JP2013536364A - 慣性制御式漏出補償弁を有する膜ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、隔膜（１）によってポンプ室（９）と仕切られた液圧室（８）を有する膜ポンプであって、ポンプ室（９）は吸入接続部および圧出接続部とそれぞれ接続しており、作動流体を満たすことができる液圧室（８）には脈動する作動流体圧を加えることができ、液圧室（８）は漏出補償弁（６）を介して作動流体リザーバ（１５）に接続しており、漏出補償弁（６）は、加圧要素によって閉鎖位置に保持され、弁ゲートが閉じている閉鎖位置と弁ゲートが開いている開放位置との間で前後に移動させることができる閉鎖本体を備え、加圧要素は、液圧室（８）内の圧力が設定圧力ｐ_Lよりも低くなると、閉鎖本体（１６）が開放位置の方向に移動するように設計されている、膜ポンプに関する。従来技術の不都合な点を減らし、またはさらには克服する漏出補償弁を有する膜ポンプを提供するために、本発明では、液圧室（８）内における圧力パルスのために、最長で１ミリ秒持続する０ｂａｒへの圧力降下が発生した場合に、閉鎖本体（１６）が開放位置の方向に０．２ｍｍ以下だけしか移動しないほど、閉鎖本体（１６）の質量が大きいことが提案されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、漏出補償弁を有する膜ポンプに関するとともに、漏出補償弁の寸法を決定する方法に関する。

膜ポンプは一般的に、隔膜によって液圧室と仕切られたポンプ室を備えており、ポンプ室は吸入接続部および圧出接続部に接続している。作動流体を満たすことができる液圧室には脈動する作動流体圧を加えることができる。脈動する作動流体圧が隔膜の脈動運動を引き起こすと、ポンプ室の容積は周期的に膨張および収縮する。このようにして、ポンプ室の容積が膨張すると、個別の逆止弁を介してポンプ室に接続した吸入接続部を介して、ポンプ媒体を吸入することができる。ポンプ室の容積が収縮すると、ポンプ媒体は圧力を受け、対応する逆止弁によって同様にポンプ室に接続した圧出接続部を介して排出される。

通例、作動流体は油圧オイルである。しかし、原理上は、例えば、水溶性ミネラルサプリメントを含んだ水等の、他の適当な流体を用いることもできる。

隔膜は、ポンプされる媒体を駆動装置から仕切っており、その結果、一方では、駆動装置は、ポンプ媒体によって生じる損傷から保護されており、他方では、ポンプ媒体も、駆動装置によって生じる損傷、例えば汚染、から保護されている。

脈動する作動流体圧は通常、作動流体と接触している可動ピストンによって生み出される。

この目的のために、例えば、ピストンは円筒状の中空要素内を前後に移動し、それによって、液圧室の容積が膨張および収縮され、液圧室内の圧力の増加および減少を生じさせ、その結果、隔膜の運動が生じる。

作動流体がピストンの周りを流れるのを防止することを目的とした多種多様の対策にもかかわらず、実際のところは、各行程時に、ピストンと円筒状の中空要素との間に残る狭い隙間を通じて少量の作動流体が失われてしまうことを防ぐことはできない。そのため、徐々に、液圧室内の作動流体の量は減少する。その結果、隔膜の圧縮運動を行うのに利用できる作動流体がもう十分には存在しなくなるため、圧出行程が隔膜によって、もはや完了しなくなる。

そこで、例として、独国特許第１０３４０３０号は、介在弁、いわゆる漏出補償弁、を介して液圧室を作動流体用のリザーバに接続することを提案した。

この漏出補償弁を用いると、必要に応じて作動流体を液圧室に追加できる。しかし、これを行う際には、液圧室に作動流体を追加しすぎないように注意しなければならない。その理由は、もしそうなると、隔膜が圧出行程の間にポンプ室内に深く入りすぎることになり、かつ或る状況の下では、弁または他の部品と接触し、損傷を受ける恐れがあるからである。

このため、漏出補償弁は通常、弁ゲートが閉じている閉鎖位置と弁ゲートが開いている開放位置との間で前後に移動することができる閉鎖本体、例えば閉鎖ボールの形態のもの、を備えている。この閉鎖本体は、加圧要素、例えばばね、によって閉鎖位置へと付勢されている。この加圧要素は、液圧室内の圧力が設定圧力ｐ_Lよりも低くなったときだけ閉鎖本体が開放位置の方向に移動するように設計されている。

