JP4389354B2 - 密閉式ポンプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部との遮断性に優れた密閉式ポンプ装置に関するものであり、可燃性流体や毒性流体に用いて好適な技術である。
【０００２】
【従来の技術】
密閉式ポンプ装置として、特開平１０−１４８２５８号公報に開示されたベローズ式ポンプが知られている。この密閉式ポンプ装置は、密閉構造のベローズの内部をポンプ室として利用するものであり、ベローズの伸縮による容積変化を利用して作動流体の吸入および吐出を行うものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の密閉式ポンプ装置（ベローズ式ポンプ）では、伸縮に伴う内部応力によってベローズに疲労が蓄積して破損する課題がある。この課題を解決する手段として、前記応力がベローズの疲労限界以下となる範囲で伸縮させる必要がある。つまり、ベローズの全長に対して伸縮量を大きくとることができず、密閉式ポンプ装置の体格が大きくなってしまう。
本発明の目的は、ポンプ能力を高めることで、密閉式ポンプ装置の体格を小型化することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
請求項１の手段を採用することにより、ベローズの１回の伸縮で、作動流体を２回連続吸引するとともに、作動流体を２回連続吐出する。このため、請求項１にかかる密閉式ポンプ装置は、従来に比較してポンプ能力が高く、密閉式ポンプ装置の体格を従来に比較して小型化することができる。
【０００８】
具体的に、請求項１の手段を採用することにより、第１ベローズが縮む際（この時、第２ベローズが伸びる）、ピストンによって区画されたシリンダ内における第１ベローズ側のポンプ室が作動流体の吸引を行い、第２ベローズ側のポンプ室が作動流体の吐出を行う。続いて、第１ベローズが伸びる際（この時、第２ベローズが縮む）、ピストンによって区画されたシリンダ内における第１ベローズ側のポンプ室が作動流体の吐出を行い、第２ベローズ側のポンプ室が作動流体の吸引を行う。
つまり、ベローズの１回の伸縮で、作動流体を２回連続吸引するとともに、作動流体を２回連続吐出する。このため、従来に比較してポンプ能力が高く、密閉式ポンプ装置の体格を従来に比較して小型化することができる。
【０００９】
また、請求項１の手段を採用して、第１ベローズおよび第２ベローズの内部に非圧縮流体が封入されることにより、２つのベローズ内における容積変化を確実にピストンに伝えることができ、ピストンの往復駆動を効率的に行うことができる。
【００１０】
さらに、請求項１の手段を採用して、ピストンと軸受部材の間が小径のベローズに覆われて、軸部材がシリンダ内のポンプ室と隔離して設けられることにより、軸部材と軸受部材の間から非圧縮流体がシリンダ内のポンプ室側へ例え漏れたとしても、その漏れた非圧縮流体は、小径のベローズによって内部に封入される。このため、ベローズ内に封入された非圧縮流体がポンプ室内に流入して作動流体に混入する不具合を確実になくすことができる。
【００１１】
〔請求項２の手段〕
請求項２の手段を採用することにより、軸部材がシリンダ内のポンプ室とは異なる側に摺動する際に、楔溝内の非圧縮流体がベローズ内に戻される。このため、ベローズ内に封入された非圧縮流体がポンプ室内に流入して作動流体に混入する不具合を抑えることができる。
【００１２】
〔請求項３の手段〕
請求項３の手段を採用することにより、シリンダの内部でピストンが摺動しないため、摺動によって発生する摺動粉が作動流体に混入する不具合がない。
【００１３】
〔請求項４の手段〕
請求項４の手段を採用することにより、シリンダ内においてピストンの両側に形成される２つのポンプ室間の圧力が、ピストンの外周面に設けた溝によって分断されるため、２つのポンプ室間の圧力差が確保でき、２つのポンプ室間における流体の内部漏れを抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、参考例、実施例、および変形例を用いて説明する。
〔第１参考例〕
