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

Deco

真・MFC千夜一夜物語 第433話 MFCの歴史を振り返ろう その9

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。


MFCの自動制御でMVによりコントロールされる存在が流量制御バルブです。
その第1号としては、米国タイラン社(現在は存在せず)のFC260シリーズやエステック(現:(株)堀場エステック)のSEC-400シリーズ等の第1世代MFCに搭載されていた「サーマルバルブ」が挙げられます。
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FC-260シリーズ(当時生産していた日本アエラ(株)カタログから引用)

このバルブの構造を下図で示しますね。(あくまで一般的なサーマルバルブの構造を説明するものであり、特定の企業の発明物、技術を指す物ではありません。)
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本バルブ方式は一般的なニードルバルブと似通っており、ニードルが前進してオリフィスを塞ぐ構造のバルブです。
中央のアクチュエーター部は熱膨張係数の高い材質で構成されており、周囲もしくは内部にヒーター線が設置されています。
ヒーターを加熱すれば、アクチュエーターは熱膨張して伸びる方向に変形し、ニードルを閉鎖方向へ動かします

このアクチュエーターには構造上の弱点があります。
「熱して延びる」、「醒まして縮む」という動作原理である為、高速動作ができないのです。
また、ニードルをオリフィス部に押しつける構造上、金属同士がぶつかることでパーティクルが発生してしまいます。
それを避けるには少しニードルを少しオリフィスから浮かせた構造を採るのですが、その為に閉止させても出流れが発生してしまいます。
また、MFC二次側が真空の場合、伸びたアクチュエーターの復元させる力=ニードルを引っ張り上げる力が、真空の引っ張り込む力に負け、ニードルバルブがオリフィスに噛み混んだ状態で固着してしまい、ガスが全く流れなくなることもありました。
それと、半導体製造装置で用いるようなガスだと、高温加熱したアクチュエーター部が接ガスするため、分解してしまうガス種もあり、そういったガス種での使用が憚られたのです。
 
 【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432話 MFCの歴史を振り返ろう その8

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。

前回までMFCの要である流量センサーの技術動向を振り返りました。
流量を測定するというのはMFCが流量制御する為の第一段階であり、ここでつまずいては正確な流量制御はできません。
そして、今回からはMFCの流量制御のもう一つの要である流量制御バルブを用いた自動制御に関して解説していきます。
そもそもMFCが使われるようになる前、流量制御は下図のようなフロート式流量計とニードルバルブを組み合わせたものが主流でした。
 
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人間が検出器である流量計のフロートの位置(流量値)を目視で読み取り、頭脳で目標値である流量と比較判断して、ニードルバルブの開度を手で調整することで制御を達成します。
人間が目視し、判断し、操作することで調整計としての役割で介在するプロセスであり、このような制御系は手動制御という形の立派な制御の形なのです。
手動制御の問題点は、そこに人間が介在しなくてはいけないことです。
人間は24時間同じパフォーマンスを発揮し続けることが難しいですし、熟練度により目視から判断の過程で差が生じます。
そういった手動制御の問題を解決するには、自動制御が必要となります。
流量計を流量信号を出力できるもの、例えばマスフローメータ(以下 MFM)に変えることで、人間の介在しない自動流量制御を行うが下図です。
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自動制御に必要となるのは、人間の代わりに比較、判断、操作をこなす調整計です。
調整計は人間の目と頭脳と手の代替機能を持っていますが、全く同じ動作をする訳ではありません。
例えばフロート式流量計は、人間の目で読み取るというアクションが必要なため、検出値を調整計で処理するための信号化が難しいのです。
その為MFMのような流量を電圧や電流信号に変換できるデバイスが必須とされました。
このMFMと自動調整バルブ、そして調整計を一つのパッケージにまとめたのがMFCなのです。

MFCはそれ単体で、熱式流量センサーが検出器としての役割を果たし、そこからの測定値(Process Variable 以下PV)と外部から与えられた目標値(Set Variable 以下SV)とを比較し、その偏差を無くす為に、流量制御バルブの操作量(Manipulative Variable 以下MV)を決定する自動制御系なのでしたね?

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


出張から帰って参りました!

出張から帰って参りました。

久しぶりに羽田空港から飛行機です。
そうなんです。
メニュエール病を悪化させてから10年以上控えていた飛行機です。

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3年前の心不全からの多臓器不全で危うくあの世に行き掛けたのですが、最新の治療の効果で出張前の血液検査でBNPの値が入院時4000mg/dLを超!から基準値の18.4mg/dLを切り、薬を飲み続けるという条件付きながら健康を取り戻したDecoなのですが、この治療の副産物?でメニエール病の発作からも解放されたのです。
おかげで快適なフライトを楽しんで到着したのは、旭川でした!

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ここで新しい流量に関わる開発を行っているんですね。
残念ながら、まだお見せすることはできませんが、時期が来たら発表させて頂きます。
旭川の優秀なスタッフとミーティングや美味しいものを食べてきましたよ。

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お土産はこれです!
定番のマルセイバターサンドと旭川の元祖お土産という旭豆(オリジナル包装バージョン)!
速くこの出張の成果を皆さんへご報告できるよう、がんばりますね!

では、来週から真・MFC千夜一夜物語を宜しくお願いいたします!

EZ-Japan ”Deco” こと 黒田 誠

EZ-Japan GW休業日のお知らせ

お世話になります。
今年の春も暑かったり寒かったりですね。
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さて、EZ-Japanは2024年4月27日(土)~5月6日(日)まで、GW休暇とさせていただきます。
また、その後に定期検査通院から出張が入っております関係上、本ブログの更新は4/30(火)と5/7(火)と2回分をお休みさせていただきます。
今回の出張は新しいものを世の中にリリースする為の仕事でもあるので、時期が参りましたら成果を御披露させて頂きます。
期待してお待ち頂ければと思います。

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お急ぎの御用件はメールでお入れいただければ、可能な範囲で対応させて頂きます。
宜しくお願い申し上げます。

EZ-Japan 代表 黒田 誠(Deco)
 

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



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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