JP2023070785A - ダイヤフラム型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】多くの流体を圧縮することが可能なダイヤフラム型圧縮機を提供する。【解決手段】吸入弁５０１と吐出弁５０２とを有する基板１００と、基板１００に接続されたベローズを有する側面部２００と、側面部２００に接続されたダイヤフラム３００と、ダイヤフラム３００に接続され、側面部２００の内側に配置された凸部２０１と、基板１００と側面部２００とダイヤフラム３００とによって囲まれた圧縮室４００と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、ダイヤフラム型圧縮機に関する。

特許文献１には、基板と、基板と対向して配置されたダイヤフラムと、基板とダイヤフラムとの間に配置された圧縮室と、を備えたダイヤフラム型圧縮機の構成が開示されている。圧縮室において大量の流体を圧縮するためには、ダイヤフラムの径を大きくしたり、ダイヤフラムの周波数を高くしたりして使用する。

特開２０２０－１５９２２７号公報

しかしながら、ダイヤフラムの径を大きくすると、ダイヤフラムを押し下げるために大型のアクチュエーターが必要になる。また、ダイヤフラムの周波数を高くすると、アクチュエーターの発熱量が増加するため冷却構造が必要になる。つまり、圧縮機全体を大きくすることなく、大量の流体を圧縮することが可能なダイヤフラム型圧縮機が求められている。

ダイヤフラム型圧縮機は、吸入弁と吐出弁とを有する基板と、前記基板に接続されたベローズを有する側面部と、前記側面部に接続された天面部と、前記天面部に接続され、前記側面部の内側に配置された凸部と、前記基板と前記側面部と前記天面部とによって囲まれた圧縮室と、を備える。

ダイヤフラム型圧縮機の構成を示す概略図。 ポンプ体の構成を示す平面図。 図２に示すポンプ体のＡ－Ａ’線に沿う断面図。 ポンプ体の吸入時の状態を示す断面図。 ポンプ体の吐出時の状態を示す断面図。 側面部の一部を拡大して示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。 ポンプ体の組み立て方法を示す断面図。

まず、図１を参照しながら、ダイヤフラム型圧縮機１０００の構成について説明する。

図１に示すように、ダイヤフラム型圧縮機１０００は、例えば、枠体６０１と、ポンプ体５００と、アクチュエーター６０２と、加圧プレート６０３と、を備えている。ポンプ体５００、アクチュエーター６０２、加圧プレート６０３は、枠体６０１の中に収容されている。

ポンプ体５００は、基板１００と、基板１００に接続された側面部２００と、側面部２００に接続された天面部としてのダイヤフラム３００と、を備えている。基板１００と、側面部２００と、ダイヤフラム３００と、によって囲まれた空間を、圧縮室４００と称する。

基板１００は、流体として、例えば、気体７０を吸入する吸入弁５０１と、気体７０を吐出する吐出弁５０２と、を備えている。枠体６０１の底部６０１ａには、吸入弁５０１に気体７０を吸入するための開口部６０１ｃと、吐出弁５０２から気体７０を吐出するための開口部６０１ｄと、が設けられている。

側面部２００は、ベローズ型、言い換えれば、蛇腹状に構成されている。なお、側面部２００の詳細な構成については後述する。ダイヤフラム３００の第１面３００ａにおける側面部２００で囲まれた内側には、吐出時に、圧縮室４００の中の気体７０の量を少なくするための凸部２０１が配置されている。言い換えれば、凸部２０１が配置されていることにより、圧縮室４００内のデッドボリュームを最小化することができる。

ダイヤフラム３００の第１面３００ａとは反対側の第２面３００ｂには、加圧プレート６０３が配置されている。加圧プレート６０３は、ダイヤフラム３００と、アクチュエーター６０２と、の間に配置されている。アクチュエーター６０２は、枠体６０１の内側上部６０１ｂに固定されている。

なお、加圧プレート６０３とダイヤフラム３００とは、それぞれの一部が固定（例えば、接着や溶接）されていてもよいし、固定されていなくてもよい。アクチュエーター６０２としては、例えば、積層型のピエゾアクチュエーターが挙げられる。なお、モーターなどその他の駆動方法を用いるようにしてもよい。アクチュエーター６０２を用いてダイヤフラム３００を押圧することにより、圧縮室４００内の気体７０を圧縮しつつ吐出することができる。

