圧力調整器

圧力レギュレータは、制御された圧力からの負のフィードバックを使用して、流体の圧力を目的の値に制御するバルブです。レギュレータはガスと液体に使用され、圧力設定、リストリクタ、およびセンサーがすべて 1 つの本体に統合された一体型デバイスである場合もあれば、個別の圧力センサー、コントローラ、およびフロー バルブで構成される場合もあります。

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で所望の値まで下げる制御弁です。これは常開弁であり、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た場合に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。過圧リリーフ弁との違いは、過圧弁は封じ込められた圧力が過剰な場合にのみ開くように設計されており、上流圧力を一定に保つ必要がないことです。減圧レギュレータとの違いは、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ないことです。^[2]これは通常閉じた弁で、敏感な機器と並列に、または敏感な機器の後ろに設置して流れを遮断し、それによって上流圧力を維持できます。^[1]

どちらのタイプのレギュレータも、調整された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、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するバネ式のダイヤフラムまたはピストンによって作動します。どちらの場合も、バルブは設定された調整された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、測定された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、減衰レベルが重要です。減衰が不十分な場合は、制御された圧力の}ハンチング振動につながる可能性があり、可動部品の過度の摩擦はヒステリシスを引き起こす可能性があります。

減圧レギュレータの主な機能は、レギュレータを通過するガスの流量を、レギュレータにかかる流体の需要に合わせ、十分に一定の出力圧力を維持することです。負荷流量が減少すると、レギュレータの流量も減少する必要があります。負荷流量が増加すると、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、レギュレータの流量を増やす必要があります。制御圧力が広範囲の流量に対して設定点から大きく変化しないことが望ましいですが、レギュレータを通過する流量が安定しており、調整圧力が過度に振動しないことが望ましいです。^{[引用が必要]}

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提供できます。
• 測定要素は、入口流量が出口流量と等しいかどうかを決定する機能を持ちます。ダイヤフラム自体は測定要素として使用されることが多く、複合要素として使用することもできます。^[要出典]

写真の単段レギュレータでは、圧力を調節するために、ダイヤフラムの力バランスを使用してポペット バルブを制御します。入口圧力がない場合、ダイヤフラムの上のスプリングがポペット バルブを押し下げ、ダイヤフラムを開いた状態にします。入口圧力が導入されると、開いたポペットがダイヤフラムへの流れを許可し、上部チャンバーの圧力が増加します。ダイヤフラムがスプリングに逆らって押し上げられると、ポペットが流れを減らし、最終的に圧力の上昇が止まります。上部のネジを調整することで、ダイヤフラムの下向きの圧力を高めることができ、平衡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、レギュレータの出口圧力が制御されます。^{[引用が必要]}

${\displaystyle F=(P_{i}-P_{o})s+P_{o}S+f}$

${\displaystyle F:{\text{ ダイヤフラムスプリング力}}}$

${\displaystyle f:{\text{ ポペットスプリング力}}}$
${\displaystyle P_{i}:{\text{ 入口圧力}}}$
${\displaystyle P_{o}:{\text{ 出口圧力}}}$
${\displaystyle s:{\text{ ポペット面積}}}$

${\displaystyle S:{\text{ 横隔膜面積}}}$

供給源からの高圧ガスは、入口ポートからレギュレータに入ります。入口圧力ゲージはこの圧力を示します。次に、ガスは通常開いている圧力制御バルブオリフィスを通過し、下流圧力が上昇します。バルブ作動ダイヤフラムが十分に偏向してバルブが閉じ、圧力が再び低下するまで、低圧側にガスがそれ以上流入するのを防ぎます。出口圧力ゲージはこの圧力を示します。^{[引用が必要]}

ダイヤフラムの出口圧力と、バルブの上流部分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じた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、下流圧力がわずかに上昇して補償されます。したがって、供給圧力が低下すると、出口圧力が低下中の供給圧力を下回っている限り、出口圧力が増加します。これが、加圧ガス タンクによって供給が行われているタンク端ダンプの原因です。^[要出典]オペレーターは、ノブを回してスプリング ロードを調整し、出口圧力を目的のレベルに戻すことで、この影響を補償できます。単段レギュレーターでは、供給圧力が低くなると、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 スプリングの圧縮を調整して補償しないと、ポペットが開いたままになり、タンクの残りの内容物が急速に排出される可能性があります。^[要出典]

2 段式レギュレータは、同じハウジング内に直列に接続された 2 つのレギュレータで、1 段階ではなく 2 段階で段階的に圧力を下げるように動作します。あらかじめ設定されている第 1 段階では、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。ガスは、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して設定した圧力 (作動圧力) で第 2 段階から出てきます。2 段式レギュレータには 2 つの安全弁が付いている場合があり、第 1 段階のバルブ シートの漏れにより段階間で過剰な圧力が発生した場合でも、圧力の上昇によって構造が過負荷になり、爆発が発生することはありません。^[要出典]

不均衡な単段レギュレータは、頻繁に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、調整が必要になります。2 段レギュレータでは、供給圧力の低下に対する補正が改善されています。^{[引用が必要]}

エアコンプレッサーは、工業、商業、家庭の作業場で、物をきれいに吹き飛ばす、空気駆動の工具を動かす、タイヤやボールなどに空気を入れるなど、さまざまな作業を行うために使用されています。レギュレーターは、作業に必要な圧力に合わせるために、エアレシーバー (タンク) から出る圧力を調整するのによく使用されます。多くの場合、1 つ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 (建物全体にパイプ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)、各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。一部のエアツールまたは圧縮空気の用途では、他のツールまたは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、これは重要です。^{[引用が必要]}

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、導波管の加圧などに使用されています。^[3]

