JP7116735B2 - 水浄化および配分システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、閉じられた水再循環ループを含む水浄化および分配システム、ならびにかかるシステムから浄化水を分配する方法に関する。

先行技術
本発明が関係するタイプの水浄化システムは、好ましくは超高純度水を生産することおよび１つ以上の配分部位で所望量の浄化水を差しだすことを目的とする。超高純度水は、ＡＳＴＭタイプＩ標準を超える最高品質試薬級水として定義され得、２５℃で１８．０ＭΩ－ｃｍより大きい特定の耐性および５０億分の１（ｐｐｂ）未満の総有機炭素（ＴＯＣ）含量を有する。

多くの用途は、特に生物学および化学分析研究所において、超高純度水の使用を必須とする。所望の純度レベルに従うかかるシステムにおいて水を浄化するための構成要素は、このように知られている。それぞれの用途またはユーザーによって必須とされる水の量に依存して、浄化システムは、例えば毎分２もしくは３リットル、または各滴配分レートまでの最大処理能力よりも低いスループットであり得る最大処理能力およびスループットでまたはこれらの近傍で、浄化水を分配することを必須とされる。いくつかの用途において、浄化水の事前決定した量を可能な限り正確に送達することが必要であり、量を測定することは、ユーザーが配分量をモニタリングするおよび測定することを必須とされることなく、自動化されるべきである。

一般的に必要とされているのは、好ましくは超高純度レベルで、例えば容器を可能な限り迅速に満たすための大きい処理スループットから、例えば容器における水のレベルを調整するための低いまたは極めて低いスループットへ、さらには各滴レートへまでの進行的なレートで、浄化水を生産および選択的に分配および正確に配分し得る水浄化および配分システムである。同時に、システムは、浄化水を事前定義量で自動的におよび精密に分配するために、例えば、ある容器を事前決定した正確な量で満たすために、装備されるべきである。

水浄化および配分システムならびにこの目的のための方法は、例えば、書類ＥＰ１８１４００７Ａ１において開示される。この書類において開示される水浄化および配分システムの概念的レイアウトは、図２において示され、それは、水入口点で浄化される水が供給される閉じられた水再循環ループ１０６を備え、およびそれは、浄化水の１つ以上の使用出口点を有する。システムはまた、ループを通る水フロー方向における入口点の下流および出口点の上流のそれぞれのループ上に、ポンプ手段１０３および水浄化手段を含む。水浄化手段は、典型的には、事前処理ユニット１５１、１８５ｎｍの波長で好ましくは作動するＵＶランプ１５２、および仕上げまたは研磨カートリッジ１５３を含む。この知られたシステムは、ポンプ手段の上流のループ上の第１の弁および使用出口点の各点のそれぞれの上流の第２の弁の、２つの独立弁を含む。

このシステムは、第１の弁および１つ以上の第２の弁としての２方向のソレノイド弁を用い、ここで、そのうちの１つは、事前装填された確認弁などの追加の背圧デバイスを伴わずに、再循環ループにおいて第１のまたは再循環弁として提供され、およびその他（単数または複数）は、それぞれの配分部位で浄化水を分配することに用いるための、浄化水を生産するための水浄化手段からの出口の下流側上の第２のまたは配分弁（単数または複数）として提供される。このシステムにおいて、再循環は、閉じられた配分ソレノイド弁（単数または複数）および浄化ループにおける内圧を伴わずに開かれた再循環ソレノイド弁を伴って起こり、および、配分は、閉じられた再循環ソレノイド弁および開かれた配分ソレノイド弁（単数または複数）を伴って起こる。配分フローレートは、配分ポンプのＤＣモータのスピードによって制御される。この構成は、使用出口点のそれぞれの点の上流のそれぞれの配分ソレノイド弁を選択的に作動させることによって、同時手動配分を許容する。しかしながら、配分量またはレートを調整するためのＤＣモータ速度制御に頼ることによる限定は、ＤＣモータが充分に低い速度で制御され得ないから、各滴などの極めて低いフローレートが実施され得ないことである。さらに、かかる低い速度を設定するために必須の低い電圧でのＤＣモータスタートアップに関連するある遅延またはラグがある。書類ＥＰ１８１４００７Ａ１は、使用出口点の点にて配分する一方で、再循環ソレノイド弁を開くことにより極めて低い配分フローレートが達成されることを開示する。にもかかわらず、かかるセットアップを用いて各滴のような極めて低い配分フローレートを制御することは、配分フローレートが最終フィルタ圧低下に依存するので、可能ではない。システムの別の欠点は、各滴から大きなフローレートへの配分量の規模拡大が完璧ではないことである。

発明の目的
したがって、本発明の目的は、水浄化および配分システムならびに閉じられた水循環ループを含み、配分特性、すなわち、配分量の範囲および特定の量の配分の正確性、に関して改良した方法を提供することである。

解決策
この課題を解決するために、本発明は請求項１の特徴を有する水浄化および配分システム、ならびにシステムを使用しおよび請求項１５の特徴を含む水浄化および配分する方法を提供する。好ましいシステムの態様は従属請求項に定義される。

本発明はしたがって、（閉じられた）水再循環ループを備える水浄化および配分システムであって、浄化される水を導入するための水入口、フロー方向で該水再循環ループを通じて水をポンプするためのポンプ手段、該水入口の下流で水を浄化するための水浄化手段、該水浄化手段の下流の該水再循環ループから分岐される浄化水のための１つ以上の出口（単数または複数）を含む水再循環ループの配分部分、該再循環ループからそれぞれの出口を通る浄化水の制御配分のために、各出口と該水再循環ループとの間に配置される第１の弁、該第１の弁（単数または複数）の下流および該ポンプ手段の上流の水再循環ループの該配分部分において配置される第２の弁、該水再循環ループから分岐されおよび該第１の弁（単数または複数）および該第２の弁を含む水再循環ループの該配分部分をバイパスするバイパス通路、ならびに該バイパス通路を通るフローレートを制御するための第３の弁、を含む前記システムを提供する。

本発明のシステムは、再循環モード、手動配分モードおよび自動または体積配分モードを含む全ての必要な作動モードにおける高い正確性を伴って作動させるのに適しており、ここで事前定義した量が配分される。

