JP2010526239A - オフセット弁軸による膜ポンプの位置制御 - Google Patents

Abstract

膜ポンプは、第１軸に沿って第１位置と第２位置の間で移動できる膜(33)と、膜の一方側にあって,ポンピングされる流体を収容するポンプ室(24)と、膜の他方側にあって,作動油で満たされる輸送室(20)と、第１および第２の一方向弁と、この第１および第２の一方向弁を介して輸送室と連通する油タンクと、第１および第２の一方向弁を通る作動油の流れを制御すべく輸送室内に設けられた弁スプール(42)を備え、弁スプールは、上記第１軸と異なる第２軸に沿って上記第１および第２の一方向弁の開口に対する複数の位置の間を移動できる。

Description

本願は、２００７年５月２日にされた米国特許出願第１１／７４３,５０５号に基づく優先権を主張して２００８年５月１日にされ、米国を除く全指定国に対する出願人が米国法人であるワナー・エンジニアリング・インコーポレイテッド、米国に対する出願人が米国民であるリチャード・ディ・ヘンブリーであるＰＣＴ国際出願である。

本発明は、流体ポンプ、より詳しくは油圧で駆動される膜ポンプに関する。

油圧で駆動される膜ポンプは、少なくとも２群に分類される。第１群は、油圧ピストンまたは油圧プランジャの行程と膜の行程が異なるポンプである。このポンプは、非同期ポンプと呼ばれる。非同期ポンプは、通常、撓みが少量(「短行程」)で直径が大きい膜を持つのが好ましい大径膜ポンプの計量(metering)に用いられる。短行程の膜は、一般により長い行程の油圧プランジャまたはピストンによって駆動される。長い行程のピストンは、小径のピストンの使用を可能にし、その結果、ピストンをその行程に亘って動かせるクランク軸およびクランクケースに加わる荷重が小さくなる。

第２群は、膜の中心が油圧ピストンと同じ距離動くポンプである。このポンプは、同期ポンプと呼ばれる。同期ポンプにおける膜の位置は、ピストン内に設けられ、ピストンと膜中心の距離を一定に保つ弁によって制御される。

同期ポンプにおいて膜位置を制御する弁システムの例は、この言及により本願に包含される米国特許第３,８８４,５９８号(ワナー)に開示されている。ワナーは、ピストンに対する膜の位置を検知して、膜の位置を一定に保つように働くシステムを開示する。このシステムは、行程端にあるストップ面に接触しなくて済むエラストマの膜を用いることができるので、高速動作しなければならないポンプや摩耗性の材料をポンピングするポンプに有用である。しかし、このシステムは、ピストンが膜の行程距離以上に移動すると、膜の背後にある作動油の量を適切に維持できず、ポンプが適切に動かなくなる。

非同期ポンプの幾つかの例は、米国特許第５,２４６,３５１号(ホーン)、米国特許第５,６６７,３６８号(オーガスチン)、米国特許第４,８８３,４１２号(マリザード)に記載されている。これらのポンプは、総て膜位置の制御に類似の手法を用いている。各ポンプは、各行程の上端と下端で作動油の量を一時的に調整する。オーバーフィル状態は、膜が前方に移動しすぎて移動限に達したとき検出される。これは、作動油に通常圧力以上の高い圧力を生じさせ、弁を一時的に開かせ、過剰な作動油の幾らかを放出させる。この過剰圧力は、膜がストップに達したとき、または、膜を更に移動させるためにより高い圧力が必要な撓みの終点に膜が単に達したときに生じる。この圧力は、ポンピングされる流体には伝わらないので、膜を横切って不均衡な圧力降下が生じる。オーバーフィルによって生じる圧力を処理するこの方法は、膜が、損傷なく不均衡な圧力を処理できるに十分な材料と形状を持つことを要求する。膜の材料と形状に関するこの制限は、直径が非常に大きく撓みが少ない膜を使用する結果をもたらし、ポンプの寸法と費用を著しく増加させる。

公知の油圧で駆動される非同期ポンプは、少なくとも上述の理由から、比較的小さく,大きな撓みを受けることができる非常に柔軟なエラストマ膜を使用することができなかった。その結果、この種の膜の使用は、同期ポンプに限定されていた。同期ポンプのピストン行程は、膜の行程が制限されているため、比較的小さくなければならない。このことは、クランク軸とクランクケースに、大径のピストンの大きな荷重を担わせて、ポンプの駆動側をより高価にする。

油圧で駆動されるポンプの他の例は、米国特許第３,７６９,８７９号(ロフクウィスト)に記載されている。ロフクウィストは、膜の行程毎に動いて、油タンクと膜の背後の作動油室(輸送室)との間のポートをピストンの行程端で一時的に開くスプールを開示する。このポートと動くスプールは、オーバーフィルまたはアンダーフィル状態を修正するため、行程毎に小パルスの作動油を通過させうるにすぎない。

