專利名稱：泵的驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過活塞或膜片等改變泵室內(nèi)的容積使液體移動的小型泵。
背景技術(shù)：
專利文獻1特開2002-62986號公報以前，本發(fā)明的發(fā)明者們開發(fā)了以下的可對應(yīng)高負載壓力的排出流量大的高輸出泵，該高輸出泵具有由壓電元件等致動器所驅(qū)動的活塞或膜片；可通過該活塞或膜片改變?nèi)莘e的泵室；流體流入泵室的入口流路；流體從泵室流出的出口流路；只安裝在入口流路中的止回閥等流阻元件，并且入口流路的慣性比流體從泵室流出的出口流路的慣性小(參考專利文獻1)。
由于具有專利文獻1的結(jié)構(gòu)的泵利用由出口流路的大慣性產(chǎn)生的流體慣性效果使輸出增加，因此存在以下問題由活塞或膜片的驅(qū)動波形或泵尺寸的變化引起的慣性效果的變化，對輸出產(chǎn)生很大影響。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種使用專利文獻1那樣的利用慣性效果的泵來得到高輸出的驅(qū)動方法。
本發(fā)明的泵的驅(qū)動方法的特征在于，具有可通過活塞或膜片等可動壁改變?nèi)莘e的泵室；使工作流體流入該泵室的入口流路；使工作流體從所述泵室流出的出口流路，在所述入口流路中具有流阻元件，該流阻元件在工作流體流入泵室時的流阻比流出時的流阻小，所述入口流路的慣性比所述出口流路的慣性小，并且，設(shè)出口流路的慣性為L(kg/m4)、從所述可動壁的下止點到上止點的位移為X(m)、所述泵室的截面積為S(m2)時，用滿足下式f≥0.26XLS]]>的頻率f(Hz)驅(qū)動所述可動壁。
根據(jù)本發(fā)明，在利用由出口流路的大慣性產(chǎn)生的流體慣性效果使輸出增加的泵中，可以取得與泵的尺寸無關(guān)的高的泵輸出。
進而，作為本發(fā)明的泵的驅(qū)動方法，在上述范圍中，特別是最好以滿足下式f≥0.4XLS]]>的頻率f(Hz)驅(qū)動上述可動壁。
根據(jù)本發(fā)明，與泵的尺寸無關(guān)，可以取得后面詳細說明的2倍波模式下的高的泵輸出。當以2倍波模式進行驅(qū)動時，可以提高止回閥的耐久性，進而可以提高泵的可靠性。
此時，通過進一步以滿足式f≤0.85XLS]]>的頻率f(Hz)驅(qū)動上述可動壁，可以可靠地取得2倍波模式下的高的泵輸出。
此外，活塞或膜片的驅(qū)動波形最好大致為正弦波。根據(jù)該發(fā)明，可以容易地實現(xiàn)驅(qū)動電路，并且在驅(qū)動時在致動器內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力小，提高了致動器和泵的可靠性。


圖1是本發(fā)明的泵的實施方式的縱截面圖。
圖2是表示在本發(fā)明的泵的實施方式中，1倍波模式時泵的內(nèi)部狀態(tài)的曲線圖。
圖3是表示在本發(fā)明的泵的實施方式中，排出的流體體積相對于膜片驅(qū)動頻率的變化的曲線圖。
圖4是表示在本發(fā)明的泵的實施方式中，2倍波模式時泵的內(nèi)部狀態(tài)的曲線圖。
圖5是表示在本發(fā)明的泵的實施方式中，當泵室直徑為3mm時，以出口流路的慣性和驅(qū)動頻率作為參數(shù)，對各參數(shù)值時的最大輸出進行匯總所得到的曲線圖。
圖6是表示在本發(fā)明的泵的實施方式中，當泵室直徑為6.3mm時，以出口流路的慣性和驅(qū)動頻率作為參數(shù)，對各參數(shù)值時的最大輸出進行匯總所得到的曲線圖。
