JP2007100645A - Booster pump for low temperature fluid - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低温の流体を圧縮して昇圧させる低温流体用昇圧ポンプに関するものである。 The present invention relates to a low-temperature fluid booster pump that compresses and pressurizes a low-temperature fluid.
従来、低温(0℃以下)の流体(例えば、水素)を圧縮して昇圧させる低温流体用昇圧ポンプとしては、ピストンヘッドにピストンリングを有するピストン式のものが知られている(たとえば、非特許文献1参照)。
また、このような低温流体用昇圧ポンプに用いられる吸入弁としては、シリンダ内の圧力が負圧(シリンダ内に供給される低温流体(圧縮される前の低温流体)の圧力よりも低い圧力)になると、シリンダ内の圧力とシリンダ内に供給される(大気圧状態の)低温流体の圧力との差によって開状態となるもの(例えば、逆止弁(あるいはチェック弁)のようなもの)が知られている。
しかしながら、このような吸入弁を具備した低温流体用昇圧ポンプでは、シリンダ内の圧力が、シリンダ内に供給される(大気圧状態の)低温流体の圧力よりも下がらないと吸入弁が開状態にならないため、ポンプ効率が低下してしまうといった問題点があった。
また、シリンダ内において低温流体がガス化してしまうと、シリンダ内の圧力がさらに高くなってしまい、吸入弁が開状態となるまでにさらなる時間を要し、ポンプ効率がさらに悪化してしまうといった問題点もあった。
In addition, as a suction valve used in such a booster pump for low-temperature fluid, the pressure in the cylinder is negative (pressure lower than the pressure of the low-temperature fluid supplied to the cylinder (the low-temperature fluid before being compressed)) When it becomes, the thing which becomes an open state by the difference between the pressure in the cylinder and the pressure of the cryogenic fluid (in the atmospheric pressure state) supplied to the cylinder (such as a check valve (or check valve)) Are known.
However, in a booster pump for a low-temperature fluid equipped with such a suction valve, the suction valve is opened if the pressure in the cylinder does not fall below the pressure of the low-temperature fluid supplied to the cylinder (at atmospheric pressure). Therefore, there is a problem that the pump efficiency is lowered.
In addition, if the low-temperature fluid is gasified in the cylinder, the pressure in the cylinder is further increased, and it takes more time to open the suction valve, and the pump efficiency is further deteriorated. There was also a point.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ポンプ効率を向上させることができる低温流体用昇圧ポンプを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a booster pump for low-temperature fluid that can improve pump efficiency.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明による低温流体用昇圧ポンプは、外周面に複数本のリング溝が形成されたピストンと、前記リング溝内に配置される複数本のピストンリングと、これらピストンおよびピストンリングをその内部に形成されたシリンダ内に収容するシリンダブロックと、前記シリンダ内に吸入される低温流体の流路を開閉する弁体を備えた吸入弁とを具備した低温流体用昇圧ポンプであって、前記弁体を開方向に付勢する付勢部材が設けられている。
このような低温流体用昇圧ポンプによれば、弁体が、付勢手段により常にシリンダ内への流路を開く方向(例えば、図1および図2において上方向)に付勢されており、付勢手段の付勢力が、この弁体に作用する力(流路を閉じようとする力)に打ち勝つと、流路が開放された状態となる。すなわち、吸入行程において、シリンダ内の圧力が大気圧と等しいかあるいはそれよりも若干高くても弁体が持ち上げられて、流路が開放されることとなる。そして、ピストンが上死点に向かって後退し、シリンダ内の圧力が大気圧よりも低くなると、シリンダ内に(大気圧状態の)低温流体が流入してくる。これにより、シリンダ内に流入する(供給される)低温流体の液量を増加させることができ、ポンプ効率を向上させることができる。
また、弁体は、付勢手段により常に開く方向(例えば、図1および図2において上方向)に付勢されているので、吸入行程において、シリンダ内の圧力が大気圧と等しいかあるいはそれよりも若干高くても弁体を確実に開方向に移動させることができて、流路を開放させることができる。したがって、シリンダ内に流入する(供給される)低温流体の圧力を上げることなく、シリンダ内への流路を開放することができ、装置の簡略化を図ることができ、製造コストの低減化を図ることができる。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The pressurizing pump for low-temperature fluid according to the present invention has a piston having a plurality of ring grooves formed on the outer peripheral surface, a plurality of piston rings arranged in the ring groove, and the piston and the piston ring formed therein. A cryogenic fluid booster pump comprising a cylinder block accommodated in a cylinder and a suction valve having a valve body for opening and closing a flow path of a cryogenic fluid sucked into the cylinder, the valve body comprising: A biasing member that biases in the opening direction is provided.
