JP7133204B2

JP7133204B2 - ポンプ

Info

Publication number: JP7133204B2
Application number: JP2018128422A
Authority: JP
Inventors: 太郎中村; 泰之山田
Original assignee: Chuo University
Current assignee: Chuo University
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: JP2020007938A

Description

本発明は、ポンプに関し、特に加圧媒体の供給に応じた膨張によって固液を分離，搬送可能なポンプに関する。

近年、固液分離に好適なポンプを構成するポンプユニットの構成として、特許文献１に示すような構成が開示されている。当該ポンプユニットは、円筒状の外筒と、当該外筒内に配設される内筒とからなる２重構造であり、外筒と内筒との間に形成されたチャンバー内に空気等の流体の圧力を印加することによって、内筒を径方向内側に向けて膨張させ、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。
また、上記文献には、ポンプユニットを構成する内筒の内周面上の周方向に沿ってフィルタを配置し、内筒の径方向内側への膨張によりフィルタを密着させ、当該フィルタによって個体と液体を分離する構成が開示されている。

特開２０１６－１０９１０７号公報

しかしながら、上記ポンプユニットにおいては、フィルタによって固液を分離できるものの、圧力印加に応じた空隙率の変化によって分離対象を選択可能とする構成であるため、制御が煩雑であるという不都合がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、固液をより簡易な構成で効率的に搬送，分離可能なポンプを提供する。

上記課題を解決するための構成として、外筒と、外筒の内周側に設けられた内筒と、内筒と前記外筒との間に設けられた圧力供給部とを有するポンプユニットを軸方向に沿って複数連結した固液分離ポンプであって、互いに軸方向に隣接するポンプユニット間に、当該ポンプユニットの内部を通過する固液に含まれる液体を外部に排出し、固体をポンプユニット内に留める透過部を設け、留められた固体を下流側に搬送可能な構成とした。
本構成によれば、互いに軸方向に隣接するポンプユニット間に、当該ポンプユニットの内部を通過する固液に含まれる液体を外部に排出し、固体をポンプユニット内に留める透過部を設けたことから、透過部を介して液体を容易に排出することができる。
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。

ポンプユニットの概要を示す断面図である。ポンプユニットの内部構造の概要を示す断面図である。ポンプユニットの動作の概要を示す断面図である。ポンプの全体構成を示す概要図である。ポンプの連続的な動作と固液の搬送，分離を説明する図である。

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は、ポンプ１００を構成するポンプユニット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外筒１０と、当該外筒１０の内周側に設けられた円筒状の内筒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層１２ａ；１２ｂと、当該ゴム層１２ａ；１２ｂの間に介挿された繊維層１４を有してなる。繊維層１４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１４ａによって構成される。同図に示すように、高弾性繊維１４ａの延長方向は、外筒１０の軸方向と一致しており、後述のチャンバー５０内への空気の導入より外筒１０が膨張しようとする場合、軸方向への伸長（膨張）が規制される結果、径方向への膨張のみが許容される。

図２（ｂ）に示すように、内筒２０は、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構成された円筒状であって、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の外端面に形成された凹部３０ａと、他端側フランジ３２の外端面に形成された凹部３２ａにおいてそれぞれ嵌入される固定リング３４により固定される。図２（ｂ）に示すように、内筒２０の周方向には、所定角度（同図では９０°）を隔てて複数のガイド部１５が形成される。ガイド部１５は、内筒２０の外周側において径方向外側に鋭角状に突出する突部１５ａと、当該突部１５ａの内周側において径方向外側に凹となる溝部１５ｂとからなり、内筒２０の軸方向に沿って延長する。

図２（ｃ）に示すように、後述のチャンバー５０内への空気の導入より、内筒２０の外周面に圧力Ｐが加わると、各ガイド部１５の間の領域が、各ガイド部１５を基点とするように径方向内側に膨張し、さらなる圧力Ｐの印加によって、図３（ｂ）に示すごとく複数個の膨張域に区画されるように内筒２０の内部流路Ｌが閉塞される。

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部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の軸回りにおいて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送出される空気等の流体が供給される。また、一端側フランジ３０及び他端側フランジ３２にはそれぞれ、周方向に沿って均等に配列された複数のエアチューブ挿入孔３６ａ～３６ｆと、エアチューブ挿入孔３８ｂ～３８ｆが形成される。エアチューブ挿入孔３６ｂ～３６ｆ及びエアチューブ挿入孔３８ｂ～３８ｆは、それぞれ一端側フランジ３０及び他端側フランジ３２を軸方向に貫通し、チャンバー５０の内外を連通する。

