JP2009057963A - 流体輸送装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】流体輸送装置を提供する。
【解決手段】流体輸送装置は、弁座、弁帽、弁膜、複数緩衝室、振動薄膜およびアクチュエーターを含む。弁膜は、弁座と弁帽の間に配置され、いくつかの中空弁スイッチを含み、それは少なくとも第1弁スイッチおよび第2弁スイッチを含む。複数緩衝室は、弁膜と弁帽の間に第1緩衝室および弁膜と弁座の間に第2緩衝室を含む。振動薄膜は、流体輸送装置が非作動状態であるとき、弁帽から分離され、それによって、圧力キャビティを規定している。アクチュエーターは、振動薄膜に接続される。アクチュエーターが変形せざるを得ないとき、アクチュエーターに接続される振動薄膜は、圧力キャビティの容量を変化させるように伝えられ、結果として流体を動かすための圧力差をもたらす。
【選択図】図3

Description

本発明は、流体輸送装置に関し、特に、超小型ポンプで用いる流体輸送装置に関する。
今日では、製薬産業、コンピューター技術、印刷産業、エネルギー産業などの多くの産業部門で使用される流体輸送装置は、小型化に向けて開発されている。例えば超小型ポンプ、超小型噴霧器、印字ヘッドまたは産業用プリンターで使用される流体輸送装置は、非常に重要な構成要素である。その結果として、流体輸送装置を改良することは、決定的に重要なことである。
図1Aは、非作動状態での超小型ポンプを図示する概略断面図である。超小型ポンプ10は、入口流路13、超小型アクチュエーター15、伝動装置14、仕切板12、加圧室111、基板11および出口流路16を主として備える。加圧室111は、仕切板12と基板11との間に範囲を限定され、その中に流体を入れる。仕切板12の変形量によって、加圧室111の容量は異なる。
超小型アクチュエーター15の両電極に電圧が印加されると、電界が発生する。電界は、超小型アクチュエーター15が仕切板12および加圧室111に向かって動くように、超小型アクチュエーター15の下方への変形を引き起こす。そのように、超小型アクチュエーター15によって発生される押す力は、伝動装置14に加えられる。伝動装置14を通って、押す力は、仕切板12に伝えられ、したがって仕切板12はゆがめられる。仕切板12が押し付けられ、図1Bに示されるように変形するので、加圧室111内の流体は、矢印Xで表される方向に出口流路16を通って前もって決められた容器(図示せず)に流れることになる。流体の連続的流れによって、入口流路13の流体は、加圧室111に供給される。
図2は、図1Aに示される超小型ポンプの概略上面図である。図2に示されるとおり、流体は、矢印Yで表される方向に超小型ポンプによって輸送される。超小型ポンプ10には、流入量増幅器17および流出量増幅器18がある。流入量増幅器17および流出量増幅器18は、円錐形である。流入量増幅器17の比較的広い方の端は、入口流路191に接続され、流入量増幅器17の比較的狭い方の端は、加圧室111に接続される。流出量増幅器18の比較的広い方の端は、加圧室111に接続され、流出量増幅器18の比較的狭い方の端は、出口流路192に接続される。なおその上に、流入量増幅器17および流出量増幅器18は、同方向に配置される。流量増幅器の両端および加圧室111の容量増加/圧縮での異なる流れ抵抗に起因して、一定方向の正味流量が供給される。すなわち、流体は、流入量増幅器17を通って、入口流路191から加圧室111に流れ込み、その後流出増幅器18を通って出口流路192から流れ出る。
しかしながら、この無弁超小型ポンプ10には、まだ若干の欠点がある。例えば、超小型ポンプが作動状態のとき、多少の流体が入口流路に戻る可能性がある。正味流量を上げるために、加圧室111の圧縮比は、十分な室圧を結果的にもたらすように増やされることが望ましい。この状況下では、高価な超小型アクチュエーターが必要である。
それゆえに、先行技術から引き起こされる欠点を除去するために、超小型ポンプで用いる流体輸送装置を提供する必要がある。
本発明の目的は、流体輸送装置を提供することである。弁座、弁膜、弁帽、作動モジュールおよび蓋板は、下から上に順次積み上げられ、それによって流体輸送装置を組み立てる。作動モジュールは、振動薄膜を変形させるように作動され、したがって圧力キャビティの容量は変化し、結果的に陽圧または陰圧差をもたらす。なおその上に、弁膜の入口/出口弁構造は、急速に開閉される。圧力キャビティの容量が増大または減少する瞬間に、流体を流すための吸い上げまたは衝撃が発生する。本発明の流体輸送装置は、優れた流量および出力圧力で、気体または液体を輸送することができる。本発明の流体輸送装置を用いることによって、流体輸送中流体が戻るという問題は回避される。
