レギュレーターフローカーブの習得：ドループを最小限に抑え安定圧力を確保する技術

レギュレーターフローカーブをフラットにしてドループを減らす方法

Jon Kestner

一貫した圧力制御は、産業流体システムの安全運転に不可欠です。レギュレーターで信頼性の高い下流圧力を維持すると、特に大流量システムで流量変化を最小限に抑えられます。しかし、圧力制御を維持しドループを最小限に抑えるには、外部コンポーネントを流体システムに追加する必要がある場合があります。

ドループとは

ドループとは、下流流量の増加に伴う出口圧力の低下を指します。上図（図1）はフローカーブの一例です。フローカーブは、与えられたシステムパラメータセットに対するレギュレーターの実性能を表し、製品試験によって作成される有用なツールです。レギュレーターが様々なシステム流量で維持する出口圧力範囲を確立するのに役立ちます。

縦軸は出口圧力、横軸は下流流量を示します。曲線の中で最も平ら（水平に近い）部分は、大幅な流量変化があってもレギュレーターが一貫した圧力を維持する領域を示します。曲線の右端は、レギュレーターが全開になり、一貫した圧力を維持できなくなる領域です。この領域（圧力が急激に低下し始めてゼロに近づくまでの間）では、ポペットがストロークの限界に達し、制御を失っています。この時点で、レギュレーターは圧力制御デバイスというより、絞りオリフィスのように振る舞います。

すべての減圧レギュレーターは何らかのドループを示しますが、この現象を最小限に抑える対策は可能です。よりフラットなフローカーブは、システムに適したレギュレーター構成を選ぶことで実現できます。ドループを減らす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ロードレギュレーター

最も一般的な減圧レギュレータータイプはスプリングロードレギュレーターです。この設計では、スプリングがセンシングエレメント（ダイヤ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離したりして下流圧力を制御します。スプリングロードレギュレーターをベースラインとして使用します。

スプリングロード減圧レギュレーターは、ドループ低減の観点から、一般的なアプリケーションで許容できる性能を発揮します。この構成では、システム流量需要が増加すると、レギュレーターポペットがシートから離れて追加流量を許容し、その結果、ロードスプリングが緩み、ロード力とレギュレーター設定値が低下します。流量需要の変化に伴い、ドループの程度はロードスプリングレートに依存し、高精度が要求される場合は、望ましい設定圧力に頻繁に手動で再調整する必要が生じることがあります。

ドループを改善しフローカーブをよりフラットにするより効果的なオプションは、ドームロード減圧レギュレーターです。このタイプのレギュレーターでは、ロード力はスプリングではなく、ドームチャンバー内の加圧ガスによって制御されます。ガスがダイヤフラムをたわませ、ポペットをオリフィスから離して下流圧力を制御します。以下のオプションでは、ドームロードレギュレーターを様々なコンポーネントや設計変更と組み合わせることで、ドループを最小限に抑え、性能を向上させる方法を探ります。

オプションB：パイロットレギュレーター付きドームロードレギュレーター

オプションBは、ドームロード減圧レギュレーターとパイロットレギュレーターを組み合わせたものです。この構成では、ドームロードレギュレーターがドームチャンバー内の圧力を一定に保つことで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供給を制御します。図2に示す通り、余分なドーム圧力はアウトレットループを通じて逃がされます。

システム流量需要が増加すると、ポペットはシートから離れて追加流量を許容します。しかし、スプリングロードレギュレーターとは異なり、緩むロードスプリングはありません。代わりに、ダイヤフラムが下方にたわみ、ドームチャンバーが拡張し、ドーム圧力がわずかに低下します。パイロットレギュレーターはこのドーム圧力低下を検知し、ドームへ追加ガスを供給して意図した設定圧力を維持するよう開弁します。下流システム流量需要が減少すると、ポペットはシートに近づき、ダイヤフラムをドーム内に押し上げ、ドーム内圧力をわずかに上昇させます。この余分な圧力は、ダイナミックコントロールアウトレットループを通じてレギュレーター下流側に逃がされます。

図2：オプションB構成は、ドームロードレギュレーター、パイロットレギュレーター、ダイナミックコントロールアウトレットループを備え、ドーム圧力を制御します。

図1に戻ると、この構成は「オプションB」と題されたフローカーブで表されます。ベースラインのスプリングロードレギュレーター曲線（オプションA）と比較すると、ドームロードレギュレーターとパイロットレギュレーターの構成は、よりダイナミックな圧力制御を提供します。まだ多少のドループはありますが、フローカーブはよりフラットで、幅広い流量範囲で設定圧力をより正確に保持できるレギュレーターであることを示しています。標準的なドームロードレギュレーターは、多くのシステムで大幅な出口圧力低下の心配なく使用できます。しかし、以下で説明する他の構成を用いると、ドループをさらに低減できます。

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

ドームロードレギュレーターに外部フィードバックを追加することで、さらなる精度向上が可能です。外部フィードバックは、下流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エリアへチューブを接続することで送られます。

外部フィードバックラインは、レギュレーター下流のシステム上の一点からの圧力を、レギュレーターのセンシングエリアへ導きます。これにより、レギュレーターは、標準的なドームロードレギュレーター設計のようにレギュレーター内部の圧力変化だけでなく、システム内のそのポイントでの圧力変化に応答できるようになります。

図1に戻ると、オプションCは3番目のフローカーブで表されます。クリティカルチョークポイントに達するまでの作動流量範囲が広がります。このフローカーブは前の2オプションよりフラットですが、まだ多少のドループを示します。

オプションD：パイロットレギュレーターに接続された外部フィードバックライン

最後のオプションが、フローカーブを最もフラットにする最良の構成です。図4に示す通り、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ーではなく、パイロットレギュレーターに直接接続されます。これにより、パイロットレギュレーターが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圧力を高精度に調整し、ドームロードレギュレーターが出口圧力を変化させて補償できるようになります。

システム流量需要が増加すると、低下した圧力が追加されたフィードバックラインを通じてパイロットレギュレーターに戻されます。パイロットはこの圧力変化に反応し、ドームロードレギュレーター内の圧力を上昇させ、適切な下流設定圧力をもたらします。この構成では、フィードバックループが継続的かつ自動的な調整を可能にし、最適化された性能でシステムを安定化させます。これは図1の最終フローカーブで、わずかなドループと広い流量範囲として示されています。

すべてのレギュレーターは多少のドループを示します。システムによってはドループが許容される場合もあります。しかし、流量変化に伴い圧力を一定に保つことが重要な場合、適切なレギュレーター構成が役立ちます。流体システムに適した減圧レギュレーター構成の選び方についてさらに知りたい場合は、お近くのSwagelok営業・サービスセンターにご相談ください。専門家による評価を提供します。