JP2004003408A

JP2004003408A - 流体の吸引吐出装置

Info

Publication number: JP2004003408A
Application number: JP2002168374A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Ikuta; 生田　一誠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】余分な工程を必要とせず、しかもフロワースペースも少なくて済むようにして吐出量を一定とした流体の吸引吐出装置を提供する。
【解決手段】シリンダー内を往復運動するピストンと、該ピストンを一定速度で往復動させるリニアシャフトと、前記ピストンを隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれに形成した流体を吸引・吐出する孔とを具備し、前記一方のシリンダー室の孔から流体を吸引するときは他方のシリンダー室の孔から流体を吐出するように形成し、前記リニアシャフトは、ピストンを移動させる軸の軸方向に永久磁石を内蔵し、該永久磁石を筒形コイル本体に嵌合させることによって形成した。
【選択図】図１０

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、脈動を引き起こすことなく連続して流体を吸引し連続して吐出し得る流体の吸引吐出装置に係り、詳記すれば、ピストン本体を一定速度で往復動させることによって実質的に脈動が生じないようにした流体の吸引吐出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、装置内を排気して減圧にする真空ポンプは、ピストン本体が往復運動する時に、押す時に圧力がでて、引く時には圧力がでないから、脈動が激しく生じる欠点があった。そればかりか、従来のプランジャー式ピストンポンプの往復運動機構は、図１に示すように、クランク又はカム機構によって行われているが、この方式は、左右端でピストン本体（プランジャー）速度が変化するため、流体の吐出量が変化する問題があった。これをプランジャーの位置と速度の曲線図で表現すると、図２に示すように、正弦波曲線（サインカーブ）となる。このことが脈動を生じさせる原因となっている。吐出量を一定にするためには、図２の曲線を直線になるように改善する必要がある。
【０００３】
従来は、次の（１）及び（２）のようにして、吐出量を一定としている。（１）吐出した後工程にバッファータンク若しくはサージタンクを設け、吐出流体を一旦これらタンクに入れてから、定量吐出になるように流量をコントロールして吐出させる。（２）プランジャーポンプを２台並列に連結して、それぞれの持つ正弦波曲線の位相を９０°ずらして吐出させることにより、極力直線に近づけ、結果として吐出量が一定となるように補正する。
【０００４】
しかしながら、上記（１）及び（２）の方法は、いずれも余分な工程を必要とするので、経済的にコスト高になることと、余分の装置を必要とするので、フロワースペースが大型化する欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、このような欠点を解消しようとするものであり、余分な工程を必要とせず、しかもフロワースペースも少なくて済むようにして吐出量を一定とした流体の吸引吐出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、シリンダー内を往復運動するピストン本体（プランジャー）と、該ピストン本体を一定速度で往復動させるリニアシャフトと、前記ピストンを隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれに形成した流体を吸引・吐出する孔とを具備し、前記一方のシリンダー室の孔から流体を吸引するときは他方のシリンダー室の孔から流体を吐出するように形成し、前記リニアシャフトは、ピストン本体を移動させる軸の軸方向に永久磁石を内蔵し、該永久磁石内蔵軸を筒形コイル本体に嵌合させることによって形成したことを特徴とする。尚、「吸引・吐出する孔」は、シリンダーを回転させない場合は、別々に形成した吸引孔と吐出孔であり、シリンダーを回転させる場合は、単一の孔（切換弁口）が外側の吸引孔と吐出孔とにそれぞれ連通するようにしている。
