(57)【要約】【課題】高圧で吐出を行う往復動ポンプにおいて、逆止弁の諸元を適切に設定する。【解決手段】スラリ固体成分の平均粒径ｄと逆止弁のシール面長さＬとの比（ｄ／Ｌ）が、０．２〜０．４以外となるように、シール面長さを設定する。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０ＭＰａを超える高圧でスラリの送液を行う往復動ポンプの逆止弁であって、スラリ固体成分の平均粒径と逆止弁のシール面長さとの比が、０．２〜０．４以外である、往復動ポンプの逆止弁。
【請求項２】
１０ＭＰａを超える高圧でスラリの送液を行う往復動ポンプであって、吸込側および吐出側に用いられる逆止弁のシール面長さが、スラリ固体成分の平均粒径と逆止弁のシール面長さとの比が０．２〜０．４以外となっている、往復動ポンプ。
【請求項３】
１０ＭＰａを超える高圧でスラリの送液を行う往復動ポンプであって、吸込側および吐出側にそれぞれ直列に二つの逆止弁が設けられ、これら二つの逆止弁は、シール面長さが０．３ｍｍのものと、１．３ｍｍのものとの組み合わせである、往復動ポンプ。
【請求項４】
１０ＭＰａを超える高圧でスラリの送液を行う往復動ポンプであって、固体成分の平均粒径１７０μｍのスラリを送液し、吸込側および吐出側に用いられる逆止弁のシール面長さが１．３ｍｍである、往復動ポンプ。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか１項に記載の往復動ポンプにおいて、前記往復動ポンプは、超臨界または亜臨界処理工程にスラリを送液する、往復動ポンプ。
【請求項６】
請求項５に記載の往復動ポンプまたはこれの逆止弁において、前記スラリの固体成分は、プラスチック砕片である、往復動ポンプまたはこれの逆止弁。
【請求項７】
１０ＭＰａを超える高圧でスラリの送液を行う往復動ポンプの逆止弁の設計方法であって、スラリ固体成分の平均粒径と逆止弁のシール面長さとの比が、０．２〜０．４以外となるように、逆止弁のシール面長さを定める、往復動ポンプの逆止弁の設計方法。
【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、特に往復動ポンプに用いる逆止弁の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、プラスチック廃棄物の多くは、埋めるか、燃やすかして処理されているが、これを資源として再利用（リサイクル）する試みがなされている。プラスチック廃棄物のリサイクルプロセスを構築する場合、プラスチックを例えば超臨界または亜臨界状態などの高圧の反応場へ連続的に供給する方法が必要となる。この方法として、プラスチックを高温として溶融し、溶解液として供給する方法が考えられる。この方法においては、固形物を含まない通常の高粘度流体として取り扱うことができるという利点がある。しかし、熱硬化性プラスチックは融解することができないので、取り扱うことができない。また、送液系の機器が高温にさらされるため耐熱性の考慮を要し、また保温するためのエネルギが必要である。さらに、系の運転を止めた場合など、配管内でプラスチックが再固化するため点検や整備の作業効率がよくない。
【０００３】
プラスチックを連続的に供給するもう一つの方法は、プラスチックを粉砕し、水などの液体と混合したスラリとして供給するものである。この方法は、熱可塑性、熱硬化性のいずれも取り扱うことができ、またプラスチックの溶融状態を維持するために保温する必要もない。スラリを取り扱う送液は、例えば、輸送手段として、燃料用微粉炭の輸送などの分野で、すでに実用化されている。しかし、この場合、目的が輸送であるため、送液の圧力は高くても１０ＭＰａ止まりである。
【０００４】
