本发明涉及一种柱塞泵，其通过使柱塞在汽缸室内进行旋转运动的同时进行往复运动，使吸入口和排出口交替与汽缸室连通，从而输送流体。
背景技术：
以往，已知有已知柱塞泵，其通过使在前端部外周形成有切削面的柱塞在汽缸室内进行旋转运动的同时进行往复运动，使与汽缸室相连的吸入口和排出口交替连通来输送流体(例如，参照专利文献1和2)。
在这种柱塞泵中，在所输送的流体的特性具有析出性或粘合性时，通过析出或粘合而导致柱塞和汽缸不能滑动，进而有时导致泵停止。因此，如图7所示的专利文件1和2所公开的柱塞泵100那样，采用如下结构，例如在比设置于汽缸101的前端部附近的外周侧的吸入口102和排出口103更靠汽缸101的基端侧，具备粘合防止口104a、104b。
从外部向该粘合防止口104a、104b供给清洗液。通过该清洗液，冲洗汽缸内周面105和柱塞外周面106之间的析出性或粘合性的流体，以防止析出或粘合导致的泵停止。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-248543号公报
专利文献2：日本特开2008-51392号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
但是，根据泵的设置地点或使用环境等的使用条件，有时不能使用清洗液，或者不能另外设置包括如上所述的粘合防止口104a、104b的、使清洗液流动的通道。因此，希望出现不受泵的使用条件的控制，而能防止析出或粘合所导致的泵停止的结构的柱塞泵。
本发明是鉴于上述情况而做出的，目的在于提供一种柱塞泵，其在任何条件下都能够防止析出或粘合所导致的泵停止。
用于解决问题的方案
本发明的柱塞泵，其特征在于，具备：汽缸，其在内部具有汽缸室；柱塞，其以外周面与所述汽缸的内周面滑动接触的方式相对于所述汽缸室进退自如地配置，并且在前端部外周形成有切削面；以及吸入口和排出口，其以与所述汽缸室相连的方式设置在所述汽缸上，所述柱塞泵通过使所述柱塞相对于所述汽缸室在进行旋转运动的同时，沿轴向进行往复运动，从而使所述吸入口和排出口交替与所述汽缸室连通，并输送流体，所述汽缸具备：具有所述汽缸室的汽缸部；以及，与所述柱塞的比在所述汽缸室进退的部分更靠近基端侧的部分进行滑动的衬套部，所述汽缸部由第一硬度的材料构成，所述衬套部由比所述第一硬度柔软的第二硬度的树脂材料构成，从所述衬套部的与所述柱塞的滑动部分的基端到所述衬套部的前端为止的所述轴向上的长度，比所述柱塞的往复运动的最大冲程长度长。
在本发明的一个实施方式中，从所述衬套部的所述滑动部分的基端到所述衬套部的前端为止的所述轴向上的长度，比所述汽缸部的所述轴向上的长度长。
在本发明的另一个实施方式中，从所述衬套部的所述滑动部分的基端到所述衬套部的前端为止的所述轴向上的长度，最大也比所述轴向上的从所述衬套部的所述滑动部分的基端到所述柱塞后退最大时的该柱塞的外周面和所述切削面的分界台阶部为止的长度短。
在本发明的又一个实施方式中，所述柱塞泵具备轴密封件，该轴密封件设置在所述汽缸的基端部侧，并对所述汽缸和所述柱塞进行密封。
在本发明的又一个实施方式中，所述衬套部由具有憎水性的材料构成。
在本发明的又一个实施方式中，在所述衬套部的内周面、所述汽缸部的内周面、以及所述柱塞的外周面中的至少一个上设置储液部。
在本发明的又一个实施方式中，所述柱塞的切削面形成为，当所述柱塞与所述汽缸的前端部在轴向上分离最大时，所述柱塞的切削面到达与所述衬套部的内周面的对置的位置上。
在本发明的又一个实施方式中，所述柱塞由所述第一硬度的材料构成。
在本发明的又一个实施方式中，所述第一硬度以莫氏硬度表示为8～13，所述第二硬度以r标尺的洛氏硬度表示为119～130。
