JP6647296B2 - エアリフトポンプ装置及びそれを備えた流体容器とお茶入れ機 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ装置に関し、具体的には、お茶入れ機などの流体容器におけるエアリフトポンプ装置の改善に関する。

エアリフトポンプ装置は圧縮空気を動力源として流体をポンピングすることにより縦管に沿って上昇させる機構である。このような装置は、構造が簡単で且つメンテナンスすることなく正常に稼働することができるので、採鉱や石油・天然ガスの開発や農業や汚水処理などの分野で広く応用されている。

特許文献１には、飲料を調製する設備に用いるエアリフトポンプ装置が開示されている。この装置の実施形態の一つが、図１に示される。図示した設備は、容器３０と、エアポンプ５０と、縦管４０と、お茶入れコップ７０と、ヒータ６０と、センサー６２及び制御ユニット８２を主な構成として備える。お茶入れ用の液体２０(例えば水)と材料２５(例えば茶の葉)をそれぞれ容器３０とお茶入れコップ７０に入れる。まず、エアポンプ５０を起動し圧縮空気を発生させる。生じた圧縮空気は液体２０を縦管４０に沿って上昇させ、且つ先端４２からお茶入れコップ７０の材料２５に注ぐ(矢印Ａ１に示す通り)。その後、お茶入れコップ７０が充満されると、液体２０が容器３０に回流する(矢印Ａ２に示す通り)ことで、リサイクルの調製過程が形成される。容器３０の底部部分３６に設置されたヒータ６０は調製過程において温度制御を行う。制御ユニット８２はセンサー６２からの実測信号と参照信号ＲＥＦ２に基づいて調製過程を制御する。

ＷＯ２０１２/０４６１５９Ａ１

しかし、特許文献１のエアリフトポンプ装置には幾つかの欠陥が存在している。具体的に言えば、まず、残りの液体の量が少なかった場合、即ち液位が低くなった場合、この装置のポンピング効率が低すぎる。エアリフトポンプ装置のポンピング効率は浸没率と正比例をなす。浸没率はＨｗ／Ｈｓで定義されたものであり、そのうち、Ｈｗは縦管内の水面の高さであり、Ｈｓは縦管の総高さである。要するに、浸没率が高ければ高いほどポンピング効率が高い。言い換えれば、図２に示す通り（図１と比較して）、低水位では低い浸没率になるので、ポンピング効率が低くなり、ひいてはポンピング流量がゼロになってしまう。このような流量制御は調製効果に不良な影響を与えてしまう。また、空気収集器の形状は構造全体の設計に不利な影響を与えてしまう。圧縮空気をより有効に収集し且つ縦管に搬送するために、縦管の下端に扇形の空気収集器を設置することもできる（図１の扇形端部４１を参照）。しかし、このような空気収集器の水平展開は一定のスペースを占め、且つほかの構造部品と衝突するおそれがある一方、系統の構造及び配置に一定の規制が生じてしまう。更に、空気通路内には常時、流体が残っている。図３に示す通り、圧縮空気は空気通路Ｐ１に沿って進み、開口５１を通過して容器の底部に入る。チェックバルブ５５が空気通路Ｐ１と開口５１との間に設置されることにより、液体２０が空気通路Ｐ１に回流することを防止される。しかし、少量の残り流体が開口５１とチェックバルブ５５との間の小さい管路内に残る可能性がある。このような現象を発生する原因は、たとえ容器を使用後に空にしたとしても、小さい液滴が容器の内部に残留し且つ底部の開口に集まることにある。もし完全に乾燥されない場合、これら残留した液滴によって細菌の増殖が発生する可能性があり、容器が汚れてしまうことがある。

本発明は、従来技術に存在した上記課題を解決するものである。具体的言えば、本発明は、エアリフトポンプ装置の構造を改善することにより、液位にも関わらず常に比較的高いポンピング効率を有するとともに、流体容器の全体構造及び配置に対する縦管の形状の影響をなくすことを目的とする。この目的を実現するために、本発明は、流体容器の内底面から下へ延びる凹みキャビティを新規に備えることにより浸没率を明らかに向上させ且つ液位にも関わらず、ポンプ装置のポンピング効率を大幅に向上させる、流体容器用のエアリフトポンプ装置を提供する。

