JP2004339948A - 脈動ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ドレン配管を必要とせず、効率良く吐出流体の圧力をあげることのできる脈動ポンプを提供する。
【解決手段】脈動ポンプ１は、加圧室４と流体供給口５と流体吐出口６と入口逆止弁７と出口逆止弁８とベローズ９と駆動機構１０とを備える。加圧室４は、シリンダ２の内壁２ａとこのシリンダ２に緩挿されたプランジャ３の先端部３ａとによって形成される。入口逆止弁７は、加圧室４から流体供給口５に向かう流れを防止する。出口逆止弁８は、流体吐出口６を通って流出した流体が加圧室４に戻る流れを防止する。ベローズ９は、シリンダ２から突出するプランジャ３の基端部３ｂに外挿し、シリンダ２とプランジャ３の基端部３ｂとの間を密封する。プランジャ３の基端部３ｂの外面とベローズ９とシリンダ２とで囲まれる空間は、流体供給口５に連通する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダに緩挿されたプランジャをこのシリンダに対して往復運動させ、流体を周期的に吐出する脈動ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体を周期的に吐出する脈動ポンプは、例えば、エンジンの燃料供給装置に組み込まれる燃料噴射ポンプなどとして使用される。燃料噴射ポンプは、シリンダ及びこのシリンダ内を往復移動するプランジャを備えている（例えば、特許文献１参照。）。加圧室が、シリンダ内に設けられており、プランジャが動くことで燃料が圧縮される。
【０００３】
特に、ガソリンを筒内に直接噴射するために使用される場合、圧縮工程終盤の筒内に燃料を噴射するために、高い圧力で燃料を噴射する必要がある。この場合、摺動抵抗を小さくするために、シリンダとプランジャとの間には、Ｏリング、パッキン、ガスケットなどのシール部材を使用しない。したがって、加圧室からシリンダとプランジャとの隙間を通って反対側へ燃料が漏れ出る。この漏れ出る燃料を回収するために、加圧室と反対側のシリンダとプランジャとをベローズでシール結合し、このベローズの内側と連通するドレンを設けている。
【０００４】
【特許文献１】
特願平１１−１３２１３０号公報（段落００１９、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の脈動ポンプの場合、ドレンを通じて回収した流体を再び利用できるように上流へ戻すための配管が必要となる。また、ドレンは、大気圧に通じているため、加圧室とドレン側との間の差圧が大きくなると、加圧室の流体がシリンダとプランジャとの隙間から逃げることで、加圧室の圧力が低下しやすく、流体の吐出圧力を所定の圧力以上に昇圧することができない。
【０００６】
そこで、本発明は、ドレン配管を必要とせず、効率良く吐出流体の圧力をあげることのできる脈動ポンプを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる脈動ポンプは、シリンダの内壁とこのシリンダに緩挿されたプランジャの先端部とによって形成される加圧室と、加圧室に供給される流体が通過する流体供給口と、加圧室から吐出される流体が通過する流体吐出口と、加圧室に流入した流体が加圧室から流体供給口に向かって戻る流れを防止する入口逆止弁と、流体吐出口を通って加圧室から流出した流体が加圧室に戻る流れを防止する出口逆止弁と、シリンダのプランジャ挿入側から突出するプランジャの基端部に外挿し、プランジャ挿入側のシリンダ及びプランジャの基端部の間を密封するベローズと、加圧室の容積を縮小する方向にプランジャの基端部を押圧する駆動機構を備える。そして、プランジャの基端部の外面とベローズとシリンダとで囲まれる空間を流体供給口に連通させる。
【０００８】
また、脈動ポンプの構造を簡素化するために、加圧室と流体供給口とを連通する流体供給路をプランジャに設ける。そして、入口逆止弁を流体供給路の加圧室側出口に設ける。
【０００９】
