レギュレーターを選定する
多くの産業用流体システムや計装システムにおいて、圧力レギュレーターは、システムの変化に応じて希望する圧力や流量の維持／コントロールをサポートするという重要な役割を担っています。ということで、それぞれのアプリケーション特有の要件を満たす圧力レギュレーターを選定して取り付けることが重要です。しかし、圧力レギュレーターには多くのタイプがあり、それぞれ特有の機能を持っているため、必ずしも容易に選定できるとは限りません。本ホワイト・ペーパーでは、圧力に対するニーズを評価し、最適なレギュレーターを選定するための5つの手順をご紹介します。
圧力調整を適切に行うことの重要性
産業用流体システムのプロセスを意図した通りに作動させるには、流体の温度、流量、圧力の設定が正確でなければなりません。多くのシステム部品は、必要とするプロセス条件を維持するという重要な役割を担っていますが、中でも非常に重要なのが圧力レギュレーターです。
さまざまな圧力レギュレーターがありますが、プロセス流体や分析システムを安全かつ意図した通りに作動させるには、正しく選定することが重要です。選定を誤った場合、効率性やパフォーマンスの低下、頻繁なトラブルシューティング、安全上の問題などが生じるおそれがあります。
適切なレギュレーターを選定する上で、レギュレーターのタイプ、しくみ、システムのニーズに合った使用方法を理解することが欠かせません。こういった知識があれば、正しい情報に基づいた選定を効率的に行うことができます。
このたび適切なレギュレーターの選定を行うためのガイドとして、5つの手順からなるシンプルなプロセスを作成しました。このプロセスは、大半の産業用流体システムや分析システムに適用することができます。
不適切なレギュレーターを取り付けた場合
圧力レギュレーターは、システムのパラメーターの変化に応じて、システム圧力をコントロールします。不適切なレギュレーターを取り付けた場合、下流側の圧力が上昇または降下することになります。
いずれの場合も、プロセスの質や安全性が低下するおそれがあります。不要な圧力降下が生じると、システムの効率が低下したり、プロセスに問題が生じたりしかねません。また不要な圧力上昇が生じると、感度の高い分析装置に損傷を与えるばかりか、最悪の場合は施設のスタッフに危険が及ぶおそれがあります。
手順1：プロセス条件を理解する
適切なレギュレーターを選定するには、まずシステムの圧力、温度、流量に加えて、選定したレギュレーターの材質がシステム流体に適合しているかを確認する必要があります。
プロセス流体の成分
液体やガスのプロセス流体は、それぞれ挙動が異なるため、レギュレーターの選定に影響を与える可能性があります。例えば、圧力レギュレーターは高密度のガスよりも低密度のガスの方が大きい流量に対応することができます。別表にあるガス比重補正係数といった情報に基づいて、レギュレーターのサイジングを調節します（図1参照）。
最高使用圧力
レギュレーターの主な機能は、システムの圧力を管理することです。よって、システムの最高／最低圧力、および通常予測される作動システム圧力に合わせてレギュレーターを選定することが重要になります。
圧力調整範囲は、対応する流量曲線で示されますが、適切なレギュレーターを選定する上で重要な項目になるため、通常はレギュレーターの製品仕様に記載されています。レギュレーターの選定にあたっては、まず2つのポイントを確認してください：
1. 予測される流れに対して、二次側圧力はどのような状態か
2. 流量に関わらず常に二次側圧力が一定であることを求めるか
温度
レギュレーターの選定やオペレーションを行う際は、流体システムの使用温度も考慮する必要があります。選定する際は、予想される使用温度、そしてそれが他の環境要素によってどのような影響を受けるかを把握しておきましょう。
レギュレーターの本来の機能は、圧力を変えることですが、システム流体によっては、圧力が変化すると温度が劇的に変動します。この現象は、ジュール・トムソン効果と呼ばれます。例えば、圧縮天然ガスは、圧力が降下すると温度が20ºCから–65ºCにまで下がることがあります（図2参照）。流体システムにおいて適切な対策を講じていなかった場合、このような劇的な温度変動によってレギュレーターが凍結し、機能しなくなるおそれがあります。このような状況では、補助ヒーターを取り付けて凍結を防止する必要があるかもしれません。ジュール・トムソン効果を計算するツールを利用するか、レギュレーターのサプライヤーに相談して、潜在的な影響を予測することもできます。
材料の適合性
システム流体が、レギュレーターのあらゆる部品と適合していることも重要です。適合していなかった場合、部品の寿命が短くなり、システムの大幅なダウンタイム（停止時間）につながりかねません。
例えば、レギュレーターの内部部品は、システム流体による悪影響を受けていたとしても、外観上は異常が認められないこともあります。ゴム製やエラストマー製の部品にある程度の自然劣化が生じるのは想定内ですが、システム流体によっては劣化が加速し、レギュレーターの不具合が早期に発生するおそれがあります（図3参照）。
さて、予想されるプロセス条件の評価が終わったところで、 手順2に進んでください。
手順2：圧力コントロールのニーズを見極める
レギュレーターには大きく分けて、減圧レギュレーターと背圧レギュレーターの2種類があります。使用する目的に合わせて、レギュレーターを選定してください。
減圧レギュレーター は、二次側圧力を感知し、下流側の圧力をコントロールすることで、プロセスへの圧力をコントロールします。
背圧レギュレーター は、一次側圧力を感知し、上流側からの圧力をコントロールすることで、プロセスからの圧力をコントロールします。
どちらのレギュレーターを選定すべきかは、プロセス要件によって決まります。高圧のシステム流体をメインのプロセスに適した圧力に下げる必要がある場合は、減圧レギュレーターが適しています。一方、背圧レギュレーターは、システムの状態によって圧力が希望するレベルよりも高くなった場合に、過剰な圧力を放出することで、システム圧力のコントロール／維持をサポートします（図4参照）。
このように、状況に応じて各タイプのレギュレーターを使い分けることで、システム全体で希望する圧力を維持することができます。
レギュレーターのしくみ
レギュレーターに必要な機能を見極めたら、その機能を果たすのに必要なエレメントを理解しておきましょう。
レギュレーターは、以下の部品で構成されています：
• ロード式エレメント：スプリング・ロード式またはドーム・ロード式があります。アプリケーションのニーズに応じて使い分けてください。ロード式エレメントによって、感知エレメントへの力を調整します。
• 感知エレメント（ダイヤフラムまたはピストン）：感知エレメントによってポペットがシート内で上下し、一次側または二次側の圧力をコントロールします。
• 調整エレメント（シートおよびポペット）：シートは流体を確実に締め切り、逆流を防止します。ポペットはシートと連動し、流れているシステム流体をシールします。
上記のエレメントが連動して、希望する圧力にコントロールします。ピストンまたはダイヤフラムは、下流側（二次側）圧力を感知します。感知エレメントは、ロード式エレメントからの力と一次側圧力および二次側圧力のバランスを取ります。ロード式エレメントは、ハンドルなどを回して調節します。 感知エレメントによって、ポペットがシートから離れたり近づいたりします。これらのエレメントが連動してバランスを保つことで、設定圧力を達成します。ある力が変化すると、他も変化せざるを得なくなり、バランスを取り戻すためです。
減圧レギュレーターは、4つの力のバランスを取ることが求められます（図5参照）。つまり、ロード力（F1）、一次側のスプリングの力（F2）、二次側圧力による力（F3）、一次側圧力による力（F4）です。トータルのロード力は、一次側のスプリングの力、二次側圧力による力、一次側圧力による力の3つの合計に等しくなければなりません。
背圧レギュレーターのしくみも同様です。スプリングの力（F1）、一次側圧力による力（F2）、 二次側圧力による力（ F3）の3つのバランスを取ることが求められます（ 図6参照）。この場合、スプリングの力は、一次側圧力による力と二次側圧力による力の合計に等しくなければなりません。
目的に合ったレギュレーターのタイプが決まったところで、 手順3に進んでください。
手順3：レギュレーターの挙動を理解する
レギュレーターを取り付けたら、現実的な要因を考慮することが重要です。レギュレーターは機械装置であって、電子的にコントロールや感知を行っているわけではありません。 つまり、現場の条件下で一般的に見られるレギュレーターの自然な挙動をよく理解しておく必要があります。
流量曲線
流量曲線は、規定のシステム・パラメーターでのレギュレーターの実際のパフォーマンスを示します（図7参照）。縦軸は二次側圧力を、横軸は下流側の流量を示します。流量曲線の中で最も平坦（または水平）な部分は、流量に大きな変化が生じても、レギュレーターが一定の圧力を維持していることを示しています。流量曲線の右端は、レギュレーターが完全に開状態となり、一定の圧力を維持できないことを示しています。このエリア、つまり圧力が急激に下がり始めてゼロに達するまでの間では、ポペットがストロークの限界に達し、コントロール不能な状態に陥っています。この時点では、レギュレーターはもはや圧力をコントロールする装置ではなく、流れを制限しているオリフィスにすぎません。
