JP2005226573A - Pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はピストンの往復動により、ポンプ室の容積を変化させてポンプ作用を行わせるポンプの改良に関する。 The present invention relates to an improvement in a pump that performs pumping action by changing the volume of a pump chamber by reciprocating movement of a piston.
ソレノイドからの電磁力を受けて往復動されるアーマチュアにより、左右のハウジングに形成された各シリンダ内のポンプ室の容積を変化させて、2つのポンプ室に交互にポンプ作用を行わせる電磁ポンプにおいて、各ポンプ室にそれぞれピストンを設けて、前記アーマチュアに左右のピストンを当接させた電磁ポンプが公知である(例えば特許文献1参照)。 In an electromagnetic pump in which the volume of the pump chamber in each cylinder formed in the left and right housings is changed by the armature reciprocated by receiving electromagnetic force from the solenoid, and the two pump chambers are alternately pumped. An electromagnetic pump in which a piston is provided in each pump chamber and left and right pistons are in contact with the armature is known (see, for example, Patent Document 1).
この電磁ポンプは、アーマチュアの直径に比較して左右のピストンの直径が小さく定めてある。
前記従来のポンプでは、アーマチュアと左右のピストンを含めて、3個の往復動部材がハウジング内を左右に摺動する構造であり、アーマチュアに電磁力を作用させるためのソレノイドも2つ必要であった。したがって、構造が複雑でコスト高になるという問題点があった。また、アーマチュアと、左右のピストンのそれぞれに対して、ハウジングとの摺動摩耗への配慮をそれぞれ必要とし、その面からもコストへの悪影響があるという問題点があった。更にまた、ピストンが左右に往復動するときの攪拌抵抗を減らすために、アーマチュアにその摺動空間の左右の室を連通させる連通路や連通溝などを設ける必要があり、この面からもコスト高になるという問題点があった。 The conventional pump has a structure in which three reciprocating members including the armature and left and right pistons slide left and right in the housing, and two solenoids for applying an electromagnetic force to the armature are also required. It was. Therefore, there is a problem that the structure is complicated and the cost is high. In addition, each of the armature and the left and right pistons requires consideration of sliding wear with the housing, and there is a problem in that there is an adverse effect on cost. Furthermore, in order to reduce the stirring resistance when the piston reciprocates left and right, it is necessary to provide the armature with a communication passage or a communication groove that communicates the left and right chambers of the sliding space. There was a problem of becoming.
その上、ソレノイドやアーマチュア等の電磁力発生部分である駆動部が大型になり、ポンプ重量も大きくなるという問題点があった。 In addition, there is a problem in that the driving unit, which is an electromagnetic force generating part such as a solenoid or an armature, becomes large and the pump weight increases.
そこで本発明は、構造が簡単で、前記摺動摩耗への配慮が少ない数の部材ですみ、かつ左右の摺動空間を連通する連通路や連通溝を設けたアーマチュア自体も必要としなくて、小型、軽量のポンプを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is simple in structure, requires only a small number of members with less consideration for sliding wear, and does not require an armature itself provided with a communication passage or a communication groove communicating with the left and right sliding spaces. An object is to provide a small and lightweight pump.
本発明は、ピストンの往復動により、ピストンの左右のポンプ室の容積を変化させて、2つのポンプ室に交互にポンプ作用を行わせるポンプにおいて、ピストンの左と右にそれぞれ形状記憶合金からなるアクチュエータを配設し、各アクチュエータに間隔をおいて駆動電流を流すことを最も主要な特徴とする。形状記憶合金からなるアクチュエータの左右いずれか一方を引っ張りスプリングに置き換えてもよく、このときは残された1つの形状記憶合金からなるアクチュエータに間欠的に駆動電流を流すようにする。 The present invention is a pump in which the volume of the left and right pump chambers of the piston is changed by the reciprocating motion of the piston, and the two pump chambers alternately perform the pumping action. The main feature is that an actuator is provided and a drive current is allowed to flow through each actuator at intervals. Either the left or right side of the actuator made of shape memory alloy may be replaced with a tension spring. In this case, a drive current is intermittently supplied to the remaining actuator made of shape memory alloy.
