JP7292121B2 - 流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、流量制御装置に関する。

流量制御装置は、例えば供試体に供給する流体の流量を設定流量になるように制御する装置として公知である。例えば、特許文献１には、流量計の計測結果に基づいて流量制御バルブの開度を制御して流量制御を行う流量制御装置が開示されている。

特開２０１３－１９６６０７号公報

図５を用いて、従来の流量制御装置５００の構成について説明する。図５は、従来の流量制御装置５００の構成を示すブロック図である。図の一点鎖線は、電気信号線を示す。

流量制御装置５００は、タンク５１０から供試体Ｗに供給する流体Ｒの流量を設定流量になるように制御する装置である。例えば供試体Ｗは、熱交換器であって、例えば流体Ｒは水である。

タンク５１０と供試体Ｗとは、タンク５１０から供試体Ｗへ流体Ｒを供給するための供給管路５６１によって接続される。また、供試体Ｗとタンク５１０とは、供試体Ｗからタンク５１０へ流体Ｒを戻すための戻り管路５６２によって接続される。

供給管路５６１には、第１ポンプ５２１と第２ポンプ５２２とがそれぞれ並列に設けられる。第１ポンプ５２１と第２ポンプ５２２とは、容量が略同一の可変容量式のポンプである。供給管路５６１において、第１ポンプ５２１および第２ポンプ５２２と、供試体Ｗとの間には、流量計５４１が設けられる。戻り管路５６２には、制御バルブ５３１が設けられる。

供給管路５６１における第１ポンプ５２１および第２ポンプ５２２と流量計５４１との間と、タンク５１０とは、タンク５１０に流体を戻すためのバイパス管路５６３によって接続される。バイパス管路５６３には、バイパスバルブ５３５と圧力センサ５４２とが直列に設けられる。

制御部５５０は、第１ポンプ５２１および第２ポンプ５２２の吐出量を制御し、制御バルブ５３１およびバイパスバルブ５３５の開度を制御し、流量計５４１および圧力センサ５４２の計測値を取得する機能を有する。設定部５５５は、少なくとも供試体Ｗに供給する流体Ｒの流量を設定する機能を有する。

制御部５５０は、供試体Ｗに供給される流体Ｒの流量が設定流量になるように、第１ポンプ５２１および／または第２ポンプ５２２の吐出量を制御し、次に制御バルブ５３１の開度を制御する機能を有する。

なお、従来の流量制御装置５００では、バイパス管路５６３は、圧力センサ５４２によって計測される圧力値（流量制御装置５００の高圧圧力）が設定値以上であれば、バイパスバルブ５３５の開度を制御し、高圧側の流体Ｒをタンク５１０に逃がす管路としてのみ機能する。

ここで、制御バルブ５３１の口径は、流量制御装置５００を通過する流体Ｒが最大流量のとき（例えば、第１ポンプ５２１および第２ポンプ５２２がそれぞれ同時に最大吐出量で運転されるとき）に合わせて選定される。しかし、この場合には、流量制御装置５００を通過する流体Ｒの流量が比較的小さいとき（例えば、第１ポンプ５２１が最小吐出量で運転されるとき）は、制御バルブ５３１の流量制御の精度が悪くなる。

本発明の目的は、幅広い流量領域において流量を精度良く制御することができる流量制御装置を提供することにある。

本発明に係る流量制御装置は、タンクから供試体に供給する流体の流量を設定流量になるように制御する流量制御装置であって、タンクから供試体に向かう供給管路に互いに並列に設けられる第１ポンプおよび第２ポンプと、供試体からタンクに向かう戻り管路に互いに並列に設けられる第１制御バルブおよび第２制御バルブと、設定流量に基づいて、第１ポンプまたは第２ポンプのうちのどちらかを選択し、選択したポンプの吐出量を制御し、設定流量に基づいて、第１制御バルブまたは第２制御バルブのうちのどちらかを選択し、選択した制御バルブの開度を制御する制御部と、を備え、第２ポンプの容量は、第１ポンプの容量よりも大きく、第２制御バルブの口径は、第１制御バルブの口径よりも大きいことを特徴とする。

