JP4435243B2

JP4435243B2 - ポンプ装置

Info

Publication number: JP4435243B2
Application number: JP2008079445A
Authority: JP
Inventors: 紀之中西; 直裕小倉; 賢登大森
Original assignee: Tatsuno Corp
Current assignee: Tatsuno Corp
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: KR20090102607A; KR101091563B1; JP2009235918A

Description

本発明は、ポンプにより圧送される流体に含まれる気泡を分離して分離室に回収しつつ液体を所定の装置に圧送するためのポンプ装置、より詳細には気液を分離する気液分離機構に関する。

給油所ではガソリンや軽油等の揮発性の液体を取り扱っており、給油時に使用する給油装置は液体を圧送するポンプと、液体に混入している気泡を分離するための気液分離機構と、分離した液体を溜める分離室と、分離した液が所定量となったときにポンプ側に戻すフロート弁とが設けられている。

この種の用途に用いられる気液分離機構としては、例えば、水平に配置された有底筒形状を有し、底部の中心に小孔を設けると共に、円筒体の内周面にその接線方向に流体を流入させるように構成されたものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。気液分離機構に流入した流体は渦巻き状に旋回し、遠心力により気泡が可及的に少ない成分と気泡を多く含む成分とに分離される。多量の気体を含む液体は底部の小孔から分離室に流れ込み、気体が分離室の上部の大気連通孔から大気に放出され、液体が分離室の底部に設けられた戻し流路を通って再びポンプに戻される。気液分離機構で分離された気泡が可及的に少ない成分は、流出口から吐出される。
特開昭６１−５４２１２号公報

しかしながら、従来の気液分離機構は気泡成分を排出するための小孔の孔径が固定されていたので、孔径によって定まる処理能力より流体中の気体混入量が多い場合には、気体を分離室に排出しきれず、気体が多く混入した流体がポンプ装置から吐出されてしまうことがあった。これに対して、小孔の径を予め大きく設定すると、気体混入量が少ない場合に分離室への排出量が多くなり過ぎ、ポンプ装置から吐出される流体の量が減少してしまう。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、気液分離機構の分離能力を気泡成分の大小によって変化させることができるポンプ装置を提供することを主な目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、流入口から吸い込んだ流体を加圧するポンプと、加圧後の流体を遠心力によって気液分離し、流入側の端部中央に設けられた分離孔から気体を流出させ、反対側の開放端から液体を通流させる気液分離機構と、前記気液分離機構の前記分離孔から流入した流体から前記ポンプに回収する液体を分離させるための分離室と、前記分離室から前記ポンプの吸入口に至る流路に設けられたフロート弁とを含むポンプ装置において、前記気液分離機構は、略垂直に配置されて内部に流体が通るパイプと、流体の流入側である前記パイプの上端部に設けられ、前記分離室に流入させる流体の量を調整可能な可変バルブとを含んで構成され、前記可変バルブは、前記パイプ内を摺動自在なバルブ本体を有し、前記バルブ本体に前記分離孔を閉鎖可能で前記分離孔より小径の孔が前記分離室に連通可能に設けられたノズルと、前記ノズルの周囲に形成されて分離された流体を前記分離孔に導くことができる連通孔とが設けられていることを特徴とするポンプ装置とした。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のポンプ装置において、前記分離孔と前記小径の孔は、前記パイプと同軸に配置されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のポンプ装置において、前記バルブ本体は、フロートを有することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のポンプ装置において、前記バルブ本体は、前記パイプに流体が流入する接続口を越えて開放端に向かって延び、前記バルブ本体には前記接続口からの流体の流入を許容するスリットが設けられていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のポンプ装置において、前記バルブ本体の外側に少なくとも１つのリブを前記バルブ本体の摺動方向に平行に設け、前記パイプの内側に前記リブに係合する溝を設けたことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項４又は請求項５に記載のポンプ装置において、前記バルブ本体の摺動方向に直交する外形をＤ形にすると共に、前記パイプの内側の形状が前記バルブ本体を収容可能なＤ形であることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項４に記載のポンプ装置において、前記スリットを通って流入する流体の流れが可及的に前記バルブ本体の周面の接線方向になるように整流する整流板を前記バルブ本体に設けたことを特徴とする。

