JP2006083848A - マイクロメンブレインポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型ながら効率よく、且つマイクロメンブレインポンプが設けられる小型電子機器における空間効率を極大化させるマイクロメンブレインポンプを提供する。
【解決手段】マイクロメンブレインポンプは、流体流入室および流体流出室から区切られたポンプハウジングと、流体流入室に応じた多数の中間流入開口および流体流出室に応じた多数の中間流出開口が形成されたバルブプレートと、中間流入開口および中間流出開口にそれぞれ設けられる流入チェックバルブおよび流出チェックバルブを備えたバルブ組立体と、バルブ組立体との間に所定のポンプチャンバーが形成されるべくポンプハウジングに設けられ、第１位置と第２位置との間に移動可能なメンブレインと、メンブレインを第１位置および第２位置のいずれかに位置するように駆動するアクチュエータとを含む。
【選択図】 図５

Description

本発明は、流体を移動させるポンプに関し、詳細にはマイクロメンブレインポンプに関する。

一般に、マイクロメンブレインポンプ（ｍｉｃｒｏ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｐｕｍｐ）のような小型流体の移動装置はＭＥＭＳ分野にて主に使用され、特に電子機器や部品に使われる。
このような小型電子機器や部品は、トランジスタの集積度が向上するにつれ内部から発生する熱が原因で電子部品の誤動作および部品の損傷を招くおそれがある。従って、係る電子部品に対する冷却問題は、小型電子部品を使用する電子機器において重要な問題となっている。さらに、携帯用電子機器の移動電源として燃料電池を使用する場合、化学反応のための酸素供給が必要とされる。

従来の小型電子機器や部品に使用される冷却装置や燃料電池の酸素供給のための空気供給装置は回転ファン内蔵方式であって、一定量の空気を小型電子機器や部品に供給したり、冷却ピンを外表面に取り付けて小型電子機器や部品の熱伝導または空気流れを促進して冷却する方式である。しかし、係る冷却装置や空気供給装置は、サイズおよび体積の増大化、ノイズ発生、冷却機能低下といった色々な問題を抱えているので、機器の小型化を求める小型電子機器や部品には適さない。これに対して、最近ではマイクロメンブレインポンプを採用することで小型化を図ることが行われている。図１および図２に、このようなマイクロメンブレインポンプに関する一例を示す。

図示したように、マイクロメンブレインポンプは、アクチュエータ４０、メンブレイン３０、流入チェックバルブ２６と流出チェックバルブ２８を含むバルブユニット２０、流入チャネル１７と流出チャネル１８を備えるベースフレーム１０、およびハウジング１２を含む。流入チャネル１７には流入チェックバルブ２６が、流出チャネル１８には流出チェックバルブ２８がそれぞれ設けられている。係る構成のマイクロメンブレインポンプの動作につき図３および図４に基づいて詳説する。

図３は、アクチュエータ４０によりメンブレイン３０がＡ方向に向って働く場合であり、図４はアクチュエータ４０によりメンブレイン３０がＢ方向に働く場合マイクロメンブレインポンプの動作を示した図である。
図３および図４に基づいて説明すると、アクチュエータ４０が駆動することによってアクチュエータ４０と接着物質により結合されたメンブレイン３０も上下振動する。図３に示したように、アクチュエータ４０が矢印のＡ方向、即ちベースフレーム１０の逆方向に振動する場合、メンブレイン３０もＡ方向に移動する。すると、ポンプチャンバー５０は体積が変わり内部の圧力が変化する。ポンプチャンバー５０内部の圧力差により流入チェックバルブ２６がオープンし、流体は流入チャネル１７を介してポンプチャンバー５０内に流入する。そして、図４に示したように、アクチュエータ４０が矢印のＢ方向、即ち、ベースフレーム１０方向に振動する場合に、メンブレイン３０もＢ方向に移動する。すると、ポンプチャンバー５０内の圧力変化により流出チェックバルブ２８がオープンし、ポンプチャンバー５０内の流体は流出チャネル１８を介して流出する。なお、流入チェックバルブ２６は、図３に示すような流体の流入時にはオープンするが、図４に示すような流体の流出時には閉じるため、流入チャネル１７を介して流体が流出することはない。

しかしながら、前述したマイクロメンブレインポンプは、既存の流体移動装置に比べてそのサイズを減らし得るものの、単位時間当りの流体移動量は既存装置に比べて向上されるものではなく、効率面で向上されているとは言えない。従って、効率を高めるためには流入チャネル１７および流出チャネル１８の断面積を増やす必要があり、これによりメンブレイン３０およびベースフレーム１０の直径を増加する必要がある。このようにメンブレイン３０およびベースフレーム１０のサイズを増加する場合、小型化といった目的に適合しなくなる。さらに、前述のマイクロメンブレインポンプを小型電子機器に設けるとき、他の核心的な構成要素を先に配置した後、残りの空間に配置される、即ち、２次的に考慮される部品である。従って、流体の移動量を増加させるために前述したようにメンブレインおよびベースフレームの直径を増加するには一定の限界があるという問題を内包する。

