JP7357868B2

JP7357868B2 - 搬送方法及び土砂搬送方法

Info

Publication number: JP7357868B2
Application number: JP2019158765A
Authority: JP
Inventors: 太郎中村; 泰之山田; 大輝萩原; 康太若松; 遼足立; 昌弘上田; 昭次山川; 康如佐久間; 幸市郎藤▲崎▼; 貴穂河野; 亮太山内
Original assignee: Takenaka Corp; Chuo University
Current assignee: Takenaka Corp; Chuo University
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2023-10-10
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: JP2021038677A

Description

本発明は、ポンプユニットに関し、特に加圧用媒体の供給に応じた膨張によって搬送対象を搬送可能なポンプユニットに関する。

近年、固液の搬送に好適な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、内筒内の流体を軸方向に搬送する構成である。

特開２０１３－１７４１４０号公報

しかしながら、上記ポンプユニットにあっては、搬送対象が流体や、個体と流体とが混合された個液等の流動性の高い物体に限定され易いと言う欠点がある。例えば、搬送対象を粘性の高い粘土とした場合、内筒の径方向内側への膨張によって内面が粘土の表面と密着する結果、内筒の膨張が妨げられ、搬送が困難となる。この問題を解消するため、搬送対象の流動性を向上させる水等の液体を投入する方策もあり得るが、環境への影響、脱水設備や浄化設備の設営負担、運搬処分の負担増加などの観点から俄かに採用し難い。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、内筒の膨張を妨げることなく対象物を効率的に搬送可能な搬送方法を提供する。

上記課題を解決するための態様として、外筒と、外筒の内周側に設けられた内筒と、内筒と外筒との間に設けられた圧力供給室とを備えたポンプユニットの圧力供給室内への加圧媒体の供給により内筒を径方向内側に膨張させ、内筒内における水を含んだ土砂を軸方向に搬送する土砂搬送方法であって、搬送対象となる前記土砂を内筒内に投入する工程と、土砂の投入後、土砂よりも含水率の高い土砂を内筒内に投入する工程とを備え、内筒の内周面と搬送対象となる土砂との間に、含水率の高い土砂による低摩擦層を介在させる態様とした。
本態様によれば、低摩擦層の介在によって内筒の内周面の膨張が被搬送物によって妨げられることなく行われるため、被搬送物を効率的に搬送可能となる。
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斜視断面図である。ポンプユニット動作時の概要を示す図である。実験条件を示す図である。搬送装置の概要を示す図である。

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、ポンプユニット１の概要を示す軸方向断面図である。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の外周面に対して密に取り付けられる。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と、当該ゴム層の間に介挿された繊維層を有してなる。繊維層は、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。当該高弾性繊維の延長方向は、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、径方向外側への膨張のみが許容される。

図１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及び他端側フランジ３２の内周面に対して密に取り付けられる。なお、内筒２０についても外筒１０と同様の繊維層を介挿させた構成とし、後述のチャンバー５０内への空気の導入より内筒２０が膨張しようとする場合の軸方向への伸長を規制しても良い。

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の周囲には、複数の空気導入孔が形成されており、当該空気導入孔を介してエアチューブ等が接続され、圧力給排装置からチャンバー５０内に空気が供給される。また、上記空気導入孔は、ポンプユニット１の軸方向に連結される他のポンプユニット１に形成された空気導入孔と連通可能とされており、空気の供給対象となるエアチューブを選択することにより、各ポンプユニット１を独立して動作させることが可能となる。

ポンプユニット１の軸方向の略中心には、シェイパーリング４０が介挿される。図１に示すように、シェイパーリング４０は、内筒２０の軸周りに設けられ、内径部が楕円状、外径部が円状に形成された環状体である。内筒２０がシェイパーリング４０の内径内に位置することにより、楕円の短軸と対応して向かい合う内筒２０の内周面２２が、楕円の長軸と対応して向かい合う内筒２０の内周面２２よりも予め径方向内側に接近した状態とされる。

図２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。同図において、内筒２０内には後述する土砂１と土砂２とが投入されているものとする。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。なお、外筒１０を硬質な樹脂等によって構成しても良いが、膨張によって軸方向へ収縮可能な上記構成とすることにより、内筒２０内の搬送対象物を軸方向に押し出す作用が生じるため好適である。

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。より具体的には、チャンバー５０内への空気の供給によって、シェイパーリング４０の位置と対応する内筒２０の軸方向中央部における上記短軸と対応して向かい合う内筒２０の内周面２２が先行して軸心方向（径方向内側）に向けて膨張を開始し、更なる空気の供給によって内筒２０内の搬送対象物が軸方向に搬送され、内筒２０内が略完全に閉塞されることとなる。

次に、上記構成からなるポンプユニット１による土砂搬送実験、及びその態様について説明する。図２，図３に示すように、搬送対象となる土砂１（低含水率土砂）は、泥と砂の質量％が７０：３０となるようにこれを混合し、当該混合物と水との質量％が８０：２０となるように混合して生成される。なお、図２に示すように、ポンプユニット１上には、透明の筒状体Ｋが設置され、搬送（揚重）された土砂１の様子が視認可能となっている。

［実験１］土砂１の搬送
実験方法
（１）上記土砂１をポンプ内に挿入（３５７［ｇ］）。
（２）チャンバー５０内への印加圧力を６０［ｋＰａ］に設定。
（３）上記圧力を３秒間印加するサイクルを３回繰り返す。

