(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーストロークを画成する第１位置から第２位置までとリターンストロークを画成する第２位置から第１位置までとの往復移動に適合されたピストンと、第１の膜位置及び第２の膜位置の間を移動可能な膜と、前記膜の一方側のポンピング・チャンバーと、前記膜の他方側で前記ピストン及び膜の相対的位置によって部分的に画成される容積を有するピストン・チャンバーと、前記ピストン・チャンバーに接続されて該ピストン・チャンバー内への作動液を許容する作動液源と、前記膜に対する前記ピストンの運動を移転する役割を果たす前記ピストン・チャンバー内の作動液と、前記ピストンを往復動させるための手段と、を有するダイヤフラムポンプであって、
前記作動液源を前記ピストン・チャンバーに接続する複数のピストン・インレットと、
前記ピストン・チャンバー内の圧力が前記作動液源内の圧力よりも小さい場合に前記作動液源から前記ピストン・チャンバーへの作動液流を許容し、前記ピストン・チャンバー内の圧力が前記作動液源内の圧力よりも大きい場合に前記作動液流を防止する逆止弁手段であり、当該逆止弁手段が、複数のボール弁を含み、該ボール弁の各々がボール及び弁座を有し、それらボール及び弁座が前記作動液源から前記ピストン・チャンバーへ向かう前記複数のピストン・インレット内に配置され、前記ボール弁が閉塞位置と開口位置との間を移動可能で、該ボール弁が前記閉塞位置にある場合に前記ボールが前記弁座に当接して配置されており、前記弁座が、前記ピストン・インレットへ向かって内側に傾斜した円錐区域を含むと共に、前記ピストン・インレットに隣接した内側縁を有し、前記円錐区域の前記傾斜及び前記ボールの径としては、前記ボール弁が前記閉塞位置にある際の前記ボール及び前記弁座の間の正接接点が、前記円錐区域上における前記弁座の前記内側縁から外側の位置に配置するように為されており、前記ボールに許容されている前記開口位置及び前記閉塞位置の間を移動する距離としては、前記ピストンのそのパワーストロークの開始と略一緒に前記ボール弁が閉じて前記ピストン・チャンバー内の作動液が圧力蓄積を始めるような距離となっている逆止弁手段と、
を備えるダイヤフラムポンプ。
【請求項２】
前記逆止弁ボールに許容されている前記開口位置及び前記閉塞位置の間を移動する距離の前記ボールの径に対する比が０．０８よりも小さいか或いは同等である、請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
【請求項３】
前記弁座の前記円錐区域における前記傾斜が、前記ボール弁が閉塞位置にある際に前記ボール及び前記弁座の正接接点が該弁座の前記内側縁から０．０３８センチメートルと同等か或いはそれ以上であるように為されている、請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
【請求項４】
前記弁座の前記円錐区域における前記傾斜が、前記ボール弁が閉塞位置にある際に前記ボール及び前記弁座の正接接点が該弁座の前記内側縁から０．０５センチメートルと同等か或いはそれ以上であるように為されている、請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
【請求項５】
前記逆止弁手段が、前記作動液源から前記ピストン・チャンバーへ向かう４つのインレット内に配置された４つのボール弁を含む、請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
【請求項６】
前記ポンピング・チャンバーから遠ざかる前記膜の移動を制限する膜停止部を更に備え、当該膜停止部が、内側縁と、前記膜に連結されて圧力供給状態下のピストンのリターンストローク中に当該膜停止部と接触する膜プランジャーとを有し、前記プランジャーが外側縁を有すると共に球状面部を含み、該球状面部が、前記プランジャーが前記膜停止部と接触する際、前記膜停止部の前記内側縁から外側で且つ前記プランジャーの前記外側縁から内側の位置で前記膜停止部に接触する、請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
【請求項７】
前記プランジャーの前記球状面部が、前記膜停止部の前記内側縁と前記プランジャーの前記外側縁との間の中間点で前記膜停止部に接触する、請求項６に記載のダイヤフラムポンプ。
【請求項８】
前記作動液源が内部に配置されて前記ピストンに隣接するウォブル・プレート・チャンバーと、前記ウォブル・プレート・チャンバーの上方に配置され且つ前記ウォブル・プレート・チャンバに隣接すると共に前記ウォブル・プレート・チャンバーに通路を通じて接続された絶縁リザーバであり、前記作動液が前記ウォブル・プレート・チャンバーを完全に充填してから当該絶縁リザーバ内の作動液の上方面を形成すべく前記ウォブル・プレート・チャンバーの上方に配置された当該絶縁リザーバ内へ流れるように為された絶縁リザーバと、を更に備える請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
【請求項９】
前記膜及びピストンの間の相対的移動に応じて、前記作動液源から前記ピストン・チャンバー内への作動液の流れを制御するための摺動弁手段を更に備え、当該摺動弁手段が、前記膜と接続されたシリンダヘッドと、前記ピストンに接続され且つ前記シリンダヘッドを内部に受入れるシリンダ弁ハウジングと、を含み、前記シリンダ弁ハウジングが前記シリンダヘッドに隣接して配置する少なくとも１つの長尺状スロットを含んで作動液の前記ピストン・チャンバー内への流入を許容している、請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
【請求項１０】
前記ボールと前記弁座とが接触して弾性変形が起こる接触領域は、前記弁座の前記内側縁には伝播しないことを特徴とする請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
【請求項１１】
パワーストロークを画成する第１位置から第２位置までとリターンストロークを画成する第２位置から第１位置までとの往復移動に適合されたピストンと、第１の膜位置及び第２の膜位置の間を移動可能な膜と、前記膜の一方側のポンピング・チャンバーと、前記膜の他方側で前記ピストン及び膜の相対的位置によって部分的に画成される容積を有するピストン・チャンバーと、前記ピストン・チャンバーに接続されて該ピストン・チャンバー内への作動液を許容する作動液源と、前記膜に対する前記ピストンの運動を移転する役割を果たす前記ピストン・チャンバー内の作動液と、前記ピストンを往復動させるための手段と、を有するダイヤフラムポンプであって、
前記作動液源を前記ピストン・チャンバーに接続する複数のピストン・インレットと、
前記ピストン・チャンバー内の圧力が前記作動液源内の圧力よりも小さい場合に前記作動液源から前記ピストン・チャンバーへの作動液流を許容し、前記ピストン・チャンバー内の圧力が前記作動液源内の圧力よりも大きい場合に前記作動液流を防止する逆止弁手段であり、当該逆止弁手段が、複数のボール弁を含み、該ボール弁の各々がボール及び弁座を有し、それらボール及び弁座が前記作動液源を前記ピストン・チャンバーに接続する前記複数のピストン・インレット内に配置され、前記ボール弁が閉塞位置と開口位置との間を移動可能で、該ボール弁が前記閉塞位置にある場合に前記ボールが前記弁座に当接して配置されており、前記弁座が、前記ピストン・インレットへ向かって内側に傾斜した円錐区域を含むと共に、前記ピストン・インレットに隣接した内側縁を有し、前記円錐区域の前記傾斜及び前記ボールの径としては、前記ボール弁が前記閉塞位置にある際の前記ボール及び前記弁座の間の正接接点が、前記円錐区域上における前記弁座の前記内側縁から外側の位置に配置するように為されており、前記ボールに許容されている前記開口位置及び前記閉塞位置の間を移動する距離としては、前記ピストンのそのパワーストロークの開始と略一緒に前記ボール弁が閉じて前記ピストン・チャンバ内の作動液が圧力蓄積を始めるような距離となっている逆止弁手段と、
前記ポンピング・チャンバーから遠ざかる前記膜の移動を制限する、内側縁を有する膜停止部と、
前記膜に接続されて、圧力供給状態下の前記ピストンのリターンストローク中に前記膜停止部と接触する膜プランジャーであり、当該プランジャーが外側縁を有すると共に球状面部を含んで、該球状面部が、当該プランジャーが前記膜停止部と接触するに際して前記膜停止部の前記内側縁から外側で且つ当該プランジャーの外側縁から内側の位置で前記膜停止部に接触するように為されていることから成る膜プランジャーと、
