JP4630737B2 - 圧力制御方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば超高圧下での物性研究や新素材開発に用いられている試料加圧用の圧力容器内の耐圧試験、圧力センサーの性能評価試験、油圧プレスの油圧アクチュエータ内の圧力液体などの高圧加減圧制御に用いられる圧力制御方法及びその装置に関するものである。

従来この種の圧力制御方法として、図４の如く、例えば、加圧過程、保持過程、減圧過程からなる、予め設定された圧力パターンに基づいて圧力容器、圧力センサ、液圧アクチュエータ等の制御対象物に対する圧力液体Ｌの圧力制御を行うに際し、図８、図９の如く、シリンダＣのシリンダ室内に可変速モータＭ及びねじ機構Ｎにより進退されるピストンＰが内装され、ピストンＰによりロッド側に圧力室Ｒが形成され、圧力室Ｒに上記制御対象物Ｗの制御口部を接続してなる水鉄砲式のねじ駆動ポンプＷを用いた構造のものが知られている。しかして、圧力検出センサＤ及び制御部Ｓにより、予め設定された圧力パターンに基く制御すべき対象物としての圧力容器内の圧油や油圧アクチュエータ内の圧油などの圧力液体の目標圧力と実圧力との差を検出し、この正又は負の圧力差に応じて可変速モータＭを正逆駆動し、ピストンＰを押し又は引き動作して圧力液体の圧力制御を行うようにしている。

ここに、このねじ駆動ポンプは、比較的構造が簡素であり、小型化も可能な構造であり、加圧及び減圧は可変速モータの回転方向で決定され、かつ、可変速モータの回転を停止するだけで圧力保持が可能であり、発熱、騒音、機器寿命の点においてもメリットが大きいものである。
特開２００４−１２６８０６

しかしながら上記従来構造の場合、ねじ機構を採用する構造であるから、例えば、ねじ機構として採用されるボールねじ機構の最大許容荷重を考慮すると高圧昇圧が困難となったり、ねじ機構を含む駆動系の大型化が余儀なくされたりすることになるという不都合を有している。

本発明はこれらの不都合を解決することを目的とするもので、本発明のうちで、請求項１記載の方法の発明は、予め設定された圧力パターンに基づいて制御対象物に対する圧力液体の圧力制御を行うに際し、シリンダのシリンダ室内に可変速モータ及びねじ機構により進退される復動型ピストンが内装され、該復動型ピストンによりヘッド側に一次側室が形成され、ロッド側に二次側室が形成されてなるねじ駆動ポンプが用いられ、該ねじ駆動ポンプの二次側室は上記制御対象物の制御口部に接続され、一次側室はポンプ及び圧力制御弁に接続され、該一次側室内の圧力制御及びねじ駆動ポンプの駆動制御により該二次側室内の圧力を制御して制御対象物に対する圧力液体の圧力制御を行うことを特徴とする圧力制御方法にある。

又、請求項２記載の方法の発明は、上記ねじ機構は上記可変速モータの回転をねじ軸及びナット部により上記復動型ピストンの進退運動に変換可能に設けられ、該ナット部は復動型ピストンのロッド部側に設けられていることを特徴とするものであり、又、請求項３記載の方法の発明は、上記二次側室内の圧力Ｐ₂を制御するに際し、上記一次側室の圧力Ｐ₁を下記の式（１）及び式（２）を満足する条件で制御することを特徴とするものである。
（Ｐ₁×Ａ₁）＋Ｆｂ＝Ｐ₂×Ａ₂・・・式（１）
０＜Ｆｂ＜Ｆｂ_max・・・式（２）
ここに、Ｐ₁は一次側室の圧力、Ａ₁は一次側室の受圧面積、Ｐ₂は二次側室の圧力、Ａ₂は二次側室の受圧面積、Ｆｂはねじ荷重、Ｆｂ_maxは最大許容ねじ荷重である。

又、請求項４記載の装置の発明は、予め設定された圧力パターンに基づいて制御対象物に対する圧力液体の圧力制御を行う圧力制御装置において、シリンダのシリンダ室内に可変速モータ及びねじ機構により進退される復動型ピストンが内装され、該復動型ピストンによりヘッド側に一次側室が形成されると共にロッド側に二次側室が形成されてなるねじ駆動ポンプを用い、該ねじ駆動ポンプの二次側室に上記制御対象物の制御口部を接続し、一次側室にポンプ及び圧力制御弁を接続し、該一次側室内の圧力制御及びねじ駆動ポンプの駆動制御により該二次側室内の圧力を制御して制御対象物に対する圧力液体の圧力制御を行う制御部を設けてなることを特徴とする圧力制御装置にある。

