WO2006025214A1 - 逆止弁及びダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】　逆止弁及びこれを用いたダイヤフラムポンプにおいて、応答性が良く、弁室を小さくすることができ、気泡の影響を受けにくくすること。 【解決手段】　流体の導入口８ａを有する天壁８と流体の排出口９ａを有する底壁９と側壁とで形成される弁室１１と、弁室１１内で基端が側壁に固定され先端が自由端とされて片持ち状に支持されていると共に導入口８ａ上に配された弁体１２ａと、を備え、底壁９には、弁体１２ａに沿って基端から先端に向けて天壁８から漸次離間するように傾斜する傾斜面９ｂ２を有する弁座９ｂが形成されている。片持ち形状の弁体１２ａが天壁８と弁座９ｂとの間を移動することにより、弁の開閉動作の際、傾斜面９ｂ２を有する弁座９ｂに規制されて弁体１２ａの移動量が小さくなり、開から閉への応答時間が短くなる。

Description

明 細 書

逆止弁及びダイヤフラムポンプ

技術分野

[0001] 本発明は、微量液体流量を制御するポンプに用いて好適な逆止弁及びこれを用い たダイヤフラムポンプに関する。

背景技術

[0002] 近年、燃料電池、医療、分析等の分野において、微量液体流量を高精度に制御す るための種々のポンプが開発されている。

従来、例えば特許文献 1には、圧電振動子を駆動源とし、枠部 (弁箱 ·弁室）内に形 成された片持ち梁形状の弁体を用いた圧電振動子ポンプ用逆止弁が提案されてい る。この逆止弁は、支持腕の一端が枠部の内壁に挿入されて支持されており、他端 が弁孔を閉塞可能な弁体となっているものである。なお、この弁体及び支持腕は、金 属ゃプラスチック等の一体物の板体で構成されている。

[0003] 特許文献 1 :特開平 4 72479号公報 (第 4頁右欄、第 1図）

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 上記従来の技術には、以下の課題が残されている。

従来、片持ち梁形状の弁体は、その材質として一般的に金属、榭脂材、ゴム材を用 いている。この弁体は、圧力により開状態になる力 弁体に剛性があるために、その 変形量は部品や 立ばらつきにより安定しない、つまり、閉状態になる時間も安定せ ず、応答が不安定であるという不都合があった。

榭脂材で弁体が形成されている場合、ある程度の厚みを有しているので、開状態 になるために変形するには、少な力もず力が必要である。そこで、長手寸法を大きく すれば、必要な力を小さくすることができるが、弁室のサイズ (容積)が大きくなつてし ま 、、液体に溶け込んで!/、た気体が気化することにより発生する気泡の滞留スぺー スも大きくなつてしまうこととなり、ポンプの液体搬送能力に影響を与えてしまう。また、 弁体の塑性変形も懸念される。 また、ゴム材で弁体が形成されている場合、塑性変形の懸念はないが、薄くするに も限度があり、変形のための力やサイズについては榭脂製と同様の不都合がある。

[0005] 本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、応答性が良ぐ弁室を小さくする ことができ、気泡の影響を受けにくい逆止弁及びこれを用いたダイヤフラムポンプを 提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006] 本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明 の逆止弁は、流体の導入口を有する天壁と流体の排出口を有する底壁と側壁とで形 成される弁室と、弁室内で基端が側壁に固定され先端が自由端とされて片持ち状に 支持されていると共に導入口上に配された弁体と、を備え、底壁には、弁体に沿って 基端力 先端に向けて天壁力 漸次離間するように傾斜する傾斜面を有する弁座が 形成されて 、ることを特徴とする。

[0007] この逆止弁では、底壁の弁座に傾斜面が形成されて!、るので、片持ち形状の弁体 が天壁と傾斜面を有する弁座との間を移動することにより、弁の開閉動作の際、傾斜 面を有する弁座に規制されて弁体の移動量が小さくなり、開から閉への応答時間が 短くなる。また、小さい移動量に規制されているため、弁室が小さくて済み、気泡の影 響を受けにくい。さらに、軟性の弁体を用いても、弁座の傾斜面で規制するので、弁 体の変形が生じ難い。

