JP2007500821A - 膜ポンプ本出願は、２００３年５月１６日に出願された米国特許出願第１０／４３９，５３５号に基づく優先権を主張して、２００４年５月１３日に米国法人ワーナーエンジニアリング社によって出願されたｐｃｔ国際特許出願である。 - Google Patents

Abstract

輸送室の過充填に起因する膜破損および自吸不能の問題を克服する膜ポンプ。機械的ストッパ、完全に密着したコイルばね、または弁系等の形態の過充填防止要素を設ける。

Description

本発明は、改善された膜ポンプに概ね関し、より詳しくは、膜の作動油駆動側に過充填防止要素をもつ改善された膜ポンプに関する。

油圧で駆動され回転作動する公知の膜ポンプは、プロセス流体中に摩耗する摺動ピストンやシールがないので、本来的に多くの難しい流体を圧送できる高圧ポンプである。膜は、ポンプを周囲環境(プロセス流体)から完全に遮断し、汚染に対してポンプを防護する。

図１に、一般的な膜ポンプ２０が示されている。ポンプ２０は、(図示しない)小さな軸受によって前端を、大きなテーパころ軸受によって後端をポンプハウジング２４に剛に夫々枢支された駆動軸２２を備えている。(図示しない)他の一対の大きな軸受の間に固定角カムまたはウォッブル板２８が挟持されている。駆動軸が回転すると、ウォッブル板が前後に揺動し、軸周りの運動を直線運動に変換する。３つのピストンアセンブリ(１つのピストンアセンブリのみを図示)は、ウォッブル板２８によって交互に変位させられる。後に図示するように、各ピストンは、作動油で満たされたシリンダを含むカバー内に収容されている。ピストン/シリンダ-アセンブリ３０の底部内のボール逆止弁３２は、吸入行程で油タンク２７(ウォッブル板２８は油タンク内にある)からの作動油をカバー内に満たすように動作する。吐出つまりポンピング行程で、カバー内の作動油は、膜３４の後側を押圧し、ウォッブル板が動くにつれて膜を前方に撓ませ、ポンピング動作を行う。ポンプは、理想的には、設計圧力範囲の全体に亘って膜の前後の圧力を油圧的に均衡させる。このことは、後述するように実際には公知のポンプにおいて総ての状況下で当てはまる訳ではない。ともかく、各膜は、出入口の逆止弁アセンブリ３６,３７(図２も参照)を備えた自身のポンピング室を有する。膜が後退すると、プロセス流体は、共通の入口を経て入口逆止弁の１つを通ってポンプに入る。吐出つまりポンピング行程で、膜は、プロセス流体を、出口逆止弁を経てマニホールドの共通出口を通って吐出する。互いに１２０°の等間隔を隔てて配置された膜は、順次動作して一定で実質的にパルスのないプロセス流体の流れを供給する。

より詳しくは、図２に膜ポンプ２０の一部が示されている。膜３４は、ハウジング２４の２つの部分３８,３０の間に挟持されている。膜３４は、ポンプの作動油で満たされた駆動側をポンプ室側から分離する。駆動側には、作動油で満たされ輸送室４４として機能するカバー内に、膜プランジャ４２を備えた駆動ピストンセンブリ３０が収容されている。ピストン４６内の複数の逆止弁３２は、輸送室４４を(図示しない)油タンクから分離する。(図２には示されない)ウォッブル板２８は、パッド４８に当接してピストン４６を駆動する。矢印４９は、カムつまりウォッブル板の運動方向を概ね示す。ピストンと膜が、往つまりポンピング行程を終えると、ピストン４６の端部５０は、上死点(ＴＤＣ)に位置する。ピストンと膜が、復つまり吸入行程を終えると、ピストン４６の端部５０は、下死点(ＢＤＣ)に位置する。

ピストン４６は、シリンダ４７内を往復動する。ピストン４６は、ピストンの外壁をなすスリーブ部５２を有する。スリーブ部５２は、スリーブ５４と、ウォッブル板に当接するパッド４８を端に有する端部５６を備える。スリーブ５４は、ベース部５８を収容する。ベース部５８は、端部５６に当接する第１ベース６０と、第１ベース６０とスリーブ５４の間を封止するシール要素６２を備える。ベース部５８は、第１ベース６０と反対側の端に第２ベース６４を備える。連結壁６６は、第１ベース６０と第２ベース６３を接続する。ピストン戻しばね６８は、第１ベース６０とポンプハウジング２４の一部である膜ストッパ７０との間に伸びるコイルばねである。弁ハウジング７２は、ベース部５８に収容され、第２ベース６４と端部５６の間に延在する。シール７４は、弁ハウジング７２と第２ベース６４付近の連結壁６６との間を封止する。

スリーブ部５２の端部５６および反対側の端部７６は、開いている。同様に、弁ハウジング７２の端部７８も開いている。第２ベース６４は、プランジャ４２のステム８２を収容するための開口８０を有する。

膜プランジャ４２は、弁ハウジング７２に嵌装された弁スプール８４を有し、ステム８２が、この弁スプール８４から開口８０を通って膜３４の輸送室側のヘッド８６に延びている。ベース板８８は、膜３４のポンプ室側にあって、膜をヘッド８６に、プランジャ４２の中空部９２にねじ９０を螺合して把持している。中空部９２は、プランジャ４２の一端から他端まで軸方向に延在する。ねじ９０は、膜の端を挿通して螺合される。中空部９２のピストン端は、開いている。半径方向に向かう複数の開口９４が、ステム８２に設けられている。バイアスばね９６は、コイルばねで、第２ベース６４と弁スプール８４の間に延在する。溝１００は、連結壁６６内を弁ポート９８の最遠動程から端部５６まで延在する。逆止弁102は、(図示しない)油タンクに連通する端部５６の通路104内に形成されている。従って、(図示しない)油タンクは、通路104と逆止弁102を通り、溝100を経て弁ポート９８に連通する。弁が開くと、コイルばね９６が在る空間と複数の半径方向の開口９４の１つを通り、プランジャ４２の軸方向中空部９２を通って、更なる連通が生じる。さらに、中空部９２から他の半径方向開口９４を経て輸送室４４の種々の部分への連通が生じる。中空の通路９２は、半径方向開口９４と共に、膜３４付近の輸送室４４の部分からピストン３０の弁ハウジング７２内の輸送室４４の部分への連通を提供する。輸送室には、ピストン戻しばね６８で占められる空間が含まれる。

