JP2023028260A - 往復ポンプ用の継手装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動軸と従動軸との偏角のみならず、駆動軸と従動軸との偏芯を許容（吸収）することができる、往復ポンプ用の継手装置を提供する。
【解決手段】駆動源と往復ポンプとを連結するための継手装置１は、第１凹面３ａを有する第１スラスト部材３と、第２凹面５ａを有する第２スラスト部材５と、第１凹面３ａと第２凹面５ａとに挟まれた球体７と、第１スラスト部材３、第２スラスト部材５、および球体６を収容する内部空間１０を有するハウジング１１を備え、第１スラスト部材３および第２スラスト部材５は、ハウジング１１の中心軸線ＣＬに沿って配列されており、内部空間１０の幅は、第１スラスト部材３、第２スラスト部材５、および球体７の幅よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、プランジャポンプやピストンポンプなどの往復ポンプの駆動に使用される継手装置に関する。

往復ポンプは、継手装置を介して駆動源（例えばエアシリンダまたは油圧シリンダ）に連結される。駆動源の往復運動は、継手装置を介して往復ポンプのピストンに伝達され、ピストンが往復運動する。駆動源側の駆動軸と、往復ポンプ側の従動軸は、機械的な損傷を防ぎ寿命を延長する為、一直線に並んでいることが理想的である。何故なら、その方が性能的なロスが少ないのに対し、芯のずれがあると、意図せぬ部品の接触や摩擦・摩耗やかじりが発生しやすいからである。

しかし、駆動軸と従動軸を一直線に合わせるためには、高度な加工精度や装置の組立に大きな努力が必要となり、そのための設備や工数が必要になる。そこで、往復ポンプに使用される継手装置には、駆動軸と従動軸との間に偏芯（すなわち、駆動軸と従動軸の間の相対的な軸芯の位置の違い）や偏角（すなわち、駆動軸と従動軸の間の相対的な傾き）があっても、駆動軸と従動軸との、それらのズレを吸収できる構造が必要とされる。

特開２００７－２６３２５７号公報

駆動軸と従動軸との偏角を許容できる継手装置の例としては、ユニバーサルジョイントが挙げられる。しかしながら、ユニバーサルジョイントは、駆動軸から従動軸に伝わる高いスラスト荷重に耐えうる構造を有していない。このため、長時間に亘って往復ポンプが運転されると、ユニバーサルジョイントが破損するおそれがある。

さらに、駆動軸と従動軸との偏角に加えて、駆動軸と従動軸との偏芯が存在することがある。このような偏芯は、駆動源と往復ポンプの相対的な位置ずれに起因するものである。ユニバーサルジョイントなどの従来の継手装置では、このような偏芯を許容（吸収）することはできなかった。

特許文献１には、駆動軸と従動軸の偏角と偏心に対応する継手装置が開示されている。この継手装置は、偏角と偏心の余裕を持たせるため、上下に隙間を設けているが、そのことにより、駆動軸のストローク長さに対して従動軸のストローク長さが隙間の分短くなり、ポンプ側の容積が減るためポンプ効率が悪くなる。また、それだけでなく、軸方向の往復運動の度に、軸方向に隣接した部材同士が繰り返し衝突し、振動や騒音が生じ、かえって部材の衝突箇所の摩耗や疲労破壊が生じやすくなってしまう。

本発明は、駆動軸と従動軸との偏角のみならず、駆動軸と従動軸との偏芯を許容（吸収）することができ、さらにはポンプ効率を向上させることができる、往復ポンプ用の継手装置を提供する。

一態様では、駆動源と往復ポンプとを連結するための継手装置であって、第１凹面を有する第１スラスト部材と、第２凹面を有する第２スラスト部材と、前記第１凹面と前記第２凹面とに挟まれた球体と、前記第１スラスト部材、前記第２スラスト部材、および前記球体を収容する内部空間を有するハウジングを備え、前記第１スラスト部材および前記第２スラスト部材は、前記ハウジングの中心軸線に沿って配列されており、前記内部空間の幅は、前記第１スラスト部材、前記第２スラスト部材、および前記球体の幅よりも大きい、継手装置が提供される。

