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課題

制御システムおよび電子的調整を備えた液体攪拌装置に関する。

解決手段

装置10が接続されている蛇口または供給手段によって供給されることが見込まれる液体に係るパラメータを受信することを担い、攪拌によりパラメータが達成されるよう、液体の異なる供給パイプ11、12の調整手段に対して作用し、装置は、超音波トランスデューサー21および比例電磁弁15、16を備えているおかげで、多数の計測および動的な作動を行うことができ、計測部の構成および形状は、毎秒多数の信頼可能な計測を行うことが可能なものである。

概要

背景

液体攪拌の利用のうち、最も広範であり、なおかつ最もよく知られた応用は、家庭用水の供給に係る分野に含まれている。伝統的な熱水冷水の混合は、典型的には蛇口の一または複数の制御レバーにおける、直接的かつマニュアルで作動する機械的システムの手段によって行われており、これによりユーザは、蛇口の吐水口を通過して、彼ら/彼らに供給される混合された水の量および温度を変化させることができる。

使用期間中において供給される水の快適性を得る上で明らかな制約がある、これらのマニュアルなシステムは、特定の温度で供給された水に関連したありうるリスクを防止するために、ユーザによって設定された手動調整を備えており当該位置に維持されているのにも関わらず、所望の水温および供給される水の流量パラメータが取得された最初の瞬間において、異なるパイプ供給条件についてありうる変動は、それぞれのパイプの供給条件における温度および/または圧力のいずれであっても、当該手動調整手段で変更が行われていないにも関わらず、供給される混合物の温度および流量に影響してしまう。

冷水または熱水のいずれであるのかに関わらず、独占的に中断しない供給パイプの水を得るために、所望の快適温度である混合水の通過がごく短い期間にある場合、対応する供給パイプへの供給が突然断たれると、供給パイプの破裂または切断などの過酷な状況さえも起こりうる。ユーザに対して起こる結果は明らかであり、ユーザは、熱ショックおよび深刻な火傷さえも被りうる。

家庭用水の応用における、冷水の供給パイプおよび熱水の供給パイプの給水条件の変動、本質的には、圧力および温度の変動に対する、混合された水の供給の安定性を改善するために、電子的な制御システムを備える水攪拌装置最先端として知られており、典型的には、通常は供給パイプおよび/または混合室にある油圧装置に沿って設けられた一または複数のセンサによって収集された情報を使い、一または複数のアクチュエータによって供給される混合物を調整するものであって、当該アクチュエータは、混合物にそれぞれの供給パイプから供給される冷水および熱水の流量を変更し調節する。

知られている攪拌装置の電子的な制御システムにおいて情報を収集するセンサのアレイは、例えば、磁場を生成するタービン螺旋機械的なタービン、あるいは容積測定を行う機械的な流量計など使われている種類および技術に依存している。センサのアレイで測定されるパラメータを正しく計算するためには、通常ある程度の時間が必要となっている。センサのアレイで液体の流れを判定する信号の周波数は、一般に循環流と直接比例しているため、当該計算時間は、センサの有効測定範囲内で変動しうる。例えば、低流量の制御では、供給パイプの圧力条件の変動による流量の変化は、上に示した供給条件の変動によって起こされる快適性に係る問題を回避できるよう、調整要素の充分に早い反応を防ぐ顕著な遅れをもって判定される。

測定されるパラメータの実際の瞬間的な状態およびそれらの実際の状態に関する情報の利用可能性から相当の時間遅れが生ずるセンサのもうひとつの例は、従来型温度センサにおいて見い出すことができる。従来型の温度センサは、温度によってインピーダンスが変化する較正済み抵抗または半導体を組み込んでおり、これらの温度感受性を有する要素が封入されているため、一定の熱慣性および熱インピーダンスを有する。この遅れは、変動しうるものであって、対流係数に関連する媒質からセンサへの熱伝導により、センサ近傍における流速に依存しており、対流係数は同じようにセンサ近傍における流速によって顕著に変動しうる。ある時刻における液体の状態と、これらの条件がセンサの計測に反映される間までに存在する時間遅れは、上述の状態の一時的な状況における制御手段の実現可能な速度に影響し、上述の遅れよって生ずる結果は、設定点温度と一致しない温度の混合物である。

調整手段として典型的に使われる技術的な実行方式は複数存在し、例えば、それぞれの供給パイプにおける通過流量値の変更および調整を行う各種のアクチュエータがある。使われている各種の技術に内在する特性およびそれぞれの具体的な応用における実装の具体的な実行方式も、アクチュエータの応答能力および制御手段から送信された設定点の条件にアクチュエータの状態を迅速に調整する能力、例えば、アクチュエータの動的応答能力に影響する。監視位置を有する電気的なモーターおよび監視位置を有しない電気的なモーターは、典型的には、ステッピングモーターおよびサーボモーターとして使われる。ステッピングモーターおよびサーボモーターは、典型的には、直接的に、または減速機もしくは各種の機械的なフローコックを介して作用する。電気的なモーターの質量による慣性、電気的なモーターの各種要素摩擦、空間または電源の制約によって実行時に利用可能なモータートルクの制限などは、満足できる程度に流量を調整するために、高い動的応答能力を要求するそれらの応用における制限的な側面となる。例えば、パルス幅変調によって制御される比例電磁弁など、さらに他の種類のアクチュエータも存在し、他の種類のアクチュエータは、適切な制御装置があれば、特定の応用における、一部の特別な実行方式では、上述のモーターによるものよりも大幅に優れた動的応答を実現し、さらに電力消費および実行時に必要な空間の観点において競争力を有する、

さらに、平均瞬間速度を求めるために超音波トランスデューサーを使うことと、既知の形状の管を循環し、当該超音波トランスデューサーに位置している、既知の流体媒質の平均瞬間温度を使うこととが、最先端として知られている。

