JP4699184B2 - 流量制御方法及び流量制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、流量センサを用いることなく密閉タンクから吐出される液体の流量を制御することができる流量制御方法及び装置に関する。
例えば、半導体の製造工程中における洗浄工程、飲料の瓶詰め工程においては、液体の吐出量を可及的に一定にすることが求められる。このような要求に対して従来は、実際に流れる流体の吐出流量を測定し、その測定結果に基づき開閉弁の開度あるいは圧送ポンプの送り圧力を制御するフィードバック制御が行われている。
特開平５-２４８９１７号公報
特開平６-１３２２６８号公報
特開２００５-１９６７８８号公報
しかし、高精度の流量センサは比較的高価であり、また、フィードバック系を組むため装置構成が複雑となる。
本発明は、流量センサを用いることなく、流量の制御が可能な方法及び装置を得ることを目的とする。
本発明は、密閉タンク内においては、その液面高さとタンク内圧力との間に相関が存在し、その相関を利用すれば、タンク内圧力の制御だけで流量制御が可能であるとの着眼に基づいて完成されたものである。
すなわち本発明は、流量制御方法の態様では、液体吐出ノズルを有する密閉タンク内の液面高さを用いて、該液体吐出ノズルから吐出される液体流量が一定となる密閉タンク内の圧力を算出するための液面高さ−タンク内圧力の関係式を、液体の種類、密閉タンク内の圧力レベル、液体吐出ノズルのバルブ開度の少なくとも１つをパラメータとして複数求めるステップ；前記密閉タンク内に液体を封入するステップ；前記密閉タンク内に封入した液体の液面高さを検知するステップ；前記複数の液面高さ−タンク内圧力の関係式のいずれか１つに基づいて、検知した液体の液面高さを用いて、前記液体吐出ノズルから吐出される液体流量が一定となる前記密閉タンク内の圧力を算出するステップ；及び算出した密閉タンク内の圧力を、前記密閉タンク内に加える気体圧力として設定するステップ；を有することを特徴としている。
液面高さ-タンク内圧力の関係式は、一般的には１次関数で足り、２次関数とすることも可能である。
本発明は、流量制御装置の態様では、液体吐出ノズルを有する密閉タンク；前記液体吐出ノズルを有する密閉タンク内の液面高さを用いて、該液体吐出ノズルから吐出される液体流量が一定となる密閉タンク内の圧力を算出するための液面高さ−タンク内圧力の関係式を、液体の種類、密閉タンク内の圧力レベル、液体吐出ノズルのバルブ開度の少なくとも１つをパラメータとして複数保持する保持手段；前記密閉タンク内に加える気体圧力を変化させる可変圧力レギュレータ；前記密閉タンク内に封入された液体の液面高さを検知するセンサ；及び前記保持手段が保持する前記複数の液面高さ−タンク内圧力の関係式のいずれか１つに基づいて、前記センサが検知した液体の液面高さを用いて、前記液体吐出ノズルから吐出される液体流量が一定となる密閉タンク内の圧力を算出し、算出した密閉タンク内の圧力を、前記可変圧力レギュレータによる前記密閉タンク内に加える気体圧力として設定する制御手段；を有することを特徴としている。
液面高さ検知センサは、例えば超音波変位センサを用いることができる。
本発明によれば、流量センサを用いることなく、密閉タンク内の圧力を制御することで、吐出流量の制御を行うことができる。
図１は、本発明による流量制御装置（一定流量装置）１０の一実施形態を示している。対象とする液体（例えば蒸留水）を貯留するタンク１１には、その底部に吐出ノズル１２が備えられ、上壁に液体補給口１３と、気体流通口１４が開口している。吐出ノズル１２と液体補給口１３はそれぞれ開閉バルブ１２Ｖと１３Ｖを備えている。開閉バルブ１３Ｖを開いてタンク１１内部に液体Ｗを貯留した後、開閉バルブ１３Ｖを閉じると、タンク１１内は密閉空間となる。「密閉」は、液面上部の空間内の圧力を制御可能であることを意味するものであり、物理的な気密を意味しない。すなわち、内部圧力の制御が可能であれば、タンクに外部との連通オリフィス等が存在してもよい。
密閉タンク１１内には、その天井部分に超音波変位センサ１５が設けられている。この超音波変位センサ１５は、液体Ｗに向けて超音波を発し、液体Ｗの液面からの反射超音波を受信することで、該超音波変位センサ１５から液体Ｗ迄の距離（液面高さ）を検出するセンサである。このようなセンサは周知である。
