JP4610827B2 - 液体を計量する装置および方法 - Google Patents

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Description

【0001】
(技術分野)
本発明は、液体を計量する装置および方法に関し、特に、ニスおよび塗料の調製のために液体着色剤を計量する染料計量装置に関する。
【0002】
(背景技術)
この説明で使用される用語「液体」は、粘性または非粘性の流体、分散剤(dispersions)および流体懸濁液(fluid suspensions)を含むものとする。
【0003】
ニスや塗料のための染料を計量する機械の分野においては、ピストンを有する半自動または自動の機械が広く知られ、かつ、使用されている。ピストンを有する機械は、計量される各着色剤のために、所望の計量された量の放出を生じさせるように作動する滑動ピストンを有するシリンダに連通した貯蔵器(reservoir)を備えている。手動操作の機械は、比較的低コストのために最も広く使用されているが、体積計量の正確性について大きな問題がある。自動ピストン機では、各シリンダのピストンがそれぞれのステッパーモータによって作動するが、これは生産コストおよびメンテナンスコストの両方を増加させることになる。
【0004】
それぞれのモータによって駆動されるギヤ式体積測定ポンプと各貯蔵器のための液体放出用ソレノイドバルブとを使って、貯蔵器に液体を再循環できるようにした自動染料計量機もまた知られている。この機械の主な問題は、生産およびメンテナンスのコストが高くなるとともに、計量可能な液体に制限があることである。ギヤ式ポンプは、実際には、きらめく物質(または雲母物質)(micaceous substances)を含む染料の計量に適しておらず、したがって自動車または「自動車再仕上げ(car refinishing)」の分野では使用できない。
【0005】
自動機の分野では、計量される液体が集液容器に連続的に供給される連続運転(sequential operation)の機械、および、所望の混合物を作製するための液体が集液容器に同時に供給される同時運転(simultaneous operation)の機械がある。
【0006】
一般に、自動機においては、生産コストの大部分は、コンピュータ制御の遮断装置によって制御される一定流量で液体を供給貯蔵器から集液容器へ移送する必要性から生じるものである。そのために、ステッパーモータ、エンコーダ、目盛り付きピストン、ギヤ式ポンプ、空気式ポンプなどの高価な構成部品が使用されている。コストを低減するために、現在使用されている装置は、装備されるすべての計量回路(metering circuits)のための集中制御装置を有するが、計量される製品は非常に多様な特性を有していてそれぞれ専用の流量制御装置および圧力装置を必要とする場合が多い。特に、現在市場で入手可能であってギヤ式ポンプを使用する装置は、流量や流体の移動を制御する部分について非常に高いメンテナンスコストおよびスペア部品コストがかかる。この装置はまた、着色製品では極めて重要な少量の調剤における正確性が結果として失われることとなる装置の磨耗および回路からの漏れのために、頻繁な較正を必要とする。さらに、一定流量を達成するためにこの機械に使用される装置は、(常にあるわけでなく、特に、発展途上国にはない)適度な電流の変動を必要とし、この場合には最終ユーザのさらなるコスト増加となるUPS装置の追加を必要とすることになる。
【0007】
現在利用可能であって空気にさらされた製品貯蔵器を慨して有するすべての装置におけるさらに知られた問題は、液面が次第に下がっていくときの貯蔵器壁面に沿っての液体の乾燥と、液体の媒体(vehicles)の蒸発である。製品の流動性の大きな変化を生じさせるとともに(染料の場合には)その染色力が変化することから着色再現性に有害な影響があるため、これら2つの要因は、回路の精度を落とすことになる液体内に含まれる硬い粒子を除去するためのフィルタまたは他の装置を定期的にメンテナンスすることを必要とする。上述したように、ギヤ式ポンプを用いた装置の別の制限は、ポンプによってすり潰されることで所望の最終結果とは異なってしまうために、真珠状または雲母状の製品を計量することができないことである。
【0008】
(発明の開示)
(発明が解決しようとする技術的課題)