本発明によれば、可変バルブが開いたときは開口面積が大きい分離孔を通して分離室に流体が排出され、可変バルブが閉じたときは分離孔が閉鎖されると共に分離孔より小径の孔を通して分離された流体が分離室に排出されるので、可変バルブによって気液分離機構で分離された流体の排出量を制御することができ、気液を確実に分離しつつ、ポンプ装置から流体を安定して吐出させることが可能になる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施の形態において同じ構成要素には同一の符号を付してある。また、各実施の形態において重複する説明は省略する。

（第１の実施の形態）
図１に本実施の形態に係るポンプ装置の断面図を示す。ポンプ装置１は、ハウジング２を有し、ハウジング２には燃料油（流体）の流入口３と流出口４が設けられている。流入口３の内側には、チェック弁５が設けられており、ストレーナ６が設けられたフィルタ室７に連通している。フィルタ室７は、上方の吸入室８を介してポンプ９の吸い込み口９Ａに接続されている。この実施の形態におけるポンプ９には、公知の内接歯車ポンプが用いられている。ポンプ９の吐出口９Ｂは、液路１０を介して気液分離機構１１に接続されている。液路１０は上向きに延びた後、略水平に屈曲し、気液分離機構１１のパイプ１２の上端部に接続されている。

気液分離機構１１は、液路１０が接続された上端部（上流側の端部）に本発明が特徴とする可変バルブ１３が設けられており、全体として有底筒形状を有する。下側の端部は開放されており、フィルタ室１５に連通している。一方、可変バルブ１３には分離孔１４が形成されており、分離孔１４を介して分離室２１（フロート室）に連通している。

気液分離機構１１の開放された端部は、フィルタ室１５に配置されている。フィルタ室１５には、ストレーナ１６が設けられている。フィルタ室１５と流出口４の間には、コントロール弁１７が設けられている。コントロール弁１７は、バネにより常時閉弁方向に付勢されている。さらに、フィルタ室１５には、吸入室８に連通するバイパス孔１８が設けられている。バイパス孔１８は、吸入室８側に設けられたバイパス弁１９によって開閉がコントロールされる。

分離室２１は、分離孔１４から排出される若干気泡が混じっている流体を一時的に滞溜させ、流体内の気体と液体とを重力もしくは浮力により分離させるための空間である。分離室２１の上部には、分離した空気を放出するための孔２２が形成されている。分離室２１の底部側には、フロート弁２３が設けられている。フロート弁２３は、分離室２１からフィルタ室７に延びる戻り流路２４の開閉を制御するために設けられている。

ここで、この実施の形態に係る気液分離機構１１の詳細について説明する。
気液分離機構１１のパイプ１２は、略垂直に配置され、上端部に液路１０との接続口１０Ａが設けられている。図２に示すように、液路１０は、パイプ１２の内周面の接線方向に燃料油が流入するように接続されている。図３に示すように、接続口１０Ａの上側のパイプ１２の内面には段差２５が形成されており、段差２５より上側の部分に可変バルブ１３が設置されている。

可変バルブ１３は、パイプ１２内に摺動自在に挿入されるバルブ本体３１と、パイプ１２の上端を閉塞するシール及び可変バルブ１３の弁座の役割を担うキャップ３２とを有する。
バルブ本体３１は、胴部３４の下端に天部３５が設けられた有底筒形状を有し、胴部３４にフロート３６が形成されている。フロート３６は、密閉された空間からなり、後述するようにパイプ１２の内圧と液面が所定値を越えたときには、流体圧力と浮力に応じてバルブ本体３１を上方に移動させるように容積が設定されている。天部３５の中央にはノズル３７が軸線方向上向きに一体に形成されると共に、ノズル３７を挟むように一対の連通孔３８が天部３５を貫通している。ノズル３７は、先端に先細りの円錐台形の先端部３９が設けられている。さらに、ノズル３７を軸線方向に貫通する小孔４０が中心、かつパイプ１２と同軸に形成されている。

キャップ３２は、中央に分離孔１４が設けられている。分離孔１４は、パイプ１２の内側と分離室２１とを連通させるもので、パイプ１２及び小孔４０と同軸に形成されている。分離孔１４の径は、ノズル３７のガイド面３９Ａの先端側の外径より大きいが、ガイド面３９Ａの下端の最も大径の部分より小さい。このため、ノズル３７が分離孔１４に進入すると分離孔１４がガイド面３９Ａによって閉塞される。

