無脈動ポンプ
【課題】より簡易な構成で無脈動を達成し得る無脈動ポンプを提供する。
【解決手段】無脈動ポンプを構成する各ダイアフラムポンプ１２は、圧力室に連通するプランジャ側凹部が外周面に形成されたプランジャ２２と、作動流体貯留室２８に連通するシリンダ側凹部が内周面に形成されたシリンダ２４と、前記往復運動子を往復運動させる駆動機構であって、前記複数のダイアフラムポンプの瞬時の吐出流量の総和を常に一定にするとともに、吐出行程の初期に発生する吐出量の減少を補償するために、想定される吐出減少量に対して過剰にポンプ室容積を減少させる補償行程を、吸引行程と前記吐出行程との間に実行させる駆動機構と、プランジャ２２およびシリンダを相対的に回転させてプランジャ側凹部およびシリンダ側凹部の相対角度関係を変更することで補償行程を無効化する期間を調整する平歯車２５，２６と、を備える。
【解決手段】無脈動ポンプを構成する各ダイアフラムポンプ１２は、圧力室に連通するプランジャ側凹部が外周面に形成されたプランジャ２２と、作動流体貯留室２８に連通するシリンダ側凹部が内周面に形成されたシリンダ２４と、前記往復運動子を往復運動させる駆動機構であって、前記複数のダイアフラムポンプの瞬時の吐出流量の総和を常に一定にするとともに、吐出行程の初期に発生する吐出量の減少を補償するために、想定される吐出減少量に対して過剰にポンプ室容積を減少させる補償行程を、吸引行程と前記吐出行程との間に実行させる駆動機構と、プランジャ２２およびシリンダを相対的に回転させてプランジャ側凹部およびシリンダ側凹部の相対角度関係を変更することで補償行程を無効化する期間を調整する平歯車２５，２６と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラムポンプを複数備え、各ポンプの瞬時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】
ダイアフラムポンプは、プランジャなどの往復運動子の往復動により、ダイアフラムを撓ませ、これにより、対象流体の吸引、吐出を交互に繰り返す。よって、ダイアフラムポンプ単体では、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ダイアフラムポンプを用い、これら複数のダイアフラムポンプの瞬時の合成吐出流量を常に一定とする無脈動ポンプが知られている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、２個のダイアフラム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、いずれか一方のダイアフラムポンプのみが対象流体を吐出する期間と、双方のダイアフラム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、双方のダイアフラムポンプによる吐出期間においては、合成された瞬時の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、各ダイアフラム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、対象流体中の残留エア、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。前記公報のポンプにおいては、吐出期間の開始前に、対象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。エア抜き弁には、作動流体が一時的に流れ込む調整室の容積を調節する容積調整機構が設けられており、ポンプの動作条件に応じて変化する容積効率に対応して排出量が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３２１５６６号公報
【特許文献２】特許第３６２４０６２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この特許文献１の技術によれば、吐出開始初期における流量の減少を補償することができ、微小脈動を防止することができる。しかし、この容積調整機構を利用した微小脈動の防止技術は、構成が複雑で、部品点数も多いなどの問題があった。そこで、本発明では、より簡易な構成で無脈動を達成し得る無脈動ポンプを提供することを目的とする。
【０００７】
なお、特許文献２には、ハイドロリック・ロストモーション機構により、ポンプの平均流量を調整する技術が開示されている。この機構は、シリンダの内周面に作動油貯留部に連通する凹部を形成し、ピストンの外周面に圧力室に連通する液流通路を形成し、この凹部と液流通路の相対角度を調整することで、ピストンの往復運動において凹部と液流通路が重複する期間を調整する機構である。凹部と液流通路が重複する期間は、圧力室において圧力変化が生じないため、対象流体の吸引吐出が行なわれないことになる。したがって、凹部と液流通路が重複する期間を調整することにより、平均吐出流量を調整される。
【０００８】
しかし、この特許文献２の技術は、あくまで、平均流量の調整を目的とするものである。そのため、当該特許文献２記載のハイドロリック・ロストモーション機構で流量調整を行なうと、吐出流量の波形が変化してしまう。一方、無脈動ポンプにおいては、各ポンプでの流量波形が予め設定されたとおりになることが必要であり、平均流量を変えるには、回転数（往復動周期）を変え、波形をそのままにする方法を取る。したがって、特許文献２に記載されているような吐出流量の波形を変化させる機構を、無脈動ポンプに適用することは、従来、考えられていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の無脈動ポンプは、圧力室に充填された作動流体を介して往復運動子の動きをダイアフラムに伝達することにより流体を吸引、吐出するダイアフラムポンプを複数備え、個々のダイアフラムポンプの瞬時の吐出流量を合計した合成吐出流量が常に一定に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、各ダイアフラムポンプは、その外周面に、圧力室に連通する第一凹部が形成された往復運動子と、前記往復運動子が挿通され、その内周面に、作動流体貯留部に連通する第二凹部が形成されたシリンダと、前記往復運動子を往復運動させる駆動機構であって、前記複数のダイアフラムポンプの瞬時の吐出流量の総和を常に一定にするとともに、吐出行程の初期に発生する吐出量の減少を補償するために、想定される吐出減少量に対して過剰にポンプ室容積を減少させる補償行程を、吸引行程と前記吐出行程との間に実行させる駆動機構と、前記往復運動子およびシリンダを相対的に回転または軸方向に移動させて第一、第二凹部の相対位置関係を変更することで前記補償行程を無効化する期間を調整する調整手段と、を備え、補償行程外では第一、第二凹部が重複しない、ことを特徴とする。
【００１０】
好適な態様では、前記調整手段は、前記往復運動子およびシリンダを相対的に回転させる手段であり、前記第一凹部および第二凹部は、往復運動子およびシリンダを予め規定された任意の角度、相対回転する間に、両凹部が補償行程の全期間に亘って重複する１００％無効化状態から、両凹部が補償行程の全期間に亘って重複しない０％無効化状態まで、連続的に変化可能な形状である。
【００１１】
他の好適な態様では、前記第一凹部は、軸方向に幅を有した傾斜線状の凹部であり、前記第二凹部は、補償行程の開始時における第一凹部の先端位置と、補償行程の終了時における第二凹部の後端位置と、を通ることができる線状の凹部である。この場合、前記第二凹部は、さらに、前記シリンダを周方向に回転した際に、補償行程の開始時における第一凹部の先端と、補償行程の開始時における第一凹部の後端と、に重複し得る線状の凹部である、ことが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、往復運動子およびシリンダを相対的に回転させて第一、第二凹部の相対角度関係を変更することで前記補償行程を無効化する期間を調整できるので、無脈動をより簡易な構成で達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である無脈動ポンプの概略全体図である。
【図２】ダイアフラムポンプの構成を示す図である。
【図３】プランジャの側面図である。
