JP2008180104A - ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】平面円形でその中心部の振幅が最も大きくなるように振動するダイヤフラムによって形成したポンプ室に、ダイヤフラムの平面中心に対して偏心させた対称位置に位置させて、吸入側流路からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側アンブレラと、ポンプ室から吐出側流路への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側アンブレラとを設けたダイヤフラムポンプにおいて、流量を低下させずに閉鎖圧を高める。
【解決手段】吸入側アンブレラの傘部によって覆われる領域を、ダイヤフラム中心に近い半分（中心側領域）と遠い半分（離間側領域）とに分けたとき、その一態様では、離間側領域の流路孔の数を減らし、別の態様では、離間側領域の流路孔の合計流路面積を狭く設定したダイヤフラムポンプ。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤフラムポンプに関し、特に逆止弁としてアンブレラを用いたダイヤフラムポンプに関する。

振動するダイヤフラムによってポンプ作用を得るポンプとして、例えば圧電ポンプがある。圧電ポンプは、平面円形の圧電振動子とハウジングによってポンプ室を形成する。ポンプ室には、吸入側流路からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁と、ポンプ室から吐出側流路への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁とを設けている。圧電振動子が振動すると、ポンプ室の容積が大きくなる行程では、流入側逆止弁が開き吐出側逆止弁が閉じて吸入側流路からポンプ室内に流体が流入し、逆にポンプ室の容積が小さくなる行程では、吐出側逆止弁が開き吸入側逆止弁が閉じてポンプ室から吐出側流路に流体が吐出される。

逆止弁としては、小型（薄型）であることから、傘部と、この傘部の中心の傘の柄の部分に相当する軸部とを有するアンブレラが用いられている。このアンブレラの軸部の周囲には、ポンプ室と吸入側流路を連通させる流路孔、及びポンプ室と吐出側流路を連通させる流路孔がそれぞれ離散的に形成されており、これら流路穴がアンブレラの傘部によって覆われる。このアンブレラでは、流路孔を通り傘部の内側から流体圧力を作用させる方向の流れは、傘部が弾性変形して許す一方、傘部に外側から流体圧力を作用させる方向の流れは許さない。

本出願人は、薄型にできるという圧電ポンプの特徴を生かして、水冷ノートパソコンの冷却水循環ポンプとして用いる圧電ポンプを開発中である。
特開平６-３４１３７６号公報 特開２００３-２２５８９８号公報

このような圧電ポンプ（ダイヤフラムポンプ）では、ポンプ効率を高めるために、吸入側と吐出側のアンブレラが閉じたとき（流量がゼロになるとき）の吐出側流路内（系）の圧力（閉鎖圧）ができるだけ高いことが望ましい。

一方、吸入側アンブレラと吐出側アンブレラは一般的に、ダイヤフラムの平面中心に対して偏心させた対称位置に設けており、流路孔は、アンブレラの軸部周囲に均等に配置している。ところが、本発明者らの解析によると、特に流入側アンブレラにおいて軸部周囲に均等に配置されている流路孔は、閉鎖圧を低くする原因であることが判明した。

本発明は、以上の問題意識に基づき、平面円形のダイヤフラムの平面中心に対して偏心させた対称位置に、吸入側及び吐出側の逆止弁としてそれぞれアンブレラを配置するダイヤフラムポンプにおいて、閉鎖圧を高めることを目的とする。

本発明者らは、ダイヤフラムポンプ（圧電ポンプ）において、特に吸入側アンブレラの挙動を観察したところ、ダイヤフラム（圧電振動子）がポンプ容積を減少させる方向に変形するとき、アンブレラの傘部は、ダイヤフラム中心から離れた側において弁座に密着せず、流路孔を開いてしまう傾向があることを見い出した。これは、吸入側アンブレラがダイヤフラムの平面中心から偏心した位置に存在することが原因であると考えられる。吐出側アンブレラも当然ダイヤフラムの平面中心から偏心した位置に存在しているが、吐出側アンブレラについては、閉鎖圧を減少させるような挙動は見い出せなかった。

