JP2007515584A - ポンプのダイヤフラムの破損検出 - Google Patents

Abstract

油圧駆動式ポンプは、プロセス流体に曝された第１のチャンバと、作動流体を保持するように構成された第２のチャンバと、第１のチャンバと第２のチャンバとの間に配置された多層ダイヤフラムとを有する。ダイヤフラムは、プロセス流体と接触する第１の層と、作動流体と接触する第２の層と、エラストマベース材料及びこれに埋設されたエラストマ導電性トレースを有する第３の層と、を備えている。第３の層は、第１の層と第２の層との間に配置されており、第１及び第２の層に対して移動可能である。導電性トレースの電気抵抗の変化は、第１、第２及び第３の層のうちの１つにおける故障状態を示す。

Description

本発明は、油圧駆動式ポンプ、特に油圧駆動式ポンプのダイヤフラムに関する。

オイルによって支援／駆動される公知の回転作動式ダイヤフラムポンプは、摺動するピストン又は磨耗するシールをプロセス流体中には備えていないので、扱いにくい多くの流体を圧送できる能力を本質的に備えた高圧ポンプである。ダイヤフラムは、周囲環境（プロセス流体）からポンプを完全に隔離することによって、ポンプを汚染から保護する。

ダイヤフラムポンプ２０の概略が図９及び図１０に示されている。ポンプ２０は駆動軸２２を有しており、駆動軸２２の後部には大型でテーパ状の転がり軸受２６があり、また、駆動軸２２の前部には小さな軸受（図示せず）があり、これらの軸受によって、駆動軸２２はポンプハウジング２４内に堅く保持されている。他の１対の大きな軸受（図示せず）の間には、一定の角度だけ傾斜したカム即ちウォブル板２８が挟まれている。駆動軸が回転すると、ウォブル板が移動して前後に振動し、軸方向運動を直線運動に変換する。３つのピストンアセンブリ３０（１つのピストンアセンブリのみが示されている）は交互にウォブル板２８によって変位させられる。後で示すように、各ピストンは、エンクロージャ内に位置しており、エンクロージャには、該エンクロージャがオイルで満たされるようにシリンダが備えられている。ピストン／シリンダアセンブリ３０の底部に設けられたボール逆止め弁３２は、貯蔵部２７（貯蔵部２７内にはウォブル板２８が配置されている）からのオイルが吸込行程においてエンクロージャを充填させるように機能する。吐出工程又はポンピング工程の間に、エンクロージャ内で保持されたオイルは、ダイヤフラム３４の後側を加圧し、ウォブル板が移動すると、ダイヤフラムを前方へたわませ、圧送動作を提供する。

理想的には、ポンプは、設計上の圧力の範囲全体に亘ってダイヤフラムの両側の圧力を油圧で平衡状態にする。しかし、実際は、後述するように、公知のポンプの全ての状況においてそうなるわけではない。いかなる場合でも、各ダイヤフラムは、入口及び出口の逆止め弁アセンブリ３６，３７を含むポンピングチャンバを有している。ダイヤフラムが引っ込むと、プロセス流体は共通の入口を通ってポンプに進入し、複数ある入口逆止め弁のうちの１つを通過する。吐出工程又はポンピング工程において、ダイヤフラムは、プロセス流体を排出逆止め弁から押し出してマニホールド共通出口を通過させる。１２０°の等間隔で配置されたダイヤフラムは、プロセス流体が実質的に脈を打つような流れではなく連続して流れるように、順次作動する。

ダイヤフラム３４はハウジング２４の２つの部分３８，４０の間に保持されている。ダイヤフラム３４は、オイルで満たされたポンプの油圧駆動側とポンプ側とを分離している。駆動側において、ダイヤフラムプランジャ４２を備える駆動ピストンアセンブリ３０は、移送チャンバ４４として機能するエンクロージャ内に含まれている。該エンクロージャはオイルで満たされている。ピストン４６における１対の逆止め弁３２は、オイル貯蔵部（図示せず）と移送チャンバ４４とを分離している。ウォブル板２８（図２には示されていない）はピストン４６を駆動するためにパッド４８に接触する。矢印４９はカム若しくはウォブル板の大まかな移動方向を示している。ピストン及びダイヤフラムが前方移動工程若しくはポンピング工程を完了すると、ピストン４６の端部５０は上死点（TDC）に位置する。ピストン及びダイヤフラムが吸込工程において引っ込められると、ピストン４６の端部５０は下死点（BDC）に位置する。

図１１（a）〜図（f）は、従来の付勢ばね９６を使用する通常の標準的な作動条件下における従来のポンプ２０の作動を示している。典型的な圧力が示されている。カム即ちウォブル板（図１１（a）〜図（f）には不図示）の典型的なベクトル方向が示されている。吸込圧力は１４．７psia未満である。吐出圧力は１４．７psiaより大きい。ダイヤフラム３４の両側の圧力差は約３psiaに設定されている。

図１１（a）を参照すると、吸込工程はポンピング工程の終了時に開始する。ある仮定の状況において、ポンピングチャンバ内の圧力は、高い圧力例えば１２０psiaから１０psiaまで即座に減少する。オイル移送チャンバにおける圧力は、貯蔵部における１４．７よりも低い１３psiaである。ピストン３０は上死点にあり、下死点への移動を開始する。付勢ばね９６は瞬間的にプランジャ４２、詳しくは弁スプール８４を右方へ移動させ、ポート９８を開放させる。移送チャンバにおける圧力は貯蔵部における圧力よりも低いので、逆止め弁４６が開き、オイルが貯蔵部から移送チャンバへ流れ、以前に行われたポンピング工程で失われたオイルが移送チャンバを適切に満たす。すなわち、ポンピング工程の圧力でオイルは、ピストンにおいて公差が多少緩い部分を通り、その結果、僅かなオイルが移送チャンバから貯蔵部へ戻る。したがって、次のポンピング工程の際に圧力を効率的に提供するのに十分なオイルが存在するように、吸込工程の際に移送チャンバにオイルを再充填する必要がある。