概要

制御システムおよび電子的調整を備えた液体攪拌装置に関する。装置10が接続されている蛇口または供給手段によって供給されることが見込まれる液体に係るパラメータを受信することを担い、攪拌によりパラメータが達成されるよう、液体の異なる供給パイプ11、12の調整手段に対して作用し、装置は、超音波トランスデューサー21および比例電磁弁15、16を備えているおかげで、多数の計測および動的な作動を行うことができ、計測部の構成および形状は、毎秒多数の信頼可能な計測を行うことが可能なものである。

目的

このため、トランスデューサーが約90mV波動ピークで、正確であり、上述の2%未満の誤差測定電圧を取得しているおかげで、継続して電子的制御システム(19)に信頼可能で正確な情報を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置であって、2またはそれより多くの液体供給パイプを有し、前記装置は、供給される液体の状態を把握するために計測を行い、計測および設定点に基づき、供給調整のために混合液体パラメータの設定点の値を受信し、少なくともひとつの混合液体流出口パイプが出ている攪拌室に、それぞれの前記供給パイプを介して供給される流量を変化させるアクチュエータを有し、それぞれの供給パイプ(11,12)は、計測部(13,14)を有しており、計測部(13,14)には、一方が送信器として動作し、なおかつ他方が前記送信器の受信器として動作し、これらとは逆の動作も行い、流れの順方向と、流れの逆方向の両方について、媒質中に送信された波動飛行時間を計測するために、少なくともふたつの超音波トランスデューサー(21)が配置されており、攪拌装置(10)は、超音波計測とは異なる技術に基づく付加的な補助温度センサ(23)を有しており、前記補助温度センサ(23)は、少なくとも前記ハイプ(11)に実装されており、前記ハイプ(11)では、それを通じて流れる液体の予測温度が、超音波計測の方法だけでは、一意的に前記液体における温度および波動の伝搬速度に関連付けることができない範囲にあり、前記トランスデューサー(21)および前記補助温度センサ(23)は、前記攪拌室に液体を供給するそれぞれの供給パイプの流量調整手段(15,16)に作用する電子制御システム(19)に接続されている、高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項2

前記攪拌装置(10)は、前記トランスデューサーが向かい合っており、液体の流れの経路の外側に、前記計測部(13,14)の流れの方向に沿って配置されている構成を有し、トランスデューサー(21)間の距離は、30mmより大きくなおかつ250mmより小さくなっており、計測部(13,14)は、8mmから30mmの間の直径を有し、注入口および流出口の部分が計測部(13,14)と接する領域において、放射状部材(22)が内側の角に配置されており、直径2mmから10mmのエルボを形成している、請求項1に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項3

前記攪拌装置(10)は、前記トランスデューサー(21)が60mmから120mmの距離で向かい合っている構成を有する、請求項2に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項4

前記攪拌装置(10)は、前記計測部(13,14)を形成する管が9mmから15mmの間の直径の構成を有する、請求項2または3に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項5

前記攪拌装置は、前記トランスデューサーが70mmの距離で向かい合っており、前記計測部(13,14)の直径が10mmであり、注入口および流出口の部分が前記計測部(13,14)と接する点を形成する、内側の角において、2.5mmの放射状部材(22)を含むエルボを備えている、請求項2に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項6

前記攪拌装置(10)は、前記付加的な補助温度センサ(23)が前記計測部(13,14)の後段に位置された構成を有する、請求項1に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項7

前記攪拌装置(10)は、前記追加的な補助温度センサ(23)が、それを通じて、予測される温度が、超音波計測の方法だけでは、一意的に温度および液体による波動の伝播速度に関連付けることができない範囲にある液体の流れる前記パイプ(11)のみに実装されている、請求項1に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項8

前記攪拌装置(10)は、流速プロファイルの安定化手段(30)または正規化手段を、計測部と接する点に近い位置にある、入口部内の管部の全体にわたって備えている、請求項1に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項9

前記攪拌装置(10)は、前記攪拌室(17)に向かうそれぞれの前記液体供給パイプの流量調整手段として、比例電磁弁(15,16)を備えている、請求項1に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項10

前記液体注入口パイプまたは流出口パイプ(11,12,18)は、前記計測部(13,14)または前記攪拌室(17)の前記注入口管または流出口管(32)に連結されている部品であり、連結および固く接合させる手段(31)が前記注入口パイプまたは流出口パイプ(11,12,18)と、前記注入口管(32)の間にあり、連結および固く接合させる手段(31)は、前記注入口パイプまたは流出口パイプ(11,12,18)と、前記注入口管(32)との間における交換と、ねじ部品または、要求されているタイプの注入口パイプまたは流出口パイプ(11,12,18)の連結ソケットによる補正とを可能にする、請求項1に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項11

前記攪拌装置(10)は、対応している前記供給パイプ(11,12)および突出している流出口パイプ(18)と同じ筐体の下に実装されている、請求項1ないし10のいずれか一項に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置。

