JP2010196492A - Diaphragm pump with valve, and on-off valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動するダイヤフラムによってポンプ作用を得るダイヤフラムポンプに関し、特に駆動停止時の液漏れを確実に防止できるバルブ付きダイヤフラムポンプ及び開閉バルブに関する。 The present invention relates to a diaphragm pump that obtains a pumping action by a vibrating diaphragm, and more particularly, to a diaphragm pump with a valve and an on-off valve that can reliably prevent liquid leakage when driving is stopped.
本出願人は、例えば燃料電池の燃料送液ポンプとして用いるダイヤフラムポンプ(圧電ポンプ)を開発中である。 The present applicant is developing a diaphragm pump (piezoelectric pump) used, for example, as a fuel pump for a fuel cell.
圧電ポンプは、平板状の圧電振動子とハウジングの間に液体ポンプ室(可変容積室)を形成し、圧電振動子を振動させることにより、液体ポンプ室の容積を変化させてポンプ作用を得ている。より具体的には、液体ポンプ室に連なる一対の流路(吸入側流路と吐出側流路)に、流れ方向の異なる一対の逆止弁(液体ポンプ室への流体流のみを許す吸入側逆止弁と液体ポンプ室からの流体流のみを許す吐出側逆止弁)を設けており、圧電振動子の振動により液体ポンプ室の容積が変化すると、それに伴い一対の逆止弁の一方が閉じ他方が開く動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。 A piezoelectric pump forms a liquid pump chamber (variable volume chamber) between a plate-shaped piezoelectric vibrator and a housing, and vibrates the piezoelectric vibrator to change the volume of the liquid pump chamber to obtain a pump action. Yes. More specifically, a pair of check valves having different flow directions (a suction side allowing only a fluid flow to the liquid pump chamber) in a pair of flow paths (suction side flow path and discharge side flow path) connected to the liquid pump chamber When the volume of the liquid pump chamber changes due to the vibration of the piezoelectric vibrator, one of the pair of check valves is associated with the check valve and the discharge check valve that allows only fluid flow from the liquid pump chamber. Since the operation of opening the other side is repeated, a pumping action is obtained.
この圧電ポンプの一対の逆止弁は、液体ポンプ室から吸入側流路への液体流及び吐出側流路から液体ポンプ室への液体流を阻止する作用がある。しかし、吸入側流路から液体ポンプ室への流体流及び液体ポンプ室から吐出側流路への流体流の阻止は、必ずしも保証されない。つまり、駆動停止時に、液体ポンプ室内の液体が吐出側流路から漏れる可能性がある。この液漏れは、燃料電池の給液ポンプとして用いる場合には、燃料漏れとして大きな問題になる可能性がある。 The pair of check valves of the piezoelectric pump has an action of blocking the liquid flow from the liquid pump chamber to the suction side flow path and the liquid flow from the discharge side flow path to the liquid pump chamber. However, prevention of the fluid flow from the suction side flow path to the liquid pump chamber and the fluid flow from the liquid pump chamber to the discharge side flow path is not necessarily guaranteed. That is, when driving is stopped, the liquid in the liquid pump chamber may leak from the discharge-side flow path. This liquid leakage can be a major problem as fuel leakage when used as a liquid supply pump for a fuel cell.
従って本発明は、駆動停止時の液漏れが生じるおそれのないバルブ付きダイヤフラムポンプを得ることを目的とする。別言すると、本発明は、ポンプ単体として、駆動停止時の送液停止機能を有するバルブ付きダイヤフラムポンプを得ることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a diaphragm pump with a valve that does not cause liquid leakage when driving is stopped. In other words, an object of the present invention is to obtain a valved diaphragm pump having a function of stopping liquid feeding when driving is stopped as a single pump.
本発明は、ダイヤフラムポンプにおいては、吐出流路に設けた逆止弁だけで、ダイヤフラムを振動させない駆動停止状態での液漏れを防止するのは困難であるとの認識の元に、特に吐出流路に、逆止弁より吐出ポート側に位置させて常閉型の開閉バルブを設けたものである。 The present invention recognizes that in a diaphragm pump, it is difficult to prevent liquid leakage in a drive stop state in which the diaphragm is not vibrated with only a check valve provided in the discharge flow path. A normally-closed on-off valve is provided on the road so as to be positioned closer to the discharge port than the check valve.