ロフクウィストは、極端なアンダーフィルまたはオーバーフィル状態(例えば、ポンピングされる流体の非常に低いまたは非常に高い入口圧力によって生じる状態)で重大な欠点を有する。極端なオーバーフィル状態では、各行程で通過できる小パルスの作動油は、オーバーフィルを直ちに修正するに不十分で、その結果、オーバーフィル状態を修正するに十分な行程が繰り返されるまで、膜に応力が加わる。ロフクウィストの他の欠点は、膜が付勢される方向に関係する。極端な状態(例えば、ポンプの入口側の閉塞などに起因するポンピングされる流体の低い入口圧力および出口圧力)で、ロフクウィストのシステムは、そうでなければ過剰充填された作動油を放出するのであるが、膜に付勢力が加わっていなくても輸送室に作動油を追加しようとする。その結果、オーバーフィルを解消できず、膜が損傷することになる。

米国特許第３,８８４,５９８号明細書 米国特許第５,２４６,３５１号明細書 米国特許第５,６６７,３６８号明細書 米国特許第４,８８３,４１２号明細書 米国特許第３,７６９,８７９号明細書

膜ポンプにおいて、膜位置の制御を改善する必要がある。

本開示の一態様は、ピストン,膜,ポンプ室,輸送室,第１弁,第２弁,油タンクおよび弁スプールを備えた膜ポンプに関する。上記ピストンは、第１位置と第２位置の間で往復動するようになっている。上記膜は、上記ピストンの第１位置および第２位置に夫々関連する第１位置および第２位置の間で移動できる。上記輸送室は、膜の一方側に位置し、膜とピストンの相対位置によって部分的に区画され、作動油で充填される。上記ポンプ室は、膜の輸送室と反対側に位置する。上記油タンクは、上記第１弁および第２弁を介して上記輸送室に連通する。上記弁スプールは、輸送室内に位置し、第１位置にあるとき、第１弁および第２弁の開口を閉じ、第２位置にあるとき、第１弁の開口を閉じ、第２弁の開口を開き、第３位置にあるとき、第１弁の開口を開き、第２弁の開口を閉じるようになっている。弁スプールは、弁スプールを第２位置へ動かす充填過剰状態が輸送室に生じるまで、あるいは、弁スプールを第３位置へ動かす充填不足状態が輸送室に生じるまで、一般に第１位置を維持する。膜ポンプは、膜の移動部分に取り付けられ,弁スプールに係合してこの弁スプールを第１,第２,第３位置の間で動かす作動部材を更に備える。作動部材は、ロッドおよび膜に付勢力を与えるために用いられるばねの軸とは異なる軸に弁スプールを配置することを可能にする。弁スプールは、膜,膜ロッド,ばねおよびポンプの主ピストンから分離した軸に配置することができる。

このような膜ポンプを膜ポンプ内の作動油圧力を制御するために操作する方法も、本開示の重要な態様である。

以上の概括は、本明細書に開示された発明の態様の総ての実施形態または実行例を記述することを意図しない。次の詳細な説明の図は、発明の特定の態様が如何に実施されるかを例示する。一方、特定の実施形態が図示され説明されるが、開示がこのような実施形態に限定されないものと理解されなければならない。

図１は、正常充填状態下でポンプピストンが下死点にある本開示の原理によるポンプの例を示す側断面図である。 図２は、正常充填状態下でポンプピストンが上死点にある図１のポンプの側断面図である。 図２Ａは、図２に示す弁位置の拡大図である。 図３は、充填不足状態下でポンプピストンが下死点にある図１のポンプの側断面図である。 図３Ａは、図３に示す弁の拡大図である。 図４は、充填過剰状態下でポンプピストンが上死点にある図２のポンプの側断面図である。 図４Ａは、図４に示す弁の拡大図である。 図５は、充填不足状態下でポンプピストンが下死点にある代替のレバー式作動アームを例示する断面図である。 図５Ａは、図５に示す弁の拡大図である。 図６は、正常充填状態下でポンプピストンが上死点にある図５の弁を示す図である。 図６Ａは、図６に示す弁の拡大図である。

種々の実施形態を図を参照して説明するが、幾つかの図を通じて同じ部材およびアセンブリには、同じ参照番号を用いる。種々の実施形態への言及は、添付の請求項の範囲を制限するものではない。また、本明細書で述べる実施形態は、添付の請求項を限定する意図ではなく、多くの可能な実施形態の幾つかを述べているにすぎない。

次の記載は、本発明を実施するのに適した環境を簡潔かつ一般的に述べるものである。要求されないが、本発明を膜ポンプの一般的背景において記述する。以下、膜位置を制御する装置およびシステムの構造,製造,使用の幾つかの例ならびに関連する使用法を述べる。

本開示は、概ね、油圧で駆動される膜ポンプなどの流体ポンプに関する。本開示の原理は、非同期ポンプにも同期ポンプにも等しく適用できる。非同期ポンプは、油圧ピストンの行程と膜の行程が相違する。膜は、一般に直径が比較的大きく、撓みが比較的少量になるように設定されている。この膜の短い行程は、遙かに長い行程の油圧プランジャまたはピストンで駆動される。油圧プランジャまたはピストンの行程が長ければ長いほど、ピストンの直径はより小さくて済み、ポンプのクランク軸やクランクケースに加わる荷重はより小さくなる。

