JP6518049B2

JP6518049B2 - ポンプ装置

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Inventors: 一哉宮田; 秋広山中; 竜二糸山
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Description

本発明は、例えば昇圧ブロワあるいは昇圧ポンプとして用いられるポンプ装置に関する。

燃料ガスや酸素等の気体を所望の圧力に上昇させる機器として、昇圧ブロワあるいは昇圧ポンプと称されるポンプ装置が広く知られている。この種のポンプ装置には、ルーツポンプやダイアフラムポンプ等が用いられており、例えば下記特許文献１には、燃料電池システムにおける燃料ガスの昇圧ブロワとして用いられるダイアフラムポンプが記載されている。

特開２００９−４７０８４号公報

ダイアフラムは、一般に、材料としてゴム等の弾性材料が用いられる。そのため、ダイアフラムが弾性変形しやすく、装置としての特性が変化してしまうことがある。特に、昇圧ブロワ等においては、大きい流量を得ようとした際にダイアフラムで区画されるポンプ室内外の圧力差が大きくなる。このように大きな圧力が負荷された場合には、ダイアフラムが撓み変形する可能性は否めなかった。これにより、ポンプ室の容量を安定的に変動させることができず、ポンプ装置の流量特性を維持することが難しかった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、ポンプ装置の流量特性を安定的に維持することが可能なポンプ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るポンプ装置は、本体と、ダイアフラムと、支持部と、可動部とを有する。
上記本体は、流体を吸入し排出することが可能なポンプ室を有する。
上記ダイアフラムは、上記ポンプ室に面する第１の面と、上記第１の面の反対側の第２の面とを有し、一軸方向に沿った所定の厚みを有する周縁部が上記本体に支持され、円形状に形成される。
上記支持部は、上記ダイアフラムの第１の面に接続された円形状の第１の接続面を有する。
上記可動部は、上記ダイアフラムの第２の面に接続され上記所定の厚みより小さい距離で上記第１の接続面と上記一軸方向に対向し、かつ上記第１の接続面よりも大きい円形状の第２の接続面を有し、上記本体内を上記一軸方向に往復移動する。

本発明の一実施形態に係るポンプシステムの概略を示す図である。図１に示すポンプ装置の断面図である。図２に示すダイアフラムの平面図である。図２に示すダイアフラムを含むポンプ装置の拡大断面図である。図２に示すダイアフラムを含むポンプ装置の拡大断面図であり、図４の一部をさらに拡大した図である。図２に示すポンプ装置の動作を示す断面図である。本発明の一実施形態の比較例に係るポンプ装置の拡大断面図である。図２に示すポンプ装置の拡大断面図である。本発明の一実施形態の実施例に係るポンプ装置と比較例に係るポンプ装置との流量と吐出圧力（揚程）との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態の実施例に係るポンプ装置と比較例に係るポンプ装置との流量と吐出圧力（揚程）との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態の実施例に係るポンプ装置と比較例に係るポンプ装置とのモータの電流値と吐出圧力（揚程）との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態の実施例に係るポンプ装置と比較例に係るポンプ装置とのモータの消費電力と吐出圧力（揚程）との関係を示すグラフである。

本発明の一実施形態に係るポンプ装置は、本体と、ダイアフラムと、支持部と、可動部とを有する。
上記本体は、流体を吸入し排出することが可能なポンプ室を有する。
上記ダイアフラムは、上記ポンプ室に面する第１の面と、上記第１の面の反対側の第２の面とを有し、一軸方向に沿った所定の厚みを有する周縁部が上記本体に支持され、円形状に形成される。
上記支持部は、上記ダイアフラムの第１の面に接続された円形状の第１の接続面を有する。
上記可動部は、上記ダイアフラムの第２の面に接続され上記所定の厚みより小さい距離で上記第１の接続面と上記一軸方向に対向し、かつ上記第１の接続面よりも大きい円形状の第２の接続面を有し、上記本体内を上記一軸方向に往復移動する。

上記ポンプ装置によれば、ポンプ室の反対側の第２の面に接続される第２の接続面の方が大きいため、ポンプ室内の圧力が高まってもダイアフラムの撓みを抑えることができる。また、第１の接続面と第２の接続面との間でダイアフラムを厚み方向に圧縮して支持することから、一部にクランプ等を設ける場合と比較して、ダイアフラムの局所的な歪みを抑制することができる。したがって、ポンプ室内の圧力が高まってもポンプ室内を所期の容積に維持させ、流量特性を改善することができる。

