JP5502017B2 - 電磁振動型ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Description

本発明は、磁石を有する振動子を電磁石の交流駆動により振動させて、振動子の両端に固定されたダイヤフラムを振動させることにより、エアーなどの流体を吸入し、吐出する電磁振動型ダイヤフラムポンプに関する。さらに詳しくは、吸入する気体が、たとえば可燃ガスで圧力が加えられる場合などで、ダイヤフラムと隣接するポンプケーシングの圧縮室の圧力が高い場合でも、ダイヤフラムの振動を効率よく行うことができ、ポンプ能力を低下させることのない電磁振動型ダイヤフラムポンプに関する。

電磁振動型ダイヤフラムポンプは、たとえば両側にダイヤフラムを有するダイヤフラムポンプの概略図が図５に示されるように、永久磁石などからなる２個の磁石１１１ａ、１１１ｂが支持部材１１２に固定された振動子１１０の両端にゴムなどからなるダイヤフラム１２０が固定され、磁石１１１ａ、１１１ｂと対向するように２個の電磁石１３０ａ、１３０ｂが設けられている。そして、ダイヤフラム１２０の外周に固定され、電磁石１３０ａ、１３０ｂの部分を覆うように電磁石ケーシング１４０が設けられると共に、ダイヤフラム１２０の外側は、圧縮室１５１と、吸入室１５２と、吐出室１５３とを有するポンプケーシング１５０により被覆されている。圧縮室１５１と吸入室１５２との間には、吸入弁１５２ａが設けられ、圧縮室１５１の圧力が低くなったら、吸入室１５２からエアーが注入され、また、圧縮室１５１と吐出室１５３との間には、吐出弁１５３ａが設けられ、圧縮室１５１の圧力が高くなったら、吐出弁１５３ａが開いてエアーが吐出室１５３に吐出されるようになっている。（たとえば特許文献１参照）。

この構造の電磁振動型ダイヤフラムポンプでは、２個の磁石１１１ａ、１１１ｂが図に示されるような極性で振動子１１０に設けられている場合、図で上側の電磁石１３０ａのＥ型鉄心１３１の中心部にＳ極が、Ｅ型鉄心の両側にＮ極が発生するように励磁コイル１３２に電流が流れると、磁石１１１ａ、１１１ｂのＮ極およびＳ極の吸引、反発により、振動子１１０は左側に振れる。そして、交流電源の位相が反転して、電流の向きが逆になると、図に示される電磁石１３０ａ、１３０ｂのＳ極とＮ極が逆転し、今度は右側に振れる。その結果、交流電源の位相変化に伴って、振動子１１０が振動する。なお、図で下側の電磁石１３０ｂも上側の電磁石と同様の作用をし、励磁コイルを巻回する向きを逆向きにするか、印加する交流電源の位相を上側の電磁石１３０ａと１８０度異ならせるなど、電流の向きを逆向きにすることにより、図５に示されるようにＥ型鉄心１３１の中心部の極性を変えている。

この振動子１１０の振動に伴って、たとえば図の右側のポンプケーシング１５０に注目すると、振動子１１０が図中左側に振れると、ダイヤフラム１２０も左側に引っ張られるため、圧縮室１５１の容積が大きくなり、吸入弁１５２ａが開いて吸入室１５２から気体が圧縮室１５１に流れ込む。つぎに振動子１１０が右側に振れると、ダイヤフラム１２０も右側に押されるため、圧縮室の容積が小さくなり、吸入弁１５２ａは閉じて吐出弁１５３ａが開き、圧縮室の気体が吐出室１５３に押し出される。この動作を繰り返すことにより、ポンプ動作が行われ、気体などを一定の量で吐出することができる。

特開２００８−１５０９５９号公報

前述のように、電磁振動型ダイヤフラムポンプは、交流電源の駆動による振動子、すなわちダイヤフラムの振動により、圧縮室の膨張、収縮を引き起こし、エアーなどの気体を連続的に吐出している。しかし、この種のダイヤフラムポンプは、通常の観賞用水槽などにエアーを送る大気圧中の気体を送り出すだけではなく、たとえば可燃ガスなどのように一定の圧力がかけられた気体を吸引して吐出させるような使用がなされる場合もある。

