JP2006037786A

JP2006037786A - ポンプ

Info

Publication number: JP2006037786A
Application number: JP2004216333A
Authority: JP
Inventors: Naoya Asai; 直也浅井; Koichi Abe; 孔一阿部; Hiroyuki Sugiura; 博之杉浦; Naoki Saito; 直樹齋藤
Original assignee: Takasago Elec Inc; Takasago Electric Inc
Current assignee: Takasago Elec Inc; Takasago Electric Inc
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: JP3908758B2

Abstract

【課題】形状記憶合金を使用する構造において、薄型化が可能なポンプを提供する。
【解決手段】流体を流入させる第１逆止弁７を内蔵した流体流入口５と、流体を流出させる第２逆止弁８を内蔵した流体流出口６を下部に設け、ハウジング１内底部に上下方向に伸縮して内容積が変化するピストン体２を配置し、更にピストン体２をその収縮方向に付勢するコイルバネ４、コイルバネ４の付勢力に反してピストン体２を持ち上げる形状記憶合金からなる駆動紐体３をハウジング１内に収容した。駆動紐体３は、両端をハウジング１上部に設けた係止部１３に係止し、コイルバネ４を左右から挟むように、ピストン体２とハウジング１内壁の双方に対称に配置した４つのプーリ１０，１０，１１，１１に掛止した。
【選択図】図１

Description

本発明は、油や水等の流体を搬送するためのポンプに関し、特に形状記憶合金を使用して小型化を図ったポンプに関する。

例えば、携帯情報端末に代表されるモバイル機器は、小型、薄型、更には軽量化が要求されている。このような機器に使用されるポンプも同様に小型等の要求がなされ、小型化が可能なポンプとしては、ＤＣモータや圧電素子を用いたもの、或いは形状記憶合金を利用したものがある。
近年、モバイル機器においては、動画やマルチメディアなど集積回路に高速な信号処理が要求されるアプリケーションが急速に普及しており、それに伴い集積回路からの発熱も増大している。そのため、集積回路の冷却媒体を循環させるために小型化したポンプが必要となっている。また、このようなモバイル機器においては、長寿命が期待できる燃料電池を搭載した機器が検討され、燃料電池の電極に液体燃料を供給するために小型ポンプが使用されることになる。
このような機器に適したポンプとして、特許文献１に記載された形状記憶合金を使用したものがある。これは、形状記憶合金の加熱時の収縮作用を利用し、通電することで加熱収縮させると共に常温に戻すことで伸張させ、形状記憶合金を伸縮させてポンプ動作を可能としている。
上記特許文献１に示すような形状記憶合金を使用したものは、小型化を図ることができ、また通電電流をオン／オフするだけの操作なので駆動回路も簡易な回路で済むため、小型軽量化が要求される部位への組み込みに有利である。
特表平１０−５０４０８０号公報

しかし、上記特許文献１の構造は、バイアススプリングの小型化が難しいため、更なる小型化を進めようとした場合、例えば薄型化を図ろうとした場合困難であった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、形状記憶合金を使用する構造において、薄型化が可能なポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決する為に、請求項１に記載の発明は、一定方向に伸縮して内容積が増減するピストン体と、該ピストン体に流体を流入させる為の第１逆止弁と、前記ピストン体から流体を流出させるための第２逆止弁と、前記ピストン体が伸張或いは収縮する方向へ付勢するコイルバネと、該コイルバネの付勢に抗する方向へ前記ピストン体を引っ張り操作する紐状の形状記憶合金からなる駆動紐体とを有し、それらを収納したハウジングに、前記駆動紐体の端部を係止する係止部及び該係止部に連結されて前記駆動紐体に通電するための電極を設け、前記駆動紐体は、前記コイルバネの周囲で前記係止部と前記ピストン体との間に架け渡され、前記電極に外部から通電される電流をオン／オフすることで、前記駆動紐体を伸縮させ、前記ピストン体を伸縮動作させて流体を搬送することを特徴とする。
この構成により、コイルバネの内側には部材を配置しないので、コイルバネの外径を細くできる。そのため、ハウジング全体を薄く小型化することが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、ハウジングは、下面に流体流入口、流体流出口を有した略立方体形状であって、ハウジング内底部にピストン体を配置すると共にピストン体上方に駆動紐体の係止部を配置し、更に、前記ピストン体上部に駆動紐体を掛止する移動掛止部材を少なくとも１個設けると共に、ハウジング内壁にも駆動紐体を掛止する固定掛止部材を少なくとも１個設け、連続した１本の駆動紐体を前記移動及び固定掛止部材間に架け渡したことを特徴とする。
この構成により、駆動紐体を折り返して架け渡すことができるので、動滑車の原理により駆動紐体に加わる荷重が軽減される。その結果、駆動紐体の径を細くでき、伸縮動作を高速にできる。

