圧力調整器

二段式圧力調整器付き酸素およびMAPPガスボンベ

減圧レギュレータ（A）と背圧レギュレータ（B）の概略図。上図は、減圧弁が通常開、背圧弁が通常閉の状態である、弁の通常状態を示しています。

• 1. 圧力設定ネジ
• 2. スプリング
• 3. アクチュエータ
• 4. 入口ポート（高圧）
• 5. 出口ポート（低圧）
• 6. バルブ本体
• 7. バルブクラウンとシート

減圧弁と背圧弁の図記号。概念上の違いは主に、どちら側からフィードバックを受けるかです

圧力レギュレータは、制御された圧力からの負帰還を利用して、流体の圧力を所望の値に制御するバルブです。レギュレータは気体と液体の両方に使用され、圧力設定器、絞り弁、センサーが一体となった一体型の場合もあれば、圧力センサー、コントローラ、フローバルブがそれぞれ独立した構成の場合もあります。

減圧レギュレータと背圧レギュレータの 2 種類があります。

• 減圧レギュレータは、流体の入力圧力を出力端で所定の圧力まで下げる制御弁です。常開弁であり、圧力に敏感な機器の上流に設置されます。^{[ 1 ]}
• 背圧レギュレータ、背圧弁、圧力維持弁、圧力維持レギュレータは、入口圧力が設定値を超えると開いて流れを許可することで、入口側で設定圧力を維持する制御弁です。過圧リリーフ弁とは異なり、過圧弁は封じ込められた圧力が過剰な場合にのみ開き、上流圧力を一定に保つ必要はありません。また、減圧レギュレータとは異なり、減圧レギュレータは下流圧力を制御し、上流圧力には影響されません。^{[ 2 ]}これは通常閉の弁であり、流れを遮断して上流圧力を維持するために、敏感な機器と並列に、または敏感な機器の後ろに設置できます。^{[ 1 ]}

どちらのタイプのレギュレータも、調整圧力のフィードバックを制御機構への入力として使用し、通常はスプリング式のダイヤフラムまたはピストンによって作動され、フィードバック圧力の変化に反応してバルブの開度を制御します。どちらの場合も、バルブは設定された調整圧力を維持するのに十分なだけ開きます。実際の機構は、フィードバック圧力タップの配置を除いて、あらゆる点で非常によく似ています。^{[ 2 ]}他のフィードバック制御機構と同様に、測定圧力の変化に対する高速応答と出力の安定性のバランスをとるには、減衰のレベルが重要です。減衰が不十分だと制御圧力のハンチング振動が発生する可能性があり、可動部品の摩擦が多すぎるとヒステリシスが発生する可能性があります。

減圧レギュレーター

動作

減圧レギュレーターの主な機能は、十分に一定の出力圧力を維持しながら、レギュレーターを通過するガス流量を、レギュレーターにかかる流体の需要に適合させることです。負荷流量が減少する場合、レギュレーターの流量も減少する必要があります。負荷流量が増加する場合、圧力システム内の流体不足による制御圧力の低下を防ぐために、レギュレーターの流量を増加させる必要があります。制御圧力は、広範囲の流量において設定値から大きく変動しないことが望ましいですが、レギュレーターを通過する流量が安定しており、調整圧力が過度の振動を受けないことも望ましいです

圧力レギュレータには、制限要素、負荷要素、および測定要素が含まれます。

• 制限要素は、グローブ バルブ、バタフライ バルブ、ポペット バルブなど、流れに対して可変の制限を提供できるバルブです。
• 荷重要素は、制限要素に必要な力を加えることができる部品です。この荷重は、重り、バネ、ピストンアクチュエータ、またはバネと組み合わせたダイヤフラムアクチュエータによって供給されます。
• 計測素子は、入口流量と出口流量が等しくなるタイミングを決定する役割を果たします。ダイヤフラム自体が計測素子として使用されることが多く、複合素子として使用することもできます。

写真のシングルステージレギュレーターでは、ダイアフラム上の力のバランスを利用してポペットバルブを制御し、圧力を調整します。入口圧力がない場合、ダイアフラム上部のスプリングがポペットバルブを押し下げ、ダイアフラムを開いた状態に保持します。入口圧力が導入されると、開いたポペットバルブからダイアフラムへの流量が確保され、上部チャンバーの圧力が上昇します。ダイアフラムがスプリングに抗して押し上げられると、ポペットバルブは流量を減少させ、最終的に圧力の上昇を止めます。上部のスクリューを調整することで、ダイアフラムへの下向きの圧力を高めることができ、平衡状態を維持するために上部チャンバーの圧力をさらに高める必要があります。このようにして、レギュレーターの出口圧力が制御されます。

