JP6436882B2 - レギュレータ - Google Patents

Description

この発明は、１次側の変動する圧力に対し、２次側圧力を設定圧力に保つためのレギュレータに関するものである。

図６に、従来のレギュレータ１００を示す。図示のように、レギュレータ１００の圧力感知部１０１は、１次側管路２から２次側の短管３ａ、ディフューザ３ｂ及び２次側管路３ｃへの流量制御を行う弁座１０２と弁体１０３とから成るシートディスクと連動し、圧力伝達管路１０４を介して２次側圧力を感知するダイヤフラム１０５と、ダイヤフラム１０５により感知される２次側圧力とバランスする方向に付勢力を生じるスプリング１０６とで構成される。そして、スプリング１０６の締め込み量を変化させることでスプリング１０６の付勢力を変化させ、２次側の設定圧力を変更可能としていた。
これにより、２次側圧力が設定圧力よりも低ければ、弁体１０３が開弁方向に移動して１次側の流体が２次側に流入し、２次側圧力が設定圧力と同じになると、閉弁する。

しかしながら、ダイヤフラム１０５と流量制御を行うシートディスクとが直接連動していることから、シートディスクの弁開度が大きくなると、つまり、１次側から２次側への流量が増えると、ダイヤフラム１０５の位置が下がることになる。すると、ダイヤフラム１０５を介して２次側圧力とバランスするスプリング１０６のたわみ量が減り、スプリング１０６の付勢力が減少する。このため、大流量時は、小流量時に比べて設定圧力が降下してしまう。よって、レギュレータ自体が流せる最大流量よりも少ない流量までしか圧力制御をすることができない。
そこで、一般的なレギュレータでは、上記のような大流量時の設定圧力降下を抑制するため、流量増加時に圧力感知部が感知する圧力を設定圧力より下げるためのベンチュリー管を設けたり、シートディスクの面積を大きくしてスプリングの付勢力低下を補うなどの対策を行ったりしている。しかし、いずれの対策も圧力条件により影響を受けてしまい、効果が一定に現れない。圧力条件によっては、２次側圧力が異常昇圧する場合がある。

上記のような２次側圧力の異常昇圧という問題に対しては、例えば特許文献１の技術を用いて解決を図ることが考えられる。特許文献１に示された整圧装置では、第１〜第３の弁までの３つの弁構造を有している。そして、狭管部で低下したガスの圧力を第１の弁の圧力感知部に伝える際、１次側圧力に応じて開度が変わる第２の弁を介すことで、伝達される圧力を調整する。また同時に、２次側管路に設置した管路からの圧力を第３の弁に導入し、２次側圧力が設定圧力よりも高くなった場合には、２次側管路の圧力を元圧として第１の弁の圧力感知部に導入し、２次側圧力が設定圧力となるように制御する。
第１の弁は、第２及び第３の弁を介して圧力感知部に圧力が導入され、１次側から２次側へ流すガスの流量を調整する。
第２の弁は、第１の弁の２次側に設けられた狭管部の圧力を第１の弁の圧力感知部に伝達する管路に設けられ、第１の弁の前後差圧が大きくなった場合に、第１の弁の圧力感知部での圧力低下が過大になるのを防ぐことを目的としている。狭管部での圧力低下が大きくなりすぎると、第３の弁による２次側管路から第１の弁の圧力感知部への圧力供給が不足し、結果としてその後に２次側圧力の上昇を引き起こすことになると考えられ、これを防止するための調整機能を第２の弁は持つ。
第３の弁は、２次側圧力を感知し、設定圧力以下であれば閉弁しているが、設定圧力以上になると開弁して、第１の弁の圧力感知部に２次側管路からの圧力を導入し、２次側圧力の異常昇圧を防止する機能を持つ。

特開２００３−１６２３３４号公報

しかしながら、特許文献１のように構成する場合、第１〜第３の弁までの３つの弁が必要であり、構造が複雑化する。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、より簡素な構成によって、２次側圧力の異常昇圧を抑制できるレギュレータを得ることを目的とする。