同期ポンプは、膜の中心が油圧ピストンの移動距離と同じ距離移動するように構成されている。このようなポンプは、比較的小径のピストンを用いることに起因するクランクケースやクランク軸の荷重を最小化するために、膜が、ピストン行程に対応する長い距離だけ撓まなければならない。比較的小径のピストンを確保するために必要な程度に撓む膜が不可能な場合、ピストン直径を大きくしなければならず、その結果、クランク軸やクランクケースに大きな荷重が加わることになる。本開示は、膜の破損をもたらす予め定められた距離を超えて膜が伸張または後退しないことを保証するように膜位置の制御を助けるように、非同期ポンプおよび同期ポンプの双方に用いることができる。

公知の膜位置制御システムの多くは、膜のポンピングされる流体と反対側の輸送室内の作動油の圧力状態に基づいて機能する。このような圧力に基づくシステムは、一般に、所定の圧力レベルに応動して開閉するリリーフ弁を用いている。リリーフ弁は、一般に、輸送室と油タンクの間に配置される。過剰圧力を軽減すべく設計されたシステムでは、最大圧力を超えると、リリーフ弁が一時的に開いて、作動油の幾らかを油タンクに逃がす。不足圧力を緩和すべく設計されたシステムでは、圧力が最低圧力以下に低下すると、別のリリーフ弁が一時的に開いて、幾らかの作動油を油タンクから輸送室に吸い込む。

このようなシステムにおいて過剰圧力は、一般に、撓み端などにあるストップに膜が達して、膜を更に撓ませるのに高い圧力を要する時点で生じる。過剰圧力状態に対処するため、膜は、高圧と低圧の繰り返しサイクルの後でも損傷に耐え得る比較的強くて柔軟でない材料から作られなければならない。直径を増加し,膜の撓み量を減少させた膜は、高圧状態に対処できるが、ポンプの寸法と価格を大きく増大させる。

圧力に基づくシステムの他の問題は、キャビテーションである。輸送室内の過剰圧力は、ポンピングされる流体に通常は伝わらず、従って、膜を横切って圧力の不均衡状態(即ち、圧力降下)が生じる。この圧力降下は、ピストン行程の或る部分で真空状態をもたらす可能性があり、作動油にキャビテーションを起こし得る。キャビテーションは、作動油に曝される部材の摩耗(孔食)を増大させる。

本開示は、輸送室内の圧力ではなく、輸送室の体積に基づいて機能する。輸送室内の充填過剰または充填不足の体積状態に依存して、移動可能な弁スプールが、油タンクと輸送室の間にあるチェック弁の開口を開閉する位置の間で輸送室内において変位する。弁スプールを動かすのは、作動油によって生じる圧力状態ではなく、作動油そのものである。充填不足および充填過剰の体積状態は、ピストン行程の上死点または下死点で概ね最も良く評価される。本開示は、弁スプールがピストン行程の上死点または下死点のみで移動して、充填不足および充填過剰の状態を修正するように構成される。

この言及により本願に包含される本出願人による米国出願(US 2006/0239840 A1)は、油圧で駆動される膜ポンプの膜位置を制御するためのシステムであって、膜が行程の安全範囲内で動くシステムを開示する。このシステムは、作動油で満たされる輸送室が充填過剰または充填不足になったときに動く弁スプールを用いている。輸送室が充填過剰になると、ピストンが上死点にあるとき、膜は前方へ遠くまで移動する。この充填過剰位置は、弁スプールを動かして、輸送室から第１チェック弁を経て作動油を流出させるポートを開かせる。輸送室が充填不足になると、膜は後方へ遠くまで移動して、弁スプールをして、第２チェック弁を経て作動油を輸送室に流入させるポートを開かしめる。

上記米国出願(US 2006/0239840 A1)は、膜の中心に取り付けられたロッドと同軸の膜の軸に沿って配置された弁スプールを開示する。この膜のロッドは、輸送室内の作動油に、膜の反対側のポンピングされる流体よりも僅かに高い圧力を付加するバイアスばねの力に対抗して用いられる。ロッドは、また、充填過剰または充填不足状態が生じると、弁スプールに接触し、第１,第２チェック弁を上述のように動かすようになっている。同軸の弁スプールは、ロッドと接触するように設計されなければならず、同時に、膜のロッドの内部または外部にある同軸のばねを許容しなければならない。米国出願(US 2006/0239840 A1)に記載された膜ポンプの全体の構造および形状は、比較的複雑で、組み立てが難しくなる傾向があり、その結果、弁スプールや他の構成要素が好ましくない寸法になる。

本開示は、例えば米国出願(US 2006/0239840 A1)で用いられているよりも構成要素および構造が簡素な弁制御システムを提供する。このような構成要素として、膜の移動部分に取り付けられた作動部材がある。この作動部材は、充填過剰または充填不足状態の際、輸送室と油タンク間の作動油の流れを制御する弁スプールに係合する。上記作動部材は、膜のロッドおよび膜にバイアス圧力を加えるためのばねの軸と異なる軸に、弁スプールを配置することを可能にする。弁スプールを別の軸に配置することは、膜ポンプを種々の観点で簡素化できる。例えば、膜のロッドとバイアス圧力用のばねは、バイアス圧力を加えるという限られた機能のみを果たせば済む。このことは、通常、ばねの寸法を小さくでき、(膜のロッド内にばねを配置する場合)ばねを嵌め込む穴を小さくできることを意味する。さらに、弁スプール部材は、弁スプール用の穴に要求される高度に円滑な仕上げを必要としない。

