JPH0427773A - プランジャーポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、シリンダ内におけるピストンの往復動に基づ
いて流体を圧送するプランジャーポンプに関する。

［従来の技術］ 従来、プランジャーポンプのシリンダ内には、流体を圧
送するためのピストンが往復動可能に設けられ、このピ
ストンの外周部にはゴム質の０リングや、テフロン製の
被覆材等のシール部材が設けられている。そして、この
シール部材によって流体がシリンダとピストンとの間か
ら漏洩することを防止している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記シール部材を備えたプランジャーポ
ンプは、ピストンの往復動に伴う摩擦によってシール部
材の磨耗粉を生じ、この磨耗粉が流体に混入されるとい
う問題があった。そのため、プランジャーポンプの優れ
た定量特性にもかかわらず、不純物の混入が許されない
医薬品等の圧送用ポンプとしてプランジャーポンプを使
用することができなかった。また、シール部材の磨耗量
はポンプの運転回数と相関するため、ポンプの寿命はシ
ール部材の耐久性によっても決定される。

更に、シール部材を使用しない場合でも、ピストンとシ
リンダとの摩擦接触によって磨耗粉を生じるのみならず
、ピストンのラジアル方向への荷重によって、ピストン
及びシリンダが偏磨耗し、ポンプの寿命を著しく低下さ
せるという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであ
り、その目的は、シール部材を必要とせず、圧送される
流体に異物を混入させることなく、長期にわたって使用
可能なプランジャーポンプを提供することにある。

［課題を解決するための手段１ 上記課題を解決するために本発明は、流体の吸入口及び
吐出口を有するシリンダと、前記シリンダ内に往復動可
能に配設され、かつシリンダの内周面に沿って回転可能
に配設されたピストンと、前記ピストンを往復動させる
駆動手段と、前記ピストンを回転させる回転手段とを備
え、前記シリンダの内周面又は前記ピストンの外周面の
いずれか少なくとも一方に動圧溝が設けられている。

［作用］ 上記プランジャーポンプにおいては少なくとも、ピスト
ンの端面と前記吸入口及び吐出口を有するシリンダの内
壁とによって囲まれた流体導入室、並びにピストン外周
面とシリンダ内周面との間のクリアランスに、ポンプに
よって圧送される流体が満たされる。

この状態において、回転手段によってピストンが回転さ
れると、動圧溝の作用に基づき、前記クリアランスには
流体による圧力膜が形成される。

すると、この圧力膜によってピストンの外周面とシリン
ダの内周面とが離間され、ピストンは非接触状態にて回
転される。従って、駆動手段によってピストンがシリン
ダ内を往復動されても、ピストン及びシリンダが摩擦接
触して偏磨耗したり、磨耗粉を生じない。

また、前記圧力膜が一旦形成されると、前記クリアラン
スと流体導入室との圧力差によって、前記流体導入室の
流体がピストンとシリンダとの間へ進入することが停止
される。従って、ピストンの往復動に伴い、吸入口から
前記流体導入室に吸入された流体が吐出口から吐出され
るという工程が繰り返されて、流体が圧送される。

本発明によれば、前記動圧溝はピストンの外周面に設け
られていることが望ましい。

その理由は、シリンダ内周面よりピストン外周面の方が
溝加工が容易であり、動圧溝の加工精度に優れるからで
ある。

また、前記回転手段は、ピストンに一体的に設けられた
磁性材料と、シリンダの外周部に配設された電磁コイル
とから構成されていることが好ましい。

その理由は、磁性材料が形成する磁界と電磁コイルが形
成する磁界との磁気的相互作用に基づき、ピストンが他
の一切の部材と直接接触することなく、自由回転される
ため、磨耗粉発生の虞れが更に回避されるからである。

更に、前記ピストンの外周面と、前記シリンダの内周面
とが相対向する部分は、セラミックス材料によって形成
されていることが好ましい。

このセラミックス材料としては、炭化珪素焼結材料、ア
ルミナ焼結材料、窒化珪素焼結材料等があげられる。こ
れらは、機械的強度、耐磨耗性に優れ、プランジャーポ
ンプの寿命を更に向上させる。

