JP2005307816A

JP2005307816A - ピストンポンプ

Info

Publication number: JP2005307816A
Application number: JP2004124250A
Authority: JP
Inventors: Manabu Shiraki; 白木　　学; Morimasa Yoshie; 守正吉江
Original assignee: Shicoh Engineering Co Ltd
Current assignee: Shicoh Engineering Co Ltd
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】本発明の課題は、ピストンの往復動により圧送する流体の吐出力を高めることができ且つ小型のピストンポンプを提供することである。
【解決手段】本発明のピストンポンプ１は、シリンダ３と、シリンダ３内に往復動自在にピストン５とを備え、シリンダ３は流体の流入部７及び吐出部９と、流入部７からシリンダ３内への流入を許可する一方向弁１１と、吐出部９からシリンダ３内の流体の流出を許可する一方向弁１３とを備え、ピストン５は外周部に磁石２７を備え内部には流体の移動通路２９が形成されており、シリンダ３は側部にコイル１７を備え、コイル１７に電流を流してピストン５を往復動させて流体を圧送しており、ピストン５は移動通路２９の開閉を行なう一方向弁３９を設けており、ピストン５が流入部側から吐出部側に移動するときに、ピストンの一方向弁３９を閉じるようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁力によりピストンを往復動させて流体を圧送するピストンポンプに関する。

特許文献１に示すピストンポンプは、磁性体でできたピストンをシリンダに設けたコイルの電磁力によりピストンを往復動させて流体を圧送している。

特開平９−１５１８４１号公報

しかし、上述の特許文献１に記載の従来技術では、コイルをピストンの往復動方向の先端側と後端側にそれぞれ備えているので、例えば後端側のコイルに電磁力を付与して、ピストンが後端側から先端側に移動する場合に、ピストンの移動に伴って後端側のコイルとピストンとの間隔が開いて、後端側のコイルとピストンとの間で発生する推進力が弱くなる。一方、先端側のコイルに電磁力を付与した場合も同様に、ピストンが先端側から後端側に移動する場合に、ピストンの移動に伴って先端側のコイルとピストンとの間隔が開いて、先端側のコイルとピストンとの間で十分な推進力が得られない。従って、流体を圧送するのに十分な吐出力が得にくいという問題がある。

本発明は、ピストンの往復動により圧送する流体の吐出力を高めることができ且つ小型のピストンポンプを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、シリンダと、シリンダ内に往復動自在に設けられたピストンとを備え、シリンダは流体の流入部及び吐出部と、流入部からシリンダ内への流入を許可する一方向弁と、吐出部からシリンダ内の流体の流出を許可する一方向弁とを備え、ピストンは外周部に磁石を備えるとともに内部には流入部側から吐出部側に流体の移動通路が形成されており、シリンダは側部にコイルを備え、コイルに電流を流してピストンを往復動させて流体を圧送しており、ピストンは移動通路の開閉を行なう一方向弁を設けており、ピストンの一方向弁はピストンが吐出部側から流入部側に移動するときに、ピストンの一方向弁が開いてシリンダ内の流入部側から吐出部側への流体の移動を許可しており、ピストンが流入部側から吐出部側に移動するときに、ピストンの一方向弁を閉じていることを特徴とする。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、ピストンは、円筒状の磁石とその内側に配置され磁石を保持する保持部とを有し、保持部には半径方向外方に突出する突部が設けられており、突部は磁石の内周に当接しており、突部間と磁石の内周との間で流体の移動通路を形成していることを特徴とする。

請求項３に記載された発明は、請求項２に記載の発明において、ピストンを往復動自在に案内するシャフトを備え、保持部はシャフトが挿通する挿通孔を有し、ピストンは一方向弁を吐出部側端部に固定する固定部材を備え、固定部材はシャフトの挿通孔を有し、ピストンの一方向弁は円盤状であり且つ略中央にはシャフトの貫通孔が設けられており、固定部材を挿通孔に嵌め込んで、一方向弁をピストンに固定していることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、コイルに電流を流すと、コイルの磁束と磁石の磁束との作用により発生する推進力でピストンが流入部側から吐出部側に向けて移動し、シリンダ内の吐出部側の圧力が高まり吐出部の一方向弁が開き、シリンダ内の流体が吐出部から吐出される。また、ピストンの移動に伴い、シリンダ内の流入部側が負圧化され、流入部の一方向弁が開き、流入部からシリンダ内の流入部側に流体が流れ込む。一方、コイルに逆方向の電流を流すと、ピストンが吐出部側から流入部側に向けて移動し、ピストンの一方向弁が開いてシリンダ内の流体が流入部側から移動通路を経て吐出部側に移動する。このように、ピストンの往復動により流体が圧送される。

