JP3701986B2 - 液体加圧装置及びその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、プランジャポンプなどの往復動ポンプを利用した液体加圧装置及びその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
材料切断や圧力容器内の加圧などに高圧液体を利用する場合、液体加圧源としてパスカルの原理による液圧ブースタ方式の高圧ポンプが広く利用されている。液圧ブースタは、入口圧力をプランジャピストンの受圧面積比に逆比例して増圧し、出口圧力とするものであるが、これには大別して１行程毎に断続的に所定流量の増圧圧力を出口側に送る単動ブースタと、一対の単動ブースタにチェック弁や方向切換弁を組み合わせて出口側に連続した流量を送り出す複動ブースタとがある。
【０００３】
プランジャの駆動は一般に油圧方式であり、これには、出口から取り出される高圧液体（水など）が駆動圧油によって汚染されるのを防止するために駆動シリンダ室と増圧室との分離を図った油水分離型のものもあるが、例えばジャムや果汁又は酒等の製造において近年注目を集めている高圧液体による食品の加圧処理に利用するための液体加圧装置としては、駆動圧油による汚染の恐れが全くない電動方式でプランジャを往復駆動するものがよく用いられている。
【０００４】
例えば実開平１−７６５７０号公報には、電動方式の複動ブースタによる液体加圧装置として、材料切断等に使用する高圧ウォータージェットを発生させる往復動増圧機が示されている。この往復動増圧機では、給液用の回転式ポンプから吐出される液体を一対の往復動プランジャ加圧室に夫々チェック弁を介して導入し、同軸状に連結された一対のプランジャをボールねじ機構及び可逆サーボモータによって一体的に往復運動させることにより各加圧室内でプランジャによる交互の加圧動作を行わせ、各加圧室から交互に吐出される高圧液を夫々別のチェック弁を介して噴射ノズルに送り、噴射ノズルからほぼ連続的な高圧液体の噴射を得るようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、食品の加圧処理を用途の視野に入れると、加圧処理に際して衛生面の確保が求められることから、駆動圧油がプランジャ駆動軸のシール面を介して加圧室内に混入したり、装置のメンテナンスに際して周辺を作動油で汚したりするおそれのある油圧駆動方式よりも、これらのおそれのない電動方式のブースタのほうが適していることは述べるまでもない。
【０００６】
しかしながら従来の電動方式のブースタでは、前述のようにプランジャの加圧室に液体を供給するために別にポンプを必要とし、このポンプの容量は加圧室への給液量が一定ではないため或る程度の余裕をもって選定する必要があり、ポンプの設置によって装置構成が複雑となるだけでなく、給液用ポンプに回転式ポンプが用いられていたので、液体がポンプ内で循環して液質が変化してしまい、場合によっては加圧室内で加圧される前に液体内に気泡が混入し、目標の圧力に達するまでの時間が長くなるなど、加圧処理の効率にも悪影響を与えていた。
【０００７】
また、従来の電動方式のブースタでは、給液用ポンプの吐出圧力はブースタの加圧室の初期シールに不足するほどに低く、小流量の場合にはシール漏れを起こす場合があり、さらに複動ブースタであっても液圧系は一段加圧であり、電動機の軸出力を大きくしないと充分な高圧が得られず、特に食品の加圧処理ではますます高圧化の要請があるが、電動機を高出力のものにするにはコスト増が避けられず、また装置全体が大きくなってしまうという問題点もある。
【０００８】
さらにまた、従来の電動方式のブースタでは、負荷圧が設定値近傍に達してもプランジャのストローク長さは変わらず、したがって負荷の加圧に必要な吐出量が加圧室の全容積分未満となっても常に全ストローク長さでプランジャを往復駆動しているため、電動機の消費電力効率を向上させることができなかった。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたものであり、負荷へ供給されるべき液体が不必要に循環されることなく、したがって液体の変質を生じることなく、比較的短時間のうちに目標圧力まで昇圧することのできる構成の簡単な往復動ポンプ方式の液体加圧装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
本発明の別の目的は、給液用ポンプを併用しない場合でも、低流量からシール漏れを生じることなく効率よく高圧液体を得ることができる往復動ポンプ方式の液体加圧装置を提供することである。
【００１１】
本発明の更に別の目的は、昇圧された液体圧力を極力有効利用して無駄な電力消費を避けることのできる電動方式の液体加圧装置を提供することである。
【００１２】
更に本発明では、往復動ポンプ方式の液体加圧装置において昇圧時間に占めるポンプ加圧行程のストローク長さを負荷圧との関連で可変制御して設定圧力までの昇圧時間を実質的に短縮することのできる運転方法を提供することも目的の一部に含むものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの特徴による液体加圧装置（第１発明）は、前述の課題を達成するために、吸入した液体を加圧して吐出する第１の往復動ポンプ手段と、
単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記第１の往復動ポンプ手段よりも小さく、且つ前記第１の往復動ポンプ手段と互いに等しいストローク長さで可逆的に連動することにより前記第１の往復動ポンプ手段から吐出される液体を吸入して更に高圧に加圧して外部へ吐出する第２の往復動ポンプ手段と、
前記第１及び第２の往復動ポンプ手段を往復運動させる、可変設定された反転周期および回転速度で周期的に回転方向が逆転されるように制御される駆動原動機と、
前記第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体によって内部を加圧される既知の一定容積Ｖをもつ負荷容器と、
第１の往復動ポンプ手段から第２の往復動ポンプ手段へ吐出された液体を逆流させない第１及び第２のチェック弁を配置した供給流路と、
第２の往復動ポンプ手段から吐出された液体を逆流させない第３及び第４のチェック弁を配置した接続流路とを備え、
前記第１の往復動ポンプ手段からの吐出流量のうち前記第２の往復動ポンプ手段へ吸入される流量を超える余剰流量を予め設定された圧力で吸収する分岐回路が前記第１の往復動ポンプ手段の吐出流路に接続され、
前記分岐回路が第１の往復動ポンプ手段の吐出圧を予め定められた設定圧力で前記吐出流路外へ放出する圧力制御弁回路を含み、
前記駆動原動機の制御が、
予め設定圧力値ｐ Ｍ に達した場合の負荷容器内の液体総容量Ｗ Ｍ を負荷容器の容積Ｖ及び使用液体の前記設定圧力値ｐ Ｍ における圧縮率β Ｍ に基づいて求めておき、
前記第２の往復動ポンプ手段の吐出行程によって負荷容器へ送られた高圧液体の負荷圧ｐを検出して、前記吐出行程に続く前記往復動ポンプ手段の吸入行程前に前記負荷圧ｐにおける前記液体の圧縮率βと負荷容器の容積Ｖに基づいて前記負荷圧ｐにおける負荷容器内の液体総容量Ｗを計算し、
液体総容量の差ΔＷ＝Ｗ Ｍ −Ｗと前記往復動ポンプ手段の予め定められた全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ ０ との比ΔＷ／Ｑ ０ が１以上のときは前記往復動ポンプ手段を全ストローク長さで駆動し、
前記比ΔＷ／Ｑ ０ が１未満になったときには直後の前記往復動ポンプ手段の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、
この制限されたストローク長さにより、前記第２の往復動ポンプ手段では吸入行程を、第１の往復動ポンプ手段では吐出行程を行わせた後に前記第２の往復動ポンプ手段を直ちに吐出行程に反転させる
ものである。
【００１４】
本発明の別の特徴による液体加圧装置（第２発明）は、第１発明において、第１と第２の往復動ポンプ手段がそれぞれプランジャポンプからなり、第１の往復動ポンプ手段を構成するプランジャポンプのプランジャは、第２の往復動ポンプ手段を構成するプランジャポンプのプランジャよりも大きな加圧断面積を有し、第１と第２のプランジャポンプの各プランジャが一体的に往復運動されるように駆動原動機により直線的に往復運動する駆動部材にそれぞれ連結されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の更に別の特徴による液体加圧装置（第３発明）は、前記第１発明において、第１の往復動ポンプ手段の吐出口に前記余剰流量によって蓄圧動作するアキュームレータが接続されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の更に別の特徴による液体加圧装置の運転方法（第４発明）では、前記第１発明〜第３発明の何れかに記載された液体加圧装置の運転方法において、
第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体によって既知の一定容積Ｖをもつ負荷容器内を予め定められた設定圧力値ｐＭ に加圧するに際して、
前記負荷容器内が設定圧力値ｐＭ に達した場合の負荷容器内の液体総容量ＷＭ を負荷容器の容積Ｖ及び使用液体の前記設定圧力値ｐＭ における圧縮率βＭに基づいて予め求めておき、
前記第２の往復動ポンプ手段の吐出行程によって負荷容器へ送られた高圧液体の負荷圧ｐを検出し、
前記吐出行程に続く前記往復動ポンプ手段の吸入行程前に前記負荷圧ｐにおける前記液体の圧縮率βと負荷容器の容積Ｖに基づいて前記負荷圧ｐにおける負荷容器内の液体総容量Ｗを計算し、
液体総容量の差ΔＷ＝ＷＭ −Ｗと前記往復動ポンプ手段の予め定められた全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ０ との比ΔＷ／Ｑ０ が１以上のときは前記往復動ポンプ手段を全ストローク長さで駆動し、
前記比ΔＷ／Ｑ０ が１未満になったときには直後の前記往復動ポンプ手段の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、
この制限されたストローク長さにより、前記第２の往復動ポンプ手段では吸入行程を、第１の往復動ポンプ手段では吐出行程を行わせた後に前記第２の往復動ポンプ手段を直ちに吐出行程に反転させる方法である。
【００１９】
【作用】
第１発明による液体加圧装置では、第１の往復動ポンプ手段と第２の往復動ポンプ手段とは互いに等しいストローク長さで可逆的に連動し、即ち第１の往復動ポンプ手段が吸入行程にあるときは第２の往復動ポンプ手段は加圧吐出行程にあり、逆に第１の往復動ポンプ手段が加圧吐出行程にあるときには第２の往復動ポンプ手段は吸入行程にあり、また第２の往復動ポンプ手段は、単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記第１の往復動ポンプ手段のそれよりも小さい。
【００２０】
第１の往復動ポンプ手段は吸入行程においてリザーバなどから液体を吸入し、ストローク端で反転して加圧吐出行程に入ると、吸入した液体を加圧してその吐出流路に吐出する。従って第１の往復動ポンプ手段はリザーバなどから液体を自己吸引するので、従来のような給液用ポンプは用いなくても高圧液体を得ることができ、液体内に気泡を含ませない状態で液体を第１の往復動ポンプ手段に供給できる。このように、本発明では、給液ポンプが不要のため装置を簡略にでき、また液体が不必要に装置内で循環されないので、気泡の発生や液質の変化は殆ど生じることがない。
【００２１】
第２の往復動ポンプ手段は、第１の往復動ポンプ手段が加圧吐出行程にあるときには第１の往復動ポンプ手段から吐出される既に或る中間圧力まで加圧された液体を吸入する。第１の往復動ポンプ手段がストローク端で反転して吸入行程に入ると第２の往復動ポンプ手段は加圧吐出行程に入る。この加圧吐出行程では、第２の往復動ポンプ手段は、先に吸入した中間圧力の液体を更に高圧に加圧して外部の負荷へ吐出する。このようにして往復のストローク運動の間に第１の往復動ポンプ手段と第２の往復動ポンプ手段による液体の二段加圧が行われ、これにより第２の往復動ポンプ手段による加圧量が限られていても、既に或る中間圧力まで加圧された液体を加圧することになるので、全体としての昇圧時間を短縮することができる。
【００２２】
第２の往復動ポンプ手段は、単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記第１の往復動ポンプ手段より小さく、したがって第１の往復動ポンプ手段の吐出流路には、第１の往復動ポンプ手段の加圧吐出行程において第２の往復動ポンプ手段に吸入される量より多い液体が第１の往復動ポンプ手段から吐出されてくる。この第１の往復動ポンプ手段からの吐出流量のうち第２の往復動ポンプ手段へ吸入される流量を超える余剰流量は、第１の往復動ポンプ手段の吐出流路に接続された分岐回路によって予め設定された圧力で吸収される。
【００２３】
ここで、負荷として密閉空間を高圧液体で設定負荷圧まで加圧する場合、前記分岐回路による余剰流量の吸収を設定負荷圧より低い或る近傍圧力で行わせるように分岐回路の圧力設定を行うと、負荷圧が設定値より低い状態で第１の往復動ポンプ手段の吐出流路の圧力がこの近傍圧力に達するまでは余剰流量を直接負荷へ送ることができ、負荷の昇圧時間をさらに短縮することが可能である。
【００２４】
また、前記第１発明においては、第１の往復動ポンプ手段の吐出圧を予め定められた設定圧力で前記吐出流路外へ放出する圧力制御弁回路が分岐回路に含まれている。この圧力制御弁回路は、例えばリリーフ弁による圧力設定回路であればよく、これによって第１の往復動ポンプ手段の吐出圧がリリーフ弁の設定圧力を超えようとするとリリーフ弁が開かれて余剰流量がタンクへ放出され、第１の往復動ポンプ手段の吐出流路の圧力がリリーフ弁の設定圧以下に保たれる。この場合、第１の往復動ポンプ手段の吐出圧がリリーフ弁の設定圧に達するまでの余剰流量は、第２の往復動ポンプ手段における加圧行程での圧縮分として利用されるか、あるいはそのまま負荷へ送られるか、何れにせよ有効利用されることになる。リリーフ弁の設定圧は負荷設定圧未満に設定されることは述べるまでもない。
【００２５】
