(57)【要約】【課題】焼きばめのような高い加工精度を必要とせず、またシリンダ壁自体の肉厚を過度に厚くすることなく圧力容器の耐圧性を高めて、超高圧の流体が得られるようにする。【解決手段】蓄圧チャンバー３および複数のプランジャポンプ２，５を用い、前段のプランジャポンプ５の吐出流体を蓄圧チャンバー３に導入した後次段のプランジャポンプ２に吸入し順次増圧する高圧発生装置１であって、２段目以降のプランジャポンプ２にはシリンダ２１の外周に補強シリンダ２３を有しシリンダ２１と補強シリンダ２３との間に低圧室２６が設けられており、蓄圧チャンバー３は円筒３１とその外周に外部材３２を有し円筒３１と外部剤３２との間に低圧チャンバー３７が設けられており、低圧チャンバー３７には前段のプランジャポンプから吐出される流体を導入し、円筒には次段のプランジャポンプから吐出される流体を導入し、低圧室２６には当該プランジャポンプの吸入側の流体を導入する。【選択図】      図１
2005133851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体による内圧を受ける圧力容器の耐圧性を向上させる方法であって、
前記圧力容器の耐圧を向上させたい壁面を前記圧力容器よりも大きい補助容器によって覆いかつそれらの間に空間を設けておき、
前記圧力容器に高圧の流体を導入しまたは流通させるときに前記空間に前記流体よりも低圧の流体を導入しまたは流通させ、前記低圧の流体によって前記壁面を外側から加圧する、
ことを特徴とする圧力容器の耐圧性を向上させる方法。
【請求項２】
ポンプから吐出される高圧の吐出流体の脈動を緩和するための蓄圧チャンバーであって、
内部に前記吐出流体を導入しまたは流通させる円筒状部と、前記円筒状部の外径よりも大きな径の孔を有する外部材と、を有し、
前記円筒状部が前記孔の中に設けられ、
前記円筒状部と前記外部材との間に、前記円筒状部を外側から加圧するための低圧の流体を導入しまたは流通させるバランス室が設けられており、
前記円筒状部が、その内部に前記高圧の吐出流体を導入しまたは流通させかつ前記バランス室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させた場合には耐え得るが、その内部に前記高圧の吐出流体を導入しまたは流通させかつ前記バランス室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させなかった場合には耐え得ない強度に設定されており、
前記外部材が、前記バランス室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させた場合に耐え得る強度に設定されてなる、
ことを特徴とする蓄圧チャンバー。
【請求項３】
シリンダの内部に設けられたポンプ室をプランジャが往復動するプランジャポンプであって、
前記シリンダの外周を覆う補強部材が設けられ、
前記シリンダと前記補強部材との間に、前記シリンダを外側から加圧するために前記ポンプ室において発生する圧力よりも低圧の流体を導入しまたは流通させる円環状の低圧室が設けられており、
前記シリンダが、前記ポンプ室において圧力を発生させかつ前記低圧室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させた場合には耐え得るが、前記ポンプ室において圧力を発生させかつ前記低圧室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させなかった場合には耐え得ない強度に設定されており、
前記補強部材が、前記低圧室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させた場合に耐え得る強度に設定されてなる、
ことを特徴とするプランジャポンプ。
【請求項４】
少なくとも１つの蓄圧チャンバー、およびシリンダの内部のポンプ室をプランジャが往復動する複数のプランジャポンプを用い、前段のプランジャポンプの吐出流体の脈動を前記蓄圧チャンバーにより低減させて前記吐出流体を次段のプランジャポンプに吸入し順次増圧する高圧発生装置であって、
前記蓄圧チャンバーは、
加圧された流体を導入しまたは流通させる円筒状部と、前記円筒状部の外径よりも大きな径の孔を有する外部材と、を有し、前記円筒状部が前記孔の中に設けられ、前記円筒状部と前記外部材との間に、前記円筒状部を外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる低圧チャンバーが設けられており、
２段目以降のプランジャポンプは、
前記シリンダと、前記シリンダの外周を覆う補強部材と、を有し、前記シリンダと前記補強部材との間に、前記シリンダを外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる円環状の低圧室が設けられており、
前記低圧チャンバーには前段のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、前記円筒状部には次段のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、前記低圧室には当該プランジャポンプの吸入側の流体が導入されまたは流通してなる、
ことを特徴とする高圧発生装置。