加圧室の圧力をより高い圧力に上げるために、流体供給口を通過する流体を大気圧よりも高い圧力に予圧する。流体供給口側の圧力の変動を小さくするために、作動膜として金属製のベローズを使用した圧力調整室を備える調圧器をプランジャの基端部の外表面とベローズとシリンダとで囲まれる空間に連通する位置に設ける。また、繰り返し変形を受けるベローズの耐久性を向上させるために、ベローズの表面にショットピーニング処理を施す。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態にかかる脈動ポンプについて、図１及び図２を参照して説明する。図１に示す脈動ポンプ１は、シリンダ２とプランジャ３と加圧室４と流体供給口５と流体吐出口６と入口逆止弁７と出口逆止弁８とベローズ９と駆動機構１０とを備える。
【００１１】
プランジャ３の先端部３ａは、シリンダ２に緩挿されている。プランジャ３の基端部３ｂは、シリンダ２から突出している。プランジャ３は、加圧室４と流体供給口５とを連通する流体供給路１１を有している。流体供給路１１は、プランジャ３の基端部３ｂに半径方向へ開口する入口１１ａから、プランジャ３の先端面３ｃに開口する出口１１ｂまで、プランジャ３の軸方向に貫通して設けられている。
【００１２】
加圧室４は、シリンダ２の内壁２ａとプランジャ３の先端部３ａによって形成されている。流体供給口５は、プランジャ３が突出する側のシリンダ２に設けられている。流体供給口５は、プランジャ３が移動する方向と交差する方向に開口している。流体吐出口６は、プランジャ３の先端部３ａと対向する側の加圧室４の壁４ａに設けられている。
【００１３】
入口逆止弁７は、流体供給路１１の出口１１ｂの下流側に設けている。入口逆止弁７は、ボール形状の栓７ａと、この栓７ａを出口１１ｂの近傍に滞留させるケージ７ｂとを備える。入口逆止弁７は、流体供給口５から流体供給路１１を経て加圧室４へ向かう流体を通過させ、流体が加圧室４から流体供給口５に向かって戻る流れを防止する。なお、栓７ａが出口１１ｂに吸い寄せられて出口１１ｂを閉止するために、栓７ａと出口１１ｂとの間にできる隙間は、出口１１ｂの開口径よりも小さくすると良い。また、栓７ａを出口１１ｂに向かって付勢する弾性部材を栓７ａとケージ７ｂとの間に配置してもよい。
【００１４】
出口逆止弁８は、加圧室４に対して流体吐出口６の外側（下流側）に設けられている。出口逆止弁８は、ボール形状の栓８ａと、この栓８ａを流体吐出口６に向かって付勢する弾性部材、例えばスプリング８ｂを備えている。スプリング８ｂは、流体吐出口６を通って流出する流体の圧力が加圧室４に供給される流体の供給圧力以上の場合に栓８ａと流体吐出口６との間に隙間ができる程度の弾性力を有している。出口逆止弁８は、流体吐出口６から出る流体を通過させ、流体が流体吐出口６から加圧室４に戻る流れを防止する。
【００１５】
ベローズ９は、プランジャ３の基端部３ｂに外挿されている。ベローズ９の一方の端部９ａとプランジャ３の基端部３ｂ及びプランジャ挿入側のシリンダ２とベローズ９の他方の端部９ａは、それぞれシール接合されている。プランジャ３の基端部３ｂの外面とベローズ９とで囲まれる空間Ｓは、流体供給口５に連通している。なお、本実施形態では、流体供給路１１の入口１１ａは、プランジャ３の基端部３ｂのベローズ９で覆われる範囲に開口しているが、流体供給口５の近傍の基端部３ｂに設けても良い。
【００１６】
駆動機構１０は、加圧室４の容積を縮小する方向にプランジャ３の基端部３ｂを押圧するカム１２を備えている。カム１２は、プランジャ３の移動方向と交差する軸を中心に回転する。カム１２は、１回転する間にプランジャ３を１回押圧する。カム１２が回転することによって、プランジャ３は、往復運動する。なお、カム１２の形状は、１回転する間に２回以上プランジャ３を押圧するように形成されていても良い。
【００１７】
また、プランジャ３の基端部３ｂの外面とベローズ９とで囲われる空間Ｓに連通する部分には、調圧器１３が取付けられている。調圧器１３は、作動膜として金属製のベローズを使用した圧力調整室１３ａを備えている。圧力調整室１３ａの内部には、ガス、例えば不活性ガス、具体的には、窒素ガスが封入されている。調圧器１３は、ガスの圧力が加圧室４に供給される流体の供給圧力とほぼ同じ圧力に設定されており、プランジャ３が往復運動して空間Ｓの容積が変動することによって空間Ｓの圧力が急激に変動することを緩和させるために設けられている。
