(57)【要約】      （修正有）【課題】 構造が簡単ながらも省エネルギーが図れるサーマルアクチュエーションポンプが開示される。【解決手段】 本発明に係るサーマルアクチュエーションポンプは、それぞれ少なくとも１つの作動流体流入口および流出口を有する第１チャンバーおよび第２チャンバーと、前記第１チャンバーと前記第２チャンバーとの間に介在され、供給される電流の方向に沿って一面は冷却され他面は加熱され、前記第１チャンバーと前記第２チャンバーの圧力を変化させる熱電素子とを含む。【選択図】図１Ａ
2006090310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの作動流体流入口および流出口を有する第１チャンバーおよび第２チャンバーと、
前記第１チャンバーと前記第２チャンバーとの間に介在され、供給される電流の方向に沿って一面は冷却され他面は加熱され、前記第１チャンバーと前記第２チャンバーの圧力を変化させる熱電素子と
を含むことを特徴とするサーマルアクチュエーションポンプ。
【請求項２】
前記流入口および前記流出口にはチェックバルブがそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載のサーマルアクチュエーションポンプ。
【請求項３】
前記第１チャンバーおよび前記第２チャンバーの温度および／または圧力をセンシングするためのセンサーと、
前記熱電素子に電源を印加するための電源供給部と、
前記電源供給部により前記熱電素子に供給される電流の方向を制御する制御部と
を含むことを特徴とする請求項１に記載のサーマルアクチュエーションポンプ。
【請求項４】
前記制御部は前記チャンバーの温度、圧力、電源印加時間の少なくとも１つの情報を用いて電流方向を制御することを特徴とする請求項３に記載のサーマルアクチュエーションポンプ。
【請求項５】
前記第１チャンバーと前記第２チャンバーの少なくとも１つのチャンバーを作動流体チャンバーと駆動流体チャンバーとに区切るメンブレインを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のサーマルアクチュエーションポンプ。
【請求項６】
前記第１チャンバーと前記第２チャンバーとをそれぞれ作動流体チャンバーと駆動流体チャンバーとに区切る第１および第２メンブレインを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のサーマルアクチュエーションポンプ。
【請求項７】
前記駆動流体チャンバーには、気体状の駆動流体が充填されていることを特徴とする請求項６に記載のサーマルアクチュエーションポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を移動させるポンプに関し、詳細には熱電素子を用いたサーマルアクチュエーションポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロマシニング（Ｍｉｃｒｏ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）技術の飛躍的な発展は様々な機能を行うマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）の開発を可能にした。このようなＭＥＭＳ装置は、サイズ、コスト、および信頼性といった観点で数多い長所を持っていることから幅広く開発されつつある。
【０００３】
特に、流体システムを超小型化させて１つのチップ状に具現しようとする研究がなされており、このように超小型化された流体システムには作動流体を流動させるマイクロポンプが基本要素として使用されている。
前述のようなマイクロポンプの一例としてサーマルアクチュエーションポンプが上げられる。通常、サーマルアクチュエーションポンプは、流入口と流出口を有するチャンバーと、該チャンバーを加熱させるためのヒータなどの発熱体からなる。この構成を有するサーマルアクチュエーションポンプを駆動させるためには該発熱体に電源を印加する。すると、チャンバー内の気体は加熱され膨張する。前記チャンバー内の圧力が上昇されるにつれ前記チャンバーの気体は前記流出口を介して外部へ流出される。そして、前記発熱体を冷却させ、チャンバー内の気体を収縮させればチャンバー内の圧力が低減され外部からの気体が前記チャンバー内に流入される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、加熱された発熱体を冷却させるためには、ヒートシンク（ｈｅａｔｓｉｎｋ）などの別の冷却装置が要される。係る冷却装置を小型ポンプに構成するには困難が伴い、その構成も複雑になる不具合がある。さらに、発熱体に発熱された熱を再度利用できず、前記ヒートシンクなどを介して消尽させることから、エネルギー損失の問題を抱えている。
