JP2005157913A - 圧力調整器 - Google Patents

Abstract

【課題】第１段減圧弁と第２段減圧弁とを有する圧力調整器において、三フッ化窒素（ＮＦ_３）の圧縮ガスをボンベからの供給ガスとする場合においても、２次側圧を高精度に制御可能な圧力調整器を得る。
【解決手段】１次側圧力を中間セット圧力に減圧する第１段減圧弁Ａと、前記中間セット圧力を０〜０．９９ＭＰａの２次側圧力に減じる第２段減圧弁Ｂとを有する圧力調整器において、供給ガスを三フッ化窒素（ＮＦ_３）とする一方、前記中間セット圧力を２．５〜３．５ＭＰａとし、前記第１段減圧弁Ａの弁孔２２ａの口径を、第２段減圧弁Ｂの弁孔２２ｂの口径より大きく構成するとともに、前記各減圧弁の弁構造は環状凸部２３を有する弁座２１に平面状の調整弁シート２７が接離する構造とし、前記調整弁シート２７をＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）で構成することにより、調整弁シート表面に荒れが生じるのを防ぐ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧ガス容器から供給されるガスの圧力を、必要なガス圧に減圧するための圧力調整器に係り、特に、圧縮ガスである三フッ化窒素（ＮＦ_３）を減圧するに際して、調整弁シートの劣化（シート表面の荒れ）を防止して高精度な圧力調整を維持する圧力調整器に関する。

圧力調整器は、例えば１次側に高圧ガス容器（ボンベ）を装着し、この高圧ガス容器中のガスを２次側に取り出す際に所望のガス圧力になるように調整するものである。圧力調整器は、２次側圧力を一定にする機能を有しているが、ボンベに充填されたガスのように、圧力調整器の使用中に、例えば、１５ＭＰａから１ＭＰａ程度まで１次側圧力が減少するような場合においては、それに応じて２次側圧力が変動する性質（元圧変動）を有している。

前記元圧変動を少なくするため、圧力調整器（減圧弁）を２段に連結した圧力調整器が提案されている。この圧力調整器は、図 に示すように、ハウジング３０内に第１段減圧弁Ａ及び第２段減圧弁Ｂを設け、第１段減圧弁Ａの１次圧力室３２に連結する流入口３１を形成し、第２段減圧弁Ｂの２次圧力室３６に連結する流出口３７を形成し、第１段減圧弁Ａの２次圧力室３３と第２段減圧弁Ｂの１次圧力室３５を連通路３４により連結して構成される。
各減圧弁は、調整弁４１の先端部が１次圧力室３２（３５）と２次圧力室３３（３６）を繋ぐ弁孔４２に挿入され、調整弁４１を弁孔４２側に押圧するコイルスプリング４３と、２次圧力室３３（３６）のダイヤフラム４４に連結されるとともに前記調整弁４１の先端棒状部４５に接触可能に配置した調整弁案内４６に連結される調整スプリング４７と、を具備している。

従って、２次圧力室３３（３６）の圧力によるダイヤフラム４４の移動及び調整スプリング４７，コイルスプリング４３の押圧力のつり合いにより調整弁４１が移動し、１次圧力室３２（３５）と２次圧力室３３（３６）を区画する弁座４８の弁シート４９に前記調整弁４１の円すい部が接離することにより前記弁孔４２を開口又は閉塞して、１次圧力室３２（３５）から２次圧力室３３（３６）へ流れるガスの流量を制御して２次圧力室３３（３６）の圧力を一定にする。

上記のような構造の圧力調整器によれば、ボンベのガス圧力（１次側圧力）を第１段減圧弁Ａにおいて中間セット圧力に設定し、この中間圧力を第２段減圧弁Ｂにより減圧するので、１次側圧力が変動するような場合においても、中間セット圧力の変動範囲を減少させることができ、この中間セット圧力を１次側圧力とする第２段減圧弁の２次側圧力の変動を小さくすることができる。
このような圧力調整器においては、ボンベ中になるべく残ガスを残さないようにするため、前記中間セット圧を、例えば１ＭＰａ程度のように低く設定することが行なわれていた。また、第１段減圧弁Ａの１次側圧力は高く、第２段減圧弁Ｂの１次側圧力（中間セット圧力）は低いので、第２段減圧弁Ｂの弁孔４２の口径を、第１減圧弁Ａの弁孔４２の口径よりを大きくし、流量の少ない場合の制御をしやすくすることが一般に行なわれていた。

