JP5144253B2 - ポンプ密封装置 - Google Patents

Description

本発明は一般的にポンプに関し、特にダイアフラムポンプに関する。

ダイアフラムポンプは接合部を形成する複数の構成要素を含んでいる。それら接合部は漏出防止のためにシール（封止）しなければならない。現在のダイアフラムポンプシール技術ではすべての条件で漏出防止のないダイアフラムポンプは提供してしない。

小型ダイアフラムポンプの漏出評価には考慮が必要な２つの主要接合部が存在する。その１つはダイアフラムが一般的には複数の構成要素で成るポンプヘッドとポンプ本体との間で狭持されるときに創出されるダイアフラム周縁のシール接合部である。このシール接合部はポンプ作動中にダイアフラムをその場にて安定固持するためのシール並びに締め付けの両方に関係する。従って良好なシールが提供されていてもダイアフラムが適正に締め付けされていなければ、ポンプの操作に伴うダイアフラムのずれによってシール状態が破壊される。
もう一方のシール領域はポンプバルブを収容する複数の構成要素間に存在する。通常は、この収容領域はポンプヘッド内の分離部分であり、典型的には“ヘッド”と呼称される上方要素と、典型的には“チャンバー”と呼称される下方要素とに分かれている。この接合部をシールするために現在使用されているシール方法はいくつか存在する。例えばバルブと一体的に提供されているガスケットや、接合部のバルブセクションを包囲する別々のガスケット等である。

これら接合部のために利用される現行のシール技術では、ポンプが使用されるあらゆる条件下でポンプの無漏出状態を維持できなかった。これら条件には高圧、超高粘性液、超低表面張力液及び超幅広温度変化が含まれる。従って頑強なシールを提供するダイアフラムポンプが望まれている。

本発明の１目的は頑強なシール特性を備えたダイアフラムポンプの提供である。本発明の別目的は複数のシール面を備えたダイアフラムの提供である。本発明の別目的は相当程度の圧縮性能を有するガスケットを備えたダイアフラムポンプの提供である。

これらの目的は本発明で達成される。本発明の１実施例ではポンプのシール機構が提供される。シール機構は、周縁に沿って形成された楔型ポケットを有する第１部材と、ポケットに対面するリムを備えた第２部材と、第１部材と第２部材との間に提供されたダイアフラムとを含んでいる。ダイアフラムは、縦軸を有した中央ステムと、ステムに取り付けられたディスク状ヘッド部と、ヘッド部の周辺に提供されている直立ビードとを有している。直立ビードは放射状外向きの第１傾斜面と放射状内向きの第２傾斜面とを含んでいる。ビードはダイアフラムと第１部材との間に別々に分離した二つのシール面を形成するようにポケット内に受領される。

本発明の別実施例によれば、それぞれの傾斜面は縦軸に対して約１０°から約３０°傾斜している。

本発明の別実施例によれば、それぞれの傾斜面は縦軸に対して約１５°傾斜している。

本発明の別実施例によれば、ビードは二つの斜面間に実質的に平坦な平坦面を含んでいる。

本発明の別実施例によれば、ダイアフラムは第２傾斜面に隣接する略平行側面の第１平坦部分を有している。第１平坦部分は第１部材と第２部材との間で締め付けされている。

本発明の別実施例によれば、ダイアフラムは第１傾斜面に隣接する略平行側面の第２平坦部分を有している。第２平坦部分は第１部材と第２部材との間で締め付けされている。

本発明の別実施例によれば、Ｖ溝がリムに形成されている。

本発明の別実施例によれば、ダイアフラムは、フルオロエラストマー、エチレンプロピレンジエンターポリマー及びそれらの組み合わせとで成る群から選択される材料を含んでいる。

