JP4906092B2 - 定流量小型ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、定流量小型ポンプに関し、特に小型にして高圧力を発生させるのに適した電磁駆動ポンプに関する。

従来の電磁駆動ポンプとして、例えば、図３に示すように、反対向きの磁力が電磁石２９により永久磁石２８に交互に作用されて駆動ロッド２７が往復動され、駆動ロッド２７の両端に固定された可動体２５が進退移動されて一対のポンプ室２４の容積が交互に増減され、一方のポンプ室２４の容積が増大してガスが吸入路３４から吸入弁３２を通ってポンプ室２４に流入されるとき、他方のポンプ室２４の容積が減少してガスが吐出弁３３を通って吐出路３６に吐出されることが連続的に繰返されることにより、吐出路３６には一対のポンプ室２４から連続的にガスが供給され、吐出路３６で合流してと出ポート３７から吐出するようにしたポンプが知られている（例えば、特開２００５−２７６６９７号公報参照）。

特開２００５−２７６６９７号公報

上記した従来技術のものでは、電磁石２９に鉄心が用いられているか明確ではないが、仮に、鉄心がないとすると磁界が集中しないため発生する吸引、反発の力は弱く高圧を発生させることはできない。逆に、電磁石２９に鉄心が用いられているとすると、磁界が集中するため発生する吸引、反発の力は強いものになるが、電磁石鉄心が強磁性体となって永久磁石に吸着するため、この吸着力以上の力を作用させないと両者を引き離すことはできない。そのため、小型のものでは電磁石鉄心に強磁性体を使わないものや、バネ等で押し戻しているものが大半である。

本発明は、永久磁石の両側に強磁性体の電磁石鉄心を用いた電磁石を配置し、電磁石の極性を変化させることにより永久磁石をピストン運動させる機構において、押し戻し用のバネを用いることなく永久磁石の吸着力を弱めることができ、また、ピストンの動く時間だけ電磁石に電流を流し、ピストンのストロークエンドでは電流を流さず休止時間を設けることにより省エネルギ効果及び放熱効果を達成できる、定流量小型ポンプを提供することを目的とするものである。

〔基本的条件〕
まず、基本的な条件として小型電磁石の磁力は巻き線数と投入電流により決定される。 形状を固定した場合、巻き線数を増やすとすれば線径を細くする必要があるが、抵抗値が増え電流は流れにくくなる。また、電流を増やすためには線径を太くしなければ発熱し、最悪の時は線が溶けたり、被膜が燃えたりする。
すなわち、最適値があるが小型の電磁石では最適なものを用いたとしても発生できる磁力はわずかなものである。
例えば、永久磁石としてネオジウム磁石(9mmφ×3mm)を用いた場合、１個の磁石で表面磁束密度320mT、吸着力12Nあるが、12Nの吸引力を発生する電磁石を作ろうとするとコイル部分だけでも50mmφ×20mmは必要になる。
20mm角×10mmの大きさで発熱を60度以下にして使用する電磁石ではたかだか2.1N程度であるので、その2.1Nでいかにピストン運動させるかというのが本発明の根本となっている。
本発明において想定している小型ポンプの仕様としては概略以下のとおりである。
（１）２０ｍｍ×２０ｍｍ×４０ｍｍ程度の形状
（２）周波数が変動しても圧力が一定
（３）小流量（０．２ｍｌ／ｓ〜１ｍｌ／ｓ）であるが細管を通すため管路抵抗以上の圧力発生（１０ｋＰａ〜２０ｋＰａ）
（４）エネルギー消費量は数Ｗ程度

〔機構原理〕
まず、基本配置であるが図１に示すように永久磁石の両サイドに電磁石を配置し、永久磁石がピストン運動できるような構造とする。
その際、電磁石と永久磁石の関係は永久磁石の片面に反発力が働き、他の片面が吸引力を発生できるようにする。そのように配置することで電磁石のコイルに交流電流を流すと永久磁石は往復運動を始める。しかし、電磁石鉄心と永久磁石は吸着するため吸着力以上の吸引力、反発力を必要とする。そこで本発明は電磁石の鉄心をピストンを形成する永久磁石の極性と反対の極性となるようにあらかじめ磁化させておき、吸着力を弱める第１の工夫が施されている。その方法を取り入れることで電磁石に流す電流を抑え発熱を防ぐことができる。ただし、電磁石鉄心の磁化は鉄心と永久磁石が最初から反発してしまうとピストン運動にならないため少量の磁化で良く、電磁石の発生する磁場の５〜３０％が好ましく、１０〜２０％がより好ましい。そのようにすることで電磁石に電流を流さない場合は鉄心と永久磁石は吸引され、電流を流すと反発が起き永久磁石は他の電磁石に吸引される。

