特表 2025-501482 流体流動装置用流量リストリクタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-22

(54)【発明の名称】流体流動装置用流量リストリクタ

(51)【国際特許分類】

   F15D 1/02 20060101AFI20250115BHJP

【ＦＩ】

F15D1/02 E

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024534777

(86)(22)【出願日】2022-12-08

(85)【翻訳文提出日】2024-06-11

(86)【国際出願番号】 JP2022045356

(87)【国際公開番号】W WO2023132184

(87)【国際公開日】2023-07-13

(31)【優先権主張番号】17/647,591

(32)【優先日】2022-01-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】000127961

【氏名又は名称】株式会社堀場エステック

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100206151

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 惇志

(74)【代理人】

【識別番号】100218187

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 治子

(74)【代理人】

【識別番号】100227673

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 光起

(74)【代理人】

【識別番号】100231038

【弁理士】

【氏名又は名称】正村 智彦

(72)【発明者】

【氏名】プライス アンドリュー ウェイン

(72)【発明者】

【氏名】ハートマン エラ ベンジャミン

(72)【発明者】

【氏名】ゴンザレス エステバン ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】ホワイト ウィリアム ワイリー

(72)【発明者】

【氏名】ミラー バージニア アン

(57)【要約】

流路を含む第１シートと、該第１シートに積層された第２シートとを備える流量リストリクタを提供する。前記第２シートには孔が設けられている。前記流路は、前記第１シートの表面に設けられ、前記第１シートの周縁エリアにおいて拡張ゾーンと連通する溝を含む。前記第２シートの周縁端部は拡張ゾーンにおいて第１シートと接触する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流路を含む第１シートと、
前記第１シートの上に積み重ねられた第２シートとを備え、
前記第２シートには孔が形成されており、
前記流路が、前記第１シートの表面に設けられた溝を含み、当該溝は前記第１シートの周縁エリアにおける拡張ゾーンと連通しており、
前記拡張領域において前記第２シートの周縁端部が第１シートに接触する流量リストリクタ。

【請求項2】

前記流路が前記孔の周囲に分布する複数の流路のうちの１つである、請求項１に記載の流量リストリクタ。

【請求項3】

各流路が、前記孔から、前記第１シートの前記周縁エリアにおける対応する拡張ゾーンまで螺旋状に延びる対応する溝を含む、請求項２に記載の流量リストリクタ。

【請求項4】

前記第１シートが複数の第１シートのうちの１つであり、
前記第２シートが複数の第２シートのうちの１つであり、
前記複数の第１シートと前記複数の第２シートが交互に積み重なってリストリクタスタックを形成する請求項１に記載の流量リストリクタ。

【請求項5】

前記リストリクタスタックの上流端に接続された上流流路と、
前記リストリクタスタックの下流端に接続された下流流路とを更に備え、
当該流量リストリクタを通る連続的に測定された複数の流体流量を、複数の第１シートの数で割り、前記第１シートあたりの流路の数で割った平均マッハ数が０．１未満である、請求項４に記載の流量リストリクタ。

【請求項6】

前記第２シートがその厚み全体を貫通するスリットを含み、
前記第１シートと前記第２シートが積み重ねて整列され、前記第２シートのスリットと前記第１シートの流路を通る連続流路を形成している請求項１に記載の流量リストリクタ。

【請求項7】

前記連続流路が、前記第２シートの垂直断面を視て、前記第２シートの厚み方向に沿って延びる蛇行形状を形成している請求項６に記載の流量リストリクタ。

【請求項8】

前記第２シートが、前記第１シートの表面と比較して粗くした表面を有する、請求項１に記載の流量リストリクタ。

【請求項9】

流路を含む第１シートと、
前記第１シートに積層された第２シートとを備え、
前記第２シートに孔が設けられており、
前記流路が、前記第１シートの厚み内に設けられ、上方から視て、前記第１シートの表面に沿って蛇行した形状をなす蛇行溝である流量リストリクタ。

【請求項10】

前記流路が、前記第１シートの厚み内に設けられた複数の蛇行溝を含む請求項９に記載の流量リストリクタ。

【請求項11】

前記複数の蛇行溝の各々が、径方向に延びる一対の放射状部分と、当該複数の放射状部分の間の流路を規定する複数の円弧状部分とを含む、請求項１０に記載の流量リストリクタ。

【請求項12】

前記第１シートが複数の第１シートのうちの１つであり、
前記第２シートが複数の第２シートのうちの１つであり、
前記複数の第１シートと前記複数の第２シートが交互に積み重なって、リストリクタスタックを形成している請求項９に記載の流量リストリクタ。

【請求項13】

前記リストリクタスタックの上流端に接続された上流流路と、
前記リストリクタスタックの下流端に接続された下流流路とをさらに備え、
当該流量リストリクタを通る連続的に測定された複数の流体流量を、前記複数の第１シートの数で割り、第１シートあたりの流路の数で割った平均マッハ数が０．１未満である請求項１２に記載の流量リストリクタ。

【請求項14】

前記第２シートがその厚み全体を貫通するスリットを含み、
前記第１シートと前記第２シートが積み重ねて整列され、前記第２シートのスリットと前記第１シートの流路を通る連続流路を形成している請求項９に記載の流量リストリクタ。

