JP6643845B2 - マイクロポンプ用漏出防止弁 - Google Patents

Description

この発明は、ポンプ室に正逆方向に連通する逆止弁からなる吸入弁および吐出弁を有するポンプの吐出側に接続され、前記吐出流体の漏出を防ぐポンプ用漏出防止弁に関するものである。

燃料電池、分析装置、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。こ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、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計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。

このダイヤフラム式のものでは、ポンプ室にダイヤフラムに対向するように吸入弁と吐出弁とを配設し、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容積を変化させ、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。従ってポンプの流体吐出圧は脈動することになる。

ここに吸入弁と吐出弁は逆止弁で構成し、外部から供給される流体を流入側の逆止弁を通してポンプ室に吸入し、ここで加圧した流体を吐出側の逆止弁を通して吐出するように構成されている。この場合には流入側の流体圧力（ポンプ吸入圧）が高くなると、逆止弁がこの圧力により強制的に開かれることになり、ポンプの非駆動時にも流入口から吐出口へ流れてしまう（漏れ流れが生じる）という問題がある。

特表２０１１−５０４５６０号公報 特開２０１３−１１７２１３号公報

特許文献１には、この不都合を解決するために、マイクロポンプ（２０、特許文献１中の符号、以下同様）の流入口（２２）および吐出口（２４）がある面側に、別の安全弁（４０）（本願発明の漏出防止弁に対応する。）を取り付け全体として一体化した安全弁付きマイクロポンプ装置が開示されている。すなわち、ポンプケース側に流入口（２２）、吐出口（２４）、安全弁（４０）の弁座（４２）を設けて第1の統合部分（１４）とし、この同一面に第２の統合部分（１２）となる弁蓋(ダイヤフラム）（４４）を重ね、さらに流体の流入側に接続されて弁蓋（４４）を弁座（４２）に押圧する流体領域５０および流体の出口４８が形成された第３の統合部分（１０）を積層したものである。従って第１、２、３の統合部分（１４、１２、１０）を一体化したポンプ装置である。

しかしこの特許文献１のものは、ポンプ部分と安全弁部分とが一体化されているため、両者の接続構造が複雑になったり、接続作業が面倒であり、作業性が極めて悪いという問題が有る。また、ポンプ部分だけの転用が不可能でポンプ部分と安全弁とを別々に転用したりこれらの組合わせを変更できず各部分の汎用性がない、などという問題も有った。

そこで本願の出願人は、ポンプ部分と漏出防止弁部分とを別にして、基板に別々に搭載可能にすることを提案した（特許文献２）。またこれら特許文献１、２に示されたものでは、ポンプや漏出防止弁が多数の層を積層した構造であった。このためこれらに用いるダイヤフラムはステンレス薄板などの金属箔として、これを挟む積層板と同一寸法の外形形状として積層板の間に積層し、接着あるいは拡散接合したものであった。

この金属箔を漏出防止弁に用いる場合には、この金属箔は平板状であるため、漏出防止弁の金属箔と弁座との接触圧が低くなり、特にポンプの非駆動時（不作動時、停止時）にポンプ流入圧（マイクロポンプに供給される流体の圧力）が高くなると流体の漏洩（リーク、漏出）量が多くなる、という問題が有った。また金属箔の弁は伸びにくく、開きにくくなるため弁の圧力損失（圧損）が大きくなるという問題もあった。このため流体流量の計量精度が低下するという問題が有った。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、マイクロポンプの吐出流体の漏出を確実に防止することができ、吐出流体の計量精度を向上させることができるマイクロポンプ用漏出防止弁を提供することを目的とする。

この発明によればこの目的は、ポンプ室に正逆方向に連通する逆止弁からなる吸入弁および吐出弁を有するポンプの吐出側に接続され、前記吐出流体の漏出を防ぐためのポンプ用漏出防止弁であって、周縁に一体に形成されたＯリング状の肉厚部が弁ケースの割り面間に液密に挟持され膜面に張り方向のテンションが付与された伸縮性ゴム膜と、このゴム膜の一方の膜面に向かって突出して前記ゴム膜にテンションを付与すると共に前記ゴム膜によって開閉される弁座と、前記ゴム膜の他方の膜面にポンプ吸入圧を導き前記ゴム膜を前記弁座側に押圧するポンプ吸入圧室と、前記弁座を介してポンプ吐出流体を外へ導く弁側流出路と、を備え、前記弁ケースの割り面には前記ゴム膜の肉厚部を装填する環状溝と、この環状溝に進入して前記肉厚部を前記環状溝に押し込む環状凸部とが形成され、前記環状凸部の外周面を前記割り面に対してほぼ垂直として、この外周面に前記肉厚部を掛けて前記ゴム膜を仮止め可能とし、前記肉厚部を前記外周面の外周側で前記割り面間に保持したことを特徴とするポンプ用漏出防止弁、により達成される。