前記作動液源が内部に配置されて、前記ピストンに隣接するウォブル・プレートチャンバーと、
前記ウォブル・プレートチャンバーの上方に配置され、且つ前記ウォブル・プレート・チャンバーに隣接すると共に前記ウォブル・プレート・チャンバーに通路を通じて接続された絶縁リザーバであり、前記作動液が前記ウォブル・プレート・チャンバーを完全に充填してから当該絶縁リザーバ内の作動液の上方面を形成すべく前記ウォブル・プレート・チャンバーの上方に配置された当該絶縁リザーバ内へ流れるように為された絶縁リザーバと、
前記膜及びピストンの間の相対的移動に応じて、前記作動液源から前記ピストン・チャンバー内への作動液の流れを制御するための摺動弁手段であり、当該摺動弁手段が、前記膜と接続されたシリンダヘッドと、前記ピストンに接続され且つ前記シリンダヘッドを内部に受入れるシリンダ弁ハウジングと、を含み、前記シリンダ弁ハウジングが前記シリンダヘッドに隣接して配置する少なくとも１つの長尺状スロットを含んで作動液の前記ピストン・チャンバー内への流入を許容していることから成る摺動弁手段と、
を備えるダイヤフラムポンプ。
【請求項１２】
前記逆止弁ボールに許容されている前記開口位置及び前記閉塞位置の間を移動する距離の前記ボールの径に対する比が、０．０８よりも小さいか或いは同等であり、前記弁座の前記円錐区域における前記傾斜が、前記ボール弁が閉塞位置にある際に前記ボール及び前記弁座の正接接点が該弁座の前記内側縁から０．０３８センチメートルと同等か或いはそれ以上であるように為されている、請求項１１に記載のダイヤフラムポンプ。
【請求項１３】
前記プランジャーの球状面部が、前記膜停止部の前記内側縁と前記プランジャーの外側縁との間の中間点で前記膜停止部に接続されている、請求項１１に記載のダイヤフラムポンプ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は改善されたダイヤフラムポンプに関し、より詳細には、圧力供給状態下で使用する改善されたダイヤフラムポンプに関する。
先行技術の説明
現在、先行技術として存在するダイヤフラムポンプは、膜、該膜の一方側でインレット路及び排出路を含むポンピング・チャンバー、作動液で満たされていると共に前記膜によって前記ポンプ・チャンバーから分離されているピストン・チャンバー、並びに、前記ピストン・チャンバーの一方端を画成すると共にパワーストローク及びリターンストロークを画成すべく第１位置と第２位置との間を往復移動できるピストン・アセンブリを備える。そうしたポンプが米国特許第３，８８４，５９８号に開示されている。動作中、ピストンは膜に向かって移動（パワーストローク）し、該膜から遠ざかるように移動（リターンストローク）するか、或いは、ピストン・チャンバー内に出入りするかによって、そうした往復移動がピストン・チャンバーに満ちた作動液によって膜へ転送させられる。ピストンは膜から遠ざかるように移動すると、膜はポンピング・チャンバーから遠ざかるように屈曲して、その汲み上げられた流体を入口路を通じてポンピング・チャンバー内へ引き入れさせる。ピストンが膜に向かって移動すると、膜はポンピング・チャンバーに向かって屈曲して、ポンピング・チャンバー内の流体を排出路通じて排出させる。
先行技術に係るダイヤフラムポンプは、ピストンの往復を生じさせるある種のタイプの機構を含む。カム或いはウォブル・プレートを利用すること知られており、それはその中心シャフトに対して傾斜させられて、該中心シャフトの回転がそのウォブル・プレートの往復を生じさせ、その運動をピストンに転送している。ウォブル・プレート機構は、典型的には、作動液で満たされた封止コンパートメント内のピストン・アセンブリに隣接して配置させられている。このようにして、作動液はピストン・アセンブリ用の作動液源としての役割をも果たす一方で、ウォブル・プレート機構を潤滑している。
先行技術に係るダイヤフラムポンプは作動液源からピストン・チャンバーへのインレットをも含む。典型的には、ある種の再ロード逆止弁がそのインレット内に配置されて、ピストン・チャンバー内の圧力が作動液源内の圧力よりも小さい場合にピストン・チャンバーへの作動液の流れを許容し、ピストン・チャンバー内の圧力が作動液源内の圧力よりも大きい場合、作動液のピストン・チャンバー内への流れを防止している。このようにして、再ロード逆止弁はパワーストロークの際に閉塞され、リターンストロークの少なくとも一部の期間中に開口されて、パワーストロークの際にピストンとピストン・ハウジングとの間で失われたピストン・チャンバー内の作動液を補給させている。
典型的には、摺動弁もこれら先行技術に係るダイヤフラムポンプには利用されて、作動液源からピストン・チャンバー内への作動液の流れを、ピストン及び膜の相対位置に基づき規制している。摺動弁は膜に連結されたシリンダを含み、シリンダ・ハウジングに向けてバイアスされているピストンの対応するシリンダ・ハウジンゲ内に配置されている。ピストンのシリンダ・ハウジングは、作動液インレットとシリンダとの間に位置決めされた円形ポート又は円形穴を含む。ピストン・チャンバー内における作動液の変動量によるピストンと膜との間の相対的移動に基づき、摺動弁は、シリンダ・ハウジング・ポートが開口して作動液のピストン・チャンバー内への流入を許容する開口位置と、膜に連結するシリンダがそのポートを塞いで作動液のピストン・チャンバー内への流入を防止する閉塞位置との間に変動する。
これら先行技術に係るダイヤフラムポンプにおけるピストン・アセンブリは、ピストン・チャンバー内に膜と隣接して配置される膜停止部を含む。この膜停止部は、膜のピストンへ向かう戻り移動を制限すべく位置決めされており、圧力供給状態下でポンプが動作しているときのパワーストローク中に失われた作動液をピストン・チャンバーで補給させることを可能としている。膜は当該膜に連結された膜プランジャーを含み、ポンプが圧力供給状態下での作動の際にこの膜プランジャーが膜停止部と接触する。このようにして、圧力供給下でのリターンストローク中、リターンストロークを完了すべくピストンが更なる距離を移動続けている一方で、膜プランジャーは膜停止部に接して、該ピストンへ向かっての膜の移動を停止する。これによって、ピストン・チャンバー内の圧力を、作動液源内の圧力以下に降下することと共にポンピング・チャンバー内の圧力以下に降下することを可能としている。この時点で、再ロード逆止弁が開口して、もし必要であれば、ピストンがそのパワーストロークを開始する前にピストン・チャンバー内の作動液の補給を可能している。留意して頂きたいことは、リターンストロークの完了に及んでのピストンの位置は下死点と云われることである。
以上説明したこれらの先行技術は、元々は、汲み上げられる流体が加圧下にない真空供給状態用に設計されていた。作動中、これら先行技術に係るダイヤフラムポンプは真空状態下で充分に作動していた。また、これら先行技術に係るポンプは汲み上げられる流体が加圧下で供給される圧力供給用途にも利用されていた。圧力供給状態下での実際の作動では、しかしながら、これら先行技術に係るポンプは数多くの問題を経験する。これらの問題で、先行技術に係るポンプが通常（真空供給）状態下のポンプの予想寿命の約５％だけでポンプ欠損に経る点までに、圧力供給状態下でポンプ寿命及び性能を著しく低減するに至る。
先ず、上述したように、膜は圧力供給状態下での各リターンストローク中に膜停止部と衝突する。これら先行技術に係るダイヤフラムポンプの膜プランジャーは、該プランジャーの線形衝突面が膜停止部の線形衝突面と平行するように設計されている。これによって、衝突の力がプランジャー及び膜停止部の衝突面全体に沿って均一に分布することを可能としていた。しかしながら、実際の作動中、プランジャーは、しばしば、膜の柔軟性又は可撓特性のために膜停止部と正確に平行とならない変動角度で該膜停止部と衝突する。更には、製造許容差が各パーツが完全に符合するようになることを排除している。実際問題として、プランジャー及び膜停止部の衝突面が密接に平行して、それら面全体に沿っての均一接触を確保するように製造することは実現可能ではない。むしろ、これら面の製造は、プランジャー衝突面の傾斜が、しばしば、膜停止部の対応する傾斜よりも急峻となったり浅くなったりするように流動的である。
プランジャーが膜停止部と中心を外れて衝突したり、或いはプランジャー又は膜停止部の衝突面が平行でなく製造されたりする結果、プランジャーが平行でない変動位置で膜停止部と衝突する。特に、プランジャー及び膜停止部が衝突して、それによって、その衝突力が、例えば膜停止部の内側縁やプランジャーの外側縁等の可能性ある接触点としての極端な限界箇所に集中する。時間を経て、こうした極端な縁に集中されたプランジャー・膜停止部間の繰返し接触は、膜停止部の内側縁或いはプランジャーの外側縁の欠け又は削れに至らしめる。
