JP4703912B2 - 流量計測機能付きマスターバルブ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械などの空気圧機器を制御するためのマスターバルブに関するものであり、更に詳しくは、上記空気圧機器の稼動時に消費されるエアの消費流量と、非稼動時に消費されるエアの微小な漏れ流量とを測定するための機能を備えたマスターバルブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、工作機械のような比較的エアの消費流量が大きい空気圧機器の制御には、マスターバルブが使用される。
一方、上述した空気圧機器で消費されるエアの消費流量や微小な漏れ流量等を測定するための方法として、従来より、差圧流量式や、超音波式、タービン式、オリフィス式などの各種方法が知られている。この中の差圧流量方式を利用する技術として、例えば特開２０００−２４９５７９号公報には、絞り機構を利用して流体の圧力変化量及び流速を求め、流体の流量を算出する差圧式流量計について開示されている。これは、管路を流れる流体の圧力損失によって生じる第１の差圧と、絞り機構の入口と絞り部との間の第２の差圧とから、ベルヌーイの定理に従う管路断面積が変化したことのみによる補正圧力変化量を算出し、この補正圧力変化量を利用して流速を求め、その流速と管路断面積とから流体の流量を算出するものである。
【０００３】
しかしながら、上述した公知の測定技術は、流量が定量的に消費されていて流量変動の少ない状態においては効果的であるが、消費流量が増大したときには、絞りが圧力損失となって測定精度が低下するという欠点がある。また、漏れ流量のような配管内を僅かに流れる微小流量の測定には不向きである。さらに、管路中にマスターバルブとは別に専用の測定装置を接続しなければならないため、配管が複雑になり易いという問題もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的課題は、空気圧機器で消費されるエアの消費流量と微小な漏れ流量とを、差圧流量法を用いて精度良く測定することができ、また、管路中への接続も容易な、流量測定のための手段を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明によれば、圧力エア源に接続するための第１ポートと空気圧機器に接続するための第２ポートとを結ぶ流路中に直列に接続され、個別の切換手段により切換操作される第１バルブ及び第２バルブと、上記第１ポートと第１バルブとを結ぶ一次側流路、及び第２バルブと第２ポートとを結ぶ二次側流路にそれぞれ接続され、これらの流路中のエア圧力を測定して演算装置に出力する圧力センサーとを有する流量計測機能付きマスターバルブが提供される。上記第１バルブは、上記一次側流路を該第１バルブと上記第２バルブとを結ぶ中間流路に連通させる第１切換位置と、上記一次側流路を遮断しかつ上記中間流路を外部に開放する第２切換位置とに切換可能であり、上記第２バルブは、上記中間流路と二次側流路とを全開放状態で連通させる第１切換位置と制限開放状態で連通させる第２切換位置とに切換可能であり、上記第１バルブ及び第２バルブが何れも第１切換位置にあるとき、上記圧力センサで測定されるエア圧力に基づいて演算装置で空気圧機器におけるエアの消費量が算出され、上記第１バルブが第１切換位置にありかつ上記第２バルブが第２切換位置にあるとき、上記圧力センサで測定されるエア圧力に基づいて演算装置で空気圧機器におけるエアの漏れ流量が算出されるように構成される。
【０００６】
上記構成を有する本発明のマスターバルブは、空気圧機器稼動時のエア供給状態及び消費流量測定状態と、非稼動時の漏れ流量測定状態と、稼動時又は非稼動時の残圧排気状態とに切り換えることができる。すなわち、空気圧機器の稼動時には、切換手段によって上記第１バルブを給気状態に切り換えると共に、第２バルブを流路の断面積が大きくなるように切り換えることにより、このマスターバルブはエア供給状態となる。そしてこのとき、一次側流路と二次側流路とにおけるエア圧力を圧力センサーでそれぞれ測定することにより、それらの差圧から差圧流量法に基づいて定常の消費流量を算出することができる。また、空気圧機器の非稼動時における漏れ流量測定状態では、上記第１バルブは給気状態のまま、第２バルブで流路の断面積を小さく絞ることにより、圧力エアはこの第２バルブを通じて制限的に空気圧機器に供給される。そして、このときの一次側流路と二次側流路とにおけるエア圧力を圧力センサーでそれぞれ測定することにより、それらの差圧から差圧流量法に基づいて空気圧機器からの微小な漏れ流量を算出することができる。さらに、空気圧機器の稼動時又は非稼動時における残圧排気状態では、上記第１バルブを排気状態に切り換えると共に、第２バルブを流路の断面積が大きくなるように切り換えることにより、空気圧機器からのエアを第１バルブを通じて急速排気することができる。
【０００７】
かくして本発明によれば、空気圧機器の制御に用いられるマスターバルブを使用して、稼動時のエアの消費流量と非稼動時の微小な漏れ流量とを、差圧流量法を利用して２段階で測定することができ、また、専用の測定装置をマスターバルブとは別に管路中へ接続する必要がないため、管路の構成も簡単になる。
【０００９】
本発明の好ましい具体的な実施態様によれば、上記第１バルブ及び第２バルブがそれぞれ、パイロットエアにより操作されるパイロット操作形バルブであり、また、上記第１バルブを切換操作するための切換手段が電磁パイロット弁であって、第２バルブを切換操作するための切換手段が手動操作弁である。