【図４】シリンダの断面図である。
【図５】プランジャの速度の時間変化を示す図である。
【図６】吐出期間Ｐｄの初期におけるプランジャの速度と吐出流量の詳細を示す図である。
【図７】プランジャおよびシリンダの概略展開図であり、上から順に、０％、５０％、１００％無効化した状態を示している。
【図８】プランジャの速度の時間変化を示す図であり、上から順に、０％、５０％、１００％無効化した状態を示している。
【図９】シリンダ側凹部の傾斜角度の条件を説明する図である。
【図１０】他のシリンダ側凹部およびプランジャ側凹部の一例を示す図である。
【図１１】他のシリンダ側凹部およびプランジャ側凹部の一例を示す図である。
【図１２】第二実施形態におけるダイアフラムポンプの構成を示す図である。
【図１３】プランジャおよびシリンダの概略展開図であり、上から順に、０％、５０％、１００％無効化した状態を示している。
【図１４】他のシリンダ側凹部およびプランジャ側凹部の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。また、図２は、ダイアフラムポンプ１２の構成を示す図である。また、図３はプランジャ２２の側面図、図４はシリンダ２４の横断面図である。
【００１５】
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。
【００１６】
ダイアフラムポンプ１２は、ポンプ室１６を形成する筐体１４と、当該筐体１４の内部で進退するプランジャ２２、プランジャ２２が進退自在に挿通されたシリンダ２４などを備えている。筐体１４は、その内部が二つの仕切壁２９ａ，２９ｂにより三つの空間、すなわち、ポンプ室１６、中間室２７、作動流体貯留室２８に区切られた略筒体である。ポンプ室１６には、これを先端側と後端側とに二分するダイアフラム１５が配置されている。以降、ダイアフラム１５で分けられたポンプ室１６の先端側を対象流体室１８、後端側を圧力室２０と記す。
【００１７】
プランジャ２２は、モータ３６に駆動されるカム３４、および、プランジャ２２の末端を常にカム３４に当接させるスプリング３２の付勢力により、軸方向に往復進退する。このプランジャ２２の運動は、圧力室２０を満たす作動流体を介してダイアフラム１５に伝達される。これによって、ダイアフラム１５がたわんで往復運動し、ポンプ室１６、特に対象流体が吸い込まれ、吐出される対象流体室１８の容積変化が生じる。
【００１８】
また、図３に示すように、このプランジャ２２の内部には、プランジャ２２の先端面から末端方向に延びる深穴６０が、プランジャ２２の外周面には、傾斜線状のプランジャ側凹部６２が形成されている。このプランジャ側凹部６２の端部には当該プランジャ側凹部６２と深穴６０とを連通する連通孔６４が形成されており、プランジャ側凹部６２は、連通孔６４、深穴６０を介して圧力室２０に連通されている。
【００１９】
二つの仕切壁２９ａ，２９ｂで囲まれた中間室２７内には、シリンダ２４が配置されている。シリンダは、仕切壁２９ｂにより回転自在に保持されており、その後端は作動流体貯留室２８に突出している。シリンダ２４の内径は、プランジャ２２の外径とほぼ等しく、プランジャ２２は、当該シリンダ２４の内周面に液密に接触しつつ往復摺動する。図４に示すように、シリンダ２４の内周面には、らせん状に延びるシリンダ側凹部６６が形成されている。このシリンダ側凹部６６は、シリンダ２４の後端まで延びており、作動流体貯留室２８と連通している。本実施形態では、この作動流体貯留室２８と連通するシリンダ側凹部６６および圧力室２０と連通するプランジャ側凹部６２により、プランジャ２２の動きを無効化するハイドロリック・ロストモーション機構を構成しているが、これについては後に詳説する。
【００２０】
シリンダ２４の外周面には、平歯車２５が形成されている。この平歯車２５は、ユーザにより回転操作される平歯車２６に歯合している。この平歯車２５および平歯車２６から構成されるギアは、プランジャ側凹部６２およびシリンダ側凹部６６の相対角度関係を調整し、これにより、補償行程での容積減少量を調整する調整手段として機能するが、これについても、後に詳説する。
【００２１】
対象流体室１８には、吸引管４８と吐出管５０が接続されており、これらの管には、それぞれ吸引側逆止弁４２、吐出側逆止弁４４が設けられている。また、圧力室２０には、当該圧力室２０内に発生したエアを排出するためのエア抜き用逆止弁４６も設けられている。
【００２２】
ここで、上述したように、カム３４によって制御されるプランジャ２２の往復運動は、圧力室２０を介してダイアフラム１５に伝達され、対象流体室１８の容積変化を生じさせる。対象流体室１８の容積が増加するときには、吸引側逆止弁４２は対象流体が対象流体室１８に吸い込まれることを許容し、吐出側逆止弁４４は、吐出管５０からの逆流を阻止するように機能する。対象流体室１８の容積が減少するときは、逆に、吸引側逆止弁４２が対象流体の吸引管４８への逆流を阻止し、吐出側逆止弁４４は吐出管５０への対象流体の流れを許容するように作用する。
【００２３】
次に、本実施形態におけるプランジャ２２の運動プロフィールについて説明する。図５は、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂのプランジャ２２の速度ｖの時間変化を示す図である。図５に示すとおり、二つのプランジャ２２の速度波形は、位相が１８０°ずれているのみで、形状は同一である。
【００２４】
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が負である吸引期間Ｐｓと、さらに吐出期間Ｐｄが始まる前の吸引期間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２２がポンプ室１６内に進出し、その容積を縮小するように運動し、ポンプ室１６内の対象流体を吐出する期間である。また、吸引期間Ｐｓは、プランジャ２２が後退し、ポンプ室１６の容積を拡大するように運動し、ポンプ室１６内に吸引管４８より対象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るが、この補償期間Ｐｃについては、後に詳述する。
【００２５】
吐出期間Ｐｄは、さらに一方のダイアフラムポンプ１２のみで対象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の瞬時の合成吐出流量は常に一定となる。
【００２６】
次に、補償期間Ｐｃについて詳説する。図６は、吐出期間Ｐｄの初期におけるプランジャ２２の速度ｖと、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２２の速度ｖは破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、実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、機械的駆動部分のがた、ポンプ室１６内のエア、逆止弁の漏れなどの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。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。
【００２７】
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２２は、進出方向に運動し、機械的駆動部分のがた、ポンプ室１６内のエア、逆止弁の漏れなどによる損失を埋めるように、あらかじめポンプ室の容積を減少させる。
【００２８】
この、損失を補償するためのプランジャ２２の運動（以下、補償運動と記す）は、対象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２２の補償運動によって減少するポンプ室１６の容積は、図６において砂目ハッチングを施した台形部分の面積Ｓｃに相当する。このプランジャ２２の補償運動によるポンプ室１６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。補償運動によるポンプ室１６の容積減少量（Ｓｃ）と、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）との間に差があると、これらの差分（Ｓａ＝Ｓｃ−Ｓｓ）に応じて過剰にポンプ室１６の圧力が上昇し、意図しない吐出が行なわれるからである。意図しない吐出が生じると、瞬時の合計流量が変動してしまい、無脈動を実現できなくなる。
