JP2008523311A - 磁気パルスポンプ／圧縮機システム - Google Patents

Abstract

マグネットポンプシステムは、高圧、高電流パルスによって、磁気によって変形可能な弾性部材をアーチ形の外面を有するマンドレル上に撓ませるリング状の電磁石を含む。アーチ形外面と弾性部材内側との間の容積は減少して、流体の圧縮と一方向通路システムの吐出口を通しての放出が起こる。磁場が弱まると、弾性部材は形状を戻し、一方向通路システムの入口を通して流体を引き込む。

Description

本発明は、可撓性チューブポンプに関し、より詳細には、マンドレル上に撓む、磁気可撓性エラストマー部材を伴うポンプに関する。

往復ポンプは、多くの用途での使用に、特に、液体の流速が比較的遅く、要求される液体圧力が比較的高い環境での使用に非常に望ましい。圧力上昇が比較的低く流速が比較的高いことが求められる用途に関しては、簡単で、コストが低く、保守要件が少ないことから、単段遠心ポンプが好まれる。

他のポンプの型は、可撓性チューブポンプである。このようなポンプは、センシティブな媒体の輸送や加圧、または、「クリーンな」真空を達成することが比較的重要な真空場での用途に用いられることが多い。可撓性部材を用いたポンプの一般的な形態は、ベローズポンプとダイヤフラムポンプである。ダイヤフラムポンプは、通常、送出される容積の一部を形成するエラストマーである。通常は入口の一方向弁と出口の一方向弁があるポンプヘッドスペース内で可撓性部材を往復させることによって、送出される媒体は、ポンプヘッドに入り、ポンプヘッドから押し出される。可撓性部材を作動させる機構は、モータへの連結であってもよく、弁で調節された圧縮空気であってもよい。

他のアクチュエータは、チューブ端またはチューブ端に近接する入口ポートおよび出口ポートを有するシャフト上に引き伸ばされることによってシャフトに密封する磁気応答性弾性チューブを含む。この密封された本体内で、入口ポートの近くに磁場が生成される。この磁場は、チューブに対してほぼ同心で、チューブは磁場に向かって周囲方向に広がることによって応答する。これによって、チューブとシャフトとの間に容積が作り出され、磁場の影響の外側にあるチューブの長さ部分は、シャフトに密封されたままとなる。その後、ポンプ軸に沿って磁場が移動すると、入口ポートから出口ポートまでの囲まれた容積は変化し、任意の媒体は移動し、磁場が低下すると、容積が吐出される。このサイクルによって、ポンプ動作が生じる。

不都合なことに、既知の可撓性チューブポンプは、複雑で、製造および最小ポンプ圧の提供に比較的コストがかかる。

従って、より高い圧力を提供する高価でない可撓性チューブポンプを提供することが望ましい。

本発明によるマグネットポンプシステムは、リング状の電磁石を含み、高圧、高電流パルスにより、リング状電磁石は、磁気によって変形可能な弾性部材をアーチ形の外面を伴うマンドレル上に撓ませる。アーチ形の外面と弾性部材内側との間の容積は低減され、その中の流体の圧縮と一方向通路システムを通しての放出を引き起こす。磁場が弱まると、チューブは、元の形状に戻り、一方向通路システムを通して流体を引き込む。

磁石に通電すると、強力な磁場が形成される。弾性部材が導電性の場合、渦電流が、弾性部材上に生成される。これによって、リング状磁石の磁場に対抗する磁場が形成される。２つの磁場は互いに反発し、弾性部材の弾性により、マンドレルの方に移動する。弾性部材が磁性を有する場合、その磁石の磁場とリング状磁石の磁場は、互いに反発し、同じ作用が生じる。

従って、本発明は、より高い圧力を提供する高価でない可撓性チューブポンプを提供する。

図１は、ポンプアセンブリ１０の一般的な斜視図を示す。ポンプアセンブリ１０は、通常、マンドレル１２と、マンドレル１２の周りに取り付けられた、磁気によって変形可能な弾性部材１４と、この磁気によって変形可能な弾性部材１４の周りのリング状磁石１６と、を含む。ポンプアセンブリ１０は、ガス圧縮機として記述するが、流体ポンプの圧縮機等の他の使用においても、本発明から同様に利益を得る。

