ドループを減らすためにレギュレーターの流量曲線を平坦化する方法

ドループを減らすためにレギュレーターの流量曲線を平坦化する方法

ジョン・ケスナー

産業用流体システムの安全な運用には、一貫した圧力制御が不可欠です。レギュレーターを使用して信頼性の高い下流圧力を維持すると、特に高流量システムで流量の変化を最小限に抑えることができます。ただし、圧力制御を維持し、ドループを最小限に抑えるために、流体システムに外部コンポーネントを追加する必要がある場合があります。

ドループとは?

ドループは、下流の流れが増加するにつれて出口圧力が低下することとして定義されます。上記のチャート (図 1) は、フロー カーブの例です。流量曲線は、さまざまなシステム流量に基づいてレギュレータが維持する出口圧力の範囲を確立するために使用される便利なツールです。流量曲線は、製品テストを通じて作成され、特定のシステム パラメータ セットに対するレギュレータの実際の性能を表しています。

縦軸は出口圧力を表し、横軸は下流の流量を表します。曲線の最も平坦な部分、つまり最も水平な部分は、流量が大幅に変化した場合でも、レギュレーターが一定の圧力を維持できる場所を示しています。曲線の右端は、レギュレーターが完全に開いて一定の圧力を維持できない場所を示しています。圧力が急速に低下し始めてゼロに近づくこの領域内で、ポペットはストロークの限界に達し、制御不能になります。この時点で、レギュレーターは圧力制御装置のようには機能せず、制限オリフィスのように機能します。

すべての減圧レギュレーターはある程度のドループを示しますが、この現象を最小限に抑えるための措置を講じることができます。システムに適したレギュレータ構成を選択することで、よりフラットな流量曲線を実現できます。ドループを減らすための 4 つの異なるオプションを以下に説明します。

オプション A:シンプルなスプリング式レギュレーター

最も一般的なタイプの減圧レギュレーターは、スプリング式レギュレーターです。この設計では、スプリングが感知要素 (ダイアフラムまたはピストン) に力を加え、ポペットをオリフィスに近づけたり遠ざけたりして、下流の圧力を制御します。ベースラインとしてバネ仕掛けのレギュレーターを使用します。

スプリング式の減圧レギュレーターは、ドループの低減に関しては、一般的なアプリケーションに許容できる性能を提供します。この構成では、システム流量の需要が増加すると、レギュレーターのポペットがシートから離れて追加の流れが可能になり、負荷スプリングが緩和され、負荷力とレギュレーターの設定点が低下します。流量要求が変化すると、ドループの量は負荷スプリング レートに依存し、場合によっては、高度な精度が必要な場合は、目的の設定圧力に頻繁に手動で調整する必要があります。

ドループを改善し、フロー カーブを平坦化するためのより効果的なオプションは、ドーム型の減圧レギュレーターです。このタイプのレギュレーター内の負荷力は、スプリングではなく、ドームチャンバーに収容された加圧ガスによって制御されます。ガスはダイヤフラムを曲げ、ポペットをオリフィスから遠ざけ、下流の圧力を制御します。以下の残りのオプションでは、ドループを最小限に抑えてドーム型レギュレーターをさまざまなコンポーネントや設計変更と組み合わせると、どのように性能を向上させることができるかを探ります。

オプション B:パイロット レギュレーターを備えたドーム型レギュレーター

オプション B は、ドーム搭載の減圧レギュレーターをパイロット レギュレーターと結合します。この構成では、ドーム ロード レギュレータは、ドーム チャンバー内の圧力を一定に維持することにより、圧力変化に応答します。パイロットレギュレーターは、ドームロードレギュレーターのドームチャンバーへのガスの供給を制御するために使用されます。上の図 2 に示すように、過剰なドーム圧力は、アウトレット ループを通じて解放されます。

システム流量の需要が増加すると、ポペットはシートから離れて追加の流れを可能にします。ただし、スプリング式レギュレーターとは異なり、緩むことができるローディング スプリングはありません。代わりに、ダイアフラムが下に曲がり、ドーム チャンバーを拡張し、ドーム圧をわずかに下げます。パイロットレギュレーターはドーム圧力の低下を感知し、開いてドームに追加のガスを入れ、意図した設定圧力を維持することで応答します。ダウンストリーム システムの流量需要が減少すると、ポペットが上昇してシートに近づき、ダイアフラムがドーム内に押し上げられ、ドーム内の圧力がわずかに上昇します。この過剰な圧力は、動的制御出口ループを介してレギュレーターの下流側に排出されます。

図 2:オプション B 構成は、ドーム圧を制御するためのパイロット レギュレーターと動的制御アウトレット ループを備えたドーム搭載型レギュレーターを備えています。

図 1 に戻ると、この構成は「オプション B」というタイトルのフロー カーブとして表されます。ベースラインのスプリング式レギュレーター曲線であるオプション A と比較して、ドーム式レギュレーターとパイロット レギュレーターの構成は、より動的な圧力制御を提供します。多少の垂れ下がりはまだありますが、流量曲線はより平坦です。これは、レギュレータが幅広い流量にわたって設定圧力をより正確に保持できることを表しています。標準のドーム型レギュレーターは、出口圧力が大幅に低下する心配なく、多くのシステムで使用できます。ただし、ドループは、以下で説明する他の構成を使用してさらに減らすことができます。

オプション C:ドーム ロード レギュレータに接続された外部フィードバック ライン

ドーム型レギュレータに外部フィードバックを追加することで、精度をさらに高めることができます。外部フィードバックは、チューブを下流のプロセス ラインからドーム ロード レギュレーターのセンシング領域に接続することにより、レギュレーターに送信されます。

外部フィードバック ラインは、圧力をレギュレーターの下流にあるシステム内のポイントからレギュレーターのセンシング領域に向けます。これにより、レギュレーターは、標準的なドーム型レギュレーター設計の場合のようにレギュレーター内の圧力の変化だけでなく、システム内のその時点での圧力の変化に反応することができます。

図 1 に戻ると、オプション C は 3 番目のフロー カーブとして表されます。動作流量は、臨界チョーク ポイントに到達する前に拡大します。このフロー カーブは、前の 2 つのオプションよりもフラットですが、まだ多少の垂れ下がりが見られます。

オプション D:パイロット レギュレータに接続された外部フィードバック ライン

最後のオプションは、フロー カーブを平坦化するための最適な構成を示します。上記の図 4 に示すように、外部フィードバック ラインは、ドーム ロード レギュレータではなく、パイロット レギュレータに直接接続されています。これにより、パイロットレギュレーターは、実際の下流圧力に基づいてドームロードレギュレーターのチャンバー内の圧力を非常に正確に調整できるため、ドームロードレギュレーターは出口圧力を変更することで補償できます。

システム流量の要求が高まると、追加されたフィードバック ラインを通じて、より低い圧力がパイロット レギュレータに戻されます。パイロットは、この圧力変化に反応してドーム ロード レギュレータの圧力を上げ、適切な下流設定圧力にします。この構成では、フィードバック ループによって継続的な自動調整が可能になり、システムが安定して最適なパフォーマンスが得られます。これは、かすかなドループと広い流量範囲を持つ最終的な流量曲線として図 1 に示されています。

すべてのレギュレータは、いくらかの垂下を示します。システムによっては、ドループが許容される場合があります。しかし、流量が変化しても圧力を一定に保つことが重要な場合は、適切なレギュレータ構成が役に立ちます。流体システムに適した減圧レギュレーター構成を選択する方法の詳細については、最寄りの Swagelok 販売およびサービス センターに連絡して、専門家による評価を受けてください。