JP3542966B2 - 高圧装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、本質的に円筒状の容器及びこの容器に外圧を加えるための外部プレストレス付与手段を備えた高圧装置に関する。
【０００２】
ＷＯ９５／２１６９０号は、両端において開口された円筒状ライナーを有しかつ鋼線の巻回の支援により半径方向プレストレスを加えられた状態に置かれた高圧容器を明らかにする。前記高圧容器では、鋼線の巻回の結果としてのプレストレスは、高圧容器が加圧されたときに生ずる接線方向応力に等しい。
【０００３】
１０００から１５０００ｂａｒの間の圧力は、公知の高圧容器において作ることができる。本文においては、円筒状圧力容器は、アイソスタチックな圧力を加えるために、液体、例えば食料品、薬剤、化粧品用の製剤及び同等品で満たすことができる。これら圧力下での高圧処理の手段により、ビタミンを破壊し又は味を損なうことなく有害な微生物及び酵素を殺すことができる。
【０００４】
公知の圧力容器における応力変動の結果としてこれに毛割れが生じ、容器が最終的に使用不適となることがあり得る。内圧に対する適切な抵抗を提供するため及び毛割れの形成を防ぐために、公知の圧力容器は、同心の多くの鋼壁を持った比較的重量構造のものである。液圧プレスから比較的重い圧力容器を取り外し、これを空にし、そして処理すべき新しい材料で満たすことは比較的長い時間を要し、公知装置の生産性が限定される結果をもたらす。高圧容器をより迅速にかつより容易に満たしかつ空にし得るように従来技術により軽量構造の高圧容器を作れば、これはより低圧の使用に導き、その結果、製品の高圧容器内の滞留時間が増加する。
【０００５】
従って、本発明の目標は、比較的軽量構造のものとすることができしかも高圧下で運転可能な高圧容器を提供することである。本発明の更なる目標は、製品の滞留時間を短縮でき、これにより高圧容器を比較的簡単かつ容易に高圧装置から取り外すことができかつ容易に充填し空にすることができ、更にこれにより非常に回数の多い圧力負荷サイクルにわたる長寿命が可能な高圧容器を提供することである。
【０００６】
このために、本発明による高圧装置は、容器が繊維で強化され、プレストレス付与手段が、高圧容器に軸方向圧力を加えるための圧縮装置を備えていることを特徴とする。軸方向の圧縮により高圧容器に軸方向のプレストレスを加えることによって、容器の壁にわたる応力パターンを容易により一様にできることが見いだされている。その結果として、最も内側の壁部分の応力ががかなり減らされ、これが容器の寿命に有利な影響を与える。更に、希望の強度を得るために全壁厚がより有効に使用され、その結果、壁をより薄い構造のものとすることができ、また壁厚が同じままであるならば、圧力を高くすることができる。
【０００７】
好ましくは、容器は、プラスチック内に埋められた繊維を含んだ複合材料より作られる。容器が加圧されないときはプレストレスが加わらないように、プレストレス手段により加えられる圧力を、高圧容器の内圧に依存し得るようにできる。プレストレス付与手段は圧力部材を備え、この部材は、円筒状の高圧容器に関して軸方向に可動でありかつ高圧容器の端部の面並びに圧力部材に作動用流体を供給する供給管路と組み合う。比較的少数の単純な変更により、かかるプレストレス付与手段は、高圧容器内の圧力発生用の公知の油圧装置内に容易に一体化させることができる。
【０００８】
本発明による高圧容器は金属からなり、好ましくは、例えばガラス繊維、炭素繊維又はアラミド繊維のような１０００ＭＰａ又はこれ以上の引張り強さを有する繊維から作られた複合材料より構成することができる。前記繊維は、例えば、エポキシ樹脂、ポリアミド又はポリウレタンのマトリックス内に埋めることができる。好ましくは、高圧容器の接線方向の大きい強度が得られるように、繊維は本質的に周囲方向に向けられる。上述の形式の複合材料で作られた適切な高圧容器が、本出願人名義の欧州特願９６２０３１８７．８号に詳細に説明される。本発明により軸方向のプレストレスが加えられた複合材料製の高圧容器は、１０ｋｂａｒの作動圧力で３０万サイクルの寿命がある。
【０００９】
軸方向にプレストレスを加えることにより、高圧容器の壁、特に複合材料の壁における剪断応力が低下する。
【００１０】