在本发明的又一个实施方式中，所述汽缸由碳化硅或氧化铝陶瓷材料构成，所述柱塞由碳化硅、氧化铝陶瓷材料、氧化锆陶瓷材料、以及不锈钢材料中的任一种构成，所述衬套部由抗压强度为89mpa以上的树脂材料构成。
在本发明的又一个实施方式中，所述树脂材料为pps(聚苯硫醚)树脂、peek(聚醚醚酮)树脂、psu(聚砜)树脂、pom(聚缩醛)树脂、以及pa6(聚酰胺6、尼龙6)树脂中的任一种。
发明的效果
根据本发明，在任何使用条件下都能够防止由析出或粘合导致的泵停止。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的柱塞泵的局部剖切主视图。
图2是表示该柱塞泵的侧视图。
图3是表示该柱塞泵的泵头的剖视图。
图4是表示本发明的第二实施方式的柱塞泵的泵头的剖视图。
图5是表示本发明的第三实施方式的柱塞泵的泵头的剖视图。
图6是表示本发明的第四实施方式的柱塞泵的泵头的剖视图。
图7是表示现有的柱塞泵的泵头的剖视图。
附图标记说明
1：柱塞泵
10、10a：泵头
11：泵托架
12：汽缸部
12a：汽缸
12a：汽缸内周面
13：柱塞
13a:柱塞外周面
14：衬套部
14a:衬套内周面
15：汽缸室
16：吸入口
17：排出口
18：切削面
19：法兰
19a：插入法兰
20：马达
21：唇形密封件
22：后座
23：螺母
24：前框架
25：后框架
26：活动轴
27：销
29：储液部
30：驱动接头单元
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的实施方式的柱塞泵进行详细说明。另外，下面的实施方式并不限定各技术方案的发明，而且实施方式中说明的特征的全部组合不一定是发明的解决方案所必须的。
第一实施方式
图1是表示本发明的第一实施方式的柱塞泵1的局部剖切主视图。此外，图2是表示柱塞泵1的侧视图，图3是表示柱塞泵1的泵头10的剖视图。
如图1和图2所示，第一实施方式的柱塞泵1主要用于输送具有析出性或粘合性的流体。作为所输送的流体，可列举出例如在医疗用分析装置等中使用的接近生理盐水的缓冲液、人工透析装置中使用的透析液等易发生析出或粘合的液体。
柱塞泵1具备：泵头10，其是泵的主要部分；马达20，其用于驱动该泵头10的柱塞13；以及驱动接头单元30，其用于连接这些柱塞13和马达20。
如图3所示，泵头10具有：汽缸12a，其收容在泵托架11中，该泵托架11由例如聚偏氟乙烯(pvdf)树脂或乙烯三氟氯乙烯共聚物(ectfe)构成；以及柱塞13，其插入在该汽缸12a中。
在第一实施方式的柱塞泵1中，汽缸12a由配置在泵头10的前端侧的汽缸部12、以及配置在其基端侧的衬套部14构成。汽缸部12的汽缸内周面12a和衬套部14的衬套内周面14是同轴的圆筒表面，且构成同一水平面。这些内周面12a、14a与柱塞13的柱塞外周面13a滑动接触。汽缸12a的汽缸部12和柱塞13例如由陶瓷材料构成，更具体而言，例如由莫氏硬度为8～9的氧化铝(al2o3)陶瓷材料构成。
在汽缸12a的前端部形成有由泵托架11封闭的汽缸室15。汽缸12a具备无阀门的吸入口16和排出口17，该吸入口16和排出口17位于与汽缸室15相连的位置上，并且在与汽缸12a的轴向正交的方向上相对置。而且，柱塞13具备形成于前端部外周的切削面18，在其基端部安装有与柱塞13的轴正交的销27，该销27经由驱动接头单元30与马达20的旋转轴连接。柱塞13的旋转轴和马达20的旋转轴被调整为形成预定的角度，而不在一条直线上。
因此，柱塞13由马达20旋转驱动，相对于汽缸室15进行旋转运动的同时，沿轴向进行往复运动。由此，经由切削面18，吸入口16和排出口17交替与汽缸室15连通，并且进行输送流体的经由吸入口16的吸入和经由排出口17的排出。由此，进行流体的输送。在泵托架11的基端侧附近设置有法兰19，法兰19用于将泵头10安装到前框架24的前端面上。在该法兰19中插入有例如由铝构成的插入法兰19a，以进行加强。而且，在衬套部14的基端侧安装有由例如聚四氟乙烯(ptfe)树脂构成的多个唇形密封件(轴密封件)21以及后座22。
