JP2005165578A - 流量調整弁 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な制御手段で、しかも流量が指定流量に一致するまでの時間を短くする。
【解決手段】流量調整弁は、規定状態における流量Ｑに対する差圧ΔＰの平方根の比を比例係数Ｃとした式Ｑ＝Ｃ・√（ΔＰ）について、ニードル弁の位置Ｘに応じた関係を示す第１データ９２、第２データ９４及び第３データ９６と、指定流量Ｑ０の値が入力され、モータを駆動するコントローラとを有する。コントローラは、ホールセンサにより検出される位置Ｘ及び第１圧力センサ及び第２圧力センサにより検出される差圧ΔＰを、第１データ９２、第２データ９４及び第３データ９６のうち少なくとも２つに適用して、指定流量Ｑ０を実現するための目標位置Ｘ０を求め、ニードル弁の位置Ｘが目標位置Ｘ０となるようにモータを駆動して位置制御を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、１次圧と２次圧との差圧に基づいて流体の流量を調整する流量調整弁に関し、特に、高い応答性を有する流量調整弁に関する。

従来、液体等の流体の流量を調整する流量調整弁及び該流量調整弁の機能を用いた流量計測弁が開発されている。流量調整弁では入力された指定流量と一致するように、弁体をアクチュエータにより動作させて絞り部の開度を調整するものがある。

このうち、絞り部の開度に対応してあらかじめ記憶された弁固有の損失係数を読み取り、該損失係数と１次側流路と２次側流路の差圧とから所定の数式によって実流量を計算するという流量調整弁が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、絞り部における弁体の位置と差圧とに対応した実流量を、多数の特性曲線として記録しておき、該特性曲線から実流量を検索しながら流量を制御するという流量調整弁が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開昭６１−１３６１１３号公報 特開平１０−２２２２３０号公報

ところで、前記特許文献１で開示されている技術的思想では、流量を求める演算式における比例係数を常数としていることから、絞り部の開口断面積が反映されず、流量を正確に求めることができない。

また、特許文献２で開示されている技術的思想では、精度よく流量を求めるためには特性曲線を多数記憶しておく必要があり、検索が繁雑になるとともに大きな容量のメモリが必要である。さらに、多数の特性曲線について一つずつテストを行いながら設定することから、テストに長時間を要する。

さらにまた、特許文献１及び特許文献２における技術的思想には、実際の流量を指定流量と一致させるように制御するための手段に特に特徴がなく、従来と同程度の応答性しか得られない。また、特許文献１及び特許文献２における技術的思想では流量を計測する場合に狭い計測レンジしか得られない。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡便な制御手段で、しかも流量が指定流量に一致するまでの時間を短縮して良好な応答性を備える流量調整弁を提供することを目的とする。

本発明に係る流量調整弁は、１次側流路と２次側流路との間の弁体をアクチュエータにより動作させて開度を変化させ、流通する流体の流量Ｑを調整する絞り部と、前記弁体の位置を検出する位置検出部と、前記１次側流路を流通する流体の圧力と前記２次側流路を流通する流体の圧力との差圧ΔＰを検出する差圧検出部と、規定状態における前記流量Ｑに対する前記差圧ΔＰの平方根の比を比例係数Ｃとした式Ｑ＝Ｃ・√（ΔＰ）について、前記弁体の位置に応じた関係を示すデータと、指定流量の値が入力され、前記アクチュエータを駆動する制御部と、を有し、前記制御部は、前記位置検出部により検出される位置及び前記差圧検出部により検出される差圧ΔＰを前記データに適用して、前記指定流量を実現するための前記弁体の目標位置を求め、前記弁体の位置が前記目標位置となるように前記アクチュエータを駆動して位置制御を行うことを特徴とする。

このように、規定状態における式Ｑ＝Ｃ・√（ΔＰ）について、前記弁体の位置に応じた関係を示すデータと、前記差圧ΔＰとから、指定流量を実現するための目標位置を求め、前記弁体に対して位置制御を行うことにより、簡便な制御手段で、しかも流量が指定流量に一致するまでの時間を短くすることができる。

この場合、前記データは、前記弁体の位置に対する前記差圧ΔＰの関係を、規定状態の場合について記録した第１データ、前記弁体の位置に対する前記流量Ｑの関係を、前記規定状態の場合について記録した第２データ、及び前記弁体の位置に対する比例係数Ｃの関係を記録した第３データのうち少なくとも２つのデータがあれば、前記目標位置を求めることができる。

また、前記差圧ΔＰ、前記弁体の位置及び前記データに基づいて流量Ｑを算出する流量算出部を有し、前記制御部は、前記弁体の位置が前記目標位置に一致した後、前記流量算出部で算出される流量Ｑが前記指定流量に一致するように前記アクチュエータを駆動して流量制御を行うと、いわゆる微調整を行うことができ、より正確な流量調整が可能である。

さらに、前記弁体は、所定の座面に対して当接及び離間するニードル弁であり、前記ニードル弁又は前記座面における互いに当接する部分にシールを有するとよい。このシールにより、絞り部が閉じているときの流体の漏れを防ぐことができる。

さらにまた、前記弁体は、ねじの送り作用によって動作する弁であり、前記弁体の動作を制限し、前記ねじの噛み込みを防止するストッパを有するとよい。

前記弁体は、ねじの送り作用によって動作する弁であり、前記アクチュエータと前記弁体との間に前記ねじの噛み込みを防止する弾性体が設けられていてもよい。

また、前記制御部は、計測レンジの値が入力され、所定のモード変更の操作により流量計測を行うモードに処理を変更し、入力された前記計測レンジの指示値に対応した位置となるように前記弁体を動作させるとともに、前記差圧ΔＰの平方根と前記データとに基づいて流量Ｑを求め所定の出力部へ出力するようにしてもよい。

