JP7248114B2 - ポンプシステム - Google Patents

Description

本開示は、ポンプシステムに関するものである。
本願は、２０１９年６月１１日に日本に出願された特願２０１９－１０８６４３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

例えば、特許文献１には、燃料を昇圧して供給する燃料システムが開示されている。この燃料システムにおいては、３連ギアポンプを用いた燃料の昇圧が行われている。３連ギアポンプは、３つの歯車に２つの昇圧部が形成され、当該２つの昇圧部を各流路により直列接続した状態と並列接続した状態とを切り替えることが可能である。３連ギアポンプにおいて吐出流量を多くしたい場合には２つの昇圧部が並列接続され、吐出流量を少なくしたい場合には２つの昇圧部が直列接続される。

日本国特開２０１４－１３７０５３号公報

しかしながら、上記の特許文献１においては、昇圧部の並列と直列との切り替えは、１つの可変絞り弁を開閉するのみにより行われている。このため、出口側において、並列状態から直列状態への切り替え時に燃料の流量が半量程度まで急激に大きく変化し、圧力脈動を生じさせる。これを改善するため、上記可変絞り弁の操作を緩やかに行うと、切り替え動作に時間がかかってしまう。

本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ポンプシステムにおいて、直列状態と並列状態とを切り替える際の出口側における圧力脈動（流体の圧力脈動）を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するための本開示の第１の態様のポンプシステムは、３個の歯車により流体を加圧する３連ギアポンプを備えるポンプシステムであって、第１昇圧部から出口へと流体を案内する出口流路と、前記第１昇圧部から第２昇圧部へと流体を案内する第１流路と、前記第２昇圧部から前記出口流路へと流体を案内する第２流路と、前記第１流路及び前記第２流路と接続される第３流路と、前記第１流路に設けられる第１弁装置と、前記第２流路に設けられる第２弁装置と前記第１弁装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第１昇圧部と前記第２昇圧部とを並列状態から直列状態へと切り替える際に、前記第２弁装置が閉弁した後に前記第１弁装置を開弁させる。

本開示の第２の態様は、上記第１の態様のポンプシステムにおいて、前記第２弁装置は、前記出口流路側から前記第２昇圧部側への流体の流入を阻止する逆止弁である。

本開示の第３の態様は、上記第１または第２の態様のポンプシステムにおいて、前記第３流路に設けられると共に前記制御装置により制御される第３弁装置を備え、前記制御装置は、前記第１昇圧部と前記第２昇圧部とを並列状態から直列状態へと切り替える際に、前記第１弁装置よりも先に、前記第３弁装置を開弁させる。

本開示の第４の態様は、上記第１～３のいずれかの態様のポンプシステムにおいて、前記第１昇圧部と前記第３流路とに接続されると共に、外部より流体を供給する流体供給流路と、前記流体供給流路に設けられる逆止弁とを備える。

本開示によれば、第１弁装置は、第２弁装置の閉弁後に閉弁される。このため、各流路の流れを変更した後に、第１昇圧部から第２昇圧部へと流体が流入することとなり、出口流路における流量及び圧力変化が緩やかとなる。したがって出口側における圧力脈動を抑制することが可能である。

本開示の一実施形態に係るポンプシステムを示す模式図である。 本開示の一実施形態に係るポンプシステムの弁開度、吐出流量及び出口圧力を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して、本開示に係るポンプシステムの一実施形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るポンプシステム１は、例えば液体燃料（流体）を昇圧する装置とされ、ケーシング２と、３個のギア３ａ、３ｂ、３ｃと、第１絞り弁４（第１弁装置）と、第２絞り弁５（第３弁装置）と、第１逆止弁６と、第２逆止弁７（第２弁装置）と、燃料制御部８（制御装置）と、供給流路Ｒと、第１流路Ｒ１と、第２流路Ｒ２と、第３流路Ｒ３と、出口流路Ｒ４とを備えている。供給流路Ｒは、第１昇圧部Ａの入口側と、第３流路Ｒ３に対して燃料を案内している。このようなポンプシステム１は、供給流路Ｒにより外部より案内される液体燃料を昇圧して出口流路Ｒ４より吐出している。

ケーシング２は、３個のギア３ａ、３ｂ、３ｃを収容する容器である。このケーシング２内には、後述する第１昇圧部Ａ及び第２昇圧部Ｂにおいて液体燃料が加圧される容積室が形成されている。

ギア３ａ、３ｂ、３ｃは、歯合して燃料制御部８の指示に基づいて稼働する不図示の動力により回転されるギアである。動力は、例えば、電動モータや、ポンプシステム１と連結されたタービン等の出力軸から得られてもよい。ギア３ｂは、ギア３ａ及びギア３ｃのそれぞれと歯合している。すなわち、ギア３ａとギア３ｂとにより本開示における第１昇圧部Ａを構成し、ギア３ｂとギア３ｃとにより本開示における第２昇圧部Ｂを構成することで、３連ギアポンプが構成される。このような第１昇圧部Ａは、供給流路Ｒから分岐する分岐流路Ｒ５と接続されると共に、出口側において出口流路Ｒ４と接続されている。そして、第２昇圧部Ｂは、入口側において第１流路Ｒ１と接続されると共に、出口側において第２流路Ｒ２と接続されている。

