JP6928192B1 - ピストンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】流体をスムーズに加圧し、加圧された流体の排出時の流れを阻害せず、圧力損失を抑える。【解決手段】シリンダライナ２と、シリンダライナ２内で往復摺動可能に構成されるピストン本体３０と、頂面３３と、傾斜曲面３４とを有し、頂面３３が切頭状に形成されたピストン先端部３２とを備えるピストン３とを有し、シリンダヘッド１と、シリンダライナ２とが、バルブヘッド４を介して接合され、バルブヘッド４は、ピストン３のピストン先端部３２の形状に対応する空洞４１と、空洞４１のシリンダヘッド１側に、ピストン３の往復摺動によって、流体を加圧し、加圧された流体を排出する出口開口部４２とを備え、ピストン先端部３２の傾斜曲面３４は、シリンダライナ２側からシリンダヘッド１側に向かって、縮径に形成され、且つ、断面形状が、内側から外側に凸条Ｒ１、外側から内側へ向かって凸条Ｒ２となる波形が連結する形状に形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ピストンポンプに関し、詳しくは、圧縮された流体の流れを阻害せず、圧力損失を抑えることができるピストンポンプに関する。

低温流体を加圧して吐出するピストンポンプは、低温流体をシリンダライナとバルブヘッド内に吸入してピストンを用いて吐出させるものであり、例えば、図６〜図８に示すように、シリンダヘッド１００とシリンダライナ２００とを有し、シリンダライナ２００を往復摺動するピストン３００を有し、シリンダヘッド１００とシリンダライナ２００との間に配置されているバルブヘッド４００を有する構成が挙げられる（特許文献１）。

特許文献１は、円柱状の形態からなるピストン先端部３１０を有するピストン３００を利用し、バルブヘッド４００には、出口開口部と、ピストン先端部３１０に対応する空洞とが設けられ、出口開口部に隣接して、弁体１１０が、シリンダヘッド１００に入り込むように配置されている。
ピストン先端部３１０は、ピストンポンプ行程が最大の際に空洞の領域を貫通するように構成されている。

また、特許文献２では、ピストン先端部が、切頭円錐形状の形態であり、空洞の領域に完全に入り込む形状として切頭円錐形の形状が開示されている。

特許第６５７２４８１号公報 特許第５７７４３８４号公報

特許文献１では、まず、図６において、ピストン３００によって、低温流体が加圧される前の状態であり、ピストンポンプは、図図示されない低圧液体燃料供給管に接続された燃料供給口５００から、液体燃料がシリンダライナ２００とバルブヘッド４００との間に形成される空洞内に吸入される。

次に、図７に示すように、空洞内に吸入された低温流体をピストン３００によって押圧する。これにより、ピストン３００、及びピストン先端部３１０は、空洞の形状とぴったり合う構成であるため、空洞に隙間がなくなり、空洞内の低温流体が加圧される。図７の状態では、圧縮する際に、空洞の形状が、ピストン先端部３１０にぴったり合う形状であるため、空洞が急激に狭くなる段差が形成されているため、加圧時に流体が弁体に向かう方向と異なる方向に流れを生じ、圧損が生じてしまう。

次に、図８に示すように、加圧された低温流体の圧力が、弁体１１０を押し上げる圧力になると、弁体１１０が押し上げられ、加圧された流体が、弁体の排出流路に連通する貫通孔を介して、排出流路へ排出される。さらに、押し上げられた弁体１１０に、加圧された流体が衝突することにより、加圧された流体に圧損を生じさてしまう。

つまり、特許文献１では、空洞から開閉弁に至る流路が、空洞から急激に狭くなるため、流体の２次流れを生じ、圧力損失が発生するという課題が残されていた。

また、特許文献２においても、ピストン先端部は、切頭円錐形の形態からなるため、ぴったりあう空洞も直線状に形成されているため、圧縮された流体において、出口開口部に向かう流体と出口開口部から離れる流体との圧力が均衡してしまい、流体の圧力損失を生じる結果となっていた。

