JP5250511B2

JP5250511B2 - ピストンポンプおよびその設置方法

Info

Publication number: JP5250511B2
Application number: JP2009199837A
Authority: JP
Inventors: 秀宏柿澤
Original assignee: Oken Seiko Co Ltd
Current assignee: Oken Seiko Co Ltd
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: JP2011052549A

Description

本発明は、カム面に沿って移動するボールによってピストンを往復動させるピストンポンプおよびその設置方法に関するものである。

従来のピストンポンプとしては、モータの駆動によって回転する回転板と、この回転板とボールを介して対向し往復動することによりポンプ室の容積を増減させる駆動体とを備え、回転板の表面に勾配を有するカム面を形成し、回転板を回転させることによりボールが自転および公転し、カム面のカム作用によりピストンが往復動してポンプ作用をするものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１５５８５４号公報

上述した従来のピストンポンプにおいては、図５に示すように回転板のカム面１０１の形状が直線によって形成され、位相１８０°において頂点を有する三角形を呈しているため、位相１８０°の前後において、ボールの変位量が急激に変化する。このため、ボールがカム面に衝突することによりカム面が摩耗しやすく、かつ衝突の振動に起因する騒音が発生するという問題があった。

本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、カム面の摩耗を低減させ耐久性を向上させるとともに、騒音の発生を抑制したピストンポンプを提供するところにある。

この目的を達成するために、本発明は、逆止弁を介して吸入口および排出口のそれぞれに連通されたポンプ室と、このポンプ室の容積を増減させるために往復動するピストンと、モータの駆動によって回転する駆動体と、この駆動体および前記ピストンの互いの対向面間に圧接され駆動体の回転に随伴して自転および公転することにより前記ピストンを往復動させるボールとを備え、前記ピストンおよび駆動体のいずれか一方の対向面の前記ボールが圧接される部位に前記ピストンの往復動方向に傾斜するカム面を設けたピストンポンプにおいて、前記カム面を無端状の連続した曲線によって形成し、かつ前記カム面の曲率半径を前記ボールの半径よりも大きく形成したものである。

本発明は、前記発明において、前記カム面を正弦曲線によって形成したものである。

本発明は、前記吸入口から前記ポンプ室内へ流入させる流体を液体とし、前記ピストンの往復動する方向が水平方向となるように請求項１または２記載のピストンポンプを設置し、前記排出口を前記吸入口よりも高く位置付け、前記逆止弁によって開閉される排出孔を前記ポンプ室の高い位置に設けたものである。

本発明によれば、カム面上を移動するボールの変位量が大きく変化することがないため、ボールがカム面に衝突することによるカム面の摩耗を低減できるため耐久性が向上するとともに、衝突の振動に起因する騒音の発生を抑制することができる。

前記発明のうちの一つの発明によれば、吸入口からポンプ室内に流入した液体によって、ポンプ室内に滞留していた空気が押し上げられ、排出孔を通って排出口から外部に円滑に排出されるため、空気が液体の中に気泡となって残留するようなことがない。

本発明に係るピストンポンプの断面図である。同図（Ａ）は本発明に係るピストンポンプにおけるピストンの底面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）におけるII（Ｂ）-II（Ｂ）線断面図である。本発明に係るピストンポンプにおけるカム面の形状を説明するために、ボールの移動方向に展開して示す図である。本発明に係るピストンポンプにおいて、カム面の曲率半径とボールの半径との関係を説明するために、カム面の形状をボールの移動方向に展開して示す図である。従来のピストンポンプのカム面の形状をボールの移動方向に展開して示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図１ないし図４に基づいて説明する。図１に全体を符号１で示すダイヤフラムポンプは、有底円筒状に形成されたケース２の底部に固定されたモータ３を備えており、このモータ３の出力軸３ａはケース２の底部に設けた孔２ａからケース２内に臨んでいる。

４は中央部が出力軸３ａに固定され、モータ３の駆動によって出力軸３ａを回転中心として出力軸３ａと一体的に回転する円板状に形成された駆動体であって、矢印Ａ方向の端面には、後述するピストン１５の対向面１６と対向する対向面４ａが形成されており、この対向面４ａの出力軸３ａを回転中心とした円周上にはリング状の溝４ｂが設けられている。

