JP2010121494A - 電磁式ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】可動子の推力を高めてポンプの特性を向上させ、汎用性のある電磁式ポンプを提供する。
【解決手段】可動子１は、少なくとも軟磁性体を含みかつ硬磁性体を含まない磁性体であってシリンダ２内を仕切る仕切り壁として設けられ、固定子３は、シリンダ２の外周側に所定間隔を設けて同心配置された一対の第１状ヨーク１３ａ，１３ｂと、一対の第１ヨーク１３ａ，１３ｂを介して同磁極を対向させて同心配置された一対の固定子マグネット１４ａ，１４ｂと、一対の第１ヨーク１３ａ，１３ｂ及び一対の固定子マグネット１４ａ，１４ｂの外周側に同心配置された電磁コイル１７と、電磁コイル１７並びに一対の固定子マグネット１４ａ，１４ｂの端面を覆って同心配置された一対の第２ヨーク１５ａ，１５ｂと、電磁コイル１７及び一対の第２ヨーク１５ａ，１５ｂの外周面を覆って同心配置された筒状のアウターヨーク１８を具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は電磁式ポンプに関し、より詳細には気体、液体等の流体の輸送に使用されるポンプ室内で電磁駆動により可動子を往復動させて流体を送出及び吸込する動作を繰り返す電磁式ポンプに関する。

ポンプ室の容積変化により流体を送出若しくは吸込が行われる容積型ポンプにおいては、例えばシリンダ内に往復動可能に設けられた可動子を作動させると、ポンプ室内の流体を送出及び吸込が行われる。

図５を参照して電磁式ポンプの構成について例示して説明する。
筒状のシリンダ１００内には、可動子１０１が長手方向へ往復動可能に設けられている。可動子１０１はリング状の可動子マグネット１０２の上下面に磁性材料よりなる仕切り部材１０３ａ，１０３ｂを重ね合わせたものが用いられる。仕切り部材１０３ａ，１０３ｂはポンプ室１０４とポンプ室１０５を仕切るように配置されている。可動子マグネット１０２としては、フェライト系磁石が用いられる。

図６において、シリンダ１００の外周側には、電磁コイル１０６，１０７が両端側をリング状ヨーク１０８ａ，１０８ｂ、リング状ヨーク１０９ａ，１０９ｂに各々囲まれ、外周側を円筒状ヨーク１１０に囲まれている。電磁コイル１０６と電磁コイル１０７との間には検出コイル１１１が設けられている。検出コイル１１１は可動子マグネット１０２の移動に伴う鎖交磁束の変化により誘起される誘導起電力により可動子１０１の位置を検出するために設けられる。

可動子１０１の仕切り部材１０３ａ，１０３ｂの各周縁部にはシリンダ１００の長手方向両端側に向かって内壁面に沿って延出した延出部１０３ｃ，１０３ｄが各々形成されている。電磁コイル１０６，１０７は通電により対向端に互いに同磁極は発生するように巻かれている。

このため、可動子マグネット１０２、延出部１０３ｃ、ヨーク１０８ａ，ヨーク１１０，ヨーク１０９ｂを通じた磁気回路と、電磁コイル１０６への通電によりヨーク１０８ａ，ヨーク１１０，ヨーク１０８ｂ，延出部１０３ｃを通じた磁気回路の磁束と、電磁コイル１０７の逆方向への通電によりヨーク１０９ａ，ヨーク１１０，ヨーク１０９ｂ，延出部１０３ｄを通じた磁気回路の磁束が重畳して弱め合い若しくは強め合いが生ずる。

このように、電磁コイル１０６，１０７への通電方向を切り換えることで、可動子１０１に作用する上下２つの磁気回路の磁束が交互に変化する。この結果、可動子１０１へのシリンダ１００の長手方向一方側若しくは他方側への吸引力が増大して可動子１０１が往復動し、ポンプ室１０４，１０５において吸込用逆止弁１１２ａ，１１２ｂを通じた流体の吸込みと送出用逆止弁１１３ａ，１１３ｂを通じた流体の送出しが交互に繰り返すようになっている（特許文献１）。
特開２００４−１２４７２４号

