EZ-Japan BLOG since 2017 真・MFC千夜一夜物語

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

マスフローコントローラー

真・MFC千夜一夜物語 第323話 MFCで液化が起きた!その3

マスフローコントローラー(MFC)内部で液化しないようにするには、①温度を上げる、②圧力を下げる の2つです。

今回は②圧力を下げるのお話をしましょう。


実はこの表現は必ずしも正しくありません。

供給圧力はボンベレギュレーターを操作すれば下げる事は可能ですが、ボンベから配管の最終端にあたる部分までのトータルの抵抗=圧力損失を下回るわけにはいかないからです。

例えばアンモニアの蒸気圧は、常温で0.7MPa程度です。

それに対してMFCの圧損が0.25MPa+その他の圧損が・・・・と計算していって総和が0.75MPaになってしまっては、アンモニアを流すことはできませんね?

言い換えるならば、これは配管を構成する機器の圧力損失を下げるという事なのです。

特にMFCの圧力損失を下げる、低圧損タイプMFCは非常に重要なアイテムとなります。

 lowdeltaP

LOW-ΔP-FLOWシリーズ 【出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】

 

供給圧力を下げると、なぜ液化が防げるのか?これは、液化が主に狭い空間から広い空間に液化ガスが抜ける際に生じる“断熱膨張”により発生するからです。
熱の出入り無しで圧力(
P)や温度(T)、体積(V)が変化する状態変化を断熱変化といいます。
PV/Tが一定値になるので、Vが拡大するとTPは下がります。
これを
MFCのバルブオリフィス付近で考えてみると下図のようにオリフィスと言う絞り部分を通過した液化ガスは一気に体積が増えます。
そこで熱を与えていなければ、必然的に気体の状態方程式に従って温度、つまりガス温が下がります。それにより液化ガスの再液化が生じてしまう訳です。

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この問題を解決する為には、できるだけ通過するガス圧力を下げる事です。その為に、オリフィス部分での圧力損失を小さくした特別なチューニングを施した流量制御バルブが必要になります。

具体的にお話しすると、オリフィス径を大きくすることです。

絞りがきついとその分、圧損も大きくなりますから、通常ならばその流量域では使わないような大流量用オリフィスを使います。

でも、これだけでは流量が大きく流れてしまうので、MFCの流量制御バルブの場合、その代わりにバルブのリフト量=ストロークを小さくするのです。

大きなオリフィスのバルブで少しだけ開いてガスを流すのですね。


言葉で言うのは簡単ですが、この少しだけ開いて流量制御するのは非常に難しい技術です。

本来はアクチュエーターの流量制御レンジは広く取る事で、バルブの分解能的にも、ヒステリシス的にも余裕を持って楽に制御ができます。

それをわざわざ狭めてしまい、しかも少しバルブを開ければ大量にガスが流れる大きなオリフィスがついていますから、こういった低差圧仕様のMFCは、圧力条件が少しでも外れた場合にハンチングしたり、流量が流れなくなってしまうリスクを背負っているのです。


こういった液化ガス用低差圧仕様
MFCをオーダーされる場合は、圧力条件と必要とされる流量域、ガス温度を確認頂き、MFCメーカーと密な打ち合わせを行って下さいね。

 

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

前?後?どちらが正しいの?

MFC豆知識です。
最近、Web-MTG等でご質問頂く内容で、これは!っと思ったものをご紹介しておきますね。

マスフローコントローラーの場合、機器の構成は以下の図のようになっているものがほとんどです。
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上流に流量センサーがあって、その下流に流量制御バルブという構成です。
ですが、よく見るパージメータの世界で多いのも・・・
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やはりバルブは下流にあります。(上部ニードル配置と言い、逆にバルブが上流にいる下部ニードルと言う配置もあります。
計装の世界では逆に流量調整バルブが前で、流量計(マスフローメーター=MFM)が後ろと言う場合もあります。

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「前か?後か?どちらが正しいのでしょうか?」
先日、このようなご質問を頂く機会がありました。

答は、「どちらでも良いのですが、気を付けて頂きたい点がございます。」となります。

流量計はどこで流れている値を読みたいかによりますので、流量計の設置はその原則で配置すべきです。
ですが環境条件によってはその配置を取る事で、流量計の測定結果にある影響が出る可能性があることを考慮しなくてはなりません。