本発明の態様に従って、流体を輸送するための流体輸送装置が提供される。流体輸送装置は、弁座、弁帽、弁膜、複数緩衝室、振動薄膜およびアクチュエーターを含む。弁座には、入口流路および出口流路がある。弁帽は、弁座上に配置される。弁膜は、大体均一の厚さであり、弁座と弁帽の間に配置され、いくつかの中空弁スイッチを含み、それは少なくとも第1弁スイッチおよび第2弁スイッチを含む。複数緩衝室は、弁膜と弁帽の間に第1緩衝室および弁膜と弁座の間に第2緩衝室を含む。振動薄膜には、弁帽に固定される外縁がある。振動薄膜には、上述弁帽に固定される外縁があり、流体輸送装置が非作動状態であるとき、弁帽から分離され、それによって、圧力キャビティの範囲を限定している。アクチュエーターは、振動薄膜に接続される。アクチュエーターが変形の影響を受けざるを得ないとき、アクチュエーターに接続される振動薄膜は、圧力キャビティの容量変化を供給するように伝えられ、結果として入口流路から導入される流体を動かすための圧力差をもたらし、第1弁スイッチ、第1緩衝室、圧力キャビティ、第2緩衝室および第2弁スイッチを通って流され、出口流路から排出される。
本発明の流体輸送装置は、超小型ポンプに応用可能である。弁座、弁膜、弁帽、作動モジュールおよび蓋板は、下から上へ順次積み上げられ、それによって流体輸送装置を組み立てる。作動モジュールは、弁膜の入り口/出口弁構造を開閉するように圧力キャビティの容量を変えるために作動される。弁座または弁帽のシーリングリングおよび凹部構造は流体輸送を容易にするために協働する。本発明の流体輸送装置は、優れた流量および出力圧力で気体または液体を輸送することができる。流体は、初期状態において高精度可制御性でポンプ注入されることができる。流体輸送装置は気体を輸送することができるので、効率的な輸送を達成するために、流体輸送中に発生する気泡は除去される可能性がある。
本発明の上記内容は、以下の詳細な説明および添付図面を考察した後、当業者にとってより容易に明らかになるであろう。
本発明は、以下の実施形態を参照することによって、さらに今明確に説明される。本発明の好適な実施形態の以下の説明は、図解および説明目的でここに提示されるに過ぎないことに注意しなくてはならない。開示される厳密な形に対して徹底的または限定されることを目的としていない。
図3を参照すると、本発明の第1の好適な実施形態による流体輸送装置の概略分解組立図が図示されている。流体輸送装置20は、気体または液体などの流体を輸送するために、製薬産業、コンピューター技術、印刷産業、エネルギー産業などの多くの産業部門で使用される可能性がある。流体輸送装置20は、弁座21、弁帽22、弁膜23、いくつかの緩衝室、作動モジュール24および蓋板25を主として備える。弁座21、弁帽22および弁膜23は、流量弁アゼンブリを集合的に規定する。圧力キャビティ226は、流体をそこに収容するために、弁帽22および作動モジュール24の間に形成される。
弁膜23が、弁座21と弁帽22の間に挟まれた後、弁座21および弁帽22が弁膜23の背中合わせの両面に配置されるように適切な位置に置かれる。第1緩衝室は、弁膜23および弁帽22の間で範囲を限定され、第2緩衝室は弁膜23と弁座21の間で形を定められる。作動モジュール24は、弁帽22の上方に配置され、振動薄膜241およびアクチュエーター242を備える。作動モジュール24は、流体輸送装置20を作動させるために操作される。蓋板25は、作動モジュール24を覆って配置される。一方、弁座21、弁膜23、弁帽22、作動モジュール24および蓋板25は、下から上に順次積み上げられ、それによって流体輸送装置20を組み立てる。
特に、弁座21および弁帽22は、流体輸送装置20への流体の入出を誘導する責任を負っている。図4は、図3に示される流体輸送装置20の弁座21を図示する概略断面図である。図3および図4を参照されたい。弁座21は、入口流路211および出口流路212を備える。周囲流体は、入口流路211に導入され、その後弁座21の表面210の開口部213に輸送される。本実施形態においては、弁膜23と弁座21の間で規定される第2緩衝室は、出口緩衝キャビティ215であり、弁座21の表面210上および出口流路212上を覆って形成される。出口緩衝キャビティ215は、流体をその中に一時的に蓄えるために、出口流路212と連通する。出口緩衝キャビティ215に含まれる流体は、別の開口部214を通って出口流路212に輸送され、その後弁座21から排出される。その上、いくつかの凹部構造が、弁座21に形成され、いくつかのシーリングリング26(図7Aに示されるとおり)は、対応する凹部構造にはめ込まれる。本実施形態においては、弁座21には、開口部213を環状に取り囲む2つの凹部構造216および218ならびに出口緩衝キャビティ215を取り囲む別の凹部構造217がある。
図5Aは、図3に示される流体輸送装置20の弁帽22を図示する概略背面図である。図3および図5Aを参照されたい。弁帽22には、上面220および下面228がある。弁帽22はさらに、入口弁流路221および出口弁流路222を備え、それらは、弁帽22の上面220から下面228に穿孔されている。入口弁流路221は、弁座21の開口部213と一直線に合わされる。出口弁流路222は、弁座21の出口緩衝キャビティ215の内部で開口部214と一直線に合わされる。本実施形態においては、弁膜23と弁帽22の間で範囲を限定される第1緩衝室は、入口緩衝キャビティ223であり、それは、弁帽22の下面228内および入口弁流路221の下に形成される。入口緩衝キャビティ223は、入口弁流路221に連通する。
