ダイヤフラムポンプ
【課題】振動するダイヤフラムとハウジングとの間にポンプ室を形成し、ハウジングに、ダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に吸入ポートに連通する吸入側液溜室と吐出ポートに連通する吐出側液溜室を設け、吸入側液溜室とポンプ室との間に該吸入側液溜室からポンプ室への流体流を許す吸入側逆止弁を設け、吐出側液溜室とポンプ室との間に該ポンプ室から吐出側液溜室への流体流を許す吐出側逆止弁設けたダイヤフラムポンプにおいて、ハウジングを合成樹脂製にしなければならないという制約の下で簡単な構成で振動の軽減ができ、かつ流量を低下させないダイヤフラムポンプを得る。
【解決手段】ハウジングに、吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の反対側において、吸入側液溜室と吐出側液溜室にそれぞれ連通する一対の開口部を形成し、この一対の開口部を、吸入側液溜室と吐出側液溜室の圧力で弾性変形する金属薄板からなる振動軽減板で閉塞したダイヤフラムポンプ。
【解決手段】ハウジングに、吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の反対側において、吸入側液溜室と吐出側液溜室にそれぞれ連通する一対の開口部を形成し、この一対の開口部を、吸入側液溜室と吐出側液溜室の圧力で弾性変形する金属薄板からなる振動軽減板で閉塞したダイヤフラムポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラムポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動するダイヤフラムによってポンプ作用を得るポンプとして、例えば圧電ポンプがある。圧電ポンプは、平面円形の圧電振動子とハウジングによってポンプ室を形成する。ハウジングには、ダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に位置させて、吸入ポートと吐出ポートがそれぞれ開口する吸入側液溜室と吐出側液溜室を設け、この一対の液溜室とポンプ室との間には、吸入側液溜室からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁と、ポンプ室から吐出側液溜室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁とを設けている。圧電振動子が振動すると、ポンプ室の容積が大きくなる行程では、流入側逆止弁が開き吐出側逆止弁が閉じて吸入ポート、吸入側液溜室からポンプ室内に流体が流入し、逆にポンプ室の容積が小さくなる行程では、吐出側逆止弁が開き吸入側逆止弁が閉じてポンプ室から吐出側液溜室、吐出ポートに流体が吐出され、ポンプ作用が得られる。
【０００３】
ダイヤフラムポンプにおいて、小型なものとして、例えば以下に示すものが公知となっている（特許文献１〜１１）。小型化のため、ダイヤフラムが圧電振動子であるものが一般的である。また流路の脈動防止としての緩衝器（ダンパー）として、弾性部材を用いることも一般的である（特許文献１２）。小型ポンプにおいて、脈動を抑える公知技術として、脈動低減のエアチャンバと可撓性膜体を有する構造（特許文献１）、柔軟なシート材と空気室を有する構造（特許文献３、４）、弾性薄板と緩衝室を有する構造（特許文献８）などが知られている。
【特許文献１】特開平10-9079号公報
【特許文献２】特開平10-220357号公報
【特許文献３】特開2000-265963号公報
【特許文献４】特開2000-274374号公報
【特許文献５】特開2001-65461号公報
【特許文献６】特開2001-115969号公報
【特許文献７】特開2001-323879号公報
【特許文献８】特開2002-202061号公報
【特許文献９】特開2004-308554号公報
【特許文献１０】特開2005-337069号公報
【特許文献１１】特開2006-242176号公報
【特許文献１２】特許3751592号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願人は、このような圧電ポンプを用いてノートＰＣの発熱源（ＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット等）を冷却する水冷システムを開発中である。ノートＰＣに搭載するポンプは、安全規格であるＵＬ規格を満足する必要があり、特に耐電圧性を満たすようにハウジングを合成樹脂主体としたものにせざるをえない。合成樹脂製のハウジングは、材料に設計自由度のある配管部分と比べて、ハウジング自体が弾性変形しにくいため、逆止弁の開閉に伴う脈動（振動）の影響をうけやすい。従来、この圧電ポンプ（ダイヤフラムポンプ）の振動防止構造は各種が提案されているが（特許文献３、４、８）、構造が複雑化し、薄型化を妨げ、耐久性に問題があり、あるいは流量が犠牲になるという問題があった。またノートＰＣ用の用途では、小型・軽量化だけでなく、消費電力を極力抑える必要があり、かつ振動に起因する騒音、ポンプ流量の確保を両立させなければならないため、従来技術の延長では限界があった。またハウジングを合成樹脂としたポンプにおいて、吐出側と吸入側の蓋を金属蓋とすることで、設計自由度を確保し、金属板の収縮で流量を阻害しない技術も知られている（特許文献１０）。
【０００５】
ダイヤフラムポンプにおいては、小型化、薄型化だけでなく、特にポンプ流量の確保が重要であり、かつノートＰＣの用途のように、省電力が求められる機器においては、ダイヤフラムの駆動周波数をあげて流量を確保しようとすると、電力を大きく消費してしまう。したがって、従来の技術のような緩衝器、ゴム等の弾性材に代表されるような緩衝板をとり付けると、脈動を低減できるが、その分ポンプ流量がロスしてしまうことが課題となる。ロスした流量をカバーするため、駆動周波数をあげると消費電力が格段に増してしまうため、特に携帯機器等の用途の場合は改善が必須である。また緩衝器の空気室を設けたり、空気穴をつけると、ポンプの小型化・薄型化を制限することになる。
【０００６】