【請求項15】

前記連続経路が、前記第２シートの垂直断面を視て、前記第２シートの厚み方向に沿って延びる蛇行形状を形成している、請求項１４に記載の流量リストリクタ。

【請求項16】

前記第２シートが前記第１シートの表面と比較して粗くした表面を有する、請求項９に記載の流量リストリクタ。

【請求項17】

流路を構成する第１シートと、
前記第１シートに積み重なった第２シートとを備え、
前記第２シートには孔が設けられており、
前記第２シートが、その厚み全体を貫通するスリットを含み、
前記第１シートと前記第２シートとが積み重ねて整列され、前記第２シートのスリットと前記第１シートの流路を通る連続流路を形成している流量リストリクタ。

【請求項18】

前記連続流路が、前記第２シートの垂直断面を視て、前記第２シートの厚み方向に沿って延びる蛇行形状を成している、請求項１７に記載の流量リストリクタ。

【請求項19】

前記第１シートが複数の第１シートのうちの１つであり、
前記第２シートが複数の第２シートのうちの１つであり、
前記複数の第１シートと前記複数の第２シートが交互に重ねられてリストリクタスタックを形成している請求項１７に記載の流量リストリクタ。

【請求項20】

前記リストリクタスタックの上流端に接続された上流流路と、
前記リストリクタスタックの下流端に接続された下流流路とを更に備え、
当該流量リストリクタを通る連続的に測定された複数の流体流量を、前記複数の第１シートの数で割り、第１シートあたりの流路の数で割った平均マッハ数が０．１未満である請求項１９に記載の流量リストリクタ。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

流量リストリクタ（flow restrictor，フローリストリクタ、流量制限器）は、流体（すなわち気体又は液体）の流れを制限する装置である。流体の流れを制限する流量リストリクタの性能の確実性は、ガス供給システムを含む様々な用途において重要である。例えば半導体の製造分野では、半導体製造に使用されるガス供給システムのマスフローコントローラ内の流量リストリクタにより１種のガスの所定の流量又は２種のガス間の流量比を達成できることに対して、高い確実性が要求される。さらに、流量計（フローメータ）内のリストリクタは、半導体製造において高い精度が要求されるガス流量の測定時に、流量計が示す流量の精度の高い確実性を達成するのに役立つ。したがって、マスフローコントローラ及び流量計のような流体流動装置の流量リストリクタの性能の不確かさを減少させることは、様々な産業用途における流体の供給の品質を向上させるという観点から望ましい。しかしながら、これまでのところ、リストリクタの設計の進歩の障壁として技術的課題が立ちはだかっている。

【発明の概要】

【0002】

上述の問題に対処するために、流量リストリクタが提供される。本開示の一態様にかかる流量リストリクタは、流路を含む第１シートと、当該第１シートに積み重ねられた第２シートとを備える。当該第２シートには孔が設けられている。前記流路は、前記第１シートの表面に設けられ、前記第１シートの周縁エリア（周縁領域又は周辺領域）において拡張ゾーン（expansion zone、拡張領域）と連通する溝を含む。前記第２シートの周縁端部は、前記拡張ゾーンにおいて前記第１シートと接触する。

【0003】

本開示の別の態様にかかる流量リストリクタは、流路を構成する第１シートと、当該第１シートに積み重ねられた第２シートとを備える。当該第２シートには孔が設けられており、前記流路は、前記第１シートの厚み内の蛇行溝（serpentine groove、蛇状溝）であり、上方から見て前記第１シートの表面に沿って蛇行形状を形成している。

【0004】

本開示のさらに別の態様にかかる流量リストリクタは、流路を構成する第１シートと、当該第１シート上に積み重ねられた第２シートとを備える。前記第２シートには孔が設けられ、前記第２シートはその厚み全体を貫通するスリットを含み、前記第１シート及び前記第２シートは、積み重ねられ、かつ整列されて、前記第２シートのスリット及び前記第１シートの流路（flow passage）を通る連続流路（continuous flow path）を形成している。

【0005】

当該概要は、以下の「詳細な説明」でさらに説明される概念の一部を簡略化して紹介するために提供される。当該概要は、特許請求に記載された主題の主要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、特許請求に記載された主題の範囲を限定するために使用することを意図したものでもない。さらに、特許請求に記載された主題は、本開示のいずれかの部分で指摘されるいずれか又はすべての欠点を解決する実施態様に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、本開示の一実施形態にかかる流量リストリクタを備えた流体流動装置を示す概略図である。

