JP4367086B2 - ポンプの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンあるいはダイアフラム等により、ポンプ室内の容積を変更して液体の移動を行う小形ポンプに関する。

従来、圧電素子等のアクチュエータで駆動されるピストンまたはダイアフラムと、そのピストンまたはダイアフラムにより容積変化可能なポンプ室と、ポンプ室へ流体が流入する入口流路と、ポンプ室から流体が流出する出口流路と、入口流路のみに逆止弁等の流体抵抗要素を備え、入口流路のイナータンスをポンプ室から流体が流出する出口流路のイナータンスよりも小さく構成し、高負荷圧力に対応し吐出流量の多い高出力ポンプが、本発明の発明者らにより開発されている。（特許文献１参照）
特開２００２−３２２９８６号公報

特許文献１の構成のポンプは、出口流路の大きなイナータンスによる流体の慣性効果を利用して出力を増加させるため、ピストンあるいはダイアフラムの駆動波形やポンプ寸法の変化による慣性効果の変化が、出力に大きく影響するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、特許文献１のように慣性効果を利用するポンプを用いて、高い出力を得る駆動方法を提供することにある。

本発明のポンプの駆動方法は、ピストンあるいはダイアフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室と、該ポンプ室へ作動流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から作動流体を流出させる出口流路と、ポンプ室に作動流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を前記入口流路に備え、前記入口流路のイナータンスは前記出口流路のイナータンスよりも小さく構成され、さらに、出口流路のイナータンスをＬ（ｋｇ／ｍ⁴）、前記可動壁の下死点から上死点までの変位をＸ（ｍ）、前記ポンプ室の断面積をＳ（ｍ²） とした時に、前記可動壁を、式

を満たす周波数ｆ（Ｈｚ）で駆動することを特徴とする。

この発明によれば、出口流路の大きなイナータンスによる流体の慣性効果を利用して出力を増加させるポンプにおいて、ポンプ寸法に関わらず高いポンプ出力を取り出すことができる。

そして、本発明のポンプの駆動方法としては、上述した範囲において特に

を満たす周波数ｆ（Ｈｚ）で前記可動壁を駆動することが好ましい。

この発明によれば、ポンプ寸法に関わらず、後で詳細に説明する２倍波モードでの高いポンプ出力を取り出すことが可能となる。２倍波モードで駆動すると、逆止弁の耐久性を向上させポンプの信頼性をさらに向上させることができる。

このとき、さらに、

を満たす周波数ｆ（Ｈｚ）で前記可動壁を駆動することで、確実に２倍波モードでの高いポンプ出力を取り出すことができる。

また、ピストンあるいはダイアフラムの駆動波形は略正弦波であることが好ましい。この発明によれば、駆動回路が容易に実現できるとともに、駆動時にアクチュエータ内に発生する内部応力が少なくアクチュエータ及びポンプの信頼性が向上する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係わるポンプの実施形態の縦断面を示している。積層型圧電素子６の保持部材である圧電素子ケース３１の下部には、ケース底板３４が溶接によって堅固に固定されている。ポンプの駆動源である積層型圧電素子６の上面には端板３３があらかじめ接着され、積層型圧電素子ユニットを構成し、前記圧電素子ケース３１内部に固定される。この固定は、積層型圧電素子６の下面と前記ケース底板３４上面の接着による。

積層型圧電素子６の固定後、圧電素子ケース３１の上面と端板３３の上面は研削加工によって、同一平面に加工している。そして、研削加工で同一平面とされた端板３３と圧電素子ケース３１の双方に、ダイアフラム５が接着されている。

ダイアフラム５は、厚さ２０μｍのステンレス鋼薄板で形成されており、このダイアフラム５を圧電素子ケース３１との間に挟む形でポンプ室部材２１が取り付けられている。

ポンプ室部材２１は、ポンプ室３、出口流路２がその内部に形成されている。圧電素子ケース３１とポンプ室部材２１の固定は、図示しないビスで行われている。ポンプ室部材２１の上部には、入口流路部材１１が嵌合され、図示しないビスによって固定されている。

開放されている入口流路部材１１の上面は、柔軟かつガスバリア性の高い圧力変動吸収板１２によって封止されている。圧力変動吸収板１２の材質としては、柔軟性とガスバリア性を両立するために、金属薄膜と樹脂の複合材料等が好ましい。

次に、本発明のポンプ内部の流路について説明する。接続部１１ａから上流側に設けられる図示していない外部配管から流入した流体は、圧力変動吸収室１１ｂからポンプ室３に流入する。圧力変動吸収室１１ｂのポンプ室３への流路は、徐々に縮小され約φ０．５ｍｍの穴となりポンプ室３へ連通している。この圧力変動吸収室１１ｂとポンプ室３との境界部には、１５μｍのステンレス鋼薄板で形成されたリード型の逆止弁４が流体抵抗要素として設置され、ポンプ室３から圧力変動吸収室１１ｂへの逆流を防止している。入口流路１はこの外部配管との接続部１１ａから逆止弁４までの流路にて構成されている。

