JP2006057609A - Reciprocating pump - Google Patents

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Yoshiaki Konishi
義昭 小西
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Nikkiso Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reciprocating pump for preventing a vapor lock, by eliminating pulsation of a delivery fluid, when forcibly feeding liquid of easily generating gas such as liquefied gas. <P>SOLUTION: This vertical reciprocating pump for the liquid has a pressurizing chamber in a cylinder lower part and a piston in an upper part. A suction port is arranged in a pressurizing chamber lower part, and a delivery port is arranged in a piston central part. The horizontal cross-sectional area of a piston rod in a cylinder is set to 1/2 of the horizontal cross-sectional area of the pressurizing chamber. A fluid delivery chamber is arranged in an upper part in the cylinder. The delivery port is conducted to a fluid delivery chamber. Fluid is delivered from a fluid outlet arranged above the piston top dead center of the fluid delivery chamber, and the fluid in the pressurizing chamber desirably intensively passes through the central vicinity of a reciprocating shaft. The reciprocating pump sets a reciprocating speed of the piston constant. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、往復動ポンプに関し、さらに詳しくは、液化ガスのような気体を発生し易い液体を圧送する際、ポンプ室内のガスを速やかに排出し、脈動を押さえた液体用竪型往復動ポンプに関するものである。   The present invention relates to a reciprocating pump, and more specifically, a liquid reciprocating pump for liquid that quickly discharges gas in a pump chamber and suppresses pulsation when pumping a liquid that easily generates a gas such as liquefied gas. It is about.

従来、流体、特に液体を高圧で吐出するためには、往復動ポンプが使用されている。この往復動ポンプは、シリンダー内に液体を吸い込み、シリンダー内でピストンを外部からの動力源により駆動し、シリンダー内部の液体をピストンで加圧し、高圧にして吐出する構造である。竪型ポンプ、横型ポンプ、多段ポンプなど各種形式のものがあるが、いずれもピストンの往復動にしたがって、吸入工程と吐出行程とが交互にあり脈動が発生する。一般に、液体用の往復動ポンプにおいては、吐出圧力に変動のないいわゆる無脈動のものが理想的である。シリンダーの数を多くして吐出圧力の脈動を平準化することができるが、設備が大型化、複雑化しコストが高くなるという欠点がある。他の脈動防止方法としては、吐出側にアキュムレータなどを設けて圧力や流量を制御する方法もとられている。しかし、この方法は、付加的な設備を必要とし好ましいものではない。   Conventionally, a reciprocating pump has been used to discharge a fluid, particularly a liquid, at a high pressure. This reciprocating pump has a structure in which liquid is sucked into a cylinder, a piston is driven by an external power source in the cylinder, and the liquid inside the cylinder is pressurized by the piston and discharged at a high pressure. There are various types such as vertical pumps, horizontal pumps, multi-stage pumps, etc., all of which generate pulsation due to the alternating suction and discharge strokes as the piston reciprocates. In general, a reciprocating pump for liquid is ideally so-called pulsating with no fluctuation in discharge pressure. Although the number of cylinders can be increased and the pulsation of the discharge pressure can be leveled, there is a drawback that the equipment becomes larger and more complicated and the cost becomes higher. As another pulsation prevention method, an accumulator or the like is provided on the discharge side to control pressure and flow rate. However, this method requires additional equipment and is not preferable.

そこで、特許文献1には、シリンダーの加圧室をピストンのピストン先端側とピストンロッド側の両方に設け、吐出量の安定化を図っている往復動ポンプの発明が開示されている。また、特許文献2には、さらに3室の加圧室を設けた往復動ポンプが開示されている。特許文献3には、予備加圧室と本加圧室を設け、シリンダー側を往復動させる往復動ポンプが開示されている。これらの往復動ポンプはある程度脈動を抑えることができるが、ポンプ構造が複雑であったり、吸入、吐出の配管が複雑であったりして製作上も運転上も難点があった。   Therefore, Patent Document 1 discloses an invention of a reciprocating pump in which pressurization chambers of a cylinder are provided on both the piston tip side and the piston rod side of the piston to stabilize the discharge amount. Patent Document 2 discloses a reciprocating pump provided with three additional pressure chambers. Patent Document 3 discloses a reciprocating pump that is provided with a pre-pressurizing chamber and a main pressurizing chamber and reciprocates the cylinder side. Although these reciprocating pumps can suppress pulsation to some extent, there are difficulties in manufacturing and operation due to complicated pump structure and complicated intake and discharge piping.

