JP2010249119A - 角振動遠心力ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】弁が不要なターボ型ポンプを、簡潔で小型化にも適した構造で実施する事、及び、軸シールドが不要なポンプ構造も可能にする事。
【解決手段】角振動子１を角振動運動させる事によって、径貫通穴２の中にある流体に遠心力を作用させるターボ型遠心ポンプとする。角振動子１を角振動運動させるために、「共鳴振動モータ」を組合せて用いる。「共鳴振動モータ」を組入れることによってポンプ構造と駆動機構の一体化を実現し、小型化に適合する。角振動運動は、３６０°回り切らない揺動範囲内での角振動子１の反復回転である故に、吸入管８を角振動運動の径貫通穴２に繋ぐ構造が可能になり、シールド不要の構造を実施できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電流をポンプ圧力に変換する装置に関する。

流体ポンプとしては、容積型ポンプやターボ型ポンプが一般的である。容積型ポンプはたとえばダイヤフラムポンプであり（特許文献１参照）、ターボ型ポンプはたとえば遠心ポンプである（特許文献２参照）。

特開２００４−０６０６４０号 特開２００９−０１１７６７号 特開２００７−２８９９１１号

容積型ポンプでは弁構造を必要とし、つまり弁のシールド機構が必要である。シールド機構は劣化し、ポンプ性能に影響するため、容積型ポンプのエネルギー変換効率はターボ型ポンプの場合よりも低い。一方、ターボ型ポンプはエネルギー変換効率に優れ、流量と吐出圧の適用幅が広いが、駆動モータをポンプ外部に取付けるため、装置全体のサイズが大きくなる。更に、一般のターボ型ポンプは、シャフト周りの液漏れ（流体漏れ）を防止すべく、軸シールド機構も必要である。軸シールドを無くすためには磁気軸を利用することも考えられるが、磁気軸は高度な磁気制御機構を必要とする。また特許文献３は、特にポンプとしての実施の詳細は開示していない。

本発明は、弁が不要なターボ型ポンプを、簡潔で小型化にも適した構造で実施するものであり、軸シールドが不要なポンプ構造も可能にする。

本発明の一観点によれば、ケースと、前記ケースに往復回転運動可能に収容される角振動子と、角振動子を保持するためにケースに設けられる保持部と、ケースに設けられる電磁コイルとを備える角振動遠心力ポンプが提供される。角振動子は、第１磁気双極子と圧送流路を有する。圧送流路は、流体を受け入れる圧送入口と、流体の出口としての圧送出口とを有する。保持部は、第１磁気双極子から発せられる磁力に基づき、角振動子を保持する。保持部は、第２磁気双極子あるいは磁性体を含む。角振動子は、保持部に対して振動可能である。磁力は、角振動子の振動の静止点と、振動の固有振動数とを規定する。固有振動数に同調させられた電流が電磁コイルに供給されると、角振動子は共振する。その結果、圧送流路内の流体に遠心力が作用することによって、圧送出口から流体が吐出される。

請求項１の発明によれば、弁が不要なターボ型ポンプを実施できるため、容積型ポンプに比べて優れる。通常の遠心ポンプでは、ポンプ構造の外部に駆動装置を要するが、本発明では遠心ポンプに「共鳴振動モータ」を組入れることによって、ポンプ構造と駆動機構の一体化を実現し、小型化に適合する。また、流体漏れのない、完全なシールド性能のポンプも実施できる。角振動子の角振動運動は、３６０°回り切らない範囲内の反復回転である事から、回転シャフトをシールド不要な構造が実現できている。更に本発明のポンプ
は簡潔な構造で製作が容易であり、故障要因が少ない装置となる。また、後述の表２に示すように、本発明ではポンプサイズに対する出力性能が高く、ポンプ性能を幅広く設計できる。

また、請求項２の発明によれば、図１〜図３に示すように角振動子を容易に製造できる。請求項３の発明によれば、第１磁気双極子を軸線に近く配置すると、角振動子の慣性モーメントを小さくすなわち共鳴周波数を高くできる。一方、振動子円盤の半径を大きくすると、径貫通穴を長くでき、大きな遠心力を径貫通穴内の流体に作用できる。請求項４の発明によれば、図５に示すように軸受部を搬送流体から遮断した遠心ポンプを実現できる。従って、流体に含まれる粒子（たとえば血液中の赤血球）が軸受部によってすり潰されることを防止できるため、たとえば心臓ポンプに好適である。請求項５の発明によれば、振動子円盤の共振振動を円滑に継続できる。請求項６の発明によれば、図３に示すように、径貫通穴から吐出後の流体を、ケース内で攪拌せずに外部に搬送できるため、エネルギーロスを少なくすることができる。請求項７の発明によれば、流体漏れシールド性能を向上できる。請求項８の発明によれば、図４に示すように径貫通穴を長くして遠心力を大きくしつつ、角振動子の慣性モーメントを小さくできるため、ポンプ効率を向上できる。請求項９の発明によれば、水中に細かな多数の気泡を送り込むエアーポンプを好適に実現できる。

