JP2004513299A - ポンプ - Google Patents

Abstract

ポンプは、環状円筒ピストンチャンバー（１４）を有するポンプハウジング（１０、１１、２０）と、そのチャンバー内を回転可能かつ軸方向移動可能な環状円筒ポンプピストン（４０）と、ピストンをチャンバー内で回転駆動するための手段（３０、４３）と、ピストンがピストン回転媒体を介してピストンチャンバー内を軸方向に往復動するように案内する手段（１１、４１；１３、４２；６７、６８）とを有する。ポンプは管及びバルブ手段を有し、それによりポンプ流体が、ポンプチャンバーの両端とそれぞれに隣接するピストンの両端との間で、ポンプチャンバーに対して一方向に吸引されかつ一方向に排出されることが可能になる。ピストンを軸方向に往復動させるための手段は、少なくともポンプ流体の排出中は、ピストンの回転速度が一定のときはピストンが一定速度で軸方向に動くように構成されている。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に定義される種類のポンプに関する。
【０００２】
ＳＥ−Ｂ−３９３４４１号には回転駆動される環状円筒ピストンが開示されており、そのピストンはポンプハウジング内の対応するピストンチャンバーに受容される。ポンプハウジングの２つの端面は、ハウジング軸に垂直な平面に関して互いに対称である。ピストンの２つの端面は、互いに略平行である。各々の端面の周縁は、１つの平面内にあるように示されている。ポンプハウジングの端面及びピストンの端面は、ピストン軸及びチャンバー軸に対して斜めに延びる。ピストンの長さは、ピストンが回転したときに、ピストンの２つの端面の周縁がチャンバーの２つの端面の周縁にそれぞれ接しながら動くような長さである。それによりピストンは、チャンバー及びピストンの端面の間の協働の結果として、前方及び後方に択一的に動くように案内される。ポンプハウジングは、２つの径方向反対側の領域を有し、流体を供給及び排出するためのパイプ継手をポンプハウジングの長さの中間あたりに有する。ポンプピストンは、その長さの中間あたりに径方向反対側に２つの凹部を有し、それらの凹部は入口及び出口にそれぞれ連通する。ピストンの一方の凹部とピストンの一方の端面との間には、第１の溝が延びる。ピストンの他方の凹部とピストンの他方の端面との間には、第２の溝が延びる。
【０００３】
ＳＥ−３９３４４１号においては、端面は僅かに凹んでいることが示唆されている。それにより、ハウジング及びピストンが有する対の隣接する端面のそれぞれの凹んだ側が互いに面する。
【０００４】
しかし、公知のポンプにより生じた流量は非常に脈動し、全体にわたって正の値とならない。さらに、そのポンプはピストンの端部において重大なデッドスペースを有する。
【０００５】
従って本発明の目的は、上述した種類のポンプであって、その種類の公知のポンプに比べて流れが円滑でピストンの端部のデッドスペースが少ないポンプを提供することである。
【０００６】
この目的は、本発明に係る手段によって完全に又は部分的に達成される。本発明に係るポンプは、添付の独立請求項１にて定義される。本発明のさらなる実施形態は、添付の従属請求項により明らかになる。
【０００７】
本発明によれば、少なくとも流体排出段階において、ピストンの回転移動をピストンの軸方向一定速度に変換するために作用するとともに、一定のピストン回転速度においてポンプの排出流量が一定であることを確保する機械的伝達曲線が得られる。
【０００８】
本発明の概念には、いくつかの異なる実施形態が含まれる。
第１の実施形態においては、ピストンの複数の端面がポンプチャンバーのそれぞれの端面の縁と協働するように、ピストンの端面が斜めに切断されている。ピストン端部及びポンプチャンバーの端部の周縁のそれぞれの特殊な構成により、一定のピストン回転速度に対して一定のピストン軸方向速度が得られる。ピストンの複数の端部の周縁はいずれも、ポンプ作動中はポンプチャンバーの端面に連続的に当接する。
