(57)【要約】【課題】部品点数を削減して小型化に好適な小型ポンプを提供すること。【解決手段】流体の吸入口１ｄおよび吐出口１ｅを有するポンプ室１ｃとこのポンプ室１ｃに連通する開口部１ｇとが形成されたハウジング１と、吸入口１ｄおよび吐出口１ｅにそれぞれ配設された逆止弁２，３と、開口部１ｇを閉塞するようにハウジング１に配設されたポンプ駆動部４とを備え、ポンプ駆動部４が開口部１ｇを閉塞するダイヤフラム１１と、このダイヤフラム１１に対向させたバイメタル片５とを有し、このバイメタル片５を通電によって周期的に熱変形させ、変位したバイメタル片５によってダイヤフラム１１を押圧することで、ポンプ室１ｃ内の容積を増減させるようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の吸入口および吐出口を有するポンプ室と該ポンプ室に連通する開口部とが形成されたハウジングと、前記吸入口および前記吐出口にそれぞれ配設された逆止弁と、前記開口部を閉塞するように前記ハウジングに配設されたポンプ駆動部とを備え、
前記ポンプ駆動部が熱膨張係数の異なる金属板を複数枚積層接合してなるメタル片を有し、該メタル片を通電により周期的に熱変形させることで前記ポンプ室内の容積を増減させるように構成したことを特徴とする小型ポンプ。
【請求項２】
請求項１の記載において、前記ポンプ駆動部が前記開口部を閉塞したダイヤフラムを有すると共に、該ダイヤフラムに対向させて前記メタル片を配設し、変位した該メタル片によって前記ダイヤフラムを押圧するように構成したことを特徴とする小型ポンプ。
【請求項３】
請求項１または２の記載において、前記メタル片が第１の金属板と該第１の金属板よりも熱膨張係数の小さい第２の金属板とを有すると共に、前記メタル片に前記第１の金属板を凸部側に向けたドーム状部が形成されていることを特徴とする小型ポンプ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの記載において、前記ポンプ駆動部が前記メタル片を収納するケースを備え、該ケースの互いに離間させた２か所に一対の給電端子を配設し、前記メタル片の外縁部の異なる２か所を一対の前記給電端子にそれぞれ接続し、これら給電端子を介して該メタル片に通電するように構成したことを特徴とする小型ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、小型燃料電池等の燃料供給部に使用される燃料供給装置として好適な小型ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ノート型パソコンやＰＤＡ（携帯情報端末）や携帯電話などの各種小型携帯機器用の電源として、メチルアルコール等の燃料を使用して発電セルで発電を行う小型燃料電池の開発が進められている。燃料は燃料タンクから発電セルへ供給されるようになっており、この燃料供給のための装置として、例えば、小型ポンプを用いたものが提案されている。このようなタイプの小型燃料電池においては、ますます小型化が求められる各種小型携帯機器に搭載可能な小型燃料電池を実現するために、構成部品である小型ポンプのより小型化が強く要望されている。
【０００３】
従来より、この種の小型ポンプの一例として、流体の吸入口および吐出口を有するポンプ室とこのポンプ室に連通する開口部とが形成されたハウジングと、吸入口と吐出口にそれぞれ配設された逆止弁と、開口部を閉塞するようにハウジングに取り付けられたダイヤフラムと、このダイヤフラムを振動させるための電磁石ユニットとを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。電磁石ユニットはダイヤフラムの中央部に固着された永久磁石と、コイルが巻装された鉄心を有する電磁石等から構成されており、この電磁石は永久磁石と所定の間隔を設けてダイヤフラムと対向するように配置されている。
【０００４】
