JP2007038179A - ガス混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス混合装置において、混合動作開始時から終了時において混合精度を良好に安定して維持することができる構造を得る。
【解決手段】ベースガスを供給するベースガス配管１０と、添加ガスを供給する添加ガス配管２０と、前記各ガスを混合した混合ガスを流出する混合ガス配管３０を有するガス混合装置であって、ベースガス配管１０と混合ガス配管３０との間に設けたベースガス用層流素子１６と、添加ガス配管２０と混合ガス配管３０との間に設けた添加ガス用層流素子２６と、ベースガス用層流素子１６及び添加ガス用層流素子２６のガス流入側圧力を同圧にするため添加ガス用層流素子２６の流入側の添加ガス配管２０に設けた均圧弁４０とを具備し、前記ベースガス用層流素子１６及び添加ガス用層流素子２６は、混合ガス中のベースガスと添加ガスの混合率に合わせて流量断面積を設定することで、上流部と下流部に発生する差圧によって流量制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のガス、例えばベースガスと添加ガスとを一定の配合で混合するガス混合装置に関し、特に、安定した混合精度が得られるガス混合装置の構成に関する。

従来、ガス混合装置におけるベースガス及び添加ガスの流量制御は、面積式流量計、熱式体積流量計、オリフィス等を用いた差圧方式を使用している。すなわち、ベースガスと添加ガスの二統系の配管それぞれに流量計及び弁を装着し弁の出口側を一つの配管に接続したガス混合装置において、各流量計を目視することで各弁の開度を調整し、所望の混合率の混合ガスを得ていた。

しかしながら、流量計として面積式流量計を使用した混合装置の場合、安価ではあるが流量計の流量精度が各流量に±５％の誤差が生じるので、良好な混合精度が得られないという問題点があった。
また、熱式体積流量計を使用した混合装置の場合、流量計の流量精度は±０．５％〜１％となり混合精度は良好となるが、混合動作開始時及び混合動作終了時には、熱式体積流量計の作動原理に由来する不安定な流量制御により、安定した混合精度を得ることが不可能であった。
更に、流量計として面積式流量計又は熱式体積流量計を使用した混合装置の場合、構造上流量計の方式を問わずその出口側に背圧がかかると、その影響を受け混合精度が大きく悪化するという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、混合動作開始時から終了時において混合精度を良好に安定して維持することができるガス混合装置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請求項１は、ベースガスを供給するベースガス配管１０と、添加ガスを供給する添加ガス配管２０と、前記各ガスを混合した混合ガスを流出する混合ガス配管３０を有するガス混合装置であって、次の構成を含むことを特徴としている。
ベースガス配管１０と混合ガス配管３０との間に設けたベースガス用層流素子１６と、
添加ガス配管２０と混合ガス配管３０との間に設けた添加ガス用層流素子２６と、
ベースガス用層流素子１６及び添加ガス用層流素子２６のガス流入側圧力を同圧にするため添加ガス用層流素子２６の流入側の添加ガス配管２０に設けた均圧弁４０と、
を具備している。
前記ベースガス用層流素子１６及び添加ガス用層流素子２６は、混合ガス中のベースガスと添加ガスの混合率に合わせて流量断面積を設定して構成されている。

請求項２は、請求項１のガス混合装置において、混合ガス配管３０に混合ガスを一時的に貯蔵するバッファタンク８０を接続し、各層流素子１６，２６の流出側の圧力を設定圧にするため前記バッファタンク８０のガス流入側に定差圧弁６０を設けて成ることを特徴としている。

本発明のガス混合装置によれば、ベースガス用層流素子１６及び添加ガス用層流素子２６を使用することにより、上流部と下流部に発生する差圧によって流量制御を行うので、指定された流量範囲において混合精度を高精度（±０．３％Ｆ．Ｓ以下）に維持して混合ガスの安定供給を図ることができる。