【０００９】
本発明の第２の実施形態においては、ピストンは外周面を延びるガイド溝を有し、ポンプチャンバーの壁はそのガイド溝に係合するガイドピンを有する。ピストンの端面及びチャンバーの端面は平面であり、ピストン軸に垂直である。ガイド溝の適切な構成により、ピストンは一定の回転速度に対して一定の軸方向速度で動く。第２の実施形態の変形例においては、ピストンの端位置において単にピストン及びポンプチャンバーの端面が相補的であるように構成されることができる。その場合ピストン及びポンプチャンバーの端面は、例えば平面であってピストン及びポンプチャンバーの軸に垂直であることが可能である。
【００１０】
ポンプは、これらの変形例のいずれにおいても、例えばＳＥ−Ｂ−３９３４４１号に開示された種類の内部バルブ装置を有することができる。ポンプチャンバーは択一的に、関連する流体を送り込み及び送り出すための分離管を有してもよい。これらの管は、それぞれの管を通る流体を一方向にのみ流すために逆止弁を有することができる。２つの排出管は、ある供給源から流体を取り出すことができるとともに、結合されて共通排出溝を形成することができる。共通排出溝は、ピストンがポンプチャンバーに対して一定速度で回転しているときは、実質的に均一な流体流れを提供する。
【００１１】
第２の変形例において、択一的に溝がポンプチャンバーの壁に設けられ、ガイドピンがピストンに配置されてもよいことは当然である。しかし現時点では、ピストンが溝を有することが好ましい。
【００１２】
第３の変形例においては、ピストンは、互いに軸方向に移動可能な２つの軸方向分離可能な部分に分割可能である。これらの部分は、それぞれの軸線の回りを一定速度で回転する。そのピストン部分のうちの一方は、モーターによって駆動可能である。ピストン部分の他方は、スプライン継手のような接続媒体を介してピストン部分の一方により駆動可能である。２つのピストン部分の間に回転可能な接続部があるときは、２つのピストン部分が互いに対して軸方向に移動可能である。円筒状の壁の中を延びる送り出しポートは、ピストン部分が軸方向に変位している間は、ポンプの排出段階中においてピストン部分の胴体面上の流体排出溝に接する。流体排出溝は、１８０°を僅かに超えて延びる円弧を有する。これにより排出ポートの寸法が補正され、流体がピストン部分に対して１８０°の回転角度にわたって排出され、ピストン部分は一定の軸方向速度を有する。関連するピストン部分の速度は、吸引段階においては重要性が低い。さらに、吸引は１８０°よりも小さい角度にわたって行われる。ポンプが１８０°よりも小さい角度にわたって回転しているときは、ガイド溝を修正することによって、完全な吸引段階が確保される。
【００１３】
ガイド溝のそのような修正は、複数のピストン部分の相対的軸方向移動を可能にする。このことは、スプライン継手又はいくつかの相当の継手によって可能である。
【００１４】
従って第３の実施形態においては、ガイド溝６７によって、ピストン部分は、正確に１８０°の角度にわたって複数の端位置の間を一定速度で動くことができ、その後ピストンは、吸引段階において１８０°よりも小さい角度にわたってピストン部分の複数の端位置の間を異なる速度で動くことができる。２つのピストン部分は、１８０°毎に相互に段階移行する。
【００１５】
添付図面を参照しながら、本発明を一例として以下に説明する。
【００１６】
図１〜図５に関するポンプは、基本的にはＳＥ−Ｂ−３９３４４１号に係る構成に基づいており、同号の内容はこれをもって本願明細書に記載されているものとする。
【００１７】
ピストンは、環状円筒の内壁を有する壁１０により画定されるピストンチャンバーと、２つの端壁１１及び１３とを有する。ポンプハウジングは、ピストン４０のためのチャンバー１４を画定する。ピストン４０は、環状円筒の外壁を有し、ポンプハウジングの胴体壁に近接する。ピストン４０は、チャンバー１４内にて軸方向に移動及び回転可能である。ピストン４０は、互いに略平行な端面４１及び４２を有する。端面４１及び４２は、ピストン４０の軸に垂直な平面に対してある角度を有する。端面１１及び１３は、ハウジングの軸に垂直な平面に関して、互いに鏡面対称である。
