JP2002174181A - 液体加圧装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ポンプの稼動負荷状態と無関係にしかも頻繁
に起動及び停止が可能な液体加工装置とその装置を効率
よく制御するシステムの提供。 【解決手段】プランジャとシリンダとで構成され、吸入
した液体をプランジャの往復動によって加圧する液体加
圧部と、前記プランジャを往復動させる回転直線運動変
換手段と、該回転直線運動変換手段の入力軸に直結され
て該入力軸に回転を与えるサーボ電動機と、該サーボ電
動機を駆動制御するポンプ駆動用制御手段を備えた液体
加圧装置にポンプの負荷保護構成を採用した。さらに、
液体加圧部から吐出される圧力値を計測し、サーボ電動
機の出力軸回転をフィードバック制御する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プランジャとシリ
ンダとで構成されたプランジャポンプ等を採用した超高
圧水を発生させる液体加圧装置に関するものであり、特
に起動及び停止を瞬時に可能なクランク機構やカム機構
による回転直線運動変換手段を備えたプランジャポンプ
と、ノズルからの高圧液体噴射及び停止に合わせてモー
タの回転を制御してプランジャポンプから吐出する高圧
液体の吐出量を制御するモータ直動式のポンプ稼動液体
加圧制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の３連プランジャポンプは、汎用電
動モータの一定回転運動をクランク機構により直線運動
に変換してプランジャを往復動させている。図４に、従
来のクランク機構式３連プランジャポンプの断面構造模
式図及び図５に従来の高圧水噴射システム概念図を示
す。電動モータ５１の出力軸とクランクシャフト４２の
入力軸とをプーリー５２ａ、５２ｂとベルト５３を介し
て連結して、電動モータ５１の回転をクランクシャフト
４２に伝える。クランクシャフト４２にコネクティング
ロッド４４の一端が滑り軸受け４３を介して連結され、
コネクティングロッド４４の他端は、クロスヘッドピン
ブッシュ４８とクロスヘッドピン４９を介してクロスヘ
ッド４５と連結されている。クロスヘッド４５の先端部
にプランジャ４６を係止し、クロスヘッド４５の動作に
合わせてスタッフィングボックス４７内でプランジャ４
６の直線往復運動を行わせ、バルブボックス４１に配置
させた吸入弁４０ａからスタッフィングボックス４７内
へ吸入した液体を加圧して吐出弁４０ｂを通して送液配
管５７を介してドレン弁５４へ送る。

【０００３】また、従来のプランジャポンプは、回転運
動部材であるクランクシャフトと直線運動への変換部材
であるコネクティングロッド等の回転連結部に滑り軸受
を使用しているため、ポンプの起動時や停止時にはポン
プをまず無負荷状態で作動し、ドレン弁５４の開閉によ
り高圧ホース５５を通過させてノズル５６から加圧液体
を噴射させたり、その噴射を停止させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のプラ
ンジャポンプは、オンオフバルブの開閉によるノズルか
らの加圧液体の噴射及び停止に伴い、ポンプを急起動あ
るいは急停止するとポンプの負荷状態での起動あるいは
停止となり、クランクシャフトやカム等の回転部に使用
されている滑り軸受に油膜が切れる状態を発生し、焼き
付け摩耗を起こしポンプ故障の原因となってしまう問題
がある。

【０００５】そのため、ドレン弁を備えて、ポンプの立
ち上げ時にはまずドレン弁を開状態にした無負荷状態に
てポンプを起動し、その後滑り軸受が油膜で十分に保護
された状態となってからドレン弁を閉状態にして昇圧し
なければならなかった。つまり、超高圧水のノズルから
の噴射及び噴射停止は、ドレン弁の開閉にて対応するし
かなかったので、作業効率が悪くしかもドレン弁の寿命
にも影響するといった問題があった。

