JP6712111B2

JP6712111B2 - 超高圧発生装置

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Publication number: JP6712111B2
Application number: JP2016232005A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　章; 章佐藤
Original assignee: Sugino Machine Ltd
Current assignee: Sugino Machine Ltd
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2020-06-17
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Description

本発明は、超高圧発生装置に係り、特に、被加圧流体を吐出する増圧機を有する超高圧発生装置に関する。

従来、閉回路作動媒体ポンプを利用した超高圧発生装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載された超高圧発生装置は、閉回路作動媒体ポンプによって、増圧機の押し込まれる側から作動媒体を吸引し、押し込む側に加圧して戻すように構成されている。これにより、第１室及び第２室に供給する作動媒体の流れ方向を切り換える方向切換弁を設ける必要がないため、方向切換弁の圧力損失によって発生する吐出停止時における高圧側流体、すなわち被加圧流体圧力の異常昇圧が解消される。また、閉回路を採用することで、作動媒体を交換する必要がないので、メンテナンス性に優れるというメリットがある。作動媒体は、圧力開放と作動媒体ポンプの吸入過程を兼ねているので、エネルギー効率が高いというメリットがある。

特開２０１６−６１２４９号公報（図１）

しかしながら、閉回路を採用するため、作動媒体の移動範囲が限られているので、特に移動回数が多い場合には、作動媒体の温度が上昇しやすいという問題があった。作動媒体の温度上昇によって、粘性が低下し、エネルギー効率が低下してしまう可能性がある。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、作動媒体の温度を適正に管理することができる超高圧発生装置を提供することを課題とする。

本発明は、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室及び第２室を有する複動型駆動シリンダと、被加圧流体を吐出する高圧シリンダと、この高圧シリンダ内部を前記ピストンと共に往復動するプランジャと、を備えて前記被加圧流体を吐出する増圧機を有する超高圧発生装置であって、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ポートを介してそれぞれ前記第１室および前記第２室に対して前記作動媒体を吸入および吐出して前記増圧機を駆動する閉回路作動媒体ポンプと、前記閉回路作動媒体ポンプを駆動する駆動源と、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、前記作動媒体を冷却する熱交換器と、前記作動媒体を貯留するタンクと、このタンクから前記第１の作動媒体流路および前記第２の作動媒体流路に前記作動媒体を供給する供給回路と、前記第１の作動媒体流路および前記第２の作動媒体流路から前記タンクに前記作動媒体を回収する回収回路と、前記閉回路作動媒体ポンプによって、前記第１ポートおよび前記第２ポートを介してそれぞれ前記第１室および前記第２室に向けて吐出された前記作動媒体の一方を選択して前記回収回路へ導通させる低圧選択回路と、を備え、前記低圧選択回路は、前記第１の作動媒体流路に下流側が連通された第１の逆止弁と、前記第２の作動媒体流路に下流側が連通された第２の逆止弁と、一端が前記第１の逆止弁の上流側および前記第２の逆止弁の上流側に連通され、他端が前記回収回路へ連通された低圧流路と、前記第１の作動媒体流路と前記第２の逆止弁の上流側を連通させ、前記第１室から吐出される前記作動媒体の圧力が予め設定した所定の閾値を超えた場合に前記第２の逆止弁を開放させる第１の切換流路と、前記第２の作動媒体流路と前記第１の逆止弁の上流側を連通させ、前記第２室から吐出される前記作動媒体の圧力が予め設定した所定の閾値を超えた場合に前記第１の逆止弁を開放させる第２の切換流路と、を備えると共に、前記第１室および前記第２室に向けて吐出された作動媒体の圧力が予め設定した所定の閾値を超えた場合に、前記第１室および前記第２室から吐出される作動媒体のうちの低圧側の作動媒体を、前記第１の作動媒体流路および前記第２の作動媒体流路から分岐させて前記第１の逆止弁または前記第２の逆止弁を通り、前記低圧流路から前記回収回路へ導通させて、前記熱交換器を介して前記タンクに回収することを特徴とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る超高圧発生装置は、閉回路作動媒体ポンプと、前記閉回路作動媒体ポンプを駆動する駆動源と、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、前記作動媒体を貯留するタンクと、このタンクから前記第１の作動媒体流路および前記第２の作動媒体流路に前記作動媒体を供給する供給回路と、前記第１の作動媒体流路および前記第２の作動媒体流路から前記タンクに前記作動媒体を回収する回収回路と、低圧選択回路と、を備えている。

本発明に係る超高圧発生装置は、作動媒体の温度を適正に管理することができる。これにより、エネルギー効率を向上させて、安定的に稼働させることができる。

本発明の実施形態に係る超高圧発生装置の液圧回路を示す回路図である。本発明の実施形態に係る超高圧発生装置における低圧選択回路の動作を説明するための要部回路図であり、（ａ）は第１の低圧選択切換回路の動作、（ｂ）は第２の低圧選択切換回路の動作を示す。

