JP2014528542A - ポンプ - Google Patents

Abstract

ポンプはハウジングとハウジング内を回転するロータから成る。ハウジングは流体の吸入口と吐出口とを備え、ロータはハウジングの径方向の内部に向かって形成され、ロータの回転時に吸入口から吐出口へ流体を輸送するために、ハウジングの内面との間に空間を形成する２つのロータ表面を有する。吐出口と吸入口の間には流体が吐出口から吸入口に漏洩しないように、ロータ表面と接触するダイアフラムシールを設け、ロータ表面が吐出口から吸入口に移動する際にはロータのハウジング接触面は、ロータ表面の第１の端末部と第２の端末部との間に軸線に沿って周上に延在する部位を有すると共に、ロータのハウジング接触面は、ロータの軸線に直交する面内において対応するハウジングの内面の曲率よりも大きな曲率を有することを特徴とする。

Description

本発明はポンプに関するものである。

ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００とＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８にはハウジングと、ハウジングの内面に回転可能に収まるロータを備えたポンプが開示されている。ハウジングは吸入口と吐出口を備え、ロータはハウジングの内面と共働してその間を封止するためのハウジング接触面を有する。ロータはハウジング接触面の径方向の内側に向かって形成される少なくとも１つのロータ表面を有し、ハウジングの内面との間には、ロータの回転によって吸入口から吐出口へ流体を輸送するための空間を形成する。吐出口と吸入口の間には、吐出口から吸入口への流体の漏洩を防止するために、ロータの表面と密着するダイアフラムシールが配置される。

ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００とＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８に開示された上記のポンプの表面は、ロータとロータの回転軸に直交する軸線を持った仮想の円筒とが交差することによって形成される。このように、ロータには回転軸に沿って凹面状の表面が形成され、その表面とハウジングによって空間の大きさが決まる。

先行技術においては、ロータ表面の縁部がハウジングの内面と接触すると、ロータの表面形状は急激に変化する。本来、ダイアフラムシールは柔軟性を有し、ロータの早い回転速度においては、継続的な封止が必要であっても、ロータの表面形状が急激に変化するとそれに追従できなくなる。その結果、ダイアフラムシールは急激な形状変化を伴う場合に、ロータの鋭い縁部との摩擦によって磨耗し易くなり、ロータの回転速度に制限が設けられる。

本発明によれば、ポンプはハウジングと、ハウジング内に回転可能に収まるロータとから成り、ハウジングは流体の吸入口と吐出口とを備える。ロータはハウジングの内面との間で機密を保つために共働するハウジング接触面と、ハウジング接触面の径方向の内側に向かって形成される少なくとも第１、第２のロータ表面を有し、ロータの回転時に吸入口から吐出口へ流体を輸送するために、ハウジングの内面と共にそれぞれの表面との間に空間を形成し、ロータ表面が吐出口から吸入口に移動する際には、流体が吐出口から吸入口に漏洩しないように吐出口と吸入口の間に第１、第２のロータ表面と接触するダイアフラムシールを設ける。ロータのハウジング接触面は、ロータ表面の第１の端末部と第２の端末部との間に軸線に沿って周上に延在する領域を有すると共に、ロータのハウジング接触面は、ロータの軸線に直交する面内において対応するハウジングの内面の曲率よりも大きな曲率を有することを特徴とする。

このように、ロータ表面とハウジングの間に形成される各空間の容積は増大し、ロータの回転毎に多量の流体の吐出を可能にする。

ポンプの第１の形態を示し、ハウジング内に収められ、２個の表面を有するロータと、ダイアフラムシールと、管体とを示す説明断面図である。 図１のポンプのロータの概要を示した断面図であり、ロータに沿って様々な断面を示した図である。 図１と類似しているが、図１に示した位置から更に回転したロータを示した図である。 図１と類似しているが、図３に示した位置から更に回転したロータを示した図である。 図１と類似しているが、図４に示した位置から更に回転したロータを示した図である。 図１のロータを周方向から見た表面の第２の形態を示す概略図で、曲線から直線へと推移するロータ表面を示したものである。 図１の管体の他の形態の斜視図と端末部から見た正面図である。 図１と類似しているが、突起を持った他の管体の実施例を示した図である。 図１の管体と置き換えるための高分子製のワイパーの配列を示した図である。 図９に示したワイパーの作用を示した説明図で、ダイアフラムシールは第１の位置にあり、他の部材は分かり易くするために省略してある。 図９に示したワイパーの作用を示した説明図で、ダイアフラムシールは第２の位置にあり、他の部材は分かり易くするために省略してある。 図１に示したポンプと同種のポンプの斜視図であり、管体はジェルに置き換えられ、ジェルが第１の位置にきたときの図である。 図１２と類似しているが、ジェルが第２の位置にきたときの図である。 図１に示した種類のポンプの軸線に沿った斜視図で、管体に代えてばねを使用し、ロータは第１の位置にあって、分かり易くするために他の部材は省略してある。 図１４に示したばねの作用を示した説明図で、ロータは第２の位置にあって、他の部材は分かり易くするために省略してある。 図１と類似しているが、弾発性を有するライニングを配したハウジングから成るポンプを示した図である。 吸入口と、吐出口と、異なった第１、第２のハウジング接触部を有するロータとを備えた他の実施例のポンプの概略断面図である。 ３個のハウジング接触面を有するロータを備えた他の実施例のポンプの概略断面図である。

図１に示すように、本発明のポンプは回転可能なロータ１１を内包するハウジング１０から成り、ロータ１１は弾発性を有し、細長い中空の管体１３によって支持されたダイアフラムシール１２と接している。

