JP2009052515A - 複動型流体増圧ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】熱変位等が引き起こす姿勢変化を吸収し、焼き付きを防ぐことができ、さらに高荷重に耐えて流体の増圧を連続して行うことができる複動型流体増圧ポンプを提供する。
【解決手段】複数のピストンを連続往復させる複動型流体増圧ポンプにおいて、圧縮ピストン側の端面と被圧縮ピストン側の端面の一方を球面状に形成し、他方を平面状に形成して両端面を当接させ、または圧縮ピストン側の端面と被圧縮ピストン側の端面とを対向面の少なくとも一つを平面にして球状部材を介して当接させ、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側の一方に設けた引張バネ材を他方に係合させることで、加工誤差および熱による上下小ピストンのシリンダの姿勢変化を吸収し、ピストンの加圧特性に影響を与えないものとする。
【選択図】図１

Description

この発明は、受圧面積の異なるピストンを軸方向に連続往復させて圧縮空気などの流体を用いて低圧流体を高圧流体に増圧して連続的に供給する複動型流体増圧ポンプに関するものであり、燃料噴射試験装置、高圧流体（油圧）試験装置などに好適に利用されるものである。

回転ポンプ、ピストンポンプのように、モータ動力を必要としないで、圧縮空気あるいは低圧の流体（以下圧縮空気）のみでパスカルの原理を用いて高圧流体を供給できる流体増圧ポンプは、基本的には図５に示す構造を有しており、以下のような動作で流体を加圧する。

１）小ピストン（断面積Ａ２）３０の下側のシリンダ３１に低圧流体を供給する。供給側に逆止弁３２を設けることで、供給された低圧流体が加圧時に逆流することを防ぐ。

２）大ピストン（断面積Ａ１）３５の上側のシリンダ３６に圧縮空気を供給し、流体をＰ１の圧力に加圧する。このとき、大ピストン３５の下側のシリンダ３６は大気圧（開放）である。また、シリンダ３１側で高圧側に逆止弁３３を設けることで、低圧流体供給時に高圧側の圧力が低下することを防ぐ。小ピストン３０の最大圧力Ｐ１および最大流量Ｑ１は、下記の式で算出される。
小ピストンの最大圧力Ｐ１＝（大ピストン供給圧力）×（Ａ１）／（Ａ２）
ピストン上昇時の最大流量Ｑ１＝（Ａ１）×（ピストンストローク）

３）小ピストン３０が下死点（リミットスイッチにより検知）に到達したら、大ピストン３５の下側のシリンダ３６に圧縮空気を供給し、大ピストン３５を戻す。同時に、大ピストン３５の上側のシリンダ３６に供給された圧縮空気は排気し、大気圧にする。

４）大ピストン３５が上死点（リミットスイッチにより検知）に戻った後、１）からの動作を繰り返す。

上記で説明した流体増圧ポンプは、最も基本的な構成（ａ）であり、その他に概ね以下のような構成が存在する。

ｂ）ピストン上昇時、下降時両方で加圧する構成（ｂ）（図６（ｂ））
この構成では、大ピストン３５の下方に小ピストン３０を配置し、該小ピストン３０の可動域の上下でシリンダ３１ａ、３１ｂに分割し、各シリンダ３１ａ、３１ｂにおいて低圧流体の供給と増圧した高圧流体の取り出しをそれぞれ可能にしたものである。大ピストン３５の上昇時には小ピストン３０によってシリンダ３１ｂ内の低圧流体が圧縮されて増圧され、大ピストン３５の下降時には小ピストン３０よってシリンダ３１ａ内の低圧流体が圧縮されて増圧される。なお、各シリンダ３１ａ、３１ｂには、上記基本的な構成と同様に低圧側に逆止弁３２ａ、３２ｂ、高圧側に逆止弁３３ａ、３３ｂが設けられている。

ｃ）ピストン上昇時、下降時両方で加圧する構成（ｃ）（図６（ｃ）、例えば特許文献１、２）
この構成では、大ピストン３５の上下にそれぞれ小ピストン３０ａ、３０ｂを配置し、これら小ピストン３０ａ、３０ｂをシリンダ３１ａ、３１ｂに摺動可能に収納し、各シリンダ３１ａ、３１ｂで低圧流体の供給と増圧した高圧流体の取り出しをそれぞれ可能にする。大ピストン３５の上昇時には小ピストン３０ｂによってシリンダ３１ｂ内の低圧流体が圧縮されて増圧され、大ピストン３５の下降時には小ピストン３０ａによってシリンダ３１ａ内の低圧流体が圧縮されて増圧される。なお、各シリンダ３１ａ、３１ｂには、上記基本的な構成と同様に低圧側に逆止弁３２ａ、３２ｂ、高圧側に逆止弁３３ａ、３３ｂが設けられている。