漏出防止弁の弁体をゴム膜とし、その膜面の周縁に肉厚部を一体に形成した。そしてこの肉厚部を弁ケースの割り面間に挟持して膜面に張り方向のテンションを与えた。また漏出防止弁の弁座を弁ケースの割り面よりもこのゴム膜の一方の膜面（例えば上面）に向かって突出させてゴム膜にテンションを付与すると共にゴム膜によって開閉されるようにしているから、ゴム膜の膜面と弁座との接触圧を増大させることができる。このためポンプの停止中（非駆動中、不作動中）だけで無くポンプに順方向（流体流入側）に流体圧が加わっている時にも流体の漏出を防止することができ、マイクロポンプの吐出流体の計量精度を向上させることができる。

またゴム膜の周縁に設ける肉厚部をＯリング状とし、この部分を弁ケースの割り面間に挟持するので、防水機能が向上する。さらにゴム膜の周縁に設けた肉厚部は、その内側の薄膜の部分が捩れたりここに皺ができたりするのを防ぐことができる。ここに、 弁ケースの割り面にはこの肉厚部を装填する環状溝と、前記肉厚部を前記環状溝に押しこむ環状凸部とが形成され、この環状凸部の外周面を弁ケースの割り面に対してほぼ垂直にして前記肉厚部をこの外周面に仮止め可能とし、前記肉厚部を前記外周面の外周側で前記割り面間に保持したから、ゴム膜を割り面間に装填しやすくなり、弁の組み立てに都合が良い。

本発明の一実施例の構造を示す分解斜視図 本発明で用いるゴム膜の斜視図（Ａ）とその平断面図（Ｂ） この実施例の分解側断面図（Ａ） 同じくこの実施例の組み立てた状態を示す側断面図 この実施例をマイクロポンプと組み合わせた停止状態を示す側断面図 同じくマイクロポンプの流体吐出動作状態を示す側断面図 同じくマイクロポンプの流体吸入動作状態を示す側断面図 同じく漏洩防止機能を示す側断面図

ポンプは、ダイヤフラムポンプとすることができる。しかしこの発明はダイヤフラム式ポンプに代えて、往復動するピストンなどを用いた容積可変式のポンプであって吸入側と吐出側に逆止弁を設けたものでも良く、ポンプ吸入圧の上昇によって流体がポンプ室を通って漏出する構造のものであれば良い。漏洩防止弁の弁座は、ポンプの不作動状態で、前記ゴム膜をポンプ吸入圧室側に変位させる突出量を大きくして、前記ゴム膜の張りテンションを増加させるようにすれば、漏洩防止効果がさらに増大する。

ここにこのゴム膜は、Ｏリング状部の内周側の周縁が膜面に連続しているので、平面状の薄膜の周縁をロール状に巻いたり、周縁だけを加熱溶融・収縮させててＯリング状としたりして製造することが可能であり、製造が容易である。また公知のゴム製Ｏリングに膜面となる薄膜を貼ったり熱溶着することにより製造することも可能である。ゴム膜全体を射出形成しても良い。なおこのゴム膜の中央付近は、マイクロポンプの作動時に弁座に接触・離間しながら振動しているから、ゴム膜の耐久性を高めるために、この弁座に対向する部分を厚くしたり、保護膜を貼り付けておいても良い。