ピストンの外周部には磁石を備えるとともにシリンダは側部にコイルを備えているので、ピストンが往復動する場合に、ピストンの往復動方向に渡って磁石とコイルとの間隔を略一定に保つことができ、コイルとピストンとの間で発生する推進力をピストンの往復動方向に渡って略一定に保つことができる。よって、ピストンの推進力を十分に得ることができ、ピストンの往復動により圧送する流体の吐出力を高めることができる。

ピストンが流入部側から吐出部側に移動する際には、ピストンの一方向弁が閉じて、流体が吐出部側から移動通路内に戻るのを阻止しているので、吐出部側の圧力が高まり、圧送する流体の吐出力を高めることができる。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１に記載された発明と同様の効果が得られるとともに、磁石を円筒状に設けているので、例えば、ピストンの周方向に間隔を開けて磁石を設ける場合に比べて磁束が広くとれるので、磁石とコイルとの間で発生する磁力が大きくなり、ピストンの推進力をさらに高めることができる。

保持部と磁石との組付けにより、流体の移動通路が形成されるので、移動通路の孔を別途加工する必要がなく、構成が簡単である。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１又は２に記載された発明と同様の効果が得られるとともに、固定部材を一方向弁の貫通孔を通してシャフトの挿通孔に嵌め込んで、一方向弁をピストンに固定しているので、構成が簡単且つ組付けが容易である。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るピストンポンプの静止状態を示す断面図、図２は図１に示すピストンポンプの動作状態を示す図であり、シリンダ内の流体が吐出部から吐出される状態を示す断面図、図３は図１に示すピストンポンプの動作状態を示す図であり、シリンダ内に流入部から流体が流入する状態を示す断面図、図４は図１に示すピストンポンプの分解斜視図、図５は図１に示すＡ−Ａ断面図である。

本発明の第１実施の形態に係るピストンポンプ１は、パソコン内に設けたヒートパイプ等に接続されており、ヒートパイプの一端を電子部品の放熱板に接触させ、他端を機器外部に面した放熱板に接触させて、パソコンの内部で発生した熱を外部に導くものであり、シリンダ３と、シリンダ３内に往復動自在に設けられたピストン５とを備えている。

シリンダ３は非磁性体である樹脂製の絶縁パイプからなり、シリンダ３の外周にコイル１７が巻回されており、コイル１７に交流電流を流してピストン５を往復動させるようになっている。シリンダ３の一方の端部には一方の固定板２１が設けられており、シリンダ３の他方の端部には他方の固定板２３が設けられている。また、一方の固定板２１には円環状に開口した流体（空気）の流入部７が形成されており、他方の固定板２３にも円環状に開口した流体の吐出部９が設けられている。

流入部７にはシリンダ３内への流入を許可する一方の一方向弁１１と、吐出部９からシリンダ３内の流体の流出を許可する他方の一方向弁１３とが設けられている。また、一方の固定板２１及び他方の固定板２３には軸受け１９がそれぞれ設けられており、それぞれの軸受け１９にはピストン５の移動を案内するシャフト２５の両端が固定されるようになっている。

ピストン５の外周部には円筒状の磁石２７が設けられており、ピストン５の内部には流入部７側から吐出部９側に流体の移動通路２９が形成されている。このように、磁石２７を円筒状に設けているので、例えば、ピストン５の周方向に間隔を開けて磁石２７を設ける場合に比べて、磁束を広くとることができ、磁石２７とコイル１７との間で発生する磁力が大きくなり、ピストン５の推進力をさらに高めることができる。尚、磁石２７は内側がＳ極、外側がＮ極になっている。ピストン５は吐出部９側にシリンダ３内の流体を押し出す押圧部３１が設けてあり、移動通路２９の吐出部側開口２９ａには押圧部３１が対向しており、押圧部３１の対向面３１ａは外周方向に沿って移動通路２９の吐出部側開口２９ａと押圧部３１との間隔が広がるテーパ状になっており、ピストン５が吐出部９側から流入部７側に移動するとき、流体が移動通路２９を経て流入部７側からピストン５と押圧部３１との間を通過して吐出部９側に移動可能となっている。

ピストン５は、磁石２７の内側に配置されて磁石２７を保持する保持部３０を有しており、保持部３０には半径方向外方に突出する突部３０ａが３方向に設けられている。そして、突部３０ａは磁石２７の内周に当接しており、突部間と磁石２７の内周との間で流体の移動通路２９を３つ形成している。また、保持部３０と磁石２７との組付けにより、流体の移動通路２９が形成されるので、移動通路２９の孔を別途加工する必要がなく、構成が簡単である。

