JP5154284B2 - ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤフラムポンプに関する。

振動するダイヤフラムによってポンプ作用を得るポンプとして、例えば圧電ポンプがある。圧電ポンプは、平面円形の圧電振動子（ダイヤフラム）とハウジングによってポンプ室を形成する。ハウジングには、ポンプ室に通じる吸入ポートと吐出ポートがそれぞれ形成され、吸入ポートとポンプ室との間には、吸入ポートからポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁が設けられ、ポンプ室と吐出ポートの間には、ポンプ室から吐出側液溜室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁が設けられている。圧電振動子が振動すると、ポンプ室の容積が大きくなる行程では、流入側逆止弁が開き吐出側逆止弁が閉じて吸入ポートからポンプ室内に流体が流入し、逆にポンプ室の容積が小さくなる行程では、吐出側逆止弁が開き吸入側逆止弁が閉じてポンプ室から吐出ポートに流体が吐出され、ポンプ作用が得られる。

吐出ポートと吸入ポートの間は、循環流路で接続される。本出願人が開発中のノートＰＣの発熱源（ＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット等）を冷却する水冷システムでは、この循環流路に、発熱源から熱を奪う受熱部と、受熱して昇温した液体の熱を放熱する放熱部とを設けている。

このような液循環システムでは、循環液体の蒸発等が原因で液体中に空気が混ざることが避けられない。また、温度によって液量が増減しても循環流路中には必要量の液体を満たすように、リザーブタンクを設け、そのリザーブタンク内の一部空間を空気トラップとして用いていた。
実開平6-83953号公報 特開2000-265964号公報 特開2003-21067号公報 特再WO2005-002307号公報 特開2005-103440号公報

従来の液循環システムでは、リザーブタンク（空気トラップ）は、循環流路中に一つあれば十分と考えられており、その場所についても特に考慮が払われていなかった。しかしながら、本発明者によれば、空気トラップの数及び位置は、特にダイヤフラムの振動に伴う脈動（振動）の影響を除去するために重要であり、従来品には改良の余地がある。また、従来のリザーブタンクは、ダイヤフラムポンプとは別体として設けられており、液循環システム全体としてみたとき、ダイヤフラムポンプ以外の構成要素が必要であって、装置構成の簡略化の障害になっていた。

本発明は、ダイヤフラムポンプ自体が空気トラップを備え、しかも空気トラップの機能だけでなく、ダイヤフラムの振動に伴う脈動（振動）の影響を軽減することができるダイヤフラムポンプを得ることを目的とする。また本発明は、その姿勢を問わずに、空気トラップの機能と脈動軽減の作用が得られるダイヤフラムポンプを得ることを目的とする。

本発明は、ダイヤフラムポンプでは、可変容積のポンプ室への吸入工程及び吐出工程のそれぞれで吸入ポートと吐出ポートのそれぞれに脈動が生じることから、吸入ポートと吐出ポートのそれぞれに空気トラップを接続すれば、空気トラップの機能だけでなく、脈動の影響を軽減できるという着眼、及びこの一対の空気トラップをダイヤフラムポンプのハウジング内に設ければ、ポンプ自体で空気トラップの機能と脈動軽減の作用が得られるという着眼に基づいてなされたものである。

本発明は、第一の態様では、ハウジング内に、振動するダイヤフラムによって形成された可変容積のポンプ室、このポンプ室に通じる吸入ポートに設けた該吸入ポートからポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁、及び上記ポンプ室に通じる吐出ポートに設けた該ポンプ室から吐出ポートへの流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁を有するダイヤフラムポンプにおいて、ハウジング内に、吸入ポートと吐出ポートにそれぞれ連通する、独立した吸入側空気トラップ室と吐出側空気トラップ室とが設けられており、吸入ポートに連通する吸入液流路と吸入側空気トラップ室、及び吐出ポートに連通する吐出側液流路と吐出側空気トラップ室はそれぞれ、それぞれの液流路及び空気トラップ室の一部に開口する流路絞り部を介して連通しており、流路絞り部と各空気トラップ室は、該ダイヤフラムポンプの姿勢を問わず、該流路絞り部の上方に、空気トラップ室の一部空間が位置するように形成されていることを特徴としている。