図5Bは、図5Aに示される弁帽22の概略断面図である。図5Bに示されるとおり、圧力キャビティ226は、作動モジュール24のアクチュエーター242に対応する弁帽22の上面220に形成される。圧力キャビティ226は、入口弁流路221を通って入口緩衝キャビティ223と連通する。圧力キャビティ226はまた、出口弁流路222とも連通する。アクチェーター242が、それに印加される電圧に起因して上向きの凸形に変形される場合、結果的に周囲空気から陰圧差をもたらすように、圧力キャビティ226の容量は増大される。陰圧差に反応して、流体は入口弁流路221を通って圧力キャビティ226に輸送される。アクチュエーター242が下向きの凹形に変形されるように、アクチュエーター242に加えられる電界の方向が変えられる場合、結果的に周囲空気から陽圧差をもたらすように、圧力キャビティ226の容量は減少される。陽圧差に反応して、流体の一部が入口弁流路221および入口緩衝キャビティ223に導入される一方、流体は出口弁流路222を通って圧力キャビティ226から排出される。入口弁構造231がこの時その閉鎖位置に下に押されるので(図6Cに示されるとおり)、流体は入口弁構造231を通って流れることはできず、よって流体は戻ることはない。その上に、圧力キャビティ226の容量を再度増大するために、アクチュエーター242が上向きの凸形に変形される場合、入口緩衝キャビティ223に一時的に蓄えられる流体は、入口弁流路221を通って圧力キャビティ226に輸送される。
同様に、弁帽22にはさらに、いくつかの凹部構造がある。本実施形態において、弁帽22には、上面220に、圧力キャビティ226を取り囲み形成される凹部構造227がある。弁帽22には、下面228に、入口緩衝キャビティ223を取り囲み形成される別の凹部構造224がある。なおその上に、弁帽22には、下面228に、出口弁流路222を環状に取り囲み形成される凹部構造225および229がある。同様に、いくつかのシーリングリング27(図7Aに示されるとおり)は、対応する凹部構造224、225、227および229にはめ込まれる。
図6Aは、図3に示される流体輸送装置20の弁膜23の概略上面図である。図3および図6Aを参照されたい。弁膜23は、従来の機械加工、フォトリソグラフィおよびエッチング過程、レーザー加工、電鋳加工、放電加工などによって製造される。弁膜23は、大体均一の厚さのシート状膜であり、いくつかの中空弁スイッチ(例えば、第1および第2弁スイッチ)を備える。本実施形態において、第1弁スイッチは、入口弁構造231であり、第2弁スイッチは、出口弁構造232である。入口弁構造231は、入口弁スライス2313および入口弁スライス2313の外縁に形成されるいくつかの孔2312を備える。なおその上に、入口弁構造231には、入口弁スライス2313と孔2312の間に、いくつかの拡張部2311がある。圧力キャビティ226から伝えられる圧力が弁膜23に加えられる場合、入口弁構造全体231は、弁座21上に平らになるように下に押される(図7Cに示されるとおり)。言い換えれば、孔2312および拡張部2311が弁座21の上方で浮いている一方、入口弁スライス2313は、弁座21の開口部213を密閉するように、凹部構造216に収容されるシーリングリング26と密着している。この状況下で、入口弁構造231は、閉鎖位置にあり、よって流体はそれを通って流れることはできない。
圧力キャビティ226の容量が結果的に吸引をもたらすように増大される場合、凹部構造216に収容されるシーリングリング26は、入口弁構造231上にプレフォースを提供する。結果的により強い密閉効果をもたらすために、拡張部2311が入口弁スライス2313を支えることを容易にする可能性があるので、流体は、入口弁構造231を通って戻ることはない。圧力キャビティ226の陰圧差が入口弁構造231の上向きの移動を引き起こす(図6Bに示されるとおり)場合、流体は、孔2312を通って弁座21から入口緩衝キャビティ223へ流され、その後入口緩衝キャビティ223および入口弁流路221を通って圧力キャビティ226へ伝えられる。この状況下で、入口弁構造231は、圧力キャビティ226内の陽または陰圧差に反応して、選択的に開閉され、その結果流体は、弁座21に戻されることなく流体輸送装置を通って流れるのを制御される。
同様に、出口弁構造232は、出口弁スライス2323および出口弁スライス2323の外縁に形成されるいくつかの孔2322を備える。なおその上に、出口弁構造232には、出口弁スライス2323と孔2322の間にいくつかの拡張部2321がある。出口弁構造232に含まれる出口弁スライス2323、拡張部2321および孔2322の操作原理は、入口弁構造231の対応する構成部分に類似しており、ここでは重複して説明されない。他方、出口弁構造232の近くのシーリングリング26は、入口弁構造231の近くのシーリングリング27に向かい合っている。圧力キャビティ226の容量が結果的に衝撃をもたらすように減少される場合(図6Cに示されるとおり)、凹部構造225に収容されるシーリングリング27は、出口弁構造232にプレフォースを提供する。結果的により強い密閉効果をもたらすために、拡張部2321が出口弁スライス2323を支えることを容易にする可能性があるので、流体は、出口弁構造232を通って戻ることはない。圧力キャビティ226の陽圧差が出口弁構造232の下向きの移動を引き起こす場合、流体は、弁座21の孔2322を通って圧力キャビティ226から出口緩衝室215へ流され、その後開口部214および出口流路212を通って流体輸送装置20から排出される。この状況下で、出口弁構造232は、流体を輸送するために、圧力キャビティ226に含まれる流体を徐々に排出するように開かれる。