ダイヤフラムの吐出流量を増大させるため、ダイヤフラムの共振をうまく活用して、低周波数で電力をおさえ、かつ流量を確保するダイヤフラムの設計が一般的である（特許文献８）。ここで課題となるのは共振によりポンプそのものの振動が増加することである。振動による騒音の低減、および振動による配線接合部等への影響を除去し、かつ流量を低下させないことが小型ポンプの性能として求められている。
【０００７】
特許文献１０の金属蓋は、ポンプの製造工程において、吐出弁もしくは吸入弁の外部の蓋を金属とすることにより、樹脂で蓋をする場合と比較して、弾性変形できることを意図している。ここでは金属板の厚さが０．１〜０．５ｍｍと厚い範囲が想定されており、振動を低減することには着目していない。
【０００８】
本発明は、ハウジングを合成樹脂製にしなければならないという制約の下で、ポンプ流量を落とさず、簡単な構成で振動の軽減ができるダイヤフラムポンプを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、平面円形でその中心部の振幅が最も大きくなるように振動するダイヤフラム；このダイヤフラムと合成樹脂製のハウジングとの間に形成したポンプ室；ハウジングに、ダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に設けた、吸入ポートに連通する吸入側液溜室と吐出ポートに連通する吐出側液溜室；吸入側液溜室とポンプ室との間に設けた、該吸入側液溜室からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁；及び吐出側液溜室とポンプ室との間に設けた、該ポンプ室から吐出側液溜室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁；を有するダイヤフラムポンプにおいて、ハウジングに、吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の反対側において、吸入側液溜室と吐出側液溜室にそれぞれ連通する一対の開口部を形成し、この一対の開口部を、吸入側液溜室と吐出側液溜室の圧力で弾性変形する金属薄板からなる振動軽減板で閉塞したことを特徴としている。
【００１０】
振動軽減板は、一対の開口部毎の個別部材として設けることも可能であるが、一対の開口部に共通の単一部材とすることができる。
【００１１】
振動軽減板は、具体的には、耐水性・耐久性を考慮してステンレス製が好ましい。またその板厚は、０．０５ｍｍ以下とすると、効果的に振動の防止ができる。
【００１２】
本発明は、少なくともダイヤフラムとして圧電振動子を用いた圧電ポンプに適用できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、円形のダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に、吸入ポートに連通する吸入側液溜室（吸入側逆止弁）と吐出ポートに連通する吐出側液溜室（吐出側逆止弁）を設けるという位置関係のダイヤフラムポンプにおいて、合成樹脂製のハウジングに、吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の反対側において、吸入側液溜室と吐出側液溜室にそれぞれ連通する一対の開口部を形成し、この一対の開口部を、吸入側液溜室と吐出側液溜室の圧力で弾性変形する金属薄板からなる振動軽減板で閉塞するという簡単な構成により、流量を犠牲にすることなく脈動を低減することができる。振動軽減板は、金属薄板からなるので、耐久性に優れ、ポンプ全体の薄型化を妨げることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１、図２は、本発明を圧電ポンプに適用した実施形態を示している。本圧電ポンプは、平面円形の圧電振動子（ダイヤフラム）１０とハウジング２０を備えており、ハウジング２０は、アッパハウジング２１、ミドルハウジング（逆止弁支持板）２２及びロアハウジング２３からなっている。ハウジング２０は全体が合成樹脂（例えばＰＢＴ(ポリブチレンテレフタレート)樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）樹脂）製である。
【００１５】
圧電振動子１０は、アッパハウジング２１とミドルハウジング２２の間にＯリング１４を介して支持され、該圧電振動子１０とミドルハウジング２２との間にポンプ室Ｐを形成し、圧電振動子１０とアッパハウジング２１との間に大気室Ａを形成している。
【００１６】
平面円形の圧電振動子１０は、図１に示すように、ポンプ室Ｐ側に臨むシム１１と、大気室Ａ側に臨む圧電体１２とを備えたユニモルフタイプである。シム１１は、厚さ３０〜３００μｍ程度のステンレスや４２アロイ等からなる導電性金属薄板であり、圧電体１２は、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）等の圧電材料から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。このような圧電振動子は周知である。圧電体１２の表裏に交番電界が与えられると、圧電体１２の表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シム１１（圧電振動子１０）が中央部の振幅が最も大きくなるように振動する。
【００１７】
ロアハウジング２３には、円形の圧電振動子１０の平面中心に対する偏心対称位置に、平面円形の吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２が貫通穴として形成されている。吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２には、該吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２の軸線と直交する吸入ポート３１ａと吐出ポート３２ａが開口している。ミドルハウジング２２とロアハウジング２３の間には、吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２の液密を保持するＯリング３１ｂとＯリング３２ｂが挟着されている。