マンドレル１２は、縦軸Ａを規定する。マンドレル１２は、軸Ａの周りに規定されたアーチ形の外面１７を有する略砂時計状の略管状の部材である。外面１７は、放物線状であると、より好ましい。入口ポート２０および吐出ポート２２を有する通路システム１８（図２）は、マンドレル１２の縦方向の各々の端部に隣接して取り付けられた、対向するマニホールド２４，２６内に規定される。マニホールド２４，２６は、マンドレル１２と一体化してもよく、マンドレル１２に留め具Ｆ（図３）等で取り付けられる別の部品であってもよい。

図２では、通路システム１８は、アーチ形の外面１７と変形可能な弾性部材１４との間に規定されるポンプ容積部Ｖと連通する。通路システム１８は、軸Ａの周りに半径方向に配置された複数の縦通路１８ａ，１８ｂ（２つが示されている）を含む。図２の断面図には、通路１８ａ，１８ｂのみが示されているが、当然のことながら、複数の通路が、軸Ａの周りに配置され得る。軸Ａから延びてアーチ形の外面１７と連通する分岐通路１８ｄを有する、軸Ａ上に位置する１本の中央通路１８ｃが、流体処理能力をさらに高めるために追加で設けられている。当然のことながら、様々な通路を本発明と共に用いることができる。

通路システム１８の各通路１８ａ〜１８ｃは、流体が入口ポート２０から吐出ポート２２にのみ流れるように、一方向逆止弁２８を含む。各通路は、容積部Ｖに流れ込む投入部と、容積部Ｖから流れ出る吐出部と、実質的に分けられる。投入部および吐出部は、線状に並んでいる必要はない。各逆止弁２８は、通路１８ａ〜１８ｃの内径に螺合されるのが好ましいが、他の取付方法を用いてもよい。

磁気によって変形可能な弾性部材１４は、導電材料または磁気材料を含浸した管状のゴム材であることが好ましい。あるいは、銅めっきされたばね鋼のストリップまたはワイヤ等の可撓性の導電性ストリップをチューブの周りに取り付ける。

変形可能な弾性部材１４を、環状締付リング３０を介して各マニホールド２４，２６に隣接したマンドレル１２に取り付ける。締付リング３０は、その各縁３６に沿ったマンドレルの楔形部分３４に対応する楔形状３２を含む。締付リング３０は、ボルト等の留め具Ｆ（図４にも示す）を介してマンドレル１２に取り付けられる。留め具Ｆが締付リング３０に螺合されて、締付リング３０は、変形可能な弾性部材１４をマンドレルの楔形部分３４に締め付ける。

リング状磁石１６は、マンドレル１２のアーチ形の外面１７に対応する放物線形状（図５）の磁場を生成するリング状磁石であることが好ましい。磁石は、スプールの周りのワイヤの巻線として製造してもよいが、ビターディスク（ｂｉｔｔｅｒ ｄｉｓｃ）３８として公知のディスクで作られた磁石であることが好ましい。

図５，図６ａ〜図６ｄでは、ビターディスク３８は、銅またはアルミから打ち抜かれ、その厚さは電流に応じて決まり、必要な能力および剛性を保持する。絶縁体は、薄いシートの絶縁材、一般的には繊維ガラスから打ち抜かれる。これらのディスク部と絶縁体部が数枚、交互に配置されて、隣り合うディスクと接触することによって螺旋つまりコイルを形成する（図７）。各ビターディスク３８の片側の接触エリアＣは、隣のビターディスク３８の反対側の干渉エリアＣ２と接触し（図６Ｂ）、それらの間で、絶縁体は、インタフェースＩ以外で、ディスク３８同士が接触するのを防ぐ。

ビターディスク３８の片方の各接触エリアＣが隣り合うビターディスク３８の反対側の接触エリアＣ２に接触するように、各ビターディスク３８を隣り合うディスクに対して回転させる。すなわち、１枚のビターディスクの接触エリアＣ１，Ｃ２は、各ビターディスク３８の半径方向に移動させられて、反対側にある。積み重ねられた隣り合う各ビターディスク３８（図７）を半径方向に移動することにより、ビターディスクの連続した螺旋状コイルを形成する。ディスクを積み重ねた後、多数の締付ボルト４０等を用いて締め付ける（図７）。ビターディスクを積み重ねた各端に冷却フィン４２を置いてもよい。

