JP2007239737A - ミキシングポンプ装置および燃料電池 - Google Patents

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満雄 横沢
Kenji Muramatsu
健次 村松
Katsumi Takatsu
克巳 高津
Toshihiko Ichise
俊彦 市瀬
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Nidec Sankyo Corp
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Abstract

【課題】ポンプの作動段階を検出しなくても、複数の流体を所定の比率で混合して供給す
ることのできるミキシングポンプ装置、およびこのミキシングポンプ装置を備えた燃料電池を提供すること。
【解決手段】ミキシングポンプ装置１では、弁体１７の位置にかかわらず、ステッピング
モータ１２が一方方向に回転している間、流出路４に配置したアクティブバルブ６を閉状
態とし、流入路３に配置したアクティブバルブ５を順次開閉させるだけで、複数の流体を
所定の比率でポンプ室２に吸引することができ、ステッピングモータ１２が他方方向に回
転している間、流入路３に配置したアクティブバルブ５を閉状態とし、流出路４に配置し
たアクティブバルブ６を開状態にするだけでポンプ室２から混合流体を吐出することがで
きる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の流体を混合して供給するミキシングポンプ装置、およびこのミキシングポンプ装置を備えた燃料電池に関するものである。
複数の流体を所定の比率で混合して吐出するミキシングポンプ装置のうち、１台のポンプ機構で複数の流体を吸引、混合、吐出するものとしては、例えば、高速液体クロマトグラフィ装置において、複数種類の溶媒をプランジャポンプで吸引、混合してカラムに向けて吐出するミキシングポンプ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ここに開示のミキシングポンプ装置では、例えば、ステッピングモータの一方方向の回転をカム機構を介してプランジャに伝達してポンプ室の内容積を拡大、縮小させる。そして、ポンプ室を拡大させる間、２つの流入路の各々に配置されたバルブを順次、開閉することにより、２つの流入路の各々から吸引した液体をポンプ室で混合する一方、ポンプ室を縮小させてポンプ室で混合した液体を吐出する。
特許第３１１７６２３号公報
しかしながら、特許文献１に開示のミキシングポンプ装置では、ステッピングモータの一方方向の回転をカム機構を介してプランジャに伝達してポンプ室の内容積を拡大、縮小させるため、フォトインタラプタなどによりカムの位置を検出することによりポンプ機構の作動段階を検出する検出手段が必要である。このため、特許文献１に開示のミキシングポンプ装置は、装置構成が複雑で小型化および低コスト化を図ることができないという問題点がある。
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、ポンプの作動段階を検出しなくても、複数の流体を所定の比率で混合して供給することのできるミキシングポンプ装置、およびこのミキシングポンプ装置を備えた燃料電池を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明では、ポンプ室と、該ポンプ室に配置された弁体と、該弁体を駆動するためのモータを備えた駆動装置と、前記ポンプ室に連通する複数の流入路と、前記ポンプ室に連通する流出路と、前記流入路および前記流出路の各々に配置された複数のバルブと、該複数のバルブを制御する制御装置とを有し、前記弁体の駆動および前記複数のバルブの開閉により前記複数の流入路の各々から前記ポンプ室に吸引した流体を混合して前記流出路から吐出するミキシングポンプ装置において、前記駆動装置は、前記モータが一方方向に回転したときに前記ポンプ室の内容積が拡大する方向に前記弁体を駆動し、前記モータが他方方向に回転したときに前記ポンプ室の内容積が縮小する方向に前記弁体を駆動することを特徴とする。
本発明では、弁体の駆動および複数のバルブの開閉により、複数の流入路の各々からポンプ室に順次、吸引した流体を混合した後、流出路から吐出するにあたって、駆動装置は、モータが一方方向に回転したときにポンプ室の内容積が拡大する方向に弁体を駆動し、モータが他方方向に回転したときにポンプ室の内容積が縮小する方向に弁体を駆動する。このため、弁体の位置にかかわらず、モータが一方方向に回転している間、流出路に配置したバルブを閉状態とし、流入路に配置したバルブを順次開閉させるだけで、複数の流体を所定の比率でポンプ室に吸引することができ、モータが他方方向に回転している間、流入路に配置したバルブを閉状態とし、流出路に配置したバルブを開状態にするだけでポンプ室から混合流体を吐出することができる。従って、モータの一方向の回転をカム機構を介して弁体に伝達する構成と違って、カムの位置などをフォトインタラプタで監視する必要がない。
本発明において、前記流出路は複数、構成され、当該複数の流出路の各々に前記バルブが配置されている構成を採用してもよい。このように構成すると、流入路に配置したバルブを閉状態とし、流出路に配置した複数のバルブを順次開閉するだけで、ポンプ室から混合流体を複数の流出路を介して順次、吐出することができる。
本発明において、前記流入路および前記流出路は、例えば、互いに独立して前記ポンプ室に連通している構成を採用することが好ましい。
本発明において、前記流入路から１種類の流体のみを吸入し、異なる流体を吸入せずに前記流出路から吐出する動作を行わせてもよい。
本発明において、前記弁体としては、例えばダイヤフラム弁を用いることができる。
本発明において、前記制御装置は、前記流入路から流入する複数の流体のうち、混合比が最も低い流体が前記ポンプ室に流入する前に、当該流体よりも混合比の高い流体の少なくとも一部が前記ポンプ室に流入するように前記バルブの開閉を制御することが好ましい。このように構成すると、各流体を確実に混合することができる。
本発明において、前記制御装置は、前記流入路から流入される複数の流体の流入量を制御することにより、前記流体の混合比を制御可能、かつ、前記流出路からの吐出量を制御可能である。
本発明に係るミキシングポンプ装置は、各種装置に用いることができる。例えば、本発明に係るミキシングポンプ装置を燃料電池の燃料供給装置として用いた場合、燃料電池の起電部で用いる燃料を前記流出路から供給する。
本発明に係るミキシングポンプ装置を燃料電池の燃料供給装置として用いた場合、前記複数の流入路のうちの１つは、未調製燃料タンクから未調製燃料を流入させる未調製燃料用流入路であり、他の少なくとも１つは水を含む希釈液を流入させる希釈液用流入路である。
すなわち、本発明に係る燃料電池は、少なくとも、起電部と、燃料供給装置としてのミキシングポンプ装置と、未調製燃料タンクとを有し、前記ミキシングポンプ装置は、ポンプ室と、該ポンプ室に配置された弁体と、該弁体を駆動するためのモータを備えた駆動装置と、前記ポンプ室に連通する複数の流入路と、前記ポンプ室に連通する流出路と、前記流入路および前記流出路の各々に配置された複数のバルブと、該複数のバルブを制御する制御装置とを備え、前記駆動装置は、前記モータが一方方向に回転したときに前記ポンプ室の内容積が拡大する方向に前記弁体を駆動し、前記モータが他方方向に回転したときに前記ポンプ室の内容積が縮小する方向に前記弁体を駆動し、前記弁体の駆動および前記複数のバルブの開閉により前記複数の流入路の各々から前記ポンプ室に吸引した複数の流体を混合して燃料を調製するとともに、当該燃料を前記流出路から前記起電部に供給し、前記複数の流入路のうちの１つは、前記未調製燃料タンクから未調製燃料を流入させる未調製燃料用流入路であり、他の少なくとも１つは水を含む流体を流入させる希釈液用流入路であることを特徴とする。
このように構成すると、未調製燃料タンクから未調製燃料用流入路を介して供給された未調製燃料と、希釈液用流入路を介して供給された希釈液とを混合して最適組成の燃料を供給することができる。ここで、未調製燃料は、例えば、アルコール、あるいは最適濃度よりも高濃度のアルコール水溶液であり、希釈液は水、あるいは最適濃度よりも低濃度のアルコール溶液である。また、未調製燃料が最適濃度のアルコール水溶液である場合、かかるアルコール水溶液を希釈せずに、起電部に供給してもよい。
本発明に係る燃料電池で用いられる燃料は、プロトンを発生可能な含水素流体である。この場合、前記含水素流体は、アルコールを含んでいることが好ましい。例えば、前記含水素流体は、メチルアルコールおよびエチルアルコールのうちの少なくとも一方を含んでいることが好ましく、これらのアルコールの水溶液であることが好ましい。このようなアルコールであれば、プロトンを発生させるために必要なエネルギーが小さくて済むので、発電効率を向上することができる。また、前記含水素流体（燃料）としては、エチレングリコール水溶液やジメチルエーテル水溶液を用いてもよい。
