(57)【要約】【課題】            液化ガスのような気体を発生しやすい液体を圧送する際、吐出流体の脈動をなくし、ベーパーロックを防ぐ往復動ポンプの提供を目的とする。【解決手段】        液体用竪型往復動ポンプにおいて、シリンダー下部に加圧室、上部にピストンを備え、加圧室下部に吸入口を、ピストン中央部に吐出口を設け、シリンダー内のピストンロッドの水平断面積を加圧室の水平断面積の１／２として、シリンダー内上部に流体吐出室を設け、前記吐出口を前記流体吐出室と導通し、該流体吐出室のピストン上死点より上に設けた流体出口から流体を吐出し、好ましくは加圧室内での流体が往復動軸中心付近を集中して通り、ピストンの往復動速度を一定とした往復動ポンプ。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体用竪型往復動ポンプにおいて、シリンダー下部に加圧室、上部にピストンを備え、加圧室下部に吸入弁を備えた吸入口を、ピストンヘッド中央部に吐出弁を備えた吐出口を設け、加圧室内部における吸込み流路と吐出流路がピストン往復動軸のほぼ中心線上にあり、シリンダー内のピストンロッドの水平断面積を加圧室の水平断面積の１／２とし、シリンダー内上部のシリンダーとピストン軸の作る空間を流体吐出室とし、吐出口と流体吐出室とを導通し、加圧室から吐出口を通りピストン中央部に設けた流路を通ってピストンロッド外周からいったん流体吐出室に吐出した流体を、流体吐出室のピストン上死点より上部に設けた流体出口から排出する往復動ポンプ。
【請求項２】
加圧室を形成するピストンヘッド面の形状が漏斗状であり、加圧室底面がピストン下死点においてピストンヘッド面と密接する形状である請求項１に記載の往復動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復動ポンプに関し、さらに詳しくは、液化ガスのような気体を発生し易い液体を圧送する際、ポンプ室内のガスを速やかに排出し、脈動を押さえた液体用竪型往復動ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体、特に液体を高圧で吐出するためには、往復動ポンプが使用されている。この往復動ポンプは、シリンダー内に液体を吸い込み、シリンダー内でピストンを外部からの動力源により駆動し、シリンダー内部の液体をピストンで加圧し、高圧にして吐出する構造である。竪型ポンプ、横型ポンプ、多段ポンプなど各種形式のものがあるが、いずれもピストンの往復動にしたがって、吸入工程と吐出行程とが交互にあり脈動が発生する。一般に、液体用の往復動ポンプにおいては、吐出圧力に変動のないいわゆる無脈動のものが理想的である。シリンダーの数を多くして吐出圧力の脈動を平準化することができるが、設備が大型化、複雑化しコストが高くなるという欠点がある。他の脈動防止方法としては、吐出側にアキュムレータなどを設けて圧力や流量を制御する方法もとられている。しかし、この方法は、付加的な設備を必要とし好ましいものではない。
【０００３】
そこで、特許文献１には、シリンダーの加圧室をピストンのピストン先端側とピストンロッド側の両方に設け、吐出量の安定化を図っている往復動ポンプの発明が開示されている。また、特許文献２には、さらに３室の加圧室を設けた往復動ポンプが開示されている。特許文献３には、予備加圧室と本加圧室を設け、シリンダー側を往復動させる往復動ポンプが開示されている。これらの往復動ポンプはある程度脈動を抑えることができるが、ポンプ構造が複雑であったり、吸入、吐出の配管が複雑であったりして製作上も運転上も難点があった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２０２０５１号公報
【特許文献２】特開２００３−３９６６号公報
【特許文献３】特開平９−１５８８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、脈動をほとんど押さえ、加圧室内に存在する、あるいは加圧室内で発生する気体をシリンダー外へ効率よく排出し、吐出流量や吐出圧力を安定化することができる往復動ポンプを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための発明は、液体用竪型往復動ポンプにおいて、シリンダー下部に加圧室、上部にピストンを備え、加圧室下部に吸入弁を備えた吸入口を、ピストンヘッド中央部に吐出弁を備えた吐出口を設け、加圧室内部における吸込み流路と吐出流路がピストン往復動軸のほぼ中心線上にあり、シリンダー内のピストン軸の水平断面積を加圧室の水平断面積の１／２とし、シリンダー内上部のシリンダーとピストンロッドの作る空間を流体吐出室とし、吐出口と流体吐出室とを導通し、加圧室から吐出口を通りピストン中央部に設けた流路を通ってピストンロッド外周からいったん流体吐出室に吐出した流体を、流体吐出室のピストン上死点より上部に設けた流体出口から排出する往復動ポンプである。