JP2004316566A

JP2004316566A - 電磁振動型ダイヤフラムポンプ

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Publication number: JP2004316566A
Application number: JP2003112633A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Oya; 郁夫大家; Koichi Komuro; 浩一小室
Original assignee: Techno Takatsuki Co Ltd
Current assignee: Techno Takatsuki Co Ltd
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】振動子の推力を向上させて、ポンプの性能を向上させることができる電磁振動型ダイヤフラムポンプを提供する。
【解決手段】フレーム内に対向して配置されている電磁石を有する電磁石部と、該電磁石部内に支持され、表面の形状が凸形状を呈する磁石を備えている振動子と、該振動子の両端部に連結されるダイヤフラムと、前記フレームの両端部に装着されるポンプケーシング部とを備える電磁振動型ダイヤフラムポンプ。前記磁石が、前記振動子の振動方向に３分割されており、両側区画磁石と該両側区画磁石における前記振動子の振動方向に対して直角方向の肉厚より大きい肉厚を有する中央区画磁石とからなるとともに、該中央区画磁石の材質のエネルギー積が両側区画磁石の材質のエネルギー積より高くされている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁振動型ダイヤフラムポンプに関する。さらに詳しくは、主として室内用エアマットやエアベッドへのエアの吸排、養魚用水槽や家庭浄化槽などにおける酸素補給、または公害監視における検査ガスのサンプリングなどに利用される電磁振動型ダイヤフラムポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電磁石と磁石との磁気的相互作用に基づく、該磁石を備えた振動子の振動を利用して流体を吸引、吐出する電磁振動型ポンプとして、ダイヤフラム式のポンプがある。
【０００３】
かかるダイヤフラムポンプとして、高出力と低出力との中間出力を効率よく生じさせるために、振動子の振動方向に希土類系磁石を挟むように両側にフェライト系磁石を接合して形成してなる磁石を２ブロック固定した振動子を用いるもの（ポンプＡ）がある（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
また、他のダイヤフラムポンプとして、磁石の磁気エネルギーをさらに有効に活用して振動子の推力を向上させて、ポンプの性能（出力および効率）の向上を図るために、磁石の表面形状を凸形状にした磁石を２ブロックまたは４ブロック固定した振動子を用いるもの（ポンプＢ）がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１０８３９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記ポンプＡは、所定の中間出力を生じるのに最適な磁束密度および振動子の重量を確保でき、効率のよいポンプを得ることができる。しかしながら、希土類系磁石と両側のフェライト系磁石は、ともに同一厚さ（振動子の振動方向に対して直角方向の肉厚）であるため、フェライト磁石部分の磁束密度が低く、磁束密度の自乗に比例する推力の増大の効果が少なく、また希土類系磁石とフェライト系磁石との組み合わせでは全磁束量が不足して振動子の推力を向上させるのが難しい。
【０００７】
一方、ポンプＢでは、たとえば磁石が、凸部のところの厚さが９ｍｍであり、凸部両側部の厚さが６ｍｍとなり、磁石の凸形状による磁石厚さが増加し、電磁石の空隙寸法を拡大する必要がある。したがって、磁石の凸部両側部（６ｍｍ厚さの部分）の空隙の起磁力が大きくなるため、平均の磁気抵抗が大きくなり、全磁束が必ずしも増大しないおそれがある。
【０００８】
