(57)【要約】【課題】駆動停止時の液漏れが生じるおそれのないバルブ付きダイヤフラムポンプを得る。【解決手段】ダイヤフラムポンプにおいては、吐出流路に設けた逆止弁だけで、ダイヤフラムを振動させない駆動停止状態での液漏れを防止するのは困難であるとの認識の元に、特に吐出流路に、逆止弁より吐出ポート側に位置させて常閉型の開閉バルブを設けた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入ポート、吐出ポート及び振動するダイヤフラムによって形成されたポンプ室を有するハウジング；
上記吸入ポートとポンプ室とを連通させる吸入流路に設けた、吸入ポートからポンプ室への流体流のみを許す吸入側逆止弁；
上記吐出ポートとポンプ室とを連通させる吐出流路に設けた、上記ポンプ室から吐出ポートへの流体流のみを許す吐出側逆止弁；及び
上記吐出流路に、吐出側逆止弁と吐出ポートとの間に位置させて設けた常閉型開閉バルブ；
を有することを特徴とするバルブ付きダイヤフラムポンプ。
【請求項２】
請求項１記載のバルブ付きダイヤフラムポンプにおいて、上記常閉型開閉バルブは、上記吐出流路の一部を構成する柔軟なチューブ体と、このチューブ体を挟着する枕木突起及び圧電バーとからなり、上記圧電バーは、非通電状態で枕木突起との間に柔軟チューブ体を押し潰して流路を閉じ、通電状態で該柔軟チューブ体の弾性復元力で流路を開くバルブ付きダイヤフラムポンプ。
【請求項３】
請求項２記載のバルブ付きダイヤフラムポンプにおいて、柔軟チューブ体は、自由状態での開口断面積よりも、枕木突起と圧電バーで挟着された状態における開口断面積の方が小さくなるように、圧電バーによって押圧変形されているバルブ付きダイヤフラムポンプ。
【請求項４】
請求項２または３記載のバルブ付きダイヤフラムポンプにおいて、上記圧電バーは、ばね性金属材料からなるシムバーと、このシムバーの表裏の少なくとも一方に積層した圧電体とを備えているバルブ付きダイヤフラムポンプ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載のバルブ付きダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムは、導電性金属薄板からなるシムの表裏の少なくとも一方に圧電体を積層した圧電振動子であるバルブ付きダイヤフラムポンプ。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれか１項記載のバルブ付きダイヤフラムポンプにおいて、上記ハウジングは、ダイヤフラムを液密に挟着保持して上記ポンプ室を形成する一対のハウジングを備えており、上記枕木突起と圧電バーは、この一対のハウジングの一方に設けられているバルブ付きダイヤフラムポンプ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項記載のバルブ付きダイヤフラムポンプにおいて、上記吸入側逆止弁及び吐出側逆止弁は、アンブレラからなるバルブ付きダイヤフラムポンプ。
【請求項８】
柔軟なチューブ体と、このチューブ体を挟着する枕木突起及び圧電バーとを有し、上記圧電バーは、その駆動電圧の大小により、上記枕木突起との距離を変化させて柔軟チューブ体の開口面積を変化させることを特徴とする開閉バルブ。
【請求項９】
請求項８記載の開閉バルブにおいて、柔軟チューブ体は、自由状態での開口断面積よりも、枕木突起と圧電バーで挟着された状態における開口断面積の方が小さくなるように、圧電バーによって押圧変形されている開閉バルブ。
【請求項１０】
請求項８または９記載の開閉バルブにおいて、上記圧電バーは、ばね性金属材料からなるシムバーと、このシムバーの表裏の少なくとも一方に積層した圧電体とを備えている開閉バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動するダイヤフラムによってポンプ作用を得るダイヤフラムポンプに関し、特に駆動停止時の液漏れを確実に防止できるバルブ付きダイヤフラムポンプ及び開閉バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、例えば燃料電池の燃料送液ポンプとして用いるダイヤフラムポンプ（圧電ポンプ）を開発中である。
【０００３】
圧電ポンプは、平板状の圧電振動子とハウジングの間に液体ポンプ室（可変容積室）を形成し、圧電振動子を振動させることにより、液体ポンプ室の容積を変化させてポンプ作用を得ている。より具体的には、液体ポンプ室に連なる一対の流路（吸入側流路と吐出側流路）に、流れ方向の異なる一対の逆止弁（液体ポンプ室への流体流のみを許す吸入側逆止弁と液体ポンプ室からの流体流のみを許す吐出側逆止弁）を設けており、圧電振動子の振動により液体ポンプ室の容積が変化すると、それに伴い一対の逆止弁の一方が閉じ他方が開く動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2000-120530号公報
