微差圧とは？測定方法や計測器、有用性を解説

微差圧とは

差圧とは

「差圧」とは、1次側と2次側の圧力差、またはある装置の内側と外側に作用している圧力の差など、2点間の圧力の差のことをいいます。

例えば、液体がバルブを通過する際、その前後の圧力の差＝差圧によって、液体に流れを発生させることが可能です。

また、空気は、圧力の高い方から低い方へ移動する性質があり、室内の圧力を管理し、外部との差圧を設けることで、粉塵や微粒子の流出入を防ぐことができます。

「差圧」はこのような目的で、わたしたちの身の回りの様々な分野で、広く利用されています。

微差圧

上記の「差圧」のうち、とくに微小な圧力差のことを「微差圧」と呼びます。

「微差圧」の明確な定義はありませんが、一般的には、約500パスカル以下の微小な圧力差を「微差圧」と呼んでいます。

微差圧計測の難しさと重要性

微差圧計の種類

微差圧計とは、微小な圧力差またはその時間的変化を測る機器であり、大きく、液面の高さの差を測る方式と、微小圧力差による薄膜のたわみを測る方式のものに大別されます。

前者の代表的なものは傾斜管圧力計や二液マノメーターであり、後者の代表的なものは、微差圧を金属薄膜やゴム・ガラス・シリコン等の薄膜の両面に加え、そのたわみを光学的・機械的・電気的に測るものがあります。

微差圧計測の難しさ

微差圧の計測は、その微小な値を正確に捉えることが必要不可欠です。

しかしながら、微小な差であるがゆえに、その測定は下記のような環境要素の影響を受けやすく、正確なデータを得るためには、それらの影響を最小限に抑えるための高度な知識や技術が必要となります。

測定に際して考慮すべき要素

微差圧計測の重要性と把握メリット

産業現場において微差圧の計測は、製品・装置の設計開発、品質管理、また、製造プロセス制御・安全管理・エネルギー管理等に非常に重要な役割を担っており、微差圧の正確な把握は、下記のような多くのメリットを提供します。

製品や装置の設計におけるメリット

正確な測定データに基づいた微差圧の把握は、製品・装置の設計において重要な情報を提供します。

例えば、微差圧を計測することで製品・装置内の空気流量を把握でき、ファンや配管の最適配置により、効果的な空気制御や冷却効果の最適化を可能にします。これは、製品・装置のエネルギー効率や生産性向上をはじめ、動作安定性、品質の向上に繋がります。

品質管理におけるメリット

また、製品・装置の内外の圧力差を把握することで、当該製品や装置の密閉度の評価も可能です。これにより、何らかの漏れや異常の検知が可能になり、品質管理という側面においても、その均質性・信頼性向上に貢献します。

製造プロセス制御におけるメリット

さまざまな製造プロセスの制御において、微差圧データをリアルタイムに収集し、分析することで、品質管理の効率化や異常の早期検知も可能にします。

安全管理・エネルギー管理におけるメリット

微差圧の測定は、安全性を確保するためにも必要です。例えば、ガス漏れの検知や、ボイラや炉の内部圧力が安全範囲内にあることを確認するために、微差圧の測定は重要です。また、原子力関連の施設では、汚染された空気が室外に出ないように微差圧を計測し、圧力を管理しています。

エネルギー管理においては、微差圧を測定することで、エアコンや換気システムの最適化を実現し、エネルギー効率の向上に貢献することが可能です。

産業界における微差圧測定ニーズの高まり

昨今、多くの業界で、品質や安全性の向上はもとより、製品の小形化・高精度化・高効率化、さらには持続可能な社会やWELL-BEINGの実現に向けた取り組みなど、企業は幅広い課題への対応を求められています。その実現に向け、さまざまな新たな計測ニーズが生まれており、微差圧測定技術の活用を模索される企業様も増えています。

高品質・高精度化のニーズ

正確な微差圧の把握は、製品の高品質化・高精度化に貢献します。

特に、成長分野である半導体分野や電気自動車の分野においては、新たな微差圧測定ニーズも生まれており、微差圧を正確に把握することは、製品の品質向上をはじめ、製品の小型化・軽量化にも寄与します。

これらの要素は、製品の付加価値を高め、競争力を強化するために不可欠な要素です。

持続可能な社会、WELL-BEINGの実現に向けた取り組みニーズ

脱炭素社会の実現に向けて、燃料電池や高密度バッテリの活用が進み、新たな計測ニーズが生まれています。微差圧の把握は、システムの性能を最適化し、エネルギーの損失を最小限に抑制することを可能にします。

また、WELL-BEINGの分野においても、医療機器の高精度化・ウェアラブルデバイスの登場など、新たなニーズが生まれており、これらについても、私たちは、 正しく測る技術で、持続可能な社会、WELL-BEINGの実現に貢献してまいります。

微差圧計測に最適｜横河計測のMT300

横河計測が誇る、ディジタル圧力計 MT300は、横河独自の下記の技術により、高確度・高分解能・高安定性を実現しており、微差圧測定を要求されるアプリケーションに最適な製品です。

シリコンレゾナントセンサとは

シリコンレゾナントセンサは、 YOKOGAWAが世界で初めて自社開発に成功した、高性能センサです。このセンサは、第41回（平成6年度）大河内記念賞*を受賞するなど、高い評価を得ています。シリコンレゾナントセンサは、計装の高度化にともなう高精度要求に対応でき、また従来より過酷な環境でも長期に安定した計測を行なうことを可能にしました。