その一方、上記のような圧力調整器において、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）混合ガス、又は、塩化水素（ＨＣｌ），アンモニア（ＮＨ₃），笑気ガス（Ｎ₂Ｏ）等を含む液化ガスをボンベからの供給ガスとする場合に、第２段減圧弁Ｂの２次側圧力（圧力調整器の２次側圧力）が変動する現象が確認されたため、特許文献１に示すような構造に改良された圧力調整器が提案されている。
実開平６−７５０１１号公報

しかしながら上述した各圧力調整器の構造において、弁シートの材料としてＰＣＴＦＥ（三フッ化塩化エチレン樹脂）が使用される場合、圧縮ガスである三フッ化窒素（ＮＦ_３）を供給ガスとした際に、弁シート表面に荒れが生じるとともに調整弁側に付着物が発生し、ガスがシールされずに一次側から二次側へガス漏れを起こす出流れが発生することにより、２次側圧力を設定圧に減圧できない現象が生じるという問題点があった。

本発明者は、弁シート表面に発生する荒れは、供給ガスである三フッ化窒素（ＮＦ_３）に対して弁シートの材質であるＰＣＴＦＥ（三フッ化塩化エチレン樹脂）が反応を起こすことに主な原因があると推察し、本考案に及ぶに至った。

すなわち、本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、第１段減圧弁と第２段減圧弁とを有する圧力調整器において、三フッ化窒素（ＮＦ_３）の圧縮ガスをボンベからの供給ガスとする場合においても、２次側圧を高精度に制御可能な圧力調整器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため本発明の圧力調整器は、１次側圧力を中間セット圧力に減圧する第１段減圧弁Ａと、前記中間セット圧力を０〜０．９９ＭＰａの２次側圧力に減じる第２段減圧弁Ｂとを有する圧力調整器において、供給ガスを三フッ化窒素（ＮＦ_３）とする一方、前記中間セット圧力を２．５〜３．５ＭＰａとし、次の構成を含むことを特徴としている。
前記第１段減圧弁Ａの弁孔２２ａの口径を、第２段減圧弁Ｂの弁孔２２ｂの口径より大きく構成するとともに、前記各減圧弁の弁構造は環状凸部２３を有する弁座２１に平面状の調整弁シート２７が接離する構造とする。
前記調整弁シート２７をＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）で構成する。

本発明の圧力調整器によれば、調整弁シートをＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）で構成したため、圧縮ガスである三フッ化窒素（ＮＦ_３）を供給ガスとした場合であっても、調整弁シート表面に荒れを生じず、高精度な圧力調整を行うことができる。

以下、図１を参照して本発明の圧力調整器の一実施例について説明する。
本例による圧力調整器は、供給ガスとして圧縮ガスである三フッ化窒素（ＮＦ_３）を使用するのに適した構造となっている。
圧力調整器は、第１段減圧弁Ａ及び第２段減圧弁Ｂを連結して構成されている。すなわち第１段減圧弁Ａは、圧力調整器のハウジング１の略中央の側面部に、ガスボンベよりガスが供給される流入口２が形成され、この流入口２に繋がる１次圧力室３ａが形成されている。

ハウジング１の一端側には、例えば薄い金属平板で構成されたダイヤフラム１０の周囲をハウジング１との間で挟持する調整器カバー１１を当接させ、この調整器カバー１１はユニオンナット１２によりハウジング１に固定されている。調整器カバー１１には、ダイヤフラム１０の一方面側に配置されるダイヤフラム受け１３との間にワッシャ−４ａを介して１次圧側圧力調整スプリング４を介在させるようにし、これらを被冠するカバー部５が調整器カバー１１に固定されている。
したがって、ダイヤフラム１０が装着されることで、ダイヤフラム１０とハウジング１との間に中間圧力室２０ａが形成される。また、ダイヤフラム受け１３を介してダイヤフラム１０に生じる押圧力を変化させたい場合には、カバー部５内に厚さの異なるワッシャー４ａを配置装着することで調整できるように構成されている。