好ましくは、加圧室を形成するピストンヘッド面の形状が漏斗状であり、加圧室底面がピストン下死点においてピストンヘッド面と密接する形状である請求項１に記載の往復動ポンプである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の往復動ポンプは、ピストンが上死点と下死点にあるとき以外は、常に流体吐出状態にあり脈動が抑制されている。また、本発明の往復動ポンプは、竪型ポンプであり加圧室最上部に吐出口が配置されているので、加圧室に存在する気体は容易に加圧室外へ排出される。これにより、ポンプのガスロックや吐出量低下を抑止することができる。さらには、加圧室内に存在する気体の断熱圧縮により生ずる加熱が防がれ、温度上昇により気化しやすい液化ガス等の液体用ポンプとしてポンプ効率の向上、運転性能の向上など優れた効果を発揮する。さらに、間接的な効果として、脈動対策としてのアキュムレータの小型化または省略が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の往復動ポンプを、図１に従って説明する。図１は本発明の往復動ポンプの一例の説明用断面図であり、ａ図はピストンが下降中で下死点寸前の状態である。ｂ図は、ピストンが上昇中で上死点寸前の状態である。本発明の往復動ポンプは、通常見られる竪型往復動ポンプと同様、シリンダー１の下部に加圧室３があり、ピストン２は上部から連結しているピストンロッド７により往復動する構造である。本発明の往復動ポンプは、流体の吸入口５を加圧室３の下部に設けており、通常は、加圧室底面１１の中央部に設ける。流体吸入時に吸入口５から加圧室３に吸入された流体が、迅速にまんべんなく加圧室全体に流入できるからである。特に、ピストン下死点での加圧室３の空隙を減らすため、ピストンヘッド面１０と加圧室底面１１の形状を揃え密接性をよくした場合、ピストン２の上昇しはじめに流体が加圧室中心に流入しやすい構造であり、加圧室の一部に圧力低下部分が起き気体が発生した場合にシリンダー壁近傍に残留することを防ぐ構造であることが重要である。
【０００９】
ピストン２の中央部には流体の吐出口６を設けてある。吐出口６をピストン２の中央部に設けてあるのは、ピストン２は加圧室の最上部にあり、何らかの理由で気液分離して加圧室３に存在する気体は液体より軽いので加圧室上部に移動し、ポンプの加圧工程において加圧室３から吐出口６を通り優先的に排出されるためである。特に、吐出口６がピストン中央部にあり、ピストンヘッド面１０が上に凹な漏斗状になっていれば、加圧室３の気体は一段と吐出口６付近に集まりやすく、シリンダー壁付近に気体の残留がなく上記効果が最もよく発揮される。なお、液体ポンプにおいて、気体が加圧室に残り、圧縮膨張を繰り返すことはポンプの効率を悪くするだけでなく、ガスロックと言われる圧縮不足による空引き状態を起こしたり、断熱圧縮熱を発生しポンプの破壊を招くこともある。ポンプ破壊までは行かなくとも、ポンプの温度上昇により、流体である液体が気化しやすくなり、さらに気体が発生しガスロックの原因となることがある。
【００１０】
本発明の往復動ポンプは、通常のポンプ同様、加圧室３の流体吸入口５と吐出口６には逆止弁１４、１５が設けられ、ピストン２の往復動に合わせて流体の吸入、吐出が成されるような構造になっている。図１においてはピストンが上昇している状態を想定しているので、逆止弁１４は開状態、逆止弁１５は閉状態を表している。すなわち、加圧室３には液体が流入している状態、吸入工程である。逆止弁１４，１５は、図では重力を利用した独楽状の弁およびボール弁を示している。逆止弁は、通常用いられるどのようなタイプの逆止弁でもよい。例えば、板状の弁を用いたり、重力によらずバネのような弾性体の力を利用した弁などでもよい。
【００１１】
本発明の往復動ポンプは、ピストン２に設けられた吐出口６は、シリンダー上部、すなわちピストンロッド側に設けられた流体吐出室４に導通している。吐出口６から吐出された流体は、いったん流体吐出室４に導かれ、流体吐出室４上部に設けた流体出口８から流出していく構造となっている。流体出口８は、ピストン２の上死点においても流体吐出室４がポンプ外への流体流出部１３と導通しているよう、ピストン上死点より上部に設けてある。
【００１２】
