JP2005282516A - プランジャポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 高圧シールから漏洩した液体が高速で低圧シールに当たることがないようにしたプランジャポンプ提供すること。
【解決手段】 本発明によるプランジャポンプ１０は、シリンダ１２のポンプ室２２側の内周面には非接触型の高圧シール３４が配置され、シリンダ１２の駆動部側の内周面には低圧シール３６が配置されている。高圧シールと低圧シールとの間には、高圧シールを漏洩した液体の噴流を阻止するためのガード６２，１６２が設けられている。また、高圧シールとガードとの間に、及び、ガードと低圧シールとの間に、ディフューザ効果を奏する空間部５８，７０が形成されている。この構成では、高圧シールを通過した液体の流れが空間部５８により減速、分散される。そして、ガードによって、その液体の流れの大部分が阻止される。更に、ガードを通過した液体の流れは空間部７０によっても減速、分散される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プランジャの往復動により液体を輸送するためのプランジャポンプに関し、特にポンプ室から駆動部側への液体の漏洩を防止するシール構造に関する。

プランジャポンプは、一般に、シリンダと、シリンダ内を往復動するプランジャと、プランジャを駆動する駆動部とから構成されている。また、駆動部と反対の側にはポンプ室が設けられており、プランジャの往復動により液体を吸引し、吐出することができるようになっている。

プランジャポンプを作動させると、吐出工程ではポンプ室内が加圧され、ポンプ室内の液体がシリンダの内周面とプランジャの外周面との間を通り、駆動部側に侵入しようとする。かかる液体の侵入を防止ないしは抑制するために、従来においては、シリンダにシールを設けている（特許文献１参照）。

また、接触型のシールではプランジャとの摩耗により微細な異物が発生し、輸送液体に混入するおそれがある。そこで、従来においては、ポンプ室側に非接触型の高圧シールを設けることとしている。非接触型の高圧シールは、例えば特許文献２に開示されているように、プランジャとシールとの間に微小な間隙を設けて、そこに液膜を形成し、その液膜によって封止を行うものである。かかる非接触型高圧シールは、摩耗による弊害はないものの、僅かながら液体が漏洩するため、更に駆動部側にＵパッキン等の接触型低圧シールを設けている（特許文献１参照）。
特開平８−２１３６８号公報 特開平１０−１８９７７号公報

上述したような従来のプランジャポンプにおいては、高圧シールとプランジャとの間の間隙を通過した液体の一部は噴流となって低圧シールに直接当たるため、低圧シールがダメージを受け、比較的短期間に劣化する可能性がある。

そこで、本発明の目的は、高圧シールから漏洩した液体が高速で低圧シールに当たることがないようにしたプランジャポンプ提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によるプランジャポンプ（１０）は、シリンダ（１２）と、シリンダ（１２）内に往復動可能に配置されたプランジャ（１４）と、プランジャ（１４）を駆動するための駆動部と、駆動部とは反対の側に配置され、シリンダ（１２）の内部と連通するポンプ室（２２）と、シリンダ（１２）のポンプ室（２２）側の内周面に配置された非接触型の高圧シール（３４）と、シリンダ（１２）の駆動部側の内周面に配置された接触型の低圧シール（３６）と、高圧シール（３４）とプランジャ（１４）との間から低圧シール（３６）に向かう液体の噴流を阻止すべく、高圧シール（３４）と低圧シール（３６）との間に設けられたガード（６２，１６２）と、高圧シール（３４）とガード（６２，１６２）との間に形成され、高圧シール（３４）とプランジャ（１４）との間の最小間隙の断面積よりも大きな断面積を有する第１の空間部（５８）と、ガード（６２，１６２）と低圧シール（３６）との間に形成され、ガード（６２，１６２）とプランジャ（１４）との間の最小間隙の断面積よりも大きな断面積を有する第２の空間部（７０）と、を備えることを特徴としている。

この構成においては、第１の空間部（５８）の存在により高圧シール（３４）を通過した液体の流れは減速、分散される。そして、ガード（６２，１６２）によって、その液体の流れの大部分が阻止される。更に、ガード（６２，１６２）を通過した液体の流れは第２の空間部（７０）によっても減速、分散される。従って、低圧シール（３６）に当たる液体は微量であり、またその流れも低速である。

