JP4795428B2 - ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、流体用のポンプに係り、特には、ポンプ送り空洞が実質的に円柱状の形状であるが、アスペクト比が大きくなるように寸法決めされた、即ち該空洞が円盤状であるようなポンプに関する。

閉じられた空洞内での大きな振幅の圧力振動の発生は、熱音響学及びポンプ／コンプレッサの分野で大きな注目を浴びている。非線形音響学における近年の進展は、以前に可能であると考えられていたよりも大きな振幅の圧力波の発生を可能にした。

定まった流入口及び吐出口からの流体のポンプ送りを達成するために音響共振を使用することは知られている。これは、音響定常波を励起させる音響ドライバを一端に備える円柱状空洞を用いて達成することができる。このような円柱状空洞内において、音響的圧力波は限られた振幅を有する。大きな振幅の圧力振動を達成し、これによりポンプ送り効果を大幅に増加させるために、円錐、ホーン円錐、球（bulb）等の変化する断面の空洞が使用されている。このような大振幅波においては、エネルギ消失を伴う非線形作用は抑圧されている。しかしながら、半径方向の圧力振動が励起されるような円盤状空洞内では、大振幅音響共振は使用されていない。

駆動アーマチャの質量とスチールダイヤフラムのバネ力が組み合わさって気体空洞に機械的共振駆動力を供給するような線形共振コンプレッサも知られている。この駆動力は、使用時に１.５ｍｍまでの変位が可能なスチールダイヤフラムを介して４ｃｍと１５ｃｍとの間の直径の（コンプレッサの設計に依存する）円柱状空洞に結合される。駆動周波数は、機械的共振により１５０Ｈｚと３００Ｈｚとの間に設定される。この周波数においては、半径方向の音響的波長は空洞の半径よりも大幅に長い。したがって、この空洞ポンプにおいては半径方向圧力振動が利用されないと推論することができる。この線形共振コンプレッサに使用される低周波数駆動メカニズムは、電気機械的アーマチャ、板バネサスペンション、ノイズ・エンクロージャ（雑音防止カバー）及び振動取付サスペンションを含む。この結果、該コンプレッサは全体の寸法が大きくなる。

本発明は、上述した課題の１以上を克服することを目的とするものである。

本発明によれば、
１以上のアクチュエータと、
２つの端壁と、
側壁と、
使用時に流体を含むと共に、前記端壁及び側壁により境界を仕切られた実質的に円柱状の形状を有するような空洞と、
前記空洞の壁を経る少なくとも２つの開口であって、これら開口の少なくとも１つが弁付き開口であるような少なくとも２つの開口と、
を有し、
前記空洞の半径ａ及び高さｈが、
ａ／ｈ＞１.２及び
ｈ^２／ａ＞４×１０^−１０ｍ
なる不等式を満足し、
前記アクチュエータが前記端壁の一方又は両方の、これら端壁の面に実質的に垂直な方向の振動運動を生じさせ、
これにより、使用時において、前記端壁の軸方向の振動が前記空洞内において流体圧の半径方向の振動を励起させるような流体ポンプが提供される。

液体をポンプ送りする場合、ｈ^２／ａは４×１０^−１０ｍより大きくなければならないが、気体をポンプ送りする場合は、該比が１×１０^−７ｍより大きいことが好ましい。

上記のような空洞の半径及び高さの間の関係が与えられた場合、本発明は高いアスペクト比を持つ略円盤（ディスク）状の空洞を提供する。

本発明は、上記空洞内で音響共振が確立される点で、音響ポンプと考えることができる。しかしながら、典型的には１ｍｓ^−１程度の駆動体（ドライバ）の速度は上記空洞の幾何学構造により増幅されて、この値を遙かに超えるような実行駆動速度を付与し、非常に高い音響圧力を生じる。対応するように、この高い圧力は、アクチュエータの運動と空洞の幾何学構造との組み合わせにより気体に付与される高い加速度に対する該気体の慣性的反応（該気体の運動に対する抵抗）から生じるものと見ることができる。

