JP3580353B2 - 圧力発生器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気などの気体を用いた圧力発生器に関し、特に発生する圧力を簡便に制御できる改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力発生器は、空気を供給源とし、出力に設定された圧力を発生するものである。図３は、従来の圧力発生器の構成ブロック図である。図において、圧力供給源１には圧力ポンプや高圧容器に収容された圧縮空気を用いる。制御バルブ２は、制御回路５から送られる操作信号に従って弁の開度を調節するもので、供給源１から出力タンク３に送られる空気の流量を調整している。
【０００３】
出力タンク３は、負荷の空気消費量によらず一定圧力の空気を負荷側に供給するための、容量である。圧力センサ４は、出力タンク３の内部圧力や負荷への供給圧力を測定するために使用する。制御回路５は、圧力センサ４の測定値と設定値とを比較して、出力タンク３の圧力が目標値となるように制御バルブ２に操作信号を送る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法では、圧力センサ４の測定値を監視しなければ、出力タンク３の出力値を知ることができず、圧力発生時の制御方式が常にフィードバック制御になるという課題があった。また、出力タンク３の出力値は制御回路５と制御バルブ２を用いたフィードバック制御により安定化していたので、圧力発生器そのものの出力精度は圧力センサ４の確度や応答時間により制約されるという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決したもので、モニタ用のセンサの動特性に依存せず、予測制御により正確な圧力を発生する圧力発生器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する圧力発生器に関する本発明は、
所定の初期圧力の入力タンクと、
所定容積の負荷が接続された出力タンクと、
前記入力タンクと前記出力タンクとを接続する連結バルブと、
前記出力タンクを大気圧に開放する開放バルブと、
を有する圧力発生器において、
前記連結バルブおよび前記開放バルブの開閉を制御するバルブ制御手段と、
前記連結バルブが閉じた状態での前記入力タンクの初期圧力を測定する圧力センサと、
前記開放バルブの開閉により大気圧に開放された後に前記開放バルブが閉じた状態の前記出力タンクおよび前記負荷が、前記初期圧力の入力タンクと連通した場合の内部圧力の変化と時間の関数に基づいて、前記出力タンクおよび前記負荷の内部圧力が予め設定された目標圧力値に到達するまでの到達時間を演算する演算手段と、
を備え、
前記バルブ制御手段は、前記開放バルブを閉じると共に、前記到達時間だけ前記連結バルブを開放し、前記入力タンクから前記出力タンクおよび前記負荷に気体の供給を行うことを特徴としている。
【０００７】
このような構成によれば、到達時間演算手段を用いて、入力タンクから任意の圧力を加えた場合に、出力タンクと負荷が目標圧力値に達するまでの時間が演算できる。そこで、バルブ制御手段によって、入力タンクと出力タンクとを接続する連結バルブを到達時間演算手段の演算した時間だけ開放／遮断の操作を行うことで、圧力発生制御が可能になる。
【０００８】
ここで、請求項２のように、前記入力タンクは、入力バルブＢ１を介して気体の供給源と接続される構成とすると、供給圧が変動しても、発生制御系への影響を低減させることができる。
【０００９】
また、請求項３のように、前記関数のパラメータは、入力タンクの容積Vsと初期圧力Ｐs、入力タンクと出力タンクを連結する配管の径Ｄと長さＬ、出力タンクと負荷の合計容積Ｖoと初期圧力Ｐoを有する構成とすると、到達時間演算手段が、入力タンクから任意の圧力を加えた場合に、出力タンクと負荷が目標圧力値に達するまでの時間の演算に必要とするパラメータが得られる。
【００１０】
また、前記関数のパラメータは、入力タンクに充填された供給空気の粘性抵抗（η）を有する構成とすると、入力タンクと出力タンクを連結する配管における気体の流量特性が正確に得られる。好ましくは、請求項４のように、前記供給空気の粘性抵抗は、入力タンクに充填された供給空気の温度から求める構成とすると、測定が簡単に行える。
【００１１】
さらに、請求項５のように、前記バルブ制御手段は、
前記開放バルブを開放して前記出力タンクと前記負荷を大気圧にした後、前記開放バルブを閉じると共に連結バルブを開放して前記入力タンクと前記出力タンク並びに前記負荷を共通の圧力にし、
前記圧力センサは、この共通の圧力を測定し、
前記演算手段は、ボイル・シャルルの式を用いて前記負荷の容積を演算し、前記関数のパラメータに用いることを特徴としている。
【００１２】
