JP2006063960A - 逆止弁及びダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 逆止弁及びこれを用いたダイヤフラムポンプにおいて、応答性が良く、弁室を小さくすることができ、気泡の影響を受けにくくすること。
【解決手段】 流体の導入口８ａを有する天壁８と流体の排出口９ａを有する底壁９と側壁とで形成される弁室１１と、弁室１１内で基端が側壁に固定され先端が自由端とされて片持ち状に支持されていると共に導入口８ａ上に配された弁体１２ａと、を備え、底壁９には、弁体１２ａに沿って基端から先端に向けて天壁８から漸次離間するように傾斜する傾斜面９ｂ２を有する弁座９ｂが形成されている。片持ち形状の弁体１２ａが天壁８と弁座９ｂとの間を移動することにより、弁の開閉動作の際、傾斜面９ｂ２を有する弁座９ｂに規制されて弁体１２ａの移動量が小さくなり、開から閉への応答時間が短くなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、微量液体流量を制御するポンプに用いて好適な逆止弁及びこれを用いたダイヤフラムポンプに関する。

近年、燃料電池、医療、分析等の分野において、微量液体流量を高精度に制御するための種々のポンプが開発されている。
従来、例えば特許文献１には、圧電振動子を駆動源とし、枠部（弁箱・弁室）内に形成された片持ち梁形状の弁体を用いた圧電振動子ポンプ用逆止弁が提案されている。この逆止弁は、支持腕の一端が枠部の内壁に挿入されて支持されており、他端が弁孔を閉塞可能な弁体となっているものである。なお、この弁体及び支持腕は、金属やプラスチック等の一体物の板体で構成されている。

特開平４−７２４７９号公報（第４頁右欄、第１図）

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来、片持ち梁形状の弁体は、その材質として一般的に金属、樹脂材、ゴム材を用いている。この弁体は、圧力により開状態になるが、弁体に剛性があるために、その変形量は部品や組立ばらつきにより安定しない、つまり、閉状態になる時間も安定せず、応答が不安定であるという不都合があった。
樹脂材で弁体が形成されている場合、ある程度の厚みを有しているので、開状態になるために変形するには、少なからず力が必要である。そこで、長手寸法を大きくすれば、必要な力を小さくすることができるが、弁室のサイズ（容積）が大きくなってしまい、液体に溶け込んでいた気体が気化することにより発生する気泡の滞留スペースも大きくなってしまうこととなり、ポンプの液体搬送能力に影響を与えてしまう。また、弁体の塑性変形も懸念される。
また、ゴム材で弁体が形成されている場合、塑性変形の懸念はないが、薄くするにも限度があり、変形のための力やサイズについては樹脂製と同様の不都合がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、応答性が良く、弁室を小さくすることができ、気泡の影響を受けにくい逆止弁及びこれを用いたダイヤフラムポンプを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の逆止弁は、流体の導入口を有する天壁と流体の排出口を有する底壁と側壁とで形成される弁室と、弁室内で基端が側壁に固定され先端が自由端とされて片持ち状に支持されていると共に導入口上に配された弁体と、を備え、底壁には、弁体に沿って基端から先端に向けて天壁から漸次離間するように傾斜する傾斜面を有する弁座が形成されていることを特徴とする。

この逆止弁では、底壁の弁座に傾斜面が形成されているので、片持ち形状の弁体が天壁と傾斜面を有する弁座との間を移動することにより、弁の開閉動作の際、傾斜面を有する弁座に規制されて弁体の移動量が小さくなり、開から閉への応答時間が短くなる。また、小さい移動量に規制されているため、弁室が小さくて済み、気泡の影響を受けにくい。さらに、軟性の弁体を用いても、弁座の傾斜面で規制するので、弁体の変形が生じ難い。

