JP7333963B2 - 液体圧送装置の排気弁構造 - Google Patents

Description

本発明は、容器内に貯留された液体を、容器内に流入された駆動流体により加圧して容器外に排出する液体圧送装置の排気弁構造に関するものである。

容器内に貯留された液体を、蒸気もしくは圧縮空気を駆動流体として用いて加圧し、容器外に液体を排出する液体圧送装置がある（例えば、特許文献１）。特許文献１のような圧送装置は、ポンピングトラップと呼ばれ、電気が不要の機械式のポンプである。ポンピングトラップは、電気が不要であるので、例えば、電源供給が困難な区域に適用できる利点がある。

特許第５８９７９８８号公報

従来の液体圧送装置では、排気弁体によって開けることのできる排気弁口の開口面積が小さい。そのため、駆動流体の排気能力が低く、流入側の逆止弁の開弁が遅れて容器内への液体の流入が遅くなることがある。しかしながら、排気弁口の開口面積を大きくすると、開口面積の小さな排気弁口を開けるのに必要な開弁力よりも大きな開弁力が必要となる。

本発明は、排気能力を高めて流入側の逆止弁を速やかに開弁させることにより、単位時間当たりの液体圧送能力を高めることができる液体圧送装置の排気弁構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の液体圧送装置の排気弁構造は、容器内に貯留された液体を、容器内に流入された駆動流体により加圧して容器外に排出する液体圧送装置の排気弁構造であって、前記容器内の駆動流体を排出するメイン排気通路と、前記容器内の空間と前記メイン排気通路とを連通して前記メイン排気通路よりも通路面積が小さいパイロット排気通路と、前記メイン排気通路を開閉するメイン排気弁と、駆動源に連結されて前記パイロット排気通路を開閉するパイロット排気弁と、メイン弁シートから離間する方向に前記メイン排気弁に力を付与する第１のばね部材と、パイロット弁シートから離間する方向に前記パイロット排気弁に力を付与するとともに、前記メイン弁シートに着座する方向に前記メイン排気弁に力を付与する第２のばね部材とを備えている。

この構成によれば、開弁時、駆動源からの駆動力と第２のばね部材のばね力により、通路面積の小さなパイロット排気弁が最初に開く。パイロット排気弁が開くと、第２のばね部材のばね力が０となる。つまり、第２のばね部材によりメイン排気弁をメイン弁シートに着座させる方向に働く力がなくなる。その結果、駆動源からの駆動力と第１のばね部材のばね力により、通路面積の大きなメイン排気弁が開く。このように、第１のばね部材のばね力でメイン排気弁が開くので、小さな通路面積のパイロット排気弁を開くのに必要な力で、通路面積の大きなメイン排気弁が開弁する。その結果、駆動流体の排気能力が高まって液体の容器への流入側の逆止弁が速やかに開弁し、単位時間当たりの液体圧送能力を高めることができる。

本発明において、前記第１のばね部材のばね力が、前記第１のばね部材がない状態で前記メイン排気弁を開弁させるのに必要な開弁力以上で、且つ、前記開弁力と前記第２のばね部材のばね力との和よりも小さく設定されていてもよい。この構成によれば、大きな開弁力が得られるので、メイン排気弁の動作が安定する。

本発明において、前記メイン排気弁は、内部に前記パイロット排気通路が形成されて軸方向の一端部で前記メイン弁シートに着座する筒状のメイン弁体と、前記メイン弁体の他端部から径方向に延びる円盤状の底板と、前記底板から軸方向の他端側に延びる筒部とを有し、前記メイン弁シートと前記底板の一端面との間に第１のばね部材が介装され、前記底板の他端面に前記パイロット弁シートが形成されていてもよい。

この場合、前記パイロット排気弁は、前記筒部の内側を軸方向に移動する棒状のパイロット弁体と、前記パイロット弁体から鍔状に延びるフランジ部とを有し、前記底板の他端面と前記フランジ部の一端面との間に第２のばね部材が介装されていてもよい。