本発明において、前記希釈液は、起電部で生成された生成水を含んでいる構成を採用してもよい。すなわち、前記希釈液用流入路は、起電部で生成された生成水を含む水を流入させる構成を採用してもよい。例えば、起電部で生成された生成水を水タンクに回収し、この水タンクから希釈液用流入路を介してポンプ室に導入してもよい。このように構成すると、起電部で生成された生成水を効率よく再利用することができるので、水の放出を最小限に抑えることができ、さらには、水の放出を無くすことも可能となる。
本発明において、前記流出路が複数、構成されている場合、当該複数の流出路には、前記起電部に冷却液を供給する冷却液用流出路が含まれている構成を採用してもよい。このように構成すると、本発明を適用したミキシングポンプ装置によって起電部の冷却を行うことができ、専用の冷却水供給装置が不要である。
このような冷却を行う場合、前記流入路から水のみを吸入し、前記冷却用流出路は、前記冷却液として冷却水を前記起電部に供給することが好ましい。このように構成した場合、冷却水も回収して希釈液として用いることが好ましい。すなわち、起電部を冷却した後の冷却水を水タンクに回収し、回収した水を水タンクから希釈液用流入路を介してポンプ室に導入してもよい。このように構成すると、冷却水を効率よく再利用することができので、水の放出を最小限に抑えることができ、さらには、水の放出を無くすことも可能となる。
本発明のミキシングポンプ装置では、弁体の位置にかかわらず、モータが一方方向に回転すればポンプ室への流体の吸引を行うことができ、モータが他方方向に回転すればポンプ室からの吐出を行うことができる。従って、モータの一方向の回転をカム機構を介して弁体に伝達する構成と違って、カムの位置などをフォトインタラプタで監視する必要がない。それ故、本発明によれば、装置構成を簡素化できるので、小型化および低コスト化を図ることができる。また、本発明に係るミキシングポンプ装置を燃料電池の燃料供給装置として用いれば、未調製燃料と希釈液とを混合して最適組成の燃料を起電部に供給することができる。さらに、本発明に係るミキシングポンプ装置を燃料電池の燃料供給装置として用いれば、起電部で生成された水を希釈液として再利用することができる。さらにまた、本発明に係るミキシングポンプ装置を燃料電池の燃料供給装置として用いれば、ミキシングポンプ装置から起電部に冷却水を供給することができるとともに、冷却水を回収して希釈液として再利用することもできる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
［ミキシングポンプ装置の概略説明］
（装置構成）
図１は、本発明を適用したミキシングポンプ装置の基本構成を示す概念図である。図１に示すように、本形態のミキシングポンプ装置１では、ポンプ装置本体７で複数の流入口３０と流出口４０とが開口しており、図１には、２つの流入口３０ａ、３０ｂ、および２つの流出口４０ａ、４０ｂが開口している例を示してある。ポンプ装置本体７には、ポンプ室２と、ポンプ室２と流入口３０ａ、３０ｂに接続された流入路３（３ａ、３ｂ）と、ポンプ室２および流出口４０ａ、４０ｂに接続された複数の流出路４（４ａ、４ｂ）とが構成されている。ここで、流入路３（３ａ、３ｂ）および流出路４（４ａ、４ｂ）は、互いに独立してポンプ室２に連通している。
また、流入路３（３ａ、３ｂ）には流入側アクティブバルブ５（５ａ、５ｂ）が構成され、流出路４（４ａ、４ｂ）には流出側アクティブバルブ６（６ａ、６ｂ）が構成され、ポンプ室２に対してポンプ機構１３が構成されている。ここで、ポンプ機構１３は、ポンプ室２に配置された弁体１７と、この弁体１７を駆動するためのステッピングモータ１２を備えた駆動装置１０５とを備えている。また、流入側アクティブバルブ５ａ、５ｂおよび流出側アクティブバルブ６ａ、６ｂに対しては、これらのバルブの開閉を制御する制御装置（図示せず）が構成されている。
（動作）
図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示すミキシングポンプ装置の動作を示すタイミングチャート図、および弁体の位置と分解能との関係を示す説明図である。図３（ａ）〜（ｄ）は、ダイヤフラム弁の変形に関する説明図である。
本形態において、駆動装置１０５では、ステッピングモータ１２が一方方向に回転したときにポンプ室２の内容積が拡大する方向に弁体１７を駆動し、ステッピングモータ１２が他方方向に回転したときにポンプ室２の内容積が縮小する方向に弁体１７を駆動する。このような動作に連動して、制御装置は、複数のアクティブバルブ５、６の開閉を制御することにより、２つの流入路３の各々からポンプ室２に順次、吸引した流体をポンプ室２で混合した後、流出路４から吐出する。
図１および図２（ａ）を参照して、本形態のミキシングポンプ装置１の動作をより具体的に説明する。ここで、２つの流入路３ａ、３ｂのうち、流入路３ａを介して第１の液体ＬＡを吸引し、流入路３ｂを介して第２の液体ＬＢを吸引するとともに、その際の第１の液体ＬＡと第２の液体ＬＢの流入量の比（混合比）が１：５である場合を説明する。なお、図２（ａ）において、最上段には、ポンプ機構１３の吸引、吐出を示してあり、ポンプ機構１３での吸引はステッピングモータ１２が例えば、時計回りに回転して弁体１７がポンプ室２の内容積を拡大させる方向に移動することにより行われ、ポンプ機構１３での吐出はステッピングモータ１２が例えば、反時計回りに回転して弁体１７がポンプ室２の内容積を縮小させる方向に移動することにより行われる。また、ポンプ機構１３の停止は、ステッピングモータ１２に対する給電が停止したときに行われる。なお、流入側アクティブバルブ５（５ａ、５ｂ）および流出側アクティブバルブ６（６ａ、６ｂ）のいずれにおいても、正のパルスが入力された以降、アクティブバルブ５、６は開状態にあり、負のパルスが入力された時点で閉状態に切り換わる。また、負のパルスが入力された以降、アクティブバルブ５、６は閉状態にあり、正のパルスが入力された時点で開状態に切り換わる。
図２（ａ）において、まず、時間ｔ１では、ステッピングモータ１２への給電が停止されており、ポンプ機構１３は停止状態にある。また、時間ｔ１までは全てのアクティブバルブ５、６が閉状態にある。
この状態で時間ｔ１において、２つの流入側アクティブバルブ５ａ、５ｂのうち、液体ＬＢに対応する流入路３ｂに配置された流入側アクティブバルブ５ｂのみが開状態に切り換わる。次に、時間ｔ２でステッピングモータ１２に給電されてステッピングモータ１２が時計回りに回転すると弁体１７がポンプ室２の内容積を拡大させる方向に移動するため、流入路３ｂからポンプ室２に液体ＬＢが流入する。そして、時間ｔ３までステッピングモータ１２に１２５ステップ分のパルスが入力された後、時間ｔ３でステッピングモータ１２への給電が停止すると、弁体１７が停止する。同時に、流入側アクティブバルブ５ｂが開状態から閉状態に切り換わる。その結果、流入路３ｂからポンプ室２への液体ＬＢの流入が停止する。それにより、液体ＬＢについては、全体の１／２の量がポンプ室２に流入する。
次に、時間ｔ４において、流入側アクティブバルブ５ａのみが開状態に切り換わり、時間ｔ５でステッピングモータ１２に給電されてステッピングモータ１２が時計回りに回転すると弁体１７がポンプ室２の内容積を拡大させる方向に移動するため、流入路３ａからポンプ室２に液体ＬＡが流入する。そして、時間ｔ６までステッピングモータ１２に５０ステップ分のパルスが入力された後、時間ｔ６でステッピングモータ１２への給電が停止すると、弁体１７が停止する。同時に、流入側アクティブバルブ５ａが開状態から閉状態に切り換わる。その結果、流入路３ａからポンプ室２への液体ＬＡの流入が停止する。それにより、液体ＬＡについては、全量がポンプ室２に流入する。
次に、時間ｔ７において、再び流入側アクティブバルブ５ｂのみが開状態に切り換わり、時間ｔ８でステッピングモータ１２に給電されてステッピングモータ１２が時計回りに回転すると弁体１７がポンプ室２の内容積を拡大させる方向に移動するため、流入路３ｂからポンプ室２に液体ＬＢが流入する。そして、時間ｔ９までステッピングモータ１２に１２５ステップ分のパルスが入力された後、時間ｔ９でステッピングモータ１２への給電が停止すると、弁体１７が停止する。同時に、流入側アクティブバルブ５ｂが開状態から閉状態に切り換わる。その結果、流入路３ｂからポンプ室２への液体ＬＢの流入が停止する。それにより、液体ＬＢについては、全体の残り１／２の量がポンプ室２に流入し、液体ＬＢの流入が完了する。
