JP2013032738A

JP2013032738A - ダイアフラムポンプ

Info

Publication number: JP2013032738A
Application number: JP2011169294A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Konishi; 義昭小西
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-02-14

Abstract

【課題】吸込配管の圧力が高い場合や残留空気が多い場合でも、適切に、圧力室の空気を排出でき得るダイアフラムポンプを提供する。
【解決手段】油圧式のダイアフラムポンプの圧力室に設けられたエア抜き弁４０は、圧力室と外部空間との間に設けられ、圧力室から作動流体が流入する中間室５０と、前記中間室５０と圧力室の圧力バランスの変動に応じて開閉する逆止弁４４と、前記逆止弁４４を圧力室側に付勢するスプリング４８と、前記中間室５０と外部空間との間を作動流体の微量漏出を許容した状態で閉鎖するピストン４６と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、プランジャの往復運動を圧力室に貯留された作動流体を介してダイアフラムに伝達することで、対象流体の吸込吐出を行なう油圧式ダイアフラムポンプに関し、特に、圧力室内のエアを外部に放出するエア抜き弁を備えた油圧式ダイアフラムポンプに関する。

油圧式のダイアフラムポンプポンプでは、通常、圧力室に残存するエアを外部に放出するためのエア抜き弁が設けられている。例えば、特許文献１などには、こうしたエア抜き弁を設けたダイアフラムポンプが開示されている。こうしたエア抜き弁は、圧力室と外部空間との間に設けられ、スプリングにより閉鎖方向に付勢された逆止弁を有している。圧力室内の圧力が上昇していくと、逆止弁が開放され、微量の作動流体とともにエアが圧力室から逃出する。

特開２００６−７７８９３号公報

ここで、吸込配管の圧力が高い場合には、圧力室の内圧も高くなりがちであるため、エア抜き弁の逆止弁が過剰に開放され、作動流体が過剰に漏出する。作動流体の過剰な漏出を避けるためには、逆止弁を付勢するスプリングを強くする必要があった。

しかし、逆止弁を付勢するスプリングを強くしすぎると、今度は、圧力室内の空気が適切に排出されないという問題が生じる。特に、ポンプの駆動を開始して間もない初期の段階では、作動流体中の空気残存量が多い。この状態で、プランジャを進出させて圧力室の容積を減少させても、作動流体中の空気の圧縮による圧力が、逆止弁を開放させ得る圧力にまで至らず、空気が排出されないエアロック状態となる。

つまり、従来のエア抜き弁では、吸込配管の圧力が高い場合や残留空気が多い場合でも、適切に、空気を排出でき得るスプリングの圧力の設定範囲が限定されてしまうため、スプリングの圧力の調整が非常に困難であった。

そのため、従来では、作動流体の過剰な漏れを防止するために、スプリングの圧力を高く設定した場合には、対象流体を吸込吐出する通常運転に先立って、作動流体からある程度、空気を抜く脱気作業を行なっており、非常に手間であった。

そこで、本発明では、吸込配管の圧力が高い場合や残留空気が多い場合でも、適切に、圧力室の空気を排出でき得るダイアフラムポンプを提供することを目的とする。

本発明のダイアフラムポンプは、プランジャの往復運動を圧力室に貯留された作動流体を介してダイアフラムに伝達することで、対象流体の吸込吐出を行なう油圧式のダイアフラムポンプであって、圧力室内の空気を外部に放出するエア抜き弁を備えたダイアフラムポンプにおいて、前記エア抜き弁は、圧力室と外部空間との間に設けられ、圧力室から作動流体が流入する中間室と、前記圧力室と中間室とを仕切り、中間室と圧力室の圧力バランスの変動に応じて開閉する逆止弁と、前記逆止弁を圧力室側に付勢する付勢手段と、前記中間室と外部空間との間を、作動流体の微量漏出を許容した状態で閉鎖する閉鎖部材と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記閉鎖部材は、前記逆止弁に連結されており、逆止弁の開閉に連動して、前記中間室と外部空間とを結ぶ連通路内を摺動進退するピストンである。他の好適な態様では、前記付勢手段の付勢力は、前記中間室の内圧と圧力室の内圧が等しくなった場合に、前記逆止弁を閉鎖できる値に設定される。