また、本発明の逆止弁は、弁座に、一端が排出口に接続されていると共に他端が弁体の先端よりも延長された溝部が形成されていることを特徴とする。すなわち、この逆止弁では、弁座に上記溝部が形成されているので、流体が弁体を押して開状態とした際、弁体が弁座の傾斜面に接して排出口上に配されても、流体が弁体の先端側に配された溝部の他端から溝部を介して排出口へと流れ出ることができる。

また、本発明の逆止弁は、導入口及び排出口の少なくとも一方が弁体の基端側に配されていることを特徴とする。すなわち、弁体の先端側に導入口及び排出口が配されていると、弁体の先端に強い力が加わって弁体が曲がってしまうおそれがあるが、本発明の逆止弁では、導入口及び排出口の少なくとも一方が弁体の基端側に配されているので、弁体の先端側に強い力が加わり難く、弁体の変形を抑制して、正常な弁の開閉動作を維持することができる。特に、上記溝部を有する弁座を採用する場合には、排出口を弁体の基端側に配しても、溝部により流体の流路が確保されるので、良好な弁動作を維持することができる。

また、本発明の逆止弁は、弁体が可撓性フィルムで形成されていることを特徴とする。すなわち、この逆止弁では、可撓性フィルムの軟らかい薄膜弁体を用いるので、剛性がほとんどなく変形に要する力が小さいため、弁体の長手方向の長さを短くすることができ、開閉に必要な流体体積を小さくすることができる。したがって、さらに弁室のサイズを小さくすることが可能になり、弁動作の応答性及び安定性が向上すると共に気泡の影響をより小さくすることができる。

また、本発明の逆止弁は、天壁を有する第１の筐体と、底壁を有する第２の筐体と、弁体を有し第１の筐体と第２の筐体とに挟持されるフィルム体と、を備え、第１の筐体に凸部が形成されていると共に、第２の筐体に凸部に嵌合する凹部が形成され、凸部及び凹部に、弁体の基端を挟持する互いに平行な対向面が形成されていることを特徴とする。すなわち、この逆止弁では、弁体の基端が凸部及び凹部に挟持されることにより、弁体の基端（支点）が明確になり、弁体の位置決めがされると共に弁体の位置ずれを防ぐことができる。また、凸部及び凹部に形成された互いに平行な対向面で弁体を挟持することにより、凹部と凸部との位置ずれが生じた場合でも、弁体が弁室に突出する角度が変わらず一定とすることができる。

本発明のダイヤフラムポンプは、圧電素子が取り付けられたダイヤフラムと、ダイヤフラムとの間に圧力室が形成され該圧力室に接続される上部吸入流路及び上部吐出流路を有する上部筐体と、上部吸入流路に吸入側逆止弁を介して接続される下部吸入流路及び上部吐出流路に吐出側逆止弁を介して接続される下部吐出流路を有する下部筐体と、を備え、吸入側逆止弁及び吐出側逆止弁が、上記本発明の逆止弁であり、上部吸入流路及び下部吐出流路にそれぞれ排出口が接続され、上部吐出流路及び下部吸入流路にそれぞれ導入口が接続されていることを特徴とする。
すなわち、このダイヤフラムポンプでは、吸入側逆止弁及び吐出側逆止弁に上記本発明の逆止弁を採用しているので、高い応答性を有すると共に気泡の影響が小さく、微量液体流量を高精度に制御可能である。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る逆止弁によれば、底壁に傾斜面を有する弁座が形成されているので、傾斜面を有する弁座に規制されて弁体の移動量が小さくなり、高い応答性が得られ、効率的かつ高精度な弁動作が可能となる。また、弁室が小さくて済み、気泡の影響を受けにくいと共に、弁座の傾斜面で弁体を規制するので、弁体の変形が生じにくく、高精度な動作が可能である。したがって、この逆止弁をダイヤフラムポンプに採用することで、微量液体流量を高応答で高精度に制御可能となり、燃料電池用等に好適なポンプを得ることができる。

