CN1609449A - 泵的驱动方法 - Google Patents

Abstract

在利用出口流路的大惯性产生的流体惯性效果使输出增加的泵中，存在由膜片的驱动波形等的变化引起的惯性效果的变化对输出产生很大影响的问题。本发明提供一种泵的驱动方法，具有：可通过膜片(5)改变容积的泵室(3)；使工作流体流入泵室(3)的入口流路(1)；使工作流体从泵室(3)流出的出口流路(2)；配置在入口流路(1)中的止回阀(4)，使入口流路的惯性比出口流路的惯性小，并且，设出口流路的惯性为L(kg/m⁴)、从所述膜片(5)的下止点到上止点的位移为X(m)、所述泵室的截面积为S(m²)时，用满足下式的频率f(Hz)的正弦波驱动膜片(5)。

Description

泵的驱动方法

技术领域

本发明涉及通过活塞或膜片等改变泵室内的容积使液体移动的小型泵。

背景技术

专利文献1    特开2002-62986号公报

以前，本发明的发明者们开发了以下的可对应高负载压力的排出流量大的高输出泵，该高输出泵具有：由压电元件等致动器所驱动的活塞或膜片；可通过该活塞或膜片改变容积的泵室；流体流入泵室的入口流路；流体从泵室流出的出口流路；只安装在入口流路中的止回阀等流阻元件，并且入口流路的惯性比流体从泵室流出的出口流路的惯性小(参考专利文献1)。

由于具有专利文献1的结构的泵利用由出口流路的大惯性产生的流体惯性效果使输出增加，因此存在以下问题：由活塞或膜片的驱动波形或泵尺寸的变化引起的惯性效果的变化，对输出产生很大影响。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种使用专利文献1那样的利用惯性效果的泵来得到高输出的驱动方法。

本发明的泵的驱动方法的特征在于，具有：可通过活塞或膜片等可动壁改变容积的泵室；使工作流体流入该泵室的入口流路；使工作流体从所述泵室流出的出口流路，在所述入口流路中具有流阻元件，该流阻元件在工作流体流入泵室时的流阻比流出时的流阻小，所述入口流路的惯性比所述出口流路的惯性小，并且，设出口流路的惯性为L(kg/m⁴)、从所述可动壁的下止点到上止点的位移为X(m)、所述泵室的截面积为S(m²)时，用满足下式

$f\≥\frac{0.26}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

的频率f(Hz)驱动所述可动壁。

根据本发明，在利用由出口流路的大惯性产生的流体惯性效果使输出增加的泵中，可以取得与泵的尺寸无关的高的泵输出。

进而，作为本发明的泵的驱动方法，在上述范围中，特别是最好以满足下式

$f\≥\frac{0.4}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

的频率f(Hz)驱动上述可动壁。

根据本发明，与泵的尺寸无关，可以取得后面详细说明的2倍波模式下的高的泵输出。当以2倍波模式进行驱动时，可以提高止回阀的耐久性，进而可以提高泵的可靠性。

此时，通过进一步以满足式

$f\≤\frac{0.85}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

的频率f(Hz)驱动上述可动壁，可以可靠地取得2倍波模式下的高的泵输出。

此外，活塞或膜片的驱动波形最好大致为正弦波。根据该发明，可以容易地实现驱动电路，并且在驱动时在致动器内产生的内部应力小，提高了致动器和泵的可靠性。

附图说明

图1是本发明的泵的实施方式的纵截面图。

图2是表示在本发明的泵的实施方式中，1倍波模式时泵的内部状态的曲线图。

图3是表示在本发明的泵的实施方式中，排出的流体体积相对于膜片驱动频率的变化的曲线图。

图4是表示在本发明的泵的实施方式中，2倍波模式时泵的内部状态的曲线图。

图5是表示在本发明的泵的实施方式中，当泵室直径为3mm时，以出口流路的惯性和驱动频率作为参数，对各参数值时的最大输出进行汇总所得到的曲线图。

图6是表示在本发明的泵的实施方式中，当泵室直径为6.3mm时，以出口流路的惯性和驱动频率作为参数，对各参数值时的最大输出进行汇总所得到的曲线图。

图7是表示在本发明的泵的实施方式中，当泵室直径为9mm时，以出口流路的惯性和驱动频率作为参数，对各参数值时的最大输出进行汇总所得到的曲线图。

符号说明

1：入口流路；2：出口流路；3：泵室；4：止回阀(流阻元件)；5：膜片；6：压电元件。

具体实施方式

以下根据附图，对本发明的实施方式进行说明。

图1表示本发明的泵的实施方式的纵截面。在作为层叠式压电元件6的保持部件的压电元件外壳31的下部，通过焊接牢固地固定有外壳底板34。在作为泵的驱动源的层叠式压电元件6的上面预先粘接端板33，构成层叠式压电元件单元，并固定在上述压电元件外壳31的内部，该固定是通过将层叠式压电元件6的下面和上述外壳底板34的上面相粘接来实现的。