本発明のガス混合装置の実施の形態の一例について、図面を参照しながら説明する。
ガス混合装置１は、ベースガスを供給するベースガス配管１０と、添加ガスを供給する添加ガス配管２０と、前記各ガスを混合した混合ガスを流出する混合ガス配管３０を有して構成されている。
ベースガス配管１０及び添加ガス配管２０は、例えばガスボンベより供給される高圧ガスを入口継手より導入し、入口バルブ１１，２１を介して各供給ガス内に含まれる粉塵を除去するために設けたフィルタ１２，２２を通過し、異常時に逆流を防止するために設けた逆止弁１３，２３を通過し、圧力調整器１４，２４にて所望の圧力に減圧し供給圧力を安定させるように構成されている。また、圧力調整器１４，２４の入口側には、一次側圧力を検知する圧力計８３が接続されている。

添加ガス配管２０の圧力調整器２４の出口側には均圧弁４０が接続され、ベースガス配管１０の圧力調整器１４の出口圧力を分岐して、前記均圧弁４０にパイロット圧力として供給することにより、パイロット圧力と均圧弁４０の有する機能によりベースガス配管１０及び添加ガス配管２０の出口圧力が同圧となる。

均圧弁４０は、図２に示すように、調整弁本体４０ａに小径の一次室４１及び大径の二次室４２を設け、一次室４１と二次室４２との間には両室に連通し一次室の径より大きく二次室の径より小さい径の弁室４３が形成されている。二次室４２は、調整弁本体４０ａと調整弁カバー４０ｂとの間に、ダイヤフラム取付ねじ４４とダイヤフラム取付ナット４５で挟持されたダイヤフラム４６を挟み込むことにより形成されている。
調整弁カバー４０ｂの中央にはＯリングを介して蓋体４０ｃが装着され、蓋体横にはパイロット圧を供給するための孔部４６が形成されるとともに、ダイヤフラム取付ナット４５とスプリング受け４７との間に補正用スプリング４８が装着されている。また、スプリング受け４７の位置は、蓋体頭部に装着された調整ネジ４９で調整可能とすることで、補正用スプリング４８のダイヤフラム４６側への押圧力の微調整を行うようになっている。

弁室４３内には、中央に弁孔５０を有する弁座５１が装着され、弁孔５０の周囲には弁シート５２が装着されている。また、一次室側が大径となる調整弁棒５３が弁孔５０に挿入され、前記弁シート５２との間に弁を形成するとともに、弁座５１内に配置された調整弁案内５４に連結され、弁座５１と調整弁案内５４との間に緩衝スプリング５５を介在させている。調整弁案内５４の上部はダイヤフラム取付ねじ４２の下面に当接可能になっている。また、一次室４１は流入口に５６、二次室４２は流出口５７に連通している。

上記した均圧弁４０の構造によれば、ベースガス配管１０の圧力調整器１４の出口圧力がパイロット圧力として供給され、緩衝スプリング５５の押圧力に対する補正用スプリング４８の押圧力を調整することで、二次室４２の圧力をパイロット圧力と同圧とすることができ（パイロット圧力と均圧弁の出口圧力を同一圧力に調整できる機能を有している）、ベースガス配管１０及び添加ガス配管２０の出口圧力が同圧となる。

ベースガス配管１０は、圧力センサ１５を介してベースガス用層流素子１６に接続され、層流素子１６の出口側はエア作動弁１７を介して混合ガス配管３０に接続されている。また、添加ガス配管２０の均圧弁４０の出口側は、圧力センサ２５を介して添加ガス用層流素子２６に接続され、層流素子２６の出口側はエア作動弁２７を介して混合ガス配管３０に接続されている。

ベースガス用層流素子１６及び添加ガス用層流素子２６は、図３に示すように、ステンレス管１８内に、ステンレスで形成された多数の細管１９を束ねて構成されたもので、入口側と出口側の差圧を一定に保持すれば、細管１９の数（細管１９の断面積の総面積）に応じたガス流量が流れる差圧式流量制御層流素子を形成している。各層流素子は、複数のステンレス管１８の集合体であってもよい。

