JP2008286123A - ピストンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの進退により一定流量で流体を圧力輸送することができながら、摺動性およびシール性を確保しつつ、簡易な構成により、製造コストおよびランニングコストを低減することのできるピストンポンプを提供すること。
【解決手段】シリンダ５内の、ピストン３が上死点に配置されたときおよび下死点に配置されたときの両方においてピストン３と対向する対向部分１８に、シリンダ５の外周面とピストン３の外周面とに密着するように、区画シール部材１９を設ける。ピストン３は、シリンダ５の内周面とは摺動せず、区画シール部材１９と摺動する。よって、ピストン３における区画シール部材１９との摺動部分の加工精度を確保すればよく、シリンダ５の内周面に要求される加工精度を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピストンポンプ、詳しくは、ピストンの往復動作により流体を輸送するピストンポンプに関する。

シリンダと、そのシリンダ内において進退自在に設けられるピストンとを備えるピストンポンプが知られている。ピストンポンプでは、通常、ピストンの退避によりシリンダ内に流体を吸入し、ピストンの進出によりシリンダ内の流体を吐出して、流体を輸送している。

また、ピストンポンプにおいて、ピストンの進出により、シリンダ内におけるピストンよりも進出方向下流側の流体を吐出し、かつ、ピストンの退避により、シリンダ内におけるピストンよりも進出方向上流側の流体を吐出して、つまり、ピストンの進退により常時流体を輸送できるものが知られている。

たとえば、ピストンロッドの横断面積をシリンダの横断面積に対して１／２程度とし、ピストンロッドの伸張工程で吐出されるオイルの吐出量と、ピストンロッドの縮小工程で吐出されるオイルの吐出量とを等しくして、ピストンロッドの伸張工程と縮小工程とでオイルの吐出量を均一化することが提案されている（たとえば、特許文献１参照。）。
特開平８−１３５５６５号公報

しかるに、上記したピストンポンプでは、シリンダとピストンとの間の摺動性およびシール性を確保すべく、シリンダにおいては、鏡面の研磨、内径の公差精度および中心軸の軸公差精度がなど要求され、ピストンにおいては、扁磨耗防止などが要求される。そのため、シリンダおよびピストンの作製にあたっては、厳しい加工精度が要求され、専用の加工機械を使用して、多くの加工工数をかける必要があり、製造コストの上昇が不可避である。

また、シリンダの内面およびピストンの損傷を防止すべく、ピストンを非金属材料（樹脂など）から交換可能に設けているものもあるが、ピストンの頻繁な交換は、非常に高価となり、ランニングコストの上昇が不可避となる。

さらに、小容量または微小容量のポンプでは、ピストンの外径が小さくなり、ピストンの作製が容易でなく、また、容量との関係からピストンにパッキンや扁磨耗防止部材などを設けることができない場合もある。

本発明の目的は、ピストンの進退により一定流量で流体を圧力輸送することができながら、摺動性およびシール性を確保しつつ、簡易な構成により、製造コストおよびランニングコストを低減することのできる、ピストンポンプを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ピストンポンプであって、シリンダと、前記シリンダ内において進退自在に設けられるピストンとを備え、前記シリンダ内は、前記ピストンが進出方向最上流側に配置されたときに、前記ピストンの進出方向下流側に形成される第１空間と、前記ピストンが進出方向最下流側に配置されたときに、前記ピストンの進出方向上流側に形成される第２空間とに区画され、かつ前記シリンダ内は、前記第１空間における前記ピストンの進退方向と直交する方向の第１断面積が、前記第２空間における前記ピストンの進退方向と直交する方向の第２断面積の実質的に２倍となるように、形成されており、前記ピストンが進出したときには、前記第１空間内から流体を流出させて、その流体を前記第２空間内に流入させるとともに、残余の流体を吐出させる進出時流路が形成され、前記ピストンが退避したときには、前記第１空間内へ流体を流入させるとともに、前記第２空間内から流体を吐出させる退避時流路が形成され、前記シリンダは、前記ピストンが進出方向最上流側に配置されたときおよび進出方向最下流側に配置されたときの両方において、前記ピストンと、前記ピストンの進退方向と直交する方向において対向する対向部分を備えており、前記対向部分には、前記シリンダの内周面と前記ピストンの外周面との間に介在されるシール部材が設けられていることを特徴としている。

このような構成によると、シリンダ内には、ピストンが進出方向最上流側に配置されたときおよび進出方向最下流側に配置されたときの両方において、ピストンと対向する対向部分があり、その対向部分には、シリンダの内周面とピストンの外周面との間に介在されるシール部材が設けられている。