【００１８】
次に、脈動ポンプ１の動作について説明説明する。
図１は、吐出状態を示し、図２は、吸込状態を示している。図１に示すように、カム１２によってプランジャ３が押されると、栓７ａが流体供給路１１の出口１１ｂを塞ぐ。プランジャ３が加圧室４を縮小する矢印Ａ方向に移動することで、加圧室４内部の流体は、加圧される。加圧された流体は、出口逆止弁８のスプリング８ｂに逆らって栓８ａを押し退け、流体吐出口６を通過する。そして、流体は、栓８ａの傍らを通って、脈動ポンプ１の外（高圧側）に吐出される。
【００１９】
シリンダ２の内壁２ａとプランジャ３の外面との隙間を通って漏れる流体は、空間Ｓに流れ込む。空間Ｓは、プランジャ３が加圧室４を縮小する矢印Ａ方向に移動することでベローズ９が縮められる。その結果、空間Ｓの容積が縮小し、空間Ｓ内部の流体は、流体供給口５から押し戻される。また、空間Ｓと連通する位置に調圧器１３が設けられているので、入口逆止弁７が閉じることによって逃げ場を失った流体が流体供給口５を通って押し戻されるよりも速く、プランジャ３が移動する場合でも、空間Ｓ内部の圧力の変動が小さい。
【００２０】
ベローズ９のばね特性によって、プランジャ３は、カム１２に向かって付勢されている。その結果、図２に示すように、カム１２の半径が小さくなる方向に回転すると、プランジャ３は、加圧室４を拡張する矢印Ｂ方向に移動する。したがって、脈動ポンプ１は、プランジャ３を矢印Ｂ方向に戻すための機構、例えば、プランジャリターン用ばねが不要である。プランジャ３が矢印Ｂ方向に移動（後退）し始めると、加圧室４の圧力が低下し、流体吐出口６は、出口逆止弁８の栓８ａによって塞がれる。この状態で、さらにプランジャ３が矢印Ｂ方向に移動すると、加圧室４内部の圧力が流体供給路１１内部の圧力よりも低下し、入口逆止弁７の栓７ａが出口１１ｂから離れる。そして、流体は、図２中の矢印で示すように、流体供給路１１から加圧室４へ、空間Ｓから流体供給路１１へ、流体供給口５から空間Ｓへと順繰りに吸込まれる。また、出口逆止弁８が閉じられていることによって流体が加圧室４に吸込まれるよりも速く、プランジャ３が矢印Ｂ方向に移動した場合でも、調圧器１３の圧力調整室１３ａが膨張することで、空間Ｓ及び空間Ｓと連通状態にある加圧室４、流体供給路１１、流体供給口５の近傍における、流体の圧力変動が緩和される。
【００２１】
また、流体供給口５から供給される流体の供給圧力が、大気圧よりも高い圧力に予圧されている場合、この予圧によって、図２に示す矢印Ｂ方向の力がプランジャ３に作用する。したがって、プランジャ３は、ベローズ９のばね作用に予圧の力が加わることで、より速く矢印Ｂ方向に移動する。すなわち、脈動ポンプ１において、予圧がない状態に比べ、流体の吐出と吸込との繰り返しを速くすることができる。
【００２２】
本発明の第２の実施形態に係る脈動ポンプ１について、図３及び図４を参照して説明する。なお、第１の実施形態の脈動ポンプ１と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。図３は、吐出状態を示し、図４は、吸込状態を示す。
【００２３】
脈動ポンプ１において、駆動機構１０は、図３に示すように電磁アクチュエータとして、例えばソレノイド２１と可動子２２とを備える。ソレノイド２１と可動子２２とは、プランジャ３の移動方向に沿って可動子２２が移動するように、配置されている。可動子２２の一方の端部（先端）２２ａは、プランジャ３の基端部３ｂに当接している。ソレノイド２１に配線２３を通じて電力が供給されると、プランジャ３から遠い側の可動子２２の端部（基端）２２ｂは、ソレノイド２１に引き寄せられ、プランジャ３の基端部３ｂを図３に示す矢印Ａ方向に押す。また、ソレノイド２１への電力の供給が停止すると、可動子２２の基端２２ｂがソレノイド２１から解放され、プランジャ３及び可動子２２は、ベローズ９のばね特性によって、図４に示す矢印Ｂ方向に戻される。
【００２４】
プランジャ３がＡ方向及びＢ方向に往復移動することによる入口逆止弁７及び出口逆止弁８の作動及び流体の流れについては、第１の実施形態と同様であるので、各説明は、第１実施形態を参照することとし、本実施形態における記載を省略する。
