JP6941366B2 - ダイアフラムポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ダイアフラムが揺動することにより流体を移送するダイアフラムポンプに関するものである。

従来より、流体を移送するためのポンプとしてダイアフラムポンプが知られている。このダイアフラムポンプは、ポンプヘッドと、ポンプヘッドの内部に設けられた可撓性のダイアフラムと、ダイアフラムに接続された駆動機構と、ポンプヘッドの内部においてダイアフラムにより区画されたポンプ室とを備え、駆動機構によりダイアフラムが厚み方向に往復運動するのに伴って、ポンプ室の圧力を変化させて流体を移送する（例えば、特許文献１参照）。

ところが、従来のダイアフラムポンプの多くは、ダイアフラムが平板状に形成されているため、ダイアフラムがポンプ室側に膨らむごとに、ダイアフラムに対して径方向に大きな引張力が生じることにより引き伸ばされてしまい、ダイアフラムが短期間で劣化するという問題があった。

そこで、このようなダイアフラムポンプに対して引張力が生じることを防止するため、図４（ｂ）に示すように、ダイアフラム１０２に厚み方向に緩やかに突出したたるみ部１０２ａが形成されたものも知られている。これによれば、図４（ａ）に示すように、ダイアフラム１０２がポンプ室１０４側に膨らむ際、ダイアフラム１０２に形成されたたるみ部１０２ａが引張力を吸収するため、ダイアフラム１０２の劣化を防止することができる。

実開平７−１４１７９号公報

しかしながら、ダイアフラム１０２が揺動する際、ダイアフラム１０２のたるみ部１０２ａが不安定な形状になる場合が多かった。具体的に説明すると、図４（ｂ）に示すように、ダイアフラム１０２の動作の下死点ではたるみ部１０２ａは所定の形状を維持した状態となっているが、図４（ｃ）に示すように、上死点ではたるみ部１０２ａが本来有する形状の影響のためにポンプ室１０４と反対側に些か湾曲した形状となり、さらにダイアフラムが揺動を繰り返していくと、図４（ｄ）に示すように、上死点において次第に大きく湾曲した形状となっていた。このため、その湾曲した形状となった部分に流体が残留した状態（デッドボリューム）Ｄが生じて、ポンプ室１０４の最大容量（圧縮前の容量）／ポンプ室の最小容量（圧縮後の容量）で表される圧縮比が小さくなるため、流体の吸引・吐出の効率が低下するという問題があった。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、ダイアフラムの劣化を防止するとともに、ポンプの圧縮比を大きくすることができ、ひいては長寿命で高性能なダイアフラムポンプを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、ポンプヘッドと、該ポンプヘッドの内部に設けられた可撓性のダイアフラムと、該ダイアフラムに接続された駆動機構と、前記ポンプヘッドの内部において前記ダイアフラムにより区画されたポンプ室とを備え、前記駆動機構により前記ダイアフラムが厚み方向に往復運動するのに伴って、前記ポンプ室の圧力を変化させて流体を移送するダイアフラムポンプであって、前記ダイアフラムは、外周部において厚み方向に突出する山型部が形成され、周端部が前記ポンプヘッドに固定されるとともに、中央部に前記駆動機構が接続され、前記駆動機構により前記ダイアフラムが厚み方向に往復運動する際、前記山型部における頂点部の径方向外側の第１の傾斜部が傾斜状態を維持しながら、前記山型部における頂点部の径方向内側の第２の傾斜部が頂点部を支点として揺動することを特徴とする。

これによれば、ダイアフラムの山型部の第１の傾斜部が傾斜状態を維持しながら、第２の傾斜部が頂点部を支点として揺動することによって、ダイアフラムに引張力がほとんど発生しないため、ダイアフラムが径方向に伸びることを防止することができる。このため、ダイアフラムの劣化を防止することができる。

また、ダイアフラムの山型部の第１の傾斜部が傾斜状態を維持しながら、第２の傾斜部が頂点部を支点として揺動することによって、ダイアフラムの外周部において不必要な変形が生じにくくなるため、ダイアフラムの外周部においてデッドボリュームが生じることを防止または軽減することができる。このため、ポンプ室の最大容量（圧縮前の容量）／ポンプ室の最小容量（圧縮後の容量）で表される圧縮比を大きくすることができる。

また、前記ポンプヘッドは、前記ダイアフラムの前記山型部の第１の傾斜部の傾斜状態を維持するための支持部材が設けられてもよい。これによれば、ダイアフラムの山型部の第１の傾斜部の傾斜状態を確実に維持するため、第２の傾斜部が頂点部を支点として安定して揺動することができる。