このような場合、吸入室のみならず、圧縮室内部の圧力も高くなる。そうすると、フレーム内の圧力は一般的には大気圧であるため、ダイヤフラムを挟んで、フレーム側と圧縮室側とで圧力差が生じる。この圧力差が大きくなると、ダイヤフラムが圧縮室側に振れようとするとき、圧縮室内の圧力により阻まれ、十分な圧縮が出来ず流体を吐出することができなくなる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、圧縮室内の圧力が高くなっても、ダイヤフラムを挟んだ両側の圧力差を小さくすることにより、ダイヤフラムの振動の振幅を大きくしてポンプ効率を高く維持することができる電磁振動型ダイヤフラムポンプを提供することを目的とする。

本発明の電磁振動型ダイヤフラムポンプは、磁石が固定された振動子と、該振動子の少なくとも一端部に設けられるダイヤフラムと、前記振動子の磁石と対向して設けられる交流駆動の電磁石と、前記ダイヤフラムの外周部と固着され前記電磁石側を被覆するフレームと、前記ダイヤフラムの前記電磁石と反対側の空間を被覆するポンプケーシングとを有し、前記ポンプケーシングが、前記ダイヤフラムと接する圧縮室と、該圧縮室と吸入弁を介して連結される吸入室と、前記圧縮室と吐出弁を介して接続される吐出室とを有し、前記吸入室または前記吐出室が、前記ポンプケーシングおよび前記フレームの側壁に形成される連通孔を介して前記フレーム内と連通される構造であり、前記吸入室に吸入する気体が加圧気体であり、前記フレームの内部が、前記吸入室および前記吐出室のいずれか一方の気体の圧力を保持できるように、前記フレームの隙間がシールされることにより、前記フレームの内部が気密性を有している。

前記フレームの内部が、前記吸入室または前記吐出室の気体の圧力を保持できるように、前記フレームの内面にアルミニウム薄膜が設けられることにより、前記フレームの内部が気密性を有する構造にすることが、吸入室や吐出室の圧力を維持しながら、ダイヤフラムを挟んだ両側、すなわちフレーム内と圧縮室などとの圧力がほぼ同じになるため、ダイヤフラムの振動に支障をきたすことなく、大きな振幅を保ちながら振動させることができて好ましい。その結果、圧力の高い吐出量を多くすることができ、非常に性能の優れた電磁振動型ダイヤフラムポンプになる。
前記連通孔の形成が、前記ダイヤフラムの外周側の前記フレームの内部と前記吸入室または前記吐出室とを隔てる側壁に形成されていることにより、ダイヤフラムを挟んだ両側の近傍で圧力を略同じにすることができるため好ましい。

本発明によれば、吸入室または吐出室が、ポンプケーシングおよびフレームの側壁に形成される連通孔を介してフレーム内と連通する構造に形成されているため、たとえば可燃性ガスを圧縮して供給する場合のように、吸入室に吸入される気体に高い圧力が印加される場合でも、吸入室または吐出室とフレームとが各ケーシングに形成された連通孔を介して接続されているため、吸入室または吐出室の圧力、すなわち圧縮室の圧力とほぼ同じ圧力がダイヤフラムのフレーム側にもかかり、ダイヤフラムを挟んだ両側の圧力差は、殆ど無くなる。その結果、ダイヤフラムの振動による振幅は、入力側および出力側が共に大気圧の場合と同様に、大きな振幅で振動させることができ、強い吐出力で気体を吐出することができる。

本発明の電磁振動型ダイヤフラムポンプの一実施形態の断面説明図である。 図１のII−II線断面説明図である。 本発明の効果を確認するための流量測定系の説明図である。 本発明による吐出室とフレームとの間に連通孔を設けた場合の、吸入室側と吐出室側の圧力差に対する流量の関係を従来構造と対比して示した図である。 従来の電磁振動型ダイヤフラムポンプの概略構成を示す説明図である。