そこで、本発明の課題は、流体をスムーズに加圧し、加圧された流体の排出時の流れを阻害せず、圧力損失を抑えることができるピストンポンプを提供することにある。

さらに本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
流体を排出する排出流路を備え、該排出流路と連通する貫通孔が設けられ開閉弁が設けられたシリンダヘッドと、
シリンダライナと、
前記シリンダライナ内で往復摺動可能に構成されるピストン本体と、頂面と、傾斜曲面とを有し、該頂面が切頭状に形成されたピストン先端部とを備えるピストンとを有し、
前記シリンダヘッドと、前記シリンダライナとが、バルブヘッドを介して接合され、
前記バルブヘッドは、前記ピストンのピストン先端部の形状に対応する空洞と、該空洞のシリンダヘッド側に、前記ピストンの往復摺動によって、流体を加圧し、加圧された該流体を排出する出口開口部とを備え、
前記出口開口部は、前記シリンダヘッドに設けられた前記開閉弁により閉塞されており、所定の圧力に達すると、前記開閉弁が開き、流体が、前記出口開口部から、前記貫通孔を介して、前記排出流路へ排出されるように構成され、
前記ピストン先端部の傾斜曲面は、シリンダライナ側からシリンダヘッド側に向かって、縮径に形成され、且つ、断面形状が、内側から外側に凸条Ｒ１、外側から内側へ向かって凸条Ｒ２となる波形が連結する形状に形成されていることを特徴とするピストンポンプ。
（請求項２）
流体を排出する排出流路を備え、該排出流路と連通する貫通孔が設けられ開閉弁が設けられたシリンダヘッドと、
シリンダライナと、
前記シリンダライナ内で往復摺動可能に構成されるピストン本体と、頂面と、傾斜曲面とを有し、該頂面が切頭状に形成されたピストン先端部とを備えるピストンとを有し、
前記シリンダヘッドと、前記シリンダライナとが、バルブヘッドを介して接合され、
前記バルブヘッドは、前記ピストンのピストン先端部の形状に対応する空洞と、該空洞のシリンダヘッド側に、前記ピストンの往復摺動によって、流体を加圧し、加圧された該流体を排出する出口開口部とを備え、
前記出口開口部は、前記シリンダヘッドに設けられた前記開閉弁により閉塞されており、所定の圧力に達すると、前記開閉弁が開き、流体が、前記出口開口部から、前記貫通孔を介して、前記排出流路へ排出されるように構成され、
前記ピストン先端部の傾斜曲面は、シリンダライナ側からシリンダヘッド側に向かって、縮径に形成され、且つ、断面形状が、外側から内側に凸条Ｒ１、内側から外側へ向かって凸条Ｒ２となる波形が連結する形状に形成されていることを特徴とするピストンポンプ。
（請求項３）
前記開閉弁には、前記出口開口部から前記空洞内に突出するように形成され、該空洞側から、該出口開口部側に向かって拡径する略円錐台形状の開閉弁突起部が設けられており、
前記開閉弁突起部は、開閉弁が開口した際に、出口開口部との間で、流体の流れのガイド機能を果たすように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のピストンポンプ。
（請求項４）
ピストン先端部の頂面は、ピストンポンプの往復摺動が最大の際に、前記空洞の領域を、前記開閉弁突起部の先端近傍まで到達するように構成されていることを特徴とする請求項３記載のピストンポンプ。

本発明によれば、圧縮された流体の流れを阻害せず、圧力損失を抑えることができるピストンポンプを提供することができる。

本発明のピストンポンプのピストン行程において、ピストンが最下に位置している状態を示す図 本発明のピストンポンプのピストン行程において、ピストンが最上に位置している状態を示す図 本発明のピストンポンプのピストン行程において、開閉弁が解放された状態を示す図 空洞の内壁面の曲面形状を示す図であり、図４（Ａ）は、空洞の内壁面の曲面形状の一例を示す図、図４（Ｂ）は、空洞の内壁面の曲面形状の他の一例を示す図 図４（Ａ）の場合の空洞の内壁面とピストン先端部の傾斜曲面との関係を示す図 従来のピストンポンプのピストン行程において、ピストンが最下に位置している状態を示す図 従来のピストンポンプのピストン行程において、ピストンが最上に位置している状態を示す図 従来のピストンポンプのピストン行程において、開閉弁が解放された状態を示す図

以下、本発明について好ましい実施の形態について説明する。
図１〜３に基づいて、本発明のピストンポンプの好ましい形態を説明する。

図１は、本発明のピストンポンプのピストン行程において、ピストンが最下に位置している状態を示す図であり、図２は、本発明のピストンポンプのピストン行程において、ピストンが最上に位置している状態を示す図であり、図３は、本発明のピストンポンプのピストン行程において、流体の圧力が所定以上になり開閉弁が解放された状態を示す図である。

