JP2017525884A - 流体リザーバを備える容積型ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、圧力接続部及び吸引接続部に接続された吐出室と、前記吐出室の容積を決定し、また前記吐出室の容積が小さくなる第一位置と、前記吐出室の容積が大きくなる第二位置との間を移動可能であるディスプレーサ要素とを備える容積型ポンプに関する。【解決手段】前記圧力接続部は、圧力弁により前記吐出室に接続され、前記吸引接続部は、吸気弁により前記吐出室に接続される。自己換気型かつ簡単な構造で、かつ圧力ライン内の反作用圧力が高くても、圧力安定計量能力を有する上記容積型ポンプを提供するために、本発明において、吐出流体が満たされるリザーバを、ガス抜き弁により吐出室へ接続することが提案される。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力接続部及び吸引接続部に接続された吐出室を有する容積型ポンプに関する。容積型ポンプは、吐出室の容積を決定し、吐出室の容積が小さくなる第一位置と、吐出室の容積が大きくなる第二位置との間で往復可能なディスプレーサ要素を更に有する。一般に圧力接続部は、逆止弁としての圧力弁により吐出室に接続され、吸引接続部は、同様に逆止弁としての吸気弁により吐出室に接続される。

媒体を供給するため、例えばダイアフラムとしてのディスプレーサ要素は、第一位置と第二位置との間を振動しながら往復する。第一位置から第二位置へのディスプレーサ要素の移動、いわゆる吸引行程移動では、吐出室の容積が増加することで吐出室内の圧力が低下する。吐出室の圧力が低下して、吸引接続部に接続された吸引ライン内の圧力を下回ると、吸気弁が直ちに開き、吸引接続部により被吐出媒体が吐出室に吸引される。第二位置から第一位置の方向へとディスプレーサ要素が再度移動すると（いわゆる圧力行程移動）、直ちに吐出室内の容積が減少し、吐出室内の圧力が上昇する。吸気弁が閉じることで、被吐出媒体の吸引ラインへの逆流が防止される。吐出室内の圧力が、圧力接続部に接続されている圧力ライン内の圧力を上回ると、直ちに圧力弁が開き、吐出室内の吐出媒体を圧力ラインへと押し出すことができる。

欧州特許第１５４６５５７Ｂ１号には、ダイアフラムポンプとしての上記容積型ポンプについて記載されている。

液体の計量時に、特に、例えば次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＯＣｌ）などの吐出媒体のガス放出時に、吸引接続部に接続されている吸引ライン内に気泡が発生し、計量ヘッドに吸引されることがある。吐出室に気泡が発生する可能性もある。それは、計量工程において長期休止後によく発生する。ホースとしての最も単純な事例では、吸引接続部が吸引ラインに接続され供給コンテナで終端しているため、特にポンプ作動時に供給コンテナを変更するとき、吸引ラインが一時的に吐出媒体に接続されずにガスを吸引することがある。

振動している吐出ポンプの計量ヘッド内のガスの量が多すぎると、含有されているガス量により、逆止ばね、閉止部材の固有重量及びシステム圧力に対して圧力弁を開弁させるのに十分な計量ヘッドの固有圧縮度を得られない場合、計量操作に支障が生じる。即ち、吐出室内のガスの割合が高すぎると、ディスプレーサ要素が第二位置から第一位置へと移動しても、吐出室内の圧力上昇は、圧力接続部に接続された圧力弁の開弁に不十分である。これは、液体に比べてガスの圧縮度が高いためである。

従って、ディスプレーサ要素により圧力弁を開弁させるために十分高い圧力がかけられない場合、吐出媒体は吸引されない。言い換えれば、所望の計量操作を実施することができない。

上記問題となる状況を解決するため、圧力接続部に反作用圧力がかかるまで圧縮度を回復させることが必要である。ディスプレーサ要素の移動時に蓄積された圧力が圧力接続部で反作用圧力となるような方法で、圧縮媒体と非圧縮媒体との比率を向上させるため、液体を再度吐出室に導入することにより上記問題を解決することができる。

従って、欧州特許第１５４６５５７Ｂ１号に示された吐出ポンプの場合、一方に吐出室、他方に圧力接続部との間に更なる接続部が設けられ、間欠的に開くことで、圧力ラインから吐出室へと液体を再度流すことができ、同時にガスを吐出室から逃すことができる。これにより、圧縮性ガスと非圧縮性液体の比率が再度改善され、理想的には圧力接続部の反作用圧力を吐出室内に取り戻すことができる。

しかしながら、バイパスラインの追加を除き、閉止のための弁や弁を作動させる作動装置の設置が必要なため、上記問題の解決策は比較的複雑で費用もかかる。

国際公開第２０１３/１３５６８１号において、圧力弁を非密着構造として、圧力弁が閉じても、戻り流路が吐出室と圧力接続部とを互いに接続させて、媒体の吐出室への流入及び/又はガスの吐出室からの流出を可能とすることが既に提案されている。

