JP6642902B2 - 流量制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ポンプにより間欠的に圧送される液体の流量を制御する流量制御装置に関する。
従来、弾性部材により形成されるチューブを複数のローラによって間欠的に押し潰すことによってチューブ内の液体を圧送するチューブポンプが知られている。チューブポンプが吐出する液体の吐出量は、複数のローラが取り付けられるロータの回転数によって変化する。
チューブポンプにより間欠的に圧送される液体の流量を制御するには、チューブポンプの下流側の流路に流量計を設けて液体の流量を測定し、測定された流量に応じてチューブポンプのロータの回転数を制御すればよい。
しかしながら、チューブポンプにより間欠的に圧送される液体に脈動が生じる場合、流量計による液体の流量の計測を正確に行うことができない。そのため、チューブポンプにより圧送される液体の流量を適切に制御することができない。特に、チューブポンプのロータの回転数が低くチューブポンプによる液体の吐出量が少ない場合に、液体の脈動が顕著となり易い。
なお、ポンプによって圧送される液体に生じる脈動を抑制する装置として、内部に設けた気室と液室との圧力バランスを保持することで液室に導かれる液体の脈動を抑制するダンパーが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−205201号公報
特許文献1に開示されたダンパーをチューブポンプの下流側の流路に設けることにより、脈動が抑制された液体を流量計に導くことができる。
しかしながら、特許文献1に開示されたダンパーは、一定量の液体を収容する液室を設けた構造であるため、液室内に流通しない液体が保持される空間(いわゆるデッドボリューム)を有する。そのため、この空間に滞留する液体に雑菌等が発生し、液体の純度が適切に維持されない可能性がある。
また、特許文献1に開示されたダンパーは、気室と液室とを設けた比較的複雑かつ容積を必要とするため、液体の流量を制御する装置全体が複雑化しかつ大型化してしまう。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、流通しない液体が保持される空間を設けることなくポンプにより間欠的に圧送される液体の脈動を抑制し、適切に流量を制御することが可能な流量制御装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の一態様に係る流量制御装置は、可撓性材料により形成されるチューブを間欠的に押し潰すチューブポンプにより間欠的に圧送される液体の流量を制御する流量制御装置であって、流入端から流出端へ向けた流通方向に延在するとともに前記チューブポンプが配置される流路と、前記チューブポンプよりも前記流通方向の下流側に配置されるとともに前記流路を流通する液体の流量を計測する流量計と、前記流量計により計測される流量が目標流量となるように前記チューブポンプが吐出する液体の吐出量を制御する制御部とを備え、前記流路が、前記チューブポンプよりも前記流通方向の下流側に配置されるとともに液体の圧力によって弾性変形する可撓性を有する直管状の可撓性流路と、前記可撓性流路よりも前記流通方向の下流側の端部のみ連結されるとともに前記流通方向に直交する流路断面の断面積が前記流路において最小となる縮径部とを有する。
本発明の一態様に係る流量制御装置によれば、ポンプよりも流通方向の下流側に直管状の可撓性流路が配置され、さらにその下流側に流路断面の断面積が流路において最小となる縮径部が配置される。縮径部における配管抵抗が流路において最大となるため、可撓性流路の下流側に縮径部を設けない場合に比べ、可撓性流路を流通する液体は動圧が低くかつ静圧が高い状態となる。
本発明の一態様に係る流量制御装置によれば、直管状の可撓性流路が液体の圧力によって流路断面積が変化する可撓性を有する。そのため、液体の脈動によって可撓性流路内の液体の静圧がさらに上昇した場合に可撓性流路が弾性変形し、液体の脈動が下流側に伝達されることが抑制される。
また、本発明の一態様に係る流量制御装置によれば、直管状の可撓性流路によって液体の脈動を抑制することができるので、液体の脈動を抑制するための液室を有するダンパーなど流通しない液体が保持される空間を有する装置を必要としない。
このように、本発明の一態様に係る流量制御装置によれば、流通しない液体が保持される空間を設けることなくポンプにより間欠的に圧送される液体の脈動を抑制し、適切に流量を制御することが可能な流量制御装置を提供することができる。
