JP2016523702A - ホモジナイザーのための状態モニタリングシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ホモジナイザーの状態モニタリングのための方法およびシステムが提供される。均質化デバイス上流の製品圧力を示す第１の圧力センサーからの第１の圧力データを、そして適所において均質化デバイス内でフォーサーを保持するために使用されるカウンター圧力を示す第２の圧力センサーからの第２の圧力データを受け取った後、これらは、ホモジナイザーの状態を特定できるように、適切に稼働するホモジナイザーと関連する第１の圧力基準データおよび第２の圧力基準データと比較できる。

Description

本発明は、概して、インライン診断とも呼ばれる、状態モニタリングの分野に関する。より具体的には、それはホモジナイザーための状態モニタリングシステムおよび方法に関する。

食品加工業界内の企業が競争力を維持するためには、食品加工設備が正常に動作し、かつ、設備の故障によるダウンタイムが最小レベルに維持されることを確実にすることが極めて重要である。これを達成するために、ほとんどの企業は、設備故障のリスクが低く抑えられることを確実にするために、その設備を定期的に整備している。

しかしながら、設備の故障によるダウンタイムのリスクを低減するために頻繁に設備を整備する、特に消耗部品を交換する潜在的な欠点は、消耗部品、例えばバルブあるいはベアリングが、必要とされるよりも早く交換され、スペア部品コストを増大させることである。多くの場合、増大したスペア部品のコストは、設備の故障によって引き起こされるダウンタイムのリスク低下によって正当化できるが、依然として多くの消耗部品が、コスト増大および不要な環境インパクトの影響を伴って過度に早く交換されている。

適切なタイミングで部品が交換されることを確実にするために、いわゆる状態モニタリングシステムが異なる分野で使用されている。液体食品加工の分野において、例えば磨耗ベアリングのために遠心分離機が正常に動作していないことを検出するために、振動解析に基づく状態モニタリングシステムが使用されている。

ポンプ、特に１０〜２５ＭＰａ（１００〜２５０バール）の圧力を発生させるポンプ、 およびそうした高圧ポンプを含むホモジナイザーに関して、コスト効率的でかつ信頼できる様式で状態をモニターできることが求められている。さらに、状態をモニターできることとは別に、異なるセンサーを介して収集された情報に基づいて状態を判定するための方法およびシステムを有することも求められている。

したがって、本発明は、好ましくは、当該技術分野における上記欠陥および不利益の一つ以上を単独でまたは組み合わせて緩和し、軽減しまたは解消することを目的とし、そして以下の態様を提供することで少なくとも上記課題を解決する。

第１の態様によれば、ホモジナイザーの状態モニタリングのための方法が提供され、当該方法は第１の圧力センサーからの第１の圧力データであって均質化デバイス上流の製品圧力を示すデータを受け取り、この第１の圧力データと第１の圧力基準データとを比較することを含む。

本方法は、さらに、第２の圧力センサーからの第２の圧力データを受け取るステップであって、第２の圧力データは、均質化デバイス内において適所でフォーサーを保持するために使用されるカウンター圧力を示すステップと、第１の圧力データおよび第２の圧力データを第１の圧力基準データおよび第２の圧力基準データと比較するステップとを備えてもよい。

第２の圧力データは、油圧ポンプによって形成された油圧に関連してもよい。

第１の圧力データおよび第２の圧力データを第１の圧力基準データおよび第２の圧力基準データと比較するステップはさらに、第１の圧力データと第２の圧力データとの間の圧力比を特定するステップと、圧力比と、第１の圧力基準データと第２の圧力基準データとの間の比である基準圧力比との間の偏差比を特定するステップとを備える。

本方法は、偏差比が０．８５未満である場合に非最適状態を示す通知信号を送信するステップをさらに備えてもよい。

本方法は、偏差比が１．１５よりも大きい場合に非最適状態を示す通知信号を送信するステップをさらに備えてもよい。

本方法は、第３の圧力センサーから第３の圧力データを受け取るステップであって、第３の圧力データは均質化デバイスの下流でかつ付加的な均質化デバイスの上流の付加的な製品圧力を示すステップをさらに備え、第１の圧力データを第１の圧力基準データと比較するステップはさらに、第３の圧力データを第３の圧力基準データと比較するステップを備えてもよい。

本方法は、第４の圧力センサーから第４の圧力データを受け取るステップであって、第４の圧力データは付加的な均質化デバイス内において適所で付加的なフォーサーを保持するために使用されるカウンター圧力を示すステップをさらに備え、第１の圧力データを第１の圧力基準データと比較するステップはさらに、第４の圧力データを第４の圧力基準データと比較するステップを備えてもよい。

