ポンプ

本発明は、ポンプに関するものである。

ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００とＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８には、流体の吸入口と吐出口を有するハウジングを備え、ハウジングはロータを内部に収容し、駆動装置により回転するロータはハウジングとの間に空間を形成し、空間内の流体を吸入口から吐出口へと輸送して排出するポンプが開示されている。 このようなポンプでは、ロータの回転に伴って吐出口から吸入口に流体が漏洩することを防止する必要がある。 このために、ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００とＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８には、吸入口と吐出口の間に配置されてロータと接触するシール材の使用が開示されている。

ロータはハウジングと空間を形成するために、ハウジングの径方向の内側に向いた表面を有し、吐出口から吸入口への流体の漏洩を防止するためにシール材とロータ表面の間は常に密封され、シール材はロータの回転軸から径方向の内外に向けて移動可能になっている。 シール材とロータが接触する際には摩擦力が生ずるが、その摩擦力はロータの駆動装置によって補償される。

ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００とＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８は上記の要件を満たすために、種々のシール材の配置を開示しており、シール材の中には反発性を有するブロック状の材料や、弾性を持って支持される膜状の部材等が含まれる。 これらのシール材を配置した場合に、シール材との摩擦によって生ずるロータの負荷の大きさは、ロータとハウジングの共通の軸線からシール材とロータが接触するまでの距離に正比例して、又はほぼ正比例して増加する。 その結果、シール材が共通の軸線から最大距離の位置で接触して、部品間の摩擦力が最大になっても、駆動装置からロータには生じた摩擦力に十分に対抗できる回転力が供給されなければならない。 更に、シール材に生ずる力は、シール材が共通の軸線から最小の距離で接触し、摩擦力が最小になっても流体の漏洩を防止するためには十分な強さを有する必要がある。 このように、必要な摩擦力の最小値が決まると比例関係から最大値も決まることになる。 そのような比例関係では、流体の所定の吐出圧に対してシール材に供給する力を必要最小限に抑えることができる一方で、同じ吐出圧であってもロータに供給される最大の力は、封止に必要な力を大きく超えてしまう。 また摩擦が増大すると、ロータの回転時にハウジングとロータの間には熱が発生するため、特に部品が樹脂製であると、大きな不具合が生じかねない。 更に、医療分野で使用するときは、そのように発生した熱が流体に移動し、その流体の性能に悪い影響を与える可能性がある。 更に、摩擦が増大すると部品間の磨耗量も増加する。

本発明によれば、流体の吸入口と吐出口とを有するハウジングと、ハウジングの内部に収容されてハウジングとの間に空間を形成するロータとから成り、空間は駆動装置により回転するロータによって流体を吐出口から吐出するために吐出圧をもって吸入口から吐出口に流体を輸送し、吐出口と吸入口との間にはシール装置が配置され、シール装置はロータが回転する際は、ロータの回転方向において吐出口から吸入口への流体の漏洩を防止するために、ロータの回転軸に対して径方向に動いてロータに接触し、所定の吐出圧に対してシール装置からロータに掛かる力を最小にするように、シール装置によって単位移動距離当りに発生する力がシール装置の移動する全距離に渡り（定義するように）一定になるポンプが提供される。

ここに、ロータがシール材の通過する際に単位距離当りに発生する力が一定であるとは、単位距離当りの力の変動が１０％以内に抑えられることを意味する。

このように、シール材からロータに掛かる単位距離当りの摩擦力の最大値は、従来のどの所定吐出圧に対してもより低く抑えられるので、駆動装置が供給する回転力を低減することができる。 また上記のポンプでは、駆動装置のより正確な速度制御を可能にし、部品間の磨耗や発熱を抑えることができる。