【００２９】
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１６容積減少量（Ｓｃ）は、プランジャ２２の動き、すなわちカム３４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。
【００３０】
そこで、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よりも過剰に設定し、これらの差分（Ｓａ＝Ｓｃ−Ｓｓ）である過剰な容積減少を、シリンダ側凹部６６およびプランジャ側凹部６２で構成されるハイドロリック・ロストモーション機構により吸収している。
【００３１】
すなわち、本実施形態のハイドロリック・ロストモーション機構は、補償行程の一部期間において、プランジャ側凹部６２やシリンダ側凹部６６を介してポンプ室１６と作動流体貯留室２８を連通状態にすることで、プランジャ２２の進退に伴うポンプ室１６の圧力変動をなくし、プランジャ２２の動きを無効化する。そして、この補償行程中におけるプランジャ２２の動きを無効化する期間を調整することにより、過剰な圧力上昇を防止する。このプランジャ２２の運動無効化期間の調整は、シリンダ２４を回転させて、シリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２の相対角度を変更することで行なう。
【００３２】
これについて図７、図８を参照して説明する。図７は、プランジャ２２およびシリンダ２４の概略展開図である。この図７の上段、中段、下段は、それぞれ、プランジャ２２の運動無効化期間を補償行程の０％、５０％、１００％に調整した場合を示している。また、この図７において、砂目ハッチング部分は、シリンダ側凹部６６部分である。また、図８は、プランジャ２２の速度ｖの時間変化を示す図であり、この図８の上段、中段、下段は、それぞれ、無効化期間を補償行程の０％、５０％、１００％に調整した場合を示している。なお、図８において、砂目ハッチング箇所は、プランジャ２２の動きが有効化されている期間を示している。また、図７おけるａ〜ｅは、図８におけるタイミングａ〜ｅを示している。
【００３３】
既述したとおり、シリンダ２４の内側面には、作動流体貯留室２８に連通するらせん状のシリンダ側凹部６６が形成されている。また、プランジャ２２の外側面には、連通孔６４、深穴６０を介してポンプ室１６に連通するプランジャ側凹部６２が形成されている。したがって、このシリンダ側凹部６６およびプランジャ側凹部６２が重なると、ポンプ室１６と作動流体貯留室２８とが連通することになる。この場合、プランジャ２２が進退しても、作動流体は、ポンプ室１６から作動流体貯留室２８に流出または作動流体貯留室２８からポンプ室１６に流入するため、ポンプ室１６内の圧力変動が生じないことになる。その結果、対象流体の吸引吐出も行なわれず、プランジャ２２の動きが無効化されることになる。
【００３４】
本実施形態では、シリンダ２４を回転させ、補償行程において、このシリンダ側凹部６６およびプランジャ側凹部６２の重複期間を調整することで、補償運動の無効化期間を調整している。なお、シリンダ２４の回転は、筐体１４外部から平歯車２６を操作して、シリンダ２４に取り付けられた平歯車２５を回転させることで行われる。
【００３５】
次に、実際に、無効化期間の調整の具体例について説明する。図８の上段に示すように、無効化期間を補償行程の０％にする場合、すなわち、補償行程の全期間において、プランジャ２２の動きを有効にする場合を考える。この場合、図７の上段に示すように、このプランジャ２２が最後端に位置した状態（タイミングｃの状態）でも、シリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２とが重複しないような角度に、シリンダ２４の角度を調整する。補償行程は、プランジャ２２を最も後退させた状態から、吐出方向に進出させる行程である。したがって、プランジャ２２が最後端に位置した状態でシリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２とが重複していない場合、その後、プランジャ２２を進出させても、両凹部の重複は生じない。その結果、補償行程の全期間において、ポンプ室１６と作動流体貯留室２８とが非連通状態となり、補償運動が有効化される。
【００３６】
一方、図８の下段に示すように、無効化期間を補償行程の１００％にする場合、すなわち、補償行程の全期間において、プランジャ２２の動きを無効にする場合を考える。この場合、図７の下段に示すように、シリンダ２４を回転させて、補償行程が終了するタイミング（ｅ）において、プランジャ側凹部６２の後端が、シリンダ側凹部６６と接するような角度に、シリンダ２４の角度を調整する。かかる角度関係とすることで、補償行程の開始から終了までの間、両凹部が重複し続けることになる。そして、その結果、補償行程の全期間において、ポンプ室１６と作動流体貯留室２８とが連通状態となり、補償運動が無効化される。なお、この補償行程に先立って吸引行程も行なわれる。この吸引行程の終了間近である期間ａ〜ｃの間、プランジャ２２は、補償行程と同じ範囲を移動する。その結果、図７の下段に示すように、補償行程の全期間においてプランジャ２２の動きを無効化する場合、この吸引行程の終了間近である期間ａ〜ｃでもプランジャ２２の動きが無効化（吸引動作が無効化）される。
【００３７】
そして、上述した無効化期間０％での角度と、無効化期間１００％での角度との間で、シリンダ２４角度を回転させていくことで、この無効化期間を徐々に変化させることができる。例えば、両角度の中間角度にすることで、図７の中段に示すように、無効化期間を補償行程の５０％にすることができる。この場合、プランジャ２２が最後端に位置した状態（タイミングｃの状態）で、プランジャ側凹部６２のほぼ中央がシリンダ側凹部６６と重複する。そして、プランジャ２２が、補償行程でのストロークＳの半分（Ｓ／２）進んだ時点で、両凹部の重複関係が解除され、ポンプ室１６を作動流体貯留室２８が非連通状態となる。その結果、図８の中断に示すように、補償行程の半分、および、当該補償行程に対応する吐出行程の終了間近期間ｂ〜ｃだけ、プランジャ２２の動きが無効化されることになる。
【００３８】
このように、シリンダ２４を回転させて、シリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２の相対角度関係を連続的に変化させることで、補償行程においてプランジャ２２の動きが無効化される割合も連続的に変化する。その結果、補償運動による過剰な容積減少を吸収でき、結果として、無脈動を達成できる。
【００３９】
なお、シリンダ側凹部６６は、線状の凹部であるが、その傾斜角度等の条件について図９を参照して簡単に説明する。図９の右側に図示するように、無効期間１００％を実現するためには、シリンダ側凹部６６は、相対回転がない状態で、補償行程の開始時点（タイミングｃ時点）におけるプランジャ側凹部６２の先端位置ｏと、補償行程の終了時点（タイミングｅ時点）におけるプランジャ側凹部６２の後端位置ｐと、を通過し得る傾斜角度でなくてはならない。また、シリンダ２４を３６０度回転する間に、補償期間０％から１００％まで調整可能にするためには、シリンダ２４を３６０度回転させる間に、補償行程の開始時点（タイミングｃ時点）におけるプランジャ側凹部６２の先端位置ｏと、補償行程の開始時点（タイミングｃ時点）におけるプランジャ側凹部６２の後端位置ｑと、重複し得る傾斜角度であることが望まれる。
【００４０】
また、上述した形態は一例であり、シリンダ２４とプランジャ２２を相対回転させることにより、シリンダ側凹部６６およびプランジャ側凹部６２の重複期間を可変できるのであれば、他の構成であってもよい。例えば、本実施形態では、シリンダ２４を回転させる構成となっているが、プランジャ２２、あるいは、プランジャ２２とシリンダ２４の両方を回転させるようにしてもよい。
【００４１】