この操作は次の式で表されます。 ここで $${\displaystyle F=(P_{\text{i}}-P_{\text{o}})s+P_{\text{o}}S+f,}$$

${\displaystyle F}$ – ダイヤフラムスプリング力、

${\displaystyle f}$ – ポペットスプリング力、

${\displaystyle P_{\text{i}}}$ – 入口圧力、

${\displaystyle P_{\text{o}}}$ – 出口圧力、

${\displaystyle s}$ – ポペットエリア、

${\displaystyle S}$ – 横隔膜領域。

単段式レギュレーター

単段式圧力レギュレーター

供給源からの高圧ガスは、入口ポートからレギュレーターに入ります。入口圧力計はこの圧力を示します。その後、ガスは常開の圧力制御弁オリフィスを通過し、下流圧力が上昇します。弁作動ダイヤフラムが十分に変位して弁が閉じ、圧力が再び低下するまで、低圧側へのガスの流入を防ぎます。出口圧力計はこの圧力を示します

ダイヤフラムへの出口圧力と、バルブ上流部への入口圧力およびポペットスプリングの力により、ダイヤフラム/ポペットアセンブリはダイヤフラムローディングスプリングの力に抗して閉位置に保持されます。供給圧力が低下すると、供給圧力による閉鎖力が減少し、それを補うために下流圧力がわずかに上昇します。したがって、供給圧力が低下すると、出口圧力が低下する供給圧力よりも低い圧力を維持すれば、出口圧力が上昇します。これが、加圧ガスタンクから供給されている場合に発生するタンクエンドダンプの原因です。操作者は、ノブを回してスプリング荷重を調整し、出口圧力を所定のレベルに戻すことで、この影響を補うことができます。シングルステージレギュレータでは、供給圧力が低下すると、入口圧力の低下により出口圧力が上昇します。ダイヤフラムローディングスプリングの圧縮が調整されずにこの状態が続くと、ポペットが開いたままになり、タンク内の残りの内容物が急速に排出されてしまいます。

二段式レギュレーター

二段式圧力レギュレーター

2段式レギュレーターは、同一ハウジング内に直列に接続された2つのレギュレーターで構成され、1段階ではなく2段階で段階的に圧力を下げる仕組みです。あらかじめ設定された第1段階は、供給ガスの圧力を中間段階まで下げ、その圧力のガスが第2段階に入ります。第2段階から排出されるガスの圧力（作動圧力）は、ユーザーがダイヤフラムローディングスプリングの圧力制御ノブを調整することで設定できます。2段式レギュレーターには安全弁が2つ備わっている場合があり、第1段階のバルブシートの漏れにより段間に過剰な圧力が発生した場合でも、上昇する圧力によって構造が過負荷状態になり、爆発を引き起こすことはありません。

アンバランス型の単段レギュレータは、頻繁な調整が必要になる場合があります。供給圧力が低下すると、出口圧力が変化する可能性があり、調整が必要になる場合があります。二段レギュレータでは、供給圧力の低下に対する補償能力が向上しています。

用途

減圧レギュレーター

エアコンプレッサー

エアコンプレッサーは、産業、商業、家庭の作業場で、物の洗浄、空気圧工具の作動、タイヤやボールなどの空気入れなど、さまざまな作業に使用されています。レギュレーターは、エアレシーバー（タンク）から出る圧力を作業に必要な圧力に調整するためによく使用されます。1台の大型コンプレッサーを使用して複数の用途に圧縮空気を供給する場合（建物全体に配管を恒久的に設置する場合は「ショップエア」と呼ばれることが多い）、それぞれのツールまたは機能に必要な圧力が確実に供給されるように、追加のレギュレーターが使用されます。これは、一部のエアツールまたは圧縮空気の用途では、他のツールや材料に損傷を与える可能性のある圧力が必要になるため重要です

航空機

圧力調整器は、航空機客室の加圧、キャノピーシールの圧力制御、飲料水システム、導波管の加圧に使用されています。^{[ 3 ]}

航空宇宙

航空宇宙用圧力調整器は、高振動、高温、腐食性流体が存在する反応制御システム（RCS）および姿勢制御システム（ACS）の推進圧力制御に使用されます。 ^{[ 4 ]}

