JP2005337069A - ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】可変容積室から流体を吐出する際の流速の増加を抑え、圧力損失を減らすことができるダイヤフラムポンプを得る。
【解決手段】ハウジングの凹部（ダイヤフラム）と反対側の面に、該凹部と連通する吸入側流路溝と吐出側流路溝を形成し、この入口側流路溝と吐出側流路溝をハウジングに固定される蓋板によって閉塞して吸入側流路と吐出側流路を構成し、少なくとも吐出側流路溝を覆う蓋板を、ダイヤフラムが可変容積室内の流体を吐出側流路に押し出す方向に変位するとき、該可変容積室内の圧力により該可変容積室の有効容積を増大させる方向に弾性変形する弾性材料から構成したダイヤフラムポンプ。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、ダイヤフラムポンプに関する。

ダイヤフラムポンプは、ハウジングに形成した凹部とこの凹部を閉塞するダイヤフラムとによって可変容積室を形成し、ダイヤフラムを振動させることによりポンプ作用を得るポンプとして知られている。ダイヤフラムは、ゴム、圧電振動子等の弾性（振動）可能な材料から構成される。

このダイヤフラムポンプでは、圧力損失を如何に小さく抑えるかが一つの技術課題である。吸入行程では、自吸力（ダイヤフラムが可変容積室の容積を拡大する方向に変形するときの該可変容積室へ流体を吸い込む力）をできるだけ大きくし、できるだけ圧力損失を小さくするとよい。理論的には自吸力はダイヤフラムが変形する前の可変容積室の容積を零にすると無限大となり、容積を大きくするに従って小さくなるという性質がある。一方、ダイヤフラムが変形して流体を移動させる状態を考えると、容積が小さいほど流速が増して圧力損失が大きくなるという性質がある。

ダイヤフラムポンプのダイヤフラムの変位量は一般的に小さく、従って可変容積室の容積は小さい。このため、流速が増すことによる圧力損失は非常に大きく、できるだけ流速が大きくならないようにすることが好ましい。

本発明は、以上の問題意識に基づき、流速の増加、特に可変容積室から流体を吐出する際の流速の増加をできるだけ抑えることができるダイヤフラムポンプを得ることを目的とする。

本発明は、可変容積室から流体を吐出する際には流路断面積を増大させることで流速の増加を抑制するという発想に基づき、流路断面積を拡大できる流路構成を発案したものである。

本発明は、ハウジングに形成した凹部とこの凹部を閉塞するダイヤフラムとによって可変容積室を形成し、ダイヤフラムを振動させることによりポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、ハウジングの凹部と反対側の面に形成した、上記凹部と連通する吸入側流路溝と吐出側流路溝と、この入口側流路溝と吐出側流路溝を閉塞してハウジングに固定される蓋板とによって吸入側流路と吐出側流路を構成し、吸入側流路の延長上には吸込ポートから可変容積室への流体流は許しその逆の流れを許さない入口側逆止弁を設け、吐出側流路の延長上には可変容積室から吐出ポートへの流体流は許しその逆の流れを許さない吐出側逆止弁を設け、少なくとも吐出側流路溝を覆う蓋板を、ダイヤフラムが可変容積室内の流体を吐出側流路に押し出す方向に変位するとき、該可変容積室内の圧力により該可変容積室の有効容積を増大させる方向に弾性変形する弾性材料から構成したことを特徴としている。

蓋板は、入口側流路溝と吐出側流路溝を別々に塞ぐ蓋板としてもよいが、吸入側流路溝と吐出側流路溝を一緒に塞ぐ蓋板とするのが好ましい。

蓋板は、少なくともハウジングより弾性変形が容易な材料から構成する。より好ましい弾性を得るため金属材料または合成樹脂材料からなり、厚さが０．１〜０．５ｍｍ程度とすることが好ましい。また、吐出側流路溝との対応部分を薄肉として弾性変形を容易とすることができる。