ｄ）２段階に加圧する構成（ｄ）（図６（ｄ））
この構成では、大ピストン３５の下方に小ピストン３０を配置し、該小ピストン３０の可動域の上下でシリンダ３１ａ、３１ｂに分割し、シリンダ３１ａで低圧流体の供給と増圧した高圧流体の取り出しを可能に、シリンダ３１ｂでは、シリンダ３１ａで増圧された流体の導入と、該シリンダ３１ｂで増圧された高圧流体の取り出しを可能にしたものである。大ピストン３５の下降時には小ピストン３０によってシリンダ３１ａ内の低圧流体が圧縮されて増圧され、増圧された高圧流体はシリンダ３１ｂに供給される。大ピストン３５の上昇時には小ピストン３０よってシリンダ３１ｂ内の高圧流体がさらに圧縮されて２段階で増圧される。なお、各シリンダ３１ａ、３１ｂには、上記基本的な構成と同様に低圧側に逆止弁３２ａ、３２ｂ、高圧側に逆止弁３３ａ、３３ｂが設けられている。

ｅ）２段階に加圧する構成（ｅ）（図６（ｅ））
この構成では、大ピストン３５の上下にそれぞれ小ピストン３０ａ、３０ｂを配置し、これら小ピストン３０ａ、３０ｂをシリンダ３１ａ、３１ｂに摺動可能に収納し、シリンダ３１ａで低圧流体の供給と増圧した高圧流体の取り出しを可能にし、シリンダ３１ｂでは、シリンダ３１ａで増圧された流体の導入と、シリンダ３１ｂで増圧された高圧流体の取り出しを可能にしたものである。大ピストン３５の下降時には小ピストン３０によってシリンダ３１ａ内の低圧流体が圧縮されて増圧され、増圧された高圧流体はシリンダ３１ｂに供給される。大ピストン３５の上昇時には小ピストン３０よってシリンダ３１ｂ内の高圧流体がさらに圧縮されて２段階で増圧される。なお、各シリンダ３１ａ、３１ｂには、上記基本的な構成と同様に低圧側に逆止弁３２ａ、３２ｂ、高圧側に逆止弁３３ａ、３３ｂが設けられている。
特開２００１−１１５９５３号公報 実開昭６２−４９００２号公報

しかし、上記構成（ａ）（ｄ）（ｅ）共通の問題点として、高圧流体は１方向加圧時しか得られないため、高圧流体の連続した供給が得られず、燃料噴射試験装置などに用いる場合はアキュムレータ（蓄圧装置）を必要とする。例え複動型流体増圧ポンプを複数台設置しても、高圧の加圧タイミングが完璧に反転できない場合は、アキュムレータが必要になる。

上記構成（ｂ）の問題点として、ピストン上昇時の圧力Ｐ２および流量Ｑ２は、以下のようになり、ピストン下降時と性能が大幅に低下する。ただし、小シリンダ３１ａの断面積をＡ１、小シリンダ３１ｂの断面積をＢ１とする。
小ピストン小の最大圧力Ｐ２＝（大ピストン供給圧力）×（Ａ１−Ｂ１）／（Ａ２）
ピストン上昇時の最大流量Ｑ２＝（Ａ１−Ｂ１）×（ピストンストローク）

さらに構成（ｃ）において、１００Ｍｐａ以上の超高圧を必要とした場合、小ピストンには流体シール用のロッドシールを使用できず、半径隙間を適切に制御し、シール長さを十分確保した上で潤滑とシールを両立させる必要がある。しかし、上下の小ピストンのシリンダ同軸度（大ピストンのシリンダの取り付け面平行度や同軸度も含む）や、熱変形による姿勢変化が発生した場合、適正な隙間が確保できず、焼き付きなどの不具合を引き起こすという問題がある。

上記構成（ｃ）の課題に対しては、小ピストン側と大ピストン側とをボールジョイントで連結した連結シリンダが提案されている（特開２００５−１１４１４３号公報）。しかし、この構成では、部品点数が多く構造的に高荷重に耐えにくいという問題がある（一般的なボールジョイントでは５００〜７００ｋｇｆ程度の荷重までしか耐えられない）。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、高精度加工および組み立て部位の限定要求が少なく、熱変位等が引き起こす姿勢変化を吸収し、焼き付きを防ぐことができ、さらに高荷重に耐えて流体の増圧を連続して行うことができる複動型流体増圧ポンプを提供することを目的とする。