ピストン・チャンバーは全体的に封止されているので、膜停止部の内側縁或いはプランジャーの外側縁からのこうした削りかす又はごみはピストン・チャンバーから逃れる術が全くなく、よってピストン・チャンバー内を動き回って、ピストンやピストン・ハウジング等のピストン・アセンブリの様々な構成要素と接触する。これはピストン・アセンブリの甚大な劣化を招き、ポンプの有効寿命を低減する。これはポンプを完全な故障に至らしめることすらあり得て、もし削りかすがピストンとピストン・ハウジングとの間に留った場合にはピストン共々ロックさせてしまう。留意すべきことは、膜停止部及びプランジャーの削りかすに関するこの問題は、図３に示されるようなリターンストローク中、膜プランジャーが膜停止部と通常接触しないので真空供給状態下ではあり得ない。
これら先行技術に係る圧力供給状態下でのダイヤフラムポンプに関しての他の問題は、パワーストローク中のピストン・チャンバー内における過剰圧力の蓄積に関する。図１９に示されるグラフは、先行技術に係るダイヤフラムポンプにおける、圧力供給状態下でのパワーストローク中のピストン移動に対する、ピストン・チャンバー内の圧力蓄積（ラインＡ）を示す。パワーストローク中のピストン速度もこのグラフ上に示されている（ラインＢ）。このグラフに示された特定ポンプの場合、パワーストローク中の予想圧力は約６９００キロパスカルである。グラフで示されているように（ラインＡ）、ピストン・チャンバー内で経緯する実際の圧力は約２０７００キロパスカル又は予想圧力の３倍までの複数の圧力ピークを含む。圧力供給下のポンプ作動中、これらの極端な圧力振動は、真空供給状態下よりも、相当より速い率でピストン・アセンブリ構成要素を著しく劣化しがちである。
圧力供給状態下におけるピストン・チャンバー内のこの過剰な圧力蓄積の原因に関しては幾つかの説明がある。第１として、再ロード逆止弁の閉塞時間が、パワーストロークの始動中に圧力蓄積を顕著に引き起こす。上述したように、膜プランジャーが膜停止部に衝突し、ピストンが追加的な制限された距離を移動してリターンストロークを完了した後にだけ、ピストン・チャンバーは圧力供給状態下でその作動液を補給することができる。これによってピストン・チャンバーが作動液源内のレベル（大気圧）以下まで減圧させられる。この制限された期間中、パワーストローク中とリターンストロークの殆どの期間中に既に閉じられた再ロード逆止弁が作動液源からの作動液によって開口され、ボールをその開口位置まで駆動する。作動液はそのボール回りから作動液インレットへ流れてピストン・チャンバー内へ入って、パワーストローク中に失われた全ての作動液を補給する。ピストン・アセンブリがリターンストロークの終端に到達すると、ピストンは、再度、前方へ移動し始め、ピストン・チャンバー内の作動液は作動液インレットを通じて逃れようとして再ロード逆止弁のボールをその弁座に対して付勢し作動液インレットを閉じる。ボールが開口位置から閉塞位置に移動するまで、ピストン・チャンバー内の圧力はその蓄積をピストンがそのパワーストロークを始めるように開始することができない。留意されるべきことは、ボールが開口位置から閉塞位置まで移動する距離は、図８で参照されるようなボール・リフトと呼称される。
再ロード逆止弁が開口している時間は、圧力供給状態下、相対的に短いので、これら先行技術に係るダイヤフラムポンプにおける再ロード逆止弁は、パワーストローク中に失われた作動液を完全に補給するべくピストン・チャンバー内への充分な作動液流量の確保を充分に満たすようなボール・リフトを伴って設計されてきた（図８を参照のこと）。しかしながら、ピストン・チャンバーの再ロード完了を確保するために充分なボール・リフトを設計することによって、再ロード逆止弁のための閉塞時間が、再ロード逆止弁が閉塞する前のパワーストローク中にピストンがその最大速度の顕著な部分を達成すべく加速を始めるように為されている。図１９におけるグラフに示されるように、ピストンがその最大速度の約３０％に到達すると共にウォブル・プレートの入力シャフトがパワーストロークの約１／１０を既に回転するまで、再ロード逆止弁は閉塞せず且つピストン・チャンバー内に圧力蓄積を許容しない（ラインＢ）。換言すれば、ピストン速度は再ロード逆止弁が閉塞する前に急激に増大してから圧力蓄積が開始し得る。再ロード逆止源が閉塞するまで、ピストン・チャンバー内の作動液は圧力蓄積を何等経験せず、略ゼロ速度である。ひとたび再ロード逆止弁が閉じれば、既に加速しているピストンがピストン・チャンバー内の作動液本体に「ドン」とぶつかり、圧力蓄積を開始する。圧力蓄積が始まるときにピストンの増大している速度により、ピストン・チャンバーは圧力に関して苛酷な振動を経験する。この苛酷な複数の圧力振動又は「圧力リング」は、図１９におけるグラフに示されるように、パワーストローク中にピストン・チャンバー内で予想される圧力の３倍以上のピーク圧力に達する。
これらの圧力リングの苛酷性を際立たせる役割を果たす他の要因は、ピストン・チャンバー内への空気の導入から生ずる。もし、ピストン・チャンバー内で失われた作動液を再ロードすべくそれがピストン・チャンバー内へ流入する際に、作動液源内の作動液が何等かの空気と混合されていると、またこれがパワーストローク中の圧力蓄積に影響することになる。ピストンがそのパワーストロークを開始して、再ロード逆止弁が閉じた後、ピストンはピストン・チャンバー内に作動液の圧力蓄積を開始することができる。しかしながら、もしピストン・チャンバー内に作動液と混合された空気が存在すれば、パワーストローク中のピストンの移動は、作動液の圧力蓄積を始めることができて実質的に非圧縮性物質となす前に、先ず空気を圧縮して高圧縮性物質とする。よって、ピストン・チャンバー内に含まれる何等かの空気を圧縮するためにかかる時間が、ピストンがそのパワーストロークを開始してから圧力蓄積が始まるまでの遅延を増大する。この追加された遅延によって、圧力蓄積が始まる前にピストン速度を更に一層増大することが可能となって、それはパワーストローク中のピストン・チャンバー内で経験される複数の圧力リングの苛酷性を増大する。
空気と混合された作動液の問題は、作動液源の配置から生ずる。上記で議論したように、作動液はピストン・アセンブリに隣接したチャンバー内に収容されており、それは往復動機構又はウォブル・プレートをも格納している。典型的には、このチャンバーは作動液で充填されて、そのウォブル・プレート機構全体が覆われている。しかしながら、特定量の自由空気が作動液の上面とウォブル・プレート・チャンバーの上部との間に存在している（図１７参照）。これが必要な理由は、ウォブル・プレート機構の作動に及んで作動液が加熱すると、作動液が作動液充填チューブにおける通気孔から溢れ出すことなしにウォブル・プレート・チャンバー内で膨張する余地を有するためである。
ポンプの作動中、ウォブル・プレート機構はウォブル・プレート・チャンバー内の作動液を強力に撹拌して、該チャンバー内に存する何等かの自由空気と混合することになる。その結果、ウォブル・プレート・チャンバー内に作動液と空気との泡立った混合物が生ずる。ウォブル・プレート・チャンバーからの作動液はピストン・チャンバーを再ロードすべくインレットに入ると、この圧縮性の作動液-空気の混合物がピストン内へ流入して、ピストン・チャンバー内に空気を閉じ込めてしまって上述したような効果を生ずる。
圧力供給状態下の先行技術に係るダイヤフラムポンプでの他の重要な問題は、再ロード逆止弁内におけるボールの弁座に対する衝突に関する。上記で議論したように、圧力供給状態下、パワーストローク中と、膜が膜停止部と衝突するまでの殆どのリターンストローク中、再ロード逆止弁は閉塞し、そして、ピストンがリターンストロークを完了すべく更なる短い距離を移動する。この短い期間の間、再ロード逆止弁は開口して作動液をピストン・チャンバー内へ許容し、ピストンがそのパワーストロークを開始すると迅速に閉塞する。再ロード逆止弁のボールは開口位置まで駆動されて、弁座の内側縁に当接すべく直ちにその閉塞位置まで戻されるように付勢される。（図８及び図９１参照）。これら先行技術に係るダイヤフラムポンプの典型的な再充填時間は約０．００５秒である。再充填のためのこの短い時間のため、再ロード逆止弁のボールは弁の開口及び閉塞の双方において高速度まで進展する。特に、圧力供給状態下のボールの場合の閉塞速度は弁座及びボールの損傷に至る程に充分に高速である。ボールがこうした高速度に達し得る理由としては、一部には、上記で議論したように完全な再ロードにとって充分な流量の作動液を許容する程に充分に大きなボール・リフト距離にある（図８及び図９参照）。ボールの高速閉塞速度は、ボールと弁座の内側縁との間の強力な衝突力となる（図８参照）。これは、弁座の内側縁の欠け又は削れと共にボールの損傷を生ずる。膜停止部の欠け又は削れと同様に、弁座の内側縁からのこうした欠け又は削れは、こうした欠け又は削れを逃す手段が何等存しないピストン・チャンバー内へ作動液によって移送される。こうして、弁座からのこれら欠け又は削れは長期にわたってピストン・チャンバー内に定住して、様々なピストン構成要素の損傷を引き起こす。
