JPS62254832A - 流体に圧縮性流体を加えるためのフイ−ドバツク制御がなされる流体用閉ル−プ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体用の閉ループの装置でありそこにおいて流
体中に圧縮性の流体が加えられるものに関する。

ポリウレタン材の処理に、１ｄいては、多孔性の構造を
生ずるため発泡添加剤が予め加えられる。発泡添加剤は
、水や、フレオンの商標で知られるフルオロカーボン（
通常気化する液体として加えられる）を含み、またある
場合には化学的反応剤である。生態学的及びコスト上の
理由から可能な限りフレオンを使わないことが望ましい
。従ってこの技術分野では乾燥ガス特に乾燥空気又は乾
燥窒素の使用に主体が移っている。これらガスはある場
合にはフレオンと共に用いられる。反応剤中へのガスの
泡の挿入は最近性われている反応注入成形法（ＲＩＭと
略称され、以下この用語を用いる）においては通常核形
成と称される。核形成は普通ポリウレタンの成形に用い
られる液体反応剤の内０１つのみにおいて行われる。従
って、一時はガス状のあるいはガスを発生する反応剤が
、非常に密度の低い泡を作るのに用いられたが、最近で
は工業用のプラスチック構造物例えば自動車部品やその
他のポリウレタンやある場合にはエポキシで作られたも
のは、成形性及びプラスチックの延びを改良しかつ機械
的特性を損うことな（重量を減するため、連行されたあ
るいは溶解したガスを用いる。モノマーや他の反応剤の
核形成（ガス泡の連行）の範囲は、混合物（即ち液体と
ガスによる抱含有体）の全体的密度即ち比重量が核のな
いものの１．１に対し０．７というような低い値もどれ
る如きものである。

より早く反応するＲＩＭ方法が開発されるにつれ、核生
成度の正確な制御の重要性がより大きくなった。このよ
うな核生成度の正確な制御をなすには、流体に加えられ
る圧縮性流体の濃度を制御する必要がある。

本発明の目的は上述の如き必要性に鑑み、流体用閉ルー
プ装置でありかつ流体に圧、縮性流体を几えるためのフ
ィードバック制御がなされるものを提供することにある
。

第】図はＲＩＭ法における液状モノマーの循環系統を示
すもので、その目的は反応剤をある間隔で混合ヘッドの
一方の側に供給するものである。

この反応剤は混合ヘッドではげしくか・つ完全に１也の
反応剤と混合され、そこから型（図示していないが混合
ヘッドにすぐ隣接して設けられるものである）に送られ
、そこで液体から固体に変わる化学反応が行われる。典
型的にはポリウレタン用の反応剤はポリオールや、ディ
インシアネート又はインシアネート発生等のインシアネ
ートである。

望ましくは本発明の核生成系は乾燥窒素をポリオ−ルに
加えるのに用いられる。

ガスと液体の混合物、即ち核生成された液体は混合用貯
留器５から循環ポンプ６に送られそこから導管７を介し
て混合ヘッド８に送られる。混合の間に反応剤は混合ヘ
ッド内：・こ入りそれは前述のように混合され反応する
。他の時点では循環作用が行われ、この場合は混合ヘッ
ドを出て導管１゜を介し計測ポンプ１１を通り戻り用導
管１２を介し貯留器に戻る循環が行われる。注入用のボ
ール弁１４．１５が望ましく）マ各々混合ヘッドの入口
と循環系統内に用いられる。

混合用の貯留器５は、可変速の攪拌装置】７と混合物の
頂部に乾燥ガスの覆い１８を作る装置とを有している。

この覆いの目的は混合物からの脱気を最少にすることで
ある。望ましくはガスはガス貯槽、典型的には加圧ガス
シリンダ２ｏから通常の調圧器２１及びｊＪ　ＩＪ−フ
弁２２を介し管路１９を通して供給される。必要であれ
ば、計器２４の如きタンク圧力表示器を供給管路１９に
設けてもよい。望ましくは覆い形成用のガスと核生成ガ
スとは同じ組成（例えば窒素又は乾燥空気）である。