また、前記第１発明においては、第１の往復動ポンプ手段の吐出口に前記余剰流量によって蓄圧動作するアキュームレータが接続されている。このアキュームレータとしては、荷重による重量式、あるいはバネ式など種々のアキュームレータを用いることができるが、好ましくは気体圧力によって動力蓄積を行う特にブラダ式のアキュームレータを用いることにより、良好な蓄圧特性で装置重量を軽減することができる。また特にこのようなアキュームレータを分岐回路に設けた場合、第１の往復動ポンプ手段の吐出行程でアキュームレータに蓄圧された残圧が第１の往復動ポンプ手段の吸入行程でポンプのストローク運動を付勢する力として有効利用され、動力の軽減による効率の向上に寄与する効果が得られる。
【００２６】
第１の往復動ポンプ手段からの吐出液体を第２の往復動ポンプ手段のポンプ室に導く接続流路には第２のチェック弁と第３のチェック弁との直列接続回路が設けられ、これらは第１の往復動ポンプ手段からの吐出液体による押込みでそれぞれ開かれる。第２のチェック弁と第３のチェック弁は、第１の往復動ポンプ手段の吸入行程又は第２の往復動ポンプ手段の吐出行程では接続流路内の逆流れを阻止するように閉鎖される。
【００２７】
第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体を負荷への出口へ導く吐出流路には第４のチェック弁が設けられ、この第４のチェック弁は、第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体による押込みで開かれると共に、第２の往復動ポンプ手段が吸入行程にあるときは吐出流路内の逆流れを阻止するように閉鎖される。
【００２８】
この場合、前記分岐回路は、第２のチェック弁と第３のチェック弁との間における前記接続流路から分岐させることができ、この場合の分岐回路には前述のように例えばリリーフ弁による圧力制御弁回路を接続することができる。また、分岐回路は第１のチェック弁と第２のチェック弁との間における前記接続流路から分岐させることもでき、この場合の分岐回路にはアキュームレータを接続して、前述した蓄圧動作によるポンプ動力軽減機能を果たすようにすることも可能である。
【００２９】
この液体加圧装置では、第１と第２のチェック弁により第１の往復動ポンプ手段の給排流路の振り分けが行われ、第３と第４のチェック弁により第２の往復動ポンプ手段の給排流路の振り分けが行われる。特にこの場合、高圧側ポンプである第２の往復動ポンプ手段からの吐出液体を負荷へ導く吐出流路側の圧力が設定負荷圧よりも低いとき、低圧側ポンプである第１の往復動ポンプ手段からの吐出液体の余剰流量が第３のチェック弁を介して供給されてくると、そのうちの第２の往復動ポンプ手段への吸入量を超える分の余剰流量は第４のチェック弁を介して負荷へ送られる。この様に低圧領域では負荷への流量が多くなり、高圧領域になると流量が自動的に少なくなり、効率の良い昇圧が行われることになる。
【００３０】
第２発明においては、第１と第２の往復動ポンプ手段がそれぞれプランジャポンプからなり、第１の往復動ポンプ手段を構成するプランジャポンプのプランジャは、第２の往復動ポンプ手段を構成するプランジャポンプのプランジャよりも大きな加圧断面積を有している。これら第１と第２のプランジャポンプの各プランジャは、駆動原動機により直線的に往復運動する駆動部材にそれぞれ連結されて一体的に往復運動される。この場合、駆動原動機としては好ましくは可変設定された反転周期および回転速度で周期的に反転する例えばサーボ電動機を利用することが好ましく、駆動部材はこの電動機の反転回転を直線往復運動に変換する例えばボールねじ機構によって構成することができる。
【００３１】
このような一対のプランジャポンプとそのプランジャ駆動部材との組み合わせによる構成は、装置の駆動部の構成を単純なものとするものである。この発明の液体加圧装置では、第２の往復動ポンプ手段へは第１の往復動ポンプ手段が給液し、第１の往復動ポンプ手段はリザーバなどから液体を自己吸引するので、従来のような給液用ポンプは用いなくても高圧液体を得ることができ、従ってこの場合は装置の駆動源は前記一対のプランジャポンプのプランジャ駆動部材を往復運動させる駆動原動機だけでよい。
【００３２】
第３発明による液体加圧装置では、前記第１発明において、第１の往復動ポンプ手段の吐出口に前記余剰流量によって蓄圧動作するアキュームレータが接続されている。このアキュームレータとしては、荷重による重量式、あるいはバネ式など種々のアキュームレータを用いることができるが、好ましくは気体圧力によって動力蓄積を行う特にブラダ式のアキュームレータを用いることにより、良好な蓄圧特性で装置重量を軽減することができる。また特にこのようなアキュームレータを分岐回路に設けた場合、第１の往復動ポンプ手段の吐出行程でアキュームレータに蓄圧された残圧が第１の往復動ポンプ手段の吸入行程でポンプのストローク運動を付勢する力として有効利用され、動力の軽減による効率の向上に寄与する効果が得られる。
【００３３】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかに記載の液体加圧装置の運転方法において、第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体によって既知の一定容積Ｖをもつ負荷容器内を予め定められた設定圧力値ｐＭ に加圧する際の装置の運転方法を提供するものであり、そこでは、液体加圧装置を始動してから負荷容器内の圧力が設定圧力値に達するまでの昇圧時間を短縮するために、往復動ポンプ手段を常に全ストロ−ク長さで運動させるのではなく、昇圧の最終段階では負荷容器内が設定負荷圧に達するのに必要なだけの最小限の吐出流量を計算し、ポンプ行程を計算値に相当するストローク長さに制限するように制御する。
【００３４】
即ち、第４発明による液体加圧装置の運転方法では、往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体によって既知の一定容積Ｖをもつ負荷容器内を予め定められた設定圧力値ｐＭ に加圧するに際して、前記負荷容器内が設定圧力値ｐＭ に達した場合の負荷容器内の液体総容量（総体積）ＷＭ を負荷容器の容積Ｖ及び使用液体の前記設定圧力値ｐＭ における圧縮率βＭ に基づいて予め求めておき、前記往復動ポンプ手段の吐出行程によって負荷容器へ送られた高圧液体の負荷圧ｐを検出し、前記吐出行程に続く前記往復動ポンプ手段の吸入行程前に前記負荷圧ｐにおける前記液体の圧縮率βと負荷容器の容積Ｖに基づいて前記負荷圧ｐにおける負荷容器内の液体総容量（総体積）Ｗを計算し、液体総容量の差ΔＷ＝ＷＭ−Ｗと前記往復動ポンプ手段の予め定められた全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ０ との比ΔＷ／Ｑ０ が１以上のときには前記往復動ポンプ手段を全ストローク長さで駆動し、前記比ΔＷ／Ｑ０ が１未満になったときには直後の前記往復動ポンプ手段の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、この制限されたストローク長さによる吸入行程の後に前記往復動ポンプ手段を直ちに吐出行程に反転させる。
【００３５】
例えば使用液体として水を用いる場合で説明すると、設定圧力ｐM に達した場合の水の圧縮率βM から、この圧縮率βM で圧縮された状態で一定容積Ｖの負荷容器内を満たすに必要な水の総容量ＷM を計算する。
【００３６】
まず、或る圧力ｐの状態にある水の圧縮率βは次式で計算される。但し、ここで圧力の単位は[kgf/cmm2]である。
β＝｛P(p) - 1｝／ P(p) …(1)
ここで、P(p)は、
P(p)＝｛(2.996×108 ＋ｐ× 9.8×104)／ 2.996×108 ｝0.1368
【００３７】
容積Ｖの負荷容器内を圧力ｐ[kgf/cmm2]の状態で満たすのに必要な水の容量Ｗは次式で計算される。
Ｗ＝Ｖ／（１−β） …(2)
【００３８】
したがって、容積Ｖの負荷容器内を設定圧力ｐM [kgf/cmm2]の状態で満たすのに必要な水の容量ＷM は、
ＷM ＝Ｖ／（１−βM ） …(3)
ただし、
βM ＝｛P(pM) - 1 ｝／ P(pM)
P(pM) ＝｛(2.996×108 ＋ｐM × 9.8×104)／ 2.996×108 ｝0.1368
【００３９】
負荷容器へ吐出される高圧水の負荷圧ｐを検出することにより、検出時点における高圧水の圧縮率βが前記式(1) により計算され、この圧縮率βと容器の容積Ｖとから式(2) によってその時点での容器内の水の総容量Ｗが計算される。
【００４０】
このようにして往復動ポンプの吐出行程の終了時点における負荷圧ｐの値から式(1)(2)によってその時の水の総容量Ｗを計算し、負荷容器内が設定圧力値ｐM に達した場合の負荷容器内の水の総容量ＷM との差、即ちΔＷ＝ＷM −Ｗを計算すると、容器内を設定圧力値にするには残りどれだけの容量の圧縮された水が容器内に供給されれば良いかが求められる。
【００４１】
往復動ポンプの全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ0 はポンプに固有の値として既知であり、従ってΔＷとＱ0 との比ΔＷ／Ｑ0 が設定圧力値までの加圧に必要なストローク数を与える。
【００４２】
第４発明では、このようにして往復動ポンプの吐出行程の終了時点で計算された比ΔＷ／Ｑ０ の値が１以上のときは、往復動ポンプを全ストローク長さで駆動し、比ΔＷ／Ｑ０ の値が１未満になったときには、直後の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、しかもこの制限されたストローク長さによる吸入行程の後に往復動ポンプ手段を直ちに吐出行程に反転させるのである。
【００４３】
このようにすることによって、昇圧の最終段階で往復動ポンプに無駄なストローク長さのポンプ行程を行わせることが防止され、吸入行程及び吐出行程の双方でストローク長さの無駄がなくなるので昇圧時間が一層短縮され、前記のように制限されたストローク長さでの吐出行程が終了した時点では負荷容器内が設定圧力値に達することになる。
【００４４】
一般的にこの種の高圧往復動ポンプでは吸入行程と吐出行程との往復ストローク長さ時間は数十秒程度以上であるから、吐出行程の終了時点における負荷圧ｐを取り込んで吐出行程の開始までに必要な演算を済ませることは通常の電子技術で容易に可能である。
【００４５】
尚、第４発明の運転方法は、第１発明〜第３発明のいずれにも適用可能であるだけでなく、一般的な単動もしくは復動ブースタによる高圧往復動ポンプで構成された液体加圧装置にも適用可能である。
【００４６】
【実施例】
本発明の一実施例に係る液体加圧装置の構成を図１に示す。この実施例に係る液体加圧装置では、負荷として一定容積の食品加圧処理用圧力容器７０に高圧液体を供給し、該容器７０内の食品７２を加圧処理する場合を例に示しているが、高圧液体噴射による材料切断等のためのノズル装置を負荷としても良いことは述べるまでもない。
【００４７】
図１において、第１の往復動ポンプ手段としてのプランジャポンプ１０Ａは、低圧側シリンダ１１Ａと、このシリンダ１１Ａ内で往復動することによりポンプ室１２Ａの容積を周期的に変化させる比較的大径のプランジャ１３Ａとによって構成され、プランジャ１３Ａは、図示の矢印Ａ方向に移動することによりポンプ室１２Ａに液体を吸入し（吸入行程）、逆に矢印Ｂ方向に移動することにより前記吸入行程で吸入した液体を加圧して吐出する（吐出行程）。
【００４８】
第２の往復動ポンプ手段としてのプランジャポンプ１０Ｂは、高圧側シリンダ１１Ｂと、このシリンダ１１Ｂ内で往復動することによりポンプ室１２Ｂの容積を周期的に変化させる比較的小径のプランジャ１３Ｂとによって構成され、プランジャ１３Ｂは、図示の矢印Ｂ方向に移動することによりポンプ室１２Ｂに液体を吸入し（吸入行程）、逆に矢印Ａ方向に移動することにより前記吸入行程で吸入した液体を加圧して吐出する（吐出行程）。
【００４９】
これらプランジャポンプ１０Ａと１０Ｂの単位ストローク長さ当りの押しのけ容積は、それぞれのプランジャ１３Ａ，１３Ｂの加圧断面積（ポンプ室１２Ａ，１２Ｂの断面積）に応じて、プランジャポンプ１０Ａよりもプランジャポンプ１０Ｂのほうが単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が小さい。
【００５０】
プランジャポンプ１０Ａと１０Ｂは、シリンダハウジング１１の両端に低圧シリンダ１１Ａと高圧シリンダ１１Ｂとを一体に固定することにより、互いのプランジャ尾端が向き合うように逆向きにほぼ同軸上に配置され、互いに向き合ったプランジャ尾端の間は、駆動原動機により直線的に往復運動する駆動部材としての精密ボールねじ軸１３によって一体に連結されている。このボールねじ軸１３を周期的に軸方向に往復動させることにより、両プランジャ１３Ａ，１３Ｂは互いに等しいストローク長さで可逆的に連動して一体的に往復運動し、これによりプランジャポンプ１０Ａと１０Ｂは、一方が吸入行程にあるときには他方は吐出行程を行うように、いわゆるプッシュプル加圧動作を行うようになっている。
【００５１】
プランジャポンプ１０Ａ，１０Ｂの各プランジャ１３Ａ，１３Ｂをボールねじ軸１３によって一体的に往復運動させるために、シリンダハウジング１１には図示しないサーボ制御装置によって周期的に回転方向が逆転されるように制御される可逆サーボモータ２１が取りつけられ、また前記ボールねじ軸１３とボールを介して精密に螺合する回転ナット１４がハウジング１１の固定位置にて回転自在に軸受されており、サーボモータ２１の回転軸と回転ナット１４との間は、歯付エンドレスベルト２２による回転伝達機構により連結されている。これにより、モータ２１が一方の方向に回転すると回転ナット１４の回転によってボールねじ軸１３が矢印Ａ方向に移動し、モータ２１が他方の方向に回転すると回転ナット１４の回転によってボールねじ軸１３が矢印Ｂ方向に移動する。
【００５２】
液体はリザーバ１６に貯えられており、リザーバ１６内には入口としてのフィルタ付き吸引口１８が液中に開口している。吸引口１８とポンプ室１２Ａとの間を接続する供給流路３２には第１のチェック弁４２が設けられ、このチェック弁４２は、低圧側プランジャポンプ１０Ａの吸入行程においては吸引口１８から吸引される液体をポンプ室１２Ａに導入するように供給流路３２を開くと共に、ポンプ１０Ａの吐出行程ではその吐出圧によって供給流路３２を閉鎖することによりポンプ室１２Ａからの吐出液体がリザーバ１６に逆流するのを阻止する。
【００５３】
低圧側ポンプ室１２Ａと高圧側ポンプ室１２Ｂとの間は接続流路３４によって接続され、この接続流路３４には、低圧側プランジャポンプ１０Ａからの吐出液体による押込みでそれぞれ開かれる第２のチェック弁４４と第３のチェック弁４６とが直列に設けられている。これらのチェック弁４４と４６は、それぞれポンプ室１２Ａ側からポンプ室１２Ｂ側への液体流れを許容し、逆流れは阻止する向きに配置されている。
