CN102165193A

CN102165193A - 压电泵

Info

Publication number: CN102165193A
Application number: CN2009801391230A
Authority: CN
Inventors: 川村宪一郎; 宫本昌幸
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: WO2010035862A1; JPWO2010035862A1; EP2343456B1; EP2343456A1; US20110171050A1; JP5170250B2; EP2343456A4; US8523538B2; CN102165193B

Abstract

一种压电泵，即便进行断续驱动，也能可靠地进行气体的排出及液体的输送。压电泵(101)包括：压电振子(65)；因压电振子(65)而弯曲变形的隔板(64)；一个壁面由所述隔板(64)构成的泵室(52)；供液体、气体或液体与气体的混合体流入所述泵室(52)的流入口(51)；供所述流体从泵室排出的排出口(53)；以及在与泵室(52)的内表面之间产生间隙，通过毛细管现象或表面张力保持所述液体的液体保持用构件(56)。在流路板(62)中形成有流路用槽(59)。

Description

压电泵

技术领域

本发明涉及一种压电泵，该压电泵具有因压电振子而弯曲变形的隔板。

背景技术

具有因压电振子而弯曲变形的隔板的压电泵由于一般能采用小而薄的结构且消耗电能较小，因此可用作燃料电池的燃料输送用泵等。作为这种压电泵的特性，除了要求所输送的燃料等液体的排出压力、流量以外，还要求将进入泵室的空气排出至泵室外的能力。

对进入泵室的空气(气体)排出至泵室外的能力做了提高的压电泵在专利文献1、2中已被公开。

在专利文献1的压电泵中，壳体的内表面形状构成为，当泵压缩(排出)工序中压电振子达到最大振幅时，在壳体与压电振子之间基本上不产生间隙。即，壳体的内表面被加工成最大振幅时的压电振子的挠曲形状与壳体的内表面形状大致相同。

接着，参照图1对专利文献2的压电泵进行说明。图1是专利文献2的压电泵P的俯视图。该压电泵P包括泵主体、弹性膜、压电元件21和按压板30。在泵主体中形成有构成流入侧阀室的一部分的凹部11、成为泵室12的凹部、构成排出侧阀室的凹部13。在流入侧凹部11与泵室12之间形成有连接通路(流入口)14，在排出侧凹部13与泵室12之间形成有连接通路(排出口)15。

在按压板30中与压电元件21对应的位置形成有开口孔31。在流入端口34设有开闭该流入端口34的流入侧单向阀40。此外，在排出端口35设有开闭该排出端口35的排出侧单向阀41。

在与压电元件21的中央部相向的泵室12的内底面形成有台座部16，在台座部16的外周形成有通向流入口14及排出口15的流路部17。使压电元件21弯曲变形时，由于压电元件21的中央部与台座部16的间隙较窄，因此台座部16上方的液体被朝外周侧的流路部17挤出，空气被引至流路部17。此外，随着泵室12的容积变化，流路部17的液体被朝排出口15排出，空气也一起被排出。

专利文献1：特開平03-031589号公報(日本专利特开平03-031589号公报)

专利文献2：特開2008-163902号公報(日本专利特开2008-163902号公报)

发明内容

发明所要解决的技术问题

在将压电泵形成得较薄的情况下，使用较薄的弹性体片来构成隔板、泵主体，但若片较薄，则如专利文献1所述加工成特定形状是非常困难的。因此，在气泡混入泵室内的情况下，泵自身产生的压力降低，不可能将气泡排出，泵动作可能停止。

此外，根据权利文献2所述那样将吸引空气的流路部设于泵室内周的结构，当泵室内完全是空气时，在将空气朝外部压出的情况下(干启动时)是有效的。不过，压电泵的使用方式并不局限于一旦开始驱动后就一直持续地输送液体的用途。即便进行液体输送开始后暂时停止驱动并开始再次驱动这种断续驱动，也要求能可靠地进行气体的排出及液体的输送的能力。然而，根据专利文献2所述结构的压电泵，在进行断续驱动时，不能获得足够的压力。