本発明の目的は、上述した問題を解消するとともに生産コストおよびメンテナンスコストが安価な液体計量装置を提供することにある。
【0009】
(その解決方法)
上記目的を達成するため、本発明の主題は、ニスおよび塗料の調製のために液体着色剤を計量する染料計量装置であって、
計量される液体のためのシリンダであって、内部の液体の液面に接触すると共に、シリンダの壁と接触しつつシール状態を保ってスライド可能な可動ピストン部材を有し、計量される前記液体の補充貯蔵器につながっているシリンダと、
前記可動ピストン部材に一定力を作用させて前記シリンダ内を所定圧力に保つ圧力手段と、
前記シリンダから集液容器に液体を移送する手段であって、前記シリンダから液体を引き込むための前記シリンダに連通する入口開口部と、前記集液容器に液体を放出するためにノズルに設けた放出開口部とを有し、前記入口開口部(16)が前記可動ピストン部材に固定される一方、前記放出開口部を設けた前記ノズル(20)は前記可動ピストン部材にしっかりと連結されることにより、放出流量を一定に保つために、前記シリンダ内の液面高さに応じて移動可能であるとともに、前記シリンダ内の液体の液面高さが変化しても前記入口開口部より上の液体の静水頭Hと、前記入口開口部と前記ノズルの放出開口部との間の高度差Hとを一定に保つようになっている、移送手段と、
前記移送手段内の液体の流れを制御するために前記移送手段につながったバルブ手段と、
を有する計量機を各液体のためにそれぞれ備え、
各計量機において前記シリンダと前記補充貯蔵器とで構成された貯蔵器にそれぞれ収容される異なる液体を、前記集液容器にそれぞれ放出して計量する、
ことを特徴とするものである。
【0010】
好適な実施形態では、シリンダから集液容器に液体を移送する手段は、液体の引き込みのためにシリンダに連通するとともにピストンに固定された入口開口部と、集液容器に液体を放出するためのノズルとを備えている。前記ノズルは、可動ピストンにしっかりと連結され、これにより入口開口部より上の液体の静水頭、および、入口開口部と放出開口部との間の高度差が、シリンダ内の液面高さが変化しても一定に保たれる。
【0011】
本発明によれば、シリンダは大気圧または所定圧力下で作動することができる。大きな流れ抵抗を与えない非粘性液体について特に用いることができる大気圧の場合、ピストン部材は、液体に浮いていて、かつ、シリンダ内の液体の液面が下がるにつれて下降移動可能なプレートにより構成されてもよい。とりわけ、この実施形態においては、引き込みチューブは引き込み開口部を液体中に浸した状態で前記浮いたプレートにしっかりと連結されており、これにより引き込み位置は大気と接触している液体の液面から一定距離に維持される。この場合、本発明の定義において言及される圧力手段は、一定力の適用例である大気圧である。流れは、吸い込みか、または、移送ダクト内に一部真空状態をつくることによって開始される。
【0012】
加圧する場合には、ピストン部材はシリンダの壁と接触しつつシール状態を保ってスライド可能であり、これによりシリンダは密封されるとともに一定圧力を作用させる手段によって所定圧力下に保持される。とりわけ、この手段は、ピストンの表面に載せられたおもり、あるいは、例えば一定圧力または吸い込み力を保証するステッパーモータまたは減圧供給源などの機械式または空気式の装置のような一定力を作用させ得る他の手段からなる。このように、用語「圧力手段」は、大気圧より低い圧力を作用させる手段をも含むものとする。
【0013】
また、好適な実施形態において加圧する場合にも、移送手段は、ピストンに固定されて液体中に浸された引き込みチューブからなり、これにより引き込み位置が液面から一定距離に維持される。この実施形態でも、流れは、吸い込み効果によって開始可能であり、または、圧力を作用させることによって直接的に流させてもよいし、または、これら2つの組み合わせによって流れを開始してもよい。
【0014】
引き込み位置とノズルの放出位置との間の高度差を液面高さの変化にかかわらず一定に保つために、移送手段は、硬いサイフォンで構成されてもよいし、または、フレキシブルチューブと、ピストンを放出ノズルに連結するための補助堅固連結手段とを備えていてもよい。この実施形態については、添付図面を参照して詳細に後述されている。
【0015】