[0008] また、本発明の逆止弁は、弁座に、一端が排出口に接続されていると共に他端が 弁体の先端よりも延長された溝部が形成されていることを特徴とする。すなわち、この 逆止弁では、弁座に上記溝部が形成されているので、流体が弁体を押して開状態と した際、弁体が弁座の傾斜面に接して排出口上に配されても、流体が弁体の先端側 に配された溝部の他端力 溝部を介して排出口へと流れ出ることができる。

[0009] また、本発明の逆止弁は、導入口及び排出口の少なくとも一方が弁体の基端側に 配されていることを特徴とする。すなわち、弁体の先端側に導入口及び排出口が配さ れていると、弁体の先端に強い力が加わって弁体が曲がってしまうおそれがあるが、 本発明の逆止弁では、導入口及び排出口の少なくとも一方が弁体の基端側に配さ れているので、弁体の先端側に強い力が加わり難ぐ弁体の変形を抑制して、正常な 弁の開閉動作を維持することができる。特に、上記溝部を有する弁座を採用する場 合には、排出口を弁体の基端側に配しても、溝部により流体の流路が確保されるの で、良好な弁動作を維持することができる。

[0010] また、本発明の逆止弁は、弁体が可撓性フィルムで形成されて 、ることを特徴とす る。すなわち、この逆止弁では、可撓性フィルムの軟らかい薄膜弁体を用いるので、 剛性がほとんどなく変形に要する力が小さいため、弁体の長手方向の長さを短くする ことができ、開閉に必要な流体体積を小さくすることができる。したがって、さらに弁室 のサイズを小さくすることが可能になり、弁動作の応答性及び安定性が向上すると共 に気泡の影響をより小さくすることができる。

[0011] また、本発明の逆止弁は、天壁を有する第 1の筐体と、底壁を有する第 2の筐体と、 弁体を有し第 1の筐体と第 2の筐体とに挟持されるフィルム体と、を備え、第 1の筐体 に凸部が形成されていると共に、第 2の筐体に凸部に嵌合する凹部が形成され、凸 部及び凹部に、弁体の基端を挟持する互いに平行な対向面が形成されていることを 特徴とする。すなわち、この逆止弁では、弁体の基端が凸部及び凹部に挟持される ことにより、弁体の基端 (支点）が明確になり、弁体の位置決めがされると共に弁体の 位置ずれを防ぐことができる。また、凸部及び凹部に形成された互いに平行な対向 面で弁体を挟持することにより、凹部と凸部との位置ずれが生じた場合でも、弁体が 弁室に突出する角度が変わらず一定とすることができる。

[0012] 本発明のダイヤフラムポンプは、圧電素子が取り付けられたダイヤフラムと、ダイヤ フラムとの間に圧力室が形成され該圧力室に接続される上部吸入流路及び上部吐 出流路を有する上部筐体と、上部吸入流路に吸入側逆止弁を介して接続される下 部吸入流路及び上部吐出流路に吐出側逆止弁を介して接続される下部吐出流路を 有する下部筐体と、を備え、吸入側逆止弁及び吐出側逆止弁が、上記本発明の逆 止弁であり、上部吸入流路及び下部吐出流路にそれぞれ排出口が接続され、上部 吐出流路及び下部吸入流路にそれぞれ導入口が接続されていることを特徴とする。 すなわち、このダイヤフラムポンプでは、吸入側逆止弁及び吐出側逆止弁に上記 本発明の逆止弁を採用しているので、高い応答性を有すると共に気泡の影響が小さ ぐ微量液体流量を高精度に制御可能である。 発明の効果

[0013] 本発明によれば、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明に係る逆止弁によれば、底壁に傾斜面を有する弁座が形成され ているので、傾斜面を有する弁座に規制されて弁体の移動量が小さくなり、高い応答 性が得られ、効率的かつ高精度な弁動作が可能となる。また、弁室が小さくて済み、 気泡の影響を受けにくいと共に、弁座の傾斜面で弁体を規制するので、弁体の変形 が生じにくぐ高精度な動作が可能である。したがって、この逆止弁をダイヤフラムポ ンプに採用することで、微量液体流量を高応答で高精度に制御可能となり、燃料電 池用等に好適なポンプを得ることができる。 発明を実施するための最良の形態