本発明の別実施例によれば、ポケットは略放射状外向きの第３傾斜面と、略放射状内向きの第４傾斜面とを含んでいる。

本発明の別実施例によれば、シール構造は、それぞれ平面を有し、ガスケットを受領するガスケット部を共同で提供する第１部材及び第２部材と、ガスケット部内に提供された弾性材料で製造されたガスケットと、第１ビードとを含んでいる。ガスケットは平坦ウェブを含んでおり、円形断面の第１ビードは第１閉通路内を延びている。第１ビード並びに第１部材と第２部材の寸法は、第１ビードが非圧縮状態から径方向に少なくとも約４０％圧縮される寸法に選択される。

本発明の別実施例によれば、第１ビードは非圧縮状態から約５０％から約６０％圧縮される。

本発明の別実施例によれば、ガスケットは第１閉通路内の閉通路を延び、ガスケット部に受領される円形断面の第２ビードをさらに含んでいる。第２ビード並びに第１部材と第２部材の寸法は、第２ビードが非圧縮状態から径方向に少なくとも約４０％圧縮される寸法に選択される。

本発明の別実施例によれば、第２ビードは非圧縮状態から約５０％から約６０％圧縮される。

本発明の別実施例によれば、ダイアフラムはフルオロエラストマー、エチレンプロピレンジエンターポリマー及びそれらの組み合わせで成る群から選択される材料を含んでいる。

本発明の別実施例によれば、ポンプは、内部で周縁部に形成された楔型ポケットを備えたポンプヘッドと、ポケットに対面するリムを備えた本体と、ポンプヘッドと本体との間に提供されたダイアフラムとを含んでいる。ダイアフラムは縦軸を有した中央ステムと、ステムに取り付けられたディスク状ヘッドと、ヘッドの周縁に提供された直立ビードとを含んでいる。該ビードは放射状外向きの第１傾斜面と、放射状内向きの第２傾斜面とを含んでいる。該直立ビードはポンプヘッドとダイアフラムとの間で別々の二つのシール面を形成するようポケット内に受領される。

本発明の別実施例によれば、ポンプヘッドは、チャンバーと、係合平坦面を有したヘッドとを含んでいる。チャンバーとヘッドは共同でガスケットを受領するガスケット部を提供する、ポンプはガスケット部内に提供される弾性材料で成るガスケットをさらに含んでいる。ガスケットは平坦ウェブと、第１閉通路内を延びる円形断面の第１ビードとを含んでいる。第１ビード並びに第１部材と第２部材の寸法は、第１ビードが非圧縮状態から径方向に少なくとも約４０％圧縮されるように選択される。

これより図面において用いられる参照符号については、全ての図において、同じ要素には同じものが用いられている。
図１と図２は本発明の一実施例であるダイアフラムポンプ１０を図示する。ヘッド１２がチャンバー１４に搭載されている。ヘッド１２とチャンバー１４は集合的にポンプヘッド１６と呼称される。ヘッド１２とチャンバー１４の間の接合部はガスケット１８によってシール（封止）されている。ポンプ本体２０はポンプヘッド１６の下端に搭載されている。フレキシブルなダイアフラム２２がポンプヘッド１６と本体２０との間に提供されている。
ダイアフラム２２はポンプ１０の主要な作動要素であり、ポンプヘッド１６とチャンバー１４との間の接合部をシールし、作業空間２４を形成する。ダイアフラム２２は、例えば図示のクランクアーム及びカム構造体２６を介して電気モーターのごとき駆動力源に接続されている。吸入口３０から吸入バルブポケット３２を通って作業空間２４にまで延びる吸入通路２８がポンプヘッド１６内に形成されている。排出通路３４はポンプヘッド内に形成され、作業空間２４から排出バルブポケット３６を通過して排出口３８まで延びる。

