JP6766051B2 - 流体製品を分配するための2チャンバー式ピストンポンプ - Google Patents

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Description

本発明は、染料液、塗料の基材、ニス、エナメル、インクなどの流体製品を分配するためのピストンポンプであって、流体製品を分配または配給する装置に導入された容器内部に配置されるピストンポンプに関する。より詳細には、少なくとも正確性、再現性において、流体製品の分配能力を高めることができる特別な形状上の解決策を特徴とするピストンポンプに関する。
種々の色調や色相を有する染料など、互いに混合可能で既定の色のニスや塗料を製造する為に、基材に混合することや添加することが可能な流体製品を分配または供給する装置は、既に知られている。
公知の装置は、一般的に特定の染料を収容する複数個の容器を有する。これら容器は1個以上の分配ノズルに選択的に接続可能であり、電子プロセッサなどにより適当量の流体製品を選択的に分配するポンプ手段に接続可能である。
混合する染料の用量を正確に且つ再現性良く得るためには、ポンプ手段を適切に選択することが基本である。
流体製品を分配する際に使用されるポンプ手段の中で、1個のチャンバーまたは2個のチャンバーを備えるピストンタイプの容積測定ポンプが使用される。
1チャンバー式容積測定ピストンポンプは、定められた容量を備える1個のチャンバーで特徴づけられる。容量は、ピストンの移動距離と、チャンバーの直径自体によって決定され、サイズは、分配装置が満足させなければならない要求に基づいて決定される。例えば、要求には、分配時間、分配流路、分配量が含まれ、大きさについては言うまでもない。
加えて、1チャンバー式容積測定ピストンポンプは、その構成のために2チャンバー式ピストンポンプと比べて製造が容易であり且つ、ポンプに接続される流体回路も単純である。
1チャンバー式ピストンポンプを使用するにあたっての問題点の1つは、流体製品の分配に時間がかかることである。加えて、1チャンバー式容量測定ピストンポンプには、チャンバー内部の容器から流体製品を吸引する工程がある。この工程は、待機時間、即ち分配を行わない時間であって、ポンプを活性化してからピストンが移動距離の最後に達してチャンバーを完全に一杯にするまで続く。分配は、ピストンが運動を反転させて、流体製品をポンプチャンバーから目的の容器(缶、ボトル、またはジェリー缶などに)に分配する分配工程に始まる。
2つのチャンバーを備えるピストンポンプは、分配に時間がかかるという問題点を少なくとも部分的に解消する。実際に、吸引と分配の工程に関与するチャンバーを交互に切り替えることによって、中断することなくほぼ連続して運転することが可能である。したがって、2個のチャンバーを有するピストンポンプを備えることによって、流体製品の分配時間を適切に最適化することができる。
特許文献1には、2チャンバー式ピストンポンプが開示されている。このピストンポンプの小さなプレートは、分配流の方向に有利に配置された逆止弁を備える。このように配置された逆止弁は、吸引工程と分配工程を同時に実施することに加えて流路の直線走向を可能にする。さらに、ピストンポンプの2個のチャンバーは、ピストンと移動距離の第2端との間に配置された第2チャンバーが、ピストンロッドが占める体積に等しい体積だけ第1チャンバーより小さくなる為、互いに異なる寸法をなす。この容積の違いは、逆止弁がピストン内に配置されることと相まって、流体製品が分配方向に流れることを可能にしている。
ピストンポンプの2個のチャンバー間で容積に差をつけるという発想は、特許文献2にも開示されているが、実施形態は異なる。詳細には、特許文献2には、ピストンに配置された逆止弁は開示されていない。逆止弁を欠くことは、吸引中に逆止弁を2つ、つまりピストンポンプの異なる2つの入口に、2個の各チャンバーに1つずつ弁を配置した異なる流体回路を採用することによって補償されている。分配中において、2つの逆止弁は、ピストンポンプから異なる2つの出口、つまり2個の各チャンバーに1つずつ必ず配置される。吸引パイプから分配パイプに流体製品が流れる原理は、中央のポンピングパイプ内部のピストンの往復運動に基づく。