１次圧力室３ａの内壁には弁座２１が螺着され、１次圧力室３ａと中間圧力室２０ａとの間を区画し、弁座２１には１次圧力室３ａと中間圧力室２０ａとを繋げる弁孔２２ａが形成されている。そして、弁座２１の１次圧力室側の弁孔周囲には、環状凸部２３が形成されている。
１次圧力室３ａ内には、コイルスプリング２４により常時ダイヤフラム１０側に付勢される調整弁２５が配置されている。調整弁２５のダイヤフラム１０側の中心には、円柱状の凸部２６が形成され、その周囲にドーナツ状の調整弁シート２７が固定されている。この調整弁シート２７が弁座２１に形成された環状凸部２３に接離するようになっている。

調整弁シート２７は、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）により構成されている。調整弁シート２７は、ドーナツ状の平面型から構成することにより、その材質として、前記したＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）を使用することが可能となる。また、平面型を採用することにより、同一ストロークに対する弁の開度が大きく取れるため、その場合のガスの流速を遅くすることができ、圧力調整器を流れるガスに対する弁部分での抵抗を小さくしている。

調整弁２５に形成されている凸部２６は、前記中間圧力室２０ａに配置される弁体１５から延設し弁孔２２ａを貫通する棒状部１４の一端に当接するようになっており、弁体１５の他端側は逆円すい状部に連なる大径の弁案内を構成し、その端部がダイヤフラム１０の中央に当接可能なように配置されている。

第１段減圧弁Ａに対してハウジング１の他端側には、第１段減圧弁Ａと略同一構造の第２段減圧弁Ｂが形成されている。第２段減圧弁Ｂの各構成部品について、第１段減圧弁Ａと同一の構成部品を使用する箇所については、第１段減圧弁Ａの構成部品と同一符号を付することにより詳細な説明を省略する。
第２段減圧弁Ｂの調整器カバー１１には、ダイヤフラム１０の一方面側に配置されるダイヤフラム受け１３との間に２次圧側圧力調整スプリング６を介在させるようにし、第２次圧側調整スプリング６の他端に端部材７を配置し、これらを被冠するようカバー部８が固定されている。
カバー部８の中央にはロッド９が螺着して貫通配置し、ロッド端９が端部材７に当接するとともに、その反対側に圧力調整ハンドル１６が固定されている。

ハウジング１には、第１段減圧弁Ａの中間圧力室１１ａと第２段減圧弁Ｂの１次圧力室３ｂとを連通させる連結孔１７と、第２段減圧弁Ｂの２次圧力室２０ｂに連結する流出口１８が形成されている。
そして、第２段減圧弁Ｂの弁孔２２ｂの口径は、第１段減圧弁Ａの弁孔２２ａの口径より小さく（第１段減圧弁Ａの弁孔２２ａの口径を、第２段減圧弁Ｂの弁孔２２ｂの口径より大きく）構成している。

上記のような構造の減圧弁によれば、圧力調整ハンドル１６を回転させてロッド９（又はハンドル部５）を螺進又は螺退させることにより、ダイヤフラム受け１３に所定の押圧力を与えることにより、ダイヤフラム受け１３を介してダイヤフラム１０の位置及び調整弁２５の位置を定め、弁座２１の環状凸部２３に対して調整弁シート２７が離れる。１次圧力室３ａ（３ｂ）内のガスは中間圧力室２０ａ（２次圧力室２０ｂ）に流れて、中間圧力室２０ａ（２次圧力室２０ｂ）の圧力が上昇し、前記所定の弾性力より大きな力でダイヤフラム１０及びダイヤフラム受け１３を押圧すると、調整弁２５は移動して弁孔２２ａ（２２ｂ）を塞いで閉弁させる。すなわち、調整スプリング４（６）の弾性力をＦ、コイルスプリング２４の弾性力をｆ、１次圧力室３の圧力をＰ1、２次圧力室２０の圧力をＰ2、ダイヤフラム１０が２次圧力室２０に接する面積をＳ、弁孔２２の面積から弁体１５の棒状部１４の面積を引いた面積（ガスが流出する流路の断面積）をｓとすると、ダイヤフラム１０を境として、
Ｆ＝（Ｐ1−Ｐ2）s＋Ｐ2×Ｓ＋ｆ
が成立する。
従って、ロッド９を螺進させて調整スプリング６によるダイヤフラム受け１３への押圧力を変化させれば、その力に対応した２次圧力を得ることができる。