尚、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面とが
、相対向する部分に磁性流体を存在させることもできる
。

以下に、本発明を具体化した第−及び第二実施例につい
て、図面を参照しながら説明する。

［第一実施例コ 第１図に示すように、円筒状のシリンダｌ内には、ピス
トン２がシリンダｌの軸方向に往復動可能に設けられる
と共に、シリンダ１の内周面に沿って回転可能に設けら
れている。

前記ピストン２の左右両端にはそれぞれ炭化珪素焼結材
料によって円板状に形成された端面板３゜４が設けられ
、これら両端面板３，４間には駆動界磁マグネット６、
ブツシュ７及び回転界磁マグネット８が保持されている
。第２図に示すように、前記回転界磁マグネット８は断
面扇型の４個の永久磁石片８ａを、互いに隣接する磁極
が異極となるように円環状に交互に配置して構成されて
いる。

また、両界磁マグネット６．８間に介装されたブツシュ
７は、両界磁マグネット６．８の軸方向への磁束の漏洩
を防止する鉄系材料等の磁性体で構成されている。

また、前記両端面板３，４間には、炭化珪素焼結材料に
よって円筒状に形成されたカバー５が設けられ、これに
より、前記両端面３，４間の部材６．７．８の外周面が
覆われている。そして、ピストン２のカバー５とシリン
ダ１の内周壁１ａとの間には、所定のクリアランスＣＩ
（本実施例では５μｍ）が存在する。

シリンダ１の右側部内には、シリンダ１の右端壁１１、
内周壁１ａ、及びピストン２の右側端面板４によって流
体導入室としてのシリンダ内室１２が形成されている。

そして、前記右端壁１１の略中央部にはシリンダ内室１
２に液体を吸入する吸入口１３が設けられ、前記内周壁
１ａの一端部には該シリンダ内室１２から液体を吐ａす
るための吐出口１４が設けられている。

前記吸入口１３は液体導入経路１５と接続されており、
この液体導入経路１５の途中には、液体がシリンダ内室
１２へ流入する方向へ流れる場合に、液体の流通を可能
ならしめるニードル弁１６が設けられている。また、前
記吐出口１４は液体排出経路１７と接続されており、こ
の液体排出経路１７の途中には、液体がシリンダ内室１
２から流出する方向へ流れる場合に、液体の流通を可能
ならしめるニードル弁１８が設けられている。

一方、シリンダ１の左側部内には、前記ピストン２の端
面板３と対向する可動板９が、その軸方向に往復動可能
に設けられている。この可動板９は、シリンダ１の左側
部内に設けられたコイルバネｌＯによってピストン２に
接近する方向へ付勢されており、ピストン２の端面板３
に常時接近配置される。

第１，２図に示すように、前記シリンダｌの外周面上に
は、その周方向に沿って３個の回転用電磁コイル１９が
配設されている。そして、各電磁コイル１９が順次通電
制御されることにより、各電磁コイル１９が形成する磁
界とピストン２の回転界磁マグネット８が形成する磁界
との磁気的相互作用に基づいて、ピストン２がシリンダ
１の内周面に沿って特定方向へ回転される。

また、シリンダ１の外周面上には、シリンダ１の全周を
覆う駆動用電磁コイル２０が設けられている。そして、
この電磁コイル２０が通電されることにより、該電磁コ
イル２０が形成する磁界とピストン２の駆動界磁マグネ
ット６が形成する磁界との磁気的相互作用に基づいて、
ピストン２は前記可動板９に接近した後、更に前記コイ
ルバネ１０の弾性に抗してシリンダ１の左方へ移動され
る。

更に、第１図に示すように、前記ピストン２のカバー５
の外周面上にはへリングボーン状の動圧溝２１が複数形
成されている。また、前記両端面板３，４の各表面には
スパイラル状の動圧溝２２が複数形成されている。そし
て、ピストン２が特定方向へ回転されることにより、こ
れら動圧溝２１．２２の作用に基づき、前記クリアラン
スＣ１、端面板３と可動板９との間のクリアランスＣ２
、及び端面板４の表面にそれぞれ液体による圧力膜が形
成される。

