JP6821025B2 - 弁装置、ポンプヘッド及びポンプ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、吸排気用の弁装置、ポンプヘッド及びこれを備えたポンプ装置に関する。
容積移送式ポンプの一種であるダイアフラムポンプは、ダイアフラムの往復運動と、流体の流通路の開閉制御をする弁機構を組み合わせて流体を移動する。弁機構では逆止弁が用いられ、逆止弁として弁舌構造の板状の弁(以下、舌弁と称する。)や円形構造の円形弁が用いられることが多い。
舌弁には、鋼等のバネ応力が比較的強い材料が一般的には用いられる。
舌弁を用いた弁機構では、舌弁の一端は固定ネジにより弁座に固定される。舌弁の他端は自由端であり、弁座の弁座面に接した閉位置と弁座面より離れた開位置との間を双方向で移動可能となっている。(例えば特許文献1参照。)。
特開2005−282483号公報
近年、この種のポンプ装置においては到達真空度の更なる向上が求められている。しかしながら、従来の弁機構ではデッドスペースの削減が図れず、到達真空度の向上が困難であるという問題がある。
本発明は、到達真空度の向上を図ることができる弁装置、ポンプヘッド及びこれを備えた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弁装置は、弁座と、弁部材と、固定具とを具備する。
前記弁座は、接続孔が形成された底部を有し、前記接続孔の周囲に複数の通気孔が形成された錐体状の凹面からなる。
前記弁部材は、前記底部に対向する支持部と、前記支持部の外側から径方向に延びる複数のスリットを有し前記複数の通気孔に対向する弾性変形可能な複数の弁部と、を有する。
前記固定具は、前記接続孔に接続され、前記支持部を前記弁座に固定する。
前記弁部材は、合成樹脂材料で構成された円形の板材で構成され、前記複数の弁部は、前記複数の通気孔に個々に対応して配置されてもよい。
前記複数の通気孔は、前記接続孔と同心的な円弧形状を有してもよい。
前記複数のスリットは、前記支持部側の端部に拡幅部を有してもよい。
本発明の一形態に係るポンプヘッドは、ベース部材と、吸気弁装置と、排気弁装置とを具備する。
前記ベース部材は、第1の面と、前記第1の面とは反対側の第2の面とを有する。
前記吸気弁装置は、前記第1の面に設けられる。
前記排気弁装置は、前記第2の面に設けられる。
前記吸気弁装置及び前記排気弁装置は、それぞれ、弁座と、弁部材と、固定具とを有する。
前記弁座は、接続孔が形成された底部を有し、前記接続孔の周囲に複数の通気孔が形成された錐体状の凹面からなる。
前記弁部材は、前記底部に対向する支持部と、前記支持部から径方向に延びる複数のスリットを有し前記複数の通気孔に対向する弾性変形可能な複数の弁部と、を有する。
前記固定具は、前記接続孔に接続され、前記支持部を前記弁座に固定する。
以上述べたように、本発明によれば、到達真空度の向上を図ることができる。
本発明の一実施形態に係るポンプ装置の全体を示す斜視図である。 上記ポンプ装置の要部の縦断面図であり、ダイアフラムが上死点にあるときの形態を示す。 上記ポンプ装置におけるポンプヘッドを構成するベース部材を示す図であって、(A)は平面図、(B)は底面図、(C)は断面図である。 上記ポンプヘッドを示す図であって、(A)は平面図、(B)は底面図、(C)は断面図である。 上記ベース部材に取り付けられる前の弁部材の自然状態を示す平面図である。 上記ベース部材に取り付けたときの弁部材の斜視図である。 上記ポンプヘッドにおける、流通路の形状、流通路と弁体との位置関係を説明するための弁部材の平面図である。 上記ポンプヘッドにおける吸気弁装置の部分断面図であり、弁体の開閉機構を説明するための図である。 上記ポンプヘッドにおけるデッドスペースを説明するための部分断面図及び平面図である。 第1の比較例に係るポンプヘッドにおけるデッドスペースを説明するための部分断面図及び平面図である。 第2の比較例に係るポンプヘッドにおけるデッドスペースを説明するための部分断面図及び平面図である。 本発明の一実施形態に係るポンプ装置のポンプヘッドにおけるデッドスペースを説明するためのポンプ装置の部分断面図である。 第3の比較例に係るポンプ装置のポンプヘッドにおけるデッドスペースを説明するためのポンプ装置の部分断面図である。 第1の比較例に係る弁装置を説明するためのポンプヘッドの部分断面図である。 第2の比較例に係る弁装置を説明するためのポンプヘッドの部分断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
[ポンプ装置]
図1は、本発明の一実施形態に係るポンプ装置を示す図である。
本実施形態のポンプ装置1は、第1のポンプ部11と、第2のポンプ部12とを有し、第1のポンプ部11と第2のポンプ部12とは接続管13によりポンプ室が直列に接続される。流体としての気体は、ポンプ装置1により、第2のポンプ部12に接続される吸気管14を介して吸気され、第1のポンプ部11に接続される排気管15を介して排気される。
ポンプ装置1は、容積移送式ポンプとして構成され、本実施形態においては、ダイアフラムを用いたダイアフラムポンプである。ポンプ装置1は、例えば、遠心エバポレータにおける真空引きに使用される。
第1及び第2のポンプ部11,12は、それぞれ真空ポンプとして構成される。
第1及び第2のポンプ部11,12は典型的には共通の構成を有しており、本実施形態では、ダイアフラムポンプ等として構成される。
図2は、第1のポンプ部11の構成を示す縦断面図である。図2においてX軸、Y軸及びZ軸は、相互に直交する3軸方向をそれぞれ示している。図2は、ダイアフラムが上死点にあるときの形態を示す。なお、第2のポンプ部12は、第1のポンプ部11と同様に構成されているため、ここでは第1のポンプ部11を主に説明する。
ポンプ装置1は、ポンプ本体10と、送風ユニット300とを有する。