つまり、この構成では、ピストンは、シリンダの内面とは摺動せず、シール部材と摺動する。そのため、ピストンにおけるシール部材との摺動部分の加工精度を確保すれば、シール部材とピストンとの間の摺動性およびシール性を確保して、精度のよい流体の輸送を実現することができる。そのため、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間のクリアランスを大きくとって、シリンダの内周面に要求される加工精度を低減することができる。その結果、加工の手間を低減して、製造コストの低減を図ることができる。

また、この構成では、ピストンがシール部材と摺動するので、ピストンの耐久性を向上させることができる。そのため、ピストンの交換を長期にわたり不要とすることができ、ランニングコストの低減を図ることができる。

さらに、この構成では、ピストンをシール部材と摺動できるように形成すればよいため、ピストンをシンプルに形成することができる。そのため、外径の小さなピストンであっても、容易に作製することができる。そのため、小容量または微小容量のポンプを低コストで実現することができる。

さらにまた、この構成では、第１断面積が、第２断面積の実質的に２倍であるため、第１空間の最大容量が、第２空間の最大容量の実質的に２倍となる。そのため、ピストンの進出により進出時流路が形成されると、第１空間の最大容量の半分の流体が第２空間内へ流入されるとともに、残余の同量の流体が吐出される。一方、ピストンの退避により退避時流路が形成されると、第１空間内へ流体が流入されるとともに、第２空間内から、第２空間、つまり、第１空間の最大容量の半分の流体が吐出される。その結果、ピストンが進出または退避ごとに、同容量の流体が吐出されるので、このピストンの進退により、一定流量で流体を圧力輸送することができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記シリンダの内周面には、樹脂製のスリーブが設けられていることを特徴としている。

上記したように、請求項１に記載の発明では、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間のクリアランスを大きくとることができる。そのため、この構成のように、シリンダの内周面に樹脂製のスリーブを設けることができる。

このような構成によると、シリンダの内周面に樹脂製のスリーブが設けられているので、ピストンの損傷をより一層低減することができる。また、シリンダ内の不要な容積を削減することができ、輸送効率を向上させることができる。さらには、たとえ、スリーブに交換の必要性が生じても、安価に交換することができる。そのため、簡易かつ安価な構成により、装置の耐久性および信頼性をより一層向上させることができる。

請求項１に記載の発明によれば、ピストンの進退により一定流量で流体を圧力輸送することができながら、摺動性およびシール性を確保しつつ、簡易な構成により、製造コストおよびランニングコストを低減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、装置の耐久性および信頼性をより一層向上させることができる。

図１は、本発明のピストンポンプの一実施形態の進出状態を示す概略構成図、図２は、図１に示すピストンポンプの退避状態を示す概略構成図である。なお、以下の説明では、便宜的に、後述するピストン３の進退方向を上下方向、ピストン３の進退方向と直交する方向を左右方向とする。

図１において、ピストンポンプ１は、ブロック２と、ブロック２のシリンダ５内に進退自在に配置されるピストン３と、ピストン３に接続されるロッド４とを備えている。

ブロック２は、金属製であって、シリンダ５と、上側通路（進出方向下流側通路）６と、下側通路（進出方向上流側通路）７と、連通路８とが形成されている。

シリンダ５は、ブロック２の軸線に沿って上下方向に延びる円筒形状に形成されている。なお、シリンダ５の上端は、ブロック２の上端より下方に配置され、シリンダ５の下端は、ブロック２の下端部から下方に開放されている。シリンダ５の下端には、スリーブ２１（後述）を固定するためのつば付筒部材２５が設けられており、そのつば付筒部材２５の下端にリング形状の下端シール部材９が設けられている。つば付筒部材２５および下端シール部材９の内径は、ピストン３の外径よりも小さく、かつ、ロッド４が密着して摺動できる大きさに形成されている。下端シール部材９によって、下側空間１７（後述）からの流体の漏れが防止されるとともに、つば付筒部材２５によってピストン３のそれ以上の退避が規制されている。

上側通路６は、ブロック２の上部外方とシリンダ５内の上部（上側空間１６）とを連通するように、それらの間を左右方向に貫通して形成されている。上側通路６において、ブロック２の外方側の端部には、大径の供給口１０が形成されている。

また、供給口１０と上側通路６との間には、供給側逆止弁１１が設けられている。この供給側逆止弁１１によって、後述するピストン３の進出により、上側空間１６内の流体が上側通路６から供給口１０へ逆流することを規制している。

下側通路７は、ブロック２の下部外方とシリンダ５内の下部（下側空間１７）とを連通するように、それらの間を左右方向に貫通して形成されている。下側通路７において、ブロック２の外方側の端部には、大径の排出口１２が形成されている。