在固定层叠式压电元件6后，通过研磨加工，将压电元件外壳31的上面和端板33的上面加工为同一平面。进而，在经研磨加工而成为同一平面的端板33和压电元件外壳31两者上粘接膜片5。

膜片5由厚度20μm的不锈钢薄钢板形成，以与压电元件外壳31之间夹着该膜片5的形态，安装有泵室部件21。

泵室部件21在其内部形成有泵室3和出口流路2。用未图示的螺钉进行压电元件外壳31与泵室部件21的固定。在泵室部件21的上部嵌合有入口流路部件11，用未图示的螺钉来固定。

敞开的入口流路部件11的上面被柔软且具有高阻气性的压力变动吸收板12密封。为了同时具有柔软性和阻气性，该压力变动吸收板12的材质最好是金属薄膜和树脂的复合材料等。

其次，对本发明的泵的内部流路进行说明。从设置在连接部11a的上游侧的未图示的外部管道流入的流体，从压力变动吸收室11b流入泵室3。从压力变动吸收室11b通向泵室3的流路逐渐缩小，成为大约为φ0.5mm的孔，连通到泵室3。在该压力变动吸收室11b与泵室3的分界部，作为流阻元件，设置有由15μm的不锈钢薄钢板形成的舌簧止回阀4，防止从泵室3到压力变动吸收室11b的倒流。入口流路1由从与该外部管道连接的连接部11a起到止回阀4为止的流路构成。

泵室3由出口流路2开口的连接部分、以及膜片5上部的扁平形状的压缩部分构成。从泵室3流出的流体通过出口流路2被输出到未图示的外部管道。此处，设置在入口流路1的上游侧的未图示的外部管道、同样在内部形成有出口流路2的泵室部件21的突出部上所设置的未图示的外部管道，都用具有适当柔软性的树脂管等构成。

其次，定义流路的惯性L。当设流路的截面积为S_f，流路的长度为1，工作流体的密度为ρ时，则给出L＝ρ×1/S_f。进而，当设流路的差压为ΔP，流过流路的流量为Q时，利用惯性L，可导出ΔP＝L×dQ/dt关系。即，惯性L表示单位压力对流量的时间变化的影响程度，惯性L越大，流量的时间变化越小；惯性L越小，流量的时间变化越大。

此外，关于多条流路的并联连接、或多种形状不同的流路的串联连接的惯性合成方法，可以采用与电路中的电感的并联连接、串联连接相同的方法，将各个流路的惯性进行合成和算出。具体来说，多条流路并联连接时的惯性可以采用与电路中的电感的并联连接相同的方法合成求出。此外，多种形状不同的流路的串联连接时的惯性，可以采用与电路中的电感的串联连接相同的方法合成求出。

此外，在流路中有柔软部等压力变动吸收元件时的惯性，只要考虑到压力变动吸收元件即可。

因此，在本发明的泵中，入口流路的惯性是从作为压力变动吸收元件的压力变动吸收板12到舌簧阀4的惯性。另一方面，出口流路的惯性是出口流路2的惯性。由于出口流路比入口流路的流路长度长，流路截面积小，因此出口流路的惯性远大于入口流路。

其次，利用表示本实施方式的泵运行时的内部状态的图2，说明当工作流体为水时的泵的动作。

图2是用绝对压力表示由层叠式压电元件6所驱动的膜片5的位移波形、以及泵室3内部的压力波形的曲线图。此时，在层叠式压电元件6上施加频率约5.5kHz的正弦波电压，膜片5的位移也与其同步。膜片5向图1中的上方向增加位移而压缩泵室3的体积。根据图2，当超过位移的谷底后，由于泵室3被压缩而使压力开始上升，当通过位移上升梯度最大的点后，在达到最大位移之前，泵室3的内部压力急剧下降，在接近绝对0气压时，溶解在工作流体中的成分被气化，产生形成气泡的曝气或气穴现象，在绝对0气压附近变平坦。

