JP2818410B2 - 無漏洩往復動ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プランジャあるいはピストンなどの往復動
によりポンプ作用を行なう往復動ポンプに係り、殊に移
送液の外部への漏洩を防止できるように構成した無漏洩
往復動ポンプに関する。 〔従来の技術〕 一般に、往復動ポンプは、その特性として高圧性なら
びに定量性に優れる反面、その構造上通常の構成では移
送液の外部への漏洩を免れない難点を有する。 そこで、前述の難点を解消して外部への漏洩を防止で
きるよう構成した往復動ポンプ、例えば、シール部材と
してダイアフラムまたはベローズなどを装着したダイア
フラムポンプまたはベローズポンプなど（以下、シール
ポンプと称する）や、このシールポンプのシール部材に
おける片側を更に油圧室に構成した油圧ダイアフラムポ
ンプまたは油圧ベローズポンプなど（以下、油圧シール
ポンプと称する）のような特殊な構成の往復動ポンプ
が、従来から開発され使用に供されている。 次に、シールポンプの１例としてのベローズポンプと
油圧シールポンプの１例としての油圧ダイアフラムポン
プについて簡単に説明する。 ベローズポンプは、例えば第５図に示すように、吸込
弁10と吐出弁12との間にケーシング14に囲繞されて設定
されるポンプ室16の内部に円筒形状のベローズ18が突出
状に配置されて構成されている。ベローズ18はその一端
部18aをケーシングの隔壁14aに、他端部18bをプランジ
ャ20に固着された環状プレート22にそれぞれビスを介し
て液密に取付けられており、駆動装置（図示せず）によ
って往復動されるプランジャ20によって伸縮される。こ
れによってポンプ室16内に容積変動が発生しすなわちポ
ンプ作用が発生し、移送液が吸込弁10ならびに吐出弁12
を介して圧送されるが、この場合、ポンプ室16内はベロ
ーズ18によって液密に保持されているので、移送液がポ
ンプ室16から漏洩されることがない。 油圧ダイアフラムポンプは、例えば第６図に示すよう
に、ポンプ室16が吸込弁10と吐出弁12との間にポンプ側
ケーシング24とダイアフラム26とに区画されて設定され
ると共に、ダイアフラム26の他面側に油圧室28が形成さ
れて構成される。ダイアフラム26はポンプ側ケーシング
24と駆動側ケーシング30との間に有孔バックアッププレ
ート32,32を介して液密に取付けられており、油圧室28
は油圧路34を通じて油溜室36に連通さている。このよう
な構成において、プランジャ20が駆動装置（図示せず）
によって往復動されると、油圧室28内に圧力変動が発生
し、これによってダイアフラムが脈動してポンプ室16内
に容積変動が発生しすなわちポンプ作用が発生し、移送
液が吸込弁10ならびに吐出弁12を介して圧送される。こ
の場合、ポンプ室16内はダイアフラム26によって液密に
保持されているので、移送液がポンプ室16から漏洩され
ることがない。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、前述のような従来のこの種ポンプは、
その構造上、ポンプを構成するシール部材に正負の圧力
荷重が繰返して反転負荷され、このためシール部材が短
期間にしかも突発的に破損され、したがって、ポンプの
耐用寿命が短かくしかも信頼性に劣るなどの欠点を本来
有していた。また、その構造も複雑重量化するものであ
った。すなわち、ベローズポンプ（シールポンプ）にお
いては、ポンプ作用下におけるポンプ室16内の圧力Paは
通常負圧からポンプ吐出圧力以上の高圧にまで変動する
のに対して、駆動室内の圧力Pbは通常大気圧に保持され
ており、したがって、ベローズ18にはその伸縮に対応し
て内，外圧殊に強い外圧が繰返し脈動的に負荷される。
このため、この種の構成のポンプは、殊に比較的高圧の
用途においては、特に耐用寿命が短く、また定量性に劣
るものである。 一方、油圧ダイアフラムポンプ（油圧シールポンプ）
においては、ポンプ室16内の圧力Paと油圧室28内の圧力
Pcとの圧力差は比較的軽少ではあるが、圧力Paは圧力Pc
