JP5371037B2

JP5371037B2 - ポンプ装置

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Publication number: JP5371037B2
Application number: JP2009046073A
Authority: JP
Inventors: 茂雄今井; 達典村井; 太郎中村; 一将鈴木
Original assignee: Lixil Corp
Current assignee: Lixil Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010196689A

Description

本発明は、外筒及び内筒を備え、該外筒と内筒との間に加圧用媒体を供給して内筒を求心方向に膨張させて液体、スラリー等の流体や固体、又は固液混合物を輸送するためのポンプユニットを用いたポンプ装置に関する。

外筒と内筒との間に加圧用媒体を供給して内筒を収縮させ、液体等を輸送するポンプは、特開昭４９−８０４、特開平５−３２１８４２などに記載されている。

特開昭４９−８０４では、外筒の内周面に沿って設けたゴム製内管を空気によって求心方向に膨張させるようにした弁を３個直列に接続し、３個の弁のゴム製内管を順次に膨張させて液体を移送するよう構成している。

特開平５−３２１８４２も、同様の構成及び作動を行うものであり、内筒としてシリコンゴムチューブを用いている。

特開昭４９−８０４特開平５−３２１８４２

上記従来のポンプの内筒は、ゴム又は軟質の合成樹脂よりなるものである。この内筒の場合、外筒との間に加圧用媒体が圧入されたときに周方向にわたって均等に求心方向に膨張することは稀であり、多くの場合、一部が大きく求心方向に膨らみ、局部的に座屈状に屈曲するようになる。このように内筒が非均等に膨らむと、流路断面が十分には閉塞されず、液体等の輸送効率が低いものとなる。

本発明は、上記従来の問題点を解決し、外筒及び内筒を備えたポンプユニットに対して加圧用媒体を供給したときに、内筒が流路断面を十分に閉塞するように膨張するポンプユニットを用いたポンプ装置を提供することを目的とする。

請求項１のポンプ装置は、外筒と、該外筒の内側に配置された内筒とを有し、該内筒は、加圧用媒体の供給によって求心方向に膨張可能であり、該内筒の軸心線方向に延在した、該内筒の変形を拘束する拘束体が、該内筒の周方向に間隔をあけて複数個設けられているポンプユニットを複数個連結した連結体よりなるポンプと、各ポンプユニットの外筒と内筒との間に加圧用媒体を供給及び排出する加圧用媒体給排手段とを備えてなるポンプ装置であって、該加圧用媒体給排手段は、一部のポンプユニットの外筒と内筒との間に対して加圧用媒体を供給及び排出するための通気用チューブを有しており、該通気用チューブは、該通気用チューブが加圧用媒体の供給及び排出を担当するポンプユニット（以下、担当ポンプユニットという。）に連なるポンプユニットの外筒と内筒との間を引き回されて該担当ポンプユニットの外筒と内筒との間に接続されていることを特徴とするものである。

請求項２のポンプ装置は、請求項１において、前記ポンプは、ｎ個（ｎは２以上の整数）のポンプユニットを連結してなり、各ポンプユニットを、該連結方向の一端側から他端側に向って順に第１のポンプユニット、第２のポンプユニット、…、第ｎのポンプユニットと称した場合、第２〜第ｎのポンプユニットの外筒と内筒との間にそれぞれ前記通気用チューブが接続されており、第ｋ（ｋは２以上ｎ以下の整数）のポンプユニットの外筒と内筒との間に接続された通気用チューブは、第１〜第（ｋ−１）のポンプユニットの外筒と内筒との間を引き回されて該第ｋのポンプユニットの外筒と内筒との間に接続されていることを特徴とするものである。

請求項３のポンプ装置は、請求項１又は２において、前記内筒は、ゴム又はエラストマーよりなり、前記拘束体は、線状体よりなり、該ゴム又はエラストマー中に埋設されていることを特徴とするものである。

請求項４のポンプ装置は、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記拘束体は、内筒の周方向に等間隔にて４〜６個設けられていることを特徴とするものである。