本発明と、既知の円柱状及び円錐状ポンプとの間の重要な相違は、空洞内圧力に対する共振の貢献度である。既知の円柱状及び円錐状ポンプは、高圧力を達成するために高いＱ値（強い共振）に依拠し、斯かるポンプをアクチュエータ及び空洞の共振の同調に対して非常に敏感にさせる。しかしながら、本発明は大幅に低いＱ値で動作し、従って温度の変動及びポンプ負荷の変化から生じる共振の小さなずれに対し余り敏感でない。

本発明は、既知の線形共振コンプレッサの大きな寸法を、低周波数駆動機構を好ましくは圧電型の円盤状アクチュエータにより置換することにより克服する。この円盤は、典型的には１ｍｍ未満の厚さであり、５００Ｈｚより高くで、好ましくは１０ｋＨｚで、より好ましくは２０ｋＨｚ又はそれ以上で動作するように同調される。約２０ｋＨｚ又はそれ以上の周波数は、通常の人の聴力の閾より上での動作を提供し、これによりノイズ・エンクロージャの必要性をなくす。好ましくは、使用時において、当該振動運動の周波数は、空洞内における半径方向圧力振動の最低共振周波数の２０％以内とする。より好ましくは、該振動運動の周波数は、使用時において、空洞内における半径方向圧力振動の最低共振周波数に等しくする。更に、本発明の斯かる高い周波数は、上記空洞の及び全体の装置の寸法を大幅に低減させる。従って、本発明は１０ｍｌ未満の空洞容積で構成することができ、本発明をマイクロデバイス用途に理想的に適したものとさせる。円盤（ディスク）は、低空洞容積及び大振幅圧力振動を維持することが可能な幾何学形状を提供する。

上記空洞を定める端壁は実質的に平坦で且つ実質的に平行であることが好ましい。しかしながら、“実質的に平坦な”及び“実質的に平行な”なる用語は、２０ｍｍなる典型的直径にわたる２つの端壁の隔たりの変化が典型的には０.２５ｍｍ以下であるので、図５のＡ及び図５のＢに示されるもののような切頭円錐面を含むことを意図するものである。そのようであるので、当該端壁は実質的に平坦であり且つ実質的に平行である。

好ましい例において、当該空洞の半径の該空洞の高さに対する比は、２０より大きく、かくして、形成される空洞は硬貨等のもののように円盤状となる。該空洞のアスペクト比を増加させることにより、上記端壁（又は複数の端壁）の運動により発生される音響圧力は著しく増加される。

特に、当該空洞の半径が該空洞の高さの１.２倍より大きい、即ちａ／ｈ＞１.２の場合、最低周波数音響モードは長手方向というより半径方向となる。

当該空洞の本体部分は好ましくは１０ｍｌ未満とし、当該ポンプが動作している場合の該空洞における半径方向流体圧振動の最低共振周波数は最も好ましくは２０ｋＨｚより高くする。

当該空洞を画定する前記端壁の一方又は両方は、これら端壁が中央において最小距離により離隔され、縁部において最大距離により離隔されるように切頭円錐形状を有することができる。これら端壁は、好ましくは円形とするが、如何なる好適な形状とすることもできる。

上記端壁の周は、形状が楕円とすることができる。

前記アクチュエータは圧電デバイス若しくは磁歪デバイスとすることができるか、又は作動時に当該空洞の端壁の一方を駆動するためのピストンを駆動するソレノイドを含むことができる。

上記端壁の一方又は両方が駆動される。両方の端壁が駆動される例では、対向する両壁の運動は、１８０位相がずれていることが好ましい。斯かる駆動される壁の運動は、これら端壁の面に実質的に垂直は方向である。

使用時において、上記の駆動される端壁（又は複数の端壁）の運動の振幅は、当該空洞における圧力振動のプロファイル（輪郭）に密に合致する。この場合、アクチュエータ及び空洞はモード／形状が合致していると言う。円盤状の空洞の場合、圧力振動のプロファイルは、大凡、ベッセル関数となる。従って、駆動される端壁（又は複数の端壁）の運動の振幅は当該空洞の中心において最大である。この場合、空洞壁により押しやられる正味の体積は該空洞容積よりも大幅に小さく、従って当該ポンプは低い圧縮比を有する。

