JP2002227770A - 小型ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単位時間当たりの流量を低下させず、ポンプ
内を流通する液体の凍結時にも破損を避けることができ
るダイアフラム型の小型ポンプを提供する。 【解決手段】 小型ポンプ２０は、ダイアフラム１と、
前記ダイアフラムを保持する筐体４ａ、４ｂとで形成さ
れる閉空間を備え、該閉空間に液体を保持し、前記ダイ
アフラムの振動による容積変化により該液体を圧出する
ポンプ室１０と、前記ポンプ室に液体を供給する吸水口
５ａと、前記ポンプ室から圧出される液体を外部へ排出
する排水口６ａとを備え、前記ポンプ室内に、前記液体
の凍結時に生じる応力を緩和する応力緩和手段９を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイアフラム型の
小型ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）
からなる圧電素子をダイアフラムに用いて超小型化を図
った小型ポンプが知られている。この小型ポンプ７０に
は、例えば、図１４の（ａ）の断面図に示すように、ダ
イアフラム５１がベース５２に取り付けられている。ま
た、吸水口５３に吸水弁５４、排水口５５に排水弁５６
がそれぞれ取り付けられている。さらに、このダイアフ
ラム５１は、電極を兼ねた金属薄板の間に圧電体を積層
して、合成樹脂シート等からなる薄膜体に接着して構成
されている。この小型ポンプ７０では、ダイアフラム５
１を構成している圧電体に交流電圧を印加して振動させ
てポンプ室６０の容積を変化させると共に、吸水弁５
４、排水弁５６をダイアフラム５１の振動に合わせて開
閉することでポンプとして機能させている（図１４
（ｂ））。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この小型ポン
プを冷却システムで用いた場合や低温下で駆動させた場
合に、例えば、凍結時に体積が増加する水を冷媒として
用いるとポンプ室内の水が凍結することがある。このよ
うにポンプ室内の液体が凍結した場合、体積膨張に伴っ
てポンプ室内に生じる圧力のためにダイアフラム部を破
損する恐れがある。そのため、従来、ダイアフラムを破
損させないように、ポンプ室内の液体を凍結させないよ
うに不凍液を用いていた。しかし、水を冷媒として用い
る場合には凝固点は−４０℃程度が限界である。その一
方、凝固点をあまり降下させると不凍液の粘度が著しく
上昇してしまい単位時間当たりの流量が極端に減少す
る。

【０００４】そこで、本発明の目的は、単位時間当たり
の流量を低下させることなく、ポンプ内を流通する液体
の凍結時にも破損を避けることができるダイアフラム型
の小型ポンプを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る小型ポンプ
は、ダイアフラムと、前記ダイアフラムを保持する筐体
とで形成される閉空間を備え、該閉空間に液体を保持
し、前記ダイアフラムの振動による容積変化により該液
体を圧出するポンプ室と、前記ポンプ室に液体を供給す
る吸水口と、前記ポンプ室から圧出される液体を外部へ
排出する排水口とを備え、前記ポンプ室内に、前記液体
の凍結時に生じる応力を緩和する応力緩和手段を備えた
ことを特徴とする。

【０００６】これによって、ダイアフラムに作用する歪
みを抑えることができ、その破損を避けることができ
る。そのため、ポンプ室内の液体が凍結しても破損する
ことなく、再度動作させることができ、高い信頼性と優
れたポンプ特性を有している。

【０００７】なお、このダイアフラムは、例えば、弾性
シム板に圧電素子を接合して構成することができる。こ
のように小型ポンプの駆動に圧電素子を用いることによ
って、小型ポンプの構成を単純化することができる。ま
た、この圧電素子としては、通常用いられるものを使用
できる。さらに、圧電素子は液体凍結時の体積膨張に伴
う大きな歪みによって破損しやすい場合があるが、この
小型ポンプでは応力緩和手段によって圧電素子を破損か
ら保護することができる。

【０００８】また、本発明に係る小型ポンプは、前記小
型ポンプであって、前記応力緩和手段は、前記ポンプ室
内の液体が凍結する際に生じる応力に対して前記ダイア
フラムが有する剛性より低い剛性を有する材料で構成さ
れるポンプ室の部材からなることを特徴とする。

【０００９】ここで、このポンプ室の部材は、ポンプ室
内の液体が凍結する際に生じる応力に対して、ダイアフ
ラムが有する剛性より低い剛性を有している。このた
め、このポンプ室の部材は、該液体の凍結時の体積膨張
に伴う圧力によってダイアフラムより変形しやすく、ダ
イアフラムの変形量を小さく抑制でき、ダイアフラムの
破損を防止できる。

【００１０】本発明に係る小型ポンプは、ダイアフラム
と、前記ダイアフラムを保持する筐体とで形成される閉
空間を備え、該閉空間に液体を保持し、前記ダイアフラ
ムの振動による容積変化により該液体を圧出するポンプ
室と、前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、前記ポ
ンプ室から圧出される液体を外部へ排出する排水口とを
備え、少なくとも一部の前記ポンプ室側壁は、所定の周
波数を有する応力を受ける場合において、前記応力の周
波数に対して剛性が正の傾きを持つ材料で構成されてな
ることを特徴とする。