弁ケースの割り面を形成する弁ケースの一方には、前記ゴム膜の肉厚部（Ｏリング状部など）を装填する環状溝と、弁ケースの他方にこの環状溝に進入して前記肉厚部を前記環状溝に押し込む環状凸部とを形成し、前記環状凸部の外周面を前記割り面に対してほぼ垂直として、この外周面に前記肉厚部を掛けて前記ゴム膜を係止可能とし、この環状凸部の外周面に前記肉厚部Ｏリング状部を掛け止めて係止させ、前記Ｏリング状部を前記環状溝に仮止め係入可能とし、前記肉厚部を前記外周面の外周側で前記割り面間に保持したので、ゴム膜の肉厚部（Ｏリング状部）をこの環状溝に係入する際に、環状凸部の外周面に肉厚部を仮止めし、この状態で弁ケースの割り面を組み合わせることで、Ｏリング状の肉厚部を上下の弁ケース間に液密に挟持することができ流体の漏出を確実に防止でき、ができ、膜面に張り方向のテンションが付与した状態で弁ケース割り面間に装填する作業が容易になる。

前記弁ケースの割り面には、前記環状溝より前記ゴム膜の中心側で、前記ゴム膜の膜面を環状に屈曲させて前記ゴム膜の膜面にプリテンションを付与する環状の凹凸部を形成しておいてもよい（請求項２）。このようにすると膜面に付与するテンションを適切な強さに増大することができる。

前記マイクロポンプが吐出するポンプ吐出流体は、前記弁座の内側から前記ゴム膜の膜面に向かって流出し前記吐出口の周囲から外に吐出されるようにしても良いが（請求項３）、反対にしてもよい。すなわちポンプ吐出流体は、前記弁座の外周側であって前記弁ケースとゴム膜との間に供給され、ポンプ吐出流体は前記弁座の中を通って外に吐出されるようにしてもよい（請求項４）。後者のようにすれば、ポンプ吐出流体の圧力（ポンプ吐出圧）がゴム膜に加わる面積を容易に増大でき、漏出防止弁の作動特性の設定に便利である。

図５〜８において、符号１０は本発明の漏出防止弁と組み合わせて用いるマイクロダイヤフラムポンプの一例である。このマイクロポンプ１０のポンプケース１２には、ポンプ流体の吸入路１４と吐出路１６とが水平に形成され、吸入路１４は一側（左側）に、吐出路１６が他側（右側）に開口している。ポンプケース１２の上面には、上方に向かって開口するダイヤフラム収容部１８が形成され、ここにダイヤフラム２０が上から装填され、その下方にポンプ室２２を画成したものである。そしてこのポンプ室２２には前記ポンプ側吸入路１４と吐出路１６とがそれぞれ逆止弁２４、２６を介して接続されている。

ダイヤフラム２０は、例えば厚さ０．０５mmのステンレス薄板である。このダイヤフラム２０の上面にはシート状の駆動素子２８、例えば圧電素子であるＰＺＴが接着シートによって貼着される。この駆動素子２８には図示しない駆動回路によってパルス状の駆動電流が供給され、ダイヤフラム２０を図６、７に示すように、鼓状（ドラム状）に振動させる。

このマイクロポンプ１０の使用時（作動時）には、吸入路１４には図示しない流体供給装置から所定圧（ポンプ吸入圧Ｐ1）で流体が供給される。そしてダイヤフラム２０が図７に示すように上方に湾曲すると、ポンプ室２２の容積が増大し減圧される。このため流体は吸入路１４から逆止弁２４を通ってこのポンプ室２２に流入する。またダイヤフラム２０が図６に示すように下方に湾曲すると、反対にこのポンプ室２２の内圧が上昇し流体は逆止弁２６を通って吐出路１６に流出する。このようにダイヤフラム２０の上下動により流体は吸入路１４から吐出路１６に脈動を伴って吐出される。

これらの図５〜８では、このマイクロポンプ１０の吸入路１４は、ポンプケース１２内で吐出路１６の下方を通ってポンプケース１２の右側に導かれているが、これは後記する漏出防止弁４０にポンプ流入圧Ｐ1を導くためであり、これらの図５〜８では、便宜上これらの吸入路１４と吐出路１６とを上下に並べて示したものである。実際には図１に示す弁ケース４２の図から解るように、これらの通路１４、１６はポンプケース１２に水平方向に平行に形成され、下弁ケース４２Ａの一側面（図１の左側）に形成された流体吸入口１４Ａ、流体吐出口１６Ａにそれぞれ着脱可能に接続されている。

