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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

マスフロー

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)

190311_01

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

真・MFC千夜一夜物語 第272話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その4

 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、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マスフローコントローラ(MFC使用上の留意点を解説しています。

 


水素(H2

今回のお話は水素です。
水素は、無臭、無害であり、地球上ではH2Oの状態で多量に存在しています。
ここ最近は、燃料電池で一般的に馴染み深くなったガスですね?

いささか古い話で恐縮なのですが、Decoの世代は水素が元素周期表の一番手に出てくることもあり、学生時代は「水兵リーベー・・・」と覚えた記憶が蘇るガスです。
ちにみに水兵の兵は、次回取り上げる予定のヘリウムです。

 

水素は空気との混合では爆発下限4.1%~上限74.2 %、酸素との混合に至っては下限 4.65 %~上限 93.3 %という爆発しやすい性質を持っています。
さらに厄介なのは周期表の一番手=元素のなかで最も小さく軽いということであり、非常に拡散しやすい性質を持っています。

これこそが「水素が可燃性ガスとしての非常に高い危険性を有している」と言われている理由なのです。

ただし、前回酸素の解説でも触れましたが、可燃性ガスは、同時に空気や酸素という支燃性ガスが存在して、更に静電気などの点火要因がそろわないと爆発は起こりません。

つまり水素ボンベが目の前にあることが危険なのではなく、その横に酸素ボンベを設置したりして、わざわざ3要素をそろえてしまうことが危険なのです。

水素の漏れやすい性質が、この3要素の集結に一役かってしまうので、水素配管は特にリークに注意しなくてはいけません。
リークチェックには、ヘリウムリークディテクターを用いて、日頃の点検に水素ガス検知器は必須です。

 

マスフローとの問題に関しては、以前も解説していますが、改めて解説しておきます。

コンバージョンファクター(CF)は窒素(N2)と同じでほぼ1と定義するマスフローメーカーは多いです。
だからといって窒素のMFCを水素に使って仕様通りの性能が保証できるだろうか?と言えば、それはノーです。
水素は窒素に対して密度では1/14なのに対して比熱は13.6倍あるガスなのです。

 190304_01

この為、窒素に近似のCF値を示すのですが、これだけで本当の意味でのCFが決まるわけではなありません。
正確には分流比への影響等から、微妙に両者のCFは食い違っているのです。
Bronkhorst High-Tech B.V.(
以下ブロンコスト社)がインターネット上で公開しているFLUIDAT® on the Netサイジングツールを使わせていただいて、一つの例を引用提示しましょう。

 190304_02


上図はあくまでブロンコスト社のCFであり、他メーカーのそれとは異なる可能性があることを、前もって断っておきます。
供給圧力0.3MPa 1ln/min1L/min[n]n0,1013hPa校正)の水素での100%1L/minから10%=0.1L/minまでのCF変化です。
このように水素のCFは流量レンジの途中で膨らむ傾向があり、校正時に使用するガスである窒素に対してリニアリティに問題が生じることは、よく指摘されています。
また、この傾向は圧力が20MPaを超えて高くなるにつれ、少なくなる事も確認されています。

 

水素というガスは流量制御バルブを持つMFCにとっては、あまり得意なガスではない事は、必ず認識しておいてください。
Decoは「MFCの天敵」とよく表現しています。

密度が小さく、軽くて、拡散しやすい=小さな隙間からでも流れていきやすい水素の性質は、MFCのわずかなギャップを調整することで流量制御を行うバルブ方式にとっては、すこぶる扱い辛い性質なのです。
MFC
CFと並ぶ重要な要素である流量制御バルブ定数=バルブの設定(オリフィス径等)は窒素の10倍小さい設定にしなくてはいけません。
つまり水素F.S.1L/minで製造されたMFCと窒素F.S1L/minMFCとはバルブオリフィスの部品やリフト量の設定は全くの別物だという事です。
現実に窒素用MFCに水素を流した場合、バルブ設定が大きすぎる事になり、流量制御開始時に水素が大量に流れてしまうことでオーバーシュートなどの流量異常トラブルを起こしやすいのです。

 

これも当然なのですが、バルブの締め切り性能にも期待できません。

バルブシートの材質により内部リークが発生してしまいます。
この漏れ量は弁座がSUS等で構成されたメタルバルブでは大きく、次にPCTFE等の樹脂、フッ素ゴム系の順番で小さくなります。
MFC
のバルブの役割はあくまで流量コントロールであって、閉止弁ではないので、これはやむを得ないところなのです。

 

【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271話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! 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」