しかしながら、上記構造には、吐出の特徴が圧力接続部に接続されている圧力ラインの圧力に依存しているという欠点がある。特に、非常に高圧な状態でのポンプ作動の場合、非密着型圧力弁を介して吐出室に流れ戻る吐出流体の量が著しく増加して、計量効率が低下する。

上述の従来技術に鑑み、本発明の目的は、自己換気型で簡単な構造かつ圧力ライン内での高い反作用圧力においても、圧力安定計量能力を有する容積型ポンプを提供することにある。

本発明の目的は、吐出流体が満たされるリザーバがガス抜き弁により吐出室に接続されることにより達成される。

上記リザーバは、吐出流体が満たされて、吐出室と圧力接続部及び吸引接続部との双方から弁により分離可能な任意のキャビティを意味する。

上記構成において、ガス抜き弁は、少なくとも吐出室内のガス量が多すぎる場合は常に、吸引行程移動時に開弁される或いは自動的に開弁するように設計されている。これにより、吐出流体がリザーバから吐出室へと移送され、その結果、吐出室内の圧力が次の圧力行程移動時に更に上昇する。

吐出室内の圧力上昇が圧力弁の開弁にはそれでもまだ不十分な場合、次の吸引行程移動時に吐出流体をリザーバから吐出室へ再度流すことが可能となり、吐出室内の圧力が圧力行程移動時に更に上昇する。上記状態は、吐出室において圧力弁の開弁に十分な圧力に再度達するまで続き、吐出流体は可能であればガス成分と共に圧力ラインへと圧送される。

従って、容積型ポンプは、吐出流体が吸気弁によって吸引接続部から吐出室へとリザーバを経由することなく流れるように構成されることが好適である。それにより、吸引行程移動時に圧力低下が吸気弁の開弁に不十分な場合でも被吐出液体を吐出室へと流すことができる。

好適な実施形態では、リザーバから吐出室の方向において、ガス抜き弁の通過流係数は吸気弁の通過流係数よりも小さい。例えば、ガス抜き弁の通過流係数は、吸気弁の通過流係数の１％、好ましくは０．２％より小さい。通過流係数は、対象となる弁の吐出流体の達成可能なスループットについての測定値であり、原理的には有効断面についての測定値でもある。本発明において、通過流係数の絶対値は考慮すべき重要な点ではなく、ガス抜き弁の通過流係数と吸気弁又は圧力弁の通過流係数との比にすぎない。或いは上記に関連し、ガス抜き弁の有効断面は、吸気弁の有効断面の１％、好適には０．２％より小さい。

例えば、弁の吐出流体の通過流（ｍｌ／ｍｉｎ）は、圧力差１バール、吐出流体温度２５℃での通過流係数として定義できる。その場合、通過流は開弁状態でそれぞれ定義される。

これに対応して、ガス抜き弁の通過流係数を小さくすることで、吐出室内にガスが存在しない場合でも開弁できるので、ガス量の検出は全く不要となる。ガス抜き弁が開弁される都度、ある量の吐出流体がリザーバから吐出室へと流出して、吐出室からのガスの排出につながる。しかしながら、その結果リザーバから吐出流体も流出して、リザーバに流体を再度満たす必要がある点に注意すべきである。加えて、少量の流体が吸引接続部によって吸引され、圧力接続部によって圧力ラインへと圧送されるため、吐出容量が低下する。しかしながら、通過流係数がかなり低減するため、耐圧強度の低下は最小限である。特に通過流係数が吸気弁の通過流係数の０．２％未満になると、ガス抜き弁も開弁可能で適正サイズの絞りとなる。

更に好適な実施形態において、ガス抜き弁は、常時絞り連通状態とするスロットル逆止弁として機能し、吐出室内の圧力がリザーバ内の圧力を超えると非絞り連通状態となる。上記において、吐出室の通気により吐出流体の一部がリザーバに圧送されるため、リザーバに再度吐出流体を満たすことができる。

好適な実施形態において、非絞り状態では、スロットル逆止弁の通過流係数が圧力弁の通過流係数より小さい。非絞り状態のガス抜き弁の通過流係数は、圧力弁の通過流係数の１５％、特に好ましくは５％より小さいことが好適である。

上記構成により、吐出室内のごく少量の吐出流体のみがリザーバに圧送され、大半の吐出流体は圧力ラインへと確実に移送される。

更に好適な実施形態において、ガス抜き弁は吐出室内の圧力がリザーバ内の圧力より低くなると開弁する逆止弁である。特に吸引ラインにおいて、容積型ポンプが例えば大気圧のような低圧のみ供給する計量装置で使用される場合、リザーバ内の圧力が吸引ライン内の圧力より高くなる状況では逆止弁を用いる実施形態は有利である。吐出室内の圧力が吸引ライン内の圧力より低くならなくても、吸引行程移動において流体のリザーバからの流出が可能となる。