以下、本発明に係る逆止弁及びこれを用いたダイヤフラムポンプの一実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。

本実施形態の逆止弁を用いたダイヤフラムポンプは、例えば流体としてメタノールを供給する燃料電池用のポンプであり、図１に示すように、圧電素子１が取り付けられたダイヤフラム２と、ダイヤフラム２との間に圧力室３が形成され該圧力室３に接続される上部吸入流路４ａ及び上部吐出流路４ｂを有する上部筐体４と、上部吸入流路４ａに吸入側逆止弁５Ａを介して接続される下部吸入流路６ａ及び上部吐出流路４ｂに吐出側逆止弁５Ｂを介して接続される下部吐出流路６ｂを有する下部筐体６と、を備えている。

上記ダイヤフラム２は、下面の一部が圧力室３の壁を形成する樹脂ダイヤフラム２ａと、該樹脂ダイヤフラム２ａ上に接着された金属ダイヤフラム２ｂと、該金属ダイヤフラム２ｂ上に接着された圧電素子１とで、構成されている。圧電素子１は、ピエゾ素子（ＰＺＴ）であり、図示しない電源に接続され、電圧印加により伸縮する。

吸入側逆止弁５Ａ及び吐出側逆止弁５Ｂは、図２から図５に示すように、流体の導入口８ａを有する天壁８と流体の排出口９ａを有する底壁９と側壁１０とで形成される弁室１１と、弁室１１内で基端が側壁１０に固定され先端が自由端とされて片持ち状に支持されていると共に導入口８ａ上に配された弁体１２ａと、を備えている。

吸入側逆止弁５Ａでは、底壁９が上部筐体（第２の筐体）４の下面に形成され、天壁８が下部筐体（第１の筐体）６の上面に形成されている。一方、吐出側逆止弁５Ｂでは、天壁８が上部筐体（第１の筐体）４の下面に形成され、底壁９が下部筐体（第２の筐体）６の上面に形成されている。
すなわち、上部吸入流路４ａ及び下部吐出流路６ｂにそれぞれ排出口９ａが接続され、上部吐出流路４ｂ及び下部吸入流路６ａにそれぞれ導入口８ａが接続されている。

なお、下部吸入流路６ａは、流体供給管１３を介して流体の供給源（図示略）に接続される。また、下部吐出流路６ｂは、流体吐出管１４を介して流体の供給先（図示略）に接続される。
上記弁体１２ａは、上部筐体４と下部筐体６とに挟持されるフィルム体１２を型で打ち抜きすることにより舌状の片持ち形状に形成されている。このフィルム体１２及び弁体１２ａは、ＰＰ（ポリプロピレン）等の可撓性フィルムで形成されている。上部筐体４と下部筐体６とは、フィルム体１２を挟持した状態で、図３に示す斜線領域Ｒをレーザ溶着して接合される。なお、図４及び図５では、上部筐体４と下部筐体６とに組み込まれた状態の弁体１２ａを現しており、本実施形態における弁体１２ａは型押し等の加工は行っておらず、図２（ｂ）に現されるような平板状の部材である。

底壁９には、天壁８と対向したときに所定間隔を空けてほぼ平行な平坦面９ｂ１と、この平坦面９ｂ１から連続する面であって弁体１２ａに沿って基端から先端に向けて天壁８から漸次離間するように傾斜する傾斜面９ｂ２とを有する弁座９ｂが形成されている。
弁座９ｂの傾斜面９ｂ２には、一端が排出口９ａに接続されていると共に他端が弁体１２ａの先端よりも延長された溝部９ｃが形成されている。なお、弁座９ｂは、弁体１２ａの全体が支持可能なように、弁体１２ａよりも幅広かつ長手方向に長く形成されている。
また、上記導入口８ａ及び上記排出口９ａは、弁体１２ａの基端側に配されており、後述する下部凹部１６ｂと上部凹部１７ａとに形成された対向面Ｐ２は平坦面９ｂ１から連続して設けられている。