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。


酸素(O2

酸素は一般的なガスの一つですが、支燃性ガスとして非常に危険なガスである事があまり認識されていません。
水素やプロパンのような可燃性ガスには注意を払っても、酸素に関しては無関心なユーザーをたまに見かけます。
可燃性ガスは一部を除き単独では燃焼爆発の危険はありません。
しかし、支燃性ガスと一定の割合で混ざると燃焼爆発するのです。
「燃えるもの」「燃やすもの」「火気」という燃焼の三要素ですが、「燃やすもの」役割が支燃性ガスです。
つまり支燃性ガスである酸素こそが、厳重な管理を必要とするガスなのです。
漏れた酸素が引き金になり、爆発事故での大惨事を招く可能性を常に考慮しなくてはいけません。

また、爆発事故をおこさなくても、閉鎖空間内の人間に対して空気中の酸素濃度21%を上回る状態が長時間継続すると、肺や目に障害をもたらします。
「人間にとっては有用な酸素だから、リークしても大丈夫」等という認識はすぐに捨てて下さい。
人間に必要なのは21%酸素を含む混合ガスである「空気」なのであり、100%酸素は害にしかなりません。
この間違った酸素に対する認識は、ダイビングで水中にもぐる際には「酸素ボンベ」を背負っていけば水中で呼吸ができるという間違ったネーミングが原因の一端かもしれません。
あれは純酸素100%のボンベではありません。
一部酸素濃度がリッチなタイプもありますが、通常は大気と同じ成分の「乾燥空気ボンベ」なのです。


酸素はMFCやマスフローメータ(MFM)にとっては、測定、制御に大きな問題のあるガスではありません。
ですが、前述の通り支燃性ガスとして非常に厄介なガスであることから、酸素と可燃性ガスとはマスフローを含む配管ラインを共用してはいけません。
また、マスフロー(MFCとMFMの総称)の接ガス面に対する禁油処理は必須です。
もちろん油脂分を含んだ機器や工具で酸素ラインの施工を行うことは厳禁です。

因みに・・・・ブロンコスト(Bronkhorst High-Tech B.V. )のマスフローは、禁油処理に関して厳格な対応をしています。
オプションとして Degreasing Certificate(禁油処理証明付き)だけでなく、洗浄、禁油処理をしたマスフローを専用の梱包で酸素との接触を避けてお届けする事も可能です。

bronkhorst_mfc
【出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】

酸素は、ほとんどの元素と化合物を作ることができます。
支燃性があるということは酸化力が強いということだからです。
半導体製造用CVD装置等で使用するシラン系のガスと酸素を反応させると、SiO2という酸化膜が生成されます。
この膜は大変有用で、半導体だけではなく多方面でバリア膜等に使用されています。
だがマスフローやその上流に位置する配管内部に残存した酸素とシラン系ガスが反応してしまうと、白い粉状の異物となってマスフローのセンサー管やバルブオリフィスを閉塞させてしまうので注意が必要です。
センサー管と層流素子に詰まりを発生させると、分流比が崩れてしまい、気が付かないうちにMFCの制御流量が狂ってしまうというプロセスにとって大変恐ろしい問題が発生してしまいます。

【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270話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その2


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」

20192月号(1/25発売)では、デジタルマスフローのフィールドバスと2018年にはついにフィールドバスとのシェアを逆転したと言われる産業用イーサーネットへの対応を解説しています。
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【出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】

 窒素(N2)

今回は窒素から始めましょう。
窒素は一般的にボンベで供給されることが多く、安価なガス供給源としてよく使用される流体です。
不活性ガスとして窒素には多くの役割があり、アルゴンなどの希ガスに比べると安価なこともあり、特にパージ用、防爆用で多く用いられています。
マスフローコントローラ(MFC)とマスフローメータ(MFM)のコンバージョンファクタ(CF)の基準ガスであることもあり、また各メーカーのマスフローの性能評価試験も窒素で行うことが多いことから、経験もバックデーターも豊富で大きな問題を起こしにくいガスです。

窒素ガスの供給減がPSA方式のガス発生機を使用している場合は、PSA内部の吸着剤等の異物が下流にあるマスフロー(MFCとMFMの総称)へ入り込まないように注意してください。
また、ボンベにも一般工業用からクリーンプロセス用で純度という質の差が大きいので、安いからといってあまり純度の悪いガスを使用するのは奨めません。
なぜなら純度99%ということは残り1%に何が入っているかは保証の範囲ではないと考えてよいからです。