すなわち、本発明のバルブ付きダイヤフラムポンプは、吸入ポート、吐出ポート及び振動するダイヤフラムによって形成されたポンプ室を有するハウジング;吸入ポートとポンプ室とを連通させる吸入流路に設けた、吸入ポートからポンプ室への流体流のみを許す吸入側逆止弁;及び吐出ポートとポンプ室とを連通させる吐出流路に設けた、上記ポンプ室から吐出ポートへの流体流のみを許す吐出側逆止弁;を有するダイヤフラムポンプにおいて、吐出流路に、吐出側逆止弁と吐出ポートとの間に位置させて常閉型開閉バルブを設けたことを特徴としている。 That is, the diaphragm pump with a valve of the present invention includes a housing having a pump chamber formed by a suction port, a discharge port, and a vibrating diaphragm; a pump from the suction port provided in a suction flow path that connects the suction port and the pump chamber. A suction-side check valve that allows only a fluid flow to the chamber; and a discharge-side check valve that allows only a fluid flow from the pump chamber to the discharge port, provided in a discharge channel that connects the discharge port and the pump chamber; In the diaphragm pump having the above, a normally closed on-off valve is provided in the discharge flow channel between the discharge check valve and the discharge port.
常閉型開閉バルブは、具体的には、吐出流路の一部を構成する柔軟なチューブ体と、このチューブ体を挟着する枕木突起及び圧電バーとから構成すると、小型の常閉型開閉バルブを構成することができる。圧電バーは、非通電状態で枕木突起との間に柔軟チューブ体を押し潰して流路を閉じ、通電状態で該柔軟チューブ体の弾性復元力で流路を開く。 Specifically, the normally-closed on-off valve is a small normally-closed on-off when it is composed of a flexible tube body that constitutes a part of the discharge flow path, and a sleeper projection and a piezoelectric bar that sandwich the tube body. A valve can be constructed. The piezoelectric bar crushes the flexible tube body between the piezoelectric bar and the sleeper projection in a non-energized state to close the flow path, and opens the flow path by the elastic restoring force of the flexible tube body in the energized state.
柔軟チューブ体は、自由状態での開口断面積よりも、枕木突起と圧電バーで挟着された状態における開口断面積の方が小さくなるように、圧電バーによって押圧変形させるのがよい。 The flexible tube body is preferably pressed and deformed by the piezoelectric bar so that the opening cross-sectional area in the state sandwiched between the sleeper projection and the piezoelectric bar is smaller than the opening cross-sectional area in the free state.
圧電バーは、具体的には例えば、ばね性金属材料からなるシムバーと、このシムバーの表裏の少なくとも一方に積層した圧電体とから構成することができる。 Specifically, the piezoelectric bar can be composed of, for example, a shim bar made of a spring metal material and a piezoelectric body laminated on at least one of the front and back surfaces of the shim bar.
ダイヤフラムは、具体的には例えば、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た圧電振動子から構成することができる。 Specifically, the diaphragm can be constituted by, for example, a piezoelectric vibrator in which a piezoelectric body is laminated on at least one of the front and back sides of a shim made of a conductive metal thin plate.
ハウジングには、ダイヤフラムを液密に挟着保持してポンプ室を形成する一対のハウジングを含ませるのが実際的である。枕木突起と圧電バーは、この一対のハウジングの一方に設けると、両者の距離設定が容易であり、構造を簡易にし、かつ小型にできる。 It is practical that the housing includes a pair of housings that form a pump chamber by holding the diaphragm in a liquid-tight manner. When the sleeper projection and the piezoelectric bar are provided in one of the pair of housings, the distance between them can be easily set, the structure can be simplified, and the size can be reduced.
吸入側逆止弁及び吐出側逆止弁は、アンブレラから構成するのが実際的である。 It is practical that the suction side check valve and the discharge side check valve are constituted by umbrellas.
本発明による開閉バルブは、以上のバルブ付きダイヤフラムポンプに用いた常閉型開閉バルブを、単独で、かつ常閉、常開を問わずに使用するもので、柔軟なチューブ体と、このチューブ体を挟着する枕木突起及び圧電バーとを有し圧電バーは、その駆動電圧の大小により、枕木突起との距離を変化させて柔軟チューブ体の開口面積を変化させることを特徴としている。 The open / close valve according to the present invention uses the normally closed open / close valve used in the above-described diaphragm pump with a valve independently, regardless of whether it is normally closed or normally open. The piezoelectric bar has a sleeper projection and a piezoelectric bar for sandwiching the pin, and the opening area of the flexible tube body is changed by changing the distance from the sleeper projection according to the magnitude of the driving voltage.