【００１０】
本発明の他の具体的な実施態様によれば、上記第１バルブが３ポートバルブであって、上記第１ポートに通じる入力口と、上記第２バルブの入力口に通じる出力口と、排気口と、これらの開口を結ぶ流路を切り換えるための弁手段とを有しており、また、一方の上記第２バルブは２ポートバルブであって、上記第１バルブの出力口に通じる上記入力口と、上記第２ポートに通じる出力口と、これらの入力口と出力口との間を結ぶ流路を開閉するための弁手段とを有し、該第２バルブの弁手段に、第２切換位置において上記入力口と出力口とを制限的に連通させるためのオリフィスが設けられている。
【００１１】
本発明のマスターバルブにおいては、上記第１バルブと第２バルブとが、上記各ポートと流路とを備えた一つのケーシング内に一体に組み込まれると共に、該ケーシングに上記切換手段及び圧力センサーが組み付けられている。
【００１２】
本発明においては更に、上記マスターバルブと、上記圧力センサーにより測定されたエア圧力に基づいて計算式から空気圧機器におけるエアの消費流量と漏れ流量とを算出する演算装置とを有する流量計測装置が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態を記号によって示すもので、図中１は工作機械などの空気圧機器を制御するためのマスターバルブ、２はこのマスターバルブ１に接続された演算装置を示しており、これらのマスターバルブ１と演算装置２とによって流量計測装置が構成されている。
【００１４】
上記マスターバルブ１は、圧力エア源７に接続するための第１ポートＰ１ と、空気圧機器８に接続するための第２ポートＰ２ と、排気用の第３ポートＰ３ とを有していて、上記第１ポートＰ１ と第２ポートＰ２ とを結ぶ流路９中に、個別の切換手段５，６によって切換操作される第１バルブ３と第２バルブ４とが直列に接続されている。
【００１５】
上記第１バルブ３は、上記流路９を給気状態と排気状態とに切り換えるためのもので、パイロット操作形の３ポートバルブとして構成されている。即ちこの第１バルブ３は、上記第１ポートＰ１ に一次側流路９ａを通じて連通する入力口１０と、上記第２バルブ４の入力口２０に中間流路９ｂを通じて連通する出力口１１と、上記第３ポートＰ３ に通じる排気口１２と、これらの各開口間を結ぶ流路を切り換えるための弁手段１３とを有している。そして、この弁手段１３に作用する復帰用のばね１４と、切換手段５により供給されるパイロットエアとによって、上記一次側流路９ａと中間流路９ｂとを連通させる第１切換位置と、一次側流路９ａを遮断しかつ中間流路９ｂを外部に開放する第２切換位置とに切換可能となっている。
【００１６】
また、上記第１バルブ３を切換操作するための切換手段５は、電磁力によって操作される３ポート式の電磁パイロット弁であって、パイロット流路１６ａ，１６ｂを通じて上記一次側流路９ａと第１バルブ３とに接続され、この一次側流路９ａからパイロットエアを上記第１バルブ３に供給するようになっている。
【００１７】
一方、上記第２バルブ４は、上記流路９が給気状態及び排気状態にあるときは該流路の断面積を大きく保ち、空気圧機器８におけるエアの漏れ流量の測定時には上記流路９の断面積を小さく絞るためのもので、パイロット操作形の２ポートバルブとして構成されている。即ちこの第２バルブ４は、上記第１バルブ３の出力口１１に通じる上記入力口２０と、第２ポートＰ２ に通じる出力口２１と、これらの各開口間を結ぶ流路を切り換えるための弁手段２３とを有している。そして、この弁手段２３に作用する復帰用のばね２４と、切換手段６により供給されるパイロットエアとによって、上記中間流路９ｂと二次側流路９ｃとを全開放状態で連通させる第１切換位置と、オリフィス２５を通じて制限開放状態で連通させる第２切換位置とに切換可能なるように構成されている。
【００１８】
また、上記第２バルブ４を切換操作するための切換手段６は、手動により切換操作される３ポート式の手動操作弁であって、パイロット流路２６ａ，２６ｂを通じて上記一次側流路９ａと第２バルブ４とに接続され、この一次側流路９ａからパイロットエアを上記第２バルブ４に供給するものである。
【００１９】
さらに、上記マスターバルブ１における一次側流路９ａ及び二次側流路９ｃにはそれぞれ、これらの流路中のエア圧力を測定するための圧力センサー２８ａ，２８ｂが接続され、これらの圧力センサー２８ａ，２８ｂが上記演算装置２に接続されている。
【００２０】
この演算装置２には、差圧流量法による流量測定のための計算式が入力されていて、上記圧力センサー２８ａ，２８ｂで測定されたエア圧力がこの演算装置２に入力されると、上記計算式によってエアの瞬時流量と単位時間当りの積算流量とが算出され、それらが必要に応じてマスターバルブ１やその他の場所に設置された表示手段に表示されるようになっている。
【００２１】
上記計算式は、下記に示すように、エアの消費流量と漏れ流量とをそれぞれ音速域について算出するための計算式１と、亜音速域について算出するための計算式２とに分かれている。
【００２２】
（ａ）音速域
【数３】
但し、 Ｑｍａｘ： 音速域での流量 ｌ／ｍｉｎ（標準状態）
Ｃ ： 流体コンダクタンス ｌ／（ min・MPa abs ）
ＰＨ ： 一次側圧力 ＭＰａ ａｂｓ
Ｔｏ ： 絶対温度 ２７３℃
Ｔ ： 常温 ℃
【００２３】
（ｂ）亜音速域
【数４】
但し、 Ｑｎ ： 亜音速域での流量 ｌ／ｍｉｎ（標準状態）
Ｃ ： 流体コンダクタンス ｌ／（ min・MPa abs ）
