JP2012117440A - ポンプ装置及びポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】運転停止時に流体の吐出を制限することができるポンプ装置を提供する。
【解決手段】ポンプ装置３は、ケーシング１０と、可動部材３０と、吸入弁４１と、吐出弁４２と、弁機構５０とを具備する。ケーシング１０は、吸入口１０１と吐出口１０２と各々連通可能なポンプ室１００を有する。可動部材３０は、ケーシング１０の内部を移動可能であり、ポンプ室１００への流体の吸入とポンプ室１００からの流体の排出とを交互に行う。吐出弁４２は、ポンプ室１００と吐出口１０２との間に取り付けられ、ポンプ室１００から吐出口４２へ向かう、第１の圧力以上の流体の流れを許容する。弁機構５０は、ケーシング１０に取り付けられ、吸入口１０１から吐出口１０２へ向かう、上記第１の圧力よりも大きい第２の圧力以下の流体の流れを制限する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば昇圧ブロワあるいは昇圧ポンプとして用いられるポンプ装置及びこれを備えたポンプシステムに関する。

燃料ガスや酸素等の気体、冷却水や作動油等の液体などを所望の圧力に上昇させる機器として、昇圧ブロワあるいは昇圧ポンプと称されるポンプ装置が広く知られている。この種のポンプ装置には、ルーツポンプやダイアフラムポンプ等が用いられており、例えば下記特許文献１には、燃料電池システムにおける燃料ガスの昇圧ブロワとして用いられるダイアフラムポンプが記載されている。

特開２００９−４７０８４号公報

従来の昇圧ブロワは、導入される流体圧を減圧して吐出する機能を備えていなかった。このため、昇圧ブロワの吸入口に所定の圧力以上の流体を供給する圧力源が接続されるポンプシステムにおいては、昇圧ブロワの運転停止時に吸入口へ導入された流体が昇圧ブロワから吐出され、場合によってはシステムに不具合を生じさせる可能性があった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、運転停止時に流体の吐出を制限することができるポンプ装置及びポンプシステムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るポンプ装置は、ケーシングと、可動部材と、第１の弁と、第２の弁と、第３の弁とを具備する。
上記ケーシングは、吸入口と、吐出口と、上記吸入口及び上記吐出口と各々連通可能なポンプ室とを有する。
上記可動部材は、上記ケーシングの内部を移動可能であり、上記ポンプ室への流体の吸入と上記ポンプ室からの上記流体の排出とを交互に行う。
上記第１の弁は、上記吸入口と上記ポンプ室との間に取り付けられ、上記吸入口から上記ポンプ室への上記流体の流れを許容する。
上記第２の弁は、上記ポンプ室と上記吐出口との間に取り付けられ、上記ポンプ室の流体が第１の圧力以上である場合に上記ポンプ室から上記吐出口への上記流体の流れを許容する。
上記第３の弁は、上記ケーシングに取り付けられ、上記吸入口と上記吐出口との間の上記流体が上記第１の圧力よりも大きい第２の圧力以下の場合に上記吸入口から上記吐出口へ向かう上記流体の流れを制限する。

また上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るポンプシステムは、ポンプ装置と、圧力源と、処理部とを具備する。
上記ポンプ装置は、ケーシングと、可動部材と、第１の弁と、第２の弁と、第３の弁とを有する。
上記ケーシングは、上記圧力源と連絡する吸入口と、上記処理部と連絡する吐出口と、上記吸入口及び上記吐出口と各々連通可能なポンプ室とを有する。
上記可動部材は、上記ケーシングの内部を移動可能であり、上記ポンプ室への流体の吸入と上記ポンプ室からの上記流体の排出とを交互に行う。
上記第１の弁は、上記吸入口と上記ポンプ室との間に取り付けられ、上記吸入口から上記ポンプ室へ向かう上記流体の流れを許容する。
上記第２の弁は、上記ポンプ室と上記吐出口との間に取り付けられ、上記ポンプ室から上記吐出口へ向かう、第１の圧力以上の上記流体の流れを許容する。
上記第３の弁は、上記ケーシングに取り付けられ、上記吸入口から上記吐出口へ向かう、上記第１の圧力よりも大きい第２の圧力以下の上記流体の流れを制限する。
上記圧力源は、上記吸入口に接続され、上記第２の圧力以下の流体を上記ポンプ装置へ供給する。
上記処理部は、上記吐出口に接続され、上記ポンプ装置から吐出される流体を処理する。

