JP2011247106A - ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動部を動作させることにより流体を輸送するポンプに関して、流体の送液状態やポンプの使用頻度に関わらず、効率のよい動作を行うポンプを提供する。
【解決手段】 弁室流入口１２、１ｂａ、弁室流出口１ｂｂ、１３及び弁室流入口の開閉を行う逆止弁１１を有する一対の弁室１０ａ、１０ｂ、ならびに前記弁室１０ａ、１０ｂと連通しているポンプ室２０を備えているポンプ本体２と、前記ポンプ室２０の体積を変化させるための駆動部１とを備えたポンプにおいて、
弁室１０ａ、１０ｂ内に設けられている逆止弁１１の剛性を異ならせた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、駆動部を動作させることにより流体を輸送するポンプに関するものである。

燃料電池の燃料輸送用ポンプとして圧電ポンプが利用されている。このような圧電ポンプは、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された圧電ポンプは、図７に示すように、圧電振動子５１ａを利用してダイヤフラム５１ｂを振動させることでポンプ室本体５２内の体積を変化させて流体を送液するものである。弁室１１０ａ、１１０ｂの内部には、流体の逆流を防ぐ逆止弁１１１が設けられている。この逆止弁１１１は支持部１１１ａ及び可撓部１１１ｂを有しており、流体の弁室流入圧が弁室流出圧よりも小さいときは、可撓部が流路を塞ぐ。また、弁室流入圧が弁室流出圧よりも大きいときには、可撓部が流路を解放するように撓むものである。

特開平２−２４５４８２号公報

このような逆止弁が設けられる流路では、流体を送液する際に不具合が起きる可能性がある。例えば、流体の送液後にポンプを停止してしばらく放置すると、ポンプの内部に残留している流体が蒸発することがある。すると、逆止弁の可撓部と弁室の内壁との間にある空気の気圧が弁室内に比べて低くなり、逆止弁の吸着性が高まる。このため次回使用時に逆止弁が開きにくくなることがある。

前記のように逆止弁が弁室に吸着してしまうと、ポンプの機能が停止する不具合が生じ問題となる。

前記問題点を解決するために、本発明は、弁室流入口、弁室流出口及び弁室流入口の開閉を行う逆止弁を有する一対の弁室、ならびに前記弁室と連通しているポンプ室を備えているポンプ本体と、前記ポンプ室の体積を変化させるための駆動部とを備え、前記逆止弁は支持部及び前記支持部に支持された可撓部から構成されており、前記逆止弁の可撓部は剛性を部分的に異ならせることを特徴とするポンプを提供する。

先行技術は、逆止弁の円周方向の剛性が均一であるために流体の順方向の圧力が逆止弁に一様にかかることとなり、開口の起点が生まれにくい。そこで本発明では、逆止弁の円周方向の剛性を部分的に異ならせる改良を施している。逆止弁の可撓部は剛性の低い部分と高い部分から成り、このことによって剛性の低い部分が逆止弁と弁室が離れる起点として作用し、逆止弁が弁室に吸着してしまう不具合が解消される。

また本発明は、逆止弁の可撓部において、剛性の低い部分の領域が剛性の高い部分の領域よりも小さいことが望ましい。この場合は、順方向の圧力が狭い領域に集中して加わることで、逆止弁の開口に必要な順方向の圧力が低くなり、容易に逆止弁全体を撓ませることができる。

また本発明は、逆止弁の剛性の低い部分に逆止弁のシール面を含むことが望ましい。この場合は、逆止弁の開口部分の剛性が低いほど逆止弁の順方向の圧力を低くすることができるので、より容易に逆止弁全体を撓ませることができ、ポンプを効率よく駆動させることができる。

また本発明は、前記逆止弁のシール面が弁室流入口の近傍にあることが望ましい。この場合は、弁室流入口から加わった順方向の圧力が直接逆止弁の剛性が低い部分を押し上げるので、より低い順方向の圧力で逆止弁を撓ませることができ、ポンプを効率よく駆動させることができる。

本発明によれば、剛性の低い部分が逆止弁と弁室が離れる起点として作用し、逆止弁と弁室の内壁が吸着する不具合を防ぐことができる。

本発明のポンプの中央断面概略図である。 本発明のポンプの分解斜視図である。 実施形態１の弁室の断面図と逆止弁の斜視図である。 変形例１の逆止弁の斜視図である。 変形例２の逆止弁の斜視図と側面図である。 変形例３の逆止弁の斜視図である。 先行技術を説明するポンプの中央断面概略図である。