本発明は、叙上の事情に鑑み、振動子の推力を向上させて、ポンプの性能を向上させることができる電磁振動型ダイヤフラムポンプを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電磁振動型ダイヤフラムポンプは、フレーム内に対向して配置されている電磁石を有する電磁石部と、該電磁石部内に支持され、表面の形状が凸形状を呈する磁石を備えている振動子と、該振動子の両端部に連結されるダイヤフラムと、前記フレームの両端部に装着されるポンプケーシング部とを備える電磁振動型ダイヤフラムポンプであって、前記磁石が、前記振動子の振動方向に３分割されており、両側区画磁石と該両側区画磁石における前記振動子の振動方向に対して直角方向の肉厚より大きい肉厚を有する中央区画磁石とからなるとともに、該中央区画磁石の材質のエネルギー積が両側区画磁石の材質のエネルギー積より高くされてなることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の電磁振動型ダイヤフラムポンプについて説明する。
【００１１】
実施の形態１
図１〜３に示されるように、本発明の実施の形態１にかかわる電磁振動型ダイヤフラムポンプ（以下、単にポンプという）は、フレーム１内に対向して配置される電磁石２を有する電磁石部３と、該電磁石部３内の電磁石２のあいだに、所定の間隔をおいて支持される磁石４を備えている平板形状の振動子５と、該振動子５の両端部に連結されるダイヤフラム６と、前記フレーム１の両端部に装着されるポンプケーシング部７から構成されている。前記フレーム１は、電磁石２の外表面にモールドされた樹脂成形体からなっている。このフレーム１の材質としては、たとえば成形材料である耐熱性を有しており、低収縮率のＢＭＣ（バルクモールドコンパウンド）を用いるのが望ましく、具体的には不飽和ポリエステル系のＢＭＣなどを用いることができる。なお、本実施の形態１では、フレーム１が樹脂成形体からなっているが、本発明においては、これに限定されるものではなく、アルミニウムダイカストまたは押出し加工により成形された成形体とすることもできる。前記電磁石２は、断面がＥ型の薄肉鋼板を積層してなるＥ型鉄心８の内周凹部に組み込まれる捲線コイル部９を有している。この鉄心８の主極（中央極部）１０は、振動子５の中央部の２ブロックの磁石４に対向し、両側の補助極１１は、振動子５の両側部の２ブロックの磁石４に対向するように配置されている。また、この一対のＥ型鉄心８の内周部には、所定の空隙Ｓを確保できるように四角管状の鉄心保持具（中子）１２が配置されている。
【００１２】
前記磁石４は、振動子５を構成する、たとえば６ナイロンにガラスが１５％含有された平板状の非磁性体１３に所定の間隔で固定されている４ブロックの磁石のうち、中央部の２ブロックの磁石４の表面の形状は凸形状を呈している。この中央部の磁石４は、前記振動子５の振動方向に３分割されており、両側区画磁石４ｂと該両側区画磁石４ｂの肉厚（前記振動子５の振動方向に対して直角方向の肉厚）より大きい中央区画磁石４ａとを固着して作製されている。この中央区画磁石４ａと両側区画磁石４ｂの幅（図１において左右方向（振動子５の振動方向）の寸法）がほぼ同一である。前記磁石４の凸部の段差（中央区画磁石４ａの側区画磁石４ｂからの突出量）の設定は、たとえば０．５ｍｍであり、中央区画磁石４ａの磁石厚さが７ｍｍ、側区画磁石４ｂの磁石厚さが６ｍｍとすることができる。また、前記中央区画磁石４ａの材質のエネルギー積は両側区画磁石４ｂの材質のエネルギー積より高くされている。なお、エネルギー積が高い材質とは、動作時の磁束密度（Ｂ）×起磁力（Ｈ）が高い材質のことである。前記中央区画磁石４ａおよび両側区画磁石４ｂとして、たとえばネオジム（Ｎｄ）鉄系の平板状の磁石を用いることができる。そして、たとえば中央区画磁石４ａのエネルギー積を４６ＭＧＯｅとし、側区画磁石４ｂのエネルギー積を３５ＭＧＯｅと設定することができる。一方、振動子５の両端部の２ブロックの磁石４は、前記両側区画磁石４ｂの材質と同じ材質の単一磁石であり、その幅寸法が中央部の磁石４の幅寸法の約１／２にされている。前記両端部の磁石４の幅寸法が約１／２とされているのは、磁路が２回路形成されるが、両端部の磁石４の内側部分が磁路に寄与しており、該磁石４の外側部分は磁路の形成上不要となるためである。
【００１３】
本実施の形態１では、中央区画磁石４ａと両側区画磁石４ｂの材質の違いによる減磁曲線（磁束密度（Ｂ）−起磁力（Ｈ）曲線）の特性が異なる（特性の差が生じる）ため、中央部の磁石４の表面の磁束（Φ）分布は凸形状となる。これにより、レラクタンス（Ｒ）の急激な変化（磁気抵抗の変化（ｄＲ／ｄｘ））が起こるので、推力（ｆ＝−１／２・Φ^２・ｄＲ／ｄｘ）、つまり出力を増大させて、ポンプの性能を向上させることができる。