【特許文献２】特開2005-282387号公報
【特許文献３】特開2006-224532号公報
【特許文献４】特開2007-123157号公報
【特許文献５】特開2008-88904号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この圧電ポンプの一対の逆止弁は、液体ポンプ室から吸入側流路への液体流及び吐出側流路から液体ポンプ室への液体流を阻止する作用がある。しかし、吸入側流路から液体ポンプ室への流体流及び液体ポンプ室から吐出側流路への流体流の阻止は、必ずしも保証されない。つまり、駆動停止時に、液体ポンプ室内の液体が吐出側流路から漏れる可能性がある。この液漏れは、燃料電池の給液ポンプとして用いる場合には、燃料漏れとして大きな問題になる可能性がある。
【０００６】
従って本発明は、駆動停止時の液漏れが生じるおそれのないバルブ付きダイヤフラムポンプを得ることを目的とする。別言すると、本発明は、ポンプ単体として、駆動停止時の送液停止機能を有するバルブ付き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】
【０００７】
本発明は、ダイヤフラムポンプにおいては、吐出流路に設けた逆止弁だけで、ダイヤフラムを振動させない駆動停止状態での液漏れを防止するのは困難であるとの認識の元に、特に吐出流路に、逆止弁より吐出ポート側に位置させて常閉型の開閉バルブを設けたものである。
【０００８】
すなわち、本発明のバルブ付きダイヤフラムポンプは、吸入ポート、吐出ポート及び振動するダイヤフラムによって形成されたポンプ室を有するハウジング；吸入ポートとポンプ室とを連通させる吸入流路に設けた、吸入ポートからポンプ室への流体流のみを許す吸入側逆止弁；及び吐出ポートとポンプ室とを連通させる吐出流路に設けた、上記ポンプ室から吐出ポートへの流体流のみを許す吐出側逆止弁；を有するダイヤフラムポンプにおいて、吐出流路に、吐出側逆止弁と吐出ポートとの間に位置させて常閉型開閉バルブを設けたことを特徴としている。
【０００９】
常閉型開閉バルブは、具体的には、吐出流路の一部を構成する柔軟なチューブ体と、このチューブ体を挟着する枕木突起及び圧電バーとから構成すると、小型の常閉型開閉バルブを構成することができる。圧電バーは、非通電状態で枕木突起との間に柔軟チューブ体を押し潰して流路を閉じ、通電状態で該柔軟チューブ体の弾性復元力で流路を開く。
【００１０】
柔軟チューブ体は、自由状態での開口断面積よりも、枕木突起と圧電バーで挟着された状態における開口断面積の方が小さくなるように、圧電バーによって押圧変形させるのがよい。
【００１１】
圧電バーは、具体的には例えば、ばね性金属材料からなるシムバーと、このシムバーの表裏の少なくとも一方に積層した圧電体とから構成することができる。
【００１２】
ダイヤフラムは、具体的には例えば、導電性金属薄板からなるシムの表裏の少なくとも一方に圧電体を積層した圧電振動子から構成することができる。
【００１３】
ハウジングには、ダイヤフラムを液密に挟着保持してポンプ室を形成する一対のハウジングを含ませるのが実際的である。枕木突起と圧電バーは、この一対のハウジングの一方に設けると、両者の距離設定が容易であり、構造を簡易にし、かつ小型にできる。
【００１４】
吸入側逆止弁及び吐出側逆止弁は、アンブレラから構成するのが実際的である。
【００１５】
本発明による開閉バルブは、以上のバルブ付きダイヤフラムポンプに用いた常閉型開閉バルブを、単独で、かつ常閉、常開を問わずに使用するもので、柔軟なチューブ体と、このチューブ体を挟着する枕木突起及び圧電バーとを有し圧電バーは、その駆動電圧の大小により、枕木突起との距離を変化させて柔軟チューブ体の開口面積を変化させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ポンプ単体で、駆動停止時の液漏れを確実に防止することができるポンプ付きダイヤフラムポンプを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明を圧電ポンプに適用した実施形態を示す、一部を切開した状態で示す平面図である。
【図２】図１のII-II線に沿う断面図である。
