(57)【要約】【課題】複数の往復動ポンプを有し、各往復動ポンプの吐出量を合成した合成吐出流量が一定となる無脈動ポンプにおいて、広範囲の運転条件に対応できる。【解決手段】往復動ポンプ１２のプランジャ１６は、吐出開始時に発生する吐出流量の減少を補償するために、吐出期間の前にポンプ室容積を減少させる補償運動を行う。補償運動によるポンプ室容積の補償が適切になされないと、吐出配管３４に脈動が生じる。この脈動を圧力センサ３８で検出する。検出された圧力に基づき、吐出開始時に吐出流量の減少と、補償運動によるポンプ室容積の減少量が等しくなる、つまり脈動が生じなくなるように圧力調整弁３６を調整する。【選択図】図１
2010101170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復運動子の運動によるポンプ室容積の増減によって流体を吸込み、吐出する往復動ポンプを複数備え、個々の往復動ポンプの吐出流量を合計した合成吐出流量が一定となるように往復運動子を運動させる無脈動ポンプであって、
往復運動子は、各往復動ポンプにおける吐出開始時に発生する吐出流量の減少を補償するために、吐出期間の前にポンプ室容積を減少させる補償運動を行い、
さらに、前記補償運動によるポンプ室容積の減少量の過不足による吐出流量の変動を小さくするために、当該無脈動ポンプの吐出配管の圧力を調整する圧力調整機構を有する、
無脈動ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の無脈動ポンプであって、
前記圧力調整機構は、前記吐出配管の圧力を検知する圧力センサと、前記吐出配管に設けられ、前記検知された圧力に基づき開度を調整する圧力調整弁と、を有する、
無脈動ポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載の無脈動ポンプであって、
前記圧力調整機構は、所定期間、前記検知された圧力を取得して、これを記憶し、記憶された圧力の波形から前記ポンプ室容積の減少量の過不足による吐出流量の変動に対応する圧力変動を検知する制御部を有する、
無脈動ポンプ。
【請求項４】
請求項１に記載の無脈動ポンプであって、
前記圧力調整機構は、前記吐出配管に設けられ、上流側の圧力を所定の値に保つ背圧弁を有する、
無脈動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復動ポンプを複数備え、各ポンプの合成吐出流量を一定とする無脈動ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
往復動ポンプは、プランジャなどの往復運動子の往復動により、取扱い流体の吸込み、吐出を交互に繰り返す。よって、往復動ポンプ単体では、流体は脈動をもって吐出される。この脈動をなくすために複数の往復動ポンプを用い、これらの合成した吐出流量を一定とする無脈動ポンプが知られている。
【０００３】
下記、特許文献１には、２個の往復動ポンプであるダイアフラムポンプを用いた無脈動ポンプが示されている。このポンプは、いずれか一方の往復動ポンプのみが取扱い流体を吐出する期間と、双方の往復動ポンプが同時に吐出する期間を繰り返して、流体の吐出を行う。一方のみによる吐出期間においては、一定の流量が吐出されるように往復運動子の運動が制御される。また、双方の往復動ポンプによる吐出期間においては、合成された吐出流量が一定になるように、また前記一方のみの時の流量と等しくなるように、双方のポンプの往復運動子の運動が制御される。
【０００４】