ガード（６２）としては、一端が最大径部（６４）となっており、他端側に最小径部（６８）が形成されている環状体、より具体的には略切頭円錐形の環状体が考えられる。この場合、最大径部（６４）を低圧シール（３６）の一端の外周部（７２）にのみ接触させ。最小径部（６８）を高圧シール（３４）に向けるよう配置する。

これによって、低圧シール（３６）の内周部（５４）は拘束されず、低圧シール（３６）としての本来の機能を損なわず、確実な封止を行うことができる。また、最小径部（６８）が高圧シール（３４）側に位置することから、高圧シール（３４）からの液体の流れを有効に阻止できる。また、ガード（６２）の内側には第２の空間部（７０）が形成される。

また、ガード（１６２）はシリンダ（１２）の内周面に一体的に形成してもよい。

高圧シール（３４）の外周部に弾性材料からなるシール部材（４４）を設けることも有効である。これによって、比較的硬質材料から作られる高圧シール（３４）の寸法誤差を吸収することができ、位置の安定性を確保することもできる。

上述したように、本発明によれば、高圧シール（３４）と低圧シール（３６）との間に、第１の空間部（５８）、第２の空間部（７０）及びガード（６２，１６２）が設けられているので、高圧シール（３４）を通過した液体の流れの大部分を阻止し、また減速化することができる。従って、低圧シール（３６）に液体が当たっても、ダメージは少なく、低圧シール（３６）の劣化を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、「上」、「下」等の方向を示す語は図に示す状態を基準とし、便宜的な語である。

図１は、本発明によるプランジャポンプの第１実施形態を部分的に示す縦断面図であり、図２は図１のＡ部拡大図である。図示のプランジャポンプ１０は、シリンダ１２と、シリンダ１２内を往復動するプランジャ１４と、プランジャ１４を駆動する駆動部（図示しない）とから構成されている。

シリンダ１２はポンプケーシング自体に形成されるなど、種々の形態が考えられるが、本実施形態においては、ポンプケーシング１６に連結された第１のマニホールド１８と、この第１のマニホールド１８に連結された第２のマニホールド２０とに形成されている。なお、本実施形態に係るプランジャポンプ１０は、シリンダ１２とプランジャ１４とが複数ある多連式ポンプであり、そのためにマニホールド１８，２０が用いられている。

また、駆動部とは反対側に位置する第２のマニホールド２０には、シリンダ１２の内部と連通するポンプ室２２が画成されている。ポンプ室２２の下部は、第１のマニホールド１８に形成された吸入口２４と連通され、ポンプ室２２と吸入口２４との間に吸入弁２６が配置されている。また、ポンプ室２２の上部には吐出弁２８が配置され、この吐出弁２８から吐出された液体は、第２のマニホールド２０に形成された吐出口３０に送られるようになっている。

図示しないが、駆動部は、周知の通り、ポンプケーシング１６の一部を構成するクランクケースと、クランクケースの外部に配置される例えば電動モータ等の駆動源とを備えている。クランクケース内には、駆動源の駆動力を受けて回転するクランク軸と、プランジャ１４にプランジャロッド３２を介して連結されるプランジャ元と、プランジャ元とクランク軸とを連結するコネクションロッドとが設けられている。駆動源を駆動し、クランクケース内のクランク軸を所定の方向に回転させると、その回転力がコネクションロッド、プランジャ元及びプランジャロッド３２を経て伝えられ、プランジャ１４がシリンダ１２内を往復動する。

シリンダ１２には、シリンダ１２の内周面とプランジャ１４の外周面との間を伝って駆動部側に漏洩する液体を遮断するために、図２に明示するように、高圧シール３４と低圧シール３６とが設けられている。

高圧シール３４は非接触型であり、比較的硬質の材料で作られた円柱体から構成されている。この高圧シール３４は、シリンダ１２の、第１のマニホールド１８のポンプ室２２側に形成された拡径部３８に嵌合されている。拡径部３８に嵌合された高圧シール３４は、第１のマニホールド１８と第２のマニホールド２０とを連結した状態において、両マニホールド１８，２０間を液密に連結するための連通管４０によって押さえ付けられ、固定される。

