JP6267491B2 - 流体切換装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばガスなどの流体を用いた試験に適用される流体切換装置に関するものである。

特許文献１に示すように、ガスを切り換えて触媒や各種センサの過渡特性を評価する場合や、ピースタイムを短縮する場合などにおいて、流量の制御されたガスを別種（別組成）のガスに素早く切り換えるための技術として、従来、図６に示すような流体切換装置１００’が用いられている。

この流体切換装置１００’は、流量制御装置３ａ、３ｂによって流量を所定値に制御された２種類のガスがそれぞれ導入される第１流路１１’及び第２流路１２’と、例えばガスを他機器に供給するための送出ポートＯＴＰ及びガスを排出するための排出ポートＥＸＰという２つの出力ポートと、各流路１１’、１２’を前記送出ポートＯＴＰまたは排出ポートＥＸＰのいずれかに排他的に切り換える切換機構４とを有したものである。

すなわち、この流体切換装置１００によれば、一方のガスが流れる第１流路１１’が送出ポートＯＴＰに接続され、当該一方のガスが他機器に供給されているときには、第２流路１２’は排出ポートＥＸＰに接続されて他方のガスは垂れ流される状態となる。

このように、第１流路１１’及び第２流路１２’に常にガスが流れ続けるように構成する、すなわち、流量制御装置３ａ、３ｂに常に一定流量のガスが流れるように構成しておくことで、送出ポートＯＴＰから他機器へ供給すべきガスを切り換えたときに生じる流量変動を小さくして速やかにガス種を切り換えられるようにしている。

しかしながら、例えば送出ポートＯＴＰに接続される他機器の状態によっては、該送出ポートＯＴＰと排出ポートＥＸＰとの間に比較的大きな圧力差が生じているときがある。

このような場合に、ガスを切り換えると、その際に流路１１’、１２’に瞬間的な圧力変動が生じ、それに起因して各切換弁４１’〜４４’に作用している差圧に急峻な変動が生じることになる。圧力の急峻な変動は、過渡的な流量変動を生じさせ、特にガスのような圧縮性流体であると、図７に示すように、流量の鈍りやハンチングが顕著となる。

特開２０１３−１３４１６６号公報

本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、ガスや液体などの流体を、設定流量に追随させつつ可及的速やかに、別種の流体に切り換えることのできる流体切換装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち、本発明の流体切換装置は、以下の構成を有することを特徴とする。
（１）流量を制御された第１流体が導入される第１流路。
（２）流量を制御された第２流体が導入される第２流路。
（３）前記第１流体または第２流体を導出するための第１導出流路。
（４）前記第１流体または第２流体を排出するための第２導出流路。
（５）前記第１流路が前記第１導出流路に連通するとともに前記第２流路が前記第２導出流路に連通する態様と、前記第２流路が前記第１導出流路に連通するとともに前記第１流路が前記第２導出流路に連通する態様とを切り換える切換機構。
（６）前記第２導出流路の圧力を前記第１導出流路の圧力に近づけるべく制御する圧力制御機構。

このようなものであれば、前記切換機構によって、第１流体と第２流体とが切り換わったときに生じる流体流量の鈍りやハンチングが、圧力制御機構がないものと比べると飛躍的に低減される。

その結果、鈍りやハンチングが生じている期間は、例えば試験を行うことができないなどの不具合があるが、その期間が短縮されるため、ピースタイムをより短縮することができるし、また、切換時の立ち上がりが極めて速いので、例えば各種センサの過渡特性をより精度よく評価することができるようになる。

本発明の効果が特に顕著となる実施態様としては、前記第１導出流路が、前記第１流体または第２流体を他機器に供給するためのものであり、前記第２導出流路が、前記第１流体または第２流体を排出するためのものを挙げることができる。

切換時の流体流量の鈍りやハンチングをさらに低減させるためには、前記切換機構よりも下流側の流路上に設けられた流体抵抗部材をさらに具備しているものが好ましい。

具体的な実施態様としては、前記第１流路が２本に分岐してその一方が第１導出流路に、その他方が第２導出流路に接続されており、前記第２流路が２本に分岐してその一方が第１導出流路に、その他方が第２導出流路に接続されており、前記切換機構が、分岐した第１導出路のいずれか一方を開通させるとともに他方を閉止する第１切換弁と、分岐した第２導出路のいずれか一方を開通させ、他方を閉止する第２切換弁とを具備したものであり、前記流体抵抗部材が、分岐した一対の第１導出流路および分岐した一対の第２導出流路のそれぞれに設けてあるものを挙げることができる。

