JP3553320B2

JP3553320B2 - 流量制御装置

Info

Publication number: JP3553320B2
Application number: JP16155397A
Authority: JP
Inventors: 成則西尾; 雅央川上; 寛木村
Original assignee: Suminoe Textile Co Ltd
Current assignee: Suminoe Textile Co Ltd
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2017-06-18
Also published as: JPH117323A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
この発明は、流体の流量を、小流量から大流量まで広い流量範囲に渡って高精度に制御することのできる流量制御装置に関する。
【従来の技術】
【０００３】
従来、流体の流量を制御しつつ管路に流体を送流させる手段としては、ポンプが用いられるのが一般的である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記ポンプは制御できる流量範囲が狭く、最も制御流量範囲が広いとされるギヤポンプでさえその吐出比（制御可能となる最小流量と最大流量の比率）は１：１０程度であり、流量をもっと広範囲にかつ高精度に可変制御しなければならない分野、用途においては到底適用することができないものであった。
【０００５】
一方、繊維製品を染色する分野においては、そのデザインの多様性に対応させるべく、低濃度のものから高濃度のものまで極めて幅広い濃度範囲にわたる染料液を高精度に調整して各供給タンクに送液することが要請されるのであるが、従来は粉体染料を正確に秤量し、その複数種類を混合状態に溶解して所望の各濃度の染液に個々に調整したものを各供給タンクに充填するといういわゆるバッチ方式で行われていた。しかし、このようなバッチ方式では、多色染色における調整染料液の種類や濃度のバリエーションの数が増えれば増える程これら調液作業に要する時間は多大なものとなることから、生産効率の面から染料液の調液作業の時間の短縮化が希求の課題となっていた。
【０００６】
そこで、染料液の自動調液システムの開発が急がれるところであり、前述のように低濃度のものから高濃度のものまで極めて広い濃度範囲にわたる複数種の染料液を高精度に調整して各供給タンクに送液することが要請されるが、１つのポンプで制御可能となる吐出比は最大でも１：１０程度であるので、このような広い濃度範囲に対応できるシステムを構築しようとする場合、低濃度の染液から高濃度の染液まで複数の濃度領域に分けて各濃度領域に対応させて個々にポンプを用意すれば理論上は構築し得るものであり、特開昭６３−３５８７３号公報にはこのような構成が記載されているが、しかしながらポンプは必要とされる濃度領域の数と同数必要となり、設備コストが高くつくのみならず、このような多数のポンプを装備して置く設備スペースも膨大なものとなることから、到底工業生産に適したシステムとなり得るものではなかった。従って１つのポンプにて広い流量範囲に渡って液体の流量を高精度に制御できる装置が必要とされていた。
【０００７】
この発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、単一のポンプにて、流体の流量を、小流量から大流量まで広い流量範囲に渡って高精度に可変制御することのできる流量制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明にかかる流量制御装置は、一端に流体を取り込む吸入口と他端に流体の吐出口とを有する主管路と、該主管路中に設けられた所定の吐出流量範囲を有する単一のポンプと、前記主管路中におけるポンプより吐出口側の位置から分岐して吐出口に至るバイパス管路と、前記分岐部に設けられた切替バルブと、前記バイパス管路中に設けられた流量計及び調節弁とからなり、該調節弁の制御流量範囲が、前記ポンプの所定の吐出流量範囲よりも低流量側の流量範囲を包含するとともに、前記流量計により検知された計測値に基づいて調節弁の開度調整が行われるようになされていることを特徴とするものである。
【０００９】