そして、上記目的を達成するために、請求項1の発明は、ピストンの往復動により、ピストンの左右のポンプ室の容積を変化させて、2つのポンプ室に交互にポンプ作用を行わせるポンプにおいて、ピストンの左と右にそれぞれ形状記憶合金からなるアクチュエータを配設してピストンに作用させ、各アクチュエータに間隔をおいて交互に駆動電流を流すことを特徴とするポンプである。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2の発明は、ピストンの往復動により、ピストンの左右のポンプ室の容積を変化させて、2つのポンプ室に交互にポンプ作用を行わせるポンプにおいて、ピストンの一方に形状記憶合金からなるアクチュエータを、他方に引っ張りスプリングを配設してそれぞれピストンに作用させ、前記アクチュエータに間欠的に駆動電流を流すことを特徴とするポンプである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a pump in which the volume of the left and right pump chambers of the piston is changed by the reciprocating movement of the piston, and the two pump chambers are alternately pumped. A pump is characterized in that a tension spring is disposed on the other side of the actuator and acts on each piston, and a drive current is intermittently supplied to the actuator.
請求項3の発明は、請求項1又は2記載の発明において、ピストンの一方に配設する形状記憶合金からなるアクチュエータが、コイルスプリング状であることを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the actuator made of a shape memory alloy disposed on one of the pistons is a coil spring.
請求項4の発明は、請求項3記載の発明において、ピストンの一方に配設するアクチュエータが複数個で、それらの形状回復力を加えるようにしたことを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, a plurality of actuators are provided on one of the pistons, and a shape restoring force is applied thereto.
請求項5の発明は、請求項4記載の発明において、ピストンの一方に配設する複数個のアクチュエータの内の複数個を電気的に並列接続したことを特徴とするものである。 According to a fifth aspect of the invention, in the fourth aspect of the invention, a plurality of actuators arranged on one side of the piston are electrically connected in parallel.
請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれか1つに記載の発明において、流体が液体であることを特徴とするポンプである。 A sixth aspect of the present invention is the pump according to any one of the first to fifth aspects, wherein the fluid is a liquid.
本発明は上述のように構成されているので、構造が簡単でメンテナンスも容易になる。したがって、コストが安くできる。また、ソレノイドやアーマチュアを要しないので、小型のポンプが実現できる。また、往復動する部材がピストン1つであるので、従来技術のように同軸ずれの対策として、アーマチュアと2本のピストンで合計3個の往復動部材を設ける必要がなく、ピストン長も出力に影響しないので短くできるなど、コスト面で有利となる。 Since the present invention is configured as described above, the structure is simple and maintenance is easy. Therefore, the cost can be reduced. Moreover, since a solenoid or an armature is not required, a small pump can be realized. In addition, since the reciprocating member is a single piston, it is not necessary to provide a total of three reciprocating members between the armature and the two pistons as a countermeasure for coaxial displacement as in the prior art, and the piston length is also output. It is advantageous in terms of cost because it can be shortened because it has no effect.
請求項3の発明では、アクチュエータの操作量を大きくできる。
請求項4の発明では、アクチュエータのピストンにかける作用力を大きくできる。
In the invention of
In the invention of
請求項5の発明では、ポンプ室内における複数のアクチュエータの電気的接続が容易になる。
In the invention of
請求項6の発明では、流体によって形状記憶合金の温度上昇が抑制されるので、応答性を高め、サイクルの周期(t1+t2またはT)を小さくできる利点がある。
In the invention of
次に本発明を実施するための最良の形態を図の実施例に基づいて説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described based on the embodiments shown in the drawings.
図1(a)(b)と図2,3に示す実施例1で、図1(a)は縦断面図、同図(b)は側面図、図2は図1(a)におけるA−A断面図、図3は図1(a)におけるB−B断面図である。なお、図4は実施例1の図1(a)と異なる態様の縦断面図を示し、図1(a)がピストンが左端に移動した態様を、図4はピストンが右端に移動した態様を示している。なお、いずれの図も後述するように実際より拡大図示している。 FIG. 1A is a longitudinal sectional view, FIG. 1B is a side view, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A- in FIG. A sectional view and FIG. 3 are BB sectional views in FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of a mode different from FIG. 1A of the first embodiment, FIG. 1A shows a mode in which the piston moves to the left end, and FIG. 4 shows a mode in which the piston moves to the right end. Show. Each figure is an enlarged view from the actual state as described later.
