JP2005098136A - 往復動モータを用いたダイヤフラムポンプユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 管路を流れる流量が少なく注入量が少量の場合にも均一注入を行うことができ、しかも、騒音が少ない往復動モータを用いたダイヤフラムポンプユニットを提供すること。
【解決手段】 往復動モータ３０の出力軸の往復動に連動するダイヤフラムのストローク量に応じた吐出量を出力する往復動モータ３０を用いたダイヤフラムポンプにおいて、前記往復動モータに流れる電流を制御する制御部８１を具備し、この制御部８１は往復動モータ３０に正弦波電流あるいは三角波電流を流す制御を行うことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、定量注入ポンプや真空ポンプ等に使用される往復動モータを用いたダイヤフラムポンプユニットに関する。

近年、薬液の注入など様々な分野でダイヤフラムポンプが使用されている（特許文献１参照）。このようなダイヤフラムポンプには、薬液を均一注入するための混合タンクを不要としてユニット全体を小型化したり、給水流量が変化しても注入比率が変化しないことが望まれている。

従来のダイヤフラムポンプは、その駆動源として図８に示すようなソレノイドが使用されている。図８において、コイルケース１１に収納されているコイル１２に電流を流すことにより磁界を発生させ、プランジャ１３に取り付けられているシャフト１４が吸引方向に移動する。シャフト１４が吸引方向に移動すると、シャフト１４と連動するダイヤフラムも吸引方向に移動する。このため、ダイヤフラムポンプのポンプ室（図示しない）に薬液が吸引される吸引工程が遂行される。

ところで、ダイヤフラムポンプの駆動源として使用されるソレノイドは制御部（図示しない）からの制御信号によりオン・オフ制御される。つまり、矩形波信号によりオン・オフ制御されていた。制御部は、流量センサで検出されたダイヤフラムポンプの管路を流れる流量に応じてソレノイドをオン・オフ制御していた。ここで、流量センサは、管路を流れる流量に応じた数のパルスを制御部に出力する。制御部はこのパルス数を計測し、この計測されたパルス数に応じてソレノイドをオン・オフ制御するようにしていた。
特開平８−６８３７９号公報

しかし、ダイヤフラムポンプをソレノイドで駆動する方法の場合には、ソレノイドはオン・オフ制御されるため、シャフト１４が１ストロークする往復速度を変化させるのは原理的に不可能であった。ポンプ室から薬液を吐き出させる吐出工程においては、シャフト１４が瞬間的に前進してダイヤフラムを押してポンプ室から薬液を吐き出させる。

しかし、この方式では無注入の時間が長く生じ、均一注入が行われなかった。さらに、薬液注入が滅菌目的等の場合は、衛生上の問題があるため、混合タンクを増設することにより対応していた。このように混合タンクを増設すると、コスト高やユニットの大型化につながってしまうという問題があった。

さらに、シャフト１４が後退してダイヤフラムを引くことにより薬液を薬液タンクから吸引する吸込工程は、管路側から見ると薬液が全く供給されない状態である。特に、管路を流れる流量が少なく薬液量が少量の場合には、ソレノイドの一定時間当りのストローク数が少なくなるため、薬液の無注入時間が長くなり、均一注入を阻害する問題となっていた。

また、管路を流れる流量が少なく必要とする注入量が少量となる場合は、瞬時の吐出し、吸込み工程が繰り返される間欠運転が行われている。従って、一定時間当りの最低ストローク数を基準として、流量センサのパルス計測時間を極めて長い時間（例えば、６０秒）に設定していた。このため、急速な流量の変動があった場合に、迅速に一定時間当りのストローク数を変化させることができなかったため、薬液の注入量の不足あるいは過剰が生じる恐れがあった。

また、ダイヤフラムポンプをソレノイドで駆動する方法の場合には、制御部からダイヤフラムポンプには駆動信号として方形波が出力されていた。このように、駆動信号の波形が方形波であると、シャフト１４の往復速度が速くなるため、ソレノイドの固定子と可動子若しくはダイヤフラムのシャフト１４とモータフレームに衝突する時の衝撃により高い騒音が発生するという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、管路を流れる流量が少なく注入量が少量の場合にも均一注入を行うことができ、しかも、騒音が少ない往復動モータを用いたダイヤフラムポンプユニットを提供することにある。

