JP4262333B2 - フロート作動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力駆動式ポンプまたは凝縮液トラップのように高圧で作動するフロート作動装置に関する。
【０００２】
本発明を述べる場合、『高圧』という表現は５バールを超える圧力を意味し、フロートが受ける装置のチャンバー内の圧力を指す。
【０００３】
【従来の技術】
圧力駆動式ポンプは、蒸気装置において凝縮液を凝縮液帰還装置に持上げるために使用され、そこから凝縮液は蒸気発生ボイラーに再導入される。そのようなポンプは凝縮液が溜まるチャンバーを備えており、該チャンバー内の凝縮液は、そのレベルに応答するフロートの制御により、蒸気の定期的な流入及びチャンバーの排気によって定期的に排出される。
【０００４】
イギリス特許Ａ-2302916号及び米国特許Ａ-5141405号は圧力駆動式ポンプの形状のフロート作動装置を開示しており、高圧に耐えることができるフロートが、チャンバー内の液体のレベルに応じて該チャンバー内で上方及び下方に回動運動すべくリンク装置により支持され、前記リンク装置が、ハウジング内への及び／またはハウジングからの流れを制御する制御手段を始動させるべく前記フロートの運動により作動可能な始動手段に連結している。
【０００５】
いくつかの適用例では、凝縮液入口に十分な圧力水頭があり、蒸気がチャンバー内に入る前に、上昇するフロートが出口弁を作動することが可能であり、次いで凝縮液は入口の圧力を受けて出口を通り排出される。この圧力水頭が凝縮液を排出するのに不十分であると、フロートは更に上昇し、蒸気がチャンバー内に導入されて凝縮液を押し出すことになろう。
【０００６】
米国特許Ａ-5141405号で開示された圧力駆動式ポンプはトグル機構を持ち、その機構は共通支持部上で回動可能な運動をするように取付けられた入力レバー及び出力レバーと、入力レバー上の第１点及び出力レバー上の第２点間で作用する弾性手段とを備えており、出力レバーは限界位置間で回動可能であり、入力レバーは、弾性手段が出力レバーをその限界位置の１つに付勢するように作用する第１位置と、第１点、第２点及び出力レバーの取付け場所が共通の直線上に位置する死点と、弾性手段が出力レバーをその限界位置の他方に付勢するように作用する第２位置との間で回動可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
圧力駆動式ポンプは通常、蒸気装置の最下点に位置し、床に据付けられる。時には、熱交換機又は、凝縮液が圧力駆動式ポンプに供給される蒸気装置のその他の構成要素は、床からの距離が僅かであるために、ポンプ用の充填水頭が非常に小さいので、ポンプ室への適切な充填速度を生み出すことができない。従って、圧力駆動式ポンプはチャンバー内におけるフロートの両終点位置間での液体レベルの小変化により確実に作動することが望ましい。しかし、球形フロートを使用する従来の圧力駆動式ポンプでは、フロートそれ自体の直径がポンプ室全体の高さに影響を与える。フロート自体の寸法は、フロートの上昇方向においてトグル機構を作動させる適切な浮力及び、フロートの下降時に反対方向にトグル機構を作動させるための適切な重量を与える必要性により決定される。球形は使用中に受ける高圧に耐え得る最良の形状であるため、圧力駆動式ポンプ及び凝縮液トラップのような高圧装置において、従来球形フロートが使用されてきた。
【０００８】
米国特許Ａ-5141405号の構造の場合、入力レバー及び出力レバーは共通軸の回りを回動運動可能なように、共通支持部に取付けられている。その結果、フロートがその終点位置にある場合、トグル機構はその最大の抵抗をフロートの運動に加えるという欠点を有している。これは、フロートの全浮力（あるいは重量）が、トグル機構によって加えられる抵抗に打ち勝つために利用される、ということを意味している。その結果、処理流体用の出口弁を開く、というような他の作業を行うために利用可能な余分なエネルギーは無い。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために提案されるものである。