[0014] 以下、本発明に係る逆止弁及びこれを用いたダイヤフラムポンプの一実施形態を、 図 1から図 5を参照しながら説明する。

[0015] 本実施形態の逆止弁を用いたダイヤフラムポンプは、例えば流体としてメタノール を供給する燃料電池用のポンプであり、図 1に示すように、圧電素子 1が取り付けられ たダイヤフラム 2と、ダイヤフラム 2との間に圧力室 3が形成され該圧力室 3に接続され る上部吸入流路 4a及び上部吐出流路 4bを有する上部筐体 4と、上部吸入流路 4aに 吸入側逆止弁 5Aを介して接続される下部吸入流路 6a及び上部吐出流路 4bに吐出 側逆止弁 5Bを介して接続される下部吐出流路 6bを有する下部筐体 6と、を備えてい る。

[0016] 上記ダイヤフラム 2は、下面の一部が圧力室 3の壁を形成する榭脂ダイヤフラム 2a と、該榭脂ダイヤフラム 2a上に接着された金属ダイヤフラム 2bと、該金属ダイヤフラム 2b上に接着された圧電素子 1とで、構成されている。圧電素子 1は、ピエゾ素子 (PZ T)であり、図示しない電源に接続され、電圧印加により伸縮する。

[0017] 吸入側逆止弁 5A及び吐出側逆止弁 5Bは、図 2から図 5に示すように、流体の導入 口 8aを有する天壁 8と流体の排出口 9aを有する底壁 9と側壁 10とで形成される弁室 11と、弁室 11内で基端が側壁 10に固定され先端が自由端とされて片持ち状に支持 されて 、ると共に導入口 8a上に配された弁体 12aと、を備えて!/、る。

[0018] 吸入側逆止弁 5Aでは、底壁 9が上部筐体 (第 2の筐体) 4の下面に形成され、天壁 8が下部筐体 (第 1の筐体) 6の上面に形成されている。一方、吐出側逆止弁 5Bでは 、天壁 8が上部筐体 (第 1の筐体) 4の下面に形成され、底壁 9が下部筐体 (第 2の筐 体） 6の上面に形成されている。

すなわち、上部吸入流路 4a及び下部吐出流路 6bにそれぞれ排出口 9aが接続さ れ、上部吐出流路 4b及び下部吸入流路 6aにそれぞれ導入口 8aが接続されて 、る。

[0019] なお、下部吸入流路 6aは、流体供給管 13を介して流体の供給源（図示略）に接続 される。また、下部吐出流路 6bは、流体吐出管 14を介して流体の供給先（図示略） に接続される。

上記弁体 12aは、上部筐体 4と下部筐体 6とに挟持されるフィルム体 12を型で打ち 抜きすることにより舌状の片持ち形状に形成されている。このフィルム体 12及び弁体 12aは、 PP (ポリプロピレン)等の可撓性フィルムで形成されている。上部筐体 4と下 部筐体 6とは、フィルム体 12を挟持した状態で、図 3に示す斜線領域 Rをレーザ溶着 して接合される。なお、図 4及び図 5では、上部筐体 4と下部筐体 6とに組み込まれた 状態の弁体 12aを現しており、本実施形態における弁体 12aは型押し等の加工は行 つておらず、図 2 (b)に現されるような平板状の部材である。

[0020] 底壁 9には、天壁 8と対向したときに所定間隔を空けてほぼ平行な平坦面 9blと、こ の平坦面 9blから連続する面であって弁体 12aに沿って基端力 先端に向けて天壁 8から漸次離間するように傾斜する傾斜面 9b2とを有する弁座 9bが形成されて 、る。 弁座 9bの傾斜面 9b2には、一端が排出口 9aに接続されていると共に他端が弁体 1 2aの先端よりも延長された溝部 9cが形成されている。なお、弁座 9bは、弁体 12aの 全体が支持可能なように、弁体 12aよりも幅広かつ長手方向に長く形成されて 、る。 また、上記導入口 8a及び上記排出口 9aは、弁体 12aの基端側に配されており、後 述する下部凹部 16bと上部凹部 17aとに形成された対向面 P2は平坦面 9blから連 続して設けられている。