【００５４】
高圧側プランジャポンプ１０Ｂのポンプ室１２Ｂから吐出される高圧液体を出口から負荷（圧力容器７０）へ導くための吐出流路３６には、第３のチェック弁４６またはポンプ室１２Ｂからの加圧液体による押込みで開かれる第４のチェック弁４８が設けられ、このチェック弁４８は負荷からの逆流を阻止する。
【００５５】
低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出流路である前記接続流路３４には、前記第２のチェック弁４４と第３のチェック弁４６との間の流路から分岐回路５０が分岐されており、図１の実施例では、この分岐回路５０は低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出圧の上限を設定するためのリリーフ弁５２による圧力制御回路を含んでいる。このリリーフ弁５２を有する分岐回路５０は、後述のように、低圧側プランジャポンプ１０Ａからの吐出流量のうち高圧側プランジャポンプ１０Ｂのポンプ室１２Ｂへ吸入される流量を超える余剰流量を予め設定された圧力で吸収する。尚、接続流路３４に接続された圧力計測器６２はこのリリーフ弁５２によって制御される流路の圧力を検出する低圧側圧力検出手段であり、また吐出流路３６に接続された圧力計測器６４は負荷圧を検出する高圧側圧力検出手段である。
【００５６】
今、吐出流路３６の出口に負荷としての圧力容器７０を接続し、吐出流路３６から吐出される高圧液体によって圧力容器７０内の液体で満たされた加圧チャンバを設定圧力まで加圧する場合、サーボモータ２１を図示しない制御装置によって予め設定された反転周期および回転速度で周期的に反転するように回転させると、この反転回転運動は、回転ナット１４及びボールねじ軸１３によって直線往復運動に変換され、ボールねじ軸１３の両端に連結された一対のプランジャ１３Ａ，１３Ｂがモータ２１の設定周期及び速度に従って図中の矢印ＡＢ方向に一体的に往復運動する。
【００５７】
このプランジャ１３Ａ，１３Ｂの往復運動によって低圧側プランジャポンプ１０Ａと高圧側プランジャポンプ１０Ｂとは互いに等しいストローク長さで可逆的に連動し、即ちプランジャ１３Ａ，１３Ｂが矢印Ａ方向に移動するときは低圧側プランジャポンプ１０Ａが吸入行程、高圧側プランジャポンプ１０Ｂが吐出行程にあり、逆にプランジャ１３Ａ，１３Ｂが矢印Ｂ方向に移動するときは低圧側プランジャポンプ１０Ａが吐出行程、高圧側プランジャポンプ１０Ｂが吸入行程にあり、また高圧側プランジャポンプ１０Ｂは、単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記低圧側プランジャポンプ１０Ａのそれよりも小さい。
【００５８】
プランジャ１３Ａ，１３Ｂが矢印Ａ方向に移動し始めると低圧側プランジャポンプ１０Ａは吸入行程に入り、プランジャ１３Ａの移動によってポンプ室１２Ａの容積が漸次増加することにより供給流路３２を介してリザーバ１６内の液体をポンプ室１２Ａ内に自己吸引する。この場合、供給流路３２中の第１のチェック弁４２は吸引口１８側よりもポンプ室１２Ａ側が負圧になるので開かれ、一方、接続流路３４中の第２のチェック弁４４は、接続流路３４側よりもポンプ室１２Ａ側が負圧になることによって閉じたままである。このように、低圧側プランジャポンプ１０Ａがリザーバ１６から液体を自己吸引するので従来のような給液用ポンプはなくてもよく、液体が不必要に循環されないので、気泡の発生や液質の変化は殆ど生じることがない。
【００５９】
矢印Ａ方向への移動ストローク端でプランジャ１３Ａが反転して矢印Ｂ方向に移動し始めると低圧側プランジャポンプ１０Ａは吐出行程に入り、プランジャ１３Ａの移動によってポンプ室１２Ａの容積が漸次減少することによりポンプ室１２Ａ内の液体を加圧して接続流路３４に吐出する。このときに低圧側プランジャポンプ１０Ａのポンプ室１２Ａから吐出される液体は、第１のチェック弁４２を閉鎖すると共に接続流路３４の第２のチェック弁４４と第３のチェック弁４６を押し開いて高圧側へ送られ、このとき高圧側プランジャポンプ１０Ｂは吸入行程にあるので、チェック弁４６から流出してくる液体はポンプ室１２Ｂへ吸入される。
【００６０】
低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出行程でチェック弁４６から流出してくる液体は既に或る中間圧力まで加圧されており、高圧側プランジャポンプ１０Ｂは吸入行程においてこの中間圧力に加圧された液体をポンプ室１２Ｂに吸入する。低圧側プランジャポンプ１０Ａが矢印Ｂ方向の移動ストローク端で再び反転して吸入行程に入ると、高圧側プランジャポンプ１０Ｂは吐出行程に入る。この吐出行程では、高圧側プランジャポンプ１０Ｂは、先に吸入した中間圧力の液体を更に高圧に加圧して第４のチェック弁４８を介して出口に接続された圧力容器７０の加圧チャンバへ吐出する。
【００６１】
このようにして往復のストローク運動の間に低圧側プランジャポンプ１０Ａと高圧側プランジャポンプ１０Ｂによる液体の二段加圧が行われ、これにより高圧側プランジャポンプ１０Ｂによる加圧量が限られていても、既に或る中間圧力まで加圧された液体を加圧することになるので、全体としての昇圧時間を短縮することができる。
【００６２】
高圧側プランジャポンプ１０Ｂは、単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記低圧側プランジャポンプ１０Ａより小さく、したがって低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出流路（接続流路３４）には、低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出行程において高圧側プランジャポンプ１０Ｂに吸入される量より多い液体がポンプ室１２Ａから吐出されてくる。この低圧側プランジャポンプ１０Ａからの吐出流量のうち高圧側プランジャポンプ１０Ｂのポンプ室１２Ｂに吸入される流量を超える余剰流量は、低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出流路である接続流路３４に接続された分岐回路５０によってリリーフ弁５２に予め設定された圧力で吸収され、リザーバ１６へ還流される。
【００６３】
ここで、負荷として液体で満たされた密閉空間としての加圧チャンバを高圧液体で設定圧まで加圧する場合、前記分岐回路５０による余剰流量の吸収を設定圧より低い或る近傍圧力で行わせるようにリリーフ弁５２の圧力設定を行うと、負荷圧が設定圧力値より低い状態で低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出流路である接続流路３４の圧力がこの近傍圧力に達するまでは、余剰流量をチェック弁４６からポンプ室１２Ｂへ圧縮分として、或いは更にチェック弁４８を介して圧力容器７０に直接送ることができ、負荷の昇圧時間をさらに短縮することが可能である。
【００６４】
なお、本実施例ではリリ−フ弁５２による圧力制御回路を備えた分岐回路５０を第２のチェック弁４４と第３のチェック弁４６の間から分岐させているが、この分岐回路５０の代わりに、或いは分岐回路５０に加えて、図２Ａまたは図２Ｂに示すように、第１のチェック弁４２と第２のチェック弁４４との間の接続流路３４から別の分岐回路５０Ａを分岐させ、この分岐回路５０Ａにアキュムレ−タ５４または５５を設けてもよい。
【００６５】
図２Ａのアキュームレータ５４は、低圧側プランジャポンプ１０Ａからの吐出流量のうちの前記余剰流量を吸収することにより蓄圧動作し、その作動圧力値は前記リリーフ弁５２と併用する場合はリリーフ弁５２の設定圧より低い値とし、リリーフ弁５２を安全弁として機能させるようにすることもできる。
【００６６】
図２Ａに示したアキュームレータ５４は、気体圧力によって動力蓄積を行うブラダ式のアキュームレータであり、この形式のアキュームレータを用いた場合には、良好な蓄圧特性で装置重量を軽減することができる。また図２Ｂに示したアキュームレータ５５は、スプリング５６で付勢されたピストン５７をシリンダ５８内に有するバネ式アキュームレータであり、この例では、ピストン５７が或る程度後退すると例えばリザーバ１６などの外部へ開かれる開口５９がシリンダ５８に設けられており、これにより低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出圧が過大になったときに分岐回路５０Ａをリザーバ側に解放する安全弁機能をアキュームレータ５５に持たせてある。尚、分岐回路５０Ａには例示した形式以外の例えば荷重による重量式など種々の形式のアキュームレータを用いることができ、本発明は図２Ａおよび図２Ｂの例示に限定されるものではない。
【００６７】
また、特にこのようなアキュームレータを有する分岐回路５０Ａをポンプ室１２Ａに常時連通するように設けることにより、低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出行程でアキュームレータに蓄圧された残圧が低圧側プランジャポンプ１０Ａの吸入行程でプランジャ１３Ａの矢印Ａ方向への移動を付勢する力として有効利用され、ポンプ動力の軽減による効率の向上が可能である。
【００６８】
以上に述べたような矢印ＡＢ方向の往復ポンプ行程の繰り返しにより、主に矢印Ａ方向へのプランジャ移動による高圧側プランジャポンプ１０Ｂの吐出動作のたびに負荷としての圧力容器７０の加圧チャンバ内が段階的に昇圧され、その昇圧の様子は圧力計測器６４による圧力検出によって監視され、容器７０内が予め設定された圧力値に達したときはモータ２１の駆動が停止される。
【００６９】
本実施例において、サーボモータ２１の反転周期の制御に関連して、プランジャ１３Ａ，１３Ｂのストローク運動中の位置をモータ２１のサーボ制御系に与えるために、サーボモータ２１の回転出力系からプランジャ１３Ａ，１３Ｂおよびボールねじ軸１３からなる往復運動部までの適当な部位に、例えばパルスエンコーダ等の位置検出器を設けることは好ましいことである。
【００７０】
この場合、前記位置検出器によるプランジャ位置の検出結果を高圧側圧力計測器６４の検出圧力値と共に利用して、サ−ボモ−タ２１の反転タイミングを変化させることにより、既知の一定容積Ｖをもつ圧力容器７０内を設定圧力値ｐM に加圧するに際して、容器７０内の圧力が設定圧力値に達するまでの昇圧時間を短縮するような運転制御を行うことができる。
【００７１】
即ち、この場合は、プランジャポンプ１０Ａ，１０Ｂを常に全ストロ−ク長さで往復動作させるのではなく、昇圧の最終段階では容器７０内が設定圧ｐM に達するのに必要なだけの最小限の吐出流量を計算し、ポンプ行程を計算値に相当するストローク長さに制限するようにサーボモータ２１を制御する。この運転方法の実施例について、図１および動作フローを示す図３と共に以下に説明する。
【００７２】
今、高圧側プランジャポンプ１０Ｂから吐出される高圧液体によって既知の一定容積Ｖをもつ圧力容器７０内を予め定められた設定圧力値ｐM に加圧する場合を例にとると、まず圧力容器７０内が設定圧力値ｐM に達した場合の容器内の液体総容量（総体積）ＷM を圧力容器７０の容積Ｖ及び使用液体の設定圧力値ｐM における圧縮率βM に基づいて前述の式(3) により予め求めておく。
【００７３】
高圧側プランジャポンプ１０Ｂの吐出行程の完了時点における圧力容器７０内の負荷圧ｐを圧力計測器６４の検出結果から取り込み、この吐出行程に続く高圧側プランジャポンプ１０Ｂの吸入行程前に、取り込まれた負荷圧ｐにおける前記液体の圧縮率βと圧力容器７０の容積Ｖに基づいて前述の式(1)(2)により負荷圧ｐにおける圧力容器７０内の液体の総容量Ｗを計算する。
【００７４】
本実施例では使用液体として水を用いており、従って設定圧力ｐM [kgf/cm2] に達した場合の水の圧縮率βM は、
βM ＝｛P(pM) - 1 ｝／ P(pM)
ただし、
P(pM) ＝｛(2.996×108 ＋ｐM × 9.8×104)／ 2.996×108 ｝0.1368
である。
【００７５】
この圧縮率βM で圧縮された状態で一定容積Ｖの圧力容器７０内を満たすに必要な水の総容量ＷM は、前述式(3) の通り、
ＷM ＝Ｖ／（１−βM ）
となる。
【００７６】
同様に、任意の負荷圧ｐ[kgf/cm2] の状態にある水の圧縮率βは、前述式(1) の通り、
β＝｛P(p) - 1｝／ P(p)
ここで、P(p)は、
P(p)＝｛(2.996×108 ＋ｐ× 9.8×104)／ 2.996×108 ｝0.1368
である。
【００７７】
従って容積Ｖの圧力容器７０内を圧力ｐの状態で満たすのに必要な水の総容量Ｗは、前述式(2) の通り、
Ｗ＝Ｖ／（１−β）
となる。
【００７８】
このようにして高圧側プランジャポンプ１０Ｂの毎回の吐出行程の終了時点における負荷圧ｐの値から式(1)(2)によって水の総容量Ｗを計算し、圧力容器７０内が設定圧力値ｐM に達した場合の容器内の総容量ＷM との差、即ちΔＷ＝ＷM −Ｗを計算すると、容器７０内を設定圧力値にするには残りどれだけの量の圧縮された水が容器内に供給されれば良いかが求められる。
【００７９】
高圧側プランジャポンプ１０Ｂの全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量をＱ0 とすると、ΔＷとＱ0 との比ΔＷ／Ｑ0 は設定圧力値までの加圧に必要なストローク数である。
【００８０】
図３に示す制御動作のフローでは、高圧側プランジャポンプ１０Ｂの吐出行程の終了時点で計算された比ΔＷ／Ｑ0 の値が１以上のときは、プランジャを全ストローク長さで駆動し、比ΔＷ／Ｑ0 の値が１未満になったときには、直後の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、しかもこの制限されたストローク長さによる吸入行程の後にポンプを直ちに吐出行程に反転させる。
【００８１】
即ち、図３において、ステップ３０１は、装置の動作スタートに伴ってサーボモータ２１によりボールねじ軸１３と共に各プランジャ１３Ａ及び１３Ｂを矢印Ｂ方向のストローク端（低圧側移動制限端）から矢印Ａ方向に移動させ、低圧側プランジャポンプ１０Ａでは吸入行程を、高圧側プランジャポンプ１０Ｂでは吐出行程を行なわせる動作ステップであり、このステップ３０１によってポンプ室１２Ｂから吐出される高圧水がチェック弁４８を介して圧力容器７０へ供給されると、ステップ３０２では圧力計測器６４の検出信号に基づいて負荷圧が設定圧力値に達したか否かが判定される。