当該空洞の壁に設けられる如何なる弁付き開口も、好ましくは、上記端壁の中心の近くに配置される。該弁付き開口が流入口であるか又は吐出口であるかは重要ではないが、これら開口の少なくとも１つが弁により制御されることが必須である。如何なる弁無し開口も、好ましくは、０.６３ａであるような半径の円上に配置される。というのは、これが当該空洞内の最小圧力の位置であるからである。これら弁無し開口は、０.６３ａなる半径の円の０.２ａ内とすることができる。前記弁付き開口は当該空洞の中心の近くに配置されるべきである。というのは、これが最大圧力振動の位置であるからである。“弁”なる用語は、伝統的な機械式弁、並びに順方向及び逆方向の流れ制限（restriction）が大幅に異なるように設計された非対称ノズル（又は複数のノズル）の両方を含むものと理解される。

２以上のポンプを直列又は並列に組み合わせることが可能である。２つのポンプを、これらが共通の空洞端壁により分離されるように組み合わせることも可能である。このような共通端壁はアクチュエータにより形成することができ、その場合、両ポンプは同一のアクチュエータにより駆動される。

以下、本発明の実施例を、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明によるポンプ１０の概略図を示す。空洞１１は、端壁１２及び１３と、側壁１４とにより画定されている。該空洞は、形状が略円形であるが、楕円状又は他の形状も使用することができる。空洞１１には節となる気体流入口１５が設けられ、該流入口は本例では弁無しであるが、図２のＡないし図２のＤに示されるように弁付きとし、端壁１３の略中央に配置することもできる。端壁１３の略中央に配置された弁付き気体吐出口１６も存在する。上側端壁１２は、本体１８に取り付けられた円盤（ディスク）１７の下側表面により画定されている。上記流入口及び吐出口は本体１８を貫通している。

アクチュエータは、円盤１７に取り付けられた圧電ディスク２０を有している。駆動されると、該アクチュエータは上記空洞の面に実質的に垂直な方向に振動するようになされ、これにより該空洞における流体内に半径方向（放射方向）の圧力振動を発生させる。該アクチュエータの振動は、図３のＡ、図３のＢ及び図４を参照して更に説明する。

図２のＡないし図２のＤは、空洞１１に入る又は該空洞から出る弁付き及び弁無し開口の異なる配置を示す。図２のＡでは、２つの流入口開口１５は弁無しであり、これら開口は、中心が端壁１３の中心であり且つ半径が０.６３ａであるような円上の点に配置されている。弁付き吐出口１６は、端壁１３の中心に配置されている。

図２のＢでは、流入口１５及び吐出口１６の両開口は弁付きであり、下側端壁１３の中心の可能な限り近くに配置されている。図２のＤは、弁付き流入口１５及び吐出口１６が、これらが共に対応する端壁の中心に位置するように上側端壁１２及び下側端壁１３に各々配置されているような例を示している。

図２のＣは、流入口開口が弁付きであると共に端壁１３の中心に配置される一方、２つの吐出口開口が端壁１３の中心から０.６３ａ離れて設けられると共に弁無しであるような構成を示す。

図３のＡは、前記空洞の駆動される壁１２の１つの可能性のある変位プロファイルを示す。この場合、運動の振幅は当該空洞の中心で最大となり、縁部で最小となる。実線の曲線及び矢印は或る時点における壁の変位を示し、点線の曲線は半サイクル後の位置を示している。描かれた変位は誇張されている。

図３のＢは、駆動される壁１２の好ましい変位プロファイル、即ち、

のような特性を持つベッセル関数を示す。この場合、駆動される端壁１２の中心が対向する端壁１３から離れるように移動するにつれて、該駆動される端壁１２の外側部分は対向する端壁１３に向かって移動するようにされる。この場合、駆動される端壁及び当該空洞内の圧力振動はモード／形状が合致されており、該空洞１１の容積は略一定に留まる。

図３のＡ及び図３のＢにおいては、上側端壁１２のみが駆動され、矢印は該端壁１２の振動運動を示している。図４において、矢印は、上側端壁１２及び下側端壁１３の両方が、これら端壁の運動が１８０度位相がずれるように駆動されることを示している。

図５のＡ及び図５のＢは、一方（図５のＡ）又は両方（図５のＢ）の端壁が切頭円錐状であるようなテーパ付き空洞を図示している。空洞１１が、どの様にして、半径方向端部で一層大きな高さを有する一方、中心において端壁間の距離が最小となるかがわかるであろう。このような形状は、当該空洞の中心において増加された圧力を提供する。典型的には、当該空洞の直径は２０ｍｍであり、ｈ_１は０.２５ｍｍであり、ｈ_２は０.５ｍｍである。そのようであるので、前述した定義によれば、端壁１２及び１３が如何にして依然として実質的に平らであり且つ実質的に平行であることが理解されよう。

