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JP2004162547A - pump - Google Patents

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JP2004162547A
JP2004162547A JP2002326915A JP2002326915A JP2004162547A JP 2004162547 A JP2004162547 A JP 2004162547A JP 2002326915 A JP2002326915 A JP 2002326915A JP 2002326915 A JP2002326915 A JP 2002326915A JP 2004162547 A JP2004162547 A JP 2004162547A
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JP
Japan
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flow path
pump
pump chamber
fluid
thin plate
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Withdrawn
Application number
JP2002326915A
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Japanese (ja)
Inventor
Kunihiko Takagi
邦彦 高城
Takeshi Seto
毅 瀬戸
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2002326915A priority Critical patent/JP2004162547A/en
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  • Details Of Reciprocating Pumps (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)

Abstract

【課題】高負荷圧力と高周波駆動に対応した高出力、かつ、信頼性も向上させたポンプを提供する。
【解決手段】ケース7の底部に配置した円形のダイヤフラム5は、外周緑がケースに固定支持されている。ダイヤフラムの底面には、ダイヤフラムを動かすための圧電素子6が配置されている。ダイヤフラムとケースの上壁との間の空間がポンプ室3であり、このポンプ室へ向けて流体抵抗要素である逆止弁4を設けた入口流路1と、ポンプ動作時にポンプ室と運通した出口流路2とが開口している。このポンプは、入口流路1の合成イナータンス値と逆止弁4のイナータンス値との和が、出口流路2の合成イナータンス値よりも小さくなっている。
【選択図】 図1
A pump is provided which has high output and high reliability corresponding to high load pressure and high frequency driving.
A circular diaphragm (5) arranged at the bottom of a case (7) has an outer peripheral green fixedly supported by the case. A piezoelectric element 6 for moving the diaphragm is arranged on the bottom surface of the diaphragm. The space between the diaphragm and the upper wall of the case is a pump chamber 3, and the inlet channel 1 provided with a check valve 4, which is a fluid resistance element, is directed toward the pump chamber and the pump chamber is operated during pump operation. The outlet channel 2 is open. In this pump, the sum of the combined inertance value of the inlet passage 1 and the inertance value of the check valve 4 is smaller than the combined inertance value of the outlet passage 2.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等によりポンプ室内の容積を変更して流体の移動を行なう容積形ポンプに関連し、特に信頼性が高く、かつ、出力の大きいポンプに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種のポンプとしては、入口流路及び出口流路と容積が変更可能なポンプ室との間に逆止弁が取り付けられている構成のものが一般的である。(例えば特許文献1参照)
また、流体の粘性抵抗を利用して一方向への流れを生じさせるポンプ構成として、出口流路に弁を備え、その弁の開弁時には入口流路が出口流路よりも大きい流体抵抗を有するようにした構成のものがある。(例えば特許文献2参照)
【0003】
さらに、弁部に可動部品を使わずポンプの信頼性を向上させるポンプ構成として、入口流路、出口流路ともに圧力降下が流れの方向によって異なる流路形状をした圧縮構成要素を備えた構成のものがある。(例えば特許文献3及び非特許文献1参照)
【0004】
【特許文献1】特開平10−220357号公報
【特許文献2】特開平08−312537号公報
【特許文献3】特表平08−506874号公報
【非特許文献1】Anders Olsson, An improved valve‐less pump fabricate using deep reactive ion etching,1996 IEEE 9th Internationa1 Workshop on Micro E1ectro Mechanical Systems,p.479−484
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1の構成では、入口流路及び出口流路ともに逆止弁が必要であり、流体が2個所の逆止弁を通過すると圧力損失が大きいという問題がある。また、逆止弁は繰り返し開閉するために疲労損傷する危険があり、逆止弁の数が多いほど信頼性が低くなるという問題もある。
【0006】
特許文献2の構成では、ポンプ吐出行程時に入口流路に生じる逆流を少なくするために、入口側流路の流体抵抗を大きくする必要がある。すると、ポンプ吸入行程では、その流体抵抗に逆らって流体をポンプ室内へ導入するために、吐出行程に比べ吸入行程がかなり長くなる。従って、ポンプの吐出吸入サイクルの周波数はかなり低くなってしまう。
【0007】
ピストンあるいはダイヤフラムを上下動させるポンプは、ピストンあるいはダイヤフラムの面積が等しい場合、一般的に上下動させる周波数が高いほど流量が多くなり出力が高くなる。しかし、特許文献2の構成では前述したように低い周波数でしか駆動できないため、小型では高出力なポンプを実現できない問題がある。
【0008】
特許文献3のポンプは、圧縮構成要素を通過する流体の流れの方向による圧力降下の違いにより正味流量を一方向に流す構成のため、ポンプ出口側の外部圧力(負荷圧力)が高くなるにつれて逆流量が増えてしまい、高負荷圧力ではポンプ動作をしなくなる問題がある。非特許文献1によると、最大負荷圧力は0.760気圧程度である。
【0009】
そこで本発明は、高負荷圧力と高周波駆動に対応した高出力、かつ、信頼性も向上させたポンプの提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記出口流路はポンプ動作時に前記ポンプ室と連通し、前記入口流路は流路を開閉する開閉部材を備えた流体抵抗要素を具備し、前記入口流路の合成イナータンス値と前記開閉部材のイナータンス値との和は、前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さくした。
【0011】
この請求項1によると、まず出口流路をポンプ動作時にポンプ室と連通させたことによって、入口流路にのみ開閉部材を備えた流体抵抗要素を配置すればよいのでポンプの信頼性を高めることができる。また、ピストン或いはダイヤフラムと、それを駆動するアクチュエータとの間には変位拡大機構が配置されておらず、弁として粘性抵抗を利用していないので高周波駆動に対応可能となる。