また、前記駆動機構は、前記ダイアフラムを支承する支承部材が設けられ、該支承部材は、前記ダイアフラムの前記山型部を除く部分を常時支承するとともに、前記山型部の第２の傾斜部を前記ダイアフラムの動作の上死点では支承する一方、前記ダイアフラムの動作の下死点では離間してもよい。これによれば、第２の傾斜部が頂点部を支点として安定して揺動することができる。

また、前記ダイアフラムと前記支承部材の間に支承側緩衝材が設けられ、該支承側緩衝材は、前記支承部材の周端面より径方向外側に延びる態様で設けられてもよい。これによれば、支承部材がダイアフラムに接触することを防止するとともに、ポンプヘッドの内壁に接触することを防止して、ダイアフラムの劣化を軽減することができる。

また、前記駆動機構は、前記ダイアフラムを抑える抑え部材が設けられるとともに、前記ダイアフラムと前記抑え部材の間に抑え側緩衝材が設けられ、該抑え側緩衝材は、前記抑え部材の周端面より径方向外側に延びる態様で設けられてもよい。これによれば、抑え部材がダイアフラムに接触することを防止して、ダイアフラムの劣化を軽減することができる。

また、前記ダイアフラムは、ポリテトラフルオロエチレンからなってもよい。これによれば、ダイアフラムの山型部の第１の傾斜部および第２の傾斜部にある程度の剛性を生じさせながら、厚み方向に柔軟に変形することができる。

また、前記支承側緩衝材および／または抑え側緩衝材は、ポリテトラフルオロエチレンからなってもよい。ダイアフラムと緩衝材を同じ材質とした場合、ダイアフラムと緩衝材の間において径方向に適度な滑りが生じるため、ダイアフラムがスムーズに変形することができる。

これによれば、ダイアフラムの山型部の第１の傾斜部が傾斜状態を維持しながら、第２の傾斜部が頂点部を支点として揺動することによって、ダイアフラムに引張力がほとんど発生しないため、ダイアフラムが径方向に伸びることを防止することができる。このため、ダイアフラムの劣化を防止することができ、ひいてはダイアフラムポンプの製品寿命を延ばすことが可能となる。

また、ダイアフラムの山型部の第１の傾斜部が傾斜状態を維持しながら、第２の傾斜部が頂点部を支点として揺動することによって、ダイアフラムの外周部において不必要な変形が生じにくくなるため、ダイアフラムの外周部においてデッドボリュームが生じることを防止または軽減することができる。このため、ポンプ室の最大容量（圧縮前の容量）／ポンプ室の最小容量（圧縮後の容量）で表される圧縮比を大きくすることができ、ひいてはダイアフラムポンプの性能を向上させることが可能となる。

ダイアフラムポンプの正面視断面図である。 図１のダイアフラムの要部を拡大した正面視断面図である。 図１のダイアフラムの（ａ）上死点の状態、（ｂ）下死点の状態を示す正面視断面図である。 従来のダイアフラムポンプを示す正面視断面図である。

次に、本発明に係るダイアフラムポンプ（以下、本ポンプという）の実施形態について図１〜図３を参照しつつ説明する。なお、本明細書において、「上」とは図１に相対した場合の上側をいい、「下」とは図１に相対した場合の下側をいう。

本ポンプは、ポンプヘッド１と、ポンプヘッド１の内部に設けられたダイアフラム２と、ダイアフラム２に接続された駆動機構３と、ダイアフラム２により区画されたポンプ室４とを備え、駆動機構３によりダイアフラム２が厚み方向に往復運動することにより、ポンプ室４の圧力を変化させて流体を移送する。

前記ポンプヘッド１は、図１に示すように、内部空間の上面に横断面円形のドーム状の凹部１１が設けられている。このポンプヘッド１は、凹部１１を覆う態様でダイアフラム２が設けられ、凹部１１を上壁とし、かつダイアフラム２を底壁とするポンプ室４が形成される。また、凹部１１の中央部には、流体が流通する流通口１２が設けられている。

また、前記ポンプヘッド１は、内部空間の側壁部にダイアフラム２の周端部２ｃを固定するダイアフラム固定部１３が設けられている。このダイアフラム固定部１３は、ダイアフラム２の表面側に設けられた第１の固定部１３ａと、ダイアフラム２の側面側に設けられた第２の固定部１３ｂと、ダイアフラム２の裏面側に設けられた第３の固定部１３ｃとを備え、これら第１〜３の固定部１３ａ、１３ｂ、１３ｃにより、ダイアフラム２の周端部２ｃが、表面側、裏面側、側面から囲まれる態様で固定されている。これにより、ダイアフラム２が厚み方向に往復運動する際に、周端部２ｃからポンプ室４の内部に外気が入り込み、あるいは周端部２ｃからポンプ室４の外部に流体が漏れ出ることを防止することができる。