ロックアップ
流量曲線の開始部分で生じるロックアップは、レギュレーターが完全に閉状態で、流れが停止している状態から、バルブを開くなどして流れが発生した際に起きる圧力降下のことを指します。バルブを開くなどして流れが始まれば、レギュレーターの流量曲線はこの設定点までの圧力降下を示します。ロックアップは、レギュレーターの典型的な挙動ですが、優れたレギュレーターであれば、これを最小限に抑えることができます。
ドループ
ドループは、レギュレーターの挙動としては一般的なもので、ロックアップの直後に始まります。ドループは、流れが増加することによってレギュレーターのポペットがさらに大きく開いた時に発生します。スプリングが伸びて次第に応力が失われると、圧力の消失（ドループ）が発生します。ドループはどのレギュレーターでもある程度の流れで生じますが、圧力降下が生じるまでは 流量曲線をできるだけ平坦に保つ ことができるというのが理想です。そのため、アプリケーションのニーズに適した構成のレギュレーターを選定することが重要なのです。
供給圧力影響（SPE）
SPE（別名：一次側の依存性）とは、「一次側圧力の変化によって生じる二次側圧力の変化」を指します（図8参照）。SPEが存在している場合、一次側圧力と二次側圧力の変化は反比例します。 つまり、一次側圧力が低下すると二次側圧力は上昇し、逆に一次側圧力が上昇すると二次側圧力は低下します。
予想されるレギュレーターのSPEは、メーカーによって公表されています。通常SPEは、一次側圧力の変化に対する二次側圧力の変化の比率または割合で表します。 例えば、SPEが1:100または1%のレギュレーターでは、一次側圧力が100 psi下がるごとに二次側圧力は1 psi上昇します。 レギュレーターの二次側圧力が変化する度合いは、以下の式で推定することができます：
SPEを抑えるには、バランス型ポペットのレギュレーターを使用するのが一般的です。 中でも大きいポペットを使用することが多い大流量のアプリケーションでは、バランス型ポペットのレギュレーターが適しています。また、SPEは二段式レギュレーターを用いることで緩和することもできます。一段目のレギュレーターで高い一次側圧力を下げ、二段目のレギュレーターが受ける圧力降下を最小限に抑えます。しかし、この方法はすべてのアプリケーションで必要なわけではありません。レギュレーターのサプライヤーに相談し、個別のニーズに適した構成を決定してください。
さて、レギュレーターの重要な挙動を理解できたところで、 手順4に進んでください。
手順4：適切なロード式エレメントを特定する
先に述べたように、レギュレーターのロード式エレメントは、感知エレメント上部から下向きのバランス力を加えることで、圧力コントロールをサポートします。一般的なロード式エレメントは、 スプリング・ロード式とドーム・ロード式の2つです。
スプリング・ロード式レギュレーター
スプリング・ロード式レギュレーター は最も一般的で、オペレーターにも良く知られています。スプリング・ロード式レギュレーターでは、スプリングによる力が感知エレメント（ダイヤフラムまたはピストン）に加わり、感知エレメントによってポペットが上下に動くことで、流路の開閉を行い、下流側の圧力をコントロールします。多くの汎用アプリケーションにおいて、信頼性の高いオプションです。
• ハンドルまたは調節ねじを回すことで、感知エレメントに伝わるスプリングの応力をコントロールします
• スプリングの応力が感知エレメント（ダイヤフラムまたはピストン）を下方向に押し下げることで圧力を調節します
• 汎用アプリケーションに効果的なオプションです
スプリング・ロード式減圧レギュレーター：
• 二次側圧力を感知し、下流側の圧力をコントロールすることでプロセスへの圧力をコントロールします
• 高圧源からの圧力を下げるべくサポートします
スプリング・ロード式背圧レギュレーター：
• 一次側圧力を感知し、上流側の圧力をコントロールすることでプロセスからの圧力をコントロールします
• 過剰な圧力を放出することで、上流側の圧力のコントロールおよび維持を行います
ドーム・ロード式レギュレーター