図１１（b）は吸込工程の中間における構成を示している。ポンピングチャンバにおける僅かな吸込圧力（１０psiaとして示されている）はダイヤフラム３４及びスプール８４を左方へ保持する一方で、ピストン３０は右方へ移動し、これによりポート９８を閉じる。圧力はほぼ等しく、ダイヤフラム３４はピストン３０と共に右方へ移動するので、ポンピングチャンバはプロセス流体で満たされる。

図１１（c）に示されるように、プロセス流体 は、ダイヤフラム３４が右方へ移動している間、充填を続ける。弁ポート９８は閉じられたままである。圧力がほぼ等しいので、貯蔵部（図示せず）から移送チャンバ４４へのオイル漏れはほとんど生じない。したがって、ダイヤフラムの両側は適切に満たされる。

ピストン３０が下死点に到達すると、吸込工程が完了し、吐出工程即ちポンピング工程が開始する。移送チャンバ内の圧力は、例えば１３psiaから１２３psiaまで即座に上昇する。同様に、ポンピングチャンバ内の圧力は、例えば１０psiaから１２０psiaまで即座に上昇する。ウォブル板はピストン３０を左方へ移動させ始め、これにより圧力の上昇を生じる。逆止め弁３２は閉鎖する。ダイヤフラム３４は、プロセス流体を押し出すためにピストンと共にオイル及びプロセス流体とともに左方へ移動する。

図１１（e）に示された工程の中間において、吐出が継続して行われている。ピストンとシリンダとの間からオイルがある程度漏れることによって、ダイヤフラムプランジャ４２の弁スプール８４を右方へ移動させて弁ポート９８を開放する。しかしながら、逆止め弁３２は閉鎖されており、これにより、オイル漏れを除けば、オイルは移送チャンバ４４内に保持されている。

吐出工程は図１１（f）に示された状態で完了する。充填された移送チャンバ４４は移動しながらダイヤフラム３４を左方へ押してプロセス流体を排出する。図１１（a）〜図（f）に示された通常動作は、ダイヤフラム３４にほとんど応力を生じさせない。

ピストン４６はシリンダ４７内で往復運動する。ピストン４６は、ピストンの外壁を形成するスリーブ部５２を有している。スリーブ部５２は、スリーブ５４と、ウォブル板と接触するパッド４８を備える端部５６と、を有している。スリーブ５４内にはベース部５８が収容されている。ベース部５８は第１のベース６０を有しており、この第１のベース６０は、端部５６と接触しておりかつ、第１のベース６０とスリーブ５４との間をシールするためのシールエレメント６２を備えている。ベース部５８は、第１のベース６０とは反対側の端部において第２のベース６４を備えている。接続壁６６は第１のベース６０と第２のベース６４とを接続している。ピストン戻しばね６８は、第１のベース６０とダイヤフラムストッパ７０との間に延びたコイルばねであり、該ダイヤフラムストッパはポンプハウジング２４の一部である。弁ハウジング７２は、ベース部５８内に収容されており、第２のベース６４と端部５６との間で延びている。シール７４は、第２のベース６４の近傍において弁ハウジング７２と接続壁６６との間にシール機構を提供している。

スリーブ部５２の端部５６とは反対側の端部７６は開放している。同様に、弁ハウジング７２の端部７８は開放している。第２のベース６４は、プランジャ４２のステム８２を収容するための開口８０を有している。

ダイヤフラムプランジャ４２は、弁ハウジング７２内に取り付けられた弁スプール８４を有しており、ステム８２は弁スプール８４から開口８０を通ってダイヤフラム３４の引き渡しチャンバ側におけるヘッド８６まで延びている。ベースプレート８８は、ダイヤフラム３４のポンピングチャンバ側にあり、プランジャ４２の中空の部分９２に螺合したねじ９０を用いてダイヤフラムをヘッド８６に締付けている。中空の部分９２はプランジャ４２の一方の端部から他方の端部まで軸方向に延びている。ねじ９０はダイヤフラム端部に螺合されている。中空の部分９２のピストン端部は開放している。半径方向に向いた複数の開口９４がステム８２に設けられている。付勢ばね９６はコイルばねであり、第２のベース６４と弁スプール８４との間で延びている。

弁ポート９８は弁ハウジング７２の壁に設けられている。溝１００は接続壁６６において弁ポート９８から端部５６まで延びている。逆止め弁１０２は、貯蔵部（図示せず）と流体連通した通路１０４内にあり、且つ端部５６に形成されている。したがって、貯蔵部（図示せず）から通路１０４及び逆止め弁１０２を通り、溝１００を介して弁ポート９８までは流体連通している。弁が開いている場合は、更に、コイルばね９６が配置されている空間から、複数の半径方向の開口９４のうちの１つを介して、プランジャ８４の軸方向の中空の部分９２までは連通している。更に、中空の部分９２から、半径方向に向いた他の開口９４を通って移送チャンバ４４の様々な部分までは流体連通している。中空の通路９２と半径方向に向いた開口９４とによって、ダイヤフラム３４の近傍における移送チャンバ４４の部分とピストン３０の弁ハウジング７２内の移送チャンバ４４の部分とが流体連通する。移送チャンバは、また、ピストン戻しばね６８が占める空間をも含んでいる。