本発明の実施形態に係る超高圧発生装置７０について図１を参照しながら詳細に説明する。超高圧発生装置７０の作動媒体Ｆ１は作動油であり、被加圧流体Ｆ２は水である。超高圧発生装置７０は、連続的に超高圧水を吐出する、ウォータージェット切断に好適である。

本実施形態の超高圧発生装置７０は、被加圧流体Ｆ２を連続吐出して超高圧を発生する装置である。超高圧発生装置７０は、増圧機４０と、吸入吐出口である第１ポート１１１および第２ポート１１２を有する閉回路作動媒体ポンプ１１と、前記閉回路作動媒体ポンプ１１を駆動する両回転可能駆動源１２と、第１室４１と第１ポート１１１を連通する第１の作動媒体流路３２と、第２室４２と前記第２ポート１１２を連通する第２の作動媒体流路３３と、低圧選択回路８と、高圧選択回路２６と、供給回路２１と、均圧回路２２と、回収回路３４と、を備えている。
増圧機４０は、作動媒体Ｆ１により駆動するピストン４３により区画される、第１室４１及び第２室４２を有する複動型駆動シリンダ４４と、高圧シリンダ４５１、４５２内部をピストン４３と共に往復動するプランジャ４６１、４６２と、を備える。

閉回路作動媒体ポンプ１１は、固定容量式斜板アキシャルポンプであり、駆動源が両回転可能駆動源１２であるサーボモータで構成されている。

超高圧発生装置７０は、増圧機４０から吐出した被加圧流体Ｆ２の圧力を計測する圧力検出装置５３と、圧力検出装置５３の検出圧力に応じて両回転可能駆動源１２の回転数を制御する制御装置１５と、を更に備えている。

超高圧発生装置７０は、被加圧流体Ｆ２を供給する供給口６８と、作動媒体Ｆ１を冷却する熱交換器３０と、被加圧流体Ｆ２を貯留する貯留槽６９とを備えている。供給口６８から供給された被加圧流体Ｆ２が熱交換器３０を通り、熱交換器３０を通過した被加圧流体Ｆ２が貯留槽６９に供給される。

ピストン４３の断面積と高圧シリンダ４５１，４５２の断面積比が増圧比である。被加圧流体Ｆ２の圧力は作動媒体Ｆ１の圧力の増圧比倍に加圧される。増圧比は、数十倍である。増圧機４０のプランジャ４６１、４６２は、複動型駆動シリンダ４４によって、高圧シリンダ４５１、４５２の内部を左右に往復する。高圧シリンダ４５１、４５２の先端には吸入弁４８と吐出弁４７がそれぞれ一組配設されている。作動媒体Ｆ１が第１室４１を加圧すると、複動型駆動シリンダ４４のピストン４３が図の右方向へ移動する。このとき、高圧シリンダ４５１には被加圧流体Ｆ２が吸入弁４８から流入する。また、高圧シリンダ４５２内部からは被加圧流体Ｆ２が吐出弁４７を通り吐出する。ピストン４３が図面上の右方向へ移動（右行）し、右行端付近に達すると、右行端検出装置４９２がピストン４３を検知し、ピストン４３は移動方向を図の左方向へ切替える。複動型駆動シリンダ４４が図面上の左方向へ移動（左行）すると、前述の動作の左右逆の動作をする。同様に左行端検出装置４９１は、ピストン４３が左行端付近に到達したことを検知する。複動型駆動シリンダ４４が往復することにより、連続的に被加圧流体Ｆ２が吐出される。
ここで、左行端検出装置４９１、右行端検出装置４９２は近接スイッチ、リミットスイッチその他の検出装置が利用できる。近接スイッチを利用した場合には、増圧機４０内に各検出装置４９１、４９２を設置できるため、構造を簡略化できる。

なお、吸入弁４８及び吐出弁４７はチェック弁であるが、１組のチェック弁に替えて方向流量調整弁を利用することができる。また、連続吐出型でない１ショット型の超高圧発生装置の場合には、吐出弁４７が不要である。

閉回路作動媒体ポンプ１１は、固定容量式斜板アキシャルピストンポンプである。第１ポート１１１と第１室４１、第２ポート１１２と第２室４２はそれぞれ第１の作動媒体流路３２および第２の作動媒体流路３３で直結されている。即ち、増圧機４０のピストン４３が右行する際には、閉回路作動媒体ポンプ１１は、第２室４２内部の作動媒体Ｆ１を第１室４１へ向けて所定の圧力に加圧して送液する。増圧機４０のピストン４３が左行する際には、逆に、第１室４１内部の作動媒体Ｆ１を第２室４２へ向けて送液する。閉回路作動媒体ポンプ１１は、回転数を制御することで圧力及び流量を制御する。両回転可能駆動源１２がサーボモータであるため、両回転可能駆動源１２は、回転数を自在に制御することができ、その出力軸が回転しない様に角度を維持することができる。また、閉回路作動媒体ポンプ１１は、固定容量式斜板アキシャルポンプと両回転可能なサーボモータの組合せを利用することにより、作動媒体Ｆ１の圧力及び流量を制御でき、作動媒体Ｆ１の圧力を維持したまま流量を０にすることができる。さらに、固定容量式斜板アキシャルポンプを利用することにより、信頼性が向上する。