【００１０】
請求項１の発明は、チャンバー内に昇降可能に収容したフロートに、該チャンバーからの液体の流出を制御する出口弁が連動、連結されるフロート作動装置であって、前記フロートに一端が該フロートと共に昇降するよう連結された入力レバーと、出力レバー、前記入力レバー上の第１点と前記出力レバー上の第２点との間に掛け渡されてその間で作用する弾性手段とからなるトグル機構を備え、それら入力レバー及び出力レバーは共通支持部上に回動運動可能に取付けられると共に、前記出力レバーは２つの限界位置間で回動可能であり、前記入力レバーは、前記弾性手段が前記出力レバーを一方の限界位置に付勢するよう作用する第１位置と、第１点、第２点及び前記出力レバーの取付け部が前記弾性手段の作用線上に一致する共通の直線上に位置する死点と、前記弾性手段が前記出力レバーを他方の限界位置に付勢するよう作用する第２位置との間で回動可能であり、前記入力レバーが前記第１位置にある状態で前記フロートが上昇を始めた時の前記第１点の初期移動の方向が前記弾性手段の作用方向に対してほぼ垂直になるように、前記入力レバーと出力レバーとは、互いに間隔をおいて位置する２つの異なる軸線回りでそれぞれ回動運動可能として前記共通支持部に取付けられていることを特徴とするものが提供される。
【００１１】
本発明のこの特徴に従って構成された好適な実施例において、前記死点において前記出力レバーの取付け部が、前記第１点と前記第２点との間に位置しており、入力レバーを第１位置または第２位置のいずれかから死点へ移動させるのに要する力は、入力レバーが死点に近づくにつれて連続的に増加する。
【００１２】
出力レバーの限界位置は出力レバーと係合可能なストッパ部によって規定されることが望ましい。
【００１３】
出力レバーは弁機構に連結することが可能である。
【００１４】
フロート作動圧力駆動式ポンプで使用される場合、前述のトグル機構は、フロートの最終位置のいずれかからの初期移動がほとんど力を必要としないという利点を持つため、フロートの初期移動は、例えば、ポンプチャンバーからの処理液体の流出を制御する出口弁を開くために利用することが可能である。
【００１５】
本発明のさまざまな特徴および利点は、添付の図面に関連する以下の好適な実施例の詳細な説明から一層明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に示された装置は本発明の一実施例によるフロート作動装置を用いた蒸気利用設備を備えており、該装置は蒸気発生ボイラからパイプ４を通過する処理蒸気を受入れる熱交換機２として示されている。熱伝達が熱交換機２で行われ、蒸気の一部は凝縮し、フロート作動装置としての圧力駆動式ポンプ１０の凝縮液入口８に連結された凝縮液パイプ６に流れ込む。ポンプ１０の出口１２は凝縮液帰還装置１４に連結される。
【００１７】
パイプ４を流れる蒸気は最初は高圧であるが、熱交換機２に入る蒸気が、その内部で行われる処理に適した圧力及び温度になるように調節バルブ１６によって圧力を低減される。少なくとも５バール、例えば８バールを超える圧力の高圧蒸気は、パイプ４からパイプ１８を通って、ポンプ１０の駆動蒸気入口２０へ取り入れられる。ポンプ１０の排出ポート２２はバランスパイプ２４によってパイプ６に連結されている。
【００１８】
作動中、パイプ４を通って熱交換機２に流れる蒸気は放熱して、凝縮する。凝縮液はパイプ６を通って、ポンプ１０へ流れる。パイプ６内の圧力が凝縮液を凝縮液帰還装置１４へと押し上げるに充分なものである場合には、ポンプ１０は蒸気トラップとして作動し、凝縮液の存在に応答して開き、蒸気のみが凝縮液入口８に達すると閉じる。しかし、パイプ６内の圧力が不十分で凝縮液を帰還装置１４に送り出すことができない場合には、パイプ４からの駆動蒸気がパイプ１８を通ってポンプ１０に導入され、ポンプを作動して凝縮液を排除する。
【００１９】
