JP4418913B2 - 混合装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塗料，薬剤液，油，水等の複数の流動体材料を互いに均一になるように混合させる混合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
様々な製品において、その製造工程には複数の流動体を均一に混合する混合プロセスが含まれている。一例を挙げれば、塗料の製造工程においては、所望の色調の製品を得るために、いくつかの種類の色素ないし顔料を含んでなる原材料を特定の比率にて混合することで最終製品の色調を得ている。こうした場合、再び同一の色調の製品を製造する場合には、前回と同様の混合比率で所定の原材料を混合すれば同一の製品が得られるようにも思われるが、実際には原材料自体がそのロット毎に若干濃度が異なっている等のばらつきを有することがあるので、単に既定の混合比率で混合しただけでは、前回と完全に一致した色調の最終製品を得ることはできない。そこで、このような塗料の調合において従来は、いったん既定の混合比率で混合した後に、製品の色調を検査して、その結果に応じていくつかの原材料を混合タンクに追加投入して、再度撹拌して所望の色調に完全に一致した塗料を製造するのが一般的であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上述の従来技術では、例えば市販品の塗料を使用する場合において、薄め液などの溶剤を加えて適度な濃度に希釈してから塗装に使用することからも容易に想像できるように、塗料の原液の調合段階においては相当程度に濃厚で粘性の高い原液を取扱わなければならない。かかる粘性の高い流動体を混合タンクに複数種類投入して撹拌しても、かなりの撹拌時間を経なければ完全に均一に混じり合うことはなかった。しかも前述したように、いったん撹拌工程を終了した爾後に、さらに色調の微調整のために原材料を追加投入して混合タンクの撹拌を行なう必要があるので撹拌時間はいっそう長時間にわたる。
【０００４】
また、近年のユーザニーズの多様化に伴なって、塗料業界においても従前に比べてはるかに多彩な色調の塗料へのニーズが存在する。例えば白色の塗料だけでも何十もの微妙に色調の異なる塗料を調合することが求められる。もちろん、従前に調合したときの経験や情報を有効に再活用することで、前述したような色調の微調整の手間暇を省力化するための努力がなされてはいるものの、例えば自動車メーカーから新規な色調の塗料の製造を受注したような場合にはどうしてもある程度の試行錯誤を繰返す必要があった。
【０００５】
更に、ユーザニーズの多様化は塗料についても多品種少量生産を要求する。前述したように同一の色調でも明度が微妙に異なる場合には、多彩な種類の塗料を調合しなければならない。そして、ひとたびある色調の塗料を混合した後では、混合タンクや撹拌羽根などの混合装置を完全に清浄に洗浄しておかなければ、次工程で製造する塗料の色調に影響を与えてしまう。塗料の混合装置の撹拌装置は粘性の高い原液を少しでも効率良く撹拌しようとして複雑な形状，構造になっている。こうした撹拌装置や混合タンクを少量生産の毎に完全に洗浄することには多大な人的労力を必要とする。
【０００６】
本発明の課題は、混合タンクや撹拌羽根を備えること無くして複数の流動体材料を均一に混合することができる混合装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る混合装置は、配管中において同配管内の上流側と下流側との圧力差によって同配管中を給送される程度の流動的特性を備えてなる複数の流動体材料を互いに混合させる混合装置であって、前記流動体材料を吐出する流動体吐出口と、該流動体吐出口へ前記流動体材料を供給すべく前記流動体吐出口に連通されてなる流動体供給口と、前記流動体吐出口の前方に気体の高速渦流を形成すべく前記流動体吐出口の周囲に形成されてなる気体噴射口と、該気体噴射口へ前記気体を供給すべく前記気体噴射口に連通されてなる気体供給口とを有するノズルと、前記複数の流動体材料の各々を前記ノズルの前記流動体供給口へ供給するための流動体供給手段であって、前記複数の流動体材料の相対的な供給流量を調節可能に構成された流量調節手段を備えてなる前記流動体供給手段と、前記ノズルの前記気体供給口へ前記気体を供給するための気体供給手段と、前記ノズルの前記流動体吐出口から混在状態にて吐出され、前記気体の高速渦流によって破砕されて均一な混合状態となって噴出された混合物の特性を検出する混合物特性検出手段と、前記混合物特性検出手段による検出結果に応じて前記流量調節手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴としている。
【０００８】
この請求項１記載の混合装置では、ノズルの流動体供給口へ供給された複数種類の流動体材料は、ノズルの流動体吐出口から吐出される時点においては未だ均一ではない混在状態になっているが、流動体吐出口から吐出された直後にはノズル前方の気体の高速渦流によって破砕されて微粒子化されると共に互いに混じり合って均一な混合状態となる。
【０００９】