請求項３の発明は、請求項２に記載の発明において、移動掛止部材、固定掛止部材の少なくとも一方が、駆動紐体の伸縮に応じて回転動作するプーリであることを特徴とし、この構成により駆動紐体はスムーズに伸縮動作し、流体が良好に搬送される。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明において、ピストン体は、筒状でべローズ状に伸縮する側壁体と、該側壁体上部を閉塞する天板とを有し、前記側壁体及び天板が一体に形成されてなることを特徴とし、この構成により、隙間の無いピストン体を例えばシリコンゴムで容易に形成でき、小型化がし易くなる。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明において、ハウジングの容積が、０．５〜２０ｃｍ³であることを特徴とする。
このようなハウジング内容積において、効果的に流体の搬送を行うことができる。

本発明によれば、コイルバネの内側には部材を配置しないので、コイルバネの外径を細くできる。そのため、ハウジング全体を薄く小型化することが可能となり、ハウジング高さを４０ｍｍ以下、厚みを１０ｍｍ以下にできる。しかも流体も良好に搬送できる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るポンプの第１実施形態を示す断面説明図であり、１はポンプのハウジング、２はピストン動作するピストン体、３は形状記憶合金からなる駆動紐体、４はコイルバネを示している。

ハウジング１は、図示するように立方体形状に形成され、図示する下部に流体を流入させる流体流入口５、流体を流出させる流体流出口６が突出形成されている。流体流入口５の内部には流体をピストン体２内に流入させる第１逆止弁７、流体流出口６の内部にはピストン体２内から流体を流出させる第２逆止弁８が設けられ、各弁を介して流体流入口５及び流体流出口６はピストン体２内に連通されている。

ピストン体２は、筒状の側壁体２ａ、長方形板状の天板２ｂを有して箱状に形成され、内部に液室を形成している。そして、開放された下部を流体流入口５及び流体流出口６の双方を覆うようにハウジング１の底部に配置され、側壁体２ａがベローズ状に伸縮し、内容積が増減するよう構成されている。また、側壁体２ａの下端からは周囲に広がるようにスカート体２ｃが形成され、このスカート体２ｃをハウジング１に固着することでピストン体２を固定している。
具体的には、この実施形態では、ハウジング１を、逆止弁７，８を設けた基台１ａと、基台１ａ上に設置してピストン体２や駆動紐体３を収容する上部蓋体１ｂとで形成し、双方を連結する際にスカート体２ｃを狭持することでスカート体２ｃを固着している。また、側壁体２ａ、天板２ｂ、スカート体２ｃは一体に形成されている。
尚、ピストン体２はシリコンゴムで形成され、天板２ｂをハウジング１の形状に合わせて四角形に形成しているが、ハウジングの横断面が円筒或いは楕円の場合は、それに合わせた形状にすれば良い。また、天板２ｂは、伸縮移動した時に変形しないよう金属板（図示せず）が貼着されて堅牢に形成されている。

天板２ｂには、長手方向となる左右２箇所に駆動紐体３を掛止する移動掛止部材としてのプーリ１０が設置され、その上方に位置するハウジング１の内壁上部にも同様に固定掛止部材としてプーリ１１が左右に２箇所設置され、図１に示すように４つのプーリ１０，１０，１１，１１は左右に対称に配置されている。そして、ハウジング１内の左右上端には、ハウジング１上面に設けられた一対の電極１２に連結され、駆動紐体３の端部を係止する係止部１３が設けられている。
また、ハウジング１のほぼ中央には、コイルバネ４を係止するバネ固定片１５が設けられ、ピストン体２の天板２ｂとバネ固定片１５の間にコイルバネ４が収縮設置され、天板２ｂを常時下方に、即ちピストン体２を常時収縮する方向に付勢している。

駆動紐体３は、このように設けられたプーリ１０，１０，１１，１１に順次架け渡され、左右の係止部１３に端部が係止されている。具体的には、左側の係止部１３に係止した駆動紐体３は、左側の上下のプーリ１０，１１に順次掛止され、続いてバネ固定片１５の上方を左右に架け渡されて右側の上下のプーリ１１，１０に順次架け渡されて右側の係止部１３に係止される。