ポンプ本体10は、モータMと、変換機構200と、ポンプケース100と、ダイアフラム61と、台座109と、ポンプヘッド60と、ポンプヘッドカバー113と、を有する。ポンプケース100は、モータM及び変換機構200を収容する
ポンプ本体10において、ポンプケース100、台座109、ポンプヘッド60、ポンプヘッドカバー113は、Z軸方向に積み重ねられる。
台座109は、アルミニウム合金などの金属材料で構成され、その平面形状は略矩形に形成される。台座109は、ポンプケース100とポンプヘッド60との間に配置される。ダイアフラム61は、台座109とポンプヘッド60により形成される空間に変形自在に収容される。
ポンプヘッド60は、アルミニウム合金などの金属材料で構成され、ダイアフラム61側に位置する第1の面60aと、当該第1の面60aとは反対側の第2の面60bとを有する平面形状が略矩形の板状部材である。
ポンプヘッド60は、台座109の上面に配置される。ポンプヘッド60は、ダイアフラム61との間にポンプ室66を形成する。ポンプヘッド60は、ダイアフラム61とポンプヘッドカバー113との間に配置され、弁体としての吸気弁41及び排気弁51をそれぞれ有する。ポンプヘッド60の詳細は後述する。
ダイアフラム61は、金属製のコア(芯材)67を内部に包み込むように円形薄板状に形成される。ダイアフラム61は、その周縁に沿った領域に所定幅の変形部61aを有する。
ダイアフラム61は、ゴム、合成樹脂等から構成される。ダイアフラム61は台座109とポンプヘッド60により形成される空間内で往復動可能な往復動ヘッドである。ダイアフラム61は、その周縁部が台座109とポンプヘッド60との間に挟持される。
ダイアフラム61は、ポンプヘッド60との間に設けられるポンプ室66の体積を、往復動作により流体を移動させて変化させる。ダイアフラム61は、Z軸方向に平行な方向に変形しながら往復移動し、吸気弁41及び排気弁51を介してポンプ室66を交互に吸気し及び排気することで、所定のポンプ作用を行う。
ポンプ室66には、ポンプヘッド60とダイアフラム61との間に形成される主室661(図12参照)と、ポンプヘッド60における、吸気側弁座71の円錐台状の凹部75の領域と、排気側流通路52a、52bの領域とが含まれる。
コア67は、ダイアフラム61が上死点(図2参照)にあるときにダイアフラム61のポンプヘッド60側の面が、ポンプヘッド60の第1の面60aに沿うように構成される。
また、コア67のポンプヘッド60側の面と対向する面側には、後述するコネクティングロッド210の第1の端部211にコア67を取り付け可能なように、第1の端部211に設けられた雄ネジ68と螺合する雌ネジ孔67aを有するボス部67bが一体的に形成されている。
ポンプヘッドカバー113はポンプヘッド60の上に配置される。ポンプヘッドカバー113は、ポンプヘッド60とともに、接続管13に連通する吸気室72と、排気管15に連通する排気室82とを形成する。
変換機構200は、コネクティングロッド210と、偏芯部材220とを有する。変換機構200は、モータMの駆動軸131に連結され、モータMの駆動軸131の回転をダイアフラム61の往復移動に変換する。
コネクティングロッド210は、ダイアフラム61と偏芯部材220との間を相互に連結する。コネクティングロッド210は、ダイアフラム61と一体的なコア67と接続される第1の端部211と、偏芯部材220と接続される第2の端部212とを有する。コネクティングロッド210の第2の端部212は、偏芯部材220と嵌合する嵌合孔213が形成されている。
ポンプ本体10は、第1ベアリングB1及び第2ベアリングB2を有する。第1ベアリングB1は、嵌合孔213の内周面に装着され、偏芯部材220を回転可能に支持する。第2ベアリングB2は、ポンプケース100に固定され、モータMの駆動軸131を回転可能に支持する。
偏芯部材220は、駆動軸131の回転中心に対して偏芯して形成される。偏芯部材220は、固定ネジ223によって駆動軸131に固定されている。偏芯部材220は、カウンタウェイト222を有する。カウンタウェイト222は、駆動軸131の回転に伴うコネクティングロッド210の偏芯部材220まわりの回転の際に生じる振動を打ち消すためのもので、駆動軸131に対して偏芯部材220の偏芯方向とは逆方向に偏倚した位置に配置される。
第1のポンプ部11は、送風ユニット300をさらに有する。送風ユニット300は、ファン31と、ファンカバー32とを有する。送風ユニット300は、ファン31が回転することにより、ポンプケース100の内部に外気(空気)を導入することで、運転中のポンプ装置1を冷却するように構成される。
ポンプケース100の送風ユニット300が配置される一側面には、空気の吸入口となる送風口115が形成される。送風口115は円形状の開口であり、一部にはファンカバー32を取り付けるための係合部115aが形成されている。ファン31は、送風口115に配置され、後述する偏心部材220から突出する駆動軸131の端部131aと一体に回転する空気吸入用のファンとして構成される。
第2のポンプ部12は、第1のポンプ部11と同様に構成される。第2のポンプ部12は、第1のポンプ部11と同時に共通のモータMによって駆動される。駆動軸131は、第2のポンプ部12側にも延在し、第2のポンプ部12の偏芯部材(図示略)に連結される。
本実施形態では、第1のポンプ部11と第2のポンプ部12とが異なる位相で駆動される。例えば、第1のポンプ部11のダイアフラム61が上死点に位置するとき、第2のポンプ部12のダイアフラムが下死点に位置するように、各ポンプ部11,12の偏芯部材が設定される。
[ポンプ装置の動作]
以上のように構成される本実施形態のポンプ装置1の動作について説明する。ここでは、第1のポンプ部11を中心に説明する。
