CN103906923A

CN103906923A - 微型隔膜泵

Info

Publication number: CN103906923A
Application number: CN201180073680.4A
Authority: CN
Inventors: 椛泽康成; 光部崇
Original assignee: KIKUIKE MANUFACTURING Co Ltd
Current assignee: KIKUIKE MANUFACTURING Co Ltd; Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2014-07-02
Also published as: WO2013046330A1; US20140248170A1; EP2762725A4; KR20140074308A; EP2762725A1

Abstract

本发明公开了一种具有与吸入阀以及排出阀的一侧相接的隔膜室的微型隔膜泵。本发明中，具备形成有吸入阀（26）以及排出阀（28）的一方的阀板（14）和成为另一方的阀的流路的流路开口（16），且相互以相反的朝向被层叠的两张阀板片材（12）、被层叠在该层叠体，且形成有阀座（20）以及阀挡块（22）的两张阀座片材（18）、基座板（32）、框体（34）、隔膜（36）和驱动元件（42）。本发明外形尺寸极小，生产性好，流量控制精度高，动作圆滑，吸引力和排出力大，可靠性高。

Description

微型隔膜泵

技术领域

该发明涉及通过将阀板、阀座、隔膜等形成有图案的多个金属薄板层叠、接合而形成的微型隔膜泵。

背景技术

近年，作为家庭用（独栋住宅用）的分散型能源设备，期待燃料电池系统的普及和商业化。在这种燃料电池中，需要用于将燃料气体、液体燃料、向改性器供给的水、在改性器产生的氢等向燃料电池本身供给的泵。另外，在从燃料取出必要的氢（H₂）的改性时，生成一氧化碳（CO），但是，由于该一氧化碳给电池催化剂的性能带来不良影响，所以，为了降低一氧化碳浓度，要求同时也控制选择氧化用空气的流量。再有，在分析装置、医疗相关的项目（给药、临床试验等）中，需要供给微少量的气体、液体。再有，还需要用于排放、冷却伴随着电子仪器的性能提高而产生的热的泵。

以往，提出了用于这样的用途的各种微型泵。专利文献1公开了将在金属制的外衬套（第1圆柱部）和内衬套（第2圆柱部）之间夹着阀芯的流入用以及流出用的阀门配置成与设置在泵体上的平坦的压力室正交的微型泵。这里形成压力室的隔膜被配置成将2个阀门的流入口和流出口覆盖。

专利文献2～5公开了在吸入阀和排出阀之间设置压力室（隔膜室），由粘接在划分该压力室的隔膜上的压电元件，使压力室的压力变化，并将流体排出的泵。即、隔膜是没有成为将吸入阀以及排出阀覆盖（与两阀的一侧面相接）的部件。另外，是将硅基板用于一部分的部件。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009－236284号公报

专利文献2：日本特开2006－161779号公报

专利文献3：日本特开平6－93972号公报

专利文献4：日本特开平5－1669号公报

专利文献5：日本特开平10－299659号公报

由于专利文献1公开的微型泵是吸入阀和排出阀将金属制的2个圆柱部件同轴地嵌合而组合的泵，所以，与隔膜正交的方向（吸入阀和排出阀的流路方向）的尺寸变大，难以小型化。另外，存在圆柱部件的加工和组装需要很多工时，生产性不好这样的问题。再有，在压力室和各阀的阀芯之间需要比较长的流体流路，虽然该流路实质上成为压力室的一部分，但是，由于该流路是容积不变化，流体滞留的部分（无用容积），所以，流体的流量控制精度低下。

专利文献2～5的泵均是形成压力室的隔膜被限定在流入阀和排出阀之间，隔膜的面积变小。为此，存在因隔膜的振动而产生的压力室的容积变化变小，难以使流体的吸入/排出的动作圆滑，每个隔膜的行程的排出量的管理不正确这样的问题。为此，难以或不能用于压缩性的气体等。再有，存在因为隔膜的面积小，所以，难以增大流体的吸引力和排出力这样的问题。进而，还存在这里使用的硅基板比较的高价这样的问题。