上記支持部は、上記可動部に連結される軸部をさらに有し、
上記ダイアフラムは、空隙を介して上記軸部を上記一軸方向に貫通させる開口部を有してもよい。
これにより、第１の接続面と第２の接続面とによって圧縮されることによりダイアフラムが伸展した分を空隙に逃がし、ポンプ室の容積を維持することが可能となる。

上記本体は、上記ダイアフラムを挟んで上記ポンプ室と対向し、上記可動部が配置される空間部をさらに有し、
上記第２の接続面は、上記空間部側に傾斜する外周部を有してもよい。
これにより、可動部が一軸方向に往復移動した場合のダイアフラムの局所的な屈曲を抑制し、ダイアフラムの疲労に伴う撓みを抑制することができる。

また具体的には、上記第１の接続面は、第１の径の円形状に形成され、
上記第２の接続面は、上記第１の径に対して１．０６倍以上の大きさである第２の径の円形状に形成されてもよい。
第２の接続面をこのような径で構成することにより、より効果的にポンプ装置の流量特性を改善することが可能となる。

さらに、上記第２の接続面は、上記第１の径に対して１．０６倍以上１．１２倍未満の大きさである第２の径で形成されてもよい。
これにより、流量特性を改善できることに加え、消費電力の上昇を抑制することができる。

また、上記ダイアフラムは、
上記第１の接続面と上記第２の接続面との少なくともいずれか一方が接続される中央部と、
上記周縁部と上記中央部との間の変形部とをさらに有し、
上記中央部の半径に対する変形部の径方向の幅の比が、０．４２以下であってもよい。
これにより、ポンプ室内の圧力の影響を受ける変形部をより狭く構成することができ、変形部の撓みを抑制し、流量特性を改善することが可能となる。

さらに、上記ダイアフラムは、上記中央部の半径に対する変形部の径方向の幅の比が、０．３４よりも大きく０．４２以下であってもよい。
これにより、流量特性を改善できることに加え、消費電力の上昇を抑制することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るポンプシステムの概略を示す図である。本実施形態のポンプシステム１は、圧力源２と、ポンプ装置３と、処理部４と、制御部５とを有する。

圧力源２はポンプ装置３の吸入側（一次側）に接続され、処理部４はポンプ装置３の吐出側（二次側）に接続される。圧力源２は、所定圧の流体（気体または液体）を収容するタンク、ボンベ等の容器でもよいし、コンプレッサ等の圧力発生源であってもよい。ポンプ装置３は、圧力源２から導入される圧力Ｐ１の流体を所定の圧力Ｐ２に高めて処理部４へ供給する昇圧ブロワあるいは昇圧ポンプとして機能する。処理部４は、ポンプ装置３から供給された流体を処理し、エネルギーや動力等を生成する。制御部５は、ポンプ装置３の運転を制御するが、処理部４を含むシステム全体を制御してもよい。

ポンプシステム１は、例えば燃料電池システムに適用される。この場合、圧力源２は、燃料タンクに相当し、ポンプ装置３は燃料ガス（例えば都市ガス（メタン）、ＬＰＧ（液化プロパンガス））を昇圧して処理部４へ供給する。処理部４には、燃料ガスを水素に転換する改質器、水素を蓄える燃料電池、水素と酸素を反応させる発電部等が含まれる。

［ポンプ装置］
次に、図２を参照してポンプ装置３の詳細を説明する。図２は、ポンプ装置３の断面図である。なお、図中に示すＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、いずれも直交する３軸方向を示し、Ｘ軸及びＹ軸方向は水平方向、Ｚ軸方向は鉛直方向（上下方向）を示す。

ポンプ装置３は、本体１０と、ダイアフラム２０と、可動部３０と、支持部４０とを有し、ダイアフラムポンプとして構成される。

（本体）
本体１０は、流体を吸入し排出することが可能なポンプ室１００を有し、複数の部材が組み合わされて構成される。具体的には、本体１０は、ケーシング１１と、ポンプヘッド１２と、ポンプヘッドカバー１３とを含む。

ポンプヘッド１２は、吸入口１０１と、吐出口１０２とを有し、環状の台座１１０の上面にダイアフラム２０を介して配置されている。台座１１０は、ケーシング１１の上部の開口端部に取り付けられ、ポンプヘッド１２と共にダイアフラム２０の周縁部を挟持する。