航空宇宙用圧力レギュレータは、高振動、高温、腐食性流体が存在する反応制御システム（RCS）や姿勢制御システム（ACS）の推進圧力制御に応用されています。^[4]

加圧容器は、圧力が高いほど内容物の沸点が上がるため、大気圧の場合よりもはるかに速く食品を調理するために使用できます。すべての現代の圧力鍋には、圧力調整弁と圧力逃がし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が備わっています。一部の古いモデルには安全逃がし弁がありません^[要出典]。ほとんどの家庭用調理モデルは、低圧と高圧の設定を維持するように作られています。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。ほとんどすべての家庭用調理ユニットには、非常に単純な 1 段式圧力調整器が採用されています。古いモデルでは、開口部の上に小さな重りを置き、過剰な圧力で持ち上げて余分な蒸気を逃がすだけです。新しいモデルには通常、容器内の圧力が上昇すると持ち上がって圧力を逃がすバネ式バルブが組み込まれています。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、基本的にバネの張力を下げて、圧力を素早く、しかし安全な速度で逃がします。業務用厨房でも圧力鍋が使われており、油を使った圧力鍋を使ってファー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。^[要出典]

水圧調整弁は、バルブの開度を動的に変更することで流入量を制限します。外部圧力が低い場合はバルブが完全に開き、外部圧力が高すぎる場合はバルブが閉じます。圧力がかかっていない状況では、水が逆流しても妨げられません。水圧調整弁はチェックバルブとしては機能しません。^{[要出典] [要説明]}

これらは、機器やパイプの損傷を避けるためにラインの末端で水圧が高すぎる用途で使用されます。

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、レギュレータは一般に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レギュレータには通常、2 つの段階があります。レギュレータの第 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 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調整されたフロー ゲージがある場合があります。^{[引用が必要]}

すべてのプロパンおよびLP ガスの用途では、レギュレーターを使用する必要があります。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、タンクの圧力を 30～200 ポンド/平方インチ (2.1～13.8 bar) の間で補正し、住宅用途では 11 インチ水柱0.4 ポンド/平方インチ (28 mbar)、産業用途では 35 インチ水柱 1.3 ポンド/平方インチ (90 mbar) を供給します。プロパン レギュレーターはサイズや形状、供給圧力、調整機能が異なりますが、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。国内の 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 28 mbar 、プロパンの場合は 37 mbar です。

圧縮ガスを燃料として稼働するすべての車両モーター（内燃エンジン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 bar（または 70、50、35、20 MPa）から動作圧力まで下げるための圧力レギュレーターが必要です。^{[引用が必要]} )

配管付きのレクリエーション ビークルの場合、車両の配管に接続された外部給水の水圧を下げるために圧力調整器が必要です。給水はキャンプ場より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遭遇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が発生する可能性があります。この目的の圧力調整器は通常、RV を給水に接続するために使用す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。^[要出典]

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ポンド/平方インチ（210バール）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。デマンド制御式調整器は、大気圧（水深によって変化）で呼吸ガスの流れを提供します。減圧調整器は、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}自給式呼吸器（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のままにできますが、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調整器を介して供給されるのが一般的です。^{[6] [7]}

補助酸素は、圧力を下げるとともに、計測された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投与されることもある。^{[8]可変周囲圧力で一定の質量流量を生成する方法の1つは、計測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については、オリフィスのサイズまたは上流圧力を設定することによって質量流量を制御できる。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 bars (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、ロータープレートと校正済みオリフィスおよびデテントを使用してロータープレートを所定の位置に保持します。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 つの校正されていないテイクオフ接続があり、他の機器にガスを供給します。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。

水道管内の圧力は深さとともに急速に高まるため、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になります。これらの装置は、通常 600 フィート (180 m) の一定の垂直間隔で設置する必要があります。^[要出典]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。

圧力調整器は、天然ガス業界で広く使用されています。天然ガスは、大規模な輸送パイプラインを通じて全国に配送されるために高圧に圧縮されます。輸送圧力は 1,000 ポンド/平方インチ (69 バール) を超える場合があり、さまざまな段階を経て、工業、商業、住宅用途で使用可能な圧力まで下げる必要があります。この配送システムには、主に 3 つの圧力低下場所があります。最初の低下場所は市の門で、輸送圧力は配送圧力まで下げられ、市内全体に供給されます。ここは、無臭の天然ガスにメルカプタンで臭気を付ける場所でもあります。配送圧力は、市内のさまざまな場所にある地区調整ステーションでさらに下げられ、60 psig 未満になります。最終カットは、エンド ユーザーの場所で行われます。通常、エンド ユーザーの低下は、0.25 psig から 5 psig の範囲の低圧まで行われます。一部の工業用途では、より高い圧力が必要になる場合があります。^[要出典]

• 分析システムや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。^[10]
• ガス販売ライン^[11]
• 生産容器（例：分離装置、加熱処理装置、自由水ノックアウト）^[11]
• ベントラインまたはフレアライン^[11]

内蔵呼吸システムの排気システムでの圧力降下が大きすぎる場合、典型的には飽和システムでは、背圧レギュレータ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。^{[10] [12]}

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 高く、ダイバーからの排気ガスは、リクレーム バルブを通過する必要があります。リクレーム バルブは、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バルブです。^{[13] [14]}呼気ガスを再利用するために水面に戻すリクレーム ガス ホースは、ダイバーの周囲圧との差が大きすぎてはいけません。このラインに追加の背圧レギュレーターにより、リクレーム バルブをより細かく設定して、さまざまな深度で呼吸仕事量を減らすことができます。 ^[15]

• 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 – システムを安定させるために出力を再利用する

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