すなわち、ベースガス側，添加ガス側の各差圧式流量制御層流素子の入口部にそれぞれ同圧の圧力を加圧し、更に同圧の差圧を出口部から得るにより、出口側より安定した流量得、高い混合精度を常に確保することができる。
入口側と出口側の差圧が一定であれば、０から最大流量まで均一の混合精度を得ることが可能となる。最大流量は、使用者の必要流量に設定し、事前に必要流量を確認することで、必要流量に合わせた層流素子を製作することにより高精度に特化したガス混合装置を得ることができる。

したがって、層流素子１６，２６の出口側の圧力は混合精度に大きく影響するので、混合ガス配管３０には、背圧調整を機能として有する定差圧弁６０が接続され、この定差圧弁６０の出口側に混合ガスを一時的に貯蔵するバッファタンク８０が接続されている。すなわち、バッファタンク８０のガス流入側に設けられた定差圧弁６０により、各層流素子１６，２６の流出側の圧力が一定の設定圧に保持される。

上記構造によれば、ベースガス配管側の圧力調整器１４の出口圧力と均圧弁４０の出口圧力は、常に同じ圧力を保持することが出来る。差圧式流量制御層流素子への供給圧力は、ベースガス配管側、添加ガス配管側を同圧にすることが必須であり、同圧にすることにより各層流素子１６，２６における細管１９の総断面積比に応じた一定の比率で流量が確保でき、且つ混合精度を高精度で維持することができる。

定差圧弁６０は、図４に示すように、調整弁本体６０ａに中央に弁孔６１を設け、弁孔６１に連通するダイヤフラム室６２を調整弁６３及びダイヤフラム受６４により挟持固定されたダイヤフラム６５で塞ぎ、ダイヤフラム室６２内に位置する調整弁６３の先端に弁シート６６が固定されている。そして、調整弁６３及びダイヤフラム受６４の位置は、調整弁案内６７を介したスプリング６８により押圧され、スプリング６８の押圧力は圧力調整押ネジ６９で調整できるようになっている。調整弁本体６０ａは、調整弁本体カバー６０ｂ，６０ｃにより被冠されている。ダイヤフラム室６２はガス流入口７０に、弁孔は６１ガス流出口７２に接続されている。

したがって、圧力調整押ネジ６９でスプリング６８の押圧力を調整し、ダイヤフラム６５を介して調整弁６３の弁シート６６が弁孔６１を塞いでいる状態でガス流入口７０からガスが流れると、ダイヤフラム室６２の圧力が上昇しスプリング６８の押圧力に抗してダイヤフラム６５を押し上げ、ダイヤフラム室６２が一定圧になったときに弁孔６１が開孔するように作動するので、上記構造の定差圧弁６０は、設定した圧力以上になるとガスが流れ、ガス混合配管における背圧調整を機能として有しているので、各層流素子１６，２６の両端部において常に一定の差圧を確保できる。

バッファタンク８０には圧力センサ８１が接続され、この圧力センサ８１により検出された圧力が一定値以上の場合には、各層流素子１６，２６の出口側に装着された各エア作動弁１７，１８を閉弁するように構成されている。

したがって、上記構造によれば、一定の流量で混合された混合ガスは、バッファタンク８０に貯留することが可能となる。

バッファタンク８０の出口側は、所望の一定圧力に減圧する圧力調整器８２、圧力計８３、開閉弁８４が順次接続されて混合ガス出口に通じる混合ガス流出配管９０と、開閉弁８５が接続されてブローガス出口に通じるブローガス配管９１に分岐されている。これは、ガス混合装置を初めて使用する場合において、開閉弁８４を開弁、開閉弁８５を閉弁してブローガス配管９１にのみガスを流し、各配管内に存在する不要な気体をブローガス出口から流出し、その後に、開閉弁８５を閉弁、開閉弁８４を開弁して混合ガス流出配管９０に混合ガスを流すためである。
ベースガス配管１０の圧力調整器１４の入口側、添加ガス配管２０の圧力調整器２４の入口及び出口側には、それぞれ圧力計８３が設置され、この位置のガス圧力を検知するようになっている。

