JP2015169074A - マイクロポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】小型ながら、気体と液体を扱え、安定した圧力と流量を発生できるマイクロポンプを提供すること。
【解決手段】マイクロポンプ２はベーン構造のポンプであり、ローター６内には、各ベーン８の往復動に伴う各ベーン案内溝７の容積変化を相殺可能な溝連通路１２が形成されている。各ベーン８の先端面８ａとポンプ室内周面５ａとの間には磁気吸引力が常に作用しており、低速回転においても、これらの間に密閉性が確保されている。
【選択図】図２

Description

本発明はベーン構造を用いたマイクロポンプに関するものである。

マイクロポンプとしては、圧電素子を用いたダイヤフラム式のものが知られている。ダイヤフラム式のマイクロポンプは、構造上、脈流が大きい。このため、定流量を必要とする場合は、個別にタンクが必要となり、ポンプの全体寸法が大きくなる欠点がある。また、ダイヤフラムの駆動に大きな動力が必要で、小型化に限界がある。更に、ダイヤフラムに大きな力が加わり、ダイヤフラム素材の応力緩和が進み、長寿命を実現するのが困難である。

また、圧電素子を使ったマイクロポンプでは、小型化した場合に、圧力を優先すると充分な流量がとれず、流量を優先すると充分な圧力が得られない。よって、一定圧力および一定流量の双方を同時に要求される用途には適さない。また、セラミック振動素子などの衝撃に弱い素材を用いるので、用途が制限される。さらに、振動子に電極が配置されており、液体用ポンプとしては適さない。

ここで、液体および気体の双方を用いることのできるポンプとしてはベーンポンプがある。特許文献１にはベーンポンプが記載されており、ここでは、没入工程においてベーンに押されてベーン背圧室から押し出される流体の管路抵抗を高めて、ベーン背圧室の圧力を上昇させている。これにより、シリンダ壁面へのベーンの押し付け力を増加させて、ベーンの挙動を安定させている。

特開２０１０−２０９７７３号公報

ここで、ベーンポンプをマイクロポンプに適用することが考えられる。ベーン構造のマイクロポンプの場合には、微小なベーンおよびベーン溝が配置される。この場合、一定微小流量で一定圧力の流体（気体、液体）を吐出できるようにするためには、微小なベーン溝に対して出没する微小なベーンの円滑で安定した動きを確保する必要がある。また、遠心力による十分な密閉性を期待できない微小で軽量なベーンを、安定的に一定の力でポンプ室内周面に押し付け可能であることが必要である。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、小型ながら大きな圧力と流量を得られ、かつ気体と液体の両方を扱えるベーン構造のマイクロポンプにおいて、ベーンの動きに伴うベーン案内溝の内容積変化によって生じるベーンの滑り動作を阻害する力を軽減できるようにすることにある。

また、本発明の課題は、ベーン構造のマイクロポンプにおいて、ベーンとベーンが接するポンプ室内周面との間を、ベーンに作用する遠心力に依存せずに、安定した密閉状態を保つことができるようにすることにある。

上記の課題を解決するために、本発明のマイクロポンプは、
円形断面のポンプ室を備えたポンプハウジングと、
前記ポンプ室内に偏心配置されたローターと、
前記ローター内に形成され、当該ローターの外周面に開口する複数のベーン案内溝と、
前記ローターの回転に伴って前記ベーン案内溝を往復移動して、前記ポンプ室の円形のポンプ室内周面に接した状態を維持可能な複数のベーンと、
前記ローター内に形成され、前記ベーン案内溝のそれぞれを相互に連通し、前記ベーンのそれぞれの移動に伴う前記ベーン案内溝のそれぞれの容積変化を相殺する溝連通路と、を有していることを特徴としている。

本発明では、ベーン構造をマイクロポンプに採用しているので、従来のダイヤフラム式等のマイクロポンプと同一あるいは類似した寸法で、従来に比べ大きな圧力と流量が得られる。