【請求項５】
蓄圧チャンバー、およびシリンダの内部に設けられたポンプ室をプランジャが往復動する３台のプランジャポンプを用い、前段のプランジャポンプの吐出流体の脈動を前記蓄圧チャンバーにより低減させて次段のプランジャポンプに吸入して順次増圧する高圧発生装置であって、
前記蓄圧チャンバーは、
加圧された流体を導入しまたは流通させる第１の円筒状部と、前記第１の円筒状部の外径よりも大きな内径を有する第２の円筒状部と、前記第２の円筒状部の外径よりも大きな径の孔を有する外部材と、を有し、前記第１の円筒状部が前記第２の円筒状部の中に設けられ、前記第１の円筒状部と前記第２の円筒状部との間に、前記第１の円筒状部を外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる中圧チャンバーが設けられており、前記第２の円筒状部が前記孔の中に設けられ、前記第２の円筒状部と前記外部材との間に、前記第２の円筒状部を外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる低圧チャンバーが設けられており、
２段目のプランジャポンプは、
一方の端にカバーが設けられた円筒状の中圧シリンダと、前記中圧シリンダの外周を覆う第１の補強部材と、を有し、前記中圧シリンダと前記第１の補強部材との間に、前記中圧シリンダを外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる円環状の第１の低圧室が設けられており、
前記３段目のプランジャポンプは、
一方の端にカバーが設けられた円筒状の高圧シリンダと、前記高圧シリンダの外周を覆う円筒状の第２の補強部材と、前記第２の補強部材の外周を覆う第３の補強部材と、を有し、前記シリンダと前記第２の補強部材との間に、前記高圧シリンダを外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる円環状の中圧室が設けられ、前記第２の補強部材と前記第３の補強部材との間に、前記第２の補強部材を外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる円環状の第２の低圧室が設けられており、
前記低圧チャンバーには１段目のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、前記中圧チャンバーには前記２段目のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、前記第１の円筒状部には前記３段目のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、かつ、前記第１の低圧室および前記第２の低圧室には前記１段目のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、前記中圧室には前記２段目のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通してなる、
ことを特徴とする高圧発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧条件下において使用される圧力容器およびプランジャポンプに関するものであり、また、これらを組み合わせた高圧発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水を２５０ＭＰａ前後もしくはそれ以上の超高圧に加圧し、細いノズルからビーム状になった水を高速で噴出するウォータージェットが、金属、ガラス、樹脂、ゴム、繊維等の高精度な切断に利用されている。例えば、水族館の大型水槽に使用されるような、樹脂を挟み込んだ多層ガラスの切断に用いられる。その際に、ウォータージェット威力をより高めるために研磨剤を混ぜた加圧水が使用される。
【０００３】
このウォータージェットによる切断加工では、加圧水の圧力が高いほど精度よく切断することができ切断面が美しい。また、金属や石材等の硬い材料よりもゴムのような柔らかい材料の方が精密な切断が難しく、厚みを有する柔らかい材料を精度よく切断するためにはより高い圧力、例えば３５０ＭＰａ以上の高圧水が好ましい。
【０００４】
ところで、従来の超高圧発生装置は、油圧シリンダで駆動するプランジャポンプによって、供給された水をその約２０倍の圧力にまで加圧し、２５０ＭＰａ前後の高圧水としている（特許文献１）。
【０００５】
しかし、３５０ＭＰａ以上の超高圧を得るためには、プランジャポンプ自体がその圧力に耐えうる構造でなければならないが、そのために単にシリンダ壁の肉厚を増大させただけでは、シリンダ壁の内周面側の内部応力が高い圧力によって材料の許容限度を越えてしまい、圧力に耐え得ない。
【０００６】
この課題に対して、大砲の砲身などに用いられる方法をプランジャポンプのシリンダ壁に適用することが考えられる。つまり、外筒を加熱して膨張させこれを外筒の内径よりもわずかに大きい内筒に嵌め込み冷却する焼きばめによる組合せ円筒を、プランジャポンプのシリンダ壁として用いる。
【０００７】