本発明は、以上の知見に基づき、平面円形でその中心部の振幅が最も大きくなるように振動するダイヤフラム；このダイヤフラムとハウジングとの間に形成したポンプ室；及びこのポンプ室に、ダイヤフラムの平面中心に対して偏心させた対称位置に設けた、吸入側流路からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁と、ポンプ室から吐出側流路への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁；を有し、吸入側と吐出側の逆止弁はそれぞれ、軸部と傘部を有するアンブレラと、このアンブレラの軸部の回りに形成され傘部によって覆われる流路孔とを備えたダイヤフラムポンプにおいて、吸入側アンブレラについてそのダイヤフラムの平面中心から離れた側における閉弁性を高めることで、問題点の解決を図ったものである。

本発明は、吸入側アンブレラの傘部によって覆われる領域を、ダイヤフラム中心に近い半分（中心側領域）と遠い半分（離間側領域）とに分けたとき、その一態様では、離間側領域の流路孔の数を減らし、別の態様では、離間側領域の流路孔の合計流路面積を狭く設定したものである。両態様を併用してもよい。

すなわち、本発明は、その一態様では、吸入側アンブレラの軸部周囲に離散的に形成する流路孔を、ダイヤフラム中心に近い中心側領域の数が多くなり、ダイヤフラム中心から離れた離間側領域の数が少なくなるように偏在させたことを特徴としている。「数が多い」と「数が少ない」の組み合わせには、「１」と「０」の組み合わせを含む。

第二の態様では、吸入側アンブレラの軸部周囲に離散的に形成する流路孔を、ダイヤフラム中心から離れた離間側領域の合計面積が狭くなり、ダイヤフラム中心に近い中心側領域の合計面積が広くなるように形成したことを特徴としている。

最も簡単な態様は、吸入側アンブレラの流路孔を離間側領域には形成しない態様である。中心側領域の流路孔の数は最低１つでよい。

本発明は、少なくともダイヤフラムとして圧電振動子を用いた圧電ポンプに適用できる。

本発明のダイヤフラムポンプによれば、ダイヤフラムの平面中心に対して偏心した位置にある吸入側アンブレラの閉弁性を高めることができ、流量を低下させることなく閉鎖圧を高めることができる。

図５ないし図７について、圧電振動子（ダイヤフラム）１０を有する圧電ポンプ（ダイヤフラムポンプ）２０の一例及びその問題点を説明する。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１０が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子１０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１０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。

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にそれぞれ吸入側アンブレラ３２と吐出側アンブレラ３３が設けられている。吸入側アンブレラ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、吐出側アンブレラ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。吸入側アンブレラ３２と吐出側アンブレラ３３は、平面円形の圧電振動子１０の平面中心に関し偏心した対称位置にある。

吸入側と吐出側のアンブレラ３２、３３は、同一（対称）構造であり、平面円形の傘部３２ａ、３３ａと、この傘部の中心の軸部３２ｂ、３３ｂとを備えている。弁座基板３２ｃ、３３ｃには、この軸部３２ｂ、３３ｂを受け入れて支持する軸孔３２ｄ、３３ｄと、この軸孔３２ｄ、３３ｄの周囲に離散的に均等に（同一の仮想円上に等間隔で）位置する流路孔３２ｅ、３３ｅが穿設されており、これらの流路孔３２ｅ、３３ｅが傘部３２ａ、３３ａによって覆われている。

この実施形態の圧電振動子１０は、ポンプ室Ｐ側に臨むシム１１と、大気室Ａ側に臨む圧電体１２とを備えたユニモルフタイプである。シム１１は、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ５０μｍ程度のステンレス、４２アロイ等の薄板からなっている。圧電体１２は、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）等の圧電材料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。この圧電体１２の表裏にはそれぞれ電極が形成されており、この表裏電極間に交番電界を印加することにより、圧電振動子１０は平面円形の中央部分の振幅が最も大きくなるように振動する。