また、ポンプ室内においてローターが偏心回転すると、ポンプ室内周面に先端が接しているベーンは、ローターのベーン案内溝内を往復移動する。これにより、各ベーン案内溝の内容積が変化する。各ベーン案内溝は、内容積が一定の溝連通路、すなわち、密閉状態の溝連通路によって相互に連通している。溝連通路内の流体（気体、液体）は、各ベーンの移動に応じて溝連通路を経由して容積が減少するベーン案内溝から容積が増加するベーン案内溝に向けて流れる。これにより、各ベーン案内溝の内容積の変化が相互に相殺され、ベーンの円滑で安定した動きが保持される。

本発明のマイクロポンプにおいて、前記ベーンのそれぞれと前記ポンプ室内周面の間に、磁気吸引力が作用していることが望ましい。例えば、前記ベーンのそれぞれにおける少なくとも前記ポンプ室内周面に接しているベーン先端部分は磁性材料から形成され、前記ポンプハウジングにおける少なくとも前記ポンプ室内周面が形成されている内周面形成部分は磁性材料から形成され、前記ベーン先端部分および前記内周面形成部分のうちの一方、あるいは双方が着磁される。

各ベーンとポンプ室内周面との間に作用する磁気吸引力によって、各ベーンとポンプ室内周面とによって形成される気室の密閉性が向上する。特に、マイクロポンプでは、微小なサイズで軽量なベーンが使用されるので、低回転時においてベーンの遠心力によって十分な気室の密閉性を確保できない場合がある。本発明によれば、磁気吸引力を用いて、低回転時であっても気密性を確保でき、気体漏れの少ない効率の良い運転を実現可能である。

このように、本発明によれば、溝連通路を配置してベーン案内溝の容積変化を吸収し、かつ、磁気吸引力を利用して各ベーンとポンプ室内周面の密閉性を高めることにより、小型で密閉度が高く、低回転でも安定した圧力と流量が得られるベーン構造のマイクロポンプを実現できる。

次に、本発明のマイクロポンプにおいて、前記ベーン、前記ポンプハウジングおよび前記ローターは金属材料から形成され、前記ベーンの表面、前記ポンプ室内周面および、前記ローターの前記ベーン案内溝の溝内側表面には表面処理が施され、これらの部分の表面は、表面処理前に比べて、耐摩耗性を高めてあることが望ましい。

このように、マイクロポンプのポンプ部が全て金属材料で構成されて剛性が高く、ポンプ部の摺動部分には表面処理が施されて耐摩耗性が改善されている。よって、耐衝撃性および耐久性に優れたマイクロポンプを実現できる。

本発明を適用したベーン構造のマイクロポンプを備えたマイクロポンプ装置の概略構成図である。 図１のマイクロポンプのＡ−Ａ線で切断した部分を示す概略横断面図である。

図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロポンプ装置の全体構成を示す概略構成図である。本実施の形態に係るマイクロポンプ装置１は、ベーン構造のマイクロポンプ２と、当該マイクロポンプ２に同軸に連結されたモーター３とから構成されている。

マイクロポンプ２は、ポンプハウジング４と、この内部に形成したポンプ室５と、ポンプ室５内において偏心回転するローター６と、ローター６に形成した３箇所のベーン案内溝７に装着した３枚のベーン８とを備えている。ローター６のローター軸６ａは、ポンプハウジング４の両側の端壁４ａ、４ｂによって回転自在の状態に支持されている。一方の端壁４ａから外部に突出しているローター軸６ａの軸端部６ｂは、カップリング９を介して、モーター３の出力軸３ａに同軸に連結固定されている。

図２はマイクロポンプ２の内部構造を示すために、図１におけるＡ−Ａ線で切断した場合の概略横断面図である。この図に示すように、ポンプ室５は、円形のポンプ室内周面５ａによって規定される一定長さの円形断面の室である。ポンプ室５には、圧縮対象の流体（液体あるいは気体）の吸入口１０と、圧縮流体の吐出口１１とが形成されている。