上部筐体４の下面には、吐出側逆止弁５Ｂ側に配された断面Ｖ字状の上部凸部１６ａと、吸入側逆止弁５Ａ側に配された断面逆Ｖ字状の上部凹部１７ａと、が形成されている。一方、下部筐体６の上面には、吐出側逆止弁５Ｂ側に配され上部凸部１６ａに対応して嵌合する断面Ｖ字状の下部凹部１６ｂと、吸入側逆止弁５Ａ側に配され上部凹部１７ａに対応して嵌合する断面逆Ｖ字状の下部凸部１７ｂと、が形成されている。
上記上部凸部１６ａ、下部凹部１６ｂ、上部凹部１７ａ及び下部凸部１７ｂは、いずれも弁体１２ａの長手方向に直交する方向に弁体１２ａよりも幅広に延在して設けられている。

互いに嵌合する上部凸部１６ａ及び下部凹部１６ｂには、それぞれ弁体１２ａの基端を挟持する互いに平行な対向面Ｐ１、Ｐ２が形成されている。同様に、上部凹部１７ａ及び下部凸部１７ｂにも、それぞれ弁体１２ａの基端を挟持する互いに平行な対向面Ｐ１、Ｐ２が形成されている。また、この対向面Ｐ１、Ｐ２は、底壁８に対し、所定角度を成すように傾斜して形成されている。

このように弁体１２ａの基端が、上部凸部１６ａと下部凹部１６ｂとに、及び上部凹部１７ａと下部凸部１７ｂとに挟持されることにより、弁体１２ａの基端（支点ｑ）が明確になり、弁体１２ａの位置決めがされると共に弁体１２ａの位置ずれを防ぐことができる。また、対向面Ｐ１、Ｐ２は、底壁８に対し、所定角度を成すように傾斜して形成されているため、閉状態において弁体１２ａを導入口８ａに押さえ付けるように配設することができる。なお、弁体１２ａにメタノールによる膨潤や温度変化に伴う伸縮が発生しても、弁体１２ａが片持ち形状で支持されていると共に、上記凸部と凹部とに挟持されて支点が明確であるので、その場合でも高精度な弁動作を維持することができる。

また、上部凸部１６ａと下部凹部１６ｂとに、及び上部凹部１７ａと下部凸部１７ｂとに形成された互いに平行な対向面Ｐ１、Ｐ２で弁体１２ａを挟持することにより、上部凸部１６ａと下部凹部１６ｂとの位置ずれ又は上部凹部１７ａと下部凸部１７ｂとの位置ずれが生じた場合でも、弁体１２ａが弁室１１に突出する角度を一定とすることができる。
すなわち、互いに曲率を持った凹部及び凸部で弁体１２ａを挟持した場合は、嵌合時に凹部と凸部とでずれが生じると、弁体１２ａの基端を挟持する面の角度が変わってしまうため、弁室１１内に突出する弁体１２ａの出方（突出角度）が変わってしまう不都合がある。しかしながら、本実施形態の場合、平行面同士で挟持するため、組み立てずれ等が生じた場合でも、弁体１２ａの基端を挟持する対向面Ｐ１、Ｐ２の角度が一定であり、所定の角度で弁室１１内に突出する弁体１２ａを高精度に得ることができる。

次に、上記ダイヤフラムポンプ及び逆止弁の動作を、図１及び図２を参照して以下に説明する。

ダイヤフラムポンプ全体の動作について説明すると、まず、圧電素子１が伸縮する様に電圧を印加することにより、これに連動してダイヤフラム２全体が上下に振動する屈曲運動を行う。
ダイヤフラム２の屈曲運動により、圧力室３の流体が加圧されると、上部吐出流路４ｂ、吐出側逆止弁５Ｂ及び下部吐出流路６ｂを介して圧力室３内の流体が流体吐出管１４に吐出される。このとき、吸入側逆止弁５Ａでは、弁体１２ａが導入口８ａを閉塞して流体が流体供給管１３へ逆流することを防いでいる。