主管路のみを流路として、ポンプのみを開度調整することでポンプ自体の制御可能な吐出流量範囲内で高精度に流量制御しつつ大流量で流体が送流される。一方、ポンプにより一旦低流量に制御されて送流された流体をバイパス管路に送流して調節弁の開度を調整して更に絞り込み制御すれば、ポンプ自体の制御可能な吐出流量範囲の下限領域をはるかに超える低流量で流体が送流される。
【００１０】
請求項２の発明は、上記請求項１の流量制御装置において、バイパス管路における流量計より吸入口側の位置と、主管路のうちポンプより吸入口側の位置とを連通接続する戻り管路が設けられている構成を採用したものである。
【００１１】
調節弁の絞り込みにより余分となる流体が無駄にされることなく戻り管路を通じて再度主管路に戻されて再利用されるから、経済的である。
【発明の実施の形態】
【００１２】
以下、この発明の一実施形態を図示例とともに説明する。
【００１３】
図１は、この発明にかかる流量制御装置（１）の構成を示す系統図、図２（イ）は流体を大流量で送流する場合の流路を示す説明図、同図（ロ）は流体を小流量で送流する場合の流路を示す説明図である。
【００１４】
これらの図において、（２）はポンプ、（３）はバイパス管路流量計、（４）は調節弁、（５）は管路であり、該管路（５）は主管路（５ａ）、バイパス管路（５ｂ）、戻り管路（５ｃ）より構成される。
【００１５】
主管路（５ａ）は、一端に流体を取り込む吸入口（１０）と他端に流体の吐出口（１１）とを有し、該主管路（５ａ）の吸入口（１０）側の位置にポンプ（２）が設けられている。ポンプ（２）としては、吐出比が大きく精度に優れる点から、容積式ポンプ、中でもギヤポンプが好適に用いられる。
【００１６】
更に、前記主管路（５ａ）には、ポンプ（２）より吐出口（１１）側の位置に主管路流量計（６）が設けられている。前記流量計（６）としては、レンジアビリティーが大きく精度に優れる点から、電磁流量計が好適に用いられる。この流量計（６）により検知された流量計測値は制御装置（２０）に送信され、この計測値に基づき該制御装置（２０）によりポンプ（２）からの吐出量の調整が行われるようになされている。なお、この主管路流量計（６）は必ずしも設ける必要はないものであるが、より流量制御の精度を高める観点からは、設けるものとするのが望ましい。
【００１７】
また、前記主管路（５ａ）中における主管路流量計（６）より吐出口（１１）側の位置からバイパス管路（５ｂ）が分岐し、該分岐部には切替バルブ（１２）が設けられる一方、前記バイパス管路（５ｂ）の他端は吐出口（１１）に至る手前で主管路（５ａ）と合流するものとなされている。この切替バルブ（１２）の切替により、ポンプ（２）を通過して主管路（５ａ）を流れて前記分岐部に到達した流体を、そのまま主管路（５ａ）に送流するか、またはバイパス管路（５ｂ）に送流するかの選択がなされるのであるが、この切替バルブ（１２）の切替制御は前記制御装置（２０）により行われるようになされている。
【００１８】
前記バイパス管路（５ｂ）には、バイパス管路流量計（３）及び調節弁（４）が設けられている。
【００１９】
バイパス管路流量計（３）としては、レンジアビリティーが大きく精度に優れる点から、電磁流量計が好適に用いられる。そして、この流量計（３）により検知された流量計測値が制御装置（２０）に送信されるとともに、この計測値に基づき該制御装置（２０）により調節弁（４）の開度調整が行われるようになされている。
【００２０】
調節弁（４）としては、少なくとも前記ポンプ（２）の制御可能な吐出流量範囲よりも低流量側の流量範囲を制御しうるものを用いる。この時、ポンプ（２）の制御可能な吐出流量範囲の下限領域と、調節弁（４）の制御可能な流量範囲の上限領域とが、図５（イ）に示されるように一部重なるように設定されるか、もしくは図５（ロ）に示されるようにポンプ（２）の制御可能下限値と、調節弁（４）の制御可能上限値とがほぼ一致するように設定されているのが良い。このように設定すれば、ポンプ（２）の制御可能な流量範囲と、調節弁（４）の制御可能な流量範囲との間に制御不可能な領域が存在しないから、小流量から大流量まで制御不可能領域を存在させることなく、広い流量範囲に渡って高精度に可変制御することが可能となる。もちろん、ポンプ（２）および調節弁（４）のそれぞれの制御可能な流量範囲の重なり領域が、図５（イ）に示される重なり範囲よりももっと大きくなされていても良いが、この場合には高精度に可変制御可能となる流量範囲が前者よりも減縮されることとなる。
【００２１】
