(57)【要約】【課題】小型軽量高出力でありながら、入口流路と出口流路の連通状態を自在に制御可能なポンプを提供する。【解決手段】ピストンあるいはダイヤフラムを用いたポンプのポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、ポンプ動作時でも常にポンプ室と連通し動作流体を流出させる出口流路とを備え、入口流路の合成イナータンス値は出口流路の合成イナータンス値よりも小さく、入口流路にポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備える。また、出口流路の流路断面積がポンプ室からの流路の最も断面積の小さい部分の少なくとも２倍の断面積となる部分に還流用吸入口を設け、還流用流路に形状記憶合金アクチュエータで動作する能動弁を備えた。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンあるいはダイヤフラム等により、容積が変更可能なポンプ室と、該ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備え、出口流路はポンプ動作時でも常にポンプ室と連通しており、入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さく、前記入口流路はポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備えたポンプにおいて、前記ポンプの出口流路の流路断面積がポンプ室からの流路の最も断面積の小さい部分の少なくとも２倍の断面積となる部分に、還流用吸入口を設けたことを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記ポンプの出口流路と入口流路を、前記還流用吸入口を経て連通する能動弁を具備することを特徴とする請求項１記載のポンプ。
【請求項３】
前記能動弁を駆動する形状記憶合金アクチュエータを具備することを特徴とする請求項２記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等により、ポンプ室内の容積を変更して動作流体の移動を行うポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のポンプとしては、特開平１０−２２０３５７号公報に示されている、入口流路及び出口流路と容積が変更可能なポンプ室との間に、逆止弁が取り付けられている構成のものが一般的である。
【０００３】
また、弁部に可動部品を使わず、ポンプの信頼性を向上させるポンプ構成として、特表平８−５０６８７４号公報に示されている、入口流路、出口流路ともに圧力降下が流れの方向によって異なる流路形状をした圧縮構成要素を備えた構成のものがある。
【０００４】
このようなポンプを、例えばバネ等で短縮側に与圧された液圧シリンダ等の自己復帰機能を備える流体アクチュエータ駆動用の流体源に用いる場合、一方向ポンプであるため、動作流体の出口流路と入口流路を信号によって連通可能な能動弁を付加していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−２２０３５７号公報の構成では、入口流路及び出口流路ともに逆止弁が必要であり、動作流体が２個所の逆止弁を通過すると圧力損失が大きいという問題があるため流体アクチュエータ駆動用の流体源としては出力が小さく、大型のポンプを用いる必要が生じていた。
【０００６】
特表平８−５０６８７４号公報の構成は、入口流路と出口流路がポンプ室を介して常に連通しているため、自己復帰機能を持つ流体アクチュエータの駆動源として用いる場合、流体アクチュエータが静止した状態でも常にポンプを駆動する必要があった。
【０００７】
そこで本発明は、小型軽量高出力でありながら、入口流路と出口流路の連通状態を自在に制御可能なポンプを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等により、容積が変更可能なポンプ室と、該ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備え、出口流路はポンプ動作時でも常にポンプ室と連通しており、入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さく、前記入口流路はポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備えたポンプにおいて、前記ポンプの出口流路の流路断面積がポンプ室からの流路の最も断面積の小さい部分の少なくとも２倍の断面積となる部分に、還流用吸入口を設けた。
【０００９】