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、小型ながらも効率よく、特にマイクロメンブレインポンプが設けられた小型電子機器における空間効率を極大化させることのできるマイクロメンブレインポンプを提供することにある。

前述の目的を達成するために本発明に係るマイクロメンブレインポンプは、流体流入室および流体流出室から区切られたポンプハウジングと、前記ポンプハウジングに設けられ、前記流体流入室に応じた多数の中間流入開口および前記流体流出室に応じた多数の中間流出開口が形成されたバルブプレートと、前記中間流入／出開口にそれぞれ設けられる流入／出チェックバルブを備えたバルブ組立体と、前記バルブ組立体との間に所定のポンプチャンバーが形成されるべく前記ポンプハウジングに設けられ、第１位置と第２位置との間に移動可能なメンブレインと、前記メンブレインを第１位置および第２位置のいずれかに位置するように駆動するアクチュエータとを含むことを特徴とする。

さらに、前記中間流入開口および中間流出開口はそれぞれ一列に整列して設けることが好ましい。
さらに、前記中間流入開口および中間流出開口が互いに向かい合うよう対称に配置されていることが好ましい。
前記ポンプハウジングは、前記流体流入室への流体流入のための流入開口と、前記流体流出室からの流体排出のための流出開口と、前記流体流入室と流出室とを仕切る隔壁とを備えることを特徴とする。

さらに、前記流入開口および流出開口は、前記ポンプハウジングの一方の側面に並んで形成されるか、両方の側面に対向して形成されることが好ましい。
前記アクチュエータは、圧電駆動方式、静電駆動方式、電磁駆動方式のいずれかの方式により駆動することがよい。

本発明によるマイクロメンブレインポンプは、複数の中間流入／出開口およびこれに対応する流入／出チェックバルブを一列に整列してバルブプレートに設け、前記バルブプレートおよびポンプハウジング、メンブレインを一方長さ方向、即ち、１次元方向にのみ拡張することによって、単位時間当り流れる流体の流量を増加することができる。従って、既存の単位時間当りに流出入する流量を増大するために、ベースフレームおよびメンブレインの直径、即ち、２次元方向に拡張せずに済み、単位時間当り流れる流体の流量を増加することができて、マイクロメンブレインポンプが設けられる小型電子機器への空間効率を極大化することができる。

さらに、複数の中間流入／出チェックバルブを一列に整列して配置することによって、バルブの流動抵抗が減少し単位時間当り多量の流体を安定的に流動させることができる。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。

図５ないし図７に基づいて説明すると、本発明の一実施の形態に係るマイクロメンブレインポンプ１００は、ポンプハウジング１１０、バルブ組立体１２０、メンブレイン１３０、およびアクチュエータ１４０を含んでいる。
ポンプハウジング１１０はマイクロメンブレインポンプ１００の外観をなし、外部の空気のような流体が流入され、これを排出する。ポンプハウジング１１０は四角フレームの形状を有し、一方向に長く形成される。ポンプハウジング１１０の内部には、ポンプハウジング１１０を横切って、流体流入室１１１および流体流出室１１３を区分付ける隔壁１１６が設けられている。ポンプハウジング１１０の長さ方向一方の端部には、外部の流体を流体流入室１１１に流入する流入開口１１２および流体流出室１１３からの流体排出のための流出開口１１４が並んで形成されている。本実施の形態では図示されてないが、流入開口１１２および流出開口１１４は互いに対称にポンプハウジング１１０の長さ方向両端部に形成することも可能である。流入開口１１２および流出開口１１４には、外部と流体を交換することのできる流体運送手段（図示せず）が連結されている。

バルブ組立体１２０は、ポンプハウジング１１０内に長手方向に長く設けられており、少なくとも１つの中間流入開口１２２および中間流出開口１２４が形成されるバルブプレート１２１、複数の流入チェックバルブ１２６、流出チェックバルブ１２８が形成される。
複数の中間流入開口１２２および中間流出開口１２４は、バルブプレート１２１の長手方向に一列に整列して形成されることが好ましい。さらに、中間流入開口１２２および中間流出開口１２４は、隔壁１１６を挟んで互いに向かい合うように対称に配置されることが好ましい。ポンプハウジング１１０の流入開口１１２を介して外部から流入する流体は、複数の中間流入開口１２２を介してポンプチャンバー１５０に入る。このポンプチャンバー１５０に流入した流体は、複数の中間流出開口１２４を介してポンプチャンバー１５０から抜け出し、ポンプハウジング１１０の流出開口１１４を介してポンプハウジング１１０の外部へ流出する。