膜３４のポンプ室側には、吸入行程でポンプ室106内に真空が生じたとき開く入口逆止弁アセンブリ３６がある。また、ポンピングつまり吐出行程でポンプ室106内に圧力が生じたとき開く逆止弁３７がある。

図３Ａ〜Ｆは、従来のバイアスばねを用いた通常の標準的な動作条件下での従来のポンプ２０の動作を示している。(図３Ａ〜Ｆには示されない)カムつまりウォッブル板の代表的なベクトル方向が示されている。吸入は、14.7psia(絶対圧ポンド/平方インチ)以下である。吐出圧力は、14.7psia以上である。膜３４の前後の圧力差は、略３psiaに設定されている。

図３Ａを参照すると、ポンピング行程の終わりで吸入行程が始まる。条件として、ポンプ室内の圧力は、高圧である例えば120psiaから直ちに10psiaまで低下すると仮定する。輸送室内の作動油ｍの圧力は、油タンクの14.7psiaよりも低い13psiaである。ピストン３０は、上死点にあって、下死点に向かって移動し始める。バイアスばね９６は、プランジャ４２とりわけ弁スプール８４を直ちに右へ動かしてポート９８を開く。輸送室内の圧力が油タンク内の圧力よりも小さいので、逆止弁３２が開いて、油タンクから輸送室に作動油が流入し、以前のポンピング行程で失われた作動油を輸送室に適切に満たす。即ち、作動油は、ポンピング行程の圧力により、ピストンの寸法公差の幾分緩い部分を通って輸送室から油タンクへ流出する。従って、吸入行程で輸送室に作動油を再充填して、次のポンピング行程で効率的に圧力を供給できるに十分な作動油があるようにしておく。

図３Ｂは、中間行程での様子を示している。ポンプ室にプロセス流体が僅かに吸い込まれると(10psiaで示す)、膜３４とスプール８４は左位置を保つ一方、ピストン３０は右に動いて、ポート９８が閉じられる。圧力が略同じで、膜３４がピストン３０と一緒に右へ動くので、ポンプ室はプロセス流体で満たされる。

図３Ｃに示されるように、膜３４が右へ動くにつれ、プロセス流体はポンプ室を充填し続ける。弁ポート９８は、閉じたままである。圧力が略同じなので、(図示しない)油タンクから輸送室４４への作動油の漏れは極僅かである。こうして、膜の両側は、適切に充填される。

ピストン３０が下死点に到達すると、吸入行程は完了し、図３Ｄに示すように、吐出つまりポンピング行程が開始する。輸送室の圧力は、例えば13psiaから123psiaに直ちに増加する。同様に、ポンプ室の圧力も、例えば10psiaから120psiaに直ちに増加する。ウォッブル板は、ピストン３０を左へ動かし始め、圧力を生じさせる。逆止弁３２は、閉じている。膜３４は、作動油と連携して大きく移動し、ピストンと共に残っていたプロセス流体は、プロセス流体を押し出す(ポンピングする)。

図３Ｅに示す中間行程では、吐出が続く。ピストンとシリンダの間の寸法公差を通る作動油の漏れは、膜プランジャ４２の弁スプール８４を右側へ動かし、弁ポート９８を開くかもしれない。しかし、逆止弁３２が閉じていて、漏れがない限り、作動油は輸送室内に閉じ込められる。

吐出行程は、図３Ｆ示す状態で終了する。充填された輸送室４４は、膜３４を左へ押圧し、膜は動きながらプロセス流体を分配する。図３Ａ〜Ｆに示した通常動作は、膜３４に殆ど応力を生じさせない。

しかし、従来の膜ポンプにおける問題は、特定の動作条件下で膜が予期せず破壊することである。膜は、通常よりも早くあるいはより度々破損し、他のポンプ部材よりも早く破損しうる。膜の破損は、プロセス流体のラインを作動油で汚染する。最もよく破損を起こす操作条件は、対応する低吐出圧を伴う高真空吸入である。これは、代表的ポンピングシステムにおいて、吸入フィルタが詰まり始めたときに起こると予想される。この場合、フィルタの詰まりは、フィルタを経てプロセス流体を吸引するために高真空を必要とする。同時に、ポンピングされるプロセス流体の体積が減るので、吐出圧力が低下する。このことは、ポンプ室側での高真空が、輸送室側での吸入時の圧力を低下させて、輸送室が本質的に「作動油をより多く充填することを要求」し、その結果、流入作動油が輸送室を過充填し、しかもこの過充填がポンピングつまり吐出行程で圧力を均衡させて作動油を押し出すに十分な対応する高圧を持たないという状況を作り出す。作動油の過充填は、膜をプロセス流体の弁ポートに当たるまで「膨らませて」破損させる。加えて、この装置のような高速,反転の真空/圧力ポンプでは、高速の閉弁が、ジャウコフスキー(Jaukowski)衝撃と呼ばれる巨大な圧力スパイクを生じる。このスパイクは、流体圧波または音波および両波の高調波から成りうる。これらの圧力スパイクは、起こってはいけないときに、駆動ピストンへの作動油の流入を「要求」する。このことが、再び過充填を生じ、膜を破損に至らしめる。図４Ａ〜Ｆは、過充填破損モードを示している。

図４Ａで吸入行程が始まる。プロセス流体の入口側が詰まって閉塞していると仮定するので、吐出行程では、低い圧力しか発生しない。即ち、ポンプ室106内の圧力は、図３Ａに示すように例えば１４psiaから10psiaに低下する。しかし、吸入は真空を急速に増加させ、ポンプ室106内の圧力は、図４Ｂに示すように、例えば３psiaまで更に低下する。膜３４およびプランジャ４２は、左の遠くにあって、弁ポート９８を閉じ、バイアスばね９６は、幾分圧縮されている。逆止弁３２,弁ポート９８,ステム８２の種々の通路を経て作動油の一時的な流入があるのみである。

図４Ｂに示す吸入の中間行程では、膜が右へ少しでも動くと、ポンプ室106内の真空は高くなって、膜３４とプランジャ４２を左位置に保とうとする一方、ピストン４６は右へ移動する。弁ポート９８は閉じるが、それでも輸送室４４内には例えば６psiaという低圧が生じるので、系の寸法公差により(図示しない)油タンクから輸送室４４への作動油の漏れが起こる。従来の膜ポンプの弱いバイアスばね９６は、プランジャ４２,とりわけ弁スプール８４を左遠方に留まらせて、輸送室４４内に低圧を作り出して持続させる。

