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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

ヘリウム

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。
190318_01


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

真・MFC千夜一夜物語 第273話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その5

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」 20193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。

 

ヘリウム(He)

 

ヘリウムは宇宙では水素の次に多い元素です。
ですが、地球の大気には1m3にわずか5mLしか存在していません。
最近、ヘリウムの値上がりが激しく、北アメリカとアフリカにあるヘリウムプラントは引っ張りだこでのようです。

水素の次に小さく軽いガスであるヘリウムは、水素のような爆発の危険性を有しないことから、水素代替として用いられることがあります。
1937
56日飛行船ヒンデンブルグ号が飛行中に外装塗装面に生じた静電気を、着陸時に上手くアーシングできずに内部の水素ガスに引火し大爆発を起こした事件があります。
(同世代以上の方には、あのLed Zeppelinのファーストアルバムのジャケット絵で有名でしょう)

この事件以後、飛行船の浮遊に用いるガスはヘリウムとなりました。(本来はヒンデンブルグ号もヘリウム仕様だったのですが、アメリカが法律で不燃性のヘリウムガスの輸出を禁止していたため、やむなく水素ガスを使用していた、という説もあります。)

リーマンショック前は首都圏の空の広告塔として優雅に浮かぶ飛行船を見かけることがありましたが、最近はその機会も減りました。
世界的なヘリウムの値上がりが原因の一つかもしれませんね・・・

 

ヘリウムをマスフローで使用する際の注意点は、前回の水素と同じです。
その小さく軽い性質から、リークに関しては細心の注意が必要です。
また、MFCのバルブにとっては油断のならないガスである事も同じです。
ただ、水素と異なりコンバージョンファクター(CF)は1.4近辺ですから、流量センサーにとっても、バルブにとっても流れやすい傾向ですので、まだMFCとしては作りやすいかなと思います。
この辺りが、次回ご紹介するアルゴン(Ar)とはえらい違いなのですよ・・・


少しガスの話から離れますが、液体MFCでよく使われる技術なのでここで紹介しておきます。
ヘリウムはよく液体の圧送用に用いられます。
液体供給は気体と異なり、上流の液タンクにガスで圧力をかけて押し出す圧送が主です。
本来、液体を加圧して送る為には、後段での気泡発生を避けるために、その液体に溶け込みにくいガスを選定します。
圧送する気体圧力が倍になれば、溶け込む量も倍になるので、神経質にならざるを得ないのですが、だからといって液体に全く溶け込まないガスは存在しませんので、結局気泡は出てしまうのです。
そこで思いつかれたのが脱気装置(デガッサー)による気泡抜きです。
溶け込んだ気体を途中で脱気するには特別な仕組みが必要になります。(下図)

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図中のスパイラル状の配管材質は、金属管のように分子間距離が近くて気体がすり抜けられないものではなく、気体がある程度すり抜けていくフッ素樹脂製の管を選ぶのがコツです。
それを気密性高い真空チャンバーに入れ、チャンバー内をポンプで真空引きします。
そうすることでフッ素樹脂配管の内外で圧力差が生じ液体に溶け込んだ気泡を引き抜く事ができるシステムです。
この場合は、前述の逆で溶け込みやすさよりも、フッ素樹脂をすり抜けやすい小さな元素を用いたいので、自ずから安全面で問題がある水素を省き、ヘリウムが選ばれます。

 

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 【高圧対応デガッサー出典:(株)タテヤマ製作所】
 

写真の()タテヤマ製作所高圧対応デガッサーTDG-10-3-I は、テフロンAFを使用した1MPaまでの高圧圧送に使用できます。

当然圧送圧が高いほど溶け込み量は多くなりますが、デガッサーでの脱気効率も圧力勾配が大きくなると高くなるので、なかなか他のデガッサーでは対応できない注目の製品です。

 

気になった方は、Decoまでお問い合わせください。

 

【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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