ｂ ： 臨界圧力比
ＰＨ ： 一次側圧力 ＭＰａ ａｂｓ
ＰＬ ： 二次側圧力 ＭＰａ ａｂｓ
Ｔｏ ： 絶対温度 ２７３℃
Ｔ ： 常温 ℃
【００２４】
上記計算式中の流体コンダクタンスＣと臨界圧力比ｂとは、マスターバルブ１の固有値であって、消費流量の測定時と漏れ流量の測定時とで数値が異なるものである。従って、使用するマスターバルブ１が決定されると、事前に、このマスターバルブ１が消費流量測定のための切換状態にあるときと、漏れ流量測定のための切換状態にあるときとの、それぞれの場合について上記流体コンダクタンスＣと臨界圧力比ｂとが求められ、それらの数値が上記各式に組み込まれることによって計算が行われる。
【００２５】
上記構成を有するマスターバルブ１は、圧力エア源７と空気圧機器８との間に接続され、該空気圧機器８の制御と、該空気圧機器８の稼動時におけるエアの消費流量の測定と、非稼動時における漏れ流量の測定とに使用される。すなわち、図１に示すように、空気圧機器８の稼動時には、上記第１バルブ３及び第２バルブ４が切換手段５，６によって共に第１切換位置に切り換えられることにより、このマスターバルブ１はエア供給状態となる。そしてこのとき、一次側流路９ａと二次側流路９ｃとにおけるエア圧力を圧力センサー２８ａ，２８ｂでそれぞれ測定して演算装置２に入力することにより、この演算装置２において、差圧流量法に基づく上記計算式１及び計算式２によって稼動時のエア消費流量が算出される。
【００２６】
また、空気圧機器８の非稼動時における漏れ流量の測定時には、図２に示すように、上記第１バルブ３が第１切換位置にあり且つ第２バルブ４が第２切換位置にあるようにマスターバルブ１が制御されることにより、圧力エアはこの第２バルブ４のオリフィス２５を通じて制限的に空気圧機器８に供給される。そして、このときの一次側流路９ａと二次側流路９ｃとにおけるエア圧力を圧力センサー２８ａ，２８ｂでそれぞれ測定することにより、上記計算式１及び計算式２により非稼動時のエアの漏れ流量が算出される。
【００２７】
更に、空気圧機器８の残圧排気時には、図３に示すように、上記第１バルブ３が第２切換位置にあり且つ第２バルブ４が第１切換位置にあるようにマスターバルブ１が制御されることにより、空気圧機器８からのエアが第３ポートＰ３ を通じて急速排気される。
【００２８】
図４〜図６は、図１に記号で示されているマスターバルブ１の具体的な実施形態を例示するもので、このマスターバルブ１は、上記第１ポートＰ１ と第２ポートＰ２ 及び第３ポートＰ３ を備えた一つのケーシング３０を有していて、このケーシング３０に上記第１バルブ３と第２バルブ４とを並べて内蔵すると共に、上記パイロット弁５と手動操作弁６及び圧力センサー２８ａ，２８ｂとを組み付けることにより、全体を一体に形成したものである。
【００２９】
上記第１バルブ３は、上記入力口１０と出力口１１との間の供給弁座３１と、出力口１１と排気口１２との間の排気弁座３２と、これらの弁座３１，３２を開閉する上記弁手段１３とを有している。この弁手段１３は、弁孔３３内に摺動自在に収容されたピストン３４と、このピストン３４から延びるバルブステム３５と、このバルブステム３５の先端に取り付けられて上記弁座３１，３２をポペット式に開閉する弁体３６と、上記ピストン３４とケーシング３０との間に介設した復帰ばね１４とを含んでいて、上記ピストン３４の受圧面側に区画形成された圧力室３８にパイロット弁５でパイロットエアを供給することにより、このパイロットエアと上記復帰ばね１４との共同作用によって第１切換位置と第２切換位置とに切り換えられ、上記弁座３１，３２を交互に開閉するものである。
【００３０】
上記パイロット弁５は、上記ケーシング３０の上面に取り付けられ、該ケーシング３０の内部に設けられたパイロット流路を通じて上記一次側流路９ａと圧力室３８とに接続されている。
【００３１】
また、上記第２バルブ４は、上記入力口２０と出力口２１との間に形成された弁座４１と、この弁座４１を開閉する上記弁手段２３とを有している。この弁手段２３は、弁孔４２内に摺動自在に収容されたピストン４３と、このピストン４３から延びるバルブステム４４と、このバルブステム４４の先端に取り付けられて上記弁座４１をポペット式に開閉する弁体４５と、上記ピストン４３とケーシング３０との間に介設された復帰ばね２４とを含んでいて、上記ピストン４３の受圧面側に形成された圧力室４７に手動操作弁６でパイロットエアを供給することにより、このパイロットエアと上記復帰ばね２４との共同作用によって第１切換位置と第２切換位置とに切り換えられ、上記弁座４１を開閉する。そして、上記弁体４５及びバルブステム４４には、上記第２切換位置において上記入力口２０と出力口２１とを制限的に連通させるための小断面積の流路を形成する上記オリフィス２５が設けられている。
【００３２】
上記手動操作弁６は、上記ケーシング３０の前面に取り付けられていて、該ケーシング３０の内部に設けられたパイロット流路を通じて上記一次側流路９ａと圧力室４７とに接続され、ハンドル６ａを回すことによって上記圧力室４７にパイロットエアを供給できるように構成されている。
【００３３】
また、上記ケーシング３０の前面には、上記圧力センサー２８ａ，２８ｂで検出したエア圧力や、測定した消費流量及び漏れ流量等を選択的に表示するための表示部４９が設けられると共に、その表示内容を選択するための切換スイッチ５０が設けられている。
図中５１ａ，５１ｂは圧力測定用のポートであって、これらの各ポートにそれぞれ上記圧力センサー２８ａ，２８ｂが取り付けられている。
【００３４】