【００１８】
ハウジングの端壁１３は、カバー部材２０によって形成され、例えば差込継手２１によってハウジング壁１０に対して着脱可能に接続される。カバー部材２０は、対応する駆動シャフト３０を収容するための中央軸方向孔２２を有する。チャンバー１４に接続される孔２２の一部は、同軸に延びる環状円筒の拡大部２３を有する。拡大部２３は、シャフト３０の拡大シール部分３１と、そこから外側に延びるブレード状のシャフト部分３２と、図３により明瞭に示すように、ピストンから延びる一対の突起４８とを受容する。
【００１９】
ピストン４０の胴体面は、互いに径方向に反対側の２つの凹部４４及び４５を有する。ポンプチャンバー５１及び５２は、ピストンのそれぞれの端部においてポンプハウジング内に形成される。溝又は通路４６は、凹部４５からポンプチャンバー５１まで延びる。溝又は通路４７は、凹部４４からポンプチャンバー５２まで延びる。ピストンの端面４２からは、シャフト部分３２を受容するための、一端が閉じられた中央凹部４３が延びる。
【００２０】
図３に示すように、シャフト部分３２及び突起４８は、協働して孔２３の断面領域を満たすように構成される。孔２３が図示された構成要素によってほぼ完全に満たされるように、突起４８の端部はピストン４０に垂直な平面まで延びる。ポンプの端壁１１及びピストンの端部４１は、実質的相補面を有する。このことは、面１３及び４２についても当てはまる。
【００２１】
図２に示すように、壁１０は、それぞれ流体の送り込み及び送り出しのための、互いに径方向に反対側の２つの接続管又はポート１５及び１６を有する。また図２に示すように、凹部４４及び４５に隣接するピストンのディスク状部分４９は、ポート又は管１５及び１６に関してバルブ機能を有する。
【００２２】
本発明の好適な実施形態においては、端面１１及び４１、並びに４２及び１３はそれぞれ略相補的である。さらにそれらの端面は、協働してピストンの軸方向移動を案内する周縁を有し、それによりピストンは、一定の回転速度において実質的に一定速度で動くことができる。このことの長所は、ポンプが均一な流体流量を排出することである。
【００２３】
ある１／２回転の間に、チャンバー５１及び５２は、吸引チャンバー及び排気チャンバーとしてそれぞれ作用し、次の１／２回転の間にそれらの作用が切り替わる。
【００２４】
図４はピストン端部４１の端面図であり、ピストン端部４１の表面Ｓは複数の点Ｐｎによって定義されるものとみなすことができる。
【００２５】
図４及び図５は、Ｚ軸がハウジング軸及びピストン軸に一致する直交座標系を示している。表面ＳはＸ−Ｙ平面に接する（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）。
【００２６】
各点Ｐｎは、Ｘ−Ｙ平面におけるＸ軸からの角度距離α、Ｚ軸からの径方向距離ａ、及びＸ−Ｙ平面の上方に向かう高さＺによって定義される。図４は溝４６を示している。表面ＳはＸ−Ｚ平面に関して対称である。
【００２７】
各点Ｐｎ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、以下の関係式によって定義される。
Ｘｎ＝ａ・ｃｏｓα
Ｙｎ＝ａ・ｓｉｎα
Ｚｎ＝ａαｈ／ｒπ
ここで、変数ａは０＜ａ≦ｒの範囲内であり、変数αは−π＜α≦πの範囲内である。また、ｒはピストン半径、ｈはピストンのストローク長、πは定数である。
【００２８】
ハウジング面１１及び１３、並びにピストン面４１及び４２の各々は、この形状を好適な実施形態において有する。
【００２９】