弁スプールを別の軸に配置することの他の利点は、弁スプールの直径を遙かに小さくできることである。弁スプールは、その軸に沿って膜バイアス用のばねを収容するための穴が不要になるので、直径を遙かに小さくでき、弁スプールを収容する対応する穴も、遙かに小さくできる。膜バイアス用のばねおよび弁スプールのための穴が小さいので、ポンプハウジング内において輸送室に生じる高圧に曝される部分の面積が減少し、その結果、ポンプ内に掛かるストレスが減少する。また、上記穴が小さいので、輸送室に必要とされる作動油の体積が減少し、システムのためのモジュールが小体積になり、体積効率が上昇する。

弁スプールを別の軸に配置することの更なる利点は、弁スプールを円筒形にする必要が最早ないことである。弁スプールは、セラミックの盤部材などの平坦な構造にできる。弁スプールの平坦な構造は、比較的低度の隙間シールインターフェイスを作る選択肢を提供でき、場合によって低価格の設計を提供できる。
図１〜４Ａに示す膜ポンプの実施形態

本開示の原理を図解した非同期膜ポンプ１０の例を、図１〜４Ａを参照して記述する。図１は、正常充填状態下で下死点(ＢＤＣ)にあるポンプピストンを、図２は、正常充填状態下で上死点(ＴＤＣ)にあるポンプピストンを、図３は、充填不足状態下で下死点にあるポンプピストンを、図４は、充填過剰状態下で上死点にあるポンプピストンを夫々示す。

ポンプ１０は、クランクケース１２、ピストンハウジング１４およびマニホールド１６を有する。ピストンハウジング１４は、油タンク１８、輸送室２０または作動油室およびプランジャ室２２を区画する。マニホールド１６は、ポンプ室２４を区画し、入口弁７２と出口弁７４を有する。

クランクケース１２内に、クランク軸２６と連接棒２８とスライダ３０が配置されている。スライダ３０は、プランジャ室２２内に配置されたプランジャ３２に連結される。輸送室２０とプランジャ室２２は、互いに連通しており、プランジャ室２２に吸い込まれあるいはプランジャ室２２から押し出された作動油が、膜を図１に示すように後退位置に引き込みあるいは図２に示すように伸張位置に押し出すようになっている。

膜のロッド３４は、輸送室２０を通って延在する。ばね３６は、ロッド３４と同軸に配置され、輸送室２０内をポンプ室２４内よりも高い圧力状態に維持することを助けるべく、膜に後方へ向かう付勢力を加える。輸送室２０をより高い圧力状態に維持すれば、入口吸い込み状態下でポンプ１０の性能を改善できる。

弁スプール用の穴５４は、膜のロッド３４の近傍のピストンハウジング１４に設けられている。この穴は、弁スプール４２を収容する寸法である。スプール穴５２は、膜のロッド３４の動きに平行な方向に弁スプール４２が動けるような寸法になっている。弁スプール４２は、アンダーフィル弁４４の開口５６を開くとともに、オーバーフィル弁４６の開口６４を閉ざす第１位置(図３,３Ａに示すアンダーフィルの位置付け参照)と、開口５６,６４を実質的に閉ざす第２位置(図２,２Ａに示す定常状態の位置付け参照)と、開口５６を閉ざし、開口６４を開く第３位置(図４,４Ａに示すオーバーフィルの位置付け参照)の間で動くことができる。図２Ａ,３Ａ,４Ａの拡大図は、定常状態,アンダーフィル状態(充填不足),オーバーフィル状態(充填過剰)の夫々における開口５６,６４の開閉状態をより明瞭に示している。

膜ポンプ１０は、開口５６に連繋するアンダーフィル弁４４と、開口６４に連繋するオーバーフィル弁４６を有する。アンダーフィル弁４４は、油タンク１８の近傍に位置する他の開口５７を有する。アンダーフィル弁４４は、また、座５８,ばね６０およびプラグ６２を有する。ばね６０は、弁スプール４２が移動して開口５６を開くまで、プラグ６２を座５８に当接するように付勢する。開口５６が開かれると、作動油はアンダーフィル弁４４を経て輸送室２０に吸い込まれる。オーバーフィル弁４６は、座６６,ボール６８およびばね７０を有する。ばね７０は、弁スプール４２が移動して開口６４を開くまで、ボール６８を座６６に当接するように付勢する。開口６４が開かれると、作動油は輸送室２０からオーバーフィル弁４６を経て押し出される。アンダーフィル弁４４とオーバーフィル弁４６は、作動油の一方向のみへの流れを許容するチェック弁である。

弁スプール４２は、輸送室２０内が充填不足,充填過剰および定常の状態であるとき、輸送室２０と油タンク１８の間の作動油の流れを制御する重要な機能を果たす。弁スプール４２は、膜３３の位置に応じて移動する。弁アーム４３は、一端が膜３３に固定され、他端が弁スプール４２のスプール穴５２内に位置する。スプール穴５２は、定常状態における操作条件下での膜３３の移動量よりも大きい長さを持つ。スプール穴５２は、輸送室２０内で充填過剰または充填不足の状態が生じるまで、弁アーム４３が弁スプール４２を動かすことなく自由に移動できる「滞留(ドウェル)域」を提供する。

