JP6266541B2 - 強制ガス脱気機能を有する容積型ポンプ - Google Patents

Description

本発明は強制ガス脱気機能を有する容積型ポンプに関し、更に詳しくは、簡単かつ安価に製作可能であるとともに、信頼性の高い脱気機能が得られる容積型ポンプに関する。

本発明は、圧力接続部及び吸引接続部に接続された供給室を備える容積型ポンプに関する。更に、この容積型ポンプは、供給室の容積が小さくなる第一位置と、供給室の容積が大きくなる第二位置との間を前後に移動可能であって、供給室の容積を定める変位要素を有する。通常は、圧力接続部は、圧力弁によって供給室に接続され、吸引接続部は吸込弁によって供給室に接続される。

媒質を供給するために、変位要素は第一位置及び第二位置の間を前後に周期的に移動する。変位要素が第一位置から第二位置へと移動すると、供給室の容積は増加する。その結果、供給室の圧力が低下して、吸引接続部に接続された吸引路の圧力を下回った場合には、吸込弁が開き、供給された媒質は吸引接続部を通じて供給室へ吸引される。変位要素が第二位置から第一位置の方向へと再び移動すると、即ち供給室の容積が減少すると、直ちに供給室の圧力が上昇する。供給される媒質が吸引路に逆流しないように、吸込弁は閉じられる。供給室の圧力が、圧力接続部に接続された圧力路の圧力を超えると、直ちに圧力弁が開き、供給室内の供給媒質を圧力路に圧送することができる。

上記のようなダイアフラムポンプとして構成されている容積型ポンプは、特許文献１に開示されている。

液体、特に次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）などの脱気供給媒質の計量時には、吸引接続部に接続されている吸引路に気泡が発生して、計量ヘッドに吸引される場合がある。供給室内で気泡が発生する可能性もある。例えば週末明けなど、比較的長い間計量が中断されているような場合には、このようなことがよく起こる。吸引接続部が吸引路に、最も簡単な例ではホースとして構成された貯蔵コンテナで終端する吸引路に接続されるため、貯蔵コンテナの交換時には、特にポンプの作動時は、この吸引路は一時的に供給媒質と接続せずに空気を吸引することになる。

振動する供給ポンプの計量ヘッドに過剰なガスが入り込んでいると、戻しバネ、閉体自身の重量及びシステムの圧力に抗して圧力弁を開く封入ガスの容積により、計量ヘッド自身の圧縮率が不十分な場合には、計量工程に不具合が発生する。即ち、供給室のガスの比率が高くなりすぎると、変位要素の第二位置から第一位置への移動に関わらず、供給室において、圧力接続部に接続された圧力弁を開くために十分な圧力上昇が得られない場合がある。これは、液体に比べてガスの圧縮率が高いためである。

変位要素が、圧力弁の開放に十分高い圧力を印加できなくなると、供給媒質は注入されなくなる。言い換えれば、所望の計量ができなくなる。

このような不具合を解消するためには、圧力接続部における逆圧に対する圧縮率を復元する必要がある。供給要素の動きにより蓄積された圧力が、圧力接続部における逆圧に再び到達するよう、非圧縮性媒質と圧縮性媒質との比を再度向上させるように、特定の液体を供給室に導入させることができる。

特許文献１に開示された供給ポンプでは、圧力路から供給室へと液体が再流入可能となり、同時にガスを供給室から逃がすことができるように、一方の供給室と他方の圧力接続部との間に新たな接続部が設けられて間欠的に開放される。これによって圧縮性ガスと非圧縮性液体との比が再び向上し、理想的には供給室において、圧力接続部における逆圧が再び到達可能となる。

しかしながら、上記の解決策は、追加のバイパス路、それを閉じる弁、その弁の起動装置などを備える必要があるため、かなりコストが高くなる。

欧州特許第１５４６５５７Ｂ１号明細書

上記の従来技術に鑑み、本発明の目的は、簡単かつ安価に製作可能であるとともに、信頼性の高い脱気機能が得られる容積型ポンプを提供することであり、これによって故障時間が短縮され、供給工程の信頼性を向上させることができる。

