EZ-Japan BLOG since 2017 真・MFC千夜一夜物語

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液化

真・MFC千夜一夜物語 第284話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その16

【お知らせ】

今まで本ブログは、"EZ-Japan BLOG since 2017”と "真・MFC千夜一夜物語”@niftyココログ版の2つで同時連載進行を行って参りましたが、既に告知の通り2019/5/11をもって@niftyココログ版の方を終了させていただきました。こちらのブログ"EZ-Japan BLOG since 2017"版での連載は、変わらず続けて参りますので、どうか千夜一夜=1001話にたどり着く迄、宜しくお願い申し上げます。

 

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 20196月号(5/25発売)では混合ガスをマスフローコントローラー(MFC)、マスフローメーター(MFM)で使用する際、そして混合ガスをMFCで作る場合の解説を行っています。

 

液化ガス

前回から引き続いて、バルブオリフィス部で断熱膨張を起こしやすい液化ガスを使用する際の注意事項に関する解説です。

前回はMFCで液化ガスを使用した際に液化を起こさないようにする方法として、MFC及び配管周辺にヒーターを配置する際の注意事項でしたが、今回はMFC側での対策についてお話ししましょう。

 

MFCでの圧損を小さくする低差圧仕様が、その対策です。

圧損を小さくするポイントは、コントロールバルブのオリフィス部です。

282回で解説しましたが、液化の原因は、断熱膨張による冷却効果が生じる為です。

物体が外との熱の出入りなしにその体積を増した場合、断熱膨張を起こし温度が下がりますね?

実際にMFCのバルブで生じている現象を再度下図で見てみましょう。
190527_01
この問題はオリフィス通過後の体積の膨張ですね?

オリフィスがある以上、膨張は生じるにしても、ここを通過する流速を落とせば、断熱膨張による温度低下を下げることができます。

流速を落とすには、このオリフィス部の絞りを緩くすればよい=圧損を低くすればよい訳です。

これを下図に示します。

 190610_01

オリフィスを太くして、バルブのリフト量(ギャップ)がそのままでは流量が流れすぎてしまうので、この低差圧仕様を作る際のキモになるところは、バルブのリフト量を小さくすることです。

調整を変えたら簡単でしょ?と思いがちですが、アクチュエーターの最小分解能との相関でそう簡単なことではありません。微細なリフト量の制御が特異なピエゾアクチュエーターを使ったモデルの方が楽に作れますが、ソレノイドアクチュエーターでも対応は可能です。

メーカーによってはオプション化していたり、型番コードを別に設定したりして、低差圧仕様モデルを設定しているので、液化ガス用のMFCを検討する際には、相談してみましょう。

 

「じゃあ、全部のMFCを低差圧モデルにすればいいじゃないか?」

という声もありそうですが、この構造にも弱点があるので、必ずしも色々なガス種で使えるわけではありません。

まず、制御可能圧が低くなるのはいいのですが、逆に差圧が大きくなると流量が流れすぎてしまい制御不良を起こしやすくなります。

特に低差圧仕様のMFCを水素やヘリウムのような軽いガスで用いると、大きなオーバーシュートから、ハンチングが収まらなくなる現象を起こしてしまう事があるのです。

つまり目的に特化したが為に、MFCが持つ本来の特性である”汎用性”を失ってしまうのですね。

 

低差圧仕様のMFCをお求めの際は、くれぐれも液化ガスの種類、対応できる圧力条件、必要な最大流量等の情報をもってMFCメーカーに相談されることをお奨めします。

 

【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283話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その15

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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 20196月号(5/25発売)では混合ガスをマスフローコントローラ(MFC)、マスフローメータ(MFM)で使用する際、そして混合ガスをMFCで作る場合の解説を行っています。

 

液化ガス 

前回に引き続いて、バルブオリフィス部で断熱膨張を起こしやすい液化ガスを使用する際の注意事項に関する解説です。

 

パージ、真空引きから始まって、禁断のドライヤーまで持ち出しても、一度液化した流体はMFCの内部から簡単には抜けてくれません。

下手するとセンサー部へ逆流して、センサー管やバイパス(層流素子)のチューブを閉塞させてしまう可能性もあります。(下図 青く着色部)

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こうなると装置を停止させて、MFCを交換するしかありません。しかし、反応性の強い、半導体製造プロセス用材料ですとMFCを交換しよう配管を開放した際に、空気と反応して生成物を作ってしまう事もあります。

良い例(悪い例?)がジクロロシラン(SiH2cl2)です。

Decoの現役時代、内部でジクロロシランが液化したMFCが修理で戻ってくると、中は真っ白になっている事が多かったです。

これはSiと空気中のO2が反応して、SiO2を作ってしまったからです。

こうなると部品(センサー、バイパス、オリフィス等接ガス部品)は全交換、ボディは洗浄で何とかなればいいですが、ダメな場合はこちらも新品交換で、下手したら新品が買えるくらいの、目が飛び出るような高額修理見積がメーカーから出てくることになります。

しかも、影響はMFCだけではなく、前後の配管にも異物の汚染が確実に発生してしまい、下手すると1ライン丸ごと配管系を総取り換えになってしまうのです!そうなるとMFCを交換するよりはるかに長い時間の装置停止となってしまいます・・・

 

このように液化ガスをMFC内部で液化させてしまうと、流量制御異常でプロセスに問題は生じるわ、交換作業で装置を止めなくてはならないわ、挙句に配管が汚染されるわ、挙句に高額の修理費用と長期の装置ダウン・・・と大変な事ばかりです。

要は液化してからの対策ではなく、できるだけ液化させないようにする対策が重要なのですね?

 

MFCでの液化ガス対策は、以前はヒーターによる昇温が行われていました。

MFCにヒーターを巻くのですが、まずこの時点でアウト!な事例を下図左に示します。
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MFCのバルブオリフィスで断熱膨張が起きるのに、上部の基板が収まっている場所を昇温しても意味がありませんね?

むしろセンサーの温度補償回路に悪影響を及ぼすだけです。

正解は右の底面部分のSUSブロック部です。

 

昇温は断熱膨張による液化にはそれなりの効果があります。

しかし、これには落とし穴もありまして、ヒーティングした部分と、していない部分の境界や、配管機器の熱容量差によって生じる昇温ムラによるコールドスポットの発生で新たな液化を起こしてしまった事例があるのです。

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 特にMFCは配管、そして他の機器(バルブやラインレギュレーター)と比較すると大型になり、特に底面SUSブロック部分はかなりのボリュームがありまので、熱容量が大きい傾向があります。

上図のように昇温する際は、MFCだけは独立したヒーター&温調器をあてがって頂いて、温度勾配を付けた厳密な温度管理をして頂く必要があるのです。

次回はMFCのバルブ部の工夫で液化を逃れる方法に関してお話ししましょう。

 

【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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