気体流通口１４は、可変圧力レギュレータ２０を介して加圧空気（気体）源２１に接続されている。可変圧力レギュレータ２０の出口側には圧力センサ２２が設けられており、この圧力センサ２２の出力及び超音波変位センサ１５の出力は、制御手段（制御回路）２３に入力される。
以上の基本構成を有する本流量制御装置１０は、制御手段２３により可変圧力レギュレータ２０を制御することにより、タンク１１内に及ぼす気体圧力を変化させることができ、その気体圧力の大小により、開閉バルブ１２Ｖを開いた状態において吐出ノズル１２から吐出させる液体Ｗの流量が変化する。
本実施形態は、以上の装置構成において、吐出ノズル１２から吐出される流量が可及的に一定となるように、超音波変位センサ１５によって検出される液体Ｗの液面高さに応じて、タンク１１内の圧力を制御するものである。
このような圧力制御をするために、予め、次の流量フィードバック実験により「液面高さ-タンク内圧力の関係式」を求めた。吐出ノズル１２に流量計を取り付け、該吐出ノズル１２を流れる流量（信号）が目標流量（２．０Ｌ／分）となるように、制御手段２３及び可変圧力レギュレータ２０によりタンク１１内の圧力を制御する。同時に超音波変位センサ１５によりタンク１１内の液面高さを検出する。この流量フィードバック制御により、一定流量を得るための液面高さとタンク１１内の圧力の関係が分かる。
図２は、この「液面高さ-タンク内圧力の関係式」の一例を示している。この関係式は、タンク内圧力をｙ、液面高さをｘとして、両者を、１次関数（ｙ＝ａｘ＋ｂ）（ａ、ｂ：定数）で線形近似させたものである。あるいは、２次関数（ｙ＝ｃｘ2＋ｄｘ＋ｅ）（ｃ、ｄ、ｅ：定数）で近似してもよい。いずれの近似を採用するかは、要求される流量精度に応じて定める（選択する）ことができる。なお、図２における液面高さは、超音波変位センサ１５からの距離で示しており、貯留液量の減少に伴い高さが増加する関係となっている。また、図２は、液体として蒸留水を用い、目標流量を２．０Ｌ／分としたときの「液面高さ-タンク内圧力の関係式」であるが、液体の種類（粘度）や目標流量に応じ、複数の関係式を予め求めておくことができる。
以上の手順で求めた「液面高さ-タンク内圧力の関係式」は、制御手段２３に記憶される。つまり制御手段２３は、「液面高さ-タンク内圧力の関係式」を保持する保持手段である。実際の装置構成では、吐出ノズル１２に流量計は備えておらず（不要であり）、開閉バルブ１２Ｖを開けた状態において、超音波変位センサ１５により液体Ｗの液面高さがリアルタイムで検出される。制御手段２３と可変圧力レギュレータ２０は、この液面高さに応じ、「液面高さ-タンク内圧力の関係式」に基づいてタンク１１内の圧力を制御し、一定流量を得る。圧力センサ２２は、タンク１１内の圧力を制御手段２３にフィードバックする。タンク１１内の液体Ｗが費消されたときには、開閉バルブ１２Ｖを閉じて装置を止め、液体補給口１３からタンク１１内に液体を補給する。以下同様にして貯留流体の定量供給を行うことができる。なお、本実施形態では、液体の吐出途中において開閉バルブ１２Ｖを閉めて吐出を止めたとき、タンク１１内の圧力を変化させずに維持することにより、該バルブを再び開けたときに再び同一流量を流すことができる。
「液面高さ-タンク内圧力関係式」は、液体の種類、タンク内圧力、開閉バルブ１２Ｖの開度等の要素をパラメータとして複数を予め求めておくことが可能であり、これらの複数の関係式に基づいて、異なる液体の定量吐出制御、時系列に流量を変化させる制御等が可能である。
液体の性質によっては、タンク１１内に圧力を及ぼす気体は不活性ガスとすることが可能である。また液面高さを検知するセンサは、超音波変位センサ１５以外のセンサでもよい。
１０ 流量制御装置
１１ 密閉タンク
１２ 吐出ノズル
１３ 液体補給口
１２Ｖ １３Ｖ 開閉弁
１４ 気体流通口
１５ 超音波変位センサ（液面高さ検知センサ）
２０ 可変圧力レギュレータ
２１ 加圧気体源
２２ 圧力センサ
２３ 制御手段（保持手段）
１１ 密閉タンク
１２ 吐出ノズル
１３ 液体補給口
１２Ｖ １３Ｖ 開閉弁
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２０ 可変圧力レギュレータ
２１ 加圧気体源
２２ 圧力センサ
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Claims (6)
