本实用新型涉及一种使活塞在缸室内一边进行旋转运动一边进行往复运动，使吸入口以及排出口轮流与缸室连通，进行流体的输送的活塞泵。
背景技术：
活塞泵用于使前端部外周上形成有切割面的活塞在缸室内一边进行旋转运动一边进行往复运动，使与缸室相连的吸入口以及排出口轮流连通，从而输送流体(例如，参照专利文献1以及2)。在这类活塞泵中，在输送的流体的特性具有析出性、粘着性的情况下，析出、粘着导致活塞和缸体会无法滑动。
为了防止该故障，例如采取如下对策：在活塞泵设置从活塞泵的外部设备供应清洗液的防固端口，并用供应的清洗液冲洗缸体内周面以及活塞外周面间的析出性、粘着性的流体，从而防止泵停止。
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
专利文献3：日本特开2017-137780号公报
技术实现要素：
实用新型要解决的技术问题
然而，取决于泵的设置场所、使用环境等各种使用条件，存在无法使用洗净液、无法另行设置上文的包括防粘着端口的用于流通洗净液的流路的情况。因此，已知进一步改良的结构的活塞泵，其不受泵的使用条件的限制，能够防止析出、粘着导致的泵停止(例如，参照专利文献3)。
本实用新型的目的在于，提供一种在各种使用条件下均能够防止析出、粘着导致的泵停止以及漏液的进一步改良的活塞泵。
解决技术问题的方法
本实用新型所涉及的活塞泵，其特征在于，具备：内部具有缸室的缸体；活塞，其配置成以外周面与所述缸体的内周面滑动接触的方式相对于所述缸室进退自如，并且在前端部外周形成切割面；吸入口以及排出口，其设置在所述缸体上且与所述缸室相连，所述活塞泵通过使所述活塞相对于所述缸室一边进行旋转运动一边在轴方向上进行往复运动，从而使所述吸入口以及排出口轮流与所述缸室连通以输送流体，所述缸体具备缸体主体和垫环部，所述垫环部安装在该缸体主体的基端侧的内侧部分，并相对于所述活塞的比在所述缸室中进退的部分更位于基端侧的部分滑动，还具备密封部，其设置于所述缸体的基端部侧，对所述缸体主体、所述活塞以及所述垫环部进行密封。
在本实用新型的其他实施方式中，所述缸体主体由第1硬度的材料形成，所述垫环部由比所述第1硬度软的第2硬度的树脂材料形成。
在本实用新型的另一实施方式中，所述垫环部由至少具有防水性以及耐磨耗性中的一项的材料形成
在本实用新型的另一实施方式中，所述第1硬度以莫氏硬度为8～13，所述第2硬度以R标尺的洛氏硬度计为130以下。
在本实用新型的又一实施方式中，所述树脂材料是下述任一种：PTFE(聚四氟乙烯)树脂，PP(聚丙烯)树脂，PE(聚乙烯)树脂，PVDF(聚偏氟乙烯)树脂，UHMWPE(超高分子量聚乙烯)树脂，PPS(聚苯硫醚)树脂，PEEK(聚醚醚酮)树脂，PSU(聚砜)树脂，POM(聚甲醛)树脂，以及PA6(聚酰胺6、6尼龙)树脂。
实用新型的效果
根据本实用新型，在各种使用条件下均能够防止析出、粘着导致的泵停止以及漏液。
附图说明
图1是示出本实用新型的第1实施方式所涉及的活塞泵的部分剖切俯视图。
图2是示出该活塞泵的侧视图。
图3是示出该活塞泵的泵头的剖视图。
图4是示出本实用新型的第2实施方式所涉及的活塞泵的泵头的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明本实用新型的实施方式所涉及的活塞泵。需要说明的是，以下的实施方式不限定各权利要求所涉及的实用新型，另外，实施方式的中说明的特征的组合均非实用新型的解決方式所必须的。
[第1实施方式]
如图1以及图2所示，第1实施方式所涉及的活塞泵1主要可用于输送具有析出性、粘着性的流体，和渗透性非常高的流体等。作为被输送的流体，例如可列举在医疗用分析装置等中使用的接近生理盐水的缓冲溶液(缓冲液)和各种试剂，在人工透析装置中使用的透析液等容易发生析出、粘着，且渗透性高的液体。