表面Ｓは、対称となる平面において好都合に丸みを有する。ピストンの反転位置において画定される、ピストンの加速に必要な小さい角度の丸みは、一方では必要な力を、他方では流体流量の結果的な変動に関する許容変動を調節可能である。ポンプは、液体又はガスをポンプ輸送するために使用可能であり、汎用用途を有する。ポンプはまた、高感度な流体のポンプ輸送にも適している。
【００３０】
ポンプの構成要素は、Ｏリング等の分離シールを必要としない公差にて射出成形可能である。
【００３１】
図６が示す実施形態においては、ポンプピストン４０の胴体面はガイド溝６７を有する。この実施形態において、チャンバー壁は溝６７に係合するピン６８を担持する。ピストン４０の回転速度が一定のときはピストン４０が複数の端位置の間を軸方向に一定速度で動くことができるように、溝６７が構成されている。
【００３２】
八角形の三次元座標系ｘｙｚにおいては、溝６７はピストン４０の胴体面に沿って延び、また次式に従う。
ｚ＝｛（α）−ｈ｝／π
【００３３】
図７は、曲線６７上の任意の点ｐに対する角度αを示す。ピストンのストローク長、すなわち溝６７の最低点と最高点との間のＺ軸方向距離は、ピストンのストローク長ｈに一致する。ピストンの端部は、ポンプチャンバーの端面に対して相補的である。ピストンの端位置におけるデッドスペースは実質的にゼロである。図６の実施形態においては、ピストン４０の端面はピストン軸に対して垂直な平面として図示されている。ポンプチャンバーの端面もまた、ポンプハウジングの軸に対して垂直な平面として図示されている。
【００３４】
ガイド曲線は、ピストンの各回転に伴うピストン移動の軸方向サイクルを提供し、図１に示す種類の鉛直配置に関して有効である。にも関わらずこの曲線は、選択されたバルブ装置によっては、各回転に伴って２つ以上のピストン移動サイクルを提供するように修正可能であることが理解されよう。
【００３５】
図１〜図７に示す実施形態においては、バルブ機能は、入口及び出口ポート又は管１５及び１６を、軸方向ピストンの周囲に広がる凹部４４及び４５に接続することによって形成される。凹部４４及び４５の各々の広がる範囲は、ピストン外周の１／２周より僅かに小さく、流体吸引段階及び流体吐出段階は等しい長さである。凹部４４及び４５に接続されるポート１５及び１６は周縁を延びるので、ピストンの端位置において流体流量が不規則になる危険性はある。
【００３６】
ガイドピンが円筒壁に取り付けられてピストンの外周面のガイド溝に係合する（又はガイドピンがピストンの外周面に取り付けられて円筒壁のガイド溝に係合する）ような実施形態のさらなる改良例においては、ピストンは２つの部分４０及び４０′に軸方向に分割される。２つの部分４０及び４０′は、スプライン継手８１及び８２（すなわち、ピストン部分４０及び４０′を互いに接続する回転式の剛性継手）を介して接続され、互いに軸方向に移動可能である。ピストン部分４０′は、一定速度で回転する駆動シャフト３０によって、スプライン接続部３２及び３３を介して回転駆動される。
【００３７】
ピストン部分４０は外周面を延びるガイド溝６７を有し、そのガイド溝６７にピン６８が係合する。溝６７は、図７に示される形状を有し、１８０°よりもいくらか大きい角度にわたって延び、又はその角度を有する。ポンプはまた、１８０°より僅かに大きい外周角度にわたって延びる外周溝１４５及び１４５′と協働する送り出しポート又は管１６及び１６′を有する。このポート１６及び１６′の構成により、それぞれのピストン部分４０及び４０′が正確に１８０°回転して流体がポンプ輸送可能になる。その流体は、それぞれのチャンバー５１及び５２から、溝１４６及び１４６′並びに溝１４５及び１４５′を経由して、ポート１６及び１６′に送られ、ポート１６及び１６′に配置された複数の逆止弁を通過する。流体排出段階の間に、ピン６８及び６８′は溝６７及び６７′の中を１８０°より小さい角度にわたって移動する。ピストン４０及び４０′は対応する吸引溝１４４及び１４４′を有し、吸引溝１４４及び１４４′は吸引ポート１５及び１５′に整合するように保持される。吸引溝１４４及び１４４′は、ピストン４０及び４０′の溝１４７及び１４７′を介してそれぞれチャンバー５１及び５２に通ずる。ポート１５及び１５′に接続される吸引管はまた、図８に示すように、逆止弁１９を有する。