这些唇形密封件21和后座22至少在唇形密封件21与汽缸12a的基端侧以及柱塞外周面13a贴紧的状态下，利用由例如聚丙烯(pp)树脂构成的螺母23螺纹固定在泵托架11的基端部的螺纹部。马达20由例如步进马达构成，驱动接头单元30收容在由例如不锈钢(sus304)构成的前框架24和后框架25的内部。此外，泵头10利用活动轴26能够相对于后框架25等调整为任意的角度。
如此构成的第一实施方式的柱塞泵1随着柱塞13的旋转，其前端的切削面18的先行侧的侧边与吸入口16接触，吸入口16与汽缸室15连通，则成为泵起动状态。从该状态开始，如果柱塞13在向预定方向旋转的同时，从汽缸12a的汽缸室15被拉出，则成为流体从吸入口16被吸入到汽缸室15的内部的吸入状态。
然后，如果柱塞13的前端的切削面18的后行侧的侧边从吸入口16分离，则吸入口16被柱塞13堵住，从而吸入工序结束。而且，如果柱塞13的前端的切削面18的先行侧的侧边与排出口17接触，则排出口17与汽缸室15连通。
与此同时，由于柱塞13在进行旋转的同时被推入汽缸12a的汽缸室15内，因此切换为汽缸室15内的流体从排出口17排出的排出工序。而且，如果柱塞13的前端的切削面18的后行侧的侧边从排出口17分离，则排出口17被柱塞13堵住，从而排出工序结束。如果柱塞13进一步进行旋转，则再次返回到上述起动状态，以下重复进行同样的动作，从而将流体从吸入口16输送到排出口17。
在此，作为柱塞泵1在运行中停止的原因，推断有如下情形。即，采取了如下对策，利用上述唇形密封件21、后座22、以及螺母23，防止沿柱塞13的轴向流过柱塞13与汽缸12a之间的极小的间隙的流体漏出到泵托架11的外部。另外，还采取了如下对策，利用该唇形密封件21，防止大气从外部进入衬套部14的内部而导致的析出或粘合。唇形密封件21配置成，通过如图所示与衬套部14并用，最大限度地发挥这些效果。
但是，在柱塞泵1的结构上，由于柱塞13相对于汽缸12a进行往复运动，因此虽然是每次一点点，但流体会漏出到柱塞13的表面。而且，在唇形密封件21等磨损或老化时，也会导致漏出到外部。
此时，如果从流体中产生析出物或流体粘合，则析出物或粘合物通过柱塞13的往复运动，而进入柱塞13和汽缸12a之间。如上所述，柱塞13和汽缸12a的汽缸部12由非常硬且不变形的氧化铝陶瓷材料构成，因此如果有异物混入到极小的间隙中，则不能变形，最终咬住异物而成为锁定状态，进而泵停止。
在本实施方式中，将如上所述的异物容易进入的、柱塞13和汽缸12a的滑动部，即衬套部14由比柱塞13、汽缸部12柔软的材质构成。通过该结构，当异物进入到柱塞13和汽缸12a之间的间隙时，汽缸12a中的衬套部14发生变形或磨损，从而能够避免柱塞13和汽缸12a之间咬住异物，能够防止泵停止。
即，如上所述，汽缸12a的汽缸部12和柱塞13由非常硬的氧化铝陶瓷材料构成。从作为流体的缓冲液析出、粘合的氯化钠(nacl)的硬度，例如用莫氏硬度表示，则约为2～2.5(维氏硬度约为60～100)。此外，从透析液析出、粘合的碳酸钙(caco3)的硬度，例如用莫氏硬度表示，则约为3。
另一方面，衬套部14由例如r标尺的洛氏硬度约为119～130的材料构成，进一步优选由抗压强度约为89mpa以上的树脂材料构成。作为树脂材料，优选pps(聚苯硫醚)树脂、peek(聚醚醚酮)树脂、psu(聚砜)树脂、pom(聚缩醛)树脂、以及pa6(聚酰胺6、尼龙6)树脂中的任一种。
在此，pps树脂的r标尺的洛氏硬度约为123，抗压强度约为110mpa。此外，peek树脂、psu树脂、以及pom树脂的r标尺的洛氏硬度都约为120，抗压强度分别为约125mpa、约276mpa、约110mpa。而且，pa6树脂的r标尺的洛氏硬度约为119，抗压强度约为89～110mpa。