【０００６】また、ポンプの起動トルクが大きいため頻
繁にポンプの停止・起動ができず、作業中は、実際に超
高圧水を用いて作業をしていない場合でもポンプのモー
タの回転を停止しないで稼動させる必要があったため、
ポンプ寿命が短くなるといった問題がある。

【０００７】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであり、ポンプの稼動負荷状態と無関係にしか
も頻繁に起動及び停止が可能なクランク機構あるいはカ
ム機構の多連プランジャ式液体加圧装置を提供すること
である。本発明の別の目的は、ポンプからの吐出圧力を
計測しながら効率よくポンプを稼動するように制御する
液体加圧制御システムを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、プランジャとシリンダとで
構成され、吸入した液体をプランジャの往復動によって
加圧する液体加圧部と、前記プランジャを往復動させる
回転直線運動変換手段と、該回転直線運動変換手段の入
力軸に結合されて該入力軸に回転を与えるサーボ電動機
と、該サーボ電動機を駆動制御するポンプ駆動用制御手
段とを備えた液体加圧装置であって、ノズルからの高圧
液体の噴射及び停止あるいは噴射量の増減を前記液体加
圧部の吐出負荷状態と無関係に制御できるポンプの負荷
保護構成を備えていることを特徴とするものである。

【０００９】本発明では、ポンプの駆動を自在に制御で
きるサーボ電動機とポンプの負荷保護構成を備えるた
め、ポンプにおける負荷状態を特に気にせず、ノズルか
らの高圧液体の噴射及び噴射停止あるいはノズルサイズ
やノズル本数の変更による噴射量の増減を必要に応じて
瞬時に行うことが可能となる。

【００１０】また、従来使用してきたドレン弁を使用し
なくても、ポンプの故障がなく自由に起動及び停止を行
うことができる。

【００１１】請求項２に記載した発明は、前記負荷保護
構成が前記回転直線運動変換手段の回転運動部材と直線
運動変換部材とをころがり軸受を介して係止した構成で
あることを特徴とするものである。

【００１２】本発明は、請求項１に係る発明の好ましい
態様であり、回転入力軸を備え回転直線運動手段の一部
を構成するクランクシャフト等の回転運動部材とコネク
ティングロッド等の直線運動変換部材の回転連結部に負
荷保護手段としてのころがり軸受を採用したため、回転
連結部が焼き付け摩耗を起こさずにポンプの起動及び停
止をポンプの負荷状態の如何んにかかわらず、独立して
制御することができる。

【００１３】さらに、請求項３に係る発明は、プランジ
ャとシリンダとで構成され、吸入した液体をプランジャ
の往復動によって加圧する液体加圧部と、前記プランジ
ャを往復動させる回転直線運動変換手段と、該回転直線
運動変換手段の入力軸に直結されて該軸に回転を与える
サーボ電動機と、該サーボ電動機を駆動制御するポンプ
駆動用制御手段と、前記ポンプの負荷保護構成とを備え
た液体加圧装置に加えて、前記ポンプ部で加圧された高
圧液体を噴射するノズルと、前記ノズルからの高圧液体
の噴射及び噴射停止を制御する作動制御手段と、前記高
圧液体の実吐出圧力値を計測する圧力計測手段とをさら
に備え、前記ノズルからの高圧液体の噴射及び噴射停止
に対して、前記圧力計測手段での圧力計測値をフィード
バックさせながら前記サーボ電動機の出力軸回転を増減
あるいは停止するように自動制御することを特徴とする
ものである。

【００１４】本発明は、サーボ電動機を駆動源にした電
動方式のクランク機構式多連プランジャポンプあるいは
カム機構式プランジャポンプから吐出される高圧水を、
切断装置あるいは洗浄装置に備えられたノズルから噴射
したり停止したりする作動を作動制御手段とオンオフバ
ルブによる制御によって行い、前記ノズルからの高圧水
噴射及び停止に伴い、ポンプを起動したり停止したりで
きるようになる。

