JP2005171962A

JP2005171962A - 流体供給装置および流体供給装置用ローター

Info

Publication number: JP2005171962A
Application number: JP2003416416A
Authority: JP
Inventors: Osamu Torayashiki; 治寅屋敷; Tokiko Misaki; 登紀子三崎
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】エネルギー効率がよい流体供給装置および流体供給装置用ローターの提供。
【解決手段】
流体供給装置用ローター１は、中心部に貫通孔を有する円盤状の天板1-1と、二次元形状の翼1-2と、円盤状の底板1-3とを有し、二次元形状の翼1-2が天板1-1と底板1-3とに挟まれて構成されている。また、流体供給装置は、流体の吸込口を有するアッパーカバーと、上記のローターと、ディフューザーと、ローターを回転させるモーターを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心式の流体供給装置およびそれに用いるローターに関する。本発明において流体供給装置とはポンプおよびコンプレッサーを意味する。

従来、血液循環ポンプ、燃料電池の流体供給などには小型のポンプが用いられ、冷凍庫、冷蔵庫、空調装置、空気浄化装置などには小型のコンプレッサーが用いられている。

従来一般に知られる遠心式の流体供給装置では流体を流す効率を高くする観点から、いわゆる三次元形状の翼（ローターの回転軸方向に断面形状が変化する翼）を有するローターが用いられる。

図７は、従来の遠心ポンプに用いられるローターを示す上面図である。図７に示すように、従来の遠心ポンプに用いられるローター８は、三次元形状の翼９を有する。このような三次元形状の翼を有するローターは、機械加工、金型成形等により製造される。しかし、機械加工による製造ではコストが高くなるとともに、ポンプの小型化には限界がある。一方、金型成形は、大量生産を前提とすれば低コストで小型のポンプを製造できる。しかし、十分な加工精度が得るためには、成型後の追加工などが必要となる場合があり、かえってコストの上昇を招くおそれがある。

半導体加工技術の応用としてマイクロ加工技術（ＭＥＭＳ加工）が知られている。ＭＥＭＳ加工は、レジスト塗布、マイクロパターン焼付け、現像、エッチングなどの工程が必須であるため、三次元形状への適用は困難を伴う。従って、ＭＥＭＳ加工により加工できる形状は実質的に二次元形状に限られる。二次元形状のローターを用いる場合には、別途の手段により流体の流動性や供給圧力などを確保する必要があり、出願人は、特願2003-90643において二次元形状のローターを用いた燃料電池用流体供給装置を提案している。

なお、上記の「二次元形状」とは、図８(a)に示すように、加工面10aに垂直な方向にのみ加工が施され、この方向以外の方向への形状変化がない形状を意味し、「三次元形状」とは、図８(b)に示すように、加工面10bに垂直な方向以外にも断面形状が変化するような形状を意味する。

図９は、出願人が先に提案した流体供給装置を示す模式図である。図９に示すように、先の出願に係る流体供給装置16は、例えば、アッパーカバー12と、二次元形状の翼11-2を有するローター11と、ディフューザー13と、ローター11を回転させるモーター14と、ディフューザー13を支持するハウジング15を有する。この流体供給装置は、流体の供給圧力を2kPa以上とすることができるため、燃料電池用流体供給装置として十分な性能が得られる。

しかし、その後の研究によって、先の出願に係る流体供給装置は、回転数、供給圧力などの使用条件によっては、下記のような問題が発生する場合があることが判明した。

図１０は、出願人が先に提案した流体供給装置のローターを示す図であり、図１１は、図９のＡ部拡大図である。図１０に示すように、先の出願に係る流体供給用装置では、その作動中にローターの翼の先端部（Ｂで示す部分）において応力集中が生じる。また、図１１に示すように、ローターの外周部付近がたわみ、ローターとアッパーカバーとのクリアランスが拡大するため効率が低下する。このような傾向は、回転数を上げたときに顕著となる。

これに対応すべく、モーターにおけるローター支持部分の径を大きくさせてローターの外周部付近も支持するか、ローターの底板を構成する部材の肉厚を増加させることにより、ローターのたわみを防止できる。しかし、いずれの対応も装置全体の小型化、軽量化の障害となる。