次に、図２及び図３を参照しながら、ポンプ体５００の構成について説明する。

図２及び図３に示すように、ポンプ体５００は、基板１００と、側面部２００と、ダイヤフラム３００と、を備えている。側面部２００は、複数の薄板２１０が積層されて構成されており、平面視で、円形状に形成されている。

具体的には、図２に示すように、側面部２００の内周２００ａの形状、及び外周２００ｂの形状は、円形状になっている。つまり、側面部２００は、平面視で輪状の薄板２１０が積層されて構成されている。なお、円形状であることに限定されず、多角形状であってもよい。

また、図２に示すように、ダイヤフラム３００には、例えば、円形状の溝３０１が設けられている。ダイヤフラム３００に溝３０１が形成されていることにより、ダイヤフラム３００のセンター部３０２が可動しやすくなっている。

このように構成することにより、吸入弁５０１や吐出弁５０２を、側面部２００から略均一な距離で囲むことが可能となり、吸入弁５０１や吐出弁５０２からバランスよく気体７０を吸入したり吐出したりすることができる。

次に、図４～図６を参照しながら、ポンプ体５００の構成をより詳しく説明する。図４は、気体７０を吸入するときのポンプ体５００の状態を示している。図５は、気体７０を吐出したときのポンプ体５００の状態を示している。図６は、吐出時の側面部２００の一部の構成を拡大して示している。

図４及び図５に示すように、ポンプ体５００は、基板１００と、ベローズ型の側面部２００と、ダイヤフラム３００と、凸部２０１と、を備えている。基板１００には、上記したように、吸入弁５０１と、吐出弁５０２と、が設けられている。

側面部２００は、複数の薄板２１０が積層されて構成されている。詳しくは、図６に示すように、側面部２００は、第１薄板２１０ａと、第２薄板２１０ｂと、第３薄板２１０ｃと、が積層されている。薄板２１０の材料は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）やチタン合金である。薄板２１０の厚みは、例えば、０．１ｍｍ～０．２ｍｍ程度である。

なお、薄板２１０は、図５では４枚、図６では３枚を示しているが、ベローズ型の状態になればよく、枚数は限定されない。また、図４及び図５の側面部２００の構成と、図６の側面部２００の構成とは、説明の都合により一部異なっている。

図５に示すように、凸部２０１は、例えば、５枚の薄板２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，２０１ｅが、それぞれ接着材２５０を介して接着されて構成されている。また、凸部２０１は、接着材２５０を介して、ダイヤフラム３００の中央部に接着されている。

図６に示すように、第１薄板２１０ａの第１面２１０ａ１には、溝２１０ａ２と、溝２１０ａ２に対して内側（具体的には、凸部２０１側）に位置する第１接続面２１０ａ３と、が設けられている。溝２１０ａ２は、例えば、エッチングや切削などによって形成することができる。

第２薄板２１０ｂも同様に、第１面２１０ｂ１には、溝２１０ｂ２と、溝２１０ｂ２に対して内側（具体的には、凸部２０１側）に位置する第１接続面２１０ｂ３と、が設けられている。

第１薄板２１０ａの第１接続面２１０ａ３と、第２薄板２１０ｂの第１接続面２１０ｂ３との間には、スペーサー２２０が配置されている。言い換えれば、第１薄板２１０ａの第１接続面２１０ａ３と、第２薄板２１０ｂの第１接続面２１０ｂ３とは、スペーサー２２０を介して互いの第１接続面２１０ａ３，２１０ｂ３が向かい合うように接続されている。

第１薄板２１０ａの第１接続面２１０ａ３とスペーサー２２０とは、接着材２５０を介して接続されている。第２薄板２１０ｂの第１接続面２１０ｂ３とスペーサー２２０とは、接着材２５０を介して接続されている。

また、第２薄板２１０ｂにおける第１面２１０ｂ１と反対側の第２面２１０ｂ１１には、溝２１０ｂ２と平面視で重なる領域よりも外側（具体的には、凸部２０１と反対側）に、第２接続面２１０ｂ１３が設けられている。

第３薄板２１０ｃも同様に、第１面２１０ｃ１と反対側の第２面２１０ｃ１１には、溝２１０ｃ２と平面視で重なる領域よりも外側（具体的には、凸部２０１と反対側）に、第２接続面２１０ｃ１３が設けられている。

第２薄板２１０ｂの第２接続面２１０ｂ１３と、第３薄板２１０ｃの第２接続面２１０ｃ１３とは、接着材２５０を介して、互いの第２接続面２１０ｂ１３，２１０ｃ１３が向き合うように接続されている。以降、薄板２１０の枚数が多い場合には、上記構成を繰り返して接着する。