ダイヤフラム３４のポンプ側には、入口逆止め弁アセンブリ３６が設けられており、該弁アセンブリ３６は、ポンピングチャンバ１０６において負圧が発生する吸込工程の際に開く。また、ポンピングチャンバ１０６に圧力が発生するポンピング工程即ち吐出工程の際に開く逆止め弁３７も設けられている。

従来のダイヤフラムポンプに関する問題は、ある作動状況下におけるダイヤフラムの予期せぬ破損である。ダイヤフラムは、通常よりも著しく早く故障するおそれがあり、また、ポンプの他の部品よりも早く故障することが頻繁にある。故障することによって、プロセスラインが駆動オイルで汚染される。故障が生じる頻度が最も高い作動状況は、入口の負圧が大きく、その負圧に対応する出口の圧力が低い状況である。これは、典型的なポンピングシステムにおいて、入口フィルタが詰まり始めたときに予想される状況である。この場合、入口フィルタが詰まると、フィルタを介してプロセス流体を引くために大きな負圧が必要となる。同時に、圧送されるプロセス流体の体積の減少は出口圧力を低下させる。このため、吸込工程の際にポンピング側の強い吸込が移送チャンバ側の圧力を低下させることによって、移送チャンバが実質的に“より多くの充填流体を要求し”、その結果として、ポンピング工程即ち吐出工程の際にオイルを押し出してポンピングチャンバ側と移送チャンバ側との平衡させるための高い圧力が無い状況でオイルが流入して移送チャンバを過剰に満たすことになる。

オイルで過剰に満たすと、ダイヤフラムは、裂断するまで流体弁ポート内に向かって“ふくらむ”。さらに、この装置のような高速で逆作動する負圧／圧力ポンプの場合、弁が高速で閉じると、ジョーコブスキー・ショック（Joukobski shock）と呼ばれる著しい圧力のスパイクが生じる。該スパイクは流体圧力又は音響波及び両者の調和から成る。これらの圧力のスパイクは、偶発的なものではない場合、駆動ピストン内にオイル流体が流れることを“要求する”。これによって、再び過剰なオイルによる充満が起こり、ダイヤフラムの故障につながるおそれがある。

ダイヤフラムが破損する可能性があることにより、油圧駆動ポンプは、上記のタイプの汚染に耐えることができない例えば吹付け塗装ラインのような用途には通常は適していない。破損したダイヤフラムによる汚染の可能性を除けば、多くの用途に供されるポンプとして油圧駆動ポンプを選択することは好ましい。したがって、ダイヤフラムが故障したときを検出して、その検出情報がポンプを停止させるために使用可能であることが必要である。

ダイヤフラムの破損を検出するための様々な方法が過去に使用されてきた。ダイヤフラム破損検出システムの例は、下記特許文献１に開示されるように、２つのダイヤフラムを使用し、これらのダイヤフラムの間には負圧が存在する。この方法は、負圧を維持しかつ負圧の損失を検出するために複雑なハードウェアの使用を必要とする。

別のダイヤフラム破損検出方法は、液体によって分離された２つのダイヤフラムを使用する。この方法は、下記特許文献２に開示されるように、液体の導電性の変化を検出する。この方法はさらに、破損時に変化が検出されることができるように液体の特性が圧送される流体とは異なっていることが求められる。したがって、この方法の場合、中間流体がポンプによって圧送される流体とポンプのオイルとは異なっていることが必要であり、この中間流体はポンプによって圧送される流体の導電率に応じて変化しなければならない。

ダイヤフラム破損検出の別の方法が下記特許文献３に開示されている。この方法はダイヤフラムの表面に形成された連続する金属トレースを使用する。金属トレースの連続性及び圧送される液体との不意な地絡が監視される。地絡の検出は、導電性トレースをブリッジする可能性のある流体の導電率が原因で破壊が隠蔽されることを防ぐものである。トレースは金属でなければならないので、トレースは、大きなひずみを受けると破壊される。このシステムは、トレースを複雑な形状にしてひずみを最小限にすることによって、金属トレースの使用を可能にしている。特許文献３には、比較的低いひずみを有しており、たわみの程度が低い大きな直径のダイヤフラムの例が複数示されている。

米国特許第5667368号 米国特許第4971523号 米国特許第4781535号

本発明は、ダイヤフラムを備える油圧駆動式ポンプに関する。本発明のダイヤフラムは、多数のエラストマ層を備えており、多数あるエラストマ層のうちの１つにはエラストマ導電性トレースが埋設されている。エラストマ層は互いに結合されていてもよいが、好適な実施形態では、各エラストマ層の磨耗及び故障が個々で生じるように各層は互いに独立して移動可能となっている。

本発明の概念は、油圧駆動式ポンプに使用される多層ダイヤフラムに関する。該第八フラムは、ポンプによって圧送されるプロセス流体と接触する第１の層と、ポンプの作動流体と接触する第２の層と、第３の層とを備えている。第３の層は、エラストマ材料と、該エラストマ材料に埋設されたエラストマ導電性トレースと、を備えている。第３の層は、第１の層と第２の層との間に配置されている。また、第３の層は、第１の層及び第２の層に対して独立して移動可能である。

本発明の他の概念は、エラストマ層と導電性トレースとを備えるポンプダイヤフラムを製造する方法に関する。該方法は、エラストマ層の第１の部分を形成することと、エラストマ層の第１の部分の主要面に導電性トレースを形成することと、導電性トレースの一部を覆うように第１の部分の主要面にエラストマ層の第２の部分を形成することと、から成り、第１の部分と前記第２の部分とは一体となり、導電性トレースの外縁部は露出する。導電性トレースは、シリコーンと炭素との混合物のようなエラストマ材料を含んでいる。また、エラストマ材料は、少なくとも２０％のひずみに抵抗し、導電性である。