高圧シール３４の内径はプランジャ１４の外径よりも極く僅か大きく、図示の固定状態においては、高圧シール３４の内周面とプランジャ１４の外周面との間には微小な間隙が形成される。以下でも述べるが、ポンプ駆動時、高圧シール３４の内周面とプランジャ１４の外周面との間には液膜が形成され、これによってポンプ室２２から駆動部側への液体の漏洩が抑制される。また、ポンプ駆動時、プランジャ１４は高圧シール３４の内周面には実質的に接触しないため、摩耗による微細な異物が、ポンプ室２２内の液体に混入することもない。

なお、符号４４は、高圧シール３４の外周部に配置され、連通管４０と高圧シール３４との間を液密に封止するＯリング等のシール部材である。これは、合成ゴムのような弾性材料からなり、硬質の高圧シール３４の寸法誤差を吸収することができ、また、高圧シール３４の位置ずれを防止する等の効果を発揮する。

低圧シール３６は、非接触型の高圧シール３４から僅かに漏洩した液体を遮断するために設けられた接触型のものであり、弾性材料（例えば合成ゴム）から作られた環状体である。この低圧シール３６は、シリンダ１２の、駆動部側に形成された拡径部４６に嵌合されている。拡径部４６に嵌合された低圧シール３６は、第１のマニホールド１８とポンプケーシング１６とを連結した状態において、シール押え４８によって押さえ付けられ、固定される。

図示実施形態では、低圧シール３６として、一方の端面部に溝５０が全周にわたり形成された、いわゆるＵパッキンが用いられている。低圧シール３６を所定箇所に固定した状態では、溝５０はポンプ室２２側に配置される。また、溝５０には、環状のコイルばね５２が嵌挿されており、これによって、溝５０よりも内側のリップ部５４がプランジャ１４の外周面に密着し、封止を確実なものとしている。

なお、符号５６は、低圧シール３６に埋設された金属製のホルダであり、弾性材料からなる低圧シール３６に一定の剛性を与え、位置ずれや変形を防止するためのものである。

また、シリンダ１２の内周面は、高圧シール３４と低圧シール３６との間の領域において拡径されている。この部分５８は、プランジャ１４がシリンダ１２内に挿入された状態で、プランジャ１４の外周面との間に環状の第１の空間部５８を形成している。第１の空間部５８は、第１のマニホールド１８に形成された流路５８を介して、吸入口２４と連通されている。

前述したように、プランジャポンプ１０を駆動すると、高圧シール３４が非接触型であるため、液体が僅かにポンプ室２２から高圧シール３４を通過し低圧シール３６へと流れる。この際、ポンプ室２２内が吐出工程では高圧となることから、液体は高圧シール３４とプランジャ１４との間の微小な間隙を通ると、高速の噴流となって低圧シール３６へと向かう。しかしながら、高圧シール３４と低圧シール３６との間に、断面積が高圧シール３４とプランジャ１４間の最小間隙の断面積よりも大きな第１の空間部５８が形成されているため、当該第１の空間部５８がいわゆるディフューザとして機能し、高圧シール３４からの噴流は減速、分散される。この減速された噴流のうち、低圧シール３６に至る流れを更に阻止するために、本実施形態では、第１の空間部５８と低圧シール３６との間にガード６２が設けられている。

ガード６２は、硬質材料、例えば金属からなる略切頭円錐形の環状体から構成されている。このガード６２の大径側の端部には外向きフランジ（最大径部）６４が形成されており、フランジ６４の外径は拡径部４６の内径と実質的に同一となっている。このフランジ６４は、シリンダ１２の内周面に形成された内向き環状突出部６６と低圧シール３６との間で挟持され、これによってガード６２は固定される。固定状態では、ガード６２の小径側の端部（最小径部）６８がポンプ室２２に向けられている。また、小径側の端部６８の内径は、プランジャ１４の外径よりも大きいが、ポンプ駆動時にプランジャ１４と接しない範囲で可能な限り小さくされていることが好ましい。このようなガード６２をシリンダ１２内に設けることで、プランジャ１４、低圧シール３６及びガード６２により、シリンダ１２内には環状の第２の空間部７０が形成される。かかる第２の空間部７０の断面積は、ガード６２の最小径部６８とプランジャ１４との間の最小間隙の断面積よりも大きい。