この第一の態様では、上記吸入ポートと吐出ポートに連なる液流路は断面円形をなしており、上記流路絞り部は、液流路直交断面において、この断面円形の液流路周長の１／４以下の断面積で空気トラップ室の中心部で開口し、各空気トラップ室に連通していることが好ましい。

また、上記ハウジングは、ダイヤフラムを挟着する一対のハウジングからなっていて、その一方に上記吸入ポートと吐出ポートが突出形成されており、該吸入ポートと吐出ポートを有する側のハウジングに吸入側トラップ室凹部と吐出側トラップ室凹部が形成され、他方のハウジングがこれらのトラップ室凹部を閉塞して上記空気トラップ室を形成することが好ましい。

本発明は、別の態様では、ハウジング内に、振動するダイヤフラムによって形成された可変容積のポンプ室、このポンプ室に通じる吸入ポートに設けた該吸入ポートからポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁、及び上記ポンプ室に通じる吐出ポートに設けた該ポンプ室から吐出ポートへの流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁を有するダイヤフラムポンプにおいて、ハウジング内に、吸入ポートと吐出ポートにそれぞれ連通する、独立した吸入側空気トラップ室と吐出側空気トラップ室とが設けられており、ハウジングは、ダイヤフラムを挟着する一対のハウジングからなっていて、その一方に上記吸入ポートと吐出ポートが突出形成されており、該吸入ポートと吐出ポートを有する側のハウジングに吸入側トラップ室凹部と吐出側トラップ室凹部が形成され、他方のハウジングがこれらのトラップ室凹部を閉塞して上記空気トラップ室を形成することを特徴としている。

この別の態様では、上記吸入ポートに連通する吸入液流路と吸入側空気トラップ室、及び上記吐出ポートに連通する吐出側液流路と吐出側空気トラップ室はそれぞれ、それぞれの液流路及び空気トラップ室の一部に開口する流路絞り部を介して連通していることが好ましい。

本発明は、具体的には、ダイヤフラムを圧電振動子とした圧電ポンプに適用することができる。

本発明は、ダイヤフラムポンプのハウジング内に、吸入ポートと吐出ポートにそれぞれ連通する、独立した一対の空気トラップ室を設けたので、ダイヤフラムポンプ単体で、空気トラップの機能を得ることができるだけでなく、ダイヤフラムの振動に伴う脈動（振動）の影響を軽減する機能を得ることができる。

図示実施形態は、本発明を圧電ポンプ１０に適用した実施形態である。最初に図１ないし図５について、本実施形態の圧電ポンプ１０の全体構造を説明する。圧電ポンプ１０は、一対のハウジング１１と１２、すなわちメインハウジング（ロアハウジング）１１とカバーハウジング（アッパハウジング）１２を備えている。メインハウジング１１とカバーハウジング１２の間には、Ｏリング１３を介して圧電振動子（ダイヤフラム）１４が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子１４とメインハウジング１１との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子１４とカバーハウジング１２との間には、大気室Ａが形成される。図１は、カバーハウジング１２を除去した平面図であり、同図ではＯリング１３と圧電振動子１４にそれぞれクロスハッチングとハッチングを付し、図４、図５では圧電振動子１４の図示を省略している。

圧電振動子１４は、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のステンレス、４２アロイ等により形成された金属製の薄板からなるシムと、このシムの表裏の少なくとも一面（図示例は上面のみ）に積層形成した圧電体とからなるもので、圧電体は、例えば厚さ３００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）から構成され、その表裏方向に分極処理が施されている。このような圧電振動子は周知である。

メインハウジング１１には、外方に突出する吸入ポート１５と吐出ポート１６及び両ポートに連通する吸入液流路１５ａと吐出液流路１６ａが形成されており、吸入液流路１５ａとポンプ室Ｐとの境界部、及び吐出液流路１６ａとポンプ室Ｐとの境界部にそれぞれ、逆止弁（アンブレラ）２１と２２が設けられている。逆止弁２１は、吸入液流路１５ａからポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、逆止弁２２は、ポンプ室Ｐから吐出液流路１６ａへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。