ハウジング１０はプラスチック材料から成形され、流体の吸入口１４と吐出口１５とを備えている。図１に示すように、吸入口１４と吐出口１５はそれぞれ同軸上（必須ではない）に並んでいる。ハウジング１０の内部には、長手方向に延在し、ロータ１１に密着する内面１６が形成される。内面１６の断面は円形で、長手方向に向けて仮想の円筒表面又は円錐台状の表面を有する。

ハウジング１０の内面１６には、吐出口１５と吸入口１４との間に軸線に沿って、周方向に延在するダイアフラムシール１２を充填するための開口が形成される。ハウジング１０はダイアフラムシール１２の後部に延在する空間１７を有し、空間１７はハウジング１０の軸線に対して直交方向に延在する周壁１８によって囲まれる。周壁１８の片端はダイアフラムシール１２によって閉止され、他端はキャップ１９によって閉止される。キャップ１９は管体１３と共働して、以下に述べるように機能する。

ハウジング１０はそれに適したプラスチック材料を使用して、望ましくは１回の射出成形によって作製される。ダイアフラムシール１２はハウジング１０とは別体に作製され、その後にハウジング１０に固定されるか、ハウジング１０と同じ材料を用いて一体に成形される。また、ハウジング１０の材料よりも弾発性に富んだ材料を使って、ハウジング１０と共に２色成形してもよい。以下に述べるように、ハウジング１０は部品間を封止するためにロータ１１と共働して次のように機能する。

ロータ１１はハウジング１０の内面１６に接触するハウジング接触面２０を備えている。ロータ１１の軸線に沿って間隔を空けて位置する第１と第２の端末部において、このハウジング接触面２０は、円形の断面を有し、ハウジング１０の全内周に渡ってハウジング１０の内面１６と密着して、これらの部品間を封止する。この場合に、ハウジング１０が弾発性を有し、ロータ１１のハウジング接触面２０が多少膨張すると、上記の封止はより強固になる。

ロータ１１の端末部間には、ロータ１１の外側にハウジング接触面２０から径方向の内側に向かって、第１、第２のロータ表面２１、２２が形成される。図１に示す各第１、第２のロータ表面２１、２２は、次に述べるハウジング１０との間に、流体を汲み上げるための空間２３、２４を形成する。

第１、第２のロータ表面２１、２２は種々の形状を採ることができる。次の図２に示すように、ロータ１１の軸線に沿った第１の端末部２５は、ロータ１１の軸線に直交する面内では円形の断面を有し、第２の端末部（図２には図示せず）の断面もまた円形になる。この場合に、ロータ１１の回転軸に直交する面内ではロータ１１の断面は次第に変化してゆき、各端末部２５、２６においては円形であったものが中心位置では楕円形２７になる。このように、ロータ１１の回転軸に直交する面内においては、第１、第２のロータ表面２１、２２の凸面の曲率は、第１、第２の端末部２５、２６において最大になり、これら第１、第２の端末部間では減少し、中間点において最小になる。各第１、第２のロータ表面２１、２２は、鋭い縁部を持たずに全ての方向に連続的な曲線を描き、各第１、第２のロータ表面２１、２２のどの位置においても、第１、第２のロータ表面２１、２２に直交する仮想の線と、ロータ１１の半径に沿った仮想の線の間の角度は５５°以上にならないことが望ましい。

各第１、第２のロータ表面２１、２２のどの位置においても、曲率半径はロータ１１の曲率半径の１０％以下にはならないことが望ましい。特に、高速ポンプではこの条件が望まれる。

ロータ１１の軸線の中心における断面は、必ずしも楕円形でなくてもよい。各第１、第２のロータ表面２１、２２は円弧状であってもよい。

また、各第１、第２のロータ表面２１、２２は中心点又はその付近においては、軸線方向及び周方向に延在する平面であってもよい。

各第１、第２のロータ表面２１、２２は、ロータ１１の軸線に沿った第１、第２の端末部２５、２６と出会う第１、第２の縁部２８、２９によって特徴付けられる。ロータ１１のハウジング接触面２０はこれらの縁部２８、２９の間で（同じ形状の）各第１、第２のハウジング接触面部２０ａ、２０ｂを形成しながら延在する。これらの第１、第２のハウジング接触面部２０ａ、２０ｂはハウジング１０の内面１６と接触し、空間２３と２４の間の漏洩を防止する。ロータ１１のハウジング接触面２０の第１、第２の接触面部２０ａ、２０ｂの曲率は、ハウジング１０の内面１６のどの地点においても同一になる。更に、その曲率は、接触面積を減少させて摩擦を低減させるために、対応する位置におけるハウジング１０の内面１６の曲率よりも小さくなり、接触面部２０ａ、２０ｂは図２に破線で示した仮想の円４９の表面となる。ロータ１１のハウジング接触面２０の曲率は同じ位置のハウジング１０の曲率の１０％になる。ロータ１１の端末部間において、ハウジング接触面２０とハウジング１０が周方向に接触する長さは、１ｍｍ程度又はロータ１１のそれぞれの縁部の幅の長さほどになる。

図１に示すように、ロータ１１はハウジング１０内でロータ１１を時計方向に回転させるための駆動装置に接続する（又は接続することができる）。図面に基づいて説明するロータ１１は、ロータ１１の回転軸を含む面に対して対称的に配置されるため、ロータ１１の何れの回転方向においても、同じ効率で流体を汲み上げることができる。