次に本発明の実施例である漏出防止弁４０を説明する。この漏出防止弁４０は、図５〜８に示すように、マイクロポンプ１０に接続して用いるものであり、図１に示すように弁ケース４２を構成する下弁ケース４２Ａと上弁ケース４２Ｂとを上下に重ね、これらの割り面(合わせ面)４４の間に弁体となる伸縮性のゴム膜４６を挟持したものである。ここにゴム膜４６は図２に示すように、薄い円形の膜面（ダイヤフラム部）４６Ｂの周縁を肉厚部４６Ａとしたものであり、この肉厚部４６Ａは公知のＯリング状である。この肉厚部すなわちＯリング状部４６Ｂは、前記下弁ケース４２Ａと上弁ケース４２Ｂとの割り面４４間に挟持される。

下弁ケース４２Ａには、前記マイクロポンプ１０側のポンプ流入圧Ｐ1が供給されるポンプ流入圧室４８が略碗状に形成されている。すなわちこのポンプ流入圧室４８の底は、前記ポンプ１０側の流体吸入口１４Ａに連通し、上面は前記割り面４４に開口している。この開口を囲む環状溝５０に前記ゴム膜４６のＯリング状部４６Ａを装填して上弁ケース４２Ｂを被せて固定するものである。ここに環状溝５０は、図３、５〜８などに示すように、外周側に位置するＯリング状部４６Ａの収納部５０Ａと、この内周側に連続して収納部５０Ａより深い凹部５０Ｂとを持つ。

上弁ケース４２Ｂには、下弁ケース４２Ａ側の環状溝５０の凹部５０Ｂに上から係入する環状凸部５２が形成されている。この環状凸部５２の外周面５２Ａは割り面４４に対してほぼ垂直であり、ここに前記Ｏリング状部４６Ａが係止可能である。このため、ゴム膜４６はこのＯリング状部４６Ａをこの外周面５２Ａに掛けて上弁ケース４２Ｂの割り面４４に保持し、この状態で上弁ケース４２Ｂを下弁ケース４２Ａに重ねて固定し、図４の状態にすることができる。また環状凸部５２は、膜面４６Ｂを伸ばすことになり、膜面４６Ｂに適切な張りテンションを付与することができる。

この上弁ケース４２Ｂには、ゴム膜４６（すなわち膜面４６Ｂ）の中央付近に向かって突出する弁座５４が突設されている。この弁座５４はゴム膜４６と共に開閉弁を形成する。ここにこの弁座５４がゴム膜４６に接触する弁座面は、割り面４４に保持した状態のゴム膜４６よりも僅かにポンプ吸入圧室４８側に進入している。この進入量により弁座５４とゴム膜４６との接触圧が変化するから、漏出防止弁４０の許容漏出量を少なくするためには、ゴム膜４６の張りテンションとこの進入量とを増やすようにして適切に設定することにより可能である。

上弁ケース４２Ｂにはまた、ポンプ側吐出路１６と弁座５４とを連通する弁側流入路５６と、この弁座５４の外周側からゴム膜４６に向かって開口する弁側流出路５８とが形成されている。マイクロポンプ１０側から入った流体は、弁側流入路５６からこの弁座５４を通って弁側流出路５８を通り、外に吐出される。

次にこの実施例の動作を説明する。マイクロポンプ１０の不作動時には、図５に示すように、ポンプ側吸入路１４には外部から流入圧Ｐ1が加わっていないので、ダイヤフラム２０は静止し、従って逆止弁２４、２６は閉じている。一方漏出防止弁４０のゴム膜４６は、ゴム膜４６と弁座５４との接触圧によりしっかりと閉じている。すなわちこの接触圧は、ゴム膜４６に付与した張力（プリテンション、ゴム膜４６自身に予め付与された張力）と弁座５４の突出量とにより決まるため、この接触圧を適切に設定することにより弁座５４をしっかりと閉じることができ、流体は弁側流出路５８に漏出することは無い。

マイクロポンプ１０の作動時には、ポンプ側吸入路１４には流入圧Ｐ1に加圧された流体が供給されている。この時にダイヤフラム２０が駆動素子２８により図７に示すように上に変位されればポンプ室２２が負圧になり、逆止弁２４が開いて流体はポンプ側の吸入路１４からポンプ室２２に流入する（吸入工程）。この状態では流体は漏出防止弁４０側に流れないので、漏出防止弁４０のゴム膜４６の下面に加わる流入圧Ｐ1によって、弁４０は閉じたままである。

