JP6852863B2

JP6852863B2 - ポンプユニット及びポンプ

Info

Publication number: JP6852863B2
Application number: JP2016122098A
Authority: JP
Inventors: 中村　太郎; 太郎中村; 泰之山田; 舜吉浜; 恭太芦垣
Original assignee: Chuo University
Current assignee: Chuo University
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: JP2017227140A

Description

本発明は、ポンプユニットに関し、気室内への個別の圧力の印加により動作するポンプユニット及びポンプに関する。

近年、ポンプの構成として、特許文献１に示すような構成が開示されている。当該ポンプは、円筒状の外筒と、当該外筒内に配設される内筒とを有する２重構造のユニットを備え、外筒と内筒との間に形成されたチャンバー内への空気等の流体の圧力印加により、内筒を径方向内側に向けて膨張させると共に、ユニット全体を軸方向に収縮させ、内筒内の容積を変化させることにより、内筒内の流体を搬送する構成である。

特開２０１０−２０３４００号公報

しかしながら、上記ポンプにあってはチャンバーが内筒の軸周りに単一の空間として形成されているため、内筒の製造上の厚さのバラつき等によって、一定の内圧を印加した場合において、当該内筒を径方向内側に均一に膨張させることが困難であり、製造精度によって流体の搬送効率にバラつきが生じやすいという欠点がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、流体を効率良く搬送可能なポンプユニット及びポンプを提供する。

上記課題を解決するための構成として、流体の流通が可能な流路を内部に有する内筒と、内筒の外周側において当該内筒と同軸上に位置する外筒と、内筒及び外筒の両端を閉塞する閉塞手段とを備え、内筒と外筒及び閉塞手段により区画され、個別の圧力の印加により流路の中心側に膨張すると共に、流路の軸方向に収縮する気室が、内筒及び外筒間に延在する隔壁により流路の周方向に沿って複数に区画された構成とした。
本構成によれば、気室が内筒及び外筒間に延在する隔壁により流路の周方向に沿って複数に区画されたことによって、各気室の圧力の制御によって気室を流路の中心側に均一に膨張させることが可能となり、内筒内の流路を流通する流体を効率良く搬送することができる。また、上記構成を備えたポンプユニットを流路の軸方向に沿って複数接続すれば、流体を効率良く搬送可能なポンプを得ることができる。
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

実施形態に係るポンプユニットの概要を示す軸方向概略断面図である。実施形態に係るポンプユニットの概要を示す径方向概略断面図である。他の実施形態に係るポンプユニットの動作を示す概要図である。他の実施形態に係るポンプユニットの軸方向概略断面図である。

以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１，図２は、ポンプユニット１の概要を示す概略断面図である。同図に示すように、ポンプユニット１は、円筒状に形成された伸縮性を有する外筒１０と、当該外筒１０の内周側に設けられ、同じく伸縮性を有する円筒状の内筒２０と、外筒１０及び内筒２０の軸方向の一端側と他端側とにそれぞれ設けられた一端側フランジ３０及び他端側フランジ３２とを備える。

外筒１０は、両端開口の円筒状に形成され、その両端部は一端側フランジ３０及び他端側フランジ３２の外周面に嵌入された固定リング３４ａ；３４ｂによってそれぞれ固定され、閉塞されている。図２（ａ）に示すように、外筒１０は、例えば低アンモニア天然ラテックスゴムから成るゴム部材と、当該ゴム部材に介挿された繊維層１２を有してなる。当該繊維層１２は、径方向に沿って積層される複数の炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維などからなる高弾性繊維によって構成される。また、繊維層１２を構成する高弾性繊維の延長方向は、外筒１０の軸方向と一致している。よって、図１（ｂ）に示すように、外筒１０は、内筒２０との間に画成されるチャンバー５０内へ圧力媒体の一例としての空気が導入された場合、径方向外側に膨張すると共に、繊維層１２によって軸方向への伸長が拘束される結果、全体が軸方向に収縮する。