本発明の更なる概念は、第１、第２、及び第３のエラストマ層を備える油圧ポンプのダイヤフラムの破損を検出する方法に関する。第３の層は、シリコーンのようなエラストマ材料と、該エラストマ材料に埋設されたエラストマ導電性トレースと、を備える。該方法は、油圧ポンプによって圧送される流体と接触するよう第１の層を配置することと、油圧ポンプの作動流体と接触するよう第２の層を配置することと、第１の層と第２の層との間に第３の層を配置することと、導電性トレースに電流を流すことと、油圧ポンプのダイヤフラムを使用することによって生じる電気抵抗の変化を検出して検出信号を発生させることと、検出信号が所定範囲内にあるときに油圧ポンプを停止させることと、を含んでいる。

本発明の更なる概念は、油圧駆動式ポンプに使用される多層ダイヤフラムに関している。該多層ダイヤフラムは、第１の弾性率を有する第１の層と、第２の弾性率を有する第２の層と、第１の層と前記第２の層との間に配置され、第１の弾性率及び第２の弾性率よりも低い第３の弾性率を有する第３の層と、を備えている。多層ダイヤフラムは、また、第３の層と一体化されているエラストマ導電性トレースを備えており、エラストマ導電性トレースは、ポンプ内の流体とは接触しない位置にある第３の層の外周部において露出している。

本発明の更なる概念は、油圧駆動式ポンプに関する。該ポンプは、プロセス流体に曝された第１のチャンバと、作動流体を保持するように構成された第２のチャンバと、第１のチャンバと第２のチャンバとの間に配置された多層ダイヤフラムと、を備えている。多層ダイヤフラムは、プロセス流体と接触する第１の層と、作動流体と接触する第２の層と、第３の層と、を備えている。第３の層は、シリコーンのようなエラストマ材料と、該エラストマ材料に埋設されたエラストマ導電性トレースと、を有している。第３の層は、第１の層と第２の層との間に配置されていることが好ましい。また、第３の層は、第１の層及び第２の層に対して独立して移動可能であることが好ましい。

本発明は、油圧駆動式ポンプのダイヤフラムに関し、該ダイヤフラムは、上述の従来のダイヤフラムを改良したものである。類似の部材は同様の参照符号によって示されている。改良された部分を区別して説明する。本発明は、油圧駆動式ポンプ、特に、油圧駆動式ポンプのダイヤフラム及びこのダイヤフラムの故障の検出に関する。ダイヤフラムは、高い耐ひずみ性材料で形成された少なくとも３つのエラストマ層を備えている。２つの層の間にある層には導電性トレースが埋設されている。

ダイヤフラムが使用されているときに導電性トレースの抵抗の変化が監視される。１つ又はそれ以上のダイヤフラム層の故障又は故障発生の可能性を示す所定レベルに抵抗値が到達すると、故障信号が発生する。導電性トレースが破損すると回路が開き、抵抗値が所定の抵抗レベルを超過するので、中間層の破損も検出される。故障信号はポンプを停止させるのに使用でき、これにより、ダイヤフラムの一方の側における作動流体と、ポンプ内のダイヤフラムの他方の側において圧送されるプロセス流体と、が混合するのを阻止する。

好ましくは、ダイヤフラムの層は、互いに結合されておらず、ダイヤフラムが撓んで変形する際に、それぞれ独立して移動可能である。層が互いに分離している場合は、１つの層における破損が隣接する層に伝播する可能性は低くなる。その結果、ダイヤフラムの１つの層における故障を検出して、全ての層が故障する前にポンプを停止させることができる。

本書で使用される用語“弾性率”は、ヤング係数、体積弾性率又は剛性率のように、特定の形態のひずみの増加に対する特定の形態の応力の増加の比として定義されている。“エラストマ”又は“エラストマの”という語句は、合成ゴム又はプラスチック等のポリマ材料を定義する語句であり、該ポリマ材料は、室温において、低応力が作用した場合には元の長さの少なくとも２倍に伸長し、応力から即座に解放された場合には適切な元の長さに力が作用して戻る材料である。

本発明の原理に従って構成されたダイヤフラム１２２を使用するダイヤフラムポンプ１２０の例が図１に示されている。ポンプ１２０は、該ポンプ１２０によって圧送されるプロセス流体に曝された第１のチャンバ１２４と、作動流体を保持する第２のチャンバ１２６と、を有している。ダイヤフラム１２２は、第１のチャンバ１２４と第２のチャンバ１２６との間に配置されており、作動流体とプロセス流体との間にシールされた境界面を提供するためにポンプ内にシールした状態で固定されている。ダイヤフラム１２２の外側において、ポンプ１２０は、上記背景技術の箇所で説明したような公知のダイヤフラムポンプに対応する特徴及び機能を有する。

図１〜図７に示されるように、ダイヤフラム１２２は、第１の層１４０と、第２の層１４２と、中間層即ち第３の層１４４と、を有している。導電性トレース１５０は第３の層１４４の主要面に形成されている（図８における第３の層１４４に形成された示された導電性トレースパターンの例を参照）。層１４０，１４２，１４４は、第１のリム部材１５２及び第２のリム部材１５４によって、一緒に保持されるようにしてもよく、これらのリム部材は、互いに固定された場合、搬送及び据付の際に取り扱いが比較的容易なパッケージとしてアセンブリを形成する。ダイヤフラムの使用の際にダイヤフラムの各層がそれぞれ独立して移動できるようにするために互いに結合されない場合は特に、これらのダイヤフラム層を保持するリムの使用は有効である。