各中間流入開口１２２には流入チェックバルブ１２６が設けられ、各中間流出開口１２４には流出チェックバルブ１２８が設けられる。従って、流入チェックバルブ１２６および流出チェックバルブ１２８は、中間流入開口１２２および中間流出開口１２４と同様にバルブプレート１２１に一列に整列され、且つ互いに対称に形成される。流入チェックバルブ１２６および流出チェックバルブ１２８は、流体が一定方向に流れるよう流体の出入を制御する。そして、流入チェックバルブ１２６および流出チェックバルブ１２８はフレキシブルな材質から形成されていることから、メンブレイン１３０の位置移動によるポンプチャンバー１５０の圧力変化により開閉される。バルブプレート１２１の中間流入開口１２２および中間流出開口１２４には溝部１２５が形成されており、この溝部１２５に流入チェックバルブ１２６および流出チェックバルブ１２８が収容されている。

このように、複数の中間流入開口１２２、中間流出開口１２４および流入チェックバルブ１２６、流出チェックバルブ１２８を一列にバルブ組立体１２０に設けて、バルブ組立体１２０およびポンプハウジング１１０、メンブレイン１３０を一方の長手方向、即ち、１次元方向にのみ拡張することによって、単位時間当りに流れる流量を増加することができる。既存の装置において単位時間当りに流出入する流量を増大させるためには、流出入チャネルの直径を増加しなければならず、これは結局、ベースフレーム１０（図１参照）およびメンブレイン３０（図１参照）の直径サイズ、即ち、２次元方向の拡張と繋がっていた。しかし、本発明によると、1次元方向にのみ拡張することによって単位時間当りに流れる流量を増加し、これからマイクロメンブレインポンプが設けられた小型電子機器の空間効率を極大化することができる。

さらに、複数の中間流入開口１２２、中間流出開口１２４および流入チェックバルブ１２６、流出チェックバルブ１２８を一列に整列配置することによって、バルブの流動抵抗を減少し、単位時間当り多量の流量を安定的に流動させることができる。
メンブレイン１３０はバルブ組立体１２０の上部に設けられ、ポンプハウジング１１０における両側の壁１１８の上端と結合される。メンブレイン１３０とバルブ組立体１２０との間にはポンプチャンバー１５０が形成される。メンブレイン１３０はアクチュエータ１４０の駆動により第１位置および第２位置の間を移動する。

アクチュエータ１４０は、メンブレイン１３０と結合してメンブレイン１３０を駆動するが、その駆動方式として圧電（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）駆動方式、電磁（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）駆動方式、静電（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ）駆動方式といった駆動方式があり、本発明の実施形態では圧電（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）駆動方式を使用した例について説明する。圧電駆動方式によると、アクチュエータ１４０は圧電物質からなり、上下部に電極が設けられる。

以下、図８および図９に基づいて、本発明の実施形態に係るマイクロメンブレインポンプ１００の作動につき説明する。図８は、メンブレイン１３０が第１位置に位置する場合、図９は、メンブレイン１３０が第２位置に位置する場合のマイクロメンブレインポンプ１００の動作を示す図である。
マイクロメンブレインポンプ１００を作動させるための電圧が、アクチュエータ１４０に印加される。印加される電圧は交流電圧であって、交流電圧を加えることにより、圧電物質から構成されたアクチュエータ１４０が上下振動する。係る圧電物質は、一般に外部からの外力が加えられた場合に、加えられた外力、即ち機械的なエネルギーに対応する電気的エネルギー（ｅｘ：電圧）を発生し、反対に電気的エネルギーを圧電物質に加えることにより機械的エネルギーを発生する。この際、加えられた電気的エネルギーが交流電圧である場合には圧電物質は振動する性質を有する。

アクチュエータ１４０に交流電圧を印加するとアクチュエータ１４０は振動し、これと結合したメンブレイン１３０も第１位置および第２位置の間で上下振動する。
図８に示したように、アクチュエータ１４０が矢印のＥ方向に振動する場合について説明する。この場合、アクチュエータ１４０に連結されたメンブレイン１３０も矢印のＥ方向に上昇し第１位置に位置することとなる。このメンブレイン１４０の上昇に従ってポンプチャンバー１５０が拡張する。この時、バルブ組立体１２０の流入チェックバルブ１２６がオープンし、流出チェックバルブ１２８が閉じる。