本発明の一実施形態に係るポンプシステムの概略を示す図である。 本発明の一実施形態に係るポンプ装置の断面図である。 上記ポンプ装置に組み込まれる弁機構の構成を示す断面斜視図である。 上記弁機構の断面図である。 上記ポンプ装置の運転及び停止を繰り返したときのポンプ装置の吐出流量の時間変化を示す一実験結果である。 図５に示す実験に用いた配管構成図である。 上記ポンプ装置の一作用を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係るポンプ装置の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るポンプ装置の一部分解斜視図である。 図９に示すポンプ装置の一作用を説明する図である。 本発明の第４の実施形態に係るポンプ装置の斜視図である。 図１１に示すポンプ装置の要部断面図である。 図１１に示すポンプ装置の正面図である。 図１１に示すポンプ装置の背面図である。 図１１に示すポンプ装置の平面図である。 図１１に示すポンプ装置の底面図である。 図１１に示すポンプ装置の右側面図である。 図１１に示すポンプ装置の左側面図である。

本発明の一実施形態に係るポンプ装置は、ケーシングと、可動部材と、第１の弁と、第２の弁と、第３の弁とを具備する。
上記ケーシングは、吸入口と、吐出口と、上記吸入口及び上記吐出口と各々連通可能なポンプ室とを有する。
上記可動部材は、上記ケーシングの内部を移動可能であり、上記ポンプ室への流体の吸入と上記ポンプ室からの上記流体の排出とを交互に行う。
上記第１の弁は、上記吸入口と上記ポンプ室との間に取り付けられ、上記吸入口から上記ポンプ室への上記流体の流れを許容する。
上記第２の弁は、上記ポンプ室と上記吐出口との間に取り付けられ、上記ポンプ室の流体が第１の圧力以上である場合に上記ポンプ室から上記吐出口への上記流体の流れを許容する。
上記第３の弁は、上記ケーシングに取り付けられ、上記吸入口と上記吐出口との間の上記流体が上記第１の圧力よりも大きい第２の圧力以下の場合に上記吸入口から上記吐出口へ向かう上記流体の流れを制限する。

上記ポンプ装置において、可動部材は、ポンプ室の容積を周期的に変化させることで、ポンプ室への流体の吸入とポンプ室からの流体の排出とを交互に行う。流体は、気体でもよいし、液体でもよい。流体の吸入時、吸入口から第１の弁を介してポンプ室へ流体が導入される。流体の排出時、ポンプ室へ導入された流体は、ポンプ室において可動部材により第１の圧力以上に圧縮されることで第２の弁を開放し吐出口から吐出される。以上の動作が繰り返されることで、吐出口から第１の圧力以上の圧力で流体が吐出される。

第２の弁は、ポンプ室内の圧力が上記第１の圧力以上に達した時点で開弁し、ポンプ室から吐出口への流体の流れを許容する。従って例えばポンプ装置の運転停止時に、吸入口より第１の圧力以上の圧力で流体がポンプ室へ導入されると、第２の弁を開放して吐出口へ向かう流体の流れが形成されることになる。

そこで上記ポンプ装置は、第３の弁を有する。第３の弁は、第１の圧力よりも大きい第２の圧力以下の流体の流れを制限する。従ってポンプ装置の運転停止時、吸入口から第１の圧力以上、第２の圧力以下の圧力を有する流体がポンプ室へ導入された場合でも、第３の弁により流体の流れが阻害され、吐出口からの流体の吐出が抑えられる。これにより運転停止時における流体の不用意な吐出が抑制される。

また上記ポンプ装置によれば、ポンプ装置の運転停止時における流体の不用意な吐出を抑制できるため、吸入口に流体圧源が接続されるポンプシステムにも適用することができる。これにより、運転停止時に吐出口から流体が漏出することによってシステムに不具合が生じるおそれを解消することができる。

上記第２の圧力は適宜設定可能であり、例えば、吸入口に導入される流体の圧力、あるいは、運転停止状態で吐出される流体の許容流量等を基準として設定される。「流れを制限する」には、「流れを遮断する」という意味と、「流れを遮断せずともその流量を低下させる」という意味とが含まれる。

第３の弁は、ケーシングに取り付けられる。第３の弁は、吸入口側に取り付けられてもよいし、吐出口側に取り付けられてもよい。一実施形態では、第３の弁は、第２の弁よりも吐出口側に配置される。これにより、ポンプ室へ導入される流体の流れを阻害することなく安定したポンプ性能を確保することができる。

第３の弁は、上記第２の圧力以下の流体の流れを完全に遮断できる構造であってもよいし、上記第１の圧力と上記第２の圧力との間で段階的に開度が変化する構造であってもよい。前者の場合、第３の弁は、例えば電磁弁等で構成することができる。

