JP3536860B2 - 容積可変型ポンプ - Google Patents

容積可変型ポンプ

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B43/04—Pumps having electric drive
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、添付された請求の範囲１の前文で説明され
るタイプの容積可変型ポンプに関する。 従来技術 この一般型の容積可変型ポンプな通常ダイアフラムポ
ンプと呼ばれる。そのようなポンプは、容積可変容器の
ポンプチャンバー（ポンプキャビティ）を含むポンプハ
ウジングを有する。ポンプチャンバーは、例えば柔軟可
撓性であるダイアフラム構造の、少なくとも一枚の可撓
的に変形可能な壁部分を含む壁で限定され、それは適当
な種類のアクチュエーターにより振動運動が与えられ
る。ポンプの吸入側には、ポンプチャンバーへの流体入
口があり、そしてその吐出側には、ポンプチャンバーか
らの流体出口がある。その入口と出口を流れる流体はチ
ェック弁により制御される。これらのチェック弁は、多
数の異なるタイプのものであっても良い。例えば、チェ
ック弁は、流れ防止構成要素がボール、または蝶番付き
フラップであるところで使用できる。チェック弁は、吸
入段階中（ポンプチャンバーの容積が増加している時）
に流体入口のチェック弁が開き、そして流体出口のチェ
ック弁が閉じるのに対して、ポ時）に流体入口弁が閉じ
て、流体出口弁が開くように流体入口と流体出口とに配
置される。柔軟性ダイアフラムの運動と形状変化はポン
プチャンバーの容積を変化させ変位効果を創り出す、そ
れはチェック弁の動作で、流体入口から流体出口への正
味流れが生じ、故にポンプの吐出側（流体出口側）にお
ける脈流に変換される。 ポンプ流体の流れの方向と圧力とにより受動的に制御
されるチェック弁を有するポンプは、但し、そのような
ポンプを使用する一定の用途、または分野において特に
不都合となる一定の特性を有する。 そのような不都合の一例は、チェック弁動作時に非常
に大きな圧力降下や、弁の可動、流れ防止構成要素に対
する摩耗や疲労損傷の危険性であり、それはポンプの寿
命や信頼性を低下させることとなる。主に液体を、特に
敏感な流体をポンピングすることに対しては、可動弁構
成要素がその流体を使用不能としたり、またはその特性
に悪影響を及ぼすというおそれもある。 発明の目的 上記用途や特別の利用分野に対して、チェック弁など
の可動部品を完全に欠くか、または極端にそのような可
動部を小数しか持たないポンプに対する明白な要請があ
る。 故に、本発明の主な目的は、流体入口と流体出口、ま
たはその何れかに全く弁を用いること無く製造できる序
論により説明されたタイプの容積可変型ポンプを提供す
ることである。 その容積可変型ポンプは、液体と気体の両方をポンピ
ングするために使用、且つ最適化できる流体ポンプであ
るべきである。それはまた、例えば固体粒子を含有する
液体などの流動性粒子を含有する流体をポンピングする
ために使用可能でなければならない。 本発明の説明 上記目的は、流体入口と流体出口とに設けた狭搾要素
が、流体の同流れにおける一方の流れ方向、つまり流体
の狭搾要素内におけるノズル方向の流れの圧力抵抗（同
狭搾要素内の流路形状と、この流路を通過する流体の挙
動により生じる流体の流動抵抗）が、その反対側である
拡散方向の流れの圧力抵抗よりも大きくなる狭搾要素を
含むという事実によって達成される。 特に、本発明からなる新しいタイプの容積可変型ポン
プの特徴は、固定形状である狭搾要素が、例えば既知タ
イプの容積可変型ポンプに使用されるチェック弁の代わ
りに使用されることである。 請求の範囲１による容積可変型ポンプの更なる展開と
好適形態は、請求の範囲２−７で開示された特徴をも示
すことが出来る。 本発明による容積可変型ポンプは、その壁部分の動作
と撓みの変化を通じてポンプチャンバー内の容積を変化
させる、その壁部分は一般に、それ自身が適当に弾力的
である（即ち、それ自体スプリング作用を引き起こす）
が、スプリング、またはスプリング装置を結合した可撓
弾性的に変形可能な壁部分を代りに使用することも可能
であり、それはその壁部分をその源位置に戻す。その壁
部分は、往復運動する堅牢性ピストンの端面であっても
良い。本発明による容積変化型ポンプは、金属、重合体
材料、シリコン、又は他の適当な材料により製造可能で
ある。 実際には、流体入口と流体出口の両方が説明されたタ
イプの個々の狭搾要素から製造されることが適切であ