本発明によれば、逆止弁は、中間室と圧力室の圧力バランスの変動に応じて開閉するため、吸込圧の絶対圧の影響を受けにくい。その結果、吸込配管の圧力が高い場合でも付勢手段の付勢力を高くする必要がない。また、付勢手段の付勢力を高くする必要がないため、残留空気が多い場合でも、適切に、圧力室の空気を排出できる。つまり、本発明によれば、吸込配管の圧力が高い場合や残留空気が多い場合でも、適切に、圧力室の空気を排出できる。

本発明の実施形態であるダイアフラムポンプの概略構成図である。逆止弁閉鎖時におけるエア抜き弁の断面図である。逆止弁開放時におけるエア抜き弁の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるダイアフラムポンプ１２の概略構成図である。

ダイアフラムポンプ１２は、シリンダブロック１４と、シリンダブロック１４内を往復運動するプランジャ１６を含み、さらにシリンダブロック１４およびプランジャ１６とともに、閉じた空間であるポンプ室１８を形成するシリンダヘッド２０を含む。ポンプ室１８には、これをプランジャ１６側とシリンダヘッド２０側とに二分するダイアフラム２２が配置されている。以降、ダイアフラム２２で分けられたポンプ室１８のプランジャ側を圧力室２４、シリンダヘッド側を対象流体室２６と記す。プランジャ１６は、モータやカムなどから構成される駆動機構（図示せず）により往復運動を行う。このプランジャ１６の運動は、圧力室２４を満たす作動流体を介してダイアフラム２２に伝達される。これによって、ダイアフラム２２がたわんで往復運動し、ポンプ室１８、特に対象流体が吸い込まれ、吐出される対象流体室２６の容積変化が生じる。

対象流体室２６には、吸込管３２と吐出管３４が接続されており、これらの管には、それぞれ吸込側逆止弁３６、吐出側逆止弁３８が設けられている。前述のように、駆動機構によって制御されるプランジャ１６の往復運動は、圧力室２４を介してダイアフラム２２に伝達され、対象流体室２６の容積変化を生じさせる。対象流体室２６の容積が増加するときには、吸込側逆止弁３６は対象流体が対象流体室２６に吸い込まれることを許容し、吐出側逆止弁３８は、吐出管３４からの逆流を阻止するように機能する。対象流体室２６の容積が減少するときは、逆に、吸込側逆止弁３６が対象流体の吸込管３２への逆流を阻止し、吐出側逆止弁３８は吐出管３４への対象流体の流れを許容するように作用する。

圧力室２４の上部には、圧力室２４内の空気を外部に放出するエア抜き弁４０が取り付けられている。このエア抜き弁４０の構成について図２、図３を参照して説明する。図２、図３は、エア抜き弁４０の一例を示す断面図である。エア抜き弁４０は、シリンダブロック１４に結合されるケース４２、ケース４２内を進退する逆止弁４４、逆止弁４４に連結されたピストン４６、および、逆止弁４４を閉鎖方向に付勢するスプリング４８を有している。

ケース４２の内部には、ピストン４６が挿通される連通路４９と、当該連通路４９と圧力室２４との間に位置する中間室５０と、が形成されている。中間室５０は、逆止弁４４が進退する空間で、シリンダブロック１４に形成された接続孔５２を介して圧力室２４に連通する空間である。この中間室５０の上端中央からは、連通路４９が垂直方向に延びている。また、中間室５０の天面は、連通路４９に近づくほど高くなる傾斜面となっている。かかる傾斜面を設けることにより、中間室５０内にある空気６０が浮力により連通路４９周辺に集まることができる。また、傾斜面の周囲には水平方向に延びる平坦面が形成されており、スプリング４８を安定的に設置できるようになっている。連通路４９は、略円筒形の空間で、中間室５０と外部空間とを結ぶ。

逆止弁４４は、中間室５０と接続孔５２（圧力室２４）とを仕切る弁体である。圧力室側の径が中間室側の径よりも小さくなるような円錐台形状をしている。この逆止弁４４は、後に詳説するように、圧力室２４と中間室５０との圧力バランスの変動に応じて、垂直方向に進退することで接続孔５２を開閉する。逆止弁４４の背後には、スプリング４８が設けられている。このスプリング４８は、逆止弁４４を、圧力室側（弁を閉鎖する方向）に付勢する。