第２の工夫は鉄心と永久磁石が吸引されている場合は電流を流さず受動的に静止させることである。何もしなければ鉄心と永久磁石は吸引されているため永久磁石がストロークエンドに達した段階で電磁石の電源を切っている点である。ピストン内に残圧があったとしても受動的に吸引されているため永久磁石は保持力の影響で動かない。この点も省エネ効果及び放熱効果につながる。

第３の工夫はピストン両サイドをポンプとして利用できる点である。永久磁石は固有に持つ磁力が反発、吸引されるため永久磁石には電流を流す必要がないため配線等が必要なくピストン内に永久磁石を置くだけでピストンの役割を果たす。すなわち、永久磁石の両サイドはフリーであるため両サイドを利用でき２室のポンプ室ができる。そのことは１回の往復運動で２回のポンプ作用ができることを意味する。

第４の工夫は電流を短時間に大量に流しストロークエンドに達した段階で電流を切る点である。電磁石は巻き線数と流す電流で磁力が決まるため強力な電磁石を作るためには両者を増大させる必要があるが巻き線数を増やすと抵抗が増え、電流を増やすと加熱する特徴がある。そこで定常的に電流を流すが、電流を必要としない時間は電流をコンデンサにため、電流を必要とする時だけコンデンサから電流を放出するようにしている点である。

以上の特徴をシステムとして構築することで吐出回数が変化しても圧力変動が少ない小型ポンプの制作が可能となる。
本ポンプはその駆動原理から瞬時にストローク移動分だけの高圧流量が発生でき、周波数変動があっても保持時間の変動で対処できる特徴を有する。また、ポンプを複数連結することが可能であり、連結した場合は新たに１個の電磁石と１個の永久磁石を加えるだけで２室の圧縮室が増えることになり効率が改善できる特徴も備わっている。

〔駆動原理〕
永久磁石と電磁石を比較すると発生する磁力に大きな差がある。そのため小型のものでは電磁石鉄心に強磁性体を使わないものやバネ等で押し戻しているものが大半である。 本発明の定流量小型ポンプは電磁石の鉄心に微弱磁化した永久磁石を使用し、永久磁石と電磁石鉄心間の吸着力を弱め、永久磁石がピストン運動し易くしている。
吸着力を弱める手法としては永久磁石、電磁石鉄心間を離すことで対応できるが永久磁石、電磁石鉄心間を離すと永久磁石、電磁石の吸引力、反発力も弱まる。すなわち、永久磁石、電磁石間の距離は離さずに高い吸引力、反発力を得るための手法として電磁石鉄心を磁化し、吸着力を弱めている。その際の弱め方であるが、静止保持するのに必要な力（吸引力、反発力と等価な力。たとえば、上記〔基本的条件〕で記載したポンプであれば2.1N）でよい。吸着力を弱めることで、永久磁石（ピストン）は動きやすくなり、電磁石の磁界に反発、さらに吸引され易くなる。
また、本発明の定流量小型ポンプは、一定流量、一定圧力の流体を秒速数回から数十回吐出する間欠式ポンプであり、周波数変動による変位量の増減等の影響は受けない。 一定流量とはポンプ作用される容積分だけを意味する。さらに、一定圧力とは一回に発生する吸引、反発、吸着力は一定であるため吐出圧に変動が無いことを意味する。
電磁石は間欠的に電流が流せるため冷却される時間があり、連続運転よりも電流を多く流せる等の利点がある。しかし、ピストンストロークが2mmの場合、永久磁石の移動時間に15ms必要であり33Hzを越えると連続運転となり一定流量、一定圧力運転はできなくなる。
最新の例では、永久磁石は錆びに強い小型サマリウム・コバルト磁石（ネオジウム磁石の７割ぐらいの磁力）を使用する。また、電磁石鉄心は珪素鋼板を重ね合わせたもの（珪素を加えると磁束密度が高くでき磁束が残留する。）を使用することが多いが、微弱磁化したネオジウム磁石を使ってもよい。鉄心にネオジウム磁石を使用する理由は、ネオジウム磁石は強磁性体（鉄分を多く含んでいる）が多く、サマリコバルト磁石等と比較して吸着力があるからである。吸着力を電流休止中の保持力として使用するためには強磁性体が多い方が効果的である。