本方法は、位置センサーから偏心シャフト位置データを受け取るステップをさらに備え、第１の圧力データおよび第２の圧力データを第１の圧力基準データおよび第２の圧力基準データと比較するステップは、偏心シャフト位置に依存する差が補償されることをもたらすために偏心シャフト位置を考慮するステップをさらに備えてもよい。

本方法は、最後の停止からの運転時間を示す運転時間データを受け取るステップをさらに備え、第１の圧力データおよび第２の圧力データを第１の圧力基準データおよび第２の圧力基準データと比較するステップは、最後の停止からの運転時間に依存する差が補償されることをもたらすために運転時間データを考慮するステップをさらに備えてもよい。

本方法は、ホモジナイザーの温度を示す温度データを受け取るステップをさらに具備し、第１の圧力データを第１の圧力基準データと比較するステップは、ホモジナイザーの温度に依存する差が補償されることをもたらすために温度データを考慮するステップをさらに備えてもよい。

第１の圧力データを第１の圧力基準データと比較するステップは、第１の圧力データについての分散を特定するステップと、第１の圧力データについての分散を第１の圧力基準データについての分散と比較するステップとを備えてもよい。

第２の態様によれば、ホモジナイザーの状態モニタリングのためのシステムが提供され、当該システムは、第１の圧力データを取得するための第１の圧力センサーであって、第１の圧力データは均質化デバイス上流の製品圧力を示す第１の圧力センサーと、第１の圧力基準データと第１の圧力データとを比較するデータ処理装置とを備える。

本システムは、第２の圧力データを取得するための第２の圧力センサーであって、第２の圧力データは均質化デバイス内において適所でフォーサーを保持するために使用されるカウンター圧力を示す第２の圧力センサーをさらに備え、データ処理装置は、第１の圧力データおよび第２の圧力データを第１の圧力基準データおよび第２の圧力基準データと比較するよう構成されてもよい。

本システムは、均質化デバイスの下流でかつ付加的な均質化デバイスの上流の付加的な製品圧力を示す第３の圧力データを取得するための第３の圧力センサーをさらに備え、データ処理装置は第３の圧力データを第３の圧力基準データと比較するよう構成されてもよい。

本システムは、付加的な均質化デバイス内において適所で付加的なフォーサーを保持するために使用されるカウンター圧力を示す第４の圧力データを取得するための第４の圧力センサーをさらに備え、データ処理装置は、第３の圧力データおよび第４の圧力データを第３の圧力基準データおよび第４の圧力基準データと比較するよう構成されてもよい。

本システムは、偏心シャフト位置を特定するための位置センサーをさらに備え、データ処理装置は、第１の圧力データを第１の圧力基準データと比較する際に偏心シャフト位置を考慮するよう構成されてもよい。

第３の態様によれば、上記コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されるとき第１の態様を実行するよう構成されたコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラムが提供される。

本発明の上記ならびに追加の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照した、本発明の好ましい実施形態の以下の例示的かつ非限定的な詳細な説明からより良く理解されるであろう。

ホモジナイザー、さらに具体的にはTetra Pakによって市販されるホモジナイザーを示す図である。 第１および第２の均質化デバイスを示す図である。 第１の圧力センサーを有するホモジナイザーの一部を示す図である。 カウンター圧力を形成するために使用される油圧ポンプを示す図である。

図１は、ホモジナイザー１００を、さらに具体的にはTetra PakによってTetra Alex（商標）の商品名で販売されているホモジナイザーを大まかに示している。一般に、ホモジナイザー１００は二つの主要部分、高圧ポンプおよび均質化デバイスを備える。高圧ポンプは高圧を形成し、そして均質化デバイスは、より小さな脂肪球が形成されるという効果を伴って、それを経て製品が押しやれる一つ以上のギャップを提供する。均質化のさらなる効果は、より食欲をそそる色、脂肪酸化に対する感受性の低下、よりコクのある風味、そして発酵乳製品の優れた安定性である。

この例では、高圧ポンプは、ベルトトランスミッション１０２およびギヤボックス１０３を介して、クランクケース１０４内に配置されたクランクシャフトに接続された主駆動モーター１０１によって駆動されるピストンポンプである。クランクシャフトを使用することによって、回転運動は、ポンプピストン１０５を前後に駆動する往復運動に変換される。現在、３〜５個のポンプピストンを有することが一般的である。

