JP2005264754A - ポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ポンピングの初期状態から調整操作することなしに正常に機能させることができ、かつ構造を簡素化して製造を容易化したポンプ装置を提供すること。
【解決手段】流体送出先に送られた流体の一部が還流流路１2を介してシリンダ２内の一端側のポンピング駆動室２ａへ還流されるポンプ装置において、ポンピング駆動室２ａに対する還流流体の流入・排出の切換を行う切換え弁３０を備える。切換え弁３０は、リンク機構部４０によってピストンロッド４と連結され、ポンピング駆動力によって機械的に切換え動作する。
【選択図】図１
【解決手段】流体送出先に送られた流体の一部が還流流路１2を介してシリンダ２内の一端側のポンピング駆動室２ａへ還流されるポンプ装置において、ポンピング駆動室２ａに対する還流流体の流入・排出の切換を行う切換え弁３０を備える。切換え弁３０は、リンク機構部４０によってピストンロッド４と連結され、ポンピング駆動力によって機械的に切換え動作する。
【選択図】図１
Description
本発明は、ポンプ装置に関し、さらに詳しくは低駆動圧で高吐出圧を得ることが可能なポンプ装置であり、海水や汚れた水を半透過膜、例えば逆浸透膜に通して飲料水をつくる等の用途に際して使用されるポンプ装置に関する。
従来この種のポンプ装置としては、図８と図９に示すように、シリンダ１０１及びプランジャ１０２を備えたポンプ本体１００と、プランジャ１０２をシリンダ１０１内で往復動させる図示しない手動レバーと、フィルタ（逆浸透膜）１３０と、ポンプ本体１００のポンピングチャンバー１００ａ内に外部から液体（海水や汚れた水）を吸入する吸入流路１０３と、ポンピングチャンバー１００ａ内の液体をフィルタへ送出する送出流路１０４と、フィルタ１３０を透過して浄化された水を外部に流出する供給流路１３１と、フィルタ１３０を透過しない濃縮水をポンプ本体１００の駆動チャンバー１００ｂ内に還流させる還流流路１０５と、駆動チャンバー１００ｂ内から濃縮水を外部に排出する排出流路１０６と、駆動チャンバー１００ｂとの連通状態を還流流路１０５側又は排水流路１０６側に切り換える切換バルブ（三方弁）１１０とを備え、ポンピング時に生じる濃縮水の液圧を利用して手動レバーの揺動操作を僅かな力で行えるようにしたものが公知である（例えば、特許文献１）。なお、図８と図９において、点線矢印は流体の流れの方向を表し、矢印Ａはプランジャ１０２の復動方向を表し、矢印Ｂはプランジャ１０２の往動方向を表している。
上記切換バルブ１１０は、ポンプ本体１００の外側を覆う図示しないマニホルドに形成された筒穴１１１と、この筒穴１１１に収納された外周面に一対の第１凹周溝１１２ａ・第２凹周溝１１２ｂを有するシャトル１１２と、筒穴１１１の端部開口を液封するプラグ１１３を貫通してシャトル１１２の一端に連結された棒軸１１４及び棒軸１１４の一端に付設されたボタン１１５とを備えている。また、ポンプ本体１００とマニホルドとの間には、ポンピングチャンバー１００ａ内の液体の一部を筒穴１１１内の奥部側の第１室１１１ａに流入させる第１流入流路１１６と、駆動チャンバー１００ｂ内の濃縮水の一部を筒穴１１１内の棒軸１１４側の第２室１１１ｂに流入させる第２流入流路１１７と、シャトル１１２の往復動作により一対の凹周溝１１２ａ、１１２ｂの一方を介して還流流路１０５又は排出流路１０６と連通状態に切り換わる連通流路１１８とが形成されている。還流流路１０５の流出孔１０５ａはシャトル１１２の第１凹周溝１１２ａに連通し、排出流路１０６はもう一方の第２凹周溝１１２ｂに連通している。なお、１２１は取入れバルブ、１２２は排出バルブ、１２３はリリーフバルブである。
この従来（特許文献１）のポンプ装置による液体送出時の基本動作を簡単に説明すると、手動レバーを揺動してポンプ本体１００のプランジャ１０２が図８の状態から図９に示すように一端側へ往動（矢印Ｂ方向）することにより、外部から液体が吸入流路１０３を通ってポンピングチャンバー１００ａ内に流入する。一方、図９の状態から図８に示すようにプランジャ１０２の復動（矢印Ａ方向）によりポンピングチャンバー１００ａ内から液体が送出流路１０４を通ってフィルタ１３０へ送られ、フィルタ１３０を透過した流体の一部は浄化された飲料水として供給流路１３１を通って外部に流出する。この際、ポンピングチャンバー１００ａ内の一部の液体が第１流入流路１１６を介して切換バルブ１１０の第２室１１１ａに流入してシャトル１１２を押圧し移動させて、第１凹周溝１１２ａと連通流路１１８とを連通状態に切り換えると共に、フィルタ１３０を透過しない液体の残部である濃縮水が還流流路１０５、切換バルブ１１０の第１凹周溝１１２ａ及び連通流路１１８を通過して駆動チャンバー１００ｂ内に還流し、この還流した濃縮水の液圧が、手動レバーに加わる力と共働してプランジャ１０２を復動させている。つまり、ポンプ系の中にすでに存在している圧力は均衡しているので僅かな力を手動レバーに付加するだけでポンピングできる。その後、再びプランジャを往動（矢印Ｂ方向）させると、駆動チャンバー１００ｂ内の濃縮水が第２流入流路１１７を通って切換弁１１２の第２室１１１ｂ内に流入し、液圧でシャトル１１２が移動して第２凹周溝１１２ｂを介して第２流入流路１１７と排出流路１０６とが連通状態に切り換り、駆動チャンバー１００ｂ内の濃縮水が外部へ排出される。
