JP6819577B2 - 吸着ポンプ - Google Patents

Description

本開示は、試料中の揮発性有機化合物を吸着できる吸着ポンプに関する。

排気ガス、空気および呼気等には、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）が含まれている。従来、試料中に含まれる揮発性有機化合物は、吸着法を利用して、分離、濃縮、回収および検出されることが知られている。

例えば、特許文献１には、ＶＯＣを吸着する吸着剤が充填された吸着塔と、吸着塔に試料を供給するポンプとを有する装置が開示されている。また、特許文献２には、ガスを吸着する吸着部と、ガスを圧縮して吸着部に送り込むポンプとを有する装置が開示されている。

特開２０１４−１４７６０号公報 特開２０１２−２２０４５４号公報

本開示は、搭載される装置の小型化を実現できる吸着ポンプを提供する。

本開示における吸着ポンプは、筐体と、可動部と、吸着部とを有する。筐体には、試料の流入口と排出口とが設けられている。可動部の少なくとも一部は筐体の内部に配置されている。吸着部は筐体の内部に設けられている。

本開示における吸着ポンプは、搭載される装置の小型化を実現することができる。

本開示の実施の形態１における吸着ポンプの模式斜視図 図１に示す吸着ポンプの分解模式斜視図 図１に示す吸着ポンプの模式断面図 図３に示す吸着ポンプの吸着部と加熱部との模式拡大図 図３に示す吸着ポンプの吸着部と加熱部との他の構成を示す模式拡大図 本開示の実施の形態１における他の吸着ポンプの模式透視図 図６に示す吸着ポンプの模式断面図 本開示の実施の形態１の変形例１における吸着ポンプの模式断面図 本開示の実施の形態２における吸着ポンプの模式断面図 本開示の実施の形態２における他の吸着ポンプの模式断面図

本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の装置における問題点を簡単に説明する。従来の装置においては、ポンプと吸着部とが別の構成として設けられている。そのため、装置の小型化が難しい。

以下、本開示の実施の形態に係る吸着ポンプについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示し、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。

（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１における遠心力型の吸着ポンプ２０の模式斜視図である。図２は、吸着ポンプ２０の分解模式斜視図である。図３は、吸着ポンプ２０の図１に示す線３−３における模式断面図である。

吸着ポンプ２０は、遠心力型ポンプであり、後方翼を有するターボ型ポンプといわれる。

吸着ポンプ２０は、特定の化学種が含まれる試料を輸送するとともに、この化学種を吸着することができる。化学種は、例えば、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）などである。

図２、図３に示すように、吸着ポンプ２０は、筐体１１、主軸１２、軸受け１３、インペラ１４、吸着部１５および加熱部１６を有する。

図２に示すように、筐体１１は、上部筐体１１Ａおよび下部筐体１１Ｂで形成されている。筐体１１の内部には、渦巻き状のスクロール１７が形成されている。スクロール１７は、インペラ１４の下側に設けられている内巻きのスクロールである。この構成により、吸着ポンプ２０を小型化することができる。筐体１１は、試料を筐体１１の内部に取り込む流入口１８と、試料を筐体１１の外部に吐き出す吐出口１９とを有する。流入口１８の中心は、インペラ１４の回転軸線上に設けられている。吐出口１９は、スクロール１７と連通している。スクロール１７は、吐出口１９に向かって断面積が大きくなるように形成されている。

インペラ１４は、翼１４１をもつ回転体である。図３に示すように、インペラ１４は、翼１４１が設けられた翼面１４Ａと、翼面１４Ａの反対側の裏面１４Ｂとを有する。翼面１４Ａは、流入口１８と対向している。筐体１１の内部に配置されたインペラ１４は、吸着ポンプ２０における可動部である。インペラ１４の裏面１４Ｂには、筐体１１とインペラ１４の裏面１４Ｂとの距離を一定に保つためにボス２１が形成されている。筐体１１には、ボス２１が配置される凹部が設けられている。