本発明の一態様に係る流量制御装置は、前記ポンプよりも前記流通方向の下流側に配置される逆止弁を備える構成であってもよい。
本構成によれば、ポンプにより間欠的に圧送される液体に大きな脈動が発生する場合であっても、流入端から流出端へ向けた流通方向の逆方向に液体が導かれることが防止される。
本発明の一態様に係る流量制御装置において、前記ポンプは、可撓性材料により形成されるチューブを間欠的に押し潰すことによって前記チューブ内の液体を圧送するチューブポンプであってもよい。
このようにすることで、チューブポンプにより間欠的に圧送される液体の脈動を抑制し、適切に流量を制御することが可能な流量制御装置を提供することができる。
本発明の一態様に係る流量制御装置において、前記縮径部は、前記流通方向に直交する流路断面の断面積が一定の直管状の流路である構成としてもよい。
このようにすることで、縮径部を比較的簡易な構造の直管状の流路とすることができる。
本発明の一態様に係る流量制御装置において、前記流量計は、前記縮径部よりも前記流通方向の下流側に配置されている構成であってもよい。
このようにすることで、縮径部の上流側に配置された可撓性流路で脈動が抑制され、さらに縮径部を通過した後の脈動が確実に抑制された液体を流量計に供給することができる。
本発明の一態様に係る流量制御装置において、前記可撓性流路の前記流通方向に直交する流路断面の断面積は、前記流路において最大であってもよい。
このようにすることで、可撓性流路の内部に収容される液体の量を十分に確保し、液体の脈動をより確実に抑制することができる。
本発明の一態様に係る流量制御装置において、前記逆止弁は、ダックビル型の逆止弁であってもよい。
このようにすることで、ポンプにより圧送される液体の流量が微少となる場合であっても、流入端から流出端へ向けた流通方向の逆方向に液体が導かれることが適切に防止される。
本発明によれば、流通しない液体が保持される空間を設けることなくポンプにより間欠的に圧送される液体の脈動を抑制し、適切に流量を制御することが可能な流量制御装置を提供することができる。
第1実施形態に係る流量制御装置を示す構成図である。 図1に示すチューブポンプによる液体の圧送状態を示す概略構成図であり、(a)が第1時刻における液体の圧送状態を示し、(b)が第2時刻における液体の圧送状態を示す。 図1に示す逆止弁の縦断面図である。 流量計が計測する液体の流量の時間変化を示す図である。 流量計が計測する液体の流量の時間変化を示す図である。 第2実施形態に係る流量制御装置を示す構成図である。 オリフィスを示す縦断面図である。
〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態の流量制御装置100について図面を参照して説明する。
本実施形態の流量制御装置100は、チューブポンプ20により圧送される液体の流量を制御する装置である。本実施形態の流量制御装置100は、例えば、0.1cc/min〜30cc/minの微少流量を制御するのに適している。
図1に示すように、本実施形態の流量制御装置100は、流入端10aから流出端10bへ向けた流通方向に延在する流路10と、間欠的に液体を圧送するチューブポンプ20と、チューブポンプ20よりも流通方向の下流側に配置される逆止弁30と、流路10を流通する液体の流量を計測する流量計40と、チューブポンプ20が吐出する液体の吐出量を制御する流量コントローラ50(制御部)とを備える。
以下、本実施形態の流量制御装置100が備える各構成について説明する。
流路10は、流入端10aから流出端10bへ向けた流通方向に延在するとともに流入端10aの近傍にチューブポンプ20が配置された管状の部材である。
図1に示すように、流路10は、流通方向の上流側から順に、第1流路11と、第2流路12(可撓性流路)と、第3流路13(縮径部)と、第4流路14とが接続された流路である。第1流路11と第2流路12とは継手60によって連結されており、第2流路12と第3流路13とは継手70によって連結されている。
第1流路11,第2流路12,第3流路13,および第4流路14は、いずれも直管状の流路である。各流路においては、液体の流通方向のいずれの位置においても内径が一定となっている。
ここで、第1流路11の内径と、第2流路12の内径と,第3流路13の内径と,および第4流路14の内径をそれぞれID1,ID2,ID3,ID4とすると、これらは以下の式(1)の関係となっている。
ID3<ID1=ID2=ID4 (1)