活塞泵1构成为具备：作为泵的主要部分的泵头10，驱动泵头10的活塞13的电机20，对活塞13与电机20进行连接的驱动接合单元30。如图3所示，泵头10具有：例如由聚偏氟乙烯(PVDF)树脂、三氟氯乙烯-乙烯共聚物(ECTFE)形成的容纳在泵支架11中的缸体12，和插入在该缸体12中的活塞13。
在第1实施方式的活塞泵1中，缸体12由缸体主体12A和垫环部14构成，在前端部形成有被泵支架11闭合的缸室15。缸体12具体具备：例如圆筒状的缸体主体12A；安装在该缸体主体12A的基端侧的内侧部分，且相对活塞13滑动的垫环部14。例如通过压入使垫环部14容纳在容纳孔28内，容纳孔28设置成开口在缸体主体12A的基端侧。缸体主体12A的缸体内周面12a和垫环部14的垫环内周面14a，实质上是同轴圆筒面，且实质上构成同一高度的面。
另一方面，为了将垫环部14设置在缸体主体12A的内侧部分的容纳孔28内，虽然缸体主体12A的缸体外周面12b和垫环部14的垫环外周面14b是同轴圆筒面，但是以缸体外周面12b的直径比垫环外周面14b直径更大的方式构成不同高度的面。
缸体内周面12a以及垫环内周面14a，与活塞13的活塞外周面13a滑动接触。缸体主体12A以及活塞13例如由陶瓷材料形成，更具体地，例如由莫氏硬度为8～13的氧化铝(Al2O3)陶瓷材料形成。
缸体主体12A在与缸室15相连的位置处具备无阀的吸入口16以及排出口17，吸入口16以及排出口17在垂直于缸体主体12A的轴方向的方向上对置。活塞13具备在前端部外周上形成的切割面18。活塞13的基端部上安装有与活塞13的轴垂直的销27(参照图1)。该销27，通过驱动接合单元30与电机20的旋转轴连接。
活塞13的旋转轴与电机20的旋转轴被调节成不在一条直线上，而是成规定的角度。因此，活塞13在被电机20旋转驱动时，相对于缸室15一边进行旋转运动一边进行往复运动。由此，通过切割面18，吸入口16以及排出口17轮流与缸室15连通，并经过的吸入口16的吸入输送的流体，经过排出口17的排出输送的流体。由此，进行流体的输送。
在泵支架11的基端部附近，设置有用于将泵头10安装于前框架24的前端面的法兰19。为了进行加强，例如可以在法兰19中插入由铝形成的插入式法兰(未图示)。在泵支架11的基端部上，形成有螺纹部11a。在该螺纹部11a上，例如安装有由聚丙烯(PP)树脂、聚偏氟乙烯(PVDF)树脂形成的螺母23。
在缸体主体12A的基端部侧以及垫环部14的基端侧与螺母23之间，隔着配置在螺母23侧的背板22，安装有作为密封部的边缘密封件(轴密封件)21。边缘密封件21以至少与缸体主体12A的基端部端面、活塞外周面13a以及垫环部14的基端部端面紧贴的状态安装，从而对缸体主体12A、活塞13以及垫环部14进行密封。在本实施方式中，边缘密封件21例如由聚四氟乙烯(PTFE)树脂形成。重叠多个(例如3个)的密封材料构成边缘密封件21。背板22例如作为用于防止螺母23损伤边缘密封件21的缓冲材料发挥作用。
需要说明的是，电机20例如由步进电机构成，驱动接合单元30收纳在例如由不锈钢(SUS304)形成的前框架24以及后框架25的内部。而且，通过摆动轴26，可将泵头10调节成与后框架25等成任意的角度。
如此构成的第1实施方式的活塞泵1，随着活塞13的旋转，当其前端的切割面18的先行侧的侧边与吸入口16相接且吸入口16与缸室15连通时，处于泵起始状态。当从该状态开始，活塞13一边朝规定的方向旋转一边从缸体主体12A的缸室15退出，则成为流体从吸入口16被吸入到缸室15的内部的吸入状态。
此后，活塞13的前端的切割面18的后行侧的侧边离开吸入口16，吸入口16被活塞13封塞，吸入步骤结束。然后，活塞13的前端的切割面18的先行侧的侧边与排出口17相接，排出口17与缸室15连通。