主軸１２は、筐体１１（下部筐体１１Ｂ）を貫通している。主軸１２は、筐体１１に対して回転自在に設けられている。主軸１２の第１端は、インペラ１４に対してねじ部２２で固定されている。主軸１２の第２端は、筐体１１の外部に設けられる駆動部２３と連結されている。駆動部２３は、例えば、モータである。なお、インペラ１４と主軸１２を一体成型する場合、ねじ部２２は必要ない。インペラ１４は、駆動部２３の回転エネルギーを運動エネルギーに変換する。

軸受け１３は、主軸１２を支持するように筐体１１に設けられている。軸受け１３は、例えば、玉軸受けや動圧空気軸受け等である。動圧空気軸受けは、低負荷かつ高速回転時に使用される。インペラ１４の回転数と負荷に応じて、適切な形式の軸受け１３が用いられる。

吸着部１５は、試料に含まれる化学種を吸着する。化学種は、様々な吸着材に対して選択的に吸着する。吸着部１５は、筐体１１の内側に設けられている。このような構成により、吸着ポンプ２０は、例えば、化学種検出装置の小型化を実現することができる。吸着部１５は、例えば、スクロール１７の側面に設けられる。スクロール１７の側面には、インペラ１４の出口から流れ出た試料が当たる。

吸着部１５の周辺には、吸着部１５を加熱する加熱部１６が設けられている。これにより、加熱部１６は、効率的に吸着部１５を加熱することができる。

図４は、吸着部１５および加熱部１６の一例を模式的に示す拡大図である。吸着部１５は、ナノファイバー１５１で形成されている。また、吸着部１５の下側には、加熱部１６が配置されている。

ナノファイバー１５１は、後述するように、シード層上に形成されていてもよい。シード層は、例えば、ナノファイバー１５１の材料層や触媒層などである。

ナノファイバー１５１は、化学種を選択的に吸着する吸着材で被覆されている。例えば、一酸化炭素を選択的に吸着する場合、吸着材としてニッケルや銀を用いることができる。また、アンモニアや塩素を吸着する場合、吸着材としてモリブデンを用いることができる。窒素酸化物を吸着する場合、吸着材としてゼオライトを用いることができる。水素を吸着する場合、吸着材としてパラジウムを用いることができる。水を吸着する場合、吸着材としてポリアニリンを用いることができる。このように、吸着材は、吸着したいＶＯＣに応じて適宜選択することができる。なお、ナノファイバー１５１は、化学種を選択的に吸着する吸着材で形成されてもよい。

加熱部１６は、下部電極１６１、ナノファイバー１６２および上部電極１６３を有する。ナノファイバー１６２は、下部電極１６１と上部電極１６３との間に設けられている。ナノファイバー１６２は導電性を有する。ナノファイバー１６２は、第１、第２電極である下部電極１６１および上部電極１６３に電気的に接続されている。下部電極１６１および上部電極１６３は、外部もしくは内部に設けられた電源に接続されている。

ナノファイバー１６２に電流が流れると、ナノファイバー１６２が有する抵抗によりナノファイバー１６２が発熱する。したがって、ナノファイバー１６２を加熱部１６として利用することができる。

ナノファイバー１６２を利用することにより、加熱部１６は、少ない電力で高温となる。そのため、低電力で、効率よく吸着部１５を加熱することができる。また、ナノファイバー１６２の熱容量は小さい。そのため、加熱部１６の冷える速度は速い。したがって、ナノファイバー１６２を用いた加熱部１６は、吸着部１５の加熱冷却速度を速くすることができる。

ナノファイバー１５１とナノファイバー１６２とは、同じ材料で形成されていてもよい。また、ナノファイバー１５１とナノファイバー１６２は、異なる材料であってもよい。

なお、加熱部１６は、図５に示すような、金属線や抵抗加熱材料の配線パターンなどでもよい。加熱部１６は、ミアンダ形状に加工したＮｉＣｒからなる薄膜でもよい。

図５に示す構成では、ナノファイバー１５１は、シード層１５２上に形成されている。ナノファイバー１５１は、その構造のため、熱容量が小さい。そのため、低電力で効率よく吸着部１５を加熱することができる。また、ナノファイバー１５１は、吸着部１５の冷却速度を速くすることができる。加熱部１６は、外部または内部に設けられる電源に接続されている。