次に、時間ｔ１１において、２つの流出側アクティブバルブ６ａ、６ｂのうち、流出側アクティブバルブ６ａのみが開状態に切り換わり、時間ｔ１２でステッピングモータ１２に給電されてステッピングモータ１２が反時計回りに回転すると弁体１７がポンプ室２の内容積を縮小させる方向に移動するため、ポンプ室２の混合流体は流出路４ａから吐出される。そして、時間ｔ１３までステッピングモータ１２に１５０ステップ分のパルスが入力された後、時間ｔ１３でステッピングモータ１２への給電が停止すると、弁体１７が停止する。同時に、流出側アクティブバルブ６ａが開状態から閉状態に切り換わる。その結果、ポンプ室に流入した液体の１／２に相当する量の混合液体が流出路４ａから吐出される。
次に、時間ｔ１４において、２つの流出側アクティブバルブ６ａ、６ｂのうち、流出側アクティブバルブ６ｂのみが開状態に切り換わり、時間ｔ１５でステッピングモータ１２に給電されてステッピングモータ１２が反時計回りに回転すると弁体１７がポンプ室２の内容積を縮小させる方向に移動するため、ポンプ室２の混合流体は流出路４ｂから吐出される。そして、時間ｔ１６までステッピングモータ１２に１５０ステップ分のパルスが入力された後、時間ｔ１６でステッピングモータ１２への給電が停止すると、弁体１７が停止する。同時に、流出側アクティブバルブ６ｂが開状態から閉状態に切り換わる。その結果、ポンプ室２に流入した液体の１／２に相当する量の混合液体が流出路４ｂから吐出される。
ここで、時間ｔ１０から時間ｔ１１までの期間、および時間ｔ１７から時間ｔ１８までの期間に補正動作を行うことが好ましい。すなわち、弁体１７の上死点や下死点では、図２（ｂ）に示すように、分解能が低い場合がある。このような問題は、例えば、駆動装置１０５に歯車機構を用いた場合にそのバックラッシュにより発生しやすい。また、弁体１７としてダイヤフラム弁を用いた場合には、ダイヤフラム弁の変形が上死点や下死点でバックラッシュ的に発生しやすいので、補正動作を行う効果が大きい。
また、弁体１７としてダイヤフラム弁を用いた場合、ダイヤフラム弁の形状は、ポンプ室２の内圧と大気圧との圧力差を受けやすい。例えば、図３（ａ）に示すように、ポンプ室２の内圧＝大気圧の場合には、圧力差の影響でダイヤフラム弁１７０に不要な変形が発生することはないが、図３（ｂ）に示すように、ポンプ室２の内圧＞大気圧の場合には、その圧力差分だけ、ダイヤフラム弁１７０が膨らんだ状態となる。逆に、図３（ｃ）に示すように、ポンプ室２の内圧＜大気圧の場合には、その圧力差分だけ、ダイヤフラム弁１７０が凹んだ状態となる。
従って、吸引を終了した時間ｔ９においてポンプ室２が負圧となっているときには、図３（ｃ）に示す状態になり、吐出を終了した時間ｔ１６においてポンプ室２が正圧となっているときには、図３（ｂ）に示す状態になりやすい。このため、図３（ｃ）に示す状態で、時間ｔ１１で流出側アクティブバルブ６ａが開状態になってポンプ室２と流出路４ａのバルブ６ａより流出口４０ａ側とが連通すると、流出路４ａの流出口４０ａ側にあった混合液が、揚程差によってポンプ室２に逆流するおそれがある。このような事態が発生すると、混合液の吐出量が予定の量より少なくなってしまう。また、図３（ｂ）に示す状態で、時間ｔ１で流入側アクティブバルブ５ｂが開状態になってポンプ室２と流入路３ｂのバルブ５ｂより流入口３０ｂ側とが連通すると、ポンプ室２の混合液が流入路３ｂから逆流し、第２の液体ＬＢの流入量が予定の量より少なくなってしまう。
一方、吸引を終了した時間ｔ９、あるいは吐出を終了した時間ｔ１６でポンプ室２が大気圧と同等であっても、図３（ｄ）に示すように、流出路４ａ、４ｂが上方にあって流入路３ａ、３ｂが下方に位置するような場合、以下の問題が発生する。まず、時間ｔ９で吸入を終了した後において、ポンプ室２の圧力は、流入側アクティブバルブ５ｂの外側の圧力と同等であるため、時間ｔ１１で流出側アクティブバルブ６ａが開状態になってポンプ室２と流出路４ａの流出口４０ａ側とが連通すると、流出路４ａのバルブ６ａより流出口４０ｂ側にあった混合液が、揚程差によってポンプ室２に逆流するおそれがある。このような事態が発生すると、ダイヤフラム弁１７０が駆動される前にダイヤフラム弁１７０が膨らんでしまい、混合液の吐出量が予定の量より少なくなってしまう。また、吐出を終了した時間ｔ１６でポンプ室２が大気圧と同等であっても、時間ｔ１６で吐出を終了した後において、ポンプ室２の圧力は、流出側アクティブバルブ６ｂの外側の圧力と同等であるため、再度の吸引の際、時間ｔ１において、流入側アクティブバルブ５ｂが開状態になってポンプ室２と流入路３ｂの流入口側３０ｂとが連通すると、混合液が流入路３ｂを逆流するおそれがある。このような事態が発生すると、ダイヤフラム弁１７０が駆動される前にダイヤフラム弁１７０が凹んでしまい、第２の液体ＬＢの流入量が予定の量より少なくなってしまう。
そこで、本形態では、吸引から吐出に切り換わる際、および吐出から吸引に切り換わる際、弁体１７の位置を補正する。具体的には、吸引から吐出に切り換わる際には、ポンプ室２を縮小させる方向に弁体１７をわずかに移動させ、吐出から吸引に切り換わる際には、ポンプ室２を拡大させる方向に弁体１７をわずかに移動させる。より具体的には、図２（ａ）に示すように、吸引を終了した後、吐出を開始する前の時間ｔ１０から時間ｔ１１において、ステッピングモータ１２に給電してステッピングモータ１２を反時計回りに回転させてポンプ室２の内容積が縮小する方向に弁体１７を移動させる。逆に、吐出を終了した後、次の吸引を開始する前の時間ｔ１７から時間ｔ１８において、ステッピングモータ１２に給電してステッピングモータ１２を時計回りに回転させてポンプ室２の内容積が拡大する方向に弁体１７を移動させる。
ここで、補正条件については、予め設定した内容に沿って制御装置がバルブ５、６の制御を行う構成、あるいは、ポンプ室２とバルブ５、６より外側に配置したセンサにより外圧を監視し、その監視結果に基づいて、制御装置がバルブ５、６の制御を行う構成のいずれを採用してもよい。
（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態のミキシングポンプ装置１では、弁体１７の駆動および複数のアクティブバルブ５、６の開閉により、複数の流入路３の各々からポンプ室２に順次、吸引した液体を混合した後、流出路４から混合液を吐出するにあたって、駆動装置１０５は、ステッピングモータ１２が一方方向に回転したときにポンプ室２の内容積が拡大する方向に弁体１７を駆動し、ステッピングモータ１２が他方方向に回転したときにポンプ室２の内容積が縮小する方向に弁体１７を駆動する。このため、弁体１７の位置にかかわらず、ステッピングモータ１２が一方方向に回転している間、流出路４に配置したアクティブバルブ６を閉状態とし、流入路３に配置したアクティブバルブ５を順次開閉させるだけで、複数の流体を所定の比率でポンプ室２に吸引することができ、ステッピングモータ１２が他方方向に回転している間、流入路３に配置したアクティブバルブ５を閉状態とし、流出路４に配置したアクティブバルブ６を開状態にするだけでポンプ室２から混合流体を吐出することができる。従って、ステッピングモータ１２の一方向の回転をカム機構を介して弁体１７に伝達する構成と違って、カムの位置などをフォトインタラプタで監視する必要がない。それ故、ミキシングポンプ装置１の構成を簡素化できるので、小型化および低コスト化を図ることができる。
また、本形態では、ステッピングモータ１２に供給する信号パターンを変えるだけで、弁体１７のストロークを容易に変更できる。従って、使用する液体の種類に応じて、弁体１７のストロークを最適な長さに設定できるなどの利点もある。
さらに、制御装置は、流入路３ａ、３ｂから流入する第１の液体ＬＡおよび第２の液体ＬＢのうち、混合比が低い第１の液体ＬＡがポンプ室２に吸引する前に、混合比の高い第２の液体ＬＢの一部がポンプ室２に流入するようにアクティブバルブ５、６の開閉を制御する。このため、第１の液体ＬＡがポンプ室２の隅、たとえば、アクティブバルブ５ａ付近に偏在することを防止できるので、第１の液体ＬＡと第２の液体ＬＢとを確実に混合することができる。特に、本形態では、混合比が高い第２の液体ＬＢを全量の１／２に相当する分だけポンプ室２に吸引した後、混合比の低い第１の液体ＬＡをポンプ室２に吸引し、しかる後に、第２の液体ＬＢの残り１／２をポンプ室２に吸引しているため、第１の液体ＬＡと第２の液体ＬＢとをより確実に混合することができる。
さらにまた、本形態では、時間ｔ１０から時間ｔ１１までの期間、および時間ｔ１７から時間ｔ１８までの期間に補正動作を行っているため、弁体１７が上死点や下死点に到達した場合でも、上死点や下死点から戻してから吸引および吐出を行うことになる。このため、吸引量および吐出量の精度が高い。また、弁体１７としてダイヤフラム弁１７０を用いた場合には、ポンプ室２の内圧と大気圧との圧力差によってダイヤフラム弁１７０に不要な変形が発生することがあるが、本形態では、かかる変形を補正して吸引および吐出を行うため、吸引量および吐出量の精度が高い。
また、本形態では、複数の流入路３は、互いが独立してポンプ室２に連通しているため、例えば、第１の液体ＬＡが流入路３を経由している際に、第１の液体ＬＡが、ポンプ室２内に吸引される前に第２の液体ＬＢと混合してしまうという事態を回避することができる。従って、本形態では、流入路３から流入される複数の流体の流入量を制御することができるため、第１の液体ＬＡと第２の液体ＬＢとの混合比を精度よく制御することができる。
