JP4479306B2

JP4479306B2 - ポンプ

Info

Publication number: JP4479306B2
Application number: JP2004099234A
Authority: JP
Inventors: 邦彦高城; 毅瀬戸; 和弘 ▲吉▼田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005282498A

Description

本発明は、ダイアフラムによりポンプ室の容積を変更して動作流体の移動を行うポンプに関し、特に、小型で流量の多いポンプに関する。

従来、ダイアフラムによりポンプ室の容積を変更して動作流体の移動を行う小型ポンプにおいて、流体の慣性効果を発生する管路要素をポンプ室の吐出側の直後に設けた高出力マイクロポンプが開発されている。（非特許文献１、特許文献１参照）
特開２００２−３２２９８６号公報「流体の慣性効果を用いたマイクロポンプの高出力化」日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会‘０３講演論文集２Ａ１−２Ｆ−Ｅ４

ダイアフラムによりポンプ室の容積を変更して動作流体の移動を行う小型ポンプにおいて、流体の慣性効果を発生する管路要素をポンプ室の吐出側の直後に設けたマイクロポンプは、非特許文献１に示されているように排除体積以上の容量を吐出でき、吐出流量が大きかった。しかし、冷却用水の循環等の低圧ながら、さらに大きな吐出流量が必要とされる用途もあった。

本発明の目的は、慣性効果を発生する管路要素をポンプ室の吐出側に設けたマイクロポンプにおいて、吐出流量をさらに増やしたポンプを提供することである。

本発明のポンプは、動作流体を流入させる入口流路と、動作流体を流出させる出口流路と、ダイアフラムにより、容積が変更可能なポンプ室と、前記入口流路と前記出口流路とを接続する接続流路と、前記入口流路から前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口接続流路と、前記接続流路と前記出口流路との間に第一の逆止弁と、前記ポンプ室と前記出口流路との間に第二の逆止弁とを備え、接続流路のイナータンスは、入口接続流路、出口流路それぞれのイナータンスと比較して小さいことを特徴とする。

この発明によれば、ポンプ室体積が増加するポンプ室膨張行程で、入口接続流路内にポンプ室方向への流れができ、入口接続流路内の流体に運動エネルギーを保存する。一方、出口流路内の流体に吐出方向の運動エネルギーが存在する間は慣性効果によって、接続流路から出口流路へ流体が流れ続ける。そして、ポンプ室体積が減少するポンプ室圧縮行程では、入口接続流路内の流体はポンプ室方向へ流れる運動エネルギーを保存しており、その慣性効果によってポンプ室への流入が継続する。その結果、その流入流体の流量とポンプ室の容積減少によって排除される流量とを加えた流量を、ポンプ室から出口流路へと流出させることができる。そして更に、その流出流量により出口流路内の流体に保存された、吐出方向への運動エネルギーによる慣性効果を利用することができる。従って、より吐出流量を多くすることが可能である。

また、上述の構造では、前記入口接続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大きいことが好ましい。

この構造によれば、ポンプ室体積が減少するポンプ室圧縮行程において、入口接続流路内の流体に保存されたポンプ室方向へ流れる流体の運動エネルギーによる慣性効果を利用して、ポンプ室の容積減少によって排除される流量以上の流量をポンプ室から出口流路に流出させることができる。

また、上述の構造では、前記入口接続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２倍以上大きいことが好ましい。

この構造によれば、ポンプ室体積が減少するポンプ室圧縮行程において、入口接続流路内の流体に保存されるポンプ室方向へ流れる流体の流速の低下を小さくし、出口流路の流体の流速の上昇を大きくすることが可能で、、ポンプ室の容積減少時にポンプ室から出口流路に流体をより多く流出させることができる。

また、上述の構造では、前記第一の逆止弁の流路開閉部材は前記第二の逆止弁の流路開閉部材を兼ねていることが好ましい。

この構造によれば、ポンプを構成する部品点数を減らすことができ、コストが削減でき信頼性が向上する。

また、上述の構造では、前記流路開閉部材がボールであることが好ましい。

この構造によれば、出口流路へ向かう動作流体の流れを板状の弁体で乱すことが少ないため、逆止弁内を流動する際の流体抵抗を少なくすることができる。また、弁体がボールであることによって、逆止弁が開放され、動作流体が流動される際に、弁体がわずかに移動しても動作流体の流動断面積が大きくなるため、流動量を増加できる効果もある。