ここで、イナータンス値Ｌとは、流路の断面積をＳ、流路の長さをＬ、動作流体の密度をρとした場合に、Ｌ＝ρＬ／Ｓで与えられる。流路の差圧をＰ、流路を流れる流量をＱとした場合に、イナータンス値Ｌを用いて流路内流体の運動方程式を変形することで、Ｐ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導出される。つまりイナータンス値とは単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示しており、イナータンス値が大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンス値が小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
【００１０】
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンス値は、個々の流路のイナータンス値を、電気回路におけるインダクタンスの並列接続、直列接続と同様に合成して算出すれば良い。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のポンプにおいて、出口流路と入口流路を、前記還流用吸入口を経て連通する能動弁を備えた。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載のポンプにおいて、能動弁を駆動する、形状記憶合金アクチュエータを備えた。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかわる実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、本発明のポンプの縦断面を示している。円筒形状のケース１０の底部に円形のダイヤフラム１３を配置している。ダイヤフラム１３は、外周縁がケース１０に固定支持されて弾性変形自在となっている。ダイヤフラム１３の底面には、ダイヤフラム１３を動かすためのアクチュエータとして、図面の上下方向に伸縮する圧電素子１２が配置されている。
【００１５】
ダイヤフラム１３とケース１０上壁との間の狭い空間がポンプ室１７であり、このポンプ室１７へ向けて流体抵抗要素である逆止弁１６を設けた入口流路１５と、出口流路１９とが開口している。出口流路１９は、ポンプ室下流直後は、その断面積が小さい出口流路細管部１８を含む。そして、入口流路１５を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部配管を接続するための入口接続管３１となっている。また、出口流路１９を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部配管を接続するための出口接続管３２となっている。
【００１６】
出口流路細管部１８は出口流路１９に対し、１／２倍、断面積は１／４倍となっている。この出口流路１９には還流用吸入口２３が設けられ、能動弁２１を経て入口流路に設けられた還流用吐出口へと接続されている。また、能動弁２１は、形状記憶合金アクチュエータ２２によって任意に開閉が行われる。
【００１７】
次に、本発明のポンプの動作について、図１を用いて説明する。
【００１８】
まず、矢印の方向に動作流体が流れるポンプの順方向動作時は、図１のように能動弁２１は形状記憶合金アクチュエータ２２によって閉鎖されている。ここで、ダイヤフラム１３がポンプ室１７の容積を小さくする方向に動作すると、入口流路１５では動作流体が流出する方向となるため逆止弁１６は閉鎖し、流体抵抗が大きくなるため、入口流路１５からの動作流体の流出は微少、若しくは、ゼロとなる。一方、出口流路細管部１８を含む出口流路１９においては、動作流体の圧縮率に従ってポンプ室内の圧力が高まると、その圧力と負荷圧力との圧力差と、イナータンス値に従って動作流体がポンプ室１７から流出する方向の流量が増加する。
【００１９】
次に、ダイヤフラム１３がポンプ室１７の容積を大きくする方向に動作する場合、ポンプ室内部の圧力が減少する。入口流路１５の外部圧力よりもポンプ室内の圧力が低下すると、入口流路１５では動作流体が流入する方向となるため逆止弁１６は開放しその流体抵抗が小さくなるため、圧力差と入口流路１５のイナータンス値に従って、動作流体がポンプ室へ流入する方向の流量が増加する。一方、出口流路細管部１８を含む出口流路１９においては、負荷圧力とポンプ室内の圧力との圧力差と、イナータンス値に従って動作流体がポンプ室から流出する方向の流量が減少する。
【００２０】
