送液ポンプ
【課題】ポンプ室の内部圧力が低下する時定数τよりも短い周期で駆動しても、高効率で送液可能な送液ポンプを提供する。
【解決手段】送液ポンプの出口流路から流体流路に向けて液体を送液する。出口流路に直接流体流路が接続されている場合、流体流路には流路抵抗があるから、送液ポンプを駆動すると、ポンプ室の内部圧力が上昇し、その後、出口流路から直接流体流路に液体が流れることに伴って内部圧力が低下する。このときのポンプ室の内部圧力が低下する時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動し、且つ、出口流路と液体流路との間にはポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有する出口側バッファ室を設けておく。こうすれば、ポンプ室の内部圧力が低下する時定数τよりも短い周期で駆動した場合でも、ポンプ室と出口側バッファ室との間で生じる圧力振動を利用して、効率よく送液することが可能となる。
【解決手段】送液ポンプの出口流路から流体流路に向けて液体を送液する。出口流路に直接流体流路が接続されている場合、流体流路には流路抵抗があるから、送液ポンプを駆動すると、ポンプ室の内部圧力が上昇し、その後、出口流路から直接流体流路に液体が流れることに伴って内部圧力が低下する。このときのポンプ室の内部圧力が低下する時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動し、且つ、出口流路と液体流路との間にはポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有する出口側バッファ室を設けておく。こうすれば、ポンプ室の内部圧力が低下する時定数τよりも短い周期で駆動した場合でも、ポンプ室と出口側バッファ室との間で生じる圧力振動を利用して、効率よく送液することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を圧送する送液ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプ室の容積を増大させて液体を吸い込んだ後、ポンプ室の容積を減少させて液体を圧送する動作を繰り返す送液ポンプが知られている（特許文献１など）。この送液ポンプでは、ポンプ室容積を増大させて減少させる度に、ポンプ室内の流体が圧送される。１回あたりの送液量は、ポンプ室の最大容積から最小容積を減算した容積（排除体積）にほぼ等しく、従って、送液ポンプの送液量は、時間あたりにポンプ室容積の増大および減少を行った回数（駆動回数）に、排除体積を乗算した値にほぼ等しくなる。このため、時間あたりの駆動回数を増加させれば、駆動回数に比例して送液量を増加させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１０３９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の送液ポンプにおいては、時間あたりの駆動回数を増加させると、次第に送液量を増加させることが困難になるという問題があった。以下、この点について詳しく説明する。
【０００５】
図８は、従来の送液ポンプのおおまかな構造を例示した説明図である。ポンプ室の一部がダイアフラムで形成されており、ケースに収められた圧電素子を伸張させてダイアフラムを変形させる。すると、ポンプ室内の液体が出口流路から圧送される。また、液体の圧送後、圧電素子に印加した駆動電圧を取り除くと、伸張していた圧電素子が元の長さに戻ってポンプ室容積を増大させる。すると、入口側バッファ室の液体が逆止弁を通ってポンプ室に供給される。また、入口側バッファ室には、入口流路から液体が補充される。
【０００６】
図９は、圧電素子に駆動信号を印加したときのポンプ室の内部圧力の変化を示した説明図である。図９（ａ）に示したように、圧電素子に駆動電圧を印加すると、圧電素子が伸張するのでポンプ室の内部圧力が急激に上昇し、その結果、ポンプ室内の液体が出口流路から圧送され、それに伴ってポンプ室の内部圧力も下降する。また、圧電素子に印加された駆動電圧を取り除くと、圧電素子が縮小し、ポンプ室容積が増大するのでポンプ室の内部圧力が更に下降し、やがて負圧となる。その結果、入口側バッファから液体が流入するので、ポンプ室の内部圧力は直ぐに回復する。
【０００７】
送液ポンプの一般的な駆動条件では、送液ポンプを駆動する周期や、駆動電圧を印加してから取り除くまでの時間に比べて、ポンプ室の内部圧力が上昇したり下降したりする期間は十分に短い。このため、ポンプ室内で加圧された液体が出口流路から完全に圧送された後に駆動電圧を取り除いていると考えて良い。また、駆動電圧を取り除いて容積が増大したポンプ室に、入口側バッファ室から液体が完全に補充された後に、駆動電圧を印加すると考えて良い。その結果、パルス状の駆動信号が印加される度に、排除体積に相当する液体が圧送されることになる。
【０００８】
ところが、出口流路に接続される液体流路が大きな流路抵抗を有していたり（液体流路が細く長い場合など）、粘度の高い液体を圧送したりする場合には、ポンプ室の容積が減少したときに、排除体積分の液体がポンプ室から流れるまでに時間がかかるようになる。このため、ポンプ室の内部圧力が下降するのに長い時間がかかる。
【０００９】
図９（ｂ）には、液体流路が大きな流路抵抗を有する場合、あるいは粘度の高い液体を圧送する場合に、ポンプ室の内部圧力が低下する様子が一点鎖線で示されている。図中の破線で示した一般的な場合（流路抵抗が小さく、液体の粘度も小さい場合）と比較すると、ポンプ室の内部圧力が下降するまでに長い時間がかかっている。このことは、排除体積分の液体が送液されるまでに時間がかかることを示している。そして、内部圧力が下降する前（ポンプ室から排除体積分の液体が送液される前）に駆動電圧を取り除くと、送液を中断して入口側バッファ室から液体を補充することになるので、ポンプ室容積を減少させてから増大させる１回あたりの送液量の効率低下を引き起こす。
【００１０】
また、液体流路が大きな流路抵抗を有しておらず、液体の粘度が高くない場合であっても、送液ポンプを駆動する周期がたいへんに短い場合（駆動周波数が高い場合）には同様なことが起こり得る。すなわち、液体流路が大きな流路抵抗を有しておらず、液体の粘度が高くない場合でも、圧電素子を伸張させた瞬間に排除体積分の液体がポンプ室内から流れるわけではなく、排除体積分の液体が流れるためには、短時間とはいえ何某かの時間がかかる。従って、排除体積分の液体が流れるために要する時間よりも短い周期で、送液ポンプを駆動した場合には送液量の効率低下を引き起こす。
【００１１】
結局、流体流路の流路抵抗や、液体の粘度などに拘わらず、ポンプ室から排除体積分の液体が流れ出すために要する時間（ポンプ室の内部圧力が低下するために要する時間）よりも短い周期で送液ポンプを駆動すると、送液量の効率が低下することになる。そして、この送液量の効率低下は、図９（ｂ）に示したように、ポンプ室の容積の減少に伴ってポンプ室の内部圧力が上昇した後、出口流路から流体流路に液体が流れることによってポンプ室の内部圧力が低下する時定数τを考えると、時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動すると、送液量の効率低下が無視できなくなるほど大きくなる。
【００１２】
図１０には、送液ポンプの駆動周波数（駆動周期の逆数）と送液量との関係が示されている。従来の一般的な送液ポンプの駆動条件は、駆動周波数が１／τよりも十分に低いために、送液量が駆動周波数に比例して増加していた。しかし、図中に実線で示したように、駆動周波数が高くなるとやがて、駆動周波数を増加させたほどには送液量が増加しなくなり、１／τよりも高い駆動周波数では送液ポンプの送液量の効率が大幅に低下してしまう。また、圧電素子を駆動する際に投入する電気エネルギーは、駆動周波数にほぼ比例するため、このような送液量の効率低下は、圧電素子に投入した電気エネルギーのロスが増大することを示している。
【００１３】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、ポンプ室の内部圧力が下降する時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動した場合でも、効率よく液体を送液することが可能で、圧電素子に投入した電気エネルギーのロスを大幅に削減する高効率な送液ポンプの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の送液ポンプは次の構成を採用した。すなわち、
容積が変更可能なポンプ室と、
前記ポンプ室から液体流路に向けて前記液体が流出する出口流路と、
前記ポンプ室に前記液体を供給する入口流路と、
前記入口流路と前記ポンプ室との間に設けられた逆止弁と、
を備えた送液ポンプであって、
前記送液ポンプは、
前記ポンプ室の容積の減少に伴って該ポンプ室の内部圧力が上昇した後、該出口流路から直接前記流体流路に液体が流れることによって該ポンプ室の内部圧力が低下する時の時定数よりも、短い周期で駆動されるポンプであり、
