JP6712110B2 - 圧力容器のサイクル試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力容器のサイクル試験装置に関する。

特許文献１には、両回転型ポンプと、この両回転型ポンプを駆動するサーボモータとを備え、両回転型ポンプで吸入吐出する作動水によって片ロッドシリンダを駆動する点が開示されている。
本技術によれば、１台のモータ、１台のポンプで片ロッドシリンダを駆動することが可能となる。

特開２０１２−２３７３２４号公報

増圧機を用いて水素タンクのような圧力容器の圧力サイクル試験を行うには、以下のようにすることができる。

すなわち、増圧機と、２台のポンプと、この２台のポンプをそれぞれ駆動する２台のモータとを用意する。増圧機は、作動媒体（油等）により駆動するピストンによって区画される第１室および第２室を有する駆動シリンダを備えている。そして、１台のポンプを駆動して第２室に作動媒体を注入し、このときの作動媒体の圧力によって移動するピストンの動きにより、第１室の作動媒体は増圧機外に吐出させる。これによりピストンを増圧機の増圧室内の圧力を増大させる方向に駆動する。増圧室にはワークとなる圧力容器が所定の流路で接続され、圧力容器や流路は圧力流体（水等）で満たされている。そして、増圧室内の圧力流体を高圧にすることによって、圧力容器内を昇圧することができる。

次に、もう１台の別のポンプで第１室に作動媒体を注入し、このときの作動媒体の圧力により移動するピストンの圧力によって、第２室の作動媒体を増圧機外に吐出させる。これによりピストンを増圧機の増圧室内の圧力を低下させる方向に駆動する。増圧室内の圧力流体を低圧にすることによって、圧力容器内を降圧することができる。
このような装置によれば、圧力容器内を交互に昇圧、降圧する動作を連続的に多数回行うことで、圧力容器の圧力サイクル試験を行うことができる。

しかしながら、かかる装置によれば、２台のポンプと２台のモータとを必要とする。すなわち、装置構成の簡素化が図られていないという不具合がある。
また、モータの動力が大きくなることで電力の消費が大きくなるという不具合もある。
さらに、必要な作動媒体の量も多くなり、作動媒体の冷却設備も多くなるという不具合もある。

この点で、前記の特許文献１の技術によれば、１台のポンプと１台のモータとで、シリンダを駆動することができるので、装置構成を簡素化することができる。
しかし、従来、１台のポンプと１台のモータとで圧力容器の圧力サイクル試験を行う技術については知られていなかった。
そこで、本発明の課題は、簡素で高性能な装置構成により圧力容器の圧力サイクル試験を行うことができるようにすることである。

本発明は、水である圧力流体を圧力容器内に出し入れすることで当該圧力容器を昇圧、降圧する増圧機を有する圧力容器のサイクル試験装置であって、前記増圧機は、油である作動媒体により駆動するピストンによって区画される第１室および第２室を有する駆動シリンダを有し、前記作動媒体の吸入吐出口である第１ポートおよび第２ポートを有する作動媒体ポンプと、前記作動媒体ポンプを駆動するサーボモータと、前記第１室と前記第１ポートを連通する第１の作動媒体流路と、前記第２室と前記第２ポートを連通する第２の作動媒体流路と、前記増圧機により吐出される圧力流体を前記圧力容器に導く流路に設けられたエア抜き弁と、を備え、前記サーボモータは、正転および逆転することにより、前記第１室および前記第２室に対して前記作動媒体の吸入および吐出を切り替えて前記増圧機を駆動することを特徴とする圧力容器のサイクル試験装置である。
別の本発明は、水である圧力流体を圧力容器内に出し入れすることで当該圧力容器を昇圧、降圧する増圧機を有する圧力容器のサイクル試験装置であって、前記増圧機は、油である作動媒体により駆動するピストンによって区画される第１室および第２室を有する駆動シリンダを有し、前記作動媒体の吸入吐出口である第１ポートおよび第２ポートを有する作動媒体ポンプと、前記作動媒体ポンプを駆動するサーボモータと、前記第１室と前記第１ポートを連通する第１の作動媒体流路と、前記第２室と前記第２ポートを連通する第２の作動媒体流路と、前記増圧機により吐出される圧力流体を前記圧力容器に導く流路に設けられた自動減圧弁と、を備え、前記サーボモータは、正転および逆転することにより、前記第１室および前記第２室に対して前記作動媒体の吸入および吐出を切り替えて前記増圧機を駆動する、ことを特徴とする圧力容器のサイクル試験装置である。

