JP2004108188A - 無脈動ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】無脈動ポンプにおいて、その運転条件の変化によって変わる脈動に対応して補償を行い、無脈動性を確保する。
【解決手段】無脈動ポンプを構成するダイアフラムポンプの吐出期間Ｐｄの初期において、吐出量が減少する（Ｓｓ）。吐出期間Ｐｄの前であり吸込期間Ｐｓとの間の補償期間Ｐｃにダイアフラムポンプのプランジャを駆動制御して、吐出量の減少量Ｓｓより、やや大きくポンプ室の容積を減少させる（Ｓｃ）。補償期間Ｐｃにおいて、ポンプ室容積を増加させる副室を設け、この副室の容積の増加量Ｓａによりポンプ室の容積の減少量Ｓｃを修正して、吐出量の減少量Ｓｓに等しい補償量Ｓｔを得る。副室の容積の増加量Ｓａを調整可能とすることで、運転条件の変化に対応する。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復動ポンプを複数備え、各ポンプの合成吐出流量が一定となる無脈動ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
往復動ポンプは、プランジャの往復動により、取扱い流体の吸込み、吐出を交互に繰り返す。よって、往復動ポンプ単体では、流体は脈動をもって吐出される。この脈動をなくすために、複数の往復動ポンプを用いた無脈動ポンプが知られている。
【０００３】
特開平８−１１４１７７号公報には、２個の往復動ポンプを用いた無脈動ポンプが示されている。このポンプは、いずれか一方の往復動ポンプのみが取扱い流体を吐出する期間と、双方の往復動ポンプが同時に吐出する期間を繰り返して、流体の吐出を行う。一方のみによる吐出期間においては、一定の流量が吐出されるようにプランジャの運動が制御される。また、双方の往復動ポンプによる吐出期間においては、合成された吐出流量が一定になるように、また前記一方のみの時の流量と等しくなるように、双方のポンプのプランジャの運動が制御される。
【０００４】
さらに、前記公報のポンプにおいては、各往復動ポンプの吐出開始初期における流量の減少についても補償するように構成され、更にはこの補償量についても調整可能となっている。吐出開始初期において流量が減少、すなわち容積効率の低下は、プランジャの機械的な駆動部のがた、作動流体により動力伝達を行う場合の流体中に残留するエア、取扱い流体中の残留エア、エアー抜き弁による漏れ、ポンプの吸込側、吐出側に設けられる逆止弁の漏れなどが原因となっている。前記公報のポンプにおいては、吐出期間の開始前に、取扱い流体を吐出する方向にプランジャを駆動制御する。ただし、このとき実際には取扱い流体は吐出されない。この吐出期間前のプランジャは、想定される補償量に対して、より以上の吐出量となるように制御される。そして、余分な補償量分については、エアー抜き弁より作動流体を排出して、補償量が適正なものとなるように調整される。エアー抜き弁には、エアと共に排出される作動流体の量を調節する機構が設けられており、ポンプの動作条件に応じて変化する容積効率に対応して排出量が調整される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１１４１７７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の公報の往復動型ポンプにおいて、エアー抜き弁で対応可能な容積効率の変化幅は限られており、容積効率の変化が大きい場合には対応することができない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容積効率の変化が比較的大きい場合でも、これに対応して無脈動の吐出を行うことを目的とする。
【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、本発明にかかる無脈動ポンプは、複数の往復動ポンプを含み、個々の往復動ポンプの吐出期間の前に、吐出期間初期における吐出量の減少を補償するための補償運動を、往復動ポンプのプランジャに行わせる。この補償運動によりポンプ室の容積が減少するが、その減少量は想定される吐出量の減少量以上のものとなっている。そして、この差に相当するポンプ室容積の容積変化を行う副室がポンプ室に備えられている。すなわち、吐出期間初期における吐出量の減少を、プランジャの運動によって多めに補い、この余分の補償量を副室の容積変化によって吸収し、全体として無脈動性を確保する。