前記出口流路と前記流体流路との間には、前記ポンプ室のコンプライアンスよりも大きく、且つ前記ポンプ室のコンプライアンスに対して１００倍以下のコンプライアンスを有する出口側バッファ室が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
こうした構成を有する本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を増大させることによって、入口流路から逆止弁を介してポンプ室に液体を吸い込んだ後、ポンプ室の容積を減少させることによって、出口流路から流体流路に向けて液体を送液する。出口流路に流体流路が直接に接続されている場合に、流体流路には大きな流路抵抗があるから、ポンプ室の容積を減少させた時にポンプ室の内部圧力が一旦上昇し、その後、出口流路から直接流体流路に液体が流れることに伴ってポンプ室の内部圧力が低下する。送液ポンプは、この場合おけるポンプ室の内部圧力が低下する時の時定数τよりも短い周期で駆動される。そして、出口流路と流体流路との間には、ポンプ室のコンプライアンスよりも大きく、且つポンプ室のコンプライアンスに対して１００倍以下のコンプライアンスを有する出口側バッファ室が設けられている。
【００１６】
こうすれば、ポンプ室の容積を減少させると、ポンプ室で加圧された液体が出口流路を介して出口側バッファ室に移動するので、ポンプ室の内部圧力が直ぐに（時定数τよりも短い時間で）下降する。そして、出口流路を通る液体の慣性によってポンプ室の内部圧力が負圧となり、逆止弁を介して直ぐにポンプ室に液体が供給されるので、この時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動した場合でも、効率よく液体を送液することが可能となる。一方、出口側バッファ室に流入した液体は流体流路に向かって流れようとするが、流体流路の流路抵抗によって徐々にしか流れない。このため出口側バッファ室の内部圧力が上昇すると同時に、ポンプ室の内部圧力は下降しているので、ポンプ室から出口側バッファ室に向かう流れは弱められる。このとき、ポンプ室から出口側バッファ室との間には逆止弁が設けられていないので、やがて出口側バッファ室からポンプ室への逆流が生じる。しかし、ポンプ室と入口流路との間には逆止弁が設けられているので、液体の逆流に伴ってポンプ室の内部圧力が再び上昇し、逆流していた液体が出口側バッファ室に向けて流れ出す。これにより、再びポンプ室が負圧となり、入口側バッファ室からポンプ室に更に液体を供給することが可能となる。このように、ポンプ室と出口流路と出口側バッファ室との間で生じる圧力振動が発生する結果、ポンプ室により多くの液体を供給することができる。このため、ポンプ室容積を減少させてから増加させる１回あたりの送液量は、ポンプ室の最大容積から最小容積を減算した容積（排除体積）よりも多くすることが可能となり、圧電素子に投入した電気エネルギーを大幅に削減することも可能となる。
【００１７】
また、ポンプ室の容積を減少させると、ポンプ室から液体が出口側バッファ室に流入して出口側バッファ室の内部圧力が上昇し、その結果、出口側バッファ室から流体流路に液体が送液される。従って、出口側バッファ室のコンプライアンスが大きくなり過ぎると、送液ポンプの駆動を開始してから本来の送液量に達するまでに時間がかかるようになる。後述するように、送液ポンプの能力は、出口側バッファ室のコンプライアンスをポンプ室のコンプライアンスに対して大きくした方が向上するが、出口側バッファ室のコンプライアンスが、ポンプ室のコンプライアンスの１００倍程度に達すると、飽和傾向が生じる。従って、出口側バッファ室のコンプライアンスを、ポンプ室のコンプライアンスに対して１００倍以下に設定しておけば、送液ポンプの駆動を開始してから本来の送液量に達するまでにかかる時間を抑制することが可能となる。
【００１８】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、出口流路の流路抵抗を、流体流路の流路抵抗よりも低くしておいてもよい。
【００１９】
こうすれば、流体流路の流路抵抗に拠らずにポンプ室の内部圧力が直ぐに下降することに加え、ポンプ室と出口側バッファ室との間で生じる圧力振動が減衰し難くなるので、ポンプ室に何度も負圧を生じさせることができ、ポンプ室に効率よく液体を供給することができる。その結果、ポンプ室の容積の減少に伴ってポンプ室の内部圧力が上昇した後、出口流路から直接流体流路に液体が流れることによってポンプ室の内部圧力が低下する時の時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動した場合でも、効率よく液体を送液することが可能となる。
【００２０】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、出口側バッファ室のコンプライアンスを、ポンプ室のコンプライアンスに対して１０倍以上に設定することとしてもよい。
【００２１】
出口側バッファ室のコンプライアンスが、ポンプ室のコンプライアンスに対して十分に大きくなければ、ポンプ室から出口側バッファ室に向けて液体を圧送しようとしたときに、出口側バッファ室に接続された流体流路の流路抵抗の影響が現れる。これに対して、出口側バッファ室のコンプライアンスが、ポンプ室のコンプライアンスに対して１０倍以上あれば、ポンプ室から液体を圧送する際に、出口側バッファ室に接続された流体流路の流路抵抗はほとんど無視できるようになる。その結果、ポンプ室の内部圧力を直ぐに下降させることができるので、効率よく液体を送液することが可能となる。
【００２２】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、入口流路と逆止弁との間に入口側バッファ室を備え、出口流路から流体流路に向けて送液した液体を、入口側バッファ室に還流させるようにしてもよい。
【００２３】
こうすれば、流体流路を循環した液体は入口側バッファ室で溜められた後、逆止弁を介してポンプ室に供給される。従って、ポンプ室から送液された液体が出口側バッファ室に溜まって、流体流路になかなか流れ出さなくても、逆止弁を介してポンプ室に供給する液体が不足することがない。このため、ポンプ室に液体を十分に供給できずに、送液ポンプの能力が低下する事態を回避することが可能となる。
【００２４】
また、このような入口側バッファ室を備えた本発明の送液ポンプにおいては、入口側バッファ室のコンプライアンスを、出口側バッファ室のコンプライアンスに対して５倍以上に設定しても良い。
【００２５】
入口側バッファ室のコンプライアンスが出口側バッファ室のコンプライアンスに対して５倍以上あれば、ポンプ室に供給する液体が不足することが無いことが実験的に確かめられている。このため、送液ポンプの能力を十分に発揮させることが可能となる。
【００２６】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、圧電素子を用いてポンプ室の容積を変更することとしてもよい。
【００２７】
圧電素子を用いれば、大きな力で且つ急激にポンプ室の容積を減少させることができるので、ポンプ室と出口側バッファ室との間に大きな圧力振動を発生させることができる。その結果、この圧力振動を利用して液体を圧送することで、効率よく液体を送液することが可能となる。
【００２８】
また、上述した本発明の送液ポンプは、効率よく液体を送液することが可能で、圧電素子に投入した電気エネルギーのロスを大幅に削減することが可能である。このため、循環装置に組み込む送液ポンプ、あるいは医療機器に組み込む送液ポンプとして特に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施例の送液ポンプの構成を示した説明図である。
【図２】圧電素子に駆動信号を印加したときのポンプ室の内部圧力を示した説明図である。
【図３】出口側バッファ室の有無による送液量の違いを示した説明図である。
【図４】ポンプ室容積に対する出口側バッファ室の容積の影響を示した説明図である。
【図５】送液ポンプの駆動を開始した後に送液量が安定するまでの時間変化を示した説明図である。
【図６】本実施例の送液ポンプを用いて循環流路を構成した場合を例示した説明図である。
【図７】出口側バッファ室の容積に対する入口側バッファ室の容積の影響を示した説明図である。
【図８】従来の送液ポンプの構造を例示した説明図である。
【図９】圧電素子に駆動信号を印加したときのポンプ室の内部圧力の変化を示した説明図である。
【図１０】送液ポンプの駆動周波数と送液量との関係を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、本実施例の送液ポンプ１００の構成を示した説明図である。図示されるように、本実施例の送液ポンプ１００は、図８に示した従来の送液ポンプに対して、出口側バッファ室１１８が設けられている点が異なっている。すなわち、本実施例の送液ポンプ１００においても、ポンプ室１０２の一部がダイアフラム１０４で形成されており、ケース１０８には圧電素子１０６が収められ、また、ポンプ室１０２の上部には、逆止弁１１０を介して入口側バッファ室１１２が設けられている。入口側バッファ室１１２には、入口流路１１４から液体が供給される。また、ポンプ室１０２は、出口流路１１６を介して出口側バッファ室１１８に接続されており、出口側バッファ室１１８には、流体流路１２２が接続されている。