【００１１】ここで、この小型ポンプのポンプ室側壁に
は、所定の周波数を有する応力を受ける場合において、
応力の周波数に対して剛性が正の傾きを持つ材料を用い
ている。なお、応力が周波数を有する場合とは、ある周
期で応力が変動する場合であって、この小型ポンプで
は、ダイアフラムが振動することによって生じる応力で
ある。また、応力の周波数に対して剛性が正の傾きを持
つとは、数Ｈｚ程度の低周波数の応力には低い剛性を示
し、数１０Ｈｚから１００Ｈｚを超えるような高周波数
の応力には高い剛性を示すことをいう。この材料からな
るポンプ室側壁では、例えば、図３の応力の周波数と変
形量との関係のグラフに示すように、低周波数の応力に
は大きな変形量を示し（即ち、低剛性）、高周波数の応
力には小さな変形量を示す（即ち、高剛性）。これによ
って、小型ポンプは、通常、数１０Ｈｚ以上で運転され
ているので通常運転での圧力損失はない。また、ポンプ
室内の液体が凍結する際に発生する圧力は１回限りなの
で周期はなく、実質的には数Ｈｚ程度の低周波数の圧力
とみなすことができる。そこで、この液体凍結時にポン
プ室内に発生する圧力に対して、ポンプ室側壁が変形し
て液体の凍結時に生じる応力を緩和させることができ、
ダイアフラムの破損を防ぐことができる。

【００１２】また、本発明に係る小型ポンプは、前記小
型ポンプであって、前記ポンプ側壁は、所定の周波数を
有する応力に対して剛性が低剛性から高剛性に変化する
変化点での周波数が１０〜１００Ｈｚの範囲内にあるこ
とを特徴とする。

【００１３】本発明に係る小型ポンプは、ダイアフラム
と、前記ダイアフラムを保持する筐体とで形成される閉
空間を備え、該閉空間に液体を保持し、前記ダイアフラ
ムの振動による容積変化により該液体を圧出するポンプ
室と、前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、前記ポ
ンプ室から圧出される液体を外部へ排出する排水口とを
備え、前記ダイアフラム側から前記排水口側にかけての
前記ポンプ室側壁の中で、前記ダイアフラム側の側壁部
分は、前記排水口側の側壁部分より熱伝導率が高いこと
を特徴とする。

【００１４】上記小型ポンプでは極寒の環境下に置かれ
た時、ポンプ室のダイアフラム側の側壁部分は、排水口
側の側壁部分より熱伝導率が大きいため、ダイアフラム
近傍の液体から凍結し始める。この液体の凍結による体
積膨張によってポンプ室内の液体に圧力を及ぼし、排水
口を通じて液体を小型ポンプの外部に排出させることが
できる。これによって、ポンプ室内の液体の凍結をダイ
アフラム側から、排水口側にかけて凍結を導くことがで
き、最終的に全体として凍結した場合でも剛性の弱いダ
イアフラムの変形量を著しく小さくすることができる。
そこで、ダイアフラムを構成する圧電素子の破損を防止
でき、小型ポンプが凍結しても再度動作させることがで
き、高い信頼性と優れたポンプ特性を両立した小型ポン
プを提供することができる。

【００１５】ここで、ダイアフラム側の側壁部分は、例
えば、銅、ステンレス等の熱伝導率が高い金属で構成し
てもよい。また、排水口側の側壁部分は、アクリル樹
脂、エポキシ樹脂等の熱伝導率の低い樹脂で構成しても
よい。

【００１６】また、本発明に係る小型ポンプは、前記小
型ポンプであって、前記ポンプ室側壁の中で前記ダイア
フラム側の側壁部分の熱伝導率は、前記排水口側の側壁
部分の熱伝導率に対して１０倍以上高いことを特徴とす
る。

【００１７】さらに、本発明に係る小型ポンプは、前記
小型ポンプであって、前記ポンプ室側壁の中で前記ダイ
アフラム側の側壁部分に、前記ポンプ室内の液体が凍結
した固体の移動阻止手段を設けたことを特徴とする。

【００１８】ここで、液体が凍結した固体の移動阻止手
段として、前記ポンプ室側壁の中で前記ダイアフラム側
の側壁部分に切り欠き部を設けてもよい。また、これに
限られず、凍結した固体との接触面積を多くし、しかも
剥離困難な表面形状として、例えば、複数の凹凸部を設
けてもよい。さらに、この液体が凍結した固体の移動阻
止手段を、ダイアフラム側の側壁部分に設ける場合に限
られず、例えば、さらにダイアフラム側の側壁部分から
排水口側の側壁部分にわたって設けてもよい。これによ
って、液体が凍結した固体が移動してダイアフラムに直
接衝撃を与えることを防止する。

【００１９】またさらに、本発明に係る小型ポンプは、
前記小型ポンプであって、前記ポンプ室の形状に関して
前記ダイアフラムを底面とする円柱形状で近似した場合
のポンプ室深さｈ（ｍｍ）とダイアフラムの半径ｒ（ｍ
ｍ）とは、前記ポンプ室内を流通する液体の凍結による
体積膨張率βについて、下記の式 ｈ≦１．０×１０^−３ｒ^２／β （１） を満たす範囲内にあることを特徴とする。