さらに、本形態では、制御装置によって、流入路３ａ、３ｂから流入する第１の液体ＬＡおよび第２の液体ＬＢのうちの一方のみをポンプ室２に流入するようにアクティブバルブ５の開閉を制御することも可能である。この場合、第１の液体ＬＡおよび第２の液体ＬＢのうちの一方のみを吸引し、他方と混合させず、そのまま流出路４より吐出させることができる。
［ミキシングポンプ装置の具体的な構成］
図４は、本発明を適用したミキシングポンプ装置の基本構成を示す概念図である。図５（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用したミキシングポンプ装置の斜視図、およびその流路などを平面的に示す説明図である。図６は、本発明の実施の形態に係るミキシングポンプ装置を斜め上方からみたときの分解斜視図である。図７は、本発明の実施の形態に係るミキシングポンプ装置の断面構成を示す説明図である。
図４に示すように、図５〜図１３を参照して以下に説明する本形態のミキシングポンプ装置１において、ポンプ装置本体７には、ポンプ室２と、ポンプ室２に連通する２つの流入路４と、ポンプ室２に連通する６つの流出路５とが構成されている。ここで、２つの流入路３および６つの流出路４は、互いに独立してポンプ室２に連通している。また、２つの流入路３の各々には流入側アクティブバルブ５が構成され、６つの流出路４の各々には流出側アクティブバルブ６が構成されている。ポンプ室２に対してはポンプ機構１３が構成されており、ポンプ機構１３は、ポンプ室２に配置されたダイヤフラム弁１７０と、このダイヤフラム弁１７０を駆動するためのステッピングモータ１２を備えた駆動装置１０５と、流入側アクティブバルブ５および流出側アクティブバルブ６の開閉を制御する制御装置（図示せず）とが構成されている。このように構成したミキシングポンプ装置１においても、駆動装置１０５では、ステッピングモータ１２が一方方向に回転したときにポンプ室２の内容積が拡大する方向にダイヤフラム１７０を駆動し、ステッピングモータ１２が他方方向に回転したときにポンプ室２の内容積が縮小する方向にダイヤフラム弁１７０を駆動する。このような動作に連動して、制御装置は、複数のアクティブバルブ５、６の開閉を制御することにより、２つの流入路３の各々からポンプ室２に順次、吸引した流体をポンプ室２で混合した後、流出路４から吐出する。このようなミキシングポンプ装置１において、流入側アクティブバルブ５ａ、５ｂおよび流出側アクティブバルブ６ａ、６ｂの開閉は制御装置（図示せず）によって行われる。
図５（ａ）、（ｂ）、図６、および図７に示すように、本形態のミキシングポンプ装置１は、ボックス状の装置本体７の一方の面７１に、図１を参照して説明した流入口３０および流出口４０を構成するパイプが接続されている。ここで、ポンプ装置本体７は、後述するポンプ機構１３やアクティブバルブ５、６に対する配線基板７４、底板７５、ベース板７６、後述する流路が溝状に形成された流路構成板７７、この流路構成板の上面を覆うことにより流路の上面を塞ぐ封止シート７８、前記のパイプが連結された上板７９がこの順に積層された構造を有している。
ベース板７６には、後述するポンプ機構１３やアクティブバルブ５、６の配置空間などを構成するための穴５７、６７ａ〜６７ｈが形成されている。また、流路構成板７７において、その中心位置にはポンプ室２を構成するための丸い貫通穴２１が形成されており、この貫通穴２１の周りには、流路構成板７７の下面側に、アクティブバルブ５、６の弁室を構成する凹部（図示せず）が形成されている。また、貫通穴２１からは８本の溝４１ａ〜４１ｈが放射状に延びている。また、流路構成板７７の溝４１ａ〜４１ｈの近傍には溝４２ａ、４２ｂ・・などが形成されている。
本形態では、８本の溝４１ａ〜４１ｈによって流入路３および流出路４が構成されている。すなわち、ベース板７６、流路構成板７７および封止シート７８を重ねると、溝４１ａ〜４１ｆ、４２ａ、４２ｂ・・・によって流入路３および流出路４が形成されるとともに、流入路３および流出路４の各々に流入側アクティブバルブ５および流出側アクティブバルブ６が配置された状態となる。
このように本形態では、アクティブバルブ５、６をポンプ室２の周りに平面状に配置されているため、流入路３および流出路４の各々において流路を短くでき、かつ、ミキシングポンプ装置１の薄型化を図ることができる。また、各流出路４からの吐出量のばらつきを抑えることができるので、適量の流体を精度よく吐出することができる。しかも、複数の流出路４では、ポンプ室２から流出側アクティブバルブ６までの流路の長さが等しい。このため、各流出路４を介しての吐出量を高い精度で制御することができる。また、流入口３０および流出口４０は、ポンプ装置本体７の同一の面７１で開口しているため、ミキシングポンプ装置１と外部との接続が容易である。さらに、ポンプ装置本体７は、流入路３および流出路４が一方面側に溝状に形成された流路構成板７７と、この路構成板７７の一方面側に重ねて配置された封止シート７８とを備えているため、小型のポンプ装置本体７に対して多数の流路を形成でき、かつ、ミキシングポンプ装置１を効率よく生産できる。
さらにまた、２つ流入路３および６つの流出路４の構成は互いに同一で、かつ、流入側アクティブバルブ５および流出側アクティブバルブ６の構成は互いに同一である。このため、流入路３および流出路４についてはいずれを流入路３あるいは流出路４として利用してもよい。従って、２種類の液体に限らず、３種類以上の液体を混合し、吐出することもできる。
（ポンプ機構の詳細構成）
以下、本発明を適用したミキシングポンプ装置１に用いたポンプ機構１３の一例を説明する。図８は、本発明を適用したミキシングポンプ装置を縦に分割した状態の分解斜視図である。図９（ａ）、（ｂ）は、図８に示すミキシングポンプ装置においてポンプ室の内容積を膨張させた状態を示す説明図、およびポンプ室の内容積を収縮させた状態を示す説明図である。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図８に示すポンプ機構の回転体に用いたロータの斜視図、平面図、および断面図である。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図８に示すポンプ機構の回転体に用いた移動体の斜視図、平面図、および断面図である。
図８および図９（ａ）において、本形態のポンプ機構１３は、概ね、流入路３および流出路４に連通するポンプ室２の内容積を膨張収縮させて液体の吸入および吐出を行う弁体としてのダイヤフラム弁１７０と、ダイヤフラム弁１７０を駆動する駆動装置１０５とを備えている。
駆動装置１０５は、以下に説明するように、環状のステータ１２０と、このステータ１２０の内側に同軸状に配置された回転体１０３と、この回転体１０３の内側に同軸状に配置された移動体１６０と、回転体１０３の回転を移動体１６０を軸線方向に移動させる力に変換して移動体１６０に伝達する変換機構１４０とを備えている。ここで、駆動装置１０５は、ベース板７６に形成された空間内において、底板７５とベース板７６との間に搭載された状態にある。
駆動装置１０５において、ステータ１２０は、ボビン１２３に巻回されたコイル１２１、およびコイル１２１を覆うように配置された２枚のヨーク１２５からなるユニットが軸線方向に２段に積層された構造になっている。この状態で、上下２段のいずれのユニットにおいても、２枚のヨーク１２５の内周縁から軸線方向に突き出た極歯が周方向に交互に並んだ状態となり、ステッピングモータのステータとして機能する。
図８、図９および図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、回転体１０３は、上方に開口するカップ状部材１３０と、このカップ状部材１３０の円筒状の胴部１３１の外周面に固着された環状のロータマグネット１５０とを備えている。カップ状部材１３０の底壁１３３の中央には、軸線方向上側に凹む凹部１３５が形成され、底板７５には、凹部１３５内に配置されたボール１１８を受ける軸受部７５１が形成されている。また、ベース板７６の上端側の内面には環状段部７６６が形成されている一方、カップ状部材１３０の上端部分には、胴部１３１の上端部分と環状のフランジ部１３４とによって、ベース板７６側の環状段部７６６に対向する環状段部が形成されており、これらの環状段部で区画形成された環状空間内には、環状のリテーナ１８１およびこのリテーナ１８１によって周方向に離間した位置に保持されたベアリングボール１８２からなる軸受１８０が配置されている。このようにして、回転体１０３は、軸線周りに回転可能な状態でポンプ装置本体７に支持された状態にある。
回転体１０３において、ロータマグネット１５０の外周面は、ステータ１２０の内周面に沿って周方向に並ぶ極歯に対向している。ここで、ロータマグネット１５０の外周面では、Ｓ極とＮ極が周方向に交互に並んでおり、ステータ１２０とカップ状部材１３０とはステッピングモータを構成している。
