(57)【要約】【課題】簡易な構成で故障の発生を抑制することが可能なプランジャポンプを提供する。【解決手段】プランジャポンプ１は、シリンダ室２ａを有するシリンダ２と、ステッピングモータから伝達される駆動力によりシリンダ２に対して移動する本体部３１を持つプランジャ３と、を備えている。本体部３１には、切欠き部３２が形成され、かかる切欠き部３２が吸入部４に位置すると吸入部４から液が流入し、排出部５に位置すると排出部５から液が流出する。本体部３１には、円弧状の４つの可動片６が形成されている。プランジャ３は、本体部３１の可動片６を縮径させた状態でシリンダ２に挿入され、これにより、可動片６は、弾性力でシリンダ２の内周面を押圧する。シリンダ２と可動片６との間に液の結晶が存在する場合には可動片６がたわんで逃げることで、ロックを防止することで作動状態が維持される。【選択図】図１
2016008520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダが有するシリンダ室にてプランジャが軸方向に移動して当該シリンダ室の容量を変えるのに伴って当該プランジャが当該シリンダに対して軸回りに回転するプランジャポンプであって、
前記プランジャは、軸回りの位置に応じて、前記シリンダの前記シリンダ室と連通する吸入部および排出部に対応して位置する切欠き部を持ち、
前記プランジャの軸回りの回転によって、当該プランジャの前記切欠き部が前記吸入部に対応する位置にあると共に前記排出部に対応する位置にない第１の状態と、当該切欠き部が当該吸入部および当該排出部に対応する位置にない第２の状態と、当該切欠き部が当該排出部に対応する位置にあると共に当該吸入部に対応する位置にない第３の状態と、に移行し、
前記切欠き部が形成される前記プランジャの本体部は、縮径して前記シリンダの前記シリンダ室に挿入されることで当該シリンダ室にて拡径する方向に付勢するものであることを特徴とするプランジャポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復移動運動により液を送り出すプランジャポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、シリンダ室を有するシリンダと、シリンダ室に対して進退自在に構成されるプランジャと、を有し、シリンダは、先端部近傍にてシリンダ室につながるとともに相対向して形成される吸入口および吐出口を備え、プランジャは、先端部外周に形成されるカット面を備え、プランジャをシリンダ室に対して回転運動させながら往復運動させることにより、カット面が吸入口および吐出口を交互にシリンダ室と連通させ、かかる連通状態の切替によって流体の移送を行うようにしたプランジャポンプにおいて、プランジャの外周面に溝を設ける構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−４３６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、プランジャポンプにより移送する液の種類によっては、液に起因する物質が正常な作動を妨げ、故障の原因になるという事態が想定される。そのような故障の発生を抑制するために、高い加工精度が必要な部材や複雑な構成を採用すると、部材の材質の選択に制約が生じたり生産が難しかったりする。
本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成で故障の発生を抑制することが可能なプランジャポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる目的のもと、本発明が適用されるプランジャポンプは、シリンダが有するシリンダ室にてプランジャが軸方向に移動して当該シリンダ室の容量を変えるのに伴って当該プランジャが当該シリンダに対して軸回りに回転するプランジャポンプであって、前記プランジャは、軸回りの位置に応じて、前記シリンダの前記シリンダ室と連通する吸入部および排出部に対応して位置する切欠き部を持ち、前記プランジャの軸回りの回転によって、当該プランジャの前記切欠き部が前記吸入部に対応する位置にあると共に前記排出部に対応する位置にない第１の状態と、当該切欠き部が当該吸入部および当該排出部に対応する位置にない第２の状態と、当該切欠き部が当該排出部に対応する位置にあると共に当該吸入部に対応する位置にない第３の状態と、に移行し、前記切欠き部が形成される前記プランジャの本体部は、縮径して前記シリンダの前記シリンダ室に挿入されることで当該シリンダ室にて拡径する方向に付勢するものであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、簡易な構成で故障の発生を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施の形態に係るプランジャポンプを説明する斜視図である。
【図２】プランジャポンプを説明する斜視図である。
【図３】プランジャポンプを説明する斜視図である。
【図４】プランジャポンプを説明する斜視図である。
【図５】プランジャポンプの組み立てを説明する図である。
【図６】プランジャポンプの組み立てを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本実施の形態に係るプランジャポンプ１について説明する。
図１、図２、図３および図４は、本実施の形態に係るプランジャポンプ１を説明する斜視図である。各図の（ａ）は斜視図、各図の（ｂ）は、（ａ）に示す軸Ａと交差する方向に切断した場合の横断面図である。本実施の形態に係るプランジャポンプ１は、図１〜図４の順に作動状態が移行するものである。
【０００９】
なお、説明の便宜上、各図の（ａ）ではプランジャ３について隠線処理をしていない。すなわち、各図の（ａ）では、プランジャポンプ１の一部を構成するシリンダ２が透明であるように図示しており、プランジャポンプ１の一部を構成するプランジャ３が透けて見えるように図示する。言い換えると、各図の（ａ）は、シリンダ２に隠れるプランジャ３の部分をも実線で示しており、プランジャ３の図示に際して隠線処理していない。
また、説明の便宜上、各図の（ｂ）では、（ａ）に示すプランジャ３の切欠き部３２が現れる位置で切断した場合の状態を示しており、プランジャポンプ１の一部を構成する吸入部４および排出部５を実線で図示する。
【００１０】
〔プランジャポンプ１の用途等〕
まず、本実施の形態に係るプランジャポンプ１の用途および概要等について説明する。
図１〜図４に示すプランジャポンプ１は、結晶性の液を扱うユニット、例えば透析液を作成して供給する装置に組み込まれて使用されるものである。さらに説明すると、人間の血液と同じような組成の透析液は、ＲＯ水、Ａ液およびＢ液を混合して作成されるものであり、そのような混合割合を制御するためにプランジャポンプ１が用いられる。
【００１１】
プランジャポンプ１は、回転往復運動により単位時間当たりの設定量を正確に移送することが可能な定量ポンプである。このような設定量は、プランジャポンプ１を駆動するステッピングモータ（不図示）の制御により行われる（回転量の調整）。なお、駆動源であるステッピングモータとプランジャポンプ１とを互いに接続する不図示の機構において、プランジャポンプ１の軸に対するステッピングモータ（不図示）の出力軸の角度を変更することで、設定量を調整することも考えられる（首振り量の調整）。
【００１２】
〔プランジャポンプ１の構成〕
例えば図１の（ａ）に示すように、プランジャポンプ１は、シリンダ室２ａを有するシリンダ２と、ステッピングモータ（不図示）から伝達される駆動力によりシリンダ２に対して移動するプランジャ（ピストン）３と、を備えている。
プランジャ３は、シリンダ２のシリンダ室２ａに位置する本体部３１を有する。また、プランジャ３には、本体部３１に対応する凹部３ａ（図６参照）が形成されている。さらに説明すると、シリンダ２のシリンダ室２ａの内壁とプランジャ３の本体部３１の内壁（凹部３ａの内周面と底）とにより画成される空間に、吸入した液体が入る。