また、ダイヤフラムは、該ダイヤフラムの上下にそれぞれ対向して可変容積室を形成する凹部を有する一対のハウジングに挟着支持し、この一対のハウジングにそれぞれ、該ダイヤフラムの表裏に可変容積室を形成する凹部、この凹部の反対側の面に形成された吸入側流路溝と吐出側流路溝、及びこの吸入側流路溝と吐出側流路溝を閉塞して吸入側流路と吐出側流路を構成する蓋板を設けることが好ましい。

蓋板は、該蓋板より平面形状が大きい接着フィルムを介してハウジングに接着することで弾性変形を容易にすることができる。

一対のハウジングの凹部は回転対称形状とし、かつ中心部が最も深く周辺部にかけて徐々に浅くなる断面階段状とすることで、ポンプ効率を高めることができる。

逆止弁はアンブレラから構成することができる。また、ダイヤフラムは圧電振動子または電歪振動子から構成することができる。特にバイモルフ型圧電振動子が好ましい。

本発明によれば、ダイヤフラムポンプにおいて、特に可変容積室から流体を吐出する際の流速の増加を抑え、圧力損失を減らすことができる。

図１ないし図９は、薄型化及び脈動周期を半分にすることを同時に目的としたダイヤフラムポンプに本発明を適用した実施形態である。本ダイヤフラムポンプは、アッパハウジング１０、ロアハウジング２０、圧電振動子（ダイヤフラム）３０、及び４つのアンブレラ（逆止弁）１７、１８、２７、２８を基本的な構成要素としている。圧電振動子３０を挟着するアッパハウジング１０とロアハウジング２０は全体として平板状であり、略面対称形状をしているが、ロアハウジング２０には平面円形をなす圧電振動子３０の円形収納凹部２１（図４）が形成され、アッパハウジング１０にはこの円形収納凹部２１に嵌まり込んで、該円形収納凹部２１との間に圧電振動子３０を挟着する円形凸部１１（図４）が形成されている。またロアハウジング２０には、吸入ポート３１と吐出ポート３２が形成されている。

アッパハウジング１０とロアハウジング２０にはそれぞれ、図４ないし図５に示すように、円形凸部１１と円形収納凹部２１と同心の回転対称凹部１２と２２が形成されている。回転対称凹部１２と２２はそれぞれ中心部が最も深く周辺部にかけて徐々に浅くなる断面階段状をなしている。回転対称凹部１２と２２の外側には、Ｏリング収納凹部１３ａと２３ａが形成されており、このＯリング収納凹部１３ａと２３ａに嵌められたＯリング１３と２３は、円形収納凹部２１に収納された圧電振動子３０の上下（表裏）に接触して、該圧電振動子３０の上下に可変容積室（ポンプ室）１４と可変容積室（ポンプ室）２４を形成する。

ロアハウジング２０に形成された吸入ポート３１と吐出ポート３２は、図２ないし図６に明らかなように、その中心が圧電振動子３０の平面高さと同じ平面高さに位置して互いに平行をなしている。この吸入ポート３１と吐出ポート３２の内端部は、吸入側交互室３１ａと吐出側交互室３２ａを構成する。

アッパハウジング１０には、回転対称凹部１２の反対側の面に、吸入ポート３１と吐出ポート３２の延長方向と平面的に同じ位置に位置させて、互いに平行に吸入側流路溝１５と吐出側流路溝１６が形成されている。吸入側流路溝１５と吐出側流路溝１６の内側端部は、平面的に見て回転対称凹部１２の最深部分に達しており、貫通穴１５ａと１６ａを介して該回転対称凹部１２（可変容積室１４）に連通している。同様に、ロアハウジング２０には、回転対称凹部２２の反対側の面に、吸入側流路溝１５と吐出側流路溝１６と同じ平面位置に位置させて、互いに平行に吸入側流路溝２５と吐出側流路溝２６が形成されている。吸入側流路溝２５と吐出側流路溝２６の内側端部は、平面的に見て回転対称凹部２２の最深部分に達しており貫通穴２５ａと２６ａを介して該回転対称凹部２２（可変容積室２４）に連通している。