According to such a low-pressure fluid booster pump, the valve body is always urged by the urging means in the direction of opening the flow path into the cylinder (for example, upward in FIGS. 1 and 2). When the urging force of the urging means overcomes the force (force for closing the flow path) acting on the valve body, the flow path is opened. That is, in the intake stroke, even if the pressure in the cylinder is equal to or slightly higher than the atmospheric pressure, the valve body is lifted and the flow path is opened. When the piston moves backward toward the top dead center and the pressure in the cylinder becomes lower than the atmospheric pressure, a low-temperature fluid (in the atmospheric pressure state) flows into the cylinder. Thereby, the liquid quantity of the low temperature fluid which flows in (supplied) in a cylinder can be increased, and pump efficiency can be improved.
Further, since the valve body is always urged in the opening direction (for example, upward in FIGS. 1 and 2) by the urging means, the pressure in the cylinder is equal to or higher than the atmospheric pressure in the intake stroke. Even if it is slightly higher, the valve body can be reliably moved in the opening direction, and the flow path can be opened. Therefore, the flow path into the cylinder can be opened without increasing the pressure of the low-temperature fluid flowing into (supplied into) the cylinder, the apparatus can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced. Can be planned.
上記低温流体用昇圧ポンプにおいて、前記ピストンリングの合口すべてが、前記シリンダブロックの側面に設けられた流体流出口の側に常に位置するように構成されているとさらに好適である。
このような低温流体用昇圧ポンプによれば、シリンダ内の死容積中でガス化してしまった低温流体を、各ピストンリングの合口を介してシリンダブロックの外部に排出させることができるので、つぎの(引き続き行われる)吸入行程において、この死容積部の影響を受けずに低温流体を流入させることができ、シリンダ内に流入する(供給される)低温流体の液量を増加させることができて、ポンプ効率をさらに向上させることができる。
In the booster pump for low-temperature fluid, it is more preferable that all the joints of the piston rings are always located on the fluid outlet side provided on the side surface of the cylinder block.
According to such a booster pump for low-temperature fluid, the low-temperature fluid gasified in the dead volume in the cylinder can be discharged to the outside of the cylinder block through the joint of each piston ring. In the intake stroke (to be continued), the low temperature fluid can be introduced without being affected by the dead volume portion, and the amount of the low temperature fluid flowing (supplied) into the cylinder can be increased. The pump efficiency can be further improved.
本発明によれば、ポンプ効率を向上させることができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that the pump efficiency can be improved.
以下、本発明による低温流体用昇圧ポンプの第1実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、本実施形態に係る低温流体用昇圧ポンプ10は、ピストン11と、ピストンロッド(図示せず)と、シリンダブロック12と、吸入弁13とを主たる要素として構成されたものである。
ピストン11は、シリンダブロック12の内部に形成されたシリンダ12a内に往復動可能に収容された概略円筒状を呈する部材であり、その一端面(図1において下側の端面)により低温流体(例えば、液体水素、液体窒素、液体酸素、液化炭酸ガス、液化天然ガス、液化プロパンガス等)が圧縮され得るようになっている。
また、ピストン11の外周面(すなわち、シリンダ12aの内周面(シリンダ壁)と対向する面)にはリング溝11aが形成されているとともに、このリング溝11a内には、樹脂(例えば、ポリ4フッ化エチレン)からなるピストンリング14が配置されている。
Hereinafter, a first embodiment of a booster pump for low-temperature fluid according to the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a cryogenic
The
A
ピストンロッドは、断面視円形を呈する概略棒状の部材であり、その一端部は、ピストン11の他端面中央部に連結されているとともに、その他端部は、図示しない動力伝達部に接続されている。
動力伝達部は、図示しない駆動源からの動力によりピストンロッドを、例えば、2mmのストロークで上下方向に直線的に往復動させるものである。
The piston rod is a substantially rod-like member that has a circular shape in cross section, and has one end connected to the center of the other end surface of the
The power transmission unit linearly reciprocates the piston rod in a vertical direction with a stroke of, for example, 2 mm by power from a drive source (not shown).