又、請求項５記載の装置の発明は、上記ねじ機構は上記可変速モータの回転をねじ軸及びナット部により上記復動型ピストンの進退運動に変換可能に設けられ、該ナット部は復動型ピストンのロッド部側に設けられていることを特徴とするものであり、又、請求項６記載の装置の発明は、上記シリンダ及び復動型ピストンにより上記一次側室と二次側室との相互の圧力液体の混り合いを防ぐ液漏許容領域を設けてなることを特徴とするものである。

本発明は上述の如く、請求項１又は４記載の発明にあっては、予め設定された圧力パターンに基づいて制御対象物に対する圧力液体の圧力制御を行うに際し、シリンダのシリンダ室内に可変速モータ及びねじ機構により進退される復動型ピストンが内装され、復動型ピストンによりヘッド側に一次側室が形成され、ロッド側に二次側室が形成されてなるねじ駆動ポンプが用いられ、ねじ駆動ポンプの二次側室は制御対象物の制御口部に接続され、一次側室はポンプ及び圧力制御弁に接続され、一次側室内の圧力制御及びねじ駆動ポンプの駆動制御により二次側室内の圧力を制御して制御対象物に対する圧力液体の圧力制御を行うようにしているから、ねじ駆動ポンプの固有の効果を併有しつつ、制御対象物の高圧制御を行うことができ、かつ、一次側室の圧力制御精度を二次側室の圧力制御精度に合わせる必要がなく、一次側室の圧力制御を精度はラフであるが大きな力を得ると共にねじ機構によるつりあい力について高精度に制御することができ、装置構造の簡素化及び小型化を図ることができると共に圧力制御が容易であって制御の融通性を高めることができ、高圧高精度な圧力制御を行うことができる。

又、請求項２又は５記載の発明にあっては、上記ねじ機構は上記可変速モータの回転をねじ軸及びナット部により上記復動型ピストンの進退運動に変換可能に設けられ、ナット部は復動型ピストンのロッド部側に設けられているから、ねじ機構のねじ軸には引張力が掛かることになり、ねじ軸の座屈現象を考慮する必要がなく、ねじ機構の小型化及び耐久性を高めることができ、又、請求項３記載の発明にあっては、上記二次側室内の圧力を制御するに際し、上記一次側室の圧力を下記の式（１）及び式（２）
（Ｐ₁×Ａ₁）＋Ｆｂ＝Ｐ₂×Ａ₂・・・式（１）
０＜Ｆｂ＜Ｆｂ_max・・・式（２）
（ここに、Ｐ₁は一次側室の圧力、Ａ₁は一次側室の受圧面積、Ｐ₂は二次側室の圧力、Ａ₂は二次側室の受圧面積、Ｆｂはねじ荷重、Ｆｂ_maxは最大許容ねじ荷重）を満足する条件で制御するようにしているから、ねじ機構の小型化を図ることができると共に二次圧室からの吐出量を大きくすることができ、高圧圧力制御を容易に行うことができる。

又、請求項６記載の発明にあっては、上記シリンダ及び復動型ピストンにより上記一次側室と二次側室との相互の圧力液体の混り合いを防ぐ液漏許容領域を設けてなるから、一次側室に二次側室と異なる圧力液体を使用することができ、使用の融通性を高めることができる。

図１乃至図７は本発明の実施の形態例を示し、図１乃至図５は第一形態例、図６は第二形態例、図７は第三形態例を示している。

図１乃至図５の第一形態例は制御対象物Ｋとしての圧力容器内の油である圧力液体Ｌの圧力制御に適用したもので、１はねじ駆動ポンプであって、この場合、ねじ駆動ポンプ１はシリンダ２のシリンダ室３内に可変速モータ４、減速機４ｂ及びねじ機構５により進退される復動型ピストン６が内装され、復動ピストン６は回り止め状態で進退自在に設けられ、復動型ピストン６によりヘッド側に一次側室７が形成されると共にロッド側に二次側室８が形成され、一次側室７に一次側口部Ｑ₁が形成されると共に二次側室８に一次側口部Ｑ₂が形成されてなる。

この場合、上記ねじ機構５は上記可変速モータ４の回転をねじ軸５ａ及びナット部５ｂにより上記復動型ピストン６の進退運動に変換可能に設けられ、このナット部は復動型ピストン６のロッド部側に設けられている。