【００３８】
溝６７は、吸引溝１４４に対応する部分に樋を有するので、溝１４４の延びる範囲が１８０°未満の角度であっても、ピストンが複数の端位置の間を移動することが確保される。しかしピストン部分４０及び４０′の速度は、吸引段階の間と排出段階の間とで異なる。これらの異なる速度は、継手８１及び８２によって、ピストン部分４０と４０′との間の軸方向の相対移動を生じさせる。ポンプハウジングの長さは、ピストンが端位置にあるときにチャンバー５１及び５２の容積がほぼゼロに等しくなるように適当に選定される。
【００３９】
２つのピストン部分は、それらからの共通の流出量が一定になるように、流体排出段階に関して１８０°毎に好都合に段階移行する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係るポンプの概略の軸方向断面図である。
【図２】
図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。
【図３】
図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【図４】
ポンプピストンの一方の端面の端面図である。
【図５】
図４に示す端面の側面図である。
【図６】
本発明に係るポンプの他の実施形態の概略の軸方向断面図である。
【図７】
図６の実施形態のピストンのためのガイド溝の概略図である。
【図８】
本発明に係るポンプ装置のさらなる実施形態の概略図である。

Claims (10)

1. 環状円筒のピストンチャンバー（１４）及び該ピストンチャンバー内を回転可能かつ軸方向に移動可能な環状円筒のポンプピストン（４０）を有するポンプハウジング（１０、１１、２０）と、前記ピストンチャンバー内で前記ポンプピストンを回転駆動させるための手段（３０、４３）と、前記ポンプピストンが前記ピストンチャンバー内でピストン回転媒体を介して軸方向に往復動するように案内する手段（１１、４１；１３、４２；６７、６８）と、前記ピストンチャンバーの両端とそれぞれに隣接する前記ポンプピストンの端部との間で、ポンプ流体をポンプチャンバー内に一方向に吸引及び該ポンプチャンバーから一方向に排出することを可能にする管及びバルブ手段とを有するポンプにおいて、
   前記ポンプピストンを往復動するように案内する前記手段は、少なくともポンプ流体排出中は、一定のポンプピストン回転速度において前記ポンプピストンが一定速度で軸方向に移動可能できるように構成されていることを特徴とするポンプ。
2. 前記ポンプピストン及び前記ピストンチャンバーがそれぞれ有する互いに隣接する端面（１１、４１；１３、４２）は、前記ピストンチャンバーの円筒内壁（１０）と協働してポンプチャンバー（５１、５２）を画定するとともに、ポンプチャンバー（５１、５２）のデッドスペースを最小化するために略相補的であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記端面の各々が、三次元直交座標系Ｘ，Ｙ，Ｚにおける複数の点Ｐｎ（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）によって定義されることを特徴とし、ここでＺ軸はチャンバー軸及びピストン軸に一致し、前記端面は前記座標系のＸ−Ｙ平面に接し、
   Ｘｎ＝ａ・ｃｏｓα
   Ｙｎ＝ａ・ｓｉｎα
   Ｚｎ＝ａαｈ／ｒπ
   であり、
   ここで変数ａは前記点のＺ軸からの径方向距離であって０＜ａ≦ｒであり、変数αは前記点のＸ−Ｚ平面からのＺ軸回りの角度距離であって−π＜α≦πであり、
   ここでｒは前記ポンプピストンの半径、ｈはピストンのストローク長、πは定数である、請求項２に記載のポンプ。