第１の層１４０は、第１の側１６０と、第２の側１６２と、外周面１６４と、を有している。第１の層１４０は、第１のリング１５２の内面に係合し、この両者の間にシールを形成するような寸法を有している。リング１５２の中央は開放されているので、第１の層１４０の第２の側１６２はリング１５２の中央において露出している。弁コネクタ１５６は、層１４０内にインサート成形されており、ポンプの油圧駆動側にある駆動ピストンアセンブリ１５７の弁ステム１５８に結合されるように構成されている（図１参照）。

第２の層１４２は、第１の側１７０と、第２の側１７２と、外周面１７４と、を有している。第２の層１４２は、第２のリング１５４内に着座し、この両者の間にシールを形成するような寸法を有している（図６参照）。第２のリング１５４も中央において開放されているので、第２の面１７２はリング１５４の中央において露出している。

第３の層１４４の第１の部分１４６は、第１の側面１８０と、第２の側面１８２と、外周面１８４と、を有している。第３の層１４４の第２の部分１４８は、第１の側面１９０と、第２の側面１９２と、外周面１９４と、を有している。図７に示されるように、第１の部分１４６は、各層１４０，１４２及び第２の部分１４８の直径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３よりも大きな直径（Ｄ４）を有している。第１の部分１４６は、この大きな直径Ｄ４を有することによって、ダイヤフラム１２２の第２の部分１４８と第１及び第２の層１４０，１４２の最も外側の円周面とを超えて露出する部分を有する。導電性トレース１５０の一部を第２の側１８２に形成して、ダイヤフラムの各層を互いに組み立付けた場合にトレース１５０の一部が露出するようにしてもよい。この導電性トレース１５０の一部が露出することによって、電気リード線２４０，２４２は、他のダイヤフラム層に干渉することなく導電性トレースパターン２００（図６及び図８参照）の第１の端部２０２及び第２の端部２０４に容易に接続されることが可能となる。

第２のリム部分１５４は、導電性トレース１５０の第１の端部２０２及び第２の端部２０４と電気的に接触している第１のリード線２４０及び第２のリード線２４２を保持するために、第１のコネクタ開口２２０及び第２のコネクタ開口２２２と、第１の接続部材２２４及び第２の接続部材２２６と、を外面２３０に有することができる。この実施形態において第１及び第２の接続部材２２４，２２６はねじ山付きファスナとして示されているが、他の実施形態において第１及び第２のリード線２４０，２４２と導電性トレース１５０との電気的な接触を維持するためにその他のタイプのファスナ又は固定／保持方法を使用することもできる。

第１のリム部材１５２は、外周面２１０と、外周面２１０に形成された凹部２１２と、を有しており、凹部２１２は、第２のリム部材１５４の内面２３２にある保持クリップ２２８に係合するような寸法である。保持クリップ２２８と凹部２１２とが係合することによって、第１リム部材１５２と第２のリム部材１５２，１５４とがスナップフィット結合し、第１、第２及び第３の層１４０，１４２，１４４を保持する。別の実施形態において、第１、第２及び第３の層１４０，１４２，１４４は、図示のリム部材以外のその他の手段、例えばリベット、ファスナ、クランプ、層の外縁部の近傍に塗布される接着剤等によって、保持される。さらに別の実施形態において、層１４０，１４２，１４４は、別個のリング又はその他の保持構造を用いることなく一体的なダイヤフラム部材を形成するために、層の主要面同士をラミネート、モールド成形、接着、熱溶接、超音波溶接、又はその他の方法で互いに固定することができる。しかしながら、上述のように、層１４０，１４２，１４４は、外縁部同士がリング部材１５２，１５４によって固定されていることを除けば、互いに独立して移動可能であることが好ましい。

本書で使用される“互いに独立して移動可能である”という文言の定義は、各層が使用時に変形したときの相対的な移動のことである。層同士が主要な面全体に亘って接合されている場合であって、特に各層がそれぞれ異なる割合で伸長又は変形できるように各層が互いに異なる物理的特性を有する異なる材料で形成されているとすると、大きなせん断力が生じる。以下で説明するように、ダイヤフラム１２２の層の幾つかは、他の層とは異なる弾性率を有することができ、このことは更なるせん断力を生じさせる。さらに、層同士が主要な面に亘って固定されていると、１つの層におけるき裂等の故障が１つ又はそれ以上の他の層に容易に伝播する可能性がある。

互いに独立して移動可能な層１４０，１４２，１４４を有する利点は、大半の例において一度に故障する層の数が１つだけであるので、全ての層が故障する前に気付いてポンプを停止させることができる。層１４０，１４２，１４４の各々の独立した移動をさらに良好なものにするという目的を達成するために、ダイヤフラム１２２は、層同士の間に潤滑層を有することができ、これによって、各層の間の摩擦により生じる摩耗を低減する。ダイヤフラムにおいて使用されるエラストマに適合可能であればあらゆる非導電性潤滑剤が使用できるが、シリコーングリースが上記目的の達成のためには有効な潤滑剤となる。２つの部材間の摩耗及び摩擦を低減するために潤滑剤を使用することは周知であるが、ポンプダイヤフラムのエラストマ層同士の間に使用することは知られていない。