该发明是鉴于这样的情况做出的发明，其目的是提供一种能够使外形尺寸极其小，生产性好，流体的流量控制精度提高，使流体的吸入/排出的动作圆滑，能够增大吸引力和排出力，所使用的材料未被限制为硅基板，材料的选定自由度大，可靠性高的微型隔膜泵。

发明内容

根据该发明，第1目的是通过一种微型隔膜泵实现，所述微型隔膜泵具有与吸入阀以及排出阀的一侧相接的隔膜室，其特征在于，具备两张阀板片材、两张阀座片材、基座板、框体、隔膜和驱动元件，所述两张阀板片材形成有前述吸入阀以及排出阀的一方的阀板和成为另一方的阀的流路的流路开口，相互以阀板和流路开口相向的朝向被层叠，所述两张阀座片材被层叠在该层叠体的两面，形成有与前述一方的阀板片材的阀板相向的阀座以及与另一方的阀板片材的阀板相向的阀挡块，所述基座板与一方的阀座片材重叠，具有分别与前述吸入阀以及排出阀连通的2个流路，所述框体与另一方的阀座片材的周缘重叠，将前述吸入阀以及排出阀包围，所述隔膜与该框体重叠，在与重叠了该框体的阀座片材之间形成隔膜室，所述驱动元件保持在该隔膜上。

若两张阀板片材和两张阀座片材由不锈钢等金属薄板形成，将它们多层化接合，则没有必要使用比较高价的硅基板。使用的金属只要选定相对于流体不会腐蚀的金属即可。另外，为了层叠并接合多层不锈薄板，从相对于不锈钢湿润性、软钎焊强度等观点出发，可以使用Sn（锡）浓度高的软钎料、Sn－Ag等银合金的镀软钎料，或粘合剂、金属的扩散接合等各种方法。

可以将阀板做成保持在从形成在阀板片材上的阀板开口的内缘向内径侧延伸的支撑臂上的构造，形成在阀板片材上的流路开口以及成为形成在基座板上的排出阀的流路的流路开口的开口径与前述阀板开口的内径相等（也包括大致相等或实质上相等的情况）。在这种情况下，在接合多层阀板片材、阀座片材等的情况下需要进行层叠并进行加压，但是，此时，没有向阀板、其支撑臂施加加压力，能够防止它们与其它的片材接合。

阀板片材、阀座片材能够通过蚀刻、加压冲切加工等各种方法加工。尤其是，当在这些片材进行多个泵的阀板、流路开口、阀座片材、阀挡块等的加工，同时制作多个泵的情况下，能够效率好地制作这些片材。

将框体和隔膜做成金属薄板，将它们层叠在通过权利要求2形成的层叠体（预备层叠体）的一侧面，将基座板分别层叠并接合在该层叠体的另一侧面，据此，能够形成泵。这样，通过分为阀板片材和阀座片材的层叠以及框体、隔膜、基座板的层叠这样的2次接合，能够谋求提高组装精度和提高制作效率。

最好在形成在两张阀座片材上的阀座形成由阀板接触的环状的突条。该突条的加工能够通过留有成为阀座的部分，将其周围通过半蚀刻略微地雕刻来形成，但是，也可以用其它的方法形成。在这种情况下，阀板的相对于突条的接触压增大，密封性能提高。即、作为阀的密闭性提高。