更に特に好適な実施形態において、リザーバは圧力接続部に接続される。この場合、ガス抜き弁を圧力弁と直列に接続し、ガス抜き弁は吐出室のより近くに配置されることが特に好ましい。

言い換えれば、吐出室から圧力ラインへと圧送される吐出流体は、最初にガス抜き弁を流れ、以降は圧力弁を流れなければならない。そして、リザーバは、一方がガス抜き弁と他方が圧力弁との間のラインを接続することで構成される。正確には、分離したリザーバを手動で操作しなければならない場合があるが、その際、リザーバが再度自動的に満たされる点が本実施形態の利点である。上記実施形態では、吐出室からリザーバへのガス抜き弁の通過流係数と圧力弁の通過流係数とは概ね合致している。

更に好適な実施形態において、リザーバはアキュムレータに接続される。アキュムレータ又は油圧貯留手段も圧力下の液体、即ち、吐出流体を貯留する。

一例として、上記アキュムレータは、内部スペースが可動分離部材により二つの室に分けられる圧力容器から構成される。一方の室に蓄圧手段として機能するガスが保持され、他方の室に吐出流体が保持される。

本発明において、容積型ポンプは、吐出流体が圧力ｐ₂で保持される圧力ラインと、吐出流体が圧力ｐ₁＜ｐ₂で保持される吸引ラインとを有する計量装置で使用可能である。圧力ラインは圧力接続部に接続され、吸引ラインは吸引接続部に接続される。

特に、リザーバ内の吐出流体の圧力がｐ₃であることが好適である。ここではｐ₁＜ｐ₃＜ｐ₂である。

本実施形態の利点は、吐出室内のガス量が多すぎて、圧力弁により圧力ラインへ吐出媒体が全く圧送されず、吸引行程移動の最後においても吸引ラインと吸気弁により吐出流体がそれ以上吐出室内に吸引されないとき、その吸引行程移動に代えて、ガス抜き弁により吐出流体がリザーバから吐出室へと導入され、その結果、次の圧力行程移動時に吐出室内の圧力が上昇するという点にある。

本発明の更なる利点、特徴及び想定可能な用途については、好ましい実施形態の下記説明により、明白になる。

好ましい実施形態の線図である。

図１は、容積型ポンプを備える計量装置の線図である。計量装置は、吐出流体が流体圧力ｐ₁で保持されている吸引ライン１から吐出流体が流体圧力ｐ₂で保持されている圧力ライン６へと吐出流体を圧送する。ここではｐ₂＞ｐ₁である。

容積型ポンプは、ダイアフラムとしてのディスプレーサ要素１１が二位置間を往復移動可能な吐出室３を有する。吐出室は、図の破線に示す第一位置４’では小容積となり、実線に示す第二位置４では大容積となる。

ダイアフラムが位置４’から位置４へと移動すると、吐出室３の容積は増加し、吐出室内の圧力は低下する。吐出室内の圧力が吸引ライン１で圧力ｐ₁未満になると、吸引ライン１と吐出室３との間に配置された逆止弁としての吸気弁２が直ちに開く。

その結果、吐出流体が吸引ライン１から吐出室３へと移送される。

ダイアフラムが逆方向に移動する、即ち、ダイフラムが位置４から位置４’の方向に移動すると、吐出室３の容積が直ちに減少し、吸気弁２が閉じる。

吐出室３内の圧力は、圧力ライン６において圧力ｐ₂に達する或いはこれを超えるまで更に上昇する。この場合、圧力弁５が開弁し、吐出流体は吐出室３から圧力ライン６へと移送される。

本発明において、吐出室３と逆止弁としての圧力弁５との間には、リザーバ１０とガス抜き弁７が配置されている。リザーバ１０は、ガス抜き弁７と圧力弁５との間のラインの連通により構成される。ガス抜き弁７は、スロットル逆止弁であり、即ち、スロットル９と逆止弁８から構成される。

通常作動、即ち、吐出室３内にガスが全くない或いはごく少量の場合、ガス抜き弁７が容積型ポンプの作動モードに影響を及ぼすことはない。本発明に係るリザーバとガス抜き弁の構成の利点は吐出室３が過度に高い割合のガス成分を含む状態でのみ顕著になり、それは作動時又は長期間休止された後に発生する。ガス成分の圧縮度が比較的高いことにより、より具体的な状況として、位置４から位置４’へのダイアフラムの移動は、圧力がｐ₂に達し、逆止弁５が開弁可能となるまでの吐出室３内の圧力上昇には不十分な結果となる。明らかに、この状態では、ダイアフラムは位置４と位置４’との間を往復するが、これによって吸気弁２や圧力弁５は開かない。