ポンプヘッド１２は、吸入口１０１とポンプ室１００との間を連絡する吸入通路Ｔ１と、ポンプ室１００と吐出口１０２との間を連絡する吐出通路Ｔ２とをそれぞれ有する。ポンプ室１００は、吸入通路Ｔ１及び吐出通路Ｔ２を介して、吸入口１０１及び吐出口１０２にそれぞれ連通可能である。吸入通路Ｔ１及び吐出通路Ｔ２には、吸入弁１０３及び吐出弁１０４がそれぞれ取り付けられている。

ポンプヘッドカバー１３は、ポンプヘッド１２の上部に取り付けられる。吸入通路Ｔ１及び吐出通路Ｔ２は、ポンプヘッド１２とポンプヘッドカバー１３とが組み合わされることでそれぞれ形成される。ケーシング１１、ポンプヘッド１２及びポンプヘッドカバー１３は、複数本のネジ部材Ｂ１を用いて一体的に固定される。

また本体１０は、ケーシング１１内に形成され、可動部３０が配置される空間部１０５を有する。空間部１０５は、ダイアフラム２０を挟んでポンプ室１００とＺ軸方向に対向しており、例えば大気圧程度の圧力に維持される。

（ダイアフラム）
ダイアフラム２０は、ポンプヘッド１２との間にポンプ室１００を形成するように配置される。ダイアフラム２０は、周縁部２３（図３及び図４参照）が台座１１０とポンプヘッド１２とに挟持されることで、本体１０に支持される。ダイアフラム２０は、合成ゴムで形成されており、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）など、メタンやプロパン等の炭化水素ガスに対して耐性を有するゴム材料が用いられる。

図３は、ダイアフラム２０の平面図である。同図に示すように、ダイアフラム２０は、本実施形態において、中心に形成された開口部２１と、開口部２１の周囲の中央部２２と、本体１０に支持される周縁部２４と、中央部２２と周縁部２４との間の変形部２３とを有し、Ｚ軸方向から見た平面視において円形状（円環状）に構成される。ダイアフラム２０には、支持部４０と可動部３０が開口部２１を介して上下から組みつけられており、中央部２２がこれらによって挟持される。すなわち中央部２２は、後述する支持部４０の第１の接続面４１と可動部３０の第２の接続面３１との少なくともいずれか一方が接続される部分である。後述する開口部２１は、具体的には、空隙Ｓを介して後述する支持部４０の軸部４２をＺ軸方向に貫通させることが可能に構成される。

ダイアフラム２０は、可動部３０の運動に伴って中央部２２が上下に運動することで、本体１０に固定された周縁部２４と中央部２２との間の変形部２３が弾性変形することが可能に構成される。これにより、ポンプ室１００の容積が変動する。

図４は、ダイアフラム２０を含むポンプ装置３の拡大断面図である。同図には、ダイアフラム２０と、支持部４０と、可動部３０の一部と、台座１１０の一部と、ポンプヘッド１２の一部とを示しており、台座１１０及びポンプヘッド１２は、右側の部分のみ示している。同図に示すように、ダイアフラム２０は、ポンプ室１００に面する上面（第１の面）２０１と、上面２０１の反対側の下面（第２の面）２０２とを有し、全体として、Ｚ軸方向（一軸方向）に沿った所定の厚みｔ１を有する。

ダイアフラム２０の具体的な大きさは特に限定されないが、例えば、全体の径を約１０８ｍｍ（半径約５４ｍｍ）、中央部２２の外周の径を後述する第２の接続面３１と同様の約７３ｍｍ（半径約３６．５ｍｍ）、変形部２３の径方向の幅を約１５ｍｍ、厚みｔ１を約１．８ｍｍとすることができる。また、例えば支持部４０及び可動部３０が組みつけられる中央部２２の半径に対する変形部２３の径方向の幅の比は、約０．４１となる。この中央部２２の半径に対する変形部２３の径方向の幅の比は、後述するように、０．４２以下とすることで、ポンプ装置３の流量特性を改善することができる。なお、「中央部２２の半径」とは、中央部２２の外周の半径をいうものとする。

なお、支持部４０及び可動部３０に組み付けられた後のダイアフラム２０は、後述するように、支持部４０の第１の接続面４１と可動部３０の第２の接続面３１によってＺ軸方向に圧縮される。これにより、ダイアフラム２０は、周縁部２４及び変形部２３においてダイアフラム２０本来の厚みｔ１を有するが、中央部２２ではｔ１よりも小さい厚みｔ２に圧縮されている。

（支持部）
支持部４０は、全体としてダイアフラム２０の上面２０１に配置された円盤状の板部材として構成される。支持部４０は、Ｚ軸方向下方に突出した軸部４２を含み、軸部４２をダイアフラム２０の開口部２１に貫通させてポンプ室１００側からダイアフラム２０の中央部に組みつけられる。

