日常生活の中で、私たちは蒸気に囲まれている。私たちは蒸気を吸い込み、視覚や触覚を通じてその存在を感じることができる。もうひとつの深い例は、家の中で私たちを取り囲む空気の一部としての水蒸気である。窓のような冷たい面に空気が触れると、その存在に気づく。含まれていた水蒸気が窓ガラスに凝縮し、液体として目に見え、触れることができるようになるのだ。
また、工業プロセスや研究所においても、蒸気は有用な役割を担っている。蒸気とは何なのか、どこで使われているのか、どのようにしてこれらのプロセスに制御された形で供給できるのか。
蒸気CEMの原理
ベーパーフローコントロールの詳細
蒸気とは何か？
蒸気は気体によく似ており、固体や液体と同様に物質の基本的な状態である。気体や蒸気は、自由な粒子として動く別々の分子から構成されている。しかし、気体と蒸気には本質的な違いがある。ある化合物が室温（約20℃）、常圧（1気圧）で液体である場合、その化合物の「気体」を蒸気と呼ぶ。酸素は常温でも気体であるため、酸素の気体が気体であるのに対して、水の「気体」を蒸気と呼ぶのはそのためである。
蒸気を発生させるには？
温度を上げたり圧力を下げたりすると、液体は蒸発して蒸気に変わる。分子レベルでは、液体の表面ではどのような温度でも、液体を離れるのに十分な速度の分子が常に存在する。つまり、液体の上には常に同じ液体の蒸気が存在する。蒸発は液体の沸騰温度だけでなく、どの温度でも起こる。この沸騰温度は単なる定義であり、液体の蒸気圧が周囲の圧力と等しくなる点である。
温度と圧力を調整することは、蒸気圧を制御する2つの方法であり、その結果、蒸気の量や、動的な状況では蒸気の流れを制御することができる。蒸気圧をコントロールする第三の方法は、例えば蒸気に窒素などの不活性ガスを加えて希釈することである。
なぜ蒸気を使うのか？
例えば、燃料電池（PEMFC）では、高い導電率を維持するために電解質を水和状態（加湿状態）にする必要があります。例えば、燃料電池（PEMFC）の場合、電解質を水和状態（加湿状態）にして高い導電性を維持し、最適な性能を発揮させる必要があります。 また、湿度センサーの校正や認証のために、正しい湿度値を表示するための正確な水蒸気濃度を供給したい場合もあります。
別のタイプの蒸気供給は、反応器への有機金属蒸気の制御供給である。これらの蒸気化合物は、例えば半導体薄膜の成膜など、対象物上に薄膜を堆積させる化学蒸着反応において前駆体として作用する。複雑な形状の対象物であっても層成長を正確に制御し、高価な有機金属前駆体を流出させないためには、正確な蒸気供給が必要です。
バブラーを使用した従来の蒸気流量制御
顧客のプロセスに蒸気を供給する伝統的な方法は、バブラーシステムを使用することである。ここでは、液体化合物で満たされた加熱容器内をガス流がバブリングされる。このキャリアガス流は、化合物の蒸気で全体的または部分的に飽和状態になり、この蒸気流はさらにキャリアガスによって顧客のプロセスに導かれる。
これは非常にシンプルなセットアップで、多目的に使用できるが、いくつかの欠点がある。プロセス条件のわずかな変化で蒸気流量が大きく変動することがあり、長期安定性に乏しい比較的不正確な供給技術となってしまう。蒸気圧は容器温度に大きく依存するため、わずかな温度変化は蒸気圧、ひいては蒸気流量にかなり大きな偏差をもたらす。さらに、安定した蒸気流を得るためには、全圧とキャリアガス流量が安定している必要がある。この蒸気流ソリューションは、温度と圧力に強く依存している。
液体中のキャリアガス
蒸気流ソリューション
制御された蒸発と混合による蒸気流ソリューションの改善
上記のハードルを克服する一つの方法は、蒸気デリバリーにCEM (Controlled Evaporation & Mixing)システムを利用することです。この蒸気システムでは、ガスマスフローコントローラー（EL-FLOW Selectモデルなど）が正確に制御されたキャリアガス流量を供給し、液体流量計（mini CORI-FLOWやLIQUI-FLOWなど）が、例えば室温加圧液体容器から取り出された蒸発させる液体の流量を測定します。液体制御バルブは3方向アクチュエータとしても機能し、微小な液体液滴をキャリアガスと混合する役割を果たします。
混合液は、加熱され温度制御された混合・蒸発室に入り、そこで液体は直ちに完全に蒸発し、均質な蒸気とガスの混合物が生成される。
完全なCEMシステムは、電源を含む外部リードアウト/コントロールユニットで、あるいはCEMシステムコンポーネントの操作にBronkhorst Flowsuiteようなブロンコストソフトウェアを使用してPCでモニターできます。CEMシステムは、多くの点でバブラーを凌駕する簡単なベーパーデリバリーモジュールです。ガスと液体の流量はマスフローコントローラーを使用して制御され、マスフロー計の精度と再現性によりモル比の正確な制御が保証されるため、プロセスは圧力と温度に依存しません。この正確な質量流量制御は、蒸発器からの蒸気出力の大きな安定性をもたらす。
液体流をキャリアガスの流れに直接注入することで、ガス中の液体分子の分散がより良くなり、応答時間が大幅に短縮される。
蒸発チャンバーは、乱流を発生させ、気液混合物の均一性を高める内部幾何学的形状に設計されている。さらに、気体流に導入された微細な液滴を加熱し、蒸発を促進します。
液体の質量流量は、オンラインのFluidat on the Netアプリケーションを使って簡単に求めることができます。さらに、相対湿度(%RH)とモル濃度も計算でき、 ブロンコストCEM蒸発システムの利用を容易にします。
ベーパーフロー用途での結露を避ける
ベーパーフロー用途での結露を避ける
ベーパーフローの応用例
CEMシステムによる蒸気供給は、通常、表面処理、食品・飲料産業、製薬用途、材料研究・試験、環境研究などの用途で行われる。
無菌パッケージの蒸気および液体の流量制御
一例として、無菌パッケージの滅菌工程でCEMシステムが使用された。カスタマーストーリーを読む。
燃料電池の加湿
さらに、CEMは自動車産業における燃料電池テストベンチの相対湿度を制御した雰囲気を提供するために使用されている。このアプリケーションについてもっと読む。