料理

加圧容器は、圧力が高いほど内容物の沸点が上昇するため、大気圧下よりもはるかに速く食品を調理できます。現代の圧力鍋にはすべて、圧力調整弁と圧力逃し弁が備え付けられており、圧力調整弁が適切に圧力を解放できない場合に爆発を防ぐ安全機構となっています。一部の旧モデルには、安全逃し弁が付いていません。家庭用圧力鍋のほとんどは、低圧と高圧の設定を維持するように設計されています。これらの設定は通常、7～15ポンド/平方インチ（0.48～1.03バール）です。家庭用圧力鍋のほとんどは、非常にシンプルな単段式圧力調整器を採用しています。旧モデルは、開口部の上に小さな重りを載せ、過剰な圧力で持ち上げることで余分な蒸気を逃がすという単純な構造です。新型モデルには通常、バネ式のバルブが組み込まれており、容器内の圧力が上昇するとバルブが持ち上がり、圧力を逃がします。一部の圧力鍋には、圧力調整弁にクイックリリース設定があり、バネの張力を低下させることで、安全を確保しつつ素早く圧力を逃がすことができます。業務用厨房でも圧力鍋が使用されており、油を使った圧力鍋でファストフードを素早く揚げる場合もあります。この種の圧力容器は、少量の器具を滅菌するための オートクレーブや、家庭での缶詰製造にも使用できます。

水圧低下

家庭用給水用の圧力調整器。出口圧力は青いハンドルで設定し、縦の目盛りに表示されます

水圧調整弁は、弁開度を動的に変化させることで流入量を制限します。外圧が低い場合は弁が完全に開き、外圧が高すぎる場合は弁が閉じます。水が逆流する可能性のある無圧力状態では、水の流れは妨げられません。水圧調整弁は逆止弁として機能しません。

これらは、ラインの末端で水圧が高すぎる場合に機器やパイプの損傷を防ぐために使用されます。

溶接と切断

酸素燃料溶接および切断プロセスでは、特定の圧力のガスが必要であり、レギュレーターは通常、貯蔵シリンダーの高圧を切断および溶接に使用できる圧力まで下げるために使用されます。酸素および燃料ガスのレギュレーターは、通常 2 段階です。レギュレーターの第 1 段階では、ガスが放出されるとシリンダー内の圧力が低くなるにもかかわらず、シリンダーから一定の圧力でガスを放出します。レギュレーターの第 2 段階では、中圧から低圧への圧力低下を制御します。最終的な流量はトーチで調整できます。レギュレーター アセンブリには通常、2 つの圧力ゲージがあり、1 つはシリンダー圧力を示し、もう 1 つは供給圧力を示します。不活性ガスシールドアーク溶接でも、レギュレーターを通じて供給される高圧で貯蔵されたガスが使用されます。特定のガスに合わせて校正された流量ゲージがある場合があります。

プロパン/LPガス

すべてのプロパンおよびLPガス用途では、レギュレーターの使用が必要です。プロパンタンク内の圧力は温度によって大きく変動する可能性があるため、下流の機器に安定した圧力を供給するためにレギュレーターが必要です。これらのレギュレーターは通常、タンク圧力を30～200psi（2.1～13.8bar）の間で補正し、住宅用途では水柱11インチで0.4psi（28mbar）、産業用途では水柱35インチで1.3psi（90mbar）を供給します。プロパンレギュレーターは、サイズと形状、供給圧力、調整機能は異なりますが、下流の要件に応じて一定の出口圧力を供給するという目的は共通しています。家庭用LPガスレギュレーターの一般的な国際設定は、ブタンの場合は28mbar 、プロパンの場合は37mbar です

ガス自動車

圧縮ガスを燃料として作動するすべての車両用モーター（内燃機関または燃料電池電動パワートレイン）には、貯蔵ガス（CNGまたは水素）の圧力を700、500、350、または200バール（70、50、35、20 MPa）から動作圧力まで 下げるための圧力調整器が必要です

RV車

配管設備を備えたRV（レクリエーションビークル）の場合、車両の配管に接続された外部給水装置の圧力を下げるために圧力調整器が必要です。給水装置はキャンプ場よりもはるかに高い標高にある場合があり、水圧は水柱の高さに依存するためです。圧力調整器がないと、山岳地帯の一部のキャンプ場で発生する強い水圧によって、キャンピングカーの水道管が破裂したり、配管ジョイントが外れて浸水したりする可能性があります。この目的のための圧力調整器は通常、RVを給水装置に接続するために使用されるホースにインラインで取り付けられる小さなねじ込み式のアクセサリとして販売されており、ほとんどの場合、一般的な庭用ホースとねじ山が互換性があり ます