【００２０】この場合、ポンプ室の深さｈ（ｍｍ）とダ
イアフラム１の半径ｒ（ｍｍ）について、ポンプ室内を
流通する液体の凍結による体積膨張率βに関する上記式
（１）を満たす場合には、ポンプ室内の液体が凍結した
場合にもダイアフラムに加わる変形量は小さく、ダイア
フラムを構成する圧電素子を破損させない。これによっ
て、上記の式（１）を満たす範囲で小型ポンプを構成す
ると、凍結時にもダイアフラムを構成する圧電素子を破
損させないので、ポンプが凍結した場合にも再度動作さ
せることができ、高い信頼性と優れたポンプ特性を備え
た小型ポンプを提供できる。

【００２１】本発明に係る小型ポンプは、ダイアフラム
と、前記ダイアフラムを保持する筐体とで形成される閉
空間を備え、該閉空間に液体を保持し、前記ダイアフラ
ムの振動による容積変化により該液体を圧出するポンプ
室と、前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、前記ポ
ンプ室から圧出される液体を外部へ排出する排水口とを
備え、前記ポンプ室の形状に関してダイアフラムを底面
とする円柱形状で近似した場合のポンプ室深さｈ（ｍ
ｍ）とダイアフラムの半径ｒ（ｍｍ）とは、前記ポンプ
室内を流通する液体の凍結による体積膨張率βについ
て、下記の式 ｈ≦１．０×１０^−３ｒ^２／β を満たす範囲内にあることを特徴とする。

【００２２】本発明に係る小型ポンプは、ダイアフラム
と、前記ダイアフラムを保持する筐体とで形成される閉
空間を備え、該閉空間に液体を保持し、前記ダイアフラ
ムの振動による容積変化により該液体を圧出するポンプ
室と、前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、前記ポ
ンプ室から圧出される液体を外部へ排出する排水口とを
備え、前記ポンプ室内を流通させる液体の凍結による体
積膨張率βは、前記ポンプ室の形状に関してダイアフラ
ムを底面とする円柱形状で近似した場合のポンプ室深さ
ｈ（ｍｍ）とダイアフラムの半径ｒ（ｍｍ）とについ
て、下記の式（２） β≦１．０×１０^−３ｒ^２／ｈ （２） を満たす範囲内にあることを特徴とする。

【００２３】上記小型ポンプでは、上記の式（２）を満
たす体積膨張率βを有する液体をポンプ室に流通させる
ことで液体が凍結した場合にもダイアフラムを構成する
圧電素子を破損させないので、ポンプが凍結した場合に
も再度動作させることができ、高い信頼性と優れたポン
プ特性を備えた小型ポンプを提供できる。

【００２４】また、本発明に係る小型ポンプは、前記小
型ポンプであって、前記ポンプ室と前記吸水口との間に
設けられ、前記吸水口を介して前記ポンプ室に液体を供
給する吸水弁と、前記ポンプ室と前記排水口との間に設
けられ、前記ポンプ室から圧出される液体を前記排水口
を介して排出する排水弁とをさらに備えることを特徴と
する。

【００２５】本発明に係る小型ポンプは、ダイアフラム
と、前記ダイアフラムを保持する筐体とで形成される閉
空間を備え、該閉空間に液体を保持し、前記ダイアフラ
ムの振動による容積変化により該液体を圧出するポンプ
室と、前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、前記ポ
ンプ室と前記吸水口との間に設けられ、前記吸水口を介
して前記ポンプ室に液体を供給する吸水弁と、前記ポン
プ室から圧出される液体を外部へ排出する排水口と、前
記ポンプ室と前記排水口との間に設けられ、前記ポンプ
室から圧出される液体を前記排水口を介して排出する排
水弁と、前記排水弁と前記排水口の間にある流路の一部
に少なくとも一つの部屋とを備え、前記部屋の内壁には
前記ダイアフラムの剛性より低い剛性の部分を有するこ
とを特徴とする。

【００２６】これによって、ポンプ室内の液体が凍結し
た場合には、凍結時の体積膨張の少なくとも一部は排水
弁を介して部屋（緩衝室）に及び、部屋の内壁である緩
衝板を変形させてポンプ室内の体積膨張による圧力上昇
を迅速に抑制することができる。これによって、ポンプ
室内の液体が凍結した場合にもダイアフラムを構成する
圧電素子を破損させないので、ポンプが凍結した場合に
も再度動作させることができ、高い信頼性と優れたポン
プ特性を備えた小型ポンプを提供できる。

【００２７】ここで、緩衝室の内壁に設けるダイアフラ
ムの剛性より低い剛性の部分として、緩衝板を設けても
よい。

【００２８】また、本発明に係る小型ポンプは、前記小
型ポンプであって、前記ダイアフラムは圧電素子を備
え、前記圧電素子の振動によって前記ポンプ室の容積変
化を生じさせることを特徴とする。

【００２９】ここで、圧電素子には、例えばＰＺＴ（ジ
ルコン酸チタン酸鉛）等の通常用いることができる圧電
体からなる圧電素子を用いることができる。また、ダイ
アフラムに圧電素子を接合する方法は、例えば、接着剤
で貼付けてもよい。