以上の圧電ポンプは、理論的には、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側アンブレラ３２の傘部３２ａが弁座基板３２ｃから離れる方向に弾性変形して流路孔３２ｅが開き、吐出側アンブレラ３３の傘部３３ａが弁座基板３３ｃに密着して流路孔３３ｅを閉じるため、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、吐出側アンブレラ３３の傘部３３ａが流路孔３３ｅを開き、吸入側アンブレラ３２の傘部３２ａが流路孔３２ｅを閉じるため、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１０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。

ところが、本発明者が吸入側アンブレラ３２の挙動を観察したところ、その傘部３２ａは、圧電振動子１０がポンプ容積を減少させる方向に変形する吐出行程において、圧電振動子１０の中心から離れた側において弁座基板３２ｃに密着せず（密着力が弱くなり）、流路孔３２ｅから流体が漏れ出ており、これが閉鎖圧を減少させる原因であることを見い出した。この原因は、必ずしも明らかでないが、平面円形の圧電振動子１０は中央部の振幅が最も大きくなるように振動するため、吸入側アンブレラ３２の傘部３２ａはその中心側においては比較的強い力で弁座基板３２ｃに密着するのに対し、中心から離れた側では流体が傘部３２ａと弁座基板３２ｃの間に進入しやすいからではないかと推論されている。

本実施形態は、以上の発見に基づき、図１に示すように、吸入側アンブレラ３２の円形傘部３２ａによって覆われる領域を、圧電振動子１０の平面中心Ｏに近い半分の中心側領域Ｃと遠い半分の離間側領域Ｆとに分け、離間側領域Ｆでは、流路孔３２ｅを廃止している。図１において、黒く塗り潰した円形部分が従来品では存在した流路孔３２ｅであり、本実施形態では存在しない（塞がれた）流路孔である。より具体的には、従来品では、中心側領域Ｃと離間側領域Ｆとにそれぞれ３個の流路孔３２ｅが形成されていたのを、この実施形態では、離間側領域Ｆの３個の流路孔３２ｅを無くしている。

図２は、吸入側アンブレラ３２と吐出側アンブレラ３３のそれぞれの離間側領域Ｆの３個の流路孔３２ｅを廃止した本発明による圧電ポンプの動作状態を模式的に示したものである。吸入側アンブレラ３２において、離間領域Ｆの流路孔３２ｅを廃止した本発明品は、ポンプ室Ｐ容積が減少するとき、仮に傘部３２ａと弁座基板３２ｃとの間に離間側領域において隙間Ｓ（図２（ｃ）参照）が生じても、流路孔３２ｅ自体が存在しないので、閉鎖圧の減少を招くことがない。吐出側アンブレラ３３については、次の実験結果が示すように、一部の流路孔３３ｅを廃止する必要はない。

図３と図４は、吸入側アンブレラ３２について、中心側領域Ｃと離間側領域Ｆとにそれぞれ３個の流路孔３２ｅを形成した従来品と、離間側領域Ｆの３個の流路孔３２ｅを廃止した本発明実施品とについて、圧電振動子１０の駆動周波数と閉鎖圧の関係、及び同駆動周波数と流量との関係を調べた結果を示している。本発明実施品については、吐出側アンブレラ３３の影響を同時に調べるため、吐出側アンブレラ３３について中心側領域Ｃの３個の流路孔３３ｅを廃止して（塞いで）離間側領域Ｆの３個の流路孔３３ｅを残した本発明実施品Ａと、離間側領域Ｆの３個の流路孔３３ｅを廃止して（塞いで）中心側領域Ｃの３個の流路孔３３ｅを残した本発明実施品Ｂとが含まれている。

図３から明らかなように、本発明実施品ＡとＢは、従来品に比較して閉鎖圧が上昇している。一方、流量は、図４から明らかなように、本発明実施品Ａ、Ｂと従来品とで有意な差は認められない。すなわち、吸入側アンブレラ３２について離間側領域Ｆの流路孔３２ｅを廃止したとき、閉鎖圧上昇という効果が認められるのに対し、流量の減少は招かないことが確認された。