本発明の液体圧送装置の排気弁構造によれば、排気能力を高めて流入側の逆止弁を速やかに開弁させることにより、単位時間当たりの液体圧送能力を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る排気弁構造を備えた液体圧送装置を示す概略構成図である。 同液体圧送装置の図１とは異なる状態を示す概略構成図である。 同液体圧送装置を示す縦断面図である。 同液体圧送装置の排出弁が閉じた第１の状態を示す縦断面図である。 同液体圧送装置の排出弁が閉じた第２の状態を示す縦断面図である。 同液体圧送装置の排出弁が開いた状態を示す縦断面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は従来の液体圧送装置の排出弁を示す縦断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１および図２は本発明の第１実施形態に係る排気弁構造を備えた液体圧送装置を示す概略構成図である。同圧送装置１は、容器２内に貯留された液体Ｗを、容器２内に導入された駆動流体Ｆにより加圧して容器２外に排出する。図１は液体Ｗが流入している状態を示し、図２は液体Ｗが排出されている状態を示す。本実施形態の液体Ｗは、水、詳細には、蒸気配管、蒸気機器などからの復水である。また、本実施形態の駆動流体Ｆは蒸気である。

容器２に、液体Ｗが流入する液体流入口４と、液体Ｗが流出する液体流出口６が設けられている。液体流入口４に液体流入通路８が接続され、液体流出口６に液体流出通路１０が接続されている。液体流入口４と液体流入通路８との間に流入側逆止弁１２が接続され、液体流出口６と液体流出通路１０との間に流出側逆止弁１４が接続されている。

容器２の頂部に、容器２内に駆動流体Ｆを流入させる駆動流体流入口１６と、容器２内の駆動流体Ｆを容器２外に排出する駆動流体流出口１８とが設けられている。駆動流体流入口１６に駆動流体流入通路１７が接続され、駆動流体流出口１８に駆動流体流出通路１９が接続されている。圧送装置１は、駆動流体流入口１６を開閉する駆動弁（吸入弁）２０と、駆動流体流出口１８を開閉する排出弁（排気弁）２２とを有している。

容器２の内部に、容器２内に貯留された液体Ｗの液位ＷＬを検知するフロート２４が収納されている。駆動弁２０および排出弁２２は、作動部材２６を介してフロート２４に連結されている。作動部材２６は、公知の構造であり、互いに回動自在に連結された複数のリンク部材２６ａと単一のばね部材２６ｂとからなる。作動部材２６は、フロート２４で検知された液位ＷＬに基づいて駆動弁２０および排出弁２２を作動させる。つまり、これらフロート２４および作動部材２６が、駆動弁２０および排出弁２２の駆動源を構成する。

図１に示す液位ＷＬが低いとき、液体Ｗに浮いたフロート２４も低い位置にある。このとき、作動部材２６の作動により、駆動弁２０が閉状態となり、排出弁２２は開状態となる。つまり、容器２内への駆動流体Ｆの流入が阻止され、容器２の内部空間が大気に開放される。液位ＷＬが低い状態では、容器２の内部の圧力が低いので、液体流入通路８の液体Ｗが、流入側逆止弁１２を開いて液体流入口４から容器２内に流入する。一方、容器２の内部の圧力が低いことから、流出側逆止弁１４は閉止状態である。

液体Ｗが容器２内に流入すると、液位ＷＬが上昇し、これに伴い、フロート２４も上昇する。液位ＷＬが規定値を超えると、図２に示すように、作動部材２６の作動により、駆動弁２０が開状態となり、排出弁２２は閉状態となる。つまり、容器２内へ駆動流体Ｆが流入し、容器内２の駆動流体Ｆの外部への排出が阻止される。これにより、容器２の内部の圧力が高くなるので、容器内２の液体Ｗが、流出側逆止弁１４を開いて液体流出口６から液体流出通路１０を通って容器２外に排出される。一方、容器２の内部の圧力が高いので、流入側逆止弁１２は閉止状態となる。

液体Ｗが容器２外に排出されると、液位ＷＬが下降する。これに伴い、フロート２４も下降し、図１の状態に戻る。以降、図１の状態と図２の状態が繰り返され、液体Ｗが圧送される。

つぎに、図３～６を用いて、排出弁２２の構造の詳細を説明する。駆動弁２０（図１）の構造は、公知のものと同じであるから、説明を省略する。図３に示すように、容器２に、作動部材２６がボルトＢにより着脱自在に取り付けられている。作動部材２６は、容器２の内側に配置され、その一端にフロート２４が取り付けられている。つまり、フロート２４は、作動部材２６を介して容器２に支持されている。一方、作動部材２６の他端に、動力伝達部材２８が連結されている。動力伝達部材２８は、排出弁２２に駆動源２４，２６の駆動力を伝達する。

図４に示すように、本実施形態の排出弁２２は、容器２内の駆動流体Ｆを排出するメイン排気通路３０を有している。詳細には、駆動流体流出口１８に円筒形状の弁座部材３２が装着されており、弁座部材３２の中空孔がメイン排気通路３０を構成している。つまり、メイン排気通路３０は、容器２の内部空間と駆動流体流出通路１９とを連通している。