また、出口流路をポンプ動作時にポンプ室と連通させたことによって、出口流路の流体抵抗が減少しポンプ室の容積減少行程時に出口流路内の流速を高め流体の運動量を高めることができる。更に、入口流路の合成イナータンス値と開閉部材のイナータンス値との和を出口流路の合成イナータンス値よりも小さくしたので、出口流路内の流体の運動量が減少するまでに、入口流路側から多くの流体をポンプ室内に導入して吐出流量を大幅に増加させることができる。
【0012】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1記載のポンプにおいて、前記開閉部材のイナータンス値を前記出口流路の合成イナータンス値の25%以下とした。こうすることで、開閉部材の存在が入口流路の流体の流体速度変化率に及ぼす影響を更に削減でき吐出流量が増加する。
【0013】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のポンプにおいて、前記開閉部材を薄板とし、開閉される流路の断面積の平方根を前記薄板の流路と重なる部分の平均板厚の40倍以下とした。こうすることで、ポンプ室内圧を高くして流量を増大するようにポンプを運転することができる。
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のポンプにおいて、前記開閉される流路の断面積の平方根を前記薄板の流路と重なる部分の平均板厚の25倍以下とした。こうすることで、薄板は高いポンプ室内圧を繰り返し受けても疲労破壊せず、寿命を大幅に延ばした信頼性の高いポンプとすることができる。
【0014】
また、請求項5の発明は、請求項3又は4に記載のポンプにおいて、前記薄板において前記開閉される流路と重なる部分の平均板厚は80μmとした。こうすることで、ポンプ室内と吸入流路側の圧力差によって、薄板は高い開閉周波数に追従して流体抵抗を少なくするのに十分な距離を移動可能となる。従って、高い周波数で駆動しても吐出流量が減少しないポンプを構成することができる。
【0015】
さらに、請求項7に記載されているように、請求項1乃至6の何れかに記載のポンプにおいて、アクチュエータは圧電素子であることが好ましい。また、請求項8に記載されているように、請求項1乃至7記載のポンプにおいて、アクチュエータは超磁歪素子であることが好ましい。というのは、本発明のポンプは高周波駆動が可能であるため、アクチュエータとして圧電素子や超磁歪素子といった、高い周波数応答性を有するものを使用すると、小型軽量で高出力のポンプを実現できるからである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
先ず、本発明に係わるポンプの構造について図1で説明する。
図1は、本発明のポンプの縦断面を示している。円筒形状のケース7の底部に円形のダイヤフラム5を配置している。ダイヤフラム5は、外周緑がケース7に固定支持されて弾性変形自在となっている。ダイヤフラム5の底面には、ダイヤフラム5を動かすためのアクチュエータとして、図面の上下方向に伸縮する圧電素子6が配置されている。
【0017】
ダイヤフラム5とケース7の上壁との間の狭い空間がポンプ室3であり、このポンプ室3へ向けて流体抵抗要素である逆止弁4を設けた入口流路1と、ポンプ動作中でも常にポンプ室と連通した細い穴のあいた管路である出口流路2とが開口している。そして、入口流路1を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部要素と接続するための入口接続管8となっている。また、出口流路2を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部要素と接続するための出口接続管9となっている。また、入口流路、出口流路ともに、動作流体の入口側を丸めた丸め部分15a,15bがある。
【0018】
ここで逆止弁4の詳細について図2を用いて説明する。図2において、破線で示した円が開閉される流路である弁穴42であり、太い実線で示した舌形状のものが開閉部材である薄板41である。逆止弁4は弁穴42に薄板41が重なるようにして構成され、舌形状をした薄板41の基部は、弁穴42から離れたところで弁穴42を開けてある部材に固定されている。そして、弁穴42中心から薄板41外周までの距離は、一番短いところでも、弁穴42中心から弁穴42外周までの距離よりも長くしてある。この距離の差をラップ量と呼ぶ。そして、薄板41の弁穴側の面とその反対側の面に加わる圧力差によって、薄板41は弁穴42から離れ弁穴42を流体が通過するようになっている。
【0019】
ここで、流路のイナータンス値Lを定義する。流路の断面積をS、流路の長さをl、動作流体の密度をρとした場合に、L=ρ×l/Sで与えられる。流路の差圧をΔP、流路を流れる流量をQとした場合に、イナータンス値Lを用いて流路内流体の運動方程式を変形することで、ΔP=L×dQ/dtという関係が導き出される。
【0020】
つまりイナータンス値Lとは、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示しており、イナータンス値Lが大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンス値Lが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンス値は、個々の流路のイナータンス値を、電気回路におけるインダクタンスの並列接続、直列接続と同様に合成して算出すれば良い。
【0021】
また、ここで言う入口流路とは、ポンプ室3内から入口接続管8の流体流入側端面までの流路のことを言う。ただし、管路の途中に脈動吸収手段が接続されている場合は、ポンプ室3内から脈動吸収手段との接続部までの流路のことを言う。さらに、複数のポンプの入口流路1が合流している場合は、ポンプ室3内から合流部までの流路のことを言う。出口流路についても同様である。
【0022】
次に、開閉部材のイナータンス値を定義する。開閉部材のイナータンス値は開閉部材の質量と開閉部材が塞ぐ流路の断面積とによってほぼ関連付けられ、
開閉部材のイナータンス値=開閉部材の質量/開閉部材が塞ぐ流路の断面積の2乗で与えられる。この開閉部材のイナータンス値は、開閉部材が流路を完全に塞いでいる状態から開き出して流量が少ない間は、流路のイナータンスと同様に、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示していると考えて良く、やはりイナータンス値が大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンス値が小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
【0023】
そして、図2に示した開閉部材の一部が弁穴を開けてある部材に固定されている形式の弁においては、開閉部材の質量としては、弁穴中心から弁穴42外周までの距離にラップ量を加えた径で描かれる領域(図2で斜線を引いて示した領域)内の薄板41の質量を用いる。それ以外の、開閉部材が弁穴を開けてある部材に固定されない形式の弁においては、開閉部材の質量としては開閉部材の質量そのものを用いる。
【0024】
次に、本発明に係わるポンプを運転した時の内部状態について、図3、図4を用いて説明する。
図4は、ポンプ室の内圧が十分に上昇せず、上手くポンプ動作できていない場合の各波形を示してある(W1:ポンプ運転時のダイヤフラム変位波形、W2:ポンプ室の内圧波形)。波形W1において、波形の傾きが正の領域が、圧電素子6が延びてポンプ室3の容積が減少している過程である。図示していないが、傾きが負の領域は圧電素子6が縮んでポンプ室3の容積が増加する過程となる。
【0025】
図4の動作状態では、図示していないポンプ室容積増加行程を開始するタイミングには、ポンプ室内圧力が負荷圧力Pfuと等しくなってしまっており、ダイヤフラム変位を減少させポンプ室の容積増大によってポンプ室内圧力が低下しても、ポンプ室内圧を吸入側圧力よりも低下させるために、多くのダイヤフラム変位が必要となってしまいポンプ性能が大幅に低下する。場合によっては、ポンプ室の内圧が吸入側圧力より低下せず、吸入弁は開かずに出口流路内において吐出方向への流量とポンプ室内方向へ逆流する流量とが等しくなり、ポンプとしては機能しない状態となる。
このように、本実施例の構造のポンプはダイヤフラムによる排除体積を必ず吐出する従来の容積型ポンプと動作原理が異なっている。
【0026】
一方、図3には、正常にポンプを運転したときの、ダイヤフラム5の変位の波形W1、ポンプ室3の内圧の波形W2、出口流路2を通過する流体の体積速度(出口管路の断面積×流体の流速であり、この場合は流量と等しい量。)の波形W3、逆止弁4を通過する流体の体積速度の波形W4を示している。また、図3に示している負荷圧力Pfuは、出口流量2より下流側位置の流体圧力であり、吸入側圧力Pkyは、入口流路1より上流側の流体圧力である。
【0027】