逆止弁４４の中央には、垂直上方に延びるピストン４６が接続されている。このピストン４６は、中間室５０と外部空間との間を、作動流体の微量漏出を許容した状態で閉鎖する閉鎖部材として機能するものである。ピストン４６は、連通路４９に挿通され、逆止弁４４の進退に連動して、当該連通路４９内で摺動進退する。ピストン４６の外径は、連通路４９の内径より僅かに小さくなっており、ピストン４６の外周面と連通路４９の内周面との間には円筒状の微小間隙が形成される。この微小間隙は、中間室５０の内圧により、当該中間室５０内の作動流体を僅かに外部空間に漏らすことが可能な程度の大きさとなっている。ピストン４６の上端は、外部空間に露出しており、常時、大気圧を受ける。

次に、かかる構成のエア抜き弁４０の作用について説明する。逆止弁４４は、当該逆止弁４４を閉鎖する方向の力Ｆｃと、逆止弁４４を開放する方向の力Ｆｏと、を受けている。この閉鎖方向の力Ｆｃが開放方向の力Ｆｏを上回れば（Ｆｃ＞Ｆｏ）逆止弁４４が閉じ、逆に、閉鎖方向の力Ｆｃが開放方向の力Ｆｏを下回れば（Ｆｃ＜Ｆｏ）逆止弁４４が開くことになる。

ここで、圧力室２４の内圧をＰ１、中間室５０の内圧をＰ２、大気圧をＰ３（Ｐ３＜Ｐ１、Ｐ３＜Ｐ２）とし、圧力室２４ポート径の断面積をＡｐ、シリンダの断面積をＡｓとした場合、開放方向の力Ｆｏは、圧力室２４の内圧Ｐ１による力Ｆ１＝Ａｐ×Ｐ１となる。

閉鎖方向の力Ｆｃは、スプリング４８から受ける力Ｆｓと、ピストン４６が大気圧から受ける力Ｆ３＝Ａｓ×Ｐ３、逆止弁４４が中間室５０の内圧Ｐ２から受ける力Ｆ２＝（Ａｐ−Ａｓ）×Ｐ２の和となる。ここで、スプリング４８から受ける力Ｆｓ、ピストン４６が大気圧から受ける力Ｆ３は、常時、一定である。

一方で、圧力室２４の内圧Ｐ１、中間室５０の内圧Ｐ２は、時間の経過、ポンプの駆動状況に応じて徐々に変化するため、力Ｆ１、力Ｆ２も変化する。そして、圧力室２４の内圧Ｐ１、中間室５０の内圧Ｐ２の圧力バランスが変動することで、閉鎖方向の力Ｆｃ、開放方向の力Ｆｏのバランスも変動し、逆止弁４４が開閉することになる。

なお、本実施形態では、スプリング４８の付勢力Ｆｓを、圧力室２４の内圧Ｐ１と中間室５０の内圧Ｐ２が等しい場合に、逆止弁４４を閉鎖でき得る値としている。すなわち、Ｐ１＝Ｐ２のときに、逆止弁４４を閉鎖するためには、Ｆｃ＞Ｆｏ＝［Ｆｓ＋Ａｓ×Ｐ３＋（Ａｐ−Ａｓ）×Ｐ１］＞Ａｐ×Ｐ１を成立させる必要があるため、スプリング４８の付勢力Ｆｓは、Ｆｓ＞（Ｐ１−Ｐ３）×Ａｓとすればよい。なお、圧力室２４の内圧Ｐ１は、駆動条件等により適宜異なってくるため、本実施形態では、予想され得る圧力室２４の内圧の最大値をＰｍａｘに基づいて、スプリング４８の付勢力Ｆｓを、設定している。すなわち、Ｆｓ＞（Ｐｍａｘ−Ｐ３）×Ａｓを満たすようにスプリング４８の強さを設定している。

次に、エア抜き弁４０の動作を具体的に説明する。まず、図２に示すように、閉鎖方向の力Ｆｃが開放方向の力Ｆｏを上回り（Ｆｃ＞Ｆｏ）、逆止弁４４が閉鎖しているとする。このとき、逆止弁４４の下端周辺には、圧力室２４内で生じた空気６２が浮力により集まってくる。また、前回、逆止弁４４を開放した際に、中間室５０内に侵入した空気６０は、浮力により、ピストン４６と連通路４９との間の微小間隙周辺に集まる。このとき、中間室５０の内圧Ｐ２は、大気圧Ｐ３よりも高いため、この状態で時間が経過すると、中間室５０内の作動流体が、ピストン４６周囲の微小間隙を通じて、徐々に外部空間に漏れ出て行く。このとき、空気６０は、ピストン４６と連通路４９の間の空間に移動するが、表面張力のため、外部空間には出られない。そして、作動流体が漏れ出ることにより、中間室５０内の内圧Ｐ２が徐々に低下する。中間室５０の内圧Ｐ２の低下に伴い、逆止弁４４が中間室５０の内圧Ｐ２から受ける力Ｆ２、ひいては、閉鎖方向の力Ｆｃも低下していく。