る。流体入口の狭搾要素と流体出口の狭搾要素との双方
は、それらの拡散方向が流体入口から流体出口に流れる
パルス容積流の流れの方向と一致するように配置され
る。 一般に、本発明の容積変化型ポンプは、狭搾要素がノ
ズルとして機能する時よりも、拡散部として機能する時
により低い圧力損失となるという事実による流れ指向効
果が与えられると言われる。この点について、用語、拡
散部は流れている流体の運動エネルギーを流体内の圧力
エネルギーに変換する流れに影響を及ぼす構成要素、ま
たは手段を指すことが指摘される。 ノズルは、同様に、圧力差（ノズル上での）を利用す
ると同時に、流れる流体の圧力エネルギーを運動エネル
ギーに変換する構成要素、または手段である。 容積可変型ポンプの吸入段階中（ポンプチャンバー容
積が増加する時）、ポンプの吸入側の狭搾要素は、吐出
側の狭搾要素よりも低い流体抵抗を有する拡散部として
機能する。 同ポンプの吸入段階中、出口側に設けた狭搾要素のノ
ズルを経るよりも入口側に設けた狭搾要素の拡散部を経
る方がより大きな流体容積でポンプチャンバー内に吸い
込まれる。該容積可変型ポンプの次の変位段階中（「ポ
ンピング段階」）、入口側の狭搾要素は、拡散部として
同時に機能する出口側の狭搾要素よりも高い流体抵抗を
有するノズルとして機能する。これは、前述の壁部分の
撓みによるポンピング段階中に入口ノズルを経るよりも
出口拡散部を経る方がより大きな容積の流体がポンプチ
ャンバーから強制的に押し出されることを意味する。従
って、完了周期中（ポンプの運転サイクル）の結果は、
両方の狭搾要素が両方の可能な流れ方向への流体流をそ
れら自身により可能にするという事実にも係わらず、正
味容積がポンプを通じて移動されている。即ち入口側か
ら出口側にポンプで送り出されていることとなる。ポン
プチャンバーの入口側と出口側における狭搾要素は、そ
れら狭搾要素の拡散部の方向が流体入口と流体出口から
の脈流の流れ方向と一致するように望ましくは指向され
るべきである。 ポンプチャンバーの可撓変形可能な壁部分は、二つ以
上の柔軟性膜から成る、その運動と形状変化は、振動運
動をその膜に与えて、ポンプ内に閉じ込められた流体容
積を脈打たせる適当な駆動手段により達成される。その
ような駆動手段は、例えば圧電、静電、電磁、または電
気力駆動ユニットの一部であっても良い。熱励起膜を使
用することも可能である。 対応付けられた狭搾要素を有するポンプハウジング自
身は、それらの狭搾要素が一体物の完全な部品を構成で
きるように製作される。本発明による容積可変型ポンプ
は、微細加工処理によっても製造可能である。その容積
可変型ポンプ構造は、例えば、シリコンで製造できる。 本発明による他の実施例の容積可変型ポンプは、狭搾
要素と共に平面状に製造され、そしてそのキャビティが
同一平面内にある場合には、微細加工方法の支援により
適切に製造できる。それで、その狭搾要素は平らとなる
べきである、即ち長方形横断面を有する。 微細加工方法とは本来、マイクロ・エレクトロニクス
構成要素の製造で使用されるこれらの技術を指す。この
製造概念は、平板的に限定された、プレーナー法によ
る、基板（通常単結晶シリコン）からの、大量生産、薄
膜技術、先進機能を備えた小さな同一構成要素に関わ
る。用語の微細加工とは、例えば、単結晶シリコンの異
方性シリコン・エッチングなどの種々の特殊加工をも包
含する。 安価に大量生産方法の例としては、狭搾要素とキャビ
ティとを鋳造するための種々のタイプのプロセスを含
む。可能な材料は、可塑性や伸縮性の材料などの異なる
タイプの重合体材料である。 本発明による容積可変型ポンプは、従来の膜ポンプの
ように、ポンプの吐出側とその吸入側の両方に、圧力等
価バッファ・チャンバーを備えることが出来る。そのよ
うなバッファ・チャンバーで、脈打った流れの圧力パル
スはかなりの程度にまで低減できる。 また本発明による容積可変型ポンプは、その構造が可
動部分を必要としないので、ポンプを単純に、且つ堅牢
に製造でき、依って高信頼性を保証するという事実を、
本発明に従う容積可変型ポンプで効果的に達成できる。
さらに本発明による容積可変型ポンプは、気体、または
液体の何れでもポンピングするために最適化でき、且つ
ポンプの機能、または信頼性を減じることなく流動性粒
子を包含することが出来る。 さらにまた、本発明による容積可変型ポンプは、明か
に、多数の分野で使用できる。例えばこのポンプは、あ
るタイプの内燃エンジン内の燃料ポンプ、又は燃料イン
ジェクターとして使用できる。特に、高信頼性で小型の
ポンプを必要とする用途において、本発明によるポンプ
