JP2013032738A - ダイアフラムポンプ - Google Patents

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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 (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
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