【００３１】
圧電素子１０６に駆動信号を印加して圧電素子１０６を伸張させると、ダイアフラム１０４が変形してポンプ室１０２の容積が減少する。すると、ポンプ室１０２内の液体が出口流路１１６を介して出口側バッファ室１１８に流入し、出口側バッファ室１１８から流体流路１２２に送液される。
【００３２】
図２は、本実施例の送液ポンプ１００で圧電素子１０６に駆動信号を印加したときのポンプ室１０２の内部圧力を示した説明図である。図２（ａ）には圧電素子１０６に印加する駆動信号が示されている。また、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、出口側バッファ室１１８の容積が異なる場合について、内部圧力の時間変化が示されている。図２（ａ）に示されるように、駆動信号の電圧（駆動電圧）が上昇すると圧電素子１０６が伸張してポンプ室１０２の容積を減少させるので、ポンプ室１０２の内部圧力が急激に上昇する。このとき、出口流路１１６と液体流路１２２との間には出口側バッファ室１１８があるために、ポンプ室１０２で加圧された液体が出口側バッファ室１１８に移動して、ポンプ室１０２の内部圧力が直ぐに下降する。この現象をポンプ室１０２側から見ると、出口側バッファ室１１８の向こう側に存在する流体流路１２２は、出口側バッファ室１１８が存在するためにポンプ室１０２にはほとんど影響を与えることが無く、単に出口流路１１６が接続されているのと同じような状態となる。
【００３３】
これは、次のようにして説明することができる。液体流路１２２や出口流路１１６など、円管である流路中の液体の流れが層流（ハーゲンポアズイユ流れ）である場合、半径ｒで長さがＬの円筒管流路に絶対粘性μの液体が流れるときの流路抵抗Ｆは以下の（１）式で表すことができる。
Ｆ＝８×μ×Ｌ／（πｒ４） ・・・（１）
ここで、液体流路１２２の流路抵抗は出口流路１１６の流路抵抗よりも大きく設定されている。また、ポンプ室１０２や出口側バッファ１１８など、流体に満たされた流体室内に圧力が加わった時には、流体室の変形による容積の膨張や流体の圧縮が生じる。例えば、最も単純な場合として、容積がＶで体積弾性率がＫの流体室に圧縮率κＦの流体（ここでは液体とする）で満たされており、流体室内の液体に圧力Ｐが加わったものとする。このとき、流体室の変形による容積の変化量ΔＶ１は、
ΔＶ１＝Ｖ／Ｋ×Ｐ ・・・（２）
となる。また、液体の圧縮による体積の変化量ΔＶ２は、
ΔＶ２＝Ｖ×κＦ×Ｐ ・・・（３）
となる。よって、圧力Ｐに対する見かけ上の流体室の容積の変化量ΔＶは、
ΔＶ＝Ｖ×（１／Ｋ＋κＦ）×Ｐ ・・・（４）
となり、このＶ×（１／Ｋ＋κＦ）がコンプライアンスと呼ばれる値である。ここで、流体室が同じ弾性率を持つ部材で、液体が同じ圧縮率を持つ流体であるとき、（４）式は、同じ圧力Ｐが加わるのであれば、見かけ上の流体室の容積の変化量ΔＶは流体室の容積Ｖに比例することを表している。出口側バッファ室１１８を有さない従来の送液ポンプでは、図９（ｂ）に示すように、出口流路１１６および液体流路１２２で構成される流路抵抗とポンプ室１０２のコンプライアンスとの積で定められる時定数τに従って、ポンプ室の内部圧力がゆっくり下降する。しかし、本発明の送液ポンプでは、流体流路１２２は、ポンプ室１０２よりもコンプライアンスの大きい出口側バッファ室１１８が存在するためにポンプ室１０２にはほとんど影響を与えない。
【００３４】
このため、ポンプ室１０２の容積が減少して排除体積分の液体が流出しようとするときに、出口流路１１６の流路抵抗およびイナータンスのみの影響しか受けないため、排除体積分の液体が流れきるための時間が短くなる。そして、出口流路１１６を移動した液体は、出口流路１１６のイナータンスによって慣性力が働くため、ポンプ室１０２の内部圧力が負圧となり、入口側バッファ室１１２からポンプ室１０２に液体を供給することが可能となる。このとき、出口流路１１６のイナータンスは、入口側バッファ室１１２とポンプ室との間の連通路のイナータンスに比べて大きいため、出口流路１１６を移動する液体は殆どポンプ室１０２に戻ることはなく、もっぱら入口側バッファ室１１２の液体がポンプ室１０２に供給される。これは、出口側の流路（出口流路１１６）のイナータンスに比べて、入口側の流路（逆止弁１１０が設けられた通路部分）のイナータンスが大幅に小さいことに因る。
【００３５】
ここでイナータンスとは、流路の特性値であり、流路の一端に圧力が加わったことによって流路内の流体が流れようとする時の、流体の流れ易さを示している。たとえば、最も単純な場合として、断面積がＳで長さがＬの流路に密度ρの流体（ここでは液体とする）が満たされており、流路の一端に圧力Ｐ（正確には、両端での圧力差Ｐ）が加わったものとする。流路内の流体には圧力Ｐ×断面積Ｓの力が作用し、その結果、流路内の流体が流れ出す。その時の流体の加速度をａとすると、流路内の流体の質量は密度ρ×断面積Ｓ×長さＬだから、運動方程式を立てて変形すると、
Ｐ＝ρ×Ｌ×ａ ・・・（５）
が得られる。更に、流路を流れる体積流量をＱ、流路を流れる流体の流速をｖとすると、
Ｑ＝ｖ×Ｓ だから、
ｄＱ／ｄｔ＝ａ×Ｓ ・・・（６）
が成り立つ。（６）式を（５）式に代入すると、
Ｐ＝（ρ×Ｌ／Ｓ）×（ｄＱ／ｄｔ） ・・・（７）
となる。この式は、流路内の流体についての運動方程式を、流路の一端に加わる圧力Ｐ（正確には両端での圧力差）と、ｄＱ／ｄｔとを用いて表した式である。（７）式は、同じ圧力Ｐが加わるのであれば、（ρ×Ｌ／Ｓ）が小さくなるほど、ｄＱ／ｄｔが大きくなる（すなわち、流速が大きく変化する）ことを表している。この（ρ×Ｌ／Ｓ）が、イナータンスと呼ばれる値である。
【００３６】
図１に示した本実施例の送液ポンプ１００では、出口流路１１６のイナータンスは、内径が小さく且つ通路長が長いので大きな値となる。これに対してポンプ室１０２の入口側の流路のイナータンスは、逆止弁１１０が設けられた通路部分の通路長が短いので小さな値となる。このため、ポンプ室１０２が負圧となったときに、合成イナータンスの大きな出口側の液体はほとんど吸い込まれず、もっぱら合成イナータンスの小さな入口側の液体がポンプ室１０２に吸い込まれるのである。以上の理由により、ポンプ室１０２の容積を減少させると、ポンプ室１０２で加圧された液体が出口流路１１６を介して出口側バッファ室１１８に移動するので、ポンプ室１０２の内部圧力が直ぐに（時定数τよりも短い時間で）下降する。そして、出口流路１１６を通る液体の慣性によってポンプ室１０２の内部圧力が負圧となり、逆止弁を介して直ぐにポンプ室に液体が供給されるので、この時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動した場合でも、効率よく液体を送液することが可能となる。
【００３７】
一方、出口側バッファ室１１８に流入した液体は流体流路１２２の高い流路抵抗によってほとんど流れ出ないので、出口側バッファ室１１８の内部圧力が上昇する。このとき、ポンプ室１０２の内部圧力が下降しているため、出口流路１１６内の液体の慣性力は次第に減少する。ポンプ室１０２から出口側バッファ室１１８との間には逆止弁が設けられていないので、やがて出口側バッファ室１１８からポンプ室１０２への逆流が生じる。ポンプ室１０２へ液体が逆流しても、逆止弁１１０により入口側バッファ室１１２へ液体が流れ出ないので、ポンプ室１０２の内部圧力が再び上昇し、逆流していた液体が出口側バッファ室１１８に向けて流れ出す。これにより、再びポンプ室１０２が負圧となり、入口側バッファ室１１２からポンプ室１０２に更に液体を供給することが可能となる。このような振動を繰り返すことによって、一度の駆動で逆止弁を複数回（図２に示した例では２回）開いて、ポンプ室１０２に液体を供給することが可能となる。
【００３８】
この現象は、通常、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との間で伝播する液体中の圧力波による伝播と理解されがちである。しかし、本実施例の送液ポンプ１００は、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との距離が短く（出口側バッファ室の大きさにかかわらず、どんなに長くても１０ｃｍ（センチメートル）程度であり）、液体中の音速を約１０００ｍ／ｓｅｃ（メートル／秒）としても、圧力波の伝播による振動周期は最長でも０．２ｍｓｅｃ（ミリ秒）となる筈である。しかしながら、図２（ｂ）あるいは図２（ｃ）に示す振動の固有振動周期は、出口側バッファ室１１８の容積が小さい場合には約０．３５ｍｓｅｃ、出口側バッファ室１１８の容積が大きい場合には約０．４ｍｓｅｃとなっており、圧力波の伝播によっては説明することができない。
【００３９】
