JP2012002114A

JP2012002114A - 往復動ポンプとこのポンプを用いた吐出量調節方法

Info

Publication number: JP2012002114A
Application number: JP2010136854A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Nishida; 篤生西田
Original assignee: KYORITSU KIKO KK
Current assignee: KYORITSU KIKO KK
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】ポンプ室の容積を増減させる往復運動子のストロークと移動速度を往復運動子の駆動モータの回転角度と回転速度によって制御することにより、吐出量を簡単容易に調節できる様にした。
【解決手段】駆動モータ８の出力軸8aに、これの回転運動を往復運動に変換する機構10を介して往復運動子15を連繋し、該往復運動子15の往復運動によるポンプ室24容積の増減によって流体を吸込・吐出する吸込弁25及び吐出弁27を備えた往復動ポンプ１において、駆動モータ８はその出力軸8aが正逆３６０度の範囲で所定角度に渡って正逆回動する様に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プランジャ（ピストン）又はダイヤフラム等の往復運動子の運動によるポンプ室容積の増減によって流体を吸込・吐出する往復動ポンプとこのポンプを用いた吐出量調節方法に関する。

従来より往復動ポンプとして、ポンプ室の１つの室壁となるダイヤフラムに連結したプランジャを一側に形成し、他側にホルダケースを対設してなる伝達枠体を設け、この伝達枠体の内部に外方にボールベアリングを嵌着した偏心カムを位置させ、伝達枠体のプランジャ側には吐出位置においてボールベアリングに外接する部材を設け、ホルダケースには、バネによりカム軸に向けて付勢されかつボールベアリングに圧接するスプリングホルダを摺動可能に装着すると共に、ホルダケースの進退を規制するストローク調節ねじを設け、プランジャの往復動を調節するように構成したものが特許文献１に開示されている。
この往復動ポンプでは、偏心カムの回転により吸入弁と吐出弁との間でプランジャ及びダイヤフラムを往復動させ、これによるポンプ室容積の増減によって流体を吸込・吐出させて移送する。
又、ストローク調節ねじの手動操作により、プランジャのストロークを変更し、吐出量を調節する様に成している。

特公昭５７−３４４６６号公報

しかしながら、上記構成の往復動ポンプでは、ストローク調節ねじに関わる吐出量調節機構が備えられることで、その構成が複雑化している。
又、ストローク調節ねじの操作により、プランジャのストロークの変更は可能であるが、吸込及び吐出速度は同一にしか設定できないので、例えば、粘性の高い流体を移送する時には、吸込時のキャビテーション防止のため極力低速で吸込む必要があるが、吐出行程でもそのまま低速のため、時間あたりの吐出量が減少し、移送の効率が悪いといった課題を有している。

そこで、本発明では、ポンプ室の容積を増減させるプランジャやダイヤフラム等の往復運動子のストロークと移動速度を往復運動子の駆動モータの回転角度と回転速度によって制御することにより、吐出量を簡単容易に調節できる様にした往復動ポンプとこのポンプを用いた吐出量調節方法を提供することを目的としている。

上記課題に鑑み、本発明の往復動ポンプは、駆動モータの出力軸に、これの回転運動を往復運動に変換する機構を介して往復運動子を連繋し、該往復運動子の往復運動によるポンプ室容積の増減によって流体を吸込・吐出する吸込弁及び吐出弁を備えた往復動ポンプにおいて、駆動モータはその出力軸が正逆３６０度の範囲で所定角度に渡って正逆回動する様に制御したことを特徴とする。
又、上記往復動ポンプでは正逆回動する出力軸の正転速度と逆転速度の夫々を随時変速可能に設定するのがより望ましい。
そして、上記構成の往復動ポンプを用いた吐出量調節方法にあっては、出力軸は設定された正逆回動角度における正転経路と逆転経路の夫々で随時変速可能にして、且つ間欠的又は連続的に回動する様に設定したことを特徴とする。

要するに本発明は、往復動ポンプにおいて、駆動モータはその出力軸が正逆３６０度の範囲で所定角度に渡って正逆回動する様に制御したので、単に出力軸の回動角度を設定変更するだけで簡単容易に往復運動子のストロークを変更できるから、吐出量の変更も容易であり、その調節も細かく行える。
しかも、本発明によれば、従来の様な吐出量調節機構を要せず、該機構に関わる構成部材を取り除けるため、ポンプ本体の構造の複雑化を回避できると共に、コンパクト化が可能となる。