移送ダクトの液体入口および引き込みの開口部が、ピストンにしっかりと連結されたものでなく、シリンダの所定位置にあって例えばシリンダの底部または側部に形成した孔で構成される実施形態もまた、本発明の範囲内に入る。この場合、引き込み位置より上の液体の静水頭はシリンダ内の液体の液面高さが変わるにつれて変化する。したがって、この場合には、一定放出量を達成するために、放出ノズルを垂直移動させる手段が設けられ、これにより(この場合は不動の)引き込み位置と放出位置との間の幾何学的高度差は、貯蔵器内の液体の液面高さが変化しても引き込み位置より上の液体の静水頭と釣り合った状態に保持される。上述した実施形態は、引き込み位置より上の液体の柱の圧力を一定に決めるとともに引き込み位置より上の液体の静水頭の変化に応じて放出ノズルを垂直移動させる制御操作装置を使用することも含む。
【0016】
本発明にかかる装置および方法のさらなる利点と特徴は、非制限的例示として与えられる添付図面を参照して詳細に説明された以下の記述から明らかになるであろう。
【0017】
(発明を実施するための最良の形態)
本発明の装置は、液体の同時または連続計量のために構成されてもよい。特に、本装置は、ニスまたは塗料の基剤に入れる着色剤を計量する染料計量機によって構成される。しかしながら、本装置は、一般に、例えば食品、化粧品、薬品および化学品等を計量するなど、液体の体積測定を必要とするすべての用途において使用可能である。
【0018】
図1の実施形態を参照すると、この装置は、測定される液体Lを収容する補充貯蔵器6に例えば隔壁型の一方向バルブ4を介して連通するシリンダ2を、測定される各液体のために備えている。
【0019】
この説明で使用される用語「シリンダ」はいかなる形状の容器を含むものとし、円筒状容器であることが好ましいが、例えば三角や四角など他のいかなる形状のものが用いられてもよい。
【0020】
シリンダ2に係合するピストン8は、シリンダの壁10と接触した状態でスライド可能になっている。ピストン8は、垂直移動する際にシリンダの壁10上をシール状態を保持しつつ移動可能であることが好ましく、これにより液体は後述するように所定の引き込み位置を介してのみシリンダから出ることができる。
【0021】
ピストン8は、その自重によって、または、ピストンの上面に載せたおもり12によって、または、一定力を作用させることができる他の機構によって、一定の力でもって液体の上面に接触した状態に保持される。
【0022】
引き込みダクト14は、ピストン8にしっかりと連結されており、液体に浸かるとともに引き込み開口部16で終わっている末端部を有する。これにより、Hで示される引き込み位置より上の液体の静水頭は、シリンダ内の液体の液面高さの変化にかかわらず一定に保たれる。放出開口部を有するノズル20で終わっている硬いサイホン状ダクト18は、引き込みダクト14に連結されている。引き込み位置16と放出位置20との間の幾何学的高度差Hもまた、シリンダ内の液体の液面高さの変化にかかわらず一定に保たれる。
【0023】
ノズル20は、大気圧の下で、あるいは、一定圧力の環境下で集液容器C(図4参照)内に液体を放出する。
【0024】
液体の流れを止めるための符号22の手段は、移送ダクトにつながっており、例えばソレノイドバルブ、気圧バルブ、または、液体の流れを絞ったり制御したりする手動または電子制御の他の機構によって構成される。
【0025】
好適な実施形態では、バルブ手段22の開閉は、例えばパソコンなどの制御操作手段によって制御される。制御操作手段は、オペレータが計量される液体の量を設定できるとともに、オペレータによって要求および設定される測定量に応じてバルブ手段22を開閉させることができる。
【0026】
シリンダ2は、液体が均質に測定されるようにするために、例えば磁気攪拌装置(図4参照)で構成される混合手段52を備えるのが好ましい。
【0027】
