CN1372078A - 泵 - Google Patents

Abstract

由于阀多,压力损失大,泵的可靠性也低。或者,增减泵室容积的周期长,即使将压力元件使用于驱动隔膜的致动器,也不能以高频驱动。或者,在高负荷压力下,流量不出。解决方法是使动作流体流入泵室的入口流路的合成惯性值比使动作流体由泵室流出的出口流路的合成性值小,再者,入口流路具备流阻元件,以使动作流体流入泵室时的流阻比流出时的流阻小。

Description

泵

本发明涉及利用活塞或隔膜等，变更泵室内的容积以进行流体移动的泵。

作为以往的这种泵已在特开平10-22 03 57号公报中揭示，一般的构成是在入口流路、出口流路与容积可变的泵室之间装有单向阀。

另外，利用流体的粘性阻力，作为产生向一方向流动的泵构成，已在特开平8-31 25 37号公报中揭示，具有的构成是，在出口流路设置阀，在此阀开阀时，入口流路比出口流路还具有大的流阻。

再者，在阀部不使用可动零件，作为提高泵的可靠性的泵构成，已在特表平8-50 68 74号公报中揭示，具有的构成是，具备在入口流路、出口流路都采取压力降因流动方向而异的流路形状的压缩构成元件。

但是，对于特开平10-22 03 57号公报的构成来说，入口流路与出口流路都需要单向阀，液体通过2处的单向阀时，有压力损失大的问题。另外，由于单向阀反复开闭，有疲劳损伤的危险，还有单向阀数愈多可靠性愈低的问题。

对于特开平8-31 25 37号公报的构成来说，在泵输出行程时，为减少在入口流路产生的逆流，有加大入口侧流路的流阻的必要。于是，在泵吸入行程时，逆其流阻将流体导入泵室内，因而与输出行程相比，吸入行程相当加长。因此，泵的输出吸入循环的频率相当降低。

关于使活塞或隔膜上下动作所用的致动器，使用的压电元件具有的特性是，虽然1周期的位移小，但响应频率高，在到达元件的共振频率之间，愈是以高频驱动愈能取得大的输出能量。由于进行高频驱动，能构成小型轻量高输出的泵。但是，对于特开平8-31 25 37号公报的构成来说，如前所述，由于只能以低频驱动，有不能实现充分发挥压电元件的性能的泵的问题。

特表平8-50 68 74号公报的构成是，随着泵室体积的增减，通过压缩构成元件的流体，由于由其流动方向所决定的压力降不同，由于使净流量流向一方向的构成，随着泵出口侧的外部压力(负荷压力)升高，逆流量增加，对于高负荷压力来说，有不逆行泵动作的问题。根据1996 IEEE g^th International Workshop on Micro ElectroMechanical Systems中发表的论文“An improved valve-less pumpfabricated using deep reactive ion etching”，最大负荷压力为0.76气压程度。

因此，本发明的目的在于提供能实现小型轻量高输出的泵，并且是对高负荷压力也适应的泵，该泵减少机械开闭阀的个数，减少压力损失，同时提高泵的可靠性，再者，缩短增减泵室容积的周期，并在使用压电元件于驱动活塞或隔膜的致动量的情况下，能充分发挥压电元件的性能。

为解决上述课题，方案1所述的发明，其泵具备可利用活塞或隔膜等变更容积的泵室、向该泵室流入动作流体的入口流路、由前述泵室流出动作流体的出口流路，其特征在于：前述入口流路的合成惯性值比前述出口流路的合成惯性值小，再者，前述入口流路备有流阻元件，以使动作流体流入泵室时的流阻比流出时的流阻小。

在此，所谓惯性值L，在设定流路剖面积为S，流路长度为l，动作流体的密度为ρ的情况下，可由L＝ρl/S给出。在设定流路的差压为P、流路中流动的流量为Q的情况下，用惯性值L改写流路内流体的运动方程式，导出P＝L×dQ/dt这一关系。就是说，所谓惯性值，是表示单位压力对流量的时间变化给与的影响程度，惯性值愈大，流量的时间变化愈小；惯性值愈小，流量的时间变化愈大。