このように、流量計測を行うモードに処理を変更し、計測レンジの指示値に対応した位置に弁体を移動させ、該位置に固定しておくことにより、流量調整弁を流量計測弁として機能させることができる。この場合、広い計測レンジに対応した流量計測を行うことができる。

さらに、本発明に係る流量調整弁は、１次側流路と２次側流路との間の弁体をアクチュエータにより動作させることにより開度を変化させ、流通する流体の流量を調整する絞り部と、前記弁体の位置を検出する位置検出部と、前記１次側流路を流通する流体の圧力と前記２次側流路を流通する流体の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、前記弁体の位置に対する前記差圧の関係を、規定状態の場合について記録した第１データと、前記弁体の位置に対する前記流量の関係を、前記規定状態の場合について記録した第２データと、指定流量の値が入力され、前記アクチュエータを駆動する制御部と、を有し、前記制御部は、前記位置検出部により検出される位置に基づき、前記差圧検出部により検出される差圧と、前記規定状態における差圧との比を前記第１データから求めるとともに、前記比の平方根と前記第２データから、前記指定流量を実現するための前記弁体の目標位置を求め、前記弁体の位置が前記目標位置となるように前記アクチュエータを駆動して位置制御を行うことを特徴とする。

前記第１データ及び前記第２データから指定流量を実現するための目標位置を求め、前記弁体に対して位置制御を行うことにより、簡便な制御手段で、しかも流量が指定流量に一致するまでの時間を短くすることができる。

本発明に係る流量調整弁によれば、規定状態における式Ｑ＝Ｃ・√（ΔＰ）について、弁体の位置に応じた関係を示すデータと、差圧ΔＰとから、指定流量を実現するための目標位置を求め、弁体に対して位置制御を行うことにより、簡便な制御手段で、しかも流量が指定流量に一致するまでの時間を短くし、応答性を向上させることができる。

また、流量調整弁のモードを変更し流量計測弁として機能させる場合、広い計測レンジに対応した流量計測を行うことができる。

以下、本発明に係る流量調整弁について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１０を参照しながら説明する。第１の実施の形態に係る流量調整弁１０（図１参照）及び第２の実施の形態に係る流量調整弁１００は、それぞれ流量計測弁としても作用するものであるが、先ず、流量調整弁としての構成及び作用について説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態に係る流量調整弁１０は、１次側流路１２と２次側流路１４との間のニードル弁（弁体）１６をモータ（アクチュエータ）１８により動作させることにより開度（ニードル弁１６の弁開度）を変化させ、流体の流量Ｑを調整する絞り部２０と、モータ１８の回転を検出するホール素子（位置検出部）２２と、１次側流路１２の圧力を検出する第１圧力センサ２４と、２次側流路１４の圧力を検出する第２圧力センサ２６と、流量調整弁１０の全体的な制御を行うコントローラ２８とを有する。

コントローラ２８においては、ホール素子２２がモータ１８の回転にともなって出力するパルス（例えば、３６回／ｒｅｖ）の信号を読み取り、該パルス数をカウントすることによりニードル弁１６の位置Ｘ（図２参照）を検出可能である。位置Ｘを検出する手段としては、リニアセンサによりニードル弁１６の位置を直接的に検出してもよい。また、必ずしもホール素子２２やリニアセンサ等のセンサを用いる必要はなく、例えば、モータ１８にステップモータを用いる場合には、コントローラ２８からステップモータへ出力する駆動パルスの数をカウントすることにより位置Ｘを求めてもよい。

モータ１８は、コントローラ２８の制御下において回転し、第１歯車３０、第２歯車３２及び第３歯車３４により減速され、第３歯車３４の軸部に固定された昇降ベース部３６を回転させる。該昇降ベース部３６における下方の部分はねじ部３８に螺合しており、第３歯車３４が回転することにより昇降ベース部３６は軸受４０に支持されながら昇降する。第３歯車３４の上面及び下面にはそれぞれ、上昇ストッパ用突起３４ａ及び下降ストッパ用突起３４ｂが設けられている。

昇降ベース部３６が十分に上昇した箇所において、上昇ストッパ４２は上昇ストッパ用突起３４ａにおける回転方向の面に当接し、昇降ベース部３６がそれ以上上昇することを防ぐ。同様に、昇降ベース部３６が十分に下降した箇所において、下降ストッパ４４は下降ストッパ用突起３４ｂにおける回転方向の面に当接し、昇降ベース部３６がそれ以上下降することを防ぐ（図２参照）。上昇ストッパ４２及び下降ストッパ４４は、それぞれ上昇ストッパ用突起３４ａ及び下降ストッパ用突起３４ｂの回転方向の面に当接することから、第３歯車３４の上昇及び下降を確実に制限することができる。

昇降ベース部３６の下面には、軸方向に有底の穴３６ａが設けられており、該穴３６ａには、硬い（ばね定数の大きい）ばね（弾性体）４６が配設されている。ニードル弁１６の上部細径部１６ａは、穴３６ａに挿入されており、昇降ベース部３６が下降するとき、ニードル弁１６は前記ばね４６の押圧力を介して下方に押圧されて昇降ベース部３６と一体的に下降する。ばね４６は穴３６ａ内に配設されていることから、昇降ベース部３６におけるその外周部をねじ部３８に螺合させることができ、昇降ベース部３６を短くコンパクトな構造にすることができる。