図４Ｃに示すように、吸入行程の終わりで、プランジャ４２と膜３４は、左遠方に留まり、輸送室４４内の低圧は漏れを持続させ、このような行程が何回も繰り返された後に、輸送室４４は、吐出行程を始める前に作動油で過充填されるに至る。

吐出行程の開始時の状態を図４Ｄに示す。ピストン４６は、左へ動き始める。ポンプ室106内は低圧なので、輸送室４４内は吐出行程の後期になるまで圧力が立たない。

図４Ｅの中間行程に示すように、過充填された輸送室４４は、膜３４と弁スプール８４を同時に左へ動かす。ベース板８８と膜３４がポンプのポンプ室の壁108に近づいたとき、輸送室４４内の圧力は遂に上昇する。圧力が油タンク内の圧力である14.7psiaよりも大きい時間は短いので、輸送室４４から油タンクへ作動油を漏れ出させて、吸入行程における漏れ流を均衡させるには十分でない。従って、膜３４は、輸送室４４内における作動油の過充填によって撓む。弱いバイアスばね９６は、圧縮される。

吐出行程の終了を図４Ｆに示す。過充填された輸送室４４は、ベース板８８を壁108に完全に当接させ、膜３４は、出口逆止弁アセンブリ３７のポートに伸び出して当接する。この時点での輸送室４４内の急速な圧力上昇は、膜３４を当接する種々の表面で切断または破裂させる。ポンプは、このとき破壊される。その結果、ピストンアセンブリ３０にプロセス流体による汚染が残り、プロセス流体ラインに作動油による汚染が残る。

かくて、膜のポンプ室側で高真空(即ち、フィルタの詰まりまたは入口弁の閉塞)が生じると、膜はピストンと一緒に動こうとしない。このことは、弁スプール８４と弁ポート９８が閉じているので、通常は問題を起こさない。しかし、この状態が長時間続けば、弁スプールと弁ポート間の漏れに加えてピストンとハウジング間の漏れが組み合わさって、輸送室内の過充填をもたらす。吐出行程では、圧力は、漏れ体積を再吐出するだけ十分高くなければならない。しかし、ボール逆止弁３２が弁ポートを経る如何なる流出も阻止するので、吐き出しはピストンとハウジングの周りに限られる。ポンプ入口は閉塞されていて、大体積のプロセス流体を吸い込めないから、プロセス流体を吐出する際の圧力は低いか、あるいは吐出行程の一部の圧力にすぎない。「流入と同程度に漏れ出させる」ためには、吐出圧力が100psia以上でなければならないことが経験的に知られている。ポンプが、作動油を輸送室に漏れ込む同程度に漏れ出させることができなければ、増えた体積は駆動ピストンによってエネルギを与えられ、膜が膨らんで、ポートまたはノッチに当接して破壊する。

従来のポンプ２０は、弁スプール８４が縁(ばり)とりわけ弁ポート９８の開口の縁に膠着するという問題がある。このような場合、膜３４は、ベース板８８に巻き付きやすく、それによって膜の材料が応力を受けあるいは締め付けられる。

従来のポンプ２０は、体積効率の問題を更に有する。これは、ピストンの周りに輸送室からの空気を追い出すに十分大きい作動油(および空気)を漏らすバイパス通路がないため生じる。この場合、輸送室内に空気が貯まれば貯まるほど、体積効率が低下する。この体積効率の低下は、輸送室内に捕捉された過剰空気をピストンが繰り返し圧縮および減圧するために生じる。その場合、空気の圧縮が、膜の行程を純粋な正弦波状態から殆ど矩形波状態に変えるため、益々厳しい圧力パルスが惹起される。その直接の結果は、ポンプ出口における圧力変動の増大と、膜ポンプの望ましくない特性である。

本発明は、電動機から駆動力を受ける膜ポンプに関する。このポンプは、圧送すべき流体(プロセス流体)を収容するポンプ室と、作動油を収容する輸送室と、油タンクを収容するケーシングを有する。ポンプは、輸送室側とポンプ室側をもつ膜を有する。膜は、ポンプ室と輸送室の間に位置するようにケーシングで支持され、ポンプ室に接離するように往復動する。ポンプは、ケーシングのシリンダ内に、吐出行程および吸入行程の間で膜を往復動させるピストンを有する。

作動油のための連通路は、油タンクと輸送室の間に形成される。この連通路内の弁は、開いたとき、作動油を油タンクと輸送室の間で選択的に流れさせる。

過充填防止要素は、輸送室に設けられる。過充填防止要素は、輸送室が最大充填状態を超えて過充填状態に充填されることに起因して、膜が設計限度以上に変形させられることを防止する。

一実施形態では、作動油の連通路は、第１連通路であり、弁は、入口弁を含む。過充填防止要素は、輸送室と油タンクの間で作動油を連通する第２連通路を含み、この第２連通路内に設けられ、開いたとき、輸送室から油タンクへ選択的に作動油を流す出口弁を更に含む。

他の実施形態では、弁は、弁スプールを含む。弁スプールは、ピストンと膜に移動可能に連結される。過充填防止要素は、輸送室が膜を設計限度以上に変形させうる過充填状態にならないように弁スプールを止める機械的ストッパもつピストンを含む。

更なる実施形態では、膜ポンプは、第１端部が膜に連結され,第２端部がピストンに支持されてピストンと一緒に動いて、膜をポンプ室から離隔するように付勢するばねを含む。過充填防止要素は、輸送室が最大充填状態に至る直前に完全に密着するような適切な寸法の上記ばねによって形成される。

本発明は、米国特許第3,775,030号に記載されたバイアスされた作動油駆動を維持している。しかし、本発明は、過充填防止要素の使用を開示する。こうして、高真空状態において、過充填防止要素は、ポンプ室の吸入力に打ち勝ち、輸送室内への作動油の過充填を防止する(従って、膜は破壊しない)。

かくて、ここに開示された改善は、膜ポンプの耐久性と効率を最適化する。

本発明は、上述の従来の膜ポンプの改善に関する。同じ部材は、従来例と同一の参照番号で示している。改善された部材を区別して説明する。改善された部材は、ポンプの性能と耐久性の相乗的改善をもたらすと考えられる。