ダイヤフラム5の変位の波形W1に示すように、波形の傾きが正の領域が、圧電素子6が延びてポンプ室3の容積が減少している過程である。また、波形の傾きが負の領域は、圧電素子6が縮んでポンプ室3の容積が増大している過程である。
そして、約4.5μm変位した平坦な波形区間が、ダイヤフラム5の上死点でポンプ室3の容積が最小となるダイヤフラム5の位置である。
【0028】
ポンプ室3の内圧変化の波形W2に示すように、ポンプ室3の容積を減少する過程が始まると、ポンプ室3の内圧上昇が開始する。そして、ポンプ室3の容積を減少する過程が終了する前に、ポンプ室3の内圧は負荷圧力より遥かに高い絶対圧で20気圧にも達する最大値を迎えて減少し始めている。この内圧最大点は、ダイヤフラム5による排除流体の体積速度と、波形W3で示した出口流路2の流体の体積速度とが等しくなる点である。
【0029】
この理由は、この時刻より前では、
排除流体の体積速度 − 出口流路2の流体の体積速度 > 0
の関係を有しているので、その分ポンプ室3内の流体が圧縮され、ポンプ室3内の圧力が上昇し、この時刻より後では、
排除流体の体積速度 − 出口流路2の流体の体積速度 < 0
の関係を有しているので、その分ポンプ室3内の流体の圧縮量が減少し、ポンプ室3内の圧力は降下するからである。
【0030】
ポンプ室3内の圧力は、各時刻によるポンプ室3内の流体の体積変化をΔVとすると、
ΔV = ダイヤフラムによる排除流体体積 + 吸入流体体積 − 吐出流体体積と流体の圧縮率との関係に従って変化する。したがって、ポンプ室3の容積が減少している過程であっても、負荷圧力Pfuよりもポンプ室3内の圧力が低下する場合もある。
【0031】
さらに、図3の場合では、動作流体中に溶けていた成分がガス化して気泡となるエアレーションやキャビテーンヨンのため、ポンプ室3内圧力が吸入側圧力Pkyよりも低下し絶対0気圧に近づいたところで飽和している。ただし、ポンプを含んだ流路系全体が加圧され吸入側圧力Pkyも十分に高い場合は、エアレーションやキャビテーションは発生しない場合もある。
【0032】
また、出口流路2内の流体体積速度の波形W3に示すように、出口流路2内では、ポンプ室3内圧力が負荷圧力Pfuよりも大きい期間が、ほぼ流体の体積速度の増加期間となっている。そして、ポンプ室3内圧力が負荷圧力Pfuより低下すると、出口流路2内の流体の体積速度も減少し始める。
ポンプ室3内圧力と負荷圧力Pfuとの差圧をΔPout、出口流路2での流体抵抗をRout、イナータンスをLout、流体の体積速度をQoutとおくと、出口流路2内の流体には、
【0033】
【数1】

Figure 2004162547
【0034】
という関係がほぼ成り立つため、これら流体の体積速度の変化率は、ΔPoutとRout×Qoutとの差をイナータンス値Loutで割ったものと等しい。
本実施形態のポンプは、図1で示したように出口流路2とポンプ室3とが連通しているため、流体抵抗が小さくなっている。その結果、差圧をΔPout一定として比較した場合に、連通していないポンプよりも出口流路内の流体体積速度の最大値を大きくし運動量の最大値も大きくすることが可能となる。
【0035】
そして、一周期分の波形W3で示されている流体の体積速度を積分した値が、一周期当たりの吐出流体体積となる。
また、逆止弁4を通過する流体の体積速度変化の波形W4に示すように、入口流路1では、ポンプ室3内圧力が吸入側圧力Pkyよりも減少すると、その圧力差によって逆止弁4の薄板41が開き、流体の体積速度が増加し始める。また、ポンプ室3内圧力が上昇し、吸入側圧力Pkyよりも増加すると、流体の体積速度が減少し始める。そして、逆止弁4の逆止効果によって逆流は防がれている。
【0036】
ポンプ室3内圧力と吸入側圧力Pkyとの差圧をΔPin、出口流路2での流体抵抗をRin、逆止弁4のイナータンスと流路のイナータンスを合わせたイナータンスをLin、流体の体積速度をQinとおくと、入口流路1内の流体でも、
【0037】
【数2】
Figure 2004162547
【0038】
という関係がほぼ成り立つため、これら流体体積速度の変化率も、ΔPinとRin×Qinとの差を入口流路1のイナータンス値Linで割ったものと等しい。
そして、一周期分の波形W4で示されている流体の体積速度を積分した値が、一周期当たりの吸入流体体積であり、波形W3の説明で述べた吐出流体体積と等しい。従って、波形W4で示される流体の体積速度を、逆止弁4が開いている間に速くすればするほど、吸入流体体積(=吐出流体体積)を多くできる。
【0039】
そして、本実施形態のポンプは、入口流路1と薄板41のイナータンス値の和を出口流路2のイナータンス値よりも小さくしてあるので、入口流路1の流体は、大きな流体速度の変化率で流入し、吸入流体体積(=吐出流体体積)を増加させることが可能となっている。
【0040】
次に、本発明に係わるポンプ構造について、具体的な寸法を示しながら説明を加える。
出口流路2は直径φ0.8[mm]、長さ15[mm]とし、入口流路1は逆止弁4近傍の縮径された部分(弁穴42に等しい部位)の直径をφ0.6[mm]、長さを0.2[mm]、残りの拡大された部分の直径をφ2[mm]長さ2[mm]とした。
ポンプ内に流す流体は水とした。水の密度は1E3[kg/m]なので、入口流路1の合成イナータンス値は1.34E−5[atm s/cm]、出口流路2のイナータンス値は2.98E−4[atm s/cm]となる。
【0041】
薄板41は、水によって腐食されない材質で製作されることが望ましく、密度約8E3[kg/m]のSUSの薄板をエッチングにて製作し、ラップ量は0.15[mm]とした。
その場合、出口流路2のイナータンス値2.98E−4[atm s/cm]と入口流路1の合成イナータンス値1.34E−5[atm s/cm]との差よりも、薄板41のイナータンス値が小さくなるように薄板41の板厚を選定すれば、入口流路の流体が確実に大きな流体速度の変化率で流入し、ポンプ室内に流入する流体体積が多くなる。
【0042】
また、薄板41の板厚を115[μm]以下にすることで、薄板41のイナータンス値を出口流路2のイナータンス値2.98E−4[atm s/cm]の25%以下にすることができる。すると、入口流路1の合成イナータンス値と合算しても、出口流路2のイナータンス値の50%以下となり、入口流路の流体を更に大きな流体速度の変化率でポンプ室内に流入させることができ、ポンプ室内に流入する流体体積が多くなる。
さらに、薄板41のイナータンス値を出口流路2のイナータンス値2.98E−4[atm s/cm]の10%以下とすれば、入口流路2内の流体を加速させる際の薄板41が存在する影響を無視できるレベルとなり好ましい。ちなみに、その条件を満たすためには板厚を46[μm]以下にすると良い。
【0043】
一方、薄板41にはポンプ内の圧力が加わるため、その圧力で壊れないようにする必要がある。本実施形態のポンプはポンプ室内圧を高くすると吐出流量を多くできる特性であるため、従来の容積形ポンプと比較して遥かに高いポンプ室内圧で運転される。具体的には図3で説明したように、ポンプ室内圧は絶対圧で20気圧にもなる。
そして、薄板41は厚さを10[μm]とすると頻繁に破壊されるが、15[μm]とすると破壊されないことを試験により確認しており、板厚13[μm]近傍で限界応力に達すると考えられる。弁穴42の面積は0.28[mm]であるから、この面積の平方根は0.53[mm]となり板厚13[μm]の約40倍の値となっている。
【0044】
一般的に知られる分布荷重を受ける円板の曲げの理論によると、分布荷重を受ける面積/板厚の2乗が曲げによって発生する応力と比例関係にある。そこで、理論に従い試験結果は一般化して解釈することができる。つまり、開閉される流路の断面積の平方根は、薄板の流路と重なる部分の平均板厚の約40倍以下にすると薄板は20気圧に耐えられるようになり、ポンプ室内圧を高くして流量が増大するようにポンプを運転できると言える。
【0045】
また、本実施例のポンプを長時間連続運転する場合には、薄板41はポンプ室の圧力変動を何千万回と繰り返し受ける。そのような時には、より応力が緩和するように薄板41の板厚を厚くすることが必要となる。具体的には、20[μm]以上にすると、長時間運転しても薄板41は疲労破壊しなくなることを確認した。この時、弁穴面積の平方根は、薄板の流路と重なる部分の平均板厚の約25倍以下となっている。この結果も先ほどと同様に一般化して解釈できる内容である。以上のように弁穴42の直径がφ0.6[mm]である本実施例の場合、薄板41の少なくとも弁穴42と重なる部分の板厚は13[μm]以上で115[μm]以下とすると良い。20[μm]以上で46[μm]以下とするとより好ましい。
【0046】
