CN107430047B - 吸附泵 - Google Patents

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Abstract

吸附泵具有壳体、可动部以及吸附部。在壳体上设置有试样的流入口和排出口。可动部的至少一部分配置于壳体的内部。吸附部设置于壳体的内部。

Description

吸附泵
技术领域
本公开涉及能够吸附试样中的挥发性有机化合物的吸附泵。
背景技术
在废气、空气以及呼气等中包含挥发性有机化合物(VOC)。以往，已知利用吸附法来对试样中包含的挥发性有机化合物进行分离、浓缩、回收以及检测的技术。
例如，在专利文献1中公开了如下装置，其具有填充了对VOC进行吸附的吸附剂的吸附塔和向吸附塔供给试样的泵。另外，在专利文献2中公开了具有对气体进行吸附的吸附部和将气体压缩并送入吸附部的泵的装置。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-14760号公报
专利文献2：日本特开2012-220454号公报
发明内容
本公开提供能够实现被搭载的装置的小型化的吸附泵。
本公开的吸附泵具有壳体、可动部以及吸附部。在壳体上设置有试样的流入口和排出口。可动部的至少一部分配置于壳体的内部。吸附部设置于壳体的内部。
本公开的吸附泵能够实现被搭载的装置的小型化。
附图说明
图1是本公开的实施方式1的吸附泵的示意立体图。
图2是图1所示的吸附泵的分解示意立体图。
图3是图1所示的吸附泵的示意剖视图。
图4是图3所示的吸附泵的吸附部和加热部的示意放大图。
图5是表示图3所示的吸附泵的吸附部和加热部的另一结构的示意放大图。
图6是本公开的实施方式1的另一吸附泵的示意透视图。
图7是图6所示的吸附泵的示意剖视图。
图8是本公开的实施方式1的变形例1的吸附泵的示意剖视图。
图9是本公开的实施方式2的吸附泵的示意剖视图。
图10是本公开的实施方式2的另一吸附泵的示意剖视图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的说明之前，简单说明以往的装置的问题点。在以往的装置中，泵与吸附部设置为不同体的结构。因此，装置的小型化困难。
以下，参照附图来详细说明本公开的实施方式的吸附泵。需要说明的是，以下说明的实施方式均示出本公开的优选的一具体例，在以下的实施方式中示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置以及连接方式等均是一例，本公开并不局限于此。
另外，各图为示意图，未必严格地图示。在各图中，对基本上相同的构造标注同一附图标记，省略或简化重复的说明。
(实施方式1)
图1是本公开的实施方式1的离心力型的吸附泵20的示意立体图。图2是吸附泵20的分解示意立体图。图3是吸附泵20的图1所示的线3-3处的示意剖视图。
吸附泵20是离心力型泵，称作具有后方叶片的涡轮型泵。
吸附泵20能够输送包含特定的化学物种的试样，并且吸附该化学物种。化学物种例如是挥发性有机化合物(VOC)等。
如图2、图3所示，吸附泵20具有壳体11、主轴12、轴承13、叶轮14、吸附部15以及加热部16。
如图2所示，壳体11由上部壳体11A以及下部壳体11B形成。在壳体11的内部形成有涡旋状的涡盘(scroll)17。涡盘17是设置于叶轮14的下侧的内卷式的涡盘。根据该结构，能够使吸附泵20小型化。壳体11具有将试样向壳体11的内部取入的流入口18和将试样向壳体11的外部喷出的喷出口19。流入口18的中心设置于叶轮14的旋转轴线上。喷出口19与涡盘17连通。涡盘17形成为随着朝向喷出口19而截面积变大。
叶轮14是具有叶片141的旋转体。如图3所示，叶轮14具有设置有叶片141的叶片面14A和叶片面14A的相反侧的背面14B。叶片面14A与流入口18对置。配置于壳体11的内部的叶轮14是吸附泵20中的可动部。在叶轮14的背面14B形成有凸起部21，以将壳体11与叶轮14的背面14B的距离保持为一定。在壳体11上设置有供凸起部21配置的凹部。