ピストンポンプは、吸入した低温流体を加圧して吐出させる圧縮機である。

本発明のピストンポンプで用いられる低温流体は、液体あるいは気体を含む。液体は、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、メタン、プロパン、ブタン等の液化ガスを含む。低温流体は、例えば、−１２０℃以下の液体燃料であることが好ましい。

本発明のピストンポンプは、シリンダヘッド１、シリンダライナ２、ピストン３及びバルブヘッド４を有している。

シリンダヘッド１は、加圧された流体を排出する排出流路１０を備えている。排出流路１０に沿って溝部１０Ａが形成されており、該溝部１０Ａにバネ１２を介して開閉弁１１が装着されている。開閉弁１１は、加圧された流体を排出したり、遮断したりする機能を有する。ここで図１に示すように、開閉弁１０の下面と、バルブヘッド４のシリンダヘッド１側の上面とが、平面でシールすることにより、後述するバルブヘッド４の空洞を密閉し、出口開口部からの流体が漏れるのを遮断している。

開閉弁１１には、排出流路１０と連通する貫通孔１３が設けられている。

３はピストンであり、シリンダライナ２内で往復摺動するように設けられている。ピストン３は、シリンダライナ２の内壁面と接するピストンリング３１を備えたピストン本体３０と、ピストン先端部３２とから構成されている。

ピストン先端部３２は、切頭状である頂面３３と傾斜曲面３４を有している。傾斜曲面３４は、加圧された流体の排出方向に向かって縮径様に形成されている。

バルブヘッド４は、シリンダヘッド１とシリンダライナ２との間に設けられており、シリンダライナ２を往復摺動するピストン３のピストン先端部３２の形状に対応する内壁面４０を備える空洞４１を有している。また、バルブヘッド４は、シリンダヘッド１との間に、空洞４１内で加圧された流体を排出する出口開口部４２が形成されている。

ここで、空洞４１の出口開口部４２側には、バルブヘッド４の強度のために、出口開口部４２に向かって縮径する空間が形成されている。この空間は、流体の圧縮時に無駄なボリュームとなるため、ピストン３にピストン先端部３２を設けることで、無駄を削減するように構成されている。

空洞４１の出口開口部４２側に形成された空間と、ピストン先端部３２との間には、図２に示すように、ピストン先端部３２が空間に入り込むときの圧縮時の流体の流れを阻害しないように隙間が形成される。

内壁面４０は、傾斜曲面３４に対応する形状になっている。例えば、内壁面４０を、図４に示すような形状にすることができる。

図４は、空洞４１の内壁面４０の曲面形状を示す図であり、図４（Ａ）は、一例であり、図４（Ｂ）は他の例である。

図４（Ａ）に示すように、内壁面４０は、断面形状が、内側から外側に向かって凸条（Ｒ１）に形成され、それに続いて外側から内側へ向かって凸条（Ｒ２）となる波形の形状に形成されている。

また、図４（Ｂ）に示すように、内壁面４０の断面形状は、外周から内周に向かって凸条（Ｒ１）、内周から外周に向かって凸条（Ｒ２）となる波形の形状に形成されてもよい。図４（Ｂ）に示す内壁面４０の断面形状の場合には、ピストン先端部３２の傾斜曲面も対応する形状になる。これにより、図４（Ａ）の場合と同様の効果を得られる。

図５は、図４（Ａ）の場合の空洞の内壁面４０とピストン先端部３２の傾斜曲面３４との関係を示す図である。

図５に示すように、内壁面４０の曲面形状に対応するように、ピストン先端部３２の傾斜曲面３４の波形形状が形成されている。

図５において、内壁面４０と、ピストン先端部３２の傾斜曲面３４とが、流路の排出方向に向かって、上流側から、法線方向の間隔がδ１、δ２、δ３となっている。法線方向の間隔δ１、δ２、δ３は、略均一であることが好ましい。内壁面４０と傾斜曲面３４とは波形形状であることによって、流体への加圧をスムーズにすることができると共に、加圧された流体を排出する際に、排出流路１０へ向かう流体の圧力損失を軽減することができる。また、法線方向間隔が、δ１＝δ２＝δ３であることにより、流体への加圧をよりスムーズに行うことができる。

