JP3614337B2

JP3614337B2 - Pressure controller

Info

Publication number: JP3614337B2
Application number: JP2000025313A
Authority: JP
Inventors: 元久平野; 正成庄司; 佳一柳沢
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2020-02-02
Also published as: JP2001216031A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば化学物質の分析装置や半導体の製造装置等で用いる各種の流体の流量制御装置に用いられ、流路内の流体の圧力を制御する圧力制御器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ダイオキシン汚染等の環境汚染が社会問題となり、その対策の一環として、環境汚染物質を現場および屋外で容易に測定分析する分析装置が求められている。現場および屋外での測定分析には分析装置の小型化が必須であり、分析装置に用いる気体や液体の流量制御装置の小型化が不可欠になっている。この流量制御装置には、例えば高圧ガスボンベ内の高圧ガスを所定の低圧力に変換する機能を有する圧力制御器が備えられており、流量制御装置の小型化にはまず圧力制御器の小型化が必要になる。
【０００３】
図９は、従来の圧力制御器の断面構成を示す。図において、高圧側Ａと低圧側Ｂとの間には、流体の流量調節および封止機能を有する弁１が配置される。弁１は、流体圧力の設定機能を有する調圧スプリング２およびダイヤフラム３と、封止時に弁１の気密性を高めるためのばね４に挟まれ、開閉の釣り合いがとられている。
【０００４】
調圧スプリング２の押込み力が０、低圧側Ｂの圧力が０でダイヤフラム３の押上げ力が０の場合には、高圧側Ａの圧力とばね４の押上げ力により弁１が閉じ、封止状態になって気密性が維持される。
【０００５】
ここで、調圧スプリング２を押し込むと弁１が開き、高圧側Ａから低圧側Ｂに流体が流れ、ダイヤフラム３にかかる低圧側Ｂの圧力が増して設定された値を越えると、調圧スプリング２の押込み力よりも勝って弁１が閉じる。また、弁１が閉じた状態で低圧側Ｂの圧力が低下すると、ダイヤフラム３にかかる圧力が低下して調圧スプリング２の押込み力が勝り、弁１が開いて低圧側Ｂの圧力が上昇する。これを繰り返すことにより、低圧側Ｂの圧力が調圧スプリング２により設定される所定圧力に維持される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧力制御器は、封止状態のときに気密性を高めるために、弁１にかかる高圧側Ａの圧力だけでは十分でないので、ばね４を用いて弁１を上向きに押しつける構造になっていた。従来の圧力制御器にはこのばね４に要するスペースが必要であり、これが小型化を阻む要因になっており、延いては流量制御装置全体の小型を阻む要因になっていた。
【０００７】
本発明は、気密性を高めるばねを省略しても気密性を維持し、小型化を図ることができる圧力制御器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高圧側から低圧側に流入する流体の流量調節および封止機能を有する弁と、流体圧力の設定機能を有する調圧スプリングおよびダイヤフラムとを備え、高圧側の圧力により弁に作用する力および低圧側の圧力によりダイヤフラムに作用する力と調圧スプリングが弁に作用する力の均衡により弁を開閉し、低圧側の流体圧力を制御する圧力制御器において、ダイヤフラムは、弁に対して閉じる方向にばね力を与える変形を有するとともに、弁が閉じた位置で、さらに弁を閉じる方向にばね力を与える変形を有する構造とする（請求項１）。
【０００９】
また、ダイヤフラムの変形およびその変形により生じるばね力は、ダイヤフラムの撓みによる復元力である構造とする（請求項２）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の圧力制御器の実施形態の断面構成を示す。図において、高圧側Ａと低圧側Ｂとの間には、流体の流量調節および封止機能を有する弁１が配置される。弁１は、流体圧力の設定機能を有する調圧スプリング２およびダイヤフラム３に固定され、開閉する構成である。
【００１１】
ここで、本発明の圧力制御器に用いるダイヤフラム３は、ホルダー５を介してハウジング６に保持され、弁１を閉じる方向の上向きの力（予圧）がかかるように変形されていることが特徴である。このようなダイヤフラム３は、金属（ステンレス等）、ゴム、高分子材料等の薄板構造により可能であり、その構造や材質等により予圧の大きさが異なる。この予圧は、従来のばね４による押上げ力に相当するので、ばね４がなくても封止時の気密性を高めることができる。このばね４がない構造により、従来構成に比べて小型化することができる。
【００１２】
図２は、本発明の圧力制御器の動作原理を示す。ここで、高圧側Ａの圧力Ｐ１が弁１に作用する上向きの力をＦ１、低圧側Ｂの圧力Ｐ２がダイヤフラム３に作用する上向きの力をＦ２、調圧スプリング２の下向きに作用するばね力をＦ３、ダイヤフラム３の変形によって発生する上向きのばね力をＦ４とする。
【００１３】
図２（ａ）は、調圧スプリング２を押し込まない場合に弁１が閉じた封止状態を示す。このとき、ダイヤフラム３を中立位置から図中下向きに撓ませておくことにより、その復元力により弁２に図中上向きのばね力Ｆ４を作用させ、弁２に予圧をかけて気密性を高めることができる。このため、高圧側Ａに高圧ボンベを接続した場合でも、弁２の気密性により高圧流体が低圧側Ｂに流入することを防ぐことができる。なお、本状態では、Ｐ１ ≠０、Ｐ２＝０、Ｆ１ ≠０、Ｆ２＝０、Ｆ３＝０、Ｆ４ ≠０である。
【００１４】