一方、後者の場合、第３の弁は、圧力に応じて開度が大きくなる弁構造が採用される。例えば第３の弁は、弁座と、上記弁座に着座可能であり上記第１の圧力以上第２の圧力以下の圧力に応じて開度が連続的に変化する弁部材とを有する。このような弁構造を有する弁として、例えばアンブレラバルブが適用可能である。これにより、上記ポンプ装置から吐出される流体の低流量制御が可能となる。

上記ケーシングは、上記第２の弁と上記第３の弁との間を連絡する流路の一部が拡張された空間部をさらに有してもよい。上記空間部は、吐出される流体の脈動を緩衝するバッファ空間として機能する。これにより流体の脈動を低減でき、安定した流量で流体を吐出することができる。また、吐出流量に基づいてポンプ装置の駆動を制御する場合においては、ポンプ装置の安定した駆動制御が可能となる。

上記ポンプ装置はダイアフラムポンプで構成することができる。この場合、上記可動部材は、上記ポンプ室を区画する変形可能なダイアフラムを含む。これにより、小型のポンプ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るポンプシステムは、ポンプ装置と、圧力源と、処理部とを具備する。
上記ポンプ装置は、ケーシングと、可動部材と、第１の弁と、第２の弁と、第３の弁とを有する。
上記ケーシングは、上記圧力源と連絡する吸入口と、上記処理部と連絡する吐出口と、上記吸入口及び上記吐出口と各々連通可能なポンプ室とを有する。
上記可動部材は、上記ケーシングの内部を移動可能であり、上記ポンプ室への流体の吸入と上記ポンプ室からの上記流体の排出とを交互に行う。
上記第１の弁は、上記吸入口と上記ポンプ室との間に取り付けられ、上記吸入口から上記ポンプ室へ向かう上記流体の流れを許容する。
上記第２の弁は、上記ポンプ室と上記吐出口との間に取り付けられ、上記ポンプ室から上記吐出口へ向かう、第１の圧力以上の上記流体の流れを許容する。
上記第３の弁は、上記ケーシングに取り付けられ、上記吸入口から上記吐出口へ向かう、上記第１の圧力よりも大きい第２の圧力以下の上記流体の流れを制限する。
上記圧力源は、上記吸入口に接続され、上記第２の圧力以下の流体を上記ポンプ装置へ供給する。
上記処理部は、上記吐出口に接続され、上記ポンプ装置から吐出される流体を処理する。

上記ポンプシステムによれば、ポンプ装置の運転停止時、圧力源から第１の圧力以上、第２の圧力以下の圧力を有する流体がポンプ室へ導入された場合でも、第３の弁により流体の流れが阻害され、吐出口からの流体の吐出が制限される。これにより運転停止時における流体の不用意な吐出が抑制される。また、運転停止時に吐出口から流体が漏出することによってシステムに不具合が生じるおそれを解消することができる。

上記処理部は特に限定されず、ポンプ装置から吐出される流体を用いてエネルギーや動力を生成するための各種機器、例えば、改質器、燃焼器、発電機、シリンダ装置、各種エンジンを含む。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
［ポンプシステム］
図１は、本発明の一実施形態に係るポンプシステムの概略を示す図である。本実施形態のポンプシステム１は、圧力源２と、ポンプ装置３と、処理部４、制御部５とを有する。

圧力源２はポンプ装置３の吸入側（一次側）に接続され、処理部４はポンプ装置３の吐出側（二次側）に接続される。圧力源２は、所定圧の流体（気体または液体）を収容するタンク、ボンベ等の容器でもよいし、コンプレッサ等の圧力発生源であってもよい。ポンプ装置３は、圧力源２から導入される圧力Ｐ１の流体を所定の圧力Ｐ２に高めて処理部４へ供給する昇圧ブロワあるいは昇圧ポンプとして機能する。処理部４は、ポンプ装置３から供給された流体を処理し、エネルギーや動力等を生成する。制御部５は、ポンプ装置３の運転を制御するが、処理部４を含むシステム全体を制御してもよい。

ポンプシステム１は、例えば燃料電池システムに適用される。この場合、圧力源２は、燃料タンクに相当し、ポンプ装置３は燃料ガス（例えば都市ガス（メタン）、ＬＰＧ（液化プロパンガス））を昇圧して処理部４へ供給する。処理部４には、燃料ガスを水素に転換する改質器、水素を蓄える燃料電池、水素と酸素を反応させる発電部等が含まれる。