以下は本発明の実施の形態をより詳細に示した説明図である。

吸入口と吐出口と、吸入口と吐出口の間に配置したＯ字状の管状のばね部材を備えたシール装置から成る第１のポンプの断面説明図である。

吸入口と吐出口と、吸入口と吐出口の間に配置したＵ字状のばね部材を含むシール装置から成る第２のポンプの断面説明図である。

図２ａに類似するが、ロータが第２の角度位置に来たときの説明図である。

図２ａ、図２ｂに類似するが、ロータが第３の角度位置に来たときの説明図である。

図１、図２のシール装置に使われるＤ字状の断面を持つばね部材の説明図である。

周囲を拘束されない柔軟な弾性材料から成る中空のばね部材が圧縮されたときに生ずる応力をプロットしたグラフ図であり、使われている部材は本発明のものではない。

図１、図２、図３において、ばね部材の周囲が拘束されたシール装置に生ずる応力をそれぞれ□印、◇印、△印で表示し、プロットしたグラフ図である。

上記に代る他の部材の形状の説明図である。

平面状に押出し成形されたばね部材の断面図である。

図１に示すように、第１のポンプはハウジング１０から形成され、ハウジング１０は例えばポリエチレンやポリプロピレン等の樹脂を射出成形して作製される。 ハウジング１０は流体の供給源に接続するための吸入口１１と、流体を外部に汲み出すための吐出口１２とを備えている。 ハウジング１０の内部は円筒状である。 図１に示すように、ハウジング１０の吐出口１２と吸入口１１の間には、後に詳しく説明するシール装置１４が反時計方向に向けて装着される。

ハウジング１０はロータ１５を収容する。 ロータ１５は錆びない金属又は精密に射出成形したアセチル樹脂のようなプラスチック材料から形成される。 ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００とＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８にも記載があるように、ロータ１５はハウジング１０との間に空間１７ａ、１７ｂを形成するための窪んだ表面１６ａ、１６ｂを有する。

ロータ１５は図１に示すように図示しない駆動装置からの動力によって反時計方向に回転する。 ハウジング１０は吸入口１１と吐出口１２の間に保持部１８を形成する。 保持部１８は間隔を空けて平行に配置されてハウジング１０内の開口２０から上方に向かって立ち上がる側壁１９ａ、１９ｂを備えている。 各側壁１９ａ、１９ｂはロータ１５の軸線に平行に延在し、少なくとも表面１６ａ、１６ｂの軸線方向の長さに相当する長さを有する。 側壁１９ａ、１９ｂの端部は図示しない末端壁と交差する。 シール装置１４はＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００とＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８にも記載があるように、開口２０を閉止する柔軟な膜材２１を備えている。

シール装置１４はばね部材を有し、この実施の形態では、ばね部材はＯ字状の断面形状を持つ管状ばね部材２２であって、保持部１８内に配置され、シリコンゴムのように柔軟で可撓性を有する弾性体から形成される。 圧縮されない状態での管状ばね部材２２は、中空の円形断面を有し、互いに対向する第１、第２のリブ２４ａ、２４ｂを外面２３上に有し、第１、第２のリブ２４ａ、２４ｂはそれぞれの外面に沿って管状ばね部材２２の軸線と平行に延在する。 図１に示すように、第１のリブ２４ａはロータ１５の回転時に膜材２１の下面を押圧し、ロータ１５と膜材２１の間を封止する。

管状ばね部材２２と保持部１８は、管状ばね部材２２の直径が側壁１９ａ、１９ｂの間の距離と同等か又は長くなるように設計され、管状ばね部材２２が保持部１８内に収まるときは、管状ばね部材２２は側壁１９ａ、１９ｂに押し付けられて管状ばね部材２２の接触部分が固定され、側壁１９ａ、１９ｂとの間の動きが規制される。 更に、保持部１８はキャップ２５によって閉止され、キャップ２５はチャンネル２６を受け入れてハウジング１０に対向する位置に管状ばね部材２２を配置し、ロータ１５の回転時に管状ばね部材２２に発生する動きを制御する。 また、キャップ２５は管状ばね部材２２を圧縮する。 ここに、管状ばね部材２２は第１のリブ２４ａに連なる基部２７と、互いに対向する端部２８ａ、２８ｂとを有し、端部２８ａ、２８ｂはそれぞれ２個の側壁１９ａ、１９ｂに接触して固定される。 基部２７はキャップ２５により管状ばね部材２２が圧縮されると、管状ばね部材２２の軸に向けて径の内側方向に曲げられる。

