図4】目標流量がステップ状に変化した場合の、本発明の補正を用いなかった場合のフィードバック制御部の応答特性の例を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。説明において同様の要素には同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
図１に本発明の一実施形態に係る流量制御装置の概略構成を示す。
流量制御装置１は、ガスが流通する流路の上流側から下流側に向かって、ガスフィルタＧＦ、オリフィス５ｈを画定するオリフィスプレート５および制御弁２が設けられている。オリフィス５ｈは、流体に圧力損失を生じさせる流体抵抗要素である。流体抵抗要素としては、ノズルや層流素子を用いることもできる。
オリフィス５ｈの上流側および下流側には、ガスの圧力を検出する上流側圧力センサ３１および下流側圧力センサ３２が設けられ、上流側圧力センサ３１の検出する一次側圧力Ｐ１および下流側圧力センサ３２の検出する二次側圧力Ｐ２は回路部１０に入力される。下流側圧力センサ３２の下流側には、ガスの温度を検出する温度センサ３３が設けられ、温度センサ３３が検出する温度Ｔが回路部１０に入力される。
制御弁２は、アクチュエータ３により開閉される。アクチュエータとしては、例えば、ピエゾアクチュエータが用いられるが、これに限定されるわけではない。

【0016】

回路部１０は、流量計量部１１と、フィードバック制御部１２と、ドライバ１３とを有する。回路部１０は、例えば、プロセッサ、メモリ、入出力回路等のハードウエアと所要のソフトウエアにより実現される。
流量計量部１１は、計量部１１Ａと補正部１１Ｂからなる。
計量部１１Ａは、上流側圧力センサ３１で検出される一次側圧力Ｐ１および下流側圧力センサ３２で検出される二次側圧力Ｐ２に基づいてオリフィス５ｈを通過するガスの計量流量Ｑ１を決定する。
補正部１１Ｂは、二次側圧力Ｐ２の時間変化量に基づいて補正流量Ｑ２を算出し、計量部１１Ａで計量された計量流量Ｑ１をこの補正流量Ｑ２で補正し、新たな計量流量Ｑとしてこれをフィードバック制御部１２に出力する。なお、流量計量部１１の詳細は後述する。

【0017】

フィードバック制御部１２は、流量計量部１１で計量された計量流量Ｑが制御弁２により制御されるべき目標流量ＴＡに追従するように制御弁２を制御する制御指令を、ドライバ１３を通じてアクチュエータ３に出力する。フィードバック制御部１２は、例えば、ＰＩＤ制御を実行する。

【0018】

ここで、制御弁２とオリフィス５ｈとの間には、図２に示すように、破線Ａで示すように、一定の容積が存在する(以下、流路内容積という。)。このため、計量部１１Ａで計量されるオリフィス５ｈを通過する流体の計量流量Ｑ１には、制御弁２を通過するガスの実流量に対して時間遅れが必ず存在する。
図４に、補正流量Ｑ２を使わずに、計量流量Ｑ１＝計量流量Ｑとしてフィードバック制御を行った際に、目標流量ＴＡがステップ状に変化した場合のフィードバック制御部１２の流量の応答特性の例を示す。実線（１）が制御弁２を通過するガスの実流量であり、点線（２）が測定される計量流量Ｑ１である。
図４の例では、計量流量Ｑ１が目標流量ＴＡに対しオーバーシュートなく制御されているが、実流量は（１）に示したようにオーバーシュートを生じている。これは、二次側圧力Ｐ２が変化した際に流路内容積に圧縮されて溜まるガスの総質量が変化した分が計量流量Ｑ１には算入されていない事に起因する。例えば、制御弁２を開け始めた直後は、制御弁２をガスが流れ始めているにも関わらず一次側圧力Ｐ１と二次側圧力Ｐ２がほぼ等しいため、計量流量Ｑ１はほぼゼロと算出されてしまう。
このことは、計量流量Ｑ１が制御弁２を流れる実流量に対して遅れを持っている、ともみなせる。遅れを含む系は、一般に制御の応答速度向上が困難だったりハンチングが起きやすかったりする他に、図４のようにオーバーシュートの原因にもなる。

【0019】

本実施形態では、フィードバック制御系の高応答化を、フィードバック制御部１２のパラメータを調整するのではなく、フィードバック制御部１２にフィードバックされる計量流量Ｑを補正部１１Ｂにより制御弁２を通過するガスの実流量に対する計量部１１Ａで計量される計量流量Ｑ１の時間遅れを補償するように補正することで実現する。
流量計量部１１は次式（１），（２），（３）により計量流量Ｑを求める。なお、ｔは時間である。Ｑは、制御弁２を流れるガスの質量流量である。ｆは流体の種類により決まる関数であり、Ｑ１はオリフィス５ｈを通過するガスの流量である。Ｑ２は流路内容積内に溜まったガス量の変化分であり、質量保存則から、流入量にあたるＱ１と流出量にあたるＱの差分（（３）式）に等しい。ｎは流路内容積中に存在する気体粒子の数をmolの単位で表したもの（物質量）である。Ｔはガスの絶対温度。Ｃは流路内容積Ｖに依存する定数であり、Ｃ＝Ｖ_０Ｖ/Ｒとして項をまとめたものである。Ｖは流路内容積の体積、Ｖ₀は標準状態の気体1molの体積、Ｒは気体定数である。（２）式の変形には理想気体の方程式ＰＶ＝ｎＲＴを用いた。質量流量であるＱ、Ｑ１、Ｑ２は、標準状態における体積流量に換算している。