軸部４２は、ダイアフラム２０の開口部２１を貫通し、可動部３０のコネクティングロッド３２と連結される。図３に示すように、軸部４２の平面形状は、例えば、開口部２１と同心でかつ開口部２１より小さい径の円形状とすることができる。これにより、上述のように開口部２１との間に空隙Ｓを設けることができる。さらに支持部４０は、第１の接続面４１を有する。

図４に示すように、第１の接続面４１は、ダイアフラム２０の上面２０１に接続された略平坦面として構成される。第１の接続面４１は、図３に示すように、ダイアフラム２０の同心円となる円形状に構成され、本実施形態において、径がＤ１（第１の径）で形成される。Ｄ１は、ダイアフラム２０やポンプヘッド１２等の大きさに応じて適宜設定することができ、本実施形態において、約６９ｍｍとすることができる。

（可動部）
可動部３０は、本体１０の空間部１０５内のＺ軸方向に往復移動することが可能に構成される。図２に示すように、可動部３０は、具体的には、コネクティングロッド３２と、軸受３３と、偏心カム３４と、駆動源３５とを含む。また可動部３０は、コネクティングロッド３２に形成されダイアフラム２０に接続された第２の接続面３１を有する。

コネクティングロッド３２は、第２の接続面３１が形成された上端部と、軸受３３及び偏心カム３４を介して駆動源３５に接続された下端部とを有する軸状部材として構成される。支持部４０とコネクティングロッド３２はダイアフラム２０を上下から挟むように組み付けられ、例えばネジＢ２を介して一体化されている。

図３及び図４に示すように、第２の接続面３１は、ダイアフラム２０の下面２０２に接続され、第１の接続面４１よりも大きい円形状に構成される。本実施形態において、第２の接続面３１は、ダイアフラム２０及び第１の接続面４１の同心円として構成され、第１の接続面４１の径Ｄ１よりも大きい径Ｄ２（第２の径）で形成される。Ｄ２は、例えばＤ１の１．０６倍以上の大きさとすることができ、本実施形態において、約７３ｍｍとすることができる。

図５は、ダイアフラム２０を含むポンプ装置３の拡大断面図であり、図４の一部をさらに拡大した図である。同図に示すように、第２の接続面３１は、本実施形態において、空間部１０５側に傾斜する外周部３１１を有する。外周部３１１は、第２の接続面３１のうち、第１の接続面４１と対向しない領域であり、ＸＹ平面からｘの角度で傾斜するように構成される。このｘは、後述するように、吐出時におけるダイアフラム２０の変形部２３の傾斜角度に対応するように設定される。

また、第２の接続面３１は、図４に示すように、ダイアフラム２０を挟んで、第１の接続面４１とダイアフラム２０の所定の厚みｔ１よりも小さい距離ｔ２でＺ軸方向に対向する。これにより、ダイアフラム２０を厚み方向に圧縮して挟持することができ、支持部４０及び可動部３０とダイアフラム２０とを安定して締結することが可能となる。また、第２の接続面３１、４１間が対向する広い面積でダイアフラム２０を挟持することができるため、ダイアフラム２０への負荷を分散し、局所的な疲労や撓み等を防止することができる。

駆動源３５は、図２に示すように、モータ３５１と、モータ３５１を収容する円筒状のモータケース３５２とを有する。モータ３５１は、Ｙ軸方向に沿った回転軸３５３を有し、回転数（回転速度）の制御が可能な直流ブラシレスモータ等で構成される。回転数の制御は、上述の制御部５によって行うことができる。制御部５は、モータ３５１に対し、回転数を制御するための電圧信号（Ｖｓｐ）を出力することができる。一般にダイアフラムポンプのガスの流量（NL/min）は、モータの回転数の変化に対して直線的に変化することから、所望の流量が得られるようにＶｓｐを制御する。

偏心カム３４は、その回転中心が軸受３３のインナレースに対して偏心するように形成されている。従ってモータ３５１の駆動により回転軸３５３がその軸回りに回転すると、偏心カム３４が回転軸３５３と共に回転することで、コネクティングロッド３２が空間部１０５の内部において上下方向に往復移動する。これにより、ポンプ室１００の容積が周期的に変化し、所定のポンプ機能が得られることになる。コネクティングロッド３２の往復移動量（ストローク量）は、偏心カム３４の偏心量によって決定される。