【００２５】
第２の実施形態の脈動ポンプ１における駆動機構１０は、ソレノイド２１と可動子２２とを備えているので、流体を吐出させる周期を容易に変えることができる。また、吐出と吸込の拍子を制御することで、流体の吐出パターンを多彩に変化させることができる。したがって、この脈動ポンプ１を内燃機関の燃料供給用のポンプ、特に筒内直噴式エンジンの燃料供給ポンプ（燃料噴射ポンプ）として使用する場合、エンジンの回転数に合わせて、燃料の噴射のタイミングを微調整することができる。
【００２６】
また、第１及び第２の実施形態における脈動ポンプ１において、流体供給路１１がプランジャ３に設けられ、入口逆止弁７がプランジャ３の先端部３ａに開口する流体供給路１１の出口１１ｂに設けられているので、脈動ポンプ１の構造が簡素化される。したがって、脈動ポンプ１を小型化することに適している。
【００２７】
本発明の第３の実施形態に係る脈動ポンプ１について、図５及び図６を参照して説明する。なお、第１及び第２の実施形態の脈動ポンプ１と同様の構成要素については、その構成要素に同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２８】
図５に示す脈動ポンプ１において、流体供給口５は、加圧室４に近い側のシリンダ２に設けられている。入口逆止弁７は、加圧室４と流体供給口５との間に設けられており、加圧室に流入した流体が加圧室４から流体供給口５に向かって戻る流れを防止する。入口逆止弁７は、ボール形状の栓７ａと、この栓７ａを流体供給口５に向かって付勢する弾性部材、例えばスプリング７ｃとを備えている。スプリング７ｃは、流体供給口５から供給される流体の供給圧力が、加圧室４内部の圧力よりも高い場合に、栓７ａと流体供給口５との間に隙間ができる程度の弾性力を有している。また、脈動ポンプ１は、プランジャ３がシリンダ２から突出する側に作られる空間Ｓと流体供給口５とを連通するバイパス３１を有している。
【００２９】
次に第３の実施形態の脈動ポンプ１の動作について説明する。図５は、吐出状態を示し、図６は吸込状態を示す。ソレノイド２１に電力が配線２３を通じて供給されると、図５に示すように、可動子２２の基端２２ｂがソレノイド２１に引き寄せられる。その結果、プランジャ３が矢印Ａ方向に押され、加圧室４が加圧される。入口逆止弁７が流体供給口５を塞いでいるので、流体は加圧室４から流体供給口５に戻ることなく、栓８ａを押し退け、加圧室４から流体吐出口６を通過する。また、シリンダ２の内壁２ａとプランジャ３の外面との隙間を通って空間Ｓ側に漏れ出た流体と空間Ｓの内部の流体は、バイパス３１を通って流体供給口５に戻される。
【００３０】
ソレノイド２１への電力の供給が停止すると、図６に示すように可動子２２が解放されプランジャ３は、矢印Ｂ方向に移動する。プランジャ３が矢印Ｂ方向に移動し始めると、加圧室４の圧力は、低下する。この結果、流体吐出口６は、出口逆止弁８の栓８ａによって塞がれ、加圧室４から吐出された流体が加圧室４に戻る流れが防止される。この状態で、プランジャ３がさらに矢印Ｂ方向に後退すると、加圧室４の内部の圧力が流体供給口５における流体の圧力よりも低下する。流体供給口５側の流体は、入口逆止弁７の栓７ａを加圧室４側へ押し退け、加圧室４に流れ込む。
【００３１】
また、プランジャ３が矢印Ｂ方向に移動することによって、空間Ｓと連通する部分の流体の圧力は、流体供給口５における流体の圧力よりも低下するので、バイパス３１を通して流体が空間Ｓ側に流れ込む。流体供給口５に供給される流体が大気圧よりも高く予圧されている場合は、ベローズ９のばね特性による矢印Ｂ方向の復元力とともに、バイパス３１を通って流れ込む流体の圧力によって、プランジャ３及び可動子２２は、積極的に矢印Ｂ方向に動かされる。したがって、脈動ポンプ１は、予圧がない状態に比べ、より速くプランジャ３を往復運動させることができる。
【００３２】
調圧器１３は、吐出状態における空間Ｓの縮小量、或いは吸込状態における空間Ｓの拡張量に比べてバイパス３１を通過する流体の流量が少ない場合、空間Ｓと連通する部分における流体の圧力の変動を緩和する。
【００３３】