ダイアフラムシール１２は弾発性を有する薄膜から形成されており、その目的は、ロータ１１がハウジング１０内を回転する際に両者間を密着させることである。ロータ１１のこのような形状を考慮した上で、ダイアフラムシール１２をロータ１１により強く密着させる必要があり、その目的のために管体１３が使用される。管体１３には例えばシリコンゴム（Ａ型光度計による硬さ６０）が用いられ、キャップ１９とダイアフラムシール１２の間のハウジング空間１７内に配置される。管体１３の軸線はロータ１１の軸線と平行になる。管体１３はロータ１１の全ての位置において圧縮され、その結果、ダイアフラムシール１２には何時でも力が掛かることになる。

以下に、図３〜図５を参照してポンプの作用機構を説明する。

吸入口１４は流体の供給源に接続される。ポンプは粘性の液体、塗料のような懸濁液（流体の範疇に入れる）を含む広い範囲の液体、気体の汲み上げに使用することできる。吐出口１５は流体の輸送先に接続される。ロータ１１は望ましくは、角速度やロータの位置をコンピュータで制御できる駆動装置（図示せず）に接続される。

図１に示すロータ１１のハウジング接触面２０がハウジング１０の上死点位置から始動すると、流体は第１のロータ表面２１とハウジング１０によって形成された空間２３の吸入口１４から吸入され、第２のロータ表面２２とハウジング１０によって形成された空間２４の吐出口１５から吐出される。ダイアフラムシール１２はロータ１１のハウジング接触面２０と密着し、管体１３によってロータ１１に押し付けられたダイアフラムシール１２と共に、吐出口１５から吸入口１４への流体の漏洩を防止する。

図３に示すように、引き続きロータ１１が回転すると、第２のロータ表面２２の回転によって第２の空間２４の吐出口１５から流体を吐出するために、第２の空間２４の流体の量は減少し、一方で第１のロータ表面２１の回転によって吸入口１４から第１の空間２３に吸入される流体の量は増加する。ダイアフラムシール１２は管体１３の作用の基でロータ１１への密着を継続し、ダイアフラムシール１２はロータ１１のハウジング接触面２０だけでなく、第２のロータ表面２２とも密着する。

更に、ロータ１１が下死点位置（図４参照）に向かって回転すると、第１のロータ表面２１はハウジング１０と共に閉じた第１の空間２３を形成し、所定の量の流体を収容する。第２の空間２４は吐出口１５において、第２の空間２４の一部分に空間を形成して、流体を引き続き吐出口１５に吐出し、第２の空間２４の他の部分空間には吸入口１４から流体を吸入する。ダイアフラムシール１２は第２のロータ表面２２と密着して、空間２４の各部分空間の間の漏洩を防止する。

ロータ１１（図５参照）は更に回転して、第１の空間２３を吐出口１５に開放し、それによって第１の空間２３のほぼ全量を吐出口１５から吐出する。第２のロータ表面２２は、吸入口１４において第２の空間２４の容積を増加させ、更に次の流体を吸入する。ダイアフラムシール１２は管体１３の作用の基で、ロータ１１への密着を続行する。

ロータ１１が更に回転することによって、吸入口１４から吐出口１５に向かう流体の汲み上げは続行される。

ロータの回転軸に直交する面において、第１、第２のロータ表面２１、２２の少なくも一部は凸面を形成し、参照した先行技術と比較すると、空間２３、２４の容積、即ちロータ１１の１回転毎の流体の汲み上げ量は増加する。同時に、ロータ１１とハウジング１０の間の封止は十分に維持され、双方の間の漏洩を防止する。更に、第１、第２のロータ表面２１、２２の形状は、ハウジング接触面２０とハウジング１０との間の接触面積を減少させ、それによって、ロータ１１の回転中の摩擦は減少するため、ポンプの運転に必要な電力も減少し、そして／又はロータ１１の早い回転速度も可能になる。これによって、安価で小さなモータの使用が可能になる。汲み上げ量が増大すると、参照した先行技術に比べて最大流量に向けたポンプの大きさも小さくなる。ダイアフラムシール１２と管体１３を使用すると、ダイアフラムシール１２とロータ１１間の回転条件も改善され、そのことは、特に粒体を含む流体を汲み上げる際には重要になる。

更に、ハウジング接触面部２０ａ、２０ｂの曲率を適正化することによって、接触面の急激な形状変化は回避される。そのため、ダイアフラムシール１２の磨耗量は減少し、早い回転速度を可能にする。

図６に示すように、ロータ１１の軸線と直交する面内では、第１、第２のロータ表面２１、２２は周方向に対して非対称になる。第１、第２のロータ表面２１、２２の始点になる縁部２８から終点になる縁部２９に至る過程において、ロータ１１の軸線の中心点にある仮想的な円での第１、第２のロータ表面２１、２２の径方向の深さは、第１の区分３０で急激に増大する。次いで、中央区分３２で一定になり、縁部２９までの区分３２においては区分３０に比べてやや緩い傾斜を持つようになる。更に、第１の区分３０は第１、第２、第３の小区分３３ａ、３３ｂ、３３ｃに分けられ、第１の小区分３３ａは凸状の曲面を呈して小区分の中では最小の曲率を有し、第２の小区分３３ｂは最大の傾斜領域を有して、第３の小区分３３ｃは最小の曲率を有する凹状の曲面を持つ。第２の区分３２は第１、第２、第３の小区分３４ａ、３４ｂ、３４ｃに分けられ、第１、第２、第３の小区分３３ａ、３３ｂ、３３ｃと類似の形状を有するが、第１、第２、第３の小区分３３ａ、３３ｂ、３３ｃに比べて周上に長い領域を有する。各区分の小区分は共通の接線を有して集まるため、急激な変形は避けられる。

