JP2008303805A - ダイヤフラムエアポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラムと、このダイヤフラムを挟着して該ダイヤフラムの上下にそれぞれ可変圧力室を構成するアッパハウジング及びロアハウジングとを有し、該ダイヤフラムを振動させてポンプ作用を得るダイヤフラムエアポンプにおいて、単一の環状弾性シール部材でダイヤフラムの表裏の可変圧力室のエアシールができるダイヤフラムポンプを得る。
【解決手段】アッパハウジングとロアハウジングのいずれか一方に、平面円形のダイヤフラムを嵌める円形凹部を形成し、他方に、この円形凹部を跨ぐ内外径を有するシール部材収納用の環状溝を形成し、このシール部材収納用環状溝内に、上記ダイヤフラムの周縁部を跨ぎ、アッパハウジングとロアハウジングによって圧縮変形される環状弾性シール部材を収納したダイヤフラムポンプ。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ダイヤフラムを往復振動させてポンプ作用を得るダイヤフラムエアポンプに関する。

本出願人は、例えばノートＰＣの発熱源（例えばＣＰＵ）の冷却に、圧電振動子を用いた圧電式エアポンプを用いることを検討している。

圧電振動子の振幅は、数十〜数百μｍオーダであるが、可変容積室の容積を十分小さくすることで、噴流気体（空気）を出し入れすることが可能であり、この気体流で発熱源の周囲の空気（熱）を移動させ冷却することができる。

圧電体を、シム（導電性薄肉金属板）の表裏の少なくとも一方に積層してなる圧電振動子は、その厚さを全体でも１ｍｍ未満とすることができる。また、圧電振動子の上下に形成する可変容積室も、圧電振動子の振動で圧縮性の空気を給排するという目的上、小容積である。このため、圧電式気体噴射装置は非常に薄くでき、ノートＰＣのような空間の少ない装置の冷却用として有望であると考えられる。
特開2005-256834号公報 特開平7-151061号公報 特開2002-227770号公報 特開2001-323879号公報

この圧電式エアポンプでは、圧電振動子（ダイヤフラム）の気密構造を確保するため従来、圧電振動子の表裏にそれぞれ弾性材料からなる環状シール部材を設けていた。すなわち、ダイヤフラムの表側の周縁部とアッパハウジングの間、及びダイヤフラムの裏側の周縁部とロアハウジングの間にそれぞれ環状シール部材を介在させており、ダイヤフラム表裏に環状シール部材を設けることが技術的に必須であると考えられていた。しかし、本発明者らの解析によれば、液体漏れを心配する必要のないダイヤフラムエアポンプでは、表裏の双方に環状シール部材を設ける必要はなく、シール構造を工夫することで、単一の環状シール部材でも、十分実用に耐えるエアシールが実現できる。

従って本発明は、ダイヤフラムと、このダイヤフラムを挟着して該ダイヤフラムの上下にそれぞれ可変圧力室を構成するアッパハウジング及びロアハウジングとを有し、該ダイヤフラムを振動させてポンプ作用を得るダイヤフラムエアポンプにおいて、単一の環状弾性シール部材でダイヤフラムの表裏の可変圧力室のエアシールができるダイヤフラムポンプを得ることを目的とする。

本発明のダイヤフラムポンプは、アッパハウジングとロアハウジングのいずれか一方に、平面円形のダイヤフラムを嵌める円形凹部を形成し、他方に、この円形凹部を跨ぐ内外径を有するシール部材収納用の環状溝を形成し、このシール部材収納用環状溝内に、ダイヤフラムの周縁部を跨ぎ、アッパハウジングとロアハウジングによって圧縮変形される環状弾性シール部材を収納したことを特徴としている。

ダイヤフラムは、具体的には例えば、圧電振動子を用いることができる。

この圧電振動子は、例えば、導電性金属薄板からなるシムに圧電体層を積層したユニモルフ型圧電振動子である。バイモルフ型でもよい。

圧電振動子のシムの径は圧電体層の径より大径とし、ロアハウジングの円形凹部を、シムを嵌合させる大径段部と圧電体を非接触で収納する小径段部とから構成することで、圧電振動子の変形（振動）を容易にし、振幅を大きくすることができる。

