2019年3月号(2/25発売)では、マスフローコントローラ(MFC)の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MFCの使用上の留意点を解説しています。アルゴン(Ar)アルゴンは不活性ガスの代名詞のようなガスですね?。アルゴンのネーミング由来が、ギリシャ語でelgon「働く」という言葉に否定語のanを付け「働かない:=不活性な」という造語であることからもうかがえます。実はニートなガスだったんですね、アルゴンは。アルゴンはヘリウム、ネオン、クリプトン等と同じ希ガスですが、液体空気からの分留で容易に得られるため、比較的入手しやすいガスで、半導体製造工程ではスパッタ装置を始め各種工程で使用されていますし、分析装置では試料のキャリアガスとして、そしてアルゴン溶接では溶接中の酸化を抑える保護ガスとして各業界で幅広く活躍しているガスなのです。【出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】マスフローコントローラ(MFC)にとって、アルゴンは窒素と並んで制御しやすいガスなのですが、少々厄介なところがあることはあまり知られていません。実はアルゴンとヘリウムのコンバージョンファクタ(CF)は近似していて、だいたい1.4近辺です。この2種のガスを切り替えて一つのMFCで流量制御できるか?というと大間違いなのです。それはバルブ側に原因があります。流体としてのヘリウムとアルゴンは、バルブ部のオリフィスを通過しやすさで比較すると、必ずしも同じではないのです。ここで重要になるのは、密度です。kg/m3しかありません。kg/m3もあるのです。バルブでよく使われる容量係数であるKv値の式に当てはめて、あるバルブオリフィスを選定した場合に、同じ圧力・温度条件でヘリウムとアルゴン、2つのガスを流した時に流れる流量比を計算すると、ヘリウムの方が3倍以上多く流れる結果が出てしまいます。(MFCの場合、このKv値、もしくはCv値でバルブオリフィスの全開流量を算出しても、全開流量がそのまま流量制御フルスケール流量ではないのですが、目安にはなります。)つまり同じバルブ設定ではこの2つのガスは流量差が大きすぎて、同じように制御できない可能性が高いということです。ヘリウム用のMFCでアルゴンを制御した場合、低設定流量の制御は問題ないが、設定を高くしていくとどこかのポイントで流量制御が頭打ちして流れなくなってしまい、SV値(流量設定値)>PV値(流量出力値)という現象が発生してしまいます。応急処置としては、アルゴンの供給圧力を上げることで、なんとか流すことができることもありますが・・・やはりCFが似通っているからという理由だけで、他のガスを流すのは様々なリスクがあると考えて下さい。アルゴンのような重いガスとヘリウムのような軽いガスは、そもそも流量制御バルブの選定が異なって当然という認識を持ってくださいね。2019年2月号(1/25発売)では、デジタルマスフローのフィールドバスと2018年にはついにフィールドバスとのシェアを逆転したと言われる産業用イーサーネットへの対応を解説しています。本物語のラスボスの一つ“CFの信憑性”との戦いは続いています。それではいってみましょう。CFへのセンサー方式による影響これはある意味当たり前と言ってしまえば終わりなのですが、ユーザーサイドでは知られていない事ですので取り上げます。ものとはCF値は共有されない。D-6370の比較を行ってみました。ソフトが両者で異なりますので比較し辛いかもしれませんが、F-113AC-1M0のCFが1.422@100%FSに対して、D-6370のCFは2.017@100%FSなのです。この2種類に関しては確かに熱式流量センサーを搭載しており、原理は同じ熱式流量計と考えてよいのですが、センサー構造が全く異なることから、別のマスフローであると考えなくてはなりません。CFで流量換算をされていたのを見かけたことがありますので、取り上げてみました。“マスフローのラスボスの一つ”というのは大げさではとおっしゃる向きもありますが、かってはほとんどのマスフローメーカーが流体種とCFを一対一で表記=シングルCFで運用してきたことの信憑性にかかわってくる内容なのです。今回の記事で分かってきたように、CFを1つで管理するのはかなり乱暴なことであり、複数のCFが存在することは認めなくてはいけません。マスフローに移行しています。要はシングルCFの限界をユーザーから指摘され、実ガス流量保証という名のマルチCFへの移行を行っているのです。レンジとマスフローの分流構造といった膨大なファクターを踏まえて、実ガス流量に近づける努力をマスフローメーカーは行っている。あまりにも膨大な作業量が目の前には広がっており、問題はその解を得たところで、それが商業的な成功と結びつくのか?という経営サイドからの問いに対してどうするか?なのです。「メーカーは製品の根幹にかかわる技術の蓄積と整備を蔑ろにしては、成り立たない。」筈なのに、昨今の日本メーカーの品質上の不祥事続きは、「目先の利益につながるか?どうか?」を優先しすぎたしっぺ返しではないでしょうか?マスフロー業界として、CFというものを一度総括し、この先のマルチCFとしての標準化をどう進めていくのか?という指針を出していかなくてはならないとDecoは考えます。モデル構造別にCFデータベース作り上げ、製品の製造工程で運用するだけでなく、その成果を社内資産でとどめず、FLUIDATのようなWEB上のアプリで全世界のユーザーへ発信するブロンコスト社の姿勢は、日本のマスフロー業界は大いに参考とすべきなのではないでしょうか?既報の“半導体製造ガス流量ワーキンググループ(SGF-WG)発足”の動き等、日本のマスフロー業界でもこの戦いへの参戦が始まりました。この試みに関しても、可能な限り本ブログでご報告していきたいと思っています。東京都江東区青海2-3-26)にて、半導体製造ガス流量ワーキンググループ(SGF-WG)の説明会が行われ、参加してきました。