これによって、第１、第２のロータ表面２１、２２が縁部２８から始まってダイアフラムシール１２を過ぎるとき、第１、第２のロータ表面２１、２２の深さの変化率は、縁部２９がダイアフラムシール１２を過ぎるときの深さの変化率に比べて大きくなる。このことは、管体１３の作用の下でダイアフラムシール１２が、第１、第２のロータ表面２１、２２に対して、離れるときよりも接触するときの動作を早くするための必要条件になっている。

以上の説明によって、ダイアフラムシール１２は全軸線方向に渡って第１、第２のロータ表面２１、２２を封止することが理解される。かくして、ダイアフラムシール１２には、ロータ１１の回転角と共に変化する軸線方向の長さに応じて異なった適合性が必要になる。図１、図３〜図５に示すように、管体１３はその長さ方向に向かって内側と外側に一定の同心を持つ断面を有し、キャップ１９は一定の厚みを持つ。これらの適合性の変化に対して、より良き封止の方法を求める場合には、上記の事例は必ずしもこれに当たらない。

例えば、管体１３を通してダイアフラムシール１２に負荷を掛けるためには、キャップ１９には柔軟性が必要になる。その柔軟性は、キャップ１９の軸線方向の長さによって変化し、例えばキャップ１９の厚みを変化させる。

ロータ１１に対してダイアフラムシール１２の必要な適合性を確保するために、中空でかつ延伸可能であり、内側と外側に互いに同心円ではない円形の断面から成る管体１３が配置される。これらの断面の一方又は両方は円形ではなく、例えば楕円形、八角形、三角形又は菱形のような多角形でもよい。１個の管体１３以外に、例えば２つの管体を重ねてもよい。

図７ａ、図７ｂに示すように、他の管体３５も提案されており、管体３５では内部及び外部の断面は共に略楕円形であり、中心における長軸の長さは端部に比べて長くなる。この目的はロータ１１の回転中に、ロータ１１の軸線に沿った接触圧の変化の幅をできるだけ小さくするためである。下死点位置（ＢＤＣ）において、ロータ１１の回転中にダイアフラムシール１２が第１、第２のロータ表面２１、２２の最大深さの位置に接触する必要があるときに、管体３５は軸線方向にほぼ一定の圧力を掛けられるように設計されている。ハウジング１０の上死点位置（ＴＤＣ）ではダイアフラムシール１２がロータ１１のハウジング接触面部２０ａ、２０ｂに接触する必要があるが、管体３５ではより大きく圧縮されるため、作用する力は不必要に高くなる。しかし、管体３５が楕円形であれば、単位長さ当りの楕円状の管体を圧縮する際に必要な力は線形ではなくＳ字形を呈し、下死点位置（ＢＤＣ）と上死点位置（ＴＤＣ）での圧力差を最小にすることができる。更に、管体３５にはその外面に間隔を空けて延在する２個の平行なリブ３６が付加される。これらのリブ３６は管体３５がハウジング空間１７内にあるときはキャップ１９と係合する。

ダイアフラムシール１２とロータ１１の間の接触面積は管体１３を軸線方向に突出させると減少する。図８にはその構成を示す。ここに、図１、図３〜図５と同じ部品が使われる場合は、同じ参照符号で表示されているので、詳細は省略する。管体３５は管体１３のように軸線に沿って延在するＶ字型の突起３７を備え、ダイアフラムシール１２に接触し、ダイアフラムシール１２の突起３７に接触する領域のみがロータ１１を押し付ける。この構造はダイアフラムシール１２との接触によって生ずる摩擦力を低下させ、より効率的な封止を可能にする。ダイアフラムシール１２の下面にはＶ字形の突起３７を含む他の構成を配置してもよい。例えば、この構成ではダイアフラムシール１２の下面に、間隔を空けて２列に配列した突起を取り付けてもよい。

上記に説明したように、ダイアフラムシール１２は全面に渡って均一な厚みを有する薄いシート状の材料である。しかし、ダイアフラムシール１２はこれに限られるものではない。ダイアフラムシール１２は種々の柔軟性を示す性能をその全面に付与し、ロータ１１の最大深さにおいてもロータ１１に適合するように形成される。この目的のために、例えばロータ１１に接触しない円形のリブや襞がダイアフラムシール１２の表面に付加される。

次に、図９〜図１１に示すように、上述の実施例の管体１３はダイアフラムシール１２を押圧するために他の手段に置き換えることができる。図９に示すように、１つの可能性は一連の配列されたワイパー３９である。各ワイパー３９はＵ字形を呈し、ワイパー３９の先端に接続する１組の片状部材４０に側面から支えられる。ワイパー３９はポリプロピレンのような材料に比べて、へたりを起こし難く、ゴム状ではないアセタールのような高分子材料で形成されることが好ましい。

一連のワイパー３９は図１０、図１１に図示するように、ダイアフラムシール１２とはワイパー３９の頂点において接触し、ハウジング空間１７内に装着される。各ワイパー３９は自由な先端を有し、それぞれのワイパー３９は部位によって変形の度合いを異にするために、ワイパー３９の配列はダイアフラムシール１２をロータ１１の表面と適合し易くする。図１０、図１１に示すように、各ワイパー３９はダイアフラムシール１２に対して均一な力を加えられるようにダイアフラムシール１２の軸線上の長さを異にすることができる。

ワイパー３９は曲がることだけを要求されるため、小さい応力に限定される。また、ワイパー３９には低価格で再生可能な材料が使われるため、ポンプもまた再生可能になる。

他の可能性は、管体１３を流体に置き換えることである。図１２、図１３を参照する場合には、図１２、図１３と図１に共通の部品は同じ参照符号で表示されているので、詳細は省略する。この実施例においては、管体１３はハウジング空間１７に満たされる流体４１に置き換えることができる。流体４１は液体又はジェルであって、空間１７内に圧縮、充填される。ジェルが使われるときは、水を基材にしてポリアクリル酸ナトリウムのような超吸水性高分子、低密度シリコン又はそれらに類似の材料が使われる。この実施例では、キャップ１９には柔軟性を有する弾性体が使われる。