かかる構成により、閉回路作動媒体ポンプ１１を利用することで、被加圧流体Ｆ２を連続吐出する場合において、閉回路作動媒体ポンプ１１の流れ方向を反転させたときに、圧縮工程にあった第１室４１又は第２室４２のいずれか一方の圧力がほぼ０ＭＰａとなり、その直後に反対側の室内が加圧される。また、複動型駆動シリンダの進行方向切換時には作動媒体Ｆ１の圧力が一時的に消滅するため、進行方向切換時に異常な圧力上昇が生じない。

なお、閉回路作動媒体ポンプ１１と両回転可能駆動源１２との組合せに替えて、傾転角を正負に逆転できる可変容量型アキシャルプランジャポンプと一方回転駆動源を利用することができる。傾転角を逆転できる可変容量型プランジャポンプは、傾転角を逆転することで２つのポートの吸入側と吐出側とを切替えることができ、閉回路作動媒体ポンプとして利用できる。

次に示す作動媒体Ｆ１の回路はバルブブロック２０内に設けられている。バルブブロック２０と増圧機４０との間、及びバルブブロック２０と閉回路作動媒体ポンプ１１との間の配管はゴムホース３２１、３２１、３３１、３３１、３４１で接続される。各構成要素間をゴムホース３２１、３２１、３３１、３３１、３４１で接続することにより、それぞれの要素で発生する振動を吸収し、超高圧発生装置７０の耐久性を向上できるほか、組立性および保守性を向上できる。

バルブブロック２０には、作動媒体の温度を検出する温度検出装置２８が備えられる。温度検出装置２８は、作動媒体Ｆ１の温度が異常上昇した場合、警告を発する。温度検出装置２８がバルブブロック２０に取付けられており、作動媒体Ｆ１と直接接触しないため、温度検出装置２８は作動媒体Ｆ１の圧力変動等によってダメージを受けにくい。
なお破損の問題がない場合には、温度検出装置２８は、供給回路２１又は高圧選択開路２６に接続することができる。

低圧選択回路８は、回収回路３４へ連通された低圧流路８１と、低圧流路８１に上流側が連通され第１の作動媒体流路３２に下流側が連通された第１の逆止弁８２と、低圧流路８１に上流側が連通され第２の作動媒体流路３３に下流側が連通された第２の逆止弁８３と、第１の逆止弁８２の上流側と第２の逆止弁８３の上流側を連通する逆止弁連通流路８４と、第１の作動媒体流路３２と第２の逆止弁８３の上流側を連通させる第１の切換流路８５と、第２の作動媒体流路３３と第１の逆止弁８２の上流側を連通させる第２の切換流路８６と、を備えている。

低圧流路８１は、逆止弁連通流路８４と回収回路３４とを連通している。第１の逆止弁８２および第２の逆止弁８３は、パイロット圧力を与えると開放するパイロットチェック弁である。第１の逆止弁８２および第２の逆止弁８３の上流側は、それぞれ逆止弁連通流路８４を介して低圧流路８１を通って回収回路３４に連通されている。第１の切換流路８５は、第１室４１から吐出される作動媒体Ｆ１の圧力が予め設定した「所定の閾値」を超えた場合に第２の逆止弁８３を開放させる流路である。第２の逆止弁８３が開放されると、第２の作動媒体流路３３から第２の逆止弁８３を通って低圧流路８１へ導通される。第２の切換流路８６は、第２室４２から吐出される作動媒体Ｆ１の圧力が予め設定した「所定の閾値」を超えた場合に第１の逆止弁８２を開放させる流路である。第１の逆止弁８２が開放されると、第１の作動媒体流路３２から第１の逆止弁８２を介して低圧流路８１を通って回収回路３４へ導通される。

「所定の閾値」は、第１室４１および第２室４２から吐出される作動媒体Ｆ１の圧力や第１室４１と第２室４２との圧力差等を基準として、超高圧発生装置７０の用途や仕様等を考慮して予め設定される。

低圧選択回路８は、第１室４１および第２室４２から吐出される作動媒体Ｆ１の圧力が予め設定した所定の圧力を超えた場合に、第１室４１および第２室４２に向けて吐出された作動媒体Ｆ１の一方を選択して回収回路３４へ導通させる。

低圧選択回路８は、閉回路作動媒体ポンプ１１によって、第１ポート１１１を介して第１室４１に向けて吐出された作動媒体Ｆ１を選択して回収回路３４へ導通させる第１の低圧選択切換回路８Ａと、第２ポート１１２を介して第２室４２に向けて吐出された作動媒体Ｆ１を選択して回収回路３４へ導通させる第２の低圧選択切換回路８Ｂと、を備えている。

