(57)【要約】【課題】無脈動ポンプにおいて、その運転条件の変化によって変わる脈動を自動的に補償して、常時、無脈動で運転を行う。【解決手段】ダイアラムポンプ１２の吐出期間の初期における吐出量の減少を、その期間の直前にプランジャ１６を吐出方向に駆動してポンプ室１８の容積を減少することによって防止する。このポンプ室容積の減少を、減少する吐出量より大きくし、その差に相当する作動流体を排出機構４０より排出する。一方、吐出側の管路４２に脈動センサ４４を設け、このセンサの信号に基づき制御部４５が脈動を検出する。制御部は、この脈動を消すように前記排出機構４０の排出量を調整する。【選択図】        図１
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【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、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前記往復運動子を運動させる無脈動ポンプであって、
前記往復運動子は、前記各往復動ポンプにおける吐出開始時に発生する吐出量の減少を補償するために、吐出期間の前に、想定される吐出量の減少量以上にポンプ室容積を減少させる補償運動を行い、
さらに、
前記各往復動ポンプの吐出期間の初期において、個々の往復動ポンプのポンプ室内の流体を排出する排出弁であって、その排出量を調整可能な排出弁と、
当該各往復動ポンプの吐出開始時の前後において発生する吐出量の脈動を検出する脈動検出手段と、
前記検出された脈動に基づき、当該脈動が低減するように排出弁の排出量を制御する排出量制御部と、
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において、
前記排出量制御部は、前記脈動の個々の波を生じさせた前記往復動ポンプを特定し、その波の大きさに応じて、その波に対応する往復動ポンプの排出弁の排出量を、独立して、前記脈動を減少させるように制御する、
無脈動ポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の無脈動ポンプにおいて、
前記排出量制御部は、前記脈動の波の高さが所定のしきい値より高い場合に、前記排出弁の排出量を制御し、前記しきい値を当該無脈動ポンプの運転開始時には大きく設定し、後にこれより小さいしきい値に変更する、
無脈動ポンプ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の無脈動ポンプにおいて、
前記排出量制御部は、当該無脈動ポンプの運転開始時には、前記排出量が最大となるように前記排出弁を調整する、
無脈動ポンプ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の無脈動ポンプにおいて、
前記排出弁は、
排出する流体が通過する管路と、
前記管路において所定の範囲において移動を許容され、その範囲の端において前記管路を封止する弁体と、
を含み、
前記排出量制御部は、
前記弁体の移動範囲を規制する調整管と、
この調整管を移動させ、前記弁体の移動範囲を変更する駆動部と、
を含む、無脈動ポンプ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の無脈動ポンプにおいて、前記複数の往復動ポンプは、前記ポンプ室を区切るダイアフラムを、前記往復運動子の運動を作動流体を介して伝えて往復運動させるダイアフラムポンプであり、前記排出弁は、作動流体で満たされた作動流体室内に発生したエアを、前記作動流体と共に排出するエア抜き弁である、無脈動ポンプ。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載の無脈動ポンプにおいて、前記複数の往復動ポンプは、前記往復振動子であるプランジャにより直接取扱い流体を送り出すプランジャポンプであり、前記排出弁は、当該排出弁から排出された取扱い流体を前記プランジャポンプの吸込側に戻す液抜き弁である、無脈動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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が一定となる無脈動ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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】
特開平８−１１４１７７号公報には、２個の往復動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、前記公報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。前記公報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制御される。そして、余分な補償量分については、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