流量計測クラブの傘下のWGとなるのですが、設立の背景に関して簡単にご説明しましょう。半導体製造プロセスにおいて、マスフローコントローラ(MFC)の実ガス流量精度の向上について、エンドユーザーや装置メーカーから根強い要望があります。それはDecoが現在、本ブログの連載記事“真・MFC千夜一夜物語”で取り上げている校正ガスと実ガスとの変換係数であるコンバージョンファクター(CF)の問題に関わっています。立上げ、実ガス流量の測定方法やCFの決定方法の標準化に向けたラウンドロビンテスト等を行ってきました。Force活動は終了したのですが、継続して標準化活動を行っていく必要性を感じた有志により、SGF-WGの発足が検討され、今回その説明会が行われたのです。SEMIでの活動の途中から参画していましたが、もちろんこのSGF-WGにも参加させていただき、少しでもお役に立てればと考えております。説明会を見た限り、半導体装置メーカーさん、材料メーカーさん、そしてもちろんMFCメーカーさんからも積極的に参加を検討頂いているようです。本ブログにあるDecoへのメッセージでお問い合わせください。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?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。当ブログを宜しくお願いいたします。ラスボスCFとの戦いの第4回目をお届けします。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。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400SLM~1670SLM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。600SLMでのCFは1.422@100%FS、ところが2500SLMでは1.562@100%FSです。250SLM@10%FSでのCFは1.404であることです。600SLMモデルの同じ流量ポイントとなる250SLM@41.7%FS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、1.422→1.568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。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CFは0.9766@100%FS、これが最大レンジであるFS1400SLMでは、なんと0.8735@100%FS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、CFは0.9766→0.8735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。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1670SLMのF-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。“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25%FS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5~10ml/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。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。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。2018年12月号(11/26発売)では、マスフローのゼロシフトに対するゼロ調整に関して解説しています。本ブログと併せてお読み頂けましたら、幸いです。本物語のラスボスの一つ“CFの信憑性”との戦いの最中です。前回はCFへの温度影響を確認しましたが、今回は圧力影響に関してです。使って今度は、ガスをアルゴンにして解説しましょう。今回は圧力条件(流体の供給圧)での比較となります。マスフローの一般的な構造を下図に示しますが、ここでいう圧力は流量センサー管にかかる圧力になるので、一次圧のことを言い、MFCの際の二次圧や差圧は関係ありません。*以前、UNIT社とそのフォロワーにあったMFC二次側に流量センサーを置く=流量制御バルブ→流量センサーという特異なレイアウトのMFCにとっては、ここは二次圧となるのですが、これではセンサー管内の圧力がプロセスで変動しやすくなり、あまり好ましくなかったのではないかとDecoは思っています。)0.1MPa条件と、選定したMFMの圧力定格最大値である10MPaで比較してみましょう。結果は0.1MPaで1.387@100%FSという、我々マスフロー業界の人間としては、CF表で馴染みのあるアルゴンのCF値1.4に近い値となったのですが、10MPaだと1.181@100%FSという驚きの数値となるました。F-131Mを選んでみます。上図にあるように、40MPaでのCFは0.9587@100%FSと、これはもうアルゴンのCFとは思えない値まで下がっています。前回の温度変化の影響よりも、気体が圧縮されることで密度が変化する圧力変化影響が非常に大きいのが見て取れます。「これほど極端な高圧条件でマスフローを使わないので問題ない。」というユーザーが当然多いと思います。F-111B-100の真空10kPa(A)での値は1.391@100%FSでした。0.8MPaで1.371@100%FSですから、例え高圧=1MPa未満であるからといって、CFへの圧力影響が皆無ではないことを、頭に入れておいてくださいね。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。”マスフロー千夜一夜物語”の連載中です。