吸入側流路溝１５と吐出側流路溝１６の外側端部はそれぞれ、吸入ポート３１の吸入側交互室３１ａと吐出ポート３２の吐出側交互室３２ａに達しており、この吸入側交互室３１ａと吐出側交互室３２ａ部分に、アンブレラ装着部（連通穴）１５ｂと１６ｂが形成されている。アンブレラ装着部１５ｂと１６ｂはそれぞれ、図３に明らかなように、中心部のアンブレラ装着穴１５ｂ１と１６ｂ１と、周辺部の連通穴１５ｂ２と１６ｂ２とを備え、アンブレラ装着穴１５ｂ１と１６ｂ１にアンブレラ１７の軸部１７ａとアンブレラ１８の軸部１８ａが嵌合係止される。このアンブレラ１７と１８は、アンブレラ装着部１５ｂと１６ｂで装着方向が反対である。すなわち、アンブレラ１７は、吸入側交互室３１ａから連通穴１５ｂ２を経て吸入側流路溝１５（可変容積室１４）へ至る流体流は傘部１７ｂが弾性変形して許し、その逆方向の流れは許さない第一の吸入側逆止弁であり、アンブレラ１８は、吐出側流路溝１６（可変容積室１４）から連通穴１６ｂ２を経て吐出側交互室３２ａへ至る流体流は傘部１８ｂが弾性変形して許し、その逆方向の流れは許さない第一の吐出側逆止弁である。

吸入側流路溝２５と吐出側流路溝２６の形成態様も吸入側流路溝１５と吐出側流路溝１６と同様である。すなわち、吸入側流路溝２５と吐出側流路溝２６の外側端部は、平面的に見て吸入側交互室３１ａと吐出側交互室３２ａに達しており、この吸入側交互室３１ａと吐出側交互室３２ａ部分に、アンブレラ装着部２５ｂと２６ｂが形成されている。アンブレラ装着部２５ｂと２６ｂはそれぞれ、中心部のアンブレラ装着穴２５ｂ１と２６ｂ１と、周辺部の連通穴２５ｂ２と２６ｂ２とを備え、アンブレラ装着穴２５ｂ１と２６ｂ１にアンブレラ２７の軸部２７ａとアンブレラ２８の軸部２８ａが嵌合係止される。このアンブレラ２７と２８は、アンブレラ装着部２５ｂと２６ｂで装着方向が反対である。アンブレラ２７は、吸入側交互室３１ａから連通穴２５ｂ２を経て吸入側流路溝２５（可変容積室２４）へ至る流体流は傘部２７ｂが弾性変形して許し、その逆方向の流れは許さない第二の吸入側逆止弁である。アンブレラ２８は、吐出側流路溝２６（可変容積室２４）から連通穴２６ｂ２を経て吐出側交互室３２ａへ至る流体流は傘部２８ｂが弾性変形して許し、その逆方向の流れは許さない第二の吐出側逆止弁である。第一、第二の吸入側逆止弁（アンブレラ）１７と２７は平面的に見て同じ位置にあり、第一、第二の吐出側逆止弁（アンブレラ）１８と２８は平面的に見て同じ位置にある。なお、アッパハウジング１０とロアハウジング２０の間には、アンブレラ装着部２５ｂと２６ｂを囲むＯリング（図示せず）が挟着されている。