一態様では、前記第１凹面および前記第２凹面は、前記球体の外面と同じ曲率半径を有する窪んだ球面である。
一態様では、前記第１スラスト部材、前記第２スラスト部材、および前記球体は、前記ハウジングの中心軸線に対して偏芯している。
一態様では、前記第２スラスト部材は第２平坦面を有しており、前記ハウジングは、前記第２平坦面に面接触する平坦な座を有している。
一態様では、前記ハウジングは、前記駆動源および前記往復ポンプのうちの一方から延びる第１軸に固定され、前記球体は、前記駆動源および前記往復ポンプのうちの他方から延びる第２軸に固定されている。
一態様では、前記ハウジングは、前記内部空間に連通するねじ穴を有しており、前記第１軸の外周面に形成された雄ねじ部は、前記ねじ穴に螺合されている。
一態様では、前記第１スラスト部材は第１平坦面を有しており、前記第１平坦面は前記第１軸の端面に接触している。
一態様では、前記第２スラスト部材は、複数の部材に分割された構造を有している。

本発明によれば、偏角や偏心に対しての対応範囲に余裕を持たせられるにもかかわらず、構造上、軸方向に隙間が無い為、ポンプの効率が増加する。また、それだけでなく、軸方向に隣接した部材同士の繰り返し衝突がなくなるので、振動や騒音が生じず、部材の衝突箇所摩耗や疲労破壊が生じにくく、機械的な損傷を防ぎ寿命を延長することが可能となる。
また、球体に接触する第１スラスト部材および第２スラスト部材は互いに相対的に傾くことができる。さらに、内部空間の幅は、第１スラスト部材、第２スラスト部材、および球体の幅よりも大きいので、第１スラスト部材、第２スラスト部材、および球体は、ハウジングに対して偏芯することができる。したがって、ハウジングに第１軸（例えば駆動軸）が固定され、球体に第２軸（例えば従動軸）が固定された場合に、継手装置は、第１軸と第２軸との偏角および偏芯の両方を許容（吸収）できる。

駆動源と往復ポンプとを連結するための継手装置の一実施形態を示す断面図である。 球体に固定された第２軸が、ハウジングに固定された第１軸に対して傾く様子を示す図である。 球体に固定された第２軸が、ハウジングに固定された第１軸に対して偏芯する様子を示す図である。 継手装置およびこれに連結された第１軸および第２軸が往復移動するときの様子を示す模式図である。 継手装置の他の実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、駆動源と往復ポンプとを連結するための継手装置の一実施形態を示す断面図である。継手装置１は、第１凹面３ａを有する第１スラスト部材３と、第２凹面５ａを有する第２スラスト部材５と、第１凹面３ａと第２凹面５ａとに挟まれた球体７と、第１スラスト部材３、第２スラスト部材５、および球体７を収容する内部空間１０を有するハウジング１１を備えている。

第１スラスト部材３および第２スラスト部材５は、ハウジング１１の中心軸線ＣＬに沿って配列されている。より具体的には、第１スラスト部材３、球体７、および第２スラスト部材５は、ハウジング１１の中心軸線ＣＬに沿って一列に並んでいる。第１スラスト部材３、球体７、および第２スラスト部材５は、金属、セラミックなどの硬質の材料から構成されている。

ハウジング１１は、駆動源（例えばエアシリンダまたは油圧シリンダ）および往復ポンプ（例えばプランジャポンプまたはピストンポンプ）のうちの一方から延びる第１軸１５に固定され、球体７は、駆動源および往復ポンプのうちの他方から延びる第２軸１６に固定されている。球体７は、その球状の外面７ａから延びる軸部７ｂを有しており、この軸部７ｂは第２スラスト部材５を通って第２軸１６に延びている。ハウジング１１は、軸部７ｂおよび第２軸１６を通過させる通孔１１ａを有している。通孔１１ａの幅は、第２軸１６の幅（直径）よりも大きい。

ハウジング１１は、内部空間１０に連通するねじ穴１９を有している。第１軸１５の外周面に形成された雄ねじ部２０は、ねじ穴１９に螺合されている。第１スラスト部材３は第１平坦面３ｂを有しており、第１平坦面３ｂは第１軸１５の端面に常に接触している。第１軸１５の端面は、中心軸線ＣＬに対して垂直であり、第１平坦面３ｂは、第１軸１５の端面に接触した状態で、ハウジング１１の中心軸線ＣＬに対して垂直である。駆動軸と往復ポンプのピストンとの距離を調節するために、第１スラスト部材３の第１平坦面３ｂと、第１軸１５の端面との間に、シム（またはスペーサ）を挟んでもよい。