図１に示した上記のポンプは、ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００とＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８に記載のものと同様に作動する。 吸入口１１は汲み上げる流体の入った容器に接続し、吐出口１２は流体の輸送先に接続する。 ロータ１５は図１に示すようにモータ（図示しない）などの駆動源により反時計方向に回転する。 空間１７ａ、１７ｂはＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００とＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８に記載したように、流体を吸入口１１から吐出口１２まで輸送し、吸引圧、汲み上げた流体の性状、ロータ１５の回転速度等によって定まる吐出圧をもって吐出口１２から外部に排出する。

ロータ１５が回転すると、管状ばね部材２２は第１のリブ２４ａを経由して流体が吐出口１２から吸入口１１に漏洩しないように、ロータ１５の表面に膜材２１を押し付ける。 この回転の間中、リブ２４ａは径方向の最大の間隔（上死点つまりＴＤＣ）と最小の間隔（下死点つまりＢＤＣ）に対応してロータ１５の軸線に対して径方向に移動する。 キャップ２５による管状ばね部材２２への圧縮によって、管状ばね部材２２から膜材２１には、ＢＤＣであっても膜材２１とロータ１５の間で漏洩がないことを十分に保証するだけの力を供給する。

ＢＤＣの位置からロータ１５が回転すると、膜材２１は軸線から更に離れたロータ１５上の位置でロータ１５に接触する。 リブ２４ａは径方向の外側に押圧されるが、管状ばね部材２２は側壁１９ａ、１９ｂ間に拘束されているため、この増大した圧力に抗しきれずに、楕円形状を呈したり、径方向に圧縮されることが予想される。 何故なら、管状ばね部材２２と側壁１９ａ、１９ｂの摩擦を伴う接触により基部２７の端部２８ａ、２８ｂが側壁１９ａ、１９ｂに固定されるからである。 必然的に管状ばね部材２２の基部２７は、管状ばね部材２２と側壁１９ａ、１９ｂの間の接触点の間にあって内側に湾曲する。 この湾曲はＴＤＣに到達するまで続く。 ＴＤＣにおける基部２７の内部への湾曲は、図１に示すように最大になり、基部２７は逆側に湾曲するようになる（内面は凸状であり、凹状にはならない）。 リブ２４ａによってロータ１５からの力は集中し、基部２７の逆方向への湾曲が助成される。

このように湾曲しても、リブ２４ａから膜材２１に加わる力、即ち膜材２１からロータ１５に掛かる力は変化することはなく、又は殆ど変化することもない。 何故ならば、管状ばね部材２２を圧縮すると、側壁１９ａ、１９ｂに接触する管状ばね部材２２の側部への力の集中が妨げられるからである。 このように、圧縮力は管状ばね部材２２の全域により均等に及ぶようになる。 この特徴は他の利点、即ち側壁１９ａ、１９ｂが省略されるシール装置と比較して応力は大きく減退するので、管状ばね部材２２が永久変形する傾向は弱められる。 この力は汲み上げられて所定の吐出圧を持つ流体を封止するために必要十分な最小の力又はそれに近い力として作用する。 このように、駆動装置から供給すべき回転力は低減され、部品間の摩耗量は減少し、流量制御の正確度も増大する。

図１に示すように、管状ばね部材２２は圧縮されないときは、その長手方向に沿って一定の円形断面を呈する。 この形状は本実施の形態に限られるものではない。 断面は状況に応じてどのような形状であってもよいし、長手方向に沿った管状ばね部材２２の径も一定である必要はない。 例えば、或る断面を有するロータの径において、管状部材の径は長さ方向の端部においてより短くなり、中心付近においてより長くなってもよい。 また、管状ばね部材２２の壁厚もその長手方向に対して一定である必要はない。