また、この混合装置によれば、従来技術において複数の流動体材料を混合するために使用されていた撹拌羽根付の混合タンクや調合タンクなどを備える必要なくして均一な混合物を得ることができる。このような混合タンクを必要としないことは可及的に混合装置全体の小型化を意味する。そして、混合すべき流動体材料の種類を変更するような場合にあっては、本発明では、簡単な構造であるノズル部分のみを分解洗浄すればよく、特に大容量の混合タンクや複雑な形状の撹拌羽根を人手で洗浄していた従来技術と比較して、人的労力を大幅に軽減することができると共に材料の変更を迅速に行なうことができる。また、飲食物や医薬品，化粧品などの生産に使用される混合装置にあっては、材料の種類を変更することがないような場合であっても、生産品の性質上、衛生管理のために定期的に混合装置のすべての構成要素を殺菌消毒する必要があるが、このような場合についても材料の変更時の洗浄と同様に殺菌消毒の労力を軽減することができるので、かかるメンテナンス時間の短縮は可及的に混合装置の稼動効率を改善する。
【００１０】
このような観点からすれば、請求項１記載の混合装置では、流動体材料を貯蔵しておく原料タンクからノズルまでの配管系統の構造を可能な限り簡略に構成することが好ましい。具体的には、複雑な構造を有する送出ポンプが流動体材料を貯蔵する原料タンクからノズルまでの配管系統に含まれていないように構成するのが好ましく、更に、好ましくは、流動体材料を貯蔵する原料タンクからノズルまでの配管系統には流量調節手段以外の要素が含まれていないように構成するとよく、最も好ましくは、流量調節手段を流動体材料を貯蔵する原料タンクからノズルまでの配管系統以外の場所に配置するのがよい。
【００１１】
請求項１記載の混合装置においては、得られた混合物の特性を混合物特性検出手段で検出して、この検出結果に応じて制御手段が流量調節手段を制御する構成になっている。この場合の得られた混合物の特性とは、得ようとする混合物ないしは商品の性質に応じた異なった属性である。
【００１２】
そこで、請求項２記載の混合装置は、前記混合物特性検出手段が光学センサから構成されることを特徴としている。ここでの光学センサは典型的には、混合物に向かって光線を放出する光源と、混合物を透過した光線又は混合物で反射及び／又は散乱した光線を検出する光検出手段とから構成される。光線の概念には白色光はもちろんその他の特定の色彩のあらゆる可視光線を含むほか、紫外線や近赤外線，遠赤外線なども含まれる。光検出手段としては、光源が紫外線等の場合には専用のセンサが用いられるだろうが、可視光線の場合にはより一般的な既存の手段、例えばＣＣＤセンサや色温度計が採用される。この装置は混合物で反射した光線によって又は混合物を透過した（逆に言えば混合物で吸収された）光線によって、混合物の特性が表現されるような種類の混合物に適用される。
【００１３】
請求項２記載の混合装置によれば、混合物特性検出手段として光学センサを使用して得られた混合物の特性を検出するようにしたので、例えばペンキ塗料等のような混合物たる商品の主要な又は重要な属性が色彩である場合に、現に噴出されている混合物に白色光を照射してその反射光をカラーＣＣＤで検出することで、所望の正しい色調の混合ペンキが得られているか否かを知ることができると共に、光学センサの検出結果に応じて制御手段が配合比率を正しくするように調節できる。
【００１４】
また、請求項３記載の装置は、前記混合物特性検出手段は特定の気体を検出する気体成分センサから構成されることを特徴としている。ここでの気体成分センサには例えばアルコールセンサや一酸化炭素ガスや有機溶媒のガスを検出するセンサなどを含むほか、近年開発が進んでいる臭気センサなどを含む。
【００１５】
請求項３記載の混合装置によれば、混合物特性検出手段として気体成分センサを使用して得られた混合物の特性を検出するようにしたので、例えば香水等のような混合物たる商品の主要な又は重要な属性が揮発成分である場合に、現に噴出されている混合物に含まれる揮発成分を臭いセンサで検出することで、所望の正しい香りの香水が調合されているか否かを知ることができると共に、気体成分センサの検出結果に応じて制御手段が配合比率を正しくするように調節できる。
【００１６】
また、請求項４記載の装置は、前記混合物特性検出手段は液体中の特定の成分を検出する液中成分センサから構成されることを特徴としている。ここでの液中成分センサには、簡易なものとしては例えば塩分濃度センサや糖度センサ，うまみ成分センサなどのような混合物たる液体に浸すことで所定の単一の成分を検出できるセンサを含むほか、複雑なものとしてはクロマトグラフィー分析装置のような多成分検出手段までも含まれる。
【００１７】
請求項４記載の混合装置によれば、混合物特性検出手段として液中成分センサを使用して得られた混合物の特性を検出するようにしたので、例えば飲食物等のような混合物たる商品の主要な又は重要な属性が味覚である場合に、現に噴出されている混合物に含まれる味覚成分を塩分濃度センサや糖度センサなどで検出することで、所望の正しい味の飲食物が調合されているか否かを知ることができると共に、液中成分センサの検出結果に応じて制御手段が配合比率を正しくするように調節できる。
【００１８】
上述の請求項１記載の混合装置においては、得られた混合物の特性を混合物特性検出手段で検出して、この検出結果に応じて制御手段が流量調節手段を制御する構成になっている。この場合、混合物の特性の検出は、現に噴出されつつあり得られつつある混合物の特性を直ちに検出するようにした方が制御のフィードバックが迅速になって好ましい。
【００１９】
そこで、請求項５記載の混合装置は、前記混合物特性検出手段が、前記ノズルの前方の噴出経路中に存在している前記混合物の特性を検出するように配置されていることを特徴としている。この請求項５記載の混合装置では、ノズルから噴出された直後の未だ噴出経路中の空間に浮遊している混合物の特性を検出するように混合物特性検出手段を配置することとした。これは、前述の光学センサのような非接触方式の検出手段を採用する場合に特に適している。
【００２０】