また、吸着部１５と加熱部１６との間には、絶縁層２４が設けられてもよい。これにより、加熱部１６に流れる電流は、吸着部１５へ流れない。そのため、加熱部１６は、吸着部１５を効率よく加熱することができる。

以下、吸着ポンプ２０の動作について説明する。インペラ１４は、駆動部２３の回転に応じて回転する。インペラ１４の回転により、筐体１１において、回転軸に近い部分は低圧になる。また、インペラ１４の翼１４１の間は高圧になる。試料は、インペラ１４の回転軸に近い部分に引き込まれる。引き込まれた試料は、インペラ１４の遠心作用により運動エネルギーを与えられる。そして、試料は、インペラ１４の出口へと運ばれる。その後、試料は、筐体１１に形成されたスクロール１７で動圧から静圧に回復される。インペラ１４の出口から流出した試料は、スクロール１７により効率良く集められた後、吐出口１９から吐き出される。

このとき、試料は、スクロール１７の側面に設けられた吸着部１５に接触する。したがって、試料に含まれる化学種は、吸着部１５に効率良く吸着する。その後、吸着部１５は、加熱部１６により加熱される。吸着部１５に吸着された化学種は、加熱されることにより、吸着部１５から脱離する。これにより、吸着ポンプ２０は、吸着部１５で濃縮した化学種を吸着ポンプ２０から吐出することができる。また、吸着した化学種を脱離することにより、吸着部１５の吸着機能を回復させることができる。

吸着ポンプ２０の大きさにある程度の余裕がある場合や、インペラ１４の周速が早い場合、吸着ポンプ２０は、ディフューザを有していてもよい。ディフューザは、例えば、下部筐体１１Ｂの底面に形成される。ディフューザは、気体分子の運動エネルギーを効率的に圧力として回復させることができる。ディフューザを設けることにより、吸着ポンプ２０は、静圧に効率的に気体分子の運動エネルギーを回復させることができる。このとき、スクロール１７は、外巻きの渦巻き型スクロールを用いてもよい。

なお、吸着ポンプ２０は、前方翼を用いたシロッコ型ポンプや径方向の翼を用いたラジアル型ポンプであってもよい。

なお、図６に示すように、吸着ポンプ２０の吐出口１９は、複数に分岐していてもよい。さらに、複数の吐出口１９には仕切り板２７などを設けてもよい。仕切り板２７の位置は、吸着部１５の加熱時と非加熱時で、切り替えられる。これにより、吸着された化学種が多く吐き出される試料と、吸着された化学種がほとんど吐き出されない試料とを、それぞれ別の流路に導くことができる。

なお、図７に示すように、駆動部２３は、筐体１１の内部に設けられていてもよい。例えば、インペラ１４の裏面１４Ｂに回転子２８を配置し、回転子２８と対向する筐体１１の内壁に固定子２９を配置する。固定子２９は、空芯コイルなどである。回転子２８は、磁石などである。固定子２９に電流を流して磁力を発生させることにより、回転子２８に力を与える。これにより、回転子２８に付加される力により、インペラ１４は回転する。

なお、吸着部１５は、化学種を効率よく吸着するため、スクロール１７の側面に設けられるが、この構成に限られない。例えば、吸着部１５は、スクロール１７の上面または底面に設けてもよい。この構成においても、吸着部１５は化学種を吸着することができる。また、吸着部１５をスクロール１７の底面に設ける場合、ＭＥＭＳプロセスにおいて、ボトムアッププロセスやトップダウンプロセルを用いて吸着部１５を形成することができる。これにより、吸着ポンプ２０の製造プロセスを簡単にすることができる。