【００３０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態に係る小型ポ
ンプについて、以下に図１から図１３を用いて説明す
る。

【００３１】（第１実施の形態）本発明の第１実施の形
態に係る小型ポンプでは、ポンプ室の側壁に、一定周期
を持つ外力の周波数に対して剛性が正の傾きを持つ材料
を用いている。具体的には、ポンプ室の側壁に高周波数
の外力には高剛性（弾性係数が大きい）を有し、低周波
数の外力には低剛性（弾性係数が小さい）を有する素材
を用いている。ポンプ室内の液体が凍結時に体積膨張す
ることによってポンプ室側壁に加わる力はおよそ数Ｈｚ
以下の低周波数であるため、ポンプ室側壁は変形して凍
結時の体積膨張を吸収できる。これによって、ダイアフ
ラムの圧電素子に作用する歪みを抑えることができ、そ
の破損を避けることができる。そのため、ポンプ室内の
液体が凍結しても破損することなく、再度動作させるこ
とができ、高い信頼性と優れたポンプ特性を有してい
る。

【００３２】具体的には、この小型ポンプ２０は、図１
の断面図及び図２の拡大断面図に示すように、ダイアフ
ラム１と、このダイアフラム１を保持している筐体であ
る第１筐体４ａ及び第２筐体４ｂ、それにポンプ室側壁
９とを備える。また、このダイアフラム１と第１筐体４
ａ及び第２筐体４ｂ、それにポンプ室側壁９とで閉空間
が形成され、ポンプ室１０を構成している。このポンプ
室１０の閉空間内に液体を保持し、ダイアフラム１の振
動による容積変化で該液体を圧出する。このポンプ室側
壁９には、高周波数の外力には高剛性（弾性係数が大き
い）を有し、低周波数の外力には低剛性（弾性係数が小
さい）を有する素材、例えば、ジェル状の高分子ポリマ
を用いることができる。さらに、この小型ポンプには、
ポンプ室１０に液体を供給する吸水口５ａと、ポンプ室
１０から排出される液体を外部へ排出する排水口６ａと
を備えている。なお、ダイアフラム１は、弾性シム板２
に圧電素子３が貼り付けられてなる。また、吸水口５ａ
とポンプ室１０との間には吸水弁７が設けられ、排水口
６ａとポンプ室１０との間に排水弁８が設けられてい
る。

【００３３】次に、この小型ポンプ２０の動作手順につ
いて説明する。まず、ダイアフラム１を構成している圧
電素子３の表裏面にそれぞれ形成した電極間に周期的な
電気信号を印加して、弾性シム板２と圧電素子３とから
なるダイアフラム１にたわみ振動を励振する。このダイ
アフラム１の振動によってポンプ室１０内の容積を変化
させてポンプ室１０内の液体を圧縮又は膨張させる。こ
のとき、液体を圧縮時には液体の圧力によって排水弁８
が開放され、ポンプ室１０内から液体が排水口６ａを通
じて排出される。また、膨張時にはポンプ室内の液体の
負圧によって吸水弁７が開放され、吸水口５ａを通じて
ポンプ室１０内に液体が流入される。以上の動作を繰り
返すことによってポンプとして機能させることができ
る。

【００３４】この場合において、このポンプ室側壁９は
加わる一定の大きさの外力の周波数に対して、図３の加
わる力の周波数と変化量との関係を表わすグラフに示す
ように、低周波数で変形量が大きく、高周波数で変形量
が小さくなる。この変形量が大きく変化する周波数はお
よそ数Ｈｚである。通常の動作ではポンプ室側壁９に作
用する力は数１０Ｈｚ程度の周波数を有するので、図４
の（ａ）に示すように、ポンプ室側壁９はほとんど変形
せず、ダイアフラム１の振動エネルギーを効率よくポン
プ室１０内の液体に伝達することができる。一方、ポン
プ室１０内の液体が凍結時に体積膨張することによって
ポンプ室側壁９に加わる力はおよそ数Ｈｚ以下の低周波
数であるため、図４の（ｂ）に示すように、ポンプ室側
壁９は変形して凍結時の体積膨張を吸収することができ
る。これによって、ダイアフラム１の圧電素子３に作用
する歪みを抑えることができ、その破損を避けることが
できる。

【００３５】（第２実施の形態）本発明の第２実施の形
態に係る小型ポンプは、ポンプ室を形成する筐体の一部
に小室を設けており、この小室に小型ポンプの外部へ変
形可能な弾性部を設けている。この弾性部は、小型ポン
プの通常動作においてポンプ室内に生じる圧力程度では
ほとんど変形しないが、より大きな圧力下では逆に容易
に変形する特性を有している。これによって、ダイアフ
ラムを構成する圧電素子に作用する歪みを抑制して、そ
の破損を防止できる。そのためポンプ室内の液体が凍結
しても再度動作させることが可能となり、高い信頼性と
優れたポンプ特性を備えた小型ポンプを提供できる。

