JP2005147099A - 流体機械モジュール及び流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】微少流量・小出力での使用に適し、耐久性に優れ、構造が簡単で、小型・コンパクトであり、且つ生産性の良好な流体機械モジュールを提供すること。
【解決手段】直方体のケーシング１０を具備し、該ケーシング１０内に、ポンプＰと、該ポンプＰを駆動するモータＭと、取扱液の流量を検出する流量センサＦと、電力供給の有無によって開閉し取扱液の排出制御を行うバルブＶと、制御基板Ｃを収容し、制御基板ＣでモータＭ、流量センサＦ及びバルブＶへの電力供給と、該モータＭの回転制御と流量センサからの流量検出信号による回転速度制御を行うように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明はポンプを核とした、流体制御を可能とする流体機械モジュールに係り、特に小型で微少流量の取扱液を扱う流体機械モジュールに関するものである。

近年、バイオテクノロジー、ライフサイエンス分野の発展に伴って、流体を扱った解析、分析装置の小型化が望まれている。その理由として装置類を小型化することにより取扱液が少なくて済むため、分析時間の短縮、試薬量の減量が可能となり検査のコストダウンとなること、加えて装置自体のコストと装置の維持コストが低減できることが挙げられている。また、長寿命化、メンテナンスフリー化のニーズが高まっており、このため、流体解析、分析装置に搭載されることの多いポンプについて挙げれば、メカニカルシール等の消耗部品の無い、長寿命製品が望まれるようになってきた。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、微少流量・小出力での使用に適し、耐久性に優れ、構造が簡単で、小型・コンパクトであり、且つ生産性の良好な流体機械モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、直方体のケーシングを具備し、該ケーシング内に、駆動モータと一体化されたポンプと、取扱液の流量を検出する流量センサと、制御基板とを収容し、制御基板でモータ及び流量センサへの電力供給と、該モータの回転制御と流量センサからの流量検出信号による回転速度制御を行うように構成したことを特徴とする流体機械モジュールにある。

また、請求項２に記載の発明は、直方体のケーシングを具備し、該ケーシング内に、駆動モータと一体化されたポンプと、電力供給の有無によって開閉し取扱液の排出制御を行うバルブと、制御基板とを収容し、制御基板でモータ及びバルブへの電力供給と、該モータへ回転制御を行うように構成したことを特徴とする流体機械モジュールにある。

また、請求項３に記載の発明は、直方体のケーシングを具備し、該ケーシング内に、ポンプと、該ポンプを駆動するモータと、取扱液の流量を検出する流量センサと、電力供給の有無によって開閉し取扱液の排出制御を行うバルブと、制御基板を収容し、制御基板でモータ、流量センサ及びバルブへの電力供給と、該モータへ回転制御と流量センサからの流量検出信号による回転速度制御を行うように構成したことを特徴とする流体機械モジュールにある。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体機械モジュールにおいて、ケーシング内に樹脂材料を使って、ポンプ、流量センサ、バルブ、制御基板を固定することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流体機械モジュールにおいて、ケーシングの１つの面に取扱液の流入口と流出口を設けたことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流体機械モジュールにおいて、ケーシングの１つの面に制御基板への電力供給、入出力信号の入出力を行うコネクタを設けたことを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の流体機械モジュールを複数台具備し、該複数台の流体機械モジュールを並列に配置して該各流体機械モジュールの取扱液を制御することを特徴とする流体機械にある。

上記ポンプを駆動するモータには、スロットレス巻線型のＤＣブラシレスキャンドモータを用いる。これによりメンテナンスフリー、小型・コンパクト化を図ることができる。また、ポンプの主軸に貫通穴を設けることで、モータ回転子室は取扱液が満たされた構造となっており、モータ回転子室内に設けられた軸受は取扱液によって効果的に潤滑され、耐久性が確保される。取扱液が微少流量であることから乱流、層流の遷移域での流量検出となる可能性がある。そこで上記流量センサには乱流、層流の遷移域の流量検出に適する機械式流量センサを用いる。また、メカニカルシール等の軸封装置を必要としないことから、機械ロスがなく、且つ耐久性に優れたものとなる。