ポンプ１０の通常の高圧力動作において、プランジャピストン３２とプランジャピストン３２が内側を移動する穴３１との間の隙間を経て、少量の作動油がプランジャ室２２から油タンク１８へ流れる。この作動油の損失は、ポンプ１０の吸入行程中にアンダーフィル弁４４を経て輸送室２０に吸い込まれる作動油によって補われる。この通常動作では、弁スプール４２は、アンダーフィル弁の開口５６を図１,２,２Ａに示すように開くような位置にある。この通常の釣合い位置は、膜３３が下死点(ＢＤＣ)に達して、開口５６を経て輸送室２０に流入する流れが、プランジャピストン３２と穴３１の間の隙間を経て流出する流れに等しくなるに十分なだけ開口５６が開くように、膜に取り付いた弁アーム４３が弁スプール４２を後方へ動かしたとき達成される。この釣り合わせの過程は、輸送室２０から流出する作動油の損失に伴って膜３３が漸次後方へ移動するとき、ポンプ１０の数行程に亘って起こる。輸送室２０から流出する作動油の量とアンダーフィル弁４４を経て輸送室２０に流入する作動油の量が一旦均衡すると、弁スプール４２は、作動油の損失率を変化させる何らかの変化がポンプの条件に生じない限り、静止状態を維持する。

弁スプール４２の図３,３Ａ,４,４Ａに示す他の位置への移動は、ポンプ１０のポンピング条件に依存する。第１の一般的な条件は、ポンプ１０の起動時に生じる。ポンプ１０が停止中は、輸送室の作動油が、ばね３６から膜３３に加わる圧力またはポンプ１０内の残留圧力によって、プランジャピストン３２と穴３１の間の隙間から洩れ出す。ポンプ１０が起動されるとき、輸送室２０には僅かな作動油しかないので、膜３３は輸送室２０内の遙かに後方へ移動し、プランジャピストン３２は下死点に達している(例えば図３,３Ａ参照。この状態は上述の充填不足状態である。充填不足状態が生じると、膜３３と共に動く弁アーム４３は、弁スプール４２がオーバーフィル弁の開口６４を完全に閉ざし、アンダーフィル弁の開口５６を開くように弁スプール４２を移動させる。)。弁スプール４２がこの位置にあると、ポンプ１０の吸入行程において、油タンク１８の作動油がアンダーフィル弁４４を経て輸送室２０に吸い込まれる。ポンプの連続する各行程によって輸送室２０の充填不足が緩和されると、弁アーム４３は弁スプール４２の前方に係合して、図１,２,２Ａを参照して先に述べた定常状態の均衡位置に実質的に到達する。

第２の一般的な条件は、ポンプ１０への入口ラインに制限があって、低圧入口状態および出口圧力の損失が起こる場合に生じる。低圧入口状態は、膜３３を通常よりも遙かに前方へ移動させ、プランジャは上死点(ＴＤＣ)に達している。この状態は、充填過剰状態と呼ばれ、図４,４Ａに示される。充填過剰状態になると、弁アーム４３は、弁スプール４２がアンダーフィル弁の開口５６を完全に閉ざし、オーバーフィル弁の開口６４を開くように弁スプール４２を前方へ移動させる。すると、過剰な作動油は、輸送室２０から開口５６およびオーバーフィル弁４６を経て油タンク１８に流出する。

上述のように、弁スプールは、輸送室２０に対して流入および流出する流れを釣り合わす均衡位置を探し求めて移動する。弁スプール４２の位置は、ポンプの条件が変化して弁アーム４３が弁スプール４２を移動させるまで、変わることなく維持される。弁アーム４２が振動や重力で自ら動くことを防ぐため、ポンプ１０には、弁アーム４３に係合するまでの弁スプール４２の動きを阻止する装置が設けられる。ボール９２とばね９４を有するスプールリテーナ９０が、弁スプール４２のスプールリテーナ穴９６に配置される。スプールリテーナ９０は、スプール穴５４に当接して摩擦力を生じさせ、弁スプール４２が自ら動かないようにしている。

特定のポンピング条件に対する均衡定常状態点の達成について、図１,２,２Ａを参照して更に述べる。均衡定常状態下では、ポンピング条件に変化がない限り、弁スプール４２は動かない。輸送室２０に出入りする作動油の流れの微調整は、膜の上死点または下死点における極僅かな変化によってもたらされる。この変化は、１行程当たりの輸送室からの洩れ率をプランジャの変位で除した値に比例する。例えば、シリンダ変位が略２００立方センチメートル(ｃｃ)のシールレスポンプを最大圧力で作動させた場合、輸送室からの洩れ率は、１行程当たり略１ccである。弁スプールがオーバーフィル弁およびアンダーフィル弁の開口５６,６４を、輸送室２０の作動油がプランジャピストン３２の外周のみから洩れ出すように閉ざしている場合、膜の行程位置は、膜の行程の略１／２００だけ移動する。シリンダ変位が２００ｃｃの例では、膜３３の移動は略３８.１ｍｍになるので、１行程当たりの下死点の減少は、略０.１９１ｍｍである。膜の行程位置は、弁スプール４２がアンダーフィル弁の開口５６を開き始めるまで、各行程毎に０.１９１ｍｍずつ後退する。アンダーフィル弁の開口５６が一旦僅かに開くと、少量の作動油が吸入行程毎に輸送室２０に流入する。つまり、流入する作動油が、輸送室２０からプランジャピストン３２の外周を経て流出する作動油率から減じられるので、行程毎の正味の損失は、次の行程でより少なくなる。