請求項1記載の発明は、往復動モータの出力軸の往復動に連動するダイヤフラムのストローク量に応じた吐出量を出力する往復動モータを用いたダイヤフラムポンプにおいて、前記往復動モータに流れる電流を制御する制御部を具備し、この制御部は前記往復動モータに正弦波電流あるいは三角波電流を流す制御を行うことを特徴とする。

請求項2記載の発明は、前記ダイヤフラムポンプの管路に流れる流量を検出する流量センサを具備し、前記制御部はこの流量センサで検出された前記ダイヤフラムポンプの管路に流れる流量に応じて前記往復動モータに流れる正弦波電流あるいは三角波電流の運転周波数を制御するようにしたことを特徴とする。

請求項3記載の発明は、前記流量センサは、前記管路に流れる流量に比例したパルス数を出力するものであり、前記制御部は、一定時間毎に前記流量センサから出力されるパルス数を計数し、この計数されたパルス数に所定係数を乗算することにより前記運転周波数を求め、前記往復動モータの運転周波数を制御するようにしたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記ダイヤフラムポンプの吸込工程での前記往復動モータの運転周波数は吸込運転可能な最大の運転周波数であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、前記制御部には第2の係数を表示・設定可能に構成されており、前記第1の係数と第2の係数とを乗算することにより前記運転周波数を求めることを特徴とする。

請求項1記載の発明によれば、シャフトの位置が正弦波形または三角波形に応じて移動するので、ダイヤフラムポンプのストローク長を規定しているストッパ等に衝突する直前のシャフトの往復動速度が低減させるため、衝突音を低減させることができる。

請求項2記載の発明によれば、制御部は流量センサで検出されたダイヤフラムポンプの管路に流れる流量に応じて往復動モータに流れる正弦波電流あるいは三角波電流の運転周波数を制御するようにしたので、シャフトの位置が正弦波形または三角波形に応じて移動する。このため、管路を流れる流量が少なく流量が少量の場合にも、一定量注入を精度良く行うことができる。

請求項3記載の発明によれば、急速な流量変動に追従することができる一定時間（例えば、１秒）を流量センサのパルス計測時間とし、この一定時間毎に流量センサから出力されるパルス数に応じてダイヤフラムポンプが注入する溶液が一定濃度となるように、流量センサから出力されるパルス数に第1の係数を乗算して運転周波数を求め、往復動モータの運転周波数を変化させることにより、急速な流量変化にも追従することができる。

請求項４記載の発明によれば、シャフトが後退してダイヤフラムが引かれて薬液を薬液タンクなどから吸引する吸込工程においては、正弦波または三角波の運転周波数を、ポンプのチェック弁等により規制される吸込運転可能な最大周波数とすることにより、薬液が供給されない無注入時間を最小限とすることができので、より均一な液量を注入することができる。

請求項５記載の発明によれば、制御部に第2の係数を表示・設定可能とし、流量センサのパルス数に第1の係数及び第2の係数を乗算して運転周波数を演算することによりダイヤフラムポンプのストローク速度を調整することができるので、ユーザは第2の係数を変更することにより薬液濃度を容易に調整することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図１は往復動ポンプを用いたダイヤフラムポンプの断面図である。図において、２１は円筒形状のポンプケーシングである。このポンプケーシング２１の一端には例えば薬液のような液体を吸い込む吸い込み口２２が設けられ、その他端には液体を吐出させる吐出口２３が設けられ、その側面から中心軸付近までポンプ室２４が形成されている。

前記吸い込み口２２からポンプ室２４との間には吸い込み管路２５が形成され、ポンプ室２４と吐出口２３との間には吐出管路２６が形成されている。

さらに、吸い込み管路２５には、吸い込み口２２からポンプ室２４方向のみの液体の吸い込みを可能とするチェック弁２７が介装される。さらに、吐出管路２６には、ポンプ室２４から吐出口２３方向のみの液体の吐出を可能とするチェック弁２８が介装されている。

