JP2024065458A - ポンプユニット - Google Patents

Abstract

【課題】制御の複雑化を抑制しつつダイアフラムポンプの上流側において脈動を低減することができるポンプユニットを提供する。【解決手段】平滑化装置２０は、ダイアフラムポンプ１０の上流側に配置され、流体通過空間Ｓ１の容積を大きくする向きにダイアフラム体７４を付勢する。これにより、一対のポンプ部２Ａ，２Ｂの両方に対し独立した制御が必要なく、制御の複雑化を抑制することができる。また、付勢手段３０が、ダイアフラムポンプ１０の高吸引力期間に付勢力を蓄積し、低吸引力期間に流体通過空間Ｓ１の容積を大きくさせることで、平滑化装置２０の上流側において脈動を低減することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、ポンプユニットに関する。

一般に、ダイアフラム体によって区画された一対の作動流体室及び一対の送流体室と、往復移動するセンターロッドと、を備えて流体を吸引及び吐出するダイアフラムポンプが知られている。このようなダイアフラムポンプでは、送流体室の膨張と収縮とが切り換わる時点において死点となり吐出力が著しく低下し、その他の期間においては所定の吐出力が得られることから、吐出力が周期的に変化していわゆる脈動が生じる。そこで、脈動を抑制することを目的としたダイアフラムポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたダイアフラムポンプでは、２つのポンプ室に対し、独立した２つの機械的駆動手段を設けることにより、一方のポンプ室において死点に到達する前に他方のポンプ室によって吐出力を生じさせることにより、脈動の抑制を図っている。

特開２０１７－２０４９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたように独立した２つの機械的駆動手段を設けると、制御が複雑化してしまうという不都合があった。そこで、ダイアフラムポンプの下流側に、空気室を有するウォーターハンマー等の圧力吸収装置を設けることで、脈動を抑制する構成が考えられる。即ち、圧力吸収装置は、ダイアフラムポンプの吐出力が大きい際には空気室を収縮させ、吐出力が小さい際には空気室を膨張させることにより、吐出量を平滑化し、脈動の低減を図るものである。

上記のような脈動は、ダイアフラムポンプの下流側（吐出側）だけでなく、上流側（吸引側）においても生じ得る。上流側に上記のような圧力吸収装置を設けた場合、空気室の収縮及び膨張による平滑化作用が得られにくく、脈動を低減することが困難であった。

本発明の目的は、制御の複雑化を抑制しつつダイアフラムポンプの上流側において脈動を低減することができるポンプユニットを提供することである。

本発明のポンプユニットは、一対のポンプ部及びセンターロッドを有し、前記センターロッドが往復移動することで前記一対のポンプ部によって交互に流体を吸入及び吐出するダイアフラムポンプと、前記ダイアフラムポンプの上流側に配置される平滑化装置と、を備え、前記ダイアフラムポンプでは、前記センターロッドの往復により、上流側において流体の吸引力が周期的に変化し、前記平滑化装置は、流体が通過する流体通過空間と、前記流体通過空間とその外側の空間とを区画するダイアフラム体と、前記流体通過空間の容積を大きくする向きに前記ダイアフラム体を付勢する付勢手段と、を有し、前記付勢手段は、前記ダイアフラムポンプの高吸引力期間に付勢力を蓄積し、低吸引力期間に前記流体通過空間の容積を大きくさせることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、平滑化装置を用いることで、一対のポンプ部の両方に対し独立した制御が必要なく、制御の複雑化を抑制することができる。また、付勢手段が、ダイアフラムポンプの高吸引力期間に付勢力を蓄積し、低吸引力期間に流体通過空間の容積を大きくさせることで、平滑化装置の上流側から流体を吸引させることができ、ダイアフラムポンプの上流側（即ち平滑化装置の下流側）において吸引力が低下した際でも、平滑化装置による流体の吸引量の低下を抑制し、平滑化装置の上流側において脈動を低減することができる。

尚、流体通過空間と、ダイアフラム体によって流体通過空間と区画される空間と、の間に圧力差が存在する場合、この圧力差に基づく力がダイアフラム体に作用するが、付勢手段の付勢力は、当該圧力差とは独立したものである。これにより、適宜な大きさの付勢力をダイアフラム体に付与することができる。