本発明による高圧容器の一実施例は、この高圧容器が端部の面の少なくも一方の端面の付近に、半径方向外向きに軸方向で厚くなる強化用リングが設けられることを特徴とする。壁におけるプレストレスを、容器の軸線からの距離の関数として正確な値にするために、圧力リングは、剪断応力が高圧容器の内部の近くで減らされ、そして壁の外側に近い壁部分において増加されるような形状にされる。更に、強化用リングの使用の結果として、端部の面に近い（有り得るシールの位置における）半径方向の伸びが最小にされる。
【００１１】
本発明による高圧装置の有利な実施例は、長手方向軸線を有するハウジング及び前記軸線に沿って置かれた第１と第２の圧力室を備える。高圧容器の頂部端面は、第２の圧力室に、又はその付近に置かれる。第１の圧力室内に置かれたピストンヘッド及び前記ピストンヘッドに連結されたピストンロッドを有するピストンが、第２の圧力室を経て高圧容器内まで長手方向で動くことができる。圧力リングがピストンロッドの周りで動き得るように受け入れられ、この圧力リングは高圧容器の頂部端面と組み合うことができる。第２の圧力室に作動用流体を供給すると、圧力リングが円筒状の高圧容器の壁の上に支持され、これに軸方向のプレストレスを与える。好ましくは、第２の圧力室内の流体圧力は、プレストレスがピストン上の圧力、従って高圧容器の内部の圧力に比例するように、ピストンに加えられる流体圧力に依存する。
【００１２】
高圧容器の壁は数層、例えば６層の高張力繊維から作り上げることができ、容器のライナーは超弾性材料から作られる。超弾性材料は、複合ジャケットを作動用流体から隔離し、かつそれ自体はいかなる応力とも組み合わない。ライナーは２％台の大きさの伸長に耐えねばならない。この目的に対してはニッケルアルミニウム合金又はＡＢＳ、ＰＥ、ＰＰ又はポリカーボネートのようなポリマーが適している。
【００１３】
本発明による高圧装置の一実施例が付属図面を参照した例示の方法により更に詳細に説明されるであろう。
【００１４】
図１は、内部で上下に動き得るピストン及び圧力リングを有するハウジング２を備えた本発明による高圧装置１を示す。高圧容器３の壁に軸方向圧力を加えるためのプレストレス付与手段も前記ハウジング２内に収容される。円筒状の高圧容器３がハウジング２に当たり、そしてこの容器は、例えば、図示されないレールシステムによりハウジング２の下に置くことができそして側方から再び取り去ることができる。装置１は、更に、１００００ｂａｒ以上の作動圧力下における作動中、高圧容器３とハウジング２とを軸方向で一緒に保持するために複数の平行な補強板より作られたヨーク４を備える。図２に示されるように、高圧容器３は、両端が開口した円筒体を備え、底部の端面６の手段により圧力装置１の足部材５上に支持される。ピストン又は「増強装置」９のピストンロッド８が高圧室３の頂部端面７の開口を通過する。ピストン９の頂部は、ハウジング２の第１の圧力室１１内に収容されたピストンヘッド１０を備える。第１の圧力室１１の底部は、ピストンロッド８の通過する壁１２により閉鎖され、そしてピストンロッド８が気密にこの壁を通過する。壁１２は、内部で上下に摺動し得る圧力リング１４と共に第２の圧力室１３の境界を定める。
【００１５】
ピストンヘッド１０の両側には、ピストン９を上下に動かすために供給管路１６、１７が圧力室１１内に開口する。供給管路１８が、圧力リング１４と壁１２との間で第２の圧力室１３内に開口する。第４の供給管路１９が、底部端面６を経て高圧容器３の圧力室２０内に開口する。
【００１６】
例えば水のような作動用液圧媒体が供給管路１９を経て圧力室２０内に供給され、圧力室２０内に置かれていた処理すべき製品にアイソスタティックな圧力を加えることができる。作動用媒体１９の手段により、例えば２０００ｂａｒの予備圧力を作ることができる。次いで、供給管路１６を第１の圧力室１１の頂部部分に連結することにより、作動圧力をピストンヘッド１０に加えることができる。前記圧力は、ピストンヘッド１０の面積とピストンロッド８の面積との間の比率で高圧容器３の圧力室２０に伝達されるであろう。このため、この位置における内部の全圧力は、例えば１０ｋｂａｒ又はそれ以上となる。供給管路１８を圧力源に連結することにより、第２の圧力室１３が加圧され、このため圧力リング１４が高圧容器３の壁に軸方向の圧力を加える。予定処理時間の終わりに、管路１６内の圧力を減らしピストン９を上に押すことができる。
【００１７】
