(57)【要約】【課題】ダイヤフラムポンプよりも空気が混入し難く、圧力脈動が小さく、シリンジポンプに近い高圧を発生できるコンパクトな往復動ポンプ、往復動ポンプ装置を提供すること。【解決手段】ケース１１と、該ケース内１１に配置され軸方向に往復動する傘状機能体１２と、該傘状機能体１２の柄部１２ｂに設けられ外周部が該ケース１１内周面に摺接する磁性体１３と、該ケースの外周部に設けた磁力発生器１４とを備え、ケースは一端が吸込口１５、他端が吐出口１６となっており、傘状機能体１２は吐出口１６側に移動するときは径方向に拡幅してその外周面が該ケース１１の内周面に摺接し、吸込口１５側に移動するときは径方向に収縮してその外周面が該ケース１１の内周面から離間する拡幅収縮部１２ａを備えた往復動ポンプ１０。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に円柱状空間が形成されたケースと、該ケース内に配置され軸方向に往復動する傘状機能体と、該傘状機能体に設けられた磁性体と、該ケースの外周部に設けた前記磁性体に作用し前記傘状機能体をケース内軸方向に移動させる磁気を発生する磁力発生器とを備え、
前記ケースは一端が吸込口、他端が吐出口となっており、
前記傘状機能体は前記ケース内を前記吐出口側に移動するときは径方向に拡幅し、前記吸込口側に移動するときは径方向に収縮する拡幅収縮部を備えたことを特徴とする往復動ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の往復動ポンプにおいて、
前記傘状機能体の拡幅収縮部を薄肉の高分子材料で構成したことを特徴とする往復動ポンプ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の往復動ポンプにおいて、
前記磁性体を外周面がケース内周面に摺接する環状の磁性体リングとし、該磁性体リングの外周に前記ケース軸方向に流体が通る凹溝を設けたことを特徴とする往復動ポンプ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の往復動ポンプにおいて、
前記傘状機能体の前記ケース軸方向位置によって、該傘状機能体が移動する速度を変化させるように、前記磁力発生器が発生する磁力を制御する制御手段を設けたことを特徴とする往復動ポンプ。
【請求項５】
前記請求項１乃至３に記載の往復動ポンプを複数台備え、
該複数台の往復動ポンプを互いに前記ケーシング吐出口に吸込口を接続して直列に構成したことを特徴とする往復動ポンプ装置。
【請求項６】
請求項５に記載された往復動ポンプ装置において、
前記各往復動ポンプの傘状機能体の前記ケーシング軸方向の動きを連携制御して、流体の圧力脈動を低減する制御手段を設けたことを特徴とする往復動ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は往復動ポンプ、及び該往復動ポンプを複数台に直列に接続し多段構成としてポンプ装置に係り、特に医薬品製造プロセスや医療用で使用される微小流量の液体を取り扱うのに好適な往復動ポンプ、及び往復動ポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、医薬品製造プロセスや医療用で使用される微小流量の流体を取り扱うポンプには、シリンジポンプやダイヤフラムポンプが多く用いられている。シリンジポンプは、言わば注射器のピストンをアクチュエータで制御する構成のポンプであり、極めて高い定流量性を有しており、複数の薬液を正確な割合で混合する場合などに有効である。
【０００３】
ダイヤフラムポンプはシリンジポンプほど高圧、高い定流量性は無いが、遠心ポンプなどの非容積式ポンプに比べると定流量性が高く、大きさもコンパクトである。ダイヤフラムポンプの従来技術としては特許文献１に開示されたもの等が知られており、ダイヤフラム部の上流側に吸込逆止弁、下流側に吐出逆止弁を備えたものが一般的である。
【特許文献１】特開２００４−３４６８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、シリンジポンプは、液を補充する必要があり、この液を補充する際にポンプを一旦停止する必要があるため、長時間連続的に液を供給する医薬製造プロセスなどに使用する場合には、ポンプとアクチュエータが巨大なものとなってしまうという不都合があった。例えば、毎分流量５ミリリットルで液体を５００時間連続して供給する場合は、シリンジポンプの容量は１５０リットル以上必要となる。
【０００５】
また、ダイヤフラムポンプは圧力脈動を伴うため、圧力脈動を嫌う用途ではアキュムレータ等を配管系に設ける必要がある。また、特に微小流量で使用する場合には、液体中に空気が混入すると逆止弁の機能が阻害されて流量が不安定になる等の懸念があった。