另外，关于复数的流路的并联连接与复数的形状不同的流路的串联连接的合成惯性值，可与电路中的电感的并联连接、串联连接同样地将各个流路的惯性值合成而算出。

另外，在此所说的入口流路，是指由泵室内到将泵与外部连接所用的入口连接管的流体流入侧端为止的流路。但是，在后述的连接脉动吸收机构的情况下，是指由泵室内到与脉动吸收机构的连接部为止的流路。再者，如后所述，在复数泵的入口流路是合流的情况下，是指由泵室内到合流部为止的流路。

如方案1那样构成的泵的动作，在活塞或隔膜向泵室容积减小的方向动作的情况下，对于入口流路来说，流体朝向流出的方向，因而流阻元件的流阻大，流体由入口流路的流出微少或是零。另一方面，在出口流路，当泵室内的压力根据流体的压缩率升高时，根据真压力与负荷压力的压力差、惯性值，流体由泵室流出方向的流量增加。

其次，在活塞或隔膜朝向泵室容积增大的方向动作的情况下，泵室内的压力减小。泵室内的压力比入口流路的外部压力还要低落时，在入口流路，流体朝向流入的方向，因而流阻元件的流阻减小，根据其压力差与入口流路的惯性值，流体朝向泵室流入的方向的流量增加。另一方面，在出口流路，根据负荷压力与泵室内的压力的压力差、惯性值，流体由泵室流出的方向的流量减少。

这时，在入口流路，流入流量的增加率愈大，愈能趁着出口流路的流出流量的减少量少时，使由泵室流出的体积分额的流体流入泵室内。因此，如本发明那样使入口流路的合成惯性值比出口流路的合成惯性值小即可。

由于这样做，机械的开闭阀的个数减少，压力损失减少，同时泵的可靠性提高。再者，如后述那样，增加与减小泵室容积的时间按同等程度即可，因而能以高频率使驱动活塞或隔膜的致动器动作。因此，在将压电元件使用于致动器的情况下，能实现充分发挥压电元件性能的小型轻量高输出的泵。

另外，方案2的发明是按方案1所述的泵，其特征在于：在吸入流路的动作流体入口侧，连接吸收动作流体的脉动的脉动吸收机构。由于这样做，抑制了单向阀4的开闭引起的压力脉动，因而能抑制入口连接管8与连接于其上的未予图示的外部配管引起的惯性值的影响。并且，能只限于抑制了入口连接管8内流路的惯性值的影响这一分额，比第1实施形态的泵以短时间，使与出口流路2流出的流量相等的流量，流入泵室3内。因此，能使增减泵室容积的周期更加缩短，能实现充分发挥对活塞或隔膜进行驱动的致动器所使用的压电元件的性能的泵。再者，能不损害泵的性能，在泵上连接随意尺寸的配管。

另外，方案3所述的发明是按方案1或2所述的泵，其特征在于：泵室是复数，使动作流体流入复数泵室的入口流路在动作流体入口侧被合流，还具有驱动装置，该驱动装置是将变更前述复数泵室的容积的计时错开地进行驱动。这样做，由流阻元件的流阻变化引起的压力脉动，在入口连接管或连接于其上的外部配管部受到抑制，具有与方案2所述的构成相同的效果，前述入口连接管用于将泵与外部连接，入口连接管或外部配管部配置于合流部分上游侧。

特别是在使泵数为3并将变更各泵的泵室容积的计时错开1/3周期地进行驱动的情况下，零件数虽少，但抑制效果较大，因而符合理想。另外，与方案2组合时，压力脉动的抑制效果更进一步增大，符合理想。

另外，方案4的发明是按方案3所述的泵，其特征在于：使动作流体由复数泵室流出的前述出口流路是在动作流体出口侧合流。

这样做，由于泵室容积的变化而产生的压力脉动，在出口连接管及连接于其上的外部配管部受到抑制，因此，在泵的出口侧也可连接随意尺寸的配管，前述出口连接管用于将泵与外部连接，该出口连接管或外部配管部配置于合流部分下游侧。

