JP2008088949A - 容積型ポンプ及び水冷システム - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ室と、このポンプ室に開口する吸入ポート及び吐出ポートと、この吸入ポートからポンプ室への流体流を許しその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁と、ポンプ室から吐出ポートへの流体流を許しその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁と、ポンプ室の容積を周期的に大小に変化させるアクチュエータとを備えた容積型のポンプにおいて、ポンプ室の容積変化の周波数と、吐出流量の比例性が高く、吐出流量を増加させることができる容積型ポンプを得る。
【解決手段】ポンプ室を介することなく吸入ポートと吐出ポートを連通させるバイパス流路を設け、このバイパス流路に、吸入ポートから吐出ポートへの流体流を許す一方向弁を設けた容積型ポンプ。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ポンプ室の容積を周期的に大小に変化させることでポンプ作用を得る容積型ポンプ及び該ポンプを用いた水冷システムに関する。

例えば、容積型ポンプの一種であるダイヤフラムポンプは、ダイヤフラムによって画成される容積可変のポンプ室に吸入ポートと吐出ポートを開口させ、吸入ポートには、該吸入ポートからポンプ室への流体流を許しその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁を設け、吐出ポートには、ポンプ室から該吐出ポートへの流体流を許しその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁を設けてなっている。ダイヤフラムを振動させてポンプ室の容積を周期的に大小に変化させると、ポンプ室の容積が拡大する行程では吸入側逆止弁が開き、縮小する行程では吐出側逆止弁が開くため、ポンプ作用が得られる。
実開昭５８-１６５２８０号公報 特開昭５９-１１３２７７号公報 特開２００５-２８２３８７号公報

このようなダイヤフラムポンプでは、理論的には、ダイヤフラムの振動周波数を高くするほど吐出流量が大きくなる。ところが、実際に振動周波数を上げていくと、周波数領域によっては吐出流量が下がる現象が生じることが確認された。

従って本発明は、ポンプ室の容積変化の周波数と、吐出流量の比例性が高く、吐出流量を増加させることができる容積型ポンプを得ることを目的とする。

本発明者らは、ダイヤフラムの振動周波数と吐出流量の比例性が損なわれる原因を追求した結果、ダイヤフラムの特定の振動周波数では逆止弁の開閉動作がダイヤフラムの動きに追従しない現象が生じること、及び吸入ポート圧力が吐出ポート圧力を超えるときがあり、このとき吸入ポートから吐出ポートへの流体流を許せば、吐出流量を高めることができることを見出して完成されたものである。

すなわち本発明は、ポンプ室と、このポンプ室に開口する吸入ポート及び吐出ポートと、この吸入ポートからポンプ室への流体流を許しその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁と、上記ポンプ室から吐出ポートへの流体流を許しその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁と、ポンプ室の容積を周期的に大小に変化させるアクチュエータとを備えた容積型のポンプにおいて、ポンプ室を介することなく上記吸入ポートと吐出ポートを連通させるバイパス流路を設け、このバイパス流路に、吸入ポートから吐出ポートへの流体流を許す一方向弁を設けたことを特徴としている。

一方向弁は、逆止弁とすることができる。一方向弁、吸入側逆止弁及び吐出側逆止弁は、全てアンブレラから構成することができる。

あるいは、一方向弁は、可動部分を持たないテスラ型バルブから構成することもできる。

ポンプ室容積を周期的に変化させるアクチュエータは、例えば振動するダイヤフラムから構成できる。ダイヤフラムは、より具体的には、導電性金属薄板からなるシムの表裏の少なくとも一方に圧電体を積層してなる圧電振動子から構成できる。

また本発明は、発熱源に熱的に接触する水冷式ヒートシンク；水冷式ヒートシンクに連通する放熱部；及び水冷式ヒートシンクと放熱部との間で冷却液を循環させる容積型ポンプ；を備えた水冷システムの態様では、容積型ポンプの吸入ポートと吐出ポートを、該容積型ポンプの外に位置するバイパス流路によって連通させ、このバイパス流路に、吸入ポート側から吐出ポート側への流体流を許す一方向弁を設けたことを特徴としている。

本発明の容積型ポンプは、吸入ポートと吐出ポートをポンプ室とは別のバイパス流路を介して連通させ、このバイパス流路に、吸入ポートから吐出ポートへの流体流を許す一方向弁を設けたので、吸入ポート側の圧力が吐出ポート側の圧力を一定値以上超えたときに、ポンプ室を経由することなく、吸入ポートから吐出ポートに流体が流れる。このため、ポンプ室の容積変化の周波数と吐出流量との比例性を高め、吐出流量を増加させることができる。