請求項12

液体攪拌装置の運転方法であって、前記液体攪拌装置は、異なるセンサまたは装置によって取得された計測情報を受信し、なおかつ異なるパイプの流量調整電磁弁作動指令を送信する、電子制御システムを備え、前記液体攪拌装置は、前記制御システム(19)が少なくとも:・電子的に送信器として動作するトランスデューサー(21)を励起し、受信器として動作する他方のトランスデューサー(21)によって生成された電気信号を検出することによって、波動が液体を横断するのに要する時間を計測するステップと、・前ステップの処理を逆の方向に繰り返し、例えば、波動を以前受信器として動作し、本ステップでは送信器として動作する、トランスデューサー(21)より送信し、他方のトランスデューサー(21)に到達するまでに経過した時間を計測するステップと、・ふたつの前記トランスデューサー(21)の間における計測部(13,14)の管の形状およびそれを通じて波動が伝播している液体の物理的特性を把握しつつ、処理手段のおかげで、前記計測部(13,14)を横断する瞬間的な流れを計算できるようになった、実質的に直後に、液体の流れと順方向における飛行時間および液体の流れと逆方向における飛行時間の計測値を用いて、平均瞬間流速を求めるステップと、・前記制御システムのアルゴリズムにより、流速(v)を計算するステップと、・計算された前記流速を、既知の前記計測部(13,14)の管の横断面と乗算することにより、前記計測部(13,14)を通過する液体の流量を求めるステップと、・高度な動的計測によって温度が得られたら、これにより、前記装置(10)に至るそれぞれの注入口水パイプにおける状態の高い頻度の情報により、ユーザによってパラメータが設定された前記制御システム(19)が、それぞれのパイプの混合比率の調整を担い、もしくは供給上の問題を防ぐために閉塞を行う比例電磁弁(15,16)に指令を送信するステップと、・前記攪拌装置(10)への注入口となり、補助温度センサ(23)を組み込んでいる、これらの液体パイプにおいて、液体温度に応じた波動伝播速度の特性曲線を有する前記制御システム(19)は、前記センサの計測値を使って、液体温度が上限より低い温度区分にあるのか、または前記上限より高い温度区分にあるのかを識別することにより、上述の液体パイプで起こる既述の不確実性を解決するステップとを実行する、請求項1ないし11のいずれか一項に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置の運転方法。

請求項13

供給される液体の設定点の値は、ユーザによって設定された流量および温度のパラメータであり、CPUまたは示されている類似のシステムにより、供給される混合液体の特性に係る前記値は、前記攪拌装置(10)にあらかじめプログラムされている、請求項12に記載の高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置の運転方法。

請求項14

少なくとも組立品が、高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置(10)に電子的制御が接続されることにより形成され、前記組立品は、少なくともひとつの、制御システムの調整にしたがう混合液体流出パイプを有し、制御の設定にしたがい前記組立品では、それぞれの混合液体流出口パイプは少なくともひとつの液体分配蛇口に接続されることを特徴とする、請求項1ないし11のいずれか一項に示されている攪拌装置のように液体が攪拌される、液体供給の組立品。

技術分野

0001

本発明は、制御システムおよび電子的調節を備える液体攪拌装置に関連し、液体攪拌装置は、当該装置が接続された蛇口または供給手段によって供給されることが見込まれる液体について設定されたパラメータの受信を担い、なおかつ液体の異なる供給パイプの調節手段に、攪拌をさせ、当該パラメータを達成するために、液体攪拌装置は、作用する。

背景技術

0002

液体攪拌の利用のうち、最も広範であり、なおかつ最もよく知られた応用は、家庭用水の供給に係る分野に含まれている。伝統的な熱水冷水の混合は、典型的には蛇口の一または複数の制御レバーにおける、直接的かつマニュアルで作動する機械的システムの手段によって行われており、これによりユーザは、蛇口の吐水口を通過して、彼ら/彼らに供給される混合された水の量および温度を変化させることができる。

0003

使用期間中において供給される水の快適性を得る上で明らかな制約がある、これらのマニュアルなシステムは、特定の温度で供給された水に関連したありうるリスクを防止するために、ユーザによって設定された手動調整を備えており当該位置に維持されているのにも関わらず、所望の水温および供給される水の流量パラメータが取得された最初の瞬間において、異なるパイプ供給条件についてありうる変動は、それぞれのパイプの供給条件における温度および/または圧力のいずれであっても、当該手動調整手段で変更が行われていないにも関わらず、供給される混合物の温度および流量に影響してしまう。

0004

冷水または熱水のいずれであるのかに関わらず、独占的に中断しない供給パイプの水を得るために、所望の快適温度である混合水の通過がごく短い期間にある場合、対応する供給パイプへの供給が突然断たれると、供給パイプの破裂または切断などの過酷な状況さえも起こりうる。ユーザに対して起こる結果は明らかであり、ユーザは、熱ショックおよび深刻な火傷さえも被りうる。

0005

家庭用水の応用における、冷水の供給パイプおよび熱水の供給パイプの給水条件の変動、本質的には、圧力および温度の変動に対する、混合された水の供給の安定性を改善するために、電子的な制御システムを備える水攪拌装置最先端として知られており、典型的には、通常は供給パイプおよび/または混合室にある油圧装置に沿って設けられた一または複数のセンサによって収集された情報を使い、一または複数のアクチュエータによって供給される混合物を調整するものであって、当該アクチュエータは、混合物にそれぞれの供給パイプから供給される冷水および熱水の流量を変更し調節する。

0006

知られている攪拌装置の電子的な制御システムにおいて情報を収集するセンサのアレイは、例えば、磁場を生成するタービン螺旋機械的なタービン、あるいは容積測定を行う機械的な流量計など使われている種類および技術に依存している。センサのアレイで測定されるパラメータを正しく計算するためには、通常ある程度の時間が必要となっている。センサのアレイで液体の流れを判定する信号の周波数は、一般に循環流と直接比例しているため、当該計算時間は、センサの有効測定範囲内で変動しうる。例えば、低流量の制御では、供給パイプの圧力条件の変動による流量の変化は、上に示した供給条件の変動によって起こされる快適性に係る問題を回避できるよう、調整要素の充分に早い反応を防ぐ顕著な遅れをもって判定される。

