JP2019163702A - チューブポンプシステムおよびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ポンプによって圧送される液体に生じる脈動を抑制する装置として、内部に設けた気室と液室との圧力バランスを保持することで液室に導かれる液体の脈動を抑制するダンパーが知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に開示されたダンパーは、一定量の液体を収容する液室を設けた構造であるため、液室内に流通しない液体が保持される空間(いわゆるデッドボリューム)を有する。そのため、この空間に滞留する液体に雑菌等が発生し、液体の純度が適切に維持されない可能性がある。また、特許文献1に開示されたダンパーは、気室と液室とを設けた比較的複雑かつ容積を必要とするため、装置全体が複雑化しかつ大型化してしまう。
本発明の一態様に係るチューブポンプシステムは、軸線回りに円弧状に形成される内周面を有する収容部と、前記内周面に沿って配置されるとともに可撓性を有するチューブと、前記収容部に収容されるとともに前記軸線回りの接触位置から離間位置に至るまで前記チューブを押し潰した状態で前記軸線回りに回転する一対のローラ部と、前記一対のローラ部のそれぞれを前記軸線回りに同方向に回転させる一対の駆動部と、前記チューブの一端から流入した液体を前記チューブの他端から吐出させるよう前記一対の駆動部のそれぞれを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記一対のローラ部の一方が前記離間位置を通過した後に前記一対のローラ部の他方の前記離間位置へ向けた角速度を漸次減少させるよう前記一対の駆動部のそれぞれを制御する。
本構成に係るチューブポンプシステムによれば、配管の内部の液体の静圧が大気圧よりも高く維持されるため、液体の脈動によって配管内の液体の静圧が更に上昇した場合には、配管が弾性変形して液体の脈動が抑制される。
このようにすることで、一対のローラ部の一方がチューブを押し潰した状態を解除する際に、一対のローラ部の一方が離間位置の下流側へ向けて液体を吐出する吐出力を一時的に高めることができる。そのため、離間位置の下流側の高圧力の液体が、離間位置の上流側の低圧力の流体に向けて引き込まれて液体の脈動が発生することを抑制することができる。
このようにすることで、液体の脈動が発生することを抑制しつつ、流量計が計測する液体の流量が目標流量となるように一対の駆動部のそれぞれを制御することができる。
このようにすることで、配管を流通する液体の第1所定圧力が大気圧よりも十分に高くなり、液体の脈動が配管から更に下流側へ伝達されることが抑制される。
本構成に係るチューブポンプシステムの制御方法によれば、配管の内部の液体の静圧が大気圧よりも高く維持されるため、液体の脈動によって配管内の液体の静圧が更に上昇した場合には、配管が弾性変形して液体の脈動が抑制される。
このようにすることで、一対のローラ部の一方がチューブを押し潰した状態を解除する際に、一対のローラ部の一方が離間位置の下流側へ向けて液体を吐出する吐出力を一時的に高めることができる。そのため、離間位置の下流側の高圧力の液体が、離間位置の上流側の低圧力の流体に向けて引き込まれて液体の脈動が発生することを抑制することができる。
このようにすることで、液体の脈動が発生することを抑制しつつ、流量計が計測する液体の流量が目標流量となるように一対の駆動部のそれぞれを制御することができる。
このようにすることで、配管を流通する液体の第1所定圧力が大気圧よりも十分に高くなり、液体の脈動が配管から更に下流側へ伝達されることが抑制される。
以下、本発明の一実施形態のチューブポンプシステム700について、図面を参照して説明する。
本実施形態のチューブポンプシステム700は、流入端701から流出端702へ向けて液体を圧送するとともに、チューブポンプ100により圧送される液体の流量を制御する装置である。
チューブポンプ100は、流入端701から流出端702へ向けて液体を圧送する装置である。チューブポンプ100は、可撓性を有するチューブをローラで押し潰した状態でローラを移動させる動作を繰り返すことにより液体を圧送する。チューブポンプ100から配管200に吐出された液体は、流量計400およびニードルバルブ500を通過して流出端702へ到達する。
チューブポンプ100の詳細については後述する。