請求項５記載の混合装置によれば、ノズルから噴出された直後の混合物について、その特性を検出するように混合物特性検出手段を配置するようにしたので、同手段による検出結果に応じて迅速に流量調節手段を制御することが可能になって、制御の応答速度を向上させることができる。
【００２１】
また、請求項６記載の混合装置は、前記混合物特性検出手段が、前記ノズルの前方に配置されて前記噴出された混合物を受ける受け面を備えることを特徴としている。請求項６記載の混合装置では、例えばトレイのような受皿をノズルの前方に配置して、これによりノズルから噴出された混合物を受けるように構成し、このトレイなどの受け手段に混合物特性検出手段を取付けることとした。かかる構成では、トレイなどの受け手段の受け面を比較的広く確保できることから、混合物特性検出手段を複数取付ける場合に適している。また、ノズルから噴出された混合物は円錐形状の末広がりに拡散して広い面積に放出されるから、かかる混合物を小口瓶に収容して製品化したいような場合にはトレイの排出孔などを介して混合物を所定の容器などへ流出させるように構成すると都合がよい。
【００２２】
また、請求項７記載の混合装置は、前記制御手段が、前記混合物特性検出手段で検出した前記混合物の特性が所定の設定値と一致するように前記流量調節手段を制御することを特徴としている。請求項７記載の混合装置では、あらかじめ制御手段に得ようとする混合物の特性を特定する設定値を登録しておく。この設定値は具体的には、例えばペンキの混合においては混合物たるペンキの色調を示すカラーのＲＧＢ成分の値であったり、ペンキ中に混合すべき有機溶剤の含有濃度であったりする。
【００２３】
請求項７記載の混合装置によれば、複数の流動体材料を所定の一定の比率で混合してなる混合物を得るに際して、混合物特性検出手段で検出した混合物の特性をフィードバックして流量調節手段を制御するようにしたので、例えば周辺温度の変化によっていずれかの原料の流動体の粘性が変化して混合比率が変動したような場合であっても、これを打消すように流量調節手段が制御されて、常に所望の特性を有する混合物を安定的に混合して得ることができる。
【００２４】
ここで、制御手段が流量調節手段を制御するに際しては、得られた混合物を貯蔵する製品タンクに混合物特性検出手段を取付けたときなどに、混合物の特性がフィードバックされるまでに時間的遅れを生ずることがある。また、ノズルの流動体吐出口に至るまでの配管のような混合装置自体に内在する時間遅れ要素もある。更に、混合物特性検出手段として応答速度の遅い種類のセンサを採用した場合や、クロマトグラフィー分析装置のような分析結果の出力までにある程度の時間を必要とする手段を採用した場合にも時間遅れ要素が含まれることになる。
【００２５】
そこで、請求項８記載の混合装置は、前記制御手段が、前記混合物特性検出手段で検出した前記混合物の特性に対してＰＩ制御又はＰＩＤ制御を行なって前記流量調節手段を制御することを特徴としている。請求項８記載の混合装置では、混合物特性検出手段で検出した混合物の特性に基づいて流量調節手段をフィードバック制御するに際して、制御ループをＰＩ制御又はＰＩＤ制御の方式にすることとしたので、時間遅れ要素の影響を排除して、得られる混合物の特性の安定性をさらに向上させる。
【００２６】
請求項８記載の混合装置によれば、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御によるクローズドループ制御によって、時間遅れ要素の影響を排除して制御系の安定度を向上させて、得られる混合物の品質をさらに安定させることができる。
【００２７】
また、請求項９記載の混合装置は、前記制御手段が、噴出工程の進行に従って噴出すべき前記混合物の特性を変化させるべく該変化のパターンを出力するパターン出力手段を更に備え、前記制御手段は、前記混合物特性検出手段で検出した前記混合物の特性が前記パターン出力手段の出力値に追従するように前記流量調節手段を制御することを特徴としている。
【００２８】
請求項９記載の混合装置では、前記請求項６及び請求項７に記載の混合装置が所定の一定の設定値の特性を有するような混合物を得ることを目的として静的（スタティック）な制御を行なっていたのと比較して、動的（ダイナミック）な制御を行なうようにした。より具体的には、例えば噴出すべき混合物の特性についてのサンプル（原本ないし見本）の特性を記憶する記憶手段を制御手段に内蔵しておいて、かかる原本サンプルの特性を記述するパラメータを逐次的に記憶手段から読出してこれを変化のパターンとして出力するように構成したり、または、混合物の噴出段階が進行するに従って、その進行具合に応じて記憶手段に格納されたデータテーブルを参照して、これをパターンとして出力したり、または、パターンの変化を数式で記述しておいて、その演算結果をパターンとして出力したりするようにパターン出力手段を構成する。
【００２９】
請求項９記載の混合装置によれば、例えば混合装置で香料を混合製造する場合には、香料成分が段々と変化していくような多数の種類の香水などを連続的に調合することができる。また混合装置で例えば絵画用の水彩絵の具を混合製造する場合には、色調は同一でありながら明度が微妙に段々と明るく変化していくような多数の種類の絵の具を連続的に調合することができる。また、混合装置のノズルの前方に被塗装物を配置すれば被塗装物にグラデーションなどのパターンの塗装を施すようなことも可能になる。
【００３０】