0007

測定されるパラメータの実際の瞬間的な状態およびそれらの実際の状態に関する情報の利用可能性から相当の時間遅れが生ずるセンサのもうひとつの例は、従来型温度センサにおいて見い出すことができる。従来型の温度センサは、温度によってインピーダンスが変化する較正済み抵抗または半導体を組み込んでおり、これらの温度感受性を有する要素が封入されているため、一定の熱慣性および熱インピーダンスを有する。この遅れは、変動しうるものであって、対流係数に関連する媒質からセンサへの熱伝導により、センサ近傍における流速に依存しており、対流係数は同じようにセンサ近傍における流速によって顕著に変動しうる。ある時刻における液体の状態と、これらの条件がセンサの計測に反映される間までに存在する時間遅れは、上述の状態の一時的な状況における制御手段の実現可能な速度に影響し、上述の遅れよって生ずる結果は、設定点温度と一致しない温度の混合物である。

0008

調整手段として典型的に使われる技術的な実行方式は複数存在し、例えば、それぞれの供給パイプにおける通過流量値の変更および調整を行う各種のアクチュエータがある。使われている各種の技術に内在する特性およびそれぞれの具体的な応用における実装の具体的な実行方式も、アクチュエータの応答能力および制御手段から送信された設定点の条件にアクチュエータの状態を迅速に調整する能力、例えば、アクチュエータの動的応答能力に影響する。監視位置を有する電気的なモーターおよび監視位置を有しない電気的なモーターは、典型的には、ステッピングモーターおよびサーボモーターとして使われる。ステッピングモーターおよびサーボモーターは、典型的には、直接的に、または減速機もしくは各種の機械的なフローコックを介して作用する。電気的なモーターの質量による慣性、電気的なモーターの各種要素摩擦、空間または電源の制約によって実行時に利用可能なモータートルクの制限などは、満足できる程度に流量を調整するために、高い動的応答能力を要求するそれらの応用における制限的な側面となる。例えば、パルス幅変調によって制御される比例電磁弁など、さらに他の種類のアクチュエータも存在し、他の種類のアクチュエータは、適切な制御装置があれば、特定の応用における、一部の特別な実行方式では、上述のモーターによるものよりも大幅に優れた動的応答を実現し、さらに電力消費および実行時に必要な空間の観点において競争力を有する、

0009

さらに、平均瞬間速度を求めるために超音波トランスデューサーを使うことと、既知の形状の管を循環し、当該超音波トランスデューサーに位置している、既知の流体媒質の平均瞬間温度を使うこととが、最先端として知られている。

発明が解決しようとする課題

0010

本発明に係る高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置およびその運転方法は、前述の課題を解決できるものであり、本明細書において記述される他の利点も有する。

課題を解決するための手段

0011

本発明は、混合物の調整において、供給される液体の温度および圧力特性の変化に対する高度な動的応答を有することが特徴である、電子的制御システムを備えた液体攪拌装置を実現する目的を有する。これは、それぞれの液体供給パイプにおいて供給される上述の液体に係る流量の値および温度の値の準瞬間的な計測と、高度な動的アクチュエータによるそれぞれの液体供給パイプの一部の流量の調整のおかげである。高度な動的アクチュエータは、それぞれの液体供給パイプにおいて供給されるそれぞれのすべての液体の流量を個別に変化させることによって調整する。また、高度な動的アクチュエータは、ユーザによって装置に設定された、供給される混合液体の特性の流量パラメータおよび温度パラメータ、またはCPUもしくは示された類似のシステムによってあらかじめプログラムされた供給される混合液体の特性の値に基づいて、装置を通過させることにより、要求されている混合液体条件を取得し、なおかつ維持するように調整されている。

0012

攪拌装置に至る異なる供給パイプを循環する瞬間的な流量および平均瞬間液体温度を求めるために、本発明は、超音波計測原理を採用する。超音波計測原理は、短期間で多くの回数おそらくは数百ヘルツオーダーまでの計測を行うことを実現し、他の温度計測原理とは異なり、計測の回数が流速に依存しない。これは、本発明の目的のような攪拌装置にとって、これは明らかな利点である。なぜなら、この方法により、攪拌装置は、数ミリ秒毎にトランスデューサーから情報を取得することができる。トランスデューサーから取得された情報は、計算アルゴリズムに入力されると、ただちに、なおかつ高い頻度で、比例電磁弁の調整アルゴリズムに供給するのに足りる、瞬間的な流量および瞬間的な温度のデータを有することが可能となるからである。

0013

特定の角度における音波伝搬速度および液体中の方向は、例えば、真水など音波が伝搬している液体、音波が伝搬している角度における液体の速度および方向など、複数の要因に依存する。超音波流量計の基本的な動作原理では、例えば、同一角度で逆の方向において、一方が流れと順方向に伝播し、他方が流れと逆方向に伝播する、一対の音パルスが既知の形状の管の中で、既知の差を移動するのに要する時間の差を計測することと、計測が行われている部位において上述の管を横切る液体の瞬間的な速度および平均瞬間温度を、これらの時間に基づいて計算によって求めることが行われる。

0014

液体媒質における音波の伝搬速度は、典型的には、当該音波が伝播する媒質の温度によって変化する。液体では、液体状態の水で起こるように、水温の上昇とともに伝搬速度が大きくなり、例えば、真水の例では73℃付近にある、上限を有し、その後、沸騰温度に達するまで温度の上昇が継続すると伝搬速度が小さくなることがありうる。これにより、トランスデューサー間の距離を知り、当該液体における波動伝播速度に関する同様に既知の情報より、一意的に当該液体の温度を求めることができない結果となる。なぜなら、液体のある温度範囲では、上限または温度−速度曲線変曲点より低い温度に対応するものと、当該変曲点より高い温度に対応するものの、ふたつのありうる解法があるからである。

0015

したがって、上述の温度範囲内における温度の液体が攪拌装置のいずれかの供給パイプを流れたら、超音波計測の原理のみによって当該液体の温度を一意的に求めることはできない。これは、典型的に供給熱水の温度が速度−温度曲線の73℃における変曲点を超えうる、例えば、冷水および熱水の液体攪拌システムにおいて明らかな問題となる。