図８に示された導電性トレース１５０は連続スパイラルである。該連続スパイラルは、第１の端部２０２及び第２の端部２０４を備えている。第１及び第２端部２０２、２０４は、第３の層１４４の第１の部分１４６の外周面１８４の付近にあり第２の面１８２上で露出している。このトレースのパターンに関しては、ダイヤフラム１２２が使用時に変形したときのパターンの抵抗の変化に対して必要な感度を提供できれば各種の異なるパターンが使用可能であり、図示されたパターンはその一例にすぎない。導電性トレース１５０は、導電特性を有し、かつ高いひずみ、例えば２０％よりも大きなひずみに対する抵抗を有してさえいれば、様々な異なる材料又は材料を組合せて形成してもよい。これらのひずみレベルの場合、通常、銅及び合金等の金属物質はトレース材料として使用できない。導電性トレース１５０のバインダ材料は、例えば、シリコーンラテックス等のエラストマ物質であるか、又は炭素パワー等の導電性材料を第１の部分１４６に結合するウレタンである。導電性材料は、所要の導電特性を提供している。また、導電性材料は、導電性トレース１５０が２０％よりも大きなひずみに対して耐えられるように、バインダのエラストマ特性にほとんど影響を及ぼさない。

導電性トレース１５０の導電性材料は、導電性材料が高いひずみの作用時において導電性を維持してさえすれば、バインダを備えたエラストマ材料によく接着する導電性インク又はその他の物質の形態で提供されていてもよい。銀、金及びその他の導電性金属は、上述のバインダを備えた第１の部分１４６に効果的に固定される粉末の状態で使用可能である。導電性トレースは、好ましくは、２つの自由端部を備えた連続的な部材であり、これにより、電源は導電性トレースに電流を流すことができ、ダイヤフラム１２２の使用中に導電性トレースの抵抗を監視することができる。

導電性トレース１５０は、例えばシルクスクリーン印刷（silk screening）、パッド印刷及び噴霧等の、極めて薄い層の材料を提供できるあらゆる塗布方法を使用して形成できる。

第３の層１４４の第１の部分１４６及び第２の部分１４８は、それぞれ別個の層として図示されているが、最終的には互いに結合されて、最終製品における１つの層となり、この１つの層に導電性トレース１５０が埋設される。第１の部分１４６及び第２の部分１４８は、シリコーン、ブナ（buna）、ネオプレン（neoprene）、ＴＰＲ、又はウレタンのような、２０％よりも大きなひずみのレベルに耐えられるエラストマ材料で形成されている。好ましくは、第１及び第２の部分１４６，１４８は、層同士を良好に結合するために同じ材料から形成されている。

ある結合方法において、第１の部分１４６は、あらゆる利用可能な方法を使用して形成される。次に、導電性トレース１５０が、例えば上述の方法のうちの１つを使用して第１の部分１４６に形成される。次に、第２の部分１４８は第１の部分１４６に結合される。この結合を行う方法としては、２つの部分をモールド成形によって結合したり、液体層を加えて（例えば噴霧）して結合したり、又は接着剤で２つの部分を積層し結合して、２つの部分１４６、１４８の組み合わせから成る図５の第３の層１４４を形成する。この結合状態において、導電性トレース１５０は、ポンプ１２０の作動流体及びプロセス流体に曝されることのないように、第１の部分１４６の外縁部を除けば完全に被覆されていることが好ましい（この曝された外縁部は、ダイヤフラムを組み立てた際には、リム部材１５２，１５４によって被覆される）。第１の部分１４６の外周面１８４の付近で露出したトレース１５０の部分は、電気的な接触が第１及び第２のリード線２４０、２４２並びに第２のリム部材１５４との接触に限定されるように、第１のリム部材１５２及び第２のリム部材１５４内に配置されている。

導電性トレース１５０の短絡又は該トレースの電気信号への干渉の可能性を低減するために、リム部材１５２，１５４は、ガラス繊維又はポリマ材料等の非導電性材料から形成されているか、又は、ダイヤフラム１２２が組み立てられた時に導電性トレース１５０が接触する箇所に非導電性材料の層を有していてもよい。導電性トレース１５０をポンプ１２０の液体に曝されないようにすることによって、故障が液体導電率が原因で隠蔽される可能性が著しく低減する。さらに、導電性トレースは層１４４に埋設された極めて薄い層で形成されているので、層１４４が切断又は破損された場合に導電性材料の極めて小さな断面のみが曝される。導電性流体に接触するこの小さな領域は、接触していない場合に比べて導電率が小さいので、このダイヤフラム１２２においては、地絡検出を行う必要性がない。

本発明の利点は、ダイヤフラムの様々な形態の故障の議論を通じて説明することができる。最も一般的な形態の故障は、作動油の体積制御における故障によってダイヤフラムの背後（第１の層１４０の第１の側１６０）に過剰な油が供給される場合に生じる。この状況において、ダイヤフラムは前方にふくらんで、第１のチャンバ１２４における開口に接触し、該開口にてダイヤフラムは切られる。ダイヤフラムの各層が互いに独立して移動可能である場合、外側の層（第２の層１４２）のみが切断されたとき、第１及び第３の層１４０、１４４は無傷なままであり、第２の層における故障は第１及び第３の層に伝播しないので、油がダイヤフラムを通過して漏れることはない。

当業界では周知のような、導電性トレースが破損又は導電性流体に露出しなければ１つのダイヤフラム層の故障を判定できない従来のものとは対照的に、導電性トレース１５０の場合は、実際の故障及び初期の故障の可能性を示す抵抗の変化だけを監視すればよいので、各層全てが故障する前にポンプを停止できる機会を得ることができる。

