JPWO2008090725A1 - ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

ポンプ室１５は、圧電振動子７と弁構成プレート１０との間に構成される。弁構成プレート１０には、中央部に流入口１３が、その外周部には排出口１４が開設されており、流入口１３の穴径より排出口１４の穴径の方が大きくなされている。弁構成プレート１０には、流入逆止弁１１と流出逆止弁１２が設置されており、圧電振動子７の振動に連れて流入逆止弁１１と流出逆止弁１２とが開閉することにより、ポンプ室１５への液の流入、排出が行われる。

Description

本発明は、ダイヤフラムポンプに関し、例えば電気機器および電子部品の発熱体を冷却する水冷式冷却装置に用いられる小型薄型のダイヤフラムポンプに関する。

例えば、パーソナルコンピュータなどの電子機器では、動作高速化が進展すると共に多機能化が進み、更に機器の小型化が要望されることから、従前の空冷式の冷却装置では、十分な冷却が望めなくなってきており、代って水冷式の冷却装置が採用されるようになってきている。この種の冷却装置には、圧電振動子などを用いてポンプ室の壁面を振動させ、液体の吸入・吐出を行なうダイヤフラムポンプがよく用いられる。図１１は、従来より用いられている一般的なダイヤフラムポンプの断面図である。図１１に示すように、ケーシング４０には、ポンプ室４５に通じる開口が設けらており、その開口を覆うように、流入逆止弁４１と流出逆止弁４２とが設置されている。ケーシング４０の両端には、流入口４３と排出口４４が設けらている。ケーシング４０上には、ポンプ室密閉シール４６を介して圧電振動子４７が配置されており、圧電振動子４７の端部はポンプ蓋部４８により押え込まれている。

このように構成されたダイヤフラムポンプにおいて、圧電振動子４７に通電がなされ、これが上に凸、あるいは下に凸に交互に振動すると、それに伴って、流入逆止弁４１と流出逆止弁４２とが交互に開き（交互に閉じ）、流入口４３より流入した冷却水はポンプ室４５を経由して排出口４４より排出される。ところで、この液体の搬送の際に液体内に含まれる気泡もポンプ室に出入りすることになる。このポンプ室での気泡の存在は液体搬送の特性に影響を及ぼすことになるので、気泡は速やかにポンプ室から排出されることが望ましい。そこで、ポンプ室からの気泡のスムースな排出について、従来より各種の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、ポンプ室周囲に配置したヒーターの加熱により室内の圧力を高めることで、気泡の排出を行うことが開示されている。また、特許文献２には、ポンプ室の吸込弁と吐出弁の間に設けた溝部により液体の流速を大きくして気泡を排出する方法や、吐出弁の位置を吸込弁の位置より高くすることで気泡を排出する方法が提案されている。さらに、特許文献３には、ポンプ室内に流入する液体が外周部に向け大きな曲率で流入する構造とすることで、気泡除去を容易にする方法が開示されている。

ダイヤフラムポンプは容積変化型のポンプであり、その吐出圧が大きいのが特徴である。一般に吐出圧の大きいポンプでは、ポンプ室内に混入した気泡はすぐに排出口より排出される。しかし、吐出圧の高いダイヤフラムポンプといえどもポンプが接続される流路の流路抵抗（圧力損失）が大きく、ポンプ室内に気泡が混入した場合には、その気泡によりポンプの吐出圧力が相殺され、流量減少を招いてしまうという問題がある。圧電ポンプに代表されるような従来のダイヤフラムポンプでは、ポンプ室の一端に流入口が、他端に排出口が各１個ないし各一個所に形成されているのが一般的である。そして流入口と排出口とは同一口径に形成されていた。そのため、ポンプ室内に入り込んだ気泡はポンプ室内の流れの影響や液体の粘性、表面張力の影響でポンプ室の周囲に停滞し、排出されにくい。特許文献１ないし３に記載されたダイヤフラムポンプでは、それぞれ改善はされているものの尚不十分であった。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、ポンプ室に混入した気泡が速やかに排出され、安定した流量性能が確保され、高信頼性のダイヤフラムポンプを提供することである。
特開２００５−１３３７０４号公報 特開２００３−０３５２６４号公報 ＷＯ２００１／０６６９４７