すなわち、本発明の複動型流体増圧ポンプのうち、第１の本発明は、複数のピストンをシリンダ内で連続往復させる複動型流体増圧ポンプにおいて、圧縮ピストン側の端面と被圧縮ピストン側の端面の一方を球面状に形成し、他方を平面状に形成して両端面を当接させるとともに、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側の一方に設けた引張バネ材を他方に係合させることを特徴とする。

第２の本発明の複動型流体増圧ポンプは、複数のピストンをシリンダ内で連続往復させる複動型流体増圧ポンプにおいて、圧縮ピストン側の端面と被圧縮ピストン側の端面とを対向面の少なくとも一つを平面にして球状部材を介して当接させるとともに、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側の一方に設けた引張バネ材を他方に係合させることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側とが一方に設けた球面形状または球状部材を介して平面で当接しており、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側との加工誤差や熱による上下小ピストンのシリンダの姿勢変化などを吸収する。圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側とは引張バネ材の係合によって、離接することなく連結される。これらの圧縮ピストンと被圧縮ピストンとが複動することで、低圧流体が連続して増圧されて高圧流体が得られる。なお、上記当接は、圧縮ピストンと被圧縮ピストンの一方のピストンと、他方のピストンロッドとの間で行われるものであってもよく、圧縮ピストンと被圧縮ピストンのそれぞれのピストンロッド間でなされるものであってもよい。また、引張バネ材は、通常は圧縮ピストン側に設けられて被圧縮ピストン側に係合されるものであるが、これと逆に被圧縮ピストン側に設けられて圧縮ピストン側に係合されるものも本発明範囲に含まれるものである。

なお、圧縮側ピストンは、加圧力増強とシリンダ内での姿勢の安定のため、２段以上の構成が望ましい。また、被圧縮側ピストンは、引張バネ材により引き戻されることで、低圧流体が十分に供給されなかった場合に、大ピストンとの分離や球状部材の離脱を防ぐ。
被圧縮側シリンダへの低圧流体による力（被圧縮側シリンダ断面積×供給圧）は、圧縮側シリンダにかかる力（圧縮側シリンダ断面積×圧縮空気圧）より小さく、バックラッシュとなって加圧効率を下げるため、当接部分での軸方向隙間は引張バネ材により０とする。なお、引張バネ材には、後述するように板バネなどを用いることができる。

第３の本発明の複動型流体増圧ポンプは、前記第１または第２の本発明において、前記引張バネ材が板バネであり、該板バネに設けたフックを圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側のうち前記係合がなされる側に設けた溝に係合させることを特徴とする。

第４の本発明の複動型流体増圧ポンプは、前記第３の本発明において、前記フックの係合部を前記溝の外周径に合わせた円弧状にしたことを特徴とする。

第５の本発明の複動型流体増圧ポンプは、前記第１〜第４の本発明において、前記引張バネ材は、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側のうち前記係合がなされる側に対し、軸方向近接側で係合し、軸方向遠方側および径方向側において非係合状態にあることを特徴とする。

引張バネ材の係合では、径方向および軸方向の遠方側に隙間を有するなどして非係合の状態にするのが望ましい。径方向隙間は、圧縮ピストン側からの外力を受けないためである。軸方向遠方での隙間は、球面形状または球状部材との位置関係によりバックラッシュを防止する。

すなわち、本発明の複動型流体増圧ポンプによれば、複数のピストンを連続往復させる複動型流体増圧ポンプにおいて、圧縮ピストン側の端面と被圧縮ピストン側の端面の一方を球面状に形成し、他方を平面状に形成して両端面を当接させ、または圧縮ピストン側の端面と被圧縮ピストン側の端面とを対向面の少なくとも一つを平面にして球状部材を介して当接させ、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側の一方に設けた引張バネ材を他方に係合させるので、加工誤差および熱による上下小ピストンのシリンダの姿勢変化を吸収することができ、ピストンの加圧特性に影響を与えることはない。また、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側とが一方に設けた球面形状または球状部材を介して当接するので高荷重にも耐えることができる効果がある。さらに、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側を連結するための部品点数が減ったことから、軸方向にコンパクトな構成にすることができ、かつ耐荷重性が上がる。また分解・点検が容易になる効果がある。