また、上部細径部１６ａにおける環状溝には止め輪４８が設けられている。該止め輪４８が昇降ベース部３６の下部に固定された係合部材５０の上端面に係合しており、上部細径部１６ａが穴３６ａから抜けることを防止している。昇降ベース部３６が上昇するときには、係合部材５０が止め輪４８を引き上げるように作用し、ニードル弁１６は昇降ベース部３６と一体的に上昇する。

ニードル弁１６の略中央高さにおけるスプール部１６ｂは、円筒内壁５４に対して摺動しながら昇降する。

係合部材５０の下方に向けて延在する円筒部の先端には、スプール部１６ｂと外径が等しく円筒内壁５４に対して摺動する環状部材５２が固定されている。つまり、昇降ベース部３６、係合部材５０及び環状部材５２は一体的に固定されている。

係合部材５０と環状部材５２によって形成される環状の空間にはシール５５が設けられている。

環状部材５２とスプール部１６ｂとの間には隙間５６が設けられ、係合部材５０における止め輪４８と係合する面と昇降ベース部３６との間には隙間５８が設けられる。

ニードル弁１６の下方部は、下方に向けて縮径する略円錐形状のニードル部１６ｃとなっており、該ニードル部１６ｃと円筒孔６０ａにより前記絞り部２０を形成している。ニードル部１６ｃの円錐形状は、円錐の傾斜角度が滑らかに変化する形状であってもよい。

ニードル弁１６が下降することによりニードル部１６ｃは円筒孔６０ａに挿入され、該円筒孔６０ａの開口面積が次第に狭められ、絞り部２０を通過する流量を減少させる。逆に、ニードル弁１６が上昇することにより、円筒孔６０ａの開口面積は次第に広がり、絞り部２０を通過する流量を増加させる。

スプール部１６ｂとニードル部１６ｃとの間の段差部１６ｄには環状溝１６ｅが設けられ、該環状溝１６ｅにはＯリング６２が配設されている。Ｏリング６２の外周部は、環状溝１６ｅからやや突出するように設定されている。

ニードル弁１６及び円筒孔６０ａが設けられた環状部材６０の材質としては、例えば、ステンレス鋼を用いるとよい。円筒孔６０ａはニードル部１６ｃの上部と略同径に設定されている。

なお、軸受４０の下部の空間には、後述する第２ばね１２２に相当するばねを設けて昇降ベース部３６を軽く下方に押圧し、ねじ部３８のがたをなくすようにしてもよい。

図２に示すように、ニードル弁１６が下降するとスプール部１６ｂとニードル部１６ｃとの段差部１６ｄが環状部材６０の上面に当接し、それ以上下降しなくなる。このとき、Ｏリング６２は円筒孔６０ａによってやや圧縮されて１次側流路１２と２次側流路１４とを液密に遮断するシールとして作用する。

段差部１６ｄが環状部材６０に当接した後、昇降ベース部３６及び第３歯車３４はばね４６を圧縮しながらさらに下降可能である。このとき、止め輪４８は隙間５８の間において係合部材５０から離間するとともに、隙間５６は狭まる。

このように、ばね４６の押圧作用によって、ニードル弁１６が下降しきった後に昇降ベース部３６及び第３歯車３４がさらに下降可能となるように構成されていることにより、昇降ベース部３６のねじ部３８に対する噛み込みを防止することができる。

また、昇降ベース部３６及び第３歯車３４がばね４６を圧縮しながらさらに下降することにより、第３歯車３４の下降ストッパ用突起３４ｂが下降ストッパ４４の側面に当接し、昇降ベース部３６がそれ以上下降することを防ぐ。これにより、昇降ベース部３６のねじ部３８に対する噛み込みを一層確実に防止することができる。

なお、コントローラ２８においては、前記ホール素子２２のパルスから算出されるニードル弁１６の位置Ｘについて、図２に示される位置をＸ＝０として認識しており、ニードル弁１６が上方に移動するに従いＸが増加するものとする。

図３に示すように、コントローラ２８は、主制御部としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）７０と、計測された流量Ｑ等のデータを表示する表示部７２と、複数のスイッチ７４とを有する。表示部７２及びスイッチ７４は、コントローラ２８の外表面に設けられ、いわゆるマンマシンインターフェースとして作用する（図１参照）。

また、コントローラ２８は、外部機器及び電源に対して接続されるコネクタ７６と、該コネクタ７６から給電される電源回路７８と、コネクタ７６を介して信号の送受信を行う通信部８０と、モータ１８を駆動制御するドライバ８２と、記録部としてのＲＯＭ（Read Only Memory）８４、ＲＡＭ（Random Access Memory）８６及びＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）８８（又はフラッシュメモリ等）と、入力インターフェース９０とを有する。コントローラ２８における各機能部は、ＣＰＵ７０に接続されており、該ＣＰＵ７０により制御されるとともにデータの送受信を行う。また、各機能部の一部とＣＰＵ７０はワンチップのマイクロコンピュータにより一体型の構成としてもよい。

入力インターフェース（ＩＦ）９０には、ホール素子２２、第１圧力センサ２４及び第２圧力センサ２６が接続されており、ＣＰＵ７０はこの入力インターフェース９０を介して、ホール素子２２、第１圧力センサ２４及び第２圧力センサ２６の信号を読み取り可能である。