本発明のシステムにおいて、水再循環ループから分岐したバイパス通路の提供、ならびに第１の弁（単数または複数）および第２の弁を含む水再循環ループの、およびバイパス通路を通るフローレートを制御するための第３の弁の、配分部分をバイパスすることにより、ループ上のポンプ手段は、システムが上記モードのいずれかにおいて作動するかどうかから独立して一定のフローレートを有する一定のモードにおいて作動され得る。これは、各滴からフルレートまで、高い正確性および迅速な応答で進行的に増加するフローレートで浄化水を配分する可能性をユーザーに提供する。

再循環モードの間だけでなく任意の配分モードの間にもシステムを通して実質的に一定のフローレートで循環させることができるので、一定のフローレートが、とりわけ超高純度水浄化手段の最終浄化段階を通して維持され得、それは度々「研磨段階」として識別され、および典型的にイオン交換樹脂の混合したベットを含み、そのためにイオン交換樹脂を通した一定のフローレートは、最適な研磨を達成するためおよび一定の水の品質を維持するために鍵となるパラメータである。

本発明は特定の超純度水のための最近のニーズを解決するのに特に有利であり、これは、特定の用途分野の要件に対処するために特定の汚染物質が除去された処理された水を意味する。例えば、かかる水はバクテリアを含まない水、内毒素を含まない水、揮発性有機物を含まない水、内分泌撹乱物質を含まない水、低圧クロマトグラフィー専用の水などを含む。これらの用途の多くは、１分あたり２～３リットルの最大配分フローレートから、各滴分配などの非常に小さい分配レートまでを含む。専用の浄化水を製造するために、かかるシステムの浄化手段を含むフィルタのための典型的な圧力滴下は、０．５バールから４バールの範囲で毎分２リットルであり得る。したがって、分配モードにおいて、ループにおける最小の内圧は０．５～４ｂａｒで変化するだろう。分配中に背圧を生じる手段としてリターンループにおける事前ロードされたチェック弁を使用する従来技術の解決策は、弁が高過ぎる圧力でロードされるので最悪の場合適応できず、およびそれは再循環中高すぎる圧力滴下と内部圧を生じるので好ましくない。さらに、事前ロードされた弁は、通常、考慮されなければならず、且つ特定の量の分配の正確性を減少させる、＋／－１５％の変化を追加するスプリングを伴ってロードされる。

好ましくは、システムはさらに、第１の弁（単数または複数）および第２の弁を含む水再循環ループの配分部分へのフローレートを制御するための第４の弁を含む。
好ましくは、第３の弁および第４の弁は、バイパス通路を通るフローレートおよび複数の事前定義されたステップにおける水再循環ループの配分部分へのフローレートを各々制御するために配置される。

好ましくは、第３の弁および第４の弁は、バイパス通路を通るフローレートおよび水再循環ループの配分部分へのフローレートを同時に制御するために配置された三方向弁の形態に一体化される。

好ましくは、三方向弁は、反対方向におけるフローレートを制御するために配置される。
好ましくは、三方向弁は、電動化された弁である。
好ましくは、システムはさらに第１の弁（単数または複数）、第２の弁、第３の弁、およびポンプ手段、および提供される場合第４の弁、を制御するための制御ユニットを含む。

好ましくは、制御ユニットは以下を実施するために配置される：
第１の弁（単数または複数）が閉じられたままであり、第２の弁が開かれたままであり、第３の弁がバイパス通路を通るフローを実質的に妨げるために作動され、第４の弁が水再循環ループの配分部分に流れ込むのを許容するために作動され、およびポンプ手段が作動される、再循環モード；ならびに／または
第１の弁（単数または複数）がユーザー作動に応じて選択的に開かれ、第２の弁が閉じられたままであり、第３および第４の弁が水再循環ループの配分部分に少なくともいくつかのフローを許容するために作動され、およびポンプ手段が作動される、手動配分モード；ならびに／または
第１の弁（単数または複数）が、水の事前決定した量が各出口から分配されるまで選択的に開かれ、第２の弁が閉じられたままであり、第３および第４の弁が水再循環ループの配分部分に少なくともいくつかのフローを許容するために作動され、およびポンプ手段が作動される、自動配分モード。

好ましくは、フローメータは、各第１の弁へのフローレートを測定するために各第１の弁の再循環ループ上流の配分部分に位置づけられる。
好ましくは、制御ユニットは、自動配分モードを実施するために配置され、ユーザー作動に応じて各出口の第１の弁を開くために配置され、第１の弁の開口の後にフローメータにより測定されたフローレートをモニターするために配置され、およびそれがモニターされたフローレートに基づいて決定された後、第１の弁を閉じるために配置され、水の事前決定した量は連結した出口から分配されている。

好ましくは、制御ユニットは、自動配分モードを実施するために配置され、ユーザー作動に応じて各出口の第１の弁を開くために配置され、第１の弁の開口の後に時間をモニターするために配置され、およびそれがモニターされた時間に基づいて決定された後、第１の弁を閉じるために配置され、水の事前決定した量は連結した出口から分配されている。

好ましくは、制御ユニットは、第３および第４の弁を作動して、水再循環ループの配分部分における水の圧力を事前決定した値に調整するために配置される。
好ましくは、制御ユニットは、各作動モードにおける実質的に一定の供給レートにおけるポンプ手段を作動するために配置される。
好ましくは、第１の弁（単数または複数）および好ましくは第２の弁が通常閉じられた（ＮＣ）フローパスを有するタイプのソレノイド弁である。

本発明はまた、水浄化を作動する方法および本発明による配分システムであって、
第１の弁（単数または複数）が閉じられたままであり、第２の弁は開いたままであり、第３の弁は実質的にバイパス通路を通るフローを実質的に妨げるために作動され、第４の弁は水循環ループの分配部分に流れ込むのを許容するために作動し、およびポンプ手段が作動される、再循環モード；ならびに／または
第１の弁（単数または複数）がユーザー作動に応じて選択的に開かれ、第２の弁は閉じられたままであり、第３および第４の弁は水循環ループの分配部分に少なくともいくつかのフローを許容するために作動し、およびポンプ手段が作動される、手動分配モード；ならびに／または
第１の弁（単数または複数）が水の事前決定した量が各出口から分配されるまで選択的に開かれ、第２の弁は閉じられたままであり、第３および第４の弁は水循環ループの分配部分に少なくともいくつかのフローを許容するために作動し、およびポンプ手段が作動される、自動分配モード；
を含む、前記システムに関する。
以下には、本発明が、参照として添付した図面を使用して１つの好ましい態様に基づいて記載されるだろう。