には最適である。例えばその使用の一例は、インシュリ
ンを服用させるのための移植可能ポンプとして有効であ
る。その他に化学工業や医療用途のための分析的装置で
の流体の取扱もまた、本発明によるポンプで行われる。 図面の簡単な説明 本発明は以下で詳細に説明され、そして添付の図で示
される多数の例を参考にして例証される。 図1aと1bは、垂直断面で見られるように本発明による
容積可変型ポンプの概略的に示された形態の吸入段階と
ポンピング（吐出）段階を示す説明図。 図2aと2bは、従来型のチェック弁を備えた膜ポンプの
吸入段階とポンピング段階を示す横断面説明図を示す。 図3aと3bは、各々の拡散部とノズルの方向への貫流を
示す本発明による狭搾要素の縦断面を示す。 図４は本発明による容積可変型ポンプの第一の実施形
態を示す横断面を示す。 図５は本発明による容積可変型ポンプの第二の実施形
態の横断面と斜視図を示す。 図６は本発明による容積可変型ポンプの第三の実施形
態である横断面を示す。 図７は、図６で示された容積可変型ポンプの入口側
（円Ｓの範囲内）に配置された狭搾要素を示す拡大図で
ある。 図８は、長方形横断面の狭搾要素を有する本発明の第
四の実施形態であるプレーナーポンプの概略的斜視図を
示す。 実施例の説明 図1aと1bは、本発明による容積可変型ポンプの横断面
を概略的に示す。その容積可変型ポンプは、内部ポンプ
チャンバー４を有するポンプハウジング２を含み、その
容積は可変であり、そしてその容積を可変するに使用さ
れる壁部分６は、示された形態においては柔軟性と可撓
弾性を有するダイアフラムである、そのダイアフラムで
ある壁部分６は、交互に外側（図1a）と内側（図1b）と
に交互に撓み変形するので、この動作でポンプチャンバ
ーの容積を変化させて、ポンプの変位効果を達成するこ
とが出来る。 ポンプの吸入側には、流体入口８があり、そしてポン
プの吐出側には、対応する流体出口10がある。流体入口
８と流体出口10の両方は、同一の流れに対して、一方の
貫流方向（拡散方向）におけるよりも他方の貫流方向
（ノズル方向）におけるほうが流体の圧力降下（流体に
対する流動抵抗）が大きくなるように設計、製作された
狭搾要素12を含む。 従って、ポンプの入口側（吸入）と出口側（圧力）の
それぞれに設けた狭搾要素12は、それらがポンプチャン
バー４に対して逆向きに接続される。図1aの吸入時にお
いては、吸入段階中のポンプが示され、ダイアフラムの
壁部分６が方向Ａに変位拡張されると、ポンプチャンバ
ー４の容積が増す。 図1bにおいて、吐出時（ポンピング）の変位段階中の
ポンプが示され、その壁部分６が内部方向Ｂに向って移
動されると、ポンプチャンバー４内の容積が減る。吸入
段階（図1a）中と吐出段階（図1b）中でのポンプの入口
と出口におけるポンプ流体の流入と流出との関係が、矢
印φｉとφｏとで例示される。吸入段階中、流体入口８
側の狭搾要素（狭搾要素）12は、拡散効果を提供し、流
体出口10側の狭搾要素12がノズル効果を提供する。 つまり、吐出段階中、流体入口８側の狭搾要素12は、
ノズル効果を提供すると同時に、流体出口10側の狭搾要
素12は拡散効果を提供する。従って、完全なポンプサイ
クル中（吸入段階＋吐出段階）、ポンプの流体入口８側
から流体出口10側への正味流れを生成する。 図2aと2bは、比較のため、入口8'と出口10'とに受動
フラップ・チェック弁16、18を備えた従来型の膜ポンプ
14を示す。これらのチェック弁は、弁フラップ上の重力
を無視するならば、ポンプ流体の運動と圧力とにより単
独で開閉位置間で移動される受動的に機能するフラップ
弁である。吸入段階中（図2a）、チャンバー４の容積が
増加すると弁16が開いて、弁18が閉じる。吐出段階中
（図2b）、チャンバー４の容積が減少すると、チェック
弁16が閉じて、チェック弁18が開く。 図3aと図3bは、拡散方向（図3a）とノズル方向（図3
b）の各々に貫流する流れがある時の本発明による狭搾
要素12の実施例を示す。その狭搾要素12は中心貫流路22
を有する単一構成体として形成されるものであって図3a
と図3bは、中心貫流路22の軸方向の向きを180度逆に取
り付けている違いのみである。その中心貫流路22は、入
口エリア24から出口エリア26まで延長する。図3aに示す
向きにおいては、中心貫流路22は拡散エリアであり、図
3bに示す向きの中心貫流路22はノズルエリアとなる。つ
まり図3bに示す後者の場合、入口エリアは、中心貫流路
22への円錐形入口28から成り、そして出口エリアは他端
エリア30から成る、即ち図3aで示されたものと逆の状況