ＲＯＭ８４には、１次側流路１２の圧力と２次側流路１４の圧力との差圧ΔＰとニードル弁１６の位置との関係を、規定状態の場合について記録した第１データ９２と、流量Ｑとニードル弁１６の位置との関係を、規定状態の場合について記録した第２データ９４と、差圧ΔＰの平方根と流量Ｑとの比である比例係数Ｃをニードル弁１６の位置に対応して記録した第３データ９６と、ＣＰＵ７０が実行するプログラム９８とが記録されている。

ここでいう規定状態とは、例えば、１次側流路１２の圧力Ｐ１をあらかじめ設定された所定の圧力とし、２次側流路１４にあらかじめ設定された所定の負荷を接続した状態である。規定状態は、これ以外にも実際の使用状況に基づいて任意の条件に設定可能である。

図４に示すように、第１データ９２は、位置Ｘが増加するに従い差圧ΔＰが漸次減少する曲線のデータである。減少の割合は、例えば、当初緩やかであり、次第にやや急となり、その後再び緩やかとなる。

図５に示すように、第２データ９４は、位置Ｘが増加するに従い流量Ｑが漸次増加する曲線のデータである。増加の割合は、例えば、当初緩やかであり、次第にやや急となり、その後再び緩やかとなる。

図６に示すように、第３データ９６は、位置Ｘが増加するに従い比例係数Ｃが次第に増加する曲線のデータであり、増加の割合は、例えば、２次曲線のように次第に急となる曲線である。

第１データ９２、第２データ９４及び第３データ９６は上記のような形状の曲線に限らずそれぞれニードル部１６ｃの形状等によって決まるものであり、前記規定状態において実験的に求められて記録されている。第１データ９２、第２データ９４及び第３データ９６は、ニードル部１６ｃの形状等によって略直線となることもある。

また、第１データ９２、第２データ９４及び第３データ９６は、それぞれ１本のみのデータであり、規定状態において１回のテストで求めることができる。

ところで、前記のとおり比例係数Ｃは、差圧ΔＰの平方根と流量Ｑとの比であり、次の（１）式のように表される。

Ｑ＝Ｃ・√（ΔＰ） …（１）

この（１）式は、いわゆるベルヌイの式を変形して得られるものであり、差圧ΔＰと比例係数Ｃから流量Ｑが求められることを示す。また、（１）式における比例係数Ｃは、位置Ｘに応じて開口面積が変化することによって変化する変数であって、開口面積を示すパラメータのない簡便な式となっている。

次に、このように構成される流量調整弁１０を用いて１次側流路１２から２次側流路１４へ通過する流体の流量Ｑを調整する手順について、図７を参照しながら説明する。図７及び後述する図１０における手順は、主にＣＰＵ７０がプログラム９８を読み込み実行することにより行われ、所定の微小時間毎に繰り返し実行されることにより、いわゆるリアルタイム処理となる。また、図７及び図１０に示すステップは、一部をサブルーチンやマルチタスクによる別処理としてもよい。

先ず、図７に示すステップＳ１において、指定流量Ｑ０が更新されたか否かを確認し、その時点における指定流量Ｑ０を認識、記録する。指定流量Ｑ０は、操作者が表示部７２の表示を確認しながらスイッチ７４を用いて設定する所望の流量値であり、例えば、「ＳＥＴ」という名称のスイッチを押すことにより最終的に設定、更新される。指定流量Ｑ０の更新は通信部８０を介してリモート設定されるようにしてもよい。更新された指定流量Ｑ０は、ＥＥＰＲＯＭ８８に記録して電源がオフとなったときにも保持し、その後、電源がオンとなったときの指定流量Ｑ０の初期値としてもよい。

次に、ステップＳ２において、ホール素子２２のパルス信号を読み取り、該パルスをカウントすることによりその時点におけるニードル弁１６の位置Ｘ（以下、位置Ｘ１と表す）を算出する。

次いで、ステップＳ３（差圧検出部）において、第１圧力センサ２４及び第２圧力センサ２６の信号を読み取り、１次側流路１２の圧力Ｐ１及び２次側流路１４の圧力Ｐ２を検出するとともに、その時点における差圧ΔＰ（以下、ΔＰ１と表す）を、ΔＰ１＝Ｐ１−Ｐ２として求める。

さらに、ステップＳ４において、第１データ９２を参照して、図４に示すようにその時点における位置Ｘ１に対する規定状態における差圧ΔＰ２を調べるとともに、該差圧ΔＰ２とその時点における差圧ΔＰ１との比ｎを、ｎ＝ΔＰ１／ΔＰ２として求める。

すなわち、その時点においては１次側流路１２の圧力や負荷の大きさが規定状態の場合と一致しているとは限らず、位置Ｘに対する差圧ΔＰの関係は、仮想のデータ９２ａのように表される（図４参照）。この仮想のデータ９２ａはＲＯＭ８４には記録されていないが、第１データ９２をｎ倍することにより求められる。

次に、ステップＳ５において、第２データ９４を参照して、図５に示すようにその時点における位置Ｘ１に対する規定状態における流量Ｑ２を調べるとともに、該流量Ｑ２に対して比ｎの平方根である√ｎを乗算してその時点における流量Ｑ１を求める。すなわち、Ｑ１＝Ｑ２・√ｎである。この関係式は前記（１）式を変形して求められる。

また、その時点の状態は、規定状態の場合と一致しているとは限らないことから、位置Ｘに対する流量Ｑの関係は、仮想のデータ９４ａのように表される。この仮想のデータ９４ａはＲＯＭ８４には記録されていないが、第２データ９４を√ｎ倍することにより求められる。