つぎに、本発明の電磁振動型ダイヤフラムポンプについて、横断面図である図１およびその図１のII−II線断面の従断面図である図２を参照しながら説明する。なお、図２では電磁石などは省略してある。本発明による電磁振動型ダイヤフラムポンプは、永久磁石などの磁石１１ａ、１１ｂが板状体の非磁性体からなる支持部材１２に固定されることにより振動子１が形成されている。この振動子１の少なくとも一端部（図１および図２に示される例では両端部）にダイヤフラム２が固定されている。そして、振動子１の磁石１１ａ、１１ｂと対向して交流駆動される電磁石３ａ、３ｂが設けられている。振動子１の両端のダイヤフラム２の外周部と固着されたフレーム４により、電磁石３ａ、３ｂ側が被覆され、電磁石３ａ、３ｂと反対側の空間がポンプケーシング５により被覆されている。このポンプケーシング５は、ダイヤフラム２と接する圧縮室５１と、圧縮室５１と吸入弁５２ａを介して連結される吸入室５２と、圧縮室５１と吐出弁５３ａを介して接続される吐出室５３とを有している。本発明では、この吸入室５２または吐出室５３が、フレーム４およびポンプケーシング５の側壁に形成される連通孔６を介してフレーム４内と連通される構造に形成されている。

振動子１は、たとえば非磁性体材料からなる板状体により形成された支持部材１２に、永久磁石などからなる磁石１１ａ、１１ｂが固定されることにより形成されている。図１および図２に示される例では、磁石１１ａ、１１ｂは、それぞれ支持部材１２を貫通して一面側にＳ極、他面側にＮ極を呈するように固定されているが、支持部材１２の両面に、それぞれ２個ずつ設けることもできる。また、両面に設けられないで、一面だけで、電磁石３ａ、３ｂも片方だけにすることもできる。

この磁石１１ａ、１１ｂと対向するように電磁石３ａ、３ｂが設けられている。電磁石３ａ、３ｂは、Ｅ型鉄心３１の中心のコアの周りに電線が巻回されることにより励磁コイル３２が形成されており、交流電流がその励磁コイル３２に流されることにより、Ｅ型鉄心３１の中心コアに現れる極性が交流電流の位相により変化する。図１に示される例では、図の上側の電磁石３ａと、下側に示される電磁石３ｂとは、電流を励磁コイル３２に供給する励磁コイルの端部を逆方向にするか、巻き線の巻き方向を変えるか、励磁コイルに印加する交流電流の位相を１８０度ずらして印加することなどにより、下側の電磁石３ｂの中心コアの先端は、上側電磁石３ａの極性とは異なる極性のＮ極になっている。これは、磁石１１ａ、１１ｂの極性が図１の上下で異なる極性になっているためである。

この振動子１の両端には、たとえばポリエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）やフッ素ゴムなどにより形成されたダイヤフラム２が取り付けられている。このダイヤフラム２は、中心部に貫通孔が形成され、その貫通孔内に、内側（磁石１１ａ、１１ｂ側）センタープレート２１と、外側（ポンプケーシング５側）センタープレート２２とが挿入されて挟持され、支持部材１２の中心部の端部に形成された取付けネジ部により支持部材１２と固定されている。ダイヤフラム２の外周部は、フレーム４およびポンプケーシング５と固定され、フレーム４の内部には、前述の振動子１や電磁石３ａ、３ｂが内蔵されるように形成されている。

このフレーム４の内部は、たとえばアルミニウム薄膜で内面を覆ったり、またはフレーム４の隙間をシールしたりすることにより、内部を気密にできる状態にされている。すなわち、吸入室５２または吐出室５３とフレーム４の内部とが連通されているが、この吸入室５２または吐出室５３の圧力を維持できる程度の気密にシールされている。