【００１８】
ミドルハウジング２２には、吸入側液溜室３１の軸線上に位置させて、該吸入側液溜室３１とポンプ室Ｐとの間に位置する吸入側逆止弁（アンブレラ）３３が設けられ、また、吐出側液溜室３２の軸線上に位置させて、ポンプ室Ｐと該吐出側液溜室３２との間に位置する吐出側逆止弁（アンブレラ）３４が設けられている。吸入側逆止弁３３は、吸入側液溜室３１からポンプ室Ｐへの流体流を許しその逆方向の流体流を許さない逆止弁であり、吐出側逆止弁３４は、ポンプ室Ｐから吐出側液溜室３２への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない逆止弁である。吸入側逆止弁３３と吐出側逆止弁３４は同一（対称）構造であり、ミドルハウジング２２に穿設した流路孔３３ａ、３４ａを常時はアンブレラ３３ｂ、３４ｂの傘部で閉塞する。
【００１９】
吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２は、貫通穴として形成されており、吸入側逆止弁３３と吐出側逆止弁３４の反対側において、それぞれ開口部３１ｃと３２ｃを構成している。つまり、開口部３１ｃと３２ｃは、ロアハウジング２３のミドルハウジング２２とは反対側の面に開口し、吸入側逆止弁３３と吐出側逆止弁３４は、この開口部３１ｃと３２ｃの中心に目視可能な位置にある。
【００２０】
ロアハウジング２３には、ミドルハウジング２２とは反対側の面に位置させて、開口部３１ｃと３２ｃに跨る矩形の段低部４１が形成されており、この段低部４１に、振動軽減板４０が嵌められ固定されている。すなわち、開口部３１ｃと３２ｃは、単一の振動軽減板４０によって閉塞されている。段低部４１（ロアハウジング２３）に対する振動軽減板４０の固定手段は、接着、シール部材、ねじ止め等を併用することができる。
【００２１】
振動軽減板４０は、吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２の圧力で弾性変形する金属薄板からなっている。このような弾性変形を可能にするには、材質と厚さが重要な要素であり、材質としてはステンレス材料が好ましく、厚さは０．０５ｍｍ以下とするのがよい。
【００２２】
以上の圧電ポンプは、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁３３が開いて吐出側逆止弁３４が閉じるため、吸入側液溜室３１（吸入ポート３１ａ）からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁３４が開いて吸入側逆止弁３３が閉じるため、ポンプ室Ｐから３２（吐出ポート吐出ポート３２ａ）に液体が流出する。したがって、圧電振動子１０を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られる。
【００２３】
このポンプ作用中においては、吸入側逆止弁３３と吐出側逆止弁３４の開閉に伴い、吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２内の圧力が変動する。この圧力変動によって、振動軽減板４０が弾性変形し、振動を減少させる作用をする。
【００２４】
次に、実験結果によって本発明による圧電ポンプの作用効果を示す。
「第１の実験（周波数-流量特性）」
図３、図４は、下記仕様の圧電ポンプにおいて、振動軽減板４０を備えないロアハウジング２３を用いた比較例１（低減板なし）、厚さ０．０３ｍｍのステンレス製の振動軽減板４０を備えた実施例１(ＳＵＳｔ０．０３)、同０．１ｍｍのステンレス製の振動軽減板４０を備えた比較例２（ＳＵＳｔ０．１）について周波数-流量特性を調べた結果を示している。また脈動低減効果があることが知られているゴムを使用した場合の流量も図３に示している。ここで、ニトリルゴム厚さ０．１ｍｍのものを比較例３（ゴムｔ０．１）、一般的にダンパー材として使用される厚さ０．５ｍｍのウレタンゴムのものを比較例４（ゴムｔ０．５）とした。実施例1、比較例２、３、４においては、ロアハウジング２３の段低部４１に各振動軽減板を接着樹脂により固定した。比較例１は、図１において、ロアハウジング２３に開口部３１ｃと３２ｃを構成することなく、二点鎖線で示すように、吸入ポート３１ａと吐出ポート３２ａの壁面を延長した例に相当する。
【００２５】
圧電振動子１０の直径；２６．５ｍｍ
シム１１の厚さ；０．２ｍｍ
圧電体１２の厚さ；０．２ｍｍ
ロアハウジング２３の材質；ＰＰＳ樹脂
吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２の径；５．０ｍｍφ
振動軽減板４０の平面サイズ；８×１５ｍｍ
ポンプ容量；５０ｎＦ
駆動電圧；１５０Ｖ
なお、図３はポンプ流路の負荷圧力；０ｋＰａ（無負荷）とした場合の結果であり、図４はポンプ流路の負荷圧力；１０ｋＰａとした場合の結果である。
【００２６】
図３の実験結果により、厚さ０．０３ｍｍの振動軽減板４０を備えた実施例１(ＳＵＳｔ０．０３）の圧電ポンプの流量特性は、振動軽減板４０を備えない従来品の比較例１の流量特性と遜色がない結果である。また、振動軽減板４０が０．１ｍｍと厚い比較例２(ＳＵＳｔ０．１)と比較しても、流量は遜色ない結果である。
【００２７】
しかし、ゴム材料を用いた比較例３（ゴムｔ０．１）、および比較例４（ゴムｔ０．５）においては、流量が大きく低下する結果となった。すなわち、ゴム等の柔軟材を従来技術の延長で使用するだけでは、この種の小型ポンプのサイズで要求される、例えば駆動周波数５０Ｈｚで、流量８０ｍｌ／ｍｉｎを確保することができないことがわかる。
【００２８】
ポンプの流路の負荷を１０ｋＰａとした場合の実験結果を示す図４も、図３と同様の結果を示している。したがって、流路の状態によらず、脈動低減を図るために、柔軟材として、ゴム等の弾性材料を使うことでは、流量の低下が避けられない。また低下した流量分を確保するために、駆動周波数を上げることは、消費電力増加を招くことにつながる。
【００２９】
「第２の実験（駆動周波数-振動特性）」