シリンダブロック12は、その内部に概略中空円筒状のシリンダ12aを有する部材である。シリンダブロック12の一端(図1において下端)は開口部とされており、この開口部には、吸入弁13が設けられている。一方、シリンダブロック12の他端は、ピストンロッドが貫通する貫通穴(図示せず)を除いて閉塞部となっており、ピストンロッドと貫通穴との間には低温シール(図示せず)が設けられている。
また、シリンダブロック12の側面(例えば、図1において右側の面)には、ピストン11の一端面により圧縮された(1.3MPa程度に昇圧された)低温流体が流出する流体流出口15が設けられており、流体流出口15の下流側には、図示しない逆止弁(チェック弁)が設けられている。この逆止弁は、所定圧力(例えば、1.2MPa)以上の流体圧力が加わる(かかる)と開状態となり、流体圧力が所定圧力未満になると閉状態となるものである。
The
Further, a
吸入弁13は、弁体16と、弁ケーシング17とを主たる要素として構成されたものである。
弁体16は、円柱形状のロッド18と、ロッド18の一端側に設けられ、ロッド18から遠ざかるにつれて拡径する略円錐台形状のヘッド19とを備えている。
ロッド18の他端部(図1において下側の端部)には、その平坦な一端面がバネ受け面20aとされた拡径部20が形成されている。
ヘッド19の平坦な一端面(図1において上側の端面)19aは、ピストン11の一端面により圧縮される低温流体が押し付けられる受圧面とされており、その側面には、周方向に沿ってシート面19bが形成されている。
The
The
On the other end portion (the lower end portion in FIG. 1) of the
A flat one end surface (upper end surface in FIG. 1) 19a of the
弁ケーシング17は、図1に示すように、断面視略T字型を呈する部材であり、その外周部には、周方向に沿って複数個(例えば、8個(図2(c)参照))の流体流入口17aが、板厚方向(図1において上下方向)に形成されている。また、弁ケーシング17の一端面(図1において上側の端面)には、ヘッド19のシート面19bと合致する弁座17bが形成されており、シート面19bが弁座17b上に着座したときに、流体流入口17aの出口端のすべてが完全に閉塞されるようになっている。
As shown in FIG. 1, the
弁ケーシング17の他端面(図1において下側の端面)側の中央部には、ロッド18の拡径部20と、ロッド18の軸部(拡径部20以外の部分)を軸受け支持する滑り軸受21と、弁体16をピストン11の側(図1において上側)に付勢するバネ(付勢部材)22と、バネ受け23とを収容する凹所17cが形成されている。
滑り軸受21は、ロッド18の軸部外周面と、凹所17cの内壁面との間に、これらロッド18の軸部外周面および凹所17cの内壁面の一部と接するように配置されている。また、滑り軸受21の一端面(図1において下側の端面)は、拡径部20の他端面と当接する受け面とされている。滑り軸受21の一端面と、拡径部20の他端面とは、弁体16がバネ22の力によってピストン11の側に押圧されて、ピストン11の側へ所定距離移動した場合に当接し、これにより、弁体16のピストン11の側への動きが拘束されるようになっている。そして、この滑り軸受21は、シリンダ12a内の低温流体が、凹所17c内に流入することを防止するシール部材としての役目も果たすものである。
In the central portion of the
The slide bearing 21 is disposed between the outer peripheral surface of the shaft portion of the
凹所17cの一端部(滑り軸受21が配置されている側と反対側の端部)には、バネ受け23が設けられて(嵌入されて)おり、拡径部20のバネ受け面20aと、バネ受け23の一端面(図1において上側の端面)との間には、バネ22が配置されている。バネ22は、前述したように弁体16をピストン11の側に付勢するものである。そのため、ヘッド19の一端面19aに作用する力(弁体16をバネ22の側へ押圧する力)が、バネ22の力よりも小さいときには、図1(a)の状態をとることとなる。そして、バネ22の力が、ヘッド19の一端面19aに作用する力に対して、完全に抗することができなくなる(打ち勝つことができなくなる)と、流体流入口17aの出口端のすべてが完全に閉塞され、図1(b)の状態をとることとなる。
