マスフローコントローラーとは・原理・構造・コンバージョンファクター・C.F/エフコン株式会社[FCON]

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マスフローコントローラーとは

マスフローコントローラーの原理と構造について

マスフローコントローラーとは

マスフローコントローラー(Mass Flow Controller)は、流体の質量流量を計測することにより流量制御を行うので、環境温度や使用圧力等の変化による補正を行う必要がなく、高精度で安定した流体計測・制御が可能な機器です。フローメーターやニードルバルブなど体積流量による流量制御では、ある程度正確な流量を必要とする際は、温度や圧力等の変化による補正を行う必要があります。マスフローコントローラー/マスフローメーターは、半導体やフラットパネルディスプレイなどの高精度な流量計測・制御を要求される分野をはじめ、分析、燃料電池、液晶、有機EL、バイオ、培養、食品、環境計測、燃焼ガス制御、工場設備、実験設備等のあらゆるプロセス、装置に幅広く使用されています。エフコンのマスフローコントローラー/マスフローメーターは、幅広い分野でご使用頂けるよう基本性能を追求した独自技術により、コストを抑え、製品の性能と信頼性を高めると共に、基本機能に特化した低価格製品の設計製造を目指しています。

マスフローコントローラーの原理と構造
マスフローコントローラーの基本構造は下図の通り、流量センサー、バイパス、バルブ、制御回路から構成されています。
一般的に使用されるのは熱式センサーと呼ばれるもので、ステンレス製毛細管の上流側と下流側に巻かれた抵抗体に電流を流し発熱させます。ガスが流れていない時は、上流側と下流側の抵抗体の熱は平衡状態に保たれ流量出力信号はゼロを示します。
入り口から入ったガスはセンサーとバイパスに分流されます。ガスがセンサーに流れ込むと上流側と下流側の抵抗体に温度差が生じ、熱バランスが崩れセンサーの温度分布に変化が起こります。この変化をブリッジ回路で捉え流量出力信号として取り出しています。これに、外部から入力された流量設定信号(0~5V)とセンサーの流量出力信号を比較して、それぞれの信号レベルが一致するように流量制御バルブがPID 動作(比例、積分、微分)し、自動的にバルブの開度を微調整するので、常に安定した流量を設定した条件で流量制御することが出来ます。
マスフローコントローラーの構造 センサー原理
■マスフローコントローラーの構造 ■流量センサーの温度分布について

コンバージョンファクターについて
コンバージョンファクターは、マスフローコントローラーやマスフローメーターのガスの種類による流量表示の変化を表わした数値で、一般的に窒素(N2)を基準(1)としています。
[例]:ヘリウム(He)で校正されたマスフローコントローラーに酸素(O2)を流し、【100ccm】と表示された場合の酸素の実流量は?
[計算式]:酸素の実流量=表示×(ガスのC.F/マスフローコントローラーのC.F)=100×(0.99/1.40)=70.71ccm
●下記C.F値は、一般的に公開されている値を参考として記述したもので、あくまでも目安です。
ガス種 C.F ガス種 C.F
窒素(N2) 1.00 空気(Air) 1.00
ヘリウム(He) 1.40 一酸化炭素(CO) 1.00
水素(H2) 1.00 二酸化炭素(CO2) 0.74
酸素(O2) 0.99 一酸化窒素(NO) 0.99
アルゴン(Ar) 1.40 アセチレン(C2H2) 0.70
●マスフローコントローラーは、基本的にお客様からご指定頂いたガスや流量に合わせて調整されていますので、それ以外のガスを流した場合、C.Fによる計算値と実流量が一致しないこともあり得ます。また、C.F値が同じガス(例えば、窒素と水素)でもガスの物性値(比熱や密度)の違いにより動作異常や流量異常が生じることもあります。
●最近は、1台で数種類のガスや流量に対応したマルチガスマルチレンジ(MG/MR)マスフローコントローラーも販売されています。
●仕様以外のガスを流される場合は、お手持ちのマスフローコントローラーのメーカーに直接お問い合わせされることをお勧めします。
マスフローコントローラーを使用する際の留意点
FLOW ●一般的にマスフローコントローラーは、流量ゼロや強制クローズの設定をしても、ガスの流れを完全に遮断することが出来ません。ほとんどのマスフローメーカーは、基本的に制御流量範囲外は、制御保証しておりません。
●ご使用される際は、マスフローコントローラーの前にバルブを設けることをお勧めします。そうすることで、マスフローコントローラーで流量設定を行い、ガスのOPEN/CLOSEはバルブの開閉で行うことが出来ますので、ガスを流さない場合の完全遮断が出来ます。また、一度設定したマスフローコントローラーの流量を変更することがありませんので、いつも同じ設定流量が再現されます。
●ガスを流しながら頻繁に流量を変更される場合でも、ガスの流れを完全遮断する際は、バルブを設けることをお勧めします。
■左図、バルブ配置フロー例。
マスフローコントローラーを初めてご使用される方へ
■マスフローコントローラーの流量設定は、専用の制御電源をご使用頂くと簡単に行えます。
■まず、マスフローコントローラー本体を配管やホースに接続し、圧力レギュレーターで必要差圧(2次側大気解放時:50~300kPa)に調整します。
■信号ケーブルでマスフローコントローラーと制御電源を接続します。そして、制御電源の電源ケーブルを接続し電源を入れます。
■当社の制御電源[PA01S(据置型)及びPA01PS(パネルマウント型)]では、正面にあるスイッチをSET側にし、ボリュームを回して流したい流量に合わせます。
■マスフローコントローラーにガスを流せば、設定した流量が自動的に制御されて流れます。
●流量が多かったり少なかったりした場合は、制御電源のボリュームを回して調整します。
低価格マスフローコントローラー[C1000シリーズ]
1000シリーズ ●マスフローコントローラーの基本性能に特化し低価格を実現。
●低価格制御電源もラインナップ。
●コンパクトサイズ
●スタート時のフローサージ現象を抑制(30秒以上のインターバルが必要)
●入出力:アナログ(0~5VDC)
●医薬・培養・バイオ・農業・溶接・蒸着コーティング・分析・各種研究や実験など幅広い分野でご使用頂けます。
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