また、本実施形態では、シリンダ側凹部６６をらせん状の凹部としているが、周方向に進むにつれ、軸方向位置が変動する形状であれば、例えば、円弧状、波状などであってもよい。また、シリンダ側凹部６６を線状形状とした場合、プランジャ側凹部６２も、軸方向長さを有した線状形状であれば、傾斜線形状のほか、長軸に平行な縦線形状、円弧形状などであってもよい。また、図１０に示すように、シリンダ側凹部６６を、先端側が傾斜した台形の凹部とするのであれば、プランジャ側凹部６２は、点状や、周方向に平行な横線形状などのように、軸方向長さを実質的に有さない形状の凹部であってもよい。また、当然ながら、図１１に示すように、シリンダ側凹部６６を、先端側が傾斜した台形の凹部とし、かつ、プランジャ側凹部６２を傾斜線状としてもよい。この場合であっても、上述の実施形態と同様に、シリンダ２４の回転に応じて、無効期間を調整することができる。
【００４２】
次に、他の実施形態について図１２、図１３を参照して説明する。図１２は、第二実施形態のダイアフラムポンプ１２の構成を示す図である。また、図１３はプランジャ２２およびシリンダ２４の概略展開図である。この図１３の上段、中段、下段は、それぞれ、プランジャ２２の運動無効化期間を補償行程の０％、５０％、１００％に調整した場合を示している。
【００４３】
この第二実施形態において、第一実施形態との大きな違いは、シリンダ２４が回転するのではなく、軸方向に進退する点である。すなわち、このダイアフラムポンプ１２において、シリンダ２４は、軸方向に進退可能に軸支されており、当該シリンダ２４の外周には、平歯車に替えて、軸方向に延びるラック７０が形成されている。当該ラック７０には、ユーザにより回転操作されるピニオン７２が歯合している。そして、ユーザが当該ピニオン７２を回転操作することにより、シリンダ２４が、軸方向に進退する。
【００４４】
このシリンダ２４の内周面には、作動流体貯留部に連通するシリンダ側凹部６６が形成されている。このシリンダ側凹部６６は、軸方向に幅のある形状であれば、特に限定されないが、ここでは、図１３に示すように、先端側が傾斜した台形の凹部の場合を例に挙げて説明する。
【００４５】
プランジャ２２の外周囲に形成されるプランジャ側凹部６２も、その形状は特に限定されないが、本実施形態では、図１３に示すように、シリンダ側凹部６６の先端部の傾斜と等しい角度で傾斜した線状の凹部をプランジャ側凹部６２としている。このプランジャ側凹部６２は、その周方向範囲の少なくとも一部が、シリンダ側凹部６６の周方向範囲と重複するように設定されている。
【００４６】
かかる構成のダイアフラムポンプ１２において、補償行程の無効期間を調整する様子について説明する。無効化期間を補償行程の０％にする場合、すなわち、補償行程の全期間において、プランジャ２２の動きを有効にする場合を考える。この場合、図１３の上段に示すように、このプランジャ２２が最後端に位置した状態（タイミングｃの状態）でも、シリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２とが重複しないような位置に、シリンダ２４を軸方向に後退させる。補償行程は、プランジャ２２を最も後退させた状態から、吐出方向に進出させる行程である。したがって、プランジャ２２が最後端に位置した状態でシリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２とが重複していない場合、その後、プランジャ２２を進出させても、両凹部６２，６６の重複は生じない。その結果、補償行程の全期間において、ポンプ室１６と作動流体貯留室２８とが非連通状態となり、補償運動が有効化される。
【００４７】
一方、無効化期間を補償行程の１００％にする場合、すなわち、補償行程の全期間において、プランジャ２２の動きを無効にする場合を考える。この場合、図１３の下段に示すように、シリンダ２４を前進させて、補償行程が終了するタイミング（ｅ）において、プランジャ側凹部６２の後端が、シリンダ側凹部６６と接するような位置に、シリンダ２４の軸方向位置を調整する。かかる位置関係とすることで、補償行程の開始から終了までの間、両凹部６２，６６が重複し続けることになる。そして、その結果、補償行程の全期間において、ポンプ室１６と作動流体貯留室２８とが連通状態となり、補償運動が無効化される。
【００４８】
そして、上述した無効化期間０％での軸方向位置と、無効化期間１００％での軸方向一との間で、シリンダ２４の軸方向位置を調整することで、この無効化期間を徐々に変化させることができる。例えば、両位置の中間位置にすることで、図１３の中段に示すように、無効化期間を補償行程の５０％にすることができる。
【００４９】
このように、シリンダ２４を進退させて、シリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２との軸方向の相対位置関係を連続的に変化させることで、補償行程においてプランジャ２２の動きが無効化される割合も連続的に変化する。その結果、補償運動による過剰な容積減少を吸収でき、結果として、無脈動を達成できる。
【００５０】
なお、ここで、説明した凹部６２，６６の形状等は、あくまで一例であり、シリンダ側凹部６６およびプランジャ側凹部６２の少なくとも一方が、軸方向幅が、補償行程でのプランジャ移動範囲（タイミングｃ〜ｅの間にプランジャ２２が移動する距離）以上の形状であれば、他の形状でもよい。例えば、図１４に示すように、シリンダ側凹部６６が、周方向に延びる直線状であり、プランジャ側凹部６２が、軸方向に延びる直線状であってもよい。
【００５１】
また、第一実施形態では、シリンダ２４の後側の空間を作動流体貯留部２８としたが、図１２に示すように、シリンダ２４の前側の空間（中間室２７）と、シリンダ側凹部６６と、結ぶ流路７４を形成し、中間室２７を、作動流体貯留部として用いてもよい。この場合、全期間において、プランジャ２２の外周面に形成されたプランジャ側凹部６２が、中間室（作動流体貯留部）に露出しないように、その位置や移動範囲を調節すればよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 無脈動ポンプ、１２ ダイアフラムポンプ、１４ 筐体、１５ ダイアフラム、１６ ポンプ室、１８ 対象流体室、２０ 圧力室、２２ プランジャ、２４ シリンダ、２５，２６ 平歯車、２８ 作動流体貯留室、３２ スプリング、３４ カム、３６ モータ、４２ 吸引側逆止弁、４４ 吐出側逆止弁、４８ 吸引管、５０ 吐出管、６０ 深穴、６２ プランジャ側凹部、６４ 連通孔、６６ シリンダ側凹部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラムポンプを複数備え、各ポンプの瞬時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】
ダイアフラムポンプは、プランジャなどの往復運動子の往復動により、ダイアフラムを撓ませ、これにより、対象流体の吸引、吐出を交互に繰り返す。よって、ダイアフラムポンプ単体では、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ダイアフラムポンプを用い、これら複数のダイアフラムポンプの瞬時の合成吐出流量を常に一定とする無脈動ポンプが知られている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、２個のダイアフラム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、いずれか一方のダイアフラムポンプのみが対象流体を吐出する期間と、双方のダイアフラム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、双方のダイアフラムポンプによる吐出期間においては、合成された瞬時の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、各ダイアフラム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、対象流体中の残留エア、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。前記公報のポンプにおいては、吐出期間の開始前に、対象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。エア抜き弁には、作動流体が一時的に流れ込む調整室の容積を調節する容積調整機構が設けられており、ポンプの動作条件に応じて変化する容積効率に対応して排出量が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３２１５６６号公報
