JP5560368B2 - ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば昇圧ブロワあるいは昇圧ポンプとして用いられるポンプ装置に関する。

燃料ガスや酸素等の気体を所望の圧力に上昇させる機器として、昇圧ブロワあるいは昇圧ポンプと称されるポンプ装置が広く知られている。この種のポンプ装置には、ルーツポンプやダイアフラムポンプ等が用いられており、例えば下記特許文献１には、燃料電池システムにおける燃料ガスの昇圧ブロワとして用いられるダイアフラムポンプが記載されている。

ダイアフラムは一般に、材料としてゴム等の弾性材料が用いられる。そのためダイアフラムが弾性変化しやすく、装置としての特性が変化してしまうことがある。そこで特許文献２には、ダイアフラムの特性を安定化させるために、基布を埋設したダイアフラムが記載されている。

特開２００９−４７０８４号公報 特開平１０−１３２０７７号公報

特許文献２では、ダイアフラムの外周部がプレスによるカシメ時に挟圧されて弾性変化し、過度に食み出すのを抑える目的で、基布が埋設されている。しかしながら、ダイアフラムポンプにおいてはダイアフラムが以下の往復運動を行っている。すなわち、ダイアフラムの周縁はポンプ本体に支持されているが、一部が駆動部材に接続されており、この駆動部材が駆動機構によって運動することで、ダイアフラムは伸張を伴う一定の往復運動を行い、ポンプ室の容積を変化させる。つまり、ダイアフラムポンプが長時間運転するとダイアフラムの伸張しやすい特定の部位で劣化、疲労し、部分的に切断する故障が発生し得る。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、ダイアフラムの性能を安定させることができるポンプ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るポンプ装置は、本体と、ダイアフラムと、駆動部とを有する。
上記本体は、流体を吸入し排出するためのポンプ室を形成する。
上記ダイアフラムは、基材と、基布と、指標部とを含む。上記基材は、上記ポンプ室と第１の軸方向に対向する第１の面と、上記第１の面とは反対側の第２の面と、上記本体に支持される周縁領域とを有する弾性材料で形成される。上記基布は、上記基材に埋設され、少なくとも上記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に延在する第１の繊維を有する。上記指標部は、上記基材に設けられ上記第２の軸方向を指標する。
上記駆動部は、駆動機構と、上記第２の面に連結された第１の端部と上記駆動機構と接続される第２の端部とを有する駆動部材とを含み、上記駆動機構は、上記駆動部材を上記第２の軸方向に揺動させつつ上記第１の軸方向に往復移動させる。

本発明の一実施形態に係るポンプ装置の構成を示す断面図である。 ダイアフラムの要部構成を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 本発明の実施形態によるダイアフラムポンプの作用を説明する要部断面図である。 図３（Ａ）（Ｂ）にそれぞれ対応するダイアフラムの状態を説明する要部断面図である。 平織りの布の一例を示す説明図である。 本発明の別の実施形態で用いられる指標部の形状を示すダイアフラムの平面図である。

本発明の一実施形態に係るポンプ装置は、本体と、ダイアフラムと、駆動部とを具備する。
上記本体は、流体を吸入し排出するためのポンプ室を形成する。
上記ダイアフラムは、基材と、基布と、指標部とを含む。上記基材は、上記ポンプ室と第１の軸方向に対向する第１の面と、上記第１の面とは反対側の第２の面と、上記本体に支持される周縁領域とを有する弾性材料で形成される。上記基布は、上記基材に埋設され少なくとも上記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に延在する第１の繊維を有する。上記指標部は、上記基材に設けられ上記第２の軸方向を指標する。
上記駆動部は、駆動機構と、上記第２の面に連結された第１の端部と上記駆動機構と接続される第２の端部とを有する駆動部材とを含み、上記駆動機構は、上記駆動部材を上記第２の軸方向に揺動させつつ上記第１の軸方向に往復移動させる。

上記ポンプ装置において、ダイアフラムは弾性材料で形成された基材を有し、基材には基布（補強布）が埋設される。ダイアフラムは周縁領域を本体に支持された状態で、連結された駆動部材によって往復運動させられる。この運動によって、ダイアフラムがポンプ室の容積を周期的に変化させ、ポンプ室への流体の吸入とポンプ室からの流体の排出とを交互に行う。

駆動部材の一端は、ダイアフラムに接続され、他の一端は駆動機構に接続される。駆動機構は、例えば駆動源であるモータと、その駆動軸から偏心した軸である。駆動部材の駆動機構側の一端は、駆動機構によって、第１の軸方向の往復運動と第２の軸方向の揺動を繰り返す。これに連動し、ダイアフラム側の一端は第１の軸方向に往復運動を行う。このため、ダイアフラムは伸張しやすい方向、例えば揺動を行う第２の軸方向において劣化し、切断しやすいという問題が生じる。