なお、前記第３の固定部１３ｃの近傍には、下方に突出した突起１４が設けられており、該突起１４がダイアフラム２の端部を下方に押圧している。これにより、ダイアフラム２の周端部２ｃからポンプ室４の内部に外気が入り込み、あるいは周端部２ｃからポンプ室４の外部に流体が漏れ出ることをより確実に防止している。

前記ダイアフラム２は、ポリテトラフルオロエチレン（登録商標：テフロン）で形成された平面視円形の可撓性の薄膜状部材であり、厚み方向に柔軟に変形可能に設けられている。

また、前記ダイアフラム２は、上側に抑え部材としての上側ホルダ３３が設けられ、下側に支承部材としての下側ホルダ３４が設けられている。この上側ホルダ３３および下側ホルダ３４は、合成樹脂で形成された略円盤状部材であり、ダイアフラム２を上下方向から挟持している。なお、上側ホルダ３３は、上面がポンプヘッド１の凹部１１の内面に沿う形状に形成されている。

特に本実施形態では、図３に示すように、上側ホルダ３３は、ダイアフラム２との間にポリテトラフルオロエチレン（登録商標：テフロン）からなる緩衝材３５が設けられている。この緩衝材３５は、上側ホルダ３３の周端面より径方向外側に延びる態様で設けられているため、上側ホルダ３３がダイアフラム２に接触することを防止して、ダイアフラム２の劣化を軽減することができる。

また、図３に示すように、下側ホルダ３４は、上側ホルダ３３より径方向に長く形成されており、ダイアフラム２の山型部２１分を除く下面を常時支承するとともに、山型部２１の第２の傾斜部２１３をダイアフラム２の動作の上死点では支承する一方、下死点では離間するようになっている。これにより第２の傾斜部２１３が頂点部２１１を支点として安定して揺動することができる。

また、図３に示すように、下側ホルダ３４は、ダイアフラム２との間にポリテトラフルオロエチレン（登録商標：テフロン）からなる緩衝材３６が設けられている。この緩衝材３６は、下側ホルダ３４の周端面より径方向外側に延びる態様で設けられているため、下側ホルダ３４が、ダイアフラム２に接触することを防止するとともに、ポンプヘッド１の内壁に接触することを防止して、ダイアフラム２の劣化を軽減することができる。

また、前記ダイアフラム２は、中央部２ａが上側ホルダ３３および下側ホルダ３４を介して駆動機構３のコネクティングロッド３１に接続されている。このため、ダイアフラム２は、駆動機構３により厚み方向に往復運動を行うことによって、ポンプ室４の圧力を変化させて、流通口１２を介して流体を移送する。具体的には、駆動機構３によりダイアフラム２が下方に移動すると、ポンプ室４の容積が増大して負圧が発生し、流体が流通口１２を介してポンプ室４に吸引される。一方、駆動機構３によりダイアフラム２が上方に移動すると、ポンプ室４Ｃの容積が減少して正圧が発生し、流体がポンプ室４から流通口１２を介して吐出される。

また、前記ダイアフラム２は、図３に示すように、中央部２ａが上側ホルダ３３および下側ホルダ３４に挟持されることにより平坦に形成されている。そして、駆動機構３によりダイアフラム２が厚み方向に往復運動する際、ダイアフラム２の中央部２ａは平坦な状態を維持しながら上下に揺動する。

また、前記ダイアフラム２は、図３（ｂ）に示すように、外周部２ｂにおいてポンプ室４側に突出する態様で山型に屈曲した山型部２１が予め設けられている。この山型部２１は、中央部に位置する頂点部２１１と、ダイアフラム２の周端部２ｃから径方向内側に斜め上方に延びる態様で起立する第１の傾斜部２１２と、頂点部２１１から径方向内側に斜め下方に延びる態様で下降する第２の傾斜部２１３とを備えている。そして、駆動機構３によりダイアフラム２が厚み方向に往復運動する際、山型部２１の第１の傾斜部２１２が傾斜状態を維持しながら、山型部２１の第２の傾斜部２１３が頂点部２１１を支点として揺動するようになっている。