アッパハウジング１０には吸入側流路溝１５と吐出側流路溝１６の形成エリアを含んで蓋板嵌込凹部１０ａが形成されており、この蓋板嵌込凹部１０ａに蓋板１９が嵌め込まれている。同様に、ロアハウジング２０には吸入側流路溝２５と吐出側流路溝２６の形成エリアを含んで蓋板嵌込凹部２０ａが形成されており、この蓋板嵌込凹部２０ａに蓋板２９が嵌め込まれている。蓋板１９（２９）の裏面には、吸入側流路溝１５（２５）と吐出側流路溝１６（２６）の対応位置に、流路溝１９ａ（２９ａ）が形成されている。この流路溝１９ａ（２９ａ）は、ダイヤフラムポンプを薄型化しつつ流路面積を確保するのに有効である。

嵌込凹部１０ａ（２０ａ）と蓋板１９（２９）は、該嵌込凹部１０ａ（２０ａ）に嵌め込まれた蓋板１９（２９）の表面がアッパハウジング１０の表面と面一になるように形成されており、蓋板１９（２９）は、該蓋板１９（２９）より大きい接着フィルム１９ｂ（２９ｂ）（図２ないし図４、図８に図示）でハウジング１０（２０）に液密に固定されている。接着フィルム１９ｂ（２９ｂ）は、合成樹脂材料、金属箔等から形成可能であり、高い接着性と耐水性を備えた接着剤によって接着されている。このような接着フィルム１９ｂ（２９ｂ）によると、特別なシール部材を要することなく簡単に吸入側流路溝１５（２５）部分に吸入側流路１５Ｉ（２５Ｉ）、吐出側流路溝１６（２６）部分に吐出側流路１６Ｉ（２６Ｉ）を形成することができる。

圧電振動子３０は、例えば中立位置から上下に均等に変位すると考えられるバイモルフ型圧電振動子を用いることができる。図９は、バイモルフ型圧電振動子３０の模式図で、中心部のシム３０１と、その上下（表裏）に積層形成した圧電体３０２とからなっている。シム３０１は、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ０．２ｍｍ程度のステンレス薄板から構成される。圧電体３０２は、例えば厚さ０．３ｍｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。この分極処理は、シム３０１の表裏に位置する一対の圧電体３０２において同方向である。つまり、図９において、一対の圧電体３０２の分極方向を矢印ａまたはｂで表すと、分極方向はシム３０１を挟んで同一方向である。

一対の圧電体３０２のシム３０１側の面は、該シム３０１と全面的に導通するように接着され、シム３０１側と反対の露出面には、全面的に膜状電極３０３が形成されている。この膜状電極３０３は、例えば導電ペースト（銀ペースト）を印刷（スクリーン焼成）することで形成することができる。また、膜状電極はシム側にも形成することがある。これらの膜状電極の材料や形成方法は各種周知である。

以上のバイモルフ型圧電振動子３０は、シム３０１を一方の共通電極とし、一対の圧電体３０２の露出面（膜状電極３０３）を他方の共通電極として、交番電界を与えると、表裏の一方が伸び他方が縮む（正逆に弾性変形する）動作が繰り返される。

上記構成の本ダイヤフラムポンプは次のように作動する。図示しない電源回路によりバイモルフ圧電振動子３０のシム３０１と膜状電極３０３に交番電界を与えると、該圧電振動子３０が正逆に弾性変形（振動）する。圧電振動子３０が正逆に弾性変形すると、可変容積室１４と２４のいずれか一方の容積が増大し他方の容積が減少する。可変容積室１４の容積が増大する行程は可変容積室２４の容積が減少する行程であり、可変容積室１４の容積が増大するからアンブレラ（第一の吸入側逆止弁）１７が開いて吸入ポート３１から可変容積室１４内に流体が流入し、可変容積室２４の容積が減少するから可変容積室２４内の流体がアンブレラ（第二の吐出側逆止弁）２８を開いて吐出ポート３２に流出する。逆に可変容積室１４の容積が減少する行程は可変容積室２４の容積が増大する行程であり、可変容積室２４の容積が増大するからアンブレラ（第二の吸入側逆止弁）２７が開いて吸入ポート３１から可変容積室２４内に流体が流入し、可変容積室１４の容積が減少するから可変容積室１４内の流体がアンブレラ（第一の吐出側逆止弁）１８を開いて吐出ポート３２に流出する。回転対称凹部１２と２２が階段状で中央部が最も深い構成は、圧電振動子３０の中央部と周辺部でともに十分に流体を移動させ、効率的なポンプ作用を得るために効果がある。