しかしこの現象は、液体の圧縮性を考慮する（すなわち、液体を圧縮性流体として取り扱う）ことによって、説明することができる。すなわち、ポンプ室１０２のコンプライアンス、出口流路１１６のイナータンス、出口側バッファ室１１８のコンプライアンスで形成される固有振動（共振）と考えれば、その固有振動周期Ｔは以下の（８）式で表すことができる。
Ｔ＝２π（ＭＣ）１／２ ・・・（８）
ここで、Ｍは出口流路１１６のイナータンス、Ｃはポンプ室１０２および出口側バッファ室１１８の合成コンプライアンスである。また、ポンプ室１０２のコンプライアンスをＣ１、出口側バッファ室１１８のコンプライアンスをＣ２とすると、合成コンプライアンスＣは、以下の（９）式によって与えられる。
Ｃ＝１／｛１／Ｃ１＋１／Ｃ２｝ ・・・（９）
（８）式に示される固有振動を用いれば、図２に示す振動を再現することが可能となるし、出口側バッファ室１１８の容積が大きいほど（出口側バッファ室のコンプライアンスが大きくなるので）固有振動周期Ｔが長くなる現象も説明することができる。また、（８）式および（９）式から、ポンプ室１０２の容積によっても固有振動周期Ｔが変化することが分かる。
【００４０】
図３は、出口側バッファ室１１８を有さない従来の送液ポンプと、出口側バッファ室１１８を有する本実施例の送液ポンプ１００における送液量の計測結果である。図３に示されるように、出口側バッファ室１１８を設けることによって、送液量が大幅に増加している。更に、出口側バッファ室１１８の容積が大きいほど送液量が増加している。これは、次のような理由による。
【００４１】
入口側バッファ室１１２の液体は、ポンプ室１０２が負圧になっている期間（負圧期間）にポンプ室１０２に流入する。従って、この負圧期間が長い方が、入口側バッファ室１１２からポンプ室１０２に流れ込む液体の流量（この流量が送液量となる）が多くなる。ここで、図２に示されるように、ポンプ室１０２の内部圧力の振動は、出口流路１１６の流路抵抗によって減衰するため、ポンプ室１０２の内部圧力が負圧となる回数には限りがある。このため、毎回の負圧期間が長いほどポンプ室１０２への流量が多くなるので、そのためには固有振動周期Ｔを長く設定する方がよい。そして、（８）式から明らかなように、固有振動周期Ｔを長くするためには、合成コンプライアンスＣを大きくすればよい。しかし、ポンプ室１０２の容積（コンプライアンス）を大きくすると、ポンプ室１０２の容積に対するポンプ室１０２の容積を減少させたことによる排除体積の割合が小さくなるので、ポンプ室１０２の圧力が低くなってしまう。そこで、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）を大きくすることで、送液量を増加することが可能となる。
【００４２】
図４は、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）を、ポンプ室１０２の容積（コンプライアンス）に対して異ならせたときの送液量の変化を示した説明図である。図示されるように、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）は、ポンプ室１０２の容積（コンプライアンス）に対して１０倍以上に設定すると、少なくとも２倍以上の送液量を得ることが可能となり、１００倍以上に設定すると送液量が飽和する。尚、この固有振動期間では、ポンプ室１０２の内部圧力が変動しているが、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）がポンプ室１０２の容積（コンプライアンス）に対して大きくなるほど、出口側バッファ室１１８の内部圧力の変化が小さくなる。このため、ポンプ室１０２に対して出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）を大きくすることは、脈動を抑制する効果もある。
【００４３】
図５は、本実施例の送液ポンプ１００の駆動を開始した後、送液量が安定するまでの時間変化を示した測定例である。ここで、図５の実線はポンプ室１０２の容積に対して出口側バッファ室１１８の容積が１００倍の場合であり、破線はポンプ室１０２の容積に対して出口側バッファ室１１８の容積が２００倍の場合である。送液ポンプ１００の駆動を開始した直後は、徐々に出口側バッファ室１１８の内部圧力が上昇し、それと共に送液量が増加する。出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）が大き過ぎると、出口側バッファ室１１８の内部圧力の上昇が緩やかになるため、送液量が安定するまでに時間がかかる。このため、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）は、大き過ぎない方が良い。また、図６に例示したように、流体流路１２２を流れる液体を入口流路１１４に還流させて循環流路を構成した場合には、出口側バッファ室１１８で貯められる液体が多くなると、流体流路１２２内を循環する液体が不足して入口側バッファ室１１２が負圧状態となり、送液量が減少してしまうおそれも生じる。これらの理由から、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）は、ポンプ室１０２の容積（コンプライアンス）に対して、おおよそ１００倍以内が望ましい。
【００４４】
図７は、入口側バッファ室１１２の容積（コンプライアンス）を、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）に対して異ならせたときの送液量の変化を示した説明図である。入口側バッファ室１１２の容積（コンプライアンス）は、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）に対して５倍以上に設定すると送液量が安定する。これは、入口側バッファ室１１２が十分な容積（コンプライアンス）を有していれば、ポンプ室１０２で送液した液体が出口側バッファ室１１８に貯められたとしても、入口側バッファ室１１２が過剰に負圧にならないためと考えられる。このことから、入口側バッファ室１１２は、出口側バッファ室１１８に対して５倍以上の容積（コンプライアンス）を有していることが望ましい。
【００４５】
以上、本実施例の送液ポンプ１００について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。たとえば、プロジェクターなどで発生する熱源を、冷媒液などの流体を循環させることによって冷却する流体循環装置に適用することができる。また、薬剤や栄養剤を内包するマイクロカプセルを形成することに用いる流体吐出装置や、流体流路の先端の径を細くして、流体（水、生理食塩水、薬液など）をその先端から高圧のジェット状に噴射させて対象物を切除するジェットメスなどの手術具や薬液噴射具を含む医療機器など、様々な電子機器に適用することができる。また、本実施例の送液ポンプ１００における出口側バッファ室１１８や入口側バッファ室１１２は、必ずしもステンレス鋼などの大変に硬い部材で構成されている必要はなく、弾性率の小さい部材を用いれば、その容積が小さくても十分に大きなコンプライアンスを得ることができ、非常に小さな送液ポンプを実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００４６】
１００…送液ポンプ、 １０２…ポンプ室、 １０４…ダイアフラム、
１０６…圧電素子、 １０８…ケース、 １１０…逆止弁、
１１２…入口側バッファ室、 １１４…入口流路、 １１６…出口流路、
１１８…出口側バッファ室、 １２２…流体流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を圧送する送液ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプ室の容積を増大させて液体を吸い込んだ後、ポンプ室の容積を減少させて液体を圧送する動作を繰り返す送液ポンプが知られている（特許文献１など）。この送液ポンプでは、ポンプ室容積を増大させて減少させる度に、ポンプ室内の流体が圧送される。１回あたりの送液量は、ポンプ室の最大容積から最小容積を減算した容積（排除体積）にほぼ等しく、従って、送液ポンプの送液量は、時間あたりにポンプ室容積の増大および減少を行った回数（駆動回数）に、排除体積を乗算した値にほぼ等しくなる。このため、時間あたりの駆動回数を増加させれば、駆動回数に比例して送液量を増加させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１０３９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の送液ポンプにおいては、時間あたりの駆動回数を増加させると、次第に送液量を増加させることが困難になるという問題があった。以下、この点について詳しく説明する。
【０００５】
