JP4791702B2

JP4791702B2 - ポンプ

Info

Publication number: JP4791702B2
Application number: JP2004122910A
Authority: JP
Inventors: 邦彦高城; 毅瀬戸
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2024-04-19
Also published as: JP2005307777A

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、小型高出力のポンプに関する。

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、逆止弁の代わりに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）また、エネルギーを与えられた噴出する流体によって、他のエネルギーの低い流体を汲み上げる噴流ポンプが一般的に知られている。

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、逆止弁の代わりに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の出力特性は、非特許文献１に示されているように、負荷圧力が低下しても吐出流量があまり増加せず、負荷圧力４００ｋＰａ以上に最大出力点がある。そのため、最大出力を与える負荷圧力よりも低い負荷圧力で本ポンプを運転した場合、最大出力と比較して小さい出力しか得ることができないという課題がある。

本発明の目的は、逆止弁の代わりに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において、最大出力を与える負荷圧力よりも低い負荷圧力の範囲で、吐出流量を増加させ出力を改善したポンプを提供することである。

本発明のポンプは、ダイアフラムにより、容積が変更可能なポンプ室と、該ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路と、前記入口流路と前記ポンプ室との間に第一の流体抵抗要素と、を備え、前記第一の流体抵抗要素を通さずに動作流体を導く接続流路が、前記出口流路に合流するよう設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、第一の流体抵抗要素を通さずに動作流体を導く接続流路が、出口流路に合流するよう設けられているので、ポンプ室から出口流路を通過して流出する動作流体の高いエネルギーを利用して、接続流路から作動流体をポンプ吐出側に導入することができ、負荷圧力が低い場合に吐出流量が増加する。

また、上述の構造では、前記接続流路の途中に第二の流体抵抗要素が備えられていることが好ましい。

この構造によれば、負荷圧力が比較的高い場合に、接続流路内を吐出側から吸入側へ逆流する流量を減少できる。そのため、ポンプ室から出口流路を通過して流出する動作流体の高いエネルギーを利用して、接続流路からポンプ吐出側に作動流体を導入することで増加させた流量を、逆流で失うことなく吐出できる。

また、上述の構造では、前記接続流路の内部に前記出口流路と接続されたノズルが設けられていることが好ましい。

この構造によれば、ポンプ室から出口流路を通過する動作流体を噴出させることができ、その高いエネルギーをノズル周囲に存在する作動流体に有効に受け渡すことができるため、接続流路から導入される流量がより増加する。

また、上述の構造では、前記接続流路の片端は前記入口流路と接続されていることが好ましい。

この構造によれば、上記の吐出流量増加効果を得ながらポンプを小形に構成することができる。

また、上述の構造では、前記第一の流体抵抗要素は逆止弁であることが好ましい。

この構造によれば、ポンプ室内部の圧力を十分上昇させることができるので、ポンプ室から出口流路を通過して流出する動作流体のエネルギーをより一層高くすることができ、そのエネルギーを利用して、接続流路からの作動流体をポンプ吐出側により多く導入できる。

また、上述の構造では、前記第二の流体抵抗要素は逆止弁であることが好ましい。

この構造によれば、負荷圧力が高い場合に、接続流路内を吐出側から吸入側への逆流を防げる。そのため、ポンプ室から出口流路を通過して流出する動作流体の高いエネルギーを利用して、接続流路からポンプ吐出側に作動流体を導入することで増加させた流量を、逆流で失うことなく確実に吐出できる。

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２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。図中左方向を示している矢印の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１０は、基本構成として、アクチュエータ６０の伸縮によってポンプ室９０の容積を変更するダイアフラム５０と、動作流体が流出される出口流路２２と接続流路２８の一部とが形成されるポンプ室体２０と、ポンプ室体２０の出口流路２２開口部に圧入固定される出口流路ノズル２１と、動作流体が流入する入口流路３２が形成された流入接続管３１と、内部に接続流路２８の一部が形成された流出接続管３５と、アクチュエータ６０が備えられたアクチュエータ筐体８０とから構成される。

ポンプ室体２０は、中央部にポンプ室９０と、逆止弁４０とポンプ室９０と出口流路２２とが交差して構成された空間である弁座室２３と、が形成されている。その弁座室２３から図中左側に出口流路２２が設けられている。また、この弁座室２３とポンプ室９０との接続部はポンプ室９０の弁座室側の開口部２４であり、出口流路２２と開口部２４の交差部２５は、動作流体の流体抵抗を少なくするために丸められている。

また、弁座室２３の図中右側には、入口流路３２との接続を開閉する逆止弁４０（第一の流体抵抗要素）が圧入固定されている。この逆止弁４０は、開閉部材として板状のリードや、ボールを用いたもの等を採用できる。特にボールを用いたボール弁とすることで、ボール弁内を動作流体が通過する際に、流れが曲げられることによる動作流体への抵抗が発生しにくく、動作流体を円滑に流動できる。そして、流入接続管３１との接続部と逆止弁４０との間に、接続流路２８の一端が開口している。また、ポンプ室体２０における接続流路２８の他の開口部には、第二の流体抵抗要素である逆止弁４１が圧入固定されている。ここで、逆止弁４１としては、逆止弁４０と同様のものを使用できる。