図８では、リング状磁石１６を駆動する電力供給および制御回路４４が概略的に示されている。ＡＣ電源は、変圧器によってより高い電圧に上げられる。ＡＣスイッチは、流入電力をブリッジ整流器に接続する。ＤＣスイッチは、キャパシタをリング状磁石１６に接続する。スイッチは、ＳＣＲ、ＩＧＢＴトランジスタ、および／または他の半導体装置でもよい。制御論理は、キャパシタの充電と、キャパシタのリング状磁石１６への放電を制御する。

この制御回路４４は、単相電源であることが好ましいが、変圧器とブリッジを多相変圧器とブリッジに替えることによって、多相電源を用いることができる。流入電圧と所望のＤＣ電圧によっては、変圧器を必要としない。例えば、流入電力が４８０ＶのＡＣ電圧の場合、ＤＣ電圧は、約７００Ｖとなる。スイッチが、これらの電圧を処理するよう設計されていれば、変圧器は必要ない。

動作の制御シーケンスは、通常、次のようになる。（１）最初に、ＡＣスイッチおよびＤＣスイッチを開く、（２）ＡＣスイッチを閉じ、時間Ｔ１、キャパシタを充電する、（３）ＡＣスイッチを開く、（４）ＤＣスイッチを閉じて、キャパシタからリング状磁石に放電する、（５）ＤＣスイッチを、時間Ｔ２、開く。

このシーケンスが実行される度に、リング状磁石１６は通電され、変形可能な弾性部材１４を撓ませる（図９）。時間Ｔ１は、キャパシタの充電を決定する。この時間を変更することによって、ポンプ１０が生み出す圧力を制御する。時間Ｔ２は、サイクルの頻度を決定する。時間Ｔ２は、変形可能な弾性部材１４が形状を戻すことができる時間であることが好ましい。第１段ポンプまたは圧縮機を用いて入口ポート２０を加圧することによって、動作頻度を増やしてもよい。そうすると、変形可能な弾性部材１４は撓んだ後に、より早く形状を戻すことができる。あるいは、これに追加して、磁石を反転させて、変形可能な弾性部材１４を撓んでいない状態（図２）に実質的に引き戻してもよい。第１段ポンプまたは圧縮機は、ポンプシステム１０より、圧力がかなり低くてもよい。

説明を簡単にするために、１つの磁石を図示したが、より速い流速を生み出すために多数の磁石が利用できることが好ましい。磁石は、入口ポートから吐出ポートまで連続して通電される。１つの磁石が通電されると、他の磁石の通電回路は充電できるという利点がある。特に、変形可能な弾性部材は、入口および吐出口を越えて延在しても良く、変形可能な弾性部材が入口から供給口まで延在し、吐出口から行先まで延在すれば、完全に案内不要なシステムが得られる。

当然のことながら、「前方」「後方」「上方」「下方」「の上」「の下」等の相対的に位置を表す用語は、装置の正常の動作姿勢に関したものであり、その他の点で制限を加えるものではない。

特定のステップでのシーケンスを示し、記述し、権利を請求したが、当然のことながら、ステップは、別段の定めがない限り、任意の順序で行ってよく、分けてもよく、組み合わせてもよく、その場合でも、本発明より利益を得るものとする。

これまでの記述は、限定を意図したものではなく例示的なものである。本発明の多くの修正および変更が、上述の教示を踏まえて可能である。本発明の好ましい実施形態を開示したが、一定の変更は本発明の範囲内にあることを、当業者は理解されるであろう。従って、当然のことながら、本発明は、別段の規定がない限り、請求項の範囲内で実践される。このため、本発明の真の範囲および内容を決定するために請求項を検討するものとする。