【００１４】
また、本実施の形態１では、厚さを変えて磁石４の表面を凸形状とするとともに、材質も変更しているので、厚さのみを変更した従来のポンプＢにおける磁石の磁束分布と比較して、中央部磁石のエネルギー積が高いので、中央部の凸部厚さをそれほど大きくしなくても急激な磁束変化を得ることができる。また、磁石４の表面を凸形状に加工すると、中央部の微小凸部の加工が難しい（たとえば凸部のエッジの直角度または凸部の円筒度などの精度を得ることが難しい）が、本実施の形態１では、異なる材質の磁石を組み合わせて磁石の表面を凸形状にしているので、従来のポンプＢにおける磁石より、加工費（製作コスト）を低減させることができる。また、中央区画磁石４ａと両側区画磁石４ｂの厚さの段差は小さく、電磁石２間の空隙Ｓは従来のポンプＢと比較して、狭くできる。たとえば従来では、磁石厚さは９ｍｍであり、対向する鉄心と磁石とのあいだの両側隙間が６ｍｍであることから、空隙Ｓは１５ｍｍとなるのに対して、本実施の形態１では、同じ両側隙間を６ｍｍとして、７ｍｍの磁石厚さ（凸部の段差０．５ｍｍ）の磁石を用いることができるため、空隙Ｓは１３ｍｍとなる。したがって、（１５−１３）／２＝１ｍｍ狭くできるので、磁束をさらに増大させることができる。
【００１５】
なお、本実施の形態１では、振動子５の両端部の磁石４が単一磁石にされているが、本発明においては、これに限定されるものではなく、たとえば中央区画磁石４ａと側区画磁石４ｂと同じ材質の磁石とすることができる。この場合、中央区画磁石４ａの１／２幅と側区画磁石４ｂと同一の幅の組み合わせとし、厚さが大きい磁石を外側に配置する。ただし、両端部の磁石４を組み合わせ磁石にする場合、工数がかかるので、単一磁石にするのが好ましい。
【００１６】
また、本実施の形態１では、前記磁石４を４ブロック固定した振動子５が配置されているが、本発明においては、これに限定されるものではなく、図２に示されるように、中央部の磁石４の両端部にある２ブロックの磁石に代えて、複数の軟磁性体を積層した積層体、たとえば振動方向の寸法が０．５ｍｍであり、振動方向に対して直角方向の寸法が７ｍｍである軟磁性体のケイ素鋼板１５を１８枚（なお、図２において、１枚の大きさをわかりやすくするために、１２枚にしている）積層した積層体１６を用いる振動子１７を配置することができる。または両端部の２ブロックの磁石を省き、中央部に磁石が２ブロック固定されている振動子を配置することもできる。
【００１７】
本実施の形態１では、前記ダイヤフラム６として、大径ダイヤフラム６ａと小径ダイヤフラム６ｂが用いられているため、左右のポンプケーシング部７は、前記大径ダイヤフラム６ａ用ポンプケーシング（低圧側のポンプケーシング）２１ａと小径ダイヤフラム６ｂ用ポンプケーシング（中圧側のポンプケーシング）２１ｂとに分割されている。また、本実施の形態１では、ダイヤフラム６の数が合計４個であり、全体のダイヤフラムのバネ定数は大きくなりやすいので、中圧側の小径ダイヤフラム６ｂをバネ定数の低いコルゲーション形ダイヤフラムにしている。そして、左右のポンプケーシング２１ａ内に形成されるポンプ部のポンプ室ＬＰＬ、ＬＰＲと左右のポンプケーシング２１ｂ内に形成されるポンプ部のポンプ室ＭＰＬ、ＭＰＲは小径ダイヤフラム６ｂで仕切られている。前記フレーム１、低圧側のポンプケーシング２１ａおよび中圧側のポンプケーシング２１ｂは、ほぼ同一の外形形状であり、左右の低圧側のポンプケーシング２１ａには、左右の中圧側のポンプケーシング２１ｂのポンプ部（吸引室、ポンプ室、吐出室）につながるように２つの通路が形成されている。また、前記フレーム１には、左右の低圧側ポンプ室ＬＰＬ、ＬＰＲおよび中圧側ポンプ室ＭＰＬ、ＭＰＲにつながる第１通気用タンク部と第２通気用タンク部および大径ダイヤフラム６ａを取り付けるリング状溝２２が同時成形されている。また、第１通気用タンク部と第２通気用タンク部には、それぞれ蓋が装着されている。これにより、本実施の形態１にかかわるポンプは、中圧（５０〜２００ｋＰａ程度）を発生させることができる。
【００１８】
なお、本実施の形態１では、中圧を発生させるポンプを例としているが、本発明においては、これに限定されるものではなく、従来と同様にダイヤフラムの数が１個で構成される低圧発生ポンプに適用することもできる。