図４〜図６に示す構成のマスターバルブを試作して試験的に使用し、その時の一次側圧力と二次側圧力とから上記計算式によりエアの消費流量と漏れ流量とを求めると共に、それらの圧力に対応する実測流量を求め、それらを比較した。
【００３５】
（２）消費流量の比較
上記マスターバルブが消費流量測定のための切換状態にあるときの流体コンダクタンス（Ｃ）、臨界圧力比（ｂ）、有効断面積（Ｓ＝計算値）は下記の通りである。
流体コンダクタンス（Ｃ）： ５７２１．８／ｍｉｎ・ｂａｒ
臨界圧力比（ｂ） ： ０．１８４
有効断面積（Ｓ） ： ６７ｍｍ２
上述した数値をそれぞれ上記計算式１，２に代入すると、音速域での消費流量の計算式は、
【数５】
となり、亜音速域での消費流量の計算式は、
【数６】
となり、これらの計算式から消費流量が算出される。
【００３６】
また、このマスターバルブの実測による消費流量特性は図７の線図に示す通りである。この線図における各曲線は、一次側圧力に対する二次側圧力とエア流量との変化の関係を表すもので、例えば曲線Ｘは、一次側圧力が０．６Ｍｐａである場合の二次側圧力とエア流量との変化を表していて、この曲線Ｘ上の点Ｙは、一次側圧力が０．６Ｍｐａであるとき二次側圧力が０．５３Ｍｐａであって、そのときのエア流量が１５００ｌ／ｍｉｎであるということを表している。
【００３７】
上記計算式１ａ，２ａを用いて算出した消費流量の、実測流量に対する比を表１に示す。
【表１】
この表から分かるように、上記構成のマスターバルブを使用し、その固有値である流体コンダクタンスと臨界圧力比とを組み入れた計算式から算出した消費流量は、実測流量に対し、音速域においても亜音速域においても±５％以内の精度を有する。
【００３８】
（３）漏れ流量の比較
上記マスターバルブが漏れ流量測定のための切換状態にあるときの流体コンダクタンス（Ｃ）、臨界圧力比（ｂ）、有効断面積（Ｓ＝計算値）は下記の通りである。
流体コンダクタンス（Ｃ）： ５３５．０／ｍｉｎ・ｂａｒ
臨界圧力比（ｂ） ： ０．２１６
有効断面積（Ｓ） ： ４０ｍｍ２
【００３９】
上述した数値をそれぞれ上記計算式１，２に代入すると、音速域での漏れ流量の計算式は、
【数７】
となり、亜音速域での漏れ流量の計算式は、
【数８】
となり、これらの計算式から漏れ流量が算出される。
【００４０】
また、このマスターバルブの実測による漏れ流量特性は図８の線図に示す通りである。この線図における各曲線は、一次側圧力に対する二次側圧力とエアの漏れ流量との変化の関係を表すもので、その見方は図７の場合と同じである。
上記計算式１ｂ，２ｂから算出した漏れ流量の、実測流量に対する比を表２に示す。
【００４１】
【表２】
この表から分かるように、上記マスターバルブを使用し、その固有値である流体コンダクタンスと臨界圧力比とを組み入れた計算式から算出した漏れ流量は、実測流量に対し、音速域においても亜音速域においても±５％以内の精度を有する。
【００４２】
【発明の効果】
以上に詳述したように本発明によれば、エアの定常消費流量と微小な漏れ流量とを差圧流量法を利用して２段階で精度良く測定することができ、また、専用の測定装置を用意してマスターバルブとは別に管路中へ接続する必要がないため、管路の構成も簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を記号によって示す構成図である。
【図２】図１の装置の他の動作状態を示す構成図である。
【図３】図１の装置の更に他の動作状態を示す構成図である。
【図４】マスターバルブの一実施形態を示す正面図である。
【図５】図４のマスターバルブの側面図である。
【図６】図４のマスターバルブの断面図である。
【図７】マスターバルブの実測したエアの消費流量特性を示す線図である。
【図８】マスターバルブの実測したエアの漏れ流量特性を示す線図である。
【符号の説明】
Ｐ１ 第１ポート
Ｐ２ 第２ポート
Ｐ３ 第３ポート
１ マスターバルブ
２ 演算装置
３ 第１バルブ
４ 第２バルブ
５ 切換手段（パイロット弁）
６ 切換手段（手動操作弁）
７ 圧力エア源
８ 空気圧機器
９ 流路
９ａ 一次側流路
９ｂ 中間流路
９ｃ 二次側流路
１０，２０ 入力口
１１，２１ 出力口
１２ 排気口
１３，２３ 弁手段
１４，２４ 復帰ばね
２５ オリフィス
２８ａ，２８ｂ 圧力センサー
３０ ケーシング
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械などの空気圧機器を制御するためのマスターバルブに関するものであり、更に詳しくは、上記空気圧機器の稼動時に消費されるエアの消費流量と、非稼動時に消費されるエアの微小な漏れ流量とを測定するための機能を備えたマスターバルブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、工作機械のような比較的エアの消費流量が大きい空気圧機器の制御には、マスターバルブが使用される。
一方、上述した空気圧機器で消費されるエアの消費流量や微小な漏れ流量等を測定するための方法として、従来より、差圧流量式や、超音波式、タービン式、オリフィス式などの各種方法が知られている。この中の差圧流量方式を利用する技術として、例えば特開２０００−２４９５７９号公報には、絞り機構を利用して流体の圧力変化量及び流速を求め、流体の流量を算出する差圧式流量計について開示されている。これは、管路を流れる流体の圧力損失によって生じる第１の差圧と、絞り機構の入口と絞り部との間の第２の差圧とから、ベルヌーイの定理に従う管路断面積が変化したことのみによる補正圧力変化量を算出し、この補正圧力変化量を利用して流速を求め、その流速と管路断面積とから流体の流量を算出するものである。