与此同时，由于活塞13在缸体主体12A的缸室15内一边旋转一边推入，因此切换到缸室15内的流体从排出口17排出的排出步骤。进一步，当活塞13的前端的切割面18的后行侧的侧边离开排出口17时，排出口17被活塞13封塞，排出步骤结束。当活塞13进一步旋转时，再次返回到上文所述的起始状态，以后通过重复相同的动作，将流体从吸入口16输送到排出口17。
这里，活塞泵1在运转中停止的原因，可设想如下情况。首先，将上文所述的包括边缘密封件21的密封部通过背板22被螺母23固定于泵支架11的基端部，从而采取对策以使穿过活塞13与缸体主体12A之间仅有的空隙在活塞13的轴方向上流动的流体，不会泄漏到泵支架11的外部。
另外，通过该密封部(边缘密封件21)，采取对策以防止大气从外部进入垫环部14的内部导致析出、粘着。如图所示，通过与垫环部14同时使用密封部，并在缸体主体12A的基端部侧设置密封部，能够配置成最大地发挥两者的效果。
然而，在活塞泵1的构造上，由于活塞13相对于缸体主体12A进行往复运动，因此虽然是微小的误差，但是流体会漏出到活塞13的表面(活塞外周面13a)。另外，在作为密封部的边缘密封件21磨耗或劣化的情况下，也会漏出到外部。
此时，当从流体中产生析出物或流体粘着时，析出物、粘着物因活塞13的往复运动不断进入活塞13与缸体主体12A之间。如上文所述，由于活塞13和缸体主体12A由非常硬的不会变形的氧化铝陶瓷材料形成，因此当异物进入微小的间隙中时，无法变形而最终被嵌入异物成为锁定状态，泵会停止。
在本实施方式中，使用比活塞13、缸体主体12A更软的材质构成上述这类容易进入异物的活塞13与缸体主体12A之间的滑动部(即垫环部14)，并将该滑动部容纳在缸体主体12A的容纳孔28内。
通过该结构，当异物进入活塞13与缸体主体12A之间的空隙时，缸体主体12A的容纳孔28内的垫环部14，在与异物相比的硬度以及磨耗性的关系中，成为适当变形或被磨耗的一方，从而避免异物嵌入活塞13与缸体主体12A之间，能够防止泵停止。需要说明的是，在垫环部14的基端部侧，垫环内周面14a形成其直径朝向垫环外周面14b逐渐增大的锥状。由此，例如在实际组装泵头10时，能够使边缘密封件21的内周部的朝轴方向弯曲的部分与垫环部14互不干扰。
即，如上文所述，缸体主体12A以及活塞13由非常硬的氧化铝陶瓷材料形成，与此相对，从作为流体的缓冲溶液中析出、粘着的氯化钠(NaCl)的硬度，例如以莫氏硬度表示为约2～2.5(以维氏硬度计约为60～100)。另外，从透析液中析出、粘着的碳酸钙(CaCO3)的硬度，例如以莫氏硬度表示为约3。
另一方面，垫环部14例如由R标尺的洛氏硬度为约130以下的材料形成。作为树脂材料，优选是下述任一项：PTFE(聚四氟乙烯)树脂，PP(聚丙烯)树脂，PE(聚乙烯)树脂，PVDF(聚偏氟乙烯)树脂，UHMWPE(超高分子量聚乙烯)树脂，PPS(聚苯硫醚)树脂，PEEK(聚醚醚酮)树脂，PSU(聚砜)树脂，POM(聚甲醛)树脂，以及PA6(聚酰胺6、6尼龙)树脂。
这里，PTFE树脂的R标尺的洛氏硬度为约20。PP树脂的R标尺的洛氏硬度为约65～96。PE树脂的R标尺的洛氏硬度为约40。另外，PVDF树脂的R标尺的洛氏硬度为约93～116。UHMWPE树脂的R标尺的洛氏硬度为约50～56。此外，PPS树脂的R标尺的洛氏硬度为约123。另外，PEEK树脂、PSU树脂以及POM树脂的R标尺的洛氏硬度均为约120。此外，PA6树脂的R标尺的洛氏硬度为约119。
如上，要求垫环部14所使用的材料比氯化钠、碳酸钙的析出、粘着物更软，或者具有能够因活塞13与析出、粘着物的运动而变形的程度的強度。
在将一般的塑料等的树脂材料用作垫环部14的情况下，由于塑料材料大多是无法用莫氏硬度表示的软质材料，因此在具有因析出、粘着物而产生变形、磨耗的程度的強度的点上，没有问题。