又、上記往復動ポンプでは正逆回動する出力軸の正転速度と逆転速度の夫々を随時変速可能に設定したので、出力軸の速度とストロークの２つの作動変数の作用による吐出量の調節が可能となるので、より一層細かな吐出量の調節を簡単に行うことができる。

又、上記構成の往復動ポンプにおいて、出力軸は設定された正逆回動角度における正転経路と逆転経路の夫々で随時変速可能にして、且つ間欠的又は連続的に回動する様に設定したので、駆動モータ延いてはポンプを吸込時と吐出時の夫々で流体の最適な速度で間欠又は連続駆動させられ、ポンプの使用や移送流体の性状によって生ずる例えば以下の様な不具合を解消してポンプの移送効率を向上できる。
即ち、吸込に対応する出力軸の正転回動を高速に設定して短時間で吸込み、吐出に対応する出力軸の逆転回動を低速に設定して吐出時間を長くすることで間欠流（脈流）の発生を阻止できる。
又、粘性の高い流体の移送において、吐出に対応する出力軸の逆転回動に対して吸込に対応する出力軸の正転回動を遅くすることにより、吸込時のキャビテーションを防止して吐出時の移送効率を向上させることができる。
更に、移送流体が簡易水道の滅菌や消毒用の次亜塩素酸ナトリウム溶液の様に遊離ガスの発生し易い性質を有している場合、必要吐出量の数回分の量を１回で吸込み、数回に分割する様に間欠的に吐出すれば、１回吐出あたりの吐出量を変更する必要がないばかりか、吸込量は数倍になってポンプの圧縮比が上がるため、ポンプ室内にガスが滞留して成るガスロックトラブルを防止できる。
又、吸込と吐出の間に一時停止時間をおくことで、吸込弁及び吐出弁の開閉遅延を阻止して各弁の開閉を安定させ、高精度の吐出量を確実に保持できるなどその実用的効果甚だ大である。

本発明に係る往復動ポンプの概略断面図である。ロータリーエンコーダの概略平面図である。プランジャの作動説明図である。粘性流体移送対策時の吸込速度と吐出速度を示す図である。脈動緩和対策時の吸込速度と吐出速度を示す図である。ガスロック対策時の吸込速度と吐出速度を示す図である。定量性向上対策時の吸込速度と吐出速度を示す図である。

以下本発明の実施の一形態例を図面に基づいて説明する。
本発明に係る往復動ポンプ１は、駆動部２とこれに連繋したポンプ部３とから主に構成されるダイヤフラムポンプである。
駆動部２はそのケーシング４を上中下段室５、６、７に区画形成している。
ケーシング４の下段室５には、ステッピングモータから成る駆動モータ８を収容し、該駆動モータ８の出力軸8aは、上方垂直に指向して中段室６との隔壁９を貫通して中段室６に回転自在に突入している。

中段室６には、出力軸8aの回転運動を往復（直線又は揺振）運動に変換する機構（以下、変換機構10と称する。）を収容している。
この変換機構10は、下端に出力軸8aを挿嵌連結して成る支軸11と、該支軸11に固着した円盤状の駆動カム12と、該駆動カム12外周に軸受13を介して外嵌して成る円環部14ａを基端に設け、先端をケーシング４の正面外壁を貫通して、且つポンプ部３内に配した後述の往復運動子15の中央部に連結したプランジャ14とから成り、この様に構成された変換機構10を介して出力軸8aに往復運動子15を連繋している。

尚、支軸11は中段室６の上下壁９、9aに固定したベアリング16、16ａにて回転自在に支持され、該ベアリング16、16ａ間の支軸11中間部に駆動カム12を配置し、該駆動カム12に軸受13を介して基端が装着されたプランジャ14は支軸11に直交している。
又、支軸11の上端は、上段室７との隔壁9aを貫通して上段室７に回転自在に突入している。

上段室７には、駆動モータ８に接続してその作動（回転角度、回転速度及び回転方向）停止を制御する制御装置17を収容している。
尚、制御装置17には、ケーシング４正面上部に配置した液晶表示盤を含む操作パネル17ａが接続されている。

又、上段室７に突入した支軸11の上端には、駆動カム12の上死点検出用の光学式ロータリエンコーダ18を付設している。
このロータリエンコーダ18は、図２に示す様に、周面上に透孔スリット19ａを形成し、駆動カム12と同期回転する様に支軸11上端に中心を取付けた円板19と、該円板19の周面上下に発光素子と受光素子を対向配置した光学センサ20とから成り、制御装置17に接続されている。
透孔スリット19ａは駆動カム12の上死点（駆動カム12の支軸11（出力軸8a）からプランジャ14先端に最も遠い死点ＴＤ）に対応した円板19周面上に形成され、光学センサ20が透孔スリット19ａを検出してその出力信号を制御装置17に入力する様に構成されている。