泡混入装置２８は循環するガスと液体の混合物内に核生
成ガスを泡として加えるもので、循環ＹＴ：ボール弁】
５と貯留器５との間で循環管路１２内に設けられている
。泡混入装置は流入系統２つから供給を受け、該系統は
主要構成要素として、望ましくはソレノイド弁である核
生成制御弁３ｏと核生成用ガス供給タンク３１とを含む
。ガスはタンク（容器２０と同様に鋼製のシリンダであ
ることが望ましい）から抽出され、一般的構成の調圧器
及び計器のアッセンブリ３２を介し、核生成制御弁３０
、流量計３３（そのうちベンチュリが図示さＪしている
）、及びチェック弁３４を通り、前述の如き順序で配置
された攪拌装置２８に至る。

核生成用流量制御弁３６及び低流量制御弁３Ｂは各々制
御弁３０に対し直列と並列にそれぞれ接続されている。

調圧アッセンブリ３２の下流の核生成ガス圧力は貯留器
５内の覆いの圧力より大きく、攪拌装置２８を介して貯
留器に向う流れがチェック弁３４を開いてそのように流
れることを確実にしている。

当技術分野では周知のように、反応のため少くとも１つ
の他の液体が混合ヘッドに供給される。

この他の液体は当技術分野で周知なように導管４０を介
し供給され導管４１によって循環されることが略示され
ている。

核生成、即ち供給タンク３１から攪拌装置２８への核生
成ガスの流れは後述するように核生成制御弁３０を操作
するための装置によって調整される。この装置はその望
ましい使用用途においては、弁３０を、限界内の特定の
数の制御位置に動かすのではなくその開閉を行う。この
装置において流れの望ましい速度は、弁３６か低流量弁
３８あるいはその両方を手操作で調整することによって
得られる。核生成弁３０の操作は後により詳しく述べる
ように、循環系統内の計測ポンプ】１を含む部分に閉じ
込められた混合物のサンプルの圧縮性に応じて行われる
、このポンプは所定量のサンプルを計器してとり込むよ
うに作用する計量ポンプを利用することができる。この
計量の作用をなすポンプ自体は公知で米国特許第３．９
０８．８６２号、第３．９８４．５１０号、第４．００
８．８２９号及び第４、０９０．６９５号の各明細書の
いずれにもより詳しく説明されている。

制御装置は、設定点５２を手操作で得る種々の手段を有
した操作パネル５ｏと、第２図により詳しく説明されて
いる演算回路５４と、パネルに対し動作を開始すべき時
期を指示しこの動作に応答し核生成制御弁３ｏに制御信
号を送るプログラム可能な制御装置５５と、計測プラン
ジャ５８用の位置変換器５７であり一般的なラック・ピ
ニオン式の移動距離計で電気的読出し信号を生ずるもの
と、前述の要素５０〜５７により制御されピストン５８
をシリンダ５９（計測ポンプ１］は５８と５９を有して
〜・る）内で移動させる装置と、ポンプ１１内の流体圧
を感知する圧力変換器６ｏとン有する。

第１図に示すように設定点５２は、サンプル時間と、開
始位置ＸＰと、圧力Ｐ１及びＰ２と、基型移動距離△Ｘ
Ｒとを含む。作動時、サンプル用タイマは設定時間が過
ぎると次に示す動作を開始させる、 以下に、第１図及び第２図に示した装置の作動順序を要
約して示す。

タイマの設定時間が経過すると、制御装置５５がピスト
ン５８（通常はシリンダ５９内に移動する）を始動位置
ＸＰにまで動かす。

ボール弁１４．１５が閉じ、核生成流体のサンプルを閉
じ込める。

モノマーの圧力が＜Ｐｌとなるまで（これは核生成減圧
と称される）ピストン５８がシリンダ】１かも出る方向
に後退し、そこで運動方向を自動的に変えてシリンダ内
への前進を開始する。