しかしながら、このポンプ装置の場合、ポンピング開始時に駆動チャンバー１００ｂ内の空気を排出しポンピングチャンバー１００ａ内に液体をスムーズに吸い込むために、以下のような操作を行う必要があった。つまり、ボタン１１５を指にて（約１．０６ｋｇ／ｃｍ2（１５ｐｓｉ）の圧力で）押さえてシャトル１１２を筒穴１１１の奥端まで強制的に移動させて還流流路１０５の流出孔１０５ａを閉鎖し、かつ排出流路１０６を開け（図９参照）、駆動チャンバー１００ｂ内の空気を連通流路１１８、切換バルブ１１０の第２凹周溝１１２ｂを介して排出流路１０６に抜けさせて外部に排出しなければならなかった。このボタン押圧操作は、ポンプ装置を正常に機能させるまでの調整操作であり、排出流路１０６から液体が流出してポンプ系内の空気がある程度抜けきるまで（約５．６２ｋｇ／ｃｍ2（８０ｐｓｉ）の圧力が発生するまで）続ける必要がある。すなわち、ポンプ系内が液体で満たされている状態ならば、プランジャ１０２の往復動作で生じる液圧によってシャトル１１２が筒穴１１１内を適正なタイミングで往復動して（切換バルブ１１０の切り換えが正常に働いて）濃縮水の駆動チャンバー１００ｂに対する流入・排出が正常に行われるが、ポンピングの初期状態ではポンプ系内に空気が存在するため駆動チャンバー１００ｂが内圧（液圧）不足であることや、乾いた状態でのシャトル１１２と筒穴１１１との摩擦抵抗などが原因となってシャトル１１２が筒穴１１１の奥端側に移動し難く、切換バルブ１１０の切換が適正なタイミングで働かないので空気を排出できないためである。また、駆動チャンバー１００ｂに対して流体を流入・排出させるための流路が１本の連通流路１１８であるため、切換バルブ１１０の流入・排出の切換え直後は連通流路１１８の流体の流れが逆方向となって流れ難いという構造上の原因もある。
そこで、本発明は、ポンピングの初期状態から調整操作することなしに正常に機能させることができ、かつ構造を簡素化して製造を容易化したポンプ装置を提供することにより、上記問題を解決する。
かくして、本発明によれば、シリンダと、このシリンダ内に往復動可能に設けられたピストンと、このピストンに一端が連結されて他端が前記シリンダの一端側から外部に突出するピストンロッドを有するポンプ本体を備え、前記ピストンの一端側への往動により前記シリンダ内のポンピング室に吸入流路を介して外部から流体を吸入し、かつ、ポンピング駆動室内の流体を排出流路を介して外部に排出し、一方、ピストンの他端側への復動によりポンピング室内の流体を送出流路を介して外部の流体送出先へ送出し、かつ、流体送出先に送られた流体の一部を還流流路を介してシリンダ内の一端側のポンピング駆動室へ還流するポンプ装置であって、前記還流流路に介設された切換え弁と、該切換え弁と前記ピストンロッドを駆動するリンク機構部を備え、前記切換え弁は、ポンプ本体のシリンダと平行なサブシリンダと、このサブシリンダ内に往復動可能に設けられたプランジャと、前記プランジャの往復動作によってポンピング駆動室と連通又は遮断される外部排出流路とを有し、前記リンク機構部は、切換え弁のサブシリンダの一端側から外部に突出する連結ロッドと、ポンプ本体のピストンロッド及び前記連結ロッドを第１枢支軸及び第２枢支軸を介して連結し、ピストンロッド及び連結ロッドに力を加えて往復動させる連結バーとを有するポンプ装置が提供される。
本発明によれば、低駆動圧で高圧を得ることができるポンプ装置であって、ポンプ本体部のポンピング駆動室に対する還流流体の流入・排出の流路及び各流路を開閉切換する切換え弁を設け、この切換え弁のプランジャはリンク機構部によってピストンロッドの往復動作に連動して往復動作するので、以下のような効果を奏する。
（ａ）本発明は、流路切換のためのプランジャを動作させるためには機械的なリンク機構を用いているので、ポンピング初期状態、特にポンピング駆動室内に空気が存在し液圧不足である状態であっても、プランジャが瞬時に反応して適正なタイミングで往復動作すると共に、従来方式（特公平３−２１２０８号公報）のような調整操作することなしに正常にかつスムーズにポンピングを開始することができる。
（ｂ）プランジャを動作させるためのリンク機構により、従来方式のようなプランジャ動作用の圧力配管が不要であり、構造の簡素化、小型化が可能である。また、圧力配管のシール部も少なくすることができる。
（ｃ）従来方式ではプランジャ動作力を大きくするためにはプランジャの動作時の受圧面積を大きくする方法しかなく、小型化の障害となっていた。これに対し、本発明はプランジャを動かすために機械的なリンク機構を用いているので、プランジャの動作力に連結バーを動かす力を利用することができ、プランジャの小型化が可能である。
（ｄ）本発明では流路の切換に圧力差を利用するのではなく、リンク機構で行うため、連結バーの上げ始め、下げ始めに確実に流路の切換が行われ、連結バーの操作をスムーズに行うことができる。また、リンク機構を工夫することでプランジャの動作タイミングを自在に変えることが可能である。
（ｅ）本発明ではプランジャがリンク機構と接続されているため、仮に塩分等でプランジャが固着しても通常どおり連結バーを動作させることでプランジャの動作の復帰が可能であり、復帰の為の分解や特殊な操作が不要である。特に圧縮液が塩分、糖分その他の成分により動作部に固着を生じやすい場合に有効である。