と成る。 図４において、本発明による二つの狭搾要素12を設け
て成る容積可変型ポンプが示される。そのポンプハウジ
ング２は、この場合、ポンプハウジング２内にポンプチ
ャンバー４を形成する浅い円形キャビティ32を備えた円
形ディスク、又はプレーとから成る。円形キャビティ32
の底部には、入口開口部34、そして出口開口部36が形成
されている。 従って、二つの狭搾要素12はポンプの流体入口８と流
体出口10とを構成する。ポンプチャンバー４は、ポンプ
ハウジング２に固定された柔軟性ダイアフラムであるポ
ンプ内容積の変形可能な壁部分６によりハウジング２の
頂上部40で密封される。圧電水晶ディスク42が、その壁
部分６の外側に固定され、そしてその圧電水晶ディスク
42が壁部分６に振動運動を与えるための駆動手段とな
り、この駆動手段の動作でポンプチャンバー４内に閉じ
込められた流体容積を振動させることが出来る。 駆動手段である圧電水晶ディスク42は、この場合には
駆動ユニットの一部（ここでは詳述されない）であり、
それは圧電的に壁部分６を駆動する。原則的に壁部分６
は、例えばそのダイアフラムに接着された圧電水晶ディ
スク42上に交流電圧を適用することにより振動状態にさ
れる。圧電ディスク42によりポンプを駆動するのに適当
な励起周波数は、ポンプ流体が気体か、液体かどうかに
依存する。試験されたポンプの原型において、6KHz程度
の励起周波数が空気をポンピングするのに適当であると
判明したが、200Hzの周波数が水をポンピングするのに
は適当であると判明した。 図５は本発明による変位ポンプの第二の実施形態を示
す。図４の第一の実施形態と図５に示す第二の実施形態
との間の基本的な相違は、ポンプの流体入口８と流体出
口10とを形成する狭搾要素12の位置と向きにある。図５
による第二の実施形態においては、その狭搾要素12はポ
ンプチャンバー２の直径方向の正反対方向に放射状に突
出させている。この構成要素12の中心貫流路22は、この
場合にはポンプの入口８と出口12における放射状開口部
44と46を経てポンプチャンバー４に導通している。 図６は、本発明による容積可変型ポンプの第三の実施
形態を示し。この実施形態の場合ポンプハウジング２
は、各々平坦なる端部壁52と54と、そして各々円筒状側
面壁56と58とを有する上方部分48と下方部分50から構成
される円形圧力ボックスに形成されている。側面壁56と
58との間には磁気材料のダイアフラム壁60の周辺エッジ
部分に反対側から接合され、そのダイアフラム壁60は、
端部壁54と側面壁58と共にポンプ下方部分50の範囲内で
ポンプチャンバー４を形成する。 該ポンプの上方部分48の範囲内には、電磁駆動ユニッ
ト64を収納するチャンバー62が有り、その電磁駆動ユニ
ット64の動作を受けて、ダイアフラム壁60にはポンプを
駆動するのに必要とされる振動運動が与えられる。ポン
プに設けられている二つの狭搾要素12は、この場合には
原則的に図４に示された形態と同じ方法で搭載される。 図７は、図６において示す円形Ｓ範囲部分の流体入口
８拡大図を示す。この場合、狭搾要素12の貫流路22は、
「ポイント角」２θ＝5.4度の僅かなテーパーに形成さ
れた円錐形の導管である。 二つの主要なタイプの拡散形状である即ち本発明によ
る容積可変型ポンプに使用できる円錐形と平面壁とがあ
ることが指摘されるべきである。 円錐形拡散部は増加する円形横断面を有するが、平面
拡散部は、二面が平行な四つの平面壁を有する長方形横
断面を有する。二つの拡散部のタイプはほぼ同拡散容量
を有する。故に、本発明によるポンプのための拡散タイ
プの選択は、本質的に製造プロセスの種類に依存する。 図８は、微細加工プロセスに特に適した本発明の第四
の実施形態であるプレーナーポンプを示す。ここで狭搾
要素12は四方からポンプチャンバー４を包囲するポンプ
ハウジング２をも構成する単一の構造物に統合化され
る。ポンプチャンバー４は、勿論上部と下部の壁により
制限される。図８においては、単純化のために上部壁66
が示され、そしてこの図では、それはポンプハウジング
２から持ち上げられて示される。この上部壁66は、ポン
プチャンバー４の容積を変化させるための可撓変形可能
な壁部分を示す。 最後に、本発明の特許請求の範囲で定義されるような
発明は、勿論図面を参考にして上述された形態と種々の
面において異なる多くの異なる形態で実施可能であるこ
