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

巻線型

真・MFC千夜一夜物語 第431話 MFCの歴史を振り返ろう その7

マスフローコントローラ(以下MFC)の歴史に関して振り返っています。
DecoがMFCメーカーから離れ、一介のコンサルタント、エヴァンジェリストとして過ごして10年になります。
これを期にMFCという不思議な工業製品の技術動向をその歴史を俯瞰しながらまとめて行きたいと思います。
今回は.熱式流量センサー MEMS型のお話です。

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熱式流量センサーのMEMS型は、流体に直接センサーを接触させる方式です。(上図)
その為、流体との熱のやりとりという側面では、インサーションタイプと同様非常に効率が良く、応答性能では巻線式を圧倒します。
当然感度も良いので、SN比でも優れた特性を発揮するセンサーもあり、通常の巻線式ではターンダウンレシオ1:50程度なのを10倍以上の値をカタログスペックとしているメーカーもあるくらいです。
後発で1990年代後半から2000年代に市場へ導入されただけあって、デジタル制御技術の恩恵を被り、非常に優れた性能を発揮するものが多いです。
ただ、勘違いしてはいけないのは、MEMSというのはあくまでアナログのヒーター、測温抵抗体を小型にして半導体チップに実装できるようにしたものであり、アナログデバイスである事では他の2方式と変わりはないという事です。
その後段で信号をいかにロスが少なくデジタル化して用いるかで、MEMSタイプの性能には雲泥の差が産まれます。
目安程度の流量センサーや、フロースイッチ的な用途にとどまるものから、本格的な流量測定用途の流量計まで、種々の“MEMS流量センサー“と名乗る製品が市場にはあふれているので要注意です。
MEMS型の弱点は、ガスに直接触れるという利点の裏返しで、使用できる流体種に制限があることです。
腐食性流体はもちろん、図にあるダイヤフラム構造上、その直下の空間に残留するとまずい毒性ガス、バリア膜で用いているSi系の膜と反応する流体にも使用は難しいのです。
また、MEMSセンサーを固定する樹脂材料は、そこからのアウトガスを気にする分析用途では使用が難しいこともあります。
また、MEMS型といっても、分流構造とは無縁ではありません。
巻線型ほどの分流比ではないにしても、流量レンジによっては分流構造を持たねばならないものが多く、それらは前項で触れた異物混入による分流比異常の問題が付きまとうし、MEMSセンサーそのものに異物が付着した場合のトラブルも考えられるのです。
 
【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430話 MFCの歴史を振り返ろう その6

マスフローコントローラ(以下MFC)の歴史に関して振り返っています。
DecoがMFCメーカーから離れ、一介のコンサルタント、エヴァンジェリストとして過ごして10年になります。
これを期にMFCという不思議な工業製品の技術動向をその歴史を俯瞰しながらまとめて行きたいと思います。
今回もMFCの熱式流量センサーの巻線型のお話です。
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巻線型の大きな問題点は層流素子(バイパス素子ともいう)による分流比の大きな分流を強いられる構造にあります。
マスフローのセンサー構造を説明した上図でわかるように、巻線型流量センサーは必ずしも流体の全量を測っている訳ではありません。
その為、この方式を「巻線型分流測定方式」とDecoは呼称しています。
どんなフルスケール流量のマスフローでも、そのセンサー管に流れる量は入口で分岐され10mL/min程度なのです。
残りの流量は層流素子側に流れています。
層流素子自体は一定の量をセンサー管に正確に分流するという役割を果たしながら、センサー管内部に層流を作る為に、過剰な量の流体をバイパスさせる仕組みです。
なぜならば熱式センサーが正確に流量を測定するためには、センサー管内に層流が生じる状態(層流運動状態)であることが必要条件だからです。

層流時の流速分布は中央部を頂点とした放物線状になります。(ハーゲン・ポアズイユの流れ) それに対して流速が上がって乱流状態になると、流速分布は中央部で均一で側壁部直前で急激な速度勾配が発生する形となります。
乱流状態では、そこで何が起こっているかわからない状態であり、更にその流れがいかなる状態に至るかを予測するのが大変難しい状態なので、熱式センサーの肝である上流から下流への熱の移動が正確行われているか?を捉えるのが難しくなると考えて下さい。

この分流構造では、センサー管が0.35~0.8mm程度の細い管状に設計され、層流素子もそれに準じる管状流路が大量に配置される構造となります。
なぜなら層流と乱流の境界となる臨界レイノルズ数は、流路直径(d)が決定するからです。
そうするとよほど清浄な流体を流さない限り、この分流構造の流路に異物が詰まらないという保証はありません。
 