本発明に係る流量制御装置において、供給管路における第１ポンプおよび第２ポンプと供試体との間と、タンクとを接続するバイパス管路に設けられるバイパスバルブをさらに備えることが好ましい。

本発明に係る流量制御装置において、制御部は、設定流量に基づいて第１ポンプまたは第２ポンプのうちのどちらかを選択し、次に、流量が設定流量になるように選択したポンプの吐出量を制御し、次に、設定流量に基づいて第１制御バルブまたは第２制御バルブのうちのどちらかを選択し、次に、選択した制御バルブの開度を開閉いずれの方向へも調整可能な所定開度に固定し、次に、流量が設定流量近傍になるようにバイパスバルブの開度を制御し、次に、流量が設定流量になるように選択した制御バルブの開度を制御することが好ましい。

本発明に係る流量制御装置によれば、幅広い流量領域において流量を精度良く制御することができる。

本実施形態の流量制御装置の構成を示すブロック図。 本実施形態の流量制御の処理手順を示すフロー図。 本実施形態の高圧保護制御の処理手順を示すフロー図。 本実施形態の流量制御の流れの一例を示すタイムチャート図。 従来の流量制御装置の構成を示すブロック図。

以下、図面を参照しながら、実施形態の一例を詳細に説明する。実施形態において参照する図面は、模式的に記載されたものであるから、図面に描画された構成要素の寸法などは、以下の説明を参酌して判断されるべきである。本明細書において、「略～」との記載は、略同一を例に説明すると、完全に同一はもとより、実質的に同一と認められる場合を含む意図である。以下で説明する実施形態は例示であって、本発明の流量制御装置はこれに限定されない。

以下で説明する形状、材料および個数は、説明のための例示であって、流量制御装置の仕様に応じて適宜変更することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、本文中の説明においては、必要に応じてそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１を用いて、流量制御装置１００の構成について説明する。図１は、流量制御装置１００の構成を示すブロック図である。図の破線は、電気信号線を示す。

流量制御装置１００は、タンク１０から供試体Ｗに供給する流体Ｒの流量Ｑが設定流量Ｑｒになるように制御する装置である。本実施形態の供試体Ｗは、例えば熱交換器であるが、これに限定されない。供試体Ｗとしては、例えば、バルブ、圧力制御機構等が好適に用いられる。本実施形態の流体Ｒは例えば水であるが、これに限定されない。流体Ｒとしては、油、冷媒等が好適に用いられる。

タンク１０と供試体Ｗとは、タンク１０から供試体Ｗへ流体Ｒを供給するための供給管路６１によって接続される。また、供試体Ｗとタンク１０とは、供試体Ｗからタンク１０へ流体Ｒを戻すための戻り管路６２によって接続される。

供給管路６１には、第１ポンプ２１と第２ポンプ２２とがそれぞれ並列に設けられる。第１ポンプ２１および第２ポンプ２２は、インバータ制御によりポンプを駆動するモータの回転数を変化させることによって吐出量を変化させる可変容量式のポンプである。第２ポンプ２２の容量は、第１ポンプ２１の容量よりも大きい。より具体的には、第２ポンプ２２の出力が第１ポンプ２１の出力よりも大きく、第２ポンプ２２の最大吐出量が第１ポンプ２１の最大吐出量よりも大きく、第２ポンプ２２の最大容量が第１ポンプ２１の最大容量よりも大きい。

供給管路６１において、第１ポンプ２１および第２ポンプ２２と、供試体Ｗとの間には、流量計４１が設けられる。流量計４１は、供試体Ｗを通過する流体Ｒの流量Ｑを計測する機能を有する。

