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EZ-Japanブログは、真・MFC千夜一夜物語という流体制御機器=マスフローコントローラ(MFC)の解説記事をメインに、闘病復帰体験、猫達との生活が主なコンテンツです

アルゴン

真・MFC千夜一夜物語 第274話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その6

もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」誌 2019年3月号(2/25発売)では、マスフローコントローラ(MFC)の流量制御バルブのアクチュエーターとしてソレノイドを搭載したMFCの使用上の留意点を解説しています。

アルゴン(Ar)
アルゴンは不活性ガスの代名詞のようなガスですね?。
アルゴンのネーミング由来が、ギリシャ語でelgon「働く」という言葉に否定語のanを付け「働かない:=不活性な」という造語であることからもうかがえます。
実はニートなガスだったんですね、アルゴンは。
アルゴンはヘリウム、ネオン、クリプトン等と同じ希ガスですが、液体空気からの分留で容易に得られるため、比較的入手しやすいガスで、半導体製造工程ではスパッタ装置を始め各種工程で使用されていますし、分析装置では試料のキャリアガスとして、そしてアルゴン溶接では溶接中の酸化を抑える保護ガスとして各業界で幅広く活躍しているガスなのです。


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【出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】

マスフローコントローラ(MFC)にとって、アルゴンは窒素と並んで制御しやすいガスなのですが、少々厄介なところがあることはあまり知られていません。
実はアルゴンとヘリウムのコンバージョンファクタ(CF)は近似していて、だいたい1.4近辺です。
では、この2種のガスを切り替えて一つのMFCで流量制御できるか?というと大間違いなのです。
それはバルブ側に原因があります。
流体としてのヘリウムとアルゴンは、バルブ部のオリフィスを通過しやすさで比較すると、必ずしも同じではないのです。
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ここで重要になるのは、密度です。
窒素の密度が1.25kg/m3に対して、ヘリウムは0.1785 kg/m3しかありません。
それに対してアルゴンの密度は1.784 kg/m3もあるのです。(いずれも0℃,1013hPa条件) 
バルブでよく使われる容量係数であるKv値の式に当てはめて、あるバルブオリフィスを選定した場合に、同じ圧力・温度条件でヘリウムとアルゴン、2つのガスを流した時に流れる流量比を計算すると、ヘリウムの方が3倍以上多く流れる結果が出てしまいます。
(MFCの場合、このKv値、もしくはCv値でバルブオリフィスの全開流量を算出しても、全開流量がそのまま流量制御フルスケール流量ではないのですが、目安にはなります。)
つまり同じバルブ設定ではこの2つのガスは流量差が大きすぎて、同じように制御できない可能性が高いということです。
ヘリウム用のMFCでアルゴンを制御した場合、低設定流量の制御は問題ないが、設定を高くしていくとどこかのポイントで流量制御が頭打ちして流れなくなってしまい、SV値(流量設定値)>PV値(流量出力値)という現象が発生してしまいます。
応急処置としては、アルゴンの供給圧力を上げることで、なんとか流すことができることもありますが・・・
やはりCFが似通っているからという理由だけで、他のガスを流すのは様々なリスクがあると考えて下さい。
アルゴンのような重いガスとヘリウムのような軽いガスは、そもそも流量制御バルブの選定が異なって当然という認識を持ってくださいね。

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

新年のご挨拶&真・MFC千夜一夜物語 第267話 コンバージョンファクターは1つではない その4


2019年 亥年 新年あけましておめでとうございます。
皆様、いかがお過ごしでしょうか?

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本年もマスフローコントローラ(MFC)&マスフローメーター(MFM)に関する記事を定期的にアップしていきたいと思っております。
どうぞ当ブログを宜しくお願いいたします。


2019
年一回目の更新は、真・MFC千夜一夜物語 で、ラスボスCFとの戦いの第4回目をお届けします。

 

CFへの流量レンジ影響

 第4回目ではマスフロー(MFC&MFMの総称)の流量レンジを変えることでのCFへの影響を確認してみましょう。

ブロンコスト社(Bronkhorst High-Tech B.V.で、流体をアルゴンガスの 大流量MFMモデルでF-113AC-1M0を選定して、このモデルの流量下限フルスケールのFS600SLMと、上限のFS2500SLMを選んでみました。
それぞれ空気換算すると400SLM1670SLMです。
ブロンコスト社で大流量モデルはコンプレッサーエアーが基準流体になります。
この流量レンジで純度の高い窒素ガスを校正用にドバドバとはは使いたくないですよね。
両レンジでCFが大きく変化しているのが下図でわかります。

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600SLMでのCF1.422100FS、ところが2500SLMでは1.562100FSです。
興味深いのは、FS2500SLMモデルの 250SLM10FSでのCF1.404であることです。600SLMモデルの同じ流量ポイントとなる250SLM41.7FSで計算するとやはり1.404なのです。
CF
の変化はアルゴンの流量レンジが大きくなるにつれ、1.4221.568と大きな値に変化していきます。