図３に更に詳細に示されるように、ピストン９の端部にはカラー２１が設けられ、このカラーは、２個のシールの設けられたリング２４と組み合う。前記リング２４は、圧力リング１４の下の縁と組み合う。第２の圧力室１３内の圧力が下げられると、カラー２１とリング２４とにより圧力リング１４が持ち上げられ、高圧容器３の頂部端面７から離れる。次いで、高圧容器３は、側方から、高圧装置１より外すことができる。
【００１８】
リング２４は２個のシール３３と３４とを有することを特徴とする。外側シール３３はライナー２５とリング２４との間の静的な高圧シールである。内側シール３４はピストンロッド８とリング２４との間の動的な高圧シールである。
【００１９】
シールを分割することが少なくも三つの利点を提供する。第１に、シール３３は、これをライナー２５の押出しが生じ得ないように構成することができる。第２に、シール３３とライナー２５との間の摩擦接触がない。最後に、ライナー上に動的なシールがあったとすれば、このシールは、複合体の大きな弾性的な伸びのため数ｍｍの隙間をシールしなければならないであろう。シールを分割したため、シールの組により満たすべき半径方向の膨張は最小である。
【００２０】
圧力リング１４により作られる接線方向のプレストレスの容器３の壁における正確な分布を確保するために、上下の端面７、６に鋼の強化用リング２２、２３が取り付けられる。前記強化用リングの厚さは、高圧容器３の軸線の方向に減少する。圧力容器３の頂部及び底部における半径方向の伸びは、これらリングの手段によっても最小にされる。
【００２１】
図４は、本発明による高圧容器３を拡大して示す。高圧容器３は開口円筒体よりなり、圧力室２０のライナー２５は超弾性材料製である。このライナー２５はいかなる応力にも対抗する必要なく、そして高圧容器３の寿命中、交換されることがない。ライナー２５は２％の大きさの伸びに耐えることができる。ライナー２５はニッケル・チタン合金のような超弾性材料より作ることができる。ＡＰＳ、ＰＥ、ＰＰ又はポリカーボネートのようなポリマーも使用可能である。例えば、ガラス繊維、炭素繊維又はアラミド繊維のような１０００−１００００ＭＰａ台の大きさの破断応力を有し周囲方向に置かれた繊維を持った複合材料の層２６がライナー２５の周りに置かれる。この繊維は、例えばエポキシ樹脂又はポリウレタン内に埋設することができる。高圧容器３の壁３２は、欧州特願９６２０３１８７．８号に説明されたような複合材料の種々の層から形成することができる。
【００２２】
高圧容器３の頂部及び底部において、強化用リング２２、２３に斜めの縁２８、２９が設けられ、この縁は、図３に示されるように高圧容器３の頂部においてピストンロッド８の周りと滑り接触するシール用リング２４を押し付けて支持することができ、更に高圧容器３の底部においては足部材５の部分を形成する。運転中、頂部端面７と接触している圧力リング１４の使用の結果として、極めて高い作動圧力下においても、端面７上における良好な密閉を達成するために軸方向のシール３０を使うことができる。
【００２３】
高圧容器３の高さＨは、例えば２７ｃｍとすることができる。高圧容器３の外径Ｄ２は、例えば３０ｃｍであり、一方、圧力室２０の直径Ｄ１は１０ｃｍである。強化用リング２２、２３の厚さは、例えば高圧容器３の外周部３１において４．５ｃｍである。上述の諸寸法は説明のためだけのものであり、圧力室２０内で処理される材料の大きさと量とに応じて広い範囲で変えることができる。
【００２４】
図５ａは、壁に加えられる軸方向のプレストレスがない場合に、圧力室２０内に圧力を加えた際の高圧容器３の壁３２の幅Ｄにわたる接線方向応力のプロットを示す。接線方向応力σはライナー２５の位置において最大であり、そして壁３２の外周３１に向かって非常に速かに減少する。強化用リング２２、２３により壁３２に軸方向のプレストレスを加えた結果、図５ｂに見られるように、ライナー２５の位置（図５ｂにおいて左側）における接線方向応力は相当に減少し、そして外周３１の位置（図５ｂにおいて右側）における接線方向応力は増加し、このため、より一様な応力パターンが得られる。接線方向応力の低下は、ライナー２５に近い複合材料の繊維に加わる荷重をかなり減らし、圧力容器３の寿命に有益な影響を持つ。繊維も、最内側の繊維だけが有効であるのではなく、壁３２の厚さ全体にわたって有効に使われる。０．５％から２％の軸方向圧縮が得られるような圧力容器３１のプレストレスが好ましい。
【００２５】
