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2013年4月 9日 (火)

真・MFC千夜一夜物語 第31夜 「層流」を作らなくては、流量は測定できない!

MFC(マスフローコントローラー)のバイパス(層流素子)に関するお話です。

 バイパス(層流素子)というパーツは、一般的にはMFCの入口側、流量センサーの下部に位置していて、入ってきた流体をセンサー管と分流しています。わざわざ分流する意味は、センサー管に「層流」を作る為だと、前回お話ししました。

層流を作る目的とは何でしょうか?

それは層流が生じる状態が、流量を測定するのに「最適な状態」だからなのです。

では、流量を測定する上で「最適な状態」とはなんでしょうか?

 ここでマスフローに使われる熱線式流量センサーの原理に立ち返っていただくことになるのですが、測定原理のお話をした際に、以下のご説明をしたかと思います。

 「・・・上流側ヒーターと下流側のそれとの間に生じた温度差は、流れる気体の質量流量に比例することを利用して流量を測定する。」

 ここで説明されているヒーターの温度差が質量流量に比例する関係が成立するのには、実はひとつの絶対条件があるのです。

それは「センサー管内の流体の流れが層流であること」なのです。

では、「層流」という言葉をご説明しましょう。この対になる言葉は「乱流」です。

 簡単な例えをお話しますと、小川に清流が流れている状態を思い浮かべていただければと思います。ここに葉っぱ(昔は笹船というのがありましたが)を流してみると、流れが穏やかなとき(=流速が遅いとき)は、姿勢を乱さずまっすぐ流れていきます。ところが流れが激しくなると(=流速が速いとき)、葉っぱはクルクルと回転したり、蛇行したりしながら流れていってしまいます。

前者の状態が「層流」を表し、後者の状態が「乱流」となります。

今度は図で見てみましょう。

左側が層流状態、右が乱流状態です。

 

130409_02

 この流れに墨汁を流してみると、層流状態では、まっすぐ一本の線と化して流れていきます。この時、流速分布は中央部を頂点とした放物線状になります。

それに対して流速が上がって乱流状態になると、墨汁が乱れて拡散していきます。この状態の時、流速分布は中央部で均一で側壁部で急激な速度l勾配が発生しています。

 これらの状態は「レイノルズ数(Re)」で表現され、層流から流速が上がって乱流になる状態を「臨界レイノルズ数(Rec)」で表します。

 レイノルズ数(Re)=(断面平均流速(v)×円筒の直径(d))/動粘性係数(ν)

 

熱式センサーの原理を考えて頂ければ、これで乱流状態がいかに好ましくないかはおわかり頂けるかと思います。

「流体により上流側ヒーターからから下流側へ熱を運ばれる・・・その移動した熱量から流量を算出する」には、整然と墨汁が流れてくれる状態でないと「熱量」と「流量」との関係が崩されてしまいますね。

 センサー管の外周に巻かれたヒーターから与える熱を確実に流体に伝えるために、MFCのセンサー管は内径0.40.8mm程度の細い筒に設計されています。

当然、この細管内の流れを臨界レイノルズ数以下の状態に保てる流量というのは、自ずと制限されてしまい、10SCCM程度の微少流量しか流せません。しかし、それではフルスケール10SCCM以上のMFCは作れないことになってしまいます!ましてや1000SLMの大流量なんて夢のまた夢です。

 ここで「層流を作るための素子」の存在がクローズアップされてくるのです。

お話は次回に続きます。それでは。

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

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