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異物が詰まるとどうなるか?「詰まって全く流れなくなるなら問題だけど、少しくらい大丈夫。MFCなら自動で流量制御してくれるから・・・」と誤解しがちですが、そうではありません。
分流構造への異物介在はマスフローでも最大クラスのトラブルを発生させてしまうのです。
異物が混入して、センサー管か層流素子の一部の流れを妨げただけで、製品の出荷流量調整時の正常なセンサー管と層流素子との分流比率が崩れてしまい、測定流量と実流量の間に10%以上の誤差が生じてしまうことになります。
MFCは設定値と流量値が一致するように制御しているのみで、流量値と実流量がずれていてもそれを検証する手段は持っていないので、そのまま延々と制御してしまいます。
ある日突然、異物が入り込んだだけで、「カタログ表記で流量精度が何%で・・・」等と議論していた話が吹っ飛んでしまう事態が起きてしまうのです。
それだけでなく大気圧より若干低い負圧領域=Sub-Atmospheric Pressure条件でのMFMの流量器差も指摘されています。
また、構造上、圧力損失が大きくなる問題もありますね。
ダスティな流体を流す用途や、吸引やブロワ等の低圧力損失で大流量を流す用途では、全量測定のインサーションタイプに後れを取る理由は、こういった分流構造に起因するのです。

【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428話 MFCの歴史を振り返ろう その4

マスフローコントローラ(以下MFC)の歴史を振り返っています。
DecoがMFCメーカーから離れ、一介のコンサルタント、エヴァンジェリストとして過ごして10年になります。
これを期にMFCという不思議な工業製品の技術動向をその歴史を俯瞰しながらまとめて行きたいと思います。
今回からは巻線型熱式流量センサーのお話です。

熱線式風速計を換骨奪胎したと思われるのが熱式流量センサーです。
これには大きく分けて2つの形態があります。
巻線型とMEMS型です。
どちらもその測定原理の基礎は同じです。 

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ヒーターにより一定に昇温されている流れ場に上流から流体が流れることにより、上流と下流のセンサー(測温抵抗体)の感知する温度分布が変化します。
上流側は流体に熱を奪われて温度が低下し、その熱は逆に下流側の温度を上げます。
この温度差(ΔT)と流れる流体の質量流量(Qm)とは、ある一定の量までは比例関係を示す事を利用して、流量を測定することが可能になるのでしたね?
そして、流量式にあるように、流体固有の物性である定圧比熱が、大きな要素として存在しており、熱式流量計が持つ流体毎のコンバージョンファクター(以下CF)は、ここから導き出されています。(ただし、定圧比熱の比がそのままCFにはならないので注意してください。)

上図で巻線型の代表例として三線式と二線式を示しています。
巻線型は名前の通り、電気抵抗の大きな細径のニクロム線(ニッケルとクロムの合金)を、流路である細管の外周に巻き付けた巻線をヒーターと測温抵抗体として用います。
三線式は、中央にヒーターの役割を果たす巻線と、その上流下流に等距離で測温抵抗体の役割を果たす巻線を対に配置しています。
各々の役割は、発熱、上流側測温、下流側測温と非常にシンプルです。
ブルックス(ITWジャパン(株))のMFCに多く見られ、その流れをくむブロンコスト(ブロンコスト・ジャパン(株))でも一部のモデルで採用している方式です。
三線式の特徴は各々の巻線の役割がヒーターと測温抵抗体に分離している構成にありますが、、測温抵抗体自体が外部からの熱影響を受けやすいという弱点を持っています。
その為、このセンサーを採用しているMFCでソレノイドアクチュエーターを流量制御バルブの制御に用いている場合、ソレノイドが大きな電磁力を発生させた際に発する熱が流量センサーへ温度影響を及ぼさないよう、ソレノイド部をケース外に露出したデザインを採る事が多いのです。

それに対して二線式は、対になった上流下流の巻線にヒーター&測温抵抗体の役割を持たせているのが特長です。
二線式の方が三線式より優れているという意見を耳にすることがありますが、流量センサーとしての性能に大差はありません。
センサー製造工程で巻線を1本減らすことができる利点はありますが・・・
確かに自己発熱型なので温度を高くすれば、外界からの温度影響を少なくできるという利点はあるのですが、だからといって流量センサーとしての熱影響が無くなる訳ではないのです。

そもそも熱式センサーは、熱の移動を測定原理にする以上、周囲温度影響を必ず受けるので温度補償回路を持っています。
流体温度と周囲温度との間に極端に差がある場合、その補償に用いる温度情報をどこで測っているかによっては、温度補償が不適切になる事があり、それこそが一番の問題となります。

【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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