JP7336173B1

JP7336173B1 - 流量制御装置

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Publication number: JP7336173B1
Application number: JP2023094539A
Authority: JP
Inventors: 貴弘川本; 洋義天野; 太一馬場; 来美知野
Original assignee: Toflo Corp
Current assignee: Toflo Corp
Priority date: 2023-06-08
Filing date: 2023-06-08
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2043-06-08
Also published as: KR102647310B1; CN117289729A; CN117289729B

Abstract

【課題】設定流量の変更による供給圧の変動を抑え、二次側の圧力損失の影響とキャビテーションを抑制することが可能な流量制御装置を提供する。【解決手段】本発明に係る流量制御装置１８は、流路を流れる流体の流量を調節する流量調節弁１９と、流路を流れる流体の流量を測定する流量計２０と、流量計２０の測定結果に基づき流量調節弁１９の開度を制御する制御部２１と、を備え、流量調節弁１９は、流入ポート２４から流入した流体を第一流出ポート２５と第二流出ポート２６とに分流調整する三方弁であり、第二流出ポート２６側に流量計２０が接続され、第一流出ポート２５側に流体の圧力を段階的に減圧する多段オリフィス２２が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、設定流量の変更による供給圧の変動を抑え、二次側の圧力損失の影響とキャビテーションを抑制することが可能な流量制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、金型温度を制御する際に、冷却水の瞬時流量を制御する流量制御装置を利用したシステムが開示されている。この流量制御装置は、流量調節弁、流量計及びコントローラを備えており、流量調節弁に二方弁を用い、一方向に流れる冷却水の瞬時流量を流量計で測定し、その測定結果に基づいてコントローラが流量調節弁の開度をフィードバック制御するように構成されている。

ところで、特許文献１の金型温度制御システムのように、ダイカスト金型等の配管系統数が多い用途では、配管系統毎にポンプを設置するとコストや設置スペースの問題等、デメリットが多いため、ポンプ１台で複数の配管系統に分岐させて使用することが多い。この場合、設定流量を変動させると、ポンプのＱ－Ｈ曲線に沿って供給圧が変動してしまうという問題があった。また、配管系統毎に設定流量の変更を行うと、設定流量に応じて元圧が変動してしまい、配管系統毎の相互干渉や、期待通りの応答速度で瞬時流量を制御することができないという問題があった。

この問題を解決する方法として、一般的にはポンプにインバータと圧力センサを設置して、圧力が一定になるようにポンプの回転数を制御する方法が知られている（例えば、特許文献２を参照）。しかしながら、ポンプが調整できる周波数範囲はある程度限られているため、流量制御装置の設定流量を完全閉止（設定流量０Ｌ）する場合や、設定流量を極端に小さくした場合には、圧力調整が対応しきれないという問題がある。例えば、金型の温調開始や待機状態から加温させる際には、加温速度の向上や省エネ効果を発揮するために、加温中は冷却水の流量を可能な限り少なく設定して運用することが多く、上記の方法ではこのような用途への対応が難しい。

また、応答に関しても、ポンプの急激な回転数変化は故障の原因になるため、回転数を緩やかに変化させる必要があり、流量の急激な変化に対応できないという問題もある。設定流量がワイドレンジになると、ポンプの回転周波数もワイドになり、結果的に応答が遅れるからである。なお、ポンプの圧力制御と流量制御装置との相互干渉が発生するため、これを防ぐためにはポンプの応答速度よりも流量制御装置の応答速度を遅くする必要があり、本来の応答性能が発揮できないという問題がある。

特許第６８４４９３８号公報特開２００５－１９４９７０号公報

そこで、前記のような圧力変動の干渉を防ぐ方法として、例えば特許文献１の金型温度制御システムにおいて、流量調節弁として二方弁に代えて三方弁を用いて流量制御を行う方法が考えられる。二方弁の一般的な流量特性は、図７に示すように、開度に応じて流量が変化するため、それに伴ってポンプの供給圧がＱ－Ｈ曲線に沿って変動してしまう。これに対し、三方弁の一般的な流量特性は、図８に示すように、開度に応じてＡポートとＢポートに流れる流量は変化するが、Ｃポートに流れる合計の流量が概ね一定になることから、ポンプの供給圧は開度を変更しても概ね一定となる。この特性を利用して、三方弁を用いた流量制御装置にすることにより、設定流量を変動させても元圧変動や配管系統毎の相互干渉の発生を抑制することができる。ただし、この構造においても次のような課題がある。