本発明のポンプ装置にあっては、ポンプユニットの内筒と外筒との間に加圧用媒体を供給すると、内筒が求心方向に膨張して流路を閉塞する。本発明では、内筒に、その筒軸心線方向に延在する拘束体が複数個設けられており、内筒のうち拘束体同士の間の部分が求心方向に膨張する。本発明では、この拘束体同士の間の部分が小チャンバーの如く分画されており、加圧用媒体の圧力により各小チャンバー状部分がそれぞれ均等に求心方向に膨張する。そして、各小チャンバー状部分がポンプユニットの軸心付近に到達するように膨張し、流路がほぼ完全に閉塞される。

従って、このポンプユニットを複数個連結してなるポンプにあっては、液体やスラリー等の流体や固体、又は固液混合物を効率よく輸送することができる。

参考例に係るポンプユニットの筒軸心方向の断面図である。図１のII−II線断面図である。図１のIII−III線断面図である。内筒の斜視図である。内筒の一部の拡大断面図である。内筒膨張時のポンプユニットの断面を示す図７のVI−VI線断面図である。図６のVII−VII線断面図である。ポンプの作動を説明する断面図である。別の参考例を示す断面図である。実施の形態に係るポンプ装置のポンプユニットの筒軸心方向の断面図である。図１０のXI−XI線断面図である。図１０のXII−XII線断面図である。内筒膨張時のポンプユニットの断面図である。図１０のポンプユニットを連結したポンプの断面図である。図１４のポンプユニット連結部の断面図である。図１４のポンプユニット連結部における通気構造を示す断面図である。内筒の膨張前後の形状を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

［第１の参考例］
第１図〜第８図は第１の参考例について説明するものである。

第１図〜第３図の通り、ポンプユニット１は、外筒２と、該外筒２の内周面に沿って同軸的に設けられた膨張可能な内筒３とを有する。外筒２は、金属、硬質合成樹脂などの、加圧用媒体の圧力によっては変形しない材料よりなる。内筒３は、例えば０．２〜５ｍｍ程度の厚さのゴム、エラストマーなどの膨張可能な材料よりなる。

なお、内筒３は、加圧用媒体の圧力によって膨張可能であればよく、その材料や厚さは上記のものに限定されない。

内筒３には、筒軸心方向に延在する拘束体４が複数本（この参考例では４本）、周方向に均等な間隔をあけて埋設されている。

拘束体４は、例えば炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維等の繊維のロービング（繊維を引き揃えたもの）、ヤーン（撚りをかけたもの）、コード（合糸したもの）や、金属のワイヤなど、引張弾性率が内筒３の材料の弾性率以上のものよりなる。

拘束体４は、内筒３の筒軸心方向の一端から他端にまで延設されている。

内筒３は、例えばマンドレルの外周にゴムラテックスを塗布し、次いで拘束体４を配材し、さらにその上からゴムラテックスを塗布し、架橋させ、その後、マンドレルを引き抜くことなどによって成形することができる。ただし、内筒の成形方法はこれに限定されるものではなく、ゴム、エラストマー等のマトリックス材料と、炭素繊維などの拘束体とを共押し出しして成形することも可能である。

この内筒３の筒軸心方向の両端は外筒２に固定されている。この参考例では、内筒３の両側の端部３ａを拡径方向に折り曲げ、環状のエンドプレート５によって外筒２の端面との間で該端部３ａを挟み付けることなどによって固定されている。なお、エンドプレート５は、外筒２にボルト等で留め付けたり、あるいは該エンドプレート５自体を外筒２にねじ込むことなどにより外筒２に取り付けることができるが、エンドプレート５の外筒２への取り付け方法はこれに限定されない。

内筒３の端部３ａの固定方法は、上記の方法に限定されるものではなく、例えば、円筒状の内筒３の両端部を内周側から押えリングによって外筒２の内周面に押し付けて固定してもよい。

