JP5502470B2 - 流体ポンプ或いは流体エンジン用のシリンダピストン装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に従ったシリンダピストン（cylinder piston）装置に関する。この種のシリンダピストン装置は、関連市場では、特に高圧ウォータポンプ（water pump）と表現されている。

この種のポンプの重要な用途は、異物、特に摩耗粉も混ざった水の圧送である。このため、２，３百バール（bar）から１千バールに至る範囲の高い作動圧力を備えた、特に高速のタービン（turbine）が必要とされる。従って、エネルギ上の効率の因子（ファクタ：factor）と同様に、容積上の効率ファクタも極めて重要である。

従って、本発明の目的は、高い耐久性と同じく上述の類の高い効率ファクタでもって傑出したポンプ，流体エンジンをそれぞれ提供することである。この目的の解法は、請求項１の特徴によって規定される。

更に、実施形態およびその変形例は、どんな場合でも実現可能というわけではないが、その特徴およびその組み合わせによって、サブクレームの組み合わせによって、場合によっては、選択的な特徴またはその組み合わせを含むことにより、それぞれもたらされる。

内部に作動室（ワーキングチャンバ：working chamber）を備えた軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストン（diaphragm piston）が、摩耗作用を有する流体での作動時にも高い耐摩耗性を備えた頑丈な構造の基盤を提供している。実を言えば、これにより、構造上の理由のために、一般に相対的に非常に大きな隙間容積（clearance volume）が保たれる必要があり、そのことは、容積上の効率ファクタに悪影響を及ぼす。
この問題は、まさしく、本発明によって、すなわち隙間容積ディスプレーサ（displacer）でもって、解消されている。総合的に言えば、本発明は、幅広く最適化されたタイプの構造を可能にする。

本発明は、図面に模式的に示された実施例を参照して更に説明される。

作動室内に干渉し振動駆動動作に関係する隙間容積ディスプレーサが結合されている、軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンとして構成された作動ピストンを備えた高圧ポンプの部分的な軸方向断面図である。 同様に軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンとして構成された作動ピストンを備え、同じく隙間容積ディスプレーサを備えるが、当該隙間容積ディスプレーサは、ポンプのフレームに固定して配置され、作動ピストンの振動駆動動作により、軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンの内部の作動室内に相対的に入り込む、図１と同様の部分的な軸方向断面図である。 同様に内部に作動室を有し軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンとして構成された作動ピストンを備え、同じくフレーム固定の隙間容積ディスプレーサを有するが、異なる作動流体の流路を備えている、図２と同様の部分的な軸方向断面図である。 同様に内部に作動室を有し軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンとして構成された作動ピストンを備え、同じくフレーム固定の隙間容積ディスプレーサを有するが、更に減じられた隙間容積をもたらす異なる作動流体の流路と異なるバルブ装置とを備えている、図３と同様の部分的な軸方向断面図である。 隙間容積ディスプレーサを備えていない構造について、時間ｔ（ミリ秒：msec）に対する定量ポンプの作動ピストンの送給圧力ｐ（バール：bar）を示す時間線図（タイムダイアグラム：time diagram）である。 隙間容積ディスプレーサを備えた構造について、図５と同様の線図であり、作動ピストンに結合された隙間容積ディスプレーサ（図１参照）を備えた構造だけでなく、フレーム固定の隙間容積ディスプレーサであって作動ピストンの動作により作動室内に入り込む構造についても有効で（図２から図４参照）、特に、軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンの適用が念頭に置かれている。 バルブ構造を示す断面図である。

図１に従った具体例１０では、軸方向に伸長する管状の隔壁（ダイアフラム：diaphragm）を備えた作動ピストン（上死点位置で示され、以下においては簡略的にＡＳＫと指称される）は、ここでは下向き矢印のみによって模式的に示されている、振動して作動する駆動装置ＡＶＯに、その下端部が結合されている。軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンＡＳＫの上端部は、フレーム（frame）に固定して配置され、入口側導通路（インレットダクト：inlet duct）ＥＫに送給する逆止弁の役割を果たす入口弁（インレットバルブ：inlet valve）ＥＶの周囲を取り囲んでいる。
軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンＡＳＫの下方に向かって延びる中空筒状部分Ｚは、ここでは図示されていない潤滑剤をもって、ハウジング孔ＧＢ内で軸方向へ摺動（スライド：slide）可能に支持されている。軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンＡＳＫの内部には、振動する作動室ＡＲが形成され、この室（チャンバ：chamber）から同軸の揚程導通路（ホイストダクト：hoist duct）ＦＫが、やはり逆止弁の役割を果たす出口弁（アウトレットバルブ：outlet valve）ＡＶと、出口側導通路（アウトレットダクト：outlet duct）ＡＫと、に繋がっている。