また、ダイヤフラム２の電磁石３ａ、３ｂと反対側は、ポンプケーシング５により覆われている。このポンプケーシング５は、図１に示されるように、ダイヤフラム２と接する圧縮室５１と、その圧縮室５１と吸入弁５２ａを介して接続される吸入室５２と、圧縮室５１と吐出弁５３ａを介して接続される吐出室５３とからなっている。また、吐出室５３には、吐出管５４が設けられており、タンクに送り込まれるか、またはホースなどを直接接続し得るようにされている。

吸入弁５２ａは、圧縮室５１の圧力が低くなった場合に「開」となり、吸入室５２から気体を流入できるように形成され、逆に圧縮室５１の圧力が高くなったら、「閉」となって気体が吸入室５２側に流れないように形成されている。また、吐出弁５３ａは、圧縮室５１の圧力が高くなった場合に、「開」となって圧縮室５１内の気体が吐出室５３に吐出され、逆に圧縮室５１の圧力が低くなった場合は「閉」となって吐出室５３から圧縮室５１に気体が流れないようになっている。

本発明では、この吸入室５２または吐出室５３が、フレーム４およびポンプケーシング５の隔壁に形成された連通孔６を介して連通されている。図１および図２に示される例では、図２に示されるように、吐出室５３とフレーム４とを連通する連通孔６が形成されている。この連通孔６の大きさは、フレーム４内が気密にシールされているため、大きくても小さくても構わず、何らの制約もない。そのため、たとえばフレーム４およびポンプケーシング５の隔壁に切り欠きを形成することにより連通させる構造でも構わない。

図２に示される例では、吐出室５３と、フレーム４とを連通させる例であったが、加圧気体を吸入室５２に供給しているため、吸入室５２内の圧力も高く、吸入室５２とフレーム４とが連通するように連通孔が形成されれば、ダイヤフラムを挟んだ圧力差を緩和させることができる。

つぎに、この電磁振動型ダイヤフラムポンプの動作について説明をする。振動子１に固定される磁石１１ａ、１１ｂの極性を図１に示されるような極性で固定した場合で、電磁石３ａ、３ｂに交流電流を流し、図で上側の電磁石３ａと下側の電磁石３ｂとで、逆方向の極性が現れるように両電磁石３ａ、３ｂが形成されている。この逆方向の極性になるようにするには、たとえば励磁コイルへの電源の供給を２つの電磁石の励磁コイルで逆方向から供給するようにしたり、励磁コイルの巻き方を逆回転にしたり、印加電流の位相を１８０度ずらして２つの励磁コイルに印加したりすることなどにより達成できる。

このような電磁石３ａ、３ｂに交流電流を印加すると、交流電流の位相に応じてＥ型鉄心３１の中心コアの先端にＳ極およびＮ極が交互に現れ、図で下側の電磁石３ｂには、その逆の極性Ｎ極およびＳ極が交互に現れる。図１に示されるように、電磁石３ａの中心コアの先端の極性がＳ極の場合、振動子１の磁石１１ａのＳ極が反発し、磁石１１ｂのＮ極が吸引されるため、振動子１が図の左側に動く。そうすると、図１の右側のポンプケーシング５に注目すると、ダイヤフラム２は、振動子１に固定されているため、同様に左側に動き、圧縮室５１が広がる。その結果、圧縮室５１の圧力が下がり、吸入弁５２ａが「開」となり、吸入室５２から気体が圧縮室５１に流入する。