なお、その時点における流量Ｑ１は、第３データ９６を参照して求めてもよい。つまり、図６に示すように、その時点における位置Ｘ１に対する比例係数Ｃ１を調べ、前記（１）式を用いて、Ｑ１＝Ｃ１・√（ΔＰ）として求めてもよい。求められた流量Ｑ１は、表示部７２に表示してもよい。

次いで、ステップＳ６において、求められた流量Ｑ１と指定流量Ｑ０とを比較し、その偏差εを、ε＝Ｑ０−Ｑ１として求める。

さらに、ステップＳ７において、求められた偏差εが所定の範囲値αの範囲内であるか否かを確認する。すなわち、偏差εの絶対値と範囲値αとを比較し、｜ε｜＞αであるときにはステップＳ８へ移り、｜ε｜≦αであるときにはステップＳ１２へ移る。

ステップＳ８においては、前記ステップＳ４で求めた比ｎが、前回に求めた値と比較して同じであるか否かを確認する。すなわち、その時点における比ｎをｎ（Ｔ）とし、前回に求めた比ｎをｎ（Ｔ−１）としたとき、ｎ（Ｔ）＝ｎ（Ｔ−１）であるときにはステップＳ１０へ移り、ｎ（Ｔ）≠ｎ（Ｔ−１）であるときにはステップＳ９へ移る。

ステップＳ９において、第２データ９４及び比ｎに基づき、指定流量Ｑ０を実現することのできるニードル弁１６の目標位置Ｘ０を求める。すなわち、その時点における位置Ｘと流量Ｑとの関係は、第２データ９４をｎ倍した仮想のデータ９４ａにより表されることから、指定流量Ｑ０に対応する目標位置Ｘ０を第２データ９４から検索して求めることができる。

具体的には、例えば、第２データ９４に基づいてデータ９４ａを作成してＲＡＭ８６に記録しておき、データ９４ａを検索しながら指定流量Ｑ０に対応する位置Ｘ１を求めればよい。また、指定流量Ｑ０を√ｎで除した値Ｑ０／√ｎ（図５参照）を求め、この値に対応する目標位置Ｘ０を第２データ９４から検索してもよい。

なお、このステップＳ９の処理は、前記ステップＳ８の分岐判断処理によって、ｎ（Ｔ）≠ｎ（Ｔ−１）であるとき、つまり負荷変動等の外乱が発生したときのみに実行されることから実質的には実行される回数が少なく、処理全体が高速化される。

次に、ステップＳ１０において、モータ１８を駆動することによってニードル弁１６の位置Ｘを制御する。すなわち、位置Ｘが目標位置Ｘ０となるような位置制御を行う。このとき、流量Ｑ及び指定流量Ｑ０とは無関係に、位置Ｘだけを制御対象とする制御を行うことができる。また、位置Ｘはモータ１８の回転に対して線形動作することから、制御しやすい。

実際上、図７に示す処理は微小時間毎に繰り返し実行されることから、ステップＳ１０においても、位置Ｘと目標位置Ｘ０との偏差に従ってモータ１８に対する駆動量を決定し、ドライバ８２へ出力した後に位置Ｘが目標位置Ｘ０に達することを待たずに次のステップＳ１１へ移る。

次いで、ステップＳ１１において、位置Ｘと目標位置Ｘ０とを比較し、Ｘ＝Ｘ０であるか、又は位置Ｘと目標位置Ｘ０との偏差が十分に小さいときにはステップＳ１２へ移り、それ以外のときには図７に示す今回の処理を終了する。

一方、ステップＳ１２においては、流量Ｑと指定流量Ｑ０との偏差εに基づいて、流量制御を行う。このステップＳ１２が実行されるときは、前記ステップＳ７において偏差εが範囲値α以下であることが確認されている場合か、又は前記ステップＳ１１において位置Ｘが目標位置Ｘ０と略一致していることが確認されている場合であり、流量Ｑはすでに指定流量Ｑ０に略一致している。従って、ステップＳ１２では流量Ｑに対して微調整を行えばよく、ゲイン等の制御パラメータは応答性よりも精度を重視した設定とするとよい。具体的には、偏差εに対してＰＩＤ制御等を適用してモータ１８を駆動する。このステップＳ１２の後、図７に示す今回の処理を終了する。

なお、ステップＳ７において偏差εが範囲値αより小さいと判断されて、ニードル弁１６の位置Ｘに対する位置制御を行っている最中には、その時点の流量Ｑ１を求めるステップＳ５の処理は不要であり、所定のフラグ操作に基づいてステップＳ５の処理を省略してもよい。また、ステップＳ７において偏差εが範囲値αより大きいと判断されて流量Ｑに対する流量制御を行っている最中であって、（１）式により流量Ｑ１を求める場合には、比ｎを求めるステップＳ４の処理は不要であり、所定のフラグ操作に基づいてステップＳ４の処理を省略してもよい。

このように、本実施の形態の形態に係る流量調整弁１０によれば、偏差εが範囲値αよりも大きいときには、位置Ｘを目標位置Ｘ０に一致させるような位置制御が行われることから、ニードル弁１６を直接的に制御することとなり、応答性の高い制御が実現される。また、位置Ｘが目標位置Ｘ０に略一致するか、又は偏差εが範囲値αよりも小さくなったときには、偏差εに基づき流量Ｑの微調整が行われ、該流量Ｑを指定流量Ｑ０に対して高い精度で一致させることができる。