呼吸ガス供給

呼吸ガス供給用のガスボンベに接続された2ゲージ圧力調整器

圧力調整器は、スキューバダイビング用のダイビングシリンダーに使用されます。タンクには 3,000 psi (210 bar) を超える圧力がかかる場合があり、直接呼吸すると致命的な気圧外傷を引き起こす可能性があります。デマンド制御式レギュレーターは、大気圧 (水深によって変化) で呼吸ガスの流量を提供します。減圧レギュレーターは、水面給気ダイバー^{[ 5 ]}や、陸上での救助や危険物処理作業で自給式呼吸装置(SCBA)を使用する人々に呼吸ガスを供給するためにも使用されます。通常の大気圧での SCBA の段間圧力は、通常、工場出荷時の設定で一定にすることができますが、水面給気ダイバーの場合は、ダイバーの深度と流量要件に応じて、ガスパネルオペレーターによって制御されます。加圧されていない航空機での高高度飛行用の補助酸素や医療ガスも、高圧貯蔵庫から減圧レギュレーターを介して供給されることが一般的です。^{[ 6 ] [ 7 ]}

補助酸素は、圧力を下げると同時に一定流量でガスを供給し、周囲の空気と混合するレギュレータを通して供給することもできる。^{[ 8 ]}変化する周囲圧力で一定の質量流量を生成する1つの方法は、計量オリフィスを通る流れが音速であるチョークフローを使用することである。チョークフロー内の特定のガスの場合、質量流量はオリフィスサイズまたは上流圧力を設定することによって制御できる。酸素でチョークフローを生成するには、上流ガスと下流ガスの絶対圧力比が20℃で1.893を超える必要がある。通常の大気圧では、これには上流圧力が1.013 × 1.893 = 1.918 bar以上であることが必要である。医療用酸素レギュレータからの一般的な公称調整ゲージ圧は 3.4 bar (50 psi) で、絶対圧は約 4.4 bar、背圧がない場合の圧力比は約 4.4 であるため、下流 (出口) 圧力が最大約 2.3 bar 絶対圧まで計量オリフィスでチョークフローが発生します。 このタイプのレギュレータでは通常、目的の流量に対応するオリフィスが選択されたときにローター プレートを所定の位置に保持するための目盛り付きオリフィスとデテントを使用します。 このタイプのレギュレータには、中間圧力チャンバーからの直径インデックス安全システム(DISS) または同様のコネクタによる 1 つまたは 2 つの未校正テイクオフ接続があり、他の機器にガスを供給する場合があり、高圧接続は通常、ピン インデックス安全システム(PISS) ヨーク クランプです。^{[ 9 ]}同様のメカニズムは、航空および登山用レギュレータの流量制御にも使用できます。

鉱業

水道管内の圧力は深度とともに急速に高くなるため、地下採掘作業では減圧弁を備えたかなり複雑な給水システムが必要です。これらの装置は、通常600フィート（180メートル）の一定の垂直間隔で設置する必要があります。このような弁がないと、パイプが破裂し、圧力が高すぎて機器を操作できなくなる可能性があります

天然ガス産業

天然ガス圧力調整キオスク

産業用天然ガス圧力調整器

圧力調整器はガス調速機とも呼ばれ、天然ガス供給業界で圧力を制御するために広く使用されています。天然ガスは高圧に圧縮され、最大直径 42 インチ (1.07 メートル) の大きな送電パイプラインを通じて全国に送配給されます。^{[ 10 ]}送電圧力は 1,000 psi (69 bar) を超える場合があり、工業、商業、住宅用途で使用可能な圧力まで数段階に下げる必要があります。分配システムは、3 つの主な圧力下げ場所で構成される場合があります。最初の下げステーションは市街地の郊外にあり、ここで圧力は供給エリア全体に供給される分配圧力まで下げられます。^{[ 10 ]}高圧パイプラインを市街地に配置することは、高圧の可燃性ガスの損傷と放出の危険があるため、望ましくありません。工業ユーザーは、この圧力を下げた状態で供給を受けることができます。これは、無臭の天然ガスにメルカプタンで臭化処理を施す場所（英国では高圧供給ターミナルで行われる）である。供給圧力は、供給エリア内の様々な地点に設置された地域調整ステーションでさらに60 psig（4.13  barg）未満まで下げられる。最終的な圧力低下は、エンドユーザーの場所で行われる（図を参照）。一般的に、エンドユーザーでの圧力低下は0.25～5 psig（0.01～0.34 barg）の範囲の低圧まで行われる。^{[ 10 ]}一部の産業用途では、より高い圧力が必要となる場合がある。