特開2002−202051号公報JP 2002-202051 A 特開2003−3966号公報JP 2003-3966 A 特開平9−158802号公報JP-A-9-158802

本発明は、脈動をほとんど押さえ、加圧室内に存在する、あるいは加圧室内で発生する気体をシリンダー外へ効率よく排出し、吐出流量や吐出圧力を安定化することができる往復動ポンプを提供することを目的としている。   The present invention provides a reciprocating pump capable of stabilizing discharge flow rate and discharge pressure by substantially suppressing pulsation, efficiently discharging gas existing in the pressurizing chamber or generated in the pressurizing chamber to the outside of the cylinder. The purpose is to do.

上記課題を解決するための発明は、液体用竪型往復動ポンプにおいて、シリンダー下部に加圧室、上部にピストンを備え、加圧室下部に吸入弁を備えた吸入口を、ピストンヘッド中央部に吐出弁を備えた吐出口を設け、加圧室内部における吸込み流路と吐出流路がピストン往復動軸のほぼ中心線上にあり、シリンダー内のピストン軸の水平断面積を加圧室の水平断面積の1/2とし、シリンダー内上部のシリンダーとピストンロッドの作る空間を流体吐出室とし、吐出口と流体吐出室とを導通し、加圧室から吐出口を通りピストン中央部に設けた流路を通ってピストンロッド外周からいったん流体吐出室に吐出した流体を、流体吐出室のピストン上死点より上部に設けた流体出口から排出する往復動ポンプである。好ましくは、加圧室を形成するピストンヘッド面の形状が漏斗状であり、加圧室底面がピストン下死点においてピストンヘッド面と密接する形状である請求項1に記載の往復動ポンプである。   The invention for solving the above-mentioned problems is directed to a vertical reciprocating pump for liquid, wherein a suction chamber having a pressurizing chamber at a lower portion of a cylinder, a piston at an upper portion thereof, and a suction valve at a lower portion of the pressurizing chamber is provided at a central portion of the piston head. A suction port with a discharge valve is provided in the pressure chamber, and the suction flow channel and the discharge flow channel in the pressurization chamber are almost on the center line of the piston reciprocating shaft, and the horizontal cross-sectional area of the piston shaft in the cylinder is The space formed by the cylinder in the upper part of the cylinder and the piston rod is defined as a fluid discharge chamber, the discharge port and the fluid discharge chamber are electrically connected, and the pressure chamber is provided in the center of the piston through the discharge port. It is a reciprocating pump which discharges the fluid once discharged from the outer periphery of the piston rod through the flow path to the fluid discharge chamber from a fluid outlet provided above the top dead center of the piston in the fluid discharge chamber. 2. The reciprocating pump according to claim 1, wherein a shape of a piston head surface forming the pressurizing chamber is a funnel shape, and a bottom surface of the pressurizing chamber is a shape in close contact with the piston head surface at a piston bottom dead center. .

本発明の往復動ポンプは、ピストンが上死点と下死点にあるとき以外は、常に流体吐出状態にあり脈動が抑制されている。また、本発明の往復動ポンプは、竪型ポンプであり加圧室最上部に吐出口が配置されているので、加圧室に存在する気体は容易に加圧室外へ排出される。これにより、ポンプのガスロックや吐出量低下を抑止することができる。さらには、加圧室内に存在する気体の断熱圧縮により生ずる加熱が防がれ、温度上昇により気化しやすい液化ガス等の液体用ポンプとしてポンプ効率の向上、運転性能の向上など優れた効果を発揮する。さらに、間接的な効果として、脈動対策としてのアキュムレータの小型化または省略が可能となる。   The reciprocating pump of the present invention is always in a fluid discharge state except when the piston is at top dead center and bottom dead center, and pulsation is suppressed. The reciprocating pump of the present invention is a saddle type pump, and the discharge port is arranged at the top of the pressurizing chamber, so that the gas present in the pressurizing chamber is easily discharged out of the pressurizing chamber. Thereby, the gas lock of a pump and the discharge amount fall can be suppressed. Furthermore, the heat generated by adiabatic compression of the gas present in the pressurized chamber is prevented, and as a pump for liquids such as liquefied gas that easily vaporizes due to temperature rise, excellent effects such as improved pump efficiency and improved operating performance are demonstrated. To do. Furthermore, as an indirect effect, it is possible to reduce or omit the accumulator as a countermeasure against pulsation.