本発明によれば、ポンプ単体で、駆動停止時の液漏れを確実に防止することができるポンプ付きダイヤフラムポンプを得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the diaphragm pump with a pump which can prevent reliably the liquid leakage at the time of a drive stop with the pump single-piece | unit can be obtained.
本実施形態は、振動するダイヤフラムとして圧電振動子を有するバルブ付き圧電ポンプ20に本発明を適用したものである。バルブ付き圧電ポンプ20は、図1に示すように、平面略矩形のハウジング21を有し、単体としてポンプを構成するように、このハウジング21から、吸入ポート22と吐出ポート23が突出している。ハウジング21は、図3、図4及び図6に示すように、図の上方の上下のポンプ(バルブ)ハウジング24、25と、下方の上下の流路ハウジング26、27とからなっている。吸入ポート22と吐出ポート23は、下流路ハウジング27から突出しており、下流路ハウジング27には、この吸入ポート22と吐出ポート23に連通する吸入流路22aと吐出流路23aが形成されている。
In this embodiment, the present invention is applied to a
吸入流路22aの終端部は、図1に示すように、上流路ハウジング26と下ポンプハウジング25に、それぞれ平面位置を合致させて形成した円形吸入流路孔26aと25aに連通している。同様に、吐出流路23aの終端部は、円形吐出流路孔26bと25bに連通している。
As shown in FIG. 1, the end portion of the
上ポンプハウジング24と下ポンプハウジング25の間には、図2に示すように、Oリング29を介して圧電振動子(ダイヤフラム)28が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子28と下ポンプハウジング25との間にポンプ室Pを構成している。圧電振動子28と上ポンプハウジング24との間には、大気室Aが形成される。この実施形態では、円形吸入流路孔26a(25a)及び円形吸入流路孔26b(25b)の軸線と、圧電振動子28とは互いに直交する位置関係にある。
A piezoelectric vibrator (diaphragm) 28 is sandwiched and supported between the
上下の流路ハウジング26、27は、開口部以外を図示しないOリングやレーザーなどで溶着もしくは接着してシール性を確保する。具体的には、バルブの出口側は図示しないOリングもしくはレーザー溶着等で、バルブの入口側は下流路ハウジング27に溝状に設けられた吐出流路23aの両側面をOリングもしくはレーザー溶着にてシールする。また、吸入流路22aは吸入ポート22から最初の屈曲点までは下流路ハウジングに設けられたトンネル状の孔で吐出流路23aを形成し、最初の屈曲点以降の吐出流路を円形吸入流路孔26aまでをつなぐOリングもしくはレーザー溶着にてシールする。
The upper and lower
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50〜300μm程度のステンレス、42アロイ等により形成された金属製の薄板からなる。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。
The
下ポンプハウジング25の円形吸入流路孔26a(25a)と円形吐出流路孔26b(25b)にはそれぞれ、ポンプ室P側と吐出流路側に位置させて、逆止弁(アンブレラ)32と33が設けられている。逆止弁32は、円形吸入流路孔26a(25a)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から円形吸入流路孔26b(25b)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。また、円形吸入流路孔26a(25a)と円形吐出流路孔26b(25b)は下ポンプハウジング25と上流路ハウジング26に渡って形成されているが、シール性を保持するため、図示しないOリングで封止したり、レーザー等の手段により溶着することが望ましい。
The circular
逆止弁32、33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に、弾性材料からなるアンブレラ32b、33b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。穴あき基板32a、33aは、本実施形態においては別体で形成されているが、下ポンプハウジング25と一体に成形しても良い。
The
下流路ハウジング27に形成されている吐出流路23aは、その吐出側逆止弁33から吐出ポート23に至る間において、分岐柔軟チューブ体40に接続されている。すなわち、図3、図1に示すように、下ポンプハウジング25には、上ポンプハウジング24のバルブ収納空間24a内に延びる一対の流路突起25cが形成されており、この一対の流路突起25cが、下ポンプハウジング25の一対の連通孔25d及び上流路ハウジング26の一対の連通孔26cを介して、吐出流路23aに連通している。そして、この一対の流路突起25cの間は、吐出流路の一部を構成する柔軟なチューブ体40によって接続されている。なお、一対の連通孔25d、26cは下ポンプハウジング25と上流路ハウジングに渡って設けられているが、シール性を保持するため、図示しないOリングで封止したり、レーザー等の手段により溶着することが望ましい。