上記ポンプ、流量センサ、バルブ、制御基板を小型化した上て、これらの機器のケーシングを一体化し、流体機械モジュールとすることにより、配管による圧力損失の低減、異物混入の防止、取付の簡易化、モジュール形状の単純化が図れる。

上記ポンプ、流量センサ、バルブ、制御基板等の機器が接近して配置されるため、流体機械モジュール全体の温度が上昇し、取扱液に悪影響を及ぼすことが懸念されるため、ケーシング内の機器を樹脂で固めることで、機器どうしの熱伝導を低減させている。

また、ケーシングの１つの面に取扱液の流入口と流出口を設けることにより、配管、リアクター等への取付けが簡単になる。また、取扱液の排出時の便宜も図ることができる。

また、ケーシングの１つの面に制御基板への電力供給、入出力信号の入出力を行うコネクタを設けたことにより、結線ミス防止、流体モジュールのスリム化を図ることができる。

上記構成の流体機械モジュールを複数台具備し、該複数台の流体機械モジュールを並列に配置して該各流体機械モジュールの取扱液を制御することにより、複数種類の取扱液の混合や、取扱液の流量を増加させたい場合に容易に対応することができる。そして各モジュールがコンパクトであるので、取扱液量を減らすことができ、検査コストの低減につながる。また、モジュールの外観がシンプルに構成されるため、複数台を配置した場合でも省スペース化を図ることができる。

各請求項に記載の発明によれば、取扱液の微少流量・小出力での使用に適し、耐久性に優れた、構造が簡単で、小型・コンパクトであり、且つ生産性の良好な流体機械モジュールを提供できる。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る流体機械モジュール６０の全体構成を示す断面図である。図示するように本流体機械モジュール６０は直方体のケーシング１０内に駆動用のモータＭと一体化されたポンプＰ、取扱液流量を検出する流量センサＦと、取扱液の排出制御を行うバルブＶと、制御基板Ｃが収容されている。

ポンプＰを駆動するモータＭは制御基板Ｃより電力供給用のリード線１１を介してモータ固定子巻線１２に電力が供給されるようになっている。ポンプＰの最高効率点流量における比速度Ｎｓ（ｍ³／ｍｉｎ，ｍ，ｍｉｎ^-1）が２８０の単段の遠心式モータポンプであって、羽根車１３の外径が約５ｍｍ、モータ回転子１４の濡れ縁最大外径が約４ｍｍ、モータ回転子１４の濡れ縁最大外径の外側に形成された半径隙間δが約０．１ｍｍ、モータ回転子１４の濡れ縁最大外径部の軸方向長さが約１４ｍｍになっている。

モータＭはスロットレス巻線型のＤＣブラシレスモータであり、構造的にはキャンドモータの範疇に入るものである。磁性体ヨーク１５とモータ固定子巻線１２が樹脂によって接着されたモータ固定子１７はカップ形状の例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）製モータフレーム１８に収容されている。モータ固定子１７の内周側には円筒状の例えば、ＰＥＥＫ製の固定子キャン１９が負荷ラジアル軸受を兼ねた例えば、ＰＥＥＫ製のポンプケーシング２０と、反負荷側はラジアル軸受を兼ねた例えば、ＰＥＥＫ製の反負荷側ブラケット２１の間にＯリング等のシール部品２２、２３を介在させて取り付けられている。

モータ回転子１４には、ネオジウム製の永久磁石２４が設けられ、該永久磁石２４の両端はゴム製の回転子カバー２５でシールされ、該永久磁石２４と回転子カバー２５の外側を熱収縮チューブ２６によって更にシールされている。このように構成することで、永久磁石２４は取扱液と完全に遮断されるため、錆びを発生するようなことが無い。モータ回転子１４の軸芯部には主軸２７が挿入されている。主軸２７は例えば、オーステナイト系ステンレス合金からなり、その直径は約１ｍｍ程度で、軸芯に極細の貫通穴２８が設けてある。