ドーム・ロード式レギュレーター を使用すると、変動に対して正確な圧力コントロールを行うことができるため、流量の需要が変動しても一定の圧力が得られます。このタイプのレギュレーターは、スプリングではなく、ドーム・チャンバー内に注入された加圧ガスでコントロールされます。この加圧ガスによってダイヤフラムを押し下げ、ポペットが開くことで、圧力をコントロールします。ドーム・ロード式レギュレーターには、 高い精度、低SPE値、優れたドループ などの利点があります
• ドーム内の加圧ガスによりレギュレーターの感知エレメント（一般的にはダイヤフラムまたはピストン）に下向きの応力を与えて圧力を調節します
• システム内の流体圧力を用いることで、感知エレメントに応力を与えます
• 圧力の影響を受けやすいアプリケーションにおいて、高い精度を実現します
ドーム・ロード式減圧レギュレーター：
• 二次側圧力を感知し、下流側の圧力をコントロールすることでプロセスへの圧力をコントロールします
• 高圧源からの圧力を下げるべくサポートします
ドーム・ロード式背圧レギュレーター：
• 一次側圧力を感知し、上流側の圧力をコントロールすることでプロセスからの圧力をコントロールします
• 過剰な圧力を放出することで、上流側の圧力のコントロールおよび維持を行います
ドーム・ロード式レギュレーターは、さまざまな構成 に組み込むことができ、非常に平坦な流量曲線を維持します。ドーム・ロード式レギュレーターに、パイロット・レギュレーターおよび外部フィードバック・ラインを組み合わせることで、アプリケーションに求められる正確な圧力調節が可能になります。
どのレギュレーターでも、ある程度のドループが生じます。システムによっては、ドループが生じても問題はないかもしれません。しかし、流れが変化しても圧力を一定に保つことが重要な場合は、さらに精巧なレギュレーター構成を採用することをお勧めします。
そろそろ、どのタイプのレギュレーターがお使いのシステムに適しているか理解いただけたのではないでしょうか。レギュレーターの自然な挙動がシステムのパフォーマンスに与える影響を予想するための知識も得られたことでしょう。また、適切なロード式メカニズムを特定できるようになっているはずです。一旦レギュレーターを作動させたら、確立されたベスト・プラクティスに従うことが重要です。これについては、手順5で説明します。
手順5：オペレーションのベスト・プラクティスに従う
レギュレーターを適切に機能させるには、適切なタイプを選定するのはもちろん、レギュレーターの寿命全体にわたって、メンテナンスのベスト・プラクティスに従う必要があります。他の産業用装置と同様、レギュレーターはその寿命を通して自然な摩耗や損耗が生じることは避けられません。しかし、適切にメンテナンスを行うことで、その有用性はもちろん、流体システムの安全性も高めることができます。
メンテナンスを適切に行っていなかったことで生じる問題に、クリープと呼ばれる現象が挙げられます。クリープは、圧力レギュレーターの自然な挙動ではありません。異物が混入してレギュレーターのシートとポペットの間に非常に小さいすき間が形成されると、クリープが発生します（図9参照）。その結果、システム流体が意図せず流れ込むため、下流側で不要な圧力上昇が発生します。クリープによる圧力上昇が、下流側にある機器の最高使用圧力を上回ると非常に危険です。
クリープやその影響を軽減するには、以下の方法があります：
ろ過
レギュレーターの上流側に適切なフィルターを取り付けることで、クリーンな流体をレギュレーターに流すことができます。フィルターは定期的にクリーニングを行うか、必要に応じて交換し、適切にろ過を行ってください。
圧力逃がし弁
レギュレーターの下流側に圧力逃がし弁を取り付けることで、実際にクリープが発生してもその影響を緩和することができます。
スペア・パーツ
レギュレーター用のスペア・パーツ・キットを用意しておくと、問題が起きたときに素早く対処することができます。スペア・パーツが手元になかった場合、問題が発生してから交換部品が届くまでに、大規模なダウンタイム（停止時間）が発生するおそれがあります。
その他のリソース
上記の手順に従うことで、レギュレーターを適切に選定することができます。しかし、手順内で示している留意点が、お客さまのシステム独自のニーズをすべて網羅しているとは限りません。何か疑問があれば、レギュレーターのサプライヤーに相談することをおすすめします。
スウェージロックの経験豊富な専門スタッフは、アプリケーションやエンジニアリングに関する幅広い経験および知識を駆使し、お客さまのシステムに適したレギュレーターを提案します。また、スウェージロックでは、以下のリソースを提供しています。流体システムのパフォーマンスの最適化に活用ください：
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