以上の実施形態では、吸入側アンブレラ３２の傘部３２ａの離間側領域Ｆにおいて流路孔３２ｅを廃止した（つまり、中心側領域Ｃにおける流路孔３２ｅの数が離間側領域Ｆにおける流路孔３２ｅの数より多い）が、本発明の別の実施形態は、図１の黒く塗り潰した流路孔３２ｅの流路面積（離間領域Ｆにある流路孔３２ｅの合計流路面積）を小さくすることである。数を少なくし、さらに流路面積を小さくするという選択肢もある。また、本発明のさらに別の実施形態としては、中心側領域Cにのみ一つの大きな流路孔３２ｅを設け離間側領域には流路孔３２ｅを設けないとする選択肢もある。図示した流路孔３２ｅの数及び位置が一例であることは勿論であり、必要に応じて、吐出側アンブレラ３３の傘部３３ａについても吸入側アンブレラ３２の傘部３２ａと同様な流路孔３３ｅの構造としても良い。

本発明によるダイヤフラムポンプ（圧電ポンプ）の吸入側アンブレラと吐出側アンブレラの流路孔の配置例を示す平面図である。 同圧電ポンプの動作状態を示す模式断面図である。 本発明による圧電ポンプと従来の圧電ポンプの圧電振動子振動周波数と閉鎖圧の関係を調べたグラフである。 本発明による圧電ポンプと従来の圧電ポンプの圧電振動子周波数と流量の関係を調べたグラフである。 本発明が対象とする圧電ポンプの一例を示す平面図である。 図５のVI-VI線に沿う断面図である。 同分解斜視図である。

符号の説明

１０ 圧電振動子（ダイヤフラム）
２１ ロアハジング
２２ ミドルハウジング
２３ アッパハウジング
２４ 吸入ポート
２５ 吐出ポート
２７ Ｏリング
３０ 吸入流路
３１ 吐出流路
Ｐ ポンプ室
Ａ 大気室
３２ 吸入側アンブレラ
３２ａ 傘部
３２ｂ 軸部
３２ｃ 弁座基板
３２ｄ 軸孔
３２ｅ 流路孔
３３ 吐出側アンブレラ

Claims (6)

1. 平面円形でその中心部の振幅が最も大きくなるように振動するダイヤフラム；
   このダイヤフラムとハウジングとの間に形成したポンプ室；及び
   このポンプ室に、ダイヤフラムの平面中心に対して偏心させた対称位置に設けた、吸入側流路からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁と、ポンプ室から吐出側流路への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁；
   を有し、
   上記吸入側と吐出側の逆止弁はそれぞれ、軸部と傘部を有するアンブレラと、このアンブレラの軸部の回りに形成され傘部によって覆われる流路孔とを備えたダイヤフラムポンプにおいて、
   上記吸入側アンブレラの軸部周囲に離散的に形成する流路孔を、ダイヤフラム中心に近い中心側領域の数が多くなり、ダイヤフラム中心から離れた離間側領域の数が少なくなるように偏在させた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、上記離間側領域の流路孔の合計流路面積は、中心側領域の流路孔の合計流路面積よりも狭く設定されているダイヤフラムポンプ。
3. 平面円形でその中心部の振幅が最も大きくなるように振動するダイヤフラム；
   このダイヤフラムとハウジングとの間に形成したポンプ室；及び
   このポンプ室に、ダイヤフラムの平面中心に対して偏心させた対称位置に設けた、吸入側流路からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁と、ポンプ室から吐出側流路への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁；
   を有し、
   上記吸入側と吐出側の逆止弁はそれぞれ、軸部と傘部を有するアンブレラと、このアンブレラの軸部の回りに形成され傘部によって覆われる流路孔とを備えたダイヤフラムポンプにおいて、
   上記吸入側アンブレラの軸部周囲に離散的に形成する流路孔を、ダイヤフラム中心から離れた離間側領域の合計面積が狭くなり、ダイヤフラム中心に近い中心側領域の合計面積が広くなるように形成したことを特徴とするダイヤフラムポンプ。
4. 請求項３記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記離間側領域の流路孔の数は、中心側領域の流路孔の数より少ない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、吸入側アンブレラの流路孔は、上記離間側領域には存在しない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、上記ダイヤフラムは圧電振動子であるダイヤフラムポンプ。