(57)【要約】【課題】高圧にしても実質的に流体のリークが生じない流体の吸引吐出装置及び該装置に使用するピストンを提供する。【解決手段】シリンダー内を往復運動するピストン本体と、該ピストン本体を隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれに形成した流体を吐出する孔と、ピストン内に流体を吸引し前記それぞれのシリンダー室に流体を供給し得る通路と、それぞれのシリンダー室に連通する該通路を開閉する逆止弁とを具備してなり、前記シリンダー室の一方から流体を吐出するときは、該シリンダー室に連通し得るピストン内の通路は吐出圧力により前記一方の逆止弁で閉じられ、前記他方のシリンダー室は、吸引力で前記ピストン内の他方の逆止弁を開とし、前記ピストン内の通路と連通して流体を吸引するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダー内を往復運動するピストン本体と、該ピストン本体を隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれに形成した流体を吐出する孔と、ピストン内に流体を吸引し前記それぞれのシリンダー室に流体を供給し得る通路と、それぞれのシリンダー室に連通する該通路を開閉する逆止弁とを具備してなり、前記シリンダー室の一方から流体を吐出するときは、該シリンダー室に連通し得るピストン内の通路は吐出圧力により前記一方の逆止弁で閉じられ、前記他方のシリンダー室は、吸引力で前記ピストン内の他方の逆止弁を開とし、前記ピストン内の通路と連通して流体を吸引するように構成したことを特徴とする流体の吸引吐出装置。
【請求項２】
シリンダー内を往復運動するピストン本体と、該ピストン本体を隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれに形成した流体の吸引孔と、前記それぞれのシリンダー室からピストン内を通って流体を吐出し得る通路と、それぞれのシリンダー室に連通する該通路を開閉する逆止弁とを具備してなり、前記シリンダー室の一方からピストン内を通って流体を吐出するときは、前記他方のシリンダー室は、吸引力と吐出流体の圧力で前記ピストン内の他方の逆止弁を閉とし、前記シリンダー室の吸引孔から流体を吸引するように構成したことを特徴とする流体の吸引吐出装置。
【請求項３】
互いに対向する面で且つピストンの摺動方向に離間した位置に長孔を有するシリンダーを、ピストンの摺動方向に離間した対向位置に吐出孔を有する装置本体の嵌合孔に回動自在に嵌合させ、前記シリンダーが回転して一方の長孔が前記装置本体の一方の吐出孔と連通して流体を吐出すると、前記シリンダーの他方の長孔は前記装置本体の他方の吐出孔と連通せず、連通しない吐出孔を有するシリンダー室に、前記ピストン内の通路から流体を吸引するように構成し、前記シリンダーが１回転すると前記ピストン本体は１往復するように前記シリンダーの回転とピストン本体の往復動とを同期させてなる請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記シリンダーに形成された両長孔と前記装置本体の両吐出孔とは、円周方向に長い９０°の長孔に形成されている請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記シリンダーに形成された長孔は、回転方向に長く且つ傾斜した長孔に形成し、該長孔に接する前記装置本体の両吐出孔を、それぞれ該長孔と交叉し得る長孔に形成してなる請求項４記載の装置。
【請求項６】
シリンダー内を往復運動するピストン内に流体を吸引し得るように構成し、ピストン本体を隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれにそれぞれ別の逆止弁を介して前記ピストン内から流体を供給し得る通路を形成し、前記シリンダー室の一方から加圧して流体を吐出するときは、該シリンダー室に連通し得るピストン内の通路は一方の逆止弁が閉じることによって閉鎖し、前記他方のシリンダー室は、真空若しくは減圧にした吸引力で前記ピストン内の他方の逆止弁を開とすることによって、前記ピストン内の通路と連通して流体を吸引し得るように構成したことを特徴とするピストン。
【請求項７】