このように、コイルバネの内側には部材を配置しないので、コイルバネの外径を細くでき、ハウジング全体を薄く小型化することが可能となる。
また、プーリ（移動掛止部材、固定掛止部材）を設けて駆動紐体を架け渡すことで、動滑車の原理により駆動紐体に掛かる加重が軽減される。その結果、駆動紐体の径を細くでき、伸縮動作が高速且つスムーズになり流体が良好に搬送される。
また、側壁体をベローズ状に形成して側壁体と天板を一体形成することで、ピストン体を容易に形成できる。
更に、ハウジング１の寸法は、例えば高さＨが２２ｍｍ、幅Ｗが１５ｍｍ、厚さが５ｍｍで作製でき、ハウジング内容積が０．５〜２０ｃｍ³において、効果的に流体の搬送を行うことができる。

尚、駆動紐体３は、例えば直径０．１ｍｍの形状記憶合金が使用でき、その場合印加電圧は例えば直流５ボルトで駆動でき、低電圧で良好に動作する。

次に、上記ポンプの動作を説明する。まず、図１はピストン体２が収縮して流体を送出した状態（通常状態）を示し、図２の断面説明図は、流体がピストン体内に流入した状態（動作状態）を示している。矢印は流体の移動方向を示している。
通常状態では、形状記憶合金で形成された駆動紐体３はマルテンサイト相にあり、コイルバネ４に付勢されて伸びた状態にある。そのため、ピストン体２の側壁体２ａは折り畳まれて、ピストン体２は収縮状態となる。この状態で、外部から電極を介して通電されると、駆動紐体３は通電電流で加熱され、オーステナイト相に相変態して収縮する。すると、図２に示すように、コイルバネ４の付勢力に抗してピストン体２の天板２ｂは持ち上げられ、ピストン体２は伸張する。その結果、流体流入口５からピストン体２内へ流体が流入する。この時、第２逆止弁８の作用で、流体流出口６から流体がピストン体２に入り込むようなことがない。

その後、通電を止めると、駆動紐体３の温度は自然冷却され、再びマルテンサイト相に戻り、コイルバネ４の付勢によりピストン体２は収縮し、流体流出口６からピストン体内の流体は放出される。この時、第１逆止弁の作用で流体流入口６から流体が流れ出るようなことがない。
こうして、通電電流のオン／オフ操作を繰り返すことで、流体が搬送される。

尚、上記実施形態では、移動掛止部材、固定掛止部材をプーリ１０，１１で構成しているが、駆動紐体３を掛止できれば単なる棒状体であっても良い。また、ピストン体２をシリコンゴムで作製しているが、合成ゴム或いは天然ゴムで作製してもよい。

図３は、本発明のポンプの第２実施形態を示している。図１とは固定掛止部材１１の構成が異なり、それに伴って駆動紐体３の掛け方が異なっている。尚、図１と同一の構成部材には同一の符号を付与し、説明を省略する。
図３では、ハウジング１側に固定掛止部材としてプーリ１１を１個、中央上部に設けている。そして、駆動紐体３を係止部１３からピストン体２のプーリ１０、ハウジングのプーリ１１とＷ字状に架け渡している。
このようにプーリを配置しても、通電電流のオン／オフにより、ピストン体２を伸張／収縮させて内容積を増減させることができる。而も、図１のように駆動紐体３が交叉することがないので、交叉部で駆動紐体３が接触して通電不良が発生するようなことがない。

図４は、本発明のポンプの第３実施形態を示している。図１とは掛止部材の構成が異なり、それに伴って駆動紐体の掛け方の異なっている。尚、図１と同一の構成部材には同一の符号を付与し、説明を省略する。
図４では、ピストン体２の天板２ｂにプーリを直接設けず、延設片１６を天板２ｂに取り付け、ピストン体２に設けるプーリ１０をコイルバネ４の上方に配置している。また、ハウジング１には掛止部材がない。そして、駆動紐体３を単純に２つのプーリ１０，１０に架け渡している。このように、単純な構成としてもピストン体２を伸縮動作させることができる。但し、ピストン体２の伸縮比は図３の構成に比べて更に小さくなる。

図５は、本発明のポンプの第４実施形態を示している。図１とは駆動紐体の構成が異なっている。尚、図１と同一の構成部材には同一の符号を付与し、説明を省略する。
図５では、ハウジング１、ピストン体２共に掛止部材を設けず、駆動紐体３を一対の係止部１３から垂下するように下に延ばし、ピストン体２の天板２ｂに固着している。天板２ｂには良好に通電する金属板１７が接着され、この金属板１７に駆動紐体３は固着されている。
このように、駆動紐体を左右分離して設置すれば、掛止部材を設ける必要が無くなる。