図１は密閉式ポンプ装置の断面図である。この密閉式ポンプ装置は、大別して、ポンプユニット１と駆動機構２から構成される。なお、ポンプユニット１は、例えば、水素供給用ポンプに用いられるものであり、水素を透過せず、破毒性および耐久性に優れた金属材料（例えばＳＵＳ３１６２よりなるステンレス）によって構成されるものである。
【００１５】
ポンプユニット１は、筒状を呈したシリンダ３と、このシリンダ３内を往復動するピストン４と、このピストン４の両側に設けられた第１、第２軸部材５、６と、シリンダ３の端部に固定された第１、第２軸受部材７、８と、この第１、第２軸受部材７、８の外面に固定された第１、第２ベローズ９、１０から構成される。
【００１６】
シリンダ３は、円筒形状を呈するものであり、その内部にはピストン４によって区画される第１、第２ポンプ室１１、１２が形成されている。また、シリンダ３には、第１、第２ポンプ室１１、１２のそれぞれに作動流体を導くための吸入口１３、および第１、第２ポンプ室１１、１２内で圧縮された作動流体をシリンダ３の外部へ吐出するための吐出口１４が設けられている。
吸入口１３には、吸入口１３に接続された流体流入手段からシリンダ３内のみに作動流体を流す一方向弁である吸入弁１５（弁手段に相当する）が設けられている。また、吐出口１４にも、シリンダ３内から、吐出口１４に接続された流体流出手段のみに作動流体を流す一方向弁である吐出弁１６（弁手段に相当する）が設けられている。なお、吸入弁１５および吐出弁１６は、リード弁あるいはチェック弁など、周知の一方向弁を用いたものである。
【００１７】
ピストン４は、シリンダ３の内部で往復動して、ピストン４で区画される第１、第２ポンプ室１１、１２内の容積を変化させるものであり、ピストン４の外径寸法はシリンダ３の内径寸法よりも僅か（例えば、１０μ〜１０００μほど）に小さく設けられている。そして、このピストン４は、両端に設けられた第１、第２軸部材５、６の摺動によって軸方向へ往復動自在に支持されるものであり、ピストン４の外周面がシリンダ３の内周面に摺接しないように設けられている。このように設けられることにより、摺動によって発生する摺動粉が作動流体に混入する不具合がない。
【００１８】
第１、第２軸部材５、６は、円柱棒状を呈するものであり、ピストン４の両側の中心部分において、ピストン４と一体、あるいはピストン４に固定されたものである。第１、第２軸部材５、６の外周面は、第１、第２軸受部材７、８によって軸方向へ摺動自在に支持されるものであり、第１、第２軸部材５、６の端面は、第１ベローズ９あるいは第２ベローズ１０の伸縮による容積変化に伴う圧力変化を受けるものである。
【００１９】
第１ベローズ９は、軸方向へ弾性的に伸縮する蛇腹状の筒形を呈したものであり、この第１ベローズ９の伸縮による容積変化を利用してピストン４を往復駆動させるものである。第１ベローズ９は、図示左側端部が駆動端であり、図示右側端部が固定端である。
第１ベローズ９の駆動端には、円盤状の第１キャップ１７がろう付けや溶接等の接合技術によって接合されており、第１キャップ１７の受ける往復動によって第１ベローズ９の駆動端が往復駆動される。
第１ベローズ９の固定端は、ろう付けや溶接等の接合技術によって第１軸受部材７に接合されている。
そして、第１ベローズ９、第１キャップ１７、第１軸受部材７および第１軸部材５の端面に囲まれたスペースによって第１作動室１８が形成され、その容積変化によって第１軸部材５を介してピストン４を往復駆動するものである。なお、第１作動室１８、および後述する第２作動室２０の内部には、不活性ガスなどの圧縮性流体が封入されたものである。
【００２０】
第２ベローズ１０も、第１ベローズ９と同様、軸方向へ弾性的に伸縮する蛇腹状の筒形を呈したものであり、この第２ベローズ１０の伸縮による容積変化を利用してピストン４を往復駆動させるものである。第２ベローズ１０は、図示右側端部が駆動端であり、図示左側端部が固定端である。
第２ベローズ１０の駆動端には、円盤状の第２キャップ１９がろう付けや溶接等の接合技術によって接合されており、第２キャップ１９の受ける往復動によって第２ベローズ１０の駆動端が往復駆動される。