図８は、従来の送液ポンプのおおまかな構造を例示した説明図である。ポンプ室の一部がダイアフラムで形成されており、ケースに収められた圧電素子を伸張させてダイアフラムを変形させる。すると、ポンプ室内の液体が出口流路から圧送される。また、液体の圧送後、圧電素子に印加した駆動電圧を取り除くと、伸張していた圧電素子が元の長さに戻ってポンプ室容積を増大させる。すると、入口側バッファ室の液体が逆止弁を通ってポンプ室に供給される。また、入口側バッファ室には、入口流路から液体が補充される。
【０００６】
図９は、圧電素子に駆動信号を印加したときのポンプ室の内部圧力の変化を示した説明図である。図９（ａ）に示したように、圧電素子に駆動電圧を印加すると、圧電素子が伸張するのでポンプ室の内部圧力が急激に上昇し、その結果、ポンプ室内の液体が出口流路から圧送され、それに伴ってポンプ室の内部圧力も下降する。また、圧電素子に印加された駆動電圧を取り除くと、圧電素子が縮小し、ポンプ室容積が増大するのでポンプ室の内部圧力が更に下降し、やがて負圧となる。その結果、入口側バッファから液体が流入するので、ポンプ室の内部圧力は直ぐに回復する。
【０００７】
送液ポンプの一般的な駆動条件では、送液ポンプを駆動する周期や、駆動電圧を印加してから取り除くまでの時間に比べて、ポンプ室の内部圧力が上昇したり下降したりする期間は十分に短い。このため、ポンプ室内で加圧された液体が出口流路から完全に圧送された後に駆動電圧を取り除いていると考えて良い。また、駆動電圧を取り除いて容積が増大したポンプ室に、入口側バッファ室から液体が完全に補充された後に、駆動電圧を印加すると考えて良い。その結果、パルス状の駆動信号が印加される度に、排除体積に相当する液体が圧送されることになる。
【０００８】
ところが、出口流路に接続される液体流路が大きな流路抵抗を有していたり（液体流路が細く長い場合など）、粘度の高い液体を圧送したりする場合には、ポンプ室の容積が減少したときに、排除体積分の液体がポンプ室から流れるまでに時間がかかるようになる。このため、ポンプ室の内部圧力が下降するのに長い時間がかかる。
【０００９】
図９（ｂ）には、液体流路が大きな流路抵抗を有する場合、あるいは粘度の高い液体を圧送する場合に、ポンプ室の内部圧力が低下する様子が一点鎖線で示されている。図中の破線で示した一般的な場合（流路抵抗が小さく、液体の粘度も小さい場合）と比較すると、ポンプ室の内部圧力が下降するまでに長い時間がかかっている。このことは、排除体積分の液体が送液されるまでに時間がかかることを示している。そして、内部圧力が下降する前（ポンプ室から排除体積分の液体が送液される前）に駆動電圧を取り除くと、送液を中断して入口側バッファ室から液体を補充することになるので、ポンプ室容積を減少させてから増大させる１回あたりの送液量の効率低下を引き起こす。
【００１０】
また、液体流路が大きな流路抵抗を有しておらず、液体の粘度が高くない場合であっても、送液ポンプを駆動する周期がたいへんに短い場合（駆動周波数が高い場合）には同様なことが起こり得る。すなわち、液体流路が大きな流路抵抗を有しておらず、液体の粘度が高くない場合でも、圧電素子を伸張させた瞬間に排除体積分の液体がポンプ室内から流れるわけではなく、排除体積分の液体が流れるためには、短時間とはいえ何某かの時間がかかる。従って、排除体積分の液体が流れるために要する時間よりも短い周期で、送液ポンプを駆動した場合には送液量の効率低下を引き起こす。
【００１１】
結局、流体流路の流路抵抗や、液体の粘度などに拘わらず、ポンプ室から排除体積分の液体が流れ出すために要する時間（ポンプ室の内部圧力が低下するために要する時間）よりも短い周期で送液ポンプを駆動すると、送液量の効率が低下することになる。そして、この送液量の効率低下は、図９（ｂ）に示したように、ポンプ室の容積の減少に伴ってポンプ室の内部圧力が上昇した後、出口流路から流体流路に液体が流れることによってポンプ室の内部圧力が低下する時定数τを考えると、時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動すると、送液量の効率低下が無視できなくなるほど大きくなる。
【００１２】
図１０には、送液ポンプの駆動周波数（駆動周期の逆数）と送液量との関係が示されている。従来の一般的な送液ポンプの駆動条件は、駆動周波数が１／τよりも十分に低いために、送液量が駆動周波数に比例して増加していた。しかし、図中に実線で示したように、駆動周波数が高くなるとやがて、駆動周波数を増加させたほどには送液量が増加しなくなり、１／τよりも高い駆動周波数では送液ポンプの送液量の効率が大幅に低下してしまう。また、圧電素子を駆動する際に投入する電気エネルギーは、駆動周波数にほぼ比例するため、このような送液量の効率低下は、圧電素子に投入した電気エネルギーのロスが増大することを示している。
【００１３】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、ポンプ室の内部圧力が下降する時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動した場合でも、効率よく液体を送液することが可能で、圧電素子に投入した電気エネルギーのロスを大幅に削減する高効率な送液ポンプの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の送液ポンプは次の構成を採用した。すなわち、
容積が変更可能なポンプ室と、
前記ポンプ室から液体流路に向けて前記液体が流出する出口流路と、
前記ポンプ室に前記液体を供給する入口流路と、
前記入口流路と前記ポンプ室との間に設けられた逆止弁と、
を備えた送液ポンプであって、
前記送液ポンプは、
前記ポンプ室の容積の減少に伴って該ポンプ室の内部圧力が上昇した後、該出口流路から直接前記流体流路に液体が流れることによって該ポンプ室の内部圧力が低下する時の時定数よりも、短い周期で駆動されるポンプであり、
前記出口流路と前記流体流路との間には、前記ポンプ室のコンプライアンスよりも大きく、且つ前記ポンプ室のコンプライアンスに対して１００倍以下のコンプライアンスを有する出口側バッファ室が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
こうした構成を有する本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を増大させることによって、入口流路から逆止弁を介してポンプ室に液体を吸い込んだ後、ポンプ室の容積を減少させることによって、出口流路から流体流路に向けて液体を送液する。出口流路に流体流路が直接に接続されている場合に、流体流路には大きな流路抵抗があるから、ポンプ室の容積を減少させた時にポンプ室の内部圧力が一旦上昇し、その後、出口流路から直接流体流路に液体が流れることに伴ってポンプ室の内部圧力が低下する。送液ポンプは、この場合おけるポンプ室の内部圧力が低下する時の時定数τよりも短い周期で駆動される。そして、出口流路と流体流路との間には、ポンプ室のコンプライアンスよりも大きく、且つポンプ室のコンプライアンスに対して１００倍以下のコンプライアンスを有する出口側バッファ室が設けられている。
【００１６】
こうすれば、ポンプ室の容積を減少させると、ポンプ室で加圧された液体が出口流路を介して出口側バッファ室に移動するので、ポンプ室の内部圧力が直ぐに（時定数τよりも短い時間で）下降する。そして、出口流路を通る液体の慣性によってポンプ室の内部圧力が負圧となり、逆止弁を介して直ぐにポンプ室に液体が供給されるので、この時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動した場合でも、効率よく液体を送液することが可能となる。一方、出口側バッファ室に流入した液体は流体流路に向かって流れようとするが、流体流路の流路抵抗によって徐々にしか流れない。このため出口側バッファ室の内部圧力が上昇すると同時に、ポンプ室の内部圧力は下降しているので、ポンプ室から出口側バッファ室に向かう流れは弱められる。このとき、ポンプ室から出口側バッファ室との間には逆止弁が設けられていないので、やがて出口側バッファ室からポンプ室への逆流が生じる。しかし、ポンプ室と入口流路との間には逆止弁が設けられているので、液体の逆流に伴ってポンプ室の内部圧力が再び上昇し、逆流していた液体が出口側バッファ室に向けて流れ出す。これにより、再びポンプ室が負圧となり、入口側バッファ室からポンプ室に更に液体を供給することが可能となる。このように、ポンプ室と出口流路と出口側バッファ室との間で生じる圧力振動が発生する結果、ポンプ室により多くの液体を供給することができる。このため、ポンプ室容積を減少させてから増加させる１回あたりの送液量は、ポンプ室の最大容積から最小容積を減算した容積（排除体積）よりも多くすることが可能となり、圧電素子に投入した電気エネルギーを大幅に削減することも可能となる。
【００１７】
また、ポンプ室の容積を減少させると、ポンプ室から液体が出口側バッファ室に流入して出口側バッファ室の内部圧力が上昇し、その結果、出口側バッファ室から流体流路に液体が送液される。従って、出口側バッファ室のコンプライアンスが大きくなり過ぎると、送液ポンプの駆動を開始してから本来の送液量に達するまでに時間がかかるようになる。後述するように、送液ポンプの能力は、出口側バッファ室のコンプライアンスをポンプ室のコンプライアンスに対して大きくした方が向上するが、出口側バッファ室のコンプライアンスが、ポンプ室のコンプライアンスの１００倍程度に達すると、飽和傾向が生じる。従って、出口側バッファ室のコンプライアンスを、ポンプ室のコンプライアンスに対して１００倍以下に設定しておけば、送液ポンプの駆動を開始してから本来の送液量に達するまでにかかる時間を抑制することが可能となる。