本発明の往復動ポンプを、図1に従って説明する。図1は本発明の往復動ポンプの一例の説明用断面図であり、a図はピストンが下降中で下死点寸前の状態である。b図は、ピストンが上昇中で上死点寸前の状態である。本発明の往復動ポンプは、通常見られる竪型往復動ポンプと同様、シリンダー1の下部に加圧室3があり、ピストン2は上部から連結しているピストンロッド7により往復動する構造である。本発明の往復動ポンプは、流体の吸入口5を加圧室3の下部に設けており、通常は、加圧室底面11の中央部に設ける。流体吸入時に吸入口5から加圧室3に吸入された流体が、迅速にまんべんなく加圧室全体に流入できるからである。特に、ピストン下死点での加圧室3の空隙を減らすため、ピストンヘッド面10と加圧室底面11の形状を揃え密接性をよくした場合、ピストン2の上昇しはじめに流体が加圧室中心に流入しやすい構造であり、加圧室の一部に圧力低下部分が起き気体が発生した場合にシリンダー壁近傍に残留することを防ぐ構造であることが重要である。   The reciprocating pump of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining an example of a reciprocating pump according to the present invention. FIG. 1A shows a state in which the piston is being lowered and just before bottom dead center. FIG. b shows a state where the piston is rising and just before top dead center. The reciprocating pump of the present invention has a structure in which a pressurizing chamber 3 is provided at the lower part of a cylinder 1 and the piston 2 is reciprocated by a piston rod 7 connected from the upper part, as in the case of a vertical reciprocating pump normally found. . In the reciprocating pump of the present invention, the fluid suction port 5 is provided in the lower part of the pressurizing chamber 3 and is usually provided in the center of the pressurizing chamber bottom surface 11. This is because the fluid sucked into the pressurizing chamber 3 from the suction port 5 at the time of inhaling the fluid can quickly and evenly flow into the entire pressurizing chamber. In particular, in order to reduce the gap in the pressurizing chamber 3 at the bottom dead center of the piston, when the shapes of the piston head surface 10 and the pressurizing chamber bottom surface 11 are aligned and the closeness is improved, the fluid begins to rise when the piston 2 starts to rise. It is important to have a structure that easily flows into the center and a structure that prevents a pressure drop from occurring in a part of the pressurizing chamber to prevent the gas from being generated near the cylinder wall.

ピストン2の中央部には流体の吐出口6を設けてある。吐出口6をピストン2の中央部に設けてあるのは、ピストン2は加圧室の最上部にあり、何らかの理由で気液分離して加圧室3に存在する気体は液体より軽いので加圧室上部に移動し、ポンプの加圧工程において加圧室3から吐出口6を通り優先的に排出されるためである。特に、吐出口6がピストン中央部にあり、ピストンヘッド面10が上に凹な漏斗状になっていれば、加圧室3の気体は一段と吐出口6付近に集まりやすく、シリンダー壁付近に気体の残留がなく上記効果が最もよく発揮される。なお、液体ポンプにおいて、気体が加圧室に残り、圧縮膨張を繰り返すことはポンプの効率を悪くするだけでなく、ガスロックと言われる圧縮不足による空引き状態を起こしたり、断熱圧縮熱を発生しポンプの破壊を招くこともある。ポンプ破壊までは行かなくとも、ポンプの温度上昇により、流体である液体が気化しやすくなり、さらに気体が発生しガスロックの原因となることがある。   A fluid discharge port 6 is provided at the center of the piston 2. The discharge port 6 is provided at the center of the piston 2 because the piston 2 is at the top of the pressurizing chamber, and the gas present in the pressurizing chamber 3 after gas-liquid separation for some reason is lighter than the liquid. This is because it moves to the upper part of the pressure chamber and is discharged preferentially from the pressurizing chamber 3 through the discharge port 6 in the pressurizing process of the pump. In particular, if the discharge port 6 is in the center of the piston and the piston head surface 10 has a concave funnel shape, the gas in the pressurizing chamber 3 tends to gather near the discharge port 6 and the gas near the cylinder wall. The above effects are best exhibited. In a liquid pump, gas remaining in the pressurized chamber and repeating compression and expansion not only deteriorates the efficiency of the pump, but also causes an emptying state due to insufficient compression called gas lock, or generates adiabatic compression heat. However, the pump may be destroyed. Even if the pump is not broken, the liquid, which is a fluid, is liable to vaporize due to the temperature rise of the pump, and further gas is generated and may cause gas lock.

本発明の往復動ポンプは、通常のポンプ同様、加圧室3の流体吸入口5と吐出口6には逆止弁14、15が設けられ、ピストン2の往復動に合わせて流体の吸入、吐出が成されるような構造になっている。図1においてはピストンが上昇している状態を想定しているので、逆止弁14は開状態、逆止弁15は閉状態を表している。すなわち、加圧室3には液体が流入している状態、吸入工程である。逆止弁14,15は、図では重力を利用した独楽状の弁およびボール弁を示している。逆止弁は、通常用いられるどのようなタイプの逆止弁でもよい。例えば、板状の弁を用いたり、重力によらずバネのような弾性体の力を利用した弁などでもよい。   In the reciprocating pump of the present invention, check valves 14 and 15 are provided in the fluid suction port 5 and the discharge port 6 of the pressurizing chamber 3 as in the case of a normal pump. The structure is such that discharge is performed. In FIG. 1, since it is assumed that the piston is rising, the check valve 14 is in an open state and the check valve 15 is in a closed state. That is, the suction chamber is a state in which liquid flows into the pressurizing chamber 3. In the figure, the check valves 14 and 15 are a top-like valve and a ball valve using gravity. The check valve may be any type of check valve commonly used. For example, a plate-like valve may be used, or a valve using the force of an elastic body such as a spring regardless of gravity.