輸送室の過充填の問題を、吐出行程端で膜３４が破壊点を越えて膨張しないようにすることによって解決することが必要である。

図５に示すように、本発明による１つの可能性は、バイアスばね９６を無くして、弁スプールを止める機械的ストッパ160をむしろ導入することである。弁スプール８４の行程を制限することによって、膜３４の行程あるいは膨張も制限される。即ち、プランジャ４２全体および膜３４は、弁スプール８４が機械的ストッパ160によって止められる結果、吐出行程中に行程を制限される。バイアスばね９６が無いので、バイアスばねによって占められていた空間も無くなって、ベース部５８をステム８２付近まで内側に延ばせる。機械的ストッパ160は、ベース部５８の所望の位置に肩部として形成される。弁スプール８４の肩部162は、設計された吐出行程端で機械的ストッパ160に当接して、プランジャ４２および膜３４を停止させる。

図５を参照すると、機械的ストッパ160が位置しうる最右方が、ベース板８８が壁108に当接し、同時に肩部162が機械的ストッパ160に当接する直前である。当接点が輸送室４４の最大充填状態であり、輸送室４４の体積が少しでもこの最大充填状態よりも大きくなると過充填状態となる。膜３４が破壊しない輸送室４４の上記最大充填状態よりも少ない充填状態を膜３４の設計限度としている。

機械的ストッパを用いればバイアスばね９６は要らなくなるが、最大充填状態に達する前に輸送室４への作動油の充填を停止させるに十分強いバイアスばねを用いることは、依然有利である。バイアスばね９６を用いる利点は、圧力の急激な上昇をもたらす機械的ストッパへの衝突なしに、釣合い圧力に達しうることである。膜ポンプのような高速ポンプでは、機械的ストッパへの反復衝突は、騒音と疲労の潜在的原因である。バイアスばね９６の存在は、既述の如く従来のポンプで有益と判明したように、通常動作中の圧力バイアスが小さくてよいという利点をもたらす。

図６に示すように、機械的ストッパ160は、バイアスばね９６と一緒に用いられる。この構造では、機械的ストッパ160は、依然過充填防止要素であるが、バイアスばね９６が、通常動作時に圧力バイアスを与え、肩部162が機械的ストッパ160に接近したとき、弁スプール８４を緩衝する助けになる。

弱いバイアスばね９６から差別化される強いバイアスばね126をもつ本発明の膜ポンプの設計態様を、図７Ａ〜７Ｆに示す。従来の膜ポンプの弱いバイアスばね９６は、図８の強いバイアスばね126から差別化される。

図８は、Ｘ軸にばね長さをインチでプロットして示したグラフである。左側のＹ軸にピストンが膜に与える力を較正してポンドでプロットし、右側のＹ軸に膜における有効圧力を平方インチ当たりのポンド(psi)でプロットしている。米国特許第3,775,030号から、従来のポンプでは、通常状態でポンプを適切に動作させるには、輸送室４４に例えば３psiの僅かな過剰圧力を加える必要があることが知られている。従って、通常の圧縮動作中にバイアスばねによって維持される過剰圧力が種々のばね長さにおいて３psiから大きく相違しないように弱いばねを用いるというのが、従来の技術思想であった。代表的なばねのばね定数は、図８の直線140で示される。しかし、図４Ａ〜４Ｆで述べたように、従来のポンプは、プロセス流体をポンプに供給するラインが、フィルタが汚れるなどで詰まった場合、膜３４が破損するという問題がある。従って、本発明では、２つの参照点を考慮した。第１の参照点は、図２の弁ポート９８が丁度閉じるときに生じる。弁ポート９８が丁度閉じる時点で、バイアスばねは、プロセス流体ポンピング側での流体吸入に十分抗して、この流体吸入が膜をポンピング側に留まらせるのを防止し、作動油が輸送室へ不都合に充填されるのを防止しなければならない。ポンピング室の負圧は、明らかに輸送室へのより多い作動油の流入を常に要求するため望ましくないので、最小値は勿論零である。従来のポンプについて既に述べた経験は、３psiでうまく動作することを示した。８psiまでの圧力でも許容できる。よって、０〜８psiの範囲が適切である。第１の参照点は、図８に番号142で示されている。

第２の参照点は、輸送室４４が作動油で最大に充填されたとき、つまり、図４Ｆに示すようにベース板８８が壁108に当接するときに生じる。第２の参照点は、番号144で示されている。弱いばねの場合、閉弁時の参照点142での圧力は、３psiより少し大きく、最大過充填の参照点144での圧力は、略４psiである。ポンプのポンプ室が高真空のときに膜が破損する問題を解決するためには、通常動作条件では、参照点１を略満たし、高真空条件では、ばねが輸送室４４内に、油タンクと輸送室に大きな圧力差が生じず、機械的ストッパ160に接近したとき肩部162を緩衝する図８の番号146で示される略10.5psiの圧力を与えることが夫々必要であることが明確になった。油タンクは、大気圧即ち本質的に14.7psiである。第１と第２の参照点を直線で結べば、改善されたポンプのばね定数が決定される。

図７Ａ〜７Ｆは、図８の直線148で代表される強いばねについての動作を示している。

図７Ａ〜７Ｆでは、強いばねおよびプロセス流体ラインが閉塞した真空条件を仮定している。図７Ａ〜７Ｆは、弱いバイアスばねが強いバイアスばねに置き換わっている点を除いて、図４Ａ〜４Ｆと同様である。

図７Ａで吸入行程が始まる。プロセス流体の入口が閉塞しているので、吐出行程で圧力が起たないから、吸入行程における吸入で、ポンプ室106は急速に真空状態になる。膜３４とプランジャ４２は、左遠方に留まり、ポート９８を閉じ、バイアスばね９７を幾分圧縮する。

図７Ｂに中間行程の状態を示す。ポンプ室106内の低圧は、輸送室４４内を低圧にし、膜３４とプランジャ４２を左に保つが、強いバイアスばね９７がより大きいばね定数をもつので、図４Ｂに示される従来例ほど左遠方に保つことはできない。従って、輸送室４４の過充填は、このような条件下での膜３４の伸びの体積に制限される。

図７Ｃで吸入行程は下死点に達して終了する。ポンプ室における高吸入は依然存在するが、強いばね(図８の参照点146を参照せよ)が吸入力に均衡して、輸送室４４内の圧力を上げ、吐出行程が始まる前に輸送室４４が過充填されるのを防止する。より好ましい場合、バイアスばねが均衡するためのポンプ室に対する輸送室の圧力差は、例えば略10.5psiである。