【００８２】
ステップ３０２で負荷圧が設定圧力値に達したことが判定された場合には、ステップ３０３に進んでサーボモータ２１の駆動を停止し、プランジャの往復運動を停止するが、負荷圧が設定圧力値に達していないときには、ステップ３０４に進む。
【００８３】
ステップ３０４では、前述したような位置検出器によるプランジャ１３Ｂの位置検出結果に基づいてプランジャ１３Ｂが矢印Ａ方向のストローク端（高圧側移動制限端）に達したか否かが判定される。位置検出器からの制限端到達信号がＯＦＦのときはプランジャ１３Ｂが未だ高圧側移動制限端に達していないので、制御の流れは再びステップ３０２に戻り、この判定動作を繰り返す。プランジャ１３Ｂが高圧側移動制限端に到達すると位置検出器からの制限端到達信号がＯＮになり、制御の流れはステップ３０５に進む。
【００８４】
ステップ３０４では、前述のようにその時点での圧力計測器６４から取り込んだ負荷圧ｐの値から前述式(1)(2)によって容器７０内の高圧水の総容量Ｗを計算し、また予め計算しておいたＷM （圧力容器７０内が設定圧力値ｐM に達した場合の容器７０内の高圧水の総容量）との差、即ちΔＷ＝ＷM −Ｗを計算し、更に高圧側プランジャポンプ１０Ｂの全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ0 との比ΔＷ／Ｑ0 を計算し、この計算された比ΔＷ／Ｑ0 の値が１以上のときはプランジャ移動量の指令値として全ストローク長さを、また比ΔＷ／Ｑ0 の値が１未満になったときにはプランジャ移動量の指令値として前記全ストローク長さと前記比との積に相当する制限されたストローク長さをサーボモータ２１の制御系に与える。
【００８５】
以上のようなプランジャ移動量の指令値がサーボ制御系に与えられるとステップ３０６による反転移動動作が行なわれる。このステップ３０６では、サーボモータ２１によりボールねじ軸１３と共に各プランジャ１３Ａ及び１３Ｂを矢印Ａ方向のストローク端（高圧側移動制限端）から矢印Ｂ方向に移動させ、低圧側プランジャポンプ１０Ａでは吐出行程を、高圧側プランジャポンプ１０Ｂでは吸入行程を行なわせるが、そのときの矢印Ｂ方向へのプランジャ移動量はステップ３０５で与えられる指令値にしたがって制御される。
【００８６】
即ち、ステップ３０５において計算された比ΔＷ／Ｑ0 の値が１以上のときはプランジャ移動量の指令値として全ストローク長さが与えられるので、サーボモータ２１はプランジャ１３Ａ，１３Ｂを矢印Ｂ方向へ全ストローク長さだけ移動させ、その後、ステップ３０１に戻って反転させて再び矢印Ａ方向への移動を行なう。この場合の指令値によるサーボモータ２１の移動量の制御は、サーボモータ２１の機械出力系の移動量を検出するエンコーダからの信号によるフィードバック制御で行なうことができ、あるいは単純に低圧側移動制限端に設けた位置検出器の作動による駆動方向の反転制御でもよい。
【００８７】
一方、ステップ３０５において計算された比ΔＷ／Ｑ0 の値が１未満になったときには、プランジャ移動量の指令値として前記全ストローク長さと前記比との積に相当する制限されたストローク長さが与えられるので、サーボモータ２１はプランジャ１３Ａ，１３Ｂを矢印Ｂ方向へこの制限されたストローク長さだけ移動させ、その後、ステップ３０１に戻って反転させて直ちに矢印Ａ方向への移動を行なう。この場合の指令値によるサーボモータ２１の移動量の制御は、サーボモータ２１の機械出力系の移動量を検出するエンコーダからの信号によるフィードバック制御で行なうことができる。
【００８８】
本実施例では、このようにして高圧側プランジャポンプ１０Ｂについて毎回の吐出行程の終了時点で比ΔＷ／Ｑ0 を計算し、比ΔＷ／Ｑ0 の値が１以上のときはプランジャポンプを全ストローク長さで駆動し、比ΔＷ／Ｑ0 の値が１未満になったときには直後の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、しかもこの制限されたストローク長さによる吸入行程の後にプランジャポンプを直ちに吐出行程に反転させる。
【００８９】
これによって、昇圧の最終段階でプランジャポンプに無駄なストローク長さのポンプ行程を行わせることがなく、吸入行程及び吐出行程の双方でストローク長さの無駄がなくなるので昇圧時間が一層短縮され、前記のように制限されたストローク長さでの吐出行程が終了した時点では負荷容器内が設定圧力値に達することになり、ステップ３０３で装置の加圧動作が停止されることになる。
【００９０】
尚、加圧動作が停止した後に負荷圧が設定圧力値から低下すれば、ステップ３０２、３０４を介して再びステップ３０５が開始され、低下圧力分の補給に見合った量だけの吸入行程と吐出行程が高圧側プランジャポンプ１０Ｂによって行なわれる。この場合、設定圧力値からの圧力低下の大きさに対して制御フローの再開に適当な不感帯を与えておくことが好ましいことは述べるまでもない。
【００９１】
具体的な数値例を示すと、全ストローク長さ当たりの単位押し退け容積Ｑ0 が１０[cc]の高圧プランジャポンプを用いて加圧した水により、容積２００[cc]の圧力容器の加圧チャンバ内を設定圧力１００００[kgf/cm2] に加圧した場合、式(3) においてＰ(pM)＝１．２１９７、圧縮率βM ＝０．１８０１となるから、設定圧力での容器内の水の総容量ＷM は２４３．９[cc]となり、大気圧下での加圧を考えると、２００[cc]の容積の容器内が水で満たされてから約４０[cc]程度の圧縮分に相当する水が供給されれば容器内が設定圧に加圧されることが判る。
【００９２】
本実施例による場合、高圧プランジャポンプの１ストローク時間は２５．７秒（吸入行程１０．０秒および吐出行程１５．７秒）であり、容器内に水が満たされた後の吐出行程の開始で圧力計測器６４による負荷圧の値が上昇し始めてから９２．８秒後の４回目の吐出行程の終了時点で負荷圧が８４００[kgf/cm2] を示し、そのときの圧縮率βは式(1) から０．１６５３、また容器内の水の総容量Ｗは式(2) から２３９．６[cc]である。
【００９３】
設定圧での総容量との差ΔＷは４．３[cc]であり、ΔＷ／Ｑ0 ＝０．４３となるから、次の吸入行程は全ストローク長さの４３％に制限され、４３％のストローク長さで高圧プランジャポンプが吸入行程を行なったのち、直ちに吐出行程に反転された。この吐出行程も残り４３％のストローク長さを残していたが、これがストローク端に達したときには圧力計測器６４による負荷圧の値が設定圧力値である１００００[kgf/cm2] を示した。
【００９４】
この場合、高圧プランジャポンプの昇圧動作の最終ストローク運動は吸入行程及び吐出行程が共に４３％の制限されたストローク長さで行なわれており、従って毎回の動作を全ストロ−ク長さで行なうよりも設定圧力までの昇圧時間が短縮された。
【００９５】
【発明の効果】
以上に述べたように、第１発明によれば、第１の往復動ポンプ手段がリザーバなどから液体を自己吸引するので、別の給液用ポンプを用いなくても高圧液体を得ることができ、液体内に気泡が生じたり液質を変化させたりすることも殆どなく、また第１の往復動ポンプ手段で或る中間圧力まで加圧された液体を第２の往復動ポンプ手段で同一ストローク量で可逆的に吸入して加圧するという二段加圧を行なうので、一回当たりのストローク動作による加圧量を大きくして昇圧時間を短縮することができる。
【００９６】
また第２発明によれば、第１発明に加えて、第１のポンプ手段を構成する第１のプランジャポンプの加圧断面積よりも、第２のポンプ手段を構成する第２のプランジャポンプの加圧断面積を小さくし、これら両プランジャポンプのプランジャを、駆動原動機により直線往復運動される駆動部材に共通に連結したので、装置の駆動部の構成を簡略化することができると共に、装置の駆動源としては駆動部材を往復運動させる駆動原動機だけでよい。
【００９７】
また第３発明によれば、第１発明に加えて、第１の往復動ポンプ手段の吐出圧を予め定められた設定圧力でリザーバなどへ放出する圧力制御回路を有する分岐回路を備えているので、第１の往復動ポンプ手段の吐出圧が設定圧力に達するまでは第２の往復動ポンプ手段の吸入量以外の余剰流量が圧縮分または負荷への供給分として有効利用され、昇圧時間の短縮が可能である。
【００９８】
また第４発明によれば、第１発明に加えて、第１の往復動ポンプ手段の吐出口に前記余剰流量によって蓄圧動作するアキュームレータが接続されているので、蓄圧された残圧が第１の往復動ポンプ手段の吸入行程でポンプのストローク運動を付勢する力として有効利用され、動力の軽減による効率の向上に寄与する効果が得られる。
【００９９】
また第５発明によれば、第１発明に加えて、第１と第２のチェック弁により第１の往復動ポンプ手段の給排流路の振り分けが行なわれ、第３と第４のチェック弁により第２の往復動ポンプ手段の給排流路の振り分けが行なわれ、高圧側の第２の往復動ポンプ手段からの吐出液体を負荷へ導く吐出流路側の圧力が設定圧力値よりも低いときには、低圧側の第１の往復動ポンプ手段からの吐出液体の余剰流量が第３のチェック弁から供給されてくると第２の往復動ポンプ手段への吸入量を超える分の余剰流量が第４のチェック弁を会して負荷へ直接送られ、従って低圧領域では負荷への流量が多くなり、高圧領域になるとこの流量が自動的に少なくなり、効率のよい昇圧を行なうことができる。
【０１００】
更に第６発明によれば、高圧往復動ポンプで一定容積の負荷容器を加圧するに際して、往復動ポンプを常に全ストローク長さで動作させずに、昇圧の最終段階では負荷圧の検出と液体圧縮率に基づく計算によって、負荷容器内が設定圧力値に達するのに必要なだけの最小限の吐出流量を与えるストローク長さに制限するように制御してポンプを駆動するので、昇圧の最終段階でポンプに無駄な動作をさせずに済み、吸入行程及び吐出行程の双方でストローク長さの無駄がなくなるので昇圧時間が一層短縮されるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施例に係る液体加圧装置の構成を示す模式説明図である。
【図２】Ａ図とＢ図はそれぞれ図１の実施例の変形例を要部について示す模式説明図である。
【図３】本発明の一実施例に係る液体加圧装置の運転方法のフロ−チャ−トである。
【符号の説明】
１０Ａ 低圧側プランジャポンプ（第１の往復動ポンプ手段）
１０Ｂ 高圧側プランジャポンプ（第２の往復動ポンプ手段）
１１ シリンダハウジング
１１Ａ 低圧側シリンダ
１１Ｂ 高圧側シリンダ
１２Ａ 低圧側ポンプ室
１２Ｂ 高圧側ポンプ室
１３ 精密ボールねじ軸（駆動部材）
１３Ａ 低圧側プランジャ
１３Ｂ 高圧側プランジャ
１４ 回転ナット
１６ リザーバ
１８ 吸引口
２１ 可逆サーボモータ（駆動原動機）
２２ 歯付エンドレスベルト装置
３２ 供給流路
３４ 接続流路
３６ 吐出流路
４２ 第１のチェック弁
４４ 第２のチェック弁
４６ 第３のチェック弁
４８ 第４のチェック弁
５０ 分岐回路
５２ リリーフ弁（圧力制御弁回路）
５４ アキュームレータ
５５ アキュームレータ
６２ 低圧側圧力計測器
６４ 高圧側圧力計測器
７０ 圧力容器（負荷容器）
７２ 加圧処理食品
【産業上の利用分野】
この発明は、プランジャポンプなどの往復動ポンプを利用した液体加圧装置及びその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
材料切断や圧力容器内の加圧などに高圧液体を利用する場合、液体加圧源としてパスカルの原理による液圧ブースタ方式の高圧ポンプが広く利用されている。液圧ブースタは、入口圧力をプランジャピストンの受圧面積比に逆比例して増圧し、出口圧力とするものであるが、これには大別して１行程毎に断続的に所定流量の増圧圧力を出口側に送る単動ブースタと、一対の単動ブースタにチェック弁や方向切換弁を組み合わせて出口側に連続した流量を送り出す複動ブースタとがある。
【０００３】
プランジャの駆動は一般に油圧方式であり、これには、出口から取り出される高圧液体（水など）が駆動圧油によって汚染されるのを防止するために駆動シリンダ室と増圧室との分離を図った油水分離型のものもあるが、例えばジャムや果汁又は酒等の製造において近年注目を集めている高圧液体による食品の加圧処理に利用するための液体加圧装置としては、駆動圧油による汚染の恐れが全くない電動方式でプランジャを往復駆動するものがよく用いられている。
【０００４】
例えば実開平１−７６５７０号公報には、電動方式の複動ブースタによる液体加圧装置として、材料切断等に使用する高圧ウォータージェットを発生させる往復動増圧機が示されている。この往復動増圧機では、給液用の回転式ポンプから吐出される液体を一対の往復動プランジャ加圧室に夫々チェック弁を介して導入し、同軸状に連結された一対のプランジャをボールねじ機構及び可逆サーボモータによって一体的に往復運動させることにより各加圧室内でプランジャによる交互の加圧動作を行わせ、各加圧室から交互に吐出される高圧液を夫々別のチェック弁を介して噴射ノズルに送り、噴射ノズルからほぼ連続的な高圧液体の噴射を得るようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、食品の加圧処理を用途の視野に入れると、加圧処理に際して衛生面の確保が求められることから、駆動圧油がプランジャ駆動軸のシール面を介して加圧室内に混入したり、装置のメンテナンスに際して周辺を作動油で汚したりするおそれのある油圧駆動方式よりも、これらのおそれのない電動方式のブースタのほうが適していることは述べるまでもない。
【０００６】
しかしながら従来の電動方式のブースタでは、前述のようにプランジャの加圧室に液体を供給するために別にポンプを必要とし、このポンプの容量は加圧室への給液量が一定ではないため或る程度の余裕をもって選定する必要があり、ポンプの設置によって装置構成が複雑となるだけでなく、給液用ポンプに回転式ポンプが用いられていたので、液体がポンプ内で循環して液質が変化してしまい、場合によっては加圧室内で加圧される前に液体内に気泡が混入し、目標の圧力に達するまでの時間が長くなるなど、加圧処理の効率にも悪影響を与えていた。
【０００７】
また、従来の電動方式のブースタでは、給液用ポンプの吐出圧力はブースタの加圧室の初期シールに不足するほどに低く、小流量の場合にはシール漏れを起こす場合があり、さらに複動ブースタであっても液圧系は一段加圧であり、電動機の軸出力を大きくしないと充分な高圧が得られず、特に食品の加圧処理ではますます高圧化の要請があるが、電動機を高出力のものにするにはコスト増が避けられず、また装置全体が大きくなってしまうという問題点もある。