ポンプピストン１０５は、ポンプピストンによって形成される高圧に耐えるように作られたポンプブロック１０６に形成されるキャビティ内で動作する。現在、圧力を３００ｋＰａ（３バール）から約１０〜２５ＭＰａ（１００〜２５０バール）まで増大させることが一般的であるが、より高い圧力を用いることもできる。

ポンプブロック１０６内のキャビティを通って製品は第１の均質化デバイス１０７に入り、その後、多くの場合、第２の均質化デバイスに入る。上述したように、一つ以上のギャップを経て製品を押しやることによって、製品の特性を変化させることができる。

ポンプピストン１０５の往復運動は脈動を形成する。脈動を低減するために、ホモジナイザーの入口に入口ダンパー１０９を配置するのが、現在、一般的な慣例である。さらに振動および騒音を低減するために、出口に出口ダンパー１１０を配置するのが一般的な慣例である。

図２は、下側セクションに配置された第１の均質化デバイスおよび上側セクションに配置された第２の均質化デバイスを有する二段ホモジナイザーの一例を示している。

第１の均質化デバイスは、ギャップ２０６の形成をもたらす第１段フォーサー２０２およびシート２０４を備える。油圧アクチュエータ２０８は、第１段フォーサー２０２がシート２０４に向かって押し付けられることを確実なものとするために使用できる。

第１の均質化デバイスの下流に配置された第２の均質化デバイスは、ギャップ２１４が形成されるように、第２段フォーサー２１０とシート２１２とを備える。油圧アクチュエータ２１６を、第２段フォーサー２１０がシート２１２に向かって押しやれることを確実にするために使用することができる。

現在の２段ホモジナイザーにおいて、均質化は第１段で行われる。第２段によって、第１段に一定の制御された背圧が提供される。さらに第２段は、均質化の直後に形成されたクラスターを破壊するために使用できる。

摩耗部品が適切なタイミングで、すなわちスペア部品のコストが不必要に増大するほど過度に早くではなく、かつ、設備の故障が生じるほど過度に遅くではなく、交換されるようにするために、圧力変動を追跡することができる。さらに詳しくは、第１段フォーサーの前にある製品圧力とも呼ばれる製品側の圧力を、そして第１段フォーサーが適所にて保持されるようにする圧力であるカウンター油圧を測定することにより、ホモジナイザーの状態を特定することができる。

均質化デバイスの状態は、製品圧力とカウンター油圧との間の比を形成し、そして基準製品圧力と基準カウンター油圧によって形成される基準比と、この率を比較することによって特定できることが判明した。この比が基準比の８５〜１１５％の範囲内であれば均質化デバイスを交換あるいは回収する必要性はおそらく存在しないことが判明した。

ポンプブロック内に配置されたバルブの状態を特定するために、製品圧力の分散を製品圧力の基準分散と比較できることが判明した。基準データは正常に動作している均質化デバイスからのものであるので、比は１であるかまたは１に近くなければならない。行われた試験によれば、この比が２を上回る場合、バルブを交換または改修するのが、たいていは賢明であることが判明した。

いくつかの例では、基準製品圧力の分散は、例えば測定誤差に起因するノイズがより大きな影響を有するという効果を伴って非常に小さい。これらの例が同様に良好な方法で処理されるようにするために、製品圧力と基準製品圧力との間の差を特定できかつ考慮することができる。

さらに、製品圧力およびカウンター油圧は温度に依存して変化することが見出された。したがって、これを考慮するために、異なる温度に関する基準データのセットを使用できる。どれを選択するかを知るために、一つ以上の温度センサーを使用することができる。ホモジナイザー始動時には温度は低く連続的に増大するめ、別なオプションは、最後の停止からの始動からの稼働時間に基づいて温度を推定することである。

図３は、ポンプブロック、第１の均質化デバイスおよび第２の均質化デバイスを示している。さらに、圧力センサーがポンプブロックと第１の均質化デバイスとの間の領域に配置されている。圧力センサーは、上述した製品圧力を測定するために使用することができる。

それが磨耗したとき乱流が第１の均質化デバイスの後に形成されることが判明しているので、圧力センサーの相補体として、あるいはそれ自体の代わりに、乱流を測定するためのセンサーを使用することができる。濁度を測定するために、それを設備の外側に配置することを可能とする超音波センサーを使用することができるが、これは、もちろん、設置に関して有利である。