〔解決手段〕
（１）上記目的を達成するため本発明の定流量小型ポンプは、永久磁石能を有するピストンの両側に電磁石を配置して電磁石の極性を変化させてピストン及び電磁石間に反発力及び吸引力を発生させることによりピストンを往復動させ、ピストン両側のポンプ室より流体を吐出するポンプにおいて、電磁石の鉄心をピストンの極性と反対の極性を持つように予め少量磁化させておくことを特徴としている。
（２）また、本発明の定流量小型ポンプは、上記（１）において、電磁石の制御装置を設け、ピストンが一方の側のストロークエンドに達した時点で電磁石への通電を停止し、ピストンの移動開始時に再び電磁石へ通電を開始するようにしたことを特徴としている。
（３）また、本発明の定流量小型ポンプは、上記（２）において、電磁石への通電の停止時に電流をコンデンサに蓄積し、電磁石への通電開始時に電流をコンデンサから放出するようにしたことを特徴としている。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）電磁石と永久磁石を交互に配列し、電磁石の極性を変化させ反発力、吸引力を同時発生させ永久磁石をピストン運動させる機構を採用することにより、ピストン両サイドをポンプとして利用できる。
また、永久磁石が固有に持つ磁力が反発、吸引するため、永久磁石能を持つピストンに電流を流す必要がなく、配線等が必要なくピストン内に永久磁石を置くだけでピストンの役割を果たすことができる。すなわち、永久磁石の両サイドはフリーであるため両サイドを利用でき２室のポンプ室ができる。そのため１回の往復運動で２回のポンプ作用を行わせることができる。また、ポンプを連結することが可能となる。
（２）電磁石鉄心をピストンの極性と反対の極性を持つように予め少量磁化させておき永久磁石の吸着力を弱め反発しやすくすることにより、電磁石に流す電流を抑え発熱を防ぐことができる。
（３）電磁石の制御装置を設け、ピストンが一方の側のストロークエンドに達した時点で電磁石への通電を停止し、鉄心と永久磁石との吸引力で静止させ、ピストンの移動開始時に再び電磁石へ通電を開始するようにすることにより、周波数変動があっても保持時間の変動で対処でき、また、電磁石の発熱を防ぐとともに電力消費量を低減することができる。
（４）電磁石への通電の停止時に電流をコンデンサに蓄積し、電磁石への通電開始時に電流をコンデンサから放出するようにすることにより、定常的に電流を流しつつ電力消費量を低減することができる。

本発明に係る定流量小型ポンプの最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

図１は、本発明に係る定流量小型ポンプを説明するための概略図であり、図１（ａ）は駆動原理を、図１（ｂ）は断面図を示したものである。
図１において、１は永久磁石としての能力を有するピストン（本明細書では「永久磁石能を有するピストン」という。）であり、全体をサマリウム・コバルト磁石等の磁石材料で形成するか、少なくともピストンの一部に磁石材料が用いられて形成されている。
ピストン１の両側には、ピストン１が出入自在なようにポンプ室２が形成されている。ポンプ室２は、それぞれ吸入路３及び吐出路４に接続されており、吸入路３にはポンプ室２に向かう流れのみを許容する逆止弁５を設け、吐出路４にはポンプ室２から離れる方向に向かう流れのみを許容する逆止弁６を設ける。
図１（ｂ）では、ピストン１が右側のストロークエンドに移動した状態を示しており、右側のポンプ室２から流体が吐出され、左側のポンプ室２に流体が吸入される。

ピストン１の両側には、それぞれ、ポンプ室２を挟んで電磁石７が設けられている。電磁石７には鉄心８が設けられ、該鉄心８はピストン１の端部と対峙するように配置され、鉄心８にはコイル９が巻き付けられている。
図１（ｂ）に示すように、電磁石７に電源１０からの電力を供給するため制御装置１１が設けられている。また、制御装置１１には、図示しないコンデンサが設けられる。
ピストン１の両側の電磁石７の極性を変化させてピストン１及び電磁石７の鉄心８間に反発力及び吸引力を発生させることによりピストン１を往復動させることができる。

また、電磁石７の鉄心８をピストン１の極性と反対の極性を持つように予め少量磁化させておくことにより、永久磁石の吸着力を弱め反発しやすくする。例えば、図１（ｂ）に示すようにピストン１が磁化されている場合、右側の鉄心８の左端がＮ極、左側の鉄心８の右端がＳ極になるように予め少量磁化しておくものである。ただし、電磁石７の鉄心８の磁化は鉄心８と永久磁石能を持つピストン１が最初から反発してしまうとピストン運動にならないため少量の磁化で良く、電磁石７の発生する磁場の５〜３０％程度が好ましく、１０〜２０％がより好ましい。