これらの図において、円筒状のシリンダ1内を電気絶縁性の合成樹脂製ピストン2が図示左右方向に摺動可能に配設され、図1(a)ではピストン2が左端位置に、図4では右端位置にある。左のポンプ室3には、形状記憶合金からなるコイル・スプリング状の4つのアクチュエータ4,5,6,7が配設され、各右端を電極8に機械的に連結され、しかも電気的にも接続されている。電極8は4つのアクチュエータ4,5,6,7の各右端が嵌合する凹部をシリンダやピストン2の軸線X−Xを中心とする円周上に等間隔(90度毎)に備え、これらの凹部へそれぞれコイル・スプリング状のアクチュエータ4,5,6,7の各右端を嵌合させて、機械的にしっかりと連結し、固着してある。したがって、これら4つのアクチュエータ4〜7の右端は電極8を介して電気的に互いに接続されている。電極8は全体がほぼ円板状で図1(a)に示すようにピストン2の左側面に固着されている。
In these drawings, an electrically insulating
ピストン2の右のポンプ室9には、形状記憶合金からなるコイル・スプリング状の4つのアクチュエータ10,11,12,13が配設され、その各左端は電極14に機械的に連結され、しかも電気的にも接続されている。電極14は4つのアクチュエータ10,11,12,13の各左端が嵌合する凹部をシリンダ1やピストン2の軸線X−Xを中心とする円周上に等間隔(90度毎)に備え、これらの凹部へそれぞれコイル・スプリング状のアクチュエータ10,11,12,13の各左端を嵌合させて、機械的にしっかりと連結し固着してある。したがって、これら4つのアクチュエータ10〜13の各左端は電極14を介して電気的に互いに接続されている。電極14は全体がほぼ円板状で、図1(a)に示すように、ピストン2の右側面に固着されている。
The
図1(a)で、シリンダ1の右端に固着された電気絶縁材料からなる蓋15には、2つの電極16,17がインサートされていて、一方の電極16には、コイル・スプリング状のアクチュエータ10と13の各右端が、他方の電極17にはコイル・スプリング状のアクチュエータ11と12の各右端が機械的にしっかり連結・固着され、かつ電気的にも接続されている。
In FIG. 1A, two
また、シリンダ1の左端に固着された電気接続材料からなる蓋18には、2つの電極19,20がインサートされていて、一方の電極19にはコイル・スプリング状のアクチュエータ4と7の各左端が、他方の電極20にはコイル・スプリング状のアクチュエータ5と6の各左端が機械的にしっかりと連結・固着され、かつ電気的にも接続されている。
Further, two
ところで、上記アクチュエータ4〜7と10〜13はいずれも形状記憶合金の線材をコイル・スプリング状に巻回形成したもので、トキ・コーポレーション株式会社製のバイオメタル・へリックスの名前で市販されているアクチュエータで、バイオメタルは同社の登録商標である。このバイオメタル・へリックスを以後BMXと略記する。
By the way, the
実施例に用いているBMXは、Ti−Ni系の形状記憶合金を原料にして線材のねじり方向に異方性を持たせたもので、線径dが0.2mm、コイル外径Dが0.85mmで、コイル径D/d線径比が4.25と非常に小さい密な極細のコイル・スプリング状に加工したものである。このBMXは、メーカーの前記トキ・コーポレーション株式会社から出荷されるときはコイルが密着巻きのかたちである。これを常温(室温)で引き伸ばして変形させて使用している。図1〜図4で、アクチュエータ4〜7と10〜13は線径dが0.2mm、コイル外径Dが0.85mmのものを約6.5倍に拡大図示している。そして、図ではシリンダ1の外径も同様に拡大図示されているので、実寸法は5.7mmと非常に小さいものである。
BMX used in the examples is made of Ti—Ni-based shape memory alloy as a raw material and has anisotropy in the twisting direction of the wire. The wire diameter d is 0.2 mm and the coil outer diameter D is 0. .85 mm and the coil diameter D / d wire diameter ratio is 4.25, which is a very small and fine coil spring. This BMX is in the form of tightly wound coils when shipped from the manufacturer Toki Corporation. This is stretched and deformed at room temperature (room temperature). 1 to 4, the
実施例では、BMXをメーカーから購入した時点の密着巻きのコイル・スプリング状のもの、この密着巻きの状態での長さは、図1(a)のアクチュエータ4〜7の左右方向の長さに相当する。これを図1(a)に示すアクチュエータ10〜13の左右方向の長さよりわずかに大きな寸法まで常温で引き伸ばして使用している。すなわち、密着巻きのときの長さの約2倍に引き伸ばしていることになる。
In the embodiment, when the BMX is purchased from the manufacturer, it is a coil spring-like coil that is closely wound, and the length in the closely wound state is the length in the left-right direction of the