ポンプ室３は、出口流路２が開口する接続部分と、ダイアフラム５上部の扁平形状の圧縮部分で構成される。ポンプ室３から出た流体は、出口流路２を通り、図示しない外部配管に送出される。ここで、入口流路１よりも上流側に設けられた図示しない外部配管や、同様に内部に出口流路２が形成されたポンプ室部材２１の突出部に設けられた図示しない外部配管は、適当な柔軟性を持った樹脂チューブ等で構成されている。

次に、流路のイナータンスＬを定義する。流路の断面積をＳ_f、流路の長さをｌ、作動流体の密度をρとした場合に、Ｌ＝ρ×ｌ／Ｓ_fで与えられる。そして、流路の差圧をΔＰ、流路を流れる流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いてΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。つまりイナータンスＬとは、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示しており、イナータンスＬが大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンスＬが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。

また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関するイナータンスの合成方法は、個々の流路のイナータンスを、電気回路におけるインダクタンスの並列接続、直列接続と同様に合成して算出すれば良い。具体的には、複数の流路を並列接続した場合のイナータンスは、電気回路におけるインダクタンスの並列接続と同様に合成して求められる。また、複数の形状が異なる流路の直列接続した場合のイナータンスは、電気回路におけるインダクタンスの直列接続と同様に合成して求められる。

また、流路に柔軟部等の圧力変動吸収要素がある場合のイナータンスは、圧力変動吸収要素まで考慮すればよい。

従って本発明のポンプにおいて、入口流路のイナータンスは、圧力変動吸収要素である圧力変動吸収板１２からリード弁２３までのイナータンスとなる。一方、出口流路のイナータンスは、出口流路２のイナータンスとなる。出口流路は入口流路に比較して、流路の長さも長く、流路の断面積も小さいため、出口流路のイナータンスは入口流路のものよりはるかに大きくなっている。

次に、作動流体を水とした場合、本実施形態のポンプ運転時の内部状態を示した図２を用いてポンプ動作を説明する。

図２は積層型圧電素子６により駆動されているダイアフラム５の変位波形、および、ポンプ室３の内部の圧力波形を絶対圧力にて示したグラフである。このとき、積層型圧電素子６には周波数約５．５ｋＨｚの正弦波電圧を印加しており、ダイアフラム５の変位もそれと同期している。ダイアフラム５は図１における上方向に変位が増加し、ポンプ室３の体積を圧縮する。図２から、変位の谷部過ぎからポンプ室３の圧縮による圧力上昇が開始し、変位の上昇勾配が最も大きい点を通過後、最大変位となる前にポンプ室３の内部圧力は急激に下降し、絶対０気圧に近づいたところで作動流体中に溶けていた成分がガス化して気泡となるエアレーションやキャビテーンヨンが起こり、絶対０気圧付近で平坦になっている。

これを詳しく説明すると、まず、逆止弁４が閉鎖されている状態でポンプ室３の体積が圧縮されると、出口流路２内の作動流体の大きなイナータンスにより、ポンプ室３内の圧力は大きく上昇する。この圧力上昇により出口流路２内の作動流体は加速され、運動エネルギーが蓄えられる。積層型圧電素子６の伸縮速度の勾配が小さくなると、それまでに出口流路２内の作動流体に蓄えられた運動エネルギーによる慣性効果で作動流体は流れ続けようとするため、ポンプ室３内の圧力は急激に降下し、やがて入口流路１内の圧力より小さくなる。この時点で圧力差により逆止弁４が開き、入口流路１からポンプ室３へ作動流体が流入する。

このとき、入口流路のイナータンスが出口流路２のイナータンスよりも小さいため、入口流路からの流入流量の増加率が大きい。そのため、出口流路２からの流出が継続していると同時に、多くの作動流体がポンプ室３内へ流入する。そして、このポンプ室３からの流出と流入が同時に生じている状態は、積層型圧電素子６が収縮して再び伸長に転じるときまで継続する。これが、図２におけるポンプ室内圧の平坦部の状況である。このように、本構造のポンプは吐出と吸入が同時に生じている状況が存在するため、大きな流量を流すことができ、また、ポンプ室内が極めて高圧になるため、高い負荷圧力に対応できるのである。

ところで、本実施形態のポンプのダイアフラム５を正弦波で駆動した時には、駆動周波数に対して吐出流体体積が図３のように変化し、吐出流体体積が多くなる２つのピークが存在する。まず低い駆動周波数で現れるピーク時のポンプ内部の状態は、先に図２で示し説明した状態であり、ダイアフラム変位の周期とポンプ室圧力の周期が等しい１倍波モードと呼んでいる駆動状態である。

