JP2007218136A - 膜式ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】膜式ポンプにおいて、膜部材の耐久性を確保しながら大流量・高吐出圧を実現する。
【解決手段】ダイヤフラム２１で区画された主流体加圧室２ｂと背圧室２ａとを備え、背圧室２ａにポンプ手段で圧送された作動流体を導入する導入配管５ａが接続し導入した作動流体で主流体加圧室２ｂの主流体を加圧して圧送する膜式ポンプ２Ａにおいて、背圧室２ａに、作動流体を作動流体貯留容器側に戻す戻し配管５ｂが底壁側に接続されるとともにダイヤフラム２１の変位に応じて戻し配管５ｂ開口部を開閉する弁構造が設けられており、ダイヤフラム２１の主流体加圧室２ｂ側への変位量が所定の上限値を超えたときに弁構造が開弁して背圧室２ａの圧力を低下させるものとして、ダイヤフラム２１の変位上限を機械的に自己規制する。
【選択図】図２

Description

本発明は背圧室に作動流体を導入することにより、これと膜部材で区画された主流体加圧室の主流体を押し出して圧送する膜式ポンプに関し、殊に、ＬＰＧやＤＭＥなど比較的粘度の低い燃料を大流量・高吐出圧でエンジンに供給するのに適した膜式ポンプに関する。

従来より、膜式ポンプは、大流量・低吐出圧系のポンプ装置に多用され、供給配管中の主流体がポンプ摺動部に触れないという利点から主に薬品や食品用に用いられており、一般に図５に示すような機構を採用している。即ち、駆動軸に設けられたカム１５の回動により供給配管中で二つのチェック弁２８ａ，２８ｂで区画された主流体加圧室２９Ｄに内部側を接続したベローズ等の膜部材３４を、外側からカム１５で直接圧縮・拡大させることにより脈圧を生じさせ、導入した主流体を圧送するものであり、主流体に潤滑油や金属粉などの夾雑物が混入したり膜式ポンプ２Ｄ外部に主流体が漏出したりすることを回避できるようにしている。

しかし、ダイヤフラムやベローズ等の膜部材は、その応力が膜内外の圧力差に反比例することから、ポンプ装置での使用においてその耐久性が問題となりやすい。即ち、膜部材を機械的に作動させることで比較的大きな圧力が膜部材にダイレクトにかかることで比較的短期間で劣化・破損しやすくなるからである。そのため、定期的なメンテナンスと消耗部品の交換が実施されているのが現状であり、その手間とコストが問題となっていた。また、吐出圧を高くすれば上述した傾向が更に強くなるため膜式ポンプは通常、大流量・低吐出圧のポンプとして使用されている。

そこで、例えば比較的高圧を維持することが必要なＬＰＧやＤＭＥなどのように高吐出圧を望む場合には、高圧化が容易なプランジャポンプを採用するのが一般的である。しかし、このポンプは圧縮時にプランジャとシリンダとの隙間から燃料が漏れやすく、その漏れ量はそのクリアランス精度に依存する。そのため、漏れを防止するために極めて高精度な製造工程で製作する必要が生じてコスト高になりやすく、また、送出する流体の粘度が低い場合には摺動部の摩耗も懸念され、最悪の場合には焼き付き等のトラブルを生じる畏れもある。

この問題に対し、例えば特開平６−１７３８１１号公報に記載され、図４に示すような燃料ポンプ２Ｃが実用化されている。この燃料ポンプ２Ｃは、送出する主流体を直接加圧するのではなく、シリンダ２７Ｃに挿入されたプランジャ２６Ｃ等の別のポンプ手段で作動流体を一旦加圧し、加圧された作動流体が膜部材３３で主流体加圧室２５Ｃと仕切られた背圧室３０Ｃに圧出され、この膜部材３３を介して主流体加圧室２９Ｃの流体を加圧して送出する方式を採用している。このような構成とすることで、プランジャ２６Ｃが突出する加圧時に膜部材３３の内外に生じる圧力差が殆ど無くなるため、吐出圧を高めながら膜部材３３の耐久性を確保することが可能となる。

ところが、このようにプランジャの往復動作による作動流体の脈圧を利用する方式では、摺動部の抵抗と往復動作によるエネルギーロスに加え作動流体の往復動作による抵抗とエネルギーロスも生じるため、燃料ポンプの高速化による大流量化は容易ではない。一方、一回のプランジャ動作による作動流体の吐出量を大きくすれば、今度は膜部材の変位幅が大きくなってその耐久性を大きく低下させてしまうことになる。
特開平６−１７３８１１号公報