次に、ポンプ装置１の動作について説明する。
図１に示すポンプ装置１の流入口３に供給された燃料油は、フィルタ室７のストレーナ６でゴミなどが除去された後、吸入室８に流入する。さらに、吸い込み口９Ａからポンプ９に吸入され、所定の圧力に加圧された後、液路１０に吐出される。燃料油は、液路１０を通って気液分離機構１１に導かれる。気液分離機構１１では、遠心力の作用によって燃料油と、気泡として混入されていた空気とが分離させられる。燃料油は、主に気液分離機構１１のパイプ１２の内周面を通って下側の開放された端部から排出され、フィルタ室１５に導かれる。そして、コントロール弁１７を押し開いて、流出口４から送り出され、例えば給油ノズルから自動車の燃料タンクに供給される。一方、燃料油に含まれていた気泡は、主に気液分離機構１１のパイプ１２の中央に分離させられ、可変バルブ１３を通って分離室２１に排出される。気泡である空気は、分離室２１の上部の孔２２から大気に放出される。気泡と共に排出された流体に燃料油が含まれていた場合は、そのような燃料油が分離室２１の底部に溜まる。分離室２１の液位が上昇すると、フロート弁２３が開いて溜まった燃料油が戻り流路１２からフィルタ室７に戻され、ポンプ９で再び加圧される。

ここで、気液分離機構１１では、燃料油を可及的に空気が少ない成分と空気が多い成分とに分離するにあたり、空気の混入量によって変化する流体圧力に応じて可変バルブ１３が進退して分離室２１への流出量を制御する。

燃料油の空気混入量が多い場合は、空気量が多いために流体全体としての粘性が小さくなって流体抵抗が低下し、相対的に燃料が少ないことから気液分離機構１１内の流体圧力は低くなる。その結果、図３に示すように、バルブ本体３１が自重によってパイプ１２の段差の形成位置に下がったままになる。
気液分離機構１１に流入した燃料油は、接続口１０Ａからパイプ１２の内周面に沿って流れ、遠心力によって比重の重い燃料油が外側に向けて、比重の軽い空気が中央に向けて分離される。中央には、空気を主体とし、少量の燃料油が含まれた流体が分離される。この分離された流体は、比重が小さい為、浮力も作用し、開状態の可変バルブ１３のノズル３７の小孔４０及びノズル３７を挟む連通孔３８を通って、バルブ本体３１とキャップ３２が形成する空間４１を通り、キャップ３２の分離孔１４から分離室２１に排出される。

可変バルブ１３のノズル３７の小孔４０及び一対の連通孔３８の全体の開口面積や形状は、分離孔１４と同程度、又はそれ以上に流体を流し易くなっており、分離された流体は、スムーズに分離室２１に排出される。
一方、パイプ１２及びバルブ本体３１の外側に集まった燃料油を主体とする流体は比重が大きく、重力が作用し、パイプ１２の下端からフィルタ室１５に流出し、前記のように流出口４から吐出される。

これに対して、燃料油の空気混入量が少ない場合は、流体全体としての粘性が大きくなって流体抵抗が増加し、相対的に燃料が多いことから気液分離機構１１内の流体圧力が上昇する。気液分離機構１１内の流体圧力が予め定められた圧力と液面を越えると流体圧力とフロート３６の浮力の作用によって、図４に示すように、バルブ本体３１が上昇する。ノズル３７の先端部３９が、ガイド面３９Ａのテーパによってスムーズに分離孔１４に挿入されて流路を閉鎖させると、ノズル３７の小孔４０のみで気液分離機構１１と分離室２１が連通させられる。
従って、気液分離機構１１内で分離させられて中央に集められた流体は、ノズル３７の小孔４０のみを通って分離室２１に流出する。このときの排出量は、小孔４０の孔径が分離孔１４より小さいことから、可変バルブ１３が開いているときの排出量より少ない。なお、バルブ本体３１の移動量は、分離前の気液が混合した流体の圧力と粘度と密度に関係する流体抵抗とフロート３６の浮力の作用によって定まり、気体混入量に応じた弁開度と流体の排出量が実現される。