この際、本発明のポンプユニットでは、前記付勢手段は、一端部が前記ダイアフラム体に接続されて前記流体通過空間とは反対側に向かって延びるロッドと、前記ロッドの他端部に接続される第２のダイアフラム体と、前記第２のダイアフラム体に対して前記流体通過空間側に形成される高圧室と、前記第２のダイアフラム体に対して前記流体通過空間とは反対側に形成されるとともに前記高圧室よりも低圧な低圧室と、を有することが好ましい。このような構成によれば、高圧室と低圧室との圧力差によって、ロッドを流体通過空間とは反対側に付勢することができる。即ち、圧力差を適宜に設定することにより、所望の付勢力を得ることができる。

また、本発明のポンプユニットでは、前記低圧室が大気に開放され、前記高圧室が、大気圧よりも高圧な流体を送り込む流体供給源に接続されていることが好ましい。このような構成によれば、高圧室側の圧力のみを管理すればよく、平滑化装置を簡素化することができる。また、これらの圧力差を一定に保ちやすくすることができる。

本発明のポンプユニットによれば、付勢手段が流体通過空間の容積を大きくする向きにダイアフラム体を付勢することで、制御の複雑化を抑制しつつダイアフラムポンプの上流側において脈動を低減することができる。

本発明の一例である実施形態にかかるポンプユニットの概略を示すシステム図である。 前記ポンプユニットのダイアフラムポンプを示す断面図である。 前記ポンプユニットの平滑化装置示す断面図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態のポンプユニット１００は、図１に模式的に示すように、ダイアフラムポンプ１０と、平滑化装置２０と、を有する。ポンプユニット１００によって吸入及び吐出される流体を「対象流体」と呼ぶ。ポンプユニット１００は、対象流体を収容した収容部２００から、対象流体を供給する供給先３００に対象流体を送り込むものである。対象流体が通過する経路において、収容部２００側（図１における左側）を上流側とし、供給部３００側（図１における右側）を下流側とする。

ポンプユニット１００は、さらに、下流側ダンパ４００と、６つのバルブ５０１～５０６と、を備える。即ち、ポンプユニット１００は、上流側から順に、バルブ５０１と、平滑化装置２０と、バルブ５０２と、ダイアフラムポンプ１０と、バルブ５０３と、下流側ダンパ４００と、バルブ５０４と、を備え、ダイアフラムポンプ１０の下流側及び下流側ダンパ４００の下流において流路が分岐するとともにドレン用バルブ５０５，５０６が設けられている。尚、複数のバルブ５０１～５０６の配置及び数は上記に限定されず、適宜な位置にバルブが設けられていればよい。

下流側ダンパ４００は、空気室を有するウォーターハンマー等の圧力吸収装置である。即ち、ダイアフラムポンプ１０の吐出力が高いと空気室が圧縮され、吐出力が低いと空気室が膨張することにより、ダイアフラムポンプ１０の下流側において脈動を低減するものである。尚、下流側ダンパ４００は省略されていてもよい。

ダイアフラムポンプ１０は、図２に示すポンプ本体１と、切換装置と、を備え、例えば空気等の気体を作動流体として用い、液体等の対象流体を吸入及び吐出するものである。本実施形態では、ポンプ本体１の上下方向をＺ１方向とし、後述するセンターロッド３の軸線方向（延在方向）をＸ１方向とし、Ｘ１方向及びＺ１方向の両方に略直交する方向をＹ１方向とし、Ｚ１方向における上下およびＸ１方向における左右は、図１を基準とする。尚、ポンプ本体１は、Ｚ１方向が鉛直方向に沿うように設置されてもよいし、多少の傾きを有して設置されてもよい。

ポンプ本体１は、一対のポンプ部２Ａ，２Ｂと、センターロッド３と、ケーシング４と、接続手段５Ａ，５Ｂと、検出装置６と、を備える。一対のポンプ部２Ａ，２Ｂは、互いに対称に形成され、センターロッド３に接続されたダイアフラム体２１と、入口側逆止弁２２と、出口側逆止弁２３と、を備える。ダイアフラム体２１は、ディスク２４，２５によってセンターロッド３の両端部に接続（固定）される。