以上の実施形態の蓋板１９（２９）は、圧電振動子３０が可変容積室１４（２４）内の流体を吐出側流路に押し出す方向に変位するとき、該可変容積室内の圧力により該可変容積室の有効容積（可変容積室１４（２４）から吐出側逆止弁１８（２８）に至る容積）を増大させる方向に弾性変形可能である。図１０では、この蓋板１９の弾性変形の様子を実線で描いている（このとき吐出側逆止弁１８が開く）。このように、可変容積室１４（２４）の有効容積が増大すると、増大しない場合に比較して流速を減少させることができ、従って圧力損失を減らしてポンプ効率を高めることができる。

蓋板１９（２９）が可変容積室１４（２４）の有効容積を増大させる方向に弾性変形するとき、仮に吸入側流路溝１５（２５）と吐出側流路溝１６（２６）が連通したとしても、このときには吸入側逆止弁１７（２７）は閉じているから、実質的に可変容積室の有効容積が増大するだけであり、何ら問題はない。勿論、吸入側流路溝１５（２５）と吐出側流路溝１６（２６）とに別々の蓋板を設け、吐出側流路溝１６（２６）を覆う蓋板だけに以上の弾性を与えてもよい。流路溝１９ａ（２９ａ）は、蓋板１９（２９）を部分的に薄くして弾性変形を容易にするために効果がある。

蓋板１９（２９）の弾性は、第一には、該蓋板の材質と厚さによって規定することができる。材質を金属材料（例えばアルミニウム）とするときにはその厚さを０．１〜０．４ｍｍ程度とし、合成樹脂材料（例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド））とするときにはその厚さを０．１５〜０．５ｍｍ程度とすることで、好ましい弾性を得ることができる。

また、蓋板１９（２９）の弾性は、ダイヤフラム（圧電振動子）３０による容積変化量に対する蓋板１９（２９）による容積変化量の割合で規定することもできる。すなわち、吐出時には圧電振動子３０が中立位置から変位することによって容積が減少するのに対し、蓋板１９（２９）の弾性変形によって容積が増加する。蓋板の弾性は、このダイヤフラムの変形による容積（減少）変化量に対して、該蓋板の変形による容積（増加）量が５〜１０％程度となるように定めるのが好ましい。５％未満では圧力損失を効果的に減らすことができず、１０％を超えると、流量が減少するという問題がある。

蓋板１９（２９）は、図示実施形態では接着フィルム１９ｂ（２９ｂ）によってハウジング１０（２０）に接着しているが、固定手段は問わない。しかし、接着フィルム自身を弾性変形可能な例えば樹脂フィルムから構成すると、蓋板１９（２９）の弾性変形が容易になるという利点がある。

以上の実施形態においては、アンブレラ１７、１８あるいは２７、２８と、圧電振動子３０とは平面的に見て異なる位置に配置されており、平面的にオーバラップしていない。また、吸入ポート３１と吐出ポート３２は、図２、図３、図６に明らかように、通路断面形状が圧電振動子３０の平面方向に長い横長形状とされている。これらの構成は、ダイヤフラムポンプを薄型化するのに効果があるが、本発明はこれらの構成に限定されない。

以上の実施形態では、圧電振動子３０の正逆の変形行程のいずれにおいても吐出ポート３２から流体を取り出すことができ、脈動の周期を半分にすることができるという利点があるが、圧電振動子３０の正逆の変形行程のいずれか一方のみで吐出ポート３２から流体を取り出す構成も可能である。この構成は、図１ないし図９の構成から、アンブレラ１７と１８（及びその関連構成）、またはアンブレラ２７と２８（及びその関連構成）を除去した構成に相当する。

