JP4966373B2 - ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤフラムポンプに関する。

振動するダイヤフラムによってポンプ作用を得るポンプとして、例えば圧電ポンプがある。圧電ポンプは、平面円形の圧電振動子とハウジングによってポンプ室を形成する。ハウジングには、ダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に位置させて、吸入ポートと吐出ポートがそれぞれ開口する吸入側液溜室と吐出側液溜室を設け、この一対の液溜室とポンプ室との間には、吸入側液溜室からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁と、ポンプ室から吐出側液溜室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁とを設けている。圧電振動子が振動すると、ポンプ室の容積が大きくなる行程では、流入側逆止弁が開き吐出側逆止弁が閉じて吸入ポート、吸入側液溜室からポンプ室内に流体が流入し、逆にポンプ室の容積が小さくなる行程では、吐出側逆止弁が開き吸入側逆止弁が閉じてポンプ室から吐出側液溜室、吐出ポートに流体が吐出され、ポンプ作用が得られる。

特開2006-253477号公報 特開2003-120548号公報 実公平06-18076号公報

このダイヤフラムポンプでは、圧電振動子（ダイヤフラム）の変位で高吐出量を確保するため、流路抵抗及び圧力損失をできるだけ小さくすることが臨まれている。

本発明は、流路抵抗及び圧力損失をできるだけ小さくするという観点から、従来のダイヤフラムポンプの一対の逆止弁（吸入側逆止弁と吐出側逆止弁）と一対のポート（吸入ポートと吐出ポート）の位置関係を見直した結果、円形のダイヤフラムはその中心部の変位が最大であるのに、従来品では、一対の逆止弁の間隔と一対のポートの間隔が同一であり（一対のポートの延長線上に一対の逆止弁が位置しており）、これが流路抵抗及び圧力損失を高めている原因であるとの結論に達して本発明に至ったものである。

本発明は、平面円形でその中心部の振幅が最も大きくなるように振動するダイヤフラム；このダイヤフラムとハウジングとの間に形成したポンプ室；ハウジングに、ダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に設けた吸入側液溜室と吐出側液溜室；この一対の液溜室とポンプ室との間にそれぞれ設けた、吸入側液溜室からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁と、ポンプ室から上記吐出側液溜室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁；及び互いに平行をなし、吸入側液溜室と吐出側液溜室にそれぞれ開口する吸入ポートと吐出ポート；を有するダイヤフラムポンプにおいて、吸入ポートの吸入側液溜室への開口端と吐出ポートの吐出側液溜室への開口端の中心間隔を、吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の中心間隔より広く設定したことを特徴としている。

吸入ポート、吸入側液溜室、吸入側逆止弁、ポンプ室、吐出側逆止弁、吐出側液溜室及び吐出ポートを通る流路は、吸入ポートと吐出ポートの軸線を含む平面と直交する方向から見たとき、Ｕ字状をなすように配置することが好ましい。

吸入側と吐出側の逆止弁はそれぞれ、軸部と傘部を有するアンブレラと、このアンブレラの軸部の回りに形成され傘部によって覆われる流路孔とから構成するのがよい。そして、吸入側と吐出側の一対のアンブレラの軸部は、ダイヤフラムの中心軸線に対して非平行かつ対称で、ダイヤフラムに向かって互いに接近する方向に傾斜していることが望ましい。

本発明は、少なくともダイヤフラムとして圧電振動子を用いた圧電ポンプに適用できる。

本発明のダイヤフラムポンプは、中心部の変位が最大である円形のダイヤフラムに対し、吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の間隔を、吸入ポートと吐出ポートの間隔より狭く設定した（一対のポートの間隔を一対の逆止弁の間隔より広く設定した）から、吸入ポート、吸入側液溜室、吸入側逆止弁、ダイヤフラムの変位が最大のポンプ室中央、吐出側逆止弁、吐出側液溜室、吐出ポートの順に、滑らかな流路を形成することができ、流路抵抗及び圧力損失を減らした効率のよいポンプを得ることができる。