A
以上の構成により、本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ10では、吸入工程において弁体16がバネ22の付勢力によりピストン11の側に押圧され、シート面19bが弁座17bから離れることにより流体流入口17aの出口端のすべてが開放されて、大気圧状態の低温流体がシリンダ12a内に流入するようになっている(図1(a)参照)。
また、圧縮行程においては、ピストン11の一端面により圧縮される低温流体がヘッド19の一端面19aに作用し、この力がバネ22の付勢力に打ち勝つようになると弁体16が徐々に弁ケーシング17の側に押圧されていき、シート面19bが弁座17b上に着座して、流体流入口17aの出口端のすべてが完全に閉塞される。その後、さらにピストン11がヘッド19の側に移動していくことにより、ピストン11の一端面とヘッド19の一端面19aとの間で低温流体がさらに圧縮されて、低温流体が所望の圧力(例えば、1.3MPa程度)に加圧(昇圧)されると、加圧された低温流体が流体流出口15からシリンダブロック12の外部に導き出されるようになっている。
With the above configuration, in the
In the compression stroke, the low-temperature fluid compressed by the one end surface of the
本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ10によれば、弁体16は、バネ22により常に開く方向(図1において上方向)に付勢されており、バネ22の付勢力がヘッド19の一端面19aに作用する力に打ち勝つと、流体流入口17aの出口端のすべてが開放された状態となる。すなわち、吸入行程において、シリンダ12a内の圧力が大気圧と等しいかあるいはそれよりも若干高くても弁体16が持ち上げられて、流体流入口17aの出口端のすべてが開放されることとなる。そして、ピストン11が上死点に向かって後退し、シリンダ12a内の圧力が大気圧よりも低くなると、シリンダ12a内に(大気圧状態の)低温流体が流入してくる。これにより、シリンダ12a内に流入する(供給される)低温流体の液量を増加させることができ、ポンプ効率を向上させることができる。
また、弁体16は、バネ22により常に開く方向(図1において上方向)に付勢されているので、吸入行程において、シリンダ12a内の圧力が大気圧と等しいかあるいはそれよりも若干高くても弁体16を確実に開方向に移動させることができて、流体流入口17aの出口端のすべてを開放させることができる。したがって、シリンダ12a内に流入する(供給される)低温流体の圧力を上げることなく、流体流入口17aを開放することができ、装置の簡略化を図ることができ、製造コストの低減化を図ることができる。
According to the cryogenic
Further, since the
本発明による低温流体用昇圧ポンプの第2実施形態を、図2を用いて説明する。
本実施形態における低温流体用昇圧ポンプ30は、吸入弁13の代わりに、吸入弁31が設けられているという点で前述した第1実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第1実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
A second embodiment of the cryogenic fluid booster pump according to the present invention will be described with reference to FIG.
The cryogenic
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member same as 1st Embodiment mentioned above.