本发明的目的在于提供一种即便进行断续驱动也能维持较高的压力及流量来可靠地进行气体的排出及液体的输送的压电泵。

解决技术问题所采用的技术方案

为解决上述技术问题，本发明采用以下结构。

(1)包括：因施加交流电压而振动的压电振子；

因上述压电振子而弯曲变形的隔板；

至少一个壁面由上述隔板构成的泵室；

供液体、气体或液体与气体的混合体即流体流入上述泵室的流入口；

供上述流体从上述泵室排出的排出口；

阻止上述流体朝上述流入口逆流及上述流体从上述排出口逆流的单向阀；以及

设于上述泵室内，在与上述泵室内表面之间产生的间隙内保持上述液体的液体保持用构件。

根据该结构，即便在液体暂时流入泵室内之后停止动作，也能在泵室内表面与液体保持用构件的间隙内保持(吸引)液体。这是因为通过毛细管现象或表面张力能将液体保持于泵室内表面与液体保持用构件的间隙。由于在该状态下，泵室内基本上被液体充满，因此能减小泵室的等效容积。藉此，能提高再次驱动时作用于已进入泵室内的空气等气体的压力(以下称为“空气压力”)。

此外，一般来说，泵室的容积越小，则流路阻力越大，流量减小，但在本申请发明中，由于只是通过被上述液体保持用构件吸引的液体使表面(表观)上的容积减小，且该液体与被搬运的液体相同，因此，基本上不会引起流路阻力的增加。藉此，不会降低所输送液体的流量，能提高空气压力。

(2)上述液体保持用构件是以非固定状态配置于上述泵室内的一个或多个片材。

根据该结构，能增加毛细管现象或表面张力对泵室内的液体起作用的区域，能提高吸引液体的效果。

(3)上述一个片材或上述多个片材中的一个片材是在表面形成有槽等凹部的构件。

(4)上述一个片材或上述多个片材中的一个片材是在周围形成有多个切槽的构件。

(5)上述多个片材中的至少一个片材是发泡树脂的成形体。

(6)至少上述泵室是在上述泵室的内表面设有上述流体的流路用槽的构件。

根据该结构，即便为实现薄化、降低泵容积而极力减小泵室高度，由于利用流路用槽来确保液体的流路，因此不会受到流路阻力造成的压力损失的影响，能确保流量。

(7)上述液体保持用构件是在与上述流路用槽相向的位置设有开口的构件。

根据该结构，由于上述液体保持用构件的上下表面与泵室内表面之间产生的间隙彼此通过上述开口而连通，因此不会对所输送液体的流动造成阻碍，能抑制流量的降低。

发明效果

根据本发明，若在液体暂时流入泵室内之后停止动作，由于泵室内基本上被液体充满，因此泵室的等效容积变小。藉此，能提高空气压力。此外，一般来说，泵室的容积越小，则流路阻力越大，流量减小，但在本申请发明中，由于只是通过被上述液体保持用构件吸引的液体使表面(表观)上的容积减小，且该液体与被搬运的液体相同，因此，基本上不会引起流路阻力的增加。藉此，不会降低所输送液体的流量，能提高空气压力。

附图说明

图1是专利文献2的压电泵P的俯视图。

图2是第一实施方式的压电泵101的俯视图。

图3是第一实施方式的压电泵101的分解立体图。

图4是第一实施方式的压电泵101的剖视图。

图5是表示图2～图4所示的压电泵101的空气压力特性的图。

图6是表示图2～图4所示的压电泵101的驱动频率与流量的关系的图。

图7是第二实施方式的压电泵102的剖视图。

图8是第三实施方式的压电泵103的剖视图。

图9是第四实施方式的压电泵中使用的液体保持用构件的俯视图。

具体实施方式

(第一实施方式)

图2是第一实施方式的压电泵101的俯视图。压电泵101包括：矩形的压电振子；因压电振子65而弯曲变形的隔板(diaphram)；一个壁面由上述隔板构成的圆状泵室；供液体、气体或两者的混合体流入上述泵室的流入口51；供上述流体从泵室排出的排出口53；以及与上述泵室内的内表面之间隔有间隙，从而利用毛细管现象或表面张力保持上述液体的液体保持用构件56。