本実施形態において、開閉弁１１がバネ１２に押圧されている際には、出口開口部４２は閉じており、バネ１２による押圧力に対して、加圧された流体が開閉弁１１を押圧する圧力が上回ると、開閉弁１１は、開く方向に作動する。バルブヘッド４は、加圧された流体が出口開口部４２から排出される際に、開閉弁１１が開放され、出口開口部４２から、加圧された流体が排出される。

したがって、本実施形態では、バネ１２による所定の押圧力に対して、加圧された流体が、所定の圧力に達すると、開閉弁１１が開く方向に作動し、加圧された流体は、出口開口部４２から、貫通孔１３を介して、排出流路１０へ排出される。

本実施形態においては、開閉弁１１の先端には、出口開口部４２を貫通し、空洞４１に向かって突出する略円錐台形状の開閉弁突起部１４が設けられていることが好ましい。

開閉弁突起部１４は、空洞４１に向かって、略円錐台形状であることにより、開閉弁１１が開放されると、出口開口部４２と、開閉弁突起部１４との間に流路が形成され、開閉弁突起部１４が、流体のガイド機能を果たすことができる。

図１〜図３に基づいて、本発明のピストンポンプの作用を説明する。
まず、図１は、ピストン３によって、流体が加圧される前の状態である。この時、本発明のピストンポンプは、図示されない低圧液体燃料供給管に接続された燃料供給口５から、液体燃料が空洞４１内に吸入される。

次に、図２に示すように、空洞４１内に吸入された流体をピストン３が開閉弁突起部１４の先端近傍まで到達するように構成され、ピストン３、及びピストン先端部３２によって、空洞４１内の容積が小さくなり、流体を押圧する。これにより、流体は加圧される。

図１から図２の状態に移行する際、流体は、内壁面４０と、傾斜側面３４との間の空間が狭くなり、空洞４１の出口開口部４２側の縮径された空間に向かって移動する。本実施形態においては、流体の圧縮時に、外周から内周に向かって凸条（Ｒ１）、内周から外周に向かって凸条（Ｒ２）となる波形の形状の内壁面４０と、内壁面４０の形状に対応する形状の傾斜側面３４とを有することにより、空洞部４１の出口開口部４２側の空間に至る流路がなだらかな流路となるため、流体の流れを阻害しない。この結果、圧縮時における流体の圧力の損失を低減することができる。

次に、図３に示すように、加圧された流体の圧力が、バネ１２の押圧力を上回る圧力になると、出口開口部４２を遮断していた開閉弁１１が押し上げられ、出口開口部４２が開放される。これにより、開放された出口開口部４２から加圧された流体が排出され、開閉弁１１の貫通孔１３を介して、排出流路１０へ排出される。

ここで、図３に示すように、開閉弁１１が開口し、流体が排出された後、図１の状態に戻り次のサイクルの工程に移行する。

図１の状態に戻ると、開閉弁１１が閉じると共に、ピストン３が下がる。つまり、燃料吸入口５からの流体を吸入するために、空洞４１内では、流体の吸入圧力まで低下することになる。

燃料供給口５から流体を吸入する圧力まで低下すると、開閉弁突起部１４と、空洞４１の出口開口部４２側の空間との間に生じる隙間も同様に圧力が低下することになり、該隙間に残った加圧された流体がガス化し、ガス化した流体の体積が大きく膨張してしまう。

もし、開閉弁突起部１４と、該空間との間に生じる隙間が大きすぎると、空洞４１内にはガス化した燃料で充満してしまうため、次のサイクルで加圧するための燃料の吸入が阻害されてしまいポンプ効率が大きく損なわれてしまう。

本実施形態においては、図３に示すように、開閉弁１１が開放されると、開閉弁１１に設けられた開閉弁突起部１４と空洞４１の出口開口部４２側の空間との間に生じた隙間が、加圧された流体のガイド流路となる機能を果たす程度の隙間であることが好ましい。また、図２に示すように、開閉弁突起部１４と空洞４１の出口開口部４２側の空間との間に生じた隙間は、次のサイクル時に燃料供給口５からの流体の吸入を阻害しない程度の小さな隙間であることが好ましい。流体の排出時に、開閉弁突起部１４と出口開口部４２側の空間との間に生じる小さな隙間が、流体のガイド流路となる機能を備えることにより、流体に生じる圧力損失を抑えて、排出流路１０へスムーズに排出することができる。