本発明の一つの方面によれば、流体容器に用いたエアリフトポンプ装置が提供される。このエアリフトポンプ装置は、前記流体容器内に設置されている縦管アセンブリと、前記縦管アセンブリに連通されている空気圧縮器とを備え、圧縮空気を前記縦管アセンブリに送入することにより、圧縮空気を前記流体容器内の流体とともに上へ流動させながら前記縦管アセンブリを通過させるためのものである。このエアリフトポンプ装置は、前記空気圧縮器と前記縦管アセンブリとの間に設置されると共に、前記空気圧縮器と前記縦管アセンブリと連通するように、前記流体容器の内底面から下へ延びる凹みキャビティを備えることを特徴とする。

ところで、上記の背景技術に記載した通り、浸没率はＨｗ／Ｈｓで定義されたものである。そのうち、Ｈｗは縦管内の水面の高さ、Ｈｓは縦管の総高さをそれぞれ表している。本発明によるエアリフトポンプ装置は、前記流体容器の内底面から下へ延びる凹みキャビティを備えるので、上記式における分子Ｈｗと分母Ｈｓを共に大きくすることにより、浸没率の値を明らかに大きくすることになった。従って、各液位におけるポンプ装置のポンピング効率を大幅に向上させる。特に、残りの流体の量が少なかった場合、即ち液位が低くなった場合、前記浸没率の増幅が一層明らかになる。これによって、従来技術と比べ、本発明の上記技術案はエアリフトポンプ装置のポンピング効率を明らかに向上させることができる。

前記エアリフトポンプ装置の一つの好ましい実施形態において、前記縦管アセンブリは、縦管とこの縦管の底端に接続された底端当て板とを備える。使用状態において、この底端当て板は前記凹みキャビティ内に密封的に挿入される。これにより、底端当て板は互いに連通するキャビティ本体と流体入口通路とに分けるように、前記凹みキャビティを分割して、前記流体容器内の流体はこの流体入口通路を通過し前記凹みキャビティのキャビティ本体内に入り、前記空気圧縮器からの圧縮空気と混合する。

前記底端当て板と凹みキャビティとは互いに嵌合してシール結合さえすればよく、如何なる適宜な形状であってもいい。例えば、互いに挿着する際にシール結合を形成するよう底端当て板及び／又は凹みキャビティにシリコンゴムを設置してもいい。なお、例として、縦方向における底端当て板の寸法を凹みキャビティよりも少々短くすることによって、両者が互いに挿着するとき、底端当て板と凹みキャビティの内底面との間に一つまたは複数の隙間が形成され、流体がこれらの隙間を経て流体入口通路からキャビティ本体内へ入る。

前記エアリフトポンプ装置の一つの好ましい実施形態において、前記エアリフトポンプ装置は更に水平方向に沿う空気入口通路を備える。この空気入口通路は、前記凹みキャビティのキャビティ本体と前記空気圧縮器との間に設置され、前記空気圧縮器における圧縮空気を前記キャビティ本体に送入するためのものである。

具体的に言えば、空気圧縮器からの圧縮空気をキャビティ本体に送入するように、この空気入口通路を、前記凹みキャビティのキャビティ本体の底部の近傍に設置すると共にキャビティ本体と空気圧縮器との間に介在させる。

前記エアリフトポンプ装置の一つの好ましい実施形態において、前記流体容器はその内底面に設置されたヒータを備える。前記縦管は鉛直方向に沿って前記ヒータの側端に設置される。前記エアリフトポンプ装置の一つのより好ましい実施形態において、前記ヒータはプレートヒータであり、前記縦管は前記プレートヒータの外縁の近傍に設置される。

お茶入れ機を例として、「前記縦管は前記プレートヒータの外縁の近傍に設置される」というのは、縦管は、プレートヒータにおけるお茶入機の取っ手側に近い側に設置されることである。具体的に言えば、本発明のポンプ装置の縦管は、末端に扇形の空気収集器が備えられていないので、この縦管は容器の側壁からより近い位置に設置可能となる。これによれば、他の部品の配置には大きな自由度を提供できるだけでなく、お茶入れ機などの流体容器の意匠性も向上される。