図１は、本発明による水浄化および分配システムの好ましい態様の図解であり； 図２は、先行技術において開示された水浄化および分配システムの図解であり； 図３は、発明に従う断面図での流体分配弁を示し； 図４は、弁シャフトのストローク長に関係する弁機構での断面変動を指し示す図解を示し； 図５ａ～ｄは、通常の作動範囲内での極左位置とおよび極右位置との間の発明の流体分配弁の種々の位置を示し； 図５ａ～ｄは、通常の作動範囲内での極左位置とおよび極右位置との間の発明の流体分配弁の種々の位置を示し； 図５ａ～ｄは、通常の作動範囲内での極左位置とおよび極右位置との間の発明の流体分配弁の種々の位置を示し； 図５ａ～ｄは、通常の作動範囲内での極左位置とおよび極右位置との間の発明の流体分配弁の種々の位置を示し； 図６は、１２０ｌ／ｈの入口フローレートおよび１ｂａｒの入口圧でのフローレートと弁シャフトのストローク長との関係を指し示す図解を示し； 図７は、流体分配弁のキャピラリー領域にズームインされた図６のフローレートとストローク長との間の関係を指し示す図解を示し； 図８は、より大きな意味で駆動アクチュエータを含む発明の流体分配弁を示し； 図９は、完全停止位置（左）における弁体を伴う発明の流体分配弁を示す。

発明の詳細な説明
図２に示されたシステムは先行技術文献ＥＰ１８１４００７Ａ１の議論に関連して既に詳細に記載されている。
図１に示された本発明の水浄化および分配システム１００は、閉じられた水再循環ループ１０６を含み、それはその基本的なレイアウトおよび構成要素において、図２に示された文献ＥＰ１８１４００７Ａ１に開示されたものと類似している。

システムは、したがって、浄化される水をループへ導入するための水入口１０１、ポンプ手段１０３、ループにおいて好ましいフロー方向を定義する、水再循環ループ１０６を通じて水をポンプするための、好ましくは容積式タイプのポンプ、および水入口１０１の下流で水を浄化するための水浄化手段１５０を含む。水浄化手段は機能的遮断として示され、例えば、１つ以上の事前処理したデバイス（単数または複数）、ＵＶ－ランプ（単数または複数）、イオン交換樹脂の混床（単数または複数）、フィルタ（単数または複数）等をとりわけ含む種々の構成要素を含んでもよい。

水再循環ループの配分部分１０６ａは、浄化水のための１つ以上の出口（単数または複数）１０２を含み、それはそれぞれに、水浄化手段１５０の下流の水再循環ループ１０６から（すなわちその配分部分１０６ａから）分岐され、および、出口の各々について、第１の弁１２０は、それぞれの弁１２０を作動させることによって再循環ループ１０６からそれぞれの出口１０２を通る浄化水の制御配分のために、各出口１０２と水再循環ループ１０６との間に配置される。

第２の弁１３０は、１つ以上の第１の弁１２０の下流の水再循環ループ１０６の配分部分１０６ａ、すなわち、最後の出口１０２の下流、およびポンプ手段１０３の上流に配置される。

出口１０２の構造は、書類ＥＰ１８１４００７Ａ１において開示されたものと好ましくは類似であり得、および、したがって比較的小さい断面および／または非剛性／大きい弾性を伴う２つのパイプ手段によって水再循環ループ１０６の配分部分１０６ａへ付属されるための配分点を許容するＨ－多岐管（manifold）を含んでもよく、これは、配分点が、ユーザーによって配分タスクを実施するためにおよび実際の出口開口（outlet opening）を所望の場所へより簡単に導くために容易に操作されるために、手持ち（hand-held）デバイスまたは可動式配分ユニットにおいて位置づけられることを許容する。可動式配分ユニットは、後述されるそれぞれの第２の弁１２０を含んでもよい。使用時点（point-of-use）の配分システムは、ベースユニットおよび手持ちのデバイスまたは配分器ハンドセット、すなわち可動式配分ユニットを含む２つのサブアセンブリで作られ得る。手持ちのデバイスは、２つの小さい直径パイプによってベースユニットへ接続される。再循環ループ１０６の配分部分１０６ａは、両方ともユニットにおいて位置づけられる後述される関連するフローメータおよびＨ－多岐管を介してベースユニットへ接続される。配分モードにおいて、２つの小さい直径パイプは平行する２つのパイプとして働き、よって小さい圧低下を有する一方で、再循環モードにおいては、水は連続するこれらの２つのパイプを介して再循環される。書類ＥＰ１８１４００７Ａ１の開示は、配分ユニットの構造ならびにＨ－多岐管の使用および機能に関して、参照により本明細書に導入される。
第１の弁（単数または複数）１２０および好ましくは第２の弁１３０は、通常は閉じられた（ＮＣ）フローパスを伴うタイプのソレノイド弁である。

よって、本発明の流体分配弁が有利に装備され得るシステムは、とりわけ、水再循環ループ１０６から分岐され、および、第１の弁（単数または複数）１２０および第２の弁１３０を含む水再循環ループ１０６の配分部分１０６ａをバイパスするバイパス通路２０２の装備によって、ＥＰ１８１４００７Ａ１において開示されたものと異なる。バイパス通路はまた、バイパス通路２０２を通るフローレートを制御するための第３の弁２００ａを含む。好ましくは、システムはまた、水再循環ループの配分部分１０６ａへのフローレートを制御するための第４の弁２００ｂを含む。第３の弁２００ａ、および提供される場合は、第４の弁２００ｂは、バイパス通路２０２を通るフローレート、および水再循環ループの配分部分１０６ａへのフローレートを、複数の事前定義されたステップでまたは連続的に、それぞれ制御するために配置される。好ましくは、第３の弁２００ａおよび第４の弁２００ｂは、バイパス通路２０２を通るフローレートおよび水再循環ループの配分部分１０６ａへのフローレートを同時に制御するために配置される三方向弁２００の形態で一体化される。好ましくは、第３および第４の弁は、別々の弁として、またはそれらがフローレートを反対方向で単一の有効化（single activation）によって同時に制御するために配置されるように、一体型三方向弁の形態で提供され、すなわち、１つの弁を通るフローレートが増やされる場合、一方で、他の弁を通るフローレートは、好ましくは対応する量において低下される。かかる構造の三方向弁は、精密な設定および制御器による遠隔作動を許容するために、好ましくはモータ式である。