シリンダー内を往復運動するピストン内から流体を吐出し得るように構成し、ピストン本体を隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれから別の逆止弁を介してピストン内を通って流体を吐出し得る通路を形成し、前記シリンダー室の一方からピストン内を通って流体を吐出するときは、前記他方のシリンダー室は、吸引力と吐出流体の圧力で前記ピストン内の他方の逆止弁を閉とし、前記シリンダー室の吸引孔から流体を吸引するように構成したことを特徴とするピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高圧にして高速運転を行っても流体がリークしないようにし得る流体の吸引吐出装置に係り、詳記すれば、ピストン内からシリンダー室に流体を吐出させることによって、高圧にしても流体がリークしないようにした流体の吸引吐出装置及び該装置に使用するピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、潜水艦や軍艦では、ハッチの自動開閉装置やミサイル発射装置等に、高圧空気や高圧酸素等の高圧気体が使用されている。これら高圧気体は、数多くの高圧ボンベに充填し、船内の高圧貯蔵庫に収納している。
【０００３】
船内に高圧コンプレッサーを設置できれば良いが、潜水艦の内部や軍艦等は大型コンプレッサーを設置する場所がないだけでなく、高圧コンプレッサーの動力も６００Ｖ〜３０００Ｖの超高圧が必要になるので、設備は変電所トランス動力盤、リアクター起動盤と数多くを必要とすると共に船内ではこのような電気を消耗する設備はなるべく少なくする方針であるから、上記したように港等で多数の高圧ボンベを積み込んでいるのが現状である。
【０００４】
また、半導体製造部門では、各種の高圧ガスを使用しているが、高圧ボンベの貯蔵設備を危険物取扱所として設け、日常この場所から作業員が高圧ボンベを１本づつ製造工場に運び、ボンベが空になる前に取替え作業を行っているのが現状である。
【０００５】
本出願人は、流量を一定にすることができ、脈動を実質的に引き起こすことなく、一定の流量及び圧力で連続して流体を吸引・吐出し得るロータリーピストンポンプを開発し、既に特許（特許第３３１４１８６号）を取得している。
【０００６】
上記特許のポンプは、脈動が実質的に生じないことと、流量を一定にできる点で極めて画期的なものであったが、１０ｋｇ／ｍｍ２以上の高圧にすると、ポンプ本体の内径と回転切換弁の外形との嵌合の機械加工精度及び研磨仕上げをいかに施しても、吐出圧力が高圧になるにつれて吐出側から吸引側へのリーク量が多くなり、設計通りの吐出量が得られない問題があった。そのため回転速度を増加させてポンプの運転を行っているが、高速運転を行うと回転切換弁の外形及びポンプ本体の内径部分の磨耗が激しくなり、分解点検シール材の交換部品交換の度合いが多くなるので、長時間の連続運転は厳しいのが現状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明のうち請求項１及び２に記載の発明は、高圧にしても実質的に流体のリークが生じない流体の吸引吐出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また請求項６及び７に記載の発明は、シリンダーから吸引（又は吐出）しないで、ピストンから流体を吸引（又は吐出）してシリンダー室に吸引した流体を吐出するピストンを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、シリンダー内を往復運動するピストン本体と、該ピストン本体を隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれに形成した流体を吐出する孔と、ピストン内に流体を吸引し前記それぞれのシリンダー室に流体を供給し得る通路と、それぞれのシリンダー室に連通する該通路を開閉する逆止弁とを具備してなり、前記シリンダー室の一方から流体を吐出するときは、該シリンダー室に連通し得るピストン内の通路は吐出圧力により前記一方の逆止弁で閉じられ、前記他方のシリンダー室は、吸引力で前記ピストン内の他方の逆止弁を開とし、前記ピストン内の通路と連通して流体を吸引するように構成したことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、シリンダー内を往復運動するピストン本体と、該ピストン本体を隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれに形成した流体の吸引孔と、前記それぞれのシリンダー室からピストン内を通って流体を吐出し得る通路と、それぞれのシリンダー室に連通する該通路を開閉する逆止弁とを具備してなり、前記シリンダー室の一方からピストン内を通って流体を吐出するときは、前記他方のシリンダー室は、吸引力と吐出流体の圧力で前記ピストン内の他方の逆止弁を閉とし、前記シリンダー室の吸引孔から流体を吸引するように構成したことを特徴とする。
【００１１】