（ｆ）本発明は連結バーの動作に連動してプランジャが動作する構造であるため、連結バーが動作しなければプランジャは動作しない。したがって、本装置に接続された流体送出先の膜の保存液等を充填しておく場合などには連結バーをベルト等で動かないように固定しておけば、プランジャも同時に固定され、振動、衝撃その他の外的要因によってプランジャが動作し、保存液が漏れるといった事故を未然に防ぐことが可能である。
（ａ）本発明は、流路切換のためのプランジャを動作させるためには機械的なリンク機構を用いているので、ポンピング初期状態、特にポンピング駆動室内に空気が存在し液圧不足である状態であっても、プランジャが瞬時に反応して適正なタイミングで往復動作すると共に、従来方式（特公平３−２１２０８号公報）のような調整操作することなしに正常にかつスムーズにポンピングを開始することができる。
（ｂ）プランジャを動作させるためのリンク機構により、従来方式のようなプランジャ動作用の圧力配管が不要であり、構造の簡素化、小型化が可能である。また、圧力配管のシール部も少なくすることができる。
（ｃ）従来方式ではプランジャ動作力を大きくするためにはプランジャの動作時の受圧面積を大きくする方法しかなく、小型化の障害となっていた。これに対し、本発明はプランジャを動かすために機械的なリンク機構を用いているので、プランジャの動作力に連結バーを動かす力を利用することができ、プランジャの小型化が可能である。
（ｄ）本発明では流路の切換に圧力差を利用するのではなく、リンク機構で行うため、連結バーの上げ始め、下げ始めに確実に流路の切換が行われ、連結バーの操作をスムーズに行うことができる。また、リンク機構を工夫することでプランジャの動作タイミングを自在に変えることが可能である。
（ｅ）本発明ではプランジャがリンク機構と接続されているため、仮に塩分等でプランジャが固着しても通常どおり連結バーを動作させることでプランジャの動作の復帰が可能であり、復帰の為の分解や特殊な操作が不要である。特に圧縮液が塩分、糖分その他の成分により動作部に固着を生じやすい場合に有効である。
（ｆ）本発明は連結バーの動作に連動してプランジャが動作する構造であるため、連結バーが動作しなければプランジャは動作しない。したがって、本装置に接続された流体送出先の膜の保存液等を充填しておく場合などには連結バーをベルト等で動かないように固定しておけば、プランジャも同時に固定され、振動、衝撃その他の外的要因によってプランジャが動作し、保存液が漏れるといった事故を未然に防ぐことが可能である。
本発明の実施の形態のポンプ装置は、シリンダと、このシリンダ内に往復動可能に設けられたピストンと、このピストンに一端が連結されて他端が前記シリンダの一端側から外部に突出するピストンロッドを有するポンプ本体を備え、前記ピストンの一端側への往動により前記シリンダ内のポンピング室に吸入流路を介して外部から流体を吸入し、かつ、ポンピング駆動室内の流体を排出流路を介して外部に排出し、一方、ピストンの他端側への復動によりポンピング室内の流体を送出流路を介して外部の流体送出先へ送出し、かつ、流体送出先に送られた流体の一部を還流流路を介してシリンダ内の一端側のポンピング駆動室へ還流するポンプ装置であって、前記還流流路に介設された切換え弁と、該切換え弁と前記ピストンロッドを駆動するリンク機構部を備え、前記切換え弁は、ポンプ本体のシリンダと平行なサブシリンダと、このサブシリンダ内に往復動可能に設けられたプランジャと、前記プランジャの往復動作によってポンピング駆動室と連通又は遮断される外部排出流路とを有し、前記リンク機構部は、切換え弁のサブシリンダの一端側から外部に突出する連結ロッドと、ポンプ本体のピストンロッド及び前記連結ロッドを第１枢支軸及び第２枢支軸を介して連結し、ピストンロッド及び連結ロッドに力を加えて往復動させる連結バーとを有する。
具体的なリンク機構部の構成としては、ピストンが他端側死点に位置するときに、プランジャ（弁体）が一端側死点に位置した状態、又は、ピストンが一端側死点に位置するときに、プランジャが他端側死点に位置した状態で、連結バーがピストンロッド及び連結ロッドを第１枢支軸及び第２枢支軸を介して連結し、さらに、ピストンの往復動可能なストロークが、プランジャの往復動可能なストロークよりも長く設定された構成とすることができる。
このように構成すれば、ピストン及びプランジャが以下の（１）、（２）のような基本動作をすることができる。
（１）流体吸い込み方向に連結バーを揺動させていくと、第１枢支軸が支点となり、第２枢支軸が作用点となって、先ずプランジャが他端側死点へ移動する。その後、第２枢支軸が支点となり、第１枢支軸が作用点となって、ピストンが一端側死点へ移動していき、ポンピング室内に流体が吸い込まれ、一方、ポンピング駆動室内の流体は切換え弁を通って外部排出流路から外部に排出される。
（２）流体吐出方向に連結バーを揺動させていくと、第１枢支軸が支点となり、第２枢支軸が作用点となって、先ずプランジャが一端側死点へ移動する。その後、第２枢支軸が支点となり、第１枢支軸が作用点となって、ピストンが他端側死点へ移動していき、ポンピング室内の流体が送出流路を通って流体送出先へ送り込まれ、流体送出先から流体の一部が外部に吐出され、一方、流体送出先から高圧の流体の残部が還流流路及び切換え弁を通ってポンピング駆動室へ送り込まれる。
このように構成すれば、ピストン及びプランジャが以下の（１）、（２）のような基本動作をすることができる。