（変形例１）
以下、本実施の形態の変形例１について説明する。

図８は、本実施の形態の変形例１における吸着ポンプ３０を模式的に示す斜視図である。

吸着ポンプ３０は、吸着部１５および加熱部１６がインペラ１４の翼面１４Ａに設けられている点で実施の形態１と異なる。その他の構成および動作については、実施の形態１と同様である。実施の形態１と同じ構成については、同じ符号を用いて説明を省略する。

吸着部１５は、インペラ１４の翼面１４Ａにおける負圧面に設けられている。負圧面とは、インペラ１４が回転する際に、試料の流速ベクトルが流入する翼１４１の間の面である。試料は、この負圧面に流入する。そのため、化学種は、効率よく吸着部１５に吸着する。

特に、吸着部１５は、流入口１８と対向する領域に設けることが好ましい。これにより、吸着部１５は、試料に含まれる化学種をより確実に吸着することができる。

また、インペラ１４の裏面１４Ｂには、筐体１１とインペラ１４の裏面との距離を一定に保つために導電性を有するボス２１１が形成されている。ボス２１１は、加熱部１６と電気的に接続されている。また、ボス２１１は、筐体１１に設けられた凹部において、導通ブラシ２５と接触している。導通ブラシ２５は、バネ２６を介して外部の電源と電気的に接続されている。導通ブラシ２５は、バネ２６により一定の力でボス２１１と接触している。そのため、インペラ１４の回転の負荷は、駆動部２３の適正トルクの範囲内とすることができる。また、加熱部１６には、導通ブラシ２５およびバネ２６を介して電流が供給される。

なお、吸着ポンプ３０において、加熱部１６は、筐体１１における、吸着部１５と対向する内壁に設けられてもよい。この場合、吸着部１５は、加熱部１６からの輻射熱により加熱される。この構成においても、化学種を吸着部１５から脱離することができる。また、固定部である筐体１１に加熱部１６を設けることにより、加熱部１６に電流を供給する配線の配置が容易になる。

また、化学種の脱離の方法としては、振動を利用してもよい。この場合、脱離機構として、加熱部１６の代わりに振動発生源を用いてもよい。振動発生源は、例えば、上下電極に挟まれた圧電材料で構成される圧電素子などである。

その他の脱離方法としては、光を利用してもよい。この場合、脱離機構は、例えば、筐体１１内部に吸着部１５と対向する位置に設ける発光源を用いることができる。

なお、吸着ポンプの使用用途によって、加熱部１６などの脱離機構は、必ずしも設けられなくてもよい。

前述のように、吸着部１５は可動部であるインペラ１４の翼面１４Ａに設けられている。そのため、可動部は、振動部としても機能する。したがって、可動部の回転動作により、吸着部１５に吸着した化学種を効率的に脱離することができる。

（実施の形態２）
図９は、本開示の実施の形態２におけるダイアフラム型の吸着ポンプ４０の模式断面図である。吸着ポンプ４０もまた、化学種が含まれる試料を輸送するとともに、この化学種を吸着することができる。化学種は、例えば、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）などである。

吸着ポンプ４０は、筐体４１と、筐体４１内の容積を変化させるダイアフラム４２と、吸着部１５と、加熱部１６とを有する。

筐体４１は、試料を筐体４１の内部に取り込む流入口４８と、試料を筐体４１の外部に吐き出す吐出口４９とを有する。流入口４８には、試料の逆流を防止する逆止弁４８１が設けられている。ストッパー４８２は筐体４１内に逆止弁４８１と対向して設けられ、逆止弁４８１の動作を制限する。また、吐出口４９には、試料の逆流を防止する逆止弁４９１が設けられている。ストッパー４９２は、逆止弁４９１と対向して設けられ、逆止弁４９１の動作を制限する。

ダイアフラム４２は、例えば、振動板４２１と上部電極４２２と圧電素子４２３と下部電極４２４とが積層されたバイモルフ構造を有する。圧電素子４２３は、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３（以下、ＰＺＴ）などの材料で形成される。ダイアフラム４２では、筐体４１の内側から外側に向かって、振動板４２１と上部電極４２２と圧電素子４２３と下部電極４２４がこの順に積層されている。ダイアフラム４２は、吸着ポンプ４０における可動部であり、その一部が筐体４１の内部に配置されている。なお、一部が筐体の内部に配置されるとは、一部が筐体４１の壁面の一部として配置されることを含む。