本発明では、駆動モータ８は、制御装置17によって、その出力軸8aが正逆３６０度の範囲で所定角度に渡って正逆回動する様に制御される。
そして、上記の様に正逆回動する出力軸8aの正転速度と逆転速度の夫々が、移送する流体の性状等に応じて制御装置17により随時変速可能に設定される。
この様に、出力軸8aの速度とストロークの２つの作動変数の作用による吐出量の調節が可能となるので、吐出量はかなり広範囲にわたって変化させられる。

本実施例でステッピングモータを駆動モータ８として採用したのは、このモータはパルス電力に対応して回転するもので、例えば、回転角度は、制御装置17から入力されたパルス数に比例して決まり、回転速度は入力パルスの速度に比例して決まり、回転方向は正・逆転を切替えるパルス信号で変更でき、フィードバックすることなくその動作を高精度で制御できるからであり、駆動モータ８の回転速度、回転角度や回転方向はすべて制御装置17からの同種の電気パルス信号で行えるため、全制御を一括管理ができるという利点がある。
しかしながら、本実施例の様に、出力軸8aの回転角度、回転速度及び回転方向を制御できるのであれば、ステッピングモータを駆動モータ８として限定することなく、例えばサーボモータや、その他のアクチュエータを代替しても良い。

ポンプ部３は、そのボディ21がケーシング４の中段室６正面外壁に固定されている。
ボディ21は上下方向に直線上の流路22を形成し、該流路22に直交路23を介して一側が連通するポンプ室24を中段室６との固定側に設けている。
ポンプ室24は中段室６に指向する他側が開設され、ポンプ室24と中段室６に対応するケーシング４の正面外壁との間に往復運動子15となるダイヤフラムを配し、該ダイヤフラム（往復運動子）15の中央にプランジャ14の先端を連結している。
又、ボディ21の流路22の下端口には吸込（側ボール逆止）弁25を備えた吸込管継手26を連結し、上端口には吐出（側ボール逆）止弁27を備えた吐出管継手28を連結し、上記往復運動子15の往復運動によるポンプ室24の容積の増減によって流体を吸込・吐出する様に成している。

本実施例にあっては、ポンプ室24の一側壁となるダイヤフラムを往復運動子15としたダイヤフラムポンプを往復動ポンプ１として説明したが、この往復動ポンプ１としては、ダイヤフラムを有しないプランジャを往復運動子としたプランジャポンプにも当然ながら適用可能である。
又、本実施例で示した変換機構10は、上記の様に、支軸11、駆動カム12、軸受13及びプランジャ14から成る構成に限定されず、要するに駆動モータ８の出力軸8aの回転運動が変換機構10を介して往復運動子15を往復運動に変換させる機構であれば良いので、例えばクランク機構を代替しても良い。

上記の様に構成された往復動ポンプ１にあっては、操作パネル17ａからの操作により制御装置17を介して駆動モータ８の動作が設定される。
即ち、制御装置17によって駆動モータ８の出力軸8aは、正逆３６０度の範囲において、設定された正逆回動角度における正転経路と逆転経路の夫々で随時変速可能にして、且つ間欠的又は連続的に回動する様に設定され、又その正逆回動の反復数も設定される。

出力軸8aの正逆回動角度をＸ（図示例では９０度）とした往復運動子（ダイヤフラム）15の往復動作（吸込及び吐出行程）例を図３に基づき以下に説明する。
尚、図３ではダイヤフラム15の変位を二点鎖線で示す。

駆動モータ８が駆動カム12の上死点ＴＤに相当するダイヤフラム15の変位０の基準位置から出力軸8a（支軸11）を中心に正（右）方向にＸ度回転すると、駆動カム12によりプランジャ14の先端面（ダイヤフラム15）は、上死点ＴＤから下死点方向（図３において右方向）へ距離Ｌ変位する。この行程がポンプ部３の吸込行程となる（図３(a) 、(b）参照）。

続いて駆動モータ８を逆転、つまり左方向にＸ度回転させると、プランジャ14の先端面（ダイヤフラム15）は、上記と逆方向に距離Ｌ移動して基準位置まで戻る。この行程はポンプの吐出行程となる（図３(c) 参照）。

