JP2012031828A - 送液ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】高圧送液下においてもシール寿命の低下を防止するとともにプランジャを正常に駆動できるようにする。
【解決手段】ポンプ室８ａのプランジャ３挿入部分にプランジャシール１０とバックアップリング１１が設けられている。バックアップリング１１の背面は洗浄チャンバ１２の壁面により支持されている。バックアップリング１１は可変形樹脂層１１ａと不変形樹脂層１１ｂの２種類の樹脂層で構成された合成バックアップリングである。バックアップリング１１のプランジャシール１０に接する面は可変形樹脂層１１ａの面からなり、内周面は不変形樹脂層１１ｂの面からなる。可変形樹脂層１１ａは、プランジャシール１０よりも大きい弾性率でプランジャシール１０の変形を吸収できる弾性率をもつ樹脂層である。不変形樹脂層１１ｂは、可変形樹脂層１１ａの樹脂よりもさらに大きい弾性率をもつ樹脂層である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ポンプヘッド内でプランジャを摺動させて吸入口からの液の吸入と吐出口からの液の吐出を繰り返すことにより送液を行なう送液ポンプに関するものである。

一般的なプランジャ方式の送液ポンプのポンプ室近傍の概略的な断面図を図３（Ａ）に示す。
送液ポンプは、ポンプヘッド８内のポンプ室８ａ内でプランジャ３の先端部が摺動することにより吸入口８ｂからの液の吸入と吐出口８ｃからの液の吐出を繰り返すことにより送液を行なうものである。ポンプ室８ａのプランジャ３挿入部分には、ポンプ室８ａの内壁とプランジャ３の外周との間の隙間からの液漏れを防止するためにプランジャ３の外周に密着する樹脂製のプランジャシール１３が設けられている。プランジャシール１３はポンプヘッド８とポンプヘッド８を保持するポンプボディ１８との間で挟持されている。

ポンプボディ１８はポンプヘッド８側の壁面でプランジャシール１３の背面を支持している。この壁面にはプランジャ３を貫通させるための孔２０が設けられており、この孔２０とプランジャ３との間の隙間が大きいと、送液圧力が高圧（例えば４０ＭＰａ程度）になったときにコールドフローが起こり、図３（Ｂ）に示されているように、プランジャシール１３の内周部が孔２０とプランジャ３との間の隙間に入り込むことがある。このような状態になるとプランジャ３とプランジャシール１３との間の摩擦が増大し、プランジャ３の駆動に影響を与えたり、プランジャシール１３のシール寿命が低下したりするなどの不具合が発生する。

そのため、孔２０の内径の寸法公差を管理してプランジャ３の外形との隙間を小さくする必要がある。しかし、ポンプボディ１８はステンレスなどの金属で構成されており、孔２０の内周面にプランジャ３が接触すると焼き付きを起こすため、孔２０の内径を小さくするには限界があった。

そこで、送液圧力が７０ＭＰａを超えるような高圧の場合には、図４（Ａ）に示されているように、プランジャシール１３の背面にバックアップリング２２を配置することが行なわれる（例えば、特許文献１参照。）。バックアップリング２２の材質は、プランジャシール１３の材質よりも硬くかつプランジャ３の外周と接触してもプランジャ３に影響を起こさないＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂などの樹脂材料である。

特開２００１−２５４６８６号公報

しかし、送液圧力が１００ＭＰａを超えるような高圧の条件下でＰＥＥＫ樹脂製のバックアップリング２２を使用すると、図４（Ｂ）に示されているように、プランジャシール１３が高圧で変形することによってバックアップリング２２が圧迫されて内径方向へ変形し、内径が小さくなってプランジャ３との接触抵抗が増加し、プランジャ３の駆動に影響を与えることがわかった。

また、バックアップリング２２の変形を防止するために、バックアップリング２２の材質をプランジャシール１３の変形に耐えることのできる樹脂としてＰＥＥＫ樹脂よりも高い弾性率をもつ材質にすると、逆にバックアップリング２２が全く変形しないためにプランジャシール１３が内径方向に変形してプランジャ３への締付け力が増大し、プランジャ３の駆動に影響を与えたり、プランジャシール１３のシール寿命が低下したりするなどの不具合が発生することがわかった。