【０００８】
さらにまた、従来の電動方式のブースタでは、負荷圧が設定値近傍に達してもプランジャのストローク長さは変わらず、したがって負荷の加圧に必要な吐出量が加圧室の全容積分未満となっても常に全ストローク長さでプランジャを往復駆動しているため、電動機の消費電力効率を向上させることができなかった。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたものであり、負荷へ供給されるべき液体が不必要に循環されることなく、したがって液体の変質を生じることなく、比較的短時間のうちに目標圧力まで昇圧することのできる構成の簡単な往復動ポンプ方式の液体加圧装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
本発明の別の目的は、給液用ポンプを併用しない場合でも、低流量からシール漏れを生じることなく効率よく高圧液体を得ることができる往復動ポンプ方式の液体加圧装置を提供することである。
【００１１】
本発明の更に別の目的は、昇圧された液体圧力を極力有効利用して無駄な電力消費を避けることのできる電動方式の液体加圧装置を提供することである。
【００１２】
更に本発明では、往復動ポンプ方式の液体加圧装置において昇圧時間に占めるポンプ加圧行程のストローク長さを負荷圧との関連で可変制御して設定圧力までの昇圧時間を実質的に短縮することのできる運転方法を提供することも目的の一部に含むものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの特徴による液体加圧装置（第１発明）は、前述の課題を達成するために、吸入した液体を加圧して吐出する第１の往復動ポンプ手段と、
単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記第１の往復動ポンプ手段よりも小さく、且つ前記第１の往復動ポンプ手段と互いに等しいストローク長さで可逆的に連動することにより前記第１の往復動ポンプ手段から吐出される液体を吸入して更に高圧に加圧して外部へ吐出する第２の往復動ポンプ手段と、
前記第１及び第２の往復動ポンプ手段を往復運動させる、可変設定された反転周期および回転速度で周期的に回転方向が逆転されるように制御される駆動原動機と、
前記第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体によって内部を加圧される既知の一定容積Ｖをもつ負荷容器と、
第１の往復動ポンプ手段から第２の往復動ポンプ手段へ吐出された液体を逆流させない第１及び第２のチェック弁を配置した供給流路と、
第２の往復動ポンプ手段から吐出された液体を逆流させない第３及び第４のチェック弁を配置した接続流路とを備え、
前記第１の往復動ポンプ手段からの吐出流量のうち前記第２の往復動ポンプ手段へ吸入される流量を超える余剰流量を予め設定された圧力で吸収する分岐回路が前記第１の往復動ポンプ手段の吐出流路に接続され、
前記分岐回路が第１の往復動ポンプ手段の吐出圧を予め定められた設定圧力で前記吐出流路外へ放出する圧力制御弁回路を含み、
前記駆動原動機の制御が、
予め設定圧力値ｐ Ｍ に達した場合の負荷容器内の液体総容量Ｗ Ｍ を負荷容器の容積Ｖ及び使用液体の前記設定圧力値ｐ Ｍ における圧縮率β Ｍ に基づいて求めておき、
前記第２の往復動ポンプ手段の吐出行程によって負荷容器へ送られた高圧液体の負荷圧ｐを検出して、前記吐出行程に続く前記往復動ポンプ手段の吸入行程前に前記負荷圧ｐにおける前記液体の圧縮率βと負荷容器の容積Ｖに基づいて前記負荷圧ｐにおける負荷容器内の液体総容量Ｗを計算し、
液体総容量の差ΔＷ＝Ｗ Ｍ −Ｗと前記往復動ポンプ手段の予め定められた全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ ０ との比ΔＷ／Ｑ ０ が１以上のときは前記往復動ポンプ手段を全ストローク長さで駆動し、
前記比ΔＷ／Ｑ ０ が１未満になったときには直後の前記往復動ポンプ手段の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、
この制限されたストローク長さにより、前記第２の往復動ポンプ手段では吸入行程を、第１の往復動ポンプ手段では吐出行程を行わせた後に前記第２の往復動ポンプ手段を直ちに吐出行程に反転させる
ものである。
【００１４】
本発明の別の特徴による液体加圧装置（第２発明）は、第１発明において、第１と第２の往復動ポンプ手段がそれぞれプランジャポンプからなり、第１の往復動ポンプ手段を構成するプランジャポンプのプランジャは、第２の往復動ポンプ手段を構成するプランジャポンプのプランジャよりも大きな加圧断面積を有し、第１と第２のプランジャポンプの各プランジャが一体的に往復運動されるように駆動原動機により直線的に往復運動する駆動部材にそれぞれ連結されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の更に別の特徴による液体加圧装置（第３発明）は、前記第１発明において、第１の往復動ポンプ手段の吐出口に前記余剰流量によって蓄圧動作するアキュームレータが接続されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の更に別の特徴による液体加圧装置の運転方法（第４発明）では、前記第１発明〜第３発明の何れかに記載された液体加圧装置の運転方法において、
第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体によって既知の一定容積Ｖをもつ負荷容器内を予め定められた設定圧力値ｐＭ に加圧するに際して、
前記負荷容器内が設定圧力値ｐＭ に達した場合の負荷容器内の液体総容量ＷＭ を負荷容器の容積Ｖ及び使用液体の前記設定圧力値ｐＭ における圧縮率βＭに基づいて予め求めておき、
前記第２の往復動ポンプ手段の吐出行程によって負荷容器へ送られた高圧液体の負荷圧ｐを検出し、
前記吐出行程に続く前記往復動ポンプ手段の吸入行程前に前記負荷圧ｐにおける前記液体の圧縮率βと負荷容器の容積Ｖに基づいて前記負荷圧ｐにおける負荷容器内の液体総容量Ｗを計算し、
液体総容量の差ΔＷ＝ＷＭ −Ｗと前記往復動ポンプ手段の予め定められた全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ０ との比ΔＷ／Ｑ０ が１以上のときは前記往復動ポンプ手段を全ストローク長さで駆動し、
前記比ΔＷ／Ｑ０ が１未満になったときには直後の前記往復動ポンプ手段の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、
この制限されたストローク長さにより、前記第２の往復動ポンプ手段では吸入行程を、第１の往復動ポンプ手段では吐出行程を行わせた後に前記第２の往復動ポンプ手段を直ちに吐出行程に反転させる方法である。
【００１９】
【作用】
第１発明による液体加圧装置では、第１の往復動ポンプ手段と第２の往復動ポンプ手段とは互いに等しいストローク長さで可逆的に連動し、即ち第１の往復動ポンプ手段が吸入行程にあるときは第２の往復動ポンプ手段は加圧吐出行程にあり、逆に第１の往復動ポンプ手段が加圧吐出行程にあるときには第２の往復動ポンプ手段は吸入行程にあり、また第２の往復動ポンプ手段は、単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記第１の往復動ポンプ手段のそれよりも小さい。
【００２０】
第１の往復動ポンプ手段は吸入行程においてリザーバなどから液体を吸入し、ストローク端で反転して加圧吐出行程に入ると、吸入した液体を加圧してその吐出流路に吐出する。従って第１の往復動ポンプ手段はリザーバなどから液体を自己吸引するので、従来のような給液用ポンプは用いなくても高圧液体を得ることができ、液体内に気泡を含ませない状態で液体を第１の往復動ポンプ手段に供給できる。このように、本発明では、給液ポンプが不要のため装置を簡略にでき、また液体が不必要に装置内で循環されないので、気泡の発生や液質の変化は殆ど生じることがない。
【００２１】
第２の往復動ポンプ手段は、第１の往復動ポンプ手段が加圧吐出行程にあるときには第１の往復動ポンプ手段から吐出される既に或る中間圧力まで加圧された液体を吸入する。第１の往復動ポンプ手段がストローク端で反転して吸入行程に入ると第２の往復動ポンプ手段は加圧吐出行程に入る。この加圧吐出行程では、第２の往復動ポンプ手段は、先に吸入した中間圧力の液体を更に高圧に加圧して外部の負荷へ吐出する。このようにして往復のストローク運動の間に第１の往復動ポンプ手段と第２の往復動ポンプ手段による液体の二段加圧が行われ、これにより第２の往復動ポンプ手段による加圧量が限られていても、既に或る中間圧力まで加圧された液体を加圧することになるので、全体としての昇圧時間を短縮することができる。
【００２２】
第２の往復動ポンプ手段は、単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記第１の往復動ポンプ手段より小さく、したがって第１の往復動ポンプ手段の吐出流路には、第１の往復動ポンプ手段の加圧吐出行程において第２の往復動ポンプ手段に吸入される量より多い液体が第１の往復動ポンプ手段から吐出されてくる。この第１の往復動ポンプ手段からの吐出流量のうち第２の往復動ポンプ手段へ吸入される流量を超える余剰流量は、第１の往復動ポンプ手段の吐出流路に接続された分岐回路によって予め設定された圧力で吸収される。
【００２３】
ここで、負荷として密閉空間を高圧液体で設定負荷圧まで加圧する場合、前記分岐回路による余剰流量の吸収を設定負荷圧より低い或る近傍圧力で行わせるように分岐回路の圧力設定を行うと、負荷圧が設定値より低い状態で第１の往復動ポンプ手段の吐出流路の圧力がこの近傍圧力に達するまでは余剰流量を直接負荷へ送ることができ、負荷の昇圧時間をさらに短縮することが可能である。
【００２４】
また、前記第１発明においては、第１の往復動ポンプ手段の吐出圧を予め定められた設定圧力で前記吐出流路外へ放出する圧力制御弁回路が分岐回路に含まれている。この圧力制御弁回路は、例えばリリーフ弁による圧力設定回路であればよく、これによって第１の往復動ポンプ手段の吐出圧がリリーフ弁の設定圧力を超えようとするとリリーフ弁が開かれて余剰流量がタンクへ放出され、第１の往復動ポンプ手段の吐出流路の圧力がリリーフ弁の設定圧以下に保たれる。この場合、第１の往復動ポンプ手段の吐出圧がリリーフ弁の設定圧に達するまでの余剰流量は、第２の往復動ポンプ手段における加圧行程での圧縮分として利用されるか、あるいはそのまま負荷へ送られるか、何れにせよ有効利用されることになる。リリーフ弁の設定圧は負荷設定圧未満に設定されることは述べるまでもない。
【００２５】
また、前記第１発明においては、第１の往復動ポンプ手段の吐出口に前記余剰流量によって蓄圧動作するアキュームレータが接続されている。このアキュームレータとしては、荷重による重量式、あるいはバネ式など種々のアキュームレータを用いることができるが、好ましくは気体圧力によって動力蓄積を行う特にブラダ式のアキュームレータを用いることにより、良好な蓄圧特性で装置重量を軽減することができる。また特にこのようなアキュームレータを分岐回路に設けた場合、第１の往復動ポンプ手段の吐出行程でアキュームレータに蓄圧された残圧が第１の往復動ポンプ手段の吸入行程でポンプのストローク運動を付勢する力として有効利用され、動力の軽減による効率の向上に寄与する効果が得られる。
【００２６】
第１の往復動ポンプ手段からの吐出液体を第２の往復動ポンプ手段のポンプ室に導く接続流路には第２のチェック弁と第３のチェック弁との直列接続回路が設けられ、これらは第１の往復動ポンプ手段からの吐出液体による押込みでそれぞれ開かれる。第２のチェック弁と第３のチェック弁は、第１の往復動ポンプ手段の吸入行程又は第２の往復動ポンプ手段の吐出行程では接続流路内の逆流れを阻止するように閉鎖される。
【００２７】
第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体を負荷への出口へ導く吐出流路には第４のチェック弁が設けられ、この第４のチェック弁は、第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体による押込みで開かれると共に、第２の往復動ポンプ手段が吸入行程にあるときは吐出流路内の逆流れを阻止するように閉鎖される。
【００２８】
この場合、前記分岐回路は、第２のチェック弁と第３のチェック弁との間における前記接続流路から分岐させることができ、この場合の分岐回路には前述のように例えばリリーフ弁による圧力制御弁回路を接続することができる。また、分岐回路は第１のチェック弁と第２のチェック弁との間における前記接続流路から分岐させることもでき、この場合の分岐回路にはアキュームレータを接続して、前述した蓄圧動作によるポンプ動力軽減機能を果たすようにすることも可能である。
【００２９】
この液体加圧装置では、第１と第２のチェック弁により第１の往復動ポンプ手段の給排流路の振り分けが行われ、第３と第４のチェック弁により第２の往復動ポンプ手段の給排流路の振り分けが行われる。特にこの場合、高圧側ポンプである第２の往復動ポンプ手段からの吐出液体を負荷へ導く吐出流路側の圧力が設定負荷圧よりも低いとき、低圧側ポンプである第１の往復動ポンプ手段からの吐出液体の余剰流量が第３のチェック弁を介して供給されてくると、そのうちの第２の往復動ポンプ手段への吸入量を超える分の余剰流量は第４のチェック弁を介して負荷へ送られる。この様に低圧領域では負荷への流量が多くなり、高圧領域になると流量が自動的に少なくなり、効率の良い昇圧が行われることになる。
【００３０】
第２発明においては、第１と第２の往復動ポンプ手段がそれぞれプランジャポンプからなり、第１の往復動ポンプ手段を構成するプランジャポンプのプランジャは、第２の往復動ポンプ手段を構成するプランジャポンプのプランジャよりも大きな加圧断面積を有している。これら第１と第２のプランジャポンプの各プランジャは、駆動原動機により直線的に往復運動する駆動部材にそれぞれ連結されて一体的に往復運動される。この場合、駆動原動機としては好ましくは可変設定された反転周期および回転速度で周期的に反転する例えばサーボ電動機を利用することが好ましく、駆動部材はこの電動機の反転回転を直線往復運動に変換する例えばボールねじ機構によって構成することができる。
【００３１】