特に本実施形態では、ダイアフラム２の山型部２１の第１の傾斜部２１２の傾斜状態を維持するための支持部材１５が設けられている。この支持部材１５は、ダイアフラム２の山型部２１の第１の傾斜部２１２を下側を支持する下側支持部材１５ａと、第１の傾斜部２１２の上側を支持する上側支持部材１５ｂとからなり、第１の傾斜部２１２を上下方向から支持している。これによれば、第１の傾斜部２１２の傾斜状態を確実に維持することができ、第２の傾斜部２１３が頂点部２１１を支点として安定して揺動することができる。なお、支持部材１５と第１の傾斜部２１２の間は密着状態であってもよいし、所定の隙間が設けられた状態であってもよい。

前記駆動機構３は、回転軸を有する図示略のモータと、モータの回転軸に取り付けられた偏心部材３２と、偏心部材３２に設けられ、ダイアフラム２に接続されたコネクティングロッド３１とを備えている。偏心部材３２は、下端部が中心からずれた位置においてモータの回転軸に取り付けられている。コネクティングロッド３１は、偏心部材３２の中央に設けられた孔にベアリングメタルを介して挿入されており、上端部に設けられたネジによって上側ホルダ３３に接続され、上側ホルダ３３および下側ホルダ３４を介してダイアフラム２の中央部２ａに接続されている。これにより、モータの回転運動が偏心部材３２を介してコネクティングロッド３１の上下方向の往復運動に変換される。

而して、本ポンプが流体を吐出する場合、コネクティングロッド３１は、上方に移動することにより、ダイアフラム２の中央部２ａを上方に押し上げる。一方、本ポンプが流体を吸引する場合、コネクティングロッド３１は、下方に移動することにより、ダイアフラム２の中央部２ａを下方に引き下げる。

次に、本ポンプの動作について図３を参照して説明する。

本ポンプが流体を吐出する場合、図３（ｂ）の下死点の位置から、コネクティングロッド３１が上方に移動することにより、ダイアフラム２の中央部２ａを上方に押し上げる。

すると、ダイアフラム２は、中央部２ａがコネクティングロッド３１により上方に押し上げられるのに伴って、山型部２１の第１の傾斜部２１２が傾斜状態を維持しながら、山型部２１の第２の傾斜部２１３が頂点部２１１を支点として上方に揺動することによって、ダイアフラム２の中央部２ａと第２の傾斜部２１３が同一平面上に平坦に連なる断面略台形状の状態となり、図３（ａ）の上死点の位置に移行する。

このとき、上側ホルダ３３はポンプヘッド１の凹部１１の内面に近接した状態となって、ポンプ室４の容積が減少して正圧が発生し、流体がポンプ室４から流通口１２を介して吐出される。

一方、本ポンプが流体を吸引する場合、図３（ａ）の上死点の位置から、コネクティングロッド３１が下方に移動することにより、ダイアフラム２の中央部２ａを下方に引き下げる。

すると、ダイアフラム２は、中央部２ａがコネクティングロッド３１により下方に引き下げられるのに伴って、山型部２１の第１の傾斜部２１２が傾斜状態を維持しながら、山型部２１の第２の傾斜部２１３が頂点部２１１を支点として下方に揺動することによって、ダイアフラム２の中央部２ａが平坦な状態を維持する一方、第１の傾斜部２１２と第２の傾斜部２１３が元の山形の状態に戻り、図３（ｂ）の下死点の位置に移行する。

このとき、上側ホルダ３３はポンプヘッド１の凹部１１の内面から離間した状態となって、ポンプ室４の容積が増大して負圧が発生し、流体がポンプ室４に流通口１２を介して吸引される。

このように、ダイアフラム２が厚み方向の上下に往復運動する際、ダイアフラム２の山型部２１における第１の傾斜部２１２が傾斜状態を維持しながら、第２の傾斜部２１３が頂点部２１１を支点として揺動することによって、ダイアフラム２に引張力がほとんど発生しないため、径方向に伸びることを防止することができる。実際、本実施形態において、上死点と下死点でのダイアフラム２の半径を測定したところ、上死点では４５．８ｍｍ、下死点では４５．９ｍｍであり、上死点と下死点でのダイアフラム２の半径にほとんど差がないことを確認した。このため、ダイアフラム２の劣化を防止することができ、ひいては本ポンプの製品寿命を延ばすことが可能となる。

また、ダイアフラム２の山型部２１における第１の傾斜部２１２が傾斜状態を維持しながら、第２の傾斜部２１３が頂点部２１１を支点として揺動することによって、ダイアフラム２の外周部２ｂにおいて不必要な変形が生じにくくなるため、ダイアフラム２の外周部２ｂにおいてデッドボリュームが生じることを防止または軽減することができる。このため、ポンプ室４の最大容量（圧縮前の容量）／ポンプ室４の最小容量（圧縮後の容量）で表される圧縮比を大きくすることができ、ひいては本ポンプの性能を向上させることが可能となる。