図7Aは、本発明による非作動状態での流体輸送装置を図示する概略断面図である。本実施形態においては、3つのシーリングリング26は、それぞれ凹部構造216、217および218に収容され、3つのシーリングリング27は、それぞれ凹部構造224、225および229に収容される。シーリングリング26および27は、優れた耐薬品性ゴム状材料でできている。凹部構造216で収容され、開口部213を取り囲むシーリングリング26は、円筒形リングである。シーリングリング26が弁座21の上面210から部分的に突き出るように、シーリングリング26の厚さは、凹部構造216の深さより大きい。シーリングリング26が弁座21の上面210から部分的に突き出ているので、弁座21上に平らになっている弁膜23の入口弁スライス2313は隆起しているが、凹部構造216で収容されるシーリングリング26が入口弁構造231上にプレフォースを提供するように、弁膜23の残部は弁帽22に対して支えられる。プレフォースは、結果的により強い密閉効果をもたらし、よって流体は入口弁構造231を通って戻ることはない。なおその上に、シーリングリング26の隆起構造が弁膜23の入口弁構造231の近くにあるので、入口弁構造231が作動していない場合、入口弁スライス2313と弁座21の上面210の間に、空隙が形成される。同様に、凹部構造225に収容され、出口弁流路222を取り囲むシーリングリング27はまた、円筒形リングである。シーリングリング27が弁帽22の下面228に形成されるので、シーリングリング27は、隆起構造を形成するように凹部構造225から部分的に突き出ている。その結果として、凹部構造225に収容されるシーリングリング27は、出口弁構造232上にプレフォースを提供することになる。シーリングリング27の隆起構造およびシーリングリング26の隆起構造は、弁膜23の反対側に配置される。シーリングリング27の隆起構造の機能は、シーリングリング26の隆起構造の機能と類似しているため、ここでは重複して説明されない。凹部構造217、218、224、229および227で収容されるシーリングリング26、27および28は、流体の漏出を予防するために、弁座21と弁膜23の間、弁膜23と弁帽22の間、ならびに弁帽22と作動モジュール24の間の密接な接触を容易にしている。
上記実施形態において、隆起構造は、凹部構造および対応するシーリングリングによって範囲を限定される。その他にも、隆起構造は、フォトリソグラフィおよびエッチング過程、電気めっき加工または電鋳加工によって弁座21および弁帽22上に直接形成される可能性がある。
図7A、図7Bおよび図7Cを参照されたい。蓋板25、作動モジュール24、弁帽22、弁膜23、シーリングリング26および弁座21は、上記のとおり組み立てられる。図面に示されるとおり、弁座21の開口部213は、弁膜23の入口弁構造231および弁帽22の入口弁流路221と一直線に合わされる。なおその上に、弁座21の開口部214は、弁膜23の出口弁構造232および弁帽22の出口弁流路222と一直線に合わされる。凹部構造216に収容されるシーリングリング26が凹部構造216から部分的に突き出ているので、弁膜23の入口弁構造231は、弁座21からわずかに隆起している。この状況下で、凹部構造216に収容されるシーリングリング26は、入口弁構造231上にプレフォースを提供することになる。入口弁構造231が作動していない場合、空隙は、入口弁構造231と弁座21の上面210の間に形成される。同様に、凹部構造225に収容されるシーリングリング27は、結果的に出口弁構造232と弁帽22の下面228の間に空隙をもたらす。
アクチュエーター242に電圧が印加されるとき、作動モジュール24は、変形される。図7Bに示されるとおり、作動モジュール24は、「a」方向に上向きに変形され、よって圧力キャビティ226の容量は、結果的に吸引をもたらすように増大される。吸引に起因して、弁膜23の入口弁構造231および出口弁構造232は、持ち上げられる。一方では、プレフォースを持っている入口弁構造231の入口弁スライス2313は、多量の流体が弁座21の入口流路211に導入され、弁座21の開口部213、弁膜23の入口弁構造231の孔2312、弁帽22の入口緩衝室223、弁帽22の入口弁流路221を通って輸送され、圧力キャビティ226に流れ込むように速く開かれる(図6Bにも示されるとおり)。弁膜23の入口弁構造231および出口弁構造232がこの時点で持ち上げられるので、弁帽22の出口弁流路222は、出口弁構造232の出口弁スライス2323によって遮られる。その結果として、出口弁構造232は、流体が戻るのを防ぐために閉じられる。