（１）流体吸い込み方向に連結バーを揺動させていくと、第１枢支軸が支点となり、第２枢支軸が作用点となって、先ずプランジャが他端側死点へ移動する。その後、第２枢支軸が支点となり、第１枢支軸が作用点となって、ピストンが一端側死点へ移動していき、ポンピング室内に流体が吸い込まれ、一方、ポンピング駆動室内の流体は切換え弁を通って外部排出流路から外部に排出される。
（２）流体吐出方向に連結バーを揺動させていくと、第１枢支軸が支点となり、第２枢支軸が作用点となって、先ずプランジャが一端側死点へ移動する。その後、第２枢支軸が支点となり、第１枢支軸が作用点となって、ピストンが他端側死点へ移動していき、ポンピング室内の流体が送出流路を通って流体送出先へ送り込まれ、流体送出先から流体の一部が外部に吐出され、一方、流体送出先から高圧の流体の残部が還流流路及び切換え弁を通ってポンピング駆動室へ送り込まれる。
切換え弁の具体構成としては、以下の（Ａ）、（Ｂ）のようにすることができる。
（Ａ）サブシリンダが、その内周面に複数の環状シール部、具体的には軸方向所定間隔で４つのＯリングを有し、プランジャが、その外周面に少なくとも１つの凹部、具体的には軸方向中間位置に複数の球面状凹部を有し、プランジャが一端側又は他端側の死点位置に移動したときに、内側の１つのＯリングの位置と球面状凹部の位置が一致して隙間を形成し、ポンピング駆動室が排出流路又は還流流路と連通状態に切換わる構成。
（Ｂ）サブシリンダが、その内周面に複数の凹部、具体的には軸方向に所定間隔離れた位置に複数の球面状凹部を有し、プランジャが、その外周面に複数の環状シール部、具体的には軸方向所定間隔で４つのＯリングを有し、プランジャが一端側又は他端側の死点位置に移動したときに、内側の１つのＯリングの位置と球面状凹部の位置が一致して隙間を形成し、ポンピング駆動室が排出流路又は還流流路と連通状態に切換わる構成。
なお、構成（Ｂ）のようにプランジャ（可動部）にＯリングを設けるのではなく、構成 （Ａ）のようにサブシリンダ（弁箱）の方にＯリングを設け、かつプランジャに凹部を設けた方が、Ｏリングの磨耗や傷を抑制できる観点から有利である。さらに、Ｏリングの断面形状としては特に限定されず、円形、楕円形、正方形、長方形、U字形等を用いることができる。また、凹部としては球面状に限定されず、断面形状が半円形、半楕円形、三角形、正方形、長方形等の凹部又は溝、あるいは各種断面形状の凹周溝であってもよい。 要は、環状シール部と凹部の位置が一致した際に流体を通す隙間が形成されればよい。 しかしながら、プランジャにかかる高い圧力によってＯリングが変形したり、Ｏリングが凹部に引っかかってスムーズな動作に支障をきたすことを防ぐためには、プランジャの外周面全周に溝を設けるのではなく、必要な流路面積を確保した上で最小限の数量の凹部を設けることが望ましい。例えば、Ｏリングは断面が直径１.５〜３.５ｍｍの円形であり、凹部は曲率半径は１.５〜４ｍｍの球面状であって、周方向に１〜６個設けられているのが好ましい。また、プランジャのストローク量は例えば３〜１０ｍｍに設定でき、かつピストンのストローク量は例えば１０〜３０ｍｍに設定できるが、実用的で操作に違和感がないという範囲を考えるとプランジャのストローク量は５〜７ｍｍ、ピストンのストローク量は１５〜２５ｍｍが適当である。
（Ａ）サブシリンダが、その内周面に複数の環状シール部、具体的には軸方向所定間隔で４つのＯリングを有し、プランジャが、その外周面に少なくとも１つの凹部、具体的には軸方向中間位置に複数の球面状凹部を有し、プランジャが一端側又は他端側の死点位置に移動したときに、内側の１つのＯリングの位置と球面状凹部の位置が一致して隙間を形成し、ポンピング駆動室が排出流路又は還流流路と連通状態に切換わる構成。
（Ｂ）サブシリンダが、その内周面に複数の凹部、具体的には軸方向に所定間隔離れた位置に複数の球面状凹部を有し、プランジャが、その外周面に複数の環状シール部、具体的には軸方向所定間隔で４つのＯリングを有し、プランジャが一端側又は他端側の死点位置に移動したときに、内側の１つのＯリングの位置と球面状凹部の位置が一致して隙間を形成し、ポンピング駆動室が排出流路又は還流流路と連通状態に切換わる構成。
なお、構成（Ｂ）のようにプランジャ（可動部）にＯリングを設けるのではなく、構成 （Ａ）のようにサブシリンダ（弁箱）の方にＯリングを設け、かつプランジャに凹部を設けた方が、Ｏリングの磨耗や傷を抑制できる観点から有利である。さらに、Ｏリングの断面形状としては特に限定されず、円形、楕円形、正方形、長方形、U字形等を用いることができる。また、凹部としては球面状に限定されず、断面形状が半円形、半楕円形、三角形、正方形、長方形等の凹部又は溝、あるいは各種断面形状の凹周溝であってもよい。 要は、環状シール部と凹部の位置が一致した際に流体を通す隙間が形成されればよい。 しかしながら、プランジャにかかる高い圧力によってＯリングが変形したり、Ｏリングが凹部に引っかかってスムーズな動作に支障をきたすことを防ぐためには、プランジャの外周面全周に溝を設けるのではなく、必要な流路面積を確保した上で最小限の数量の凹部を設けることが望ましい。例えば、Ｏリングは断面が直径１.５〜３.５ｍｍの円形であり、凹部は曲率半径は１.５〜４ｍｍの球面状であって、周方向に１〜６個設けられているのが好ましい。また、プランジャのストローク量は例えば３〜１０ｍｍに設定でき、かつピストンのストローク量は例えば１０〜３０ｍｍに設定できるが、実用的で操作に違和感がないという範囲を考えるとプランジャのストローク量は５〜７ｍｍ、ピストンのストローク量は１５〜２５ｍｍが適当である。