そこで本発明は、送液圧力が高圧、例えば１００ＭＰａを超えるような条件での送液においてもシール寿命の低下を防止するとともにプランジャを正常に駆動できるようにすることを目的とするものである。

本発明の送液ポンプは、液体を吸入するための液入口、液入口から吸入された液を貯留するためのポンプ室及びポンプ室内の液を吐出するための液出口を備えたポンプヘッドと、ポンプヘッドに先端側が挿入されポンプヘッド内で摺動するプランジャと、ポンプヘッドのプランジャ挿入部分に取り付けられポンプヘッドとプランジャとの間の隙間を封止するリング状のプランジャシールと、プランジャシールの背面側に取り付けられたバックアップリングであって、プランジャシールの背面に接する面がプランジャシールよりも大きい弾性率でプランジャシールの変形を吸収できる弾性率をもつ可変形樹脂で構成され、内周面が可変形樹脂よりもさらに大きい弾性率をもつ不変形樹脂で構成されている合成バックアップリングと、を備えたものである。

上記送液ポンプにおいて、合成バックアップリングのプランジャシールの背面に接する面が可変形樹脂で構成されているとは、合成バックアップリングのプランジャシールの背面に接する面の全てが可変形樹脂からなる面であることに限定されず、プランジャシールの背面に接する面の一部に不変形樹脂が含まれていてもプランジャシールの背面に接する面がプランジャシールの変形を吸収できるような割合で可変形樹脂の面が存在していることを意味する。すなわち、合成バックアップリングのプランジャシールの背面に接する面の一部に不変形樹脂が含まれていても本発明に含まれることがある。
同様に、合成バックアップリングの内周面が不変形樹脂で構成されているとは、合成バックアップリングの内周面の全てが不変形樹脂からなる面であることに限定されず、高圧送液下での合成バックアップリングの内周面の変形量がプランジャの駆動を妨げない程度の変形に止まるような割合で不変形樹脂の面が存在していることを意味する。すなわち、合成バックアップリングの内周面の一部に可変形樹脂が含まれていても本発明に含まれることがある。

合成バックアップリングを構成する可変形樹脂と不変形樹脂の組み合わせの一例は、可変形樹脂がポリエーテルエーテルケトン樹脂で不変形樹脂が非熱可塑性ポリイミド樹脂である。

本発明では、プランジャシールの背面側に設けられた合成バックアップリングは、合成バックアップリングのプランジャシールの背面に接する面が可変形樹脂で構成され、内周面が不変形樹脂で構成されているので、ポンプ室内の圧力によるプランジャシールの変形が合成バックアップリングの可変形樹脂で吸収される一方で、内周面が不変形樹脂で構成されているので内周面がプランジャシールの変形による圧迫によって変形しにくく、合成バックアップリングの内径が小さくなりにくい。したがって、プランジャシールとプランジャとの間の摩擦力の増大を抑制しながらバックアップリングとプランジャとの間の摩擦力の増大も抑制できる。これにより、プランジャシールの寿命の低下を防止するとともに、プランジャシールとプランジャとの間の摩擦力の増大、及びバックアップリングとプランジャとの間の摩擦力の増大によるプランジャの駆動への影響を小さくすることができる。

送液ポンプの一実施例を示す図であり、（Ａ）はポンプボディの先端側部分の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のポンプ室近傍を拡大して示す断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）ともに同実施例の送液ポンプのバックアップリングの変形例を示すポンプ室近傍の断面図である。 従来の送液ポンプの一例を示すポンプ室近傍の断面図であり、（Ａ）は通常時、（Ｂ）は異常発生時をそれぞれ示す図である。 従来のバックアップリングを備えた送液ポンプの一例を示すポンプ室近傍の断面図であり、（Ａ）は通常時、（Ｂ）はプランジャシールに高圧がかかった状態をそれぞれ示す図である。