ケーシング４は、筐体４１と、筐体４１の内側に配置されてセンターロッド３が貫通する本体部４２と、を有する。ダイアフラム体２１は、筐体４１と本体部４２との間の空間を、送流体室（ポンプ室）Ａ１と作動流体室Ａ２とに区画する。即ち、筐体４１とダイアフラム体２１との間に送流体室Ａ１が形成され、本体部４２とダイアフラム体２１との間に作動流体室Ａ２が形成される。尚、本実施形態ではダイアフラム体２１の外側に送流体室Ａ１が形成されているが、ダイアフラム体２１の内側に送流体室を形成してもよい。

接続手段５Ａ，５Ｂは、Ｘ１方向に沿って延びる筒状に形成され、一端に開口部を有しており、これらの開口部が入口側開口１０Ａ及び出口側開口１０Ｂとなる。接続手段５Ａは、流体の入口側に設けられ、筐体４１に接続されることにより、一対の送流体室Ａ１同士を接続する。接続手段５Ｂは、流体の出口側に設けられ、筐体４１に接続されることにより、一対の送流体室Ａ１同士を接続する。筐体４１と接続手段５Ａとの間には、入口側逆止弁２２が設けられ、筐体４１と接続手段５Ｂとの間には、出口側逆止弁２３が設けられる。

Ｘ１方向を軸方向として延在するセンターロッド３がＸ１方向に移動することによりダイアフラム体２１が変形し、一方のポンプ部２Ａにおいて送流体室Ａ１が膨張する（作動流体室Ａ２が収縮する） と、他方のポンプ部２Ｂにおいて送流体室Ａ１が収縮する（作動流体室Ａ２が膨張する）。また、一方のポンプ部２Ａにおいて送流体室Ａ１が収縮すると、他方のポンプ部２Ｂにおいて送流体室Ａ１が膨張する。

送流体室Ａ１が膨張して減圧されると、入口側逆止弁２２が弁開して入口側開口１０Ａから送流体室Ａ１に対象流体が導入される。一方、送流体室Ａ１が収縮して昇圧されると、出口側逆止弁２３が弁開して送流体室Ａ１内の対象流体が出口側開口１０Ｂから外部に排出される。

検出装置６は、ダイアフラム体２１に対してＸ１方向の中央側（内側）に配置された検出子６１を有し、検出子６１が、ダイアフラム体２１に接続されたディスク２５に当接することで移動可能となっている。

他方のポンプ部２Ｂの作動流体室Ａ２に作動流体が供給されている際、一方のポンプ部２Ａにおいて作動流体室Ａ２が収縮していくことにより、ダイアフラム体２１が検出子６１に対して接近していき、検出子６１が押圧される。これにより、切換装置が作動して供給先が切り換えられ、即ち、他方のポンプ部２Ｂの作動流体室Ａ２には作動流体が供給されなくなり、一方のポンプ部２Ａの作動流体室Ａ２に作動流体が供給されるようになり、一方のポンプ部２Ａの作動流体室Ａ２が膨張していく。尚、切換装置は従来のダイアフラムポンプと同様の構成を有するものが用いられればよく、ここでは説明を省略する。上記を繰り返すことにより、一対のポンプ部２Ａ，２Ｂにおいて作動流体室Ａ２が互い違いに膨張及び収縮を繰り返す。これにより、入口側開口１０Ａから導入された対象流体が出口側開口１０Ｂから排出され、対象流体が外部に供給される。

ダイアフラムポンプ１０が吸引及び吐出する流体の流量は、一方のポンプ室２Ａが吸引及び吐出する流量と、他方のポンプ室２Ｂが吸引及び吐出する流量と、の合計となる。上記のように一方のポンプ室２Ａと他方のポンプ室２Ｂとが交互に膨張及び収縮することから、合計の流量は略一定となる。しかしながら、検出子６１が押圧されて作動流体の供給先が切り換えられる際（即ち作動流体室Ａ２の収縮と膨張とが切り換わる際）には所望の流量が得られなくなることがある。検出子６１は所定の時間間隔で押圧されることから、上記のような流量変化が周期的に生じ得る。