本発明を圧電ポンプに適用した一実施形態を示す分解斜視図である。 同カバー及び圧電振動子を除いて描いた平面図である。 同側面図である。 図２のIV-IV線に沿う断面図である。 図４から圧電振動子及び逆止弁ユニットを除いて描いた断面図である。 逆止弁間隔の広狭が流量特性に与える影響を調べたグラフ図である。 逆止弁間隔の広狭が閉鎖圧に与える影響を調べたグラフ図である。

符号の説明

１０ 圧電振動子
１０ａ シム
１０ｂ 圧電体
１０ｃ 給電端子
１１ ガイドリング
１２ Ｏリング
２０ アッパハウジング
３０ ロアハウジング
３１ 円形凹部
３２ 吸入側液溜室
３３ 吐出側液溜室
３４ 吸入ポート
３５ 吐出ポート
３４ａ ３５ａ 開口端
３６ 吸入側アンブレラ
３７ 吐出側アンブレラ
４０ 駆動基板
５０ 下蓋
Ｐ ポンプ室

図１ないし図５は、本発明を圧電ポンプに適用した実施形態を示している。本圧電ポンプ１００は、平面円形の圧電振動子１０、アッパハウジング（上蓋）２０、ロアハウジング３０、駆動基板４０及び下蓋５０を備えている。ロアハウジング３０には、圧電振動子１０を受け入れる円形凹部３１が形成されている。円形凹部３１内に収納される圧電振動子１０は、その表裏にガイドリング１１とＯリング１２を当接させた状態で、アッパハウジング２０とロアハウジング３０の間に挟着され、ポンプ室Ｐ（図４）を構成している。

圧電振動子１０は、図１、図４に示すように、ポンプ室Ｐ側に臨むシム１０ａと、大気室（アッパハウジング２０）側に臨む圧電体１０ｂとを備えたユニモルフタイプである。シム１０ａは、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ５０μｍ程度のステンレス、４２アロイ等の薄板からなっている。圧電体１０ｂは、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）等の圧電材料から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。このような圧電振動子は周知である。この圧電体１０ｂの表裏にはそれぞれ電極が形成されており、この表裏電極間に、給電端子１０ｃ（図１）及び駆動基板４０を介して、交番電界を印加することにより、圧電振動子１０は平面円形の中央部分の振幅が最も大きくなるように振動する。

ロアハウジング３０には、円形凹部３１内に、圧電振動子１０（円形凹部３１）の平面中心に対する偏心対称位置に位置させて、吸入側液溜室３２と吐出側液溜室３３が形成されている。また、ロアハウジング３０には、この吸入側液溜室３２と吐出側液溜室３３に連通する吸入ポート３４と吐出ポート３５が形成されている。吸入ポート３４と吐出ポート３５は、互いに平行をなしていて、ロアハウジング３０の一つの側面から突出している。３４ａと３５ａは、吸入ポート３４と吐出ポート３５の吸入側液溜室３２と吐出側液溜室３３に対する開口端であり、圧電振動子１０（円形凹部３１）の中心から離れた側に偏心させて、吸入側液溜室３２と吐出側液溜室３３に開口している。

この吸入側液溜室３２とポンプ室Ｐ、吐出側液溜室３３とポンプ室Ｐとの間にはそれぞれ、吸入側アンブレラ（吸入側逆止弁）３６と吐出側アンブレラ（吐出側逆止弁）３７が設けられている。吸入側アンブレラ３６は、吸入側液溜室３２からポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、吐出側アンブレラ３７は、ポンプ室Ｐから吐出側液溜室３３への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。吸入側と吐出側のアンブレラ３６と３７は、平面円形の圧電振動子１０の平面中心に関し偏心した対称位置にある。