振動を測定するためのセンサーも同様に適用可能であるが、圧力センサーは、よりコスト効率的であり、しかも高い圧力のために、より信頼性が高い。

さらに、図１に示すように製品圧力がピストンによって形成されるため、製品圧力はサイクル中にピストンがどこにあるかに依存して変化する。ほとんどの場合、ピストンは偏心シャフトまたはクランクシャフトに連結され、そしてバルブは製品圧力が形成されることを確実にするために開閉される。したがって、製品圧力を決定する際、偏心シャフトの位置を、開いているバルブおよび閉じているバルブを知るために考慮することができる。手近なこの情報によって、異なるバルブを別々にモニタリングすることができる。

第１の均質化デバイスにおける製品圧力とは別個に、第１の均質化デバイスにおけるカウンター油圧を測定することができる。さらに、第１の均質化デバイスの下流に配置された第２の均質化デバイスでは、製品圧力はカウンター油圧と同様に測定することができる。

図４は、第１の均質化デバイスおよび第２の均質化デバイスの両方においてカウンター油圧を形成するために使用される油圧ポンプを示している。代替的に、二つの油圧ポンプ、すなわち第１の均質化デバイスのためのものおよび第２の均質化デバイスのためのものを使用することができる。

図示のように、圧力センサーを用いてカウンター圧力を測定することができる。

圧力データと基準圧力データとの比較を行う装置であるデータ処理装置はホモジナイザーの一部であってもよい。別のオプションは、ホモジナイザーに隣接して配置されたそれを、ただし別個のユニットとして有することである。さらなるオプションはオフサイトソリューションを有することであり、この場合、データはホモジナイザーから他の場所に配置されたサーバーへと送信される。サーバーは、基準データを格納し、かつ／または、比較と関連付けられた操作を実施し、そして任意選択で、ホモジナイザーの状態に関する情報を送信してもよい。

適切な基準データ、例えば基準製品圧力データおよび基準カウンター圧力データが使用されることを確実にするために、基準データはサーバーを介して多数のホモジナイザー間で共有することができる。例えば特定の機械のための基準データをサーバーにアップロードすることができる。基準データは、類似の条件を有する、例えば類似の製品を処理する別な類似のホモジナイザーと比較することができる。基準データが類似のホモジナイザーから先に収集された基準データと実質的に異なる場合、基準データを再検討する指示を、サービスオペレータまたはホモジナイザーの運転を担当する他の人に送信することができる。

サーバー上に基準データを有することを伴う別のオプションは、現場で基準データを収集することに代えてホモジナイザーに基準データをダウンロードする可能性があるということである。これは時間を節約し、セットアップのために必要な時間を減少させる。さらに、基準データが特定の構成のためには存在しないが、別の態様において類似の構成のために存在する場合、類似の構成に関連する既存の基準データに基づいて基準データを推定することが可能であってもよい。

本発明を主としていくつかの実施形態を参照して説明した。だが、当業者には容易に理解されるように、上述したもの以外の実施形態も、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内で同様に実施可能である。

１００ ホモジナイザー
１０１ 主駆動モーター
１０２ ベルトトランスミッション
１０３ ギヤボックス
１０４ クランクケース
１０５ ポンプピストン
１０６ ポンプブロック
１０７ 第１の均質化デバイス
１０９ 入口ダンパー
１１０ 出口ダンパー
２０２ 第１段フォーサー
２０４ シート
２０６ ギャップ
２０８ 油圧アクチュエータ
２１０ 第２段フォーサー
２１２ シート
２１４ ギャップ
２１６ 油圧アクチュエータ

Claims (18)