このように、ダイアフラムポンプ１０では、センターロッド３の往復によって、上流側において吸引力が周期的に変化するとともに、下流側において吐出力が周期的に変化する。尚、ポンプユニット１００の各部の寸法が決まれば、吸引圧力は吸引力に依存する。以下の説明では吸引力に着目する。

平滑化装置２０は、図３に示すように、筒状の第１部品７と、ブロック状の第２部品８及び第３部品９と、を備える。第１部品７と第２部品８と第３部品９とは、それぞれの間にシール部品が設けられつつ積層されており、以下ではこの積層方向をＺ２方向とし、第１部品７の筒の延在方向をＸ２方向とし、Ｘ２方向及びＺ２方向の両方に略直交する方向をＹ２方向とし、Ｚ２方向における上下およびＸ２方向における左右は、図３を基準とする。尚、平滑化装置２０は、Ｚ２方向が鉛直方向に沿うように設置されてもよいし、多少の傾きを有して設置されてもよい。

第１部品７は、入口側（上流側）の開口部７１と出口側（下流側）の開口部７２とを有し、対象流体がＸ２方向に沿って通過する流体通過空間Ｓ１を形成する。第１部品７の側面部には開口部７３が形成されており、この開口部７３は、第１のダイアフラム体７４が設けられることで閉塞されている。出口側の開口部７２は、ダイアフラムポンプ１０の入口側開口１０Ａに対して直接的又は間接的（即ち他の部品や配管等を介して）に接続される。

第２部品８は、第１部品７の上側に積層され、開口部７３と重なる位置に形成された第１凹部８１と、Ｚ２方向において第１凹部８１とは反対側に形成された第２凹部８２と、第１凹部８１に連通するとともに第２部品８の外部に開口した第１連通路８３と、第２凹部８２に連通するとともに第２部品８の外部に開口した第２連通路８４と、Ｚ２方向に沿って延びる貫通孔８５と、を有する。

第２凹部８２は第１凹部８１と対称な形状及び配置となっている。また、第２凹部８２は、第２のダイアフラム体８６が設けられることで閉塞されている。第１連通路８３及び第２連通路８４は、Ｘ２方向に沿って延びることで第２部品８の側面において開口している。第２連通路８４のうち開口端部には、接続部８４１が設けられており、流体を供給するための管部材が接続可能となっている。貫通孔８５は、第１凹部８１と第２凹部８２とを接続するように延びており、その内周面には、後述するロッド１１が摺接するシール部材が設けられていることが好ましい。

第３部品９は、第２部品８の上側に積層され、第１凹部８１と重なる位置に形成された凹部９１と、凹部９１に連通するとともに第２部品８の外部に開口した連通路９２と、を有する。連通路９２は、Ｚ２方向に沿って延びることで第３部品９の上面において開口している。

このような平滑化装置２０では、第１部品７の内側に流体通過空間Ｓ１が形成され、第１凹部８１の内側に対向空間Ｓ２が形成される。このとき、第１のダイアフラム体７４は、流体通過空間Ｓ１と、その外側の空間である対向空間Ｓ２と、を区画する。また、第２凹部８２の内側に高圧室Ｓ３が形成され、凹部９１の内側に低圧室Ｓ４が形成され、第２のダイアフラム体８６が、高圧空間Ｓ３と低圧室Ｓ４とを区画する。

第１のダイアフラム体７４と第２のダイアフラム体８６とは、ロッド１１によって接続されている。ロッド１１は、一端部（下端部）１１１が第１のダイアフラム体７４に接続され、上側（流体通過空間Ｓ１とは反対側）に向かってＺ２方向に沿って延び、他端部（上端部）１１２が第２のダイアフラム体８６に接続される。ロッド１１は、円柱状等の棒状に形成され、貫通孔８５に挿通されており、第１凹部８１と第２凹部８２とが連通しないようになっている。ロッド１１とダイアフラム体７４，８６とは、例えばダイアフラム体７４，８６を挟み込むディスク等によって接続されればよい。