上述した電磁式ポンプには様々な流体（ガス・液体）が用いられるため、ポンプ室１０４，１０５において可動子１０１のマグネット１０２も様々な流体に晒されるため、特にネオジム系磁石を用いた場合には磁石の劣化が激しく、耐久性に課題があるためフェライト系磁石が用いられる。
しかしながら、フェライト系磁石はネオジム系磁石に比べて磁束量が少ないため、可動子の推力が低下する結果、ポンプの特性が低下するという課題があった。また、ポンプに使用する流体の種類を変更するたびに接液試験等を行なう必要があり、ポンプの使用範囲（用途）が限られてしまうおそれもあった。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、可動子の推力を高めてポンプの特性を向上させ、汎用性のある電磁式ポンプを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
シリンダ内に移動可能に設けられた可動子をシリンダ外に配設された固定子との間の電磁駆動により前記可動子を往復動させてポンプ室より流体を送出及び吸込する動作を繰り返す電磁式ポンプであって、前記可動子は、少なくとも軟磁性体を含みかつ硬磁性体を含まない磁性体であって前記シリンダ内を仕切る仕切り壁として設けられ、前記固定子は、前記シリンダの外周側に所定間隔を設けて同心配置された一対の第１ヨークと、前記一対の第１ヨークを介して同磁極を対向させて同心配置された一対の固定子マグネットと、前記一対の第１ヨーク及び一対の固定子マグネットの外周側に同心配置された電磁コイルと、前記一対の固定子マグネット並びに電磁コイルの端面を各々覆って同心配置された一対の第２ヨークと、前記電磁コイル及び一対の第２ヨークの外周面を覆って同心配置された筒状のアウターヨークと、を備えたことを特徴とする。

また、前記固定子マグネットの両磁極部に隣接する第１，第２ヨークと対向する可動子との間に各々形成される第１の磁気回路と、前記電磁コイルに電流方向を交互に切り換えて通電することにより前記アウターヨーク及び一対の第２ヨークと前記可動子との間に形成される第２の磁気回路の磁束を重畳させて磁気吸引力を前記固定子に設けられた一対の第１，第２ヨークのうちの一方側に交互に偏らせることにより前記可動子を往復動させることを特徴とする。
また、前記固定子マグネットは、ネオジム‐鉄‐ホウ素を含む永久磁石であることを特徴とする。

上述した電磁式ポンプを用いれば、シリンダの外周側に所定間隔で同心配置された一対の第１ヨークを介して同磁極を対向させて同心配置された一対の固定子マグネットが設けられ可動子にはマグネットが設けられていないので、固定子マグネットは流体に晒されることはない。よって、流体の種類によらず磁気吸引力の大きいネオジム系磁石を用いて可動子の推力を向上させることができ、ポンプの特性を向上させることができる。特に固定子マグネットとしてネオジム系焼結磁石を用いると、可動子の推力向上に寄与することができる。

また、シリンダ内に設けられる可動子が少なくとも軟磁性体を含みかつ硬磁性体を含まない磁性体で構成されており、マグネットがポンプ室を通過する流体に晒されることがない。よって、液体、気体等の流体の種類に寄らずポンプを適用することができるので、可動子の構成を簡素化して耐久性を高めるとともにポンプの汎用性を高めることができる。

また、一対の第１ヨーク及び一対の固定子マグネットの外周側に単一の電磁コイルが同心配置されているので、コイルの巻数をかせぐことができ、小型で可動子の推力向上に寄与することができる。

また、一対の固定子マグネットの各マグネットは、両磁極部が第１ヨークと第２ヨークとに各々磁気的に吸着されてシリンダの外周に組み付けられるので、組立性が良く量産に適した電磁式ポンプを提供することができる。

以下、本発明に係る電磁式ポンプの最良の実施形態について添付図面とともに詳細に説明する。本実施形態の電磁式ポンプは円筒状に形成されたシリンダ内に仕切り壁として設けられた可動子（マグネットは含まず）をシリンダの軸線方向に摺動可能に配置し、シリンダの外周に配置したマグネット（ネオジム系磁石）と電磁コイルの電磁力を可動子に作用させ、当該可動子を往復動させることによってポンプ作用をなすように構成したものである。