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、膜式ポンプにおいて膜部材の耐久性を確保しながら大流量・高吐出圧を実現することを課題とする。

そこで、本発明は、所定の主流体を主流体貯留容器から目的箇所まで輸送する配管中に配設され、膜部材で背圧室と区画され各々チェック弁が配設された吸込側配管および吐出側配管が接続する主流体加圧室を備え、背圧室に作動流体貯留容器からポンプ手段で圧送された作動流体を導入するための導入配管が接続し導入した作動流体で主流体加圧室の主流体を加圧して圧送する膜式ポンプにおいて、背圧室には、作動流体を作動流体貯留容器側に戻す戻し配管が底壁側に接続されるとともに膜部材の変位に応じて戻し配管開口部を開閉する弁構造が設けられており、膜部材の主流体加圧室側への変位量が所定の上限値を超えたときに弁構造が開弁して背圧室の圧力を低下させるものとして、膜部材の変位上限を機械的に自己規制することとした。

このような構成とすることにより、作動流体で膜部材を介して主流体を加圧することによる膜部材の応力軽減に加えて、弁構造で作動流体の背圧室への導入による膜部材の変位を所定の上限値内に規制して高圧・大流量化に伴う膜部材破損の危険性を最小限とすることができ、且つ、作動流体を脈動させるのではなく背圧室に導入して戻す循環式としたことで作動油送出のためのエネルギーロスを最小限とするとともに摺動による抵抗のないものとして、作動油によるエネルギー伝達が効率化されポンプの高速運転が容易になって、更に大流量化を実現しやすいものとなる。

また、この背圧室の弁構造を、背圧室内で膜部材側から底壁に向かって垂設され所定範囲で上下に弾性伸縮可能とされ下端側に弁体を有する弁部材と、弁シートとしての戻し配管開口部とからなるものとし、通常は弁部材が弁シートに弁体を伸長方向に押圧して閉弁し、膜部材が所定の上限値を超えて主流体加圧室側に変位したときに、弁部材の伸長限界を超えて弁体が弁シートから離間し、開弁するものとすれば、膜部材の変位上限の規制が正確且つ確実になるとともに、弁構造の閉弁による膜部材の変位下限の規制も可能となる。

さらに、この弁部材を備えた膜式ポンプにおいて、主流体加圧室はその頂壁と膜部材との間に圧力調整バネが介装され、背圧室の弁部材は膜部材側から垂設された支持柱と、先端側に弁体を有し弁バネを介装した状態で上下に摺動可能に挿設された摺動体とを備えており、圧力調整バネの設定圧力がこの弁バネの設定圧力よりも強く設定されて弁構造の閉弁時にバネ部材を圧縮した状態となるものとすれば、主流体の加圧時に弁構造を確実に閉弁して主流体を充分に加圧できるようになる。

さらにまた、上述した膜式ポンプを、その背圧室に接続する作動流体の導入配管が、電子制御装置で開閉制御される電磁弁を備えているとともにその上流側で所定圧力に設定されたチェック弁を有する調圧用のバイパス配管が分岐して戻し配管に接続したものとし、電子制御装置が主流体加圧室に接続する吐出側配管に設けた圧力センサで吐出圧をモニタしながら電磁弁をフィードバック制御することにより、主流体の吐出圧および流量が間接的に制御されるものとすれば、目標とする主流体の吐出圧力・流量が安定的に実現されやすいものとなる。

循環する作動流体で主流体を加圧するとともに背圧室の弁構造で膜部材の変位量を規制するものとした本発明により、膜部材の利点を維持しつつ、その耐久性を確保しながら大流量・高吐出圧を実現することができるものである。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するため最良の形態を説明する。

図１は本発明の膜式ポンプを配置した燃料供給システムの配置図を示しており、例えばＬＰＧやＤＭＥなどガソリンに比べて粘度が低く比較的気化しやすい液体燃料を所定の高圧にしてエンジンに供給する燃料供給システムに、本発明である膜式気化器２Ａを適用したものである。

主流体貯留容器１内に充填した主流体である液体燃料を、チェック弁６ｂを備えた吸込側配管９ａで膜式ポンプ２Ａの主流体加圧室２ａに接続し、主流体加圧室２はチェック弁６ｃを備えた吐出側配管９ｂでエンジン４側の燃料噴射弁７に接続されている。また、吐出側配管９ｂには圧力センサ１１が配設されており、電子制御ユニット１０が燃料の吐出圧力をモニタするようになっている。