主軸２７の一端には遠心式のポンプＰのクローズ型の羽根車１３が取り付けられている。羽根車１３の直径は約５ｍｍで、該羽根車１３と主軸２７はブレージングにより接合されている。該羽根車１３の下部にはスパイラルグルーブ形状の溝が形成された非接触のスラスト軸受２９が設けられている。ポンプケーシング２０の吸込みノズル３０から吸込まれた取扱液Ｑは、羽根車１３の吸込マウスから羽根車１３内に導かれ、羽根車１３の回転に伴って昇圧され、主流はポンプケーシング２０の吐出口３１へと流れ、ポンプケーシング２０の軸受部を経て回転子室（固定子キャン１９とポンプケーシング２０と反負荷側ブラケット２１で囲まれた空間）３２内に導かれ、軸受部の潤滑とモータＭの冷却に使用され、主軸２７に設けられた貫通穴２８を通り吸込マウスへと導かれる。

取扱液Ｑの流量を検出する流量センサＦは、水車式の機械式流量センサである。複数枚の羽根３３が回転体３４の下部外周に水車状に設けられた構成である。該回転体３４の上部にはネオジウム製の永久磁石３５が設けられ、該永久磁石３５の先端にはゴム製の回転子カバー３６によってシールされ、該永久磁石３５と回転子カバー３６の外側が熱収縮チューブ３７によってさらにシールされている。このように構成することで、永久磁石３５は取扱液と完全に遮断されるため、錆びを発生するようなことはない。また、回転体３４の軸芯部には、オーステナイト系ステンレス合金製のピン３８がインサートされ、該ピン３８の下端部は固定されている。

ポンプケーシング２０の吐出口３１から吐出された取扱液Ｑにより、流路３９上に設けられた前記水車状の羽根３３と伴に回転体３４が回転する。この回転体３４の回転により回転する永久磁石３５とホールセンサ４０とで流量センサを構成する。ホールセンサ４０により検出された信号はパルス信号として制御基板リード線４２を介して制御基板Ｃに送られる。なお、制御基板Ｃからリード線４３を介して流量センサＦに電力が供給されるようになっている。また、ホールセンサ４０や回転体３４及び永久磁石３５等は例えば、ＰＥＥＫ製センサフレーム４４で覆われている。

バルブＶはダイヤフラム型電磁弁である。ダイヤフラム４５の上面には移動コア４６が接続されている。電磁ソレノイド５３のコイル４７に制御基板Ｃからリード線４８を介して電力が供給され通電すると、固定コア４９に発生する電磁力によって、移動コア４６が上昇し、それと伴にダイヤフラム４５も上昇することで、流入口５０の取扱液Ｑが流出口５１へ流れる。また、電磁ソレノイド５３のコイル４７に通電されない状態では移動コア４６は下方に降下するので、ダイヤフラム４５が流入口５０から流入してくる取扱液Ｑを遮断する。なお、より好ましい形態としては、バルブＶの開、又は閉の状態が、永久磁石を併用して自己保持されるように構成することである。即ち、そうすることでバルブＶの開閉の変換時のみ電力を必要とするので、消費電力の削減につながる。

ポンプの制御は、制御基板Ｃのインバータ部により、外部からの直流電流を擬似交流に変換させ、ポンプモータの回転位置を検出し、的確な相に通電することで駆動させている。モータＭの回転速度制御はモータＭ内の回転位置センサからのパルス信号を検出し、モータ固定子巻線１２への印加電圧を可変することで行われる。また、流量センサＦで検出されたパルス信号により、モータ回転速度制御することにより、取扱液の流量制御を可能とする。これにより、外部から流量のモニタリング及び、制御基板Ｃに流量設定信号を送ることができ、流量制御も可能となる。

上記駆動モータＭと一体化されたポンプＰ、流量センサＦ、バルブＶ、制御基板Ｃを取扱液の流入口５４及び流出口５５を下面に有する下部ケーシング５６にＯリング等のシール部材５７、５８、５９を介在させて気密状態で配置収容し、その上をケーシング１０で覆い、該ケーシング内を樹脂で押し固め、例えば図２に示すような配置で流体機械モジュールを構成する。そして外部から制御基板Ｃへの電力供給、信号入出力を行うコネクタＣＮをケーシング１０の一面（図では上面）に配置する。