【００１８】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、出口流路の流路抵抗を、流体流路の流路抵抗よりも低くしておいてもよい。
【００１９】
こうすれば、流体流路の流路抵抗に拠らずにポンプ室の内部圧力が直ぐに下降することに加え、ポンプ室と出口側バッファ室との間で生じる圧力振動が減衰し難くなるので、ポンプ室に何度も負圧を生じさせることができ、ポンプ室に効率よく液体を供給することができる。その結果、ポンプ室の容積の減少に伴ってポンプ室の内部圧力が上昇した後、出口流路から直接流体流路に液体が流れることによってポンプ室の内部圧力が低下する時の時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動した場合でも、効率よく液体を送液することが可能となる。
【００２０】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、出口側バッファ室のコンプライアンスを、ポンプ室のコンプライアンスに対して１０倍以上に設定することとしてもよい。
【００２１】
出口側バッファ室のコンプライアンスが、ポンプ室のコンプライアンスに対して十分に大きくなければ、ポンプ室から出口側バッファ室に向けて液体を圧送しようとしたときに、出口側バッファ室に接続された流体流路の流路抵抗の影響が現れる。これに対して、出口側バッファ室のコンプライアンスが、ポンプ室のコンプライアンスに対して１０倍以上あれば、ポンプ室から液体を圧送する際に、出口側バッファ室に接続された流体流路の流路抵抗はほとんど無視できるようになる。その結果、ポンプ室の内部圧力を直ぐに下降させることができるので、効率よく液体を送液することが可能となる。
【００２２】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、入口流路と逆止弁との間に入口側バッファ室を備え、出口流路から流体流路に向けて送液した液体を、入口側バッファ室に還流させるようにしてもよい。
【００２３】
こうすれば、流体流路を循環した液体は入口側バッファ室で溜められた後、逆止弁を介してポンプ室に供給される。従って、ポンプ室から送液された液体が出口側バッファ室に溜まって、流体流路になかなか流れ出さなくても、逆止弁を介してポンプ室に供給する液体が不足することがない。このため、ポンプ室に液体を十分に供給できずに、送液ポンプの能力が低下する事態を回避することが可能となる。
【００２４】
また、このような入口側バッファ室を備えた本発明の送液ポンプにおいては、入口側バッファ室のコンプライアンスを、出口側バッファ室のコンプライアンスに対して５倍以上に設定しても良い。
【００２５】
入口側バッファ室のコンプライアンスが出口側バッファ室のコンプライアンスに対して５倍以上あれば、ポンプ室に供給する液体が不足することが無いことが実験的に確かめられている。このため、送液ポンプの能力を十分に発揮させることが可能となる。
【００２６】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、圧電素子を用いてポンプ室の容積を変更することとしてもよい。
【００２７】
圧電素子を用いれば、大きな力で且つ急激にポンプ室の容積を減少させることができるので、ポンプ室と出口側バッファ室との間に大きな圧力振動を発生させることができる。その結果、この圧力振動を利用して液体を圧送することで、効率よく液体を送液することが可能となる。
【００２８】
また、上述した本発明の送液ポンプは、効率よく液体を送液することが可能で、圧電素子に投入した電気エネルギーのロスを大幅に削減することが可能である。このため、循環装置に組み込む送液ポンプ、あるいは医療機器に組み込む送液ポンプとして特に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施例の送液ポンプの構成を示した説明図である。
【図２】圧電素子に駆動信号を印加したときのポンプ室の内部圧力を示した説明図である。
【図３】出口側バッファ室の有無による送液量の違いを示した説明図である。
【図４】ポンプ室容積に対する出口側バッファ室の容積の影響を示した説明図である。
【図５】送液ポンプの駆動を開始した後に送液量が安定するまでの時間変化を示した説明図である。
【図６】本実施例の送液ポンプを用いて循環流路を構成した場合を例示した説明図である。
【図７】出口側バッファ室の容積に対する入口側バッファ室の容積の影響を示した説明図である。
【図８】従来の送液ポンプの構造を例示した説明図である。
【図９】圧電素子に駆動信号を印加したときのポンプ室の内部圧力の変化を示した説明図である。
【図１０】送液ポンプの駆動周波数と送液量との関係を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、本実施例の送液ポンプ１００の構成を示した説明図である。図示されるように、本実施例の送液ポンプ１００は、図８に示した従来の送液ポンプに対して、出口側バッファ室１１８が設けられている点が異なっている。すなわち、本実施例の送液ポンプ１００においても、ポンプ室１０２の一部がダイアフラム１０４で形成されており、ケース１０８には圧電素子１０６が収められ、また、ポンプ室１０２の上部には、逆止弁１１０を介して入口側バッファ室１１２が設けられている。入口側バッファ室１１２には、入口流路１１４から液体が供給される。また、ポンプ室１０２は、出口流路１１６を介して出口側バッファ室１１８に接続されており、出口側バッファ室１１８には、流体流路１２２が接続されている。
【００３１】
圧電素子１０６に駆動信号を印加して圧電素子１０６を伸張させると、ダイアフラム１０４が変形してポンプ室１０２の容積が減少する。すると、ポンプ室１０２内の液体が出口流路１１６を介して出口側バッファ室１１８に流入し、出口側バッファ室１１８から流体流路１２２に送液される。
【００３２】
図２は、本実施例の送液ポンプ１００で圧電素子１０６に駆動信号を印加したときのポンプ室１０２の内部圧力を示した説明図である。図２（ａ）には圧電素子１０６に印加する駆動信号が示されている。また、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、出口側バッファ室１１８の容積が異なる場合について、内部圧力の時間変化が示されている。図２（ａ）に示されるように、駆動信号の電圧（駆動電圧）が上昇すると圧電素子１０６が伸張してポンプ室１０２の容積を減少させるので、ポンプ室１０２の内部圧力が急激に上昇する。このとき、出口流路１１６と液体流路１２２との間には出口側バッファ室１１８があるために、ポンプ室１０２で加圧された液体が出口側バッファ室１１８に移動して、ポンプ室１０２の内部圧力が直ぐに下降する。この現象をポンプ室１０２側から見ると、出口側バッファ室１１８の向こう側に存在する流体流路１２２は、出口側バッファ室１１８が存在するためにポンプ室１０２にはほとんど影響を与えることが無く、単に出口流路１１６が接続されているのと同じような状態となる。
【００３３】
これは、次のようにして説明することができる。液体流路１２２や出口流路１１６など、円管である流路中の液体の流れが層流（ハーゲンポアズイユ流れ）である場合、半径ｒで長さがＬの円筒管流路に絶対粘性μの液体が流れるときの流路抵抗Ｆは以下の（１）式で表すことができる。
Ｆ＝８×μ×Ｌ／（πｒ４） ・・・（１）
ここで、液体流路１２２の流路抵抗は出口流路１１６の流路抵抗よりも大きく設定されている。また、ポンプ室１０２や出口側バッファ１１８など、流体に満たされた流体室内に圧力が加わった時には、流体室の変形による容積の膨張や流体の圧縮が生じる。例えば、最も単純な場合として、容積がＶで体積弾性率がＫの流体室に圧縮率κＦの流体（ここでは液体とする）で満たされており、流体室内の液体に圧力Ｐが加わったものとする。このとき、流体室の変形による容積の変化量ΔＶ１は、
ΔＶ１＝Ｖ／Ｋ×Ｐ ・・・（２）
となる。また、液体の圧縮による体積の変化量ΔＶ２は、
ΔＶ２＝Ｖ×κＦ×Ｐ ・・・（３）
となる。よって、圧力Ｐに対する見かけ上の流体室の容積の変化量ΔＶは、
ΔＶ＝Ｖ×（１／Ｋ＋κＦ）×Ｐ ・・・（４）
となり、このＶ×（１／Ｋ＋κＦ）がコンプライアンスと呼ばれる値である。ここで、流体室が同じ弾性率を持つ部材で、液体が同じ圧縮率を持つ流体であるとき、（４）式は、同じ圧力Ｐが加わるのであれば、見かけ上の流体室の容積の変化量ΔＶは流体室の容積Ｖに比例することを表している。出口側バッファ室１１８を有さない従来の送液ポンプでは、図９（ｂ）に示すように、出口流路１１６および液体流路１２２で構成される流路抵抗とポンプ室１０２のコンプライアンスとの積で定められる時定数τに従って、ポンプ室の内部圧力がゆっくり下降する。しかし、本発明の送液ポンプでは、流体流路１２２は、ポンプ室１０２よりもコンプライアンスの大きい出口側バッファ室１１８が存在するためにポンプ室１０２にはほとんど影響を与えない。