また、本実施形態においては、ピストン先端部３２の頂面３３が、ピストン３の往復摺動が最大の際に、空洞４１の領域を、開閉弁突起部１４の先端近傍まで到達するように構成されているため、開閉弁突起部１４と空洞４１との間に生じる小さな隙間となる無駄な容積を極力小さくすることができる。

１ シリンダヘッド
１０ 排出流路
１１ 開閉弁
１２ バネ
１３ 貫通孔
１４ 開閉弁突起部
２ シリンダライナ
３ ピストン
３０ ピストン本体
３１ ピストンリング
３２ ピストン先端部
３３ 頂面
３４ 傾斜曲面
４ バルブヘッド
４０ 内壁面
４１ 空洞
４２ 出口開口部
５ 燃料供給口
１００ シリンダヘッド
２００ シリンダライナ
３００ ピストン
３１０ ピストン先端部
４００ バルブヘッド
５００ 燃料供給口

Claims (4)

1. 流体を排出する排出流路を備え、該排出流路と連通する貫通孔が設けられ開閉弁が設けられたシリンダヘッドと、
   シリンダライナと、
   前記シリンダライナ内で往復摺動可能に構成されるピストン本体と、頂面と、傾斜曲面とを有し、該頂面が切頭状に形成されたピストン先端部とを備えるピストンとを有し、
   前記シリンダヘッドと、前記シリンダライナとが、バルブヘッドを介して接合され、
   前記バルブヘッドは、前記ピストンのピストン先端部の形状に対応する空洞と、該空洞のシリンダヘッド側に、前記ピストンの往復摺動によって、流体を加圧し、加圧された該流体を排出する出口開口部とを備え、
   前記出口開口部は、前記シリンダヘッドに設けられた前記開閉弁により閉塞されており、所定の圧力に達すると、前記開閉弁が開き、流体が、前記出口開口部から、前記貫通孔を介して、前記排出流路へ排出されるように構成され、
   前記ピストン先端部の傾斜曲面は、シリンダライナ側からシリンダヘッド側に向かって、縮径に形成され、且つ、断面形状が、内側から外側に凸条Ｒ１、外側から内側へ向かって凸条Ｒ２となる波形が連結する形状に形成されていることを特徴とするピストンポンプ。
2. 流体を排出する排出流路を備え、該排出流路と連通する貫通孔が設けられ開閉弁が設けられたシリンダヘッドと、
   シリンダライナと、
   前記シリンダライナ内で往復摺動可能に構成されるピストン本体と、頂面と、傾斜曲面とを有し、該頂面が切頭状に形成されたピストン先端部とを備えるピストンとを有し、
   前記シリンダヘッドと、前記シリンダライナとが、バルブヘッドを介して接合され、
   前記バルブヘッドは、前記ピストンのピストン先端部の形状に対応する空洞と、該空洞のシリンダヘッド側に、前記ピストンの往復摺動によって、流体を加圧し、加圧された該流体を排出する出口開口部とを備え、
   前記出口開口部は、前記シリンダヘッドに設けられた前記開閉弁により閉塞されており、所定の圧力に達すると、前記開閉弁が開き、流体が、前記出口開口部から、前記貫通孔を介して、前記排出流路へ排出されるように構成され、
   前記ピストン先端部の傾斜曲面は、シリンダライナ側からシリンダヘッド側に向かって、縮径に形成され、且つ、断面形状が、外側から内側に凸条Ｒ１、内側から外側へ向かって凸条Ｒ２となる波形が連結する形状に形成されていることを特徴とするピストンポンプ。
3. 前記開閉弁には、前記出口開口部から前記空洞内に突出するように形成され、該空洞側から、該出口開口部側に向かって拡径する略円錐台形状の開閉弁突起部が設けられており、
   前記開閉弁突起部は、開閉弁が開口した際に、出口開口部との間で、流体の流れのガイド機能を果たすように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のピストンポンプ。
4. ピストン先端部の頂面は、ピストンポンプの往復摺動が最大の際に、前記空洞の領域を、前記開閉弁突起部の先端近傍まで到達するように構成されていることを特徴とする請求項３記載のピストンポンプ。

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