このように構成された小型ポンプでは、電磁石に所定の周波数の電圧が印加されることで、この電磁石に発生した磁力により永久磁石が周期的に吸引される。この動作に伴ってダイヤフラムが往復運動することでポンプ室の容積が増減され、これによってポンプ室に圧力差を生じさせてポンプ動作を行うようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２６３２５０号公報（第６−１１頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した従来の小型ポンプでは、ポンプ室に圧力差を生じさせる駆動源として、ダイヤフラムに固着した永久磁石や、コイルが巻装された鉄心や、コイルを巻き取るコイルボビン等、多くの構成部品を必要とする電磁石ユニットを用いており、これら多くの構成部品をハウジングに配設しているために、ポンプのさらなる小型化が妨げられるという問題があった。このため、このような小型ポンプを例えば小型燃料電池の燃料供給装置として適用しようとする場合には、小型燃料電池の小型化が妨げられてしまうという問題が発生した。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、部品点数を削減して小型化に好適な小型ポンプを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による小型ポンプでは、流体の吸入口および吐出口を有するポンプ室と該ポンプ室に連通する開口部とが形成されたハウジングと、前記吸入口および前記吐出口にそれぞれ配設された逆止弁と、前記開口部を閉塞するように前記ハウジングに配設されたポンプ駆動部とを備え、前記ポンプ駆動部が熱膨張係数の異なる金属板を複数枚積層接合してなるメタル片を有し、通電により該メタル片を周期的に熱変形させることで前記ポンプ室内の容積を増減させるように構成した。
【０００９】
このように構成された小型ポンプによれば、ポンプ室の容積を増減させてこのポンプ室に圧力差を生じさせるための駆動源として、熱によって自らが変形するという特性を有するメタル片を用いているので、ポンプ駆動部を簡略化して小型化に好適なポンプを実現することができる。
【００１０】
また、上記の構成において、前記ポンプ駆動部が前記開口部を閉塞したダイヤフラムを有すると共に、該ダイヤフラムに対向させて前記メタル片を配設し、変位した該メタル片によって前記ダイヤフラムを押圧するように構成することが好ましく、このような構成を採用すると、開口部を確実に閉塞してポンプ室内の流体の漏洩を防止でき、安定性に優れた小型ポンプを低コストで実現できる。
【００１１】
また、上記の構成において、前記メタル片が第１の金属板と該第１の金属板よりも熱膨張係数の小さい第２の金属板とを有すると共に、前記メタル片に前記第１の金属板を凸部側に向けたドーム状部が形成されていることが好ましく、このような構成を採用すると、メタル片が熱変形する際に、このメタル片の凸側に配設された第１の金属板の膨張が第２の金属板の膨張よりも大きくなり、メタル片はドーム形状を保ったままさらに凸側方向に膨出変形するので、メタル片が不所望に反転動作してしまうことを確実に防止でき、さらに安定性に優れた小型ポンプを実現できる。
【００１２】
また、上記の構成において、前記ポンプ駆動部は、前記ポンプ駆動部が前記メタル片を収納するケースを備え、該ケースの互いに離間させた２か所に一対の給電端子を配設し、前記メタル片の外縁部の異なる２か所を一対の前記給電端子にそれぞれ接続し、これら給電端子を介して該メタル片に通電するように構成することが好ましく、このような構成を採用すると、メタル片への通電を簡単な構成で実現でき、より小型の小型ポンプを低コストで実現できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１は本発明の実施形態例に係る小型ポンプの要部断面図、図２は該小型ポンプに備えられるハウジングの内部を部分的に破断して示す平面図、図３は該小型ポンプの吐出動作を示す説明図、図４は該小型ポンプの吸入動作を示す説明図、図５は該小型ポンプに備えられる給電端子に印加される電圧波形を示す説明図である。
【００１４】