なお、図示実施形態では、ガード６２のフランジ６４の内径は低圧シール３６の外側のリップ部（外周部）７２の内径と概ね等しい。このため、フランジ６４が低圧シール３６に接している状態でも、内側のリップ部５４を拘束することはなく、低圧シール３６の本来の封止能力を損なうことはない。

次に、以上のような構成のプランジャポンプ１０の作用について説明する。

まず、駆動源（図示しない）を起動し、クランク軸を回転させると、その回転力がコネクションロッド、プランジャ元及びプランジャロッド３２を経て伝えられ、プランジャ１４がシリンダ１２内を往復動する。そして、駆動部の方向（図１及び図２の右側方向）にプランジャ１４が移動する場合、ポンプ室２２内が減圧され、吸入弁２６及び吐出弁２８はそれぞれ開及び閉となり、吸入口２４の液体が吸入弁２６を経てポンプ室２２内へ吸入される。一方、プランジャ１４が逆方向、すなわちポンプ室２２の方向に移動すると、ポンプ室２２内が加圧され、吸入弁２６及び吐出弁２８はそれぞれ閉及び開となり、ポンプ室２２の液体は吐出弁２８を通って吐出口３０へ吐出される。この吸入工程と吐出工程とを繰り返すことで、液体は吸入口２４から吐出口３０へと一方向に輸送される。

非接触型の高圧シール３４の内周面とプランジャ１４の外周面との間の間隙には液膜が形成されるため、ポンプ駆動時にポンプ室２２から駆動部側への液体の漏洩は大幅に抑制される。しかしながら、吐出工程では、ポンプ室２２内が高圧となるため、液体の一部がプランジャ１４と高圧シール３４との間の微小な間隙を通って、駆動部側に流れる。この液体の流れは高速の噴流となるが、間隙よりも広い第１の空間部５８のディフューザ効果により分散され、減速される。また、この第１の空間部５８には、吸入口２４から流入する液体も存在しているため、これによっても噴流の速度は減じられる。

噴流の一部は低圧シール３６に向かうが、その大部分はガード６２によって阻止される。一部はガード６２の小径側端部６８とプランジャ１４との間の間隙を通過して高速化するが、これも第２の空間部７０のディフューザ効果により分散され、減速される。従って、高圧シール３４から漏洩した液体が低圧シール３６の端面に当たっても、その衝突エネルギーは極めて小さく、低圧シール３６には悪影響を及ぼさず、低圧シール３６の寿命が長くなる。勿論、低圧シール３６から駆動部側への液体の漏洩を効果的に防止することができるため、ポンプ自体の性能を長期にわたり維持することが可能となる。

かかる効果は、高圧シール３４の内径を従来よりも大きくし、液体の漏洩量が増加するような構成としても、同様に奏することができる。すなわち、従来であれば、低圧シール３６へのダメージを小さくすべく高圧シール３４の内径を極力小さくして液体の漏洩量の低減を図っていたが、本発明によれば、高圧シール３４の内径を、シールとしての機能を損なわない範囲で大きくすることが可能となる。その結果、高圧シール３４の寸法精度を低くすることができるため、その製造が容易となり、コストも低くすることができる。なお、寸法精度が低くとも、シール部材４４を設けているため、その誤差を吸収することができる。また、プランジャ１４と高圧シール３４との接触を防止することができ、摩耗による異物の輸送液体への混入を防止することができる。これは、超純水用の高圧ポンプにおいて特に有効となる。