また、対象流体を吐出するために、プランジャ１６をダイアフラム２２側に進出させると、圧力室２４の内圧Ｐ３が増加し、逆止弁４４が圧力室２４の内圧から受ける力Ｆ１、ひいては、開放方向の力Ｆｏが増加する。

このように閉鎖方向の力Ｆｃの低下、または、開放方向の力Ｆｏの増加の少なくとも一方が生じ、Ｆｏ＞Ｆｃ、すなわち、Ｆ１＞［Ｆ２＋Ｆｓ＋Ｆ３］となれば、図３に示すように、逆止弁４４が上方に移動し、逆止弁４４が開放される。

逆止弁４４が開放されると、圧力室２４内の作動流体が、近傍にある空気６２とともに、中間室５０に流入する。また、ピストン４６と連通路４９の間の間隙にある空気は、逆止弁４４と連接しているピストン４６の上方へ移動する動きと、圧力室２４および中間室５０の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）により、外部空間に排出される。そして、この中間室５０への流入により、圧力室２４の内圧Ｐ１と、中間室５０の内圧Ｐ２が等しくなる。記述した通り、本実施形態では、スプリング４８の付勢力Ｆｓを、圧力室２４および中間室５０の内圧が等しくなった際に逆止弁４４を閉鎖し得る値に設定している。そのため、中間室５０と圧力室２４の内圧が等しくなると、逆止弁４４が、下方に移動し、接続孔５２が閉じられ、図２の状態に戻る。

逆止弁４４が閉鎖した状態に戻れば、再び、微小間隙から作動流体が徐々に漏出し、中間室５０の内圧Ｐ２が徐々に低下する。また、対象流体吐出のため、プランジャ１６が進出すれば、圧力室２４の内圧上昇も生じる。この中間室５０の内圧低下、または、圧力室２４の内圧上昇が生じれば、再度、逆止弁４４が開放されることになる。

このように、時間の経過やポンプ１２の駆動状況に応じて、中間室５０および圧力室２４の内圧バランスが変化することによって、逆止弁４４が進退し、接続孔５２が開閉される。そして、この開閉動作を繰り返すことにより、作動流体中の空気６０，６２が、徐々に外部空間に放出される。ここで、本実施形態では、逆止弁４４とピストン４６とを連結しているため、逆止弁４４が進退すれば、当然ながら、ピストン４６も進退する。ピストン４６が進退することで、微小間隙の周辺に集まった空気６０は、より効率的に、外部空間に排出されることになる。

以上の説明から明らかなとおり、本実施形態によれば、逆止弁４４は、圧力室２４と中間室５０の圧力差に応じて開閉する。換言すれば、逆止弁４４の開閉に対して、吸込圧の絶対圧が与える影響は小さい。そのため、吸込配管の圧力が高くても、作動流体が多量に漏出することがない。そのため、吸込配管の圧力が高い場合であっても、強いスプリング４８を使用しなくても、安定したエア抜きが可能となる。

そして、スプリング４８を過度に強くしなくてもよいため、作動流体中の残存空気が多く、圧力室２４の圧力が上昇しにくい状況でも、逆止弁４４を開放させることができ、エア抜きが可能となる。そのため、ポンプ１２を使用し始めて間もないときのように作動流体中の残存空気が多い状況でも、ポンプ１２を運転させながら、エア抜きができる。

また、本実施形態では、ポンプ１２の運転を続けるにつれ、圧力室２４から漏出する作動流体を減少させることができる。すなわち、ポンプ１２の運転に伴い、中間室５０からの空気排出が行なわれ続け、作動流体中の残存空気量が少なくなると、中間室５０の中の流体の非圧縮性が高くなる。この場合、逆止弁４４が僅かに開放され、中間室５０内に僅かでも作動流体量が流入すれば、中間室５０の内圧Ｐ２は急増し、逆止弁４４が作動することになる。つまり、作動流体中の残存気体が少なくなれば、中間室５０に流入する作動流体が僅かでも逆止弁４４を作動させることができ、エア抜きのために必要な流体の圧力室２４からの漏れ量を少なくすることができ、ひいては、容積効率を高く保つことができる。なお、従来のエア抜き弁の多くは、圧力室２４の内圧の絶対値に応じて弁が開閉する仕組みであったため、作動流体中の残存気体量に関わらず、エア抜きの際にはいつも一定量の作動流体が圧力室２４から漏出していた。