図３において、電磁式ポンプの全体構成について説明する。
先ず可動子１の構成について説明する。可動子１は密閉されたシリンダ２内に収容されてシリンダ２の軸線方向に往復動可能に設けられている。可動子１はシリンダ２内を仕切る仕切り壁１ｃの周縁部にはシリンダ内壁面に沿って両側に延出した延出部１ａ，１ｂが各々形成されている。この仕切り壁１ｃより延出した延出部１ａ，１ｂは、固定子３側から発生した磁束の磁束通路となる。可動子１は、少なくとも軟磁性体を含みかつ硬磁性体を含まない磁性体（例えばステンレススチール（ＳＵＳ４００系））が用いられ、マグネットは設けられていない。

次に、固定子３の構成について説明する。非磁性材、例えば樹脂材からなるケース４内に非磁性材（例えば樹脂材、ステンレスなどの金属材）からなる筒状のシリンダ２が組み付けられて上下開口端が閉止されている。このシリンダ２内に上述した可動子１が往復動可能に収容されている。尚、シリンダ２は、例えばケース４が予め上ケースと下ケースに分割されてこれらの間でシリンダ２を挟み込んでねじ止めすることによって組み付けることができる。

シリンダ２の両端面はケース４によって閉止され、可動子１の移動方向両側面との間に各々ポンプ室５，６が各々形成される。可動子１はシリンダ２の内面に接触した状態で、気密あるいは液密にシールした状態で摺動する。この可動子１の摺動性を良好にするため、磁性材の外周面にフッ素樹脂コーティング等の潤滑性と防錆力を兼ね備えたコーティングを施すことや、可動子１が周方向に回ることを防止する回り止めを設けても良い。

尚、ケース４の両端面（内壁面）には図示しないダンパーが取り付けられていても良い。このダンパーは可動子１の移動方向両端面であって、ケース４の内壁面に当接する部位に設けてもよい。

シリンダ２の上端面に相当するケース４の吸込用開口部及び送出用開口部には、吸込用逆止弁７ａ及び送出用逆止弁８ａがポンプ室５を開閉可能に設けられている。シリンダ２の下端面に相当するケース４の吸込用開口部及び送出用開口部には、吸込用逆止弁７ｂ及び送出用逆止弁８ｂがポンプ室６を開閉可能に設けられている。吸込用逆止弁７ａ，７ｂと送出用逆止弁８ａ，８ｂとは開口部に逆向きに各々取り付けられている。

ケース４の上部には循環する流体のポンプへの吸込口９と、ポンプより流体を送り出す送出口１０が形成されている。また、ケース４には、吸込口９と吸込用逆止弁７ａ，７ｂとの間を連通する吸込用流路１１ａ，１１ｂが各々設けられている。また、ケース４には、送出用逆止弁８ａ，８ｂと送出口１０との間を連通する送出用流路１２ａ，１２ｂが各々設けられている。

ここで上述した固定子３の構成を図１（ａ）乃至（ｃ）を参照して詳細に説明する。シリンダ２の外周側にはリング状に形成された一対の第１ヨーク１３ａ，１３ｂが同心状に配置されている。また、リング状に形成された一対の固定子マグネット（ネオジム系磁石）１４ａ，１４ｂは、一端側が一対の第１ヨーク１３ａ，１３ｂを介して同磁極を対向させて同心状に近接配置されている。第１ヨーク１３ａ，１３ｂは後述するように固定子マグネット（ネオジム系磁石）１４ａ，１４ｂにより形成される第１磁気回路の磁路Ｍ１１，Ｍ１２を各々形成する。また、一対の固定子マグネット１４ａ、１４ｂの他端側にはリング状に形成された一対の第２ヨーク１５ａ，１５ｂが同心状に近接配置されている。第２ヨーク１５ａ，１５ｂは、第１ヨーク１３ａ，１３ｂとともに固定子マグネット１４ａ、１４ｂにより形成される第１磁気回路の磁路Ｍ１１，Ｍ１２を形成する。

また、一対の第１ヨーク１３ａ，１３ｂ及び一対の固定子マグネット１４ａ，１４ｂの外周側にはボビン１６が同心状に配置されている。このボビン１６には、電磁コイル１７が巻き付けられている。電磁コイル１７及び一対の第２ヨーク１５ａ，１５ｂの外周側には筒状のアウターヨーク１８が設けられている。

