JP2005090510A - ダイヤフラムエアーポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型電子機器や部品に空気のような流体を供給して冷却したり、所定空間に空気を供給する空気供給装置において構造が改善されたダイヤフラムエアーポンプを提供する。
【解決手段】 ダイヤフラムエアーポンプは、ポンプケース４０、ダイヤフラム２５及び圧電素子１１を含む。ポンプケースは、内部に流体が流入されて排出され、ダイヤフラムは、ポンプケース内に設けられ、少なくとも１つの中間開口２２が形成される。そして、前記中間開口には、中間チェック弁２３が設置される。そして、圧電素子は、ダイヤフラムの一側に連結される。これによると、被冷却部品や燃料電池の酸素供給のための空気供給装置に必要な空気や流体の量に応じて印加電圧を変化させ、能動的に空気の量を調節することができ、従来のファン方式やポンプ型空気供給装置に比べて騒音が減少し、少ない電力を消費する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイヤフラムエアーポンプに関するものであり、より詳しくは、圧電素子により駆動する小型ダイヤフラムエアーポンプに関するものである。

一般的に、エアーポンプのような小型空気供給装置は、小型電子機器や部品に一定量の空気を供給するために用いられる。

このような小型電子機器や部品は、トランジスタの集積度が向上するに従って、内部で発生する熱により電子部品が誤作動するか、部品に損傷をもたらす恐れがある。従って、このようなマイクロ電子部品に対する冷却問題は、小型電子部品を用いる電子部品において重要な問題として挙げられた。

特に、携帯用機器の移動電源として燃料電池を用いる場合、化学反応のための酸素の供給が必要となる。

また、コンピュータのような電子機器がさらに小型化するに従って、内部のチップを冷却させる冷却装置は、さらに小さい体積を占めるながらも、少ない電力を消耗すべきである。これと同時に、小さい騒音を発生しながらも高効率の冷却作業が可能でなければならず、冷却装置が作動するとき、高い作動信頼度を要求することになる。

従来の小型電子機器や部品に用いられる冷却装置や燃料電池の酸素供給のための空気供給装置は、回転ファン内臓方式であって、一定量の空気を外部から小型電子機器や部品に供給して冷却するか、冷却ピンを外装して小型電子機器や部品の熱伝導または空気対流を促進して冷却するか空気を供給する方式で構成される。

ところが、このような構造の冷却装置や燃料電池の空気供給装置は、回転ファンの駆動により騒音が発生する。また、回転ファンや冷却ピンそのものが一定量の体積を占めて、電子機器や部品の小型化に制限となる。

また、回転ファンや冷却ピンの冷却効率の側面を考慮するとき、電子機器や部品に必要な冷却効率を達成し難い側面が多く、特に、回転ファン方式の場合は、大きな電力を消耗するようになる問題点が発生する。

そして、燃料電池用空気供給装置においては、既存の空気ポンプは、サイズと体積とが巨大であり、騒音が激しく、小型化を要求する携帯用機器への適用が困難である。

本発明の目的は、前記のような問題点を解決するために創案したものであり、小型電子機器や部品に空気のような流体を供給して冷却するか、または所定空間に空気を供給する空気供給装置において、構造が改善したダイヤフラムエアーポンプを提供するのにある。

前記目的を達成するための本願第１発明によるダイヤフラムエアーポンプは、内部に流体が流入されて排出されるポンプケース；前記ポンプケース内に設けられ、少なくとも１つの中間開口が形成され、前記中間開口には、中間チェック弁が設置されたダイヤフラム；及び前記ダイヤフラムの一側に連結され、電源が印加される少なくとも１つの圧電素子；を含み、前記圧電素子の振動により被冷却部品に流体が供給される。

ダイヤフラムはポンプケースの内部において浮かんでいる形状となるので、ダイヤフラム２５の振動を利用して、小さい体積を有しながらも簡単な構造で、より高い効率のエアーポンプを具現することが可能である。

また、印加電圧を変化させて圧電素子を振動させることで、能動的に空気の量を調節することができる。ダイヤフラムを利用して空気を供給するか所定空間を冷却するので、騒音が減少することになり、かつ消費電力が少ない。

このようなダイヤフラムエアーポンプは、酸素供給が必要な燃料電池の空気側燃料供給システムとしても使用が可能である。

本願第２発明は、前記ポンプケースは、流体が流入される少なくとも１つの流入開口が形成された上部ケース；及び前記上部ケースと結合し、上部ケースに流入された流体が、前記被冷却部品と接触して排出される少なくとも１つの排出開口が形成された下部ケース；を含むことが好ましい。