【００３６】この小型ポンプは、第１実施の形態に係る
小型ポンプと比較すると、図５の断面図及び図６の拡大
断面図に示すように、ポンプ室１０を形成する第２筐体
４ｂの一部に小室１２を設けており、この小室１２に小
型ポンプの外部へ変形可能な弾性部１１を設けている点
で相違する。この弾性部１１は、ダイアフラム１やポン
プ室１０の内壁を構成する第２筐体４ｂよりも変形しや
すい。また、この弾性部１１は、小型ポンプの通常の動
作においてポンプ室１０内に生じる圧力である２０ｋＰ
ａ程度の圧力ではほとんど変形しないが、より大きな圧
力下では逆に容易に変形する特性を有している。このた
め小型ポンプの通常の駆動時にはこの弾性部１１に起因
する圧力損失は生じない。その一方、ポンプ室１０内の
液体が凍結する場合には、ポンプ室１０のダイアフラム
１及び内壁に作用する圧力は通常時の圧力よりはるかに
大きく、弾性部１１が大きく変形して凍結時の体積膨張
のほとんどを許容できる。

【００３７】（第３実施の形態）本発明の第３実施の形
態に係る小型ポンプは、ポンプ室の内壁が２つの部材
（第３筐体、第４筐体）で構成されている。このうち、
ダイアフラム側のポンプ室側壁を構成している第４筐体
は、排水弁側の第３筐体より熱伝導率の高い材料で構成
されている。従って、排水弁側の第３筐体は、第４筐体
より熱伝導率が低い素材で構成されている。そこで、こ
の小型ポンプでは極寒の環境下に置かれた時、ポンプ室
のダイアフラムに近い部分の内壁を構成している第４筐
体の熱伝導率が大きいため、ダイアフラム近傍から液体
は凍結し始める。この凍結による体積膨張によってポン
プ室内の液体に圧力を及ぼし、排水弁を通じて液体を小
型ポンプの外部に排出させることができる。これによっ
て、ポンプ室内の液体の凍結をダイアフラム側から、排
水弁側にかけて凍結を導くことができ、最終的に全体と
して凍結した場合でも剛性の弱いダイアフラムの変形量
を著しく小さくすることができる。そこで、ダイアフラ
ムを構成する圧電素子の破損を防止でき、小型ポンプが
凍結しても再度動作させることができ、高い信頼性と優
れたポンプ特性を両立した小型ポンプを提供することが
できる。

【００３８】この小型ポンプは、第１実施の形態に係る
小型ポンプと比較すると、図７の断面及び図８の拡大断
面図に示すように、ポンプ室１０の内壁が２つの部材
（第３筐体４ｃ、第４筐体４ｄ）で構成されている点で
相違する。ダイアフラム１を保持している第４筐体４ｄ
は、熱伝導率の高い素材、例えば銅、ステンレス等の金
属で構成されている。また、この第４筐体４ｄと第１筐
体４ａとの間の第３筐体４ｃは、熱伝導率が低い素材、
例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂で構成され
ている。この第３筐体４ｃと第４筐体４ｄとの熱伝導率
の比は、１０倍以上であることが好ましい。

【００３９】また、この小型ポンプの別の態様では、図
９に示すように、ポンプ室１０の側壁を構成する第４筐
体４ｄの一部に切り欠き部１３を設けている。この切り
欠き部１３によって凍結した固体を保持し、この固体が
ダイアフラム１側に移動して衝撃を加えることを防止す
ることができる。これによって、ダイアフラム１の変形
量をより小さく抑えることができる。なお、液体が凍結
した場合の固体の移動を阻止する手段としてはポンプ室
側壁に設けた上記切り欠き部１３に限られず、例えば側
壁の表面に凹凸部を設けてもよい。また、液体が凍結し
た場合の固体の移動阻止手段を、ポンプ室１０の側壁を
構成する第４筐体４ｄに限られず、第４筐体４ｄの側壁
部分から第３筐体４ｃの側壁部分にわたって設けてもよ
い。

【００４０】（第４実施の形態）本発明の第４実施の形
態に係る小型ポンプでは、ポンプ室をダイアフラムを底
面とする円柱形状で近似した場合の寸法は、このポンプ
室に流通させる液体の凍結時の体積膨張率との関係式を
満たす範囲内にある。具体的には、この小型ポンプのポ
ンプ室の形状を、底面にダイアフラムを設けた円柱形状
で近似した場合に、円柱の深さｈと、円柱の底面にある
ダイアフラムの半径ｒとを得る。また、ポンプ室内に流
通させる液体の凍結による体積膨張率をβとする。な
お、通常の水の場合βは１．０９である。この場合、ポ
ンプ室の深さｈ（ｍｍ）とダイアフラム１の半径ｒ（ｍ
ｍ）について、下記の式（３）を満たす場合には、ポン
プ室内の液体が凍結した場合にもダイアフラムに加わる
変形量は小さく、ダイアフラムを構成する圧電素子を破
損させない。 ｈ≦１．０×１０^−３ｒ^２／β （３） これによって、上記の式（３）を満たす範囲で小型ポン
プを構成すると、凍結時にもダイアフラムを構成する圧
電素子を破損させないので、ポンプが凍結した場合にも
再度動作させることができ、高い信頼性と優れたポンプ
特性を備えた小型ポンプを提供できる。