本発明によれば、屈曲振動ダイヤフラム振動体を一壁面とするポンプ室と、前記ポンプ室内に設置された流入口および排出口と、前記流入口および前記排出口のそれぞれに設けられた逆止弁と、を備え、前記ダイヤフラム振動体の振動による吸引・排出のポンプ動作によって、液体搬送を行うダイヤフラムポンプであって、前記流入口は前記ポンプ室の中央部に位置し、前記排出口は前記ポンプ室の外周部付近に複数配置されることを特徴とする、ダイヤフラムポンプ、が提供される。

好ましくは、前記流入口および排出口が、前記ポンプ室のダイヤフラム振動体と対向する一壁面に設置されている。また、好ましくは、前記ポンプ室の前記ダイヤフラム振動体に平行な断面形状が、円形若しくは角を丸めた正多角形である。また、一層好ましくは、前記流入口は、排出口の穴径よりも小さな穴径の穴を複数配置したものである。

ダイヤフラムポンプの一種である圧電ポンプのポンプ室内に混入した気泡はポンプ室内の流れや、液体の粘性、表面張力等の影響でポンプ室の外周部付近に停滞しやすい。そこで本発明の構造のようにポンプ室の外周部付近に排出口を複数個設けることにより、その気泡は排出されやすくなる。さらには、排出口の総面積が、排出口が一つの場合より大きくとれるため、ポンプ自体がもつ圧力損失を小さく抑えることができ、同寸法形状の圧電ポンプに比して、流量の増大を図ることが可能である。

またさらに、ポンプ室への流入口としては、排出口の穴径よりも小さな穴径の穴を複数配列した構成が採用されるため、ポンプ室内に気泡が入る際に、気泡サイズを小さく砕くことができ、その小さく砕かれた気泡は穴径の大きな排出口より排出されやすくなる。

本発明のダイヤフラムポンプでは、ポンプ室への流入口は、ポンプ室の中央部に位置し、そのポンプ室からの排出口は、ポンプ室の外周部付近に複数配置される。これにより、ポンプ室内の液体の流れによどみが生じにくくなり、ポンプ室内に混入した気泡の排出が容易となる。その結果、ポンプとしての流量性能などが安定する。

本発明の第１の実施形態におけるダイヤフラムポンプの断面図。 本発明の第１の実施形態の弁構成プレートと逆止弁との分解斜視図。 本発明の第１の実施形態の流入逆止弁の閉・開状態を示す図。 本発明の第１の実施形態の弁構成プレートの底面図。 本発明の第２の実施形態の弁構成プレートの上面図と底面図。 本発明の第３の実施形態の弁構成プレートと逆止弁との分解斜視図。 本発明の第３の実施形態の流出逆止弁の閉・開状態を示す断面図。 本発明の第３の実施形態の弁構成プレートの変更例を示す部分平面図。 本発明の第３の実施形態の弁構成プレートの変更例を示す部分平面図。 本発明の第４の実施形態の要部を示す分解斜視図。 従来のダイヤフラムポンプの断面図。

次に、本発明の実施形態について、ダイヤフラムポンプの一種である圧電ポンプを例に、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の圧電ポンプの断面図であり、図２は、その要部である弁構成プレート１０と逆止弁（流入逆止弁１１および流出逆止弁１２）との分解斜視図である。

図１、図２において、１はポンプ筐体部、２はポンプ出口形成液漏れシール、３はポンプ入口形成シール、４はポンプ入口、５はポンプ出口、６はポンプ室形成液漏れシール、７は圧電振動子、８は振動子ダンパー材、９はポンプ蓋部、１０は弁構成プレート、１１は流入逆止弁、１２は流出逆止弁、１３は流入口、１４は排出口、１５はポンプ室である。

