JP4908425B2 - ロータリーポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ロータリーシリンダーとロータリーピストンでなる回転子が、流入口と流出口を備えた筐体の内側でトルクを受けて回転しながら流体を圧縮し、または噴出するロータリーポンプに関する。さらに詳しくは、二つのロータリーピストンが、一つの自転軸を公転するようになっており、二つのロータリーピストンの質量の中心が自転軸と一致し、振動や騒音や流体の流れの変化量などが小さいロータリーポンプに関する。

また、本発明は、流入口側と流出口側との圧力が相違して、回転によって繰り返して生じる逆流とそれによる脈動を、圧力に応じて自在に開閉される蓋により解決したロータリーポンプに関する。

普通、ポンプとは、流体、つまり気体や液体を噴出し、または圧縮する装置である。前記ポンプは、流体を噴出するか、大気圧下にある流体を高い圧力のタンクの中に押し込む装置であって、その使用目的によって呼び方(コンプレッサー、定量ポンプ、真空ポンプなど)が違うが、本発明では、ひっくるめて‘ポンプ’と称する。

ポンプは、ピストンがシリンダー内を往復しながら流体を噴出するピストンポンプと、回転子・ギア・スクリューなどが回転しながらピストンの役割をするロータリーポンプに大別することができる。

前者のピストンポンプ１０は、図１に示しているように、閉じた空間の大きさを変化させることで液体を噴出する容積型ポンプの一種であって、吸込バルブ１２と送出バルブ１４を備えたシリンダー１６内で、回転を直線の動きに切り替えるコネクトロード２０によってピストン１８が直線に出入りし、流体の気体や液体を送る。前記ピストン１８がタンク２２の外側に出ると、シリンダー１６内の圧力が低くなって、送出バルブ１４は閉じ、吸込バルブ１２が自在に開いて、流体がタンク２２から引込管を通ってシリンダー１６内に送られるが、その間、送出管２４の流体の流れは、停止の状態である。ピストン１８がタンク２２の内側に入ると、吸込バルブ１２は閉じ、シリンダー１６内の流体は、送出バルブ１４を押し、送出管２４に送られるが、その間、引込管の流体の流れは、停止状態である。

このように、単動式のピストンポンプ１０では、流れの変化量と脈動が非常に大きいため、これを減らすために、複動式や差動式のピストンポンプが使われる。ところが、流体の流れの変化量を減らすための複動式や差動式のピストンポンプは、シリンダー、ピストン、バルブが多く使われるため、構造が非常に複雑であり、流れの変化量を大幅に減らすことはできない。

そして、ピストンポンプ１０は、ピストン１８の直線の動きによって振動や騒音が多く生じ、流体の流れが途切れ、コネクトロード２０とピストン１８、バルブ１２，１４などの慣性のため、早く回転できないという短所がある。従って、振動や騒音が小さく、早く回転できるロータリーポンプが多く使われている。

後者のロータリーポンプ５０は、図２に示しているように、円周の両側に流入口５２と流出口５４が設けられている円柱状の筐体５６と、筐体５６の内側で空転するロータリーシリンダー５８と、ロータリーシリンダー５８の内側でスライドするロータリーピストン６０と、ロータリーピストン６０の真ん中に位置する偏心軸６４と、その真ん中からずらして組み込まれる自転軸６２と、がある。

ロータリーポンプ５０は、ピストンポンプ１０に比べ、吸込バルブと送出バルブ、クランク、コネクトロードなどが不要である。ただ、筐体の中でいくつかの部品を備えて空転するロータリーシリンダー５８を有するだけである。ロータリーシリンダー５８内で自転軸６２を公転するロータリーピストン６０があり、完全な円運動によってロータリーシリンダー５８内の空間の大きさを変化させながら流体を噴出するが、単動式のピストンポンプ１０と異なり、流体の流れが停止しないので、その流れは、単動式のピストンポンプ１０の二つを組み合わせたものよりもスムーズであり、流れ量も多い。従って、粘度の高い流体のポムピングにも良い。また、高い圧力がかかっても、その圧力は自転軸６２のトルクに及ぶだけであり、機械に無理がないという長所がある。また、吸い込まれた流体をきれいに噴出し、効率が良い。