また、本実施形態のエア抜き弁４０は、対象流体の吐出流量波形を、設定どおりに保ちやすいため、無脈動ポンプに適している。無脈動ポンプは、複数の往復動ポンプを並列に接続し、当該複数の往復動ポンプの瞬時の吐出流量の合計が、常に一定になるように、各往復動ポンプの動作を制御するポンプである。吐出流量の合計を常に一定に保った状態、すなわち、脈動が生じない状態にするためには、各往復動ポンプから吐出される流量波形を設定どおりに保つことが重要となる。通常、流量波形は、脈動が生じないように設定されているため、この設定と異なる流量波形になると、合計吐出流量に脈動が生じることになる。従来の往復動ポンプでは、吐出行程の初期でのみエア抜きが行なわれていた。このエア抜きの際、エアとともに一定量の作動流体が圧力室２４から漏出することにより、圧力損失が発生し、瞬時の吐出流量が設定に比べて小さくなり、結果として、瞬時の吐出流量の合計値が変動する脈動が生じていた。

一方、本実施形態のエア抜き弁４０では、エア抜きは、吐出行程の初期以外の区間でも、エア抜き（作動流体の圧力室２４からの漏出）が行なわれる。そのため、吐出行程の初期において、エア抜きに起因して生じる圧力損失を低減することができ、ひいては、脈動を低減できる。なお、吐出行程の初期以外の区間では、中間室５０から継続的に微量漏出する作動流体の漏出総量が閾値に達したときに、逆止弁４４が開く。このとき、圧力室２４から漏出する作動流体は、微量であるため、脈動は生じにくく、無脈動を達成しやすい。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、中間室５０と圧力室２４との内圧バランスの変動に応じて開閉する逆止弁４４と、当該逆止弁４４を付勢する付勢手段（スプリング４８）、および、作動流体の微量漏出を許容した状態で中間室と外部空間との間を閉鎖する閉鎖部材を備えていれば、その他の構成は適宜、変更されてもよい。例えば、ピストン４６と逆止弁４４は、必ずしも接続されている必要はなく、互いに別個の部材であってもよい。

１２ダイアフラムポンプ、１４シリンダブロック、１６プランジャ、１８ポンプ室、２０シリンダヘッド、２２ダイアフラム、２４圧力室、２６対象流体室、３２吸込管、３４吐出管、３６吸込側逆止弁、３８吐出側逆止弁、４０エア抜き弁、４２ケース、４４逆止弁、４６ピストン、４８スプリング、４９連通路、５０中間室、５２接続孔、６０，６２空気。

Claims

プランジャの往復運動を圧力室に貯留された作動流体を介してダイアフラムに伝達することで、対象流体の吸込吐出を行なう油圧式のダイアフラムポンプであって、圧力室内の空気を外部に放出するエア抜き弁を備えたダイアフラムポンプにおいて、
前記エア抜き弁は、
圧力室と外部空間との間に設けられ、圧力室から作動流体が流入する中間室と、
前記圧力室と中間室とを仕切り、中間室と圧力室の圧力バランスの変動に応じて開閉する逆止弁と、
前記逆止弁を圧力室側に付勢する付勢手段と、
前記中間室と外部空間との間を、作動流体の微量漏出を許容した状態で閉鎖する閉鎖部材と、
を備えることを特徴とするダイアフラムポンプ。
請求項１に記載のダイアフラムポンプであって、
前記閉鎖部材は、前記逆止弁に連結されており、逆止弁の開閉に連動して、前記中間室と外部空間とを結ぶ連通路内を摺動進退するピストンである、
ことを特徴とするダイアフラムポンプ。
請求項１または２に記載のダイアフラムポンプであって、
前記付勢手段の付勢力は、前記中間室の内圧と圧力室の内圧が等しくなった場合に、前記逆止弁を閉鎖できる値に設定される、
ことを特徴とするダイアフラムポンプ。