今度は流体を変えて水素で見てみましょう。(下図)
ここでまた不思議な現象が確認されます。

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水素ではアルゴンと逆の現象が起きるのです。
モデルの最小レンジであるFS400SLMでのCF0.9766100FS、これが最大レンジであるFS1400SLMでは、なんと0.8735100FSとなっています。
アルゴンとは逆に流量レンジが大きくなるにつれ、CF0.97660.8735と小さくなってしまうのです。

実はDecoはこのマルチCFの罠にしっかり嵌って、失敗をしたことがあります。
なまじっか経験が長い為に、“空気と水素のCFは、ほぼ近似していて1である。”というシングルCF時の知識で、「空気換算1670SLMF-113AC-1M0が作れるのだから水素も同じはず・・・」とFLUIDATで確認せずに顧客仕様を決めてしまったことがありました。
蓋を開けたら0.8735倍の1459SLMしか流れないわけで、平謝りして納入前に流量レンジをFS1400SLMに下げてもらったのです。
まさに“生兵法は怪我の元”ですね?お恥ずかしい限りです。

 

今回の比較で興味深いのは、アルゴンも水素も25FS程度の低流量域から100%FSまで大きくCFが曲がっていることです。
これは巻線式センサーで分流構造をとるマスフローにはつきまとう“分流比”の変動が要因と考えられます。
一般的な巻線型のマスフローで採用されている熱式センサーは、測定対象である流体を全量測っているわけではありません。
流量センサーに流れるのは510ml/min程度の流量であり、残りはすべて層流素子(バイパス)部を流れるように設計されています。
これはセンサー管内の流れを層流で維持する為であることは、今までの連載で何度か解説しましたね?

ここで問題になるのは、このセンサー管と層流素子の分流比率です。
その分流比率は、どんな場合でも一定にはならないのです。
高圧から真空(subatmosphericレベル)までの圧力条件、微小流量から大流量までの流量レンジで一定の分流比の維持は難しいのです。
また、ガス種により、アルゴン、二酸化炭素のような重いガス、水素のような軽いガスでは、自ずと校正に使用する基準ガスである窒素や空気とは異なってきてしまうのですね。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan


真・MFC千夜一夜物語 第266話 コンバージョンファクターは1つではない その3

もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」 201812月号(11/26発売)では、マスフローのゼロシフトに対するゼロ調整に関して解説しています。

本ブログと併せてお読み頂けましたら、幸いです。

 

さて、本物語のラスボスの一つCFの信憑性”との戦いの最中です

前回はCFへの温度影響を確認しましたが、今回は圧力影響に関してです。

Bronkhorst HIGH-TECH B.V.(以下ブロンコスト)WEBで提供しているFLUIDATonthe Net”(以下FLUIDAT) を使って今度は、ガスをアルゴンにして解説しましょう。

 
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上図ではアルゴンガス、FS100SCCMMFM での比較です。
今回は圧力条件(流体の供給圧)での比較となります。
マスフローの一般的な構造を下図に示しますが、ここでいう圧力は流量センサー管にかかる圧力になるので、一次圧のことを言い、MFCの際の二次圧や差圧は関係ありません。

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*以前、UNIT社とそのフォロワーにあったMFC二次側に流量センサーを置く=流量制御バルブ→流量センサーという特異なレイアウトのMFCにとっては、ここは二次圧となるのですが、これではセンサー管内の圧力がプロセスで変動しやすくなり、あまり好ましくなかったのではないかとDecoは思っています。)


0.1MPa
条件と、選定したMFMの圧力定格最大値である10MPaで比較してみましょう。
結果は0.1MPa1.387100FSという、我々マスフロー業界の人間としては、CF表で馴染みのあるアルゴンのCF1.4に近い値となったのですが、10MPaだと1.181100FSという驚きの数値となるました。
更に高い圧力でのCF変化を調べるべく、モデルを変えて定格40MPaまで耐えられるEL-FLOW F-131Mを選んでみます。

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上図にあるように、40MPaでのCF0.9587100FSと、これはもうアルゴンのCFとは思えない値まで下がっています。
前回の温度変化の影響よりも、気体が圧縮されることで密度が変化する圧力変化影響が非常に大きいのが見て取れます。

 

 「これほど極端な高圧条件でマスフローを使わないので問題ない。」というユーザーが当然多いと思います。
因みにMFM F-111B-100の真空10kPaA)での値は1.391100FSでした。
0.5MPa
での値は1.378100FS 0.8MPa1.371100FSですから、例え高圧=1MPa未満であるからといって、CFへの圧力影響が皆無ではないことを、頭に入れておいてくださいね。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

EZ-Japan(イージージャパン)Deco こと 黒田です。 2014年6月開業です。流体制御機器マスフローコントローラーを中心に”流体制御関連の万(よろず)屋”として情報発信しています。 日本工業出版「計測技術」誌で”マスフロー千夜一夜物語”の連載中です。
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