排出弁２２は、メイン排気通路３０を開閉するメイン排気弁３４を有している。メイン排気弁３４は、筒状のメイン弁体３６を有している。メイン弁体３６は、その軸方向の一端部（図４の上端部）でメイン排気通路３０を閉止する。つまり、弁座部材３２の軸方向の他端面（図４の下端面）の縁部が、メイン弁体３６が着座するメイン弁シート３５を構成する。メイン弁体３６の内部（中空孔）に、パイロット排気通路４２が形成されている。パイロット排気通路４２は、容器２内の空間とメイン排気通路３０とを連通する。パイロット排気通路４２は、メイン排気通路３０よりも通路面積が小さく設定されている。パイロット排気通路４２の詳細は後述する。

メイン排気弁３４は、さらに、メイン弁体３６の他端部（図４の下端部）から径方向に延びる円盤状の底板３８と、底板３８から軸方向の他端側（図４の下端側）に延びる筒部４０とを有している。本実施形態のメイン排気弁３４は、メイン弁体３６と、底板３８と、筒部４０とが不可分一体に形成されている。

メイン弁シート３５と底板３８の一端面３８ａ（図４の上端面）との間に、第１のばね部材４４が介装されている。第１のばね部材４４は、メイン弁シート３５から離間する方向（図４の下方）にメイン排気弁３４にばね力を付与する。第１のばね部材４４は、例えば、圧縮コイルばねである。

排出弁２２は、さらに、パイロット排気通路４２を開閉するパイロット排気弁４６を有している。パイロット排気弁４６は、棒状のパイロット弁体４８を有している。パイロット弁体４８は、その軸方向の一端部（図４の上端部）でパイロット排気通路４２を閉止する。つまり、底板３８の軸方向の他端面３８ｂ（図４の下端面）の縁部が、パイロット弁体４８が着座するパイロット弁シート５０を構成する。パイロット排気弁４６の他端部（図４の下端部）に、動力伝達部材２８（図３）が連結されている。つまり、パイロット排気弁４６は、動力伝達部材２８を介して駆動源の一部であるフロート２４（図３）に連結されている。

パイロット排気弁４６は、さらに、パイロット弁体４８から鍔状に延びるフランジ部５２を有している。フランジ部５２の外径は、筒部４０の内径よりも若干小さく設定されている。底板３８の他端面３８ｂとフランジ部５２の一端面５２ａ（図４の上端面）との間に、第２のばね部材５４が介装されている。第２のばね部材５４は、パイロット弁シート５０から離間する方向（図４の下方）にパイロット排気弁４６にばね力を付与するとともに、メイン弁シート３５に着座する方向（図４の上方）にメイン排気弁３４にばね力を付与する。第２のばね部材５４は、例えば、圧縮コイルばねである。

第１のばね部材４４がない場合にメイン排気弁３４を開弁させるのに必要な開弁力をｆ、第１のばね部材４４のばね力をＫ１、第２のばね部材５４のばね力をＫ２とする。本実施形態では、第１のばね部材４４のばね力Ｋ１は、開弁力ｆ以上で、且つ、開弁力ｆと第２のばね部材５４のばね力Ｋ２との和よりも小さく設定されている（ｆ≦Ｋ１＜（ｆ＋Ｋ２））。

つぎに、図４～６を用いて、本実施形態の排出弁２２の動作を説明する。これに先立って、図７（Ａ）および（Ｂ）で、従来の排出弁１００の動作を説明する。図７（Ａ）において、容器内部１０２と駆動流体流出通路１０４との差圧（圧力差）をＰ、排気弁口１０６の断面積をＡ１とすると、排出弁１００を開弁（閉弁）するのに必要な力Ｆ１０は、Ｐ×Ａ１である（Ｆ１０＝Ｐ×Ａ１）。

図７（Ｂ）は、図７（Ａ）よりも排気弁口１０６の断面積Ａ２を大きくした例を示す（Ａ２＞Ａ１）。したがって、図７（Ｂ）では、排出弁１００を開弁（閉弁）するのに必要な力Ｆ２０は、Ｐ×Ａ２である（Ｆ２０＝（Ｐ×Ａ２）＞Ｆ１０）。

図７（Ａ）の従来の液体圧送装置では、排気弁口１０６の開口面積が小さく、そのため、排気能力が低く、流入側の逆止弁（図１の流入側逆止弁１２）の開弁が遅れて容器内への液体の流入が遅くなることがあった。しかしながら、図７（Ｂ）のように開口面積Ａ２を大きくすると、開口面積の小さな排気弁口を開けるのに必要な開弁力Ｆ１よりも大きな開弁力Ｆ２が必要となる。