【００１５】また、ノズルからの高圧水の噴射や停止に
かかわらず常にポンプから吐出される圧力を計測して、
その計測値をポンプ駆動用制御装置にフィードバックさ
せてサーボ電動機の出力軸回転を増減することで、ポン
プから吐出される高圧水の吐出量を自動的に増減する制
御ができる。例えば、実際に噴射して作業を行う場合に
は、設定圧力を保つようにポンプを稼動し、逆に、噴射
を停止して作業を中止している場合には、設定圧力に達
したまま圧力変動が無ければ圧力を保持しながらポンプ
を停止できる構成としている。

【００１６】圧力を保持しながらポンプを停止できるた
め、再び作業を開始する場合には、ノズルから高圧水を
すぐに噴射できるため、装置稼動の立上がりが非常に良
くなり、作業効率もかなり向上できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態につい
て、以下、図示例とともに説明する。図１は、第１実施
形態の液体加圧装置の概略構成図である。この実施形態
に係る液体加圧装置は、クランク機構式３連プランジャ
ポンプ構成として表示しているが、カム機構式３連プラ
ンジャポンプ構成としても良い。図２は、前記液体加圧
装置の回転直線運動変換手段の詳細模式図であり、
（ａ）はクランク機構部、（ｂ）はカム機構部それぞれ
を示す。

【００１８】図１に示すようにクランク機構式３連プラ
ンジャポンプの構成としては、給液部、駆動部、回転直
線運動変換部、液体加圧部、送液制限部及び噴射部とに
大きく分けられる。

【００１９】給液部は、プランジャポンプとしての液体
加圧部に液体を供給するためのものであり、水タンク８
と給水ポンプ９からなる。該給水ポンプ９は、液体を所
定の圧力で前記液体加圧部に送るためのものであり、回
転式ポンプでも往復動ポンプでも連続して供給できるも
のであれば良い。なお、給水ポンプ９を設けないで、プ
ランジャポンプに水タンク８内の液体をプランジャの往
復動で自己吸引させることも可能である。

【００２０】駆動部は、サーボモータ１とポンプ駆動用
制御装置１９を採用して、噴射部のオンオフバルブ１０
の開閉によるノズル１１からの高圧水噴射及び噴射停止
にあわせて瞬時にポンプの起動及び停止が行えるように
した。

【００２１】回転直線運動変換部は図２（ａ）に示す通
りクランク機構としており、サーボモータ１と連結した
クランクシャフト２と、該クランクシャフト２にころが
り軸受３を介して連結されたコネクティングロッド４
と、該コネクティングロッド４にクロスヘッドピンブッ
シュ２１とクロスヘッドピン２２を介して連結されたク
ロスヘッド５とで構成されている。

【００２２】サーボモータ１の出力軸の回転にともない
クランクシャフト２が回転し、その回転運動をコネクテ
ィングロッド４が直線運動に変換してクロスヘッド５を
往復動させている。クランクシャフト２とコネクティン
グロッド４とは、ころがり軸受３で常に滑らかな状態で
いかなる負荷に対しても各部を保護できる構成としてい
るため、ポンプの起動時や停止時にクランクシャフト２
が急に作動したり停止したりしてもポンプの負荷状態に
無関係にころがり軸受３が急激な負荷を吸収してしまう
ので、回転部における焼き付け摩耗等の故障からクラン
ク機構の中心構成部を保護し、コネクティングロッド４
に必要な力のみ滑らかに伝えられる。

【００２３】液体加圧部は、図１に示すように本実施例
では、３連式プランジャポンプとして３組の液体加圧部
Ａ、Ｂ、Ｃを並列に配置し、クランクシャフト２のカム
部による位相のずれで３本のプランジャが吸入・吐出を
交互に行うように設定されている。構成説明は液体加圧
部Ａについて行うが、他の液体加圧部Ｂ、Ｃも同様な構
成である。前記クロスヘッド５の先端部に係止されたプ
ランジャ６と、スタッフィングボックス７とをシール機
構部１２で液体加圧部内部を常に封止状態に保つように
構成している。クロスヘッド５の動作に連動するプラン
ジャ６の往復動直線運動により、プランジャ室１３に吸
入した液体を加圧する。