另外，方案5所述的发明是按方案1～4所述的泵，其特征在于：在出口流路的动作流体出口侧连接吸收流体脉动的脉动吸收机构。

这样做，由于泵室容积的变化引起的压力脉动，在出口连接管或连接于其上的外部配管部受到抑制，前述出口连接管用于将泵与外部连接，出口连接口或外部配管部配置于合流部分下游侧。与方案4组合时，压力脉动的抑制效果更进一步增大，符合理想。因此，在泵的出口侧也可连接随意尺寸的配管。

另外方案6所述的发明是按方案1～5所述的泵，其特征在于：流阻元件是单向阀。对于流阻元件来说，也有只以电极构成，并使动作流体成为电滞性流体(施加电压时流体的粘度升高的流体)的情形与特表平8-50 68 74号公报所公开的压缩构成元件这一利用流体的性质的作法，但是此等流阻元件，当泵室内成为高压时，防止泵室内的流体通过入口流路向外部流出的效果(止回效果)小。因此，最好象方案6所述的发明那样，作为流阻元件，使用防止逆流的单向阀。

这样做，在活塞或隔膜向减小泵室容积的方向动作，泵室内的压力升高时，能防止入口流路的逆流，因此能充分提高泵室内的压力，即使负荷压力高的情况下，也能将动作液体送入负荷侧。再者，在泵停止时，能保持负荷压力。

另外，方案7所述的发明是按方案2、5所述的泵，其特征在于：脉动吸收机构具备弹性壁室，该弹性壁室至少一部是由弹性壁构成，并且每单位压力的体积变化量比动作流体还要大。这样做，能以比较简便的方法构成脉动吸收机构。

另外，方案8所述的发明是按方案1～7所述的泵，其特征在于：入口流路、出口流路都将动作流体的入口侧倒角或修圆。这样做，流体的流阻减小，因而能提高泵的性能。

在此，所谓动作流体入口侧，是使泵运转，在使流体向顺方向(负荷方向)流动时，流入的一侧。另外，所谓动作流体出口侧，是使泵运转，在使流体向顺方向流动时，流出的一侧。

图1是表示本发明的第1实施形态的泵的从剖面的图。

图2是表示本发明的第1实施形态的泵的隔膜位移、泵室内压力的波形的图。

图3是表示本发明的第1实施形态的泵的入口流路流量、出口流路流量的波形的图。

图4是表示本发明的第2实施形态的泵的纵剖面的图。

图5是表示本发明的第3实施形态的泵的图。

下面，按照附图说明有关本发明的多个实施形态。

首先，参照图1说明有关本发明的泵的第1实施形态。图1表示本发明的泵的纵剖面。在圆筒状壳体7的底部配置有圆形的隔膜5。隔膜5，其外周缘固定支持在壳体7上，弹性变形自如。在隔膜5的底面上配置沿图面的上下方向伸缩的压电元件6，以作为使隔膜5动作所用的致动器。

隔膜5与壳体7上壁之间的狭窄空间是泵室3，朝向泵室3设置单向阀4的入口流路1与出口流路2开着口，该单向阀4是流阻元件。并且，构成入口流路1的零件外周的一部成为入口连接管8，用于连接未于泵上图示的外部配管。另外，构成出口流路2的零件外周的一部成为出口连接管9，用于连接未于泵上图示的外部配管。另外，在入口流路、出口流路中都有将动作流体的入口侧修圆的圆角部分15a、15b。

再者，说明入口流路1、出口流路2的流路长度、面积的标记关系。在入口流路1内，设定单向阀4附近的缩经管路部的长度为L1、面积为S1、剩余的扩大的管路部的长度为L2、面积为S2。另外，在出口流路2内，设定出口流路2的管路长度为L3、面积为S3。

利用以上的标记与动作流体的密度ρ，说明入口流路1、出口流路2的惯性关系。

入口流路1的惯性可由(ρ×L1×L2)/(S1×L2+S2×L1)算出。另一方面，出口流路2的惯性可由ρ×L3/S3算出。并且，此等流路满足(ρ×L1×L2)/(S1×L2+S2×L1)＜ρ×L3/S3的尺寸关系。

