JP5982117B2 - Micro diaphragm pump - Google Patents
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Description
この発明は、弁板や弁座などのパターンを形成した薄膜やダイヤフラムとなる薄膜などを積層し、互いに接合することにより形成するマイクロダイヤフラムポンプに関するものである。 The present invention relates to a micro-diaphragm pump formed by laminating a thin film having a pattern such as a valve plate or a valve seat, or a thin film to be a diaphragm, and bonding them together.
近年家庭用(戸建て住宅用)の分散型エネルギープラントとして燃料電池システムの普及と商業化が期待されている。この種の燃料電池では、燃料ガスや液体燃料、改質器に供給する水、改質器でできた水素などを燃料電池自体に供給するためのポンプが必要になる。また燃料から必要な水素(H2)を取り出す改質時に一酸化炭素(CO)が生成されるが、この一酸化炭素は電池触媒の性能に悪影響を及ぼすため、一酸化炭素濃度低減のため選択酸化用空気の流量制御も同時に求められる。さらに分析装置や医療関連(投薬、臨床試験など)では、気体や液体の微少量の供給が必要になる。さらに、電子機器の性能向上に伴って発生する熱を放出し冷却するためのポンプも必要になる。 In recent years, the spread and commercialization of fuel cell systems are expected as a distributed energy plant for home use (for detached houses). This type of fuel cell requires a pump for supplying fuel gas, liquid fuel, water supplied to the reformer, hydrogen produced by the reformer, and the like to the fuel cell itself. Carbon monoxide (CO) is produced during reforming to extract the necessary hydrogen (H 2 ) from the fuel, but this carbon monoxide adversely affects the performance of the battery catalyst, so it is selected to reduce the carbon monoxide concentration. Control of the flow rate of oxidizing air is also required at the same time. Furthermore, analytical devices and medical care (medicine, clinical trials, etc.) require the supply of very small amounts of gas or liquid. Furthermore, a pump for releasing and cooling the heat generated with the performance improvement of the electronic device is also required.
従来よりこのような用途に用いるマイクロポンプが種々提案されている。一般的なポンプとしては、遠心式、容積回転式、容積往復式などが周知である。容積往復式は微少流量の吐出が可能で軽量精度が良いなどの特徴が有り、特にダイヤフラム式のものは小型化に適するから、体内にインプラント可能な医療機器、小型の分析機器や事務用機器などへの適用が行われている。 Conventionally, various micropumps used for such applications have been proposed. As a general pump, a centrifugal type, a volume rotary type, a volume reciprocating type, and the like are well known. The volume reciprocating type has features such as discharge of minute flow rate and good lightweight accuracy. Especially the diaphragm type is suitable for downsizing, so medical equipment that can be implanted in the body, small analytical equipment, office equipment, etc. Has been applied.
特許文献1〜4には、圧電素子で駆動するダイヤフラム式マイクロポンプが開示されている。この開示されたポンプでは、Si(シリコン)製の基板をエッチングすることによりダイヤフラムと、このダイヤフラムを囲む枠とを一体に形成し、ダイヤフラムの振動により圧力変化するポンプ室を形成している。 Patent Documents 1 to 4 disclose diaphragm type micropumps driven by piezoelectric elements. In this disclosed pump, a diaphragm and a frame surrounding the diaphragm are integrally formed by etching a Si (silicon) substrate, and a pump chamber whose pressure is changed by vibration of the diaphragm is formed.
ここにポンプ室にはダイヤフラムに対向するように収入弁と吐出弁とが配設され、ダイヤフラムの他の面に貼り付けた圧電素子(ピエゾ素子)によりダイヤフラムを振動させてポンプ室の圧力を変化させ、流体を吸入弁からポンプ室に吸入し、吐出弁から吐出するものである。 Here, a revenue valve and a discharge valve are arranged in the pump chamber so as to face the diaphragm, and the pressure of the pump chamber is changed by vibrating the diaphragm by a piezoelectric element (piezo element) attached to the other surface of the diaphragm. The fluid is sucked into the pump chamber from the suction valve and discharged from the discharge valve.