吸入行程の間、すなわちピストンが後方に移動する間、液圧室内の圧力は必然的に減少するので、設定圧力ｐ_Lは、吸入行程の間に漏出補償弁を介して液圧室内に流体が入ることができないように設定されなければならない。漏出補償弁は、ピストンがほとんど動いていない吸入行程の終了時に不足している量の作動流体しか入れてはならない。

この場合、圧出行程の終了時に、ポンプ室内の圧力は最大になっていることに注意しなければならない。この場合、吸入行程が開始すると、その後、隔膜は、ポンプ室内の圧力が吸入接続部における静圧まで下がるまで液圧室の方向に移動することになる。吸入行程が継続するに従い、吸入行程によって圧力パルス、いわゆるジューコフスキーパルス（Ｊｏｕｋｏｗｓｋｙ ｐｕｌｓｅ）が生じる。その理由は、ポンプ室内では、今度は吸入接続部を介してポンプ媒体が供給され、それが吸入管路内の速度に急激な変化を生じさせるからである。この圧力パルスは液圧室内に高周波数の圧力振動を生じさせる。液圧室内の圧力は一時的に大きく減少することになる。

この圧力パルスの間に漏出補償弁が開き、それにより、液圧室に作動流体が流入できるようになるのを防止するために、設定圧力ｐ_Lは相応に低く設定されなければならない。これは、漏出補償弁の加圧要素が比較的大きなサイズでなければならないことを意味する。

しかし、周知の膜ポンプでは、これが不都合な点となる。なぜなら、そうすると、吸入行程の終了時に、漏出補償弁の設定圧力未満に降下することが困難になるからである。それ故、吸入行程の終了時に、液圧室内の作動流体が少なくなりすぎていれば、漏出補償弁がちゃんと実際に開くことを確実にするために、適切な構造上の対策をとらなければならない。これは膜ポンプのコストを増大させてしまう。

そこで、上述の従来技術を根幹として、本発明は、上記の不都合な点を減らし、またはさらには克服する漏出補償弁を有する膜ポンプを提供することを目的とする。加えて、本発明は、上記の不都合な点を減らし、またはさらには克服する漏出補償弁の寸法を決定する方法を提供することを目的とする。

この目的は、先に定義された形式の膜ポンプであって、液圧室内における圧力パルスの結果、最長で１ミリ秒持続する圧力降下が生じたときに、閉鎖本体が開放位置の方向に０．２ｍｍ以下だけしか移動しないほど、閉鎖本体の質量が十分大きいことを特徴とする、膜ポンプを用いる本発明によって達成される。

実際に、ポンプ室内の圧力が吸入接続部における圧力まで下がると生じる圧力パルス、いわゆるジューコフスキーパルス（Ｊｏｕｋｏｗｓｋｙ ｐｕｌｓｅ）は高周波数のパルスであること、すなわち、１ミリ秒に満たない期間に生じることが観察されている。本発明によれば、このような圧力パルスが生じると、そのときには、慣性によって、閉鎖本体が開放位置の方向に０．２ｍｍ以下だけしか移動できないように、閉鎖本体はその質量およびその慣性が十分大きくなるように構築される。１ミリ秒後には、圧力はすでに再上昇しているので、閉鎖本体の運動は止められる。通常、０．２ｍｍに満たない閉鎖本体の運動は十分小さいため、作動流体にとっては、結果として生じる隙間は小さすぎて液圧室内にかなりの量の作動流体を送り込むことができない。

万一、この小さな量でもなお不都合な場合、好ましい実施形態では、液圧室内における圧力パルスの結果、最長で１ミリ秒持続する圧力降下が生じたときに、閉鎖本体は開放位置の方向に０．１ｍｍ以下だけしか移動しないようになっていることである。

明らかに、ジューコフスキーパルス（Ｊｏｕｋｏｗｓｋｙ ｐｕｌｓｅ）のため、最大圧力パルスにより、油圧チャンバ内に０ｂａｒまで達する圧力の降下が生じる可能性がある。以下に、閉鎖本体の質量の算出の例が示されている。

実際には、圧力パルスにもかかわらず、液圧室内の圧力は０ｂａｒまでは降下せず、最小圧力ｐ_minまで降下することになる。この最小圧力ｐ_minは、例えば、ポンプ吸入接続部における静圧、ピストンの速度および液圧室とポンプ室の容積等のプロセスパラメータに依存する。