図１に示すように、一端側フランジ３０のエアチューブ挿入孔３６ａには、当該エアチューブ挿入孔３６ａ内において終端するエアチューブ４０ａが挿入される。エアチューブ４０ａ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空気等の流体は、エアチューブ４０ａを経由してチャンバー５０内に送り込まれる。

また、一端側フランジ３０のエアチューブ挿入孔３６ｂ～３６ｆには、他端側に連結される他の複数のポンプユニットへの圧力の供給を可能とするためのエアチューブ４０ｂ～４０ｆが挿入される。図４に示すように、各エアチューブ４０ｂ～４０ｆは、チャンバー５０内を経由して、エアチューブ挿入孔３６ｂ～３６ｆとそれぞれ対応する位置に形成された他端側フランジ３２のエアチューブ挿入孔３８ｂ～３８ｆを介して架け渡され、それぞれ他端側に連結される他のポンプユニットに対して個別に圧力を供給する。図示の例では、一端側フランジ３０に合計６つのエアチューブ挿入孔３６ａ～３６ｆが形成されていることから、最大で６つのポンプユニットを連結可能とされている。このように、チャンバー５０は、複数のエアチューブ４０ａ～４０ｆの挿入により密閉された空間として形成されるため、エアチューブ４０ａを介してチャンバー５０内に空気が供給されると、外筒１０及び内筒２０が膨張動作することとなる。

以下、図１乃至図３を参照して上記構成からなるポンプユニット１の具体的動作について説明する。チャンバー５０内に空気等の所定の圧力が印加されると、外筒１０は径方向外側に向けて膨張するとともに、軸方向に収縮する。即ち、外筒１０には、軸方向に沿って延長する繊維層１４が形成されているため、軸方向への伸長が規制される。その結果、外筒１０の膨張方向は径方向外側に限定され、当該径方向外側への膨張に伴って、軸方向長さが収縮することとなる。

また、チャンバー５０内に空気等の所定の圧力が印加されると、内筒２０は、径方向内側に向けて膨張する。より詳細には、内筒２０には周方向に沿って均等な間隔でガイド部１５が形成されているため、各ガイド部１５を基点として複数の膨張領域２０ａ～２０ｄを有して膨張することとなる。

内筒２０が径方向内側に膨張すると、最終的には膨張領域２０ａ～２０ｄの内周面２２が互いに押し付け合いながら密接した状態となり、ポンプユニット１の動作前において開放されていた内筒２０内の内部流路Ｌが閉鎖状態とされる。そして、内部流路Ｌ内の固液は、内筒２０の膨張による容積減少に伴って軸方向に押し出され、隣接するポンプユニット側に流出することとなる。なお、本例においては、外筒１０に繊維層１４を内挿することによって膨張時における軸方向への伸長を規制し、軸方向への収縮を促す構成としたが、これを省略しても良い。そして、この場合、外筒１０をプラスチックや金属等からなる剛体として構成しても良い。一方で、繊維層１４を設けることによって、膨張時にポンプユニット１全体を軸方向に収縮させることができるため、内部流路Ｌ内に存在する固液をより効率的に押し出すことが可能となる。
また、本例においては、内筒２０に複数のガイド部１５を形成することによって、径方向内側への膨張を促進する構成としたが、例えば、外筒１０と内筒２０との間に円環状のシェーパーリングを介在させておき、当該シェーパーリングによって、内筒２０の周方向の一部の領域を予め径方向内側に変形させておくことにより、径方向内側への膨張を促進する構成としても良い。また、本例においては、外筒１０及び内筒２０の断面形状を円形としたが、これに限られるものではなく、三角形や四角形等の非円形状であっても良く、また、外筒１０と内筒２０とが同形でなくとも良い。

次に、図４を参照して上記構成からなるポンプユニット１を複数備えたポンプ１００の全体構成について概要について説明する。同図に示すように、ポンプ１００は、複数のポンプユニット１Ａ～１Ｆが軸方向に沿って複数連結されてなり、圧力給排手段１２０によって駆動される。

同図に示すように、軸方向に隣接するポンプユニット１Ａ～１Ｆ間には、透過部Ｋが設けられる。透過部Ｋは、例えば、一端側フランジ３０及び他端側フランジ３２と略同径に形成され、内部流路Ｌと連通する円筒状の網状体（メッシュ）である。網状体の複数の開口は、少なくとも液体が透過可能な口径を有しており、透過部Ｋ内を通過しようとする固液に含まれる液体がポンプユニット外に排出される。透過部Ｋの材質としては網状体に限らず、柔軟なスポンジ、濾布、濾紙、液体透過性のフィルム、或いは、硬質な軽石等であってもよい。なお、ポンプ１００全体の配置の容易性（曲げ容易性）を考慮すれば、柔軟性を有する材質によって構成するのが望ましい。