別のタイプのダイヤフラム故障は疲労である。ダイヤフラム層の材料が劣化するにつれて疲労は起こり、き裂が生じ始める。第１又は第２の層１４０，１４２においてこのタイプの故障が生じる場合、導電性トレースにより大きな応力が加えられるので抵抗の変化が生じる。第１及び第２の層１４０，１４２の両方が同時に故障する場合、ダイヤフラムの両側にある流体は、第３の層の故障が生じるまで、この第３の層によって依然として分離されている。第３の層１４４が最後に故障する層となる場合、第１及び第２の層の故障による抵抗レベルのスパイクは、好ましくは第３の層が故障する前にポンプの停止を開始するために使用され、ポンプのプロセス流体と作動流体との混合を防ぐか又は少なくとも混合の程度を著しく減じる。

本発明の原理によるポンプダイヤフラムを製造又は形成する方法は、エラストマ層の第１の部分を形成することと、エラストマ層の第１の部分に導電性トレースを形成することと、導電性トレースの一部を覆うようにエラストマ層の第１の部分にエラストマ層の第２の部分を形成することと、を含むことができ、第１の部分と第２の部分とは一体となり、導電性トレースの外縁部は露出する。このダイヤフラム製造方法に含まれる更なるステップは、第１の層と第２の層との間にエラストマ層を配置して多層ダイヤフラムを形成するステップを含むことができる。該製造方法に含まれる更なるステップは、ダイヤフラムの各層同士の間に潤滑剤を塗布することを含むことができる。

本発明の原理による油圧ポンプのダイヤフラムの破損を検出する方法は、油圧ポンプによって圧送されるプロセス流体と接触するよう第１のエラストマ層を配置することと、油圧ポンプの油圧油と接触するよう第２のエラストマ層を配置することと、第１のエラストマ層と第２のエラストマ層との間に第３のエラストマ層を配置することと、第３のエラストマ層内に導電性トレースを塗布して埋設することと、を含むことができる。また、該方法は、導電性トレースに電流を流すことと、導電性トレースの電気抵抗の変化を検出して電気抵抗の変化を示す検出信号を発生させることと、を含むことができる。検出信号は、ダイヤフラムの状態の変化があることを警告するために使用されるか、又は油圧ポンプを自動的に停止させるために使用できる。上記方法は、使用中にダイヤフラムが変形した場合に各層が互いに独立して移動可能となるように各層を互いに固定することも含んでいてもよい。

本明細書、例及びデータは、発明の構成の製造及び使用を余すところ無く示している。発明の多くの実施形態は発明の思想及び範囲から逸脱することなく可能なので、発明は特許請求の範囲にて定義されている。

本発明の原理に基づくダイヤフラムアセンブリを備えるポンプの一例の前方斜視図。 図１に示されたダイヤフラムアセンブリの前方斜視図。 図１に示されたダイヤフラムアセンブリの後方斜視図。 図１に示されたダイヤフラムアセンブリの前方分解斜視図。 図１のダイヤフラムアセンブリの後方分解斜視図。 図２の６−６線断面図。 図６に示されたアセンブリの分解図。 本発明の原理による導電性トレースパターンが形成された図４のダイヤフラム層のうちの１つの後面図。 従来のダイヤフラムポンプの斜視図。 図９に示された従来のダイヤフラムポンプの断面図。 従来の付勢ばねを使用する通常の標準的な作動状況下にある従来のポンプを示した図。

Claims (31)

