JPH1162820A - プランジャポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プランジャを流体から隔離しかつプランジャ
の摺動熱によるシール材等の劣化を防止できる耐久性に
優れたプランジャポンプ装置を提供する。 【解決手段】 プランジャポンプ装置１０において、プ
ランジャ１２が中空部１４を有し、プランジャの往復運
動が行われオイルにより充填された第１のシリンダ室１
７ａと、第１のシリンダ室と連通し筒状弾性体２０によ
り包囲され内圧に応じて拡張及び収縮可能な第２のシリ
ンダ室１７ｂと、第２のシリンダ室の外側を取り囲み吸
込バルブから吐出バルブへと流れる流体の通路である第
３のシリンダ室１７ｃとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧流体の圧送に
用いられるプランジャポンプ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体の圧送に用いられるポンプ装置のな
かで、プランジャポンプは、特に、高圧流体に用いられ
ている。プランジャポンプは、丸棒状のプランジャをシ
リンダ内で往復運動させ、シリンダ内の容積を変化させ
ることによって流体を吸い込み、そして吐き出すことに
より流体を圧送する。流体の吸込口及び吐出口には、そ
れぞれバルブが設けられる。また、プランジャとシリン
ダの摺動部を始めとして、シリンダ室及び流体通路を形
成する各部材の接合部には密閉性を保持するために、各
種のパッキンやガスケット等のシール材が用いられる。

【０００３】例えば、地盤改良工等においては、高圧用
プランジャポンプが広く利用されている。この場合、高
圧流体としてセメントミルク等の固体粒子を含んだ液体
を用いることがある。このような固体粒子を含んだセメ
ントミルクをプランジャポンプを用いて高圧で圧送した
場合、プランジャ摺動面で大きな摺動熱が発生する上、
セメントミルク中の固体粒子が摺動部に設置したパッキ
ンへも入り込むため、短時間でパッキンが破損するとい
う問題があった。

【０００４】これらの問題を改善する手段の１つとし
て、圧送される流体とプランジャ摺動部とを隔離し、直
接接触させないようにする方式がある。例えば、特開昭
６４−５６９７５に開示されている。この方式を説明す
るために、図４にその一実施例の概略断面図を示す。こ
のプランジャポンプ装置１１０は、プランジャ１１２
と、シリンダ１１６とを具備し、これらの摺動面上には
Ｖパッキン１４４等のシール材が設けられている。圧送
される流体は、ＦINで示す矢印のようにシリンダ室内に
吸い込まれ、ＦOUTで示す矢印のように吐出される。吸
込口及び吐出口にはそれぞれバルブ（図示せず）が設け
られる。この方式の特徴は、シリンダ室内に、バルブ側
とプランジャ側とを仕切る弾性膜１２０を設けている点
である。弾性膜１２０により包囲されたプランジャ側の
空間には、オイル等の圧力媒体が充填される。このポン
プ装置の動作を説明すると、吸込工程においてプランジ
ャ１１２がＰ０の位置に移動すると、プランジャ１１２
の後退による容積変化分だけ弾性膜がＥ０の位置まで収
縮する。これにより弾性膜１２０のバルブ側空間が負圧
となり、吸込バルブ（図示せず）が開いて流体がシリン
ダ室内に流入する（ＦIN）。次に、吐出工程においてプ
ランジャ１１２がＰ１の位置に移動すると、プランジャ
１１２の前進による容積変化分だけ弾性膜がＥ１の位置
まで拡張する。これにより弾性膜１２０のバルブ側空間
が高圧となり、吐出バルブ（図示せず）が開いて流体が
シリンダ室から吐出される（ＦOUT）。

【０００５】上記のように、プランジャ摺動部が流体か
ら影響を受けないように保護するために、流体とプラン
ジャ摺動部とを隔離する機構としては、図５に示すダイ
ヤフラムがよく知られている。図５のダイヤフラムＤ
は、ポンプ室内をピストンＰ側と弁側とに分ける隔壁と
して設けられる。図示のダイヤフラムＤの位置は吐出工
程であり、吸込工程では、ダイヤフラムＤが逆の方向す
なわちピストンＰ側に湾曲するように変化する。