第一の課題は、圧力損失の影響である。例えば、ターゲットとなる金型の冷却流路が狭く、圧力損失が高い場合は、流量特性に大きな変化が生じ、流量特性バランスが悪くなってしまう。この場合、図９に示すように、流量特性がＡポート側とＢポート側で左右対称ではなくなり、期待通りの流量制御ができなくなるだけでなく、左右対称でないことに伴いＣポートに流れる合計流量が開度に応じて大きく変化する傾向となる。これを解決するためには、図１０に示すように、Ｂポート側と同じ損失となるようにＡポート側にオリフィス（絞り）を設ける。これにより、流量特性が左右対称となり、開度を変更してもＣポートに流れる合計流量は概ね一定になり、圧力変動の発生を抑制することができる。ただし、Ｃポートの合計流量が低下するため、流量が不足する場合にはポンプ圧を高めて供給量を増加させる必要がある。

第二の課題は、キャビテーションの発生である。前記のようにポンプの供給圧が高い状態でＡポート側のバルブの開度を大きくすると、Ａポートの二次側に設けたオリフィスの前後の差圧が高くなる。また、オリフィスで急激に絞られた流体の流速が極めて速くなり、その二次側に背圧がほとんど無いことから、急激な圧力降下によってキャビテーションが発生し易くなる。キャビテーションは振動の発生だけでなく、局所的な気泡の発生によって気液混合となるため、背圧が変動し、それに伴い差圧が変動することから、結果的に流量制御が不安定になる、配管内部の損傷に繋がる、等の悪影響がある。このキャビテーションを抑制するためには、流速を抑え、圧力が飽和水蒸気圧以下にならないようにする必要がある。しかしながら、オリフィスの二次側はタンクへの戻り配管であり、背圧がほとんど無く、飽和水蒸気圧以下になり易いため、キャビテーションが極めて発生し易い環境であるといえる。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、設定流量の変更による供給圧の変動を抑え、二次側の圧力損失の影響とキャビテーションを抑制することが可能な流量制御装置を提供することにある。

設定流量の変更による供給圧の変動を抑制するため、本発明では流量調節弁として二方弁に代えて三方弁を用いて流量制御を行う構造を採用した。また、二次側の圧力損失の影響を抑制するため、本発明では三方弁のＡポート（第一流出ポート）側の流量特性がＢポート（第二流出ポート）側と同じ圧力損失となるようにＡポート（第一流出ポート）側にオリフィスを設ける構造を採用した。更に、オリフィスの二次側に発生するキャビテーションを抑制するため、本発明ではオリフィスを一段ではなく、段階的に減圧する多段にする構造を採用した。

図１１に示すように、Ａポート（第一流出ポート）側に多段オリフィスを設けることにより、流体の圧力が段階的に減圧されるため、オリフィス径を大きくすることができ、結果的に流速を下げることができる。また、各段の二次側には背圧が加わるため、飽和水蒸気圧以下になり難く、キャビテーションの発生を抑制することができる。なお、多段オリフィスの枚数を減らしたい場合には、飽和水蒸気圧以下になり難い、上流側のオリフィスを小さくする方法が考えられる。

ここで、多段オリフィスについて、圧力バランスを整えるオリフィスとしての機能を兼ねれば、低コストに製造することが可能になるが、オリフィスを一つずつ配管で多段に接続すると、シール部位も増え、多くのスペースが必要となる。そこで、本発明では、図１２に示すように、オリフィスを有するリングプレートを多段に並べて配置することで、コンパクトでシール部位を大幅に削減することが可能になる。また、図１３に示すように、この多段オリフィスを三方弁のバルブアダプタに内蔵することにより、更なるコンパクト化とシール部位及び製造コストの削減を図ることができる。実際には、図１４に示すように、多段オリフィスを含む三方弁からなる流量調節弁と、流量計と、コントローラ（制御部）を備えた流量制御装置が本発明である。