換言すると、最も一般的な側面において、水浄化手段の下流の再循環ループ１０６の流入流は２つの流へと分裂され、１つはバイパス通路２０２を通り、および１つは配分部分１０６ａを通り、および分裂比は第３および第４の弁（または一体型三方向弁）によって選択的に設定され得る。

システムは、第１の弁（単数または複数）１２０、第２の弁１３０、第３の弁２００ａおよびポンプ手段１０３、ならびに、提供される場合は、第４の弁２００ｂ（後者は、好ましくは単一の三方向弁の形態である）を制御するための制御ユニットを備える。制御ユニットは、事前定義されたプログラミングに基づく以下の制御設定を実施するために配置される。
再循環モードにおいて、第１の弁（単数または複数）１２０は閉じられたままであり、第２の弁１３０は開かれ、第３の弁２００ａは、バイパス通路２０２を通るフローを実質的にまたは完全に防止するために作動され、第４の弁２００ｂは、再循環ループの配分部分１０６ａへのフローを許容するために作動され、および、ポンプ手段１０３は、再循環の効果を発揮させシステムにおける停滞点を回避するために、一定の、好ましくは定格の（rated）最大フローレートで作動される。

手動配分モードにおいて、第１の弁（単数または複数）１２０は、ユーザー作動に応じて選択的に開かれ、第２の弁１３０は一般には閉じられたままであり、第３および第４の弁２００ａ、２００ｂは、水再循環ループの配分部分１０６ａへの少なくともいくつかのフローを許容するためにおよび配分フローレートを調整するために作動され、およびポンプ手段１０３は、再び好ましくは、一定のフローレートでおよび、好ましくは再び、最大定格フローレートで作動される。このモードにおいて、流入流は２つの流へ分割され、１つは配分部分１０６ａへ、そして１つ以上の出口へと行き、ならびに１つはバイパス通路２０２を通ってより直接的にポンプおよび浄化手段へと再循環される。手動配分モードにおいて、システムは、ユーザーが浄化水を各滴からフル配分量までの任意のフローレートで配分することを許容する。所望の配分フローレートの設定は、好ましくはリニアおよび連続的であるべきだが、事前定義されたステップまたは進行的／逓減的であり得る。配分フローレートは、それぞれの第１の弁（単数または複数）１２０を適宜設定することにより設定され、およびこれらの弁は、この目的のために設計される。

第２の弁１３０は、再循環モード中に発動される通常は閉じられたソレノイド弁であるから、弁は、再循環中に如何なる圧力も生み出さない。第２の弁１３０は配分モード中に閉じられたままであるから、ループにおける圧力は浄化手段の最終フィルタおよび配分フローレートに主に依存している。この構成により、浄化ループは、システムが停止中の場合には加圧されない。

この構成を伴い、各滴からフル配分フロースループットへの進行的配分の設定は、モータポンプの作動の変調に依存しないが、ポンプは一定の、好ましくは最大定格スループットで作動され得る。好ましくはモータ式三方向弁２００の形態の、第３および第４の弁２００ａ、２００ｂは、配分フローレートが各滴からフルスループットへ調整され得ること、および、これが、浄化手段の最終フィルタの圧低下が何であれ正しいことを保証するために、圧低下動態（dynamic）を提供する。ポンプ手段のスループットは、好ましい態様における全ての配分モードにおいておよび再循環モードにおいて、実質的に同じ値で設定され得る。

好ましくは、水再循環ループ１０６の配分部分１０６ａは、１つの第１の弁１２０がそれぞれ提供される出口１０２の形態で、１つより多い、好ましくは最大３つまたはさらにそれ以上の異なる配分点を含む。第１の弁が個々に作動され得るから、システムは、種々の配分部位での異なるモードにおける同時配分を許容する。ポンプ手段は定格ポンプ量でまたはほぼこの量で作動しているため、１つの出口での配分量は、別の出口でのそれから本質的には独立的である。必要に応じて、第３および第４の弁２００ａ、２００ｂは、複数の出口でのより大きい配分量が所望される場合、水再循環ループの配分部分１０６ａへとより大きいフロー量を向かわせるために調整され得る。システム設定が、複数の出口での進行的なおよびフル配分量が配管やポンプ手段等の限界により可能ではないような場合、制御ユニットは、進行的配分を無効化する（deactivate）ためにおよびそれぞれの出口での手動配分または限定された配分量のみ許容するために、プログラムされ得る。この場合、出口ごとの最大フローレートは、開かれたまたは有効な（active）出口の数によって分割されるポンプの最大フローレートであるだろう。

配分器ハンドセットは、配分ソレノイド弁（第１の弁）１２０および弁を制御するための必要な電子機器のみを含んでもよい。第３および第４の弁２００ａ、２００ｂ（モータ式三方向弁２００）は、浄化手段およびポンプ手段も提供されるシステムケーシングにおいて好ましくは一体化される。

システムおよび制御ユニットにおいて利用可能なさらなるモードは自動配分モードであり、ここで、第１の弁（単数または複数）１２０は、浄化水の事前決定したまたは事前設定した量がそれぞれの出口１０２から配分されるまでは選択的に開かれ（ユーザー作動に応じて）、第２の弁１３０は閉じられたままであり、第３および第４の弁２００ａ、２００ｂは、水再循環ループの配分部分１０６ａへの少なくともいくつかのフローを許容するために作動され、および、ポンプ手段１０３は、再び好ましくは定格最大ポンプレートで作動される。

このモードのために、フローメータ１０４－１、１０４－２は、それぞれの第１の弁１２０へのフローレートを計測するために、各第１の弁１２０の上流の再循環ループ１０６の配分部分１０６ａ上に、好ましくは位置づけられる。配分モードのために、制御ユニットは、ユーザー作動に応じてそれぞれの出口１０２の第１の弁１２０を開くために、第１の弁１２０の開通後にフローメータ１０４－１、１０４－２によって測定されたフローレートをモニタリングするために、およびモニタリングされたフローレートに基づき浄化水の事前決定量が関連する出口１０２から配分されてきたことが決定される後で、第１の弁１２０を閉じるために、配置される。