一方、図５は、第１の実験と同じ仕様の圧電ポンプにおいて、駆動周波数と振動レベルの関係を調べた実験結果を示している。この実験結果によると、厚さ０．０３ｍｍの振動軽減板４０を用いた実施例１(ＳＵＳｔ０．０３)は、振動低減板を用いない比較例１（低減板なし）に比して顕著に振動レベルが改善していることが分かる。ところが、振動軽減板４０が０．１ｍｍと厚い比較例２(ＳＵＳｔ０．１)においては、振動低減効果がほとんど得られない結果となった。
【００３０】
表１、表２及び図６は、流路負荷１０ｋＰａにおいて、現実的な駆動周波数である５０Ｈｚと７０Ｈｚのそれぞれにつき、同様に、流量、振動及びその比を調べた結果を示している。
【００３１】
以上の実験結果は、ある一定値以下の薄い振動低減板４０を用いることで、顕著な振動低減効果を有することを示している。すなわち、実施例１の低減板厚０．０３ｍｍと比較例２の低減板厚０．１ｍｍの間で劇的にその効果が変化している。振動低減板である金属薄板において、本発明の振動低減効果は、金属薄板の膜厚をｔとした場合、図７に示すように、ｔ＝０．０５ｍｍ以下の領域において、板厚１／ｔに対して指数関数的に振動レベルが低減すると見積もることができる。したがって、t＝０．０５ｍｍ以下とすることで振動レベルの半減が期待できる。
【表１】
【表２】
【００３２】
「第３の実験（駆動周波数-流量比振動特性）」
図８は、図１の実験と同じ仕様の圧電ポンプにおいて、流路の負荷が１０ｋＰａのときの駆動周波数と振動／流量（流量と振動の比率）の関係を調べた実験結果を示している。この実験結果によると、厚さ０．０３ｍｍの振動軽減板４０を用いた実施例１(ＳＵＳｔ０．０３)は、比較例１（低減板なし）および比較例２(ＳＵＳｔ０．１)に対して流量に対する振動の比率が小さいことが分かる。以上の実験結果から実施例１のステンレスの板厚０．０３ｍｍでは、流量の低下がほとんどなく、振動のみ低減することが確認された。比較例２のステンレスの板厚０．１ｍｍでは振動低減の効果がほとんどみられていない。
【００３３】
実施例では、耐水性と材料の一般性を加味して、ステンレス製の金属薄板に対して実験を行ったが、ステンレスとほぼ同様な金属薄板であれば、振動低減板としての機能を有し、本発明と同じ効果が得られる。また以上の実験では、吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２の径を直径５ｍｍの円形としているが、面積を大きく変更しない限りにおいては、特に限定されるものではない。
【００３４】
以上の実施形態は、圧電振動子１０を振動するダイヤフラムとして用いたダイヤフラムポンプに本発明を適用したものであるが、本発明は、圧電振動子以外のダイヤフラムを用いたポンプにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明によるダイヤフラムポンプを圧電ポンプに適用した一実施形態を示す、図２のI-I線に沿う断面図である。
【図２】図１の底面図である。
【図３】本発明によるダイヤフラムポンプと比較例の流路の負荷圧が０ｋＰａの場合の周波数-流量特性を調べた結果を示すグラフである。
【図４】本発明によるダイヤフラムポンプと比較例の流路の負荷圧が１０ｋＰａの場合の周波数-流量特性を調べた結果を示すグラフである。
【図５】本発明によるダイヤフラムポンプと比較例の流路の負荷圧が１０ｋＰａの場合の周波数-振動レベル特性を調べた結果を示すグラフである。
【図６】本発明によるダイヤフラムポンプと比較例の、周波数５０、７０Ｈｚの場合の流量と振動を調べた結果を示すグラフである。
【図７】本発明によるダイヤフラムポンプの振動低減板の厚さと振動レベルの関係を調べた結果を示すグラフである。
【図８】本発明によるダイヤフラムポンプと比較例の流路の負荷圧が１０ｋＰａの場合の周波数-流量比振動特性を調べた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 圧電振動子
１１ シム
１２ 圧電体
１４ Ｏリング
２０ ハウジング
２１ アッパハウジング
２２ ミドルハウジング
２３ ロアハウジング
３１ 吸入側液溜室
３１ａ 吸入ポート
３１ｂ Ｏリング
３１ｃ 開口部
３２ 吐出ポート
３２ａ 吐出ポート
３２ｂ Ｏリング
３２ｃ 開口部
３３ 吸入側逆止弁
３３ａ 流路孔
３３ｂ アンブレラ
３４ 吐出側逆止弁
３４ａ 流路孔
３４ｂ アンブレラ
４０ 振動軽減板
４１ 段低部
Ｐ ポンプ室
Ａ 大気室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラムポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動するダイヤフラムによってポンプ作用を得るポンプとして、例えば圧電ポンプがある。圧電ポンプは、平面円形の圧電振動子とハウジングによってポンプ室を形成する。ハウジングには、ダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に位置させて、吸入ポートと吐出ポートがそれぞれ開口する吸入側液溜室と吐出側液溜室を設け、この一対の液溜室とポンプ室との間には、吸入側液溜室からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁と、ポンプ室から吐出側液溜室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁とを設けている。圧電振動子が振動すると、ポンプ室の容積が大きくなる行程では、流入側逆止弁が開き吐出側逆止弁が閉じて吸入ポート、吸入側液溜室からポンプ室内に流体が流入し、逆にポンプ室の容積が小さくなる行程では、吐出側逆止弁が開き吸入側逆止弁が閉じてポンプ室から吐出側液溜室、吐出ポートに流体が吐出され、ポンプ作用が得られる。
【０００３】
ダイヤフラムポンプにおいて、小型なものとして、例えば以下に示すものが公知となっている（特許文献１〜１１）。小型化のため、ダイヤフラムが圧電振動子であるものが一般的である。また流路の脈動防止としての緩衝器（ダンパー）として、弾性部材を用いることも一般的である（特許文献１２）。小型ポンプにおいて、脈動を抑える公知技術として、脈動低減のエアチャンバと可撓性膜体を有する構造（特許文献１）、柔軟なシート材と空気室を有する構造（特許文献３、４）、弾性薄板と緩衝室を有する構造（特許文献８）などが知られている。