そして、プランジャ３にステッピングモータ（不図示）の駆動力が伝達されると、同図の（ａ）において上下方向に延びる軸Ａの方向（軸方向）に沿って本体部３１が移動し、これによりシリンダ室２ａの容量が変わる。すなわち、シリンダ室２ａにおける本体部３１の位置に対応して、シリンダ室２ａの内壁とプランジャ３の本体部３１とにより画成される空間の容量が変化する。
【００１３】
プランジャ３は、このような軸方向の移動（往復動、スライド）に伴い、不図示の機構の作用によって、シリンダ２に対して軸Ａ回りに回転する。すなわち、プランジャ３は、往復動すると共に回転する。プランジャ３は、一回転するごとに一往復する。言い換えると、プランジャ３は、回りながら行ったり来たりする。
より詳細には、プランジャ３は、平面視で反時計方向に回転する。なお、プランジャ３は、反時計方向のみならず時計方向への回転も可能であるものの、プランジャポンプ１として作動させるときには、一方向への回転（本実施の形態では反時計方向）である。すなわち、プランジャ３は逆回転しない。
【００１４】
ここにいう不図示の機構は、回転運動を回転運動および往復直線運動に変換するものである。より詳細には、入力が回転駆動で、出力が回転動および往復動（複合運動）である。
【００１５】
プランジャポンプ１は、シリンダ２のシリンダ室２ａに液を吸入するための吸入部４と、シリンダ室２ａの液を排出するための排出部５と、を備えている。かかる吸入部４および排出部５は、シリンダ２に形成された開口部に接続される。
【００１６】
これら吸入部４および排出部５は、軸方向に関して位置が異なる。すなわち、プランジャ３のスライド量に対応する量の位置ずれになっている（オフセット配置）。
また、吸入部４および排出部５は、このように軸方向にオフセットされているものの、平面視で互いに対向する位置にある（対向配置）。すなわち、プランジャポンプ１を同図における上から見たときの円周方向（周方向）Ｒにおける吸入部４の位置が、時計の文字盤の例えば３時の位置とすると、排出部５は９時の位置である。
【００１７】
さらに説明すると、プランジャ３によるシリンダ室２ａの容量変化で、シリンダ室２ａの圧力が変化する。より具体的には、シリンダ室２ａの容量が増大するときには、シリンダ室２ａの圧力が低下し、その一方で、減少するときには圧力が増大する。
このような作用により、液が吸入部４からシリンダ室２ａに流入したり、シリンダ室２ａの液が排出部５から流出したりする。すなわち、プランジャ３の往復動に起因して生じる差圧（圧力差）を利用して、シリンダ室２ａに対する液の出入りが行われる。
【００１８】
プランジャ３は、本体部３１に形成される切欠き部３２を有する。この切欠き部３２は、例えば図１の（ｂ）に示すように、円周方向Ｒに延びる長手形状である。すなわち、本体部３１は、吸入部４や排出部５をシリンダ室２ａと連通させないようにするためのものであり、そして、本体部３１の切欠き部３２は、吸入部４や排出部５をシリンダ室２ａと連通するためのものである。
さらに説明すると、切欠き部３２は、吸入部４と排出部５のいずれか一方を塞ぐように位置する。言い換えると、切欠き部３２は、吸入部４と排出部５の両方を同時に連通させるような大きさないし形状ではない（図１〜図４の各（ｂ）参照）。
このため、本体部３１の切欠き部３２が吸入部４に対応する位置にあると、シリンダ室２ａは吸入部４と連通する一方で、本体部３１が排出部５との連通を阻むように作用する。また、排出部５に対応する位置にあると、シリンダ室２ａは排出部５と連通する一方で、本体部３１が吸入部４との連通を阻むように作用する（図１〜図４の各（ｂ）参照）。
【００１９】
〔プランジャポンプ１の作動状況〕
次に、プランジャポンプ１の作用について、図１〜図４を用いて説明する。以下、図１〜図４の各々を順に時系列で説明する。なお、図１および図３に示す状態は第２の状態の一例であり、図２に示す状態は第１の状態の一例であり、図４に示す状態は第３の状態の一例である。なお、プランジャポンプ１のプランジャ３は、円周方向Ｒの一方向である回転方向Ｋ（図１〜図４の各（ａ）参照）にシリンダ２に対して回転し続ける。なお、常に一方向に３６０度回り続けるものの構成例のほか、そうでない構成例も考えられる。例えば、一方向への回転が３６０度未満のものである構成例や、プランジャ３が両方向に回転する構成例等である。