以下に、本発明に係るポンプの好ましい実施形態として、圧電ポンプについて説明する。

（実施形態１）
図１は本実施形態に係るポンプ１００の中央縦断面概略図である。本実施形態のポンプ１００は燃料電池の燃料輸送用ポンプとして用いた例であり、ポンプ本体２と、前記ポンプ本体２の体積を変化させるための駆動部１から構成されている。

図２はポンプ１００の分解斜視図である。以下、図１と図２を参照しながら説明を行う。

本実施形態の駆動部１は、圧電振動子１ａとダイヤフラム１ｂから構成されている。

ポンプ本体２は、ポンプ室天板６５の上部に順次積層固着された流路板６０、ポンプ室板６１、ダイヤフラム１ｂ、弁室板６２、及び底板６３でもって構成されており、内部には弁室１０ａ、１０ｂとポンプ室２０とを有する。なお、ダイヤフラム１ｂは駆動部１の一部を兼ねている。これらの部材は、例えばＰＥＴシートで形成されている。

ポンプ本体２の一部を構成する流路板６０は、ポンプ室天板６５の直上に積層されている。流路板６０には、中心部をくの字状に走る流路溝６０ａが形成されている。この流路溝６０ａは、ポンプ１００の流路の一部として形成されている。

ポンプ室板６１は流路板６０の直上に積層されている。このポンプ室板６１は中心部を円盤形にくりぬいた形状に構成されており、その円盤形のくりぬき孔６１ａから左右に細く繋がる溝６１ｂ、６１ｃが形成されている。この溝６１ｂ、６１ｃは、流路の一部として形成されている。

ダイヤフラム１ｂはポンプ室板６１の直上に積層されている。このダイヤフラム１ｂには、図面上で左右の領域それぞれに流路孔の一部となる弁室流入口１ｂａ、弁室流出口１ｂｂが形成されている。弁室流入口１ｂａはポンプ室２０に連通しており、ポンプ室の流出口を兼ねる。同様に、弁室流出口１ｂｂはポンプ室２０に連通しており、ポンプ室の流入口を兼ねる。

ポンプ室２０は、ポンプ室天板６５、流路板６０、ポンプ室板６１、及びダイヤフラム１ｂから構成されている。このポンプ室２０は、具体的にはポンプ室板６１のくりぬき孔６１ａ及び流路板６０の流路溝６０ａで構成されており、ポンプ室２０の内部には流体保持用部材６４が非固定状態で配置されている。

流体保持用部材６４はポンプ室２０よりもひとまわり小さい円盤形のＰＥＴシートであり、中央に開口が形成されている。流体保持用部材６４はポンプ室２０の内壁との間に表面張力で流体を保持しており、ポンプ室２０にかかる圧力と流量の調整を行う役目を担う。

圧電振動子１ａはダイヤフラム１ｂの直上に接着されている。圧電振動子１ａは例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）製の矩形状の薄板で、両面に電極が形成されたものである。圧電振動子１ａの電極に交流信号を印加することによって駆動部１が屈曲振動を行い、ポンプ室２０の拡張／収縮を繰り返す。

弁室板６２は同じくダイヤフラム１ｂの直上に積層されている。この弁室板６２は圧電振動子１ａを納める開口部を有し、図面上で左右の領域それぞれに流路の一部となる大径で円盤形の孔６２ａ、６２ｂが形成されている。

底板６３は弁室板６２の直上に配置されている。底板６３には、図面上で左右の領域それぞれに流路の一部となる弁室流出口１３、弁室流入口１２が設けられている。

弁室１０ａ、１０ｂは、ダイヤフラム１ｂ、弁室板６２、及び底板６３から構成されている。弁室１０ａには弁室流入口１２、弁室流出口１ｂｂ、及び逆止弁１１が設けられており、前記逆止弁１１は弁室流入口１２を覆うように配置されている。一方、弁室１０ｂには弁室流入口１ｂａ、弁室流出口１３、及び逆止弁１１が設けられており、前記逆止弁１１はダイヤフラム１ｂに形成された弁室流入口１ｂａを覆うように配置されている。