図７Ｄで吐出行程が始まる。ポンプ室内は非常な低圧なので、ピストン４６は、左に移動する。輸送室内には、強いバイアスばね９７によって生じる圧力以外に何ら圧力が起たないので、膜３４,プランジャ４２,ピストン４６は、一緒に移動する。

図７Ｅに示す中間行程で、逆止弁102は閉じたままで、強いばね９７は、輸送室に漏れを流入させるよりも輸送室から漏れを流出させるように付勢する。吐出行程は、図７Ｆに示す状態で終了する。輸送室４４が過充填されていないので、膜３４は膨らまず、ポンプ室への入口ラインが詰まっていても、通常の動作が継続する。このことから、強いバイアスばね９７と機械的ストッパ160は、図４Ａ〜４Ｆで述べたような破壊モードを防止する。

かくて、弁スプールがポートを閉じてから更に移動するや、強いバイアスばねは、弁スプールが更に移動するのを阻止する。図８に示すように、通常のポート閉鎖位置(第１の参照点)では、弱いばねも強いばねも、４ポンド強の力つまり3.5〜4.5psiの圧力を膜に及ぼす。故に、米国特許第3,775,030号に記載されたバイアスされた作動油駆動が維持されている。しかし、最大ばね圧縮に向かって弁スプールの移動が継続すると、強いばねは、弱いばねが略５ポンドにすぎないのに対して、１２ポンドの力を出す。足された力は、膜が高真空下でずっと遠方まで移動する能力を制限する。このことは、輸送室側からの引き付け力は、ばね力とポンプ室と輸送室間の圧力差の和であるので、正しい。従来の弱いばねは、略５psiの真空にしか有効に均衡できないが、改善された強いばねは、略10.5psiの真空に均衡できるように最適化されおり、(理論的には14.7psiが得られるが)この10.5psiが実際に達成できる値である。可能な最大力のための設計は、完全に充填された輸送室に作動油が決して注入されないことを保証するが、ポンプの吸入および吐出の全サイクル中に作動油の正味の増加がないことだけが必要である。換言すれば、複数の吸入行程および吐出行程中に輸送室が大気圧以下よりも以上になるのにより多くの時間がある限り、輸送室内における作動油の平均的増加はないであろう。

真空下での膜破壊試験を行った。試験結果を表１に示す。図２で述べたポンプのバイアスばね９７を、表１に示すようにより大きいばね定数をもつように変更して用いた。入口(逆止弁３６)で真空を維持した。真空は、水銀柱１５インチ以下に１〜２時間維持した後、破損または試験終了まで水銀柱２０インチ以上に維持された。

表１

注：ばり発見；弁ハウジングの内部のばり除去

最初の３つの試験は、ばね定数43.1 lb/in.をもつ強いばねを用いて行った。膜は、試験１で９７時間後に、試験２で５５時間後に夫々破壊した。試験２の後にポンプを調べたところ、弁ハウジング内にばりを発見した。そのため、弁スプール８４が膠着し、結局膜が膨らんで、ベース板９０に捕捉された。弁ハウジング内のばりを除去して、試験３を行った。膜は、106時間で破壊した。ばりは、破壊までの時間を除いて結果に重要でないことが判明した。ばね定数43.1 lb/in.のばねで、膜は略100時間で破壊した。

試験４〜６は、ばね定数53.7 lb/in.をもつバイアスばねを用いて行った。各試験において、ポンプは膜の破壊なしで100時間に亘って稼働し、試験６では、膜の破壊なしで200時間に亘って稼働した。

以上の試験から、ばね定数43.1 lb/in.をもつバイアスばねは、辛うじて受け入れられることが判明した。ばね定数53.7 lb/in.のバイアスばねをもつポンプは、破壊しなかったので、明らかに受け入れられる。試験の結果は、図９に示されている。直線150は、ばね定数43.1 lb/in.をもつバイアスばねを、直線148は、ばね定数53.7 lb/in.をもつバイアスばねを夫々示す。破線152は、必要とされる最大のばね定数をもつバイアスばねを示している。即ち、ベース板８８が壁108(図４Ｅ参照)に当接する第２の参照点で達成される最大の真空度は、14.7psiaである。このようなポンプは、このような真空を決して達成できない。従って、直線152は破線で示され、幾分近似的である。ともかく、この破線は、どこに最大のばね定数があるのかという一般的概念を与えるものである。

ばね定数は、特定のポンプについて次のような設計条件を次のように仮定して計算することができる。第１に、膜の中間行程における等価面積は、ピストン断面積に略等しい。第２に、膜の前後の必要とされる最小圧力差は、ポンプに明示された吸入圧力に等しくなければならない。第３に、最大圧力差は、14.7psiである。以上に基づき、次のことが言える。即ち、
１. 過充填距離は、(i)最大過充填位置 と (ii)中立位置(弁が丁度閉じられる位置)における膜とピストンの間の距離の差である。
２. 過充填ばね力は、設計吸入圧力差にピストン断面積を乗じた値である。
３. 中立ばね力は、中立動作圧力差にピストン断面積を乗じた値である。
４. ばね定数は、過充填ばね力から中立ばね力を減じた値を、過充填距離で除した値である。

以上の仮定と叙述に基づき、ばね定数は次式で計算される。
ｋ＝Ａ_p(Ｐ_s−Ｐ_n)／ｄ₀
ここで、ｋはばね定数、Ａ_pはピストン断面積、ｄ₀は過充填距離、Ｐ_sは設計吸入圧力差、Ｐ_nは中立動作圧力差である。

既述の試験に基づけば、適切な最大設計吸入圧力差は8.4〜14.7psiであり、適切な中立動作圧力差は０〜８psiである。

図８と図９から、本発明の強いバイアスばねは、従来のばねよりも必然的に短いことが解る。このことは、ポンプが閉塞され、バイアスばねが作動油を輸送室からピストンセンブリ/ハウジングの間を経て油ポンプへ常には押し出せなくなったとき、利点を有する。強いばねを用いた場合、輸送室が一旦適切に充填され、ポンプが閉塞したとき、ばねは最早大きな力を発現しない。これは、輸送室の作動油充填が適切なポンピング位置にあって、次の動作開始の際に再充填点する必要がないことを意味する。