【００２０】
まず、図１では、本体部３１の切欠き部３２が吸入部４に対応する位置になく排出部５に対応する位置にもない状態である。すなわち、同図の（ｂ）に示すように、シリンダ室２ａは、本体部３１により吸入部４と連通していないと共に排出部５とも連通していない。
なお、同図では、液が排出された後の状態である。
【００２１】
次の図２では、本体部３１の切欠き部３２が吸入部４に対応する位置にあって排出部５に対応する位置にない状態である。すなわち、同図の（ｂ）に示すように、シリンダ室２ａは、切欠き部３２により吸入部４と連通しているが、本体部３１により排出部５とは連通していない。
【００２２】
また、図２の（ａ）に示すように、プランジャ３の位置が上述した図１の場合よりも下方に位置している。そして、プランジャ３の上端は、シリンダ２の天井（内面上部）と距離Ｌ２だけ離間している。
さらに説明すると、同図の（ａ）に示すプランジャ３は、軸方向下向きＤに移動する。すなわち、プランジャ３がシリンダ室２ａの容量を増加させる方向にスライド移動している。これにより、シリンダ室２ａは減圧される。
このため、同図では、シリンダ室２ａと連通状態である吸入部４から液が吸引され、シリンダ室２ａに流入していく。その一方で、排出部５はシリンダ室２ａと連通していないことから、吸入部４からの液は排出部５から流出していかず、シリンダ室２ａに溜められる（入ってくる工程）。
【００２３】
そして、図３では、本体部３１の切欠き部３２が吸入部４に対応する位置になく排出部５に対応する位置にもない状態であり、この点において図１の場合と同じである。
なお、図３では、移送すべき液がシリンダ室２ａに入っている状態であり（閉じ込められる工程）、図１の状態とは異なる。
【００２４】
最後の図４では、本体部３１の切欠き部３２が排出部５に対応する位置にあって吸入部４に対応する位置にない状態である。すなわち、同図の（ｂ）に示すように、シリンダ室２ａは、切欠き部３２により排出部５と連通しているものの、吸入部４とは連通していない。
【００２５】
また、図４の（ａ）に示すように、プランジャ３の位置が上述した図３の場合よりも上方に位置している。そして、プランジャ３の上端は、シリンダ２の天井と距離Ｌ４だけ離間している。図４の（ａ）に示す距離Ｌ４は、図２の（ａ）に示す距離Ｌ２よりも小さい（Ｌ４＜Ｌ２）。
さらに説明すると、図４の（ａ）に示すプランジャ３は、軸方向上向きＵに移動する。すなわち、プランジャ３がシリンダ室２ａの容量を減少させる方向にスライド移動しており、シリンダ室２ａは加圧状態である。
このため、同図では、シリンダ室２ａと連通状態である排出部５から液が吐出され、シリンダ室２ａから流出していく（出ていく工程）。なお、吸入部４はシリンダ室２ａと連通していないことから、シリンダ室２ａの液は吸入部４に流出していかない（逆止弁機能）。
【００２６】
なお、本体部３１の切欠き部３２は、円周方向Ｒに延びる長手形状（楕円の形状、長孔形状）であり、このような長手形状を採用することにより、吸入部４からの液をより確実に吸引することが可能になると共に、シリンダ室２ａ内の液をより確実に排出部５に吐出することが可能になる。
また、本体部３１の切欠き部３２は、円周方向Ｒと略平行に延びる形状であるが、円周方向Ｒに対して交差する方向に延びる形状とすることも考えられる。すなわち、切欠き部３２は、水平方向だけでなく斜め方向に延びる形状とすることも考えられる。
【００２７】
また、シリンダ２に対する吸入部４および排出部５の位置関係は、プランジャ３の回転方向Ｋおよびスライド方向（軸方向下向きＤ、軸方向上向きＵ）により決定される。すなわち、減圧されているときに切欠き部３２によりシリンダ室２ａに連通される側から液が流入し、加圧されているときに切欠き部３２によりシリンダ室２ａに連通される側に液が流出する。
本実施の形態に係るプランジャポンプ１はこのような差圧利用の移送方式を採用することから、軸方向における吸入部４と排出部５との相対的な位置関係が互いに異なるものになっている。
【００２８】