戻り管路６２には、第１制御バルブ３１と第２制御バルブ３２とが並列に設けられる。第１制御バルブ３１および第２制御バルブ３２は、戻り管路６２を通過する流体Ｒの流量Ｑを制御するものである。第２制御バルブ３２の口径は、第１制御バルブ３１の口径よりも大きい。より具体的には、第２制御バルブ３２の最大制御流量が第１制御バルブ３１の最大制御流量よりも大きい。

より具体的には、第２制御バルブ３２の口径は、第２ポンプ２２の最大吐出量による通過流量に合わせて設定される。第１制御バルブ３１の口径は、第１ポンプ２１の最大吐出量による通過流量に合わせて設定される。

供給管路６１において、第１ポンプ２１および第２ポンプ２２と流量計４１との間と、タンク１０とは、第１ポンプ２１および第２ポンプ２２からタンク１０に向かって流体Ｒをバイパスするためのバイパス管路６３によって接続される。バイパス管路６３には、バイパスバルブ３５と圧力センサ４２とが直列に設けられる。バイパスバルブ３５は、バイパス管路６３を通過する流体Ｒの流量を制御するものである。圧力センサ４２は、バイパスバルブ３５の上流側に設けられる。圧力センサ４２は、バイパス管路６３を通過する流体Ｒの圧力Ｐを計測する機能を有する。

制御部５０は、プログラムが格納された不揮発性メモリと、プログラムを実行するための一時的な記憶領域としての揮発性メモリと、入出力ポートと、プログラムを実行するプロセッサと、を備える。制御部５０としては、例えばＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）が好適に用いられる。

制御部５０は、第１ポンプ２１と、第２ポンプ２２と、第１制御バルブ３１と、第２制御バルブ３２と、バイパスバルブ３５と、流量計４１と、圧力センサ４２と、設定部５５と、に電気的に接続されている。

制御部５０は、設定流量Ｑｒに基づいて駆動するポンプとして第１ポンプ２１または第２ポンプ２２を選択し、選択した第１ポンプ２１または第２ポンプ２２の吐出量を制御する機能を有する。また、制御部５０は、設定流量Ｑｒに基づいて動作する第１制御バルブ３１または第２制御バルブ３２を選択し、選択した第１制御バルブ３１または第２制御バルブ３２の開度Ｄｃを制御する機能を有する。制御部５０は、バイパスバルブ３５の開度Ｄｐを制御する機能を有する。制御部５０は、流量計４１および圧力センサ４２の計測値を取得する機能を有する。

設定部５５は、少なくとも供試体Ｗに供給する流体Ｒの設定流量Ｑｒを設定する機能を有する。設定部５５としては、例えばＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）が好適に用いられる。

図２を用いて、流量制御Ｓ１００の処理手順について説明する。図２は、流量制御Ｓ１００の処理手順を示すフロー図である。

本実施形態の流量制御Ｓ１００は、上述した流量制御装置１００において、タンク１０から供試体Ｗに供給する流体Ｒの流量Ｑが設定流量Ｑｒになるように制御する。ステップＳ１１０において、設定部５５によって、供試体Ｗに供給する流体Ｒの設定流量Ｑｒが設定される。

ステップＳ１２０において、制御部５０は、設定流量Ｑｒに基づいて駆動するポンプとして第１ポンプ２１または第２ポンプ２２を選択する。具体的には、設定流量Ｑｒが所定流量Ｑ１以下であれば、第１ポンプ２１を選択し、設定流量Ｑｒが所定流量Ｑ１より大きい場合には、第２ポンプ２２を選択する。所定流量Ｑ１は、予め設定部５５によって設定されている。

ステップＳ１３０において、制御部５０は、設定流量Ｑｒに基づいて動作する制御バルブとして第１制御バルブ３１または第２制御バルブ３２を選択する。具体的には、設定流量Ｑｒが所定流量Ｑ２以下であれば、第１制御バルブ３１を選択し、設定流量Ｑｒが所定流量Ｑ２より大きい場合には、第２制御バルブ３２を選択する。所定流量Ｑ２は、予め設定部５５によって設定されている。