ピストン５の内部には円筒形状の挿通孔２６が設けられており、挿通孔２６内にシャフト２５が挿通して、ピストン５が案内されるようになっている。

シリンダ３の一方の固定板２１には流入パイプ（流入管）４が接続されており、他方の固定板２３には吐出パイプ（吐出管）６が接続されている。そして、流入パイプ４は管の径方向に伸縮自在な蛇腹状の伸縮部３３を流入パイプ４の接続位置の近傍に設けている。また、吐出パイプ６も管の径方向に伸縮自在な蛇腹状の伸縮部３３を吐出パイプ６の接続位置の近傍に設けている。

次に、本実施の形態に係る作用を説明する。図２に示すように、コイル１７に電流を流すと、磁石２７の磁束との作用により磁力が発生し、ピストン５が流入部７側から吐出部９側に向って移動する。ピストン５が吐出部９側に移動すると、シリンダ３の吐出部側空間３ａの圧力が高まり、吐出部９の他方の一方向弁１３が開き、シリンダ３内の流体が吐出部９から吐出される。また、ピストン５の吐出部９側への移動に伴い、シリンダ３の流入部側空間３ｂが負圧化され、一方の一方向弁１１が開き、流入部７からシリンダ３内の流入部側空間３ｂに流体が送り込まれる。

このとき、流入パイプ４には管の径方向に伸縮自在な蛇腹状の伸縮部３３を設けているので、流入部７からシリンダ３内に流体が送り込まれるときに、流入パイプ４の伸縮部３３が管の内周方向に収縮して流入パイプ４内の圧力が高まり、シリンダ内３に流入する流体の流速を大きくすることができる。また、吐出パイプ６は管の径方向に伸縮自在な蛇腹状の伸縮部３３を設けているので、シリンダ３内から流体が吐出されるときに、吐出パイプ６の伸縮部３３が管の外周方向に拡張し、吐出パイプ６内の圧力が弱まって、シリンダ３内の圧力が相対的に高まるので、シリンダ３から流出する流体の流速を大きくすることができる。

一方、ピストン５が他方の固定板２３に突き当たる位置までくると、流入部７の一方の一方向弁１１及び吐出部９の他方の一方向弁１１が閉じる。ピストン５は吐出部９側から流入部７側に移動し、ピストン５の移動の際に流体は移動通路２９から移動通路２９の吐出部側開口２９ａと押圧部３１の対向面３１ａとの間を通過して押圧部３１の吐出部側に移動する。押圧部３１の対向面３１ａは外周方向にテーパ状になっているので、移動通路２９の吐出部側開口２９ａと押圧部３１の対向面３１ａとの間をスムーズに流体が通過するので、ピストン５が流入部７側に移動しやすい。

また、ピストン５の外周部には磁石２７を備えるとともにシリンダ３は側部にコイル１７を備えているので、ピストン５が往復動する場合に、ピストン５の往復動方向の全体に渡って磁石２７とコイル１７との間隔を略一定に保つことができ、コイル１７とピストン５との間で発生する推進力をピストン５の往復動方向の全体に渡って略一定に保つことができる。よって、ピストン５の推進力を十分に得ることができ、ピストン５の往復動により圧送する流体の吐出力を高めることができる。

さらに、コイル１７はシリンダ３の側部に設けているので、ピストン５の往復動方向の長さを短くでき、ピストンポンプ１の小型化を図ることができる。

次に、図６を参照して、本発明の第２実施の形態について説明する。尚、以下の説明において、上述した第１実施の形態と同一の作用効果を奏する部分には同一の符号を付することにより、その部分の詳細な説明を省略し、以下の説明では上述の第1実施の形態と異なる点を主に説明する。

第２実施の形態は、磁石２７をピストン５の移動方向に沿って２個配置し且つ隣り合う磁石２７は互いに逆の極性を有するようにしている。図６（ａ）に示すように、一方の磁石２７のＮ極面から他方の磁石２７のＳ極面に向って磁束が形成される。よって、図１（ａ）に示す第１実施の形態のように、磁石２７が１つの場合に比べて磁石２７で発生する磁束漏れが小さく、ピストン５が移動する場合の推進力を高めることができる。

また、コイル１７は２つの磁石２７の各々に対向して配置し、隣り合うコイル１７が互いに向きの異なる電流を供給してあるので、夫々のコイル１７ごとにピストン５の推進力を得ることができ、ピストン５の移動方向に連続して推進力を得ることができる。