逆止弁２１、２２は、同一の形態であり、図４に示すように、流路に接着固定される穴あき基板２１ａ、２２ａに、弾性材料からなるアンブレラ２１ｂ、２２ｂを装着してなっている。このような逆止弁（アンブレラ）自体は周知である。本実施形態の圧電ポンプ１０は、逆止弁２１、２２の方向、液の流れ方向を除き、図１のIII-III線に関し左右対称構造である。

以上の圧電ポンプ１０は、圧電振動子１４が正逆に弾性変形（振動）すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁２１が開いて吐出側逆止弁２２が閉じるため、吸入ポート１５（吸入液流路１５ａ）からポンプ室Ｐ内に冷媒が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁２２が開いて吸入側逆止弁２１が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出ポート１６（吐出液流路１６ａ）に冷媒が流出する。したがって、圧電振動子１４を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られる。

以上の基本構造を有する圧電ポンプ１０には、そのメインハウジング１１とカバーハウジング１２の間に、吸入ポート１５と吐出ポート１６に対応させて、吸入側空気トラップ室（リザーブタンク）３１と吐出側空気トラップ室（リザーブタンク）３２が形成されている。この吸入側と吐出側の空気トラップ室３１と３２は、メインハウジング１１に、吸入側と吐出側の液流路１５ａと１６ａを囲むように、吸入側トラップ凹部３１ａと吐出側トラップ凹部３２ａを形成し、この吸入側と吐出側のトラップ凹部３１ａと３２ａをカバーハウジング１２で閉塞して形成されている。メインハウジング１１のカバーハウジング１２との重ね合わせ端面には、吸入側と吐出側のトラップ凹部３１ａと３２ａを囲む液密リング挿入溝３１ｂと３２ｂが形成されており、この液密リング挿入溝３１ｂと３２ｂに挿入した液密リング（Ｏリング）３３がカバーハウジング１２により圧縮されて、液密が保持されている。

この吸入側と吐出側のトラップ凹部３１ａと３２ａには、それぞれの空気トラップ室３１と３２を、吸入側と吐出側の液流路１５ａと１６ａに連通させる流路絞り部３５と３６が形成されている。この流路絞り部３５と３６は、吸入側と吐出側の空気トラップ室３１と３２の一部（同時に液流路１５ａと１６ａの周方向の一部）に開口し、かつ圧電ポンプ１０の姿勢を問わず、流路絞り部３５と３６の上方に、吸入側と吐出側の空気トラップ室３１と３２の一部空間が位置するように形成されている。また、この流路絞り部３５と３６は、断面円形をなす吸入側と吐出側の液流路１５ａと１６ａに対し、液流路直交断面において、液流路周長の１／４の断面積（９０゜）に渡って形成されている。流路絞り部３５と３６を介して、空気トラップ室３１（３２）と液流路１５ａ（１６ａ）を連通させることで、ポンプ作用で循環する液体中の空気を空気トラップ室３１（３２）により確実にトラップ（捕捉）することができ、かつトラップした空気を該空気トラップ室３１（３２）に保持することができる。流路絞り部３５と３６は、図１と図５では、クロスハッチングを付して示した。

吸入側空気トラップ室３１（吐出側空気トラップ室３２）と流路絞り部３５（３６）の関係は、上述のように、圧電ポンプ１０の姿勢を問わず、流路絞り部３５（３６）の上方に、吸入側空気トラップ室３１（吐出側空気トラップ室３２）の一部空間が位置する関係である。図６ないし図９は、この関係を３つの軸を中心に圧電ポンプ１０を回転させて示している。これらの図において、ＵＬは、各状態における流路絞り部３５（３６）の上方境界（上方端部）を示している。

図６は、圧電ポンプ１０の平面中心（図１の紙面に垂直な軸）を中心に圧電ポンプ１０を回転させた４つの状態を示しており、いずれの状態でも、流路絞り部３５（３６）の上方に、必ず吸入側空気トラップ室３１（吐出側空気トラップ室３２）の一部空間が位置している。

