(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入した液体をプランジャの往復動により加圧して吐出する往復動ポンプと、前記高圧液体の実吐出圧力値を計測する圧力計測手段と、前記プランジャの往復動の送り速度を調整することにより、前記圧力計測手段で計測された実吐出圧力値を目標値としての圧力設定値に収束させるように制御する圧力制御手段と、を備えた液体加圧装置において、
前記圧力制御手段は、プランジャを移動して前記実吐出圧力値を予め定められた閾値に到達させ、前記実吐出圧力値が前記閾値に到達した後に実吐出圧力値の制御を行って最適送り速度を決定し、その後は当該最適送り速度を一定に維持するものであることを特徴とする液体加圧装置。
【請求項２】
前記圧力制御手段は、比例要素を有し、前記実吐出圧力値が前記閾値に達した後、最初にプランジャの前進端に到達するまでの間に、実吐出圧力値を比例制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の液体加圧装置。
【請求項３】
前記圧力制御手段は、前記最適送り速度の決定後、前記プランジャの往復動の切換時に、実吐出圧力値と圧力設定値との偏差に基づいて送り速度を補正するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体加圧装置。
【請求項４】
前記圧力制御手段は、前記最適送り速度の決定後、前記プランジャの往復動の切換時に、送り速度を一時的に前記最適送り速度以上の速度に設定するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体加圧装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プランジャポンプ等の往復動ポンプを利用した液体加圧装置に関するものであり、特にポンプから吐出される高圧液体の圧力制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボモータ等を駆動源にした電動方式往復動プランジャポンプから吐出される高圧液体の吐出圧力の制御は、シリンダ内を往復動するプランジャの送り速度を制御することにより行われるのが一般的である。このような高圧液体の圧力制御の第一の方法は、プランジャポンプに取り付けられた圧力センサにより検出された実吐出圧力値をフィードバックして目標値としての圧力設定値との偏差をとり、この偏差を速度信号に変換して、偏差に基づいた比例積分制御（ＰＩＤ制御）によりサーボモータの回転速度、即ちプランジャの往復動の送り速度を調整することにより、実吐出圧力値を目標値に収束される方法が一般的に知られている。
【０００３】
又、第二の方法は、サーボモータの起動及び停止を繰り返しながら、プランジャの往復動の送り速度を変えて実吐出圧力値をフィードバックし、圧力設定値に収束させるというＯＮ−ＯＦＦ制御により行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の圧力制御方法には次のような問題がある。ＰＩＤ制御により圧力制御を行う場合には、ＰＩＤ制御の性質により、外乱に敏感に反応するため、プランジャの往復動の加減速が激しくなる。特にプランジャポンプは、プランジャのストローク長が短いため、加減速を頻繁に行っても実吐出圧力値が安定状態に達するまで時間を要するという問題がある。また、外乱の影響を受けやすいため、実吐出圧力値が安定した後でも、変動しやすく、一定の圧力値を維持することが困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、ＯＮ−ＯＦＦ制御による圧力制御方法では、サーボモータの起動及び停止によるプランジャのストローク反転を煩雑に繰り返すため、圧力値が安定した後でも圧力値を一定に保持できないという問題がある。また、煩雑なサーボモータの起動及び停止により、ベルトやプーリー等の駆動系に対する機械的負担が大きく、装置の寿命が短くなるという問題がある。