運転中に、流体４１はダイアフラムシール１２に圧力を掛けて、回転中のロータ１１に力を加える。ロータ１１の表面の形状によって起こるダイアフラムシール１２の位置ごとの変化は、キャップ１９の撓みの度合によって調整され、図１３に示すように、ロータ１１の径方向の外端部がダイアフラムシール１２を通過する際には、キャップ１９は最大に変形する。

流体４１は圧力下に置かれる代りに、柔軟性を持ったキャップ１９に作用するばねによっても圧力を掛けることができる。

管体１３は更にばねに置き換えることもできる。その実施例は図１４、図１５に示されており、これらの図面と図１に共通の部品は同じ参照符号で表示されているので、その詳細は省略する。この実施例では、各第１、第２のロータ表面２１、２２の軸線に沿った形状は、ロータ１１の軸線に対して直交する面内にあっては、円弧や懸垂線等の連続した線になり、形状が円弧であれば、第１、第のロータ表面２１、２２の連続的な軸線に沿った形状も円弧になって、その半径は徐々に増大又は減少する。

ばね４２はハウジング空間１７内に配置される。ばね４２は葉状か金属線状であり、金属又は高分子で作製される。ばね４２はばね自体よりも柔軟な物質で被覆される。ばね４２には第１、第２のロータ表面２１、２２の軸線上の最大曲率よりも大きな最大曲率を予め付与しておけば、ダイアフラムシール１２に必要な圧力を加えることができる。ばね４２には一対のローラ又はばね４２の対向する各端部向かって作用する支点４３と、ダイアフラムシール１２の上に成形された２個のリブ４４によって、ロータ１１の軸線に直交する軸線の周りに曲がるように力が掛かる。ロータ１１が回転すると、ばね４２はダイアフラムシール１２にロータ１１が接触する位置の軸線上の形状に適合させる。図１４には最大の撓みを示しており、図１５は最小の撓みでばね４２は直線になっている。

ロータ１１とハウジング１０の間が封止されれば、多くの流体の漏洩は十分に防止される。知られているように、ハウジング１０は封止をより向上させるために、弾発性を有しロータ１１によって膨張可能な材料によって形成される。ハウジング１０の内面１６とロータ１１のハウジング１０に接触する面を円錐台状にすると、軸上に沿ってこれらの部品間の相対的な位置関係を調整が可能になることは、良く知られている。

図１６に示した部品は図１に示すポンプの部品と共通しており、それらは同じ参照符号で表示されているので、その詳細は省略する。図１６に示した実施例では、ハウジング１０の内面１６は弾発性を有するライナ４５で覆われ、ライナ４５はロータ１１とハウジング１０が接触する全領域に渡って延在している。ライナ４５にはゴム状の高分子又はシリコンゴムが使われる。ライナ４５を使用すると、ハウジング１０とロータ１１の間の耐久性は、ハウジング１０全体が弾発性を有する材料で作製された場合よりも高くなる。ハウジング１０とロータ１１が円筒状であると、部品の相対的な軸線上の動きによる影響は、それらが円錐台の形状の場合に比べて小さくすることができるため、上記の構成は特に有効になる。汲み上げられる流体に摩擦を起こす粒体が含まれている場合には、ゴム状の表面間に生ずる磨耗は低減されるので、この特徴はライナ４５の使用上の利点になる。

この場合に、ダイアフラムシール１２はライナ４５と同じ材料であることが望ましい。それによって、ダイアフラムシール１２には、それがハウジング１０と同じ材料で作製されている以上に大きな変形を可能にする。また、ダイアフラムシール１２がハウジング１０よりも弾性率の低い材料で形成される場合に比べても、第１、第２のロータ表面２１、２２はハウジング１０に対して間隔の限度をより大きく取ることができる。

図１〜図１６に示した実施例では、吸入口１４と吐出口１５は円形の断面を持つ管体で形成されている。この状態では、汲み上げられる流体が１００センチポアズ以上である高粘度の液体であった場合には、関連するポンプの最大の流量に影響が生ずる。

所定の流速で管体内を層状流として流れるニュートン流体の圧力は、管体の長さに対しては直接的に比例して低下し、管体の直径に対しては４倍に比例して低下する。そのため、粘度の高い液体に対しては、ポンプの吸入口と吐出口の開口はできるだけ大きくする必要がある。しかし、実用可能な直径の大きさには限度がある。図１６に示すように、吸入口１４と吐出口１５への開口の上部は、ダイアフラムシール１２よりも上にくることはないし、吸入口１４と吐出口１５の開口の底部もハウジング１０の軸線の中心線よりも下になることはない（さもないと、吸入口１４と吐出口１５はロータ１１が水平の位置に来たときに連通してしまう）。そのためには、ハウジング１０に上記の要件を満たす最大の開口を設け、開口はできるだけ短くして、吸入口１４と吐出口１５の管体径を最適な大きさにまで拡大すればよい（図１６においては、ハウジング１０の壁の厚さに相当する）。

更に、吸入口１４と吐出口１５は軸線方向に伸長して、軸線に沿って第１、第２のロータ表面２１、２２の全長に及ぶようにする。

これまでの図を参照すれば、各部品の配置に対しては多くの代案が提供されるはずである。特に、第１、第２のロータ表面２１、２２は２個以上になる場合もある。ロータ１１に対しては３個又はそれ以上なので、特に少量の汲み上げ量を計測する際には利点になる。３個又はそれ以上のロータ表面を使うと１度のロータ１１の回転によって輸送される流体の容量は減少するが、このような配置にすると、取り出す流体の必要量を計量する際の精度が上がり、汲み出す量が少量の場合には、空間の容量が全量の共通の分母になり得る。