0016

本発明では、有利に、攪拌される2またはそれ以上の供給パイプの液体を有する、電子的制御を備えた攪拌装置があり、攪拌装置では、それぞれの供給パイプは、少なくとも2つの超音波トランスデューサーが配置された部位を有し、一方が音波の送信器として、他方がその音波の受信器として動作し、またその逆の動作をし、流れと順方向における計測と、流れと逆流方向における計測とを行う。

0017

少なくとも、それらの液体供給パイプ中の温度は、上述の供給特性により、上述の不確実性のある範囲にあるかもしれない。装置は、超音波計測の原理によって求められる速度計測に対応する、速度−温度曲線の側面を識別し、それよって一意的に液体温度を決定するために、当該装置は、有利に、超音波トランスデューサーの近傍に、他の既存技術に基づいており、液体媒質の温度が、当該液体の温度に係る伝播速度曲線極大点より上なのか、あるいは下なのかを一意的に判定することが可能な第2センサを組み込んでいる。

0018

この第2補助センサは、超音波計測技術と比較して緩慢な計測と、上述の動的調整に対して生じる悪影響のため、高度な動的調整に係る装置の供給パイプ内の液体の温度を求めるための主要な要素として、実用的な用途を有しない。制御システムは、超音波計測システムによって取得された音波の伝播速度の値がこの方法によって一意的に温度を求めることができない値の範囲にあるときと、専ら計測された速度に対応する温度を有する速度−温度曲線の側面だけを求めるときに、この第2補助センサから提供されたデータを参照する。

0019

上述のように、この付加的な補助温度センサは、それを通じて液体が流れ、特性および予測される温度範囲が上述の不確実性の原因となっている、それらのパイプ内に実装されていることのみが求められている。このため、補助温度センサは、好ましくは上述のパイプのみに実装され、温度センサが不要な残りの供給パイプの液体について温度センサを節約する。

0020

上述の第2温度センサは、液体中にトランスデューサーによって取得される計測に影響しうる乱流を生成しないよう、好ましくは、液体の流れ方向の中のトランスデューサーの計測部後段にある油圧パイプ内に配置されている。

0021

センサ、トランスデューサーおよび補助温度センサから提供される情報は、当該センサが接続されている電子的制御システムによって処理される。電子的制御システムの典型的な計算手段では、計測部における配管の既知な形状および使われている液体に関連する追加的な情報を組み込んでいる、アルゴリズムおよび計算式を使う。瞬間的な流量および平均瞬間温度のデータは、アクチュエータの調整アルゴリズムに提供される。アクチュエータの調整アルゴリズムは、攪拌装置の制御インタフェースを介して、例えば、ユーザによって与えられた設定点の値に基づき、装置に混合物を輸送させる供給パイプの流量を増加させたり、減少させたりすることにより、異なる液体の通過に係る制限を適切に修正する。これらのアクチュエータは、好ましくは、比例制御電磁弁がそうであるように、電子的制御システムの指令に基づき、非常に急速に液体の通過に係る制限を変更することが可能な要素である。

0022

少なくとも液体供給パイプ、それぞれの供給パイプの対応するセンサを備える計測部、混合物に輸送されるそれぞれの供給パイプにおける流量の調整手段、混合室、および混合液体のそれぞれの流出口パイプなど、液体攪拌装置の異なる要素は、好ましくは、少なくとも、ひとつの蛇口と、当該蛇口に統合されている制御装置もしくは当該蛇口の外側にある制御装置と、これらの実装に必要な手段とともに、液体攪拌供給の組立品を形成し、同一の筐体内に実装されるように構成されている。

0023

それぞれの供給パイプの注入口は、対応する計測部に接続されている。計測部には、ふたつのトランスデューサーが制御システムの処理手段に接続された状態で配置されている。当該トランスデューサーの表面は、媒質によって伝播される圧力波の送信と受信を行い、好ましくは、直接向かい合っており、既知の距離をもって流れの方向に沿って配置されている。当該トランスデューサーの表面は、可能であれば、液体の流れの経路の外にある限りにおいて、媒質と直に接しており、これにより上述の流れに過剰に影響しより多くの乱流を生成することがなくなり、引きずられている固体状粒子または液体中を懸濁している粒子により、攪拌装置の耐用年数を通して計測に干渉しうる堆積物沈殿させうる、見えない空洞が生成されない。

0024

液体供給パイプに使われている管の変更可能性の範囲内において、そして特に、電子的制御を備えた攪拌装置では、好ましくは、8mmから30mmの間の直径の管が使われている。これらの寸法では、トランスデューサー間の距離は少なくとも30mmなくてはならないことがテストされ確認されている。これは、小さい距離ではトランスデューサーによって引き起こされたことが確認されている、トランスデューサーの近傍の領域における局所的な流れの乱れにより、流量の測定値に5%より大きい割合の誤差が生ずるためである。計測部の管に適用される上述の直径の範囲について、この30mmの距離を超えれば、流量および温度について、十分に正確な計測値を取得することができる。

0025

同様に、上述の直径について、好ましくは、距離が250mmを超えてはならないことがテストされ、確認されている。これは、放射パルスについて、3Vのピーク電圧で10mV未満の振幅となり、制御装置によって信頼できる高精度の方法で処理することが困難になるほど、受信信号許容できないほどの大きく減衰することがないようにし、制御装置をコンパクトな装置の筐体に実装することを可能にするためである。