上記構成（Ａ）の場合、さらに具体的には、流体送出先に連通する還流流路の途中端がサブシリンダ内の一端側の２つのＯリングの間に開口し、ポンピング駆動室に連通する還流流路の途中端がサブシリンダ内の内側の２つのＯリングの間に開口し、排出流路がサブシリンダ内の他端側の２つのＯリングの間に開口している構成とすることができる。
本発明において、連結バーが手動式連結バーであるのもよく、このように構成すれば、動力が確保できないような場所、例えば船内活動や野外活動等に携帯し手動にてポンプ装置を使用することができて便利である。なお、手動式でなくとも、小型モータ、小型エンジンなど駆動装置を利用し、これらの回転力を往復動力に変換できる機構を連結バーに取り付けるようにすることも可能である。
本発明において、ポンプ本体が、送出流路を介して半透過膜を備えた濾過部に接続され、この濾過部の濃縮側が還流流路に、透過側が透過液提供先にそれぞれ接続されたポンプ装置、具体的には、半透過膜が、逆浸透膜であるポンプ装置としてもよい。このように構成すれば、例えば海水を飲料水に変えるポンプ装置が得られる。
ここで、本発明において、流体とは、海水、水道水、汚水、オイル等の液体や、空気や窒素などの気体を含むものと定義する。
ここで、本発明において、流体とは、海水、水道水、汚水、オイル等の液体や、空気や窒素などの気体を含むものと定義する。
以下、図面に基づいて本発明のポンプ装置の実施の形態を説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。
本発明のポンプ装置は、シリンダ２、このシリンダ２内に往復動可能に設けられたピストン３及びこのピストン３に連結されシリンダ２の上壁を貫通して外部に突出するピストンロッド４を有するポンプ本体１を備え、さらに、このポンプ本体１から流体が送り込まれる流体送出先である逆浸透膜部２０と、この逆浸透膜部２０とシリンダ２のポンピング駆動室２ａとを連通又は遮断する切換え弁３０と、ピストンロッド４と切換え弁３０の後述するプランジャ３２に連結されたリンク機構部４０を具備している。
このポンプ装置は、ポンプ本体１内に海水や浄化されていない水等の液体を濾過部としての逆浸透膜部２０に送出流路１１を介して圧送し、その液体の一部を逆浸透膜部２０の透過側に透過させて浄化された飲料水を作る際に使用されるものであって、逆浸透膜部２０を透過しない液体の残部（不純物を含む濃縮水）を濃縮側から還流流路１２を介して還流させてその液圧をポンピングに利用できるように構成されている。
このポンプ装置は、ポンプ本体１内に海水や浄化されていない水等の液体を濾過部としての逆浸透膜部２０に送出流路１１を介して圧送し、その液体の一部を逆浸透膜部２０の透過側に透過させて浄化された飲料水を作る際に使用されるものであって、逆浸透膜部２０を透過しない液体の残部（不純物を含む濃縮水）を濃縮側から還流流路１２を介して還流させてその液圧をポンピングに利用できるように構成されている。
ポンプ本体１は、シリンダ２内のピストンロッド４側がポンピング駆動室２ａ、他端側がポンピング室２ｂである。ピストン３は、シリンダ２の上壁に当接した状態において僅かにポンピング駆動室２ａが残るよう、角部に円周方向の切欠きを有している。また、ピストン３にはポンピング駆動室２ａとポンピング室２ｂとの密閉を保つＯリングが設けられており、その他にもポンプ装置内での密閉を保つシール部材が適正箇所に設けられている。このポンプ本体１において、シリンダ２の内径は３０ｍｍであり、シリンダ２内でのピストン３のストローク量は１７ｍｍである。
また、ポンプ本体１は、外部から流体をポンピング室２ｂ内に取り入れるための吸入流路１３と、上述したようにポンピングの際にポンピング室２ｂから逆浸透膜部２０に向けて液体を高圧で送出するための上記送出流路１１と、高圧で逆浸透膜部２０に送出した液体の一部をポンピング駆動室２ａ内に還流するための上記還流流路１２と、逆浸透膜部２０内の逆浸透膜を透過した液体を外部に吐出するための吐出流路１４と、筒型の逆浸透膜部２０を収納する収納室を備え、逆浸透膜部２０が収納された収納室の外周空間は還流流路１２の一部を構成している。なお、吸入流路１３のポンピング室２ｂ側には取入弁（逆止弁）１３ａが、送出流路１１のポンピング室２ｂ側には送出弁（逆止弁）１１ａがそれぞれ設けられている。
切換え弁３０は、ポンプ本体１のシリンダ２の側部に一体状に設けられており、シリンダ２と平行なサブシリンダ３１と、このサブシリンダ３１内に往復動可能に設けられたプランジャ３２と、プランジャ３２の往復動作によってポンピング駆動室２ａと連通又は遮断される外部排出流路３３を有している。
図７に示すように、プランジャ３２は、略円柱形の本体部３２ａと、本体部３２ａの上端面に連設された中径部３２ｂと、中径部３２ｂの上端面に連設された小径部３２ｃからなる。また、本体部３２ａは、その外周面の軸方向中間位置に球面状凹部１３２ａが周方向に９０°の間隔で４個形成されており、中径部３２ｂは、その外周面に１８０°の対向位置に廻止め用の一対の平面部１３２ｂが形成されている。なお、本実施の形態におけるプランジャ３２の各部寸法は例えば以下の通りである。
本体部３２ａの直径Φ1:１７．８ｍｍ
本体部３２ａの長さＬ1：４１．０ｍｍ
球面状凹部１３２ａの直径Ｄ：４．０ｍｍ
球面状凹部１３２ａの曲率半径Ｒ：２．５ｍｍ
中径部３２ｂの直径Φ2:１２．０ｍｍ
中径部３２ｂの長さＬ2：１０．０ｍｍ
小径部３２ｃの長さＬ3：８．０ｍｍ