ポンプは図２−６に詳細に示される。ポンプは、エンドキャップ２８との間にチャンバー３０を画成するハウジング２６を備える。フロート３２はチャンバー３０内に位置し、上方レバー３４及び下方レバー３６からなる平行四辺形リンク装置により支持されている。上方レバー３４は、エンドキャップ２８に固定された支持部４０にピボット部３８で連結している。同様に、下方レバー３６は、やはりエンドキャップ２８に固定された支持部４４のピボット部４２に取付けられている。
【００２０】
上方レバー３４はトグル機構４６の入力レバーとして働く。該機構４６は、ピボット部３８から間隔を設けたピボット部５０で支持部４０に回動可能に連結した出力レバー４８を備えている。レバー３４はアーム５２を備え、引張りばね５４がアーム５２の外端における第１点５６と、ピボット部５０から離れた位置にある出力レバー４８上の第２点５８との間で作用する。
【００２１】
出力レバー４８は、パイプ１８から入口２０を通る蒸気の流れを制御する駆動蒸気入口弁６２を作動させ作動ピン６０を搭載している。
【００２２】
凝縮液入口８は弁座６６と連動するフラップ弁６４によって制御される。この弁は図８及び図９に詳細に示される。図２−６により、弁座６６が垂線に対して傾斜していることが理解されるであろう。フラップ弁は、上縁にピボット軸６５を一体に形成された円形本体６３を備える。ピボット軸６５は本体の接線方向に延び、各端部においてエンドキャップ２８及び支持部４０間の間隔に保持されており、従って本体６３は、チャンバー３０と入口８間の圧力差に応じ、弁座６６に対して接触、離間を行うべく揺動することができる。
【００２３】
下方レバー３６は、凝縮液出口１２からの液体の流出を制御する出口弁６８に連結されている。弁６８は図７に詳細に示されており、弁座７０、外側弁体７２及び内側弁体７４を備えている。弁座７０は中心孔７６を備え、外側弁体７２はこの孔７６と密接に係合し、且つ離れるように移動可能である。外側弁体７２は開口７８を備え、内側弁体７４はこの開口７８と接触し、且つ離れるように移動可能である。内側弁体７４はレバー３６に回動可能に連結されたステム８０に取付けられている。内側弁体７４は、外側弁体７２に形成された長手方向に延びるスロット８４に係合する横方向ピン８２を備える。従って、図７に示されるように、上方へのステム８０の移動により、最初は内側弁体７４が開口７８から離れ、その弁を介して制限された流れを可能にすることが理解されるであろう。ステム８０の連続的な移動により、ピン８２をスロット８４の上端と係合させ（図７に示される状態）、次いで外側弁体７２を孔７６から引き出し、弁座７０に形成された通路８６から十分な流れが孔７６を通るようにさせる。
【００２４】
図２は、チャンバー３０内に凝縮液が存在しない状態のポンプを示す。従ってフロート３２はその最も下方位置にある。弁６２は閉じ、そして排出ポート２２を制御する対応弁（図２から図６には示されていないが、図１５に９６で示される）は開いている。その結果、チャンバー３０内の圧力は凝縮液入口ポート８の圧力と同じである。フラップ弁６４は垂直方向に下がっているので、熱交換機２の蒸気ジャケットから流れ出す凝縮液は（重力に従って）、弁を開く必要から生じる圧力低下もなく、チャンバー３０に入ることが可能である。弁６８は完全に閉じている。
【００２５】
図３は、チャンバー３０が凝縮液で満たされ始めた状態を示す。フロート３２は上昇し、下方レバー３６を弁６８のステム８０に作用させ、内側弁体７４を開口７８から引き出す。この状態で、凝縮液は自由に弁６８を通り、凝縮液出口１２を通って凝縮液帰還装置１４へ流れる。しかし、これは、チャンバー３０の圧力（入口８の圧力と等しい）が、凝縮液を凝縮液帰還装置１４のレベルに上げることができるだけの十分な場合にのみ起こる。逆止弁を弁６８に設けて、チャンバー３０への逆流を阻止することも可能である。
【００２６】