吸入側と吐出側のアンブレラ３６、３７は、同一（対称）構造であり、平面円形の傘部３６ａ、３７ａと、この傘部の中心の軸部３６ｂ、３７ｂとを備えている。弁座基板３６ｃ、３７ｃには、この軸部３６ｂ、３７ｂを受け入れて支持する軸孔３６ｄ、３７ｄと、この軸孔３６ｄ、３７ｄの周囲に位置する流路孔３６ｅ、３７ｅが穿設されており、これらの流路孔３６ｅ、３７ｅが傘部３６ａ、３７ａによって覆われている。

吸入側アンブレラ３６（軸部３６ｂ）と吐出側アンブレラ３７（軸部３７ｂ）の軸線は、圧電振動子１０の軸線と非平行であり、圧電振動子１０に向かって互いに接近する方向に傾斜している（図４）。すなわち、閉弁状態の吸入側、吐出側のアンブレラ３６、３７の傘部３６ａ、３７ａは、休止状態の圧電振動子１０と非平行である。

この吸入側アンブレラ３６（軸部３６ｂ）と吐出側アンブレラ３７（軸部３７ｂ）は、図２に示すように、その中心距離ｄが、吸入ポート３４の開口端３４ａと吐出ポート３５の開口端３５ａとの中心距離Ｄより短くなるように設定されている。その結果、吸入ポート３４（開口端３４ａ）、吸入側液溜室３２、吸入側アンブレラ３６、ポンプ室Ｐ、吐出側アンブレラ３７、吐出側液溜室３３及び吐出ポート３５（開口端３５ａ）を通る流路は、吸入ポート３４と吐出ポート３５の軸線を含む平面と直交する方向から見たとき、Ｕ字状なしている。吸入ポート３４の延長線がぶつかる吸入側液溜室３２の壁面、及び吐出ポート３５の延長線がぶつかる吐出側液溜室３３の壁面はそれぞれ、滑らかなＵ字状流路を構成するように、略四分の一の円筒面からなっている。

以上の圧電ポンプは、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側アンブレラ３６の傘部３６ａが弁座基板３６ｃから離れる方向に弾性変形して流路孔３６ｅが開き、吐出側アンブレラ３６の傘部３６ａが弁座基板３６ｃに密着して流路孔３６ｅを閉じるため、吸入ポート３４、吸入側液溜室３２からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側アンブレラ３６の傘部３６ａが流路孔３６ｅを開き、吸入側アンブレラ３６の傘部３６ａが流路孔３６ｅを閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出側液溜室３３、吐出ポート３５に液体が流出する。したがって、圧電振動子１０を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られる。

そして、本実施形態の圧電ポンプは、吸入ポート３４の開口端３４ａと吐出ポート３５の開口端３５ａとの中心距離Ｄが、吸入側アンブレラ３６と吐出側アンブレラ３７の中心距離ｄより大きい。このため、中心部の変形量が最も大きい圧電振動子１０が振動するに際し、圧電振動子１０の周辺から中央へ、中央から周辺へと向かう滑らかな流路が構成される。この作用効果は、上記中心距離Ｄが中心距離ｄより小さい場合あるいは等しい場合（従来例）を想定すると理解しやすい。この想定では、滑らかな流体流が得にくく、流路抵抗及び圧力損失が大きい。

また、吸入側、吐出側のアンブレラ３６、３７の軸線が圧電振動子１０に向かって互いに接近する方向に傾斜している点も流路を滑らかにする。さらに、閉弁状態の吸入側、吐出側のアンブレラ３６、３７の傘部３６ａ、３７ａは、休止状態の圧電振動子１０と非平行であるため、休止状態で傘部３６ａ、３７ａが圧電振動子１０と接触することがなく、長期間運転を休止しても付着現象が生じるおそれがない。