［ポンプ装置］
次に、図２を参照してポンプ装置３の詳細を説明する。図２は、ポンプ装置３の構造を示す断面図である。本実施形態においてポンプ装置３は、ダイアフラムポンプで構成される。

ポンプ装置３は、金属製のケーシング１０と、駆動部２０とを有する。ケーシング１０は、ポンプ本体１１と、ポンプヘッド１２と、ポンプヘッドカバー１３とを有する。駆動部２０は、モータ２１と、モータケース２２とを有する。

ポンプ本体１１は、ケーシング１０の内部に、可動部材３０を収容する動作空間１０５を形成する。可動部材３０は、ダイアフラム３１と、ダイアフラム３１に固定された固定具３２と、固定具３２をモータ２１に連結するコネクティングロッド３３とを有する。

ダイアフラム３１は、円盤形状のゴム材料で形成されており、その周縁部がポンプ本体１１とポンプヘッド１２との間に挟持されている。固定具３２は、ダイアフラム３１の中央部に固定されており、ダイアフラム３１を上下から挟むように組み付けられた複数の部品で構成されている。コネクティングロッド３３は、ダイアフラム３１の中心部を貫通するように固定具３２と一体化される。コネクティングロッド３３は、軸受３４を介して、モータ２１の回転軸２１０に取り付けられた偏心カム３５の周面に連結される。

ポンプヘッド１２は、吸入口１０１と、吐出口１０２とを有し、環状の台座１１０の上面に配置されている。台座１１０は、ポンプ本体１１の上部の開口端部に取り付けられ、ポンプヘッド１２と共にダイアフラム３１の周縁部を挟持する。ポンプヘッド１２は、ダイアフラム３１との間にポンプ室１００を形成する。

ポンプヘッド１２は、吸入口１０１とポンプ室１００との間を連絡する吸入通路Ｔ１と、ポンプ室１００と吐出口１０２との間を連絡する吐出通路Ｔ２とをそれぞれ有する。ポンプ室１００は、吸入通路Ｔ１及び吐出通路Ｔ２を介して、吸入口１０１及び吐出口１０２にそれぞれ連通可能である。吸入通路Ｔ１及び吐出通路Ｔ２には、吸入弁４１（第１の弁）及び吐出弁４２（第２の弁）がそれぞれ取り付けられている。

吸入弁４１は、吸入通路Ｔ１を形成する吸入孔ｈ１を閉塞するようにポンプヘッド１２に取り付けられる。吸入弁４１は、ポンプ室１００に臨む吸入孔ｈ１の端部に取り付けられたリード弁で構成され、吸入口１０１からポンプ室１００へ向かう流体の流れを許容する。吸入弁４１の開弁圧（吸入弁４１の開放に必要な最低圧力）は特に限定されず、ポンプ装置の動作時にポンプ室１００へ所定流量のガスが導入される程度の開弁圧を有していればよい。従って吸入弁４１の開弁圧は、圧力源２からポンプ装置３へ供給されるガスの圧力よりも低い圧力であってもよい。

一方、吐出弁４２は、吐出通路Ｔ２を形成する吐出孔ｈ２を閉塞するようにポンプヘッド１２に取り付けられる。吐出弁４２は、ポンプ室１００とは反対側の吐出孔ｈ２の端部に取り付けられたリード弁で構成され、ポンプ室１００から吐出口１０２へ向かう流体の流れを許容する。吐出弁４２の開弁圧（吐出弁４２の開放に必要な最低圧力）は特に限定されず、目的とする吐出圧力が得られる圧力に設定され、本実施形態では吸入弁４１の開弁圧よりも大きな圧力（第１の圧力）に設定される。

ポンプヘッドカバー１３は、ポンプヘッド１２の上部に取り付けられる。吸入通路Ｔ１及び吐出通路Ｔ２は、ポンプヘッド１２とポンプヘッドカバー１３とが組み合わされることでそれぞれ形成される。ポンプ本体１１、ポンプヘッド１２及びポンプヘッドカバー１３は、複数本のネジ部材Ｂを用いて一体的に固定される。

モータ２１は、回転数制御が可能な直流ブラシレスモータで構成され、円筒状のモータケース２２の内部に収容される。モータ２１は、回転軸２１０と、ステータ２１１と、ロータ２１２とを有する。ステータ２１１はモータケース２２の内面に固定され、ロータ２１２は回転軸２１０の周囲に固定されている。回転軸２１０は、軸受２３，２４を介してモータケース２２に支持されており、その先端部には偏心カム３５の回転中心に取り付けられている。