図１（ｂ）（ｃ）に示すように、アウターヨーク１８は、第２ヨーク１５ａ，１５ｂと共に電磁コイル１７へ通電することにより第２磁気回路Ｍ２１，Ｍ２２を形成する。固定子マグネット１４ａ，１４ｂの磁束による磁気吸引力と電磁コイル１７に流れる電流によって発生する電磁力が重畳し、これらの反力が可動子１に作用して推力になる。

次に、上述した電磁式ポンプに形成される第１，第２の磁気回路について図１及び図２を参照して説明する。尚、以下では、一対の固定子マグネット１４ａ，１４ｂは対向面側の磁極をＳ極として説明する。

図１（ａ）において、電磁コイル１７に非通電状態にあっては、固定子マグネット１４ａ，第２ヨーク１５ａ，延出部１ａ，第１ヨーク１３ａよりなる第１磁気回路Ｍ１１並びに固定子マグネット１４ｂ，第２ヨーク１５ｂ，延出部１ｂ，第１ヨーク１３ｂよりなる第１磁気回路Ｍ１２が各々形成される。このとき、図２（ａ）に示すように、可動子１は、固定子マグネット１４ａ，１４ｂの磁気吸引力のみでシリンダ２の長手方向中心位置で磁気的に安定するため停止する。尚、コイルが励磁される状態では、流体が吸込み若しくは送出しのいずれかが行なわれるため、シリンダ２の長手方向中心位置で停止することはない。

図１（ｂ）において、電磁コイル１７に右向き（図１（ｂ）を上方より見て時計回り方向）に通電すると、アウターヨーク１８，第２リング状ヨーク１５ａ，延出部１ａ，１ｂ、第２リング状ヨーク１５ｂよりなる第２磁気回路Ｍ２１が形成される。

このとき、第１磁気回路Ｍ１１と第２磁気回路Ｍ２１とは、第２ヨーク１５ａ及び延出部１ａで各々磁束が同じ向きで重畳して磁束密度が高まる。また第１磁気回路Ｍ１２と第２磁気回路Ｍ２１とは、第２ヨーク１５ｂ及び延出部１ｂで各々磁束が反対向きで重畳して磁束密度が減少する。また、図２（ｂ）に示すように、可動子１はシリンダ２の長手方向上端側へ吸引されて移動する。

図１（ｃ）において、電磁コイル１７に左向き（図１（ｃ）を上方より見て反時計回り方向）に通電すると、アウターヨーク１８，第２リング状ヨーク１５ｂ，延出部１ｂ，１ａ、第２リング状ヨーク１５ａよりなる第２磁気回路Ｍ２２が形成される。

このとき、第１磁気回路Ｍ１１と第２磁気回路Ｍ２２とは、第２ヨーク１５ａ及び延出部１ａで各々磁束が反対向きに重畳して磁束密度が減少する。また第１磁気回路Ｍ１２と第２磁気回路Ｍ２２とは、第２ヨーク１５ｂ及び延出部１ｂで各々磁束が同じ向きに重畳して磁束密度が高まる。図２（ｃ）に示すように、可動子１はシリンダ２の長手方向下端側へ吸引されて移動する。

以上のように固定子マグネット１５ａ，１５ｂの両磁極に配設された第１ヨーク１３ａ，１３ｂ、第２ヨーク１５ａ、１５ｂと対向する可動子１の延出部１ａ，１ｂとの間に各々恒常的に形成される第１の磁気回路Ｍ１１，Ｍ１２と、電磁コイル１７に通電する電流方向を交互に切り換えて通電することによりアウターヨーク１８及び一対の第２ヨーク１５ａ，１５ｂと可動子１の延出部１ａ，１ｂとの間に形成される第２の磁気回路Ｍ２１，Ｍ２２との磁束の重畳により磁気吸引力を一対の第１ヨーク１３ａ，１３ｂ、第２ヨーク１５ａ、１５ｂのうちの一方側に交互に偏らせることにより可動子１を往復動させることができる。

また、一対の第１ヨーク１３ａ，１３ｂ及び一対の固定子マグネット１４ａ，１４ｂの外周側に同心状に単一の電磁コイル１７が配置されているので、コイルの巻数をかせぐことができ、小型であっても可動子１の推力向上に寄与することができる。