外筒２と内筒３との間に対し加圧用媒体を給排するために、外筒２の内周面を周回するように溝７が設けられると共に、この溝７から外筒２の外周面にまで貫通するように孔６が設けられている。この孔６を介して溝７に対しシリンダ装置などによって水、油、空気などの加圧用媒体を供給することにより、内筒３のうち拘束体４同士の間の部分が第６，７図の如く求心方向に膨張する。また、内筒３が膨張した後、加圧用媒体を孔６から排出させることにより、内筒３が収縮して第１図〜第３図のように元の筒形状に復帰する。

このポンプユニット１を第８図の如く複数個同軸に連結することによりポンプが構成される。ポンプユニット１同士を連結する場合、隣接するポンプユニット１の拘束体４の周方向の位置が互いに合致していてもよく（即ち、各ポンプユニット１の拘束体４が一直線状に揃っていてもよく）、周方向にずれていてもよい。

このポンプの各ポンプユニット１の孔６に耐圧ホース等を介してシリンダ装置などを接続することによってポンプ装置が構成される。

第８図（ａ）〜（ｅ）を参照して、このポンプの作動について説明する。

第８図では３個のポンプユニット１が接続されている。（ａ）図ではいずれのポンプユニット１の内筒３も収縮している。（ｂ）図では左側のポンプユニット１の内筒３のみが膨張し、（ｃ）図では左側及び中央のポンプユニット１の内筒３のみが膨張し、（ｄ）図では中央及び右側のポンプユニット１の内筒３のみが膨張し、（ｅ）図では右側のポンプユニット１の内筒３のみが膨張している。

このように順次に各内筒３を膨張させることにより、第８図の左側から右方向に液体、気液混合流体、スラリーなどの流体や固体、又は固液混合物（以下、流体等と略すことがある。）が輸送される。

この参考例では、内筒３が４本の拘束体４によって周方向に４個に区画されている。孔６から溝７に加圧用媒体を供給すると４個の各区画部分がそれぞれ第７図の通り均等に求心方向に膨張し、膨張方向の先端部はポンプユニット１の中心付近に到達する。このため、内筒３の内周側の流路は実質的に全閉状態となる。従って、膨張する内筒３を第８図の如く順番に切り替えることにより、流体等が効率よく輸送される。なお、第７図の如く、膨張した各区画の先端にはごく微かな隙間が生じるが、この隙間の流路断面積はごく微かであり、実質的には全閉状態と同様となる。

なお、内筒３の内周面のうち、該内筒３の周方向に隣り合う拘束体４，４同士の中間部分（即ち、内筒３の膨張時に最も該内筒３の中心側へ膨らみ出す部分）にスポンジ等を取り付け、内筒３の膨張時にその中心付近の隙間がこのスポンジ等によって完全に塞がれるように構成してもよい。

第８図では、３個のポンプユニット１を連結しているが、４個以上であってもよいことは明らかである。

上記参考例では、内筒３を４本の拘束体４によって４区画に区画しているが、５又は６区画としてもよい。本発明者が種々実験を重ねた結果、２又は３区画では、各小区画が求心方向に均等に膨張しないことがあった。また７区画以上では、各区画をポンプユニットの中心付近まで膨張させるための加圧用媒体の圧力がかなり高くなる。そのため区画数すなわち拘束体４の数は４〜６程度とくに４又は５が好適である。

［好適な内筒３の長さ及び直径並びに拘束体４の個数の算定方法について］
以下に、第１７図を参照して内筒３の長さ及び直径並びに拘束体４の個数（本数）の算定方法について説明する。第１７図（ａ）は内筒３の膨張前の斜視図、第１７図（ｂ）は第１７図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、第１７図（ｃ）は内筒３が不正形状に膨張した状態を示す第１７図（ｂ）と同様部分の断面図、第１７図（ｄ）は、内筒３がポンプユニットの中心部を完全に塞ぐように膨張した状態を示す、該内筒３の筒軸心線に沿う断面図である。なお、内筒３の厚さは、該内筒３の長さ及び直径に対してごく小さいので、以下、この内筒３の厚さは無視できるものとする。