この目的は、圧力弁が閉じると、逆流路が供給室と圧力接続部とを接続することで、供給媒質の流れを圧力路から供給室に戻し、及び/又はガスを供給室から圧力路に逃がすことができるように構成された本発明により達成される。

上記の目的を達成する本発明の容積型ポンプは、特許請求の範囲の請求項１〜５に記載の発明である。
具体的には、本発明の容積型ポンプは、供給室を備える容積型ポンプであって、圧力接続部及び吸引接続部に接続され、変位要素により供給室の容積が定められ、前記変位要素は供給室の容積が小さくなる第一位置と、供給室の容積が大きくなる第二位置との間を前後に移動可能であり、圧力接続部は圧力弁によって供給室に接続され、吸引接続部は吸込弁によって供給室に接続される容積型ポンプにおいて、圧力弁が閉じた状態で、逆流路が供給室と圧力接続部とを接続し、それを通じて媒質が供給室へ流入することができ、及び/又はガスが供給室から逃げることができることを特徴とするものである。

言い換えれば、圧力弁が閉じた状態でも、小さな逆流路が開いていることで、圧力接続部に接続された圧力路から供給室へと供給媒質の流れを戻すことができる。同様に、ガスは供給室から逆流路を通じて圧力接続部に接続された圧力路へ逃ることができる。この逆流路は、媒質の逆流及びガスの排出（脱気）のどちらにも使用される。

このような逆流により、供給室に存在するガスが圧縮され、少なくとも部分的に供給室から排出される。

このような接続は効率を、ひいては容積型ポンプのポンプ機能を低下させることになる。

しかしながら、供給容積に比べて逆流路の形成に起因する供給性能の損失値が小さければ、上記の問題は受け入れられる。

好適な実施形態では、最も狭い箇所に、断面積が０．５ｍｍ²、好適には０．１ｍｍ²、最適には０．０３ｍｍ²より小さな逆流路を設ける。これは、逆流路の存在により、この断面積が小さければ小さいほど、供給性能の損失が小さくなることを示唆している。

一方で逆流路は、圧力接続部に接続された圧力路から供給室へと適量の液体が案内される位置に形成しなければならない。

従って、好適な実施形態では、断面積が０．００５ｍｍ²、より好適には０．０１ｍｍ²、最適には０．０１５ｍｍ²より大きな逆流路を、最も狭い箇所に設ける。上記の値は、逆圧が２０バールまでの低圧ポンプや、水性の供給媒質を使用する場合に特に有利である。逆圧が高い場合、断面積を小さくすると有利である。供給媒質の粘度が高い場合には、断面積を大きくすると有利である。

明確に言うと、試験により、断面積が小さすぎると、不純物によるつまりが頻繁に発生する場合があり、所望の逆流や脱気機能が阻まれることが分かっている。

基本的に、逆流路は任意に配置することができる。この場合、供給室に位置していると想定されるガスを逆流路を介して排出させるように、供給室に接続された逆流路の端部をできるだけ供給室の上方に配置するよう注意すべきである。

好適な実施形態では、逆流路は圧力弁内に配置されているため、コストのかかるバイパス接続部の形成は不要となる。

一般に、圧力弁は弁体と弁座から構成され、弁体は開位置と閉位置との間を前後に移動可能であって、開位置では弁体は弁座と接触せず、供給室は圧力接続部と接続される一方で、閉位置では弁体と弁座が接触する。この弁体は、例えばボールからなり、バネの助力の有無を問わず、弁座に対して押圧される。供給室の圧力が、バネ力と、弁体の重量と、弁体上の圧力路に位置する媒質による力との合計よりも大きい場合には、弁座からボールが押し出されて、一方のボール及び他方の弁座との間に環状の隙間が発生する。供給媒質は、この環状の隙間を通して供給室から圧力路に送出される。

