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2015年2月25日 (水)

真・MFC千夜一夜物語 第180話 MFCに液体を流してはいけないの?その3

日本工業出版さんの「計測技術」で 「マスフロー千夜一夜物語<質量流量計の基礎>」という連載も2015年2月号で11回目を迎えさせて頂きました。
これも一重に、本ブログや連載をお読み頂いている皆様のおかげと思っております。
改めてお礼申し上げますさて、熱式センサーに液体を流すことはなぜ難しいのでしょうか?というお話です。

前回、気泡が混入することで起きるトラブルをご説明させて頂きました。
流量出力が液体と気体により熱を奪われる量が大きく異なることから生じるハンチングは、液体MFC(マスフローコントローラ)での流量制御が破綻を招きます。
まさに「制御バルブは急には止まらない!」です。
例えば積算流量管理である目標値の充填をボトルに行う場合はフローオーバーしてしまいますし、液体MFCの下流に気化器を付けて、常温では液体の材料を気化 して用いるような半導体製造装置プロセスでは、ハンチングの影響だけではなく、一気に流れ込んだ液体が気化器内で気化できずにそのまま下流へ行ってしま い、最悪はチャンバー内のウエハーに到達してしまう問題を引き起こします。
液体MFCを使用される場合は、気泡対策が肝心なのです。

 

対策としては主に3つです。
1つは、液体MFC直前に気泡を生じにくい配管を組むことです。
流路が急に狭くなり、流速が上がるポイントを無くせばいいのです。
ところが、ほとんどの場合、液体MFCの前後にはシャットオフバルブが存在していると思います。
これは危険な液種になればなるほど、液体MFCを安全に取り外すためにも必要になります。
バルブの中では当然急速に流路は狭まるわけでして、気泡にとっては宜しくありません。
矛盾する問題なのですね。

その2はできるだけ液体に溶け込みにくい気体で圧送することです。
液体供給は気体と異なり、上流の液タンクから気体で圧力をかけて押し出す圧送が主です。
その気体は当然液体材料に接触しているわけですから、溶け込みの主犯になることが多いのです。
例えば液体が水とした場合、溶解度(1 cm3 の水に溶け込む気体の体積が占める割合)は、二酸化炭素1.05350>アルゴン0.03130>酸素0.02850>窒素0.01470といった関係になります。
空気は窒素、酸素の混合気体と考えれば酸素>空気>窒素という関係ですね?
(詳しくは理科年表等の記載をご確認ください。)
つまり空気で圧送するよりも、窒素の方が溶け込みにくいと言うことです。
更に圧送する気体圧力が倍になれば、溶け込む量も倍になりますので、その意味では気体の圧力を圧送できる最小限度に落としておくのも手です。
この方法は現実的ですが、「液体材料に全く溶け込まない気体は無いので、気泡が出ないわけではない」という点を考慮しなくてはいけません。

その3は、溶け込んだ気体を液体MFCの前で脱気することです。
これは特別な仕組みが必要になります。
例えば下図のようなものです。

150225_01

デガッサーと呼ばれる事もある脱気装置です。
これに用いるスパイラル状の配管材質は色々ありますが、要は金属管のような分子間距離が近くて、気体がすり抜けていかない配管ではなく、気体がある程度すり抜けていくフッ素樹脂製の管で流路を作り、それを気密性の高い箱に入れ、中を真空にポンプで引きます。
そうすることでフッ素樹脂配管の内外圧力差を作り、液体に溶け込んだ気泡を引っ張り出してしまおうというシステムです。
圧送に使うガスで水素やヘリウムのようなすり抜けやすい小さなガスを用いると効果が大きいはずです。
しかしながら、安全面で水素は問題がありますし、ヘリウムは近年価格が高騰しており、コスト対効果でやや?がつくのが難点です。

液体MFCセンサー部の気泡トラブルで困っておられる方は、ご紹介した方法で再度チャレンジしてみてはいかがでしょうか?

【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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