このように本発明の混合装置は、基本的には噴出された混合物を製品（中間製品をも含む）として小売用の容器や製造品の貯蔵容器等に噴出して収容することをひとつの目的としているが、他の用途として、混合物が塗料であれば被塗装物へ向けて混合物を直接噴出させればそのまま塗装装置として使用することができるし、混合物が樹脂であれば樹脂被膜をコーティングする装置として使用することができるなど、さまざまな応用が可能である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る混合装置の実施の形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３２】
まず、本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は混合装置の全体構成を示す図である。図示の通りこの混合装置は、含有する色素ないし顔料がそれぞれ異なる複数の塗料原料を混合して、所望の色調の塗料を調合するための塗料調合装置として構成されている。
【００３３】
原料タンク１０ａは流動体材料としての塗料原液１１ａを貯蔵するための流動体材料タンクであって、密封可能な耐圧容器として構成されていて、塗料の混合を開始するのに先だって所定の開口蓋（図示せず）を開いて内部に適量の塗料原液１１ａを注入してから同開口蓋を密閉しておく。混合装置には、この原料タンク１０ａと同じ構成の原料タンク１０ｂ，１０ｃが備えられていて、それぞれには互いに異なる色調の塗料原液１１ｂ，１１ｃが収容される。
【００３４】
原料タンク１０ａの内部には、同タンクの外部から内部へと同タンクの壁面を貫通するようにして流動体給送管１２ａが取付けられており、同流動体給送管１２ａの末端部が原料タンク１０ａの内部底面付近に達するように配置され、同末端部にはストレーナ１３ａが取付けられている。流動体給送管１２ａの原料タンク１０ａの外部における先端部は、流量調節手段としての電磁可変絞り弁１４ａを介在して分岐管１５の３本の分岐管のうちのひとつの分岐管に結合されている。分岐管１５の他の分岐管には、上述の説明と同様に構成されてなる電磁可変絞り弁１４ｂ，１４ｃを経由して、流動体給送管１２ｂ，１２ｃが取付けられて、それぞれ原料タンク１０ｂ，１０ｃへ至っている。分岐管１５は３本の分岐部をやや太めの内径の１本の管へと合流させて、その先端は詳しくは後述する構成のノズル１６の流動体供給口１６ａに結合される。
【００３５】
ノズル１６の気体供給口１６ｂには気体供給手段としての空気供給管１７が結合されていて、同管におけるノズル１６と反対側には上流側へ向けて順次、空気圧センサ１８，圧力調節弁１９，圧縮空気リザーバ２０が結合されている。
【００３６】
コンプレッサ２１は圧縮空気を発生させるためのもので、その圧縮空気出力は圧力配管２２へと吐出された後、いくつかの結合部を介して圧力配管２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２３へと分岐される。圧力配管２２ａ〜２２ｃはそれぞれ原料タンク１０ａ〜１０ｃの内部の上部空間に圧縮空気を導入するための配管であって、配管の途中には電磁弁２４ａ〜２４ｃが備えられていると共に、原料タンク１０ａ〜１０ｃの上部空間の内部の空気圧力を検出するための空気圧センサ２５ａ〜２５ｃが備えられている。圧力配管２３は圧縮空気リザーバ２０に圧縮空気を導入するための配管であって、配管の途中には電磁弁２６が備えられていると共に、圧縮空気リザーバ２０の内部の空気圧力を検出するための空気圧センサ２５ｄが備えられている。
【００３７】
ノズル１６の先端部分には流動体供給口１６ａに連通している流動体吐出口１６ｃと、同流動体吐出口１６ｃの周囲に形成されている気体噴射口１６ｄとが設けられている。上述の分岐管１５を経由して流動体供給口１６ａに供給された３種類の塗料原料１１ａ〜１１ｃは未だ均一に混合されてはいない混在状態にて流動体吐出口１６ｃから吐出されるが、ノズル１６の前方（図においては下方）には気体噴出口１６ｄから噴出された空気の高速渦流が形成されていて、混在状態で吐出された塗料原料１１ａ〜１１ｃはこの高速渦流によって微粒子状に破砕され、渦流の流れに伴なって互いに均一に混じり合った状態となった噴霧状の混合物２７として製品容器２８へ噴出される。
【００３８】
塗料原料１１ａ〜１１ｃが空気の高速渦流によって混合されてから製品容器２８に至るまでの噴出経路の側方には、白色光源２９ａとカラーＣＣＤセンサ２９ｂとから構成されてなる混合物特性検出手段としての光学センサ２９が配置されていると共に、混合物２７の反対側には外光の影響を遮断するための遮光板２９ｃが配置されており、白色光源２９ａから放出した白色光で噴出経路中の混合物２７を照明し、噴霧状態の混合物２７で反射した光をカラーＣＣＤセンサ２９ｂで撮像して、混合物２７の色調を検出するようにしている。
【００３９】
制御装置３０は、図２に示すように、ＭＰＵ３０ａと、ＭＰＵが実行するプログラムを格納したＥＰ−ＲＯＭ３０ｂと、ＲＡＭ３０ｃと、インターフェースユニット３０ｄと、圧力センサからの信号を受信するためのＡ／Ｄコンバータ３０ｅと、弁の電磁駆動のための駆動ユニット３０ｆとを内蔵していて、これらはバスライン３０ｇを介して相互に接続されている。インターフェースユニット３０ｄの出力ポートにはＣＲＴなどの表示装置３１が接続されており、入力ポートにはキーボードなどの入力装置３２が接続されている。
【００４０】
制御装置３０のＡ／Ｄコンバータ３０ｅの入力には、混合装置の各空気圧センサ、すなわち空気圧センサ１８及び２５ａ〜２５ｄから得られた出力が接続されていて、これらの空気圧センサが検出した空気圧のアナログ値をデジタル値に変換する。そして、デジタル値に変換された空気圧の値はバスライン３０ｇを経由してＭＰＵ３０ａによって読み取られる。
【００４１】