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の特許文献１に記載の無脈動ポンプにおいては、エア抜き弁から排出される作動流体の量を手動で調整して吐出流量の無脈動を達成している。しかしながら、前記の調整を行ったあと、各種条件の変化などにより脈動が生じる場合があり、定期的に点検を行って無脈動性を確保しなければならない場合があった。また、脈動が発生しても、次の点検時まで対処がなされないという問題があった。また、調整を人手で行わなければならなかった。
【０００７】
本発明は、脈動の発生を検出し、自動的にこれを解消する無脈動ポンプを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る無脈動ポンプは、当該無脈動ポンプを構成する各々の往復動ポンプの吐出期間の初期において、それらの往復動ポンプのポンプ室内の流体を排出する、排出量の調整可能な排出弁と、各往復動ポンプの吐出開始前後において発生する吐出量に脈動を検出する脈動検出手段と、この検出された脈動に基づき、当該脈動が低減するように、排出弁の排出量を制御する排出量制御部とを有している。
【０００９】
さらに、排出量制御部は、前記脈動の個々の波を生じさせた前記往復動ポンプを特定し、その特定された往復動ポンプの排出弁の排出量を、他のポンプから独立して制御できるようにしてもよい。
【００１０】
また、前記排出量制御部は、前記脈動の波の高さが所定のしきい値より高い場合に、前記排出弁の排出量を制御し、前記しきい値を当該無脈動ポンプの運転開始時には大きく設定し、後にこれより小さいしきい値に変更するようにしてもよい。
【００１１】
また、前記排出量制御部は、当該無脈動ポンプの運転開始時には、前記排出量が最大となるように前記排出弁を調整するようにしてもよい。
【００１２】
また、前記排出弁は、排出する流体が通過する管路と、前記管路において所定の範囲において移動を許容され、その範囲の端において前記管路を封止する弁体と、を含み、前記排出量制御部は、前記弁体の移動範囲を規制する調整管と、この調整管を移動させ、前記弁体の移動範囲を変更する駆動部と、を含むようにできる。
【００１３】
また、前記複数の往復動ポンプは、ダイアフラムポンプとすることができ、前記排出弁は、ダイアフラムポンプのエア抜き弁とすることができる。
【００１４】
また、前記複数の往復動ポンプは、プランジャポンプとすることができ、前記排出弁は、当該排出弁より排出された取扱い流体を前記プランジャポンプの吸込側に戻す液抜き弁とすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の無脈動ポンプ１０の概略構成を示す図である。無脈動ポンプ１０は、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂを含む。これらのダイアフラムポンプ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。
【００１６】
ダイアフラムポンプ１２は、シリンダ１４と、シリンダ１４内を往復運動するプランジャ１６、さらにシリンダ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。ポンプ室１８には、これをプランジャ１６側とシリンダヘッド２０側とに二分するダイアフラム２２が配置されている。以降、ダイアフラム２２で分けられたポンプ室１８のプランジャ側を作動流体室２４、シリンダヘッド側を取扱い流体室２６と記す。プランジャ１６は、モータ２８に駆動されるカム３０により往復運動を行う。このプランジャ１６の運動は、作動流体室２４を満たす作動流体を介してダイアフラム２２に伝達される。これによって、ダイアフラム２２がたわんで往復運動し、ポンプ室１８、特に取扱い流体が吸い込まれ、吐出される取扱い流体室２６の容積変化が生じる。
【００１７】
取扱い流体室２６には、吸込管３２と吐出管３４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３６、吐出側逆止弁３８が設けられている。また、作動流体室２４には、ここから吐出期間の初期において微少量の作動流体を排出する排出機構４０が設けられている。この排出機構４０の構造の詳細、その動作などについては後述する。また、この実施形態においては、排出機構４０は、作動流体から分離した、または作動流体中に混入したエアを排出するエア抜き弁としても作用する。
【００１８】
２個のダイアフラムポンプ１２の吐出管３４の合流点より下流の管路４２には、この部分の取扱い流体の流れの脈動を検知するための脈動センサ４４が配置されている。この脈動センサ４４は、本実施形態においては、圧力センサである。脈動センサ４４は、管路４２内の圧力を電気的な信号に変換し、この信号を制御部４４に送出する。制御部４５は、この信号から脈動の発生を判断し、排出機構４０の調整を行って、脈動を低減するように制御する。
【００１９】