さらに、ボール弁は回動自在なため、接触部が常に変化し、磨耗等による性能の低下を減少させることができる。

また、上述の構造では、前記入口流路と、前記出口流路と、前記ポンプ室と、前記入口接続流路と、前記接続流路とを含む部材をロストワックス製造法にて製造することが好ましい。

この構造によれば、複雑な流路部分を一部品化でき、組立てが容易になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図５は本発明の実施例のポンプが示されている。

図１は実施例１のポンプの縦断面図が示されている。図の右方向がポンプ動作時に動作流体を流す方向である。図１において、このポンプは、アクチュエータ１２３の伸縮によってポンプ室１１４の容積を変更するダイアフラム１２１と、ポンプ室体１０１と、内部に接続流路１１３が形成された接続管１０２と、内部にアクチュエータ１２３が配置されたアクチュエータ側面筐体１０３と、アクチュエータ１２３が密着固定されるアクチュエータ底面筐体１０４とから構成される。

ポンプ室体１０１には、ポンプ室１１４と、ポンプ室１１４と接続され動作流体を流出する出口流路１１５と、動作流体が流入する入口流路１１１と、入口流路１１１とポンプ室１１４とを接続する入口接続流路１１２と、が形成されている。また、出口流路１１５は下流に向かって緩やかに内径が拡大し、拡大後の内径は入口流路１１１とほぼ等しくなっている。

また、ポンプ室１１４と出口流路１１５との合流部には、出口流路１１５からポンプ室１１４方向への流れを妨げる逆止弁（第二の逆止弁）が圧入固定されている。この逆止弁は、図２に示すように貫通した穴が設けられた弁座２０１と弁板２０３とから構成され、弁板２０３の外周近傍部分は、スポット溶接によって弁座２０１と接合されている。

再び図１を用いて本実施例のポンプ構造の説明を続ける。

ポンプ室体１０１には接続管１１２を圧入固定するための凹部が設けてあり、そこに接続管１１２が圧入固定されている。接続流路１１３と出口流路１１５との合流部には、出口流路１１５から接続流路１１３方向への流れを妨げる逆止弁（第一の逆止弁）が圧入固定されている。この逆止弁の構造は第二の逆止弁と同様であり、弁座２０２と弁板２０４とから構成されている。

ポンプ室体１０１のポンプ室１１４の開口部は、ステンレス鋼等で形成された薄い円盤状のダイアフラム１２１が、ポンプ室１１４の周縁に設けられた凹部内に密着固定されている。この凹部に、アクチュエータ側面筐体１０３が圧入され、ダイアフラム１２１を押圧しながらポンプ室体１０１とアクチュエータ側面筐体１０３とが一体化されている。

アクチュエータ側面筐体１０３の他の端部に、アクチュエータ底面筐体１０４が密着固定されて一体化されており、アクチュエータ底面筐体１０４にアクチュエータ１２３の一方の端部が固着されている。アクチュエータ１２３は、圧電素子であり図示しない外部の制御回路から駆動電圧が与えられて伸縮する。アクチュエータ１２３の他方の端部には、アクチュエータ台座１２２が固着され、アクチュエータ台座１２２がダイアフラム１２１と密着固定されている。

なお、図示しないが入口流路１１１の外周はシリコンゴム製の外部接続チューブに接続され、動作流体を導入し、出口流路１１５の外周も図示しないシリコンゴム製の外部接続チューブに接続され、動作流体を吐出する。

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、流路の長さをｒ、作動流体の密度をρとした場合に、Ｌ＝ρ×ｒ／Ｓで与えられる。流路の差圧をΔＰ、流路を流れる作動流体の流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内流体の運動方程式を変形することで、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合成イナータンスは、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。例えば、イナータンスがそれぞれＬ１、Ｌ２である２つの流路を直列接続した場合、合成イナータンスはＬ１＋Ｌ２で与えられる。

ここで、接続流路１１３のイナータンスは、入口流路１１１との合流部から第一の逆止弁を構成する弁座２０２に設けられた貫通穴部までで算出する。また、脈動吸収効果の高いシリコンゴム製の外部接続チューブが接続されているため、出口流路１１５のイナータンスは、逆止弁を構成する弁板２０３、弁板２０４よりも下流側から外部接続チューブと接続する端面までで算出する。また、入口接続流路１１２のイナータンスは、入口流路１１１との合流部からポンプ室との合流部までで算出する。

そして、入口接続流路１１２または出口流路１１５のイナータンスのどちらか小さい方と比較して、接続流路１１３のイナータンスはより小さくになるように直径が太くしてある。この接続流路１１３のイナータンスは小さいほど望ましいため、接続管１０２は薄い金属管、ベローズ構造金属管、合成樹脂パイプ等、伸縮性の高い材質で構成することが可能である。