【特許文献２】特許第３６２４０６２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この特許文献１の技術によれば、吐出開始初期における流量の減少を補償することができ、微小脈動を防止することができる。しかし、この容積調整機構を利用した微小脈動の防止技術は、構成が複雑で、部品点数も多いなどの問題があった。そこで、本発明では、より簡易な構成で無脈動を達成し得る無脈動ポンプを提供することを目的とする。
【０００７】
なお、特許文献２には、ハイドロリック・ロストモーション機構により、ポンプの平均流量を調整する技術が開示されている。この機構は、シリンダの内周面に作動油貯留部に連通する凹部を形成し、ピストンの外周面に圧力室に連通する液流通路を形成し、この凹部と液流通路の相対角度を調整することで、ピストンの往復運動において凹部と液流通路が重複する期間を調整する機構である。凹部と液流通路が重複する期間は、圧力室において圧力変化が生じないため、対象流体の吸引吐出が行なわれないことになる。したがって、凹部と液流通路が重複する期間を調整することにより、平均吐出流量を調整される。
【０００８】
しかし、この特許文献２の技術は、あくまで、平均流量の調整を目的とするものである。そのため、当該特許文献２記載のハイドロリック・ロストモーション機構で流量調整を行なうと、吐出流量の波形が変化してしまう。一方、無脈動ポンプにおいては、各ポンプでの流量波形が予め設定されたとおりになることが必要であり、平均流量を変えるには、回転数（往復動周期）を変え、波形をそのままにする方法を取る。したがって、特許文献２に記載されているような吐出流量の波形を変化させる機構を、無脈動ポンプに適用することは、従来、考えられていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の無脈動ポンプは、圧力室に充填された作動流体を介して往復運動子の動きをダイアフラムに伝達することにより流体を吸引、吐出するダイアフラムポンプを複数備え、個々のダイアフラムポンプの瞬時の吐出流量を合計した合成吐出流量が常に一定に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、各ダイアフラムポンプは、その外周面に、圧力室に連通する第一凹部が形成された往復運動子と、前記往復運動子が挿通され、その内周面に、作動流体貯留部に連通する第二凹部が形成されたシリンダと、前記往復運動子を往復運動させる駆動機構であって、前記複数のダイアフラムポンプの瞬時の吐出流量の総和を常に一定にするとともに、吐出行程の初期に発生する吐出量の減少を補償するために、想定される吐出減少量に対して過剰にポンプ室容積を減少させる補償行程を、吸引行程と前記吐出行程との間に実行させる駆動機構と、前記往復運動子およびシリンダを相対的に回転または軸方向に移動させて第一、第二凹部の相対位置関係を変更することで前記補償行程を無効化する期間を調整する調整手段と、を備え、補償行程外では第一、第二凹部が重複しない、ことを特徴とする。
【００１０】
好適な態様では、前記調整手段は、前記往復運動子およびシリンダを相対的に回転させる手段であり、前記第一凹部および第二凹部は、往復運動子およびシリンダを予め規定された任意の角度、相対回転する間に、両凹部が補償行程の全期間に亘って重複する１００％無効化状態から、両凹部が補償行程の全期間に亘って重複しない０％無効化状態まで、連続的に変化可能な形状である。
【００１１】
他の好適な態様では、前記第一凹部は、軸方向に幅を有した傾斜線状の凹部であり、前記第二凹部は、補償行程の開始時における第一凹部の先端位置と、補償行程の終了時における第二凹部の後端位置と、を通ることができる線状の凹部である。この場合、前記第二凹部は、さらに、前記シリンダを周方向に回転した際に、補償行程の開始時における第一凹部の先端と、補償行程の開始時における第一凹部の後端と、に重複し得る線状の凹部である、ことが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、往復運動子およびシリンダを相対的に回転させて第一、第二凹部の相対角度関係を変更することで前記補償行程を無効化する期間を調整できるので、無脈動をより簡易な構成で達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である無脈動ポンプの概略全体図である。
【図２】ダイアフラムポンプの構成を示す図である。
【図３】プランジャの側面図である。
【図４】シリンダの断面図である。
【図５】プランジャの速度の時間変化を示す図である。
【図６】吐出期間Ｐｄの初期におけるプランジャの速度と吐出流量の詳細を示す図である。
【図７】プランジャおよびシリンダの概略展開図であり、上から順に、０％、５０％、１００％無効化した状態を示している。
【図８】プランジャの速度の時間変化を示す図であり、上から順に、０％、５０％、１００％無効化した状態を示している。
【図９】シリンダ側凹部の傾斜角度の条件を説明する図である。
【図１０】他のシリンダ側凹部およびプランジャ側凹部の一例を示す図である。
【図１１】他のシリンダ側凹部およびプランジャ側凹部の一例を示す図である。
【図１２】第二実施形態におけるダイアフラムポンプの構成を示す図である。
【図１３】プランジャおよびシリンダの概略展開図であり、上から順に、０％、５０％、１００％無効化した状態を示している。
【図１４】他のシリンダ側凹部およびプランジャ側凹部の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。また、図２は、ダイアフラムポンプ１２の構成を示す図である。また、図３はプランジャ２２の側面図、図４はシリンダ２４の横断面図である。
【００１５】
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。
【００１６】
ダイアフラムポンプ１２は、ポンプ室１６を形成する筐体１４と、当該筐体１４の内部で進退するプランジャ２２、プランジャ２２が進退自在に挿通されたシリンダ２４などを備えている。筐体１４は、その内部が二つの仕切壁２９ａ，２９ｂにより三つの空間、すなわち、ポンプ室１６、中間室２７、作動流体貯留室２８に区切られた略筒体である。ポンプ室１６には、これを先端側と後端側とに二分するダイアフラム１５が配置されている。以降、ダイアフラム１５で分けられたポンプ室１６の先端側を対象流体室１８、後端側を圧力室２０と記す。
【００１７】
プランジャ２２は、モータ３６に駆動されるカム３４、および、プランジャ２２の末端を常にカム３４に当接させるスプリング３２の付勢力により、軸方向に往復進退する。このプランジャ２２の運動は、圧力室２０を満たす作動流体を介してダイアフラム１５に伝達される。これによって、ダイアフラム１５がたわんで往復運動し、ポンプ室１６、特に対象流体が吸い込まれ、吐出される対象流体室１８の容積変化が生じる。
【００１８】
また、図３に示すように、このプランジャ２２の内部には、プランジャ２２の先端面から末端方向に延びる深穴６０が、プランジャ２２の外周面には、傾斜線状のプランジャ側凹部６２が形成されている。このプランジャ側凹部６２の端部には当該プランジャ側凹部６２と深穴６０とを連通する連通孔６４が形成されており、プランジャ側凹部６２は、連通孔６４、深穴６０を介して圧力室２０に連通されている。
【００１９】
二つの仕切壁２９ａ，２９ｂで囲まれた中間室２７内には、シリンダ２４が配置されている。シリンダは、仕切壁２９ｂにより回転自在に保持されており、その後端は作動流体貯留室２８に突出している。シリンダ２４の内径は、プランジャ２２の外径とほぼ等しく、プランジャ２２は、当該シリンダ２４の内周面に液密に接触しつつ往復摺動する。図４に示すように、シリンダ２４の内周面には、らせん状に延びるシリンダ側凹部６６が形成されている。このシリンダ側凹部６６は、シリンダ２４の後端まで延びており、作動流体貯留室２８と連通している。本実施形態では、この作動流体貯留室２８と連通するシリンダ側凹部６６および圧力室２０と連通するプランジャ側凹部６２により、プランジャ２２の動きを無効化するハイドロリック・ロストモーション機構を構成しているが、これについては後に詳説する。
【００２０】