モータMの駆動により、偏芯部材220は、駆動軸131からの偏芯量に対応する半径を有する円周に沿って駆動軸131のまわりを公転する。偏芯部材220に連結されたコネクティングロッド210は、駆動軸131の回転をダイアフラム61の往復運動に変換する。これによりポンプ室66の吸気及び排気が交互に行われることで、第1のポンプ部11による所定の真空排気作用が得られる。
ダイアフラム61が駆動されるときのポンプ室66の圧力によって、吸気弁41は吸気時に開き、排気弁51は排気時に開くようになっている。
すなわち、ダイアフラム61が図2に示した上死点に達した状態では、ポンプ室66の圧力が最も高くなり、排気室82より高圧となるため、吸気弁41が閉じ、吸気室72より高圧となるため、排気弁51が開く。これにより、排気室82を介して排気管15に気体が吐出される。
また、ダイアフラム61が下死点に達した状態では、ポンプ室66の圧力が最も低くなり、排気弁51が閉じ、吸気弁41が開き、接続管13から吸気室72内へ気体が吸入される。
[ポンプヘッド]
次に、ポンプヘッド60の詳細について説明する。
(ポンプヘッドの概略構成)
図2に示すように、ポンプヘッド60は、第2の面60bにポンプヘッドカバー113が設置され、ポンプヘッドカバー113との間で吸気室72と排気室82を形成する。ポンプヘッド60は、第1の面60a側にダイアフラム61が配置され、ダイアフラム61との間にポンプ室66を形成する。
ポンプヘッド60は、ベース部材600と、吸気弁41と、排気弁51とを有する。ベース部材600は、第1の面60aと、第2の面60bとを有する。吸気弁41は、第1の面60aに設けられ、排気弁51は、第2の面60bに設けられる。
図3(A)〜(C)はベース部材600の平面図及び断面図である。図3(A)は、ベース部材600を第2の面60b側からみた平面図である。図3(B)は、ベース部材600を第1の面60a側からみた平面図である。図3(C)は、ベース部材600の断面図である。
図4(A)〜(C)は吸気弁41及び排気弁51を有するポンプヘッド60の平面図又は断面図である。図4(A)は、ポンプヘッド60を第2の面60b側からみた平面図である。図4(B)は、ポンプヘッド60を第1の面60a側からみた平面図である。図4(C)は、ポンプヘッド60の断面図である。
図4(C)に示すように、ポンプヘッド60は、吸気側流通路42a、42bと、排気側流通路52a、52bと、吸気側の弁部材である吸気弁41と、排気側の弁部材である排気弁51と、吸気弁41を収容する凹部75を形成する吸気側弁座71と、排気弁51を収容する凹部85を形成する排気側弁座81と、を有する。
吸気側流通路42a、42bと、吸気弁41と、吸気側弁座71とは、吸気弁装置70を構成する。吸気側弁座71には吸気側流通路42a、42bが設けられる。
排気側流通路52a、52bと、排気弁51と、排気側弁座81とは、排気弁装置80を構成する。排気側弁座81には排気側流通路52a、52bが設けられる。
吸気側流通路42a、42b及び排気側流通路52a、52bは、気体の流通路であり、ポンプヘッド60の厚み方向を貫通する通気孔である。
吸気弁41は、ポンプヘッド60の第1の面側60aに設けられ、吸気側流通路42a、42bを開閉する。
排気弁51は、ポンプヘッド60の第2の面60b側に設けられ、排気側流通路52a、52bを開閉する。
図4(A)に示すように、ポンプヘッド60(あるいはベース部材600)の第2の面60bには、平面形状が半円状の吸気側凹部73と、排気側凹部83とが、互いに離間して設けられている。吸気側凹部73は、ポンプヘッドカバー113とともに、吸気室72を構成する。排気側凹部83は、ポンプヘッドカバー113とともに、排気室82を構成する。
図3(C)及び図4(C)に示すように、ポンプヘッド60の第2の面60bに設けられる排気側凹部83内には、平面形状が円形の凹部84が設けられ、更に当該凹部84の底部に、錐体状(本例では円錐台状)の凹面85が設けられている。排気側弁座81は、この円錐台状の凹面85からなり、排気弁51を収容する。円錐台状の凹面85は、ポンプヘッド60の第1の面60a側から第2の面60b側に向かって開口が広がるように形成される。
一方、ポンプヘッド60(あるいはベース部材600)の第1の面60aには錐体状(本例では円錐台状)の凹面75が設けられている。吸気側弁座71は、この円錐台状の凹面75からなり、吸気弁41を収容する。円錐台状の凹部75は、ポンプヘッド60の第2の面60b側から第1の面60a側に向かって開口が広がるように形成される。
吸気弁装置70は、吸気弁41を吸気側弁座71に固定する固定具としてのネジ46を有する。同様に、排気弁装置80は、排気弁51を排気側弁座81に固定する固定具としてのネジ56を有する。
吸気弁装置70及び排気弁装置80は、それぞれ同様の構造を有する。
なお、排気側弁座81は、第2の面60bに設けられる排気側凹部83内に設けられた凹部84の底部に設けられている。これに対し、吸気側弁座71は、第1の面60aに直接、設けられている。これにより、排気側流通路52a、52bのポンプヘッド60の厚み方向における長さは、吸気側流通路42a、42bよりも短くなっている。
(弁座の構造)
まず、吸気側弁座71及び排気側弁座81の詳細について説明する。吸気側弁座71及び排気側弁座81は同一の構成を有するため、以下、これらを弁座71(81)ともいい、構成要素の括弧内の符号は、対応する排気弁装置80側の構成要素の符号を示すものとする(図5〜図7についても同様)。
図3(C)に示すように、弁座71(81)は、円形の平坦な(平面形状の)基準面711(811)と、基準面711(811)に対して鈍角の角度で傾斜する弁座面712(812)とを有する。円錐台状の凹面75(85)の底部(あるいは頂部)が基準面711(811)に対応し、側面が弁座面712(812)に対応する。
弁座面712(812)は基準面711(811)から凹面75(85)の開口端に向かって徐々に開口面積が大きくなるように構成される。