ｂ図に示すような加圧室３の吸入工程においては、ピストン２が上昇しており吐出口６は閉止しており流体吐出室４の流体は流体出口８から流出するのみである。シリンダー内側すなわち加圧室３の水平断面積をＡとしたとき、ピストンロッド７の水平断面積をＡ／２となるようにする。流体吐出室４の水平断面積は、シリンダー内側の水平断面積からピストンロッド７の水平断面積を除いたものであるから、流体吐出室４の水平断面積もＡ／２となる。ここで、ピストンの上昇速度をＲとすると、流体の流体出口８からの流出速度は（Ａ×Ｒ）／２として表される。なお、同時に加圧室３には、Ａ×Ｒの流入速度で流体が流入している。なお、それぞれの水平断面積とはピストン２の往復動軸にそれぞれ垂直な断面の面積である。ピストンロッド７の水平断面積をシリンダー内側の水平断面積の１／２とするには、例えば、ピストンロッド７の直径をｄとしたとき、シリンダー１の内径Ｄに対しｄ=Ｄ／２１／２とすればよい。
【００１３】
ａ図に示すように加圧室３が圧縮工程であるときは、ピストン２が上から下へ降下しており、加圧室３から吐出口６を経て流体が流体吐出室４に流入してくる。その流入速度は、上記同様、加圧室３の水平断面積をＡとし、ピストンの下降速度をＲとするとＡ×Ｒとして表される。一方、加圧室３の圧縮工程においては、シリンダー上部の流体吐出室４はピストン２の降下とともにその容積が増加する。流体吐出室４の容積増加速度は、（Ａ×Ｒ）／２で表される。流体が液体である場合は圧力による容積の変化はほとんどないので、流体吐出室４に滞留しないで流体出口８から流出する流体の流出速度は、加圧室３からの流体流入速度から流体吐出室４の容積増加速度を差し引いた残りであり、（Ａ×Ｒ）−（Ａ×Ｒ）／２＝（Ａ×Ｒ）／２で表される。すなわち、本発明の往復動ポンプは、ピストンが上死点と下死点で停止した瞬間を除いて、ピストンの上昇、下降どちらでもピストンの往復動速度に比例する速度（Ａ×Ｒ）／２で加圧流体を供給することができる。
【００１４】
ピストンの上昇速度、下降速度を一定となるよう制御してやれば、本発明の往復導ポンプは、ピストンが上死点と下死点で停止した瞬間を除いて、ピストンの上昇、下降どちらでも一定の流速（Ａ×Ｒ）／２で流体を供給することができ、ほとんど脈動がなく一定の流量を供給する往復動ポンプとなる。ピストンの往復動速度を一定とする動力装置は、どのようなものでもよいが、例えば、作動流体供給量一定の油圧シリンダー、空圧シリンダーなどを用い反転時間を短くすればよい。
【００１５】
次に、加圧室３の気体排出機構の改善について説明する。加圧室上部のピストン２の中央部に吐出口６を設けることにより、加圧室３に存在する気体は、上述のように流体吐出工程の最初に排出されるが、気体の一部がピストンヘッド面１０の外周部周辺に付着してしまい排出されない場合がある。これを防ぐために、ピストンヘッド面１０の形状を漏斗状とすることが有効である。漏斗状とは、ピストンヘッド面１０が外周部から中心部へ向かって窪んでおり、ピストン２を上下逆にすればピストンヘッド面１０が、漏斗としての機能を発揮できピストンヘッド面１０に注がれた液体を吐出口６付近に集めることができる構造である。漏斗状とは、上述のようにピストンヘッド面１０が外周部から中心部へ向かって上昇しておればよいのであって、上昇の傾斜が直線的である必要はない。例えば、半球型、ドーム型などでもよい。また、円周方向について水平である必要もない。ピストンヘッド面外周部に存在する気体が、その比重差による上昇力によりピストンヘッド面１１中心部の吐出口６付近に集まるような傾斜を持つ構造であればよい。本発明のポンプは、気体が常に先に排出される構造なのでポンプ起動時の立ち上がりがよく、トリップなどの事故も起こりにくい。
【００１６】
加圧室底面１１は、ピストンの下死点においてピストンヘッド面１０と密接する形状とすることで、ピストンの下死点でのデッドスペースを最少とすることができ、ポンプとしての効率が向上する。なお、吸入口５の容積も逆止弁機能発揮および流体吸入量の確保ができる範囲で小さくすることがデッドスペース最少化の観点からは望ましい。また吸入口５の逆止弁１４は、弁の中央に流路があり加圧室３の底部中央に流体が流入する構造が望ましい。これにより、吸入口５および加圧室３の壁部に気体が付着することを防止することができる。
【実施例１】
【００１７】