しかし発明者らの研究によれば、このポンプ室の容積(V0)がダイヤフラムの一回の往復動による容積変化に比べて大きいとポンプ効率(吐出効率)が低下するという問題があることが明らかになった。すなわち、ポンプ室内でダイヤフラムの振動によりダイヤフラムが占める容積(排除容積Va)の変化が小さいと、ダイヤフラムが占めない部分の容積であるデッドボリューム(Vd=V0−Va、不要容積)が増えることになり、圧縮比が小さくなるからである。 However, according to the research by the inventors, it is apparent that there is a problem that the pump efficiency (discharge efficiency) is lowered when the volume (V0) of the pump chamber is larger than the volume change due to one reciprocation of the diaphragm. Became. That is, if the change in the volume occupied by the diaphragm (exclusion volume Va) due to the diaphragm vibration in the pump chamber is small, the dead volume (Vd = V0−Va, unnecessary volume) that is the volume of the portion not occupied by the diaphragm increases. This is because the compression ratio becomes small.
例えば、送る流体が圧縮性のもの(気体、あるいは気体を含むもの)であるときには効率の低下が顕著である。吸入する流体が液体である場合に気泡が混入すると、この気泡が液体と共にポンプ室に入ることになるが、ポンプの圧縮比が小さいとポンプ室に入った気泡を吐出できず、ポンプとして機能できなかったり(すなわち自吸性が低下する)、液体の吐出量が不正確になるという問題が生じる。すなわち気泡の混入に対してポンプ機能の低下を受けない性質(気泡耐性という。)が低く信頼性が低下する。 For example, when the fluid to be sent is compressible (a gas or a gas containing a gas), the reduction in efficiency is remarkable. If bubbles are mixed when the fluid to be sucked is a liquid, these bubbles enter the pump chamber together with the liquid. However, if the pump compression ratio is small, the bubbles in the pump chamber cannot be discharged and the pump can function. no or (i.e. self吸性decreases), a problem that the discharge amount of the liquid becomes inaccurate results. That is, the property (referred to as bubble resistance) that does not reduce the pump function with respect to the mixing of bubbles is low and the reliability is lowered.
このため圧縮性の気体などには使用するのが困難または不可能である。さらにダイヤフラムの面積を小さくしてポンプの小型化、マイクロ化を図ると流体の吸引力と吐出力を大きくするのが困難であるため、小型化、マイクロ化にも制約があるという問題もある。
For this reason, it is difficult or impossible to use for compressible gas. Pump miniaturization of further reducing the area of the diaphragm, for to increase the suction force and ejection force of the fluid when achieving micronized is difficult and miniaturized, a problem that is bound by micronization.
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ダイヤフラムがポンプ室側に変位した時の容積(デッドボリューム、V0−Va)の容積を小さくすることにより圧縮比を大きくして、ポンプ室に入った気泡を吐出可能にし、ポンプの自吸性と気泡耐性を向上させることができ、外形寸法を小さくしてもポンプ効率(吐出効率)を上げ、流体の流量制御精度を向上させることができ、また、吸引力と吐出力を大きくすることにより、信頼性の高いマイクロダイヤフラムポンプを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and by increasing the compression ratio by reducing the volume of the diaphragm (dead volume, V0-Va) when the diaphragm is displaced to the pump chamber side , the pump chamber It is possible to discharge the air bubbles that enter the pump, improve the self-priming property and bubble resistance of the pump, increase the pump efficiency (discharge efficiency) and improve the fluid flow control accuracy even if the external dimensions are reduced. Further, it is an object to provide a highly reliable micro diaphragm pump by increasing suction force and discharge force.
この発明によれば第1の目的は、吸入弁および吐出弁の一側に枠体を介して固定したダイヤフラムによって、前記吸入弁および吐出弁に対向するポンプ室を形成し、前記ダイヤフラムの振動によって流体を前記吸入弁から前記吐出弁に導くマイクロダイヤフラムポンプであって、
前記枠体は前記ポンプ室を囲む開口が形成された複数の薄板からなる積層体で形成され
、前記開口の開口径は、前記ダイヤフラムの前記ポンプ室側への変位による曲面形状に近接させて変化されていることを特徴とするマイクロダイヤフラムポンプ、により達成される。
According to the present invention, a first object is to form a pump chamber opposite to the suction valve and the discharge valve by a diaphragm fixed to one side of the suction valve and the discharge valve via a frame body, and to vibrate the vibration of the diaphragm. A micro diaphragm pump for guiding fluid from the suction valve to the discharge valve,
The frame is formed of a laminate comprising a plurality of thin plate opening surrounding the pump chamber is formed, the opening diameter of the opening is changed by being close to the curved shape due to the displacement to the pump chamber side of the diaphragm It is achieved by a micro-diaphragm pump characterized in that
この発明は、ポンプ室の枠体を複数の薄板を積層して形成し、前記薄板にダイヤフラムの変位に対応した曲面形状に近接するように開口径を変化させた開口を形成したものであるから、ダイヤフラムがダイヤフラム室側に変位した時の容積(デッドボリュームV0−Va)の容積を小さくすることができる。このため圧縮比を大きくすることができるから、圧縮性流体(気体を含む液体)に対して使用でき、外形寸法とポンプ室容積を極めて小さくしても、ポンプ効率(吐出効率)を上げ、流体の流量制御精度を向上させることができる。
According to the present invention, the frame of the pump chamber is formed by laminating a plurality of thin plates, and an opening whose opening diameter is changed so as to be close to a curved surface shape corresponding to the displacement of the diaphragm is formed on the thin plate. The volume (dead volume V0-Va) when the diaphragm is displaced toward the diaphragm chamber can be reduced. For this reason, the compression ratio can be increased, so it can be used for compressible fluids (liquids containing gas), and even if the external dimensions and pump chamber volume are extremely small, the pump efficiency (discharge efficiency) is increased, and the fluid The flow rate control accuracy can be improved.