【特許文献１】特開平10-9079号公報
【特許文献２】特開平10-220357号公報
【特許文献３】特開2000-265963号公報
【特許文献４】特開2000-274374号公報
【特許文献５】特開2001-65461号公報
【特許文献６】特開2001-115969号公報
【特許文献７】特開2001-323879号公報
【特許文献８】特開2002-202061号公報
【特許文献９】特開2004-308554号公報
【特許文献１０】特開2005-337069号公報
【特許文献１１】特開2006-242176号公報
【特許文献１２】特許3751592号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願人は、このような圧電ポンプを用いてノートＰＣの発熱源（ＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット等）を冷却する水冷システムを開発中である。ノートＰＣに搭載するポンプは、安全規格であるＵＬ規格を満足する必要があり、特に耐電圧性を満たすようにハウジングを合成樹脂主体としたものにせざるをえない。合成樹脂製のハウジングは、材料に設計自由度のある配管部分と比べて、ハウジング自体が弾性変形しにくいため、逆止弁の開閉に伴う脈動（振動）の影響をうけやすい。従来、この圧電ポンプ（ダイヤフラムポンプ）の振動防止構造は各種が提案されているが（特許文献３、４、８）、構造が複雑化し、薄型化を妨げ、耐久性に問題があり、あるいは流量が犠牲になるという問題があった。またノートＰＣ用の用途では、小型・軽量化だけでなく、消費電力を極力抑える必要があり、かつ振動に起因する騒音、ポンプ流量の確保を両立させなければならないため、従来技術の延長では限界があった。またハウジングを合成樹脂としたポンプにおいて、吐出側と吸入側の蓋を金属蓋とすることで、設計自由度を確保し、金属板の収縮で流量を阻害しない技術も知られている（特許文献１０）。
【０００５】
ダイヤフラムポンプにおいては、小型化、薄型化だけでなく、特にポンプ流量の確保が重要であり、かつノートＰＣの用途のように、省電力が求められる機器においては、ダイヤフラムの駆動周波数をあげて流量を確保しようとすると、電力を大きく消費してしまう。したがって、従来の技術のような緩衝器、ゴム等の弾性材に代表されるような緩衝板をとり付けると、脈動を低減できるが、その分ポンプ流量がロスしてしまうことが課題となる。ロスした流量をカバーするため、駆動周波数をあげると消費電力が格段に増してしまうため、特に携帯機器等の用途の場合は改善が必須である。また緩衝器の空気室を設けたり、空気穴をつけると、ポンプの小型化・薄型化を制限することになる。
【０００６】
ダイヤフラムの吐出流量を増大させるため、ダイヤフラムの共振をうまく活用して、低周波数で電力をおさえ、かつ流量を確保するダイヤフラムの設計が一般的である（特許文献８）。ここで課題となるのは共振によりポンプそのものの振動が増加することである。振動による騒音の低減、および振動による配線接合部等への影響を除去し、かつ流量を低下させないことが小型ポンプの性能として求められている。
【０００７】
特許文献１０の金属蓋は、ポンプの製造工程において、吐出弁もしくは吸入弁の外部の蓋を金属とすることにより、樹脂で蓋をする場合と比較して、弾性変形できることを意図している。ここでは金属板の厚さが０．１〜０．５ｍｍと厚い範囲が想定されており、振動を低減することには着目していない。
【０００８】
本発明は、ハウジングを合成樹脂製にしなければならないという制約の下で、ポンプ流量を落とさず、簡単な構成で振動の軽減ができるダイヤフラムポンプを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、平面円形でその中心部の振幅が最も大きくなるように振動するダイヤフラム；このダイヤフラムと合成樹脂製のハウジングとの間に形成したポンプ室；ハウジングに、ダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に設けた、吸入ポートに連通する吸入側液溜室と吐出ポートに連通する吐出側液溜室；吸入側液溜室とポンプ室との間に設けた、該吸入側液溜室からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁；及び吐出側液溜室とポンプ室との間に設けた、該ポンプ室から吐出側液溜室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁；を有するダイヤフラムポンプにおいて、ハウジングに、吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の反対側において、吸入側液溜室と吐出側液溜室にそれぞれ連通する一対の開口部を形成し、この一対の開口部を、吸入側液溜室と吐出側液溜室の圧力で弾性変形する金属薄板からなる振動軽減板で閉塞したことを特徴としている。
【００１０】
振動軽減板は、一対の開口部毎の個別部材として設けることも可能であるが、一対の開口部に共通の単一部材とすることができる。
【００１１】
振動軽減板は、具体的には、耐水性・耐久性を考慮してステンレス製が好ましい。またその板厚は、０．０５ｍｍ以下とすると、効果的に振動の防止ができる。
【００１２】