円形断面のポンプ室５内に配置されているローター６は、円形外周面６ｃを備えた円柱形状あるいは円筒形状のローターである。ローター６の回転中心線６ｄはポンプ室５の中心軸線に対して一定距離だけ偏心しており、その円形外周面６ｃがポンプ室内周面５ａに内接している。

ローター６には、その円周方向に等角度間隔で３つのベーン案内溝７が形成されている。ベーン案内溝７は、ローター軸６ａを中心とする正三角形の各辺に沿った方向に延びる一定幅の溝であり、かつ、ローター６と同一長さの溝である。これらのベーン案内溝７は、ローター６の円形外周面６ｃに開口している。各ベーン案内溝７は同一形状であり、それらの内端部は、半径方向の内方に延びる連通路１２ａに連通している。各連通路１２ａは、ローター軸６ａを取り囲む状態に形成した円形連通路１２ｂに連通している。これら３本の連通路１２ａと１本の円形連通路１２ｂとによって、３本のベーン案内溝７を相互に連通している溝連通路１２（容積調整坑）が形成されている。

各ベーン案内溝７には、それぞれ同一長さ、同一厚さのベーン８がスライド可能な状態で装着されている。各ベーン８の先端面８ａは、各ベーン案内溝７からローター６の円形外周面６ｃの外方に突出して、ポンプ室内周面５ａに接した状態とされている。

ここで、ポンプハウジング４、ローター６およびベーン８は金属材料から製作されている。本例では、これらは磁性材料から製作されており、ポンプハウジング４のポンプ室内周面５ａは同一極性となるように着磁され、各ベーン８の先端面８ａの部分はポンプ室内周面５ａとは逆の極性となるように着磁されている。これにより、各ベーン８の先端面８ａとポンプ室内周面５ａとの間には磁気吸引力が作用し、先端面８ａとポンプ室内周面５ａとの密閉性が確保されている。なお、ポンプ室内周面５ａの側のみ、あるいは、ベーン８の先端面８ａの側のみを着磁しておくことも可能である。

この構成のマイクロポンプ装置１において、ポンプ室５の内部は、ローター６の円形外周面６ｃと、ベーン８と、ポンプ室内周面５ａとによって、３つの気室１３ａ、１３ｂ、１３ｃが形成される。モーター３を回転駆動すると、マイクロポンプ２のローター６がポ
ンプ室５内を偏心回転する。ローター６の偏心回転に伴って各ベーン８はベーン案内溝７を往復移動してその先端面８ａが常にポンプ室内周面５ａを摺動し、各気室１３ａ、１３ｂ、１３ｃの気密状態が維持される。各気室１３ａ〜１３ｃは、ローター６の偏心回転に伴って容積が変化する。

ローター６が時計回りに回転すると、図２の気室１３ａは、吸入口１０から流体（気体または液体）を取り入れ、次に来るベーン８が吸入口１０を通過すると密閉される。この後は、図２の気室１３ｂの状態に移行する。さらに、ローター６が回転すると、図２の気室１３ｂ、気室１３ｃの状態に移行する。気室１３ｂから気室１３ｃへの移行の過程で、気室の内容積が小さくなり、気体が圧縮される。圧縮気体は、吐出口１１を介して外部に排出される。

ここで、ローター６の回転に伴って、各ベーン８はベーン案内溝７を往復移動するので、各ベーン案内溝７の内容積が変化する。内容積の変化に応じて、ベーン案内溝７の内部の気体あるいは液体を逃がさないと、ベーン８の摺動負荷が増加し、ベーン８はポンプ室内周面５ａに対して安定的に接することができなくなる。

本例では、各ベーン８とベーン案内溝７で構成される各空間を結合する溝連通路（容積調整抗）１２を設けてある。したがって、各ベーン８の動きに応じて、各ベーン８と各ベーン案内溝７で構成される各空間の内容積の変化が相殺される。これにより、各ベーン８の摺動負荷を軽減でき、また、当該摺動負荷を一定に保持でき、安定したベーン８の往復移動が保証される。