【０００６】これらの従来例のように、シリンダ室内に
可撓性隔壁を設けることは、プランジャ及びその周辺部
材を圧送流体による悪影響から保護するという点で、あ
る程度有効である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プラン
ジャポンプのような高圧用ポンプにおいて高い噴射圧力
を実現するためには、プランジャを極めて高速に運動さ
せると共に、１サイクルあたりポンプの吸入能力を増す
必要がある。プランジャを高速に運動させると、大きな
摺動熱が発生する結果、周辺の温度を上昇させる。従っ
て、周辺部材の耐熱性が不十分であると、それらは摺動
熱により劣化し破損してしまう。プランジャ摺動部のパ
ッキン、その他のシール材、そして前述のシリンダ室内
の隔壁を構成する弾性膜やダイヤフラムは、合成ゴム等
の非金属材料が用いられることが多く、これらは、金属
材料に比べて耐熱温度が遥かに低い。シール材として用
いられる汎用ゴム材料の安全な使用温度は、約９０℃ま
でである。高圧用プランジャポンプにおいては、摺動熱
によりこの耐熱温度を超える場合があり、その結果、こ
れらの材料は短時間で破損し、交換しなければならなく
なる。よって、作業効率が低下すると共に、プランジャ
摺動面も摩耗し易くなるためポンプ自体の耐久性も低下
する。

【０００８】他の問題点としては、シリンダ室内の隔壁
を構成する従来の弾性膜やダイヤフラムは、吸込時と吐
出時の変形量が少ないためにシリンダ室内での流体の容
積変化を大きくできないという欠点がある。このこと
は、ポンプの吸込能力が低いことを意味し、高い噴射圧
力を確保しようとするプランジャポンプの性能の点で不
利である。

【０００９】以上により、本発明の目的は、プランジャ
ポンプ装置においてプランジャの摺動熱に起因するシー
ル材の劣化を防止し、シール材の寿命を延ばし、ひいて
はプランジャポンプ装置自体の耐久性を向上させること
である。

【００１０】また、本発明の目的は、プランジャポンプ
装置においてプランジャ部分を流体から隔離して流体か
らの悪影響を防ぐと同時に、良好なポンプ吸入能力も実
現することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によるプランジャポンプ装置においては、そ
のプランジャが、長手軸に沿って穿設されかつ前端面に
て開口する中空部を有する中空プランジャである。そし
てそのシリンダは、３つのシリンダ空間から構成され
る。第１のシリンダ室は、中空プランジャが往復運動を
行うための空間であってオイルにより充填されている。
第２のシリンダ室は、第１のシリンダ室の前方に位置し
第１のシリンダ室と連通する空間であり、筒状弾性体に
より包囲され、かつその筒状弾性体の中央部の径が室内
圧に応じて拡張及び収縮可能である。第３のシリンダ室
は、第２のシリンダ室の外側を取り囲む空間でありかつ
吸込バルブから吐出バルブへと流れる対象流体の通路で
ある。

【００１２】さらに、上記第２のシリンダ室の内部に
は、前記筒状弾性体の両端部を内側から支持固定しする
支持体を設置する。この支持体は、筒状弾性体の前端部
を支持固定する円板状の台座部と、台座部の中心から軸
上を後方へ延びる主柱部と、主柱部の後端から後方へ延
びて上記筒状弾性体の後端部を支持固定する円錐形状の
コーン部とを有する。また、このコーン部には、第１の
シリンダ室と第２のシリンダ室とを連通させるオイル通
路孔が設けられる。またさらに、支持体の台座部の前面
に接して設けられ、プランジャポンプ装置内の熱を外部
に放出する放熱板を設ける。

【００１３】

【作用】中空プランジャとすることにより摺動熱がプラ
ンジャに蓄積することなく、中空部内のオイルへ伝達さ
れ、第１のシリンダ室内でのプランジャの往復運動に伴
うオイルの移動により熱が第２のシリンダ室へと運ばれ
る。熱は、第２のシリンダ室内に設置された支持体を介
して放熱板へ伝導し、外部へ放出される。これにより摺
動熱が外部へと排出され、ポンプ装置内が過熱されるこ
とが避けられる。また、プランジャの往復運動によるシ
リンダ室の容積変化に応じて変形する筒状弾性体は、そ
の形状的特性から大きな変形量が得られ、高い吸入能力
を確保することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態を詳細に説明する。なお、本明細書中において
は、説明上、プランジャからみてバルブ側を前方、反対
側を後方と称することとする。