ポンプ室体２０の出口流路２２開口部には、動作流体の流速を速めるための縮径部を内部に形成した出口流路ノズル２１が出口流路２２と接続しながら圧入固定される。出口流路ノズル２１の外形は先端に向かうほど細くなるように形成され、先端部の肉厚は２００μｍ以下になっている。

さらに、流出接続管３５の内面が出口流路ノズル２１の外面とほぼ同軸となるようにして、出口流路ノズル２１を囲む位置関係で、流出接続管３５がポンプ室体２０に圧入固定される。また、流出接続管３５の内部には接続流路２８の一部が設けられており、ポンプ室体２０に圧入固定されることで、ポンプ室体２０側の接続流路２８と流出接続管３５側の接続流路２８とが逆止弁４１を介して接続される。また、出口流路ノズル２１の外面と流出接続管３５の内面との間は０．５ｍｍ以下の狭い隙間が保持されており、接続流路２８から流入した動作流体は、その隙間を通過して流出接続管３５から流出可能になっている。さらに、流出接続管３５の内面は、出口流路ノズル先端付近で縮径しており、それから下流方向に向かって緩やかに拡大している。

ポンプ室体２０のポンプ室９０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５０が、ポンプ室９０の周縁に設けられた凹部２６内に密着固定されている。この凹部２６に、アクチュエータ筐体８０に設けられた凸部８１が圧入され、ダイアフラム５０を押圧しながらポンプ室体２０とアクチュエータ筐体８０とが一体化されている。

アクチュエータ筐体８０は、一方が開口された容器状の形態をしており、他方の封止された内部底面にアクチュエータ６０の一方の端部が固着されている。アクチュエータ６０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振動する。アクチュエータ６０の他方の端部には、アクチュエータ台座７０が固着され、アクチュエータ台座７０がダイアフラム５０に密着している。

なお、図示しないが流入接続管３１は外部接続パイプに接続され、動作流体を導入し、流出接続管３５も図示しない外部接続パイプに接続され、動作流体を吐出する。

次に本発明のポンプの動作について説明する。

まず、ダイアフラム５０がポンプ室９０の容積を小さくする方向に動作すると、動作流体の圧縮率に従ってポンプ室９０及び弁座室２３内の圧力が高まる。すると、逆止弁４０は閉鎖し、流体抵抗が大きくなるため、逆止弁４０から入口流路３２への動作流体の流出は微少、若しくは、ゼロとなる。

一方、出口流路ノズル２１を含む出口流路２２においては、弁座室２３内の圧力と負荷圧力との圧力差に従って動作流体が弁座室２３から流出する流量が増加する。このとき、出口流路２２及び出口流路ノズル２１の内部の流路を細く形成してあり、その内部の動作流体が加速しにくいため、最大出力を与える高い負荷圧力でポンプを運転している時のように、弁座室２３内の圧力を十分に高めることができる。そして、その上昇した圧力により出口流路ノズル２１の端面から高い運動エネルギーを持つ動作流体が噴出する。

その噴出した動作流体は、出口流路ノズル２１の端面周囲の動作流体に運動エネルギーを与え、出口流路ノズル２１の端面周囲の動作流体を吐出方向に加速しながら流出接続管３５の流出側へ流れる。このとき、出口流路ノズル２１の周方向全ての動作流体に運動エネルギーを与えられるので、本実施例の構造はエネルギー伝達効率が良い。また、その結果、出口流路ノズル２１と流出接続管３５との間には低圧領域が発生し、それまで閉じていた逆止弁４１が開いて流体抵抗が小さくなるため、入口流路３２から接続流路２８を通して動作流体が流出接続管３５へ流入する。以上の結果、出口流路ノズル２１からの噴出流量以上の動作流体を流出接続管３５から吐出することができる。

次に、出口流路２２内の動作流体に保存された運動エネルギーによる慣性効果によって出口流路ノズル２１からの噴出流量がダイアフラム５０の変位によって排除される動作流体の体積（以下、排除体積という）よりも多くなり、入口流路３２の圧力よりもポンプ室９０及び弁座室２３内の動作流体の圧力が低下すると、逆止弁４０は開放して流体抵抗が小さくなり、入口流路３２から弁座室２３へ動作流体が流入する。

次に、ダイアフラム５０がポンプ室９０の容積を大きくする方向に動作すると、すでに開放している逆止弁４０から弁座室２３へ流入する動作流体が増加し、弁座室２３及びポンプ室９０内部を動作流体で十分に満たす。

また、出口流路ノズル２１から噴出する動作流体の流速が減速し、運動エネルギーが減少して微少になると、出口流路ノズル２１の端面周囲の動作流体への作用が弱くなり、出口流路ノズル２１と流出接続管３５との間の低圧領域が消滅する。その結果、逆止弁４１は閉鎖し、流体抵抗が増加するため、逆止弁４１から入口流路３２側への動作流体の流出は微少、若しくは、ゼロとなる。従って、負荷圧力が高い場合でも、増加させた流量を、逆流で失うことなく確実に吐出できる。