【００４１】具体的には、この小型ポンプ２０は、図１
０の断面図に示すように、ポンプ室１０の形状を、ダイ
アフラム１を底面とする円柱形状で近似して、ポンプ室
１０の深さｈ（ｍｍ）とダイアフラム１の半径ｒ（ｍ
ｍ）を得る。このポンプ室１０の深さｈとダイアフラム
１の半径ｒ及び液体の凍結による体積膨張率βについて
の上記の式（３）の関係式は、数値解析により得た。こ
の数値解析では、液体の凍結に伴う体積増加をダイアフ
ラム１が外部に向って膨らむことで補償しうる範囲を条
件として検討している。次に、ポンプ室１０の各寸法と
凍結時におけるダイアフラム１の破損の有無を記号
（●：破損なし、×：破損あり）で図１１に示した。ま
た、この図１１中に数値解析によって得られた上記式
（３）の関係式の曲線を描いた。この図１１に示すよう
に、上記式（３）を満たす範囲内にある場合には、ポン
プ室１０内の液体が凍結した場合にも、グラフ中に●印
で示すようにダイアフラム１を構成する圧電素子３は破
損しない。一方、図１１のグラフ上で上記式（３）の限
界深さｈより深いポンプ室１０の場合には、グラフ中で
×印で示したように、ポンプ室１０内の液体が凍結する
ことによってダイアフラム１が破損している。そこで、
上記式（３）を満たす範囲でポンプ室１０の深さｈとダ
イアフラム１の半径ｒを選択することによって、ダイア
フラム１を構成する圧電素子３の破損を防止できる。

【００４２】（第５実施の形態）本発明の第５実施の形
態に係る小型ポンプでは、体積膨張率βが所定の関係式
を満たす液体をポンプ室内に流通させている。具体的に
は、ポンプ室内を流通させる液体の凍結による体積膨張
率βは、ダイアフラムを底面とする円柱形状でポンプ室
の形状を近似した場合に得られるポンプ室の深さｈと底
面のダイアフラムの半径ｒとによって得られる下記の式
（４）を満たしている。 β≦１．０×１０^−３ｒ^２／ｈ （４） この式（４）を満たす体積膨張率βを有する液体をポン
プ室に流通させることで液体が凍結した場合にもダイア
フラムを構成する圧電素子を破損させないので、ポンプ
が凍結した場合にも再度動作させることができ、高い信
頼性と優れたポンプ特性を備えた小型ポンプを提供でき
る。

【００４３】具体的には、この小型ポンプ２０は、第４
実施の形態に係る小型ポンプと比較すると、凍結による
体積膨張率βが上記式（４）の範囲内にある液体をポン
プ室１０内に流通させている点で相違する。なお、この
式（４）は、第４実施の形態において得られた上記式
（３）を変形することによって得られる。この式（４）
から、所定の深さｈとダイアフラム１の半径ｒを有する
ポンプ室１０に流通させる液体の凍結による体積膨張率
βの範囲を決めることができる。

【００４４】また、ポンプ室１０内を流通させる液体の
体積膨張率βは、液体の組成によって変化させることが
できる。例えば、液体として水をベースとする不凍液を
用いる場合を考える。冷媒として水を用い、この水にエ
チレングリコールを混合していくと、図１２のグラフに
示すように、凝固点降下が生じる。この場合に使用温度
下限が０℃で、保存温度下限が−１０℃の場合には、従
来は液体を凍結させないために保存温度下限よりも幅を
持たせて凝固点が−１５℃程度の不凍液が用いられてい
た。この場合には液体の凍結によるポンプの破損は生じ
ないが、この不凍液ではエチレングリコールの混合割合
が増えるにつれて液体の粘度が上昇してしまうため、流
量が極端に減ってしまう。これに対して、この小型ポン
プでは、ポンプ室１０内を流通させる液体の凍結による
体積膨張率βが上記の式（４）を満たす範囲内にあれ
ば、凝固点が保存温度下限程度あるいはそれ以上の不凍
液を用いることができる。この場合にポンプ室１０内を
凍結させてもダイアフラム１を構成する圧電素子３を破
損させることはない。これによって流量の大幅な減少を
抑制するとともに、ポンプの凍結による圧電素子３の破
損を防ぐことができる。

【００４５】（第６実施の形態）本発明の第６実施の形
態に係る小型ポンプでは、排水弁と排水口との間の流路
中に緩衝室を設けている。また、この緩衝室内にはダイ
アフラムより剛性の低い緩衝板を設けている。これによ
って、ポンプ室内の液体が凍結した場合には、凍結時の
体積膨張の少なくとも一部は排水弁を介して緩衝室に及
び、緩衝板を変形させてポンプ室内の体積膨張による圧
力上昇を迅速に抑制することができる。これによって、
ポンプ室内の液体が凍結した場合にもダイアフラムを構
成する圧電素子を破損させないので、ポンプが凍結した
場合にも再度動作させることができ、高い信頼性と優れ
たポンプ特性を備えた小型ポンプを提供できる。