１０ＭＰａを超えるような圧力で送液を行うには、ダイアフラムポンプなどのような往復動ポンプを用いる必要がある。往復動ポンプの吸込側、吐出側には、流れを一方向に制限する逆止弁が用いられる。また、スラリを扱う往復動ポンプの逆止弁に関する考察が下記特許文献１においてなされている。この特許文献においては、ポンプ停止後、混合していた固体成分が逆止弁の周囲に沈殿し、弁体であるボールが固着して再起動の支障となる点について、考察されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３４３４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記公報においては、ポンプ停止後の再起動性については、考察されているものの、運転中における効率、特に高圧送液における効率の考察等についてはなされていない。ポンプ運転中においては、この逆止弁の弁部分にスラリの固体成分が挟まり、隙間が残ってしまうと、ここからスラリ特に液体成分が漏れて逆流し、容積効率が低下するという問題がある。特に高圧での送液においては、わずかの隙間でも多くの漏れが生じ、効率の低下が著しい。
【０００７】
本発明は、高圧の送液を行う往復動ポンプに有利な逆止弁の構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる往復動ポンプに用いられる逆止弁は、弁体、すなわちボールが着座するシートのシール面長さＬを、スラリ固形成分の平均粒径ｄとこのシール面長さＬとの比（ｄ／Ｌ）が０．２〜０．４となるの範囲を避けるように設定される。一般的なスラリの送液においては、シール面の長さは短いほど好ましいと考えられていた。しかし、シール面長さＬが長くても、ｄ／Ｌが０．２以下となる場合は、高い効率が得られることが分かった。
【０００９】
また、他の発明にかかる往復動ポンプは、シール面の長さの異なる二つの逆止弁を組み合わせて用いる。これにより、送液するスラリの粒径が事前に分かっていない場合においても、いずれかの逆止弁においては、ｄ／Ｌが０．２〜０．４の範囲が避けられているようにすることができる。これにより、少なくとも一方の逆止弁が、逆流を阻止するように作用し、全体として、広い範囲にわたって逆流の阻止が可能となる。二つの逆止弁のシール面長さは、例えば０．３ｍｍと１．３ｍｍとすることができる。また、送液するスラリの平均粒径が１７０μｍのときには、シール面長さを１．３ｍｍとすることで、高い効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図面に従って説明する。図１は、往復動ポンプの一例としてのダイアフラムポンプ１０の概略構成図である。ダイアフラムポンプ１０は、シリンダヘッド１２とシリンダブロック１４に囲まれたダイアフラム室１６内に配置されるダイアフラム１８の往復運動によって取扱い流体を送り出す往復動ポンプである。ダイアフラム１８は、ダイアフラム室１６を二つの部分、すなわち取扱い流体で満たされるポンプ室２０と、後述するピストンの往復運動を伝達する作動流体で満たされる作動流体室２２に、分離している。
【００１１】
作動流体室２２は、ピストン２４が配置されるシリンダ２６内のシリンダ室２８に連通している。ピストン２４は、クランク機構を介してモータにより駆動され、ピストン２４の外周面とシリンダ２６の内周面とが接した状態で往復運動する。この運動がシリンダ室２８内に満たされた作動流体を介してダイアフラム１８に伝達される。ダイアフラム１８は、その周縁がシリンダブロック１４とシリンダヘッド１２により固定されるが内側部分はたわんで往復運動を行い、ポンプ室２０の容積変化を生じさせる往復動要素として機能する。
【００１２】
ポンプ室２０には、吸込管３０、吐出管３２が接続され、それぞれの管には、取扱い流体の流れを一方向のみとする逆止手段として、二つの逆止弁を直列に配列した２連逆止弁３４，３６が設けられている。吸込側の２連逆止弁３４は、ポンプ室２０へ向かう流体の流れを許容し、反対向きの流れを阻止する。また、吐出側の２連逆止弁３６は、ポンプ室２０から吐出される流体の流れを許容し、反対向きの流れを阻止する。これによりダイアフラム１８が後退し、ポンプ室２０が拡大するとき、吸込管３０より取扱い流体がポンプ室２０に供給され、逆にダイアフラムが進出し、ポンプ室２０が縮小するときに吐出管３２より取扱い流体が吐出される。