図８に示されるように、これら先行技術に係るダイヤフラムポンプの再ロード逆止弁としては、ボールが弁座の内側縁と衝突してその弁を閉塞するように設計されている。弁座はその内側縁に向かって僅かに傾斜して、ボールをその弁座の内側縁に向かうように仕向ける一方で、図９に示されるように、作動液再ロードにとって充分な流量をボール回りに許容している。相対的な大きなボール・リフトによって、ボールは、開口位置と閉塞位置との間を駆動されると、再ロード逆止弁内を動き回ることもできて、弁座の内側縁と変動する角度で衝突し得て、弁座の欠け又は削れを増大する結果となる。
こうした先行技術に係るダイヤフラムポンプに係る更なる問題は、圧力供給状態下の作動液の部分的な再ロードに関わる。上記で議論したように、再ロード逆止弁は充分なボール・リフトを具備して設計され、再ロードの短い期間中にピストン・チャンバ内へ充分な流量の作動液を提供する。しかしながら、実際の作動に際してこうしたポンプは圧力供給状態下に部分的再ロードのみが生ずるように大雑把に動作しがちである。これは、作動液インレットをピストン・チャンバーに接続するピストンのシリンダ・ハウジングにおける円形ポート又は円形開口のためであると信ぜられる（図１５参照）。このポートの円形状は、圧力供給状態下で完全な再ロードが達成されることを確保すべくピストン・チャンバー内へ充分な流量を許容しない。部分的な再ロードは、ピストンがポンピング・チャンバーに向かって最大変位を移転されないので、ポンプにとっての流量搬送の損失となる。留意されるべきことは、部分的な再ロードが真空供給状態下では問題とならず、それはピストン・アセンブリがリタンストロークの全長を通じて作動液を再ロードするからである。
他の問題は中間圧力流量状態下でのポンプ流量に関する。実際の作動において、これら先行技術に係るダイヤフラムポンプは中間圧力供給でポンプ流量の点に関して降下を経験する。これは、再ロード逆止弁の閉塞時間によって生ずるものと信ぜられる。再ロードのために充分な作動液流量を確保すべく要求される相対的に大きなボール・リフトのために、閉塞時間が、再ロード逆止弁が閉塞可能となる前に、作動液の大きな部分がピストン・チャンバーから逃れて作動液源内へ向かうインレットに戻すように為されている。これはパワーストローク中のピストン・チャンバー内の作動液量を低減し、それによって膜によるポンピング・チャンバーの変位を低減する。これは中間圧力供給状態下でのポンプの流量を低減することになる。
必要とされていることは、圧力供給状態下での使用のための改善されたダイヤフラムポンプであり、パワーストローク中に圧力蓄積に伴ってのピストン・チャンバー内での苛酷な圧力振動を最少化し、ピストン・チャンバー内でのごみの量を最少化すべく再ロード逆止弁損傷や、膜停止部或いはプランジャー損傷を一層削減する一方で、ポンプの最大効率を維持すべくピストン・チャンバーに対する作動液の完全な再ロードを確保することである。
発明の概要
本発明は、圧力供給条件下での使用のための改善されたダイヤフラムポンプを提供することであり、往復移動に適合されたピストン、可撓性膜、前記膜の一方側におけるポンピング・チャンバー、前記膜の他方側におけるピストン・チャンバー、前記ピストン・チャンバーに接続されて該ピストン・チャンバー内への作動液を許容する作動液源、前記膜に対しての前記ピストンの運動を転送する役割を果たす前記ピストン・チャンバー内の作動液、並びに、ピストン往復動機構を備えるダイヤフラムポンプを提供することである。
本発明の１つの局面に従えば、ピストン・アセンブリは前記作動液源を前記ピストン・チャンバーに接続する複数のピストン・インレットと、それぞれが前記インレット内に配置された複数の逆止弁とを含む。逆止弁は、好ましくは、ボール及び弁座を有するボール弁であり、該ボール弁が閉塞位置と開口位置との間を移動可能であって、該ボール弁が閉塞位置にある際に前記ボールが前記弁座に当接関係に配置されるように為される。前記弁座は前記作動液インレット内側へ向かって傾斜させられた円錐区域を含むと共に、前記インレットに隣接する内側縁を有する。その円錐区域の傾斜が、ボールが閉塞位置にある際にボール及び弁座の間の正接接点がその円錐区域上における前記弁座の内側縁から外側の位置に配置されるように為されている。更に、ボールが開口位置及び閉塞位置の間を移動すべく許容された距離は、ボール弁がピストンがそのパワーストロークを始めるのと略一緒に閉じ、ボールが開口位置から閉塞位置まで移動する際に高速の閉塞速度を発生できないように為されている。
本発明の他の局面に従えば、ピストン・アセンブリは内側縁部を有する膜停止部を含み、これがポンピング・チャンバーから遠ざかる膜の移動を制限している。膜プランジャーが好ましくは設けられて、これが圧力供給状態下でのピストンのリターンストローク中に膜停止に接触する。このプランジャーは球状面部を含んで、該球状面部が膜停止部に、該膜停止部の内側縁から外側であり且つプランジャーの外側縁から内側である位置で衝突し、脆弱な縁で接触することを防止して、摩滅ごみのソースを削除している。
ダイヤフラムポンプは、好ましくは、ピストンに隣接したウォブル・プレート・チャンバーを含み、該ウォブル・プレート・チャンバー内には作動液源が配置されている。ポンプは、好ましくは、そのウォブル・プレート・チャンバーに隣接すると共にこれに接続された絶縁リザーバを含んで、作動液がウォブル・プレート・チャンバーを完全に充填からその絶縁リザーバ内へ流入して、該絶縁リザーバ内で作動液の上方面を形成している。
本発明の他の局面に従えば、ピストン・アセンブリは膜及びピストンの間の相対移動に応じて作動液源からピストン・チャンバー内への作動液の流量を制御するための摺動弁を含む。この摺動弁は膜と接続するシリンダ弁と、ピストンと接続されて内部にそのシリンダ弁を受入れるに適合するシリンダ弁ハウジングとを含む。このシリンダ弁ハウジングはシリンダ弁に隣接して配置する少なくとも１つの長尺状スロットを含んで、これが作動液のピストン・チャンバー内への流入を許容している。
上述した特徴及び長所は、新規性ある他の様々な長所及び特徴と共に、本出願の一部を形成する本出願の請求の範囲に詳細に指摘されている。しかしながら、本発明のより良好な理解のために、その長所やその使用によって得られる目的は本出願の更なる一部を形成する図面と、本発明の例示的且つ解説的な好適実施例がある添付の記述とを参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
図１は、圧力供給状態下、リターンストローク完了時点且つパワーストローク直前（下死点）での第１位置にあるピストン及び膜を具備する、本発明の原理に従ったピストン・アセンブリの断面図である。
図２は、圧力供給状態下、パワーストローク完了時点で且つリターンストローク直前でのピストン及び膜を具備する、図１に示されたピストン・アセンブリの断面図である。
図３は、真空供給状態下、リターンストローク完了時点且つパワーストローク直前での第１位置にあるピストン及び膜を具備する、図１に示されたピストン・アセンブリの断面図である。
図４は、真空供給状態下、パワーストローク完了時点で且つリターンストローク直前でのピストン及び膜を具備する、図１に示されたピストン・アセンブリの断面図である。
図５は、閉塞位置に示されたボール弁を具備する、本発明の原理に従ったピストン・アセンブリの断面図である。
図５Ａは、図５に示されたボール及び弁座の拡大断面図である。
図６は、開口位置に示されたボール弁を具備する、図５に示されたピストン・アセンブリの断面図である。
図７は、ボール弁の配置を示している、図５に示されたピストン・アセンブリの上面図である。
図８は、閉塞位置にあるボール弁を示している、先行技術に係るダイヤフラムポンプの部分的なピストン・アセンブリの断面図である。
図９は、開口位置にあるボール弁を示している、図８に示された部分的なピストン・アセンブリの断面図である。