しかし、焼きばめによる組み合わせ円筒では、設計通りの耐圧を得るために、例えばミクロン単位の精度で内筒および外筒の組み合わせ面を加工する必要があり、超高圧に耐えるシリンダ壁を得るためには通常の工程能力以上の高い精度が求められて歩留まりが悪くなるという問題がある。また、焼きばめ後に設計通りの耐圧が得られているかどうかを確認することが実際上困難であるという問題もある。
【特許文献１】実公平４−１７８１５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、焼きばめのような高い加工精度を必要とせず、またシリンダ壁自体の肉厚を厚くすることなく、圧力容器の耐圧性を高めて、超高圧の流体が得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る方法は、流体による内圧を受ける圧力容器の耐圧性を向上させる方法であって、前記圧力容器の耐圧を向上させたい壁面を前記圧力容器よりも大きい補助容器によって覆いかつそれらの間に空間を設けておき、前記圧力容器に高圧の流体を導入しまたは流通させるときに前記空間に前記流体よりも低圧の流体を導入しまたは流通させ、前記低圧の流体によって前記壁面を外側から加圧する。
【００１０】
本発明に係る蓄圧チャンバーは、ポンプから吐出される高圧の吐出流体の脈動を緩和するための蓄圧チャンバーであって、内部に前記吐出流体を導入しまたは流通させる円筒状部と、前記円筒状部の外径よりも大きな径の孔を有する外部材と、を有し、前記円筒状部が前記孔の中に設けられ、前記円筒状部と前記外部材との間に、前記円筒状部を外側から加圧するための低圧の流体を導入しまたは流通させるバランス室が設けられており、前記円筒状部が、その内部に前記高圧の吐出流体を導入しまたは流通させかつ前記バランス室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させた場合には耐え得るが、その内部に前記高圧の吐出流体を導入しまたは流通させかつ前記バランス室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させなかった場合には耐え得ない強度に設定されており、前記外部材が、前記バランス室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させた場合に耐え得る強度に設定されてなる。
【００１１】
本発明に係るプランジャポンプは、シリンダの内部に設けられたポンプ室をプランジャが往復動するプランジャポンプであって、前記シリンダの外周を覆う補強部材が設けられ、前記シリンダと前記補強部材との間に、前記シリンダを外側から加圧するために前記ポンプ室において発生する圧力よりも低圧の流体を導入しまたは流通させる円環状の低圧室が設けられており、前記シリンダが、前記ポンプ室において圧力を発生させかつ前記低圧室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させた場合には耐え得るが、前記ポンプ室において圧力を発生させかつ前記低圧室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させなかった場合には耐え得ない強度に設定されており、前記補強部材が、前記低圧室に前記低圧の流体を導入しまたは流通させた場合に耐え得る強度に設定されてなる。
【００１２】
本発明に係る高圧発生装置は、少なくとも１つの蓄圧チャンバー、およびシリンダの内部のポンプ室をプランジャが往復動する複数のプランジャポンプを用い、前段のプランジャポンプの吐出流体の脈動を前記蓄圧チャンバーにより低減させて前記吐出流体を次段のプランジャポンプに吸入し順次増圧する高圧発生装置であって、前記蓄圧チャンバーは、
加圧された流体を導入しまたは流通させる円筒状部と、前記円筒状部の外径よりも大きな径の孔を有する外部材と、を有し、前記円筒状部が前記孔の中に設けられ、前記円筒状部と前記外部材との間に、前記円筒状部を外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる低圧チャンバーが設けられており、２段目以降のプランジャポンプは、前記シリンダと、前記シリンダの外周を覆う補強部材と、を有し、前記シリンダと前記補強部材との間に、前記シリンダを外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる円環状の低圧室が設けられており、前記低圧チャンバーには前段のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、前記円筒状部には次段のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、前記低圧室には当該プランジャポンプの吸入側の流体が導入されまたは流通してなる。
【００１３】