【００１３】
本実施形態のダイアフラムポンプは、プラスチックを超臨界、または亜臨界状態の反応場にて分解する処理系に、プラスチックを砕いて細片とし、スラリとして連続的に供給するポンプを想定している。ダイアフラムポンプを用いるのは、スラリを、ピストンやシリンダなどポンプの摺動要素から完全に分離することが可能であるためである。
【００１４】
往復動ポンプの逆止弁は、図示するように２段構成とすることがあるが、プラスチック粒子を水に混合したスラリを高圧で送液した場合、同一のものを２段とすることに性能の向上がさほどないことが、今回分かった。図２には、プラスチック粒子としてポリ塩化ビニルを用い、これを３５ＭＰａで吐出した場合のポンプ容積効率が、スラリの濃度に対応して示されている。なお、ポリ塩化ビニルの粒子の直径は、図３に示す分布を示し、平均粒径が１７０μｍである。また、逆止弁は、１／２型（弁体であるボールの直径が１／２インチ）のものであり、シール面の長さＬ（図４参照）は、１．２５ｍｍである。スラリの固体成分の粒径は前述のようにある程度の分布をもっているため、シール面長さＬの値は大きな有効数字を用いる意味がなく、以下小数点以下第２位の桁で四捨五入した値を用いる。したがって、前記Ｌ＝１．２５は、Ｌ＝１．３として扱う。容積効率ηは、実吐出流量を理論吐出流量で割ったものである。図２に示されるように、逆止弁の段数による差異は大きくなく、一部では１段の方が効率がよい場合もある。このことから、以降に説明する試験データは、１段の逆止弁で得たものとする。
【００１５】
図５は、１／２型、シール面の長さＬが１．３ｍｍの逆止弁において、スラリの固体成分であるポリ塩化ビニル粒子の径ｄが１７０，２４８，３６６μｍのときの、スラリ固体成分の重量濃度と容積効率の関係を示した図である。この場合、粒径ｄが大きいほど容積効率が低下する。また、粒径ｄが２４８，３６６μｍの場合は濃度が増加すると効率が単調に低下するが、粒径１７０μｍの場合には濃度０％、すなわち母液（水）だけの効率とほぼ同等かやや高い効率が得られる範囲が存在することが分かる。
【００１６】
図６は、１／２型、シール面の長さＬが０．３ｍｍの逆止弁において、塩化ビニル粒子の径ｄが１７０，２４８，２７１，２７９，３０８，３６６μｍのときの、スラリ固体成分の重量濃度と容積効率の関係を示した図である。なお、Ｌ＝０．３の実測した値は０．３４であるが、前述のように小数点以下第２位を四捨五入した値を用いる。また、前記各粒径は、平均値であり、粒径の分布は図７〜図１１に示す。また、０．３ｍｍのシール面長さは、限界に近い長さで、ほとんどエッジ様の長さである。
【００１７】
極めて概略的に見れば、濃度が増加するほど、効率が低下しているが、粒径ごとのデータ、例えば粒径２４８μｍを見ると一旦減少した後、増加に転じている。また、粒径と効率の関係は、図５の場合と異なり明確に表れていない。また、従来のスラリ送液においては、シール面はエッジにした方（長さを短くした方）が粒子の挟み込みが少なく高い効率が得られると考えられてきた。しかし、図５と図６のデータを比較すると、粒径１７０μｍの場合、また粒径２４８μｍの場合の一部においては、逆にシール面長さが長い方が高い効率が得られている。このように、高圧で送液を行う場合には、従来考えられていたようなシール面の長さと効率の関係は、直ちに適用することができないことが分かる。
【００１８】
図１２は、図５および図６に示したデータを、横軸を粒径とシール面長さの比（ｄ／Ｌ）としてまとめ直したデータである。図に示すように、シール面長さＬ＝１．３の場合でも、Ｌ＝０．３の場合でも、ｄ／Ｌが０．３付近に向けて効率が低下している。したがって、この周辺、すなわち０．２から０．４の範囲Ｒとならないように、逆止弁のシール面長さＬを決定すれば、往復動ポンプの容積効率が低下する領域を避けた設計とすることができる。
【００１９】
また、図１２に示されるように粒径ｄが１７０μｍの場合、ｄ／Ｌが０．１（Ｌ＝１．３）と０．５（Ｌ＝０．３）では、０．１の方が効率がよいので、０．１を採用し、０．５を排除するようにしてもよい。この場合は、逆止弁のシール面長さＬをｄ／Ｌが０．２から０．５の範囲とならないように決定することになる。