送液ポンプの一実施例を図１を用いて説明する。
同図（Ａ）に示されているように、この実施例の送液ポンプは、ポンプボディ２の先端に洗浄チャンバ１２を挟んでポンプヘッド８が装着されている。ポンプボディ２内にはクロスヘッド４が移動可能に収容されている。クロスヘッド４はバネなどの弾性体６によって常にポンプヘッド８から遠ざかる方向（図において右方向）へ押されており、クロスヘッド４の基端部側に設けられたカム（図示は省略）の周面に追従する。クロスヘッド４は回転するカムの周面を追従することによりポンプボディ２内でポンプヘッド８へ近付く方向と遠ざかる方向（図において左右方向）へ往復動する。

クロスヘッド４の先端にはプランジャ３の基端部が保持されている。プランジャ３の先端部は洗浄チャンバ１２を貫通してポンプヘッド８の内部に設けられたポンプ室８ａに挿入されている。プランジャ３の先端部はクロスヘッド４の往復動によりポンプ室８ａの壁面に沿って摺動する。ポンプヘッド８はポンプ室８ａに液を吸入するための液入口流路８ｂとポンプ室８ａから液を押し出すための液出口流路８ｃを備えている。液入口流路８ｂ上及び液出口流路８ｃ上にはそれぞれ逆流を防止するためのチェック弁９ａ，９ｂが設けられている。

ポンプ室８ａのプランジャ３挿入部分には、ポンプ室８ａの内壁とプランジャ３の周面との間の隙間からの液漏れを防止するためにプランジャ３の外周面を摺動可能に保持するプランジャシール１０とプランジャシール１０の背面を支持するバックアップリング１１が設けられている。バックアップリング１１の背面は洗浄チャンバ１２の壁面により支持されている。

洗浄チャンバ１２は洗浄液を流通させる流路と貫通するプランジャ３の外周面をその洗浄液によって洗浄する空間を内部に備えている。洗浄チャンバ１２の内部空間のプランジャ３挿入部には、洗浄液の漏れを防止するためにプランジャ３の外周面を摺動可能に保持する洗浄シール１６が設けられている。洗浄シール１６の背面はポンプボディ２の壁面により支持されている。

この送液ポンプでは、プランジャ３がポンプ室８ａから遠ざかる方向（図において右方向）へ駆動されることにより、ポンプ室８ａ内が減圧されてチェック弁９ｂが閉じてチェック弁９ａが開き、液入口流路８ｂからポンプ室８ａ内に液が吸入される。逆に、プランジャ３がポンプ室８ａ内へ挿入される方向（図において左方向）へ駆動されることにより、ポンプ室８ａ内が加圧されてチェック弁９ａが閉じてチェック弁９ｂが開き、ポンプ室８ａから液出口流路８ｃへ液が押し出される。この動作を繰り返すことにより送液が行なわれる。

図１（Ｂ）を用いてプランジャシール１０及びバックアップリング１１について説明する。
プランジャシール１０は例えばポリエチレン樹脂などの弾性材料からなる。プランジャシール１０のプランジャ３の周囲に、ポンプ室８ａの内壁とプランジャ３の外周との間から漏れてきた液を貯留するためにポンプ室８ａ側が開口した矩形の空間１０ａが設けられている。空間１０ａはプランジャ３あと動軸のリング形状であり、プランジャ３の軸方向の断面形状が矩形である。

プランジャシール１０の背面を支持するバックアップリング１１の内径は、プランジャシール１０の内径よりも大きくバックアップリング１１を支持する洗浄チャンバ１２の壁面のプランジャ３を貫通させる孔１４よりも小さくなっている。バックアップリング１１は可変形樹脂層１１ａと不変形樹脂層１１ｂの２種類の樹脂層で構成された合成バックアップリングである。可変形樹脂層１１ａは、例えばＰＥＥＫ樹脂などプランジャシール１０よりも大きい弾性率でプランジャシール１０が圧力で変形したときにその変形を吸収できる弾性率をもつ樹脂からなる層である。一方、不変形樹脂層１１ｂは、例えば非熱可塑性ポリイミド樹脂など可変形樹脂層１１ａの樹脂よりもさらに大きい弾性率をもち、例えば１００ＭＰａ以上の高圧力がかかっても変形しない樹脂からなる層である。非熱可塑性ポリイミド樹脂の一例は、ベスペル（商標登録、デュポン社の製品））である。