【０００６】
ところで、プランジャポンプのような往復動ポンプにおいては、高圧液体の吐出圧力は、ノズルの径が一定であれば、往復動するプランジャの送り速度によって一意的に決定されるものである。このため、プランジャの送り速度を一定に維持できれば、吐出圧力値も安定した状態を保持できることになる。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、吐出圧力値を安定した動作で、短時間にかつ精度良く目標の圧力値に収束させることができる液体加圧装置を提供することを主な目的とする。また、本発明の別の目的は、吐出圧力を目標の圧力値に安定した状態で維持することができる液体加圧装置を提供することである。本発明の更に別の目的は、装置に対する機械的負担を減少させることができる液体加圧装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、吸入した液体をプランジャの往復動により加圧して吐出する往復動ポンプと、前記高圧液体の実吐出圧力値を計測する圧力計測手段と、前記プランジャの往復動の送り速度を調整することにより、前記圧力計測手段で計測された実吐出圧力値を目標値としての圧力設定値に収束させるように制御する圧力制御手段と、を備えた液体加圧装置において、前記圧力制御手段は、プランジャを移動して前記実吐出圧力値を予め定められた閾値に到達させ、前記実吐出圧力値が前記閾値に到達した後に実吐出圧力値の制御を行って最適送り速度を決定し、その後は当該最適送り速度を一定に維持するものであることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、予め吐出圧力の閾値を定め、圧力制御手段によって、初めに実吐出圧力値をこの閾値に到達させ、到達後に実吐出圧力値の制御を行っている。
【００１０】
ここで、予め定められた閾値は、目標値としての圧力設定値の近傍の値である。即ち、本発明では、目標値に近い閾値まで実吐出圧力値を一気に到達させた後、目標値付近で実吐出圧力値のフィードバック制御を行って目標値に収束させることができるため、従来のＰＩＤ制御やＯＮ−ＯＦＦ制御によりプランジャの加減速やストローク反転を繰り返す装置に比べて、短時間に吐出圧力値を目標値に到達させることができる。
【００１１】
閾値に到達させるまでのプランジャ移動の送り速度は、特に限定されるものではないが、圧力制御の速応性を向上させ、より短時間に吐出圧力値を目標値に収束させるため、プランジャの最高送り速度であることが好ましい。
【００１２】
尚、閾値は、目標値付近の圧力値であればよく、プランジャの送り速度、ストローク長等の条件によって任意に設定することが可能である。また、閾値として、下限値の他、上限値を定めておく。この場合には、徐々に減速されるプランジャが目標値としての圧力設定値に達しても移動しようとするため、実吐出圧力値が目標値としての圧力設定値に達した時点で、プランジャの移動が停止してしまうことを防止できるという利点がある。
【００１３】
また、本発明では、圧力制御手段によって、実吐出圧力値が閾値に到達した後に実吐出圧力値の制御を行って最適送り速度を決定し、その後は当該最適送り速度を一定に維持する。
【００１４】
ここで、最適送り速度とは、目標値である圧力設定値にほぼ対応したプランジャの送り速度であり、目標値に完全に一致させるため、後に補正することができる。即ち、本発明では、往復動ポンプの高圧液体の吐出圧力は、ノズルの径が一定であればプランジャの送り速度により決定されることを利用して、閾値に達した後の圧力制御により実吐出圧力を目標値に収束させた時点、若しくは目標値付近の圧力値となる送り速度を最適送り速度として決定し、この最適送り速度を一定に維持する。このため、実吐出圧力値は、目標値にほぼ収束した状態で一定値を保持することになり、従来のＰＩＤ制御による圧力制御を行う装置と異なり、外乱の影響に伴うプランジャの加減速は不要となり、また最適送り速度の再決定を行う必要がない。従って、実吐出圧力値を、精度良く円滑に目標値に到達させることが可能となる。また、実吐出圧力値を目標値に維持することが容易となり、安定性を向上させることができる。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の液体加圧装置において、前記圧力制御手段は、比例要素を有し、前記実吐出圧力値が前記閾値に達した後、最初にプランジャの前進端に到達するまでの間に、実吐出圧力値を比例制御するものであることを特徴とする。