図４の本実施形態では、メイン排気通路３０の通路面積をＡ２，パイロット排気通路４２の通路面積をＡ１とする。つまり、パイロット排気通路４２の通路面積は図７（Ａ）の開口面積Ａ１と同じで、メイン排気通路３０の通路面積は図７（Ｂ）の開口面積Ａ２と同じである。したがって、第１のばね部材４４がない場合にメイン排気弁３４を開弁させるのに必要な開弁力ｆは、図７（Ｂ）の力Ｆ２０となる（ｆ＝Ｆ２０）。

このとき、メイン排気弁３４を開弁（閉弁）するのに必要な力を第１の力Ｆ１、パイロット排気弁４６を開弁させるのに必要な力を第２の力Ｆ２とすると、メイン排気弁３４を開弁（閉弁）するのに必要な第１の力Ｆ１は、Ｆ２０＋Ｋ２－Ｋ１となる（Ｆ１＝Ｆ２０＋Ｋ２－Ｋ１＝ｆ＋Ｋ２－Ｋ１）。一方、パイロット排気弁４６を開弁（閉弁）するのに必要な第２の力Ｆ２は、Ｆ１０－Ｋ２となる（Ｆ２＝Ｆ１０－Ｋ２）。

図４の排出弁２２が閉まった状態（液体Ｗの圧送状態）から、液位ＷＬが下がると、フロート２４（図３）も下降し、パイロット排気弁４６に下方（矢印Ｄ１）の力を付与する。この力が第２のＦ２に達すると、パイロット排気弁４６が開弁して図５の状態となる。このとき、パイロット排気弁４６を開弁（閉弁）するのに必要な力Ｆ２はＦ１０－Ｋ２であり、第２のばね部材５４のばね力Ｋ２の分だけ、図７（Ａ）の従来例よりも小さな力で開く（Ｆ２＜Ｆ１０）。

図５の状態では、第２のばね部材５４が伸びて縮み量がほぼゼロ、すなわち第２のばね部材５４のばね力Ｋ２がほぼゼロになっている（Ｋ２≒０）。したがって、メイン排気弁３４を開弁するのに必要な第１の力Ｆ１は、Ｆ２０－Ｋ１となる（Ｆ１＝Ｆ２０－Ｋ１＝ｆ－Ｋ１）。上述のとおり、第１のばね部材４４のばね力Ｋ１は、第１のばね部材４４がない場合にメイン排気弁３４を開弁させるのに必要な開弁力ｆ以上（ｆ≦Ｋ１）に設定されているので、第１の力Ｆ１がゼロとなり（Ｆ１＝０）、駆動流体流出通路１９内の駆動流体Ｆの圧力によりメイン排気弁３４も開弁して図６の状態（流入状態）となる。このように、通路面積の小さなパイロット排気弁４６を開弁させるのに必要な力で、通路面積の大きなメイン排気弁３４が開弁する。

図６の排出弁２２が開いた状態（流入状態）から、液位ＷＬが上がると、フロート２４（図３）も上昇し、パイロット排気弁４６に上方の力を付与する。ここで、第２のばね部材５４の縮み量がほぼゼロ、すなわち第２のばね部材５４のばね力Ｋ２がほぼゼロになっているので（Ｋ２≒０）、メイン排気弁３４を閉弁するのに必要な第１の力Ｆ１は、Ｆ２０－Ｋ１となる（Ｆ１＝Ｆ２０－Ｋ１＝ｆ－Ｋ１）。上述のとおり、第１のばね部材４４のばね力Ｋ１はｆ≦Ｋ１に設定されているので、第１の力Ｆ１がゼロとなり（Ｆ１＝０）、メイン排気弁３４が閉弁する。

図５の状態からさらに、フロート２４（図３）が上昇し、この力がＦ２に達すると、パイロット排気弁４６が閉弁して図４の状態（圧送状態）となる。以降、図４～図６の動作が繰り返される。

上記構成によれば、開弁時、図１の駆動源２４，２６からの駆動力と図６の第２のばね部材５４のばね力ｋ２により、通路面積の小さなパイロット排気弁４６が最初に開く。パイロット排気弁４６が開くと、第２のばね部材５４のばね力がほぼ０となる。つまり、第２のばね部材５４によりメイン排気弁３４をメイン弁シート３５に着座させる方向に働く力がなくなる。その結果、駆動源２４からの駆動力と第１のばね部材４４のばね力Ｋ１により、通路面積の大きなメイン排気弁３４が開く。このように、第１のばね部材４４のばね力Ｋ１でメイン排気弁３４が開くので、小さな通路面積のパイロット排気弁４６を開くのに必要な第２の力Ｆ２で、通路面積の大きなメイン排気弁３４が開弁する。その結果、排気能力が高まって流入側の逆止弁１２（図１）が速やかに開弁し、単位時間当たりの液体圧送能力を高めることができる。