吸着ポンプ４０は、ダイアフラム４２に圧電素子４２３を用いた圧電方式により駆動される。圧電方式は、吸着ポンプ４０の小型化と低消費電力の面で有利である。しかしながら、駆動方式は、圧電方式に限定されない。ダイアフラム４２の駆動方式は、例えば、磁石や磁歪材料とコイルとを用いた電磁界式でもよい。また、駆動方式は、静電力を用いた静電方式でもよい。ダイアフラム４２は、ＤＣモータを用いて駆動されてもよい。

吸着部１５および加熱部１６は、ダイアフラム４２、および、筐体４１の内壁における、ダイアフラム４２と対向する位置に設けられている。このように、吸着部１５は、筐体１１の内側に設けられている。このような構成により、吸着ポンプ４０は、例えば、化学種検出装置の小型化を実現することができる。加熱部１６は、吸着部１５の周辺に設けられている。これにより、加熱部１６は、効率的に吸着部１５を加熱することができる。

ダイアフラム４２に設けられた加熱部１６の上部には、吸着部１５が設けられている。また、筐体４１の内壁に設けられた加熱部１６の下部には、吸着部１５が設けられている。

吸着部１５は、例えば、図５に示すように、ナノファイバー１５１およびシード層１５２で構成されている。吸着部１５と加熱部１６との間には、絶縁層２４が設けられている。

なお、吸着部１５は、ダイアフラム４２の上部に配置されなくてもよい。吸着部１５は、筐体４１内の一部分に設けられていればよい。例えば、吸着部１５は、筐体４１の内壁面における、流入口４８と対向する領域に設けてもよい。これにより、吸着部１５は、試料に含まれる化学種をより確実に吸着することができる。

以下、吸着ポンプ４０の動作について説明する。圧電素子４２３にダイアフラム４２の共振周波数となるように変調した交流電圧を印加すると、ダイアフラム４２は変形する。ダイアフラム４２の変形により、筐体４１の容積は変化する。

例えば、筐体４１の容積が増加する場合、体積増加によって筐体４１の内部は負圧になる。これにより、逆止弁４８１が開いた状態となる。一方、逆止弁４９１は閉じた状態となる。そのため、試料は筐体４１の内部に導入される。筐体４１の容積が減少する場合、体積減少によって筐体４１の内部は正圧になる。これにより、逆止弁４８１が閉じた状態となる。一方、逆止弁４９１は開いた状態となる。そのため、試料は筐体４１から外部に吐き出される。以上のような筐体４１の体積の増減を繰り返すことにより、吸着ポンプ４０は試料を一方向へ送液する。

このとき、試料は、筐体４１の内部に設けられた吸着部１５に接触する。したがって、試料に含まれる化学種は、吸着部１５に効率良く吸着する。その後、吸着部１５は、加熱部１６からの熱伝導または輻射熱により加熱される。吸着部１５に吸着された化学種は、加熱されることにより、吸着部１５から脱離する。これにより、吸着ポンプ４０は、吸着部１５で濃縮した化学種を吸着ポンプ４０から吐出することができる。また、吸着した化学種を脱離することにより、吸着部１５の吸着機能を回復させることができる。

なお、実施の形態１において図６を参照して説明したのと同様に、吸着ポンプ４０の吐出口４９は、複数に分岐していてもよい。さらに、複数の吐出口には仕切り板等を設けてもよい。

以上で説明したように、吸着ポンプ２０、３０ではそれぞれ、吸着部１５が筐体１１、４１内に設けられている。そのため、化学種の検出装置などの小型化を実現することができる。

なお、化学種が脱離する温度は、化学種の種類により異なる。そのため、加熱部１６に流す電流の値や時間を制御することにより、吸着ポンプ２０、３０は、吸着部１５に吸着した化学種の種類毎に分けて脱離することができる。