このような構成によると、圧力発生器に接続される負荷容量が自動計測される。このとき、圧力の測定は密閉された容積内部の測定となるので、時間的には安定しており、圧力センサの応答速度は測定誤差とならない。負荷容量は、圧力発生中は一定と考えられるので、この負荷容量の測定は最初に一度だけ行えば良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成ブロック図で、圧力発生器の負荷容量測定過程を示している。図において、供給源Ｔ０は所定圧力の気体を供給するもので、圧力ポンプや圧縮空気ボンベ等が用いられる。入力タンクＴ１は、所定の初期圧力Ｐ１の気体を収容している。出力タンクＴ２は、所定容積の負荷Ｔ３と接続される圧力容器である。
【００１４】
入力バルブＢ１は、供給源Ｔ０と入力タンクＴ１とを接続するバルブである。連結バルブＢ２は、入力タンクＴ１と出力タンクＴ２とを接続するバルブである。開放バルブＢ３は、出力タンクＴ３を大気圧Ｐｏに開放する際に使用するバルブである。圧力センサＳ１は、入力タンクＴ１の内部圧力を測定するセンサで、応答速度は数秒程度の遅いものであって差し支えない。バルブ制御部ＣＴＬは、入力バルブＢ１、連結バルブＢ２、並に開放バルブＢ３の開閉を制御するコントローラである。
【００１５】
このように構成された装置において、負荷Ｔ３の容量測定は次のようにして行う。第１の工程では、連結バルブＢ２を閉じておき、入力バルブＢ１を開放して入力タンクＴ１に供給源Ｔ０からの空気を供給する。一方、出力タンクＴ２と負荷Ｔ３を接続した状態で、開放バルブＢ３を開放して出力タンクＴ２と負荷Ｔ３の内部圧力を大気圧にする。
【００１６】
第２工程では、入力タンクＴ１では、入力バルブＢ１を閉じて、供給源Ｔ０からの外乱をなくした安定した圧力が発生しているので、内部圧力Ｐ１を圧力センサＳ１で測定する。第３の工程では、開放バルブＢ３を閉じると共に、連結バルブＢ２を開放して入力タンクＴ１と出力タンクＴ２並びに負荷Ｔ３を共通の圧力Ｐ２にする。その後、安定した内部圧力Ｐ２を圧力センサＳ１で測定する。
【００１７】
第４の工程では、入力タンクＴ１と出力タンクＴ２の既知容積と、大気開放されていた出力タンクＴ２と負荷Ｔ３のゲージ換算圧ゼロ０を用い、ボイル・シャルルの式を用いて負荷Ｔ３の容量を演算する。即ち、
Ｔ１＊Ｐ１＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）＊Ｐ２ （１）
が成立するから、
Ｔ３＝｛（Ｔ１＊Ｐ１）−（Ｔ１＋Ｔ２）＊Ｐ２｝／Ｐ２ （２）
となり、負荷容量が得られる。
【００１８】
続いて、目標圧力の発生について説明する。図２は本発明の一実施例を示す構成ブロック図で、目標圧力の発生過程を示している。なお、図２において前記図１と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。ここでは、供給源Ｔ０と、入力バルブＢ１を省略している。入力タンクＴ１は、所定の初期圧力Ｐｓとなっている。図示しないバルブ制御部ＣＴＬは、連結バルブＢ２と開放バルブＢ３の開閉を制御する。
【００１９】
このように構成された装置において、負荷Ｔ３で目標圧力が得られるように、バルブ制御部ＣＴＬが連結バルブＢ２と開放バルブＢ３の制御を行う。この際に、供給側から任意の圧力を加えた場合に、出力側で目標圧力値に到達する迄の時間が算出できるので、この算出した時間だけ途中のバルブを開閉することで、圧力発生制御が行える。
【００２０】
続いて、具体的な説例をもとに説明する。ここでは、入力タンクＴ１の容量が、出力タンクＴ２と負荷Ｔ３の合計容量に比較して無限大とみなせるほど充分に大きいものとする。また、連結バルブＢ２は閉じた状態にあり、供給圧が既に入力タンクＴ１に充填されているものとする。
【００２１】
第１の工程では、入力タンクＴ１の初期圧力値Ｐｓを圧力センサＳ１で測定する。入力タンクＴ１の初期圧力値Ｐｓは安定しているので、圧力センサＳ１の応答時間は遅いものでも良い。第２の工程では、開放バルブＢ３を開放する。すると、出力タンクＴ２と負荷Ｔ３が接続された状態では、内部圧力Ｐｏは大気圧となり、ゲージ換算圧力ではゼロとなる。
【００２２】
第３の工程では、入力タンクＴ１に充填された供給空気の温度Ｔａを測定する。この温度Ｔａは、供給空気の粘性抵抗ηを求めるのに使用する。温度Ｔａと粘性抵抗ηとの関係は、予めデータベースで保有しているものとする。このようにして、初期圧力値Ｐｓ、内部圧力Ｐｏが得られているので、既に求めてある負荷Ｔ３の容量と、入力タンクＴ１と出力タンクＴ２の容量を用いて、供給源が無限の場合の時間算出関数Ｔに代入して、目標圧力値Ｐｏｔに到達する時間Ｔを演算する。
Ｔ＝−Ｒ／２ＣＰｓｃ （３）
【００２３】
ここで、各変数は次のように定められる。
Ｒ＝ｌｎ［｛（Ｐｏ（Ｔ）−Ｐｓｃ）／（Ｐｏ（Ｔ）＋Ｐｓｃ）｝／Ｗｏ］ （４）
Ｗｏ＝（Ｐｏ（０）−Ｐｓｃ）／（Ｐｏ（０）＋Ｐｓｃ） （５）