しかしながら、本発明に係る上記の状況において、リザーバ１０に保持されている少量の吐出流体がスロットル９により吐出室３へと戻される。その結果、圧力行程移動の最後、即ち、ダイフラムが位置４’にあるとき、逆止弁８が開いて圧縮ガスがリザーバ１０へと流れるまで吐出室３内の圧力は逐次上昇する。ダイアフラムの位置４への戻り動作では、逆止弁８が閉じてリザーバ１０内の圧縮ガスがスロットル９によりわずかに膨張するだけである。

リザーバ１０は圧縮状態のガスを含むため、吐出室３内の圧力は、吸引行程移動時に、吸気弁２により吸引ライン１から吐出流体が吸引排出されるまで低下する。これは、吐出室３内により多くの吐出流体があるため、圧力行程移動の最後で吐出室３内の圧力上昇にもつながる。

圧力行程移動及び吸引行程移動が繰り返されると、吐出室３内の圧力は、ガスが圧縮されて圧力弁５の開弁やガスによる圧力ラインへの付勢が可能となるまで上昇する。

原則として、ガス抜き弁７は、国際公開第２０１３／１３５６８１Ａ１に記載されている構造と厳密には同じである。即ち、これは弁部材と弁座とを有し、閉位置であっても、これらの間に例えば溝により戻り流路が形成される。基本的に、ガス抜き弁は非密着型の逆止弁である。上記構造は、吸引ライン６において高圧に対する作動時でも圧力ライン６がガス抜き弁７と常時接触していないため、計量能力が低下しないという利点がある。安全技術という観点から、ダイアフラムの破損に備えて一方の吸引ライン６と他方の吐出室３とが常時接続されないという点も利点である。

Claims (12)

1. 圧力接続部及び吸引接続部に接続された吐出室と、前記吐出室の容積を決定するディスプレーサ要素とを備え、前記ディスプレーサ要素は前記吐出室の容積が小さくなる第一位置と前記吐出室の容積が大きくなる第二位置との間を往復可能であり、前記圧力接続部は圧力弁により前記吐出室に接続され、前記吸引接続部は吸気弁により前記吐出室に接続され、吐出流体が満たされるリザーバがガス抜き弁により前記吐出室に接続されることを特徴とする容積型ポンプ。
2. 前記ガス抜き弁は、吸引行程移動時に、前記吐出室内の圧力が前記リザーバ内の圧力より低い場合、開弁される又は自動的に開弁するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の容積型ポンプ。
3. 前記容積型ポンプは、吐出流体を前記リザーバ経由ではなく前記吸気弁により前記吸引接続部から前記吐出室へと移送するよう構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の容積型ポンプ。
4. 前記リザーバから前記吐出室への方向の前記ガス抜き弁の通過流係数は、前記吸気弁の前記通過流係数より小さく、前記ガス抜き弁の前記通過流係数は、好ましくは前記吸気弁の前記通過流係数の１％、特に好適には０．２％より小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の容積型ポンプ。
5. 前記ガス抜き弁は、常時絞り連通とするスロットル逆止弁であり、前記吐出室内の圧力が前記リザーバ内の圧力より高い場合、非絞り連通とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の容積型ポンプ。
6. 前記非絞り状態において、前記スロットル逆止弁の通過流係数は、前記圧力弁の前記通過流係数より小さく、前記非絞りガス抜き弁の前記通過流係数は、好ましくは前記圧力弁の前記通過流係数の１５％、特に好適には５％より小さいことを特徴とする請求項５に記載の容積型ポンプ。
7. 前記ガス抜き弁は前記吐出室内の圧力が前記リザーバ内の圧力より低いときに開弁する逆止弁であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の容積型ポンプ。
8. 前記リザーバは前記圧力接続部に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の容積型ポンプ。
9. 前記ガス抜き弁は前記圧力弁に直列に接続され、前記ガス抜き弁は前記吐出室により近接して配置されていることを特徴とする請求項８に記載の容積型ポンプ。
10. 前記リザーバはアキュムレータに接続されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の容積型ポンプ。
11. 吐出流体が圧力ｐ₂で保持される圧力ラインと、吐出流体が圧力ｐ₁＜ｐ₂で保持される吸引ラインと、請求項１〜１０のいずれかに記載の容積型ポンプとを備える計量装置において、前記圧力ラインは前記圧力接続部に接続され、前記吸引ラインは前記吸引接続部に接続されることを特徴とする計量装置。
12. 前記リザーバは、吐出流体を圧力ｐ₃で保持し、ｐ₁＜ｐ₃＜ｐ₂であることを特徴とする請求項１０に記載の計量装置。

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