【図2A】図２Ａは、従来の流量リストリクタの従来のディスクを示す概略平面図である。

【図2B】図２Ｂは、図１のガス供給システムの一実施形態にかかる流量リストリクタの概略斜視図である。

【図2C】図２Ｃは、図２Ｂの流量リストリクタの概略平面図である。

【図2D】図２Ｄは、図２Ｂ－２Ｃの流量リストリクタの第１シートの概略平面図である。

【図2E】図２Ｅは、図２Ｂ－２Ｃの流量リストリクタの第２シートの概略平面図である。

【図2F】図２Ｆは、図２Ｂ－２Ｃの流量リストリクタの概略分解図である。

【図2G】図２Ｇは、図２Ｂ－２Ｆの流量リストリクタの性能の不確かさを従来の流量リストリクタとを比較した棒グラフである。

【図2H】図２Ｈは、図２Ｇに示す流量リストリクタ性能の不確かさの低減を示すチャートである。

【図3A】図３Ａは、従来の流量リストリクタの概略断面側面図である。

【図3B】図３Ｂは、図１のガス供給システムの一実施形態による流量リストリクタの概略断面側面図である。

【図4A】図４Ａは、図１のガス供給システムの一実施形態による流量リストリクタの概略分解図である。

【図4B】図４Ｂは、第１シートの数が増えるにつれて流量リストリクタの性能の不確かさが減少することを示すチャートである。

【図4C】図４Ｃは、膨大な数の流路形状とプロセスガスに対する平均マッハ数の関数として、流量リストリクタの性能の不確かさを示すチャートである。

【図5A】図５Ａは、従来の流量リストリクタの従来のディスクの概略平面図。

【図5B】図５Ｂは、図１のガス供給システムの一実施形態による流量リストリクタの概略分解図。

【図5C】図５Ｃは、図５Ｂの流量リストリクタの第１シートの概略平面図。

【図5D】図５Ｄは、図５Ｂ－５Ｃの流量リストリクタの性能の不確かさを、従来のディスクを備えた従来の流量リストリクタと比較したデータプロットを示す。

【図6】図６は、滑らかな第１シート及び第２シートを有する従来の流量リストリクタのガス比分散と、第２シートが第１シートよりも粗い表面を有する本開示の流量リストリクタのガス比分散とを比較する棒グラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

図１は、本開示の一実施形態にかかる流体流動装置５の概略図であり、ここではマスフローコントローラ１０の形態であってよい。マスフローコントローラ１０は、流量リストリクタ（フローリストリクタ、流量制限器、又は流量抵抗体）１２と、上流圧力センサ１４と、下流圧力センサ１６と、制御弁１８と、温度センサ２０とを備えている。他の実施形態では当該構成要素の１つ以上が省略されてもよい。例えば、圧力センサ１４、１６のいずれかは、いくつかの形態において省略されてもよい。別の形態では、制御弁１８は流量リストリクタ１２の下流に配置されてもよい。さらに他の形態では、流体流量装置５は質量流量計（マスフローメータ）として構成されてもよく、制御弁１８を含まなくてもよい。さらに、マスフローコントローラ１０には、図１には描かれていない他の構成要素が存在してよいことに留意されたい。例えば、図１のアセンブリのいずれかの側の流路に隔離バルブ（例えば、遮断バルブ）が設けられ、流体フローデバイス５を隔離するようにしてもよく、パージラインバルブがリストリクタの下流に設けられて、パージガスが流体フローデバイス５を通ってパージラインに流れるようにしてもよい。

【0008】

図１に示すように、流量リストリクタ１２は、典型的には、シート２１のスタックＳを挟んで固定するカラー（collar、環状部品）１２Ａ及びバッキングプレート（裏当て板）１２Ｂを含む。図１には７枚のシート２１が描かれているが、後述するように、異なる枚数のシートが提供されてもよい。シート２１は、第１シート２２と第２シート２４とを含み、これらはスタックＳ全体を通して交互になっている。リストリクタを通るエンドツーエンドリストリクタ流路は、流体流れ矢印によって描かれており、上流側のリストリクタ入口１２Ｃから下流側のリストリクタ出口１２Ｄまで延びているが、リストリクタはいずれかの方向の流れ（すなわち、双方向の流れ）に使用することができる。エンドツーエンドリストリクタ流路内で、複数の第１シート２２はそれぞれシート内流路２６ａを画定する。このシート内流路２６ａは、リストリクタの内部領域から、半径方向外側に向かって第１シート２２の周縁端まで流体が流れることを可能にする。スタックＳ内の第１シート２２の流路２６ａからひとたび流体が流出すると、当該流体は、図示されているように、外部構造によりエンドツーエンド流路に沿ってリストリクタ出口１２Ｄに導かれる。

【0009】

図２Ａは、ディスク４２２の孔４３４から螺旋状に延びる流路４２６を含む流量リストリクタにおける、従来のディスク４２２の概略平面図である。流路４２６は、ディスク４２２の周縁エリアでその螺旋形状を維持していることが理解されるであろう。図２Ａに描かれているリストリクタの設計の問題が発見されており、すなわち、このリストリクタを通して測定される流量の不確かさが、特定の流れ条件の下では高過ぎるということである。製造公差による流路の端部での幾何学的な不確かさが、この流量の不確かさに寄与するかもしれないと考えられている。

【0010】

図２Ｂは、流路２６ａを含む第１シート２２と、第１シート２２上に重ねられた第２シート２４とを含む、図１の例示的な実施形態の流量リストリクタ１２の概略的な斜視図を示す。ここでシートという用語は、その横方向寸法（例えば、図２Ｃにおける横方向寸法及び縦方向寸法）よりも実質的に小さい厚みを有する構造をさすのに用いられる。円形のシート２１が示されているが、シート２１の外周は多角形などの他の形状であってもよい。均一な厚みの複数のシート２１が示されているが、これに代えて複数のシート２１は不均一な厚みであってもよい。あるいはシート２１はプレートと称されるものであってもよい。図２Ｃは、流量リストリクタ１２の概略平面図である。第１シート２２及び第２シート２４は、開口部を有する円形ディスクとして製造されてよい。開口部は第１シート２２と第２シート２４の中央に示されているが、開口部は代替的に他の場所に設けられてもよい。第１シート２２及び第２シート２４は、ステンレス鋼又は耐酸化腐食性材料からなる超合金を含む金属からなるが、これに限らない。第１シート２２上に第２シート２４を積層するために、第１シート２２と第２シート２４とは、例えば拡散接合によって融着されてよい。他の接着技術が代替的に用いられてもよい。あるいは、場合によっては、付加的な製造方法を用いて、本明細書に記載の流路をモノリシックな材料のブロック内に形成することもできる。