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ダイヤフラムポンプよりも空気が混入し難く、圧力脈動が小さく、シリンジポンプに近い高圧を発生できるコンパクトな往復動ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、内部に円柱状空間が形成されたケースと、該ケース内に配置され軸方向に往復動する傘状機能体と、該傘状機能体に設けられた磁性体と、該ケースの外周部に設けた前記磁性体に作用し前記傘状機能体をケース内軸方向に移動させる磁気を発生する磁力発生器とを備え、前記ケースは一端が吸込口、他端が吐出口となっており、前記傘状機能体は前記ケース内を前記吐出口側に移動するときは径方向に拡幅し、前記吸込口側に移動するときは径方向に収縮する拡幅収縮部を備えたことを特徴とする往復動ポンプにある。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の往復動ポンプにおいて、前記傘状機能体の拡幅収縮部を薄肉の高分子材料で構成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の往復動ポンプにおいて、前記磁性体を外周がケース内周面に摺接する環状の磁性体リングとし、該磁性体リングの外周に前記ケース軸方向に流体が通る凹溝を設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の往復動ポンプにおいて、前記傘状機能体の前記ケース軸方向位置によって、該傘状機能体が移動する速度を変化させるように、前記磁力発生器が発生する磁力を制御する制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、前記請求項１乃至３に記載の往復動ポンプを複数台備え、該複数台の往復動ポンプを互いに前記ケーシング吐出口に吸込口を接続して直列に構成したことを特徴とする往復動ポンプ装置にある。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載された往復動ポンプ装置において、前記各往復動ポンプの傘状機能体の前記ケーシング軸方向の動きを連携制御して、流体の圧力脈動を低減する制御手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、傘状機能体はダイヤフラムポンプのダイヤフラムと逆止弁を兼ねた機能を持っており、ケース内部の円柱状空間の内径は往復動ポンプに接続されるチューブの内径と同一に設計することにより、往復動ポンプを横置き状態にしても空気が溜まる空間がないことから、部品点数の少ない簡単な構造で、且つダイヤフラムポンプより空気の混入に強く、圧力脈動が小さく、シリンジポンプに近い高圧を発生できるコンパクトな往復動ポンプを提供することができる。特に、液体の粘性の影響が大きくなる、例えば毎分数ミリリットル以下の微小流量を扱うシステムに好適な往復動ポンプを提供できる。また、粘性の大きな液体を扱う用途、例えば人工心臓にも応用が可能である。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、傘状機能体の拡幅収縮部を薄肉の高分子材料で構成したので、該高分子材料に例えば厚さが５０マイクロメートル以下のフッ素樹脂膜を用いることにより高可撓性、高伸縮性を備えた構成とすることができる。また、傘機能体の拡幅収縮部をこのような高可撓性・伸縮性を備えた柔かい材料とすることで、圧力脈動を小さく抑えることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、磁性体を外周がケース内周面に摺接する環状の磁性体リングとしたので、該磁性体リングが軸受の作用を奏し、ポンプ内部には縦置き・横置きのいずれの場合でも空気が溜まる空間がなく、空気の混入に強い構成となる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、傘状機能体のケース軸方向位置によって、該傘状機能体が移動する速度を変化させるように、磁力発生器が発生する磁力を制御する制御手段を設けたので、例えばポンプ後流側に圧力脈動を検知する圧力センサを設け、傘状機能体の各位置における移動速度をフィードバック制御することで、圧力脈動を最小化することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、複数台の往復動ポンプを互いにケーシング吐出口に吸込口を接続して直列に構成したので、ポンプを直列多段化することが容易で、高い圧力で使用する場合にも定流量性を確保することができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、直列に接続した各往復動ポンプの傘状機能体のケーシング軸方向の動きを連携制御して、流体の圧力脈動を低減する制御手段を設けたので、各傘状機能体の移動方向や移動速度或いは位相をずらすことにより、圧力脈動を最小化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基いて説明する。図１は本発明に係る往復動ポンプの構成例を示す図で、図１（ａ）は側断面図、図１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図示するように、本往復動ポンプ１０は、内部に円柱状空間が形成されたケース１１と、該ケース１１内に配置された傘状機能体１２と、傘状機能体１２の柄部に設けられた磁性体１３とを備えている。また、磁性体１３に磁力を作用させ傘状機能体１２をケース１１内の軸方向（矢印Ｂ方向）に移動させるための磁力発生器１４をケース１１の外周に設けている。