実験結果
土砂１の揚重は不可であった。土砂自体の粘性によって、内筒２０の内周面２２が土砂の表面に貼り付いた状態となり、径方向内側への膨張が妨げられたものと推察される。
そこで、上記実験１の結果を踏まえ、実験２として内筒２０の内周面２０と土砂１との間に低摩擦層としての土砂２を介在させる。

図３に示すように、介在対象となる土砂２（高含水率土砂）は、土砂１と同様に泥と砂の質量％が７０：３０となるようにこれを混合し、当該混合物と水との質量％が６０：４０となるように混合して生成される。即ち、土砂２は、土砂１よりも含水率が高く設定される。

［実験２］土砂２の投入，搬送
（１）上記土砂１を円筒状に成型し、ポンプ内に挿入（１０７［ｇ］）。
（２）円筒状に成型された土砂１の外周面と内筒２０の内周面との間に土砂２を注入（２１６［ｇ］）。
（３）チャンバー５０内への印加圧力を６０［ｋＰａ］に設定。
（４）上記圧力を３秒間印加するサイクルを３回繰り返す。

実験結果
土砂１及び低摩擦層として介在された土砂２を揚重することができた。これは、土砂１と土砂２とを混合せずとも、土砂２の介在によって粘性の高い土砂１と内筒２０内周面２２とが縁切りされ、内筒２０の径方向内側への膨張が円滑化されたことによるものと推察される。また、膨張の円滑化により、内筒２０に印加された圧力が中心側に位置する土砂１に伝達され、土砂１が変形しながら土砂２と共に軸方向に揚重されたものと推察される。
また、上記土砂２は、陶芸におけるドベの役割、即ち、流動性が低く粘性が高い土砂１に対して可塑性を付与し、内筒２０の膨張によって任意の変形を生じさせる役割を有すると推察される。

上記実験結果から、流動性が低く、粘性の高い搬送対象であっても、極めて少量の水を用いて低摩擦層を介在させることによって、軸方向への揚重が可能となることが実証された。次に、土砂２を介在させることなく土砂１を揚重可能であるかを検討する。

［実験３］水の注入，搬送
（１）上記土砂１をポンプ内に挿入（４０２［ｇ］）。
（２）土砂１の外周面と内筒２０の内周面との間に水を注入（３０［ｍｌ］）。
（３）チャンバー５０内への印加圧力を６０［ｋＰａ］に設定。
（４）上記圧力を５秒間印加する。
（５）上記（４）の後、水を追加注入する（３０［ｍｌ］）

実験結果
３０ｍｌの水の注入によっては揚重不可であったものの、合計６０ｍｌの水の注入によって土砂１を揚重することができた。これは、土砂１の外周面の含水量が増加し、内筒２０内周面２２との間の摩擦力が低下した結果、内筒２０の径方向内側への膨張が円滑化されたと共に、外周側の土砂が上述のドベの作用の如く可塑変形を生じさせたものと考えられる。

上記複数の実験結果から、低摩擦層の形成手法としては、高含水率土砂を低含水率土砂と内筒２０の内周面２２の間に介在させる他、土砂２に代えて土砂１の外周面に沿って少量の液体（例えば、水，油）を注入し、土砂１自体の外周面を低摩擦層として形成すること、或いは、内筒２０の内周面２２にテフロン（登録商標）加工等を施し、内周面２２と土砂１の外周面との間に低摩擦層を介在させる手法が採用可能である。

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を軸方向に複数連結した搬送装置１００の概要について説明する。同図に示すように、搬送装置１００は、複数のポンプユニット１Ａ～１Ｆが軸方向に沿って連結されたポンプ構造体１１０と、当該ポンプ構造体１１０を動作させる圧力給排手段１２０とを備える。ポンプ構造体１１０は、各ポンプユニット１Ａ～１Ｆが備える一端側フランジ３０と他端側フランジ３２とが図外の固定手段を介して相互に連結されて構成されており、各ポンプユニット１Ａ～１Ｆの内筒２０が軸方向に連通することにより、所定長さの搬送路Ｌ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Ｃと、当該エアコンプレッサ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、複数のエアチューブ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。また、本実施形態においては、ポンプ構造体１１０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。よって、ポンプユニット１Ａに投入された搬送対象物を搬送（揚重）するためには、搬送対象物が投入された最下方のポンプ１Ａからポンプユニット１Ｆに向かって、順次膨張動作させれば良い。

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、外筒１０及び内筒２０の自然長への復帰が速くなるため、搬送路Ｌを通過する搬送対象物の搬送効率を向上させ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。

１（１Ａ～１Ｈ）ポンプユニット、１０内筒、２０外筒、
３０一端側フランジ、３２他端側フランジ、４０シェイパーリング、
５０チャンバー、１００搬送装置、１１０ポンプ構造体

Claims

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室と、
を備えたポンプユニットの前記圧力供給室内への加圧媒体の供給により前記内筒を径方向内側に膨張させ、前記内筒内における水を含んだ土砂を軸方向に搬送する土砂搬送方法であって、
搬送対象となる前記土砂を前記内筒内に投入する工程と、
前記土砂の投入後、前記土砂よりも含水率の高い土砂を前記内筒内に投入する工程と、
を備え、
前記内筒の内周面と前記搬送対象となる土砂との間に、前記含水率の高い土砂による低摩擦層を介在させることを特徴とする土砂搬送方法。