JP5985555B2

JP5985555B2 - 圧送ポンプ

Info

Publication number: JP5985555B2
Application number: JP2014167897A
Authority: JP
Inventors: 岡浩一花; 辺滋渡
Original assignee: Koken Boring Machine Co Ltd
Current assignee: Koken Boring Machine Co Ltd
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-09-06
Anticipated expiration: 2034-08-20
Also published as: JP2016044574A

Description

本発明は、圧送ポンプに係り、より詳しくは、２連のピストンポンプからなり、エアモルタルを遠距離に所定の速度を維持して送り出すことができる圧送ポンプに関する。

特許文献１には、油圧シリンダ４、５で駆動され、コンクリートを連続的に送り出すコンクリートシリンダ１、２を備えた圧送ポンプが示されている。コンクリートシリンダ１、２には、一方のシリンダにコンクリートを供給し、他方のシリンダからコンクリートを吐出できるように交互に切り換える回動式の切換え弁１７が設けられている。このような圧送ポンプは、コンクリートを連続的に吐出口１６から送り出せるものの、シリンダの１ストーク毎にコンクリートの送り出しが停止するので、いわいる脈動を有する圧送となる。

トンネル内の壁と地盤の間に、気泡を含む軽量のエアモルタルを充填する場合、地上側からトンネル内の奥深くに圧送できる圧送ポンプが求められるが、エアモルタルは気泡を多く含むので、気泡が脈動により収縮と膨張を繰り返すことは、品質上好ましくない。また、一定体積内での収縮と膨張を繰り返すと圧送不能となる場合も発生する。現状では脈動のないモーノポンプを使用してエアモルタルを送る場合と、モルタルへのエアーの混入を圧送後の注入直前に行う場合がある。モーノポンプを使用する場合、単一設備での長距離圧送は実質不可能であり、多数の設備を必要とするか、圧送中間に中継用ポンプを設置する必要がある。エアー混入を圧送後の注入直前に行う場合においては、エアーの注入設備を別に構築する必要がある。

特許文献２には、ピストンポンプの切り換え時の脈動を防止することが示されている。装置Ａのピストンを下降させて流体を吸込み、待機させておき、装置Ｂのピストンの上昇速度が減速し始めるタイミングに合わせて、装置Ａのピストンを上昇させて吐出を開始し、装置Ｂの吐出量の減少分を補いながら加速し、定量吐出に移行するものである。しかしながら、装置Ａ、Ｂのピストンをウォームギアで駆動しており、数キロに及ぶ遠距離に送り出すことはできない。また、装置Ａの減速のタイミングに合わせて装置Ｂの吐出を開始しても、吐出量が必ずしも維持されない場合もある。そのため、吐出口にチャンバが設けられ、チャンバを加圧もしくは減圧して吐出流体の圧力を維持している。これによれば、装置構成も制御も複雑となることは否めない。

特開平６−２００８６８号公報特開２００１−２０７９５１号公報

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであって、その目的とするところは、エアモルタルを遠距離に所定の速度を維持して送り出すことができる圧送ポンプを提供することにある。

本発明による圧送ポンプは、気泡が含まれるエアモルタルを圧送する圧送ポンプであって、第１ピストンポンプおよび第２ピストンポンプからなり、交互にエアモルタルの吸入と吐出を行なうピストンポンプと、磁歪センサが内蔵された第１油圧シリンダおよび第２油圧シリンダからなり、前記第１ピストンポンプと前記第２ピストンポンプの各ピストンを往復動作させる油圧シリンダと、前記ピストンポンプの吸入口の開閉動作を油圧で行なう吸入バルブと、前記ピストンポンプの吐出口の開閉動作を油圧で行なう吐出バルブと、前記油圧シリンダへのオイルの供給量を調節し、前記ピストンポンプの各ピストンの速度を制御するオイル制御バルブと、が備えられ、前記ピストンポンプがエアモルタルを吐出時、各時刻における前記ピストンの位置を前記磁歪センサで検知し、各時刻でピストンがどれだけ移動したか検知してピストンの速度を得、ピストンの速度にピストンの断面積を乗じて各時刻におけるエアモルタルの吐出速度を求め、吐出速度が所定の吐出速度となるように前記オイル制御バルブが制御され、前記ピストンポンプの吐出の切り換え時、前記第１ピストンポンプと前記第２ピストンポンプの吐出速度の和が、所定の吐出速度となるように前記オイル制御バルブが制御され、吐出速度が維持されることを特徴とする。