本発明によれば、圧力制御機構によって、第２導出流路の圧力が第１導出流路の圧力と等しくなるように制御されているので、第１流体と第２流体とが切り換わったときに圧力差が生じず、その際の流体流量の鈍りやハンチングを飛躍的に低減することができる。

本発明の一実施形態における流体切換装置の全体回路図。 本発明の他の実施形態における流体切換装置の一部を示す部分回路図。 本発明のさらに他の実施形態における流体切換装置の一部を示す部分回路図。 本発明のさらに他の実施形態における流体切換装置の一部を示す部分回路図。 本発明のさらに他の実施形態における流体切換装置の一部を示す部分回路図。 従来の流体切換装置の概要を示す回路図。 流体の切換時に生じる流量のハンチングや鈍りを示す波形図。

本発明に係る流体切換装置の一実施形態について、以下、図面を参照しながら説明する。

本実施形態の流体切換装置１００は、種類の異なる２種類の原ガスを異なる比率で混合して組成の違う２種類のガス（ここでは例えば排ガスの模擬ガス）を生成するとともに、この２種類のガスを交互に切り換えて、例えば排ガスの清浄に用いられる触媒に供給し、その性能試験をするために用いられるものである。
そのために、この流体切換装置１００は、図１に示すように、以下の構成要素を有している。

（ａ）前記２種類の原ガスがそれぞれ導入される第１導入ポートＩＰ１及び第２導入ポートＩＰ２。
（ｂ）導入された各原ガスを異なる比率で混合して組成の違う２種類のガス（請求項でいう第１流体および第２流体に相当し、以下、第１ガスＧ１及び第２ガスＧ２という。）を生成するガス混合機構３。
（ｃ）前記ガス混合機構３から出力される、流量の制御された第１ガスＧ１および第２ガスＧ２がそれぞれ流れる第１流路１１及び第２流路１２。
（ｄ）前記第１ガスＧ１または第２ガスＧ２を送出するための送出流路２１（請求項でいう第１導出流路に相当する。）。
（ｅ）前記第１ガスＧ１または第２ガスＧ２を排出するための排出流路２２（請求項でいう第２導出流路に相当する。）。
（ｆ）前記第１流路１１が前記送出流路２１に連通するとともに前記第２流路１２が前記排出流路２２に連通する第１連通態様と、前記第２流路１２が前記送出流路２１に連通するとともに前記第１流路１１が前記排出流路２２に連通する第２接続態様とを切り換える切換機構４。
（ｊ）前記排出流路２２の圧力を前記送出流路２１の圧力に近づけるべく制御する圧力制御機構５。

次に、上述した各構成要素について詳述する。
第１導入ポートＩＰ１及び第２導入ポートＩＰ２は、例えば、この流体切換装置１００が収容されている筐体に形成したものであり、この第１導入ポートＩＰ１及び第２導入ポートＩＰ２に、種類の異なる原ガスを貯留した例えばタンク（図示しない）がそれぞれ配管を介して接続されている。

ガス混合機構３は、第１導入ポートＩＰ１に接続された第１導入路３１と、第２導入ポートＩＰ２に接続された第２導入路３２と、前記第１導入路３１から分岐して前記第２導入路３２に接続された第１分岐路３１ａと、前記第２導入路３２から分岐して前記第１導入路３１に接続された第２分岐路３２ｂとを具備し、第１導入路３１および第２導入路３２の終端から各原ガスを混合したガスが出力されるように構成したものである。

また、各導入路３１、３２および各分岐路３１ａ、３２ａには、流量をフィードバック制御して目標値に調整する流量制御装置３３ａ〜３３ｄがそれぞれ設けてあり、これら流量制御装置３３ａ〜３３ｄによって、各導入路３１、３２および各分岐路３１ａ、３２ａを流れる原ガス流量が制御され、原ガスの混合比および流量が所望の値にそれぞれ調整された２種類のガス（第１ガスＧ１および第２ガスＧ２）が出力されるように構成してある。なお、流量制御装置としては、差圧式のものや熱式のもの、超音波式のものなどを適宜適用してよい。