［ポンプ装置の動作］
次に、ポンプ装置３の典型的な動作例を説明する。

ポンプ装置３は、駆動源３５のモータ３５１を起動させることで駆動される。モータ３５１の回転数は、例えばポンプ装置３の吐出側に設置された流量計に基づいて一定の流量となるように制御部５によって制御される。モータ３５１は、回転軸３５３を介して偏心カム３４を回転させることで、コネクティングロッド３２を空間部１０５において所定ストロークで往復移動させる。これにより、ポンプ室１００を区画するダイアフラム２０が上下移動し、ポンプ室１００の容積が周期的に変化する。

図６は、ポンプ装置３の動作例を示すＹ軸方向から見た拡大断面図である。なおこの場合のポンプヘッド１２の詳細は実際とは異なるが、理解を容易にするため、ポンプヘッド１２の構成は図１と同様に記載している。図６Ａに示すように、コネクティングロッド３２がＺ軸方向下方に移動することで、ポンプ室１００の容積が大きくなり、吸入口１０１に接続された圧力源２から吸入弁１０３を介して、圧力Ｐ１の燃料ガスがポンプ室１００へ導入される。その後、ポンプ室１００内の昇圧に伴い、吸入弁１０３は閉鎖される。次に図６Ｂに示すように、コネクティングロッド３２がＺ軸方向上方に移動することで、ポンプ室１００の容積が小さくなる。これに伴って、ポンプ室１００へ導入された燃料ガスが圧力Ｐ２まで昇圧され、吐出弁１０４を開放させる。以上の動作が繰り返されることで、吐出口１０２から処理部４へガスが吐出される。

ここで、吐出時にポンプ室１００内の圧力が高まったとき、ダイアフラム２０に対し、ポンプ室１００側から空間部１０５側へ圧力が付加される。

図７は、従来のポンプ装置３ａの吐出時の態様を示す拡大断面図である。同図に示すポンプ装置３ａは、ポンプ装置３と同様に、ポンプ室１００ａ、ポンプヘッド１２ａ及び台座１１０ａを有する本体と、ダイアフラム２０ａと、第１の接続面４１ａを含む支持部４０ａと、第２の接続面３１ａを含む可動部３０ａとを有するが、支持部４０ａの第１の接続面４１ａと可動部３０ａの第２の接続面３１ａとがほぼ同一の大きさで形成されている点でポンプ装置３と異なる。

同図に示すように、吐出時にポンプ室１００ａ内の圧力が高まり、同図中の白抜き矢印に示すようにポンプ室１００ａ側から大気圧である空間部１０５ａ側へ圧力が付加された場合、空間部１０５ａ側へダイアフラム２０ａの変形部２３ａが撓む可能性がある。これにより、吐出時においてポンプ室１００ａの容量が十分低下せず、所望の圧縮比及び流量を得ることができなくなる。

一方、図８は、吐出時の態様を示す本実施形態に係るポンプ装置３の拡大断面図である。同図に示すように、本実施形態に係るポンプ装置３は、第２の接続面３１の面積を第１の接続面４１の面積よりも大きく構成している。これにより、変形部２３を空間部１０５側から支持することが可能となり、ポンプ室１００内の圧力が高まった場合であっても、変形部２３の撓みを抑制することが可能となる。

さらに同図に示すように、本実施形態に係る第２の接続面３１は、空間部１０５側に傾斜する外周部３１１を有する。外周部３１１のＸＹ平面に対する傾斜角ｘは、例えば、ダイアフラム２０の変形部２３の最大傾斜角と同程度に設計されている。これにより、第２の接続面３１を大きく構成した場合であっても、ダイアフラム２０の中央部が周縁部に対してＺ軸方向に上昇した際に生じるダイアフラム２０の局所的な屈曲を抑制し、ダイアフラム２０の撓みや疲労を抑制することが可能となる。したがって、ポンプ装置３の流量特性を維持することが可能となる。

また、図７に示すように、従来のポンプ装置３ａは、第１の接続面４１ａと第２の接続面３１ａとがダイアフラム２０ａの厚みと略同一の距離で対向している。そこで、変形するダイアフラム２０ａを支持部４０ａと可動部３０ａとによって固定するための構成として、第２の接続面３１ａに形成されたクランプ部３１２ａを有している。クランプ部３１２ａは、例えば第１の接続面４１ａに向かって突出する凸部として構成され、平面視において例えば環状に形成されている。