【０００５】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、構造が簡単ながら省エネルギーが図れるサーマルアクチュエーションポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述の目的を達成するための本願第１発明に係るサーマルアクチュエーションポンプは、それぞれ少なくとも１つの作動流体流入口および流出口を有する第１チャンバーおよび第２チャンバーと、前記第１チャンバーと前記第２チャンバーとの間に介在され、供給される電流の方向に沿って一面は冷却され他面は加熱され、前記第１チャンバーと前記第２チャンバーの圧力を変化させる熱電素子とを含む。
【０００７】
例えば、熱電素子は加熱されている第２チャンバーの熱を吸収し、冷却されている第１チャンバーへ熱を放出する。これにより、第２チャンバー内の気体は冷却され収縮し、第２チャンバーは外部よりその圧力が低くなる。従って、外部の気体が第２チャンバーに流入される。そして、第１チャンバー内の気体は加熱され膨張し、第１チャンバーは外部より高い圧力を有するようになる。従って、第１チャンバー内の気体は外部に流出される。このように、第２チャンバーを冷却させるため第２チャンバーから吸収した熱を第１チャンバーに移動させ第１チャンバーを加熱させることによって、第２チャンバー内に発生した熱を再度利用することができる。前述と逆に熱が移動される場合も、発生された熱を再度利用することができる。従って、ポンプを駆動させるためのエネルギー消費を減らすことが可能となる。また、簡単な構成で２つのチャンバーを同時に駆動させることによって効率よくポンピング作業が行なわれる。
【０００８】
本願第２発明は、第１発明において、前記流入口および前記流出口にはチェックバルブがそれぞれ設けられていることを特徴とするサーマルアクチュエーションポンプ。
チェックバルブを設けることにより、逆流を防止することを防止し、ポンプを安定に動作させることができる。
本願第３発明は、第１発明において、前記第１チャンバーおよび前記第２チャンバーの温度および／または圧力をセンシングするためのセンサーと、前記熱電素子に電源を印加するための電源供給部と、前記電源供給部により前記熱電素子に供給される電流の方向を制御する制御部とを含むことを特徴とするサーマルアクチュエーションポンプを提供する。
【０００９】
本願第４発明は、第３発明において、前記制御部は前記チャンバーの温度、圧力、電源印加時間の少なくとも１つの情報を用いて電流方向を制御することを特徴とするサーマルアクチュエーションポンプを提供する。
本願第５発明は、第１〜４発明のいずれかにおいて、前記第１チャンバーと前記第２チャンバーの少なくとも１つのチャンバーを作動流体チャンバーと駆動流体チャンバーとに区切るメンブレインを含むことを特徴とするサーマルアクチュエーションポンプを提供する。
【００１０】
本願第６発明は、第１発明において、前記第１チャンバーと前記第２チャンバーとをそれぞれ作動流体チャンバーと駆動流体チャンバーとに区切る第１および第２メンブレインを含むことを特徴とするサーマルアクチュエーションポンプを提供する。
本願第７発明は、第６発明において、前記駆動流体チャンバーには、気体状の駆動流体が充填されていることを特徴とするサーマルアクチュエーションポンプを提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、第１チャンバーと第２チャンバーとの間に熱電素子を配置させることによって、簡単な構造で２つのチャンバーを同時に駆動させ得ることから、ポンピング作業の効率が向上される。
さらに、１つに伝達された熱を消尽させることなく他のチャンバーに伝達することによってポンプを駆動させるエネルギー消費を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。
【実施例】
【００１３】
図１Ａおよび図１Ｂに基づくと、本発明の一実施形態に係るサーマルアクチュエーションポンプは、ハウジング１００、該ハウジング１００の上下に配置された第１チャンバー１２０および第２チャンバー１４０、該第１チャンバー１２０および第２チャンバー１４０の間に位置すべくハウジング１００に設けられる熱電素子１６０、該熱電素子１６０に電源を供給するための電源供給部１８０、制御部２００を含む。
【００１４】
第１チャンバー１２０と第２チャンバー１４０は作動流体が流入および流出されることができるようそれぞれ流入口１２２ａ、１４２ａおよび流出口１２２ｂ、１４２ｂを有する。さらに、流入口１２２ａ、１４２ａおよび流出口１２２ｂ、１４２ｂには、作動流体が一定方向にのみ流動させるためのチェックバルブ１２４ａ、１２４ｂ、１４４ａ、１４４ｂをそれぞれ有する。また、第１チャンバー１２０および第２チャンバー１４０それぞれにはセンサ１２６、１４６が設けられ、第１および第２チャンバー１２０、１４０それぞれにはセンサ１２６、１４６が設けられ、第１および第２チャンバー１２０、１４０に対する温度、圧力などをセンシングする。
【００１５】
