(57)【要約】【課題】混合ラインの背圧弁の下流側の圧力が変動しても各々の供給ラインの流体を該混合ラインに常に定量供給させ、精度の良い混合比率を維持することができ、さらには流体を流したままの状態で供給ラインの流体の混合比率を高精度で変えることができる流体混合装置を提供する。【解決手段】少なくとも２つの第１供給ライン１、第２供給ライン２が混合ライン３に合流する合流ポイント４より上流側に流体の流量を調整する絞り部５、６と絞り部５、６のさらに上流側に減圧弁７、８が供給ライン１、２を直列に配置すると共に、混合ライン３に背圧弁９を配置する。また、混合ライン３に背圧弁９と流量計１０が直列に配置し、絞り部５、６に固定オリフィス、または調節弁を用い、さらに減圧弁７、８及び背圧弁９を自動弁とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの供給ラインに流れる流体を任意の比率で混合ラインに圧送させる流体混合装置において、前記少なくとも２つの供給ラインが混合ラインに合流するポイントより上流側に、流体の流量を調整する絞り部と該絞り部のさらに上流側に減圧弁が直列に配置されると共に、前記混合ラインに背圧弁が配置されたことを特徴とする流体混合装置。
【請求項２】
混合ラインに背圧弁と流量計が直列に配置されたことを特徴とする請求項１記載の流体混合装置。
【請求項３】
絞り部に固定オリフィス、または調節弁が用いられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体混合装置。
【請求項４】
減圧弁及び背圧弁が自動弁であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流体混合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学工場、または半導体製造分野、食品分野及びバイオ分野等の各種産業における流体輸送において、少なくとも２つの供給ラインに流れる流体を混合ラインに定量供給させる流体混合装置に関するものであり、さらに詳しくは、混合ラインの背圧弁の下流側の圧力が変動しても各々の供給ラインの流体を高精度な混合比率を維持したままで該混合ラインへ定量供給させることができ、さらには該供給ラインの流体をポンプ制御を行うことなく混合ラインの混合比率を変えることができ、また、ひとつの供給ラインの流量を調整するだけで流体を流した状態で混合ラインの混合比率を変えることができる流体混合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流体混合装置の例として、図７に示すような流体混合装置がある（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
この流体混合装置は、第１供給通路１０１に上流側からポンプ１０２、定圧制御弁１０３、オリフィス１０４、圧力計１０５、及び逆止弁１０６が直列に接続され、第２供給通路１０７に第１供給通路１０１と同様に上流側からポンプ１０８、定圧制御弁１０９、オリフィス１１０、圧力計１１１、及び逆止弁１１２が直列に接続され、各々の供給通路に流れる流体が合流される混合通路１１３上にインライン型ミキサ１１４が設けられているものであった。
【０００４】
その作用は、第１供給通路１０１に流れる流体がポンプ１０２により圧送され、定圧制御弁１０３に流入する。定圧制御弁１０３に流入した流体は、定圧制御弁１０３の作用により脈動が抑制されるとともに一定圧に設定され、さらにオリフィス１０４を通過して混合通路１１３に流入する。このとき、第２通路内１０７でも同時に第１供給通路１０１内の流体と同様の作用が起こり、第２通路内１０７の流体が混合通路１１３に流入する。混合通路１１３に流入し、合流された流体は、インライン型ミキサ１１４へ送りこまれることにより、攪拌混合されるものであった。このとき、各々の供給通路１０１、１０７に流れる流体は、脈動が抑制された状態で混合通路１１３に予め設定された一定の比率で混合されるものであった。さらにオリフィス１０４、１１０の作用によりインライン型ミキサ１１４の圧力変動を受けることなく一定の比率で混合できるものであった。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２５０６３４号公報（第１−６頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の流体混合装置には以下の問題点が発生していた。