作動モジュール24が、電界を切り替えることによって「b」方向に下向きに変形する場合(図7Cに示されるとおり)、圧力キャビティ226の容量は、圧力キャビティ226の流体に衝撃を与えるように減少される。衝撃に起因して、出口弁構造232の出口弁スライス2323が急速に開かれるように(図6Cに示されるとおり)、弁膜23の入口弁構造231および出口弁構造232は、下向きに動かされる。一方では、圧力キャビティ226の流体は、弁帽22の出口弁流路222、弁膜23の出口弁構造232の孔2322、弁座21の出口緩衝室215、開口部214および出口流路212を通って流され、その後流体輸送装置20から排出される。衝撃はまた、入口弁構造231にも与えられるので、開口部213は、入口弁スライス2313によって遮られる。その結果として、入口弁構造231は、流体が戻るのを防ぐために閉じられる。言い換えれば、入口弁構造231、出口弁構造232ならびに凹部構造216および225に収容されるシーリングリング26および27は、輸送中に流体が戻るのを防ぎ、それによって十分な流体輸送を実現するのを総合的に容易にする可能性がある。
本発明の流体輸送装置20で使用される弁座21および弁帽22は、ポリカーボネート(PC)、ポリスルホン(PSF)、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)樹脂、鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレン・サルファイド(PPS)、シンジオタクティック・ポリスチレン(SPS)、ポリフェニレン・オキサイド(PPO)、ポリアセタール(POM)、ポリブチレン・テレフターレート(PBT)、フッ化ビニリデン(PVDF)、エチレン・テトラフルオロ・エチレン(ETFE)、環状オルフィン共ポリマー(COC)などの熱可塑性材料でできていることがなるべくなら望ましい。なるべくなら、圧力キャビティ226は、100μmから300μmの深さおよび10mmから30mmの直径であることが望ましい。
弁膜23は、10μmから790μm(なるべくなら180μmから300μm)の空隙によって、弁座21および弁帽22から隔てられている。作動モジュール24の振動薄膜241は、10μmから790μm(なるべくなら100μmから300μm)の空隙によって、弁帽22から隔てられている。
弁膜23は、従来の機械加工、フォトリソグラフィおよびエッチング過程、レーザー加工、電鋳加工、放電加工などによって製造される。弁膜23は、2から20GPaのヤング率のある優れた耐薬品性有機高分子材料または2から240GPaのヤング率(弾性率)のある金属材料でできている。有機高分子材料の実施例は、ポリイミド(PI)(ヤング率=10GPa)を含む。金属材料の実施例は、アルミニウム(ヤング率=70GPa)、アルミ合金、ニッケル(ヤング率=210GPa)、ニッケル合金、銅、銅合金またはステンレス鋼(ヤング率=240GPa)などを含むがそれに限定されるものではない。弁膜23の厚さは、10μmから50μmの範囲であり、なるべくなら21μmから40μmが望ましい。
弁膜23がポリイミド(PI)でできている場合、弁膜23は、なるべくなら反応性イオン・エッチング(RIE)法で製造されることが望ましい。弁構造上に感光性フォトレジストが塗布され、弁構造のパターンが露光および現像された後、フォトレジストによって覆いを取られたポリイミド層は、弁膜23の弁構造を規定するようにエッチングされる。弁膜23がステンレス鋼でできている場合、弁膜23は、なるべくならフォトリソグラフィおよびエッチング過程、レーザー加工または機械加工によって製造されることが望ましい。フォトリソグラフィおよびエッチング過程を用いることによって、弁構造のフォトレジスト・パターンは、ステンレス鋼片上に形成され、その後ウェットエッチング処置を実施するためにFeClおよびHClの溶液に浸される。フォトレジストによって覆いを取られたステンレス鋼片は、弁膜23の弁構造を規定するようにエッチングされる。弁膜23がニッケルでできている場合、弁膜23は、なるべくなら電鋳加工によって製造されることが望ましい。弁構造のフォトレジスト・パターンがフォトリソグラフィおよびエッチング過程によってステンレス鋼片上に形成された後、フォトレジストによって覆いを取られたステンレス鋼片は、ニッケルによって電鋳される。ニッケルの厚さが希望するものとなるまで、弁構造231及び232を有する弁膜を形成するように、ニッケルは、ステンレス鋼片から分離される。上記過程に加えて、弁膜23は、精密パンチング過程、従来の機械加工、レーザー加工、電鋳加工または放電加工機械加工によって製造される可能性もある。
実施形態の中には、作動モジュール24のアクチュエーター242が、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの高圧電材料でできた圧電細片であるものもある。アクチュエーター24は、厚さ100μmから500μm(なるべくなら150μmから250μm)であり、ヤング率およそ100から150GPaである。