ID1,ID2,ID3,ID4の具体的数値として、例えば、ID1,ID2,ID4を2mmとし、ID3を0.5mmと設定することができる。
なお、第1流路11の外径と、第2流路12の外径と,第3流路13の外径と,および第4流路14の外径をそれぞれOD1,OD2,OD3,OD4とすると、これらは以下の式(2)の関係となっている。
OD1=OD3=OD4<OD2 (2)
OD1,OD2,OD3,OD4の具体的数値として、例えば、OD1,OD3,OD4を3mmとし、OD2を4mmと設定することができる。
第1流路11,第2流路12,第3流路13,および第4流路14は、耐腐食性を有する樹脂材料により形成されている。このうち、第2流路12は、チューブポンプ20により圧送される液体の圧力によって弾性変形する可撓性を有する樹脂材料(例えば、シリコン樹脂)により形成されている。一方、第1流路11,第3流路13,および第4流路14は、第2流路12よりも高い剛性を有する樹脂材料(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE))により形成されている。
図1に示すように、第2流路12の流通方向の長さをL1と、第3流路13の流通方向の長さをL2とは、例えば、以下の式(3),(4)の範囲に設定するのが望ましい。
100mm≦L1≦500mm (3)
50mm≦L2≦250mm (4)
また、L1,L2は、式(5)を満たすように設定するのが望ましい。
L1>L2 (5)
また、L1,L2は、式(6)を満たすように設定するのが更に望ましい。
L1≧2・L2 (6)
第2流路12は、液体の圧力によって弾性変形する可撓性を有するため、L1を長くするほど、より大きな脈動低減効果が得られる。ただし、L1が長くなるほど装置全体の寸法が大きくなってしまう。そのため、式(3)に示す範囲にL1を設定している。
第3流路13は、内径ID3を他の流路より小さくして抵抗の効果(オリフィスとしての機能)を得ている。この抵抗の効果は、第3流路13の長さL2がある程度短い場合であっても得られる。そのため、式(4)に示す範囲にL2を設定している。
また、第3流路13の長さL2を第2流路12の長さL1より相対的に短くしても、前述した第3流路13の抵抗の効果(オリフィスとしての機能)は十分に得られる。
そのため、式(5)あるいは式(6)に示すようにL1,L2を設定している。
以上のように、第3流路13の内径ID3は、流路10において最小の内径となっている。そのため、第3流路13の流通方向に直交する流路断面の断面積は流路10において最小となっている。
第3流路13の断面積を流路10において最小としているのは、第3流路13の配管抵抗を流路10において最も高くするためである。そのため、第3流路13の上流側の第2流路12内の液体の静圧が高い状態に維持される。
また、内部の液体の静圧が高い状態に維持される第2流路12を可撓性の樹脂材料によって形成しているのは、液体の脈動によって第2流路12内の静圧がさらに上昇した場合に弾性変形することにより、液体の脈動が下流側に伝達されることを抑制するためである。
このように、流路10において最も配管抵抗の高い第3流路13の上流側に可撓性の樹脂材料によって形成される第2流路12を配置することにより、チューブポンプ20から間欠的に圧送される液体の脈動を抑制することができる。
次に、流量制御装置100が備えるチューブポンプ20について説明する。
チューブポンプ20は、流入端10aから流出端10bへ向けて間欠的に液体を圧送する装置である。
図2の概略構成図に示すように、チューブポンプ20は、シリコン樹脂等の可撓性材料により形成されるチューブ21と、ローラ22およびローラ23と、これらのローラが取り付けられるロータ24とを有する。
図2に示すように、ローラ22およびローラ23が取り付けられるロータ24は、モータ(図示略)の駆動力によって軸線X回りに図中の矢印の方向に回転する。図2(a)は第1時刻における液体Lqの圧送状態を示し、図2(b)は第1時刻から一定時間後の第2時刻における液体Lqの圧送状態を示す。
図2に示すように、チューブ21はロータ24とともに回転するローラ22およびローラ23によって各位置が間欠的に押し潰される(扱かれる)ようになっている。図2に示すように第1時刻において左下方に位置していたローラ22は軸線X回りに回転し、第2時刻では最上部まで移動している。
そして、ローラ22が軸線Xを中心として時計回りに回転することにより、チューブ21内の液体Lqもチューブ21内を時計回りに移動する。ロータ24が軸線X回りに回転すると、ローラ22によるチューブ21の押し潰しと、ローラ23によるチューブ21の押し潰しとが間欠的に行われる。これにより、チューブ21内の液体Lqが流通方向に沿って間欠的に圧送される。