また、目標位置Ｘ０は、第１データ９２及び第２データ９４から簡便な手順により求めることができる。第１データ９２及び第２データ９４は、規定状態において実験により求められたデータであって高い信頼性があり、しかも第１データ９２及び第２データ９４ともそれぞれ１本の曲線で表されるデータであり、データ量が小さい。

なお、前記のステップＳ９においては、第１データ９２及び第２データ９４に基づいて目標位置Ｘ０を求める例について説明したが、該目標位置Ｘ０は第１データ９２及び第３データ９６に基づいて求めてもよい。

具体的には、図４及び図６に示すように目標位置Ｘ０を仮に決定し、その目標位置Ｘ０に対応する差圧ΔＰ０と比例係数Ｃ０を求める。差圧ΔＰ０は、第１データ９２をｎ倍して求めてもよいし、仮想のデータ９２ａから求めてもよい。求めた比例係数Ｃ０と差圧ΔＰ０の平方根とを乗算した値Ｃ０・√（ΔＰ０）が指定流量Ｑ０と一致するように、目標位置Ｘ０を適当な手段により変動させ、最終的にＱ０＝Ｃ０・√（ΔＰ０）となるようにする。この関係式は前記（１）式に基づく関係式と同じであり、このように収束した点が目標位置Ｘ０として設定される。

また、第２データ９４は、第１データ９２に対して第３データ９６の比例係数Ｃを乗算することにより得られることから、第２データ９４は、ＲＯＭ８４にあらかじめ記録しておくことなく、所定の初期設定時に生成してＲＡＭ８６に記録しておくようにしてもよい。さらに、第１データ９２、第２データ９４及び第３データ９６は、前記（１）式に基づいて相互に補完的に求められるものであることから、実際上、少なくともこのうちの２つがＲＯＭ８４に記録されていればよい。目標位置Ｘ０についても、第１データ９２、第２データ９４及び第３データ９６のうち少なくとも２つのデータから求めることができる。

さらにまた、第１データ９２、第２データ９４及び第３データ９６の記録形式はテーブル形式や、近似式による記録形式等種々の形式が可能である。

第１データ９２、第２データ９４及び第３データ９６は、例えば、流体として水を用いた場合に適用されるデータであり、水以外の流体に対応するデータについてもＲＯＭ８４に記録しておいてもよい。この場合、スイッチ７４の操作によって使用する流体を指定し、この指定に基づいて使用するデータを選択するとよい。

第１データ９２及び第２データ９４は、所定の規定状態におけるデータであることから、該規定状態における１回のテストにより短時間で得られ、しかもデータ容量が小さい。なお、第３データ９６で示される比例係数Ｃは、圧力や負荷の影響をうけないデータであることから、第１データ９２及び第２データ９４を得るためのテストにおいて同時に得られることはもちろんである。

次に、第２の実施の形態に係る流量調整弁１００について図８を参照しながら説明する。この流量調整弁１００の一部は前記の流量調整弁１０と同一構造であることから、同一である部分には同符号を付してその詳細な説明を省略する。

図８に示すように、流量調整弁１００は、１次側流路１２と２次側流路１４との間のダイヤフラム弁（弁体）１０２をモータ１８により動作させて開度を変化させ、流体の流量を調整する絞り部１０４を有する。ダイヤフラム弁１０２は、昇降ベース部１０６が昇降することによって、第１昇降中継部材１０８、硬い（ばね定数の大きい）第１ばね（弾性体）１１０及び第２昇降中継部材１１２を介して力を受けて昇降する。第１ばね１１０は、前記ばね４６に相当する作用を奏する。

昇降ベース部１０６は、前記昇降ベース部３６に相当する部材であり、第３歯車３４と一体的に回転し、中間ねじ部１０６ａがねじ部１１４に螺合しながら昇降する。昇降ベース部１０６の先端ねじ部１０６ｂは、中間ねじ部１０６ａよりもねじピッチが小さいねじであり、該先端ねじ部１０６ｂは第１昇降中継部材１０８の上部に螺合している。第１昇降中継部材１０８は外径方向に突出して縦方向の溝１１６に挿入されている係合片１０８ａを有し、該係合片１０８ａによって第１昇降中継部材１０８は廻り止めされている。

昇降ベース部１０６が回転、昇降することにより、第１昇降中継部材１０８は先端ねじ部１０６ｂによって上下方向に送り出されて昇降する。このとき、先端ねじ部１０６ｂは中間ねじ部１０６ａよりもねじピッチが小さいことから減速作用があり、昇降ベース部１０６が昇降する速度よりも小さい速度で昇降する。

第２昇降中継部材１１２は、第１昇降中継部材１０８から第１ばね１１０を介して押圧されるとともに、径方向の段差部１１７で第１昇降中継部材１０８に係合している。第１昇降中継部材１０８の下面と第２昇降中継部材１１２の一部との間には隙間１１８が設けられ、第２昇降中継部材１１２の上面と第１昇降中継部材１０８の一部とには隙間１２０が設けられている。

段差部１１７、隙間１１８及び隙間１２０は、それぞれ前記止め輪４８、前記隙間５６及び隙間５８に相当する作用を奏する。

第２昇降中継部材１１２は、ダイヤフラム弁１０２に固定されており、第２昇降中継部材１１２が昇降することによりダイヤフラム弁１０２も昇降して、絞り部１０４の開口面積が変化する。

第１昇降中継部材１０８の上面とハウジングとの間には第２ばね１２２が設けられ、第１昇降中継部材１０８を下方へ軽く押圧することによりねじ部のがたをなくしている。

ダイヤフラム弁１０２、１次側流路１２及び２次側流路１４を構成する部分は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂系のものとすると薬液等にも適用可能であり好適である。