ステップＳ１４０において、制御部５０は、選択した第１制御バルブ３１または第２制御バルブ３２の開度Ｄｃを所定開度Ｄｃ１に固定する。所定開度Ｄｃ１は、開閉いずれの方向へも調整可能な開度であって、予め設定部５５によって設定されている。所定開度Ｄｃ１は、例えば全開状態を１００％としたときの４０％とする。なお、選択しなかった制御バルブは全閉とする。

ステップＳ１５０において、制御部５０は、設定流量Ｑｒと予め設定された近似式とによって算出されるインバータ周波数にて選択した第１ポンプ２１または第２ポンプ２２を駆動する。近似式は、設定流量Ｑｒとインバータ周波数との関係を表す１次式であって、予め設定部５５によって設定されている。制御部５０は、選択したポンプを所定時間駆動したのちにステップＳ１６０に移行する。

ステップＳ１６０において、制御部５０は、流量計４１で計測される流量Ｑが設定流量Ｑｒになるように、バイパスバルブ３５の開度Ｄｐを制御する。ステップＳ１７０において、制御部５０は、流量計４１で計測される流量Ｑが所定条件を満たしたかどうかを判断する。ここで、所定条件は、流量計４１で計測される流量Ｑが設定流量Ｑr近傍の所定範囲内（所定流量Ｑ３＜設定流量Ｑｒ＜所定流量Ｑ４）に所定時間以上だけ収まった場合とする。所定条件は、予め設定部５５によって設定されている。ステップＳ１８０において、所定条件を満たした場合には、バイパスバルブ３５の開度Ｄｐを所定開度Ｄｐ１に固定する。

ステップＳ１９０において、制御部５０は、流量計４１で計測される流量Ｑが設定流量Ｑｒになるように、選択した第１制御バルブ３１または第２制御バルブ３２の開度Ｄｃを制御する。

図３を用いて、高圧保護制御Ｓ２００の処理手順について説明する。図３は、高圧保護制御Ｓ２００の処理手順を示すフロー図である。

本実施形態の高圧保護制御Ｓ２００は、上述した流量制御装置１００において、高圧圧力（第１ポンプ２１または第２ポンプ２２の吐出圧力）が所定圧力Ｐ１以上となった場合には、バイパスバルブ３５の開度Ｄｐを制御してバイパス管路６３によって流体Ｒをタンク１０に戻す。これにより、流量制御装置１００の高圧圧力を下げて流量制御装置１００を保護する。高圧保護制御Ｓ２００は、上述した流量制御Ｓ１００よりも優先して行われる。

ステップＳ２１０において、制御部５０は、圧力センサ４２によって計測されたバイパス管路６３を通過する流体Ｒの圧力Ｐを取得する。バイパス管路６３を通過する流体Ｒの圧力Ｐは、駆動する第１ポンプ２１または第２ポンプ２２の吐出圧力と略同一の圧力値である。

ステップＳ２２０において、制御部５０は、流体Ｒの圧力Ｐが所定圧力Ｐ１以上であるかどうかを判断する。ステップＳ２３０において、制御部５０は、流体Ｒの圧力Ｐが所定圧力Ｐ１以上の場合には、バイパスバルブ３５の開度Ｄｐを所定開度ΔＤｐ２だけ開く。

このようにして、高圧保護制御Ｓ２００によれば、上述した流量制御装置１００において、高圧圧力が所定圧力Ｐ１以上とならないようにバイパス管路６３によって流体Ｒをタンク１０に戻すことによって流量制御装置１００を保護することができる。

図４を用いて、流量制御Ｓ１００の流れの一例について説明する。図４は、流量制御Ｓ１００の流れの一例を示すタイムチャート図である。

時間Ｔ０において、設定部５５によって、供試体Ｗに供給する流体Ｒの設定流量Ｑｒが設定される。このとき、設定流量Ｑｒが所定流量Ｑ１よりも大きいので、駆動するポンプとして第２ポンプ２２が選択され、設定流量Ｑｒが所定流量Ｑ２よりも大きいので、作動する制御バルブとして第２制御バルブ３２が選択される。そして、第２制御バルブ３２の開度Ｄｃを所定開度Ｄｃ１に固定する。さらに、第２ポンプ２２を算出されたインバータ周波数にて駆動する。