好適な実施形態では、弁座と弁体は、閉位置にてこれらの間に逆流路が形成されるよう構成される。

言い換えれば、一方の供給室及び他方の圧力路との接続部は、弁体が弁座に静止しているときでも、完全に閉じられておらず、小さな逆流路は開かれたままである。

この種の逆流路は、例えば弁座又は弁体に形成される穴により構成することができる。

他の例として、表面が弁座と接している弁体に溝を形成して、この溝によって閉位置の逆流路が形成されるように構成してもよい。

更に別の例においては、あるいはこの組み合わせにおいては、弁座に封入面を設ける際に、閉位置では弁体が封入面と接触し、開位置では封入面と接触しないように配置するとともに、封入面に溝を形成し、この溝により閉位置において供給室と圧力接続部との間に脱気接続部が形成されるように配置してもよい。

既存の容積型ポンプにおいて、対応する溝が弁座の封入面へと案内されることで、上記の実施形態を実施することができる。

この溝の深さは、大きくても０．２ｍｍより小さく、好適には０．１ｍｍより小さく、最適には０．０１〜０．０９ｍｍの範囲であることが示される。

基本的に、この溝の断面は、例えば矩形又は三角形など任意の形状とすることができる。湾曲底部を有する溝にすると、最良の結果が得られることが分かっている。溝の底部の曲率半径は、１ｍｍより小さく、より好適には０．５ｍｍより小さく、最適には０．１５ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲である。

複数の弁を前後一列に配置してもよいことは明らかである。

本発明の容積型ポンプによれば、簡単かつ安価に製作可能であるとともに、信頼性の高い脱気機能が得られる容積型ポンプを提供することができる。

従来技術におけるボール弁を備えた計量ヘッドの断面図である。 本発明の第一の実施形態における弁座の斜視図である。 本発明の第二の実施形態における弁座を示す。 第一の実施形態における弁座の断面図である。

本発明の更なる利点、特徴及び適用性については、好適な実施形態についての以下の説明により明らかにされる。

図１は、従来技術の計量ヘッド５の断面図である。計量ヘッド５は供給室４を備え、その容積は、計量ダイアフラムとして構成されている供給要素３によって固定されている。この計量ダイアフラム３は、両矢印が示すように、二つの位置の間を前後に移動可能であり、供給室４の容積の変更が可能となっている。供給室４は、一方が吸込弁７によって吸引路１に接続可能であり、他方が圧力弁６によって圧力路２に接続可能である。圧力弁６は弁座１０を備え、弁体として構成されているボール８が、バネ要素９によって弁座に押圧される。この構成とは別に、重量の力により弁要素を弁座に対して押圧することも可能である。吸引路に接続されている吸込弁も同様に構成されている。

第一段階において、図１の計量ダイアフラムは右に移動する、即ち供給室４の容積が増加する場合には、吸引路の圧力が供給室の圧力より大きくなるまで、まず供給室の圧力が降下する。そして吸込弁７が開き、供給媒質が吸引路から供給室４へと吸引される。ダイアフラム３の移動方向が逆になる場合には、即ち供給室４の容積が再び減少する場合には、供給室４の圧力が増加し、吸込弁７が閉じることで、供給室４から吸引路１へと供給媒質が押し戻されないよう構成されている。供給室４の圧力が、圧力路の圧力より大きくなると、バネ力９、ボール８自身の重量及び弁座１０からの弁体であるボール上の圧力路にある媒質による力に対してボール８が直ちに押圧され、供給室４及び圧力路２の間に開口部が生じる。この開口部により、供給媒質を供給室から圧力路２へと移送することができる。

計量ダイアフラム３の周期的な移動により、吸引路から圧力路への供給媒質を計量することができる。

空気や他のガスが意図せず吸引路を介して吸引されたり、脱気媒体が供給されたりする場合には、特にポンプの比較的長い故障時間後では、供給室４にガスが発生することがある。

液体と比較して、ガスは圧縮可能なので、計量ダイアフラム３の往復移動においても、供給室４の圧力は急上昇せず、圧力路の逆圧に抗して圧力弁６が開く。このような状況では、供給媒質を供給することができない。

ポンプの機能モードを復元するには、供給室４への供給媒質の再移送又は供給室からのガスの除去が必要である。

本発明にかかる二つの実施形態での弁座１０’、１０’’を、図２及び図３にそれぞれ示す。これらの弁座は、図１に示す弁座１０の位置で使用することができる。これらの弁座は封入面１１、１２を有し、図２に示す第一の実施形態は円錐状の封入面を有し、図３に示す第二の実施形態は球状の封入面を有する。