主轴12贯穿壳体11(下部壳体11B)。主轴12设置为相对于壳体11旋转自如。主轴12的第一端借助螺纹部22而固定于叶轮14。主轴12的第二端与设置于壳体11的外部的驱动部23连结。驱动部23例如是马达。需要说明的是，在将叶轮14与主轴12一体成型的情况下，无需螺纹部22。叶轮14将驱动部23的旋转能量转换为动能。
轴承13设置于壳体11，以支承主轴12。轴承13例如是球轴承、动压空气轴承等。动压空气轴承在低负荷且高速旋转时使用。根据叶轮14的转速和负荷而使用适当形式的轴承13。
吸附部15对试样所包含的化学物种进行吸附。化学物种选择性地吸附于各种吸附材料。吸附部15设置于壳体11的内侧。通过这样的结构，吸附泵20例如能够实现化学物种检测装置的小型化。吸附部15例如设置于涡盘17的侧面。从叶轮14的出口流出的试样碰撞涡盘17的侧面。
在吸附部15的周边设置有对吸附部15进行加热的加热部16。由此，加热部16能够高效地对吸附部15进行加热。
图4是示意性地表示吸附部15以及加热部16的一例的放大图。吸附部15由纳米纤维151形成。另外，在吸附部15的下侧配置有加热部16。
纳米纤维151也可以如后所述那样形成于种子层(seed layer)上。种子层例如是纳米纤维151的材料层、催化剂层等。
纳米纤维151由选择性地吸附化学物种的吸附材料覆盖。例如在要选择性地吸附一氧化碳的情况下，作为吸附材料而可以使用镍、银。另外，在要吸附氨、氯的情况下，作为吸附材料而可以使用钼。在要吸附氮氧化物的情况下，作为吸附材料而可以使用沸石。在要吸附氢的情况下，作为吸附材料而可以使用钯。在要吸附水的情况下，作为吸附材料而可以使用聚苯胺。这样，吸附材料可以根据想要吸附的VOC而适当选择。需要说明的是，纳米纤维151也可以由选择性地吸附化学物种的吸附材料形成。
加热部16具有下部电极161、纳米纤维162以及上部电极163。纳米纤维162设置于下部电极161与上部电极163之间。纳米纤维162具有导电性。纳米纤维162与作为第一、第二电极的下部电极161以及上部电极163电连接。下部电极161以及上部电极163与设置于外部或内部的电源连接。
当电流流过纳米纤维162时，纳米纤维162因纳米纤维162所具有的电阻而发热。因此，能够将纳米纤维162用作加热部16。
通过利用纳米纤维162，由此加热部16以少的电力成为高温。因此，能够以低电力且效率良好地对吸附部15进行加热。另外，纳米纤维162的热容量小。因此，加热部16的变冷的速度快。因此，使用了纳米纤维162的加热部16能够加快吸附部15的加热冷却速度。
纳米纤维151与纳米纤维162可以由相同材料形成。另外，纳米纤维151与纳米纤维162也可以是不同的材料。
需要说明的是，加热部16也可以是图5所示那样的金属线、电阻加热材料的布线图案等。加热部16也可以是加工为曲折(meander)形状的由NiCr构成的薄膜。
在图5所示的结构中，纳米纤维151形成于种子层152上。纳米纤维151因其构造而热容量小。因此，能够以低电力且效率良好地对吸附部15进行加热。另外，纳米纤维151能够加快吸附部15的冷却速度。加热部16与设置于外部或内部的电源连接。
另外，也可以在吸附部15与加热部16之间设置有绝缘层24。由此，流入加热部16的电流不向吸附部15流动。因此，加热部16能够效率良好地对吸附部15进行加热。
以下，说明吸附泵20的动作。叶轮14根据驱动部23的旋转而旋转。借助叶轮14的旋转，在壳体11中与旋转轴接近的部分成为低压。另外，叶轮14的叶片141之间成为高压。试样被引入与叶轮14的旋转轴接近的部分。所引入的试样借助叶轮14的离心作用而被施加动能。并且，试样被向叶轮14的出口搬运。然后，试样在形成于壳体11的涡盘17中从动压恢复为静压。从叶轮14的出口流出的试样在被涡盘17效率良好地收集之后，被从喷出口19喷出。