要するに本発明は、従来ポンプ本体に吸引口と吐出口とを２個づつ設けていたため、高圧になるにつれて、回転切替弁（ロータリー弁）の外面とポンプ本体の内面との間から流体のリークが発生したが、吸引口（又は吐出口）をピストンに設け、ポンプ本体には吐出口（又は吸引口）しか設けないようにし、ピストン（又はポンプ本体）の吸引口は吐出流体の圧力によって閉じられ圧力が高くなるほど強く閉じられるようにすることによって、高圧にしても、流体のリークが実質的に生じないようにしたことを要旨とするものである。尚、本発明でピストンというのは、ピストン本体（プランジャー）、該ピストン本体の後方及び前方に連設したピストン軸並びにこれらピストンと一緒に往復動する部材を含む意味である。
【００１２】
互いに対向する面で且つピストンの摺動方向に離間した位置に長孔を有するシリンダーを、ピストンの摺動方向に離間した対向位置に吐出孔を有する装置本体の嵌合孔に回動自在に嵌合させ、前記シリンダーが回転して一方の長孔が前記装置本体の一方の吐出孔と連通して流体を吐出すると、前記シリンダーの他方の長孔は前記装置本体の他方の吐出孔と連通せず、連通しない吐出孔を有するシリンダー室に、前記ピストン内の通路から流体を吸引するように構成し、前記シリンダーが１回転すると前記ピストン本体は１往復するように前記シリンダーの回転とピストン本体の往復動とを同期させると良い（請求項３）。
【００１３】
シリンダーに形成された両長孔と前記装置本体の両吐出孔とは、円周方向に長い９０°の長孔に形成すると良い（請求項４）。
【００１４】
シリンダーに形成された長孔は、回転方向に長く且つ傾斜した長孔に形成し、該長孔に接する前記装置本体の両吐出孔を、それぞれ該長孔と交叉し得る長孔に形成するのが好ましい（請求項５）。
【００１５】
本発明に使用するピストンは、シリンダー内を往復運動するピストン内に流体を吸引し得るように構成し、ピストン本体を隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれにそれぞれ別の逆止弁を介して前記ピストン内から流体を供給し得る通路を形成し、前記シリンダー室の一方から加圧して流体を吐出するときは、該シリンダー室に連通し得るピストン内の通路は一方の逆止弁が閉じることによって閉鎖し、前記他方のシリンダー室は、真空若しくは減圧の吸引力で前記ピストン本体内の他方の逆止弁を開とすることによって、前記ピストン内の通路と連通して流体を吸引し得るように構成した（請求項６）。
【００１６】
また、本発明のピストンは、シリンダー内を往復運動するピストン内から流体を吐出し得るように構成し、ピストン本体を隔てて形成されるシリンダー室のそれぞれから別の逆止弁を介してピストン内を通って流体を吐出し得る通路を形成し、前記シリンダー室の一方からピストン内を通って流体を吐出するときは、前記他方のシリンダー室は、吸引力と吐出流体の圧力で前記ピストン内の他方の逆止弁を閉とし、前記シリンダー室の吸引孔から流体を吸引するように構成したことを特徴とする（請求項７）。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施例を示すもので、装置本体１の嵌合孔には円筒状シリンダー（切替回転弁本体）２が回動自在に嵌合し、円筒状シリンダー２には、両ロッド式プランジャーのピストン本体（プランジャー）３が摺動自在に嵌合され、後部ピストンシャフト４は、ベアリング（スラストベアリング）５及びシャフトシール６を介してシリンダー２の後部パッキン部１２に摺動自在に嵌合し、前部ピストンシャフト４´は、リング状フッ素樹脂シール６´及びベアリング（スラストベアリング）５´を介して、シリンダー２の前部パッキン部１３に摺動自在に嵌合している。
【００１９】
装置本体１の上端には、図１及び図２に示すように。ピストンの摺動方向に対向して吐出口７，７´が形成され、２個の吐出口７，７´には、単一の吐出口８に合流するようにしたパイプ１１が連結固定されている。
【００２０】
シリンダー２のシリンダー室形成部分の両側部には、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、それぞれ回転方向に長い円弧状（９０°）貫通孔（長孔）９，１０が形成されている。両長孔９，１０は、同形・同大で内筒の両側壁に隣接若しくは近接して形成され、互いに対向する面（１８０°回転した部位）で且つピストンの摺動方向に離間した部位に互いに平行に位置している。両長孔９，１０と接する装置本体の吐出口７，７´も上記両長孔９，１０と同じ大きさの回転方向に長い９０°の長孔に形成されている。
【００２１】
ピストン本体３内部は空洞に形成され、同ピストン本体３先端面に連設した前部ピストンシャフト４´は、細長いパイプ状に形成され、その先端はインレットハウジング１４内に位置している。
【００２２】
インレットハウジング１４は先端が閉じた筒形に形成され、前部パッキン部１３に密に外嵌し、インレットハウジング１４開口部のフランジと前部パッキン部１３のフランジとが、Ｏ―リング１５を介してボルトで締付け固定されている。
【００２３】