図１と図２に示すように、本実施形態例に係る小型ポンプはポンプの外殻をなすハウジング１を備えており、このハウジング１は平面視矩形状の箱形の外観を有し、その左右の側壁面には吸入部１ａおよび吐出部１ｂがそれぞれ突設されている。ハウジング１の内部には空洞状のポンプ室１ｃが形成されており、このポンプ室１ｃの左側壁には吸入部１ａを通ってハウジング１の外部に貫通する吸入口１ｄが形成され、右側壁には吐出部１ｂを通ってハウジング１の外部に貫通する吐出口１ｅが形成されている。また、ハウジング１の吐出口１ｅの流路間には後述する逆止弁の収納室１ｆが形成されており、ハウジング１の下面にはポンプ室１ｃに連通する平面視円形状の開口部１ｇが形成されている。ポンプ室１ｃの吸入口１ｄと収納室１ｆの吐出口１ｅには逆止弁２，３がそれぞれ配設されており、これら逆止弁２，３は図示せぬ支持手段によって開閉可能に支持されている。そして、吸入口１ｄに配置された逆止弁２は、吸入口１ｄからポンプ室１ｃへの流体（図示せず）の吸入を許容すると共に、ポンプ室１ｃから吸入口１ｄへの流体の逆流を規制するように開閉され、これに対して吐出口１ｅに配置された逆止弁３は、ポンプ室１ｃから吐出口１ｅへの吐出を許容すると共に、吐出口１ｅからポンプ室１ｃへの流体の逆流を規制するように開閉される。
【００１５】
このように構成されたハウジング１の下部にはポンプ駆動部４が配設されており、このポンプ駆動部４は、平面視円形状で全体がドーム状部として形成されたバイメタル片５と、下ケース７と中央開口部８ａを有する枠体８とを組み合わせてなる平面視矩形状のケース６と、下ケース７の底部に互いに離間するように配設された金属製の給電端子９，１０と、平面視円形状のダイヤフラム１１とによって概略構成されている。バイメタル片５は下ケース７の底部に載置されており、このバイメタル片５の上面外周部を押圧するように、枠体８が下ケース７に接合されることにより、バイメタル片５を収納したケース６が組み立てられている。給電端子９，１０はそれぞれ固定板９ａ，１０ａを有しており、バイメタル片５の図示左右両端縁をこれら固定板９ａ，１０ａにそれぞれ載置して常時接続することにより、一対の給電端子９，１０を介してバイメタル片５にケース６の外部から通電できるように構成されている。
【００１６】
このバイメタル片５は熱膨張係数の異なる２枚の導電性金属板５ａ，５ｂを積層接合して構成されており、熱膨張係数の大きい第１の金属板５ａが凸部側、第１の金属板５ａより熱膨張係数の小さい第２の金属板５ｂが凹部側となるようにドーム状にフォーミングされている。これにより、バイメタル片５が発熱したときにはドーム状を保ったまま凸側方向に膨出変形する構成となっており、バイメタル片５を不所望に反転させることなく円滑に熱変形させることができる。なお、このバイメタル片５の積層接合構造に中間層として良導電性の銅板を挟んで構成したトリメタル片をメタル片として使用することも可能である。
【００１７】
ダイヤフラム１１は開口部１ｇを閉塞するようにハウジング１の下面に固着されており、このハウジング１下面にバイメタル片５を収納したケース６が固着されている。その際、ハウジング１の下面と枠体８の上面とでダイヤフラム１１の外周部を挟み込んでいるため、ハウジング１の開口部１ｇがダイヤフラム１１で確実に密閉され、ポンプ室１ｃ内の流体が開口部１ｇから漏洩するのを確実に防止できる。なお、枠体８の中央開口部８ａの直径は開口部１ｇとほぼ同径に設定されており、ダイヤフラム１１の外周部が確実に狭持されるようになっている。このように配設されたダイヤフラム１１は、その中央部が図１における上下方向に弾性変位可能となるように支持されており、その際、バイメタル片５の頂上部がダイヤフラム１１の下面に近接した状態に位置決めされるようになっている。なお、ダイヤフラム１１の材料としては、例えば薄膜技術等を用いて形成した窒化珪素膜を使用することができるが、同様の性質を有する材料であればそれ以外の材料を使用することも可能である。
【００１８】
上述したバイメタル片５は所定の抵抗値を有しており、通電によるジュール熱のために高温状態となって膨出変形し、ダイヤフラム１１の下面を押圧するように構成されており、この時のバイメタル片５の押圧力はダイヤフラム１１の弾性力に対して十分大きくなるように設定されているので、この押圧力によってダイヤフラム１１が変位してポンプ室１ｃ内へ膨出する。一方、バイメタル片５への通電が停止されて所定温度以下に冷却された時に、バイメタル片５は元の常温時の状態に収縮するため、これに伴って、ダイヤフラム１１はその弾性復元力により図１に示す平坦状態に復帰する。そして、ポンプ動作は、バイメタル片５に一対の給電端子９，１０を介して周期的な通電を行うことでバイメタル片５の膨出・収縮を交互に繰り返させ、ダイヤフラム１１を往復駆動（振動）させることにより行う。