上記構造の圧力調整器において、第１段減圧弁Ａは、ガスボンベから供給される最大で１５ＭＰａのガス圧を、３ＭＰａの中間セット圧力に減圧するように構成されている。また、第２段減圧弁Ｂは、２．５〜３．５ＭＰａの中間セット圧力を０．１ＭＰａに減圧するように構成されている。
また、第１段減圧弁Ａの弁孔２２ａの口径をφ４、第２段減圧弁Ｂの弁孔２２ｂの口径をφ２．５とし、前記した面積ｓの比較において、４：１程度としている。
従って、第１段減圧弁Ａの１次側圧力が中間セット圧力以下となって第１段減圧弁Ａが減圧作用を行なわない場合において、圧力調整器を流れるガスに対して第１段減圧弁Ａが抵抗とならないようにすることができる。

上記構造の圧力調整器を用いて、供給ガスとして１０．０ＭＰａの三フッ化窒素（ＮＦ_３）、ＮＦ_３流量２０〜４０Ｌ／ｍｉｎを使用し、中間圧を３．０ＭＰａとし、０．３ＭＰａに減圧する試験を行ったところ、第１段減圧弁Ａ及び第２段減圧弁Ｂにおける調整弁シート２７の表面に荒れは生じていないことが確認できた。これは、調整弁シート２７の材料としてＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）を使用することにより、供給ガスである三フッ化窒素（ＮＦ_３）に対してシート表面の反応を抑制することができたためと考えられる。

また、供給ガスである三フッ化窒素（ＮＦ_３）の充填圧力が高い時には、２段減圧により調整弁シート２７前後の差圧を少なくすることで、ガス膨張にともなう温度降下が軽減され、調整弁シート２７へ三フッ化窒素（ＮＦ_３）が浸透したり、膨張しにくくなるため、表面に荒れが発生することを防ぐものと推察される。

本発明の圧力調整器の一実施例を示す縦断面説明図である。 従来の圧力調整器の構造を示す縦断面説明図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 流入口
３ａ，３ｂ １次圧力室
４ １次圧側圧力調整スプリング
５ カバー部
６ ２次圧側圧力調整スプリング
７ 端部材
８ カバー部
９ ロッド
１０ ダイヤフラム
１１ 調整器カバー
１２ ユニオンナット
１３ ダイヤフラム受け
１４ 棒状部
１５ 弁体
１６ 圧力調整ハンドル
１７ 連結孔
１８ 流出口
２０ａ 中間圧力室、
２０ｂ ２次圧力室
２１ 弁座
２２ａ，２２ｂ 弁孔
２３ 環状凸部
２４ コイルスプリング
２５ 調整弁
２６ 凸部
２７ 調整弁シート
Ａ 第１段減圧弁
Ｂ 第２段減圧弁

Claims (1)

1. １次側圧力を中間セット圧力に減圧する第１段減圧弁と、前記中間セット圧力を０〜０．９９ＭＰａの２次側圧力に減じる第２段減圧弁とを有する圧力調整器において、
   供給ガスを三フッ化窒素（ＮＦ_３）とする一方、
   前記中間セット圧力を２．５〜３．５ＭＰａとし、
   前記第１段減圧弁の弁孔の口径を、第２段減圧弁の弁孔の口径より大きく構成するとともに、前記各減圧弁の弁構造は環状凸部を有する弁座に平面状の調整弁シートが接離する構造とし、
   前記調整弁シートをＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）で構成した
   ことを特徴とする圧力調整器。
   

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