真・ＭＦＣ千夜一夜物語　第348話　圧力式フローコントローラーの現状　その2

半導体製造装置市場向けで注目を集めている圧力式フローコントローラーに関する解説です。
そもそも圧力センサーを用いて、流量を求めるという方式は、実はかなり古くから存在しています。
以前解説していますが、体積流量計の差圧式流量計に分類されます。

差圧式流量計の代表的な原理は、絞り式、層流式に分けられます。
絞り式流量計及びピトー管式流速計の測定原理は以下の図の通りです。
これも復習になりますが、流体の断面積×流速＝体積流量でしたね？
差圧式流量計の測定原理は ベルヌーイの定理 を基本として導き出されます。
ベルヌーイの定理＝エネルギー保存則です。

図左に示すように、流体の流れに絞りを設けた場合、絞りの前の部分のV1に対して、後ろのV2は上昇します。
だが、エネルギー保存則がある限り、その場にあるエネルギー、流速、圧力、位置エネルギーの総和は等しくなければならないという原則が存在します。
配管が水平に設置され、上下流の高さが変わらないという条件ならば、位置エネルギーに変化はないので、残った圧力が流速の変化に応じて、減じられていることになりますね？
この原理を利用すれば、P1-P2の差圧から流速を導き出せる。
流速がわかれば、配管断面積を掛けることで流量を導き出せます。

もう一つ層流式の流量式は下図になります。

層流式は、層流素子である細管を流れる層流状態の流体流量を細管の上下流の圧力差から算出する方式で、検出原理には、ハーゲン・ポアズイユ流れの定理　が用いられています。「配管内が層流であるという条件下で、配管抵抗と流体の粘性により配管流路の両端に発生する差圧P1-P2は、流体の体積流量に比例する」というのが層流式流量計の基本原理です。
ハーゲン・ポアズイユの定理に従って記載すると、「体積流量は、配管半径の４乗に比例し、配管入口圧-出口圧＝差圧に比例し、配管長さに反比例し、流体の粘性に反比例する」となります。
ハーゲン・ポアズイユの流れとは、まさに層流状態の流れを示すので、層流式流量計と称されるのでしたね？

さて、この続きは各メーカーの圧力式フローコントローラーの解説になりますが、11月後半の記事になる予定です。

先が早く読みたい方は、発売中の日本工業出版(株)　計測技術　連載のマスフロー千夜一夜物語 第74回に掲載されておりますを、是非お手に取ってお読みください。

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