本実施例のポンプはアクチュエータに圧電素子を使用し、ダイヤフラム5と変位拡大機構を介さずに接続されているため、ダイヤフラムをkHzオーダーの高い周波数で運転可能である。そのため、薄板41がこのような高い周波数に追従して、流体抵抗を少なくするのに十分な距離だけ弁穴42から開けるようにすれば、圧電素子の性能を生かした高い周波数でポンプを駆動でき、吐出流量が増加する。図3で示したように、入り口流路から流体を吸入する際に薄板41に加わる差圧は1気圧である。弁穴42の大きさにかかわらず薄板41の板厚は80[μm]以下とすれば、この差圧によって5[kHz]の開閉周波数で100[μm]開くことが可能となり良い。
【0047】
以上の関係を、弁穴寸法と薄板の板厚との関係でまとめたグラフを図5に示す。グラフ上実線で挟まれた領域内が、薄板のイナータンス値を出口流路2のイナータンス値2.98E−4[atm s/cm]の25%以下、かつ、弁穴面積の平方根が薄板の板厚の約40倍以下、更に、板厚が80[μm]以下となる条件を満たす範囲である。そして、グラフ上一点鎖線で挟まれた領域内が、薄板のイナータンス値を出口流路2のイナータンス値2.98E−4[atm s/cm]の10%以下、かつ、弁穴面積の平方根が薄板の板厚の約25倍以下、更に、板厚が80[μm]以下となる条件を満たす範囲である。
【0048】
以上の構成において、ダイヤフラム5の形状は円形に限定するものではない。また、例えばポンプ停止時に万一加えられる過大な負荷圧力からポンプ構成部品を守る目的等で出口流路2に弁要素が配置されていても、少なくともポンプ動作時に出口流路2とポンプ室3とが連通し、流体がポンプ室から出口流路に吐出される方向とその逆方向に自由に移動できる状態となっていれば構わない。また、逆止弁4は、流体の圧力差で開閉する物であれば開閉部材として薄板形状以外のものを用いても良い。また、弁穴42は円形状以外でも構わない。さらに、ポンプ内に流す流体は油等の水以外のもとしても良い。
【0049】
さらに、ダイヤフラム5を動かすアクチュエータ6には伸縮するものであれば何を使用しても良いが、本発明のポンプ構造は、アクチュエータとダイヤフラム5とが変位拡大機構を介さずに接続され、ダイヤフラムを高い周波数で運転可能なため、本実施形態のように応答周波数が高い圧電素子6を使用することで、高周波駆動による流量増加ができ、小型高出力なポンプが実現できる。同様に高い周波数特性を有する超磁歪素子を使用しても良い。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のポンプは、開閉部材を具備する流体抵抗要素を入口流路だけに配置すれば良いので、ポンプの信頼性を高めることができる。
また、ピストン或いはダイヤフラムと、それを駆動するアクチュエータとの間には変位拡大機構が配置されておらず、弁に粘性抵抗を利用していないので高周波駆動に対応し、高周波駆動することでポンプの出力を増加することができる。特に、アクチュエータとして圧電素子や超磁歪素子を使用するときには、素子の高い周波数応答性を十分に生かし小型軽量で高出力のポンプを実現できる。
【0051】
また、請求項2から請求項4に記載した開閉部材と開閉される流路の断面積の関係を満たすことによって、ポンプ室内圧を高くして吐出流量が増大するようにポンプを運転可能となるとともに流体抵抗要素の信頼性が高くなる。また、入口流路の流体を大きな流体速度の変化率でポンプ室内に流入させることができ吐出流量が多くなる。更に、高い周波数に追従して、流体抵抗を少なくするのに十分な距離だけ開閉部材が移動可能となり、高周波駆動時のポンプ効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施形態のポンプ構造の縦断面を示す図である。
【図2】本発明に係る実施形態のポンプが具備する流体抵抗要素の上面図である。
【図3】本発明に係る実施形態のポンプ動作時の各状態量を示すグラフである。
【図4】ポンプ室の容積を減少させる時間が長く、ポンプ室内圧が十分に上昇しない状態を示すグラフである。
【図5】本発明に係る実施形態のポンプの弁穴寸法と薄板の板厚との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1:入口流路
2:出口流路
3:ポンプ室
4:逆止弁(流体抵抗要素)
5:ダイヤフラム(可動壁)
6:圧電素子(アクチュエータ)
20:駆動手段
41:薄板(開閉部材)
42:弁穴(開閉される流路)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a positive displacement pump that moves a fluid by changing the volume in a pump chamber by a piston or a diaphragm, and particularly relates to a highly reliable pump having a large output.
[0002]
[Prior art]
Conventional pumps of this type generally have a configuration in which a check valve is mounted between an inlet flow path and an outlet flow path and a pump chamber whose volume can be changed. (For example, see Patent Document 1)
Further, as a pump configuration for generating a flow in one direction by utilizing the viscous resistance of the fluid, a valve is provided in the outlet flow path, and when the valve is opened, the inlet flow path has a larger fluid resistance than the outlet flow path. There is a configuration as described above. (For example, see Patent Document 2)
[0003]
Furthermore, as a pump configuration that improves the reliability of the pump without using a movable part in the valve section, a configuration is provided in which a compression component having a flow path shape in which the pressure drop is different depending on the flow direction in both the inlet flow path and the outlet flow path. There is something. (For example, see Patent Document 3 and Non-Patent Document 1)
[0004]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-220357 [Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-312537 [Patent Document 3] Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-506874 [Non-patent Document 1] Anders Olsson, An improved valve- Less pump fabric using deep reactive ion etching, 1996 IEEE 9th Internationala 1 Works on Micro E1 Electro Mechanical Systems, p. 479-484
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the configuration of Patent Literature 1 requires a check valve for both the inlet flow path and the outlet flow path, and there is a problem that when the fluid passes through two check valves, the pressure loss is large. In addition, there is a risk that the check valve is repeatedly opened and closed, thereby causing a risk of fatigue damage. As the number of check valves increases, the reliability decreases.