図９に示すように、ダイヤフラム弁１０２が下降して絞り部１０４が完全に閉塞すると、第２昇降中継部材１１２の下段差部１１２ａがストッパ１２４に当接する。この後、昇降ベース部１０６及び第３歯車３４は、第１ばね１１０を圧縮しながらさらに下降可能である。このとき、段差部１１７は隙間１２０の間において第１昇降中継部材１０８から離間するとともに、隙間１１８が狭まる。

このように、第１ばね１１０の押圧作用によって、ダイヤフラム弁１０２が下降しきった後に昇降ベース部１０６、第３歯車３４及び第１昇降中継部材１０８がさらに下降可能となるように構成されていることにより、昇降ベース部１０６のねじ部１１４に対する噛み込みを防止することができる。また、前記流量調整弁１０と同様に、下降ストッパ用突起３４ｂによって一層確実に噛み込みを防止することができる。

なお、流量調整弁１００におけるコントローラ２８は、前記流量調整弁１０におけるものと同じであり、図７に示す処理と同様の処理を行い、絞り部１０４を通過する流体の流量Ｑを調整することができる。

次に、流量調整弁１０を流量計測弁として使用する手順について図１０を参照しながら説明する。

先ず、あらかじめ、操作者の操作により流量調整弁１０を流量計測弁として使用するためのモードの変更を行う。具体的には、操作者が表示部７２の表示を確認しながらスイッチ７４を用いてモードの変更を行い、例えば、「ＭＯＤＥ」という名称のスイッチを押すことにより最終的に流量計測のモードに移る。これにより、ＣＰＵ７０は、図１０に示す処理を実行することとなる。

図１０のステップＳ１０１において、計測レンジＲが更新されたか否かを確認し、その時点における計測レンジＲを認識、記録する。計測レンジＲは、操作者が表示部７２の表示を確認しながらスイッチ７４を用いて設定する所望の流量値に応じたレンジであり、例えば、小流量の計測レンジＲ１、中流量の計測レンジＲ２及び大流量の計測レンジＲ３から選択設定される。

計測レンジＲの更新は通信部８０を介してリモート設定されるようにしてもよい。更新された計測レンジＲは、ＥＥＰＲＯＭ８８に記録して電源がオフとなったときにも保持し、その後、電源がオンとなったときの計測レンジＲの初期値としてもよい。

この後、ステップＳ１０２〜Ｓ１０５までは前記ステップＳ２〜Ｓ５までと同じ処理を行い、その時点における流量Ｑ１を求める。流量Ｑ１は、前記の説明のとおり、第１データ９２、第２データ９４、第３データ９６に基づいて求めることができ、また、差圧ΔＰと比例係数Ｃとの乗算によって求めることもできる。

次に、ステップＳ１０６において、前記ステップＳ１０１で確認した計測レンジＲが、前回に求めた値と比較して同じであるか否かを確認する。すなわち、その時点における計測レンジＲをＲ（Ｔ）とし、前回に確認した計測レンジＲをＲ（Ｔ−１）としたとき、Ｒ（Ｔ）＝Ｒ（Ｔ−１）であるときにはステップＳ１０８へ移り、Ｒ（Ｔ）≠Ｒ（Ｔ−１）であるときにはステップＳ１０７へ移る。

ステップＳ１０７において、その時点の計測レンジＲに基づいたニードル弁１６の目標位置Ｘ０を求める。すなわち、計測レンジＲ１に対しては、小さい値である位置ＸＲ１を目標位置Ｘ０とし、計測レンジＲ２に対しては、中程度の値である位置ＸＲ２を目標位置Ｘ０とする。また、計測レンジＲ３に対しては、大きい値である位置ＸＲ３を目標位置Ｘ０として設定する。これらの位置ＸＲ１、ＸＲ２及びＸＲ３は、計測レンジＲに対応した流量Ｑが流れるときに差圧ΔＰが適度な値となるように設定されている。位置ＸＲ１、ＸＲ２及びＸＲ３は、例えば、１０倍毎の対数を基準として設定してもよい。

ステップＳ１０８においては、前記ステップＳ１０と同様に位置Ｘが目標位置Ｘ０となるように位置制御を行う。

次に、ステップＳ１０９においては、前記ステップＳ１０５において求めた流量Ｑ１を表示部７２に表示させる。この流量Ｑ１の表示はフィルタ処理によって安定化させて表示してもよい。

流量Ｑ１は、通信部８０を介して外部機器へ出力してもよい。この場合の出力形式は、所定のプロトコルを用いた通信でもよく、また、アナログ的な伝送でもよい。

ステップＳ１０９の後、図１０に示す今回の処理を終了する。

このように、本実施の形態に係る流量調整弁１０は、流量計測弁としても機能し、計測レンジＲに対応してニードル弁１６の位置Ｘを、位置ＸＲ１、ＸＲ２及びＸＲ３に設定することから、計測レンジＲに応じた流量Ｑを正確に計測することができる。

また、ニードル弁１６の位置Ｘは、前記ステップＳ１０８において位置制御されることから応答性が高く、計測レンジＲに対応した計測を即座に開始することができる。

なお、上記の説明では流量調整弁１０を流量計測弁として用いる例について説明したが、流量調整弁１００も同様の手順により流量計測弁として用いることができる。

また、流量調整弁１０及び１００において、流体は１次側流路１２から２次側流路１４へ向けて流れるものとして説明したが、逆に２次側流路１４から１次側流路１２へ向けて流すようにしてもよい。この場合、前記差圧ΔＰ１をΔＰ１＝Ｐ２−Ｐ１として求めればよい。