また、他の本発明に係る高圧発生装置は、蓄圧チャンバー、およびシリンダの内部に設けられたポンプ室をプランジャが往復動する３台のプランジャポンプを用い、前段のプランジャポンプの吐出流体の脈動を前記蓄圧チャンバーにより低減させて次段のプランジャポンプに吸入して順次増圧する高圧発生装置であって、前記蓄圧チャンバーは、加圧された流体を導入しまたは流通させる第１の円筒状部と、前記第１の円筒状部の外径よりも大きな内径を有する第２の円筒状部と、前記第２の円筒状部の外径よりも大きな径の孔を有する外部材と、を有し、前記第１の円筒状部が前記第２の円筒状部の中に設けられ、前記第１の円筒状部と前記第２の円筒状部との間に、前記第１の円筒状部を外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる中圧チャンバーが設けられており、前記第２の円筒状部が前記孔の中に設けられ、前記第２の円筒状部と前記外部材との間に、前記第２の円筒状部を外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる低圧チャンバーが設けられており、２段目のプランジャポンプは、一方の端にカバーが設けられた円筒状の中圧シリンダと、前記中圧シリンダの外周を覆う第１の補強部材と、を有し、前記中圧シリンダと前記第１の補強部材との間に、前記中圧シリンダを外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる円環状の第１の低圧室が設けられており、前記３段目のプランジャポンプは、一方の端にカバーが設けられた円筒状の高圧シリンダと、前記高圧シリンダの外周を覆う円筒状の第２の補強部材と、前記第２の補強部材の外周を覆う第３の補強部材と、を有し、前記シリンダと前記第２の補強部材との間に、前記高圧シリンダを外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる円環状の中圧室が設けられ、前記第２の補強部材と前記第３の補強部材との間に、前記第２の補強部材を外側から加圧するための流体を導入しまたは流通させる円環状の第２の低圧室が設けられており、前記低圧チャンバーには１段目のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、前記中圧チャンバーには前記２段目のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、前記第１の円筒状部には前記３段目のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、かつ、前記第１の低圧室および前記第２の低圧室には前記１段目のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通し、前記中圧室には前記２段目のプランジャポンプから吐出される流体が導入されまたは流通してなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、焼きばめのような高い加工精度を必要とせず、またシリンダ壁自体の肉厚を過度に厚くすることなく、圧力容器の耐圧性を高めることができる。
【００１５】
本発明のプランジャポンプまたは高圧発生装置によると、超高圧の流体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
３５０ＭＰａを越える超高圧の水を発生させるには、プランジャポンプを駆動させる油圧シリンダの油の圧力、油圧シリンダのピストンの受圧面積とプランジャの受圧面積との比率等の制約から、１段で加圧（増圧）するよりも加圧を２段で行う方が容易である。したがって、本実施形態では、２段階の加圧を行う高圧発生装置１について説明する。
【００１７】
図１は本発明に係る第１の実施形態の高圧発生装置１の流体回路図、図２は本発明に係るプランジャポンプ２の部分断面正面図、図３はプランジャポンプ２の部分断面平面図、図４は図２におけるＡ−Ａ断面矢視図、図５は図３におけるＢ−Ｂ断面矢視図、図６は本発明に係る蓄圧チャンバー３の断面正面図、図７は図６におけるＣ−Ｃ断面矢視図である。
【００１８】
図１に示す高圧発生装置１は、４００ＭＰａ前後のウォータージェット用の超高圧の水を発生させる装置であり、初段プランジャポンプ５、２段プランジャポンプ２、蓄圧チャンバー３、２台の油圧ポンプ６１，６２、２つの切り替え弁６３，６４、およびその他の機器で構成されている。
【００１９】
初段プランジャポンプ５は、高圧発生装置１の最終圧力の０．２〜０．７倍程度の圧力、例えば８０〜３００ＭＰａ程度の圧力にまで水を加圧する。初段プランジャポンプ５は、２台が一組となって、駆動用の両ロッド型の油圧シリンダ７１に一体化されている。
【００２０】
初段プランジャポンプ５は、油圧シリンダ７１のピストンの往復動にともない、吸入工程と吐出工程とを繰り返す。つまり、初段プランジャポンプ５は２連式で用いられ、一方のプランジャポンプ５が吸入工程のときに他方のプランジャポンプ５が吐出工程となるように構成されている。各初段プランジャポンプ５の近傍にはそれぞれチェック弁ＣＶ１，ＣＶ２が設けられている。かかる初段プランジャポンプ５は公知である。
【００２１】
２段プランジャポンプ２は、初段プランジャポンプ５で加圧された１次加圧水をさらに加圧し、最終圧力を有する２次加圧水を発生させるためのものである。２段プランジャポンプ２は、初段プランジャポンプ５と同様に２台が一組となって両ロッド型の油圧シリンダ７２に一体化されている。つまり、２台の２段プランジャポンプ２も２連式で用いられ、一方の２段プランジャポンプ２の吸入工程では他の２段プランジャポンプ２が吐出工程を行うように構成されている。
【００２２】