【０００３】
しかしながら、上述した公知の測定技術は、流量が定量的に消費されていて流量変動の少ない状態においては効果的であるが、消費流量が増大したときには、絞りが圧力損失となって測定精度が低下するという欠点がある。また、漏れ流量のような配管内を僅かに流れる微小流量の測定には不向きである。さらに、管路中にマスターバルブとは別に専用の測定装置を接続しなければならないため、配管が複雑になり易いという問題もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的課題は、空気圧機器で消費されるエアの消費流量と微小な漏れ流量とを、差圧流量法を用いて精度良く測定することができ、また、管路中への接続も容易な、流量測定のための手段を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明によれば、圧力エア源に接続するための第１ポートと空気圧機器に接続するための第２ポートとを結ぶ流路中に直列に接続され、個別の切換手段により切換操作される第１バルブ及び第２バルブと、上記第１ポートと第１バルブとを結ぶ一次側流路、及び第２バルブと第２ポートとを結ぶ二次側流路にそれぞれ接続され、これらの流路中のエア圧力を測定して演算装置に出力する圧力センサーとを有する流量計測機能付きマスターバルブが提供される。上記第１バルブは、上記一次側流路を該第１バルブと上記第２バルブとを結ぶ中間流路に連通させる第１切換位置と、上記一次側流路を遮断しかつ上記中間流路を外部に開放する第２切換位置とに切換可能であり、上記第２バルブは、上記中間流路と二次側流路とを全開放状態で連通させる第１切換位置と制限開放状態で連通させる第２切換位置とに切換可能であり、上記第１バルブ及び第２バルブが何れも第１切換位置にあるとき、上記圧力センサで測定されるエア圧力に基づいて演算装置で空気圧機器におけるエアの消費量が算出され、上記第１バルブが第１切換位置にありかつ上記第２バルブが第２切換位置にあるとき、上記圧力センサで測定されるエア圧力に基づいて演算装置で空気圧機器におけるエアの漏れ流量が算出されるように構成される。
【０００６】
上記構成を有する本発明のマスターバルブは、空気圧機器稼動時のエア供給状態及び消費流量測定状態と、非稼動時の漏れ流量測定状態と、稼動時又は非稼動時の残圧排気状態とに切り換えることができる。すなわち、空気圧機器の稼動時には、切換手段によって上記第１バルブを給気状態に切り換えると共に、第２バルブを流路の断面積が大きくなるように切り換えることにより、このマスターバルブはエア供給状態となる。そしてこのとき、一次側流路と二次側流路とにおけるエア圧力を圧力センサーでそれぞれ測定することにより、それらの差圧から差圧流量法に基づいて定常の消費流量を算出することができる。また、空気圧機器の非稼動時における漏れ流量測定状態では、上記第１バルブは給気状態のまま、第２バルブで流路の断面積を小さく絞ることにより、圧力エアはこの第２バルブを通じて制限的に空気圧機器に供給される。そして、このときの一次側流路と二次側流路とにおけるエア圧力を圧力センサーでそれぞれ測定することにより、それらの差圧から差圧流量法に基づいて空気圧機器からの微小な漏れ流量を算出することができる。さらに、空気圧機器の稼動時又は非稼動時における残圧排気状態では、上記第１バルブを排気状態に切り換えると共に、第２バルブを流路の断面積が大きくなるように切り換えることにより、空気圧機器からのエアを第１バルブを通じて急速排気することができる。
【０００７】
かくして本発明によれば、空気圧機器の制御に用いられるマスターバルブを使用して、稼動時のエアの消費流量と非稼動時の微小な漏れ流量とを、差圧流量法を利用して２段階で測定することができ、また、専用の測定装置をマスターバルブとは別に管路中へ接続する必要がないため、管路の構成も簡単になる。
【０００９】
本発明の好ましい具体的な実施態様によれば、上記第１バルブ及び第２バルブがそれぞれ、パイロットエアにより操作されるパイロット操作形バルブであり、また、上記第１バルブを切換操作するための切換手段が電磁パイロット弁であって、第２バルブを切換操作するための切換手段が手動操作弁である。
【００１０】
本発明の他の具体的な実施態様によれば、上記第１バルブが３ポートバルブであって、上記第１ポートに通じる入力口と、上記第２バルブの入力口に通じる出力口と、排気口と、これらの開口を結ぶ流路を切り換えるための弁手段とを有しており、また、一方の上記第２バルブは２ポートバルブであって、上記第１バルブの出力口に通じる上記入力口と、上記第２ポートに通じる出力口と、これらの入力口と出力口との間を結ぶ流路を開閉するための弁手段とを有し、該第２バルブの弁手段に、第２切換位置において上記入力口と出力口とを制限的に連通させるためのオリフィスが設けられている。
【００１１】
本発明のマスターバルブにおいては、上記第１バルブと第２バルブとが、上記各ポートと流路とを備えた一つのケーシング内に一体に組み込まれると共に、該ケーシングに上記切換手段及び圧力センサーが組み付けられている。
【００１２】