【００１９】
実施の形態２
前記実施の形態１では、平板形状の振動子および磁石が用いられているため、一対のＥ型鉄心（主鉄心）および捲線コイル部から構成される２次元形電磁石部を用いるポンプにされているが、本発明においては、これに限定されるものではなく、立体形電磁石部を用いるポンプとすることができる。たとえば対向して配置される一対のＥ型小径鉄心（補助鉄心）、該一対のＥ型小径鉄心とは直交する位置に配置される一対のＥ型大径鉄心（主鉄心）および該Ｅ型大径鉄心の内周凹部に組み込まれる捲線コイル部からなる電磁石部を用いることができる。かかる立体形の電磁石部を用いる場合、図３〜４に示されるように、中央部の２ブロックの磁石３１および両端部の２ブロックの磁石３２として、ともに材質が異なる矩形の中央区画磁石３１ａと側区画磁石３１ｂの組み合わせにより、表面の形状が凸形状を呈する、外形が四角状の極異方性の立体形（３次元）磁石が固着された振動子３３が用いられる。この立体形磁石３１、３２の極性は、周方向の４箇所にＮ極とＳ極の極性が交互に着磁されている。この立体形磁石３１、３２は、たとえば６ナイロンにガラスが１５％含有された非磁性体棒３４に一体成形され、相対回転しないようにされている。この中央区画磁石３１ａと側区画磁石３１ｂの材質の変更および厚さの若干の変更は、前記実施の形態１と同様に実施できるため、推力の向上と効率の向上も同様に期待することができる。なお、図３において、磁石３１、３２における中央区画磁石３１ａは幅寸法が異なるが、同じ材質であるため、同じ符号を付している。
【００２０】
実施の形態３
これまでの実施の形態では、磁石の磁束分布だけが凸状分布になるようにされているが、本実施の形態３では、励磁したとき、磁束分布が急激に変化して、推力が増加し、ポンプ性能を向上させることができるように、電磁石の鉄心側においても、磁石と同様の磁束の凸状分布を呈するようにされている。すなわち図５に示されるように、鉄心４１の主極４２が、両端角部に凹部が形成されて、空隙Ｓ側の表面が凸形状にされているとともに、左右の補助極４３の対向する角部に凹部が形成されている。前記主極４２と補助極４３の凹部４４の寸法（切り込み深さａおよび切り込み幅ｂ）は、適宜選定することができる。たとえば寸法ａは、空隙の磁束密度をなるべく減少させないようにするために、なるべく小さい方が好ましく、実用上１ｍｍ程度である。また、寸法ｂは、磁石４と鉄心４１の主極４２および補助極４３とがオーバーラップする寸法、たとえば磁石４（中央区画磁石４ａと側区画磁石４ｂの幅寸法は６ｍｍ）の寸法が１８ｍｍであり、主極４２と補助極４３の間隔が１３ｍｍである場合、２．５ｍｍとするのが好ましい。このような形状にすると、前記レラクタンスの急激な変化が、振動子の振動中に一方向で磁石の片側３箇所に発生することになり、推力の増大を図ることができる。
【００２１】
つぎに本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【００２２】
【実施例】
本実施例では、推力の増大を最も必要とする中圧ポンプの特性（流量Ｑ−圧力Ｈの特性）について説明する。まず、前記実施の形態１における、中央部に２ブロック（２極）の凸形状の磁石と両端部に２ブロックの単一磁石（合計４極）をそれぞれ固定した振動子を用いたポンプ（実施例１）、中央部に２ブロック（２極）の凸形状の磁石と両端部の補助極に積層電気鉄板を固定した振動子を用いたポンプ（実施例２）、前記実施例１に電磁石の鉄心に凹部を付けた電磁石を用いたポンプ（実施例３）、４ブロックとも材質が同一であり、厚さが同一である磁石を固定した振動子を用いたポンプ（比較例１）および従来のポンプＢ（比較例２）について流量Ｑと圧力Ｈの関係を調べた。結果を表１および図６に示す。なお、表１は１００ｋＰａ時の特性を示している。図６は定格１００Ｖ、６０Ｈｚのポンプ特性図である。
【００２３】
【表１】

【００２４】
表１および図６より、比較例１は高圧力の領域での流量の低下が見られる。これに対し、実施例１と比較例２より、複雑な凸加工をする比較例２と、凸加工しない実施例１の特性はほぼ同等であるが、効率の特性は実施例１が優れていることがわかる。実施例１では、凸形状と材質の特性との相乗効果が現れているものと考えられる。
【００２５】