５は中空部５ａを有する円筒状に形成されたダイヤフラムハウジングであって、矢印Ｂ方向の端面にはリング状の溝５ｂが設けられており、外周部の円周方向の等間隔をおいた三箇所には（図中一箇所のみ図示）、係合凹部５ｃが設けられている。

６は中央部に基部６ａを有し、全体がゴム等の柔軟性を有する材料によって円錐台状に形成されたダイヤフラムであって、円柱状に形成された基部６ａには断面Ｔ字状の非貫通穴６ｂが設けられており、外周部には厚肉状に形成された被支承部６ｃが設けられている。

７は偏平な円柱状に形成されたバルブハウジングであって、中心部に凹部７ａが設けられており、この凹部７ａの底部には、弁取付孔７ｂ，７ｃと、これら弁取付孔７ｂ，７ｃに近接した吸入孔７ｄおよび排出孔７ｅとが設けられているとともに、底部の外側には仕切壁７ｆが突設されている。排出孔７ｅは、ピストンポンプ１を、図１に示すように横置き、すなわちピストン１５の往復動が水平方向を指向するように設置して使用する場合、後述するポンプ室１１の最も高い位置（図中矢印Ｃ方向）に設けられている。

８はバルブハウジング７の弁取付孔７ｂに取り付けられた逆止弁としての吸入弁であって、吸入孔７ｄを開閉する。９はバルブハウジング７の弁取付孔７ｃに取り付けられた逆止弁としての排出弁であって、排出孔７ｅを開閉する。

１０は偏平な略円筒状に形成された蓋体であって、底部の外側には吸入口１０ａが開口された筒部１０ｃと、排出口１０ｂが開口された筒部１０ｄが突設されており、底部の内側には、上記したバルブハウジング７の仕切壁７ｆに対接する仕切壁１０ｅが突設されている。排出口１０ｂは、ピストンポンプ１を、図１に示すように横置き、すなわちピストン１５の往復動が水平方向を指向するように設置して使用する場合、後述する消音室１３の最も高い位置（図中矢印Ｃ方向）に設けられている。この蓋体１０とバルブハウジングとは互いの端面を対接させるように積層状態で溶着されている。

このような構成において、ダイヤフラム６の被支承部６ｃをダイヤフラムハウジング５とバルブハウジング７との各端面間に挟持させた状態で、ダイヤフラムハウジング５とバルブハウジング７と蓋体１０とが、図１に示すように互いの端面を対接させるように積層状態とされ、図示を省略した通しボルトによって一体化されている。このとき、ダイヤフラム６の被支承部６ｃが、ダイヤフラムハウジング５とバルブハウジング７との各端面間を密閉するシールとして機能する。

ダイヤフラムハウジング５とバルブハウジング７とに支承されたダイヤフラム６と、バルブハウジング７の凹部７ａとによって囲まれた空間がポンプ室１１を形成する。このポンプ室１１は吸入孔７ｄを開閉する吸入弁８を介して吸入口１０ａに連通されているとともに、排出孔７ｅを開閉する排出弁９を介して排出口１０ｂに連通されている。また、バルブハウジング７と蓋体１０とが積層されることにより、互いの仕切壁７ｆ，１０ｅが突き合わされ、これら仕切壁７ｆ，１０ｅによってバルブハウジング７と蓋体１０とによって囲まれた空間は、二つの消音空間１２，１３に仕切られる。一方の消音空間１２は、吸引孔７ｄおよび吸引口１０ａのそれぞれに連通され、他方の消音空間１３は、排出孔７ｅおよび排出口１０ｂのそれぞれに連通されている。

図２（Ｂ）において、１５は略円筒状に形成されたピストンであって、矢印Ｂ方向の開口端部には、円形の鍔１５ａが設けられており、矢印Ａ方向端の底部には、断面Ｔ字状の係合部１５ｂが突設されている。鍔１５ａの矢印Ｂ方向の端面は、後述するようにピストン１５がダイヤフラムハウジング５の中空部５ａに摺動自在に支持されることにより、上記した駆動体４の対向面４ａに対向する対向面１６を形成する。

この対向面１６には、駆動体４の溝４ｂに対向するように円周方向の全周にカム溝１７が設けられている。そして、この対向面１６は、円周方向に位相θだけずれた部位における矢印Ａ−Ｂ方向の変位量がＣＯＳθで表されるように形成されており、この対向面１６に形成されたカム溝１７のカム面１７ａは、図３に示すように３６０°を一周期とする正弦曲線Ｇによって形成されている。また、このカム面１７ａの曲率半径Ｒは、後述するボール２０の半径ｒよりも大きく形成されている。