図１０は、本発明の原理に従った膜プランジャーの断面図である。
図１１は、先行技術に係るダイヤフラムポンプの膜プランジャーの断面図である。
図１２は、膜停止部と接触している膜プランジャーを示している、図１のピストン・アセンブリにおける一部の断面図である。
図１３は、図１２の膜プランジャー及び膜停止部における一部の拡大断面図である。
図１４は、本発明の原理に従ったシリンダ弁ハウジングの断面図である。
図１５は、先行技術に係るダイヤフラムポンプのシリンダ弁ハウジングの断面図である。
図１６は、本発明の原理に従ったダイヤフラムポンプの断面図である。
図１７は、先行技術に係るダイヤフラムポンプの断面図である。
図１８は、本発明の原理に従ったダイヤフラムポンプのピストン・チャンバー内での圧力（ラインＡ）と、圧力供給状態下でのパワーストロークを通じてのウォブル・プレートにおける入力シャフト回転の関数としてのピストン速度（ラインＢ）とのグラフである。
図１９は、先行技術に係るダイヤフラムポンプのピストン・チャンバー内での圧力（ラインＡ）と、圧力供給状態下でのパワーストロークを通じてのウォブル・プレートにおける入力シャフト回転の関数としてのピストン速度（ラインＢ）とのグラフである。
図２０は、圧力供給状態下での幾つかのピストン・サイクルを通じてのウォブル・プレートにおける入力シャフト回転の関数としての、先行技術に係るダイヤフラムポンプのピストン・チャンバー内での圧力のグラフである。
図２１は、圧力供給状態下での幾つかのピストン・サイクルを通じてのウォブル・プレートにおける入力シャフト回転の関数としての、４つのピストン・インレット及びボール弁内の低減されたボール・リフトで変更されたダイヤフラムポンプのピストン・チャンバー内での圧力のグラフである。
図２２は、圧力供給状態下での幾つかのピストン・サイクルを通じてのウォブル・プレートにおける入力シャフト回転の関数としての、本発明の好適実施例の全てを含むように変更されたダイヤフラムポンプのピストン・チャンバー内での圧力のグラフである。
図２３は、圧力供給状態下でのパワーストロークを通じてのウォブル・プレートにおける入力シャフト回転の関数としての、本発明の原理に従ったダイヤフラムポンプにおける下死点から遠ざかるピストン位置とピストン速度とのグラフである。
発明の詳細な説明
同様要素が全般的に同等に番号付けされている図面で参照されるように、好適実施例の説明が提供されている。図１６において、本発明の原理に従ったダイヤフラムポンプの断面が１０で示されている。
図１で参照されるように、本発明のダイヤフラムポンプは、米国特許第３，８８４，５９８に記載されたタイプの高圧の液圧的に平衡化された多重ピストン型ダイヤフラムポンプに適用されるピストン・アセンブリを含む。本発明の装置は、第１位置と第２位置との間の移動可能なピストン・アセンブリ、ピストン・アセンブリの移動に応じて第１位置と第２位置との間を移動可能な膜アセンブリ、並びに、膜の移動に応じてポンプで汲み上げられた汲み上げ流体をインレット路を介してポンピング・チャンバー内へ引き入れ、排出路を介しての排出を付勢するポンピング・アセンブリを含む。より詳細には、ピストン・アセンブリは、端部区域２２と、該端部区域２２と一体的に形成され且つ該端部区域の外側縁から下方へ延出するピストン・スリーブ区域２４とを含む相対的に円筒形のピストン２０を備える（図１参照）。基部区域２６がシール３０によって封止されるようにピストン・スリーブ２４の内側面に連結されて、当該基部区域２６が端部区域２２及びスリーブ区域２４を伴って移動可能となっている。ピストン２０はピストンシリンダ１６内に摺動可能に嵌合しており、該ピストンシリンダがポンプ・ケージング１２と一体的に形成されていると共に、該ピストンシリンダの内側円筒面がピストン・スリーブ区域２４の外側円筒面と接近して、ピストン２０の往復の際、スリーブ区域２４の外側面とピストンシリンダ１６の内側面との間にピストン２０によって部分的に画成されたピストン・チャンバー３４からの作動液の流れを実質的に防止している（図１参照）。留意すべきことは、スリーブ区域２４とシリンダ１６との間の密接な嵌合関係は充分に緊密であるので、ピストン２０の往復移動は以下に議論されるように膜アセンブリ８０の対応する往復移動を引き起こすが、そうした面間の嵌合は、ピストン２０の下方移動又はパワーストローク中に限られた量の作動液のピストン・チャンバー３４からの漏れを許容するに足る程にゆるいことである。この制御された漏れはスリーブ区域２４及びシリンダ１６の摺動面を潤滑して、ピストン・チャンバー液が補給された際にそうした液の冷却を補助する役割を果たす。
図１６で参照されるように、往復動機構５０が提供されて第１位置と第２位置との間にピストン２０を往復させている。カム又はウォブル・プレート５２が提供され、シャフト５３の中心線に対して傾いている。半球脚５６がピストン端部区域２２の上方面内の対応する窪み内に配置され、該半球脚部５６がカム又はウォブル・プレート５２の下方面と摺動可能に係合すべく適合して、そのウォブル・プレート５２の往復動をピストン２０へ転送している。ポンプ作動中、ウォブル・プレート５２は往復動を為して、ピストン２０の対応する往復動を引き起こしている。図１及び図２は、ピストン２０がパワーストロークとリターンストロークとの間を移動することによる該ピストン２０の上方位置と下方位置とを示している。ピストンの図１の位置から図２の位置までの下方移動（パワーストローク）の後、ピストン２０は、該ピストン２０の基部区域２６によって支持された一方端とピストン・シリンダ１６の一部によって支持された他方端とを有するコイルバネ３２によって図１の位置まで戻される（リターンストローク）。
ウォブル・プレート機構５０はポンプのウォブル・プレート・チャンバー内に配置されている。このウォブル・プレート・チャンバーは、ウォブル・プレート機構５０を潤滑すると共に、ピストン２０の端部区域２２に隣接する作動液源を提供する役割を果たしている（図１６参照）。ピストン２０はウォブル・プレート・チャンバー５８をピストン・チャンバー３４と接続する作動液インレット３６を含む。再ロード逆止弁７０はこのインレット３６内に配置されて、ピストン・チャンバー内の圧力がウォブル・プレート・チャンバー５８内の圧力よりも小さい場合に作動液のピストン・チャンバー３４内への流れを許容し、ピストン・チャンバー内の圧力がウォブル・プレート・チャンバー５８内の圧力よりも大きい場合に作動液のピストン・チャンバー３４内への流れを防止している。このようにして、再ロード逆止弁はパワーストロークの際に閉じられており、リターンストロークの少なくとも一部の際に開けられて、パワーストローク中にピストン・スリーブ区域２４とピストンシリンダ１６との間のピストン・チャンバーから失われた作動液の補給を可能としている。
図５に示されているように、作動液インレット３６はピストン２０の端部区域２２内に形成された上方区域３８を含む。ボール７２及び弁座７４を含む再ロード逆止弁７０は、作動液インレット３６の上方区域３８に隣接して配置されている（図５及び図６参照）。ボール停止部材２７は、ピストン２０の端部区域２２と基部区域２６との間で再ロード逆止弁７０に隣接して配置されている。このボール停止部材２７は再ロード逆止弁７０の基部を形成しており、該基部に対して、再ロード逆止弁７０のボール７２はその再ロード逆止弁が開口位置にある際に停止又は静止している。ピストン２０の基部区域２６は、該基部区域２６の内部にシリンダ弁ハウジング２８を受容するように適合している。このシリンダ弁ハウジング２８の外側面は、当該シリンダ弁ハウジング２８と中空円筒スリーブ３９を形成する基部区域２６との間に小さなギャップ又は間隙が存在するように寸法付けされている（図５及び図６参照）。シリンダ弁ハウジング２８の外側壁は円筒中空スリーブに隣接する開口部２９を含む。円筒中空スリーブは再ロード逆止弁７０に隣接して配置されて、作動液インレット３６の下方区域３９を形成していることによって、ウォブル・プレート・チャンバー５８内に保持された作動液がそのインレットの上方区域３８を通って流れ、再ロード逆止弁７０回りを巡って、該インレット３６の下方区域３９まで下り、円筒弁ハウジンゲ開口部２９を通じてピストン・チャンバー３４に到達する。下方シール３１が提供されて、基部区域２６の底部と円筒弁ハウジング２８とを封止している。