図３は本発明によるプランジャポンプの第２実施形態を示す、図２と同様な拡大断面図である。この第２実施形態は、独立部品のガードが設けられていない点で、上述した第１実施形態とは異なるが、その他の点については第１実施形態と実質的に同様であるので、同一又は相当部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第２実施形態に係るプランジャポンプ１０においては、第１実施形態におけるガード６２に代え、このガード６２に相当する部分を第１のマニホールド１８におけるシリンダ１２の内周面に一体的に形成したことを特徴としている。すなわち、シリンダ１２の内周面には、低圧シール３６が嵌合されるシリンダ１２の拡径部４６と第１の空間部５８との間の領域に、ガードとしての環状突出部１６２が一体的に形成されている。この環状突出部１６２の最小内径はプランジャ１４の外径よりも僅かに大きい程度であり、第１実施形態におけるガード６２の小径側端部６８の内径と実質的に同一とされている。また、環状突出部１６２の内径は、この最小内径部分から低圧シール３６の方向に漸次拡大され、この部分で第２の空間部７０が形成されている。低圧シール３６に隣接する部分では、環状突出部１６２の内周面は円筒形とされており、その内径は、低圧シール３６の外側リップ部７２の内径と略同一とされている。

この環状突出部１６２は、最小径部分が高圧シールからの漏洩流を阻止する部分としての機能を有し、また、低圧シール３６に隣接する部分に第２の空間部７０を形成しているため、ディフューザ効果を奏することができる。従って、上述した第１実施形態におけるガード６２と同様な作用効果を有する。更に、この第２実施形態に係るプランジャポンプ１０では、ガード６２が不要となるため、部品点数が少なくなり、組立・分解が容易になるという効果もある。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。

例えば、上記実施形態においては、ガード６２や環状突出部１６２の内周面の形状が略円錐形となっているが、低圧シール３６への流れを阻止する部分、及び、その部分と低圧シール３６との間にディフューザ効果を発揮する空間部７０が形成されるものであれば、その内周面の形状は特に限定されない。

本発明によるプランジャポンプの第１実施形態を部分的に示す縦断面図である。 図１のＡ部を拡大して示す断面図である。 本発明によるプランジャポンプの第２実施形態を示す、図２と同様な拡大断面図である。

符号の説明

１０…プランジャポンプ、１２…シリンダ、１４…プランジャ、１８，２０…マニホールド、２２…ポンプ室、３４…高圧シール、３６…低圧シール、４４…シール部材、
５８…第１の空間部、６２…ガード、６４…フランジ（最大径部）、６８…小径側端部（最小径部）、７０…第２の空間部、７２…外側リップ部（低圧シールの外周部）、１６２…環状突出部（ガード）。

Claims (4)

1. シリンダ（１２）と、
   前記シリンダ（１２）内に往復動可能に配置されたプランジャ（１４）と、
   前記プランジャ（１４）を駆動するための駆動部と、
   前記駆動部とは反対の側に配置され、前記シリンダ（１２）の内部と連通するポンプ室（２２）と、
   前記シリンダ（１２）の前記ポンプ室（２２）側の内周面に配置された非接触型の高圧シール（３４）と、
   前記シリンダ（１２）の前記駆動部側の内周面に配置された接触型の低圧シール（３６）と、
   前記高圧シール（３４）と前記プランジャ（１４）との間から前記低圧シール（３６）に向かう液体の噴流を阻止すべく、前記高圧シール（３４）と前記低圧シール（３６）との間に設けられたガード（６２，１６２）と、
   前記高圧シール（３４）と前記ガード（６２，１６２）との間に形成され、前記高圧シール（３４）と前記プランジャ（１４）との間の最小間隙の断面積よりも大きな断面積を有する第１の空間部（５８）と、
   前記ガード（６２，１６２）と前記低圧シール（３６）との間に形成され、前記ガード（６２，１６２）と前記プランジャ（１４）との間の最小間隙の断面積よりも大きな断面積を有する第２の空間部（７０）と、
   を備えるプランジャポンプ。
2. 前記ガード（６２）は、一端が最大径部（６４）となっており、他端側に最小径部（６８）が形成されている環状体であり、前記最大径部（６４）が前記低圧シール（３６）の一端の外周部にのみ接し、前記最小径部（６８）が前記高圧シール（３４）側に向けられている、請求項１に記載のプランジャポンプ。
3. 前記ガード（１６２）は前記シリンダ（１２）の内周面に一体的に形成されている、請求項１に記載のプランジャポンプ。
4. 前記高圧シール（３４）の外周部に設けられた弾性材料からなるシール部材（４４）を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプランジャポンプ。

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