図3に示すように、逆止弁30は、ビルハウジング31と、ビルハウジング31に取り付けられるボディ32と、ボディ32の流通方向の一端部に取り付けられるナット33と、ビルハウジング31の流通方向の一端部に取り付けられるナット34と、ダックビル35とを有する。
図3に示すように、ダックビル35は、流通方向の下流側の先端が閉塞したくちばし形状(ダックビル形状)の部材である。ダックビル35は、上下に配置される一対の可撓性の面体が先端で当接してスリットを形成した部材である。そのため、ダックビル35は、流通方向への液体の流通を可能にしつつ、流通方向の逆方向への流通を阻止するようになっている。
ダックビル35を形成する材料としては、可撓性を有する各種材料を採用することができる。例えば、エチレンプロピレンゴム(EPDM)やフッ素ゴム等を採用することができる。
ダックビル35は、液体の圧力によって変形することによって液体の流通状態を切り替えるものである。そのため、弁体とスプリングの組み合わせ等の機械要素によって構成される逆止弁に比べ、微小な流量(0.1cc/min〜30cc/min)を流通させる流路に特に適している。
図3に示すように、ダックビル35は、ビルハウジング31に収容されるとともにビルハウジング31に取り付けられるボディ32との間に挟まれた状態で固定されている。
第1流路11は、ボディ32に挿入された状態でナット33によってボディ32に固定されるようになっている。また、第1流路11は、ビルハウジング31に挿入された状態でナット34によってビルハウジング31に固定されるようになっている。
流量計40は、チューブポンプ20よりも流通方向の下流側に配置されるとともに流路10を流通する液体の流量を計測する装置である。流量計40が流量を計測する方式としては、液体をヒータにより加熱してヒータより下流側に設けた温度検出素子による温度の検出タイミングから流量を測定する熱式を採用することができる。また、例えば、オリフィスの上流側および下流側の液体の圧力を検出してその差圧から流量を計測する差圧式を採用することができる。
流量コントローラ50は、流量計40により計測される流量が目標流量となるようにチューブポンプ20が吐出する液体の吐出量を制御する装置である。
図1に示すように、流量コントローラ50には流量計40により計測される流量が入力されるようになっている。流量コントローラ50は、設定部(図示略)を介して設定される目標流量と流量計40により計測される流量とが一致するように、チューブポンプ20に対してロータ24の回転数を制御するための制御指令値を伝達する。
具体的に、流量コントローラ50は、流量計40により計測される流量が目標流量よりも少ない場合は、チューブポンプ20の吐出量を増加させるための制御指令値をチューブポンプ20に伝達する。また、流量コントローラ50は、流量計40により計測される流量が目標流量よりも多い場合は、チューブポンプ20の吐出量を減少させるための制御指令値をチューブポンプ20に伝達する。
次に、本実施形態の流量計40が計測する液体の流量について説明する。
図4および図5は、いずれも流量計40が計測する液体の流量の時間変化を示す図である。
図4は、チューブポンプ20が圧送する液体の流量(単位時間当たりの吐出量)が比較的少なく、その平均値がQ1である例を示す。一方、図5は、チューブポンプ20が圧送する液体の流量(単位時間当たりの吐出量)が比較的多く、その平均値がQ2である例を示す。
図4および図5における実線は、本実施形態の流量制御装置100における流量計40が計測した流量の時間変化を示している。一方、図4および図5における破線は、比較例の流量制御装置における流量計が計測した流量の時間変化を示している。
ここで、比較例の流量制御装置とは、本実施形態の流量制御装置100における第2流路12および第3流路13とをそれぞれ第1流路10と同じ内径および外径としかつ同じ材料で形成した装置である。すなわち、比較例の流量制御装置は、流入端10aから流出端10bに至るまでの流路10の全領域における流路断面積と流路を形成する材料が同じとなる。
図4および図5に示すように、比較例(破線)に対して本実施形態の流量計40が計測する流量は流量の変動(脈動)が抑制されている。これは、可撓性の第2流路12が流量の変動を弾性変形によって吸収しているためである。