在上述泵室的内表面设有上述流体的流路用槽59A、59B。

在上述液体保持用构件56的中央部形成有开口57。该开口57设于与上述槽59A、59B的大致中央位置相对的位置。

上述压电振子65因施加交流电压而振动，使上述隔板弯曲变形。压电振子65的两个电极与连接器68电连接。

图3是上述压电泵101的分解立体图。顶板60是对刚性较高的不锈钢进行加工而形成的。在顶板60的图的上表面设有顶板片61。在实际使用组装好的压电泵101时，将顶板60作为上表面侧。因此，尽管在图3中其位于最下层的位置，但本发明中将其称为“顶板”。

在顶板片61的上部配置有流路板62。在流路板62中形成有流路用槽59(图2所示的流路用槽59A、59B)。

在流路板62的上部配置有泵室板63。在泵室板63中穿通形成有大致圆形的泵室52。

在泵室板63的上部配置有隔板64。在该隔板64与上述流路板62之间夹入泵室板63，来构成非常薄的圆筒形的泵室52。

在上述泵室52的内部配置有液体保持用构件56。在液体保持用构件56的中央形成有开口57。

流路板62、泵室板63、隔板64及液体保持用构件56分别是对PET片进行加工形成的。

在上述隔板64上贴附有PZT(钛酸锆酸铅)的压电振子65。

在隔板64的上部配置有阀室板66，在该阀室板66的上部配置有底板67。如上所述，在实际使用组装好的压电泵101时，将底板67作为下表面侧。因此，尽管在图3中其位于最上层的位置，但在本发明中将其称为“底板”。

如上所述，在使用压电泵101时，顶板60在上面，底板67在下面。

在上述隔板64与底板67之间夹入阀室板66，藉此，在阀室板66上形成的两个开口构成阀室H。在该阀室H、H的内部分别配置(封入)有单向阀54、55。

图4是上述压电泵101的剖视图。图4(A)是穿过流路用槽59的垂直面上的剖视图，图4(B)是穿过泵室52的中心且与上述流路用槽59的延伸方向大致正交的垂直面上的剖视图。

压电泵101的各部分及整体的尺寸如下。

泵室52：直径14.5mm×厚度0.075mm

压电振子65：17mm×0.3mm

液体保持用构件56：直径14.0mm×厚度0.06mm

隔板64：19.4mm×28.8mm×厚度0.075mm

压电泵101整体：24mm×33mm×1.325mm

如图4(A)、图4(B)所示，在泵室52内部以非固定状态配置有大致圆板状的液体保持用构件56。液体保持用构件56的厚度尺寸比确定泵室的高度(厚度)尺寸的泵室板63的厚度尺寸略薄。因此，在液体保持用构件56的上表面与泵室52的顶面(隔板64的下表面)之间存在间隙。同样地，在液体保持用构件56的下表面与泵室52的底面(流路板62的上表面)之间也存在间隙。此外，在液体保持用构件56的周缘与形成于泵室板63的开口的内周面之间也存在圆筒状的间隙。因此，当液体输送中液体流入泵室52内部时，液体进入上述间隙。此外，即使在停止液体的输送后，由于毛细管现象及表面张力，液体也一直保持于上述间隙。

上述液体保持用构件56也能称为狭小空间形成用构件。

图2～图4所示的压电泵101的作用如下。

压电振子65根据对该压电振子65施加的电压使隔板64挠曲。藉此，向泵室52的容积扩张或收缩的方向弯曲变形。因此，通过对压电振子65施加交流电压，使得泵室52的容积反复扩张/收缩。

单向阀54阻止液体或气体从流入口朝外部逆流，单向阀55阻止液体或气体从排出口53朝内部逆流。因此，在泵室52扩张时，液体从流入口51流入，在泵室52收缩时，泵室52内的液体从排出口53排出。