本発明に係る流量調整弁は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

第１の実施の形態に係る流量調整弁において絞り部が開いた状態の断面側面図である。 第１の実施の形態に係る流量調整弁において絞り部が閉じた状態の断面側面図である。 コントローラの機能ブロック図である。 規定状態においてニードル弁の位置に対応する差圧の関係を記録した第１データの内容を示す図である。 規定状態においてニードル弁の位置に対応する流量の関係を記録した第２データの内容を示す図である。 規定状態においてニードル弁の位置に対応する比例係数の関係を記録した第３データの内容を示す図である。 流量制御の手順を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る流量調整弁において絞り部が開いた状態の断面側面図である。 第２の実施の形態に係る流量調整弁において絞り部が閉じた状態の断面側面図である。 流量計測の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０、１００…流量調整弁 １２…１次側流路
１４…２次側流路 １６…ニードル弁
２０、１０４…絞り部 ２２…ホール素子
２４…第１圧力センサ ２６…第２圧力センサ
２８…コントローラ ３０〜３４…歯車
３８、１１４…ねじ部 ４２…上昇ストッパ
４４…下降ストッパ ４６、１１０、１２２…ばね
５５…シール ７２…表示部
９２…第１データ ９４…第２データ
９６…第３データ １０２…ダイヤフラム弁
Ｃ、Ｃ０、Ｃ１…比例係数 Ｑ…流量
Ｑ１…その時点の流量 Ｘ…位置
Ｘ１…その時点の位置 Ｘ０…目標位置
ΔＰ…差圧

Claims (8)

1. １次側流路と２次側流路との間の弁体をアクチュエータにより動作させて開度を変化させ、流通する流体の流量Ｑを調整する絞り部と、
   前記弁体の位置を検出する位置検出部と、
   前記１次側流路を流通する流体の圧力と前記２次側流路を流通する流体の圧力との差圧ΔＰを検出する差圧検出部と、
   規定状態における前記流量Ｑに対する前記差圧ΔＰの平方根の比を比例係数Ｃとした式Ｑ＝Ｃ・√（ΔＰ）について、前記弁体の位置に応じた関係を示すデータと、
   指定流量の値が入力され、前記アクチュエータを駆動する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記位置検出部により検出される位置及び前記差圧検出部により検出される差圧ΔＰを前記データに適用して、前記指定流量を実現するための前記弁体の目標位置を求め、前記弁体の位置が前記目標位置となるように前記アクチュエータを駆動して位置制御を行うことを特徴とする流量調整弁。
2. 請求項１記載の流量調整弁において、
   前記データは、前記弁体の位置に対する前記差圧ΔＰの関係を、規定状態の場合について記録した第１データ、前記弁体の位置に対する前記流量Ｑの関係を、前記規定状態の場合について記録した第２データ、及び前記弁体の位置に対する比例係数Ｃの関係を記録した第３データのうち少なくとも２つのデータからなることを特徴とする流量調整弁。
3. 請求項１記載の流量調整弁において、
   前記差圧ΔＰ、前記弁体の位置及び前記データに基づいて流量Ｑを算出する流量算出部を有し、
   前記制御部は、前記弁体の位置が前記目標位置に一致した後、前記流量算出部で算出される流量Ｑが前記指定流量に一致するように前記アクチュエータを駆動して流量制御を行うことを特徴とする流量調整弁。
4. 請求項１記載の流量調整弁において、
   前記弁体は、所定の座面に対して当接及び離間するニードル弁であり、
   前記ニードル弁又は前記座面における互いに当接する部分にシールを有することを特徴とする流量調整弁。
5. 請求項１記載の流量調整弁において、
   前記弁体は、ねじの送り作用によって動作する弁であり、
   前記弁体の動作を制限し、前記ねじの噛み込みを防止するストッパを有することを特徴とする流量調整弁。
6. 請求項１記載の流量調整弁において、
   前記弁体は、ねじの送り作用によって動作する弁であり、
   前記アクチュエータと前記弁体との間に前記ねじの噛み込みを防止する弾性体が設けられていることを特徴とする流量調整弁。
7. 請求項１記載の流量調整弁において、
   前記制御部は、計測レンジの値が入力され、所定のモード変更の操作により流量計測を行うモードに処理を変更し、入力された前記計測レンジの指示値に対応した位置となるように前記弁体を動作させるとともに、前記差圧ΔＰの平方根と前記データとに基づいて流量Ｑを求め所定の出力部へ出力することを特徴とする流量調整弁。
8. １次側流路と２次側流路との間の弁体をアクチュエータにより動作させることにより開度を変化させ、流通する流体の流量を調整する絞り部と、
   前記弁体の位置を検出する位置検出部と、
   前記１次側流路を流通する流体の圧力と前記２次側流路を流通する流体の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、
   前記弁体の位置に対する前記差圧の関係を、規定状態の場合について記録した第１データと、
   前記弁体の位置に対する前記流量の関係を、前記規定状態の場合について記録した第２データと、
   指定流量の値が入力され、前記アクチュエータを駆動する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記位置検出部により検出される位置に基づき、前記差圧検出部により検出される差圧と、前記規定状態における差圧との比を前記第１データから求めるとともに、前記比の平方根と前記第２データから、前記指定流量を実現するための前記弁体の目標位置を求め、前記弁体の位置が前記目標位置となるように前記アクチュエータを駆動して位置制御を行うことを特徴とする流量調整弁。

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