【００２０】
傘状機能体１２は拡幅収縮部１２ａと柄部１２ｂとからなる。拡幅収縮部１２ａは傘状機能体１２がケース１１の軸方向の一方向（図１（ａ）では左方向）に移動するときは径方向に拡幅し（図１（ａ）の一点鎖線で示す）、他方向に移動するときは径方向に収縮する（図１（ａ）の実線で示す）ようになっている。即ち、傘状機能体１２の拡幅収縮部１２ａはケース１１一端の吸込口１５の方向に移動すると径方向に収縮し、その外周面がケース１１の内周面より離間し、他端の吐出口１６の方向に移動すると径方向に拡幅し、その外周面がケース１１の内周面に摺接するようになっている。また、柄部１２ｂに設けた磁性体１３は図１（ｂ）に示すように磁性体からなるリング状でその中央部に傘状機能体１２の柄部１２ｂが嵌合し、その外周がケース１１の内周面に摺接するようになっている。これにより、リング状の磁性体１３とケース１１の内周面の間は傘状機能体１２が移動するときの軸受を構成する。また、リング状の磁性体１３の外周にはケース１１の軸方向に複数個（図では４個）の凹溝１３ａが設けられ、これが液体流路となっている。
【００２１】
ケース１１の材料は磁力を透過する材料であり、具体的にはフッ素樹脂等の高性能樹脂やガラス、或いはジルコニア等のセラミック材料を使用している。また、ケース１１の吸込口１５側の端部には内径を拡大した内径拡大部１７ａを有する雌型フランジ１７が設けられ、吐出口１６側の端部近傍には吸込口１５の反対側に円筒状の突出部１８ａを有する雄型フランジ１８が設けられている。該雄型フランジ１８の円筒状の突出部１８ａの外周にはＯリング挿入溝１８ｂが形成されている。傘状機能体１２の拡幅収縮部１２ａは可撓性・伸縮性に富む薄肉の高分子材料、具体的には厚さが５０マイクロメートル以下フッ素樹脂やゴム材などで作られている。
【００２２】
往復動ポンプ１０を上記のように構成することにより、傘状機能体１２をケース１１内を吐出口１６側に移動させると、その拡幅収縮部１２ａは径方向に拡幅しその外周面がケース１１の内周面に摺接するため、ケース１１内の液体は吐出口１６側に押し出される。反対に傘状機能体１２を吸込口１５側に移動させると、その拡幅収縮部１２ａは径方向に収縮しその外周面はケース１１の内周面から離間する。そしてリング状の磁性体１３の外周に設けた凹溝１３ａ及び拡幅収縮部１２ａ外周面とケース１１内周面の間の間隙を液体が通ることにより、傘状機能体１２はケース１１内の液体に抵抗されることなく、吸込口１５側に移動できる。このように傘状機能体１２をケース１１内で軸方向に往復動させることにより、液体は吸込口１５から吸込まれ、吐出口１６から吐き出される。
【００２３】
傘状機能体１２の柄部１２ｂには上記のように外周がケース１１の内周面に摺接するリング状の磁性体１３が嵌め込まれて固定され、磁性体１３とケース内周面との間で軸受を構成しているので、往復動ポンプ１０の内部には縦置き、横置きのいずれの場合でも空気が溜まることはない。また、傘状機能体１２がケース１１内を吐出口１６側に移動するとき、拡幅収縮部１２ａの外周面がケース１１の内周面に摺接して移動するから、内周面に気泡や異物が付着しても速やかに排除される（掻き取られる）。また、傘状機能体１２の拡幅収縮部１２ａは可撓性・伸縮性に富む薄肉の高分子材料、例えば上記のように厚さが５０マイクロメートル以下のフッ素樹脂やゴム材等で構成することにより、吐出口１６から吐き出される液体の圧力脈動を小さく抑えることができる。
【００２４】
リング状の磁性体１３は、例えばフェライト磁石や一般の金属を母材とし、軸受としての機能を付与させるため樹脂を表面にコーティングするなどして構成される。また、磁性体１３としては磁石材料を樹脂で固めリング状に形成したものでもよい。また、本実施形態例で傘状機能体１２と磁性体１３を別部品としているが、磁性を持った高分子系の複合材料で傘状機能体１２の柄部１２ｂとリング状の磁性体１３を一体に形成することも可能である。磁性体１３を磁石として形成した場合には、傘状機能体１２の移動に、磁力発生器１４の発生磁力による引力のみならず、斥力も利用することが可能となる。
【００２５】