偏心カム３５は、その回転中心が軸受３４のインナレースに対して偏心するように形成されている。従ってモータ２１の駆動により回転軸２１０がその軸回りに回転すると、偏心カム３５が回転軸２１０と共に回転することで、可動部材３０が動作空間１０５の内部において上下方向に往復移動する。これにより、ポンプ室１００の容積が周期的に変化し、所定のポンプ機能が得られることになる。可動部材３０の往復移動量（ストローク量）は、偏心カム３５の偏心量によって決定される。

ポンプ装置３は、弁機構５０（第３の弁）をさらに有する。本実施形態において弁機構５０は、吐出口１０２に取り付けられる。弁機構５０は、ポンプ装置３の運転停止時におけるガスの吐出口１０２からのガスの流出を制限する機能を有する。

図３は弁機構５０の構成を示す断面斜視図、図４はその断面図をそれぞれ示している。弁機構５０は、ゴム製の弁部材５１と、弁部材５１を収容する金属製のハウジング５２とを有する。

ハウジング５２は、ケーシング１０の吐出口１０２に接続される第１の端部５２１と、処理部４に連絡する管路（図示略）に接続される第２の端部５２２とを有する。第１の端部５２1の周囲にはシールリング５４が装着されており、このシールリング５４によって第１の端部５２１が吐出口１０２の内部に気密に取り付けられる。

ハウジング５２の内部には、第１の端部５２１と第２の端部５２２との間を連絡する内部通路５２３が形成されている。内部通路５２３のほぼ中央部には、中心部とその周囲に複数の孔５３１を有する壁部５３が内部通路５２３の壁面に垂直に形成されており、これらの孔５３１を介して第１の端部５２１と第２の端部５２２との間が連通可能とされる。

弁部材５１は、アンブレラバルブで構成される。すなわち弁部材５１はほぼ円盤状に形成され、その中心部に形成された軸部５１１が壁部５３の中心孔に装着されることで内部通路５２３に配置される。弁部材５１の周縁部５１２は、第２の端部５２２に臨む壁部５３の表面に形成された弁座５３２に弾性的に接触しており、第２の端部５２２側から第１の端部５２１側への流体の流れを阻止する。すなわち弁部材５１は、逆流防止弁として機能する。

一方、弁部材５１は、第１の端部５２１側から第２の端部５２２側への順方向の流体の流れに対しては、所定の圧力以上で開弁することで当該流体の流れを許容する。この場合、弁部材５１は、図４に示すように周縁部５１２が第２の端部５２２側へ弾性変形することで弁座５３２から離間し、弁部材５１による内部通路５２３の遮断状態が解除される。上記所定の圧力より低い流体圧の下では、周縁部５１２は弁座５３２へ着座し、内部通路５２３の遮断状態が維持される。

弁部材５１には、各種プロセスガスに対して耐性を有するゴム材料が用いられる。例えば、プロセスガスにメタンやプロパン等が用いられる場合には、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）など、メタンやプロパン等の炭化水素系ガスに対して耐性を有するゴム材料が弁部材５１に用いられる。弁部材５１の厚み、大きさは特に限定されず、各種仕様に対応できる開弁圧を確保することができる厚み、大きさに個々に設定される。

すなわち弁部材５１の開弁圧（弁部材５１の開放に必要な最低圧力）は、少なくとも、吐出弁４２の開弁圧（第１の圧力）よりも高い圧力に設定される。そして弁部材５１は、その開弁圧よりも高い所定の圧力（第２の圧力）以下のガスの流れを制限する。

弁部材５１の開弁圧は、ポンプシステム１の圧力源２から供給されるガス圧Ｐ１を参照して決定される。本実施形態では、弁部材５１の開弁圧は、圧力源２のガス圧Ｐ１よりも高い圧力に設定される。これにより圧力源２のガス圧Ｐ１が吐出弁４２の開弁圧よりも大きい場合であっても、ポンプ装置３の運転停止時における吐出口１０２から処理部４へのガスの流出を遮断し、処理部４へのガスの流出を確実に防止することができる。

なお後述するように、上記弁部材の開弁圧は、圧力源２のガス圧Ｐ２よりも低い圧力に設定されてもよい。

［ポンプ装置の動作］
次に、以上のように構成されるポンプ装置３の典型的な動作例を説明する。

ポンプ装置３は、駆動部２０のモータ２１を起動させることで駆動される。モータ２１の回転数は、例えばポンプ装置３の吐出側に設置された流量計に基づいて一定の吐出流量となるように制御部５によって制御される。モータ２１は、回転軸２１０を介して偏心カム３５を回転させることで、可動部材３０を動作空間１０５において所定ストロークで往復移動させる。これにより、ポンプ室１００を区画するダイアフラム３１が上下移動し、ポンプ室１００の容積が周期的に変化する。