以下に、本発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
複動型流体増圧ポンプ１は、圧縮側ピストンが摺動する大シリンダ２の上下両側に、小シリンダ２０ａ、２０ｂがそれぞれ連続して設けられたシリンダ構成を有しており、大シリンダ２は、隔壁３によって下側大シリンダ２ａと上側大シリンダ２ｂとに仕切られている。大シリンダ２内には、圧縮側ピストンを固定する大ピストンロッド４が上下方向に沿って配置されており、該大ピストンロッド４の上下端側にそれぞれ下側大シリンダ２ａ内と上側大シリンダ２ｂ内に位置してこれらシリンダ内壁を僅かな隙間で摺動する大ピストン５ａ、５ｂが圧縮側ピストンとして設けられている。

上記大ピストンロッド４の上下両端面には、それぞれ鋼球６の一部が収まるテーパ穴７が端部側程大径となるように形成されており、該鋼球６、６を介して大ピストンロッド４の上下側に軸方向に沿って被圧縮ピストンとなる小ピストン２１ａ、２１ｂが配置されており、小ピストン２１ａ、２１ｂは、大ピストンロッド４に直接当接することなく前記鋼球６、６を介して当接している。なお、小ピストン２１ａ、２１ｂは、小シリンダ２０ａ、２０ｂの内壁を僅かな隙間で摺動して小シリンダ２０ａ、２０ｂ内の流体を圧縮できるように配置されている。

上記小ピストン２１ａ、２１ｂの大ピストンロッド４側の端部側面には、周方向に沿って係合溝１５、１５が形成されており、一方、大ピストンロッド４の上下端部には、引張バネ材として板バネ８…８が対になって固定されており、該板バネ８…８は、図４（ａ）に示すように、外周端に内周側に向けて円弧状の形状を有するフック９、９が設けられており、該フック９、９は、上記小ピストン２１ａ、２１ｂに形成された上記係合溝１５、１５の一部に嵌め込まれて係合される。なお、上記フック９、９は、図３（ｂ）に示すように、引張力によって軸方向において大ピストンロッド４側の係止溝面に接触しており、その反対側および径方向では係止溝面に接触することなく小ピストン２１ａ、２１ｂ側と隙間を有して非係合状態になっている。

また、下側大シリンダ２ａと上側大シリンダ２ｂとでは、図１に示すように、大ピストン５ａ、５ｂの移動域外の上方および下方側に連通するように圧縮空気送排出管１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂが接続されている。また、小シリンダ２０ａ、２０ｂでは、図２に示すように、小ピストン２１ａ、２１ｂの移動域外側に連通するように低圧流体供給管２２ａ、２２ｂと高圧流体排出管２４ａ、２４ｂとが接続されており、該低圧流体供給管２２ａ、２２ｂには、それぞれ供給側逆止弁２３ａ、２３ｂが介設されており、前記高圧流体排出管２４ａ、２４ｂには、それぞれ排出側逆止弁２５ａ、２５ｂが介設されている。

さらに、下側大シリンダ２ａと上側大シリンダ２ｂとには、図１に示すように大ピストン５ａ、５ｂの下死点および上死点を検知するセンサ１７ａ、１７ｂが設けられており、ピストンの移動制御を行っている。
なお、小シリンダ２０ａ、２０ｂと小ピストン２１ａ、２１ｂの隙間からは、少量の流体が漏れることで潤滑性を得ているため、図２に示すように小ピストン２１ａ、２１ｂの移動域において小シリンダ２０ａ、２０ｂに連通してリーク（漏れ）流体を回収する経路２７ａ、２７ｂ（回収溝、穴）を設けておく。このリーク流体が大シリンダ２に混入することを避けるため、小シリンダ２０ａ、２０ｂにおいて、上記回収部より大シリンダ２側の位置にＯリングやロッドシールなどからなるシール２８ａ、２８ｂを設けておく。

以下に、上記複動型流体増圧ポンプの動作について説明する。
低圧流体供給管２２ａより小シリンダ２０ａ内に低圧流体（例えば低圧燃料）を供給し、圧縮空気送排出管１０ａより下側大シリンダ２ａの上方側に、また圧縮空気送排出管１１ｂより上側大シリンダ２ｂの上方側に圧縮空気を供給し、下側大シリンダ２ａおよび上側大シリンダ２ｂの下方側を圧縮空気送排出管１１ａ、１０ｂを通して大気開放する。これにより大ピストン５ａ、５ｂがセンサ１７ａで下死点が検知されるまで下降し、小シリンダ２０ａ内の低圧流体を圧縮して高圧流体として高圧流体排出管２４ａから外部に取り出すことができる。この際に、逆止弁２３ａによって供給された低圧流体が加圧時に逆流することを防ぎ、逆止弁２５ａによって低圧流体供給時に高圧側の圧力が低下することを防ぐ。