本発明によるポンプシステムの側面図。 弾性部材が圧縮されていない状態のポンプシステムの側面断面図。 ポンプシステムの平面図。 本発明によるポンプシステムのマニホールドの拡大側面断面図。 本発明と共に使用する磁場の概略図。 本発明と共に使用する磁石を形成する多数のビターディスクのうちの１枚のビターディスクの概略平面図。 多数の積み重ねられたビターディスクが螺旋状磁気コイルを形成することを可能にする接触を示す磁気ビターディスクの概略平面図。 多数の積み重ねられたビターディスクが螺旋状磁気コイルを形成することを可能にする接触エリアを示すビターディスクの概略平面図。 多数の積み重ねられたビターディスクが螺旋状磁気コイルを形成することを可能にする接触エリアを示すビターディスクの概略底面図。 一対の冷却フィン間にあるビターディスクの積み重ねの側面図。 本発明によるポンプシステムの制御回路の概略図。 弾性部材が圧縮された状態のポンプシステムの側面断面図。

Claims (19)

1. 部分的にアーチ形の外面を有するマンドレルと、
   前記部分的にアーチ形の外面の周りに取り付けられた、磁気によって変形可能な弾性部材と、
   を備えるポンプシステム。
2. 前記部分的にアーチ形の外面は、放物線状であることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
3. 前記磁気によって変形可能な弾性部材は、管状部材を含むことを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
4. 前記磁気によって変形可能な弾性部材を前記マンドレルに保持する締付リングをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
5. 前記磁気によって変形可能な弾性部材の周りに取り付けられたリング状磁石をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
6. 前記リング状磁石は、複数のビターディスクを含むことを特徴とする請求項５に記載のポンプシステム。
7. 前記マンドレル内に形成された通路システムをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
8. 前記通路システムの各通路内に置かれた一方向逆止弁をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のポンプシステム。
9. 前記マンドレル内に形成された通路システムをさらに備え、前記通路システムは、前記部分的にアーチ形の外面と前記磁気によって変形可能な弾性部材との間に位置するポンプ容積部と連通することを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
10. 前記通路システムと連通する入口マニホールドおよび吐出マニホールドをさらに備え、前記入口マニホールドおよび前記吐出マニホールドは、前記マンドレルの各々の端部に隣接して形成されることを特徴とする請求項９に記載のポンプシステム。
11. 磁気によって変形可能な管状弾性部材と、
    前記磁気によって変形可能な管状弾性部材内に少なくとも部分的に取り付けられて、弾性部材との間にポンプ容積部を形成する部分的にアーチ形の外面を有するマンドレルであって、投入ポートから前記ポンプ容積部に連通し、前記ポンプ容積部から吐出ポートに連通する通路システムを規定するマンドレルと、
    前記磁気によって変形可能な管状弾性部材を前記部分的にアーチ形の外面に向かって選択的に撓ませるように、前記磁気によって変形可能な弾性部材の周りに取り付けられたリング状磁石と、
    を備えることを特徴とするポンプシステム。
12. 前記部分的にアーチ形の外面は、放物線状で、縦軸に対して規定されることを特徴とする請求項１１に記載のポンプシステム。
13. 前記リング状磁石は、複数のビターディスクを含むことを特徴とする請求項１１に記載のポンプシステム。
14. 前記通路システムは、各通路内に一方向逆止弁を含むことを特徴とする請求項１１に記載のポンプシステム。
15. 前記通路システムと連通する入口マニホールドおよび吐出マニホールドをさらに備え、前記入口マニホールドおよび前記吐出マニホールドは、前記マンドレルの縦方向の各々の端部に隣接して形成されることを特徴とする請求項１１に記載のポンプシステム。
16. 前記通路システムは、前記入口マニホールドと前記吐出マニホールドとの間に多数の縦方向通路を含むことを特徴とする請求項１５に記載のポンプシステム。
17. 前記通路システムは、前記マンドレルによって規定される縦軸に沿った通路を含み、前記通路は、前記軸から分岐して前記ポンプ容積部と連通する分岐通路を含むことを特徴とする請求項１５に記載のポンプシステム。
18. （１）リング状磁石に通電するステップと、
    （２）磁気によって変形可能な管状弾性部材をマンドレルの部分的にアーチ形の外面に向かって磁気によって撓ませることによって、吐出口を通してポンプ容積部からの流体を連通させるステップと、
    を備えることを特徴とするマグネットポンプシステムの操作方法。
19. 前記ポンプ容積部へと接続する、または前記ポンプ容積部から接続する一方向通路システムを介して、流体を連通させるステップをさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。

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