第１７図（ａ）の通り、内筒３の非膨張時における長さをＬとし、直径をＤとする。第１７図（ｂ）の通り、ｉ本の拘束体４（４_１，４_２，４_３，…………，４_ｉ）が内筒３の周方向に略等間隔にて配設されている。第１７図（ｂ），（ｃ）において、二点鎖線は膨張前の内筒３を示し、実線は膨張時の内筒３を示し、一点鎖線は内筒３の最終膨張形状（内筒３がポンプユニットの中心部を完全に塞ぐように膨張した状態）を示している。第１７図（ｂ）の矢印は、内筒３の膨張時に該内筒３の内面に掛かる圧力の方向を示している。

第１７図（ｂ）の幾何学的な考察より、内筒３がポンプユニットの中心部を完全に塞ぐように膨張する条件は、次式の通りである。
ｉＤ≧πＤ
即ち、
ｉ≧π
である。ここで、ｉは整数であるから、
ｉ≧４（本）（１）
が導かれる。

第１７図（ｂ）のように、内筒３が膨張時に正しく変形する（即ち、第１７図（ｃ）の如く内筒３のうち各拘束体４によって区画された各区間に折れ目等が生じること無く、各区間が全体的にポンプユニットの中心部に向かって膨張する）ためには、次式を満たす必要がある。
Ｌ≧πＤ／ｉ（２）
特に、経験則から、
Ｌ／（πＤ／ｉ）＝１．５
が好適である。

内筒３の膨張時には、この内筒３の外周面の筒軸心方向の断面形状は、真円に沿う形状となると仮定した場合、第１７図（ｄ）の幾何学的な考察より、内筒３がポンプユニットの中心部を完全に塞ぐように膨張する条件は、次式の通りである。
Ｌ≧Ｄ（３）

よって、上記式（１）〜（３）を全て満たすように内筒３の長さＬ及び直径Ｄ並びに拘束体４の本数ｉを決定することにより、内筒３の膨張時に、ポンプユニットの中心部がこの膨張した内筒３によって実質的に完全に塞がれるように構成することができる。

［第２の参考例］
第９図は第２の参考例を説明するものである。

上記参考例では、複数個のポンプユニット１の各内筒３を順次に膨張させるようにしているが、第９図のポンプユニット１１のように、内筒１３の筒軸心方向の途中に押えリング１４を配置し、１個のポンプユニット１１の筒軸心方向に、独立して膨張可能な膨張可能部を複数個設けてもよい。

このポンプユニット１１は、外筒１２の内周に沿って内筒１３を配置し、内筒１３の両端部１３ａをエンドプレート１５で外筒１２に固定している。内筒１３には、第２〜４図と同様に４本（又は５〜６本）の拘束体４（第９図では図示略）が埋設されている。

ポンプユニット１１の筒軸心方向に間隔をおいて押えリング１４が配置され、内筒１３を外筒１２の内周面に押し付けている。押えリング１４同士の間及び押えリング１４とエンドプレート１５との間にそれぞれ周回溝１７が設けられ、各溝１７が孔１６を介して外筒１２の外周面に連通している。溝１７内に対し加圧用媒体を給排することにより、内筒１３のうち押えリング１４とエンドプレート１５との間、及び押えリング１４同士の間の部分を膨張させることが可能である。第９図では、最も左側の部分が膨張する様子を２点鎖線にて示している。他の部分も同様に膨張可能である。

そのため、前記第８図と同様に、例えば左側から順番に内筒１３を膨張させることにより、流体等の被輸送体を右方に輸送することができる。なお、第９図のポンプユニット１１も、複数個連結して用いることができる。