特許文献2の解決策では、出口に対向する位置に流体の入口が設けられている。したがって、この解決策では、例えば構造上の理由により、入口を出口と同側に配置しなければならない場合、つまり入口と出口のパイプが互いに平行し、入口と出口が同じ方向に面している場合には、使用することができない。
加えて、特許文献2では、ピストンの長距離運動性およびピストンポンプの非対称的な配置と動作を解決策としている。
特許文献3では、装置内で分配する流体の液体成分と気体成分を分離する為のポンプ装置が開示されている。
この例では、駆動されるポンプのピストンのヘッド上のシャフトは、2つのチャンバーの一方にだけ存在するため、2つの分配チャンバーの容積に違いをもたらす。容積の違いによって、流体製品の用量の精度は悪くなる。しかしながら、この点は、ポンピングサイクル毎に移動される流体が大量であること及び流体の用量の再現性が低いことに鑑みて、特許文献3では追求されていない。加えて、この容積の違いは、吸引にかかる時間、流体製品を2つのチャンバーに分配する工程および流体製品を2つのチャンバーから分配する工程にかかる時間にも違いをもたらしている。これが、分配時間と吸引時間に差をもたらし、流体製品が分配されない時間間隔を生じる原因になっている。
特許文献4には、2つのチャンバーを備える食品製品用ポンプ装置が開示されている。上方のチャンバーは、その体積の一部が移動の終端機構によって占有されるため、下方のチャンバーより容積が小さくなっている。
特許文献5、特許文献6、特許文献7には、上記で引用された公知文献に記載されたものと同じ問題、つまり2つのチャンバー間で容積が異なる為、分配時間と吸引時間に差が生じるという同じ問題を含んだ別のポンプ装置が開示されている。
米国特許第8191733号明細書 米国出願公開特許第2011/0259918号明細書 米国特許第5156537号明細書 米国特許第4008012号明細書 米国特許第2368013号明細書 米国特許第1498471号明細書 独国特許第1522552号明細書
本発明の目的の1つは、用量の正確性と再現性を高いレベルで実現するピストンポンプを作ることである。
また、流体が分配されない時間をなくし、2個のチャンバーにおいて流体の吸引工程と分配工程にかかる時間を等しくすることができる2チャンバー式ピストンポンプを作ることも本発明の目的である。
本発明のもう一つの目的は、運搬する用量の制御を単純化した2チャンバー式ピストンポンプを作ることである。
本発明のもう一つの目的は、大量の流体製品を扱う場合でも、ピストンポンプの寸法を大きくして装置全体の寸法を増大させることなく、分配時間を短縮することができる2チャンバー式ピストンポンプを作ることである。
本出願人は、従来技術の問題点を克服し、上記及びその他の目的と発展的な発明を達成するために、本発明を立案し試行し具体化を行った。
本願発明は、独立請求項において説明され特徴づけられるが、発明のその他の特徴や発明の主な思想の変化物は、従属請求項に記載されている。
上記の目的に従って、流体製品を分配する為の装置に導入するのに好適な本発明の2チャンバー式ピストンポンプは、2個のチャンバーが同じ容積を備えるように、ピストンポンプ装置で分画される中空状の本体を備える。
本発明の第1の特徴では、2個の各チャンバーは、ピストンポンプ装置のヘッドの位置によって互いに対向する位置に形成され、吸引弁と分配弁の動作を交互に切り替えることによって吸引と分配で交互に動作し、ピストンポンプ装置のシャフトの両側に対称に配置される。
本発明の好ましい形態では、ピストン装置のシャフトは、ピストンポンプの長尺方向の中央軸を形成する。
本発明によれば、ピストンポンプ本体に対する弁の挿入は、逆行性の配置である。
好ましい形態では、ピストン装置は、高分解能ステップで動作するモーターによって駆動される。
ピストンポンプは、先に述べたように、ヘッドとロッドから成る。有利な実施形態では、ヘッドは、樹脂または金属材料で形成され、分配中に生じる摩擦力や温度に対して耐性を備える。
本発明の2チャンバー式ピストンポンプは、大量および少量の流体を分配することができると同時に、用量について高いレベルの正確性と再現性を保持することができるように特別に研究された寸法で構成されている。したがって、中空状の本体は、流体製品を適用量運搬することができる寸法を備える。特には、中空状の本体の内径の寸法は、ポンプの性能やロッドの直径によって決まる。