また、異なる吸着材で形成された複数の吸着部１５を、筐体１１、４１の内部に設けても良い。吸着ポンプ２０において、例えば、複数の吸着部１５は、インペラ１４の翼１４１の間に、分けて配置される。このような構成により、異なる種類の化学種を吸着ポンプ２０、３０内で分離して吸着することができる。また、目的の化学種が吸着した吸着部１５を加熱することにより、目的の化学種のみを脱離することができる。

また、例えば、図１０に示すように、吸着ポンプ４０の内部には、異なる吸着材で形成された複数の吸着部１５が設けられている。このとき、複数の吸着部１５のそれぞれに対応するように、複数の加熱部１６が設けられている。複数の加熱部１６は、それぞれ独立して加熱することができる。このような構成の吸着ポンプ４０でも同様の効果を奏する。

なお、吸着部１５を構成する吸着材は、ナノファイバー１５１に限られない。吸着部１５を構成する吸着材は、例えば、多孔質体等であってもよい。

また、加熱部１６に変わって、振動部を設けてもよい。吸着部１５を振動部で振動させることにより、吸着部１５に吸着した化学種を脱離することができる。このように、加熱部１６および振動部は、吸着部１５に吸着した化学種を吸着部１５から脱離させる脱離部として機能する。なお、吸着ポンプの使用用途によって、脱離部は、必ずしも設けなくてもよい。

また、吸着部１５のナノファイバー１５１に電極を接続して電流を流してもよい。これにより、吸着部１５は、それ自身が加熱部１６として機能する。

以上、複数の態様に吸着ポンプについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

本開示における吸着ポンプは、化学種を含む試料の移送と、化学種の吸着を行うデバイスにおいて特に有用である。

１１，４１ 筐体
１１Ａ 上部筐体
１１Ｂ 下部筐体
１２ 主軸
１３ 軸受け
１４ インペラ
１４１ 翼
１４Ａ 翼面
１４Ｂ 裏面
１５ 吸着部
１５１ ナノファイバー
１５２ シード層
１６ 加熱部
１６１ 下部電極
１６２ ナノファイバー
１６３ 上部電極
１７ スクロール
１８，４８ 流入口
１９，４９ 吐出口
２０，３０，４０ 吸着ポンプ
２１，２１１ ボス
２２ ねじ部
２３ 駆動部
２４ 絶縁層
２５ 導通ブラシ
２６ バネ
２７ 仕切り板
２８ 回転子
２９ 固定子
４２ ダイアフラム
４２１ 振動板
４２２ 上部電極
４２３ 圧電素子
４２４ 下部電極
４８１，４９１ 逆止弁
４８２，４９２ ストッパー

Claims (8)

1. 試料の流入口と排出口とが設けられた筐体と、
   少なくとも一部が前記筐体の内部に配置された可動部と、
   前記可動部に設けられた吸着部と、を備え、
   前記可動部は、翼を有し回転動作するインペラ、または、変形動作することにより前記筐体内の容積を変化させるダイアフラムである、
   吸着ポンプ。
2. 前記吸着部は、ナノファイバーで構成されている、
   請求項１に記載の吸着ポンプ。
3. 前記吸着部は、前記流入口と対向する領域に設けられている、
   請求項１に記載の吸着ポンプ。
4. 前記吸着部に吸着した化学種を前記吸着部から脱離させる脱離部をさらに備えた、
   請求項１に記載の吸着ポンプ。
5. 前記脱離部は、前記吸着部を加熱する加熱部である、
   請求項４に記載の吸着ポンプ。
6. 前記加熱部は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とに電気的に接続された導電性のナノファイバーと、を含む、
   請求項５に記載の吸着ポンプ。
7. 前記可動部は、翼を有するインペラであり、
   前記吸着部は前記インペラの翼面に設けられた、
   請求項１に記載の吸着ポンプ。
8. 前記可動部は、ダイアフラムであり、
   前記吸着部は前記ダイアフラムの変形動作する箇所に設けられた、
   請求項１に記載の吸着ポンプ。
   
   

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