【００１６】
本発明では、実吐出圧力値が閾値に到達した後、最初にプランジャの前進端に到達するまでの間のプランジャの圧力制御を、外乱への反応が少ない比例制御で行うため、ストローク長の短いプランジャの場合でもより短時間に圧力値を目標値付近に収束させることが可能となる。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の液体加圧装置において、前記圧力制御手段は、前記最適送り速度の決定後、前記プランジャの往復動の切換時に、実吐出圧力値と圧力設定値との偏差に基づいて送り速度を補正するものであることを特徴とする。
【００１８】
本発明では、最適送り速度の決定後、プランジャの送り速度を、往復動の切換時に、実吐出圧力値と圧力設定値との偏差に基づいて補正するため、最適送り速度が圧力設定値に完全に対応した送り速度でない場合でも、次第に送り速度を収束させることができる。即ち、目標値付近で送り速度の補正を繰り返すことにより、更に短時間に実吐出圧力値を目標値に収束させることが可能となる。また、補正前及び補正後の送り速度は一定に維持されるため、安定した動作を行わせることができ、装置の機械的負担も減少する。更に、往復動の切換により送り速度が変動して、高圧液体の実吐出圧力値が変動した場合でも、補正により最適送り速度に戻すことができ、実吐出圧力の定常特性を更に良好にすることができる。
【００１９】
本発明の圧力制御手段における送り速度の補正は、往復動の切換時に行うものであればその構成は特に限定されるものではない。例えば、圧力設定値と実圧力設定値の偏差に基づき、予め定められた算出式により算出された補正値を送り速度に加減乗除して補正する他、偏差量に対して固定された補正値を送り速度に加減するように構成しても良い。
【００２０】
また、補正は、一方のストローク端での切換時で行う他、各ストローク端での切換時に別個に行っても良い。この場合には、プランジャの左行、右行の機械的ズレによる送り速度の誤差を解消して、良好な定常特性を維持することが可能となる。
【００２１】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体加圧装置において、前記圧力制御手段は、前記最適送り速度の決定後、前記プランジャの往復動の切換時に、送り速度を一時的に前記最適送り速度以上の速度に設定するものであることを特徴とする。
【００２２】
本発明では、圧力制御手段によって、最適送り速度の決定後プランジャの往復動の切換時に、送り速度を一時的に最適送り速度以上の速度に設定するので、往復動の切換時の脈動による実吐出圧力値の低下を防止して、減衰性を良好にし安定性を維持することが可能となる。このような設定速度としては、例えば、減衰性をより良好にするため、最大送り速度とすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態について、以下、図示例とともに説明する。図１は、本実施形態の液体加圧装置の概略構成図である。この実施形態に係る液体加圧装置では、高圧液体噴射による材料切断等のためのノズル装置を示しているが、高圧液体が供給される一定容積の食品加圧処理用圧力容器内の食品を加圧処理するための装置としても良い。
【００２４】
図１は液圧回路図であり、この液体加圧装置は、給液部８、往復動ポンプとしてのプランジャポンプ１、圧力制御手段としての制御部２５、および噴射部１７から構成されている。