さらに、特許文献１のポンプにおいては、各往復動ポンプの吐出開始初期における流量の減少についても補償するように構成され、更にはこの補償量についても調整可能となっている。吐出開始初期における流量の減少、すなわち容積効率の低下は、往復運動子の機械的な駆動部のがた、作動流体により動力伝達を行う場合の流体中に残留するエア、取扱い流体中の残留エア、エア抜き弁による漏れ、ポンプの吸込側、吐出側に設けられる逆止弁の漏れなどが原因となっている。前記特許文献１のポンプにおいては、吐出期間の開始前に、取扱い流体を吐出する方向に往復運動子を駆動制御する。ただし、このとき実際には取扱い流体は吐出されない。この吐出期間前の往復運動子は、想定される補償量に対して、より以上の吐出量となるように設定されている。そして、補償量の過剰分については、エア抜き弁より作動流体を排出して、補償量が適正なものとなるように調整される。エア抜き弁には、エアと共に排出される作動流体の量を調節する機構が設けられており、ポンプの動作条件に応じて変化する容積効率に対応して排出量が調整される。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１１４１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記公報に記載された無脈動ポンプは、エア抜き弁を利用して補償量の調整をしており、このために調整可能な範囲に限界がある。より広い範囲の運転条件に対応できる補償量の調整機構が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明に係る無脈動ポンプは、複数の往復動ポンプの吐出流量を合計した合成吐出流量が一定となる無脈動ポンプであって、その吐出配管に、この配管の圧力を調整する圧力調整機構を設けたものである。個々の往復動ポンプにおいては、その吐出開始時に発生する吐出流量の減少を補償するために、吐出期間の前にポンプ室容積を減少させる補償運動を、ピストン、プランジャ等の往復運動子に行わせている。吐出開始時に発生する吐出流量の減少は、主に無脈動ポンプの背圧、つまり吐出配管内の圧力により変化する。逆に、吐出配管内の圧力を一定とすれば、前記の吐出流量の減少量も一定となる。したがって、往復運動子の補償運動を、所定の圧力下での吐出流量の減少量を補償するように設定し、吐出配管内の圧力をこの所定の圧力に調整することで、吐出流量の減少量と補償運動によるポンプ室容積の減少量が一致した状態に維持することができる。前記の所定の圧力への調整は、補償運動によるポンプ室容積の減少量の過不足により生じる吐出流量の変動を小さくすることにより達成できる。
【０００８】
圧力調整機構は、吐出配管の圧力を検知する圧力センサと、吐出配管に設けられ前記圧力センサにより検知された圧力に基づき開度を調整する圧力調整弁とを有するようにできる。圧力調整弁の開度を調整することにより、この圧力調整弁の一次側の圧力、すなわち、無脈動ポンプの背圧が調整される。
【０００９】
圧力調整機構は、圧力センサにより検知された吐出配管の圧力を所定期間連続的に取得して、これを記憶する。この記憶された圧力の波形から、ポンプ室容積の減少量の過不足による吐出流量の変動に対応する圧力変動を検知する制御部を有する。
【００１０】
圧力調整機構は、吐出配管に設けられた背圧弁を有するものとすることができる。背圧弁は、これが取り付けられた位置より上流側の圧力を所定の値に保つものであり、これにより無脈動ポンプの背圧が調整される。
【発明の効果】
【００１１】
無脈動ポンプの吐出配管の圧力を調整することにより、各往復動ポンプにおける吐出開始時の吐出流量の減少量と、個々の往復動ポンプの吐出期間前の往復運動子の補償運動によるポンプ室容積の減少量とが相殺されるように維持することができる。この結果、脈動が減少する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係る無脈動ポンプ１０の概略構成を示す図である。無脈動ポンプ１０は、二つの往復動ポンプ１２Ａ，１２Ｂを含む。これらの往復動ポンプ１２Ａ，１２Ｂは同一の構造を有しており、以下において、これらを区別する必要がないときには、符号としてＡまたはＢを省略した「１２」を用いて説明する。往復動ポンプ１２は、シリンダブロック１４と、シリンダブロック１４内を往復運動するプランジャ１６を含み、さらにシリンダブロック１４およびプランジャ１６と共に、閉じた空間であるポンプ室１８を形成するシリンダヘッド２０を含む。プランジャ１６は、モータ２２に駆動されるカム２４により往復運動を行う。この往復運動により、ポンプ室１８の容積変化が生じ、取扱い流体が吸い込まれ、吐出される。