基準面711(811)の中心には、吸気弁41(排気弁51)を弁座71(81)に取り付ける際に用いるネジ46(56)を螺合するためのネジ孔(接続孔)45(55)が設けられている。ネジ46(56)は、ネジ孔45(55)に接続される螺合部と、後述する吸気弁41(排気弁51)の支持部411(511)に当接する頭部とを有する。基準面711(811)の大きさは、ネジ46(56)の頭部とほぼ同じである。吸気側流通路42a、42b(排気側流通路52a、52b)は、図4(A)、(B)に示すように、ネジ孔45(55)と同心的な円弧形状を有する。
弁座面712(812)は、後述する吸気弁41(排気弁51)の弁部412(512)と密接可能に形成される。弁部412(512)は、弁座面712(812)に設けられた吸気側流通路42a、42b(排気側流通路52a、52b)に対向し、弁部412(512)が弾性変形することによって、吸気側流通路42a、42b(排気側流通路52a、52b)を開閉する。
第1の面60a側に形成される弁座面712のポンプヘッド60の厚み方向(Z軸方向)の高さ(あるいは深さ)は、吸気弁41を固定するネジ46の頭部が突出しないように、設定される。後述するデッドスペースの削減の観点から、ネジ46には、頭部が低い低頭ネジを用いることが好ましい。
(弁体の構造)
吸気弁41と排気弁51とは同じ構造を有する。
図5は、ベース部材600に取り付ける前の(自然状態の)吸気弁41(排気弁51)の平面図である。図6は、ベース部材600に取り付けたときの吸気弁41(排気弁51)の斜視図である。
図5に示すように、ポンプヘッド60に取り付けられる前の吸気弁41(排気弁51)は、平坦な形状を有する板材で形成されており、平面形状が略円形となっている。
吸気弁41(排気弁51)は、当該吸気弁41(排気弁51)の中心に位置する支持部411(511)と、支持部411(511)を囲むように位置する弁部412(512)と、を有する。図5では、支持部411(511)を点線で囲んで示している。
支持部411(511)は、吸気弁41(排気弁51)が弁座71(81)に取り付けられたときにネジ46(56)によって、吸気側弁座71(排気側弁座81)の基準面711(811)に固定される。
また、支持部411(511)の中心には、ネジ46(56)が通る貫通孔415(515)が設けられている。
弁部412(512)は、支持部411(511)の外側から吸気弁41(排気弁51)の周縁部414(514)に向かって径方向に延在して切り欠けられてなるスリット413(513)を有する。スリット413(513)は2つ設けられ、これらは支持部411(511)を介して対向配置される。スリット413(513)は、支持部411(511)までは達していない。
スリット413(513)は、ほぼ鋭角扇状の鋭角扇状部4131(5131)と、円形状の拡幅部4132(5132)とが連なった形状を有する。
鋭角扇状部4131(5131)は、周縁部414(514)から中心に向かって、スリット413(513)が延在する方向と直交する方向における幅が漸次狭くなる形状を有する。
拡幅部4132(5132)は、鋭角扇状部4131(5131)の支持部411(511)に近い端部に連なって設けられる。拡幅部4132(5132)が設けられることにより、スリット413(513)は、スリット413(513)が延在する方向と直交する方向のスリット幅が、支持部411(511)に近い端部で広くなるように構成される。
2つのスリット413(513)により、弁部412(512)は、2つの略鈍角扇状の扇状弁部412a(512a)、412b(512b)とに分けられる。
ベース部材600への吸気弁41(排気弁51)の取り付けは、吸気弁41(排気弁51)の支持部411(511)を弁座71(81)に押し付けながらネジ46(56)で固定することにより行われる。これにより、弁部412(512)は、吸気側弁座71(排気側弁座81)の弁座面712(812)に沿って変形し、図6に示すような円錐台状となる。
ベース部材600への吸気弁41(排気弁51)の取り付けの際、吸気弁41(排気弁51)にはスリット413(513)が設けられているので、吸気弁41(排気弁51)の歪みの発生が抑制されて、弁座面712(812)に吸気弁41(排気弁51)を密接させることができる。これにより、吸気弁41(排気弁51)のシール性を向上させることができる。
図6に示すように、吸気弁41(排気弁51)は、ポンプヘッド60に取り付けられた状態では、支持部411(511)を頂部とし、弁部412(512)を側面とする略円錐台状を形成する。弁部412(512)は支持部411(511)に対して鈍角に傾斜する。
図5及び図6に示すように、吸気弁41(排気弁51)は、ベース部材600の略円錐台状の凹面75(85)を形成する吸気側弁座71(排気側弁座81)に取り付けられることにより、スリット413(513)の開き具合が、取り付け前よりも小さくなるように変形する。
弁部412(512)は、閉位置で、弁座面712(812)に接して、吸気側流通路42a、42b(排気側流通路52a、52b)をふさぐ。また、弁部412(512)は、開位置で、弁座面712(812)から離れるように変形し、吸気側流通路42a、42b(排気側流通路52a、52b)を開放する。
このように、弁部412(512)は、吸気弁41(排気弁51)の開閉動作で繰り返し変形するため、スリット413(513)の支持部411(511)に近い端部に応力がかかりやすい。本実施形態では、スリット413(513)の支持部411(511)に近い端部に拡幅部4132(5132)が設けられているので、応力が一点に集中することがなく分散される。これにより、スリット413(513)の端部を起点として弁部412(512)が割けてしまうことが抑制され、吸気弁41(排気弁51)の耐久性が向上する。