本実施形態による作用効果は、特に圧電振動子１０の駆動周波数が高くなったときに顕著に表れる。図６は、シム１０の直径を２６ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍとして中心距離ｄ＝１０ｍｍ、中心距離Ｄ＝１６ｍｍ（Ｄ＞ｄ）とした本発明実施例における圧電ポンプと、シムの直径を同じく２６ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍとして中心距離ｄ及びＤを１０ｍｍ（Ｄ＝ｄ）とした比較例における圧電ポンプを作成し、負荷１０ｋＰ、駆動電圧１２０Ｖにて圧電体１０ｂの駆動周波数（Ｈｚ）に対する単位時間当たりの流量ｍｌ／ｍｉｎを測定したものである。この比較実験によれば、Ｄ＝ｄでは駆動周波数５０〜６０Ｈｚの領域を除く全ての周波数領域で流量が増大しているのが分かる。さらに、流量のピークも比較例が１８９ｍｌ／ｍｉｎであるのに対し、実施例においては２３２ｍｌ／ｍｉｎと大幅に増大していることが分かる。

次に図７は、上記実施例と比較例と同じ圧電ポンプを使用して、それぞれの圧電ポンプの駆動周波数に対する閉鎖圧を比較したものである。図７によれば３０〜１２０Ｈｚの全ての駆動周波数において、実施例の閉鎖圧は比較例の閉鎖圧を上回っていることがわかる。

以上の実施形態のユニモルフ型の圧電振動子１０は、ポンプ室Ｐとは反対の面に圧電体１０２を積層しているが、原理的にはポンプ室Ｐ側に圧電体１０ｂを積層してもよい。また、シム１０ａの両側に圧電体１０ｂを積層するバイモルフ型でも良いし、シム１０ａのポンプ室Ｐとは反対側に圧電体１０ｂを複数枚積層するマルチモルフタイプでも良い。しかし、ポンプ室Ｐとは反対の面に圧電体１０２を積層すると、圧電体１０ｂに液体が触れるおそれがないため、例えば腐食性液体や水溶液等の液送用に好ましい。また、ポンプ室Ｐ側に圧電体１０ｂを積層する場合、保護フィルム等で圧電体１０ｂを覆い、液体と圧電体１０ｂが直接接するのを防止することはできるが、長期間の使用により保護フィルムを液体が透湿する場合があり、この観点からもポンプ室Ｐと反対側に圧電体１０ｂを積層するのが好ましい。

本発明のダイヤフラムポンプは、少なくとも圧電ポンプに適用することができ、同圧電ポンプは、小型のポンプとして例えばノートＰＣの水冷システムに用いることができる。

Claims (5)

1. 平面円形でその中心部の振幅が最も大きくなるように振動するダイヤフラム；
   このダイヤフラムとハウジングとの間に形成したポンプ室；
   上記ハウジングに、上記ダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に設けた吸入側液溜室と吐出側液溜室；
   この一対の液溜室とポンプ室との間にそれぞれ設けた、上記吸入側液溜室からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁と、ポンプ室から上記吐出側液溜室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁；及び
   互いに平行をなし、上記吸入側液溜室と吐出側液溜室にそれぞれ開口する吸入ポートと吐出ポート；を有するダイヤフラムポンプにおいて、
   上記吸入ポートの吸入側液溜室への開口端と吐出ポートの吐出側液溜室への開口端の中心間隔を、吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の中心間隔より広く設定したことを特徴とするダイヤフラムポンプ。
2. 請求の範囲１記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記吸入ポート、吸入側液溜室、吸入側逆止弁、ポンプ室、吐出側逆止弁、吐出側液溜室及び吐出ポートを通る流路は、該吸入ポートと吐出ポートの軸線を含む平面と直交する方向から見たとき、Ｕ字状をなしているダイヤフラムポンプ。
3. 請求の範囲１または２記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記吸入側と吐出側の逆止弁はそれぞれ、軸部と傘部を有するアンブレラと、このアンブレラの軸部の回りに形成され傘部によって覆われる流路孔とを備えているダイヤフラムポンプ。
4. 請求の範囲１ないし３のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記吸入側と吐出側の一対のアンブレラの軸部は、ダイヤフラムの中心軸線に対して非平行で、上記ダイヤフラムに向かって互いに接近する方向に傾斜しているダイヤフラムポンプ。
5. 請求の範囲１ない４のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムは圧電振動子であるダイヤフラムポンプ。

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