より強くより短いバイアスばね９７により、輸送室の最大充填位置でバイアスばねが密着高さに達するようにこのバイアスばねの寸法を決めることができる。図１０に示すように、バイアスばね９７は、ベース板８８が壁108に当接したとき、つまり輸送室４４が最大充填状態に達したとき密着する。既述のごとく、ばね９７は、ベース板８８が壁108に達する前に密着するのが好ましい。また、図１０に示すように、機械的ストッパ160が要らないことに注目すべきである。かくて、ばね９７は、圧縮されて結局密着長さになり、これによって、図１０におけるプランジャ４２の更なる右移動を阻止する。この構造により、バイアスばね９７は、過充填防止要素の１つになる。

過充填防止要素の種々の実施例をもつ上述の膜ポンプは、総て油タンクと輸送室の間を連通する連通路を備え、この連通路内に開いたときに、油タンクから輸送室へ作動油を流れさせる弁を持っている。図２を参照すると、連通路は、(図示しない)油タンクから逆止弁３２、次いで弁ポート９８と弁ポート８４をもつスプール弁を経て、膜のスプール弁側の空間を含む輸送室４４へ延びている。複数の弁をもつこの連通路が、輸送室へ作動油を流し、作動油の流れを制御する。図３Ａ〜Ｆを参照して述べたように、通常動作条件下で輸送室に流入する作動油の制御は、比較的一定に維持され、ポンプは良好に作動する。しかし、既述の如く特定の条件下で、このような弁作動が、輸送室の体積を制御できなくなる。最も普通の条件は、図４Ａ〜Ｆで述べたポンプ入口における過度の吸入である。この問題に対処するための構造である過充填防止要素の種々の実施例は、すでに述べた。過充填防止要素の更なる実施例は、輸送室への作動油の流れを制御するのみならず、輸送室から過剰な作動油を排出する作動油制御弁系を提供することである。このような系を、図１１に示す。

図１１に示すポンプは、次の点を除いて図２のポンプと同じである。即ち、ハウジング２４の部分３８,４０は、それらの間に膜３４を作動可能に挟持する。ピストン４６は、パッド４８を揺動させる(図示しない)ウォッブル板によって、シリンダ４７内を往復動する。ピストン４６は、ピストンの外壁をなすスリーブ部５２を有する。スリーブ部５２は、スリーブ５４と、ウォッブル板に当接するパッド４８をもつ端部５６を有する。

ベース部164は、スリーブ部５２に収容される。図１１のベース部164は、図２のベース部５８から差別化される。さらに、図１１のポンプには、弁ハウジング７２とバイアスばね９７が無い。

ベース部164は、ベース部分166と円筒部分168を有する。ベース部分166は、スリーブ部５２の端部５６に当接し、ベース部分166とスリーブ５４の間を封止する１つ以上のシール要素170を有する。円筒部分168は、僅かな距離だけスリーブ部５２の開口端を越えて延びるが、吐出行程端でハウジング部分４０の一部に当接するほどは延びない。円筒部分168は、戻しばね６８のための同心円状の空間をスリーブ５４との間に形成する。

ベース部164は、膜プランジャ176のステム174を受ける円筒状の中心開口172をもつ。膜３４は、ヘッド８６と、端部５６と反対側のステム174の端部のベース板８８との間に把持される。ステム174は、中空で、後述するようにポート180と協働する穴178を有する。輸送室４４は、膜３４のピストン側に形成され、ポンプ室106は、膜３４の反対側に形成される。

弁系182は、輸送室４４のための過充填防止要素を提供すべく、ピストンアセンブリ３０内に形成される。端部５６内の通路184は、ベース部164内の通路186と連通して、輸送室４４へ導く第１入口スプール弁188および第２入口逆止弁190と一緒に第１連通路を形成する。

第１入口スプール弁188は、ポート180と穴178を備え、これらは、両者が揃ったとき開成し、両者が揃わないとき閉成する入口ポートとして動作する。この点で、ステム174は、弁スプールとして機能する。

第２入口逆止弁190は、油タンクから輸送室４４への流れ方向に開き、輸送室４４から油タンクへの流れ方向に閉じるボール逆止弁である。ボール192は、ベース部分166と反対側のベース部分164の端部194の近くに位置する。

第２連通路は、端部５６内の通路196と、ベース部164内の通路198を有し、両通路は連通している。第２連通路は、第１出口スプール弁200と第２出口逆止弁202を有する。第１出口スプール弁は、ポート204を有し、このポート204は、ステム174の端部206が図１１で右遠方へ移動してポート204が開かれると、第１出口スプール弁200が開く。ステム174が左に移動してポート204を閉じると、第１出口スプール弁200も閉じられる。かくて、ステム174の端部206は、第１出口スプール200が弁系182内で適切に機能するようにポート204に対して位置する。

第２出口逆止弁202は、油タンクから輸送室４４への流れ方向に閉じ、輸送室４４から油タンクへの流れ方向に開くボール逆止弁である。第２出口逆止弁202は、通路198内の端部５６の近くにボール208を有する。

弁系182の作動時の機能を図１２〜図１５に示す。これらの図は、従来のポンプの作動を示した図３Ｂ〜図３Ｅに対応する。図１２は、輸送室４４内に作動油が少なすぎる条件で吐出行程にあるポンプを示している。第１連通路内の第２入口逆止弁190は、入口側で閉じており、第１出口スプール弁200は、出口側で閉じている。従って、作動油は輸送室４４から流出しない。即ち、輸送室４４内は既に作動油が少なすぎるから、吐出行程は、輸送室４４から上記弁系を経て更なる作動油を排出しない。

図１３は、輸送室４４内に作動油が少なすぎる条件で吸入行程にあるポンプを示している。輸送室４４内の圧力が油タンク内の圧力よりも低いので、第２入口逆止弁190は開く。輸送室４４内の作動油の不足が、膜３４を図１３で左方向に動かし、弁スプールとして機能するステム174が、左方向に動かされ、ポートとして機能する穴178が、ポート180に揃う。第１連通路内の入口側の２つの弁が開くので、作動油が輸送室４４に流入する。かくて、吐出行程(図１２)中は作動油が失われず、吸入行程中は輸送室４４に作動油が流入する。従って、上記弁系は、輸送室４４内の作動油が少なすぎる状態を修正するように機能する。