すなわち圧縮比を大きくできるので、液体流体に気泡が混入していてもダイヤフラムを小さくして所定の吐出量や吐出圧を発生させることが可能になり、ポンプの自吸性と気泡耐性を向上させることができます。さらにポンプの小型化、マイクロ化が可能です。 That is, it increases the compression ratio, even if the bubble in the liquid fluid is not contaminated by reducing the diaphragm it is possible to generate a predetermined ejection amount and the ejection pressure, improve self吸性and bubble tolerance of the pump can do. Further miniaturization of the pump, can be micro-reduction.
ポンプ室の枠体となる部分は金属薄板を積層したものが最適である(請求項2)。例えばステンレス鋼などの薄板が使用できる。この場合は比較的高価なシリコンを使用する必要が無く、安価でもある。なお薄板は金属以外の材料、例えばセラミックス薄板、ガラス薄板、シリコン薄板、硬質の樹脂の薄板、などであってもよく、使用する流体により腐食しないものが使用できる。ここに薄板は、箔状のものを含む。 The optimal part for the frame of the pump chamber is a laminate of thin metal plates (Claim 2). For example, a thin plate such as stainless steel can be used. In this case, it is not necessary to use relatively expensive silicon and it is inexpensive. The thin plate may be a material other than metal, for example, a ceramic thin plate, a glass thin plate, a silicon thin plate, a hard resin thin plate, or the like, and one that does not corrode by the fluid used can be used. Here, the thin plate includes a foil.
各薄板の開口径は、ダイヤフラムの変位曲面形状に沿わせて段階的に変化させるのが望ましいが、一部隣接する薄板の開口径は同一としてもよい。またステンレス薄板を多層積層し接合するためには、ステンレス鋼に対して濡れ性やはんだ付け強度などの点からSn(スズ)濃度の高いはんだや、Sn−Agなどの銀合金のはんだメッキを用いることができる。また、接着剤や、金属の拡散接合など、種々の方法も使用可能である。 The opening diameter of each thin plate is preferably changed stepwise along the displacement curved surface shape of the diaphragm, but the opening diameters of partially adjacent thin plates may be the same. In addition, in order to laminate and bond thin stainless plates, solder with high Sn (tin) concentration or silver alloy solder plating such as Sn-Ag is used in terms of wettability and soldering strength to stainless steel. be able to. Various methods such as adhesives and metal diffusion bonding can also be used.
ポンプはその外形を平面視で四角形とし、ポンプ室を円形とすることができる(請求項3)。この場合にはこのポンプを電子基板などに電子部品と共に実装した時に、外形が四角形のポンプと他の電子部品との間にできる無駄な間隙がを小さくして実装密度を上げることができる。 The outer shape of the pump can be a quadrangle in plan view, and the pump chamber can be a circle. In this case, when this pump is mounted on an electronic board or the like together with the electronic component, a useless gap formed between the pump having a rectangular outer shape and the other electronic component can be reduced to increase the mounting density.