交流電流の位相が１８０度変って電流の向きが逆方向になると、図で上側の電磁石３ａの中心コア先端の極性がＮ極となる。そうすると、磁石１１ａのＳ極が吸引され、磁石１１ｂのＮ極が反発されるため、振動子１は右側に移動する。その結果、図の右側のポンプケーシング５側のダイヤフラム２は右側に移動し、圧縮室５１の容積が小さくなる。その結果、圧縮室５１内の圧力が高くなり、吐出弁５３ａが「開」となり、圧縮室５１内の気体が吐出室５３に吐出される。この一連の動作が交流電源の１サイクルで行われ、交流電源の周波数に応じてエアーの吐出が行われる。なお、図で右側のポンプケーシング５のみについて説明したが、左側のポンプケーシング５０は、ダイヤフラム２が右側のダイヤフラム２と同じように振れるため、圧縮室５１の膨張、収縮が右側の圧縮室５１の動作と逆になるが、同様の動作をする。さらに、電磁石３ａに関しても、図で上側の電磁石３ａについてのみ説明したが、下の電磁石３ｂも前述のように上の電磁石３ａと同期して逆極性を呈するように構成されているので、永久磁石１１ａ、１１ｂの極性も上側と逆になっていることから、同じ振動子１の動作を行う。

この電磁振動型ダイヤフラムポンプで、たとえば吸入室５２に加圧気体が供給される場合には、必然的に圧縮室５１の圧力も高くなる。そうすると、フレーム４内の圧力が大気圧であると、ダイヤフラム２のフレーム４側と、圧縮室５１側とで圧力差が大きくなる。その場合、たとえば図で右側のポンプケーシング５に注目すると、振動子１が右側に移動して、圧縮室５１内の容積を小さくする動作をする場合に、ダイヤフラム２を高圧側に押す必要があるため、充分にダイヤフラム２を移動させることができなくなる。そうすると、ダイヤフラム２の振幅が小さくなり、充分なポンプ性能を発揮することができなくなる。しかし、本発明では、吐出室５３とフレーム４とを連通させているため、電磁石ケーシング４内の圧力が吐出室５３の圧力、すなわち圧縮室５１の圧力とほぼ同じ圧力になり、ダイヤフラムの両側での圧力差が小さいため、ダイヤフラム２の振動の振幅を、加圧気体を取り扱わない場合とほぼ同じ振幅で振動させることができる。

本発明の連通孔６を形成した電磁振動型ダイヤフラムポンプと、従来の連通孔６を設けない構造の電磁振動型ダイヤフラムポンプとで、流量を比較することによりその効果を調べた。この効果を調べる測定系は、図３に示されるように、電磁振動型ダイヤフラムポンプ７０の吸入室に供給されるエアーを、圧力計７２が取り付けられた５Ｌ（リットル）の容量を有するタンク７１から、所望の圧力で供給するようにし、ポンプ７０の吐出室から吐出されるエアーを１０００ｃｃの容量を有する計測用タンク７３に溜め、ニードルバルブ７５を経てマスフローメータ７６でその流量を測定する構成になっている。この計測用タンク７３にも圧力計７４が取り付けられ、送り出されるエアーの圧力も測定できるようになっている。なお、マスフローメータ７６としては、（株）山武製のＣＭＳ００２００を用いた。

本発明の図２に示される連通孔６により吐出室５３とフレーム４とを連通した電磁振動型ダイヤフラムポンプの、吸入室への供給エアーの圧力（加圧分）が０の場合と、約３０ｋＰａ（Ｇ）の場合で、吐出側の圧力（ニードルバルブ７５により調整した出力の圧力）を変えたときの流量（ＮＬ（ノルマル（normal）リットル）／分）、そのときの電磁石に印加する電圧、電流、消費電力も測定して、それぞれ表１（吸入エアーの加圧圧力が０）および表２（吸入エアーの加圧圧力が約３０ｋＰａ（Ｇ））の場合）に示す。

この表の、吸入側加圧圧力と吐出側圧力との圧力差（ｄｐ）に対する流量の関係を吸入側加圧圧力が０の場合（Ａ）と、吸入側加圧圧力が約３０ｋＰａ（Ｇ）の場合（Ｂ）を図４（ａ）に示す。

さらに、比較例として、連通孔を設けない従来構造の電磁振動型ダイヤフラムポンプの場合の吸入側加圧圧力が０の場合（表３）と、吸入側加圧圧力が３０ｋＰａ（Ｇ）の場合（表４）で、同様の測定を行った。また、本発明と同様に、そのときの圧力差に対する流量の変化を同様に、図４（ｂ）に示した。