次に、図７を参照して、本発明の第３実施の形態について説明する。第３実施の形態は、コイル１７の外周に磁性体３５を設けてある。このように、コイル１７の外周に磁性体３５を設けたので、一方の磁石２７のＮ極面から出た磁束は磁性体３５を伝って、他方の磁石２７のＳ極面に向って形成されるので、ピストン５の推進力をさらに高めることができる。

次に、図８を参照して、本発明の第４実施の形態について説明する。第４実施の形態は、ピストン５の挿通孔２６とシャフト２５との間の隙間２８は軸方向の両端部２８ａ、２８ｂにおいて部分的に幅狭になっている。このように、挿通孔２６とシャフト２５との間の隙間２８は部分的に幅狭になっているので、幅狭になった部分で挿通孔２６とシャフト２５との間の隙間２８を流れる流体の圧力を高めることができ、係る圧力でシャフト２５を確実に支持することができる。

次に、図９及び図１０を参照して、本発明の第５実施の形態について説明する。第５実施の形態は、挿通孔２６の横断面Ｖ字状のＶ字部２６ａと横断面円弧状の円弧部２６ｂとからなり、磁気的な吸引力を受けて、ピストン５の中心軸Ｄに対してシャフト２５の中心軸Ｃをずらして、シャフト２５の側面を挿通孔２６のＶ字部２６ａに当接させている。このように、シャフト２５の側部を挿通孔２６の内周に当接させているので、挿通孔２６がシャフト２５の軸方向に対して斜めになりにくく、シャフト２５と挿通孔２６との間の摩擦を低減することができる。

次に、図１１を参照して、本発明の第６実施の形態について説明する。第６実施の形態はピストン５の流入部側端面と一方の固定板２１との間、及びピストン５の吐出部側端面と他方の固定板２３との間に、ピストン５を往復動自在に支持するばね３７、３９を夫々設けている。また、他方の固定板２３に固定したばね３７よりも、一方の固定板２１に固定したばね３９の長さを長くしてあり、通常の状態ではピストン５は一方の固定板２１側に位置している。

このように、ピストン５とシリンダ３との間にばね３７、３９を設けているので、ピストン５が流入部側から吐出部側に移動する場合には、ばね３７、３９の付勢力に抗して移動するが、ピストン５が吐出部側から流入部側に移動する場合には、ばね３７、３９の付勢力によってピストン５が自然に戻されるので、ピストン５が流入部側から吐出部側に移動する場合にのみに推進力を与えればよく、コイル１７に一方向の電流を流すだけでピストン５を往復動させることができる。

また、ばね３７、３９の往復動に伴ってピストン５が往復動するので、ピストン５をガイドするシャフト２５が不要であり、シャフト２５と挿通孔２６との間の摩擦をなくすことができる。

ばね３７、３９の固有振動数とピストン５の往復運動の周波数とを合わせることで、ばね３７、３９が共振し、ピストン５の推進力を増幅させることができる。

次に、図１２〜図１５を参照して、本発明の第７実施の形態について説明する。第７実施の形態は押圧部３１の代わりに、ピストン５の移動通路２９の開閉を行なう一方向弁３９をピストン５の吐出側端部に設けた点が上述の実施形態と異なる。

ピストンの一方向弁３９はピストン５が吐出部側から流入部側に移動するときに、ピストンの一方向弁３９が開いてシリンダ３内の流入部側から吐出部側への流体の移動を許可しており、ピストン５が流入部側から吐出部側に移動するときに、ピストンの一方向弁３９が閉じるようになっている。また、ピストンの一方向弁３９は円盤状の弾性材であり、固定部材４１をピストンの一方向弁３９の略中央に形成した貫通孔３９ａを介して挿通孔２６に嵌め込んでいる。このように、固定部材４１を一方向弁の貫通孔３９ａを通してシャフト２５の挿通孔２６に嵌め込んで，一方向弁３９をピストン５に固定しているので、構成が簡単且つ組付けが容易である。

ピストン５が流入部側から吐出部側に移動する際には、ピストンの一方向弁３９が閉じて、流体が吐出部側から移動通路２９内に戻るのを阻止しているので、シリンダ３内の吐出部側空間３ａの圧力が高まり、圧送する流体の吐出力を高めることができる。