前記油圧シリンダへの単位時間当たりのオイル供給量が吸入時よりも吐出時に多くなるように前記オイル制御バルブが制御されて、前記ピストンポンプの吸入工程に要する時間が吐出工程に要する時間より短くされることが好ましい。

本発明の圧送ポンプによれば、各時刻におけるピストンの位置を磁歪センサで検知し、各時刻におけるエアモルタルの吐出速度を求め、第１ピストンポンプと第２ピストンポンプの吐出速度の和が、所定の吐出速度となるようにオイル制御バルブを制御したので、ピストンポンプの切り換え時、一方のピストンポンプの吐出速度の低下を、他方のピストンポンプの増加で補って、所定の吐出速度を維持して送り出すことができる。脈動によるエアモルタルの収縮と膨張が防止されるので、距離に応じた圧力が得られれば、長距離の圧送が可能となる。また、時々刻々の吐出速度の確認ができる。さらに、油圧駆動の吸入バルブと吐出バルブを使用したので、ばね式のものと比べて、吸入と吐出のタイミングを確実に合わせることができる。

オイル制御バルブの流量を制御して、ピストンポンプの吸入工程に要する時間を吐出工程に要する時間より短くしたので、第１ピストンポンプと第２ピストンポンプの切り換え時、吐出工程の位相合わせが容易である。すなわち、他方のピストンポンプの吸引を早目に完了させておけるので、一方のピストンポンプの吐出が減少し始めるタイミングで、他方のピストンポンプの吐出を開始できる。

本発明による圧送ポンプの正面図である。本発明による圧送ポンプの平面図である。本発明による圧送ポンプの右側面図である。図１の要部拡大図である。本発明による圧送ポンプの動作タイムチャートである。本発明による圧送ポンプの回路図である。本発明による圧送ポンプの回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の圧送ポンプを具体的に説明する。

図１は、本発明による圧送ポンプ１００の正面図である。図２は、圧送ポンプ１００の平面図である。図３は、圧送ポンプ１００の右側面図である。図２に示すように、圧送ポンプ１００は、エアモルタルの吸入と吐出を交互に行なう２連構成のポンプで、ピストンポンプ３は、第１ピストンポンプ３ａと第２ピストンポンプ３ｂからなる。第１ピストンポンプ３ａは第１油圧シリンダ４ａで駆動され、第２ピストンポンプ３ｂは第２油圧シリンダ４ｂで駆動される。図１、図３に示すように、第１ピストンポンプ３ａには、第１吸入バルブ１ａと第１吐出バルブ２ａが設けられ、第２ピストンポンプ３ｂには、第２吸入バルブ１ｂと第２吐出バルブ２ｂが設けられる。吸入バルブ１は、第１吸入バルブ１ａと第２吸入バルブ１ｂからなり、吸入口の弁体の開閉動作を行なう。吐出バルブ２は、第１吐出バルブ２ａと第２吐出バルブ２ｂからなり、吐出口の弁体の開閉動作を行なう。図１に示すように、第１ピストンポンプ３ａは内部にピストン１１を有する。ピストンに限らず、プランジャを備えるものでもよい。油圧シリンダ４は、第１油圧シリンダ４ａと第２油圧シリンダ４ｂからなる。第１油圧シリンダ４ａと第２油圧シリンダ４ｂには、内部に可動部１２が設けられており、油圧により往復動作を行なう。第１油圧シリンダ４ａと第２油圧シリンダ４ｂの可動部１２が往復動作すると、ピストンポンプ３を構成する第１ピストンポンプ３ａと第２ピストンポンプ３ｂ内のピストン１１が往復動作する。図示しないが、油圧駆動部、制御部および電源を実装した筐体が別途設けられる。なお、エアモルタルは、水、セメント、ミクロサイズの砂、起泡剤を混合させたものであり、比重は０．６〜１．０程度である。