流体通過空間Ｓ１の内圧は、ダイアフラムポンプ１０の吸引力によって変化する。第１連通路８３は外部空間（大気）に開放されており、対向空間Ｓ２の内圧は大気圧と略等しくなっている。第２連通路８４の接続部８４１に接続された管部材が、大気圧よりも高圧な流体（例えば圧縮空気）を送り込む流体供給源に接続されることにより、高圧室Ｓ３には圧縮空気が送り込まれ、その内圧が例えば１．５～２気圧程度に維持されるようになっている。連通路９２は外部空間（大気）に開放されており、低圧室Ｓ４の内圧は大気圧と略等しくなっている。即ち、低圧室Ｓ４は高圧室Ｓ３よりも低圧となっている。

高圧室Ｓ３と低圧室Ｓ４との圧力差によって、第２のダイアフラム体８６には上側（流体通過空間Ｓ１とは反対側）に向かう力が作用する。この力は、ロッド１１を介して第１のダイアフラム体７４に伝達される。従って、ロッド１１と、第２のダイアフラム体８６と、高圧室Ｓ３と、低圧室Ｓ４と、によって、流体通過空間Ｓ１の容積を大きくする向きに第１のダイアフラム体７４を付勢する付勢手段３０が構成され、平滑化装置２０が付勢手段３０を有する。尚、付勢手段３０は、他の部品等を含んでいてもよい。

ここで、ダイアフラムポンプ１０の動作時における平滑化装置２０の詳細な動作について説明する。上記のようにダイアフラムポンプ１０の吸引力は周期的に変化する。検出子６１の押圧後に所定時間が経過してから次に検出子６１が押圧するまでの期間は、安定した吸引力が得られ、この期間を高吸引力期間とする。また、検出子６１の押圧後から所定時間経過するまでの期間において、高吸引力期間よりも吸引力が低くなり、この期間を低吸引力期間とする。

図３には、高吸引力期間におけるロッド１１及びダイアフラム体７４，８６の位置を示し、この位置を基準位置とする。第２のダイアフラム体８６には、高圧室Ｓ３と低圧室Ｓ４との圧力差によって上向き力が作用しており、この力は一定である。一方、第１のダイアフラム体７４に作用する力は、流体通過空間Ｓ１と対向空間Ｓ２との圧力差に基づいており、流体通過空間Ｓ１の圧力は変化する。

高吸引力期間では、流体通過空間Ｓ１の圧力は比較的低くなり、即ち第１のダイアフラム体７４を介してロッド１１を下側に移動させるような力が作用する。即ち、ロッド１１は、高圧室Ｓ３と低圧室Ｓ４との圧力差に逆らう向きに移動しようとし、付勢手段３０は付勢力を蓄積する。これに対し、低吸引力期間では、流体通過空間Ｓ１の圧力は比較的高くなり、ロッド１１及びダイアフラム体７４，８６は、付勢手段３０が蓄積した付勢力によって、基準位置から上側に向かって移動する。これにより、流体通過空間Ｓ１の容積が大きくなり、平滑化装置２０は入口側（上流側）の開口部７１から流体を吸引する。

低吸引力期間から高吸引力期間になると、付勢手段３０が再び付勢力を蓄積する。このとき、流体通過空間Ｓ１の容積が小さくなることから、容積の減少分だけ、平滑化装置２０の吸引量は少なくなる。高吸引力期間と低吸引力期間とが繰り返されることで、平滑化装置２０は上記の動作を繰り返す。

即ち、低吸引力期間においては、ダイアフラムポンプ１０による流体の吸引量に対し、平滑化装置２０による流体の吸引量が多くなり、高吸引力期間においては、ダイアフラムポンプ１０による流体の吸引量に対し、平滑化装置２０による流体の吸引量が少なくなる。平滑化装置２０の上流側では、高吸引力期間と低吸引力期間との吸引量の差が、ダイアフラムポンプ１０の上流側における高吸引力期間との低吸引力期間との吸引量の差よりも小さくなる。