【００１５】図１は、本発明によるプランジャポンプ装
置の主要部の概略的断面図を示す。プランジャポンプ装
置１０は、丸棒状のプランジャ１２及び略円柱状のシリ
ンダ室空間１７ａを形成するシリンダ部１６ａ、１６ｂ
を具備する。シリンダ部１６ａは、従来のプランジャポ
ンプと同様に、プランジャ１２の外周面との間にＵパッ
キン４２及びＶパッキン４４等のシール材を配置してい
る。シリンダ部１６ａ及びシール材の内面とプランジャ
１２の外周面との間が、プランジャ１２の往復運動の際
の摺動面となる。図示のプランジャ１２の位置Ｐ０は、
吸込工程における最も後退した位置を示す。破線のプラ
ンジャ１２の位置Ｐ１は、吐出工程における最も前進し
た位置を示す。なお、本発明においては、プランジャ１
２が中空部１４を有する円筒構造とされていることが特
徴の１つである。

【００１６】シリンダ部１６ｂの壁には、シリンダ室１
７ａ内にオイルを供給するオイル注入口３２、シリンダ
室１７ａ内からオイルを排出するオイル排出口３６、及
びシリンダ室１７ａ内に混入したエアを抜くためのエア
抜き口３４が、軸に対して垂直な方向に設けられてい
る。なお、シリンダ室に充填されたオイルは、圧力媒体
としての作用を有する。

【００１７】本発明おいては、シリンダ室１７ａの軸方
向前方にさらにシリンダ室１７ｂと１７ｃが設けられ
る。シリンダ室１７ｂは、中央部にくびれを有する筒状
弾性体であるラバーシリンダ２０により囲まれた空間で
あり、ラバーシリンダ２０はその内側に設置される支持
体２２により支持固定される。ラバーシリンダ２０は、
ゴム等の弾性材から形成される。シリンダ室１７ａとシ
リンダ室１７ｂとは、支持体２２の円錐形状の後部壁に
穿設されたオイル通路孔２２ｅにより互いに連通してい
る。すなわち、シリンダ室１７ａ及びシリンダ室１７ｂ
は、常時オイルで満たされている。

【００１８】図２は、ラバーシリンダ２０の外観を示す
概略的斜視図である。ラバーシリンダは、ゴム等の弾性
材から形成される筒状である。その胴部２０ａは、両端
部の径よりも中央部の径が小さく、くびれている。ポン
プ稼働時には、ラバーシリンダ２０の中央部の径が周期
的に拡張と収縮を繰り返すような形状変化をすることと
なるが、詳細については後述の動作説明と併せて説明す
る。

【００１９】図３（Ａ）は、ラバーシリンダ２０をその
内側から固定し支持する支持体２２の外観を示す斜視図
であり、図３（Ｂ）は、支持体２２を後端側から見た側
面図である。支持体２２は、主柱部２２ａと、前端側の
台座部２２ｄと、後端側のコーン部２２ｂとを具備す
る。主柱部２２ａは、円形板からなる台座部２２ｄの中
心と、円錐形のコーン部２２ｂの頂点とを接続してい
る。支持体２２のコーン部２２ｂの円錐面を形成する壁
には、支持体２２の軸に対してほぼ平行に４個のオイル
通路孔２２ｅが貫通して設けられている。図３（Ｂ）に
示すように、これらのオイル通路孔２２ｅは、支持体２
２の軸について対称に配置されている。符号２２ｆは、
コーン部２２ｂの円錐の頂点を示す。コーン部２２ｂを
このような円錐形状とすることにより、シリンダ室１７
ａのオイルがプランジャ１２により前方へ押されたと
き、オイルは円錐面に沿うように流れオイル通路孔２２
ｅを通って円滑にシリンダ室１７ｂへ流入するように導
かれる。

【００２０】図１に示すように、支持体２２は、その軸
がシリンダ室１７ｂすなわちラバーシリンダ２０の軸に
一致するように設置される。また、支持体２２は、ラバ
ーシリンダ２０の両端部をシリンダ１６ｃに対して固定
する役割も果たす。具体的には、支持体２２の台座部２
２ｄの周縁とシリンダ部１６ｃとの間でラバーシリンダ
２０の前端部２０ｃを挟持し、そして、支持体２２のコ
ーン部後端部２２ｃとシリンダ部１６ｃとの間でラバー
シリンダ２０の後端部２０ｂを挟持する。

【００２１】一方、シリンダ室１７ｃは、ラバーシリン
ダ２０の外側を包囲する空間であり、シリンダ室１７ａ
及び１７ｂとは、ラバーシリンダ２０により隔離されて
いる。シリンダ室１７ｃは、ポンプ装置１０により圧送
される流体の通路でもある。吸込バルブ（図示せず）か
ら吸い込まれた流体（矢印ＦINで示す）は、シリンダ室
１７ｃを通過して吐出バルブ（図示せず）へと送出され
る（矢印ＦOUTで示す）。