所定時間経過した時間Ｔ１において、流量計４１で計測される流量Ｑが設定流量Ｑｒに近くなるように、バイパスバルブ３５の開度Ｄｐが制御される。

時間Ｔ２において、流量計４１で計測される流量Ｑが所定流量Ｑ３より大きく所定流量Ｑ４より小さい領域に所定時間以上だけ収まった場合には、流量計４１で計測される流量Ｑが設定流量Ｑｒになるように、所定開度Ｄｃ１に固定されていた第２制御バルブ３２の開度Ｄｃが制御される。

流量制御装置１００の効果について説明する。流量制御装置１００によれば、幅広い流量領域において流量を精度良く制御することができる。すなわち、第２ポンプ２２または第１ポンプ２１のどちらかを選択して駆動し、選択したポンプに対応する第２制御バルブ３２または第１制御バルブ３１のどちらかを選択して作動することによって、設定流量Ｑｒに応じたポンプとバルブの組み合わせを実現することができる。

また、流量制御装置１００によれば、従来は高圧保護の目的にのみ用いていたバイパス管路６３およびバイパスバルブ３５を流量制御に用いることによって、流量を精度良く制御することができる。

さらに、流量制御装置１００によれば、第２制御バルブ３２とバイパスバルブ３５との組み合わせ、または、第１制御バルブ３１とバイパスバルブ３５との組み合わせのように２つのバルブで流量制御する場合には、一方のバルブの開度を固定して他方のバルブの開度を制御することによって、流量を精度良く制御することができる。

なお、本発明は上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内において種々の変更や改良が可能であることは勿論である。

１０ タンク、２１ 第１ポンプ、２２ 第２ポンプ、３１ 第１制御バルブ、３２ 第２制御バルブ、４１ 流量計、４２ 圧力センサ、５０ 制御部、５５ 設定部、６１ 供給管路、６２ 戻り管路、６３ バイパス管路、１００ 流量制御装置

Claims (3)

1. タンクから供試体に供給する流体の流量が設定流量になるように制御する流量制御装置であって、
   前記タンクから前記供試体に向かう供給管路に互いに並列に設けられる第１ポンプおよび第２ポンプと、
   前記供試体から前記タンクに向かう戻り管路に互いに並列に設けられる第１制御バルブおよび第２制御バルブと、
   前記設定流量に基づいて、前記第１ポンプまたは前記第２ポンプのうちのどちらかを選択し、選択したポンプの吐出量を制御し、前記設定流量に基づいて、前記第１制御バルブまたは前記第２制御バルブのうちのどちらかを選択し、選択した制御バルブの開度を制御する制御部と、
   を備え、
   前記第２ポンプの容量は、前記第１ポンプの容量よりも大きく、
   前記第２制御バルブの口径は、前記第１制御バルブの口径よりも大きい、
   流量制御装置。
2. 前記供給管路における前記第１ポンプおよび前記第２ポンプと前記供試体との間と、前記タンクとを接続するバイパス管路に設けられるバイパスバルブをさらに備える、
   請求項１に記載の流量制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記設定流量に基づいて前記第１ポンプまたは前記第２ポンプのうちのどちらかを選択し、
   次に、流量が前記設定流量になるように選択したポンプの吐出量を制御し、
   次に、前記設定流量に基づいて前記第１制御バルブまたは前記第２制御バルブのうちのどちらかを選択し、
   次に、選択した制御バルブの開度を開閉いずれの方向へも調整可能な所定開度に固定し、
   次に、流量が前記設定流量近傍になるように前記バイパスバルブの開度を制御し、
   次に、流量が前記設定流量になるように選択した制御バルブの開度を制御する、
   請求項２に記載の流量制御装置。

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