図４は、図１の要部拡大図である。図４に示すように、第１ピストンポンプ３ａのピストン１１が吸入工程（ピストン１１がＴＤＣからＢＤＣ方向に移動）にある場合、第１吸入バルブ１ａの弁体１４が開き第１吐出バルブ２ａの弁体１４は閉じているので、エアモルタルは吸入口１５から第１ピストンポンプ３ａの内部に入る。その後、第１ピストンポンプ３ａのピストン１１が吐出工程（ピストン１１がＢＤＣからＴＤＣ方向に移動）に入る場合、第１吸入バルブ１ａの弁体１４が閉じ第１吐出バルブ２ａの弁体１４は閉じているので、エアモルタルは第１ピストンポンプ３ａの内部から吐出口１６に出る。符号Ｓは、ピストンの１ストロークであり、本実施例では一例として１２００ｍｍである。第２ピストンポンプ３ｂも同様の動作を行なう。図示しないが、第１吐出バルブ２ａと第２吐出バルブ２ｂを出たエアモルタルは、Ｙ字形状のパイプで合流させている。

図４に示すように、第１油圧シリンダ４ａが吐出工程にある場合、オイル出入り口１０からオイルがシリンダ内第１室に供給され、可動部１２がＢＤＣからＴＤＣ方向に移動し、シリンダ内第２室のオイルはオイル出入り口９から排出される。逆に、吸入工程にある場合、オイル出入り口９からオイルがシリンダ内第２室に供給され、可動部１２がＴＤＣからＢＤＣ方向に移動し、シリンダ内第１室のオイルはオイル出入り口１０から排出される。第１油圧シリンダ４ａには、磁歪センサ２４が内蔵されている。具体的には、支軸１３に磁歪センサ２４が埋め込まれている。可動部１２が支軸１３に沿って移動すると、磁歪センサ２４が可動部１２内の磁石を検知するので、可動部１２の位置を求めることができる。可動部１２の位置が分かれば、ピストン１１がＢＤＣとＴＤＣのどの位置にあるか分かる。

図５は、圧送ポンプ１００の動作タイムチャートである。図５の（Ａ）は、第１ピストンポンプ３ａの吐出速度を示すチャートである。横軸が時間（秒）で、左側の縦軸が吐出速度（リットル／秒）である。右端の縦軸に、ピストンの速度（ｃｍ／秒）を参考までに示す。吐出工程Ｔの時間で吐出が行われ、吸引工程Ｋの時間で吸引が行われる。なお、エアモルタルの吸引速度については図示を省略する。吐出工程Ｔが約２２秒、吸引工程Ｋが約１０秒の場合、１サイクルは３２秒（＝２２秒＋１０秒）となる。ピストン１１の半径は、約１６ｃｍで、１２０ｃｍの１ストロークでは、約１００×１０^３ｃｍ^３（＝約１００リットル）が吐出される。これは、符号Ｔで示す灰色の部分の面積が１００リットルとなることを示している。すなわち、第１ピストンポンプ３ａの性能は、約１８７（リットル／分）（＝１００リットル／３２秒）となる。ピストン１１の吐出時の平均速度は、５．４５（ｃｍ／秒）（＝１２０ｃｍ／２２秒）であるが、吐出の定常状態では、ピストンは約７．６（ｃｍ／秒）の速度で移動している。各時刻でピストンがどれだけ移動したか検知することにより、ピストン１１の速度を得ることができる。各時刻でのピストン１１の速度に、ピストン１１の断面積を乗じたものがエアモルタルの吐出速度である。なお、これらの数値は説明用のものである。