図１は、液体水素用ポンプの断面図の模式図である。液体水素は保温容器でできた流体供給室９に流体取入口１２から供給されている。流体供給室９中には、本発明の往復動ポンプが設置されており、ポンプ最下部に吸入口５がある。吸入口５には、略独楽状で中央部に流路がある重力と液圧を利用した逆止弁１４が設けられており、吸入口５は、ｂ図のようなポンプの吸入工程では開状態、ａ図のような加圧工程では閉状態となる。加圧室３の底面１１は上に凸な円錐形をしており、ピストンヘッド面１０は上に凹な円錐形をしており、ピストン下死点では両面がほぼ密接するような構造となっている。ピストン２の中央部には流体吐出口６が設けられ、吐出口６はシリンダー１内のピストンヘッド２上部側に設けられた流体吐出室４と導通している。流体吐出室４の水平断面積は、加圧室３の水平断面積の１/２となるようにピストンロッド７の水平断面積を調整してある。吐出口６には逆止弁１５が設けられ、吐出口６は加圧工程において開状態、吸入工程において閉状態となる。なお、吐出口６の流体吐出室４との導通部は、ピストン上死点においても流体吐出室４と導通する位置に設けられている。流体吐出室４の最上部には流体出口８を設置し、これに接続した流体流出部１３から昇圧された液体水素が供給されるようになっている。
【００１８】
このポンプの作動状況について説明する。液体水素は非常に気化し易い液体であり、十分な冷却保温が必要である。そのため、ポンプでの流体昇圧過程で気化しないようポンプを比較的大きな流体供給室９中に設置してある。これによりポンプ中で発生した少量の熱は、流体供給室９中の水素により吸収される構造となっている。液体水素は、ｂ図に示すようなピストン上昇過程、すなわちポンプの吸入工程においてポンプ下部の吸入口５から加圧室３に吸入される。この場合、逆止弁１４は開状態、逆止弁１５は閉状態である。この時、流体吐出室４の容積は、ピストンの上昇速度に比例して減少する。その減少容積に相当する液体水素が流体出口８から吐出される。シリンダー内側すなわち加圧室３の水平断面積をＡとすれば、流体吐出室１４の水平断面積はＡ／２であり、ピストン上昇速度をＲとすれば液体水素吐出速度は（Ａ×Ｒ）／２で表される。
【００１９】
ピストンが上死点に到達したとき加圧室３は最大容積となり、流体吐出室４は最少容積となる。この場合も流体出口８はピストン上死点より上にあり、上死点寸前まで流体吐出室１４の流体を吐出できる。
【００２０】
次に、ピストン２が下降過程に入り、ポンプ加圧室３の加圧工程になる。ピストン２が下がりだせば逆止弁１４はその機能により、加圧室３の液体水素を流体供給室９側へ流出させないよう閉止し、加圧室３の圧力が流体吐出室４の圧力以上となったとき逆止弁１５が開き加圧室３の液体水素は流体吐出室４側に吐出される。その吐出速度は、加圧室断面積Ａとピストン下降速度Ｒとの積（Ａ×Ｒ）で表される。一方、同時に流体吐出室４は、容積が増加しており、その増加速度は（Ａ×Ｒ）／２である。結果として、流体出口８から吐出される液体水素の流出速度は、（Ａ×Ｒ）−（Ａ×Ｒ）／２＝（Ａ×Ｒ）／２となる。すなわち、本ポンプは、吸入工程においても、加圧工程においても（Ａ×Ｒ）／２の吐出速度で液体水素を吐出できる。
【００２１】
図１には示していないが、本ポンプの駆動装置をピストンの上昇速度および下降速度が一定になるもの、例えば、作動流体供給量一定の油圧シリンダーとすれば、本ポンプは上死点下死点の一瞬を除いて一定流量で液体水素を供給できる。
【００２２】
さらに、本ポンプのピストンヘッド面１０は上に凹な円錐形となっているので、液体水素中に発生した気体は、比重差により常にピストンヘッド面１０の中央部の吐出口６付近に集まり、吐出工程においては優先的に排出され、加圧室に滞留することがない。これにより、加圧室に滞留する気体によるポンプの効率低下やガスロックなどのトラブルが防げる。実施例に示したポンプは、このようにポンプ効率、運転性に優れたポンプである。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の往復動ポンプは、脈動が少なく、ガスロックがなく、起動時の立ち上がりのよい液体用往復動ポンプであり、各種の液体用ポンプとして使用できる。特に、液化水素や液体空気、液体窒素、ＬＮＧ、液化石油ガスなど温度や圧力の変化により気化しやすい液体用のポンプとして優れた効果を発揮する。さらに、本発明の往復動ポンプは構造が簡単で、製作、補修、運転が容易であり、各種の液体用ポンプとして経済的側面からも利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】は本発明の往復動ポンプの説明図である。
【図２】は本発明の往復動ポンプの概略図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  シリンダー
２  ピストン
３  加圧室
４  流体吐出室
５  吸入口
６  吐出口
７  ピストンロッド
８  流体出口
９  流体供給室
１０  ピストンヘッド面
１１  加圧室底面
１２  流体取入口
１３  流体流出部
１４  逆止弁
１５  逆止弁
【図１】
2006057609.tif 000003
【図２】
2006057609.tif 000004