産業用減圧レギュレーターの供給圧力効果（SPE）管理：安定したガス圧力制御のために

産業ガスシステムで使用される減圧レギュレーターにおける供給圧力効果（SPE）の管理方法

Wouter Pronk、シニアフィールドエンジニア、Swagelok

ガスシリンダー供給源からプロセスラインを運転している流体システムオペレーターは、減圧レギュレーターの出口圧力が、明らかな理由なく上昇する現象を時折観察することがあります。シリンダーが空になるにつれ、レギュレーターへの入口圧力は低下します。多くの熟練技術者なら出口圧力も同時に低下すると予想しますが、実際には出口圧力が上昇します。この現象を供給圧力効果（SPE）と呼びます。

供給圧力効果（SPE）とは

供給圧力効果、別名入口依存性は、入口（供給）圧力の変化による出口圧力の変化と定義されます。この現象では、入口と出口の圧力変化は互いに逆比例します。入口圧力が低下すれば、対応する出口圧力上昇が生じます。逆に、入口圧力が上昇すれば、出口圧力は低下します。

レギュレーターのSPEは通常、メーカーから提供されます。SPEは通常、入口圧力変化あたりの出口圧力変化を示す比率またはパーセンテージで表されます。例えば、レギュレーターのSPEが1:100または1%と記載されている場合、入口圧力が100 psi低下するごとに、出口圧力は1 psi上昇します。レギュレーターの出口圧力変動度合いは、以下の式で推定できます：

スプリングロードレギュレーターにおけるアンバランスポペットとバランスドポペット設計

最も一般的なレギュレータータイプの一つは、スプリングロード減圧レギュレーターです。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上で制御し、それにより出口圧力を制御します。

アンバランスポペット設計では、入口圧力がポペットを押し上げ、シート面積に等しいポペットの一部に圧力をかけます。 その結果、入口圧力の低下はポペットを押し上げる力を減らし、強いセットスプリングがポペットをシートからわずかにさらに押し離すことになり、出口圧力が上昇します。この出口圧力上昇は、セットスプリング力を完全に打ち消してポペットを元の位置に閉じるには十分ではありません。結果として、SPEによる出口圧力上昇が生じます。

レギュレーターは力のバランスで動作するため、SPEの程度は、ポペットとセンシングエリアに圧力が作用する面積の比率で決まります。つまり、センシングエリアが大きくポペットが小さいレギュレーターほどSPEが最小で、センシングエリアが小さくポペットが大きいレギュレーターほどSPEが最大になります。

アンバランスポペット設計がSPEに与える影響を実証するため、入口圧力を徐々に低下させてみます。入口圧力1160 psig (80 bar)で出口圧力は43.5 psig (3 bar)です。しかし入口圧力を870 psig (60 bar)まで下げると、出口圧力は53.7 psig (3.7 bar)に跳ね上がります。入口圧力がアンバランスポペットの全面に作用するため、入口圧力の変化が大きな力の変化を生み、レギュレーター内部の力のバランスに大きなシフトをもたらすのです。

特にポペットが一般的に大きくなる大流量アプリケーションで供給圧力効果を低減する一般的な方法は、バランスドポペット設計のレギュレーターを使用することです。 このレギュレーター設計の意図は、高い入口圧力が作用する面積を最小限に抑えることです。これは、ポペットに垂直に通るオリフィスを通じて、低い出口圧力をポペット下部の一部に到達させ、ポペット下部ステム周りのOリングでシールすることで実現されます。SPEの観点からは、入口圧力の変化が、はるかに小さな面積に作用するため、力の変化が小さくなります。

バランスドポペットレギュレーターへのSPE影響を、アンバランスポペットで示したのと同様に、入口圧力を徐々に低下させることで実証します。入口圧力1160 psig (80 bar)で出口圧力43.5 psig (3 bar)なのは同じです。しかし、入口圧力を870 psig (60 bar)まで下げると、出口圧力は46.4 psig (3.2 bar)しか上昇しません。実際、入口圧力725 psig (50 bar)でも、出口圧力は46.4 psig (3.2 bar)で安定しています。

バランスドポペットレギュレーターでは、前のレギュレーター配置と比べて出口圧力への影響が軽減されていることに注目してください。バランスドポペットレギュレーターの追加的利点は、ロックアップ（下流流量がゼロに近づく際にポペットが急激に閉じる傾向）を低減できることです。過度なロックアップは、ポペットが急速に閉じる際に出口圧力スパイクを引き起こすため望ましくありません。それでも、ガスシステムで使用されるレギュレーターでは、ポペット設計に関わらずSPEは常に存在します。動的・静的プロセス、流量の有無にかかわらず、ポペット/バルブを非常にゆっくり閉じてもSPEは発生します。空シリンダーを満タンに交換した後、設定出口圧力は変わってしまいます。情報に基づいた設計判断で、単にその影響を減らすことができるだけです。

単段 vs 二段階減圧

二段階減圧は、実質的にあらゆるアプリケーションで供給圧力効果を最小限に抑える良い解決策です。この方式は、2台の単段レギュレーターを直列に設置するか、単一アセンブリに組み合わせる方法です。Swagelok® KCYシリーズレギュレーターのようなデュアルステージレギュレーター（1ボディで二段階減圧を実施）は、分析計装システムなどの低流量アプリケーションに強力な選択肢です。各レギュレーターが入口圧力変動をある程度制御しますが、2台組み合わせると、出口圧力を元の設定値に非常に近い状態で維持できます。