従来技術では、設定圧力ｐ_Lは通常ｐ_min未満であるが、好ましい実施形態では、ｐ_Lはｐ_minよりも大きい。従って、漏出補償弁の戻しばねはもっと小さく作ることができ、それによって、ポンプの動作は著しく容易になる。

膜ポンプの漏出補償弁の寸法を決定する方法に関して、先に規定した目的は、液圧室内における圧力パルスの結果、最長で１ミリ秒持続する圧力降下が生じたときに、閉鎖本体が開放位置の方向に０．２ｍｍ以下だけしか移動しないように、好ましくは０．１ｍｍ以下だけしか移動しないように、閉鎖本体の質量が選択されるのならば、達成される。

以下の好ましい実施形態の説明と添付の図面より、さらなる利点、特徴および可能な用途が明らかになるだろう。

図１は、従来技術の膜ポンプの部分断面図である。

図２は、吸入行程の間の液圧室内の圧力のプロファイルを示す図である。

図３は、本発明の１つの実施形態による漏出補償弁の断面図である。

図１は、膜ポンプの主要パーツを部分断面図で示している。膜ポンプは隔膜１を備えており、隔膜１は液圧室８をポンプ室９と仕切っている。ポンプ室９はそれぞれの逆止弁を介して吸入接続部および圧出接続部に接続している。液圧室８にはピストン３によって脈動する作動流体圧を加えることができる。図示の実施形態では、隔膜１は、取り付け台１３内に装着されたばね１０に接続している。ばね１０によって、隔膜が液圧室の方向に確実に付勢される。作動流体の脈動圧力が隔膜を壁４および７の間で前後に移動させると、すぐにポンプ室の容積が膨張および収縮する。ポンプ室の容積が収縮すると、ポンプ室内のポンプ流体は、圧力放出口にある逆止弁を介して排出される。隔膜１の後方運動によってポンプ室の容積が膨張すると、逆止弁を介して吸入接続部からポンプ流体が吸入される。従って、隔膜の周期運動によって、ポンプ流体は周期的に吸入接続部から吸入され、圧出接続部を介してより高い圧力で排出される。

隔膜はクランプ枠１１、１２の間に保持されている。戻しばね１０の存在は、破線１４によって示されるように、隔膜が膨らみ得ることを意味している。

動作中、或る状況の下で、作動流体はピストン３における隙間５を介して逃げてしまう。適切な量の作動流体が液圧室８内に常に存在することを確実にするために、漏出補償弁６が設けられており、それを介して液圧室８は作動流体リザーバ１５に接続している。この漏出補償弁は、ばねによって弁座内へと付勢する小さなボールを備えている。漏出補償弁６のばねが設定圧力ｐ_Lを規定する。液圧室８内の圧力が設定圧力ｐ_L未満に降下すると、漏出補償弁のボールは弁座から上昇し、一般的には大気圧（１ｂａｒ）を下回る作動流体リザーバ１５から追加の作動流体が液圧室８に流入することができるようになる。追加の作動流体は、液圧室８内の圧力が上昇して設定圧力ｐ_Lを超えるまで流入し、その後、漏出補償弁６のばねはボールを弁座内に戻し、それにより弁ゲートを閉鎖する。

図２は、吸入行程の間の液圧室内の圧力を時間の関数として示す図である。吸入行程の開始時、液圧室内の圧力は、ポンプが送出接続部からポンプ媒体を排出する圧力とおおよそ同じである。この圧力は吸入管路の静圧よりも大幅に高い。液圧室内の圧力は戻しばね１０によっても決まることを理解されたい。ただし、この圧力差は、本発明には関連しないので、以下においては考慮されない。

ピストン３が後方に移動すると、すなわち、図１に示される実施形態では右に移動すると、吸入行程が開始する。これは、最初は液圧室内の圧力がゆっくり減少し、ポンプ室内の圧力の方が高くなった後、隔膜が右に、すなわち液圧室の方向に移動することを意味する。ここで、ポンプ室内の圧力は、吸入接続部における静圧ｐ_SOに達するまで、ゆっくり降下することになる。圧力がさらに降下すると、ポンプ室を吸入接続部に接続している個別の逆止弁が開き、ポンプ媒体が吸入接続部を介して流入することになる。ポンプ室内の圧力が吸入接続部における静圧に達した瞬間に、吸入管路内で流体の速度に急激な変化が起きる。この速度の変化Δｖは、いわゆるジューコフスキーパルス（Ｊｏｕｋｏｗｓｋｙ ｐｕｌｓｅ）、Δｐ_st＝ρ×ａ×ΔＶ、を生じさせる。ここで、ρはポンプ媒体の密度であり、“ａ”は、流体で満たされた吸入管内における波の伝播速度である。