に追随して変動するので、ダイアフラム26には、前述の
シールポンプの場合と同様に前，後方向の圧力荷重が繰
返し脈動的に負荷され、このためダイアフラム26には比
較的短時間に疲労破壊が発生する。しかも、この種の構
成のポンプには、ダイアフラム26の一方の面に油圧室28
が形成されているために、ダイアフラム26の前記疲労破
壊の途次において油圧室28内の作動油がポンプ室16内の
移送液内に浸入混合し、例えば化学プロセスなどにおい
て重大な危険と損害を発生する。更に、この種のポンプ
は、駆動部側に高圧の油圧室28,油圧路34、ならびに油
溜室36を有し、構造が複雑，重量化する大きな難点を有
する。 したがって、本発明の目的は、構造が簡単で無漏洩性
を達成でき、しかも信頼性に優れた往復動ポンプを提供
することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 先の目的を達成するために、本発明に係る無漏洩往復
動ポンプは、吸込口と吸込弁との間に設定される吸込室
と、吸込弁と吐出弁との間に設定されるポンプ室と、シ
リンダ室内に往復動可能に配置されてポンプ作用を行う
ピストンと、ポンプ室とシリンダ室とを連通し移送液で
満たされる連通部とを備えた往復動ポンプにおいて、 前記ピストンを駆動するピストンロッドを前記吸込室
内に挿通配置すると共に、このピストンロッドには前記
吸込室内において移送液に対してシールするための可撓
性シール部材を囲繞装着し、さらに前記可撓性シール部
材の有効断面積をピストンの断面積の約1/2に設定し、 吐出工程において、前記吸込室と可撓性シール部材と
の間の空間は、前記ピストンの一方向の移動により増大
して吸込が行われ、 吸込工程において、前記吸込室と可撓性シール部材と
の間の空間は、前記ピストンの他方向の移動により減少
するが、移送液が前記連通部を介して前記シリンダ室に
移送されることにより吸込が行われることを特徴とす
る。 この場合、可撓性シール部材にはベローズあるいはベ
ローフラムを好適に使用することができる。 〔作用〕 ピストンロッドの移送液に対するシール部材が吸込室
内において装着されているので、シール部材には吐出圧
力とは無関係に吸込圧力に対応する軽微なしかもほぼ一
定の大きさの差圧が、ポンプ作用中の全期間に亘って反
転することなく常に一定方向から負荷される。したがっ
て、シール部材の寿命延長され、ポンプの無漏洩が長期
に亘って確実に保証される。また、ポンプは、高圧の作
動油を必要としないので、ポンプの構造が簡単軽量とな
り且つ安価となると共に、作動油が誤って移送液中に混
入し、重大な事故あるいは損失を発生することがない。 〔実施例〕 次に、本発明に係る無漏洩往復動ポンプの実施例につ
き添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。なお、
説明の便宜上第５図および第６図に示す従来の構造と同
一構成部分には同一参照符号を付し、その詳細な説明は
省略する。 第１図において、本発明に係る無漏洩往復動ポンプ10
0は、吸込口40と吸込弁10との間に設定される吸込室42
と、吸込弁10と吐出弁12との間に設定されるポンプ室16
と、ポンプ室16に連通部44を介して連通し且つ吸込室42
に連続するシリンダ室46内に配置されてポンプ作用を行
なうピストン48を有し、ピストン48を駆動するピストン
ロッド50は吸込室42内に往復動可能に配置され、このピ
ストンロッド50には吸込室42内の移送液をシールするベ
ローズ52が装着されている。そして、シリンダ室46とピ
ストン48との摺接面には液封用のＯリングおよびパッキ
ングが装着され、またピストン48とピストンロッド50と
の嵌合部には液封用のＯリングが装着されている。ま
た、ベローズ52は、その底面52bをピストン48に対して
ビスを介して液密に取付けられ、開口鍔部52aの周縁部
をポンプ側ケーシング54に対して駆動側ケーシング56を
介して液密に挾持されており、これにより、ベローズ52
はポンプ内部を液密に保持している。また、ピストンロ