また、入口接続流路１１２のイナータンスは、出口流路１１５のイナータンスよりも大きくなるように、直径を細くそして長くしてある。ここで、入口接続流路１１２のイナータンスは、出口流路１１５のイナータンスと比較して２倍以上とすることがより望ましい。

次に本発明のポンプの動作について図３を用いて説明する。

図３（ａ）は、ポンプ室容積が増加するポンプ室膨張行程を示している。そして、図中に示した矢印は各流路内の流れを示している。

まず、ポンプ室１１４の容積が増加する方向にダイアフラム１２１が動作すると、動作流体の圧縮率に従ってポンプ室１１４内の圧力が出口流路１１５の圧力よりも低下する。すると、圧力差によって第二の逆止弁は閉鎖する。そして、ポンプ室１１４内の圧力が入口流路１１１の圧力よりも低下すると、入口接続流路１１２内にポンプ室１１４へ向かう流れが生じ、入口接続流路１１２内の流体に運動エネルギーが保存される。

一方、直前のポンプ室圧縮行程によって出口流路１１５内の流体に保存された吐出方向の運動エネルギーが存在する間、その慣性効果によって第一の逆止弁は開放したまま、接続流路１１３から出口流路１１５へ流体が流れ続けている。特に、ポンプへの負荷圧力が比較的低い場合、ポンプ運転中は常に慣性効果による接続流路１１３から出口流路１１５への流れを継続させることができ、吐出流量が多い。負荷圧力が比較的高い場合、出口流路１１５の流量が早く減少するため、ポンプ室膨張行程の途中で出口流路１１５内の流れが止まることもある。そのときには、接続流路１１３内の流れも停止する。

次に、図３（ｂ）は、ポンプ室容積が減少するポンプ室圧縮行程を示している。

ポンプ室１１４の容積が減少する方向にダイアフラム１２１が動作すると、動作流体の圧縮率に従ってポンプ室１１４内の圧力が上昇する。すると、圧力差によって第二の逆止弁は開放する。入口接続流路１１２内の流体はポンプ室１１４方向へ流れる運動エネルギーを保存しており、その慣性効果によってポンプ室１１４への流入が継続しているため、その流入流量とポンプ室１１４の容積減少によって排除される流量（以下、排除流量と呼ぶ）とを加えた流量が、ポンプ室１１４から出口流路１１５へと流出する。

このとき、ポンプ室１１４の圧力は入口流路１１１の圧力よりも上昇し、入口接続流路１１２の流量は減少するが、入口接続流路１１２のイナータンスを出口流路のイナータンスよりも大きくすることで流量の減少は抑えられ、排除流量以上の流体を出口流路１１５から効率的に吐出できる。より望ましくは、入口接続流路１１２のイナータンスを出口流路１１５のイナータンスの２倍以上とすることで、入口接続流路１１２の流量減少がより少なくなり、排除流量以上の流量をより効率的に吐出することができる。

一方、第二の逆止弁が開放し出口流路１１５内の圧力が上昇すると、接続流路１１３内の圧力との圧力差により第一の逆止弁は閉鎖し、ポンプ室１１４から出口流路１１５へ流出した流体の接続流路１１３への逆流を防止する。そして、出口流路１１５内の流体に吐出方向へ流れる運動エネルギーが保存され慣性効果が生じると、第一の逆止弁は開放し、接続流路１１３から出口流路１１５へ動作流体が流れる。このとき、入口接続流路１１２または出口流路１１５のイナータンスのどちらか小さい方と比較して、接続流路１１３のイナータンスが小さくなるように構成してあるため、接続流路１１３内の流量の時間変化を大きくでき、接続流路１１３から出口流路１１５へ効率よく流体を流すことができる。ここで、入口接続流路１１２または出口流路１１５のイナータンスのどちらか小さい方と比較して、接続流路１１３のイナータンスが１／２以下にように構成すると、接続流路１１３内の流量の時間変化を２倍以上大きくできより好ましい。

以上のポンプ室膨張行程とポンプ室圧縮行程を繰り返すことにより、本発明のポンプは従来より多い流量の吐出が可能となっている。

次に、本発明のポンプの実施例２について図４に基づき説明する。

実施例２は、実施例１（図１参照）の構造を基本とし、ポンプ室体１０１、接続管１０２、アクチュエータ側面筐体１０３をロストワックス製造法によって一体成形したものである。また、実施例１における第一の逆止弁と第二の逆止弁とを、一つの流路開閉部材で構成し、その流路開閉部材をボール形状としたことを特徴としている。なお、前述の実施例１と同一機能部分には同番号を割り振ってあり、実施例１との共通部分の説明は以下では省略する。