0026

液体攪拌装置を形成するその他の要素とともに、充分な長さを有する計測部を統合でき、上で示したように、計測値がコンパクトな筐体内において許容できる程度に正確となるよう、液体の流れの経路の外側において、互いに向かい合ってトランスデューサーが実装されている計測部への液体の注入部および流出部が、反対側の端部に配置されている。注入部および流出部は、好ましくは、当該計測部に対して垂直に配置されている。注入部および流出部が、計測部と接する領域において、インナーエルボに、放射状部材が配置されている。放射状部材は、液体が方向を転換する部位における液体の乱流を顕著に減らす。また、放射状部材は、計測値の品質に顕著に影響しうる。直径8mmから30mmの直径を有する管において、インナーエルボの半径は2mmから10mmであるため、流速は毎秒0.1−25Lに減少し、ふたつの管が接する角において、境界層剥離は局所的な乱流および逆流を生成する。より大きな半径を有する実行方式は、より多くの体積占有し、顕著な結果の改善に寄与しない。

0027

計測部における乱流を減らすという同じ目的のために、正確な計測ができる短い計測部を使うことを可能にし、任意的に、流速プロファイルの安定化手段または正規化手段は、計測部と接する位置近くにある入口部の管部の全体にわたって実装されている。安定化手段または正規化手段は、管の中心領域における液体の慣性的な力または対流的な力を軽減し、計測部において層流状態の流れを促進する。安定化手段または正規化手段は、本発明の対象である攪拌装置で攪拌される液体のそれぞれの供給パイプで取得される計測値の精度を改善する。

0028

上述の計測部を通過したら、超音波計測方法によって一意的に液体温度を求めることができない温度範囲にあると予測される液体を有する供給パイプは、補助的な温度センサを追加的に組み込んでいる。補助的な温度センサは、典型的には較正された抵抗または半導体を有し、抵抗または半導体の電気的特性は、上に示したように、温度によって変化する。

0029

液体が上述の計測領域を通過したら、上述の装置は、液体をそれぞれの供給パイプごとに、好ましくは、比例電磁弁によって形成されている調整手段に輸送する。比例電磁弁は、装置の制御システムの指令にしたがい、ユーザによって設定された特性の混合物が得られるよう、当該パイプにおける当該液体の通過を変化させるものである。比例電磁弁は、例えば、混合物がユーザにとって危険になりうる場合または、混合物が要求されているものと大幅に相違する場合には、流路を完全に封鎖することさえも可能である。

0030

この方法より、我々は、それぞれの供給パイプの液体の流量パラメータの計測システムと、それぞれのパイプにおける高度に動的な流量調整を持つことができる。流量調整は、ユーザに運ばれる混合液体の設定点の状態を維持するために、装置を供給パイプにおける、流量および/または液体温度パラメータの変化に、実質的にただちに反応させる。これらは、典型的に、市場入手可能なコンパクトな筐体による計測値に適合した装置によって行われる。

0031

装置は、制御手段、蛇口または、その他の手段におけるユーザの設定点から開始する運転方法を有する。設定点は、液体がどのように供給されることが要求されているかについてのパラメータを示すものである。運転方法では、制御システムは各種の動作を実行し、少なくとも、以下のステップを含む:
・電気的に送信器として動作するトランスデューサーを励起し、受信器として動作する他のトランスデューサーによって生成された電気信号を検出することにより、圧力波が液体を横断するのに要する時間を計測する。電気信号の送信から受信までの間に経過した時間は、飛行時間とよばれる。
・次に、逆の方向に前ステップで説明した処理が繰り返され、例えば、圧力波を以前受信器として動作し、本ステップでは送信器として動作する、トランスデューサーより送信し、トランスデューサーに到達するまでに経過した時間を計測する。
・制御システムでは、処理手段のおかげで、液体の流れと順方向における飛行時間および液体の流れと逆方向における飛行時間の計測値がある。また、制御システムにとって、ふたつのトランスデューサーの間における計測部の管の形状、トランスデューサー間の距離およびそれを通じて圧力波が伝播している液体の物理的特性は既知である。制御システムは、管を横切る瞬間的な流量を計算できるようになった、実質的に直後に、平均瞬間液体速度を求める。
音速の計算への温度の影響を打ち消すために、流れと順方向における飛行時間と、流れと逆方向における飛行時間とを計測する必要がある。流速(v)の計算は、下記の式にしたがう

ここで、
−Lは、トランスデューサー間の距離であり、
−tdownは、流れと順方向における飛行時間であり、
−tupは、流れと逆方向における飛行時間であり、
−tnusrは、例えば、音波が経路のうち、流れの方向と垂直な部分を移動するのに要する時間(一部の形状では主に反射されている)である、ヌル超音波実行時間であり、
−tzoは、例えば、水の流速が0に等しい、静止状態における飛行時間である。
・次に、処理手段は、計算された速度を既知である管の横断面で乗算することによって管を通過する液体の流量を求める:

ここで、
−vは、流れの平均瞬間速度であり、
−Atubeは、管の横断面である。
・この高度な動的計測によって温度も計算され、これにより装置に至るそれぞれの注入口液体ハイプに係る状態の情報が高い頻度で更新される。パラメータがユーザによって設定された制御システムは、電磁弁に、それぞれのパイプの混合比率の調整または、供給に係る問題を避けるため、閉塞に関わる指令を送信する。
・装置にある、それらの注入口液体ハイプは、既に上に述べた理由により補助温度センサを組み込んでいる。システムは、液体温度に応じた波動伝播速度の特性曲線を有しており、当該センサの計測値を、液体温度が上限未満の温度区分にあるのか、それとも上限より高い温度区分にあるのかを識別するのに使い、上述の不確実性を解決する。

0032

本説明では、直径で示されている形状の計測値は、管の横断面および厳密に円筒状とは異なる形状の横断面において、等価な形状の計測値を有することがある。管の横断面および厳密に円筒状とは異なる形状の横断面は、示されているものと均等な横断面を有する。