ダイヤフラム２０が図６に示すように下に変位すれば、ポンプ室２２が正圧になり、逆止弁２４が閉じ、逆止弁２６が開いて流体はポンプ側吐出路１６に流出し、さらに弁４０の弁側流入路５６に流入する（吐出工程）。この吐出圧がゴム膜４６の下面に加わる流入圧Ｐ1により閉じられたゴム膜４６を押し開くと、弁４０が開き、流体は弁側流出路５８に流出する。以上の動作を繰り返すことにより流体は弁側流出路５８に流出する。

またマイクロポンプ１０のダイヤフラム２０が駆動されずに所定の流入圧Ｐ1の流体圧が吸入路１４に加わっているときには、図８に示すように、この流入圧Ｐ1によってポンプ１０の逆止弁２４、２６が共に押し開かれ、ポンプ側吐出路１６を通って弁４０側に流れる。この時ゴム膜４６の下面には流入圧Ｐ1が加わり上面には弁側流出路５８の圧力Ｐ2
（図８）が加わるから、両者が（Ｐ1＞Ｐ2）の時にはこの差圧により弁４０は開かない。しかしゴム膜４６と弁座５４の接触圧が大きければ、圧力Ｐ1とＰ2が同じ（Ｐ1＝Ｐ2）であっても弁４０は確実に閉状態を維持することができる。このため流体の漏洩が確実に防止される。なおこの時の接触圧は、図６、７に示した通常の動作時に障害とならない程度に適切に設定しておくのは勿論である。

１０ マイクロダイヤフラムポンプ（ポンプ）
１２ ポンプケース
１４ ポンプ側吸入路
１６ ポンプ側吐出路
２０ ダイヤフラム
２４、２６ 逆止弁
４０ 漏出防止弁
４２ 弁ケース
４４ 割り面
４６ ゴム膜
４６Ａ 肉厚部（Ｏリング状部）
４６Ｂ 膜面（ダイヤフラム部）
４８ ポンプ流入圧室
５０ 環状溝
５２ 環状凸部
５２Ａ 外周面
５４ 吐出口（弁座）
５６ 弁側流入路
５８ 弁側流出路
Ｐ1 ポンプ流入圧
Ｐ2 弁側流出路の圧力

Claims (4)

1. ポンプ室に正逆方向に連通する逆止弁からなる吸入弁および吐出弁を有するポンプの吐出側に接続され、前記吐出流体の漏出を防ぐためのポンプ用漏出防止弁であって、
   周縁に一体に形成されたＯリング状の肉厚部が弁ケースの割り面間に液密に挟持され膜面に張り方向のテンションが付与された伸縮性ゴム膜と、このゴム膜の一方の膜面に向かって突出して前記ゴム膜にテンションを付与すると共に前記ゴム膜によって開閉される弁座と、前記ゴム膜の他方の膜面にポンプ吸入圧を導き前記ゴム膜を前記弁座側に押圧するポンプ吸入圧室と、前記弁座を介してポンプ吐出流体を外へ導く弁側流出路と、を備え、前記弁ケースの割り面間には前記ゴム膜の肉厚部を装填する環状溝と、この環状溝に進入して前記肉厚部を前記環状溝に押し込む環状凸部とが形成され、前記環状凸部の外周面を前記割り面に対してほぼ垂直として、この外周面に前記肉厚部を掛けて前記ゴム膜を仮止め可能とし、前記肉厚部を前記外周面の外周側で前記割り面間に保持したことを特徴とするポンプ用漏出防止弁。
2. 前記弁ケースの割り面には、前記環状溝より前記ゴム膜の中心側で、前記ゴム膜の膜面を環状に屈曲させて前記ゴム膜の膜面にテンションを付与する環状の凹凸部が形成されている請求項１のポンプ用漏出防止弁。
3. 前記ポンプが吐出するポンプ吐出流体は、前記弁座から前記ゴム膜の膜面に向かって流出し前記弁座の周囲から外に吐出される請求項１のポンプ用漏出防止弁。
4. 前記ポンプが吐出するポンプ吐出流体は、前記弁座の外周側であって前記弁ケースとゴム膜との間に供給され、ポンプ吐出流体は前記弁座の中を通って外に吐出される請求項１のポンプ用漏出防止弁。

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