吸気弁41(排気弁51)には、ポンプヘッド60への取り付けで平坦な形態から円錐台状の形態に変形することにより、応力がかかる。詳細については後述するが、ポンプヘッド60に取り付けたときに、吸気弁41(排気弁51)に曲げ応力がかかるように吸気弁41(排気弁51)が設けられることが望ましい。
吸気弁41(排気弁51)には、ポンプヘッド60に取り付けたときに、吸気弁41(排気弁51)に適切な曲げ応力を与えることができる弾性材料を用いることが好ましく、フッ素樹脂等の樹脂系材料、ゴム系材料、金属系材料等を用いることができる。また吸気弁41(排気弁51)の厚みは、弁の開閉動作が可能で、適切な曲げ応力を吸気弁41(排気弁51)に与えることができるように、適宜設定される。本実施形態では、一例として、厚さ0.4mmのフッ素樹脂からなる吸気弁41(排気弁51)を用いた。
(流通路の形状、配置位置)
図7は、ポンプヘッド60における吸気側流通路42a、42b(排気側流通路52a、52b)と吸気弁41(排気弁51)との位置関係を説明するための上面図である。
図7に示すように、吸気弁41(排気弁51)は、閉位置において、扇状弁部412a(512a)が吸気側流通路42a(排気側流通路52a)を、扇状弁部412b(512b)が吸気側流通路42b(排気側流通路52b)を覆うように配置される。吸気弁41(排気弁51)は、スリット413(513)と吸気側流通路42a(排気側流通路52a)とが重ならないように配置される。
本実施形態では、複数の扇状弁部が複数の流通路(通気孔)に個々に対応して配置される。つまり、1つの扇状弁部に対し1つの流通路が配置される。
尚、本実施形態のように、1つの扇状弁部に対して1つの流通路を設ける構成の他、1つの扇状弁部に対して複数の流通路を設ける構成としてもよい。しかしながら、弁座面における流通路が占める総面積が同じ場合、1つの扇状弁部に対して1つの流通路を設ける構成とした方が、複数の流通路を設ける構成よりも、弁座面の面積を小さくすることができる。これにより、後述するデッドスペース90の体積をより小さくすることができる。
本実施形態では、扇状弁部の数は、弁部に設けられるスリットの数と同じである。従って、上記のような弁部保持面の小面積化には、流通路の数をスリットの数と同じとすることが好ましい。
(弁装置の動作)
次に、本実施形態における吸気弁41、排気弁51の動きについて説明する。
図8は、本実施形態におけるポンプヘッド60の吸気弁装置70の部分断面図であり、吸気弁41の開閉機構を説明するための図である。図8(A)は閉位置での部分断面図、図8(B)は開位置での部分断面図である。
尚、排気弁装置80では、排気弁51は、ポンプヘッド60の第2の面60b側に設けられる。排気弁装置80は、図8に示す吸気弁装置70を反転させた構造を有する。
ダイアフラム61が上死点に達した状態では、ポンプ室66が吸気室72及び排気室82より高圧となる。このような状態では、図8(A)に示すように、吸気弁41の弁部412は、弁座面712に密接し、吸気側流通路42a、42bを閉じる(閉弁状態)。また、この状態では、ポンプ室66から排気側流通路52a、52bを通って排気室82へ流れる気体により、排気弁51の弁部512は、弁座面812から離れるように押し上げられて変形し、排気側流通路52a、52bを開く(開弁状態)。
これにより、ポンプ室66から排気室82を介して排気管15に気体が吐出される。
ダイアフラム61が下死点に達した状態では、ポンプ室66が吸気室72及び排気室82より低圧となる。この状態では、図8(B)に示すように、吸気室72から吸気側流通路42a、42bを通ってポンプ室66へ流れる気体により、吸気弁41の弁部412は、弁座面712から離れるように押し下げられて変形する。これにより、吸気側流通路42a、42bが開く(開弁状態)。また、この状態では、排気弁51の弁部512は、弁座面812に密接し、排気側流通路52a、52bが閉じる(閉弁状態)。
これにより、接続管13から吸気室72内へ気体が吸入される。
(作用、効果の説明)
本実施形態においては、上述のように、基準面と、当該基準面に対して鈍角の範囲で傾斜する弁座面を有する凹面を形成する弁座が設けられることにより、デッドスペースを減少させることができ、ポンプ装置1の圧縮比を高めることができる。デッドスペースは、ポンプ装置1において、ダイアフラム61が上死点にあるとき、気体が残るスペースである。
以下、比較例を交えて、デッドスペースについて説明する。
図9は、本実施形態のポンプヘッド60における吸気弁装置70側のデッドスペース90の領域を説明する図であり、(A)はポンプヘッド60の吸気弁装置70側の部分拡大断面図、(B)はデッドスペース90の平面領域を示す図である。
図10は、第1の比較例として、吸気弁に舌弁302を用いたポンプヘッド361におけるデッドスペース91の領域を説明する図であり、(A)はポンプヘッド361の部分拡大断面図、(B)はデッドスペース91の平面領域を示す図である。
図11は、第2の比較例として、吸気弁に円形弁312を用いたポンプヘッド362におけるデッドスペース92の領域を説明する図であり、(A)はポンプヘッド362の部分拡大断面図、(B)はデッドスペース92の平面領域を示す図である。
図9〜図11において、ポンプヘッドにおけるデッドスペースの領域は、ドットで(グレーにして)示している。
本実施形態においては、図9に示すように、吸気弁41を収容する円錐台状の凹面75の領域がデッドスペース90となる。
図10に示す第1の比較例では、ポンプ装置に組み込んだときにポンプヘッド361のダイアフラム61側に位置する第1の面360aに直柱体状の凹部304が設けられている。凹部304は、舌弁302を収容する。
舌弁302は平面が矩形状の薄い板状を有する。凹部304を構成する平坦な底面が弁座305となる。舌弁302の一端は、弁座305にネジ303によって固定される。舌弁302の他端は自由端であり、弁座305に設けられる吸気側流通路301を覆うように配置される。