第２ベローズ１０の固定端は、ろう付けや溶接等の接合技術によって第２軸受部材８に接合されている。
そして、第２ベローズ１０、第２キャップ１９、第２軸受部材８および第２軸部材６の端面に囲まれたスペースによって第２作動室２０が形成され、その容積変化によって第２軸部材６を介してピストン４を往復駆動するものである。
【００２１】
ここで、第１キャップ１７を含む第１ベローズ９、第１軸受部材７および第１軸部材５によって、第１ベローズ９の伸縮による容積変化をピストン４の駆動ストロークに変換する第１変換手段が構成されるものであり、第２キャップを含む第２ベローズ１０、第２軸受部材８および第２軸部材６によって、第２ベローズ１０の伸縮による容積変化をピストン４の駆動ストロークに変換する第２変換手段が構成されるものである。
【００２２】
第１、第２軸受部材７、８は、シリンダ３の両端に固定されたものであり、上述したように、第１ベローズ９あるいは第２ベローズ１０の内部と、シリンダ３の内部とを区画するとともに、第１、第２軸部材５、６を軸方向へ摺動自在に支持するものである。
また、第１、第２軸受部材７、８は、第１、第２ベローズ９、１０の内部に生じる死容積を埋め、第１、第２作動室１８、２０内の圧縮比を向上させる役割を果たすものであり、軸受けを兼ねる円柱ボス部が死容積を埋めるように配置されている。
【００２３】
次に、駆動機構２を説明する。なお、ポンプユニット１は、第１ベローズ９を圧縮することにより第２ベローズ１０が伸び、逆に第２ベローズ１０を圧縮することにより第１ベローズ９が伸びる構造であるため、駆動機構２は、第１、第２キャップ１７、１９を交互に押圧する第１、第２カム２１、２２（カム手段に相当する）を用いたものである。
【００２４】
駆動機構２は、第１、第２ベローズ９、１０を伸縮させる手段であり、駆動力を発生させるための電動モータ２３（外部動力発生手段）を備える。この電動モータ２３の出力シャフト２４の先端には、出力シャフト２４の回転に応じて第１キャップ１７を押圧する第１カム２１が取り付けられている。
また、出力シャフト２４の付け根部分には、駆動プーリ２５が取り付けられており、タイミングベルト２６を介して出力シャフト２４の回転が従動プーリ２７に伝えられる。この従動プーリ２７と一体に回転する従動シャフト２８の先端には、従動シャフト２８の回転に応じて第２キャップ１９を押圧する第２カム２２が取り付けられている。
ここで、駆動プーリ２５と従動プーリ２７の回転比は１：１であり、第１カム２１と第２カム２２が交互に第１キャップ１７と第２キャップ１９を押圧するように設けられている。
【００２５】
電動モータ２３が作動すると、出力シャフト２４および従動シャフト２８の回転に伴って第１、第２カム２１、２２が交互に第１キャップ１７と第２キャップ１９を押圧する。 第１カム２１が第１キャップ１７を押圧して第１ベローズ９が縮むと、第１作動室１８内が圧縮され、ピストン４が図示右側へ駆動される。すると、第１ポンプ室１１の容積が拡大し、第１ポンプ室１１が作動流体の吸引を行うとともに、第２ポンプ室１２の容積が減少し、第２ポンプ室１２が作動流体の吐出を行う。この時（ピストン４が図示右側へ駆動された時）、第２軸部材６が第２作動室２０内を圧縮するため、第２ベローズ１０が伸びる。
【００２６】
続いて、第２カム２２が第２キャップ１９を押圧して第２ベローズ１０が縮むと、第２作動室２０内が圧縮され、ピストン４が図示左側へ駆動される。すると、第１ポンプ室１１の容積が減少し、第１ポンプ室１１が作動流体の吐出を行うとともに、第２ポンプ室１２の容積が拡大し、第２ポンプ室１２が作動流体の吸引を行う。この時（ピストン４が図示左側へ駆動された時）、第１軸部材５が第１作動室１８内を圧縮するため、第１ベローズ９が伸びる。
つまり、第１キャップ１７と第２キャップ１９を交互に連続して押圧駆動することで、第１ベローズ９と第２ベローズ１０が交互に連続作動し、２つの吸入口１３から交互に作動流体を吸引するとともに、２つの吐出口１４から交互に作動流体を吐出する。
【００２７】
上記で示したように、密閉式ポンプ装置は、ベローズの１回の伸縮で、作動流体を２回連続吸引するとともに、作動流体を２回連続吐出する。これによって、従来のベローズ式ポンプに比較してポンプ能力が高くなり、密閉式ポンプ装置の体格を従来に比較して小型化することができる。