図７は、圧電ポンプ１０の厚さ方向の中心を通り吸入ポート１５と吐出ポート１６の中間を通る軸（図２の紙面に垂直な軸）を中心に圧電ポンプ１０を回転させた８つの状態を示している。いずれの状態でも、流路絞り部３５（３６）の上方に、必ず吸入側空気トラップ室３１（吐出側空気トラップ室３２）の一部空間が位置している。

図８は、圧電ポンプ１０の厚さ方向の中心を通り逆止弁２１と２２を結ぶ方向の軸（図５の紙面に垂直な軸）を中心に圧電ポンプ１０を回転させた６つの状態を示している。いずれの状態でも、流路絞り部３５（３６）の上方に、必ず吸入側空気トラップ室３１（吐出側空気トラップ室３２）の一部空間が位置している。

このように、圧電ポンプ１０に、流路絞り部３５を介して吸入液流路１５ａに連通する吸入側空気トラップ室３１と、流路絞り部３６を介して吐出液流路１６ａに連通する吐出側空気トラップ室３２とを設け、しかも圧電ポンプ１０の姿勢を問わずどの状態でも、流路絞り部３５（３６）の上方に必ず空気トラップ室３１（３２）の一部空間が位置するように、空気トラップ室３１（３２）と流路絞り部３５（３６）を設けると、ポンプ運転中に、液流路を流れる液体中に含まれる空気をより確実に空気トラップ室３１（３２）内に捕捉することができる。このため、流路内の液量の温度変化による増減を吸収することができる。そして、ポンプ運転中に、吸入側逆止弁２１と吐出側逆止弁２２が交互に開閉を繰り返す結果、吸入ポート１５と吐出ポート１６で脈動（振動）が発生しても、吸入側と吐出側の空気トラップ室３１と３２内の空気がこの脈動を吸収するように作用し、脈動を軽減する。

流路絞り部３５と３６は、断面円形をなす吸入側と吐出側の液流路１５ａと１６ａに対し、液流路直交断面において、液流路周長の１／４以下（９０゜以下）の断面積で形成するのが望ましい。液流路周長の１／４（９０゜）を超える断面積の開口面積では、ポンプ室の姿勢によっては空気トラップ室の空気が液流路内及びポンプ室に入り込み、十分な空気トラップ作用を期待することが困難になる。

図９は、本実施形態の吸入側と吐出側の空気トラップ室３１と３２を有する圧電ポンプ１０（ダンパ有り）と、このような空気トラップ室３１（３２）を有しない圧電ポンプ１０（ダンパ無し）との周波数-流量特性を調べたグラフである。この実験結果は、吸入側と吐出側の空気トラップ室３１と３２を有する圧電ポンプ１０は、脈流が低減される結果、周波数を上げると流量がリニアに上がっていくのに対し、空気トラップ室を有しない圧電ポンプ１０は、周波数が高くなるほど、脈流の影響で流路抵抗が高くなり、周波数を上げても流量が上がらず、さらに周波数を上げると流量が下がる結果を示している。

以上の実施形態は、圧電振動子１４を振動するダイヤフラムとして用いたダイヤフラムポンプに本発明を適用したものであるが、本発明は、圧電振動子以外のダイヤフラムを用いたポンプにも適用できる。

本発明によるダイヤフラムポンプの一実施形態を示す、カバーハウジングを除いて描いた平面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、図１のII-II線に沿う上下を逆転した断面図である。 図１のIII-III線に沿う断面図である。 図１のIV-IV線に沿う断面図である。 図１のV-V線に沿う断面図である。 本発明によるダイヤフラムポンプが特定の軸を中心に回転して姿勢を変えたときの空気トラップ室の形成状況を説明する図である。 本発明によるダイヤフラムポンプが別の特定の軸を中心に回転して姿勢を変えたときの空気トラップ室の形成状況を説明する図である。 本発明によるダイヤフラムポンプがさらに別の特定の軸を中心に回転して姿勢を変えたときの空気トラップ室の形成状況を説明する図である。 本発明による空気トラップを備えたダイヤフラムポンプと、同空気トラップを備えないダイヤフラムポンプの周波数-流量特性の一例を示すグラフ図である。