ところが、前記従来の技術のロータリーポンプ５０には、次のような問題がある。

ロータリーポンプ５０は、自転軸６２が偏心軸６４とロータリーピストン６０とに繋がり、偏心軸６４とロータリーピストン６０の質量の中心が、自転軸６２からずれるため、回転時に振動が生じる。勿論、釣り合いおもりをつけると振動はきれいに無くなるが、その分、体積と重さが増える問題がある。また、流体の流れが、ピストンポンプ１０よりはスムーズであるが、流体が途切れ、その流れがスムーズでなく、脈動が生じる問題点がある。

また、ロータリーポンプ５０は、筐体５６の両側にある流入口５２と流出口５４をロータリーシリンダー５８が回転しながら開閉するため、ピストンポンプ１０のような吸込バルブ１２と送出バルブ１４が不要である長所はあるが、次のような問題がある。

流入口５２と流出口５４が同時に開閉される。即ち、ロータリーピストン６０により二つの空間に分けられているロータリーシリンダー５８の一側の空間は、流入口５２が閉じると共に流出口５４が開き、流出口５４が閉じると共に流入口５２が開く。従って、流出口５４と流入口５２が開閉される時、その空間内の圧力は、流入口５２側の圧力と同じ、または類似している。従って、前記ロータリーポンプが圧縮ポンプや真空ポンプとして使われる時は、流出口５４が開く瞬間、さらに低い圧力の状態であるロータリーシリンダー５８内の空間に流入口５２の外側の気体が急に押し込まれ、ロータリーピストン６０により押し出される。このように、短い間に気体に生ずる逆流のため、脈動が大きくなり、気体の流れが非常に荒れる問題がある。

また、流出口５４が閉じる瞬間、ロータリーシリンダー５８内の空間は０になるので、流入口５２を通して吸い込まれた流体をきれいに流出口５４を通して流出することができる長所を持っているが、その瞬間に流出口５４は閉じているので、残りの流体が、閉じている流出口５４の隙間を通して全部抜け出なければならない。この時、ロータリーピストン６０に急に大きい圧力がかかり、回転の邪魔になる問題が生じる。勿論、これは、ロータリーピストン６０の上下の円弧面間の厚さを減らし、その空間を残すことで解決できる。ところが、その場合、流体が気体なら、吸い込まれた気体がきれいに流出できずにその空間に残り、流入口５２が開く時、残っていた気体が流入口５2の外側に押し出される逆流が生じる問題がある。このようなロータリーポンプを圧縮ポンプとして使う場合、圧縮比はその空間の圧縮比に制限される問題があり、真空ポンプとして使う場合、残っている気体により真空度が低下する問題がある。

従って、本発明は、前記のような従来の問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の第一の目的は、複動式または差動式のロータリーポンプの構造が簡単であり、且つ噴出される流体の流れがスムーズに行われるロータリーポンプを提供することになる。

本発明の二番目の目的は、釣り合いおもりを別につけなくても、回転時の振動や騒音が小さいロータリーポンプを提供することにある。

本発明の三番目の目的は、流入口側と流出口側との圧力が相違する時に生じる逆流と、それによる脈動を解決したロータリーポンプを提供することにある。

本発明の四番目の目的は、吸い込まれた流体をきれいに流出し、且つ回転の邪魔になることなくスムーズに行われるだけでなく、圧縮比や真空度に制限のないロータリーポンプを提供することにある。