流体が流入する上部ケース内の圧力Ｐ２と流体が排出される下部ケース内の圧力Ｐ１とに、圧力差が生じる。この圧力差を利用して、小さい体積を有しながらも簡単な構造で、より高い効率のエアーポンプを具現することが可能である。

本願第３発明は、前記流入開口には、外部の流体が前記上部ケースに流入されるように制御する流入チェック弁が設置されたことが好ましい。

流入チェック弁は、上部ケース及び下部ケースの圧力差に応じて開閉され、上部ケースに流入した流体が逆流することを防止するように流体の出入りを制御する。

本願第４発明は、前記ダイヤフラムは、前記上部ケース及び前記下部ケースの間に設けられ、前記中間チェック弁は、前記上部ケースの流体が下部ケースに流入されるように制御することができる。ここで、ダイヤフラムは、圧電素子の振動に伴って上部ケース及び前記下部ケースの間で振動する。よって、上部ケースと下部ケースとのあいだに圧力差が生じる。この圧力差を利用して、小さい体積を有しながらも簡単な構造で、より高い効率のエアーポンプを具現することが可能である。

本願第５発明は、前記ダイヤフラムは、前記ポンプケースの下部ケースに固定されず、前記圧電素子の一部として結合されることを特徴とするダイヤフラムエアーポンプを提供する。ダイヤフラムとポンプケースの接触部分が少なく、摩擦による駆動力の損失が少ないため、より低消費電力である。また、接触部分が少ないため、騒音を低減することができる。

本願第６発明は、前記下部ケースには、前記圧電素子が設置されるスロットが設けられたことが好ましい。

本願第７発明は、前記圧電素子及び前記スロットは２つであることが好ましい。例えば、ダイヤフラムの両側に２つに構成されると、ダイヤフラムの両側に振動を加えることができ、より、上部ケースと下部ケースとのあいだに圧力差が生じさせることができる。

本願第８発明は、前記２つの圧電素子の一側は、前記ポンプケースの下部ケースにそれぞれ固定されることを特徴とするダイヤフラムエアーポンプを提供する。

本願第９発明は、前記２つの圧電素子は、バイモルフ（ｂｉｍｏｒｐｈｓ）であることを特徴とするダイヤフラムエアーポンプを提供する。圧電素子が、バイモルフ（ｂｉｍｏｒｐｈｓ）であると、構造が単純で、製造が容易である。また、低電圧でより大きな変位量が得られる。また、消費電力が少ない。さらに発熱が少なく、電磁的雑音が発生しない
本願第１０発明では、前記流入開口は、前記上部ケースの上部に形成されたことが好ましい。

本願第１１発明では、前記排出開口は、前記下部ケースの側面に形成されたことが好ましい。

本願第１２発明では、前記上部ケースの側面には、側面開口が形成され、本願第１３発明では、前記側面開口には、側面チェック弁が設置され、前記流入開口および前記排出開口は、ディフューザーで形成されたことが好ましい。

以上のようなダイヤフラムエアーポンプは、上部ケース及び下部ケースの体積変化率が大きくなり、これにより、ダイヤフラムの振動による圧力差が大きくなるため、より小さい体積を有しながらも簡単な構造で、より高い効率のエアーポンプを具現することが可能である。

また、被冷却部品や化学反応による酸素供給が必要な燃料電池において、必要な空気や流体の量に応じて印加電圧を変化させ、能動的に空気の量を調節することができる。また、従来のファン方式の冷却装置や既存の空気ポンプに比べて騒音が減少し、電力消費が少ない。

そして、燃料電池に必要な空気流量を、騒音の少ない本発明のダイヤフラムエアーポンプを通じて具現できるので、燃料電池の空気側燃料供給システムとしても使用が可能である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施例に係るダイヤフラムエアーポンプを説明する。図１は本発明の実施例によるダイヤフラムエアーポンプの断面図、図２は図１に示されたダイヤフラムエアーポンプの斜視図、図３は図１に示されたダイヤフラムの平面図である。

図面を参照すると、ダイヤフラムエアーポンプ５０は、大きくポンプケース４０、ポンプケース４０内に設けられたダイヤフラム２５及び圧電素子１１を含む。

前記ポンプケース４０は、前記ダイヤフラムエアーポンプ５０の外観を形成し、外部の空気のような流体が流入されて排出される。そして、前記ポンプケース４０は上部ケース１０及び下部ケース２０を含む。