また、密閉式ポンプ装置は、ベローズの１回の伸縮で、１８０度位相のずれた作動流体の吸引を行うとともに、１８０度位相のずれた作動流体の吐出を行うものであり、作動流体の吸引および吐出の脈動が従来よりも平均化される。
さらに、密閉式ポンプ装置は、シリンダ３とピストン４との間に微細なクリアランスが保たれるため、第１、第２ポンプ室１１、１２内に摺動部がなく、摺動に伴う摺動粉が第１、第２ポンプ室１１、１２内で発生しない。このため、摺動粉が作動流体に混入して作動流体を汚染する不具合がない。
【００２８】
〔第２参考例〕
第２参考例に示すポンプユニット１は、図２に示すように、第１、第２ベローズ９、１０の内部の第１、第２作動室１８、２０にオイル等の非圧縮流体を充填して封入したものである。
このように設けることにより、第１、第２ベローズ９、１０内の容積変化を確実にピストン４に伝えることができ、ピストン４の往復駆動を効率的に行うことができる。
【００２９】
〔第３参考例〕
第３参考例に示すポンプユニット１は、図３に示すように、第１、第２軸受部材７、８の摺動面に、第１、第２ポンプ室１１、１２とは異なる側に広がる楔形状を呈した楔溝３１を複数設けたものである。
このように設けることにより、第１軸部材５が第１ポンプ室１１とは異なる側へ摺動する際、楔溝３１内に浸入した非圧縮流体が第１作動室１８内に戻されるため、オイル等の非圧縮流体が第１ポンプ室１１内に流入する不具合が抑制される。
同様に、第２軸部材６が第２ポンプ室１２とは異なる側へ摺動する際、楔溝３１内に浸入した非圧縮流体が第２作動室２０内に戻されるため、オイル等の非圧縮流体が第２ポンプ室１２内に流入する不具合が抑制される。
このように、第１、第２軸受部材７、８の摺動面に楔溝３１を設けたことにより、オイル等の非圧縮流体が第１、第２ポンプ室１１、１２内に流入する不具合が抑制されるため、非圧縮流体が作動流体に混入して作動流体を汚染する不具合が抑制される。
【００３０】
〔第１実施例〕
第１実施例に示すポンプユニット１は、図４に示すように、第１軸部材５におけるピストン４と第１軸受部材７の間が樹脂製の第１小径ベローズ３２に覆われて、第１軸部材５が第１ポンプ室１１内と隔離して設けられたものであり、また、第２軸部材６におけるピストン４と第２軸受部材８の間も樹脂製の第２小径ベローズ３３に覆われて、第２軸部材６が第２ポンプ室１２内と隔離して設けられたものである。
【００３１】
このように設けることにより、第１軸部材５と第１軸受部材７の間から非圧縮流体がシリンダ３側へ例え漏れたとしても、その漏れた非圧縮流体は、第１小径ベローズ３２によって内部に封入される。
同様に、第２軸部材６と第２軸受部材８の間から非圧縮流体がシリンダ３側へ例え漏れたとしても、その漏れた非圧縮流体は、第２小径ベローズ３３によって内部に封入される。
このように、第１、第２軸部材５、６の周囲に第１、第２小径ベローズ３２、３３を設けたことにより、オイル等の非圧縮流体が第１、第２ポンプ室１１、１２内に流入する不具合がなく、非圧縮流体が作動流体に混入して作動流体を汚染する不具合を確実になくすことができる。
【００３２】
〔第２実施例〕
第２実施例に示すポンプユニット１は、図５に示すように、ピストン４の外周面には、周方向に沿う溝３４が複数設けられたものである。
このように設けることにより、第１ポンプ室１１の圧力と、第２ポンプ室１２の圧力差が、複数の溝３４によって分断されるため、第１、第２ポンプ室１１、１２間の圧力差が確保でき、第１、第２ポンプ室１１、１２間における流体の内部漏れを抑えることができる。このように、第１、第２ポンプ室１１、１２間における流体の内部漏れが抑えられるため、ポンプ効率を向上できる。
【００３３】
〔変形例〕
上記では、本発明を水素供給用ポンプに適用した例を示したが、例えば水素以外の可燃性ガス、毒性ガス等の気体圧送用ポンプや、可燃性液体、毒性液体等の液体圧送用ポンプに適用しても良い。