自動配分モードの代替的な作動パターンにおいて、制御ユニットが、ユーザー作動に応じてそれぞれの出口１０２の第１の弁１２０を開くために、第１の弁１２０の開通後に経過した時間をモニタリングするために、およびモニタリングされた経過時間に基づきおよびフローレートの考慮下で、水の事前決定量が関連する出口１０２から配分されてきたことを決定される後で、第１の弁１２０を閉じるために、配置される。

上で言及されたように、それぞれのフローメータはベースユニットにおいて一体化され、およびしたがって、手持ちのユニットになおも比較的近く、これは、フローメータが、水温変化および／またはループ内圧の多様性のための配管変形につき、再循環ループにおけるより離れた場所に位置づけられた場合、算出水量の多様性を最小化するためである。これはまた、タイムラグを減らし、および配分量の設定の正確性を改良する。自動化第１の弁１２０がスループットのための複数のまたは無数の設定を有するように用いられる場合、配分フローレートは、設定量がほぼ到達されるときに自動的に遅くされ得、これにより、配分弁を閉じることが設定量の検出後に必須とされる場合に、応答時間効果または制御盤の遅延を最小化する。

自動配分が複数の連続した出口で必須とされる場合、出口番号２のフローレートは、フローメータ１０４－２の手段により算出され得、および出口番号１のフローレートは、式：
出口番号１でのフローレート＝フローレート１０４－１－フローレート１０４－２
に従ってフローメータ１０４－２および１０４－１により算出され得る。

制御ユニットはまた、第３および第４の弁２００ａ、２００ｂ（三方向弁２００）を作動させて水再循環ループの配分部分１０６ａにおける水の圧力をそれぞれの作動および配分モードの効果を発揮させるために必要な事前決定した値へと調整するために配置され得る。

バイパス通路２０２を通るフローレートおよび水再循環ループの分配部分１０６ａ中のフローレートを同時に制御するために配置される三方向弁２００の形態において上記第３の弁２００ａおよび第４の弁２００ｂの機能を一体化し、ならびに上記発明の水浄化および分配システムにおいて特に有利である本発明の流体分配弁の態様は、それが入口流を２つの出口流へ再分割する機能を提供し、および各滴レートからフル分配レートへの出口流の間の配分比の正確な設定のために許容するので、図３～９に関連して以下に詳細に記載される。

１つの例示的な態様に従う本発明の流体分配弁１は、図３、５、８および９において（図８においては、付属した駆動アクチュエータ６を伴って）示される。流体分配弁は、入口流体流Ｚを２つの出口流体流Ｘ、Ｙへ再分割するまたは分配するためのものである。流体分配弁１（以降では、単に「弁」）は、入口流体流Ｚのための入口ポート１０および出口流体流Ｘ、Ｙのための２つの出口ポート１１、１２を備える。入口流体流Ｚの全体のフローレートは、弁によって２つの出口流体流Ｘ、Ｙへと分割および再分割され、ならびに、これらの２つの出口流体流の間のフローレート分配は、その１つが各出口ポートの上流に配置される第１および第２の弁機構１３、１４によって動的に制御される。

弁機構は、１つの出口ポートでの流体流Ｘのフローレートが入口流体流Ｚの０．１～９９．９％の範囲にあり、および、第２の出口ポートでの流体流Ｙの流体流のフローレートはしたがってＹ＝入口流Ｚの１００％－Ｘ％となるように構成される。各弁機構１３、１４は、モータ式駆動アクチュエータ６を作動させることによってまたは手動作動によって弁体に接続された、弁シャフト１８を移動させることに起因した方向Ｄに沿って往復ストロークで円筒形弁ボア１７においてスライド可能な弁体１５、１６を含む。発明を説明するために用いられる態様において、弁ボア１７は連続弁ボアであり、これは両方の弁機構にとって同じである。この態様において、モータ式駆動アクチュエータ６の作動によってストローク方向Ｄにおいて直線的に移動可能に配置される共通の弁シャフト１８上に配置される、弁体１５、１６の各々は、弁機構の通常の作動範囲において、弁が最大弁ギャップから最小弁ギャップへ作動され、これにより、相対移動の際に関連する出口ポートに向かってフローレートを減らすまたは増やす場合、ストローク方向に垂直な平面Ａ、Ｂでの弁ボア内周壁と弁体外周壁との間に存在する弁ギャップを減らすために、進行的に変化する直径を伴って形成される、第１の部分１５ａ、１６ａを含む。

したがって、ギャップは、平面Ａ、Ｂでの弁ボア１７の内径（断面）から、弁体／弁シャフトのそれぞれの位置における平面に位置づけられる弁体の直径（断面）をマイナスする結果であるそれぞれの平面Ａ、Ｂでの自由断面（free cross section）である。弁シャフトが方向Ｄにおいてその縦軸に沿ってスライドしており、かつ、弁ボア１７の断面が一定であると推測する場合、それぞれの平面Ａ、Ｂでの自由断面は、弁体の直径（断面）の変化に依存して変化している。

好ましい態様において、２つの弁機構の弁体の第１の部分１５ａ、１６ａは、それらのそれぞれの直径がストローク方向に沿って反対方向に変化するように配置されるから、出口の１つでのフローレートの増加が同時に他の出口でのフローレートの低減を引き起こし、ここでフローレートの和は必然的に同じであり、かつ、入口フローレートに対応するものである。好ましい態様において、弁体は、２つの弁機構の第１の部分のストローク方向に垂直な平面Ａ、Ｂでの断面の和が、通常の作動範囲において各弁シャフト位置で実質的に一定であるように形成される。しかしながら、用途に依存して、弁体の断面進展（cross section evolution）は、弁シャフトストロークと非リニアであり得、これにより、出口ポート間のフローレートの進行的分配を引き起こす。一般に、平面Ａ、Ｂでの弁ボアの断面の、ならびにストローク長に関係する弁体の第１の部分の進展および絶対値は、通常の作動範囲内の各それぞれの弁位置での圧低下およびフローレートを含む水圧式流体分配の特定のセットアップを定義する。