図２（ａ）に示すように、第１の低圧選択切換回路８Ａは、第１の逆止弁８２および第２の逆止弁８３と、第１の切換流路８５と、を備えて構成されている。第１の低圧選択切換回路８Ａは、閉回路作動媒体ポンプ１１によって、第１の作動媒体流路３２から第１室４１へ作動媒体Ｆ１が吐出される場合（ピストン４３が図の右へ移動）には、第１室４１が高圧側となり、第２室４２が低圧側となる。閉回路作動媒体ポンプ１１によって第１室４１に向けて吐出された作動媒体Ｆ１の圧力が予め設定した「所定の閾値」を超えた場合に、第１の低圧選択切換回路８Ａは、第２室４２から吐出される作動媒体Ｆ１を選択する。そして、第１の低圧選択切換回路８Ａは、第１の切替流路８５を介して第２の逆止弁８３を開放し、低圧側の作動媒体Ｆ１（第２室４２から吐出される作動媒体Ｆ１）を第２の作動媒体流路３３から分岐させて第２の逆止弁８３を通り、低圧流路８１から回収回路３４へ導通させる。このとき、第１の逆止弁８２は、高圧側の作動媒体Ｆ１（閉回路作動媒体ポンプ１１によって第１室４１へ向けて吐出された作動媒体Ｆ１）が第１の作動媒体流路３２から逆止弁連通流路８４へ流入するのを規制する。

低圧選択回路８は、高圧選択回路２６と増圧機４０との間に配設されていることが望ましい。これにより、閉回路作動媒体ポンプ１１に近づけて配設した場合よりも、低圧側と高圧側の作動媒体Ｆ１の圧力差がより大きいので、第１の低圧選択切換回路８Ａの動作を円滑にして、閉回路作動媒体ポンプ１１によって増圧機４０に向けて吐出された低圧側の作動媒体Ｆ１を効率よく回収回路３４へ流通させることができる。

図２（ｂ）に示すように、第２の低圧選択切換回路８Ｂは、第１の逆止弁８２および第２の逆止弁８３と、第２の切換流路８６と、を備えて構成されている。第２の低圧選択切換回路は、閉回路作動媒体ポンプ１１によって、第２の作動媒体流路３３から第２室４２へ作動媒体Ｆ１が吐出される場合（ピストン４３が図の左へ移動）には、第２室４２が高圧側となり、第１室４１が低圧側となる。閉回路作動媒体ポンプ１１によって第２室４２に向けて吐出された作動媒体Ｆ１の圧力が予め設定した所定の圧力を超えた場合に、第２の低圧選択切換回路８Ｂは、第１室４１から吐出される作動媒体Ｆ１を選択する。そして、第２の低圧選択切換回路８Ｂは、第２の切替流路８６を介して第１の逆止弁８２を開放し、低圧側の作動媒体Ｆ１（第１室４１から吐出される作動媒体Ｆ１）を第１の作動媒体流路３２から分岐させて第１の逆止弁８２を通り、低圧流路８１から回収回路３４へ導通させる。このとき、第２の逆止弁８３は、高圧側の作動媒体Ｆ１（閉回路作動媒体ポンプ１１によって第２室４２へ向けて吐出された作動媒体Ｆ１）が第２の作動媒体流路３３から逆止弁連通流路８４へ流入するのを規制する。第２の低圧選択切換回路８Ｂは、第１の低圧選択切換回路８Ａと同様の構成であるので、重複する説明は省略する。

第１の作動媒体流路３２と第２の作動媒体流路３３は、１組のチェック弁２６ａ、２６ｂを含む高圧選択回路２６で接続される。
高圧選択回路２６は、それぞれ第１室４１および第２室４２から吐出された（作動媒体ポンプ１１によって第１ポート１１１および第２ポート１１２を介して吸入される）作動媒体Ｆ１の一方を選択して回収回路３４へ流通させる回路である。
高圧選択開路２６のチェック弁２６ａ、２６ｂは作動媒体流路３２、３３を上流側として設置されている。高圧選択回路２６には作動媒体Ｆ１の圧力を検知する圧力検出装置２７が設けられる。高圧選択回路２６により、圧力検出装置２７は、第１の作動媒体流路３２と第２の作動媒体流路３３の圧力が高いいずれか一方の流路の圧力を検知できる。このため、圧力を検知する機能を単純な構成で実現できる。圧力検出装置２７は、作動媒体Ｆ１の圧力が正常範囲にない場合に、異常を発することができる。