【0011】

図２Ｄは、第１シート２２を分離した状態の概略平面図である。第１シート２２の中央には円形の孔３４が設けられている。あるいは、孔３４は、円形以外の形状であってもよく、第１シート２２の他の場所に設けられていてもよい。流路２６ａは、第１シート２２の表面に設けられ、第１シート２２の周縁エリアにおいて外側拡張ゾーン２８と連通する溝を含む。この例では、流路２６ａは、孔３４の周囲に放射状に一様に分布する複数の流路２６の１つである。各流路２６ａは対応する溝を含んでもよく、各溝は、孔３４から第１シート２２の周縁エリアの対応する外側拡張ゾーン２８まで螺旋状に延びてよい。螺旋形状の溝は、リストリクタ内の流路を長くするという技術的な効果を有する。しかしながら、螺旋形状の溝が図示されているが、溝は、例えば非螺旋形状の直線又は曲線等、別の形状を有してもよい。外側拡張ゾーン２８は、典型的には流れ方向に垂直な断面積を有しており、これは流路２６ａ内における流れ方向に垂直な断面積よりも大きい。図２Ｄにおいて、上方から見ると、外側拡張ゾーン２８の幅Ｗ１は流路２６ａの幅Ｗ２よりも大きい。典型的には、外側拡張ゾーン２８の幅Ｗ１は、流路２６ａの幅Ｗ２よりも、２０％、５０％、１００％あるいは５００％大きくすることができる。

【0012】

図示の実施形態における溝の螺旋形状は、外側拡張ゾーン２８の内側境界３０で終端する。外側拡張ゾーン２８の内側では、外側拡張ゾーン２８の内側の流路２６の形状は、図示のように直線状としてもよく、曲線状に続けてもよい。溝は、化学エッチング、レーザーマイクロマシニング、又はその両方の組み合わせによって形成されてよい。あるいは、溝は、第１シート２２の材料がシートを完全に貫通するようカットされない（すなわち、有底溝を形成するようにカットされる）他の技術によって形成することもできる。

【0013】

第２シート２４の外周縁２７（図２Ｅ参照）は、外側拡張ゾーン２８において、拡張ゾーン２８の内側境界３０と外側境界３２との間で、第１シート２２に接触することが理解されよう。ここで、外側拡張ゾーン２８は、流路２６ａの一端によって受けられる。第１シート２２の厚みは、１０μｍ～１００μｍとすることができる。流路２６ａの長さは、第１シート２２の厚みの１００倍～１０００倍とすることができる。流路２６ａの幅は、第１シート２２の厚みの約５倍～１００倍とすることができる。

【0014】

第１シート２２の外周領域に外側拡張ゾーン２８を設けることにより、図２Ａの従来のディスク４２２を含む従来のリストリクタと比べて、流量制限性能の不確かさを低減することができる。

【0015】

図２Ｄに示されるように、第１シート２２の内周領域に内側拡張ゾーン２８’を設けてもよい。内側拡張ゾーン２８’は、追加的に、又は外側拡張ゾーン２８に代えて、第１シート２２に設けられてよい。第１シート２２の表面に溝を含む流路２６ａは、第１シート２２の内周領域において内側拡張ゾーン２８’とつながってもよい。各流路２６ａの対応する溝は、第１シート２２の外周領域の外側拡張ゾーン２８から、孔３４に隣接する内側拡張ゾーン２８’まで、螺旋状に向かう。第２シート２４の内周縁２７’（図２Ｅ参照）は、内側拡張ゾーン２８’において、内側拡張ゾーン２８’の内側境界３０’と外側境界３２’との間で第１シート２２に接触する。第１シート２２の内周領域に内側拡張ゾーン２８’を設けることにより、図２Ａの従来のディスク４２２を含む従来のリストリクタと比べて、流量制限性能の不確かさを低減することができる。典型的には、外側拡張ゾーン２８と同様に、内側拡張ゾーン２８’は、流れ方向に垂直なその断面積が、流路２６ａ内における同断面積よりも大きい。図２Ｄにおいて上から見ると、内側拡張ゾーン２８’の幅Ｗ３は、流路２６ａの幅Ｗ２よりも大きい。典型的には、内側拡張ゾーン２８’の幅Ｗ３は、流路２６ａの幅Ｗ２よりも２０％、５０％、１００％、又は５００％大きくてもよい。

【0016】

図２Ｅは、分離した状態の第２シート２４を示す概略平面図である。第２シート２４には孔２５が設けられており、ここでは孔２５は第２シート２４の中央にある。この例では、第２シート２４には流路が形成されていない。

【0017】

図２Ｆは、第１シート２２と上部の第２シート２４ａと下部の第２シート２４ｂによって形成された流量リストリクタ１２の概略分解図を示す。

【0018】

図２Ｇは、図２Ｂ～２Ｆの例示的な実施形態の流量リストリクタ１２の性能の不確かさを、従来の流量リストリクタと比較するシミュレーションデータに基づく予測的な棒グラフであり、上流圧力（Ｐ１）及び下流圧力（Ｐ２）のいくつかの組み合わせについて示しており、圧力はｋＰａで測定されている。図２Ｇの結果は、実験的不確かさの範囲内で実験データと一致するＣＦＤモデルを使用した数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションで得られたものである。図２Ｇに描かれている不確かさは、最悪のシナリオのリストリクタの形状の変動（restrictor-geometry variation）に対する、六フッ化硫黄と窒素のモル流量比の感度である。図２Ｇでわかるように、流量リストリクタ１２の第１シート２２の周縁エリアにおける外側拡張ゾーン２８の構成は、従来のディスク４２２を含む従来の流量リストリクタと比較して不確かさを低減する。この技術的効果は、幾何学的な不確かさ及び流路の端部を緩和（mitigating）することによって達成されると考えられる。