此时，试样与设置于涡盘17的侧面的吸附部15接触。因此，试样所包含的化学物种效率良好地吸附于吸附部15。然后，吸附部15被加热部16加热。吸附于吸附部15的化学物种通过被加热而从吸附部15脱离。由此，吸附泵20能够将由吸附部15浓缩后的化学物种从吸附泵20喷出。另外，通过使所吸附的化学物种脱离，由此能够恢复吸附部15的吸附功能。
在吸附泵20的大小存在某种程度的余裕的情况或者叶轮14的周速快的情况下，吸附泵20也可以具有扩散器。扩散器例如形成于下部壳体11B的底面。扩散器能够将气体分子的动能高效地恢复为压力。通过设置扩散器，吸附泵20能够使气体分子的动能高效地恢复为静压。此时，涡盘17也可以使用外卷式的涡旋型涡盘。
需要说明的是，吸附泵20也可以是使用了前方叶片的西洛克型泵、使用了径向的叶片的径向型泵。
需要说明的是，如图6所示，吸附泵20的喷出口19也可以分支为多个。而且，也可以在多个喷出口19设置分隔板27等。分隔板27的位置能够在吸附部15的加热时和非加热时切换。由此，能够将所吸附的化学物种被大量喷出的试样与所吸附的化学物种几乎不被喷出的试样分别向不同的流路引导。
需要说明的是，如图7所示，驱动部23也可以设置于壳体11的内部。例如，在叶轮14的背面14B配置转子28，在壳体11的与转子28对置的内壁配置定子29。定子29是空心线圈等。转子28是磁铁等。通过向定子29流入电流而产生磁力，由此向转子28施加力。由此，叶轮14借助附加于转子28的力而旋转。
需要说明的是，吸附部15为了效率良好地吸附化学物种而设置于涡盘17的侧面，但不限定于该结构。例如，吸附部15也可以设置于涡盘17的上表面或底面。对于该结构，吸附部15也能够吸附化学物种。另外，在将吸附部15设置于涡盘17的底面的情况下，可以在MEMS工艺中使用自下而上工艺、自上而下工艺来形成吸附部15。由此，能够使吸附泵20的制造工艺简单。
(变形例1)
以下，说明本实施方式的变形例1。
图8是示意性地表示本实施方式的变形例1的吸附泵30的立体图。
吸附泵30在吸附部15以及加热部16设置于叶轮14的叶片面14A这点上与实施方式1不同。该吸附泵30的其他结构以及动作与实施方式1相同。对与实施方式1相同的结构使用相同附图标记并省略说明。
吸附部15设置于叶轮14的叶片面14A上的负压面。负压面是指在叶轮14旋转时试样的流速矢量所流入的叶片141之间的面。试样流入该负压面。因此，化学物种效率良好地吸附于吸附部15。
尤其是，吸附部15优选设置于与流入口18对置的区域。由此，吸附部15能够更可靠地吸附试样所包含的化学物种。
另外，在叶轮14的背面14B形成有具有导电性的凸起部211，以将壳体11与叶轮14的背面的距离保持为一定。凸起部211与加热部16电连接。另外，凸起部211在设置于壳体11的凹部与导通刷25接触。导通刷25经由弹簧26而与外部电源电连接。导通刷25借助弹簧26而以一定的力与凸起部211接触。因此，叶轮14的旋转的负荷能够设在驱动部23的适当转矩的范围内。另外，经由导通刷25以及弹簧26而向加热部16供给电流。
需要说明的是，在吸附泵30中，加热部16也可以设置于壳体11中的与吸附部15对置的内壁。在该情况下，吸附部15被来自加热部16的辐射热量加热。在该结构中，也能够使化学物种从吸附部15脱离。另外，通过将加热部16设置于作为固定部的壳体11，向加热部16供给电流的布线的配置变得容易。
另外，作为化学物种的脱离的方法，也可以利用振动。在该情况下，作为脱离机构，也可以代替加热部16而使用振动产生源。振动产生源例如是由夹持于上下电极的压电材料构成的压电元件等。
作为其他脱离方法，也可以利用光。在该情况下，脱离机构例如可以使用设置于壳体11内部的与吸附部15对置的位置的发光源。
需要说明的是，根据吸附泵的使用用途的不同，也可以不必设置加热部16等脱离机构。