ピストン５８が次いで制御された速度で前進する。この
とき５９内のモノマーの流体圧がＰｌとなったとき、Ｘ
ｌを検知しそれをストアし、５９内のモノマーの流体圧
がＰ２となったとき、Ｘ２を検知しそれをストアする。

流体圧が安全基準圧より小さくなるまでピストン５８を
後退させ、ボール弁１４．１５を開さ、ピストン５８を
元の位置に戻す。

検知された△Ｘ即ちＸＳ即ち（Ｘ２−Ｘｌ）を基準値の
△Ｘと比較し、検知されたΔＸが基準ΔＸより小さいと
き核生成弁３０を開き逆のとき弁３０を閉じる。

装置は測定の手順を（り返す前にタイマの設定時間が経
過するのを待つ。

第１及び第２図はパネル５０の一部を成すタイマ６］が
入力端６２と出力端６３を有するのを示す。このタイマ
６１はアラーム付時計の如きもので、即ちサンプリング
の時間々隔が測定さ比ろと（タイムがゼロになる）、動
作が開始するよう予期されている。

望ましい具体例では、自由作動タイマ６１が周期的に制
御装置５５にサンプリングのプログラムを実行すべきこ
とを命する。自由作動とは、サンプリング間の予め定め
た間隔を操作者がセットできるものである。典型的には
、サンプリングの間隔は２分毎から４分毎で、個々のシ
ステムの特性によりいく分質わる。６分毎が望ましい。

タイマは自動的にそれ自身のリセットを行い、タイミン
グの間隔が経過しサンプリングの順序と制御装置とを始
動させると再び元の状態に戻り同じことをくり返す。

制御装置５５のソフトウェアは、注入が途中であると即
ちシリンダ１１において注入ストロークの途中にある場
合タイマ６１がサンプリングを命することを阻止する。

換言すれば、サンプリングは次の時期までとび越され、
即ちサンプリングは循環時（弁１４．１５が開いて混合
ヘッド８のプランジャが混合室への流入を阻止する）に
お（・てのみ生ずる。

自由作動タイマ６］の使用はソフトウェアを簡単にする
が、注入の後毎に制御装置５５がサンプリングを命する
ように、又はそれを数回の注入の後毎にあるいは循環時
に命するように、あるいは動作を基準にサンプリングを
行うのではなく時間を基準としてそれを行うようにタイ
マをリセットするように１−だ他の方法も可能である。

第３図は、ストロークΔＸと流体及びガス混合物に連行
されたガスの体積パーセントとの関係の曲線である。典
型的には連行されるガスは約１５チから約２５係で、以
下に示す寸法の標準の計測ポンプを用いた場合計測ポン
プのストローク△Ｘ（ＰｉとＰ２の間の距離）は約０．
７５から２．００（ｉｎ）　　の範囲にある。

プランジャ直径・・・・・・５　（ｉｎ）プランジャ最
大ストローク・・・・・・１８　（ｉｎ）弁１４　（ｆ
ｆｉ１図）−から混合ヘッド８、導管１０、室５９、弁
１５に至る系の容積は最大排出量の約２倍を見込まれて
おり、従って２Ｘ１８Ｘ二とｉπ（ｉｎ”）　＝　７０
６．８６（ｉｎ”）である。

制御に関しては、もしΔＸが０．７５（ｉｎ）であると
、ガスの含有量は１４．５％であることが示されている
。もし２　ｔｌ　％のガス含有量が望まれる場合、２０
チに対する基準のΔＸは１．１（ｉｎ）であり、従って
さらにガスが要求され弁３０が開いたままにすることを
比較器９９が要求する。

測定及び制御のサイクルの次の段階は２０係が’１．１
（ｉｎ）のΔＸによって表示されることによって達成さ
れたか否かを知ることである。

一方、１．１よりも上の△Ｘによって多すぎるガス含有
量が示された場合、攪拌装置におけるガスの流れは遮断
され、ガス含有量の調整はいくつかのファクタあるいは
動作のうちの１つあるいは複数によって行われる。これ
らは貯留器５内の混合物の脱気や、それへの液体のみの
追加である。