次に、低圧側Ｂの圧力Ｐ２を所定の圧力に設定するには、図２（ｂ）に示すように調圧スプリング２を押し込む（Ｆ３ ≠０）。調圧スプリング２の押し込みにより、ダイヤフラム３を介して弁１が図中下向きに押されて開放状態になり、高圧流体が低圧側Ｂに流入して低圧側Ｂの圧力Ｐ２が上昇する。このとき、弁１の開閉は、弁１に作用する力の釣り合い条件によって決まり、
Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ４＜Ｆ３ …（１）
のように、弁１に対して上向きに作用する力が下向きに作用する力より小さければ開放状態となる。そして、低圧側Ｂの圧力が上昇してＰ２ ≠０、Ｆ２ ≠０となる。すなわち、（１）式は、Ｆ１ ≠０、Ｆ２ ≠０、Ｆ３ ≠０、Ｆ４ ≠０の条件下で成立する。
【００１５】
この条件成立により弁１が開放状態になり、低圧側Ｂの圧力Ｐ２が上昇してダイヤフラム３に作用する力Ｆ２が増加しある閾値を越えると、（１）式の不等号が逆転して
Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ４＞Ｆ３ …（２）
となり、弁１を上向きに押し上げる力が勝り、図２（ｃ）に示すように弁１が閉じる。なお、調圧スプリング２のばね力Ｆ３を調整することにより、（２）式が成立して弁１が閉じるときの低圧側Ｂの圧力Ｐ２（ダイヤフラム３に作用する力Ｆ２）が決まる。
【００１６】
（２）式が成立して弁１が閉じた後に、低圧側Ｂの流体消費により圧力Ｐ２が低下すると、ダイヤフラム３に作用する力Ｆ２が低下して再び（１）式が成立し、弁１が開放状態になって高圧側Ａから低圧側Ｂに流体が供給され、低圧側Ｂの圧力Ｐ２が上昇する。その後、低圧側Ｂの圧力Ｐ２が上昇して所定圧力に達すると、再び（２）式が成立して弁１が閉じる。以上の動作を繰り返すことにより、低圧側Ｂの圧力Ｐ２を調圧スプリング２により設定される所定圧力に維持することができる。
【００１７】
以上の動作原理を確認するために行った実験例を以下に示す。図３は、本発明の圧力制御器の動作を確認するための測定装置の構成例を示す。本発明の圧力制御器１１の高圧側ポートＡには５ｋｇ／ｃｍ^２の高圧ガスボンベ１２を接続し、低圧側ポートＢにはニードル弁１３および圧力センサ１４を接続する。圧力センサ１４には、測定圧力データを蓄積するデータ蓄積部１５を接続し、さらにパーソナルコンピュータ１６でその蓄積データを処理して測定圧力の経時変化等を観測する。
【００１８】
図４は第１の測定例であり、本発明の圧力制御器１１の調圧スプリング２を調整するねじを順次回転し、低圧側Ｂの圧力を測定した結果を示す。この測定では、ニードル弁１３を閉じ、圧力制御器１１の圧力調整ねじを半回転ずつ回転し、各回転位置で１０秒間程度静止したのちの圧力センサ１４の出力値を用いた。各回転位置で、低圧側Ｂを所定の圧力に設定可能であることが確認できた。
【００１９】
図５は第２の測定例であり、低圧側Ｂの圧力保持性能を測定した結果を示す。この測定では、低圧側Ｂの圧力を１，２，３気圧に設定し、各圧力で１０分間程度の低圧側Ｂの圧力状態を観測した。各設定圧力で一定値に保持できることが確認できた。
【００２０】
図６〜図８は第３の測定例であり、低圧側Ｂに生ずる負荷変動に対する追従性能を測定した結果を示す。この測定では、ニードル弁１３を随時開閉し、低圧側Ｂの圧力を変動させた後に設定圧力になるまでの追従性能を観測した。図６は設定圧力が１気圧の場合、図７は設定圧力が２気圧の場合、図８は設定圧力が３気圧の場合を示す。本発明の圧力制御器では、低圧側Ｂの圧力が一時的に減少しても設定圧力が速やかに回復することが確認できた。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧力制御器は、ダイヤフラムの変形により生じるばね力により、弁を閉じる方向に常に予圧をかけることが可能となり、気密性を高めるばねを省略しても気密性を維持することができる。
【００２２】
また、気密性を高めるためのばねが不要となるので、その分だけ圧力制御器を小型化することができ、コスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力制御器の実施形態の断面構成を示す図。
【図２】本発明の圧力制御器の動作原理を説明する図。
【図３】本発明の圧力制御器の動作を確認するための測定装置の構成例を示す図。
【図４】本発明の圧力制御器の第１の測定例を示す図。
【図５】本発明の圧力制御器の第２の測定例を示す図。
【図６】本発明の圧力制御器の第３の測定例（設定圧力１気圧）を示す図。
【図７】本発明の圧力制御器の第３の測定例（設定圧力２気圧）を示す図。
【図８】本発明の圧力制御器の第３の測定例（設定圧力３気圧）を示す図。
【図９】従来の圧力制御器の断面構成を示す図。
【符号の説明】
１弁
２調圧スプリング
３ダイヤフラム
４ばね
５ホルダー
６ハウジング
１１本発明の圧力制御器
１２高圧ガスボンベ
１３ニードル弁
１４圧力センサ
１５データ蓄積部
１６パーソナルコンピュータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pressure controller that is used in, for example, a flow control device for various fluids used in a chemical substance analysis device, a semiconductor manufacturing device, or the like, and controls the pressure of the fluid in a flow path.
[0002]
[Prior art]