図８、図９および図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、移動体１６０は、底壁１６１と、底壁１６１の中央から軸線方向に突き出た円筒部１６３と、この円筒部１６３の周りを囲むように円筒状に形成された胴部１６５とを備えており、胴部１６５の外周には雄ネジ１６７が形成されている。
本形態では、回転体１０３の回転によって移動体１６０を軸線方向で往復移動させるための変換機構１４０を構成するにあたって、まず、図８、図９、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、カップ状部材１３０の胴部１３１の内周面には、周方向に離間する４箇所に雌ネジ１３７を形成する一方、移動体１６０の胴部１６５の外周面には、カップ状部材１３０の雌ネジ１３７に係合して動力伝達機構１４１を構成する雄ネジ１６７が形成されている。従って、雄ネジ１６７と雌ネジ１３７とが噛み合うようにカップ状部材１３０の内側に移動体１６０を配置すれば、移動体１６０はカップ状部材１３０の内側に支持された状態となる。また、移動体１６０の底壁１６１には、周方向に６個の長穴１６９が貫通穴として形成されている一方、ベース板７６からは６本の突起７６９が延びて、突起７６９の下端部が長穴１６９に嵌ることにより、供回り防止機構１４９が構成されている。すなわち、カップ状部材１３０が回転した際、移動体１６０は、突起７６９と長穴１６９からなる供回り防止機構１４９によって回転が阻止されているので、カップ状部材１３０の回転は、その雌ネジ１３７および移動体１６０の雄ネジ１６７からなる動力伝達機構１４１を介して移動体１６０に伝達される結果、移動体１６１は、回転体１０３の回転方向に応じて軸線方向の一方側および他方側に直線移動することになる。
（弁体の構成）
再び図８および図９（ａ）において、本形態では、移動体１６０には、ダイヤフラム弁１７０が直接、連結されている。ダイヤフラム弁１７０は、底壁１７１と、底壁１７１の外周縁から軸線方向に立ち上がる円筒状の胴部１７３と、この胴部１７３の上端から外周側に広がるフランジ部１７５とを備えたカップ形状を有しており、底壁１７１の中央部分が、移動体１６０の円筒部１６３に被さった状態で、それらの上下方向から、止めネジ１７８とキャップ１７９とに固定されている。また、ダイヤフラム弁１７０のフランジ部１７５の外周縁は、液密性と位置決めとして機能する肉厚部になっており、この肉厚部は、流路構成板７７の貫通穴２１の周囲において、ベース板７６と流路構成板７７との間に固定されている。このようにして、ダイヤフラム１７０は、ポンプ室２の下面を規定し、かつ、ポンプ室２の周りにおいてベース板７６と流路構成板７７との間の液密を確保している。
この状態で、ダイヤフラム弁１７０の胴部１７３は、断面Ｕ字状に折り返された状態にあり、折り返し部分１７２は、移動体１６０の位置によって形状が変化することになる。しかるに本形態では、移動体１６０の円筒部１６３の外周面からなる第１の壁面１６８と、ベース板７６から延びた突起７６９の内周面からなる第２の壁面７６８との間に構成された環状空間内に、ダイヤフラム弁１７０の断面Ｕ字状の折り返し部分１７２を配置してある。従って、図９（ａ）、（ｂ）に示す状態、および図９（ａ）、（ｂ）に示す状態に移行する途中の状態のいずれにおいても、ダイヤフラム弁１７０の折り返し部分１７２は、環状空間内に保持された状態のまま、第１の壁面１６８および第２の壁面７６８に沿って展開あるいは巻き上げるように変形する。
また、本形態では、図８、図９（ａ）、および図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、カップ状部材１３０の底壁１３３には、周方向における２７０°の角度範囲にわたって１本の溝１３６が形成されている一方、移動体１６０の底面からは下方に向けて突起１６６が形成されている。ここで、移動体１６０は、軸線回りに回転しないが、軸線方向に移動するのに対して、回転体１０３は、軸線回りに回転するが、軸線方向に移動しない。従って、突起１６６と溝１３６は、回転体１０３および移動体１６０の停止位置を規定するストッパとして機能する。すなわち、溝１３６は、周方向において深さが変化しており、移動体１６０が軸線方向の下方に移動すると、突起１６６が溝１３６内に嵌るとともに、回転体１０３の回転により溝１３６の端部が突起１６６に当接する。その結果、回転体１０３の回転が阻止され、回転体１０３および移動体１６０の停止位置、すなわちダイヤフラム弁１７０の内容積の最大膨張位置が規定されることになる。
（動作）
このように構成したポンプ機構１３において、ステータ１２０のコイル１２１に給電すると、カップ状部材１３０が回転し、その回転が変換機構１４０を介して移動体１６０に伝達される。従って、移動体１６０は軸線方向で往復直線運動を行う。その結果、ダイヤフラム弁１７０が移動体１６０の移動に合わせて変形し、ポンプ室２の内容積を膨張、収縮させるので、ポンプ室２では、流入路３からの液体の流入と、流出路４に向けての液体の流出が行われる。その間、ダイヤフラム弁１７０の折り返し部分１７２は、環状空間内に保持された状態のまま、第１の壁面１６８および第２の壁面７６８に沿って展開あるいは巻き上げるように変形し、無理な摺動が発生しない。しかも、ダイヤフラム弁１７０は、ポンプ室２の流体から圧力を受けても、環状空間内に内外側とも規定されているため、変形しない。さらに、移動体１６０の下方位置は、カップ状部材１３０の溝１３６および移動体１６０の突起１６６によって構成されたストッパにより規定されることになる。よって、カップ状部材１３０の回転に伴い、ダイヤフラム弁１７０は高精度に容積変化をする。また、駆動装置１０５では、ステッピングモータが一方方向に回転したときにポンプ室２の内容積が拡大する方向にダイヤフラム弁１７０を駆動し、ステッピングモータが他方方向に回転したときにポンプ室２の内容積が縮小する方向にダイヤフラム弁１７０を駆動する。
以上説明したように、本形態のポンプ機構１３では、ステッピングモータ機構による回転体１０３の回転を、雄ネジ１６７および雌ネジ１３７からなる動力伝達機構１４１を利用した変換機構１４０を介して移動体１６０に伝達して、ダイヤフラム弁１７０が固定された移動体１６０を往復直線運動させる。このため、駆動装置１０５からダイヤフラム弁１７０まで、必要最小限の部材で動力を伝達するので、ポンプ機構１３の小型化、薄型化および低コスト化を図ることができる。また、動力伝達機構１４１における雄ネジ１６７および雌ネジ１３７のリード角を小さく、あるいは駆動側のステータの極歯を増加することで、移動体１６０の微小送りを行うことができる。従って、ポンプ室２の容積を厳密に制御できるので、高い精度で定量吐出を行うことができる。
さらに、本形態ではダイヤフラム弁１７０を用いているが、このダイヤフラム弁１７０の折り返し部分１７２は、環状空間内に保持された状態のまま、第１の壁面１６８および第２の壁面７６８に沿って展開あるいは巻き上げるように変形し、無理な摺動が発生しない。従って、無駄な負荷が発生せず、かつ、ダイヤフラム弁１７０の寿命が長い。また、ダイヤフラム弁１７０は、ポンプ室２の流体から圧力を受けても、変形しない。それ故、本形態のポンプ機構１３によれば、高い精度で定量吐出を行うことができ、かつ、信頼性も高い。
さらにまた、回転体１０３は、ポンプ装置本体７に対してベアリングボール１８２を介して軸線周りに回転可能に支持されているため、摺動ロスが小さく、かつ、回転体１０３は軸線方向に安定して保持されるので、軸線方向における推力が安定している。それ故、駆動装置１０５の小型化、耐久性の向上、吐出性能の向上を図ることができる。
なお、上記形態では、変換機構１４０の動力伝達機構１４１としてネジを利用したが、カム溝を利用してもよい。さらに、上記形態では弁体として、カップ状のダイヤフラム弁を用いたが、その他の形状のダイヤフラム弁、あるいはＯリングを備えたピストンを用いてもよい。
また、上記形態では、流入口３０が１個、流出口４０が８個の例を掲げたが、流入口３０は複数でもかまわない。また、流入口３０、ポンプ機構１３、流出口４０がそれぞれ１個でも、また、それらを組み合わせてもよい。また、上記形態では、流出路４を均等の長さとしたが、均等でなしに用途により配置してもよい。さらに、上記形態では、上面を塞ぐ封止シート７８、前記のパイプが連結された上板７９が別体で図示してあるが、上板７９のパイプがなく、封止シート７８に流出穴だけを開け、シール部材を介して接続するように構成してもよい。
［アクティブバルブの構成］
図１２および図１３はそれぞれ、本発明を適用したミキシングポンプ装置１のアクティブバルブ５、６として用いたバルブの要部を軸線方向に切断したものを斜め上方からみたときの説明図、およびこのバルブの磁力線を示す説明図である。