前述のように、カム３０によって制御されるプランジャ１６の往復運動は、作動流体２４を介してダイアフラム２２に伝達され、取扱い流体室２６の容積変化を生じさせる。取扱い流体室２６の容積が増加するときには、吸込側逆止弁３６は取扱い流体が取扱い流体室２６に吸い込まれることを許容し、吐出側逆止弁３８は、吐出管３４からの逆流を阻止するように機能する。取扱い流体室２６の容積が減少するときは、逆に、吸込側逆止弁３６が取扱い流体の吸込管３２への逆流を阻止し、吐出側逆止弁３８は吐出管３４への取扱い流体の流れを許容するように作用する。なお、不図示ではあるが、排出機構４０より排出された作動流体に相当する量を補給する補給機構が設けられている。
【００２０】
図２は、二つのダイアフラムポンプ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、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、プランジャの速度と吐出流量は比例する。
【００２１】
個々のダイアフラムポンプ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３２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、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。
【００２２】
吐出期間Ｐｄは、さらに一方のダイアフラムポンプ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、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂの合成吐出流量は常に一定となる。
【００２３】
図３は、プランジャ１６の速度ｖと、そのプランジャ１６に対応するダイアフラムポンプ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、前述したように各種の損失によって生じることがあらかじめ想定されるものであり、無脈動ポンプ１０の無脈動性を阻害する場合がある。
【００２４】
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３６，３８の漏れ、排出機構４０からの作動流体の流出などによる損失を埋めるように、あらかじめ作動流体、取扱い流体に圧力を加える。
【００２５】
この、プランジャ１６の損失を補償するための運動（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と等しくするべきである。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３０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。
【００２６】
本実施形態の無脈動ポンプ１０においては、あらかじめ補償運動によるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）を、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）の想定される最大値以上に設定し、これらの差分（Ｓａ）に相当する作動流体を排出機構４０から排出している。したがって、ポンプ室容積減少量（Ｓｃ）から差分（Ｓａ）を引いた量（Ｓｔ）によって、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）が補償される。この差分（Ｓａ）は、排出機構４０の調整機能によりポンプの運転中においても随時調整され、吐出流量の微小脈動を生じさせないようにしている。
【００２７】
図４は、排出機構４０の詳細が示されている。シリンダ１４に、排出弁４６がねじにより結合されており、さらに排出弁４６には減速機付きモータ４８が結合されている。排出弁４６は、弁体５０と、これを納めた弁箱５２を含む。弁箱５２内には、軸方向に沿って貫通し、細径部と太径部を含む管路５４が形成されている。管路５４の太径部には雌ねじが形成されており、これに、軸方向に延びる貫通孔と外周に雄ねじが形成された調整管５６が、ねじ結合されている。弁箱５２の管路５４と調整管５６により形成された管路は、作動流体室２４と外部とを連通する管路の一部となる。弁体５０は、図示するように、弁箱５２の管路５４の太径部の端と調整管５６の端との間の空間に納められ、これらの端面が弁座を形成している。弁体５０はまた、この空間内で軸方向に移動が可能である。減速機付きモータ４８は調整管５６を回転駆動するものであり、これにより調整管５６は、弁箱５２内で軸方向に移動される。この移動により、弁体５０の移動範囲が変化する。
【００２８】
弁体５０は、移動範囲の端に位置するとき、すなわち両端の弁座に当接したときに、管路を封止する。作動流体室２４内の圧力が低いときには、弁体５０は、重力などにより移動範囲の図中下端に位置し、さらに作動流体室内が減圧されれば圧力差によって管路を閉じ、外部から作動流体室２４への流体等の侵入を阻止する。作動流体室２４の圧力が高まると、弁体５０は、その圧力により押し上げられ、このとき作動流体室２４が外部と連通した状態となる。弁体５０が更に上昇すると、調整管５６に当接して、再び作動流体室２４を封止した状態とする。すなわち、弁体５０が、その移動範囲を移動中のわずかな時間の間、作動流体が外部へと排出される。また、この作動流体の流れに乗って、作動流体室２４内で発生したエアも外部に排出され、この結果、排出機構４０がエア抜き弁として機能する。