吸入弁31は、弁体32と、弁ケーシング33とを主たる要素として構成されたものである。
弁体32は、中央部に平面視円形状の開口部32aを有する輪状(ドーナツ状)の板状部材(図2(c)参照)であり、シリンダブロック12の一端部(図2において下側の端部)に形成された凹所12b内に収められているとともに、この凹所12b内において、シリンダブロック12の長手方向(図2において上下方向)に沿って摺動自在となっている。
弁体32の一端面(図2において上側の端面)32bは、ピストン11の一端面により圧縮される低温流体が押し付けられる受圧面とされており、その他端面(図2において下側の端面)32cは、シート面兼バネ受け面となっている。
The
The
One end surface (upper end surface in FIG. 2) 32b of the
弁ケーシング33は、図1に示すように、断面視略凸型を呈する部材であり、その外周部には、周方向に沿って複数個(例えば、8個(図2(c)参照))の流体流入口33aが、板厚方向(図2において上下方向)に形成されている。また、弁ケーシング33の一端面(図2において上側の端面)には、弁体32のシート面(他端面)32cと合致する弁座33bが形成されており、シート面32cが弁座33b上に着座したときに、流体流入口33aの出口端のすべてが完全に閉塞されるようになっている。
As shown in FIG. 1, the
また、流体流入口33aの入口側(弁ケーシング33の他端面側(図2において下側の端面側)には、バネ受け34が設けられて(嵌入されて)おり、弁体32のバネ受け面(他端面)32cと、バネ受け34の一端面(図2において上側の端面)との間には、バネ(付勢部材)35が配置されている。バネ35は、弁体32をピストン11の側に付勢するものである。そのため、弁体32の一端面32bに作用する力(弁体32をバネ35の側へ押圧する力)が、バネ35の力よりも小さいときには、図2(a)の状態をとることとなる。そして、バネ35の力が、弁体32の一端面32bに作用する力に対して、完全に抗することができなくなる(打ち勝つことができなくなる)と、流体流入口33aの出口端のすべてが完全に閉塞され、図2(b)の状態をとることとなる。なお、弁体32の一端面32bに作用する力は、開口部32aの内径を変更して、弁体32の受圧面(一端面)32bの面積を変えることにより、容易に調整することができる。
Further, a
以上の構成により、本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ30では、吸入工程において弁体32がバネ35の付勢力によりピストン11の側に押圧され、シート面32cが弁座33bから離れることにより流体流入口33aの出口端のすべてが開放されて、大気圧状態の低温流体がシリンダ12a内に流入するようになっている(図2(a)参照)。
また、圧縮行程においては、ピストン11の一端面により圧縮される低温流体が弁体32の一端面32bに作用し、この力がバネ35の付勢力に打ち勝つようになると弁体32が徐々に弁ケーシング33の側に押圧されていき、シート面32cが弁座33b上に着座して、流体流入口33aの出口端のすべてが完全に閉塞される。その後、さらにピストン11が弁体32の側に移動していくことにより、ピストン11の一端面と弁体32の一端面32bとの間で低温流体がさらに圧縮されて、低温流体が所望の圧力(例えば、1.3MPa程度)に加圧(昇圧)されると、加圧された低温流体が流体流出口15からシリンダブロック12の外部に導き出されるようになっている。
With the above configuration, in the low-temperature
Further, in the compression stroke, the low temperature fluid compressed by the one end surface of the
本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ30の作用効果は、前述した第1実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。
The operational effects of the cryogenic
本発明による低温流体用昇圧ポンプの第3実施形態を、図3を用いて説明する。
本実施形態における低温流体用昇圧ポンプ40は、各ピストンリングの合口42bが、常に流体流出口15の側に位置するように構成されているという点で前述した第1実施形態および第2実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、図3には、第2実施形態のところで説明した低温流体用昇圧ポンプと同様の構成を有する低温流体用昇圧ポンプを示しており、前述した第1実施形態および第2実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
A third embodiment of a booster pump for a cryogenic fluid according to the present invention will be described with reference to FIG.
The low-temperature
FIG. 3 shows a cryogenic fluid booster pump having the same configuration as the cryogenic fluid booster pump described in the second embodiment, which is the same as that of the first embodiment and the second embodiment described above. The same reference numerals are given to the members.