次に、ダイヤフラム２の屈曲運動により、圧力室３内が減圧されると、流体供給管１３、下部吸入流路６ａ、吸入側逆止弁５Ａ及び上部吸入流路４ａを介して圧力室３内に流体が吸入される。このとき、吐出側逆止弁５Ｂでは、弁体１２ａが導入口８ａを閉塞して流体が流体吐出管１４へ逆流することを防いでいる。すなわち、ダイヤフラム２の屈曲運動の繰り返しにより、逆流を防止する吸入側逆止弁５Ａ及び吐出側逆止弁５Ｂを介して、流体を送り出すことができる。

上記吸入側逆止弁５Ａ及び吐出側逆止弁５Ｂでは、流体が弁室１１内に流入する際、すなわち開動作は、次のように行われる。
流体が下部吸入流路６ａ又は上部吐出流路４ｂから導入口８ａを介して弁室１１内に入り込むと、導入口８ａを閉塞していた弁体１２ａが流体により押し上げられる。このとき、弁体１２ａは、傾斜面９ｂ２を有した弁座９ｂで規制されて弁室１１内に一定の流路を確保した状態となる。弁室１１内に流入した流体は、弁体１２ａの基端側から先端側へ流れ、弁体１２ａの先端側に開いた溝部９ｃの一端から溝部９ｃ内に流入する。さらに、流体が溝部９ｃを介して排出口９ａから上部吸入流路４ａ又は下部吐出流路６ｂへ排出される。

すなわち、弁体１２ａが弁座９ｂに接していても、溝部９ｃを介して排出口９ａへと流体が流れ出ることができる。また、導入口８ａ及び排出口９ａが弁体１２ａの基端側に配されているので、弁体１２ａの先端側に流体の強い力が加わり難く、弁体１２ａの変形を抑制して、正常な弁の開閉動作を維持することができる。なお、導入口８ａ及び排出口９ａの少なくとも一方を弁体１２ａの基端側に配置することで、同様の効果が得られるが、本実施形態のように、導入口８ａ及び排出口９ａの両方を弁体１２ａの基端側に配することで、より効率的に上記効果を得ることができる。
なお、逆に流体が排出口９ａから逆流して弁室１１内に流入しようとすると、弁座９ｂに規制されていた弁体１２ａが元の状態に戻って導入口８ａを閉塞することにより閉動作が行われ、逆流を防ぐことができる。

このように本実施形態では、底壁９に傾斜面９ｂ２を有した弁座９ｂが形成されているので、片持ち形状の弁体１２ａが天壁８と弁座９ｂとの間を移動することにより、弁の開閉動作の際、傾斜面９ｂ２を有した弁座９ｂに規制されて弁体１２ａの移動量が小さくなり、開から閉への応答時間が短くなる。また、小さい移動量に規制されているため、弁室１１が小さくて済み、気泡の影響を受けにくい。さらに、可撓性フィルムの柔らかい弁体１２ａを用いても、弁座９ｂの傾斜面９ｂ２で規制するので、弁体１２ａの変形が生じ難い。なお、弁座９ｂには弁体１２ａの基端部側に平坦面９ｂ１を設け、屈曲時における弁体１２ａ基端（支点ｑ）の移動を制限し、基端（支点ｑ）に加わる過度の応力による塑性変形を防止している。この実施形態では、弁座９ｂに平坦面９ｂ１を設けたが、傾斜面９ｂ２の角度や弁体１２ａの材質等によっては、下部凹部１６ｂと上部凹部１７ａとの対向面Ｐ２から連続して弁座９ｂの基端より傾斜面９ｂ２を形成してもよい。

