気体や液体の流れを正確に制御することは、半導体製造からライフサイエンス、化学研究・処理に至るまで、高い精度が要求される現代のプロセスにおいて非常に重要です。安定した再現性のある流量条件を維持することは、一貫した性能と信頼性の高い結果を達成するために不可欠です。

このガイドでは、フローコントローラーの基本的な操作方法、その背後にある技術、フローコントローラーが使用される場所などについて説明しています。フロー制御が初めての方にも、現在のシステムをより深く理解したい方にも、分かりやすい出発点となるようデザインされています。

概要

• フローコントローラーのコアコンセプト
  
• フローコントローラーとは何か？
• フローコントローラーの仕組み
• フローコントローラーの技術
  
• フローコントローラーのアプリケーション
  

このセクションでは、フローコントローラとは何か、流量計とフローコントローラの違い、質量流量の測定方法、フローコントローラの機能など、高レベルの主要概念を説明します。

フローコントローラは、プロセスへの気体または液体の流量を正確に測定し、調整するために使用されます。定義されたセットポイントを維持するために継続的に流量を調整することにより、フローコントローラは、幅広いアプリケーションにわたって安定した再現性のあるプロセス条件を保証します。

流量は、質量流量または体積流量として制御することができます。これら2つの測定値は、温度と圧力によって変化する流体の密度を通じて関連付けられます。

多くの工業用および研究用アプリケーションでは、プロセスに入る物質の実際の量を反映するため、質量流量制御が好まれます。しかし、体積流量制御は、システムが体積ベースの単位を中心に設計または仕様されている場合には、依然として使用されています。

フローコントローラの核心は、フローセンサ、制御バルブ、および制御電子機器をクローズドループシステムに組み合わせたものです。

Brooks GP200シリーズのような圧力ベースのマスフローコントローラでは、ガスは予測可能な圧力降下を発生させる層流エレメント(LFE)を流れます。このエレメントを横切る差圧を測定することにより、コントローラーは十分に特徴付けられた流量関係に基づいて流量を決定します。この方法は本質的に圧力駆動型であり、計測のために熱伝導に依存することはありません。

対照的に、Brooks GF100シリーズのようなサーマルマスフローコントローラは、異なる検知原理を使用します。ガスの小部分が加熱センサーを横切り、上流と下流に配置された温度センサーが熱伝導を検出します。ガスが加熱されたエレメント上を流れると、熱を奪います。この熱損失の割合は質量流量に正比例します。

どちらの技術でも、コントローラーは測定された流量を所望の設定値と継続的に比較する。偏差がある場合、制御電子機器は主流路にある比例制御弁を調整する。バルブを開閉することで、コントローラーは設定値が達成されるまで流量を増減させます。

このクローズドループプロセスはリアルタイムで連続的に繰り返されるため、圧力、温度、プロセス条件が変化しても正確で安定した制御が可能です。

アプリケーションで使用される流量コントローラーまたは流量計のタイプは、その基礎となる計測技術によって大きく左右されます。異なる検知原理は、異なるガス、流体、流量範囲、および精度要件に適しています。

圧力ベース（P-MFC）流量コントローラー
圧力ベースのマスフローコントローラは、既知の制限を横切る圧力差を測定することで流量を決定し、明確に定義されたガス特性を使用してマスフローを計算します。このアプローチは、特に上流と下流の圧力が厳密に管理されるアプリケーションにおいて、安定した応答性の高い制御を可能にします。

Brooks Instrument の圧力ベース・フロー・コントローラ（ GP200 メタルシール式マスフローコントローラのような）は、可変ガス条件に適しており、熱的手法が制限される可能性がある場合に信頼性の高い性能を提供します。堅牢な設計と精密な制御アルゴリズムにより、P-MFCテクノロジーは幅広い産業およびプロセス環境において一貫した流量制御を実現します。

熱式流量コントローラー
熱式マスフローコントローラは、熱伝導を利用してガス流量を測定・制御します。ガスが加熱されたセンサー上を通過する際、熱損失率は質量流量に直接関係し、精密で再現性のある制御を可能にします。

Brooks Instrumentは、安定性と精度が重要な高性能ガスアプリケーション用に設計されたSLAエラストマーシール式マスフローコントローラを含む、幅広いサーマルフローコントローラを提供しています。

コリオリ流量コントローラー
コリオリ式流量コントローラは、流体がセンサーチューブ内を移動する際の振動の変化を検出することにより、質量流量を直接測定します。この流体に依存しない方法は、組成が変化するアプリケーションや未知の組成を含むアプリケーションに最適です。

Brooks InstrumentのQuantim® QMCコリオリ式マスフローメータおよびコントローラは、流体固有の校正を必要とすることなく、液体および気体に対して高精度の測定を提供します。

フローコントローラは、重要なプロセスにおける正確な気体および液体の流量を積極的に調整および維持するために、あらゆる産業で使用されています。Brooks Instrumentの流量コントローラは、正確なセットポイントを維持することがプロセス性能に不可欠であるガス混合、圧力ベースのデリバリー、および精密流体処理などのアプリケーションにおいて、安定した再現可能な制御を可能にします。

ブルックスの流量制御技術が実際のシステムでどのように適用され、一貫性、効率、および全体的なプロセスの信頼性を向上させているかについては、当社のアプリケーションノートをご覧ください。

流量制御の原理、アプリケーション、および技術をより深く理解することで、特定のプロセス要件および性能目標に適した流量制御装置を容易に選択することができます。流量コントローラは、様々な運転条件下で、所望の流量を積極的に調整・維持し、一貫した吐出量を確保します。

流量コントローラは、必要とされる精度のレベルに応じて、質量ベースまたは容積ベースのアプローチを使用して流体の動きを管理します。質量流量制御は、非常に正確で条件に依存しない調節を提供するため、一貫性が重要なプロセスに最適です。一方、容積ベースの制御は、シンプルで直接的な流量表示で十分なアプリケーションにおいて、実用的で効果的なソリューションを提供します。

安定した再現性のある流量制御を実現するために、サーマルマスやコリオリを含む様々な技術が使用されます。それぞれの技術は、異なる流体、プロセス環境、要求性能に適しています。半導体製造、化学処理、エネルギーなどの産業において、適切な流量制御装置を選択することは、プロセスの安定性を確保し、効率を最適化し、長期的なシステム性能を維持することに役立ちます。