シリンダ２４の外周面には、平歯車２５が形成されている。この平歯車２５は、ユーザにより回転操作される平歯車２６に歯合している。この平歯車２５および平歯車２６から構成されるギアは、プランジャ側凹部６２およびシリンダ側凹部６６の相対角度関係を調整し、これにより、補償行程での容積減少量を調整する調整手段として機能するが、これについても、後に詳説する。
【００２１】
対象流体室１８には、吸引管４８と吐出管５０が接続されており、これらの管には、それぞれ吸引側逆止弁４２、吐出側逆止弁４４が設けられている。また、圧力室２０には、当該圧力室２０内に発生したエアを排出するためのエア抜き用逆止弁４６も設けられている。
【００２２】
ここで、上述したように、カム３４によって制御されるプランジャ２２の往復運動は、圧力室２０を介してダイアフラム１５に伝達され、対象流体室１８の容積変化を生じさせる。対象流体室１８の容積が増加するときには、吸引側逆止弁４２は対象流体が対象流体室１８に吸い込まれることを許容し、吐出側逆止弁４４は、吐出管５０からの逆流を阻止するように機能する。対象流体室１８の容積が減少するときは、逆に、吸引側逆止弁４２が対象流体の吸引管４８への逆流を阻止し、吐出側逆止弁４４は吐出管５０への対象流体の流れを許容するように作用する。
【００２３】
次に、本実施形態におけるプランジャ２２の運動プロフィールについて説明する。図５は、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂのプランジャ２２の速度ｖの時間変化を示す図である。図５に示すとおり、二つのプランジャ２２の速度波形は、位相が１８０°ずれているのみで、形状は同一である。
【００２４】
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が負である吸引期間Ｐｓと、さらに吐出期間Ｐｄが始まる前の吸引期間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２２がポンプ室１６内に進出し、その容積を縮小するように運動し、ポンプ室１６内の対象流体を吐出する期間である。また、吸引期間Ｐｓは、プランジャ２２が後退し、ポンプ室１６の容積を拡大するように運動し、ポンプ室１６内に吸引管４８より対象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るが、この補償期間Ｐｃについては、後に詳述する。
【００２５】
吐出期間Ｐｄは、さらに一方のダイアフラムポンプ１２のみで対象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の瞬時の合成吐出流量は常に一定となる。
【００２６】
次に、補償期間Ｐｃについて詳説する。図６は、吐出期間Ｐｄの初期におけるプランジャ２２の速度ｖと、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２２の速度ｖは破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、実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、機械的駆動部分のがた、ポンプ室１６内のエア、逆止弁の漏れなどの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。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。
【００２７】
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２２は、進出方向に運動し、機械的駆動部分のがた、ポンプ室１６内のエア、逆止弁の漏れなどによる損失を埋めるように、あらかじめポンプ室の容積を減少させる。
【００２８】
この、損失を補償するためのプランジャ２２の運動（以下、補償運動と記す）は、対象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２２の補償運動によって減少するポンプ室１６の容積は、図６において砂目ハッチングを施した台形部分の面積Ｓｃに相当する。このプランジャ２２の補償運動によるポンプ室１６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。補償運動によるポンプ室１６の容積減少量（Ｓｃ）と、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）との間に差があると、これらの差分（Ｓａ＝Ｓｃ−Ｓｓ）に応じて過剰にポンプ室１６の圧力が上昇し、意図しない吐出が行なわれるからである。意図しない吐出が生じると、瞬時の合計流量が変動してしまい、無脈動を実現できなくなる。
【００２９】
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１６容積減少量（Ｓｃ）は、プランジャ２２の動き、すなわちカム３４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。
【００３０】
そこで、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よりも過剰に設定し、これらの差分（Ｓａ＝Ｓｃ−Ｓｓ）である過剰な容積減少を、シリンダ側凹部６６およびプランジャ側凹部６２で構成されるハイドロリック・ロストモーション機構により吸収している。
【００３１】
すなわち、本実施形態のハイドロリック・ロストモーション機構は、補償行程の一部期間において、プランジャ側凹部６２やシリンダ側凹部６６を介してポンプ室１６と作動流体貯留室２８を連通状態にすることで、プランジャ２２の進退に伴うポンプ室１６の圧力変動をなくし、プランジャ２２の動きを無効化する。そして、この補償行程中におけるプランジャ２２の動きを無効化する期間を調整することにより、過剰な圧力上昇を防止する。このプランジャ２２の運動無効化期間の調整は、シリンダ２４を回転させて、シリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２の相対角度を変更することで行なう。
【００３２】
これについて図７、図８を参照して説明する。図７は、プランジャ２２およびシリンダ２４の概略展開図である。この図７の上段、中段、下段は、それぞれ、プランジャ２２の運動無効化期間を補償行程の０％、５０％、１００％に調整した場合を示している。また、この図７において、砂目ハッチング部分は、シリンダ側凹部６６部分である。また、図８は、プランジャ２２の速度ｖの時間変化を示す図であり、この図８の上段、中段、下段は、それぞれ、無効化期間を補償行程の０％、５０％、１００％に調整した場合を示している。なお、図８において、砂目ハッチング箇所は、プランジャ２２の動きが有効化されている期間を示している。また、図７おけるａ〜ｅは、図８におけるタイミングａ〜ｅを示している。
【００３３】
既述したとおり、シリンダ２４の内側面には、作動流体貯留室２８に連通するらせん状のシリンダ側凹部６６が形成されている。また、プランジャ２２の外側面には、連通孔６４、深穴６０を介してポンプ室１６に連通するプランジャ側凹部６２が形成されている。したがって、このシリンダ側凹部６６およびプランジャ側凹部６２が重なると、ポンプ室１６と作動流体貯留室２８とが連通することになる。この場合、プランジャ２２が進退しても、作動流体は、ポンプ室１６から作動流体貯留室２８に流出または作動流体貯留室２８からポンプ室１６に流入するため、ポンプ室１６内の圧力変動が生じないことになる。その結果、対象流体の吸引吐出も行なわれず、プランジャ２２の動きが無効化されることになる。
【００３４】
本実施形態では、シリンダ２４を回転させ、補償行程において、このシリンダ側凹部６６およびプランジャ側凹部６２の重複期間を調整することで、補償運動の無効化期間を調整している。なお、シリンダ２４の回転は、筐体１４外部から平歯車２６を操作して、シリンダ２４に取り付けられた平歯車２５を回転させることで行われる。
【００３５】