図２および図３に示すように、２段プランジャポンプ２は、シリンダ２１、プランジャ２２、補強シリンダ２３、スペーサ２４などにより構成されている。２段プランジャポンプ２は、シリンダ２１の内周側に形成されたポンプ室２５内を、油圧シリンダ７２により駆動されるプランジャ２２が往復動することにより、ポンプ室２５に１次加圧水を吸入し２次加圧水を吐出する。
【００２３】
図２および図４に示すように、シリンダ２１は、円筒状であり、シリンダヘッド２１１と一体に形成されている。補強シリンダ２３は、円筒状であり、シリンダ２１の外径にほぼ等しい径の孔２３１を有している。シリンダ２１は、孔２３１に嵌め込まれ、その外周面２１３は補強シリンダ２３によって覆われ、ボルト２１２によって補強シリンダ２３と一体化されている。
【００２４】
補強シリンダ２３の孔２３１の内周面には、円筒状の凹溝２３２が設けられており、この凹溝２３２と外周面２１３とによって低圧室２６が形成されている。低圧室２６の軸方向の位置は、ポンプ室２５をその軸方向の全長にわたって覆うように設けられている。凹溝２３２よりも外側のシリンダ２１の外周面には、補強シリンダ２３の内周面との間でシールを行うためのパッキン溝が設けられ、そこにパッキンが装着されている。また、ポンプ室２５を形成するシリンダ２１の内周面の開口部分には、プランジャ２２との間のシールを行うためのパッキン２５１、およびパッキン押さえ２５２が設けられている。
【００２５】
補強シリンダ２３には、その外周に開口する２つのポートＰＴ２１，ＰＴ２２が、互いに軸方向に離れた位置で且つ周方向の反対位置に設けられている。ポートＰＴ２１，ＰＴ２２は、それぞれ流路によって低圧室２６に連通している。
【００２６】
図３および図５に示すように、スペーサ２４は、補強シリンダ２３の孔２３１の内径とほぼ等しい外径とプランジャ２２の外径にほぼ等しい内径を有する円筒状に形成され、補強シリンダ２３の孔２３１内において油圧シリンダ７２に近い側に嵌め込まれている。スペーサ２４には、内周面および外周面に円環状の溝である内溝２４１または外溝２４２が設けられ、これら内溝２４１と外溝２４２とは２つの流路２４３，２４４によって連通されている。
【００２７】
補強シリンダ２３には、外溝２４２に面する箇所に、補強シリンダ２３の外周に連通する流路２３３が設けられ、流路２３３の開口部にはポートＷＰＴ２１が設けられている。図３によく示されるように、ポートＷＰＴ２１の近傍において流路２３３に連通する流路２３４が分岐して設けられ、流路２３４は補強シリンダ２３の端部に設けられたポートＷＰＴ２２に連通している。ポートＷＰＴ２１およびポートＷＰＴ２２のうち使用されない方はプラグにより閉塞される。
【００２８】
ポンプ室２５は、吐出工程において４００ＭＰａ前後の超高圧となり、パッキン２５１によってもシリンダ２１とプランジャ２２との間を完全にシールすることが困難である。パッキン２５１から漏れ出た２次加圧水はプランジャー２２とスペーサ２４との間を通って内溝２４１に流れ込み、流路２４３，２４４、外溝２４２、流路２３３を経てポートＷＰＴ２１またはポートＷＰＴ２２から外部に排出される。
【００２９】
２段プランジャポンプ２には、ポンプ室２５に流路２５３を経て連通する継手２７を介して、チェック弁ＣＶ３，ＣＶ４が接続されている。
【００３０】
２段プランジャポンプ２において、シリンダ２１は、ポンプ室２５において圧力を発生させかつ低圧室２６に流体を導入しまたは流通させた場合には耐え得るが、ポンプ室２５において圧力を発生させかつ低圧室２６に流体を導入しまたは流通させなかった場合には耐え得ない強度に設定されている。なお、「耐え得ない強度」とは、流体の圧力によって短時間で破壊または変形に至る程度の強度や、長期の使用によって実用的な寿命が得られない程度の強度を含む。また、補強シリンダ２３は、低圧室２６に流体を導入しまたは流通させた場合に十分耐え得る強度に設定されている。このような強度の範囲は、流体の圧力、材料の強度および寸法などに基づいて、当業者であれば計算、経験、または実験などによって求めて実施することが可能である。後述の内管３１，３１Ｂ、シリンダ４１、第２補強シリンダ４３、第１補強シリンダ４８などに関しても同様である。
【００３１】
蓄圧チャンバー３は、初段プランジャポンプ５および２段プランジャポンプ２から吐出される高圧の水に含まれる脈動を軽減させるために設けられている。
【００３２】
図６および図７に示すように、蓄圧チャンバー３は、内管３１、および、内管３１とほぼ同じ長さであって内管３１の外径よりも大きな内径を有する外管３２による２重管構造を有している。内管３１は、その両端が栓３３ａ，３３ｂにより閉塞されて内側に２次圧力室３４が形成されている。栓３３ａ，３３ｂは、その外周に設けられた雄ねじが、内管３１の内周面に設けられた雌ねじに螺合してねじ困れ、円筒状の固定ねじ部材３５ａ，３５ｂにより内管３１に固定されている。
【００３３】
栓３３ａ，３３ｂには、それぞれ配管接続用のポートＰＴ３４，ＰＴ３５、およびポートＰＴ３４，ＰＴ３５と２次圧力室３４とを連通する流路３３１ａ，３３１ｂが設けられている。
【００３４】
外管３２の両端において、カバー部材３６ａ，３６ｂが外管３２の内周面に設けられた雌ねじにねじ込まれている。これによって、外管３２と内管３１との間の両端が閉塞され、それらの間に１次圧力室３７が形成されている。
【００３５】