本発明は、少なくともダイヤフラムとして圧電振動子を用いた圧電ポンプに適用できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、円形のダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に、吸入ポートに連通する吸入側液溜室（吸入側逆止弁）と吐出ポートに連通する吐出側液溜室（吐出側逆止弁）を設けるという位置関係のダイヤフラムポンプにおいて、合成樹脂製のハウジングに、吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の反対側において、吸入側液溜室と吐出側液溜室にそれぞれ連通する一対の開口部を形成し、この一対の開口部を、吸入側液溜室と吐出側液溜室の圧力で弾性変形する金属薄板からなる振動軽減板で閉塞するという簡単な構成により、流量を犠牲にすることなく脈動を低減することができる。振動軽減板は、金属薄板からなるので、耐久性に優れ、ポンプ全体の薄型化を妨げることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１、図２は、本発明を圧電ポンプに適用した実施形態を示している。本圧電ポンプは、平面円形の圧電振動子（ダイヤフラム）１０とハウジング２０を備えており、ハウジング２０は、アッパハウジング２１、ミドルハウジング（逆止弁支持板）２２及びロアハウジング２３からなっている。ハウジング２０は全体が合成樹脂（例えばＰＢＴ(ポリブチレンテレフタレート)樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）樹脂）製である。
【００１５】
圧電振動子１０は、アッパハウジング２１とミドルハウジング２２の間にＯリング１４を介して支持され、該圧電振動子１０とミドルハウジング２２との間にポンプ室Ｐを形成し、圧電振動子１０とアッパハウジング２１との間に大気室Ａを形成している。
【００１６】
平面円形の圧電振動子１０は、図１に示すように、ポンプ室Ｐ側に臨むシム１１と、大気室Ａ側に臨む圧電体１２とを備えたユニモルフタイプである。シム１１は、厚さ３０〜３００μｍ程度のステンレスや４２アロイ等からなる導電性金属薄板であり、圧電体１２は、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）等の圧電材料から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。このような圧電振動子は周知である。圧電体１２の表裏に交番電界が与えられると、圧電体１２の表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シム１１（圧電振動子１０）が中央部の振幅が最も大きくなるように振動する。
【００１７】
ロアハウジング２３には、円形の圧電振動子１０の平面中心に対する偏心対称位置に、平面円形の吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２が貫通穴として形成されている。吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２には、該吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２の軸線と直交する吸入ポート３１ａと吐出ポート３２ａが開口している。ミドルハウジング２２とロアハウジング２３の間には、吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２の液密を保持するＯリング３１ｂとＯリング３２ｂが挟着されている。
【００１８】
ミドルハウジング２２には、吸入側液溜室３１の軸線上に位置させて、該吸入側液溜室３１とポンプ室Ｐとの間に位置する吸入側逆止弁（アンブレラ）３３が設けられ、また、吐出側液溜室３２の軸線上に位置させて、ポンプ室Ｐと該吐出側液溜室３２との間に位置する吐出側逆止弁（アンブレラ）３４が設けられている。吸入側逆止弁３３は、吸入側液溜室３１からポンプ室Ｐへの流体流を許しその逆方向の流体流を許さない逆止弁であり、吐出側逆止弁３４は、ポンプ室Ｐから吐出側液溜室３２への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない逆止弁である。吸入側逆止弁３３と吐出側逆止弁３４は同一（対称）構造であり、ミドルハウジング２２に穿設した流路孔３３ａ、３４ａを常時はアンブレラ３３ｂ、３４ｂの傘部で閉塞する。
【００１９】
吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２は、貫通穴として形成されており、吸入側逆止弁３３と吐出側逆止弁３４の反対側において、それぞれ開口部３１ｃと３２ｃを構成している。つまり、開口部３１ｃと３２ｃは、ロアハウジング２３のミドルハウジング２２とは反対側の面に開口し、吸入側逆止弁３３と吐出側逆止弁３４は、この開口部３１ｃと３２ｃの中心に目視可能な位置にある。
【００２０】
ロアハウジング２３には、ミドルハウジング２２とは反対側の面に位置させて、開口部３１ｃと３２ｃに跨る矩形の段低部４１が形成されており、この段低部４１に、振動軽減板４０が嵌められ固定されている。すなわち、開口部３１ｃと３２ｃは、単一の振動軽減板４０によって閉塞されている。段低部４１（ロアハウジング２３）に対する振動軽減板４０の固定手段は、接着、シール部材、ねじ止め等を併用することができる。
【００２１】
振動軽減板４０は、吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２の圧力で弾性変形する金属薄板からなっている。このような弾性変形を可能にするには、材質と厚さが重要な要素であり、材質としてはステンレス材料が好ましく、厚さは０．０５ｍｍ以下とするのがよい。
【００２２】
以上の圧電ポンプは、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁３３が開いて吐出側逆止弁３４が閉じるため、吸入側液溜室３１（吸入ポート３１ａ）からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁３４が開いて吸入側逆止弁３３が閉じるため、ポンプ室Ｐから３２（吐出ポート吐出ポート３２ａ）に液体が流出する。したがって、圧電振動子１０を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られる。
【００２３】
このポンプ作用中においては、吸入側逆止弁３３と吐出側逆止弁３４の開閉に伴い、吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２内の圧力が変動する。この圧力変動によって、振動軽減板４０が弾性変形し、振動を減少させる作用をする。
【００２４】
次に、実験結果によって本発明による圧電ポンプの作用効果を示す。