出口ポート間を再分割するフローレートは、平面Ａ、Ｂでの断面がゼロへと減らされ得る場合に、理論的には各ポート上で入口フローレートの０から１００％まで完璧に働く。しかしながら、事実上、断面をゼロへ減らすことは、弁ボアおよび弁体上の生産公差（production tolerances）ならびに温度の影響および／または摩耗による作動における寸法変化につき、極めて困難である。従来技術のように、通常の作動範囲において各それぞれの終了位置で弁体と弁ボアとの間の完全停止係合またはシーリング接触を提供することが可能であろう一方で、かかる完全停止位置からのそれぞれの弁機構を移動させるために必須とされる初期の破壊遅延および運動量（momentum）につき、ならびに、駆動アクチュエータの位置を正確に知ることの困難性につき、かかる完全停止は上述したように好ましくなく、これらは極めて小さい量の流体がそれぞれの出口から配分されるべきである通常の作動範囲の終了に向かう流体の精密な分配および再分割を妨げる。さらに、通常の作動範囲におけるストロークの終了位置でのギャップの実質的に完全な閉鎖までの、断面の低減は、表面が接触する場合に、弁ボアにおける弁体のウェッジングのリスクを引き起こす。

したがって、弁体と弁ボアとの間のギャップを０．０１ｍｍより下へまで減らすことは必要であろうが、これは、費用が掛かるだけでなく、種々の影響につき、実際の作動において維持することが困難でもある。したがって、発明は、弁機構１３、１４の弁体１５、１６の少なくとも１つ、好ましくは両方が、通常の作動範囲における弁体のストロークの終了位置での最小弁ギャップが、通常の作動範囲におけるストロークの終了位置の近傍において軸長にわたるあるゾーンにおいて、実質的に一定に維持されるように形成されることを提供する。これは、少なくとも１つの弁体、好ましくは両方が、進行的に変化する直径を伴って形成される第１の部分１５ａに隣接する第２の部分１５ｂを有し、ここで第２の部分１５ｂは、通常の作動範囲における弁体のストロークの終了位置が到達される前に、ストローク方向における定義された長さにわたって最小弁ギャップを定義する第１の部分１５ａの最大直径を保持するなかで、達成され得る。弁機構の「キャピラリー領域」と称され得る第２の部分１５ｂの長さは、好ましくは１～５ｍｍの間であるが、入口流体流の特定の圧力に依存する。圧力が高いほど、弁体および弁ボアの表面を互いに接触させることなく、弁体のストロークの終了位置でのそれぞれの出口での流体フローをなおも実質的に遮断するために、キャピラリー領域が長くなる。

このキャピラリー領域の装備により、出口流体流での圧低下が、弁体ストロークのある軸長にわたって実質的に一定の断面を維持するキャピラリー領域の長さを単純に伸長することによって、さらなる断面低減なしに増やされ得る。理論的に、フローレートは無限の長さを伴ってゼロへまで減らされ得るが、実際の長さは、最小フローレートターゲット、弁入口での圧力および利用可能なストローク長と調和される。図４は、ストローク長に関係する断面変動を指し示す例示図解を示し、ここで断面は、弁体と弁ボアとの間に残るｍｍ^２での自由断面を意味する。

最小弁ギャップを定義する直径および弁体の第２の部分のストローク方向における長さは、通常の作動範囲における弁体のストロークの終了位置におけるギャップを通るフローレートが、インフローレートの１％より小さく、好ましくはインフローレートの０．２％より小さいが、好ましくは０．１％より大きくなるように寸法設定される。フローレートの量は、例えば水浄化および配分システムにおける用途のために、好ましくは０．１～６ｂａｒのインフロー圧で１ｌ／ｈより小さいべきである。

図５ａ～５ｄは、キャピラリー領域の開始前の極左位置上（図５ａ）、キャピラリー領域の極左位置上（図５ｂ）、キャピラリー領域の開始前の極右位置上（図５ｃ）およびキャピラリー領域上の極右位置上（図５ｄ）で、再分割する通常の作動範囲内の態様に従う発明の流体分配弁のための典型的な位置を示す。図６は、好ましい態様の、１２０ｌ／ｈの入口フローレートおよび１ｂａｒの入口圧での弁シャフトのストロークに対するｌ／ｈでのフローレートに関連する図解を示す。図７は、キャピラリー領域における弁シャフトのストロークに対するフローレートに関連するズームインされた図解を示す。
円筒形弁ボア１７は、外部ハウジング３において挿入および固定されるカートリッジ２において好ましくは形成される。よって、カートリッジ２およびハウジング３は異なる材料から作られ得、ここでカートリッジのための材料は、ステンレス鋼または真鍮のような、機械加工にとって極めて低い公差を到達するために選択されるものである。ハウジングは、入口および出口の水圧式接続機能、すなわち、入口および出口ポートに続く任意の所望のコネクターを実装するためのより安価な材料から作られ得る。ハウジングは、好適なプラスチック材料からさえも作られ得る。費用が問題とならないのであれば、カートリッジおよびハウジングは、材料の一体部（integral part）から作られ得、必要条件に従って機械加工され得る。この態様において２つの弁機構の弁体１５、１６を含む弁シャフト１８は、弁ニードルの形態であり、カートリッジ２からモータ式駆動アクチュエータ６へと突出する末端に接続される。

駆動アクチュエータは、回転をリニアストロークへと変換するスピンドル駆動の形態でトランスミッションと結合されるリニアモータまたは回転モータであり得る。弁シャフト１８は、さらに、それが通常の作動範囲において手動で駆動されることを許容するために、すなわち、ユーザーが駆動アクチュエータ軸または弁シャフトを掴んで回転し得るケーシングの外側上でユーザーにとってアクセス可能である、弁シャフトのまたはアクチュエータ軸の部分を提供することによって、配置され得る。駆動アクチュエータの側上の弁ボア１７と弁シャフト１８との間のカートリッジ２の流体堅固性（tightness）は、弁シャフト１８の突出部を囲むために（図８参照）、カートリッジ２にまたは（図示せず）外部ハウジングに付属するシール４およびフランジ部５を伴って実現される。