The
一方、下ポンプハウジング25には、この柔軟チューブ体40と直交する位置関係で、同柔軟チューブ体40を挟着する断面半円形の枕木突起41と、圧電バー(板)42とが設けられている。圧電バー42は、非通電状態では、枕木突起41側に変形して柔軟チューブ体40を押し潰す弾性を有し、通電状態では、その通電電圧の大きさによって、柔軟チューブ体40に対する押し潰し変形力を減少させ、柔軟チューブ体40をその弾性復元力及びポンプ室Pからの吐出圧で復元させて流路を開く。すなわち、柔軟チューブ体40、枕木突起41及び圧電バー42は、常閉型の開閉バルブを構成している。
On the other hand, the
図8は、枕木突起41と圧電バー42の挟着部分前後における柔軟チューブ体40の自由状態での断面形状例を示している。柔軟チューブ体40は、合成樹脂材料の成形品からなるもので、その外形断面形状が楕円形状40Xであるのに対し、内形断面形状は、非楕円状である。すなわち、内形断面形状は、外形楕円40Xを短軸Y方向に肉厚分だけ平行に移動した一対の外形移行形状40Yを長軸Xと交わる部分で連続させたもので、該長軸Xと交わる部分が尖った形状をしている。このように柔軟チューブ体40の断面形状を設定することで、柔軟チューブ体40を短軸Y方向に押し潰したとき、両エッジでの液漏れをなくすことができる。また、楕円形状40Xと外形移行形状40Yが平行をなしていて開口部を閉じたときの肉厚部の厚さが一定であることから、長軸Xの全般に渡って短軸Y方向に平行な方向の肉厚が一定となり、小さい力で柔軟チューブ体40を確実に閉じることが可能となる。
FIG. 8 shows an example of a cross-sectional shape in the free state of the
圧電バー42は、図3、図4、図6に示すように、中心部のばね性金属材料シムバー(板)42aと、このシムバー42aの表裏にそれぞれ積層接着した圧電体42bとからなっており、その両端部が、下ポンプハウジング25に形成した一対の固定座43上に固定ねじ44で固定されている。シムバー42aは、例えば厚さ300μm前後の42アロイから構成し、圧電体42bは、例えば厚さ300μm前後のPZT(Pb(Zr、Ti)O3)から構成することができる。表裏の圧電体42bの分極方向は同一とする。この圧電バー42は、シムバー42aを一方の電極に接続し、表裏の圧電体42bの露出面(シムバー42aと反対側の面)を共通の他方の電極に接続して、表裏の圧電体42bに駆動電圧を与えることで、枕木突起41に対して接離移動するように変形させることができる。
As shown in FIGS. 3, 4, and 6, the
本実施形態では、圧電バー42の両端部を固定ねじ44で固定座43上に固定し、圧電体42bに駆動電圧を与えないとき、図4、図5のように、柔軟チューブ体40が完全に潰れて流路(吐出流路)を閉塞するように、その自由形状及び固定態様を設定する。そして、表裏の圧電体42bに駆動電圧を与えると、圧電バー42が柔軟チューブ体40から離れる方向に変形し、図6、図7のように、柔軟チューブ体40の一対の外形移行形状の間に隙間ができて流路が開く。圧電バー42は、駆動電圧にほぼ比例した変位をすることが知られており、従って、駆動電圧の制御によって、開度を調整し、流量を制御することも可能である。閉弁状態、開弁状態のいずれにおいても、柔軟チューブ体40の一対の外形移行形状40Yによる流路断面積は、自由状態における柔軟チューブ体40の流路断面積より小さい(柔軟チューブ体40は、枕木突起41と圧電バー42に挟着された設置状態では、押し潰されている)。
In this embodiment, when the both ends of the
上記構成の本バルブ付き圧電ポンプ20の動作は、次の通りである。圧電振動子28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22、吸入流路22a、円形吸入流路孔26a(25a)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から円形吸入流路孔26b(25b)、吐出流路23a、吐出ポート23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。
The operation of the piezoelectric pump with a
このポンプ駆動状態では、圧電バー42の圧電体42bにも所定の駆動電圧を付与する。すると、圧電バー42が枕木突起41から離れる方向に弾性変形し、柔軟チューブ体40が開く(図6、図7)から、例えば燃料電池の送液ポンプとして何ら問題なく用いることができる。また、必要であれば、柔軟チューブ体40の開度は、圧電体42bに与える駆動電圧で変化させることができる。
In this pump drive state, a predetermined drive voltage is also applied to the
本バルブ付き圧電ポンプ20のより重要な作用は、ポンプ停止状態である。ポンプ停止状態では、圧電バー42に対する駆動電圧の印加も停止される(する)。すると、圧電バー42が枕木突起41側に押し付けられ、柔軟チューブ体40を閉じる(図4、図5)から、ポンプ室P内の液体が33を通って吐出流路23a(吐出ポート23)に漏れることがない。
A more important function of the