図４は、固定子マグネット１４ａ，１４ｂとしてネオジム磁石を用いた場合の可動子１に作用する推力特性と、従来のポンプ構造で、可動子にフェライト磁石を用いた場合の推力特性を示すグラフ図である。本実施例に係るネオジム磁石を用いた場合のほうがポンプ特性を向上できることが分かる。
尚、ネオジム（Ｎｄ‐Ｆｅ‐Ｂ）系磁石には、Ｎｄ‐Ｆｅ‐Ｂ系焼結磁石とＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ系ボンド磁石が存在するが、Ｎｄ‐Ｆｅ‐Ｂ系焼結磁石を用いるほうが望ましい。

また、一対の固定子マグネット１４ａ，１４ｂの各マグネットは、第１ヨーク１３ａ，１３ｂと第２ヨーク１５ａ，１５ｂに磁気的に吸着されてシリンダ２の外周に組み付けることができるので、組み立て工数も少なく、効率よく量産することができる。

以上のように、可動子１は、電磁コイル１７に交番電流を通電することにより発生する電磁力の作用により固定子３との間で発生する磁気吸引力に偏りを発生させて往復駆動（上下動）される。可動子１のストロークは、図示しない制御部により、電磁コイル１７への通電時間、通電方向を制御することによって適宜調整することができる。

また、本実施形態の電磁式ポンプは気体あるいは水や不凍液などの流体の輸送に使用することができ、流体の種類が限定されるものではない。また流体輸送用ポンプとして使用する際に、可動子１が一つでは輸送圧力が不足するような場合には、同形の単位可動子１を複数個連結し固定子３を各可動子に応じて設けた多段型の可動子１を使用するようにしても良い。

通電状態に応じた可動子−固定子間の磁気回路の模式説明図である。 可動子の移動動作を示す状態図である。 電磁式ポンプの断面説明図である。 従来のポンプと本実施例のポンプの可動子推力特性を示すグラフ図である。 従来の電磁式ポンプの断面説明図である。 図４のポンプの可動子と固定子の構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 可動子
１ａ，１ｂ 延出部
１ｃ 仕切り壁
２ シリンダ
３ 固定子
４ ケース
５，６ ポンプ室
７ａ，７ｂ 吸込用逆止弁
８ａ，８ｂ 送出用逆止弁
９ 吸込口
１０ 送出口
１１ａ，１１ｂ 吸込用流路
１２ａ，１２ｂ 送出用流路
１３ａ，１３ｂ 第１ヨーク
１４ａ，１４ｂ 固定子マグネット
１５ａ，１５ｂ 第２ヨーク
１６ ボビン
１７ 電磁コイル
１８ アウターヨーク

Claims (3)

1. シリンダ内に移動可能に設けられた可動子をシリンダ外に配設された固定子との間の電磁駆動により前記可動子を往復動させてポンプ室より流体を送出及び吸込する動作を繰り返す電磁式ポンプであって、
   前記可動子は、少なくとも軟磁性体を含みかつ硬磁性体を含まない磁性体であって前記シリンダ内を仕切る仕切り壁として設けられ、
   前記固定子は、前記シリンダの外周側に所定間隔を設けて同心配置された一対の第１ヨークと、前記一対の第１ヨークを介して同磁極を対向させて同心配置された一対の固定子マグネットと、前記一対の第１ヨーク及び一対の固定子マグネットの外周側に同心配置された電磁コイルと、前記一対の固定子マグネット並びに電磁コイルの端面を各々覆って同心配置された一対の第２ヨークと、前記電磁コイル及び一対の第２ヨークの外周面を覆って同心配置された筒状のアウターヨークと、を備えたことを特徴とする電磁式ポンプ。
2. 前記固定子マグネットの両磁極部に隣接する第１，第２ヨークと対向する可動子との間に各々形成される第１の磁気回路と、前記電磁コイルに電流方向を交互に切り換えて通電することにより前記アウターヨーク及び一対の第２ヨークと前記可動子との間に形成される第２の磁気回路の磁束を重畳させて磁気吸引力を前記固定子に設けられた一対の第１，第２ヨークのうちの一方側に交互に偏らせることにより前記可動子を往復動させる請求項１記載の電磁式ポンプ。
3. 前記固定子マグネットは、ネオジム‐鉄‐ホウ素を含む永久磁石であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電磁式ポンプ。

Images