図３、図４及び図５はダイアフラム２２を詳細に図示する。ダイアフラム２２はフレキシブルな漏出防止材料で提供されている。ポンプの対象液体に対して抵抗性があり、適した弾性を有したどのような材料でも使用できる。適した材料の例には、エチレンプロピレンジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）またはＶＩＴＯＮフルオロエラストマー材料がある。ダイアフラム２２は筒状で中央に位置するステム４０とディスク状ヘッド４２とを有しており、その上面はダイアフラム２２の表面４４を形成する。中央孔４６がステム４０に形成されている。
図５でさらに詳細に示されるが、直立ビート４８はダイアフラム２２の外縁部５０に形成される。ビード４８は放射状外向きの第１傾斜面５４と、放射状内向きの第２傾斜面５６との間に平坦面５２を含んでいる。それぞれの傾斜面５４と５６はダイアフラム２２の縦軸Ｌに平行な基準線から角度Ａ傾斜して提供されている。

図１０は、ダイアフラム２２が本体２０とポンプチャンバー１４との間にどのように取り付けられているかを示す。チャンバー１４はその周囲にダイアフラム２２のビード４８を受領する周縁部に形成された楔型ポケット５８を含んでいる。ポケット５８はビード４８と一般的に同じ断面形状であり、第３及び第４傾斜面６２と６４で挟まれる平坦面６０を含んでいる。ポケット５８はダイアフラム２２上のビード４８の中心線“Ｂ”（図５参照）がポケット５８の中心線“Ｐ”と一致するように提供されている。しかしながら、ダイアフラム２２上のビード４８とチャンバー１４内のポケット５８との寸法関係は、完全に組み立てられた時に、ポケット５８とビード４８との間に所定の干渉が存在し、ビード４８を圧縮して主ジョイント６６を形成するようになっている。

この干渉は、ビード４８の傾斜面５４と５６それぞれに対して相当なる圧縮力を生じさせる。この圧縮力はダイアフラム２２の傾斜面５４及び５６と、チャンバー１４の接触面６２及び６４の間にシール状態を形成する。ダイアフラム２２に使用される材料は本質的には非圧縮性であるため、チャンバー１４内のポケット５８はビード４８の高さよりさらに深くなっており、主ジョイント６６内で圧縮されているビード材料を変形することができる。図１０では、圧縮形状のダイアラム２２を実線で示し、非圧縮形状のダイアフラム２２を“ＦＤ”で示す破線で示す。

左右対称のテーパー形状の主ジョイント６６は、両面に同等の力が提供される２つのシール面を創出する。提供される力は水平ベクトル（すなわちポンプ中心線Ｌに対して放射方向）と垂直ベクトル（すなわちポンプ中心線Ｌに対して平行）の両方を有するため、主ジョイント６６はシールとしてチャンバー１４と本体２０の間の漏出を防止し、締め付け機構としてダイアフラム２２を所定位置に保持する。角度“Ａ”は約１０°から約３０°の間で変化する。約１０°より遥かに小さい角度では効果的な締め付け作用に必要な垂直ベクトルを失い始める。約３０°よりも遥かに大きな角度では頑強なシール作用を創出する水平ベクトルを失い始める。図示の例では、角度“Ａ”は約１５°である。

干渉の量は、部分的にはビード４８の角度、ダイアフラム２２に使用される材料、及び厚み並びに全体の径を含むがこれらに限定されないダイアフラムのデザインによって決定される。図示のデザインでは全体の圧縮率を約２２％の干渉の量としているが、約１６％から約４０％の圧縮率でもよい。この範囲の上限は、Ｏリングによる面シール状態でのいわゆる産業標準であり、ビード４８のテーパー形状では圧縮率の下限をさらに低いレベルに下げても優れたシール特性並びに締め付け特性を維持することができる。