ポンプ装置３ａはクランプ部３１２ａを有するため、ダイアフラム２０ａがクランプ部３１２ａと接する部分で変形しており、可動部３０ａの周期的な運動に伴って疲労したり、撓んだりすることがあった。また、これによって、ポンプ室１００ａ内の容積変動が不安定化し、流量特性を維持することが難しかった。なお、クランプ部３１２ａが第１の接続面４１ａ側に形成された場合や、第２の接続面３１ａ又は第１の接続面４１ａに凹部として構成された場合にも、同様に、ダイアフラム２０Ｂの局所的な疲労や撓みが発生するという問題があった。

そこで図８等に示すように、本実施形態に係るポンプ装置３は、支持部４０の第１の接続面４１と可動部３０の第２の接続面３１とがダイアフラム２０の厚みｔ１よりも小さい距離ｔ２で対向して配置されている。これにより、ダイアフラム２０を広い面積で厚み方向に圧縮して固定することができ、ダイアフラム２０の局所的な疲労を防止することができる。これにより、ポンプ室１００の容積変動を安定化し、流量特性を一層高めることが可能となる。

加えて、本実施形態によれば、ダイアフラム２０の開口部２１と軸部４２との間に空隙Ｓを設けている。これにより、ダイアフラム２０が圧縮されて支持された場合であっても、ダイアフラム２０の圧縮により伸展された分を空隙Ｓへ逃がすことが可能となる。したがって、変形部２３におけるダイアフラム２０の撓みを抑制し、ポンプ装置３の円滑な駆動が可能となる。

［実施例］
本実施形態の実施例１，２と、比較例１とに係るダイアフラム型のポンプ装置（昇圧ポンプ）をそれぞれ作製した。各ポンプ装置のダイアフラムの材質は、いずれも、水酸化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）である。実施例１，２及び比較例１は、コネクティングロッドの第２の接続面以外の構成については略同一であり、支持部の第１の接続面の径は約６９ｍｍ、ダイアフラムの半径は約５４ｍｍ、ダイアフラムの厚み（図４に示すｔ１）は約１．８ｍｍ、第１の接続面及び第２の接続面間の対向する距離（図４に示すｔ２）は約１．５ｍｍである。コネクティングロッドの第２の接続面について、実施例１は約７３ｍｍ（半径約３６．５ｍｍ）、実施例２は約７７ｍｍ（半径約３８．５ｍｍ）、比較例１は約６９ｍｍ（半径約３４．５ｍｍ）で構成される。このとき、変形部２３の径方向の幅は、それぞれ、実施例１が約１５ｍｍ、実施例２が約１３ｍｍ、比較例１が約１７ｍｍである。また、ダイアフラム２０の中央部２２の半径に対する変形部２３の径方向の幅の比は、実施例１が０．４１１、実施例２が０．３３８、比較例１が０．４９３となる。

図９は、本実施形態の実施例１に係るポンプ装置と比較例１に係るポンプ装置との流量と吐出圧力（揚程）との関係を示すグラフである。また、同図には、回転制御のための電圧信号（Ｖｓｐ）によりモータを異なる回転数で回転させた場合の結果を示しており、符号Ｖａｎは、実施例１においてＶｓｐがｎ［Ｖ］のときの結果であることを示し、符号Ｖｃｎは、比較例１においてＶｓｐがｎ［Ｖ］のときの結果であることを示す。なおモータの回転数は、例えばＶｓｐが５［Ｖ］のとき約３０００ min^-1(rpm)、Ｖｓｐが３［Ｖ］のとき約１５００ min^-1(rpm)となる。

同図の破線で示すように、比較例１によれば、Ｖｓｐが３［Ｖ］以上の高回転数で、かつ揚程が大きくなった場合に、Ｖｓｐが２［Ｖ］以下の低回転数の場合と比較して、揚程に対する流量の減少率が大きくなっている。すなわち、高回転数で高揚程の場合に、所望の流量が得られていない。

これに対して、同図の実線で示す実施例１によれば、Ｖｓｐが３［Ｖ］以上の高回転数でかつ高揚程の場合であっても、揚程に対する流量の減少率がほぼ変化せず、所望の流量が得られることが確認された。

この結果は、以下のように考えられる。すなわち、比較例１は、図７に示すように、第１の接続面４１ａと第２の接続面３１ａとが同径で構成される。これにより、ポンプ室１００ａ内の圧力が高くなる高揚程の場合に、ダイアフラム２０ａの変形部２３ａの撓みが発生し、所望の流量が得られない。一方で、実施例１は、第２の接続面３１が第１の接続面４１よりも大きく構成されるため、高揚程の場合であっても変形部２３の撓みが発生しにくい。これにより、所望の流量が得られると考えられる。