図１２および図１３に示すように、アクティブバルブ５、６は、ベース板７６の穴６７ａ〜６７ｈ内にリニアアクチュエータ２０１を備えており、このリニアアクチュエータ２０１は、円筒状の固定体２０３と、この固定体２０３の内側に配置された略円柱状の可動体２０５とを有している。固定体２０３は、ボビン２３１に環状に巻回されたコイル２３３と、コイル２３３の外周面からコイル２３３の軸線方向の両側を回りこんで一方の先端部２３６ａと他方の先端部２３６ｂがコイル２３３の内周側でスリット２３７を介して軸線方向で対向する固定体側ヨーク２３５を備えている。可動体２０５は、円板状の第１の可動体側ヨーク２５１と、この第１の可動体側ヨーク２５１に対して軸線方向の両側に積層された一対の磁石２５３ａ、２５３ｂとを有している。一対の磁石２５３ａ、２５３ｂとしては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系やＳｍ−Ｃｏ系の希土類磁石、あるいは樹脂磁石を用いることがきる。また、可動体２０５において、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂの各々には、第１の可動体側ヨーク２５１とは反対側の端面に第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂが積層されている。
本形態では、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂは、いずれも軸線方向に着磁されており、第１の可動体側ヨーク２５１の方に同極を向けている。以下、本形態では、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂは各々、第１の可動体側ヨーク２５１の方にＮ極を向け、軸線方向における外側にＳ極を向けているものとして説明するが、着磁方向についてはその逆であってもよい。
ここで、第１の可動体側ヨーク２５１の外周面は、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂの外周面から外周側に張り出している。また、第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂの外周面も、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂの外周面から外周側に張り出している。
なお、第１の可動体側ヨーク２５１の軸線方向における両端面には凹部が形成され、これらの凹部に対して一対の磁石２５３ａ、２５３ｂが各々嵌め込まれ、接着剤などで固定されている。なお、第１の可動体側ヨーク２５１、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂ、および第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂの固定については、接着、圧入、あるいはそれらを併用して一体化した構成を採用すればよい。
また、固定体２０３の軸線方向における両側の開口部には軸受板２７１ａ、２７１ｂ（軸受部材）が固定されており、第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂから軸線方向の両側に突き出た支軸２５７ａ、２５７ｂは、いずれも軸受板２７１ａ、２７１ｂの穴に摺動自在に挿入されている。このようにして、可動体２０５は、軸線方向に往復移動可能な状態で固定体２０３に支持されている。この状態で、可動体２０５は、外周面が固定体２０３の内周面に所定の隙間を介して対向し、かつ、固定体側ヨーク２３５の先端部２３６ａ、２３６ｂ同士は、第１の可動体側ヨーク２５１の外周面とコイル２３３の内周面との隙間内で軸線方向に対向する状態にある。また、可動体２０５と固定体側ヨーク２３５との間には間隙が確保されている。なお、第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂと支軸２５７ａ、２５７ｂとの固定には、接着、圧入、あるいはそれらを併用して一体化した構成を採用すればよい。
このように構成したリニアアクチュエータ２０１において、図面に向かって右側では向こう側から手前側に向かってコイル２３３に電流が流れ、図面に向かって左側では手前側から向こう側にコイル２３３に電流を流れる期間では、磁力線は、図１３に示すように表される。従って、可動体５は、まず、矢印Ａで示すように、ローレンツ力により軸線方向において推力を受け、移動する。これに対して、コイル２３３への通電方向を反転させると、可動体２０５は、矢印Ｂで示すように、軸線方向に沿って下降する。
なお、本形態のリニアアクチュエータ２０１では、可動体２０５を磁力で推進するとともに、軸線方向の一方側において、軸受板２７１ａと第２の可動体側ヨーク２５５ａとの間に、付勢部材としての円錐台形状のコイルバネ２９１を配置してある、従って、可動体２０５が下降する際には、圧縮バネを変形させながら移動し、可動体２０５が上昇する際には、圧縮バネの形状復帰力が補助して、高速で移動する。
このように構成したリニアアクチュエータ２０１において、本形態では、一方の支軸２５７ｂの端部には、弁室２７０（凹部６８ａ〜６８ｈ）に配置されたダイヤフラム弁２６０の中央部分が接続されている。ダイヤフラム弁２６０の外周側には、液密性と位置決めとして機能する環状肉厚部２６１が形成されており、ダイヤフラム弁２６０において、この環状肉厚部２６１を含む外周側がベース板７６と流路構成板７７との間に挟まれて液密が確保されている。
なお、弁体については、ダイヤフラム弁２６０に限らず、ベローズ弁、その他の弁体を用いてもよい。また、支軸２５７ａ、２５７ｂと弁体については別体のものを結合させた構成であっても、支軸２５７ａ、２５７ｂと弁体が一体に形成されている構成であってもよい。
以上説明したように、本形態では、可動体２０５において一対の磁石２５３ａ、２５３ｂは各々、同極を向けており、磁気的反発力が作用しているが、磁石２５３ａ、２５３ｂの間に第１の可動体側ヨーク２５１が配置されているため、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂを同極を向けた状態で固定することができる。
また、可動体２０５において一対の磁石２５３ａ、２５３ｂは各々、同極を第１の可動体側ヨーク２５１に向けているため、第１の可動体側ヨーク２５１からは、半径方向に強い磁束が発生する。従って、第１の可動体側ヨーク２５１とコイル２３３の周面同士を対向させておけば、可動体２０５に大きな推力を付与することができる。
さらに、磁石２５３ａ、２５３ｂを軸線方向で着磁すればよいので、磁石２５３ａ、２５３ｂを半径方向に着磁する場合と違って、小型化した場合でも着磁が容易であり、量産に適している。
しかも、本形態では、第１の可動体側ヨーク２５１の外周面が、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂの外周面から外周側に張り出しているため、固定体側ヨーク２３５を設けた場合でも、可動体２０５に対して軸線方向と垂直方向に作用する磁気吸引力を小さくできる。同様に、第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂの外周面が、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂの外周面から外周側に張り出しているため、固定体側ヨーク２３５を設けた場合でも、可動体２０５に対して軸線方向と垂直方向に作用する磁気吸引力を小さくできる。従って、組み立て作業を行いやすく、かつ、可動体２０５が傾きにくいという利点がある。
また、本形態において、磁石２５３ａ、２５３ｂをコイル２３３の外周側に配置したため、コイル２３３よりも磁石２５３ａ、２５３ｂを外側に配置した場合と比較して、磁石２５３ａ、２５３ｂが小さくてよいので、アクティブバルブ５、６を安価に構成できる。また、コイル２３３を外側に配置したので、固定側ヨークのみで磁路を閉じることができる。
さらに、固定体２０３において、軸線方向に開口する開口部には支軸２５７ａ、２５７ｂを軸線方向に移動可能に支持する軸受板２７１ａ、２７１ｂが保持されているため、軸受部材を別途、配置する必要がない。また、固定体２０３を基準に軸受板２７１ａ、２７１ｂを固定できるので、支軸２５７ａ、２５７ｂが傾かないという利点がある。
［ミキシングポンプ装置を備えた燃料電池］
本発明のミキシングポンプ装置１を、燃料電池の起電部に対して燃料を供給する燃料供給装置として用いた例を説明する。
図１４は、本発明のミキシングポンプ装置を使用した燃料電池の構成を模式的に示すブブック図である。図１４に示す燃料電池３００は、メチルアルコール水溶液（燃料／プロトンを発生可能な含水素流体）から直接、プロトンを取り出すことにより発電を行うダイレクトメタノール方式の燃料電池である。また、本形態の燃料電池３００においては、未調製燃料としてメチルアルコールを用い、希釈液として水を用い、これらを混合して最適濃度のメチルアルコール水溶液を調製して燃料として用いる。なお、未調製燃料として最適濃度よりも高濃度のアルコール水溶液、例えば、メチルアルコール水溶液を用いることもある。