本発明によれば、１台の作動媒体ポンプと１台のサーボモータとで圧力容器の圧力サイクル試験を行うことができるので、装置構成を簡素化することができる。
また、サーボモータを駆動源とすることにより、圧力流体の圧力波形を所望の波形に制御することができる。
さらに、サーボモータの回転数制御により、作動媒体ポンプによって必要な量の圧力流体のみを吐出することが可能となるため、その分、サーボモータの動力を抑制することができる。

本発明によれば、簡素で高性能な装置構成により圧力容器の圧力サイクル試験を行うことができる。

本発明の一実施形態である圧力容器のサイクル試験装置１の構成を示す説明図である。 本発明の一実施形態による圧力サイクル試験により、圧力容器にかかる圧力流体による圧力の時間変化の例を示すグラフである。図２（ａ）の圧力波形の例はサイン波である。図２（ｂ）の圧力波形の例は三角波である。図２（ｃ）の圧力波形の例は台形波である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態である圧力容器のサイクル試験装置１の構成を示す説明図である。この圧力容器のサイクル試験装置１は、水素タンク等の圧力容器１００の圧力サイクル試験を行うための装置である。
圧力容器のサイクル試験装置１は、単動増圧機２、サーボモータ３、作動媒体ポンプ４、方向切換弁５、超高圧圧力センサ（圧力検出装置）６、制御装置７を備えている。

図１において、単動増圧機２は縦断面図で示している。単動増圧機２は、水等の圧力流体を吐出する装置である。単動増圧機２は、油等の作動媒体により駆動するピストン１１によって区画される第１室１２および第２室１３を有する駆動シリンダ１４を備えている。駆動シリンダ１４の第２室１３側の端部は底板１５が設けられ、駆動シリンダ１４の第１室１２側の端部は天板１６が設けられている。

天板１６の上には、駆動シリンダ１４の中心軸方向を長手方向として高圧シリンダ２１が設けられている。高圧シリンダ２１内には増圧室２２が設けられている。ピストン１１の第１室１２側にはプランジャ２３の一端側が固定されている。プランジャ２３は、その長手方向を高圧シリンダ２１の長手方向として、他端部側が天板１６の孔１６ａを介して増圧室２２内に挿通している。プランジャ２３の周面と増圧室２２の内周面とは密着している。また、ピストン１１の周面にはピストン１１と高圧シリンダ２１との間をシールするパッキン１７が設けられている。同様に、増圧室２２の駆動シリンダ１４側の内周面には駆動シリンダ１４とプランジャ２３との間をシールするパッキン１８が設けられている。

高圧シリンダ２１の先端部２４には、増圧室２２を外部と連通させる流路２５が設けられている。流路２５は、単動増圧機２の外部に配置された流路３１の一端と接続されている。流路３１の中間位置には、流路３２が接続されている。流路３２は流路３１に圧力流体を給液する流路である。流路３２には、流路２５に給液した圧力流体が逆流するのを防止するチェックバルブ３３が設けられている。流路３１の別の中間位置には、流路３４が接続されている。流路３４の先端部は圧力容器１００と接続される。さらに、流路３１の先端には超高圧圧力センサ６が接続されている。

作動媒体ポンプ４は、両回転型ポンプであって、いずれも作動媒体の吸入吐出口である第１ポート４１および第２ポート４２を有する。サーボモータ３は、正転および逆転して作動媒体ポンプ４を駆動する。正転したときは、第１ポート４１から作動媒体を吐出して、第２ポート４２から吸入する。逆転のときは、第２ポート４２から作動媒体を吐出して、第１ポート４１から吸入する。第１の作動媒体流路となる流路４３は、方向切換弁５により、第１室１２と第１ポート４１とを連通可能である。第２の作動媒体流路となる流路４４は、方向切換弁５により、第２室１３と第２ポート４２とを連通可能である。

作動媒体貯留容器５１は、作動媒体を貯留している。作動媒体貯留容器５１からは流路５２が延び、この流路５２は流路５３と流路５４とに分岐して、流路５３と流路５４とは、それぞれ第１ポート４１、第２ポート４２に接続しており、作動媒体貯留容器５１内の作動媒体を、第１ポート４１、第２ポート４２にそれぞれ供給可能である。流路５３と流路５４とには、作動媒体ポンプ４で作動媒体貯留容器５１から吸引した作動媒体が作動媒体貯留容器５１側に逆流しないように、それぞれチェックバルブ５５，５６が設けられている。

方向切換弁５は、常閉弁であって、開弁することにより、第１室１２と第１ポート４１とを連通し、また、第２室１３と第２ポート４２とを連通する。
制御装置７は、マイクロコンピュータ等から構成され、圧力容器のサイクル試験装置１の動作を制御する。制御装置７には、超高圧圧力センサ６、方向切換弁５、サーボモータ３が所定のインターフェイスを介して接続されている。