［実施の形態］
第１０図〜第１６図は実施の形態を説明するものである。

この実施の形態のポンプユニット２１においては、外筒２２の内径は、非膨張状態の内筒２３の外径よりも大きなものとなっている。ポンプユニット２１の筒軸心方向の両端にそれぞれ環状のエンドリング２４が設けられている。外筒２２の両端側は、それぞれ各エンドリング２４の外周面に重ね合わされ、バンド等の固定手段（図示略）により固定されている。内筒２３の両端は、それぞれ、各エンドリング２４の内周側を通って各エンドリング２４の外側の端面に回り込んでいる。即ち、ポンプユニット２１は、外筒２２、内筒２３及び１対のエンドリング２４によって囲まれた空室２５を有している。

なお、この実施の形態でも、内筒２３には、筒軸心方向に延在する拘束体２６が４本、周方向に均等な間隔をあけて埋設されているが、拘束体２６の本数はこれに限定されない。

ポンプユニット２１の一端側のエンドリング２４の内周の外向きの角縁には周回凹段部２４ａ（第１５，１６図）が設けられている。ポンプユニット２１の他端側のエンドリング２４の内周の外向きの角縁には、筒軸心方向の外方に突出する周回凸部２４ｂ（第１５，１６図）が突設されている。ポンプユニット２１，２１同士を同軸状に配置して突き合わせると、一方のポンプユニット２１の周回凸部２４ｂが他方のポンプユニット２１の周回凹段部２４ａに係合する。内筒２３の両端は、それぞれこの凸部２４ｂ及び凹段部２４ａによって挟持されてエンドリング２４に強固に固定される。

エンドリング２４には、筒軸心方向に孔２７が貫設されている。この孔２７は、周方向に間隔をおいて複数個設けられている。第１５図のように、一部の孔２７にボルト２８を通してポンプユニット２１同士を連結する。他の孔２７には、第１６図のように、通気管２９を通し、ポンプユニット２１の空室２５同士を連通するか、又はこの通気管２９にチューブ３０を接続する。

このポンプユニット２１を第１４図の如く複数個同軸に連結することによりポンプが構成される。ポンプユニット２１同士を連結する場合、隣接するポンプユニット２１の拘束体２６の周方向の位置が互いに合致していてもよく（即ち、各ポンプユニット２１の拘束体２６が一直線状に揃っていてもよく）、周方向にずれていてもよい。

第１４図の左側のポンプユニット２１Ａの通気管２９に対し耐圧ホース等を介してシリンダ装置などを接続することによってポンプ装置が構成される。

第１４図に示すように、３個のポンプユニット２１を連結してポンプを構成した場合、図の左端のポンプユニット２１（２１Ａ）の空室２５は、その左端の通気管２９を介してシリンダ装置等の空気給排装置（図示略）に接続される。中央のポンプユニット２１（２１Ｂ）の空室２５は、ポンプユニット２１Ａ内を引き回されたチューブ３０（３０Ａ）を介して空気給排装置に接続される。右端のポンプユニット２１（２１Ｃ）の空室２５は、ポンプユニット２１Ａ、２１Ｂ内に引き回されたチューブ３０（３０Ｂ）を介して空気給排装置に接続される。なお、ポンプユニット２１Ａ，２１Ｂ内のチューブ３０Ａ，３０Ｂは、それぞれ両端が通気管２９に接続されている。チューブ３０Ａ，３０Ｂはシリコーンゴムなど、柔軟に変形可能な材料よりなると共に、所要の肉厚を有し、空気圧によっては実質的に膨張、収縮しないものとなっている。

このように通気用のチューブ３０Ａ，３０Ｂを各ポンプユニット２１Ａ，２１Ｂの空室２５内に引き回したことにより、各ポンプユニット２１Ａ〜２１Ｃの外部にこれらのチューブ３０Ａ，３０Ｂが露出しないため、各ポンプユニット２１Ａ〜２１Ｃの外観がすっきりとしたものとなる。また、ポンプの搬送時等にこれらのチューブ３０Ａ，３０Ｂが引っ掛かることが防止されるため、ポンプの取り扱い性も良好である。