圖7是表示在本發(fā)明的泵的實施方式中，當泵室直徑為9mm時，以出口流路的慣性和驅(qū)動頻率作為參數(shù)，對各參數(shù)值時的最大輸出進行匯總所得到的曲線圖。
符號說明1入口流路；2出口流路；3泵室；4止回閥(流阻元件)；5膜片；6壓電元件。
具體實施例方式
以下根據(jù)附圖，對本發(fā)明的實施方式進行說明。
圖1表示本發(fā)明的泵的實施方式的縱截面。在作為層疊式壓電元件6的保持部件的壓電元件外殼31的下部，通過焊接牢固地固定有外殼底板34。在作為泵的驅(qū)動源的層疊式壓電元件6的上面預(yù)先粘接端板33，構(gòu)成層疊式壓電元件單元，并固定在上述壓電元件外殼31的內(nèi)部，該固定是通過將層疊式壓電元件6的下面和上述外殼底板34的上面相粘接來實現(xiàn)的。
在固定層疊式壓電元件6后，通過研磨加工，將壓電元件外殼31的上面和端板33的上面加工為同一平面。進而，在經(jīng)研磨加工而成為同一平面的端板33和壓電元件外殼31兩者上粘接膜片5。
膜片5由厚度20μm的不銹鋼薄鋼板形成，以與壓電元件外殼31之間夾著該膜片5的形態(tài)，安裝有泵室部件21。
泵室部件21在其內(nèi)部形成有泵室3和出口流路2。用未圖示的螺釘進行壓電元件外殼31與泵室部件21的固定。在泵室部件21的上部嵌合有入口流路部件11，用未圖示的螺釘來固定。
敞開的入口流路部件11的上面被柔軟且具有高阻氣性的壓力變動吸收板12密封。為了同時具有柔軟性和阻氣性，該壓力變動吸收板12的材質(zhì)最好是金屬薄膜和樹脂的復(fù)合材料等。
其次，對本發(fā)明的泵的內(nèi)部流路進行說明。從設(shè)置在連接部11a的上游側(cè)的未圖示的外部管道流入的流體，從壓力變動吸收室11b流入泵室3。從壓力變動吸收室11b通向泵室3的流路逐漸縮小，成為大約為φ0.5mm的孔，連通到泵室3。在該壓力變動吸收室11b與泵室3的分界部，作為流阻元件，設(shè)置有由15μm的不銹鋼薄鋼板形成的舌簧止回閥4，防止從泵室3到壓力變動吸收室11b的倒流。入口流路1由從與該外部管道連接的連接部11a起到止回閥4為止的流路構(gòu)成。
泵室3由出口流路2開口的連接部分、以及膜片5上部的扁平形狀的壓縮部分構(gòu)成。從泵室3流出的流體通過出口流路2被輸出到未圖示的外部管道。此處，設(shè)置在入口流路1的上游側(cè)的未圖示的外部管道、同樣在內(nèi)部形成有出口流路2的泵室部件21的突出部上所設(shè)置的未圖示的外部管道，都用具有適當柔軟性的樹脂管等構(gòu)成。
其次，定義流路的慣性L。當設(shè)流路的截面積為Sf，流路的長度為1，工作流體的密度為ρ時，則給出L＝ρ×1/Sf。進而，當設(shè)流路的差壓為ΔP，流過流路的流量為Q時，利用慣性L，可導(dǎo)出ΔP＝L×dQ/dt關(guān)系。即，慣性L表示單位壓力對流量的時間變化的影響程度，慣性L越大，流量的時間變化越小；慣性L越小，流量的時間變化越大。
此外，關(guān)于多條流路的并聯(lián)連接、或多種形狀不同的流路的串聯(lián)連接的慣性合成方法，可以采用與電路中的電感的并聯(lián)連接、串聯(lián)連接相同的方法，將各個流路的慣性進行合成和算出。具體來說，多條流路并聯(lián)連接時的慣性可以采用與電路中的電感的并聯(lián)連接相同的方法合成求出。此外，多種形狀不同的流路的串聯(lián)連接時的慣性，可以采用與電路中的電感的串聯(lián)連接相同的方法合成求出。