このように、吸入部４からの液は、シリンダ室２ａ内に溜められた後に排出部５に吐出される。そして、吸入部４の液は、単位時間当たりの量が予め定められた値となるように、排出部５に送り出される。
【００２９】
〔本実施の形態に係るプランジャポンプ１の意義等〕
ここで、従来から提案されているプランジャポンプは、シリンダおよびプランジャをファインセラミック製とし、かつ、シリンダとプランジャとの間の隙間（クリアランス）を例えば数μｍないし数十μｍ程度に狭くし、これによりシリンダとプランジャとの間のシールを実現しようとする。より具体的には、従来では、シリンダおよびプランジャを同じ材質で製造して熱膨張係数を同じものとし、クリアランスによるシール効果が熱等の影響により低下してしまうことを防いでいる。すなわち、シリンダおよびプランジャの材質をいずれもセラミックとし、かつ、高価なセラミックを精密加工することでシリンダおよびプランジャを作成し、高い組立精度が要求される作業を行っている。言い換えると、吸入時には吐出口を、吐出時には吸入口をそれぞれシールする必要があり、そのようなシリンダとプランジャとの間のシールを両者の精度を上げることで対応している（精度によるシール構造）。
【００３０】
しかしながら、プランジャポンプが定量移送する液が結晶性の液である場合は、液から結晶が析出し易い。例えば透析液には塩分が多く含有することから、従来の構成では、シリンダとプランジャとの間の隙間にわずかにリークした透析液から結晶が析出するおそれがある。析出した結晶が隙間に入り込むという事態が生じると、従来の構成では、シリンダとプランジャとの間のクリアランスが狭く設計されていることから、結晶によってプランジャの動きが妨げられ、結晶のつまりによりプランジャが回転しなくなる（ロックする）等の故障の原因になってしまう。
また、従来では、上述したような高価な材料を高い精度で加工および組立を行うシール構造を採用することから、プランジャポンプのコストが高くなり、コストダウンを容易に行うことが困難であった。また、従来の構造はデリケートなものであり、扱い方にも非常に注意を払う必要があった。
【００３１】
そこで、本実施の形態に係るプランジャポンプ１では、プランジャ３の上部にバネ性を持たせている。すなわち、プランジャ３のバネの付勢力を、シリンダ２との間の隙間が狭まる方向に作用させ、これにより、プランジャ３がシリンダ２の内周面に常に押し付けられて隙間を狭くすることで、シール効果を確保する（バネ性によるシール構造）。
また、バネ性を持たせた部分より下方の部分では、シリンダ２とプランジャ３との間のクリアランス（隙間）を大きくしている。
【００３２】
このように、プランジャ３のバネ性に依存するシールのため、プランジャ３の加工精度を下げることが可能になり、また、シリンダ２とプランジャ３との間の隙間を大きくしてもシール効果が得られることから、高い組立精度を要求しなくても済むようになる。ここにいう大きな隙間としては、例えば０．１ｍｍ程度の場合を例示することができる。
このため、析出された結晶によるロック等による故障の発生を防ぐことが可能になり、結晶性の液に強い故障し難い構造になる。また、加工精度および組立精度を下げることによるコストダウンが可能になる。
また、簡易な構造でロック等による故障の発生を抑制することからも、液に起因する物質による故障の発生を抑止しつつコストダウンを図ることが可能になり、また、耐久性を向上させることが可能になる。
【００３３】
さらには、プランジャ３にバネ性を持たせることから、高価なセラミックを用いずに非セラミック材を用いることが可能になる。また、シリンダ２とプランジャ３との間の隙間を大きくすることが可能になることから、シリンダ２およびプランジャ３の材料選定に際し使用環境の温度を考慮する必要がなくなり、シリンダ２とプランジャ３とを互いに異なる材料とすることも可能になる。
このため、シリンダ２およびプランジャ３を安価な材料（非セラミック）で構成することが可能になる。その一例を説明すると、シリンダ２をステンレス製とし、プランジャ３を樹脂製例えば耐摩耗性に優れたＰＥＥＫ(polyetheretherketone) とする場合を挙げることができる。なお、プランジャ３のみならずシリンダ２もＰＥＥＫとする場合（同種材質。非金属）を挙げることができる。