ピストン１５は、図１に示すように係合部１５ｂがダイヤフラムハウジング５とバルブハウジング７とに支承されたダイヤフラム６の非貫通穴６ｂに取り付けられることにより、ダイヤフラム６の弾性変形により、ダイヤフラムハウジング５の中空部５ａに矢印Ａ−Ｂ方向へ摺動自在となるようにダイヤフラムハウジング５に支持される。

１８はダイヤフラムハウジング５の溝５ｂの底部と、ピストン１５の鍔１５ａとの間に弾装された圧縮コイルばね１８であって、この圧縮コイルばね１８の弾発力によって、ピストン１５はダイヤフラムハウジング５に対して矢印Ｂ方向に付勢されている。ダイヤフラムハウジング５は、外周部に設けた段部５ｄにケース２の開口端を突き当てた状態で、ケース２の開口端部の一部２ｂを折り曲げ、この折り曲げた一部２ｂを係合凹部５ｃに係合させることにより、ケース２に固定される。

２０は駆動体４の溝４ｂとピストン１５のカム溝１７との間に介装されたボールである。また、このボール２０は、圧縮コイルばね１８の弾発力によって、溝４ｂとカム溝１７とに圧接された状態で挟持されており、モータ３の駆動によって駆動体４が回転することにより、ボール２０は駆動体４に随伴して自転しながら溝４ｂに沿って公転する。

このボール２０の公転によって、ボール２０がカム溝１７のカム面に沿って移動するため、ピストン１５は圧縮コイルばね１８の弾発力に抗して矢印Ａ方向に移動するとともに、圧縮コイルばね１８の弾発力によって矢印Ｂ方向に移動する。したがって、このピストン１５の矢印Ｂ方向への移動によって、ポンプ室１１の容積が増大するため、排出弁９によって排出口７ｅが閉塞される。このため、蓋体１０の吸入口１０ａから流体が消音室１２内に流入し、吸入弁８によって開放された吸入口７ｄを通ってポンプ室１１内に流入する。一方、圧縮コイルばね１８の弾発力に抗してピストン１５の矢印Ａ方向への移動によって、ポンプ室１１の容積が減少するため、吸入弁８によって吸入口７ｄが閉塞される。したがって、ポンプ室１１内の流体が排出弁９によって開放された排出孔７ｅを通り、消音室１３を介して排出口１０ｂから外部に排出される。

このとき、カム溝１７のカム面１７ａが、図３に示すように平均変化率が一定である正弦曲線Ｇによって形成されていることにより、カム面１７ａに沿って移動するボール２０は一定の変位量で移動し、矢印Ａ−Ｂ方向の変位量が大きく変動するようなことがない。このため、カム面１７ａにボール２０が衝突することによるカム面１７ａの摩耗が従来と比較して低減されるから耐久性が向上するとともに、カム面にボール２０が衝突することによる振動も低減するから、騒音も抑制することができる。

ここで、仮に、カム溝１７のカム面１７ａの正弦曲線Ｇの曲率半径Ｒよりもボール２０の半径ｒが大きい場合は、図４に示すようにボール２０が位相１８０°に位置すると、ボール２０の外周面とカム面１７ａとの間に長さＬの範囲で隙間が形成される。このため、この長さＬの範囲において、ボール２０がカム面１７ａ上を転動することなく、接触点Ｇ１から接触点Ｇ２に略水平方向に直線的に移動する。

したがって、接触点Ｇ１の前後においてボール２０の矢印Ａ−Ｂ方向の変位量が大きく変化するため、従来のようにカム溝１７のカム面１７ａの摩耗が大きく、かつ騒音が発生する。これに対して、本実施例においては、カム溝１７のカム面１７ａの曲線Ｇの曲率半径Ｒがボール２０の半径ｒよりも大きく形成されているため、ボール２０の外周面とカム面１７ａとの間に隙間が発生するようなことがなく、ボール２０がカム面１７ａ上を転動する。したがって、ボール２０の矢印Ａ−Ｂ方向の変位量が大きく変化するようなことがない。