In recent years, environmental pollution such as dioxin pollution has become a social problem, and as part of its countermeasures, there is a need for an analyzer that can easily measure and analyze environmental pollutants on site and outdoors. For measurement analysis in the field and outdoors, downsizing of the analyzer is indispensable, and downsizing of the gas and liquid flow control devices used in the analyzer is indispensable. This flow control device is provided with a pressure controller having a function of converting, for example, high pressure gas in a high pressure gas cylinder into a predetermined low pressure. For downsizing of the flow control device, first, downsizing of the pressure controller is required. I need it.
[0003]
FIG. 9 shows a cross-sectional configuration of a conventional pressure controller. In the figure, between the high pressure side A and the low pressure side B, a valve 1 having a fluid flow rate adjustment and sealing function is arranged. The valve 1 is sandwiched between a pressure regulating spring 2 and a diaphragm 3 having a fluid pressure setting function, and a spring 4 for enhancing the airtightness of the valve 1 at the time of sealing, and is balanced for opening and closing.
[0004]
When the pushing force of the pressure adjusting spring 2 is 0, the pressure on the low pressure side B is 0, and the pushing force of the diaphragm 3 is 0, the valve 1 is closed and sealed by the pressure on the high pressure side A and the pushing force of the spring 4 Airtightness is maintained by stopping.
[0005]
Here, when the pressure adjusting spring 2 is pushed in, the valve 1 opens, the fluid flows from the high pressure side A to the low pressure side B, and when the pressure on the low pressure side B applied to the diaphragm 3 increases and exceeds the set value, the pressure adjusting spring The valve 1 closes in excess of the pushing force of 2. In addition, when the pressure on the low pressure side B decreases with the valve 1 closed, the pressure applied to the diaphragm 3 decreases, the pushing force of the pressure regulating spring 2 increases, and the valve 1 opens to increase the pressure on the low pressure side B. . By repeating this, the pressure on the low pressure side B is maintained at a predetermined pressure set by the pressure adjusting spring 2.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional pressure controller, the pressure on the high-pressure side A applied to the valve 1 is not sufficient in order to increase the airtightness in the sealed state, so that the valve 1 is pressed upward using the spring 4. It was. The space required for the spring 4 is required for the conventional pressure controller, which is a factor that hinders downsizing, and further hinders downsizing of the entire flow rate control device.