図１（ａ）は、図２（ａ）に示す角振動子の平断面図。図１（ｂ）は、図１（ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図。図１（ｃ）は縦断面図。 図２（ａ）は、本発明を具体化した第１実施形態に係る角振動遠心力ポンプの平断面図。図２（ｂ）は、図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図。図２（ｃ）は縦断面図。図２（ｄ）は作用を示す平断面図。 図３（ａ）は、エネルギー変換効率に優れる第２実施形態の遠心力ポンプの平断面図。図３（ｂ）は、図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線断面図。図３（ｃ）は縦断面図。図３（ｄ）は作用を示す平断面図。 図４（ａ）は、第３実施形態の遠心力ポンプの平断面図。図４（ｂ）は、図４（ａ）の４Ｂ−４Ｂ線断面図。 図５（ａ）は、第４実施形態の遠心力ポンプの平断面図。図５（ｂ）は、図５（ａ）の５Ｂ−５Ｂ線断面図。 図５（ａ）の遠心力ポンプを、駆動制御する駆動制御装置のブロック図。 図７（ａ）は、第５実施形態の遠心力ポンプの断面図。図７（ｂ）は、図７（ａ）の７Ｂ−７Ｂ線断面図。

図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、中空円筒である角振動子１は、軸方向に延びる貫通穴としての軸方向穴１ａから外周面１ｂまで径方向に延びる径貫通穴２を２本有する。２本の径貫通穴２は、角振動子１を横切るように、角振動子１の軸線Ｃを通過して径方向に１直線に延びるように形成される。角振動子１に、円筒中心を軸線Ｃとする角振動運動を与えると、径貫通穴２は圧送流路として機能し、径貫通穴２内の流体が遠心力によって圧送され、角振動子１の外部に吐出される。角振動運動とは、３６０°未満の回転運動範囲で、回転運動を順回転と逆回転で周期反復する運動と定義する。なお、図１（ａ）には、角振動子１の内半径ｒ_１と外半径ｒ_２も示す。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、角振動子１を角振動運動させるための構造を有する第１実施形態の角振動遠心力ポンプを示す。この遠心力ポンプは、特許文献３の「共鳴振動モータ」を組合わせたものである。

中空の箱状のケース３の内部に、角振動子１を収容する。ケース３は、角振動子１の軸方向穴１ａに入り込んで角振動子１を回転可能に支持する一対の軸受部４を有する。軸方向穴１ａの内周面と、軸受部４の外周面の互いに接触する部分には、角振動子１が滑らかに角振動運動できるようにするための表面加工をする。

ケース３は更に、吐出管９が繋がれる吐出口用空隙５と、ケース３外部から軸受部４を通過して軸方向穴１ａ内に達する２つの吸入口用空隙６とを有する。吐出管９を通した状態の吐出口用空隙５の周囲には、ケース３内部を外部から遮蔽する密封処理を施す。吸入管８は、ケース３外部から二又に分岐され、それぞれ吸入口用空隙６を通過して、角振動子１の軸方向穴１ａ内を延び、径貫通穴２に繋がれる。本実施形態では、吸入管８は径貫通穴２に差し込まれ、角振動子１の外周面１ｂまで延びる。吸入管８の先端８ａは、径貫通穴２の角振動運動に応じた滑らかな変形が要求されるため、柔軟な材質が適切であり、例えば吸入管８にはシリコーンゴムの管を用いる。その結果、吸入管８は角振動中の径貫通穴２に、流体を連続供給できる。つまり、吸入管８が吸入口用空隙６から径貫通穴２まで延びることによって、遠心力ポンプは完全な流体漏れシールド性を発揮できる。径貫通穴２の径方向内端を圧送入口２ａと称し、径貫通穴２の径方向外端を圧送出口２ｂと称する。圧送入口２ａは、吸入管８によって、吸入口用空隙６から流体を受け入れるように当該吸入口用空隙６に接続され、圧送出口２ｂは、ケース３の内部空間を通じて、吐出口用空隙５に流体を流すように当該吐出口用空隙５に接続される。