また、可撓性フィルムの軟らかい薄膜の弁体１２ａを用いるので、剛性がほとんどなく変形に要する力が小さいため、弁体１２ａの長手方向の長さを短くすることができ、開閉に必要な流体体積を小さくすることができる。したがって、さらに弁室１１のサイズを小さくすることが可能になり、弁動作の応答性及び安定性が向上すると共に気泡の影響をより小さくすることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
本発明では、逆止弁及びこれを用いたダイヤフラムポンプを燃料電池用燃料供給ポンプに採用したが、他の用途の逆止弁及びこれを用いたポンプに適用しても構わない。例えば、燃料電池用希釈水循環ポンプ、薬液を微量流量制御する医療用ポンプ又は分析用ポンプ等に適用しても構わない。

本発明に係る一実施形態のダイヤフラムポンプを示す断面図である。 本発明に係る一実施形態において、逆止弁を示す断面図及び分解断面図である。 本発明に係る一実施形態において、弁室部分及びレーザ溶着領域を透視状態で示す逆止弁の上面図である。 本発明に係る一実施形態において、逆止弁を示す分解斜視図である。 本発明に係る一実施形態において、逆止弁の弁室部分を示す要部の分解斜視図である。

符号の説明

１…圧電素子、２…ダイヤフラム、３…圧力室、４…上部筐体（第１の筐体、第２の筐体）、４ａ…上部吸入流路、４ｂ…上部吐出流路、５Ａ…吸入側逆止弁、５Ｂ…吐出側逆止弁、６…下部筐体（第１の筐体、第２の筐体）、６ａ…下部吸入流路、６ｂ…下部吐出流路、８ａ…導入口、８…天壁、９…底壁、９ａ…排出口、９ｂ…弁座、９ｃ…溝部、１０…側壁、１１…弁室、１２…フィルム体、１２ａ…弁体、１６ａ…上部凸部、１６ｂ…下部凹部、１７ａ…上部凹部、１７ｂ…下部凸部

Claims (6)

1. 流体の導入口を有する天壁と流体の排出口を有する底壁と側壁とで形成される弁室と、
   前記弁室内で基端が前記側壁に固定され先端が自由端とされて片持ち状に支持されていると共に前記導入口上に配された弁体と、を備え、
   前記底壁には、前記弁体に沿って基端から先端に向けて前記天壁から漸次離間するように傾斜する傾斜面を有する弁座が形成されていることを特徴とする逆止弁。
2. 前記弁座には、一端が前記排出口に接続されていると共に他端が前記弁体の先端よりも延長された溝部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の逆止弁。
3. 前記導入口及び前記排出口の少なくとも一方が、前記弁体の基端側に配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の逆止弁。
4. 前記弁体が、可撓性フィルムで形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の逆止弁。
5. 前記天壁を有する第１の筐体と、
   前記底壁を有する第２の筐体と、
   前記弁体を有し前記第１の筐体と前記第２の筐体とに挟持されるフィルム体と、を備え、
   前記第１の筐体に凸部が形成されていると共に、前記第２の筐体に前記凸部に嵌合する凹部が形成され、
   前記凸部及び前記凹部に、前記弁体の基端を挟持する互いに平行な対向面が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の逆止弁。
6. 圧電素子が取り付けられたダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムとの間に圧力室が形成され該圧力室に接続される上部吸入流路及び上部吐出流路を有する上部筐体と、
   前記上部吸入流路に吸入側逆止弁を介して接続される下部吸入流路及び前記上部吐出流路に吐出側逆止弁を介して接続される下部吐出流路を有する下部筐体と、を備え、
   前記吸入側逆止弁及び前記吐出側逆止弁が、請求項１に記載の逆止弁であり、前記上部吸入流路及び前記下部吐出流路にそれぞれ前記排出口が接続され、前記上部吐出流路及び前記下部吸入流路にそれぞれ前記導入口が接続されていることを特徴とするダイヤフラムポンプ。

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