ッド50は駆動装置（図示せず）に連結されており、これ
によりピストン48が往復動すると同時にベローズ52が伸
縮される。 このような構成において、図７を参照して動作を説明
すると、ピストン48がピストンロッド50を介して図にお
いて右側へ移動する（以下、吐出工程と称する）と、シ
リンダ室46,連通室44およびポンプ室16からなる部分
（以下、ポンプ作用室58と総称する）内の移送液が加圧
されて吐出弁12を開いて吐出口60から容積変化量（減
少）q1分が圧送される。この場合、吸込室42はその容積
を増大して内部が僅かに負圧となり、容積変化（増大）
q2の移送液が吸込口40から吸込室42内に吸込まれる。一
方、ピストン48が図において左側へ移動する（以下、吸
込工程を称する）と、ポンプ作用室58はその容積を増大
して内部が僅かに負圧となり、所定量の移送液が吸込弁
10を開いてポンプ作用室58内に吸込まれる。 この場合、吸込室42の容積はq2だけ減少するが、この
減少量q2は、次に説明するように、ポンプ作用室58内の
容積増大分q1より小さいので、所定量（q1−q2）の移送
液が吸込口40から吸込室42内に吸込まれる。すなわち、
本発明に係る往復動ポンプ100においては、吐出ならび
に吸込みの全工程下において、それぞれ所定量の移送液
が連続して吸込室42内に吸込まれる。 ここで往復動ポンプがクランク駆動または偏心カム駆
動として、クランク半径またはカム偏心量をＲ、クラン
クの回転角をθ、ピストン変位量をχとすると、一般に
χ≒R sinθが成立する。そこで、χ＝R sinθとして、 （１）吐出工程（０≦θ≦π）において、シリンダ室46
の容積変化（減少）量q1は、直径D_Pのピストン48によ
り、q1＝（π/4）RD_P ²sinθとなり、吐出弁12は開き、
吸込弁10は閉じているため、吐出口60側へq1＝（π/4）
RD_P ²sinθの量の吐出が行われる。 この時、吸込室42では、ピストン48により、容積変化
（増大）q2が、q2＝（π/4）Ｒ（D_P ²−D_B ²）sinθの量
だけ起こる。このため、吸込室42にはq2の量の吸込みが
行われる。 （２）吸込工程（π≦θ≦２π）において、吐出弁12は
閉じ、吸込弁10は開いている。このため、直径D_Pのピス
トン48により、 q1＝（π/4）RD_P ²sinθの量の容積変化（増大）により
吸込みが、シリンダ室46に行われるが、吐出弁12が閉
じ、吸込弁10は開いているため吐出口60に吐出はされ
ず、吸込室42を負圧とする。 この時、吸込室42では、逆にピストン48により容積変
化（減少）が起こり、その減少量q2は q2＝（π/4）Ｒ（D_P ²−D_B ²）sinθの量となる。 この結果、ピストン48により吸込室42らシリンダ室46
へ吸込みが行われ、q1−q2＝（π/4）RD_P ²sinθ−
｛（π/4）RD_P ²sinθ−（π/4）Ｒ（D_P ²−D_B ²）sinθ｝
＝（π/4）RD_B ²sinθの量の吸込みが行われる。 （３）従って、吐出工程では、q1＝（π/4）RD_P ²sinθ
の吐出が行われとともに、q2＝（π/4）Ｒ（D_P ²−D_B ²）
sinθの量の吸込みが行われ、また吸込工程では、q1−q
2＝（π/4）RD_P ²sinθの量の吸込みが行われる。 ここで、ピストン48の断面積（πD_P ²）に対し、ベロ
ーズ52の有効断面積（πD_B ²）を小さく（πD_P ²＞π
D_B ²）、例えば、D_B／D_P＝0.6〜0.8と設定すれば、D_B ²／
D_P ²＝0.36〜0.64となる。 そこで、 とすれば、D_B ²／D_P ²＝1/2となり、このような条件にお
いては、吐出工程でも、吸込工程でも、｜（π/4）RD_P ²
sinθ｜＝｜（π/4）RD_P ²sinθ|/2の量の吸込みが行わ
れる。これを表に表すと以下のとおりとなる。 （４）この時、吐出工程と吸込工程における総吐出量
は、吐出工程の吐出流量をQ_Dとすれば、 ストローク長をＬとすれば、Ｌ＝2Rより、 となる。 同時に、吐出工程の吸込流量をQ_Uとすれば、 さらに、吸込工程における吸込流量Q_Vは、 となる。 そこで、前述したように、ピストン48の断面積（πD_P