膜式ポンプ２Ａの背圧室２ａには、作動流体貯留容器３から延設された導入配管５ａが途中に電子制御ユニット１０で開閉制御される電磁弁１２を備えて接続されており、例えば高粘度で潤滑性の高いエンジン用潤滑オイル等からなる作動流体が電子制御ユニット１０で駆動制御される電動ポンプ８で圧送されて内部に導入されるようになっている。

また、背圧室２ａ底壁側には、作動流体貯留容器３に作動流体を戻すための戻し配管５ｂが接続されている。また、導入配管５ａの電磁弁１２上流側から分岐して途中にチェック弁６ａを備えた調圧用のバイパス配管５ｃが戻し配管５ｂに接続しており、作動流体の送出圧力が設定圧力以上に上昇しないようになっている。

図２の膜式ポンプ２Ａの拡大した縦断面図を参照して、主流体加圧室２ｂは、その上部に吸込側配管９ａおよび吐出側配管９ｂが接続して、膜部材としてのダイヤフラム２１により下側の背圧室９ａと区画されている。また、その頂壁とダイヤフラム２５上面との間には調圧バネ２５が介装され、ダイヤフラム２５を背圧室９ａ側に所定圧力で付勢するようになっている。また、作動流体が充填される背圧室９ａには、側方から作動流体を導入する導入配管５ａが接続され、下方には戻し配管５ｂが接続してその開口部周縁がすり鉢状に傾斜して弁シート２４を形成している。

そして、ダイヤフラム２５下面側から、円筒状の支持柱２２ａとこれに下方から摺動可能に挿入された柱状の摺動体２２ｂとこの摺動体２２ｂと支持柱２２ａとの間に介装され支持柱２２ａを下向きに付勢する弁バネ２２ｄと支持柱２２ａの下端側に設けられた略球形の弁体２２ｃとからなる、弁部材２２が垂設されている。即ち、本発明において、このダイヤフラム２５から垂設された弁部材２２と弁シート２４とで弁構造を構成し、この弁構造がダイヤフラム２５の変位幅を規制する膜部材変位規制手段として機能する点を特徴としている。

尚、この弁バネ２２ｄは、主流体加圧室２ｂの調圧バネ２５よりも設定圧力が弱く設定されており、ダイヤフラム２１が所定のレベルよりも下に位置しているときに弁バネ２２ｄが圧縮されて弁体２２ｃを弁シート２４に押圧して密着させるようになっている。

次に、本実施の形態の機能について、図面を用いながらさらに詳細に説明する。

図１を参照して、燃料を所定量噴射することで燃料噴射弁７の噴射圧力が低下してくると、その近傍に配設した圧力センサ１１で噴射圧力をモニタしている電子制御ユニット１０は、電磁弁１２を開弁させる指令を出力する。すると、膜式ポンプ２Ａは、図３（Ａ）に示す閉弁時の状態から、図３（Ｂ）に示す開弁時の状態になり、背圧室２ａ内に作動流体が導入されて圧力が上昇してダイヤフラム２１が押し上げられる。このとき、先ずダイヤフラム２１に直結された支持柱２２ａがそのスライドエンドまで上がり、その間、主流体加圧室９ｂの液体燃料は圧縮され吐出側配管９ｂのチェックバルブ６ｃから押し出され、エンジン４に向かって送出される。

その後、図３（Ｃ）に示すように、更にダイヤフラム２１が持ち上がることで摺動体２２ｂを持ち上げて弁体２２ｃが弁シート２４から離れ、背圧室２ａ内の作動油は戻し配管５ｂに流出し、背圧室２ａの圧力が低下し始める。すると、調圧バネ２５の反力によりダイヤフラム２１及び弁部材２２は下がり、主流体加圧室９ｂには吸込側配管９ａから液体燃料が充填され、再度、図３（Ａ）の状態に戻る。

そして、背圧室２ａの弁体２２ｃが、弁シート２４に着座した瞬間から背圧室２ａの圧力が上昇し、再度主流体加圧室９ｂの圧縮行程に移る。このようにして、ダイヤフラム２１の上下往復動作により燃料の吸込、圧縮、吐出がスムースに行われ、作動流体の脈動で主流体を圧送する場合と比較してエネルギーロスや抵抗が少ないことから、より大流量の送出に適したものとなる。

また、燃料吸込時にダイヤフラム２１が下降すると、弁体２２ｃが弁シート２４に当接して弁バネ２２ｄが弾性反発し、圧縮時にはダイヤフラム２１が所定位置以上に上昇することで弁構造２２が開弁して戻し配管５ｂに連通することから、ダイヤフラム２１がその耐久力の範囲外まで変位しないように機械的に自己規制されため、大流量化・高吐出圧化してもダイヤフラム２１破損の危険を軽減することが可能となる。