また、上記構成の流体機械モジュール６０を図３に示すように複数台用意し（図では６０−１〜６０−３の３台）、該複数台の流体機械モジュール６０を立体配管又はリアクター６１等に配置し、連携制御用コントローラ６２を流体機械モジュール６０−１〜６０−３の各コネクタＣＮと接続する。これにより複数台の流体機械モジュール６０−１〜６０−３を連携制御することが可能となる流体機械が構成される。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。

本発明に係る流体機械モジュールの全体構成を示す断面図である。 本発明に係る流体機械モジュールの外観構成を示す図である。 本発明に係る複数の流体機械モジュールで構成される流体機械の外観構成を示す図である。

符号の説明

Ｃ 制御基板
Ｍ モータ
Ｐ ポンプ
Ｆ 流量センサ
Ｖ バルブ
ＣＮ コネクタ
１０ ケーシング
１１ リード線
１２ モータ固定子巻線
１３ 羽根車
１４ モータ回転子
１５ 磁性体ヨーク
１７ モータ固定子
１８ モータフレーム
１９ 固定子キャン
２０ ポンプケーシング
２１ 反負荷側ブラケット
２２ シール部品
２３ シール部品
２４ 永久磁石
２５ 回転子カバー
２６ 熱収縮チューブ
２７ 主軸
２８ 貫通孔
２９ スラスト軸受
３０ 吸込みノズル
３１ 吐出口
３２ 回転子室
３３ 羽根
３４ 回転体
３５ 永久磁石
３６ 回転子カバー
３７ 熱収縮チューブ
３８ ピン
３９ 流路
４０ ホールセンサ
４２ 制御基板リード線
４３ リード線
４４ センサフレーム
４５ ダイヤフラム
４６ 移動コア
４７ コイル
４８ リード線
４９ 固定コア
５０ 流入口
５１ 流出口
５３ 電磁ソレノイド
５４ 流入口
５５ 流出口
５６ 下部ケーシング
６０ 流体機械モジュール

Claims (7)

1. 直方体のケーシングを具備し、該ケーシング内に、駆動モータと一体化されたポンプと、取扱液の流量を検出する流量センサと、制御基板とを収容し、
   前記制御基板で前記モータ及び流量センサへの電力供給と、該モータの回転制御と流量センサからの流量検出信号による回転速度制御を行うように構成したことを特徴とする流体機械モジュール。
2. 直方体のケーシングを具備し、該ケーシング内に、駆動モータと一体化されたポンプと、電力供給の有無によって開閉し取扱液の排出制御を行うバルブと、制御基板とを収容し、
   前記制御基板で前記モータ及びバルブへの電力供給と、該モータへ回転制御を行うように構成したことを特徴とする流体機械モジュール。
3. 直方体のケーシングを具備し、該ケーシング内に、ポンプと、該ポンプを駆動するモータと、取扱液の流量を検出する流量センサと、電力供給の有無によって開閉し取扱液の排出制御を行うバルブと、制御基板を収容し、
   前記制御基板で前記モータ、流量センサ及びバルブへの電力供給と、該モータへ回転制御と流量センサからの流量検出信号による回転速度制御を行うように構成したことを特徴とする流体機械モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体機械モジュールにおいて、
   前記ケーシング内に樹脂材料を使って、前記ポンプ、流量センサ、バルブ、制御基板を固定することを特徴とする流体機械モジュール。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流体機械モジュールにおいて、
   前記ケーシングの１つの面に取扱液の流入口と流出口を設けたことを特徴とする流体機械モジュール。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流体機械モジュールにおいて、
   前記ケーシングの１つの面に前記制御基板への電力供給、入出力信号の入出力を行うコネクタを設けたことを特徴とする流体機械モジュール。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の流体機械モジュールを複数台具備し、該複数台の流体機械モジュールを並列に配置して該各流体機械モジュールの取扱液を制御することを特徴とする流体機械。

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