²）に対し、ベローズ52の有効断面積（πD_B ²）を小さく
（πD_P ²＞πD_B ²）、有効直径の比 D_B／D_P＝0.6〜0.8、
例えば と設定すれば、D_B ²＝D_P ²/2となり、吐出流量 に比べて、前記吸込流量はQ_Vは となり、 1/2になり、吸込時と吐出時に同量だけ流入するので、
ベローズに対する負荷が最も小さくなる。第２図は、こ
のように設定した場合の吐出および吸込流量の波形を示
したものである。 （５）さらに、吸込みに掛かる負荷は、往復動ポンプに
おいては、管摩擦抵抗の他に、慣性抵抗が掛かる。 ベローズが無ければ、ポンプの吸込流量は、ｑ＝（π
/4）RD_P ²sinθになる筈であり、吸込配管の内径をｄと
すれば、流速ｖは、となる。 従って、配管内の移送液の加速度αは、 となり、 回転速度一定として、（ｄθ/dt）＝ωとすると、 となり、 吸込配管内に満たされた液の質量をｍとすれば、ポンプ
は吸込時に、 の力を受ける。 ところが、ベローズにより、ポンプの吸込流量は、 （π/8）RD_P ²sinθとなるから、 吸込加速度も、 となり、吸込負荷も となり、半減する。 従って、ベローズに対する負荷が軽くなり、ベローズ
も長寿命となる。また、ベローズには、常に負圧のみが
掛り、正圧は掛からない。このため、ベローズの反転も
生じないので、ベローズはより長寿命となる。 このように、本発明に係る往復動ポンプ100において
は、吐出ならびに吸込の全工程すなわちポンプ作用中の
全期間に亘って移送液が吸込室42内に吸込まれるので、
ベローズ52には吸込室42内の吸込圧に対応する軽微な一
方向の荷重すなわち内圧が常負荷される。したがって、
ベローズに反転応力が負荷される従来のポンプに比例し
て、ベローズ52の寿命が大幅に延長することができ、ま
たこれと同時に、ポンプ流量の脈動率が低下することが
できる。また、ポンプの吸込は２連ポンプ状に行なわれ
るので、吸込配管における最大流速値が低下し、加速度
抵抗が減少することにより吸込性能が更に向上すること
ができる。このため、吸込配管口径は、他の単連の往復
動ポンプに比べて小さくて済み、配管設備費も少なくな
る。また更に、ポンプは高圧作動油を必要としないの
で、構造が簡単となり安価となると共に、作動油が移送
液中に誤って混入されることがない。 第３図に本発明に係る無漏洩往復動ポンプの別の実施
例を示す。本実施例におけるポンプ102は、第１図に示
す実施例におけるポンプ作用室58すなわちポンプ室16,
連通部44およびシリンダ室46の構成と、ならびに吸込弁
10および吐出弁12の配置とを変更したものである。すな
わち、吐出弁12は図においてシリンダ室46の上方に配置
され、ポンプ室は吸込弁室62,連絡部64および吐出室66
から形成され、シリンダ室46は連通部68を介して吐出室
66に連通している。本実施例においても、第１図に示す
実施例におけると同様の作用あるいは効果が確実に達成
される。 第４図に本発明に係る無漏洩往復動ポンプの更に別の
実施例を示す。本実施例におけるポンプ104は、第１図
に示す実施例におけるベローズ52をベローフラム70に変
更したものである。ベローフラム70は、その折返し環状
部70aをピストン48に対してビスを介して液密に取付け
られ、拡開鍔部70bの周縁部をポンプ側ケーシング54に
対して駆動側ケーシング56を介して液密に挾持されてお
り、これにより、ベローフラム70がポンプ内部を液密に
保持している。このような構成において、ベローフラム
70は軽微な内圧を常時負荷されているので、ピストンロ
ッド50の往復動に対応して無理なくスムーズに変位変形
し、吸込室42内の有効容積を比例的に変動する。したが
って、このように構成すれば、第１図あるいは第２図に
示す実施例の場合と同様な作用あるいは効果が達成され
ると共に、ベローズ52と比較して簡単な構造を有するベ