【００２２】さらに図１において、放熱板２６が、シリ
ンダ部１６ｃ及び支持体２２の前端に接するように設置
されている。放熱板２６は、プランジャポンプ装置内の
熱を外部へ放出する役割を担う。

【００２３】次に、上記構成の本発明によるプランジャ
ポンプ装置における動作を説明する。図１中、実線で示
したプランジャ１２の位置Ｐ０は、吸込工程においてプ
ランジャ１２が最も後退したときの位置である。このプ
ランジャ１２の後退運動のとき、シリンダ室１７ａの容
積は拡張し負圧となることにより、オイル通路孔２２ｅ
を通ってシリンダ室１７ｂからシリンダ室１７ａへとオ
イルが移動する。これにより、プランジャ室１７ｂが負
圧となり、ラバーシリンダ２０の胴部がくびれるように
変形する（実線ＲＳ０で示す）。その結果、シリンダ室
１７ｃの容積は拡張して負圧となり、吸込バルブから圧
送流体がシリンダ室１７ｃ内へ流れ込む（矢印ＦIN）。

【００２４】その後、吐出工程においてプランジャ１２
は、図１に破線で示した位置Ｐ１まで前進する。このプ
ランジャ１２の前進運動のとき、シリンダ室１７ａの容
積は低減し、オイル通路孔２２ｅを通ってシリンダ室１
７ａからシリンダ室１７ｂへとオイルが押し出される。
これにより、プランジャ室１７ｂの内圧が高まり、ラバ
ーシリンダ２０の胴部が膨張するように変形する（破線
ＲＳ１で示す）。その結果、シリンダ室１７ｃの容積は
低減して高圧となり、圧送流体がシリンダ室１７ｃから
吐出バルブへと送出される（矢印ＦOUT）。

【００２５】ラバーシリンダ２０は、圧力媒体であるオ
イルと対象圧送流体とを隔離するのみでなく、その特徴
的な筒形状により、従来の弾性隔離膜やダイヤフラムに
比べてシリンダ室の大きな容積変化を確保できる。その
結果、プランジャポンプ装置の吸入能力を大きく高め
る。

【００２６】また、本発明におけるラバーシリンダ２０
は、プランジャ１２の最先端位置よりも前方に位置して
おり、プランジャ１２から遠いためにその摺動熱の影響
を受けにくい。さらに、プランジャ１２が往復運動を行
うシリンダ室１７ａと、ラバーシリンダ２０が包囲する
シリンダ室１７ｂとは、支持体２２のコーン部により隔
てられており、これによってもラバーシリンダ２０は、
シリンダ室１７ａからの直接的な熱の影響を避けること
ができる。支持体２２は、熱伝導性の良好な材料から形
成することが望ましく、オイルの熱を効率的に放熱板２
６へと伝達する働きを有する。このようにして、ラバー
シリンダ２０は、その弾性材料の耐熱温度以上の過熱を
避けることができる。

【００２７】またさらに、本発明におけるプランジャ１
２は、その軸に沿って中空部１４を設けられており、こ
の中空部１４にもオイルが充填されている。従来のプラ
ンジャとシリンダ部との間に発生した摺動熱は、周囲に
効率的に放出させる手段がなかったためプランジャやシ
リンダに蓄積されてこれらの構成部材やオイルの温度を
上昇させ、その結果、パッキンやダイヤフラム等を過熱
させて破損させることとなっていた。これに対し、本発
明では、中空プランジャとすることにより、プランジャ
１２に蓄積される熱が中空部１４内に充填されたオイル
へ容易に移動する。加えて、中空部１４内のオイル及び
シリンダ室１７ａ、１７ｂ内に充填されたオイルは、プ
ランジャ１２の運動に伴い各シリンダ室間を巨視的に移
動するため、オイルを介してプランジャ１２から支持体
２２への、そしてさらに放熱板２６への熱の移動がいっ
そう促進される。

【００２８】

【発明の効果】本発明によるプランジャポンプ装置は、
中空プランジャ、オイル、支持体、及び放熱板の各構成
要素が互いに効果的に機能することにより、摺動熱を取
り去って外部へ放出することができる。これによりポン
プ装置内部の過熱を防止して、シール材の耐熱温度以下
でポンプ装置を稼働することが可能となる。具体的に、
実施例においては、オイルの温度上昇を外気温＋４０℃
以内に抑制することができた。汎用的シール材の耐熱温
度は低くとも９０℃程度であるので、いかなるシール材
についてもその耐熱温度以下で使用することができる。