高い周波数で現れるピーク時のポンプ内部の状態を図４を用いて説明する。図４もポンプ室３内圧力とダイアフラム変位について波形を示したものである。そして、図４では、ダイアフラム変位の周期に比べてポンプ室圧力変動の周期が２倍になっている２倍波モードと呼んでいる状態が生じている。この２倍波モードでは、ダイアフラム５の変位振幅が一定でも周波数が高いため、より高速でポンプ室３の体積が減少し、ポンプ室３内圧力の最大値が１倍波モード時より大きくなっている。その結果、出口流路２内の流体速度も１倍波モード時に比較して大きくなり、慣性効果による吐出が長時間継続し、ポンプ室内圧が上昇した周期の次のダイアフラム５の駆動周期では、吸入弁が開放した状態が継続し２倍波モードになると考えている。

図３においては、１倍波モード時よりも２倍波モード時の方が吐出流体体積の多い場合を示してあるが、条件によっては、１倍波モード時の方が吐出流体体積は多くなることもある。

以上のように、本実施形態のポンプは、出口流路２内の流体の慣性効果を利用するため積層型圧電素子６の駆動波形によりポンプ出力が大きく変化する、また、ポンプ各部の寸法の変化によっても出力が変化するが、従来、高い出力を得るためのポンプ駆動方法について十分に明らかにされていなかった。

そこで、発明者は鋭意研究と実験とを重ね、ダイアフラム５を正弦波で運動させた時に、高いポンプ出力を得ることができる駆動周波数とポンプ寸法との関係を見いだした。以下では、その関係について説明する。

図５は、ポンプ室３の直径を３ｍｍとした本実施形態のポンプにおいて、出口流路２のイナータンス、及び、圧電素子６の駆動周波数をパラメータとし、各パラメータ値でのポンプの最大出力を調べた結果をまとめたものである。グラフの横軸は出口流路２のイナータンスの平方根の逆数を示しており、縦軸はダイアフラム５の駆動周波数と下死点から上死点までのダイアフラム５の変位との積を示している。１倍波モードで出力１００ｍＷ未満の領域を白抜きの丸、１倍波モードで出力１００ｍＷ以上の高出力領域を黒丸、２倍波モードで出力１５０ｍＷ以上の領域を白抜き四角のマーカーで示してある。

図６は、ポンプ室３の直径を６．３ｍｍとした本実施形態のポンプにおいて、出口流路２のイナータンス、及び、圧電素子６の駆動周波数をパラメータとし、各パラメータ値でのポンプの最大出力を調べた結果をまとめたものである。座標軸や表示マーカーの意味は図５と同様である。

図７は、ポンプ室３の直径を９ｍｍとした本実施形態のポンプにおいて、出口流路２のイナータンス、及び、圧電素子６の駆動周波数をパラメータとし、各パラメータ値でのポンプの最大出力を調べた結果をまとめたものである。座標軸や表示マーカーは図５と同様である。

以上において、作動流体は水であり、圧電素子の変位量は約４．５μｍであった。

そして、図５から図７において、１倍波モードで出力１００ｍＷ未満の領域と１００ｍＷ以上の領域との境界に引かれた実線は、出口流路２のイナータンスをＬ（ｋｇ／ｍ⁴）、ダイアフラム５の下死点から上死点までの変位をＸ（ｍ）及び駆動周波数をｆ（Ｈｚ）、ポンプ室３の断面積をＳ（ｍ²） とした時に、式

で与えられる直線である。

また、図５から図７において、１倍波モードで出力１００ｍＷ以上の領域と２倍波モードで出力１５０ｍＷ以上の領域との境界に引かれた一点鎖線は、出口流路２のイナータンスをＬ（ｋｇ／ｍ⁴）、ダイアフラム５の下死点から上死点までの変位をＸ（ｍ）及び駆動周波数をｆ（Ｈｚ）、ポンプ室３の断面積をＳ（ｍ²）とした時に、式

で与えられる直線である。

さらに、図５から図７において、２倍波モードで出力１５０ｍＷ以上の領域と１倍波モードで出力１００ｍＷ以上の領域との境界に引かれた破線は、出口流路２のイナータンスをＬ（ｋｇ／ｍ⁴）、ダイアフラム５の下死点から上死点までの変位をＸ（ｍ）及び駆動周波数をｆ（Ｈｚ）、ポンプ室３の断面積をＳ（ｍ²）とした時に、式