また、図4に示す比較例では、チューブポンプ20が圧送する液体の流量の変動により一部の期間で流量が0以下となっている。流量が0以下となることは、流入端10aから流出端10bへ向けた液体の流通方向とは逆方向に液体が流れていることを示している。このような現象は、チューブポンプ20の液体の吐出量が少ない場合に生じる。
そして、図4に示すように、本実施形態では比較例のように流量が0以下となる期間が存在せず、比較例で流量が0以下となる期間において本実施形態では流量が0となっている。これは、逆止弁30によって液体の流通方向とは逆方向に液体が流れることが阻止されているからである。
このように、本実施形態によれば、チューブポンプ20の液体の吐出量が少ない場合であっても、液体の流通方向とは逆方向に液体が流れることが抑制される。
なお、図4における液体の脈動の周期T1は、図5における液体の脈動の周期T2よりも長くなっている。これは、図4におけるチューブポンプ20が圧送する液体の流量が少なく、チューブポンプ20のロータ24の回転速度が遅いためである。
以上説明した本実施形態の流量制御装置100が奏する作用および効果について説明する。
本実施形態の流量制御装置100によれば、チューブポンプ20よりも流通方向の下流側に直管状の第2流路12が配置され、さらにその下流側に流路断面の断面積が流路10において最小となる第3流路13が配置される。第3流路13における配管抵抗が流路10において最大となるため、第2流路12の下流側に配管抵抗が最大となる第3流路13を設けない場合に比べ、第2流路12を流通する液体は動圧が低くかつ静圧が高い状態となる。
本実施形態の流量制御装置100によれば、直管状の第2流路12が液体の圧力によって流路断面積が変化する可撓性を有する。そのため、液体の脈動によって第2流路12内の液体の静圧がさらに上昇した場合に第2流路12が弾性変形し、液体の脈動が下流側に伝達されることが抑制される。
また、本実施形態の流量制御装置100によれば、直管状の第2流路12によって液体の脈動を抑制することができるので、液体の脈動を抑制するための液室を有するダンパーなど流通しない液体が保持される空間を有する装置を必要としない。
このように、本実施形態によれば、流通しない液体が保持される空間を設けることなくチューブポンプ20により間欠的に圧送される液体の脈動を抑制し、適切に流量を制御することが可能な流量制御装置100を提供することができる。
本実施形態の流量制御装置100は、チューブポンプ20よりも流通方向の下流側に配置される逆止弁30を備える。そのため、チューブポンプ20により間欠的に圧送される液体に大きな脈動が発生する場合であっても、流入端10aから流出端10bへ向けた流通方向の逆方向に液体が導かれることが防止される。
本実施形態の流量制御装置100において、第3流路13は、流通方向に直交する流路断面の断面積が一定の直管状の流路である。このようにすることで、比較的簡易な構造の直管状の流路で第3流路13の配管抵抗を流路10で最大とすることができる。
本実施形態の流量制御装置100において、流量計40は、第3流路13よりも流通方向の下流側に配置されている。このようにすることで、第3流路13の上流側に配置された第2流路12で脈動が抑制され、さらに第3流路13を通過した後の脈動が確実に抑制された液体を流量計40に供給することができる。
本実施形態の流量制御装置100において、逆止弁30は、ダックビル型の逆止弁である。このようにすることで、チューブポンプ20により圧送される液体の流量が微少となる場合であっても、流入端10aから流出端10bへ向けた流通方向の逆方向に液体が導かれることが適切に防止される。
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態の流量制御装置について図6を用いて説明する。
第2実施形態は第1実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第1実施形態と同様であるものとする。
第1実施形態の流量制御装置100は、流量計40を、第3流路13よりも流通方向の下流側に配置するものであった。
それに対して本実施形態の流量制御装置100’は、流量計40を、第3流路13よりも流通方向の上流側に配置するものである。
本実施形態のように流量計40を、第3流路13よりも流通方向の上流側に配置しても、第3流路13よりも上流側に配置される第2流路12によって液体の脈動が抑制される。そのため、第2流路12の下流側に配置される流量計40は、脈動が抑制された状態の液体の流量を計測することができる。
〔他の実施形態〕