図４（ａ）および(ｂ)から明らかなように、吸入室側加圧圧力が３０ｋＰａ（Ｇ）の場合、本発明によるポンプでは、吸入側での加圧圧力が０の場合に比べて大幅に流量が増加して改善している（図４（ａ）のＢ）のに対して、従来品で加圧圧力が３０ｋＰａの場合には、加圧圧力が０の場合に比べて遥かにその能力が落ちていることが分る。また、吸入室側の加圧圧力が０の場合で、吐出側圧力が３０ｋＰａ（Ｇ）以上で、従来構造のものは能力が低下することが明らかであり、本発明の効果が現れている。したがって、吸入室に供給する気体に加圧気体を用いる場合には、非常に顕著に本発明の効果が現れ、加圧気体を供給しない場合でも、吐出側の圧力が高くなる場合には、本発明の構造にすることにより、効果が現れる。

１ 振動子
２ ダイヤフラム
３ａ、３ｂ 電磁石
４ フレーム
５ ポンプケーシング
６ 連通孔
１１ａ、１１ｂ 磁石
１２ 支持部材
３１ Ｅ型鉄心
３２ 励磁コイル
５１ 圧縮室
５２ 吸入室
５２ａ 吸入弁
５３ 吐出室
５３ａ 吐出弁
５４ 吐出管
７０ 電磁型ダイヤフラムポンプ
７１ タンク
７２ 圧力計
７３ 計測用タンク
７４ 圧力計
７５ ニードルバルブ
７６ マスフローメータ

Claims (3)

1. 磁石が固定された振動子と、該振動子の少なくとも一端部に設けられるダイヤフラムと、前記振動子の磁石と対向して設けられる交流駆動の電磁石と、前記ダイヤフラムの外周部と固着され前記電磁石側を被覆するフレームと、前記ダイヤフラムの前記電磁石と反対側の空間を被覆するポンプケーシングとを有し、
   前記ポンプケーシングが、前記ダイヤフラムと接する圧縮室と、該圧縮室と吸入弁を介して連結される吸入室と、前記圧縮室と吐出弁を介して接続される吐出室とを有し、前記吸入室または前記吐出室が、前記ポンプケーシングおよび前記フレームの側壁に形成される連通孔を介して前記フレーム内と連通される構造であり、
   前記吸入室に吸入する気体が加圧気体であり、前記フレームの内部が、前記吸入室および前記吐出室のいずれか一方の気体の圧力を保持できるように、前記フレームの隙間がシールされることにより、前記フレームの内部が気密性を有する電磁振動型ダイヤフラムポンプ。
2. 磁石が固定された振動子と、該振動子の少なくとも一端部に設けられるダイヤフラムと、前記振動子の磁石と対向して設けられる交流駆動の電磁石と、前記ダイヤフラムの外周部と固着され前記電磁石側を被覆するフレームと、前記ダイヤフラムの前記電磁石と反対側の空間を被覆するポンプケーシングとを有し、
   前記ポンプケーシングが、前記ダイヤフラムと接する圧縮室と、該圧縮室と吸入弁を介して連結される吸入室と、前記圧縮室と吐出弁を介して接続される吐出室とを有し、前記吸入室または前記吐出室が、前記ポンプケーシングおよび前記フレームの側壁に形成される連通孔を介して前記フレーム内と連通される構造であり、
   前記フレームの内部が、前記吸入室または前記吐出室の気体の圧力を保持できるように、前記フレームの内面にアルミニウム薄膜が設けられることにより、前記フレームの内部が気密性を有する電磁振動型ダイヤフラムポンプ。
3. 前記連通孔の形成が、前記ダイヤフラムの外周側の前記フレームの内部と前記吸入室または前記吐出室とを隔てる側壁に形成されてなる請求項１または２記載の電磁振動型ダイヤフラムポンプ。

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