ダイヤフラムに保持する駆動素子は、圧電素子(ピエゾ素子)が適する(請求項4)。例えばジルコン・チタン酸鉛(PZT)を含みPZTと総称される圧電性材料の焼結体を用い、これをダイヤフラムに貼着し、電界印加によって分極させたものを使用することができる。ダイヤフラムの周縁には、この駆動素子を囲む第2の枠体を固着しておけば、この第2の枠体の内側に駆動素子やダイヤフラムの可動域(可動空間)を確保でき、このポンプを基板などに実装した場合に、隣接する部品が接触してポンプ動作の障害になることがない。 A piezoelectric element (piezo element) is suitable as the driving element held in the diaphragm. For example, it is possible to use a sintered body of a piezoelectric material that includes zircon / lead titanate (PZT) and is collectively called PZT, which is bonded to a diaphragm and polarized by applying an electric field. If the second frame surrounding the drive element is fixed to the periphery of the diaphragm, the movable range (movable space) of the drive element and the diaphragm can be secured inside the second frame, and this pump When mounted on a substrate or the like, adjacent components do not come into contact with each other and hinder the pump operation.
図1〜3において、符号10は本発明に係るマイクロダイヤフラムポンプの一実施例を示している。このポンプ10は、複数のステンレスの金属薄板と枠体とを多層化接合、すなわち金属薄板などを位置合わせして積層し、接合したものであり、一辺が約7〜10mmの四角形である。このポンプ10の構造は、同一出願人による特許出願2010−130304号に詳細に説明されている通りである。
1-3, the code |
12は弁板シートであり、図2、3に示すように、例えば厚さ0.01mm(10ミクロン)のステンレス薄板に弁板14と流路開口16とをエッチングやプレス打ち抜きにより形成したものである。ここに弁板14は、流路開口16とほぼ同径の開口から内径側に折曲しながら伸びる支持腕に保持されて上下動可能である。
2 and 3, as shown in FIGS. 2 and 3, the
18は弁座シートであり、例えば厚さが0.05mmのステンレス薄板に、弁座20と弁ストッパ22とをエッチングやプレス打ち抜きにより形成したものである。弁ストッパ22は、環状部22aと、この環状部22aの周囲に周方向に分割された3つの流路22bとを有する(図3)。この環状部22aは、後記するようにポンプ10を組み立てた状態で弁板14を介して弁座20に対向するものである。
このように加工された弁板シート12と弁座シート18とは二枚ずつ準備され、弁板シート12,12を図2、3に示すように重ね、その両側に弁座シート18,18を重ねて多層化接合する。例えば拡散接合(真空中で加熱・加圧して接合)する。なおこの時弁板シート12,12は、図2から明らかなように、左右を逆にして(180度回転して)かつ裏返して重ねる。このため弁板シート12の弁板14と流路開口16は、弁板シート12の左右を逆にしたり裏返した時に弁座シート18の弁座20,弁ストッパ22と同心に重なる位置に形成する。この結果この積層体(予備積層体)24には、図3に示す吸入弁26と吐出弁28とが形成される。
The
図2、3で、符号32はベース板である。このベース板32は、例えば厚さ0.4mmのステンレス板であって、吸入弁26の弁座20に対向する吸入口となる流路32aと、吐出弁28の弁ストッパ22(流路22b)に対向する吐出口となる流路32bとが形成されている(図3)。これらの流路32a、32bは予備積層体24の下面に積層される。
2 and 3,
34は本発明の枠体に対応する第1の枠体であり、ベース板32と外形が同じで、厚さが0.005mmの4枚のステンレス薄板34a〜dを積層して約0.02mmの厚さにしたものである。なおステンレス薄板34a〜dは非常に薄いので金属箔状のものであってもよい。各ステンレス薄板34a〜dには、それぞれ開口径が異なる円形の開口がエッチングや打ち抜きなどで形成され、各開口の直径は、後記ダイヤフラム36が後記ダイヤフラム室40側に湾曲する時の曲面形状に段階的に接近するように設定されている。なおこれらの開口は吸入弁26と吐出弁28の周囲を囲んでいる。また図2では、作図上の都合から各薄板34a〜dの開口が同一径に描かれているが、実際には図3、4に示すように段階的に(階段状に)変化している。
36はダイヤフラムであり、厚さ0.05mmのステンレス薄板である。これもベース板32と外形が同じである。38は第2の枠体であり、例えば厚さ0.04mmのステンレス薄板である。この第2の枠体38は外形がベース板32と同一である。
前記予備積層体24には、下面にベース板32が、上面に枠体34とダイヤフラム36と第2の枠体38とが順次重ねられ、加圧しながら多層化接合される。例えば拡散接合される。この結果ダイヤフラム36とこれに対向する上方の弁座シート18との間にポンプ室(圧力室)40が形成される。
The