【0019】

図２Ｈは、図２Ｇに示す流量リストリクタの性能における不確かさの低減を示すシミュレーションデータに基づく予測図である。図２Ｈは、３つのケースについて、六フッ化硫黄の流路ごとのモル流量を、窒素のモル流量毎にプロットしたものである。理想的には、リストリクタは、図２Ｈのベンチマークケースで示されているように、無限の精度で製造することができる。しかし、実際には、考慮されるべき製造公差がある。図２Ｈにおいて、ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）の理想からのずれは、流量リストリクタ１２の第１シート２２の周縁エリアで外側拡張ゾーン２８の構成をもつものでは、従来のディスク４２２を備えた流量リストリクタと比べて小さいことがわかる。これは、図２Ｇに示されているように、流量リストリクタ性能の不確かさを低減するという潜在的な利点を達成する。

【0020】

図３Ａは、従来の流量リストリクタ５１２の断面側面図である。流れ入口５３６から流量リストリクタ５１２を通って流れ出口５３８に流れる流体の流れ方向は、矢印で示されている。第１シート５２２ａ、５２２ｂ、５２２ｃと、第２シート５２４ａ、５２４ｂ、５２４ｃ、５２４ｄは交互に積層されている。従来の流量リストリクタ５１２では、流体は、第２シート５２４ａ、５２４ｂの間及び第１シート５２２ａ、５２２ｂの流路を通って半径方向外側に流れる。しかし、他の従来の流量リストリクタでは、流体の流れは、第２シート５２４ａ、５２４ｂの間及び第１シート５２２ａ、５２２ｂの流路を通って半径方向内側に流れてよい。この例では、流体は第２シート５２４ａ－ｄを通って流れない。

【0021】

図３Ｂは、本開示の例示的な実施形態における流量リストリクタ１１２の断面側面図を示す。流体の流れ方向は矢印で示されており、リストリクタ流れ入口１２Ｃから、シート流れ入口１３６を通って、シート流れ出口１３８から流れ出し、最終的にリストリクタ流れ出口１２Ｄから流れ出るように導かれるように、流量リストリクタ１１２を通って流れる。第１シート１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ及び第２シート１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ、１２４ｄは、交互に積層されてリストリクタスタックＳを形成する。流量リストリクタ１１２は、リストリクタスタック１１２の上流端に接続された上流流路１２６ａを含む。下流流路１２６ｃは、リストリクタスタックの下流端に接続されている。

【0022】

この実施例の流量リストリクタ１１２では、第２シート１２４ｂ、１２４ｃの２つが、それぞれ、厚み全体を貫通するスリット１４０ａ、１４０ｂを含む。スリット１４０ａは、第１シート１２２ａの流路１２６ａと第１シート１２２ｂの流路１２６ｂとを流体連通させる。スリット１４０ｂは、第１シート１２２ｂの流路１２６ｂと第１シート１２２ｃの流路１２６ｃとを流体連通させる。

【0023】

従って、第１シート１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ及び第２シート１２４ａ，１２４ｂ，１２４ｃ，１２４ｄは、シート流れ入口１３６から、流路１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃ及び流量リストリクタ１１２のスリット１４０ａ，１４０ｂを通って、シート流れ出口１３８に至る連続流路を形成するように積層され整列されており、第２シート１２４ａ－ｃの垂直断面で見て、この連続流路が、第２シート１２４ａ－ｃの厚み方向に沿って延びる蛇行形状をなしている。この例では、流体の流れは、シート流れ入口１３６から流量リストリクタ１１２のスタックＳを通ってシート流れ出口１３８に至るように、流路１２６ａ、スリット１４０ａ、流路１２６ｂ、スリット１４０ｂ、及び流路１２６ｃをこの順で通る。流量リストリクタ１１２内の流路の有効長を増加させ、流体流を複数の第１シート１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを通過させることにより、従来の流量リストリクタ５１２と比較して、流量抵抗性能の不確かさを低減することができる。

【0024】

図４Ａは、本開示の例示的な実施形態における流量リストリクタ２１２のスタックＳの概略分解図を示しており、８枚の第１シート２２２ａ～ｈ及び９枚の第２シート２２４ａ～ｉが交互に積層されてリストリクタスタックを構成している。図３Ｂの例示的な実施形態と同様に、第１シート２２２ａ～ｈのそれぞれには流れ通路２２６ａ～ｈが形成され、第２シート２２４ａ～ｉのそれぞれには、第２シート２２４ａ～ｉの厚み全体を貫通するスリット２４０ａ～ｉが形成されている。交互に積層される第１シート及び第２シートの数は、図４Ａに描かれた数に特に限定されず、流量リストリクタ２１２を組み込んだマスフローコントローラの用途に応じて、この数より多くても少なくてもよいことが理解されよう。スタックＳのシート数の好ましい範囲は３～９９の間であり、より好ましくは５～１５の間である。