とは指摘されるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステーメ，ゲーラン スウェーデン国 エス―114 21 スト ックホルム ブルンベェーズヴェーゲン １ (56)参考文献 特開 昭61−191407（ＪＰ，Ａ) 特公 昭34−10440（ＪＰ，Ｂ１) 独国特許出願公開2410072（ＤＥ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F04B 43/02 F04B 53/10

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】可変容積のポンプチャンバーを含むポンプ
    ハウジング（２）を備えた容積型ポンプであって、前記
    ポンプチャンバーを形成する壁は柔軟性ダイアフラムな
    どの少なくとも一つ以上の可撓変形可能な壁部分から構
    成され、前記ダイアフラムの運動と形状変化はポンプチ
    ャンバーの容積を変化させてポンプ作用を呈し、前記ポ
    ンプチャンバー（４）はポンプの吸入側に流体入口
    （８）と、その吐出側に流体出口（10）とを備えている
    容積型ポンプにおいて、前記流体入口（８）と流体出口
    （10）とのそれぞれに、非可動の狭搾要素（12）を含
    み、該狭搾要素（12）は、一方の流路方向でノズルを構
    成し、かつ他方の流路方向で拡散部を構成し、該狭搾要
    素（12）内で受ける流体の圧力抵抗は、一つの同じ流体
    に対してその拡散方向よりもノズル方向において大き
    く、さらに前記それぞれの狭搾要素（12）は、流体入口
    （８）から流体出口（10）へのポンプの正味容積流の方
    向に拡散部が位置される向きで設定されていることを特
    徴とする容積可変型ポンプ。
  2. 【請求項２】狭搾要素（12）が入口領域において丸く形
    成されていることを特徴とする請求項１に記載の容積可
    変型ポンプ。
  3. 【請求項３】ポンプチャンバー（４）の可撓変形可能な
    壁部分は、一枚以上のダイアフラムと各々のダイアフラ
    ムに組み合わせた駆動手段（42）とから成り、該駆動手
    段（42）によりダイアフラムはポンプチャンバー（４）
    内に閉じ込められた流体を脈打たせる振動運動が与えら
    れることを特徴とする請求項１に記載の容積可変型ポン
    プ。
  4. 【請求項４】駆動手段（42）は、駆動ユニット（64）を
    有し、該駆動ユニット（64）で起こされるダイアフラム
    振動運動の周波数は、一方でダイアフラムに結合した機
    械的弾性要素に依存し、他方で狭搾要素（12）と該狭搾
    要素（12）と組み合わされた導管内のポンプ流体の質量
    に依存することを特徴とする請求項１又は３に記載の容
    積可変型ポンプ。
  5. 【請求項５】少なくともポンプハウジングと、それに組
    み合わされる狭搾要素（12）とが単一構造体であること
    を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の容
    積可変型ポンプ。
  6. 【請求項６】微細加工プロセスにより製作されたシリコ
    ンの少なくとも一つ以上のポンプ構造から成ることを特
    徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の容積可
    変型ポンプ。
  7. 【請求項７】ポンプの吐出側及び／または吸入側に公知
    の圧力等化バッファチャンバーが結合されており、同チ
    ャンバーは脈流の圧力パルスを低減するように働くこと
    を特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の容
    積可変型ポンプ。
JP51889594A 1993-02-23 1994-02-21 容積可変型ポンプ Expired - Lifetime JP3536860B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE9300604A SE508435C2 (sv) 1993-02-23 1993-02-23 Förträngningspump av membranpumptyp
SE9300604-7 1993-02-23
PCT/SE1994/000142 WO1994019609A1 (en) 1993-02-23 1994-02-21 Displacement pump of diaphragm type

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