図６および図７に示す蓄圧チャンバー３では、１次圧力室３７と２次圧力室３４との容積の比率が略３対１に設定されている。外管３２には、外周面の軸方向中央部と両端部にそれぞれ開口しかつ１次圧力室３７に連通する３つのポートＰＴ３１〜３３が設けられている。なお、外管３２として、外形断面が多角形の材料を使用してもよい。
【００３６】
図１に戻って、油圧ポンプ６１は、初段プランジャポンプ５の油圧シリンダ７１のピストンを駆動するための圧油を生成する。切り替え弁６３は、油圧ポンプ６１から送出される圧油を油圧ラインＯＬ１，ＯＬ２に交互に供給し、両ロッド型の油圧シリンダ７１を往復動させて２連の初段プランジャポンプ５に交互に吐出動作を行わせる。
【００３７】
油圧ポンプ６２は、２段プランジャポンプ２の油圧シリンダ７２のピストンを駆動するための圧油を生成する。切り替え弁６４は、油圧ポンプ６２から送出される圧油を油圧ラインＯＬ３，ＯＬ４に交互に供給し、両ロッド型の油圧シリンダ７２を往復動させて２連の２段プランジャポンプ２に交互に吐出動作を行わせる。
【００３８】
次に、高圧発生装置１における水の流れを図１を参照しながら説明する。
【００３９】
水ラインＷＬ１から供給された水は、フィルタにより異物が取り除かれ、水ラインＷＬ２を経由して初段プランジャポンプ５に吸入され、加圧される。加圧された１次加圧水は、水ラインＷＬ３を通り、蓄圧チャンバー３のポートＰＴ３１から１次圧力室３７に流入する。水ラインＷＬ３にはリリーフバルブＲＶが設けられている。
【００４０】
１次加圧水は、１次圧力室３７の中で初段プランジャポンプ５により生じた脈動が低減され、ポートＰＴ３２，ＰＴ３３から水ラインＷＬ４を経由して２段プランジャポンプ２のポートＰＴ２１から低圧室２６に流入する。１次加圧水は、低圧室２６からポートＰＴ２２および水ラインＷＬ５を通り、チェック弁ＣＶ３により２段プランジャポンプ２の吸引工程でポンプ室２５に吸入される。ポンプ室２５に吸入された１次加圧水は、２段プランジャポンプ２の吐出工程で増圧される。増圧された２次加圧水は、ポンプ室２５からチェック弁ＣＶ４を経由して、水ラインＷＬ６，ＷＬ７に吐出される。
【００４１】
２段プランジャポンプ２において、１次加圧水はポンプ室２５内で４００ＭＰａ前後にまで増圧される。つまり、シリンダ２１には４００ＭＰａ前後の超高圧が発生し、その圧力がシリンダ２１の内壁に加わる。他方、ポンプ室２５を形成するシリンダ２１の外周に低圧室２６が設けられ、そこに１次加圧水が導入されており、１次加圧水の圧力がシリンダ２１の外壁に加わる。その結果、シリンダ２１は、従来の焼きばめによって外壁に予圧が加えられたのと同じ状態となる。すなわち、４００ＭＰａ前後の超高圧がシリンダ２１の内周面に加わっても、その外周面をその２〜７割程度の圧力で押すので、シリンダ２１に生じる内部応力、特に周方向の引っ張り応力が減少する。これによって、シリンダ２１に発生する内部応力をその材料の許容限度内に納めることができる。
【００４２】
また、低圧室２６を通過する１次加圧水は、２段プランジャポンプ２の稼働時に発生する熱、および、パッキン２５１から２次加圧水が高速で漏れ出すときに発生する摩擦熱を冷却し、２段プランジャポンプ２が過熱するのを防止する働きもする。
【００４３】
水ラインＷＬ６，ＷＬ７に吐出された２次加圧水は、蓄圧チャンバー３の２次圧力室３４に流入し、そこで脈動が緩和されるとともに、水ラインＷＬ８からウォータージェットのノズルに供給される。
【００４４】
ここで、蓄圧チャンバー３の内管３１においても、先に説明した２段プランジャポンプ２のシリンダ２１と同様の効果を得る、つまり、蓄圧チャンバー３の内管３１に内外圧が同時に加わるので、２次加圧水の内圧による内管３１の内部応力および応力振幅が減少する。
【００４５】
また、蓄圧チャンバー３は、１基で１次加圧水および２次加圧水の脈動を緩和する働きをするので、別々に蓄圧チャンバーを設置する場合に比べて省スペース化を図ることができる。
【００４６】
なお、蓄圧チャンバー３を設けないで高圧発生装置１を構成した場合には、初段プランジャポンプ５の脈動と２段プランジャポンプ２の脈動とを同期させないと、２段プランジャポンプ２においてポンプ室２５と低圧室２６との圧力差が大きく変動し、シリンダ２１の耐圧性に好ましくない影響を与えることになる。
【００４７】
さて、２段増圧による高圧発生装置１では、５００〜６００ＭＰａ程度までの超高圧水を発生させることができる。しかし７００ＭＰａ前後にまで水を増圧するには２段では不十分であり、増圧を３段で行うのが現実的である。
【００４８】
図８は７００ＭＰａ前後の超高圧水を３段増圧で得る本発明に係る第２の実施形態の高圧発生装置１Ｂの流体回路図、図９は３段プランジャポンプ４の部分断面正面図、図１０は高圧発生装置１Ｂに使用される蓄圧チャンバー３Ｂの断面正面図である。
【００４９】
図８に示す高圧発生装置１Ｂは、初段プランジャポンプ５Ｂ、２段プランジャポンプ２Ｂ、３段プランジャポンプ４、蓄圧チャンバー３Ｂ、３台の油圧ポンプ６１Ｂ，６２Ｂ，６５Ｂ、３つの切り替え弁６３Ｂ，６４Ｂ，６６Ｂ、その他の機器で構成されている。
【００５０】
なお、上に述べた「３段プランジャポンプ４」とは、高圧発生装置１Ｂにおいて３段目（最終段）の増圧に用いるプランジャポンプをいう。
【００５１】