可動部材３０は、ポンプ室１００の容積を周期的に変化させることで、ポンプ室１００へのガスの吸入とポンプ室１００からのガスの排出を交互に行う。すなわち、吸入口１０１に接続された圧力源２から吸入弁４１を介して、圧力Ｐ１（例えば2kPa（ゲージ圧））の燃料ガスがポンプ室１００へ導入される。ポンプ室１００へ導入された燃料ガスは、ポンプ室１００において可動部材により圧縮されることで昇圧され、吐出弁４２及び弁機構５０を開放させる。以上の動作が繰り返されることで、吐出口１０２から処理部４へ圧力Ｐ２（例えば15kPa（ゲージ圧））の燃料ガスが吐出される。

ここで、吐出弁４２は、ポンプ室１００内の圧力が吐出弁４２の開弁圧以上に達した時点で開弁し、ポンプ室１００から吐出口１０２へのガスの流れを許容する。従ってポンプ装置３の運転停止時に、吸入口１０１より吐出弁４２の開弁圧以上の圧力でガスがポンプ室１００へ導入されると、吐出弁４２を開放して吐出口１０２へ向かうガスの流れが形成されることになる。

そこで本実施形態のポンプ装置３においては、吐出口１０２に弁機構５０が取り付けられている。弁機構５０は、圧力源２のガス圧（Ｐ１）よりも高い開弁圧を有する。従ってポンプ装置３の運転停止時、吸入口１０１から圧力Ｐ１のガスがポンプ室１００へ導入された場合でも、弁機構５０によりガスの流れが阻止され、吐出口１０２から処理部４へのガスの流出が防止される。このように運転停止時におけるガスの不用意な吐出が抑制されるため、システムに不具合が生じるおそれを解消することができる。

また本実施形態において弁機構５０は、導入圧に応じて開度を連続的に変化させることができる構造を有する。これによりポンプ装置６の運転再開時に吐出圧に応じて弁機構５０を開放でき、迅速に必要流量のガスを処理部４へ供給することができる。

図５は、図６に示した実験条件においてポンプ装置３の運転及び停止を繰り返したときのポンプ装置３の吐出流量の時間変化を示している。図６において、ａはバッファタンク、ｂは圧力計、ｃは吸入配管、ｄはブロワであり、本実施形態のポンプ装置３に相当する。ｅは圧力計、ｆは吐出配管、ｇは固定オリフィス、ｈは流量計である。

図５に示すように、吐出流量の最小値は０であり、ポンプ装置３の運転停止時、弁機構５０によるガスの閉切り機能が正常に働いていることが確認された。また、ポンプ装置６の吐出流量は一定値に安定に維持され、再現性が高いことも確認された。

図７は、ポンプ装置６のモータ２１に入力される回転数制御電圧（Ｖｓｐ）に対するポンプ装置６の吐出流量の変化を示す一実験結果である。ポンプ装置６が組み込まれる配管システムは、図６に示した配管例と同様とした。

図７に示すように、ポンプ装置の運転開始後、所定の回転数に達した時点でガスの吐出が開始され、その流量はポンプ装置の駆動回転数にほぼ比例して上昇することが確認された。このように本実施形態によれば、ガスの閉切り機能と安定した吐出流量制御を実現することができる。

＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態に係るポンプ装置を示している。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態のポンプ装置６は、吐出口１０２に取り付けられる弁機構６０の構成が上述の第１の実施形態と異なる。弁機構６０は、アンブレラバルブを構成する弁部材６１を有し、図３及び図４に示した第１の実施形態と同様な形態でハウジング６２の内部通路に設置されている。

本実施形態の弁機構６０は、吐出弁４２の開弁圧（第１の圧力）以上、かつ、圧力源２のガス圧Ｐ１（第２の圧力）以下のガスの流出を制限する機能を有する点で、第１の実施形態と共通する。しかし本実施形態における弁機構６０は、ポンプ装置６の運転停止時、吐出口１０２から処理部４へのガスの流出は許容するが、その流出量を所定以下に抑制する機能を有する点で、第１の実施形態と異なる。

すなわち本実施形態の弁部材６１の開弁圧は、圧力源２のガス圧Ｐ１よりも低い圧力に設定される。本実施形態の弁機構６０は、ガス圧に応じて開度を連続的に変化させることができる構造であるため、弁機構６０に導入されるガス圧に応じて処理部４側へ流出するガスの流量を制御することができる。