【０００９】
さらに、副室の容積変化量を調整可能とすることができ、これにより吐出期間初期の吐出量の減少量が変化する、すなわち容積効率が変化する場合に対応することができる。
【００１０】
【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、本実施形態の無脈動ポンプ１０の概略構成を示す図である。無脈動ポンプ１０は、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂを含む。これらのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂは同一の構造を有しており、以下において、これらを区別する必要がないときには、符号としてＡまたはＢを省略した「１２」を用いて説明する。また、他の構成についても、区別して説明する必要がある場合、１２Ａ，１２Ｂに合わせてＡ，Ｂを付した符号で表す。
【００１１】
ダイアフラムポンプ１２は、シリンダ１４と、シリンダ１４内を往復運動するプランジャ１６、さらにシリンダ１４およびプランジャ１６と共に、閉じた空間であるポンプ室１８を形成するシリンダヘッド２０を含む。ポンプ室１８には、これをプランジャ１６側とシリンダヘッド２０側とに二分するダイアフラム２２が配置されている。以降、ダイアフラム２２で分けられたポンプ室１８のプランジャ側を作動流体室２４、シリンダヘッド側を取扱い流体室２６と記す。プランジャ１６は、モータ２８に駆動されるカム３０により往復運動を行う。このプランジャ１６の運動は、作動流体室２４を満たす作動流体を介してダイアフラム２２に伝達される。これによって、ダイアフラム２２がたわんで往復運動し、ポンプ室１８、特に取扱い流体が吸い込まれ、吐出される取扱い流体室２６の容積変化が生じる。
【００１２】
取扱い流体室２６には、吸込管３２と吐出管３４が接続されており、これらの管には、それぞれ吸込側逆止弁３６、吐出側逆止弁３８が設けられている。また、作動流体室２４には、作動流体中に発生したエアを排出するエアー抜き弁４０と副室４２が設けられている。副室４２の詳細な構造、機能については、後に詳述する。
【００１３】
前述のように、カム３０によって制御されるプランジャ１６の往復運動は、作動流体２４を介してダイアフラム２２に伝達され、取扱い流体室２６の容積変化を生じさせる。取扱い流体室２６の容積が増加するときには、吸込側逆止弁３６は取扱い流体が取扱い流体室２６に吸い込まれることを許容し、吐出側逆止弁３８は、吐出管３４からの逆流を阻止するように機能する。取扱い流体室２６の容積が減少するときは、逆に、吸込側逆止弁３６が取扱い流体の吸込管３２への逆流を阻止し、吐出側逆止弁３８は吐出管３４への取扱い流体の流れを許容する要に作用する。エアー抜き弁４０は、作動流体から分離したり、混入したエアを、わずかな量の作動流体と共に、作動流体室２４より排出する機能を有する。なお、不図示ではあるが、エアー抜き弁４０より排出された作動流体に相当する量を補給する補給機構が設けられている。
【００１４】
図２は、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂのプランジャ１６の速度ｖの時間変化を示す図である。二つのポンプ１２Ａ，１２Ｂのプランジャ１６Ａ，１６Ｂの速度波形は、実線と破線で示されており、位相が１８０°ずれているのみで、形状は同一である。流体の吐出において損失がないとすれば、プランジャの速度と吐出流量は比例する。
【００１５】
個々のダイアフラムポンプ１２の運動は、速度ｖが正である吐出期間Ｐｄと、速度ｖが負である吸込期間Ｐｓと、さらに吐出期間Ｐｄが始まる前の吸込期間Ｐｓとの間の期間である補償期間Ｐｃを繰り返す。吐出期間Ｐｄは、プランジャ１６がポンプ室１８内に進出し、その容積を縮小するように運動し、ポンプ室１８内の取扱い流体を吐出する期間である。また、吸込期間Ｐｓは、プランジャ１６が後退し、ポンプ室１８の容積を拡大するように運動し、ポンプ室１８内に吸込管３２より取扱い流体を吸い込む期間である。補償期間Ｐｃは、吐出期間Ｐｄ初期における吐出量の減少に対応するために設けられた期間であり、プランジャ１６の速度は正であるが、この期間における取扱い流体の吐出はない。補償期間Ｐｃについては、後に詳述する。