この発明に係るレギュレータは、１次側から２次側へと流体を流す流路に設けられるシートディスクと、シートディスクと連動し、第１の空間の圧力に応じて変位するダイヤフラムと、一端がシートディスクよりも下流の位置に、他端が第１の空間に接続する第１圧力伝達管路と、シートディスクを通過した流体が流入し２次側の設定圧力よりも高圧になる第２の空間とを有する第１の弁と、第１圧力伝達管路の一端の接続位置よりも下流かつ流路断面積の広い位置に一端が接続する第２圧力伝達管路を介して感知した圧力に応じて開閉し、入口側が第２の空間に、出口側が第１の空間に接続する第２の弁とを備え、第２の弁は、感知した圧力が設定圧力よりも大きい第２の設定圧力以下の場合に閉弁し、第２の設定圧力よりも高い場合に開弁することを特徴とするものである。

この発明によれば、より簡素な構成によって、２次側圧力の異常昇圧を抑制できるレギュレータを得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るレギュレータを示す断面図である。 図１の一部分を拡大して示す図及び当該部分の変形例を示す図である。 第２の弁の構成例を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るレギュレータの第１の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るレギュレータの第２の変形例を示す断面図である。 従来のレギュレータを示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレギュレータ１を示す断面図である。レギュレータ１は、自身から見て上流側の配管である１次側管路２と、自身から見て下流側の配管である短管３ａ、ディフューザ３ｂ及び２次側管路３ｃとの間に設けられる。ディフューザ３ｂは、下流に行くにつれて流路断面積が広くなる管であり、ディフューザ３ｂの下流に位置する２次側管路３ｃの流路断面積は、ディフューザ３ｂの上流に位置する短管３ａの流路断面積よりも広くなる。
レギュレータ１は、ガス等の流体を、２次側管路３ｃの圧力が設定圧力となるように、１次側管路２から、短管３ａ次いでディフューザ３ｂ次いで２次側管路３ｃへと流通させる。レギュレータ１は、第１の弁４と第２の弁６とを有する。
第１の弁４は、入口側が１次側管路２に接続し、出口側が２次側である短管３ａに接続した流路４１を有する。流路４１には、弁座４２と弁体４３とから成るシートディスクが設けられており、弁体４３が弁座４２に接触し、また弁座４２から離れることによって流路４１が開閉される。図１は、弁体４３が弁座４２から離れた開弁状態を示している。弁体４３は、弁棒４４の一端に固定されている。弁棒４４の他端は、リンク機構４５に固定されている。

第１の弁４は、リンク機構４５を介して弁体４３を移動させる圧力感知部４６を有する。圧力感知部４６は、周縁部が固定されて中央部でリンク機構４５と接続するダイヤフラム４７と、ダイヤフラム４７を付勢するスプリング４８とを有する。ダイヤフラム４７により、紙面下方の第１の空間４９ａと、紙面上方の第３の空間４９ｂとが仕切られ、第３の空間４９ｂは、大気孔５０を介して大気に連通し、スプリング４８が設けられている。スプリング４８は、ダイヤフラム４７を紙面下方に付勢する。

第１の空間４９ａには、管路７が接続しており、また、ダイヤフラム４７の変位を弁棒４４に伝達するリンク機構４５が設けられている。ダイヤフラム４７は、第１の空間４９ａの圧力を感知し、その圧力に応じて変位する。リンク機構４５の働きにより、ダイヤフラム４７が紙面下方に移動すると弁棒４４及び弁体４３は紙面右方に移動する。また、ダイヤフラム４７が紙面上方に移動すると弁棒４４及び弁体４３は紙面左方に移動する。管路７は、短管３ａに接続している圧力伝達管路８と接続している。従って、圧力伝達管路８は、管路７を介して第１の空間４９ａに接続している。また、管路７は、第２の弁６の出口側にも接続している。
第１の空間４９ａと流路４１とを仕切る遮蔽板５１を貫通して、リンク機構４５及び弁棒４４は紙面左右方向に移動する。