前記エアリフトポンプ装置の一つのより好ましい実施形態において、前記縦管は複数の内部通路を備える。相応的に、構造の複雑さを明らかに増やさない前提で、より多くの通路を設置することによりポンピング効率を大きく向上させることができる。

前記のエアリフトポンプ装置の一つのより好ましい実施形態において、前記流体容器は、前記ヒータと対向してこの流体容器の内頂端の近傍に設置されたお茶入れコップを更に備え、前記圧縮空気の作用により前記縦管に沿って上へ流動する流体が最終に前記お茶入れコップ内へ流れ込むように、前記縦管の頂端が前記お茶入れコップと連通される。

前記エアリフトポンプ装置の一つのより好ましい実施形態において、前記空気入口通路の下縁と前記凹みキャビティの底面との間の距離を３ｍｍ又は前記空気入口通路の直径と等しくなるように設計し、且つ、前記空気入口通路の下縁と前記凹みキャビティの底面との間の距離を、前記底端当て板の下縁と前記凹みキャビティの底面との間の距離よりも大きくなるように設計する。相応的に、使用の後に流体容器を傾倒して液体を排出しようとする場合、このような配置により、空気入口通路内に残った液体が容易に排出されることになる。また、凹みキャビティ内に残留した液滴は、空気入口通路内でなく、前記凹みキャビティの底部に集まるので、従来技術のポンプ装置における不衛生の問題が生じなくて済む。

本発明の一つの方面により、前記のいずれか一つの技術案に記載のエアリフトポンプ装置を備えた流体容器を提供する。

本発明の一つの方面により、前記のいずれか一つの技術案に記載のエアリフトポンプ装置を備えたお茶入れ機を提供する。

容器内の液面高さが高い状態にある従来技術のエアリフトポンプ装置の構造が示されている概略図である。 容器内の液面高さが低い状態にある従来技術のエアリフトポンプ装置の構造が示されている概略図である。 従来技術のエアリフトポンプ装置の縦管の下端が示されている部分拡大図である。 お茶入れ機に具現化された本発明による流体容器の概略図である。 本発明によるエアリフトポンプ装置の側面図である。 本発明によるエアリフトポンプ装置の平面図である。 内部構造を明瞭させるために、ある部材を適宜に省略した本発明によるエアリフトポンプ装置の平面図である。 本発明によるエアリフトポンプ装置の縦管アセンブリの側面図である。 本発明によるエアリフトポンプ装置の縦管アセンブリの正面図である。 本発明によるエアリフトポンプ装置の縦管の底面図である。 凹みキャビティ区域を細部まで示した本発明によるエアリフトポンプ装置の部分拡大側面図である。 操作過程において流体及び空気の流動経路が示された本発明によるエアリフトポンプ装置の側面図である。 操作過程において凹みキャビティ区域で流体及び空気の流動経路が示された本発明によるエアリフトポンプ装置の部分拡大側面図である。 ポンピング効率と関連する各寸法パラメーターが示された、図１２と対応する側面図である。

まず、下記の内容が説明される。以下、お茶入れ機とお茶入れ機に用いるエアリフトポンプ装置とを結合した状態の本発明の技術案を説明する。しかし、本発明の原理を変更しない前提で、本発明の技術案はコーヒー機など他の流体容器や石油・天然ガスの開発や汚水処理など他の分野に応用できることは、当然である。このような変更は、本発明の原理に離反することもなく、創造的な労働を付することもないので、本発明の保護範囲内にある。