如此，要求用于衬套部14的材料比氯化钠、碳酸钙的析出物、粘合物柔软，或具有通过柱塞13和析出物、粘合物的运动能够变形等程度的强度。另一方面，衬套部14被压入到由pvdf或ectfe构成的泵头10的泵托架11内，因此还要求具有相对于来自周围的紧固力不变形等程度的强度。
使用一般塑料等的树脂材料作为衬套部14时，由于塑料材料几乎都是无法用莫氏硬度表示的软质材料，因此在具有产生析出物、粘合物导致的变形或磨损的程度的强度方面没有问题。针对另一个要求、即泵托架11造成的来自周围的紧固，要求具有硬度和抗压强度的树脂材料。
作为满足这些要求的树脂材料，上述的pps树脂、peek树脂、psu树脂、pom树脂、以及pa6是合适的。其结果，如果是满足r标尺的洛氏硬度约为119～130、抗压强度约为89mpa以上的条件的树脂材料，则能够形成在任何使用条件下都能够防止析出或粘合导致的泵停止的衬套部14。
此外，由于通用性高的pp(聚丙烯)树脂、pe(聚乙烯)树脂、以及ptfe(聚四氟乙烯)树脂的r标尺的洛氏硬度分别为约65～96、约40、约20，抗压强度分别为约25～55mpa、约19～25mpa、约10～15mpa，因此作为用于衬套部14的材料，在硬度和抗压强度方面，比上述材料稍微差点。此外，衬套部14可以由具有憎水性的材料构成。例如，为了提高憎水性，可举出如下方法：在上述树脂材料中加入添加物，或在表面性质上下功夫，或将衬套内周面14a用氟树脂类的材料进行表面加工(涂敷)。如此，由于能够减少流向衬套部14的基端侧的流体的流量，因此能够进一步减少析出或粘合导致的影响。
此外，在本实施方式中，将柱塞泵1以如下方式构成，如图3所示，例如将衬套部14的与柱塞13的轴向的滑动部分的基端到衬套部14的前端为止的轴向上的长度设为l1时，该长度l1比柱塞13的往复运动的最大冲程长度lst的长度长。而且，例如将汽缸部12的轴向上的长度设为ls时，从衬套部14的滑动部分的基端到衬套部14的前端为止的长度l1比该汽缸部12的长度ls更长。即，如图所示，在汽缸12a的轴向的全长上，衬套部14例如占据其一半以上的长度。
如果如此构成，则在柱塞13的基端侧在与外气(空气)接触的部位产生的析出物或粘合物难以通过柱塞13的冲程而经过衬套14被搬运到汽缸部12。因此，与上述结构结合，能够进一步防止析出或粘合导致的泵停止。
此外，例如将从衬套部14的滑动部分的基端到柱塞13后退到最大时的柱塞13的外周面13a和切削面18之间的分界台阶部为止的长度设为lmin时，从衬套部14的滑动部分的基端到衬套部14的前端为止的轴向上的长度l1设定为，最大也比该长度lmin短。如果如此设定，则切削面18总是停留在汽缸部12的内部，能够防止朝向柱塞13的基端部侧的液体漏出。而且，也能够抑制对二次侧压力高时的排出量的影响。
第二实施方式
图4是表示本发明的第二实施方式的柱塞泵1的泵头10a的剖视图。此外，在包含图4的以下说明中，对于与第一实施方式同一的结构要素，标注同一参照附图标记，下面省略重复说明。
如图4所示，第二实施方式的柱塞泵1的泵头10a，在构成汽缸12a的汽缸部12和衬套部14之中，在衬套部14的汽缸部12侧形成有储液部29，该储液部29以比衬套内周面14a更大的直径开口。
在这一点上，和衬套部14的衬套内周面14a与柱塞13的柱塞外周面13a完整地滑动接触的第一实施方式的柱塞泵1的泵头10不同。此外，该储液部29可以是槽形状，可以设置在汽缸内周面12a或柱塞外周面13a上。利用储液部29能够使衬套部14的内部保持更湿润的状态，能够使得难以发生析出或粘合。在该第二实施方式中，从衬套部14的滑动部分的基端到衬套部14的前端为止的轴向上的长度l2也比柱塞13的最大冲程长度lst长。