本発明の往復動ポンプは、ピストン2に設けられた吐出口6は、シリンダー上部、すなわちピストンロッド側に設けられた流体吐出室4に導通している。吐出口6から吐出された流体は、いったん流体吐出室4に導かれ、流体吐出室4上部に設けた流体出口8から流出していく構造となっている。流体出口8は、ピストン2の上死点においても流体吐出室4がポンプ外への流体流出部13と導通しているよう、ピストン上死点より上部に設けてある。   In the reciprocating pump of the present invention, the discharge port 6 provided in the piston 2 is electrically connected to the fluid discharge chamber 4 provided in the upper part of the cylinder, that is, on the piston rod side. The fluid discharged from the discharge port 6 is once guided to the fluid discharge chamber 4 and flows out from the fluid outlet 8 provided in the upper portion of the fluid discharge chamber 4. The fluid outlet 8 is provided above the piston top dead center so that the fluid discharge chamber 4 is electrically connected to the fluid outflow portion 13 to the outside of the pump even at the top dead center of the piston 2.

b図に示すような加圧室3の吸入工程においては、ピストン2が上昇しており吐出口6は閉止しており流体吐出室4の流体は流体出口8から流出するのみである。シリンダー内側すなわち加圧室3の水平断面積をAとしたとき、ピストンロッド7の水平断面積をA/2となるようにする。流体吐出室4の水平断面積は、シリンダー内側の水平断面積からピストンロッド7の水平断面積を除いたものであるから、流体吐出室4の水平断面積もA/2となる。ここで、ピストンの上昇速度をRとすると、流体の流体出口8からの流出速度は(A×R)/2として表される。なお、同時に加圧室3には、A×Rの流入速度で流体が流入している。なお、それぞれの水平断面積とはピストン2の往復動軸にそれぞれ垂直な断面の面積である。ピストンロッド7の水平断面積をシリンダー内側の水平断面積の1/2とするには、例えば、ピストンロッド7の直径をdとしたとき、シリンダー1の内径Dに対しd=D/21/2とすればよい。 In the suction process of the pressurizing chamber 3 as shown in FIG. b, the piston 2 is raised, the discharge port 6 is closed, and the fluid in the fluid discharge chamber 4 only flows out from the fluid outlet 8. When the horizontal cross-sectional area inside the cylinder, that is, the pressurizing chamber 3 is A, the horizontal cross-sectional area of the piston rod 7 is set to A / 2. Since the horizontal sectional area of the fluid discharge chamber 4 is obtained by subtracting the horizontal sectional area of the piston rod 7 from the horizontal sectional area inside the cylinder, the horizontal sectional area of the fluid discharging chamber 4 is also A / 2. Here, when the rising speed of the piston is R, the outflow speed of the fluid from the fluid outlet 8 is expressed as (A × R) / 2. At the same time, the fluid flows into the pressurizing chamber 3 at an inflow rate of A × R. Each horizontal sectional area is an area of a cross section perpendicular to the reciprocating axis of the piston 2. In order to set the horizontal sectional area of the piston rod 7 to ½ of the horizontal sectional area inside the cylinder, for example, when the diameter of the piston rod 7 is d, d = D / 2 1 / with respect to the inner diameter D of the cylinder 1. 2 may be used.