基本的に柱状の隙間容積ディスプレーサ（displacer）ＴＫ１が、軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンＡＳＫと振動する作動室ＡＲ側で接続されており、該ディスプレーサは、上死点位置で示され、明らかに作動隙間容積の実質的な減少をもたらしている。

この構造の作動モードを説明するために、図５及び図６の既に与えられている描写が参照される。

図５の時間線図（タイムダイアグラム：time diagram）は、隙間容積ディスプレーサを備えていない構造について、定量ポンプの作動ピストンに対する送給圧力ｐの上昇が緩慢になる様子を示している。よって、ポンピングサイクルの終端での圧力低下が緩慢になる。
これらは共に、ピストン行程に関するポンプ容積の、すなわち容積効率ファクタの、かなりの低下を示唆するものである。その理由は、隙間容積内に入っている作動流体の圧縮性である。

一方、図１に従って作動室ＡＲ内に入り込む隙間容積ディスプレーサＴＫ１は、圧力低下と同様に図６に視認化された圧力上昇を急勾配にせしめ、従って、全体で容積効率ファクタのかなりの改善をもたらす。

図２に従った実施形態１０では、フレーム固定の隙間容積ディスプレーサＴＫ２ａが設けられており、該ディスプレーサは作動室ＡＲ内に入り込んでおり、軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンＡＳＫ内での作動室ＡＲの配置により、従って、軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストンと隙間容積ディスプレーサＴＫ２ａとの間でのポンプ駆動によってもたらされる相対運動のために、容積効率ファクタの同様の改善を生じさせる。ここでは、フレーム固定の隙間容積ディスプレーサＴＫ２ａにより、可動質量の低減という顕著な利点が得られる。

入口弁ＥＶ及び出口弁ＡＶは、図１に従った実施形態１０に類似しているが、作動室ＡＲと出口弁ＡＶとの間の接続は、隙間容積ディスプレーサＴＫ２ａの内部と入口弁ＥＶの内部のより長い同軸の導通路ＫＯＫによってもたらされている。

この実施形態１０では、ディスプレーサＴＫ２ａ内部を通る作動流体の流れと、隙間容積ディスプレーサＴＫ２ａの開口または端末領域で流れの向きが変えられ外部を循環する作動流体の流れとが、ディスプレーサＴＫ２ａに対して与えられることが、特に有利に表れている。
これにより、とりわけ、作動室ＡＲ及びバルブ内の残渣や不純物の堆積について、また、長い待ち時間の後での圧縮減衰エアの封じ込めについて、特に強い浄化（パージング：purging）が可能になる。

図３に従った実施形態１０では、代替的なフレーム固定の隙間容積ディスプレーサＴＫ２ｂが、有力な利点を伴って設けられている。同時に、作動室ＡＲと連通して延びる比較的長い同軸の導通路が無くなることによって、隙間容積ディスプレーサの最大化が達成されている。流体の流出は、作動室ＡＲから、短くて実際には影響の殆どない長手方向の導通路ＬＫだけでなく、入口弁ＥＶの直ぐ下側の交差孔（クロス・ホール：cross-hole）ＢＱを通って生じる。

図４に従った実施形態１０でも、フレーム固定の隙間容積ディスプレーサＴＫ２ｃが、有力な利点を伴って設けられている。更に、出口側の同軸導通路ＡＫＯＫの作動室側の端末での出口弁ＡＶの圧縮非作動の配置によって、最適なフレーム固定の隙間容積ディスプレーサがもたらされる。

更に、図７によれば、特に出口弁ＡＶ用に考慮に入れられるべきバルブ構造が示されている。ここでは、部分的に球面状の被覆体として形成された出口バルブ本体ＶＫは、球面中心回りにぴったりと組み合わされる弁座（バルブシート：valve seat）に関して、旋回式に取り付けられている。
しかしながら、同時に、旋回ガイド（スィーベルガイド：swivel guide）ＳＦ及び芯出し要素（エレメント：element）ＺＧを用いた長手方向のガイドも必要とされる。後者は、緊密な弾性バネ式のロック部（lock）ＳＶによってバルブ本体ＶＫと結合されており、旋回ガイドＳＦ用には、比較的軽くて振動を減衰する材料が考慮に入れられる。前述の旋回性に関して、旋回ガイドＳＦの内部孔は、芯出しエレメントＺＧに対して好適な滑り継ぎ手（スリップジョイント：slip joint）隙間を備えて、僅かに円錐曲線回転面状に形成されている。かかる構造は、負荷状態での高い安定性と耐摩耗性を実証した。