さらに、電磁石７の制御装置１１により、ピストン１が一方の側のストロークエンドに達した時点で電磁石７への通電を停止し、ピストンの移動開始時に再び電磁石７へ通電を開始するようにしている。そのため、電磁石７に電流を流さない場合は鉄心８と永久磁石能を持つピストン１は吸引され、電流を流すと反発が起き永久磁石能を持つピストン１は他の電磁石に吸引される。
また、電磁石７への通電の停止時に電流を図示しないコンデンサに蓄積し、電磁石７への通電開始時に電流をコンデンサから放出するようにしている。

本発明に係る定流量小型ポンプの動作を図２に基づいて説明する。
なお、ピストン１は、図に示すように左端がＮ極、右端がＳ極に磁化されており、また、電磁石鉄心８も図に示すような極性に予め少量磁化されているものとする。
（１）図２において、（ａ）は初期状態を示しており、電磁石７へ電流は流れていない。この状態では、予め少量磁化された電磁石鉄心８とピストン１とは反発する関係にあるが、ピストン１の永久磁石の吸着力が反発力を上回るためピストン１と一方の電磁石鉄心８が吸着している。
（２）同図（ｂ）において、右側の電磁石鉄心８の左端にＮ極が、また、左側の電磁石鉄心８の右端にＮ極が形成されるように電磁石７に電流を流す。
（３）同図（ｃ）において、電磁石７に電流を流すことで電磁石鉄心８の磁力が加算され、電磁石鉄心８の磁極を反転させる（右側の電磁石鉄心の磁極が反転し、左側の電磁石鉄心は同じＮ極で加算）。電磁石７の磁力が永久磁石の磁力を上回った段階で左側の電磁石７が反発、右側の電磁石７が吸引し、ピストン１は右方向に動き出す。ピストン１の移動に伴い、左側のポンプ室２で流体を吸引し、右側のポンプ室２で流体を吐出する。
（４）同図（ｄ）において、ピストン１が右側に移動し、ストロークエンドに達した段階で電磁石７への通電を停止する。電磁石７への通電が停止されても、ピストン１の磁力と電磁石鉄心８の磁力で両者は吸着・保持される。
（５）同図（ｅ）において、一定時間経過後、符号反転した電流を電磁石７に流すと電磁石鉄心８の磁力が加算され、電磁石鉄心８の磁極を反転させる（左側の電磁石鉄心の磁極が反転し、右側の電磁石鉄心は同じＳ極で加算）。電磁石７の磁力が永久磁石の磁力を上回った段階で右側の電磁石７が反発、左側の電磁石７が吸引し、ピストン１は左方向に動き出す。ピストン１の移動に伴い、左側のポンプ室２で流体を吐出し、右側のポンプ室２で流体を吸引する。

上記したように、本発明は間欠式ポンプでわざと脈動をつけている。インパルス電圧により脈動をつけることで１回の一定流量、一定圧力を実現すると共に、電磁石コイルへの電流休止時間を設けて放熱させている。そのため、連続運転ではすぐに焼けてしまう高電圧で電流を流しても電磁石が焼き付くことはない。

本発明の実施の形態に係る定流量小型ポンプを説明するための概略図であり、図１（ａ）は駆動原理を、図１（ｂ）は断面図を示したものである。 本発明の実施の形態に係る定流量小型ポンプの動作を説明するための説明図である。 従来の電磁駆動ポンプを説明する断面図である。

符号の説明

１ ピストン
２ ポンプ室
３ 吸入路
４ 吐出路
５ 逆止弁
６ 逆止弁
７ 電磁石
８ 鉄心
９ コイル
１０ 電源
１１ 制御装置

Claims (3)

1. 永久磁石能を有するピストンの両側に電磁石を配置して電磁石の極性を変化させてピストン及び電磁石間に反発力及び吸引力を発生させることによりピストンを往復動させ、ピストン両側のポンプ室より流体を吐出するポンプにおいて、電磁石の鉄心をピストンの極性と反対の極性を持つように予め少量磁化させておくことを特徴とする定流量小型ポンプ。
2. 電磁石の制御装置を設け、ピストンが一方の側のストロークエンドに達した時点で電磁石への通電を停止し、ピストンの移動開始時に再び電磁石へ通電を開始するようにしたことを特徴とする請求項１記載の定流量小型ポンプ。
3. 電磁石への通電の停止時に電流をコンデンサに蓄積し、電磁石への通電開始時に電流をコンデンサから放出するようにしたことを特徴とする請求項２記載の定流量小型ポンプ。
   

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