図７は、本発明の容積型ポンプを水冷システムに適用した概念図である。発熱源として例示するＣＰＵ１０は、伝熱性ヒートシンク１１に熱的に接触しており、容積型ポンプ２０から伝熱性ヒートシンク１１に供給される冷却液は、伝熱性ヒートシンク１１内の流路１２を流れてＣＰＵ１０から熱を奪う。伝熱性ヒートシンク１１で昇温した冷却液は、放熱部（ラジエータ）１４内の冷却液流路１５を流れ冷却ファン１６により冷却されて、再び容積型ポンプ２０に戻り、以下この循環を繰り返す。

容積型ポンプ２０は、この実施形態では、２バルブ型圧電ポンプである。図１ないし図３に示すように、この圧電ポンプ２０は、下方から順に積層したロアハウジング２１、ミドルハウジング２２及びアッパハウジング２３を有している。

ロアハウジング２１には、冷却水（液体）の吸入ポート２４と吐出ポート２５が開口しており、この吸入ポート２４と吐出ポート２５を連通させるバイパス流路２６が形成されている。ミドルハウジング２２とアッパハウジング２３の間には、Ｏリング２７を介して圧電振動子（ダイヤフラム、アクチュエータ）２８が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子２８とミドルハウジング２２との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子２８とアッパハウジング２３との間には、大気室Ａが形成される。大気室Ａは、開放しても密閉してもよい。

圧電振動子２８は、中心部のシム２８ａと、シム２８ａの表裏の一面（図２の上面）に積層形成した圧電体２８ｂとを有するユニモルフタイプを図示している。シム２８ａは、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ０．３ｍｍ程度のステンレス薄板からなる。圧電体２８ｂは、例えば厚さ３００μｍ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。このような圧電振動子は周知である。

ロアハウジング２１とミドルハウジング２２には、吸入ポート２４とポンプ室Ｐを連通させる吸入流路３０、及びポンプ室Ｐと吐出ポート２５を連通させる吐出流路３１がそれぞれ形成されており、ミドルハウジング２２には、この吸入流路３０と吐出流路３１にそれぞれ逆止弁（アンブレラ）３２、３３が設けられている。逆止弁３２は、吸入ポート２４からポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、逆止弁３３は、ポンプ室Ｐから吐出ポート２５への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。

ロアハウジング２１のバイパス流路２６には、一方向弁（第三の逆止弁、アンブレラ）３５が設けられている。この一方向弁３５は、吸入ポート２４側の圧力が一定値を超えて吐出ポート２５側の圧力より高いとき、ポンプ室Ｐを介することなく、吸入ポート２４からの流体を吐出ポート２５に流し、その逆の流れを許さない逆止弁である。

図１ないし図３の実施形態の逆止弁３２、３３、３５は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板３２ａ、３３ａ、３５ａに、弾性材料からなるアンブレラ３２ｂ、３３ｂ、３５ｂを装着してなっている。このような逆止弁（アンブレラ）自体は周知である。

以上の圧電ポンプは、圧電振動子２８が正逆に弾性変形すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁３２が開いて吐出側逆止弁３３が閉じるため、吸入ポート２４からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁３３が開いて吸入側逆止弁３２が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出ポート２５に液体が流出する。したがって、圧電振動子２８を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られる。

さらに、バイパス流路２６に設けた一方向弁３５は、周波数-吐出流量の比例性を高め、かつ全体として吐出流量を高める作用をする。図４は、実験結果を示すもので、縦軸は吐出流量、横軸は圧電振動子２８の駆動周波数である。圧電振動子２８は、シム２８ａが４２アロイ製で厚さ５０μｍ、圧電体２８ｂが厚さ３００μｍ、径１８ｍｍφで共通である。サンプルＡは、ハウジングにバイパス流路２６及び一方向弁３５を設けたときの特性、サンプルＢ、Ｃは、バイパス流路２６及び一方向弁３５を設けない場合の特性を示している。

この実験結果から、本発明実施例のサンプルＡは、周波数-吐出流量の比例性が明らかに従来サンプルＢ、Ｃより高く、特に２００〜２５０Ｈｚ、かつ吐出流量が全周波数域で高いことが認められる。これは、従来サンプルでは、圧電振動子２８の駆動周波数が高くなるにつれて、逆止弁３２、３３の追従性が悪化するのに対し、本発明実施例サンプルでは、この追従性の悪化を一方向弁３５が補っているためと考えられる。つまり、吸入ポート２４側の圧力が吐出ポート２５側の圧力を超えるとき、一方向弁３５が開いて吸入ポート２４側の流体を吐出ポート２５側に流すため、周波数-吐出流量の比例性が高く、吐出流量が全周波数域で高くなっている。なお、周波数８０Ｈｚ前後では全てのサンプルで比例性が低下しているが、その原因は必ずしも明らかでない。また周波数２５０Ｈｚから３００Ｈｚでは、すべてのサンプルで比例性が低下しているが、これほど駆動周波数が高いと、すべての逆止弁（３２、３３、３５）の追従性が悪化することにより、ポンプ室内の圧力変化が低下するからと考えられる。勿論、以上は推論であり、本発明実施例の効果は、図４の実験結果が示している。