一方、燃料電池等のように流体の供給量を一定値とする必要がある流体供給装置では、供給圧力などを定期的に測定し、その測定値によってモーターの回転数を変更することにより流量の経時変化を防止する対策が採られている。従って、流量を一定値に保つ観点からは、僅かな流量変化に供給圧力が敏感に対応するような流体供給装置が望まれる。

本発明は、以上の問題を解決するためになされたものであり、翼の応力集中を緩和させ、全体として薄肉で軽量の流体供給装置用ローターを提供することを目的とする。また、ローターとアッパーカバーとのクリアランスを維持し、しかも、流量変化を正確に把握することができる流体供給装置を提供することを目的とする。

本発明は、下記(1)の流体供給装置および(2)の流体供給装置用ローターを要旨とする。

(1)流体の吸込口を有するアッパーカバーと、ローターと、ディフューザーと、ローターを回転させるモーターを有する流体供給装置であって、ローターが、中心部に貫通孔を有する円盤状の天板と、二次元形状の翼と、円盤状の底板とを有し、二次元形状の翼が天板と底板とに挟まれて構成されていることを特徴とする流体供給装置。

(2)中心部に貫通孔を有する円盤状の天板と、二次元形状の翼と、円盤状の底板とを有する流体供給装置用ローターであって、二次元形状の翼が天板と底板とに挟まれて構成されていることを特徴とする流体供給装置用ローター。

図１は、本発明に係る流体供給装置用ローターの一例を示す模式図であり、(a)はローター全体の斜視図、(b)は、X-X断面図である。また、図２は、本発明に係る流体供給装置の一例を示す断面図である。

図１に示すように、本発明の流体供給装置用ローター１は、中心部に貫通孔を有する円盤状の天板1-1と、二次元形状の翼1-2と、円盤状の底板1-3とを有し、二次元形状の翼1-2が天板1-1と底板1-3とに挟まれて構成されている。これにより、ローター全体の剛性が高くなるので、天板1-1、翼1-2、底板1-3を薄肉化しても、たわみの問題が発生しにくい。また、ローター全体の軽量化も推進できる。

そして、図２に示すように、本発明の流体供給装置６は、上記のローター１のほか、流体の吸込口を有するアッパーカバー２と、ディフューザー３と、ローター１を回転させるモーター４を有する。流体供給装置６においては、ローター１はモーター４上に固定され、ディフューザー３はハウジング５に固定されており、ローター１とアッパーカバー２の間およびローター１とディフューザー３の間には50μｍ程度のクリアランスが確保される。

なお、図示しないが、ローターの天板上面とアッパーカバーの下面とをラビリンス構造としたり、アッパーカバーの下部にローターの天板上面と接するようにブラシを設けたりすれば、流体供給装置の高圧部からのリークを防止できるので、より望ましい。

流体供給装置用ローターの材料としてはシリコンを用いて、下記のようにして製造することができる。また、ローターは、金属を用いてもよく、強化プラスチック等の複合材料から射出成形により製造してもよい。

図３および４は、本発明に係る流体供給装置用ローターの製造方法を例示する図である。図３に示す製造方法では、図３(a)に示すシリコン基板7aの表面に酸化膜が形成され、レジストが塗布され、露光、現像された後、エッチング、レジスト剥離の各工程を経た後、レーザー加工や貫通エッチングなどにより円盤状に切断され、シリコン基板7bが形成される。このシリコン基板7bには、図３(b)に示すように、ローターの底板および翼となる部分の形状が形成されている。図３(c)に示すように、別途、レーザー加工や貫通エッチングなどにより貫通孔が設けられた円盤状のシリコン基板7cを用意し、これをシリコン基板7bの翼の上面に接合してローターが製造される。

また、図４に示す別の製造方法では、図４(a)に示される円盤状のシリコン基板7dおよび7eが作製される。これらには、上記と同様に方法によってローターの翼が形成されている。シリコン基板7dおよび7eは、上面から見たときの翼の形状が面対象となっており、図４(c)に示すように、これらの翼同士を当接してローターが製造される。