すなわち、本発明に係る流量制御装置は、流路を流れる流体の流量を調節する流量調節弁と、前記流路を流れる流体の流量を測定する流量計と、前記流量計の測定結果に基づき前記流量調節弁の開度を制御する制御部と、を備え、前記流量調節弁は、流入ポートから流入した流体を第一流出ポートと第二流出ポートとに分流調整する三方弁であり、前記第二流出ポート側に前記流量計が接続され、前記第一流出ポート側に流体の圧力を段階的に減圧する多段オリフィスが設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係る流量制御装置において、前記多段オリフィスは、前記三方弁のバルブアダプタに内蔵されている構造を採用することができる。

更に、本発明に係る流量制御装置において、前記多段オリフィスは、入口から出口に向かって口径が狭くなるテーパ状オリフィスを有するリングプレートが複数枚並べて配置されている構造を採用することができる。

本発明に係る流量制御装置によれば、流量調節弁について、流入ポートから流入した流体を第一流出ポートと第二流出ポートとに分流調整する三方弁とする構造を採用したことにより、設定流量の変更によるポンプ供給圧の変動を抑制することができる。また、三方弁の第一流出ポート側の流量特性が、流量制御対象である第二流出ポート側と同じ圧力損失となるように第一流出ポート側にオリフィスを設ける構造を採用したことにより、二次側の圧力損失の影響を抑制することができる。更に、第一流出ポート側に流体の圧力を段階的に減圧する多段オリフィスを設ける構造を採用したことにより、二次側の背圧が低くなることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。

本発明に係る流量制御装置を金型温度制御システムに適用した例を示す全体図本発明に係る流量制御装置の構造を示す部分断面図本発明に係る流量制御装置における流量調節弁の切替フォームを示す模式図本発明に係る流量制御装置における多段オリフィスの構造を示す拡大分解図本発明に係る流量制御装置の変形例を示す部分断面図本発明に係る流量制御装置の変形例を示す部分断面図二方弁の一般的な流量特性を示す説明図三方弁の一般的な流量特性を示す説明図三方弁のＢポート側に圧力損失がある場合の流量特性を示す説明図三方弁のＡポート側にオリフィスを設けた場合の流量特性を示す説明図三方弁のＡポート側に多段オリフィスを設けた構造を示す説明図三方弁のＡポート側にリングプレートを並べて多段オリフィスを設けた構造を示す説明図三方弁のＡポート側のバルブアダプタに多段オリフィスを内蔵した構造を示す説明図多段オリフィスを含む三方弁からなる流量調節弁と、流量計と、コントローラ（制御部）を備えた流量制御装置を示す説明図

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る流量制御装置を利用して、金型温度制御システムを構築した実施形態を示したものである。本実施形態の金型温度制御システム１は、アルミダイカスト製品を生産（鋳造）するダイカスト機２において、生産時に一定流量で制御していた冷却水の流量を変更することにより、金型３の温度を制御するシステムである。金型３はダイカスト機２の一部を構成しており、射出装置に設けられる固定型４と、型締装置に設けられる可動型５とから構成されている。

金型３（固定型４と可動型５）の各部位には、熱電対または測温抵抗体からなる温度センサ６（…６ｎ）が取り付けられている。温度センサ６は、生産サイクル内での金型３の最高温度、最低温度、平均温度、現在温度をリアルタイムで検出する。検出された金型３の温度情報は、電気信号に変換され、後述の演算処理を行う制御装置７に出力される。

ダイカスト機２の外部には、金型３の温度を調節する手段として、冷却水を循環させる冷却水循環装置８が設けられている。冷却水循環装置８は、クーリングタワー９、熱交換器１０、タンク１１、ポンプ１２を備えて構成されている。タンク１１内の水は、クーリングタワー９により熱交換器１０を介して冷却される。その冷却水は、ポンプ１２によって給水配管１３と金型配管１４を通って金型３の各部位に設けられた冷却水孔に供給され、戻り配管１５を通ってタンク１１へと循環する。

金型３（固定型４と可動型５）には、それぞれ流量制御ユニット１６が取り付けられている。流量制御ユニット１６は、給水配管１３に接続されるマニホールド１７と、マニホールド１７に連装される複数個のフローコントローラ１８（…１８ｎ）の集合体からなる。マニホールド１７には、給水配管１３からの冷却水がストレーナ（図示略）を経由してキャビティ内に導入され、複数個のポートで分岐して個々のフローコントローラ１８（…１８ｎ）に供給される。