【００１６】
吐出期間Ｐｄは、さらに一方のダイアフラムポンプ１２のみで取扱い流体の吐出を行う単独吐出期間Ｐｄ１と、双方のポンプ１２の吐出を合成する合成吐出期間Ｐｄ２とからなる。合成吐出期間Ｐｄ２の合成された吐出流量は、単独吐出期間Ｐｄ１の吐出流量に一致する。この結果、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂの合成吐出流量は常に一定となる。
【００１７】
図３は、プランジャ１６の速度ｖと、そのプランジャ１６に対応するダイアフラムポンプ１２の吐出流量ｑの詳細を示す図である。補償期間Ｐｃを設けなかった場合、プランジャ１６の速度ｖは実線で示すように吐出期間Ｐｄの開始と共に増速するが、実際の吐出流量ｑは、破線で示すように吐出期間Ｐｄの開始初期において、吐出しなくなる場合も含め、減少する。このときの吐出量の減少は図中斜線を施した部分の面積Ｓｓに相当する。この減少は、前述したように各種の損失によって生じることがあらかじめ想定されるものであり、無脈動ポンプ１０の無脈動性を阻害する場合がある。
【００１８】
この吐出量の減少を補うために、前述の補償期間Ｐｃが設けられており、このときプランジャ１６は、進出方向に運動し、機械的駆動部分のがた、ポンプ室１８内のエア、逆止弁３６，３８の漏れ、エアー抜き弁４０からの作動流体の流出などによる損失を埋めるように、あらかじめ作動流体、取扱い流体に圧力を加える。
【００１９】
この、プランジャ１６の、損失を補償するため運動（以下、補償運動と記す）は、取扱い流体を吐出する方向の運動となるが、このときには吐出は行われない。このときのプランジャ１６の設計上の補償運動によって減少するポンプ室１８の容積は、図中Ｓｃで示す太い実線で囲まれた部分の面積Ｓｃに相当する。このプランジャの補償運動によるポンプ室１８の容積減少分の面積Ｓｃは、理想的には、損失による吐出量の減少量の面積Ｓｓと等しくするべきである。しかし、損失による吐出量減少が生じることはあらかじめ想定されるが、その量（Ｓｓ）は、実際にはポンプの設計時点で見込むことが難しく、またポンプの運転圧力などの運転条件によっても変動する。補償運動によるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）は、プランジャ１６の動き、すなわちカム３０のプロフィールにより与えられるが、このプロフィールを後から変更するのは手間を要し、また運転条件の変化に対応して適宜変更することも困難である。
【００２０】
本実施形態の無脈動ポンプ１０においては、副室４２を有する補償量修正プラグ４３を設けることによって、損失補償量Ｓｃの調整を行っている。すなわち、プランジャ１６の補償運動によるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）を、吐出量の減少量（Ｓｓ）に比して大きめに設定し、これらの差分（Ｓａ）を副室４２により修正して、無脈動ポンプの吐出流量に脈動性がなくなるようにしている。このとき、吐出量の減少量（Ｓｓ）に、補償量（Ｓｔ）が等しくなっている。
【００２１】
図４は、副室４２を含む補償量修正プラグ４３の概略構成を示す断面図である。副室４２は、円筒形の副室ハウジング４４と調整ボルト４６で囲まれた空間として形成される。副室ハウジング４４と調整ボルト４６は、ねじ結合しており、調整ボルト４６を回転させることによって、軸方向（図中上下方向）に相対移動する。副室ハウジング４２にはねじ部４８が設けられ、このねじ部４８によって副室ハウジング４２がシリンダ１４と結合される。また、ねじ部４８の芯部に設けられた連通路５０によって、副室４２は、作動流体室２４と連通している。副室４２内には、ピストン５２が配置され、このピストンの軸部５４は、調整ボルト４６に設けられたガイド穴５６に嵌合している。軸部５４とガイド穴５６は隙間なく、すなわち作動流体がここから漏れることがないように嵌合している。また、漏れがないようにＯリングなどのシール部材を配置することも可能である。ピストンの軸部５４の後端とガイド穴５６の底との間には、容積Ｖの空隙が形成されている。この空隙により、プランジャ１６の補償運動によるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）に対する修正量（Ｓａ）が与えられる。この空隙を、以降修正空隙５８と記す。また、ピストン５２はばね６０により、修正空隙５８を拡大する方向（図中下方）に付勢されている。