本発明による高圧容器３は、圧力容器の加圧中及び減圧中に進行する微細欠陥を検出するために音響発生装置が設けられることが好ましい。圧力容器がその限界寿命に近づいた場合は、微細欠陥の数が急増するが、容器は外側からはまだ完全のままであるように見えるであろう。音響発生の測定により高圧容器３の安全を保証することができ、微小欠陥の数が上方限界値を越えたときに高圧処理を停止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高圧装置の斜視図を示す。
【図２】図１による装置の長手方向断面図を示す。
【図３】ピストンロッドの端部の詳細を拡大して示す。
【図４】図１及び２による装置で使用するに適した高圧容器を通る長手方向断面図を示す。
【図５ａ及び５ｂ】それぞれ軸方向のプレストレスのない場合及びある場合の、複合材料で作られた高圧室の壁における接線方向応力のプロットを示す。

Claims (15)

1. 繊維で強化された円筒状である高圧容器（３）と、該高圧容器（３）に軸方向圧力を加えるためのプレストレス付与手段とを具備することを特徴とする高圧装置（１）。
2. 該圧力容器（３）が、繊維が埋没されたプラスチックからなる複合材料で作られている請求項１の高圧装置（１）。
3. 該プレストレス付与手段により加えられる圧力が、該高圧容器（３）の内圧に依存する請求項１又は２の高圧装置（１）。
4. 該プレストレス付与手段が、該高圧容器（３）に対して軸方向に可動でありかつ該高圧容器（３）の一方の端面（７）に接する圧力リング（１４）と、該圧力リング（１４）に該高圧容器（３）の端面（７）に向けた圧力を加えるための手段（１３、１８）を備えている請求項１、２又は３の高圧装置（１）。
5. 該高圧容器（３）が周囲方向に延びている繊維を備えている請求項１、２、３又は４の高圧装置（１）。
6. 該高圧容器（３）の両端面のそれぞれに、半径方向外側に向かって軸方向に徐々に厚くなっている強化用リング（２２、２３）が設けられている請求項１乃至５のいずれか１の高圧装置（１）。
7. 該強化用リング（２２、２３）が金属リングによって形成されている請求項６の高圧装置（１）。
8. 該プレストレス付与手段が、
   長手方向軸線を有するハウジング（２）、
   上記長手方向軸線に沿って配置された第１の圧力室（１１）及び第２の圧力室（１３）、
   上記長手方向軸線に沿って可動であり、該第１の圧力室（１１）内に置かれたピストンヘッド（１０）と、該ピストンヘッド（１０）に連結され且つ該第２の圧力室（１３）を経て該高圧容器（３）内まで長手方向に動き得るピストンロッド（８）とを有するピストン（９）、及び
   該第２の圧力室（１３）内で該ピストンロッド（８）の周りに配置された圧力リング（１４）を備え、
   該圧力リング（１４）が該高圧容器（３）の前記端面（７）に接して配置されている請求項１乃至７のいずれか１の高圧装置（１）。
9. 該プレストレス付与手段が、該第１の圧力室（１１）内の、該ピストンヘッド（１０）の両側にそれぞれ作動用流体を供給する２つの作動用流体供給管路（１６、１７）を備えている請求項８の高圧装置（１）。
10. 該プレストレス付与手段が、該第２の圧力室（１３）内に作動用流体を供給する供給管路（１８）を有し、この供給管路（１８）が、該高圧容器（３）から離れた位置で、該第２の圧力室（１３）に連結されている請求項８又は９による高圧装置（１）。
11. 第２の圧力室側のピストン（９）の端部にカラー（２１）が設けられており、該カラー（２１）と該圧力リング（１４）との間に、リング（２４）が配置されている請求項７−１０のいずれか１の高圧装置（１）。
12. 該高圧容器（３）内に作動流体を供給する作動用流体供給管路（１９）が設けられており、この作動用流体供給管路（１９）が、該圧力リング（１４）から離れた位置で、該高圧容器（３）に連結されている請求項８、９又は１０の高圧装置（１）。
13. 該高圧室（３）が、超弾性材料製のライナー（２５）を備えている請求項１乃至１２のいずれか１の高圧装置（１）。
14. 該プレストレス付与手段が、該圧力容器（３）に０．５％から５％の間の軸方向の圧縮を加える請求項請求項１乃至１３のいずれか１の高圧装置（１）。
15. 該高圧容器内の圧力が、５０００ｂａｒ以上にされる請求項１４の高圧装置（１）。

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