この際、入口流路１５では、流入流量の増加率が大きい程、出口流路細管部１８を含む出口流路１９における流出流量の減少量が少ないうちに、ポンプ室内から流出した体積分の動作流体をポンプ室内へ流入させることができる。従って、本発明のように入口流路１５の合成イナータンス値を出口流路細管部１８を含む出口流路１９の合成イナータンス値よりも小さくすると良い。出口流路細管部１８は、断面積が小さくＬ＝ρＬ／Ｓで与えられるイナータンス値が大きくなっている。
【００２１】
一方、動作流体はその連続性から、断面積の小さい部分は流速が大きくなる。能動弁２１が形状記憶合金アクチュエータ２２によって閉鎖されているとき、還流用吸入口２３は、盲管の分岐に相当し、そのエネルギー損失は速度の２乗に比例する。従って、本実施例では出口流路細管部１８に対し、断面積が４倍で流速が１／４となる出口流路細管部１８下流の出口流路１９部分に還流用吸入口２３を設けたことにより、出口流路細管部１８に還流用吸入口を設けた場合と比較し、この部分でのエネルギー損失を１／１６にできるのである。以上のように、ポンプの出口流路の流路断面積がポンプ室からの流路の最も断面積の小さい部分の少なくとも２倍の断面積となる部分に、還流用吸入口を設けることで、この部分でのエネルギー損失は１／４となり、高効率なポンプが実現できるのである。
【００２２】
以上のような構成で、逆止弁等の流体抵抗要素の個数を減らして、圧力損失を減少し、小型軽量高出力なポンプを実現できる。しかも、最小個数である１個の流体抵抗要素が備えられているため、自己復帰機能を持つ流体アクチュエータが静止した状態ではポンプ動作を停止しても、流体アクチュエータが自己復帰してしまうことはない。
【００２３】
次に、本発明のポンプの還流時動作について図２を用いて説明する。図２は、本発明のポンプの還流動作時の縦断面図である。
まず、ポンプのダイヤフラム１３の動作を停止し、図２のように能動弁２１を形状記憶合金アクチュエータ２２によって開放する。出口接続管３２に接続されている図示していない外部配管に自己復帰機能を持つ流体アクチュエータを接続した場合、その自己復帰機能によって、出口流路１９側の圧力は入口流路１５側の圧力より大きくなる。従って、動作流体は還流用吸入口２３から、能動弁２１、還流用吐出口２４を経て入口流路１５へと流れ、動作流体の還流が行われるのである。その結果、流体アクチュエータは復帰動作を行い、双方向動作を可能になるのである。
【００２４】
さらに、能動弁２１を駆動する、形状記憶合金アクチュエータ２２は、動作速度は遅いものの、大きな力で大きな変位量を実現でき、しかも簡単な構造であるため、能動弁の駆動に最適である。
【００２５】
以上のように、本発明のポンプは、弁を入口流路だけに配置すれば良く、弁での入口流路から出口流路までの間で生じる圧力損失を減らすとともに、還流用吸入口のエネルギー損失が小さいため、小型軽量で高出力が実現できる。さらに、形状記憶合金アクチュエータで動作する能動弁を備えているため、自己復帰機能を持つ流体アクチュエータの動作に用いれば、本発明のポンプのみで双方向の動作を可能にできるのである。
【００２６】
以上の実施形態において、ダイヤフラムは円形に限定するものではない。また、ダイヤフラムを動かすアクチュエータは圧電素子に限定するものではなく、伸縮するアクチュエータであれば良い。さらに、逆止弁は動作流体の圧力差によって開閉するものだけではなく、動作流体の圧力差以外の力で開閉を制御することができるタイプのものを使用しても構わない。
【００２７】
また、用途においては自己復帰機能を持つアクチュエータに限らず、双方向に動作流体を流す必要のある様々な流路に用いることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１から請求項３記載の発明によると、弁等の流体抵抗要素を入口流路だけに配置すれば良いため、入口流路から出口流路までの間で生じる流体抵抗要素での圧力損失を小さいこと、及び、還流用吸入口による動作流体のエネルギー損失も小さいため小型軽量で高出力のポンプが実現できる。さらに、形状記憶合金アクチュエータで駆動する能動弁を備えているため、小型でありながら、双方向に動作流体を流すことが可能なポンプが実現できるのである。
【００２９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる実施形態のポンプの縦断面を示した図である。
【図２】本発明に係わる実施形態のポンプの還流動作時の縦断面図である。
【符号の説明】
１０　ケース
１２　圧電素子
１３　ダイヤフラム
１５　入口流路
１６　逆止弁
１７　ポンプ室
１８　出口流路細管部
１９　出口側流路
２１　能動弁
２２　形状記憶合金アクチュエータ
２３　還流用吸入口
３１　入口接続管
３２　出口接続管
【図１】
2004011475.tif 000003
【図２】
2004011475.tif 000004