(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【発明の詳細な説明】
【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／ｃｍ２  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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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