そして、このねじ駆動ポンプ１の二次側室８に制御対象物Ｋとしての圧力容器の制御口部Ｋ₁を接続し、一方、一次側室７に定量吐出型のポンプ９及び比例リリーフ弁とした圧力制御弁１０を接続している。尚、この圧力制御弁１０とは圧力を制御可能な弁を意味する概念であり、この圧力制御弁１０には一般の圧力制御弁は勿論のこと、結果的に圧力を制御することが可能な流量制御弁等を含むものである。

１１は制御部であって、この場合コンピュータやシーケンサからなる演算部により構成され、予め定めた圧力パターンによる目標圧力と一次圧検出センサ１２及び二次圧検出センサ１３により検出される各実圧力に基づいて、二次側室内の圧力Ｐ₂を圧力制御弁１０の絞り開口度合いによる一次側室７内の圧力制御及び可変速モータ４によるねじ駆動ポンプ１の回転量及び正転逆転駆動制御を行うようにしている。

この場合、上記二次側室８内の圧力Ｐ₂を制御するに際し、図３の如く、一次側室７の圧力をＰ₁、一次側室７の受圧面積をＡ₁、二次側室８の圧力をＰ₂、二次側室８の受圧面積をＡ₂、ねじ機構５に対するねじ荷重をＦｂと表したとき、つりあい条件から、
（Ｐ₁×Ａ₁）＋Ｆｂ＝Ｐ₂×Ａ₂・・・式（１）
なる式が得られ、この際、構造上、ねじ機構５、例えば、ボールねじの最大許容ねじ荷重Ｆｂ_maxを考慮しなければならないので、
０＜Ｆｂ＜Ｆｂ_max・・・式（２）
なる式（２）が得られ、しかして、図５の如く、この式（１）及び（２）条件を満足するように制御するようにして一次側室７の圧力をＰ₁を制御することにより制御すべき二次側室８内の圧力Ｐ₂を制御するようにしている。

すなわち、最大許容ねじ荷重Ｆｂ_maxには限界があることを考慮し、二次側室８の圧力を高圧制御するため、図３、図５を参照すると、ねじ機構５のＦｂ＝０の線Ｌ_LとＦｂ_maxの線Ｌ_Uの間にＦｂが入るように制御することが必要である。即ち、図５において、Ｘ軸からＬ_Lが全負荷Ｐ₂×Ａ₂に等しく、Ｌ_LからＦｂ分、下の点からＸ軸までがＰ₁×Ａ₁となる。それ故、以下の範囲でＰ₁を制御することが必要である。
（１）実圧Ｐ₂を目標値に近づけるため、ボールねじを制御する。
（２）実圧Ｐ₂から（Ｐ₂×Ａ₂）を求め、Ｆｂ＝０の場合として、Ｐ_1max＝（Ｐ₂×Ａ₂）／Ａ₁を求める。又、Ｆｂ＝Ｆｂ_maxの場合として、Ｐ_1min＝（Ｐ₂×Ａ₂−Ｆｂ_max）／Ａ₁を求める。
（３）Ｐ₁はＰ_1min〜Ｐ_1maxの間であれば良しとする。
（４）（３）項が満たされれば、（１）はそれ自体で独自に制御を行っても、ボールねじ許容限界を超えることはない。

以上から、所定の二次側室８の高圧力を得るため、ねじ機構５による復動型ピストン６の推力（Ｆｂ）による圧力のみに依存せず、補完的に、目標圧力に応じて圧力制御される一次側室７の圧力Ｐ₁がもたらす推力（Ｐ₁×Ａ₁）を得ることにより二次側室８に目標とする高い圧力を得、一次側室７の圧力をラフに制御しつつねじ機構５により高精度な圧力制御をしようとしているのである。

この実施の形態例は上記構成であるから、制御対象物Ｋとしての圧力容器及び各管路には油が満たされている下、制御対象物Ｋに対する加圧過程においては、圧力パターンによる目標圧力に応じて、ねじ駆動ポンプ１の可変速モータ４の正転制御により復動型ピストン６を引動し、この引動により二次側室８から制御口部Ｋ₁より圧力液体Ｌを送り込んで加圧し、目標圧力の上昇に伴い、ポンプ９及び圧力制御弁１０の制御により一次側室７内の圧力を制御し、補完的に、一次側室７の圧力Ｐ₁を得て、目標とする二次側室８内の圧力を得ることになり、又、保持過程においては、ねじ駆動ポンプ１の可変速モータ４の回転を停止制御することになり、又、制御対象物Ｋに対する減圧過程においては、圧力パターンによる目標圧力に応じて、ねじ駆動ポンプ１の可変速モータ４の逆転制御により復動型ピストン６を押動して制御口部Ｋ₁から二次側室８へと圧力液体Ｌを戻すと共にポンプ９及び圧力制御弁１０の制御により一次側室７内の圧力を制御して目標とする二次側室８内の圧力を得ることになり、これら制御は一次圧検出センサ１２及び二次圧検出センサ１３からの実圧力検出に基づいて制御部１１によりなされることになる。