（１）ユースポイントへ供給するためのノズル等の絞り部を混合通路１１３のインライン型ミキサ１１４の下流側末端に設けた場合、気泡等の異物がノズルに付着することでオリフィス１０４、１１０下流側の圧力が増加し、インライン型ミキサ１１４における圧力変動以上の圧力変動が起こるため、オリフィス１０４、１１０ではその圧力変動に対応できずに流量が低下し、混合比率の精度が低下してしまう。（２）混合通路１１３にバルブ等を設けて開閉し、混合通路１１３の圧力が変動した場合も、上記（１）と同様に流量が低下し、混合比率の精度が低下してしまう。
（３）一方の供給通路の流体の流量を変更させ、混合比率を変更させる場合、他方の供給通路上のオリフィス１０４、１１０下流側の圧力が変動して、上記（１）と同様の現象が起こり、目指す混合比率での混合が実現できない。
【０００７】
本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、少なくとも２つの供給ラインに流れる流体を混合ラインに定量供給させ、該混合ラインの背圧弁の下流側の圧力が変動しても各々の供給ラインの流体を該混合ラインに常に定量供給させ、精度の良い混合比率を維持することができ、さらには流体を流した状態で該供給ラインの流体の混合比率を高精度で変えることができる流体混合装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明の構成を、図１を参照して説明する。図１において、少なくとも２つの第１供給ライン１、第２供給ライン２が混合ライン３に合流する合流ポイント４より上流側に流体の流量を調整する絞り部５、６と絞り部５、６のさらに上流側に減圧弁７、８が直列に配置されると共に、混合ライン３に背圧弁９が配置されたことを第１の特徴とする。
【０００９】
また、混合ライン３に背圧弁９と流量計１０が直列に配置されたことを第２の特徴とし、絞り部５、６に固定オリフィス、または調節弁が用いられていることを第３の特徴とし、さらに減圧弁７、８及び背圧弁９が自動弁であることを第４の特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１乃至図６に示す実施例を参照して説明するが、本発明が本実施例に限定されないことは言うまでもない。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施態様を摸式的に示す構成図であり、図２は本発明の第２の実施態様を模式的に示す構成図である。図３は減圧弁の縦断面図である。図４は供給ラインの流量の安定性を測定するための試験装置を模式的に示す構成図である。図５は実施例装置の流量及び背圧の測定結果を示すグラフである。図６は比較例装置の流量及び背圧の測定結果を示すグラフである。
【００１２】
【実施例１】
本発明の第１の実施態様について図１、図３に基づいて説明する。１は、流体Ａが流れる第１供給ラインであり、上流側からポンプ１１、減圧弁７、絞り部であるニードル弁５が直列に配置され、２は、流体Ｂが流れる第２供給ラインであり、第１供給ライン１と同様に上流側からポンプ１２、減圧弁８、絞り部であるニードル弁６が直列に配置されている。４は、本装置における合流ポイントであり、各々定量供給された流体Ａ、Ｂが合流する位置である。３は、混合ラインであり、合流ポイント４以降下流側のラインである。混合ライン３には背圧弁９と流量計１０が直列に配置されている。さらに、その下流側に、図示されていないが、流体Ａ、Ｂを均一混合させるためのインライン型ミキサなどを設けてもよく、濃度、ＰＨを計測する計器を設けてもよい。尚、本実施態様では、混合ライン３に合流ポイント４から下流側に向かって背圧弁９、流量計１０が順次配置されているが、流量計１０、背圧弁９の順で配置しても良い。以下に各ラインに配置されている部材について詳細に説明する。
【００１３】
ポンプ１１、１２は、各々の供給ライン１、２に流体を圧送する摺動部のないベローズポンプである。本実施態様ではベローズポンプを用いているが、本実施態様に限定されることなく、また脈動の発生の有無に関わらず、いかなるポンプを用いてもよい。
【００１４】
減圧弁７、８は、各流体Ａ、Ｂの圧力調整、流量調整、脈動抑制を行うもので、その好適なものが図３に示されている。その構造は、内部に第１の弁室１３、第１の弁室１３の上部に設けられた段差部１４及び第１の弁室１３と連通する流体流入口１５を有する本体１６と、第２の弁室１７とそれに連通する流体流出口１８とを有し本体上部に接合される蓋体１９と、周縁部が第１の弁室１３の上部周縁部に接合された第１のダイヤフラム２０と、周縁部が本体１６と蓋体１９とによって挟持された第２のダイヤフラム２１と、第１及び第２のダイヤフラム２０、２１の中央に設けられた両環状接合部２２、２３に接合され軸方向に移動自在となっているスリーブ２４と、第１の弁室１３の底部に固定され該スリーブ２４の下端との間に流体制御部２５を形成しているプラグ２６とからなり、また本体の段差部１４の内周面と第１及び第２のダイヤフラム２０、２１とに包囲された気室２７を有し、第２ダイヤフラム２１の受圧面積が第１のダイヤフラム２０の受圧面積より大きく構成され、気室２７に連通するエア供給口２８が本体に設けられている構造である。