図５の（Ｂ）は、第２ピストンポンプ３ｂの吐出速度を示すチャートである。第２ピストンポンプ３ｂは、第１ピストンポンプ３ａと位相が逆になるように制御する。図５の（Ｃ）は、（Ａ）と（Ｂ）を合わせたものである。これによれば、第１ピストンポンプ３ａと第２ピストンポンプ３ｂの切り換え時も、吐出速度が低下せず、所定の吐出速度にできる。各時刻における吐出量が所定の値から外れている場合、実時間で補正する。圧送ポンプ１００の性能は、第１ピストンポンプ３ａの１８７（リットル／分）と第２ピストンポンプ３ｂの１８７（リットル／分）を合わせた３７４（リットル／分）となる。第１ピストンポンプ３ａと第２ピストンポンプ３ｂを合わせたストローク数（回／分）は、３．７４（回／分）（＝１．８７×２回／分）、吐出圧は約５ＭＰａとした。エアモルタルを送り込む距離は、エアモルタルの粘性にもよるが約３〜５ｋｍである。ピストンを遅く動かして、第１ピストンポンプ３ａと第２ピストンポンプ３ｂを合わせたストローク数を２（回／分）とすれば、吐出性能は約２００（リットル／分）、吐出圧は３ＭＰａの圧送ポンプとすることができる。

図６は、圧送ポンプ１００の回路図である。具体的には、油圧シリンダ４（第１油圧シリンダ４ａと第２油圧シリンダ４ｂ）まわりの回路図である。第１ピストンポンプ３ａのピストンを往復動作させる第１油圧シリンダ４ａと、第２ピストンポンプ３ｂのピストンを往復動作させる第２油圧シリンダ４ｂには、それぞれオイル制御バルブ１７（第１オイル制御バルブ１７ａと第２オイル制御バルブ１７ｂ）が設けられる。第１オイル制御バルブ１７ａは、第１油圧シリンダ４ａの第１室にオイルを送り、また第１室からのオイルを受ける。第２オイル制御バルブ１７ｂは、第１油圧シリンダ４ａの第２室にオイルを送り、また第２室からのオイルを受ける。オイルを流す方向の切り換えは、第１方向切換バルブ１８ａで行なう。第１方向切換バルブ１８ａは、第１オイルポンプ２０ａからオイルの供給を受け、回収するオイルはオイルタンク２１へ戻す。第１オイルポンプ２０ａのオイルの出口には、第１圧力調整バルブ１９ａが設けられる。

図６に示すように、第３オイル制御バルブ１７ｃは、第２油圧シリンダ４ｂの第１室にオイルを送り、また第１室からのオイルを受ける。第４オイル制御バルブ１７ｄは、第２油圧シリンダ４ｂの第２室にオイルを送り、また第２室からのオイルを受ける。オイルを流す方向の切り換えは、第２方向切換バルブ１８ｂで行なう。第２方向切換バルブ１８ｂは、第２オイルポンプ２０ｂからオイルの供給を受け、回収するオイルはオイルタンク２１へ戻す。第２オイルポンプ２０ｂのオイルの出口には、第２圧力調整バルブ１９ｂが設けられる。

オイル制御バルブ１７のオイル通過口を広げることにより、油圧シリンダの可動部１２の移動速度を速め、オイル通過口を狭めることにより、油圧シリンダの可動部１２の移動速度を遅くすることができる。これによりピストンポンプ３のエアモルタルの吐出量を増やしたり減少させたりできる。圧力調整バルブ１９を調節することにより、エアモルタルの吐出圧、吸入圧を調節できる。