【００３４】
このため、ポンプ室１０２の容積が減少して排除体積分の液体が流出しようとするときに、出口流路１１６の流路抵抗およびイナータンスのみの影響しか受けないため、排除体積分の液体が流れきるための時間が短くなる。そして、出口流路１１６を移動した液体は、出口流路１１６のイナータンスによって慣性力が働くため、ポンプ室１０２の内部圧力が負圧となり、入口側バッファ室１１２からポンプ室１０２に液体を供給することが可能となる。このとき、出口流路１１６のイナータンスは、入口側バッファ室１１２とポンプ室との間の連通路のイナータンスに比べて大きいため、出口流路１１６を移動する液体は殆どポンプ室１０２に戻ることはなく、もっぱら入口側バッファ室１１２の液体がポンプ室１０２に供給される。これは、出口側の流路（出口流路１１６）のイナータンスに比べて、入口側の流路（逆止弁１１０が設けられた通路部分）のイナータンスが大幅に小さいことに因る。
【００３５】
ここでイナータンスとは、流路の特性値であり、流路の一端に圧力が加わったことによって流路内の流体が流れようとする時の、流体の流れ易さを示している。たとえば、最も単純な場合として、断面積がＳで長さがＬの流路に密度ρの流体（ここでは液体とする）が満たされており、流路の一端に圧力Ｐ（正確には、両端での圧力差Ｐ）が加わったものとする。流路内の流体には圧力Ｐ×断面積Ｓの力が作用し、その結果、流路内の流体が流れ出す。その時の流体の加速度をａとすると、流路内の流体の質量は密度ρ×断面積Ｓ×長さＬだから、運動方程式を立てて変形すると、
Ｐ＝ρ×Ｌ×ａ ・・・（５）
が得られる。更に、流路を流れる体積流量をＱ、流路を流れる流体の流速をｖとすると、
Ｑ＝ｖ×Ｓ だから、
ｄＱ／ｄｔ＝ａ×Ｓ ・・・（６）
が成り立つ。（６）式を（５）式に代入すると、
Ｐ＝（ρ×Ｌ／Ｓ）×（ｄＱ／ｄｔ） ・・・（７）
となる。この式は、流路内の流体についての運動方程式を、流路の一端に加わる圧力Ｐ（正確には両端での圧力差）と、ｄＱ／ｄｔとを用いて表した式である。（７）式は、同じ圧力Ｐが加わるのであれば、（ρ×Ｌ／Ｓ）が小さくなるほど、ｄＱ／ｄｔが大きくなる（すなわち、流速が大きく変化する）ことを表している。この（ρ×Ｌ／Ｓ）が、イナータンスと呼ばれる値である。
【００３６】
図１に示した本実施例の送液ポンプ１００では、出口流路１１６のイナータンスは、内径が小さく且つ通路長が長いので大きな値となる。これに対してポンプ室１０２の入口側の流路のイナータンスは、逆止弁１１０が設けられた通路部分の通路長が短いので小さな値となる。このため、ポンプ室１０２が負圧となったときに、合成イナータンスの大きな出口側の液体はほとんど吸い込まれず、もっぱら合成イナータンスの小さな入口側の液体がポンプ室１０２に吸い込まれるのである。以上の理由により、ポンプ室１０２の容積を減少させると、ポンプ室１０２で加圧された液体が出口流路１１６を介して出口側バッファ室１１８に移動するので、ポンプ室１０２の内部圧力が直ぐに（時定数τよりも短い時間で）下降する。そして、出口流路１１６を通る液体の慣性によってポンプ室１０２の内部圧力が負圧となり、逆止弁を介して直ぐにポンプ室に液体が供給されるので、この時定数τよりも短い周期で送液ポンプを駆動した場合でも、効率よく液体を送液することが可能となる。
【００３７】
一方、出口側バッファ室１１８に流入した液体は流体流路１２２の高い流路抵抗によってほとんど流れ出ないので、出口側バッファ室１１８の内部圧力が上昇する。このとき、ポンプ室１０２の内部圧力が下降しているため、出口流路１１６内の液体の慣性力は次第に減少する。ポンプ室１０２から出口側バッファ室１１８との間には逆止弁が設けられていないので、やがて出口側バッファ室１１８からポンプ室１０２への逆流が生じる。ポンプ室１０２へ液体が逆流しても、逆止弁１１０により入口側バッファ室１１２へ液体が流れ出ないので、ポンプ室１０２の内部圧力が再び上昇し、逆流していた液体が出口側バッファ室１１８に向けて流れ出す。これにより、再びポンプ室１０２が負圧となり、入口側バッファ室１１２からポンプ室１０２に更に液体を供給することが可能となる。このような振動を繰り返すことによって、一度の駆動で逆止弁を複数回（図２に示した例では２回）開いて、ポンプ室１０２に液体を供給することが可能となる。
【００３８】
この現象は、通常、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との間で伝播する液体中の圧力波による伝播と理解されがちである。しかし、本実施例の送液ポンプ１００は、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との距離が短く（出口側バッファ室の大きさにかかわらず、どんなに長くても１０ｃｍ（センチメートル）程度であり）、液体中の音速を約１０００ｍ／ｓｅｃ（メートル／秒）としても、圧力波の伝播による振動周期は最長でも０．２ｍｓｅｃ（ミリ秒）となる筈である。しかしながら、図２（ｂ）あるいは図２（ｃ）に示す振動の固有振動周期は、出口側バッファ室１１８の容積が小さい場合には約０．３５ｍｓｅｃ、出口側バッファ室１１８の容積が大きい場合には約０．４ｍｓｅｃとなっており、圧力波の伝播によっては説明することができない。
【００３９】
しかしこの現象は、液体の圧縮性を考慮する（すなわち、液体を圧縮性流体として取り扱う）ことによって、説明することができる。すなわち、ポンプ室１０２のコンプライアンス、出口流路１１６のイナータンス、出口側バッファ室１１８のコンプライアンスで形成される固有振動（共振）と考えれば、その固有振動周期Ｔは以下の（８）式で表すことができる。
Ｔ＝２π（ＭＣ）１／２ ・・・（８）
ここで、Ｍは出口流路１１６のイナータンス、Ｃはポンプ室１０２および出口側バッファ室１１８の合成コンプライアンスである。また、ポンプ室１０２のコンプライアンスをＣ１、出口側バッファ室１１８のコンプライアンスをＣ２とすると、合成コンプライアンスＣは、以下の（９）式によって与えられる。
Ｃ＝１／｛１／Ｃ１＋１／Ｃ２｝ ・・・（９）
（８）式に示される固有振動を用いれば、図２に示す振動を再現することが可能となるし、出口側バッファ室１１８の容積が大きいほど（出口側バッファ室のコンプライアンスが大きくなるので）固有振動周期Ｔが長くなる現象も説明することができる。また、（８）式および（９）式から、ポンプ室１０２の容積によっても固有振動周期Ｔが変化することが分かる。
【００４０】
図３は、出口側バッファ室１１８を有さない従来の送液ポンプと、出口側バッファ室１１８を有する本実施例の送液ポンプ１００における送液量の計測結果である。図３に示されるように、出口側バッファ室１１８を設けることによって、送液量が大幅に増加している。更に、出口側バッファ室１１８の容積が大きいほど送液量が増加している。これは、次のような理由による。
【００４１】
入口側バッファ室１１２の液体は、ポンプ室１０２が負圧になっている期間（負圧期間）にポンプ室１０２に流入する。従って、この負圧期間が長い方が、入口側バッファ室１１２からポンプ室１０２に流れ込む液体の流量（この流量が送液量となる）が多くなる。ここで、図２に示されるように、ポンプ室１０２の内部圧力の振動は、出口流路１１６の流路抵抗によって減衰するため、ポンプ室１０２の内部圧力が負圧となる回数には限りがある。このため、毎回の負圧期間が長いほどポンプ室１０２への流量が多くなるので、そのためには固有振動周期Ｔを長く設定する方がよい。そして、（８）式から明らかなように、固有振動周期Ｔを長くするためには、合成コンプライアンスＣを大きくすればよい。しかし、ポンプ室１０２の容積（コンプライアンス）を大きくすると、ポンプ室１０２の容積に対するポンプ室１０２の容積を減少させたことによる排除体積の割合が小さくなるので、ポンプ室１０２の圧力が低くなってしまう。そこで、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）を大きくすることで、送液量を増加することが可能となる。
【００４２】
図４は、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）を、ポンプ室１０２の容積（コンプライアンス）に対して異ならせたときの送液量の変化を示した説明図である。図示されるように、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）は、ポンプ室１０２の容積（コンプライアンス）に対して１０倍以上に設定すると、少なくとも２倍以上の送液量を得ることが可能となり、１００倍以上に設定すると送液量が飽和する。尚、この固有振動期間では、ポンプ室１０２の内部圧力が変動しているが、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）がポンプ室１０２の容積（コンプライアンス）に対して大きくなるほど、出口側バッファ室１１８の内部圧力の変化が小さくなる。このため、ポンプ室１０２に対して出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）を大きくすることは、脈動を抑制する効果もある。