a図に示すように加圧室3が圧縮工程であるときは、ピストン2が上から下へ降下しており、加圧室3から吐出口6を経て流体が流体吐出室4に流入してくる。その流入速度は、上記同様、加圧室3の水平断面積をAとし、ピストンの下降速度をRとするとA×Rとして表される。一方、加圧室3の圧縮工程においては、シリンダー上部の流体吐出室4はピストン2の降下とともにその容積が増加する。流体吐出室4の容積増加速度は、(A×R)/2で表される。流体が液体である場合は圧力による容積の変化はほとんどないので、流体吐出室4に滞留しないで流体出口8から流出する流体の流出速度は、加圧室3からの流体流入速度から流体吐出室4の容積増加速度を差し引いた残りであり、(A×R)−(A×R)/2=(A×R)/2で表される。すなわち、本発明の往復動ポンプは、ピストンが上死点と下死点で停止した瞬間を除いて、ピストンの上昇、下降どちらでもピストンの往復動速度に比例する速度(A×R)/2で加圧流体を供給することができる。   As shown in FIG. a, when the pressurizing chamber 3 is in the compression process, the piston 2 descends from the top to the bottom, and fluid flows from the pressurizing chamber 3 through the discharge port 6 into the fluid discharge chamber 4. come. The inflow speed is expressed as A × R, where A is the horizontal sectional area of the pressurizing chamber 3 and R is the descending speed of the piston. On the other hand, in the compression process of the pressurizing chamber 3, the volume of the fluid discharge chamber 4 above the cylinder increases as the piston 2 descends. The volume increase rate of the fluid discharge chamber 4 is represented by (A × R) / 2. When the fluid is a liquid, there is almost no change in volume due to pressure, so the outflow speed of the fluid that does not stay in the fluid discharge chamber 4 and flows out from the fluid outlet 8 depends on the fluid inflow speed from the pressurizing chamber 3. 4 is the remainder after subtracting the volume increase rate, and is expressed as (A × R) − (A × R) / 2 = (A × R) / 2. That is, the reciprocating pump of the present invention has a speed (A × R) / 2 that is proportional to the reciprocating speed of the piston in both the ascending and descending directions except for the moment when the piston stops at the top dead center and the bottom dead center. Can supply pressurized fluid.

ピストンの上昇速度、下降速度を一定となるよう制御してやれば、本発明の往復導ポンプは、ピストンが上死点と下死点で停止した瞬間を除いて、ピストンの上昇、下降どちらでも一定の流速(A×R)/2で流体を供給することができ、ほとんど脈動がなく一定の流量を供給する往復動ポンプとなる。ピストンの往復動速度を一定とする動力装置は、どのようなものでもよいが、例えば、作動流体供給量一定の油圧シリンダー、空圧シリンダーなどを用い反転時間を短くすればよい。   If the piston is controlled so that the ascending speed and descending speed are constant, the reciprocating pump of the present invention can maintain both the ascending and descending pistons except for the moment when the piston stops at the top dead center and the bottom dead center. A fluid can be supplied at a flow rate (A × R) / 2, and the reciprocating pump supplies a constant flow rate with almost no pulsation. Any power device may be used for making the reciprocating speed of the piston constant. For example, a hydraulic cylinder or a pneumatic cylinder having a constant working fluid supply amount may be used to shorten the reversing time.

次に、加圧室3の気体排出機構の改善について説明する。加圧室上部のピストン2の中央部に吐出口6を設けることにより、加圧室3に存在する気体は、上述のように流体吐出工程の最初に排出されるが、気体の一部がピストンヘッド面10の外周部周辺に付着してしまい排出されない場合がある。これを防ぐために、ピストンヘッド面10の形状を漏斗状とすることが有効である。漏斗状とは、ピストンヘッド面10が外周部から中心部へ向かって窪んでおり、ピストン2を上下逆にすればピストンヘッド面10が、漏斗としての機能を発揮できピストンヘッド面10に注がれた液体を吐出口6付近に集めることができる構造である。漏斗状とは、上述のようにピストンヘッド面10が外周部から中心部へ向かって上昇しておればよいのであって、上昇の傾斜が直線的である必要はない。例えば、半球型、ドーム型などでもよい。また、円周方向について水平である必要もない。ピストンヘッド面外周部に存在する気体が、その比重差による上昇力によりピストンヘッド面11中心部の吐出口6付近に集まるような傾斜を持つ構造であればよい。本発明のポンプは、気体が常に先に排出される構造なのでポンプ起動時の立ち上がりがよく、トリップなどの事故も起こりにくい。   Next, the improvement of the gas discharge mechanism of the pressurizing chamber 3 will be described. By providing the discharge port 6 in the center of the piston 2 at the upper part of the pressurizing chamber, the gas present in the pressurizing chamber 3 is discharged at the beginning of the fluid discharge process as described above, but a part of the gas is piston. There is a case where it adheres to the periphery of the head surface 10 and is not discharged. In order to prevent this, it is effective to make the shape of the piston head surface 10 into a funnel shape. In the funnel shape, the piston head surface 10 is recessed from the outer peripheral portion toward the center portion, and if the piston 2 is turned upside down, the piston head surface 10 can function as a funnel and poured into the piston head surface 10. In this structure, the collected liquid can be collected in the vicinity of the discharge port 6. In the funnel shape, the piston head surface 10 only needs to rise from the outer peripheral portion toward the center portion as described above, and the rising slope does not need to be linear. For example, a hemispherical shape or a dome shape may be used. Further, it does not have to be horizontal in the circumferential direction. Any structure may be used as long as the gas is present in the outer peripheral portion of the piston head surface so as to be gathered in the vicinity of the discharge port 6 in the central portion of the piston head surface 11 by the rising force due to the difference in specific gravity. Since the pump according to the present invention has a structure in which gas is always discharged first, the pump starts up well and accidents such as trips are unlikely to occur.