本形態の燃料電池３００は、図１〜図１３を参照して説明したミキシングポンプ装置１と、ミキシングポンプ装置１の流入路３（３ａ）に接続された未調製燃料タンク３１０と、ミキシングポンプ装置１の流入路３（３ｂ）に接続された希釈液タンク３２０と、起電装置３５０とを備えており、ミキシングポンプ装置１の流出路４（４ａ、４ｂ、・・４ｎ）は各々、起電装置３５０の各起電部３５１（３５１ａ、３５１ｂ・・３５１ｎ）に接続されている。未調製燃料タンク３１０には、未調製燃料としてメチルアルコールが貯留され、希釈液タンク３２０には、希釈液として水が貯留されている。従って、流入路３ａは未調製燃料用流入路に相当し、流入路３ｂは希釈液用流入路に相当する。
また、燃料電池３００は空気供給装置３７０を備えている。空気供給装置３７０には空気流出路３７１（３７１ａ、３７１ｂ・・３７１ｎ）が接続されており、空気流出路３７１（３７１ａ、３７１ｂ・・３７１ｎ）から起電部３５１（３５１ａ、３５１ｂ・・３５１ｎ）のカソード電極へ空気を供給する。
詳細な図示を省略するが、複数の起電部３５１は各々、アノード集電体とアノード触媒層とを備えたアノード極（燃料極）と、カソード集電体とカソード触媒層とを備えたカソード極（空気極）と、アノード極とカソード極の間に配置される電解質膜とを有している。アノード極では、ミキシングポンプ装置１によって所定濃度の調製された燃料（メタノール水溶液）が供給され、以下に示す反応により、
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
水素イオン（プロトン、Ｈ+）および電子（ｅ-）を生成する。また、電子はアノード極から回路等を経てカソード極に移動し、水素イオンは、電解質膜を通過してカソード極に移動し、送気ポンプあるいはブロワーによってカソード極に供給された空気（酸素）と以下に示す電気化学反応により、
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ- → ３Ｈ2Ｏ
水を生成する。
燃料電池３００では、起電部３５１で熱が発生し、かかる熱は、起電部３５１の劣化や発電効率の低下の原因となる。そこで、本形態の燃料電池３００では、起電装置３５０に水冷式の冷却装置３６０が構成されている。また、ミキシングポンプ装置１は、燃料供給用の流出路４（４ａ、４ｂ・・４ｎ）の他、冷却液用流出路として、冷却水を供給するための流出路４（４ｍ）を備えている。
ミキシングポンプ装置１では、複数の流入路３（３ａ、３ｂ）の各々にアクティブバルブ５（５ａ、５ｂ）が構成され、複数の流出路４（４ａ、４ｂ・・４ｎ、４ｍ）にはアクティブバルブ６（６ａ、６ｂ・・６ｎ、６ｍ）が構成されている。
本形態の燃料電池３００では、起電部３５１のカソード極で発生した水を回収する回収タンク３３０が設けられており、回収タンク３３０に回収された生成水は、希釈液タンク３２０に供給されるようになっている。なお、起電部３５１のカソード極から回収タンク３３０に向かう配管３４１の途中位置には凝縮器が配置される場合がある。
さらに、本形態の燃料電池３００では、冷却装置３６０から排出された水も希釈液タンク３２０に供給されるようになっている。なお、冷却装置３６０から排出された水の冷却については自然冷却を利用してもよいが、冷却装置３６０から希釈液タンク３２０に向かう配管３４２、またはミキンシングポンプ装置１から冷却水を供給するための流出路４（４ｍ）の途中位置にラジェータなどの冷却器を設けてもよい。また、配管３４２と流出路４（４ｍ）の両方の途中位置にラジェータなどの冷却器を設けてもよい。
このように構成した燃料電池３００では、未調製燃料タンク３１０に貯留されているメチルアルコールは、流入路３（３ａ）を介してミキシングポンプ装置１のポンプ室２に導入され、希釈液タンク３２０に貯留されている水は、流入路３（３ｂ）を介してミキシングポンプ装置１のポンプ室２に導入される。その際、メチルアルコールの導入量と水の導入量を所定の比率に設定することにより、最適濃度のメタノール水溶液（燃料）を調製し、最適濃度に調製された燃料が燃料供給用の流出路４ａ、４ｂ・・・４ｎを介して各起電部３５１ａ、３５１ｂ・・３５１ｎに供給され、発電に用いられる。また、起電部３５１のカソード極で発生した水は回収タンク３３０に回収された後、希釈液タンク３２０に供給され、希釈液として再利用される。その間、冷却水供給用の流出路４ｍは閉状態にある。
そして、起電部３５１ａ、３５１ｂ・・３５１ｎに対する燃料供給の休止期間を利用して冷却を行う。その際には、流入路３ｂを介して希釈液タンク３２０に貯留されている水のみをミキシングポンプ装置１のポンプ室２に導入し、冷却水供給用の流出路４ｍを介して冷却装置３６０に水を供給する。そして、冷却装置３６０から排出された水は、回収タンク３３０に回収された後、希釈液タンク３２０に供給され、希釈液として再利用される。その間、流入路３ａを介してのメタノールのポンプ室２への導入、および流出路４ａ、４ｂ・・４ｎを介しての燃料の供給は休止した状態にある。
以上説明したように、本形態の燃料電池３００では、起電装置３５０には複数の起電部３５１（３５１ａ、３５１ｂ・・３５１ｎ）が構成されているので、発電電圧が高い。すなわち、起電部３５１のアノード極では、メタノール酸化の活性が低く電圧ロスを伴ってしまい、カソード極でも電圧ロスがあるため、１つの起電部３５１から取り出せる電圧は低いが、本形態の燃料電池３００では、複数の起電部３５１が構成されているので、発電電圧が高い。
また、本形態のミキシングポンプ装置１では、制御装置によって、アクティブバルブ５（５ａ、５ｂ）、アクティブバルブ６（６ａ、６ｂ・・６ｎ、６ｍ）、および弁体１７（図１参照）を制御し、流入路３（３ａ、３ｂ）から流入されるメチルアルコールおよび水の流入量を制御することにより、メチルアルコールおよび水の混合比、および流出路４（４ａ、４ｂ・・４ｎ）からの吐出量を制御可能である。従って、メチルアルコールを水で希釈して最適濃度に調整した燃料を複数の起電部３５１に対して任意のタイミングで供給することができる。
さらに、本形態の燃料電池３００では、起電部３５１のカソード極で発生した水を回収タンク３３０に回収し、希釈用の水として再利用することができる。従って、水の放出を最小限に抑えることができ、さらには、外部から水を供給することなく、メチルアルコールのみを未調製燃料として供給するだけで連続して発電することが可能となる。
さらにまた、本形態のミキシングポンプ装置１では、制御装置によって、アクティブバルブ５（５ａ、５ｂ）およびアクティブバルブ６（６ａ、６ｂ・・６ｎ）を制御することにより、流入路３ｂから水をポンプ室２に吸入して、冷却液供給用の流出路４ｍから冷却装置３６０に供給することができるので、専用の冷却水供給装置が不要である。しかも、本形態の燃料電池３００では、起電部３５１を冷却した後の冷却水を希釈液タンク３２０に供給し、希釈用の水として再利用することができる。従って、水の放出を最小限に抑えることができる。
なお、本形態では、希釈液として水を用いたが、希釈液としては、最適濃度より低濃度のメチルアルコール水溶液を用いてもよい。この場合には、低濃度のメチルアルコール水溶液を冷却液として用い、さらには、冷却液として用いた低濃度のメチルアルコール水溶液を希釈液タンク３２０へ供給し、希釈液として再利用してもよい。
なお、本形態では、発生した水を回収する回収タンク３３０と、希釈液タンク３２０とを別々に用いた場合について説明したが、回収タンク３３０と希釈液タンク３２０とは同じタンクでもよい。
また、本形態では、燃料として、メチルアルコール水溶液を用いたが、エチルアルコール水溶液を用いてもよく、メチルアルコール水溶液とエチルアルコール水溶液の双方を含む水溶液を用いてもよい。純粋なメチルアルコール、純粋なエチルアルコールを用いてもよく、純粋なメチルアルコールと純粋なエチルアルコールの双方を含む溶液を用いてもよい。さらには、燃料として、メチルアルコール水溶液以外のアルコール水溶液、例えば、エチレングリコール水溶液を用いてもよく、さらには、アルコール水溶液以外の水溶液、例えば、ジメチルエーテル水溶液を用いてもよい。燃料として、純粋なメチルアルコール以外のアルコール、例えば、純粋なエチレングリコールを用いてもよい。
［ミキシングポンプ装置のその他の用途］
本発明を適用したミキシングポンプ装置１の用途は、燃料電池に限ったものではなく、例えば、複数の薬液を調合して複合薬を調合するためのポンプして用いることができる。さらには、冷蔵庫の製氷ポンプとして用い、製氷ブロック毎に味や色、香りが異なるシャーベット液を流出路から吐出するのに用いてもよい。
［その他の実施の形態］
上記形態では、弁体１７としてダイヤフラム弁１７０を用いた例を中心に説明したが、弁体としてプランジャを用いたタイプのミキシングポンプ装置に本発明を適用してもよい。また、上記形態では、流出路４が複数、構成されている例であったが、流出路４が１つのミキシングポンプ装置に本発明を適用してもよい。