【００１３】
ポンプ室１８には、吸込管２６と吐出管２８が接続されており、これらの管には、それぞれ吸込側逆止弁３０、吐出側逆止弁３２が設けられている。前述のように、カム２４によって制御されるプランジャ１６の往復運動は、ポンプ室１８の容積変化を生じさせる。ポンプ室１８の容積が増加するときには、吸込側逆止弁３０は取扱い流体がポンプ室１８に吸い込まれることを許容し、吐出側逆止弁３２は、吐出管２８からの逆流を阻止するように機能する。ポンプ室１８の容積が減少するときは、逆に、吸込側逆止弁３０が取扱い流体の吸込管２６への逆流を阻止し、吐出側逆止弁３２は吐出管２８への取扱い流体の流れを許容するように作用する。
【００１４】
二つの往復動ポンプ１２Ａ，１２Ｂのそれぞれの吐出管２８Ａ，２８Ｂは、合流し、一つの吐出配管３４となり、下流に延びる。下流には、この無脈動ポンプ１０で送り出された取扱い流体が注入される注入点が位置する。合流した吐出配管３４には、絞り量を調整することができる圧力調整弁３６が設けられ、さらにこの上流側の吐出配管３４に、この配管内の圧力を検出する圧力センサ３８が設けられている。圧力センサ３８の検出した値は、出力信号として制御部４０に送られ、制御部４０においては、検出値に基づいて圧力調整弁３６の開度を調整する。圧力調整弁３６、圧力センサ３８および制御部４０からなる圧力調整機構の動作については、後に詳述する。
【００１５】
図２は、二つの往復動ポンプ１２Ａ，１２Ｂのプランジャ１６Ａ，１６Ｂの速度ｖの時間変化を示す図である。二つのプランジャ１６Ａ，１６Ｂの速度波形は、それぞれ実線と破線で示されており、位相が１８０°ずれているのみで、形状は同一である。流体の吐出において損失がないとすれば、プランジャの速度ｖと吐出流量ｑは比例する。
【００１６】
個々の往復動ポンプ１２の運動は、速度ｖが正である吐出期間Ｐｄと、速度ｖが負である吸込期間Ｐｓと、さらに吐出期間Ｐｄが始まる前の吸込期間Ｐｓとの間の期間である補償期間Ｐｃを繰り返す。吐出期間Ｐｄは、プランジャ１６がポンプ室１８内に進出し、その容積を縮小するように運動し、ポンプ室１８内の取扱い流体を吐出する期間である。また、吸込期間Ｐｓは、プランジャ１６が後退し、ポンプ室１８の容積を拡大するように運動し、ポンプ室１８内に吸込管２６より取扱い流体を吸い込む期間である。補償期間Ｐｃは、吐出期間Ｐｄ初期における吐出量の減少に対応するために設けられた期間であり、プランジャ１６の速度は正であるが、適切に調整された状態においては、この期間における取扱い流体の吐出はない。補償期間Ｐｃについては、後に詳述する。
【００１７】
吐出期間Ｐｄは、さらに一方の往復動ポンプ１２のみで取扱い流体の吐出を行う単独吐出期間Ｐｄ１と、双方のポンプ１２の吐出を合成する合成吐出期間Ｐｄ２とからなる。合成吐出期間Ｐｄ２の合成された吐出流量は、単独吐出期間Ｐｄ１の吐出流量に一致する。この結果、二つの往復動ポンプ１２Ａ，１２Ｂの合成吐出流量は常に一定となる。
【００１８】
図３は、プランジャ１６の速度ｖと、そのプランジャ１６に対応する往復動ポンプ１２の吐出流量ｑの詳細を示す図である。補償期間Ｐｃを設けなかった場合、プランジャ１６の速度ｖは実線で示すように吐出期間Ｐｄの開始と共に増速するが、実際の吐出流量ｑは、破線で示すように吐出期間Ｐｄの開始初期において、吐出しなくなる場合も含め、減少する。このときの吐出量の減少は図中斜線を施した部分の面積Ｓｓに相当する。この減少は、各種の損失によって生じるものであり、無脈動ポンプ１０の無脈動性を阻害する場合がある。また、この吐出量の減少量は、ある程度予想することができるが、当該ポンプの運転条件、ポンプの個体差などから正確に予測することは難しい。
【００１９】
この吐出量の減少を補うために、前述の補償期間Ｐｃが設けられており、このときプランジャ１６は、進出方向に運動し、機械的駆動部分のがた、ポンプ室１８内のエア、逆止弁３０，３２の漏れなどによる損失を埋めるように、あらかじめ取扱い流体に圧力を加える。
【００２０】