即ち、メンブレイン１３０に及ぼす外力の変化により、ポンプチャンバー１５０は体積が大きくなり内部の圧力が小さくなる。このような圧力差によって流入チェックバルブ１２６はオープンする。ポンプハウジング１１０の流入開口１１２を介して外部から流入する流体は中間流入開口１２２を介してポンプチャンバー１５０を充填する。
一方、図９に示したように、アクチュエータ１４０が矢印のＦ方向に振動する場合につき説明する。この場合、アクチュエータ１４０に連結されたメンブレイン１３０も矢印のＦ方向に下降し第２位置に位置することになる。なお、バルブ組立体１２０の流出チェックバルブ１２８がオープンし、流入チェックバルブ１２６が閉じる。

即ち、メンブレイン１３０に及ぼす外力の変化によりポンプチャンバー１５０は体積の減少によって内部圧力が大きくなる。また、係る圧力差により流出チェックバルブ１２８がオープンする。従って、ポンプチャンバー１５０にある流体は中間流出開口１２４を介してポンプチャンバー１５０の外部に流出し、ポンプハウジング１１０の流出開口１１４を介してポンプハウジング１１０の外部へ流出する。

このような方式でアクチュエータ１４０の駆動によってメンブレイン１３０は上下移動し、例えば、電子機器の被冷却部品または燃料電池の空気供給部などのような流体の供給を必要とする部品に、空気などの一定量の流体を供給することで被冷却部品を冷却したり必要な所定空気を燃料電池の空気供給部に供給することができる。
以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

本発明に係るマイクロメンブレインポンプはＭＥＭＳ分野にて多く使用され、特に小型電子機器や部品に用いられる。

従来技術に係るマイクロメンブレインポンプの分離斜視図である。 図１の組立断面図である。 従来のマイクロメンブレインポンプの作用を説明するための断面図である。 従来のマイクロメンブレインポンプの作用を説明するための断面図である。 本発明の一実施の形態に係るマイクロメンブレインポンプの分離斜視図である。 図５が組立てられた時のＶＩ− ＶＩ線の断面図である。 図５が組立てられた時のＶＩＩ− ＶＩＩ線の断面図である。 本発明に係るマイクロメンブレインポンプの作用を説明するための断面図である。 本発明に係るマイクロメンブレインポンプの作用を説明するための断面図である。

符号の説明

１１０ ポンプハウジング
１１２ 流入開口
１１４ 流出開口
１１６ 隔壁
１２０ バルブ組立体
１２２ 中間流入開口
１２４ 中間流出開口
１２６ 流入チェックバルブ
１２８ 流出チェックバルブ
１３０ メンブレイン
１４０ アクチュエータ
１５０ ポンプチャンバー

Claims (8)

1. 流体流入室および流体流出室から区切られたポンプハウジングと、
   前記ポンプハウジングに設けられ、前記流体流入室に応じた多数の中間流入開口および前記流体流出室に応じた多数の中間流出開口が形成されたバルブプレートと、前記中間流入／出開口にそれぞれ設けられる流入／出チェックバルブを備えたバルブ組立体と、
   前記バルブ組立体との間に所定のポンプチャンバーが形成されるべく前記ポンプハウジングに設けられ、第１位置と第２位置との間に移動可能なメンブレインと、
   前記メンブレインを第１位置および第２位置のいずれかに位置するように駆動するアクチュエータと、
   を含むことを特徴とするマイクロメンブレインポンプ。
2. 前記ポンプハウジングは、四角フレーム状であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロメンブレインポンプ。
3. 前記中間流入開口および中間流出開口はそれぞれ一列に整列して設けられることを特徴とする請求項１に記載のマイクロメンブレインポンプ。
4. 前記中間流入開口および中間流出開口が互いに向かい合うように対称に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロメンブレインポンプ。
5. 前記ポンプハウジングは、
   前記流体流入室への流体流入のための流入開口と、
   前記流体流出室からの流体排出のための流出開口と、
   前記流体流入室と流体流出室とを仕切る隔壁と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載のマイクロメンブレインポンプ。
6. 前記流入開口および流出開口は、前記ポンプハウジングの一方の側面に並んで形成されることを特徴とする請求項５に記載のマイクロメンブレインポンプ。
7. 前記流入開口および流出開口は、前記ポンプハウジングの両方の側面に対向して形成されることを特徴とする請求項５に記載のマイクロメンブレインポンプ。
8. 前記アクチュエータは、圧電駆動方式、静電駆動方式、電磁駆動方式のいずれかの方式により駆動することを特徴とする請求項１に記載のマイクロメンブレインポンプ。

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