前記第１及び第２の目的を達成するための本発明の特徴によると、バルブ無しでも流入口と流出口が繰り返して開閉され、外部からトルクを受けて回転する回転子により空間の大きさが変化し、流体を噴出し、または圧縮するロータリーポンプにおいて、内側に円柱状の空間を有し、円周の一方に流体を吸い込む流入口があり、他方には吸い込まれた流体を送り出す流出口がある筐体と、前記筐体の両側のディスクに設けられている孔に挿入されており、公転の軸になる自転軸と、その中心が自転軸から互いに反対側に同じ距離だけ離れており、自転軸の長手方向にも互いに離れていて対称される一対の偏心軸と、直方体状であり、上下は対称に膨らんでいる円弧面状であって、それぞれ偏心軸が挿入されている一対のロータリーピストンと、内側にロータリーピストンが噛み合っている状態で、スライドして往復でき、互いに９０゜の位相差がある一対のロータリーシリンダーチェンバーがあり、筐体内で空転するロータリーシリンダーと、中心からずれて自転軸が通る孔が設けられており、前記一対のロータリーシリンダーチェンバー間を閉める役割をする円板状のプラグとを備えてなる。

このロータリーポンプは、偏心軸とロータリーピストンが一回転の公転をする時、ロータリーシリンダーは半回転の自転をする。

このような構成を有する本発明によるロータリーポンプは、その構造が簡単であり、流体の流れがスムーズであるだけでなく、釣り合いおもりをつけなくても振動と騒音が小さい。もちろん、釣り合いおもりをつけると、振動や騒音も消える。また、このようなロータリーポンプに必要な釣り合いおもりは、より小さく軽い。

前記ロータリーポンプは、回転エンジンにも適用される。

前記第３及び第４の目的を達成するための本発明の特徴によると、バルブ無しでも流入口と流出口が繰り返して開閉され、外部からトルクを受けて回転する回転子により空間の大きさが変化し、流体を噴出し、または圧縮するロータリーポンプにおいて、流入口と流出口が、筐体において、互いに反対側でなく、隣り合って設けられている。即ち、流入口と流出口が、ロータリーポンプの両側に設けられている様子から流出口のみ９０°程度上方に設けられている様子になる。また、流出口の外側に開閉される蓋がさらに備えられる。この蓋は、流出口より流出管をさらに広げた結果によりできた突片を覆うようになっており、流出口の外側に開閉されるようになっていて、流出口の内側の圧力が流出口の外側より低くなると、外側から内側に蓋を押して流出口を閉じ、流出口の内側の圧力が外側より大きくなると、その圧力により流出口が開き、流体が送り出される。

このような構成を有する本発明のロータリーポンプは、流入口側と流出口側の圧力が変わる圧縮ポンプや真空ポンプに好適であるが、理論的にすると、その圧縮比や真空度に限界がないメリットがある。

上述した本発明の構成によると、次のような効果が期待できる。

まず、４対のシリンダーで組み合わせたピストンポンプよりも噴出される流体の流れがスムーズであり、量が多く、且つポンプの構造が簡単になる効果がある。

また、振動や騒音を大幅に減らし、気体の圧縮や噴出時に周期的に生じる逆流と、回転の邪魔になる瞬間圧力、それによる脈動を無くす効果がある。

このような技術的効果により、製作期間が短くなり、生産性が増え、大量生産が可能になり、原価が減少する効果があり、製品の安定性、信頼性、経済性などを得ることができる。

以下、上述したような構成を有する本発明によるロータリーポンプの望ましい実施形態を添付した図面に基づいて詳しく説明する。この説明において、回転子の各速度は同様である。

図３及び図４は、本発明による一実施形態のロータリーポンプの分解端面図と断面図であり、図５乃至図９は、本発明による一実施形態のロータリーポンプの回転過程を示す。図１０は、本発明の一実施形態であって、ロータリーピストンの公転位相による流出口側の空間の変化量を示す図である。