第１の作動媒体流路３２と第２の作動媒体流路３３は、作動媒体流路３２，３３を下流側とするように一組のチェック弁２１ａ、２１ｂを備える供給回路２１で接続される。供給回路２１は、チェック弁２１ａと２１ｂの間と作動媒体タンク３１とを連通している。作動媒体タンク３１は内圧が掛けられている。作動油である作動媒体Ｆ１は、非圧縮性流体であるが、加圧により若干圧縮される。増圧機４０の第１室４１又は第２室４２の内の、供給側の一方は通常０ＭＰａ付近の圧力となり、他方は設定圧となる。すると、圧縮工程側である第１室４１又は第２室４２のいずれか一方及び配管内に存在する作動媒体Ｆ１の体積によって、系内に蓄積される作動媒体Ｆ１の総量が変化する。供給回路２１は、この作動媒体Ｆ１の総量を調整する役割を持つ。作動媒体タンク３１は、作動媒体Ｆ１の総量を調整する機能を有するだけで良いため、小型化できる。作動媒体タンク３１は薄肉のガス用アキュームレータと同等品であるため、作動媒体Ｆ１の放熱機能を有する。

増圧機４０運転用の電磁弁２２ａおよび絞り２２ｂを備える均圧回路２２は、第１の作動媒体流路３２と第２の作動媒体流路３３を接続する。電磁弁２２ａは、閉回路作動媒体ポンプ１１が回転する前に均圧回路２２を遮断し、閉回路作動媒体ポンプ１１が回転を停止した際に均圧回路２２を開路する。均圧回路２２が開路すると、第１の作動媒体流路３２と第２の作動媒体流路３３の圧力が同一になり、増圧機の運転が停止する。電磁弁２２ａは、常時開の弁であるため、非常時に電源供給が止まると均圧回路２２を開くため、安全回路として作用する。絞り２２ｂは均圧回路２２が開路した際に、急激な圧力変化により油圧機器が衝撃圧を受けて破損することを防止する。また、系内の作動媒体Ｆ１の総量が多い場合には、電磁弁２２ａの開閉により、作動媒体Ｆ１の圧力が振動する可能性がある。しかし、本実施例の作動媒体Ｆ１の総量が少量であるため大きな圧力振動が発生せず、絞り２２ｂは必ずしも必要ではない。
なお、他に安全を担保する措置が設けられている場合、均圧回路２２は必ずしも必要ではない。

回収回路３４は、低圧選択回路８、および高圧選択開路２６とタンクである作動媒体タンク３１とを連通し、低圧選択回路８、および高圧選択開路２６から作動媒体Ｆ１を作動媒体タンク３１へ回収する回路である。回収回路３４は、直列に接続されたフィルタ２９及び熱交換器３０を備えている。さらに、高圧選択開路２６に対しては、並列に接続された安全弁２５と流量調整弁２４を介して接続されている。
安全弁２５は、閉回路作動媒体ポンプ１１のサーボ系の制御が暴走した場合に、作動媒体Ｆ１の圧力を設定値以下に保つ作用を備えている。安全弁２５は、この作用により、超高圧発生装置７０を圧力の急激な上昇から守る。流量調整弁２４は、高圧に加圧された作動媒体Ｆ１が高圧選択回路２６から回収回路３４を介して作動媒体タンク３１へ回収される量を調整する。上述のように、作動媒体タンク３１は、増圧機４０のピストン４３の往復に従って、系内の作動媒体Ｆ１量を調整する。回収回路３４は、作動媒体タンク３１へ必要な作動媒体Ｆ１を供給する作用を持つ。作動媒体Ｆ１が作動媒体タンク３１へ回収される際に、作動媒体Ｆ１は、フィルタ２９によりろ過され、熱交換器３０により冷却される。上述のように、増圧機４０内のピストン４３の進行方向切換に応じて、供給回路２１を介して作動媒体Ｆ１が作動媒体タンク３１から供給され、低圧選択回路８、および高圧選択回路２６から作動媒体Ｆ１が作動媒体タンク３１へ戻されるため、増圧機４０の動作に応じて一定量の作動媒体Ｆ１が作動媒体タンク３１を通して回路内を流動する。従って、作動媒体Ｆ１は常に熱交換器３０によって冷却され、作動媒体Ｆ１の温度が一定に保持される。

回収回路３４から回収される作動媒体Ｆ１は、閉回路作動媒体ポンプ１１が昇圧した作動媒体Ｆ１のリークである。リークは機械効率を悪化させるところ、高圧選択回路２６からは流量調整弁２４を介して作動媒体Ｆ１を回収するため、このリーク量を適正に調整し、機械効率の過剰な低下を防止することができる。
また、流量調整弁２４を設けることで、熱交換器３０へ流入する作動媒体Ｆ１の流量を規定量に設定することができる。超高圧発生装置７０においては、熱交換器３０の冷却媒体は、被加圧流体Ｆ２であり、その全量を熱交換器３０に流すため、熱交換器３０による回収熱量が過大になるおそれがある。しかし、熱交換器３０へ流す高温側の作動媒体Ｆ１の流量を適切に絞ることで、その回収熱量を制御することができる。