上記ポンプ装置においては、第２の軸方向に延在する繊維を有する基布をダイアフラムに埋設することによって、第２の軸方向での強度を高め、耐久性を向上させることができる。また、第２の軸方向での伸張を管理できる基布をダイアフラムに埋設することによって、ダイアフラムの性能が安定し、さらにポンプ室の容積変動も安定するため、ポンプとしての性能を安定させることができる。

また、第２の軸方向を示す指標部を設けることによって、ダイアフラム内に埋設された基布の繊維の延在方向が判別可能となり、ポンプ装置組み立て時においても、上記ダイアフラムをポンプ本体へ所望の方向に設置することが容易になる。

上記駆動部材は、上記第１の面と対向する支持面と、上記支持面に形成され上記基材を貫通して上記第１の端部に結合される軸部とを含む固定具をさらに有してもよい。また、上記指標部は、上記軸部が貫通する開口部に形成されてもよい。

上記指標部は、上記開口部の一部を形成し上記第２の軸方向に対して垂直または平行な直線部であってもよい。

上記指標部は、上記第２の軸方向に対して垂直または平行な方向に上記開口部に連接された切欠き部であってもよい。

ダイアフラムにおける指標部が上記開口部に形成されることによって、ダイアフラムをポンプ本体に設置する際に、所望の方向を確認しながら作業することができる。また、指標部の形成も容易に行うことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るポンプ装置３の構造を示す断面図である。本実施形態においてポンプ装置３は、ダイアフラムポンプで構成される。なお、図１においてZ軸（第１の軸）は鉛直方向（重力方向）を示し、X軸（第２の軸）及びY軸は平面方向を示す。

本体１０は、ケーシング１１と、ポンプヘッド１２と、ポンプヘッドカバー１３とを有する。

ポンプヘッド１２は、吸入口１０１と、吐出口１０２とを有し、環状の台座１１０の上面に配置されている。台座１１０は、ケーシング１１の上部の開口端部に取り付けられ、ポンプヘッド１２と共にダイアフラム２０の周縁部を挟持する。ポンプヘッド１２は、ダイアフラム２０との間にポンプ室１００を形成する。

ポンプヘッド１２は、吸入口１０１とポンプ室１００との間を連絡する吸入通路Ｔ１と、ポンプ室１００と吐出口１０２との間を連絡する吐出通路Ｔ２とをそれぞれ有する。ポンプ室１００は、吸入通路Ｔ１及び吐出通路Ｔ２を介して、吸入口１０１及び吐出口１０２にそれぞれ連通可能である。吸入通路Ｔ１及び吐出通路Ｔ２には、吸入弁１０３及び吐出弁１０４がそれぞれ取り付けられている。

ポンプヘッドカバー１３は、ポンプヘッド１２の上部に取り付けられる。吸入通路Ｔ１及び吐出通路Ｔ２は、ポンプヘッド１２とポンプヘッドカバー１３とが組み合わされることでそれぞれ形成される。ケーシング１１、ポンプヘッド１２及びポンプヘッドカバー１３は、複数本のネジ部材Ｂを用いて一体的に固定される。

ケーシング１１は、本体１０の内部に、コネクティングロッド３２と、軸受３３と、偏心カム３４を収容する動作空間１０５を形成する。

図２（Ａ）は、ダイアフラム２０の要部を示す断面図である。なお、図２においても鉛直方向を示すZ軸と、水平方向を示すX軸及びY軸が示されている。ダイアフラム２０は、上面２０１と下面２０３とを有する弾性材料で形成された基材２００と、基材２００に埋設された補強布２０２とを有する。上面２０１と下面２０３の周縁部は台座１１０とポンプヘッド１２との間に挟持されている。なお、図２（Ａ）では台座１１０とポンプヘッド１２とを省略している。

上面２０１と下面２０３はそれぞれ合成ゴムで形成されており、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）など、メタンやプロパン等の炭化水素ガスに対して耐性を有するゴム材料が用いられる。補強布２０２は、例えばナイロン（ポリアミド）等の合成繊維からなる。また、補強布２０２と上面２０１、下面２０３とは加硫接着等により一体化されている。

図２（Ｂ）は、ダイアフラム２０の要部を示す平面図である。なお、説明のため図２（Ｂ）では基材２００の一部を除去し、補強布２０２を露出させている。補強布２０２は、Ｘ軸と平行な繊維群Ｆ１を含んでいる。さらに、図示するように繊維群Ｆ１と交差する繊維群Ｆ２を含んでもよい。

なお、補強布２０２は、ダイアフラム２０の全面に形成されるが、これに限定されない。補強布２０２の形状は、円形に限られず、例えばダイアフラム２０の中心を通るＸ軸に関して対称な形状であってもよい。繊維群Ｆ１の長さも特に限定されず、Ｘ軸方向の強度が十分高められる長さであればよい。