[0021] 上部筐体 4の下面には、吐出側逆止弁 5B側に配された断面 V字状の上部凸部 16 aと、吸入側逆止弁 5A側に配された断面逆 V字状の上部凹部 17aと、が形成されて いる。一方、下部筐体 6の上面には、吐出側逆止弁 5B側に配され上部凸部 16aに 対応して嵌合する断面 V字状の下部凹部 16bと、吸入側逆止弁 5A側に配され上部 凹部 17aに対応して嵌合する断面逆 V字状の下部凸部 17bと、が形成されている。 上記上部凸部 16a、下部凹部 16b、上部凹部 17a及び下部凸部 17bは、いずれも 弁体 12aの長手方向に直交する方向に弁体 12aよりも幅広に延在して設けられて 、 る。

[0022] 互いに嵌合する上部凸部 16a及び下部凹部 16bには、それぞれ弁体 12aの基端を 挟持する互いに平行な対向面 Pl、 P2が形成されている。同様に、上部凹部 17a及 び下部凸部 17bにも、それぞれ弁体 12aの基端を挟持する互 ヽに平行な対向面 P 1 、 P2が形成されている。また、この対向面 Pl、 P2は、底壁 8に対し、所定角度を成す ように傾斜して形成されて 、る。

[0023] このように弁体 12aの基端が、上部凸部 16aと下部凹部 16bとに、及び上部凹部 17 aと下部凸部 17bとに挟持されることにより、弁体 12aの基端 (支点 q)が明確になり、 弁体 12aの位置決めがされると共に弁体 12aの位置ずれを防ぐことができる。また、 対向面 Pl、 P2は、底壁 8に対し、所定角度を成すように傾斜して形成されているた め、閉状態において弁体 12aを導入口 8aに押さえ付けるように配設することができる 。なお、弁体 12aにメタノールによる膨潤ゃ温度変化に伴う伸縮が発生しても、弁体 1 2aが片持ち形状で支持されていると共に、上記凸部と凹部とに挟持されて支点が明 確であるので、その場合でも高精度な弁動作を維持することができる。

[0024] また、上部凸部 16aと下部凹部 16bとに、及び上部凹部 17aと下部凸部 17bとに形 成された互いに平行な対向面 Pl、 P2で弁体 12aを挟持することにより、上部凸部 16 aと下部凹部 16bとの位置ずれ又は上部凹部 17aと下部凸部 17bとの位置ずれが生 じた場合でも、弁体 12aが弁室 11に突出する角度を一定とすることができる。 すな わち、互いに曲率を持った凹部及び凸部で弁体 12aを挟持した場合は、嵌合時に凹 部と凸部とでずれが生じると、弁体 12aの基端を挟持する面の角度が変わってしまう ため、弁室 11内に突出する弁体 12aの出方 (突出角度）が変わってしまう不都合があ る。し力しながら、本実施形態の場合、平行面同士で挟持するため、組み立てずれ 等が生じた場合でも、弁体 12aの基端を挟持する対向面 Pl、 P2の角度が一定であ り、所定の角度で弁室 11内に突出する弁体 12aを高精度に得ることができる。

[0025] 次に、上記ダイヤフラムポンプ及び逆止弁の動作を、図 1及び図 2を参照して以下 に説明する。

[0026] ダイヤフラムポンプ全体の動作について説明すると、まず、圧電素子 1が伸縮する 様に電圧を印加することにより、これに連動してダイヤフラム 2全体が上下に振動する 屈曲運動を行う。

ダイヤフラム 2の屈曲運動により、圧力室 3の流体が加圧されると、上部吐出流路 4 b、吐出側逆止弁 5B及び下部吐出流路 6bを介して圧力室 3内の流体が流体吐出管 14に吐出される。このとき、吸入側逆止弁 5Aでは、弁体 12aが導入口 8aを閉塞して 流体が流体供給管 13へ逆流することを防いでいる。