【００４３】
図５は、本実施例の送液ポンプ１００の駆動を開始した後、送液量が安定するまでの時間変化を示した測定例である。ここで、図５の実線はポンプ室１０２の容積に対して出口側バッファ室１１８の容積が１００倍の場合であり、破線はポンプ室１０２の容積に対して出口側バッファ室１１８の容積が２００倍の場合である。送液ポンプ１００の駆動を開始した直後は、徐々に出口側バッファ室１１８の内部圧力が上昇し、それと共に送液量が増加する。出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）が大き過ぎると、出口側バッファ室１１８の内部圧力の上昇が緩やかになるため、送液量が安定するまでに時間がかかる。このため、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）は、大き過ぎない方が良い。また、図６に例示したように、流体流路１２２を流れる液体を入口流路１１４に還流させて循環流路を構成した場合には、出口側バッファ室１１８で貯められる液体が多くなると、流体流路１２２内を循環する液体が不足して入口側バッファ室１１２が負圧状態となり、送液量が減少してしまうおそれも生じる。これらの理由から、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）は、ポンプ室１０２の容積（コンプライアンス）に対して、おおよそ１００倍以内が望ましい。
【００４４】
図７は、入口側バッファ室１１２の容積（コンプライアンス）を、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）に対して異ならせたときの送液量の変化を示した説明図である。入口側バッファ室１１２の容積（コンプライアンス）は、出口側バッファ室１１８の容積（コンプライアンス）に対して５倍以上に設定すると送液量が安定する。これは、入口側バッファ室１１２が十分な容積（コンプライアンス）を有していれば、ポンプ室１０２で送液した液体が出口側バッファ室１１８に貯められたとしても、入口側バッファ室１１２が過剰に負圧にならないためと考えられる。このことから、入口側バッファ室１１２は、出口側バッファ室１１８に対して５倍以上の容積（コンプライアンス）を有していることが望ましい。
【００４５】
以上、本実施例の送液ポンプ１００について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。たとえば、プロジェクターなどで発生する熱源を、冷媒液などの流体を循環させることによって冷却する流体循環装置に適用することができる。また、薬剤や栄養剤を内包するマイクロカプセルを形成することに用いる流体吐出装置や、流体流路の先端の径を細くして、流体（水、生理食塩水、薬液など）をその先端から高圧のジェット状に噴射させて対象物を切除するジェットメスなどの手術具や薬液噴射具を含む医療機器など、様々な電子機器に適用することができる。また、本実施例の送液ポンプ１００における出口側バッファ室１１８や入口側バッファ室１１２は、必ずしもステンレス鋼などの大変に硬い部材で構成されている必要はなく、弾性率の小さい部材を用いれば、その容積が小さくても十分に大きなコンプライアンスを得ることができ、非常に小さな送液ポンプを実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００４６】
１００…送液ポンプ、 １０２…ポンプ室、 １０４…ダイアフラム、
１０６…圧電素子、 １０８…ケース、 １１０…逆止弁、
１１２…入口側バッファ室、 １１４…入口流路、 １１６…出口流路、
１１８…出口側バッファ室、 １２２…流体流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容積が変更可能なポンプ室と、
前記ポンプ室から液体流路に向けて前記液体が流出する出口流路と、
前記ポンプ室に前記液体を供給する入口流路と、
前記入口流路と前記ポンプ室との間に設けられた逆止弁と、
を備えた送液ポンプであって、
前記送液ポンプは、
前記ポンプ室の容積の減少に伴って該ポンプ室の内部圧力が上昇した後、該ポンプ室から直接前記流体流路に液体が流れることによって該ポンプ室の内部圧力が低下する時の時定数よりも、短い周期で駆動されるポンプであり、
前記出口流路と前記流体流路との間には、前記ポンプ室のコンプライアンスよりも大きく、且つ前記ポンプ室のコンプライアンスに対して１００倍以下のコンプライアンスを有する出口側バッファ室が設けられていることを特徴とする送液ポンプ。
【請求項２】
前記出口流路の流路抵抗が、前記流体流路の流路抵抗よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。
【請求項３】
前記出口側バッファ室のコンプライアンスは、前記ポンプ室のコンプライアンスに対して１０倍以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の送液ポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の送液ポンプであって、
前記入口流路と前記逆止弁との間に入口側バッファ室を備え、
前記流体流路に向けて送液した液体を、前記入口側バッファ室に還流させることを特徴とする送液ポンプ。
【請求項５】
前記入口側バッファ室のコンプライアンスが、前記出口側バッファ室のコンプライアンスに対して５倍以上であることを特徴とする請求項４に記載の送液ポンプ。
【請求項６】
圧電素子を用いて前記ポンプ室の容積を変更することを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の送液ポンプ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の送液ポンプを用いた循環装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の送液ポンプを用いた医療機器。
【請求項１】
容積が変更可能なポンプ室と、
前記ポンプ室から液体流路に向けて前記液体が流出する出口流路と、
前記ポンプ室に前記液体を供給する入口流路と、
前記入口流路と前記ポンプ室との間に設けられた逆止弁と、
を備えた送液ポンプであって、
前記送液ポンプは、
前記ポンプ室の容積の減少に伴って該ポンプ室の内部圧力が上昇した後、該ポンプ室から直接前記流体流路に液体が流れることによって該ポンプ室の内部圧力が低下する時の時定数よりも、短い周期で駆動されるポンプであり、
前記出口流路と前記流体流路との間には、前記ポンプ室のコンプライアンスよりも大きく、且つ前記ポンプ室のコンプライアンスに対して１００倍以下のコンプライアンスを有する出口側バッファ室が設けられていることを特徴とする送液ポンプ。
【請求項２】
前記出口流路の流路抵抗が、前記流体流路の流路抵抗よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。
【請求項３】
前記出口側バッファ室のコンプライアンスは、前記ポンプ室のコンプライアンスに対して１０倍以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の送液ポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の送液ポンプであって、
前記入口流路と前記逆止弁との間に入口側バッファ室を備え、
前記流体流路に向けて送液した液体を、前記入口側バッファ室に還流させることを特徴とする送液ポンプ。
【請求項５】
前記入口側バッファ室のコンプライアンスが、前記出口側バッファ室のコンプライアンスに対して５倍以上であることを特徴とする請求項４に記載の送液ポンプ。
【請求項６】
圧電素子を用いて前記ポンプ室の容積を変更することを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の送液ポンプ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の送液ポンプを用いた循環装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の送液ポンプを用いた医療機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−６０８５１（Ｐ２０１３−６０８５１Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９９１２２（Ｐ２０１１−１９９１２２）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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