【図３】図１のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】図１、図３のIV-IV線に沿う、閉弁状態の断面図である。
【図５】図４の常閉型開閉バルブの流路開閉チューブの閉弁状態の断面図である。
【図６】図１、図３のIV-IV線に沿う、開弁状態の断面図である。
【図７】図６の常閉型開閉バルブの流路開閉チューブの開弁状態の断面図である。
【図８】同流路開閉チューブの自由状態における形状例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本実施形態は、振動するダイヤフラムとして圧電振動子を有するバルブ付き圧電ポンプ２０に本発明を適用したものである。バルブ付き圧電ポンプ２０は、図１に示すように、平面略矩形のハウジング２１を有し、単体としてポンプを構成するように、このハウジング２１から、吸入ポート２２と吐出ポート２３が突出している。ハウジング２１は、図３、図４及び図６に示すように、図の上方の上下のポンプ（バルブ）ハウジング２４、２５と、下方の上下の流路ハウジング２６、２７とからなっている。吸入ポート２２と吐出ポート２３は、下流路ハウジング２７から突出しており、下流路ハウジング２７には、この吸入ポート２２と吐出ポート２３に連通する吸入流路２２ａと吐出流路２３ａが形成されている。
【００１９】
吸入流路２２ａの終端部は、図１に示すように、上流路ハウジング２６と下ポンプハウジング２５に、それぞれ平面位置を合致させて形成した円形吸入流路孔２６ａと２５ａに連通している。同様に、吐出流路２３ａの終端部は、円形吐出流路孔２６ｂと２５ｂに連通している。
【００２０】
上ポンプハウジング２４と下ポンプハウジング２５の間には、図２に示すように、Ｏリング２９を介して圧電振動子（ダイヤフラム）２８が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子２８と下ポンプハウジング２５との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子２８と上ポンプハウジング２４との間には、大気室Ａが形成される。この実施形態では、円形吸入流路孔２６ａ（２５ａ）及び円形吸入流路孔２６ｂ（２５ｂ）の軸線と、圧電振動子２８とは互いに直交する位置関係にある。
【００２１】
上下の流路ハウジング２６、２７は、開口部以外を図示しないＯリングやレーザーなどで溶着もしくは接着してシール性を確保する。具体的には、バルブの出口側は図示しないＯリングもしくはレーザー溶着等で、バルブの入口側は下流路ハウジング２７に溝状に設けられた吐出流路２３ａの両側面をＯリングもしくはレーザー溶着にてシールする。また、吸入流路２２ａは吸入ポート２２から最初の屈曲点までは下流路ハウジングに設けられたトンネル状の孔で吐出流路２３ａを形成し、最初の屈曲点以降の吐出流路を円形吸入流路孔２６ａまでをつなぐＯリングもしくはレーザー溶着にてシールする。
【００２２】
圧電振動子２８は、中心部のシム２８ａと、シム２８ａの表裏の一面（図２の上面）に積層形成した圧電体２８ｂとを有するユニモルフタイプを図示している。シム２８ａは、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のステンレス、４２アロイ等により形成された金属製の薄板からなる。圧電体２８ｂは、例えば厚さ３００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）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。
【００２３】
下ポンプハウジング２５の円形吸入流路孔２６ａ（２５ａ）と円形吐出流路孔２６ｂ（２５ｂ）にはそれぞれ、ポンプ室Ｐ側と吐出流路側に位置させて、逆止弁（アンブレラ）３２と３３が設けられている。逆止弁３２は、円形吸入流路孔２６ａ（２５ａ）からポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、逆止弁３３は、ポンプ室Ｐから円形吸入流路孔２６ｂ（２５ｂ）への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。また、円形吸入流路孔２６ａ（２５ａ）と円形吐出流路孔２６ｂ（２５ｂ）は下ポンプハウジング２５と上流路ハウジング２６に渡って形成されているが、シール性を保持するため、図示しないＯリングで封止したり、レーザー等の手段により溶着することが望ましい。
【００２４】