更に、前記バイパス管路（５ｂ）における流量計（３）より吸入口（１０）側の位置と、前記主管路（５ａ）のうちポンプ（２）より吸入口（１０）側の位置とを連通接続する態様で、戻り管路（５ｃ）が設けられている。この戻り管路（５ｃ）は、バイパス管路（５ｂ）に流体を流す場合において、調節弁（４）により流量制御がなされることにより余分となる流体を、主管路（５ａ）のポンプ（２）設置位置より吸入口（１０）側の位置で、吸入口（１０）から供給されてくる流体と合流させて、再度主管路（５ａ）に戻すことによって、流体を無駄にすることなく有効利用するために設けられたものである。
【００２２】
前記戻り管路（５ｃ）には、該戻り管路（５ｃ）の流路を開閉するニードル弁（１３）が設けられている。このニードル弁（１３）は制御装置（２０）により開閉操作が行われるようになされており、主管路（５ａ）のみに流体を通じる場合には、該ニードル弁（１３）は流体が戻り管路（５ｃ）に逆流することのないよう閉じられるようになされている。
【００２３】
しかして、上記構成の流量制御装置（１）を用いて流体をその流量を制御しつつ送流するに際しては、まず予め制御装置（２０）に所望の流量値あるいは流量設定プログラムを入力する。制御装置（２０）は、前記設定流量値がポンプ（２）のみにより流量制御できる大流量範囲にあるものか、あるいはポンプ（２）及び調節弁（４）の協働により流量制御可能となる小流量範囲にあるものかを判断して、前者の場合には切替バルブ（１２）を主管路（５ａ）に通じるように切替えを行い、一方後者の場合には切替バルブ（１２）をバイパス管路（５ｂ）に通じるように切替えを行うようになされている。
【００２４】
図２（イ）は流体を大流量で送流する場合の流路を示す図である。前述の通り制御装置（２０）により、切替バルブ（１２）が主管路（５ａ）に通じるように切替制御される一方、戻り管路（５ｃ）に配設されたニードル弁（１３）は閉じられる。従って、ポンプ（２）の駆動により吸入口（１０）より吸入された流体は、図２（イ）に示すように主管路（５ａ）のみを流過して吐出口（１１）より吐出される。この時、ポンプ（２）により送流される流量は、主管路流量計（６）により逐一モニターされるとともに、モニターされた流量値が所望の流量値を逸脱しているような場合には制御装置（２０）からの信号によりポンプ（２）の開度調整が行われるようになされているから、常に精度高く流量制御を行いつつ大流量で流体を送流することができる。
【００２５】
一方、図２（ロ）は流体を小流量で送流する場合の流路を示す図である。制御装置（２０）により、切替バルブ（１２）がバイパス管路（５ｂ）に通じるように切替制御される一方、戻り管路（５ｃ）に配設されたニードル弁（１３）は全開状態に設定される。かつ制御装置（２０）により、ポンプ（２）は高精度に制御し得る範囲内で最小流量または低流量になるよう開度調整が行われる一方、調節弁（４）は吐出される流量が所望の流量値となるよう、前記ポンプ（２）の開度との相関関係に基づいて開度調整がなされる。従って、ポンプ（２）の駆動により吸入口（１０）より吸入された流体は、図２（ロ）に示すように主管路（５ａ）を流過して切替バルブ（１２）に到達し、ここからバイパス管路（５ｂ）に流入し、調節弁（４）により流量制御された後、更にバイパス管路（５ｂ）を流過して吐出口（１１）より吐出される。この時、バイパス管路（５ｂ）を送流される流量は、バイパス管路流量計（３）により逐一モニターされるとともに、モニターされた流量値が所望の流量値を逸脱しているような場合には制御装置（２０）からの信号により調節弁（４）の開度調整が行われるようになされているから、常に精度高く流量制御を行いつつ小流量で流体を送流することができる。
【００２６】
なお、前記調節弁（４）の絞り込みにより余分となる流体は戻り管路（５ｃ）を流過して、主管路（５ａ）のポンプ（２）設置位置より吸入口（１０）側の位置で、吸入口（１０）から供給されてくる流体と合流する。このような戻り管路（５ｃ）を設けることで、余分となった流体を無駄にすることなく再度主管路（５ａ）に戻すことが可能となり、経済的である。
【００２７】
この発明に係る流量制御装置（１）によれば、大流量で流体を送流する場合には、主管路（５ａ）のみを流路とし、ポンプ（２）のみを開度調整することにより、ポンプ（２）本来の制御可能な吐出流量範囲内で、高精度に流量制御しつつ大流量で送流することができる。
【００２８】
一方、小流量で流体を送流する場合には、ポンプ（２）により一旦低流量に制御されて送流された流体をバイパス管路（５ｂ）に送流し、該バイパス管路（５ｂ）において更に調節弁（４）の開度調整をすることで更に絞り込み制御して吐出するから、ポンプ（２）本来の制御可能な吐出流量範囲の下限領域をはるかに超える低流量で送流することができる。