例えば、弁スプール４２が、最初に移動するときに弁アーム４３の係合によって開口を０.１７８ｍｍ開いているとすると、吸入行程で輸送室２０に流入する作動油は０.５ｃｃであり、輸送室２０から流出する正味の作動油は、今や０.５ｃｃになる。次の行程では、弁スプール４２は、前回の移動量の半分だけ移動するだけで、各行程毎に調整量は減少し続ける。実際、この調整過程は、ポンプ１０の数行程に亘って、ポンプの動作設定に応じて数秒以下の時間行われる。ポンプの条件が充填過剰を生じたときも、同様の過程が行われる。ポンプ１０への入口に制限があって、ポンプ１０の出口が低圧であると、充填過剰が生じる。充填過剰状態では、輸送室２０は、各行程毎に徐々に少量ずつ(例えば、１行程につき1ｃｃ)作動油体積を増加させる。オーバーフィル弁の開口６４を徐々に開くという同様の過程が、プランジャピストンの隙間から輸送室２０に流入する作動油の量が,オーバーフィル弁４６を経て輸送室２０から流出する作動油の量に等しくなるまで行われる。

図１は、輸送室２０から(例えばポンプ起動時に)空気を逃がすが、正常動作中は流体(作動油または油)の著しい洩れを防ぐ抽気弁９８を示している。作動油を油タンク１８に収容するため、プランジャ３２にワイパーシール９９を設けている。このワイパーシールは、輸送室２０の高圧を維持するようにはなっていない。輸送室２０の高圧は、プランジャ３２と穴３１の密な嵌合によって維持される。プランジャ３２と穴３１の間の高圧隙間を通る作動油は、油タンク１８と同じ圧力に維持され、ワイパーシール９９は、油タンク１８内の作動油をクランクケース１２内に収容された油から分離しておくことを助ける。
図５〜６Ａに示す膜ポンプの実施形態

図５〜６Ａは、本開示の原理を一体化したポンプ100の他の例を示している。ポンプ100は、図１〜４Ａを参照して上に述べた実施形態と同じ多くの特徴を有する。ポンプ100は、レバー８０で操作される異なった弁スプール142を有する。弁スプール142は、膜のロッド３４から離隔したスプール穴154に配置されている。弁スプール142は、膜のロッド３４および膜３３の移動方向に平行な方向に移動できる。レバー８０は、弁スプール142を操作できるように膜のロッド３４に連結する。レバー８０は、支点８１,第１接続８３および第２接続８４を有する。レバー８０は、支点８１の周りに回動する。第１接続８３は、膜のロッド３４に連結され、第２接続８４は、弁スプール142に連結される。第１接続８３は、膜のロッド３４上でレバー８０のスライド係合を提供する。膜のロッド３４に沿うレバー８０の行程距離を制御するために、一対の第１ストッパ８５と第２ストッパ８６が膜のロッド３４に沿って設けられている。

第１,第２ストッパ８５,８６の間の空間は、ポンプ１０の定常状態動作の間、輸送室２０内に充填過剰または充填不足の状態が生じるまで、弁スプール142を静止状態に維持する「滞留」を定義する。充填不足状態では、膜３３は、輸送室２０内の遙か後方へ移動し、第２ストッパ８６がレバー８０を支点８１の周りに回動させて、アンダーフィル弁の開口５６を開くように弁スプール142を前方へ移動させる。充填過剰状態では、膜３３は、正常状態よりも前方へ移動し、第１ストッパ８５がレバー８０を支点８１の周りに回動させて、オーバーフィル弁の開口６４を開くように弁スプール142を後方へ移動させる。

図１〜６Ａに示した弁スプールは、多くの変更が可能である。一例として、弁スプールと関連するオーバーフィル弁およびアンダーフィル弁は、ポンプ内に単一片として載置される予組立品として一体化できる。他の例として、弁スプールは、膜および膜のロッドの移動方向に対して垂直な方向(または平行でない任意の方向)に移動するよう配置できる。さらに、弁スプールは、膜のロッドの側部に横方向に、あるいは図１〜６Ａに示す膜のロッドの鉛直下方と異なり膜のロッドの鉛直上方に配置することができる。
更なる考察