連通路８は、上下方向に沿って配置され、その上側端部が上側通路６の途中に接続され、その下側端部が下側通路７の途中に接続されている。連通路８によって、上側通路６と下側通路７とが連通される。

連通路８の途中には、連通側逆止弁１３が設けられている。この連通側逆止弁１３によって、後述するピストン３の進出により、上側通路６から下側通路７へと向かう流体の通過を許容し、かつ、後述するピストン３の退避により、下側通路７から上側通路６へと向かう流体の通過を規制している。

また、ブロック２は、上下２分割で形成されている。具体的には、ブロック２は、上ブロック１４と下ブロック１５とを備えている。

上ブロック１４は、ブロック２の上側半分部分をなし、シリンダ５の上側半分部分と、上側通路６および供給口１０と、連通路８の上側途中部分とが形成され、供給側逆止弁１１が設けられている。下ブロック１５は、ブロック２の下側半分部分をなし、シリンダ５の下側半分部分と、下側通路７および排出口１２と、連通路８の下側途中部分とが形成され、連通側逆止弁１３が設けられている。

ブロック２は、シリンダ５の上側半分部分と下側半分部分とが連通し、連通路８の上側途中部分と下側途中部分とが連通するように、上ブロック１４および下ブロック１５が位置合わせして重ねられることにより、形成されている。

ピストン３は、金属製であって、シリンダ５の内径よりやや小さい外径の円柱形状をなし、シリンダ５内において、軸線方向（上下方向）に沿って、シリンダ５の上端部と下端部との間で進退自在に配置されている。ピストン３の外周面とシリンダ５の内周面との隙間は、たとえば、０．５〜３．０ｍｍに設定されている。

このピストン３は、シリンダ５の軸線方向に沿って、その外周面が後述するシール部材としての上下２つの区画シール部材１９の内周面と摺動しながら進退される。これによって、シリンダ５内は、２つの区画シール部材１９を境界として、図２に示すように、ピストン３が下死点（進出方向最上流側）に配置されたときに、ピストン３（具体的には上側の区画シール部材１９）よりも上方（進出方向下流側）に形成される第１空間としての上側空間１６と、図１に示すように、ピストン３が上死点（進出方向最下流側）に配置されたときに、ピストン３（具体的には下側の区画シール部材１９）よりも下方（進出方向上流側）に形成される第２空間としての下側空間１７とに区画される。

また、ピストン３は、ピストン３が下死点に配置されたときおよび上死点に配置されたときの両方において、シリンダ５の内周面の同じ部分（以下、対向部分１８とする。）と左右方向（径方向）において対向できる上下方向長さで形成されている。すなわち、ピストン３は、シリンダ５内を進退するストローク長に対して半分を超える長さで形成されている。

ロッド４は、金属製であって、シャフト形状をなし、シリンダ５の軸線において上下方向に沿って配置され、その上端部が、シリンダ５内においてピストン３の下面に接続（固定）されている。また、その下端部は、ブロック２の下面から下方へ延びている。また、その途中において、下端シール部材９と摺動自在に接触している。

これによって、ピストンポンプ１では、第１断面積としての上側空間１６における径方向断面積（円形：シリンダ５の断面）が、第２断面積としての下側空間１７における径方向断面積（円環形：シリンダ５にロッド４が挿通された断面）の、実質的に２倍となるように設定されている。

そして、このピストンポンプ１では、シリンダ５の対向部分１８には、区画シール部材１９が上下に２つ設けられている。上側の区画シール部材１９は、上ブロック１４と下ブロック１５との境界近傍において上ブロック１４に設けられている。また、下側の区画シール部材１９は、上ブロック１４と下ブロック１５との境界近傍において下ブロック１５に設けられている。また、シリンダ５の対向部分１８において、上側の区画シール部材１９と下側の区画シール部材１９との間には、それら区画シール部材１９を固定するための固定リング２６が設けられている。固定リング２６は、上ブロック１４と下ブロック１５との境界において、それらに跨るように配置されている。

各区画シール部材１９および固定リング２６は、ピストン３と摺動してもピストン３を傷つけることのない樹脂などからなるシール材料からリング形状に形成されている。各区画シール部材１９は、対向部分１８において、シリンダ５の内周面から径方向内方へやや膨出する（後述するスリーブ２１よりも膨出する）ように設けられている。これによって、区画シール部材１９は、シリンダ５の内周面とピストン３の外周面との間において、それらに密着し、かつ、ピストン３が摺動できるように介在され、上側空間１６と下側空間１７とを隔離するように、それらの間をシールしている。