熱電素子１６０は、第１チャンバー１２０側に配置される第１プレート１６２と、第２チャンバー１４０側に配置される第２プレート１６４と、第１プレート１６２と第２プレート１６４との間に介在される半導体層１６６を有する。
半導体層１６６には電源供給部１８０が接続され電流が供給される。供給された電流の方向によって第１および第２プレート１６２、１６４を選択的に加熱あるいは冷却させる。言わば、熱電素子１６０のペルティエ効果（Ｐｅｌｔｉｅｒ  ｅｆｆｅｃｔ）が発生する。例えば、半導体層１６６に電源を印加すると第１プレート１６２を冷却させ、第１プレート１６２から吸収した熱を第２プレート１６４に伝達して第２プレート１６４を加熱させる。そして、電源供給部１８０の電流方向を反対にする場合、前述とは逆に加熱および冷却が行われる。係る熱電素子１６０は既に公知された技術であるためその詳説は除く。
【００１６】
制御部２００は、センサ１２６，１４６から検知されたデータを比較判断し電源供給部１８０の電流方向および電源供給を決める。
以下、本発明の一実施の形態に係るサーマルアクチュエーションポンプの動作について説明する。
図２Ａおよび図２Ｂに示したように、電源供給部１８０は熱電素子１６０に電源を供給する。すると、図２Ａに示したように、熱電素子１６０は第１チャンバー１２０の熱を吸収し第２チャンバー１４０へその熱を放出する。従って、第１チャンバー1２０内の気体は冷却（Ｃ）し収縮され、第１チャンバー１２０は外部より低い圧力を有することになる。従って、第１流入口１２２ａに設けられたチェックバルブ１２４ａが外部と第１チャンバー１２０内の圧力差により開放され、外部からの気体が第１流入口１２２ａを介して第１チャンバー１２０内に流入される。そして、第２チャンバー１４０内の気体は加熱（Ｈ）され膨張され、第２チャンバー１４０には外部より高い圧力が形成される。よって、第２流出口１４２ｂに設けられたチェックバルブ１４４ｂが開放され第２チャンバー１４０内の気体は第２流出口１４２ｂを介して外部へ流出される。
【００１７】
次に、センサ１２６、１４６が第１チャンバー１２０および第２チャンバー１４０から検知された温度、圧力、また電源供給部１８０から電源を印加した時間などの情報が制御部２００（図１Ａ参照）に伝送される。制御部２００（図１Ａ参照）は予め設定された温度、圧力、時間などの情報と制御部２００（図１Ａ参照）に伝送された情報とを比較し、前述した工程が終了されたかを判断する。前述した工程が終了されなければ、電源供給部１８０は引き続き同一方向の電流を熱電素子１６０へ供給し、その工程が終了された場合にはポンプ作業が終了されたかを判断する。
【００１８】
ポンプ作業が終了されない場合、図２Ｂに示したように、制御部２００（図１Ａ参照）は電源供給部１８０を制御することで熱電素子１６０に供給される電流方向を変える。すると、熱電素子１６０は加熱されている第２チャンバー１４０の熱を吸収し、冷却されている第１チャンバー１２０へ熱を放出する。これにより、第２チャンバー１４０内の気体は冷却（Ｃ）され収縮し、第２チャンバー１４０は外部よりその圧力が低くなる。従って、外部の気体が第２流入口１４２ａを介して流入される。
【００１９】
そして、第１チャンバー１２０内の気体は加熱（Ｈ）され膨張し、第１チャンバー１２０は外部より高い圧力を有するようになる。従って、第１チャンバー１２０内の気体は第１流出口１２２ｂを介して外部に流出される。このように、第２チャンバー１４０を冷却させるため第２チャンバー１４０から吸収した熱を第１チャンバー１２０に移動させ第１チャンバー１２０を加熱させることによって、第２チャンバー１４０内に発生した熱を再度利用することができる。前述と逆に熱が移動される場合も、発生された熱を再度利用することができる。従って、ポンプを駆動させるためのエネルギー消費を減らすことが可能となる。また、簡単な構成で２つのチャンバー１２０、１４０を同時に駆動させることによって効率よくポンピング作業が行なわれる。
【００２０】
図３は本発明の他の実施の形態に係るサーマルアクチュエーションポンプの断面図である。以下、図３に基づいて本発明の他の実施形態について詳説する。但し、本発明の一実施の形態と同一な部材については同一番号を付する。
本発明の他の実施形態によると、サーマルアクチュエーチョンポンプは、メンブレイン３００、４００が第１チャンバー１２０と第２チャンバー１４０それぞれに設けられて、第１および第２チャンバー１２０、１４０それぞれを２つの第１駆動流体チャンバー１２０ａおよび第１作動流体チャンバー１２０ｂと、第２駆動流体チャンバー１４０ａおよび第２作動流体チャンバー１４０ｂとに分ける。メンブレイン３００、４００により区分された第１駆動流体チャンバー１２０ａおよび第１作動流体チャンバー１２０ｂと、第２駆動流体チャンバー１４０ａおよび第２作動流体チャンバー１４０ｂのうち熱電素子１６０側に形成された第１駆動流体チャンバー１２０ａ、第２駆動流体チャンバー１４０ａにはポンピングされる作動流体を駆動させるための駆動流体が充填される。係る駆動流体は、熱によりその体積が変わりやすい空気のような気体状態の流体であることが好ましい。