なお、安全弁２５は、圧力の異常上昇に対してその他の安全策が施されている場合には、取り外しても良い。系内で発生する熱量が少なく、外部からの空冷により十分に作動媒体Ｆ１を冷却できる場合には、熱交換器３０は不要である。
閉回路作動媒体ポンプ１１からのリーク量が、作動媒体タンク３１からの作動媒体Ｆ１の供給量を補うことができる場合、流量調整弁２４および流量調整弁２４を接続する配管を取り外すことができる。安全弁２５及び流量調整弁２４が取り外すことができる場合、回収回路３４は不要である。この場合には、閉回路作動媒体ポンプ１１からのリークにより、供給すべき作動媒体が全て賄われる。

被加圧流体Ｆ２は、被加圧流体Ｆ２の供給口６８から供給され、熱交換器３０を通り、フィルタ６７でろ過されたのち、貯留槽６９に貯留される。貯留槽６９への供給はボールタップ６６により行われ、貯留槽６９の液面が上限に達すると供給が停止される。なお、フィルタ６７と熱交換器３０の順序は前後できる。

渦流ポンプ６５は、貯留槽６９の底部から被加圧流体Ｆ２を吸入し、増圧機４０の吸入弁４８、４８へ供給路６０を通して被加圧流体Ｆ２を供給する。

供給路６０には安全弁６３が配設される。安全弁６３は被加圧流体Ｆ２の吐出を停止した際に、渦流ポンプ６５の吐出口が全閉することを防止し、渦流ポンプ６５の破損を予防する効果を有する。また、吸入弁４８がリークした場合に、超高圧に加圧された被加圧流体Ｆ２が供給路６０へ流入する。安全弁６３はこの非常時に装置の破損を防止する機能を有する。

供給路６０にはパッキン冷却水を供給するための電磁弁６１が配設される。パッキン冷却水は、電磁弁６１を開いた時に、絞り６２を介して、高圧シリンダ４５１、４５２とプランジャ４６１、４６２の間をシールするパッキン（不図示）へ流れ、パッキンを冷却する。供給圧力検知用の圧力スイッチ６４は、供給路６０に配設される。圧力スイッチ６４は、被加圧流体Ｆ２の供給圧が吸入弁４８のクラッキング圧力（所定の設定圧力）を超え、増圧機４０に供給されていることを監視する。
なお、圧力スイッチ６４は圧力検出装置に置換えることができる。

吐出弁４７、４７は、アキュームレータ５１を介して吐出配管５６により、吐出口５５と連通している。アキュームレータ５１内部には、フィルタ５２が設けられている。フィルタ５２は、アキュームレータ５１内部に配設される為、フィルタ５２の内外に超高圧が作用するため、フィルタ５２は通常の圧力区分のフィルタを利用することができる。

吐出口５５から吐出される超高圧の被加圧流体Ｆ２は開閉弁５８を介してノズル５９から噴出する。超高圧の被加圧流体Ｆ２の圧力を検出する圧力検出装置５３が、吐出配管５６に配設される。

制御装置１５は、増圧機４０内のピストン４３の位置、圧力検出装置５３が検出した被加圧流体Ｆ２の圧力に応じて、閉回路作動媒体ポンプ１１の圧力及び流量、並びに増圧機４０の進行方向を制御する。圧力フィードバックは、圧力の上昇具合に対して割出される。圧力制御には、ロバスト性が高い現代制御、例えば適応制御が適している。

かかる構成により、超高圧発生装置７０において、現実の吐出圧力に基づき閉回路作動媒体ポンプ１１の圧力及び流量を調整し、適切にプランジャ４６１、４６２の速度が定められるため、被加圧流体Ｆ２の圧力波形は設定圧力に沿ってほぼ直線状となる。増圧機４０のピストン４３の進行方向の切替と同時に、一定時間の間隔で、圧力が一時低下する。

連続吐出が停止している期間中、閉回路作動媒体ポンプ１１の回転が停止し、両回転可能駆動源１２によってその回転が保持される。このため、閉回路作動媒体ポンプ１１の加圧側の作動媒体Ｆ１が流動しない。作動媒体Ｆ１が流動しないため、第１と第２の作動媒体流路（３２，３３）内の圧力損失がなくなり、作動媒体Ｆ１の圧力がわずかに上昇する。超高圧に加圧されている被加圧流体Ｆ２の圧力は、作動媒体Ｆ１の圧力の増圧比倍となるため、作動媒体Ｆ１の圧力上昇の増圧比倍だけ増加（ΔＰ）する。圧力フィードバックにより閉回路作動媒体ポンプ１１の回転数を制御するため、ΔＰは極小化する。連続吐出を再開すると、被加圧流体Ｆ２の圧力は、再び設定圧力付近で安定した圧力を示す。