凝縮液が、弁６８からの流出速度よりも早い速度で、凝縮液入口８を通ってチャンバー３０内に流れ込む場合、フロート３２は、図４に示されるように、上昇し続ける。この状態では、レバー３６が弁６８を全開させており、一方レバー３４の連動する回動運動によってばね５４が、その２つの端部を通る線が出力レバー４８のピボット部５０をも通過する位置へと移動させられている。
【００２７】
図５は、フロート３２がその最上位置にある状態を示す。この状態では、ばね５４が図４の直列状態を越えて移動しており、その結果、トグル機構は切替って、出力レバー４８を素速くその他方の限界位置に移動させている。これによって作動ピン６０は弁６２の始動素子８８に当たり、従って駆動蒸気入口２０を開き、同時に排出ポート２２は閉じる。蒸気は駆動蒸気入口２０から勢いよく流れ込んで、チャンバー３０を加圧する。これによりフラップ弁６４は弁座６６に当接して閉じ、チャンバー３０内の増加した圧力により全開した弁６８から凝縮液が押し出される。
【００２８】
チャンバー３０内の凝縮液レベルが下がると、それに伴いフロートも下がり、その結果として上方レバー３４が移動することにより、図６に示されるように、ばね５４の２つの端部をつなぐ線が、出力レバー４８が支持部４０に連結されるピボット部５０を通過する状態となるまで、ばね５４が出力レバー４８上のそのピボット点５８回りで回転させられる。この状態では、フロート３２はチャンバー３０の底部の近くにあり、フロートの連続する下降移動により、トグル機構４６が再び切り替わって、図２に示される状態、すなわち駆動蒸気入口２０が閉じ排出ポート２２が開いた状態になる。同様に、下方レバー３６によって弁６８が全閉位置に戻されている。
【００２９】
図２から図６に示されるように、そらせ板９０は駆動蒸気入口２０の周囲のエンドキャップ２８に取付けられている。このそらせ板９０の目的は、蒸気と凝縮液が強制的に混合されるのを回避するために、チャンバー３０に入る蒸気をチャンバー３０内の凝縮液の表面から離して確実に上方に移動させることにある。これによって蒸気の冷却、そしてその結果生じる凝縮を遅らせ、その結果、凝縮液が弁６８を通って排出される際に、チャンバー３０内の圧力は保持される。
【００３０】
図２から図６に示される実施例では、フロートは偏球面体、即ち平らにした球面体の形状である。垂直方向に見ると、フロート３２の外形は円形であり、フロート３２の外周とチャンバー３０の壁との間には比較的僅かのすきましかない。これによってチャンバー３０における凝縮液の自由表面を最小化し、流入する駆動蒸気と凝縮液との間の熱交換をさらに低減する。
【００３１】
図２から図６に示される実施例では、フロート３２のアスペクト比は約２．４である。アスペクト比は３．５未満が望ましいが、これは、一層大きいアスペクト比を持たせて圧力駆動式ポンプ内に発生し得る圧力に抵抗することが可能な中空フロートを設計することが、ますます困難になるからである。フロート内部に、ハニカム構造のような強化素子を設けることによって補強することが可能である。強度要件は別として、フロートの浮力及び重力を、フロート３２の上方及び下方の両ストロークでトグル機構を作動させるに足るものとすることもまた必要である。
【００３２】
図２および図５から、レバー３４、３６が、両端位置にある時のフロート３２に適合するようにクランク状に曲がっていることが理解されよう。トグル機構の作動が図１０から図１２に示されており、これらの図における種々の構成要素は、図２から６の対応する構成要素と同じ参照番号を使用して示されている。更にストッパ９２は、出力レバー４８の動作を拘束するように示されている。
【００３３】
図１０は図２の状態を表す。出力レバー４８は下方ストッパ９２と当接し、その結果、フロート３２の上方移動はばね５４によって阻止される。
【００３４】
チャンバー３０内の凝縮液レベルが上昇すると、フロート３２の浮力はばね５４によって点Ｃ（５６）に加えられた力を克服し、従ってレバー３４は固定点Ａ（３８）の回りで回転する。図１１に示される死点では、点Ｃ（５６）、Ｏ（５０）そしてＢ（５８）が共通の直線上にあるが、それにもかかわらず、出力レバー４８が定位置に固定されたままであるとすれば、フロート３２の連続的な上方移動によってばね５４が更に伸張することが理解されるであろう。これは点Ｏ（５０）とＡ（３８）が相互に離れている結果であって、点Ｃ（５６）の運動が尚も、点Ｂ（５８）から離れる方向の成分を備えているからである。