二段階レギュレーターセットアップの出口圧力変動を計算するには、入口圧力差に各レギュレーターのSPEを乗算します。これは以下の式で示されます：

SPEは入口と出口圧力変数の逆相関関係であることに注意してください。第一段レギュレーターは、ガスシリンダーが空になり入口圧力が低下すると、出口圧力上昇を経験します。この上昇は第二段に入力され、第二段の出口側で続く圧力低下をもたらします。第一段レギュレーターが大きな入口変化を受け、小さな出口変化を出力するため、第二段レギュレーターは第一段からの小さな入口変化のみに反応し、出口側では最小限の圧力低下しか示しません。入口圧力が第一段レギュレーターの設定圧力を下回ると、セットアップは単段レギュレーターシステムとして動作します。

供給圧力効果を実証するため、以下の例ではKCYモデル減圧レギュレーターを使用します。ガスシリンダーが2500 psig (172 bar)から500 psig (34 bar)まで空になるとします。各レギュレーターのSPEは1%と仮定します。2000 psig (137 bar)の入口圧力低下で、第一段レギュレーターは20 psig (1.3 bar)の出口圧力上昇を経験します。その結果、第二段レギュレーターはわずか0.20 psig (0.01 bar)の出口圧力低下しか経験しません。前のレギュレーター配置と比べて、出口圧力への影響が劇的に軽減されていることがわかります。

供給圧力効果の制御という観点では、二段階レギュレーターセットアップは、通常、バランスドポペット付き単段減圧レギュレーターよりも優れた結果をもたらします。 1本のガスシリンダーで同じ出口圧力の複数操作を供給するアプリケーションでは、どちらのオプションでも十分な場合があります。

一方、1本のガスシリンダーで異なる圧力の複数操作を供給するアプリケーションでは、二段階レギュレーターシステムを構成するために、2台の単段レギュレーターを使用する必要があります。 その場合、第一段レギュレーターをガスシリンダー近くに、第二段レギュレーターを各プロセスラインまたは使用ポイントに設置します。SPEを最小限に抑えるため、ガス供給源に二段階レギュレーター、使用ポイントに単段レギュレーターを配置してシステムを構築することがよくあります。これは三段階減圧に相当し、ほとんどのアプリケーションでは過剰です。直列の2台の単段レギュレーターで、より低コストで最小限のSPEが得られます。

単段と二段階圧力制御についてさらに学ぶ：

エンジニアリングされたガス配管システムのメリット

SPEを管理するもう一つの選択肢は、お客様のアプリケーションニーズに特化して設計・構成された、モジュラーサブシステムで構成される完全組立・試験済みのガス配管システムを採用することです。これらのシステムでは：

• ソースインレットモジュール（Swagelok® ソースインレット（SSI）やソースインレットパネルなど）が、高圧ガス供給源と配管システムとの接続を確立します。単一ガスシリンダーならホースとコネクターだけのシンプルな構成で済みますが、複数シリンダーの場合、複数のホースとバルブを組み込んだマニホールドが必要です。これらのインレットは、ボトル交換時のパージやベントに高度に構成可能で、オペレーター安全を促進したり、個別ラインをベントして稼働率を最大化したりできます。
• ガスパネル（Swagelok® ガスパネル（SGP）など）が、源ガスの第一段減圧を完了し、適切な流量でシステムの次の段階へ供給します。これが、ガス配管システムの中でSPEを最も効果的に制御できる部分です。減圧は、単段圧力レギュレーター1台で行うか、デュアル圧力レギュレーター配置で二段階で行います。これらのガスパネルは、どの部品も取り外し可能で、パネル自体を取り外す必要がないため、メンテナンスが容易です。デュアルステージレギュレーター付きSGPを使用することは、SPEを低減する高信頼性な手段です。
• 自動切替システム（Swagelok® 切替（SCO）サブシステムなど）が、ガス供給源を切り替えて無停電供給を確保します。セットノブ付き2台の圧力レギュレーターが互いに接続されていますが、別々のガス供給源（1本または複数のガスシリンダーで構成）から入力を制御します。一方のレギュレーターをもう一方より低い圧力に設定し、高圧設定側が最初に共有出口接続へガスを供給し、その供給が尽きると低圧設定側が供給を引き継ぎます。セットハンドルを180°回転させると、2台のレギュレーターの圧力設定が逆転し、システム稼働中に空シリンダーを交換できます。適切に設計された切替サブシステムなら、シリンダーに残る無駄なガスを減らすため、切替セットポイントを指定できます。
• 最後に、使用ポイントシステム（Swagelok® 使用ポイント（SPU）アセンブリなど）が、ガス使用直前の最終段階圧力制御を提供します。これらのシステムは通常、レギュレーター、ゲージ、遮断バルブを含み、アプリケーションニーズに合わせて圧力を調整する便利で正確な方法を提供します。

結論

ガスシリンダーからの出口圧力をレギュレーターで制御する限り、供給圧力効果は常に存在する現象です。入口圧力に変化があれば、対応する出口圧力変化が生じます。多くのアプリケーションでは、バランスドポペット設計の単段レギュレーター、二段階レギュレーター、またはSwagelok®ガス配管プログラムで利用可能な完全構成可能なガスパネルを使用することで、供給圧力効果を最小限に抑えられます。ガス供給源が異なる圧力要件を持つ複数操作を供給する場合、ガス供給源近くに単段レギュレーター1台、各プロセスラインにもう1台、という複数の単段レギュレーターが必要になるか、またはこれらのケースで効果的に機能するように設計されたプレアッセンブルドガス配管サブシステムを使用できます。

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