このように、予め設定された圧力パターンに基づいて制御対象物Ｋに対する圧力液体Ｌの圧力制御を行うに際し、シリンダ２のシリンダ室３内に可変速モータ４及びねじ機構５により進退される復動型ピストン６が内装され、復動型ピストン６によりヘッド側に一次側室７が形成され、ロッド側に二次側室８が形成されてなるねじ駆動ポンプ１が用いられ、ねじ駆動ポンプ１の二次側室８は制御対象物Ｋの制御口部Ｋ₁に接続され、一次側室７はポンプ９及び圧力制御弁１０に接続され、一次側室７内の圧力制御及びねじ駆動ポンプ１の駆動制御により二次側室８内の圧力を制御して制御対象物Ｋに対する圧力液体Ｌの圧力制御を行うようにしているから、前記ねじ駆動ポンプ１の固有の効果を併有しつつ、制御対象物Ｋの高圧制御を行うことができ、かつ、一次側室７の圧力制御精度を二次側室８の圧力制御精度に合わせる必要がなく、一次側室７の圧力制御を精度はラフであるが大きな力（Ｐ₁×Ａ₁）を得ると共にねじ機構５によるつりあい力（Ｐ₂×Ａ₂）−（Ｐ₁×Ａ₁）について高精度に制御することができ、装置構造の簡素化及び小型化を図ることができると共に圧力制御が容易であって制御の融通性を高めることができ、高圧高精度な圧力制御を行うことができる。

この場合、上記ねじ機構５は上記可変速モータ４の回転をねじ軸５ａ及びナット部５ｂにより上記復動型ピストン６の進退運動に変換可能に設けられ、ナット部５ｂは復動型ピストン６のロッド部側に設けられているから、ねじ機構５のねじ軸５ａには引張力が掛かることになり、ねじ軸５ａの座屈現象を考慮する必要がなく、ねじ機構５の小型化及び耐久性を高めることができ、又、この場合、上記二次側室内の圧力Ｐ₂を制御するに際し、上記一次側室の圧力Ｐ₁を下記の式（１）及び式（２）
（Ｐ₁×Ａ₁）＋Ｆｂ＝Ｐ₂×Ａ₂・・・式（１）
０＜Ｆｂ＜Ｆｂ_max・・・式（２）
（ここに、Ｐ₁は一次側室の圧力、Ａ₁は一次側室の受圧面積、Ｐ₂は二次側室の圧力、Ａ₂は二次側室の受圧面積、Ｆｂはねじ荷重、Ｆｂ_maxは最大許容ねじ荷重）を満足する条件で制御するようにしているから、ねじ機構５の小型化を図ることができると共に二次圧室８からの吐出量を大きくすることができ、高圧圧力制御を容易に行うことができる。

図６の第二形態例は別例構造を示し、この場合、復動ピストン６のヘッド側に連結筒ロッド１４を連結し、連結筒ロッド１４にナット部５ｂを取り付け、復動ピストン６押動により二次側室８の圧力を制御する構造となっている。

この第二形態例にあっては、ねじ軸５ａの座屈現象を考慮する必要があるものの、第一形態例と同様な作用効果を得ることができるものである。

図７の第三形態例は、駆動制御系統の液体が油であり、制御すべき圧力液体Ｌが水のように異種の液体を使用する場合の形態例であり、この場合、上記シリンダ２及び復動型ピストン６により上記一次側室７と二次側室８との相互の圧力液体の混り合いを防ぐ液漏許容領域１５を設けている。即ち、復動ピストン６に液漏許容溝６ａを形成すると共に二次側室８への液漏れを防ぐパッキン材１６を設け、シリンダ２にドレン口２ａを形成し、ドレン口２ａをタンクＴに接続するように構成している。

この第三形態例にあっては、第一形態例と同様な作用効果を得ることができると共に一次側室に二次側室８と異なる圧力液体を使用することができ、使用の融通性を高めることができる。