−たびタイマ６１の設定時間が過ぎると、制御装置ｄ５
５はまずピストン５８を初期位置ＸＰに動かす。通常は
これはピストン５８をシリンダ５９内に前進させること
を要求し、弁１４．１５が閉じた状態であればサンプル
を圧縮する。しかしこれらは望ましくはピストンが初期
位置に達するまでは閉じられない。初期位置に達すると
変換器５７によって位置信号が生じこれは位置決め系統
の端子６４（第２図左上参照）に加えられ、そこから初
期位置用（又は第１の）比較器６５の端子６４に加えら
れそこで初期位置用の設定点値ＸＳ（を表わす信号）と
比較される。この設定点値を表わす信号は端子６６に加
えられる。比較器６５がｘｐ＝ｘｓを示すと、これはゼ
ロ値が（部ち２つの入力の差がゼロ）出力端６７に現わ
れることにより行われ、これは次いでリレードライバ及
びリレー６８．６９に送られる。これらは端子６９Ａ。

６９Ｂに信号を生じこれは制御装置５５がピストン５８
を制御するための入力として与えられる。

図示の実施例では、リレー６９はスイッチとして作用し
リレー接点６９Ｃを開閉し５５にオン・オフ信号を与え
る。

サンプル用タイマー６１がサンプリングの、１ｌｔｔ序
を開始しピストン５８が初期位置（第１図）に移動する
と、次の段階として制御装置５５からの信号に応答しボ
ール弁１４．１５が閉じる。これは核生成流体のサンプ
ルが閉じ込められる作用をなす。このサンプルに対しさ
らにその他の作用が行われ、その構成あるいは組成が制
御信号及び攪拌装置２８において液体に加えられるガス
の量を決定するのに助けとなる。

ボール弁がサンプルを閉じ込めると、作動がＰｌより低
い圧力から始まることを確実にするため減圧段階が要求
される。シリンダ５９の圧力がＰｌになる位置Ｘ１を決
定することを試みている場合、制御装置５５により行わ
れる減圧段階はピストン５８がサンプルの圧力がＰｌよ
り小さくなるまで後退することを要求する。従って減圧
は５９内のサンプルの圧力がＰｌより下がったときに終
る。

即ち第１図でＸＯで示した位置でありこの圧力はプログ
ラムされているがその位置がプログラムされているので
はない。この系はこれで減圧された。

制御装置５５は次いでピストン５８を制御された速度で
前進させる。この速度の１つあるいは複数の値を示唆す
るシステムの寸法及びパラメータの例が以下に示される
。

プランジャの閉じ込められたサンプル内への前進は圧縮
によってサンプルの流体圧力を増大させ、圧力変換器は
圧力を表わす信号を生ずる。シリンダの実際の圧力の信
号は端子７０に加えられそこから第２及び第６の比較器
７２．７４に送られる。

第２の比較器７２において、シリンダの圧力は端子７，
５に送られた設定点Ｐ１の信号と比較され、２つが等し
いと出力信号がリレードライバ及びリレー７７．７８を
介し端子８０に加えられこれはその信号を制御装置５５
に送る。この時点でシステムはプランジャの位置Ｘｉ（
即ち比較器によって圧力がＰｌである設定点に等しいと
判ったときＸｌの位置をとる）を確認することによって
応答する。Ｘｌの信号はサンプル保持システム８３の端
子８２に加えられその後演算比較増幅器８４（代数和の
作動増幅器として知られている）に加えられ△ＸＳを決
定する。

このように、圧力変換器６０が信号を端子７０にかつそ
こから第６の比較器７４に送りそれを端子７６からの設
定点Ｐ２と比較すると第２の重要な要素が決定される。

Ｐ２の実際の値とＰ２の設定点とが比較器７４により等
しいとされると、これはリレードライバ８６、りし−８
８、リレー出力端子８８Ａ、８８Ｂを介し出力信号を制
御装置５５に送り、これは位置Ｘ２を認識しそれを第２
のサンプル保持システム９２の端子９０に加える。