インレットハウジング１４の吸引口１６から流体を吸引し、前部ピストンシャフト４´内の通路（貫通孔）を通ってピストン本体３内に流体を送っている。ピストン本体３の先端と後端には、開口１７，１８が形成され、該開口１７，１８と前部ピストンシャフト４´の貫通孔とは、それぞれ逆止弁１９，１９´を介して連通し得るようになっている。
【００２４】
ピストン本体３を隔てて形成される一方のシリンダー室が流体吐出中の加圧状態のときは、加圧されて逆止弁（図１の場合は１９）が閉じるので、流体は前部ピストンシャフト４´内の通路に漏れない。この時他方のシリンダー室は真空若しくは減圧状態となり、その吸引力から逆止弁（図１の場合は１９´）を開として流体が前部ピストンシャフト４´内の通路を通ってピストン本体３内の通路からシリンダー室に流入する。
【００２５】
前部パッキン部１３先端と前部ピストンシャフト４´との隙間には、シール材６´´とシャフトシール押金物２０が嵌合し、シャフトシール押金物２０は前部パッキン部１３先端に螺子で固定されている。同様に、シリンダー２の後部パッキン部１２の後端にもピストンシャフト４を嵌挿したシャフトシール押金物２１が嵌合固定されている。また、装置本体１と後部パッキン部１２との後端隙間に、ベアリング、シール材及びシール押金物２２が順次嵌合し、シール押金物２２が螺子で装置本体１後端に固定されている。
【００２６】
シリンダー２の端部には、切替回転弁ベベルギヤー（筒状かさ歯車）２３が外嵌連設され、該ベベルギヤー２３は、モータの回転軸２４に固定した駆動用ベベルギヤー（筒状かさ歯車）２５と直角に歯合している。ピストン本体３をピストンシャフト４を介して往復運動させるクランクシャフト２６は、一端がピストンシャフト後端に固定され、他端がモータの回転軸２４に固定した回転体２７に固定されている。切替回転弁ベベルギヤー２３と駆動用ベベルギヤー２５とは、歯数を同じにしているので、シリンダー２が１回転すると、ピストン本体３は１往復する。
【００２７】
図４（Ａ）に示すスタート位置は、図１ではピストンを後端（右端）まで引いた位置（回転角度（０°）であり、吐出口７，７´は閉じている。逆止弁１９は開で、逆止弁１９´は閉じている。
【００２８】
それからシリンダーが０°〜４５°回転すると、図４（Ｂ）に示すように、Ａ室から流体を吐出し、流体の吐出圧力により逆止弁１９が閉じる。Ｂ室は吐出口７´は閉じているので、真空状態（又は減圧状態）となって、逆止弁１９´を開とし、ピストンシャフト（パイプ）４´内を通して流体を吸引する。
【００２９】
シリンダーが４５°〜９０°回転すると、図４（Ｃ）の状態となり、９０°〜１３５°回転すると、図４（Ｄ）の状態となり、１３５°〜１８０°回転すると、図４（Ｅ）の状態となる。図４（Ｅ）の状態は、Ａ室の吐出が終了し、Ｂ室の吸引が終了した状態である。この状態では、図４（Ａ）とは逆に、逆止弁１９は閉じ、逆止弁１９´は開いている。１８０°〜２３５°回転すると、図４（Ｆ）の状態となり、Ａ室は真空状態（又は減圧状態）となって、逆止弁１９を開とし、ピストンシャフト（パイプ）４´内を通して流体を吸引し、Ｂ室の吐出口７´から流体を吐出し、吐出圧力によって逆止弁１９´は閉じられる。
【００３０】
長孔９，１０を回転方向に長く且つ傾斜した長孔に形成し、該長孔と接する装置本体の吐出口７，７´とを、それぞれ前記長孔９，１０と交差し得る長孔に形成するのが好ましい。このように形成すると、交差した連通孔の大きさを常に同じとすることができるので、常に一定量を吸引し一定量を吐出することができるから、脈動を実質的に防止することができる。
【００３１】
図５は、本発明の他の実施例であり、ピストンシャフト４´に、それぞれシリンダーのＡ室及びＢ室に連通し得る流体通路２８，２８´を形成した例を示す。その他は、図１の実施例と同様に構成されている。図５中、図１と同一符号は、図１と同一名称を示す。
【００３２】
上記実施例では、切替回転弁（シリンダー）２を使用しているが、これは必ずしも必要なものではない。本発明のピストンを装置本体１に直接摺動自在に嵌合させても良い。この場合は、装置本体１がシリンダーとなるものである。切替回転弁（シリンダー）２を使用しない場合は、吐出口７，７´に逆止弁を設けるか、単一の吐出口８への合流部に単一の逆止弁を設け、一方の吐出口７（７´）から流体を吐出するときは、他方の吐出口７´（７）は流体の吐出圧及び／又は減圧力で閉じられるように構成すれば良い。
【００３３】
上記実施例では、インレットハウジング１４の吸引口１６から流体を吸引し、前部ピストンシャフト４´内の通路（貫通孔）を通ってシリンダー２内に流体を供給し、シリンダー２から流体を吐出するように構成している。しかしながら、これは必ずしもこのようでなくとも良く、逆に吐出口８からシリンダー２内に流体を吸引し（この場合は、吐出口８は吸引口となる）、前部ピストンシャフト４´内の通路（貫通孔）を通って、インレットハウジング１４の吸引口１６（この場合は、吸引口１６は吐出口となる）から流体を吐出させても良い。