ポケット５８とビード４８のジョイントによって提供される締め付け作用に加えて、ビード４８の内側傾斜面５６に隣接するように提供されたダイアフラム２２の小さな第１平坦部分６８に圧縮力が提供される。平坦部分６８の幅“Ｗ” （図４）は実行可能な大きさであればよいが、０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）以上であるべきである。例として、幅（Ｗ）は約０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）から約０．５１ｍｍ（０．０２０インチ）である。この幅は直径約２．５４ｃｍ（１インチ）のダイアフラムでの使用に充分である。より大きなダイアフラムでは平坦部分６８の幅をいくらか大きくする必要があるだろう。
平坦部分６８は、チャンバー１４内に形成された周縁上方リム７０と、Ｖ溝７４が提供された本体２０内に形成された周縁下方リム７２との間で締め付けされる。平坦部分６８上の圧縮力は、ポンプ１０のデザインがこの領域でのダイアフラム２２の変形に意図的にほとんどゆとりを提供しないため、従来技術の“面シール”デザインの場合よりも小さいであろう。図示の例では圧縮率は約１３．５％である。しかしながら全体的デザインによっては、約１０％から約２５％の圧縮力が締め付け特性には適しているであろう。

あるいは図１１で示すように、ビード１４８の放射状外向きに提供された第２平坦部分１６８を有するダイアフラム１２２をチャンバー１１４と本体１２０との間に使用してもよい。この実施例では、領域７６にさらに弾性的変形を吸収させることができる。この変形に対処することで例えば３０％あるいは４０％向上した高い圧縮率を容易に提供することができる。

第１平坦部分６８は主シール特性または締め付け特性を意図するものではなく、ダイアフラム２２の変形を主ジョイント６６から独立させる第２（副次的な）の締め付け特性として利用される。これで、ダイアフラム２２の傾斜面５４及び５６と、テーパー形状の主ジョイント６６を創出するチャンバー１４の係合面６２及び６４との間の動き（変形）の可能性が排除される。こうしてダイアフラム２２とチャンバー１４との間に永久且つ確実な接合が提供される。このデザインは組み立て過程においても利点を提供する。ビード４８とポケット５８のテーパー形状がダイアフラム２２をチャンバー１４内で正確な同心位置へ動かすことで、組み立て中にダイアフラム２２の不整合を防止する。従来の平坦ダイアフラムあるいは直線側面ビードを有するダイアフラムでは、この利点を提供することはできない。

ビード４８の中心線径とポケット５８のとの間に誤差があっても、テーパー形状の接合デザインはこれら２つの部材間に予想される変形に充分対応することができる。例えば、ビード４８の中心線径（線“Ｂ”で測定）が０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）でポケット５８の中心線径（線“Ｐ”で測定）よりも大きくても小さくても、組み立て中にビード４８はポケット５８へ整合し始めるであろうし、放射状外向きに引っぱるか、放射状内向きに押して、意図する通りにこれらの部材を接合させるであろう。

図６から図９ではガスケット１８をさらに詳細に図示している。ガスケット１８は柔軟性のある漏止材料で作られている。使用される流動体に対して抵抗性があり、適した弾性を有するあらゆる材料が使用可能である。適した材料にはエチレンプロピレンジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、フルオロエラストマー及びパーフルオロエラストマー並びにＶＩＴＯＮフルオロエラストマー材料が含まれる。
ガスケット１８は、平坦ウェブ７８、離れて提供される一対の環状部外部（第１）ビード８０及び８０´、並びに離れて提供される一対の環状部内部（第２）ビード８２及び８２´を含む連続部材であり、それぞれのビードは径“Ｏ”を有している。望むなら、ビードを１つだけでも、あるいは複数のビードを使用してもよい。平面図ではガスケット１８は、ビード８０と８２がシールされる領域の周縁を囲むように設計されている。この特定実施例ではガスケット１８は２つの略長方形領域８４及び８６を含んでいる。