図１に示す圧電ポンプにおいて、圧電振動子７に電界が印加されると圧電振動子７は屈曲振動をする。圧電振動子７が上に凸に変形した瞬間には、流入逆止弁１１が開き、液体はポンプ入口４を通過し、ポンプ室１５内に流れ込む。このとき、流出逆止弁１２は弁構成プレート１０に引きつけられて、排出口１４が閉じられるため、液体はポンプ室１５から流出しない。次に、圧電振動子７が下に凸に変形した瞬間には、流出逆止弁１２が押し開かれ、液体がポンプ室１５から排出され、ポンプ出口５より液体は吐き出される。このとき流入逆止弁１１は閉じられている。この繰り返しにより、流入−排出が繰り返され、ポンプとして機能する。ここで、本発明のダイヤフラムポンプにおいては、圧電振動子７に対向する弁構成プレート１０に対し、その中央部に流入口１３が、その外周部に排出口１４が、それぞれ複数個開設されている。

弁構成プレート１０の流入口１３付近を拡大した図を図３に示す。図３（ａ）は、弁閉成時の流入口１３付近の断面図（上）と底面図（下）であり、図３（ｂ）は、弁開成時の断面図である。流入口１３は、弁構成プレート１０の中心を中心として同一円周上に複数個開設されており、その穴径は、排出口１４の穴径より小さい。この流入口１３を開閉する流入逆止弁１１は、弁固定支持部１１ａを支点として、その周囲が図３（ｂ）に示すように持ち上がり、流入口１３が開かれる。上記の作動を可能にするため、この流入逆止弁１１は、厚さ約０．１〜０．５ｍｍ程度の薄いフィルム状の樹脂（例えば、合成ゴムやポリミドなど）を用いて形成される。次に、排出口１４側の逆止弁１２の構造を図２と図４により説明する。図４は逆止弁１４が付いた状態の弁構成プレート１０の底面図である。図４に示すように、弁構成プレート１０の外周部に沿って排出口１４が複数個開設されており、その穴を塞ぐように流出逆止弁１２が設置されている。流出逆止弁１２は、排出口１４の個々の穴を塞ぐ弁部分と、これらを共通につなぐ円形部分とを有する。この円形部分をスポット溶接などの溶接技術により弁構成プレート１０に接合することで、流入逆止弁１２は弁構成プレート１０に設置されている。流出逆止弁１２は、溶接等で取り付けが容易なように、厚さ約０．０２〜０．０３ｍｍ程度のステンレス箔などの薄い金属板をエッチング技術で所望の形状に加工することにより、一体的に作製されている。このような構成とすることで、ポンプ室１５内に流入した液体はよどみなく排出口１４より排出される。ポンプ室１５内へ混入されようとする気泡は、まず小さい穴径の流入口１３により気泡が砕かれてポンプ室１５内に入ってくる。その入ってきた気泡は、弁構成プレート１０の外周部に複数個開設された排出口１４より速やかにポンプ外に排出される。その結果、ポンプ動作が安定し、流量は常に安定に保つことができる。また、排出口１４の総面積が、同寸法程度の圧電ポンプの従来技術の排出口の面積に比べ大きく取れることにより、液体搬送の流量が、従来のダイヤフラムポンプと比べて約１．５〜３倍程度増大する。

（第２の実施形態）
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の第２の実施形態による弁構成プレート１０の上面図と底面図である。図５において、図１、図２に示す先の実施形態の部分と同等の部分には同一の参照符号を付し重複する説明は省略する。先の実施形態の圧電ポンプでは、ポンプ室の横断面形状は円形であり、それに伴って弁構成プレートも円形に形成されていたが、本実施形態においては、それぞれ角が丸められた正四角形になされている。本実施形態においては、排出口１４が、二等辺三角形に近い形状で弁構成プレートの四隅に形成されているが、それ以外は第１の実施形態の場合と同様であって、流入口１３を開閉する流入逆止弁１１は、樹脂フィルムにより、また排出口１４を開閉する流出逆止弁１２は、金属フィルムにより形成されている。