ここで、図５に本実施の形態に係るポンプ装置１で空気混入量と計測誤差の関係を調べた結果を示す。比較として従来のポンプ装置の計測誤差を破線で示している。従来のポンプ装置では空気混入量が少ない場合を想定して分離孔を調整してあるので、空気混入量が増えると分離しきれなかった空気が燃料油と共に吐出され、空気混入量が３０％を越えると、計測誤差が３％以上になり、計測誤差が大きかった。これに対して、本実施の形態に係るポンプ装置１では、空気混入量に応じて弁開度が調整されるので、空気混入量に係わりなく計測誤差は１％未満であり、計測誤差を小さく抑えることが可能になる。

以上、説明したように、この実施の形態に係るポンプ装置１では、流体圧力及びフロート３６によって弁開度が自動的に調整される可変バルブ１３を気液分離機構１１に設け、気体混入量が多い場合に分離室２１に連通する流路が大きくなるようにした。従って、可変バルブ１３が開いたときに多量の流体を分離室２１に排出させ、可変バルブ１３が閉じたときに少量の流体を分離室１２に排出させることが可能になり、気体混入量の多少によらずに気体を分離室２１に確実に排出できるようになる。さらに、空気の混入量が少ない場合には、可変バルブ１３が閉じることで大量の燃料油が分離室２１に流出することが防止され、ポンプ装置１を効率良く安定して運転させることができる。なお、このポンプ装置１は、気液分離機構１１に流入する燃料油の量が大きいときに可変バルブ１３が開き、流入量が少ないときに可変バルブ１３が閉ることによっても、分離室２１に流出させる流体量を調整することができる。

（第２の実施の形態）
図６に第２の実施の形態に係るポンプ装置の気液分離機構を示す。気液分離機構５１は、略垂直に配置されたパイプ１２の上端側であって、接続口１０Ａの形成位置を含む領域が拡径されており、ここに可変バルブ６１のバルブ本体６２が摺動自在に配置されている。
可変バルブ６１は、パイプ１２の上端を閉塞するキャップ６３と、バルブ本体６２とを有する。キャップ６３は、中央に分離孔１４が形成されている。

図７及び図８に示すように、バルブ本体６２は、軸線方向に接続口１０Ａを越えて延びる胴部６４を有し、移動時の噛み付きを防止できるようになっている。胴部６４は、平面状の整流板６５がパイプ１２の接線に略平行になるように設けられ、軸線に直交する断面がＤ形になっている。さらに、整流板６５の上側の一部には接続口１０Ａからの燃料油の流入を許容するためのスリット６６が形成されている。この実施の形態では、液管１０が気液分離機構５１に略水平に接続されているので、整流板６５は略垂直に配置されている。なお、整流板６５は、接続口１０Ａを通って流入する燃料油の流れが可及的にバルブ本体６２の周面の接線方向になるように、±２０°の範囲で向きが設定される。
図６に示すように、整流板６５を除いた胴部６４の内周部分の径ｄ１は、パイプ１２の拡径されていない部分の内径ｄ２に略等しい。さらに、バルブ本体６２の外周の曲面部分には、一対のリブ６７が中心軸に対して対称で、かつ中心軸（摺動方向）と平行に突設されている。バルブ本体６２において、キャップ６３に臨む一方の端部には一段下がった位置に天部３５が設けられており、反対側の端部は開放されている。バルブ本体６２の天部３５は、中央にノズル３７が一体に形成されると共に、天部３５を貫通する一対の連通孔３８がノズル３７を挟むようにそれぞれ円弧状に形成されている。さらに、ノズル３７の外周には、フロート３６が設けられている。

図９に示すように、パイプ１２のバルブ本体６２が収容される部分は、バルブ本体６２に合わせて断面がＤ字形になっており、その内周には、リブ６７を挿入可能な一対の溝７１が刻まれている。溝７１は、中心軸に対して対称に配置されておいる。パイプ１２及びバルブ本体６２のそれぞれのＤ形状と、リブ６７及び溝７１の位置を一致させると、接続口１０Ａの位置とバルブ本体６２のスリット６６の位置が一致する。バルブ本体６２とパイプ１２のＤ形状と、溝７１及びリブ６７は、パイプ１２に対するバルブ本体６２の位置決め及び回転防止に役立つ。