本発明の別の特徴において、弁は、一方通行、すなわち逆止弁である。弁は、入口と出口に配置され各弁は入口と出口の孔に対応し流体製品が流れる方向を補助するために配置される。
本発明の1の特徴では、流体製品をポンプのチャンバー内に導入するパイプと流体製品を分配するパイプは、ポンプの同側に配置される。
別の特徴によれば、前記のパイプは、互いに対してほぼ平行をなし且つ、ピストンポンプのロッドに対してほぼ平行をなす。
別の特徴によれば、ピストンポンプの第1チャンバーに接続される吸引弁と分配弁は、ポンプの本体の中央軸を挟んで互いに対向して配置されているが、もう一方のチャンバーである第2チャンバーに接続された吸引弁と分配弁は、第1チャンバーの前記弁に対して、対称的に且つ鏡像的に配置される。
動作中には、第1チャンバーに接続された吸引弁と第2チャンバーに接続された分配弁は、ピストンが第1方向に第1移動する間に同時に開放されるが、第1チャンバーに接続された分配弁と第2チャンバーに接続された吸引弁は、ピストンが第2方向に第2移動する間、つまり第1方向と逆方向に移動する間に同時に開放される。
2チャンバー式ピストンポンプによって、流体製品の吸引工程と分配工程を同時に実施することができる。つまり、一方のチャンバーが正方向の分配流を受け入れている間に、他方のチャンバーは、等量の負方向の吸引流を有する。
本発明の更なる目的は、ピストンポンプの2個のチャンバーで吸引と分配の同時実施を可能にする流体製品の分配プロセスを画定することにある。詳細には、一方の工程は、中空状の本体の下端から中空状の本体の上端にピストン装置を摺動することから成る。これに対し、他方の工程は、上端から下端方向にピストン装置を摺動することから成る。順番が来れば、弁は、逆平行の配置の理論に従って開閉される。チャンバーが吸引状態にあるときは、入口弁は流体製品を流入可能にするために開放され、出口弁は流体製品の流出を防止するために閉鎖される。これに対し、チャンバーが分配状態にあるときは、出口弁は、チャンバーからの流体製品の流出を促進する為に開かれ、入口弁は、流体の逆流防止のために閉鎖される。
本発明の上記および他の特徴は、添付の図面を参照して限定ではない例示として提供されているいくつかの実施形態についての以下の説明から明らかであろう。
理解を助ける目的で、可能な限り、複数の図面の同一の共通する要素を同定する為に同じ番号が付されている。一実施形態の要素及び特徴は、別段に明示の記載がなくとも、他の実施形態に好都合に取り込むことができる。
動作中のピストンポンプを示す断面図。 動作中のピストンポンプを示す断面図。 流体の進行を示す線図。
以下に、本発明の様々な実施形態に関して詳細に説明し、添付の図面において実施形態の1つ以上の実施例を示す。各実施例は、本願発明を例示することを目的として提供されるものであって、本発明を限定するものと理解されないようにされたい。例えば、ある一の実施形態の一部であるように図示され説明されている特徴であっても、別の実施形態を形成するために他の実施形態に使用しまたは組み込むことができる。本発明は、そのような変更例および変化例を全て包含するものとする。
図1、2及び4の実施形態について述べる。これ以降は、単にピストンポンプと呼ぶが、流体製品分配用装置に導入される2チャンバー式ピストンに関する。
以下の説明では、非限定的に例示することを目的として、流体製品は、塗料の基材、エナメル、基材などの染料とするが、その他の如何なる染料液であってもよい。
ピストンポンプ10は、染料を収容する容器(図示略)にピストンポンプ10を接続することができる入口装置11を備える。
入口装置11は、染料の容器をピストンポンプ10に接続する流入パイプ12を備える。流入パイプ12は、異なる2つの入口、上方入口13と下方入口14に分かれ、これらにより、染料は、各チャンバーに吸引される過程で、上方チャンバー15および下方チャンバー16に流入する。
上記の定義は、単に図を簡略化することを目的としたものであるが、チャンバー15と16は、ここでは図面を参照して、上方、下方と定義する。
各入口は、染料の分配方向の流れを促進するために配置され一方通行の弁、すなわち逆止弁17を備えることが可能であり、これにより流体の逆方向の流れを防止する。