【００２５】
給液部８は、プランジャポンプ１に液体を供給するためのものであり、圧媒タンク１１、給水ポンプ９からなる。
【００２６】
圧媒タンク１１の液体は、プランジャポンプ１に送られ、加圧された後、噴射部１７から外部へ噴射されるものである。従って、液体の種類は、材料切断に使用される場合や食品の加圧処理に使用される場合に応じて適宜選択できる。
【００２７】
給水ポンプ９は、この液体を所定の圧力でプランジャポンプ１に送るためのものであり、回転式ポンプでも往復動ポンプでも連続して供給できるものであれば良い。尚、給水ポンプ９を設けないで、プランジャポンプ１に圧媒タンク１１内の液体を自己吸引させることも可能である。
【００２８】
プランジャポンプ１は、サーボモータ７、及びサーボモータ７によって駆動されるプランジャ５Ａ，５Ｂを有する。両プランジャ５Ａ，５Ｂは、互いに等しいストローク長さで可逆的に連動して一体的に往復運動し、これによってプランジャポンプ１の左右ポンプ室３Ａ，３Ｂでは、一方が吸入行程にあるときに他方は吐出行程を行うように、いわゆるプッシュプル動作を行う。つまり、プランジャ５Ｂは、図示の矢印Ａ方向に移動することによりポンプ室３Ｂに液体を吸入し（吸入行程）、逆に矢印Ｂ方向に移動することにより前記吸入行程で吸入した液体を加圧して吐出する（吐出行程）。尚、プランジャ５Ａでは、矢印Ａ，Ｂ方向での各行程が、プランジャ５Ｂの場合と逆になる。
【００２９】
ここで、本実施形態では、プランジャポンプ１とサーボモータ７を採用しているので、制御が容易になる。
【００３０】
圧カセンサは、プランジャポンプ１から吐出される高圧液体の実吐出圧力を計測するものであり、計測結果は電気信号として制御部２５に入力される。この実施形態では、圧カセンサは圧力計測手段を構成している。
【００３１】
プランジャポンプ１は噴射部１７へ高圧液体を吐出するものであるが、高圧液体の吐出圧力は、プランジャ５Ａ，５Ｂの吸入行程及び吐出行程における往復動の送り速度によって決定される。そしてこの送り速度は、サーボモータ７の回転速度を制御する制御部２５によって、圧カセンサから制御部２５に入力される信号に基づいたフィードバック制御により行われる。
【００３２】
図２に本実施形態の液体加圧装置の圧力制御系の制御ブロック図を示す。制御部２５は、目標値としての圧力設定値Ｐｓと圧力センサ２３からフィードバックされてきた実吐出圧力値Ｐとを入力する。そして、圧力設定値Ｐｓと実吐出圧力値Ｐとの偏差に基づいて後述する制御方法によってプランジャ５Ａ，５Ｂの必要な速度が算出され、サーボモータ７に速度指令が出力され、サーボモータ７は、速度指令に応じた回転速度によって回転する。このため、制御部２５によって、実吐出圧力値に基づいたプランジャ５Ａ，５Ｂの送り速度が制御され、この結果、高圧液体の吐出圧力の制御が行われるようになっている。
【００３３】
プランジャポンプ１につながる流路の給液部８側（上流部）には、チェック弁１３ａ，１３ｂが設けられており、さらに、噴射部１７側（下流部）には、チェック弁１５ａ，１５ｂが設けられている。チェック弁１３ａ，１３ｂは、給液部８からプランジャポンプ１への液体の流入のみを許容し、チェック弁１５ａ，１５ｂは、プランジャポンプ１から噴射部１７への液体の流出のみを許容する。いずれも、下流側から上流側への逆流れを阻止する向きに配置されている。
【００３４】
プランジャポンプ１からの高圧液体は、チェック弁１５ａ，１５ｂを通って噴射部１７へ送られる。噴射部１７は、アキュムレータ１９、及びノズル２１からなる。
【００３５】
アキュムレータ１９は、ノズル２１に連結されており、ノズル２１からの高圧液体の吐出量や吐出圧力の瞬時的変動を緩和する。
【００３６】
次に、このように構成された液体加圧装置の制御部２５による高圧液体の圧力制御について説明する。図５に、本実施形態における圧力制御のフローチャート図を示す。
【００３７】