ダイアフラム２０は、Ｘ軸方向を指標するための指標Ｍを有する。指標Ｍは、典型的には視覚的、触覚的など、人の五感で判別できる態様のものを示すが、これ以外にも電気的、光学的等の手法を用いてＸ軸方向が判別可能な態様であればよい。また、指標Ｍが設置される部位は、ダイアフラム２０を本体１０に設置する際に、作業者が指標Ｍを判別可能な部位であれば限定されない。本実施形態の図２（Ｂ）において、指標Ｍは、Ｘ軸方向に垂直な直線部Ｌを含む「Ｄ」型の形状を有する開口部２０４である。すなわち本実施形態では、直線部Ｌと垂直な方向がダイアフラム２０のＸ軸方向であると作業者により認識される。なおこの例に限られず、直線部ＬはＸ軸方向と平行に形成されても構わない。

駆動部３０は、固定具３１と、コネクティングロッド３２と、軸受３３と、偏心カム３４と、駆動源３５とを有する。

コネクティングロッド３２は、ダイアフラム２０の下面２０３に接する第１の支持面を含み、下面２０３の中央部に固定されている。一方、固定具３１は上面２０１に接する第２の支持面と、ダイアフラム２０の開口部２０４に嵌合する凸部３１０とを有する。凸部３１０は、開口部２０４の形状に対応する平面形状を有していてもよい。固定具３１とコネクティングロッド３２はダイアフラム２０を上下から挟むように組み付けられ、例えばネジ３２０を介して一体化されている。これにより、固定具３１、コネクティングロッド３２は、ダイアフラム２０を上下駆動させる駆動部材３００を構成する。なお固定具３１は凸部３１０を有さず、ネジ３２０が開口部２０４に嵌合してもよい。

駆動源３５は、Ｙ軸方向に沿って伸びる回転軸３５０を有するモータ等からなる。回転軸３５０の先端部は偏心カム３４の回転中心に取り付けられている。コネクティングロッド３２の、第１の支持面とは反対側の端部は軸受３３を介して、偏心カム３４の周面に連結される。偏心カム３４は、その回転中心が軸受３３のインナレースに対して偏心するように形成されており、この偏心量がダイアフラム２０の往復移動量（ストローク量）となる。

図３は、Ｙ軸方向から見たダイアフラムポンプ３の要部断面図であり、駆動部３０の典型的な動作を示している。なおこの場合のポンプヘッド１２の詳細は実際とは異なるが、理解を容易にするため、ポンプヘッド１２の構成は図１と同様に描いている。

駆動源３５により回転軸３５０が回転すると、偏心カム３４に連結された駆動部材３００の一端は、Ｘ軸方向への揺動を伴ったＺ軸方向への往復運動を行う。同時に、ダイアフラム２０に連結された駆動部材３００の一端は、Ｚ軸方向に往復運動するため、ダイアフラム２０もＺ軸方向に往復運動する。

図３（Ａ）は、回転軸３５０と偏心カム３４の中心がＺ軸方向に一列に並び、ポンプ室１００の容積が最も小さくなった例（排気工程）を示す。図３（Ｂ）は、回転軸３５０と偏心カム３４の中心がＸ軸方向に一列に並び、駆動部材３００が傾斜しつつＺ軸方向に下降した例（吸気工程）を示す。それに連動してダイアフラム２０もＺ軸方向に下降し、図３（Ａ）よりもポンプ室１００の容積が大きくなる。このように、ダイアフラム２０がＺ軸方向に移動することでポンプ室１００の容積が変化する。また、図３（Ｂ）に示すようにポンプ室１００の容積が大きくなると、吸入弁１０３が開くとともに吐出弁１０４が閉じることによってガスの吸引が行われる。一方、図３（Ａ）に示すようにポンプ室１００の容積が小さくなると、吸入弁１０３が閉じるとともに吐出弁１０４が開くことによってガスの圧縮搬送が行われる。

ダイアフラム２０は、以上の往復運動に伴って伸張しやすい部位で、疲労あるいは劣化が生じる。図４（Ａ）、（Ｂ）は、図３（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ対応するダイアフラム２０の形状を模式的に示している。図４では、ダイアフラム２０をＸ１〜Ｘ５の５つの領域にわけて説明する。なお、Ｘ１、Ｘ５はそれぞれ本体１０に支持されている領域、Ｘ２、Ｘ４は弾性変形を伴う領域、Ｘ３は駆動部材３００の一端によって支持される領域である。領域Ｘ１，Ｘ５はダイアフラム２０上の共通の環状領域に属し、領域Ｘ２，Ｘ４もまた、ダイアフラム２０上の共通の環状領域に属する。