３１は往復動モータ３０のモータフレームである。このモータフレーム３１には円筒形状のモータカバー３２が取り付けられている。

さらに、モータフレーム３１には周方向に４箇所支持ピン３３ａ〜３３ｄの一端がリベット止めされている。図１においては、３３ａ，３３ｃのみが図示されている。

支持ピン３３ａにはモータフレーム３１側から図２を参照して詳細な説明を後述するストッパ４１、円板状の板ばね４２、固定子４３、円板状の板ばね４４が固定されている。

さらに、支持ピン３３ｃにも、ストッパ４１、円盤状の板ばね４２、固定子４５、板ばね４４が固定されている。

そして、往復動モータ３０のシャフト（出力軸）５１は板ばね４２と４４により両端が支持されている。

このシャフト５１の一端側には前述したストッパ４１の一部が出没する一定幅の切り欠き部５２が形成された支持部材５３が固定されている。

さらに、シャフト５１の一端側は径が細くなる小径部５１ａを有する。この小径部５１ａにはベローズ６１を介して円筒形状のピストン部材６２が取り付けられている。

固定子４３には第1のコイル７１が巻回され、固定子４５には第２のコイル７２が巻回されている。

また、固定子４３のシャフト５１に面する側面にはシャフト５１の軸方向に向かって永久磁石７３が着磁され、固定子４５のシャフト５１に面する側面にはシャフト５１の軸方向に向かって永久磁石７４が着磁されている。ここで、永久磁石７３及び７４の極性は同じである。

第1のコイル７１及び第2のコイル７２は図４に示すように直列に接続されており、第1のコイル７１及び第2のコイル７２に流れる正弦波電流Ｉ（図３に示す）は制御部８１からの駆動信号により制御される。

さらに、第1のコイル７１及び第2のコイル７２に流れる電流Ｉにより発生する磁界の方向は同じ向きとなるように巻き線方向が定められている。

従って、電流が第1のコイル７１及び第2のコイル７２に流れると、周期的に電流方向が異なるため、第1のコイル７１及び第2のコイル７２に流れる電流により発生する磁界により永久磁石７３及び７４の磁界が増加されたり、減少されたりする。

この結果、シャフト５１は軸方向に周期的に往復動をする。このシャフト５１に往復動によりダイヤフラム６１も往復動し、ピストン部材６２も往復動する。

ダイヤフラム６１の往復動の大きさ、つまりストローク長ΔＬは電流Ｉの大きさにより決定される。

図１において、ピストン部材６２のポンプ室２４側の端面が段差を持っているが、上側半分（符号６２ａで示す）はポンプ室２４の液体を吐出させる吐出し工程の終端位置を示し、下側半分（符号６２ｂで示す）はポンプ室２４に液体を吸い込む吸込工程の終端位置を示している。

９１はコネクタである。このコネクタ９１には制御部８１からの制御線９２に接続されるコネクタ９２が接続される。これにより、図３に示すような電気回路が形成される。

制御部８１には、ダイヤフラムポンプの吐出管路２６に設置された流量センサ８２の検知出力が入力されている。この流量センサ８２は、吐出管路２６を介して一定流れる薬液が流れる毎に１パルスを流量パルスとして出力する。制御部８１は一定時間（例えば、１秒間）毎に、流量センサ８２から出力される流量パルスのパルス数を計数する。

制御部８１は調整値を表示するデジタル表示部８３、この調整値を変更する変更ボタン８４、デジタル表示部８３に表示された調整値を設定する設定スイッチ８５が設けられている。ここで、変更ボタン８４を操作する毎に、デジタル表示体８３に表示される調整値が循環表示される。

制御部８１には、図２に示すように、デジタル表示体８３で設定された調整値に対応する第２の係数を記憶しているテーブル８６を有する。例えば、デジタル表示体８３で設定された調整値が「０」では、第２の係数として「１００％」が設定され、調整値が「９」では、第2の係数として「９０％」が設定される。

制御部８１は、一定時間毎（１秒）に流量センサ８２から出力される流量パルスのパルス数を計数し、このパルス数に所定係数である第1の係数を乗算することにより運転周波数を演算で求めている。この第1の係数は制御部８１内の所定メモリ領域に設定されている。

また、デジタル表示体８３により調整値が設定された場合には、この調整値に対応した第２の係数をテーブル８６から取得する。そして、制御部８１は流量センサ８２から出力される流量パルスのパルス数を計数し、このパルス数に第1の係数及び第2の係数を乗算することにより運転周波数を演算で求めている。