对其进行详细说明，首先，在止回阀4关闭的状态下，泵室3的体积被压缩时，由于出口流路2内的工作流体的大的惯性，泵室3内的压力大幅度上升。由于该压力的上升，出口流路2内的工作流体被加速，积蓄了动能。当层叠式压电元件6的伸缩速度的梯度变小时，由于至此为止积蓄在出口流路2内的工作流体中的动能的惯性效果，使工作流体继续流动，因此，泵室3内的压力急剧下降，不久变得小于入口流路1内的压力。在该时刻，由于压力差使止回阀4打开，工作流体从入口流路1流入泵室3。

此时，由于入口流路的惯性比出口流路2的惯性小，因此来自入口流路的流入流量的增加率大。因此，在继续从出口流路2流出的同时，大量工作流体流入泵室3内。进而，该同时产生从该泵室3流出和流入该泵室3的状态，一直继续到层叠式压电元件6收缩并再次转换为伸长时为止。这就是图2中的泵室内压的平坦部的状况。这样，由于本结构的泵存在同时排出和吸入的状况，因此可以流出大的流量，此外，由于泵室内的压力变得非常高，因此可以对应高负载压力。

另外，当以正弦波驱动了本实施方式的泵的膜片5时，排出流体体积相对于驱动频率如图3那样变化，存在2个排出流体体积变大的波峰。首先，在低驱动频率下出现波峰时的泵的内部状态就是刚才图2所示的已说明过的状态，是被称为1倍波模式的驱动状态，在该状态下膜片位移的周期与泵室压力的周期相等。

用图4对在高频率下出现波峰时的泵的内部状态进行说明。图4也表示泵室3的内部压力和膜片位移的波形。而且，在图4中，产生被称为2倍波模式的状态，在该状态下，泵室压力的变动周期是膜片位移的周期的2倍。在该2倍波模式下，虽然膜片5的位移振幅恒定，但由于频率高，因此泵室3的体积以更高的速度减小，泵室3内的压力最大值比1倍波模式时大。其结果，可以认为，与1倍波模式时相比，出口流路2内的流体速度也变大，由于惯性效果排出将长时间继续，在泵室内压上升了的周期的下一个膜片5的驱动周期中，继续保持吸入阀开放的状态，成为2倍波模式。

在图3中，表示2倍波模式时排出的流体体积比1倍波模式时多的状况，但随着条件不同，也存在1倍波模式时排出的流体体积较多的情况。

如上所述，本实施方式的泵由于利用出口流路2内的流体的惯性效果，因此泵的输出根据层叠式压电元件6的驱动波形而发生大幅度变化，此外，输出也随着泵各部尺寸的变化而变化，但是，以前，不是很明白用于获得高输出的泵驱动方法。

因此，发明者不断进行专心研究和实验，在用正弦波使膜片5运动时，发现了可获得泵的高输出的驱动频率和泵的尺寸的关系，以下，对该关系进行说明。

图5是在泵室3的直径为3mm时的本实施方式的泵中，以出口流路2的惯性和压电元件6的驱动频率作为参数，对各参数值时泵的最大输出的调查结果进行汇总所得到的图。曲线图的横轴表示出口流路2的惯性的平方根的倒数，纵轴表示膜片5的驱动频率与从下止点到上止点的上述膜片5的位移的积。用白圆标记表示1倍波模式下输出小于100mW的区域，用黑圆标记表示1倍波模式下输出大于等于100mW的区域，用白方块标记表示2倍波模式下输出大于等于150mW的区域。

图6是在设泵室3的直径为6.3mm时的本实施方式的泵中，以出口流路2的惯性和压电元件6的驱动频率作为参数，对各参数值时泵的最大输出的调查结果进行汇总所得到的图。坐标轴和显示标记的意义与图5相同。

图7是在设泵室3的直径为9mm时的本实施方式的泵中，以出口流路2的惯性和压电元件6的驱动频率作为参数，对各参数值时泵的最大输出的调查结果进行汇总所得到的图。坐标轴和显示标记的意义与图5相同。

在以上说明中，工作流体为水，压电元件的位移量约为4.5μm。

进而，在图5至图7中，在1倍波模式下输出小于100mW的区域与大于等于100mW的区域的分界上所划的实线，是设出口流路2的惯性为L(kg/m⁴)、从膜片5的下止点到上止点的位移为X(m)和驱动频率为f(Hz)、泵室3的截面积为S(m²)时，由式：