本発明を適用したミキシングポンプ装置の基本構成を示す概念図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１に示すミキシングポンプ装置の動作を示すタイミングチャート図、および弁体の位置と分解能との関係を示す説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は、ダイヤフラム弁の変形に関する説明図である。 本発明を適用したミキシングポンプ装置の基本構成を示す概念図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明を適用したミキシングポンプ装置の斜視図、およびその流路などを平面的に示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るミキシングポンプ装置を斜め上方からみたときの分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係るミキシングポンプ装置の断面構成を示す説明図である。 本発明を適用したミキシングポンプ装置を縦に分割した状態の分解斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、図８に示すミキシングポンプ装置においてポンプ室の内容積を膨張させた状態を示す説明図、およびポンプ室の内容積を収縮させた状態を示す説明図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図８に示すポンプ機構の回転体に用いたロータの斜視図、平面図、および断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図８に示すポンプ機構の回転体に用いた移動体の斜視図、平面図、および断面図である。 本発明を適用したミキシングポンプ装置に用いたバルブの要部を軸線方向に切断して斜め上方からみたときの説明図である。 図１２に示すバルブの磁力線を示す説明図である。 本発明のミキシングポンプ装置を使用した燃料電池の構造を模式的に示すブロック図である。
符号の説明
１ ミキシングポンプ装置
２ ポンプ室
３ 流入路
４ 流出路
５ 流入側アクティブバルブ
６ 流出側アクティブバルブ
７ ポンプ装置本体
１２ ステッピングモータ
１３ ポンプ機構
１７ 弁体
１０５ 駆動装置
１７０ ダイヤフラム弁（弁体）
３００ 燃料電池
３１０ 未調製燃料タンク
３２０ 希釈液タンク（水タンク）
３３０ 回収タンク（水タンク）
３５０ 起電装置
３５１ 起電部
３６０ 冷却装置
３７０ 空気供給装置
３７１ 空気流出路

Claims (23)

  1. ポンプ室と、該ポンプ室に配置された弁体と、該弁体を駆動するためのモータを備えた駆動装置と、前記ポンプ室に連通する複数の流入路と、前記ポンプ室に連通する流出路と、前記流入路および前記流出路の各々に配置された複数のバルブと、該複数のバルブを制御する制御装置とを有し、前記弁体の駆動および前記複数のバルブの開閉により前記複数の流入路の各々から前記ポンプ室に吸引した流体を混合して前記流出路から吐出するミキシングポンプ装置において、
    前記駆動装置は、前記モータが一方方向に回転したときに前記ポンプ室の内容積が拡大する方向に前記弁体を駆動し、前記モータが他方方向に回転したときに前記ポンプ室の内容積が縮小する方向に前記弁体を駆動することを特徴とするミキシングポンプ装置。
  2. 請求項１において、
    前記流出路は複数、構成され、
    当該複数の流出路の各々に前記バルブが配置されていることを特徴とするミキシングポンプ装置。
  3. 請求項１または２において、
    前記流入路および前記流出路は互いに独立して前記ポンプ室に連通していることを特徴とするミキシングポンプ装置。
  4. 請求項３において、
    前記流入路から１種類の流体のみを吸入して前記流出路から吐出可能であることを特徴とするミキシングポンプ装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記弁体はダイヤフラム弁であることを特徴とするミキシングポンプ装置。
  6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記制御装置は、前記流入路から流入する複数の流体のうち、混合比が最も低い流体が前記ポンプ室に流入する前に、当該流体よりも混合比の高い流体の少なくとも一部が前記ポンプ室に流入するように前記バルブの開閉を制御することを特徴とするミキシングポンプ装置。
  7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
    前記制御装置は、前記流入路から流入される複数の流体の流入量を制御することにより、前記流体の混合比を制御可能、かつ、前記流出路からの吐出量を制御可能であることを特徴とするミキシングポンプ装置。
  8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、燃料電池の起電部で用いる燃料を前記流出路から供給することを特徴とする燃料電池用のミキシングポンプ装置。
  9. 請求項８において、前記燃料は、プロトンを発生可能な含水素流体であることを特徴とするミキシングポンプ装置。
  10. 請求項９において、前記含水素流体は、アルコールを含んでいることを特徴とするミキシングポンプ装置。
  11. 請求項１０において、前記含水素流体は、メチルアルコールおよびエチルアルコールのうちの少なくとも一方を含んでいることを特徴とするミキシングポンプ装置。
  12. 請求項８ないし１０のいずれかに記載のミキシングポンプ装置と、該ミキシングポンプ装置によって燃料が供給される起電部とを有することを特徴とする燃料電池。
  13. 請求項１２において、前記複数の流入路のうちの１つは、未調製燃料タンクから未調製燃料を流入させる未調製燃料用流入路であり、他の少なくとも１つは水を含む希釈液を流入させる希釈液用流入路であることを特徴とする燃料電池。
  14. 請求項１３において、前記希釈液用流入路は、起電部で生成された生成水を含む水を流入させることを特徴とする燃料電池。
  15. 請求項１２または１４において、前記流出路は複数、構成され、
    当該複数の流出路には、前記起電部に冷却液を供給する冷却液用流出路が含まれていることを特徴とする燃料電池。
  16. 請求項１５において、前記流入路から水のみを吸入し、前記冷却用流出路は、前記冷却液として冷却水を前記起電部に供給することを特徴とする燃料電池。
  17. 少なくとも、起電部と、燃料供給装置としてのミキシングポンプ装置と、未調製燃料タンクとを有する燃料電池であって、
    前記ミキシングポンプ装置は、ポンプ室と、該ポンプ室に配置された弁体と、該弁体を駆動するためのモータを備えた駆動装置と、前記ポンプ室に連通する複数の流入路と、前記ポンプ室に連通する流出路と、前記流入路および前記流出路の各々に配置された複数のバルブと、該複数のバルブを制御する制御装置とを備え、
    前記駆動装置は、前記モータが一方方向に回転したときに前記ポンプ室の内容積が拡大する方向に前記弁体を駆動し、前記モータが他方方向に回転したときに前記ポンプ室の内容積が縮小する方向に前記弁体を駆動し、
    前記弁体の駆動および前記複数のバルブの開閉により前記複数の流入路の各々から前記ポンプ室に吸引した複数の流体を混合して燃料を調製するとともに、当該燃料を前記流出路から前記起電部に供給し、
    前記複数の流入路のうちの１つは、前記未調製燃料タンクから未調製燃料を流入させる未調製燃料用流入路であり、他の少なくとも１つは水を含む流体を流入させる希釈液用流入路であることを特徴とする燃料電池。
  18. 請求項１７において、
    前記希釈液用流入路は、前記起電部で生成された生成水を流入可能であることを特徴とする燃料電池。
  19. 請求項１８において、
    前記希釈液用流入路に接続された水タンクを有し、
    当該水タンクには、少なくとも前記生成水が貯留されることを特徴とする燃料電池。
  20. 請求項１７ないし１９のいずれかにおいて、前記燃料は、プロトンを発生可能な含水素流体であることを特徴とする燃料電池。
  21. 請求項２０において、前記含水素流体は、アルコールを含んでいることを特徴とする燃料電池。
  22. 請求項２０において、前記含水素流体は、メチルアルコールおよびエチルアルコールのうちの少なくとも一方を含んでいることを特徴とするミキシングポンプ装置。
  23. 請求項１７ないし２２のいずれかにおいて、
    前記複数の流出路には、起電部に冷却液を供給する冷却液用流出路が含まれていることを特徴とする燃料電池。
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