JT 技報 Vol.2
高負圧環境下向けプロセス隔離型差圧スイッチ「J-2PDS」の開発・製品化

高負圧環境下向けプロセス隔離型差圧スイッチ「J-2PDS」の開発・製品化
佐藤 裕之、佐藤 正史、兼平 遥

差圧式圧力スイッチは確実なプロセス隔離機能を有することが求められる。既存の二重ダイアフラム式スイッチは、高負圧環境下では気密ダイアフラムへの圧力影響により、設定した動作値からズレが生じる課題がある。対して、気密ダイアフラムを取り除いた一重ダイアフラム式ス
イッチは、低圧室と設定機構部が隔離されていないため、原子力施設等の使用では放射性ガスの流入による汚染拡大リスクが残る。
そこで当社では、高負圧環境下でプロセスの隔離機能を維持可能な差圧スイッチとして、「J2PDS」を㈱大洋バルブ製作所と共同にて開発・性能検証し、製品化を行った。なお、本稿にて紹介する内容は、2022 年度の日本保全学会[1]にて発表した内容である。
キーワード: 再処理施設、差圧スイッチ、プロセス隔離機能、気液移送設備

１．はじめに原子力施設等で使用される差圧式圧力スイッチ（以下、「差圧スイッチ」という）は、プロセスから計測部に放射性物質を含むガスが流入した場合であっても、差圧スイッチ設定機構部及び差圧スイッチ外へガスが漏れることのないよう、確実なプロセス隔離機能を有することが求められる。また、真空ポンプを使用した気液移送設備等の高負圧環境下であっても設定値が変動することなく正

図 1 二重ダイアフラム式差圧スイッチの構造確に動作する必要がある。
当社では、この条件を満たすプロセス隔離型差圧ス

真空ポンプを使用した気液移送設備の詰まり検知のよイッチ「J-2PDS」を開発・製品化した。

うに、差圧スイッチの低圧室に加わる負圧が大きな系統
では、低圧室の負圧が大きくなるに従い、気密ダイアフラ２．差圧スイッチの課題

ム・センターロッドが下方に変化する。このことにより、

2.1 二重ダイアフラム式差圧スイッチ

気密ダイアフラムに差圧スイッチの作動を遅らせる方向

二重ダイアフラム式差圧スイッチは、気密ダイアフラの力が発生し、大気圧環境下で設定した動作値から逸脱

ムにより保守作業時においても設定機構部および低圧室して動作することから、低圧側が高負圧となる環境下に間が物理的に隔離された状態を維持できる構造である。

おける使用には適さない。

図 1 に二重ダイアフラム式差圧スイッチの構造を示す。

図2に気密ダイアフラムが動作値に及ぼす影響を示す。

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３．新型差圧スイッチの開発
一重および二重ダイアフラム式差圧スイッチは、前項に示す課題があるため、高負圧環境下でも正確に動作し被ばくリスクが極めて低い新型の差圧スイッチを協力会負圧による下方変化社の㈱大洋バルブ製作所と共同で開発した。
㈱大洋バルブ製作所は差圧スイッチ開発に関係する特許[2]を保有しており、再処理施設の真空機器の開発に携わったメーカである。
図 2 気密ダイアフラムが動作値に及ぼす影響

3.1 金属ベローズを用いた差圧スイッチの検討
2.2 一重ダイアフラム式差圧スイッチ

課題である動作値の変動をなくし、プロセス隔離機能一重ダイアフラム式差圧スイッチは、高負圧環境下にを持たせるため、受圧部材に金属ベローズを採用する構おいて動作値が離れる原因となる気密ダイアフラムを取造を考案した。また、差圧による受圧部の変位に応動するり除いた構造である。図 3 に一重ダイアフラム式差圧ス

スイッチ機構部にはマグネットとリードスイッチを採用

イッチの構造を示す。

し、間接的に検知する方法を採用した。
図 5 に金属ベローズを用いた新型差圧スイッチの構造を示す。

図 3 一重ダイアフラム式差圧スイッチの構造

低圧室と設定機構部が隔離されていないため、プロセスにて発生した放射性ガスが低圧室に流入すると、計器内部にも流入する。差圧スイッチの保守作業時には、計器カバーを開放するため、流入した放射性ガスによって周囲に汚染が拡大し、作業員の被ばくリスクも高くなる。図
4 にプロセスからのガス流入が及ぼす影響を示す。
図 5 金属ベローズを用いた差圧スイッチの構造