図９はガスケット１８がヘッド１２とチャンバー１４との間にどのように取り付けられているかを図示している。ガスケット１８はヘッド１２の平坦下面８８とチャンバー１４の上面９２に形成された溝９０との間に受領され、そこでガスケット部９４を提供する。ガスケット部９４の寸法は、完全に組み立てられた時にガスケット部９４とガスケットビード８０及び８２との間に所定の干渉が存在してシール状態を形成するように選択される。
図９では圧縮形状のガスケット１８を実線で表わし、非圧縮形状を“ＦＤ”で示す破線で表わす。このシール状態は永久静的シール状態であるため、ガスケットビード８０及び８２の高圧縮を不都合な結果を招かずに適用できることが確認されている。ガスケット部９４のおかげで、高圧縮状態下のガスケット１８の変形に対応する空間が提供される。

静的Ｏリングの面シールの従来技術が推奨する圧縮範囲は約２０％から約４０％である。この典型的な静的圧縮範囲は良好に作用するが、必要があれば約５０％または約６０％までの圧縮をガスケットビード８０及び８２に適用することができる。これは、高性能樹脂で成形されたプラスチック部分を使用した場合に可能である。種類によってはこれらプラスチック材料は、ガスケット部９４の深さを変化させる縮みまたは捻れ等の歪みを成形後に生じることがある。ガスケット部９４の深度が小さくなるほど、歪みにより多くの影響が発生する。これらプラスチックの歪みは望ましくないが、プラスチック射出成形部材を使用する場合には回避できない。特に共存特性あるいは他の物理的特性が必要とされる材料の場合にはつきものである。

例えば、ガスケット部９４の深度Ｄは０．８９ｍｍ（０．０３５インチ）である。３５％の圧縮率を提供する典型的なＯリングデザインでは径が１．３７ｍｍ（０．０５４インチ）である。ヘッド１２とチャンバー１４の両方が合わせて０．２０ｍｍ（０．００８インチ）の縮み及び／または捻れをガスケット部９４の部分に加えるなら、３５％の圧縮率を最も深い１．０９ｍｍ（０．０４３インチ）のところに提供するのが望ましいであろう。よって、１．６８ｍｍ（０．０６６インチ）のＯリング径“Ｏ”をガスケットビード８０及び８２に使用できる。これはガスケット部の深度Ｄがほんの０．８９ｍｍ（０．０３５インチ）の場合に４７％の圧縮率を提供するであろう。これは産業的に許容範囲であると考えられるものより高い圧縮率であるが、本デザインはこの高い圧縮率で効果的な接合部シール状態を提供する。

新規なシール構造を有するダイアフラムポンプについて説明した。本発明の特定実施例について説明したが、当業者であれば本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形を加えることは可能である。よって、前述の本発明の好適実施例は本発明の説明のためにのみ提供されたものであり、本発明を限定するものではない。

本発明に従って構成されたダイアフラムポンプの平面図である。 図１の２−２線に沿った縦断面図である。 本発明に従って構成されたポンプダイアフラムの平面図である。 図３の４−４線に沿った縦断面図である。 図４のダイアフラムの一部拡大図である。 本発明に従って構成されたガスケットの平面図である。 図６の７−７線に沿った縦断面図である。 図７のガスケットの一部拡大図である。 図１のポンプの一部拡大断面図であり、搭載されたガスケットを示している。 図１のポンプの一部拡大断面図であり、搭載されたダイアフラムを示している。 ポンプチャンバーと本体の一部拡大断面図であり、搭載されたダイアフラムの別実施例を示している。

Claims (14)