[0027] 次に、ダイヤフラム 2の屈曲運動により、圧力室 3内が減圧されると、流体供給管 13 、下部吸入流路 6a、吸入側逆止弁 5A及び上部吸入流路 4aを介して圧力室 3内に 流体が吸入される。このとき、吐出側逆止弁 5Bでは、弁体 12aが導入口 8aを閉塞し て流体が流体吐出管 14へ逆流することを防いでいる。すなわち、ダイヤフラム 2の屈 曲運動の繰り返しにより、逆流を防止する吸入側逆止弁 5A及び吐出側逆止弁 5Bを 介して、流体を送り出すことができる。

[0028] 上記吸入側逆止弁 5A及び吐出側逆止弁 5Bでは、流体が弁室 11内に流入する際 、すなわち開動作は、次のように行われる。

流体が下部吸入流路 6a又は上部吐出流路 4bから導入口 8aを介して弁室 11内に 入り込むと、導入口 8aを閉塞していた弁体 12aが流体により押し上げられる。このとき 、弁体 12aは、傾斜面 9b2を有した弁座 9bで規制されて弁室 11内に一定の流路を 確保した状態となる。弁室 11内に流入した流体は、弁体 12aの基端側から先端側へ 流れ、弁体 12aの先端側に開いた溝部 9cの一端力も溝部 9c内に流入する。さらに、 流体が溝部 9cを介して排出口 9aから上部吸入流路 4a又は下部吐出流路 6bへ排出 される。

[0029] すなわち、弁体 12aが弁座 9bに接していても、溝部 9cを介して排出口 9aへと流体 が流れ出ることができる。また、導入口 8a及び排出口 9aが弁体 12aの基端側に配さ れているので、弁体 12aの先端側に流体の強い力が加わり難ぐ弁体 12aの変形を 抑制して、正常な弁の開閉動作を維持することができる。なお、導入口 8a及び排出 口 9aの少なくとも一方を弁体 12aの基端側に配置することで、同様の効果が得られる 力 本実施形態のように、導入口 8a及び排出口 9aの両方を弁体 12aの基端側に配 することで、より効率的に上記効果を得ることができる。

なお、逆に流体が排出口 9aから逆流して弁室 11内に流入しょうとすると、弁座 9b に規制されていた弁体 12aが元の状態に戻って導入口 8aを閉塞することにより閉動 作が行われ、逆流を防ぐことができる。

[0030] このように本実施形態では、底壁 9に傾斜面 9b2を有した弁座 9bが形成されている ので、片持ち形状の弁体 12aが天壁 8と弁座 9bとの間を移動することにより、弁の開 閉動作の際、傾斜面 9b2を有した弁座 9bに規制されて弁体 12aの移動量が小さくな り、開から閉への応答時間が短くなる。また、小さい移動量に規制されているため、弁 室 11が小さくて済み、気泡の影響を受けにくい。さらに、可撓性フィルムの柔らかい 弁体 12aを用いても、弁座 9bの傾斜面 9b2で規制するので、弁体 12aの変形が生じ 難い。なお、弁座 9bには弁体 12aの基端部側に平坦面 9blを設け、屈曲時における 弁体 12a基端 (支点 q)の移動を制限し、基端 (支点 q)〖こ加わる過度の応力による塑 性変形を防止している。この実施形態では、弁座 9bに平坦面 9blを設けたが、傾斜 面 9b2の角度や弁体 12aの材質等によっては、下部凹部 16bと上部凹部 17aとの対 向面 P2から連続して弁座 9bの基端より傾斜面 9b2を形成してもよい。

[0031] また、可撓性フィルムの軟らかい薄膜の弁体 12aを用いるので、剛性がほとんどなく 変形に要する力が小さいため、弁体 12aの長手方向の長さを短くすることができ、開 閉に必要な流体体積を小さくすることができる。したがって、さらに弁室 11のサイズを 小さくすることが可能になり、弁動作の応答性及び安定性が向上すると共に気泡の 影響をより小さくすることができる。