これらの図に示しているように、本発明のロータリーポンプ１００は、内側に円柱状の空間を有し、円周の一方には流体を吸い込む流入口１０２があり、他方には流体を送り出す流出口１０４がある筐体１１０と、円板状であり、その内側の真ん中に小さい円板が加えられ、その小さい円板の中心からずれて自転軸孔１１２が穿設されており、筐体１１０の円柱の空間の両側を閉めるために据え付けられるディスク１２０と、そのディスク１２０の自転軸孔１１２に挿入される自転軸１３０と、その中心軸が自転軸１３０の中心軸から互いに反対側に同じ距離だけ離れており、自転軸１３０の長手方向にも互いに離れていて対称される一対の偏心軸１４０、１４０’と、直方体状で上下は膨らんでおり、互いに対称である円弧面状であり、それぞれその偏心軸１４０、１４０’に挿入される一対のロータリーピストン１５０、１５０’と、ロータリーピストン１５０、１５０’がスライドして往復でき、上下はオープンされており、互いに９０゜の位相差がある一対のロータリーシリンダーチェンバー１５２、１５２’を設け、筐体内で空転するロータリーシリンダー１６０、１６０’とを備えることでなる。

ロータリーポンプ１００は、偏心軸１４０、１４０’が一回転の公転をする時、ロータリーシリンダー１６０、１６０’とロータリーピストン１５０、１５０’は、半回転の自転をする。即ち、ロータリーピストン１５０、１５０’とロータリーシリンダー１６０、１６０’とがかみ合っているので、ロータリーピストン１５０、１５０’は、自転軸１３０の一回転の公転の間、半回転の自転をするロータリーシリンダー１６０、１６０’によって半回転の自転をすることになる。

本発明のロータリーポンプ１００は、偏心軸１４０、１４０の一対が自転軸１３０の長手方向に距離を置いて離れているが、その中心軸が自転軸１３０の中心軸から互いに反対方向に同じ距離だけ離れており、互いに１８０°対向して据え付けられ、ロータリーシリンダー１６０、１６０内の一対のロータリーシリンダーチェンバー１５２、１５２’が、シャフトの長手方向に並んでおり、互いに９０゜の位相差をもって直角を成しているという点に特徴がある。

ロータリーシリンダー１６０、１６０’のロータリーシリンダーチェンバー１５２、１５２’の間には、連結孔１６２が穿設されており、この連結孔１６２には、ディスク１２０のように自転軸孔１１２が穿設されているプラグ１７０が挿入される。このプラグ１７０により一対のロータリーシリンダーチェンバー１５２、１５２’が互いに完全に分けられる。

この時、ロータリーシリンダー１６０、１６０’の中心軸から自転軸１３０の中心軸までの距離と、自転軸１３０の中心軸から偏心軸１４０、１４０’の中心軸までの距離は同一である。従って、自転軸１３０が一回転の自転をし、それによって一対の偏心軸１４０、１４０’と一対のロータリーピストン１５０、１５０’が一回転の公転をする間、一対のロータリーシリンダー１６０、１６０’は半回転の公転をし、一対のロータリーピストン１５０、１５０’を半回転自転させる。

図５から分かるように、流入口１０２と流出口１０４の前側の半分は、前側にある一方のロータリーシリンダー(１６０、実線)により完全に閉められており、流入口１０２の他の半分(点線)は、裏側にある他方のロータリーシリンダー１６０’内のロータリーシリンダーチェンバー１５２’に完全に開いている。これは、前側では流入口１０２が閉じ、流体の吸い込みが終わると共に、流出口１０４が開き、吸い込まれた流体を送り出そうとしていて、ロータリーシリンダーチェンバー１５２の空間の変化量が０である。点線に示す裏側では、ロータリーピストン１５０’がロータリーシリンダーチェンバー１５２’の真ん中を通りながら、左側では流体を吸い込んでおり、右側では流体を送り出していて、ロータリーシリンダーチェンバー１５２’の空間の変化量が一番大きい。

図５ないし図９は、回転しながら流体を噴出する本発明のロータリーポンプ１００の回転の過程を示す。図７は、前側と裏側の過程が、図５と逆である。従って、図５と図７、戻って図９は、ロータリーポンプ１００内の空間の変化量が同一な瞬間を示している。図６と図８を比較すると、これもロータリーポンプ１００内の空間の変化量が同一な瞬間である。図１０は、回転による空間の変化量を示す。