【００２４】送液制御部は、給液部から送液管１４とチ
ェック弁１５ａ、１５ｂ、１５ｃを通してそれぞれの液
体加圧部Ａ、Ｂ、Ｃのプランジャ室１３ａ、１３ｂ、１
３ｃに液体を吸入し、そのプランジャ室でそれぞれ加圧
された液体がチェック弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃを介し
て送液管１７を通って噴射部へ送られる構成となってい
る。チェック弁１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、水タンク８
から液体加圧部Ａ、Ｂ、Ｃへの液体流入のみを許容し、
チェック弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、液体加圧部Ａ、
Ｂ、Ｃから噴射部への液体の流出のみを許容する。いず
れも、下流側から上流側への逆流れを阻止する向きに配
置されている。

【００２５】なお、オンオフバルブ１０への送液管１７
の途中に加圧液の脈動を緩和するためにアキュームレー
タ１８を配置させることが好ましい。

【００２６】このように構成された液体加圧装置の動作
について説明する。図１で示すように、制御装置１９か
らサーボモータ１に起動の信号を送る。サーボモータ１
の回転にともないクランクシャフト２が回転する。この
時、起動トルクが大きいがころがり軸受３でその負荷を
吸収しながらクランクシャフト２の回転をコネクティン
グロッド４に伝える。液体加圧部Ａではコネクティング
ロッド４の回転がクロスヘッド５で往復直線運動に変換
されてプランジャ６に伝えられ、液体加圧部Ａで吸入工
程と吐出工程を繰り返す。液体加圧部Ｂ、Ｃでも同様に
吸入工程と吐出工程を交互に行う。プランジャ室１３
ａ、１３ｂ、１３ｃから吐出された加圧液はチェック弁
１６ａ、１６ｂ、１６ｃを介して噴射部へ送られる。

【００２７】オンオフバルブ１０がオフ（閉）状態で、
噴射部へ加圧液体が一定量送液されるとポンプ駆動用制
御装置１９がサーボモータ１の回転停止するように制御
し、噴射部での作業に備えた圧力態勢を維持しながら各
液体加圧部Ａ、Ｂ、Ｃのプランジャ６の移動が停止す
る。

【００２８】この状態で、オンオフバルブ１０の開閉に
よりノズル１１から高圧水の噴射及び噴射停止を行う
が、クランク機構の中心構成部に負荷起動を可能とする
ころがり軸受を備えているため、ポンプの負荷状態にも
かかわらず、オンオフバルブ１０を作業状況に合わせて
自由に開閉できる。

【００２９】噴射開始信号がポンプ駆動制御装置１９か
ら送られ、オンオフバルブ１０をオン（開）状態にして
高圧水を噴射すると同時にサーボモータ１が作動して回
転直線運動変換部を介してプランジャを駆動し、液体加
圧部で加圧液を発生させる。噴射を停止すると前述通り
プランジャを停止させる。以上の動作を実際の噴射作業
に合わせて繰り返すことが可能となった。

【００３０】また、回転直線運動変換部がカム機構の場
合は、図２（ｂ）に示す通り、駆動機（図示無し）によ
って回転される偏心軸２３にころがり軸受３を介して連
結されたカム２４とで回転直線運動変換部を構成する。
つまり、カム２４によりプランジャ２５ａ、２５ｂ、２
５ｃを往復直線運動に変換して液体を加圧するわけであ
る。この機構でも、偏心軸２３とカム２４とをころがり
軸受３で常に滑らかな状態でモータからの出力を伝達す
ることができる。