1. ホモジナイザーの状態モニタリングのための方法であって、この方法は、
   第１の圧力センサーから第１の圧力データを受け取るステップであって、前記第１の圧力データは均質化デバイスの上流の製品圧力を示す、ステップと、
   第１の圧力基準データと前記第１の圧力データとを比較するステップと、
   を備える方法。
2. 前記方法はさらに、
   第２の圧力センサーからの第２の圧力データを受け取るステップであって、前記第２の圧力データは、前記均質化デバイス内において適所でフォーサーを保持するために使用されるカウンター圧力を示す、ステップと、
   前記第１の圧力データおよび前記第２の圧力データを第１の圧力基準データおよび第２の圧力基準データと比較するステップと、
   を備える請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の圧力データは油圧ポンプによって形成される油圧に関連付けられる、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の圧力データおよび前記第２の圧力データを第１の圧力基準データおよび第２の圧力基準データと比較する前記ステップはさらに、
   前記第１の圧力データと前記第２の圧力データとの間の圧力比を特定するステップと、
   前記圧力比と、前記第１の圧力基準データと前記第２の圧力基準データとの間の比である圧力基準比との間の偏差比を特定するステップと、
   を備える請求項２または請求項３に記載の方法。
5. 前記偏差比が０．８５未満である場合に非最適状態を示す通知信号を送信するステップをさらに備える、請求項４に記載の方法。
6. 前記偏差比が１．１５よりも大きい場合に非最適状態を示す通知信号を送信するステップをさらに備える、請求項４または請求項５に記載の方法。
7. 第３の圧力センサーから第３の圧力データを受け取るステップであって、前記第３の圧力データは前記均質化デバイスの下流でかつ付加的な均質化デバイスの上流の付加的な製品圧力を示す、ステップをさらに備え、
   前記第１の圧力データを前記第１の圧力基準データと比較する前記ステップはさらに、
   前記第３の圧力データを第３の圧力基準データと比較するステップを備える、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 第４の圧力センサーから第４の圧力データを受け取るステップであって、前記第４の圧力データは付加的な均質化デバイス内において適所で付加的なフォーサーを保持するために使用されるカウンター圧力を示す、ステップをさらに備え、
   前記第１の圧力データを前記第１の圧力基準データと比較する前記ステップはさらに、
   前記第４の圧力データを第４の圧力基準データと比較するステップを備える、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 位置センサーから偏心シャフト位置データを受け取るステップをさらに備え、
   前記第１の圧力データおよび前記第２の圧力データを前記第１の圧力基準データおよび前記第２の圧力基準データと比較する前記ステップはさらに、
   前記偏心シャフト位置に依存する差が補償されることをもたらすために前記偏心シャフト位置を考慮するステップを備える、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. 最後の停止からの運転時間を示す運転時間データを受け取るステップをさらに備え、
    前記第１の圧力データおよび前記第２の圧力データを前記第１の圧力基準データおよび前記第２の圧力基準データと比較する前記ステップはさらに、
    最後の停止からの運転時間に依存する差が補償されることをもたらすために前記運転時間データを考慮するステップを備える、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記ホモジナイザーの温度を示す温度データを受け取るステップをさらに具備し、
    前記第１の圧力データを前記第１の圧力基準データと比較する前記ステップはさらに、
    前記ホモジナイザーの前記温度に依存する差が補償されることをもたらすために前記温度データを考慮するステップを備える、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記第１の圧力データを第１の圧力基準データと比較する前記ステップは、
    前記第１の圧力データについての分散を特定するステップと、
    前記第１の圧力データについての前記分散を前記第１の圧力基準データについての分散と比較するステップと、
    を備える、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
13. ホモジナイザーの状態モニタリングのためのシステムであって、このシステムは、
    第１の圧力データを取得するための第１の圧力センサーであって、前記第１の圧力データは均質化デバイスの上流の製品圧力を示す、第１の圧力センサーと、
    第１の圧力基準データと前記第１の圧力データとを比較するデータ処理装置と、
    を備えるシステム。
14. 第２の圧力データを取得するための第２の圧力センサーであって、前記第２の圧力データは、前記均質化デバイス内において適所でフォーサーを保持するために使用されるカウンター圧力を示す、第２の圧力センサーをさらに備え、
    前記データ処理装置は、前記第１の圧力データおよび前記第２の圧力データを第１の圧力基準データおよび第２の圧力基準データと比較するよう構成される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記均質化デバイスの下流でかつ付加的な均質化デバイスの上流の付加的な製品圧力を示す第３の圧力データを取得するための第３の圧力センサーをさらに備え、
    前記データ処理装置は、前記第３の圧力データを第３の圧力基準データと比較するよう構成される、請求項１３または請求項１４に記載のシステム。
16. 付加的な均質化デバイス内において適所で付加的なフォーサーを保持するために使用されるカウンター圧力を示す第４の圧力データを取得するための第４の圧力センサーをさらに備え、
    前記データ処理装置は、前記第３の圧力データおよび前記第４の圧力データを第３の圧力基準データおよび第４の圧力基準データと比較するよう構成される、請求項１３ないし請求項１５のいずれか１項に記載のシステム。
17. 偏心シャフト位置を特定するための位置センサーをさらに備え、
    前記データ処理装置は、前記第１の圧力データを前記第１の圧力基準データと比較する際に前記偏心シャフト位置を考慮するよう構成される、請求項１３ないし請求項１６のいずれか１項に記載のシステム。
18. コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されるときに請求項１ないし請求項１２のいずれか１項を実行するよう構成されたコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラム。

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