角振動子１自体を磁石にすることによって、角振動子１を第１磁気双極子にする。ケース３に磁石を埋込むことによって、ケース３を第２磁気双極子とする。第２磁気双極子は、第１磁気双極子の磁力に基づき角振動子１を保持する保持部（固定子）である。なお、磁石ではない角振動子１に、磁石を埋込むことによって角振動子１を第１磁気双極子にしても良いし、ケース３自体を磁石にして第２磁気双極子にしても良い。

第１双極子の磁場が、第２磁気双極子の磁場とが作用しあう事によって、角振動子１の安定位置、すなわち振動の静止点が決まる。たとえば図２（ａ）と図２（ｂ）に示すように、これら図において角振動子１の外周面１ｂの上半分がＳ極を示し、外周面１ｂの下半分がＮ極を示すように第１磁気双極子を形成する。そしてケース３は、角振動子１のＳ極に対向する部分がＮ極を示し、角振動子１のＮ極に対向する部分がＳ極を示すように形成する。

たとえば図２（ａ）が角振動子１の安定位置を示す場合、角振動子１は、図２（ａ）において軸線Ｃ回りの力を受けると、ケース３内で力の方向に応じて図２（ｄ）に示すように軸線Ｃ回りに回転し、力の作用がなくなると図２（ａ）に示すように安定位置に向かって戻る。つまり角振動子１は、静止点を中心とした振動運動を行い、力が作用しないとやがては静止点に収束する。角振動子１は、ケース３内で振動系を形成している。

径貫通穴２は、角振動子１の軸線Ｃを通る軸方向穴１ａから、外周面１ｂに向かって延びていれば良い。角振動子１の安定位置は、軸線Ｃ周りのどの回転位置であっても良い。角振動子１が角振動すれば、径貫通穴２内の流体に遠心力が作用してポンプ作用が生じるからである。

振動系には固有振動数があり、第１磁気双極子と第２磁気双極子の形状、配置、および磁石の強さを調整することで固有振動数を調整できる。更に角振動子１の負荷に応じて、固有振動数は変化する。角振動子１が角振動する場合の角速度の変化は、第１磁気双極子と第２磁気双極子の形状、配置、および磁石の強さで決まるが、概ね回転角に応じた正弦波に近い変化であるといえる。

なお、ケース３の第２磁気双極子は、磁石ではない磁性体であっても良い。つまり角振動子１から発する磁場が、ケース３の磁性体と作用することによって、角振動子１の静止点を規定できればよい。ケース３の第２磁気双極子または磁性体は、角振動子１から発する磁気によって角振動子１をケース３に対して保持するための保持部として機能する。

電磁コイル７は、第１磁気双極子と第２磁気双極子の間に生じる第１磁力線に対し、垂直成分を持つ第２磁力線を発生させるために配置される。図２（ａ）では、ケース３の外面に電磁コイル７を巻付ける。

電磁コイル７に電流を流すと、電磁コイル７から第２磁力線が発生して、角振動子１を振動させる。電磁コイル７に流す電流を周期電流とし、電流周波数を調節することによって電磁コイル７の磁場振動数を角振動子１の固有振動数に一致させると、角振動子１は共振し、効率に優れた振動運動が生じる。つまり遠心力ポンプの振動系は、電流から提供されたエネルギーを、角振動子１の回転速度エネルギーと磁場の位置エネルギーに変換して蓄積する。遠心力ポンプに蓄積されるエネルギー量は、角振動子１の慣性モーメントをＩ［Ｋｇ・ｍ² ］、１周期内での最大角速度をω［ラジアン／ｓ］とした場合、Ｉω² ／２［Ｊ］である。

このような共振時に吸入管８から径貫通穴２に流体を連続供給すると、流体は径貫通穴２内で遠心力を受け、角振動子１から外方に連続吐出させられる。つまり径貫通穴２を首振り振動させることによって径貫通穴２内の流体に遠心力を付与して圧送し、圧送出口２ｂから吐出させる。この流体搬送エネルギーが振動系の出力エネルギーであって振動系から消費されるため、この出力エネルギーをまかなうように角振動子１を共振させる。

以上のように、「共鳴振動モータ」の機構をポンプ機構に一体に組込む構造にすることによって、角振動を利用したターボ型の遠心ポンプを実現できる。
上記実施形態は、以下の利点（作用効果）を有する。

（１） 遠心力ポンプは、角振動子１を角振動させることによって、径貫通穴２内の流体に遠心力を付与して圧送する。つまりケース３に対して角振動子１を軸受部４で機械的に回転支持した状態で、ケース３外部から電磁力で角振動子１を振動させる。よって、角振動子１に動力を付与する構成に関してケース３を密閉できる。たとえば、ケース３を貫通する回転シャフトを介して、ケース３外部から駆動モータで角振動子１を駆動するような構成とは異なり、軸シールド機構が不要であるし、小型化にも適する。