次の図２ａ、図２ｂ、図２ｃに示した第２のポンプも、図１の第１のポンプと同様の部品を有している。 これらの図に共通の部品には同じ参照符号が使われ、詳細は省略する。 図２ａ、図２ｂ、図２ｃに示したポンプでは、図１の管状ばね部材２２はＵ字状の断面を有する長尺部材から成るばね部材２９に置き換えられる。 ばね部材２９は図１の管状ばね部材２２と同じ材料で作製される。

ばね部材２９は外面にリブ３２を備えた基部３１と交差し、互いに間隔を空けて配置される腕部３０ａ、３０ｂを有する。 リブ３２はばね部材２９の長手方向の軸線に平行に延在する。 間隔を空けた腕部３０ａ、３０ｂの先端は、腕部３０ａ、３０ｂが制御不能に折れたり、曲がることがないように十分な厚みを持っている。 ばね部材２９は腕部３０ａ、３０ｂの側面が側壁１９ａ、１９ｂを押し付けながら保持部１８内に挿入され、それによって基部３１の端部３３ａ、３３ｂは側壁１９ａ、１９ｂに固定され、リブ３２は膜材２１の下側を押し付ける。 保持部１８は間隔を空けて並行するチャンネル３５ａ、３５ｂを有するキャップ３４で閉止され、チャンネル３５ａ、３５ｂはばね部材２９がハウジング１０に対向する位置に収まるように、腕部３０ａ、３０ｂのそれぞれの先端を収容する。 キャップ３４はばね部材２９を圧縮し、それによってリブ３２は膜材２１に押し付けられる。

図２ａ、図２ｂ、図２ｃに示すポンプは、図１に示したポンプよりも広範囲に作動する。 図２ａに示すように、ＢＤＣでは基部３１の変形は小さいが、膜材２１を通してロータ１５に膜材２１とロータ１５の間を密封するために十分な力を伝達するので、吸入口１１と吐出口１２の間における流体の漏洩は防止される。 図２ｂに示すように、ロータ１５が回転して４５度の位置に至ると、ロータ１５は基部３１を内側に押し上げるようになる。 ロータ１５がこの位置に至ると、図２ａに比較して基部３１の曲率は減少し、腕部３０ａ、３０ｂに圧縮力を掛けることなく、腕部３０ａ、３０ｂを側壁１９ａ、１９ｂに押し付けるようになる。 更に、図２ｃはロータ１５が図２ａの位置から９０度まで回転した状態を示す。 ロータ１５はＴＤＣで基部３１に力を掛け、基部３１によってばね部材２９を逆さ方向に持ち上げる。 しかしここにおいても、腕部３０ａ、３０ｂに圧縮力は掛からない。 実際に、基部３１が逆方向に湾曲すると、ばね部材２９によってロータ１５に掛かる力は低減される。 図１の基部２７の場合と同様に、リブ３２によって膜材２１に掛かる力、即ち膜材２１によってロータ１５に掛かる力は変わることはない。 何故なら、圧縮前の円形状態から逆方向への湾曲状態へと形状を変えるにも、余分な力を殆ど必要としないからである。 これについては、後に詳しく説明する。

Ｕ字状部材２９の利点は、図１の管状ばね部材２２に比べて変形した後の回復が早いことである。 これは使用の際に、保持部１８が空気又は汲み上げられた液体或いは両者の混合物で満たされるためである。 管状ばね部材２２の場合には、上記の媒体を管状ばね部材２２に満たし、管状ばね部材２２が変形させる場合には、内部の液体を外部に排出して再び吸入する必要がある。 もし、管状ばね部材２２の液体の吸入、排出が短時間に行われないと、管状ばね部材２２の変形は不可能になり、ロータ１５の動きは妨げられ、それによって液体の出し入れ速度はロータ１５の回転速度の最大値に影響を与えることになる。