- 液体吐出ノズルを有する密閉タンク内の液面高さを用いて、該液体吐出ノズルから吐出される液体流量が一定となる密閉タンク内の圧力を算出するための液面高さ−タンク内圧力の関係式を、液体の種類、密閉タンク内の圧力レベル、液体吐出ノズルのバルブ開度の少なくとも１つをパラメータとして複数求めるステップ；
前記密閉タンク内に液体を封入するステップ；
前記密閉タンク内に封入した液体の液面高さを検知するステップ；
前記複数の液面高さ−タンク内圧力の関係式のいずれか１つに基づいて、検知した液体の液面高さを用いて、前記液体吐出ノズルから吐出される液体流量が一定となる前記密閉タンク内の圧力を算出するステップ；及び
算出した密閉タンク内の圧力を、前記密閉タンク内に加える気体圧力として設定するステップ；
を有することを特徴とする流量制御方法。 - 請求項１記載の流量制御方法において、前記複数の液面高さ−タンク内圧力の関係式は、１次関数または２次関数である流量制御方法。
- 請求項１または２記載の流量制御方法において、該制御方法は、液体吐出ノズルを有する密閉タンク；前記液体吐出ノズルを有する密閉タンク内の液面高さを用いて、該液体吐出ノズルから吐出される液体流量が一定となる密閉タンク内の圧力を算出するための液面高さ−タンク内圧力の関係式を、液体の種類、密閉タンク内の圧力レベル、液体吐出ノズルのバルブ開度の少なくとも１つをパラメータとして複数保持する保持手段；前記密閉タンク内に加える気体圧力を変化させる可変圧力レギュレータ；前記密閉タンク内に封入された液体の液面高さを検知するセンサ；及び前記保持手段が保持する前記複数の液面高さ−タンク内圧力の関係式のいずれか１つに基づいて、前記センサが検知した液体の液面高さを用いて、前記液体吐出ノズルから吐出される液体流量が一定となる密閉タンク内の圧力を算出し、算出した密閉タンク内の圧力を、前記可変圧力レギュレータによる前記密閉タンク内に加える気体圧力として設定する制御手段；を有する流量制御装置によって実行される流量制御方法。
- 請求項３記載の流量制御方法において、前記液面高さ検知センサは、超音波変位センサである流量制御方法。
- 液体吐出ノズルを有する密閉タンク；
前記液体吐出ノズルを有する密閉タンク内の液面高さを用いて、該液体吐出ノズルから吐出される液体流量が一定となる密閉タンク内の圧力を算出するための液面高さ−タンク内圧力の関係式を、液体の種類、密閉タンク内の圧力レベル、液体吐出ノズルのバルブ開度の少なくとも１つをパラメータとして複数保持する保持手段；
前記密閉タンク内に加える気体圧力を変化させる可変圧力レギュレータ；
前記密閉タンク内に封入された液体の液面高さを検知するセンサ；及び
前記保持手段が保持する前記複数の液面高さ−タンク内圧力の関係式のいずれか１つに基づいて、前記センサが検知した液体の液面高さを用いて、前記液体吐出ノズルから吐出される液体流量が一定となる密閉タンク内の圧力を算出し、算出した密閉タンク内の圧力を、前記可変圧力レギュレータによる前記密閉タンク内に加える気体圧力として設定する制御手段；
を有することを特徴とする流量制御装置。 - 請求項５記載の流量制御装置において、前記液面高さ検知センサは、超音波変位センサである流量制御装置。
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| JP2005338542A JP4699184B2 (ja) | 2005-11-24 | 2005-11-24 | 流量制御方法及び流量制御装置 |
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| JP2005338542A JP4699184B2 (ja) | 2005-11-24 | 2005-11-24 | 流量制御方法及び流量制御装置 |
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| JPH09174526A (ja) * | 1995-12-25 | 1997-07-08 | Nippon Electric Glass Co Ltd | グリーンシート製造装置 |
| JP2004301622A (ja) * | 2003-03-31 | 2004-10-28 | Hakuto Co Ltd | 薬液注入方法およびその装置 |
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