装置が作動するとき、まず、測定される液体は補充貯蔵器6内に入れられる。この補充貯蔵器6は、例えば、染料生産者から供給され、かつ、必要に応じて測定される液体を簡単に変えることができるタイプの折りたたみバッグで構成されてもよい。最初に、補充貯蔵器6または折りたたみバッグからの液体は、連通する容器の原理に基づいて、一方向隔壁バルブを通過してシリンダ内に引き込まれる。補充貯蔵器6からシリンダ2への流れを生じさせるために、ピストン8を垂直上方移動させる駆動手段24が設けられてもよい。シリンダ2内に導かれた液体は、空気に触れることがなく、それ故にシリンダの壁上での乾燥や巡回路を詰まらせることになる膜および固形物の形成が発生することはない。したがって、メンテナンス作業の頻度が実質的に減少し、このことは公知の装置に比べて明らかな利点である。一般に、移送ダクトの最上部には、シリンダに液体を最初に入れるときにシリンダから空気を抜くためのベントバルブまたは開口(tap)がある。空気は、補充貯蔵器から引き込まれるときにベントまたはバルブから排出される。隔壁バルブ4は、液体がシリンダ内に一旦引き込まれると、ピストンにより作用する圧力のために液体が補充貯蔵器に戻るのを防止する機能を有する。このバルブは、シリンダが圧力状態にあるときに閉じ、ピストンが上がるときに開く。空気の侵入を防止するために、補充貯蔵器の底部においては液体が所定の液面高さに常時維持される。
【0028】
シリンダ2から集液容器への液体の放出は、バルブ手段22の開放によって行われる。ソレノイドバルブ22が開くと、流体はノズル20から大気圧または一定圧力の環境へと放出される。ソレノイドバルブ22が閉じると、ピストン部材は不動状態を維持する。シリンダ内の液体は、バルブ4が閉じているので、補充貯蔵器に戻ることができない。そのとき、シリンダ内の圧力は補充貯蔵器内の圧力よりも大きくなっている。手動操作の場合には、バルブ4は簡単な開閉口(open/shut tap)で構成されてもよい。
【0029】
放出流量を制御するために、所望の毎分の流量が理論的に計算される。そして、おもり12または他の均等な機構によって発生する一定圧力の値は、流される製品の特性に応じて経験的に決定される。バルブ手段の開放時間および閉鎖時間は、所定時間についての流量を測定して放出量に応じて開放時間を訂正する較正(calibration)ソフトウェアおよび千番目のバランス(thousandths balance)によって決定される。本発明の計量装置では、n種類の液体を計量するためにn個の独立した計量放出回路が設けられており、各独立回路ごとに較正が行われて較正曲線が得られる。バルブ手段の開閉は、最終オペレータが選択を指示するコンピュータから放出量を受信するPLCまたは均等な処理装置によって制御される。本発明の装置は、ユーザが望めば所定の成分(components)が同時または連続的に送られ得るように、各回路をそれぞれ完全に独立させることができることに注目すべきである。当然に、一旦較正されると、回路はバランス(balance)なしでも正しく作動する。
【0030】
計量される製品は、一般に、異なる粘性および仕様を有するので、各計量回路が独立した本発明の装置は、均一で乱れのない流れを実現するために、所望の流量および圧力手段で及ぼされる必要な圧力の両方の較正を可能にする。このことは、成分の磨耗(wear)を生じさせやすいキャビテーションの問題を回避しつつ達成され、異なる流量がそれぞれ独立した製品および回路ごとに選択される。
【0031】
図2ないし5の実施形態では、図1と同じ部材は同じ符号で示される。図2の実施形態は、液体をシリンダ2から集液容器に移送するダクトが図1に示すようにピストン8にしっかりと連結された引き込みダクト14に接続されるフレキシブルチューブ26からなる点で、図1の実施形態とは実質的に異なる。図1ではバルブ手段22がサイフォン18に連結されて全体の装置とともに移動するのに対し、バルブ手段22は固定されていてフレキシブルチューブ26,28によってノズル20に接続されている。この実施形態では、ブラケット30のような補助堅固連結手段が設けられていてピストン8をノズル20に連結しており、これにより引き込み位置16と可動放出ノズル20との間の幾何学的高度差はこの実施形態においても一定に保たれている。
【0032】
図3の実施形態では、液体をシリンダ2から集液容器に移送する手段は、液体中に浸されたフレキシブルチューブ32からなる。フレキシブルチューブ32は、液体中に浸された硬い接続部材34によってピストン8にしっかりと連結され、ピストン8から一定垂直距離にある入口開口部16を有している。ノズル20は、図2に示すのと同様に、硬い連結部材30によってピストンにしっかりと連結されている。
【0033】
図4の実施形態は、液体移送手段が硬いサイフォン18で構成される図1の実施形態とほぼ対応する。この実施形態では、ピストン部材は、シリンダの壁10と係合してシール手段42でシール状態を保ちながらスライド可能な側壁40と、おもり12によって液体に圧力を作用させ得る端部壁44とを有するスライド可能なシリンダ状カバーからなる。