次に、上述のように構成されたプランジャーポンプの作
用について説明する。

前記プランジャーポンプにおいては、シリンダ内室１２
に液体が満たされると共に、毛細管現象によって、シリ
ンダｌとカバー５との間のクリアランスＣＩ、及び端面
板３と可動板９との間のりリアランスＣ２にも液体が満
たされる。そして、前記各電磁コイル１９．２０が無通
電の状態では、ピストン２はコイルバネ１０により可動
板９を介して右方向へ押圧され、右側端面板４がシリン
ダ１の右端壁１１に接近配置されている。

ここで、回転用電磁コイル１９の通電制御が開始される
と、該電磁コイル１９とピストン２内の回転界磁マグネ
ット８との磁気的相互作用に基づき、ピストン２がシリ
ンダ１の内周面に沿って特定方向へ回転される。このピ
ストン２の回転に伴い、カバー５の動圧溝２１の作用に
よって、前記クリアランスＣＩにはシリンダ内室１２等
から液体が導入され、液体による圧力膜が形成される。

この圧力膜によって、ピストン２はシリンダ１の内周壁
１ａから離間され、非接触状態にて回転される。更に、
該圧力膜が一旦形成されると、クリアランスＣ１の液圧
がシリンダ内室１２の液圧より高くなり、シリンダ内室
１２の液体が前記クリアランスＣ１へ進入することが停
止される。

また、ピストン２の回転に伴い、前記両端面板３．４の
動圧溝２２の作用によって、前記クリアランスＣ２、及
び端面板４とシリンダ１の右端壁１１との間にも液体に
よる圧力膜が形成され、ピストン２は可動板９及び右端
壁１１のいずれとも非接触状態にて回転される。この非
接触状態は各回転用電磁コイル１９への通電制御がなさ
れる限り、ピストン２が停止しているか往復動されてい
るかにかかわらず保持される。

ここで、駆動用電磁コイル２０が通電されると、該電磁
コイル２０とピストン２内の駆動界磁マグネット６との
磁気的相互作用に基づき、ピストン２がコイルバネ１０
の弾性に抗してシリンダ１の左方へ移動される。この時
のシリンダ内室１２の容積拡大に伴い、液体導入経路１
５及び液体排出経路１７の液圧に対して、シリンダ内室
１２の液圧が負圧となる。すると、ニードル弁１６は液
体導入経路１５と吸入口１３とを連通させるが、ニード
ル弁１８は液体排出経路１７と吐出口１４との連通を遮
断する。それ故、シリンダ内室１２には吸入口１３から
液体が吸入される。

前記駆動用電磁コイル２０の作用に基づき、シリンダ内
室１２に液体が充填された状態において、駆動用電磁コ
イル２０への通電が遮断されると、ピストン２は蓄積さ
れたコイルバネｌＯの付勢力に基づいて右方へ押し戻さ
れる。この時のシリンダ内室１２の容積縮小に伴い、シ
リンダ内室１２の液圧に対して、液体導入経路１５及び
液体排出経路エフの液圧が負圧となる。すると、ニード
ル弁１６は液体導入経路１５と吸入口１３との連通を遮
断するが、ニードル弁１８は液体排出経路１７と吐出口
１４とを連通させる。それ故、シリンダ内室１２に満た
された液体は、吐出口１４から液体排出経路１７に排出
される。

このようにして、駆動用電磁コイル２０への通電が間欠
的に繰り返されることにより、ピストン２がシリンダ１
内で往復動され、液体導入経路１５からシリンダ内室１
２を介し液体排出経路１７へ向かって液体が圧送される
。

このように本実施例によれば、従来のようなシール部材
を使用する必要がなく、部品点数を少なくして組立コス
トを低減することができる。

また、ピストン２はシリンダｌ内を、その内周壁１ａ、
右端壁１１、及び可動板９のい１れに対しても非接触状
態を保持して往復動されるため、摩擦接触による磨耗粉
等を発生することがない。