[0006]
In the configuration of Patent Document 2, it is necessary to increase the fluid resistance of the inlet-side flow path in order to reduce the backflow generated in the inlet flow path during the pump discharge stroke. Then, in the pump suction stroke, since the fluid is introduced into the pump chamber against the fluid resistance, the suction stroke becomes considerably longer than the discharge stroke. Therefore, the frequency of the discharge suction cycle of the pump is considerably reduced.
[0007]
In a pump that moves a piston or a diaphragm up and down, when the area of the piston or the diaphragm is equal, generally, the higher the frequency of the up and down movement, the larger the flow rate and the higher the output. However, the configuration of Patent Document 2 can drive only at a low frequency as described above, and therefore has a problem that a high-output pump cannot be realized with a small size.
[0008]
The pump disclosed in Patent Document 3 has a configuration in which a net flow rate flows in one direction due to a difference in pressure drop depending on a flow direction of a fluid passing through a compression component. Therefore, the pump reverses as the external pressure (load pressure) on the pump outlet side increases. There is a problem that the flow rate increases and the pump does not operate at a high load pressure. According to Non-Patent Document 1, the maximum load pressure is about 0.760 atm.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide a pump having high output and high reliability corresponding to high load pressure and high frequency driving.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 is an actuator that displaces a movable wall such as a piston or a diaphragm, a driving unit that drives and controls the actuator, and a volume that can be changed by displacement of the movable wall. Pump chamber, an inlet flow path for flowing the working fluid into the pump chamber, and a pump having an outlet flow path for flowing the working fluid from the pump chamber,
The outlet flow path communicates with the pump chamber during a pump operation, the inlet flow path includes a fluid resistance element having an opening / closing member for opening and closing the flow path, and a combined inertance value of the inlet flow path and the opening / closing member. The sum with the inertance value was smaller than the combined inertance value of the outlet channel.
[0011]
According to the first aspect, first, the outlet flow path is communicated with the pump chamber during the operation of the pump, so that the fluid resistance element having the opening / closing member only needs to be disposed only in the inlet flow path, thereby improving the reliability of the pump. Can be. Further, no displacement enlargement mechanism is arranged between the piston or the diaphragm and the actuator for driving the piston or the diaphragm, and viscous resistance is not used as a valve, so that high-frequency driving can be supported.
Further, since the outlet flow path is communicated with the pump chamber during the pump operation, the fluid resistance of the outlet flow path is reduced, and the flow velocity in the outlet flow path can be increased during the volume reduction process of the pump chamber, thereby increasing the momentum of the fluid. . Further, since the sum of the combined inertance value of the inlet flow path and the inertance value of the opening / closing member is smaller than the combined inertance value of the outlet flow path, the momentum of the fluid in the outlet flow path decreases from the inlet flow path side until the momentum of the fluid in the outlet flow path decreases. Many fluids can be introduced into the pump chamber to significantly increase the discharge flow rate.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the pump according to the first aspect, an inertance value of the opening / closing member is set to 25% or less of a combined inertance value of the outlet passage. By doing so, the effect of the presence of the opening / closing member on the fluid velocity change rate of the fluid in the inlet channel can be further reduced, and the discharge flow rate can be increased.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in the pump according to the first or second aspect, the opening / closing member is a thin plate, and a square root of a cross-sectional area of the flow path to be opened / closed is an average of a portion overlapping the flow path of the thin plate. The thickness was set to 40 times or less of the plate thickness. By doing so, the pump can be operated so as to increase the pump chamber pressure and increase the flow rate.
According to a fourth aspect of the present invention, in the pump according to the third aspect, a square root of a cross-sectional area of the flow path to be opened and closed is set to 25 times or less an average thickness of a portion overlapping the flow path of the thin plate. . In this way, the thin plate does not suffer from fatigue failure even when repeatedly subjected to high pump chamber pressure, and can be a highly reliable pump whose life is greatly extended.
[0014]
According to a fifth aspect of the present invention, in the pump according to the third or fourth aspect, an average plate thickness of a portion of the thin plate that overlaps the flow path to be opened and closed is 80 μm. With this configuration, the thin plate can follow a high switching frequency and move a sufficient distance to reduce the fluid resistance due to the pressure difference between the pump chamber and the suction passage. Therefore, it is possible to configure a pump in which the discharge flow rate does not decrease even when driven at a high frequency.
[0015]
Further, as described in claim 7, in the pump according to any one of claims 1 to 6, the actuator is preferably a piezoelectric element. Further, as described in claim 8, in the pump according to any one of claims 1 to 7, the actuator is preferably a giant magnetostrictive element. This is because the pump of the present invention can be driven at a high frequency, and if a high-frequency responsive actuator such as a piezoelectric element or a giant magnetostrictive element is used as the actuator, a small, lightweight, and high-output pump can be realized. is there.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the structure of the pump according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 shows a longitudinal section of the pump of the present invention. A circular diaphragm 5 is arranged at the bottom of a cylindrical case 7. The outer peripheral green of the diaphragm 5 is fixedly supported by the case 7 and is elastically deformable. On the bottom surface of the diaphragm 5, a piezoelectric element 6 that expands and contracts in the vertical direction in the drawing is arranged as an actuator for moving the diaphragm 5.
[0017]
The narrow space between the diaphragm 5 and the upper wall of the case 7 is the pump chamber 3, the inlet flow path 1 provided with the check valve 4 which is a fluid resistance element toward the pump chamber 3, and the pump chamber 3 is always in operation. An outlet passage 2 which is a pipe with a small hole communicating with the pump chamber is open. A part of the outer periphery of the component constituting the inlet flow path 1 serves as an inlet connection pipe 8 for connecting to an external element (not shown) of the pump. Further, a part of the outer periphery of the component constituting the outlet flow path 2 serves as an outlet connection pipe 9 for connecting to an external element (not shown) of the pump. In addition, both the inlet channel and the outlet channel have rounded portions 15a and 15b in which the inlet side of the working fluid is rounded.
[0018]
Here, the details of the check valve 4 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, a circle shown by a broken line is a valve hole 42 which is a flow path to be opened and closed, and a tongue-shaped thing shown by a thick solid line is a thin plate 41 which is an opening and closing member. The check valve 4 is configured such that the thin plate 41 overlaps the valve hole 42, and the base of the tongue-shaped thin plate 41 is fixed to a member having the valve hole 42 opened away from the valve hole 42. The distance from the center of the valve hole 42 to the outer periphery of the thin plate 41 is longer than the distance from the center of the valve hole 42 to the outer periphery of the valve hole 42 even at the shortest point. This difference in distance is called the lap amount. The thin plate 41 is separated from the valve hole 42 and the fluid passes through the valve hole 42 due to the pressure difference between the surface of the thin plate 41 on the valve hole side and the surface on the opposite side.