このような一対のプランジャポンプとそのプランジャ駆動部材との組み合わせによる構成は、装置の駆動部の構成を単純なものとするものである。この発明の液体加圧装置では、第２の往復動ポンプ手段へは第１の往復動ポンプ手段が給液し、第１の往復動ポンプ手段はリザーバなどから液体を自己吸引するので、従来のような給液用ポンプは用いなくても高圧液体を得ることができ、従ってこの場合は装置の駆動源は前記一対のプランジャポンプのプランジャ駆動部材を往復運動させる駆動原動機だけでよい。
【００３２】
第３発明による液体加圧装置では、前記第１発明において、第１の往復動ポンプ手段の吐出口に前記余剰流量によって蓄圧動作するアキュームレータが接続されている。このアキュームレータとしては、荷重による重量式、あるいはバネ式など種々のアキュームレータを用いることができるが、好ましくは気体圧力によって動力蓄積を行う特にブラダ式のアキュームレータを用いることにより、良好な蓄圧特性で装置重量を軽減することができる。また特にこのようなアキュームレータを分岐回路に設けた場合、第１の往復動ポンプ手段の吐出行程でアキュームレータに蓄圧された残圧が第１の往復動ポンプ手段の吸入行程でポンプのストローク運動を付勢する力として有効利用され、動力の軽減による効率の向上に寄与する効果が得られる。
【００３３】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかに記載の液体加圧装置の運転方法において、第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体によって既知の一定容積Ｖをもつ負荷容器内を予め定められた設定圧力値ｐＭ に加圧する際の装置の運転方法を提供するものであり、そこでは、液体加圧装置を始動してから負荷容器内の圧力が設定圧力値に達するまでの昇圧時間を短縮するために、往復動ポンプ手段を常に全ストロ−ク長さで運動させるのではなく、昇圧の最終段階では負荷容器内が設定負荷圧に達するのに必要なだけの最小限の吐出流量を計算し、ポンプ行程を計算値に相当するストローク長さに制限するように制御する。
【００３４】
即ち、第４発明による液体加圧装置の運転方法では、往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体によって既知の一定容積Ｖをもつ負荷容器内を予め定められた設定圧力値ｐＭ に加圧するに際して、前記負荷容器内が設定圧力値ｐＭ に達した場合の負荷容器内の液体総容量（総体積）ＷＭ を負荷容器の容積Ｖ及び使用液体の前記設定圧力値ｐＭ における圧縮率βＭ に基づいて予め求めておき、前記往復動ポンプ手段の吐出行程によって負荷容器へ送られた高圧液体の負荷圧ｐを検出し、前記吐出行程に続く前記往復動ポンプ手段の吸入行程前に前記負荷圧ｐにおける前記液体の圧縮率βと負荷容器の容積Ｖに基づいて前記負荷圧ｐにおける負荷容器内の液体総容量（総体積）Ｗを計算し、液体総容量の差ΔＷ＝ＷＭ−Ｗと前記往復動ポンプ手段の予め定められた全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ０ との比ΔＷ／Ｑ０ が１以上のときには前記往復動ポンプ手段を全ストローク長さで駆動し、前記比ΔＷ／Ｑ０ が１未満になったときには直後の前記往復動ポンプ手段の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、この制限されたストローク長さによる吸入行程の後に前記往復動ポンプ手段を直ちに吐出行程に反転させる。
【００３５】
例えば使用液体として水を用いる場合で説明すると、設定圧力ｐM に達した場合の水の圧縮率βM から、この圧縮率βM で圧縮された状態で一定容積Ｖの負荷容器内を満たすに必要な水の総容量ＷM を計算する。
【００３６】
まず、或る圧力ｐの状態にある水の圧縮率βは次式で計算される。但し、ここで圧力の単位は[kgf/cmm2]である。
β＝｛P(p) - 1｝／ P(p) …(1)
ここで、P(p)は、
P(p)＝｛(2.996×108 ＋ｐ× 9.8×104)／ 2.996×108 ｝0.1368
【００３７】
容積Ｖの負荷容器内を圧力ｐ[kgf/cmm2]の状態で満たすのに必要な水の容量Ｗは次式で計算される。
Ｗ＝Ｖ／（１−β） …(2)
【００３８】
したがって、容積Ｖの負荷容器内を設定圧力ｐM [kgf/cmm2]の状態で満たすのに必要な水の容量ＷM は、
ＷM ＝Ｖ／（１−βM ） …(3)
ただし、
βM ＝｛P(pM) - 1 ｝／ P(pM)
P(pM) ＝｛(2.996×108 ＋ｐM × 9.8×104)／ 2.996×108 ｝0.1368
【００３９】
負荷容器へ吐出される高圧水の負荷圧ｐを検出することにより、検出時点における高圧水の圧縮率βが前記式(1) により計算され、この圧縮率βと容器の容積Ｖとから式(2) によってその時点での容器内の水の総容量Ｗが計算される。
【００４０】
このようにして往復動ポンプの吐出行程の終了時点における負荷圧ｐの値から式(1)(2)によってその時の水の総容量Ｗを計算し、負荷容器内が設定圧力値ｐM に達した場合の負荷容器内の水の総容量ＷM との差、即ちΔＷ＝ＷM −Ｗを計算すると、容器内を設定圧力値にするには残りどれだけの容量の圧縮された水が容器内に供給されれば良いかが求められる。
【００４１】
往復動ポンプの全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ0 はポンプに固有の値として既知であり、従ってΔＷとＱ0 との比ΔＷ／Ｑ0 が設定圧力値までの加圧に必要なストローク数を与える。
【００４２】
第４発明では、このようにして往復動ポンプの吐出行程の終了時点で計算された比ΔＷ／Ｑ０ の値が１以上のときは、往復動ポンプを全ストローク長さで駆動し、比ΔＷ／Ｑ０ の値が１未満になったときには、直後の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、しかもこの制限されたストローク長さによる吸入行程の後に往復動ポンプ手段を直ちに吐出行程に反転させるのである。
【００４３】
このようにすることによって、昇圧の最終段階で往復動ポンプに無駄なストローク長さのポンプ行程を行わせることが防止され、吸入行程及び吐出行程の双方でストローク長さの無駄がなくなるので昇圧時間が一層短縮され、前記のように制限されたストローク長さでの吐出行程が終了した時点では負荷容器内が設定圧力値に達することになる。
【００４４】
一般的にこの種の高圧往復動ポンプでは吸入行程と吐出行程との往復ストローク長さ時間は数十秒程度以上であるから、吐出行程の終了時点における負荷圧ｐを取り込んで吐出行程の開始までに必要な演算を済ませることは通常の電子技術で容易に可能である。
【００４５】
尚、第４発明の運転方法は、第１発明〜第３発明のいずれにも適用可能であるだけでなく、一般的な単動もしくは復動ブースタによる高圧往復動ポンプで構成された液体加圧装置にも適用可能である。
【００４６】
【実施例】
本発明の一実施例に係る液体加圧装置の構成を図１に示す。この実施例に係る液体加圧装置では、負荷として一定容積の食品加圧処理用圧力容器７０に高圧液体を供給し、該容器７０内の食品７２を加圧処理する場合を例に示しているが、高圧液体噴射による材料切断等のためのノズル装置を負荷としても良いことは述べるまでもない。
【００４７】
図１において、第１の往復動ポンプ手段としてのプランジャポンプ１０Ａは、低圧側シリンダ１１Ａと、このシリンダ１１Ａ内で往復動することによりポンプ室１２Ａの容積を周期的に変化させる比較的大径のプランジャ１３Ａとによって構成され、プランジャ１３Ａは、図示の矢印Ａ方向に移動することによりポンプ室１２Ａに液体を吸入し（吸入行程）、逆に矢印Ｂ方向に移動することにより前記吸入行程で吸入した液体を加圧して吐出する（吐出行程）。
【００４８】
第２の往復動ポンプ手段としてのプランジャポンプ１０Ｂは、高圧側シリンダ１１Ｂと、このシリンダ１１Ｂ内で往復動することによりポンプ室１２Ｂの容積を周期的に変化させる比較的小径のプランジャ１３Ｂとによって構成され、プランジャ１３Ｂは、図示の矢印Ｂ方向に移動することによりポンプ室１２Ｂに液体を吸入し（吸入行程）、逆に矢印Ａ方向に移動することにより前記吸入行程で吸入した液体を加圧して吐出する（吐出行程）。
【００４９】
これらプランジャポンプ１０Ａと１０Ｂの単位ストローク長さ当りの押しのけ容積は、それぞれのプランジャ１３Ａ，１３Ｂの加圧断面積（ポンプ室１２Ａ，１２Ｂの断面積）に応じて、プランジャポンプ１０Ａよりもプランジャポンプ１０Ｂのほうが単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が小さい。
【００５０】
プランジャポンプ１０Ａと１０Ｂは、シリンダハウジング１１の両端に低圧シリンダ１１Ａと高圧シリンダ１１Ｂとを一体に固定することにより、互いのプランジャ尾端が向き合うように逆向きにほぼ同軸上に配置され、互いに向き合ったプランジャ尾端の間は、駆動原動機により直線的に往復運動する駆動部材としての精密ボールねじ軸１３によって一体に連結されている。このボールねじ軸１３を周期的に軸方向に往復動させることにより、両プランジャ１３Ａ，１３Ｂは互いに等しいストローク長さで可逆的に連動して一体的に往復運動し、これによりプランジャポンプ１０Ａと１０Ｂは、一方が吸入行程にあるときには他方は吐出行程を行うように、いわゆるプッシュプル加圧動作を行うようになっている。
【００５１】
プランジャポンプ１０Ａ，１０Ｂの各プランジャ１３Ａ，１３Ｂをボールねじ軸１３によって一体的に往復運動させるために、シリンダハウジング１１には図示しないサーボ制御装置によって周期的に回転方向が逆転されるように制御される可逆サーボモータ２１が取りつけられ、また前記ボールねじ軸１３とボールを介して精密に螺合する回転ナット１４がハウジング１１の固定位置にて回転自在に軸受されており、サーボモータ２１の回転軸と回転ナット１４との間は、歯付エンドレスベルト２２による回転伝達機構により連結されている。これにより、モータ２１が一方の方向に回転すると回転ナット１４の回転によってボールねじ軸１３が矢印Ａ方向に移動し、モータ２１が他方の方向に回転すると回転ナット１４の回転によってボールねじ軸１３が矢印Ｂ方向に移動する。
【００５２】
液体はリザーバ１６に貯えられており、リザーバ１６内には入口としてのフィルタ付き吸引口１８が液中に開口している。吸引口１８とポンプ室１２Ａとの間を接続する供給流路３２には第１のチェック弁４２が設けられ、このチェック弁４２は、低圧側プランジャポンプ１０Ａの吸入行程においては吸引口１８から吸引される液体をポンプ室１２Ａに導入するように供給流路３２を開くと共に、ポンプ１０Ａの吐出行程ではその吐出圧によって供給流路３２を閉鎖することによりポンプ室１２Ａからの吐出液体がリザーバ１６に逆流するのを阻止する。
【００５３】
低圧側ポンプ室１２Ａと高圧側ポンプ室１２Ｂとの間は接続流路３４によって接続され、この接続流路３４には、低圧側プランジャポンプ１０Ａからの吐出液体による押込みでそれぞれ開かれる第２のチェック弁４４と第３のチェック弁４６とが直列に設けられている。これらのチェック弁４４と４６は、それぞれポンプ室１２Ａ側からポンプ室１２Ｂ側への液体流れを許容し、逆流れは阻止する向きに配置されている。
【００５４】
高圧側プランジャポンプ１０Ｂのポンプ室１２Ｂから吐出される高圧液体を出口から負荷（圧力容器７０）へ導くための吐出流路３６には、第３のチェック弁４６またはポンプ室１２Ｂからの加圧液体による押込みで開かれる第４のチェック弁４８が設けられ、このチェック弁４８は負荷からの逆流を阻止する。
【００５５】
低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出流路である前記接続流路３４には、前記第２のチェック弁４４と第３のチェック弁４６との間の流路から分岐回路５０が分岐されており、図１の実施例では、この分岐回路５０は低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出圧の上限を設定するためのリリーフ弁５２による圧力制御回路を含んでいる。このリリーフ弁５２を有する分岐回路５０は、後述のように、低圧側プランジャポンプ１０Ａからの吐出流量のうち高圧側プランジャポンプ１０Ｂのポンプ室１２Ｂへ吸入される流量を超える余剰流量を予め設定された圧力で吸収する。尚、接続流路３４に接続された圧力計測器６２はこのリリーフ弁５２によって制御される流路の圧力を検出する低圧側圧力検出手段であり、また吐出流路３６に接続された圧力計測器６４は負荷圧を検出する高圧側圧力検出手段である。
【００５６】
今、吐出流路３６の出口に負荷としての圧力容器７０を接続し、吐出流路３６から吐出される高圧液体によって圧力容器７０内の液体で満たされた加圧チャンバを設定圧力まで加圧する場合、サーボモータ２１を図示しない制御装置によって予め設定された反転周期および回転速度で周期的に反転するように回転させると、この反転回転運動は、回転ナット１４及びボールねじ軸１３によって直線往復運動に変換され、ボールねじ軸１３の両端に連結された一対のプランジャ１３Ａ，１３Ｂがモータ２１の設定周期及び速度に従って図中の矢印ＡＢ方向に一体的に往復運動する。
【００５７】
このプランジャ１３Ａ，１３Ｂの往復運動によって低圧側プランジャポンプ１０Ａと高圧側プランジャポンプ１０Ｂとは互いに等しいストローク長さで可逆的に連動し、即ちプランジャ１３Ａ，１３Ｂが矢印Ａ方向に移動するときは低圧側プランジャポンプ１０Ａが吸入行程、高圧側プランジャポンプ１０Ｂが吐出行程にあり、逆にプランジャ１３Ａ，１３Ｂが矢印Ｂ方向に移動するときは低圧側プランジャポンプ１０Ａが吐出行程、高圧側プランジャポンプ１０Ｂが吸入行程にあり、また高圧側プランジャポンプ１０Ｂは、単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記低圧側プランジャポンプ１０Ａのそれよりも小さい。
【００５８】
プランジャ１３Ａ，１３Ｂが矢印Ａ方向に移動し始めると低圧側プランジャポンプ１０Ａは吸入行程に入り、プランジャ１３Ａの移動によってポンプ室１２Ａの容積が漸次増加することにより供給流路３２を介してリザーバ１６内の液体をポンプ室１２Ａ内に自己吸引する。この場合、供給流路３２中の第１のチェック弁４２は吸引口１８側よりもポンプ室１２Ａ側が負圧になるので開かれ、一方、接続流路３４中の第２のチェック弁４４は、接続流路３４側よりもポンプ室１２Ａ側が負圧になることによって閉じたままである。このように、低圧側プランジャポンプ１０Ａがリザーバ１６から液体を自己吸引するので従来のような給液用ポンプはなくてもよく、液体が不必要に循環されないので、気泡の発生や液質の変化は殆ど生じることがない。