図７は、圧送ポンプ１００の回路図である。具体的には、吸入バルブ１と吐出バルブ２まわりの回路図である。第１吸入バルブ１ａ、第２吸入バルブ１ｂ、第１吐出バルブ２ａ、第２吐出バルブ２ｂの各弁体１４は、第１油圧アクチュエータ２６ａ、第２油圧アクチュエータ２６ｂ、第３油圧アクチュエータ２６ｃ、第４油圧アクチュエータ２６ｄで駆動される。油圧アクチュエータ２６は、２つのオイル制御バルブ１７と１つの方向切り換えバルブ１８からなる。第１ピストンポンプ３ａの第１吐出バルブ２ａの場合、第２油圧アクチュエータ２６ｂが設けられ、これに第７オイル制御バルブ１７ｇと第８オイル制御バルブ１７ｈと第４方向切換えバルブ１８ｄが接続される。この構成によれば、第１吐出バルブ２ａの弁体１４を第１ピストンポンプ３ａの吐出開始（図５（Ａ）のＢＤＣの位置）に合わせて開き、第１ピストンポンプ３ａの吐出が減少し始める位置（図５（Ａ）のＴＤＣの位置より左側の位置）に合わせて閉じ始めることができる。なお、丸で囲んだ符号ａ〜ｄ、ｇ、ｈは、図６との接続関係を示すものである。

本発明は、脈動がなく所定の吐出速度を維持してエアモルタルを遠距離に送り出すことができる圧送ポンプとして好適である。

１吸入バルブ
１ａ第１吸入バルブ
１ｂ第２吸入バルブ
２吐出バルブ
２ａ第１吐出バルブ
２ｂ第２吐出バルブ
３ピストンポンプ
３ａ第１ピストンポンプ
３ｂ第２ピストンポンプ
４油圧シリンダ
４ａ第１油圧シリンダ
４ｂ第２油圧シリンダ
９、１０オイル出入り口
１１ピストン
１２可動部
１３支軸
１４弁体
１５吸入口
１６吐出口
１７オイル制御バルブ
１７ａ〜１７ｋ、１７ｍ第１〜１２オイル制御バルブ
１８方向切換バルブ
１８ａ〜１８ｆ第１〜６方向切換バルブ
１９圧力調整バルブ
１９ａ〜１９ｄ第１〜４圧力調整バルブ
２０オイルポンプ
２０ａ第１オイルポンプ
２０ｂ第２オイルポンプ
２１オイルタンク
２４磁歪センサ
２６油圧アクチュエータ
２６ａ第１油圧アクチュエータ
２６ｂ第２油圧アクチュエータ
２６ｃ第３油圧アクチュエータ
２６ｄ第４油圧アクチュエータ
１００圧送ポンプ
Ｓストローク
ＴＤＣ上死点
ＢＤＣ下死点
Ｔ吐出工程
Ｋ吸入工程

Claims

気泡が含まれるエアモルタルを圧送する圧送ポンプであって、
第１ピストンポンプおよび第２ピストンポンプからなり、交互にエアモルタルの吸入と吐出を行なうピストンポンプと、
磁歪センサが内蔵された第１油圧シリンダおよび第２油圧シリンダからなり、前記第１ピストンポンプと前記第２ピストンポンプの各ピストンを往復動作させる油圧シリンダと、
前記ピストンポンプの吸入口の開閉動作を油圧で行なう吸入バルブと、
前記ピストンポンプの吐出口の開閉動作を油圧で行なう吐出バルブと、
前記油圧シリンダへのオイルの供給量を調節し、前記ピストンポンプの各ピストンの速度を制御するオイル制御バルブと、が備えられ、
前記ピストンポンプがエアモルタルを吐出時、各時刻における前記ピストンの位置を前記磁歪センサで検知し、各時刻でピストンがどれだけ移動したか検知してピストンの速度を得、ピストンの速度にピストンの断面積を乗じて各時刻におけるエアモルタルの吐出速度を求め、吐出速度が所定の吐出速度となるように前記オイル制御バルブが制御され、前記ピストンポンプの吐出の切り換え時、前記第１ピストンポンプと前記第２ピストンポンプの吐出速度の和が、所定の吐出速度となるように前記オイル制御バルブが制御され、吐出速度が維持されることを特徴とする圧送ポンプ。
前記油圧シリンダへの単位時間当たりのオイル供給量が吸入時よりも吐出時に多くなるように前記オイル制御バルブが制御されて、前記ピストンポンプの吸入工程に要する時間が吐出工程に要する時間より短くされることを特徴とする請求項１に記載の圧送ポンプ。