図面を参照した上述した実施例では、ハウジング接触面２０の２つの部分の形状は同じである。この構成は必ずしもこの実施例の要件ではない。参照すべき図１７では、図１６に示した部品は他の図で示した部品と共通しており、それらには同じ参照符号で表示されているので、詳細は省略する。この実施例では、第２のハウジング接触面部２０ａは第１のハウジング接触面部２０ｂよりも小さな曲率と大きな角度領域を有している。第２のハウジング接触面部２０ａはハウジング１０の内面と同じ曲率を持つ部分を有し、吸入口１４と同等か、又はより大きな角度領域を有しているので、第２のハウジング接触面部２０ａが吸入口１４に嵌め込まれると、吸入口１４を塞ぐことになる。この構造はポンプが流体の容器（図１７には図示せず）の出口に接続されたときに、ロータ１１が吸入口１４を塞ぐため、対応する容器からの流体の漏洩防止に有効になる。

図１８を参照すれば、この実施例に示した部品は他の図で使った部品と共通しており、それらは同じ参照符号で表示されているので、詳細は省略する。この実施例においてハウジング１０は、精密加工した金属や、アセタール等の合成樹脂を使用して、精密な射出成形により作製されたロータ１１を内包している。ロータ１１はＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００、ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８に開示されたものと同様の形状を有しているが、３個の窪んだロータ表面５０ａ、５０ｂ、５０ｃから成り、これまでに参照した図面と同様に成形され、ハウジング１０と共に空間５１ａ、５１ｂ、５１ｃを形成する。ロータ１１は３個のハウジング接触面部５２ａ、５２ｂ、５２ｃを備えている。

ハウジング１０の吸入口１４と吐出口１５の間には、シール保持部５３が形成される。シール保持部５３はハウジング１０内に開口５５から立ち上がって、平行に間隔を空けて配置した側壁５４ａ、５４ｂを備えている。各側壁５４ａ、５４ｂはロータ１１の軸線に平行に延在し、少なくともロータ表面５０ａ、５０ｂ、５０ｃの軸線方向の長さと同じ長さの軸線方向の長さを有する。端末壁（図示せず）は側壁５４ａ、５４ｂの軸端と交差する。柔軟性を有するダイアフラムシール５６は、上記の実施例又はＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００、ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８と同様に開口５５を閉止する。

ダイアフラムシール５６はシリコンゴムのように柔軟性と弾発性を有する弾性材料によって形成され、逆Ｕ字型に形成された延伸部材５７に支持される。延伸部材５７はその外面に間隔を空けてリブ６０を備え、基部５９によって連結された腕部５８ａ、５８ｂを有する。リブ６０は延伸部材５７の長手方向の軸線と平行に延在する。延伸部材５７はシール保持部５３にあって、腕部５８ａ、５８ｂの側面とは逆方向に装着され、側壁５４ａ、５４ｂを押圧し、それによって基部５９の端部６１ａ、６１ｂは側壁５４ａ、５４ｂに固定される。リブ６０はダイアフラムシール５６の下面を押し付ける。シール保持部５３は平行に間隔を空けたチャンネル６３ａ、６３ｂを備えたキャップ６２によって閉ざされ、チャンネル６３ａ、６３ｂは、延伸部材５７をハウジング１０に配置するために、各腕部５８a、５８ｂの末端を受け入れる。キャップ６２が延伸部材５７を圧縮すると、リブ６０はダイアフラムシール５６を押し付けることになる。

窪んだロータ表面５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、上述したように、ロータ１１の軸線方向に形成される。

これまで図面を参照して述べてきた全ての実施例において、各第１、第２のロータ表面２１、２２及びロータ表面５０ａ、５０ｂ、５０ｃと、ロータ１１の内面１６に対する最大の間隔は、ダイアフラムシール１２、５６の柔軟性によって決められる。もし、ダイアフラムシール１２、５６がその弾性限界を超えるならば、それは永久に変形し、ロータ１１を封止する能力が損なわれる。従って、この間隔（図１８に示す「ｄ」）はダイアフラムシール１２、５６の材料性能を考慮して選択されなければならない。それによって、ダイアフラムシール１２、５６はダイアフラムシール１２、５６の弾性領域内で適正に加減できることになる。

各第１、第２のロータ表面２１、２２とロータ表面５０ａ、５０ｂ、５０ｃとハウジングの内面１６間の最大間隔「ｄ」の限度は、空間２３、２４、５１ａ、５１ｂ、５１ｃの容量に限度を設ける。最大の間隔が決定し得る最小値以下になる場合は、図１８に示すように、３分割されたロータ１１は、図１〜１７に示した２分割されたロータ１１に比べて、１回転当りの流体の輸送量は多くなる。最大間隔「ｄ」がダイアフラムシール５６の性能を考慮して更に小さくする必要があるときは、３分割されたロータ１１よりも多くの流量を輸送できる４分割されたロータ１１が供される。

そのような３分割されたロータ１１には他の利点がある。即ち、３分割されたロータ１１は２分割のロータに比べて、ロータ１１が回転するときにロータ１１とハウジング１０の間に２つのシールが入るため、より大きな流体の圧力をダイアフラムシール１２に掛けることになる。更に、この状況においては、空間５１ａ、５１ｂ、５１ｃの全容量は２分割されたロータ１１よりも大きくなるが、空間５１ａ、５１ｂ、５１ｃ毎の容量は図１〜図１７の実施例に示した空間２３、２４よりも少なくなり、他の寸法は同じであれば、汲み上げられる流体の流量はより精度良く測定されることになる。

