JP2001263253A - 無脈動ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な構成の無脈動ポンプを提供する。 【解決手段】 ３個のプランジャ１４は、スライダクラ
ンク機構１０を介してモータ２６に駆動される。３個の
プランジャ１４の合計吐出量が一定となるようにモータ
２６の角速度をモータ駆動装置２８により制御する。制
御すべき角速度は、スライダクランク機構１０のクラン
ク半径、コンロッド長などの機械的構造によって定まる
クランク角θの関数として定められる。クランク角θを
角度位置センサ３０により検出し、検出値と前記関数に
基づきモータ駆動装置２８が、モータ２６の速度制御を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、往復動ポンプに関
し、特に吐出流量が一定である無脈動ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】往復動ポンプは、スライダクランク機構
や偏心円板カム機構を用いて、駆動シャフトの回転運動
をプランジャまたはピストン（以下単にプランジャと記
す）の往復運動に変換し、取扱い流体を送り出すもので
ある。通常、駆動シャフトの回転速度を一定としている
ため、プランジャの運動は略正弦往復運動となる。した
がって、プランジャとシリンダの組をひとつ有するもの
ではもちろん、複数組有する多連ポンプであっても、吐
出流量に脈動を生じる。

【０００３】従来、往復動ポンプを用いて、吐出流量に
脈動のない、いわゆる無脈動ポンプを実現する場合、２
連ポンプまたは３連ポンプとし、二つのプランジャが吐
出する流量の和が一定となるように、特殊な形状のカム
を用いてプランジャの速度を制御していた。また、特殊
な形状のカムを用いた上で、さらにモータの角速度を総
合的に補正していた。

【０００４】また、特開昭６３−１７３８６６号公報に
は、二つの直列に接続されたプランジャを用いた無脈動
ポンプが記載されている。第１プランジャから吐出され
た流体は第２プランジャに送られ、さらに第２プランジ
ャから下流に供給される。第１と第２のプランジャの間
には、逆止弁が設けられ第２プランジャから第１プラン
ジャへの流体の流れが阻止されている。第１プランジャ
と第２プランジャは特殊なカムを介してモータにより駆
動され、カムの形状によって、第２プランジャからの吐
出流量が一定となるように制御されている。また、別の
例によれば、二つのプランジャを別個のモータにより駆
動している。個々のモータは、第２プランジャからの吐
出流量が一定となるようにその回転速度（角速度）が制
御される。また、この装置は、第１と第２プランジャの
吐出状態が切り替わるときなどの圧力変動（流量の変
動）を除去するために、モータの角速度を補正してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の特殊カムを用い
た無脈動ポンプでは、プランジャの加速度が大きくな
り、大きな荷重がカムやこれを支える軸、軸受に加わ
り、装置の大型化につながるなどの問題があった。ま
た、カムの形状が複雑であるために、カム製作に要する
時間、コストが増加するという問題もあった。

【０００６】また、二つのプランジャを別個のモータで
駆動する場合、モータ数が増加するという問題があっ
た。

【０００７】本発明は、前記の問題点を考慮してなされ
たものであり、簡易な構成の無脈動ポンプを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明の無脈動ポンプは、回転運動を往復運動に
変換する変換機構を介しシャフトにより駆動されるプラ
ンジャまたはピストンを含む３個以上のポンプ部を有
し、前記プランジャは共通のシャフトにより駆動され
る。前記変換機構は、シャフトを等角速度で回転した場
合、プランジャを略正弦往復運動させる機構であり、例
えば、スライダクランク機構、リンク機構、偏心円板カ
ム機構などである。また、前記シャフトを駆動する駆動
手段は、個々のプランジャにより吐出される取扱い流体
の合計量が、各瞬間において、一定となるようにその速
度が制御される。駆動手段は、例えばステッピングモー
タ、ブラシレスモータ、誘導モータと、回転磁界の角速
度を制御するコントローラを含む。また、直流モータ
と、電圧を制御するコントローラとすることもできる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。図１は、
本実施形態の概略構成図である。図示されるように本実
施形態は、スライダクランク機構１０を介して共通のク
ランクシャフト１２に駆動される３個のプランジャ１４
を有する。クランクシャフト１２のクランクピン１６と
プランジャ１４は、コネクティングロッド（以下コンロ
ッド）１８により連接されている。プランジャ１４は、
シリンダ２０内を摺動しつつ往復運動する。クランクシ
ャフト１２が一定角速度で運動すると、各プランジャ１
４はおよそ正弦往復運動する。その詳細は、後述する。
クランクピン１６は、１周をプランジャ数で分割するよ
うに、すなわち本実施形態では１２０°（２π／３）間
隔で配置されている。この結果、各プランジャ１４の運
動は、互いに１２０°（２π／３）の位相差を有してい
る。