作为满足这些要求的树脂材料，上文所述的PTFE树脂、PP树脂、PE树脂、PVDF树脂、UHMWPE树脂、PPS树脂、PEEK树脂、PSU树脂、POM树脂以及PA6树脂是合适的，结果是，只要是满足R标尺的洛氏硬度为约130以下的条件的树脂材料，则能够形成在各种使用条件下均能够防止析出、粘着导致的泵停止的垫环部14。
此外，垫环部14也可由具有防水性的材料构成。例如，为了提高防水性，可列举在上文所述的树脂材料中加入添加物，改变表面性状，用氟树脂系的材料对垫环内周面14a进行表面加工(涂覆)。通过这样，能够减少流体向垫环部14的基端侧流动的量，因此能够进一步减小析出、粘着导致的影响。另外，垫环部14可由具有耐磨耗性的材料构成，更优选由耐磨耗性高的材料构成。例如，通过使用UHMWPE树脂这类耐磨耗性高的树脂，使粘着物、析出物导致的垫环部14的磨耗延迟发生，能够长时间维持垫环部14的初始形状。通过这样，能够确保垫环部14与活塞13之间的空隙狭窄，因此能够减少流体向垫环部14的基端侧流动的量，能够进一步减小析出、粘着导致的影响。与此同时，能够减少垫环部14自身的磨耗粉的产生和该磨耗粉的堆积量，因此能够降低在活塞泵1中阻碍活塞13的滑动的因素。
另外，在本实施方式中，如图3所示，将活塞泵1构成为：例如在将从垫环部14的相对于活塞13沿轴方向滑动部分的基端，到垫环部14的前端为止的轴方向的长度记作L的情况下，该长度L比活塞13的往复运动的最大冲程长度Lst的长度更长。通过这样的结构，能够使在活塞13的基端侧且在与外部气体(空气)接触的部位产生的析出物、粘着物，难以因活塞13的冲程而越过垫环部14被搬送到缸体主体12A的前端侧，可更好地防止析出、粘着导致的泵停止。
需要说明的是，垫环部14的轴方向的长度L可设置成，在最大时也比例如从垫环部14的滑动部分的基端，到活塞13后退最多时的活塞13的外周面13a与切割面18的边界台阶部为止的长度更短。通过这样，切割面18可一直以与缸体内周面12a对置的方式进行动作，因此能够形成更简单地防止向活塞13的基端部侧的漏液的结构。另外，也可减小在二次侧压力高的情况下对排出量的影响。
而且，输送的流体，如上文所述流动经过缸体主体12A的缸体内周面12a与活塞13的活塞外周面13a之间，因此直接将垫环部14的垫环内周面14a与活塞外周面13a之间，和隔着缸体主体12A的容纳孔28的台阶部分的垫环部14的垫环外周面14b与容纳孔28的孔内周面28a之间，当作泄漏路径流经其中。
但是，在本实施方式中，如上文所述，由于是作为密封部的边缘密封件21对缸体主体12A、活塞13以及垫环部14进行密封的结构，因此即使流体具备渗透性高的特性，也能够有效地防止泵头10的根部侧的漏液。因此，第1实施方式的活塞泵1，可防止漏液的产生，并且在各种使用条件下也能够防止析出、粘着导致的泵停止。
[第2实施方式]
接着，说明第2实施方式所涉及的活塞泵1。
需要说明的是，包括图4在之后的说明中，与第1实施方式相同的构成元件标记相同的附图标记，在下文中省略重复的说明。
如图4所示，在第2实施方式所涉及的活塞泵1的泵头10A中，在缸体主体12A的容纳孔28中容纳有垫环部14和作为密封部的Vari密封件(Variseal注册商标)29，该Vari密封件29配置在该垫环部14的基端侧。在这一点上，与容纳孔28中容纳有垫环部14，且在缸体主体12A的基端部侧以及垫环部14的基端侧配置有作为密封部的边缘密封件21的第1实施方式所涉及的活塞泵1的泵头10不同。
Vari密封件29，例如由超高分子量聚乙烯密封件31和金属弹簧32形成，构成密封部。包含Vari密封件29的密封部，与上文所述的由边缘密封件21形成的密封部同样地，对缸体主体12A、活塞13以及垫环部14进行密封，因此起到上文所述的封塞泄漏路径的作用。即，通过代替边缘密封件21而被采用的Vari密封件29，也能够阻塞在垫环内周面14a与活塞外周面13a之间以及隔着容纳孔28的台阶部分的垫环外周面14b与孔内周面28a之间流动的流体，因此在第2实施方式中，即使流体的渗透性高，也能够有效地防止漏液，能够起到与第1实施方式相同的作用效果。