管状ばね部材２２やキャップ２５に液体の通過できる孔を形成することによって、この不具合は多少緩和されるが、管状ばね部材２２の形状が管状であるために、液体を排除する際には時間的遅れを生ずる。 図２ａのＵ字状ばね部材２９ではこの条件が緩和される。 何故ならば、Ｕ字状ばね部材２９の腕部３０ａ、３０ｂの間の間隔は広いため、腕部３０ａ、３０ｂ間から液体を排除するために必要な大きな断面積を有する通路を配置できるからである。 更に、キャップ３４には通常は閉じた孔４０が形成されており、孔４０が開くと、ばね部材２９が変形する際に腕部３０ａ、３０ｂ間から、より早く液体が排除されるようになる。 このようにして、ポンプの回転速度の最大値を更に高めることができる。

図１のＯ字状のばね部材又は図２ａ、図２ｂ、図２ｃのＵ字状のばね部材２９は図３に示すばね部材３５に置き換えることもできる。 ばね部材３５は図１のＯ字状のばね部材２２のように作動し、ばね部材３５が圧縮されない状態では平坦な基部３６がＯ字状の管状ばね部材２２の基部２７と同じように作用する。

図４は本発明とは関係しない通常の管状ばね部材を圧縮した結果を示し、図５は図１、図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図３に示したばね部材２２、２９、３５をそれぞれ圧縮した場合の結果を示したものである。 図４は柔軟性と弾性を有する材料から成る中空の円形断面を持つばね部材を圧縮したものである。 図４に示すように、対応する力と距離はおよそ正比例し、ばね部材の壁厚や直径の長さに依存することはない。 図４の管状ばね部材においては、ばね部材がＢＤＣにあっても、流体の所定の吐出圧に対してシール装置１４とロータ１５の間を密封するのに十分な大きさの力が掛かるように、図４に示した１地点から作動し始める必要がある。 ばね部材がＴＤＣに向かうと、この力は距離に比例して増加し、ロータ１５の回転位置とは関係なく力の変化を必要としない場合、又は殆ど変化を必要としない場合であっても、ロータ１５がＴＤＣの位置に至ると封止を維持するのに必要な力を大きく超えてしまう。 即ち、図４のばね部材を使うと、ロータ１５の摩擦力は不必要に増加する。 図５では、図１、図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図３に示したばね部材２２、２９、３５が同じように圧縮され、それに対応する力が測定されている。 図５は測定結果であり、図１に示したＯ字状のばね部材２２は□印に、図２のＵ字状ばね部材２９は◇印に、図３のＤ字状のばね部材３５を△印にそれぞれ対応している。

図５の全てのばね部材２２、２９、３５の場合には、圧縮されると対応する力は急激に上昇する。 そして、中間部分では距離の増大による力の変化率が比較的平らになり、更に次の急激に上昇する前に、力は距離と共に減少する。 このようにして、シール装置１４を通過する際に、単位距離当りに受ける力は移動距離の限界値において、限界値に向かう中間領域よりも低くなる。 単位距離当りの力が中間領域で平坦になるのは、図５では図４と異なって、全てのばね部材２２、２９、３５において半径方向の圧縮変形に、基部２７、３１、３６の内側への動きが順応しないからである。 その代り、ばね部材２２、２９、３５それ自身は側壁１９ａ、１９ｂから受ける縦方向の圧縮力によって湾曲する。 図５に示すように、圧縮力は減少するが、それは基部２７、３１、３６が上方に反転するためである。