弁ボア１７が形成されるカートリッジ２、および弁シャフト１８は、好ましくは、２つの構成要素が接触し得る反対のストローク方向の１つまたは各々に沿う位置を定義するために設計される。これらの接触位置は、弁機構の通常の作動範囲の外側、および好ましくは、ストローク方向において通常の作動範囲の終了位置の少なくとも１つからまたは両方からの間隔を伴って、弁ボアの外側であり、およびこれらは定義された機械的停止位置として役立つ。弁が通常の作動範囲において作動される駆動モードから区別されるような駆動アクチュエータの特定の駆動モードにおける機械的停止位置へ、弁シャフトが移動され得るように、弁は構成される。この機械的停止位置または完全停止位置は、「０」弁位置（図９参照）を初期化するために必要であり、弁シャフトを停止位置へ移動させるための駆動モードは、弁駆動パラメータを初期化するために必要な時々に選択され実行される。

１つの異形において、駆動アクチュエータの例としてのリニアアクチュエータは、駆動アクチュエータの移動位置を決定するためのエンコーダが装備され、および、したがって機械的停止は、駆動アクチュエータを較正するために用いられるために配置される。別の異形において、例えば、ステップモータが駆動アクチュエータとして用いられ、それがリニアモータまたは回転モータの形態である場合、機械的停止位置は計数器を再設定するために用いられ、および機械的停止からのステップモータのステップは、その後弁シャフト位置を予測するために計数される。必要なときはいつでも、弁シャフトは、駆動アクチュエータを再設定または再較正するために、特定の駆動モードを初期化および実行することによって、通常の作動範囲を超える機械的停止位置へと移動され得る。駆動アクチュエータを較正するための機械的停止位置が弁機構の通常の作動範囲の終了位置の外側にあるので、弁シャフトの機械的停止位置との接触は、終了位置を再分割するフローレートでブレーキングまたはウェッジング問題を引き起こさず、したがって、弁機構の作動上影響を及ぼさない。

弁シャフト位置がエンコーダにより読み取れないが差し引かれるか（deducted）または計算される場合、機械的停止位置と最大通常使用終了位置との間のギャップ１４は、完全停止との望まない衝突を回避するために実装されるべきである。このギャップは、システムの全体的な（global）公差および計数アルゴリズムの正確性に関して実装されるべきであり、および、例えば、１ｍｍであることができる（図５ｂ参照）。
他方で、さらなる機械的停止位置または完全停止は、最大弁のシャフト位置を通常の作動範囲を超えて右へ制御するために、例えば、弁が作動不能の場合に漏出リスクを回避するために、提供されてもよい。この完全停止位置は、同じく、弁の故障または不使用（none-use）の長い期間または輸送の場合のみ、弁シャフトによって到達されるために設計され得、および特定の駆動モードは、実行された場合、弁シャフトをこの完全停止位置へと移動させるだろう駆動アクチュエータのために実装され得る。再び、完全停止位置と最大通常使用終了位置との間のギャップが、通常の作動の間に、完全停止との所望されない衝突を回避するために実装され得る。このギャップは、システムの全体的な公差および計数アルゴリズムの正確性に関して実装されるべきであり、それは、例えば、１ｍｍであることができる。

したがって、駆動アクチュエータは種々の作動モードを有し、１つは、右弁機構の弁体がキャピラリー領域において位置づけられる、弁シャフトが弁シャフトの極左位置の間に通常の作動範囲において駆動されるところにあり（図５ｂ参照）、１つは左弁機構の弁体がキャピラリー領域において位置づけられるところにある（図５ｄ参照）。弁シャフトが通常の作動範囲を超えて右または左の完全停止位置へと移動されることを許容する他の駆動モードは、述べたとおり、駆動アクチュエータの較正が所望され、または保存または輸送または他の目的のための弁の完全閉鎖が所望される場合には、意図的に初期化されなければならない。

駆動アクチュエータ、通常の作動範囲の全ストローク長において弁シャフトを駆動するために構成され得、ここで、再分割が連続移動においてまたは区別される事前設定されたステップおよび中間位置の数において作られる。かかる移動挙動はまた、駆動アクチュエータの異なる駆動モードにおいて、通常の作動範囲における弁の作動のために、実装され得る。

流体分配弁の好ましい態様が、連続円筒形弁ボアにおけるリニア配置における共通の弁シャフト上に配置される第１および第２の弁機構の第１および第２の弁体を有し、および円筒形弁ボアへの入口がストローク方向に垂直であるところ、出口ポートと連通する弁ボアからの出口はストローク方向において整列される一方、入口が、そこからそれぞれの弁機構の弁ボアが好ましい態様において整列配置の他に平行または放射状配置につながる共通の入口チャンバへつながるところでは、平行配置が実現可能であるだろう。

発明の弁は、２つの出口に向かう入口流体流を各滴フローレートから最大フローレートへ再分割する精密なフローを提供する。さらに、弁は費用対効果が高く、これは、全ての製品の複雑さが、カートリッジ２（円筒形弁ボアが形成される場所）および弁シャフト１８（弁体を含む）の２つの要素のみに本質的に埋め込まれているからである。効果的な製造において、精密性までもが弁体に限定され得、これは、弁ボアと弁体との間の最小ギャップが通常の作動範囲の終了位置においてまでも維持されるからである。

発明の流体分配弁は、第１の出口１１が再循環ループ１０６の配分部分１０６に接続され、および第２の出口１２がバイパス通路２０２に接続され、他方で、入口１０がモータ再循環ループ１０６に接続される配置において、上述の流体分配弁１は３方向モータ式弁２００として実装され得る、本発明の水浄化および配分システムにおける使用のために特に好適である。この配置は利点があり、それは、第１の出口が第２の出口よりも高い位置に位置づけられ、後者が弁作動中のシーリング摩耗によるいくつかのシーリング微粒子（particulates）を集めることができるためである。

Claims (13)