左側のポンプユニット２１Ａの空室２５内に対し、その左端側の通気管２９を介して空気を供給又は排出すると、その内筒２３が膨張又は収縮する。

中央のポンプユニット２１Ｂの空室２５内に対し、ポンプユニット２１Ａのチューブ３０Ａを介して空気を供給又は排出すると、その内筒２３が膨張又は収縮する。右側のポンプユニット２１Ｃの空室２５内に対し、ポンプユニット２１Ａ，２１Ｂのチューブ３０Ｂを介して空気を供給又は排出すると、その内筒２３が膨張又は収縮する。

なお、通気管やボルトの挿通に用いない孔２７はブラインド３１によって閉塞する。

このポンプ装置の作動は、前述の第１の参考例のポンプ装置と同様である。即ち、ポンプユニット２１Ａ〜２１Ｃをこの順に膨張させることにより、第１４図の左側から右方向に流体等の被輸送体が輸送される。なお、ポンプユニット２１Ｃ〜２１Ａの順に膨張させることにより、第１４図の右側から左方向に輸送が行われる。このポンプユニット２１からなるポンプ装置にあっても、第１の参考例のポンプ装置と同様の作用効果が奏される。

なお、通気用チューブ３０は、ポンプユニット２１の外部を引き回されて直接的に各ポンプユニット２１に接続されてもよい。

上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。例えば、ポンプユニットの外筒２，１２，２２の端面は、筒軸心方向と垂直面に限定されるものではなく、筒軸心方向と斜交する斜面であってもよい。このようにすれば、ポンプユニットを連結することにより、長手方向に屈曲したポンプを構成することができる。

本発明では、拘束体は内筒の内周面に沿って設けられ、内筒を内周側から押え付ける棒状体であってもよい。拘束体を内筒の外周面に固定し、この拘束体を外筒に固定するように構成してもよい。

１，１１，２１ポンプユニット
２，１２，２２外筒
３，１３，２３内筒
４，２６拘束体
５，１５エンドプレート
６，１６孔
７，１７溝
１４押えリング
２４エンドリング
２５空室
２７孔
２８ボルト
２９通気管
３０チューブ

Claims

外筒と、該外筒の内側に配置された内筒とを有し、
該内筒は、加圧用媒体の供給によって求心方向に膨張可能であり、
該内筒の軸心線方向に延在した、該内筒の変形を拘束する拘束体が、該内筒の周方向に間隔をあけて複数個設けられているポンプユニットを複数個連結した連結体よりなるポンプと、
各ポンプユニットの外筒と内筒との間に加圧用媒体を供給及び排出する加圧用媒体給排手段とを備えてなるポンプ装置であって、
該加圧用媒体給排手段は、一部のポンプユニットの外筒と内筒との間に対して加圧用媒体を供給及び排出するための通気用チューブを有しており、
該通気用チューブは、該通気用チューブが加圧用媒体の供給及び排出を担当するポンプユニット（以下、担当ポンプユニットという。）に連なるポンプユニットの外筒と内筒との間を引き回されて該担当ポンプユニットの外筒と内筒との間に接続されていることを特徴とするポンプ装置。
請求項１において、前記ポンプは、ｎ個（ｎは２以上の整数）のポンプユニットを連結してなり、
各ポンプユニットを、該連結方向の一端側から他端側に向って順に第１のポンプユニット、第２のポンプユニット、…、第ｎのポンプユニットと称した場合、第２〜第ｎのポンプユニットの外筒と内筒との間にそれぞれ前記通気用チューブが接続されており、第ｋ（ｋは２以上ｎ以下の整数）のポンプユニットの外筒と内筒との間に接続された通気用チューブは、第１〜第（ｋ−１）のポンプユニットの外筒と内筒との間を引き回されて該第ｋのポンプユニットの外筒と内筒との間に接続されていることを特徴とするポンプ装置。
請求項１又は２において、前記内筒は、ゴム又はエラストマーよりなり、前記拘束体は、線状体よりなり、該ゴム又はエラストマー中に埋設されていることを特徴とするポンプ装置。
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記拘束体は、内筒の周方向に等間隔にて４〜６個設けられていることを特徴とするポンプ装置。