従って、このプランジャーポンプによれば、従来のよう
に液体に異物を混入することなく、純粋な状態で液体を
定量的に圧送することができる。

更に、ポンプの使用時において、ピストン２はシリンダ
ｌの内周壁１ａと一切摩擦接触しないため、両者の偏磨
耗等がなく、長期にわたってポンプを使用することがで
きる。

［第二実施例］ 第３図に示すように、円筒状のシリンダ３１内には、ピ
ストン３２がその軸方向に往復動可能に設けられると共
に、シリンダ３１の内周面に沿って回転可能に設けられ
ている。

前記ピストン３２の左右両端にはそれぞれ炭化珪素焼結
材料によって円板状に形成された端面板３３．３４が設
けられ、これら両端面板３３，３４間には一対の駆動界
磁マグネット３５．３６、一対のブツシュ３７．３８及
び回転界磁マグネット３９が保持されている。これら回
転界磁マグネット３９及びブツシュ３７．３８は前記実
施例１と同様に構成されている。

また、前記両端面板３３．３４間には、炭化珪素焼結材
料によって円筒状に形成されたカバー４０が設けられ、
これにより前記両端面３３．３４間に保持された部材３
５〜３９の外周面が覆われている。そして、前記カバー
４０とシリンダ１の内周壁３１ａとの間には、所定のク
リアランスＣ３（本実施例では５μｍ）が存在する。

シリンダ３１の左右両端部には、シリンダ３１の左右両
端壁５９，６０、内周壁３１ａ、ピストン３２の左右両
端面板３３．３４によって、流体導入室としてのシリン
ダ内室４１及び４２がそれぞれ形成されている。そして
、左右両端壁５９゜６０の略中央部には各シリンダ内室
４１．４２に液体を吸入する吸入口４３．４４がそれぞ
れ設けられ、前記内周壁３１ａの両端部には各シリンダ
内室４１，４２から液体を吐出するための吐出口４５．
４６がそれぞれ設けられている。

前記両板入口４３．４４は同一の液体導入経路４７と接
続されており、各吸入口４３．４４と前記液体導入経路
４７の途中には、液体がシリンダ内室４１．４２へ五人
する方向へ流れる場合に、液体の流通を可能ならしめる
ニードル弁４９，５０がそれぞれ設けられている。また
、前記吐１出口４５．４６は同一の液体排出経路４８と
接続されており、各吐出口４５．４６と前記液体排出経
路４８の途中には、液体がシリンダ内室４１．４２から
流圧する方向へ流れる場合に、液体の流通を可能ならし
めるニードル弁５１．５２がそれぞれ設けられている。

一方、第３図に示すように、前記シリンダ３１の外周面
上には、前記第一実施例と同様に３個の回転用電磁コイ
ル５３が配設され、各電磁コイル５３への通電制御に基
づいて、ピストン３２がシリンダ３１の内周面に沿って
特定方向へ回転される。また、シリンダ３１の外部両端
には、前記第一実施例と同様の駆動用電磁コイル５５．
５６がそれぞれ設けられている。そして、左側の駆動用
電磁コイル５５に通電されると、ピストン３２の左側駆
動界磁マグネット３５との磁気的相互作用に基づいて、
ピストン３２が左方へ引き寄せられる。また、右側の駆
動用電磁コイル５６に通電されると、ピストン３２の右
側駆動界磁マグネッート３６との磁気的相互作用に基づ
いて、ピストン３２が右方へ引き寄せられる。

更に、第３図に示すように、前記ピストン３２のカバー
４０の外周面上にはへリングボーン状の動圧溝５７が複
数形成されている。また、前記両端面板３３．３４の各
表面にはスパイラル状の動圧溝５８が複数形成されてい
る。そして、ピストン３２が特定方向へ回転されること
により、これら動圧溝５７，５８の作用に基づき、前記
クリアランスＣ３、並びに端面板３３及び３４の各表面
にはそれぞれ液体による圧力膜が形成される。