このように、複数の薄板２１０が、側面部２００の内側（具体的には、凸部２０１側）と外側（具体的には、凸部２０１と反対側）との交互に接着されているので、複数の薄板２１０によって、ベローズ型（言い換えれば、蛇腹状）を形成することができる。

また、第１薄板２１０ａ～第３薄板２１０ｃに溝２１０ａ２，２１０ｂ２，２１０ｃ２が設けられているので、薄板２１０の厚みを薄くすることが可能となり、図４に示すように、気体７０の吸入時に、薄板２１０を撓ませる、言い換えれば、変形させることができる。よって、圧縮室４００の容積を大きくすることが可能となり、ダイヤフラム型圧縮機１０００を大きくすることなく、多くの気体７０を圧縮させることができる。

また、第１薄板２１０ａと第２薄板２１０ｂとが、スペーサー２２０を介して接続されているので、図４に示すように、気体７０の吸入時に、側面部２００が上方に延びた際、スペーサー２２０の厚み分の隙間Ｈ１があるため、第１薄板２１０ａと第２薄板２１０ｂとが干渉することを抑えることができる。

また、側面部２００における内側（具体的には、凸部２０１側）のみにスペーサー２２０を配置しているので、外側にスペーサー２２０を配置した場合のように、気体７０の吐出時にデッドボリューム（具体的には、吐出時に気体７０を吐出できない容量）が大きくなることを抑えることが可能となり、多くの気体７０を吐出することができる。

次に、図７～図１８を参照しながら、本実施形態のポンプ体５００の組み立て方法について説明する。

図７に示す工程では、接着治具７００（７０１，７０２，７０３）を用いて、薄板２１０を固定する。その後、例えば、第２接続面２１０ｂ１３に接着材２５０を塗布する。なお、接着材２５０に限定されず、拡散接合を用いて接合するようにしてもよい。

図８に示す工程では、薄板２１０とダイヤフラム３００とを接着する。具体的には、接着材２５０を介して薄板２１０の上にダイヤフラム３００をセットし、接着面を加圧しながら一定時間固定することにより、接着材２５０を硬化させる。

このように、薄板２１０に溝２１０ｂ２が設けられていることにより、図９に示すように、接着治具７０１及び加圧治具７０４を用いて、ダイヤフラム３００、薄板２１０、接着材２５０を加圧した際、溝２１０ｂ２が設けられていない部分に、圧力を均等かつ十分に伝えることができる。よって、接着材２５０と平面視で重なる部分に力を集中させることが可能となり、確実に接続させることができる。

図１０に示す工程では、接着治具７０２，７０３から薄板２１０を取り外さずに、ひっくり返して配置する。その後、接着材２５０を介して薄板２０１ａを配置する。このとき、ダミーの薄板１２００を用いて、ダイヤフラム３００と薄板２０１ａとを接着材２５０を介して加圧することにより、確実に接着させることができる。

図１１に示す工程では、薄板２１０の第１接続面２１０ｂ３とスペーサー２２０とを、接着材２５０を介して接続する。

図１２に示す工程では、新たに薄板２１０を接着治具７０１の上に配置する。その後、薄板２１０の上に接着材２５０を塗布する。次に、薄板２１０と、第２薄板２１０ｂの第１接続面２１０ｂ３とを、接着材２５０を介して接続する。

図１３に示す工程では、第２薄板２１０ｂと第３薄板２１０ｃとを接着する。まず、第２薄板２１０ｂの第２接続面２１０ｂ１３に、接着材２５０を塗布する。次に、第２薄板２１０ｂの上に第３薄板２１０ｃを配置して、接着材２５０を介して、第２薄板２１０ｂと第３薄板２１０ｃとを接続する。

図１４に示す工程では、図１１までに形成した側面部２００の一部２００Ｘ１と、図１３までに形成した側面部２００の一部２００Ｘ２と、接着材２５０を介して接着する。接着し終わったら、側面部２００から接着治具７０２，７０３を取り外す。

図１５に示す工程では、凸部２０１の一部である、薄板２０１ｂと薄板２０１ｃとを接着する。具体的には、薄板２０１ｂを接着治具７０２，７０３，７０５，７０６で固定する。次に、薄板２０１ｃを接着治具７０２，７０３，７０５，７０６で固定する。その後、薄板２０１ｂと薄板２０１ｃとの位置を合わせ、接着材２５０を介して薄板２０１ｂと薄板２０１ｃとを接続する。