下面，说明本发明的泵的动作。

通过向压电元件6供给交流电压，隔膜5振动，泵室3的容积连续变化。

使泵的负荷压力成为1.5气压，泵运转，图2表示输出流量多的状态时的隔膜5的位移(微米)、泵室3内压力(气压)的波形。在隔膜位移波形中，波形的倾角为正的领域是压电元件6伸展，泵室3的容积减小的过程。另一方面，波形的倾角为负的领域是压电元件6收缩，泵室3的容积增大的过程。泵室3内的压力，是在泵室3的容积减小过程一开始，压力上升即开始。并且，根据后述的理由，在该容积减小过程终了之前，压力达到最大值并开始减小。进而在泵室3的容积增加过程一开始，接着压力即继续减小，在该容积增加过程的途中，泵室内发生真空状态，压力成为0气压的一定值。

这时的入口流路1、出口流路2的流量波形如图3所示。在曲线图上以泵运转时流向顺方向(负荷方向)的流量作为正方向。

出口流路2的流量，是在泵室3内压力上升并一超过负荷压力，即开始增加。而且，泵室3内的流体开始由出口流路2流出，在流出量超过由于隔膜5的位移引起的泵室3的容积减少量的瞬时，泵室3内压力开始减小。泵室3内压力减小并一旦比负荷压力还低落时，出口流路2的流量即开始减少。此等流量变化率等于以出口流路2的惯性值除泵室3内压力与负荷压力的压力差所得的值。另一方面，在入口流路1，当泵室3内压力一旦比大气压力还减小时，由于其压力差，单向阀4打开，流量开始增加。另外，当泵室3内压力上升并一旦比大气压还增加时，即开始减小。此等流量变化率也是等于以入口流路1的惯性值除泵室3内压力与大气压力的压力差所得的值。并且，由于单向阀4的止回效果而防止逆流。

在此，入口流路1的惯性值比出口流路2的惯性值小，因而入口流路1的流量变化率比出口流路2的流量变化率大，能在短时间内向泵室3流入与出口流路2流出的流量相等的流量。假如入口流路的惯性值比出口流路的惯性值大的情况下，由于由吸入流路流入的时间加长，在出口流路产生逆流，泵的输出流量减少，因而性能降低。

如上所述，本发明的泵，只在入口流路配置阀即可，能减少由阀带来的压力损失，同时提高泵的可靠性。再者，如后述那样，增加与减小泵室容积的时间按同等程度即可，因而能以高频率使驱动活塞或隔膜的致动器动作。因此，能实现充分发挥压电元件性能的小型轻量高输出的泵。而且，对于高负荷压力也能适应。

下面，按照图4说明有关本发明的泵的第2实施形态。

图4表示本发明的泵的纵剖面。在本实施形态中，在单向阀4附近的作为缩径部的入口流路1的动作流体入口侧，安装有由弹性壁室11a构成的脉动吸收机构12a，在该弹壁室11a的上面配置有弹性壁10a。并且，连接未予图示的外部配管与泵所用的入口连接管8连接在弹性壁室11a的壁面的一部上。另外，在出口流路2的动作流体出口侧，安装有由弹性壁室11b构成的脉动吸收机构12b，在该弹性壁室11b的上面配置有弹性壁10b。并且，连接未予图示的外部配管与泵所用的出口连接管9连接在弹性壁室11b的壁面的一部上。

如果为使此等弹性壁室11a、11b的每单位体积的体积变化量比动作流体大时，可将塑料、橡胶、金属薄板等具有弹性的材料使用于弹性壁10a、10b。另外，弹性壁10a、10b可将构成弹性壁室11a、11b以外的壁面与另外的零件固定而实现，也可将构成弹性壁室11的壁面的一部进行去薄加工作为整体而实现。另外，弹性壁室11a、11b要连接成入口流路1的合成惯性值比出口流路2合成惯性值小。