第１の実施形態から第３の実施形態における脈動ポンプ１のベローズ９及び調圧器１３のベローズは、表面にショットピーニング処理が施されている。ショットピーニング処理を施しているので、ベローズ９及び調圧器１３のベローズの表面は、圧縮の残留応力が付与された状態である。この結果、繰り返し変形する場合でも、ベローズ９及び調圧器１３のベローズの表面に大きな引張応力が発生することを緩和させることができる。したがって、脈動ポンプ１の耐久性が向上し、脈動ポンプ１の寿命が延びる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の脈動ポンプによれば、シリンダとプランジャとの間をベローズで密封し、プランジャの基端部の外面とベローズとシリンダとで囲まれる空間が、流体供給口に連通されている。したがって、加圧室からシリンダとプランジャとの隙間を通ってプランジャの基端部側に流出する流体は、ベローズで密封され、外部に流れ出ることがない。また、加圧室の内部の圧力と、プランジャの基端部とベローズとの間に形成される空間の圧力との差が小さくなるので、流体供給口から供給された流体を効率良く加圧し、吐出することができる。ドレンが無いので、脈動ポンプの構成が簡単であり、小型化することに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る脈動ポンプの吐出状態を示す断面図。
【図２】図１の脈動ポンプの吸込状態を示す断面図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る脈動ポンプの吐出状態を示す断面図。
【図４】図３の脈動ポンプの吸込状態を示す断面図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る脈動ポンプの吐出状態を示す断面図。
【図６】図５の脈動ポンプの吸込状態を示す断面図。
【符号の説明】
１…脈動ポンプ、２…シリンダ、３…プランジャ、３ａ…先端部、３ｂ…基端部、４…加圧室、５…流体供給口、６…流体吐出口、７…入口逆止弁、８…出口逆止弁、９…ベローズ、１０…駆動機構、１１…流体供給路、１１ｂ…出口、１３…調圧器、１３ａ…圧力調整室、Ｓ…空間。

Claims (5)

1. シリンダの内壁とこのシリンダに緩挿されたプランジャの先端部とによって形成される加圧室と、
   前記加圧室に供給される流体が通過する流体供給口と、
   前記加圧室から吐出される流体が通過する流体吐出口と、
   前記加圧室に流入した流体が前記加圧室から前記流体供給口に向かって戻る流れを防止する入口逆止弁と、
   前記流体吐出口を通って前記加圧室から流出した流体が前記加圧室に戻る流れを防止する出口逆止弁と、
   前記シリンダのプランジャ挿入側から突出する前記プランジャの基端部に外挿し、前記プランジャ挿入側の前記シリンダ及び前記プランジャの基端部の間を密封するベローズと、
   前記加圧室の容積を縮小する方向に前記プランジャの基端部を押圧する駆動機構を備え、
   前記プランジャの基端部の外面と前記ベローズと前記シリンダとで囲まれる空間は、前記流体供給口に連通することを特徴とする脈動ポンプ。
2. 前記プランジャは、前記加圧室と前記流体供給口とを連通する流体供給路を備え、前記入口逆止弁は、前記流体供給路の出口に設けられることを特徴とする請求項１に記載の脈動ポンプ。
3. 前記流体供給口を通過する流体は、大気圧よりも高い圧力に予圧されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脈動ポンプ。
4. 作動膜として金属製のベローズを使用した圧力調整室を備える調圧器が、前記空間に連通する位置に設けられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の脈動ポンプ。
5. 前記ベローズは、表面にショットピーニング処理が施されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の脈動ポンプ。

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