内筒２０は、外筒１０と同様に、天然ラテックスゴムやシリコーンゴムなどのゴム部材からなる円筒状であって、外筒１０の軸心と同軸上に配設される。内筒２０の両端部はそれぞれ、一端側フランジ３０及び他端側フランジ３２の内周面に対して強固に固定され、閉塞される。よって、内筒２０は、外筒１０との間に画成されるチャンバー５０内へ空気が導入された場合、径方向内側、換言すれば、内筒２０の内周面２０ａによって形成される流体が流通可能な流路Ｒの中心側に向かって膨張する。なお、図２（ａ）に示すように、内筒２０内に、上記繊維層１２と同様の構成を有する繊維層２２を介挿した構成としてもよく、この場合にあっては、内筒２０についても流路Ｒの中心側に向かって膨張すると共に、繊維層２２によって軸方向への伸長が拘束される結果、全体が軸方向に収縮する。当該形態は、軸方向への収縮量を増大させたい場合に有効であり、例えば流体が粘性を有する場合や粒状体等の個体を含むような場合等、その用途に応じてポンプの一部区間のみに当該形態に係るポンプユニットを配置し、伸縮量の増大した区間によってこれらの流体を効率良く搬送することも可能である。

図１に示すように、外筒１０及び内筒２０の両端開口部が一端側フランジ３０及び他端側フランジ３２によってそれぞれ強固に固定されると、ポンプユニット１内には、外筒１０、内筒２０、一端側フランジ３０及び他端側フランジ３２によって区画された圧力供給が可能な気室としてのチャンバー５０が形成される。チャンバー５０は、内筒２０の内周面２０ａによって区画される流路Ｒの中心（軸心）の軸回りにおいて、その延長方向（軸方向）に沿って延長する空間であって、当該チャンバー５０内には、図外の圧力給排装置から空気や液体等の圧力媒体が供給される。また、詳細については後述するが、チャンバー５０は、周方向に沿って隣接する複数の小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄに区画されており、各小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄには、それぞれ圧力媒体が供給される。
一端側フランジ３０の外周面には、周方向に沿って均等に配列された複数のチューブ挿入孔３６ａが形成される。チューブ挿入孔３６ａは、チャンバー５０の内外に連通する通路として形成され、各小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄと対応して個別に形成される。

一端側フランジ３０に形成された複数のチューブ挿入孔３６ａにはそれぞれ、当該チューブ４１が個別に接続される。チューブ４１は、図外の圧力給排装置と接続されており、当該圧力給排装置から送出される流体が、チューブ４１を経由してチャンバー５０（小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄ）内に個別に送り込まれる。このように、外筒１０、内筒２０及び閉塞手段としての一端側フランジ３０及び他端側フランジ３２により密閉された気室としてのチャンバー５０は、圧力の印加によって径方向に膨張するとともに、軸方向に収縮する。より具体的には、チャンバー５０を区画する外筒１０が径方向外側に膨張し、内筒２０が径方向内側、即ち、流路Ｒの中心側に膨張すると共に、外筒１０に介挿された繊維層１２の規制により、その軸方向寸法が収縮することとなる。

次に、特に図２を参照して、小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄについて説明する。なお、本例ではチャンバー５０を４つに区画した例を示すが、３つ以上であればその数は問わない。チャンバー５０は、内筒２０内の流路Ｒの軸心を中心として、周方向に沿って均等な間隔で小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄに区画されている。同図に示すように、外筒１０と内筒２０との間には、周方向に沿って互いに均等な間隔で配置され、径方向内外に延在する複数の隔壁部５５Ａ〜５５Ｄが形成されており、当該隔壁部５５Ａ〜５５Ｄによって外筒１０と内筒２０とが一体化されている。

隔壁部５５Ａ〜５５Ｄは、外筒１０及び内筒２０と同様のゴムにより形成されており、小チャンバー５０Ａは、隔壁部５５Ａ；５５Ｂによって周方向に区画され、小チャンバー５０Ｂは、隔壁部５５Ｂ；５５Ｃによって周方向に区画され、小チャンバー５０Ｃは、隔壁部５５Ｃ；５５Ｄによって周方向に区画され、小チャンバー５０Ｄは、隔壁部５５Ｄ；５５Ａによって周方向に区画される。