【００１０】各シリンダ２０には、吸入管２２と吐出管
２４が接続され、各シリンダ２０は、取扱い流体の流れ
に対して並列に配置される。なお、吸入管２２および吐
出管２４には、逆流を防止するための機構が設けられて
いるが、図では省略されている。クランクシャフト１２
の回転に伴うプランジャ１４の下方への運動により、取
扱い流体が吸入管２２を通ってシリンダ２０内に吸い込
まれ、さらに上方への運動により吐出管２４に送り出さ
れる。

【００１１】クランクシャフト１２は減速機が内蔵され
た電気モータ（以下、単にモータと記す）２６、本実施
形態においてはステッピングモータにより駆動される。
モータ２６の駆動制御は、モータ駆動装置２８により行
われる。モータ駆動装置２８は、クランクシャフト１２
の角度位置を検出する角度位置センサ３０の出力に基づ
き、その角度位置に適した角速度となるようにモータ２
６を駆動制御する。この駆動制御、特に角速度制御の詳
細については、後述する。角度位置センサ３０は、直接
角度位置の絶対位置を検出できるもの、例えばレゾルバ
であってもよく、またエンコーダのように回転した角度
を検出できるものであってもよい。後者の場合には、周
上の所定位置で基準となる信号が出力するように構成す
ることが必要である。

【００１２】図２に、スライダクランク機構１０の機構
図が示されている。クランク半径をＲ、コンロッド長さ
をＬ、クランク角をプランジャ１４の往復運動方向とク
ランクがなす角θとし、プランジャ１４の変位を下死点
を基準に図中上方にｘとする。プランジャ１４の変位ｘ
は、

【数１】 である。ただしλ＝Ｒ／Ｌである。プランジャの速度ｕ
は、

【数２】 と表せる。３個のプランジャ１４-1，１４-2，１４-3の
速度ｕ1 ，ｕ2 ，ｕ3 は、

【数３】 と表せる。

【００１３】図３には、クランクの角速度を一定とした
ときの３個のプランジャの速度が破線、一点鎖線、二点
鎖線で表されている。各速度曲線は、式（２）に示され
るように第１項の正弦曲線と第２項の合成波形となって
いるが、第２項は比較的小さいので、略正弦波となって
いる。プランジャ速度ｕの正の部分は、吐出流体の量、
すなわち流量ｑを表すから、３連ポンプ全体としての吐
出量（流量）は、図３中の実線で表される波形となる。
この波形から、クランク角速度一定の場合には、クラン
クシャフト１回転当たり６回の脈動を生じることとな
る。この脈動は、プランジャの数を増やしても、振幅が
小さくなるが、完全になくなることはない。

【００１４】そこで、本実施形態においては、クランク
シャフト１２の角速度を変化させ、合計の吐出量ｑが脈
動しない、すなわち一定となるようにしている。以下、
このような無脈動の吐出量を実現するためのクランクシ
ャフト１２の角速度制御について説明する。

【００１５】図４には、無脈動を実現するための各プラ
ンジャ１４の速度曲線ｕ1 ，ｕ2 ，ｕ3 が示されてい
る。前述のように吐出量に関係するのは、速度曲線の正
の部分だけである。図からも理解されるように、考慮す
べきは、１個のプランジャのみで流体を吐出していると
きと、２個のプランジャで流体を吐出しているときにつ
いてである。３個のプランジャが同時に流体を吐出する
ことはない。

【００１６】１個のプランジャは下死点から上死点まで
の間でのみ流体を吐出することができるから、吐出可能
な期間はクランク角θに関しては、π（１８０°）であ
る。したがって、２個のプランジャで吐出する区間は、
１周期（２π）当たりπである。３個のプランジャは等
価であるから、特定の２個のプランジャにより流体を吐
出する区間はπ／３である。３個のプランジャは、それ
ぞれ２π／３の位相差をもって運動しているから、π／
３ごとに２個のプランジャで吐出する期間と、１個のプ
ランジャで吐出する期間とを繰り返す。