逆止弁３２、３３は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板３２ａ、３３ａに、弾性材料からなるアンブレラ３２ｂ、３３ｂを装着してなっている。このような逆止弁（アンブレラ）自体は周知である。穴あき基板３２ａ、３３ａは、本実施形態においては別体で形成されているが、下ポンプハウジング２５と一体に成形しても良い。
【００２５】
下流路ハウジング２７に形成されている吐出流路２３ａは、その吐出側逆止弁３３から吐出ポート２３に至る間において、分岐柔軟チューブ体４０に接続されている。すなわち、図３、図１に示すように、下ポンプハウジング２５には、上ポンプハウジング２４のバルブ収納空間２４ａ内に延びる一対の流路突起２５ｃが形成されており、この一対の流路突起２５ｃが、下ポンプハウジング２５の一対の連通孔２５ｄ及び上流路ハウジング２６の一対の連通孔２６ｃを介して、吐出流路２３ａに連通している。そして、この一対の流路突起２５ｃの間は、吐出流路の一部を構成する柔軟なチューブ体４０によって接続されている。なお、一対の連通孔２５ｄ、２６ｃは下ポンプハウジング２５と上流路ハウジングに渡って設けられているが、シール性を保持するため、図示しないＯリングで封止したり、レーザー等の手段により溶着することが望ましい。
【００２６】
一方、下ポンプハウジング２５には、この柔軟チューブ体４０と直交する位置関係で、同柔軟チューブ体４０を挟着する断面半円形の枕木突起４１と、圧電バー（板）４２とが設けられている。圧電バー４２は、非通電状態では、枕木突起４１側に変形して柔軟チューブ体４０を押し潰す弾性を有し、通電状態では、その通電電圧の大きさによって、柔軟チューブ体４０に対する押し潰し変形力を減少させ、柔軟チューブ体４０をその弾性復元力及びポンプ室Ｐからの吐出圧で復元させて流路を開く。すなわち、柔軟チューブ体４０、枕木突起４１及び圧電バー４２は、常閉型の開閉バルブを構成している。
【００２７】
図８は、枕木突起４１と圧電バー４２の挟着部分前後における柔軟チューブ体４０の自由状態での断面形状例を示している。柔軟チューブ体４０は、合成樹脂材料の成形品からなるもので、その外形断面形状が楕円形状４０Ｘであるのに対し、内形断面形状は、非楕円状である。すなわち、内形断面形状は、外形楕円４０Ｘを短軸Ｙ方向に肉厚分だけ平行に移動した一対の外形移行形状４０Ｙを長軸Ｘと交わる部分で連続させたもので、該長軸Ｘと交わる部分が尖った形状をしている。このように柔軟チューブ体４０の断面形状を設定することで、柔軟チューブ体４０を短軸Ｙ方向に押し潰したとき、両エッジでの液漏れをなくすことができる。また、楕円形状４０Ｘと外形移行形状４０Ｙが平行をなしていて開口部を閉じたときの肉厚部の厚さが一定であることから、長軸Ｘの全般に渡って短軸Ｙ方向に平行な方向の肉厚が一定となり、小さい力で柔軟チューブ体４０を確実に閉じることが可能となる。
【００２８】
圧電バー４２は、図３、図４、図６に示すように、中心部のばね性金属材料シムバー（板）４２ａと、このシムバー４２ａの表裏にそれぞれ積層接着した圧電体４２ｂとからなっており、その両端部が、下ポンプハウジング２５に形成した一対の固定座４３上に固定ねじ４４で固定されている。シムバー４２ａは、例えば厚さ３００μｍ前後の４２アロイから構成し、圧電体４２ｂは、例えば厚さ３００μｍ前後のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）から構成することができる。表裏の圧電体４２ｂの分極方向は同一とする。この圧電バー４２は、シムバー４２ａを一方の電極に接続し、表裏の圧電体４２ｂの露出面（シムバー４２ａと反対側の面）を共通の他方の電極に接続して、表裏の圧電体４２ｂに駆動電圧を与えることで、枕木突起４１に対して接離移動するように変形させることができる。
【００２９】
本実施形態では、圧電バー４２の両端部を固定ねじ４４で固定座４３上に固定し、圧電体４２ｂに駆動電圧を与えないとき、図４、図５のように、柔軟チューブ体４０が完全に潰れて流路（吐出流路）を閉塞するように、その自由形状及び固定態様を設定する。そして、表裏の圧電体４２ｂに駆動電圧を与えると、圧電バー４２が柔軟チューブ体４０から離れる方向に変形し、図６、図７のように、柔軟チューブ体４０の一対の外形移行形状の間に隙間ができて流路が開く。圧電バー４２は、駆動電圧にほぼ比例した変位をすることが知られており、従って、駆動電圧の制御によって、開度を調整し、流量を制御することも可能である。閉弁状態、開弁状態のいずれにおいても、柔軟チューブ体４０の一対の外形移行形状４０Ｙによる流路断面積は、自由状態における柔軟チューブ体４０の流路断面積より小さい（柔軟チューブ体４０は、枕木突起４１と圧電バー４２に挟着された設置状態では、押し潰されている）。
【００３０】