1. ポンプのシール機構であって、周縁に沿って形成された楔型ポケットを有する第１部材と、前記ポケットに対面するリムを備えた第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に提供されたダイアフラムと、を含んでおり、
   該ダイアフラムは、縦軸を有した中央ステムと、前記ステムに取り付けられたディスク状ヘッド部と、前記ヘッド部の周辺に提供されている直立ビードと、を含んでおり、
   該ビードは略放射状外向きの第１傾斜面と、略放射状内向きの第２傾斜面と、を含んでおり、
   前記ビードは前記ダイアフラムと前記第１部材との間に分離した第１傾斜面と第２傾斜面とによる二つのシール面を形成するように前記ポケット内に受領され、前記リムにＶ溝が形成され、
   前記楔型ポケットの深さは、前記直立ビードの高さより深く、
   完全に組み立てられた時に、前記ビードの第１傾斜面と第２傾斜面とは前記ポケット内に受領されて前記ビードと前記ポケットとは相互に干渉し、前記ビードは圧縮されることを特徴とするシール機構。
2. それぞれの傾斜面は縦軸に対して略１０°から略３０°傾斜していることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
3. それぞれの傾斜面は縦軸に対して略１５°傾斜していることを特徴とする請求項２記載のシール機構。
4. ビードは二つの傾斜面間に実質的に平坦な平坦面を含んでいることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
5. ダイアフラムは第２傾斜面に隣接する略平行側面の第１平坦部分を有しており、該第１平坦部分は第１部材と第２部材との間で締め付けされていることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
6. ダイアフラムは第１傾斜面に隣接する略平行側面の第２平坦部分を有しており、該第２平坦部分は第１部材と第２部材との間で締め付けされていることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
7. ダイアフラムはフルオロエラストマー、エチレンプロピレンジエンターポリマー及びそれらの組み合わせとで成る群から選択される材料を含んでいることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
8. ポケットは略放射状外向きの第３傾斜面と、略放射状内向きの第４傾斜面とを含んでいることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
9. シール機構であって、それぞれ平面を有し、ガスケットを受領するガスケット部を共同で提供するヘッド及びチャンバーと、平坦ウェブと前記ガスケット部内に延びる円形断面の第１ビードとを含み、弾性材料で形成され、前記ガスケット部内に提供された前記ガスケットと、を含んでおり、
   前記第１ビード並びに前記ヘッド及びチャンバーの寸法は、前記第１ビードが非圧縮状態から径方向に少なくとも略４０％圧縮される寸法に選択されることを特徴とする請求項１〜８記載のシール機構。
10. 第１ビードは非圧縮状態から略５０％から略６０％圧縮されることを特徴とする請求項９記載のシール機構。
11. ガスケットは前記ガスケット部内に延び、前記ガスケット部に受領される円形断面の第２ビードをさらに含んでおり、該第２ビード並びにヘッド及びチャンバーの寸法は、前記第２ビードが非圧縮状態から径方向に少なくとも略４０％圧縮される寸法に選択されることを特徴とする請求項９記載のシール機構。
12. 第２ビードは非圧縮状態から略５０％から略６０％圧縮されることを特徴とする請求項１１記載のシール機構。
13. ガスケットはフルオロエラストマー、パーフルオロエラストマー、エチレンプロピレンジエンターポリマー及びそれらの組み合わせで成る群から選択される材料を含んでいることを特徴とする請求項９記載のシール機構。
14. ポンプであって、本ポンプは、内部で周縁部に形成された楔型ポケットを備えたポンプヘッドと、前記ポケットに対面するリムを備えた本体と、前記ポンプヘッドと前記本体との間に提供されたダイアフラムと、を含んでおり、
    該ダイアフラムは、縦軸を有した中央ステムと、前記ステムに取り付けられたディスク状ヘッドと、前記ヘッドの周縁に提供された直立ビードと、を含んでおり、該ビードは、略放射状外向きの第１傾斜面と、略放射状内向きの第２傾斜面と、を含んでおり、
    前記ビードは前記ポンプヘッドと前記ダイアフラムとの間で別々の第１傾斜面と第２傾斜面とによるの二つのシール面を形成するように前記ポケット内に受領され、前記リムにＶ溝が形成され、
    前記楔型ポケットの深さは、前記直立ビードの高さより深く、
    完全に組み立てられた時に、前記ビ−ドの第１傾斜面と第２傾斜面とは前記ポケット内に受領されて前記ビードと前記ポケットとは相互に干渉し、前記ビードは圧縮されることを特徴とするポンプ。

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