ポンプ１００の流路は、弁室流入口１２から、弁室板６２の孔６２ｂ、弁室流出口１ｂｂ、ポンプ室板６１の溝６１ｃを経由して、ポンプ室２０に設けられている流路溝６０ａを通り、さらにポンプ室板６１の溝６１ｂ、弁室流入口１ｂａ、弁室板６２の孔６２ａを経由して、弁室流出口１３に至るように構成されている。

図３（Ａ）は逆止弁１１が固定されている弁室１０ｂの断面図、図３（Ｂ）は逆止弁１１の斜視図である。

弁室１０ｂには、４つの弁室流入口１ｂａが円周方向に等間隔に形成されており、それらの中心に逆止弁１１を固定するための挿入穴１ｂｃが形成されている。

逆止弁１１は支持部１１ａ及び可撓部１１ｂから構成されている。本実施形態の逆止弁１１はシリコンゴムで形成されており、複雑な形状が容易に成形できる。

支持部１１ａは円柱形状をしており、二段軸１１ｅが形成されている。図中の点線で表されているのが支持部１１ａの主軸である。主軸の周りには円周方向に主軸よりも厚みのある段差が設けられており、これが二段軸１１ｅである。この支持部１１ａの主軸が弁室１０ｂの挿入穴１ｂｃに固定されている。

可撓部１１ｂは支持部１１ａの主軸を中心として円盤形に形成されており、主軸に対し二段軸１１ｅ方向に斜めに傾斜した状態で支持されている。可撓部１１ｂは流体の圧力に従って撓み、形を変形させる。

二段軸部分１１ｅを設けることで、可撓部１１ｂ全体が弁室流入口１ｂａの形成された面全体に貼りついてしまう不具合を防止できる。また、二段軸１１ｅの直径は弁室１０ｂの挿入穴１ｂｃの直径よりも大きいので、高圧がかかった際に逆止弁１１の可撓部１１ｂが反り返り、挿入穴１ｂｃから抜けてしまう不具合が防止できる。

以下に、ポンプの動作を示す。圧電振動子１ａを駆動しないときには、ポンプが非駆動となり、弁室１０ａ及び弁室１０ｂに設けられている逆止弁１１の可撓部１１ｂが流路を塞ぐ。圧電振動子１ａに電圧を印加することによりダイヤフラム１ｂに屈曲振動が生じ、以下の二種類の動作が交互に表れる。

圧電振動子１ａ及びダイヤフラム１ｂからなる駆動部１がポンプ室２０側と反対の方向に凸に変形したとき、ポンプ室２０の体積が大きくなり、ポンプ室２０内が負圧になる。このとき、弁室１０ａ側に設けられた逆止弁１１の可撓部１１ｂが流路を解放するように撓み、流体が弁室流入口１２から流れ込む。このとき、弁室１０ｂ側に設けられた逆止弁１１は流路を塞ぐ。

次いで、圧電振動子１ａ及びダイヤフラム１ｂからなる駆動部１がポンプ室２０側に凸に変形したとき、ポンプ室２０の体積が小さくなり、ポンプ室２０内が正圧になる。このとき、弁室１０ｂ側に設けられた逆止弁１１の可撓部１１ｂが流路を解放するように撓み、流体が弁室流出口１３からポンプ室外に押し出される。一方で、弁室１０ａ側に設けられた逆止弁１１は流路を塞ぎ、流体の逆流を防ぐ。この動作を繰り返すことによって、流体を一方向へ流すことができる。

本発明では、逆止弁１１の剛性を異ならせるために、逆止弁１１の可撓部１１ｂの一部分に、周囲より厚みが薄く段差のある凹部（以下、スリット）１１ｄが設けられている。剛性は、材質から決定されるヤング率×弾性二次モーメントから導き出せる。

本実施形態では、支持部１１ａから可撓部１１ｂの外周部に向かって放射線状に広がる扇形のスリット１１ｄを設けている。スリット１１ｄは、逆止弁１１のシール面１１ｃを含むように設けられている。シール面１１ｃとは、可撓部１１ｂのうち、弁室１０ａまたは１０ｂの内壁と接触している面である。このように構成しているので、弁室流入口１ｂａから順方向の圧力が加わった際に、スリット１１ｄの部分が逆止弁１１と弁室１０ｂの内壁が離れる起点として作用し、スリット１１ｄ以外の可撓部１１ｂもスリット１１ｄの部分が離れる力に引っ張られ、容易に逆止弁１１全体を撓ませることができる。