そして、制御部８１はこのようにして演算で求めた運転周波数で往復動モータ３０を駆動する。この際に、往復動モータ３０を流れる電流値Ｉはストローク長ΔＬが一定となるように一定に保たれる。

次に、動作について説明する。制御部８１からの駆動信号の制御により図４に示すような正弦波電流Ｉが第1のコイル７１及び第2のコイル７２に流れる。

この結果、ダイヤフラム６１は、正弦波電流Ｉの大きさに応じたストローク長ΔＬで往復動する。これにより、ピストン部材６２はポンプ室２４内をストローク長ΔＬで往復動する。第1のコイル７１及び第2のコイル７２に流れる正弦波電流Ｉであれば、ポンプ部材６２が一往復動する間に吐出される液体量は一定である。

つまり、ピストン部材６２は、ポンプ室２４に液体を吸い込む吸込工程の終端位置６２ｂとポンプ室２４の液体を吐出させる吐出し工程の終端位置６２ａとの間で往復動する。

従って、吸込工程でポンプ室２４内に吸い込まれた液体は吐出し工程で吐出口２３を介して吐出される。この際、吐出口２３から吐出される液体の吐出量はストローク長ΔＬにより決定される。

このストローク長ΔＬは第1のコイル７１及び第2のコイル７２に流れる正弦波電流Ｉの大きさにより決定される。

この際、ピストン部材６２がポンプ室２４内を往復する速度は運転周波数に比例する。

このように、正弦波電流Ｉの周波数を変化と単位時間当りにピストン部材６２がストローク長ΔＬで往復動する回数が変化する。

これにより、単位時間当りに吐出される液体量は可変される。

ところで、制御部８１は、流量センサ８２で検出された流量パルスに第1の係数を乗算して往復動モータ３０の運転周波数を求めている。

さらに、デジタル表示体８３に表示された調整値に対応する第2の係数をテーブル８６を参照して求めている。

このようにデジタル表示体８３により調整値が設定された場合には、制御部８１は流量センサ８２で検出された流量パルスに第1の係数及び第2の係数を乗算して往復動モータ３０の運転周波数を求めている。

図４は小水量時にダイヤフラムポンプが低速で駆動される際の往復動モータ３０に流れる正弦波形を示し、図４は大流量時にダイヤフラムポンプが高速で駆動される際の往復動モータ３０に流れる正弦波波形を示す。

図４及び図５において、破線で示した波形は従来のソレノイド方式の駆動波形を示す。

このように、往復動モータ３０の駆動波形を正弦波波形としたので、シャフト５１の位置が正弦波形に応じて移動するので、ダイヤフラムポンプのストローク長を規定しているストッパ等に衝突する直前のシャフト５１の往復動速度が低減させるため、衝突音を低減させることができる。

制御部８１は流量センサ８２で検出された流量パルスのパルス数、つまりダイヤフラムポンプの管路に流れる流量に応じて往復動モータ３０に流れる正弦波電流の運転周波数を制御するようにしたので、シャフト５１の位置が正弦波形に応じて移動する。このため、管路を流れる流量が少なく流量が少量の場合にも、一定量注入を精度良く行うことができる。つまり、図４に示すように小流量時には運転周波数は小さくなる。吐出し工程ａにおいては流量は吐出管路２６を介して吐出されており、吸込み工程の長さｂ１を従来のソレノイド方式の長さｂ２よりも長くすることができる。これにより、薬液の無注入時間を従来のソレノイド方式より短くすることができる。従って、均一注入を行うことができる。なお、図４において破線で示した波形は従来のソレノイド方式では吐出時の矩形のオン信号を示し、ｃは従来のソレノイド方式における流量センサの出力を計測する計測時間を示す。本願発明は１秒毎に検出している。

制御部８１は流量センサ８２で検出された流量パルスのパルス数が多い大流量の場合には、図５に示すように運転周波数は図4の時より大きくなる。これにより、吐出管路２６を介して大量の薬液を吐出させることができる。

ところで、急峻な流量変化、例えば時刻ｔ１において小流量から大流量があった場合には、図６に示すように往復動モータ３０の運転周波数は急峻に変化する。制御部８１は一定時間（例えば、１秒）を流量センサのパルス計測時間とし、この一定時間毎に流量センサ８２から出力されるパルス数に応じてダイヤフラムポンプが注入する溶液が一定濃度となるように、流量センサ８２から出力されるパルス数に第1の係数を乗算して運転周波数を求め、往復動モータ３０の運転周波数を変化させることにより、急速な流量変化にも追従することができる。