上記構成の本バルブ付き圧電ポンプ２０の動作は、次の通りである。圧電振動子２８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３２が開いて吐出側逆止弁３３が閉じるため、吸入ポート２２、吸入流路２２ａ、円形吸入流路孔２６ａ（２５ａ）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３３が開いて吸入側逆止弁３２が閉じるため、ポンプ室Ｐから円形吸入流路孔２６ｂ（２５ｂ）、吐出流路２３ａ、吐出ポート２３に液体が流出する。したがって、圧電振動子２８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。
【００３１】
このポンプ駆動状態では、圧電バー４２の圧電体４２ｂにも所定の駆動電圧を付与する。すると、圧電バー４２が枕木突起４１から離れる方向に弾性変形し、柔軟チューブ体４０が開く（図６、図７）から、例えば燃料電池の送液ポンプとして何ら問題なく用いることができる。また、必要であれば、柔軟チューブ体４０の開度は、圧電体４２ｂに与える駆動電圧で変化させることができる。
【００３２】
本バルブ付き圧電ポンプ２０のより重要な作用は、ポンプ停止状態である。ポンプ停止状態では、圧電バー４２に対する駆動電圧の印加も停止される（する）。すると、圧電バー４２が枕木突起４１側に押し付けられ、柔軟チューブ体４０を閉じる（図４、図５）から、ポンプ室Ｐ内の液体が３３を通って吐出流路２３ａ（吐出ポート２３）に漏れることがない。
【００３３】
また、以上の実施形態のように、上下のポンプハウジング２４、２５の一方（図示例では下ポンプハウジング２５）に、柔軟チューブ体４０を挟着する枕木突起４１と、圧電バー（板）４２とを設けると、該枕木突起４１と圧電バー４２との距離を容易に厳密に設定することができる。もっとも、理論的には、枕木突起４１と圧電バー４２を上下のポンプハウジング２４と２５の一方と他方に設けることも可能である。
【００３４】
以上のバルブ付き圧電ポンプ２０の実施形態では、柔軟チューブ４０、枕木突起４１及び圧電バー４２によるバルブを常閉型として用いている。しかし、上述のように、圧電バー４２は、駆動電圧にほぼ比例した変位をすることが知られているから、柔軟チューブ４０、枕木突起４１及び圧電バー４２によるバルブだけを取り出して、開閉バルブ（流量制御弁）として使用することができる。この態様では、常開形とし、圧電バー４２の圧電体４２ｂに駆動電圧を与えることで、流路を徐々に閉じ、流量を調整することも可能である。
【００３５】
以上の実施形態では、圧電バー４２として、バイモルフ型を示したが、ユニモルフ型を用いることもできる。逆に、ダイヤフラムとしてユニモルフ型の圧電振動子２８を例示したが、バイモルフ型の圧電振動子を用いることもできる。また、ユニモルフ型の圧電振動子２８のシム２８ａと圧電体２８ｂの位置を逆にすることも可能である。さらに、以上の実施形態は、圧電振動子２８の一面のみにポンプ室Ｐを形成する２バルブ型のダイヤフラムポンプに本発明を適用したものであるが、両面にポンプ室を形成するタイプのダイヤフラムポンプにも本発明は適用可能である。さらに、本発明は、ダイヤフラムの振動によりポンプ室の容積を周期的に大小に変化させてポンプ作用を得るダイヤフラムポンプ一般に適用できる。また、本発明のバルブ付きダイヤフラムポンプは、燃料電池の送液ポンプとして利用して好適であるが、用途を限定するものではない。
【符号の説明】
【００３６】
２０  バルブ付き圧電ポンプ
２１  ハウジング
２２  吸入ポート
２２ａ  吸入流路
２３  吐出ポート
２３ａ  吐出流路
２４  上ポンプハウジング
２４ａ  バルブ収納空間
２５  下ポンプハウジング
２５ａ  円形吸入流路孔
２５ｂ  円形吐出流路孔
２５ｃ  流路突起
２５ｄ  連通孔
２６  上流路ハウジング
２６ａ  円形吸入流路孔
２６ｂ  円形吸入流路孔
２６ｃ  連通孔
２７  下流路ハウジング
２８  圧電振動子（ダイヤフラム）
２８ａ  シム
２８ｂ  圧電体
２９  Ｏリング
３２  吸入側逆止弁
３３  吐出側逆止弁
４０  柔軟チューブ体
４０Ｘ  楕円形状
４０Ｙ  外形移行形状
４１  枕木突起
４２  圧電バー
４２ａ  シムバー
４２ｂ  圧電体
４３  固定座
４４  固定ねじ
Ｐ  ポンプ室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010196492.tif 000009
【図８】
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