第１凹面３ａおよび第２凹面５ａは、球体７の外面７ａと同じ曲率半径を有する窪んだ球面である。第１凹面３ａは円形であり、第２凹面５ａは略中心に穴の空いた環状である。球体７は、第１スラスト部材３の第１凹面３ａと、第２スラスト部材５の第２凹面５ａの両方により、摺動可能に支持されている。第１凹面３ａおよび第２凹面５ａは、往復運動中、球体７の外面７ａに常に面接触している。したがって、球体７は、ハウジング１１に対する相対位置を維持しつつ、ハウジング１１、第１スラスト部材３、および第２スラスト部材５に対して傾くことができる。結果として、図２に示すように、球体７に固定された第２軸１６は、ハウジング１１に固定された第１軸１５に対して傾くことができる。

特に、本実施形態によれば、第１凹面３ａの全体および第２凹面５ａの全体は、球体７の球状の外面７ａと常に接触しているので、継手装置１は往復運動時に継手装置１に加わる高い荷重に耐えうることができ、かつ球体７は第１スラスト部材３および第２スラスト部材５に対してスムーズに傾動することができる。さらに、第１凹面３ａおよび第２凹面５ａは、ハウジング１１の中心軸心ＣＬの方向に沿って（すなわち往復移動方向に沿って）球体７を挟むように配置されているので、往復運動のどちらの方向に継手装置１が移動しているときでも球体７は第１凹面３ａおよび第２凹面５ａの両方に支えられ、球体７は第１スラスト部材３および第２スラスト部材５に対してスムーズに傾動することができる。結果として、往復運動中に、球体７に固定された第２軸１６は、ハウジング１１に固定された第１軸１５に対してスムーズに傾くことができる。

ハウジング１１の内部空間１０の幅は、第１スラスト部材３、第２スラスト部材５、および球体７の幅よりも大きい。ここで、「幅」とは、ハウジング１１の中心軸線ＣＬに対して垂直な方向の寸法のことをいう。図３に示すように、第１スラスト部材３、第２スラスト部材５、および球体７は、一体にハウジング１１の中心軸線ＣＬに対して偏芯することができる。すなわち、第１スラスト部材３、第２スラスト部材５、および球体７の、中心軸線ＣＬに垂直な方向における位置は、ハウジング１１の内部空間１０内で可変である。結果として、球体７に固定された第２軸１６は、ハウジング１１に固定された第１軸１５に対して偏芯することができる。

第２スラスト部材５は第２平坦面５ｂを有しており、ハウジング１１は、第２平坦面５ｂに面接触する平坦な座２４を有している。第２平坦面５ｂは環状の面である。第２平坦面５ｂおよび座２４は、ハウジング１１の中心軸線ＣＬに対して垂直である。第２平坦面５ｂと座２４は、常に接触している。座２４は、第２平坦面５ｂを支持しているのみであり、ハウジング１１の中心軸線ＣＬに対して垂直な方向への第２スラスト部材５の位置ずれまたは移動を妨げない。第１スラスト部材３の第１平坦面３ｂおよび第２スラスト部材５の第２平坦面５ｂは、いずれもハウジング１１の中心軸線ＣＬに対して垂直である。前述のように、第１軸１５の端面、第１平坦面３ｂ、第１凹面３ａ、球体７、第２凹面５ａ、第２平坦面５ｂ、および座２４は、各々中心軸線ＣＬの方向に隣接する部材と常に接触した配置であるので、第１平坦面３ｂおよび第２平坦面５ｂは、第１スラスト部材３、球体７、および第２スラスト部材５の、中心軸線ＣＬに垂直な方向への位置ずれまたは移動をガイドすることができる。

図４は、継手装置１およびこれに連結された第１軸１５および第２軸１６が往復移動するときの様子を示す模式図である。図４では継手装置１は模式的に描かれている。図４に示す例では、第１軸１５は駆動源３１に連結された駆動軸であり、第２軸１６は往復ポンプ３２に連結された従動軸であるが、本発明は図４の例に限定されない。