【0025】

図３Ｂ及び図４Ａの例示的な実施形態では、リストリクタを通る連続的に測定された複数の流体流量を、複数の第１シートの数で割り、１つの第１シートあたりの流路の数で割ったものは、０．１未満の平均マッハ数とできる。ここで、平均マッハ数は、質量流量を、リストリクタ内の平均密度、流路断面積、気体中の音速及び流路の総数の積で割ったものとして定義される。この定義に基づいて、一定の質量流量に対して、リストリクタ内の平均密度を増加させ、流路断面積を増加させ、及び／又は流路の総数を増加させることによって、マッハ数を０．１未満に減少させることができる。図３Ｂ及び図４Ａの実施形態では、交互に積層されてリストリクタスタックを構成する第１シート及び第２シートの数を増加させることによって流路の総数を増加させることができ、これにより平均マッハ数を０．１未満にできる。

【0026】

３つの第１シート１２２ａ～ｃを備え、１つの第１シートにつき１つの流路が形成された図３Ｂの例示的な実施形態では、リストリクタ１１２を通る連続的に測定される複数の流体流量を３で割り、１で割ると、平均マッハ数を０．１未満とできる。８枚の第１シート２２２ａ－ｈを備え、１つの第１シートにつき１２個の流路が形成されている図４Ａの例示的な実施形態では、リストリクタ２１２を通る連続的に測定される複数の流体流量を３で割り、１２で割ると、平均マッハ数が０．１未満である。

【0027】

図４Ｂはシミュレーションデータに基づく予測チャートを示しており、第１シートの数が増加するにつれて流量リストリクタの性能における不確かさが減少することを示しており、これは平均化処理によるものである。図４Ｂが示すように、流量リストリクタの性能の不確かさは、平均化処理により、第１シートの数が増加するにつれて減少する。図４Ｂは、ＣＦＤ及び実験データとよく一致する簡略化された物理ベースのモデルを使用した理論結果を示している。このチャートの場合、測定された不確かさは、六フッ化硫黄と窒素のモル流量比の、第１シートの幅（width）のランダムな変動に対する感度である。図４Ｂの結果を得るために、多くの代表的な運転条件が使用された。

【0028】

図４Ｃは、膨大な数の流路形状及びプロセスガスに対する平均マッハ数の関数として、流量リストリクタの性能の不確かさを示す、シミュレーションデータに基づく予測チャートである。その結果は、ＣＦＤ結果及び実験データとよく一致する単純化された物理ベースのモデルで得られた。不確かさは、図２Ｇのように定義され、最悪のシナリオにおけるリストリクタの形状の変動に対する六フッ化硫黄と窒素のモル流量比の感度として描かれている。しかし、図２Ｇとは異なり、図４Ｃのチャートは、六フッ化硫黄以外の異なるガスを使用した流量比を使用している。図４Ｃのチャートにおいて‘１ｅ－１’で示されているように、図４Ｃは、平均マッハ数を約０．１未満に維持することによって不確かさを低減できることを示している。

【0029】

図５Ａは、流量リストリクタの従来のディスク６２２の概略平面図であり、ディスク６２２は孔６３４から放射状に延びる流路６２６を含んでいる。流路６２６の形状は長方形であることに留意されたい。

【0030】

図５Ｂは、本開示の例示的な実施形態の流量リストリクタ３１２を示す概略分解図である。図５Ｂに示されるように、流量リストリクタ３１２は、流路３２６を含む第１シート３２２と、第１シート３２２の上に積み重ねられた第２シート３２４とを備える。第２シート３２４には孔３２５が設けられており、ここでは孔３２５は第２シート３２４の中央に設けられている。流路３２６は、第１シート３２２の厚み内（in a thickness）に設けられた蛇行溝であり、この蛇行溝は上方から見て第１シート３２２の表面に沿って蛇行した形状を形成する。

【0031】

図５Ｃは、分離した状態の第１シート３２２の概略平面図である。第１シート３２２には孔３３４が設けられており、ここでは孔３３４は第１シート３２２の中央に設けられている。流路３２６は、第１シート３２２の表面又は厚みを通る（貫通する）複数の蛇行溝を含む。流路３２６が含む複数の蛇行溝の各々は、径方向に延びる一対の放射状部分３２６ａ，３２６ｂと、当該複数の放射状部分３２６ａ，３２６ｂの間の流路を規定する複数の円弧状部分３２６ｃ～ｋとを含む。流量リストリクタ３１２の内部の流路の有効長さを増加させることにより、従来のディスク６２２を備えた従来の流量リストリクタと比べて、流量リストリクタ３１２の性能の不確かさを低減することができる。

【0032】

図５Ｄは、上流圧力（Ｐ１）及び下流圧力（Ｐ２）のいくつかの組み合わせについて、図５Ｂ～Ｃの例示的な実施形態の流量リストリクタ３１２の性能の不確かさを、従来のディスク６２２を備えた従来の流量リストリクタと比較するシミュレーションデータに基づく予測データプロットであり、圧力はｋＰａで測定される。図５Ｄの実験結果は、実験の不確かさの範囲内で実験データと一致するＣＦＤモデルを使用したＣＦＤシミュレーションで得られた。図５Ｄに描かれている不確かさは、最悪のケースのシナリオのリストリクタジオメトリの変動に対する六フッ化硫黄と窒素のモル流量比の感度である。図５Ｄに見られるように、第１シート３２２の表面における複数の蛇行溝を含む流路３２６の構成は、従来のディスク６２２を含む先行技術の流量リストリクタと比較して不確かさを低減する。本発明者らは、ＣＦＤシミュレーションにより、蛇行溝の角部における圧力損失は最小であり、不確かさにほとんど寄与しないことを実証した。