[0019]
Here, the inertance value L of the flow path is defined. When the cross-sectional area of the flow path is S, the length of the flow path is 1, and the density of the working fluid is ρ, it is given by L = ρ × 1 / S. When the pressure difference in the flow path is ΔP and the flow rate in the flow path is Q, by deforming the equation of motion of the fluid in the flow path using the inertance value L, the relation ΔP = L × dQ / dt is derived. It is.
[0020]
That is, the inertance value L indicates the degree of influence of the unit pressure on the time change of the flow rate. The larger the inertance value L, the smaller the time change of the flow rate. The smaller the inertance value L, the larger the time change of the flow rate.
In addition, the combined inertance value for the parallel connection of a plurality of flow paths and the series connection of a plurality of flow paths having different shapes is obtained by combining the inertance values of the individual flow paths in the same manner as the parallel connection and the serial connection of the inductance in an electric circuit. It is sufficient to calculate it.
[0021]
In addition, the inlet flow path referred to here is a flow path from the inside of the pump chamber 3 to the end face of the inlet connection pipe 8 on the fluid inflow side. However, when the pulsation absorbing means is connected in the middle of the pipe, it refers to the flow path from the inside of the pump chamber 3 to the connection with the pulsation absorbing means. Further, when the inlet flow paths 1 of a plurality of pumps are merged, it refers to the flow path from the inside of the pump chamber 3 to the merged portion. The same applies to the outlet flow path.
[0022]
Next, the inertance value of the opening / closing member is defined. The inertance value of the opening / closing member is substantially related to the mass of the opening / closing member and the cross-sectional area of the flow path closed by the opening / closing member,
Inertance value of the opening / closing member = mass of the opening / closing member / square of the cross-sectional area of the flow path closed by the opening / closing member. The inertance value of the opening / closing member determines the degree of influence of the unit pressure on the time change of the flow rate, similarly to the inertance of the flow path, while the opening / closing member is opened from a state in which the flow path is completely closed and the flow rate is small. It can be considered that the time change of the flow rate is smaller as the inertance value is larger, and the time change of the flow rate is larger as the inertance value is smaller.
[0023]
In a valve in which a part of the opening and closing member shown in FIG. 2 is fixed to a member having a valve hole, the mass of the opening and closing member is determined by the distance from the center of the valve hole to the outer periphery of the valve hole 42. The mass of the thin plate 41 in an area drawn with a diameter to which the lap amount is added (an area shown by hatching in FIG. 2) is used. In other types of valves in which the opening / closing member is not fixed to a member having a valve hole, the mass of the opening / closing member itself is used as the mass of the opening / closing member.
[0024]
Next, an internal state when the pump according to the present invention is operated will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 shows waveforms when the internal pressure of the pump chamber does not rise sufficiently and the pump cannot be operated well (W1: diaphragm displacement waveform during pump operation, W2: internal pressure waveform of the pump chamber). In the waveform W1, a region where the slope of the waveform is positive is a process in which the volume of the pump chamber 3 is reduced due to the extension of the piezoelectric element 6. Although not shown, in the region where the inclination is negative, the piezoelectric element 6 contracts and the volume of the pump chamber 3 increases.
[0025]
In the operation state of FIG. 4, at the timing of starting the pump chamber volume increasing stroke (not shown), the pump chamber pressure is equal to the load pressure P fu , and the diaphragm displacement is reduced to increase the volume of the pump chamber. Even if the pump chamber pressure decreases, a large amount of diaphragm displacement is required to lower the pump chamber pressure below the suction side pressure, and pump performance is greatly reduced. In some cases, the internal pressure of the pump chamber does not drop below the suction side pressure, and the flow rate in the discharge direction and the flow rate flowing backward in the pump chamber direction are equal in the outlet flow path without opening the suction valve, thus functioning as a pump. It will not be in the state.
As described above, the operation principle of the pump having the structure of the present embodiment is different from that of the conventional positive displacement pump which always discharges the excluded volume by the diaphragm.
[0026]
On the other hand, FIG. 3 shows a waveform W1 of the displacement of the diaphragm 5, a waveform W2 of the internal pressure of the pump chamber 3, and a volume velocity of the fluid passing through the outlet flow path 2 (disconnection of the outlet pipe) when the pump is operated normally. Area × fluid flow rate, in this case equal to the flow rate), and a waveform W4 of the volume velocity of the fluid passing through the check valve 4. Further, the load pressure P fu shown in FIG. 3 is a fluid pressure at a position downstream of the outlet flow rate 2, and the suction side pressure P ky is a fluid pressure upstream of the inlet flow path 1.
[0027]
As shown in the waveform W1 of the displacement of the diaphragm 5, the area where the slope of the waveform is positive is the process in which the volume of the pump chamber 3 is reduced due to the extension of the piezoelectric element 6. The region where the slope of the waveform is negative is a process in which the volume of the pump chamber 3 is increasing due to the contraction of the piezoelectric element 6.
The flat waveform section displaced by about 4.5 μm is the position of the diaphragm 5 where the volume of the pump chamber 3 becomes minimum at the top dead center of the diaphragm 5.
[0028]
As shown by the waveform W2 of the change in the internal pressure of the pump chamber 3, when the process of reducing the volume of the pump chamber 3 starts, the internal pressure of the pump chamber 3 starts increasing. Then, before the process of reducing the volume of the pump chamber 3 ends, the internal pressure of the pump chamber 3 reaches a maximum value of 20 atm at an absolute pressure much higher than the load pressure and starts to decrease. The maximum point of the internal pressure is a point at which the volume velocity of the rejected fluid by the diaphragm 5 becomes equal to the volume velocity of the fluid in the outlet channel 2 shown by the waveform W3.
[0029]
The reason is that before this time,
Volume velocity of rejected fluid-Volume velocity of fluid in outlet channel 2> 0
Therefore, the fluid in the pump chamber 3 is compressed correspondingly, the pressure in the pump chamber 3 increases, and after this time,
Volume velocity of rejected fluid-Volume velocity of fluid in outlet channel 2 <0
This is because the amount of compression of the fluid in the pump chamber 3 decreases accordingly, and the pressure in the pump chamber 3 drops.
[0030]
The pressure in the pump chamber 3 is as follows: ΔV is a volume change of the fluid in the pump chamber 3 at each time.
ΔV = displaced fluid volume by the diaphragm + inhaled fluid volume−changes according to the relationship between the discharged fluid volume and the compressibility of the fluid. Therefore, even in the process where the volume of the pump chamber 3 is decreasing, the pressure in the pump chamber 3 may be lower than the load pressure Pfu .
[0031]
Further, in the case of FIG. 3, the pressure in the pump chamber 3 becomes lower than the suction side pressure P ky and becomes 0 atm due to aeration or cavitation which gasifies the components dissolved in the working fluid into gas bubbles. Saturated nearer. However, when the entire flow path system including the pump is pressurized and the suction side pressure Pky is sufficiently high, aeration and cavitation may not occur.