【００３５】
図１２は図１１の直ぐ後の状態を示し、トグル機構は切替っており、レバー４８は移動して上方ストッパ９２に当接している。
【００３６】
ピボット部Ｏ（５０）及びＡ（３８）を異なる位置に配置するということは、点Ｃ（５６）の初期移動がばね５４の方向に対してほぼ垂直になるので（図２参照）、ばね５４の作用に抗してフロート３２を上昇させるのに要する浮力が非常に低い値から始まるようにトグル機構を設定することが可能であることを意味する。従って、フロート３２の上方向移動は最初は、ばね５４の抵抗を殆ど受けないので、フロート３２の運動から得られるエネルギーは全て、内側弁体７４を開口７８から持上げて弁６８を開くために利用することが可能である。フロートが上昇しつづけると、ばね５４を克服するために必要な力は次第に増加し、トグル機構の死点まで増加し続ける。これは図１３のグラフで表され、Ａはフロート３２の最下方位置、Ｂはトグル機構の死点を表している。この配置により、フロート３２の移動で得られるエネルギーの最大限利用が可能となり、比較的短いフロート全体の運動によって、弁６８を確実に開き、トグル機構４６に確実なトグル動作をさせることができる。これはレバー３４と４８の回動運動が別々のピボット軸３８、５０回りで起こり、フロート３２の比較的短い移動に対して、ばねの端部５６の比較的大きな移動を生起させるからである。
【００３７】
図１４と図１５はフロート３２の別の構造を示す。本実施例では、フロートは、剛性結合された２つのフロート素子９４で形成されている。各フロート素子は半球形の両端を備えた円筒形をしている。これらのフロート素子はそれらの長手方向軸を相互に平行に且つ水平面上に置いて並んで配置されている。図１４から理解されるように、フロート３２は全体として、上述したように、チャンバー３０の断面積のかなりの割合を占めており、従って、凝縮液の自由表面は最小限に抑えられ、ポンプサイクルの間、凝縮液と流入蒸気との間の熱交換を最小化する。
【００３８】
圧力駆動式ポンプに関して本発明を説明してきたが、例えば凝縮液トラップのような他の高圧フロート作動装置にも応用できることは理解されるであろう。
【００３９】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、入力レバーが第１位置にある状態でフロートが上昇を始めた時の第１点の初期移動の方向が弾性手段の作用方向に対してほぼ垂直になるように、入力レバーと出力レバーとが、互いに間隔をおいて位置する２つの異なる軸線回りでそれぞれ回動運動可能として共通支持部に取付けられるので、入力レバー上の第１点の初期移動が弾性手段の作用方向に対してほぼ垂直になり、弾性手段の作用に抗してフロートを上昇させるのに要する浮力が非常に低い値から始まるようにトグル機構を設定することが可能となり、その場合、フロートの上方向移動は最初に弾性手段の抵抗を殆ど受けないので、フロートの初期移動で得られるエネルギーの最大限利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による一実施例を用いた蒸気装置の概略図である。
【図２】 図１の装置で使用される圧力駆動式ポンプの様々な作動段階を示す断面図である。
【図３】 図１の装置で使用される圧力駆動式ポンプの様々な作動段階を示す断面図である。
【図４】 図１の装置で使用される圧力駆動式ポンプの様々な作動段階を示す断面図である。
【図５】 図１の装置で使用される圧力駆動式ポンプの様々な作動段階を示す断面図である。
【図６】 図１の装置で使用される圧力駆動式ポンプの様々な作動段階を示す断面図である。
【図７】 図２−図６のポンプの凝縮液出口弁の拡大図である。