図１及び図１２に示されるように、膜アセンブリ８０はピストン・チャンバー３４の一方端に配置されると共にその一方端を画成しており、ポンプ・ケージング１２，１４間に封止された状態で配置された可撓性膜又は柔軟性膜８２と、該可撓性膜８２の底部又はポピング側に固定された基部プレート８４と、該可撓性膜８２の直上に配置された膜プランジャー８６と、該膜プランジャー８６からピストン・チャンバー内へ上方へ延びる膜ステム（膜軸）９０とを含む。膜ステム９０は下方端部９４を具備する内側ボア９３を有し、該内側ボアには、ネジ９８が基部プレート８４及び膜８２に通されて当該膜ステム９０の下方端部９４と係合して、膜アセンブリ８０を固定的に連結するような内部ねじ切り部が設けられている。
図１２で参照されるように、膜停止部１００はピストン・チャンバー３４内で膜アセンブリ８０に隣接して配置されている。膜停止部１００はピストン・シリンダ１６から内側へ延出して、圧力供給状態下でピストン２０がそのリターンストロークの終端に近付くと膜８２の一部と係合すべく位置決めされている。特に、膜停止部１００は膜プランジャー８６に隣接して配置された衝突面１０２を含む。以下により詳細に議論されるように、膜停止部１００は膜８２のピストン２０へ向かう移動を制限すべく位置決めされており、ピストン・チャンバー３４が、ポンプが圧力供給状態下で作動している際のパワーストローク中に失われた作動液で補給されること可能とする。
膜ステム９０は、該膜ステム９０の上方部に形成されたシリンダヘッド９２を含み、これがピストン２０のシリンダ弁ハウジング２８内に配置されている。バネ９９がシリンダヘッド９２とシリンダ弁ハウジング２８の底部との間に配置されて、膜アセンブリ８０をピストン・チャンバー３４へ向けて付勢している（図１２参照）。膜ステム９０のシリンダヘッド９２とピストン２０のシリンダ弁ハウジング２８とは協働して摺動弁アセンブリ１０６を形成して、作動液インレット３６とピストン・チャンバー３４との間の作動液の流れを制御している（図２参照）。摺動弁アセンブリ１０６は、シリンダヘッド９２がシリンダ弁ハウジング２８における開口部２９に配置された際に開口位置となるので、作動液インレット３６の下方区域３９における作動液は膜ステム９０の内側ボアに接続された複数の孔９６を通じてピストン・チャンバー３４内に入ることができる（図１２参照）。摺動弁アセンブリは、シリンダヘッド９２がシリンダ弁ハウジング２８内の開口部２９に当接配置してこれをブロックして作動液がピストン・チャンバー３４に入ることを防止する際に閉塞する（図３及び図４）。
膜アセンブリ８０直下に配置されているのは、ポンピング・チャンバー４０及びポンピング弁アセンブリである。ポンピング弁アセンブリはインレット弁４０及び排出弁４６を含み、供給ダクト４４からインレット弁４２を通じてポンピング・チャンバー４０内へ、そして、ポンピング・チャンバー４０から排出弁４６を通じて排出ダクト４８へ作動液を流すことができるようにこれらインレット弁４２及び排出弁４６を配向している（図１及び図２参照）。ポンプの基本サイクルは、汲み上げ液を供給ダクト４４からインレット弁４２を通じてポンピング・チャンバー４０内へ引き入れるピストン２０のリターンストロークを介しての移動と、ピストン・チャンバー内の作動液が膜８２をポンピング・チャンバー４０へ向けて前方へ付勢して、ポンピング・チャンバー４０内の汲み上げ液を変位してその汲み上げ液を排出弁４６から排出ダクト４８へ排出するピストンの引き続くパワーストロークを介しての移動とから成る。
本発明に係るダイヤフラムポンプの全般的な装置の上述した説明は、汲み上げられる液が加圧されていない通常のポンプ状態、即ち真空供給状態に良好に適合するポンプを提供している（図３及び図４参照）。以下の説明は、汲み上げられる液が加圧されて供給される圧力供給状態下でのダイヤフラムポンプの信頼性、性能、並びに長期摩耗性の改善を為すように設計された、本発明に係るダイヤフラムポンプの特定の好適実施例に関する。理解して頂けるように、これら特定の実施例に係るダイヤフラムポンプは圧力供給状態下での著しく改善された性能のみを示すばかりではなく、真空供給状態の場合にも良好に適合している。
先ず、圧力供給状態下での本発明に係るダイヤフラムポンプ性能特性を概説してから、その好適実施例の説明に進むことが役立つ。圧力供給状態下、ピストン２０及び膜アセンブリ８０は図１及び図２に示される位置の間を往復する。パワーストローク中、再ロード逆止弁７０は、ピストン・チャンバー３４内の作動液の力により且つ作動液インレット３６の下方区域３９が再ロード逆止弁７０のボール７２に当接することにより閉塞している（図２）。ピストン２０がそのリターンストロークで戻るとしても（復動）、ポンピング・チャンバー４０の（圧力供給下の）圧力と、ピストン・チャンバー３４との対応する圧力とが、ウォブル・プレート・チャンバー５８内の作動液の圧力である大気圧以上に依然としてあるので再ロード逆止弁７０は閉じたままである。ピストン２０がそのリターンストロークの終端付近であれば、膜アセンブリ８０は膜停止部１００と衝突して、リターンストロークを完了すべくピストン２０が短い付加的な距離を戻り続ける一方で膜８２のピストン２０へ向かう更なる移動を防止する（図１）。これによってピストン・チャンバー３４がポンピング・チャンバー４０内の圧力以下に減圧されることと共に、ウォブル・プレート・チャンバー５８内の作動液圧力以下に減圧されることを可能とする。次いで再ロード逆止弁７０は、ピストン・チャンバー３４内の失われた作動液を再ロードすべく、作動液インレット３６の上方区域３８を通じて入る作動液の力によって開口するように駆動させられる。この再ロード期間又は補給期間の間、摺動弁アセンブリ１０６は、作動液をピストン・チャンバー３４内へ許容すべく、シリンダ弁ハウジング２８の開口部２９上に位置決めされた膜シリンダヘッド９２によって開口させられている（図１参照）。留意されるべきことは、圧力供給状態下、摺動弁アセンブリ１０６は、一般に、開口位置のままであり、再ロード逆弁７０は、全往復サイクルの殆どの間、閉塞状態のままとなることである。
膜アセンブリ８０が膜停止部１００と接触してピストン２０が上記した短い付加的距離を戻った後、ピストン２０はそのパワーストロークを開始し、ピストン・チャンバー３４内の作動液は作動液インレット３６から逃れようとして、結果的に再ロード逆止弁７０を閉じることによって、ピストン・チャンバー３４はピストンのパワーストロークに関連された圧力蓄積を開始することができる。
好適実施例に従えば、本発明に係る再ロード逆止弁７０は、ボール７２或いは弁座７４に対する何等かの可能性ある損傷を最小化する一方で当該再ロード逆止弁７０の迅速な閉塞を促進すべく設計されている。図５で参照されるように、再ロード逆止弁７０は、先行技術に係るダイヤフラムポンプ（図８参照）と比べて、低減されたボール・リフト７３を有する。これは、ピストン２０がそのパワーストロークをし始めるときの再ロード逆止弁７０の閉塞に要求される時間を低減する。再ロード逆止弁７０の閉塞時間を低減することによって、ピストン・チャンバー３４内の作動液は、ピストン２０のパワーストロークの開始と略一緒に圧力蓄積を始めることができる。この位置でのピストン速度は、ピストン２０がそのパワーストロークを通じての加速を正にし始めるときであるのでまだ相対的に低い（図１８及び図２３参照）。結果的に、ピストン・チャンバー３４内の圧力蓄積に関連された圧力ピーク又は圧力リングは本発明の場合には、より大きなリフトを具備する先行技術に係るダイヤフラムポンプと比べて著しく低減されている。（図１９参照）
図１８のグラフは、圧力蓄積が、本発明の場合、ピストン２０のパワーストローク開始と略一緒に開始していることを示す（下死点から、入力シャフト５３の回転で約２度以内）。これは先行技術に係るダイヤフラムポンプに比較して相当より迅速な圧力蓄積であり、先行技術のダイヤフラムポンプの場合、ウォブル・プレート機構５０の入力シャフト５３がパワーストロークの約１／１０（又は１８度）に亙って既に回転するまで圧力蓄積は開始しない（図１９のグラフ参照）。
この低減された閉塞時間は、先行して説明した中間圧力状態下でのポンプ流量減衰（降下）の問題を削減する補助をも為す。この低減閉塞時間は、ピストン・チャンバー３４内の作動液が、再ロード逆止弁７０がパワーストロークの開始時に閉塞する前にインレット３６から逃れる量を少なくすることができる。このより少量の作動液の損失は、中間圧力状態下での顕著な流量減衰なしに、より良好なポンプ性能を作り出す。更には、低減されたボール・リフトはより良好な計量ポンプを提供する。作動液のインレット３６から戻る損失を低減することによって、ピストン・チャンバー３４内の作動液の体積が維持されることによって、回転毎のポンピング・チャンバー４０の変位はより一貫している。これは、どの程度の汲み上げ液がポンプを通じて搬送されたかを正確に知ることが必要な場合により良好な計量を提供する。