尚、上記実施の形態例においては、圧力容器Ｋ内の油である圧力流体の圧力制御に適用しているが、液圧アクチュエータの圧力制御、例えば、油圧プレスの油圧シリンダに給送される油、水圧プレス等のその他の液圧アクチュエータに用いられる水等の圧力液体Ｌの圧力制御にも適用することができる。この場合、液圧アクチュエータを加減圧制御する位置まで制御するような他の油圧駆動回路を付加することになるであろう。

以上、所期の目的を充分達成することができる。

本発明の実施の第一形態例のねじ駆動ポンプの説明断面図である。 本発明の実施の第一形態例の制御油圧系統図である。 本発明の実施の第一形態例のねじ駆動ポンプの説明図である。 圧力パターン図である。 本発明の実施の第一形態例の制御説明図である。 本発明の実施の第二形態例のねじ駆動ポンプの説明図である。 本発明の実施の第三形態例のねじ駆動ポンプの説明図である。 従来構造のねじ駆動ポンプの説明図である。 従来構造の制御油圧系統図である。

符号の説明

Ｌ 圧力液体
Ｋ 制御対象物
１ ねじ駆動ポンプ
２ シリンダ
３ シリンダ室
４ 可変速モータ
５ ねじ機構
５ａ ねじ軸
６ 復動型ピストン
７ 一次側室
８ 二次側室
９ ポンプ
１０ 圧力制御弁
１１ 制御部
１２ 一次圧検出センサ
１３ 二次圧検出センサ

Claims (6)

1. 予め設定された圧力パターンに基づいて制御対象物に対する圧力液体の圧力制御を行うに際し、シリンダのシリンダ室内に可変速モータ及びねじ機構により進退される復動型ピストンが内装され、該復動型ピストンによりヘッド側に一次側室が形成され、ロッド側に二次側室が形成されてなるねじ駆動ポンプが用いられ、該ねじ駆動ポンプの二次側室は上記制御対象物の制御口部に接続され、一次側室はポンプ及び圧力制御弁に接続され、該一次側室内の圧力制御及びねじ駆動ポンプの駆動制御により該二次側室内の圧力を制御して制御対象物に対する圧力液体の圧力制御を行うことを特徴とする圧力制御方法。
2. 上記ねじ機構は上記可変速モータの回転をねじ軸及びナット部により上記復動型ピストンの進退運動に変換可能に設けられ、該ナット部は復動型ピストンのロッド部側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力制御方法。
3. 上記二次側室内の圧力Ｐ₂を制御するに際し、上記一次側室の圧力Ｐ₁を下記の式（１）及び式（２）を満足する条件で制御することを特徴とする請求項１又は２記載の圧力制御方法。
   （Ｐ₁×Ａ₁）＋Ｆｂ＝Ｐ₂×Ａ₂・・・式（１）
   ０＜Ｆｂ＜Ｆｂ_max・・・式（２）
   ここに、Ｐ₁は一次側室の圧力、Ａ₁は一次側室の受圧面積、Ｐ₂は二次側室の圧力、Ａ₂は二次側室の受圧面積、Ｆｂはねじ荷重、Ｆｂ_maxは最大許容ねじ荷重である。
4. 予め設定された圧力パターンに基づいて制御対象物に対する圧力液体の圧力制御を行う圧力制御装置において、シリンダのシリンダ室内に可変速モータ及びねじ機構により進退される復動型ピストンが内装され、該復動型ピストンによりヘッド側に一次側室が形成されると共にロッド側に二次側室が形成されてなるねじ駆動ポンプを用い、該ねじ駆動ポンプの二次側室に上記制御対象物の制御口部を接続し、一次側室にポンプ及び圧力制御弁を接続し、該一次側室内の圧力制御及びねじ駆動ポンプの駆動制御により該二次側室内の圧力を制御して制御対象物に対する圧力液体の圧力制御を行う制御部を設けてなることを特徴とする圧力制御装置。
5. 上記ねじ機構は上記可変速モータの回転をねじ軸及びナット部により上記復動型ピストンの進退運動に変換可能に設けられ、該ナット部は復動型ピストンのロッド部側に設けられていることを特徴とする請求項４記載の圧力制御装置。
6. 上記シリンダ及び復動型ピストンにより上記一次側室と二次側室との相互の圧力液体の混り合いを防ぐ液漏許容領域を設けてなることを特徴とする請求項４又は５記載の圧力制御装置。
   

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