【0033】

図６は、シミュレーションデータに基づく予測的な棒グラフであり、滑らかな第１シート及び第２シートを有する従来の流量リストリクタのガス比分散と、第２シートが第１シートよりも粗い表面を有する例示的な実施形態の流量リストリクタのガス比分散とを比較している。図６の例示的な実施形態では、粗さパラメータ（Ｒａ）と流路厚みの比率は１～５％であった。換言すれば、上述の例示的な実施形態について、第２シートは、第１シートの表面に対して粗面化された表面を有し得る。換言すれば、第２シートの粗さパラメータは、第１シートの粗さパラメータよりも大きくてもよい。粗さパラメータは、プロファイル粗さパラメータ又は面積粗さパラメータであってよい。

【0034】

図６のガス比の分散は、ある条件下におけるヘリウムと窒素の流量比の最大変動として定義される。この分散が大きいほど、流量リストリクタの性能の不確かさが大きくなる。図６の結果は、実験の不確かさの範囲内で実験データと一致するＣＦＤモデルを使用したＣＦＤシミュレーションによって得られた。

【0035】

原理的には、第２シートの壁を粗くすることは、粗さを特徴づけるパラメータが不確かさに加わるため、流量リストリクタの性能の不確かさを増加させると従来考えられていた。その結果、滑らか（平滑）な壁を持つ第２シートを使用することが、流量リストリクタの設計における標準となっていて。例えば、粗さパラメータ（Ｒａ）と流路の厚みの比は通常は約１％未満である。

【0036】

しかし、図６の予期せぬ結果は、第２シートの粗面化によって、単に粗さパラメータを変更した場合の効果に比例しない不確かさの低減がもたらされることを示している。したがって、図６の予期せぬ結果は、壁を粗面化することで、少なくとも上記で考慮した運転パラメータについて、流量リストリクタの不確かさを大幅に低減できることを示している。第１シート及び第２シートの表面の粗面化は、異なる様々な方法で達成することができる。１つは、第２シートを作るために使用される金属シートを機械的摩耗させることである。もう一つは、第１シートと第２シートの拡散接合中に温度と圧力を循環させて壁を粗くする方法である。

【0037】

本明細書に記載される構成及び／又はアプローチは、本質的に例示的なものであり、多数の変形が可能であるため、これらの特定の実施形態又は例は、限定的な意味で考慮されるべきものではないことが理解されるであろう。

【0038】

例えば、図２Ｂ～Ｆの例示的な実施形態の特徴は、図４Ａの例示的な実施形態の特徴と組み合わせて、平均マッハ数が０．１未満の複数の第１シート及び第２シートを有するリストリクタスタックに拡張ゾーンを組み込んでもよい。図２Ｂ～Ｆの例示的な実施形態の特徴は、図３Ｂの例示的な実施形態の特徴と組み合わせて、第２シートの厚み方向に沿って延びる蛇行流路を有する流量リストリクタに拡張ゾーンを組み込んでもよい。

【0039】

あるいは、図５Ｂ～Ｃの例示的な実施形態の特徴を図４Ａの例示的な実施形態の特徴と組み合わせて、平均マッハ数が０．１未満の複数の第１シート及び第２シートを有するリストリクタスタックの第１シート上に蛇行溝を組み込んでもよい。図５Ｂ～Ｃの例示的な実施形態の特徴は、図３Ｂの例示的な実施形態の特徴と組み合わせて、第２シートの厚み方向に沿って延びる蛇行流路を有する流量リストリクタの第１シート上に蛇行溝を組み込んでもよい。さらに、図３Ｂの例示的な実施形態の特徴を図４Ａの例示的な実施形態の特徴と組み合わせて、第２シートの厚み方向に沿って延びる蛇行流路を、平均マッハ数が０．１未満の複数の第１シート及び第２シートを有するリストリクタスタックに組み込んでもよい。

【0040】

さらに、本明細書の開示は、以下の態様１～２０を含み得る。

【0041】

（態様１）
流路を含む第１シートと、前記第１シートの上に積み重ねられた第２シートとを備え、前記第２シートの中央には孔が形成されており、前記流路が、前記第１シートの表面に切り込まれた溝を含み、当該溝は前記第１シートの周縁エリアにおける拡張ゾーンと連通しており、前記拡張領域におけるその内側境界と外側境界との間で、前記第２シートの周縁端部が第１シートに接触する流量リストリクタ。

【0042】

（態様２）
前記流路が前記孔の周囲に放射状に均一に分布する複数の流路のうちの１つである、態様１に記載の流量リストリクタ。

【0043】

（態様３）
各流路が、前記孔から、前記第１シートの前記周縁エリアにおける対応する拡張ゾーンまで螺旋状に延びる対応する溝を含む、態様２に記載の流量リストリクタ。

【0044】

（態様４）
前記第１シートが複数の第１シートのうちの１つであり、前記第２シートが複数の第２シートのうちの１つであり、前記複数の第１シートと前記複数の第２シートが交互に積み重なってリストリクタスタックを形成する態様１に記載の流量リストリクタ。