吸入ポート２４と吐出ポート２５を連通させるバイパス流路２６及び一方向弁３５は、必ずしも圧電ポンプ（容積型ポンプ）のハウジング内に設けなくてもよい。図５は、圧電ポンプ２０の外側に、別体としてのバイパスブロック４０を設け、このバイパス流路４０内に、吸入ポート２４と吐出ポート２５を連通させるバイパス流路２６及び一方向弁３５を設けた実施形態である。この実施形態は、図７の概念図では、圧電ポンプ２０の外側に、圧電振動子２８の振動による圧力変動が生じる領域内に位置させて、吸入ポート２４と吐出ポート２５を連通させるバイパス流路２６を設け、このバイパス流路２６に一方向弁３５を設ける実施形態に相当する。

図６は、一方向弁３５として、テスラ型の一方向弁３５Ｔを用いた実施形態である。テスラ型の一方向弁は、正流と逆流とで流路抵抗が大きく異なるように流路形状を設定することで実質的に一方向弁としての作用を生じさせる弁として知られている。このテスラ型一方向弁３５Ｔは、吸入ポート２４側から吐出ポート２５側への正流Ｘは流れやすい（流路抵抗が小さい）のに対し、逆流Ｙは流れにくい（流路抵抗が大きい）。

以上の実施形態では、ダイヤフラムとしてユニモルフ型の圧電振動子２８を例示したが、バイモルフ型の圧電振動子を用いることもできる。さらに、本発明は、より一般的に、ポンプ室の容積を周期的に大小に変化させてポンプ作用を得る容積型のポンプに適用できる。

本発明を容積ポンプの一種であるダイヤフラムポンプ（圧電ポンプ）に適用した実施形態を示す、一部を切開した平面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 同分解斜視図である。 本発明による圧電ポンプと従来ポンプの周波数-吐出流量特性を比較して示すグラフ図である。 一方向弁（第三の逆止弁）の配置位置の別の例を示す、本発明の別の実施形態の要部断面図である。 一方向弁（第三の逆止弁）として、テスラ型バルブを用いた実施形態の平面図である。 容積ポンプを含むＣＰＵ冷却システムの構成図である。

符号の説明

１０ ＣＰＵ（発熱源）
１１ 水冷式ヒートシンク
１４ 放熱部（ラジエータ）
２０ 圧電ポンプ（容積型ポンプ）
２１ ２２ ２３ ハウジング
２４ 吸入ポート
２５ 吐出ポート
２６ バイパス流路
２８ 圧電振動子（アクチュエータ）
３２ 吸入側逆止弁
３３ 吐出側逆止弁
３５ 一方向弁
３５Ｔ テスラ型一方向弁
Ｐ ポンプ室

Claims (7)

1. ポンプ室と、このポンプ室に開口する吸入ポート及び吐出ポートと、この吸入ポートからポンプ室への流体流を許しその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁と、上記ポンプ室から吐出ポートへの流体流を許しその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁と、ポンプ室の容積を周期的に大小に変化させるアクチュエータとを備えた容積型ポンプにおいて、
   上記ポンプ室を介することなく上記吸入ポートと吐出ポートを連通させるバイパス流路を設け、このバイパス流路に、吸入ポートから吐出ポートへの流体流を許す一方向弁を設けたことを特徴とする容積型ポンプ。
2. 請求項１記載の容積型ポンプにおいて、上記一方向弁は、逆止弁である容積型ポンプ。
3. 請求項２記載の容積型ポンプにおいて、上記一方向弁、吸入側逆止弁及び吐出側逆止弁は、全てアンブレラからなっている容積型ポンプ。
4. 請求項１記載の容積型ポンプにおいて、上記一方向弁は、テスラ型バルブからなっている容積型ポンプ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の容積型ポンプにおいて、上記アクチュエータは、振動するダイヤフラムからなっている容積型ポンプ。
6. 請求項５記載の容積型ポンプにおいて、上記ダイヤフラムは、導電性金属薄板からなるシムの表裏の少なくとも一方に圧電体を積層してなる圧電振動子からなっている容積型ポンプ。
7. 発熱源に熱的に接触する水冷式ヒートシンク；
   上記水冷式ヒートシンクに連通する放熱部；及び
   上記水冷式ヒートシンクと放熱部との間で冷却液を循環させる容積型ポンプ；
   を備えた水冷システムにおいて、
   上記容積型ポンプの吸入ポートと吐出ポートを、該容積型ポンプの外に位置するバイパス流路によって連通させ、このバイパス流路に、吸入ポート側から吐出ポート側への流体流を許す一方向弁を設けたことを特徴とする水冷システム。

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