で与えられる直線である。

以上のことから、ポンプ各部の寸法が変化しても式

を満たす駆動周波数ｆでダイアフラム５を駆動することで、１００ｍＷ以上の高い出力を得ることができる。

また、

を満たす駆動周波数ｆでダイアフラム５を駆動することで、２倍波モードで出力１５０ｍＷ以上の高い出力を得ることができる。

２倍波モードで駆動すると、逆止弁の開閉回数が駆動周波数の１／２となり、図３から分かるように、２倍波モードで駆動した逆止弁の開閉回数は１倍波モードで駆動したときの逆止弁の開閉回数よりも少なくなる。一般的に疲労破壊は荷重の繰り返し回数に関係しているので、２倍波モードで駆動すると、逆止弁の耐久性を向上させることができる。

以上の駆動周波数とポンプ寸法の関係は、正弦波の駆動波形だけでなく、三角波、鋸波や矩形波に対してローパスフィルタを用いて高周波成分を減衰させ正弦波に近づけた波形でも成立する。本発明における略正弦波とは正弦波、及び、これらの正弦波に近づけた波形を全て含んだものである。このとき特に、ある周波数の正弦波で駆動した場合のダイアフラム５の最大速度と比較して、それと同一の周波数でダイアフラム５を略正弦波で駆動した場合のダイアフラム５の最大速度が±２０％以内となっていることが好ましい。

ダイアフラム５の駆動をこのような正弦波及び略正弦波とすると、駆動回路が容易に実現できるとともに、駆動時に圧電素子へ加わる内部応力が少なく、素子が破壊され難い利点がある。

以上の説明において、ダイアフラム５の形状は円形に限定するものではない。また、逆止弁４は、流体の圧力差によって開閉する受動弁だけではなく、それ以外の力で開閉を制御することができる能動弁タイプのものを使用しても構わない。さらに、ダイアフラム５を動かすアクチュエータには、圧電素子と同様に高い周波数特性を有する超磁歪素子を使用しても良い。また、作動流体として水を用いて説明したが、それ以外の液体を用いても構わない。

本発明は、小形の液体移送用ポンプを使用する各種産業で利用できる。

本発明に係わるポンプの実施形態の縦断面である。 本発明に係わるポンプの実施形態において、１倍波モード時のポンプ内部状態を示すグラフである。 本発明に係わるポンプの実施形態において、ダイアフラムの駆動周波数に対する吐出流体体積の変化を示すグラフである。 本発明に係わるポンプの実施形態において、２倍波モード時のポンプ内部状態を示すグラフである。 本発明に係わるポンプの実施形態において、ポンプ室直径を３ｍｍの場合、出口流路イナータンスと駆動周波数とをパラメータとして、各パラメータ値での最大出力をまとめたグラフである。 本発明に係わるポンプの実施形態において、ポンプ室直径を６．３ｍｍの場合、出口流路イナータンスと駆動周波数とをパラメータとして、各パラメータ値での最大出力をまとめたグラフである。 本発明に係わるポンプの実施形態において、ポンプ室直径を９ｍｍの場合、出口流路イナータンスと駆動周波数とをパラメータとして、各パラメータ値での最大出力をまとめたグラフである。

符号の説明

１：入口流路
２：出口流路
３：ポンプ室
４：逆止弁（流体抵抗要素）
５：ダイアフラム
６：圧電素子

Claims (4)

1. ピストンあるいはダイアフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室と、該ポンプ室へ作動流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から作動流体を流出させる出口流路と、ポンプ室に作動流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を前記入口流路に備え、前記入口流路のイナータンスは前記出口流路のイナータンスよりも小さく構成され、さらに、出口流路のイナータンスをＬ（ｋｇ／ｍ⁴）、前記可動壁の下死点から上死点までの変位をＸ（ｍ）、前記ポンプ室の断面積をＳ（ｍ²） とした時に、前記可動壁を、式
   

   

   を満たす周波数ｆ（Ｈｚ）で駆動することを特徴とするポンプの駆動方法。
2. 前記出口流路のイナータンスをＬ（ｋｇ／ｍ⁴）、前記可動壁の下死点から上死点までの変位をＸ（ｍ）、前記ポンプ室の断面積をＳ（ｍ²） とした時に、前記可動壁を、式
   

   

   を満たす周波数ｆ（Ｈｚ）で駆動することを特徴とする請求項１記載のポンプの駆動方法。
3. 前記出口流路のイナータンスをＬ（ｋｇ／ｍ⁴）、前記可動壁の下死点から上死点までの変位をＸ（ｍ）、前記ポンプ室の断面積をＳ（ｍ²） とした時に、前記可動壁を、式
   

   

   を満たす周波数ｆ（Ｈｚ）で駆動することを特徴とする請求項２記載のポンプの駆動方法。
4. 前記駆動の波形は略正弦波であることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載のポンプの駆動方法。
   
   

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