なお、前記ダイアフラム２は、山型部２１が予め設けられているものとして説明したが、支持部材１５により山型部２１が事後的に設けられてもよい。

また、前記ダイアフラム２は、支持部材１５により山型部２１における第１の傾斜部２１２を上下方向から支持するものとしたが、支持部材１５の上側または下側のいずれか一方のみを支持してもよいし、あるいは支持しなくてもよい。但し、支持部材１５により山型部２１における第１の傾斜部２１２を支持しない場合、第１の傾斜部２１２の剛性を大きくするなど、ダイアフラム２の往復運動の過程において第１の傾斜部２１２の傾斜状態を維持できるような構造にするのが好ましい。

また、前記ダイアフラム２は、ポリテトラフルオロエチレンからなるものとしたが、その他の素材であってもよい。ただ、ダイアフラム２がポリテトラフルオロエチレンからなる場合、ダイアフラム２の山型部２１の第１の傾斜部２１２および第２の傾斜部２１３にある程度の剛性を生じさせながら、厚み方向に柔軟に変形することができるので好ましい。

また、前記緩衝材３５、３６は、ポリテトラフルオロエチレンからなるものとしたが、その他の素材であってもよい。ただ、ダイアフラム２と緩衝材３５、３６を同じ材質とした場合、ダイアフラム２と緩衝材３５、３６の間において径方向に適度な滑りが生じるため、ダイアフラム２がスムーズに変形することができるので好ましい。

以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、本発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

１…ポンプヘッド
１１…凹部
１２…流通口
１３…ダイアフラム固定部
１３ａ…第１の固定部
１３ｂ…第２の固定部
１３ｃ…第３の固定部
１４…突起部
１５…支持部材
１５ａ…下側支持部材
１５ｂ…上側支持部材
２…ダイアフラム
２ａ…中央部
２ｂ…外周部
２ｃ…周端部
２１…山型部
２１１…頂点部
２１２…第１の傾斜部
２１３…第２の傾斜部
３…駆動機構
３１…コネクティングロッド
３２…偏心部材
３３…上側ホルダ
３４…下側ホルダ
３５、３６…緩衝材
４…ポンプ室

Claims (6)

1. ポンプヘッドと、該ポンプヘッドの内部に設けられた可撓性のダイアフラムと、該ダイアフラムに接続された駆動機構と、前記ポンプヘッドの内部において前記ダイアフラムにより区画されたポンプ室とを備え、前記駆動機構により前記ダイアフラムが厚み方向に往復運動するのに伴って、前記ポンプ室の圧力を変化させて流体を移送するダイアフラムポンプであって、
   前記ダイアフラムは、外周部において厚み方向に突出する山型部が形成され、周端部が前記ポンプヘッドに固定されるとともに、中央部に前記駆動機構が接続され、
   前記駆動機構により前記ダイアフラムが厚み方向に往復運動する際、前記山型部における頂点部の径方向外側の第１の傾斜部が傾斜状態を維持しながら、前記山型部における頂点部の径方向内側の第２の傾斜部が頂点部を支点としてダイアフラムが径方向に伸びることを防止しながら揺動し、
   前記駆動機構は、前記ダイアフラムを支承する支承部材が設けられ、
   該支承部材は、前記ダイアフラムの前記山型部を除く部分を常時支承するとともに、前記山型部の第２の傾斜部の全体を前記ダイアフラムの動作の上死点では支承する一方、前記ダイアフラムの動作の下死点では離間することを特徴とするダイアフラムポンプ。
2. 前記ポンプヘッドは、前記ダイアフラムの前記山型部の第１の傾斜部の傾斜状態を維持するための支持部材が設けられている請求項１に記載のダイアフラムポンプ。
3. 前記ダイアフラムと前記支承部材の間に支承側緩衝材が設けられ、
   該支承側緩衝材は、前記支承部材の周端面より径方向外側に延びる態様で設けられている請求項１または請求項２に記載のダイアフラムポンプ。
4. 前記駆動機構は、前記ダイアフラムを抑える抑え部材が設けられるとともに、
   前記ダイアフラムと前記抑え部材の間に抑え側緩衝材が設けられ、
   該抑え側緩衝材は、前記抑え部材の周端面より径方向外側に延びる態様で設けられている請求項３に記載のダイアフラムポンプ。
5. 前記ダイアフラムは、ポリテトラフルオロエチレンからなる請求項１から請求項４のいずれかに記載のダイアフラムポンプ。
6. 前記支承側緩衝材および／または抑え側緩衝材は、ポリテトラフルオロエチレンからなる請求項４に記載のダイアフラムポンプ。
   

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