在这种情况下，最好在环状的突条形成DLC（Diamond LikeCarbon）的皮膜。DLC包括分子构造润滑性好的碳构造和硬度高的金刚石构造，是具有两者的长处的材料。因此，突条的硬化和平滑化成为可能，耐磨损性和耐久性提高，且密封性提高。像这样在突条上进行DLC加工的情况下，利用DLC的硬度高的情况，将阀板向该突条锻压（推压），据此，能够进一步提高阀板和阀座的紧贴性。为使该锻压成为可能，在阀挡块形成使锻压加工用的加工具（冲头等）穿过的开口。即、阀挡块只要设置与成为阀座的突条相向（因此，与阀板相向）的环状部和在该环状部的周围在周方向分割的流路，将锻压工具插通于该环状部即可。

保持在隔膜上的驱动元件合适的是压电元件。例如，能够使用下述的压电元件，该压电元件使用包括锆钛酸铅（PZT），被统称为PZT的压电性材料的烧结体，将它粘贴在隔膜上，通过附加电场而极化。若在隔膜紧固包围该驱动元件的第2框体，则能够在该第2框体的内侧确保驱动元件、隔膜的可动区域（可动空间），在将该泵封装到基板等的情况下，不存在邻接的零件接触，成为泵动作的妨碍的情况。

发明效果

本发明由于能够通过扩展到吸入阀和排出阀的外侧来扩大隔膜的面积，所以，能够增大隔膜室的容积变化，使流体的吸入/排出的动作圆滑。另外，由于吸入阀和排出阀通过重叠两张阀板片材，在其两外侧分别重叠阀座片材而形成，所以，能够使整体极薄，使泵的小型化成为可能。因为只要将阀板片材、阀座片材、基座板、框体和隔膜层叠并接合（多层化接合），从外侧向隔膜安装驱动元件即可，所以，生产性好，可大幅降低成本。

这里，因为阀板片材和阀座片材若将构成吸入阀的两张组合和构成排出阀的两张组合做成相同形状，则能够将它们朝向相反地重叠，所以，在这种情况下，生产性进一步提高。尤其是，也能够通过准备分别形成了与多个泵对应的阀板片材、阀座片材、基座板、框体、隔膜的片材状的部件，将它们层叠并接合来同时形成多个泵，此后，将该层叠体切割，分割成各个泵，在这种情况下，生产性进一步提高。

由于隔膜室（压力室）和各自的阀经一方的阀座片材相接，所以，使隔膜室和各自的阀相连的流体流路极短，能够使隔膜的流体排出时的隔膜室容积充分小。即、能够使（最大容积/无用容积）的比极大。为此，能够在每个隔膜的行程确实地进行吸入/排出动作，流体的排出量（流量）的管理正确。另外，由于隔膜面积大，所以，能够使流体的吸引/排出力增大，存在不限于非压缩性的流体（液体等），也可以用于压缩性的流体（气体等）的可能性。

附图说明

图1是作为本发明的一实施例的微型隔膜泵的立体图。

图2是图1所示的微型隔膜泵的分解立体图。

图3是图1所示的微型隔膜泵的放大侧视剖视图。

图4是图1所示的微型隔膜泵的一部分的放大分解立体图。

图5是阀板片材的阀板和流路开口的俯视图。

图6是阀座片材的阀座和阀挡块的俯视图。

图7是图6中的VII－VII线放大剖视图。

图8是按图5的VIII－VIII线剖开的层叠体的侧视剖视图。

具体实施方式

实施例1

图1～4中，符号10是有关本发明的微型隔膜泵。该泵10是将多个不锈的金属薄板和框体多层化接合，即、将金属薄板等对位，层叠并接合的泵，是一边约7～10mm的四边形。12是阀板片材，如图5所示，是在厚度0.01mm（10微米）的不锈薄板上通过蚀刻、加压冲切形成了阀板14和流路开口16的阀板片材。这里，阀板14被保持在一面从与流路开口16大致同径的阀板开口14a向内径侧折曲，一面延伸的支撑臂14b上。