６００ＭＰａクラスの圧力を発生する超高圧発生装置においては、３０倍近くの増圧比を必要とする。圧力が高くなればなるほど増圧比を大きくする必要があるところ、増圧比が大きくなれば、吐出停止時の圧力上昇量も大きくなる。また、圧力が非常に高い場合、超高圧流体により、圧力配管内に大きな内部応力が発生する。圧力は振動するため、圧力配管の材質、厚み、内面仕上げに大きな制約が出る。超高圧流体の圧力上昇及び圧力振動は、超高圧発生装置及び圧力配管系に過大な負荷をかける。
超高圧配管に用いられる配管、弁、ホース、継手その他の配管器具には過大な内部応力が発生する。本実施形態の超高圧発生装置７０によれば、圧力振動が非常に低くなるため、配管器具の寿命を伸長することができる。このため、特に高い圧力を発生する超高圧発生装置に特に好適である。

以上のように構成した本発明の実施形態に係る超高圧発生装置７０は、以下のような作用効果を奏する。すなわち、超高圧発生装置７０は、低圧選択回路８によって、第１室４１および第２室４２から吐出される作動媒体Ｆ１の圧力が予め設定した所定の圧力を超えた場合に、第１室４１および第２室４２に向けて吐出された作動媒体Ｆ１の一方を選択して回収回路３４へ導通させ、循環させることができる。
これにより、回収回路３４によって、熱交換器３０等を利用することで作動媒体Ｆ１の温度を適正に管理して、効果的にエネルギー効率（機械効率）を向上させることができる。

超高圧発生装置７０は、低圧選択回路８を備えたことで、機械効率が高いため、超高圧発生装置７０から発生する排熱が少ない。そのため、作動媒体Ｆ１を冷却する冷却水量を大幅に削減することができる。必要な冷却水量が小さいため、超高圧発生装置７０は、被加圧流体Ｆ２の吐出量を冷却水量と一致させ、かつ、供給された被加圧流体Ｆ２を一旦冷却水として使用することができる。また、必要とする被加圧流体Ｆ２の流量が小さいため、貯留槽６９を小型化することができる。

超高圧発生装置７０は、機械効率が大幅に向上するため、構成する機械要素が小さくなる。また、構成が簡潔になる。このため、機械全体を小型化することができる。

本実施形態の超高圧発生装置７０は、閉回路作動媒体ポンプ１１を圧力検出装置５３で検出した圧力に応じて制御するため、吐出圧力を設定圧力付近に一定に保つことができる。吐出圧力が一定値に安定しているため、ノズル５９から噴出する被加圧流体Ｆ２の噴流の流速、及び流量が安定する。また、圧力波形が安定するため、アキュームレータ５１の容量を縮小できる。アキュームレータ５１は、圧力容器であるため、その内部に非常に大きな内部応力が発生する。この内部応力は、アキュームレータの内径の２乗に比例して増加する。また、アキュームレータ内部に蓄積されるエネルギーは内部容積に比例する。従って、特に６００ＭＰａを超える超高圧を発生する超高圧発生装置では、大容積のアキュームレータ製造は非常に困難な技術的課題をもつ。超高圧発生装置７０は、圧力波形が安定するので、アキュームレータ容積を小型化できるため、特に高い圧力を発生する超高圧発生装置に特に好適である。

超高圧発生装置７０は、複動型駆動シリンダ４４の両側にプランジャ４６１、４６２及び高圧シリンダ４５１、４５２を備えているため、ピストン４３の進行方向を切替える際に、直前まで圧縮工程にあった高圧シリンダ４５１、４５２内の超高圧である被加圧流体Ｆ２の圧力が、プランジャ４６１、４６２を介してピストン４３に作用する。このとき、高圧シリンダ４５１、４５２内の被加圧流体Ｆ２がその膨張率により膨張する。さらに、作動媒体Ｆ１はわずかに圧縮されるため、圧縮された作動媒体Ｆ１が切換時に膨張する。これらの作用により、増圧機４０のピストン４３の進行方向が切替わる際に、直前まで加圧されていた作動媒体Ｆ１が閉回路作動媒体ポンプ１１へ流れ込む。閉回路作動媒体ポンプ１１及び両回転可能駆動源１２には、回転方向が切替わる際に大きな負荷が加わるところ、上述の作用により、この際の閉回路作動媒体ポンプ１１に作用する負荷が軽減される効果がある。

以上の説明においては、本発明の実施形態に係る超高圧発生装置７０について説明したが、本発明の構成が上記構成に限定される意味ではない。例えば、本実施形態においては、低圧選択回路８を第１の逆止弁８２と第２の逆止弁８３を使用して構成したが、これに限定されるものではなく、圧力センサや切換弁（ソレノイドバルブ）を使用して、第１室４１および第２室４２の圧力を圧力センサによって検知して、吸込側が所定の圧力に到達した場合、または吐出側と吸入側との圧力差が所定の閾値に到達した場合に低圧側の切換弁を切り換えるように構成することもできる。