【００２９】
このようにこの発明の流量制御装置（１）によれば、単一のポンプにて、ポンプ（２）自体が有する制御可能な吐出流量範囲の上限領域にあたる高流量から、調節弁（４）の制御可能な流量範囲の下限領域にあたる小流量に至るまで高精度に流量制御することが可能となる。また、複数のポンプを装備させる必要がないので、低コスト、省設備スペース化を達成することができる。
【００３０】
この発明の流量制御装置は、上記のように小流量から大流量まで広い流量範囲に渡って高精度に流量を可変制御することができるから、例えば繊維製品を染色するための染料液の調整に好適に使用される。
【００３１】
即ち、繊維製品を染色する染料液としては、そのデザインの多様性等に対応させるべく、低濃度のものから高濃度のものまで極めて幅広い濃度範囲にわたる染料液を高精度に調整して各供給タンクに送液することが要求されるが、図３に示すような調液システムの染料原液供給管（３２）にこの発明の流量制御装置（１）を組み込めば、染料原液（３０）を小流量から大流量まで広い流量範囲に渡って高精度に制御して、染料原液供給管（３２）を介して、一定流量の水（３１）が供給されてくる主供給管（３３）に吐出することができるから、その結果単一の染料原液（３０）を用いて低濃度のものから高濃度のものまで極めて幅広い濃度範囲にわたる染料液を高精度に調整して供給することが可能となる。なお、上記供給水は、ポンプ（３４）、流量計（３５）及び制御装置（３６）の協働により一定流量に制御されるようになされている。
【００３２】
なお、この発明の流量制御装置のバイパス管路（５ｂ）に更に第２バイパス管路（５ｄ）を設けるものとしても良い。すなわち、例えば図４に示すように、バイパス管路（５ｂ）のうちバイパス管路流量計（３）及び調節弁（４）が設けられた位置よりも吐出口側の位置から第２切替バルブ（１２ｄ）を介して第２バイパス管路（５ｄ）が分岐され、該第２バイパス管路（５ｄ）に第２バイパス管路流量計（３ｄ）及び第２バイパス管路調節弁（４ｄ）が設けられ、該第２バイパス管路（５ｄ）の他端が吐出口（１１）の手前で主管路（５ａ）に合流するものとなされるとともに、前記第２バイパス管路（５ｄ）における第２バイパス管路流量計（３ｄ）より吸入口（１０）側の位置と、前記戻り管路（５ｃ）とを連通接続する態様で、第２ニードル弁（１３ｄ）を備えた第２戻り管路（５ｅ）が設けられている。このようにバイパス管路が２段階で構成されているから、即ちバイパス管路（５ｂ）で低流量に制御された流体を第２バイパス管路（５ｄ）に送流し、該第２バイパス管路（５ｄ）の第２バイパス管路調節弁（４ｄ）により更に低流量に絞り込むことが可能となるから、前述したバイパス管路（５ｂ）が１段で構成されているものよりも、一層広い流量範囲に渡って高精度に流量を可変制御することが可能となる。
【００３３】
もちろん、前記第２バイパス管路に対して前記同様の態様で更に第３バイパス管路を設けるものとしても良い。これにより、より一層広い流量範囲に渡って高精度に流量を可変制御することが可能となる。
【実施例】
【００３４】
次に、この発明の具体的実施例について説明する。
【００３５】
＜実施例１＞
上述した図１に示す構成を有する流量制御装置を用いて、染料原液の流量制御を行った。すなわち、流量制御装置の主管路の吸入口を、染料原液が貯留された染料原液タンクの底部に連通接続し、表１に示す各設定流量に設定して流量制御装置を駆動させ、染料原液をそれぞれ１時間送流した時の実際の流量を、大流量（２〜２０Ｌ／分）で送流する場合には主管路流量計からの流量値出力をＡ／Ｄ変換ボードを介し、パソコンでモニターし、データ処理、記録し、一方、小流量（０．２〜２Ｌ／分）で送流する場合にはバイパス管路流量計からの流量値出力を同じくＡ／Ｄ変換ボードを介し、パソコンでモニターし、データ処理、記録した。そして、これらより、実際の流量の変動率（（実際の流量−設定流量）÷設定流量×１００）の最大値を求めた。これらの結果を表１に示す。
【００３６】
上記流量制御装置を構成するポンプとしてはギヤポンプ（制御可能流量範囲２〜２０Ｌ／分）を用い、また調節弁として山武ハネウエル社製調節弁（調節弁：型番ＨＬＳＡＣＴ．ＨＡ１Ｒ、単動形ＨＥＰ電気−空気式バルブポジショナ：型番ＨＥＰ１５−１１４、制御可能流量範囲０．２〜２Ｌ／分）を、バイパス管路流量計として電磁流量計（検出可能流量範囲０．２〜２Ｌ／分）を、主管路流量計として電磁流量計（検出可能流量範囲２〜２０Ｌ／分）を用いた。