また、一般にマイクロポンプでは、ベーン８に大きな質量を持たせて、ローター６の回転時におきる遠心力を大きくする事が期待できない。小さい遠心力では、ベーン８の先端面８ａとポンプ室内周面５ａとの間の密閉性を十分に確保できず、また、その密閉性が安定しない。本例では、ベーン８とポンプ室内周面５ａとの間に磁気吸引力が常に作用している。よって、ベーン８と、その摺動面であるポンプ室内周面５ａとの密閉性が向上し、流体の漏れを抑制できる。

さらに、本例のマイクロポンプ２はベーン構造のポンプであるので、圧縮対象の流体として、気体および液体のどちらでも扱える。よって、本例のマイクロポンプ２は、従来のマイクロポンプに比べて、幅広い用途が期待される。

各種の用途を満足する為には、ベーン８、ポンプハウジング４およびローター６を金属材料から製作すると共に、ベーン８の外周表面、ポンプ室内周面５ａ、ベーン案内溝７の内側表面等に、表面処理を施して、低摩擦面にすると共に耐摩耗性を高めることが望ましい。このようにすれば、ポンプ部の寿命を延ばす効果が得られる。なお、要求に応じて、耐摩耗性以外の各種の特性を、表面処理によって、各部分に付与することも可能である。

１ マイクロポンプ装置
２ マイクロポンプ
３ モーター
３ａ 出力軸
４ ポンプハウジング
４ａ、４ｂ 端壁
５ ポンプ室
５ａ ポンプ室内周面
６ ローター
６ａ ローター軸
６ｂ 軸端部
６ｃ 円形外周面
６ｄ 回転中心線
７ ベーン案内溝
８ ベーン
８ａ 先端面
９ カップリング
１０ 吸入口
１１ 吐出口
１２ 溝連通路（容積調整坑）
１２ａ 連通路
１２ｂ 円形連通路
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 気室

Claims (4)

1. 円形断面のポンプ室（５）を備えたポンプハウジング（４）と、
   前記ポンプ室（５）内に偏心配置されたローター（６）と、
   前記ローター（６）内に形成され、当該ローター（６）の外周面（６ｃ）に開口する複数のベーン案内溝（７）と、
   前記ローター（６）の回転に伴って前記ベーン案内溝（７）を往復移動して、前記ポンプ室（５）の円形のポンプ室内周面（５ａ）に接した状態を維持可能な複数のベーン（８）と、
   前記ローター（６）内に形成され、前記ベーン案内溝（７）のそれぞれを相互に連通し、前記ベーン（８）のそれぞれの移動に伴う前記ベーン案内溝（７）のそれぞれの容積変化を相殺する溝連通路（１２）と、
   を有していることを特徴とするマイクロポンプ（２）。
2. 前記ベーン（８）のそれぞれと前記ポンプ室内周面（５ａ）の間には磁気吸引力が作用している請求項１に記載のマイクロポンプ（２）。
3. 前記ベーン（８）のそれぞれにおける少なくとも前記ポンプ室内周面（５ａ）に接しているベーン先端部分は磁性材料から形成され、
   前記ポンプハウジング（４）における少なくとも前記ポンプ室内周面（５ａ）が形成されている内周面形成部分は磁性材料から形成され、
   前記ベーン先端部分および前記内周面形成部分のうちの一方、あるいは双方が着磁されている、
   請求項２に記載のマイクロポンプ（２）。
4. 前記ベーン（８）、前記ポンプハウジング（４）および前記ローター（６）は金属材料から形成され、
   前記ベーン（８）の表面、前記ポンプ室内周面（５ａ）および、前記ローター（６）の前記ベーン案内溝（７）の溝内側表面には表面処理が施されて、これらの部分の表面は、表面処理前に比べて、耐摩耗性を高めてある請求項１、２または３に記載のマイクロポンプ（２）。