図１０は、本実施形態の実施例１、２に係るポンプ装置と比較例１とに係るポンプ装置との流量と吐出圧力（揚程）との関係を示すグラフである。図９と同様に、図１０には、Ｖｓｐの制御によりモータを異なる回転数で回転させた場合の結果を示しており、符号Ｖａｎは、実施例１においてＶｓｐがｎ［Ｖ］のときの結果であることを示し、符号Ｖｂｎは、実施例２においてＶｓｐがｎ［Ｖ］のときの結果であることを示し、符号Ｖｃｎは、比較例１においてＶｓｐがｎ［Ｖ］のときの結果であることを示す。

同図に示すように、実施例２は、揚程に対する流量の減少率が実施例１と同程度であり、かつ、実施例１よりも全体的に大きい流量が得られた。これにより、第２の接続面３１の径をより大きくすることにより、変形部２３の撓みを効果的に抑制し、大きな流量を得られることが確認された。

また表１は、実施例１、実施例２及び比較例１について、揚程を約７０ｋＰａとした場合の流量、回転数、及び電流値を比較した表である。表１に示すように、同程度の揚程を得ようとした場合、第２の径が大きいほど大きな流量が得られ、回転数は小さくなる。したがって、第２の接続面３１の径を大きくすることで、少ない回転数でも圧縮比が高まり、高流量を得ることができることが確認された。

図１０及び表１に示す結果により、第１の接続面４１の径が約６９ｍｍの場合に、第２の接続面３１の径が７３ｍｍ以上であれば、特に回転数が１５００min^-1(rpm)以上の高揚程の領域において流量特性を改善することが可能となることが確認された。すなわち第２の接続面４１の径が第１の接続面３１の径の１．０６倍以上であり、また、ダイアフラム２０の中央部２２の半径に対する変形部２３の径方向の幅の比を０．４２以下とすることで、流量特性を改善できることが確認された。

一方、表１に示すように、電流値については、実施例１が実施例２よりも小さい値を示した。そこで、発明者らは、ポンプ装置の電流値及び消費電力について着目した。

図１１は、本実施形態の実施例１，２に係るポンプ装置と比較例１に係るポンプ装置とのモータの電流値と揚程との関係を示すグラフである。同図に係る実験では、実施例１，２及び比較例１のポンプ装置のモータを、回転制御のための電圧信号（Ｖｓｐ）により異なる回転数で回転させ、所定の揚程［ｋＰａ］時のモータの電流値［Ａ］を調べた。符号Ｖａｎ、Ｖｂｎ、Ｖｃｎは、図１０と同様のものを示す。

同図に示すように、実施例１は、Ｖｓｐが２［Ｖ］及び３［Ｖ］で、揚程が大きい場合に、実施例２と比較して電流量の上昇が抑えられている。これにより、実施例１は、消費電力の上昇が抑制できることが示唆された。

図１２は、本実施形態の実施例１，２に係るポンプ装置と比較例１に係るポンプ装置とのモータの消費電力と揚程との関係を示すグラフである。同図に係る実験では、実施例１，２及び比較例１のポンプ装置のモータを、回転制御のための電圧信号（Ｖｓｐ）により異なる回転数で回転させ、所定の揚程［ｋＰａ］時のモータの消費電力［Ｗ］を調べた。符号Ｖａｎ、Ｖｂｎ、Ｖｃｎは、図１０と同様のものを示す。

同図に示すように、実施例１は、Ｖｓｐが２［Ｖ］及び３［Ｖ］で、揚程が大きい場合に、実施例２と比較して消費電力の上昇が抑えられている。これにより、実施例１は、消費電力の上昇が抑制できることが確認された。

この結果は、以下のように考えられる。すなわち、実施例１では、第２の接続面３１ａにより変形部２３の撓みを抑制できるとともに、流量を安定的に維持し、コネクティングロッド３２への負荷を適切な範囲に維持することが可能となる。これにより、実施例１では、電力消費量の増加を抑制することができる。

以上の結果より、例えば、第１の接続面４１の径が約６９ｍｍの場合に、第２の接続面３１の径が７３ｍｍ以上７７ｍｍ未満であれば、流量特性の改善に加え、比較的高い揚程の領域における消費電力の上昇を抑制できることが確認された。すなわち第２の接続面４１の径が第１の接続面３１の径の１．０６倍以上１．１２倍未満であり、また、ダイアフラム２０の中央部２２の半径に対する変形部２３の径方向の幅の比を０．３４よりも大きく０．４２以下とすることで、流量特性を改善し、かつ消費電力を安定化できることが確認された。
したがって、このような構成のポンプ装置により、上述の「流量特性を安定的に維持する」という課題に加え、「消費電力の安定化を図る」という課題も解決することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、以上の実施形態では、ダイアフラムが空隙を介して軸部を一軸方向に貫通させる開口部を有すると説明したが、これに限定されず、空隙を有さない構成とすることも可能である。