この構造により受圧部材である金属ベローズは差圧発生時のみ伸縮するため、動作値の変動が起こる可能性が低い。また、設定機構部と低圧室は計器内壁で仕切られているため、プロセスからの雰囲気は計測部の高圧室・低圧室（金属ベローズ移動スペース）・マグネット移動スペー
スのみ流入し、設定機構部から計器外部へ漏れることはない。

3.2 ショックアブソーバを用いたベローズの振れ防止対策

プロセスからのガス流入

受圧部材に使用した金属ベローズの材質は、リードス

図 4 プロセスからのガス流入が及ぼす影響

イッチを作動させるために少量の空気で伸縮変化ができ

2

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る柔軟な SUS316L を選択した。

および復帰値を採取した。動作値採取は、①高圧室を加圧また、金属ベローズの縦方向の振れを防止するため、金した時の ON 動作②低圧室を減圧した時の ON 動作の 2

属ベローズを挟む形で低圧室と高圧室にショックアブ種類を実施した。復帰値採取は①高圧室を加圧し ON 動ソーバを各 1 個ずつ設置し、金属ベローズの横方向の振作させ高圧室を減圧した時の OFF 動作②低圧室を減圧しれを防止するためにガイドを設けた。図 6 にショックア

ON 動作させ低圧室を加圧した時の OFF 動作の 2 種類をブソーバを用いた金属ベローズの振れ防止対策の構造を実施した。表 1 に計測レンジ・動作精度・接断差を示す。
動作確認試験の結果から、設定値が大きくなるに従い示す。

復帰までの接断差も広がる傾向にあったため、同じ接断差で使用できる範囲として計測レンジを 4 つに分割し、各レンジにおける動作精度および復帰までの接断差を製品の製作仕様として決定した。各製品仕様の動作精度および切断差の設定値は、再処理施設で使用している従来製品と比較し、同等となるように決定した。
表 1 計測レンジ・動作精度・接断差[単位：kPa]
製品仕様

計測レンジ仕様 10.3～2.0仕様 21.5～5.0

図 6 ショックアブソーバを用いた金属ベローズの仕様 33.0～7.0≦0.200

振れ防止対策の構造仕様 45.0～12.0≦0.3503.3 新型差圧スイッチの試作機の製作

動作精度

接断差
≦0.080≦0.175±0.03

4.2 耐圧試験

新型差圧スイッチの性能を確認するため、試作機を製計測レンジ以上の圧力を印加し、外部リークや変形、設作した。図 7 に外観を示す。

定値の変動がないことを確認するために耐圧試験を実施した。耐圧試験は、①高圧室および低圧室から印加する「気密耐圧試験」②高圧室から印加する「動作耐圧試験」③低圧室を一般的な真空ポンプでひける真空圧の-97 kPaまで減圧する「負圧（真空）試験」の 3 種類を実施した。
表 2 に計器耐圧値を示す。
耐圧試験の結果から、気密耐圧値および動作耐圧値、負圧耐圧値以下では外部リークおよび設定値の変動が生じ

図 7 新型差圧スイッチ試作機の外観ないことを確認した。

４．新型差圧スイッチ試作機の性能検証

表 2 計器耐圧値 [単位：kPa]

新型差圧スイッチの試作機について、動作値、耐圧、耐久性、耐震性、プロセス隔離性能を確認するため、各種試験を実施し、性能・特性を確認した。

4.1 動作確認試験
各計測レンジにおける動作精度および ON 動作から

①

気密耐圧値

200②

動作耐圧値

20③

負圧（真空）耐圧値-974.3 耐久性試験

OFF 動作までの接断差を確認するために動作確認試験を長期間の使用においても差圧スイッチの動作が持続す実施した。

ることを確認するため、耐久性試験を実施した。耐久性試

試験は、差圧スイッチを任意の設定値に調整し、動作値

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験では、5,000 回の ON-OFF 動作を繰り返し、100、500、隔離性能）を確認するため、内部ばく露試験を実施した。

1,000、2,000、5,000 回の各ポイントにおいて動作値および腐食性ガスは硝酸水溶液 13.6 mol/L へ Air を通気させた復帰値を 3 回ずつ採取した。表 3 に結果を示す。

ときに発生する硝酸ガスとし、24 時間連続して計測部高圧室・低圧室に流入した。
試験は、ガス抜き（空気置換）後、0 日（ガス抜き直後）・

表 3 耐久性試験結果30日後・60日後の動作値および復帰値を確認した。
また、プロセス隔離性能は設定機構部内のガス濃度を測定し確認した。図 9 に内部ばく露試験の模式図を示す。