また、本実施形態においては、両回転可能駆動源１２としてサーボモータを採用したが、サーボモータに限らず、トルク、回転数を制御可能で、回転を保持する機能を備えるものであればよい。
また、均圧回路２２、電磁弁２２ａ、絞り２２ｂ、絞り２４、及び安全弁２５を取り除き、替りに電磁式圧力逃がし弁を回収回路３４に設けることができる。この場合、増圧機４０の運転が停止したときに電磁式圧力逃がし弁を開弁し、作動媒体流路３２、３３内の圧力を低下させる。増圧機４０の運転を開始する際に、電磁式圧力逃がし弁を閉弁する。
本発明の実施形態に係る超高圧発生装置７０は、ウォータージェット用途に限定されることなく、圧力疲労破壊試験装置、ハイドロフォーミングに利用可能である。

８低圧選択回路
１１閉回路作動媒体ポンプ
１１１第１ポート
１１２第２ポート
１２両回転可能駆動源（駆動源）
１５制御装置
２１供給回路
２２均圧回路
２６高圧選択回路
３０熱交換器
３１作動媒体タンク（タンク）
３２第１の作動媒体流路
３３第２の作動媒体流路
４０増圧機
４１第１室
４２第２室
４３ピストン
４５１、４５２高圧シリンダ
４６１、４６２プランジャ
５３圧力検出装置
６９貯留槽
６８供給口
７０超高圧発生装置
８Ａ第１の低圧選択切換回路
８Ｂ第２の低圧選択切換回路
８１低圧流路
８２第１の逆止弁
８３第２の逆止弁
８４逆止弁連通流路
８５第１の切換流路
８６第２の切換流路

Claims

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室及び第２室を有する複動型駆動シリンダと、被加圧流体を吐出する高圧シリンダと、この高圧シリンダ内部を前記ピストンと共に往復動するプランジャと、を備えて前記被加圧流体を吐出する増圧機を有する超高圧発生装置であって、
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ポートを介してそれぞれ前記第１室および前記第２室に対して前記作動媒体を吸入および吐出して前記増圧機を駆動する閉回路作動媒体ポンプと、
前記閉回路作動媒体ポンプを駆動する駆動源と、
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、
前記作動媒体を冷却する熱交換器と、
前記作動媒体を貯留するタンクと、
このタンクから前記第１の作動媒体流路および前記第２の作動媒体流路に前記作動媒体を供給する供給回路と、
前記第１の作動媒体流路および前記第２の作動媒体流路から前記タンクに前記作動媒体を回収する回収回路と、
前記閉回路作動媒体ポンプによって、前記第１ポートおよび前記第２ポートを介してそれぞれ前記第１室および前記第２室に向けて吐出された前記作動媒体の一方を選択して前記回収回路へ導通させる低圧選択回路と、を備え、
前記低圧選択回路は、
前記第１の作動媒体流路に下流側が連通された第１の逆止弁と、
前記第２の作動媒体流路に下流側が連通された第２の逆止弁と、
一端が前記第１の逆止弁の上流側および前記第２の逆止弁の上流側に連通され、他端が前記回収回路へ連通された低圧流路と、
前記第１の作動媒体流路と前記第２の逆止弁の上流側を連通させ、前記第１室から吐出される前記作動媒体の圧力が予め設定した所定の閾値を超えた場合に前記第２の逆止弁を開放させる第１の切換流路と、
前記第２の作動媒体流路と前記第１の逆止弁の上流側を連通させ、前記第２室から吐出される前記作動媒体の圧力が予め設定した所定の閾値を超えた場合に前記第１の逆止弁を開放させる第２の切換流路と、
を備えると共に、
前記第１室および前記第２室に向けて吐出された作動媒体の圧力が予め設定した所定の閾値を超えた場合に、前記第１室および前記第２室から吐出される作動媒体のうちの低圧側の作動媒体を、前記第１の作動媒体流路および前記第２の作動媒体流路から分岐させて前記第１の逆止弁または前記第２の逆止弁を通り、前記低圧流路から前記回収回路へ導通させて、前記熱交換器を介して前記タンクに回収すること、
を特徴とする超高圧発生装置。
前記低圧選択回路は、前記閉回路作動媒体ポンプによって、前記第１室に向けて吐出された作動媒体の圧力が予め設定した所定の閾値を超えた場合に、前記第２室から吐出される作動媒体を選択して前記回収回路へ導通させる第１の低圧選択切換回路と、
前記第２室に向けて吐出された作動媒体の圧力が予め設定した所定の閾値を超えた場合に、前記第１室から吐出される作動媒体を選択して前記回収回路へ導通させる第２の低圧選択切換回路と、
を備えたこと、
を特徴とする請求項１に記載の超高圧発生装置。
前記第１室および前記第２室から吐出された前記作動媒体の一方を選択して前記回収回路へ流通させる高圧選択回路をさらに備え、
前記低圧選択回路は、前記高圧選択回路と前記増圧機との間に配設されていること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の超高圧発生装置。