両室は隔膜を介して接続しているため、ポンプ室内におけるこのジューコフスキーパルス（Ｊｏｕｋｏｗｓｋｙ ｐｕｌｓｅ）は、液圧室内に圧力パルスを生じさせる。

吸入行程“ｓ”の開始から一定時間の後、液圧室内の圧力ｐ_Hが短期間（Δｐ_st）、急激に降下するのが見られる。その後すぐに、それは再び急峻に上昇し、それにより、高周波数で急速に減衰する圧力振動が生じる。圧力パルスによって、最大でｐ＝０まで降下するのが直ちにわかる。ただし、液圧室内の圧力は実際にはゼロまでは降下せず、動作パラメータおよび膜ポンプの構造によって設定される最小圧力ｐ_minまで降下することになる。

ｐ_minまで達する圧力パルス降下が起きたときの漏出補償弁の開放を防ぐために、従来技術では、漏出補償弁の設定圧力ｐ_Lはｐ_minよりも小さくなっている。

しかし、本発明の技法によれば、設定圧力ｐ_Lは、ｐ_Lが液圧室内の平均圧力ｐ_m未満である限り、ｐ_minよりも大幅に高くなるように選択できる。

本発明は、圧力パルスはごく短期間Δｔｓ＜１ミリ秒しか生じないとの認識に基づいている。

本発明によれば、このような圧力パルスによって、０．２ｍｍ未満、または、好ましくは、０．１ｍｍ未満の上昇しか生じないように、閉鎖本体の質量が十分大きくなるように選択される。

図３に、本発明による漏出補償弁が示されている。

この漏出補償弁は、弁本体１８内に収容される閉鎖本体１６を備えている。閉鎖本体１６は、弁本体１８内の孔を閉鎖位置において閉鎖する閉鎖要素２０を備えており、そのため、作動流体リザーバへの管路１９は液圧室８と仕切られている。図３に示されるように、閉鎖本体はばね要素１７によって閉鎖位置へと付勢されている。作動流体リザーバ内の作動流体の圧力と、それ故、管路１９内の圧力も基本的に一定のままである。液圧室８内の圧力が、ばね１７によって基本的に与えられる設定圧力ｐ_L未満に降下すると、図３に示される位置にある閉鎖本体１６は上方に移動し、それにより、管路１９と液圧室８との間の接続部が開放される。原則として、閉鎖本体がわずか０．２ミリメートル移動しても、弁本体１８と閉鎖要素２０との間の隙間は、管路１９を通じて液圧室内にかなりの量の作動流体を排出するには十分ではないことが前提となっている。

閉鎖本体の行程、Δｓ、は次式のように算出される：

ここで、Δｔは圧力パルスの持続時間であり、ｂは圧力パルスに起因する閉鎖本体の加速度である。加速度は次式のように算出される：

ここで、Ｆは閉鎖本体にかかる力であり、ｍは閉鎖本体の質量である。従って、次式が得られる：

または

圧力パルスは１ミリ秒、すなわち、Δｔ_s＝１ミリ秒、よりも長くは持続しないこと、閉鎖本体の運動は最大で０．１ｍｍ、すなわちΔｓ_s＝０．１ｍｍ、であるべきこと、且つ、圧力パルスは圧力を０ｂａｒまで低下させる、すなわち圧力パルスは設定圧力ｐ_L、例えば０．７ｂａｒ、と同じ大きさであることを仮定すれば、このとき、閉鎖要素の直径が８ｍｍ、すなわち対応する表面積が約０．５ｃｍ²の場合：

従って、

示した例では、０．１ｍｍを超える閉鎖本体の運動を防止するために閉鎖本体の質量は少なくとも１７．５ｇでなければならない。

閉鎖本体の質量がこれほど大きく選択されれば、０ｂａｒまで達する圧力パルスでさえも、かなりの量の作動流体が液圧室内で解放されるように閉鎖本体を大きく移動させることはない。