如上所述，吸附部15设置于作为可动部的叶轮14的叶片面14A。因此，可动部也作为振动部而发挥功能。因此，通过可动部的旋转动作，能够高效地使吸附部15所吸附的化学物种脱离。
(实施方式2)
图9是本公开的实施方式2的隔膜型的吸附泵40的示意剖视图。吸附泵40也能够输送包含化学物种的试样，并且吸附该化学物种。化学物种例如是挥发性有机化合物(VOC)等。
吸附泵40具有壳体41、使壳体41内的容积变化的隔膜42、吸附部15、以及加热部16。
壳体41具有将试样向壳体41的内部取入的流入口48和将试样向壳体41的外部喷出的喷出口49。在流入口48设置有防止试样的逆流的止回阀481。止动件482以与止回阀481对置的方式设置于壳体41内，用于限制止回阀481的动作。另外，在喷出口49设置有防止试样的逆流的止回阀491。止动件492设置为与止回阀491对置，用于限制止回阀491的动作。
隔膜42例如具有振动板421、上部电极422、压电元件423以及下部电极424层叠而成的双压电晶片构造。压电元件423由Pb(Zr、Ti)O3(以下称作PZT)等材料形成。在隔膜42中，从壳体41的内侧朝向外侧而按顺序层叠有振动板421、上部电极422、压电元件423以及下部电极424。隔膜42是吸附泵40中的可动部，其一部分配置于壳体41的内部。需要说明的是，一部分配置于壳体的内部包括一部分作为壳体41的壁面的一部分而配置的情况。
吸附泵40通过隔膜42使用压电元件423这样的压电方式来驱动。压电方式在吸附泵40的小型化和低耗电方面有利。然而，驱动方式不限定于压电方式。隔膜42的驱动方式例如也可以是使用了磁铁、磁致伸缩材料以及线圈的电磁场式。另外，驱动方式也可以是使用了静电的静电方式。隔膜42也可以使用DC马达来驱动。
吸附部15以及加热部16设置于隔膜42以及壳体41的内壁上的与隔膜42对置的位置。这样，吸附部15设置于壳体11的内侧。根据这样的结构，吸附泵40例如可以实现化学物种检测装置的小型化。加热部16设置于吸附部15的周边。由此，加热部16能够高效地对吸附部15进行加热。
在设置于隔膜42的加热部16的上部设置有吸附部15。另外，在设置于壳体41的内壁的加热部16的下部设置有吸附部15。
吸附部15例如如图5所示由纳米纤维151以及种子层152构成。在吸附部15与加热部16之间设置有绝缘层24。
需要说明的是，吸附部15也可以不配置于隔膜42的上部。吸附部15设置于壳体41内的一部分即可。例如，吸附部15也可以设置于壳体41的内壁面上的与流入口48对置的区域。由此，吸附部15能够更可靠地吸附试样所包含的化学物种。
以下，说明吸附泵40的动作。当向压电元件423施加以成为隔膜42的共振频率的方式调制出的交流电压时，隔膜42变形。壳体41的容积因隔膜42的变形而变化。
例如，在壳体41的容积增加的情况下，由于体积增加而壳体41的内部成为负压。由此，止回阀481成为打开的状态。另一方面，止回阀491成为关闭的状态。因此，试样被导入壳体41的内部。在壳体41的容积减少的情况下，由于体积减少而使壳体41的内部成为正压。由此，止回阀481成为关闭的状态。另一方面，止回阀491成为打开的状态。因此，试样被从壳体41向外部喷出。通过反复进行以上那样的壳体41的体积的增减，从而吸附泵40将试样向一方向输送。
此时，试样与设置于壳体41的内部的吸附部15接触。因此，试样所包含的化学物种效率良好地吸附于吸附部15。然后，吸附部15借助来自加热部16的热传导或辐射热量而被加热。吸附于吸附部15的化学物种通过被加热而从吸附部15脱离。由此，吸附泵40能够将由吸附部15浓缩后的化学物种从吸附泵40喷出。另外，通过使所吸附的化学物种脱离，能够恢复吸附部15的吸附功能。
需要说明的是，与在实施方式1中参照图6说明的吸附泵同样地，吸附泵40的喷出口49也可以分支为多个。而且，也可以在多个喷出口设置分隔板等。
如以上所说明的那样，在吸附泵20、30中，分别将吸附部15设置于壳体11、41内。因此，能够实现化学物种的检测装置等的小型化。