【００３７】
なお、流体を大流量（２〜２０Ｌ／分）で送流する場合には、切替バルブの切替えにより主管路のみを流路として用いた。一方、流体を小流量（０．２〜２Ｌ／分）で送流する場合には、切替バルブの切替えにより主管路からバイパス管路を経由する流路を用いるとともに、ギヤポンプの開度はいずれの場合にも流量が２Ｌ／分となるように設定して行った。
【００３８】
【表１】

【００３９】
＜比較例１＞
１本の管路(101) と、該管路(101) に設けられたポンプ(102) とからなる、図６に示す構成を有する流量制御装置(100) を用いて、染料原液の流量制御を行った。すなわち、流量制御装置(100) の管路の吸入口(103) を、染料原液が貯留された染料原液タンクの底部に連通接続し、表１に示す各設定流量に設定して流量制御装置(100) を駆動させ、染料原液をそれぞれ１時間送流した時の実際の流量を、管路の吐出口(104) 側に設けた流量計を用いて実施例１と同様にしてパソコンでモニターし、データ処理、記録した。そして、これらより実際の流量の変動率の最大値を求めた。結果を表２に示す。なお、ポンプは実施例１と同一のギヤポンプを用いた。
【００４０】
【表２】

【００４１】
＜評価結果＞
表１から明らかなように、この発明の実施例１の流量制御装置によれば、０．２〜２０Ｌ／分という幅広い流量範囲にわたって最大変動率がほぼ±０．５％以内となっており、幅広い流量範囲にわたって極めて高精度に流量を制御しつつ染料原液を送流することができる。
【００４２】
これに対し、この発明の範囲を逸脱する比較例１の流量制御装置では、０．２〜２Ｌ／分の小流量範囲においては最大変動率が大きく流量制御の精度が悪くなっており、このように０．２〜２０Ｌ／分という幅広い流量範囲においては精度良く流量を制御して染料原液を送流することができなかった。
【発明の効果】
【００４３】
請求項１の発明によれば、主管路のみを流路とし、ポンプのみを開度調整することにより、ポンプ本来の吐出流量範囲内で高精度に流量制御しつつ大流量で送流することができる一方、ポンプにより一旦低流量に制御して送流した流体をバイパス管路に送流し、調節弁の開度調整により更に絞り込み制御することにより、ポンプ本来の吐出流量範囲の下限領域をはるかに超える低流量で送流することができる。このように小流量から大流量まで広い流量範囲に渡って高精度に流量を可変制御することができるとともに、これが単一のポンプにて成し得るものであり、複数のポンプを装備させる必要がないので、低コスト、省設備スペース化を図ることができる。
【００４４】
請求項２の発明によれば、調節弁の絞り込みにより余分となる流体を無駄にすることなく戻り管路を通じて再度主管路に戻して再利用することができるから、流体を経済的に送流することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の一実施形態にかかる流量制御装置の構成を示す系統図である。
【図２】流体の流路を示す説明図であって、同図（イ）は大流量で送流する場合、同図（ロ）は小流量で送流する場合をそれぞれ示すものである。
【図３】自動調液システムの構成の一例を示す系統図である。
【図４】別の実施形態にかかる流量制御装置の構成を示す系統図である。
【図５】ポンプの吐出流量範囲と調整弁の制御流量範囲の相対関係の例を示す説明図である。
【図６】比較例にかかる流量制御装置の構成を示す系統図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…流量制御装置
２…ポンプ
３…流量計
４…調節弁
５…管路
５ａ…主管路
５ｂ…バイパス管路
５ｃ…戻り管路
１０…吸入口
１１…吐出口

Claims

一端に流体を取り込む吸入口と、他端に流体の吐出口とを有する主管路と、
該主管路中に設けられた所定の吐出流量範囲を有する単一のポンプと、
前記主管路中におけるポンプより吐出口側の位置から分岐して吐出口に至るバイパス管路と、
前記分岐部に設けられた切替バルブと、
前記バイパス管路中に設けられた流量計及び調節弁とからなり、
該調節弁の制御流量範囲が、前記ポンプの所定の吐出流量範囲よりも低流量側の流量範囲を包含するとともに、前記流量計により検知された計測値に基づいて調節弁の開度調整が行われるようになされていることを特徴とする流量制御装置。
前記バイパス管路における流量計より吸入口側の位置と、前記主管路のうちポンプより吸入口側の位置とを連通接続する戻り管路が設けられている請求項１に記載の流量制御装置。