図3(b)に示すように、水平面内において流体流出口15と反対の側に位置するピストン41の各リング溝41a内には、長手方向(図3(a)において上下方向)に沿って凸部41bが形成されている。
また、リング溝41a内に収められる各ピストンリング42の、凸部41bと対向する内周面(すなわち、水平面内において流体流出口15と反対の側に位置する内周面)には、凸部41bに向かって凸部42aが形成されている。
ピストン41とピストンリング42との間には、バックアップリング43がそれぞれ収められている。バックアップリング43は、水平面内において流体流出口15と反対の側に合口を有する(すなわち、ピストンリング42の合口42bと反対の側に合口を有する)リング状の部材であり、合口の一端面と他端面との間に、リング溝41a内に形成された凸部41bおよびピストンリング42の凸部42aが位置し、ピストンリング42がピストン42およびバックアップリング43に対して回転しないように(すなわち、各ピストンリング42の合口42bが、常に流体流出口15の側に位置するように)なっている。
As shown in FIG. 3B, in each
In addition, a convex portion is formed on the inner peripheral surface of each
Backup rings 43 are accommodated between the
本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ40によれば、各ピストンリング42の合口42bが、常に流体流出口15の側に位置するように構成されており、シリンダ12a内の死容積中でガス化してしまった低温流体が、これらピストンリング42の合口42bを介してシリンダブロック12の他端側に向かって導かれた後、図示しないガス流出口からシリンダブロック12の外部に導き出されることとなる。
このように、本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ40では、シリンダ12a内の死容積中でガス化してしまった低温流体を各ピストンリング42の合口42bを介してシリンダブロック12の外部に排出させることができるので、つぎの(引き続き行われる)吸入行程において、この死容積中にも低温流体を流入させることができ、シリンダ12a内に流入する(供給される)低温流体の液量を増加させることができて、ポンプ効率をさらに向上させることができる。
その他の作用効果は、前述した第1実施形態および第2実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。
According to the
As described above, in the low-temperature
Other functions and effects are the same as those of the first embodiment and the second embodiment described above, and thus description thereof is omitted here.
なお、本発明は上述した実施形態のものに限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形実施することができる。例えば、第3実施形態のところで説明したピストンリング42は、必ずしもすべてのピストンリング42の合口42bが流体流出口15の側に向くように構成されている必要はなく、少なくとも最も流体流出口15に近い(図3において最も下側に位置する)ピストンリング42の合口42bのみが流体流出口15の側に向くように構成されていればよい。
また、弁体16,32の開閉のタイミングやシリンダ内に流入する低温流体の量は、バネ22,35のバネ力(付勢力)を調整することで容易に変更することができる。
In addition, this invention is not limited to the thing of embodiment mentioned above, It can deform | transform suitably as needed. For example, the
Further, the opening / closing timing of the
10 低温流体用昇圧ポンプ
11 ピストン
11a リング溝
12 シリンダ
12a シリンダブロック
13 吸入弁
14 ピストンリング
15 流体流出口
16 弁体
22 バネ(付勢部材)
30 低温流体用昇圧ポンプ
31 吸入弁
32 弁体
35 バネ(付勢部材)
40 低温流体用昇圧ポンプ
41 ピストン
41a リング溝
42 ピストンリング
42b 合口
DESCRIPTION OF
30 Low Pressure
40 Low Pressure
Claims (2)
前記弁体を開方向に付勢する付勢部材が設けられていることを特徴とする低温流体用昇圧ポンプ。 A piston having a plurality of ring grooves formed on the outer peripheral surface, a plurality of piston rings arranged in the ring groove, and a cylinder block for accommodating these pistons and piston rings in a cylinder formed therein A low-pressure fluid booster pump comprising a suction valve provided with a valve body for opening and closing a flow path of a low-temperature fluid sucked into the cylinder,
A booster pump for low-temperature fluid, wherein a biasing member that biases the valve body in the opening direction is provided.
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2005
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