図１４は、輸送室４４内に作動油が多すぎる条件で吐出行程にあるポンプを示している。この場合、作動油が多すぎるので、膜３４は、より右方向へ移動して、第１入口スプール弁188を閉鎖する。しかし、第１出口スプール弁200は、開いている。また、吐出行程中に輸送室４４内の圧力が上昇し、第２出口逆止弁202が開くので、作動油は第２連通路を経て油タンクへ流出する。

図１５は、輸送室４４内に作動油が多すぎる条件で吸入行程にあるポンプを示している。作動油が多すぎるので、膜３４は図１５で右方にあって、第１入口スプール弁200を閉鎖する。他方、第１出口スプール弁200は、開いている。ポンプが吸入行程中なので、輸送室４４内の圧力は、油タンク内の圧力以下に減少する。従って、第２出口逆止弁202が開き、輸送室４４から第２連通路を経て油タンクへ作動油が流出する。従って、輸送室４４内に作動油が多すぎる場合、上記弁系は、吐出行程および吸入行程の両方で作動油を油タンクに戻すように機能する。

図１１〜図１５のポンプでは、バイアスばねが無い。図１６と図１７に示すように、弁系182を僅かに変更してバイアスばねを設けることができる。図１６を参照すると、プランジャ208は、図２のプランジャ４２に類似している。プランジャ208は、図１１のステム178のような中空ではない中実のステム210を有する。ステム210は、弁スプール212に螺着するなどで取り付けられている。弁スプール212は、ステム210よりも直径が大きい。その結果、ステム210とベース部216内の通路214の円筒壁との間に同心円状の空間がある。通路214は、円筒状の壁218がベース部216の端部220を越えて延び、図２のポンプの第２ベース６４の構造と同様の内側に延びるフランジ222をもつ点を除いて、図１１の通路172と類似している。バイアスばね224は、ステム210と通路214の円筒状の壁との間の同心円状空間に配置され、弁スプール212とフランジ222との間に嵌装されている。

ステム210は、図１１のポンプのステム178のように中空でないから、第１入口スプール弁188および第２出口スプール弁200とは異なるやり方で作動油を連通させなければならない。ベース部216の中実部分を貫く通路226が、第１入口スプール弁188のポート180に半径方向に揃えて延びている。こうして、弁スプール212が図１６の左方向に遠くまで移動して、第１入口スプール弁188が開いたとき、通路226,バイアスばね224の在る同心円状の空間,ポート180を経て輸送室４４に対して作動油が流入または流出する。

図１７に示すように、輸送室４４と、弁スプール212と端部５６間の通路214の部分との間に、通路228が設けられている。弁スプール212が図１６で右遠方へ移動して、第１出口スプール弁200のポート204を開くと、通路228,通路214,ポート204を経て輸送室４４に対して作動油が流入または流出する。

弁系182は、バイアスばねの有無に拘わらず、作動油が不十分な場合は作動油を流入させ、作動油が過剰な場合は作動油を排出させて、膜３４の背面の輸送室４４内の作動油の体積を制御する。こうして、上記弁系は、過充填防止要素の１つとなる。

バイアスばねの無い弁系５６は、ポンプの作動中は膜の前後に圧力差を作ることできない。バイアスばねをもつ弁系は、輸送室内に適正な量の作動油があるとき、バイアスばねが緩和して膜を付勢しない既述の長さを有し、弁系が出口側で開いた時点で、膜の前後に圧力差を与えるばね強さを有する。バイアスばねについてこれまで述べてきた事柄は、弁系をもつポンプについても当てはまる。

膜ポンプにおける輸送室の過充填防止要素の多くの実施例について述べてきた。このような過充填防止要素は、輸送室が最大充填状態を超えて過充填状態まで充填されることに起因する膜の設計限度以上の変形を防止する。従って、膜は長寿命を有する。

本明細書,実施形態およびデータは、本発明の構成の製造および使用を完全に記述している。しかし、本発明の真髄と範囲から離れることなく多くの実施形態が創られうるので、本発明の本質は、以下に述べる請求項に存する。

図１は、従来の膜ポンプの斜視図である。 図２は、従来の膜ポンプの一部断面図である。 図３Ａは、従来の膜ポンプの通常状態を示す一部断面図である。 図３Ｂは、従来の膜ポンプの通常状態を示す一部断面図である。 図３Ｃは、従来の膜ポンプの通常状態を示す一部断面図である。 図３Ｄは、従来の膜ポンプの通常状態を示す一部断面図である。 図３Ｅは、従来の膜ポンプの通常状態を示す一部断面図である。 図３Ｆは、従来の膜ポンプの通常状態を示す一部断面図である。 図４Ａは、従来の膜ポンプの膜損傷をもたらす高真空状態を示す一部断面図である。 図４Ｂは、従来の膜ポンプの膜損傷をもたらす高真空状態を示す一部断面図である。 図４Ｃは、従来の膜ポンプの膜損傷をもたらす高真空状態を示す一部断面図である。 図４Ｄは、従来の膜ポンプの膜損傷をもたらす高真空状態を示す一部断面図である。 図４Ｅは、従来の膜ポンプの膜損傷をもたらす高真空状態を示す一部断面図である。 図４Ｆは、従来の膜ポンプの膜損傷をもたらす高真空状態を示す一部断面図である。 図５は、過充填防止要素として機械的ストッパをもつ本発明による膜ポンプの一部断面図である。 図６は、バイアスばねを備えた機械的ストッパをもつ本発明による膜ポンプの一部断面図である。 図７Ａは、機械的ストッパと高ばね定数のバイアスばねを用いた膜ポンプの動作を示す一部断面図である。 図７Ｂは、機械的ストッパと高ばね定数のバイアスばねを用いた膜ポンプの動作を示す一部断面図である。 図７Ｃは、機械的ストッパと高ばね定数のバイアスばねを用いた膜ポンプの動作を示す一部断面図である。 図７Ｄは、機械的ストッパと高ばね定数のバイアスばねを用いた膜ポンプの動作を示す一部断面図である。 図７Ｅは、機械的ストッパと高ばね定数のバイアスばねを用いた膜ポンプの動作を示す一部断面図である。 図７Ｆは、機械的ストッパと高ばね定数のバイアスばねを用いた膜ポンプの動作を示す一部断面図である。 図８は、従来の弱いバイアスばねと本発明による強いバイアスばねを示すグラフである。 図９は、本発明によるバイアスばねのばね定数範囲を示すグラフである。 図１０は、過充填防止要素として機能させるべく最大充填位置で密着高さになるように設計されたバイアスばねを有する本発明による膜ポンプの一部断面図である。 図１１は、過充填防止要素として機能する弁系を備えた本発明による膜ポンプの一部断面図である。 図１２は、図１１の膜ポンプの動作を示す一部断面図である。 図１３は、図１１の膜ポンプの動作を示す一部断面図である。 図１４は、図１１の膜ポンプの動作を示す一部断面図である。 図１５は、図１１の膜ポンプの動作を示す一部断面図である。 図１６は、図１１と類似するが、バイアスばねをもつ膜ポンプを示す一部断面図である。 図１７は、図１１と類似するが、バイアスばねをもつ膜ポンプを示す一部断面図である。