また、磁石の最大厚さが比較例２の場合では９ｍｍであるのに対し、実施例１の場合では７ｍｍである。電磁石は両者とも比較のために同一の仕様であり、電磁石間の空隙寸法は１４ｍｍである。したがって、磁石と鉄心との最小隙間（片側）は比較例２では、（１４−９）／２＝２．５ｍｍであるのに対し、実施例１では（１４−７）／２＝３．５ｍｍであり、１ｍｍの差があることになる。空隙が広いと空隙の磁気抵抗が増大して磁束が減少する傾向になるにもかかわらず、実施例１の特性は良好であることがわかる。また、空隙が広いことにより、振動中に磁石と鉄心の吸引力による接触のおそれが、実施例１では少ないという効果もある。
【００２６】
ついで補助極にケイ素鋼板の積層体を用いた実施例２は流量などの特性が低下するが、最大圧が増大していることがわかる。実施例２は、最大圧を必要とする用途に適している。また、実施例３は、実施例１と比較すると、流量などの特性は低下しているが、最大圧近辺の特性が改善されていることがわかる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、振動子に固定される磁石として、肉厚および材質の異なる組み合わせ磁石を用いることにより、推力の向上とポンプ性能（出力および効率）の向上を達成することができる。また、凸部の段差を小さくしても、凸形状の磁束分布を形成することができるため、電磁石と振動子とのあいだの空隙を狭くして、空隙の全磁束を増大させることで、さらに推力が増加し、ポンプ性能を向上させることができる。
【００２８】
また、磁石を切削加工することなく、磁石の組み合わせにより、凸形状の磁束分布を形成することができるため、加工費を低減させることができる。
【００２９】
また、電磁石の鉄心の磁極に凹部を加工することにより、最大圧を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる電磁振動型ダイヤフラムポンプの縦断面図である。
【図２】実施の形態１における振動子の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかわる電磁振動型ダイヤフラムポンプの振動子を示す正面図である。
【図４】図３における振動子の右側面図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかわる電磁振動型ダイヤフラムポンプの電磁石と振動子の縦断面図である。
【図６】定格１００Ｖ（６０Ｈｚ）のポンプ特性図である。
【符号の説明】
１フレーム
２電磁石
３電磁石部
４、３１磁石
４ａ、３１ａ中央区画磁石
４ｂ、３１ｂ側区画磁石
５振動子
６ダイヤフラム
６ａ大径ダイヤフラム
６ｂ小径ダイヤフラム
７ポンプケーシング部
８、４１Ｅ型鉄心
９捲線コイル
１０、４２主極（中央極部）
１１、４３補助極
１２鉄心保持具（中子）
１３非磁性体
２１ａ低圧側のポンプケーシング
２１ｂ中圧側のポンプケーシング
４４凹部

Claims

フレーム内に対向して配置されている電磁石を有する電磁石部と、該電磁石部内に支持され、表面の形状が凸形状を呈する磁石を備えている振動子と、該振動子の両端部に連結されるダイヤフラムと、前記フレームの両端部に装着されるポンプケーシング部とを備える電磁振動型ダイヤフラムポンプであって、前記磁石が、前記振動子の振動方向に３分割されており、両側区画磁石と該両側区画磁石における前記振動子の振動方向に対して直角方向の肉厚より大きい肉厚を有する中央区画磁石とからなるとともに、該中央区画磁石の材質のエネルギー積が両側区画磁石の材質のエネルギー積より高くされてなる電磁振動型ダイヤフラムポンプ。
前記磁石が前記振動子の中央部に所定の間隔で２ブロック固定されている請求項１記載の電磁振動型ダイヤフラムポンプ。
前記中央部の２ブロックの磁石の両端部に単一磁石または中央区画磁石と側区画磁石との組み合わせた磁石が固定されており、その両端部の幅寸法が中央部の２ブロックの磁石の幅寸法の約１／２である請求項２記載の電磁振動型ダイヤフラムポンプ。
前記磁石が極異方性の立体形磁石からなる請求項２または３記載の電磁振動型ダイヤフラムポンプ。
前記振動子の両端部の２ブロックの磁石に代えて、複数の軟磁性体を積層した積層体を用いてなる請求項３または４記載の電磁振動型ダイヤフラムポンプ。
前記電磁石の鉄心が、中央部の主極と左右の補助極とを有しており、該主極の空隙側の表面が凸形状にされるとともに、左右の補助極の対向する角部に凹部が形成されてなる請求項３、４または５記載の電磁振動型ポンプ。