第１流路１１は、前記第１導入路３１の終端に接続されて、流量制御装置によって組成（原ガスの混合比）および流量を制御された第１ガスＧ１が導入されるものである。そして、この第１流路１１は、２本に分岐してその一方１１（１）が後述する送出流路２１（請求項でいう第１導出流路に相当する。）に、その他方１１（２）が後述する排出流路２２（請求項でいう第２導出流路に相当する。）に接続されている。

第２流路１２は、前記第２導入路３２の終端に接続されて、流量制御装置３３ａ〜３３ｄによって組成（原ガスの混合比）および流量を制御された第２ガスＧ２が導入されるものである。そしてこの第２流路１２は、２本に分岐してその一方１２（１）が後述する送出流路２１に、その他方１２（２）が後述する排出流路２２に接続されている。
なお、ここでは第１ガスＧ１と第２ガスＧ２との組成は異なる一方、その流量は同一又は異なるようにしてある。

送出流路２１は、後述する切換機構４により前記第１流路１１または第２流路１２のいずれかに排他的に連通するものであって、その終端には、例えば他の機器に接続するための送出ポートＯＴＰが設けてある。

排出流路２２は、後述する切換機構４により前記第１流路１１または第２流路１２のいずれかに排他的に連通するものであって、その終端には、ガスを排出するための排出ポートＥＸＰが設けてある。

切換機構４は、この実施形態では、リモート操作可能な４つの開閉バルブ（第１のバルブ４１〜第４のバルブ４４）と、前記開閉バルブ４１〜４４を開閉制御する図示しないコントローラと、各バルブ４１〜４４に直列してそれぞれ設けられた可変絞り弁４５〜４８とを具備したものである。

第１のバルブ４１は、分岐した一方の第１流路１１（１）上に設けられたものである。第２のバルブ４２は、分岐した他方の第１流路１１（２）上に設けられたものである。これら第１のバルブ４１と第２のバルブ４２とは、常に開閉状態が逆となるように前記コントローラによって動作するものであり、請求項でいう第１切換弁に相当する。

第３のバルブ４３は、分岐した一方の第２流路１２（１）上に設けられたものである。第４のバルブ４４は、分岐した他方の第２流路１２（２）上に設けられたものである。これら第３のバルブ４３と第４のバルブ４４とは、常に開閉状態が逆となるように前記コントローラによって動作するものであり、請求項でいう第２切換弁に相当する。

可変絞り弁４５〜４８は、各バルブ４１〜４４の下流側に設けられた手動型のものである。これら可変絞り弁４５〜４８は、各バルブ４１〜４４の抵抗に係る器差を軽減し、抵抗特性を揃えるために設けてある。すなわち、各バルブ４１〜４４には、開状態のときでの、シール特性などのバラつきによる流路抵抗にバラつきがあることから、この絞り弁４５〜４８の開度をそれぞれ調整することによって、上述したように、各バルブ４１〜４４とそれらに対応する各絞り弁４５〜４８とをペアで見たときの特性を合致させることができる。その意味では、バルブ４１〜４４とそれらに対応する各絞り弁４５〜４８とは、それぞれ一対で１つのバルブと見ることもできる。

また、この絞り弁４５〜４８は、これよりも下流側での他機器の接続などによる流路抵抗の変動影響を軽減し、それに起因する圧力変動を小さくする働きもする。

そして、前記コントローラからの指令により、第１のバルブ４１および第４のバルブ４４は常に同じ開閉状態に維持され、また、第２のバルブ４２および第３のバルブ４３は常に同じ開閉状態に維持される。

この構成によって、前述したように、前記第１流路１１が前記送出流路２１に連通するとともに前記第２流路１２が前記排出流路２２に連通する第１接続態様と、前記第２流路１２が前記送出流路２１に連通するとともに前記第１流路１１が前記排出流路２２に連通する第２接続態様とが排他的に切り換えられる。