配管200の流路長Lは、例えば、約1000mmとするのが望ましい。
ここで、第1所定圧力Pr1は、20kPaG以上かつ250kPaG以下の範囲のいずれかの値に設定するのが望ましい。特に、90kPaG以上かつ110kPaG以下の範囲のいずれかの値に設定するのが望ましい。ここで、Gはゲージ圧を意味している。
このように、チューブポンプ100から流出端702へ液体を導く流路において最も配管抵抗の高いニードルバルブ500の上流側に可撓性の樹脂材料によって形成される配管200を配置することにより、チューブポンプ100から圧送される液体の脈動を抑制することができる。
制御部600は、圧力センサ300から伝達される圧力が第1所定圧力Pr1と一致するように第1駆動部50および第2駆動部60のそれぞれを制御する。また、制御部600は、流量計400が計測する流量が予め定めた目標流量となるように第1駆動部50および第2駆動部60のそれぞれを制御する。制御部600による第1駆動部50および第2駆動部60の詳細な制御方法については、後述する。
図2に示す本実施形態のチューブポンプ100は、軸線X1(第1軸線)回りに第1ローラ部10(第1接触部材)と第2ローラ部20(第2接触部材)とを同方向に回転させることにより、流入側端部101aから流入するチューブ101内の流体を流出側端部101bへ吐出させる装置である。流出側端部101bには、配管200が接続されている。
なお、図2は、図3に示すカバー83を取り外した状態のチューブポンプ100を示すものである。
第1ローラ部10および第2ローラ部20は、接触位置Po1から離間位置Po2に至るまでチューブ101を内周面82bとの間で押し潰した状態で、それぞれ独立して軸線X1回りを回転する。
図3に示すように、チューブ101は、内周面82bに沿って軸線X1回りに円弧状に配置されている。
図5に示すように、第1駆動部50は、軸線X1上に配置されて駆動軸30に連結される第1駆動軸51を有する。第1駆動軸51は、軸線X1に直交する方向に延びるピン51aを挿入した状態で駆動軸30の下端に取り付けられている。ピン51aにより駆動軸30が第1駆動軸51に対して軸線X1回りに相対的に回転しないように固定されている。そのため、第1駆動部50が第1駆動軸51を軸線X1回りに回転させると、第1駆動軸51の駆動力が駆動軸30に伝達され、駆動軸30が軸線X1回りに回転する。
また、駆動軸30は、外周面に沿って挿入された円筒状の第1軸受部材31と、第1軸受部材31とは独立に形成された円筒状の第2軸受部材32とにより、駆動筒40の内周側に軸線X1回りに回転可能に支持されている。
ここで、図4に示すように第1軸受部材31と第2軸受部材32とが軸線X1方向に離れた状態で配置されているのは、駆動筒40の内周面に軸線X1回りに延びる無端状の環状突起部40aが形成されているからである。
以上のように、第1駆動部50が第1駆動軸51を軸線X1回りに回転させる駆動力は、第1駆動軸51から駆動軸30を介して第1ローラ部10に伝達される。
そのため、駆動軸30に軸線X1に沿って下方に向けたスラスト力が加わった場合に、そのスラスト力によって第1減速機53および第1電動モータ52に衝撃が加わることが抑制される。
図6に示す伝達機構70は、軸線X1と平行な軸線X2(第2軸線)回りに回転する第1ギヤ部71と、第1ギヤ部71から第2駆動軸61の駆動力が伝達される第2ギヤ部72とを有する。伝達機構70は、第2駆動軸61の軸線X2回りの駆動力を駆動筒40の外周面に伝達して駆動筒40を軸線X1回りに回転させる。
第2ギヤ部72は、駆動筒40が挿入された状態で固定ネジ72aを締結して固定ネジ72aの先端を駆動筒40に突き当てることにより、駆動筒40に固定される。このようにして、第2ギヤ部72は、駆動筒40に連結されて駆動筒40とともに軸線X1回りに回転する。
以上のように、第2駆動部60が第2駆動軸61を軸線X2回りに回転させる駆動力は、伝達機構70によって駆動筒40の外周面に伝達され、駆動筒40から第2ローラ部20に伝達される。
図1に示すように、本実施形態のチューブポンプシステム700は、チューブポンプ100から配管200へ吐出される液体の圧力を圧力センサ300で検出し、制御部600へ伝達する。また、チューブポンプシステム700は、配管200を流通する液体の流量を流量計で計測し、制御部600へ伝達する。制御部600は、配管200を流通する液体の流量が目標流量と一致するように、第1ローラ部10および第2ローラ部20の軸線X1回りの角速度を制御する。また、チューブポンプシステム700の作業者は、圧力センサ300が検出する圧力が第1所定圧力Pr1と一致するように、ニードルバルブ500の開度を調整する。