なお、固定リング２６の径方向外側には、上ブロック１４と下ブロック１５との間に、さらにＯリング２０が埋設されている。

また、シリンダ５の内周面には、樹脂製のスリーブ２１が設けられている。スリーブ２１は、各区画シール部材１９を挟んで上下に設けられており、各区画シール部材１９によって、各区画シール部材１９に当接する端部がそれぞれ固定されている。スリーブ２１は、シリンダ５の上下方向全長にわたって、シリンダ５の内周面を被覆するように設けられている。スリーブ２１の厚みは、たとえば、０．２〜３．０ｍｍであり、ピストン３の外周面とスリーブ２１の内周面との隙間は、たとえば、０．０５〜０．５ｍｍに設定されている。

そして、ロッド４には、ロッド４を進退させるための進退駆動手段として、たとえば、図示しない油圧シリンダやエアシリンダなどの駆動シリンダが接続されている。また、供給口１０には、流体を供給するための図示しない供給ラインが接続されている。さらに、排出口１２には、流体を排出するための図示しない排出ラインが接続されている。

次に、ピストンポンプ１の動作について説明する。

まず、図２の実線矢印で示すように、図示しない駆動シリンダの進出動作（または退避動作）に連動して、ロッド４が上方に移動すると、ピストン３が進出して、上側空間１６内の流体が上側通路６へ流出される。上側通路６へ流出された流体は、供給口１０への逆流が供給側逆止弁１１によって規制されているので、連通路８を介して、下側通路７へ流入される。下側通路７へ流入された流体は、連通路８から左右に分かれて、右側へ流入した流体は、下側空間１７内へ流入される。また、左側へ流入した流体は、排出口１２から図示しない排出ラインへ吐出される。

すなわち、ピストン３が進出したときには、上側空間１６内から流体が流出して、下側空間１７内に流入されるとともに、下側空間１７内に流入されなかった残余の流体が排出口１２から吐出される進出時流路（図２の実線矢印で示される。）が形成される。

そして、図１に示すように、ピストン３が上死点に至ると、下側空間１７へ流入される流体の容量と、排出口１２から吐出される流体の容量とが、同量となる。

次いで、図１の実線矢印で示すように、図示しない駆動シリンダの退避動作（または進出動作）に連動して、ロッド４が下方に移動すると、ピストン３が退避して、図示しない供給ラインから供給口１０を介して上側通路６へ流体が供給され、その流体が上側通路６から上側空間１６へ流入される。同時に、下側空間１７内の流体が下側通路７へ流出される。下側通路７へ流出された流体は、連通路８への逆流が連通側逆止弁１３によって規制されているので、排出口１２から図示しない排出ラインへ吐出される。

すなわち、ピストン３が退避したときには、上側空間１６内へ流体が流入されるとともに、下側空間１７内から流体が流出して排出口１２から吐出される退避時流路（図２の実線矢印で示される。）が形成される。

そして、ピストン３が下死点に至るときの、下側空間１７から排出口１２を介して吐出される流体の容量は、ピストン３が上死点に至るときの、上側空間１６から排出口１２を介して吐出される流体の容量と、同量となる。

そして、再度、ロッド４が上方に移動すると、図１の実線矢印で示される進出時流路が形成され、ロッド４が下方に移動すると、図２の実線矢印で示される退避時流路が形成される。ピストンポンプ１では、上記のようなピストン３の進退により、流体の定量の圧力輸送が達成される。

そして、このピストンポンプ１では、シリンダ５内には、ピストン３が上死点に配置されたときおよび下死点に配置されたときの両方において、ピストン３と対向する対向部分１８があり、その対向部分１８に区画シール部材１９が設けられている。そのため、ピストン３は、シリンダ５の内周面とは摺動せず、区画シール部材１９と摺動する。よって、ピストン３における区画シール部材１９との摺動部分の加工精度を確保すれば、区画シール部材１９とピストン３との間の摺動性およびシール性を確保して、精度のよい流体の輸送を実現することができる。そのため、ピストン３の外周面とシリンダ５の内周面との間のクリアランスを大きくとって、シリンダ５の内周面に要求される加工精度、たとえば、鏡面の研磨、内径の公差精度および中心軸の軸公差精度などを低減することができる。その結果、加工の手間を低減して、製造コストの低減を図ることができる。さらに、ピストン３の外周面とシリンダ５の内周面との間のクリアランスを大きくとれば、ロッド４の軸受け機構を簡素化することができる。