振動薄膜241は、厚さ10μmから300μm(なるべくなら100μmから250μm)の一層金属構造である。例えば、振動薄膜241は、ステンレス鋼(厚さ140μmから160μmおよびヤング率240GPa)または銅(厚さ190μmから210μmおよびヤング率100GPa)でできている。もう一つの方法として、振動薄膜241は、二層構造であり、金属層およびその金属層に取り付けられた生化学的抵抗性のある高分子シートを含む。
実施形態の中には、大流量輸送の要件に従うために、作動モジュール24のアクチュエーター242が、10から15Hzの周波数で、以下の条件下で操作されるものもある。
例えば、アクチュエーター24には、剛体特性があり、厚さおよそ100μmから500μmである。なるべくなら、アクチュエーター24は、厚さおよそ150μmから250μm、ヤング率およそ100から150GPaであることが望ましい。なおその上に、振動薄膜241は、厚さ10μmから300μm(なるべくなら100μmから250μm)およびヤング率60から300GPaの一層金属構造である。例えば、振動薄膜241は、ステンレス鋼(厚さ140μmから160μmおよびヤング率240GPa)または銅(厚さ190μmから210μmおよびヤング率100GPa)でできている。もう一つの方法として、振動薄膜241は、二層構造であり、金属層及びその金属層に取り付けられた生化学的抵抗性のある高分子シートを含む。入口弁構造231及び出口弁構造232のそれぞれは、厚さ10μmから50μmおよび2から240GPaのヤング率の優れた耐薬品性有機高分子または金属材料でできている。弁膜23は、ポリイミド(PI)(ヤング率=10GPa)などのヤング率2から20GPaの高分子材料、アルミニウム(ヤング率=70GPa)、アルミニウム合金、ニッケル(ヤング率=210GPa)、ニッケル合金、銅、銅合金またはステンレス鋼(ヤング率=240GPa)などのヤング率2から240GPaの金属材料でできている。なおその上に、弁膜23は、10μmから790μm(なるべくなら180から300μm)の空隙によって弁座21および弁帽22から分離される。
アクチュエーター242の適切なパラメーターを選択することによって、振動薄膜241、圧力キャビティ226および弁膜23、弁膜23の入口弁構造231及び出口弁構造232は、選択的に開閉される。その結果として、単一方向の流体の正味流量が提供され、圧力キャビティ226の流体は、5cc/分の流量で輸送される。
上記の説明から、本発明の流体輸送装置20が作動モジュール24によって作動されるとき、弁膜23の入口弁構造231および凹部構造216のシーリングリング26は、流体が圧力キャビティ226に輸送されるように、入口弁構造231を開けるように協働する。次に、作動モジュール24の電界を切り替えることによって、圧力キャビティ226の容量は変化する。弁膜23の出口弁構造232および凹部構造225のシーリングリング27は、流体が圧力キャビティ226から輸送されるよう、出口弁構造232を開けるように協働する。圧力キャビティ226の容量が増大または減少するとき発生する吸引または衝撃が非常に大きいので、弁構造は、大量の流体を輸送するために急速に開かれ、流体が戻るのを防ぐ。
以下に、本発明の流体輸送装置を組み立てる工程が、図8のフローチャートおよび図3の分解組立図を参照して図示される。まず第一に、弁座21が備えられる(ステップS81)。次に、圧力キャビティのある弁帽22が備えられる(ステップS82)。次に、隆起構造が弁座21および弁帽22上に形成される(ステップS83)。図3に説明されるとおり、隆起構造が形成される可能性がある。すなわち、少なくとも1つの凹部構造が、弁座21および弁帽22のそれぞれに形成される。例えば、シーリングリング26は、弁座21の凹部構造216に収容される(図7Aに示されるとおり)。凹部構造216に収容されるシーリングリング26が弁座21の上面210から部分的に突き出ているので、隆起構造は弁座21の上面210上に形成される。同様に、凹部構造225に収容されるシーリングリング27が弁帽22の下面228から部分的に突き出ているので、別の隆起構造は弁座22の下面228上に形成される(図5Bに示されるとおり)。その他にも、フォトリソグラフィおよびエッチング過程、電気めっき加工または電鋳加工によって、隆起構造は、弁座21および弁帽22上に直接形成される可能性がある。
次に、柔軟膜が、弁構造231および232を有する弁膜23を規定するために使用される(ステップS84)。次に、振動薄膜241が形成され(ステップS85)、アクチュエーター242が形成される(ステップS86)。アクチュエーター242は、作動モジュール24を形成するために振動薄膜241上に取り付けられ(ステップS87)、そこでアクチュエーター242は圧力キャビティ226に向かい合う。次に、弁座21および弁帽22が弁膜23の対側に配置されるように、弁膜23は、流量弁座アセンブリ201を規定するために弁座21と弁帽22の間に挟まれる(ステップS88)。その後、作動モジュール24は、弁帽22の上に置かれ、弁帽22の圧力キャビティ226は作動モジュール24によって密閉され、それによって、本発明の流体輸送装置を組立てる(ステップS89)。