なお、チューブポンプ100を、制御部600が内部に組み込まれた装置として構成するようにしてもよい。この場合、チューブポンプ100の内部に組み込まれた制御部600が第1駆動部50および第2駆動部60を制御するための制御信号を生成し、第1駆動部50および第2駆動部60へ伝達する。
図7−図10はチューブポンプ100を示す平面図であり、第2ローラ部20が離間位置Po2に近づく様子を時系列で示している。図11−図14は、それぞれ図7−図10に示すチューブポンプ100の第2ローラ21の近傍の部分拡大図である。図15−図18は、それぞれ図11−図14に示すチューブ101の縦断面図である。
図1に示す制御部600は、第2ローラ部20が離間位置Po2を通過する際に、第1ローラ部10および第2ローラ部20が図19に示す角速度で回転するように、第1駆動部50および第2駆動部60を制御するための制御信号をチューブポンプ100へ送信する。
図7および図8に示すように、回転角度Ra1,Ra2においては、チューブ101の一部が第1ローラ部10および第2ローラ部20との接触により押し潰されて閉塞された状態となっている。そのため、第1ローラ部10と第2ローラ部20との軸線X1回りの角度差が減少すると、閉塞されたチューブ101の内部の体積が減少し、内部に存在する液体の圧力が上昇する。
ここで、所定圧力差としては、第1所定圧力Pr1の0.2倍以内とするのが望ましい。すなわち、第2所定圧力Pr2が以下の条件式(1)を満たすようにするのが望ましい。
0.8Pr1≦Pr2≦1.2Pr1 (1)
ここで、角速度V2は、チューブポンプ100の各部の特性に応じて、流量計400が計測する流量に変動(脈動)が生じないように、角速度V1より大きい任意の角速度とすることができる。例えば、制御部600は、角速度V2を、圧力センサ300が検出する第1所定圧力Pr1に比例するように設定する。これにより、チューブ101内の液体の圧力を、配管200の液体の第1所定圧力Pr1と一致させることができる。
図20は、第1ローラ部10の回転角度Ra(°)に対する第1ローラ部10および第2ローラ部20の角速度(rad/s)の比較例を示すグラフである。比較例において、制御部600は、チューブ101が開いた状態となる回転角度Ra3を通過した後に、第1ローラ部10を角速度V4から角速度V1まで減速している。また、比較例において、制御部600は、第1ローラ部10が回転角度Ra3に至るまで角速度V1を維持している。
本実施形態のチューブポンプシステム700によれば、第1ローラ部10および第2ローラ部20の一方が離間位置Po2を通過した後に第1ローラ部10および第2ローラ部20の他方の離間位置Po2へ向けた角速度を漸次減少させるため、第1ローラ部10および第2ローラ部20の他方が離間位置Po2に近づくことによる上流側の液体の圧力上昇と第1ローラ部10および第2ローラ部20の他方の角速度の減少による液体の圧力減少とを相殺することができる。そのため、チューブ101の流出側端部101bから吐出する液体の流量の変動を抑制または消滅させ、液体の脈動を抑制または消滅させることができる。
このようにすることで、液体の脈動が発生することを抑制しつつ、流量計400が計測する液体の流量が目標流量となるように第1駆動部50および第2駆動部60のそれぞれを制御することができる。
このようにすることで、配管200を流通する液体の第1所定圧力Pr1が大気圧よりも十分に高くなり、液体の脈動が配管200から更に下流側へ伝達されることが抑制される。
以上の説明において、チューブポンプシステム700は、チューブポンプ100から流出端702へ液体を導く流路において流路断面積を最小とするニードルバルブ500を設けるものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、チューブポンプ100から流出端702へ液体を導く流路において流路断面積を最小とするオリフィス等をニードルバルブ500の代わりに設けても良い。
20 第2ローラ部
30 駆動軸(軸部材)
40 駆動筒(筒部材)
50 第1駆動部
60 第2駆動部
70 伝達機構(伝達部)
80 ケーシング(収容部材)
81 ギヤ収容部
82 ローラ収容部
82a 凹所
82b 内周面
83 カバー