図１６に示す工程では、凸部２０１の一部である、薄板２０１ｄと薄板２０１ｅとを接着する。接着する方法は、上記した図１５に示す方法と同様である。

図１７に示す工程では、積層された薄板２０１ｂ，２０１ｃと、積層された薄板２０１ｄ，２０１ｅと、を接着する。接着する方法は、上記した図１５や図１６と同様である。

図１８に示す工程では、予め薄板２０１ａを接着しておいたダイヤフラム３００に、積層された薄板２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，２０１ｅを接着する。なお、接着を確実に行うため、ダミーの薄板１２００を用いて接合する。以上により、ポンプ体５００が完成する。

以上述べたように、本実施形態のダイヤフラム型圧縮機１０００は、吸入弁５０１と吐出弁５０２とを有する基板１００と、基板１００に接続されたベローズを有する側面部２００と、側面部２００に接続されたダイヤフラム３００と、ダイヤフラム３００に接続され、側面部２００の内側に配置された凸部２０１と、基板１００と側面部２００とダイヤフラム３００とによって囲まれた圧縮室４００と、を備える。

この構成によれば、側面部２００がベローズを有するので、吸入時にベローズが伸びることによって、圧縮室４００を広くすることが可能となり、圧縮室４００に吸入される気体７０の量を大きくすることができる。更に、ダイヤフラム３００の中央に凸部２０１を備えているので、気体７０の吐出時に、縮んだベローズと、基板１００と、ダイヤフラム３００と、凸部２０１と、によって形成される空間の容量を少なくすることが可能となり、圧縮室４００から吐出する気体７０の量を大きくすることができる。つまり、ダイヤフラム型圧縮機１０００を大きくすることなく、多くの気体７０を圧縮させる、言い換えれば、圧縮率を向上させることができる。

また、本実施形態のダイヤフラム型圧縮機１０００において、側面部２００は、輪状の薄板２１０が積層されて構成されており、側面部２００の外周２００ｂの形状及び内周２００ａの形状は、平面視で、円形状又は多角形状を有することが好ましい。この構成によれば、側面部２００の形状が円形状や多角形状であるので、吸入弁５０１や吐出弁５０２を略均一な距離で囲むことが可能となり、吸入弁５０１や吐出弁５０２からバランスよく気体７０を吸入したり吐出したりすることができる。

また、本実施形態のダイヤフラム型圧縮機１０００において、薄板２１０の第１面２１０ａ１，２１０ｂ１には、溝２１０ａ２，２１０ｂ２と、溝２１０ａ２，２１０ｂ２に対して内側に位置する第１接続面２１０ａ３，２１０ｂ３と、が設けられていることが好ましい。この構成によれば、溝２１０ａ２，２１０ｂ２が設けられているので、気体７０の吸入時に薄板２１０を撓ませることが可能となり、圧縮室４００を大きくすることができる。更に、第１接続面２１０ａ３，２１０ｂ３によって、薄板２１０の一部同士を接続させることが可能となり、ベローズの一部を構成することができる。

また、本実施形態のダイヤフラム型圧縮機１０００において、側面部２００は、第１薄板２１０ａと、スペーサー２２０と、第２薄板２１０ｂと、を含んで構成されており、第１薄板２１０ａの第１接続面２１０ａ３と、第２薄板２１０ｂの第１接続面２１０ｂ３とは、スペーサー２２０を介して互いの第１接続面２１０ａ３，２１０ｂ３が向かい合うように接続されていることが好ましい。この構成によれば、溝２１０ａ２，２１０ｂ２に対し内側において、スペーサー２２０を介して第１薄板２１０ａと第２薄板２１０ｂとが接続されているので、気体７０の吸入時に、第１薄板２１０ａと第２薄板２１０ｂとが撓んだ際、溝２１０ａ２，２１０ｂ２に対し外側において、スペーサー２２０の厚み分隙間Ｈ１があるので、第１薄板２１０ａと第２薄板２１０ｂとが干渉することを抑えることができる。

また、本実施形態のダイヤフラム型圧縮機１０００において、側面部２００は、第３薄板２１０ｃを有し、第２薄板２１０ｂと、第３薄板２１０ｃと、において、第１面２１０ｂ１，２１０ｃ１の裏面である第２面２１０ｂ１１，２１０ｃ１１において、溝２１０ｂ２，２１０ｃ２と平面視で重なる領域よりも外側に、第２接続面２１０ｂ１３，２１０ｃ１３を備えることが好ましい。この構成によれば、第２接続面２１０ｂ１３，２１０ｃ１３を備えるので、例えば、第２薄板２１０ｂの第２接続面２１０ｂ１３と第３薄板２１０ｃの第２接続面２１０ｃ１３とを接続させることにより、溝２１０ｂ２，２１０ｃ２に対し外側において、接続させることができる。つまり、第１薄板２１０ａ～第３薄板２１０ｃによって、ベローズ（言い換えれば、蛇腹状）を形成することができる。