図１０の横軸は、本発明によるロータリーポンプ１００における自転軸１３０または偏心軸１４０の位相を示し、縦軸は、それによる空間の変化量を示す。さらに詳しく説明すると、図１０は、本発明によるロータリーポンプ１００の流入口１０２側の空間の変化量を示している。流出口１０４側の空間の変化量は、この曲線と横軸対称になる。細い実線は、ロータリーポンプ１００の前側のロータリーシリンダーチェンバー１５２の流入口１０２側の空間の変化量を、点線は、裏側のロータリーシリンダーチェンバー１５２’の流入口側の空間の変化量を示しており、太い実線は、両方の変化量を加えたものであって、ロータリーポンプ１００における流入口１０２側の全空間の変化量を意味する。ここで、細い実線と点線の曲線は、全て、サイン曲線の一部分である。

液体は密度の変化が殆どないので、ロータリーポンプ１００が液体を噴出する間、液体の流れ量は、ロータリーシリンダーチェンバー１５２、１５２’の空間の変化量と殆ど同じである。噴出される液体の流れは、図１０に示しているように、脈動が非常に小さくスムーズである。シリンダー１６の４対で組み合わせたピストンポンプ１０をロータリーポンプ１００に比べることができるが、上手に組み合わせたものであるとしても、このようにスムーズな流れにはならない。ピストンポンプ１０のピストン１８は、コネクトロード２０と共に往復するので、シリンダー１６内の空間の変化量が、サイン曲線より粗いからである。

上述したように、本発明による一実施形態のロータリーポンプ１００は、液体の流れ量が定量化される特性があるので、主として静脈治療装置、消化器疾患の患者に栄養剤や抗生剤を入れ、または晩成痛症の患者に痛み止めを入れる装置などのあらゆる医療装置への使用に好適である。

図１１は、本発明の他の実施形態によるロータリーポンプの構成の断面図である。

本発明の他の実施形態のロータリーポンプ２００は、図１１に示しているように、回転子に外部トルクを伝達する自転軸２１０と、その中心軸が自転軸２１０の中心軸からずれている偏心軸２２０と、直方体状で上下は膨らんでいる円弧面状であり、偏心軸２２０が挿入されているロータリーピストン２３０と、ロータリーピストン２３０がスライドして往復でき、上下はオープンされているロータリーシリンダーチェンバー２３４を有し、筐体２６０内で空転するロータリーシリンダー２４０と、ロータリーシリンダー２４０が空転する円柱状の空間を取り囲み、図面の左側には、流体を吸いこむ流入口２４２があり、上方には、吸い込まれた流体を送り出す流出口２４４があり、流出口２４４から直ちに繋がれる流出管２５５を流出口２４４より広げて流出口２４４の外側に突片２５０を設けた筐体２６０と、流出口２４４の外側で突片２５２を覆い、圧力によって流出口２４４を開閉する蓋２５０とを備えてなる。

本発明による前記構成の実施形態は、流入口２４２と流出口２４４が円柱の回りに設けられているが、互いに隣り合うようになっており、流出口２４４の外側へ開閉される蓋２５０を備えている点に特徴がある。