弁は、図面には、17a,17b,17c,17dで示されている。具体的には、以下により詳細に説明するが、弁17aと17dは、それぞれ第1上方チャンバー15に対して接続された吸引弁と分配弁であり、弁17bと17cは、それぞれ第2下方チャンバー16に接続された吸引弁と分配弁である。図面からわかるように、第1上方チャンバーに接続された弁17a、17dは、ポンプの中央軸を挟んで対向する側に配置され、第2下方チャンバーに接続された弁17b、17cに対して鏡像的且つ、対称的に配置される。
ピストンポンプ10の内部機構は、中空状の本体として構成されるジャケット18からなる。
ジャケット18は、移動上端27と移動下端28とを備える。
ある実施形態では、ジャケット18は、35mmから45mmまで、好ましくは40mm、または50mmから60mmまで、好ましくは54mmの内径を備える。
ピストンポンプ10は、ジャケット18内側で摺動するピストン装置19を備え、染料の吸引工程と分配工程を切り替えることができる。
ジャケット18は、ステンレス鋼、または工業用セラミック、またはその他の金属、または力や動作中に内部で発生するその他の圧力に対して耐性のある材料で形成される。
ピストン装置19は、ジャケット18の孔に適合し、ジャケット内側で摺動可能な寸法を有するヘッド20を備える。
ヘッド20は、機械的な摺動に由来する力や温度に対して耐性のある樹脂材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの好適な材料で形成される。
ピストン装置19のヘッド20は、その上下において、流体製品を等量収容するピストンポンプ10の2個のチャンバー15と16を画定する。
この構造により、流体製品を内側に引き入れる、チャンバー15または16から独立して、常に等量の流体を交互に送り出すことができる。
ピストン装置19は、ヘッド20の一端に堅固に連結されたロッド21を備えるが、他端は、高分解能ステップモーター29に接続される。
ロッド21は、モーター29の動作中に生じる圧力に対して耐性のある材料、例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム合金で形成される。
ある実施形態では、ロッド21は、ロッドの横断面とジャケット18の孔の横断面の比が0.25を超えることがないように構成される。
ピストン装置19は、動作中において、ジャケット18内側で、移動上端27から移動下端28までと、移動下端28から移動上端27までを摺動する。上方チャンバー15と下方チャンバー16の容積は、互いに等しく、ジャケット18の孔で決まり、且つピストン装置19の移動中に変化する。
ある実施形態では、ピストン装置19の移動は、約10mmから約15mm、好ましくは12mmの長さである。したがってチャンバー15と16の両方を合わせた最大の容積は、ジャケット18の容積からヘッド20とロッド21に相当する体積を差し引くことによって与えられる。
ピストンポンプ10は、ジャケット18から染料の流出を可能にし、分配装置の最終分配要素(図示略)に向かって染料を導くことができる出口装置22を備える。
出口装置22は、2つの出口、上出口24と下出口25とを有する排出パイプ23を備え、各出口は、2つのチャンバー15と16から出てくる染料の流れを補助する為に配置された一方通行の弁、すなわち逆止弁17、17dおよび17cをそれぞれ備える。
弁17a,17b,17c,および17dが軸対称で且つ鏡像的な位置にあることにより、出口24と25の場所は、入口13と14と同じ高さに画定される。これにより、2個のチャンバー15および16の流れをそろえ、互いに均一にすることができる。
さらに、流入パイプ12と排出パイプ23は、好ましくはピストンポンプ10と同側に配置され、互いに平行をなし、ほぼ同じ高さで終わることにより、流体用分配装置内でのピストンポンプ10の組み立てを容易にする。
ピストンポンプ10は、流体製品用分配装置の表面に連結される支持体26を備えることができる。
支持体26により、流入パイプ12とで排出パイプ23は、常に同じ方向に指向するため、あらゆる向きでピストンポンプ10を使用することが可能になる。
図1と図2を参照して、ピストンポンプ10の動作を、ピストン装置19の移動方向で判別される2つの主要な工程で、図式的に総合して扱うことができる。