再ロード逆止弁７０における低減されたボール・リフト７３の他の結果としては、より低いボール閉塞速度である。ボール７２が開口位置から弁座７４に当接する閉塞位置まで移動するより短い距離を有するので、ボール７２はより大きなボール・リフト（図８参照）を具備する先行技術に係るダイヤフラムポンプにおけるような高速の閉塞速度を達成できない。ボール７２のこの低減された閉塞速度は、ボール７２が弁座７４と接触して再ロード逆止弁７０を閉じる際により低い衝突力となる。このより低速の閉塞速度は、上記で議論されたより高速の閉塞速度を有する先行技術に係るダイヤフラムポンプに見られるような弁座及びボール損傷を引き起こす程に高速ではない。
再ロード逆止弁におけるより短いボール・リフトが、上述したような著しい利益を伴ってボール弁閉塞時間及びボール閉塞速度を短縮する一方で、再ロード逆止弁７０を通じての作動液の流量が図５に示されるようなこのより小さなボール・リフト７３によって低減されている。ピストン２０の各往復毎にピストン・チャンバー３４の完全な再ロードを確保するために、作動液インレット３６を通じての充分な作動液流量が必要である。再ロード中の作動液流量は、もし再ロード用として相対的な短い時間であれば、圧力状態下において特に重要である。この流量需要を満たすために、本発明に係る再ロード逆止弁７０は、複数の作動液インレット３６と、該インレット３６内に配置された低減ボール・リフト７３を有する対応する複数のボール弁７１とを含む。図５及び図６に示されるように、上方インレット３８及びボール弁７１はピストン２０の端部２２内に位置決めされて、各ボール弁が作動液インレット３６の中空スリーブ又は下方区域３９に隣接している。この構成によって、ボール弁７１は短い閉塞時間と低いボール閉塞速度と経ることとなり、そしてしかも複数のインレット３６を通じての作動液流量は、圧力供給状態下での再ロード期間中にピストン・チャンバー３４の再ロードを完了するに充分である。
好適実施例において、４つのインレットがピストン２０の端部区域２２回りに配置されて、低減されたボール・リフト７３を有する４つのボール弁７１が具備されている（図７参照）。この好適実施例において、図５及び図８に示したボール・リフト７３はボール７２の径に対する比が０．０８より小さいか或いはそれと同等に設計されている。理解して頂けるように、様々な他の多重的なインレット−ボール弁の組合わせを本発明の原理に従って利用することができる。ボール弁７１が圧量蓄積に関連された圧力リングを制御する最小閉塞時間と、弁座或いはボールを損傷する程に高速ではないボールの低閉塞速度とを維持する限り、ボール・リフト７３は変動させることができる。インレット数もまた、圧力供給状態下、ピストン・チャンバー３４の完全な再ロード用として充分な作動液流量を確保すべく選択されたボール・リフト７３に基づき、変動させることができる。また理解して頂けるように、適切なボール・リフト７３は、作動液の粘性等のポンプ作動条件に応じて可変である。より大きな粘性の作動液はボール弁をより迅速に閉塞することとなって、より大きなボール・リフト７３を容認できるように為す。
好適実施例の他の局面に従えば、ボール弁７１は改善された弁座構成を含む。図５、図５Ａ並びに図６で参照されるように、ボール弁７１の弁座７４はボールの弁座７４に対する衝突によっての損傷を削除するように設計されている。ボール座７４は、作動液インレット３６の上方区域３８へ向けて内側に傾斜して、内側縁７６で終了している円錐区域７５を含む（図６参照）。この傾斜円錐状区域７５はボール７２を弁座７４の中心軸線７９へ向けて指向させる補助を為して、ボール弁７１の効率的な閉塞を促進する。図５乃至図６に示されるように、円錐状区域７５の傾斜（又は角度）７７は、ボール７２と弁座７４との間の正接接点７８が弁座７４の内側縁７６から外側となる、円錐状区域７５上の位置に位置決めされるように設計されている（図５参照）。このようにして、ピストン２０がそのパワーストロークを開始すると、ボール７２が弁座７４をパタンと打ち、繰返し衝突で欠け又は削りが生じがちな弁座７４の内側縁７６とボール７２が衝突することがない（図５Ａ参照）。これは弁座或いはボールに対する可能性ある損傷を最小化すると共に、ボールが弁座の内側縁と衝突する弁座構成を具備する先行技術に係るダイヤフラムポンプ（図８乃至図９参照）と比較して、圧力供給状態下のダイヤフラムポンプの長期間寿命を著しく改善する。
留意されるべきことは、傾斜角７７（図６）は本発明の原理に従ったある特定の範囲内で変動できることである。この傾斜角７７は、欠け又は削れを防止すべく、ボール７２が内側縁７６から充分遠方へ隔たった所で円錐状区域７５と正接させるようにしなければならい。しかしながら、この傾斜角７７はあまりにも急峻過ぎてはならず、さもないと、これはボール弁７１を通じての流量を著しく低減する結果を招き、圧力供給状態下のピストン・チャンバーの完全な再ロードに対して作動液流量を充分に提供する能力に影響することがあり得る。
一実施例において、傾斜角７７は、弁座７４の内側縁７６から少なくとも約０．０３８センチメートルで正接接点を提供するように選択される。好適実施例この傾斜角７７が弁座７４の内側縁７６から約０．０５センチメートルで正接接点を提供するように選択されている（図５Ａ参照）。この寸法は弁座７４の内側縁７６から充分遠方で正接接点を付勢すべく選択されて、内側縁７６と接触しないことを確保している。ボール７２が弁座７４と接触するとき、ある特定量の弾性変形がボール７２と弁座７４との間に生じ、円形正接接触点を取囲む接触領域を形成する。この接触領域又はゾーンは約０．０１２から約０．０２５センチメートルの幅である。それ故に、弁座７４の内側縁７４から少なくとも約０．０３８センチメートルの所まで正接接点を指向させるように弁座７４の傾斜７７を設計することによって、ボール７２と弁座７４との間の約０．０１２から約０．０２５センチメートルの接触領域又はゾーンが決して弁座７４の内側縁７６にまで伝播しないことを確保している。これはボール衝突による弁座の欠け又は削れの可能性を除去する。
本発明の他の好適な局面に従えば、好適な膜プランジャー８６が図１０に示されるように提供されている。上記で議論したように、膜プランジャー８６は圧力供給状態下のピストン２０のリターンストロークに及んで膜停止部１００と接触する。膜プランジャー８６は球状衝突面８８を含み、それが、膜停止部１００の内側縁１０４から外方の位置であり且つプランジャー８６の外側縁８９から内方の位置である膜停止部１００の対応する下方面１０２と衝突するように設計されている（図１２参照）。これら縁８９，１０４は圧力供給状態下での繰返し衝突に及んで欠け又は削れる傾向がある。
図１３に示されるように、膜プランジャー８６の球状衝突面８８は、膜停止部１００の内側縁１０４とプランジャー８６の外側縁８９とから遠ざかった位置での膜停止部１００の下方面１０２と接触する。このようにして、球状面８８は衝突力を膜停止部１００の一部に沿って分配して、その衝突力が膜停止部１００上の単一点に局存化しないようになっている。理解して頂けるように、プランジャー衝突面８８のそうした設計は膜プランジャー８６が膜停止部１０の内側縁１０４或いは当該プランジャーの外側縁８９と接触することを防止しており、これは先行技術のダイヤフラムポンプと比較して、膜停止部１００及びプランジャー８６の脆弱な縁部１０４，８９の欠け又は削れの可能性を著しく低減するものであり、先行技術のダイヤフラムポンプでは、膜プランジャーの衝突面が線形面となって、膜停止部の内側縁或いはプランジャー８６の外側縁８９での衝突を許容している（図１１参照）。
更に理解して頂けるように、この球状衝突面８８は停止部１００及びプランジャー８６の製造公差における変動をもより大きく容認するか、或いは、その球状面８８が、たとえプランジャー衝突の角度が変動したとしてもプランジャー８６及び膜停止部１００の間の接触をそれら停止部１００及びプランジャー８６の縁部から遠ざけることを確保するための中心を外れたプランジャー衝突をもより大きく容認する（図１３参照）。好適実施例において、球状面８８の半径は、膜停止部１００の内側縁１０４とプランジャー８６の外側縁８９との間の中間点でプランジャー８６が膜停止部１００に衝突するように選択されている。（図１２，図１３参照）これは、中心を外れたプランジャー衝突の場合或いはプランジャー８６及び停止部１００の設計寸法からの製造上のずれの場合、プランジャー８６及び停止部１００の縁部から両方向への誤差の最大公差を提供する。これは圧力供給状態下でのプランジャー８６或いは停止部１００の内の何れかの縁での接触の可能性を最少化して、これら末端の縁部８９，１０４での欠け又は削れの可能性を著しく低減する。