さらに、第１流路Ｒ１は、出口流路Ｒ４と接続されている。また、第２流路Ｒ２は、下流側端部が出口流路Ｒ４に接続されている。また、第３流路Ｒ３は、供給流路Ｒと、第１流路Ｒ１と、第２流路Ｒ２の上流側とに接続されている。すなわち、第１流路Ｒ１と第２流路Ｒ２とにより、第１昇圧部Ａと第２昇圧部Ｂとは直列に接続された状態となる。また、第１流路Ｒ１と第３流路Ｒ３とにより、第１昇圧部Ａと第２昇圧部Ｂとは並列に接続された状態となる。

第１絞り弁４は、第１流路Ｒ１上に設けられており、第１昇圧部Ａから第２昇圧部Ｂへと流れる液体燃料の流量を変更可能としている。
第２絞り弁５は、第３流路Ｒ３において、第２流路Ｒ２と接続されている側の端部近傍に設けられており、第２昇圧部Ｂから吐出された液体燃料の第３流路Ｒ３への流入量を変更可能としている。また、これらの第１絞り弁４及び第２絞り弁５は、電動弁とされ、燃料制御部８により制御されている。
第１逆止弁６は、供給流路Ｒ中に設けられ、供給流路Ｒにおいて上記第１逆止弁６よりも上流側の液体燃料と下流側（第３流路Ｒ３側）の液体燃料との差圧により駆動し、第３流路Ｒ３側から供給流路Ｒへの液体燃料の流入を阻止する。
第２逆止弁７は、第２流路Ｒ２中に設けられ、第２流路Ｒ２において上記第２逆止弁７よりも上流側の液体燃料と下流側（出口流路Ｒ４側）の液体燃料との差圧により駆動し、出口流路Ｒ４側から第２昇圧部Ｂ側への液体燃料の流入を阻止する。
なお、燃料制御部８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）といったメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）といった記憶装置、及び入出力装置を備えてもよい。

このようなポンプシステム１においては、第１昇圧部Ａと第２昇圧部Ｂとを並列状態で接続している際には、第１絞り弁４及び第２絞り弁５を閉弁とした状態とされる。並列状態では、供給流路Ｒを通過した燃料が、第１昇圧部Ａと、第３流路Ｒ３とに案内される。第３流路Ｒ３を通過した燃料は、第２昇圧部Ｂへと供給される。これにより、第１昇圧部Ａ及び第２昇圧部Ｂのそれぞれに対して供給流路Ｒを通過した液体燃料が直接供給されることとなる。そして、第１昇圧部Ａにおいて昇圧された液体燃料は、出口流路Ｒ４へと案内される。また、第２昇圧部Ｂにおいて昇圧された液体燃料は、第２流路Ｒ２を介して出口流路Ｒ４へと案内される。

図２に示すように、第１昇圧部Ａと第２昇圧部Ｂとを直列状態とする（並列状態から直列状態へと切り替える）際には、まず、燃料制御部８によって第２絞り弁５が徐々に開弁され、これに伴って第２流路Ｒ２の液体燃料の圧力が上昇するため、第２逆止弁７が閉弁状態とされる。これにより、第２昇圧部Ｂから吐出された液体燃料が、徐々に第３流路Ｒ３へと流入するようになる。このとき、第２昇圧部Ｂへと流入する流量が第２昇圧部Ｂから吐出される流量よりも大きいため、第２昇圧部Ｂの上流側の流路（第１流路Ｒ１及び第３流路Ｒ３）においては、液体燃料の圧力が上昇しない。なお、第２絞り弁５は、１秒程度をかけて徐々に開弁される。このような動作により、ポンプシステム１の吐出流量が半減する。また、出口側の圧力（出口圧力、出口流路Ｒ４の液体燃料の圧力）は、脈動により僅かに減少した後に再び元の圧力に戻る。

そして、燃料制御部８によって第１絞り弁４が徐々に開弁されることで、第１昇圧部Ａから吐出された液体燃料が第１流路Ｒ１へと流入する。これにより、第２昇圧部Ｂにおいて流入する流量が徐々に増加し、第２昇圧部Ｂの上流側の流路（第１流路Ｒ１及び第３流路Ｒ３）の液体燃料の圧力が増加する。したがって、第３流路Ｒ３へと接続されている供給流路Ｒにおいて、第１逆止弁６の上流側の液体燃料の圧力よりも下流側の液体燃料の圧力が大きくなるため、第１逆止弁６が閉弁される。これにより、第３流路Ｒ３を介した第２昇圧部Ｂへの液体燃料の流入が停止する。このような動作により、第１絞り弁４の開弁に伴って、脈動によりポンプシステム１の吐出流量が僅かに増加し、再び元の吐出流量へと戻る。また、出口圧力も同様に、僅かに増加し、再び元の圧力へと戻る。