この、損失を補償するためのプランジャ１６の運動（以下、補償運動と記す）は、取扱い流体を吐出する方向の運動となるが、このときには吐出は行われない。このときのプランジャ１６の補償運動によって減少するポンプ室１８の容積は、図中に示す台形部分の面積Ｓｃに相当する。このプランジャの補償運動によるポンプ室１８の容積減少分の面積Ｓｃは、理想的には、損失による吐出量の減少量の面積Ｓｓと等しくする。しかし、損失による吐出量減少が生じることはあらかじめ想定されるが、その量（Ｓｓ）は、実際にはポンプの設計時点で見込むことが難しく、またポンプの運転圧力などの運転条件によっても変動する。補償運動によるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）は、プランジャ１６の動き、すなわちカム２４のプロフィールにより与えられるが、このプロフィールを後から変更するのは手間を要し、また運転条件の変化に対応して適宜変更することも困難である。
【００２１】
そこで、本実施形態の無脈動ポンプにおいては、カムプロフィール等ポンプ側の寸法、諸元を変更するのではなく、運転条件、特に無脈動ポンプの背圧、つまり吐出配管３４内の圧力を所定の値に保つように制御する。つまり、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）がポンプ室容積減少量（Ｓｃ）に等しくなるように吐出配管３４内の圧力を調整する。
【００２２】
圧力調整機構の圧力センサ３８は、吐出配管３４内の圧力を検出する。吐出配管３４内の吐出流量に変動が生じると、圧力も同様に変動し、圧力センサ３８はこの変動を検知して制御部４０に出力する。損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）と、補償運動によるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）が等しいと、圧力の変動は生じないが、ポンプ容積減少量（Ｓｃ）が吐出量の減少量（Ｓｓ）を上回ると、補償期間の末期において圧力が上昇する脈動が生じる。図４は、ポンプ室容積減少量（Ｓｃ）が吐出量の減少量（Ｓｓ）を上回った場合のプランジャ速度ｖ、流量ｑ、吐出配管３４内の圧力ｐの時間経過を示すグラフである。図４においては、吐出期間Ｐｄの初期の吐出量減少量（Ｓｓ）に相当する面積を、ポンプ室容積減少量（Ｓｃ）と比較するために、補償期間Ｐｃに斜線を施す領域で示している。ポンプ室容積減少量（Ｓｃ）が吐出量の減少量（Ｓｓ）より多いため、補償期間Ｐｃの末期に、流体が実際に吐出される。このとき、二つの往復動ポンプの合成された吐出流量ｑは、図４の太い実線で示すように凸部を有する波形となる。また、吐出配管３４内の圧力ｐも、凸部を有する脈動波形となる。
【００２３】
制御部４０は、圧力ｐの波形に基づき圧力調整弁３６の制御を行う。すなわち、圧力ｐのベースとなる値ｐ0に対し、脈動である凸部Δｐが検出されると圧力調整弁３６を絞り、これより上流の吐出配管３４内の圧力を上昇させる。ポンプの背圧が高まることにより、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）が増加する（面積Ｓｓが増加する）。制御部４０は、脈動を検出するために、所定の期間の圧力波形を記憶し、この記憶された波形からベース値ｐ0、脈動となる凸部Δｐの検出を行う。
【００２４】
逆に、ポンプ容積減少量（Ｓｃ）が吐出量の減少量（Ｓｓ）より少ないと、吐出期間Ｐｄの初期において、吐出量の減少が生じ、吐出配管３４内に圧力が低下する脈動が生じる。これを、図４と同様に示したのが図５である。ポンプ容積減少量（Ｓｃ）が吐出量の減少量（Ｓｓ）に対し不足すると、吐出期間Ｐｄの初期に合成吐出流量ｑの減少が生じる。これが、図５の太い実線で示す凹部を有する波形となる。同様に、吐出配管３４内の圧力ｐも、凹部を有する脈動波形となる。
【００２５】