【００５９】
矢印Ａ方向への移動ストローク端でプランジャ１３Ａが反転して矢印Ｂ方向に移動し始めると低圧側プランジャポンプ１０Ａは吐出行程に入り、プランジャ１３Ａの移動によってポンプ室１２Ａの容積が漸次減少することによりポンプ室１２Ａ内の液体を加圧して接続流路３４に吐出する。このときに低圧側プランジャポンプ１０Ａのポンプ室１２Ａから吐出される液体は、第１のチェック弁４２を閉鎖すると共に接続流路３４の第２のチェック弁４４と第３のチェック弁４６を押し開いて高圧側へ送られ、このとき高圧側プランジャポンプ１０Ｂは吸入行程にあるので、チェック弁４６から流出してくる液体はポンプ室１２Ｂへ吸入される。
【００６０】
低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出行程でチェック弁４６から流出してくる液体は既に或る中間圧力まで加圧されており、高圧側プランジャポンプ１０Ｂは吸入行程においてこの中間圧力に加圧された液体をポンプ室１２Ｂに吸入する。低圧側プランジャポンプ１０Ａが矢印Ｂ方向の移動ストローク端で再び反転して吸入行程に入ると、高圧側プランジャポンプ１０Ｂは吐出行程に入る。この吐出行程では、高圧側プランジャポンプ１０Ｂは、先に吸入した中間圧力の液体を更に高圧に加圧して第４のチェック弁４８を介して出口に接続された圧力容器７０の加圧チャンバへ吐出する。
【００６１】
このようにして往復のストローク運動の間に低圧側プランジャポンプ１０Ａと高圧側プランジャポンプ１０Ｂによる液体の二段加圧が行われ、これにより高圧側プランジャポンプ１０Ｂによる加圧量が限られていても、既に或る中間圧力まで加圧された液体を加圧することになるので、全体としての昇圧時間を短縮することができる。
【００６２】
高圧側プランジャポンプ１０Ｂは、単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記低圧側プランジャポンプ１０Ａより小さく、したがって低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出流路（接続流路３４）には、低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出行程において高圧側プランジャポンプ１０Ｂに吸入される量より多い液体がポンプ室１２Ａから吐出されてくる。この低圧側プランジャポンプ１０Ａからの吐出流量のうち高圧側プランジャポンプ１０Ｂのポンプ室１２Ｂに吸入される流量を超える余剰流量は、低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出流路である接続流路３４に接続された分岐回路５０によってリリーフ弁５２に予め設定された圧力で吸収され、リザーバ１６へ還流される。
【００６３】
ここで、負荷として液体で満たされた密閉空間としての加圧チャンバを高圧液体で設定圧まで加圧する場合、前記分岐回路５０による余剰流量の吸収を設定圧より低い或る近傍圧力で行わせるようにリリーフ弁５２の圧力設定を行うと、負荷圧が設定圧力値より低い状態で低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出流路である接続流路３４の圧力がこの近傍圧力に達するまでは、余剰流量をチェック弁４６からポンプ室１２Ｂへ圧縮分として、或いは更にチェック弁４８を介して圧力容器７０に直接送ることができ、負荷の昇圧時間をさらに短縮することが可能である。
【００６４】
なお、本実施例ではリリ−フ弁５２による圧力制御回路を備えた分岐回路５０を第２のチェック弁４４と第３のチェック弁４６の間から分岐させているが、この分岐回路５０の代わりに、或いは分岐回路５０に加えて、図２Ａまたは図２Ｂに示すように、第１のチェック弁４２と第２のチェック弁４４との間の接続流路３４から別の分岐回路５０Ａを分岐させ、この分岐回路５０Ａにアキュムレ−タ５４または５５を設けてもよい。
【００６５】
図２Ａのアキュームレータ５４は、低圧側プランジャポンプ１０Ａからの吐出流量のうちの前記余剰流量を吸収することにより蓄圧動作し、その作動圧力値は前記リリーフ弁５２と併用する場合はリリーフ弁５２の設定圧より低い値とし、リリーフ弁５２を安全弁として機能させるようにすることもできる。
【００６６】
図２Ａに示したアキュームレータ５４は、気体圧力によって動力蓄積を行うブラダ式のアキュームレータであり、この形式のアキュームレータを用いた場合には、良好な蓄圧特性で装置重量を軽減することができる。また図２Ｂに示したアキュームレータ５５は、スプリング５６で付勢されたピストン５７をシリンダ５８内に有するバネ式アキュームレータであり、この例では、ピストン５７が或る程度後退すると例えばリザーバ１６などの外部へ開かれる開口５９がシリンダ５８に設けられており、これにより低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出圧が過大になったときに分岐回路５０Ａをリザーバ側に解放する安全弁機能をアキュームレータ５５に持たせてある。尚、分岐回路５０Ａには例示した形式以外の例えば荷重による重量式など種々の形式のアキュームレータを用いることができ、本発明は図２Ａおよび図２Ｂの例示に限定されるものではない。
【００６７】
また、特にこのようなアキュームレータを有する分岐回路５０Ａをポンプ室１２Ａに常時連通するように設けることにより、低圧側プランジャポンプ１０Ａの吐出行程でアキュームレータに蓄圧された残圧が低圧側プランジャポンプ１０Ａの吸入行程でプランジャ１３Ａの矢印Ａ方向への移動を付勢する力として有効利用され、ポンプ動力の軽減による効率の向上が可能である。
【００６８】
以上に述べたような矢印ＡＢ方向の往復ポンプ行程の繰り返しにより、主に矢印Ａ方向へのプランジャ移動による高圧側プランジャポンプ１０Ｂの吐出動作のたびに負荷としての圧力容器７０の加圧チャンバ内が段階的に昇圧され、その昇圧の様子は圧力計測器６４による圧力検出によって監視され、容器７０内が予め設定された圧力値に達したときはモータ２１の駆動が停止される。
【００６９】
本実施例において、サーボモータ２１の反転周期の制御に関連して、プランジャ１３Ａ，１３Ｂのストローク運動中の位置をモータ２１のサーボ制御系に与えるために、サーボモータ２１の回転出力系からプランジャ１３Ａ，１３Ｂおよびボールねじ軸１３からなる往復運動部までの適当な部位に、例えばパルスエンコーダ等の位置検出器を設けることは好ましいことである。
【００７０】
この場合、前記位置検出器によるプランジャ位置の検出結果を高圧側圧力計測器６４の検出圧力値と共に利用して、サ−ボモ−タ２１の反転タイミングを変化させることにより、既知の一定容積Ｖをもつ圧力容器７０内を設定圧力値ｐM に加圧するに際して、容器７０内の圧力が設定圧力値に達するまでの昇圧時間を短縮するような運転制御を行うことができる。
【００７１】
即ち、この場合は、プランジャポンプ１０Ａ，１０Ｂを常に全ストロ−ク長さで往復動作させるのではなく、昇圧の最終段階では容器７０内が設定圧ｐM に達するのに必要なだけの最小限の吐出流量を計算し、ポンプ行程を計算値に相当するストローク長さに制限するようにサーボモータ２１を制御する。この運転方法の実施例について、図１および動作フローを示す図３と共に以下に説明する。
【００７２】
今、高圧側プランジャポンプ１０Ｂから吐出される高圧液体によって既知の一定容積Ｖをもつ圧力容器７０内を予め定められた設定圧力値ｐM に加圧する場合を例にとると、まず圧力容器７０内が設定圧力値ｐM に達した場合の容器内の液体総容量（総体積）ＷM を圧力容器７０の容積Ｖ及び使用液体の設定圧力値ｐM における圧縮率βM に基づいて前述の式(3) により予め求めておく。
【００７３】
高圧側プランジャポンプ１０Ｂの吐出行程の完了時点における圧力容器７０内の負荷圧ｐを圧力計測器６４の検出結果から取り込み、この吐出行程に続く高圧側プランジャポンプ１０Ｂの吸入行程前に、取り込まれた負荷圧ｐにおける前記液体の圧縮率βと圧力容器７０の容積Ｖに基づいて前述の式(1)(2)により負荷圧ｐにおける圧力容器７０内の液体の総容量Ｗを計算する。
【００７４】
本実施例では使用液体として水を用いており、従って設定圧力ｐM [kgf/cm2] に達した場合の水の圧縮率βM は、
βM ＝｛P(pM) - 1 ｝／ P(pM)
ただし、
P(pM) ＝｛(2.996×108 ＋ｐM × 9.8×104)／ 2.996×108 ｝0.1368
である。
【００７５】
この圧縮率βM で圧縮された状態で一定容積Ｖの圧力容器７０内を満たすに必要な水の総容量ＷM は、前述式(3) の通り、
ＷM ＝Ｖ／（１−βM ）
となる。
【００７６】
同様に、任意の負荷圧ｐ[kgf/cm2] の状態にある水の圧縮率βは、前述式(1) の通り、
β＝｛P(p) - 1｝／ P(p)
ここで、P(p)は、
P(p)＝｛(2.996×108 ＋ｐ× 9.8×104)／ 2.996×108 ｝0.1368
である。
【００７７】
従って容積Ｖの圧力容器７０内を圧力ｐの状態で満たすのに必要な水の総容量Ｗは、前述式(2) の通り、
Ｗ＝Ｖ／（１−β）
となる。
【００７８】
このようにして高圧側プランジャポンプ１０Ｂの毎回の吐出行程の終了時点における負荷圧ｐの値から式(1)(2)によって水の総容量Ｗを計算し、圧力容器７０内が設定圧力値ｐM に達した場合の容器内の総容量ＷM との差、即ちΔＷ＝ＷM −Ｗを計算すると、容器７０内を設定圧力値にするには残りどれだけの量の圧縮された水が容器内に供給されれば良いかが求められる。
【００７９】
高圧側プランジャポンプ１０Ｂの全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量をＱ0 とすると、ΔＷとＱ0 との比ΔＷ／Ｑ0 は設定圧力値までの加圧に必要なストローク数である。
【００８０】
図３に示す制御動作のフローでは、高圧側プランジャポンプ１０Ｂの吐出行程の終了時点で計算された比ΔＷ／Ｑ0 の値が１以上のときは、プランジャを全ストローク長さで駆動し、比ΔＷ／Ｑ0 の値が１未満になったときには、直後の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、しかもこの制限されたストローク長さによる吸入行程の後にポンプを直ちに吐出行程に反転させる。
【００８１】
即ち、図３において、ステップ３０１は、装置の動作スタートに伴ってサーボモータ２１によりボールねじ軸１３と共に各プランジャ１３Ａ及び１３Ｂを矢印Ｂ方向のストローク端（低圧側移動制限端）から矢印Ａ方向に移動させ、低圧側プランジャポンプ１０Ａでは吸入行程を、高圧側プランジャポンプ１０Ｂでは吐出行程を行なわせる動作ステップであり、このステップ３０１によってポンプ室１２Ｂから吐出される高圧水がチェック弁４８を介して圧力容器７０へ供給されると、ステップ３０２では圧力計測器６４の検出信号に基づいて負荷圧が設定圧力値に達したか否かが判定される。
【００８２】
ステップ３０２で負荷圧が設定圧力値に達したことが判定された場合には、ステップ３０３に進んでサーボモータ２１の駆動を停止し、プランジャの往復運動を停止するが、負荷圧が設定圧力値に達していないときには、ステップ３０４に進む。
【００８３】
ステップ３０４では、前述したような位置検出器によるプランジャ１３Ｂの位置検出結果に基づいてプランジャ１３Ｂが矢印Ａ方向のストローク端（高圧側移動制限端）に達したか否かが判定される。位置検出器からの制限端到達信号がＯＦＦのときはプランジャ１３Ｂが未だ高圧側移動制限端に達していないので、制御の流れは再びステップ３０２に戻り、この判定動作を繰り返す。プランジャ１３Ｂが高圧側移動制限端に到達すると位置検出器からの制限端到達信号がＯＮになり、制御の流れはステップ３０５に進む。
【００８４】
ステップ３０４では、前述のようにその時点での圧力計測器６４から取り込んだ負荷圧ｐの値から前述式(1)(2)によって容器７０内の高圧水の総容量Ｗを計算し、また予め計算しておいたＷM （圧力容器７０内が設定圧力値ｐM に達した場合の容器７０内の高圧水の総容量）との差、即ちΔＷ＝ＷM −Ｗを計算し、更に高圧側プランジャポンプ１０Ｂの全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ0 との比ΔＷ／Ｑ0 を計算し、この計算された比ΔＷ／Ｑ0 の値が１以上のときはプランジャ移動量の指令値として全ストローク長さを、また比ΔＷ／Ｑ0 の値が１未満になったときにはプランジャ移動量の指令値として前記全ストローク長さと前記比との積に相当する制限されたストローク長さをサーボモータ２１の制御系に与える。
【００８５】
以上のようなプランジャ移動量の指令値がサーボ制御系に与えられるとステップ３０６による反転移動動作が行なわれる。このステップ３０６では、サーボモータ２１によりボールねじ軸１３と共に各プランジャ１３Ａ及び１３Ｂを矢印Ａ方向のストローク端（高圧側移動制限端）から矢印Ｂ方向に移動させ、低圧側プランジャポンプ１０Ａでは吐出行程を、高圧側プランジャポンプ１０Ｂでは吸入行程を行なわせるが、そのときの矢印Ｂ方向へのプランジャ移動量はステップ３０５で与えられる指令値にしたがって制御される。
【００８６】
即ち、ステップ３０５において計算された比ΔＷ／Ｑ0 の値が１以上のときはプランジャ移動量の指令値として全ストローク長さが与えられるので、サーボモータ２１はプランジャ１３Ａ，１３Ｂを矢印Ｂ方向へ全ストローク長さだけ移動させ、その後、ステップ３０１に戻って反転させて再び矢印Ａ方向への移動を行なう。この場合の指令値によるサーボモータ２１の移動量の制御は、サーボモータ２１の機械出力系の移動量を検出するエンコーダからの信号によるフィードバック制御で行なうことができ、あるいは単純に低圧側移動制限端に設けた位置検出器の作動による駆動方向の反転制御でもよい。
【００８７】
一方、ステップ３０５において計算された比ΔＷ／Ｑ0 の値が１未満になったときには、プランジャ移動量の指令値として前記全ストローク長さと前記比との積に相当する制限されたストローク長さが与えられるので、サーボモータ２１はプランジャ１３Ａ，１３Ｂを矢印Ｂ方向へこの制限されたストローク長さだけ移動させ、その後、ステップ３０１に戻って反転させて直ちに矢印Ａ方向への移動を行なう。この場合の指令値によるサーボモータ２１の移動量の制御は、サーボモータ２１の機械出力系の移動量を検出するエンコーダからの信号によるフィードバック制御で行なうことができる。
【００８８】