図４に示すように、駆動源３１と往復ポンプ３２が互いに傾いている場合、往復運動中に、第２軸１６は、継手装置１により第１軸１５に対して傾くことができるので、第２軸１６の動きが往復ポンプ３２に拘束されることがなく、結果として往復ポンプ３２のストロークを大きくできる。

図１に戻り、本実施形態では、第２スラスト部材５の上部には、円環状の掛け金２７が嵌め込まれている。本実施形態の第２スラスト部材５は、複数の部材に分割された構造を有しており、掛け金２７はこれら複数の部材の相対位置を固定するためのものである。一例では、第２スラスト部材５は、２つの半円環状部材から構成された２つ割り構造を有しており、これら２つの半円環状部材の相対位置は、掛け金２７によって固定される。第２スラスト部材５は、３つ以上の部材に分割されてもよい。

ハウジング１１は、その側壁に形成された開口部１１ｂを有している。この開口部１１ｂは、第１スラスト部材３および第２スラスト部材５のメンテナンスおよび／または組み立てなどの際に使用される。

次に、上述のように構成された継手装置１を組み立てる方法の一実施形態を説明する。まず、第１軸１５、第１スラスト部材３、および第２スラスト部材５がハウジング１１から取り外されている状態で、第２軸１６が固定された球体７をハウジング１１の通孔１１ａを通じて内部空間１０内に挿入する。第２スラスト部材５を構成する２つの半円環状部材を、ハウジング１１の開口部１１ｂから内部空間１０に入れ、さらに球体７の上から掛け金２７を２つの半円環状部材に嵌め込み、これにより２つの半円環状部材の相対位置を固定して第２スラスト部材５を構成する。次いで、第１スラスト部材３を、ハウジング１１の開口部１１ｂまたはねじ穴１９を通じて内部空間１０内に入れ、球体７上に置く。さらに、ハウジング１１の全体をその中心軸線ＣＬを中心に回転させ、第１スラスト部材３の第１平坦面３ｂが第１軸１５の端面に接触するまで、ハウジング１１のねじ穴１９を第１軸１５の雄ねじ部２０に螺合させる。第１スラスト部材３の第１平坦面３ｂが第１軸１５の端面に接触した状態で、ハウジング１１の側壁に形成された第２ねじ穴１１ｃに廻り止めねじ３５をねじ込み、ハウジング１１と第１軸１５との相対位置を固定する。これにより、継手装置１の組み立てが完了する。

第１スラスト部材３および／または第２スラスト部材５を交換するときは、まず、ハウジング１１の全体を反対方向に回転させて、第１スラスト部材３の第１平坦面３ｂを第１軸１５の端面から離間させる。第１スラスト部材３は、ハウジング１１の開口部１１ｂから取り出すことができる。第２スラスト部材５を取り出すときは、まず、掛け金２７を第２スラスト部材５から取り外す。そして、第２スラスト部材５を構成する２つの半円環状部材を、ハウジング１１の開口部１１ｂから取り出すことができる。

図５は、継手装置１の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態では、球体７はねじ構造により第２軸１６に着脱可能に固定されている。より具体的には、球体７の軸部７ｂには雄ねじ４０が形成されており、第２軸１６の端面にはねじ穴４２が形成されている。球体７の雄ねじ４０を第２軸１６のねじ穴４２にねじ込むことにより、球体７を第２軸１６に固定することができる。さらに、球体７の雄ねじ４０を第２軸１６のねじ穴４２から外すことにより、球体７を第２軸１６から離すことができる。

図５に示す実施形態では、第２スラスト部材５は、単一の円環状の部材から構成されており、２つの半円環状部材を有していない。さらに、図１に示す掛け金２７も設けられていない。