18是阀座片材，如图6所示，是在厚度0.05mm的不锈薄板上通过蚀刻、加压冲切形成了阀座20和阀挡块22的阀座片材。阀座20具有成为流路的圆形的开口20a和沿着该周缘的环状的突条20b。该突条20b如图7所示，能够通过留有突条20b，将该周边半蚀刻（通过蚀刻，除去到规定的深度）而使之略微地凹陷而形成。在图7中，20c表示该半蚀刻的范围。半蚀刻的是从开口20a的中心开始与流路开口16大致同径的范围。

阀挡块22具有与该突条20b相比宽度宽的环状部22a和在该环状部22a的周围在周方向被分割的3个流路22b。该环状部22a如后所述，是在组装了泵10的状态下，经阀板14与阀座20的突条20b相向的部件。另外，环状部22a的圆形的开口部22c如后所述，由于有必要使锻压工具穿过，所以，与突条20b相比，径略微大。

准备各两张这样加工的阀板片材12和阀座片材18，将阀板片材12、12像图2～4所示那样重叠，在其两侧重叠阀座片材18、18，并多层化接合。例如，扩散接合（在真空中加热?加压而接合）。另外，此时的阀板片材12、12从图2、4可知，使左右相反（旋转180度）或表里相反而重叠。为此，阀板片材12的阀板14和流路开口16在使阀板片材12的左右相反或表里相反时，形成在与阀座片材18的阀座20、阀挡块22同心地重叠的位置。其结果为，在该层叠体（预备层叠体）24上形成图3所示的吸入阀26和排出阀28。

在前述突条20b形成DLC的皮膜。该DLC例如能够通过真空蒸镀、溅射等物理的方法（PVD）、等离子CVD等化学的方法（气相成长法）形成。此时，在突条20b以外的区域，进行用于防止被膜形成的遮掩。另外，在进行半蚀刻20c时，在该突条20b等的不进行蚀刻的区域进行用于防止蚀刻的遮掩。

在该预备层叠体24上，如图4所示，使具有圆环状加压面的锻压工具（冲头等）30的前端从上方穿过设置在吸入阀26的阀挡块22上的开口部22c，将阀板14向其之下的阀座20的突条20b推压（锻压）。同样，使锻压工具30的前端从下方穿过设置在排出阀28的阀挡块22上的开口部22c，将阀板14向其之上的阀座20的突条20b推压。其结果为，阀板14和突条20b的磨合提高，能够提高闭阀时的密封性。

图2～4中，符号32是基座板。该基座板32例如是厚度0.5mm的不锈板，形成有与吸入阀26的阀座20（开口20a）相向的流路32a和与排出阀28的阀挡块22（流路22b）相向的流路32b。这些流路32a、32b被层叠在预备层叠体24的下面。

34是框体，是外形与基座板32相同，在厚度为0.02mm的不锈薄板上从外周缘以规定宽度冲切了内侧的四边形的开口部34a的部件。该开口部34a包围吸入阀26和排出阀28的周围。36是隔膜，是厚度0.05mm的不锈薄板。它的外形也与基座板32相同。38是第2框体，是厚度0.04mm的不锈薄板。该第2框体38的外形与基座板32相同。

在前述预备层叠体24，在下面重叠基座板32，在上面依次重叠框体34、隔膜36和第2框体38，一面进行加压，一面被多层化接合。例如，被扩散接合。其结果为，在隔膜36和与它相向的上方的阀座片材18之间形成隔膜室（压力室）40。

若像上述那样，进行多个金属薄板的多层化接合，则接着，从第2框体38的右方开始，向隔膜36粘贴片材状的PZT42。若该PZT42是极化前的PZT，则将它放入电场中进行极化。与该PZT42的电极连接的配线被向上方引导，与未图示出的驱动回路连接。