加圧室底面11は、ピストンの下死点においてピストンヘッド面10と密接する形状とすることで、ピストンの下死点でのデッドスペースを最少とすることができ、ポンプとしての効率が向上する。なお、吸入口5の容積も逆止弁機能発揮および流体吸入量の確保ができる範囲で小さくすることがデッドスペース最少化の観点からは望ましい。また吸入口5の逆止弁14は、弁の中央に流路があり加圧室3の底部中央に流体が流入する構造が望ましい。これにより、吸入口5および加圧室3の壁部に気体が付着することを防止することができる。   The pressurizing chamber bottom surface 11 has a shape that is in close contact with the piston head surface 10 at the bottom dead center of the piston, so that the dead space at the bottom dead center of the piston can be minimized and the efficiency as a pump is improved. . In addition, it is desirable from the viewpoint of minimizing the dead space that the volume of the suction port 5 is made small as long as the check valve function can be exhibited and the fluid suction amount can be secured. The check valve 14 of the suction port 5 preferably has a structure in which a flow path is provided in the center of the valve and fluid flows into the center of the bottom of the pressurizing chamber 3. Thereby, it is possible to prevent gas from adhering to the suction port 5 and the wall of the pressurizing chamber 3.

図1は、液体水素用ポンプの断面図の模式図である。液体水素は保温容器でできた流体供給室9に流体取入口12から供給されている。流体供給室9中には、本発明の往復動ポンプが設置されており、ポンプ最下部に吸入口5がある。吸入口5には、略独楽状で中央部に流路がある重力と液圧を利用した逆止弁14が設けられており、吸入口5は、b図のようなポンプの吸入工程では開状態、a図のような加圧工程では閉状態となる。加圧室3の底面11は上に凸な円錐形をしており、ピストンヘッド面10は上に凹な円錐形をしており、ピストン下死点では両面がほぼ密接するような構造となっている。ピストン2の中央部には流体吐出口6が設けられ、吐出口6はシリンダー1内のピストンヘッド2上部側に設けられた流体吐出室4と導通している。流体吐出室4の水平断面積は、加圧室3の水平断面積の1/2となるようにピストンロッド7の水平断面積を調整してある。吐出口6には逆止弁15が設けられ、吐出口6は加圧工程において開状態、吸入工程において閉状態となる。なお、吐出口6の流体吐出室4との導通部は、ピストン上死点においても流体吐出室4と導通する位置に設けられている。流体吐出室4の最上部には流体出口8を設置し、これに接続した流体流出部13から昇圧された液体水素が供給されるようになっている。   FIG. 1 is a schematic diagram of a cross-sectional view of a liquid hydrogen pump. Liquid hydrogen is supplied from a fluid inlet 12 to a fluid supply chamber 9 made of a heat insulating container. A reciprocating pump according to the present invention is installed in the fluid supply chamber 9, and a suction port 5 is provided at the lowermost part of the pump. The suction port 5 is provided with a check valve 14 using gravity and hydraulic pressure having a generally top-like shape and a flow path in the center. The suction port 5 is opened in the pump suction process as shown in FIG. In the pressurization process as shown in FIG. The bottom surface 11 of the pressurizing chamber 3 has a conical shape that is convex upward, and the piston head surface 10 has a conical shape that is concave upward, so that both surfaces are in close contact at the bottom dead center of the piston. ing. A fluid discharge port 6 is provided at the center of the piston 2, and the discharge port 6 is electrically connected to a fluid discharge chamber 4 provided on the upper side of the piston head 2 in the cylinder 1. The horizontal sectional area of the piston rod 7 is adjusted so that the horizontal sectional area of the fluid discharge chamber 4 is ½ of the horizontal sectional area of the pressurizing chamber 3. A check valve 15 is provided at the discharge port 6, and the discharge port 6 is opened in the pressurization process and closed in the suction process. In addition, the conduction | electrical_connection part with the fluid discharge chamber 4 of the discharge outlet 6 is provided in the position connected with the fluid discharge chamber 4 also in a piston top dead center. A fluid outlet 8 is installed at the uppermost part of the fluid discharge chamber 4, and pressurized liquid hydrogen is supplied from a fluid outlet 13 connected thereto.