第1の比較例におけるポンプヘッド361では、デッドスペース91は、直柱体状の凹部304の領域である。デッドスペース91の体積は、舌弁302の平面面積に凹部304の高さ(ポンプヘッド361の厚み方向における寸法)を乗じたものとほぼ同じである。凹部304の高さは、舌弁302及びネジ303の頭部303aがポンプヘッド361により形成される空間よりも外側に出ないように設定されるため、デッドスペース91の高さはある程度の高さが必要となる。
第1の比較例のように弁体を収容する凹部が直柱体状の場合と比べて、弁体の平面面積が等しい場合、本実施形態のように錐台状とした方が、デッドスペースの体積を小さくすることができる。
続いて、図11に示す第2の比較例では、ポンプヘッド362とポンプヘッドカバー313との間に、円形弁312を収容し、円形弁312が上下方向に移動可能な空間309が形成されている。更に、ポンプヘッド362には、空間309と主室(ポンプ室)との間を移動する気体の流路307が設けられている。空間309内では、図面上、円形弁312の下側に気体が流入できるように傾斜面308が設けられている。
ポンプヘッド362には、円形弁312を位置決めする位置決めピン306が設けられている。円形弁312の中心には位置決めピン306が貫通しており、円形弁312は、位置決めピン306に沿って上下に移動可能となっている。閉位置で、円形弁312はポンプヘッド362に設けられる平坦な弁座305に設けられる吸気側流通路301を覆うように配置される。
第2の比較例におけるポンプヘッド362では、デッドスペース92は、空間309と流路307の領域である。空間309の高さは、円形弁312の上下の移動分、傾斜面308の設置分を考慮して決められるため、空間309はある程度の高さが必要となる。また、空間309の大きさは円形弁312の大きさにも依存する。
第2の比較例に対して、本実施形態においては、円形弁312の下を気体が通るように傾斜面308を設ける必要がない。これにより、本実施形態では、第2の比較例と比較して、デッドスペース90の体積を小さくすることができる。
次に、本実施形態のポンプヘッド60を搭載したポンプ装置1におけるデッドスペースが、従来のポンプ装置と比較してどの程度削減できたかを図12及び図13を用いて説明する。図12及び図13において、ポンプヘッドにおけるデッドスペースの領域は、ドットで(グレーにして)示しており、主室661(ポンプ室)におけるデッドスペースにはドットをいれていない(グレーにして示していない)。
図12は、上述した本実施形態に係るポンプ装置1と同様の構造を有するポンプ装置1Aの部分断面図である。ポンプ装置1Aは、アルバック社製のダイアフラム型ドライ真空ポンプ 型式DA−121Dに搭載されるポンプヘッドを、本実施形態に係るポンプヘッド60に置き換えたものに相当する。
図13は、第3の比較例としてのポンプ装置310の部分断面図である。第3の比較例のポンプ装置310として、アルバック社製のダイアフラム型ドライ真空ポンプ、型式DA−121Dに対応する構成を有する。
図12に示すポンプ装置1Aと図13に示すポンプ装置310とは、ポンプヘッドの形状が異なる点で相違する。図13において、図12と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。
図13に示すように、第3の比較例におけるポンプ装置310のポンプヘッド363は、第2の比較例と同様な弁構造を有する。ポンプヘッド363は、ダイアフラム61側に位置する第1の面360aと、当該第1の面360aとは反対側の第2の面360bとを有する。ポンプヘッド363の吸気弁装置370及び排気弁装置380それぞれに用いられる円形弁314は、いずれもポンプヘッド363の第2の面360b側に配置される。
吸気弁装置370では、第2の面360b側に円形弁314を収容する凹部371が設けられている。当該凹部371は、その中心から周縁部に向かって漸次的に凹部の深さが深くなっていく傾斜面を有する。吸気弁装置370における円形弁314は、開位置で、弁部が凹部371内に位置するように動く。凹部371は吸気側流通路340と連通している。
排気弁装置380では、平坦な第2の面360bに円形弁314が配置され、当該円形弁314に対応して排気側流通路350が設けられている。図示は省略するが、排気弁装置380には、円形弁314の図において直上位置に、上述した凹部371に対応する形状の凸部を有するポンプヘッドカバーが設けられている。
図13に示す第3の比較例におけるポンプヘッド363では、凹部371と、吸気側流通路340と、排気側流通路350の領域がデッドスペース93となる。
これに対し、本実施形態のポンプ装置1Aのポンプヘッド60では、図12に示すように、円錐台状の凹面75と、排気側流通路52a、52bの領域がデッドスペース90となる。
本実施形態のポンプヘッド60では、吸気弁装置70において、吸気弁41を第1の面60a側に配置することにより吸気側流通路分のデッドスペースを削減することができる。
更に、第1の面60a側に吸気弁41を収容する凹面75が設けられるので、吸気弁41が閉弁時において凹面75により形成される空間外に突出することがない。従って、凹面75を設けず第1の面60aに吸気弁を配置する場合と比較して、本実施形態では、上死点のダイアフラム61の位置をよりポンプヘッド60に近づけることができ、ポンプ室66の一部を構成する主室661におけるデッドスペースを削減することができる。
そのうえ、弁座71を形成する凹面75は、基準面711から開口端に向かって開口面積が漸次大きくなるように基準面711に対して鈍角に傾斜する弁座面712を有している。これにより、図10に示すような直柱体状の凹部を設ける場合と比較して、凹部の体積を小さくすることができ、よりデッドスペースの体積を削減することができる。
また、本実施形態のポンプヘッド60では、排気弁装置80において、上述したように、排気側凹部83の底部に排気側弁座81が設けられているので、排気側流通路52a、52bのポンプヘッド60の厚さ方向における長さは、吸気側流通路42a、42bよりも短くなっている。