【００１９】
次に、このように構成された小型ポンプの動作を主として図３〜図５を用いて説明する。
【００２０】
まず、一対の給電端子９，１０間に通電されない停止状態においてバイメタル片５は常温状態にあるため、図１に示すように、バイメタル片５の頂上部がダイヤフラム１１の下面に近接した位置にあり、ダイヤフラム１１には押圧力が加わっておらず平坦状態に保たれている。このとき、ポンプ室１ｃ内の圧力は外気圧とほぼ等しい状態にあり、吸入口１ｄと吐出口１ｅにそれぞれ配設した逆止弁２，３は作動されず閉じた状態に保たれている。
【００２１】
この状態からポンプ動作をさせるために、図示せぬ駆動回路から一対の給電端子９，１０間に図５に示すような矩形波状の電圧を印加する。ここで、図５は横軸に時間を、縦軸に電圧をとり、印加電圧の時間的変化を示したグラフである。この印加電圧は、図示Ｔ１間では一定の電圧値Ｖ１が印加され、Ｔ１区間に続くＴ２区間では電圧値が０となり、以後同様に電圧値Ｖ１と電圧値０とが交互に印加される電圧波形となっている。なお、本実施形態例では、Ｔ１区間とＴ２区間は同じ時間間隔となるように設定されている。
【００２２】
そして、電圧値Ｖ１が印加されるＴ１区間では流体の吐出動作が行われる。すなわち、Ｔ１区間ではバイメタル片５に所定の電流が流され、このバイメタル片５がジュール熱により発熱して高温状態になり、その結果、図３に示すように、バイメタル片５が図３の矢印Ａで示す方向に膨出変形を開始し、この押圧力によりダイヤフラム１１をその弾性力に抗して上方に膨出するように変形させていく。この動作に伴ってポンプ室１ｃ内の容積が小さくなるため、ポンプ室１ｃ内の圧力が外気圧よりも高くなって流体に吐出力が付与され、これによって流体が図３の矢印Ｂで示すように吐出口１ｅから外部に吐出される。この吐出動作中、吸入口１ｄが逆止弁２で遮断されるので、ポンプ室１ｃ内の流体が吸入口１ｄから逆流することはない。
【００２３】
次に、電圧値が０となって電圧印加されないＴ２区間では流体の吸入動作が行われる。すなわち、Ｔ２区間ではバイメタル片５への通電が停止し、バイメタル片５が常温状態に冷却されるため、図４に示すように、バイメタル片５は膨出状態から図４の矢印Ｃで示す方向に収縮を開始し、ダイヤフラム１１はその弾性復元力によって膨出状態から下方に変位して平坦状態に戻される。この動作に伴ってポンプ室１ｃ内の容積が図３に示す吐出動作状態に比べて大きくなるため、ポンプ室１ｃ内の圧力が外気圧よりも低下して吸入口１ｄの流体に吸入力が付与され、これによって流体が図４の矢印Ｄで示すように吸入口１ｄからポンプ室１ｃ内に吸入される。この吸入動作中、吐出口１ｅが逆止弁３で遮断されるので、吐出口１ｅからポンプ室１ｃに流体が逆流することはない。このように、Ｔ１区間およびＴ２区間における吐出／吸入動作が繰り返されることにより、ポンプ動作が行われるようになっている。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態例に係る小型ポンプでは、ポンプ室１ｃ内に圧力差を与えるための駆動源として、通電によるジュール熱によって自らが変形するという特性を有するバイメタル片５を用いているので、複数の部品を組み合わせたユニット化した機構を必要とせずにポンプ駆動部４を構成でき、部品点数を削減して小型化に好適なポンプを実現することができる。また、このような小型ポンプを小型燃料電池の燃料供給装置として適用することにより、小型燃料電池のさらなる小型化を図ることができ、小型化が進む各種小型携帯機器への搭載が可能となる。
【００２５】
また、開口部１ｇを閉塞するダイヤフラム１１と、このダイヤフラム１１に対向させて配設したバイメタル片５等でポンプ駆動部４を構成し、バイメタル片５の変位によってダイヤフラム１１を押圧することで、ダイヤフラム１１をポンプ室１ｃ内に膨出変形させるように構成したので、開口部１ｇを確実に閉塞してポンプ室１ｃ内の流体の漏洩を防止でき、安定性に優れた小型ポンプを低コストで実現できる。しかも、バイメタル片５が熱膨張係数の異なる第１および第２の金属板５ａ，５ｂを有し、熱膨張係数の大きい第１の金属板５ａを凸部側に向けてドーム状に形成したので、バイメタル片５に通電した際に、このバイメタル片５が凸形状を保ったままさらに凸側方向に膨出変形することになる。これにより、バイメタル片５が不所望に反転動作してしまうことを確実に防止でき、さらに安定性に優れた小型ポンプを実現できる。