本発明においては更に、上記マスターバルブと、上記圧力センサーにより測定されたエア圧力に基づいて計算式から空気圧機器におけるエアの消費流量と漏れ流量とを算出する演算装置とを有する流量計測装置が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態を記号によって示すもので、図中１は工作機械などの空気圧機器を制御するためのマスターバルブ、２はこのマスターバルブ１に接続された演算装置を示しており、これらのマスターバルブ１と演算装置２とによって流量計測装置が構成されている。
【００１４】
上記マスターバルブ１は、圧力エア源７に接続するための第１ポートＰ１ と、空気圧機器８に接続するための第２ポートＰ２ と、排気用の第３ポートＰ３ とを有していて、上記第１ポートＰ１ と第２ポートＰ２ とを結ぶ流路９中に、個別の切換手段５，６によって切換操作される第１バルブ３と第２バルブ４とが直列に接続されている。
【００１５】
上記第１バルブ３は、上記流路９を給気状態と排気状態とに切り換えるためのもので、パイロット操作形の３ポートバルブとして構成されている。即ちこの第１バルブ３は、上記第１ポートＰ１ に一次側流路９ａを通じて連通する入力口１０と、上記第２バルブ４の入力口２０に中間流路９ｂを通じて連通する出力口１１と、上記第３ポートＰ３ に通じる排気口１２と、これらの各開口間を結ぶ流路を切り換えるための弁手段１３とを有している。そして、この弁手段１３に作用する復帰用のばね１４と、切換手段５により供給されるパイロットエアとによって、上記一次側流路９ａと中間流路９ｂとを連通させる第１切換位置と、一次側流路９ａを遮断しかつ中間流路９ｂを外部に開放する第２切換位置とに切換可能となっている。
【００１６】
また、上記第１バルブ３を切換操作するための切換手段５は、電磁力によって操作される３ポート式の電磁パイロット弁であって、パイロット流路１６ａ，１６ｂを通じて上記一次側流路９ａと第１バルブ３とに接続され、この一次側流路９ａからパイロットエアを上記第１バルブ３に供給するようになっている。
【００１７】
一方、上記第２バルブ４は、上記流路９が給気状態及び排気状態にあるときは該流路の断面積を大きく保ち、空気圧機器８におけるエアの漏れ流量の測定時には上記流路９の断面積を小さく絞るためのもので、パイロット操作形の２ポートバルブとして構成されている。即ちこの第２バルブ４は、上記第１バルブ３の出力口１１に通じる上記入力口２０と、第２ポートＰ２ に通じる出力口２１と、これらの各開口間を結ぶ流路を切り換えるための弁手段２３とを有している。そして、この弁手段２３に作用する復帰用のばね２４と、切換手段６により供給されるパイロットエアとによって、上記中間流路９ｂと二次側流路９ｃとを全開放状態で連通させる第１切換位置と、オリフィス２５を通じて制限開放状態で連通させる第２切換位置とに切換可能なるように構成されている。
【００１８】
また、上記第２バルブ４を切換操作するための切換手段６は、手動により切換操作される３ポート式の手動操作弁であって、パイロット流路２６ａ，２６ｂを通じて上記一次側流路９ａと第２バルブ４とに接続され、この一次側流路９ａからパイロットエアを上記第２バルブ４に供給するものである。
【００１９】
さらに、上記マスターバルブ１における一次側流路９ａ及び二次側流路９ｃにはそれぞれ、これらの流路中のエア圧力を測定するための圧力センサー２８ａ，２８ｂが接続され、これらの圧力センサー２８ａ，２８ｂが上記演算装置２に接続されている。
【００２０】
この演算装置２には、差圧流量法による流量測定のための計算式が入力されていて、上記圧力センサー２８ａ，２８ｂで測定されたエア圧力がこの演算装置２に入力されると、上記計算式によってエアの瞬時流量と単位時間当りの積算流量とが算出され、それらが必要に応じてマスターバルブ１やその他の場所に設置された表示手段に表示されるようになっている。
【００２１】
上記計算式は、下記に示すように、エアの消費流量と漏れ流量とをそれぞれ音速域について算出するための計算式１と、亜音速域について算出するための計算式２とに分かれている。
【００２２】
（ａ）音速域
【数３】
Ｃ ： 流体コンダクタンス ｌ／（ min・MPa abs ）
ＰＨ ： 一次側圧力 ＭＰａ ａｂｓ
Ｔｏ ： 絶対温度 ２７３℃
Ｔ ： 常温 ℃
【００２３】
（ｂ）亜音速域
【数４】
Ｃ ： 流体コンダクタンス ｌ／（ min・MPa abs ）
ｂ ： 臨界圧力比
ＰＨ ： 一次側圧力 ＭＰａ ａｂｓ
ＰＬ ： 二次側圧力 ＭＰａ ａｂｓ
Ｔｏ ： 絶対温度 ２７３℃
Ｔ ： 常温 ℃
【００２４】
上記計算式中の流体コンダクタンスＣと臨界圧力比ｂとは、マスターバルブ１の固有値であって、消費流量の測定時と漏れ流量の測定時とで数値が異なるものである。従って、使用するマスターバルブ１が決定されると、事前に、このマスターバルブ１が消費流量測定のための切換状態にあるときと、漏れ流量測定のための切換状態にあるときとの、それぞれの場合について上記流体コンダクタンスＣと臨界圧力比ｂとが求められ、それらの数値が上記各式に組み込まれることによって計算が行われる。
【００２５】
上記構成を有するマスターバルブ１は、圧力エア源７と空気圧機器８との間に接続され、該空気圧機器８の制御と、該空気圧機器８の稼動時におけるエアの消費流量の測定と、非稼動時における漏れ流量の測定とに使用される。すなわち、図１に示すように、空気圧機器８の稼動時には、上記第１バルブ３及び第２バルブ４が切換手段５，６によって共に第１切換位置に切り換えられることにより、このマスターバルブ１はエア供給状態となる。そしてこのとき、一次側流路９ａと二次側流路９ｃとにおけるエア圧力を圧力センサー２８ａ，２８ｂでそれぞれ測定して演算装置２に入力することにより、この演算装置２において、差圧流量法に基づく上記計算式１及び計算式２によって稼動時のエア消費流量が算出される。