この弁座の封入面は、弁体８の形状に対応して形成されなければならないことは明らかである。

本発明において、弁座は、好適に封入面の全体に延びる溝１３、１４をそれぞれ有する。封入体８が、弁座１０’、１０’’の封入面１１、１２にそれぞれ静止している時でも、この溝によって逆流路が形成されるため、これを通じて少量の供給媒質の流れが圧力接続部から供給室４に戻り、そこに存在するガスは逃げることができる。

図２及び図３の実施形態において、溝１３、１４は、封入面１１、１２に最短経路で形成されている。しかし、適用に応じて、この溝を例えば螺旋状などの非直接的な経路によって封入面を渡すようにしてもよい。更に、複数の溝を形成することも可能であることは明らかであるが、それらの全てを弁座内に配置する必要はなく、例えば弁体８の外側に配置してもよい。

図４は、図２に示す第一の実施形態の溝１３の断面図である。この溝は、曲率半径ｒの湾曲底部を有し、ｄは溝幅を、ｔは溝の深さを示している。溝幅ｄは、０．１５〜０．５ｍｍの範囲から選択することが好ましい。

１ 吸引路
２ 圧力路
３ 供給要素（軽量ダイヤフラム、ダイヤフラム）
４ 供給室
５ 計量ヘッド
６ 圧力弁
７ 吸込弁
８ ボール（弁体）
９ バネ要素
１０、１０’、１０’’ 弁座
１１、１２ 封入面
１３、１４ 溝

Claims (5)

1. 供給室を備える容積型ポンプであって、圧力接続部及び吸引接続部に接続され、変位要素により前記供給室の容積が定められ、前記変位要素は前記供給室の容積が小さくなる第一位置と、前記供給室の容積が大きくなる第二位置との間を前後に移動可能であり、前記圧力接続部は圧力弁によって前記供給室に接続され、前記吸引接続部は吸込弁によって前記供給室に接続される容積型ポンプにおいて、
   前記圧力弁が閉じた状態で、逆流路が前記供給室と前記圧力接続部とを接続し、それを通じて媒質が前記供給室へ流入することができ、及び/又はガスが前記供給室から逃げることができ、
   前記逆流路の断面積が、最も狭い箇所において、０．００５ｍｍ² よりも大きく且つ０．５ｍｍ ² よりも小さく、
   前記圧力弁が前記逆流路を有し、
   前記圧力弁は弁体及び弁座を有し、前記弁体が前記弁座と接触しないことで前記供給室が前記圧力接続部と接続される開位置と、前記弁体が前記弁座と接触する閉位置との間で前後に移動可能であり、前記弁座又は前記弁体は、前記閉位置において前記弁座と前記弁体との間に前記逆流路が形成されるように構成され、
   前記弁体が前記弁座と接触する面に溝を有し、その溝が前記閉位置で前記逆流路を形成するように配置されており、
   前記溝の深さが、０．２ｍｍよりも小さく、
   前記溝が湾曲底部を有し、その溝底は１ｍｍよりも小さい曲率半径を有する、ことを特徴とする容積型ポンプ。
2. 前記逆流路の断面積が、最も狭い箇所において、０．１ｍｍ ² よりも小さく、最適には０．０３ｍｍ ² よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の容積型ポンプ。
3. 前記弁座は封入面を有し、前記封入面は、前記閉位置において前記弁体と接触し、前記開位置において前記弁体と接触しないように配置され、前記封入面は溝を有し、その溝は前記閉位置において前記供給室と前記圧力接続部との間に脱気接続部を形成するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の容積型ポンプ。
4. 前記逆流路の断面積が、最も狭い箇所において、０．０１ｍｍ ² よりも大きく、最適には０．０１５ｍｍ ² よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の容積型ポンプ。
5. 前記湾曲底部の溝底の曲率半径は、０．５ｍｍよりも小さく、最適には０．１５ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の容積型ポンプ。

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