好適実施例の付加的な局面に従えば、図２０乃至図２２のグラフは、様々なダイヤフラムポンプでの数ピストン・サイクルの過程にわたるピストン・チャンバー内の圧力を示している。図２０は発明の背景において説明された先行技術に係るダイヤフラムポンプの場合であり、図２１は上述したようなピストン・チャンバー内へ向かう４つのインレットを有すると共に各ボール弁内の低減されたボール・リフトを有するように変更されたポンプの場合である。これら２つのグラフを比較すると、変更ポンプが先行技術に係るダイヤフラムポンプと比べて、パワーストロークの開始中において著しく低減された圧力ピークを有することが留意される。しかしながら、圧力リングは依然として顕著に存在しており、ピストン・サイクル全体を通じて圧力が上下動（波動）している。（図２１参照）。これら圧力リング及び圧力上下動を更に低減すべく、以下に説明されるような付加的な変更をポンプに為すことが必要であり、それによって図２２のグラフに示されるようなより一貫し且つ穏やかな圧力を得る。
好適実施例の１つの局面に従って、ダイヤフラムポンプ１０は、好ましくは、作動液絶縁リザーバ６４を含んで、ポンプ作動中におけるピストン・チャンバー３４内への空気閉じ込めの可能性を低減する。図１６で参照されるように、作動液絶縁リザーバ６４はウォブル・プレート・チャンバー５８と隣接すると共にその上方位置に配置されている。作動液充填チューブ６０が提供され、それが作動液絶縁リザーバ６４を貫通してウォブル・プレート・チャンバー５８内へ延出して、ポンプに必要とされる作動液を充填することを可能としている。
作動液絶縁リザーバ６４はウォブル・プレート・チャンバー５８と少なくとも１つの通路６２を通じて接続されている。好適実施例において、その通路６２は作動液充填チューブ６０の回りに延在して、作動液がウォブル・プレート・チャンバー５８と作動液絶縁リザーバ６４との間に自由に流れることができる（図１６参照）。このようにして、ダイヤフラムポンプ１０は使用に先立って作動液で満たされて、ウォブル・プレート・チャンバー５８全体が作動液で満たされ、作動液が作動液絶縁リザーバ６４の一部内へ更に流れて、該作動液絶縁リザーバ６４内に作動液の上方面６６を形成するようにしている。作動液から成るこの上方面６６は、作動液絶縁リザーバ６４内の特定量の自由空気と隣接している。作動中、ウォブル・プレート・チャンバー５８内でのウォブル・プレート機構５０の運動は、ウォブル・プレート・チャンバー５８内に自由空気が何等存在しないので、作動液に空気を混合する役割を果たすことがない。むしろ、特定量の自由空気と隣接する作動液絶縁リザーバ６４内の作動液はウォブル・プレート機構の運動によって擾乱させられず、よって、圧縮混合物を形成すべく作動液は自由空気と混合しない。また留意されるべきことは、通路６２はウォブル・プレート・チャンバー５８内の作動液がポンプ作動中に温度上昇で膨張して、充填チューブ６０を溢れさせることなしに、絶縁リザーバ６４内へ流すことを可能としている。
この絶縁リザーバ６４は、図１７に示されるような絶縁リザーバ無しの先行技術に係るダイヤフラムポンプと比較して、ピストン・チャンバー３４内への空気閉じ込めの可能性を著しく低減する。本発明の作動液絶縁リザーバ６４は改善されたポンプ性能をもたらし、ピストンのパワーストローク中のピストン・チャンバー内における初期的な圧力蓄積中に該ピストン・チャンバー３４内での如何なる圧力ピーク或いはリンゲの可能性及び苛酷性を低減するものである（図２２）。作動中、ダイヤフラムポンプ１０は作動液絶縁リザーバ６４内の作動液の最少レベルを維持する必要があって、自由空気がウォブル・プレート・チャンバー５８に何等入ることができないように確保すべきことを注記する。これは、通路６２が作動液絶縁リザーバ６４及びウォブル・プレート・チャンバー５８に接続していると云う観点から、充填チューブ６０を通じて作動液を充填することで達成される。理解して頂けるように、本発明の原理に従って、ウォブル・プレート・チャンバー５８内の作動液による完全な充填を維持したまま、ウォブル・プレート・チャンバー５８に対する作動液絶縁リザーバ６４の配置及び接続を変更し得る。
好適実施例の他の局面に従って、摺動弁アセンブリ１０６はシリンダ弁ハウジング２８内に好適な開口部２６を含む。図１４に示されるように、シリンダ弁ハウジング２８は長尺状スロット開口部２９を含み、これが作動液インレット３６をピストン・チャンバー３４に接続している。上述したように、圧力供給状態下の作動液再ロードに対する期間は相対的に短く、シリンダ弁ハウジング２８内における長尺状スロット開口部２９は作動液インレット３６からピストン・チャンバー３４内への作動液の効率的な流れを促進している。好適実施例において、３つのスロット２９はシリンダ弁ハウジング２８回りに対称的に配置されて流量を高めている。
上記したように、摺動弁アセンブリ１０６は、圧力供給状態下の全再充填期間中、一般に開口している（図１及び図２参照）。この長尺状スロット開口部２９は、図１５に示されたような先行技術に係るダイヤフラムポンプの摺動弁アセンブリにおける円形ポートと比較して、作動液のより迅速な再ロードを提供する。この改善されたスロット開口部２９は圧力供給状態下での部分的な再ロードの可能性を減じて、ダイヤフラムポンプの全てにわたる信頼性及び性能を改善する。理解して頂けるように、矩形或いは長円形等を含む様々な長尺形状が、本発明の原理に従う適切な開口を提供するスロット開口部として利用され得る。
留意されることは、上述したダイヤフラムポンプのこうした好適実施例の組合わせは圧力供給状態下で使用するダイヤフラムポンプの著しい改善となる。図１８におけるラインＡで参照されるように本発明のダイヤフラムポンプは、パワーストローク中にピストン・チャンバー内で劇的に低減された圧力ピーク又はリングを示し、これは、ピストンがパワーストロークを始めるのと略一緒に圧力蓄積を始めることを伴うものであり、先行技術に係るダイヤフラムポンプの同様グラフ（図１９参照）とは対照的である。この結果、ポンピング・サイクルの全ての位相でより一貫した流量及び圧力と、圧力供給下でのより長い長期性能とを伴う。
図２１及び図２２に示されるように、全ての変更を組み入れたダイヤフラムポンプの組合わせは（図２２）、付加的なピストン・インレット及びボール弁内での低減されたボール・リフトだけで変更されたポンプ（図２１）と比較して、パワーストローク中の圧力ピークを低減する点に関して付加的な改善を提供する。本発明に係るダイヤフラムポンプに全ての変更を組み入れた場合、ピストン・サイクルの全体を通じて圧力上下動も低減される（図２１及び図２２）。
プランジャー-停止部衝突及びボール-弁座衝突によるピストン構成要素劣化に関して、本発明で実行された試験は、長期使用でのポンプ信頼性及び性能の点において著しい改善を示した。圧力供給状態下での使用後でのピストン構成要素の検査では、プランジャー、停止部縁、或いは弁座に損傷或いは欠け又は削れを実質的に何等示しておらず、上述した先行技術に係るダイヤフラムポンプと比較して、ポンプ故障率を著しく低減している。
理解して頂けるように、本発明の種々実施例の数多くの特性及び長所等は、本発明の種々の実施例の構造及び機能の詳細と共に、上記の記述において詳述してはいるが、この開示は例示的目的のみのものであり、細部にわたった変更、特に形状、大きさ、並びに、パーツの配列等の変更を、添付の請求の範囲で表現された用語の広範な一般的意味合いによって示される全幅に及んで、本発明の原理の内で行うことができる。
本発明の他の変更は上記の記載を鑑みて当業者には明らかであろう。これらの記載は、本発明を明確に開示する実施例の特定例を提供することが意図されている。従って、本発明は記述された実施例に限定されたり、特定の要素、寸法、材料、或いはそれらに含まれる構成の使用に限定されたりすることがない。添付の請求の範囲の精神及び広範な範囲内に入る本発明の全ての代替変更及び変形が包含されている。
【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５Ａ】
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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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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