前記圧力制御機構５は、ここでは、前記送出流路２１および排出流路２２上にそれぞれ設けられた圧力センサ５１、５２と、同送出流路２１および排出流路２２上であって、前記圧力センサ５１、５２よりも下流側にそれぞれ設けられたリモート式の可変絞り弁５３、５４と、前記可変絞り弁５３、５４の絞り開度を制御する図示しないコントローラとを具備したものである。
可変絞り弁５３、５４は、例えばピエゾ素子によって絞り開度を調整できるようにしたものであるが、電磁式のもの等であってもよい。

そして、前記コントローラが、各圧力センサ５１、５２の検出した、前記送出流路２１および排出流路２２を流れるガスの圧力をそれぞれ取得して比較し、排出流路２２を流れるガスの圧力が送出流路２１を流れるガスの圧力に等しくなるように、排出流路２２側の可変絞り弁５４を制御するようにしてある。

また、排出流路２２側の可変絞り弁５４を制御する理由は、可変絞り弁がない状態では、通常、排出流路２２の圧力の方が低いため、当該排出流路２２側の可変絞り弁５４を制御する方が圧力を等しくする制御を確実に行えるからである。もちろん、送出流路２１が真空機器に接続される場合など、送出流路２１側の圧力が低くなる場合は、送出流路２１側の可変絞り弁５３を制御するようにしてもよい。

一方、この実施形態では、排出流路２２側の可変絞り弁５４のみを制御しているので、送出流路２１側の可変絞り弁５３の絞り開度は、この可変絞り弁５３によって生じる送出流路２１内の最低ガス圧力が、可変絞り弁５４が最大開度での排出流路２２内のガス圧力（つまり排出ポートＥＸＰでのガス圧力）以上となるように設定してある。なぜならば、送出流路２１内の最低ガス圧力の方が排出流路２２内のガス圧力よりも低くなると、排出流路２２側の可変絞り弁５４のみの制御では、圧力を等しくすることができなくなるからである。
この実施形態における流体切換装置１００は、上述した構成要素（ａ）〜（ｊ）の他に、図１中符号６１、６２、７１〜７４で示される構成要素を有している。

符号６１、６２は、第１導入路３１および第２導入路３２の終端部に設けられたリモート型の可変絞り弁である。この可変絞り弁６１、６２は、これより下流側の圧力が仮に変動しても、その圧力が直接的に流量制御装置に作用しないようにするものであり、適度の背圧を与え、流量制御装置３３ａ〜３３ｄによる流量制御を円滑に行わせるためのものである。また、その機能から言えば、これら可変絞り弁６１、６２は、送出ポートＯＴＰと排出ポートＥＸＰとの間に圧力差があっても、その圧力差が流量制御装置３３ａ〜３３ｄに直接的に影響することを防止するので、切換時に生じる圧力変動の影響を抑制することができ、前記圧力制御機構５を補助する機能を果たすものでもある。

次に、以上のように構成した本流体切換装置１００の作用効果について説明する。
前記切換機構４によって、第１ガスＧ１と第２ガスＧ２とが交互に送出ポートＯＴＰから送出されるが、このとき、圧力制御機構５がないものと比べると、切換時に生じるガス流量の立ち上がりの鈍りやハンチングが飛躍的に軽減される。

その結果、鈍りやハンチングが生じている期間は、例えば試験を行うことができないなどの不具合があるが、その期間が短縮されるため、ピースタイムを短縮することができる。また、切換時の立ち上がりが極めて速いので、例えば各種センサの過渡特性をより精度よく評価することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、図２に示すように、圧力制御機構５における可変絞り弁５３、５４を一方の流路（図２では送出流路２１）のみに設けても構わない。

圧力制御機構５において、図３に示すように、流路間の差圧を検出する差圧センサ５６を設けておき、その差圧が０になるように、可変絞り弁５３または５４のいずれかを制御するようにしてもよい。
切換機構４には、開閉弁ではなく、図４に示すように、三方弁４９ａ、４９ｂを用いても構わない。

可変絞り弁４５〜４８は、必ずしも必要ない。この可変絞り弁７１〜７４は、前述したように、最大吐出流量を制限するデメリットがあるので、この可変絞り弁４５〜４８を省略することによって、最大吐出流量を増大させることができる。逆に言えば、本流体切換装置によれば、圧力制御機構５が存在するので、可変絞り弁４５〜４８を不要化したり、あまり絞らないようにしたりすることによって、最大吐出流量を担保しつつ、切換時の流量変動を抑制することができるようになる。
ガス混合機構３は、必須ではない。