なお、プランジャ３２の中径部３２ｂ及び小径部３２ｃは、後述するリンク機構部４０の一部を構成するものであり、本実施の形態では本体部３２ａと中径部３２ｂと小径部３２ｃから１個の部品としてプランジャ３２が構成されているが、中径部３２ｂ及び小径部３２ｃを本体部３２ａとは別部品として作製し、ネジ式に連結するようにしてもよい。
本体部３２ａの直径Φ1:１７．８ｍｍ
本体部３２ａの長さＬ1：４１．０ｍｍ
球面状凹部１３２ａの直径Ｄ：４．０ｍｍ
球面状凹部１３２ａの曲率半径Ｒ：２．５ｍｍ
中径部３２ｂの直径Φ2:１２．０ｍｍ
中径部３２ｂの長さＬ2：１０．０ｍｍ
小径部３２ｃの長さＬ3：８．０ｍｍ
なお、プランジャ３２の中径部３２ｂ及び小径部３２ｃは、後述するリンク機構部４０の一部を構成するものであり、本実施の形態では本体部３２ａと中径部３２ｂと小径部３２ｃから１個の部品としてプランジャ３２が構成されているが、中径部３２ｂ及び小径部３２ｃを本体部３２ａとは別部品として作製し、ネジ式に連結するようにしてもよい。
切換え弁３０において、図３に示すように、サブシリンダ３１は、内周面の軸方向の４箇所に凹周溝が形成されており、各凹周溝にＯリング３４が取り付けられていると共に、上壁にはプランジャ３２の小径部３２ｃ及び中径部３２ｂを貫通させる孔部が形成されている。Ｏリング３４としては断面が直径２.４ｍｍの円形のものが使用される。また、サブシリンダ３１の室内の軸方向長さは、プランジャ３２のストローク量が６ｍｍとなる長さに設定されている。
このようなサブシリンダ３２内に形成される上記４つの凹周溝は、内側２つの凹周溝の間の中間位置とサブシリンダ３１の内周面の軸方向中間位置とが一致する位置であって、プランジャ３２が上死点又は下死点に位置するときの凹部１３２ａに内側２つの凹周溝が重なる位置に形成されている。そして、逆浸透膜部２０に連通する還流流路１２の途中端は、サブシリンダ３２内の上側の２個のＯリング３４、３４の間に開口し、ポンピング駆動室２ａに連通する還流流路１２の途中端が内側２個のＯリング３４、３４の間に開口し、外部排出流路３３が下側２個のＯリング３４、３４の間に開口している。
リンク機構部４０は、切換え弁３０のサブシリンダ３１の上端から外部に突出する連結ロッド４１と、ポンプ本体１のピストンロッド４及び連結ロッド４１を第１枢支軸４２及び第２枢支軸４３を介して連結し、ピストンロッド４及び連結ロッド４１に力を加えて往復動させるストレート状のハンドル４４とを有する。なお、連結ロッド４１は、第２枢支軸４３を介してハンドル４４に取り付けられた取付部材４１ａ（図３参照）と、この取付部材４１ａに連結された上記プランジャ３２の中径部３２ｂ及び小径部３２ｃから構成されている。
さらにリンク機構部４０を説明すると、ピストン３が下死点に位置するときに、プランジャ３２が上死点に位置した状態（図１（ａ）の状態）、又は、ピストン３が上死点に位置するときに、プランジャ３２が下死点に位置した状態で（図１（ｄ）の状態）、ハンドル４４がピストンロッド４及び連結ロッド４１を第１枢支軸４２及び第２枢支軸４３を介して連結している。さらに言えば、ピストン３の往復動可能なストローク量が、プランジャ３２の往復動可能なストローク量よりも長く設定されており、かつ、図１（ａ）の状態のときには、連結ロッド４１の端部がピストンロッド４の端部よりも上方に位置し、図１（ｄ）の状態のときには、連結ロッド４１の端部がピストンロッド４の端部よりも下方に位置するように、各ロッド４、４１の長さが設定されている。
次に、このように構成された本発明のポンプ装置の動作・作用等について図１〜図６を参照しながら説明する。なお、流体として海水や汚水などの液体を用いた場合を説明する。
［吸込み動作］
先ず、図１（ａ）に示すように、ポンピングの初期状態において、ピストン３は下死点（他端側死点）に、プランジャ３２は上死点（一端側死点）にそれぞれ位置している。このとき、プランジャ３２の凹部１３２ａは上から２個目のＯリング３４の位置にあるため（図６参照）、凹部１３２ａとＯリング３４の間に流体を通す隙間が形成されており、これにより逆浸透膜部２０とポンピング駆動室２ａとが連通しているが、排出流路３３は閉じている。
先ず、図１（ａ）に示すように、ポンピングの初期状態において、ピストン３は下死点（他端側死点）に、プランジャ３２は上死点（一端側死点）にそれぞれ位置している。このとき、プランジャ３２の凹部１３２ａは上から２個目のＯリング３４の位置にあるため（図６参照）、凹部１３２ａとＯリング３４の間に流体を通す隙間が形成されており、これにより逆浸透膜部２０とポンピング駆動室２ａとが連通しているが、排出流路３３は閉じている。
この状態から、リンク機構部４０のハンドル４４を上方へ揺動することにより第１枢支軸４２が支点となり、第２枢支軸４３が作用点となり、ハンドル４４からの押圧力が機械的にプランジャ３２に伝達され、図１（ｂ）に示すようにプランジャ３２が下死点へ移動する。このとき、取付部材４１ａがサブシリンダ３１に当接することにより、プランジャ３２の移動が規制される。プランジャ３２が下死点へ移動した結果、プランジャ３２の凹部１３２ａは上から３個目のＯリング３４の位置に移動するため（図３参照）、このＯリング３４と凹部１３２ａの間に流体を通す隙間が形成され、これにより排出流路３３が開いてポンピング駆動室２ａと連通するが、還流流路１２は閉じる。
