(57)【要約】【課題】往復型ポンプを利用した無脈動ポンプにおいて、機械系のがた等により生じる吐出期間初期の吐出量の減少を精度よく抑制する。【解決手段】ダイアフラムポンプ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、想定される吐出量の減少量より大きく設定し、実際の減少量と大きく設定された減少量の差分を、ポンプ室内の圧力により容積が変化する容積調整機構４０の容積変化により相殺する。容積調整機構４０の容積変化の量（調整量）は、圧力センサ４４により検出された平均吐出圧力に基づき設定される。平均吐出圧力と、その圧力において脈動を最小にする調整量をあらかじめ記憶部８６に記憶しておき、制御部４６は、この情報と検出された平均吐出圧力に基づき調整量を設定する。【選択図】図１
2007327449.tif 000002
【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み、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往復運動子を運動させる無脈動ポンプであって、
往復運動子は、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、吐出量の想定される減少量に対して過剰にポンプ室容積を減少させる補償運動を行い、
さらに、各往復動ポンプは、
ポンプ室の圧力変化により摺動子が移動してポンプ室の容積を変化させる容積調整機構と、
容積調整機構の容積変化の量を、往復運動子の前記補償運動により生じるポンプ室容積の減少量の過剰分と相殺するよう調整する調整部と、
を有し、
調整部は、前記摺動子の移動量を、当該無脈動ポンプの平均吐出圧力に対応して設定する、
無脈動ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の無脈動ポンプであって、
調整部は、当該無脈動ポンプの残存する脈動が小さくなる、平均吐出圧力と摺動子の移動量との関係を記憶する記憶部と、平均吐出圧力を取得する平均吐出圧力取得手段と、を有し、記憶部に記憶された前記の関係と取得した平均吐出圧力とに基づき、摺動子の移動量を設定する、
無脈動ポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載の無脈動ポンプであって、
前記記憶部に記憶されている、平均吐出圧力と摺動子の移動量との関係は、一次線形に近似されたものである、
無脈動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復動ポンプを複数備え、各ポンプの合成吐出流量を一定とする無脈動ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
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】
下記、特許文献１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、特許文献１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。特許文献１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、補償量の過剰分については、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。補償量の調整は、吐出流体の脈動を検知するセンサを設け、脈動が検知されるとそれに応じて調整される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２３２６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の特許文献１の無脈動ポンプにおいては、吐出される流体の脈動を検出して、検出された脈動に基づいて補償量を調整している。しかし、脈動が小さくなると、脈動を検出すること自体が困難となる。検出精度の高いセンサを用いれば、コストの上昇を招くことになる。
【０００７】
本発明は、吐出流の無脈動を達成するのに有利な無脈動ポンプを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の無脈動ポンプは、当該無脈動ポンプの平均吐出圧力に対応して、補償量を調整するようにして、吐出初期における脈動の発生を抑制する。すなわち、吐出初期における吐出量の減少量をあらかじめ想定し、吐出期間の前に、この想定量に対して過剰にポンプ室容積を減少させるように往復運動子の運動を規定しておく。そして、この過剰分を調整するために、ポンプ室の圧力変化により摺動子が移動してポンプ室の容積を変化させる容積調整機構を設ける。摺動子の移動量を、当該無脈動ポンプの平均吐出圧力に対応して設定することにより、脈動の発生を抑制する。
【０００９】
摺動子の移動量と平均吐出圧力との関係は、記憶部にあらかじめ記憶しておき、圧力センサ等で取得された実際の平均吐出圧力を前記の関係に適用し、摺動子の移動量を設定するようにできる。また、一次線形の近似式に基づき、零位置と傾きを設定し、この近似式に基づき摺動子の移動量を設定するようにできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係る無脈動ポンプ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。
【００１１】
ダイアフラムポンプ１２は、シリンダブロック１４と、シリンダブロック１４内を往復運動するプランジャ１６を含み、さらにシリンダブロック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。
【００１２】