前記上部ケース１０の上部には、流体が流入される少なくとも１つの流入開口１４が形成される。

前記下部ケース２０は、前記上部ケース１０と結合し、少なくとも１つの排出開口２１が下部ケース２０の側面に形成される。そして、上部ケース１０に流入された流体が、前記排出開口２１を通じて被冷却部品３０と接触し、被冷却部品３０を冷却させた後に排出される。この時、被冷却部品３０は、燃料電池の空気供給部（図示省略）となり得る。

また、前記流入開口１４には流入チェック弁１３が設置され、外部の流体が上部ケース１０にのみ流入され、上部ケース１０内の流体が、流入開口１４を通じて外部に排出されることを防止するよう、流体の出入りを一方向通行に制御する。そして、前記下部ケース２０には、圧電素子１１が設置されるスロット２６が設けられる。圧電素子が、バイモルフ（ｂｉｍｏｒｐｈｓ）であると、構造が単純で、製造が容易である。また、低電圧でより大きな変位量が得られる。また、消費電力が少ない。さらに発熱が少なく、電磁的雑音が発生しない。

好ましくは、前記圧電素子１１及び前記スロット２６は、ダイヤフラム２５の両側に振動を加えるように例えば両側に２つに構成される。

前記ダイヤフラム２５は、前記ポンプケース４０内に設けられる。即ち、前記ダイヤフラム２５は上部ケース１０及び下部ケース２０の間に設けられ、前記ダイヤフラム２５には少なくとも１つの中間開口２２が形成される。

前記中間開口２２には中間チェック弁２３が設置され、上部ケース１０の流体が下部ケース２０にのみ流入され、下部ケース２０内の流体が上部ケース１０内に逆流することを防止するように流体の出入りを制御する。

そして、前記中間チェック弁２３及び流入チェック弁１３は、フレキシブルなメンブレイン（ｍｅｍｂｒａｎｅ）から構成されて上部ケース１０及び下部ケース２０の圧力差に応じて開閉される。

前記圧電素子１１はダイヤフラム２５の一側に接着物質により結合され、ダイヤフラムエアーポンプ５０の外部より電源が供給されることで圧電素子１１は振動する。このとき、前記ダイヤフラム２５には、圧電素子１１がダイヤフラム２５と結合する結合部１２と一定間隔に離隔した空間１６が形成される。

以下、図４Ａ及び４Ｂを参照すると、本発明の実施例に係るダイヤフラムエアーポンプ５０の作動を説明する。図４Ａは圧電素子１１が被冷却部品３０に向けて動くときに流体の流れを示した図面であり、図４Ｂは圧電素子が被冷却部品３０の反対方向に動くときに流体の流れを示した図面である。

図面を参照すると、ダイヤフラムのエアーポンプ５０の圧電素子１１で電圧が印加される。印加される電圧は交流電圧であって、交流電圧を加えると圧電素子１１は上下振動をすることになる。

このような圧電素子１１は一般的に外部から圧電素子１１に外力が加えられた時、加えられた外力、即ち、機械的エネルギーに対応する電気的エネルギー（ｅｘ：電圧）を発生し、反対に、電気的エネルギーを圧電素子１１に加えることになると、機械的エネルギーを発生する。この時、加えられた電気的エネルギーが交流電圧である場合は、前記圧電素子１１は振動する特有の性質を有する。

このように交流電圧が前記圧電素子１１に印加されると、前記圧電素子１１はポンプケース４０内部において、一側は、前記スロット２６に完全に固定された状態で圧電素子が振動をすることになるので、結局、圧電素子１１の他側は、上下振動をすることになる。このような振動は、前記交流電圧の周波数と圧電素子１１の固有周波数とが同一であるときに振幅が最大となる。

このような方式で、圧電素子１１が上下振動することによって、圧電素子１１が接着物質により結合されたダイヤフラム２５も振動することになる。この時、前記ダイヤフラム２５はポンプケース４０に直接固定されたものでなく、前記圧電素子１１に一側が結合されているので、全体的にみると、ダイヤフラム２５は前記ポンプケース４０の内部に浮かんでいる形状となる（図３参照）。

この時、図４Ａにおけるように圧電素子１１が矢印Ａの方向、即ち、前記ポンプケース４０の下方に振動する場合を説明する。この時、圧電素子１１に連結されたダイヤフラム２５も、矢印Ｂの方向、即ち前記ポンプケース４０の下方に運動する。そして、このような場合に、前記ダイヤフラム２５の中間チェック弁２３は閉鎖される。

即ち、前記下部ケース２０内の流体の圧力（Ｐ_１）が前記上部ケース１０内の流体の圧力（Ｐ_２）より高くなって、係る圧力差により中間チェック弁２３が閉鎖される。そして、下部ケース２０内の流体は、被冷却部品３０と接触して被冷却部品３０を冷却するか、被冷却部品３０に空気のような必要な流体を供給する。