ところでBMXは、温度を上げていくと少しずつ収縮をし始め、70℃を超えると急激に収縮して80℃でほぼ収縮を終える。すなわち記憶していた密着巻きの形状に戻る。冷却時は75度位から弛緩−伸張し始め、60℃〜70℃でほぼ伸張し終える。いわゆる温度ヒステリシスは10℃以下である。一般的な形状記憶合金に比べ温度のヒステリシスが非常に小さく、より大きなひずみを有効に取り出せるとしている。また、BMXは電気抵抗が比較的大きく、抵抗値はニクロム線に近い値を示す。したがって、電流を流してニクロム線のように発熱させて動かす、電気・熱駆動方式のアクチュエータとして活用できるため、本発明ではこれを活用している。なお、実施例では流体は燃料、水、油等を扱うポンプである。 By the way, BMX begins to shrink little by little as the temperature is raised, and when it exceeds 70 ° C., it contracts rapidly and almost shrinks at 80 ° C. That is, it returns to the memorized tightly wound shape. At the time of cooling, it begins to relax-extend from about 75 degrees and finishes almost extending at 60 ° C to 70 ° C. The so-called temperature hysteresis is 10 ° C. or less. Compared to general shape memory alloys, the hysteresis of temperature is very small, and it is said that a larger strain can be taken out effectively. BMX has a relatively large electric resistance, and the resistance value is close to that of a nichrome wire. Therefore, since it can be utilized as an actuator of an electric / thermal drive system in which a current is passed to generate heat and move like a nichrome wire, this is utilized in the present invention. In the embodiment, the fluid is a pump that handles fuel, water, oil, and the like.
アクチュエータ4〜7に電流を流すには、電極19と20の各端子部19aと20aに電圧を印加する。また、アクチュエータ10〜13に電流を流すには、電極16と17の各端子部16aと17aに電圧を印加する。
In order to pass a current through the
各アクチュエータ、すなわち各BMXは、標準加熱電流(標準駆動電流)は300〜400mAで、加熱時(高温時)の発生力は40〜50gf、運動変位(長さ変化)は200%である。したがって図1〜図4で、左のポンプ室3のアクチュエータ4〜7に駆動電流を流すと、アクチュエータ4〜7が図1(a)のように40〜50gfの間で収縮して、ピストン2を図示位置へ移動させる。このとき右のポンプ室9のアクチュエータ10〜13はピストン2に引っ張られて図のように伸びる。低温のアクチュエータ10〜13が伸びるには、殆ど力は要らない。
Each actuator, that is, each BMX has a standard heating current (standard driving current) of 300 to 400 mA, a generated force during heating (high temperature) of 40 to 50 gf, and a motion displacement (length change) of 200%. Accordingly, in FIGS. 1 to 4, when a drive current is passed through the
右のポンプ室9のアクチュエータ10〜13に駆動電流を流すと、アクチュエータ10〜13が40〜50gfの力で収縮して、ピストン2を図4の位置へ移動させる。このとき、左のポンプ室3のアクチュエータ4〜7はピストン2に引っ張られて図4に示すように伸びている。
When a driving current is supplied to the
ピストン2が左へ動くときには、ポンプ室3の容積が小さくなって、ポンプ室3からチェック弁21を通じて流体が流出する。このときチェック弁22は閉じている。また、このとき右のポンプ室9の容積は大きくなって、チェック弁23から流体がポンプ室9へ流入する。
When the
次にピストン2が右へ動くときは、ポンプ室9の容積が小さくなってチェック弁24から流体が流出する。また、ポンプ室3へチェック弁22から流体が流入する。
Next, when the