また、以上の実施形態では、第２の接続面が空間部側に傾斜する外周部を有すると説明したが、傾斜しない構成としてもよい。また、第２の接続面の大きさは、第１の接続面よりも大きければよく、ポンプヘッド等の本体の仕様に応じて適宜設定することができる。

さらに、ポンプ装置は、吐出口から吐出されるガスの温度や本体、可動部等の温度を検出し、制御部に出力する温度センサを有していてもよい。ガスの温度の変化によって、流量特性が不安定となるため、制御部が温度センサの出力に基づいて回転数を制御することで、流量特性をより安定化することができる。

またポンプ装置は、吐出口付近に設けられた弁部材をさらに有していてもよい。弁部材は、例えば吐出弁の開弁圧以上であって所定の圧力以下の流体の流れを制限するように構成される。これにより、ポンプ装置の運転停止時における不用意な吐出を抑制することができる。

さらに、ダイアフラムが内部に基布を有していてもよい。このような基布は、例えば可動部の揺動の向きに沿って延びる繊維群を有することにより、ダイアフラムの疲労、破損を抑制することができる。また、ダイアフラムの開口部の形状は円形状に限定されず、所定の方向に切り欠き等の指標を設けてもよい。これにより、上記基布を配置した場合等であっても、所期の向きにダイアフラムを取り付けることができる。

３…ポンプ装置
１０…本体
１００…ポンプ室
１０５…空間部
２０…ダイアフラム
２０１…上面（第１の面）
２０２…下面（第２の面）
２１…開口部
４０…支持部
４１…第１の接続面
４２…軸部
３０…可動部
３１…第２の接続面
３１１・・・外周部

Claims

流体を吸入し排出することが可能なポンプ室を有する本体と、
前記ポンプ室に面する第１の面と、前記第１の面の反対側の第２の面とを有し、一軸方向に沿った所定の厚みを有する周縁部が前記本体に支持された円形状のダイアフラムと、
前記ダイアフラムの第１の面に接続された円形状の第１の接続面と、前記第１の接続面から前記一軸方向に第１の寸法で突出する軸部と、を有する支持部と、
前記本体内を前記一軸方向に往復移動する可動部と
を具備し、
前記可動部は、
前記ダイアフラムの前記第２の面に接続され前記所定の厚みより小さい所定の距離で前記第１の接続面と前記一軸方向に対向し、かつ前記第１の接続面よりも大きい円形状の第２の接続面と、
前記第２の接続面からの深さが前記一軸方向に前記第１の寸法よりも前記所定の距離小さい第２の寸法となる底面と、前記底面と前記第２の接続面とを接続する平滑な内周面と、を含む凹部と、
を有し、前記底面と前記軸部の先端とが当接することで前記軸部と連結され、
前記ダイアフラムは、空隙を介して前記軸部を前記一軸方向に貫通させる開口部を有し、
前記軸部は、前記開口部及び前記凹部の前記内周面と前記空隙を介して対向する
ポンプ装置。
請求項１に記載のポンプ装置であって、
前記本体は、前記ダイアフラムを挟んで前記ポンプ室と対向し、前記可動部が配置される空間部をさらに有し、
前記第２の接続面は、前記空間部側に傾斜する外周部を有する
ポンプ装置。
請求項１又は２に記載のポンプ装置であって、
前記第１の接続面は、第１の径で形成され、
前記第２の接続面は、前記第１の径に対して１．０６倍以上の大きさである第２の径で形成される
ポンプ装置。
請求項３に記載のポンプ装置であって、
前記第２の接続面は、前記第１の径に対して１．０６倍以上１．１２倍未満の大きさである第２の径で形成される
ポンプ装置。
請求項１から４のいずれか一つに記載のポンプ装置であって、
前記ダイアフラムは、
前記第１の接続面と前記第２の接続面との少なくともいずれか一方が接続される中央部と、
前記周縁部と前記中央部との間の変形部とをさらに有し、
前記中央部の半径に対する変形部の径方向の幅の比が、０．４２以下である
ポンプ装置。
請求項５に記載のポンプ装置であって、
前記ダイアフラムは、前記中央部の半径に対する変形部の径方向の幅の比が、０．３４よりも大きく０．４２以下である
ポンプ装置。