前記実施形態のロータリーポンプ２００は、気体の圧縮、または噴出に好適である。このような場合の回転の過程を図７に基づいて説明する。ここで、回転は、半時計回りである。左側では、気体が、吸込管２５４から流入口２４２を通ってロータリーシリンダーチェンバー２３４に吸い込まれており、上方では、吸い込まれた気体が蓋２５０を押し、流出口２４４を通って送出管２５５に押し上げられる様子を示している。特に、閉じていた蓋２５０を開くためには、少なくともロータリーシリンダーチェンバー２３４’内の圧力が送出管２５５側の圧力より大きくなければならない。吸込管２５４と送出管２５５との圧力の差が大きいほど、ロータリーシリンダーチェンバー２３４’が小さくなると、送出管２５５側の圧力より大きくなる。従って、その分、蓋２５０を開く時間が短くなる。回転子がさらに回転し、下方のロータリーシリンダーチェンバー２３４は少しずつ大きくなり、吸込管２５４へ気体が少しずつ吸い込まれる。ロータリーシリンダー２４０がさらに回転し、左側のシリンダー壁２３６が流入口２４２を閉める時、ロータリーシリンダーチェンバー２３２の下方の大きさは最大になり、ロータリーピストン２３０の下方での気体の吸い込みが終わる。この時、ロータリーピストン２３０上方のロータリーシリンダーチェンバー２３４’の大きさは、最小となって０に近く、気体の押し上げが終わり、蓋２５０を上方に押していた力も消える。従って、蓋２５０は、上方の送出管２５５側からの圧力と自分の弾性などにより流出口を閉めることになる。回転子がさらに回転すると、下方のロータリーシリンダーチェンバー２３４の大きさは減って気体を圧縮し始め、上方のロータリーシリンダーチェンバー２３４’は大きくなると共に左側のシリンダー壁２３６が閉めていた流入口２４２が開き、気体を吸い込み始める。この時、流入口２４２と流出口２４４が隣り合っていて、流出口２４４の外側で高い圧力を受けている流体が、流入口２４２側に押し出されることを、蓋２５０が防いでいる。

上述したように、当業界で通常の知識を有した者であれば、本発明に基づく技術を様々に変更し、使うことができる。例えば、本発明の一実施形態の構成は、ポンプに限るものではなく、気体の膨張力により回転子を回転させる回転エンジン、熱い水蒸気の膨張力や圧縮空気の膨張力により回転子を回転させる回転エンジンなどにも適用することができる。

従来の技術によるピストンポンプの構成を示す断面図である。 従来の技術によるロータリーポンプの構成を示す断面図である。 本発明の望ましい一実施形態によるロータリーポンプの分解図である。 本発明の一実施形態によるロータリーポンプの構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるロータリーポンプの回転過程を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるロータリーポンプの回転過程を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるロータリーポンプの回転過程を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるロータリーポンプの回転過程を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるロータリーポンプの回転過程を示す断面図である。 本発明の一実施形態による、位相に対する流出口側の空間の変化量を示す図である。 本発明の他の実施形態によるロータリーポンプの構成を示す断面図である。

Claims (1)

1. ロータリーシリンダーの回転に従って流入口と流出口とが開閉され、空間体積の変化に従って流体を吐出し或いは圧縮するロータリーポンプであって、
   凸状弓形上部面及び凸状弓形下部面を有するロータリーピストン；
   前記ロータリーシリンダーの回転を許容する円筒形内部空間を有する筐体であり、該筐体の外周上の隣接する位置に前記流入口と前記流出口とを連通可能に備える筐体；
   前記ロータリーピストンの旋回軸となる回転シャフト；
   前記回転シャフト上に嵌め合わされる旋回シャフトであり、前記回転シャフトの中心軸に対して偏心した中心軸を有する旋回シャフト；を含み、
   前記ロータリーピストンは、前記旋回軸の周りを旋回すべく前記旋回シャフト上に嵌め合わされ、
   前記ロータリーシリンダーは、前記筐体の円筒内部空間内に密接に受け入れられ、且つ前記ロータリーピストンのスライド動作のためのロータリーシリンダー室をその内部に構成し、前記筐体の円筒内部空間内において回転するよう取り付けられ、
   当該ロータリーポンプは、
   前記流出口に接続される流出管であり、該流出管と前記流出口との間でその内側に突出する突起を構成するために前記流出口の直径よりも大きな直径を有する流出管と、
   前記流出口のところに備えられ流体の圧力に応じて外側に開かれる蓋であり、前記流出口の外側で高い圧を受ける流体が前記ロータリーシリンダー室のうちの関連する一つに押し込められるのを防止する働きをする蓋であって、前記流入口が閉じられたときに前記流出口に連通している前記ロータリーシリンダー室のうちの関連する一つで当該蓋を外側に開く流体の圧力が消失することによって閉じられる蓋と、を更に有する、
   ことを特徴とするロータリーポンプ。

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