【００１５】
その作用は、気室２７に操作エアによって一定の内圧がかけられており、まず第１のダイヤフラム２０は、第１の弁室１３内部の圧力、すなわち１次側の流体圧力による上向きの力と、操作エアによって一定の内圧がかかっている気室２７内部の圧力による下向きの力を受けている。一方、第２のダイヤフラム２１は、第２の弁室１７内部の圧力すなわち２次側の流体圧力による下向きの力と、気室２７内部の圧力による上向きの力を受けており、これら４つの力の釣り合いによって第１及び第２のダイヤフラム２０、２１と接合されているスリーブ２４の位置が決定されている。スリーブ２４はプラグ２６との間に流体制御部２５を形成しており、その開口面積によって２次側の流体圧力を制御している。
【００１６】
この状態において１次側の流体圧力が上昇した場合、一時的に２次側の流体圧力及び流量も増大する。このとき流体圧力により第１のダイヤフラム２０には上向きの力、第２のダイヤフラム２１には下向きの力が働くが、第２のダイヤフラム２１の受圧面積は第１のダイヤフラム２０に比べ十分に大きく設計されているため、下向きの力が上向きの力に勝り、結果としてスリーブ２４を下方へ押し下げることとなる。これによって、流体制御部２５の開口面積は減少し、２次側の流体圧力は瞬時にもとの圧力まで低下し、再び気室２７の内圧と流体圧力による力の釣り合いが保たれる。
【００１７】
一方、１次側の流体圧力が低下した場合、一時的に２次側の流体圧力及び流量も低下する。このとき第１及び第２のダイヤフラム２０、２１には、気室２７の内圧によってそれぞれ下向き及び上向きの力が働くが、この場合でも受圧面積は第２のダイヤフラム２１の方が大きいため、上向きの力が下向きの力に対して勝り、スリーブ２４の位置を上方へ押し上げることとなる。これによって、流体制御部２５の開口面積は増大し、２次側の流体圧力は瞬時に元の圧力まで上昇し、再び気室２７の内圧と流体圧力による力の釣り合いが保たれ、元の流量も保たれる。
【００１８】
以上のように減圧弁７、８の１次側の流体圧力が増減しても、瞬時にスリーブ２４の位置が変化して、常に２次側の圧力が一定に保たれる。従って流入する流体が脈動していても一定に制御された圧力の流体が流出口から流出される。さらに、エア供給口２８に操作エアを注入し、この操作エア圧力を調整することにより流体の減圧度が調整でき、また流量調整も可能になる。
【００１９】
各部材の材質については、ダイヤフラム２０、２１はＰＴＦＥ等のフッ素樹脂、本体はＰＰ等の樹脂が特に有用であるが、他の樹脂、金属を用いても良い。また、フィードバック制御等においては、該弁を空気圧力信号や電気信号によって流体の減圧度が調整できる自動弁として用いるとさらに有効である。尚、本実施態様では、減圧弁７、８が同一のものであるが、各々の流体の圧力調整、流量調整、脈動抑制の作用を有するものであれば必ずしも同一のものでなくても良く、また上記構造を有するものに限定されるものでもない。
【００２０】
ニードル弁５、６は、流路の開口面積を可変することにより、流量調整を行うもので、本実施態様ではニードル弁を用いているが、絞り部としては固定オリフィス、またはピンチ弁等の調節弁を用いてもよい。尚、固定オリフィスを用いる場合は、操作エア圧力を調整することにより減圧弁７、８を流量調整弁として用いればよい。上記した絞り部として使用されているものは通常使用されている一般的なものでもかまわない。
【００２１】
背圧弁９は、該弁の下流側の流体の圧力の変動を吸収し、上流側の圧力を常に一定に保つ作用をする。また、操作エア圧力を調整することにより、背圧弁９の上流側の圧力を調整でき、任意の圧力に保つことができる。好適には、空気圧力信号や電気信号で任意圧力に調整できる自動弁が特に有効である。
【００２２】
１０は、混合ライン３の流体の流量を計測している超音波流量計であり、流体の測定値を電気信号に変換する。尚、本実施態様では超音波流量計を用いているが、カルマン渦式流量計、羽根車式流量計、電磁流量計、差圧式流量計、容積式流量計、熱線式流量計または質量流量計等一般的に使用されているものを用いてよい。
【００２３】
次に図１、図３に基づき、上記実施例の作用について説明する。