次に、圧力容器のサイクル試験装置１の作用効果について説明する。
まず、圧力流体の給液を行い、流路３１、増圧室２２、圧力容器１００などを圧力流体で満たす。具体的には、図示しない給液ポンプを運転することにより、図示しないタンク内の圧力流体が、チェックバルブ３３を通り、増圧室２２、流路２５，３１，３２，３４、圧力容器１００に満たされる。流路３４には図示しないエア抜き弁が設置されていて、このエア抜き弁を開の状態にすることで、圧力流体をドレンさせる。当該ドレンにより流路内のエアがなくなれば、エア抜き弁を閉にして、給液ポンプを停止する。増圧室２２、流路２５，３１，３２，３４、圧力容器１００に圧力流体を充填してしまえば、基本的にその後の給液は実施しない。給液する圧力流体の量は、圧力容器１００の容量や、その圧力容器１００と単動増圧機２との距離（流路の長さ）により異なる。あくまで、前記のエア抜きが終わるまでの量の圧力流体を給液する。

次に、制御装置７が、方向切換弁５を切り替えて開弁する。これにより、第１室１２と第１ポート４１とを連通し、また、第２室１３と第２ポート４２とを連通する。
制御装置７が、この状態でサーボモータ３を逆転で駆動すると、第１室１２、第２室１３に作動媒体が存在しない初期状態のときは、作動媒体貯留容器５１内の作動媒体を、流路５３を介して第１ポート４１から作動媒体ポンプ４内に吸引する。そして、作動媒体ポンプ４は第２ポート４２から作動媒体を吐出し、この作動媒体は流路４４を介して第２室１３に注入される。
この場合に、既に第１室１２、第２室１３が作動媒体で満たされているときは、第１室１２内の作動媒体が流路４３を介して第１ポート４１から作動媒体ポンプ４に吸入される。そして、この作動媒体は、第２ポート４２から吐出されて、流路４４を介して第２室１３に注入される。

これらの動作により、第２室１３内の圧力が上昇し、第１室１２内の圧力が下降して、ピストン１１が図１において上方向に移動する。これにより、プランジャ２３も増圧室２２内を上方向に移動して、増圧室２２で圧力流体は加圧される。そのため、圧力容器１００内が昇圧する。

次に、方向切換弁５が開弁状態にあるときに、制御装置７が、サーボモータ３を正転で駆動すると、第１室１２、第２室１３に作動媒体が存在しない初期状態のときは、作動媒体貯留容器５１内の作動媒体を、流路５４を介して第２ポート４２から作動媒体ポンプ４内に吸引する。そして、作動媒体ポンプ４は第１ポート４１から作動媒体を吐出し、この作動媒体は流路４３を介して第１室１２に注入される。
この場合に、既に第１室１２、第２室１３が作動媒体で満たされているときは、第２室１３内の作動媒体が流路４４を介して第２ポート４２から作動媒体ポンプ４に吸入される。そして、この作動媒体は、第１ポート４１から吐出されて、流路４３を介して第１室１２に注入される。

これらの動作により、第１室１２内の圧力が上昇し、第２室１３内の圧力が下降して、ピストン１１が図１において下方向に移動する。これにより、プランジャ２３も増圧室２２内を下方向に移動して、増圧室２２で圧力流体は減圧される。そのため、圧力容器１００内が降圧する。
このように、圧力容器のサイクル試験装置１は、圧力容器１００内を昇圧、降圧することができる。そして、制御装置７は、圧力容器１００内の昇圧、降圧を交互に繰り返し行う。これにより、圧力容器１００の圧力サイクル試験を行うことが可能となる。
なお、圧力流体の排液は、圧力容器１００の入口を開放して排出することができる。

図２は、前記圧力サイクル試験により、圧力容器１００にかかる圧力流体による圧力の時間変化の例を示すグラフである。図２（ａ）〜（ｃ）は、いずれも圧力容器１００内の昇圧から降圧までを１サイクルとして、単動増圧機２が特定の圧力波形を有する圧力流体を連続して吐出する場合の圧力の時間変化を示すグラフである。
図２（ａ）の圧力波形の例はサイン波である。図２（ｂ）の圧力波形の例は三角波である。図２（ｃ）の圧力波形の例は台形波である。