その後、さらにハンドル４４を上方へ揺動すると、第１枢支軸４２が作用点となり、第２枢支軸４３が支点となり、図２（ｃ）及び図３に示すように、ピストン３が引き上げられ、それによりポンピング駆動室２ａの空気が圧縮されるので切換え弁３０内の上から２個目と４個目のＯリング３４、３４の間の隙間を通って排出流路３３から外部に排出する。一方、ポンピング室２ｂの容積が増加することにより負圧となり、外部から海水が吸入流路１３を通ってポンピング室２ｂ内に流入する。
さらにハンドル４４を上方へ揺動すると、図２（ｄ）に示すように、ピストン３が上死点まで移動し、ハンドル４４の揺動が規制され、海水のポンピング室２ｂ内への流入が止まる。なお、この状態は図４（ａ）でも表されている。
［吐出動作］
次に、上述の図２（ｄ）、すなわち図４（ａ）の状態のハンドル４４を下げていくと、図４（ｂ）に示すように、第１枢支軸４２が支点となり、第２枢支軸４３が作用点となり、ハンドル４４からの引上力が機械的にプランジャ３２に伝達され、プランジャ３２が上死点に移動する。このとき、プランジャ３２の本体部３２ａがシリンダ３１の内端面に当接することにより、プランジャ３２の移動が規制される。プランジャ３２が上死点へ移動した結果、プランジャ３２の凹部１３２ａは上から２個目のＯリング３４の位置に移動するため（図６参照）、このＯリング３４と凹部１３２ａの間に流体を通す隙間が形成され、これにより還流流路１２が開いて逆浸透膜部２０とポンピング駆動室２ａが連通し、一方排出流路３３は閉じる。
次に、上述の図２（ｄ）、すなわち図４（ａ）の状態のハンドル４４を下げていくと、図４（ｂ）に示すように、第１枢支軸４２が支点となり、第２枢支軸４３が作用点となり、ハンドル４４からの引上力が機械的にプランジャ３２に伝達され、プランジャ３２が上死点に移動する。このとき、プランジャ３２の本体部３２ａがシリンダ３１の内端面に当接することにより、プランジャ３２の移動が規制される。プランジャ３２が上死点へ移動した結果、プランジャ３２の凹部１３２ａは上から２個目のＯリング３４の位置に移動するため（図６参照）、このＯリング３４と凹部１３２ａの間に流体を通す隙間が形成され、これにより還流流路１２が開いて逆浸透膜部２０とポンピング駆動室２ａが連通し、一方排出流路３３は閉じる。
その後、さらにハンドル４４を下方へ揺動すると、第１枢支軸４２が作用点となり、第２枢支軸４３が支点となり、図５（ｃ）及び図６に示すように、ピストン３が押し下げられ、それによりポンピング室２ｂ内の海水が圧縮されるので、高圧の海水が送出流路１１を通って逆浸透膜部２０に送られ、図示しない逆浸透膜を透過した飲料水は吐出流路１４を通って外部に吐出される。一方、逆浸透膜を透過しない高圧の濃縮水は、還流流路１２を通って切換え弁２０のサブシリンダ３１内に流入し、上から１個目と３個目のＯリング３４、３４の間の隙間を通り還流流路１２の終端部からポンピング駆動室２ａ内に流入し、濃縮水の圧力がピストン３の押圧を補助する。
さらにハンドル４４を上方へ揺動すると、図５（ｄ）に示すように、ピストン３が下死点まで移動し、ハンドル４４の揺動が規制され、海水のポンピング駆動室２ａ内への流入が止まる。なお、この状態は図１（ａ）でも表されている。
以後、連結レバー４４を往復揺動することにより、吸込動作ではポンピング駆動室２ａ内の濃縮水がサブシリンダ３１内を通って排出流路３３から排出し、吐出動作では上述のように吐出流路１４から飲料水が吐出する。
このように本発明のポンプ装置は、ポンプ系内に空気が存在するポンピング初期状態であっても、ハンドル４４の揺動操作のみのポンピングで切換え弁３０が適正なタイミングで切換わり、ポンプ系内の空気を排出しながら液体を吸い込み、正常にポンプ機能を作動開始させることができる。
また、ポンプ系内から概ね全ての空気が外部に排出されて液体が満たされ、シリンダ２内のポンピング室２ｂとポンピング駆動室２ａ内の液圧が均衡した状態となれば、僅かな力（５ｋｇｆ程度の力）でハンドル４４を揺動するのみで高圧（５０ｋｇ／ｃｍ2程度の圧力）の液体を逆浸透膜部２０に送り、液圧が浸透圧力を超えた時点で液体の一部（通常海水の場合約１０〜４０％）が逆浸透膜を透過して浄化された飲料水が吐出流路１４を介して外部に供給され、一方逆浸透膜を透過しない不純物を含む濃縮水は還流流路１２から切換え弁３０を通過してポンピング駆動室２ａに還流し、排出流路３３が開いたときに外部に排出される。
また、ポンプ系内から概ね全ての空気が外部に排出されて液体が満たされ、シリンダ２内のポンピング室２ｂとポンピング駆動室２ａ内の液圧が均衡した状態となれば、僅かな力（５ｋｇｆ程度の力）でハンドル４４を揺動するのみで高圧（５０ｋｇ／ｃｍ2程度の圧力）の液体を逆浸透膜部２０に送り、液圧が浸透圧力を超えた時点で液体の一部（通常海水の場合約１０〜４０％）が逆浸透膜を透過して浄化された飲料水が吐出流路１４を介して外部に供給され、一方逆浸透膜を透過しない不純物を含む濃縮水は還流流路１２から切換え弁３０を通過してポンピング駆動室２ａに還流し、排出流路３３が開いたときに外部に排出される。
なお、上記実施の形態ではポンプ装置が逆浸透膜部を備えた構成した場合を例示したが、逆浸透膜装置をポンプ装置と外部で接続するようにしてもよい。また、逆浸透膜部に異常な圧力がかからないようにするリリーフバルブを還流流路の切換え弁との間に設けてもよい。また、切換え弁において、Ｏリング及び球面状凹部を設ける位置を逆としてもよい。つまり、サブシリンダの内周面において、ポンピング駆動室と連通する環状流路の途中端を挟む位置にそれぞれ凹部を１個以上設け、プランジャの外周面に４つのＯリングを軸方向に所定間隔で設ける。