制御装置３０の駆動ユニット３０ｆの出力には、混合装置の各電磁駆動弁、すなわち電磁可変絞り弁１４ａ〜１４ｃと電磁弁２４ａ〜２４ｃ，２６とが接続されていて、駆動ユニット３０ｆはＭＰＵ３０ａからの指令に従ってこれらの電磁駆動のための電流を調節し、ＯＮ／ＯＦＦ切替する。
【００４２】
次に、図３及び図４を参照してノズル１６の構造について説明する。図３（ａ）はノズルの平面図、図３（ｂ）はノズルの断面図、図４はノズルの正面図である。
【００４３】
ノズル１６は、略円筒状の中空のケーシング４１の内部に略円筒状の中子４２を挿入してねじ込んだ構造になっている。ケーシング４１はステンレス鋼や黄銅などの金属材料を機械加工して作製されており、その先端にはノズル１６の中心軸線Ａと中心が一致した横断面が円形である開口孔４３が形成されていて気体噴射口１６ｄの外側輪郭を形成している。ケーシング４１の側面にはノズル１６の中心軸線Ａに対して垂直な軸線を有するようにして気体供給口１６ｂとしての孔４４が穿設されている。この孔４４の内周面には雌ネジ溝が切られていて空気供給管１７である配管４５を螺入して結合できるようになっている。ケーシング４１の内面における基端部には雌ネジ溝４６が形成されていると共に、そのさらに基端方向の部分にはやや内径の大きくなった段差部４７が形成されている。またケーシング４１の先端部における外面には雄ネジ溝４８が形成されていて、ノズル１６を取付けるための固定ナット４９を螺着できるようになっている。
【００４４】
中子４２は、前述のケーシング４１と同一の又は異なる金属材料を機械加工して作製されており、その中心軸線Ａに沿って内部はくり抜かれて中空になっている。また、その外径はケーシング４１の中空の孔にぴったりと嵌入するような寸法になっていて、長手方向の略中央部付近の外径はやや細く形成されて、ケーシング４１の内面との間において円環筒状の空間５０が残されるようになっている。この空間５０は前述のケーシング４１に設けられた孔４４に連通していて、同孔４４を介して圧縮空気などの気体が導入される。中子４２の基端部よりもやや手前の外周には雄ネジ溝５１が切られていて前述の雌ネジ溝４６と螺合して中子４２をケーシング４１の内部に固定する。また同ネジ溝５１よりもさらに基端側の部分はやや大径になっていて、前述の段差部４７との間にてＯ−リングシール５２を挟持して前述の空間５０の気密性を確保している。中子４２の基端部の孔５３の内径には雌ネジ溝が切られていて分岐管１５の先端部の配管５４を螺入して結合する。中子４２の先端部には、基端部の流動体供給口としての孔５４から内部の中空空間を通って連通してなる流動体吐出口としての孔５５が開口していて、その周囲の略円錐形状の膨大部分はスパイラル形成体５６として形成されている。そして、スパイラル形成体５６の先端面とケーシング４１の先端の内面との間には渦流室５７が形成されている。渦流室５７を構成している中子４２の先端端面５８は、前述のケーシング４１の開口孔４３との間にて隙間を有していて、これが気体噴射口１６ｄを構成する。
【００４５】
図４に示すノズル１６の正面図を参照すると、中心に円形の流動体吐出口１６ｃとしての孔５５が配置され、その周囲に環状の気体噴射口１６ｄが配置されている。この気体噴射口１６ｄは、ケーシング４１の内部に配置されてなるスパイラル形成体５６の円錐面に形成された渦巻状に延在する複数本の旋回溝５９に連通している。
【００４６】
気体供給口１６ｄとしての孔４４から供給された圧縮空気などの気体は、空間５０を通過して、スパイラル形成体５６に形成されている断面積の小さい旋回溝５９を通り抜ける際に圧縮されて高速気流となる。この高速気流は渦流室５７の内部で渦状の旋回気流となって、絞られた円環状の気体噴射口１６ｄから噴射されてノズル１６の前方に気体の高速渦流を形成する。この渦流はケーシング４１の先端に近接した前方位置を焦点とするような先細りの円錐形に形成される。
【００４７】
ここで、流動体供給口１６ａとしての孔５３には流動体材料が配管５４を経由して供給されている。孔５３から中子４２の中空部分を通って流動体吐出口１６ｃとしての孔５５から吐出された流動体材料は、気体噴射口１６ｄから噴射された気体の高速渦流によって微粒子に破砕されて、渦流の回転に伴なって強制的に混合されて、均一に混合された微粒子の混合物としてノズル１６の前方へ向けて噴霧状に放出される。なお、図示のように孔５５の内径を中子４２の中ぐり孔の内径よりも若干小径としても流動体材料の目詰りは発生しないが、孔５５の内径は中ぐり孔の内径と同一の径としてもよい。
【００４８】
次に、以上のように構成された本実施の形態の混合装置の使用方法について説明する。
【００４９】
オペレータが塗料の混合を開始するに際しては、表示装置３１に表示されるメニュー画面から調合すべき塗料の種類を選択する。以前に調合したことのある塗料についてはその組成がＥＰ−ＲＯＭ３０ｂに記憶されているので、その製品コードをキーボード３２から入力すると、表示装置３１の画面にはオペレータに対する指令画面が表示されて、各原料タンク１０ａ〜１０ｃに入れるべき塗料原料のコード番号と分量とが指示される。また、新規に調合する塗料については、完成品の色調を特定する情報、例えばＲＧＢ値やＹＭＣ値をキーボード３２から入力すると、ＭＰＵ３０ａはＥＰ−ＲＯＭ３０ｂに記憶されている各種の塗料原料の特性値を参照しつつ演算操作を行なって、各原料タンク１０ａ〜１０ｃに入れるべき塗料原料の種別と分量とを算出して、表示装置３１の画面に表示する。ＭＰＵ３０ａはまた、当該塗料が適正に混合された場合にその色調としてカラーＣＣＤセンサ２９ｂによって検出されると想定される値をＲＡＭ３０ｃに格納しておく。
【００５０】