【0020】

【数1】

【0021】

（１）式の関数ｆは、ガス種によって変わるが、圧力の微分や積分を含まず、現在の圧力のみから計算される。一次側圧力Ｐ１、二次側圧力Ｐ２を変えながら実験的に測定した流量を基に近似関数を作ることによって求められる。近似の方法は、例えば折れ線近似である。
（２）式の補正流量Ｑ２は、下流側圧力センサ３２の検出する二次側圧力Ｐ２（ｔ）の一次微分から計算される。
計量流量Ｑは、計量流量Ｑ１と補正流量Ｑ２の線形和により計算される。
定数Ｃは、制御弁２にある流量が流れる状態から、急に制御弁２を閉じた時に、計量流量Ｑ＝０になるように上式（３）を解くことにより求めることができる。

【0022】

ここで、(３)式の校正は、関数ｆについては流量一定の状態、即ちＰ２の時間変化がなくＱ２＝０の状態で校正され、定数Ｃは流量一定の状態から制御弁２を閉にした時の二次側圧力Ｐ２の時間変化から校正される構成を採用できる。すなわち、(３)式により計量流量Ｑを算出するので、校正が容易になり、製品の製造時間短縮につながる。

【0023】

補正流量Ｑ２は、ガスの絶対温度Ｔの時間変化が下流側圧力Ｐ２の時間変化に比べて十分小さいと仮定した場合には、次式（４）により近似できる。

【0024】

【数2】

【0025】

図３に補正部１１Ｂによる補正の効果を示す。
図４と同様に目標流量ＴＡはステップ状に変化する。（２）が計量部１１Ａで測定される計量流量Ｑ１である。（１）は制御弁を流れる実流量であり、補正後の計測流量Ｑにほぼ等しい。流量測定の遅れが小さくなり、制御の不安定化やオーバーシュートの発生を防止したままで、より高応答なフィードバック制御のパラメータを選択する事ができる。

【0026】

本実施形態によれば、補正部１１Ｂにより流路内容積Ｖによる応答の遅れが補償されるため、フィードバック制御系の応答性が改善される。従来の流量制御装置の設計思想では、流路内容積Ｖを小さくすることで測定の遅れを抑制してきたが、その制約が緩和され設計自由度が高まる。
本実施形態によれば、制御弁２の動作に伴って発塵が発生する場合であっても、オリフィス５ｈが制御弁２の一次側(上流側)にあるので、オリフィス５ｈにパーティクルが詰まって測定精度に影響を及ぼす事を抑制できる。
本実施形態によれば、上記の（１）式の関数ｆにより計量流量Ｑ１を求め、それとは別に二次側圧力Ｐ２の時間微分を計算している。これにより、定常流（流量が一定）の条件で校正された関数ｆ(Ｐ１,Ｐ２,Ｔ)の精度を損なうことなく、制御系の応答速度を向上することができる。また、理想気体の式と質量保存則から成り立つ近似である。式の次数を低く抑えられ、リアルタイムの計算に有利である。

【0027】

本実施形態では、流体抵抗要素としてオリフィス５ｈを用いたが、層流素子等の他の流体抵抗要素を用いることができる。しかし、オリフィスプレート５を用いることで、オリフィス５ｈと制御弁２との間の流路内容積Ｖを正確に区画できる。これにより、上記(1)式の計算式が使える範囲を広くする事ができる。厳密にいえば、より高い周波数の一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２まで(1)式で近似できる。

【0028】

本実施形態によれば、ガスフィルタＧＦを設けたことにより、圧力変動（特に高い周波数の圧力変動）が一次側圧力Ｐ１に及ぼす影響を低減するとともに、オリフィス５ｈのつまりを抑制できる。

【0029】

上記実施形態では、計量流量Ｑ１を関数ｆから算出する場合を例示したが、一次側圧力Ｐ１および二次側圧力Ｐ２に流量が対応付けられたマップを予め作成しておき、この、マップから流量を決定することも可能である。
上記実施形態では、連続時間の変数を用いて補正の方法を説明したが、流量計量部１１やフィードバック制御部１２のフィルタ処理は、公知のデジタルフィルタの構成法を用いて離散時間の変数に対する処理として実装されていても良いし、アナログフィルタ回路によって実装されていても良い。

【符号の説明】

【0030】

１ ：流量制御装置
２ ：制御弁
３ ：アクチュエータ
５ ：オリフィスプレート
５ｈ ：オリフィス
１０ ：回路部
１１ ：流量計量部
１１Ａ ：計量部
１１Ｂ ：補正部
１２ ：フィードバック制御部
１３ ：ドライバ
３１ ：上流側圧力センサ
３２ ：下流側圧力センサ
３３ ：温度センサ
Ｃ ：定数
ＧＦ ：ガスフィルタ
Ｐ１ ：一次側圧力
Ｐ２ ：二次側圧力
Ｑ ：計量流量
Ｑ１ ：計量流量
Ｑ２ ：補正流量
Ｔ ：絶対温度
ＴＡ ：目標流量
Ｖ ：流路内容積
ｆ ：関数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】