フローコントローラ１８は、金型３（固定型４と可動型５）の各部位を冷却する冷却水の瞬時流量を制御する流量制御装置である。フローコントローラ１８は、図２に示すように、流量調節弁１９と、流量計２０と、コントローラ（制御部）２１と、多段オリフィス２２を備えて構成されており、アダプタ２３を介してマニホールド１７のポートに接続されている。

流量調節弁１９は、流入ポート２４から流入した流体を第一流出ポート２５と第二流出ポート２６とに分流し、両流出ポートから流れ出る流量比率を調整する分流タイプの三方弁である。流入ポート２４はポンプ１２からの冷却水を供給する給水配管１３に接続され、第一流出ポート２５は冷却水をタンク１１へと戻す戻り配管１５に接続されている。また、第二流出ポート２６は冷却水を金型３の冷却水孔に供給する金型配管１４に接続され、この第二流出ポート２６側（片側）の配管系統が流量制御対象である。

本実施形態の流量調節弁１９は電動回転式バルブ機構を採用しており、バルブボディ２７に内蔵された弁体２８をアクチュエータ２９の電動力で駆動し、その電動力によって弁開度を調節する。アクチュエータ２９は、ステッピングモータ３０を内蔵し、モータブラケット３１を介してバルブボディ２７に取り付けられている。弁体２８は、バルブシャフト３２とその先端に設けられたバルブ３３とからなり、ステッピングモータ３０の回転軸に連結されている。なお、３４は摺動Ｏリング、３５はバルブシャフト３２を押さえてオリフィスの役割を担うシャフトパッキンであり、３６はシャフトパッキン３５を押さえて固定するリテーナロックである。

三方弁からなる流量調節弁１９は、図３に示すように、第二流出ポート（Ｂポート）２６の開口部を全閉状態（開度０％）から全開状態（開度１００％）に切り替えると、それに伴って第一流出ポート（Ａポート）２５の開口部が全開状態から全閉状態に切り替わり、両流出ポート（Ａ，Ｂポート）から流れ出る冷却水の流量比率を調整できるように構成されている。なお、弁体２８のバルブ３３が回転して第一流出ポート（Ａポート）２５と第二流出ポート（Ｂポート）２６から流れ出る冷却水の流量比率が変化しても、流入ポート（Ｃポート）２４から流れ込む冷却水の流量（合計流量）は略一定である。

流量計２０は、第二流出ポート２６から流れ出る流体の流量を測定するものであり、本実施形態では羽根車式流量計を採用している。この羽根車式流量計は、流路内で回転可能に支持されたスクリュー３７と、スクリュー３７の羽根部に密封されたマグネット３８を検知する磁気センサ３９を備えて構成されている。磁気センサ３９は、ホール素子、電源回路、増幅器等からなるホールＩＣ４０を内蔵した非接触式センサであり、ホールＩＣ４０でマグネット３８の磁界を検知して電気信号をコントローラ２１に出力する。なお、４１は分流後に流路内に流れ込んだ流体の乱流を防いで整流させる整流板であり、この整流板４１はスクリュー３７の軸受も兼ねている。また、４２はガタツキ防止のために整流板４１を押し付けるウェーブワッシャーである。

コントローラ（制御部）２１は、流量測定、モータ制御、ＰＩＤ流量制御等の機能を備えたマイクロコンピュータである。コントローラ２１は、磁気センサ３９から出力された電気信号により、スクリュー３７の回転数に基づいて算出された流量値を測定する。また、コントローラ２１は、測定した流量値と、制御装置７から入力された設定流量値とに基づいてアクチュエータ２９のステッピングモータ３０を制御し、流量調節弁１９の開度をフィードバック制御（ＰＩＤ制御）する。

多段オリフィス２２は、第一流出ポート２５から流出する流体の圧力を段階的に減圧するものであり、圧力バランスを整える機能と、キャビテーションを抑制する機能を備えている。本実施形態の多段オリフィス２２は、バルブボディ２７に接続されたバルブアダプタ４３に内蔵されており、コンパクト化とシール部位の削減を図ったものである。また、この多段オリフィス２２は、図４に拡大して示すように、複数枚（本実施形態では５枚）のリングプレート４４，…が厚さ方向に並べて配置されており、コンパクトでゴミ詰まりし難い構造になっている。個々のリングプレート４４には、片側（入口側）に入口から出口に向かって口径が徐々に狭くなるテーパ状オリフィス４５が設けられている。