这样做，抑制由于单向阀4的开闭引起的压力脉动，因而能抑制由于入口连接管8与连接于其上的未予图示的外部配管引起的惯性值的影响。并且，能只限于抑制了入口连接管8内流路的惯性值的影响这一分额，比第1实施形态的泵，以短时间，使与出口流路2流出的流量相等的流量。流入泵室3内。因此，能使增减泵室容积的周期更缩短，能实现充分发挥对活塞或隔膜进行驱动的致动器所使用的压电元件的性能的泵。再者，能不损害泵的性能，在泵上连接随意尺寸的配管。

下面，按照图5说明有关本发明的泵的第3实施形态。

图5是俯视表示第3实施形态的泵，是以剖面表示由入口连接管8到入口流路1与由出口连接管9到出口流路2的3b。在本实施形态中，第1实施形态的泵有3个，在由其入口连接管8到入口流路1之间有合流部13a，在由出口连接管9到出口流路2之间有合流部13b，将各泵的入口流路1与出口流路2合流。并且，图中的点线表示将驱动装置14连接到各泵，该驱动装置14是将变更各泵的泵室容积的计时错开1/3周期地进行驱动。在此，也可将构成合流部13a、13b的壁面的一部制成弹性壁。

这样做，由于抑制由单向阀4的开闭引起的压力脉动，能抑制由入口连接管8与连接于其上的未予图示的外部配管引起的惯性值的影响。并且，能只限于抑制了入口连接管8内流路的惯性值的影响这一分额，比第1实施形态的泵，以短时间，使与出口流路2流出的流量相等的流量，流入泵室3内。因此，能更加缩短增减泵容积的周期，能实现充分发挥使用于致动器的压电元件的性能的泵，前述致动器是用于对活塞或隔膜进行驱动。再者，能不损害泵的性能，在泵上连接随意尺寸的配管。

另外，由于泵室容积的变化引起的压力脉动，在出口连接管或连接于其上的外部配管部受到抑制。因此，在泵的出口侧也能连接随意尺寸的配管，前述出口连接管用于将泵与外部连接，出口连接管或外部配管部配置于合流部分下游侧。

在上述实施形态中，隔膜不仅限于圆形。另外，使隔膜动作的致动器不仅限于压电元件，是伸缩的致动器即可。再者，单向阀不只是利用流体的压力差进行开闭的型式，使用能以流体的压力差以外的力控制开闭的型式的结构也可。

如上所述，按照方案1～7所述的发明，只在入口流路配置阀等流阻元件即可，因而能减少流阻元件上的压力损失，同时提高泵的可靠性。再者，增加与减小泵室容积的时间以同等程度即可，因而能使驱动活塞或隔膜的致动器以高频率动作。因此，能实现充分发挥压电元件的性能的小型轻量高输出的泵。再者，能实现对于高负荷压力也适应的泵。

Claims (8)

1.一种泵，具备可利用活塞或隔膜等变更容积的泵室、向该泵室流入动作流体的入口流路、由前述泵室流出动作流体的出口流路，其特征在于：前述入口流路的合成惯性值比前述出口流路的合成惯性值小，再者，前述入口流路备有流阻元件，以使动作流体流入泵室时的流阻比流出时的流阻小。

2.按权利要求1所述的泵，其特征在于：在前述吸入流路的动作流体入口侧，连接吸收动作流体的脉动的脉动吸收机构。

3.按权利要求1或2所述的泵，其特征在于：前述泵室是复数，使动作流体流入该复数泵室的前述入口流路在动作流体入口侧被合流，还具有驱动装置，该驱动装置是将变更前述复数泵室的容积的计时错开地进行驱动。

4.按权利要求3所述的泵，其特征在于：使动作流体由前述复数泵室流出的前述出口流路在动作流体出口侧被合流。

5.按权利要求1～4所述的泵，其特征在于：在前述出口流路的动作流体出口侧连接吸收动作流体的脉动的脉动吸收机构。

6.按权利要求1～5所述的泵，其特征在于：前述流阻元件是单向阀。

7.按权利要求2或5所述的泵，其特征在于：前述脉动吸收机构具有弹性壁室，该弹性壁室至少一部是由弹性壁构成，并且每单位压力的体积变化量比动作流体还要大。

8.按权利要求1～7所述的泵，其特征在于：前述入口流路、前述出口流路都在动作流体的入口侧倒角或修圆。

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