原則として流量計を置いた側の圧力影響や流路形状による影響を流量センサーは強く受けるとお考え下さい。
例えば流量計(MFM)が下流にある場合です。
流量計の二次圧が大気開放ならば問題はありませんが、例えば真空の場合にはまずい場合があります。特に熱式の流量センサーを搭載したMFMで分流測定構造を採っているものです。

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真空、Decoがデータを取ってもらった際は-30kPaを超えた辺りから流量出力に繰り返し性が無くなったのを記憶しています。
これはガスが希薄になる影響を受けて、センサーチューブと層流素子(バイパス)との間の分流比が変動を始めるせいではないかと推論しています。
この影響はインサーションタイプやMEMSタイプで全量測定タイプではまだ起きにくい傾向があります。
ただ起きにくいと言っても流路のガス原子が希薄になる事で値自体に変動は生じてきますが、圧力依存特性として、まだ補正値で管理できる範囲でした。

このような流量センサーの場合、流量センサーは前に置き、流量制御バルブで真空と仕切ってしまう配置がベストでしょう。
MFCがまさにこの配置を取る事が多い理由は、MFCの販売対象業界が半導体製造装置向けで、MFCの二次側は装置のチャンバーであり、そこは高真空に設定されることが多いからなのです。

逆に加圧系の装置ならば、流量計を流量制御バルブ二次側に配置することも多くみられます。
ただ、ここで気を付けて頂きたいのは、流量計の種類によっては、配管径の5~10倍の曲がりや径が変動しない穏やかな流れの直管部を必要とすることです。
流量制御バルブの構造上、確実に流路を絞りますから、下流へ送られる流れは、決して穏やかなものとは言えないでしょう。
この乱れた流れを整流する仕組み無しで、流量センサーを流慮制御バルブの下流に配置すると、流量計の測定値に悪影響を及ぼす場合もあるという事なのです。

【MFC豆知識】 by Deco EZ-Japan

透明な液体を水だとは思うな!

はい、久しぶりのマスフロ徒然日記です。

今回のタイトルですが、これは初めてお客様の現場に行くDecoへ、当時のマスフローの師匠から投げかけられた言葉です。

「半導体関係の工場へ入る時は、床に透明な液体が漏れていても、ただの水だとは思うなよ!」という言葉でした。
よくわからないままに頷いたDecoに「意味が分かるか?透明な毒薬・劇薬は通常の暮らしではお目にかかることは無いが、そんなものを使ってモノづくりをしているのが半導体産業なんだよ。だから、その製造現場では、どこに危険な液体があるかわからないってことだよ。ガスも同じだが、ホスフィンが漏れていたら、もうそこでサヨウナラだから、諦めろ。」となんとも物騒な追い打ちを頂いたのでした。

その言葉が身に染みたDecoはそれ以来、現場監督を務める際もこの話を必ずして、神経質なくらいに対応するようになりました。
この世の中で一番大事なのは人の命です。
メンテナーの方からフッ酸にカルシウムを食い尽くされて、手のひらに穴が開いてしまった話を聞いたりしていましたから、Decoにとっては、それはもう恐ろしき半導体の世界だったのです。
今も仲良くしてもらってるある会社の社長さんが、お客様の作業場で少量の水が漏れていると思って作業服の裾で拭き取ろうとしたときも、周りがびっくりするような声で注意しました。(今でも”鬼の形相だった”と笑い話になってます。)

そういった危険な物質と遭遇する可能性が高いのが、マスフローで商売をするという事なのです。
ですから、皆さん マスフローを修理などで返却する時は、必ず念入りなパージを行って下さい。
不注意で、修理品を分解した作業員の健康に障害が生じないよう、大事な命が奪われないように・・・
何回も紹介していますが、ブロンコスト・ジャパン(株)では、除染告知書と言うフォーマットへの記入と、梱包への貼り付けを依頼しています。

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ブロンコスト・ジャパン(株)除染告知書フォーマット

このような書式を活用いただき、記載いただくのはすごく大事で、ありがたい事なのです。
なぜならお客様だけが、マスフローに流入した可能性がある透明な液体が、ただの水なのか?純水なのか?それとも毒性材料なのか?を御存知なのです。
受け取るマスフローメーカーの人間は、そこまではわかりません。
それでも開封するのは、貴方の会社とマスフローメーカーとの間に信頼関係があるからなのです。
この書式を埋めるには、そのマスフローがそれらに晒されたあろうあらゆるイレギュラーが派生する可能性を理解していないと精度の高い告知書は書けません。
知らなかったでは済まされません
これに関しては、普段温厚なDecoも鬼の形相でお聞きしますので、宜しくお願いしますね。