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、作動流体室２４の容積の調整を行う容積調整機構４０が設けられている。容積調整機構４０の構造の詳細、その動作については後述する。
【００１３】
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、作動流体室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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、各種の損失によって生じるものであり、無脈動ポンプ１０の無脈動性を阻害する場合がある。また、この吐出量の減少量は、ある程度予想することができるが、当該ポンプの運転条件、ポンプの個体差などから正確に予測することは難しい。
【００１８】
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。
【００１９】
この、損失を補償するためのプランジャ１６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。
【００２０】
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）に相当するポンプ室容積を容積調整機構４０により相殺する。すなわち、容積調整機構４０は、補償運動において過剰に減少されたポンプ室容積（Ｓａに相当）を、増加させるように機能する機構である。したがって、補償期間におけるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）から差分（以下、調整量と記す。）（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。
【００２１】
容積調整機構４０にの調整量（Ｓａ）は、無脈動ポンプ１０の吐出圧力、すなわち二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂの吐出管が合流した後の吐出圧力に基づき行われる。無脈動ポンプ１０の吐出管４２に設けられた圧力センサ４４により吐出管の平均吐出圧力を検出し、この平均吐出圧力に基づき制御部４６により、調整量（Ｓａ）の設定を行う。
【００２２】
図４は、容積調整機構４０および、この容積調整機構によるポンプ室容積の調整量を調整する調整部４８の構成を示す図である。容積調整機構４０は、シリンダブロック１４に結合されるケース５０、ケース５０内を摺動する調整ピストン５２を有している。ケース５０は、調整ピストン５２が摺動する円柱状の空間が形成された胴体部５４と、胴体部５４の先端に結合された先端部５６を含む。胴体部５４内部には、当該胴体部５４と、調整ピストン５２と、先端部５６とに囲まれた空間である調整室５８が形成される。この調整室５８の容積は、調整ピストン５２の摺動により増減する。先端部５６の外周には、シリンダブロック１４にあけられたねじ穴と結合するねじ部６０が設けられ、また内部には、調整室５８とポンプ室１８を連通する連通孔６２が形成されている。ケース５０の図中上端より、調整ロッド６４が挿入され、その先端（図において下側の端）が、調整ピストン５２に向けて延びている。調整ロッド６４の後端（図において上側の端）には、調整ねじ部６６が形成され、これに調整ナット６８がねじ結合している。調整ナット６８を回転させることによって、調整ロッド６４が進退、すなわち図において上下方向に移動する。また、調整ロッド６４には、ケース５０の内部の空間を、大気圧側に連通する連通孔７０が形成されている。
【００２３】
調整ピストン５２は、ケース５０内を、先端部５６と調整ロッド６４に規定された範囲で摺動する。すなわち、調整ピストン５２は、先端部５６の図中上側の端面に当接する位置と、調整ロッド６４の図中下側の端面に当接する位置との間で摺動する。したがって、調整ロッド６４の位置を変えることにより、調整室５８の容積の最大値を変更することができる。調整ピストン５２の図中上端、下端は円錐状に形成されており、これが連通孔６２，７０にはまり、調整ピストン５２が先端部５６または調整ロッド６４に当接したときに連通孔を塞ぐ。調整ピストン５２の外周面とケース５０の内周面は、作動流体が漏れない程度の狭い隙間に設定されている。必要であれば、この部分に、Ｏリングなどのシールリングを配置するようにしてもよい。
【００２４】
また、調整ピストン５２は、ばね７２などの付勢部材により、先端部５６に向けて付勢されている。調整ピストン５２の背面、すなわち調整室５８に面している側の反対側の面には大気圧が作用しており、調整ピストン５２は、ポンプ室１８の圧力による力と、大気圧およびばね７２の付勢力による力の大小により摺動する。例えば、ダイアフラムポンプ１２が吸込行程である場合など、ポンプ室１８の圧力が低圧のときには、調整ピストン５２は、先端部５６の端面に当接し、調整室５８の容積は最小となる。
【００２５】
前述した調整ナット６８の外周には、歯車の歯７４が形成されており、調整ナット６８全体が一つの歯車となっている。この調整ナット６８である歯車に、駆動歯車７６が噛み合っている。駆動歯車７６は、伝達するトルクを制限するトルクリミッタ７８を介して制御モータ８０に結合されている。また、駆動歯車７６には、回転位置を検出する位置センサ８２に結合された従動歯車８４が噛み合っている。位置センサ８２は、制御モータ８０の回転および回転位置に関する信号を制御部４６に送出する。制御部４６は、この信号に基づき位置センサ８２の実際の位置を認識して、これに基づき制御モータのフィードバック制御を行う。制御目標は、記憶部８６に記憶された情報に基づき設定される。この情報およびそれに従った目標の設定については、後述する。なお、制御部４６には、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂに対応して、それぞれのポンプの位置センサ８２からの信号が入力され、それぞれの制御モータ８０に対して制御信号が出力される。