まず、事前に、目標値として圧力設定値Ｐｓと、閾値α及びβを決定し制御部２５に入力する。ここで、閾値αは圧力値の上限値（Ｐｓ＋α）として、閾値βは圧力値の下限値（Ｐｓ−β）として用いられる。尚、閾値として、下限値のみを設定するようにしてもよい。また、閾値α及びβは、目標値としての圧力設定値Ｐｓの近傍の値であり、本実施形態では、αを５ＭＰａ、βを２０ＭＰａとして設定している。尚、閾値α及びβの値はこれに限定されるものではなく、プランジャ５Ａ，５Ｂのストローク長や、圧力設定値等の条件によって任意に決定することが可能である。
【００３８】
そして、サーボモータ７を駆動してプランジャ５Ａ，５Ｂを往復動させる。プランジャ５Ａ，５Ｂの送り速度Ｖは数１の式で決定される。
【００３９】
【数１】
Ｖ＝Ｖmax                        （Ｐ＜Ｐs−βのとき）
Ｖ＝Ｖmax(Ｐs＋α−Ｐ)／(α＋β) （Ｐs−β≦Ｐ＜Ｐs＋αのとき）
Ｖ＝０                            （Ｐs＋α≦Ｐのとき）
【００４０】
ここで、Ｖmaxは、プランジャ５Ａ，５Ｂの最大送り速度である。
【００４１】
このため、所定時間毎に実吐出圧力値Ｐを圧力センサ２３で検出し、実吐出圧力値ＰがＰs−βに達しているか否かを調べる（ステップ５０１）。そして、実吐出圧力値ＰがＰs−βに到達していなければ、プランジャ５Ａ，５Ｂの送り速度がＶmaxとなる速度指令信号をサーボモータ７に送出する（ステップ５１０）。
【００４２】
実吐出圧力値ＰがＰs−βに達したら、プランジャ５Ａ，５Ｂがストローク端に位置しているか否かを調べ（ステップ５０３）、ストローク端でなければプランジャ５Ａ，５Ｂの送り速度を数１の式で算出される値となる速度指令信号を送出する（ステップ５１１）。そして、プランジャ５Ａ，５Ｂが最初にストローク端に到達する間に、制御部２５で実吐出圧力値Ｐの比例制御を行う（ステップ５０２）。即ち、実吐出圧力は、圧力設定値Ｐs（目標値）付近で比例制御が行われるため、目標値に収束していく。図３は、制御部２５による圧力制御によって、実吐出圧力値及びプランジャ５Ａ，５Ｂの送り速度の変動状態を示した図であり、図３（ａ）は、時間と実吐出圧力値の変動の状態図、図３（ｂ）は、プランジャ５Ａ，５Ｂの送り速度の変動の状態図である。
【００４３】
次に、プランジャ５Ａ，５Ｂが最初のストローク端に移動したら、プランジャ５Ａ，５Ｂの方向切換時における送り速度を検出し、当該速度を最適送り速度Ｖ０として、送り速度ＶをＶ０に設定する（ステップ５０４）。この時、最適送り速度Ｖ０は、目標値の圧力設定値Ｐsに対応した送り速度に非常に近い値となっている。
【００４４】
最適送り速度Ｖ０が決定されたら、比例制御を止め（ステップ５０５）、プランジャ５Ａ，５Ｂの送り速度ＶをＶ０で一定に維持する。但し、プランジャ５Ａ，５Ｂのストローク端における往復動の切換時には、プランジャ５Ａ，５Ｂの送り速度を最大送り速度Ｖmaxに一時的に設定する。これは、プランジャ５Ａ，５Ｂの方向切換時の脈動による実吐出圧力値Ｐの低下を防止して、制御系の減衰性を良好にし安定性を向上させるためである。
【００４５】
具体的には、プランジャ５Ａ，５Ｂの左右の各ストローク端における方向切換時に、圧力センサ２３からの実吐出圧力値Ｐと圧力設定値（目標値）Ｐsとを比較して偏差をとる（ステップ５０６、５０８）。そして、実吐出圧力値Ｐが、圧力設定値Ｐsから圧力設定値Ｐs−２ＭＰａまでの範囲外にあるまでの間に、送り速度Ｖが最大送り速度Ｖmaxになる速度指令信号をサーボモータに送出して送り速度を制御する。そして、実吐出圧力値Ｐが、圧力設定値Ｐsから圧力設定値Ｐs−２ＭＰａまでの範囲内に戻ったことを圧力センサ２３で検出した後は、送り速度を最適送り速度Ｖ０に戻すように制御する。尚、最大送り速度に設定すべき実吐出圧力値の範囲は、圧力設定値Ｐsから圧力設定値Ｐs−２ＭＰａまでの範囲外に限定されるものではなく、プランジャ５Ａ，５Ｂのストローク長や、圧力設定値等の条件によって任意に決定することが可能である。
【００４６】