耐久性試験の結果、5,000 回までの範囲において動作値の変動がなく、表 1 に示す動作精度・接断差内であるこ

図 9 内部ばく露試験の模式図とを確認した。
設定機構部へのガス侵入検証について、設定機構部のAir を分析し、硝酸を構成するガス濃度を測定した結果、4.4 加振試験
振動の影響を確認するため、JIS に準拠して一般的な電定量下限値未満であったため、本試験条件の範囲におい子機器の試験に基づき正弦波掃引連続加振試験を実施しては計測室と設定機構部とのプロセス隔離性能が保たれた。加振試験の様子を図 8 に示す。ていることを確認できた。

加振試験では、差圧スイッチの設定値を 0.49 kPa に調内部機構の腐食および動作値への影響は、ガス流入 24整し、設定値に近い 0.40 kPa を加圧した状態で、X,Y（横）時間後、30 日・60 日経過後の動作値を確認した結果、全方向は 20 Hz で 2.0 G を 140 秒間、Z（縦）方向は 20 Hzて表 1 に示す精度内であったため、腐食性ガス流入後 2で 1.0 G を 140 秒間加振し、加振前後の動作値・復帰値のか月間は正常動作が見込めることを確認できた。また、動確認と加振中の誤動作の有無を確認した。

作試験後にスイッチを分解し腐食状態を確認した結果、内部部品に明らかな腐食がないことを確認した。図 10 に加振試験の結果、加振中の誤動作が無く加振前後の動作値・復帰値採取において表 1 に示す動作精度・接断差内部腐食状態確認状況を示す。

内であることを確認した。

差圧スイッチ

振動試験機-Z(縦)方向
図 10 内部腐食状態確認状況
図 8 正弦波掃引連続加振試験の様子

５．新型差圧スイッチ「J-2PDS」の製品化
4.5 内部ばく露試験

5.1 完成品のデザイン変更

プロセスから計器内部に腐食性ガスが流入した場合を開発した新型差圧スイッチの製品化にあたり、現場で想定し、①内部機構の腐食②動作値への影響③腐食性ガの扱いやすさを追求し外観をシンプルな形状へデザイン

スが計測部から設定機構部へ流入しないこと（プロセス変更した。試作機より凹凸を減らし、計器蓋をねじ込み

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高負圧環境下向けプロセス隔離型差圧スイッチ「J-2PDS」の開発・製品化式へ変更。さらに蓋にザラつき加工を施すことで計器蓋ガス流入の可能性がある使用状況においても、安定した開閉の際に工具を使用しなくても手だけで力が加わる形動作が見込めることから、プラントの汚染拡大防止、安状とした。
図 11 に完成品の外観、図 12 に構造図を示す。

全・安定操業、保守時の安全性の向上に寄与できるものと考える。
2021 年より、一般販売[4]を開始しており、多くのプラントに採用して頂けるようマーケティング活動を行っている。

参考文献

計器蓋のザラつき加工[1] 佐藤裕之、佐藤正史、兼平遥、他 “高負圧環境下向けプロセス隔離型差圧スイッチ「J-2PDS」の開発・

図 11 完成品の外観製品化”、日本保全学会 第 18 回学術講演会 要旨
集、2022、pp.625-630.
[2]

特許第 5311568 号 ベローズ型差圧式圧力スイッチ
及び圧力検出システム（日本原子力研究開発機構と㈱大洋バルブ製作所の共同保有）[3] 実用新案登録第 3221482 号 差圧検出装置、（㈱大洋バルブ製作所とジェイテックの共同保有）[4] 販売元：㈱大洋バルブ製作所（現在は受注生産）※外枠線は不要佐藤 裕之㈱ジェイテック
電気・計装保修部 計装グループ

佐藤 正史

図 12 構造図㈱ジェイテック
電気・計装保修部 計装グループ

5.2 実用新案登録と命名
ベローズの振れ防止対策として実施した「差圧容器と移動体との間にショックアブソーバを 2 体設け、第※外枠線は不要

1 ショックアブソーバと第 2 ショックアブソーバの兼平 遥㈱ジェイテック
電気・計装保修部 計装グループ

ショック吸収エネルギー値に強弱差を設ける改良」の有効性が確認できたため、本件を実用新案[3]として申請し、登録された。
また、計器略称を「J-2PDS」とした。命名由来は「J（J-tech）-2PDS（差圧スイッチ：PDS＋汚染に備える：Prep）」である。

６．まとめ
金属ベローズとマグネット、リードスイッチを組み合わせたことでプロセス隔離機能を有する差圧スイッチを開発した。
本計器は真空に近い高負圧環境下や地震・振動・腐食性5