そして、上記正逆回動を繰り返すか、又は、図３(c) の状態から駆動モータ８を更に逆（左）方向にＸ度回転させ、プランジャ14を上死点ＴＤから下死点方向へ距離Ｌ変位させて吸込み（図３(d) 参照）、その後、駆動モータ８を正（右）回転させて基準位置まで戻して吐出する（図３(e) 参照）様にしても良い。
この様に、駆動モータ８の正転・逆転の繰り返しにて、プランジャ14を介して往復運動子（ダイヤフラム）15は、往復運動（吸込・吐出）を繰り返す。

当然ながら、出力軸8aの回動角度Ｘを設定することにより、ポンプ部３の吐出量が調節される。
この回動角度は、駆動モータ８がステッピングモータであるので、制御装置17から発信されるパルス信号の数によって調整でき、よって本発明によれば、従来の様な機械的な吐出量調節機構を備える必要がない。

又、出力軸8aの回動速度は、制御装置17からのパルス信号の速度変更により調整でき、その回動速度の調整により、同期する駆動カム12の回動速度、プランジャ14（ダイヤフラム15）の往復速度も可変し、ポンプ部３の吐出量も調節できる。
そして、駆動モータ８の正転時と逆転時とでパルス発信速度を変えれば、プランジャ14の往路と復路の移動速度も変わることになり、ポンプ部３の吸込及び吐出速度を異にした制御も可能となる。

この様に、本発明によれば、ポンプ部３を駆動するモータ８の出力軸8aの回転角度、回転速度及び回転方向を制御装置17により自在に制御できるので、次の(1) 〜(5) の対策を講じることができる。

(1) 粘性流体移送対策
一般に往復動ポンプで粘性の高い流体を移送する時は、吸込時のキャビテーションを防ぐためにゆっくりとした速度で吸込む必要があるが、吐出行程では、キャビテーションの心配はないため、吐出速度を高速化するのが望ましく、本発明では、吸込行程時は入力パルス速度を遅くして駆動モータ８の正転回動速度を低速化し、吐出行程では、入力パルス速度を速くして駆動モータ８の逆転回動速度を高速化し、駆動モータ８の吸込時と吐出時とでそれぞれ異なる速度で回動させることにより、粘性流体の移送効率を向上させることができる（図４参照）。
尚、吸込と吐出の各行程の途中での速度変更や停止が可能なため、上記粘性流体のみに限らず流体の性状に合わせて、効率の良い流体移送を実施できる。

(2) 脈動緩和対策
往復動ポンプは、吸込行程と吐出行程を順次行うため、流れが途切れ易く、間欠的な流れとなりがちであるが、本発明によれば、吸込行程時の駆動モータ８を高速回転して短時間で流体を吸込み、吐出行程では低速回転で吐出時間を長くすることにより、間欠流（脈動）を緩和できる（図５参照）。

(3) ガスロック対策
往復動ポンプでガスの発生しやすい液を吸込むと、ポンプ室内にガスが溜まって、ガスロックが生じ易く、特に吐出量の少ないポンプではガスロックが多発するが、本発明によれば、例えば必要吐出量の３回分の量を１回で吸込み、３回に分割して間欠的に吐出することにより、３回吐出あたりの吐出量を変更する必要がないばかりか、吸込量は３倍になるためポンプの圧縮比が上がり、ガスロックを防止できる（図６参照）。

(4) 定量性向上対策
往復動ポンプでは流体の流れに慣性力があり、その影響で吸込弁と吐出弁の開閉に遅れを生じ、吐出量が安定し難いが、本発明の様に、吸込行程と吐出行程の間に一時的に停止の時間（吸込行程でも吐出行程でもない時間）を介在させることにより、吸込弁及び吐出弁の開閉遅延を阻止して各弁の開閉を安定させ、高精度の吐出量を確実に保持できる（図７参照）。

１往復動ポンプ
８駆動モータ
8a 出力軸
10 変換機構
15 往復運動子
24 ポンプ室
25 吸込弁
27 吐出弁

Claims

駆動モータの出力軸に、これの回転運動を往復運動に変換する機構を介して往復運動子を連繋し、該往復運動子の往復運動によるポンプ室容積の増減によって流体を吸込・吐出する吸込弁及び吐出弁を備えた往復動ポンプにおいて、駆動モータはその出力軸が正逆３６０度の範囲で所定角度に渡って正逆回動する様に制御したことを特徴とする往復動ポンプ。
正逆回動する出力軸の正転速度と逆転速度の夫々を随時変速可能に設定したことを特徴とする請求項１の往復動ポンプ。
請求項１又は２記載の往復動ポンプにおいて、出力軸は設定された正逆回動角度における正転経路と逆転経路の夫々で随時変速可能にして、且つ間欠的又は連続的に回動する様に設定したことを特徴とする吐出量調節方法。