また、プランジャ５Ａ，５Ｂの左右の各ストローク端においては、最適送り速度Ｖ０の１／１００の値を送り速度に加算するようにサーボモータ７への速度指令信号を送出しサーボモータ７の回転速度を変更して、プランジャ５Ａ，５Ｂの送り速度を補正する（ステップ５０７、５０９）。
【００４７】
尚、このようにプランジャ５Ａ，５Ｂの左右各ストローク端で、夫々別個に送り速度の補正を行っているのは、方向切換時におけるプランジャ５Ａ，５Ｂの機械的ズレによる送り速度の誤差を解消するためである。
【００４８】
図４は、プランジャ５Ａ，５Ｂのストローク端における送り速度の変化の状態を示した図である。図４から解るように、方向切換時から一定時間だけ送り速度Ｖが最大速度Ｖmaxになっており、当該時間経過後次の方向切換時までの間は、最適送り速度Ｖ０を補正した値Ａ０，Ａ１，Ｂ０，Ｂ１となっている。
【００４９】
又、制御部２５では、送り速度を一定値に保持するが、この場合でも何らかの原因によって実吐出圧力値Ｐが、圧力設定値Ｐs＋α以上となった場合には、プランジャ５Ａ，５Ｂを停止させる。一方、圧力設定値Ｐs−β以下、若しくは圧力設定値Ｐs−２β以下に低下した場合には、再度比例制御を行い最適送り速度Ｖ０を決定する。このため、実吐出圧力値Ｐが大幅に変動した場合でも、直ちに定常状態に復帰させることができる。
【００５０】
尚、図６に、ノズル径０．２ｃｍ、圧力設定値（目標値）３００ＭＰａとして圧力制御を行った場合のモータ回転数に換算したプランジャ送り速度Ｖ及び実吐出圧力値Ｖの測定結果を示す。図６から解るように、本実施形態に係る液体加圧装置によれば、実吐出圧力値の定常特性、減衰性及び安定性がいずれも向上する。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明は、圧力制御手段が、プランジャを移動して実吐出圧力値を予め定められた閾値に到達させ、実吐出圧力値が閾値に到達した後に実吐出圧力値の制御を行って最適送り速度を決定するので、吐出圧力値を安定した動作で、短時間にかつ精度良く目標の圧力値に収束させることができるという効果がある。
【００５２】
また、本発明は、圧力制御手段が最適送り速度を決定した後は最適送り速度を一定に維持するため、外乱等の外部要因に影響されずに、吐出圧力を目標の圧力値に安定した状態で維持することができるという効果がある。
【００５３】
また、本発明は、圧力制御手段が最適送り速度を決定した後は最適送り速度を一定に維持するため、プランジャの起動停止を繰り返す必要がなく、装置に対する機械的負担を減少させ、装置の寿命を長くすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る液体加圧装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る液体加圧装置の制御ブロック図である。
【図３】本実施形態に係る制御部による実吐出圧力値及び送り速度の変動の状態図である。図３（ａ）は、実吐出圧力値の状態図であり、図３（ｂ）はプランジャの送り速度の状態図である。
【図４】本実施形態に係る液体加圧装置の各ストローク端における送り速度の変動を示す状態図である。
【図５】本実施形態に係る液体加圧装置の圧力制御のフローチャート図である。
【図６】本実施形態に係る液体加圧装置プランジャ送り速度Ｖ及び実吐出圧力値Ｖの測定結果を示す状態図である。
【符号の説明】
１：プランジャポンプ
３：ポンプ室
５：プランジャ
７：サーボモータ
８：給液部
９：給水ポンプ
１１：圧媒タンク
１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ：チェック弁
１７：噴射部
１９：アキュムレータ
２１：ノズル
２３：圧力センサ
２５：制御部
【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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