(57)【要約】【課題】周縁を液密に保持したダイヤフラムの表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、該ダイヤフラムを振動させてポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、ダイヤフラム（ポンプ）の寿命を長くすることができるダイヤフラムポンプを得る。【解決手段】ダイヤフラムを支持するハウジングの大気室側に、該ダイヤフラムポンプの運転中にポンプ室容積が拡大する行程においてダイヤフラムと当接し、該ダイヤフラムの最大変形量を規制する変形量抑制部材を設けたダイヤフラムポンプ。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周縁を液密に保持したダイヤフラムの表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、該ダイヤフラムを振動させてポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、
上記ダイヤフラムを支持するハウジングの上記大気室側に、該ダイヤフラムポンプの運転中にポンプ室容積が拡大する行程において上記ダイヤフラムと当接し、該ダイヤフラムの最大変形量を規制する変形量抑制部材を設け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てなる圧電振動子であるダイヤフラムポンプ。
【請求項３】
請求項１または２記載のダイヤフラムポンプにおいて、最大変形量抑制部材は、ゴム材料または合成樹脂材料からなってい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、最大変形量抑制部材は、ハウジングと同一の材料により一体に形成されている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項記載のダイヤフラムポンプにおいて、最大変形量抑制部材は、ダイヤフラムの変形量を許容最大変形量の５０％未満に抑制する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、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する。
【０００２】
ダイヤフラムポンプは、周縁を液密に保持したダイヤフラムの表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、ポンプ室に連なる一対の流路に、流れ方向の異なる一対の逆止弁（ポンプ室への流体流を許す逆止弁とポンプ室からの流体流を許す逆止弁）を設けている。ダイヤフラムを振動させると、ポンプ室の容積が変化し、この容積変化に伴い一対の逆止弁の一方が閉じて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。ダイヤフラムとしては圧電振動子を用いた圧電ポンプは、例えば水冷ノート型パソコンの冷却水循環ポンプとして用いられている。
【特許文献１】特開２０００-２６５９６３号公報
【特許文献２】特開２００２-２０２０６１号公報
【特許文献３】特開２００２-２２７７７０号公報
【特許文献４】特開２００５-１６３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなダイヤフラムポンプでは、理論的にはダイヤフラムの振動の振幅が大きいほど吐出流量を大きくすることができる。例えばダイヤフラムとして圧電振動子を用いた圧電ポンプでは、圧電振動子の自由な変形を許すことで圧電振動子の振幅を確保し、その振幅の大きさを前提として吐出量の設計がされていた。ところが、圧電振動子の自由な変形を許した圧電ポンプは、圧電振動子（ダイヤフラム）の寿命、つまりは圧電ポンプの寿命が短いことが判明した。
【０００４】
従って本発明は、ダイヤフラム（ポンプ）の寿命を長くすること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】
【０００５】
本発明者らは、ダイヤフラムポンプの運転中にポンプ室容積が拡大する行程においてダイヤフラムの変形を抑制すると、ポンプ効率は落ちるがダイヤフラム（ポンプ）の寿命が著しく延びることを見出して本発明を完成したものである。
すなわち本発明は、周縁を液密に保持したダイヤフラムの表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、該ダイヤフラムを振動させてポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、ダイヤフラムを支持するハウジングの大気室側に、該ダイヤフラムポンプの運転中にポンプ室容積が拡大する行程においてダイヤフラムと当接し、該ダイヤフラムの最大変形量を規制する変形量抑制部材を設けたことを特徴としている。
【０００６】
本発明は特に、ダイヤフラムとして、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てなる圧電振動子を用いる場合に好適である。シムの表裏の一方に圧電体を積層した圧電振動子はユニモルフ型、双方に圧電体を積層した圧電振動子はバイモルフ型として知られている。圧電振動子は、その一方の面によってポンプ室を形成し、他方の面を大気室に開放するタイプでは、ポンプ室側の負荷の方が大気室側の負荷よりも大きいため、印加電圧により自由に振動変形させると大気室側に過度に変形し、この変形が原因で圧電体が比較的容易に破壊されることが判った。
【０００７】
最大変形量抑制部材は、騒音低減の面からは柔らかいものがよく、変形抑制の面からは硬いものがよいので、両者のバランスがよい材料から構成するのがよい。具体的には、ゴム材料または合成樹脂材料から構成し、ハウジングに添着することができる。勿論、部品点数削減の観点からは、合成樹脂材料または金属材料から構成するハウジングと一体に形成することもできる。
【０００８】
ダイヤフラム（ポンプ）の寿命を有意に向上させるには、最大変形量抑制部材によりダイヤフラムの変形量を許容最大変形量の５０％未満に抑制することが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のダイヤフラムポンプは、ダイヤフラムを支持するハウジングの大気室側に、該ダイヤフラムポンプの運転中にポンプ室容積が拡大する行程においてダイヤフラムと当接し、該ダイヤフラムの最大変形量を規制する変形量抑制部材を設けたので、ダイヤフラム（ポンプ）の寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この実施形態は、本発明を２バルブ型圧電ポンプ２０に適用した実施形態である。図１ないし図３に示すように、この圧電ポンプ２０は、下方から順に積層したロアハウジング２１、ミドルハウジング２２及びアッパハウジング２３を有している。