【００３１】本発明のさらに好ましい第２実施形態とし
て、図３に液体加圧制御システムに関する概略構成図を
示す。システムの基本構成としては、第１実施形態の構
成と同じように給液部、駆動部、回転直線運動変換部、
液体加圧部、送液制御部と噴射部とで構成された液体加
圧装置であり、その装置に加えて、さらに、液体加圧部
で加圧された高圧液体の実吐出圧力値を計測する圧力セ
ンサ３１と前記噴射部のノズル３４からの高圧液体の噴
射及び噴射停止を行うためにオンオフバルブ３３を制御
する作動制御装置３５とを備えた構成とした。

【００３２】圧力センサ３１は、この実施形態では圧力
計測手段を構成し、前記通り液体加圧部で加圧された高
圧液体の実吐出圧力を計測するものである。また、計測
結果は電気信号としてポンプ駆動用制御装置３２に入力
される。この入力された信号に基づいたフィードバック
制御により、サーボモータ１の起動や停止さらに回転速
度等の作動が制御される。

【００３３】この実施形態では、オンオフバルブ３３
は、オンオフ状態でノズル３４からの高圧液体の噴射及
び噴射停止を制御するもので、そのオンオフ状態は作動
制御装置３５からの信号で行う。

【００３４】次に、第２実施形態に係る液体加圧制御シ
ステムの動作について説明する。このシステムは、基本
構成はほとんど第１実施形態と同様なので、同構成につ
いては同符号を用いて説明する。

【００３５】第２実施形態は、１００ＭＰａから４００
ＭＰａの高圧水を噴射するノズル３４を配置した切断装
置３６の制御システムである。ポンプ駆動用制御装置３
２からの起動信号でサーボ電動機１を回転させると、第
１実施形態と同様なクランク機構式３連プランジャポン
プが滑らかに作動する。液体加圧部Ａ、Ｂ、Ｃのプラン
ジャ室１３ａ、１３ｂ、１３ｃで加圧された高圧液体が
チェック弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃを経由して、配管１
７、アキュムレータ１８、オンオフバルブ３３まで送液
される。

【００３６】この時、配管１７に設置した圧力センサ３
１により液体加圧部から吐出された圧力値を計測して、
ポンプ駆動用制御装置３２に信号を送りながらのフィー
ドバック制御を行う。つまり、実際の圧力計測値が圧力
設定値になるまで最適回転速度でサーボモータ１の出力
軸を回転し、圧力計測値が圧力設定値になれば、サーボ
モータ１の回転を停止するようにポンプ駆動用制御装置
３２が作動する。

【００３７】サーボモータ１が停止してもオンオフバル
ブ３３まで送液された高圧液体は、設定圧力で保持され
たままである。噴射部におけるオンオフバルブ３３を作
動制御装置３５からの噴射開始信号によりオン（開）状
態にすると、瞬時に設定された圧力で高圧液体がノズル
３４から噴射される。高圧液体が噴射されると圧力セン
サ３１が吐出圧力の低下を検知してサーボモータ１が稼
動するように信号をポンプ駆動用制御装置３２に送り、
ポンプを再稼動させる。サーボモータ１はノズル３４か
らの吐出量を増加するように高速で回転し、設定圧力に
なるまで稼動する。ノズル３４から高圧液体の噴射を停
止するように作動制御装置３５から噴射停止信号を送る
と、液体加圧部Ａ、Ｂ、Ｃからの吐出圧力が設定圧力値
に達した時点でサーボモータ１が停止する。

【００３８】なお、サーボモータ１の回転運動をクラン
クシャフト２、ころがり軸受３、コネクティングロッド
４、クロスヘッド５を介してプランジャ６の直線運動に
変換するクランク機構は、第１実施形態と同様に負荷保
護構成を備えているため、オンオフバルブ３３を作業状
況に合わせて自由に開閉できることは述べるまでもな
い。