次に、実際に、無効化期間の調整の具体例について説明する。図８の上段に示すように、無効化期間を補償行程の０％にする場合、すなわち、補償行程の全期間において、プランジャ２２の動きを有効にする場合を考える。この場合、図７の上段に示すように、このプランジャ２２が最後端に位置した状態（タイミングｃの状態）でも、シリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２とが重複しないような角度に、シリンダ２４の角度を調整する。補償行程は、プランジャ２２を最も後退させた状態から、吐出方向に進出させる行程である。したがって、プランジャ２２が最後端に位置した状態でシリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２とが重複していない場合、その後、プランジャ２２を進出させても、両凹部の重複は生じない。その結果、補償行程の全期間において、ポンプ室１６と作動流体貯留室２８とが非連通状態となり、補償運動が有効化される。
【００３６】
一方、図８の下段に示すように、無効化期間を補償行程の１００％にする場合、すなわち、補償行程の全期間において、プランジャ２２の動きを無効にする場合を考える。この場合、図７の下段に示すように、シリンダ２４を回転させて、補償行程が終了するタイミング（ｅ）において、プランジャ側凹部６２の後端が、シリンダ側凹部６６と接するような角度に、シリンダ２４の角度を調整する。かかる角度関係とすることで、補償行程の開始から終了までの間、両凹部が重複し続けることになる。そして、その結果、補償行程の全期間において、ポンプ室１６と作動流体貯留室２８とが連通状態となり、補償運動が無効化される。なお、この補償行程に先立って吸引行程も行なわれる。この吸引行程の終了間近である期間ａ〜ｃの間、プランジャ２２は、補償行程と同じ範囲を移動する。その結果、図７の下段に示すように、補償行程の全期間においてプランジャ２２の動きを無効化する場合、この吸引行程の終了間近である期間ａ〜ｃでもプランジャ２２の動きが無効化（吸引動作が無効化）される。
【００３７】
そして、上述した無効化期間０％での角度と、無効化期間１００％での角度との間で、シリンダ２４角度を回転させていくことで、この無効化期間を徐々に変化させることができる。例えば、両角度の中間角度にすることで、図７の中段に示すように、無効化期間を補償行程の５０％にすることができる。この場合、プランジャ２２が最後端に位置した状態（タイミングｃの状態）で、プランジャ側凹部６２のほぼ中央がシリンダ側凹部６６と重複する。そして、プランジャ２２が、補償行程でのストロークＳの半分（Ｓ／２）進んだ時点で、両凹部の重複関係が解除され、ポンプ室１６を作動流体貯留室２８が非連通状態となる。その結果、図８の中断に示すように、補償行程の半分、および、当該補償行程に対応する吐出行程の終了間近期間ｂ〜ｃだけ、プランジャ２２の動きが無効化されることになる。
【００３８】
このように、シリンダ２４を回転させて、シリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２の相対角度関係を連続的に変化させることで、補償行程においてプランジャ２２の動きが無効化される割合も連続的に変化する。その結果、補償運動による過剰な容積減少を吸収でき、結果として、無脈動を達成できる。
【００３９】
なお、シリンダ側凹部６６は、線状の凹部であるが、その傾斜角度等の条件について図９を参照して簡単に説明する。図９の右側に図示するように、無効期間１００％を実現するためには、シリンダ側凹部６６は、相対回転がない状態で、補償行程の開始時点（タイミングｃ時点）におけるプランジャ側凹部６２の先端位置ｏと、補償行程の終了時点（タイミングｅ時点）におけるプランジャ側凹部６２の後端位置ｐと、を通過し得る傾斜角度でなくてはならない。また、シリンダ２４を３６０度回転する間に、補償期間０％から１００％まで調整可能にするためには、シリンダ２４を３６０度回転させる間に、補償行程の開始時点（タイミングｃ時点）におけるプランジャ側凹部６２の先端位置ｏと、補償行程の開始時点（タイミングｃ時点）におけるプランジャ側凹部６２の後端位置ｑと、重複し得る傾斜角度であることが望まれる。
【００４０】
また、上述した形態は一例であり、シリンダ２４とプランジャ２２を相対回転させることにより、シリンダ側凹部６６およびプランジャ側凹部６２の重複期間を可変できるのであれば、他の構成であってもよい。例えば、本実施形態では、シリンダ２４を回転させる構成となっているが、プランジャ２２、あるいは、プランジャ２２とシリンダ２４の両方を回転させるようにしてもよい。
【００４１】
また、本実施形態では、シリンダ側凹部６６をらせん状の凹部としているが、周方向に進むにつれ、軸方向位置が変動する形状であれば、例えば、円弧状、波状などであってもよい。また、シリンダ側凹部６６を線状形状とした場合、プランジャ側凹部６２も、軸方向長さを有した線状形状であれば、傾斜線形状のほか、長軸に平行な縦線形状、円弧形状などであってもよい。また、図１０に示すように、シリンダ側凹部６６を、先端側が傾斜した台形の凹部とするのであれば、プランジャ側凹部６２は、点状や、周方向に平行な横線形状などのように、軸方向長さを実質的に有さない形状の凹部であってもよい。また、当然ながら、図１１に示すように、シリンダ側凹部６６を、先端側が傾斜した台形の凹部とし、かつ、プランジャ側凹部６２を傾斜線状としてもよい。この場合であっても、上述の実施形態と同様に、シリンダ２４の回転に応じて、無効期間を調整することができる。
【００４２】
次に、他の実施形態について図１２、図１３を参照して説明する。図１２は、第二実施形態のダイアフラムポンプ１２の構成を示す図である。また、図１３はプランジャ２２およびシリンダ２４の概略展開図である。この図１３の上段、中段、下段は、それぞれ、プランジャ２２の運動無効化期間を補償行程の０％、５０％、１００％に調整した場合を示している。
【００４３】
この第二実施形態において、第一実施形態との大きな違いは、シリンダ２４が回転するのではなく、軸方向に進退する点である。すなわち、このダイアフラムポンプ１２において、シリンダ２４は、軸方向に進退可能に軸支されており、当該シリンダ２４の外周には、平歯車に替えて、軸方向に延びるラック７０が形成されている。当該ラック７０には、ユーザにより回転操作されるピニオン７２が歯合している。そして、ユーザが当該ピニオン７２を回転操作することにより、シリンダ２４が、軸方向に進退する。
【００４４】
このシリンダ２４の内周面には、作動流体貯留部に連通するシリンダ側凹部６６が形成されている。このシリンダ側凹部６６は、軸方向に幅のある形状であれば、特に限定されないが、ここでは、図１３に示すように、先端側が傾斜した台形の凹部の場合を例に挙げて説明する。
【００４５】
プランジャ２２の外周囲に形成されるプランジャ側凹部６２も、その形状は特に限定されないが、本実施形態では、図１３に示すように、シリンダ側凹部６６の先端部の傾斜と等しい角度で傾斜した線状の凹部をプランジャ側凹部６２としている。このプランジャ側凹部６２は、その周方向範囲の少なくとも一部が、シリンダ側凹部６６の周方向範囲と重複するように設定されている。
【００４６】
かかる構成のダイアフラムポンプ１２において、補償行程の無効期間を調整する様子について説明する。無効化期間を補償行程の０％にする場合、すなわち、補償行程の全期間において、プランジャ２２の動きを有効にする場合を考える。この場合、図１３の上段に示すように、このプランジャ２２が最後端に位置した状態（タイミングｃの状態）でも、シリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２とが重複しないような位置に、シリンダ２４を軸方向に後退させる。補償行程は、プランジャ２２を最も後退させた状態から、吐出方向に進出させる行程である。したがって、プランジャ２２が最後端に位置した状態でシリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２とが重複していない場合、その後、プランジャ２２を進出させても、両凹部６２，６６の重複は生じない。その結果、補償行程の全期間において、ポンプ室１６と作動流体貯留室２８とが非連通状態となり、補償運動が有効化される。
【００４７】