90 支持部材
100 チューブポンプ
101 チューブ
101a 流入側端部
101b 流出側端部
200 配管
300 圧力センサ
400 流量計
500 ニードルバルブ
600 制御部
700 チューブポンプシステム
701 流入端
702 流出端
Po1 接触位置
Po2 離間位置
X1 軸線(第1軸線)
X2 軸線(第2軸線)
Claims (10)
- 軸線回りに円弧状に形成される内周面を有する収容部と、
前記内周面に沿って配置されるとともに可撓性を有するチューブと、
前記収容部に収容されるとともに前記軸線回りの接触位置から離間位置に至るまで前記チューブを押し潰した状態で前記軸線回りに回転する一対のローラ部と、
前記一対のローラ部のそれぞれを前記軸線回りに同方向に回転させる一対の駆動部と、
前記チューブの一端から流入した液体を前記チューブの他端から吐出させるよう前記一対の駆動部のそれぞれを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記一対のローラ部の一方が前記離間位置を通過した後に前記一対のローラ部の他方の前記離間位置へ向けた角速度を漸次減少させるよう前記一対の駆動部のそれぞれを制御するチューブポンプシステム。 - 前記チューブの他端には、可撓性を有するとともに内部を流通する液体の圧力を大気圧よりも高い第1所定圧力に維持する配管が接続されており、
前記制御部は、前記一対のローラ部の一方が前記離間位置を通過する際に、該一対のローラ部との接触により閉塞された前記チューブ内の液体の圧力が前記第1所定圧力と所定圧力差の第2所定圧力に上昇するように前記一対の駆動部のそれぞれを制御する請求項1に記載のチューブポンプシステム。 - 前記制御部は、前記一対のローラ部の一方が前記チューブを押し潰した状態を解除する際に、該一対のローラ部の一方の角速度を一時的に増加させる請求項1または請求項2に記載のチューブポンプシステム。
- 前記チューブから吐出される液体の流量を計測する流量計を備え、
前記制御部は、前記流量計が計測する液体の流量が目標流量となるように前記一対の駆動部のそれぞれを制御する請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のチューブポンプシステム。 - 前記第1所定圧力が、20kPaG以上かつ250kPaG以下である請求項2に記載のチューブポンプシステム。
- 軸線回りに円弧状に形成される内周面を有する収容部と、前記内周面に沿って配置されるとともに可撓性を有するチューブと、前記収容部に収容されるとともに前記軸線回りの接触位置から離間位置に至るまで前記チューブを押し潰した状態で前記軸線回りに回転する一対のローラ部と、前記一対のローラ部のそれぞれを前記軸線回りに同方向に回転させる一対の駆動部と、を備えるチューブポンプシステムの制御方法であって、
前記チューブの一端から流入した液体を前記チューブの他端から吐出させるよう前記一対の駆動部のそれぞれを制御する制御工程を備え、
前記制御工程は、前記一対のローラ部の一方が前記離間位置を通過した後に前記一対のローラ部の他方の前記離間位置へ向けた角速度を漸次減少させるよう前記一対の駆動部のそれぞれを制御するチューブポンプシステムの制御方法。 - 前記チューブの他端には、可撓性を有するとともに内部を流通する液体の圧力を大気圧よりも高い第1所定圧力に維持する配管が接続されており、
前記制御工程は、前記一対のローラ部の一方が前記離間位置を通過する際に、該一対のローラ部との接触により閉塞された前記チューブ内の液体の圧力が前記第1所定圧力と所定圧力差の第2所定圧力に上昇するように前記一対の駆動部のそれぞれを制御する請求項6に記載のチューブポンプシステムの制御方法。 - 前記制御工程は、前記一対のローラ部の一方が前記チューブを押し潰した状態を解除する際に、該一対のローラ部の一方の角速度を一時的に増加させる請求項7に記載のチューブポンプシステムの制御方法。
- 前記配管の内部を流通する液体の流量を計測する計測工程を備え、
前記制御工程は、前記計測工程が計測する液体の流量が目標流量となるように前記一対の駆動部のそれぞれを制御する請求項7または請求項8に記載のチューブポンプシステムの制御方法。 - 前記第1所定圧力が、20kPaG以上かつ250kPaG以下である請求項7に記載のチューブポンプシステムの制御方法。
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