本発明の流体輸送装置は、超小型ポンプに応用可能である。弁座、弁膜、弁帽、作動モジュールおよび蓋板は、下から上へ順次積み上げられ、それによって流体輸送装置を組み立てる。作動モジュールは、弁膜の入り口/出口弁構造を開閉するように圧力キャビティの容量を変えるために作動される。弁座または弁帽のシーリングリングおよび凹部構造は流体輸送を容易にするために協働する。本発明の流体輸送装置は、優れた流量および出力圧力で気体または液体を輸送することができる。流体は、初期状態において高精度可制御性でポンプ注入されることができる。流体輸送装置は気体を輸送することができるので、効率的な輸送を達成するために、流体輸送中に発生する気泡は除去される可能性がある。
当発明が最も実用的かつ好適な実施形態であると現在みなされているものに関して説明されてきたが、当発明が開示される実施形態に限定される必要はないことを理解しなくてはならない。むしろ、すべての修正および類似の構造を包含するように最大限広範な解釈と一致する添付請求項の精神および範囲内に含まれる様々な修正および類似の配置を対象とすることを目的としている。
非作動状態の超小型ポンプを図示する概略断面図である。 作動状態の超小型ポンプを図示する概略断面図である。 図1Aに示される超小型ポンプの概略上面図である。 本発明の第1の好適な実施形態による流体輸送装置の概略分解組立図である。 図3に示される流体輸送装置の弁座を図示する概略断面図である。 図3に示される流体輸送装置の弁帽を図示する概略背面図である。 図5Aに示される弁帽の概略断面図である。 図3に示される流体輸送装置の弁膜を概略的に図示する。 図3に示される流体輸送装置の弁膜を概略的に図示する。 図3に示される流体輸送装置の弁膜を概略的に図示する。 本発明による非作動状態での流体輸送装置を図示する概略断面図である。 本発明の流体輸送装置を図示する概略断面図であり、そこでは圧力キャビティの容量は増大される。 本発明の流体輸送装置を図示する概略断面図であり、そこでは圧力キャビティの容量は減少される。 本発明の第2の好適な実施形態による流体輸送装置を組み立てる工程を図示するフローチャートである。
符号の説明
10 超小型ポンプ
11 基板
12 仕切板
13 入口流路
14 伝動装置
15 超小型アクチュエーター
16 出口流路
17 流入量増幅器
18 流出量増幅器
20 流体輸送装置
21 弁座
22 弁帽
23 弁膜
24 作動モジュール
25 蓋板
26 シーリングリング
27 シーリングリング
28 シーリングリング
111 加圧室
191 入口流路
192 出口流路
201 流量弁座アセンブリ
210 表面
211 入口流路
212 出口流路
213 開口部
214 開口部
215 出口緩衝キャビティ
216 凹部構造
217 凹部構造
218 凹部構造
220 上面
221 入口弁流路
222 出口弁流路
223 入口緩衝キャビティ
224 凹部構造
225 凹部構造
226 圧力キャビティ
227 凹部構造
228 下面
229 凹部構造
231 入口弁構造
232 出口弁構造
241 振動薄膜
242 アクチュエーター
2311 拡張部
2312 孔
2313 入口弁スライス
2321 拡張部
2322 孔
2323 出口弁スライス
X 矢印
Y 矢印

Claims (15)

  1. 流体を輸送するための流体輸送装置であり、
    入口流路および出口流路のある弁座と、
    前記弁座上に配置される弁帽と、
    大体均一の厚さがあり、前記弁座と前記弁帽の間に配置され、いくつかの中空弁スイッチを備え、それは少なくとも第1弁スイッチおよび第2弁スイッチを含む弁膜と、
    前記弁膜と前記弁帽の間に第1緩衝室および前記弁膜と前記弁座の間に第2緩衝室を含む複数緩衝室と、
    前記流体輸送装置が非作動状態であるとき、弁帽から分離され、それによって、圧力キャビティを規定する前記弁帽上に固定される外縁のある振動薄膜と、
    変形せざるを得ないとき、アクチュエーターに接続される前記振動薄膜は、前記圧力キャビティの容量を変化させるように伝えられ、結果として前記入口流路から導入される前記流体を動かすための圧力差をもたらし、前記第1弁スイッチ、前記第1緩衝室、前記圧力キャビティ、前記第2緩衝室および前記第2弁スイッチを通って流され、前記出口流路から排出される前記振動薄膜に接続されるアクチュエーターを備えることを特徴とする流体輸送装置。