環状弾性シール部材の自由状態における断面形状は、例えば、矩形、円形、楕円形または長円形にすることができ、自由度がある。

本発明のダイヤフラムポンプは、アッパハウジングとロアハウジングのいずれか一方に、平面円形のダイヤフラムを嵌める円形凹部を形成し、他方に、この円形凹部を跨ぐ内外径を有するシール部材収納用の環状溝を形成し、このシール部材収納用環状溝内に、ダイヤフラムの周縁部を跨ぎ、アッパハウジングとロアハウジングによって圧縮変形される環状弾性シール部材を収納したから、単一の環状弾性シール部材でダイヤフラムの表裏の可変圧力室のエアシールができる。

図１ないし図３は、本発明を圧電式エアポンプ（気体噴流発生装置）１００に適用した実施形態である。この圧電式エアポンプ１００は、圧電振動子１０、アッパハウジング２０、ロアハウジング３０及び環状弾性シール部材４０を主たる構成要素としている。アッパハウジング２０とロアハウジング３０は硬質樹脂材料（例えばＰＢＴ、ＰＰＳ）からなり、環状弾性シール部材４０はゴム材料（例えばＥＰＤＭ）からなっている。

圧電振動子１０は、シム１１と、該シム１１の一方の面に圧電体１２を積層したユニモルフタイプである（図３）。シム１１は、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ５０〜２００μｍ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。給電ライン１３を介して、シム１１と圧電体１２の露出面（圧電体１２の表裏）に交番電界が与えられると、圧電体１２の表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シム１１（圧電振動子１０）が振動する。

ロアハウジング３０には、段付円形凹部３１が形成されている。この段付円形凹部３１は、圧電体１２が非接触で位置する小径円形凹部３２上に、シム１１が嵌まる大径円形凹部３３を同心に形成したものである。大径円形凹部３３の径と深さは、シム１１の径と厚さに対応し、大径円形凹部３３にシム１１を嵌めたとき、シム１１の表面とロアハウジング３０の周縁当付面３４とがほぼ面一になる。小径円形凹部３２の深さは、段付円形凹部３１（大径円形凹部３３）に圧電振動子１０（シム１１）を嵌めたとき、圧電体１２と小径円形凹部３２底部との間に、微小空間のロア可変容積室３５が形成されるように定められている。このように、圧電振動子１０のシム１１だけを上下のハウジングで挟着し、圧電体１２はハウジングに非接触とすることで、圧電振動子１０の変形（振動）を容易にし、振幅を大きくすることができる。

一方、アッパハウジング２０には、円形凹部２１と、この円形凹部２１と同心の環状溝２２とが形成されている。環状溝２２の外径Ｄは大径円形凹部３３の外径より大きく、内径ｄは大径円形凹部３３の外径より小さく設定されている。つまり、環状溝２２の内外径は、大径円形凹部３３の最大径部（エッジ）を跨ぐように設定されている。円形凹部２１の深さは、アッパハウジング２０の周縁当付面２３をロアハウジング３０の周縁当付面３４に当接させたとき、段付円形凹部３１に嵌めた圧電振動子１０のシム１１と、円形凹部２１底部との間に、微小空間のアッパ可変容積室２４が形成されるように定められている。

アッパハウジング２０の環状溝２２には、環状弾性シール部材４０が挿入されている。この環状弾性シール部材４０の内外径は、環状溝２２の内外径に対応しており、圧電振動子１０のシム１１の外径エッジを跨ぐように設定されている。また環状溝２２の深さと環状弾性シール部材４０の厚さは、アッパハウジング２０の周縁当付面２３とロアハウジング３０の周縁当付面３４を当接させて締結ねじ２７で締結したとき、環状弾性シール部材４０が２０〜３０％程度圧縮されるように定める。図示実施形態の環状弾性シール部材４０は、自由状態で断面矩形をなしているが、断面円形、長円形、楕円形等の任意断面を使用できる。

アッパハウジング２０とロアハウジング３０にはそれぞれ、アッパ可変容積室２４とロア可変容積室３５を外部に連通させるアッパ給排孔２６とロア給排孔３６が形成されている。このアッパ給排孔２６とロア給排孔３６は、アッパ可変容積室２４とロア可変容積室３５の底面と、アッパハウジング２０とロアハウジング３０の側面との間に延びている。アッパ可変容積室２４とロア可変容積室３５の体積（断面積）は、圧電振動子１０の振動に伴う空気の吸引吐出が、できるだけ衝撃的に行われ圧縮比が高くなるように定められている。また、アッパ給排孔２６とロア給排孔３６の圧電式エアポンプ１００の側面に対する開口端は、上下位置が異なるように、千鳥状に配置されている。このアッパ給排孔２６とロア給排孔３６には、適宜パイプを接続して任意位置に開口させることができる。