Claims (7)

1. 容積作動の流体ポンプ或いは流体エンジン用のシリンダピストン装置（１０）であって、
   シリンダの役割を果たすハウジング孔（ＧＢ）と、
   少なくとも一つの軸方向に脈動する内部の作動室（ＡＲ）を境界付ける少なくとも一つの軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストン（ＡＳＫ）であって、振動して作動する駆動装置（ＡＶＯ）に結合されたダイアフラムピストン（ＡＳＫ）と、
   前記脈動する作動室（ＡＲ）内に備えられ、当該脈動する作動室（ＡＲ）内に入り込む、少なくとも一つの軸方向に伸長する隙間容積ディスプレーサ（ＴＫ１，ＴＫ２ａ，ＴＫ２ｂ，ＴＫ２ｃ）と、を備え、
   前記軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストン（ＡＳＫ）の下方に向かって延びる中空筒状部分（Ｚ）は、前記軸方向に伸長する管状のダイアフラムピストン（ＡＳＫ）の作動に応じて、前記ハウジング孔（ＧＢ）内で軸方向へ摺動できるように支持されている、
   ことを特徴とするシリンダピストン装置（１０）。
2. 請求項１に記載のシリンダピストン装置（１０）において、
   隙間容積ディスプレーサ（ＴＫ２ａ，ＴＫ２ｃ）の内部を通る作動流体の流れ（ＫＯＫ，ＡＫＯＫ）と、隙間容積ディスプレーサの開口または端末領域で流れの向きが変えられて隙間容積ディスプレーサ（ＴＫ２ａ，ＴＫ２ｃ）の外側を循環する作動流体の流れとが、隙間容積ディスプレーサ（ＴＫ２ａ，ＴＫ２ｃ）に対して与えられる、ことを特徴とするシリンダピストン装置。
3. 請求項１又は２に記載のシリンダピストン装置（１０）であって、
   複数弁座型ストローク弁として形成された少なくとも一つの入口弁（ＥＶ）及び／又は対応する出口弁（ＡＶ）が流体の流れに配置され、前記少なくとも一つの入口弁（ＥＶ）及び／又は出口弁（ＡＶ）の弁座ハブ（Ｓ１，Ｓ２）間に、前記ストロークバルブによって開状態と閉状態との間で変化可能な少なくとも一つの流体室（ＦＲ）が形成されている、ことを特徴とするシリンダピストン装置。
4. 請求項３に記載のシリンダピストン装置（１０）において、
   前記複数弁座型ストローク弁の前記弁座ハブ（Ｓ１，Ｓ２）の少なくとも一部は、球面（ＫＦ）に沿った封止ライン又は封止面を有している、ことを特徴とするシリンダピストン装置。
5. 請求項４に記載のシリンダピストン装置（１０）において、
   前記複数弁座型ストローク弁は、少なくとも一つの球面（ＫＦ）状に形成された封止面を有し、少なくとも一つの封止ライン又は封止面に対し相対的に可動に支持されている、開状態と閉状態との間で変化可能な少なくとも一つのバルブ本体（ＶＫ）を備えている、ことを特徴とするシリンダピストン装置。
6. 請求項５に記載のシリンダピストン装置（１０）において、
   前記バルブ本体（ＶＫ）は、球面（ＫＦ）の中心又は対応する旋回ポイントを通る旋回軸（Ｘ−Ｘ’）の回りに、回転可能に支持されている、ことを特徴とするシリンダピストン装置。
7. 請求項５又は６に記載のシリンダピストン装置（１０）において、
   前記バルブ本体（ＶＫ）の旋回支持部は、凸状または凹状の湾曲した旋回ガイド（ＳＦ）と協働し、保持ブラケット（ＨＬ）と連繋しており、前記バルブ本体（ＶＫ）と前記旋回ガイド（ＳＦ）との間には、弾性的に変形可能なバネ式のロック部（ＳＶ）が設けられている、ことを特徴とするシリンダピストン装置。

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