各段のプランジャポンプ５Ｂ，２Ｂ，４は、それぞれが２台一組となってプランジャを駆動する両ロッド型の油圧シリンダ７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂに一体化されている。つまり、上に述べたように、各段のプランジャポンプ５Ｂ，２Ｂ，４は２連式で用いられ、一方のプランジャポンプ５Ｂ，２Ｂ，４が吸入工程のとき他方のプランジャポンプ５Ｂ，２Ｂ，４が吐出工程となるように構成されている。また、各段のプランジャポンプ５Ｂ，２Ｂ，４の近傍には各ポンプが吸入工程および吐出工程においてその機能を果たすように、流体が逆流するのを防止するためのチェック弁ＣＶ１Ｂ〜ＣＶ４Ｂ，ＣＶ５，ＣＶ６が設けられている。
【００５２】
初段プランジャポンプ５Ｂは、水ラインＷＬ１Ｂより供給される水を１次圧力まで増圧して１次加圧水を発生させる。２段プランジャポンプ２Ｂは、初段プランジャポンプ５Ｂにより増圧された１次加圧水を２次圧力まで増圧し２次加圧水を発生させる。初段プランジャポンプ５Ｂおよび２段プランジャポンプ２Ｂは、高圧発生装置１に使用される初段プランジャポンプ５および２段プランジャポンプ２と同一の構造を有している。３段プランジャポンプ４は、２段プランジャポンプ２Ｂにより発生した２次加圧水をさらに最終圧力（３次圧力）である７００ＭＰａ前後にまで増圧する。
【００５３】
図９を参照して、３段プランジャポンプ４は、円筒状の形状を有し、シリンダヘッド４１１と一体化されたシリンダ４１、プランジャ４２、円筒状の形状を有する第１補強シリンダ４８、断面形状が円形の孔４３１を有する第２補強シリンダ４３等により構成されている。シリンダ４１は、ボルトによって、第１補強シリンダ４８および第２補強シリンダ４３などに取り付けられ、それらが一体化されている。
【００５４】
第１補強シリンダ４８の内周面に、シリンダ４１が嵌め込まれている。第１補強シリンダ４８の内周面には、環状の凹溝４８２が設けられており、この凹溝４８２とシリンダ４１の外周面４１３とによって、中圧室４９が、ポンプ室４５をその全長にわたり覆うように形成されている。凹溝４８２は、水溝４８３ａ，４８３ｂを経由してシリンダヘッド４１１に設けられたポートＰＴ４３，ＰＴ４４に連通する。これらのポートＰＴ４３，ＰＴ４４の一方から２次加圧水を中圧室４９に流入させ、他方から流入させる。
【００５５】
第２補強シリンダ４３は、第１シリンダ補強材４８の外径にほぼ等しい内径の孔４３１を有し、そこに第１補強シリンダ４８が嵌め込まれている。孔４３１の内周面には環状の凹溝４３２が設けられており、凹溝４３２と第１補強シリンダ４８の外周面４８４とによって、中圧室４９をその全長にわたり外周面４８４の上から覆うような低圧室４６が形成されている。第２補強シリンダ４３には、外周面に開口しかつ低圧室４６に連通するポートＰＴ４１，ＰＴ４２が設けられている。
【００５６】
図１０に示す蓄圧チャンバー３Ｂは、初段プランジャポンプ５Ｂ、２段プランジャポンプ２Ｂ、および３段プランジャポンプ４Ｂからそれぞれ吐出される高圧の水に含まれる脈動を軽減するために設けられている。蓄圧チャンバー３Ｂは、図６に示す蓄圧チャンバー３が２重管構造であるのに対し、内管３１Ｂ、中管３８Ｂ、外管３２Ｂの３重管構造を有する。中管３８Ｂと外管３２Ｂとの間には１次圧力室３７Ｂ、内管３１Ｂと中管３８Ｂとの間には２次圧力室３９Ｂ、内管３１Ｂの内部には３次圧力室３４Ｂが、それぞれ形成されている。
【００５７】
１次圧力室３７Ｂには、初段プランジャポンプ５Ｂから吐出された１次加圧水が流入し、２次圧力室３９Ｂには２段プランジャポンプ２Ｂから吐出された２次加圧水が流入し、３次圧力室３４Ｂには最終圧力である７００ＭＰａ前後に増圧された３次加圧水が流入する。
【００５８】
油圧ポンプ６１Ｂは、初段プランジャポンプ５Ｂを駆動する油圧シリンダ７１Ｂに圧油を供給する。油ポンプ６２Ｂは、２段プランジャポンプ２Ｂを駆動する油圧シリンダ７２Ｂに圧油を供給する。油ポンプ６５Ｂは、３段プランジャポンプ３Ｂを駆動する油圧シリンダ７３Ｂに圧油を供給する。切り替え弁６３Ｂ，６４Ｂ，６６Ｂは、各段の油圧シリンダ７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂに供給する圧油の流路を切り替えて往復動させ、それぞれの２連のプランジャポンプ５Ｂ，３Ｂ，４に交互に吐出動作を行わせる。
【００５９】
次に、図８〜１０を参照しながら高圧発生装置１Ｂにおける水の流れを説明する。
【００６０】
高圧発生装置１Ｂに供給された水は、水ラインＷＬ１Ｂ、ＷＬ２Ｂを経由して初段プランジャポンプ５Ｂに吸入され増圧されて１次加圧水となる。１次加圧水は、水ラインＷＬ３Ｂを通り蓄圧チャンバー３Ｂの１次圧力室３７Ｂに流入し、水ラインＷＬ４Ｂを経て３段プランジャポンプ４の低圧室４６に流入する。さらに１次加圧水は水ラインＷＬ５Ｂを通り２段プランジャポンプ２Ｂの低圧室２６Ｂに流入する。低圧室２６Ｂに流入した１次加圧水はチェック弁ＣＶ３Ｂから２段プランジャポンプ２Ｂのポンプ室に吸入されて増圧され２次加圧水となり、水ラインＷＬ６Ｂから蓄圧チャンバー３Ｂの２次圧力室３９Ｂに流入する。２次加圧水は、２次圧力室３９Ｂにより脈動が低減され、水ラインＷＬ７Ｂを通り３段プランジャポンプ４の中圧室４９に流入し、チェック弁ＣＶ５から３段プランジャポンプ４のポンプ室４５に吸入される。２次加圧水は３段プランジャポンプ４のポンプ室４５で７００ＭＰａ前後にまで増圧される。３段プランジャポンプ４で増圧されて３次加圧水となった水は、水ラインＷＬ８Ｂを経由して蓄圧チャンバー３Ｂの３次圧力室３４Ｂに流入し、そこで脈動が軽減され、ウォータージェットのノズルに送出される。