上記の接合は、例えば、ディスペンサーを用いて翼の上面に粘度の低いエポキシ接着剤を定量塗布し、その上面に天板を貼り合わせ、荷重を加えながら固定し、さらにオーブンで加熱することにより行うことができる。接合方法は上記の方法に限定されず、例えば、フュージョンボンディングなどを用いてもよい。即ち、例えば、アンモニア過水（アンモニア水と過酸化水素水との混合溶液）によって親水化処理を実施したシリコン基板同士（図３の例ではシリコン基板7bと7c、図４の例ではシリコン基板7dと7e）を接触、接合させ、これを窒素雰囲気で900℃×5時間の熱処理に供してSi/Si接合してもよい。このフュージョンボンディングによる場合は、接合した後に、レーザー加工や貫通エッチングによって、貼り合わせたシリコン基板からローターを切り離すのがよい。

なお、流体供給装置の供給量を多くするためには、ローターの翼の高さを増すのが有効である。このとき、図３に示す製造方法を用いると、翼の高さを増すためにはエッチング時間を延長しなければならない。しかし、レジストとシリコンとの選択比は有限であるため、一度に深いエッチングを行うことには限界がある。これに対して、図４に示す方法を用いれば、同じ時間で面対象関係にあるシリコン基板7c、7dを作製することができる。このため、エッチング時間を短縮でき、また、図３に示すものより高い翼を有するローターを製造することができる。

本発明の流体供給装置用ローターは、図３または４に示す方法により単体で製造してもよいが、ディフューザーと共に製造してもよい。これにより、ローターの外周部とディフューザーの内周部との精度よいクリアランスを確保できる。但し、ローターに近接しない部分に求められる加工精度は高くなく、また、ディフューザーの全体をＭＥＭＳ加工により作製することは製造コストの増大を招く。このため、ディフューザーの一部（ローターと近接する部分）をローターとともにＭＥＭＳ加工により作製し、その他の部分については、他の方法、例えば、金属材料を用いて鋳造もしくは機械加工により作製してもよく、またプラスチックやＦＲＰを用いて成型加工により作製してもよい。

本発明の流体供給装置のアッパーカバーの形状、材質および製造方法には限定はないが、アッパーカバーの吸込口近傍の断面形状は、流体の流動性を確保し易い形状であるのが望ましい。アッパーカバーの材料としては、エポキシ、ポリエステル、ＡＢＳ、アクリルなどの樹脂やガラス、またはアルミニウム、ステンレス鋼などの金属を用いることができる。樹脂を用いる場合には射出成形などでアッパーカバーを作製できる。また、金属を用いる場合には鋳造、射出成形、機械加工などでアッパーカバーを作製できる。

本発明の流体供給装置のディフューザーの形状、材質および製造方法も限定しないが、流体の流動性を確保する観点からは、中央部にローターを挿入するための貫通孔を有し、この貫通孔の周囲に二次元形状の翼を有することが望ましい。このとき、ディフューザーは、ローターの翼と同等の高さを有する翼が底板と天板とに挟まれて構成されることが望ましい。これにより、流体の流動性を確保しやすくなる。

ディフューザーの材料としては、シリコンを用いることができる。また、ディフューザーは、通常のＭＥＭＳ加工、即ち、シリコン表面の酸化膜形成、レジスト塗布、露光、現像、エッチングおよびレジスト剥離の各工程による加工により作製すればよい。上述のように、ディフューザーの一部はローターとともに作製することもできる。また、金属を用いて鋳造または機械加工で作製してもよく、プラスチックやＦＲＰを用いて成型加工により作製してもよい。

本発明の流体供給装置は、上記のような構成を有し、更に、ローターの回転中心部付近に半球状の突起部（スピナー）を有するものでもよい。このスピナーは、ローターに同調して回転するため、アッパーカバーの吸込口付近の流体を整流し、流体の流動性を更に向上させることができる。