符号の説明

１０ 圧電ポンプ
１１ メインハウジング（ロアハウジング）
１２ カバーハウジング（アッパハウジング）
１３ Ｏリング
１４ 圧電振動子（ダイヤフラム）
１５ 吸入ポート
１５ａ 吸入液流路
１６ 吐出ポート
１６ａ 吐出液流路
２１ 吸入側逆止弁
２２ 吐出側逆止弁
３１ 吸入側空気トラップ室
３２ 吐出側空気トラップ室
３１ａ 吸入側トラップ凹部
３２ａ 吐出側トラップ凹部
３１ｂ ３２ｂ 液密リング挿入溝
３３ 液密リング
３５ ３６ 流路絞り部

Claims (6)

1. ハウジング内に、振動するダイヤフラムによって形成された可変容積のポンプ室、このポンプ室に通じる吸入ポートに設けた該吸入ポートからポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁、及び上記ポンプ室に通じる吐出ポートに設けた該ポンプ室から吐出ポートへの流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁を有するダイヤフラムポンプにおいて、
   上記ハウジング内に、吸入ポートと吐出ポートにそれぞれ連通する、独立した吸入側空気トラップ室と吐出側空気トラップ室とが設けられており、
   上記吸入ポートに連通する吸入液流路と吸入側空気トラップ室、及び上記吐出ポートに連通する吐出側液流路と吐出側空気トラップ室はそれぞれ、それぞれの液流路及び空気トラップ室の一部に開口する流路絞り部を介して連通しており、
   上記流路絞り部と各空気トラップ室は、該ダイヤフラムポンプの姿勢を問わず、該流路絞り部の上方に、空気トラップ室の一部空間が位置するように形成されていることを特徴とするダイヤフラムポンプ。
2. 請求項１記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記吸入ポートと吐出ポートに連なる液流路は断面円形をなしており、上記流路絞り部は、液流路直交断面において、この断面円形の液流路周長の１／４以下の断面積で空気トラップ室の中心部で開口し、各空気トラップ室に連通しているダイヤフラムポンプ。
3. 請求項１または２記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ハウジングは、ダイヤフラムを挟着する一対のハウジングからなっていて、その一方に上記吸入ポートと吐出ポートが突出形成されており、該吸入ポートと吐出ポートを有する側のハウジングに吸入側トラップ室凹部と吐出側トラップ室凹部が形成され、他方のハウジングがこれらのトラップ室凹部を閉塞して上記空気トラップ室を形成するダイヤフラムポンプ。
4. ハウジング内に、振動するダイヤフラムによって形成された可変容積のポンプ室、このポンプ室に通じる吸入ポートに設けた該吸入ポートからポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁、及び上記ポンプ室に通じる吐出ポートに設けた該ポンプ室から吐出ポートへの流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁を有するダイヤフラムポンプにおいて、
   上記ハウジング内に、吸入ポートと吐出ポートにそれぞれ連通する、独立した吸入側空気トラップ室と吐出側空気トラップ室とが設けられており、
   上記ハウジングは、ダイヤフラムを挟着する一対のハウジングからなっていて、その一方に上記吸入ポートと吐出ポートが突出形成されており、該吸入ポートと吐出ポートを有する側のハウジングに吸入側トラップ室凹部と吐出側トラップ室凹部が形成され、他方のハウジングがこれらのトラップ室凹部を閉塞して上記空気トラップ室を形成することを特徴とするダイヤフラムポンプ。
5. 請求項４記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記吸入ポートに連通する吸入液流路と吸入側空気トラップ室、及び上記吐出ポートに連通する吐出側液流路と吐出側空気トラップ室はそれぞれ、それぞれの液流路及び空気トラップ室の一部に開口する流路絞り部を介して連通しているダイヤフラムポンプ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムは、圧電振動子であるダイヤフラムポンプ。

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