【０００７】
要するに本願発明は、ピストン本体（プランジヤー）をリニアシャフトによって一定速度で往復動させることによって、流体の吐出量を一定とし、その結果脈動が生じないか生じ難くしたことを要旨とするものである。
【０００８】
互いに対向する面で且つシリンダーの摺動方向に離間した位置に長孔を有するシリンダーを、吸引孔と吐出孔とを有する装置本体の嵌合孔に回動自在に嵌合させ、前記シリンダーの一方の長孔が前記装置本体の吸引孔と連通すると、前記シリンダーの他方の長孔が前記装置本体の吐出孔と連通し、前記連通した吸引孔から流体を吸引するときは、前記連通した吐出孔から流体を吐出するように構成し、前記シリンダーが１回転すると前記ピストン本体は１往復するように前記シリンダーの回転とピストン本体の往復動とを同期させると良い（請求項２）。
【０００９】
ピストン本体をリニアシャフトによって一定速度で往復動させる手段は、リニアシャフトモーターをピストンロッドに連結するか、本発明の装置をリニアシャフトモーターと一体化させれば良い。しかして、ポンプとモータとを一体化させた装置は全く知られていないし、このような発想も全く知られていない。
【００１０】
シリンダーを回転させない場合は、シリンダー室のそれぞれに吸引孔と吐出孔とを形成し、一方のシリンダー室の吸引孔から流体を吸引するときは、他方のシリンダー室の吸引孔は吐出する流体の圧力によって閉じられ、前記一方の吐出孔から流体を吐出するときは、他方の吐出孔は吐出する流体の圧力によって閉じられるように構成すると良い（請求項３）。
【００１１】
上記場合は、両シリンダー室の吸引孔は、流体を吸引する圧力によって開き、流体を吐出する圧力によって閉じる逆止弁で形成し、両吸引孔は単一の吸引口に連結させると良い（請求項４）。
【００１２】
上記場合は、両シリンダー室の吐出孔は、液体を吐出する圧力によって開き、単一の吐出口に連結し、一方の吐出孔から流体を吐出するときは、他方の吐出孔は吐出する圧力によって閉じられるように、前記吐出口に切替弁を設けると良い（請求項５）。
【００１３】
シリンダーを回転させる場合は、ピストン本体の往復動とシリンダーの回転とを、マグネスケールを使用して同期させると良い（請求項６）。
【００１４】
シリンダーを回転させる場合は、シリンダーに形成された長孔と装置本体の吸引孔と吐出孔とを、円周方向に長い９０°の長孔とする（請求項７）。
【００１５】
脈動を完全に防止するには、ピストン本体が両方の壁に接することによって形成される室の容積が一定となるようにして、吸引・吐出する流体量を一定となるように構成すると良い（請求項８）。
【００１６】
上記場合は、ピストンロッドをピストン本体よりも突出するように形成し、該突出ピストンロッドをシリンダー側壁に摺動自在に支持することによって、吸引・吐出する流体量を一定となるように構成すると良い（請求項９）。
【００１７】
本発明の流体の吸引吐出装置は、好ましくは圧縮機、薬品注入機、燃料電池用定量ポンプ又は食品定量圧送ポンプ等として使用される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図３は、本発明の実施例を示すもので、円筒状シリンダー３には、ピストン本体４が摺動自在に嵌合され、ピストンロッド５は、カップリング６によって、リニアシャフトモーター７に連結され、ピストン本体４は直線動作で往復運動するようになっている。
【００２０】