【0034】
図5の全体図は、補助貯蔵器または折りたたみバッグが連結されたシリンダ2をそれぞれ備える複数の放出回路を含む1つ以上のハウジング46a,46bを有する支持構造44を備えた染料計量装置または同様の計量装置の実施形態を示す。各シリンダは、バルブ手段22がつなげられ、かつ、それぞれのノズル20で終わっている移送ダクトに連結されている。PLCユニット、パソコン、または他の均等な処理装置は、符号48で示されており、表示スクリーン50を有している。この装置は、オペレータによって設定されるパラメータに従ってバルブ手段22の開閉を制御する。
【0035】
上述したように、各ノズルはそれぞれ独立して移動可能であるが、それらの移動は同時または連続的であってもよいことは明らかである。本発明の装置によれば、設計段階で液体に作用する圧力を変えることによって、非常に少量であっても最適な計量作業を実現することができる。バルブ手段の反応時間に対する流量のバランスは、このようにして達成される。最小量は、液体のタイプ、圧力損失、および達成される結果に応じて出力割合を較正することにより計算可能であり、すなわちこれは使用されるバルブまたは閉鎖装置の最小作動時間に関する毎秒当たりの流量に相当する。本発明の装置のさらなる利点は、せん断動作(shearing action)を行い得る機構がなくても、雲母状顔料を含む着色剤またはニスを正確に計量できる点である。したがって、この装置は、自動車塗装修理(自動車再仕上げ)の分野において特に好都合である。
【0036】
本発明の別の主題は、液体の計量方法、特に、計量される液体用のシリンダを使用して着色剤を計量する方法であって、前記シリンダは液体の液面に接触する可動ピストン部材を有し、液体を移送する手段はシリンダから液体を引き込むための入口開口部と放出開口部とを有し、前記ピストンに一定力を作用させる圧力手段によって及ぼされる圧力が前記入口開口部から前記放出開口部への液体の流れを生じさせる方法において、液体放出の際に引き込み位置と放出位置との間の幾何学的高度差は、前記シリンダ内の液体の液面高さが変化しても前記引き込み位置より上の液体の静水頭と釣り合った状態で保持されることを特徴とするものである。
【0037】
上述した方法の特定の場合として、本発明の方法は、入口開口部より上の液体の静水頭と、入口開口部と放出開口部との間の高度差とが、前記シリンダ内の液体の液面高さが変化しても一定に保たれる状況を提供することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかる計量装置の実施形態の部分断面概略図である。
【図2】 本発明にかかる計量装置の実施形態の部分断面概略図である。
【図3】 本発明にかかる計量装置の実施形態の部分断面概略図である。
【図4】 本発明にかかる計量装置の実施形態の部分断面概略図である。
【図5】 計量装置、特に染料計量装置を全体的に示す部分断面概略図である。
【符号の説明】
2…シリンダ、4…一方向バルブ、6…補充貯蔵器、8…ピストン、10…シリンダの壁、12…おもり、14…引き込みダクト、16…引き込み開口部または引き込み位置、18…サイフォン状ダクト、20…ノズルまたは放出位置。

Claims (11)

  1. ニスおよび塗料の調製のために液体着色剤を計量する染料計量装置であって、
    計量される液体のためのシリンダ(2)であって、内部の液体の液面に接触すると共に、シリンダの壁と接触しつつシール状態を保ってスライド可能な可動ピストン部材(8)を有し、計量される前記液体の補充貯蔵器(6)につながっているシリンダと、
    前記可動ピストン部材(8)に一定力を作用させて前記シリンダ内を所定圧力に保つ圧力手段(12)と、
    前記シリンダ(2)から集液容器に液体を移送する手段(14,16,18,20)であって、前記シリンダから液体を引き込むための前記シリンダに連通する入口開口部(16)と、前記集液容器に液体を放出するためにノズル(20)に設けた放出開口部とを有し、前記入口開口部(16)が前記可動ピストン部材に固定される一方、前記放出開口部を設けた前記ノズル(20)は前記可動ピストン部材にしっかりと連結されることにより、放出流量を一定に保つために、前記シリンダ(2)内の液面高さに応じて移動可能であるとともに、前記シリンダ内の液体の液面高さが変化しても前記入口開口部(16)より上の液体の静水頭Hと、前記入口開口部(16)と前記ノズル(20)の放出開口部との間の高度差Hとを一定に保つようになっている、移送手段と、