【0045】

（態様５）
前記リストリクタスタックの上流端に接続された上流流路と、前記リストリクタスタックの下流端に接続された下流流路とを更に備え、当該流量リストリクタを通る連続的に測定された複数の流体流量を、複数の第１シートの数で割り、前記第１シートあたりの流路の数で割った平均マッハ数が０．１未満となる、態様４に記載の流量リストリクタ。

【0046】

（態様６）
前記第２シートがその厚み全体を貫通するスリットを含み、前記第１シートと前記第２シートが積み重ねて整列され、前記第２シートのスリットと前記第１シートの流路を通る連続流路を形成している態様１に記載の流量リストリクタ。

【0047】

（態様７）
前記連続流路が、前記第２シートの垂直断面を視て、前記第２シートの厚み方向に沿って延びる蛇行形状を形成している態様６に記載の流量リストリクタ。

【0048】

（態様８）
前記第２シートが、前記第１シートの表面と比較して粗くした表面を有する、態様１に記載の流量リストリクタ。

【0049】

（態様９）
流路を含む第１シートと、前記第１シートに積層された第２シートとを備え、前記第２シートの中央に孔が設けられており、前記流路が、前記第１シートの厚みを貫通し（cut through a thickness）、上方から視て、前記第１シートの表面に沿って蛇行した形状をなす蛇行溝である流量リストリクタ。

【0050】

（態様１０）
前記流路が、前記第１シートの厚みを貫通する複数の蛇行溝を含む態様９に記載の流量リストリクタ。

【0051】

（態様１１）
前記複数の蛇行溝の各々が、径方向に延びる一対の放射状部分と、当該複数の放射状部分の間の流路を規定する複数の円弧状部分とを含む、態様１０に記載の流量リストリクタ。

【0052】

（態様１２）
前記第１シートが複数の第１シートのうちの１つであり、前記第２シートが複数の第２シートのうちの１つであり、前記複数の第１シートと前記複数の第２シートが交互に積み重なって、リストリクタスタックを形成している態様９に記載の流量リストリクタ。

【0053】

（態様１３）
前記リストリクタスタックの上流端に接続された上流流路と、前記リストリクタスタックの下流端に接続された下流流路とをさらに備え、当該流量リストリクタを通る連続的に測定された複数の流体流量を、前記複数の第１シートの数で割り、第１シートあたりの流路の数で割った平均マッハ数が０．１未満である態様１２に記載の流量リストリクタ。

【0054】

（態様１４）
前記第２シートがその厚み全体を貫通するスリットを含み、前記第１シートと前記第２シートが積み重ねて整列され、前記第２シートのスリットと前記第１シートの流路を通る連続流路を形成している態様９に記載の流量リストリクタ。

【0055】

（態様１５）
前記連続経路が、前記第２シートの垂直断面を視て、前記第２シートの厚み方向に沿って延びる蛇行形状を形成している、態様１４に記載の流量リストリクタ。

【0056】

（態様１６）
前記第２シートが前記第１シートの表面と比較して粗くした表面を有する、態様９に記載の流量リストリクタ。

【0057】

（態様１７）
流路を構成する第１シートと、前記第１シートに積み重なった第２シートとを備え、前記第２シートの中央には孔が設けられており、前記第２シートが、その厚み全体を貫通するスリットを含み、前記第１シートと前記第２シートとが積み重ねて整列され、前記第２シートのスリットと前記第１シートの流路を通る連続流路を形成している流量リストリクタ。

【0058】

（態様１８）
前記連続流路が、前記第２シートの垂直断面を視て、前記第２シートの厚み方向に沿って延びる蛇行形状を成している、態様１７に記載の流量リストリクタ。

【0059】

（態様１９）
前記第１シートが複数の第１シートのうちの１つであり、前記第２シートが複数の第２シートのうちの１つであり、前記複数の第１シートと前記複数の第２シートが交互に重ねられてリストリクタスタックを形成している態様１７に記載の流量リストリクタ。

【0060】

（態様２０）
前記リストリクタスタックの上流端に接続された上流流路と、前記リストリクタスタックの下流端に接続された下流流路とを更に備え、当該流量リストリクタを通る連続的に測定された複数の流体流量を、前記複数の第１シートの数で割り、第１シートあたりの流路の数で割った平均マッハ数が０．１未満である態様１９に記載の流量リストリクタ。

【0061】

本開示によれば、マスフローコントローラの流量リストリクタの性能の不確かさが減少するので、様々な産業用途において流体送達の品質を向上させることができる。

【0062】

主題開示は、本明細書に開示された様々な特徴及び技術の新規かつ非自明な組み合わせ及び下位組み合わせをすべて含む。本明細書に開示された様々な特徴及び技術は、主題開示の全ての実施例に必ずしも要求されるものではない。さらに、本明細書に開示された様々な特徴及び技術は、開示された実施例とは別に特許可能な主題を定義することができ、本明細書に明示的に開示されていない他の実施態様において有用性を見出すことができる。

【0063】

本明細書で使われる「及び／又は」とは、論理的な選言操作を意味し、したがって、Ａ及び／又はＢは以下の真理値表を持つことが理解されよう。

【0064】

“含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）”、“含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）”、“備える（ｈａｓ）”、“含む（ｃｏｎｔａｉｎｓ）”等の用語が本明細書で使用されているが、これらの用語は、追加要素やその他の要素を排除することなく、開放的な移行語としての“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）”と同様に、包括的であることが意図されている。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図2G】

【図2H】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【国際調査報告】