また、以上の実施形態のように、上下のポンプハウジング24、25の一方(図示例では下ポンプハウジング25)に、柔軟チューブ体40を挟着する枕木突起41と、圧電バー(板)42とを設けると、該枕木突起41と圧電バー42との距離を容易に厳密に設定することができる。もっとも、理論的には、枕木突起41と圧電バー42を上下のポンプハウジング24と25の一方と他方に設けることも可能である。
Further, as in the above embodiment, the
以上のバルブ付き圧電ポンプ20の実施形態では、柔軟チューブ40、枕木突起41及び圧電バー42によるバルブを常閉型として用いている。しかし、上述のように、圧電バー42は、駆動電圧にほぼ比例した変位をすることが知られているから、柔軟チューブ40、枕木突起41及び圧電バー42によるバルブだけを取り出して、開閉バルブ(流量制御弁)として使用することができる。この態様では、常開形とし、圧電バー42の圧電体42bに駆動電圧を与えることで、流路を徐々に閉じ、流量を調整することも可能である。
In the embodiment of the piezoelectric pump with
以上の実施形態では、圧電バー42として、バイモルフ型を示したが、ユニモルフ型を用いることもできる。逆に、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。また、ユニモルフ型の圧電振動子28のシム28aと圧電体28bの位置を逆にすることも可能である。さらに、以上の実施形態は、圧電振動子28の一面のみにポンプ室Pを形成する2バルブ型のダイヤフラムポンプに本発明を適用したものであるが、両面にポンプ室を形成するタイプのダイヤフラムポンプにも本発明は適用可能である。さらに、本発明は、ダイヤフラムの振動により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ダイヤフラムポンプ一般に適用できる。また、本発明のバルブ付きダイヤフラムポンプは、燃料電池の送液ポンプとして利用して好適であるが、用途を限定するものではない。
In the above embodiment, the bimorph type is shown as the
20 バルブ付き圧電ポンプ
21 ハウジング
22 吸入ポート
22a 吸入流路
23 吐出ポート
23a 吐出流路
24 上ポンプハウジング
24a バルブ収納空間
25 下ポンプハウジング
25a 円形吸入流路孔
25b 円形吐出流路孔
25c 流路突起
25d 連通孔
26 上流路ハウジング
26a 円形吸入流路孔
26b 円形吸入流路孔
26c 連通孔
27 下流路ハウジング
28 圧電振動子(ダイヤフラム)
28a シム
28b 圧電体
29 Oリング
32 吸入側逆止弁
33 吐出側逆止弁
40 柔軟チューブ体
40X 楕円形状
40Y 外形移行形状
41 枕木突起
42 圧電バー
42a シムバー
42b 圧電体
43 固定座
44 固定ねじ
P ポンプ室
20 Piezoelectric pump with
Claims (10)
上記吸入ポートとポンプ室とを連通させる吸入流路に設けた、吸入ポートからポンプ室への流体流のみを許す吸入側逆止弁;
上記吐出ポートとポンプ室とを連通させる吐出流路に設けた、上記ポンプ室から吐出ポートへの流体流のみを許す吐出側逆止弁;及び
上記吐出流路に、吐出側逆止弁と吐出ポートとの間に位置させて設けた常閉型開閉バルブ;
を有することを特徴とするバルブ付きダイヤフラムポンプ。 A housing having a suction chamber, a discharge port and a pump chamber formed by a vibrating diaphragm;
A suction-side check valve that allows only a fluid flow from the suction port to the pump chamber, provided in a suction flow path that connects the suction port and the pump chamber;
A discharge-side check valve that allows only a fluid flow from the pump chamber to the discharge port; and a discharge-side check valve and a discharge that are provided in a discharge flow path that connects the discharge port and the pump chamber; A normally-closed on-off valve located between the port;
A diaphragm pump with a valve, characterized by comprising:
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JP2009039292A JP2010196492A (en) | 2009-02-23 | 2009-02-23 | Diaphragm pump with valve, and on-off valve |
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- 2009-02-23 JP JP2009039292A patent/JP2010196492A/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20120501 |