「第１の実験（周波数-流量特性）」
図３、図４は、下記仕様の圧電ポンプにおいて、振動軽減板４０を備えないロアハウジング２３を用いた比較例１（低減板なし）、厚さ０．０３ｍｍのステンレス製の振動軽減板４０を備えた実施例１(ＳＵＳｔ０．０３)、同０．１ｍｍのステンレス製の振動軽減板４０を備えた比較例２（ＳＵＳｔ０．１）について周波数-流量特性を調べた結果を示している。また脈動低減効果があることが知られているゴムを使用した場合の流量も図３に示している。ここで、ニトリルゴム厚さ０．１ｍｍのものを比較例３（ゴムｔ０．１）、一般的にダンパー材として使用される厚さ０．５ｍｍのウレタンゴムのものを比較例４（ゴムｔ０．５）とした。実施例1、比較例２、３、４においては、ロアハウジング２３の段低部４１に各振動軽減板を接着樹脂により固定した。比較例１は、図１において、ロアハウジング２３に開口部３１ｃと３２ｃを構成することなく、二点鎖線で示すように、吸入ポート３１ａと吐出ポート３２ａの壁面を延長した例に相当する。
【００２５】
圧電振動子１０の直径；２６．５ｍｍ
シム１１の厚さ；０．２ｍｍ
圧電体１２の厚さ；０．２ｍｍ
ロアハウジング２３の材質；ＰＰＳ樹脂
吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２の径；５．０ｍｍφ
振動軽減板４０の平面サイズ；８×１５ｍｍ
ポンプ容量；５０ｎＦ
駆動電圧；１５０Ｖ
なお、図３はポンプ流路の負荷圧力；０ｋＰａ（無負荷）とした場合の結果であり、図４はポンプ流路の負荷圧力；１０ｋＰａとした場合の結果である。
【００２６】
図３の実験結果により、厚さ０．０３ｍｍの振動軽減板４０を備えた実施例１(ＳＵＳｔ０．０３）の圧電ポンプの流量特性は、振動軽減板４０を備えない従来品の比較例１の流量特性と遜色がない結果である。また、振動軽減板４０が０．１ｍｍと厚い比較例２(ＳＵＳｔ０．１)と比較しても、流量は遜色ない結果である。
【００２７】
しかし、ゴム材料を用いた比較例３（ゴムｔ０．１）、および比較例４（ゴムｔ０．５）においては、流量が大きく低下する結果となった。すなわち、ゴム等の柔軟材を従来技術の延長で使用するだけでは、この種の小型ポンプのサイズで要求される、例えば駆動周波数５０Ｈｚで、流量８０ｍｌ／ｍｉｎを確保することができないことがわかる。
【００２８】
ポンプの流路の負荷を１０ｋＰａとした場合の実験結果を示す図４も、図３と同様の結果を示している。したがって、流路の状態によらず、脈動低減を図るために、柔軟材として、ゴム等の弾性材料を使うことでは、流量の低下が避けられない。また低下した流量分を確保するために、駆動周波数を上げることは、消費電力増加を招くことにつながる。
【００２９】
「第２の実験（駆動周波数-振動特性）」
一方、図５は、第１の実験と同じ仕様の圧電ポンプにおいて、駆動周波数と振動レベルの関係を調べた実験結果を示している。この実験結果によると、厚さ０．０３ｍｍの振動軽減板４０を用いた実施例１(ＳＵＳｔ０．０３)は、振動低減板を用いない比較例１（低減板なし）に比して顕著に振動レベルが改善していることが分かる。ところが、振動軽減板４０が０．１ｍｍと厚い比較例２(ＳＵＳｔ０．１)においては、振動低減効果がほとんど得られない結果となった。
【００３０】
表１、表２及び図６は、流路負荷１０ｋＰａにおいて、現実的な駆動周波数である５０Ｈｚと７０Ｈｚのそれぞれにつき、同様に、流量、振動及びその比を調べた結果を示している。
【００３１】
以上の実験結果は、ある一定値以下の薄い振動低減板４０を用いることで、顕著な振動低減効果を有することを示している。すなわち、実施例１の低減板厚０．０３ｍｍと比較例２の低減板厚０．１ｍｍの間で劇的にその効果が変化している。振動低減板である金属薄板において、本発明の振動低減効果は、金属薄板の膜厚をｔとした場合、図７に示すように、ｔ＝０．０５ｍｍ以下の領域において、板厚１／ｔに対して指数関数的に振動レベルが低減すると見積もることができる。したがって、t＝０．０５ｍｍ以下とすることで振動レベルの半減が期待できる。
【表１】
【表２】
【００３２】
「第３の実験（駆動周波数-流量比振動特性）」
図８は、図１の実験と同じ仕様の圧電ポンプにおいて、流路の負荷が１０ｋＰａのときの駆動周波数と振動／流量（流量と振動の比率）の関係を調べた実験結果を示している。この実験結果によると、厚さ０．０３ｍｍの振動軽減板４０を用いた実施例１(ＳＵＳｔ０．０３)は、比較例１（低減板なし）および比較例２(ＳＵＳｔ０．１)に対して流量に対する振動の比率が小さいことが分かる。以上の実験結果から実施例１のステンレスの板厚０．０３ｍｍでは、流量の低下がほとんどなく、振動のみ低減することが確認された。比較例２のステンレスの板厚０．１ｍｍでは振動低減の効果がほとんどみられていない。
【００３３】
実施例では、耐水性と材料の一般性を加味して、ステンレス製の金属薄板に対して実験を行ったが、ステンレスとほぼ同様な金属薄板であれば、振動低減板としての機能を有し、本発明と同じ効果が得られる。また以上の実験では、吸入側液溜室３１と吐出側液溜室３２の径を直径５ｍｍの円形としているが、面積を大きく変更しない限りにおいては、特に限定されるものではない。
【００３４】
以上の実施形態は、圧電振動子１０を振動するダイヤフラムとして用いたダイヤフラムポンプに本発明を適用したものであるが、本発明は、圧電振動子以外のダイヤフラムを用いたポンプにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明によるダイヤフラムポンプを圧電ポンプに適用した一実施形態を示す、図２のI-I線に沿う断面図である。
【図２】図１の底面図である。
【図３】本発明によるダイヤフラムポンプと比較例の流路の負荷圧が０ｋＰａの場合の周波数-流量特性を調べた結果を示すグラフである。
【図４】本発明によるダイヤフラムポンプと比較例の流路の負荷圧が１０ｋＰａの場合の周波数-流量特性を調べた結果を示すグラフである。
【図５】本発明によるダイヤフラムポンプと比較例の流路の負荷圧が１０ｋＰａの場合の周波数-振動レベル特性を調べた結果を示すグラフである。
【図６】本発明によるダイヤフラムポンプと比較例の、周波数５０、７０Ｈｚの場合の流量と振動を調べた結果を示すグラフである。