図１８に示した上述のポンプは、図１〜図１７に示したポンプと共にロータ１１の回転によって広く作動する。下死点位置では、ハウジング１０内のダイアフラムシール５６の撓みが最大になっても、基部５９の撓みは僅かでしかない。それでも、ロータ１１にはダイアフラムシール５６を介して、ダイアフラムシール５６とロータ１１の間で流体が吐出口１５から吸入口１４へと漏洩しないように、ダイアフラムシール５６の弾性限界を超えない範囲でも、十分封止できるだけの力が掛かる。引き続き、ロータ１１が約４５°回転すると、ロータ１１は基部５９を内側に押し付ける。この場合に、基部５９の曲率は上死点位置にあるときに比べて減少し、それによって、腕部５８ａ、５８ｂに圧縮力を加えなくても、腕部５８ａ、５８ｂの側壁５４ａ、５４ｂへの押し付けが可能になる。更に、ロータ１１が上死点位置から９０°回転した図１８の位置にくると、ロータ１１は基部５９をその最大の範囲までハウジング１０の外側に押し付け、これによって、延伸部材５７の基部５９は逆方向に向くことになる。ここでもまた、腕部５８ａ、５８ｂには圧縮力が掛かることはない。確かに、逆向きになれば、延伸部材５７からロータ１１に掛かる力は減少する。ダイアフラムシール１２が予め湾曲した形状から逆向きの形状になるには、殆ど追加の力を必要としないので、この撓みは変わることなく、又はリブ６０からダイアフラムシール１２に掛かる力、そしてダイアフラムシール１２からロータ１１へ掛かる力は殆ど変わることはない。

延伸部材５７と同類の部材の作用については、英国特許出願１２０２２４５．４号に詳細に記載されている。

１０ ハウジング
１１ ロータ
１２、５６ ダイアフラムシール
１４ 吸入口
１５ 吐出口
２０ ハウジング接触面
２０ａ、２０ｂ ハウジング接触面部
２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ ロータ表面
２３、２４、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ 空間
２５、２６ 端末部
２８、２９ 縁部

Claims (24)