一方、電子制御ユニット１０は、圧力センサ１１でモニタする液体燃料の吐出圧力が充分に確保されたと判断することで、電磁弁１２を閉める指令を出力する。これにより、膜式ポンプ２Ａの背圧室２ａ内における作動流体の圧力変化がなくなって、ポンプ動作が停止することになる。従って、電子制御ユニット１０が圧力センサ１１で吐出圧をモニタしながら電磁弁１２をフィードバック制御することにより、膜式ポンプ２Ａの吐出圧力および流量を間接的に制御することができるものとなる。

以上述べたように、本発明により膜式ポンプの利点を損なうことが無く、また膜部材の耐久性を確保しながら大流量・高吐出圧を容易に実現することができるものである。尚、本発明は上述したエンジンの燃料供給システムへの用途に限定されず、膜式ポンプの利点を生かしながら大流量・高出圧のポンプ性能が要求される総ての用途に適したものである。

本発明の実施の形態を示す配置図、一部縦断面図。 図１の膜式ポンプの拡大した縦断面図。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は図１の膜式ポンプの作用を説明するための縦断面図。 従来例を示す縦断面図。 従来例を示す縦断面図。

符号の説明

１ 主流体貯留容器、２Ａ 膜式ポンプ、２ａ 背圧室、２ｂ 主流体加圧室、３ 作動流体貯留容器、４ エンジン、５ａ 導入配管、５ｂ 戻し配管、５ｃ バイパス配管、６ａ，６ｂ，６ｃ チェックバルブ、７ 燃料噴射弁、８ 電動モータ、９ａ 吸込側配管、９ｂ 吐出側配管、１０ 電子制御ユニット、１１ 圧力センサ、１２ 電磁弁、２１ ダイヤフラム、２２ 弁部材、２２ａ 支持柱、２２ｂ 摺動体、２２ｃ 弁体、２２ｄ 弁バネ、２４ 弁シート、２５ 調圧バネ

Claims (4)

1. 所定の主流体を主流体貯留容器から目的箇所まで輸送する配管中に配設され、膜部材で背圧室と区画され各々チェック弁が配設された吸込側配管および吐出側配管が接続する主流体加圧室を備え、前記背圧室に前記作動流体貯留容器からポンプ手段で圧送された作動流体を導入するための導入配管が接続し導入した作動流体で前記主流体加圧室の主流体を加圧して圧送する膜式ポンプにおいて、
   前記背圧室に、作動流体を前記作動流体貯留容器側に戻す戻し配管が底壁側に接続されるとともに前記膜部材の変位に応じて前記戻し配管開口部を開閉する弁構造が設けられており、前記膜部材の前記主流体加圧室側への変位量が所定の上限値を超えたときに前記弁構造が開弁して前記背圧室の圧力を低下させるものとして、前記膜部材の変位上限を機械的に自己規制することを特徴とする膜式ポンプ。
2. 前記弁構造が、前記背圧室内で前記膜部材側から底壁に向かって垂設され所定範囲で上下に弾性伸縮可能で下端側に弁体を有する弁部材と、弁シートとしての前記戻し配管開口部とからなるものとし、通常は前記弁部材が前記弁シートに前記弁体を伸長方向に押圧して閉弁し、前記膜部材が所定の上限値を超えて前記主流体加圧室側に変位したときに、前記弁部材の伸長限界を超えて前記弁体が前記弁シートから離間し、開弁することを特徴とする請求項１に記載した膜式ポンプ。
3. 前記主流体加圧室が、頂壁と前記膜部材との間に圧力調整バネが介装され、前記弁部材は、前記膜部材側から垂設された支持柱と、先端側に前記弁体を有し弁バネを介装した状態で上下に摺動可能に前記支持柱に挿設された摺動体とを備えており、前記圧力調整バネの設定圧力が前記弁バネの設定圧力よりも強く設定されて前記弁構造の閉弁時に前記バネ部材を圧縮した状態となることを特徴とする請求項２に記載した膜式ポンプ。
4. 前記背圧室に接続する導入配管が、電子制御装置で開閉制御される電磁弁を備えているとともに該電磁弁の上流側で所定圧力に設定されたチェック弁を有する調圧用のバイパス配管が分岐して前記戻し配管に接続しており、前記電子制御装置が前記主流体加圧室に接続する吐出側配管に設けた圧力センサで吐出圧をモニタしながら前記電磁弁のフィードバック制御することにより、主流体の吐出圧および流量が間接的に制御されることを特徴とする請求項１，２または３に記載した膜式ポンプ。
   

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