圧力パルスは、一般的には、０ｂａｒまで達する圧力降下は生じさせず、最小圧力ｐ_minまでの圧力降下を生じさせるだけであることを考慮することによって、上述の方法はさらに改良されてもよい。この場合には、上の式（５）において、設定圧力ｐ_Lの代わりに、設定圧力ｐ_Lと、圧力パルスに起因する最小圧力ｐ_minとの差ｐ_L−ｐ_minを用いることができ、その結果、質量をさらに小さくすることができる。代替的に、設定圧力ｐ_Lを増加させることができ、その結果、ばね１７はもっと軽く作ることができ、ポンプの動作が簡単になる。

１ 隔膜
３ ピストン
４ 壁
５ 隙間
６ 漏出補償弁
７ 壁
８ 液圧室
９ ポンプ室
１０ 戻しばね
１１ クランプ枠
１２ クランプ枠
１３ 取り付け台
１４ 膨らんだ隔膜の概略表示
１５ 作動流体リザーバ
１６ 閉鎖本体
１７ ばね
１８ 弁本体
１９ 管路
２０ 閉鎖要素

Claims (5)

1. 隔膜（１）によってポンプ室（９）と仕切られた液圧室（８）を有する膜ポンプであって、前記ポンプ室（９）は吸入接続部および圧出接続部とそれぞれ接続しており、作動流体を満たすことができる前記液圧室（８）には脈動する作動流体圧を加えることができ、前記液圧室（８）は漏出補償弁（６）を介して作動流体リザーバ（１５）に接続しており、前記漏出補償弁（６）は、加圧要素によって閉鎖位置に保持され、弁ゲートが閉じている閉鎖位置と該弁ゲートが開いている開放位置との間で前後に移動することができる閉鎖本体を備え、前記加圧要素は、前記液圧室（８）内の圧力が設定圧力ｐ_Lよりも低くなると、前記閉鎖本体（１６）が前記開放位置の方向に移動するように設計されている膜ポンプにおいて、前記液圧室（８）内における圧力パルスの結果、最長で１ミリ秒持続する０ｂａｒへの圧力降下が生じたときに、前記閉鎖本体（１６）が前記開放位置の方向に０．２ｍｍ以下だけしか移動しないほど、前記閉鎖本体（１６）の質量が十分大きいことを特徴とする、膜ポンプ。
2. 前記液圧室（８）内における圧力パルスの結果、最長で１ミリ秒持続する圧力降下が生じたときに、前記閉鎖本体（１６）が前記開放位置の方向に０．１ｍｍ以下だけしか移動しないように、前記閉鎖本体（１６）の質量が選択されることを特徴とする、請求項１に記載の膜ポンプ。
3. 前記液圧室（８）内における圧力パルスの結果、最長で１ミリ秒持続する最小圧力ｐ_minへの圧力降下が生じたときに、前記閉鎖本体（１６）が前記開放位置の方向に０．２ｍｍ以下だけしか移動しない、好ましくは０．１ｍｍ以下だけしか移動しないことを特徴とし、ただし、ｐ_minは、圧力パルスの発生時に、吸入行程の間に前記吸入接続部を通過する流体の速度の変化の結果として生じる前記液圧室内の最小圧力である、請求項１または請求項２に記載の膜ポンプ。
4. ｐ_Lが前記液圧室（８）内の最小圧力よりも高いことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の膜ポンプ。
5. 隔膜（１）によってポンプ室（９）と仕切られた液圧室（８）を有し、前記ポンプ室（９）は吸入接続部および圧出接続部とそれぞれ接続しており、作動流体を満たすことができる前記液圧室（８）には脈動する作動流体圧を加えることができ、前記液圧室（８）は漏出補償弁（６）を介して作動流体リザーバ（１５）に接続しており、前記漏出補償弁（６）は、弁ゲートが閉じている閉鎖位置と該弁ゲートが開いている開放位置との間で前後に移動させることができる閉鎖本体（１６）を備えている膜ポンプの漏出補償弁（６）の寸法を決定する方法において、前記液圧室（８）内における圧力パルスの結果、最長で１ミリ秒持続する圧力降下が生じたときに、前記閉鎖本体（１６）が前記開放位置の方向に０．２ｍｍ以下だけしか移動しないように、好ましくは０．１ｍｍ以下だけしか移動しないように、前記閉鎖本体（１６）の質量が選択されることを特徴とする膜ポンプの寸法を決定する方法。

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