背圧調整器

• 分析システムまたはプロセスシステムの上流圧力制御を維持する^{[ 1 ]}
• 敏感な機器を過圧による損傷から保護する^{[ 1 ]}
• 大きな圧力差に耐えられない部品の圧力差を減らす。^{[ 11 ]}
• ガス販売ライン^{[ 12 ]}
• 生産容器（例：分離装置、加熱処理装置、自由水ノックアウト）^{[ 12 ]}
• ベントラインまたはフレアライン^{[ 12 ]}

高圧室

内蔵呼吸システムの排気システムにおける圧力降下が大きすぎる場合（典型的には飽和システム）、背圧調整器を使用して排気圧力降下をより安全で管理しやすい圧力まで下げることができます。^{[ 11 ] [ 13 ]}

ダイビングヘルメットの回収

水面給気潜水において、ほとんどのヘリオックス呼吸混合ガスが使用される深度は、通常、水面大気圧より少なくとも 5 bar 高いため、ダイバーからの排気ガスは、ダイバーの呼気によってダイバーのヘルメット内の圧力が周囲圧より上昇することで作動する背圧弁であるリクレームバルブを通過する必要がある。 ^{[ 14 ] [ 15 ]}呼気ガスを水面に戻して再利用するリクレームガスホースは、ダイバーの周囲の圧力との差が大きすぎないようにする必要がある。このラインに追加の背圧調整器を取り付けることで、リクレームバルブをより細かく設定でき、さまざまな深度で呼吸仕事量を低減することができる。 ^{[ 16 ]}

参照

• 内蔵呼吸システム - 限られた空間内で必要に応じて呼吸ガスを供給するシステム
• 制御弁 – 流量制御装置
• 負のフィードバック - 制御概念

参考文献

1. 「圧力レギュレーターと背圧レギュレーター：どちらを使うべきか…そして両方を使うべきか！」plastomatic.com。2020年3月19日閲覧
2. 「背圧レギュレーターの定義：背圧レギュレーターの役割とは？」 www.equilibar.com . 2020年3月19日閲覧。＞
3. 「航空機用圧力調整器」 www.valcor.com 2020年3月19日閲覧
4. 「航空宇宙用圧力レギュレーター」 www.valcor.com 2020年3月19日閲覧。
5. NOAAダイビングプログラム（米国）（2001年2月28日）。ジョイナー、ジェームズ・T（編）『NOAAダイビングマニュアル、科学技術のためのダイビング（第4版）』。メリーランド州シルバースプリング：米国海洋大気庁、海洋大気研究局、国立海底研究プログラム。ISBN 978-0-941332-70-5。このCD-ROMは、NOAAおよびBest Publishing Companyとの提携により、国立技術情報サービス（NTIS）によって作成および配布されました
6. “Aviation Supplemental Oxygen” . www.cfinotebook.net . 2023年2月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年7月12日閲覧。
7. 「14 CFR § 25.1439 - 保護呼吸器」 www.law.cornell.edu 2023年8月2日閲覧。
8. Tiep, B.; Carter, R. (2008). 「酸素節約デバイスと方法論」 .慢性呼吸器疾患. 5 ( 2). crd.sagepub.com: 109– 114. doi : 10.1177/1479972308090691 . PMID 18539725. S2CID 6141420 .  
9. 「サービスマニュアル：ミニレギュレーター」（PDF）www.floteco2.com . 2023年8月9日閲覧。
10. Copp, DL (1967).ガス輸送と配給. ロンドン: Walter King Ltd.
11. 「軽量で極めて堅牢な、高圧室用内蔵呼吸システム」（PDF）。アバディーン、スコットランド：C-Tecnics Ltd.。2018年9月25日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2018年9月25日閲覧。
12. Port, Jeff (2019年5月21日). 「背圧レギュレーターと減圧レギュレーターの違いは何か？」 blog.kimray.com . 2020年3月19日閲覧。
13. 「Divex 背圧レギュレーター」 。 2020年3月19日閲覧。
14. 「ガス回収背圧レギュレーター」 。 2020年3月19日閲覧– patents.google.com経由。
15. 「ヘルメットガス回収バルブ」 www.subspec.it . 2020年3月19日閲覧。
16. 「Reclaim Basic Set Up」（PDF）www.subseasa.com . 2020年3月10日閲覧。

外部リンク