図６のＡは、空洞が共通な端壁を共有するような２空洞型ポンプを示している。この場合、第１の空洞２１は第２の空洞２２からアクチュエータ２３により分離されている。第１の空洞は端壁１２及び側壁１４により画定され、他方の端壁はアクチュエータ２３の一方の表面となっている。第２の空洞は、端壁１３、側壁１４及びアクチュエータ２３の反対側表面により画定される。この構成では、両空洞が単一のアクチュエータ２３により同時に駆動される。図６のＢは、アクチュエータ２３の１つの可能性のある変位プロファイルを示している。尚、流入口及び吐出口の位置は明瞭化のために図６のＡ及び図６のＢから省略されている。

図７のＡ及び図７のＢは、図６のＡ及び図６のＢに示された２空洞型ポンプに関する空洞２１及び２２に入る又はこれら空洞から出る弁付き及び弁無し開口の異なる配置を示している。図７のＡにおいて、２つのポンプ流入口開口１５は、端壁１３の中心から空洞２２の半径の０.６３倍離れた位置に設けられ、弁無しである。２つのポンプ吐出口開口１６は、端壁１２の中心から空洞２１の半径の０.６３倍離れた位置に設けられ、弁無しである。空洞２１及び２２は、アクチュエータ２３の中心に設けられた弁付き開口２４により接続されている。

図７のＢでは、弁付きポンプ流入口１５が端壁１３の中心に設けられる一方、弁付きポンプ吐出口１６が端壁１２の中心に設けられている。空洞２１及び２２は、これら空洞２１及び２２の半径の０.６３倍の位置に設けられた弁無し開口２５により接続されている。

空洞１１の半径ａは、

なる方程式により共振動作周波数ｆに関係しており、ここで、ｃは作動流体における音速である。

殆どの流体に対し、１１５ｍｓ^−１＜ｃ＜１９７０ｍｓ^−１に対応して、７０ｍｓ^−１＜ａ・ｆ＜１２００ｍｓ^−１である。使用時において、空洞内の圧力振動は、前記平らな端壁の一方又は両方の振動運動を生じさせる圧電アクチュエータにより励起される。一対の弁（流入口及び吐出口）、又は単一の吐出口弁及び節となる流入口開口の何れかが、ポンプ送りされた流れを発生するために使用される。

ｈ及びａの選択が、当該ポンプの動作の周波数を決定することになる。発生される圧力は、幾何学的増幅係数α、共振空洞のＱ値、アクチュエータの速度ｖ、流体の密度ρ及び流体中の音速ｃの関数である。

上記幾何学的増幅係数αは、

により与えられる。

従って、該幾何学的増幅度が１０より大きくなるためには、

となる。

粘性境界層厚δは、

により与えられ、ここで、μは当該流体の粘度である。上記粘性境界層が空洞の厚さの半分未満となるためには、

となる。

図１を参照して、駆動壁１２の変位は、アクチュエータ速度ｖ及びその周波数ｆに依存し、空洞の厚さより小さくなければならず、

となる。

上側及び下側空洞壁の両方が、１８０度位相がずれて駆動される場合、最大のアクチュエータ変位は、この値の半分となる。

多くの用途が小さなポンプを必要とし、従って、Ｖ＝πａ^２ｈなる小さな空洞容積Ｖを必要とする。

下記の設計規準が、最適な動作のための好ましい値に対し重要である：
・空洞共振周波数 − 好ましくは、５００Ｈｚ以上、
・幾何学的増幅係数 − 好ましくは、１０より大、
・粘性境界層の厚さ − 好ましくは、空洞の厚さの半分未満、
・空洞壁の変位は、空洞の厚さより小さくなければならない、
・空洞の容積 − 好ましくは、１ｃｍ^３未満。