上記実施形態を参照して述べた弁スプールは、膜の背後の輸送室に適正な量の作動油がある限り、静止位置を維持する。弁スプールは、膜が完全に伸張した位置と完全に後退した位置との間であれば膜の位置に拘わらずこの静止位置を維持する。静止位置にある弁スプールは、輸送室と油タンクの間にあるチェック弁の開口を閉ざす。従って、充填過剰または充填不足が生じた場合だけ、弁スプールが一方または他方のチェック弁の開口を開くように移動して、チェック弁が働くのである。リリーフ弁の制限された動作は、各ピストン行程の上死点または下死点で作動するので、圧力に基づく制御システムに幾らかの利点を提供する。しかし、チェック弁が作動すればするほど、チェック弁の摩耗感受性は増大する。

上記実施形態のポンプの他の利点は、ポンプの充填過剰と充填不足を共に修正するに必要な部材数に関する。圧力に基づくシステムは、一般に、充填過剰と充填不足に対して別々の構成部材を必要とする。これに対して、上記実施形態のポンプは、充填過剰と充填不足を修正するため単一のスプール部材(弁スプール)を用いている。さらに、この弁スプールは、充填過剰状態または充填不足状態が生じた場合だけ作動するので,使用頻度および摩耗を受けることが少ない比較的簡素な一対のチェック弁と相俟って機能する。弁スプールの限定された動きが、摩耗を制限し、起こり得るメインテナンスを低減するのである。
結論

本開示の一態様は、膜,ポンプ室,輸送室,第１弁と第２弁,油タンクおよび弁スプールを備えた膜ポンプに関する。膜は、第１軸に沿って第１位置と第２位置の間を移動できる。ポンプ室は、膜の一方側に区画されてポンピングすべき流体を収容する。輸送室は、膜の他方側に区画されて作動油で満たされる。第１弁と第２弁は、チェック弁で構成される。油タンクは第１弁および第２弁を介して輸送室と連通する。弁スプールは、輸送室内に配置され、第１弁および第２弁を通る作動油の流れを制御する。弁スプールは、第１軸と異なる第２軸に沿って第１弁および第２弁の開口に対して複数の位置の間で移動できる。

本開示の他の態様は、膜,ピストン,輸送室,油タンクおよびスプール部材を備えた作動油で駆動されるポンプに関する。膜は、第１軸の周りに移動できる。輸送室は、膜とピストンの間に区画されて作動油で満たされる。油タンクは、少なくとも１つの弁を介して輸送室と連通する。スプール部材は、輸送室と油タンクの間の作動油の流れを制御する。スプール部材は、輸送室に充填過剰または充填不足状態が生じたとき、上記少なくとも１つの弁に対して動くことができる。スプール部材は、第１軸に対して同軸には配置されていない。

本開示の更なる態様は、作動油で駆動される膜ポンプ内の作動油の圧力を均衡させる方法に関する。膜ポンプは、膜,ピストン,膜とピストンの間に設けられた輸送室,油タンク,弁スプールおよび油タンクと輸送室の間を連通する少なくとも１つの弁を備える。この方法は、第１軸に沿って膜を移動させるべくピストンを動かすステップと、油タンクと輸送室の間の作動油の流れを制御すべく上記少なくとも１つの弁に対して弁スプールを動かすステップを有する。弁スプールは、第１軸とは同軸でない第２軸に沿って移動する。

上述の詳細な説明では、開示を能率化するため、種々の特徴を折々一緒に組にして単一の実施形態とした。本開示の方法は、発明の主題のクレームされた実施形態が各請求項に明白に記載された以上の特徴を要求するという意図を反映していると解釈されてはならない。むしろ、次の請求項は、開示された単一の実施形態の総ての特徴よりも少ない事項に発明の主題が存することを反映していると解釈されるべきである。従って、次の請求項は発明の詳細な説明に統合されていて、各請求項は、別々の好ましい実施形態として独立している。従って、請求項の神髄と範囲は、ここに述べた好ましい実施形態に限定されてはならない。

Claims (21)