该实施例中，将基座板32的流路32a、32b分别与流体的供给路和排出路（均未图示出）连接，使PZT42的驱动回路工作而使用。隔膜36因PZT42的工作而上下振动，隔膜室40的容积因该振动而变化。在隔膜室40因该振动而成为负压时，吸入阀26的阀板14从阀座20离开，吸入阀26打开，排出阀28的阀板14碰撞阀座20，排出阀28关闭。其结果为，从吸入阀26新吸入流体。在隔膜36对隔膜室40进行加压时，吸入阀26关闭，排出阀28打开，流体从隔膜室40穿过排出阀28并被排出。

符号说明

10：微型隔膜泵；12：阀板片材；14：阀板；14a：阀板开口；14b：支撑臂；16：流路开口；18：阀座片材；20：阀座；20a：开口；20b：突条；20c：半蚀刻范围；22：阀挡块；22a：环状部；22b：流路；22c：开口；24：预备层叠体；26：吸入阀；28：排出阀；30：锻压工具；32：基座板；34：第1框体；36：隔膜；38：第2框体；40：隔膜室；42：驱动元件（压电元件、PZT）。

Claims

1.一种微型隔膜泵，所述微型隔膜泵具有与吸入阀以及排出阀的一侧相接的隔膜室，其特征在于，

具备两张阀板片材、两张阀座片材、基座板、框体、隔膜和驱动元件，

所述两张阀板片材形成有前述吸入阀以及排出阀的一方的阀板和成为另一方的阀的流路的流路开口，相互以阀板和流路开口相向的朝向被层叠，

所述两张阀座片材被层叠在该层叠体的两面，形成有与前述一方的阀板片材的阀板相向的阀座以及与另一方的阀板片材的阀板相向的阀挡块，

所述基座板与一方的阀座片材重叠，具有分别与前述吸入阀以及排出阀连通的2个流路，

所述框体与另一方的阀座片材的周缘重叠，将前述吸入阀以及排出阀包围，

所述隔膜与该框体重叠，在与重叠了该框体的阀座片材之间形成隔膜室，

所述驱动元件保持在该隔膜上。

2.如权利要求1所述的微型隔膜泵，其特征在于，两张阀板片材和两张阀座片材由金属薄板形成，它们被做成将两张阀板片材用两张阀座片材夹着而被多层化接合的层叠体。

3.如权利要求1所述的微型隔膜泵，其特征在于，阀板被保持在从形成在阀板片材上的阀板开口的内缘向内径侧延伸的支撑臂，形成在阀板片材上的流路开口以及成为形成在基座板上的排出阀的流路的流路开口的开口径与前述阀板开口的内径相等。

4.如权利要求1所述的微型隔膜泵，其特征在于，阀板片材的阀板以及流路开口和阀座片材的阀座以及阀挡块通过蚀刻、加压冲切加工的任意一种来加工。

5.如权利要求2所述的微型隔膜泵，其特征在于，框体和隔膜是金属薄板，它们被层叠在通过权利要求2形成的层叠体的一侧面，分别将基座板层叠在该层叠体的另一侧面而被多层化接合。

6.如权利要求1所述的微型隔膜泵，其特征在于，在形成在两张阀座片材上的阀座形成与阀板相向的环状的突条，提高与阀板的密闭性。

7.如权利要求6所述的微型隔膜泵，其特征在于，在形成在两张阀座片材上的环状的突条成膜有DLC，被实施突条的硬化、平滑化处理。

8.如权利要求7所述的微型隔膜泵，其特征在于，两张阀板片材的阀板被实施向阀座片材的环状的突条推压，使与突条的紧贴性提高的锻压加工。

9.如权利要求8所述的微型隔膜泵，其特征在于，阀座片材的阀挡块具备与形成在其它的阀座片材的阀座上的突条相向的环状部和在该环状部的周围，在周方向被分割的流路，可将锻压加工具插通于前述环状部。

10.如权利要求1所述的微型隔膜泵，其特征在于，驱动元件是粘贴在隔膜上的压电元件。

11.如权利要求10所述的微型隔膜泵，其特征在于，在隔膜上紧固将压电元件包围的第2框体。