【００１１】
ロアハウジング２１には、冷却水（液体）の吸入ポート２４と吐出ポート２５が開口している。ミドルハウジング２２とアッパハウジング２３の間には、Ｏリング２７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とミドルハウジング２２との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子２８とアッパハウジング２３との間には、大気室Ａが形成される。大気室Ａは、開放しても密閉してもよい。
【００１２】
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５０μｍ程度のステンレス薄板からなる。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。
【００１３】
ロアハウジング２１とミドルハウジング２２には、吸入ポート２４とポンプ室Ｐを連通させる吸入流路３０、及びポンプ室Ｐと吐出ポート２５を連通させる吐出流路３１がそれぞれ形成されており、ミドルハウジング２２には、この吸入流路３０と吐出流路３１にそれぞれ逆止弁（アンブレラ）３２、３３が設けられている。逆止弁３２は、吸入ポート２４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から吐出ポート２５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。
【００１４】
図１ないし図３の実施形態の逆止弁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。
【００１５】
以上の圧電ポンプは、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２４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から吐出ポート２５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。
【００１６】
本実施形態では、以上の圧電ポンプ２０において、アッパハウジング２３に、大気室Ａ側に位置する変形量抑制部（部材）２９が設けられている。この変形量抑制部材２９は、圧電ポンプ２０の運転中にポンプ室Ｐの容積が拡大する方向に圧電振動子２８が変形する行程において、該圧電振動子２８に当接する位置に設けられている。すなわち、圧電振動子２８の最大変形量を抑制することで、圧電振動子２８の振幅を小さくして吐出流量を犠牲にしながら、該圧電振動子２８の寿命を向上させている。
【００１７】
図４は、圧電振動子２８の変形量と変形量抑制部材２９の位置関係を誇張して模式的に示したものである。圧電振動子２８はシム２８ａと圧電体２８ｂの間に交番電流を印加することにより振動する。このとき、圧電振動子２８が最大に変形する位置を２８Ｘとすると、変形量抑制部材２９は、最大変形位置２８Ｘまで圧電振動子２８を変形させることなく、その前の位置でその最大変形を抑制する。一方、圧電振動子２８のポンプ室Ｐ側への変形は自由である。つまり、圧電振動子２８が中立位置（平面位置）２８Ｎに対して正逆に対称に変形すると仮定すると、変形量抑制部材２９が存在することにより、圧電振動子２８の中立位置から大気室Ａ側への変形量は、同中立位置からポンプ室Ｐ側への変形量に比較して小さくなる。別言すると、変形量抑制部材２９は、圧電振動子２８のポンプ室Ｐ側への変形量より大気室Ａ側への変形量が小さくなるように、圧電振動子２８の変形を抑制するのである。なお、実際の圧電振動子２８の変形量は、数十μｍのオーダであり、図４では変形を誇張して描いている。
【００１８】
本発明者らの実験によると、圧電振動子２８の一方の面をポンプ室Ｐとし、他方の面を大気室Ａとする圧電ポンプ２０では、圧電振動子２８のポンプ室Ｐ側の面には液体圧力が常時加わるのに対し、大気室Ａ側の面には空気圧力（大気圧）しか加わらないために、圧電振動子２８が変形を繰り返すことにより圧電体２８ｂに破壊が生じやすい。これに対し、実施形態のように、圧電振動子２８の大気室Ａ側への変形を変形量抑制部材２９により抑制（制限）すると、圧電振動子２８の寿命、つまりは圧電ポンプ２０の寿命を向上させることができる。
【００１９】
図５は、同一仕様（ステンレス製シム２８ａの厚さ５０μｍ、圧電体２８ｂの厚さ３００μｍ、径３０ｍｍφ）の圧電振動子２８につき、変形量と破壊荷重（圧電体２８ｂに割れが生じる変形量と荷重）を調べた結果である。実験によれば、圧電振動子２８の最大変形量は、許容最大変形量（破壊変形量）の５０％未満に設定すると、寿命を向上させることができた。
【００２０】
最大変形量抑制部材２９は、アッパハウジング２３と同一の材料により、該ハウジングと一体に成形することができる。またゴム（例えばシリコーン）や合成樹脂材料（例えばウレタン）により別部材として形成し、アッパハウジング２３に接着してもよい。
【００２１】
以上の実施形態では、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。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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】同分解斜視図である。
【図４】本発明による圧電ポンプの最大変形量抑制部材の作用を示す模式図である。
【図５】圧電振動子の変形量と破壊荷重の関係例を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００２３】
２０  圧電ポンプ（ダイヤフラムポンプ）
２１  ２２  ２３  ハウジング
２４  吸入ポート
２５  吐出ポート
２８  圧電振動子（ダイヤフラム）
２８ａ  シム
２８ｂ  圧電体
２９  最大変形量抑制部材
３２  吸入側逆止弁
３３  吐出側逆止弁
Ｐ  ポンプ室
Ａ  大気室
【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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