本圧電式エアポンプ１００がどの程度の大きさを有するかの一指標として、具体的な寸法例を挙げる。
アッパハウジング２０（ロアハウジング３０）＝３５ｍｍ□
アッパハウジング２０とロアハウジング３０の合計厚＝３ｍｍ
シム１１の厚さ＝０．２ｍｍ
圧電体１２の厚さ＝０．２ｍｍ
自由状態におけるシム１１と円形凹部２１の隙間（アッパ可変容積室２４の深さ）＝０．１５ｍｍ
自由状態における圧電体１２と小径円形凹部３２の隙間（ロア可変容積室３５の深さ）＝０．１５ｍｍ
圧電振動子１０の振幅＝０．１５〜０．２ｍｍ

以上の圧電式エアポンプ１００は、給電ライン１３を介して圧電体１２の表裏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。すると、アッパ可変容積室２４（ロア可変容積室３５）の容積が拡大する行程では、アッパ給排孔２６（ロア給排孔３６）からアッパ可変容積室２４（ロア可変容積室３５）内に空気が吸引され、アッパ可変容積室２４（ロア可変容積室３５）の容積が縮小する行程では、アッパ可変容積室２４（ロア可変容積室３５）内からアッパ給排孔２６（ロア給排孔３６）に空気が吐出される。この空気の吸引吐出は、できるだけ衝撃的に行われるように、アッパ可変容積室２４（ロア可変容積室３５）及びアッパ給排孔２６（ロア給排孔３６）の体積（断面積）が定められているから、アッパ給排孔２６（ロア給排孔３６）の開口端近傍で空気の移動を生じさせ、冷却作用を得ることができる。

以上の実施形態の説明では、便宜上、「アッパ」「ロア」の語を用いたが、気体噴流発生装置圧電式エアポンプ１００の使用状態での上下関係を述べたものではないことは明らかである。

以上の実施形態は、圧電振動子１０としてユニモルフ型を用いたが、シムの表裏に圧電体を設けた振幅の大きいバイモルフ型を用いることも可能である。さらに、本発明は、圧電振動子以外のダイヤフラムを用いたエアポンプ一般にも適用可能である。

本発明によるダイヤフラムを圧電式気体噴流発生装置に適用した一実施形態を示す斜視図である。 同分解斜視図である。 同部分拡大断面図である。

符号の説明

１００ 圧電式エアポンプ
１０ 圧電振動子
１１ シム
１２ 圧電体
１３ 給電ライン
２０ アッパハウジング
２１ 円形凹部
２２ 環状溝
２３ 周縁当付面
２４ アッパ可変容積室
２６ アッパ給排孔
３０ ロアハウジング
３１ 段付円形凹部
３２ 小径円形凹部
３３ 大径円形凹部
３４ 周縁当付面
３５ ロア可変容積室
３６ ロア給排孔

Claims (5)

1. ダイヤフラムと、このダイヤフラムを挟着して該ダイヤフラムの上下にそれぞれ可変圧力室を構成するアッパハウジング及びロアハウジングとを有し、該ダイヤフラムを振動させてポンプ作用を得るダイヤフラムエアポンプにおいて、
   上記アッパハウジングとロアハウジングのいずれか一方に、平面円形のダイヤフラムを嵌める円形凹部を形成し、他方に、この円形凹部を跨ぐ内外径を有するシール部材収納用の環状溝を形成し、
   このシール部材収納用環状溝内に、上記ダイヤフラムの周縁部を跨ぎ、アッパハウジングとロアハウジングによって圧縮変形される環状弾性シール部材を収納したことを特徴とするダイヤフラムエアポンプ。
2. 請求項１記載のダイヤフラムエアポンプにおいて、上記ダイヤフラムは、圧電振動子であるダイヤフラムエアポンプ。
3. 請求項２記載のダイヤフラムエアポンプにおいて、上記圧電振動子は、導電性金属薄板からなるシムに圧電体層を積層したユニモルフ型圧電振動子であるダイヤフラムエアポンプ。
4. 請求項３記載のダイヤフラムエアポンプにおいて、上記圧電振動子のシムの径は圧電体層の径より大径で、ロアハウジングの円形凹部は、シムを嵌合させる大径段部と圧電体を非接触で収納する小径段部とからなっているダイヤフラムエアポンプ。
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エアポンプにおいて、上記環状弾性シール部材の自由状態における断面形状は、矩形、円形、楕円形または長円形であるダイヤフラムエアポンプ。