このポンプの作動状況について説明する。液体水素は非常に気化し易い液体であり、十分な冷却保温が必要である。そのため、ポンプでの流体昇圧過程で気化しないようポンプを比較的大きな流体供給室9中に設置してある。これによりポンプ中で発生した少量の熱は、流体供給室9中の水素により吸収される構造となっている。液体水素は、b図に示すようなピストン上昇過程、すなわちポンプの吸入工程においてポンプ下部の吸入口5から加圧室3に吸入される。この場合、逆止弁14は開状態、逆止弁15は閉状態である。この時、流体吐出室4の容積は、ピストンの上昇速度に比例して減少する。その減少容積に相当する液体水素が流体出口8から吐出される。シリンダー内側すなわち加圧室3の水平断面積をAとすれば、流体吐出室14の水平断面積はA/2であり、ピストン上昇速度をRとすれば液体水素吐出速度は(A×R)/2で表される。   The operating status of this pump will be described. Liquid hydrogen is a liquid that is very easy to vaporize and requires sufficient cooling and heat insulation. For this reason, the pump is installed in a relatively large fluid supply chamber 9 so as not to vaporize in the process of boosting the fluid in the pump. Thus, a small amount of heat generated in the pump is absorbed by hydrogen in the fluid supply chamber 9. Liquid hydrogen is sucked into the pressurizing chamber 3 from the suction port 5 at the bottom of the pump in the piston ascending process as shown in FIG. In this case, the check valve 14 is open and the check valve 15 is closed. At this time, the volume of the fluid discharge chamber 4 decreases in proportion to the rising speed of the piston. Liquid hydrogen corresponding to the reduced volume is discharged from the fluid outlet 8. If the horizontal cross-sectional area of the inside of the cylinder, that is, the pressurizing chamber 3 is A, the horizontal cross-sectional area of the fluid discharge chamber 14 is A / 2, and if the piston rising speed is R, the liquid hydrogen discharge speed is (A × R) / 2.

ピストンが上死点に到達したとき加圧室3は最大容積となり、流体吐出室4は最少容積となる。この場合も流体出口8はピストン上死点より上にあり、上死点寸前まで流体吐出室14の流体を吐出できる。   When the piston reaches top dead center, the pressurizing chamber 3 has a maximum volume, and the fluid discharge chamber 4 has a minimum volume. Also in this case, the fluid outlet 8 is above the top dead center of the piston, and the fluid in the fluid discharge chamber 14 can be discharged until just before the top dead center.

次に、ピストン2が下降過程に入り、ポンプ加圧室3の加圧工程になる。ピストン2が下がりだせば逆止弁14はその機能により、加圧室3の液体水素を流体供給室9側へ流出させないよう閉止し、加圧室3の圧力が流体吐出室4の圧力以上となったとき逆止弁15が開き加圧室3の液体水素は流体吐出室4側に吐出される。その吐出速度は、加圧室断面積Aとピストン下降速度Rとの積(A×R)で表される。一方、同時に流体吐出室4は、容積が増加しており、その増加速度は(A×R)/2である。結果として、流体出口8から吐出される液体水素の流出速度は、(A×R)−(A×R)/2=(A×R)/2となる。すなわち、本ポンプは、吸入工程においても、加圧工程においても(A×R)/2の吐出速度で液体水素を吐出できる。   Next, the piston 2 enters the descending process, and the pressurizing process of the pump pressurizing chamber 3 is performed. When the piston 2 is lowered, the check valve 14 is closed by the function so that the liquid hydrogen in the pressurizing chamber 3 does not flow out to the fluid supply chamber 9 side, and the pressure in the pressurizing chamber 3 is equal to or higher than the pressure in the fluid discharge chamber 4. When this happens, the check valve 15 opens and the liquid hydrogen in the pressurizing chamber 3 is discharged to the fluid discharge chamber 4 side. The discharge speed is represented by the product (A × R) of the pressure chamber cross-sectional area A and the piston lowering speed R. On the other hand, the volume of the fluid discharge chamber 4 is increasing at the same time, and the increasing speed is (A × R) / 2. As a result, the outflow speed of the liquid hydrogen discharged from the fluid outlet 8 is (A × R) − (A × R) / 2 = (A × R) / 2. That is, this pump can discharge liquid hydrogen at a discharge speed of (A × R) / 2 in both the suction process and the pressurization process.

図1には示していないが、本ポンプの駆動装置をピストンの上昇速度および下降速度が一定になるもの、例えば、作動流体供給量一定の油圧シリンダーとすれば、本ポンプは上死点下死点の一瞬を除いて一定流量で液体水素を供給できる。   Although not shown in FIG. 1, if the driving device of the pump is a piston with a constant ascending and descending speed of the piston, for example, a hydraulic cylinder with a constant working fluid supply amount, the pump is dead at the top dead center. Liquid hydrogen can be supplied at a constant flow rate except for a moment.

