流量計に最適なバルブの選択

ダイレクト・コントロール・バルブ

直接流量制御弁は、流れを制御するためのオリフィスと、流れが通過できる開口部の大きさを決定し、従って弁を通過する流量を決定する制御面から構成される。

利点：このような制御弁は比較的速く、安価で、流量を制御するのにわずかな電力しか使わない。
欠点は、限られた圧力と流量しか扱えないことである。

電磁バルブを例にとって説明しよう。

流量制御弁の場合、弁を開くのに必要な力(F)は、オリフィス径(d)と弁上の圧力差(Δp)によって決まります(F ~ Δp * ¼ d2)。圧力差かオリフィス径のどちらかが大きくなると、ダイレクトコントロールバルブはこの圧力力によって十分に開かなくなります。

電磁制御弁はプランジャーに約5Nの力しかかけられません。より強力なコイルを使用し、より大きな磁力を与えることは可能かもしれない。しかし、マスフローコントローラーは電源が限られていることが多く、発熱量も問題になる。その結果、圧力と直径の2乗に比例する最大流量が制限されることになる。

要約すると、ほとんどのダイレクト・フロー・コントロール・バルブは、このような制約のために、大流量や、高い差圧や絶対圧を扱うのには適していない。ダイレクト・コントロール・バルブは、1mln/minから約50ln/minまでの低流量に使用できる。

ダイレクト・コントロール・バルブに代わるものは？

直流制御弁を高圧用に再設計
間接制御弁である2相バルブの使用
低圧で大流量を得るための圧力補償バルブの使用

オプション1）高圧ダイレクトコントロールバルブ

より高い圧力に対応するための最も簡単な解決策は、ダイレクトコントロールバルブの再設計です。オリフィスサイズが制限されているため、比較的小流量（20ln/minまで）に使用することができます。差圧200bar（bard）までの大きな圧力差に対応するためには、バルブとマスフローコントローラーボディはより頑丈でなければなりません。ほとんどのバルブは200bardのバーストに対応できません。シール材が破裂するか、機械部品が200bardで起こりうる急激な力のバーストに対応できないかのどちらかです。

バルブの寸法は、一般的なバルブ、ひいてはマスフローコントローラー全体よりもわずかに大きいだけです。一方、低流量は、高い圧力差でのバルブからの漏れのために制限されることが多い。

間接制御バルブ

オプション2）間接制御バルブ、2相バルブ

さらに高い圧力と大流量（200ln/minまで）を得るためには、マスフローコントローラーをより大きく変更する必要があります。いわゆるインダイレクト・コントロール・バルブ（図1）を使用すれば、より高い流量、より高い絶対圧、差圧を得ることができます。

間接制御弁（または2相制御弁）は、以下のように構成されている：

直接制御式パイロット弁（A）は、前述のような挙動を示し、余分な動力を必要としない。
パイロット弁（A）を横切ってわずか数バールの一定の圧力差（P1-P2）を維持するための圧力補償部（B）。そうすることで、バルブの機能に影響を与えることなく、入口圧力と出口圧力の両方が変化する可能性があります。圧力補償部にかかる圧力力により、バルブは閉じた状態に保たれます。トップバルブが開くときのみ、圧力力はバルブを開き、流れを制御するのに十分な小さな値に戻されます。

従って、間接制御弁は2つの直列弁（A+B）で構成され、圧力降下とオリフィス・サイズの両方が結果として生じる流量を決定する。

二相間接制御弁のその他のバリエーション

間接制御バルブにはさらに2つのバリエーションがあります：

最初のものは、間接弁に第3相を追加するもので、2相弁からの圧力変化を利用してより大きな弁を開き、毎分数千リットルまでの大流量に到達させるものです。このシステムでは、パイロットバルブは実際にはメイン流路と平行に設置される。欠点は、このバルブが非常に大きくなりコストがかかることと、主流量を制御するピストンを閉じるために最小限の圧力差が必要になることである。
間接制御弁のもう一つのバリエーションは、パイロット弁が再び主流路に並列しているが、並列流路が単一の弁と固定オリフィスのみで構成されているものである。パイロットバルブが閉じられると、バルブ内の圧力は入口圧力まで上昇し、膜によって主流路を閉じます。パイロットバルブを開くことで、メンブレン上の圧力差が減少し、より大きな流路を通して流れを制御することができます。メンブレンバルブの場合、機能するために必要な圧力差は数十ミリバールと小さい。欠点は、大きな膜を使用する場合、システム内の絶対圧力が制限され、膜を縮小すると最大流量が制限され、バルブを閉じるために必要な圧力差が再び上昇することです。

これらのバルブの欠点は、サイズが大きいことと、相対的にコストが高いことである。その上、バルブの圧力補償部分を閉じるには最小限の圧力差が必要です。また、オリフィスの大きさにも制限があるため、200 ln/minの流量を得るためには、最低でも150 bara以上の入口圧力が必要となる。より低い圧力でこのような流量を得るには、圧力補償バルブやベローバルブなど、全く別の種類のバルブが必要になる。

オプション 3) 圧力補償弁

より大きなオリフィスを使用し、ダイレクトコントロールバルブでより大きな流量にすることは可能ですが、そのためにはバルブ内の圧力力を減少させなければなりません。これは、圧力補償ベローバルブで行うことができ、圧力力に有効なオリフィスを大幅に減らすことができます（図2）。ベローバルブでは、最小の圧力差で毎分数百リットルの流量に達することができます。しかし、設計上絶対圧力は制限され、バルブは一般的なダイレクトコントロールバルブよりはるかに大きく高価になります。

圧力補償バルブ

結論

マスフローコントローラーにかけたい圧力と必要な出口流量に応じて、どちらかを使用することができます：

直接制御式高圧コントロールバルブ（最大200 bara、20 ln/分）、または
間接圧力補償バルブ（最大700baraまたは400bard、200ln/min）。

低圧で大流量を得るには、圧力補償弁が最適なソリューションです。

最適なコントロールバルブは？

以下に、説明するバルブのオプションと、使用可能な流量と圧力範囲をまとめる。

バルブタイプ	流量（ln/min）	圧力（abs / delta）
ダイレクトコントロールバルブ	0.0007..50	0..1005 / 0..40
ダイレクトコントロール高圧バルブ	0.0007..20	40..200 / 1..200
2相制御弁	0.010..200	4..700 / 4..400
三相コントロールバルブ	50..5000	2..20 / 1..20
圧力補償弁	0.1..200	0..10 / 0..5
メンブレンバルブ	5..2000	0..10 / 0..10