【図７】本発明によるダイヤフラムポンプの振動低減板の厚さと振動レベルの関係を調べた結果を示すグラフである。
【図８】本発明によるダイヤフラムポンプと比較例の流路の負荷圧が１０ｋＰａの場合の周波数-流量比振動特性を調べた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 圧電振動子
１１ シム
１２ 圧電体
１４ Ｏリング
２０ ハウジング
２１ アッパハウジング
２２ ミドルハウジング
２３ ロアハウジング
３１ 吸入側液溜室
３１ａ 吸入ポート
３１ｂ Ｏリング
３１ｃ 開口部
３２ 吐出ポート
３２ａ 吐出ポート
３２ｂ Ｏリング
３２ｃ 開口部
３３ 吸入側逆止弁
３３ａ 流路孔
３３ｂ アンブレラ
３４ 吐出側逆止弁
３４ａ 流路孔
３４ｂ アンブレラ
４０ 振動軽減板
４１ 段低部
Ｐ ポンプ室
Ａ 大気室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面円形でその中心部の振幅が最も大きくなるように振動するダイヤフラム；
このダイヤフラムと合成樹脂製のハウジングとの間に形成したポンプ室；
上記ハウジングに、上記ダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に設けた、吸入ポートに連通する吸入側液溜室と吐出ポートに連通する吐出側液溜室；
上記吸入側液溜室とポンプ室との間に設けた、該吸入側液溜室からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁；及び
上記吐出側液溜室とポンプ室との間に設けた、該ポンプ室から吐出側液溜室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁；
を有するダイヤフラムポンプにおいて、
上記ハウジングに、上記吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の反対側において、吸入側液溜室と吐出側液溜室にそれぞれ連通する一対の開口部を形成し、
この一対の開口部を、上記吸入側液溜室と吐出側液溜室の圧力で弾性変形する金属薄板からなる振動軽減板で閉塞したことを特徴とするダイヤフラムポンプ。
【請求項２】
請求項１記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記振動軽減板は、一対の開口部に共通の単一部材であるダイヤフラムポンプ。
【請求項３】
請求項１記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記振動軽減板は、一対の開口部にそれぞれ個別に設けられた個別部材であるダイヤフラムポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記振動軽減板は、ステンレス製であるダイヤフラムポンプ。
【請求項５】
請求項４記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ステンレスの板厚は、０．０５ｍｍ以下であるダイヤフラムポンプ。
【請求項６】
請求項１ない５のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムは圧電振動子であるダイヤフラムポンプ。
【請求項１】
平面円形でその中心部の振幅が最も大きくなるように振動するダイヤフラム；
このダイヤフラムと合成樹脂製のハウジングとの間に形成したポンプ室；
上記ハウジングに、上記ダイヤフラムの平面中心に対する偏心対称位置に設けた、吸入ポートに連通する吸入側液溜室と吐出ポートに連通する吐出側液溜室；
上記吸入側液溜室とポンプ室との間に設けた、該吸入側液溜室からポンプ室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吸入側逆止弁；及び
上記吐出側液溜室とポンプ室との間に設けた、該ポンプ室から吐出側液溜室への流体流を許しその逆方向の流体流を許さない吐出側逆止弁；
を有するダイヤフラムポンプにおいて、
上記ハウジングに、上記吸入側逆止弁と吐出側逆止弁の反対側において、吸入側液溜室と吐出側液溜室にそれぞれ連通する一対の開口部を形成し、
この一対の開口部を、上記吸入側液溜室と吐出側液溜室の圧力で弾性変形する金属薄板からなる振動軽減板で閉塞したことを特徴とするダイヤフラムポンプ。
【請求項２】
請求項１記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記振動軽減板は、一対の開口部に共通の単一部材であるダイヤフラムポンプ。
【請求項３】
請求項１記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記振動軽減板は、一対の開口部にそれぞれ個別に設けられた個別部材であるダイヤフラムポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記振動軽減板は、ステンレス製であるダイヤフラムポンプ。
【請求項５】
請求項４記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ステンレスの板厚は、０．０５ｍｍ以下であるダイヤフラムポンプ。
【請求項６】
請求項１ない５のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムは圧電振動子であるダイヤフラムポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−４１５０１（Ｐ２００９−４１５０１Ａ）
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０９０６１（Ｐ２００７−２０９０６１）
【出願日】平成１９年８月１０日（２００７．８．１０）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１０日（２００７．８．１０）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]