[0032]
Further, as shown in the waveform W3 of the fluid volume velocity in the outlet flow path 2, in the outlet flow path 2, the period in which the pressure in the pump chamber 3 is larger than the load pressure Pfu is almost the period during which the volume velocity of the fluid increases. It has become. When the pressure in the pump chamber 3 becomes lower than the load pressure Pfu , the volume velocity of the fluid in the outlet channel 2 also starts to decrease.
If the pressure difference between the pressure in the pump chamber 3 and the load pressure P fu is ΔP out , the fluid resistance in the outlet channel 2 is R out , the inertance is L out , and the volume velocity of the fluid is Q out , the outlet channel 2 The fluid inside is
[0033]
(Equation 1)
Figure 2004162547
[0034]
, The rate of change in volume velocity of these fluids is equal to the difference between ΔP out and R out × Q out divided by the inertance value L out .
In the pump of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the outlet channel 2 and the pump chamber 3 communicate with each other, so that the fluid resistance is reduced. As a result, it is possible to increase the maximum value of the fluid volume velocity in the outlet flow path and the maximum value of the momentum as compared with a pump that is not in communication, when comparing the differential pressure with a constant ΔP out .
[0035]
Then, a value obtained by integrating the volume velocity of the fluid shown by the waveform W3 for one cycle is the discharge fluid volume per cycle.
Further, as shown in the waveform W4 of the change in volume velocity of the fluid passing through the check valve 4, when the pressure in the pump chamber 3 becomes lower than the suction side pressure P ky in the inlet flow path 1, the check is made due to the pressure difference. The lamella 41 of the valve 4 opens and the volume velocity of the fluid starts to increase. When the pressure in the pump chamber 3 rises and becomes higher than the suction side pressure Pky , the volume velocity of the fluid starts to decrease. The check valve 4 prevents the check valve from flowing backward.
[0036]
The differential pressure between the pressure in the pump chamber 3 and the suction-side pressure P ky is ΔP in , the fluid resistance in the outlet flow path 2 is R in , the inertance of the check valve 4 and the inertance of the flow path are L in , Assuming that the volume velocity of the fluid is Q in , even the fluid in the inlet channel 1
[0037]
(Equation 2)
Figure 2004162547
[0038]
, The rate of change of the fluid volume velocity is also equal to the difference between ΔP in and R in × Q in divided by the inertance value L in of the inlet flow path 1.
The value obtained by integrating the volume velocity of the fluid shown by the waveform W4 for one cycle is the suction fluid volume per cycle, and is equal to the discharge fluid volume described in the description of the waveform W3. Therefore, as the volume velocity of the fluid indicated by the waveform W4 is increased while the check valve 4 is open, the suction fluid volume (= discharge fluid volume) can be increased.
[0039]
In the pump of the present embodiment, the sum of the inertance values of the inlet flow path 1 and the thin plate 41 is smaller than the inertance value of the outlet flow path 2. And the suction fluid volume (= discharge fluid volume) can be increased.
[0040]
Next, the pump structure according to the present invention will be described while showing specific dimensions.
The outlet channel 2 has a diameter of φ 0.8 [mm] and a length of 15 [mm], and the inlet channel 1 has a diameter of a reduced diameter portion (a portion equivalent to the valve hole 42) near the check valve 4 of φ 0. 6 [mm], the length was 0.2 [mm], and the diameter of the remaining enlarged portion was φ2 [mm] and the length was 2 [mm].
The fluid flowing in the pump was water. Since the density of water is 1E3 [kg / m 3 ], the synthetic inertance value of the inlet channel 1 is 1.34E-5 [atms s 2 / cm 3 ], and the inertance value of the outlet channel 2 is 2.98E-4 [ atm s 2 / cm 3 ].
[0041]
The thin plate 41 is desirably made of a material that is not corroded by water. A SUS thin plate having a density of about 8E3 [kg / m 3 ] is manufactured by etching, and the lap amount is 0.15 [mm].
In this case, than the difference between the inertance value 2.98E-4 in the outlet channel 2 [atm s 2 / cm 3 ] and combined inertance value 1.34E-5 of the inlet channel 1 [atm s 2 / cm 3 ] If the thickness of the thin plate 41 is selected so that the inertance value of the thin plate 41 becomes small, the fluid in the inlet flow path surely flows at a large rate of change of the fluid velocity, and the volume of fluid flowing into the pump chamber increases.
[0042]
Further, by setting the thickness of the thin plate 41 to 115 [μm] or less, the inertance value of the thin plate 41 is set to 25% or less of the inertance value of the outlet channel 2.98E-4 [atms s 2 / cm 3 ]. be able to. Then, even if the sum of the inertance value of the inlet flow path 1 and the combined inertance value is 50% or less of the inertance value of the outlet flow path 2, the fluid in the inlet flow path can flow into the pump chamber at a larger fluid velocity change rate. As a result, the volume of fluid flowing into the pump chamber increases.
Further, if the inertance value of the sheet 41 and more than 10% of the inertance value 2.98E-4 in the outlet channel 2 [atm s 2 / cm 3 ], the thin plate 41 for accelerating the fluid in the inlet flow path 2 Is at a level at which the influence of the presence of can be ignored. Incidentally, in order to satisfy the condition, the plate thickness is preferably set to 46 [μm] or less.
[0043]
On the other hand, since the pressure in the pump is applied to the thin plate 41, it is necessary to prevent the thin plate 41 from being broken by the pressure. Since the pump of this embodiment has a characteristic that the discharge flow rate can be increased by increasing the pump chamber pressure, the pump is operated at a much higher pump chamber pressure than a conventional positive displacement pump. Specifically, as described in FIG. 3, the pump chamber pressure becomes as high as 20 atm in absolute pressure.
The thin plate 41 is frequently broken when the thickness is set to 10 [μm], but it is confirmed by a test that the thin plate 41 is not broken when the thickness is set to 15 [μm]. It is thought that. Since the area of the valve hole 42 is 0.28 [mm 2 ], the square root of this area is 0.53 [mm], which is about 40 times the plate thickness 13 [μm].
[0044]
According to a generally known theory of bending a disk subjected to a distributed load, the square of the area / plate thickness subjected to the distributed load is proportional to the stress generated by bending. Therefore, the test results can be generalized and interpreted according to the theory. In other words, when the square root of the cross-sectional area of the flow path to be opened and closed is set to be about 40 times or less the average thickness of the portion overlapping the flow path of the thin plate, the thin plate can withstand 20 atm, and the pump chamber pressure is increased. It can be said that the pump can be operated so that the flow rate increases.
[0045]
Further, when the pump of this embodiment is operated continuously for a long time, the thin plate 41 repeatedly receives tens of millions of pressure fluctuations in the pump chamber. In such a case, it is necessary to increase the thickness of the thin plate 41 so that the stress is further reduced. Specifically, it was confirmed that when the thickness was set to 20 [μm] or more, the thin plate 41 did not break due to fatigue even after a long operation. At this time, the square root of the valve hole area is about 25 times or less the average plate thickness of the portion overlapping the flow path of the thin plate. This result can be generalized and interpreted similarly to the above. As described above, in the case of the present embodiment in which the diameter of the valve hole 42 is φ0.6 [mm], the plate thickness of at least the portion of the thin plate 41 that overlaps the valve hole 42 is not less than 13 [μm] and not more than 115 [μm]. Good. It is more preferable that the thickness be 20 μm or more and 46 μm or less.