図１は、本発明の一実施例の概略縦断面図である。 図２のＡ〜Ｄは、弁付き及び弁無し開口の異なる配置を示す。 図３のＡ及びＢは、駆動される空洞端壁の変位プロファイルを示す。 図４は、上側及び下側の両端壁を駆動させるポンプを示す。 図５のＡ及びＢは、テーパ状の空洞を示す。 図６のＡ及びＢは、空洞が共通の端壁を共有するような２空洞型ポンプの概要及び変位プロファイルを示す。 図７のＡ及びＢは、図６のＡ及びＢの２空洞型ポンプのための弁付き及び弁無し開口の異なる配置を示す。

符号の説明

１０ ポンプ
１１ 空洞
１２ 端壁
１３ 端壁
１４ 側壁
１５ 流入口の開口
１６ 吐出口の開口
２０ アクチュエータ
２１ 第１の空洞
２２ 第２の空洞
２３ アクチュエータ

Claims (17)

1. １以上のアクチュエータと、
   ２つの端壁と、
   側壁と、
   使用時に流体を含むと共に、前記端壁及び側壁により境界を仕切られた実質的に円柱状の形状を持つ空洞と、
   前記空洞の壁を通る少なくとも２つの開口であって、これら開口のうちの少なくとも１つが弁付き開口である開口と、
   を有する流体ポンプであって、
   前記空洞の半径ａ及び高さｈが、
   （ａ／ｈ）が１.２より大きい、且つ、
   （ｈ^２／ａ）が４×１０^−１０ｍより大きい、
   なる不等式を満足し、
   前記アクチュエータは、使用時に、前記端壁の一方又は両方の、これら端壁の面に実質的に垂直な方向の振動運動を生じさせ、
   これにより、使用時に、前記端壁の軸方向振動が前記空洞内の流体の圧力の半径方向振動を励起させ、
   前記空洞の半径ａが、更に、
   

   

   を満足し、ここで、c_minは１１５m/sであり、c_maxは１９７０m/sであり、ｆは動作周波数であり、ｋ_０は定数（ｋ_０＝３.８３）である流体ポンプ。
2. 前記比（ａ／ｈ）が２０より大きい請求項１に記載のポンプ。
3. 前記空洞の容積が１０ｍｌ未満である請求項１又は請求項２に記載のポンプ。
4. 使用時において、前記振動運動の周波数と前記空洞における前記半径方向圧力振動の最低共振周波数との差が前記振動運動の周波数の２０％以内である請求項１に記載のポンプ。
5. 使用時において、前記空洞における前記半径方向流体圧力振動の最低共振周波数が５００Ｈｚより高い請求項１ないし４の何れか一項に記載のポンプ。
6. 前記端壁の一方又は両方が、これら端壁が中心において最小距離により、縁部においては最大距離により離隔される切頭円錐形状を有している請求項１ないし５の何れか一項に記載のポンプ。
7. 前記アクチュエータが圧電デバイスである請求項１ないし６の何れか一項に記載のポンプ。
8. 前記アクチュエータが磁歪デバイスである請求項１ないし６の何れか一項に記載のポンプ。
9. 前記アクチュエータがソレノイドを含む請求項１ないし６の何れか一項に記載のポンプ。
10. 前記端壁の運動が前記空洞内の圧力振動にモード／形状が合致している請求項１ないし９の何れか一項に記載のポンプ。
11. 前記端壁の運動の振幅がベッセル関数の形態に等しい請求項１ないし１０の何れか一項に記載のポンプ。
12. 前記空洞の壁における如何なる弁無し開口も、該空洞の中心から０.４３ａから０.８３ａまでの距離に配置され、ここでａが前記空洞の半径である請求項１ないし１１の何れか一項に記載のポンプ。
13. 前記空洞の壁における如何なる弁付き開口も、前記端壁の中心に配置されている請求項１ないし１２の何れか一項に記載のポンプ。
14. 前記比（ｈ^２／ａ）が１０^−７メートルより大きく、作動する前記流体が気体である請求項１ないし４の何れか一項に記載のポンプ。
15. ２つのポンプの前記空洞が共通の空洞端壁により分離されている請求項１ないし１４の何れか一項に記載の一対のポンプ。
16. 前記共通の空洞端壁がアクチュエータにより形成されている請求項１５に記載の一対のポンプ。
17. 前記ポンプが直列又は並列に接続されている請求項１ないし１６の何れか一項に記載の一対のポンプ。

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