【００２９】
このとき外部に排出される作動流体の量は、弁体５０の移動時間が長ければそれだけ多くなる。すなわち、弁体５０の移動範囲が広いほど、多くの作動流体の排出量が増加する。これを利用して、吐出期間Ｐｄ初期における吐出量の減少量（Ｓｓ）の補償量（Ｓｔ）を調整し、吐出される流体の無脈動性を補償する。
【００３０】
この補償動作は、脈動センサ４４の出力信号に基づき制御部４５が制御を行う。図５に示す信号ａは、脈動センサ４４の出力信号の例であり、各ダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂの吐出期間の初期に発生する脈動が十分に制御されていない状態を示す。この信号だけでは、脈動の波と、この波を発生しているダイアフラムポンプの対応が不明であり、一方のポンプに関して排出機構の調整を行い、この調整に対する波形の応答をみて、補償動作の制御を行っている。
【００３１】
脈動の波の高さが、所定のしきい値を超えたことを検知すると、制御部２５は、一方のダイアフラムポンプ、例えばポンプ１２Ａの排出機構４０に対し調整管５６の移動を行わせる。まず第１の方向に移動させ、波の高さが低くなれば、所定のしきい値以下になるまで移動を継続する。また、波の高さが逆に高くなった場合、逆の第２の方向に移動させ所定のしきい値以下になるまで移動を継続する。次に、もう一方のダイアフラムポンプ１２Ｂについても同様の制御を行い、結果として脈動のない図５に示す信号ｂを得る。
【００３２】
無脈動ポンプ１０の運転開始時、または運転条件が大きく変わった後には、脈動制御に関する制御を次のように行うことができる。まず、調整管５６を最も高い位置まで上昇させ、弁体５０の移動範囲を広くとる。これにより、排出機構４０から排出量は大きくなる。この状態から、脈動が実質的になくなるまで、徐々に排出量を小さくしていく。これによれば、調整管５６の移動方向が１方向に限定されるので、調整制御が簡略となる。
【００３３】
また、脈動の発生を検出するためのしきい値は、運転開始時には大きい値に設定し、その後小さくする、または段階的に小さくしていくようにしてもよい。すなわち、大きい値のしきい値内に二つのポンプの脈動が収まるようになってから、しきい値を小さくする。これによれば、二つのダイアフラムポンプに対して、調整過程においてもほぼ同等の調整が行われるので、偏りのない調整が可能となる。
【００３４】
脈動の波の一つが、二つのダイアフラムポンプのいずれに対応するかを判断するために、モータ２８の回転位相を検出する手段を設け、この位相と波の発生タイミングより対応するポンプを決定するようにもできる。また、脈動を検出する手段として、圧力計の他、流量計、または圧力や流量の変化量を検出センサを用いることができる。
【００３５】
また、前述の排出機構４０を備えたダイアフラムポンプを３個またはそれ以上備えた無脈動ポンプを構成することも可能である。
【００３６】
また、ダイアフラムポンプ以外の往復動ポンプを用いた無脈動ポンプにも前述の排出機構４０を適用することができる。図６は、その例として、プランジャポンプ６２を用いた無脈動ポンプ６０の概略構成を示す図である。前述の無脈動ポンプ１０と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。プランジャポンプ６２は、プランジャ１６の動きによりポンプ室１８の容積を増減させて取扱い流体を送り出すポンプであり、ポンプ室１８が前述の取扱い流体室に相当する。すなわち、ダイアフラムおよび作動流体を介さず直接にプランジャの運動を取扱い流体に伝えるポンプである。これ以外の主要構成については、プランジャポンプとダイアフラムポンプにおいて、大きな差はない。
【００３７】
プランジャポンプにおいては、ポンプ室内にエアが発生したとしても、取扱い液と共に吐出されるので、ダイアフラムポンプのようにエア抜き弁を設ける必要がない。無脈動ポンプ６０においては、排出機構４０は取扱い流体を排出し、排出された取扱い流体は、吸込管３２に戻される。
【図面の簡単な説明】
【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】排出機構４０の詳細な構造を示す図である。
【図５】脈動センサの出力信号の例、および排出機構４０の脈動減少動作の説明図である。
【図６】他の実施形態の無脈動ポンプの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  無脈動ポンプ、１２  ダイアフラムポンプ、１４  シリンダ、１６  プランジャ、１８  ポンプ室、２２  ダイアフラム、２４  作動流体室、２６  取扱い流体室、４０  排出機構、４４  脈動センサ、４５  制御部、４６  排出弁、４８  減速機付きモータ、５０  弁体、５６  調整管。
【図１】
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【図２】
2004232616.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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