この時、前記上部ケース１０内の圧力（Ｐ_２）はポンプケース４０の周りの圧力（Ｐ_３）より小さいので、ポンプケース４０の周りの流体は流入開口１４を通じて上部ケース１０に流入され、流入チェック弁１３はオープンされた状態となる。

これと同時に、下部ケース２０内の流体は排出開口２１を通じて前記ポンプケース４０の外部に排出される。

そして、図４Ｂにおけるように、圧電素子１１が矢印Ｃの方向、即ち、前記ポンプケース４０の上方に振動する場合を説明する。この時、圧電素子１１に連結されたダイヤフラム２５も矢印Ｄの方向、即ち、前記ポンプケース４０の上方に運動する。そして、このような場合に、前記ダイヤフラム２５の中間チェック弁２３はオープンされる。

即ち、前記下部ケース２０内の流体の圧力（Ｐ_１）が前記上部ケース１０内の流体の圧力（Ｐ_２）より小さくなって、このような圧力差により中間チェック弁２３がオープンされる。

また、前記上部ケース内１０の圧力（Ｐ_２）はポンプケース４０の周りの圧力（Ｐ_３）より大きいので、このような圧力差により流入チェック弁１３は閉鎖される。

従って、図４Ａにおいて、上部ケース１０に流入された空気のような流体は、前記ダイヤフラム２５に形成された中間開口２２を通じて前記下部ケース２０に流入される。そして、前記下部ケース２０内の流体の圧力（Ｐ_１）がポンプケース４０の周りの圧力（Ｐ_３）より小さいので、周りの空気も一定部分は前記排出開口２１を通じて下部ケース２０に流入されることができる。

このような方式により、前記圧電素子１１が上下に振動することによって、ダイヤフラム２５も振動することになり、前記被冷却部品３０に一定量の空気のような流体を供給して被冷却部品３０を冷却するか、必要な所定空気を被冷却部品３０に供給することができる。

前記ダイヤフラム２５はポンプケース４０に直接固定されたものでなく、前記圧電素子１１に連結され、前記圧電素子１１と前記ダイヤフラム２５との間には一定間隔離隔した空間１６が形成される。よって全体的にみると、ダイヤフラム２５は前記ポンプケース４０の内部において浮かんでいる形状となるので、前記上部ケース１０及び下部ケース２０内の流体の体積変化率が大きくなる（図３参照）。

これにより、ダイヤフラム２５の振動による圧力差（|P1 - P2|）が大きくなるため、さらに小さい体積を有しながらも簡単な構造で、より高い効率のエアーポンプを具現することが可能である。

また、前記ダイヤフラム２５において被冷却部品３０や燃料電池の空気供給部（図示省略）に供給する空気の量は、印加電圧の周波数に応じて前記圧電素子１１のＡ、Ｃ方向に振動する振動幅が異なることにより変化する。従って、被冷却部品３０に必要な空気や流体の量によって印加電圧を変化させ、能動的に空気の量を調節することができる。

図５乃至図６は、それぞれ本発明の他の第２、３実施例である。

図５を参照すると、前記上部ケース１０の両側面には側面開口１７が形成される。そして、前記側面開口１７には側面チェック弁１８設置される。このような側面チェック弁１８は、前記流入チェック弁１３のように前記上部ケース１０にのみ流体が流入されるように制御する。前記側面開口１７に側面チェック弁１８が設置された点を除いては、図１乃至図４Ａ、４Ｂに示されたダイヤフラムエアーポンプの構成及び作用は同一である。

そして、前記側面チェック弁１８及び流入チェック弁１３が前記上部ケース１０に形成されるので、図１乃至図４Ａ、４Ｂに示されたダイヤフラムエアーポンプ５０に比べてポンプケース４０内に流入される流体の量がさらに大きくなる。

図６は、図５に示されたダイヤフラムエアーポンプの流入チェック弁１３、側面チェック弁１８及び排出開口２１の代わりに、流入ディフューザー３３、側面ディフューザー３５及び排出ディフューザー３７が設置される。このようなディフューザー３３、３５、３７は、チェック弁と同様に、圧力差によって一方向にのみ流体が流れるようにする。例えば、流入ディフューザー３３の場合は、ディフューザーの幅の狭い部分３３ａの圧力が幅の広い部分３３ｂの圧力より大きい場合、前記上部ケース１０内への流体の流入が相対的に容易である。結果的に、ポンプケース４０の外部の流体は、前記流入ディフューザー３３を通じて上部ケース１０の内部に流入される量が相対的に流入ディフューザー３３を通じて排出される量より大きいので、一種の一方向チェック弁の機能をすることになる。