4. 前記ポンプピストン（４０）又は前記ピストンチャンバー（１４）の胴体壁がガイド溝（６７）を有することと、前記ピストンチャンバー又は前記ポンプピストン（４０）の前記胴体壁は前記ガイド溝（８７）に係合するガイドピン（６８）を担持することと、一定のポンプピストン回転速度において前記ポンプピストンが該ポンプピストンの端位置の間で一定速度で軸方向に移動可能できるように、前記ガイド溝（６７）が構成されていることと、を特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ。
5. 前記ポンプピストンと協働する駆動シャフト（３０）が、ハウジング壁を通る通路（２２、２３）に沿って延びるとともに、前記ポンプピストンの隣接する端部の係合開口部（４３）に係合する丸みを有さない係合部（３２）を有することと、前記通路（２２、２３）が、一方では丸みを有さない前記係合部の長手部分を受容し、他方では前記ポンプピストンに配置された充填物（４８）を受容する、前記ポンプピストンに隣接する拡大部を有することと、を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のポンプ。
6. 前記駆動シャフト（３０）が前記通路の拡大部（２３）の軸方向外側部分を満たす拡大部（３１）を有することと、前記充填物（４８）が、前記ポンプピストン（４０）の軸に垂直な平面まで延びるとともに、隣接する前記ポンプチャンバー（５２）の容積が最小のときに前記係合部と協働して前記通路の前記拡大部の残りの部分を満たすことと、を特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のポンプ。
7. 前記ポンプピストン（４０）が、回転対称な複数の端部を有することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のポンプ。
8. 前記ポンプピストン及び前記ポンプチャンバーの端部は、略平面であるとともに前記ポンプピストンの軸に垂直であることを特徴とする請求項７に記載のポンプ。
9. ポンプチャンバー壁（１０）を通って前記ピストンチャンバー（１４）の長手方向中央領域における２つの互いに径方向反対側の領域に接続される入口ポート又は管（１５）及び出口ポート又は管（１６）と、前記ポンプピストンの長手方向中央領域における２つの互いに径方向反対側の凹部又は窪み（４４、４５）と、前記ポンプピストンが有する、前記ポンプピストンの第１の凹部（４５）と前記ポンプピストンの第１の端面（４１）との間の第１通路（４６）と、前記ポンプピストンが有する、前記ポンプピストンの第２の凹部（４４）と前記ポンプピストンの第２の端面（４２）との間の第２通路（４７）と、を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のポンプ。
10. 前記ポンプピストンが２つのピストン部分（４０、４０′）に軸方向に分割されることと、複数の前記ピストン部分が回転速度を軸方向移動速度に変換する装置（６７、６８；６７′、６８′）をそれぞれ有することと、前記ピストン部分の各々が、流体入口ポート（１５、１５′）に接続されるとともに１８０°未満の角度で外周面を延びる第１の溝（１４４、１４４′）を有することと、前記ピストン部分の各々が、出口ポート（１６、１６′）に接続されるとともに１８０°より大きい角度で外周面を延びる第２の溝（１４５）を有し、それにより流体が回転角度１８０°にわたって排出されることと、前記ガイド溝（６７）が、前記ピストンがポンプ排出段階中は一定のピストン回転速度において一定の軸方向速度で動くように構成されていることと、複数の前記ピストン部分（４０、４０′）が、一定かつ同じ速度で回転駆動されるように構成されるとともに、互いに対して軸方向に移動するように構成されることと、を特徴とする請求項１、２、４〜８のいずれか１項に記載のポンプ。