制御部４０は、前記凹部を有する脈動波形を検知した場合、圧力調整弁３６を開き、吐出配管３４内の圧力を低下させる。ポンプの背圧が低くなることにより、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）が減少する（面積Ｓｓが減少）。以上により、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）と、補償運動によるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）が等しくなるように、吐出配管３４内の圧力が調整される。
【００２６】
なお、吐出量の減少量（Ｓｓ）とポンプ室容積減少量（Ｓｃ）がほぼ等しくなっている場合、二つの往復動ポンプ１２Ａ，１２Ｂの個体差によって、一方のポンプに関しては吐出量の減少量（Ｓｓ）が大きく、他方のポンプに関してはポンプ室容積減少量（Ｓｃ）が大きくなる場合がある。この場合、圧力センサ３８の出力は、正負の脈動を繰り返す波形となる。制御部４０は、このような波形が送出されてきた場合には、ほぼ目標値に制御されていると判断し、圧力調整弁３６の絞り量を維持する。
【００２７】
圧力調整弁３６を設けたことにより、これより下流、例えば注入点の圧力に影響されることなく、上流側の吐出配管３４内の圧力、すなわち無脈動ポンプ１０の背圧を設定することができる。
【００２８】
前述の実施形態においては、吐出配管３４内の圧力の変動（脈動）に基づき、圧力調整弁３６の開度の調整を行ったが、吐出配管３４内の平均的な圧力に基づき調整を行うことも可能である。具体的には、圧力センサ３８の出力信号を、脈動を除去するためのローパスフィルタを通して制御部に送り、この値が所定の値に維持されるよう圧力調整弁３６の調整を行う。この所定の値は、例えば、あらかじめ試験により求めておいた、脈動がなくなる圧力としてもよい。また、現場において、圧力の変動が小さくなる吐出配管内の圧力を求め、この値に調整されるようにしてもよい。
【００２９】
また、前述の圧力調整機構に換えて、一次側（上流側）の圧力を一定に保つ背圧弁（調圧弁）を設けるようにもできる。この場合、現場において、脈動が生じなくなるように背圧弁を調整し、以後この状態で運転を行うようにする。
【００３０】
また、前述の実施形態においては、２個の往復動ポンプより構成される無脈動ポンプを例示したが、３個以上の往復動ポンプより構成される無脈動ポンプにおいても、前述の圧力調整機構を設けることが可能である。また、プランジャまたはピストンが、直接取扱い流体に接する往復動ポンプではなく、プランジャ等により作動流体を介してダイアフラムを駆動し、このダイアフラムの往復運動（膜運動）により取扱い流体を吐出するダイアフラムポンプより構成される無脈動ポンプにも前述の圧力調整機構を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態の無脈動ポンプの概略構成示す図である。
【図２】プランジャの速度を示す図である。
【図３】損失による吐出量の減少と、この減少量の補償についての説明図である。
【図４】補償運動によるポンプ室容積の減少量（Ｓｃ）に対し、実際の吐出量の減少量（Ｓｓ）が下回る場合のプランジャ速度、吐出流量および吐出配管内の圧力を示す図である。
【図５】補償運動によるポンプ室容積の減少量（Ｓｃ）に対し、実際の吐出量の減少量（Ｓｓ）が上回る場合のプランジャ速度、吐出流量および吐出配管内の圧力を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  無脈動ポンプ、１２  往復動ポンプ、１４  シリンダブロック、１６  プランジャ、１８  ポンプ室、２０  シリンダヘッド、２６  吸込管、２８  吐出管、３４  吐出配管、３６  圧力調整弁、３８  圧力センサ、４０  制御部。
【図１】
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【図２】
2010101170.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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