ケース１１の外周部には上記のように、磁力発生器１４が設けられている。この磁力発生器１４は図示しない外部からの電力の供給によって、任意の時刻に、ケース１１の軸方向の任意の位置をＮ極又はＳ極に磁化することができるように構成されている。これにより、磁性体１３に磁力が作用し傘状機能体１２を軸方向の任意の位置に、任意の速度で移動させることができる。傘状機能体１２のケース１１の軸方向位置によって、傘状機能体１２が移動する速度を変化させるように、磁力発生器１４が発生する磁力を制御する制御手段（図示せず）を設けることにより、例えば往復動ポンプ１０の後流側に圧力脈動を検知する圧力センサを設け、傘機能体１２の各位置における移動速度をフィードバック制御することで、圧力脈動を最小化することが可能となる。
【００２６】
図２は上記構成の往復動ポンプ１０のケース１１の吸込口１５側と吐出口１６側にチューブ１９、２０を接続した場合の側断面構成を示す図であり、図２（ａ）は傘状機能体１２がケース１１の吐出口１６側に移動した状態を、図２（ｂ）は傘状機能体１２がケース１１の吸込口１５側に移動した状態をそれぞれ示す。チューブ１９及びチューブ２０はそれぞれその内径が往復動ポンプ１０のケース１１の内径と同一のチューブである。
【００２７】
チューブ１９の端部には雄型フランジ２１が固定されており、該雄型フランジ２１の円筒状突起部２１ａの外周に設けたＯリング挿入溝２１ｂにＯリング２２を挿入し、該円筒状突起部２１ａを往復動ポンプ１０の雌型フランジ１７の内径拡大部１７ａに挿入して雌型フランジ１７と雄型フランジ２１を結合（雌型フランジ１７と雄型フランジ２１を挟み込んで結合）することにより、チューブ１９の端部を往復動ポンプ１０の吸込口１５に接続する。また、チューブ２０の端部には内径拡大部２３ａを有する雌型フランジ２３が固定されており、往復動ポンプ１０の雄型フランジ１８の円筒状の突出部１８ａのＯリング挿入溝１８ｂにＯリング２４を挿入し、該円筒状の突出部１８ａを雌型フランジ２３の内径拡大部２３ａに挿入して雌型フランジ２３と雄型フランジ１８を結合することにより、チューブ２０の端部を往復動ポンプ１０の吐出口１６に接続する。
【００２８】
上記のように往復動ポンプ１０の吸込口１５及び吐出口１６に接続するチューブ１９及びチューブ２０をそれぞれその内径が往復動ポンプ１０のケース１１の内径と同一とすることにより、チューブ１９及びチューブ２０の内部、及び往復動ポンプ１０の内部に空気の溜まる空間がなく空気が溜まらない構造となる。
【００２９】
図３は上記構成の往復動ポンプを複数台（図では２台）直列に接続してポンプ装置を構成した場合の側断面構成を示す図である。図示するように、往復動ポンプ１０−１の吐出口１６側の雄型フランジ１８の円筒状の突出部１８ａの外周に設けたＯリング挿入溝１８ｂにＯリング２４を挿入し、該円筒状の突出部１８ａを復動ポンプ１０−２の吸込口１５側の雌型フランジ１７の内径拡大部１７ａに挿入し、雄型フランジ１８と雌型フランジ１７を結合することにより、復動ポンプ１０−１と復動ポンプ１０−２を直列に接続したポンプ装置１００を構成する。図３では復動ポンプ１０−１の傘状機能体１２がケース１１の吸込口１５側に移動し、往復動ポンプ１０−２の傘状機能体１２がケース１１は吐出口１６側に移動した場合を示す。
【００３０】
上記のように複数台（図では２台）の往復動ポンプ１０を互いにケーシング吐出口１６と吸込口１５を接続して直列に構成することにより、往復動ポンプ１０を直列多段化してポンプ装置１００を構成することが容易であり、且つ高い圧力で使用する場合にも定流量性を確保することができるポンプ装置１００が実現できる。また、このように往復動ポンプ１０を直列多段化してポンプ装置１００を構成した場合、各往復動ポンプ１０の傘状機能体１２のケース１１の軸方向の動きを連携制御して、流体の圧力脈動を低減する制御手段（図示せず）を設けることにより、各傘状機能体１２の移動方向や移動速度或いは位相をずらすことにより、圧力脈動を最小化することができる。  
【００３１】
図４は、磁力発生器１４と制御部３０の一構成例を示す図で、磁力発生器１４はケース１１の外周に軸方向に並べられた複数の電磁石１４ａを備えている。また、電磁石１４ａは図５に示すように周方向に複数個、望ましくは３個以上備えられていて、ケース１１を取り囲むように配置されている。各々の電磁石１４ａは制御部３０のスイッチング部３１に接続されており、制御部３０のマイクロコンピュータ（図示せず）等がスイッチング部３１に指令を与えることで、各々の電磁石１４ａに流れる電流のオン／オフ、正／逆を制御する。
【００３２】
例えば、図４においてオンとする電磁石を左端から右端へ、そして、右端から左端へと往復移動させるような制御を行えば、それに伴って傘状機能体１２も往復運動を行う。制御部３０では電磁石１４ａのスイッチングのタイミングを変更することにより、往復動の周期や位相、更には各位相における移動速度を任意に制御することができる。なお、ケース１１の軸方向同一個所の円周方向に備えられた複数の電磁石１４ａは同一のタイミングでスイッチングするようにするのが望ましい。