具体的には、本発明はお茶入れ機に用いるエアリフトポンプ装置を提供するものである。このエアリフトポンプ装置は、空気圧縮器と縦管アセンブリとを備える。縦管アセンブリはお茶入れ機内に設置される。空気圧縮器は、縦管アセンブリと連通するものであり、お茶入れ機内の水とともに上方へ流動させながら縦管アセンブリを通過させるように、圧縮空気を縦管アセンブリに送入するためのものである。このエアリフトポンプ装置は、空気圧縮器と縦管アセンブリとの間に空気圧縮器と縦管アセンブリとのそれぞれに連通するように設置され、前記お茶入れ機の内底面から下方へ延びる凹みキャビティを備える点に、特徴がある。相応的に、本発明のエアリフトポンプ装置は、お茶入れ機の内底面から下へ延びる凹みキャビティを備えるので、上記の浸没率の式における分子Ｈｗと分母Ｈｓを共に大きくすることによって浸没率の値が明らかに大きくなる。従って、各液位におけるポンプ装置のポンピング効率を大幅に向上させる。特に、お茶入れ機に残る液体の量が少なかった場合、即ち液位が低くなった場合、前記浸没率の増幅が一層明らかになる。よって、従来技術と比べ、本発明の上記技術案はエアリフトポンプ装置のポンピング効率を明らかに向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の新規ポンプ装置及びその操作原理を詳しく説明する。まず、図４を参照する。この図は本発明のお茶入れ機１の概略図である。お茶入れ機１は容器本体１１と、お茶入れコップ１４と縦管１５とヒータ１６とを備える。なお、お茶入れ機１は更にベース１２と、注ぎ口１０と、容器本体１１に設置された注ぎ口の開口１３とを備える。本発明のお茶入れ機１は上記部材以外の他の複数の部材を更に含むのを当業者は理解すべきである。本発明の技術案及び操作はこれらの部材と関しないので、ここで省略する。

図５は、本発明によるエアリフトポンプ装置の側面図である。このエアリフトポンプ装置は、図１に示すお茶入れ機１内に設置される。また、図５において、本発明のポイントとなる構造を明瞭に示すよう、関連しない複数の部材の表現を省略した。ヒータ１６は容器本体１１の底部に位置する。凹みキャビティ１８はヒータ１６の右側(図５における方位を参照)にあり、容器本体１１の底部から下へ延びる。水平方向に沿う空気入口通路１９は、凹みキャビティ１８の内底面よりも少々高い位置に位置決めされ、且つ他端に空気圧縮器（図示せず）が接続される。制限をするものでない例としては、凹みキャビティ１８の底部と空気入口通路１９の下縁との間の距離は約３ｍｍであること、又はこの距離は空気入口通路１９の直径と同じであることが挙げられる。縦管１５の底端は底端当て板１７と接続される。この底端当て板１７は凹みキャビティ１８中に挿入される。縦管１５の頂端はお茶入れコップ１４に連通する。図５に示された凹みキャビティ１８の断面が下に向かって細くなるように形成した円錐状であるが、この断面形状は単に例に過ぎない。本発明の原理から逸脱しないかぎり、当業者は実際の必要に応じて他の形状を選択してもよい。

図６は、本発明によるエアリフトポンプ装置の図５と対応する平面図である。そのうち、簡明のため、容器本体１１とお茶入れコップ１４を省略した。図６に示す通り、底端当て板１７が凹みキャビティ１８に挿入されたとき、底端当て板１７は、凹みキャビティ１８において、独立した流体入口通路１８１を分割して形成する。使用の際に、容器本体１１内の水は、流体入口通路１８１を通過し且つ隙間１８２(図１１において最も明瞭に示されている)を介して凹みキャビティ１８の本体部分に入り、かつ空気入口通路１９からの圧縮空気と互いに混合する。なお、図６に示す通り、流体入口通路１８１を除き、挿着状態において縦管１５と底端当て板１７は凹みキャビティ１８の本体部分を完全に覆う。

図７は、本発明によるエアリフトポンプ装置を示す、図６と対応するもう一つの平面図である。図７において、凹みキャビティ１８及び空気入口通路１９をより明瞭に示すよう縦管１５及び底端当て板１７を省略した。

図８は、本発明によるエアリフトポンプ装置の縦管アセンブリの側面図である。この縦管アセンブリは縦管１５と底端当て板１７とを備える。また、操作と清掃の便利性を図るようにこの縦管アセンブリはお茶入れ機１に着脱可能に設置される。実際の使用の際に、縦管１５と底端当て板１７とは溶接や係止などにより一体として締め付けられる。図９は、本発明によるエアリフトポンプ装置の縦管アセンブリの正面図である。凹みキャビティ１８と同様に、図８及び図９において底端当て板１７は断面円錐状に形成されるが、このような形状は単なる例に過ぎず、本発明の原理から逸脱しないかぎり、底端当て板１７が凹みキャビティ１８と密封して挿着されると共に、互いに連通する流体入口通路１８１と本体部分とに凹みキャビティ１８を分けてさえいればよく、当業者は実際の必要に応じてほかの形状を選択してもよい。