[0007]
An object of the present invention is to provide a pressure controller that maintains airtightness even when a spring that enhances airtightness is omitted, and can be downsized.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a valve having a flow rate adjustment and sealing function for fluid flowing from a high pressure side to a low pressure side, and a pressure adjusting spring and a diaphragm having a fluid pressure setting function, and acts on the valve by the pressure on the high pressure side. In the pressure controller that controls the fluid pressure on the low pressure side by opening and closing the valve by the balance between the force acting on the diaphragm by the force and the pressure on the low pressure side and the force acting on the valve by the pressure regulating spring, the diaphragm is and has a deformation to close providing a spring force in a direction, at a position where the valve is closed, a structure having a deformation further providing a spring force in the closing direction the valve (claim 1).
[0009]
Further, the diaphragm is deformed and the spring force generated by the deformation is a restoring force due to the bending of the diaphragm ( claim 2 ).
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of an embodiment of a pressure controller of the present invention. In the figure, between the high pressure side A and the low pressure side B, a valve 1 having a fluid flow rate adjustment and sealing function is arranged. The valve 1 is fixed to a pressure regulating spring 2 and a diaphragm 3 having a fluid pressure setting function, and is configured to open and close.
[0011]
Here, the diaphragm 3 used in the pressure controller of the present invention is held by the housing 6 via the holder 5, and is characterized in that it is deformed so that an upward force (preload) in the direction of closing the valve 1 is applied. is there. Such a diaphragm 3 can be formed by a thin plate structure such as metal (stainless steel, etc.), rubber, polymer material or the like, and the magnitude of the preload differs depending on the structure or material. Since this preload corresponds to the pushing force by the conventional spring 4, the airtightness at the time of sealing can be improved without the spring 4. Due to the structure without the spring 4, the size can be reduced as compared with the conventional configuration.
[0012]
FIG. 2 shows the operating principle of the pressure controller of the present invention. Here, an upward force acting on the valve 1 by the pressure P1 on the high pressure side A is F1, an upward force acting on the diaphragm 3 on the pressure P2 on the low pressure side B is F2, and a spring force acting on the pressure regulating spring 2 downward. Is F3, and the upward spring force generated by the deformation of the diaphragm 3 is F4.
[0013]
FIG. 2A shows a sealed state in which the valve 1 is closed when the pressure adjusting spring 2 is not pushed. At this time, by bending the diaphragm 3 downward from the neutral position in the figure, an upward spring force F4 in the figure is applied to the valve 2 by its restoring force, and preload is applied to the valve 2 to improve airtightness. Can do. For this reason, even when a high pressure cylinder is connected to the high pressure side A, the high pressure fluid can be prevented from flowing into the low pressure side B due to the airtightness of the valve 2. In this state, P1 ≠ 0, P2 = 0, F1 ≠ 0, F2 = 0, F3 = 0, and F4 ≠ 0.
[0014]
Next, to set the pressure P2 on the low pressure side B to a predetermined pressure, the pressure adjusting spring 2 is pushed in as shown in FIG. 2B (F3 ≠ 0). When the pressure adjusting spring 2 is pushed in, the valve 1 is pushed downward in the figure through the diaphragm 3 to be opened, and the high-pressure fluid flows into the low-pressure side B and the pressure P2 on the low-pressure side B rises. At this time, the opening and closing of the valve 1 is determined by the balance condition of the force acting on the valve 1,
F1 + F2 + F4 <F3 (1)
If the force acting upward with respect to the valve 1 is smaller than the force acting downward as in FIG. Then, the pressure on the low-pressure side B increases and P2 ≠ 0 and F2 ≠ 0. That is, the equation (1) is established under the conditions of F1 ≠ 0, F2 ≠ 0, F3 ≠ 0, and F4 ≠ 0.
[0015]
When this condition is satisfied, the valve 1 is opened, and when the pressure P2 on the low pressure side B increases and the force F2 acting on the diaphragm 3 increases and exceeds a certain threshold value, the inequality sign in the equation (1) is reversed and F1 + F2 + F4> F3 (2)
Thus, the force for pushing up the valve 1 is won, and the valve 1 is closed as shown in FIG. By adjusting the spring force F3 of the pressure adjusting spring 2, the pressure P2 on the low pressure side B (force F2 acting on the diaphragm 3) when the equation (2) is established and the valve 1 is closed is determined.
[0016]
After the expression (2) is established and the valve 1 is closed, when the pressure P2 is reduced due to the fluid consumption on the low pressure side B, the force F2 acting on the diaphragm 3 is reduced, and the expression (1) is established again. Is opened, fluid is supplied from the high pressure side A to the low pressure side B, and the pressure P2 on the low pressure side B rises. Thereafter, when the pressure P2 on the low pressure side B increases and reaches a predetermined pressure, the equation (2) is established again and the valve 1 is closed. By repeating the above operation, the pressure P2 on the low pressure side B can be maintained at a predetermined pressure set by the pressure adjusting spring 2.