以上のようにして多数の金属薄板の多層化接合がなされると、次に第2の枠体38の上方からダイヤフラム36にシート状の圧電素子であるPZT42が接着シート44によって貼着される。このPZT42は分極前のものであればこれを電界中に入れて分極する。このPZT42の電極に接続される配線は上方に導かれて、図示しない駆動回路に接続される。
When the multi-layered joining of a large number of thin metal plates is performed as described above,
この実施例は、ベース板32の流路(吸入口)32a、流路(吐出口)32bをそれぞれ流体の供給路と流出路(共に図示せず)に接続し、PZT42の駆動回路を作動させて用いる。PZT42の作動によってダイヤフラム36が上下に振動し、この振動によってポンプ室40の容積が変化する。この振動によってポンプ室40が負圧になる時には吸入弁26の弁板14が弁座20から離れて吸入弁26が開き、吐出弁28の弁板14は弁座20に当たって吐出弁28が閉じる。この結果吸入弁26から新しく流体が吸入される。ダイヤフラム36がポンプ室40を加圧する時には、吸入弁26が閉じ、吐出弁28が開き、流体はポンプ室40から吐出弁28を通して吐出される。
In this embodiment, the flow path (suction port) 32a and the flow path (discharge port) 32b of the
次に枠体34について説明する。図5はポンプ室40とダイヤフラム36の振動による圧縮比を説明するために、その構造を簡略化して示すものであり、ここではポンプ室40の形状が円形にしたものが正方形にしたものよりも圧縮比が大きくなることを説明する。図5で一辺が2rである正方形のポンプ室40では、その容積V1は2r×2r×t(tは高さ)である。直径が2rの円形のダイヤフラム室40では、その容積V2はπ×r×r×tである。
Next, the
一方ダイヤフラム36の振動により変化しない容積であるデッドボリュームVdは、正方形ではVd1=V1−Va、円形ではVd2=V2−Vaとなる。ここにVaは、ダイヤフラム36の下方への最大振幅時にダイヤフラム36が占める容積である。またポンプ室40の変動容積(排除容積)Veは、Ve=2Vaである。
On the other hand, the dead volume Vd, which is a volume that does not change due to the vibration of the
この時の圧縮比γはγ=(排除容積Ve)/(デッドボリュームVd)であるから、正方形ではγ1=Ve/Vd1、円形ではγ2=Ve/Vd2である。デッドボリュームVdは、正方形の方が大きい(Vd1>Vd2)から、圧縮比はγ1<γ2となる。すなわち円形のポンプ室40の方が正方形のものよりも圧縮比γは大きくなる。
Since the compression ratio γ at this time is γ = (exclusion volume Ve) / (dead volume Vd), γ1 = Ve / Vd1 in the square and γ2 = Ve / Vd2 in the circle. Since the dead volume Vd is larger in the square (Vd1> Vd2), the compression ratio is γ1 <γ2. That is, the
またこの発明では前記しているように、ポンプ室40を形成する枠体34を多層の薄板(箔)を積層し、これらにダイヤフラム36の湾曲面に接近するように口径が段階的に異なる開口を形成しているので、デッドボリュームVdを小さくすることができる。このため圧縮比γを増大できる。この場合にポンプ室40を円形にすれば、前記した理由により正方形にしたものよりもさらに圧縮比γを大きくすることができる。
Further, in the present invention, as described above, the
10 マイクロダイヤフラムポンプ
20 弁座
32a 流路(吸入口)
32b 流路(吐出口)
34 枠体
34a〜34d 薄板(金属薄板)
36 ダイヤフラム
40 ポンプ室
42 駆動素子(ピエゾ素子、PZT)
10
32b Flow path (discharge port)
34
36
Claims (4)
前記枠体は前記ポンプ室を囲む開口が形成された複数の薄板からなる積層体で形成され
、前記開口の開口径は、前記ダイヤフラムの前記ポンプ室側への変位による曲面形状に近接されていることを特徴とするマイクロダイヤフラムポンプ。 A pump chamber facing the suction valve and the discharge valve is formed by a diaphragm fixed to one side of the suction valve and the discharge valve via a frame, and fluid is guided from the suction valve to the discharge valve by vibration of the diaphragm. A micro diaphragm pump,
The frame is formed of a laminate comprising a plurality of thin plate opening surrounding the pump chamber is formed, the opening diameter of said openings, is close to the curved shape due to the displacement to the pump chamber side of the diaphragm A micro-diaphragm pump characterized by
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