図１０は、本発明によるエアリフトポンプ装置の縦管の底面図である。図に示す通り、縦管１５は一つ又は複数の内部通路を有してもよい。この実施形態において、より良いポンピング効率が得られるように、縦管１５は例として４つの内部通路を備える。

図１１は、凹みキャビティ１８を周辺の細部まで示す、本発明によるエアリフトポンプ装置の部分拡大側面図である。底端当て板１７が凹みキャビティ１８内に挿入されたとき、凹みキャビティ１８の側壁と密封的に嵌め合わされるとともに、凹みキャビティ１８が容器本体１１の内部と連通するように、底端当て板１７の形状を設計する。底端当て板１７と凹みキャビティ１８との間の密封的な嵌合は、シリコンゴムのようなシール部材とコーティング層とによって実現できる。鉛直方向に底端当て板１７は下へ延びて、凹みキャビティ１８の底部に隙間１８２が形成されている。この隙間１８２は流体入口通路１８１を凹みキャビティ１８の本体部分と連通させる。更に、流体入口通路１８１は容器本体１１の内部と連通する。従って、容器本体１１からの水又は他の流体は流体入口通路１８１を通過し隙間１８２を介して凹みキャビティ１８の本体部分に入る。この点について指摘すべきなのは、隙間１８２の高さを、空気入口通路１９の下縁と凹みキャビティ１８の底部との間の距離よりも少々小さくしなければならない。言い換えれば、凹みキャビティ１８の底部／底面を基準として、空気入口通路１９の下縁を底端当て板１７の下縁よりも高くしなければならない。さもなければ、空気入口通路１９からの圧縮空気は、液体の流れが隙間１８２を介して凹みキャビティ１８の本体部分に入ることを多かれ少なかれ妨害し、且つ、使用後に残留した液滴も空気入口通路１９に浸入する恐れがある。これらは何れも非常に好ましくないことである。もちろん、両者の間の高さの差も余りにも大きすぎてはならない。さもなければ、液体の流れに対する圧縮空気のリフト効果に影響してしまい、ポンピング効率を低下させる。

本発明には扇形の空気収集器がないので、縦管１５は容器本体１１の側壁からより近い位置に設置されることが可能であり、全体の構造及び配置を大きな自由度で設計することができる。例えば、お茶入れコップ１４をより大きな直径ないし内部容積のものにすることができる。また、特に図６〜９に示す通り、凹みキャビティ１８に挿入された底端当て板１７は扁平の板状構造を使用したので、凹みキャビティ１８をより狭く設計すれば、その内部容積を少なくすると共にポンピング効率を向上させることができる。

図１２は、操作過程での水及び空気の流動経路を示す、本発明によるエアリフトポンプ装置の側面図である。図１２において、中空の矢印は、水の流れの経路を示し、中実の矢印は空気の流れの経路を示し、水平の点線は水位を示す。図１３は、操作過程において凹みキャビティ区域１８での流体と空気の流れの経路を示す、本発明によるエアリフトポンプ装置の部分拡大側面図である。

空気は水平方向に沿う空気入口１９を介して凹みキャビティ１８に噴射されたとき、このキャビティ内の流体と混合した混合物の浮力が大きくなり、上へのリフト力を形成する。底端当て板１７と凹みキャビティ１８の側壁との間は密封的に嵌合されるので、前記の水と空気との混合物は、上へ押されて縦管１５の内部通路を通過する。上昇した水の流れは縦管１５から排出されながらお茶入れコップ１４に入り、最後にこれらの水はお茶入れコップ１４における液位の上昇に従い、容器本体１１に戻る。容器本体１１からの水は、凹みキャビティの入口通路１８１に沿って下へ流動し、隙間１８２を通過し凹みキャビティ１８内を充填する。