スリット１１ｄは、弁室流入口１ｂａの近傍に設けられている。このように構成しているので、弁室流入口１ｂａから加わった順方向の圧力が直接逆止弁１１の剛性が低い部分を押し上げて、より低い順方向の圧力で逆止弁１１を撓ませることができるため、ポンプを効率よく駆動させることができる。

本発明の逆止弁１１の剛性を異ならせる方法については、本実施形態のようにスリット１１ｄに限るものではなく、任意に変更可能である。例えば、逆止弁全体の厚みを一様にして、剛性が低い部分をシリコンゴムにより形成し、剛性が高い部分をシリコンゴムに樹脂コートまたは金属コートを加えたもの等により形成してもよい。スリットの形状も扇形に限るものではなく、直線状、円状等の形状としてもよい。

また、本実施形態では、ポンプ室天板３が上側に、底板６３が下側になるようにして試作を行った。そのため、図２において最上層と最下層とに位置する部品の名称を便宜上「ポンプ室天板」「底板」としている。

（変形例１）
図４は本実施形態に係るポンプ１００における逆止弁の変形例を示す斜視図である。この逆止弁２１は、支持部２１ａから可撓部２１ｂの外周に放射線状に広がる扇形のスリット２１ｄが複数設けられたものである。スリット２１ｄを複数設けることで、逆止弁２１と弁室１０ｂの壁が離れる起点を複数形成することができる。

（変形例２）
図５は本実施形態に係るポンプ１００における逆止弁の変形例を示す斜視図と側面図である。この逆止弁３１は、可撓部３１ｂの一部を、支持部３１ａから可撓部３１ｂの外周へと、緩やかに薄くなるように形成されたものであり、ちょうど図３のスリット１１ｄの境界をなだらかにしたような形状をしている。この方法により、スリットを入れずに剛性を部分的に変えることができる。

（変形例３）
図６は本実施形態に係るポンプ１００における逆止弁の変形例を示す斜視図である。この逆止弁４１は、支持部４１ａから可撓部４１ｂの中ほどまで扇形に広がるスリット４１ｄが設けられたものである。剛性の変化による効果を得るためには、少なくともシ−ル面４１ｃにスリット４１ｄが形成されていることが望ましく、可撓部４１ｂの外周端部までスリット４１ｄが入っていなくてもよい。

本実施形態では、ポンプの駆動部１を圧電振動子としたが、これに限るものではない。例えば、駆動部１を電磁式やモータ等としてもよい。

１００、２００…ポンプ
１…駆動部
１ａ、５１ａ…圧電振動子
１ｂ、５１ｂ…ダイヤフラム
２、５２…ポンプ本体
１０ａ、１０ｂ、１１０ａ、１１０ｂ…弁室
１１、２１、３１、４１、１１１…逆止弁
１１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ、１１１ａ…支持部
１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ、４１ｂ、１１１ｂ…可撓部
１１ｃ、２１ｃ、３１ｃ、４１ｃ…シール面
１１ｄ、２１ｄ、４１ｄ…スリット
１１ｅ…二段軸
１２、１ｂａ…弁室流入口
１３、１ｂｂ…弁室流出口
１ｂｃ…挿入穴
２０…ポンプ室
６０…流路板
６０ａ…流路溝
６１…ポンプ室板
６１ａ…ポンプ室板の孔
６１ｂ、６１ｃ…ポンプ室板の溝
６２…弁室板
６２ａ、６２ｂ…弁室板の孔
６３…底板
６４…流体保持用部材
６５…ポンプ室天板

Claims (5)

1. 弁室流入口、弁室流出口及び弁室流入口の開閉を行う逆止弁を有する一対の弁室、ならびに前記弁室と連通しているポンプ室を備えているポンプ本体と、前記ポンプ室の体積を変化させるための駆動部とを備え、
   前記逆止弁は支持部及び前記支持部に支持された可撓部から構成されており、前記逆止弁の可撓部は剛性を部分的に異ならせることを特徴とするポンプ。
2. 前記逆止弁の可撓部は厚みの薄い部分と厚い部分から成ることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記逆止弁の可撓部は剛性の低い部分と高い部分から成り、前記剛性の低い部分は前記剛性の高い部分より領域が小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のポンプ。
4. 前記逆止弁の剛性の低い部分には、前記逆止弁のシール面を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかのうち１項に記載のポンプ。
5. 前記シール面は、前記弁室流入口の近傍にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかのうち１項に記載のポンプ。