一方、無効化期間を補償行程の１００％にする場合、すなわち、補償行程の全期間において、プランジャ２２の動きを無効にする場合を考える。この場合、図１３の下段に示すように、シリンダ２４を前進させて、補償行程が終了するタイミング（ｅ）において、プランジャ側凹部６２の後端が、シリンダ側凹部６６と接するような位置に、シリンダ２４の軸方向位置を調整する。かかる位置関係とすることで、補償行程の開始から終了までの間、両凹部６２，６６が重複し続けることになる。そして、その結果、補償行程の全期間において、ポンプ室１６と作動流体貯留室２８とが連通状態となり、補償運動が無効化される。
【００４８】
そして、上述した無効化期間０％での軸方向位置と、無効化期間１００％での軸方向一との間で、シリンダ２４の軸方向位置を調整することで、この無効化期間を徐々に変化させることができる。例えば、両位置の中間位置にすることで、図１３の中段に示すように、無効化期間を補償行程の５０％にすることができる。
【００４９】
このように、シリンダ２４を進退させて、シリンダ側凹部６６とプランジャ側凹部６２との軸方向の相対位置関係を連続的に変化させることで、補償行程においてプランジャ２２の動きが無効化される割合も連続的に変化する。その結果、補償運動による過剰な容積減少を吸収でき、結果として、無脈動を達成できる。
【００５０】
なお、ここで、説明した凹部６２，６６の形状等は、あくまで一例であり、シリンダ側凹部６６およびプランジャ側凹部６２の少なくとも一方が、軸方向幅が、補償行程でのプランジャ移動範囲（タイミングｃ〜ｅの間にプランジャ２２が移動する距離）以上の形状であれば、他の形状でもよい。例えば、図１４に示すように、シリンダ側凹部６６が、周方向に延びる直線状であり、プランジャ側凹部６２が、軸方向に延びる直線状であってもよい。
【００５１】
また、第一実施形態では、シリンダ２４の後側の空間を作動流体貯留部２８としたが、図１２に示すように、シリンダ２４の前側の空間（中間室２７）と、シリンダ側凹部６６と、結ぶ流路７４を形成し、中間室２７を、作動流体貯留部として用いてもよい。この場合、全期間において、プランジャ２２の外周面に形成されたプランジャ側凹部６２が、中間室（作動流体貯留部）に露出しないように、その位置や移動範囲を調節すればよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 無脈動ポンプ、１２ ダイアフラムポンプ、１４ 筐体、１５ ダイアフラム、１６ ポンプ室、１８ 対象流体室、２０ 圧力室、２２ プランジャ、２４ シリンダ、２５，２６ 平歯車、２８ 作動流体貯留室、３２ スプリング、３４ カム、３６ モータ、４２ 吸引側逆止弁、４４ 吐出側逆止弁、４８ 吸引管、５０ 吐出管、６０ 深穴、６２ プランジャ側凹部、６４ 連通孔、６６ シリンダ側凹部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力室に充填された作動流体を介して往復運動子の動きをダイアフラムに伝達することにより流体を吸引、吐出するダイアフラムポンプを複数備え、個々のダイアフラムポンプの瞬時の吐出流量を合計した合成吐出流量が常に一定に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、
各ダイアフラムポンプは、
その外周面に、圧力室に連通する第一凹部が形成された往復運動子と、
前記往復運動子が挿通され、その内周面に、作動流体貯留部に連通する第二凹部が形成されたシリンダと、
前記往復運動子を往復運動させる駆動機構であって、前記複数のダイアフラムポンプの瞬時の吐出流量の総和を常に一定にするとともに、吐出行程の初期に発生する吐出量の減少を補償するために、想定される吐出減少量に対して過剰にポンプ室容積を減少させる補償行程を、吸引行程と前記吐出行程との間に実行させる駆動機構と、
前記往復運動子およびシリンダを相対的に回転または軸方向に移動させて第一、第二凹部の相対位置関係を変更することで前記補償行程を無効化する期間を調整する調整手段と、
を備え、
補償行程外では第一、第二凹部が重複しない、
ことを特徴とする無脈動ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の無脈動ポンプであって、
前記調整手段は、前記往復運動子およびシリンダを相対的に回転させる手段であり、
前記第一凹部および第二凹部は、往復運動子およびシリンダを予め規定された任意の角度、相対回転する間に、両凹部が補償行程の全期間に亘って重複する１００％無効化状態から、両凹部が補償行程の全期間に亘って重複しない０％無効化状態まで、連続的に変化可能な形状である、
ことを特徴とする無脈動ポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載の無脈動ポンプであって、
前記第一凹部は、軸方向に幅を有した傾斜線状の凹部であり、
前記第二凹部は、補償行程の開始時における第一凹部の先端位置と、補償行程の終了時における第二凹部の後端位置と、を通ることができる線状の凹部である、
ことを特徴とする無脈動ポンプ。
【請求項４】
請求項２に記載の無脈動ポンプであって、
前記第二凹部は、さらに、前記シリンダを周方向に回転した際に、補償行程の開始時における第一凹部の先端と、補償行程の開始時における第一凹部の後端と、に重複し得る線状の凹部である、
ことを特徴とする無脈動ポンプ。
【請求項１】
圧力室に充填された作動流体を介して往復運動子の動きをダイアフラムに伝達することにより流体を吸引、吐出するダイアフラムポンプを複数備え、個々のダイアフラムポンプの瞬時の吐出流量を合計した合成吐出流量が常に一定に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、
各ダイアフラムポンプは、
その外周面に、圧力室に連通する第一凹部が形成された往復運動子と、
前記往復運動子が挿通され、その内周面に、作動流体貯留部に連通する第二凹部が形成されたシリンダと、
前記往復運動子を往復運動させる駆動機構であって、前記複数のダイアフラムポンプの瞬時の吐出流量の総和を常に一定にするとともに、吐出行程の初期に発生する吐出量の減少を補償するために、想定される吐出減少量に対して過剰にポンプ室容積を減少させる補償行程を、吸引行程と前記吐出行程との間に実行させる駆動機構と、
前記往復運動子およびシリンダを相対的に回転または軸方向に移動させて第一、第二凹部の相対位置関係を変更することで前記補償行程を無効化する期間を調整する調整手段と、
を備え、
補償行程外では第一、第二凹部が重複しない、
ことを特徴とする無脈動ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の無脈動ポンプであって、
前記調整手段は、前記往復運動子およびシリンダを相対的に回転させる手段であり、
前記第一凹部および第二凹部は、往復運動子およびシリンダを予め規定された任意の角度、相対回転する間に、両凹部が補償行程の全期間に亘って重複する１００％無効化状態から、両凹部が補償行程の全期間に亘って重複しない０％無効化状態まで、連続的に変化可能な形状である、
ことを特徴とする無脈動ポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載の無脈動ポンプであって、
前記第一凹部は、軸方向に幅を有した傾斜線状の凹部であり、
前記第二凹部は、補償行程の開始時における第一凹部の先端位置と、補償行程の終了時における第二凹部の後端位置と、を通ることができる線状の凹部である、
ことを特徴とする無脈動ポンプ。
【請求項４】
請求項２に記載の無脈動ポンプであって、
前記第二凹部は、さらに、前記シリンダを周方向に回転した際に、補償行程の開始時における第一凹部の先端と、補償行程の開始時における第一凹部の後端と、に重複し得る線状の凹部である、
ことを特徴とする無脈動ポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−２９０８０（Ｐ２０１３−２９０８０Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６６３４８（Ｐ２０１１−１６６３４８）
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００２２６２４２）日機装株式会社 (383)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００２２６２４２）日機装株式会社 (383)
【Ｆターム（参考）】
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