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
以上の説明において、第2流路12の流路断面積は、第1流路11の流路断面積および第4流路14の流路断面積と同じであったが、他の態様であってもよい。
例えば、第2流路12の流通方向に直交する流路断面の断面積を、流路10において最大としてもよい。
このようにすることで、第2流路12の内部に収容される液体の量を十分に確保し、液体の脈動をより確実に抑制することができる。
以上の説明においては、流路10において配管抵抗が最大となる部分を直管状の第3流路13により形成するものであったが、他の態様であってもよい。
例えば、直管状の第3流路13の代わりに、部分的に流路径(および流路断面積)を縮小した図7に示すオリフィス80を設けるようにしてもよい。
図7に縦断面図で示されるオリフィス80は、流入口80aから流入する液体を流出口80bから流出させる部材である。オリフィス80は、オリフィス部81と、第2流路12からの液体が流入する流入側ボディ82と、オリフィス部81が取り付けられる流出側ボディ83とを備える。
オリフィス部81は、流入側ボディ82と流出側ボディ83との間でそれぞれに挟まれた状態で支持されており、流路断面積をオリフィス80内部の他の流路よりも小さくした縮径部となっている。
オリフィス部81(縮径部)の内径は、例えば0.2mmに設定される。この値は、第3流路13の内径ID3の一例である0.5mmよりも小さい値となっている。
図1に示す第3流路13の代わりにオリフィス80を用いることにより、第3流路13を用いる場合よりも流路長を短くして流量制御装置100全体の寸法を小さくすることができる。
10 流路
11 第1流路
12 第2流路(可撓性流路)
13 第3流路(縮径部)
14 第4流路
20 チューブポンプ
21 チューブ
22 第1ローラ
23 第2ローラ
24 ロータ
30 逆止弁
31 ビルハウジング
32 ボディ
33,34 ナット
35 ダックビル
40 流量計
50 流量コントローラ(制御部)
60,70 継手
80 オリフィス
100,100’ 流量制御装置

Claims (8)

  1. 可撓性材料により形成されるチューブを間欠的に押し潰すチューブポンプにより間欠的に圧送される液体の流量を制御する流量制御装置であって、
    流入端から流出端へ向けた流通方向に延在するとともに前記チューブポンプが配置される流路と、
    前記チューブポンプよりも前記流通方向の下流側に配置されるとともに前記流路を流通する液体の流量を計測する流量計と、
    前記流量計により計測される流量が目標流量となるように前記チューブポンプが吐出する液体の吐出量を制御する制御部とを備え、
    前記流路は、
    前記チューブポンプよりも前記流通方向の下流側に配置されるとともに液体の圧力によって弾性変形する可撓性を有する直管状の可撓性流路と、
    前記可撓性流路前記流通方向の下流側の端部のみ連結されるとともに前記流通方向に直交する流路断面の断面積が前記流路において最小となる縮径部とを有する流量制御装置。
  2. 前記流路は、前記縮径部の下流側に配置される下流側流路を有し、
    前記下流側流路は、前記可撓性流路よりも高い剛性を有する材料により形成されている請求項1に記載の流量制御装置。
  3. 前記チューブポンプよりも前記流通方向の下流側に配置される逆止弁を備える請求項1または請求項2に記載の流量制御装置。
  4. 前記縮径部は、前記流通方向に直交する流路断面の断面積が一定の直管状の流路である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の流量制御装置。
  5. 前記流量計は、前記縮径部よりも前記流通方向の下流側に配置されている請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の流量制御装置。
  6. 前記可撓性流路の前記流通方向に直交する流路断面の断面積は、前記流路において最大である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の流量制御装置。
  7. 前記逆止弁は、ダックビル型の逆止弁である請求項に記載の流量制御装置。
  8. 前記チューブポンプを備える請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の流量制御装置。
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