【００２６】
図５は、容積調整機構４０の容積の調整量、すなわち調整室５８の容積変化の範囲を固定したとき、吐出圧力に対する脈動率の変化を示す図である。図中「○」で示す調整量が小さいときにおいては、吐出圧力が比較的高い圧力で吐出流の脈動が最小（脈動率が最小）となり、図中「□」で示す調整量が大きいときにおいては、比較的低い圧力で脈動が最小となっていることが分かる。
【００２７】
図６は、吐出圧力に対して、吐出流の脈動が最小となる調整量を示した図である。具体的には、図５では二つの調整量について、脈動率と吐出圧力の関係を示しているが、より多くの調整量について、これらの関係を得ることにより図６に示す関係を得ることができる。この吐出圧力に対する調整量の関係が記憶部８６に記憶されている。
【００２８】
次に、容積調整機構４０の調整量の設定について説明する。圧力センサ４４は、無脈動ポンプ１０の平均吐出圧力を検出する。制御部４６は、記憶部８６に記憶された平均吐出圧力と脈動が最小となる調整量との関係を参照して、検出された平均吐出圧力に対する調整量の目標値を定める。この調整量は、調整ピストン５２の移動量、すなわち移動範囲により規定され、この移動範囲は、調整ロッド６４の位置により決定される。したがって、制御部４６は、調整量が目標値となるように、調整ロッド６４の位置を決定し、これが達成されるように、フィードバック制御が行われる。具体的には、制御モータ８０が回転することにより、駆動歯車７６が回転し、これを調整ナット６８が受けて、調整ロッド６４が進退される。つまり、駆動歯車７６の回転位置は、調整ロッド６４の進退位置に一意に対応する。一方、駆動歯車７６の回転位置については、位置センサ８２により検出され、検出された位置が制御部４６に送られ、これがフィードバックされる。
【００２９】
本実施形態の容積調整機構４０は密閉構造、すなわち作動流体がポンプ室より流出しない構造を有しているため、調整ピストン５２の移動量のみの設定で、調整量の設定を行うことができる。これに対し、前記の特許文献１のように、作動流体の漏れの量によって吐出量の調整を行う場合では、吐出圧力により漏れ量が変化してしまう。このため、ピストンの移動範囲の設定のみでは、調整量が決定されない。この場合、図６に示されるような吐出圧力と調整量の一意の関係を得ることは難しく、特に線形の関係とはならない。
【００３０】
また、ポンプ室１８内部に残留する気体の体積変化は、吐出圧力に比例すると考えられる。ポンプの吸込、吐出によるポンプ室内の残留気体の体積変化ΔＶ（＝Ｖ0 −Ｖ1 ）、吐出時の圧力Ｐ1 、吸込時の圧力をＰ0 とすれば、
Ｐ1 ＝Ｐ0（Ｖ0／Ｖ1 ）
＝Ｐ0｛Ｖ0／（Ｖ0−ΔＶ）｝
である。右辺の分母分子に（Ｖ0＋ΔＶ）を掛けて、
Ｐ1 ＝Ｐ0 Ｖ0（Ｖ0＋ΔＶ）／（Ｖ02−ΔＶ2）
を得る。数パーセント以下の脈動を問題としているので、ΔＶ2は、Ｖ02に比して十分小さく無視できる。よって、
Ｐ1 ≒（Ｐ0／Ｖ0 ）（Ｖ0＋ΔＶ）＝Ｐ0 ＋ｋΔＶ  ・・・（１）
となる。よって、吐出圧力Ｐ1 と残留気体の体積変化ΔＶは、一次線形となる。
【００３１】
残留気体の体積変化ΔＶを調整室５８の容積変化Δｑ(＝ｑ0 −ｑ1 ）により相殺するためには、
ΔＶ＋Δｑ＝０
となればよい。調整室５８の断面積Ｓ、調整ピストンのリフト量（調整量）Δｈとすれば、
Δｑ＝ＳΔｈ
であり、これと式（１）より、
Ｐ1 ≒Ａ−ＢΔｈ
を得る。以上のように、吐出圧力に対し、調整ピストンの調整量は、図６のように右下がりの線形な関係となる。
【００３２】
本実施形態においては、脈動そのものを検出する必要はないので、圧力センサなどに精度のよいセンサを使用する必要がない。特に、瞬時の微少な脈動は、これを検出した信号レベルが低く、ノイズとの識別が容易でないが、平均吐出圧力はノイズの影響を受けにくく、これに基づく脈動抑制は容易となる。
【００３３】
本実施形態においては、ダイアフラムポンプ１２を２個設け、無脈動ポンプを構成したが、３個以上のダイアフラムポンプにより構成することもできる。また、ダイアフラムポンプ以外の往復動ポンプ、例えば複数のプランジャポンプにより構成することもできる。
【００３４】
実施形態の容積調整機構４０は、作動流体室２４の容積を調整するように設けられることが好ましい。しかし、ダイアフラムのないプランジャポンプの場合には、取扱い流体室２６に対し、設けることも原理的には可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施形態の無脈動ポンプの概略構成を示す図である。
【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】容積調整機構の構成を示す図である。
【図５】調整量を固定したときの吐出圧力と脈動率の関係を示す図である。
【図６】吐出圧力と、脈動を最小とする調整量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  無脈動ポンプ、１２  ダイアフラムポンプ、１４  シリンダブロック、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  容積調整機構、４４  圧力センサ、４６  制御部、４８  調整部、５０  ケース、５２  調整ピストン（摺動体）、５８  調整室、８６  記憶部。
【図１】
2007327449.tif 000003
【図２】
2007327449.tif 000004
【図３】
2007327449.tif 000005
【図４】
2007327449.tif 000006
【図５】
2007327449.tif 000007
【図６】
2007327449.tif 000008