第1工程は、ジャケット18の移動下端28から移動上端27まで、つまり図1では上方向に、ピストン装置19を摺動することからなる。第1上方チャンバー15は、上方入口13の弁17aが閉鎖され上方出口24の弁17dが開放された分配モード状態にある。この時、第2下方チャンバー16は、下方入口14の弁17bが開放され、下方出口25の弁17cが閉鎖された吸引モードにある。
ピストン装置19が移動上端27に達すると、摺動方向は、移動下端28方向に逆転し、図2で示したように下方に移動する。第1上方チャンバー18は、上方入口13の弁17aが開放され上方出口24の弁17dが閉鎖された吸引モード状態にある。この時、第2下方チャンバー16は、下方入口14の弁17bが閉鎖され下出口25が開放された分配モード状態にある。
このような動作は、弁17が逆行性に構成されることにより可能になる。
ピストンポンプ10の動作は、所要時間が同じで等量の染料が流れる吸引工程と分配工程とを同時に実施することであると要約することができる。
染料の吸引工程と分配工程の同時性は、ジャケット18内側に2個のチャンバーを備えることによって可能になる。
加えて、上記に説明した実施形態および図3を参照すれば、2つのチャンバー15と16の容量によって、ジャケット18内側に、通常の動作条件で正方向に流れる(分配工程)一のチャンバーと、等量で且つ負方向に流れる(吸引工程)他方のチャンバーを備えることができる。従って、適切な検出器によって位置と電流が制御されるステップモーター29によって可能になる高分解能駆動性と組み合わせた場合は、上方チャンバー15と下方チャンバー16が等量の容積を有することにより用量の正確性と再現性を高めることができる。この実施形態により、特に極少量を分配する際に(最も難しい条件である)、電子プロセッサを用いて用量の簡単な制御を達成することができる。
図3によれば、等容量のチャンバーを2個備えることは、吸引時間と分配時間を等しくすることであり、同時に2個のチャンバー15及び16で工程を逆転することであり、これによって分配工程の連続性を担保することができる。
上述した実施形態により、2チャンバーシステムであることと、流速が0.371l/minから1.639l/min、好ましくは0.582l/minまたは1.094l/minで染料を分配することができる機械システムの形態的な特徴であることとにより、ピストンポンプ10に短時間に大量の染料を分配させることができる。
これまでに説明したように、本発明の分野および範囲を逸脱することなく、流体製品用2チャンバー式ピストンポンプには、部品の変更や追加を行うことができることは明らかである。
本発明は、いくつかの特定の実施例を参照して説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲で説明する特徴および、特許請求の範囲で定義する保護範囲に入る全てを含む、流体製品用2チャンバー式ピストンポンプのその他の均等形を多数作製することができることは明らかである。

Claims (7)

  1. ジャケット(18)と、
    前記ジャケット(18)内で往復運動し、かつロッド(21)とヘッド(20)を備えるピストン装置(19)と、
    染料を収容する容器に対してピストンポンプ(10)を接続することが可能な入口装置(11)であって、前記容器を前記ピストンポンプに接続する流入パイプ(12)を備える前記入口装置と、
    前記ジャケットから染料を排出することを可能にして、分配装置の最終分配要素に向かって染料を導く出口装置(22)であって、流体を排出するための排出パイプ(23)を備える前記出口装置と
    前記流入パイプおよび前記排出パイプが前記ジャケットの同側であり且つ前記ピストン装置の両側に配置されていることと
    を備えるピストンポンプであって、前記ピストンポンプは、
    流体製品用の等容量の上方の第1チャンバー(15)と下方の第2チャンバー(16)とを備え、前記第1チャンバーと前記第2チャンバーとは、前記ピストン装置の前記ヘッドの両側に形成され、前記第1チャンバーと前記第2チャンバーはそれぞれ、各々の弁(17a,17b,17c,17d)手段で前記流入パイプと前記排出パイプに接続され、前記第1チャンバーに接続された第1吸引弁(17a)と第1分配弁(17d)は、前記ピストン装置に対して対向して配置され、前記第2チャンバーに接続された第2吸引弁(17b)と第2分配弁(17c)は、前記第1チャンバーに接続された前記第1吸引弁(17a)と前記第1分配弁(17d)に対して対称的且つ、鏡像的に配置され