また、本実施形態のダイヤフラム型圧縮機１０００において、第２薄板２１０ｂの第２接続面２１０ｂ１３と、第３薄板２１０ｃの第２接続面２１０ｃ１３とは、互いの第２接続面２１０ｂ１３，２１０ｃ１３が向き合うように接続されていることが好ましい。この構成によれば、第２薄板２１０ｂと第３薄板２１０ｃとが溝２１０ｂ２，２１０ｃ２に対し外側において接続されているので、気体７０の吸入時に、第２薄板２１０ｂと第３薄板２１０ｃとが撓んだ際、第２薄板２１０ｂと第３薄板２１０ｃとが干渉することなく撓ませることができる。

以下、上記した実施形態の変形例を説明する。

上記したように、凸部２０１は、薄板２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，２０１ｅを接着して構成することに限定されず、一体型の凸部２０１で構成するようにしてもよい。

７０…気体、１００…基板、２００…側面部、２００ａ…内周、２００ｂ…外周、２０１…凸部、２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，２０１ｅ…薄板、２１０…薄板、２１０ａ…第１薄板、２１０ａ１…第１面、２１０ａ２…溝、２１０ａ３…第１接続面、２１０ｂ…第２薄板、２１０ｂ１…第１面、２１０ｂ２…溝、２１０ｂ３…第１接続面、２１０ｂ１１…第２面、２１０ｃ…第３薄板、２１０ｃ１…第１面、２１０ｃ２…溝、２１０ｃ１１…第２面、２１０ｃ１３…第２接続面、２２０…スペーサー、２５０…接着材、３００…天面部としてのダイヤフラム、３００ａ…第１面、３００ｂ…第２面、３０１…溝、３０２…センター部、４００…圧縮室、５００…ポンプ体、５０１…吸入弁、５０２…吐出弁、６０１…枠体、６０１ａ…底部、６０１ｂ…内側上部、６０１ｃ…開口部、６０１ｄ…開口部、６０２…アクチュエーター、６０３…加圧プレート、７００，７０１，７０２，７０３，７０５，７０６…接着治具、７０４…加圧治具、１０００…ダイヤフラム型圧縮機、１２００…ダミーの薄板。

Claims (6)

1. 吸入弁と吐出弁とを有する基板と、
   前記基板に接続されたベローズを有する側面部と、
   前記側面部に接続された天面部と、
   前記天面部に接続され、前記側面部の内側に配置された凸部と、
   前記基板と前記側面部と前記天面部とによって囲まれた圧縮室と、
   を備える、ダイヤフラム型圧縮機。
2. 請求項１に記載のダイヤフラム型圧縮機であって、
   前記側面部は、輪状の薄板が積層されて構成されており、
   前記側面部の外周形状及び内周形状は、平面視で、円形状又は多角形状を有する、ダイヤフラム型圧縮機。
3. 請求項２に記載のダイヤフラム型圧縮機であって、
   前記薄板の第１面には、溝と、前記溝に対して内側に位置する第１接続面と、が設けられている、ダイヤフラム型圧縮機。
4. 請求項３に記載のダイヤフラム型圧縮機であって、
   前記側面部は、第１薄板と、スペーサーと、第２薄板と、を含んで構成されており、
   前記第１薄板の第１接続面と、前記第２薄板の第１接続面とは、前記スペーサーを介して互いの前記第１接続面が向かい合うように接続されている、ダイヤフラム型圧縮機。
5. 請求項４に記載のダイヤフラム型圧縮機であって、
   前記側面部は、第３薄板を有し、
   前記第２薄板と、前記第３薄板と、において、前記第１面の裏面である第２面において、前記溝と平面視で重なる領域よりも外側に、第２接続面を備える、ダイヤフラム型圧縮機。
6. 請求項５に記載のダイヤフラム型圧縮機であって、
   前記第２薄板の前記第２接続面と、前記第３薄板の前記第２接続面とは、互いの前記第２接続面が向き合うように接続されている、ダイヤフラム型圧縮機。

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