一方、ピストン５が吐出部側から流入部側に移動する際には、ピストンの一方向弁３９が流体の圧力を受けて開き、移動通路２９内を通過して流体が吐出部側から流入部側に移動するので、上述の第１〜第６実施形態のように、移動通路２９の吐出部側開口２９ａと押圧部３１の対向面３１ａとの間を流体が通過する場合に比べて、流体の抵抗を受け難く、ピストン５が移動しやすい。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

上述の実施の形態では、ピストンポンプ１をヒートパイプに接続してパソコンの内部を冷却する場合について説明したが、これに限定されず、ピストンポンプ１をパソコンの筐体に直接取り付けて、パソコン内部の流体を排気して熱を外部に放熱したり、外部の流体を内部に送風して冷却するようにして用いても良い。

また、自動車等の電機配線部分にピストンポンプ１を備えたヒートパイプを接触させて配線部分内で発生する熱を外部に放熱しても良い。

流体として気体について説明したが、これに限定されず、液体であっても良い。また、この場合、医療用の人工透析機や人工臓器に使用される血液循環用のピストンポンプ１として用いるものであっても良い。

第２実施の形態は、磁石２７をピストン５の移動方向に沿って２つ配置したが、３つ以上であっても良い。また、磁石２７の各々に対向して配置するコイル１７の数も３つ以上であっても良い。

本発明の第１実施形態に係るピストンポンプの静止状態を示す断面図であり、（ａ）は磁石とコイルとの間で発生する磁束を示す断面図である。図１に示すピストンポンプの動作状態を示す図であり、シリンダ内の流体が吐出部から排気される状態を示す断面図である。図１に示すピストンポンプの動作状態を示す図であり、シリンダ内に流入部から流体が流入する状態を示す断面図である。図１に示すピストンポンプの分解斜視図である。図４に示すＡ−Ａ断面図である。本発明の第２実施形態に係るピストンポンプの要部を示す断面図であり、（ａ）は磁石とコイルとの間で発生する磁束を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係るピストンポンプの要部を示す断面図である。本発明の第４実施形態に係るピストンポンプの要部を示す断面図である。本発明の第５実施形態に係るピストンポンプの要部を示す断面図である。図９に示すＢ−Ｂ断面図であり、一点鎖線で抜き出して示す（ａ）はシャフトと挿通孔を拡大して示す断面図である。本発明の第６実施形態に係るピストンポンプの要部を示す断面図である。本発明の第７実施形態に係るピストンポンプの要部を示す断面図である。図１２に示すピストンポンプの動作状態を示す図であり、シリンダ内の流体が吐出部から吐出される状態を示す断面図である。図１２に示すピストンポンプの動作状態を示す図であり、ピストンが吐出部側から流入部側に移動する状態を示す断面図である。図１２に示すピストンポンプの分解斜視図である。

符号の説明

１ピストンポンプ
３シリンダ
５ピストン
７流入部
９吐出部
１１、１３一方向弁
１７コイル
２５シャフト
２６挿通孔
２７磁石
２９移動通路
３０保持部
３０ａ突部
３９ピストンの一方向弁
４１固定部材

Claims

シリンダと、シリンダ内に往復動自在に設けられたピストンとを備え、シリンダは流体の流入部及び吐出部と、流入部からシリンダ内への流入を許可する一方向弁と、吐出部からシリンダ内の流体の流出を許可する一方向弁とを備え、ピストンは外周部に磁石を備えるとともに内部には流入部側から吐出部側に流体の移動通路が形成されており、シリンダは側部にコイルを備え、コイルに電流を流してピストンを往復動させて流体を圧送しており、ピストンは移動通路の開閉を行なう一方向弁を設けており、ピストンの一方向弁はピストンが吐出部側から流入部側に移動するときに、ピストンの一方向弁が開いてシリンダ内の流入部側から吐出部側への流体の移動を許可しており、ピストンが流入部側から吐出部側に移動するときに、ピストンの一方向弁を閉じていることを特徴とするピストンポンプ。
ピストンは、円筒状の磁石とその内側に配置され磁石を保持する保持部とを有し、保持部には半径方向外方に突出する突部が設けられており、突部は磁石の内周に当接しており、突部間と磁石の内周との間で流体の移動通路を形成していることを特徴とする請求項１に記載のピストンポンプ。
ピストンを往復動自在に案内するシャフトを備え、保持部はシャフトが挿通する挿通孔を有し、ピストンは一方向弁を吐出部側端部に固定する固定部材を備え、固定部材はシャフトの挿通孔を有し、ピストンの一方向弁は円盤状であり且つ略中央にはシャフトの貫通孔が設けられており、固定部材を挿通孔に嵌め込んで、一方向弁をピストンに固定していることを特徴とする請求項２に記載のピストンポンプ。