【００１７】したがって、１周期を時間Ｔとすれば、ク
ランク角θ＝πに対応する時間軸ｔ上の時刻はＴ／２と
なり、吐出にかかるプランジャの個数が切り替わる時刻
ｔ1は、クランク角θ＝π／３に相当する。

【００１８】一方、３個のプランジャの１周期当たりの
合計吐出量、すなわち３連ポンプの吐出量（１周期当た
り）Ｖは、１周期をＴ、プランジャ断面積をＡ、プラン
ジャの合成吐出流速ｕc とすれば、

【数４】Ｖ＝６ＡＲ＝ｕc ＡＴ ・・・（４） である。合成吐出流速ｕc が一定であることが無脈動の
条件である。２個のプランジャにより吐出している期
間、例えばプランジャ１４-1，１４-3が吐出している、
クランク角θが０からπ／３の期間において、速度ｕ1
，ｕ3 の和が一定となることが必要である。また、ク
ランク角θがπ／３から２π／３においては、速度ｕ1
が一定、また２π／３からπまでは、速度ｕ1 ，ｕ2 の
和が一定となることが必要となる。すなわち、

【数５】 と表せる。

【００１９】合成吐出流速ｕc を一定とするためには、
式（４），（５）から、クランク角速度ω＝（ｄθ／ｄ
ｔ）を、クランク角θに対して、

【数６】 で定まるように、制御すればよい。

【００２０】次に、プランジャの個数が切り替わる時刻
ｔ1 を求める。前述のように時刻ｔ1 は、クランク角θ
＝π／３に相当するが、時間軸上、言い換えれば周期Ｔ
に対する比としては不明である。無脈動が前提、すなわ
ち流量一定の前提から、１周期Ｔ当たりの吐出量に対す
る、クランク角θ＝０〜π／３の区間の吐出量に比を求
めれば、これが周期Ｔに対する時刻ｔ1 の比となる。ま
た、吐出量の比は、プランジャの変位の比に等しい。区
間θ＝０〜π／３において、吐出に関係するのはプラン
ジャ１４-1，１４-3であるから、これらのプランジャの
位置をｘ1 ，ｘ3 、この区間のプランジャの移動量をΔ
ｘ1 ，Δｘ3 とすれば、

【数７】 であり、この式（７）と式（１）から、ｔ1 ／Ｔ＝１／
６を得る。したがって、吐出にかかるプランジャ個数が
変わる時刻はＴ／６ごとに等間隔で表れることがわか
る。

【００２１】以上より、無脈動とするためには、クラン
ク角θ＝０〜π／３においては式（６）の第１式、θ＝
π／３〜２π／３においては第２式に従って、モータの
角速度を制御する。以降はこれの繰り返しとなる。本実
施形態においては、角度位置センサ３０によりクランク
角θを検出し、このクランク角θに基づきモータ駆動装
置２８がモータ２６の速度制御を行う。すなわち、クラ
ンクの回転に伴って、前述の式（６）に従って、クラン
ク角速度ωを刻々と変化させていく。

【００２２】前述の実施形態においては、回転運動を往
復運動に変換する機構としてスライダクランク機構を採
用した場合の制御について説明したが、他の変換機構を
採用することももちろん可能である。その場合は、当該
変換機構における変位ｘのモータ回転角θ（本実施形態
ではクランク角θ）に関する微分ｄｘ／ｄθを求め、こ
れを式（６）のｆ（θ）へ代入すれば、制御すべきモー
タ角速度を得ることができる。

【００２３】例えば、変換機構として偏心円板カムと平
板カムフォロアカムを有する偏心円板カム機構を採用す
れば、式（３）に示されたｆ（θ）の定義式の第２項が
なくなり、関数ｆ（θ）は単純な正弦関数となる。

【００２４】また、３連ポンプの場合について説明した
が、４連以上の多連ポンプにおいても、同様にして、無
脈動ポンプを達成することができる。

【００２５】また、モータと減速機は別体のものとする
ことも可能であり、さらにポンプ側の要求回転速度にモ
ータの回転速度が適合すれば、減速機を省くことも可能
である。

