"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。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。2019年6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。液化ガスさて、長かったマスフローでこのガスを使う時は注意しよう!の最終話です。今回登場するのは、MFCの大敵=液化ガスのボスともいえるガスの登場です。(最終話らしい展開ですね。=フッ酸と呼ばれる大変危険な毒物です。Decoがデビューした頃、当時の師匠に、「半導体工場バックヤードに入ったら、透明な液体を、けっして水とは思うな!」と教えられたことがあります。これは「フッ酸のような危ない液体と見誤るな!」という意味でした。gの恐ろしい毒物です。皮膚に接触すると、体内浸透し、体内のカルシウムイオンと結合してフッ化カルシウムを生じ、激痛と共に骨を侵していくのです。多量に浴びれば、血中のカルシウムを喪失して死に至りますし、少量でも骨に穴が開きますこれは恐ろしい現象です。いった毒物を使っているのが、半導体製造装置なのです。主な用途はクリーニングガスと呼ばれる洗浄用途です。HFにMFCを使った事例があったのですが、不具合が多く問題が多発しました。液化ガス特有の液化の問題が1つでした。液化したHF=フッ酸ですから、これがバルブ周りに残留した状態のMFCを修理したくても取り外す事すら憚られる状態になってしまいます。その液化を防ぐ為に、当時のMFCはヒーターで昇温されて使用されいていたのです。昇温自体は断熱膨張を起こしやすい液化ガスに対する対策として第283話でも説明したやり方で間違ってはいなかったのですが、問題が生じたのはコンバージョンファクター(CF)に対してでした。HFのCFは通常窒素に近い1.0と言われています。このガスが厄介なのは温度によりCFが0.3~1.0まで変化する性質がある事でした。温度条件を変えると、CFが大きく変化してしまい、流量がずれて行ってしまうという問題を抱えていたのです。ここからはもう時効なので、お話しします。Decoもガスメーカーさんの協力で、何度かその実験に参加させて頂き、ある程度の知見を得たのですが、これには温度だけでなく圧力条件も関わった複雑な要素があったのです。ここまでCFが変動するガスの制御は簡単ではありませんでした。MFC)を応用して、絶対圧センサーと温度センサーによりCFテーブルをリアルタイムに選定して制御するMFCでした。今現在、HF用ではありませんが、実は同じ思想で作られたMFCがあります。このMFCはかなりマニアックな思想で作られていますので、カタログを一覧しただけでは、そのすごさは全くわかりません。ブロンコストも“最後の熱式MFC”と考えているというこのMFCに関しては、またの機会にお話ししましょう。窒素や空気で調整されたMFCにとって実ガス制御とは、そう簡単にいかないものです。この章で例にとってお話ししたガスはほんの一部ですが、色々と参考にして頂ければ幸いです。CORI-FLOWシリーズで、コリオリ式としては異例の微小流量化へ開発の舵を取ってきました。これは大流量、プラント用がメインと思われてきたコリオリ式流量計の世界では、異端な出来事で、現時点で追従者はなかなかいない状況です。従来のシリーズでの最小流量はM12&ML120シリーズのフルスケール5g/h、MFMで最小測定流量は0.05g/h、MFCでの最小制御流量が0.1g/hでした。これはコリオリ流量センサーをステンレスの細管で構成する上での最小流量と言ってよいです。このレンジで使用するコリオリ式流量センサーの内径は既に0.25mmであり、これ以上のSUSの細管を独自の形状に曲げ加工してコリオリセンサーとして使用するのは不可能だと思えるからです。CORI-FLOWのコリオリ式流量センサーの概略図を参照して下さい。operation”>コリオリ式流量センサーの流量式を下図で示します。本ブログでお馴染みの図ですね。回転系に発生する慣性力をコリオリ力として取り出す為に、振動系を構築すると、ある周波数で振動するU字配管に流体が侵入すると、その進路の垂直方向へコリオリ力が産まれます。これには流体がある程度以上の密度が無い場合、流れによって生じるチューブの捻じれ振動数が、強制振動数に対してインパクトを生じないという弱点があります。その為、微小流量の流体測定には、センサーチューブ自体の径を細くしていく必要があるのです。前述の通りステンレス細管では既に限界と思えるサイズ要求であり、更なる微小流量用センサーを開発する上で大きな問題となっていました。ブロンコスト社では、ここでMEMS技術を採用します。<出展:ブロンコスト・ジャパン(株)>今までもMEMS技術で作られた流量センサーは数多くありました。熱式ではMEMSセンサーが一つのムーブメントになったくらいです。それに対してコリオリ式は、以前紹介したISSyS社のものが先駆け的な存在ではあったものの、Decoの知る範囲では、今のところあまり存在していません。今回、開発されたMEMSコリオリ式流量センサーは、BL100シリーズという新モデルに搭載されました。g/hのガスおよび液体の測定・制御を達成したとのことです。これはどこの追従も許さないコリオリ式流量計としての最小流量記録をブロンコスト自身が塗り替えたことになり、すごいことだとDecoは考えています。2019年1月末に催された国際ナノテクノロジー総合展、オランダ・ハイテク・パビリオンブースのブロンコストコーナーで日本初お目見えを果たしたBL100のデモ機を見せてもらいましたが、サイズ的には一般的なMFCのサイズなのですが、手に取った際のずっしりした重量感がすごく印象的でした。今まで数多くのマスフローを手に取った経験があるDecoが、その重さに驚いたくらいなのです。MEMS化したことで小型軽量化したコリオリセンサーへの外乱=振動影響を防ぐ為の工夫らしく、かなりの重量構造のフレームを採用しているようですね。構造に関しては、情報が公開され次第、本ブログや計測技術誌の連載で取り上げたいと思っています。現在、ブロンコスト・ジャパン(株)では、評価用デモ機を準備する用意があるとの事です。国産メーカーさんでよくあるような、「評価という名目でマスフローを1台、お客さんに置いていきますよ」ようなものではなく、お客様と守秘契約を結んだ上で最大6か月の評価貸出を行って頂き、その評価結果の開示が貸し出し条件になるとのことです。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。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。