弁座４２と弁体４３との間を通過した流体が流れ込む、弁座４２を境にして下流側の空間には、弁体４３、弁棒４４に加えて、弁体４３と遮蔽板５１との間に略円筒形の絞り形成体５２が設けられている。絞り形成体５２は固定されており、絞り形成体５２を貫通して弁棒４４は移動する。この絞り形成体５２、弁座４２及び弁体４３と、流路４１の内壁との間には、弁棒４４の軸Ｘを境とした紙面下方において、空間が絞られて狭くなった第２の空間５３が形成される。第２の空間５３には、管路９が接続している。
図１における弁座４２及び弁体４３付近の拡大図である図２（ａ）に示すように、第２の空間５３は、弁座４２よりも幅広の弁体４３と弁座４２とにより形成される前室５３ａと、それ以外の後室５３ｂとを有する。同じ弁座４２周りの空間であっても、軸Ｘを境とした紙面上方に位置し短管３ａ側に向けて大きく開放している空間５４と比べて、前室５３ａでは弁座４２と弁体４３との間を通過した流体が滞留しやすく、設定圧力よりも高い圧力が発生する。そして、前室５３ａで設定圧力よりも高圧となった流体は、絞り形成体５２により狭められた後室５３ｂによりその圧力を維持しながら、管路９へ送出される。

なお、図２（ｂ）及び図２（ｃ）のように構成して、設定圧力よりも高圧となった流体が管路９へ送出されるようにしてもよい。
図２（ｂ）では、弁体４３よりも幅広の弁座４２と、弁体４３及び絞り形成体５２とにより、設定圧力よりも高い圧力が発生する前室５３ａを形成する。また、図２（ｃ）では、図２（ａ）に示す構成において、弁座４２を弁体４３と同様に幅広とし、設定圧力よりも高い圧力が発生する前室５３ａを形成する。前室５３ａの圧力を維持するように狭められた後室５３ｂを含め、第２の空間５３の圧力は設定圧力よりも高くなる。
図２（ａ）〜（ｃ）で示したように、要は、弁座４２と弁体４３との間を通過した流体が流入して設定圧力よりも高い圧力となる第２の空間５３に、管路９を接続した構成であればよい。

第２の弁６は、入口側で管路９を介して第２の空間５３、出口側で管路７を介して第１の空間４９ａに接続しており、第２の空間５３の流体を第１の空間４９ａへ送出する。その際、２次側管路３ｃに接続する圧力伝達管路１０からの導圧により、その開度を変える。圧力伝達管路１０からの導圧が、設定圧力よりも大きい第２の設定圧力よりも高い場合は、圧力伝達管路１０からの導圧に応じた開度で開弁し、第２の設定圧力以下の場合は、閉弁する。第２の設定圧力は、設定圧力と許容される圧力の上限値との間の値に、適宜設定される。
図３は、第２の弁６の構成例を示す断面図である。第２の弁６は、入口側が管路９に接続し、出口側が管路７に接続した流路６１を有する。流路６１には、弁座６２と弁体６３とから成るシートディスクが設けられている。

第２の弁６は、リンク機構６４を介して弁体６３を移動させる圧力感知部６５を有する。圧力感知部６５は、周縁部が固定されて中央部でリンク機構６４と接続するダイヤフラム６６と、ダイヤフラム６６を付勢するスプリング６７とを有する。ダイヤフラム６６により、紙面下方の第４の空間６８ａと、紙面上方の第５の空間６８ｂとが仕切られ、第５の空間６８ｂは、大気孔６９を介して大気に連通し、スプリング６７が設けられている。スプリング６７は、ダイヤフラム６６を紙面下方に付勢する。

第４の空間６８ａには、ポート７０にて圧力伝達管路１０が接続しており、２次側管路３ｃの圧力が導入される。また、ダイヤフラム６６の変位を弁体６３に伝達するリンク機構６４が設けられている。ダイヤフラム６６は、第４の空間６８ａの圧力を感知し、その圧力に応じて変位する。リンク機構６４の働きにより、ダイヤフラム６６が紙面下方に移動すると弁体６３は紙面右方つまり閉弁方向に移動する。また、ダイヤフラム６６が紙面上方に移動すると弁体６３は紙面左方つまり開弁方向に移動する。

次に、上記のように構成されたレギュレータ１の動作について説明する。
第１の弁４により２次側の圧力制御を行っている状態において、第２の空間５３の圧力は、２次側の設定圧力よりも高くなっている。
圧力伝達管路８の圧力は、弁座４２と弁体４３との間を通過する流体の流量増加に伴いより低い圧力を示し、第１の空間４９ａの圧力が低下する。これは、弁座４２と弁体４３との間を通過する流量が増えると流速が上がり、短管３ａと圧力伝達管路８との接続部分で働くベンチュリー効果が顕著となって、圧力伝達管路８及び第１の空間４９ａの圧力が低下するからである。
すると、ダイヤフラム４７が紙面下方に移動し、リンク機構４５により弁体４３は紙面右方つまり開弁方向に移動する。これにより、設定圧力とするのに必要な流量以上の流量が流路４１を通過して２次側管路３ｃへ送られることから、２次側管路３ｃの圧力が設定圧力以上に上昇しようとする。