図５は、ガス混合装置の他の例を示す配管フロー図である。この例では、図１のガス混合装置と異なり混合ガスを一時的に貯蔵するバッファタンクを除いた構成となっている。図１と同じ構成をとる部分については同一符号を付している。
バッファタンクを除くことにより、混合ガス配管３０が混合ガス出口に直接接続され、各層流素子１６，２６の出口側で混合された混合ガスを混合ガス出口より流出させることができる。また、バッファタンクを接続していないため、バッファタンクの入口側圧力を均一にするための定差圧弁、圧力センサ、エア作動弁が不要となる。
この例のガス混合装置によれば、混合ガス出口より定流量ガスを得るような場合に、簡単な構成で高精度な混合ガスの供給を行うことができる。

上述した構造のガス混合装置によれば、層流素子を介し上流部と下流部に発生する差圧によって流量のコントロールを行い、均圧弁及び定差圧弁を組み合わせることにより、指定した流量範囲において、混合精度を±0.3％F.S.以下の高精度で供給することができる。また、面積式流量計、熱式体積流量計を使用した従前の混合装置の場合、圧力と流量の両方の設定が必要であるが、上記ガス混合装置によれば、圧力の設定のみで簡単且つ確実に高精度の混合ガスの供給を行うことができる。

本発明の実施の形態の一例としてのガス混合装置の配管構造を示す配管フロー図である。 本発明のガス混合装置に用いた均圧弁の断面説明図である。 本発明のガス混合装置に用いた層流素子を示すもので、（ａ）は外観説明図、（ｂ）は（ａ）Ａ−Ａ線断面説明図である。 本発明のガス混合装置に用いた定差圧弁の断面説明図である。 ガス混合装置の他の例の配管構造を示す配管フロー図である。

符合の説明

１ ガス混合装置
１０ ベースガス配管
２０ 添加ガス配管
１１，２１ 入口バルブ
１２，２２ フィルタ
１３，２３ 逆止弁
１４，２４ 圧力調整器
１５，２５ 圧力センサ
１６，２６ 層流素子
１７，２７ エア作動弁
１８ ステンレス管
１９ 細管
３０ 混合ガス配管
４０ 均圧弁
６０ 定差圧弁
８０ バッファタンク
８１ 圧力センサ
８２ 圧力調整器
８３ 圧力計
８４，８５ 開閉弁
９０ 混合ガス流出配管
９１ ブローガス配管

Claims (2)

1. ベースガスを供給するベースガス配管と、添加ガスを供給する添加ガス配管と、前記各ガスを混合した混合ガスを流出する混合ガス配管を有するガス混合装置であって、
   ベースガス配管と混合ガス配管との間に設けたベースガス用層流素子と、
   添加ガス配管と混合ガス配管との間に設けた添加ガス用層流素子と、
   ベースガス用層流素子及び添加ガス用層流素子のガス流入側圧力を同圧にするため添加ガス用層流素子の流入側の添加ガス配管に設けた均圧弁と、を具備し、
   前記ベースガス用層流素子及び添加ガス用層流素子は、混合ガス中のベースガスと添加ガスの混合率に合わせて流量断面積を設定して成る
   ことを特徴とするガス混合装置。
2. 混合ガス配管に混合ガスを一時的に貯蔵するバッファタンクを接続し、各層流素子の流出側の圧力を設定圧にするため前記バッファタンクのガス流入側に定差圧弁を設けて成る請求項１に記載のガス混合装置。
   

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