さらに、本ポンプのピストンヘッド面10は上に凹な円錐形となっているので、液体水素中に発生した気体は、比重差により常にピストンヘッド面10の中央部の吐出口6付近に集まり、吐出工程においては優先的に排出され、加圧室に滞留することがない。これにより、加圧室に滞留する気体によるポンプの効率低下やガスロックなどのトラブルが防げる。実施例に示したポンプは、このようにポンプ効率、運転性に優れたポンプである。   Furthermore, since the piston head surface 10 of this pump has a concave conical shape, the gas generated in the liquid hydrogen always gathers near the discharge port 6 at the center of the piston head surface 10 due to the difference in specific gravity, In the discharge process, it is discharged preferentially and does not stay in the pressurizing chamber. As a result, troubles such as a decrease in pump efficiency and gas lock due to the gas staying in the pressurizing chamber can be prevented. The pumps shown in the examples are thus excellent in pump efficiency and operability.

本発明の往復動ポンプは、脈動が少なく、ガスロックがなく、起動時の立ち上がりのよい液体用往復動ポンプであり、各種の液体用ポンプとして使用できる。特に、液化水素や液体空気、液体窒素、LNG、液化石油ガスなど温度や圧力の変化により気化しやすい液体用のポンプとして優れた効果を発揮する。さらに、本発明の往復動ポンプは構造が簡単で、製作、補修、運転が容易であり、各種の液体用ポンプとして経済的側面からも利用可能性が高い。   The reciprocating pump of the present invention is a liquid reciprocating pump with little pulsation, no gas lock, and good rise at start-up, and can be used as various liquid pumps. In particular, it exhibits an excellent effect as a liquid pump that is liable to vaporize due to changes in temperature and pressure, such as liquefied hydrogen, liquid air, liquid nitrogen, LNG, and liquefied petroleum gas. Furthermore, the reciprocating pump of the present invention has a simple structure, is easy to manufacture, repair and operate, and is highly usable from various economical viewpoints as various liquid pumps.

は本発明の往復動ポンプの説明図である。These are explanatory drawings of the reciprocating pump of the present invention. は本発明の往復動ポンプの概略図である。These are the schematic views of the reciprocating pump of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリンダー
2 ピストン
3 加圧室
4 流体吐出室
5 吸入口
6 吐出口
7 ピストンロッド
8 流体出口
9 流体供給室
10 ピストンヘッド面
11 加圧室底面
12 流体取入口
13 流体流出部
14 逆止弁
15 逆止弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylinder 2 Piston 3 Pressurization chamber 4 Fluid discharge chamber 5 Intake port 6 Discharge port 7 Piston rod 8 Fluid outlet 9 Fluid supply chamber 10 Piston head surface 11 Pressurization chamber bottom surface 12 Fluid intake port 13 Fluid outflow part 14 Check valve 15 Check valve

Claims (2)

液体用竪型往復動ポンプにおいて、シリンダー下部に加圧室、上部にピストンを備え、加圧室下部に吸入弁を備えた吸入口を、ピストンヘッド中央部に吐出弁を備えた吐出口を設け、加圧室内部における吸込み流路と吐出流路がピストン往復動軸のほぼ中心線上にあり、シリンダー内のピストンロッドの水平断面積を加圧室の水平断面積の1/2とし、シリンダー内上部のシリンダーとピストン軸の作る空間を流体吐出室とし、吐出口と流体吐出室とを導通し、加圧室から吐出口を通りピストン中央部に設けた流路を通ってピストンロッド外周からいったん流体吐出室に吐出した流体を、流体吐出室のピストン上死点より上部に設けた流体出口から排出する往復動ポンプ。   In a vertical reciprocating pump for liquid, a pressure chamber is provided at the bottom of the cylinder, a piston at the top, a suction port with a suction valve at the bottom of the pressure chamber, and a discharge port with a discharge valve at the center of the piston head The suction flow path and the discharge flow path in the pressurizing chamber are substantially on the center line of the piston reciprocating shaft, and the horizontal cross-sectional area of the piston rod in the cylinder is ½ of the horizontal cross-sectional area of the pressurizing chamber. The space formed by the upper cylinder and the piston shaft is used as a fluid discharge chamber. The discharge port and the fluid discharge chamber are connected to each other, and from the outer periphery of the piston rod through the flow path provided in the center of the piston through the discharge port from the pressurization chamber. A reciprocating pump that discharges fluid discharged to the fluid discharge chamber from a fluid outlet provided above the top dead center of the piston in the fluid discharge chamber. 加圧室を形成するピストンヘッド面の形状が漏斗状であり、加圧室底面がピストン下死点においてピストンヘッド面と密接する形状である請求項1に記載の往復動ポンプ。

The reciprocating pump according to claim 1, wherein the piston head surface forming the pressurizing chamber has a funnel shape, and the pressurizing chamber bottom surface is in close contact with the piston head surface at the bottom dead center of the piston.

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