此外，在流路中有柔軟部等壓力變動吸收元件時的慣性，只要考慮到壓力變動吸收元件即可。
因此，在本發(fā)明的泵中，入口流路的慣性是從作為壓力變動吸收元件的壓力變動吸收板12到舌簧閥4的慣性。另一方面，出口流路的慣性是出口流路2的慣性。由于出口流路比入口流路的流路長度長，流路截面積小，因此出口流路的慣性遠大于入口流路。
其次，利用表示本實施方式的泵運行時的內(nèi)部狀態(tài)的圖2，說明當工作流體為水時的泵的動作。
圖2是用絕對壓力表示由層疊式壓電元件6所驅(qū)動的膜片5的位移波形、以及泵室3內(nèi)部的壓力波形的曲線圖。此時，在層疊式壓電元件6上施加頻率約5.5kHz的正弦波電壓，膜片5的位移也與其同步。膜片5向圖1中的上方向增加位移而壓縮泵室3的體積。根據(jù)圖2，當超過位移的谷底后，由于泵室3被壓縮而使壓力開始上升，當通過位移上升梯度最大的點后，在達到最大位移之前，泵室3的內(nèi)部壓力急劇下降，在接近絕對0氣壓時，溶解在工作流體中的成分被氣化，產(chǎn)生形成氣泡的曝氣或氣穴現(xiàn)象，在絕對0氣壓附近變平坦。
對其進行詳細說明，首先，在止回閥4關(guān)閉的狀態(tài)下，泵室3的體積被壓縮時，由于出口流路2內(nèi)的工作流體的大的慣性，泵室3內(nèi)的壓力大幅度上升。由于該壓力的上升，出口流路2內(nèi)的工作流體被加速，積蓄了動能。當層疊式壓電元件6的伸縮速度的梯度變小時，由于至此為止積蓄在出口流路2內(nèi)的工作流體中的動能的慣性效果，使工作流體繼續(xù)流動，因此，泵室3內(nèi)的壓力急劇下降，不久變得小于入口流路1內(nèi)的壓力。在該時刻，由于壓力差使止回閥4打開，工作流體從入口流路1流入泵室3。
此時，由于入口流路的慣性比出口流路2的慣性小，因此來自入口流路的流入流量的增加率大。因此，在繼續(xù)從出口流路2流出的同時，大量工作流體流入泵室3內(nèi)。進而，該同時產(chǎn)生從該泵室3流出和流入該泵室3的狀態(tài)，一直繼續(xù)到層疊式壓電元件6收縮并再次轉(zhuǎn)換為伸長時為止。這就是圖2中的泵室內(nèi)壓的平坦部的狀況。這樣，由于本結(jié)構(gòu)的泵存在同時排出和吸入的狀況，因此可以流出大的流量，此外，由于泵室內(nèi)的壓力變得非常高，因此可以對應(yīng)高負載壓力。
另外，當以正弦波驅(qū)動了本實施方式的泵的膜片5時，排出流體體積相對于驅(qū)動頻率如圖3那樣變化，存在2個排出流體體積變大的波峰。首先，在低驅(qū)動頻率下出現(xiàn)波峰時的泵的內(nèi)部狀態(tài)就是剛才圖2所示的已說明過的狀態(tài)，是被稱為1倍波模式的驅(qū)動狀態(tài)，在該狀態(tài)下膜片位移的周期與泵室壓力的周期相等。
用圖4對在高頻率下出現(xiàn)波峰時的泵的內(nèi)部狀態(tài)進行說明。圖4也表示泵室3的內(nèi)部壓力和膜片位移的波形。而且，在圖4中，產(chǎn)生被稱為2倍波模式的狀態(tài)，在該狀態(tài)下，泵室壓力的變動周期是膜片位移的周期的2倍。在該2倍波模式下，雖然膜片5的位移振幅恒定，但由于頻率高，因此泵室3的體積以更高的速度減小，泵室3內(nèi)的壓力最大值比1倍波模式時大。其結(jié)果，可以認為，與1倍波模式時相比，出口流路2內(nèi)的流體速度也變大，由于慣性效果排出將長時間繼續(xù)，在泵室內(nèi)壓上升了的周期的下一個膜片5的驅(qū)動周期中，繼續(xù)保持吸入閥開放的狀態(tài)，成為2倍波模式。
在圖3中，表示2倍波模式時排出的流體體積比1倍波模式時多的狀況，但隨著條件不同，也存在1倍波模式時排出的流體體積較多的情況。