このとき、圧力伝達管路１０により、第２の設定圧力よりも高い圧力が第２の弁６の第４の空間６８ａに導圧されると、第２の弁６が開弁する。これにより、設定圧力よりも高い圧力となっている第２の空間５３から第１の空間４９ａへ、第２の弁６を介して流体を送り、２次側管路３ｃでの２次側圧力を、第２の設定圧力以下になるよう制御して、異常昇圧を抑制する。なお、圧力伝達管路１０は、圧力伝達管路８が接続する短管３ａよりも下流で２次側管路３ｃに接続している。２次側管路３ｃは、下流に行くにつれて流路断面積が広くなるディフューザ３ｂを介して短管３ａと接続しており、短管３ａよりも流路断面積が広く流体の流速が遅くなる。従って、２次側管路３ｃと圧力伝達管路１０との接続部分でベンチュリー効果が働くのを抑えた構成となっており、第４の空間６８ａの圧力は、２次側管路３ｃの圧力と同等のものとなる。

第２の空間５３の圧力は、１次側圧力と２次側圧力との差圧が大きいほど、また流路４１を通過する流体の流量が増加するほど高くなる。従って、ベンチュリー効果により圧力伝達管路８から第１の空間４９ａへ導入される圧力の低下が起きても、それを補えるだけの十分な圧力を、第２の弁６により第２の空間５３から第１の空間４９ａへ導入できる。

また、上記のように第２の弁６が開弁して２次側管路３ｃの異常昇圧を抑えながら、第１の弁４により２次側の圧力制御を行っている状態において、１次側管路２の圧力が低下した場合は、短管３ａへ送出される流体の流速が低下する。このため、ベンチュリー効果を考慮すると、圧力伝達管路８の圧力は、１次側管路２で圧力低下が起きる前のものよりも高くなり、第１の空間４９ａの圧力も上昇する。
すると、ダイヤフラム４７が紙面上方に移動し、リンク機構４５により弁体４３は紙面左方つまり閉弁方向に移動する。これにより、設定圧力とするのに必要な流量以下の流量が流路４１を通過して２次側管路３ｃへ送られることとなり、２次側管路３ｃの圧力が低下しようとする。

しかしながらこのとき、圧力伝達管路１０により、２次側管路３ｃの圧力低下が第２の弁６で感知されると、第２の弁６の弁体６３は閉弁方向へ移動する。これにより、設定圧力よりも高い圧力となっている第２の空間５３から第１の空間４９ａへの流体流量を低下させ、弁体４３の閉弁方向への移動量を低減させる。このようにして、２次側管路３ｃの圧力が低下するのを防ぎ、１次側管路２で圧力低下が起きる前の２次側管路３ｃの圧力が維持されるように制御が行われる。また、圧力伝達管路１０により、２次側管路３ｃの圧力が第２の設定圧力以下に低下したことを感知した場合、第２の弁６は、閉弁する。

このようにして、実施の形態１に係るレギュレータ１は、第１の弁４及び第２の弁６という２つの弁により、許容される圧力の上限値を超えさせることなく２次側の圧力制御を行い、２次側圧力の異常昇圧を抑制する。

なお、第１の弁４の第１の空間４９ａに圧力を導くための圧力伝達管路８は、弁座４２を境として２次側に接続していればよく、図１に示す位置での接続に限らない。例えば図４に示すように、レギュレータ１のボディに接続してもよい。つまり、下流側の配管と接続するためにレギュレータ１に設けられたフランジ１１よりも、上流の位置に接続する。この場合、短管３ａを省略することが可能となる。

またさらに、図５に示すように、下流側へ向けてノズル状に形成された略円筒形の狭管部５５を設け、弁座４２と弁体４３との間を通過した流体が狭管部５５を通過するようにしてもよい。このとき、狭管部５５が設けられた位置で圧力伝達管路８を接続し、狭管部５５を通過して狭管部５５により低下した圧力を、圧力伝達管路８及びその後に第１の空間４９ａに導入させる。またこの場合も、短管３ａを省略することが可能となる。
図４で示した構成に対してだけでなく、図１で示した構成に対して狭管部５５を設けてもよい。