需要说明的是，化学物种脱离的温度根据化学物种的种类而不同。因此，通过控制流入加热部16的电流的值、时间，从而吸附泵20、30能够针对吸附于吸附部15的化学物种的每个种类而加以区分地使之脱离。
另外，也可以在壳体11、41的内部设置由不同的吸附材料形成的多个吸附部15。在吸附泵20中，例如多个吸附部15分开地配置于叶轮14的叶片141之间。根据这样的结构，能够在吸附泵20、30内分离并吸附不同种类的化学物种。另外，通过对吸附有目标化学物种的吸附部15进行加热，能够仅使目标化学物种脱离。
另外，例如如图10所示，在吸附泵40的内部设置有由不同的吸附材料形成的多个吸附部15。此时，以与多个吸附部15分别对应的方式设置有多个加热部16。多个加热部16能够分别独立地进行加热。这样的结构的吸附泵40也起到同样的效果。
需要说明的是，构成吸附部15的吸附材料不限定于纳米纤维151。构成吸附部15的吸附材料例如也可以是多孔质体等。
另外，也可以代替加热部16而设置振动部。通过由振动部使吸附部15振动，能够使吸附于吸附部15的化学物种脱离。这样，加热部16以及振动部作为使吸附于吸附部15的化学物种从吸附部15脱离的脱离部来发挥功能。需要说明的是，根据吸附泵的使用用途的不同，也可以不必设置脱离部。
另外，也可以将电极连接于吸附部15的纳米纤维151而使电流流入。由此，吸附部15自身作为加热部16发挥功能。
以上，基于实施方式说明了多个实施方式的吸附泵，但本公开并不限定于这些实施方式。只要不脱离本公开的主旨，对本实施方式实施本领域技术人员所想到的各种变形而得到的方案、将不同的实施方式中的构成要素组合而构建出的实施方式就也可以包含于一个或多个实施方式的范围内。
产业上的可利用性
本公开中的吸附泵对于进行包含化学物种的试样的移送、化学物种的吸附的器件尤为有用。
附图标记说明
11、41 壳体
11A 上部壳体
11B 下部壳体
12 主轴
13 轴承
14 叶轮
141 叶片
14A 叶片面
14B 背面
15 吸附部
151 纳米纤维
152 种子层
16 加热部
161 下部电极
162 纳米纤维
163 上部电极
17 涡盘
18、48 流入口
19、49 喷出口
20、30、40 吸附泵
21、211 凸起部
22 螺纹部
23 驱动部
24 绝缘层
25 导通刷
26 弹簧
27 分隔板
28 转子
29 定子
42 隔膜
421 振动板
422 上部电极
423 压电元件
424 下部电极
481、491 止回阀
482、492 止动件

Claims (9)

1.一种吸附泵，其特征在于，具备：
设置有试样的流入口和排出口的壳体；
至少一部分配置于所述壳体的内部的可动部；以及
设置于所述壳体的内部的吸附部，
所述可动部是具有叶片的叶轮，
所述吸附部设置于所述可动部。
2.根据权利要求1所述的吸附泵，其中，
所述吸附部由纳米纤维构成。
3.根据权利要求1所述的吸附泵，其中，
所述吸附部设置于与所述流入口对置的区域。
4.根据权利要求1所述的吸附泵，其中，
所述吸附泵还具备脱离部，该脱离部使吸附于所述吸附部的化学物种从所述吸附部脱离。
5.根据权利要求4所述的吸附泵，其中，
所述脱离部是对所述吸附部进行加热的加热部。
6.根据权利要求5所述的吸附泵，其中，
所述加热部包括第一电极、第二电极、以及与所述第一电极和所述第二电极电连接的导电性的纳米纤维。
7.根据权利要求1所述的吸附泵，其中，
所述吸附部固定于所述叶轮。
8.根据权利要求7所述的吸附泵，其中，
所述叶轮具有供所述叶片突出的叶片面，
所述吸附部固定于所述叶轮的所述叶片面。
9.根据权利要求7所述的吸附泵，其中，
所述叶轮具有包括所述叶片的多个叶片，
所述叶轮具有供所述多个叶片突出的叶片面，
所述吸附部在所述多个叶片之间固定于所述叶轮的所述叶片面。
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