【００３９】以上の動作を実際の噴射作業に合わせて繰
り返すことで、高圧液体による切断あるいは洗浄作業を
行うことが可能となった。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明は、ポンプ
の駆動を自在に制御できるサーボ電動機とポンプの負荷
保護構成を備えるために、従来からのドレン弁を使用せ
ずとも噴射部におけるオンオフバルブの開閉作動のみで
ポンプの起動及び停止が可能となり、さらに、実際に高
圧水噴射作業を行う場合にのみポンプを稼動させること
が可能となったため、装置の簡略化、ポンプ寿命の延長
化及び省エネルギー化を達成できるという効果を有す
る。

【００４１】加えて、オンオフバルブによるオフ（閉）
状態で高圧水の噴射を停止している間もポンプが設定圧
力で高圧水を保持できるため噴射開始時におけるポンプ
の立ち上がりが非常に良く、効率の高い作業が可能とな
った。

【００４２】また、回転直線運動手段の一部に負荷吸収
手段としてのころがり軸受を採用した負荷保護構成によ
って、回転部が焼き付け摩耗を起こさずにポンプの起動
及び停止を独立して瞬時に制御できるようになったた
め、ポンプ故障が激減して作業効率が向上するといった
効果を有する。

【００４３】さらに、圧力センサの採用でサーボ電動機
を実際の圧力を計測しながらのフィードバック制御する
ことが可能となり、圧力設定値に対する高精度な制御が
できるという効果を有し、生産性の向上につながった。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る液体加圧装置の概略構成図
である。

【図２】第１及び第２実施形態に係る液体加圧装置の回
転直線運動変換手段の詳細模式図であり、（ａ）はクラ
ンク機構部、（ｂ）はカム機構部を示す。

【図３】第２実施形態に係る液体加圧制御システムの概
略構成図である。

【図４】従来のクランク機構式３連プランジャポンプの
断面構造模式図である。

【図５】従来の高圧水噴射システム概念図である。

【符号の説明】

１ サーボモータ ２、４２ クランクシャフト ３ ころがり軸受け ４、４４ コネクティングロッド ５、４５ クロスヘッド ６、４６ プランジャ ７、４７ スタッフィングボックス １９、３２ ポンプ駆動用制御装置 １０、３３ オンオフバルブ １１、３４、５６ ノズル ３１ 圧力センサ ３５ 作動制御装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プランジャとシリンダとで構成され、吸
   入した液体をプランジャの往復動によって加圧する液体
   加圧部と、前記プランジャを往復動させる回転直線運動
   変換手段と、該回転直線運動変換手段の入力軸に結合さ
   れて該入力軸に回転を与えるサーボ電動機と、該サーボ
   電動機を駆動制御するポンプ駆動用制御手段とを備えた
   液体加圧装置であって、ノズルからの高圧液体の噴射及
   び停止あるいは噴射量の増減を前記液体加圧部の吐出負
   荷状態と無関係に制御できるポンプの負荷保護構成を備
   えていることを特徴とする液体加圧装置。
2. 【請求項２】 前記負荷保護構成が、前記回転直線運動
   変換手段の回転運動部材と直線運動変換部材とをころが
   り軸受を介して係止した構成であることを特徴とする請
   求項１に記載の液体加圧装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の液体加圧装置と、前記
   液体加圧部で加圧された高圧液体を噴射するノズルと、
   該ノズルからの高圧液体の噴射及び噴射停止を制御する
   作動制御手段と、前記高圧液体の実吐出圧力値を計測す
   る圧力計測手段とをさらに備え、前記ノズルからの高圧
   液体の噴射及び噴射停止に対して、前記圧力計測手段で
   の圧力計測値をフィードバックさせながら前記サーボ電
   動機の出力軸回転を増減あるいは停止するように自動制
   御することを特徴とする液体加圧制御システム。