下手をしたら、作業員だけでなく従業員全体が重篤な状態となり生死の境をさ迷ったり、後遺症に苦しむことになりかねません。
それを救うのは貴方なのです。
是非とも宜しくお願いいたします。

マスフロー徒然日記 by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第322話 MFCで液化が起きた!その2

マスフローコントローラー(MFC)内部で液化が生じた際の対応に関してです。

低蒸気圧ガス=液化ガスは常温で液体、もしくは限りなく液化しやすい状態のガスです。

アンモニアのように、沸点が-33.42℃、常温で0.7MPa(g)の蒸気圧ですと、供給圧を上げすぎると即液化してしまいます。

MFCのように、1mm以下の狭い流路で構成される機器にとって、液化が生じる事、もしくは液化した流体が内部に入り込む事で、色々なトラブルを起します。前回はバルブでのつまりを図でお見せしましたが、センサーや層流素子でも下図のような困った現象が生じます。

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液化しないようにするには、①温度を上げる、②圧力を下げる の2つです。

温度を上げるには、ヒーターと温調器が必要になります。

昇温する場合は、配管システム全体を昇温する必要がありMFCだけを昇温しても効果は見込めません。

確かにMFCは前述の通り、狭い流路で液化の可能性が高い場所ではありますが、そこを昇温することで、今度はそれ以外の場所でコールドスポットが生じてしまうからです。

液化との戦いは、このコールドスポットとの戦いです。

以前、Decoが伺ったお客さんでは、空調の風が直接三塩化ホウ素(BCl3)ラインに当たっていたがために液化が生じていたことがありました。
とりあえず断熱材を風が当たっていた配管に巻く事で液化現象を解決できたこともあります。
(もちろん空調の風を避けるよう配管レイアウトを変えるのが、最善手なのですが。)

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そして温調で気をつけないといけないのは、MFCのような配管に繋がっている機器でも熱容量の大きなものには、通常のSUS配管部を温度調整している温調器とは、分けて制御してもらいたいということです。(上図) 
そして、下流に向かって温度勾配を付けるように昇温することですね。

 

【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321話 MFCで液化が起きた!その1

半導体製造装置での流量制御がマスフローコントローラー(MFC)の主な役割になります。

ところが半導体製造装置では、常温で液体である流体、いわゆる液化ガスを使用することが多々あります。

代表例ではアンモニア(NH3)、ジクロロシラン(SiH2Cl2)、六フッ化タングステン(WF6)等です。

特にWF6等は常温しかも常圧条件ですら液体の為、気相で運ぶとなると供給系の大半を真空下で搬送しなくてはいけません。

 

こういった液化ガスラインで、MFCがトラブルを起こしたという話は、かなり高い頻度で聞かれます。

”液化してMFCの流量センサーが詰まって流量信号が出ない!“とか”MFCのバルブで液化して流れない、もしくは不安定になる。“といったトラブルです。

 

こういったトラブルははなぜ?そしてMFCのどこで発生するのでしょうか?


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 MFCの中で液化するポイントは、圧倒的に流量制御バルブオリフィス部です。

流量制御行うMFCのバルブ部は上の図のように絞り=オリフィスがあって、そこへ流れ込む流体の量をソレノイドやピエゾアクチュエーターで駆動されるバルブが、隙間の空間のギャップ量を可変させることで流量制御を行います。

このオリフィスの絞り込みがきついと、そこを通過する際の気体の流速が急激に速くなってしまいます。そして一気にオリフィス下流へ放出されるのですが、その際に体積が増大することで、断熱膨張を起してしまい、それによって流体の温度が急激に下がることで、液化を起してしまうのです。

 

こういった液化を起こしやすいMFCに対する処置方法は2つあります。

1つはガスシステム全体を下図のように昇温して、特にMFCは熱容量が大きいので独立したヒーティングシステムを用いて適切な温度に昇温することで、断熱膨張が起きにくい環境条件を作り出すことです。

 

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もう一つは、MFCのバルブ部のオリフィスを大きな径にして、流速変化を小さくすることで断熱膨張を起こりにくくする方法です。(下図) MFCのバルブ部のオリフィスを大きくすると、その分だけ流量制御は狭いギャップで行う必要が生じます。結果的に圧損も小さくなりますので、“低差圧仕様”とか“液化ガス対応”と呼称されていますが、調整難度は高くなりますので、どんなMFCでもこの低差圧仕様が製作できるわけではありません。

 

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次回からこの2つの液化への対応に関して、お話ししていきましょう。


【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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