ポンプを連続的に動かすには、図5の電気回路でアクチュエータに間欠的に駆動電流を流す。同図(a)は電気回路を、(b)は同図(a)の回路のa,b,c,dにおける電圧波形を示すタイムチャートである。矩形波発振器25の出力aはANDゲート26と27の入力に印加されるとともに、1/2分周回路28に入力される。1/2分周回路28の出力bは、ANDゲート26の入力と、インバータ29を介してANDゲート27の入力に印加される。ANDゲート26の出力cは、トランジスタTr1を介してアクチュエータ4〜6に電源+Eから駆動電流を流す。またANDゲート27の出力dは、トランジスタTr2を介して、アクチュエータ10〜13へ駆動電流を流す。なお、各アクチュエータ4〜7と10〜13は電気回路図では図5(a)に示すように表記する。
In order to move the pump continuously, a driving current is intermittently supplied to the actuator by the electric circuit shown in FIG. FIG. 4A is an electric circuit, and FIG. 4B is a time chart showing voltage waveforms at a, b, c, and d of the circuit of FIG. The output a of the
左のポンプ室3のアクチュエータ4〜7には、図5(a)(b)でANDゲート26の出力cがHレベルの間である期間t1の間だけ駆動電流が時間間隔Tをおいて流れる。また右のポンプ室9のアクチュエータ10〜13には、図5(a)(b)で、ANDゲート27の出力dがHレベルの間である期間t1の間だけ駆動電流が時間間隔Tをおいて流れる。そして、図5(b)に示す出力cがLレベルとなってから出力dがHレベルになるまでの間に時間間隔t2が設けてある。
The driving current flows through the
すなわち、左のポンプ室3のアクチュエータ4〜7の駆動電流が停止した後、右のポンプ室9のアクチュエータ10〜13の駆動電流が流れ始めるまでに時間t2だけ間隔をおいている。また、同時に右のポンプ室のアクチュエータ10〜13の駆動電流が断たれた後、左のポンプ室のアクチュエータ4〜7に駆動電流が流れ始めるまでに時間t2だけ間隔をおいている。これは、一方のポンプ室のアクチュエータの電流を断っても、すぐにはアクチュエータの温度が低下しないので、温度が低下するまでの時間t2をおいてから他方のポンプ室のアクチュエータに駆動電流を流すようにするためである。
That is, after the drive current of the
なお、アクチュエータ4〜7の右端を電極8に機械的に連結・固着するには、溶接、ハンダ付け又はかしめ等で連結・固着する。アクチュエータ10〜13の左端を電極14に連結・固着するにも同様の工法を採用できる。また、アクチュエータ4〜7の左端を、電極19や20に連結・固定するときや、アクチュエータ10〜13の右端を電極16や17に連結・固定する工法は、アクチュエータ4〜7の右端と電極8の連結・固着と同じ工法を使うことができる。
In order to mechanically connect and fix the right ends of the
実施例1における一方のポンプ室、例えば右のポンプ室9のアクチュエータ10〜13の代わりに、形状記憶合金を用いないで、普通のスプリング材料で製作した引っ張りコイル・スプリング4本を用いてポンプを構成することができる。
Instead of the
この場合は、各コイル・スプリングは、左のポンプ室のアクチュエータ4〜7(これらは同じ寸法、形状のアクチュエータであるが)の1つの形状回復力(50〜60gf)より小さく、低温の変形に要する力より大きな力(バイアス力)に設定する。アクチュエータ4〜7にBMXを用いるこの実施例2では、アクチュエータ10〜13の代わりに用いる引っ張りコイル・スプリングのバイアス力はアクチュエータ4〜7の形状回復力の半分程度に定めている。
In this case, each coil spring is smaller than one shape recovery force (50 to 60 gf) of the
この実施例2の電気回路を図6に示す。この場合、矩形波発振器25の出力aはANDゲート26に入力され、ANDゲート26の出力cは同図(b)に示すように、発振器25の出力aと同じになる。
The electric circuit of Example 2 is shown in FIG. In this case, the output a of the
したがって、アクチュエータであるBMX4〜7には、周期T/2毎に時間t1の間駆動電流が電源+Eから流れる。期間t2はアクチュエータBMXの冷却期間として使われる。 Accordingly, the drive current flows from the power source + E to the BMX4 to 7 as the actuators for the time t1 every period T / 2. The period t2 is used as a cooling period for the actuator BMX.
1 シリンダ
2 ピストン
3,9 ポンプ室
4,5,6,7 形状記憶合金からなるアクチュエータ
10,11,12,13 形状記憶合金からなるアクチュエータ
1
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