第１流体及び第２流体は、前記実施形態のように、それぞれ構成成分は同じであるが各構成成分の濃度比の異なる２種類の流体であってもよいし、構成成分が異なる２種類の流体であってもよい。また、同一流体であってもよい。同一流体の場合は、各流量を互いに異ならせておくことにより、切換時に流量を応答性良く変化させることができる。

図５に示すように、３以上のガスのいずれか１つを切換可能に選択して送出ポートＯＴＰから送出するようにしたものでも構わない。この場合、切換機構４は、選択された１つのガスが導入される導入路１ｋ（ｋは１〜ｎまでの整数）と送出流路２１とを連通した場合には、他の全ての導入路は、排出流路２２に連通させる。排出流路２２は、同図のように共通であってもよいし別々であってもよい。
前記実施形態では、排出流路２２によって第１ガスＧ１又は第２ガスＧ２を排出していたが、排出ではなく、別に利用するようにしてもよい。

第１ガス又は第２ガスが供給される対象（例えば触媒などのテストピースや、その他の機器）は、前記実施形態で述べたように、送出ポートＯＴＰより下流に設けてもよいが、送出ポートＯＴＰが大気圧近傍の場合などにおいては、圧力センサ５１と可変絞り弁５３の間の流路に設けてもよい。
その他、本発明は、その趣旨に反しない範囲で様々な変形が可能である。

１００・・・流体切換装置
１１・・・第１流路
Ｇ１・・・第１ガス（第１流体）
１２・・・第２流路
Ｇ２・・・第２ガス（第２流体）
２１・・・送出流路（第１導出流路）
２２・・・排出流路（第２導出流路）
３・・・切換機構
４・・・圧力制御機構

Claims (5)

1. 流量を制御された第１流体が導入される第１流路と、
   流量を制御された第２流体が導入される第２流路と、
   前記第１流体または第２流体を導出するための第１導出流路と、
   前記第１流体または第２流体を排出するための第２導出流路と、
   前記第１流路が前記第１導出流路に連通するとともに前記第２流路が前記第２導出流路に連通する第１連通態様と、前記第２流路が前記第１導出流路に連通するとともに前記第１流路が前記第２導出流路に連通する第２連通態様とを切り換える切換機構と、
   前記第２導出流路の圧力と前記第１導出流路の圧力とを取得して比較しながら前記第２導出流路の圧力を前記第１導出流路の圧力に近づけるべく制御する圧力制御機構とを具備することを特徴とする流体切換装置。
2. 前記第１流路に設けられる第１可変絞り弁と、
   前記第２流路に設けられる第２可変絞り弁と、をさらに具備し、
   前記切換機構が、前記第１流路の前記第１可変絞り弁よりも下流側が前記第１導出流路に連通するとともに前記第２流路の前記第２可変絞り弁よりも下流側が前記第２導出流路に連通する第１連通態様と、前記第２流路の前記第２可変絞り弁よりも下流側が前記第１導出流路に連通するとともに前記第１流路の前記第１可変絞り弁よりも下流側が前記第２導出流路に連通する第２連通態様とを切り換えるものである請求項１記載の流体切換装置。
3. 前記第１導出流路が、前記第１流体または第２流体を他機器に供給するためのものであり、
   前記第２導出流路が、前記第１流体または第２流体を排出するためのものである請求項１記載の流体切換装置。
4. 前記切換機構よりも下流側の流路上に設けられた流体抵抗部材をさらに具備している請求項１記載の流体切換装置。
5. 前記第１流路が２本に分岐してその一方が第１導出流路に、その他方が第２導出流路に接続されており、
   前記第２流路が２本に分岐してその一方が第１導出流路に、その他方が第２導出流路に接続されており、
   前記切換機構が、分岐した第１流路のいずれか一方を開通させるとともに他方を閉止する第１切換弁と、分岐した第２流路のいずれか一方を開通させ、他方を閉止する第２切換弁とを具備したものであり、
   前記流体抵抗部材が、分岐した一対の第１流路および分岐した一対の第２流路のそれぞれに設けてある請求項４記載の流体切換装置。