しかし、従来のソレノイド方式の計測時間はｃであるため、計測時間ｃ以内に流量が急峻に変化した場合には対処できない。

また、図７に示すようにシャフトが後退してダイヤフラムが引かれて薬液を薬液タンクなどから吸引する吸込工程においては、正弦波の運転周波数を、ポンプのチェック弁等により規制される吸込運転可能な最大周波数とすることにより、薬液が供給されない無注入時間を最小限とすることができので、より均一な液量を注入することができる。この際、吐出工程における正弦波の運転周波数は流量センサ８２から出力される流量パルスを計数し、このパルス数に第1の係数を乗算したり、必要に応じて第2の係数を乗算することにより求められる。このようにして、図７に示すように小流量時の吐出工程の運転周波数を小さく、吸込工程の運転周波数を吸込運転可能な最大周波数とすることにより、無注入時間ｘを従来のソレノイド方式の無注入時間ｙよりも短くすることができる。このようにすることにより、より均一な液量を注入することができる。

さらに、制御部８１に第2の係数を表示・設定可能とし、流量センサ８１のパルス数に第1の係数及び第2の係数を乗算して運転周波数を演算することによりダイヤフラムポンプのストローク速度を調整することができるので、ユーザは第2の係数を変更することにより薬液濃度を容易に調整することができる。

なお、上記した実施の形態では、制御部８１は往復動モータ３０に正弦波が流れるように制御していたが、三角波が流れるように制御するようにしても良い。

本発明の一実施の形態に係る往復動モータを用いたダイヤフラムポンプの断面図。 同実施の形態に係る制御部に設定されているテーブルの内容を示す図。 同実施の形態に係る制御部と第1のコイル及び第2のコイルとの接続関係を示す図。 同実施の形態に係るダイヤフラムポンプを小流量時に低速駆動する波形図。 同実施の形態に係るダイヤフラムポンプを大流量時に高速駆動する波形図。 同実施の形態に係るダイヤフラムポンプを急激な流量変化時に低速から高速に切り替える波形図。 同実施の形態に係るダイヤフラムポンプを吸込工程における最大可能運転周波数による駆動する波形を示す図。 従来のソレノイドを用いたダイヤフラムポンプの要部断面図。

符号の説明

２１…ポンプケーシング、４１…ストッパ、４３…固定子、５１…シャフト
６１…ダイヤフラム、８１…制御部、８２…流量センサ。

Claims (5)

1. 往復動モータの出力軸の往復動に連動するダイヤフラムのストローク量に応じた吐出量を出力する往復動モータを用いたダイヤフラムポンプユニットにおいて、
   前記往復動モータに流れる電流を制御する制御部を具備し、
   この制御部は前記往復動モータに正弦波電流あるいは三角波電流を流す制御を行うことを特徴とする往復動モータを用いたダイヤフラムポンプユニット。
2. 前記ダイヤフラムポンプの管路に流れる流量を検出する流量センサを具備し、
   前記制御部はこの流量センサで検出された前記ダイヤフラムポンプの管路に流れる流量に応じて前記往復動モータに流れる正弦波電流あるいは三角波電流の運転周波数を制御するようにしたことを特徴とする請求項1記載の往復動モータを用いたダイヤフラムポンプユニット。
3. 前記流量センサは、前記管路に流れる流量に比例したパルス数を出力するものであり、
   前記制御部は、一定時間毎に前記流量センサから出力されるパルス数を計数し、この計数されたパルス数に第1の係数を乗算することにより前記運転周波数を求め、前記往復動モータの運転周波数を制御するようにしたことを特徴とする請求項2記載の往復動モータを用いたダイヤフラムポンプユニット。
4. 前記ダイヤフラムポンプの吸込工程での前記往復動モータの運転周波数は吸込運転可能な最大の運転周波数であることを特徴とする請求項2記載の往復動モータを用いたダイヤフラムポンプユニット。
5. 前記制御部には第2の係数を表示・設定可能に構成されており、前記第1の係数と第2の係数とを乗算することにより前記運転周波数を求めることを特徴とする請求項3記載の往復動モータを用いたダイヤフラムポンプユニット。

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