ピストン本体４のピストンロッド５は、ピストン本体４よりも突出するように形成され（両ロッド式プランジャー）、該突出ピストンロッド５´をシリンダー側壁に形成した長孔の凹部８に摺動自在に支持している。このように形成することによって、ピストン本体４が両方の壁に接することによって形成される室の容積が一定となるので、吸引・吐出する流体量を一定とすることができる。尚、突出ピストンロッド５´と長孔の凹部８との接触部には、例えば溝を設けるなどして空気が抜けるように構成する。
【００２１】
シリンダー３の両側壁には、吸引孔９，９´と吐出孔１０，１０´が形成され、両吸引孔９，９´及び両吐出孔１０，１０´は、それぞれ単一の吸引口１２及び吐出口１３に連通している。
【００２２】
リニアシャフトモーター７がピストン本体４を図３において、右から左に動作させると、図４に示すように、吸引側の逆止弁Ａは吸引力で開となり、吐出側の逆止弁Ｂは吐出圧力により閉となる。吐出側の二方切替弁１１は、吐出圧力により、２から１に切り替わり、吸引側の吐出口１０を閉とする。
【００２３】
リニアシャフトモーター７がピストン本体４を図３において、左から右に動作させると、図５に示すように、吸引側の逆止弁Ｂは吸引力で開となり、吐出側の逆止弁Ａは吐出圧力により閉となる。吐出側の二方切替弁１１は、吐出圧力により、１から２に切り替わり、吸引側の吐出口１０´を閉とする。
【００２４】
上記動作を休み無く連続的に行うと、図６に示すように、吸引側の圧力波形線と吐出側の圧力波形線は、直線性（リニア）を示し、無脈動波形であることを示している。ピストン本体のストロークは、リニアシャフトモーターの電気信号を変化させることによって自由に変化させることができ、それによって吐出圧力及び流量を自由に変化させることができる。
【００２５】
図７は、本発明に使用するリニアシャフトモーターの一例を示すものである。リニアシャフトモーター７自体は公知であり、株式会社ジイエムシーヒルストン（神奈川県川崎市多摩区東生田１−１３−１）から市販されているので、市販品を使用すれば良い。
【００２６】
図８は、本発明のリニアシャフトポンプの具体例を示すものであり、ベース１４上に本発明の装置本体とリニアシャフトモーター７が固定されている。リニアシャフトモーター７は、長さ方向に永久磁石を埋設したロッド２４を、コイル本体２５に遊嵌させることにより構成している。永久磁石は、Ｎ極同士及びＳ極同士が当接するように埋設されている。コイル本体３１に電流（プラスマイナスを切りかえる）を流すと、フレミング左手の法則によって、ロッド２４は前進・後進を繰り返す。電流のプラスマイナスを切りかえる速度を変化させることによって、ピストン本体４の移動速度を変化させることができる。
【００２７】
上記実施例では、ピストンロッド５と永久磁石を埋設したロッド２４とは別体としているが、これを一体化し、本発明の吸引吐出装置とリニアシャフトモーター７とを一体化しても勿論差し支えない。尚、一体化というのは、リニアシャフトモータ内蔵装置の意味であり、内蔵したリニアシャフトモータ及びその部品は、分離できてもできなくとも差し支えないのは勿論である。
【００２８】
円筒状シリンダー３には、ピストン本体４が摺動自在に嵌合され、同ピストン本体４に連結したピストンロッド５は、カップリング６によって、カップリング締付けボルト１５でリニアシャフトモーター７に連結されている。尚、図中２３は、ピストンシールである。
【００２９】
シリンダー３の前端と後端（両側壁）はフランジに形成され、両フランジには、それぞれリヤカバー１６とフロントカバー１７が、シール１８，１８´を介して、ボルトによって締付け固定されている。尚、図中１９，１９´は、それぞれリヤカバー締付けボルト穴とフロントカバー締付けボルト穴である。
【００３０】
リヤカバー１６とフロントカバー１７には、それぞれ吸気孔（吸引孔）９，９´と排気孔（吐出孔）１０，１０´が形成されている。図示していないが、両吸気孔９，９´及び両排気孔１０，１０´は、図３に示すように、それぞれ単一の吸気口及び排気口に連通している。
【００３１】
リヤカバー１６には、突出部が形成され、同突出部には、長孔の凹部８が形成され、同凹部８に突出ピストンロッド５´が摺動自在に嵌合している。