[0032] なお、本発明の技術範囲は上記各実施の形態に限定されるものではなぐ本発明 の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更をカ卩えることが可能である。

本発明では、逆止弁及びこれを用いたダイヤフラムポンプを燃料電池用燃料供給 ポンプに採用した力 他の用途の逆止弁及びこれを用いたポンプに適用しても構わ ない。例えば、燃料電池用希釈水循環ポンプ、薬液を微量流量制御する医療用ボン プ又は分析用ポンプ等に適用しても構わな 、。

図面の簡単な説明 [0033] [図 1]本発明に係る一実施形態のダイヤフラムポンプを示す断面図である。

[図 2]本発明に係る一実施形態において、逆止弁を示す断面図及び分解断面図で ある。

[図 3]本発明に係る一実施形態にぉ ヽて、弁室部分及びレーザ溶着領域を透視状 態で示す逆止弁の上面図である。

[図 4]本発明に係る一実施形態において、逆止弁を示す分解斜視図である。

[図 5]本発明に係る一実施形態において、逆止弁の弁室部分を示す要部の分解斜 視図である。

符号の説明

[0034] 1…圧電素子、 2…ダイヤフラム、 3…圧力室、 4…上部筐体 (第 1の筐体、第 2の筐 体）、 4a…上部吸入流路、 4b…上部吐出流路、 5A…吸入側逆止弁、 5Β· · ·吐出側 逆止弁、 6…下部筐体 (第 1の筐体、第 2の筐体)、 6a…下部吸入流路、 6b…下部吐 出流路、 8a…導入口、 8…天壁、 9…底壁、 9a…排出口、 9b…弁座、 9c…溝部、 10 …側壁、 11 · · ·弁室、 12· · ·フィルム体、 12a…弁体、 16a…上部凸部、 16b…下部凹 部、 17a…上部凹部、 17b…下部凸部

Claims

請求の範囲

[1] 流体の導入口を有する天壁と流体の排出口を有する底壁と側壁とで形成される弁 室と、 前記弁室内で基端が前記側壁に固定され先端が自由端とされて片持ち状に 支持されて!ヽると共に前記導入口上に配された弁体と、を備え、

前記底壁には、前記弁体に沿って基端から先端に向けて前記天壁から漸次離間 するように傾斜する傾斜面を有する弁座が形成されて ヽることを特徴とする逆止弁。

[2] 前記弁座には、一端が前記排出口に接続されていると共に他端が前記弁体の先 端よりも延長された溝部が形成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載 の逆止弁。

[3] 前記導入口及び前記排出口の少なくとも一方が、前記弁体の基端側に配されてい ることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の逆止弁。

[4] 前記弁体が、可撓性フィルムで形成されて 、ることを特徴とする請求の範囲第 1項 又は第 2項に記載の逆止弁。

[5] 前記天壁を有する第 1の筐体と、

前記底壁を有する第 2の筐体と、

前記弁体を有し前記第 1の筐体と前記第 2の筐体とに挟持されるフィルム体と、を備 え、

前記第 1の筐体に凸部が形成されていると共に、前記第 2の筐体に前記凸部に嵌 合する凹部が形成され、

前記凸部及び前記凹部に、前記弁体の基端を挟持する互いに平行な対向面が形 成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の逆止弁。

[6] 圧電素子が取り付けられたダイヤフラムと、

前記ダイヤフラムとの間に圧力室が形成され該圧力室に接続される上部吸入流路 及び上部吐出流路を有する上部筐体と、

前記上部吸入流路に吸入側逆止弁を介して接続される下部吸入流路及び前記上 部吐出流路に吐出側逆止弁を介して接続される下部吐出流路を有する下部筐体と 、を備え、

前記吸入側逆止弁及び前記吐出側逆止弁が、請求の範囲第 1項に記載の逆止弁 であり、前記上部吸入流路及び前記下部吐出流路にそれぞれ前記排出口が接続さ れ、前記上部吐出流路及び前記下部吸入流路にそれぞれ前記導入口が接続され て 、ることを特徴とするダイヤフラムポンプ。