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