このように、ポンプユニット１を径方向に断面視した場合、チャンバー５０は、複数の隔壁部５５Ａ〜５５Ｄによって、周方向に隣接する複数の小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄに区画されている。そして、図２（ａ）に示す初期状態から各小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄ内に同期して圧力媒体が供給されると、図２（ｂ）に示すように、各小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄの一部を構成する外筒１０が隔壁部５５Ａ〜５５Ｄの径方向外側端部を起点として径方向外側に向けて弧状に膨張し、同じく小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄの一部を構成する内筒２０が隔壁部５５Ａ〜５５Ｄの径方向内側端部を起点として径方向内側に向けて弧状に膨張する。このとき、小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄの一部を構成する内筒２０は、当該内筒２０の内周面２０ａにより形成される流路Ｒの中心に向けて収束するように膨張するため、圧力の上昇によって流路Ｒが漸次閉鎖され、内周面２０ａ同士がその中心において密着することにより閉鎖された状態となる。

以上のとおり、気室としての各小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄは、流体の流通が可能な流路Ｒを取り囲むように流路Ｒの径方向外側に複数配置されており、当該小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄの一部を構成すると共に、流路Ｒを形成する内筒２０が流路Ｒの中心側に膨張することによって、流路Ｒを閉鎖する構成である。また、小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄは、上記流路Ｒの閉鎖と同時に、外筒１０に介挿された繊維層１２の拘束によって軸方向に収縮するため、流路Ｒ内に存在する流体は、軸方向の一方に向けて押し出されるように搬送される。

また、気室としての各小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄには、それぞれ独立して圧力の印加が可能であるため、外筒１０や内筒２０の周方向における厚さのバラつきに起因する径方向内外への膨張量、或いは、繊維層１２のバラつきに起因する収縮量を考慮した上で、各小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄ内にそれぞれ異なる圧力を印加することにより、単一のユニットとしての膨張量及び収縮量を均一化することが可能となり、搬送効率を向上させることができる。
また、例えば、小チャンバー５０Ａ；５０Ｂに高圧を印加し、これに対向する小チャンバー５０Ｃ；５０Ｄに低圧を印加又は印加しない設定とすれば、ポンプユニット１を軸方向への収縮量が多い小チャンバー５０Ａ；５０Ｂ側に湾曲させることが可能となり、流体の搬送方向を圧力の制御により変更することも可能である。
そして、当該構成からなるポンプユニット１を軸方向に沿って複数連結してポンプを構成し、流体が流入する上流側から下流側に向けてポンプユニット１を順次動作させることにより、流体を上流から下流に向けて搬送することが可能となる。なお、流体搬送の具体例については、以下の他の実施形態と併せて後述する。

図３は、他の実施形態に係るポンプユニット１を採用したポンプ１００の全体構成を示す図である。同図において、ポンプ１００は、ゴムや薄膜フィルム等の可撓部材により形成され、内部に流体の流通が可能な流路Ｒを有する円筒状の管体６０と、当該管体６０の軸方向に沿って多段に配設されたポンプユニット１Ａ〜１Ｄを備える。図示のポンプ１００は、流体の搬送方向を下上方向とし、流体を下方から上方に搬送する例を示し、複数のポンプユニット１Ａ〜１Ｄが上下方向に沿って直列的に配置されている。以下、最上流側に位置するポンプユニット１Ａを代表例として、その構成について説明する。

図３（ａ）に示すように、ポンプユニット１Ａは、円筒状の管路６０の外周側において、管路６０の軸心を中心として周方向に均等配置（正三角形状）された複数の伸縮体（人工筋肉）７０（７０Ａ〜７０Ｃ）から構成される。各伸縮体７０Ａ〜７０Ｃ同士は、図外のバンドや板体等の拘束手段によって、管路６０の外周側における位置が規定されている。そして、各伸縮体７０Ａ〜７０Ｃが同期して管路６０内の流路Ｒの中心側に向けて膨張することによって、可撓部材からなる管路６０が周囲から押し潰されるように閉鎖し、管路６０内に存在する流体が上方のポンプユニット１Ｂ側へ押し出されるように搬送される。なお、本例に係るポンプユニット１Ａでは、管路６０（流路Ｒ）の軸周りに配置される伸縮体７０の数を３本としたが、これに限られるものではなく、最大６本程度を均等に配置することも考えられる。