図面の簡単な説明

0033

上述のよりよい理解のために、図面はそこに添付されており、図式的かつ非制限的な例として、実際の実施形態は提示される。
図1は、真水および人間による消費用に配水ネットワークを介して供給される真水における音波の伝搬速度と、その水の温度との関係を示したグラフである。
図2は、上蓋を取り外した箱の中にあり、冷水注入口および熱水注入口を備える、電子的制御システムを有する高度な動的調整の攪拌装置の、その家庭用水の攪拌への適用を示した概略図である。本図では、右側に突出している計測部(14)のトランスデューサーの配置で視認できるように、計測部(14)が計測部(13)に覆われている。
図3は、トランスデューサーが連結されている計測部の断面図である。
図4は、注入口の管と流出口の管との間で90°であり、放射状部材を有するエルボを含まない接続を備えている、長さ70mmおよび直径10mmの計測部における数値流体力学シミュレーションを示している。
図5は、注入口の管と流出口の管との間で90°であり、2mm未満の放射状部材を有するエルボを含む接続を備えている、長さ70mmおよび直径10mmの計測部における数値流体力学シミュレーションを示している。
図6は、注入口の管と流出口の管との間で90°であり、3mm未満の放射状部材を有するエルボを含む接続を備えている、長さ70mmおよび直径10mmの計測部における数値流体力学シミュレーションを示している。
図7は、注入口供給パイプのある接続領域における計測部の詳細を示した断面図である。
図8は、ソケットの種類または直径に応じて交換可能な3種類のありうる注入口パイプまたは流出口パイプに係る断面図である。

実施例

0034

ここにおける発明の好適な実施形態では、熱水の水供給パイプ(11)と、冷水の水供給パイプ(12)とを有し、それぞれのパイプ(11,12)における流量および温度の計測に係る電子的制御を備え、電子的制御システム(19)によって制御される比例電磁弁(15,16)によって混合の調整を行う攪拌装置(10)がある。

0035

図2に示されているように、上述の攪拌装置(10)は、組立品をコンパクトにし、注入口供給パイプ(11,12)と、計測部(13,14)と、比例電磁弁(15,16)と、攪拌室(17)と、図示されていない混合水の供給蛇口への流出口パイプ(18)と、制御システム(19)に対応する電子的処理部品とを含む、組立品を統合する、保護筐体(20)に収納されている。

0036

計測部(13,14)は、供給パイプの注入口(11,12)の後段に、略垂直に配置されており、それぞれの計測部(13,14)は、それぞれの端部に、向かい合っている超音波トランスデューサー(21)を有し、いずれの超音波トランスデューサー(21)および超音波トランスデューサー(21)に関連する要素は、水流に干渉しないため、乱流の発生が回避される。

0037

計測部(13,14)は、本実施形態において、10mmの直径を有し、図3で参照できるように、計測部(13,14)の注入口パイプと、流出口パイプとの接続において、計測部(13,14)は、2.5mmの内側放射状部材(22)を有する。内側放射状部材(22)は、流れの方向の突然の変化による乱流の生成を防止し、計測部(13,14)の中心領域において主に層流状態を有することを可能にし、流量の測定値の誤差を毎分0.1−25Lの流速範囲において2%未満にすることを可能にする。

0038

図4図5および図6において、ひとつの内側放射状部材(22)を有するのか、その他のものを有するのか、それともこれらのものが存在しないのかによって、上述の方向の変化によって生じる異なった速度を観察することができる。内側放射状部材(22)が大きくなるほど、計測部(13,14)の軸において安定した速度領域を得ることができ、上述の乱流による擾乱が減った計測値が取得される。特に、2.5mmの内側放射状部材(22)について、方向エルボ内の水流の変化について、放射状部材を欠いている構成と比較し、計測部の中心部における流速の平均値の変動として、5%未満が得られている。放射状部材を有しない上述の構成では、図4に示されているように、方向エルボ内の水流変化において、方向の変化に対する注入口の角近傍の広い領域において、逆流(RF)すら起こりうる。上述の図4図5および図6では、さらに、10mmの直径の管において、2mmから3mmのエルボ放射状部材(22)については、流れの層流状態に大きな改善が得られていないことも見てとれる。したがって、よりよい層流状態を得るために放射状部材を大きくすることは、より大きい管の直径およびトランスデューサーを備えることになり、製造コストを増やすため、効率的ではない。それゆえに、2.5mm、そして代わりに3mmの放射状部材は、10mmの直径の計測部の管(13,14)にとって適切なものであると考えられる。

0039

対向している超音波トランスデューサー(21)は、本実施形態において10mmの直径の管の70mmに配置されている。対向している超音波トランスデューサー(21)は、流速毎秒0.1−25Lの流量の範囲では2%未満の誤差を有することを許容する。このため、トランスデューサーが約90mVの波動ピークで、正確であり、上述の2%未満の誤差の測定電圧を取得しているおかげで、継続して電子的制御システム(19)に信頼可能で正確な情報を提供する。これは、典型的には100mmから300mmの長さの測定値であり、計測部が配置されている筐体への超音波トランスデューサー(21)の実装を促進する。

0040

上に示しているように、代替的な実施形態において、計測部(13,14)は、直径が可能な限り幅広く、8mmから30mmの間を含むようにし、好適な選択肢では、直径が9mmから15mmの間の値をとる。

0041

内側放射状部材(22)は、代替的には、2mmから10mmの値をとる。

0042

超音波トランスデューサー(21)の間の距離は、代替的には、30mmより大きく、なおかつ250mmより小さい。さらに好適な代替的な実施形態では、超音波トランスデューサー(21)の間の距離は、60mmから120mmの値をとる。

0043

図7に示されているように、代替的には、流れ領域の安定化フィルタ(30)は、流速プロファイルの安定化または正規化の手段として、計測部(13,14)への注入口パイプに含まれていてもよい。