以上の本実施形態によれば、平滑化装置２０を用いることで、一対のポンプ部２Ａ，２Ｂの両方に対し独立した制御が必要なく、制御の複雑化を抑制することができる。また、付勢手段３０が、ダイアフラムポンプ１０の高吸引力期間に付勢力を蓄積し、低吸引力期間に流体通過空間Ｓ１の容積を大きくさせることで、平滑化装置２０の上流側において脈動を低減することができる。

また、付勢手段３０がロッド１１と第２のダイアフラム体８６と高圧室Ｓ３と低圧室Ｓ４とを有することで、高圧室Ｓ３と低圧室Ｓ４との圧力差によってロッド１１を流体通過空間Ｓ１とは反対側に付勢することができ、圧力差を適宜に設定することにより、所望の付勢力を得ることができる。

また、低圧室Ｓ４が大気に開放され、高圧室Ｓ３が大気圧よりも高圧な流体を送り込む流体供給源に接続されていることで、高圧室側の圧力のみを管理すればよく、平滑化装置２０を簡素化することができる。また、これらの圧力差を一定に保ちやすくすることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。例えば、前記実施形態では、低圧室Ｓ４が大気に開放され、高圧室Ｓ３が大気圧よりも高圧な流体を送り込む流体供給源に接続されているものとしたが、低圧室と高圧室との圧力差を生じさせるための構成はこれに限定されない。例えば、低圧室や高圧室を所定の圧力に設定した上で閉鎖してもよい。また、高圧室及び低圧室は、相対的な圧力差が生じていればよく、両者ともに大気圧よりも高圧であってもよいし低圧であってもよく、例えば高圧室を大気に開放するとともに低圧室を吸引してもよい。

また、前記実施形態では、付勢手段３０が高圧室Ｓ３と低圧室Ｓ４とを有するものとしたが、付勢手段は、圧力差以外によって付勢力を生じさせてもよい。例えば、ばね等の弾性部材を用いてダイアフラム体を付勢してもよいし、重力を利用してダイアフラム体を付勢してもよい。このとき、付勢手段は、流体通過空間とその外側の空間との圧力差以外に、ダイアフラム体を付勢する付勢力を生じ指せればよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１００…ポンプユニット、１０…ダイアフラムポンプ、１…ポンプ本体、２Ａ，２Ｂ…ポンプ室、３…センターロッド、２０…平滑化装置、３０…付勢手段、７４…第１のダイアフラム体、８６…第２のダイアフラム体、１１…ロッド、Ｓ１…流体通過空間、Ｓ２…対向空間（外側の空間）、Ｓ３…高圧室、Ｓ４…低圧室

Claims (3)

1. 一対のポンプ部及びセンターロッドを有し、前記センターロッドが往復移動することで前記一対のポンプ部によって交互に流体を吸入及び吐出するダイアフラムポンプと、
   前記ダイアフラムポンプの上流側に配置される平滑化装置と、を備え、
   前記ダイアフラムポンプでは、前記センターロッドの往復により、上流側において流体の吸引力が周期的に変化し、
   前記平滑化装置は、流体が通過する流体通過空間と、前記流体通過空間とその外側の空間とを区画するダイアフラム体と、前記流体通過空間の容積を大きくする向きに前記ダイアフラム体を付勢する付勢手段と、を有し、
   前記付勢手段は、前記ダイアフラムポンプの高吸引力期間に付勢力を蓄積し、低吸引力期間に前記流体通過空間の容積を大きくさせることを特徴とするポンプユニット。
2. 前記付勢手段は、一端部が前記ダイアフラム体に接続されて前記流体通過空間とは反対側に向かって延びるロッドと、前記ロッドの他端部に接続される第２のダイアフラム体と、前記第２のダイアフラム体に対して前記流体通過空間側に形成される高圧室と、前記第２のダイアフラム体に対して前記流体通過空間とは反対側に形成されるとともに前記高圧室よりも低圧な低圧室と、を有することを特徴とする請求項１に記載のポンプユニット。
3. 前記低圧室が大気に開放され、前記高圧室が、大気圧よりも高圧な流体を送り込む流体供給源に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のポンプユニット。
   

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