従って、もし図１、図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図３に示した実施の形態において、リブ２４ａ、３２に要求される移動距離が、図５の比較的平坦な部分に対応するならば、ばね部材２２、２９、３５によってロータ１５に付加される応力は、ばね部材２２、２９、３５の移動する範囲ではばらつきが１０％以内に収まるので、定義によって一定であるとされる。 図５にはＯ字状管状ばね部材２２の場合に、この範囲を作動距離と書き込んである。 Ｕ字状とＤ字状のばね部材２９、３５の作動距離はより短いことが分かる。 ばね部材２９のＵ字状については、図５のグラフ図からも明らかなように、作動距離は２．５ｍｍほどであり、２．２５ｍｍ〜４．７５ｍｍの間に入る。 ばね部材２２、２９、３５はＢＤＣにおける力が封止を維持する力に相当するように配置される。 この力はばね部材２２、２９、３５がＴＤＣの位置に移動しても変化することはなく、又は殆ど変化することもない。 従って、摩擦力もＢＤＣとＴＤＣの間で必要な最小のレベルを維持して不変であり、又は殆ど変わることはない。 これによって、駆動装置から供給されるべき力は低減され、より正確な速度制御を可能にする。 更に、発熱は抑えられ、ポンプの寿命を延ばすことになる。

窪んだ表面１６ａ、１６ｂは、ロータ１５の軸線に平行な方向において形状が変化する。 ばね部材２２、２９、３５は少なくとも表面１６ａ、１６ｂの軸線方向の長さに相当する長さを持っているので、ばね部材２２、２９、３５の撓みは軸線に沿った方向で変化し得る。 軸線に沿ったばね部材２２、２９、３５の端部ではばね部材２２、２９、３５は常に最大の圧縮歪を受ける。 何故なら、これらの端部では、ばね部材２２、２９、３５は窪んだ表面１６a、１６ｂの端部を越え、端部間に跨って、効率的にロータ１５の円筒状の表面に接触するからである。 この端部間で、ばね部材２２、２９、３５はＢＤＣにおける最小の負荷からＴＤＣにおける最大の負荷に対応できるように撓むことになる。

ばね部材２２、２９、３５は最大撓みと最小撓みの間でロータ１５に略一定の力を加え、ロータ１５の軸方向の長さに沿ってロータ１５に加える力もロータ１５の回転中は一定であり、それは、所定の吐出圧において封止を維持するために必要な最小の力と略同等になる。

ばね部材には他の形状も可能である。 例えば図６に示すように、ばね部材は長さ方向に延在する円弧から成る片状部材３７であってもよい。 図１、図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図３でも示したように片状部材３７は、互いに離れて側壁１９ａ、１９ｂに固定される側端部３８ａ、３８ｂを備えている。 この場合に、片状部材３７は接着剤の使用や、片状部材３７のそれぞれの側端部を収容する側壁１９ａ、１９ｂの有する孔への挿入によって固定される。 シール装置１４に係る他の実施の形態には、図７に示す押出し成形されたばね部材４０も含まれる。 ばね部材４０は中央にリブ４１を、左右に部位４２、４２ｂを有する平面から成る。 部位４２、４２ｂの先端には、リブ４１の突出した方向とは反対方向に突出したフランジ部４３ａ、４３ｂを形成する。 使用の際してばね部材４０は、図２ａ、図２ｂ、図２ｃに示したＵ字状のばね部材２９と同様に装着される。 ばね部材４０は図２ａ、図２ｂ、図２ｃに示したばね部材２９と同様に保持部１８内に挿入される。

上述のばね部材と同様にロータ１５に掛かる力が非線形に作用し、他の形状を有するばね部材の使用も可能であり、それによって、シール装置１４よりロータ１５に掛かる力は低減される。

リブ２４ａ、３２、４１はばね部材２２、２９、３５、４０上に形成されていると同様に、膜材２１上に形成することもできる。 図に示したリブ２４ａ、３２、４１は長手方向に延在し、四角形状の断面を有している。 しかし、リブの形状はこれに限られるものではなく、他の形状であってもよい。 膜材２１を省略して、リブ２４ａ、３２、４１をロータ１５に直接作用させて、ばね部材２２、２９、３５、４０だけでシール装置１４を形成してもよい。

勿論、シール装置１４以外でも、上述のポンプの構造はＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３３００とＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００７９８に記載の方法によって変更可能である。