1. ハウジング（１０）と該ハウジング（１０）内に回転可能に収まるロータ（１１）を備え、前記ハウジング（１０）は流体の吸入口（１４）と吐出口（１５）を有し、前記ロータ（１１）は前記ハウジング（１０）の内面（１６）と共働して前記ロータ（１１）と、前記ハウジング（１０）の前記内面（１６）の間を封止するハウジング接触面部（２０ａ、２０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）とを有し、前記ロータ（１１）は更に、前記ハウジング接触面部（２０ａ、２０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）に対して径方向の内部に向かって形成された少なくとも第１、第２のロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）を有し、前記各第１、第２のロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）は前記ハウジング（１０）の前記内面（１６）との間に空間（２３、２４、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ）を形成して、前記ロータ（１１）の回転によって前記吸入口（１４）から前記吐出口（１５）に流体を輸送し、前記吸入口（１４）から前記吐出口（１５）の間には、前記各第１、第２のロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）が前記吐出口（１５）から前記吸入口（１４）へ移動する際に、前記吐出口（１５）から前記吸入口（１４）への流体の漏洩を防止するためのダイアフラムシール（１２、５６）を配置し、前記ロータ（１１）の前記ハウジング接触面部（２０ａ、２０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）は、前記第１のロータ表面（２１、５０ａ）の縁部と前記第２のロータ表面（２２、５０ｂ）の縁部との間に前記ロータ（１１）の軸線に沿って周方向に延在する領域を有し、前記ロータ（１１）の軸線と直交する面内では、対応する面内の前記ハウジング（１０）の前記内面（１６）の曲率よりも大きな曲率を有することを特徴とするポンプ。
2. 前記ロータ（１１）は前記第１、第２のロータ表面（２１、２２）を有し、前記第１、第２のロータ表面（２１、２２）は前記ロータ（１１）の回転軸の周りに対称的に配置される請求項１に記載のポンプ。
3. 前記各第１、第２のロータ表面（２１、２２）は前記ロータ（１１）の周上に間隔を置いて配置した第１、第２の縁部（２８、２９）を有し、前記第１のハウジング接触面部（２０ａ）は前記第１のロータ表面（２１）の前記第１の縁部（２８）と前記第２のロータ表面（２２）の前記第２の縁部（２９）の間に延在し、前記第２のハウジング接触面部（２０ｂ）は前記第２のロータ表面（２２）の前記第２の縁部（２９）と前記第１のロータ表面（２１）の前記第１の縁部（２８）との間に延在する請求項２に記載のポンプ。
4. 前記ハウジング接触面部（２０ａ）は前記第２の接触面部（２０ｂ）と同じ形状を持つ請求項３に記載のポンプ。
5. 前記第２のハウジング接触面部（２０ｂ）は前記第２のハウジング接触面部（２０ｂ）が前記吸入口（１４）に収まるときには、前記吸入口（１４）からの流体の漏洩を防止する請求項３に記載のポンプ。
6. 前記ハウジング接触面部（２０ａ、２０ｂ）の曲率又は少なくとも一方の前記ハウジング接触面部（２０ａ）の曲率は、前記ハウジング（１０）の同じ位置での曲率の１０％よりも小さい請求項１〜５の何れか１つに記載のポンプ。
7. 前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）は前記ロータ（１１）の軸線に直交する面内では凸状の曲面を有し、前記ロータ（１１）の軸線を含む面内では凹状の曲面を有する請求項１〜６の何れか１項に記載のポンプ。
8. 前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）は軸線上に離れた第１、第２の端末部を有し、前記ロータ（１１）の軸線に直交する面における凸状の曲率は第１、第２の端末部の位置において最大になり、前記第１、第２の端末部の間では最小になるまで減少する請求項７に記載のポンプ。
9. 前記第１、第２の端末部の位置とその付近では、前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）の曲面は円弧を形成し、前記第１、第２の端末部間では前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）の凸状の曲面は楕円弧を形成する請求項６に記載のポンプ。
10. 前記第１、第２の端末部の付近では、前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）の凹状の面は円弧を形成し、前記第１、第２の端末部の間では前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）は前記ロータ（１１）の軸線に直交する面内に直線から成る断面を有する請求項８に記載のポンプ。
11. 前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）のどの位置においても、前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）に直交する仮想の線と、前記ロータ（１１）の径に沿った仮想の線の間の角度は５５°よりも大きい請求項７〜１０の何れか１項に記載のポンプ。
12. 前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）のどの位置においても、前記ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）の曲面の半径は前記ロータ（１１）に直交する内面の半径の１０倍以上にはならない請求項７〜１１の何れか１項に記載のポンプ。
13. 前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）は第１、第２の周方向に間隔を置いた第１、第２の縁部を有し、前記ハウジング接触面部（２０ａ、２０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）に対して径の内部に延在する前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）は第１の縁部から第２の縁部の周方向に向けて不均一に変化する請求項１〜１２の何れか１項に記載のポンプ。
14. 前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）の前記第１の縁部から始まる周方向の第１の区分（３０）の深さの増加率は、対応する前記第２の縁部から始まる周方向の第２の区分（３２）における増加率に比べて大になる請求項１３に記載のポンプ。
15. 周方向の前記第１の区分（３０）は、周方向の前記第２の区分（３２）に比べて周上の長さは短くなる請求項１４に記載のポンプ。
16. 周方向の前記第１、第２の区分（３０、３２）は、第１、第２、第３の小区分（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ）から成り、前記各区分（３０、３２）の小区分（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ）の深さの増加率が他の区分の小区分の深さの増加率と異なる請求項１５に記載のポンプ。
17. 前記ロータ（１１）は前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）の前記第１の縁部は前記ロータ（１１）の回転方向において案内の役割を果し、前記第１の縁部は前記第２の縁部よりも前に前記ダイアフラムシール（１２、５６）に接触するように調整される請求項１３〜１６の何れか１項に記載のポンプ。
18. 前記ロータ（１１）に接触した前記ハウジング（１０）の内面（１６）の少なくとも一部はライナ（４５）によって形成され、前記ライナ（４５）の材料は前記ハウジング（１０）の他の部分における材料よりも柔軟性を備え、弾発性を有する前記ライナ（４５）は前記ロータ（１１）が前記ハウジング（１０）内で回転するときに、前記ロータ（１１）の前記ハウジング接触面部（２０ａ、２０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）によって変形し、前記ライナ（４５）と前記ロータ（１１）の前記ハウジング接触面部（２０ａ、２０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）間で密着する請求項１〜１７の何れか１項に記載のポンプ。
19. 前記ライナ（４５）はゴム状の高分子材料又はシリコンゴムである請求項１８に記載のポンプ。
20. シールはダイアフラムシール（１２、５６）である請求項１〜１９の何れか１項に記載のポンプ。
21. 前記ダイアフラムシール（１２、５６）は前記ライナ（４５）の一部により形成される請求項１９に従属する場合には請求項２０に記載のポンプ。
22. 前記ダイアフラムシール（１２、５６）は柔軟性と弾発性を有する材料から形成され、前記ハウジング（１０）の前記内面（１６）から前記ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）までの最大間隔は前記ロータ（１１）が回転するときに前記ダイアフラムシール（１２、５６）の弾性限界を超えないようにされた請求項１〜２１の何れか１項に記載のポンプ。
23. 前記ダイアフラムシール（１２、５６）は前記ハウジング（１０）に使われる材料で前記ハウジング（１０）と一体に形成される請求項２２に記載のポンプ。
24. ハウジング（１０）と該ハウジング（１０）内に回転可能に収まるロータ（１１）を備え、前記ハウジング（１０）は流体の吸入口（１４）と吐出口（１５）を有し、前記ロータ（１１）は前記ハウジング（１０）の内面（１６）と共働して、前記ロータ（１１）と前記ハウジング（１０）の前記内面（１６）の間を封止するハウジング接触面部（２０ａ、２０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）とを有し、前記ロータ（１１）は更に、前記ハウジング接触面部（２０ａ、２０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）に対して径方向の内部に向かって形成された少なくとも第１、第２ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）を有し、前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）は前記ハウジング（１０）の前記内面（１６）との間に空間（２３、２４、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ）を形成して、前記ロータ（１１）の回転によって前記吸入口（１４）から前記吐出口（１５）に流体を輸送し、前記吸入口（１４）から前記吐出口（１５）の間には前記各第１、第２のロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）が前記吐出口（１５）から前記吸入口（１４）へ移動する際に、前記吐出口（１５）から前記吸入口（１４）への流体の漏洩を防止するためのダイアフラムシール（１２、５６）を配置し、前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）は周方向に間隔を置いて配置した第１、第２の縁部を有し、前記ハウジング接触面部（２０ａ、２０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）に対して径方向の内部に向かって形成された前記各ロータ表面（２１、２２、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）の深さは、前記第１の縁部から前記第２の縁部の周方向に向けて不均一に変化することを特徴とするポンプ。

Images