本実施形態は、ポンプの設置スペースとして円形のポンプが許容されない場合に有効である。第２の実施形態では、弁構成プレートの平面形状は四角形に近いものであったが、本発明においてはこの形状に限定されず、正六角形など他の多角形であってもよい。また、必ずしも多角形の角は丸められていなくてもよい。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態における逆止弁１１、２２と弁構成プレート１０との分解斜視図である。図６に示すように、排出口１４は、楕円に近い形状の長穴であって、ポンプ室の外壁に沿って複数個開設されている。このような長穴形状とすることで排出口の面積が大きくなり、ポンプ室内に混入した気泡が排出されやすくなる。このような長穴形状の排出口１４の開閉を行う流出逆止弁２２は、弾性率が小さく、弁構成プレート１０に密着しやすい、厚さ０．１〜０．５ｍｍ程度のフィルム状の樹脂（例えば、フッ素樹脂、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）、シリコンゴム、ポリミド樹脂など）膜を用いて形成されており、大略円リング形状を有している。図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、流出逆止弁２２の閉成状態と開成状態を示す断面図である。流出逆止弁２２は、弾性率の小さい樹脂膜をリング状に加工し、そのリングに、４点ないしはそれ以上の凸状の弁固定支持部２２ａを設けることにより形成される。この流出逆止弁２２は、弁固定支持部２２ａを支点（節）として、ブリッジのように上下して排出口１４の開閉を行う。このような構成としたことにより、気泡がポンプ室に停滞することなく流量は常に安定に保てることが可能であった。

（第３の実施形態の変更例）
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ第３の実施形態による弁構成プレート１０の平面図である。第３の実施形態では、弁構成プレート１０の排出口１４は楕円形状の長穴に開設されていたが、排出口１４の形状はこれに限定されず、長穴の形状は、ポンプ室外壁に沿ったポンプ室外壁形に倣う形状の長穴であれば同様の効果が得られる。さらに、弁構成プレート１０が四角形に近い形状の場合には、図９（ａ）、（ｂ）に示されるように、排出口１４の形状は直線状ないしＬ字状の長穴であってもよい。図８、図９に示される弁構成プレート１０の場合にも、排出口１４を塞ぐ流出逆止弁は、第３の実施形態の場合と同様に、弾性率が小さい樹脂フィルムを用いてリング状に形成される。

（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態の逆止弁３１、３２と弁構成プレート１０を含む要部分解斜視図である。図１０において、１０は弁構成プレート、３１は流入逆止弁、３２は流出逆止弁、３３は流入液分岐プレート、３４は流入口・排出口プレートである。弁構成プレート１０の中央部には５個の流入口１３が、また周辺部には排出口１４が４個形成されている。また流入液分岐プレート３３には、流入液を分岐する十文字形状の液分岐穴１３ａと、流出逆止弁３２の開閉動作を妨げない大きさの排出口１４ａが形成されている。さらに流入口・排出口プレート３４には、その中央部に流入口１３ｂが、また周辺部には排出口１４ｂが４個形成されている。３枚のプレート１０、３３、３４は、互いに固着されるが、接着剤で接合しても、あるいは間にゴムなどのシール材を挟みこんで締付けたり、かしめ接合等で接合してもよい。流入口・排出口プレート３４の流入口１３ｂより流入した液は、流入液分岐プレート３３の液分岐穴１３ａにより分岐された後に、弁構成プレート１０の流入口１３よりポンプ室へ流入する。このように流入液を分岐した後にポンプ室へ流入させることで、ポンプの実装方向に限らず、例えば、ポンプが水平置きでなく縦置きとなっていたとしても、気泡の排出がスムーズに行われる。実際に縦置きにしてポンプ動作した場合において、気泡はポンプ室に停滞することなく、流量を常に安定に保つことができる。また、このように流入液を分岐した後にポンプ室へ流入させることで、流入口と排出口の距離を短くしながら複数の配列が可能であり、これによりポンプ室内の流れのよどみを無くすことができ、気泡が排出されやすい効果も期待できる。