引き続き、圧縮空気送排出管１１ａより下側大シリンダ２ａの下方側に、また圧縮空気送排出管１０ｂより上側大シリンダ２ｂの下方側に圧縮空気を供給し、下側大シリンダ２ａおよび上側大シリンダ２ｂの上方側を圧縮空気送排出管１０ａ、１１ｂ通して大気開放して大ピストン５ａ、５ｂが上死点がセンサ７ｂで検知されるまで上昇し、小シリンダ２０ｂ内の低圧流体を圧縮して高圧流体として高圧流体排出管２４ｂから外部に取り出すことができる。この際に、逆止弁２３ｂによって供給された低圧流体が加圧時に逆流することを防ぎ、逆止弁２５ｂによって低圧流体供給時に高圧側の圧力が低下することを防ぐ。これら動作により増圧された高圧流体（例えば高圧燃料）が複動型流体増圧ポンプ１から連続して排出され、利用側（例えば燃料噴射試験装置など）に供給される。

上記動作において、大ピストン側と小ピストン側は、鋼球６を介して球面と平面の組み合わせによって軸方向の力のみが伝達されるので、大ピストン側および小ピストン側、シリンダの加工精度、組み立ておよび熱による変形、上下ピストン、シリンダの組み立ておよび熱による相対的変位が、小ピストンの加圧特性に影響を与えることはない。
また、小ピストン側と大ピストン側との接触面を球面状にすることにより高荷重に耐えることができる。
また、フック９は小ピストン２１ａ、２１ｂに対し引っ張り力が作用しており、被圧縮側の小ピストンはフック９により引き戻され、小シリンダ２０ａ、２０ｂに低圧流体が十分に供給されなかった場合にも、大ピストン５ａ、５ｂ側との分離・鋼球との離脱を防ぐことができる。

なお、上記板バネ８では、軸方向外側において、フック９が小ピストンの係合溝１５と隙間を有して非係合状態にしてバックラッシュを防止するものとしたが、図４（ｂ）（ｃ）に示すように、フック９ａまたはフック９ｂの端部において、小ピストン側に面取りをすることでバックラッシュを防止することができる。
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は、上記実施形態の内容に限定をされるものではなく、当然に本発明を逸脱しない範囲で適宜の変更が可能である。

本発明の一実施形態の複動型流体増圧ポンプを示す正面断面図である。 同じく、板バネを省略した側面断面図である。 同じく、（ａ）図は、大ピストンロッドと小ピストンとの当接部分を示す一部拡大図であり、（ｂ）はさらに拡大した拡大図である。 同じく、板バネおよび該板バネの変更例を示す平面図または側面断面図である。 従来の複動型流体増圧ポンプの基本的な構成を示す概略図である。 同じく、その他の構成を示す概略図である。

符号の説明

１ 複動型流体増圧ポンプ
２ 大シリンダ
２ａ 下側大シリンダ
２ｂ 上側下シリンダ
４ 大ピストンロッド
５ａ 大ピストン
５ｂ 大ピストン
６ 鋼球
７ テーパ穴
８ 板バネ
９ フック
１５ 係合溝
２０ａ 小シリンダ
２０ｂ 小シリンダ
２１ａ 小ピストン
２１ｂ 小ピストン

Claims (5)

1. 複数のピストンをシリンダ内で連続往復させる複動型流体増圧ポンプにおいて、
   圧縮ピストン側の端面と被圧縮ピストン側の端面の一方を球面状に形成し、他方を平面状に形成して両端面を当接させるとともに、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側の一方に設けた引張バネ材を他方に係合させることを特徴とする複動型流体増圧ポンプ。
2. 複数のピストンをシリンダ内で連続往復させる複動型流体増圧ポンプにおいて、
   圧縮ピストン側の端面と被圧縮ピストン側の端面とを対向面の少なくとも一つを平面にして球状部材を介して当接させるとともに、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側の一方に設けた引張バネ材を他方に係合させることを特徴とする複動型流体増圧ポンプ。
3. 前記引張バネ材が板バネであり、該板バネに設けたフックを圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側のうち前記係合がなされる側に設けた溝に係合させることを特徴とする請求項１または２に記載の複動型流体増圧ポンプ。
4. 前記フックの係合部を前記溝の外周径に合わせた円弧状にしたことを特徴とする請求項３記載の複動型流体増圧ポンプ。
5. 前記引張バネ材は、圧縮ピストン側と被圧縮ピストン側のうち前記係合がなされる側に対し、軸方向近接側で係合し、軸方向遠方側および径方向側において非係合状態にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の複動型流体増圧ポンプ。

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