【００２１】
また、流入口１２２ａ、１４２ａおよび流出口１２２ｂ、１４２ｂ側の第１作動流体チャンバー１２０ｂ、第２作動流体チャンバー１４０ｂは、作動流体が流入および排出される作動流体チャンバーである。作動流体は、液体または気体である。そして、メンブレイン３００、４００は駆動流体チャンバー１２０ａ、１４０ａと作動流体チャンバー１２０ｂ、１４０ｂの間に気密を保つことができるようにハウジング１００に設けられている。従って、作動流体と駆動流体が直接接触され混合される恐れがなく、作動流体が前記駆動流体により汚れてしまうことが抑えられる。
【００２２】
以下、本発明の他の実施形態によるサーマルアクチュエーションポンプの動作について説明する。
図４Ａおよび図４Ｂに示したように、まず、熱電素子１６０に電源が印加されれば、第１チャンバー１２０の第１駆動流体チャンバー１２０ａは加熱される。第１駆動流体チャンバー１２０ａが加熱されれば、駆動流体は膨張して第１メンブレイン３００を膨張させる。第１メンブレイン３００が膨張されれば、第１チャンバー１２０の第１作動流体チャンバー１２０ｂの体積は小さくなって、第１作動流体チャンバー１２０ｂに流入された作動流体は第１流出口１２２ｂを介して外部へ放出される。そして、第２チャンバー１４０の第２駆動流体チャンバー１４０ａは冷却されることによって駆動流体が収縮し、第２駆動流体チャンバー１４０ａ内の圧力は低くなる。よって、第２メンブレイン４００は収縮される方向に変形され、第２作動流体チャンバー１４０ｂはその体積が大きくなりその圧力は低くなる。従って、外部の作動流体が第２作動流体チャンバー１４０ｂ内に流入される。
【００２３】
そして、図４ｂに示すように前記工程が終了されれば、制御部２００（図４参照）は電源供給部１８０を制御して熱電素子１６０に伝達される電流方向を変える。すると、第１チャンバー１２０と第２チャンバー１４０の前述の逆方向となる工程が行なわれる。即ち、第１駆動流体チャンバー１２０ａが収縮され第１メンブレイン３００を収縮させることによって、第１作動流体チャンバー１２０ｂに外部の作動流体が第１流入口１２２ａを介して流入される。また、第２駆動流体チャンバー１４０ａが膨張し第２メンブレイン４００が膨張することによって第２作動流体チャンバー１４０ｂに流入された作動流体が第２流出口１４２ｂを介して流出される。
【００２４】
このように、第２チャンバー１４０を冷却させるため第２チャンバー１４０から吸収した熱を第１チャンバー１２０に移動させ第１チャンバー１２０を加熱させることによって、第２チャンバー１４０内に発生した熱を再度利用することができる。前述と逆に熱が移動される場合も、発生された熱を再度利用することができる。従って、ポンプを駆動させるためのエネルギー消費を減らすことが可能となる。また、簡単な構成で２つのチャンバー１２０、１４０を同時に駆動させることによって効率よくポンピング作業が行なわれる。
【００２５】
また、熱によりその体積が変わりやすい駆動流体により第１メンブレイン３００及び第２メンブレイン４００を動作させることで、より圧縮又は膨張の動作が容易となり、効率的にポンピングさせることができる。
以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係るサーマルアクチュエーションポンプは流体システムにおいて作動流体を流動させるために用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】本発明の一実施の形態に係るサーマルアクチュエーションポンプを概略的に示した断面図。
【図１Ｂ】図１Ａ部分に対する詳細図である。
【図２Ａ】図１に示したサーマルアクチュエーションポンプの動作を説明するための断面図（１）。
【図２Ｂ】図１に示したサーマルアクチュエーションポンプの動作を説明するための断面図（２）。
【図３】本発明の他の実施形態に係るサーマルアクチュエーションポンプを概略的に示した断面図である。
【図４Ａ】図３に示したサーマルアクチュエーションポンプの動作を説明するための断面図（１）。
【図４Ｂ】図３に示したサーマルアクチュエーションポンプの動作を説明するための断面図（２）。
【符号の説明】
【００２８】
１００      ハウジング
１２０      第１チャンバー
１４０      第２チャンバー
１６０      熱電素子
２００      制御部
３００、４００  メンブレイン
【図１Ａ】
2006090310.tif 000003
【図１Ｂ】
2006090310.tif 000004
【図２Ａ】
2006090310.tif 000005
【図２Ｂ】
2006090310.tif 000006
【図３】
2006090310.tif 000007
【図４Ａ】
2006090310.tif 000008
【図４Ｂ】
2006090310.tif 000009