符号の説明

４２ プランジャ
８８ ベース板
９７ バイアスばね
108 壁

Claims (9)

1. モータから駆動力を受ける膜ポンプにおいて、
   圧送すべき流体を収容するポンプ室と、作動油を収容する輸送室と、油タンクとを有するハウジングと、
   輸送室側とポンプ室側を有して上記ハウジングに支持され、このハウジングと共に上記ポンプ室側にポンプ室を、上記輸送室側に輸送室を夫々形成する膜と、
   上記ハウジング内で上記輸送室の一部をなすシリンダと、
   このシリンダ内に上記膜を吐出行程と吸入行程をもつように往復動させるべく設けられるとともに、上記油タンクと輸送室との間に作動油を連通させる連通路と、この連通路内に開成したときに油タンクから輸送室へ作動油を選択的に流れさせるように設けた弁とを備えたピストンと、
   上記輸送室が最大充填状態を超えて過充填状態になることに起因する上記膜の設計限度を越える変形を防止する過充填防止要素を備えたことを特徴とする膜ポンプ。
2. 請求項１に記載の膜ポンプにおいて、上記連通路は、第１連通路であり、上記弁は、入口弁を有し、上記過充填防止要素は、上記輸送室と油タンクとの間に作動油を連通させる第２連通路を有し、開成したとき上記輸送室から油タンクへ作動油を選択的に流させる出口弁を、上記第２連通路内に設けたことを特徴とする膜ポンプ。
3. 請求項１に記載の膜ポンプにおいて、上記弁は、上記ピストンと膜を移動可能に連結する弁スプールを有し、上記過充填防止要素は、上記弁スプールのための機械的ストッパを有する上記ピストンを含んで、上記輸送室が上記膜の設計限度を越える変形をもたらす過充填状態を越えて充填されないようにすることを特徴とする膜ポンプ。
4. 請求項１に記載の膜ポンプにおいて、第１端部が上記膜に連結され、第２端部が上記ピストンに支持されてこのピストンと一緒に動くばねを備え、
   このばねは、次式で与えられるばね定数ｋを有し、設計吸入圧力は、８.４〜１４.７psi(ポンド／平方インチ)の範囲に、中立動作圧力は、０〜８psiの範囲にあることを特徴とする膜ポンプ。
   ｋ＝Ａ_p(Ｐ_s−Ｐ_n)／ｄ₀
   但し、Ａ_pはピストン断面積、ｄ₀は過充填距離、Ｐ_sはポンプ設計吸入圧力差、Ｐ_nはポンプ中立動作圧力差である。
5. 請求項４に記載の膜ポンプにおいて、上記過充填防止要素は、上記輸送室が最大充填状態に達する直前に完全に密着するような寸法の上記ばねであることを特徴とする膜ポンプ。
6. モータから駆動力を受ける膜ポンプにおいて、
   圧送すべき流体を収容するポンプ室と、作動油を収容する輸送室と、油タンクとを有するハウジングと、
   輸送室側とポンプ室側を有して上記ハウジングに支持され、このハウジングと共に上記ポンプ室側にポンプ室を、上記輸送室側に輸送室を夫々形成する膜と、
   上記ハウジング内で上記輸送室の一部をなすシリンダと、
   このシリンダ内に上記膜を吐出行程と吸入行程をもつように往復動させるべく設けられるとともに、上記油タンクと輸送室との間に作動油を連通させる第１入口弁系を内蔵した第１連通路と第２出口弁系を内蔵した第２連通路を有するピストンとを備え、
   上記第１,第２連通路と上記第１入口弁系,第２出口弁系は、上記輸送室内に適切な量の作動油を維持して、上記ピストンが吐出行程および吸入行程を移動するとき、上記膜が設計限度以上に変形することを防止することを特徴とする膜ポンプ。
7. 請求項６に記載の膜ポンプにおいて、上記第１入口弁系は、第１入口スプール弁と第２入口逆止弁を有し、上記第２出口弁系は、第１出口スプール弁と第２出口逆止弁を有することを特徴とする膜ポンプ。
8. 請求項７に記載の膜ポンプにおいて、上記ピストンは、上記第１,第２連通路の一部をなす通路をもつベース部を有し、出口スプール弁は、上記膜に連結されて上記通路内で自由に動く共通の弁スプールを有し、上記第１入口スプール弁は、上記ベース部内の第１入口ポートを有し、上記第１出口スプール弁は、上記ベース部内の第１出口ポートを有し、上記弁スプールは、上記通路内で選択的に動いて、上記第１入口ポートまたは第１出口ポートのいずれかおよび上記第１入口スプール弁または第１出口スプール弁のいずれかを開いて、作動油を流通させることを特徴とする膜ポンプ。
9. モータから駆動力を受ける膜ポンプにおいて、
   圧送すべき流体を収容するポンプ室と、作動油を収容する輸送室と、油タンクとを有するハウジングと、
   輸送室側とポンプ室側を有して上記ハウジングに支持され、このハウジングと共に上記ポンプ室側にポンプ室を、上記輸送室側に輸送室を夫々形成する膜と、
   上記ハウジング内で上記輸送室の一部をなすシリンダと、
   このシリンダ内に上記膜を吐出行程と吸入行程をもつように往復動させるべく設けられたピストンと、
   上記油タンクから輸送室へ作動油を供給する手段と、
   上記輸送室が作動油で過充填されるのを防止して、輸送室が最大充填状態を越えて充填されることに起因して上記膜が設計限度を越えて変形することを防止する手段を備えたことを特徴とする膜ポンプ。

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