バックアップリング１１は、プランジャシール１０の背面に接する面が可変形樹脂層１１ａの面、プランジャ３に対向する内周面が不変形樹脂層１１ｂの面となるように合成されている。バックアップリング１１は中央にプランジャ３が通る孔をもつ円盤形であり、プランジャシール１０側が可変形樹脂層１１ａ、洗浄チャンバ１２側が不変形樹脂層１１ｂとなっている。可変形樹脂層１１ａと不変形樹脂層１１ｂはプランジャ３の軸方向の断面形状がともに三角形であり、両樹脂層１１ａ，１１ｂの境界は内径のプランジャシール１０側の縁から外形の洗浄チャンバ１２側の縁まで伸びている。プランジャシール１０の背面に接する面が可変形樹脂層１１ａの面であることにより、ポンプ室８ａ内の圧力が高圧となったときにその圧力よるプランジャシール１０の変形が可変形樹脂層１１ａの弾性によって吸収される。これにより、プランジャシール１０が内径方向に変形しにくくなり、プランジャ３とプランジャシール１０との間の摩擦力の増大が抑制される。さらに、バックアップリング１１はプランジャシール１０の変形により圧迫されるが、内周面が不変形樹脂層１１ｂの面となっているため内径方向への変形が抑制され、プランジャ３とバックアップリング１１との間の摩擦力の増大も抑制される。

なお、図１（Ｂ）の例では、バックアップリング１１のプランジャ３の軸方向断面の対角線を境界線としてプランジャシール１０の背面側に可変形樹脂層１１ａ、洗浄チャンバ１２側に不変形樹脂層１１ｂがくるように各樹脂層１１ａ，１１ｂが合成されているが、図２（Ａ）に示されているように、可変形樹脂層１１ａの外形側の一部が洗浄チャンバ１２の壁面と接するように可変形樹脂層１１ａの断面が台形となるような合成方法であっても同様の効果を得ることができる。

また、同図（Ｂ）に示されているように、バックアップリング１１の内周面の一部に可変形樹脂層１１ａが面している場合には、プランジャシール１０の変形による圧迫によって内周面に面した可変形樹脂層１１ａの内径が小さくなってバックアップリング１１とプランジャ３との摩擦力がある程度増大するが、可変形樹脂層１１ａがプランジャ３と接する面積が小さい場合には、内周面全てが可変形樹脂である場合よりもバックアップリング１１とプランジャ３との摩擦力の増大を抑制することができる。また、プランジャシール１０の背面に接する面の一部に不変形樹脂層１１ｂが面していてもよく、プランジャシール１０の変形を可変形樹脂層１１ａで吸収できればよい。

２ ポンプボディ
３ プランジャ
４ クロスヘッド
６ 弾性体
８ ポンプヘッド
８ａ ポンプ室
８ｂ 液入口流路
８ｃ 液出口流路
９ａ，９ｂ チェック弁
１０ プランジャシール
１１ バックアップリング
１１ａ 可変形樹脂層
１１ｂ 不変形樹脂層
１２ 洗浄チャンバ
１４ 孔
１６ 洗浄シール

Claims (2)

1. 液体を吸入するための液入口、前記液入口から吸入された液を貯留するためのポンプ室及び前記ポンプ室内の液を吐出するための液出口を備えたポンプヘッドと、
   前記ポンプヘッドに先端側が挿入され前記ポンプヘッド内で摺動するプランジャと、
   前記ポンプヘッドの前記プランジャ挿入部分に取り付けられ前記ポンプヘッドとプランジャとの間の隙間を封止するリング状のプランジャシールと、
   前記プランジャシールの背面側に取り付けられたバックアップリングであって、前記プランジャシールの背面に接する面が前記プランジャシールよりも大きい弾性率で前記プランジャシールの変形を吸収できる弾性率をもつ可変形樹脂で構成され、内周面が前記可変形樹脂よりもさらに大きい弾性率をもつ不変形樹脂で構成されている合成バックアップリングと、を備えた送液ポンプ。
2. 前記可変形樹脂はポリエーテルエーテルケトン樹脂であり、前記不変形樹脂は非熱可塑性ポリイミド樹脂である請求項１に記載の送液ポンプ。

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