定量ポンプの設計: ポンプとシステムを振り返る

定量ポンプは、プロセス条件に応じて容量を変更できる容積式化学薬品投与装置です。 ポンプは、指定された容量範囲内で非常に正確で再現可能な流量を提供するように設計されています。 容量は手動または外部制御信号を介して自動で調整できます。 ターンダウン範囲全体 (通常 10:1) にわたって高い精度と直線性を備えています。

最も一般的なタイプのポンプは、機械的に駆動される往復動プランジャー (小型ポンプではソレノイド駆動を使用する場合もあります) に依存しており、プランジャーはパックされたプランジャー設計のようにプロセス流体に直接作用するか、作動油に作用してポンプを作動させます。図。

次に、ダイヤフラムは、リキッドエンドチャンバー内のプロセス化学物質をストロークごとに一定量だけ移動させます。 その結果、圧力変化の影響をほとんど受けずに化学物質を定量投与できるようになります。ダイヤフラムポンプは事実上漏れがなく、環境規制が厳しくなるにつれて、パックプランジャー設計に置き換わるケースが増えています。 容量は、ストローク長を調整してストロークごとにポンプされる流体の量を変更するか、ストローク速度を変更することによって変化します。 これにより、一定期間内に送達される液体投与量が変化します。 ストローク長は手動マイクロメータノブまたは空気圧アクチュエータによって変更できます。 ストローク速度は可変速モーターを使用して調整されます。

ストローク長は、油圧ロストモーション、機械ロストモーション、極クランクドライブなどのさまざまな手段で調整できます。 「ロストモーション」という用語は、プランジャーストロークの一部の間に流体が移動しないという事実を指します。 ストロークの「失われた」部分は、所望の流れを得るために変化させられる。 油圧ロストモーションポンプでは、プランジャーは一定のストロークを持ち、作動油に作用します。 容量は、プランジャーストロークの所定のポイントで油圧ベントポートを開き、チャンバーからオイルをバイパスすることによって調整されます。 この期間中、ダイヤフラムでは仕事は行われず、プロセス流体も移動しません。 ストローク中のバイパスポートの位置を変えることでポンプ容量を調整できます。

機械式ロストモーションポンプは、ウォームギア駆動の偏心器またはカムを利用してプランジャーを駆動します。 マイクロメーターの位置決めネジは、ストロークの一部でプランジャーとカムの接触を防止することで、ドライバーカムに追従するプランジャーの動きを制限します。 これはプランジャの実効ストロークを短くするように作用します。

ポーラー クランク ドライブでは、ウォーム ギア セットがコネクティング ロッドを駆動し、コネクティング ロッドがもう一方のクロスヘッドを駆動します。 マイクロメーター調整ネジはクランクアセンブリの角度を変更し、プランジャーの移動距離を変更します。 クランクが垂直位置にあると、プランジャーには往復運動が与えられず、ポンプの流量はゼロになります。 クランクが最大角度にあるとき、プランジャーのストロークとポンプ流量は最大になります。

ロストモーションポンプは、ストロークごとの流量パルスを細かく刻み、容量を変化させます。 これにより、ストロークごとに作動油が突然バイパスされるため、油圧ショックが発生する傾向があります。 対照的に、ポーラー クランク ドライブはパルスの振幅を減少させ、一般的にロスト モーション ポンプで経験する油圧ショックを排除します。

可変速度計量ポンプは、駆動モーターの速度を変化させることで容量を調整し、これにより通常は一定のストローク長でポンプのストローク速度が変化します。

これは、AC または DC 可変速モーターとコントローラーを使用して実現されます。 通常、ウォームギア減速と偏心装置は、モーターの速度を低下させて往復運動を発生させるために使用されます。 一般的な方法は、単純に可変速モータを可変ストローク定量ポンプに取り付けることです。

残念ながら、この設定では期待されるレベルのパフォーマンスを実現できません。 市販されているほとんどの可変速度モーターでは、最大ターンダウンは通常 10:1、最高でも 30:1 です。 ウォームギア減速を使用するポンプには、ギアセットが低効率で動作する低速動作範囲に合わせたサイズの駆動モーターが必要です。 ウォーム ギアの機械効率は、1,750 rpm (10:1 ターンダウン) よりも 175 rpm の方が最大 3 分の 1 低くなります。 その結果、ドライブのコストとサイズが増加します。 さらに、低速での潤滑不良により、ギアセットのメンテナンスが増加します。

ターンダウンを増やし、可変速設計のその他の欠点を排除するために、一部のメーカーでは可変ストロークと可変速動作を単一システムに組み合わせています。 これは通常、可変速度モーターを可変ストローク計量ポンプに単純に組み合わせることで実現されます。 理論的には、10:1 の可変ストローク ターンダウンと 10:1 の可変速度ターンダウンを掛けると、100:1 のターンダウン比が得られます。 しかし現実には、両方のシステムの欠点により、ターンダウンは 100:1 未満に制限されます。 このようなポンプはより複雑で高価でもあります。

上記で概説した従来の設計には多くの固有の欠点があり、そのうちのいくつかについては説明しました。 ユーザーは、リアルタイムで監視し、ほぼ即座に自動プロセス制御システムに情報を供給する高度な機器を備えた、完全に自動化された注入システムにますます注目しています。 次に、制御システムは定量ポンプに流量を調整するよう信号を送ります。 通常、このようなプロセス制御システムでは、定量ポンプの応答と精度が弱点となります。

従来の定量ポンプは、正しい流量を達成するまでに数分かかる場合があり、その遅れは他のシステムコンポーネントの応答よりも数桁遅くなります。

一般的な設計の精度はわずか +/- 1% です。 適切な計装を備えた制御システムは、より優れた定常状態精度を活用できます。

高度な設計により、これらの欠点が克服されます。 たとえば、可変速モーターを可変ストローク計量ポンプに単純に組み合わせるのではなく、メーカーは現在、ドライバーモーター、機械駆動、リキッドエンドテクノロジーを最適に適合させる設計を提供しています。

その結果、自動制御システムと互換性のある精度、応答時間、およびターンダウン比を備えた定量ポンプが実現します。 新しい可変速度設計により、ウォーム ギア ドライブがヘリカル ギア セットに置き換えられ、ポンプ速度範囲全体にわたって一定の効率が得られます。 高度なブラシレス DC モーター技術により、100:1 のターンダウン比、+/- 0.5 パーセントの定常状態精度、および非常に高速な応答時間が実現します。

自動制御システムと高速応答、高精度計量ポンプの組み合わせにより、ユーザーはプロセスを厳密に制御して、最適な化学薬品の投与とプロセス品質を実現できます。

George Halfinger は、ペンシルベニア州アイビーランドのミルトン ロイ流量制御部門の製品マーケティング エンジニアでした。 彼はポンプとシステムの編集諮問委員会の委員を務めました。