第１供給ライン１において、流体Ａはポンプ１１により圧送され減圧弁７に流入する。流体Ａは減圧弁７内で脈動が抑制され、さらに減圧度が調整された状態で、減圧弁７からニードル弁５に流入し、合流ポイント４へ供給される。一方第２供給ライン２において、流体Ｂは第１供給ライン１と同様の作用で合流ポイント４に供給される。尚、この時各々の第１供給ライン１、２のニードル弁５、６の前後の差圧により合流ポイント４への供給流量が決まり、さらにニードル弁５、６の開口面積を可変することにより、幅広い範囲の流量調整を行うことができる。
【００２４】
次に、合流ポイント４へ供給された各々の流体Ａ、Ｂは、混合ライン３の背圧弁９に流入する。この時背圧弁９の作用により、背圧弁９の下流側の圧力が変動しても背圧弁９の上流側、すなわち各々のニードル弁５、６の下流側から背圧弁９までの圧力を一定に保つことができるため、各々のニードル弁５、６は差圧を保つことができ、各々の供給ライン１、２の流体Ａ、Ｂは常に安定した状態で一定量が合流ポイント４に供給される。背圧弁９を通過した流体は流量計１０によりリアルタイムに計測され、流量の測定値は電気信号に変換される。さらに減圧弁７、８、背圧弁９が自動弁の場合、該電気信号が、減圧弁７、８、または背圧弁９にフィードバックされ減圧度が調整され、混合ライン３の流量を制御することができる。
【００２５】
この状態で、例えば混合ライン３の末端にユースポイント等へ供給するためのノズル等を設けた場合、気泡等の異物がノズルに付着することにより混合ライン３の末端の圧力が上昇してしまうことがあるが、背圧弁９の作用により、背圧弁９の下流側の圧力の変動を受けることなく各々の供給ライン１、２の各ニードル弁５、６の下流側から背圧弁の上流側までの圧力は一定に保たれるため、ニードル弁５、６の前後の差圧は変動することなく設定した流量を精度よく混合ライン３に供給することができ、精度の良い混合比率を維持することができる。また、例えば、混合ライン３の末端に種々のバルブ等を直列または並列に設け開閉させた場合でも前記と同様の作用で背圧弁９の下流側の圧力の変動を受けることなく精度の良い混合比率を維持することができる。
【００２６】
ここで、第１供給ライン１の流体Ａの設定流量を固定したままで、第２供給ライン２の流体Ｂの流量を増加させて混合比率を変更しようとする場合、第２供給ライン２上の減圧弁８またはニードル弁６を調整して流量を増加させるが、この時、第１供給ライン１は第２供給ライン２側からの背圧をうけ、合流ポイント４から減圧弁７の下流側の間の圧力も上昇する。この圧力の影響により背圧弁９が無い場合には第１供給ライン１の流体Ａの供給流量が減少、または供給できない状態が起こるが、本実施態様では背圧弁９の作用により下流側の圧力の変動の影響を受けずに、背圧弁９の上流側からニードル弁５、６の下流側までの圧力は一定に保たれているため、第１供給ライン１の流体Ａは第２供給ライン２の流体Ｂの圧力の影響をうけることなく、容易に高精度な混合比率が変更できる。また、第２供給ライン２の流体Ｂの流量を減少させて混合比率を変更する場合においても、同様に容易に高精度な混合比率の変更ができる。
【００２７】
上記作用により、混合ライン３の流体の混合比率を変更する場合、供給ラインの流体をポンプ制御を行うことなく混合比率を変えることができ、また、ひとつの供給ラインの流量を調整するだけで流体を供給した状態で容易且つ高精度に混合比率を変えることができる。
【００２８】
また、各々の供給ライン１、２のニードル弁５、６の上流側の圧力を同じに設定しておけば、背圧弁９の開口面積を変更することで、トータル流量を変えることができる。
【００２９】
【実施例２】
次に、本発明の第２の実施態様について図２に基づいて説明する。２９は流体Ｃが流れる第１供給ラインであり、上流側からポンプ３０、減圧弁３１、絞り部であるニードル弁３２が直列に配置され、３３は流体Ｄが流れる第２供給ラインであり、３４は流体Ｅが流れる第３供給ラインであり、第１供給ライン２９と同様に上流側からポンプ３５、３６、減圧弁３７、３８、絞り部であるニードル弁３９、４０が各々直列に配置されている。４１は、合流ポイントであり、各々定量供給された流体Ｃ、Ｄ、Ｅが最終的に合流する位置である。４２は、混合ラインであり、合流ポイント４１以降のラインである。混合ライン４２には背圧弁４３と流量計４４が直列に配置されている。各ラインに配置されている部材についての説明及び作用は、実施例１と同様であるため省略する。
【００３０】
【試験例】
次に、本発明の流体混合装置における背圧弁以降下流側の圧力変動に対する供給ラインの流体の供給安定状態を経時的に測定する試験を図４に示す実施例装置を用いて下記の要領で行った。
【００３１】