この場合、弁部材６１を全開させるのに必要な圧力は、圧力源２のガス圧Ｐ１よりも大きい圧力（例えば、ポンプ装置３の通常運転時の吐出圧（Ｐ２）以下）に設定される。これにより吐出弁４２の開弁圧（第１の圧力）以上、かつ、圧力源２のガス圧Ｐ１（第２の圧力）以下のガスの流量を弁機構６０によって制御することが可能となる。

本実施形態によれば、ポンプ装置６の運転停止時において圧力源２から供給されるガス流量を所定流量に絞って処理部４へ供給することができる。これによりポンプ装置６の上流側あるいは下流側にオリフィス等の絞り弁を別途設ける必要がなくなり、システムの部品点数の削減を図ることができる。本実施形態は、ポンプ装置６の運転停止時にも処理部４へ所定流量以下のガスを供給する必要があるシステムに好適に用いられる。

＜第３の実施形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態に係るポンプ装置を示している。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態のポンプ装置７は、ポンプ本体１１と、ポンプヘッド７２と、ポンプヘッドカバー７３とを含むケーシング７０を有する。ポンプヘッド７２には、吸入口１０１と吐出口１０２とがそれぞれ形成されている。吐出口１０２には、第１の実施形態で説明した弁機構５０が取り付けられる。

またポンプヘッド７２には、吸入通路Ｔ１と、吐出通路Ｔ２と、バッファタンク７２１とがそれぞれ形成されている。これら通路の少なくとも一部はポンプヘッド７２の上面から外部へ露出されており、シール部材を介してポンプヘッドカバー７３で覆われることで外気と遮断される。

一般的に、ダイアフラム型のポンプは、構造的に、吐出ガスに脈動が発生する。ポンプの駆動回転数を吐出ガスの流量の測定値に基づいて制御する場合、脈動が大きいと正確な流量を測定することができず、ポンプの駆動制御が不安定となる。また、吐出ガスが燃料ガスの場合、脈動によって燃焼が不安定になり、あるいは不完全燃焼を招くおそれがある。

そこで本実施形態のポンプ装置７は、吐出通路Ｔ２と吐出口１０２との間にバッファタンク７２１を有する。バッファタンク７２１は、吐出弁４２（吐出通路Ｔ２）と弁機構５０との間にこれらを連絡する流路の一部を拡張した空間部７４を形成する。バッファタンク７２１は、吐出弁４２から吐出されるガスの脈動を緩衝する機能を有する。

本実施形態のポンプ装置７によれば、弁機構５０から吐出されるガスの脈動を低減し、安定した流量でガスを吐出することができる。また、吐出流量に基づいてポンプ装置７の駆動を制御する場合においては、ポンプ装置７の安定した駆動制御が可能となる。さらにポンプとバッファタンクとが一体化されているため、ポンプシステムのガス流路に別途バッファタンクを設ける必要がなくなり、システムの構成の簡素化を図ることができる。

バッファタンク７２１の空間部７４の容積は、吐出弁４２から吐出されるガスの脈動（圧力幅）に基づいて定められる。図１０は、本発明者らが行った一実験結果であり、バッファ容積（ｃｃ）と吐出口１０２から吐出されるガスの圧力幅との関係を示している。図１０に示すように、空間部７４の容積が大きいほど圧力幅を小さくできる。例えば、空間部７４の容積を１２０ｃｃ以上とすることで、脈動幅を０．７５ｋＰａ以下に抑えることができる。

＜第４の実施形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態に係るポンプ装置を示している。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態のポンプ装置８は、ケーシング８０と、駆動部２０と、バッファタンク８１とを有する。ケーシング８０は、吸入口１０１と、吐出口１０２とを有し、吸入口１０１から吸入されたガスを図示しないポンプ室で昇圧し、バッファタンク８１を介して、昇圧したガスを吐出口１０２から吐出する。

図１１は、バッファタンク８１及び吐出口１０２の断面図である。バッファタンク８１の内部には所定容積の空間部７４が形成され、吐出ガスの脈動を低減する。吐出口１０２は空間部７４に連通しており、吐出口１０２の内部には、弁部材５１が取り付けられている。弁部材５１は、第１の実施形態と同様な構成を有し、所定圧力以下のガスの流出を制限する機能を有する。

以上のように構成される本実施形態においても上述の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。本実施形態のポンプ装置８によれば、弁機構としての弁部材５１がケーシング８０に支持されているため、部品点数の削減を図ることができる。