【００３２】
フロントカバー１７のピストンロッド嵌挿部には、シール装着用の間隙が形成され、同間隙にピストンロッドシール２０が嵌合装着され、同ピストンロッドシール２０後方からシール押え２１を嵌合させて、シール押え２１をボルトでフロントカバー１７に固定している。図中２２は、シール押え締付けボルト穴である。尚、シール２０及びシール押え２１は、ピストンロッドに嵌挿されている。
【００３３】
図９は、本発明の他の実施例を示すものであり、ピストン本体４´のピストンロッド５ａ内には、円柱状の中空部が形成され、該中空部には、ロッド２６に短円筒状の多数の永久磁石２７が、Ｎ極同士、Ｓ極同士が隣接するように多数嵌合している。ロッド２６の先端は、中空部と連通する貫通孔に螺合し、後部はナット２８で締付け、先端は、他端の貫通孔から螺合された締付けボルト４１に当接している。
【００３４】
ピストンロッド５ａの後端にはカバー２９が固定され、ロッド２６の後部は、カバー２９から突出し、ロッドの突出部には、リニヤーエンコーダー（直線式マグネスケール）３０が形成されている。
【００３５】
永久磁石を内蔵したピストンロッド５ａは、円筒状コイル（コイル本体）３１´に遊嵌して、本発明の吸引・吐出装置と一体化したリニアシャフトモータを形成している。円筒状コイル３１´は、リニヤーモータケース３２に内装され、本発明の吸引・吐出装置のリヤシリンダーカバー３３に、取付フランジ３４を介して固定されている。リニヤーモータケース３２の他端には、他端が閉鎖した円筒形のカバー３５が連設され、リニヤーエンコーダー３０は、このカバー３５に内装されている。
【００３６】
吸引口３７，３７´と吐出口３８，３８´が形成されている装置本体（外弁）３６には、内弁（シリンダー）３９が回動自在に嵌合している。シリンダー３９には、互いに対向する面で且つシリンダーの摺動方向に離間した位置に、切換弁口（長孔）４０，４０´が形成されている。長孔４０，４０´、吸引口３７，３７´及び吐出口３８，３８´は、回転方向に長い９０°の長孔に形成されている。
【００３７】
吸引口３７と吐出口３８及び吸引口３７´と吐出口３８´とは、それぞれ対向位置（１８０°回転位置）に形成されている。従って、シリンダーの一方の長孔４０´が前記装置本体の吸引孔３７´と連通すると、前記シリンダーの他方の長孔４０が前記装置本体の吐出孔３８と連通し、前記連通した吸引孔から流体を吸引するときは、前記連通した吐出孔から流体を吐出するようになっている。
【００３８】
シリンダー３９には、フロントピストンロッド受け４２を介してスパーギャー４３が固定され、同スパーギャー４３と歯合し、減速機４４を介してモータ４５により回転するスパーギャー４６には、ロータリーエンコーダー（ロータリー型マグネスケール）４７が固定されている。フロントピストンロッド受け４２と同スパーギャー４３の中央貫通孔に、突出ピストンロッド５ａ´が摺動自在に嵌合している。
【００３９】
前記リニヤーエンコーダー３０とロータリーエンコーダー（ロータリー型マグネスケール）４７とを、公知の手段によって、前記シリンダー３９が１回転すると前記ピストン４´は１往復するように、前記シリンダー３９の回転とピストン４´の往復動とを電気的に同期制御している。リニヤーエンコーダー（直線式マグネスケール）３０は、ピストンロッド若しくはピストンロッドと一緒に直線運動する部材に固定し、ロータリーエンコーダー（ロータリー型マグネスケール）４７は、シリンダー３９若しくはシリンダーと一緒に回転する部材に固定する。
【００４０】
長孔４０，４０´を回転方向に長く且つ傾斜した長孔に形成し、該長孔と接する装置本体の吸引口３７，３７´と吐出口３８，３８´とを、それぞれ前記長孔４０，４０´と交差し得る長孔に形成するのが好ましい。このように形成すると、交差した連通孔の大きさを常に同じとすることができるので、常に一定量を吸引し一定量を吐出することができるから、脈動を実質的に防止することができる。
【００４１】