オペレータは、表示装置３１の指示の通りに、各原料タンク１０ａ〜１０ｃに指定された塗料原料を指定された分量だけ入れて、同タンクの蓋をしっかりと密閉した後、キーボード３２から混合開始を指令する。この指令を受けると、ＭＰＵ３０ａは駆動ユニット３０ｆに指令を発して電磁弁２４ａを開くと共に、空気圧センサ２５ａの出力をＡ／Ｄコンバータ３０ｅを介して監視して、コンプレッサ２１からの圧縮空気が原料タンク１０ａの上部空間に充満して所定の圧力に達するまで待つ（なおこの初期状態においては、混合装置の他の電磁弁は閉鎖されている。）。原料タンク１０ａの空気圧センサ２５ａによって同タンク内部が所定の空気圧にまで昇圧したことが確認されると、ＭＰＵ３０ａは電磁弁２４ａを閉鎖すると共に、コンプレッサ２１から原料タンク１０ｂへと至る電磁弁２４ｂを開いて、原料タンク１０ｂの内部の空気圧を所定の圧力にまで昇圧させる。このときの圧力は原料タンク１０ａの圧力とは異なる場合がある。原料タンク１０ａに収容されている原料と原料タンク１０ｂに収容されている原料とでは粘性が異なったり、調合すべき（つまりタンクから排出すべき）流量が著しく異なったりすることがあるためである。このように、電磁弁２４ａ〜２４ｃを順次開いて原料タンク１０ａ〜１０ｃの内部圧力を所定の圧力に昇圧させてから、更に、電磁弁２６を開いて圧縮空気リザーバ２０の内部圧力を所定の圧力に昇圧させれば、混合開始の条件が整ったことになる。
【００５１】
混合開始の条件が整った旨をＭＰＵ３０ａが判断すると、ＭＰＵ３０ａは圧力調節弁１９を開く。すると、ノズル１６の気体供給口１６ｂへ圧縮空気リザーバ２０から圧縮空気が供給されて、ノズル１６の先端の気体噴射口１６ｄから空気の高速渦流が噴射されるようになる。次に、ＭＰＵ３０ａは電磁可変絞り弁１４ａ〜１４ｃを所定の開度になるように開く。すると、原料タンク１０ａ〜１０ｃに貯蔵されている塗料原液１１ａ〜１１ｃは、３つの電磁可変絞り弁１４ａ〜１４ｃの開度に応じた混合比率にて、流動体給送管１２ａ〜１２ｃから分岐管１５を経てノズル１６の流動体供給口１６ａに供給されて、ノズル１６の先端の流動体吐出口１６ｃから混在状態にて吐出される。そして、ノズル１６の前方へ吐出された塗料原液１１ａ〜１１ｃは、同じくノズル１６の前方に形成されている空気の高速渦流によって微粒子に破砕され、渦流の流れに伴なって互いに完全に混じり合って、均一な混合物２７となって製品容器２８へ放出される。
【００５２】
上述のような混合動作が開始すると、ＭＰＵ３０ａはカラーＣＣＤセンサ２９ｂからの出力をＡ／Ｄコンバータ３０ｅを介して監視する。カラーＣＣＤセンサ２９ｂからはノズル１６の前方の噴霧状の混合物２７の色調がＲＧＢの値として得られている。この検出されたＲＧＢ値と先ほどＲＡＭ３０ｃに格納しておいたＲＧＢ値とをＭＰＵ３０ａは比較して、その誤差がゼロになるように、電磁可変絞り弁１４ａ〜１４ｃを自動制御する。この制御ループはＲＯＭ３０ｂに格納されているＭＰＵ３０ａが実行すべきプログラムによってソフトウェア的に実現されており、そのフィードバックループ中にはＰＩＤの各制御要素が含まれていて、例えば分岐管１５が構成する時間遅れ要素に適切に対処する。
【００５３】
塗料の混合が進行するにつれて、原料タンク１０ａ〜１０ｃの内部の塗料原液１１ａ〜１１ｃの液面高さが低くなっていき、それだけ、原料タンク１０ａ〜１０ｃの内部の上部の空間の体積が増加し、この部分の空気圧力が低下する。この圧力変化は空気圧センサ２５ａ〜２５ｃによって検出されて、これを知ったＭＰＵ３０ａは電磁弁２４ａ〜２４ｃを適当な時間だけ開状態に切換えて、原料タンク１０ａ〜１０ｃの内部の空気圧を所定の適正値に維持する。同様に、圧縮空気リザーバ２０の内部の圧縮空気の圧力も電磁弁２５ｄを制御して所定の適正値に維持される。
【００５４】
以上の操作によって、オペレータが指示した通りの色調の混合塗料が製品容器２８に得られることになる。製品容器２８に収容されている混合塗料はノズル１６から噴霧状の混合物２７として放出された段階において、すでに完全に均一に撹拌されているから、さらに撹拌したりする必要はない。また、次工程において他の色調の塗料の調合を行なう前に、ノズル１６を洗浄する必要があるが、ノズル１６は構造的に簡素になっていると共にそのサイズも小型であるから、例えば超音波式洗浄槽に投入して短時間で完全に清浄に洗浄できて手間暇がかからない。原料タンク１０ａ〜１０ｃや流動体給送管１２ａ〜１２ｃ，電磁可変絞り弁１４ａ〜１４ｃについては別の種類の塗料原液１１ａ〜１１ｃを貯蔵する場合には洗浄する必要があるが、塗料原液の種類の数がそれほど多くない場合には、各塗料原液専用に使用することで、洗浄する必要がなくなる。
【００５５】
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態の混合装置について説明する。この実施の形態の混合装置は果汁を含有した炭酸飲料を調合する装置として構成されており、原料タンク１０ａ〜１０ｃにはそれぞれ、濃縮果汁と、清水と、ビタミンＣ水溶液とが貯蔵される。
【００５６】
ノズル１６の気体噴射口１６ｄから噴出される気体は、前記した実施の形態では圧縮空気であったが、本実施の形態においてはガスボンベ３３から供給される二酸化炭素ガスになっている。原料タンク１０ａに貯蔵されている粘性の高い濃縮果汁１１ａはノズル１６の流動体吐出口１６ｃから所定の割合の清水１１ｂ及びビタミンＣ水溶液１１ｃと共に吐出され、二酸化炭素ガスの高速渦流によって破砕され微粒子となって、互いに均一に混合される。しかもこれと同時に、微粒子化した混合物２７には二酸化炭素ガスが溶け込んで、混合物２７は炭酸飲料となって得られる。
【００５７】