なお図１３〜図１８はポンプ装置８の外観を示しており、図１３は正面図、図１４は背面図、図１５は平面図、図１６は底面図、図１７は右側面図、図１８は左側面図である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、所定圧力以下の流体の流れを制限する弁機構は吐出口に取り付けられたが、これに限られず、例えば吐出弁と吐出口の間の吐出通路上に上記弁機構が設けられてもよい。

また上記弁機構を構成する弁部材は、アンブレラバルブに限られず、例えばボール弁やバタフライバルブ等で構成されてもよい。

さらに以上の実施形態では、ポンプ装置はダイアフラムポンプで構成されたが、これに限られず、ルーツポンプ等の他のポンプ装置にも本発明は適用可能である。ルーツポンプの場合、ポンプ室の容積を変化させる可動部材としては、相互に対向して配置されるロータに対応する。

１…ポンプシステム
２…圧力源
３，６，７，８…ポンプ装置
４…処理部
１０，７０，８０…ケーシング
２０…駆動部
３０…可動部材
３１…ダイアフラム
４１…吸入弁
４２…吐出弁
５０，６０…弁機構
５１，６１…弁部材
７４…空間部
１００…ポンプ室
１０１…吸入口
１０２…吐出口

Claims (9)

1. 吸入口と、吐出口と、前記吸入口及び前記吐出口と各々連通可能なポンプ室とを有するケーシングと、
   前記ケーシングの内部を移動可能であり、前記ポンプ室への流体の吸入と前記ポンプ室からの前記流体の排出とを交互に行う可動部材と、
   前記吸入口と前記ポンプ室との間に取り付けられ、前記吸入口から前記ポンプ室への前記流体の流れを許容する第１の弁と、
   前記ポンプ室と前記吐出口との間に取り付けられ、前記ポンプ室の流体が第１の圧力以上である場合に前記ポンプ室から前記吐出口への前記流体の流れを許容する第２の弁と、
   前記ケーシングに取り付けられ、前記吸入口と前記吐出口との間の前記流体が前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力以下の場合に前記吸入口から前記吐出口へ向かう前記流体の流れを制限する第３の弁と
   を具備するポンプ装置。
2. 請求項１に記載のポンプ装置であって、
   前記第３の弁は、前記第２の弁よりも前記吐出口側に配置される
   ポンプ装置。
3. 請求項２に記載のポンプ装置であって、
   前記第３の弁は、前記第１の圧力以上前記第２の圧力以下の圧力に応じて開度が連続的に変化する弁部材を含む
   ポンプ装置。
4. 請求項３に記載のポンプ装置であって、
   前記弁部材は、アンブレラ弁である
   ポンプ装置。
5. 請求項２に記載のポンプ装置であって、
   前記ケーシングは、前記第２の弁と前記第３の弁との間を連絡する流路の一部が拡張された空間部をさらに有する
   ポンプ装置。
6. 請求項１に記載のポンプ装置であって、
   前記可動部材は、
   前記ポンプ室を区画する変形可能なダイアフラムを含む
   ポンプ装置。
7. 前記圧力源と連絡する吸入口と、前記処理部と連絡する吐出口と、前記吸入口及び前記吐出口と各々連通可能なポンプ室とを有するケーシングと、
   前記ケーシングの内部を移動可能であり、前記ポンプ室への前記流体の吸入と前記ポンプ室からの前記流体の排出とを交互に行う可動部材と、
   前記吸入口と前記ポンプ室との間に取り付けられ、前記吸入口から前記ポンプ室へ向かう前記流体の流れを許容する第１の弁と、
   前記ポンプ室と前記吐出口との間に取り付けられ、前記ポンプ室から前記吐出口へ向かう、第１の圧力以上の前記流体の流れを許容する第２の弁と、
   前記ケーシングに取り付けられ、前記吸入口から前記吐出口へ向かう、前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力以下の前記流体の流れを制限する第３の弁と
   を有するポンプ装置と、
   前記吸入口に接続され、前記第２の圧力以下の流体を前記ポンプ装置へ供給する圧力源と、
   前記吐出口に接続され、前記ポンプ装置から吐出される流体を処理する処理部と
   を具備するポンプシステム。
8. 請求項７に記載のポンプシステムであって、
   前記第３の弁は、前記第２の圧力以下の前記流体の流れを遮断する弁部材を含む
   ポンプシステム。
9. 請求項７に記載のポンプシステムであって、
   前記第３の弁は、前記第１の圧力以上前記第２の圧力以下の圧力に応じて開度が連続的に変化する弁部材を含む
   ポンプシステム。

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