第１絞り弁４が完全に開弁されると、第３流路Ｒ３内の液体燃料の圧力と、第１流路Ｒ１内の液体燃料の圧力とが等しくなるため、第１流路Ｒ１側から第３流路Ｒ３への液体燃料の流入が停止する。これにより、第１昇圧部Ａと第２昇圧部Ｂとが直列状態となる。すなわち、第１昇圧部Ａから吐出された液体燃料は、第１流路Ｒ１を通過して第２昇圧部Ｂへと流入すると共に、出口流路Ｒ４から吐出される。これにより、ポンプシステム１は、並列状態から直列状態へと変化される。なお、このとき、液体燃料は、第２昇圧部Ｂの上流側と下流側とで流量が同一であるため、第２昇圧部Ｂにおいては昇圧されない。
このような一連の切り替え操作は、２秒程度で行われる。また、ポンプシステム１は、直列状態から並列状態へと切り替える際には、上記と逆順で各弁を操作する。

本実施形態によれば、ポンプシステム１を並列状態から直列状態へと変更する際に、他の全ての弁操作の後に、第１絞り弁４を徐々に開弁していくことで、第２昇圧部Ｂへと流入する液体燃料の圧力を緩やかに上昇させることが可能である。したがって、短時間で直列状態へと切り替えることができると共に、出口流路Ｒ４において急激な圧力脈動を起こすことを抑制できる。なお、第２絞り弁５及び第１絞り弁４の開弁時間を十分に長くすることにより、圧力脈動をより小さくすることも可能である。

また、本実施形態によれば、ポンプシステム１は、第２弁装置として第２逆止弁７を備えることにより、制御装置による操作なしに、差圧（第２弁装置の上流側と下流側との差圧）により第２弁装置を駆動させることが可能である。したがって、燃料制御部８による制御が単純となり、容易である。

また、本実施形態によれば、ポンプシステム１は、第２絞り弁５の閉弁後に第１絞り弁４を開弁している。これにより、第３流路Ｒ３における液体燃料の圧力は、第１絞り弁４の開弁と共に緩やかに上昇する。したがって、短時間で直列状態へと切り替えることができると共に、出口流路Ｒ４において急激な圧力脈動を起こすことを抑制できる。

また、同様に、直列状態から並列状態へと切り替える際にも、第１絞り弁４を閉弁した後に第２絞り弁５を閉弁することで、直列状態から並列状態へと切り替える際の出口流路Ｒ４における圧力脈動を抑制することが可能である。

以上、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態においては、第２逆止弁７を備えるものとしたが、本開示はこれに限定されない。第２逆止弁７に代わって、第２逆止弁７と同一の位置に絞り弁を設けるものとしてもよい。この場合には、上記絞り弁は、並列状態から直列状態へと切り替える際に、燃料制御部８により閉弁される。

また、上記実施形態においては、ポンプシステム１は、流体として、液体燃料を昇圧する装置としたが、本開示はこれに限定されない。ポンプシステム１は、他の液体を昇圧するものとしてもよい。

本開示は、３個の歯車により流体を加圧する３連ギアポンプを備えるポンプシステムに利用することができる。

１ ポンプシステム
２ ケーシング
３ａ ギア
３ｂ ギア
３ｃ ギア
４ 第１絞り弁（第１弁装置）
５ 第２絞り弁（第３弁装置）
６ 第１逆止弁
７ 第２逆止弁（第２弁装置）
８ 燃料制御部（制御装置）
Ａ 第１昇圧部
Ｂ 第２昇圧部
Ｒ 供給流路
Ｒ１ 第１流路
Ｒ２ 第２流路
Ｒ３ 第３流路
Ｒ４ 出口流路
Ｒ５ 分岐流路

Claims (1)

1. ３個の歯車により流体を加圧する３連ギアポンプを備えるポンプシステムであって、
   第１昇圧部に流体を案内する供給流路と、
   第１昇圧部から出口へと流体を案内する出口流路と、
   前記第１昇圧部から第２昇圧部へと流体を案内する第１流路と、
   前記第２昇圧部から前記出口流路へと流体を案内する第２流路と、
   前記第１流路及び前記第２流路と接続される第３流路と、
   前記第１流路に設けられる第１絞り弁と、
   前記第３流路に設けられる第２絞り弁と、
   前記供給流路と前記第３流路との接続流路に設けられ、前記第３流路から前記供給流路への液体燃料の流入を阻止する第１逆止弁と、
   前記第２流路に設けられ、前記出口流路から前記第２昇圧部側への流体の流入を阻止する第２逆止弁と、
   前記第１絞り弁を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記第１昇圧部と前記第２昇圧部とを並列状態から直列状態へと切り替える際に、前記第２絞り弁が開弁して前記第２逆止弁が閉じた後に前記第１絞り弁が開弁して前記第１逆止弁が閉じるポンプシステム。

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