[0017]
An example of an experiment conducted to confirm the above operation principle is shown below. FIG. 3 shows a configuration example of a measuring device for confirming the operation of the pressure controller of the present invention. A high pressure gas cylinder 12 of 5 kg / cm ² is connected to the high pressure side port A of the pressure controller 11 of the present invention, and a needle valve 13 and a pressure sensor 14 are connected to the low pressure side port B. A data storage unit 15 for storing measured pressure data is connected to the pressure sensor 14, and the stored data is further processed by the personal computer 16 to observe changes in measured pressure over time.
[0018]
FIG. 4 is a first measurement example, and shows the result of measuring the pressure on the low pressure side B by sequentially rotating the screw for adjusting the pressure regulating spring 2 of the pressure controller 11 of the present invention. In this measurement, the output value of the pressure sensor 14 was used after the needle valve 13 was closed, the pressure adjusting screw of the pressure controller 11 was rotated half a turn, and rested at each rotational position for about 10 seconds. It was confirmed that the low pressure side B can be set to a predetermined pressure at each rotational position.
[0019]
FIG. 5 is a second measurement example, and shows the result of measuring the pressure holding performance on the low pressure side B. FIG. In this measurement, the pressure on the low-pressure side B was set to 1, 2, and 3 atmospheres, and the pressure state on the low-pressure side B was observed for about 10 minutes at each pressure. It was confirmed that a constant value could be maintained at each set pressure.
[0020]
6 to 8 show a third measurement example and show the results of measuring the follow-up performance with respect to the load fluctuation occurring on the low-pressure side B. FIG. In this measurement, the needle valve 13 was opened and closed as needed, and the follow-up performance until the set pressure was reached after the pressure on the low pressure side B was varied was observed. 6 shows a case where the set pressure is 1 atm, FIG. 7 shows a case where the set pressure is 2 atm, and FIG. 8 shows a case where the set pressure is 3 atm. In the pressure controller of the present invention, it was confirmed that the set pressure quickly recovered even if the pressure on the low pressure side B temporarily decreased.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, the pressure controller of the present invention can always apply a preload in the direction in which the valve is closed by the spring force generated by the deformation of the diaphragm. Can be maintained.
[0022]
Further, since a spring for improving the airtightness is not necessary, the pressure controller can be reduced in size, and the cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional configuration of an embodiment of a pressure controller of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the operating principle of the pressure controller of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a measuring apparatus for confirming the operation of the pressure controller of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a first measurement example of the pressure controller of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a second measurement example of the pressure controller of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a third measurement example (set pressure 1 atm) of the pressure controller of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a third measurement example (set pressure 2 atm) of the pressure controller of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a third measurement example (set pressure of 3 atm) of the pressure controller of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a conventional pressure controller.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Valve 2 Pressure regulation spring 3 Diaphragm 4 Spring 5 Holder 6 Housing 11 Pressure controller 12 of this invention High pressure gas cylinder 13 Needle valve 14 Pressure sensor 15 Data storage part 16 Personal computer

Claims

高圧側から低圧側に流入する流体の流量調節および封止機能を有する弁と、前記流体圧力の設定機能を有する調圧スプリングおよびダイヤフラムとを備え、前記高圧側の圧力により前記弁に作用する力および前記低圧側の圧力により前記ダイヤフラムに作用する力と前記調圧スプリングが弁に作用する力の均衡により前記弁を開閉し、前記低圧側の流体圧力を制御する圧力制御器において、
前記ダイヤフラムは、前記弁に対して閉じる方向にばね力を与える変形を有するとともに、前記弁が閉じた位置で、さらに前記弁を閉じる方向にばね力を与える変形を有することを特徴とする圧力制御器。A force that acts on the valve by the pressure on the high pressure side, comprising: a valve having a function of regulating and sealing the flow rate of fluid flowing from the high pressure side to the low pressure side; and a pressure adjusting spring and a diaphragm having a function of setting the fluid pressure. And a pressure controller that opens and closes the valve by a balance between a force acting on the diaphragm by the pressure on the low pressure side and a force acting on the valve by the pressure adjusting spring, and controls the fluid pressure on the low pressure side,
The diaphragm has a deformation for applying a spring force in a closing direction with respect to the valve, and has a deformation for applying a spring force in a closing direction of the valve at a position where the valve is closed. vessel.

前記ダイヤフラムの変形およびその変形により生じるばね力は、前記ダイヤフラムの撓みによる復元力であることを特徴とする請求項１に記載の圧力制御器。The pressure controller according to claim 1 , wherein the deformation of the diaphragm and the spring force generated by the deformation are a restoring force due to the deflection of the diaphragm.