【００２０】
図１３は、図１２のデータに更に３／８型の逆止弁、すなわち３／８インチのボールの逆止弁のデータを追加したものである。粒径ｄは１７０μｍ、シート面長さＬは１．０ｍｍ、０．３ｍｍである。３／８型であっても前述の１／２型とほぼ同様に分布を示しており、全体として、シート面長さが長い方が効率が高くなっている。
【００２１】
以上のように、高圧でのスラリの送液においては、従来の逆止弁の設計手法であるシール面長さをできるだけ小さくすることよりも、容積効率を向上させることができる場合があることが分かる。
【００２２】
図１４は、１／２型の逆止弁を、シート面長さＬが長短ものの単独で用いた場合と、長短のものを２段に組み合わせて用いた場合の容積効率のデータである。組み合わせたの場合は、図１に示す２連逆止弁の一方をシート面長さの短いもの（０．３ｍｍ）に、他方をシート面長さの長いもの（１．３ｍｍ）とする。長短組み合わせた場合、単独で用いたものの中間の値をとり、極端な効率低下を防止できることが分かる。例えば、送液するスラリの固体成分の粒径があらかじめ特定できないような場合に、シート面長さが長短の逆止弁を組み合わせておくことで、どのような粒径のスラリが流れてきても、ある程度対応することが可能となる。
【００２３】
図１５は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ＡＢＳ樹脂（ＡＢＳ）、ポリカーボネイト樹脂（ＰＣ）のスラリを送液した場合の効率を示した図である。横軸は、これらのプラスチックの密度が異なるため、体積濃度で表している。また、ポリ塩化ビニルおよびＡＢＳ樹脂は粒径が３００−５００μｍ、ポリカーボネイト樹脂は２００−４１５μｍである。また、それぞれのプラスチックの密度はポリ塩化ビニルが１．４、ＡＢＳ樹脂が１．０５、ポリカーボネイト樹脂が１．２である。また、吐出圧力は３５ＭＰａである。図に示されるようにほぼ同様の特性を示すことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】往復動ポンプの一例としてのダイアフラムポンプの概略構成を示す図である。
【図２】逆止弁を２段としたときと、１段としたときの容積効率を対比して示した図である。
【図３】実験に用いた平均粒径１７０μｍの粒度分布を示す図である。
【図４】逆止弁のシート面長さＬを説明する図である。
【図５】シート面長さが１．３ｍｍであるときの、粒径ごとのスラリの濃度に対する容積効率を示す図である。
【図６】シート面長さが０．３ｍｍであるときの、粒径ごとのスラリの濃度に対する容積効率を示す図である。
【図７】実験に用いた平均粒径２４８μｍの粒度分布を示す図である。
【図８】実験に用いた平均粒径２７１μｍの粒度分布を示す図である。
【図９】実験に用いた平均粒径２７９μｍの粒度分布を示す図である。
【図１０】実験に用いた平均粒径３０８μｍの粒度分布を示す図である。
【図１１】実験に用いた平均粒径３６６μｍの粒度分布を示す図である。
【図１２】平均粒径とシール面長さとの比（ｄ／Ｌ）と、容積効率の関係をまとめた図である。
【図１３】平均粒径とシール面長さとの比（ｄ／Ｌ）と、容積効率の関係をまとめた図である。
【図１４】シート面長さの異なる逆止弁を単独で用いた場合と、組み合わせて用いた場合の濃度に対する容積効率を示す図である。
【図１５】各種プラスチックのスラリを送液する場合のスラリの濃度と容積効率の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ダイアフラムポンプ、１８  ダイアフラムポンプ、３４，３６  ２連逆止弁、ｄ  平均粒径、Ｌ  シート面長さ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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