【００２６】
また、空気圧機器８の非稼動時における漏れ流量の測定時には、図２に示すように、上記第１バルブ３が第１切換位置にあり且つ第２バルブ４が第２切換位置にあるようにマスターバルブ１が制御されることにより、圧力エアはこの第２バルブ４のオリフィス２５を通じて制限的に空気圧機器８に供給される。そして、このときの一次側流路９ａと二次側流路９ｃとにおけるエア圧力を圧力センサー２８ａ，２８ｂでそれぞれ測定することにより、上記計算式１及び計算式２により非稼動時のエアの漏れ流量が算出される。
【００２７】
更に、空気圧機器８の残圧排気時には、図３に示すように、上記第１バルブ３が第２切換位置にあり且つ第２バルブ４が第１切換位置にあるようにマスターバルブ１が制御されることにより、空気圧機器８からのエアが第３ポートＰ３ を通じて急速排気される。
【００２８】
図４〜図６は、図１に記号で示されているマスターバルブ１の具体的な実施形態を例示するもので、このマスターバルブ１は、上記第１ポートＰ１ と第２ポートＰ２ 及び第３ポートＰ３ を備えた一つのケーシング３０を有していて、このケーシング３０に上記第１バルブ３と第２バルブ４とを並べて内蔵すると共に、上記パイロット弁５と手動操作弁６及び圧力センサー２８ａ，２８ｂとを組み付けることにより、全体を一体に形成したものである。
【００２９】
上記第１バルブ３は、上記入力口１０と出力口１１との間の供給弁座３１と、出力口１１と排気口１２との間の排気弁座３２と、これらの弁座３１，３２を開閉する上記弁手段１３とを有している。この弁手段１３は、弁孔３３内に摺動自在に収容されたピストン３４と、このピストン３４から延びるバルブステム３５と、このバルブステム３５の先端に取り付けられて上記弁座３１，３２をポペット式に開閉する弁体３６と、上記ピストン３４とケーシング３０との間に介設した復帰ばね１４とを含んでいて、上記ピストン３４の受圧面側に区画形成された圧力室３８にパイロット弁５でパイロットエアを供給することにより、このパイロットエアと上記復帰ばね１４との共同作用によって第１切換位置と第２切換位置とに切り換えられ、上記弁座３１，３２を交互に開閉するものである。
【００３０】
上記パイロット弁５は、上記ケーシング３０の上面に取り付けられ、該ケーシング３０の内部に設けられたパイロット流路を通じて上記一次側流路９ａと圧力室３８とに接続されている。
【００３１】
また、上記第２バルブ４は、上記入力口２０と出力口２１との間に形成された弁座４１と、この弁座４１を開閉する上記弁手段２３とを有している。この弁手段２３は、弁孔４２内に摺動自在に収容されたピストン４３と、このピストン４３から延びるバルブステム４４と、このバルブステム４４の先端に取り付けられて上記弁座４１をポペット式に開閉する弁体４５と、上記ピストン４３とケーシング３０との間に介設された復帰ばね２４とを含んでいて、上記ピストン４３の受圧面側に形成された圧力室４７に手動操作弁６でパイロットエアを供給することにより、このパイロットエアと上記復帰ばね２４との共同作用によって第１切換位置と第２切換位置とに切り換えられ、上記弁座４１を開閉する。そして、上記弁体４５及びバルブステム４４には、上記第２切換位置において上記入力口２０と出力口２１とを制限的に連通させるための小断面積の流路を形成する上記オリフィス２５が設けられている。
【００３２】
上記手動操作弁６は、上記ケーシング３０の前面に取り付けられていて、該ケーシング３０の内部に設けられたパイロット流路を通じて上記一次側流路９ａと圧力室４７とに接続され、ハンドル６ａを回すことによって上記圧力室４７にパイロットエアを供給できるように構成されている。
【００３３】
また、上記ケーシング３０の前面には、上記圧力センサー２８ａ，２８ｂで検出したエア圧力や、測定した消費流量及び漏れ流量等を選択的に表示するための表示部４９が設けられると共に、その表示内容を選択するための切換スイッチ５０が設けられている。
図中５１ａ，５１ｂは圧力測定用のポートであって、これらの各ポートにそれぞれ上記圧力センサー２８ａ，２８ｂが取り付けられている。
【００３４】
図４〜図６に示す構成のマスターバルブを試作して試験的に使用し、その時の一次側圧力と二次側圧力とから上記計算式によりエアの消費流量と漏れ流量とを求めると共に、それらの圧力に対応する実測流量を求め、それらを比較した。
（２）消費流量の比較
上記マスターバルブが消費流量測定のための切換状態にあるときの流体コンダクタンス（Ｃ）、臨界圧力比（ｂ）、有効断面積（Ｓ＝計算値）は下記の通りである。
流体コンダクタンス（Ｃ）： ５７２１．８／ｍｉｎ・ｂａｒ
臨界圧力比（ｂ） ： ０．１８４
有効断面積（Ｓ） ： ６７ｍｍ２
上述した数値をそれぞれ上記計算式１，２に代入すると、音速域での消費流量の計算式は、
【数５】
【数６】
【００３６】
また、このマスターバルブの実測による消費流量特性は図７の線図に示す通りである。この線図における各曲線は、一次側圧力に対する二次側圧力とエア流量との変化の関係を表すもので、例えば曲線Ｘは、一次側圧力が０．６Ｍｐａである場合の二次側圧力とエア流量との変化を表していて、この曲線Ｘ上の点Ｙは、一次側圧力が０．６Ｍｐａであるとき二次側圧力が０．５３Ｍｐａであって、そのときのエア流量が１５００ｌ／ｍｉｎであるということを表している。
【００３７】
上記計算式１ａ，２ａを用いて算出した消費流量の、実測流量に対する比を表１に示す。
【表１】
【００３８】
（３）漏れ流量の比較