図４（Ａ）では、Ｘ１、Ｘ５に対してＸ３がＺ軸方向に上昇しており、Ｘ２、Ｘ４間が伸張している。図４（Ｂ）では、Ｘ１、Ｘ５に対してＸ３がＺ軸方向に下降するとともに、Ｘ２、Ｘ４間が伸張し、さらにＸ２とＸ３の間には歪みが生じている。これは、図３（Ｂ）に示されるように、駆動部材３００が傾斜することによって、応力がかかるためである。以上のように、ダイアフラム２０のＸ軸方向は、図３に示した運動によって伸張しやすい。そこで、Ｘ軸方向に延在する繊維群Ｆ１を含む補強布２０２をダイアフラム２０に埋設することによって、ダイアフラム２０の強度が上がり、耐久性を向上させることができる。また、ダイアフラム２０の伸張を管理することにより、ダイアフラムとしての性能が安定し、さらにポンプ室１００の容積変動も安定するため、ポンプとしての性能も安定させることができる。

Ｘ軸と平行な繊維群Ｆ１が延在する布の織り方の例として、図５に示す平織りが挙げられる。平織りは、平行に配列された一群の繊維群ｆ１に対して直角方向の繊維群ｆ２を交互に組み合わせたものである。このような平織りの補強布２０２を用いることによって、Ｘ軸方向の強度が上がり、耐久性を向上させることができる。また各繊維間の距離、すなわち織り目の粗密については特に限定されず、十分な強度であればよい。

一方、典型的には、ダイアフラムは円盤形状を有するため、ダイアフラム２０を本体１０に設置する際、埋設された補強布２０２における繊維の延在方向が判別できなくなる可能性がある。そこで、Ｘ軸方向を示すための指標Ｍを有するダイアフラム２０を用いることによって、ダイアフラム２０に埋設された補強布２０２の繊維の延在方向が判別可能となり、所望の方向でダイアフラム２０を本体１０に設置することが容易になる。例えば、本実施形態で説明した直線部Ｌを有する指標Ｍを持つダイアフラム２０を本体１０に設置する際には、直線部Ｌを回転軸３５０の延在方向（図１におけるＹ軸方向）と平行になるように設置すればよい。さらに、補強布２０２が繊維群Ｆ１と直交する繊維群Ｆ２を有する場合には、直線部Ｌを回転軸３５０の延在方向と平行に設置してもよいし、垂直に設置してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以上の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態で指標Ｍは、Ｘ軸方向に垂直な直線部Ｌを有する「Ｄ」型の形状を有する開口部２０４としたが、例えば図６に示すように、Ｘ軸方向と平行に連接される切り欠き部Ｒが形成された開口部２０４を指標Ｍとしてもよい。切り欠き部ＲはＸ軸方向を示すことができれば形状は特に制限されず、例えばＸ軸方向と垂直に連接されていてもよい。また形成される部位は開口部２０４内であれば特定されない。

また、本発明の実施形態のポンプ装置で用いられる流体は気体に限られず、液体でもよい。

３…ポンプ装置
１０…本体
２０…ダイアフラム
３０…駆動部
１００…ポンプ室
１０１…吸入口
１０２…吐出口

Claims (5)

1. 流体を吸入し排出するためのポンプ室を形成する本体と、
   前記ポンプ室と第１の軸方向に対向する第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面と、前記本体に支持される周縁領域とを有する弾性材料で形成された基材と、前記基材に埋設され少なくとも前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に延在する第１の繊維を有する基布と、前記基材に設けられ前記第２の軸方向を指標する指標部とを含むダイアフラムと、
   駆動機構と、前記第２の面に連結された第１の端部と前記駆動機構と接続される第２の端部とを有する駆動部材とを含み、前記駆動機構は、前記駆動部材を前記第２の軸方向に揺動させつつ前記第１の軸方向に往復移動させる駆動部と
   を具備するポンプ装置。
2. 請求項１に記載のポンプ装置であって、
   前記駆動部材は、前記第１の面と対向する支持面と、前記支持面に形成され前記基材を貫通して前記第１の端部に結合される軸部とを含む固定具をさらに有し、
   前記指標部は、前記軸部が貫通する開口部に形成されるポンプ装置。
3. 請求項２に記載のポンプ装置であって、
   前記指標部は、前記開口部の一部を形成し前記第２の軸方向に対して垂直または平行な直線部であるポンプ装置。
4. 請求項２に記載のポンプ装置であって、
   前記指標部は、前記第２の軸方向に対して垂直または平行な方向に前記開口部に連接された切欠き部であるポンプ装置。
5. 請求項１に記載のポンプ装置であって、
   前記基布は、前記第１の面内において前記第２の軸方向と交差する第３の軸方向に延在する第２の繊維をさらに有する
   ポンプ装置。

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