本発明は、流体を吸入してその一部を流体送出先に供給し、残部の圧力を利用して低駆動圧で高圧を得ることができるポンプとして好適に使用できる。流体が海水、水道水、汚水等の場合、ポンプ装置から流体が送出される流体送出先としては、例えば、半透過膜を備え、その濃縮側を還流流路に、透過側を透過液提供先にそれぞれ接続してなる濾過部（フィルタ手段）や、耐圧テスト用の被テスト管を挙げることができる。濾過部では、具体的に半透過膜として逆浸透膜、精密濾過膜、限外濾過膜等を挙げることができ、特に本発明では逆浸透膜を備えた逆浸透膜装置（ＲＯ装置）、淡水化装置、海水脱塩装置など、海水を供給して飲料水を作るために低駆動圧で高圧を得ることができるポンプとして好適に使用できる。また、流体送出先としての被テスト管は、水道管、ガス管、可撓性高圧ホース等を挙げることができ、本発明ではこのような被テスト管に高圧水や高圧オイルや高圧ガスを低駆動圧で供給できるポンプとしても好適に使用することができる。
１ ポンプ本体
２ シリンダ
２ａ ポンピング駆動室
２ｂ ポンピング室
３ ピストン
４ ピストンロッド
１１ 送出流路
１２ 還流流路
１３ 吸入流路
１４ 吐出流路
２０ 逆浸透膜部
３０ 切換え弁
３１ サブシリンダ
３２ プランジャ
３３ 排出流路
３４ Ｏリング
４０ リンク機構部
４１ 連結ロッド
４２ 第１枢支軸
４３ 第２枢支軸
４４ ハンドル
１３２ａ 凹部
２ シリンダ
２ａ ポンピング駆動室
２ｂ ポンピング室
３ ピストン
４ ピストンロッド
１１ 送出流路
１２ 還流流路
１３ 吸入流路
１４ 吐出流路
２０ 逆浸透膜部
３０ 切換え弁
３１ サブシリンダ
３２ プランジャ
３３ 排出流路
３４ Ｏリング
４０ リンク機構部
４１ 連結ロッド
４２ 第１枢支軸
４３ 第２枢支軸
４４ ハンドル
１３２ａ 凹部
Claims (8)
- シリンダと、このシリンダ内に往復動可能に設けられたピストンと、このピストンに一端が連結されて他端が前記シリンダの一端側から外部に突出するピストンロッドを有するポンプ本体を備え、前記ピストンの一端側への往動により前記シリンダ内のポンピング室に吸入流路を介して外部から流体を吸入し、かつ、ポンピング駆動室内の流体を排出流路を介して外部に排出し、一方、ピストンの他端側への復動によりポンピング室内の流体を送出流路を介して外部の流体送出先へ送出し、かつ、流体送出先に送られた流体の一部を還流流路を介してシリンダ内の一端側のポンピング駆動室へ還流するポンプ装置であって、
前記還流流路に介設された切換え弁と、該切換え弁と前記ピストンロッドを駆動するリンク機構部を備え、
前記切換え弁は、ポンプ本体のシリンダと平行なサブシリンダと、このサブシリンダ内に往復動可能に設けられたプランジャと、前記プランジャの往復動作によってポンピング駆動室と連通又は遮断される外部排出流路とを有し、
前記リンク機構部は、切換え弁のサブシリンダの一端側から外部に突出する連結ロッドと、ポンプ本体のピストンロッド及び前記連結ロッドを第１枢支軸及び第２枢支軸を介して連結し、ピストンロッド及び連結ロッドに力を加えて往復動させる連結バーとを有することを特徴とするポンプ装置。 - リンク機構部は、ピストンが他端側死点に位置するときに、プランジャが一端側死点に位置した状態、又は、ピストンが一端側死点に位置するときに、プランジャが他端側死点に位置した状態で、連結バーがピストンロッド及び連結ロッドを第１枢支軸及び第２枢支軸を介して連結し、
さらに、ピストンの往復動可能なストローク量が、プランジャの往復動可能なストローク量よりも長く設定されている請求項１に記載のポンプ装置。 - サブシリンダは、その内周面に複数の環状シール部又は凹部を有し、
プランジャは、その外周面に少なくとも１つの凹部又は複数の環状シール部を有し、
プランジャが一端側又は他端側の死点位置に移動したときに、前記環状シール部の位置と凹部の位置が一致して隙間を形成し、ポンピング駆動室が外部排出流路と連通状態又はポンピング駆動室が還流流路と連通状態に切換わるように構成された請求項２に記載のポンプ装置。 - 環状シール部がサブシリンダの内周面に軸方向所定間隔で４つ設けられ、
凹部がプランジャの外周面の軸方向中間位置に複数個設けられ、
流体送出先に連通する還流流路の途中端がサブシリンダ内の一端側の２つの環状シール部の間に開口し、
ポンピング駆動室に連通する還流流路の途中端がサブシリンダ内の内側の２つの環状シール部の間に開口し、
外部排出流路がサブシリンダ内の他端側の２つの環状シール部の間に開口している請求項３に記載のポンプ装置。 - 環状シール部はＯリングであって断面が直径１.５〜３.５ｍｍの円形であり、凹部は曲率半径１.５〜４ｍｍの球面状であって、周方向に１〜６個設けられている請求項３又は４に記載のポンプ装置。
- 連結バーが手動式ハンドルである請求項１〜５の何れか１つに記載のポンプ装置。
- ポンプ本体が、送出流路を介して半透過膜を備えた濾過部に接続され、この濾過部の濃縮側が還流流路に、透過側が透過液提供先にそれぞれ接続された請求項１〜６の何れか１つに記載のポンプ装置。
- 半透過膜が、逆浸透膜である請求項７に記載のポンプ装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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