図１０は、本発明の他の実施例を示すものであり、シリンダー３´内をピストン本体４´が摺動する両ロッド式ピストン本体４´のピストンロッド５ａ，５ａ´内に永久磁石１７を多数内装し、ピストンロッド５ａ，５ａ´は、コイルフレーム３２に内装した円筒状コイル３１ａ，３１ａ´に遊嵌させた例を示す。
【００４２】
短円筒状永久磁石１７は、締付ネジ棒２７´に嵌合し、ピストンロッド５ａ，５ａ´の両端には、締付ナット２８´が螺合している。尚、ピストンロッド５ａ，５ａ´の両端には、キャップ４８が装着されている。
【００４３】
シリンダー３´の両端には、フロントカバー１７´とリヤカバー１６´とが嵌合固定され、両カバー１７´，１６´の中央の孔には、それぞれピストンロッド５ａ，５ａ´が、シール４９と軸受メタル５０を介して摺動自在に嵌合している。
【００４４】
リヤカバー１６´とフロントカバー１７´には、それぞれ吸気孔（吸引孔）Ａ，Ｂと排気孔（吐出孔）Ｃ，Ｄが形成されている。、両吸気孔Ａ，Ｂは、それぞれＡ吸気チェツキ弁ａ，Ｂ吸気チェツキ弁ｂを介して吸気管に、両排気孔Ｃ，Ｄは、それぞれＣ排気チェツキ弁ｃ，Ｄ排気チェツキ弁ｄを介して排気管に連通している。
上記実施例においては、ピストンロッド５ａ，５ａ´の両方をリニアシャフトモータに形成している。これらは、いずれか一方であっても勿論差し支えない。
【００４５】
本発明の装置は、ピストンを隔てて形成される一方の室から流体を吸引し、他方の室から流体を吐出するので、確実に吸い込みを行い、吸い込み量と同一の量を確実に吐き出すことができるから、激しい脈動を引き起こすことなく、しかもエネルギーのロスがなく高精度である。
【００４６】
また、吐出圧力は、ピストンで機械的に押し込む原理が作用するので、高圧となるから、コンプレッサーとしても利用できる。真空ポンプとコンプレッサーの役割を一台でできる装置は、従来全く無かったものである。
【００４７】
本発明の装置は、ポンプと一体若しくは別体のリニアシャフトモーターのプラスマイナス電気信号を切りかえる速度を変えることによって、流体を速く吐出することもゆっくり吐出することもでき、吐出流体の圧力も流量も一定にできる。
【００４８】
本発明の装置は、真空ポンプとしても、高圧ポンプとしても、定量移送ポンプとしても、圧縮機としても利用できる。このように多目的に利用できる装置は、従来全くなかったものである。また、本発明の装置は、主として気体の吸引・吐出に使用されるが、液体の吸引・吐出に使用することもできる。
【００４９】
本発明の装置は、ポンプと一体若しくは別体のリニアシャフトモータを使用することによって、ピストンを直線動作で移動させることができるから、脈動を完全若しくはほぼ完全に無くすことができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、リニアシャフトを使用することによって、ピストンを従来のような正弦波動作ではなく、一一定速度の直線（リニア）動作で往復動できるから、ピストンを隔てて形成される一方の室から一定量の流体を吸引し、他方の室から一定量の流体を吐出できる。その結果、吐出圧力及び流量が安定し、脈動を完全若しくはほぼ完全になくすことができる。また、本発明によれば、従来のような余分な工程や余分の装置を必要としないので、フロワースペースの大型化を避けることができ、コストも低減する。
【００５１】
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のピストンポンプを示す断面図である。
【図２】従来のポンプによる流体の吸引・吐出量の波形を示す線図である。
【図３】本発明の一実施例を示す断面図である。
【図４】本発明の装置でピストンを後進させている状態を示す断面図である。
【図５】本発明の装置でピストンを前進させている状態を示す断面図である。
【図６】本発明の装置による吸引・吐出する流体の波形を示す線図である。
【図７】本発明に使用するリニアシャフトモータの一例を示す斜視図である。