上記では、カムによって第１、第２ベローズ９、１０を駆動する例を示したが、クランク等を用いて回転運動を往復運動に変換して第１、第２ベローズ９、１０を駆動するように設けても良い。
上記では、ポンプユニット１の材質として、金属を用いた例を示したが、ポンプユニット１の構成部材の一部、あるいは全部を樹脂やゴムを用いて構成しても良い。つまり、例えば、適用される作動流体に応じて、第１、第２ベローズ９、１０を樹脂やゴムを用いて構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 密閉式ポンプ装置の断面図である（第１参考例）。
【図２】 ポンプユニットの断面図である（第２参考例）。
【図３】 ポンプユニットの断面図である（第３参考例）。
【図４】 ポンプユニットの断面図である（第１実施例）。
【図５】 ポンプユニットの断面図である（第２実施例）。
【符号の説明】
１ ポンプユニット
２ 駆動機構（ベローズを伸縮させる手段）
３ シリンダ
４ ピストン
５ 第１軸部材
６ 第２軸部材
７ 第１軸受部材
８ 第２軸受部材
９ 第１ベローズ
１０ 第２ベローズ
１１ 第１ポンプ室
１２ 第２ポンプ室
１５ 吸入弁（弁手段）
１６ 吐出弁（弁手段）
２１ 第１カム（カム手段）
２２ 第２カム（カム手段）
２３ 電動モータ
３１ 楔溝
３２ 第１小径ベローズ
３３ 第２小径ベローズ
３４ 周方向に沿う溝

Claims (4)

1. 互いに対向配置された２つのベローズの伸縮による該ベローズ内部の容積変化を、シリンダ内に配置されたピストンの駆動ストロークとすることで該ピストンを両側から往復駆動し、そのピストンの往復駆動に伴う前記シリンダ内の容積変化によって、作動流体の吸引と圧送を行う密閉式ポンプ装置において、
   この密閉式ポンプ装置は、
   （ａ）筒状を呈した前記シリンダと、
   （ｂ）このシリンダの内部で往復動自在に配置された前記ピストンと、
   （ｃ）前記シリンダの一端側に配置され、軸方向に弾性的に伸縮する蛇腹状の筒形を呈した第１ベローズと、
   （ｄ）前記シリンダの他端側に配置され、軸方向に弾性的に伸縮する蛇腹状の筒形を呈した第２ベローズと、
   （ｅ）前記ピストンの両側に設けられ、前記第１ベローズあるいは前記第２ベローズの伸縮による容積変化を受けるとともに、前記ピストンを前記シリンダ内で往復動可能に支持するための軸部材と、
   （ｆ）前記シリンダの両端に設けられ、前記第１ベローズあるいは前記第２ベローズの内部と前記シリンダの内部とを区画するとともに、前記軸部材を軸方向へ摺動自在に支持する軸受部材と、
   （ｇ）前記シリンダの両側に設けられ、そのシリンダ内の容積変化により作動流体をこのシリンダ内のみに導く一方向弁である吸入弁と、
   （ｈ）前記シリンダの両側に設けられ、そのシリンダ内の容積変化により作動流体をシリンダの外部のみに吐出させる一方向弁である吐出弁とを具備し、
   前記第１ベローズおよび前記第２ベローズの内部には、非圧縮流体が封入され、
   前記軸部材は、前記ピストンと前記軸受部材の間が小径のベローズに覆われて前記シリンダ内のポンプ室と隔離して設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
2. 請求項１の密閉式ポンプ装置において、
   前記軸部材が軸方向へ摺動する前記軸受部材の摺動面には、前記シリンダ内のポンプ室とは異なる側に広がる楔形状を呈した楔溝が設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
3. 請求項１または請求項２の密閉式ポンプ装置において、
   前記ピストンと前記シリンダとの間には、微細なクリアランスが形成されていることを特徴とする密閉式ポンプ装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかの密閉式ポンプ装置において、
   前記ピストンの外周面には、周方向に沿う溝が設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。

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