0044

温度センサ(23)は、計測部(13)の流出口の後段で、熱水パイプの比例電磁弁(15)の前段の、熱水パイプ内に実装されている。当該温度センサ(23)は、補助温度センサとして電子制御システム(19)に接続されている。この補助温度センサ(23)から得られた情報は、図1の50℃から100℃の値で観察できるように、熱水が一意的に音波の伝播速度値の計算ができない温度範囲またはそれに近い温度範囲において輸送されたときのみ、電子制御システムによって必要とされる。このように、この補助温度センサ(23)は、電子制御システム(19)が、水が73℃より熱いのかあるいは、73℃より冷たいのかを識別することを可能にする。適用されている有利な計測方法により、冷水に対応する補助温度センサについては、補助温度センサがこれらの温度まで達しないため、それぞれの水供給パイプについて温度センサが必要ではなく、要件を満たしつつ補助温度センサ(23)を、対応する計測部(13,14)にあるトランスデューサー(21)によって実行される計測と計算から省略することを可能にする。

0045

制御システム(19)は、送信器として動作する、いずれかのトランスデューサー(21)において、超音波圧力波の形態でパルスを生成することから開始する。こうして、波を水の流れと同じ方向に横断させることにより、波は、特定の時刻(tdown)において受信器として作動する、反対側のトランスデューサー(21)に達する。この直後、受信器として作動した当該トランスデューサー(21)は、役割を送信器に変更し、流れと逆方向に、規定の時刻(tup)に第1のトランスデューサーによって検出されることになる、他の圧力波を送信する。

0046

電子制御システム(19)は、上述の取得された計測値を受信する処理手段を備えている。処理手段は、上述のように短期間における多くの数の計測値に対応している。計測値は、数百ヘルツのオーダーに達しうるものであり、本実施形態では、約250Hzとなる。処理手段は、4ミリ秒ごとにトランスデューサー(21)から情報を取得することが可能である。電子制御システム(19)では、この情報が処理手段の計算アルゴリズムに入力され、ただちに、なおかつ高い頻度で、瞬間流速情報および瞬間温度情報を得ることができるようになる。瞬間流速情報および瞬間温度情報は、処理手段がさらに備えている、比例電磁弁(15,16)の調整に対応した、調整アルゴリズムに供給される必要がある、

0047

システムプログラマが示すため、電子制御システムにとって、計測部(13,14)における管の形状、トランスデューサー(21)間の距離、およびそれを介して圧力波が伝播する水の物理的特性は既知である。電子制御システムは、管を横断する瞬間的な流量を計算できるようになった、実質的に直後に、水の平均瞬間速度を求める。

0048

音速の計算における温度の影響を打ち消すために、流れと順方向における飛行時間と、流れと逆方向における飛行時間とが計測されなくてはならない。流速(v)の計算は、下記の式にしたがう:

ここで、
−Lは、トランスデューサー間の距離であり、
−tdownは、流れと順方向における飛行時間であり、
−tupは、流れと逆方向における飛行時間であり、
−tnusrは、例えば、音波が経路のうち、流れの方向と垂直な部分を移動するのに要する時間(一部の形状では主に反射されている)である、ヌル超音波実行時間であり、
−tzoは、例えば、水の流速が0に等しい、静止状態における飛行時間である。

0049

それゆえに、処理手段は、計算された速度を既知である計測部(13,14)の横断面と乗算することによって、管(Q)を通過する水の流量を求める:

ここで、
−vは、流れの平均瞬間速度であり、
−Atubeは、管の横断面である。

0050

電子制御システム(19)は、この高度な動的計測によって温度が計算されたら、それにより、装置への注入口水パイプ(11,12)の状態の高い頻度の情報更新により、ユーザによってパラメータが設定された上述の制御システム(19)は、それぞれのパイプの混合比率の調整を担い、あるいは供給上の問題を防ぐために閉塞を行う比例電磁弁(15,16)に指令を送信する。

0051

例えば、ユーザが装置(10)のスイッチをオフにすると判断したり、装置(10)の電源に故障が発生したりして、比例電磁弁(15-16)の電源供給が完全に除去されてしまったら、比例電磁弁(15-16)は、静止位置に戻り、比例電磁弁(15-16)が調整する液体の通過を完全に閉塞する。

0052

それぞれの調整された流れは、攪拌室(17)で攪拌され、流通可能な組立品を形成するよう、供給蛇口に接続されている流出口パイプ(18)を介して放出される。代替的に、異なる供給蛇口に接続する複数の流出口パイプ(18)があってもよい。

0053

任意的には、図8に示されているように、計測部(13,14)または攪拌室(17)の注入口管または流出口管(32)に連結されている注入口パイプまたは流出口パイプ(11,12,18)が存在する可能性がある。上述の注入口パイプまたは流出口パイプ(11,12,18)と、流出口管(32)との間には、連結および固く接合させる手段(31)がある。連結および固く接合させる手段(31)は、注入口パイプまたは流出口パイプ(11,12,18)と、流出口管(32)との間における交換と、迅速な連結注入口パイプまたは流出口パイプ、異なる直径、特別な接続として、ねじ部品または、要求されているタイプの注入口パイプまたは流出口パイプ(11,12,18)の連結ソケットによる補正とを可能にする。これらの連結および固く接合させる手段は、好ましくは、注入口パイプまたは流出口パイプ(11,12,18)の部分に穴を形成するものである。穴には取り外し可能なクリップが装着され、連結および固く接合させる手段の固定と抽出を支援する。さらに、それぞれの液体注入口パイプまたは流出口パイプ(11,12,18)は、対応するシールガスケットを備えている。

0054

発明の特定の実施形態に関する言及が行われたのにも関わらず、当業者にとって、高度な動的調整の電子的制御を備えた液体攪拌装置は、数々の変更および修正の影響を受けやすく、なおかつ上述のあらゆる要素は、添付の請求項で定義される保護範囲から離れることなく、その他の技術的に均等なものに置き換え可能である。

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