以上のとおり、本実施形態のフローコントローラ１８によれば、流量調節弁１９に三方弁を用いて第一流出ポート２５と第二流出ポート２６の分配量を制御することにより、流れる冷却水の流量に応じてポンプ１２の供給圧の変動を抑え、配管系統毎の相互干渉を抑制することができる。また、バルブアダプタ４３内にテーパ状オリフィス４５が設けられており、第一流出ポート２５側と第二流出ポート２６側の背圧の差によって生じる流量特性バランスの悪化を防ぐことにより、精密な流量制御が可能になる。更に、テーパ状オリフィス４５を有するリングプレート４４を複数枚並べて配置した多段オリフィス２２を採用することにより、第一流出ポート２５から流出する流体の圧力を段階的に減圧し、背圧が低くなることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。

なお、上述した実施形態では、フローコントローラ１８を構成する流量調節弁１９としてＴ字型の三方弁を採用したが、図５や図６に示すような変形例を採用しても良い。流量計２０の入口には流量調節弁１９のバルブの絞りがあるため、バルブからの乱流によって生じる流量特性への悪影響が考えられる。そこで、このような悪影響を防ぐ目的で、図５に示すフローコントローラ１８Ａはバルブボディ２７にＬ字型エルボ４６を介在させて流量計２０を連結したものであり、図６に示すフローコントローラ１８Ｂは更にバルブボディ２７にＬ字型エルボ４６を介在させて多段オリフィス２２を連結したものである。このようにＬ字型エルボ４６で配管を折り曲げることにより、流路を流れる流体が内壁に衝突するので、短い距離で極端な乱流を抑制することができる。また、流量計２０の取付姿勢が垂直になることにより、本実施形態のような羽根車式流量計の場合、スクリュー３７のシャフトの摺動抵抗が減少するので、低流量特性が向上し、ワイドレンジで流量測定が可能になるという効果もある。

以上説明した実施形態では、本発明に係る流量制御装置を利用して、ダイカスト機の金型温度制御システムを構築したものであるが、本発明の適用例はこれに限られない。例えば、冷却水を使用する射出成形機や切削油を使用する工作機械等が複数台設置された配管系統において、機械の稼働台数の変化に応じて、冷却水や冷媒液、切削油等の流体の供給量を変化させる用途に本発明を適用することができる。なお、上述の金型温度制御システムにおいて、フローコントローラで冷却水の瞬時流量を制御するようにしたが、瞬時流量で制御して積算値をカウントし、積算流量を制御するようにしても良い。

１：金型温度制御システム
２：ダイカスト機
３：金型
４：固定型
５：可動型
６：温度センサ
７：制御装置
８：冷却水循環装置
９：クーリングタワー
１０：熱交換器
１１：タンク
１２：ポンプ
１３：給水配管
１４：金型配管
１５：戻り配管
１６：流量制御ユニット
１７：マニホールド
１８：フローコントローラ
１９：流量調節弁
２０：流量計
２１：コントローラ
２２：多段オリフィス
２３：アダプタ
２４：流入ポート
２５：第一流出ポート
２６：第二流出ポート
２７：バルブボディ
２８：弁体
２９：アクチュエータ
３０：ステッピングモータ
３１：モータブラケット
３２：バルブシャフト
３３：バルブ
３４：摺動Ｏリング
３５：シャフトパッキン
３６：リテーナロック
３７：スクリュー
３８：マグネット
３９：磁気センサ
４０：ホールＩＣ
４１：整流板
４２：ウェーブワッシャー
４３：バルブアダプタ
４４：リングプレート
４５：テーパ状オリフィス
４６：Ｌ字型エルボ

Claims

流路を流れる流体の流量を調節する流量調節弁と、
前記流路を流れる流体の流量を測定する流量計と、
前記流量計の測定結果に基づき前記流量調節弁の開度を制御する制御部と、を備え、
前記流量調節弁は、流入ポートから流入した流体を第一流出ポートと第二流出ポートとに分流調整する三方弁であり、前記第二流出ポート側に前記流量計が接続され、前記第一流出ポート側に流体の圧力を段階的に減圧する多段オリフィスが設けられている
ことを特徴とする流量制御装置。
前記多段オリフィスは、前記三方弁のバルブアダプタに内蔵されている
ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
前記多段オリフィスは、入口から出口に向かって口径が狭くなるテーパ状オリフィスを有するリングプレートが複数枚並べて配置されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流量制御装置。