【図８】本発明の実施例を示す一部詳細断面図である。
【図９】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
３，３´　　　　　　　　　シリンダー
４，４´　　　　　　　　　ピストン
５，５´，５ａ，５ａ´　　　ピストンロッド
７　　　　　　　　　　　　　リニアシャフトモーター
８　　　　　　　　　　　　　　　　　シリンダー側壁に形成した長孔の凹部
９，９´　　　　　　　　　吸引孔（吸気孔）
１０，１０´　　　　　　　　吐出孔（吐気孔）
１１　　　　　　　　　　　　二方切替弁
１７　　　　　　　　　　　　永久磁石
２４　　　　　　　　　　　　永久磁石を埋設したロッド
３０　　　　　　　　　　　　リニヤーエンコーダー（直線式マグネスケール）３１　，３１´　　　　　　　円筒状コイル（コイル本体）
３７，３７´　　　　　　　　装置本体の吸引口
３８，３８´　　　　　　　　装置本体の吐出口
３９　　　　　　　　　　　　シリンダー（内弁）
４０，４０´　　　　　　　　シリンダーに形成された長孔
４７　　　　　　　　ロータリーエンコーダー（ロータリー型マグネスケール）

Claims

シリンダー内を往復運動するピストン本体と、該ピストン本体を一定速度で往復動させるリニアシャフトと、前記ピストン本体を隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれに形成した流体を吸引・吐出する孔とを具備し、前記一方のシリンダー室の孔から流体を吸引するときは他方のシリンダー室の孔から流体を吐出するように形成し、前記リニアシャフトは、ピストン本体を移動させる軸の軸方向に永久磁石を内蔵し、該永久磁石内蔵軸を筒形コイル本体に嵌合させることによって形成したことを特徴とする流体の吸引吐出装置。
互いに対向する面で且つシリンダーの摺動方向に離間した位置に長孔を有するシリンダーを、吸引孔と吐出孔とを有する装置本体の嵌合孔に回動自在に嵌合させ、前記シリンダーの一方の長孔が前記装置本体の吸引孔と連通すると、前記シリンダーの他方の長孔が前記装置本体の吐出孔と連通し、前記連通した吸引孔から流体を吸引するときは、前記連通した吐出孔から流体を吐出するように構成し、前記シリンダーが１回転すると前記ピストン本体は１往復するように前記シリンダーの回転とピストン本体の往復動とを同期させてなる請求項１記載の装置。
前記シリンダー室のそれぞれに吸引孔と吐出孔とを形成し、一方のシリンダー室の吸引孔から流体を吸引するときは、他方のシリンダー室の吸引孔は吐出する流体の圧力によって閉じられ、前記一方の吐出孔から流体を吐出するときは、他方の吐出孔は吐出する流体の圧力によって閉じられるように構成されている請求項１記載の装置。
前記両シリンダー室の吸引孔は、流体を吸引する圧力によって開き、流体を吐出する圧力によって閉じる逆止弁で形成され、両吸引孔は単一の吸引口に連結されている請求項３記載の装置。
前記両シリンダー室の吐出孔は、液体を吐出する圧力によって開き、単一の吐出口に連結し、一方の吐出孔から流体を吐出するときは、他方の吐出孔は吐出する圧力によって閉じられるように、前記吐出口に切替弁を設けている請求項３又は４記載の装置。
前記ピストン本体の往復動と前記シリンダーの回転とを、マグネスケールを使用して同期させる請求項２記載の装置。
前記シリンダーに形成された長孔と前記装置本体の吸引孔と吐出孔とは、円周方向に長い９０°の長孔である請求項２又は６記載の装置。
前記ピストン本体が両方の壁に接することによって形成される室の容積が一定となるようにして、吸引・吐出する流体量を一定となるように構成してなる請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
前記ピストン本体のピストンロッドをピストンよりも突出するように形成し、該突出ピストンロッドをシリンダー側壁に摺動自在に支持することによって、吸引・吐出する流体量を一定となるように構成してなる請求項８記載の装置。