第三实施方式
图5是表示本发明的第三实施方式的柱塞泵1的泵头10b的剖视图。如图5所示，第三实施方式的柱塞泵1的泵头10b，在泵托架11a的衬套部14侧形成有清洗液管道41a、41b。此外，在衬套部14上形成有与清洗液管道41a、41b连通的粘合防止口42a、42b、以及清洗室43。
清洗液从外部通过清洗液管道41a、41b以及粘合防止口42a、42b供给至该清洗室43。利用该清洗液，能够冲洗从汽缸室15侧进入衬套内周面14a和柱塞外周面13a之间的析出性或粘合性的流体。而且，即使万一在清洗室43中未完全冲洗流体时，由于是设置有上述的衬套部14的结构，因此能够有效防止析出或粘合导致的泵停止。在这些方面，与衬套内周面14a和柱塞外周面13a完整地滑动接触的第一实施方式、以及设置有储液部29的第二实施方式的柱塞泵1的泵头10、10a不同。此外，在该第三实施方式中，从衬套部14的滑动部分的基端到衬套部14的前端为止的轴向上的长度l3也比柱塞13的最大冲程长度lst长。
第四实施方式
图6是表示本发明的第四实施方式的柱塞泵1的泵头10c的剖视图。如图6所示，第四实施方式的柱塞泵1的泵头10b中，泵托架11a的外观上的结构与第三实施方式相同。但是不同点在于，在汽缸部12的比吸入口16及排出口17更靠近基端侧，形成有清洗液管道41a、41b、粘合防止口42a、42b、以及清洗室43。虽然衬套部14在柱塞13的轴向上的长度比第三实施方式小，但从衬套部14的滑动部分的基端到衬套部14的前端为止的轴向上的长度l4比柱塞13的最大冲程长度lst长，能够起到与上述同样的作用效果。
以上对本发明的一些实施方式进行了说明，但这些实施方式只是示例性的，并不限定发明的范围。这些新的实施方式能够用其他各种各样的方式实施，在不脱离发明的宗旨的范围内，能够进行各种各样的省略、替换、变化。这些实施方式及其变形包含在发明的范围或宗旨内，且包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。
例如，在上述实施方式中，以用唇形密封件21等密封衬套部14的基端侧的方式构成，但即使是省略了该唇形密封件21等的结构，也能够防止泵停止。此外，在上述结构的基础上，通过将柱塞外周面13a和衬套内周面14a之间的间隙尺寸、轴向上的长度尺寸等各种尺寸，根据输送的流体而相应调整为难以发生析出、粘合的尺寸，能够进一步防止泵停止。
此外，虽然在上述实施方式中没有提及，但为了使衬套部14的湿润状态更好，有效的方法是，以柱塞13的切削面18在泵吸入工序结束时(将柱塞13拉出最大的状态)到达衬套部14的位置的方式，来设计汽缸12a的长度。这是因为，汽缸12a的尺寸对柱塞泵1的流量精度几乎不会产生影响。此外，衬套部14的材质不局限于树脂，可以使用比异物的晶体柔软的各种各样的材料。而且，还要求马达20的转矩强大，且马达转矩与衬套材质必须匹配，以使衬套部14能够变形。
此外，在上述的实施方式中举例说明了汽缸12a的汽缸部12和柱塞13分别由莫氏硬度为8～9的氧化铝陶瓷材料构成的例子，但汽缸部12和柱塞13的材料可以分别为下面的组合。即，汽缸部12由莫氏硬度为13的碳化硅(sic)构成时，柱塞13也同样由碳化硅材料构成。此外，汽缸部12由氧化铝陶瓷材料构成时，柱塞13由莫氏硬度为8～8.5的氧化锆陶瓷材料构成。此外，柱塞13也可以由不锈钢材料(sus316)形成。此种情况下，各个材料的硬度按照树脂＜不锈钢材料(sus316)＜氧化锆陶瓷材料＜氧化铝陶瓷材料＜碳化硅的记载顺序变硬，与本申请的发明内容不产生任何矛盾。而且，在上述的第三和第四实施方式中设置的粘合防止口42a、42b设置于汽缸12a的汽缸部12或衬套部14的任一个即可，能够作为良好地发挥本发明效果的结构。