【００６１】
高圧発生装置１Ｂでは、３次加圧水の圧力が７００ＭＰａ前後の超高圧となり、一般にこのような内圧に耐え得るシリンダの製作は極めて困難である。しかし、３段プランジャポンプ４では、ポンプ室４５内の圧力によりシリンダ４１に生じる内部応力が中圧室４９の２次加圧水の圧力により低減されるので、シリンダ４１の内部応力を使用材料の許容応力以内に抑えることができる。また、２次加圧水により生ずる第１補強シリンダ４８の内部応力も低圧室４６に流入する１次加圧水により低減される。
【００６２】
このように、シリンダ４１および第１補強シリンダ４８に生じる内部応力が減少することにより、超高圧に耐え得るシリンダの製作が可能となるばかりでなく、これらの肉厚を減少させることも可能となる。
【００６３】
２段プランジャポンプ２Ｂおよび初段プランジャポンプ５Ｂの吐出圧力は、それぞれ３段プランジャポンプ４および２段プランジャポンプ２Ｂの吐出圧力の０．２〜０．７程度の範囲とするのが好ましい。
【００６４】
３重管構造を有する蓄圧チャンバー３Ｂにおいても、内管３１Ｂおよび中管３８Ｂには内外圧が同時に加わる。したがって、３段プランジャポンプ４のシリンダ４１と同様に内管３１Ｂおよび中管３８Ｂに生じる内部応力はいずれも小さくなり、内管３１Ｂおよび中管３８Ｂは、焼きばめ等による特別な加工を施した円筒でなくとも超高圧に耐えることができる。
【００６５】
上に述べた実施形態において、２段プランジャポンプ２，２Ｂの補強シリンダ２３、および３段プランジャポンプの第２補強シリンダ４３は、いずれも、断面円形の孔を有するのが好ましい。しかし、円形でなくても、例えば楕円であってもよい。それらの外形は、断面形状が円形、正方形、長方形等の形状とすることができる。また、それらを、球形、または球形に近い形状とすることもできる。蓄圧チャンバー３の外管３２および蓄圧チャンバー３Ｂの外管３２Ｂについても、上と同様な形状とすることができる。
【００６６】
また、初段プランジャポンプ５，５Ｂ、２段プランジャポンプ２，２Ｂおよび３段プランジャポンプ４，４Ｂはいずれも、２台を別々の片ロッド型の油圧シリンダで駆動することができる。この場合、２台のプランジャポンプは、吸入工程と吐出工程を交互に繰り返すように同期させるのが好ましい。
【００６７】
蓄圧チャンバー３の１次圧力室３７、２次圧力室３４、および蓄圧チャンバー３Ｂの１次圧力室３７Ｂ、２次圧力室３９Ｂ、３次圧力室３４Ｂ内部に各加圧水を流通させるのではなく、例えば、初段プランジャポンプ５から２段プランジャポンプ２に１次加圧水を移送する配管に分岐を設け蓄圧チャンバー３の１次圧力室３７と連通させる等のように、必ずしも各加圧水を各圧力室に流通させなくともよい。
【００６８】
その他、２段プランジャポンプ２，２Ｂ、３段プランジャポンプ４、蓄圧チャンバー３，３Ｂなどの全体または各部の構成、材質、形状および寸法などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の高圧発生装置の流体回路図である。
【図２】第１の実施形態のプランジャポンプの正面部分断面図である。
【図３】プランジャポンプの部分断面平面図である。
【図４】図２におけるＡ−Ａ断面矢視図である。
【図５】図３におけるＢ−Ｂ断面矢視図である。
【図６】本発明に係る第１の実施形態の蓄圧チャンバーの断面正面図である。
【図７】図６におけるＣ−Ｃ断面矢視図である。
【図８】本発明に係る第２の実施形態の高圧発生装置の流体回路図である。
【図９】３段プランジャポンプの部分断面正面図である。
【図１０】蓄圧チャンバーの断面正面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１，１Ｂ  高圧発生装置
２，２Ｂ  ２段プランジャポンプ（プランジャポンプ、２段目以降のプランジャポンプ、２段目のプランジャポンプ）
３，３Ｂ  蓄圧チャンバー
４  ３段プランジャポンプ（３段目のプランジャポンプ）
２１  シリンダ（中圧シリンダ、壁面）
２２  プランジャ
２１１  カバー
２３  補強シリンダ（補助容器、補強部材、第１の補強部材）
２５  ポンプ室
２６  低圧室（空間、第１の低圧室）
３１，３１Ｂ  内管（円筒状部、第１の円筒状部）
３２，３２Ｂ  外管（外部材）
３２１  外管の内周面（孔）
３７，３７Ｂ  １次圧力室（バランス室、低圧チャンバー）
３８Ｂ  中管（第２の円筒状部）
３９Ｂ  中圧チャンバー
４１  シリンダ（高圧シリンダ）
４１１  カバー
４２  プランジャ
４３  第２補強シリンダ（第３の補強部材）
４５  ポンプ室
４６  低圧室（第２の低圧室）
４８  第１補強シリンダ（第２の補強部材）
４９  中圧室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005133851.tif 000009
【図８】
2005133851.tif 000010
【図９】
2005133851.tif 000011
【図１０】
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