[其他的实施方式]
此外，虽然省略了图示，但是活塞泵1可具备如下结构。例如，可以在垫环部14的垫环内周面14a、缸体主体12A的缸体内周面12a以及活塞13的活塞外周面13a的至少一者上，形成由凹状或槽状的空间形成的液体储存部。通过设置液体储存部，能够将活塞13的相对于活塞外周面13a的各滑动部分保持在更加湿润的状态，因此能够使析出、粘着的产生更难。
另外，可以在泵支架11中形成清洗液配管，在缸体主体12A中形成与清洗液配管连通的防止粘着端口以及清洗室。在该清洗室中，通过清洗液配管以及防止粘着端口从外部供应清洗液，通过该清洗液，能够冲洗掉从缸室15侧进入到缸体内周面12a以及活塞外周面13a之间的析出性、粘着性的流体。需要说明的是，即使在万一清洗室内未冲洗干净流体的情况下，由于缸体主体12A中安装有垫环部14，并具备作为密封部的边缘密封件21和Vari密封件29，因此也可防止漏液并能够更有效地防止析出、粘着导致的泵停止。
另外，作为其他的实施方式，也可代替Vari密封件29，使用与其相当的密封部件。例如，Vari密封件29，通过金属弹簧32的紧固作用，提高了超高分子量聚乙烯密封件31和活塞13的密封性能。而且，即使在代替该金属弹簧32使用作为弹性密封部件的由橡胶材料形成的O形环的情况下，也能够得到相同的密封性能。进一步，除此之外，例如能够设置成使插入Vari密封件29的容纳孔28的方向与上文所述的方向相反。在设置成使Vari密封件29的方向相反的情况下，由于其开口侧受到流体的压力，因此在更高的压力下也能够进行密封。此时，在不希望内部的金属弹簧32与流体接触的情况下，也可以采取用其他的密封部件封塞Vari密封件29的开口侧等对策。
进一步，作为其他的实施方式，在来自活塞泵1的活塞13的基端侧付近的漏液的量非常少，或者漏液的产生成为泵使用上的问题的情况下，能够采用如下结构：不使用边缘密封件21、Vari密封件29(以及与他们一起的背板22)，仅将垫环部14配置在容纳孔28内。
以上，虽然说明了本实用新型的几个实施方式，但是上述的实施方式仅作为例子被提出，不意图限定本实用新型的范围。这些新的实施方式，能够以其他的各种方式进行实施，在不脱离本实用新型要旨的范围内，能进行各种的省略、替换、变更。这些实施方式及其变形，均包含在本实用新型的范围和要旨内，且均包含在本实用新型的权利要求、及与本实用新型的权利要求均等的范围内。
例如，在上述的实施方式中，示例了缸体主体12A以及活塞13分别由莫氏硬度为8～13的氧化铝陶瓷材料形成，但是缸体主体12A以及活塞13的材料，分别可以是如下的组合。即，在缸体主体12A由莫氏硬度为13的碳化硅(SiC)形成的情况下，活塞13也同样地由碳化硅材料形成。
另外，在缸体主体12A由氧化铝陶瓷材料形成的情况下，活塞13由莫氏硬度为8～8.5的氧化锆陶瓷材料形成。此外，活塞13可以由不锈钢材料(SUS316)形成。在这种情况下，各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＜碳化硅的顺序变硬，因此不会与本申请实用新型的内容产生任何矛盾。需要说明的是，作为垫环部14，能够使用比异物的晶体更软的各种材料，为了能使垫环部14变形，还要求电机20的转矩強。因此，电机转矩与垫环部14的材质的匹配是必须的。
附图标记说明
1 活塞泵
10，10A 泵头
11 泵支架
12 缸体
12A 缸体主体
12a 缸体内周面
12b 缸体外周面
13 活塞
13a 活塞外周面
14 垫环部
14a 垫环内周面
14b 垫环外周面
15 缸室
16 吸入口
17 排出口
18 切割面
19 法兰
20 电机
21 边缘密封件
22 背板
23 螺母
24 前框架
25 后框架
26 摆动轴
27 销
29 Vari密封件
30 驱动接合单元