[0046]
Since the pump of this embodiment uses a piezoelectric element as an actuator and is connected to the diaphragm 5 without passing through a displacement enlarging mechanism, the diaphragm can be operated at a high frequency on the order of kHz. Therefore, if the thin plate 41 follows such a high frequency and is opened from the valve hole 42 a sufficient distance to reduce the fluid resistance, the pump can be driven at a high frequency utilizing the performance of the piezoelectric element. As a result, the discharge flow rate increases. As shown in FIG. 3, the differential pressure applied to the thin plate 41 when sucking the fluid from the inlet channel is 1 atm. If the thickness of the thin plate 41 is 80 [μm] or less regardless of the size of the valve hole 42, it is possible to open 100 [μm] at an opening / closing frequency of 5 [kHz] by this differential pressure.
[0047]
FIG. 5 is a graph summarizing the above relationship in the relationship between the valve hole size and the thickness of the thin plate. The region between the graph on the solid line, 25% or less of the inertance value of the thin inertance value 2.98E-4 in the outlet channel 2 [atm s 2 / cm 3 ], and the square root of the valve hole area thin This is a range that satisfies the condition that the plate thickness is about 40 times or less and the plate thickness is 80 μm or less. In the area between the dashed lines on the graph, the inertance value of the thin plate is set to 10% or less of the inertance value 2.98E-4 [atms s 2 / cm 3 ] of the outlet channel 2 and the valve hole area. The square root is within a range that satisfies the condition that the thickness is about 25 times or less the thickness of the thin plate, and further, the thickness is 80 μm or less.
[0048]
In the above configuration, the shape of the diaphragm 5 is not limited to a circle. Further, for example, even if a valve element is arranged in the outlet flow path 2 for the purpose of protecting the pump components from an excessive load pressure applied when the pump is stopped, at least during the pump operation, the outlet flow path 2 and the pump chamber 3 And the fluid can be freely moved in the direction opposite to the direction in which the fluid is discharged from the pump chamber to the outlet flow path. The check valve 4 may be a member other than a thin plate as the open / close member as long as it can be opened and closed by a pressure difference of the fluid. Further, the valve hole 42 may have a shape other than a circular shape. Further, the fluid flowing in the pump may be other than water such as oil.
[0049]
Further, as long as the actuator 6 for moving the diaphragm 5 can be used as long as it expands and contracts, the pump structure of the present invention connects the actuator and the diaphragm 5 without passing through the displacement enlarging mechanism. Since the operation can be performed at a high frequency, the flow rate can be increased by high-frequency driving by using the piezoelectric element 6 having a high response frequency as in the present embodiment, and a small and high-output pump can be realized. Similarly, a giant magnetostrictive element having high frequency characteristics may be used.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, in the pump of the present invention, the fluid resistance element having the opening / closing member may be disposed only in the inlet channel, so that the reliability of the pump can be improved.
In addition, there is no displacement magnifying mechanism between the piston or diaphragm and the actuator that drives it, and the valve does not use viscous resistance. Output can be increased. In particular, when a piezoelectric element or a giant magnetostrictive element is used as an actuator, a small, lightweight, high-output pump can be realized by making full use of the high frequency response of the element.
[0051]
Further, by satisfying the relationship of the cross-sectional area of the opening / closing member and the flow path to be opened / closed, the pump can be operated so as to increase the pump chamber pressure and increase the discharge flow rate. At the same time, the reliability of the fluid resistance element increases. Further, the fluid in the inlet channel can be caused to flow into the pump chamber at a large rate of change in fluid velocity, and the discharge flow rate increases. Further, following the high frequency, the opening / closing member can be moved by a distance sufficient to reduce the fluid resistance, and the pump efficiency at the time of high frequency driving can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a vertical section of a pump structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a top view of a fluid resistance element included in the pump according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing each state quantity during a pump operation of the embodiment according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a state where the time for reducing the volume of the pump chamber is long and the pressure in the pump chamber is not sufficiently increased.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a valve hole size and a thin plate thickness of the pump according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Inlet channel 2: Outlet channel 3: Pump chamber 4: Check valve (fluid resistance element)
5: Diaphragm (movable wall)
6: Piezoelectric element (actuator)
20: drive means 41: thin plate (opening / closing member)
42: Valve hole (flow path to be opened and closed)

Claims (7)

ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記出口流路はポンプ動作時に前記ポンプ室と連通し、前記入口流路は流路を開閉する開閉部材を備えた流体抵抗要素を具備し、前記入口流路の合成イナータンス値と前記開閉部材のイナータンス値との和は、前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さいことを特徴とするポンプ。
An actuator for displacing a movable wall such as a piston or a diaphragm, a driving means for driving and controlling the actuator, a pump chamber whose volume can be changed by displacement of the movable wall, and an inlet flow path for flowing a working fluid into the pump chamber And a pump having an outlet flow path for allowing a working fluid to flow out of the pump chamber,
The outlet flow path communicates with the pump chamber at the time of a pump operation, the inlet flow path includes a fluid resistance element having an opening / closing member that opens and closes the flow path, and a combined inertance value of the inlet flow path and the opening / closing member. A pump characterized in that a sum with an inertance value is smaller than a combined inertance value of the outlet flow path.
前記開閉部材のイナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値の25%以下であることを特徴とする請求項1に記載のポンプ。The pump according to claim 1, wherein an inertance value of the opening / closing member is 25% or less of a combined inertance value of the outlet flow path. 前記開閉部材は薄板であり、前記開閉される流路の断面積の平方根は前記薄板における流路と重なる部分の平均板厚の40倍以下であること特徴とする請求項1又は2の何れかに記載のポンプ。The said opening-and-closing member is a thin plate, The square root of the cross-sectional area of the said flow path opened and closed is 40 times or less of the average board thickness of the part which overlaps the flow path in the said thin plate, The Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. The pump according to 1. 前記開閉される流路の断面積は、前記薄板において前記開閉される流路と重なる部分の平均板厚の25倍以下であること特徴とする請求項3記載のポンプ。4. The pump according to claim 3, wherein a cross-sectional area of the flow path to be opened and closed is not more than 25 times an average plate thickness of a portion of the thin plate overlapping the flow path to be opened and closed. 前記薄板において前記開閉される流路と重なる部分の平均板厚は80μm以下であることを特徴とする請求項3又は4の何れかに記載のポンプ。5. The pump according to claim 3, wherein an average plate thickness of a portion of the thin plate overlapping the flow path to be opened and closed is 80 μm or less. 6. 前記アクチュエータは、圧電素子であることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載のポンプ。The pump according to claim 1, wherein the actuator is a piezoelectric element. 前記アクチュエータは、超磁歪素子であることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載のポンプ。The pump according to any one of claims 1 to 5, wherein the actuator is a giant magnetostrictive element.
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