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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

水素

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

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


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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