    前記流入パイプは、上方入口(13)および下方入口(14)の2つの異なる入口の中に分かれ、前記染料を前記第1チャンバーと前記第2チャンバーに吸引する過程で前記染料を前記第1チャンバーと前記第2チャンバーとに流入することを可能にし、前記上方入口および前記下方入口はそれぞれ、分配方向に前記染料の流れを促進して、逆方向に流れることを防止するために配置された前記第1吸引弁と前記第2吸引弁とを備え、
    前記排出パイプは、上方出口(24)と下方出口(25)の2つの出口を備え、前記上方出口および前記下方出口はそれぞれ、前記第1チャンバーと前記第2チャンバーから出てくる染料の流れを補助する為に配置された前記第1分配弁と前記第2分配弁とを備え、
    前記第1吸引弁、前記第2吸引弁、前記第1分配弁、および前記第2分配弁は、軸対称であり且つ鏡像的な位置に配置され、前記上方入口と前記下方入口の高さと同じ高さに前記上方出口と前記下方出口とを画定して、前記第1チャンバーと前記第2チャンバーの流れをそろえて均一にし、
    前記第1チャンバーと前記第2チャンバーのいずれか一方に吸引される流体製品の流れは、ある瞬間において、前記第1チャンバーと前記第2チャンバーのうちの他方によって搬送される流体製品の流れと対比して量は等しく方向は逆であり、
    前記流入パイプと前記排出パイプとは、互いに平行をなし、且つ、同じ高さに終わり、
    前記ピストンポンプは、前記ピストンポンプを流体製品用分配装置に構造的に連結する支持体(26)を備え、前記支持体は前記流入パイプおよび前記排出パイプを同じ向きに維持し、あらゆる向きで前記ピストンポンプを使用可能にする、流体製品分配用装置に導入されることに適したピストンポンプ。
  2. 前記ジャケット(18)は、35mmから45mm、または50mmから60mmの内径を有することを特徴とする、請求項1に記載のピストンポンプ。
  3. 前記ロッド(21)の直径は、前記ジャケット(18)の内径に対して、0.25を超えない比率をなすことを特徴とする、請求項1または2に記載のピストンポンプ。
  4. 前記ピストン装置(19)は、10mmから15mmの範囲で前記ジャケット(18)内側を移動することを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のピストンポンプ。
  5. 前記ヘッド(20)は、PTFEから形成されることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のピストンポンプ。
  6. 前記ピストン装置(19)は、ステップモーター(29)によって駆動され、前記ピストン装置の位置および電流は、検出器によって制御されることを特徴とする、請求項1に記載のピストンポンプ。
  7. 前記上方入口(13)の前記第1吸引弁(17a)と前記下方出口(25)の前記第2分配弁(17c)を閉鎖し、前記下方入口(14)の前記第2吸引弁(17b)と前記上方出口(24)の前記第1分配弁(17d)を開放して移動下端(28)から移動上端(27)に向かって前記ピストン装置(19)を摺動させる第1工程と、
    前記上方入口(13)の前記第1吸引弁(17a)と前記下方出口(25)の
    2分配弁(17c)を開放し前記下方入口(14)の前記第2吸引弁(17b)と前記上方出口(24)の前記第1分配弁(17d)を閉鎖して前記移動上端(27)から前記移動下端(28)に向かって前記ピストン装置(19)を摺動させる第2工程からなり、
    前記第1チャンバー(15)と第2チャンバー(16)において同時に起こる吸引工程と分配工程の所要時間が等しいことと、前記第1チャンバー(15)と第2チャンバー(16)を通過する前記流体製品の量が等しいことと、前記工程の逆転が同時に起こることと、および前記ピストンポンプからの前記流体製品の出入りは、同側且つ互いに対して平行方向に起こることを特徴とする、請求項1乃至のいずれか一項に記載のピストンポンプを使用して流体製品を分配する為の方法。
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