Ｃ＝Ａ／２Ｖｏ （６）
Ａ＝（π／１２８η）＊（Ｄ^４／Ｌ） （７）
ここで、Ｄは入力タンクＴ１と出力タンクＴ２を接続する配管の内径、Ｌは長さである。Ｖｏは出力タンクＴ２と負荷Ｔ３の容量である。Ｐｓｃは供給空気の圧力で、ここでは初期圧力値Ｐｓと等しくなっている。
【００２４】
第４の工程では、開放バルブＢ３を閉じると共に、連結バルブＢ２を開放する。そして、入力タンクＴ１から供給空気の供給を開始し、（３）式で算出された時間Ｔだけ経過した後、連結バルブＢ２を閉じて供給空気の供給を停止する。このようにして、出力タンクＴ２と負荷Ｔ３には設定された目標圧力値Ｐｏｔが得られる。
【００２５】
なお、上記実施例においては、圧力を上昇させる場合を念頭において説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧力を減少させる場合にも適用できる。即ち、出力タンクＴ２と負荷Ｔ３には加圧された空気を貯え、入力タンクＴ１を大気開放しておくことで、連結バルブＢ２の時間制御により、出力タンクＴ２と負荷Ｔ３には設定された目標圧力値Ｐｏｔが得られる。
【００２６】
さらに、連結バルブＢ２の応答の遅れを加味したい場合には、時間入力に対する圧力値を算出する関数を使用して予測可能である。また、配管系を何種類か用意した構成の場合には、圧力勾配と圧力の関数を使用して、最適な配管系を選択しながらの制御が可能になる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧力発生器によれば、到達時間演算手段により圧力の応答を時間関数で算出しているので、連結バルブの開放時間が圧力を用いて算出でき、圧力制御が容易に行える。また、圧力制御は連結バルブの開放時間により制御するので、モニタ用に用意されている圧力センサは応答時間の遅いものでも差し支えなく、さらにこのモニタ用の圧力センサを使用したダイナミックなフィードバック制御をする必要もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成ブロック図で、圧力発生器の負荷容量測定過程を示している。
【図２】本発明の一実施例を示す構成ブロック図で、目標圧力の発生過程を示している。
【図３】従来の圧力発生器の構成ブロック図である。
【符号の説明】
Ｂ１ 入力バルブ
Ｂ２ 連結バルブ
Ｂ３ 開放バルブ
Ｓ１ 圧力センサ
Ｔ０ 供給源
Ｔ１ 入力タンク
Ｔ２ 出力タンク
Ｔ３ 負荷

Claims (5)

1. 所定の初期圧力の入力タンクと、
   所定容積の負荷が接続された出力タンクと、
   前記入力タンクと前記出力タンクとを接続する連結バルブと、
   前記出力タンクを大気圧に開放する開放バルブと、
   を有する圧力発生器において、
   前記連結バルブおよび前記開放バルブの開閉を制御するバルブ制御手段と、
   前記連結バルブが閉じた状態での前記入力タンクの初期圧力を測定する圧力センサと、
   前記開放バルブの開閉により大気圧に開放された後に前記開放バルブが閉じた状態の前記出力タンクおよび前記負荷が、前記初期圧力の入力タンクと連通した場合の内部圧力の変化と時間の関数に基づいて、前記出力タンクおよび前記負荷の内部圧力が予め設定された目標圧力値に到達するまでの到達時間を演算する演算手段と、
   を備え、
   前記バルブ制御手段は、前記開放バルブを閉じると共に、前記到達時間だけ前記連結バルブを開放し、前記入力タンクから前記出力タンクおよび前記負荷に気体の供給を行うことを特徴とする圧力発生器。
2. 前記入力タンクは、入力バルブを介して気体の供給源と接続されることを特徴とする請求項１に記載の圧力発生器。
3. 前記関数のパラメータは、前記入力タンクの容積と初期圧力、前記入力タンクと前記出力タンクを連結する配管の径と長さ、前記出力タンクと前記負荷の合計容積と初期圧力、前記入力タンクに充填された供給気体の粘性抵抗を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力発生器。
4. 前記供給気体の粘性抵抗は、前記入力タンクに充填された供給気体の温度から求められたことを特徴とする請求項３記載の圧力発生器。
5. 前記バルブ制御手段は、前記開放バルブを開放して前記出力タンクと前記負荷を大気圧にした後、前記開放バルブを閉じると共に連結バルブを開放して前記入力タンクと前記出力タンク並びに前記負荷を共通の圧力にし、
   前記圧力センサは、この共通の圧力を測定し、
   前記演算手段は、ボイル・シャルルの式を用いて前記負荷の容積を演算し、前記関数のパラメータに用いることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧力発生器。

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