$f=\frac{0.26}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

所给定的直线。

此外，在图5至图7中，在1倍波模式下输出大于等于100mW的区域与2倍波模式下输出大于等于150mW的区域的分界上所划的点划线，是设出口流路2的惯性为L(kg/m⁴)、从膜片5的下止点到上止点的位移为X(m)和驱动频率为f(Hz)、泵室3的截面积为S(m²)时，由式：

$f=\frac{0.4}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

所给定的直线。

而且，在图5至图7中，在2倍波模式下输出大于等于150mW的区域与1倍波模式下输出大于等于100mW的区域的分界上所划的虚线，是设出口流路2的惯性为L(kg/m⁴)、从膜片5的下止点到上止点的位移为X(m)和驱动频率为f(Hz)、泵室3的截面积为S(m²)时，由式：

$f=\frac{0.85}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

所给定的直线。

由上可知，即使泵各部分的尺寸发生变化，只要以满足式：

$f\≥\frac{0.26}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

的驱动频率f驱动膜片5，就可以得到大于等于100mW的高输出。此外，通过以满足式：

$\frac{0.85}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}\≥f\≥\frac{0.4}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

的驱动频率f驱动膜片5，在2倍波模式下就可以得到大于等于150mW的高输出。

当用2倍波模式进行驱动时，止回阀的开闭次数为驱动频率的1/2，从图3可知，用2倍波模式驱动的止回阀的开闭次数比用1倍波模式驱动时的止回阀的开闭次数少。一般地，由于疲劳破坏与负荷的重复次数有关，因此当用2倍波模式进行驱动时，可以提高止回阀的耐久性。

上述驱动频率和泵尺寸的关系不仅在正弦波的驱动波形中，而且在利用低通滤波器使三角波、锯齿波或矩形波的高频成分衰减而使其接近于正弦波的波形中也成立。本发明中的所谓的大致正弦波包含所有的正弦波、以及接近正弦波的这些波形。此时特别地，最好使与用某频率的正弦波驱动时的膜片5的最大速度相比较，用与其相同频率的大致正弦波驱动膜片5时的膜片5的最大速度在±20％以内。

当用这样的正弦波和大致正弦波进行膜片5的驱动时，具有以下优点：不仅可以容易地实现驱动电路，而且驱动时施加到压电元件的内部应力小，使元件很难被破坏。

在上述说明中，膜片5的形状并不限于圆形。此外，止回阀4不仅可以使用通过流体的压力差开闭的从动阀，也可以使用能够以其它力控制开闭的主动阀型的止回阀。而且，使膜片5动作的致动器也可以使用与压电元件具有相同高频特性的超磁致伸缩元件。此外，对用水作为工作流体的情况进行了说明，但使用其它液体也没有关系。

本发明可以在使用小型液体输送用泵的各种产业中利用。

Claims (4)

1.一种泵的驱动方法，其特征在于，

该泵具有：可通过活塞或膜片等可动壁改变容积的泵室；使工作流体流入该泵室的入口流路；使工作流体从所述泵室流出的出口流路，

在所述入口流路中具有流阻元件，该流阻元件在工作流体流入泵室时的流阻比流出时的流阻小，

所述入口流路的惯性比所述出口流路的惯性小，并且，

设出口流路的惯性为L(kg/m⁴)、从所述可动壁的下止点到上止点的位移为X(m)、所述泵室的截面积为S(m²)时，用满足下式

$f\≥\frac{0.26}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

的频率f(Hz)驱动所述可动壁。

2.如权利要求1所述的泵的驱动方法，其特征在于，设所述出口流路的惯性为L(kg/m⁴)、从所述可动壁的下止点到上止点的位移为X(m)、所述泵室的截面积为S(m²)时，用满足下式

$f\≥\frac{0.4}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

的频率f(Hz)驱动所述可动壁。

3.如权利要求2所述的泵的驱动方法，其特征在于，

设所述出口流路的惯性为L(kg/m⁴)、从所述可动壁的下止点到上止点的位移为X(m)、所述泵室的截面积为S(m²)时，用满足下式

$f\≤\frac{0.85}{X\sqrt{\mathrm{LS}}}$

的频率f(Hz)驱动所述可动壁。

4.如权利要求1至3中的任意一项所述的泵的驱动方法，其特征在于，

所述驱动的波形大致为正弦波。

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