上記マスターバルブが漏れ流量測定のための切換状態にあるときの流体コンダクタンス（Ｃ）、臨界圧力比（ｂ）、有効断面積（Ｓ＝計算値）は下記の通りである。
流体コンダクタンス（Ｃ）： ５３５．０／ｍｉｎ・ｂａｒ
臨界圧力比（ｂ） ： ０．２１６
有効断面積（Ｓ） ： ４０ｍｍ２
【００３９】
上述した数値をそれぞれ上記計算式１，２に代入すると、音速域での漏れ流量の計算式は、
【数７】
【数８】
【００４０】
また、このマスターバルブの実測による漏れ流量特性は図８の線図に示す通りである。この線図における各曲線は、一次側圧力に対する二次側圧力とエアの漏れ流量との変化の関係を表すもので、その見方は図７の場合と同じである。
上記計算式１ｂ，２ｂから算出した漏れ流量の、実測流量に対する比を表２に示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
【発明の効果】
以上に詳述したように本発明によれば、エアの定常消費流量と微小な漏れ流量とを差圧流量法を利用して２段階で精度良く測定することができ、また、専用の測定装置を用意してマスターバルブとは別に管路中へ接続する必要がないため、管路の構成も簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を記号によって示す構成図である。
【図２】図１の装置の他の動作状態を示す構成図である。
【図３】図１の装置の更に他の動作状態を示す構成図である。
【図４】マスターバルブの一実施形態を示す正面図である。
【図５】図４のマスターバルブの側面図である。
【図６】図４のマスターバルブの断面図である。
【図７】マスターバルブの実測したエアの消費流量特性を示す線図である。
【図８】マスターバルブの実測したエアの漏れ流量特性を示す線図である。
【符号の説明】
Ｐ１ 第１ポート
Ｐ２ 第２ポート
Ｐ３ 第３ポート
１ マスターバルブ
２ 演算装置
３ 第１バルブ
４ 第２バルブ
５ 切換手段（パイロット弁）
６ 切換手段（手動操作弁）
７ 圧力エア源
８ 空気圧機器
９ 流路
９ａ 一次側流路
９ｂ 中間流路
９ｃ 二次側流路
１０，２０ 入力口
１１，２１ 出力口
１２ 排気口
１３，２３ 弁手段
１４，２４ 復帰ばね
２５ オリフィス
２８ａ，２８ｂ 圧力センサー
３０ ケーシング
Claims (5)
- 圧力エア源に接続するための第１ポートと空気圧機器に接続するための第２ポートとを結ぶ流路中に直列に接続され、個別の切換手段により切換操作される第１バルブ及び第２バルブと、上記第１ポートと第１バルブとを結ぶ一次側流路、及び第２バルブと第２ポートとを結ぶ二次側流路にそれぞれ接続され、これらの流路中のエア圧力を測定して演算装置に出力する圧力センサーとを有し、
上記第１バルブは、上記一次側流路を該第１バルブと上記第２バルブとを結ぶ中間流路に連通させる第１切換位置と、上記一次側流路を遮断しかつ上記中間流路を外部に開放する第２切換位置とに切換可能であり、
上記第２バルブは、上記中間流路と二次側流路とを全開放状態で連通させる第１切換位置と制限開放状態で連通させる第２切換位置とに切換可能であり、
上記第１バルブ及び第２バルブが何れも第１切換位置にあるとき、上記圧力センサで測定されるエア圧力に基づいて演算装置で空気圧機器におけるエアの消費量が算出され、上記第１バルブが第１切換位置にありかつ上記第２バルブが第２切換位置にあるとき、上記圧力センサで測定されるエア圧力に基づいて演算装置で空気圧機器におけるエアの漏れ流量が算出されるように構成された、
ことを特徴とする流量計測機能付きマスターバルブ。 - 請求項１に記載のマスターバルブにおいて、上記第１バルブ及び第２バルブがそれぞれ、パイロットエアにより操作されるパイロット操作形のバルブであり、また、上記第１バルブを切換操作するための切換手段が電磁パイロット弁であって、第２バルブを切換操作するための切換手段が手動操作弁であることを特徴とするもの。
- 請求項１又は２に記載のマスターバルブにおいて、上記第１バルブが３ポートバルブであって、上記第１ポートに通じる入力口と、上記第２バルブの入力口に通じる出力口と、排気口と、これらの開口を結ぶ流路を切り換えるための弁手段とを有し、一方の上記第２バルブは２ポートバルブであって、上記第１バルブの出力口に通じる上記入力口と、上記第２ポートに通じる出力口と、これらの入力口と出力口との間を結ぶ流路を開閉するための弁手段とを有し、該第２バルブの弁手段に、第２切換位置において上記入力口と出力口とを制限的に連通させるためのオリフィスが設けられていることを特徴とするもの。
- 請求項１から３までの何れかに記載のマスターバルブにおいて、上記各ポートと流路とを備えた一つのケーシング内に上記第１バルブと第２バルブとが一体に組み込まれると共に、該ケーシングに上記切換手段及び圧力センサーが組み付けられていることを特徴とするもの。
- 請求項１から４までの何れかに記載のマスターバルブと、上記圧力センサーにより測定されたエア圧力に基づいて計算式から空気圧機器におけるエアの消費流量と漏れ流量とを算出する上記演算装置とを有し、上記計算式が、
Ｑｎ ： 亜音速域での流量 ｌ／ｍｉｎ（標準状態）
Ｃ ： 流体コンダクタンス ｌ／（ min・MPa abs ）
ｂ ： 臨界圧力比
ＰＨ ： 一次側圧力 ＭＰａ ａｂｓ
ＰＬ ： 二次側圧力 ＭＰａ ａｂｓ
Ｔｏ ： 絶対温度 ２７３℃
Ｔ ： 常温 ℃
であることを特徴とする流量計測装置。
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