図６は、本発明のポンプの第５実施形態を示している。図１とはコイルバネ及び掛止部材であるプーリの配置が異なっている。尚、図１と同一の構成部材には同一の符号を付与し、説明を省略する。
図６では、ピストン体２の側壁体２ａを高く形成し、ピストン体２内部にコイルバネ４を配置し、ハウジング１側の一対のプーリ１１をピストン体２の基部となるハウジング１底部に配置している。
この構成の場合、コイルバネ４をピストン体２内に配置し、ハウジング１側のプーリ１１を下方に配置することで、コイルバネ４の弾性による付勢力は図１とは逆方向となり、ピストン体２を伸張する方向に作用するし、駆動紐体３の作用によりピストン体２は収縮される。従って、コイルバネ４の作用でピストン体２内に流体は流入し、駆動紐体３の作用でピストン体２内から流体は送出される。
このように構成しても、良好な流体の搬送を実施できる。

図７は、本発明のポンプの第６実施形態を示している。図１とはピストン体の構造が異なっている。尚、図１と同一の構成部材には同一の符号を付与し、説明を省略する。
図７では、２１がピストン体であり、筒状体１９とその内壁を摺動する摺動体２０の２部材で分離形成している。このように、ピストン体は、従来のピストンのように形成しても良い。

尚、図７に示すピストン体２１は、図１の掛止部材、駆動紐体の架け渡し構成に限らず、他の構成例えば図３〜図６の構成に対して適用できる。

本発明に係るポンプの第１実施形態を示す断面説明図である。図１の動作状態を示す断面説明図である。本発明の第２実施形態を示すポンプの断面説明図である。本発明の第３実施形態を示すポンプの断面説明図である。本発明の第４実施形態を示すポンプの断面説明図である。本発明の第５実施形態を示すポンプの断面説明図である。本発明の第６実施形態を示すポンプの断面説明図である。

符号の説明

１・・ハウジング、２・・ピストン体、２ａ・・側壁体、２ｂ・・天板、３・・駆動紐体、４・・コイルバネ、５・・流体流入口、６・・流体流出口、７・・第１逆止弁、８・・第２逆止弁、１０・・プーリ（移動掛止部材）、１１・・プーリ（固定掛止部材）、１２・・電極、１３・・係止部、２１・・ピストン体。

Claims

一定方向に伸縮して内容積が増減するピストン体と、該ピストン体に流体を流入させる為の第１逆止弁と、前記ピストン体から流体を流出させるための第２逆止弁と、前記ピストン体が伸張或いは収縮する方向へ付勢するコイルバネと、該コイルバネの付勢に抗する方向へ前記ピストン体を引っ張り操作する紐状の形状記憶合金からなる駆動紐体とを有し、
それらを収納したハウジングに、前記駆動紐体の端部を係止する係止部及び該係止部に連結されて前記駆動紐体に通電するための電極を設け、
前記駆動紐体は、前記コイルバネの周囲で前記係止部と前記ピストン体との間に架け渡され、
前記電極に外部から通電される電流をオン／オフすることで、前記駆動紐体を伸縮させ、前記ピストン体を伸縮動作させて流体を搬送することを特徴とするポンプ。
ハウジングは、下面に流体流入口、流体流出口を有した略立方体形状であって、ハウジング内底部にピストン体を配置すると共にピストン体上方に駆動紐体の係止部を配置し、更に、前記ピストン体上部に駆動紐体を掛止する移動掛止部材を少なくとも１個設けると共に、ハウジング内壁にも駆動紐体を掛止する固定掛止部材を少なくとも１個設け、
連続した１本の駆動紐体を前記移動及び固定掛止部材間に架け渡した請求項１記載のポンプ。
移動掛止部材、固定掛止部材の少なくとも一方が、駆動紐体の伸縮に応じて回転動作するプーリである請求項２記載のポンプ。
ピストン体は、筒状でべローズ状に伸縮する側壁体と、該側壁体上部を閉塞する天板とを有し、前記側壁体及び天板が一体に形成されてなる請求項１乃至３の何れかに記載のポンプ。
ハウジングの容積が、０．５〜２０ｃｍ³である請求項１乃至４の何れかに記載のポンプ。