窒素が一番恐ろしいのは外部リークです。
大量に消費されるだけに、一気に多くの量が多岐に渡って流れる配管レイアウトを組まれていることが多いのです。
マスフローの外部リーク箇所から漏れ出た窒素がガスボックス内に充満し、うかつに覗き込んだ瞬間に窒息という事故が起こらないとは限りません。
マスフロー本体のお話からはやや脱線しますが、窒素に関してお話をしておくと、液体窒素をLGCLiquid Gas Container =可搬式超低温容器、ELF = エルフとも呼びます)でハンドリングする際は要注意です。
LGC
は屋外、それも開放されたスペースに置かなくてはなりません。なぜなら夏場などの温度の高い条件で気化した窒素で内圧が上がると、外へ廃気される仕組みだからです。
LGC
を誤って閉鎖空間で転倒させて液体窒素が漏れ出たら大変な惨事が引き起こされます。
液体窒素1Lが気化すると体積は約646倍になります。
その空間にいる人間は全員窒息死するでしょう。
高層階にやむを得ずエルフをエレベーターに乗せて搬送する際は、決して運搬作業者が同乗してはいけないと注意されるのは、その為なのです。

 


【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269話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その1

<訂正 ”マスフローでこのガスを使う時は注意しよう!” に改題しました。>

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 20192月号(1/25発売)では、デジタルマスフローのフィールドバスと2018年にはついにフィールドバスとのシェアを逆転したと言われる産業用イーサーネットへの対応を解説しています。

 

前回までマスフローコントローラ(MFC)とマスフローメータ(MFM)のを描くこの千夜一夜物語のラスボスの一人、コンバージョンファクタ(CF絡みの、ややヘビーなお話をさせて頂きました。

今回からは少しライトに、マスフロー(MFCMFMの総称)で使用する一般的なガスに関しての注意事項として実務的な解説を行います。
マスフローは多種多彩なガスを測定&制御する機器ですので、CF以外にも校正ガスである窒素(空気)との違いが思わぬ運用上の問題を引き起こすことがあります。今回は一つ一つのガスに関して、特に安全面に重きを置いて、解説していきたいと思います。

 

空気(Air

空気は、皆さんにとって一番なじみ深い気体ですね?
その組成は、体積比で窒素(N2)78.084%、酸素 (O2) 20.9476%、アルゴン(Ar) 0.934%、二酸化炭素(CO2) 0.0390%・・・と続きますが、要は窒素8割弱+酸素2割強を主成分とする混合ガスです。
CF
は窒素を1とした場合、酸素も0.99辺りなので限りなく1に近いです。
その為、マスフローでの測定&制御性は良好です。
ただし、供給源としてボンベ(乾燥空気)ではなく、コンプレッサーやブロアーを使用する確率の方が圧倒的に高いので、それらからの水分や粉塵のような異物の混入には細心の注意が必要です。
何回か解説してきましたが、特に巻線型分流構造のマスフローにコンプレッサーエアーを導入する際には、ドライヤーとフィルターで異物を除去して下さい。
理由としては分流構造部の狭隈な流路に異物が入り込むことで詰まりが生じ、初期の分流比を変化させてしまい、結果として繰り返し性能を損なう可能性があるからです。
Deco
が経験してきた「使用しているうちにマスフローの流量が大きくずれてきた!」というクレームの大部分は、返却されたマスフローを分解してみると分流構造部に異物が侵入していた、というパターンが多いのです。

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対策としては前述のとおりなのですが、圧縮空気供給ラインにドライヤーと適切な粗さのフィルターを設置していただく事です。
それだけでなくマスフローの選定に関しては、分流構造のものより流路がシンプルなCTA(=インサーションセンサー)タイプ全量計測方式マスフローの採用をDecoは推奨しています。
異物を取り切れず、どうしても混入してしまうような環境というのはある。ならばマスフローもそれに適したものを選ぶべきですね?

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【出典:ブロンコスト・ジャパン(株) MASS-STREAMシリーズ】

もちろんセンサー部から配管内面までが異物で覆われてしまうようなひどい環境に対しては、インサーションタイプとて万能ではありません。
ただ、φ1㎜以下の細径のセンサー管や層流素子という部品が存在せず、分流部をそもそも持たないということが、この方式のアバンテージです。同様にチップ(MEMS)センサータイプでも対応は可能ですが、MEMSで構成されたヒーターと温度センサーは微細であり、そこに異物が付着してしまうと初期の熱プロファイルを維持できなくなってしまう問題があります。

また、MFCの場合は、センサー部だけでなく、その下流にある流量制御バルブのオリフィス部に異物が堆積することによる、制御不良(出流れやフルスケール流量が確保できない等)が考えられます。
これは流量レンジと圧力条件によりKv値(Cv値)が異なり、オリフィス径も異なるので一概には言えませんが、オリフィスが細くなる小流量では特に注意が必要です。

それと忘れられがちなリスクなのですが、空気は支燃性ガスである酸素を20%含むガスであることは覚えておきましょう。
「空気なんだし、たとえ外へ漏らしても大丈夫!」とう思い込みは、マスフローの周囲環境によってはかなり危険な自己を引き起こしかねないのです!
マスフローと周辺配管のリークチェックは、厳しく行ってくださいね。

 

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

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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