以上、本実施例のポンプによると、最大出力を与える高い負荷圧力で従来の流体の慣性効果を利用するポンプを運転している時のように、弁座室２３内の圧力を十分に高めることができる。そしてその上昇した圧力によって、高い運動エネルギーを与えられた動作流体を出口流路ノズル２１から噴出させることができ、その噴出流体の運動エネルギーを利用して、噴出流量以上の流量の動作流体を流出接続管３５より吐出することができる。従って、従来よりも吐出流量を多くできる。また、負荷圧力が低いほど流量増加の効果が大きくなる。

以上の実施例において、第一の流体抵抗要素、及び第二の流体抵抗要素として逆止弁を用いているが、ポンプへの負荷圧力によって他のものに変更できる。負荷圧力が低ければ流れの方向によって流体抵抗の異なるディフューザー型の流体抵抗要素を用いても良いし、特に、負荷圧力が微小であれば、第二の流体抵抗要素は省略しても、同様の効果を得ることができる。

次に、本発明のポンプの実施例２について図２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、出口流路と接続された流路の管壁の一部に接続流路の開口部を設けている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２は、実施例２のポンプ１０の縦断面図が示されている。図２において、流出接続管３５０はポンプ室体２０に圧入固定される。流出接続管３５０の内部には、出口流路２２と接続され、流速を速めるために徐々に縮径する縮径部３５１と、速めた流速を減速し圧力を回復させる拡大径部３５２と、逆止弁４１と接続する接続流路２８の一部が設けられており、縮径部３５１において径がほぼ最小となる付近に、接続流路２８の開口部が設けられている。

本実施例２のポンプ動作において、実施例１と異なる部分を説明する。

ダイアフラム５０がポンプ室９０の容積を小さくする方向に動作し、逆止弁４０が閉鎖し、最大出力を与える高い負荷圧力でポンプを運転している時のような十分高い圧力に弁座室２３内の圧力を上昇させると、縮径部３５１を高い運動エネルギーを持つ動作流体が吐出方向へ流れる。

すると、その縮径部３５１を吐出方向へ流れる動作流体は、接続流路２８の開口部で接続流路２８内の動作流体に運動エネルギーを与え、接続流路２８内の動作流体を吐出方向へ流す。そして、それらの動作流体は拡大径部３５２を通過して圧力回復して吐出方向へ流れる。

また、その結果、逆止弁４１の流出接続管３５０側には低圧領域が発生し、それまで閉じていた逆止弁４１が開いて、入口流路３２から接続流路２８を通して動作流体が流出接続管３５０へ流入する。以上の結果、縮径部３５１の流量以上の動作流体を流出接続管３５０から吐出することができる。

また、縮径部３５１を流れる動作流体の流速が減速し、運動エネルギーが減少して微少になると、接続流路２８の開口部で接続流路２８の動作流体への作用が弱くなり、その結果、逆止弁４１は閉鎖する。従って、負荷圧力が高い場合でも、増加させた流量を、逆流で失うことなく確実に吐出できる。

以上、本実施例のポンプによると、最大出力を与える高い負荷圧力で従来の流体の慣性効果を利用するポンプを運転している時のように、弁座室２３内の圧力を十分に高めることができる。そして、その上昇した圧力によって、縮径部３５１を流れる動作流体に高い運動エネルギーを与え、その運動エネルギーを利用して、縮径部３５１を流れる動作流体の流量より多い動作流体を流出接続管３５より吐出することができる。従って、従来よりも吐出流量を多くできる。また、負荷圧力が低いほど流量増加の効果が大きくなる。

なお、本発明は前述の実施例１及び実施例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及び実施例２では、ダイアフラム５０によってポンプ室９０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及び実施例２によれば、出口流路から流出する動作流体の運動エネルギーを利用して、出口流路からの流出量以上の動作流体を吐出させることができるポンプを提供できる。

本発明のポンプ１０は、プロジェクタ等の電子機器の冷却装置、ウォータージェットメス、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２に係るポンプの縦断面図。

符号の説明

１０…ポンプ、２０…ポンプ室体、２１…出口流路ノズル（ノズル）、２２…出口流路、２８…接続流路、３２…入口流路、３５、３５０…流出接続管、４０…逆止弁（第一の流体抵抗要素）、４１…逆止弁（第二の流体抵抗要素）、５０…ダイアフラム、９０…ポンプ室。

Claims

ダイアフラムにより、容積が変更可能なポンプ室と、
該ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、
前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路と、
前記入口流路と前記ポンプ室との間に第一の逆止弁と、
前記入口流路と前記ポンプ室との間から分岐して前記出口流路に合流するよう設けられ、かつ前記第一の逆止弁を通さずに動作流体を導く接続流路と、
前記接続流路の前記入口流路よりも前記出口流路に近い位置に設けられる第二の逆止弁と、を備え、
前記接続流路の内部に前記出口流路と接続されたノズルが設けられていることを特徴と
するポンプ。