このような実施例においては、前記ディフューザー３３、３５、３７を用いる点を除いては、図１乃至図４Ａ、４Ｂに示されたダイヤフラムエアーポンプの構成及び作用は同一である。

本発明によるこのようなダイヤフラムエアーポンプは、従来のファン方式の冷却装置や燃料電池に用いられる酸素供給のための空気ポンプに比べダイヤフラムを利用して空気を供給するか所定空間を冷却するので、騒音が減少することになり、且つ少ない電力が消費される。

また、既存の空気ポンプは大きさと体積が大きくて騒音が酷く、小型化のための携帯用機器には不適切であった。しかし、本発明のダイヤフラムエアーポンプは、空気流量を印加電圧によって能動的に調節することができ、騒音が少なく、また化学反応による酸素供給が必要な燃料電池の空気側燃料供給システムとしても使用が可能である。

以上、本発明を、本発明を説明するための望ましい実施例と関連して説明したが、本発明は、前述したように説明されたそのままの構成および作用に限定されるものではない。かえって、添付の特許請求範囲の思想及び範疇を逸脱することなく、本発明に対する多数の変更及び修正が可能であることを、当業者はよく理解できる。従って、そのような全ての適切な変更及び修正と均等物も本発明の範囲に属するものと見なすべきである。

本発明の第１実施例に係るダイヤフラムエアーポンプの断面図である。 図１に示されたダイヤフラムエアーポンプの斜視図である。 図１に示されたダイヤフラムの平面図である。 Ａ及びＢは、図１に示されたダイヤフラムエアーポンプの作動を示した図面である。 本発明の第２実施例に係るダイヤフラムエアーポンプの断面図である。 本発明の第３実施例に係るダイヤフラムエアーポンプの断面図である。

符号の説明

１０：上部ケース
１１：圧電素子
１３：流入チェック弁
１４：流入開口
２０：下部ケース
２１：排出開口
２２：中間開口
２３：中間チェック弁
２５：ダイヤフラム
３０：被冷却部品
４０：ポンプケース
５０：ダイヤフラムエアーポンプ

Claims (13)

1. 内部に流体が流入されて排出されるポンプケースと、
   前記ポンプケース内に設けられ、少なくとも１つの中間開口が形成され、前記中間開口には、中間チェック弁が設置されたダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムの一側に連結され、電源が印加される少なくとも１つの圧電素子とを含み、
   前記圧電素子の振動により被冷却部品に流体が供給されることを特徴とするダイヤフラムエアーポンプ。
2. 前記ポンプケースは、
   流体が流入される少なくとも１つの流入開口が形成された上部ケースと、
   前記上部ケースと結合し、前記上部ケースに流入された流体が、前記被冷却部品と接触して排出される少なくとも１つの排出開口が形成された下部ケースと、を含むことを特徴とする、請求項１に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
3. 前記流入開口には、外部の流体が前記上部ケースに流入されるように制御する流入チェック弁が設置されたことを特徴とする、請求項２に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
4. 前記ダイヤフラムは前記上部ケース及び前記下部ケースの間に設けられ、前記中間チェック弁は前記上部ケースの流体が下部ケースに流入されるように制御することを特徴とする、請求項３に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
5. 前記ダイヤフラムは、前記ポンプケースの下部ケースに固定されず、前記圧電素子の一部として結合されることを特徴とする、請求項４に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
6. 前記下部ケースには、前記圧電素子が設置されるスロットが設けられたことを特徴とする、請求項２に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
7. 前記圧電素子及び前記スロットは２つであることを特徴とする、請求項６に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
8. 前記２つの圧電素子の一側は、前記ポンプケースの下部ケースにそれぞれ固定されることを特徴とする請求項７に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
9. 前記２つの圧電素子は、バイモルフ（ｂｉｍｏｒｐｈｓ）であることを特徴とする、請求項７に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
10. 前記流入開口は、前記上部ケースの上部に形成されたことを特徴とする、請求項２に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
11. 前記排出開口は、前記下部ケースの側面に形成されたことを特徴とする、請求項２に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
12. 前記上部ケースの側面には側面開口が形成され、前記側面開口には側面チェック弁が設置されたことを特徴とする、請求項２に記載のダイヤフラムエアーポンプ。
13. 前記流入開口および前記排出開口は、ディフューザーで形成されたことを特徴とする、請求項２に記載のダイヤフラムエアーポンプ。

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