透過部Ｋは、その軸方向両端端部がそれぞれ、互いに隣接するポンプユニット１Ａ～１Ｆの一端側フランジ３０及び他端側フランジ３２に対して図外の固定手段を介して固定されており、各ポンプユニット１Ａ～１Ｆの内部流路Ｌ及び各透過部Ｋが連通することにより、所定長さの搬送路が形成される。

圧力給排手段１２０は、圧縮空気を送出するエアコンプレッサーＣと、当該エアコンプレッサーＣとエアチューブを介して接続された複数の比例電磁弁Ｖ（Ｖ１～Ｖ６）と、当該比例電磁弁群Ｖとエアチューブを介して接続される複数の３ポート電磁弁Ｐ（Ｐ１～Ｐ６）と、比例電磁弁群Ｖ及び３ポート電磁弁群Ｐを個別に制御して、各ポンプユニット１Ａ～１Ｆのチャンバー５０内への空気の給排を制御する制御装置Ｓとを備える。

同図に示すように、３ポート電磁弁Ｐ１～Ｐ６の一方のポートは、エアチューブ４０ａ～４０ｆを介して各ポンプユニット１Ａ～１Ｆのチャンバー５０と接続されており、エアコンプレッサーＣから各ポンプユニット１Ａ～１Ｆのチャンバー５０に至る空気の供給系統が確立される。なお、エアチューブ４０ａ～４０ｆと各ポンプユニット１Ａ～１Ｆとの接続状態は図１で説明した通りである。また、本実施形態においては、ポンプ１００を合計６つのポンプユニット１Ａ～１Ｆによって構成したことから、６つの供給系統を有する構成としたが、ポンプユニットの数に応じて系統数が変わることは言うまでもない。

制御装置Ｓは、演算手段としてのＣＰＵや記憶手段としてのＲＯＭ，ＲＡＭ等のハードウェアを備えたコンピュータであって、予め設定された動作プログラムに従って比例電磁弁Ｖ及び３ポート電磁弁Ｐを開閉制御することにより、各ポンプユニット１Ａ～１Ｆを個別に膨張動作させる。例えば、ポンプユニット１Ａを動作させるには、比例電磁弁Ｖ１を開放状態とし、かつ、３ポート電磁弁Ｐ１の一方のポート側を開放状態とすればよく、当該制御によりエアコンプレッサーＣからの空気がポンプユニット１Ａのチャンバー５０内に供給され、ポンプユニット１Ａのみが膨張することとなる。なお、チャンバー５０内に供給される空気の圧力は、比例電磁弁Ｖ１への電流値に応じて自在に調整可能である。ポンプユニット１Ｂ～１Ｆについても同様であり、それぞれに対応する供給系統に含まれる比例電磁弁Ｖ２～Ｖ６、及び３ポート電磁弁Ｐ２～Ｐ６を個別に制御することにより、ポンプユニット１Ｂ～１Ｆを個別に膨張動作させることができる。

次に、各ポンプユニット１Ａ～１Ｆに供給された空気の排気系統について説明する。同図に示すように、３ポート電磁弁Ｐ１～Ｐ６の他方のポートは、エアチューブを介してエアレギュレータＲと接続されている。当該エアレギュレータＲは、エアタンクＴを介してエアポンプＱと接続されている。例えばポンプユニット１Ａに供給された空気を排出するには、エアタンクＴが駆動した状態で３ポート電磁弁Ｐ１の一方及び他方のポートを開状態とすればよく、このような状態において、ポンプユニット１Ａのチャンバー５０内の空気はエアポンプＱによって強制的に排気され、エアタンクＴ内に貯留される。なお、排気後のチャンバー５０内の圧力はレギュレータＲの設定によって調整可能である。また、ポンプユニット１Ｂ～１Ｆについても同様であり、それぞれに対応する排気系統に含まれる比例電磁弁Ｖ２～Ｖ６及び３ポート電磁弁Ｐ２～Ｐ６を個別に制御することにより、膨張動作後のポンプユニット１Ｂ～１Ｆを個別に自然長（膨張前）に復帰させることができる。
なお、上記排気系統を別段設けることなく、チャンバー５０内に供給された空気を外筒１０及び内筒２０の復元力によって大気開放する構成としてもよい。一方で、排気系統を設けて空気を強制的に排気する構成とすれば、搬送対象となる固液の粘度が高い場合等における外筒１０及び内筒２０の自然長への復帰が速くなるため、内部流路Ｌを通過する固液の搬送効率を向上させることが可能となる。