シリコンレゾナントセンサの構造

シリコンウエハ上に半導体プロセス技術で作られた振動子を永久磁石で励振し、Siダイヤフラムに圧力が加えられると振動子に歪が発生し、共振周波数が変化します。

シリコンレゾナントセンサの特長

独自開発のシリコンレゾナントセンサは、安定性・再現性・感度・温度特性など『正確な計測』に要求される条件を満足する優れた特性をもちあわせています。

誤差を極限まで下げる、独自の内部構造

MT300の差圧モデルは、一般的な圧力計とは異なり、2点間の圧力の差を内蔵されている1つのシリコンレゾナントセンサで測定しています。
この独自の内部構造により、2つのセンサで測定する一般的な圧力計の最大2倍の確度を有しています。

液体・気体双方に対応

MT300は一般的な微差圧計と異なり、気体のみならず、液体も微差圧測定が可能です。液体の微差圧を高精度で測定できる唯一無二の圧力計です。

分解能を1桁上げるオプション

MT300は、標準仕様の表示桁数に対し、さらに分解能を1桁上げるオプションを追加しています。これにより、より高精度の圧力測定を可能にしています。

また、校正環境構築においては、校正環境全体の不確かさを下げることにも貢献します。

微差圧測定の事例紹介

CASE1｜小型コンプレッサ性能試験における差圧（流量）測定

少ない流量での確度の高い差圧測定を実現

小型コンプレッサ（容積形圧縮機）の性能試験のうち、実体積流量の測定方法は、JIS Z 8762 / ISO 5167に従うことが推奨されており、同規定では、絞り孔径12.5 mm以上の円形のオリフィス板の上流側と下流側との間に生じる静圧差を測定することで求めるとものとされています。

このような少ない流量の測定では、上流側と下流側の差圧が小さくなるため、その測定には微差圧を高確度で測定できる圧力測定器が必要になりますが、MT300は、少ない流量でも正確な微差圧計測が可能です。

CASE2｜EV用水冷式デバイスのクーラント流路圧力損失測定

高確度0.01%の差圧測定で、冷却回路の効率化に貢献

電気自動車（EV）には、モーター、バッテリ、パワー制御ユニットなど温度管理が必要なデバイスが多数実装されており、EV性能向上に伴い、それらデバイスの冷却回路の効率化（＝ 省エネ化）を目的とし、水冷式冷却装置の開発 / 設計において、クーラントが流れる流路の圧力損失測定が非常に重要な役割を担います。

MT300は、1台で高確度0.01%の差圧測定が可能です。ラジエータや電動ウォーターポンプの圧力損失測定をはじめとした、EV開発における熱マネージメント分野での差圧測定アプリケーションで多くの採用実績があります。

CASE3｜自動車用ターボチャージャの圧力測定

数kPa圧力の正確な測定で、エア流量をコントロール

昨今、内燃機関におけるエンジンの小型化や、燃料電池においても、その高効率な発電システム開発を目的に、ターボチャージャが注目されています。

自動車に搭載されているターボチャージャの製造時の最終検査では、流量制御が非常に重要なポイントとなります。MT300は、一般的な圧力計の最大2倍の確度を有していおり、流量制御に必要な数kPaの圧力を正確に測定することができるため、ターボチャージャの検査ラインに採用されています。

CASE4｜掃除機の吸い込み仕事率測定

高精度かつ高速での動的特性把握の実現

家庭用電気掃除機の吸引力（吸込仕事率）は、掃除機の性能を決める重要なファクターです。その試験方法はJIS C 9108により規定されており、各メーカーは規格に適合した環境を厳格に管理し、評価することが求められています。

MT300は、ピトー管を通じて得られる微差圧を単一センサーにより高精度に測定することで精度の高い吸入空気量の測定を実現します。

また、均質容器内の圧力変動を高速に補足するも高速応答性を備えており、規格要求にもとづく動的特性を測定する環境構築の実現が可能です。

CASE5｜空気清浄機の風量測定

単一センサーで微差圧同時測定、規格に適合した試験環境の構築

近年、空気清浄機の需要が拡大していますが、空気清浄機にとって、多くの物質を除去するために、空気の吸込み量（空気流量）は、重要な性能の一つです。本評価は、JIS C 9615で規定されており、平衡状態での測定及び、内圧と外圧の同時測定が求められています。

MT300は、オリフィスプレート前後の微差圧を単一センサーで測定することにより、精度の高い流量測定を実現することができます。また、空気槽内の圧力を同時監視することで、規格要求となる平衡状態の確認が可能となります。

CASE6｜室内クリーンレベル、陰圧確保のための圧力測定

バッテリ駆動により、既設微差圧計の現場校正も可能

感染対策用の病室や手術室、ICUなどはHEPAフィルタを用いた高いレベルの空気洗浄度の維持と合わせ、陰圧・陽圧の管理が行われています。クリーンルーム用エアフィルターの性能試験は、JIS B 9927 /ISO 29463-1に規定されています。

MT300は、当該規定に基づいた、HEPAフィルタユニット前後の圧力損失の測定や試験用ろ材の圧力損失測定における微差圧を高精度に測定します。また、バッテリ駆動により、施設に設置されている微差圧計の現場校正も可能となり、定期的な点検・検査作業を効率化します。