【図８】 図２−図６のポンプの一部の断面図である。
【図９】 図８に示された部分の一部品の図である。
【図１０】 図２−図６のポンプのトグル機構の様々な作動段階を概略的に示す図である。
【図１１】 図２−図６のポンプのトグル機構の様々な作動段階を概略的に示す図である。
【図１２】 図２−図６のポンプのトグル機構の様々な作動段階を概略的に示す図である。
【図１３】 図１０−図１２のトグル機構の作動を表すグラフである。
【図１４】 圧力駆動式ポンプの別の形態の平面断面図である。
【図１５】 図１４のポンプの一部の斜視図である。
【符号の説明】
８ 処理液体入口
２８ 固定支持部
３０ チャンバー
３２ フロート
３４、３６ リンク装置（レバー）
３８ 軸線（ピボット部）
４６ 始動手段（トグル機構）
５０ 軸線（ピボット部）
５４ 弾性手段
５６ 第１点
５８ 第２点
６２ 制御手段（弁機構）
６４ 常開チェック弁
６８ 出口弁
９２ ストッパ
９４ フロート素子

Claims (6)

1. チャンバー（３０）内に昇降可能に収容したフロート（３２）に、該チャンバー（３０）からの液体の流出を制御する出口弁（６８）が連動、連結されるフロート作動装置であって、
   前記フロート（３２）に一端が該フロート（３２）と共に昇降するよう連結された入力レバー（３４）と、出力レバー（４８）と、前記入力レバー（３４）上の第１点（５６）と前記出力レバー（４８）上の第２点（５８）との間に掛け渡されてその間で作用する弾性手段（５４）とからなるトグル機構（４６）を備え、
   それら入力レバー（３２）及び出力レバー（４８）は共通支持部（２８）上に回動運動可能に取付けられると共に、前記出力レバー（４８）は２つの限界位置間で回動可能であり、
   前記入力レバー（３４）は、前記弾性手段（５４）が前記出力レバー（４８）を一方の限界位置に付勢するよう作用する第１位置と、第１点（５６）、第２点（５８）及び前記出力レバー（４８）の取付け部（５０）が前記弾性手段（５４）の作用線上に一致する共通の直線上に位置する死点と、前記弾性手段（５４）が前記出力レバー（４８）を他方の限界位置に付勢するよう作用する第２位置との間で回動可能であり、
   前記入力レバー（３４）が前記第１位置にある状態で前記フロート（３２）が上昇を始めた時の前記第１点（５６）の初期移動の方向が前記弾性手段（５４）の作用方向に対してほぼ垂直になるように、前記入力レバー（３４）と前記出力レバー（４８）とは、互いに間隔をおいて位置する２つの異なる軸線（３８，５０）回りでそれぞれ回動運動可能として前記共通支持部（２８）に取付けられていることを特徴とするフロート作動装置。
2. 前記死点において前記出力レバー（４８）の取付け部（５０）が、前記第１点（５６）と前記第２点（５８）との間に位置しており、前記入力レバー（３４）をその第１または第２位置から前記死点へ移動させるために必要な力は、前記入力レバー（３４）が第１または第２位置から死点へ移動するにつれて連続的に増加することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記出力レバー（４８）の限界位置は該出力レバー（３６）と係合可能なストッパ（９２）により規定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記出力レバー（４８）は、前記出口弁（６８）とは別の弁機構（６２）に連動していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 圧力駆動式ポンプであることを特徴とする、前記請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 凝縮液トラップであることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の装置。

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