なお、モーターとしては、スピナーを有しない場合も有する場合も金属材料を用いることができる。また、いずれの場合も機械加工により製造すればよい。

本発明の効果を確認すべく、本発明例のローターとして厚さ、0.1mm、直径22mmの天板および厚さ、0.1mm、直径22mmの底板の間に、高さ0.4mm、幅0.2mmの翼を形成したものと、比較例のローターとして厚さ、0.2mm、直径22mmの底板に高さ0.4mm、幅0.2mmの翼を形成したものと用意し、下記の実験を行った。なお、いずれの例でも、ローターとアッパーカバーとのクリアランス（本発明例ではローターの天板上面とアッパーカバーの下面との間隔、比較例ではローターの翼上面とアッパーカバーの下面との間隔）を50μｍとした。また、いずれのローターもシリコンを用いて、ドライエッチングプロセスによって作製した。

まず、作動時のローターの変形状況を調査すべく、有限要素法によってローターの回転数と撓み量との関係を求めた。その結果を図５に示す。図５に示すように、天板を有しない比較例のローターでは、モーターの回転数が100krpmで6μｍのたわみが発生したが、本発明例では、モーターの回転数が100krpmでもたわみが3μｍ程度である。本発明例ではローターの変形が小さいことが確認できた。

次に、流体供給装置の供給圧力の流量に対する依存性を確認すべく、上記の各ローターをモーターに設置して、その上部に、図２に示したアッパーカバーを取り付け、モーターの回転数を上げることにより流量を調整し、各流量に対応する供給圧力を測定した。その結果を図６に示す。

なお、流量は、ボリュート後方の位置でマノメータを用いてオリフィス前後の圧力を測定し、流量に換算した値である。また、圧力は、ボリュート後方の位置でマノメータを用いて静圧を測定した値である。

図６に示すように、本発明例の流体供給装置は、天板を有しないローターを用いた比較例の流体供給装置に比べて、流量変化に対する圧力の変化率が大きい。

本発明によれば、ローターの翼の応力集中を緩和させ、ローターとアッパーカバーとのクリアランスを維持することができるので、ローターの破損等がなく、かつエネルギー効率がよい流体供給装置およびそれに用いるローターを提供することができる。しかも、本発明によれば、流量変化を正確に把握することができ、流量を一定量に維持することができるので、例えば燃料電池等に用いられる流体供給装置に最適である。

本発明に係る流体供給装置用ローターの模式図であり、(a)はローター全体の斜視図、(b)は、X-X断面図である。本発明に係る流体供給装置を示す断面図である。本発明に係る流体供給装置用ローターの製造方法を例示する図である。本発明に係る流体供給装置用ローターの製造方法を例示する図である。モーターの回転数とローター円周部のたわみとの関係を示す図である。流量と供給圧力との関係を示す図である。従来の遠心ポンプに用いられるローターを示す上面図である。二次元形状および三次元形状の定義を示す断面図である。出願人が先に提案した流体供給装置を示す模式図である。出願人が先に提案した流体供給装置のローターを示す図である。図９のＡ部拡大図である。

符号の説明

１、11：ローター、1-1：天板、1-2、11-2：翼、1-3：底板、
２、12：アッパーカバー、３、13：ディフューザー、４、14：モーター、
５、15：ハウジング、６、16：流体供給装置、
7a：シリコン基板、7b、7c、7d、7e：エッチング後のシリコン基板、
８：従来のローター、９：三次元形状の翼、10a、10b：加工面

Claims

流体の吸込口を有するアッパーカバーと、ローターと、ディフューザーと、ローターを回転させるモーターを有する流体供給装置であって、ローターが、中心部に貫通孔を有する円盤状の天板と、二次元形状の翼と、円盤状の底板とを有し、二次元形状の翼が天板と底板とに挟まれて構成されていることを特徴とする流体供給装置。
中心部に貫通孔を有する円盤状の天板と、二次元形状の翼と、円盤状の底板とを有する流体供給装置用ローターであって、二次元形状の翼が天板と底板とに挟まれて構成されていることを特徴とする流体供給装置用ローター。