図４は実施例２のポンプの縦断面図が示されている。図４において、ポンプ筐体３０１は実施例１におけるポンプ室体１０１、接続管１０２、アクチュエータ側面筐体１０３をロストワックス製造法によって一体成形したものである。そして、ボール弁座４０１とボール４０２とによって構成された逆止弁ユニットが、接続流路１１３とポンプ室１１４と出口流路１１５との合流部に固定されている。ポンプ筐体３０１のポンプ室１１４の開口部は、ステンレス鋼等で形成された薄い円盤状のダイアフラム１２１が、ポンプ室１１４の周縁に設けられた凹部内に密着固定されている。ここで組立ての順番は、まず、ポンプ筐体３０１のポンプ室１１４の開口部側から逆止弁ユニットを圧入し、次にダイアフラム１２１の固定を行う。

次に、逆止弁ユニットの動作を図５に示す。図に示した矢印は流線を示している。ボール４０２はボール弁座４０１の内部を上下方向に動くことが可能であり、一つのボール４０２で流路の接続状態を切り替えるものである。

このボールを用いた逆止弁構造によれば、動作流体の流れを板状の弁体で乱すことが少ないため、逆止弁の流体抵抗を少なくすることができる。また、弁体がボールであることによって、弁体のわずかな移動で動作流体の流動断面積が大きくなるため、流動量を増加できる効果もある。さらに、ボール弁は回動自在なため、接触部が常に変化し、磨耗等による性能の低下を減少させることができる。

本実施例のポンプは、ポンプ室膨張行程において接続流路１１３から出口流路１１５に流れが継続し続ける、負荷圧力が比較的低い場合にポンプとして動作し、その動作は実施例１のポンプにおける負荷圧力が比較的低い場合の説明と同様であるため省略する。

なお、本発明は前述の実施例１〜実施例２に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、前述の実施例１〜実施例２では、ダイアフラム１２１によってポンプ室１１４の容積を変更しているが、ダイアフラムだけではなくピストンを採用することができる。

以上、前述の実施例１〜実施例２によれば、従来より多い流量を吐出するポンプを提供できる。

本発明のポンプは、電子機器の冷却装置、流体アクチュエータ、マイクロ液圧プレスのピストンの動力源等に利用することができる。

本発明の実施例１に係るポンプの縦断面図。本発明の実施例１に係るポンプの逆止弁構造図。本発明の実施例１に係るポンプの動作説明図。本発明の実施例２に係るポンプの縦断面図。本発明の実施例２に係るポンプの逆止弁構造図。

符号の説明

１０１…ポンプ室体、１１１…入口流路、１１２…入口接続流路、１１３…接続流路、１１４…ポンプ室、１１５…出口流路、１２１…ダイアフラム、２０１…第二の逆止弁を構成する弁座、２０２…第一の逆止弁を構成する弁座、２０３…第二の逆止弁を構成する弁板、２０４…第一の逆止弁を構成する弁板、４０２…ボール

Claims

動作流体を流入させる入口流路と、
動作流体を流出させる出口流路と、
ダイアフラムにより、容積が変更可能なポンプ室と、
前記入口流路と前記出口流路とを接続する接続流路と、
前記入口流路から前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口接続流路と、
前記接続流路と前記出口流路との間に第一の逆止弁と、
前記ポンプ室と前記出口流路との間に第二の逆止弁とを備え、
流路のイナータンスをＬ、流体密度をρ、流路長さをｒ、流路断面積をＳとし、イナータンスをＬ＝ρ×ｒ／Ｓと定義した場合に、接続流路のイナータンスが、入口接続流路、出口流路それぞれのイナータンスと比較して小さくなるように、各流路の断面積および長さが設定されており、
前記入口接続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２倍以上大きいことを特徴とするポンプ。
請求項１に記載のポンプにおいて、
前記第一の逆止弁の流路開閉部材は前記第二の逆止弁の流路開閉部材を兼ねていることを特徴とするポンプ。
請求項２に記載のポンプにおいて、
前記流路開閉部材がボールであることを特徴とするポンプ。
請求項１または請求項２に記載のポンプにおいて、
前記入口流路と、前記出口流路と、前記ポンプ室と、前記入口接続流路と、前記接続流路とを含む部材をロストワックス製造法にて製造することを特徴とするポンプ。