以下、図４を参照して各ポンプユニット１Ａ〜１Ｄを構成する伸縮体７０の構成について説明する。同図に示すように、伸縮体７０は、円筒状に形成されたゴム部材等からなる伸縮部８０と、伸縮部８０の軸方向の一端側と他端側とにそれぞれ設けられた一端側フランジ６１及び他端側フランジ６２とを備える。なお、上述の実施形態と同一構成には同一符号を用い、説明を省略する場合がある。

伸縮部８０は、両端開口の円筒状であって、その両端部は一端側フランジ６１及び他端側フランジ６２の外周面に嵌入された固定リング３４ａ；３４ｂによってそれぞれ固定され、その両端部が閉塞される。伸縮部８０は、例えば前述の外筒１０と同様の構成であって、ゴム部材と、当該ゴム部材に介挿された前述と同様の繊維層を有してなる。繊維層を構成する高弾性繊維の延長方向は、伸縮部８０の軸方向と一致している。よって、伸縮部８０によって画成されるチャンバー９０内へ圧力媒体が導入された場合、伸縮部８０は、径方向外側に膨張すると共に、全体長が軸方向に収縮する。

同図に示すように、伸縮部８０の外周面８０Ａには、複数の分割リング８２が配置される。分割リング８２は、伸縮部８０の軸方向において均等な間隔で配置された円環体であって、伸縮部８０の径方向外側への膨張を規制する部材である。図３（ｂ）に示すように、分割リング８２が配置された場合にあっては、伸縮部８０の軸方向に沿って膨張範囲が複数の範囲（図示では３つ）に分割され、あたかも複数の瘤を有した状態で膨張する。なお、必ずしも分割リング８２を設ける必要はなく、また、分割リング８２の数は所望の分割数に応じて適宜設定可能である。

以下、図３を参照して、上記構成からなる複数の伸縮体７０を備えたポンプユニット１Ａ〜１Ｄを上流側から下流側に順次動作させた場合の流れについて説明する。まず、流体が最下部のポンプユニット１Ａの位置に存在する場合においてポンプユニット１Ａを作動させると、複数の伸縮体７０の伸縮部８０が同期して管路６０の中心に向けて膨張するとともに、全体長が軸方向（図示では下方）に収縮する。このとき管路６０は、同期して膨張する伸縮部８０の外周面８０Ａによって漸次押し潰され、管路６０内の流体は、上方に位置するポンプユニット１Ｂ側へ押し出されるように搬送される。

次に、ポンプユニット１Ａの上記作動状態を維持したままポンプユニット１Ｂを作動させると、当該ポンプユニット１Ｂを構成する伸縮体７０の伸縮部８０が同期して膨張するとともに全体長が軸方向に収縮し、管路６０内の流体が上方に位置するポンプユニット１Ｃ側に押し出されるように搬送される。以後、ポンプユニット１Ｃ及びポンプユニット１Ｄを順次作動させることにより、管路６０内の流体を下流（上方）側に順次搬送することができる。

また、上記搬送の流れは、複数の小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄを有するポンプユニット１が複数連結された形態のポンプでも同様であり、各ポンプユニット１を軸方向に沿って複数連結してポンプを構成し、上流側に位置するポンプユニット１を作動させることにより小チャンバー５０Ａ〜５０Ｄを同期して流路Ｒの中心に向けて膨張させるとともに軸方向に収縮させ、流路Ｒを押し潰すように閉鎖させる。これにより、流路Ｒ内の流体は、下流側に位置するポンプユニット１側に搬送され、以後、下流側に配置されたポンプユニット１を順次作動させることにより、流体を下流側に搬送することが可能となる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

例えば、複数の伸縮体７０を備えたポンプユニット１Ａ〜１Ｄにおいても、各伸縮体７０に独立して圧力を印加することが可能であるため、伸縮部８０の周方向における厚さのバラつきに起因する径方向内外への膨張量、或いは、繊維層のバラつきに起因する収縮量を考慮した上で、各伸縮体７０のチャンバー９０内にそれぞれ異なる圧力を印加することにより、管体６０を周方向外側から内側に向けて均等に押圧できるため、搬送効率を向上させることができる。
また、例えば、一部の伸縮体７０に高圧を印加し、他の伸縮体７０に低圧を印加又は印加しない設定とすれば、高圧を印加した伸縮体７０の方向に管体６０を湾曲させることが可能となり、流体の搬送方向を圧力の制御により変更することが可能である。