【００４６】具体的には、この小型ポンプ２０は、第１
実施の形態に係る小型ポンプと比較すると、図１３の断
面図に示すように、排水弁８と排水口６ａとの間の流路
中に緩衝室１４を設けている点で相違する。また、この
緩衝室１４内には、ダイアフラム１より剛性の低い緩衝
板１５を設けている。ポンプ室内の液体が凍結した場合
にも、凍結時の体積膨張に伴って生じる応力を緩衝板１
５の変形によって緩和させることができる。その一方、
この緩衝板１５はポンプ室１０とは排水弁８を隔てて設
けられているので、小型ポンプ２０の通常動作時におい
て、ダイアフラムより剛性が低いことによる圧力損失は
生じないのでポンプ特性を維持できる。なお、緩衝室１
４は、排水弁８と排水口６ａとの間に設ける場合に限ら
れない。緩衝室を吸水弁７と吸水口５ａとの間に設けて
もよい。この場合にも同様の効果が得られる。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明に係る小型ポ
ンプによれば、ポンプ室内の液体の凍結による体積膨張
に伴って生じる応力を緩和する機構を備えている。これ
によってポンプ室内の液体が液体が凍結した場合にも、
ダイアフラムを構成する圧電素子を破損させないので、
ポンプが凍結した場合にも再度動作させることができ、
高い信頼性と優れたポンプ特性を備えた小型ポンプを提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施の形態に係る小型ポンプの
断面図である。

【図２】 図１のポンプ室の拡大断面図である。

【図３】 図１の小型ポンプのポンプ室側壁に加わる応
力の周波数と変形量との関係を示すグラフである。

【図４】 （ａ）は本発明の第１実施の形態に係る小型
ポンプに高周波数の力が加わった場合のポンプ室側壁の
変形状態を示す断面図であり、（ｂ）は低周波数の力が
加わった場合のポンプ室側壁の変形状態を示す断面図で
ある。

【図５】 本発明の第２実施の形態に係る小型ポンプの
断面図である。

【図６】 図５のポンプ室の拡大断面図である。

【図７】 本発明の第３実施の形態に係る小型ポンプの
断面図である。

【図８】 図７のポンプ室の拡大断面図である。

【図９】 本発明の第３実施の形態の別の態様に係る小
型ポンプの拡大断面図である。

【図１０】 本発明の第４実施の形態に係る小型ポンプ
の断面図である。

【図１１】 図１０の小型ポンプの寸法と凍結時の破損
の有無との関係を示すグラフである。

【図１２】 本発明の第５実施の形態に係る小型ポンプ
のポンプ室内を流通させる液体のエチレングリコール混
合比と体積膨張率の関係を示すグラフである。

【図１３】 本発明の第６実施の形態に係る小型ポンプ
の断面図である。

【図１４】 （ａ）は従来のダイアフラム型の小型ポン
プの吸水時の断面図であり、（ｂ）は排水時の断面図で
ある。

【符号の説明】

１ ダイアフラム ２ 弾性シム板 ３ 圧電体 ４ａ 第１筐体 ４ｂ 第２筐体 ４ｃ 第３筐体 ４ｄ 第４筐体 ５ａ 吸水口 ５ｂ 吸水ノズル ６ａ 排水口 ６ｂ 排水ノズル ７ 吸水弁 ８ 排水弁 ９ ポンプ室側
壁 １０ ポンプ室 １１ 弾性部 １２ 小室 １３ 切り欠き １４ 緩衝室 １５ 緩衝板 ２０ 小型ポンプ ５１ ダイアフ
ラム ５２ ベース ５３ 吸水口 ５４ 吸水弁 ５５ 排水口 ５６ 排水弁 ６０ ポンプ室 ７０ 小型ポンプ

フロントページの続き (72)発明者 守時 克典 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3H075 AA06 AA20 BB04 BB30 CC18 CC36 CC40 DA02 DA05 DA09 DA30 DB02 3H077 AA02 AA20 BB03 CC02 DD06 EE01 EE29 EE31 EE40 FF02 FF07 FF08 FF10 FF12 FF22 FF36