    前記移送手段内の液体の流れを制御するために前記移送手段につながったバルブ手段と、
    を有する計量機を各液体のためにそれぞれ備え、
    各計量機において前記シリンダ(2)と前記補充貯蔵器(6)とで構成された貯蔵器(2,6)にそれぞれ収容される異なる液体を、前記集液容器にそれぞれ放出して計量する、ことを特徴とする染料計量装置。
  2. 前記移送手段は、前記シリンダに連通して前記可動ピストン部材(8)に固定されるとともに、前記入口開口部で終わっている引き込みアーム(14)を有する硬いサイフォン状ダクト(18)を備えていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  3. 前記移送手段は、前記可動ピストン部材(8)を前記放出開口部(20)に連結するための補助堅固連結手段(30)とフレキシブルダクト(26,28)とを備えていることを特徴とする請求項に記載の装置。
  4. 前記可動ピストン部材(8)は前記シリンダの壁(10)に沿ってシール状態を保ちながら垂直に移動可能であることを特徴とする請求項1からのいずれかの請求項に記載の装置。
  5. 前記一定力を作用させる圧力手段は、おもり(12)または一定力を作用させることができる機械的装置からなることを特徴とする請求項に記載の装置。
  6. 前記可動ピストン部材(8)は、前記シリンダ(2)内に収容された液体に浮いているプレートからなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  7. 前記補充貯蔵器(6)は、一方向バルブ手段(4)を介して前記シリンダに連通していることを特徴とする請求項1からのいずれかの請求項に記載の装置。
  8. 前記補充貯蔵器(6)は折りたたみバッグで構成されることを特徴とする請求項1からのいずれかの請求項に記載の装置。
  9. 計量される液体の計量のためのパラメータに応じて前記バルブ手段(22)を開閉させる制御操作装置(48)をさらに備えており、前記パラメータはオペレータにより設定されることを特徴とする請求項1から8のいずれかの請求項に記載の装置。
  10. ニスおよび塗料の調製のために液体着色剤を計量する染料計量方法であって、
    計量される液体のためのシリンダ(2)であって、内部の液体の液面に接触すると共にシリンダの壁と接触しつつシール状態を保ってスライド可能な可動ピストン部材(8)を有し、計量される前記液体の補充貯蔵器(6)につながっているシリンダと、
    前記可動ピストン部材(8)に一定力を作用させて前記シリンダ内を所定圧力に保つ圧力手段(12)と、
    前記シリンダ(2)から集液容器に液体を移送する手段(14,16,18,20)であって、前記シリンダから液体を引き込むための前記シリンダに連通する入口開口部(16)と、前記集液容器に液体を放出するためにノズル(20)に設けた放出開口部とを有し、前記入口開口部(16)が前記可動ピストン部材に固定される一方、前記放出開口部を設けた前記ノズル(20)は前記可動ピストン部材にしっかりと連結されることにより、放出流量を一定に保つために、前記シリンダ(2)内の液面高さに応じて移動可能であるとともに、前記シリンダ内の液体の液面高さが変化しても前記入口開口部(16)より上の液体の静水頭Hと、前記入口開口部(16)と前記ノズル(20)の放出開口部との間の高度差Hとを一定に保つようになっている、移送手段と、
    前記移送手段内の液体の流れを制御するために前記移送手段につながったバルブ手段と、
    を有する計量機を各液体のためにそれぞれ備えた染料計量装置を用い、
    各計量機において前記シリンダ(2)と前記補充貯蔵器(6)とで構成された貯蔵器(2,6)にそれぞれ収容される異なる液体を、前記集液容器にそれぞれ放出して計量する、
    ことを特徴とする方法。
  11. 計量される液体は、一方向バルブを介して前記シリンダに接続された前記補充貯蔵器(6)によって前記シリンダ(2)に供給されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
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