1. 油圧駆動式ポンプに使用される多層ダイヤフラムであって、
   前記ポンプによって圧送される流体と接触する第１の層と、
   前記ポンプの油圧油と接触する第２の層と、
   エラストマ材料と、前記エラストマ材料に埋設されたエラストマ導電性トレースと、を備える第３の層と、
   から成り、
   前記第３の層は、前記第１の層と前記第２の層との間に配置されており、前記第３の層は、前記第１の層及び前記第２の層に対して独立して移動可能である多層ダイヤフラム。
2. 前記第１の層及び前記第２の層はブナゴムを含んいでいる請求項１に記載のダイヤフラム。
3. 前記第３の層はシリコーンを含んでいる請求項１に記載のダイヤフラム。
4. 前記導電性トレースは、炭素及びシリコーンを含んでおり、前記導電性トレースは、２０％よりも大きなひずみレベルに抵抗して耐えられる請求項１に記載のダイヤフラム。
5. 前記導電性トレースは連続スパイラルとして形成されており、前記連続スパイラルの両端部は、それぞれ、電気リード線に接続されている請求項１に記載のダイヤフラム。
6. 前記ダイヤフラムは、更に、前記第１の層と前記第２の層と前記第３の層とを一緒に保持するように構成された第１及び第２のリングから成る請求項１に記載のダイヤフラム。
7. 前記ダイヤフラムは、更に、前記第１の層と前記第３の層との間、及び、前記第２の層と前記第３の層との間に配置された潤滑層から成る請求項１に記載のダイヤフラム。
8. 前記第３の層はモールド成形されており、前記第３の層は、第１の部分及び第２の部分を有しており、前記第１の部分と前記第２の部分とは前記導電性トレースを間に挟んだ状態で互いに結合されている請求項１に記載のダイヤフラム。
9. 前記第１の部分と前記第２の部分と前記導電性トレースとは、それぞれ、外径を有しており、前記第１の部分の前記外径は前記導電性トレースの前記外径よりも大きく、前記導電性トレースの前記外径は前記第２の部分の前記外径よりも大きい請求項８に記載のダイヤフラム。
10. 前記第１の層と前記第２の層と前記第３の層とはエラストマ材料から成り、かつ、大きいひずみが作用した際に破損に抵抗するように構成されている請求項１に記載のダイヤフラム。
11. エラストマ層と導電性トレースとを備えるポンプダイヤフラムを形成／製造する方法であって、
    前記エラストマ層の第１の部分を形成するステップと、
    前記エラストマ層の前記第１の部分の主要面に前記導電性トレースを形成するステップと、
    前記導電性トレースの一部を覆うように前記第１の部分の前記主要面に前記エラストマ層の第２の部分を形成するステップと、
    から成り、
    前記第１の部分と前記第２の部分とは一体となり、前記導電性トレースの外縁部は露出する方法。
12. 前記ダイヤフラムは、更に、第１の層及び第２の層を備えており、前記方法は、更に、前記第１の層と前記第２の層との間に前記エラストマ層を配置することから成る請求項１１に記載の方法。
13. 前記方法は、更に、前記第１の層と前記エラストマ層との間及び前記第２の層と前記エラストマ層との間に潤滑剤を塗布することから成る請求項１１に記載の方法。
14. 前記ダイヤフラムは、更に、保持リングを備えており、前記方法は、更に、前記第１の層と前記第２の層と前記エラストマ層とを一緒に保持することから成る請求項１１に記載の方法。
15. 前記導電性トレースは、第１の端部及び第２の端部を有する連続部材として構成されており、前記方法は、更に、前記導電性トレースに電流が流されたときに前記導電性トレースの抵抗の変化を監視することから成る請求項１１の記載の方法。
16. 前記方法は、更に、前記抵抗変化が所定量に達したときに故障信号を発生させることから成る請求項１５に記載の方法。
17. 前記方法は、更に、シルクスクリーン印刷によって前記導電性トレースを形成することから成る請求項１１に記載の方法。
18. 前記方法は、更に、シリコーンから成る材料から前記エラストマ層を形成することから成る請求項１１に記載の方法。
19. 前記方法は、更に、シリコーン及び炭素から成る材料から前記導電性トレースを形成することから成る請求項１１に記載の方法。
20. 前記第２の部分を形成するステップは、モールド成形、熱接着、又は積層プロセスを含む請求項１１に記載の方法。
21. 第１の層と、第２の層と、シリコーン材料及び前記シリコーン材料に埋設されたエラストマ導電性トレースを備える第３の層と、から成る油圧ポンプのダイヤフラムの破損を検出する方法であって、
    前記油圧ポンプによって圧送される流体と接触するよう前記第１の層を配置するステップと、
    前記油圧ポンプの油圧油と接触するよう前記第２の層を配置するステップと、
    前記第１の層と前記第２の層との間に前記第３の層を配置するステップと、
    前記導電性トレースに電流を流すステップと、
    前記油圧ポンプの前記ダイヤフラムを使用することによって生じる電気抵抗の変化を検出して検出信号を発生させるステップと、
    前記検出信号が所定範囲内にあるときに前記油圧ポンプを停止させるステップと、
    から成る方法。
22. 前記方法は、更に、前記第１の層と前記第２の層と前記第３の層との周縁部を互いに結合させて、前記第１の層と前記第２の層と前記第３の層との中央部分が互いに移動自在となるようするステップから成る請求項２１に記載の方法。
23. 前記検出信号は、前記第１の層、前記第２の層及び前記第３の層のうちの少なくとも１つが故障状態にあることを示す請求項２１に記載の方法。
24. 前記方法は、更に、前記導電性トレースを前記第３の層の外周部においてのみ露出させ、前記導電性トレースの露出部分に通電することから成る請求項２１に記載の方法。
25. 前記油圧ポンプは、更に、潤滑層を有しており、前記方法は、更に、前記第１、第２及び第３の各層の間に潤滑層を配置することから成る請求項２１に記載の方法。
26. 油圧駆動式ポンプに使用される多層ダイヤフラムであって、
    第１の弾性率を有する第１の層と、
    第２の弾性率を有する第２の層と、
    前記第１の層と前記第２の層との間に配置され、前記第１の弾性率及び第２の弾性率よりも低い第３の弾性率を有する第３の層と、
    前記第３の層と一体化されているエラストマ導電性トレースと、
    から成り、
    前記エラストマ導電性トレースは、前記ポンプ内の流体とは接触しない位置にある前記第３の層の外周部において露出することを特徴とする多層ダイヤフラム。
27. 前記第３の層はシリコーンを含み、前記導電性トレースはシリコーン及び炭素を含む請求項２６に記載のダイヤフラム。
28. 前記ダイヤフラムは、更に、前記第１の層と前記第２の層と前記第３の層とを一緒に保持するように構成された第１及び第２のリングから成る請求項２７に記載のダイヤフラム。
29. 油圧駆動式ポンプであって、
    前記ポンプによって圧送される流体に曝された第１のチャンバと、
    作動流体を保持するように構成された第２のチャンバと、
    前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間に配置された多層ダイヤフラムと、
    から成り、
    前記多層ダイヤフラムは、
    前記圧送される流体と接触する第１の層と、
    前記作動流体と接触する第２の層と、
    エラストマベース材料と、前記エラストマベース材料に埋設されたエラストマ導電性トレースとを有する第３の層と、
    を備えており、
    前記第３の層は、前記第１の層と前記第２の層との間に配置されており、前記第１の層及び前記第２の層に対して移動可能である油圧駆動式ポンプ。
30. 前記エラストマベース材料はシリコーンを含み、前記エラストマ導電性トレースは炭素を含む請求項２９に記載のポンプ。
31. 前記導電性トレースの電気抵抗の変化は、前記第１、第２及び第３の層のうちの１つの層の故障状態を示す請求項２９に記載のポンプ。

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