従って、排気側流通路52a,52bによるデッドスペース90の体積を、図13に示す第3の比較例における排気弁装置380の排気側流通路350によるデッドスペース93よりも削減することができる。
また、上述のように、吸気弁41(排気弁51)に対応する流通路の数をスリットの数と同じとすることにより、弁座面の小面積化が可能となり、デッドスペース90の体積を削減することができる。
図13に示す第3の比較例のポンプ装置310では、デッドスペース93は、4912,949mmであった。これに対し、図12に示す本実施形態のポンプ装置1Aでは、デッドスペース90は、883,718mmであった。このように、本実施形態のポンプ装置1Aは、第3の比較例におけるポンプ装置310よりも、デッドスペース90の体積を約82%と大幅に削減することができた。
このように、デッドスペース90の体積を小さくすることにより、ダイアフラム61の移動容量に対してデッドスペース90をより小さくすることができるので、ポンプ装置1Aの圧縮比を高めることができる。圧縮比は、ポンプヘッド60内部の総容量をV、ダイアフラム61の実際移動容量をV´とすると、V/(V−V´)で表される。
そして、圧縮比が高まることにより、高流量を得ることができる。これにより、開位置から閉位置への弁体の戻りが早くなり、弁体のシール性が向上し、到達圧力を低くすることが可能となる。
また、上述したように、吸気弁41(排気弁51)は、ポンプヘッド60に取り付けられている状態で、応力がかかるように設けられることが望ましい。これにより、弁体(吸気弁41、排気弁51)のシール性を向上させることができる。以下、説明する。
まず、図14及び図15を用いて、上述の第1の比較例のような舌弁を用いる場合と第2の比較例のような円形弁を用いる場合について説明する。
図14は吸気弁としての舌弁302の開閉について説明する図であり、(A)は閉位置のとき、(B)は開位置のときをそれぞれ示す。図14は上述した図10に相当し、同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。
図14(B)に示すように、開位置では、図示しない吸気室から吸気側流通路301を介してポンプ室に流れる気体により、舌弁302の他端は気体の進む方向に押されて弁座305から離れるように移動し、舌弁302が開く。
舌弁302は、鋼等のバネ応力が比較的強い材料で構成されており、開位置から閉位置への移動は、舌弁302自体のバネ応力に依存する。このため、例えば、吸気側機構においては、ダイアフラム61が下死点に到達する前にバネ応力により舌弁302が閉位置に戻りやすく、十分に吸気される前に弁が閉じてしまうことになる。
図15は吸気弁としての円形弁の開閉について説明する図であり、(A)は閉位置のとき、(B)は開位置のときをそれぞれ示す。図15は上述した図11に相当し、同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する場合がある
図15(B)に示すように、開位置では、吸気室から吸気側流通路301を介してポンプ室に流れる気体により、円形弁312は気体の進む方向に押されて弁座305から離れるように移動し、円形弁312が開く。
図15に示す円形弁312を用いる弁装置では、気体移送時に弁の表裏にかかる圧力差により弁の開閉が行なわれる。つまり、円形弁312の開位置から閉位置への移動は、ポンプ室と大気との差圧に依存する。円形弁312には、金属以外の樹脂等が用いられる。このように、図15に示す弁装置では、差圧で円形弁の開閉が行われるので、圧縮比を大きくできず、円形弁が開位置から閉位置に戻りにくい。
これら比較例に対し、本実施形態の弁装置では、吸気弁41、排気弁51の開位置から閉位置への移動は、ポンプ室と大気の差圧と、吸気弁41、排気弁51にかかる応力と、の両方に依存する。これにより、上述の2つの比較例と比べて、効率よく吸気弁41(排気弁51)のシール性を向上させることができる。
すなわち、上述したように、吸気弁41(排気弁51)は、ポンプヘッド60に取り付けられた状態で応力がかかった状態にあり、取り付け前の平坦な状態に戻ろうとする力が働く。吸気弁41(排気弁51)は、閉位置で応力がかかった状態にあり、開位置では、閉位置のときよりも更に応力がかかった状態となる。
このように、吸気弁41(排気弁51)は、開位置で、閉位置のときよりも応力がかかった状態となっているので、開位置から閉位置へ吸気弁41(排気弁51)は戻りやすくなっており、到達圧力を低くすることができる。
更に、吸気弁41(排気弁51)は、閉位置で応力がかかった状態にあるので、閉位置で、弁部412(512)は、吸気側弁座71(排気側弁座81)に向かって押し付けられ、吸気弁41(排気弁51)のシール性が向上し、到達圧力を低くすることができる。
更に、本実施形態においては、吸気弁41、排気弁51の開位置から閉位置への移動は、吸気弁41、排気弁51にかかる応力に加え、ポンプ室と大気との差圧にも依存するので、よりシール性が向上し、到達圧力を低くすることができる。
以上のように、デッドスペースの体積削減に加えて、応力がかかった状態の弁体(吸気弁41、排気弁51)を用いて弁装置が構成されることにより、弁体のシール性をより向上させることができ、到達圧力を低くすることができる。
また、本実施形態のポンプヘッド60では、吸気側弁座71(排気側弁座81)において、シール面となる弁座面712(812)が基準面711(811)に対して鈍角に傾斜しているため、弁座が平坦な場合と比較して、ポンプ作動時の弁部が持ち上がり戻るまでの距離(リフトストローク)を小さくすることができる。これにより、弁体の戻りが早くなり、弁体のシール性が向上し、到達圧力を低くすることが可能となる。
[実施例]