上記の構成のピストンポンプ１を液体ポンプとして使用する場合は、ピストンポンプ１を横置き、すなわち図１に示すようにピストン１５の往復動が水平方向（矢印Ａ−Ｂ方向）を指向するように設置する。このように設置することにより、排出口１０ｂが吸入口１０ａよりも高い位置に位置付けられるとともに、排出口１０ｂが消音室１３の最も高い位置に位置付けられ、かつ排出孔７ｅがポンプ室１１の最も高い位置に位置付けられる。

このように設置されたピストンポンプ１において、モータ３の駆動によってポンプ作用を開始すると、外部から吸入口１０ａを通って流入した液体が、消音室１２および吸入孔７ｄを介してポンプ室１１内に流入する。ポンプ室１１内に流入した液体は、空気よりも比重が大きいため、ポンプ室１１の下方（矢印Ｄ方向）に滞留する。この場合、吸入孔７ｄが排出孔７ｅよりも低い位置に設けられているため、ポンプ室１１内に流入した液体は、ポンプ室１１内の空気と混ざり合うことない。一方、比重の小さい空気は、滞留した液体によって上方に押し出され、ポンプ室１１の排出孔７ｅから消音室１３内へ排出される。この場合も、排出孔７ｅがポンプ室１１の最も高い位置に設けられているため、空気が液体と混ざり合うことなく円滑に排出孔７ｅから排出されるから、空気が気泡となって液体内に残留するようなことがない。

ポンプ室１１内に液体が充填され、消音室１３内に液体が流入し始めると、流入した液体が先ず消音室１３の下方（矢印Ｄ方向）に滞留するから、消音室１３内の空気は液体によって上方に押し出され、排出口１０ｂから外部に排出される。この場合も、排出口１０ｂが消音室１３の最も高い位置に設けられているため、空気が液体と混ざることなく円滑に排出口１０ｂから排出されるから、空気が気泡となって液体内に残留するようなことがないからポンプ流量が安定する。

このように、ポンプ室１１内の空気がポンプ室１１内に流入された液体によって円滑にポンプ室１１から排出されるため、ピストンポンプ１を低速で使用する場合も空気がポンプ室１１に残留するようなことがない。また、本発明に係るピストンポンプ１のように、カム面１７ａを正弦曲線によって形成したことにより振動が低減すると、ポンプ室１１内に空気が残留しやすくなるが、ピストンポンプ１を横置きにすることにより、ポンプ室１１内における空気の残留を解消することができる。

なお、本実施例においては、ピストン１５の対向面１６にカム溝１７を設けたが、対向面１６にカム溝１７を設けずに駆動体４の対向面４ａにカム溝を設けてもよい。また、カム面１７ａを平均変化率が一定である正弦曲線によって形成したが、正弦曲線に限定されず無端状の連続した曲線によって形成してもよい。

１…ピストンポンプ、３…モータ、４…駆動体、４ａ…対向面、４ｂ…溝、５…ダイヤフラムハウジング、６…ダイヤフラム、７…バルブハウジング、７ｄ…吸入孔、７ｅ…排出孔、８…吸入弁（逆止弁）、９…排出弁（逆止弁）、１０…蓋体、１０ａ…吸入口、１０ｂ…排出口、１１…ポンプ室、１５…ピストン、１６…対向面、１７…カム溝、２０…ボール、Ｒ…カム面１７ａの曲率半径、ｒ…ボール２０の半径。

Claims

逆止弁を介して吸入口および排出口のそれぞれに連通されたポンプ室と、このポンプ室の容積を増減させるために往復動するピストンと、モータの駆動によって回転する駆動体と、この駆動体および前記ピストンの互いの対向面間に圧接され駆動体の回転に随伴して自転および公転することにより前記ピストンを往復動させるボールとを備え、前記ピストンおよび駆動体のいずれか一方の対向面の前記ボールが圧接される部位に前記ピストンの往復動方向に傾斜するカム面を設けたピストンポンプにおいて、
前記カム面を無端状の連続した曲線によって形成し、かつ前記カム面の曲率半径を前記ボールの半径よりも大きく形成したことを特徴とするピストンポンプ。
前記カム面を正弦曲線によって形成したことを特徴とする請求項１記載のピストンポンプ。
前記吸入口から前記ポンプ室内へ流入させる流体を液体とし、前記ピストンの往復動する方向が水平方向となるように請求項１または２記載のピストンポンプを設置し、前記排出口を前記吸入口よりも高く位置付け、前記逆止弁によって開閉される排出孔を前記ポンプ室の高い位置に設けたこと特徴とするピストンポンプの設置方法。