また、このピストンポンプ１では、ピストン３が区画シール部材１９と摺動するので、ピストン３の耐久性を向上させることができる。とりわけ、このピストンポンプ１では、シリンダ５の内周面が樹脂製のスリーブ２１で被覆されているので、ピストン３の損傷をより一層低減することができる。そのため、ピストン３の交換を長期にわたり不要とすることができる。また、シリンダ５の内周面を樹脂製のスリーブ２１で被覆すれば、シリンダ５内の不要な容積を削減することができ、輸送効率を向上させることができ、さらには、たとえ、スリーブ２１に交換の必要性が生じても、安価に交換することができる。そのため、ランニングコストの低減を図ることができる。その結果、簡易かつ安価な構成により、装置の耐久性および信頼性をより一層向上させることができる。

さらに、このピストンポンプ１では、ピストン３を区画シール部材１９と摺動できるように形成すればよく、かつ、シリンダ５の内周面が樹脂製のスリーブ２１で被覆されていることから、ピストン３にパッキンや扁磨耗防止部材などを設ける必要がなく、ピストン３をシンプルに形成することができる。そのため、外径の小さなピストン３であっても、容易に作製することができる。そのため、小容量または微小容量のポンプを低コストで実現することができる。

さらにまた、このピストンポンプ１では、上側空間１６における径方向断面積が、下側空間１７における径方向断面積の実質的に２倍となるように設定されていることから、上側空間１６の最大容量が、下側空間１７の最大容量の実質的に２倍となる。そのため、ピストン３の進出により進出時流路が形成されると、上側空間１６の最大容量の半分の流体が下側空間１７内へ流入されるとともに、残余の同量の流体が吐出される。一方、ピストン３の退避により退避時流路が形成されると、上側空間１６内へ流体が流入されるとともに、下側空間１７内から、下側空間１７、つまり、上側空間１６の最大容量の半分の流体が吐出される。その結果、ピストン３が進出または退避ごとに、同容量の流体が吐出されるので、このピストン３の進退により、一定流量で流体を圧力輸送することができる。

なお、上記の説明において、流体としては、圧縮性または非圧縮性のガス、液化ガスまたは液体などが含まれる。具体的には、二酸化炭素、窒素、アルゴン、燃焼性ガス（炭化水素）、水などが含まれる。

また、このピストンポンプ１は、流体を連続的または間欠的に一定容量で輸送する用途であれば、特に制限されることなく使用することができる。たとえば、連続供給可能な微容量ポンプなどとして、有効に用いることができる。具体的には、昇圧により液化ガスを供給する用途、たとえば、発泡成形における発泡剤（液化ガス）の供給装置として、有効に用いることができる。

また、このピストンポンプ１は、上記した、シリンダ５、上側通路６、下側通路７および連通路８を設けることができれば、ブロック２に形成する必要もなく、適宜、独立した部材により、これらを構成することもできる。

本発明のピストンポンプの一実施形態の進出状態を示す概略構成図である。 図１に示すピストンポンプの退避状態を示す概略構成図である。

符号の説明

１ ピストンポンプ
３ ピストン
５ シリンダ
６ 上側通路
７ 下側通路
８ 連通路
１６ 上側空間
１７ 下側空間
１８ 対向部分
１９ 区画シール部材
２１ スリーブ

Claims (2)

1. シリンダと、前記シリンダ内において進退自在に設けられるピストンとを備え、
   前記シリンダ内は、前記ピストンが進出方向最上流側に配置されたときに、前記ピストンの進出方向下流側に形成される第１空間と、前記ピストンが進出方向最下流側に配置されたときに、前記ピストンの進出方向上流側に形成される第２空間とに区画され、かつ
   前記シリンダ内は、前記第１空間における前記ピストンの進退方向と直交する方向の第１断面積が、前記第２空間における前記ピストンの進退方向と直交する方向の第２断面積の実質的に２倍となるように、形成されており、
   前記ピストンが進出したときには、前記第１空間内から流体を流出させて、その流体を前記第２空間内に流入させるとともに、残余の流体を吐出させる進出時流路が形成され、
   前記ピストンが退避したときには、前記第１空間内へ流体を流入させるとともに、前記第２空間内から流体を吐出させる退避時流路が形成され、
   前記シリンダは、前記ピストンが進出方向最上流側に配置されたときおよび進出方向最下流側に配置されたときの両方において、前記ピストンと、前記ピストンの進退方向と直交する方向において対向する対向部分を備えており、
   前記対向部分には、前記シリンダの内周面と前記ピストンの外周面との間に介在されるシール部材が設けられていることを特徴とする、ピストンポンプ。
2. 前記シリンダの内周面には、樹脂製のスリーブが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のピストンポンプ。

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