如上所述，本實施方式的泵由于利用出口流路2內(nèi)的流體的慣性效果，因此泵的輸出根據(jù)層疊式壓電元件6的驅(qū)動波形而發(fā)生大幅度變化，此外，輸出也隨著泵各部尺寸的變化而變化，但是，以前，不是很明白用于獲得高輸出的泵驅(qū)動方法。
因此，發(fā)明者不斷進行專心研究和實驗，在用正弦波使膜片5運動時，發(fā)現(xiàn)了可獲得泵的高輸出的驅(qū)動頻率和泵的尺寸的關(guān)系，以下，對該關(guān)系進行說明。
圖5是在泵室3的直徑為3mm時的本實施方式的泵中，以出口流路2的慣性和壓電元件6的驅(qū)動頻率作為參數(shù)，對各參數(shù)值時泵的最大輸出的調(diào)查結(jié)果進行匯總所得到的圖。曲線圖的橫軸表示出口流路2的慣性的平方根的倒數(shù)，縱軸表示膜片5的驅(qū)動頻率與從下止點到上止點的上述膜片5的位移的積。用白圓標記表示1倍波模式下輸出小于100mW的區(qū)域，用黑圓標記表示1倍波模式下輸出大于等于100mW的區(qū)域，用白方塊標記表示2倍波模式下輸出大于等于150mW的區(qū)域。
圖6是在設(shè)泵室3的直徑為6.3mm時的本實施方式的泵中，以出口流路2的慣性和壓電元件6的驅(qū)動頻率作為參數(shù)，對各參數(shù)值時泵的最大輸出的調(diào)查結(jié)果進行匯總所得到的圖。坐標軸和顯示標記的意義與圖5相同。
圖7是在設(shè)泵室3的直徑為9mm時的本實施方式的泵中，以出口流路2的慣性和壓電元件6的驅(qū)動頻率作為參數(shù)，對各參數(shù)值時泵的最大輸出的調(diào)查結(jié)果進行匯總所得到的圖。坐標軸和顯示標記的意義與圖5相同。
在以上說明中，工作流體為水，壓電元件的位移量約為4.5μm。
進而，在圖5至圖7中，在1倍波模式下輸出小于100mW的區(qū)域與大于等于100mW的區(qū)域的分界上所劃的實線，是設(shè)出口流路2的慣性為L(kg/m4)、從膜片5的下止點到上止點的位移為X(m)和驅(qū)動頻率為f(Hz)、泵室3的截面積為S(m2)時，由式f=0.26XLS]]>所給定的直線。
此外，在圖5至圖7中，在1倍波模式下輸出大于等于100mW的區(qū)域與2倍波模式下輸出大于等于150mW的區(qū)域的分界上所劃的點劃線，是設(shè)出口流路2的慣性為L(kg/m4)、從膜片5的下止點到上止點的位移為X(m)和驅(qū)動頻率為f(Hz)、泵室3的截面積為S(m2)時，由式f=0.4XLS]]>所給定的直線。
而且，在圖5至圖7中，在2倍波模式下輸出大于等于150mW的區(qū)域與1倍波模式下輸出大于等于100mW的區(qū)域的分界上所劃的虛線，是設(shè)出口流路2的慣性為L(kg/m4)、從膜片5的下止點到上止點的位移為X(m)和驅(qū)動頻率為f(Hz)、泵室3的截面積為S(m2)時，由式f=0.85XLS]]>所給定的直線。
由上可知，即使泵各部分的尺寸發(fā)生變化，只要以滿足式f≥0.26XLS]]>的驅(qū)動頻率f驅(qū)動膜片5，就可以得到大于等于100mW的高輸出。此外，通過以滿足式0.85XLS≥f≥0.4XLS]]>的驅(qū)動頻率f驅(qū)動膜片5，在2倍波模式下就可以得到大于等于150mW的高輸出。
當用2倍波模式進行驅(qū)動時，止回閥的開閉次數(shù)為驅(qū)動頻率的1/2，從圖3可知，用2倍波模式驅(qū)動的止回閥的開閉次數(shù)比用1倍波模式驅(qū)動時的止回閥的開閉次數(shù)少。一般地，由于疲勞破壞與負荷的重復(fù)次數(shù)有關(guān)，因此當用2倍波模式進行驅(qū)動時，可以提高止回閥的耐久性。