第１供給ライン４５には常温の水を赤色に着色した赤色水を流した。第１供給ライン４５の上流側からタンク４６、ポンプ１１、減圧弁７、ニードル弁５及び赤色水の流量を計測するための超音波流量計４７を配置した。また、第２供給ライン４８には常温の水を青色に着色した青色水を流した。第２供給ライン４８には第１供給ライン４５と同様の部材を配置した。さらに混合ライン３には背圧弁９、圧力計４９、超音波流量計１０及び背圧弁９以降下流側の圧力を変動させるためのニードル弁５０を配置した。比較例装置として、この実施例装置の混合ライン３の背圧弁９を除いた装置を用いた。
【００３２】
第１供給ライン４５のポンプ１１を吐出圧０．３ＭＰａに、減圧弁７の操作エア圧０．１ＭＰａに設定し、ニードル弁５の開度を調整し、超音波流量計４７で測定して第１供給ライン４５の赤色水の流量が２０ｍＬ／ｍｉｎになるように設定した。第２供給ライン４８についても第１供給ライン４５と同様にポンプ１２の吐出圧０．３ＭＰａ、減圧弁８の操作エア圧０．１ＭＰａとし、ニードル弁６の開度を調整し、超音波流量計５１で測定して第２供給ライン４８の青色水の流量が１２０ｍＬ／ｍｉｎになるように設定した。この状態からニードル弁５０の開度を徐々に絞り、ニードル弁５０の上流側の圧力（背圧弁９の背圧）の上昇を圧力計４９で、各々の供給ライン４５、４８の流量を超音波流量計４７、５１で各々経時的に測定した。
【００３３】
その結果、図５のグラフからわかるように、実施例装置（背圧弁９有り）の方は、背圧が０．２ＭＰａまで上昇しても各供給ラインの流量が変化することなく、一定かつ高精度で混合ライン３に定量供給された。一方、図６のグラフからわかるように、比較例装置（背圧弁９無し）の方は、ニードル弁５０の開度を絞り、背圧が上昇すると、各々の流量は低下し、混合ライン３へ定量供給が不能になった。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上説明したような構成であり、これを用いることにより以下の優れた効果が得られる。
（１）混合ラインの弁の開閉等によって混合ラインの背圧弁の下流側の圧力が変動しても、各々の供給ラインの流体を高精度で定量供給させることができ、高精度の混合比を維持することができる。特に、微少流量や濃度、混合比率を高精度にする場合に有効である。
（２）供給ラインの流体をポンプ制御することなく、供給ラインのみの流量の変更で、混合ラインの混合比率を変えることができる。
（３）ひとつの供給ラインの流量を調整するだけで、流体を供給した状態のままで混合ラインの混合比率を変えることができる。
（４）流体を供給した状態のままで、混合ラインの混合比を高精度で維持しつつトータル流量の調整ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施態様を摸式的に示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施態様を模式的に示す構成図である。
【図３】減圧弁の縦断面図である。
【図４】供給ラインの流量の安定性を測定するための試験装置を模式的に示す構成図である。
【図５】実施例装置の流量及び背圧の測定結果を示すグラフである。
【図６】比較例装置の流量及び背圧の測定結果を示すグラフである。
【図７】従来の流体混合装置を模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
１…第１供給ライン
２…第２供給ライン
３…混合ライン
４…合流ポイント
５…絞り部（ニードル弁）
６…絞り部（ニードル弁）
７…減圧弁
８…減圧弁
９…背圧弁
１０…流量計（超音波流量計）
１１…ポンプ
１２…ポンプ
１３…第１の弁室
１４…段差部
１５…流体流入口
１６…本体
１７…第２の弁室
１８…流体流出口
１９…蓋体
２０…第１のダイヤフラム
２１…第２のダイヤフラム
２２…環状接合部
２３…環状接合部
２４…スリーブ
２５…流体制御部
２６…プラグ
２７…気室
２８…エア供給口
２９…第１供給ライン
３０…ポンプ
３１…減圧弁
３２…ニードル弁
３３…第２供給ライン
３４…第３供給ライン
３５…ポンプ
３６…ポンプ
３７…減圧弁
３８…減圧弁
３９…ニードル弁
４０…ニードル弁
４１…合流ポイント
４２…混合ライン
４３…背圧弁
４４…流量計
４５…第１供給ライン
４６…タンク
４７…超音波流量計
４８…第２供給ライン
４９…圧力計
５０…ニードル弁
５１…超音波流量計
５２…タンク
５３…合流ポイント
【図１】
2004305925.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004305925.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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