このように、様々な圧力波形を実現するには、制御装置７が、超高圧圧力センサ６で単動増圧機２から吐出した被加圧圧力流体の圧力を計測し、その検出圧力に応じてサーボモータ３の回転数を制御することによる。すなわち、超高圧圧力センサ６の検出圧力に応じて、例えば図２（ａ）のサイン波を実現するなら、圧力波形がサイン波となるようにサーボモータ３の正逆回転の別と回転数とをフィードバック制御する。
なお、圧力流体の圧力はサイクル試験を行うユーザが決定し、その圧力に対応できるような増圧機を使用するようにする。
また、制御装置７は、サーボ系をコントロールするアンプを備え、当該アンプのゲインの調整により圧力流体の圧力の指令波形と現在の波形とが一致するように調整する。ゲインを大きくすれば、指令波形に対する現在の波形の追従が良くなるが、あまり敏感にすると、圧力波形が乱れたりするので、現在の波形を見ながら調整する。

以上説明した圧力容器のサイクル試験装置１によれば、１台の作動媒体ポンプ４と１台のサーボモータ３とで圧力容器１００の圧力サイクル試験を行うことができる。よって、２台のポンプ、２台のモータを必要とする圧力容器のサイクル試験装置に比べて、装置構成を簡素化することができる。

また、圧力容器のサイクル試験装置１によれば、サーボモータ３を駆動源とすることにより、圧力流体の圧力波形を所望の波形に制御することができる（図２を参照して前記のとおり）。
さらに、圧力容器のサイクル試験装置１によれば、サーボモータ３の回転数制御により、作動媒体ポンプ４によって必要な量の圧力流体のみを吐出することが可能となるため、その分、サーボモータ３の動力を抑制することができる。
その上、流路３４の図示しないエア抜き弁により、当該流路３４内のエア抜きをすることで、圧力流体の圧力の制御性を向上することができる。
また、流路３１に自動減圧弁を設けることで、緊急時、瞬時に圧力流体の減圧を行うことができる。
なお、前記の例ではワークを水素タンクなどの圧力容器１００としているが、この他にも、制御用バルブ（油圧機器など）、燃料噴射系部品（コモンレールなど）、配管部品（ホース類）等をワークとすることができる。

１ 圧力容器のサイクル試験装置
２ 単動増圧機（増圧機）
３ サーボモータ
４ 作動媒体ポンプ
６ 超高圧圧力センサ（圧力検出装置）
７ 制御装置
１１ ピストン
１２ 第１室
１３ 第２室
１４ 駆動シリンダ
４１ 第１ポート
４２ 第２ポート
４３ 第１の作動媒体流路
４４ 第２の作動媒体流路

Claims (4)

1. 水である圧力流体を圧力容器内に出し入れすることで当該圧力容器を昇圧、降圧する増圧機を有する圧力容器のサイクル試験装置であって、
   前記増圧機は、油である作動媒体により駆動するピストンによって区画される第１室および第２室を有する駆動シリンダを有し、
   前記作動媒体の吸入吐出口である第１ポートおよび第２ポートを有する作動媒体ポンプと、
   前記作動媒体ポンプを駆動するサーボモータと、
   前記第１室と前記第１ポートを連通する第１の作動媒体流路と、
   前記第２室と前記第２ポートを連通する第２の作動媒体流路と、
   前記増圧機により吐出される圧力流体を前記圧力容器に導く流路に設けられたエア抜き弁と、を備え、
   前記サーボモータは、正転および逆転することにより、前記第１室および前記第２室に対して前記作動媒体の吸入および吐出を切り替えて前記増圧機を駆動する
   ことを特徴とする圧力容器のサイクル試験装置。
2. 水である圧力流体を圧力容器内に出し入れすることで当該圧力容器を昇圧、降圧する増圧機を有する圧力容器のサイクル試験装置であって、
   前記増圧機は、油である作動媒体により駆動するピストンによって区画される第１室および第２室を有する駆動シリンダを有し、
   前記作動媒体の吸入吐出口である第１ポートおよび第２ポートを有する作動媒体ポンプと、
   前記作動媒体ポンプを駆動するサーボモータと、
   前記第１室と前記第１ポートを連通する第１の作動媒体流路と、
   前記第２室と前記第２ポートを連通する第２の作動媒体流路と、
   前記増圧機により吐出される圧力流体を前記圧力容器に導く流路に設けられた自動減圧弁と、を備え、
   前記サーボモータは、正転および逆転することにより、前記第１室および前記第２室に対して前記作動媒体の吸入および吐出を切り替えて前記増圧機を駆動する、
   ことを特徴とする圧力容器のサイクル試験装置。
3. 前記増圧機は、サイン波、三角波、または台形波からなる圧力波形を有する圧力流体を連続して吐出すること、
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧力容器のサイクル試験装置。
4. 前記増圧機から吐出した前記圧力流体の圧力を計測する圧力検出装置と、
   この圧力検出装置の検出圧力に応じて前記サーボモータの回転数を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかの一項に記載の圧力容器のサイクル試験装置。

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