図５に示す実施形態に係る継手装置１を組み立てる方法の一実施形態を説明する。まず、第１軸１５、第１スラスト部材３、および第２スラスト部材５がハウジング１１から取り外され、球体７が第２軸１６から取り外されている状態で、第２スラスト部材５および球体７をハウジング１１の内部空間１０内に入れる。次に、第２スラスト部材５が球体７と第２軸１６との間に位置した状態で、球体７の雄ねじ４０を第２軸１６のねじ穴４２にねじ込み、球体７を第２軸１６に固定する。第１スラスト部材３を、ハウジング１１の開口部１１ｂまたはねじ穴１９を通じて内部空間１０内に入れ、球体７上に置く。さらに、ハウジング１１の全体をその中心軸線ＣＬを中心に回転させ、第１スラスト部材３の第１平坦面３ｂが第１軸１５の端面に接触するまで、ハウジング１１のねじ穴１９を第１軸１５の雄ねじ部２０に螺合させる。第１スラスト部材３の第１平坦面３ｂが第１軸１５の端面に接触した状態で、ハウジング１１の側壁に形成された第２ねじ穴１１ｃに廻り止めねじ３５をねじ込み、ハウジング１１と第１軸１５との相対位置を固定する。これにより、継手装置１の組み立てが完了する。

第１スラスト部材３および／または第２スラスト部材５を交換するときは、まず、ハウジング１１の全体を反対方向に回転させて、ハウジング１１を第１軸１５から切り離す。第１スラスト部材３は、ハウジング１１の開口部１１ｂまたはねじ穴１９から取り出すことができる。第２スラスト部材５を取り出すときは、球体７の雄ねじ４０を第２軸１６のねじ穴４２から外し、球体７を第２軸１６から離す。そして、球体７をハウジング１１から取り出し、さらに第２スラスト部材５をハウジング１１から取り外す。

上述した継手装置１の各実施形態は、液体水素、液化天然ガス、液化アンモニア、液体窒素、液化エチレンガス、液化石油ガスなどの液化ガスを移送するための往復ポンプと、駆動源とを連結する用途に適している。特に、図４に示すように、継手装置１は、駆動源３１と往復ポンプ３２との間に配置されているので、往復ポンプ３２内の極低温の液化ガスが駆動源３１を冷却（凍結）してしまうことを防止できる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 継手装置
３ 第１スラスト部材
３ａ 第１凹面
３ｂ 第１平坦面
５ 第２スラスト部材
５ａ 第２凹面
５ｂ 第２平坦面
７ 球体
７ａ 外面
１０ 内部空間
１１ ハウジング
１１ａ 通孔
１１ｂ 開口部
１１ｃ 第２ねじ穴
１５ 第１軸
１６ 第２軸
１９ ねじ穴
２０ 雄ねじ部
２４ 座
２７ 掛け金
３１ 駆動源
３２ 往復ポンプ
３５ 廻り止めねじ
４０ 雄ねじ
４２ ねじ穴

Claims (8)

1. 駆動源と往復ポンプとを連結するための継手装置であって、
   第１凹面を有する第１スラスト部材と、
   第２凹面を有する第２スラスト部材と、
   前記第１凹面と前記第２凹面とに挟まれた球体と、
   前記第１スラスト部材、前記第２スラスト部材、および前記球体を収容する内部空間を有するハウジングを備え、
   前記第１スラスト部材および前記第２スラスト部材は、前記ハウジングの中心軸線に沿って配列されており、
   前記内部空間の幅は、前記第１スラスト部材、前記第２スラスト部材、および前記球体の幅よりも大きい、継手装置。
2. 前記第１凹面および前記第２凹面は、前記球体の外面と同じ曲率半径を有する窪んだ球面である、請求項１に記載の継手装置。
3. 前記第１スラスト部材、前記第２スラスト部材、および前記球体は、前記ハウジングの中心軸線に対して偏芯している、請求項１または２に記載の継手装置。
4. 前記第２スラスト部材は第２平坦面を有しており、前記ハウジングは、前記第２平坦面に面接触する平坦な座を有している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の継手装置。
5. 前記ハウジングは、前記駆動源および前記往復ポンプのうちの一方から延びる第１軸に固定され、
   前記球体は、前記駆動源および前記往復ポンプのうちの他方から延びる第２軸に固定されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の継手装置。
6. 前記ハウジングは、前記内部空間に連通するねじ穴を有しており、
   前記第１軸の外周面に形成された雄ねじ部は、前記ねじ穴に螺合されている、請求項５に記載の継手装置。
7. 前記第１スラスト部材は第１平坦面を有しており、前記第１平坦面は前記第１軸の端面に接触している、請求項６に記載の継手装置。
8. 前記第２スラスト部材は、複数の部材に分割された構造を有している、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の継手装置。

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