前述した通り、エアリフトポンプ装置のポンピング効率は浸没率によって決められる。本発明のポンプ装置では、前記浸没率の算出には、凹みキャビティ１８の寸法を考慮する必要がある。図１４は、ポンピング効率と関連する各寸法パラメーターを示す、図１２と対応する側面図である。具体的に言えば、図１４は、浸没率を算出するための各寸法パラメーターを示す。下記の表１は実際のサンプルの寸法に基づいた結果をリストアップした。表１の内容から、凹みキャビティ１８を更に設けた場合、液位に関わらず、浸没率は全て大きくなる。また、液位が低ければ低いほど浸没率の増幅は大きい。また、凹みキャビティ１８の深さが大きければ大きいほど浸没率の増幅も大きい。勿論、凹みキャビティ１８の深さを設計する場合、お茶入れ機の全体の構造設置を考慮すべきであり、ポンピング効率を求めるために制限なく増大するわけにはいかない。

水平方向に沿う空気入口通路１９は、凹みキャビティ１８の底面よりも小さい距離で、上に位置を決められる。従って、使用の後に、お茶入れ機１を傾倒して排水を行う場合、空気入口通路１９内に残った液体が容易に排出されることになる。また、凹みキャビティ１８内に残留した液滴は空気入口通路１９内ではなく、凹みキャビティ１８の底部に集まるので、従来技術のポンプ装置における不衛生とのような課題を生じなくて済む。

本明細書は図に示された好ましい実施形態を参照しながら本発明の技術案を説明した。しかし、本発明の請求範囲はこれらの具体的な実施形態に限らないと当業者は容易に理解できる。本発明の原理から逸脱しないかぎり、当業者は関連した構成要件を同等に変更又は切替えることができる。これらの変更又は切替による技術案は全部本発明の請求範囲内にある。

Claims (9)

1. 流体容器に用いられるエアリフトポンプ装置であって、前記流体容器内に設置されている縦管アセンブリと、前記縦管アセンブリに連通されている空気圧縮器とを備え、圧縮空気を、前記縦管アセンブリに送入することで前記流体容器内の流体とともに上へ流動させながら前記縦管アセンブリを通過させるためのエアリフトポンプ装置において、
   前記空気圧縮器と前記縦管アセンブリとの間に設置されると共に、前記空気圧縮器と前記縦管アセンブリとにそれぞれ連通するように、前記流体容器の内底面から下へ延びる凹みキャビティを更に備え、
   前記縦管アセンブリは縦管と前記縦管の底端に接続された底端当て板とを備え、使用状態において前記底端当て板は前記凹みキャビティ内に密封的に挿入されることにより、前記凹みキャビティを、互いに連通するキャビティ本体と流体入口通路とに分割して、前記流体容器内の流体は前記流体入口通路を経て前記凹みキャビティのキャビティ本体内に入り、前記空気圧縮器からの圧縮空気と混合することを特徴とするエアリフトポンプ装置。
2. 前記凹みキャビティのキャビティ本体と前記空気圧縮器との間に設置され、前記空気圧縮器における圧縮空気を前記キャビティ本体に送入するための、水平方向に沿う空気入口通路をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のエアリフトポンプ装置。
3. 前記流体容器はその内底面に設置されたヒータを備え、前記縦管は鉛直方向に沿って前記ヒータの側端に設置されることを特徴とする、請求項２に記載のエアリフトポンプ装置。
4. 前記ヒータはプレートヒータであり、前記縦管は前記プレートヒータの外縁の近傍に設置されることを特徴とする、請求項３に記載のエアリフトポンプ装置。
5. 前記縦管は複数の内部通路を備えることを特徴とする、請求項４に記載のエアリフトポンプ装置。
6. 前記流体容器は、前記ヒータと対向してこの流体容器の内頂端の近傍に設置されたお茶入れコップを更に備え、前記圧縮空気の作用により前記縦管に沿って上へ流動する流体を最終に前記お茶入れコップ内へ流れ込むように、前記縦管の頂端が前記お茶入れコップに連通されることを特徴とする、請求項５に記載のエアリフトポンプ装置。
7. 前記空気入口通路の下縁と前記凹みキャビティの底面との間の距離を３ｍｍ又は前記空気入口通路の直径と同一の寸法にすると共に、前記空気入口通路の下縁と前記凹みキャビティの底面との間の距離を、前記底端当て板の下縁と前記凹みキャビティの底面との間の距離よりも大きくするように、前記空気入口通路が位置決めされたことを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項に記載のエアリフトポンプ装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のエアリフトポンプ装置を備えたことを特徴とする流体容器。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のエアリフトポンプ装置を備えたことを特徴とするお茶入れ機。

Images