以上の実施形態ではダイヤフラムとして圧電振動子を用いたが、圧電振動子に代えて電歪振動子を用いてもよい。

本発明によるダイヤフラムポンプの一実施形態を示す平面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 図２の一部拡大断面図である。 図１のIV-IV線に沿う断面図である。 図１のＶ矢視図である。 図１ないし図５のダイヤフラムポンプの要部を断面とした斜視図である。 図１ないし図５のダイヤフラムポンプの流路のみを示すスケルトン図である。 蓋板の単体形状を示す、裏面から見た斜視図である。 バイモルフ型圧電振動子の模式分解斜視図である。 本発明によるダイヤフラムポンプの蓋板の変形の様子を誇張して示す、図３に対応する拡大断面図である。

符号の説明

１０ アッパハウジング
２０ ロアハウジング
１０ａ ２０ａ 蓋板嵌込凹部
１２ ２２ 回転対称凹部
１３ ２３ Ｏリング
１４ ２４ 可変容積室
１５ ２５ 吸入側流路溝
１５Ｉ ２５Ｉ 吸入側流路
１６ ２６ 吐出側流路溝
１６Ｉ ２６Ｉ 吐出側流路
１５ａ １６ａ 貫通穴
１５ｂ １６ｂ アンブレラ装着部
１７ １８ ２７ ２８ アンブレラ
１７ａ １８ａ ２７ａ ２８ａ 軸部
１７ｂ １８ｂ ２７ｂ ２８ｂ 傘部
１９ ２９ 蓋板
１９ａ ２９ａ 流路溝
１９ｂ ２９ｂ 接着フィルム
３０ 圧電振動子（ダイヤフラム）
３１ 吸入ポート
３２ 吐出ポート
３１ａ 吸入側交互室
３２ａ 吐出側交互室

Claims (8)

1. ハウジングに形成した凹部とこの凹部を閉塞するダイヤフラムとによって可変容積室を形成し、ダイヤフラムを振動させることによりポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、
   上記ハウジングの凹部と反対側の面に形成した、上記凹部と連通する吸入側流路溝と吐出側流路溝と、
   この入口側流路溝と吐出側流路溝を閉塞して吸入側流路と吐出側流路を構成する、上記ハウジングに固定される蓋板と、を有し、
   少なくとも吐出側流路溝を覆う蓋板は、上記ダイヤフラムが可変容積室内の流体を吐出側流路に押し出す方向に変位するとき、該可変容積室内の圧力により該可変容積室の有効容積を増大させる方向に弾性変形する弾性材料から構成されていることを特徴とするダイヤフラムポンプ。
2. 請求項１記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記蓋板は、入口側流路溝と吐出側流路溝を一緒に覆っているダイヤフラムポンプ。
3. 請求項１または２記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記蓋板は、金属材料または合成樹脂材料からなり、厚さが０．１〜０．５ｍｍであるダイヤフラムポンプ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ハウジングは、ダイヤフラムを挟んで一対が設けられており、この一対のハウジングにそれぞれ、該ダイヤフラムの表裏に可変容積室を形成する凹部、この凹部の反対側の面に形成された吸入側流路溝と吐出側流路溝、及びこの入口側流路溝と吐出側流路溝を閉塞して吸入側流路と吐出側流路を構成する蓋板が設けられているダイヤフラムポンプ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記蓋板は、該蓋板より平面形状が大きい接着フィルムを介してハウジングに接着されているダイヤフラムポンプ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ハウジングの凹部は回転対称形状であり、中心部が最も深く周辺部にかけて徐々に浅くなる断面階段状をなしているダイヤフラムポンプ。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムは圧電振動子または電歪振動子であるダイヤフラムポンプ。
8. 請求項１ないし６のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムはバイモルフ型圧電振動子であるダイヤフラムポンプ。
   
   
   

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