【００３４】
なお、図示を省略するが、シリンダ２に、プランジャ３との間の隙間に洗浄液を流すための洗浄ポート（不図示）を配設する例も考えられる。これにより、シリンダ２とプランジャ３との間の隙間に析出した結晶等を洗い流すことが可能になる。
【００３５】
〔プランジャポンプ１の組み立て等〕
図５および図６は、プランジャポンプ１の組み立てを説明する図である。図５は分解斜視図であり、図６はその縦断面図である。
本実施の形態に係るプランジャポンプ１は、シリンダ２にプランジャ３が挿入されて組み立てられる。なお、シリンダ２のシリンダ室２ａは、図６に示すように、上端側が閉じており、下端側が開口している略筒状部材である。また、プランジャ３は、シリンダ２に挿入されると、シリンダ室２ａに連通する凹部３ａを有する。
【００３６】
さらに説明すると、図５に示すように、プランジャ３の本体部３１には、軸方向に延びるスリット部３３と、円周方向Ｒに延びるスリット部３４と、が形成されている。そして、かかるスリット部３３，３４により、本体部３１には、切欠き部３２を挟んで位置する４つの可動片６が形成されている（図１も参照）。
【００３７】
円弧状の可動片６は、本体部３１に対して可動であり、半径方向（径方向）に変形可能である。すなわち、可動片６はバネ性をもっている。そして、可動片６は、シリンダ２の内径よりも少し大きい外径を持つ（図５における一点鎖線部分を参照）。
このため、組み立ての際には、可動片６の曲率半径が小さくなる方向であるたわみ方向７１（同図参照）にたわませて可動片６を縮めた状態で（同図における実線部分を参照）、プランジャ３がシリンダ２の方向である挿入方向７２（同図参照）に挿入される。
なお、本実施の形態では、シリンダ２がステンレス製で、プランジャ３がＰＥＥＫ樹脂製である。すなわち、シリンダ２は、プランジャ３とは異なり変形可能なものではないが、シリンダ２をＰＥＥＫ等の変形可能なものとすることも考えられる。
【００３８】
このように、可動片６を縮径させてプランジャ３がシリンダ２に入れられることから、可動片６が元に戻ろうとすることで、曲率半径が大きくなる方向に拡がろうとして拡径する。これにより、プランジャ３がシリンダ２内に位置する場合は、可動片６がシリンダ２の内周面を弾性力で押圧する。すなわち、プランジャ３は、シリンダ２内で拡径する付勢力を持つ。
【００３９】
したがって、上述したように、シリンダ２とプランジャ３との間の隙間が大きく、そのような隙間に結晶が析出したとしても、その結晶によるロックの発生を防止することが可能になる。また、シリンダ２とプランジャ３の可動片６との間に結晶が析出したときには、可動片６が縮径して半径方向に逃げるように作用するから、結晶によるロックの発生を防止することが可能になる。
【００４０】
付言すると、図５または図６に示すように、プランジャ３には、シリンダ２との間の隙間を埋めるためのシール部材（Ｏリング）８が配設されている。かかるシール部材８は、プランジャ３と嵌合すると、シリンダ２の内周形状に対応するように形成されている。
なお、図５または図６に示すように、プランジャ３は、可動片６が形成された本体部３１の外径寸法が、シール部材８が嵌合するプランジャ３の部分の外径寸法よりも大きい。
付言すると、シール部材８は、モータ方向への液の漏れを防ぐ機能を有する。
【符号の説明】
【００４１】
１…プランジャポンプ、２…シリンダ、２ａ…シリンダ室、３…プランジャ、４…吸入部、５…排出部、６…可動片、８…シール部材、３１…本体部、３２…切欠き部、３３，３４…スリット部、７１…たわみ方向、７２…挿入方向
【図１】
2016008520.tif 000003
【図２】
2016008520.tif 000004
【図３】
2016008520.tif 000005
【図４】
2016008520.tif 000006
【図５】
2016008520.tif 000007
【図６】
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