【００２６】
さらに、ポンプ駆動部４がバイメタル片５を収納するケース６を備え、このケース６に一対の給電端子９，１０を配設すると共に、バイメタル片５の外縁部の異なる２か所を一対の給電端子９，１０にそれぞれ接続し、バイメタル片５にこれら給電端子９，１０を介して通電するようにしたので、バイメタル片５への通電を簡単な構成で実現でき、より小型の小型ポンプを低コストで実現できる。
【００２７】
なお、上記実施形態例では、ダイヤフラム１１を介してポンプ室１ｃ内の容積を増減させるように構成したが、ダイヤフラム１１を省略してバイメタル片５自体で開口部１ｇを閉塞することも可能である。この場合、例えば、バイメタル片５の上面周囲とハウジング１の下面との間にＯリング等を配設して開口部１ｇからの流体の漏洩を防止するようにすれば良い。また、このとき流体と接するバイメタル片５の上面に耐水性の保護膜を形成することが好ましい。
【００２８】
また、上記実施形態例においては、バイメタル片５がポンプ室１ｃの内側に突出したドーム状に形成されたものとしたが、常温において平坦なバイメタル片とすることもできる。さらに、バイメタル片がポンプ室１ｃの外側に突出したドーム状に形成されたものを用いることもでき、この場合には、バイメタル片の変形に追従できるよう、ダイヤフラムをバイメタル片に接着するなどして一体化させるのが良く、また、バイメタル片が通電時に反転しないように、バイメタル片の凸部側に熱膨張係数の大きな金属板を配置するのが好ましい。
【００２９】
また、上記実施形態例では、下ケース７に載置したバイメタル片５の周囲を枠体８によって押圧するようにして、このバイメタル片５の左右両端縁を給電端子９，１０の固定板９ａ，１０ａにそれぞれ常時接続するように保持したが、固定板９ａ，１０ａを弾性片で構成し、これら弾性片でバイメタル片５の左右両端縁を弾性的に押圧することも可能である。このような構成を採用すると、バイメタル片５やケース６等に多少の寸法誤差があったとしても、それら誤差を弾性片によって吸収することができるので、バイメタル片５とのより良好な接続状態を維持することができる。
【００３０】
また、上記実施形態例では、給電端子９，１０に印加する矩形波状の電圧波形において、電圧値Ｖ１の区間Ｔ１と電圧値０の区間Ｔ２を同じ時間間隔としたが、これらを異なる間隔で設定することも可能である。また、バイメタル片５を熱変形させるために印加する電圧値Ｖ１を流体の温度に応じて可変するようにしても良い。さらに、給電端子９，１０に印加する電圧波形を矩形波としたが、正弦波や三角波等としても良い。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３２】
ポンプ駆動部として、熱膨張係数の異なる金属板を複数枚積層接合してなるメタル片を利用し、このメタル片を通電によって周期的に熱変形させてポンプ室内の容積を増減させるようにしたので、複数の部品を組み合わせてユニット化した機構を必要とせずにポンプ駆動部を構成でき、それゆえ、部品点数を削減して小型化に好適な小型ポンプを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係る小型ポンプの要部断面図である。
【図２】該小型ポンプに備えられるハウジングの内部を部分的に破断して示す平面図である。
【図３】該小型ポンプの吐出動作を示す説明図である。
【図４】該小型ポンプの吸入動作を示す説明図である。
【図５】該小型ポンプに備えられる給電端子に印加される電圧波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１  ハウジング
１ｃ  ポンプ室
１ｄ  吸入口
１ｅ  吐出口
１ｇ  開口部
２，３  逆止弁
４  ポンプ駆動部
５  バイメタル片（メタル片）
５ａ  第１の金属板
５ｂ  第２の金属板
６  ケース
７  下ケース
８  枠体
９，１０  給電端子
１１  ダイヤフラム
【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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