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイアフラムと、前記ダイアフラムを保
   持する筐体とで形成される閉空間を備え、該閉空間に液
   体を保持し、前記ダイアフラムの振動による容積変化に
   より該液体を圧出するポンプ室と、 前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、 前記ポンプ室から圧出される液体を外部へ排出する排水
   口とを備え、 前記ポンプ室内に、前記液体の凍結時に生じる応力を緩
   和する応力緩和手段を備えたことを特徴とする小型ポン
   プ。
2. 【請求項２】 前記応力緩和手段は、 前記ポンプ室内の液体が凍結する際に生じる応力に対し
   て前記ダイアフラムが有する剛性より低い剛性を有する
   材料で構成されるポンプ室の部材からなることを特徴と
   する請求項１に記載の小型ポンプ。
3. 【請求項３】 ダイアフラムと、前記ダイアフラムを保
   持する筐体とで形成される閉空間を備え、該閉空間に液
   体を保持し、前記ダイアフラムの振動による容積変化に
   より該液体を圧出するポンプ室と、 前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、 前記ポンプ室から圧出される液体を外部へ排出する排水
   口とを備え、 少なくとも一部の前記ポンプ室側壁は、所定の周波数を
   有する応力を受ける場合において、前記応力の周波数に
   対して剛性が正の傾きを持つ材料で構成されてなること
   を特徴とする小型ポンプ。
4. 【請求項４】 前記ポンプ側壁は、所定の周波数を有す
   る応力に対して剛性が低剛性から高剛性に変化する変化
   点での周波数が１０〜１００Ｈｚの範囲内にあることを
   特徴とする請求項３に記載の小型ポンプ。
5. 【請求項５】 ダイアフラムと、前記ダイアフラムを保
   持する筐体とで形成される閉空間を備え、該閉空間に液
   体を保持し、前記ダイアフラムの振動による容積変化に
   より該液体を圧出するポンプ室と、 前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、 前記ポンプ室から圧出される液体を外部へ排出する排水
   口とを備え、 前記ダイアフラム側から前記排水口側にかけての前記ポ
   ンプ室側壁の中で、前記ダイアフラム側の側壁部分は、
   前記排水口側の側壁部分より熱伝導率が高いことを特徴
   とする請求項１から４のいずれか一項に記載の小型ポン
   プ。
6. 【請求項６】 前記ポンプ室側壁の中で前記ダイアフラ
   ム側の側壁部分の熱伝導率は、前記排水口側の側壁部分
   の熱伝導率に対して１０倍以上高いことを特徴とする請
   求項５に記載の小型ポンプ。
7. 【請求項７】 前記ポンプ室側壁の中で前記ダイアフラ
   ム側の側壁部分に、前記ポンプ室内の液体が凍結した固
   体の移動阻止手段を設けたことを特徴とする請求項５又
   は６に記載の小型ポンプ。
8. 【請求項８】 前記ポンプ室の形状に関して前記ダイア
   フラムを底面とする円柱形状で近似した場合のポンプ室
   深さｈ（ｍｍ）とダイアフラムの半径ｒ（ｍｍ）とは、
   前記ポンプ室内を流通する液体の凍結による体積膨張率
   βについて、下記の式 ｈ≦１．０×１０^−３ｒ^２／β を満たす範囲内にあることを特徴とする請求項２から７
   のいずれか一項に記載の小型ポンプ。
9. 【請求項９】 ダイアフラムと、前記ダイアフラムを保
   持する筐体とで形成される閉空間を備え、該閉空間に液
   体を保持し、前記ダイアフラムの振動による容積変化に
   より該液体を圧出するポンプ室と、 前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、 前記ポンプ室から圧出される液体を外部へ排出する排水
   口とを備え、 前記ポンプ室の形状に関してダイアフラムを底面とする
   円柱形状で近似した場合のポンプ室深さｈ（ｍｍ）とダ
   イアフラムの半径ｒ（ｍｍ）とは、前記ポンプ室内を流
   通する液体の凍結による体積膨張率βについて、下記の
   式ｈ≦１．０×１０^−３ｒ^２／β を満たす範囲内にあることを特徴とする小型ポンプ。
10. 【請求項１０】 ダイアフラムと、前記ダイアフラムを
    保持する筐体と、前記ダイアフラムと前記筐体とで形成
    される閉空間を備え、該閉空間に液体を保持し、前記ダ
    イアフラムの振動による容積変化により該液体を圧出す
    るポンプ室と、 前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、 前記ポンプ室から圧出される液体を外部へ排出する排水
    口とを備え、 前記ポンプ室内を流通させる液体の凍結による体積膨張
    率βは、前記ポンプ室の形状に関してダイアフラムを底
    面とする円柱形状で近似した場合のポンプ室深さｈ（ｍ
    ｍ）とダイアフラムの半径ｒ（ｍｍ）とについて、下記
    の式 β≦１．０×１０^−３ｒ^２／ｈ を満たす範囲内にあることを特徴とする小型ポンプ。
11. 【請求項１１】 前記ポンプ室と前記吸水口との間に設
    けられ、前記吸水口を介して前記ポンプ室に液体を供給
    する吸水弁と、 前記ポンプ室と前記排水口との間に設けられ、前記ポン
    プ室から圧出される液体を前記排水口を介して排出する
    排水弁とをさらに備えることを特徴とする請求項１から
    １０のいずれか一項に記載の小型ポンプ。
12. 【請求項１２】 ダイアフラムと、前記ダイアフラムを
    保持する筐体とで形成される閉空間を備え、該閉空間に
    液体を保持し、前記ダイアフラムの振動による容積変化
    により該液体を圧出するポンプ室と、 前記ポンプ室に液体を供給する吸水口と、 前記ポンプ室と前記吸水口との間に設けられ、前記吸水
    口を介して前記ポンプ室に液体を供給する吸水弁と、 前記ポンプ室から圧出される液体を外部へ排出する排水
    口と、 前記ポンプ室と前記排水口との間に設けられ、前記ポン
    プ室から圧出される液体を前記排水口を介して排出する
    排水弁と、 前記排水弁と前記排水口の間にある流路の一部に少なく
    とも一つの部屋とを備え、 前記部屋の内壁には、前記ダイアフラムの剛性より低い
    剛性の部分を有することを特徴とする小型ポンプ。
13. 【請求項１３】 前記ダイアフラムは、圧電素子を備
    え、 前記圧電素子の振動によって前記ポンプ室の容積変化を
    生じさせることを特徴とする請求項１から１２のいずれ
    か一項に記載の小型ポンプ。