【００３４】
クランクシャフトの動作は、押す動作、引く動作のいずれにしても、回転動力を押したり、引いたりする動作替えクランク機構を応用して、押す、引くに動作を変換するものである。この場合に押す・引くの運動の速さを時間グラフに置き換えるとサインカーブ動作となる。サインカーブ動作（ピストンの押し、引き）は、吐出圧力で圧力を計測すると脈動に比例している。この場合、膨張係数の多い気体の場合は、脈動は比較的少ないが、液体のように膨張係数が少ないものは即脈動を引き起こす原因となる。
【００３５】
図６に示す実施例のようにリニアシャフト２９をクランクシャフトの代わりに取り付けることによって、ピストンの押し引きの時間は、サインカーブと異なり直線性に変わるので、脈動を引き起こす原因をほぼ完全に取り除くことができる。
【００３６】
図６に示すように、ピストンシャフト４は、リニアシャフト２９に連結され、ピストン本体３は、直線動作で往復動するようになっている。リニアシャフト２９内には、長さ方向に永久磁石３０が多数内装され、リニア本体３１内のコイル本体（図示省略）に電流を流すと、リニアシャフト２９は、前進・後進を繰り返すようになっている。尚、図６中、図１と同一符号は、同一名称を示す。
【００３７】
回転切替弁（シリンダー）２後端には、回転弁駆動歯車３２が外嵌固定され、同歯車３２は、回転弁駆動モータ３３の回転軸に固定した歯車３４に歯合している。リニアシャフト２９は、シャフト軸受け３５，３５´によって摺動自在に支持され、リニアシャフト２９後端には、シャフト移動位置検出金物３６が固定されている。
【００３８】
図７は、図６の装置を駆動する原理説明図であり、リニヤーエンコーダーとロータリーエンコーダー（ロータリー型マグネスケール）とを、公知の手段によって、前記シリンダー２が１回転するとピストン本体３は１往復するように、シリンダー２の回転とピストン本体３の往復動とを電気的に同期制御している。リニヤーエンコーダー（直線式マグネスケール）は、ピストンシャフト若しくはピストンシャフトと一緒に直線運動する部材に固定し、ロータリーエンコーダー（ロータリー型マグネスケール）は、シリンダー若しくはシリンダーと一緒に回転する部材に固定されている。
【００３９】
本発明の装置は、ピストンが往復動するシリンダーからは、流体の吐出（又は吸引）しか行わないようにし、流体の吸引（又は吐出）はピストンから逆止弁を介して行うようにすると共に、吐出圧力が高くなればなるほど逆止弁が閉まって流体が漏れ難くなるので、高圧にしても流体のリークが生じない。
【００４０】
本発明の装置は、ピストンを隔てて形成される一方の室から流体を吸引し、他方の室から流体を吐出するので、確実に吸い込みを行い、吸い込み量と同一の量を確実に吐き出すことができるから、激しい脈動を引き起こすことなく、しかもエネルギーのロスがなく高精度である。
【００４１】
また、本発明の装置は、リニアシャフトモータを使用することによって、ピストンを直線動作で移動させることができるから、脈動を完全若しくはほぼ完全に無くすことができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明によれば、超高圧にして高速運転を行っても流体がリークしないので、従来のポンプでは不可能であった高圧気体を支障なく容易に生成することができる。従って、高圧気体を使用する潜水艦、軍艦および半導体製造部門等では、極めて有用であり、絶大な効果を発揮する。
【００４３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の装置本体の一例を示す概略斜視図である。
【図３】本発明のシリンダーの一例を示す斜視図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。
【図４】本発明の切替回転弁の開閉状態を示す断面図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図７】図６の装置を駆動する原理説明図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　　　　装置本体
２　　　　　　　　　　　　切替回転弁本体（シリンダー）
３　　　　　　　　　　　　　ピストン本体（プランジャー）
４，４´　　　　　　　　　ピストンシャフト
７，７´　　　　　　　　　装置本体に形成された吐出口
９，１０　　　　　　　　　シリンダーに形成された長孔
１４　　　　　　　　　　　　インレットハウジング
１９，１９´　　　　　　　　ピストンに形成された逆止弁
２９　　　　　　　　　　　　リニアシャフト
【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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