在液体初次流入泵室52时(干启动时)，气体以流入口51→泵室52(及流路用槽59)→排出口53的路径被吸引、排出。

随之，液体从流入口51流入，在液体填充泵室52内部后，从排出口53排出。

随后，即使暂时停止驱动压电振子65，也能通过毛细管现象及表面张力将液体一直保持于泵室52内的上述间隙。

随后，只要再次开始驱动压电振子65，就能以流入口51→泵室52(及流路用槽59)→排出口53的路径直接输送液体。

以下表示泵室中产生的压力与泵性能的关系。

因隔板64的振动而产生于泵室52的压力ΔP可以表示为：

ΔP＝泵室的刚性K×泵室的容积变化ΔV。上述泵室的刚性K可以表示为：

K＝1/[(1/Ka)+(1/Kp)+(1/Kt)]。其中，Ka是隔板64的刚性，Kp是泵室内的气体的刚性，Kt是流路板62及包括顶板片61的顶板60的刚性。

此外，若将泵室扩张时的容积表示为Vmax，将泵室收缩时的容积表示为Vmin，则泵室的容积变化ΔV可以表示为：

ΔV＝Vmax-Vmin。

因此，空气压力ΔPa可以表示为：

ΔPa＝{1/[(1/Ka)+(1/Kp)+(1/Kt)]}×ΔV。

液体的排出压力ΔPI可以表示为：

此外，流量为ΔV×F(驱动频率)。

因此，为了提高泵的性能，只需提高上述泵室的刚性K且增大泵室的容积变化ΔV即可。

另一方面，泵室内的气体的刚性Kp与隔板的刚性Ka及顶板的刚性Kt相比非常小。即，由于满足Kp＜＜Ka、Kt的关系，因此上述空气压力ΔPa可以表示为：

若将常数设为C，则泵室内的气体的刚性Kp可以表示为：

Kp＝C/V，

作用于泵室内的气体的空气压力ΔPa满足以下关系：

因此，为了提高空气压力，只需极力减小泵室容积即可。

如上所述，由于液体因毛细管现象或表面张力而被保持于泵室52的内表面与液体保持用构件56的外表面之间的间隙，因此，表面上提供给气体的泵室容积减少，空气压力升高。

图5是表示图2～图4所示的压电泵101的空气压力特性的图。在该例中，将图2～图4所示的压电泵101的液体保持用构件56固定于流路板62侧的压电泵作为比较对象。在图5中，A1表示第一实施方式的压电泵的特性，R1表示上述比较对象的压电泵的特性。分别使用相同的压电泵各测量三次。压电元件被±6V的矩形波(驱动频率1Hz)驱动。

可知，在比较对象的压电泵中，在液体流入泵室52前后，空气压力略微上升。另一方面，在第一实施方式的压电泵中，空气压力大致上升了3kPa以上，从而可知不固定液体保持用构件的压电泵能获得更大的空气压力。顺便提一下，流量均为1.5μI/s。

图6是表示将图2～图4所示的压电泵101的压电振子65的驱动频率作为参数的、液体的流量与排出压力的关系(P-Q特性)的图。在此，输送的液体为甲醇。

当液体的流量为0时，液体的排出压力为42kPa。当驱动频率为1Hz时，如直线A所示，液体的排出压力为0kPa时的流量大致为1.5μI/s。当驱动频率为15Hz时，如直线B所示，液体的排出压力为0kPa时的流量大致为17μI/s。这样，通过增加驱动频率能获得大的流量。

根据第一实施方式能获得以下效果。

(a)一旦液体流入泵室内，液体便会因毛细管现象或表面张力而保持于泵室内表面与液体保持用构件之间的间隙，因此，与初始状态(液体一次也没有流过)相比，表面上提供给气体的泵室容积变小，空气压力上升。因此，能提高气泡的排出效率，即便在气泡混入泵室内的情况下，也不会发生泵动作停止的故障。此外，由于是输送的液体本身使泵容积减少，因此也不会发生因流路阻力的增加造成流量减少的故障。

(b)由于在泵室的内表面设有流路用槽，因此，即便为实现薄化、减少泵容积而极力减小泵室高度，也不会受到流路阻力造成的压力损失的影响，能确保必要的流量。

(c)由于将泵室的容积减少至仅供隔板变位的最低限度的间隙，因此能增大空气压力，从而能获得较高的气泡排出效率。

(d)由于液体保持用构件由薄的片状构件构成，因此构件的加工成本不高。

(第二实施方式)