【００２２】
補償期間Ｐｃにおいて、プランジャ１６が補償運動を行うと、これによる圧力上昇により、ばね６０の付勢力に抗して、修正空隙５８が減少するようにピストン５２が移動する。ピストンの軸部５４の端がガイド穴５６の底に達すると（修正空隙５８がなくなると）、ピストン５２の移動は終了する。このとき、副室４２の容積は修正空隙５８の分だけ増加している。吸込期間Ｐｓになると、ポンプ室１８内の圧力が低下して、ばね４２の付勢力によってピストン５２が移動し、以降、上記を繰り返す。
【００２３】
このとき、調整ボルト４６を回転して、無脈動ポンプ１０の吐出流量の脈動、特に合成吐出期間Ｐｄ２における脈動をなくすように調整を行う。脈動がなくなったときに、修正空隙５８の容積Ｖ（またはＳａ）が、補償運動によるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）と、損失による吐出量の減少量（Ｓｃ）との差に相当するものとなり、適正な調整がなされたことになる。
【００２４】
以上の副室４２を設けることによって、ポンプの運転条件が変化して吐出損失、すなわち容積効率が変化した場合であっても、この変化に対応して補償量（Ｓｔ）を調整し、無脈動の吐出流量を達成することができる。また、副室４２は、エアー抜き弁４０とは別個に設けられており、エアー抜き弁としての要求が課せられることがなく、設計の自由度が比較的高い。よって、吐出損失のより大きな変動に対しても対応することを可能としている。
【００２５】
以上の実施形態においては、ダイアフラムポンプによって構成された無脈動ポンプを示したが、ダイアフラムを用いないプランジャポンプなどの往復動ポンプを用いた場合であっても、前述した実施形態の副室を設けて吐出損失による脈動を補償することができる。
【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】プランジャの速度を示す図である。
【図３】損失による吐出量の減少と、この減少量の補償についての説明図である。
【図４】補償量修正プラグの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１０　無脈動ポンプ、１２　ダイアフラムポンプ、１４　シリンダ、１６　プランジャ、１８　ポンプ室、２０　シリンダヘッド、２２　ダイアフラムポンプ、２４　作動流体室、２６　取扱い流体室、３０　カム、４２　副室、４３　補償量修正プラグ、４６　調整ボルト、５２　ピストン、５４　ピストンの軸部、５６　ガイド穴、５８　修正空隙。

Claims (4)

1. プランジャの往復運動によるポンプ室容積の増減によって流体を吐出する往復動ポンプを複数備え、個々の往復動ポンプの吐出流量を合計した合成吐出流量が一定となるように前記プランジャを運動させる無脈動ポンプであって、
   前記プランジャは、前記各往復動ポンプにおける吐出開始時に発生する吐出量の減少を補償するために、吐出行程の前にポンプ室容積を減少させる補償運動を行い、
   前記補償運動により減少するポンプ室容積は、想定される吐出量の減少量以上であり、
   さらに、ポンプ室には、前記補償運動により減少するポンプ室容積と、想定される吐出量の減少量との差に相当する容積変化をして、実際の吐出量を想定される吐出量に修正する副室を有する、
   無脈動ポンプ。
2. 請求項１に記載の無脈動ポンプであって、前記副室の容積変化は、その量が調整可能である、無脈動ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の無脈動ポンプであって、前記プランジャは、カムによって、その運動を制御される、無脈動ポンプ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の無脈動ポンプであって、
   前記個々の往復動ポンプのプランジャの運動を、作動流体を介してダイアフラムに伝達するダイアフラムポンプであり、
   前記副室は、前記作動流体で満たされた作動流体室に対して設けられている、無脈動ポンプ。

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