上述驅(qū)動頻率和泵尺寸的關(guān)系不僅在正弦波的驅(qū)動波形中，而且在利用低通濾波器使三角波、鋸齒波或矩形波的高頻成分衰減而使其接近于正弦波的波形中也成立。本發(fā)明中的所謂的大致正弦波包含所有的正弦波、以及接近正弦波的這些波形。此時特別地，最好使與用某頻率的正弦波驅(qū)動時的膜片5的最大速度相比較，用與其相同頻率的大致正弦波驅(qū)動膜片5時的膜片5的最大速度在±20％以內(nèi)。
當用這樣的正弦波和大致正弦波進行膜片5的驅(qū)動時，具有以下優(yōu)點不僅可以容易地實現(xiàn)驅(qū)動電路，而且驅(qū)動時施加到壓電元件的內(nèi)部應(yīng)力小，使元件很難被破壞。
在上述說明中，膜片5的形狀并不限于圓形。此外，止回閥4不僅可以使用通過流體的壓力差開閉的從動閥，也可以使用能夠以其它力控制開閉的主動閥型的止回閥。而且，使膜片5動作的致動器也可以使用與壓電元件具有相同高頻特性的超磁致伸縮元件。此外，對用水作為工作流體的情況進行了說明，但使用其它液體也沒有關(guān)系。
本發(fā)明可以在使用小型液體輸送用泵的各種產(chǎn)業(yè)中利用。
權(quán)利要求
1.一種泵的驅(qū)動方法，其特征在于，該泵具有可通過活塞或膜片等可動壁改變?nèi)莘e的泵室；使工作流體流入該泵室的入口流路；使工作流體從所述泵室流出的出口流路，在所述入口流路中具有流阻元件，該流阻元件在工作流體流入泵室時的流阻比流出時的流阻小，所述入口流路的慣性比所述出口流路的慣性小，并且，設(shè)出口流路的慣性為L(kg/m4)、從所述可動壁的下止點到上止點的位移為X(m)、所述泵室的截面積為S(m2)時，用滿足下式f≥0.26XLS]]>的頻率f(Hz)驅(qū)動所述可動壁。
2.如權(quán)利要求1所述的泵的驅(qū)動方法，其特征在于，設(shè)所述出口流路的慣性為L(kg/m4)、從所述可動壁的下止點到上止點的位移為X(m)、所述泵室的截面積為S(m2)時，用滿足下式f≥0.4XLS]]>的頻率f(Hz)驅(qū)動所述可動壁。
3.如權(quán)利要求2所述的泵的驅(qū)動方法，其特征在于，設(shè)所述出口流路的慣性為L(kg/m4)、從所述可動壁的下止點到上止點的位移為X(m)、所述泵室的截面積為S(m2)時，用滿足下式f≤0.85XLS]]>的頻率f(Hz)驅(qū)動所述可動壁。
4.如權(quán)利要求1至3中的任意一項所述的泵的驅(qū)動方法，其特征在于，所述驅(qū)動的波形大致為正弦波。
全文摘要
在利用出口流路的大慣性產(chǎn)生的流體慣性效果使輸出增加的泵中，存在由膜片的驅(qū)動波形等的變化引起的慣性效果的變化對輸出產(chǎn)生很大影響的問題。本發(fā)明提供一種泵的驅(qū)動方法，具有可通過膜片(5)改變?nèi)莘e的泵室(3)；使工作流體流入泵室(3)的入口流路(1)；使工作流體從泵室(3)流出的出口流路(2)；配置在入口流路(1)中的止回閥(4)，使入口流路的慣性比出口流路的慣性小，并且，設(shè)出口流路的慣性為L(kg/m
文檔編號F04B49/06GK1609449SQ20041008600
公開日2005年4月27日 申請日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月24日
發(fā)明者高城邦彥, 瀨戶毅, 吉田和弘 申請人:精工愛普生株式會社