図４に示す構成は、圧力伝達管路８が図１の構成よりも弁座４２に近い位置、つまり、流体の流速が比較的速いまま維持されている位置で接続され、圧力伝達管路８に働くベンチュリー効果がより強く表れる。また、狭管部５５の位置で圧力伝達管路８が接続する図５の構成も、圧力伝達管路８に働くベンチュリー効果がより強く表れる。
図４及び図５に示す構成とすると、１次側管路２の圧力が低下した場合に、図１に示す構成と比較し、２次側管路３ｃの圧力の低下をより抑制しやすくなる。なお、弁座４２と弁体４３との間を通過する流量が増加した場合では、第１の空間４９ａの圧力の低下が図１に示す構成のものよりも大きくはなるが、第２の弁６により第２の空間５３の圧力が導入されることで、２次側圧力の異常昇圧は十分抑制できる。

以上のように、この発明の実施の形態１に係るレギュレータ１によれば、第１の空間４９ａの圧力に応じて流量制御を行う第１の弁４と、第１の空間４９ａに出口側が接続する第２の弁６を設けた。そして、第２の弁６は、設定圧力よりも圧力が高くなる第２の空間５３に入口側が接続して、２次側圧力が設定圧力よりも大きい第２の設定圧力以下の場合に閉弁し、２次側圧力が第２の設定圧力よりも高い場合に開弁することとした。これにより、２次側圧力の異常昇圧を第１の弁４及び第２の弁６という２つの弁で抑制する。これは、従来のものと比較して必要な弁の個数を減らした簡素な構成である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ レギュレータ
２ １次側管路
３ａ 短管
３ｂ ディフューザ
３ｃ ２次側管路
４ 第１の弁
６ 第２の弁
７ 管路
８ 圧力伝達管路
９ 管路
１０ 圧力伝達管路
１１ フランジ
４１ 流路
４２ 弁座
４３ 弁体
４４ 弁棒
４５ リンク機構
４６ 圧力感知部
４７ ダイヤフラム
４８ スプリング
４９ａ 第１の空間
４９ｂ 第３の空間
５０ 大気孔
５１ 遮蔽板
５２ 絞り形成体
５３ 第２の空間
５３ａ 前室
５３ｂ 後室
５４ 空間
５５ 狭管部
６１ 流路
６２ 弁座
６３ 弁体
６４ リンク機構
６５ 圧力感知部
６６ ダイヤフラム
６７ スプリング
６８ａ 第４の空間
６８ｂ 第５の空間
６９ 大気孔
７０ ポート
１００ レギュレータ
１０１ 圧力感知部
１０２ 弁座
１０３ 弁体
１０４ 圧力伝達管路
１０５ ダイヤフラム
１０６ スプリング

Claims (3)

1. １次側から２次側へと流体を流す流路に設けられるシートディスクと、
   前記シートディスクと連動し、第１の空間の圧力に応じて変位するダイヤフラムと、
   一端が前記シートディスクよりも下流の位置に、他端が前記第１の空間に接続する第１圧力伝達管路と、
   前記シートディスクを通過した流体が流入し２次側の設定圧力よりも高圧になる第２の空間とを有する第１の弁と、
   前記第１圧力伝達管路の一端の接続位置よりも下流かつ流路断面積の広い位置に一端が接続する第２圧力伝達管路を介して感知した圧力に応じて開閉し、入口側が前記第２の空間に、出口側が前記第１の空間に接続する第２の弁とを備え、
   前記第２の弁は、感知した圧力が前記設定圧力よりも大きい第２の設定圧力以下の場合に閉弁し、前記第２の設定圧力よりも高い場合に開弁することを特徴とするレギュレータ。
2. 下流側の配管と接続するためのフランジを備え、
   前記第１圧力伝達管路の一端は、前記フランジよりも上流の位置に接続することを特徴とする請求項１記載のレギュレータ。
3. 前記シートディスクを通過した流体が通過する、下流側へ向けてノズル状に形成された狭管部を、前記第１圧力伝達管路の一端が接続する位置に備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレギュレータ。

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