ローフラム70を使用することによる利点が付加される。 以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本
発明はその精神を逸脱することなく多くの設計変更が可
能であることは勿論である。 〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明に係る無漏洩往復動ポン
プは、ポンプ室に対してポンプ作用を行なうピストンの
ピストンロッドを吸込室内に配置し、そしてこのピスト
ンロッドに吸込室内において、移送液をシールする可撓
性シール部材、例えばベローズあるいはベローフラムを
装着することにより、シール部材に働く応力を軽微にす
ると同時に常に一定方向から負荷されるように構成した
ので、反転応力が負荷される従来のシール部材に比較し
て、シール部材の寿命ならびに信頼性が大幅に向上する
ことができる。すなわち、ポンプの無漏洩性が長期に亘
って確実に保証される。また、本発明の往復動ポンプに
おいては、高圧の作動油を必要としないので、構造が簡
単軽量となり低コストと製造し得ると共に、作動油が誤
って移送液中に混入し、重大な事故あるいは損失を引起
す危険がない。更に、本発明の往復動ポンプは、ポンプ
の吸込みが２連ポンプ状に行なわれると共に脈動率が低
下するので、ポンプの吸込性能ならびに定量性を向上す
ることができる。 すなわち、本願発明においては、可撓性シール部材の
有効断面積をピストンの断面積の約1/2に設定すること
により、吐出工程における吸込室内への吸込量と吸込工
程における吸込室内への吸込量とが等しくなり、従って
吸込室内への移送液の吸込量が、吐出並びに吸込みの全
工程に亘って同一となるため、吸込側の液の働きは２連
ポンプのように常に吸込動作を行い、吸込条件の改善が
達成される。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係る無漏洩往復動ポンプの一実施例を
示す断面図、第２図は第１図に示す無漏洩往復動ポンプ
の吐出ならびに吸込流量波形の特性図、第３図は本発明
に係る無漏洩往復動ポンプの別の実施例を示す断面図、
第４図は本発明に係る無漏洩往復動ポンプの更に別の実
施例を示す断面図、第５図は従来のベローズポンプを示
す断面図、第６図は従来の油圧ダイアフラムポンプを示
す断面図、第７図は動作状態を示す概略構成図である。 10…吸込弁、12…吐出弁 16…ポンプ室、40…吸込口 42…吸込室、44…連通部 46…シリンダ室、48…ピストン 50…ピストンロッド、52…ベローズ 54…ポンプ側ケーシング 56…駆動側ケーシング、58…ポンプ作用室 60…吐出口、62…吸込弁室 64…連絡部、66…吐出室 68…連通部、70…ベローフラム 100,102,104…無漏洩往復動ポンプ

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．吸込口と吸込弁との間に設定される吸込室と、吸込
   弁と吐出弁との間に設定されるポンプ室と、シリンダ室
   内に往復動可能に配置されてポンプ作用を行うピストン
   と、ポンプ室とシリンダ室とを連通し移送液で満たされ
   る連通部とを備えた往復動ポンプにおいて、 前記ピストンを駆動するピストンロッドを前記吸込室内
   に挿通配置すると共に、このピストンロッドには前記吸
   込室内において移送液に対してシールするための可撓性
   シール部材を囲繞装着し、さらに前記可撓性シール部材
   の有効断面積をピストンの断面積の約1/2に設定し、 吐出工程において、前記吸込室と可撓性シール部材との
   間の空間は、前記ピストンの一方向の移動により増大し
   て吸込が行われ、 吸込工程において、前記吸込室と可撓性シール部材との
   間の空間は、前記ピストンの他方向の移動により減少す
   るが、移送液が前記連通部を介して前記シリンダ室に移
   送されることにより吸込が行われることを特徴とする無
   漏洩往復動ポンプ。 ２．可撓性シール部材はベローズまたはベローフラムか
   らなる特許請求の範囲第１項に記載の無漏洩往復動ポン
   プ。