次に、気液分離機構５１の作用について説明する。
初期状態ではバルブ本体６２の自重によって、パイプ１２側の段差７２に当接する位置までバルブ本体６２が下がっている。バルブ本体６２の胴部６４の整流板６５によって、気液分離機構５１に流入する燃料油は可及的にバルブ本体６２の内周面の接線方向に整流されて流入する。その結果、気液分離機構５１内で燃料油の旋回流が強化され、これによって発生する遠心力によって気体と液体が分離させられる。

燃料油の空気混入量が高く、気液分離機構５１内の流体圧力が低いときはバルブ本体６２が上昇しないので、分離された流体がノズル３７の小孔４０及びノズル３７を挟む連通孔３８を通って、バルブ本体６２とキャップ６３が形成する空間４１を通り、キャップ６３の分離孔１４から分離室２１に流出する。

これに対して、燃料油の空気混入量が低く、気液分離機構５１内の流体圧力が予め定められた値を越えると、図１０に示すように、流体圧力とフロート３６の作用によってバルブ本体６２が上昇する。ノズル３７の先端部３９がキャップ６３の分離孔１４に進入して閉鎖させると、ノズル３７の小孔４０のみで分離室２１に連通される。ノズル３７の小孔４０のみを通って分離された流体が分離室２１に排出されるようになる。

本発明の実施の形態に係るポンプ装置の概略構成を示す断面図である。図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。気液分離機構を拡大して示す断面図である。可変バルブが閉じたときの気液分離機構を示す断面図である。本発明の実施の形態のポンプ装置の計測誤差と従来の計測誤差を示すグラフである。気液分離機構を拡大して示す断面図である。図６のＡ矢視であって、バルブ本体の平面図である。バルブ本体の斜視図である。気液分離機構のパイプの上端部の斜視図である。可変バルブが閉じたときの気液分離機構を示す断面図である。

符号の説明

１ポンプ装置
３流入口
９ポンプ
１０Ａ接続口
１１，５１気液分離機構
１２パイプ
１３，６１可変バルブ
１４分離孔
２１分離室
３１，６２バルブ本体
３２，６３キャップ
３６フロート
３７ノズル
３８連通孔
４０小孔
６５整流板

Claims

流入口から吸い込んだ流体を加圧するポンプと、加圧後の流体を遠心力によって気液分離し、流入側の端部中央に設けられた分離孔から気体を流出させ、反対側の開放端から液体を通流させる気液分離機構と、前記気液分離機構の前記分離孔から流入した流体から前記ポンプに回収する液体を分離させるための分離室と、前記分離室から前記ポンプの吸入口に至る流路に設けられたフロート弁とを含むポンプ装置において、
前記気液分離機構は、略垂直に配置されて内部に流体が通るパイプと、流体の流入側である前記パイプの上端部に設けられ、前記分離室に流入させる流体の量を調整可能な可変バルブとを含んで構成され、前記可変バルブは、前記パイプ内を摺動自在なバルブ本体を有し、前記バルブ本体に前記分離孔を閉鎖可能で前記分離孔より小径の孔が前記分離室に連通可能に設けられたノズルと、前記ノズルの周囲に形成されて分離された流体を前記分離孔に導くことができる連通孔とが設けられていることを特徴とするポンプ装置。
前記分離孔と前記小径の孔は、前記パイプと同軸に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
前記バルブ本体は、フロートを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のポンプ装置。
前記バルブ本体は、前記パイプに流体が流入する接続口を越えて開放端に向かって延び、前記バルブ本体には前記接続口からの流体の流入を許容するスリットが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のポンプ装置。
前記バルブ本体の外側に少なくとも１つのリブを前記バルブ本体の摺動方向に平行に設け、前記パイプの内側に前記リブに係合する溝を設けたことを特徴とする請求項４に記載のポンプ装置。
前記バルブ本体の摺動方向に直交する外形をＤ形にすると共に、前記パイプの内側の形状が前記バルブ本体を収容可能なＤ形であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のポンプ装置。
前記スリットを通って流入する流体の流れが可及的に前記バルブ本体の周面の接線方向になるように整流する整流板を前記バルブ本体に設けたことを特徴とする請求項４に記載のポンプ装置。