第１のばね部材４４のばね力Ｋ１が、第１のばね部材４４なしでメイン排気弁３４を開弁させるのに必要な開弁力ｆ以上で、且つ、開弁力ｆと第２のばね部材５４のばね力Ｋ２との和よりも小さく設定されている（ｆ≦Ｋ１＜（ｆ＋Ｋ２））ので、大きな力が得られるから、メイン排気弁３４の動作が安定する。

メイン排気弁３４は、内部にパイロット排気通路が４２形成されて軸方向の一端部でメイン弁シート３５に着座する筒状のメイン弁体３６と、メイン弁体３６の他端部から径方向に延びる円盤状の底板３８と、底板３８から軸方向の他端側に延びる筒部４０とを有し、メイン弁シート３５と底板３８の一端面３８ａとの間に第１のばね部材４４が介装され、底板３８の他端面３８ｂにパイロット弁シート５０が形成されている。また、パイロット排気弁４６は、筒部４０の内側を軸方向に移動する棒状のパイロット弁体４８と、パイロット弁体４８から鍔状に延びるフランジ部５２とを有し、底板３８の他端面３８ｂとフランジ部５２の一端面５２ａとの間に第２のばね部材５４が介装されている。この構成によれば、本実施形態の排気弁構造を従来の液体圧送装置にも適用できる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 液体圧送装置
２ 容器
２４ フロート（駆動源）
２６ 作動部材（駆動源）
３０ メイン排気通路
３４ メイン排気弁
３５ メイン弁シート
３６ メイン弁体
３８ 底板
４０ 筒部
４２ パイロット排気通路
４４ 第１のばね部材
４６ パイロット排気弁
４８ パイロット弁体
５０ パイロット弁シート
５２ フランジ部
５４ 第２のばね部材
ｆ 開弁力
Ｋ１ 第１のばね部材のばね力
Ｋ２ 第２のばね部材のばね力
Ｆ 駆動流体
Ｗ 液体

Claims (4)

1. 容器内に貯留された液体を、容器内に流入された駆動流体により加圧して容器外に排出する液体圧送装置の排気弁構造であって、
   前記容器内の駆動流体を排出するメイン排気通路と、
   前記容器内の空間と前記メイン排気通路とを連通し、前記メイン排気通路よりも通路面積が小さいパイロット排気通路と、
   前記メイン排気通路を開閉するメイン排気弁と、
   駆動源に連結されて前記パイロット排気通路を開閉するパイロット排気弁と、
   メイン弁シートから離間する方向に前記メイン排気弁に力を付与する第１のばね部材と、
   パイロット弁シートから離間する方向に前記パイロット排気弁に力を付与するとともに、前記メイン弁シートに着座する方向に前記メイン排気弁に力を付与する第２のばね部材と、
   を備えた液体圧送装置の排気弁構造。
2. 請求項１に記載の液体圧送装置の排気弁構造において、前記第１のばね部材の開弁時のばね力が、前記第１のばね部材がない状態で前記メイン排気弁を開弁させるのに必要な開弁力以上で、且つ、前記開弁力と前記第２のばね部材の開弁時のばね力との和よりも小さく設定されている液体圧送装置の排気弁構造。
3. 請求項１または２に記載の液体圧送装置の排気弁構造において、前記メイン排気弁は、
   内部に前記パイロット排気通路が形成されて軸方向の一端部で前記メイン弁シートに着座する筒状のメイン弁体と、
   前記メイン弁体の他端部から径方向に延びる円盤状の底板と、
   前記底板から軸方向の他端側に延びる筒部と、を有し、
   前記メイン弁シートと前記底板の一端面との間に第１のばね部材が介装され、
   前記底板の他端面に前記パイロット弁シートが形成されている液体圧送装置の排気弁構造。
4. 請求項３に記載の液体圧送装置の排気弁構造において、前記パイロット排気弁は、
   前記筒部の内側を軸方向に移動する棒状のパイロット弁体と、
   前記パイロット弁体から鍔状に延びるフランジ部と、を有し、
   前記底板の他端面と前記フランジ部の一端面との間に第２のばね部材が介装されている液体圧送装置の排気弁構造。

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