本実施例では、このようにして高圧側プランジャポンプ１０Ｂについて毎回の吐出行程の終了時点で比ΔＷ／Ｑ0 を計算し、比ΔＷ／Ｑ0 の値が１以上のときはプランジャポンプを全ストローク長さで駆動し、比ΔＷ／Ｑ0 の値が１未満になったときには直後の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、しかもこの制限されたストローク長さによる吸入行程の後にプランジャポンプを直ちに吐出行程に反転させる。
【００８９】
これによって、昇圧の最終段階でプランジャポンプに無駄なストローク長さのポンプ行程を行わせることがなく、吸入行程及び吐出行程の双方でストローク長さの無駄がなくなるので昇圧時間が一層短縮され、前記のように制限されたストローク長さでの吐出行程が終了した時点では負荷容器内が設定圧力値に達することになり、ステップ３０３で装置の加圧動作が停止されることになる。
【００９０】
尚、加圧動作が停止した後に負荷圧が設定圧力値から低下すれば、ステップ３０２、３０４を介して再びステップ３０５が開始され、低下圧力分の補給に見合った量だけの吸入行程と吐出行程が高圧側プランジャポンプ１０Ｂによって行なわれる。この場合、設定圧力値からの圧力低下の大きさに対して制御フローの再開に適当な不感帯を与えておくことが好ましいことは述べるまでもない。
【００９１】
具体的な数値例を示すと、全ストローク長さ当たりの単位押し退け容積Ｑ0 が１０[cc]の高圧プランジャポンプを用いて加圧した水により、容積２００[cc]の圧力容器の加圧チャンバ内を設定圧力１００００[kgf/cm2] に加圧した場合、式(3) においてＰ(pM)＝１．２１９７、圧縮率βM ＝０．１８０１となるから、設定圧力での容器内の水の総容量ＷM は２４３．９[cc]となり、大気圧下での加圧を考えると、２００[cc]の容積の容器内が水で満たされてから約４０[cc]程度の圧縮分に相当する水が供給されれば容器内が設定圧に加圧されることが判る。
【００９２】
本実施例による場合、高圧プランジャポンプの１ストローク時間は２５．７秒（吸入行程１０．０秒および吐出行程１５．７秒）であり、容器内に水が満たされた後の吐出行程の開始で圧力計測器６４による負荷圧の値が上昇し始めてから９２．８秒後の４回目の吐出行程の終了時点で負荷圧が８４００[kgf/cm2] を示し、そのときの圧縮率βは式(1) から０．１６５３、また容器内の水の総容量Ｗは式(2) から２３９．６[cc]である。
【００９３】
設定圧での総容量との差ΔＷは４．３[cc]であり、ΔＷ／Ｑ0 ＝０．４３となるから、次の吸入行程は全ストローク長さの４３％に制限され、４３％のストローク長さで高圧プランジャポンプが吸入行程を行なったのち、直ちに吐出行程に反転された。この吐出行程も残り４３％のストローク長さを残していたが、これがストローク端に達したときには圧力計測器６４による負荷圧の値が設定圧力値である１００００[kgf/cm2] を示した。
【００９４】
この場合、高圧プランジャポンプの昇圧動作の最終ストローク運動は吸入行程及び吐出行程が共に４３％の制限されたストローク長さで行なわれており、従って毎回の動作を全ストロ−ク長さで行なうよりも設定圧力までの昇圧時間が短縮された。
【００９５】
【発明の効果】
以上に述べたように、第１発明によれば、第１の往復動ポンプ手段がリザーバなどから液体を自己吸引するので、別の給液用ポンプを用いなくても高圧液体を得ることができ、液体内に気泡が生じたり液質を変化させたりすることも殆どなく、また第１の往復動ポンプ手段で或る中間圧力まで加圧された液体を第２の往復動ポンプ手段で同一ストローク量で可逆的に吸入して加圧するという二段加圧を行なうので、一回当たりのストローク動作による加圧量を大きくして昇圧時間を短縮することができる。
【００９６】
また第２発明によれば、第１発明に加えて、第１のポンプ手段を構成する第１のプランジャポンプの加圧断面積よりも、第２のポンプ手段を構成する第２のプランジャポンプの加圧断面積を小さくし、これら両プランジャポンプのプランジャを、駆動原動機により直線往復運動される駆動部材に共通に連結したので、装置の駆動部の構成を簡略化することができると共に、装置の駆動源としては駆動部材を往復運動させる駆動原動機だけでよい。
【００９７】
また第３発明によれば、第１発明に加えて、第１の往復動ポンプ手段の吐出圧を予め定められた設定圧力でリザーバなどへ放出する圧力制御回路を有する分岐回路を備えているので、第１の往復動ポンプ手段の吐出圧が設定圧力に達するまでは第２の往復動ポンプ手段の吸入量以外の余剰流量が圧縮分または負荷への供給分として有効利用され、昇圧時間の短縮が可能である。
【００９８】
また第４発明によれば、第１発明に加えて、第１の往復動ポンプ手段の吐出口に前記余剰流量によって蓄圧動作するアキュームレータが接続されているので、蓄圧された残圧が第１の往復動ポンプ手段の吸入行程でポンプのストローク運動を付勢する力として有効利用され、動力の軽減による効率の向上に寄与する効果が得られる。
【００９９】
また第５発明によれば、第１発明に加えて、第１と第２のチェック弁により第１の往復動ポンプ手段の給排流路の振り分けが行なわれ、第３と第４のチェック弁により第２の往復動ポンプ手段の給排流路の振り分けが行なわれ、高圧側の第２の往復動ポンプ手段からの吐出液体を負荷へ導く吐出流路側の圧力が設定圧力値よりも低いときには、低圧側の第１の往復動ポンプ手段からの吐出液体の余剰流量が第３のチェック弁から供給されてくると第２の往復動ポンプ手段への吸入量を超える分の余剰流量が第４のチェック弁を会して負荷へ直接送られ、従って低圧領域では負荷への流量が多くなり、高圧領域になるとこの流量が自動的に少なくなり、効率のよい昇圧を行なうことができる。
【０１００】
更に第６発明によれば、高圧往復動ポンプで一定容積の負荷容器を加圧するに際して、往復動ポンプを常に全ストローク長さで動作させずに、昇圧の最終段階では負荷圧の検出と液体圧縮率に基づく計算によって、負荷容器内が設定圧力値に達するのに必要なだけの最小限の吐出流量を与えるストローク長さに制限するように制御してポンプを駆動するので、昇圧の最終段階でポンプに無駄な動作をさせずに済み、吸入行程及び吐出行程の双方でストローク長さの無駄がなくなるので昇圧時間が一層短縮されるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施例に係る液体加圧装置の構成を示す模式説明図である。
【図２】Ａ図とＢ図はそれぞれ図１の実施例の変形例を要部について示す模式説明図である。
【図３】本発明の一実施例に係る液体加圧装置の運転方法のフロ−チャ−トである。
【符号の説明】
１０Ａ 低圧側プランジャポンプ（第１の往復動ポンプ手段）
１０Ｂ 高圧側プランジャポンプ（第２の往復動ポンプ手段）
１１ シリンダハウジング
１１Ａ 低圧側シリンダ
１１Ｂ 高圧側シリンダ
１２Ａ 低圧側ポンプ室
１２Ｂ 高圧側ポンプ室
１３ 精密ボールねじ軸（駆動部材）
１３Ａ 低圧側プランジャ
１３Ｂ 高圧側プランジャ
１４ 回転ナット
１６ リザーバ
１８ 吸引口
２１ 可逆サーボモータ（駆動原動機）
２２ 歯付エンドレスベルト装置
３２ 供給流路
３４ 接続流路
３６ 吐出流路
４２ 第１のチェック弁
４４ 第２のチェック弁
４６ 第３のチェック弁
４８ 第４のチェック弁
５０ 分岐回路
５２ リリーフ弁（圧力制御弁回路）
５４ アキュームレータ
５５ アキュームレータ
６２ 低圧側圧力計測器
６４ 高圧側圧力計測器
７０ 圧力容器（負荷容器）
７２ 加圧処理食品
Claims (4)
- 吸入した液体を加圧して吐出する第１の往復動ポンプ手段と、
単位ストローク長さ当りの押しのけ容積が前記第１の往復動ポンプ手段よりも小さく、且つ前記第１の往復動ポンプ手段と互いに等しいストローク長さで可逆的に連動することにより前記第１の往復動ポンプ手段から吐出される液体を吸入して更に高圧に加圧して外部へ吐出する第２の往復動ポンプ手段と、
前記第１及び第２の往復動ポンプ手段を往復運動させる、可変設定された反転周期および回転速度で周期的に回転方向が逆転されるように制御される駆動原動機と、
前記第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体によって内部を加圧される既知の一定容積Ｖをもつ負荷容器と、
第１の往復動ポンプ手段から第２の往復動ポンプ手段へ吐出された液体を逆流させない第１及び第２のチェック弁を配置した供給流路と、
第２の往復動ポンプ手段から吐出された液体を逆流させない第３及び第４のチェック弁を配置した接続流路とを備え、
前記第１の往復動ポンプ手段からの吐出流量のうち前記第２の往復動ポンプ手段へ吸入される流量を超える余剰流量を予め設定された圧力で吸収する分岐回路が前記第１の往復動ポンプ手段の吐出流路に接続され、
前記分岐回路が第１の往復動ポンプ手段の吐出圧を予め定められた設定圧力で前記吐出流路外へ放出する圧力制御弁回路を含み、
前記駆動原動機の制御が、
予め設定圧力値ｐ Ｍ に達した場合の負荷容器内の液体総容量Ｗ Ｍ を負荷容器の容積Ｖ及び使用液体の前記設定圧力値ｐ Ｍ における圧縮率β Ｍ に基づいて求めておき、
前記第２の往復動ポンプ手段の吐出行程によって負荷容器へ送られた高圧液体の負荷圧ｐを検出して、前記吐出行程に続く前記往復動ポンプ手段の吸入行程前に前記負荷圧ｐにおける前記液体の圧縮率βと負荷容器の容積Ｖに基づいて前記負荷圧ｐにおける負荷容器内の液体総容量Ｗを計算し、
液体総容量の差ΔＷ＝Ｗ Ｍ −Ｗと前記往復動ポンプ手段の予め定められた全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ ０ との比ΔＷ／Ｑ ０ が１以上のときは前記往復動ポンプ手段を全ストローク長さで駆動し、
前記比ΔＷ／Ｑ ０ が１未満になったときには直後の前記往復動ポンプ手段の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、
この制限されたストローク長さにより、前記第２の往復動ポンプ手段では吸入行程を、第１の往復動ポンプ手段では吐出行程を行わせた後に前記第２の往復動ポンプ手段を直ちに吐出行程に反転させる
ものであることを特徴とする液体加圧装置。 - 第１と第２の往復動ポンプ手段がそれぞれプランジャポンプからなり、第１の往復動ポンプ手段を構成するプランジャポンプのプランジャが、第２の往復動ポンプ手段を構成するプランジャポンプのプランジャよりも大きな加圧断面積を有し、第１と第２のプランジャポンプの各プランジャが一体的に往復運動されるように駆動原動機により直線的に往復運動する駆動部材にそれぞれ連結されていることを特徴とする請求項１に記載の液体加圧装置。
- 第１の往復動ポンプ手段の吐出口に前記余剰流量により蓄圧動作するアキュームレータが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の液体加圧装置。
- 請求項１〜３の何れかに記載された液体加圧装置の運転方法において、
第２の往復動ポンプ手段から吐出される高圧液体によって既知の一定容積Ｖをもつ負荷容器内を予め定められた設定圧力値ｐＭ に加圧するに際して、
前記負荷容器内が設定圧力値ｐＭ に達した場合の負荷容器内の液体総容量ＷＭ を負荷容器の容積Ｖ及び使用液体の前記設定圧力値ｐＭ における圧縮率βＭ に基づいて予め求めておき、
前記第２の往復動ポンプ手段の吐出行程によって負荷容器へ送られた高圧液体の負荷圧ｐを検出し、
前記吐出行程に続く前記往復動ポンプ手段の吸入行程前に前記負荷圧ｐにおける前記液体の圧縮率βと負荷容器の容積Ｖに基づいて前記負荷圧ｐにおける負荷容器内の液体総容量Ｗを計算し、
液体総容量の差ΔＷ＝ＷＭ −Ｗと前記往復動ポンプ手段の予め定められた全ストローク長さでの一回のポンプ行程による単位吐出量Ｑ０ との比ΔＷ／Ｑ０ が１以上のときは前記往復動ポンプ手段を全ストローク長さで駆動し、
前記比ΔＷ／Ｑ０ が１未満になったときには直後の前記往復動ポンプ手段の吸入行程におけるストローク長さを前記全ストローク長さと前記比との積に相当するストローク長さに制限し、
この制限されたストローク長さにより、前記第２の往復動ポンプ手段では吸入行程を、第１の往復動ポンプ手段では吐出行程を行わせた後に前記第２の往復動ポンプ手段を直ちに吐出行程に反転させることを特徴とする液体加圧装置の運転方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13785294A JP3701986B2 (ja) | 1994-05-30 | 1994-05-30 | 液体加圧装置及びその運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13785294A JP3701986B2 (ja) | 1994-05-30 | 1994-05-30 | 液体加圧装置及びその運転方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07324676A JPH07324676A (ja) | 1995-12-12 |
| JP3701986B2 true JP3701986B2 (ja) | 2005-10-05 |
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ID=15208301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13785294A Expired - Lifetime JP3701986B2 (ja) | 1994-05-30 | 1994-05-30 | 液体加圧装置及びその運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3701986B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP6193291B2 (ja) * | 2015-04-13 | 2017-09-06 | 三井造船株式会社 | 燃料供給装置 |
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-
1994
- 1994-05-30 JP JP13785294A patent/JP3701986B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07324676A (ja) | 1995-12-12 |
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