以上の実施形態では、ダイヤフラム振動体として圧電振動子を用いていたが、これに代え、例えば形状記憶合金や、熱歪み素子、あるいは電気的・機械的な回転運動やピストン振動する振動体をヒンジ等を介してダイヤフラム振動体の屈曲振動に変換するような機構を用いたものを適用することも可能である。圧電振動子を用いた場合では、その変換効率の高さから、消費電力を小さく抑えることが可能である。

Claims (16)

1. 屈曲振動ダイヤフラム振動体を一壁面とするポンプ室と、
   前記ポンプ室内に設置された流入口および排出口と、
   前記流入口および前記排出口のそれぞれに設けられた逆止弁と、を備え、
   前記ダイヤフラム振動体の振動による吸引・排出のポンプ動作によって、液体搬送を行うダイヤフラムポンプであって、
   前記流入口は前記ポンプ室の中央部に位置し、前記排出口は前記ポンプ室の外周部付近に複数配置されることを特徴とする、ダイヤフラムポンプ。
2. 前記流入口および排出口が、前記ポンプ室の前記ダイヤフラム振動体と対向する一壁面に設置されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
3. 前記ポンプ室の、前記ダイヤフラム振動体に対して平行な断面形状が、円形若しくは正多角形若しくはそれに近い形状であることを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤフラムポンプ。
4. 前記流入口および前記排出口は、前記ポンプ室の前記ダイヤフラム振動体と対向する一壁面の中心点に対し点対称に設置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のダイヤフラムポンプ。
5. 前記流入口は、前記排出口の穴径よりも小さな穴径の穴を複数配置したものであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のダイヤフラムポンプ。
6. 前記流入口の逆止弁は、中央部を支点として、周囲が上下に屈曲する樹脂フィルムにより構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のダイヤフラムポンプ。
7. 前記排出口の逆止弁は、リング状の支持部とその支持部から複数の排出口に放射状に延びる逆止弁部とを備え、薄板状の金属フィルムにより構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のダイヤフラムポンプ。
8. 前記排出口の逆止弁は、薄板状の金属フィルムをエッチングすることにより形成されたものであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のダイヤフラムポンプ。
9. 前記排出口は、楕円形、若しくは、ポンプ室の外壁に沿ったポンプ室の外壁に倣う形状の長穴であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のダイヤフラムポンプ。
10. 前記排出口の逆止弁は、複数の排出口に共通にリング状に形成された樹脂フィルムにより構成されていることを特徴とする請求項９に記載のダイヤフラムポンプ。
11. 前記流入口および前記排出口が開設された弁構成プレートと、
    前記流入口へ流入液を分配する流入液分配穴と、前記排出口に連なる第２排出口とが開設された流入液分配プレートと、
    前記流入液分配プレートの前記流入液分配穴に連なる第２流入口と、前記流入液分配プレートの前記排出口に連なる第３排出口とが開設された流入口・排出口プレートとをさらに備え、
    前記弁構成プレート、前記流入液分配プレートおよび前記流入口・排出口プレートがこの順に固着されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のダイヤフラムポンプ。
12. 前記逆止弁は、個々の流入口と排出口毎に個別に設置されていることを特徴とする請求項１１に記載のダイヤフラムポンプ。
13. 前記流入液分配プレートの前記第２排出口は、前記排出口の逆止弁の開閉動作を妨げない形状に形成されていることを特徴とする請求項１１または１２に記載のダイヤフラムポンプ。
14. 前記流入口の逆止弁は前記弁構成プレートに設置され、前記排出口の逆止弁は前記流入液分配プレートに設置されていることを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載のダイヤフラムポンプ。
15. 前記逆止弁は、樹脂フィルムにより形成されていることを特徴とする請求項１１から１４のいずれかに記載のダイヤフラムポンプ。
16. 前記ダイヤフラム振動体は、圧電振動子によって駆動されることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載のダイヤフラムポンプ。

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