【００３３】
また、傘状機能体１２を複数備える場合は、図４に点線で示すように、制御部３０にそれぞれの磁力発生器１４に対応したスイッチング部３１を備えていることが望ましい。そうすることで、それぞれの傘状機能体１２を独立に任意の往復動周期、位相で制御することが可能になる。このように、傘状機能体12の往復運動の周期や位相、更には各位相における移動速度を任意に制御できることにより、圧力脈動の少ない最適な往復動運動を実現することができる。
【００３４】
また、往復動ポンプ１０の後流側に圧力センサ２５を設け、その圧力検出信号を制御部３０に送ることにより、傘状機能体１２の往復運動に対するフィードバック制御が可能になり、例えば、圧力が急減に上がるようなときは、傘状機能体１２の吐出口１６方向への移動速度を低下させるなど、圧力脈動をなくすような制御をすることができる。
【００３５】
また、磁性体１３はケース１１に摺接する構造に限られず、磁性体１３の外径がケース１１の内径より小さいものであってもよい。例えば、図６に示すようにケース１１の中心部軸方向に円柱状の案内部材２６を設置し、傘状機能体１２の中心部軸方向に設けた貫通穴にこの案内部材２６を通すことにより、傘状機能体１２の軸中心をケース１１の軸中心に位置させることができる。案内部材２６は、傘状機能体１２の往復運動に対して範囲外の位置でステイ２７によりケース１１内に固定されている。
【００３６】
また、磁性体１３をケース１１内径よりも小さい径をもつ円筒形とし、ケース１１を周方向に取り囲むように配置された電磁石等の磁力発生器１４により、磁性体１３に対して均等に磁力をかけるようにすれば、磁性体１３をケース１１の中心付近（水平配置の際も、小型であるため重力の影響はそれほど大きくなく、液中であれば更に浮力によって相殺さるため、中心付近になる。）に保持することができる。この際、磁力による斥力を利用するようにした方がよい。磁性体１３とケース１１や案内部材２６との接触がなくなるため、磨耗等による動作不良や搬送液中への不純物の混入という問題を抑制することができる。
【００３７】
また、傘状機能体１２が吐出口１６方向に移動する際、必ずしもケース１１に摺接する必要はなく、吐出口１６側に移動するときは径方向に拡幅し、吸込口１５側に移動するときは径方向に収縮しさえすれば液の移動は可能である。傘状機能体１２をケース１１内周に摺接させないようにすれば磨耗による往復動ポンプ１０の性能の低下を抑制することができるが、液移送の効率、気泡、不純物等の掻き出し効果を向上させるには、拡幅した際の傘状機能体１２の最大径がケース１１の内周面との間の隙間ができるだけ小さくなるようにするのが望ましい。
【００３８】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、上記往復動ポンプは液体を取り扱うポンプとして説明したが、本発明に係る往復動ポンプで取り扱う流体は液体に限定されるものではなく、例えば各種ガス等の気体でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る往復動ポンプの構成例を示す図で、図１（ａ）は側断面図、図１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明に係る往復動ポンプの吸込口及び吐出口にチューブを接続した構成例を示す側断面図である。
【図３】本発明に係る往復動ポンプを複数台直列に接続したポンプ装置の構成例を示す側断面図である。
【図４】本発明に係る往復動ポンプの磁力発生器と制御部の一構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る往復動ポンプの磁力発生器のケース外周の配置状態を示す図である。
【図６】本発明に係る往復動ポンプの構成例を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０      往復動ポンプ
１１      ケース
１２      傘状機能体
１３      磁性体
１４      磁力発生器
１５      吸込口
１６      吐出口
１７      雌型フランジ
１８      雄型フランジ
１９      チューブ
２０      チューブ
２１      雄型フランジ
２２      Ｏリング
２３      雌型フランジ
２４      Ｏリング
２５      圧力センサ
２６      案内部材
２７      ステイ
３０      制御部
３１      スイッチング部
１００    ポンプ装置
【図１】
2007002824.tif 000003
【図２】
2007002824.tif 000004
【図３】
2007002824.tif 000005
【図４】
2007002824.tif 000006
【図５】
2007002824.tif 000007
【図６】
2007002824.tif 000008