Ｘ２は言うまでもなく圧力Ｐ２が設定点Ｐ２に等しくな
ったときのプランジャの位置である。

上述の（かつ望ましい）システムに用いられた全ての比
較器６５．７２−９９はアナログ入力を受はデジタル出
力を提供するものであり、またハンチングを減じあるい
は無くして作動の安定性を高めるため無効バンドを有す
るものである。無効バンドの技術は制御の技術実務では
周知で、ここでは比較器の各々が、２つの入力が上述の
ように全く同じではなく一方が他を予め定めた大きさだ
け上回る（即ち一方の入力が無効バンドを越えなげれば
ならない）までは出力が生じないよう設計されているこ
とを意味する。従って、ここで説明しまた特許請求の範
囲に記載した発明は、信号の同一を示す語句の中に、こ
こで説明した無効バンドの技術により行われるような実
際上行われる変形によって１つの入力信号がわずかに他
を上回るというような実際上の現象も含む。

Ｘｌ及びＸ２の値がそれらのサンプル保持システムに加
えられろと、これらの各々を表わすものからの信号は演
算比較増幅器８４の端子９４．９５に加えられ、これは
次いで△ＸＳを決定しく即ち実際に動いた距離を表わす
信号を生ずる。それを増幅器９７に加え信号を正しい電
圧レベルに変えまた系の減衰度に対し修正する。増幅器
９７がらの出力は依然△ＸＳを表わし、それは比較器９
９の入力端子９８に加えられ、該比較器はそれを△Ｘに
対する設定点の値で△ＸＲと名付けられ端子】００に加
えられているものと比較する。

ΔＸＲが△ＸＳより大きいと、核生成弁３ｏは開き、ま
た逆のことが生じサンプリングされた値が基準値より太
きいと核生成用弁３０は閉じられる。第２図から明らか
なように、比較器９９がらの出力制御信号はリレーシス
テム１０５．１０６　（端子１０６Ａ、　１０６Ｂ及び
接点１０６Ｃを含む）を介しプログラム可能の制御装置
５５に加えられ、これは核生成用の弁３０を操作する信
号を生ずる。

表示システム１１０（第２図右上）を必要に応じ用意で
きる。

前述の如く、システムはＸｌとＸ２が得られた後は制御
装置５５の制御のもとで作動に戻る。これは上述の計算
とその結果の弁３００制御作用はＲＩ　Ｍ法のために意
図されたシステムの作動と時間的に平行して即ち同時の
時間的ベースで行うことができるからである。従ってピ
ストン５８をシリ／ダ内で満足のいく流体圧力（望まし
くは導管７、］２の圧力の中間の圧力）が得られるまで
後退させて、次いでポール弁１４．１５を開くことが望
ましい。望ましくは、５９内の流体圧は混合ヘッド８か
ら流入する混合流体の循環圧力より大きくならないよう
にする。

上述したものの全てが完了１−た後、反応注入型成形の
サイクルの他の工程が行われる。他の工程とは、混合、
注入、硬化等として周知のもので、本発明の構成要素と
なるものではない。重要なことは、タイマーの時間がた
つと、測定のサイクルがなされ、次にサンプリング及び
核生成制御開弁の制御がなされるまでは他の工程が行わ
れるということである。