【００２６】また、角度位置センサは、モータの出力軸
に対して設けることもできる。この場合は、クランクシ
ャフトの基準角度位置、例えばひとつのプランジャの上
死点を検出するためのセンサが別途必要となる。クラン
クシャフトの位相角は、前記基準角度位置からの、角度
位置センサが検出した角度に減速比の逆数を乗じた角度
により表される。

【００２７】なお、減速機が付いていると、モータ出力
軸回転速度とポンプ入力軸回転速度は、減速比分異なる
ため、角速度検出および位相角検出用のセンサの精度が
減速比の分異なる。このため、制御回路も異なる。例え
ば、角度位置センサをクランクシャフトに設けた場合、
３連ポンプにおいて、第１プランジャの制御は、位相検
出手段により検出された位相を基準に制御できるが、第
２、第３プランジャは、第１プランジャの位相に対して
π／３、２π／３の位相差を加え、これを基準に制御さ
れる。したがって、クランクシャフトが１回転する間
は、角度位置を補正することができない。一方、角度位
置センサをモータ出力軸に設ける場合、クランクシャフ
ト１回転の間に、プランジャの数だけ位相の基準の修正
をすることができる。例えば、減速比１／２４の減速機
を使用する場合、モータの８回転ごとに３個のプランジ
ャの基準位置（上死点など）が検出される。よって、ク
ランクシャフト１回転につき３回、基準となる位相の修
正が可能である。また、ノイズなどの外乱により、位相
同期がとれなくても、他の７回の検出から推定すること
も可能である。また、クランクシャフト１回転に８回モ
ータ出力軸が回転しているので、２π／８＝π／４ごと
に同期の修正を行うこともできる。

【００２８】したがって、角速度制御においては、モー
タ軸に角度位置センサを設けた方が制御精度を向上させ
ることができる。

【００２９】スライダクランク機構、偏心円板カム機構
などプランジャの運動が、正弦往復運動、またはこれに
近い往復運動を行う場合には、複雑な形状のカム等を作
製する必要がなく、構造が簡単となり、また製作コスト
を抑制することができる。また、モータおよびその駆動
制御部を角速度制御可能なものとすれば、既存の３連以
上の多連ポンプを無脈動のポンプとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施形態の無脈動ポンプの概略構成を示す
図である。

【図２】 スライダクランク機構の往復運動を説明する
ための図である。

【図３】 クランク角またはモータ回転角θが一定の場
合の、これに対するプランジャの速度ｕおよび吐出量ｑ
を表す図である。

【図４】 無脈動ポンプを実現するための流量の関数を
表す図である。

【符号の説明】

１０ スライダクランク機構、１２ クランクシャフ
ト、１４ プランジャ、２６ モータ、２８ モータ駆
動装置、３０ 角度位置センサ。

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年９月２１日（２０００．９．２
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】合成吐出流速ｕc を一定とするためには、
式（４），（５）から、クランク角速度ω＝（ｄθ／ｄ
ｔ）を、クランク角θに対して、

【数６】 で定まるように、制御すればよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H045 AA03 AA09 AA13 AA22 BA36 CA10 DA05 EA38 3H075 AA01 BB03 CC03 DA14 DA22 DB03 DB29 EE07 EE12 EE17

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転運動を往復運動に変換する変換機構
   を介しシャフトにより駆動されるプランジャまたはピス
   トンを含む３個以上のポンプ部を有し、前記プランジャ
   は共通のシャフトにより駆動される多連無脈動ポンプで
   あって、 前記変換機構は、シャフトを等角速度で回転した場合、
   プランジャを略正弦往復運動させる機構であり、 ある瞬間における個々のプランジャにより吐出される取
   扱い流体の合計量が、一定となるように前記シャフトの
   １回転内の瞬時の角速度を制御して、これを駆動する駆
   動手段、を有する無脈動ポンプ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の無脈動ポンプであっ
   て、前記変換機構は、スライダクランク機構である、無
   脈動ポンプ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の無脈動ポンプであっ
   て、前記駆動手段は、１回転の間の角速度を変化させる
   ことができる電気モータである、無脈動ポンプ。