本実施の形態では、混合物２７はノズル１６の下方に配置されている受け手段としてのトレイ３４で受けられる。トレイ３４の上面の混合物２７の噴霧を受ける箇所には混合物特性検出手段としてのｐＨセンサ３５と糖度センサ３６とが配置されている。ｐＨセンサ３５は混合物２７中における二酸化炭素の濃度を検出するために使用され、糖度センサ３６は混合物２７中における濃縮果汁の濃度を検出するために使用される。制御装置３０は図２に示したものと同様の構成であり、ｐＨセンサ３５と糖度センサ３６との検出結果を監視して常に一定の混合物２７が得られるように制御する。従って、常に一定の果汁濃度（甘味）と炭酸含有濃度の混合物２７が生産される。得られた混合物２７はトレイ３４の排出口３４ａから流出して小さなボトル３７に詰められて飲料物として出荷される。
【００５８】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば香水や乳液などの化粧品の混合や油製品の調合（例えばＡ重油とＣ重油との混合）など様々な混合用途に採用することができる。
【００５９】
また、上述の第１の実施の形態における光学センサを赤外線センサとして構成して、混合物の赤外線吸収率を検出するようにすれば、混合物に含有されている糖度を知るようなこともできる。
【００６０】
また、上述の実施の形態にかかる混合物特性検出手段として、以下に示す気体成分センサを採用することもできる。ここでの気体成分センサには例えばアルコールセンサや一酸化炭素ガスや有機溶媒のガスを検出するセンサなどを含むほか、近年開発が進んでいる臭気センサなどを含む。この場合には、例えば香水等のような混合物たる商品の主要な又は重要な属性が揮発成分である場合に、現に噴出されている混合物に含まれる揮発成分を臭いセンサで検出することで、所望の正しい香りの香水が調合されているか否かを知ることができると共に、気体成分センサの検出結果に応じて制御手段が配合比率を正しくするように調節できる。
【００６１】
また、上述の実施の形態にかかる混合物特性検出手段として、以下に示す液体中の特定の成分を検出する液中成分センサを採用することもできる。ここでの液中成分センサには、簡易なものとしては例えば塩分濃度センサや糖度センサ，うまみ成分センサなどのような混合物たる液体に浸すことで所定の単一の成分を検出できるセンサを含むほか、複雑なものとしてはクロマトグラフィー分析装置のような多成分検出手段までも含まれる。この場合には、例えば飲食物等のような混合物たる商品の主要な又は重要な属性が味覚である場合に、現に噴出されている混合物に含まれる味覚成分を塩分濃度センサや糖度センサなどで検出することで、所望の正しい味の飲食物が調合されているか否かを知ることができると共に、液中成分センサの検出結果に応じて制御手段が配合比率を正しくするように調節できる。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、従来技術において複数の流動体材料を混合するために使用されていた撹拌羽根付の混合タンクや調合タンクなどを備える必要なくして均一な混合物を得ることができる。
【００６３】
また、請求項２記載の発明によれば、混合物特性検出手段として光学センサを使用して得られた混合物の特性を検出するようにしたので、例えばペンキ塗料等のような混合物たる商品の主要な又は重要な属性が色彩である場合に、現に噴出されている混合物に白色光を照射してその反射光をカラーＣＣＤで検出することで、所望の正しい色調の混合ペンキが得られているか否かを知ることができると共に、光学センサの検出結果に応じて制御手段が配合比率を正しくするように調節できる。
【００６４】
また、請求項３記載の発明によれば、混合物特性検出手段として気体成分センサを使用して得られた混合物の特性を検出するようにしたので、例えば香水等のような混合物たる商品の主要な又は重要な属性が揮発成分である場合に、現に噴出されている混合物に含まれる揮発成分を臭いセンサで検出することで、所望の正しい香りの香水が調合されているか否かを知ることができると共に、気体成分センサの検出結果に応じて制御手段が配合比率を正しくするように調節できる。
【００６５】
また、請求項４記載の発明によれば、混合物特性検出手段として液中成分センサを使用して得られた混合物の特性を検出するようにしたので、例えば飲食物等のような混合物たる商品の主要な又は重要な属性が味覚である場合に、現に噴出されている混合物に含まれる味覚成分を塩分濃度センサや糖度センサなどで検出することで、所望の正しい味の飲食物が調合されているか否かを知ることができると共に、液中成分センサの検出結果に応じて制御手段が配合比率を正しくするように調節できる。
【００６６】
また、請求項５記載の発明によれば、ノズルから噴出された直後の混合物について、その特性を検出するように混合物特性検出手段を配置するようにしたので、同手段による検出結果に応じて迅速に流量調節手段を制御することが可能になって、制御の応答速度を向上させることができる。
【００６７】
また、請求項６記載の発明によれば、噴出された混合物を受ける受け手段に混合物特性検出手段を配置することとしたので、複数の混合物特性検出手段を設置して混合物の諸特性を検出しようとする場合に、同検出手段の配置の自由度が広がる。
【００６８】
また、請求項７記載の発明によれば、複数の流動体材料を所定の一定の比率で混合してなる混合物を得るに際して、混合物特性検出手段で検出した混合物の特性をフィードバックして流量調節手段を制御するようにしたので、例えば周辺温度の変化によっていずれかの原料の流動体の粘性が変化して混合比率が変動したような場合であっても、これを打消すように流量調節手段が制御されて、常に所望の特性を有する混合物を安定的に混合して得ることができる。