【００２９】このようにシール材や本発明に特徴的なラ
バーシリンダ等の非金属構成部品の耐熱温度以下での使
用を確保することができるので、これらの部品の短時間
での破損が避けられる。その結果、プランジャ摺動面の
摩耗も軽減されるので、プランジャポンプ装置自体の耐
久性も向上する。また破損部品の取替頻度も格段に低減
するので、作業効率が改善される。

【００３０】またさらに、プランジャの往復運動による
シリンダ室内の容積変化を伝達する、従来のダイヤフラ
ム等に相当する弾性体として、筒形状のラバーシリンダ
を用いたので従来に比べて大きな変形量が得られる。そ
の結果、高い吸入能力をもつポンプ装置が得られる。も
ちろん、ラバーシリンダは、対象流体と、プランジャ摺
動部とを隔離する役割も果たすので、セメントミルク等
の固形粒子を含んだ対象流体の場合も、プランジャ摺動
部に固形粒子が入り込むことはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプランジャポンプ装置の主要部の
概略的断面図を示す。

【図２】本発明によるプランジャポンプ装置に用いるラ
バーシリンダの外観を示す概略的斜視図である。

【図３】本発明によるプランジャポンプ装置に用いる支
持体の外観を示す概略的斜視図である。

【図４】従来のプランジャポンプ装置の概略的断面図で
ある。

【図５】従来のダイヤフラムポンプ装置の概略的断面図
である。

【符号の説明】

１０ プランジャポンプ装置 １２ プランジャ １４ プランジャ中空部 １６ シリンダ部 ２０ ラバーシリンダ ２０ａ ラバーシリンダ胴部 ２０ｂ ラバーシリンダ後端部 ２０ｃ ラバーシリンダ前端部 ２２ 支持体 ２２ａ 主柱部 ２２ｂ コーン部 ２２ｃ コーン部後端部 ２２ｄ コーン部台座部 ２２ｅ オイル通路孔 ２２ｆ コーン頂点 ２６ 放熱板 ３２ オイル注入口 ３４ エア抜き口 ３６ オイル排出口 ４２ Ｕパッキン ４４ Ｖパッキン Ｐ０ 吸込時のプランジャ位置 Ｐ１ 送出時のプランジャ位置 ＲＳ０ 吸込時のラバーシリンダ形状 ＲＳ１ 送出時のラバーシリンダ形状 Ｆ、ＦIN、ＦOUT 流体の流れ １１０ プランジャポンプ １１２ プランジャ １１６ シリンダ Ｅ０ 吸込時の弾性膜形状 Ｅ１ 送出時の弾性膜形状

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ内でプランジャを往復運動させ
   ることにより吸込バルブから吸入した流体を吐出バルブ
   から高圧流体として送出するプランジャポンプ装置にお
   いて、 前記プランジャが、その長手軸に沿って穿設されかつそ
   の前端面にて開口する中空部を有する中空プランジャで
   あり、かつ、前記シリンダが、 前記プランジャの往復運動が行われる空間であってかつ
   オイルにより充填された第１のシリンダ室と、 前記第１のシリンダ室の前方に位置し該第１のシリンダ
   室と連通する空間であって筒状弾性体により包囲されか
   つ該筒状弾性体の中央部の径が内圧に応じて拡張及び収
   縮可能な第２のシリンダ室と、 前記第２のシリンダ室の外側を取り囲む空間であってか
   つ前記吸込バルブから前記吐出バルブへと流れる流体の
   通路である第３のシリンダ室とを有することを特徴とす
   るプランジャポンプ装置。
2. 【請求項２】 前記第２のシリンダ室の内部に設置され
   前記筒状弾性体の両端部を内側から支持固定しする支持
   体を有し、 前記支持体が、前記筒状弾性体の前端部を支持固定する
   円板状の台座部と、該台座部の中心から軸上を後方へ延
   びる主柱部と、該主柱部の後端から後方へ延び前記筒状
   弾性体の後端部を支持固定する円錐形状のコーン部とを
   有し、 前記コーン部に前記第１のシリンダ室と前記第２のシリ
   ンダ室とを連通させるオイル通路孔が設けられることを
   特徴とする請求項１に記載のプランジャポンプ装置。
3. 【請求項３】 前記支持体の前記台座部の前面に接して
   設けられ、前記プランジャポンプ装置内の熱を外部に放
   出する放熱板を有することを特徴とする請求項２に記載
   のプランジャポンプ装置。