1. 第１位置と第２位置の間で第１軸に沿って移動できる膜と、
   この膜の一方側にあって、ポンピングされる流体を収容するようになっているポンプ室と、
   上記膜の他方側にあって、作動油で満たされる輸送室と、
   第１および第２の一方向弁と、
   上記第１および第２の一方向弁を介して上記輸送室に連通する油タンクと、
   上記第１および第２の一方向弁を通る作動油の流れを制御すべく上記輸送室内に設けられ、上記第１および第２の一方向弁の開口に対して複数の位置の間を上記第１軸とは異なる第２軸に沿って移動できる弁スプールを備えた膜ポンプ。
2. 請求項１に記載の膜ポンプにおいて、上記弁スプールは、第１の一方向弁の開口および第２の一方向弁の開口を閉ざす第１位置と、第１の一方向弁の開口を閉ざし,第２の一方向弁の開口を開く第２位置と、第２の一方向弁の開口を閉ざし,第１の一方向弁の開口を開く第３位置との間で移動できる膜ポンプ。
3. 請求項２に記載の膜ポンプにおいて、上記弁スプールは、上記弁スプールを動かす充填過剰または充填不足の状態が上記輸送室内に生じるまで、上記第１位置を維持するようになっている膜ポンプ。
4. 請求項１に記載の膜ポンプにおいて、上記膜に連結され、上記輸送室内に充填過剰または充填不足の状態が生じたとき、上記弁スプールを動かすようにこの弁スプールに係合するようになっている弁アームを更に備える膜ポンプ。
5. 請求項１に記載の膜ポンプにおいて、上記第１および第２の一方向弁は、作動油の一方向への流れを許容するチェック弁である膜ポンプ。
6. 請求項４に記載の膜ポンプにおいて、上記弁スプールは、凹部を有し、上記弁アームの一部が、充填過剰又は充填不足の状態が生じるまで、弁スプールを動かすことなく上記凹部内で動ける膜ポンプ。
7. 請求項１に記載の膜ポンプにおいて、膜ロッドアセンブリを更に備え、この膜ロッドアセンブリは、膜のロッドと付勢部材を備え、この膜のロッドは上記膜に固定され、上記膜ロッドアセンブリは、上記膜に上記第１軸に沿う方向の付勢力を加える膜ポンプ。
8. 請求項７に記載の膜ポンプにおいて、ポンプ内に往復動するように設けられたプランジャピストンを更に備え、このプランジャピストンと膜のロッドは、このプランジャピストンと膜の非同期移動を与えるべく互いに２軸をなす膜ポンプ。
9. 請求項７に記載の膜ポンプにおいて、上記膜ロッドアセンブリは、上記輸送室内に、上記ポンプ室内の圧力状態よりも大きい圧力状態を作る膜ポンプ。
10. 請求項１に記載の膜ポンプにおいて、上記弁スプールは、上記輸送室と第１および第２の一方向弁の間に作動油を流すべく、弁スプールの長手の少なくとも一部に沿って区画された流路を有する膜ポンプ。
11. 第１軸の周りに動ける膜と、
    ピストンと、
    上記膜とピストンの間に設けられ、作動油で満たされる輸送室と、
    上記輸送室と少なくとも１つの弁を介して連通する油タンクと、
    上記輸送室と油タンクの間の作動油の流れを制御し、充填過剰状態または充填不足状態が輸送室に生じたとき、上記少なくとも１つの弁に対して動くことができ、上記第１軸と同軸には配置されないスプール部材を備えた作動油で駆動されるポンプ。
12. 請求項１１に記載の作動油で駆動されるポンプにおいて、上記少なくとも１つの弁は、第１および第２の一方向弁を含む作動油で駆動されるポンプ。
13. 請求項１１に記載の作動油で駆動されるポンプにおいて、上記膜に連結され、上記第１軸に沿って移動でき、上記膜に付勢力を加える膜ロッドアセンブリを更に備える作動油で駆動されるポンプ。
14. 請求項１２に記載の作動油で駆動されるポンプにおいて、上記膜に連結され、充填過剰または充填不足の状態が生じたとき、上記弁スプールを動かすべくこの弁スプールに係合するようになっている弁アームを更に備える作動油で駆動されるポンプ。
15. 請求項１２に記載の作動油で駆動されるポンプにおいて、上記弁スプールは、上記第１軸と平行な方向に動く作動油で駆動されるポンプ。
16. 作動油で駆動される膜ポンプ内の作動油の圧力を均衡させる方法において、上記膜ポンプは、膜と、ピストンと、上記膜とピストンの間に設けられた輸送室と、油タンクと、弁スプールと、上記油タンクと輸送室の間を連通するように設けられた少なくとも１つの弁を備え、上記方法は、
    上記膜を第１軸に沿って動かすべく上記ピストンを移動させるステップと、
    上記油タンクと輸送室の間の作動油の流れを制御すべく上記少なくとも１つの弁に対して上記弁スプールを移動させるステップとを備え、上記弁スプールは、上記第１軸と同軸でない第２軸に沿って移動する方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、上記弁スプールを移動させるステップは、上記輸送室内に充填過剰または充填不足の状態が生じるまで、上記膜は動いても、上記少なくとも１つの弁を通る作動油の流れを制限する第１位置に上記弁スプールを維持することを含む方法。
18. 請求項１６に記載の方法において、上記弁スプールを移動させるステップは、上記膜に連結された弁アームを、上記弁スプールに係合させることを含む方法。
19. 請求項１６に記載の方法において、上記少なくとも１つの弁は、第１および第２の一方向弁を含み、第１の一方向弁は、輸送室から油タンクへの作動油の流れを許容し、第２の一方向弁は、油タンクから輸送室への作動油の流れを許容するようになっており、上記弁スプールを移動させるステップは、充填過剰の圧力状態が生じたとき、上記弁スプールを第１位置に移動させて、第１の一方向弁の開口を開き,第２の一方向弁の開口を閉ざさせ、充填不足の圧力状態が生じたとき、上記弁スプールを第２位置に移動させて、第１の一方向弁の開口を閉ざし,第２の一方向弁の開口を開かせることを含む方法。
20. 請求項１９に記載の方法において、上記弁スプールは、膜ポンプが正常状態で動作している場合、上記第２位置を維持して、輸送室からピストンを経る作動油の洩れを補償する方法。
21. 請求項１６に記載の方法において、上記膜ポンプは、抽気部材を更に備え、この方法は、輸送室から上記抽気部材を経て出る空気の流れを許容する一方、輸送室からの作動油の流出を実質的に制限する方法。

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