上記プランジャーポンプにおいて、各回転用電磁コイル
５３への通電制御が開始されると、前記第一実施例と同
様に動圧溝５７の作用に基づいて、ピストン３２はシリ
ンダ３１の内周壁３１ａと非接触状態を保持して回転さ
れる。そして、左右の駆動用電磁コイル５５．５６が交
互に通電されることにより、ピストン３２はシリンダ３
１内を往復動される。

これに伴い、一方のシリンダ内室４１　（又は４２）に
液体が吸入されると同時に、他方のシリンダ内室４２（
又は４１）からは液体が吐出される。

従って、このプランジャーポンプによれば、液体導入経
路４７から液体排出経路４８へ向かって、脈動間隔の短
いほぼ連続した液流を形成することができる。

本発明は前記第−又は第二実施例に限定されるものでは
なく、次のような構成にて実施してもよい。即ち、 （ａ）前記第−及び第二実施例において、カバー５．４
０の外周面上に動圧溝２１．５７を設けることに代えて
、シリンダ１，３１の内周壁１ａ。

３１ａ上に動圧溝を設けること。

（ｂ）前記第一実施例において、回転界磁マグネット８
及び回転用電磁コイル１９に代えて、例えば、可動板９
上に駆動モータを設け、該モータにピストン２を連結す
ること。

この構成によれば、モータの駆動力によるピストン２全
体の回転に伴って、ピストン２外周面とシリンダ１内周
面とのクリアランスＣ１には、液体による圧力膜が形成
され、可動板９上に設けられた駆動モータ及びピストン
２は、シリンダ１内周面と非接触にてラジアル支持され
る。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明のプランジャーポンプによれ
ば、シール部材を必要とせず、圧送される流体に異物を
混入させることなく、長期にわたって使用することがで
きるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化した第一実施例を示す縦断面図
、第２図は第１図のＡ−Ａ線断面図、第３図は第二実施
例を示す縦断面図である。 １．３１・・・シリンダ、２，３２・・・ピストン、６
，３５゜３６・・・駆動界磁マグネット、８，３９・・
・磁性材料としての回転界磁マグネット、９・・・可動
板、ｌＯ・・・コイルバネ、１３．４３．４４・・・吸
入口、１４．４５．４６・・・吐出口、１９．５３・・
・回転用電磁コイル（前記８及び１９、並びに前記３９
及び５３によりそれぞれ回転手段が構成される）　、２
０．５５．５６・・・駆動用電磁コイル（前記６，９．
１０及び２０、並びに前記３５．３６．５５及び５６に
よりそれぞれ駆動手段が構成される）　、２１゜５７・
・・動圧溝。 特許出願人　　イビデン　株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　流体の吸入口（１３、４３、４４）及び吐出口（１
   ４、４５）を有するシリンダ（１、３１）と、前記シリ
   ンダ（１、３１）内に往復動可能に配設され、かつシリ
   ンダ（１、３１）の内周面に沿って回転可能に配設され
   たピストン（２、３２）と、前記ピストン（２、３２）
   を往復動させる駆動手段（６、９、１０、２０、３５、
   ３６、５５、５６）と、前記ピストン（２、３２）を回
   転させる回転手段（８、１９、３９、５３）とを備え、 前記シリンダ（１、３１）の内周面又は前記ピストン（
   ２、３２）の外周面のいずれか少なくとも一方に動圧溝
   （２１、５７）が設けられていることを特徴とするプラ
   ンジャーポンプ。 ２　前記動圧溝（２１、５７）は、ピストン（２、３２
   ）の外周面に設けられていることを特徴とする請求項１
   に記載のプランジャーポンプ。 ３　前記回転手段は、ピストン（２、３２）に一体的に
   設けられた磁性材料（８、３９）と、シリンダ（１、３
   １）の外周部に配設された電磁コイル（１９、５３）と
   から構成されていることを特徴とする請求項１又は２に
   記載のプランジャーポンプ。