图7是第二实施方式的压电泵102的剖视图。该图7相当于第一实施方式中的图4(B)。即，是穿过泵室52的中心且与流路用槽59的延伸方向大致正交的面上的剖视图。

与第一实施方式表示的压电泵101不同，在泵室52内部配置有两个液体保持用构件56A、56B。其他的结构与第一实施方式相同。

上述两个液体保持用构件56A、56B的叠加厚度尺寸比确定泵室52的高度(厚度)的泵室板63的厚度尺寸略薄。因此，在下部的液体保持用构件56A的底面与流路板62之间存在间隙，在两个液体保持用构件56A与56B之间存在间隙，在上部的液体保持用构件56B与隔板64之间存在间隙。此外，在液体保持用构件56A、56B的周缘与形成于泵室板63的开口的内周面之间也分别存在间隙。

这样，通过配置两个液体保持用构件56A、56B，能增大利用毛细管现象或表面张力保持液体的间隙部的总面积，从而能进一步提高液体保持能力。

在图7的例子中，配置了两个液体保持用构件56A、56B，但也可配置三个以上液体保持用构件。

(第三实施方式)

图8是第三实施方式的压电泵103的剖视图。该图8相当于第一实施方式中的图4(B)。即，是穿过泵室52的中心且与流路用槽59的延伸方向大致正交的面上的剖视图。

与第一实施方式表示的压电泵101不同，在泵室52内部分别配置有液体保持用构件56、58。其他的结构与第一实施方式相同。

一个液体保持用构件56由与第一实施方式所示的液体保持用构件56或第二实施方式所示的液体保持用构件56A、56B相同的材料(PET片)形成。另一个液体保持用构件58是将发泡树脂片成形为圆板状而形成的，例如是聚氨酯泡沫等发泡树脂的成形体。由于液体保持用构件58是多孔质的，因此在多个孔内部保持有液体。此外，由于具有柔软性，因此其作为避免隔板64与液体保持用构件56直接接触的缓冲材起作用。

这样，即便液体保持用构件是多孔质材，由于能通过毛细管现象或表面张力保持液体，因此，能起到与第一实施方式、第二实施方式的情形相同的作用效果。

(第四实施方式)

图9是第四实施方式的压电泵中使用的液体保持用构件的俯视图。在图9所示的液体保持用构件69中，在其外周部形成有多个切槽SL。

由于液体通过毛细管现象或表面张力而被保持于上述切槽SL，因此泵室内的液体保持面积增大。

在图9所示的例子中，在液体保持用构件69的周围形成有切槽SL，但也可在液体保持用构件的表面形成槽等凹部来代替切槽。藉此，在凹部中通过毛细管现象或表面张力保持有液体。通过上述方案能增大泵室内保持液体的总面积。

(符号说明)

51流入口

52泵室

53排出口

54、55单向阀

56、69液体保持用构件

56A、56B液体保持用构件

57开口

58液体保持用构件(发泡树脂片)

59流路用槽

59A、59B流路用槽

60顶板

61顶板片

62流路板

63泵室板

64隔板

65压电振子

66阀室板

67底板

68连接器

101、102、103压电泵

H阀室

SL切槽

Claims

1.一种压电泵，其特征在于，包括：

因施加交流电压而振动的压电振子；

因所述压电振子而弯曲变形的隔板；

至少一个壁面由所述隔板构成的泵室；

供液体、气体或液体与气体的混合体即流体流入所述泵室的流入口；

供所述流体从所述泵室排出的排出口；

阻止所述流体朝所述流入口逆流及所述流体从所述排出口逆流的单向阀；以及

设于所述泵室内，在与所述泵室的内表面之间产生的间隙内保持所述液体的液体保持用构件。

2.如权利要求1所述的压电泵，其特征在于，

所述液体保持用构件是以非固定状态配置于所述泵室内的一个或多个片材。

3.如权利要求2所述的压电泵，其特征在于，

所述一个片材或所述多个片材中的一个片材在表面形成有凹部。

4.如权利要求2或3所述的压电泵，其特征在于，

所述一个片材或所述多个片材中的一个片材在周围形成有多个切槽。

5.如权利要求2至4中任一项所述的压电泵，其特征在于，

所述多个片材中的至少一个片材是发泡树脂的成形体。

6.如权利要求1至5中任一项所述的压电泵，其特征在于，

至少所述泵室在所述泵室的内表面设有所述流体的流路用槽。

7.如权利要求6所述的压电泵，其特征在于，

所述液体保持用构件在与所述流路用槽相向的位置设有开口。