  2. 前記弁座および前記弁帽には、いくつかの凹部構造があり、前記流体輸送装置は、対応する凹部構造に収容されるが、前記弁膜上にプレフォースを提供するように前記凹部構造から部分的に突き出ているいくつかのシーリングリングをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  3. 前記弁膜は、厚さ10μmから50μmであることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  4. 前記弁膜は、厚さ21μmから40μmであることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  5. 前記弁膜は、2から20GPaの弾性率のある高分子材料でできていることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  6. 前記弁膜は、2から240GPaの弾性率のある金属材料でできていることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  7. 前記アクチュエーターは、厚さ100μmから500μmの圧電細片であることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  8. 前記アクチュエーターは、厚さ150μmから250μmの圧電細片であることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  9. 前記振動薄膜は、一層金属構造であることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  10. 前記振動薄膜は、二層構造であり、金属層および前記金属層に取り付けられた生化学的抵抗性のある高分子シートを含むことを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  11. 前記振動薄膜は、厚さ10μmから300μmであることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  12. 前記振動薄膜は、厚さ100μmから250μmであることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  13. 前記圧力キャビティは、100μmから300μmの深さおよび10mmから30mmの直径であることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送装置。
  14. 流体を輸送するための流体輸送装置であり、
    入口流路、出口流路および少なくとも1つの凹部構造のある弁座と、
    前記弁座上に配置され、少なくとも1つの凹部構造のある弁帽と、
    10μmから50μmの大体均一の厚さがあり、前記弁座と前記弁帽の間に配置され、いくつかの中空弁スイッチを備え、それは少なくとも第1弁スイッチおよび第2弁スイッチを含む弁膜と、
    前記弁膜と前記弁帽の間に第1緩衝室および前記弁膜と前記弁座の間に第2緩衝室を含む複数緩衝室と、
    前記流体輸送装置が非作動状態であるとき、弁帽から分離され、それによって、圧力キャビティを規定する前記弁帽上に固定される外縁のある振動薄膜と、
    前記弁座と前期弁帽の対応する凹部構造に収容されるが、前記弁膜上にプレフォースを提供するように前記凹部構造から部分的に突き出ているいくつかのシーリングリングと、
    変形せざるを得ないとき、アクチュエーターに接続される前記振動薄膜は、前記圧力キャビティの容量を変化させるように伝えられ、結果として前記入口流路から導入される前記流体を動かすための圧力差をもたらし、前記第1弁スイッチ、前記第1緩衝室、前記圧力キャビティ、前記第2緩衝室および前記第2弁スイッチを通って流され、前記出口流路から排出される前記振動薄膜に接続されるアクチュエーターを備えることを特徴とする流体輸送装置。
  15. 流体を輸送するための流体輸送装置であり、
    入口流路、出口流路および少なくとも1つの凹部構造のある弁座と、
    前記弁座上に配置され、少なくとも1つの凹部構造のある弁帽と、
    10μmから50μmの大体均一の厚さがあり、前記弁座と前記弁帽の間に配置され、いくつかの中空弁スイッチを備え、それは少なくとも第1弁スイッチおよび第2弁スイッチを含む弁膜と、
    前記弁膜と前記弁帽の間に第1緩衝室および前記弁膜と前記弁座の間に第2緩衝室を含む複数緩衝室と、
    前記流体輸送装置が非作動状態であるとき、100μmから300μmの空隙によって前記弁帽から分離され、それによって、圧力キャビティの形を定めている前記弁帽上に固定される外縁のある振動薄膜と、
    前記弁座と前記弁帽の対応する凹部構造に収容されるが、前記弁膜上にプレフォースを提供するように前記凹部構造から部分的に突き出ているいくつかのシーリングリングと、
    変形せざるを得ないとき、アクチュエーターに接続される前記振動薄膜は、前記圧力キャビティの容量を変化させるように伝えられ、結果として前記入口流路から導入される前記流体を動かすための圧力差をもたらし、前記第1弁スイッチ、前記第1緩衝室、前記圧力キャビティ、前記第2緩衝室および前記第2弁スイッチを通って流され、前記出口流路から排出される前記振動薄膜に接続されるアクチュエーターを備えることを特徴とする流体輸送装置。
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