本実施形態に係るポンプヘッド60を搭載したポンプ装置の到達圧力の測定結果を、従来品のポンプ装置での測定結果とともに表1に示す。
下記表1において、従来品の1段圧縮構造のポンプ装置として、アルバック社製のダイアフラム型ドライ真空ポンプ 型式DA−241Sを用意した。
本実施形態におけるポンプヘッド60を搭載した1段圧縮構造のポンプ装置として、アルバック社製のダイアフラム型ドライ真空ポンプ 型式DA−241Sのポンプヘッドを、本実施形態に係るポンプヘッド60に置き換えたものを用意した。
従来品の2段圧縮構造のポンプ装置として、アルバック社製のダイアフラム型ドライ真空ポンプ 型式DA−121Dを用意した。
本実施形態におけるポンプヘッド60を搭載した2段圧縮構造のポンプ装置として、アルバック社製のダイアフラム型ドライ真空ポンプ 型式DA−121Dのポンプヘッドを、本実施形態に係るポンプヘッド60に置き換えたものを用意した。
いずれの装置においても、モータMの電源周波数を50Hzとしたときと60Hzとしたときそれぞれにおける到達圧力を測定した。
Figure 0006821025
表1に示すように、本実施形態に係るポンプヘッド60を用いることにより、従来品と比較して到達圧力を低くすることができた。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
例えば、以上の実施形態においては、円錐台状の凹面を形成する弁座を例にあげたが、形状はこれに限定されない。基準面に対して鈍角に傾斜する弁座面を有する形状であればよく、例えば円錐状、角錐状、角錐台状の凹面を形成する弁座であってもよい。このような構成においても、弁体にはスリットが設けられているので、弁体の歪みの発生を抑制して弁座面に弁体を沿わせることができる。
また、以上の実施形態では、本発明に係る弁装置及びポンプヘッドをダイアフラムポンプに適用した例を説明したが、これに限られず、ピストンポンプ等の他のポンプ装置における弁装置あるいはポンプヘッドにも適用可能である。
さらに、本発明に係る弁装置は、吸排気用の弁装置に限られず、逆止機能を有する汎用の開閉弁にも同様に適用可能である。
1,1A…ポンプ装置
41…吸気弁(弁体、吸気側弁体)
42a、42b…吸気側流通路(流通路)
46、56…ネジ
51…排気弁(弁体、排気側弁体)
52a、52b…排気側流通路(流通路)
60…ポンプヘッド
60a…第1の面
60b…第2の面
61…ダイアフラム(往復動ヘッド)
66…ポンプ室
71…吸気側弁座(弁座)
75、85…凹面
81…排気側弁座(弁座)
411、511…支持部
412、512…弁部
413、513…スリット
414、514…周縁部
600…ベース部材
711、811…基準面
712、812…弁座面
M…モータ

Claims (6)

  1. 体積可変のポンプ室を有するポンプ装置におけるポンプヘッドに設けられる弁装置であって、
    前記ポンプヘッドの前記ポンプ室に対向する第1の面に設けられ、接続孔が形成された底部を有し、前記接続孔の周囲に前記ポンプヘッドを貫通する複数の通気孔が形成された錐体状の凹面からなる弁座と、
    前記底部に対向する支持部と、前記支持部の外側から径方向に延びる複数のスリットを有し前記複数の通気孔に対向する弾性変形可能な複数の弁部と、を有する弁部材と、
    前記接続孔に接続され、前記支持部を前記弁座に固定する固定具と
    を具備する弁装置。
  2. 請求項1に記載の弁装置であって、
    前記弁部材は、合成樹脂材料で構成された円形の板材で構成され、
    前記複数の弁部は、前記複数の通気孔に個々に対応して配置される
    弁装置。
  3. 請求項2に記載の弁装置であって、
    前記複数の通気孔は、前記接続孔と同心的な円弧形状を有する
    弁装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1つに記載の弁装置であって、
    前記複数のスリットは、前記支持部側の端部に拡幅部を有する
    弁装置。
  5. 体積可変のポンプ室を有するポンプ本体を備えたポンプ装置におけるポンプヘッドであって、
    前記ポンプ室に対向する第1の面と、前記第1の面とは反対側の第2の面とを有する、前記ポンプ本体に固定されたベース部材と、
    前記第1の面に設けられた吸気弁装置と、
    前記第2の面に設けられた排気弁装置と
    を具備し、
    前記吸気弁装置は、
    前記第1の面に設けられ、接続孔が形成された底部を有し、前記接続孔の周囲に前記ベース部材を貫通する複数の通気孔が形成された錐体状の凹面からなる弁座と、
    前記底部に対向する支持部と、前記支持部の外側から径方向に延びる複数のスリットを有し前記複数の通気孔に対向する弾性変形可能な複数の弁部と、を有する弁部材と、
    前記接続孔に接続され、前記支持部を前記弁座に固定する固定具と
    を有する
    ポンプヘッド。
  6. 体積可変のポンプ室を有するポンプ本体と、
    前記ポンプ室に対向する第1の面と、前記第1の面とは反対に配置された第2の面と、を有する、前記ポンプ本体に固定されたベース部材と、
    前記第1の面に設けられた吸気弁装置と、
    前記第2の面に設けられた排気弁装置と
    を具備し、
    前記吸気弁装置は、
    前記第1の面に設けられ、接続孔が形成された底部を有し、前記接続孔の周囲に前記ベース部材を貫通する複数の通気孔が形成された、錐体状の凹面からなる弁座と、
    前記底部に対向する支持部と、前記支持部の外側から径方向に延びる複数のスリットを有し前記複数の通気孔に対向する弾性変形可能な複数の弁部と、を有する弁部材と、
    前記接続孔に接続され、前記支持部を前記弁座に固定する固定具と
    を有する
    ポンプ装置。
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