また、流体の搬送方向は、鉛直方向に限られるものではなく、あらゆる方向に設定できる。例えば、流体の搬送方向を水平方向とした場合において、流路Ｒ内の流体（搬送物）の量が少ない場合、重力によって下方に偏っている場合、或いは粘度が比較的低いものである場合等、全ての小チャンバー又は全ての伸縮体に圧力を印加せずとも、例えば向かい合う２つの小チャンバー又は伸縮体を動作させることにより上記流体を搬送できるため、空気の利用を削減でき、搬送物としての流体の態様に応じてエネルギー使用を抑制できる。
また、上記小チャンバー及び伸縮体はそれぞれ独立して形成され、独立して動作可能とされているため、何らかの理由で１の小チャンバー或いは伸縮体に穴開き等の破損が生じた場合であっても、他の小チャンバー等に空気漏れなどの影響が及ぶことがなく、搬送機能を維持することが可能となる。

また、小チャンバー及び伸縮体はそれぞれ独立して形成され、独立して動作可能とされているため、その動作タイミング（圧力印加のタイミング）を個別に制御することにより、流体の特性に合わせた搬送を行うことができる。
例えば、搬送物が石を含む土砂等の混合物である場合、各小チャンバー又は伸縮体を例えば１ずつ、その動作タイミングをズラして膨張させることにより、流路Ｒの搬送経路を偏りを持たせつつ狭めることができ、石の引っかかりを防止しながら大きさのバラつきの大きい土砂等の混合物の運搬効率を向上させることができる。
また、搬送物が高粘度流体である場合、その流れの遅さに合わせて各小チャンバー又は伸縮体を低速で動作させることが望ましい場合がある。この際、動作周期自体を低速とする他に、各小チャンバー又は伸縮体を流れの遅さに合わせて１ずつ動作させて流路Ｒを閉塞することにより、動作周期自体を低速とする場合と類似の効果を得ることができる。

更に、小チャンバー又は伸縮体の動作タイミングを個別に制御することにより、流路Ｒ内に存在する流体を混合しつつ搬送することもできる。
例えば、流路Ｒ内において、軸方向を境として物性が類似又は異なる流体が分かれて存在する場合において、各小チャンバー又は伸縮体を同時に動作させた場合、流路Ｒを押す出す力が均一となるため、上記流体は互いに混合され難い。
一方、流路Ｒの中心軸を基準として互いに対向する２つの小チャンバー又は伸縮体の一方側を先行して動作させ、その後、他方側を動作させることにより、一方側に存在する流体が他方側に食い込むように押し出された後、他方側に存在する流体が一方側に食い込むように押し出されるため、流体を効率的に混合しつつ搬送することが可能となる。
なお、上述の実施形態においては、繊維層によって軸方向への伸長を規制することによって、チャンバー及び伸縮体を径方向に膨張させると共に軸方向に収縮させる構成を採用したが、これに限られるものではなく、管状のゴムをスリーブ状に編みこんだ繊維コードで覆うことによって軸方向への伸長を規制する所謂マッキベン型の構成を採用しても良い。

１（１Ｄ〜１Ｄ）ポンプユニット、１０外筒、１２繊維層、２０内筒、
３０一端側フランジ、３２他端側フランジ、５０チャンバー、
５０Ａ〜５０Ｄ小チャンバー、５５Ａ〜５５Ｄ隔壁部、６０管路、
７０（７０Ａ〜７０Ｄ）伸縮体、８０伸縮部、８２分割リング、
９０チャンバー、１００ポンプ。

Claims

流体の流通が可能な流路を内部に有する内筒と、
前記内筒の外周側において当該内筒と同軸上に位置する外筒と、
前記内筒及び外筒の両端を閉塞する閉塞手段と、を備え、
前記内筒と前記外筒及び閉塞手段により区画され、個別の圧力の印加により前記流路の中心側に膨張すると共に、前記流路の軸方向に収縮する気室が、前記内筒及び外筒間に延在する隔壁により前記流路の周方向に沿って複数に区画されたことを特徴とするポンプユニット。
前記請求項１記載のポンプユニットが前記流路の軸方向に沿って複数接続されたことを特徴とするポンプ。