【図面の簡単な説明】

第１図は循環型のＲＩＭ装置における液体反応剤用のシ
ステムに応用した本発明の閉ループ装置の絡図： 第２図は第１図のプログラム可能な制御装置及び他の部
分に対する入出力と共に演算回路を示す線図： 第３図は圧縮性の曲線で、横軸に△Ｘ即ち予め定めた２
つの圧力Ｐ１及びＰ２の間のプランジャのストロークを
とり、縦軸に絶対圧で１気圧において測った液体混合物
中に連行されたガスの体積パーセントをとったもので、
この曲線はシステムの体積、流体混合物、比重量、ガス
の圧縮性、温度、及び他の要因で変化し得るものである
。 ７．１０．１２・・・・・・第１から第６の導管、８・
・・・・・混合ヘッド、　　　　１１・・・・・・計測
ポンプ、１４．１５・・・・・・サンプルを閉じ込める
装置、２０・・・液体の供給源、 ２８・・・・・・液体にガスを加える装置、３０・・・
・・・ガス用の制御弁、３４・・・・・・チェック弁、
５０・・・・・・操作パネル、　　　５５・・・・・・
制御装置、５８・・・・・・プランジャー。 特許出願人　　シンシナティ・ミンクロン・インコーホ
レーテッド （外３名）

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体をその供給源から使用位置に送りそこで使用
   されない流体を供給源に循環させる流体用閉ループ装置
   であつて、 前記流体に圧縮性の流体を加える装置と； 該流体を加える装置のための制御装置と； 前記流体を代表するサンプルを閉じ込める装置と； 前記サンプルに部材を押込むことにより該サンプルを圧
   縮する装置と； 前記サンプルの圧力をある予め定めた量だけ変えるため
   の前記部材の実際の移動量を決定し該移動量を示す距離
   信号を生ずる計測装置と； 前記計測装置からの距離信号から制御信号を得るための
   計算装置と； 前記制御信号を前記制御装置に加える装置と；を有し、
   これによつて、前記圧縮性流体を前記流体に加えるため
   の閉ループのフィードバック制御がなされる流体用閉ル
   ープ装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項に記載の装置において、前
   記閉じ込める装置は閉ループ装置のうち、前記圧縮する
   装置を構成する部分内に前記サンプルを閉じ込めるよう
   になつた閉ループ装置。
3. （３）特許請求の範囲第２項に記載の装置において、前
   記圧縮する装置は室内で往復運動するプランジャを有し
   た計測ポンプを有する閉ループ装置。
4. （４）特許請求の範囲第１項に記載の装置において、前
   記計測装置は、代数的加算を行う演算増幅器と、該増幅
   器の端子に入力を与える１対のサンプル保持回路とを有
   し、該回路の各々は、前記サンプル内において各々の対
   応する圧力の１つが実現した時各々のサンプル信号を取
   入れることを要求する異なる設定点系統に応答する閉ル
   ープ装置。
5. （５）特許請求の範囲第１項に記載の装置において、前
   記供給源は貯留器を含む閉ループ装置。
6. （６）特許請求の範囲第１項に記載の装置において、前
   記使用位置は混合及び配給装置である閉ループ装置。
7. （７）特許請求の範囲第１項に記載の装置において、前
   記制御装置は、前記圧縮性の流体を加える装置の上流に
   配置されてそれに流れかつそこから前記流体に流れる圧
   縮性の流体を制御する制御弁を有する閉ループ装置。
8. （８）特許請求の範囲第１項に記載の装置において、前
   記圧縮性の流体を加える装置から前記制御装置に向う流
   れを阻止するチェック弁をさらに有する閉ループ装置。
9. （９）特許請求の範囲第３項に記載の装置において、前
   記計測ポンプは復動型の往復運動する流体モータにより
   駆動される閉ループ装置。
10. （１０）特許請求の範囲第９項に記載の装置において、
    前記流体モータは液圧シリンダである閉ループ装置。
11. （１１）特許請求の範囲第３項に記載の装置において、
    前記サンプルを閉じ込めるための閉じ込め信号を提供し
    、次いで前記プランジャを制御された速度で前記実際の
    距離だけ前記室内に動かすプランジャ前進信号を提供し
    、次いでプランジャが逆方向に少なくとも圧力が予め定
    めた値になるまで動くようにさせるプランジャリセット
    信号を提供するプログラム装置を設け、前記計算装置は
    、実際の距離の信号を移動の予め定めた距離を表わす設
    定点信号と比較する装置と、前記実際の距離の信号と設
    定点信号とをそれぞれストアする装置とを有する閉ルー
    プ装置。