1. （閉じられた）水再循環ループ（１０６）を備える水浄化および配分システム（１００）であって、
   浄化される水を導入するための水入口（１０１）；
   フロー方向で該水再循環ループ（１０６）を通じて水をポンプするためのポンプ手段（１０３）；
   該水入口（１０１）の下流で水を浄化するための水浄化手段（１５０）；
   該水浄化手段（１５０）の下流の該水再循環ループ（１０６）から分岐される浄化水のための１つ以上の出口（単数または複数）（１０２）を含む水再循環ループ（１０６）の配分部分（１０６ａ）；
   該再循環ループ（１０６）からそれぞれの出口（１０２）を通る浄化水の制御配分のために、各出口（１０２）と該水再循環ループ（１０６）との間に配置される第１の弁（１２０）；
   該第１の弁（単数または複数）（１２０）の下流および該ポンプ手段（１０３）の上流の水再循環ループ（１０６）の該配分部分（１０６ａ）において配置される第２の弁（１３０）；
   該水再循環ループ（１０６）から分岐され、および該第１の弁（単数または複数）（１２０）および該第２の弁（１３０）を含む水再循環ループ（１０６）の該配分部分（１０６ａ）をバイパスする、バイパス通路（２０２）；
   該バイパス通路（２０２）を通るフローレートを制御するための第３の弁（２００ａ）、ならびに
   第１の弁（単数または複数）（１２０）および第２の弁（１３０）を含む水再循環ループの配分部分（１０６ａ）へのフローレートを制御するための第４の弁（２００ｂ）を含み、
   第３の弁（２００ａ）および第４の弁（２００ｂ）が、バイパス通路（２０２）を通るフローレートおよび水再循環ループの分配部分（１０６ａ）中のフローを同時に制御するために配置される三方向弁（２００）の形態で一体化される
   前記システム。
2. 第３の弁（２００ａ）および第４の弁（２００ｂ）が、バイパス通路（２０２）を通るフローレートおよび複数の事前定義されたステップにおける水再循環ループの分配部分（１０６ａ）中のフローレートを各々制御するために配置される、請求項１に記載のシステム。
3. 三方向弁（２００）が、反対方向におけるフローレートを制御するために配置される、請求項１または２に記載のシステム。
4. 三方向弁（２００）が、電動化された弁である、請求項１～３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 第１の弁（単数または複数）（１２０）、第２の弁（１３０）、第３の弁（２００ａ）、およびポンプ手段（１０３）、および、提供される場合、第４の弁（２００ｂ）を制御するための制御ユニットをさらに含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。
6. コントロールユニットが、
   第１の弁（単数または複数）（１２０）が閉じられたままであり、第２の弁（１３０）が開かれたままであり、第３の弁（２００ａ）がバイパス通路（２０２）を通るフローを実質的に妨げるために作動され、第４の弁（２００ｂ）が水再循環ループの配分部分（１０６ａ）に流れ込むのを許容するために作動され、およびポンプ手段（１０３）が作動される、再循環モード；ならびに／または
   第１の弁（単数または複数）がユーザー作動に応じて選択的に開かれ、第２の弁（１３０）が閉じられたままであり、第３および第４の弁（２００ａ、２００ｂ）が水再循環ループの配分部分（１０６ａ）に少なくともいくつかのフローを許容するために作動され、およびポンプ手段（１０３）が作動される、手動配分モード；ならびに／または
   第１の弁（単数または複数）が、水の事前決定した量が各出口（１０２）から分配されるまで選択的に開かれ、第２の弁（１３０）が閉じられたままであり、第３および第４の弁（２００ａ、２００ｂ）が水再循環ループの配分部分（１０６ａ）に少なくともいくつかのフローを許容するために作動され、およびポンプ手段（１０３）が作動される、自動配分モード：
   を実施するために配置される、請求項５に記載のシステム。
7. フローメータ（１０４－１、１０４－２）が、それぞれの第１の弁（１２０）へのフローレートを計測するために、各第１の弁（１２０）の上流の再循環ループ（１０６）の配分部分（１０６ａ）上に位置づけられる、請求項６に記載のシステム。
8. 制御ユニットが、自動配分モードを実施するために配置され、ユーザー作動に応じて各出口（１０２）の第１の弁（１２０）を開くために配置され、第１の弁（１２０）の開口の後にフローメータ（１０４－１、１０４－２）により測定されたフローレートをモニターするために配置され、およびそれがモニターされたフローレートに基づいて決定された後、第１の弁（１２０）を閉じるために配置され、水の事前決定した量は連結した出口（１０２）から分配されている、請求項６または７に記載のシステム。
9. 制御ユニットが、自動配分モードを実施するために配置され、ユーザー作動に応じて各出口（１０２）の第１の弁（１２０）を開くために配置され、第１の弁（１２０）を開口の後に時間をモニターするために配置され、およびそれがモニターされた時間に基づいて決定された後、第１の弁（１２０）を閉じるために配置され、水の事前決定した量は連結した出口（１０２）から分配されている、請求項６または７に記載のシステム。
10. 制御ユニットが、第３および第４の弁（２００ａ、２００ｂ）を作動して、水再循環ループの配分部分（１０６ａ）における水の圧力を事前決定した値に調整するために配置される、請求項６～９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 作動ユニットが、各作動モードにおける実質的に一定の供給レートにおけるポンプ手段（１０３）を作動するために配置される、請求項６～１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 第１の弁（単数または複数）（１２０）および好ましくは第２の弁（１３０）が通常閉じられた（ＮＣ）フローパスを有するタイプのソレノイド弁である、請求項１～１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 請求項１～４のいずれか一項に記載の水浄化および分配システム（１００）を作動する方法であって、
    第１の弁（単数または複数）（１２０）が閉じられたままであり、第２の弁（１３０）が開かれたままであり、第３の弁（２００ａ）がバイパス通路（２０２）を通るフローを実質的に妨げるために作動され、第４の弁（２００ｂ）が水再循環ループの配分部分（１０６ａ）に流れ込むのを許容するために作動され、およびポンプ手段（１０３）が作動される、再循環モード；ならびに／または
    第１の弁（単数または複数）がユーザー作動に応じて選択的に開かれ、第２の弁（１３０）が閉じられたままであり、第３および第４の弁（２００ａ、２００ｂ）が水再循環ループの配分部分（１０６ａ）に少なくともいくつかのフローを許容するために作動され、およびポンプ手段（１０３）が作動される、手動配分モード；ならびに／または
    第１の弁（単数または複数）が水の事前決定した量が各出口（１０２）から分配されるまで選択的に開かれ、第２の弁（１３０）が閉じられたままであり、第３および第４の弁（２００ａ、２００ｂ）が水再循環ループの配分部分（１０６ａ）に少なくともいくつかのフローを許容するために作動され、およびポンプ手段（１０３）が作動される、自動配分モード：
    を含む、前記方法。

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