【００６９】
また、請求項８記載の発明によれば、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御によるクローズドループ制御によって、時間遅れ要素の影響を排除して制御系の安定度を向上させて、得られる混合物の品質をさらに安定させることができる。
【００７０】
また、請求項９記載の発明によれば、例えば混合装置で香料を混合製造する場合には、香料成分が段々と変化していくような多数の種類の香水などを連続的に調合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による混合装置を示す全体構成図である。
【図２】図１の実施の形態の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の実施の形態のノズルを示す（ａ）平面図及び（ｂ）断面図である。
【図４】図１の実施の形態のノズルを示す正面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態による混合装置を示す全体構成図である。
【符号の説明】
１０ａ〜１０ｃ…原料タンク（流動体材料タンク）、１１ａ〜１１ｃ…塗料原液（流動体材料）、１４ａ〜１４ｃ…電磁可変絞り弁（流量調節手段）、１６…ノズル、１８…空気圧センサ、１９…圧力調節弁、２０…圧縮空気リザーバ、２１…コンプレッサ、２４ａ〜２４ｃ…電磁弁、２５ａ〜２５ｄ…空気圧センサ、２６…電磁弁、２７…混合物、２９…光学センサ（混合物特性検出手段）、３０…制御装置（制御手段）、３１…表示装置、３２…入力装置、３５…ｐＨセンサ、３６…糖度センサ、４１…ケーシング、４２…中子、４３…開口孔（気体噴射口）、４４…孔（気体供給口）、４５…配管（空気供給管）、５３…孔（流動体供給口）、５５…孔（流動体吐出口）、５６…スパイラル形成体、５７…渦流室、５９…旋回溝。

Claims (9)

  1. 配管中において同配管内の上流側と下流側との圧力差によって同配管中を給送される程度の流動的特性を備えてなる複数の流動体材料を互いに混合させる混合装置であって、
    開口孔を有するケーシングと、該ケーシングの内部に固定された中子とで構成されたノズルであって、前記中子の先端中心に形成され、前記流動体材料を吐出する流動体吐出口と、前記中子の基端中心に形成され、かつ、該流動体吐出口へ前記流動体材料を供給すべく前記流動体吐出口に連通した流動体供給口と、前記中子の先端端面と前記開口孔との間の隙間で構成され、前記流動体吐出口の前方に気体の高速渦流を形成すべく前記流動体吐出口の周囲に形成されてなる気体噴射口と、前記ケーシングの側面に形成され、かつ、該気体噴射口へ前記気体を供給すべく、前記ケーシングの内面と前記中子との間の空間を介して前記気体噴射口に連通されてなる気体供給口とを有するノズルと、
    前記複数の流動体材料の各々を前記ノズルの前記流動体供給口へ供給するための流動体供給手段であって、前記複数の流動体材料の相対的な供給流量を調節可能に構成された流量調節手段を備えてなる前記流動体供給手段と、
    前記ノズルの前記気体供給口へ前記気体を供給するための気体供給手段と、
    前記ノズルの前記流動体吐出口から混在状態にて吐出され、前記気体の高速渦流によって破砕されて均一な混合状態となって噴出された混合物の特性を検出する混合物特性検出手段と、
    前記混合物特性検出手段による検出結果に応じて前記流量調節手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする混合装置。
  2. 前記混合物特性検出手段は、光学センサから構成されることを特徴とする請求項１記載の混合装置。
  3. 前記混合物特性検出手段は、特定の気体を検出する気体成分センサから構成されることを特徴とする請求項１記載の混合装置。
  4. 前記混合物特性検出手段は、液体中の特定の成分を検出する液中成分センサから構成されることを特徴とする請求項１記載の混合装置。
  5. 前記混合物特性検出手段は、前記ノズルの前方の噴出経路中に存在している前記混合物の特性を検出するように配置されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の混合装置。
  6. 前記混合物特性検出手段は、前記ノズルの前方に配置されて前記噴出された混合物を受ける受け面を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の混合装置。
  7. 前記制御手段は、前記混合物特性検出手段で検出した前記混合物の特性が所定の設定値と一致するように前記流量調節手段を制御することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の混合装置。
  8. 前記制御手段は、前記混合物特性検出手段で検出した前記混合物の特性に対してＰＩ制御又はＰＩＤ制御を行なって前記流量調節手段を制御することを特徴とする請求項７記載の混合装置。
  9. 前記制御手段は、噴出工程の進行に従って噴出すべき前記混合物の特性を変化させるべく該変化のパターンを出力するパターン出力手段を更に備え、前記制御手段は、前記混合物特性検出手段で検出した前記混合物の特性が前記パターン出力手段の出力値に追従するように前記流量調節手段を制御することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の混合装置。
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