次に、図５を参照して、ポンプ１００を構成するポンプユニット１Ａ～１Ｆの連続的な動作と固液の搬送，分離について説明する。図５（ａ）に示すように、ポンプ１００は、例えば固液Ａを搬送する管路Ｊの一部に配設されており、以下の説明では、ポンプユニット１Ａ側からポンプユニット１Ｆ側に向けて固液Ａが搬送されるものとする。また、搬送対象となる固液Ａは、例えば水等の液体と土砂が混合された混合流体であるものとする。なお、固液としては、例えば食品や薬品等の他、一定の流動性を有するものであればその種類は問わない。

まず、図５（ａ）に示すように、固液Ａがポンプ１００内に流入する前に、最後尾のポンプユニット１Ｆを膨張動作させ、閉鎖状態とする。次に、図５（ｂ）に示すように、固液Ａのポンプ１００への流入後、先頭のポンプユニット１Ａを膨張動作させ、当該ポンプユニット１Ａの内部流路Ｌ内に存在する固液Ａを下流のポンプユニット１Ｂ側に送出する。当該膨張動作に伴うポンプユニット１Ａの容積減少によって、他のポンプユニット１Ｂ～１Ｆの内圧が高まる結果、各透過部Ｋから固液Ａに含まれる液体が排出される。次に、図５（ｃ）に示すように、ポンプユニット１Ａの閉鎖状態を維持したまま後続のポンプユニット１Ｂを膨張動作させ、当該ポンプユニット１Ｂの内部流路Ｌ内に存在する固液Ａを下流のポンプユニット１Ｃ側に送出する。当該膨張動作に伴うポンプユニット１Ｂの容積減少によって、他のポンプユニット１Ｃ～１Ｆの内圧がさらに高まる結果、各透過部Ｋから固液Ａに含まれる液体が排出される。以下、ポンプユニット１Ｃ～１Ｅを順次膨張動作させ、閉鎖状態とすることによって、透過部Ｋから液体を排出することができると共に、含有する液体が減少した固液Ａを最後尾のポンプユニット１Ｆに向けて搬送することが可能となる。

即ち、当該ポンプ１００によって下流側に搬送される固液は、その搬送過程において徐々に液体が絞り出されながら搬送されることになる。また、図示の例では、上流側のポンプユニット１を段階的に閉鎖状態とすることによって、液体を排出するものとしたが、ポンプユニット１の動作パターンはこれに限られるものではなく、上流側のポンプユニット１Ａからポンプユニット１Ｆに向けて膨張動作のタイミング（位相）をズラした連続的な動作により圧力変化を生じさせ、各透過部Ｋから液体を排出することも可能である。また、ポンプユニット１を必ずしも閉鎖状態（全閉状態）とする必要はなく、容積の減少によって固液を送出できれば良い。また、図示の例では、ポンプ１００の軸方向を水平方向に向けた例（横配置）を示したが、ポンプ１００の軸方向を鉛直方向或いは斜め方向（縦配置）としても良い。

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。

上述の実施形態においては、透過部Ｋを内部流路Ｌと連通する円筒状の網状体により構成したが、これに限られるものではない。例えば、透過部Ｋを断面半月状等の樋型に形成し、横配置されたポンプ１００に適用することも可能である。また、透過部Ｋの全域を網状とするのではなく、その一部を網状とし、他部を非透過領域とすることも可能である。また、透過部Ｋを液体透過性のフィルム等により構成し、予め波型の断面形状を呈して設けておくことにより、液体通過時の表面積を稼ぐことができるためより効率的に液体を排出することができる。

また、上記実施形態にあっては、固液中の液体を排出する例を主として説明したが、例えば、固液に含まれる個体を粒径に応じて選別しながら分離することも可能である。具体的には、複数の透過部Ｋを、その口径が固液の流下方向の下流側に向かうに従って漸次大となるように設けることにより、透過部Ｋの位置に応じた粒径を有する個体を個別に排出，回収することが可能である。

１（１Ａ～１Ｆ）ポンプユニット、１０外筒、１４繊維層、１５拘束体、
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、１００ポンプ、Ｋ透過部

Claims

外筒と、
前記外筒の内周側に設けられた内筒と、
前記内筒と前記外筒との間に設けられた圧力供給部と、
を有するポンプユニットを軸方向に沿って複数連結した固液分離ポンプであって、
互いに軸方向に隣接するポンプユニット間に、当該ポンプユニットの内部を通過する固液に含まれる液体を外部に排出し、固体を前記ポンプユニット内に留める透過部を設け、
前記留められた固体を下流側に搬送可能なことを特徴とする固液分離ポンプ。