（２） また、円筒磁石からなる角振動子１に、径貫通穴２を設けるだけで角振動子１を形成できる。よって角振動子１の製造が容易である。
（３） また、角振動子１の軸方向穴１ａに入り込む軸受部４の内部に、吸入管８を通す。よって、角振動子１を回転支持する構成を有効活用して、径貫通穴２に流体を供給するための構成を実現できる。軸受部４は吸入管８を安定して支持する。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第２実施形態の遠心力ポンプを示す。
ケース１３の中空部を、円筒状に変更した。つまりケース１３は、角振動子１とほぼ同じ大きさの円筒状のケース内周面１３ａを有し、ケース内周面１３ａの径は角振動子１の外径よりも僅かに大きい。ケース内周面１３ａが角振動子１の外周面１ｂを回転可能に支持すべく、互いの対向する部分には鏡面コーティングが施される。つまりケース内周面１３ａが軸受として機能するため、図３（ｂ）に示すように、角振動子１の軸方向穴１ａに入り込む軸受部４は不要である。吸入管８の先端８ａは、角振動子１の軸方向穴１ａ内に流体を注ぎ込むことが出来れば良い。

吐出口用空隙５は、角振動子１が角振動する場合の径貫通穴２の往復動範囲Ａ（図３（ａ）に図示）を包囲するように、ケース内周面１３ａにおいて周方向に延びる。吐出口カバー１０は、径貫通穴２の圧送出口２ｂと、ケース内周面１３ａとの間を流体密閉すべく、吐出口用空隙５を密着して覆う。吐出口カバー１０から吐出管９がケース外部に延びる。つまり圧送出口２ｂは、吐出口カバー１０の内部を介して、吐出口用空隙５に流体を流すのであり、ケース内周面１３ａと角振動子１の外周面１ｂとの間には流体が漏れないようにする。吸入口用空隙６と吐出口用空隙５それぞれの流体漏れシールド性を保つべく、ケース内周面１３ａと、角振動子１の外周面１ｂそれぞれの曲率を調整する。図３（ａ）の遠心力ポンプも、電磁コイル７への周期電流供給によって駆動される。

図３（ａ）の遠心力ポンプは、更に以下の利点を有する。
（４） 図２（ａ）の遠心力ポンプでは、角振動子１の外周面１ｂが流体中で運動し、流体を撹拌する。しかし、図３（ａ）の角振動子１の外周面１ｂは、流体を撹拌しない構造であるため、エネルギー変換効率上で優れる。更に図３（ａ）の場合、吸入管８は運動しないため、角振動子１の角振動は一層滑らかであり、エネルギーロスを少なくする。更に図３（ａ）では、角振動子１の第１磁気双極子と、ケース１３の第２磁気双極子との空隙が少ないため、磁場相互作用が強く、振動系の固有周波数を高め、高出力にできる。

図４（ａ）と図４（ｂ）は、第３実施形態を示し、簡潔に作成できる遠心力ポンプの実施事例を示す。
ケース３は、四角枠型の内側ケース３ａと、内側ケース３ａを密閉収容する外側ケース３ｂとからなる。外側ケース３ｂに、吐出口用空隙５と吸入口用空隙６が形成される。内側ケース３ａは、一対の軸受部４を介して、中空シャフト１１を回転可能に支持する。中空シャフト１１には、第１双極子の磁石としての角振動子１と、貫通穴支持腕１２とが一体回転可能に取付けられる。貫通穴支持腕１２は、内側ケース３ａの四角枠の隙間を通り越して径方向に延びることによって、角振動子１よりも径方向外方に突出する貫通穴収納腕である。貫通穴支持腕１２は、中空シャフト１１の軸方向穴１１ａに連通する２本の径貫通穴２を有する。

吸入管８は、外側ケース３ｂ外部から内側に通され、更に中空シャフト１１の軸方向穴１１ａに通される。そして吸入管８は、二又に分岐してそれぞれ径貫通穴２に通され、貫通穴支持腕１２のそれぞれ先端まで通される。内側ケース３ａに、電磁コイル７を巻付ける。外側ケース３ｂの内面には、第２双極子すなわち保持部としての固定子磁石１４を２個取付ける。つまり外側ケース３ｂは、内側ケース３ａ、電磁コイル７、固定子磁石１４、および中空シャフト１１を密封収納する。外側ケース３ｂの吐出口用空隙５には、吐出管９を取付ける。第１双極子と第２双極子による第１磁力線は、図４（ａ）と図４（ｂ）ではそれぞれ上下方向に延びる。

つまり、図４（ａ）と図４（ｂ）の装置は、更に以下の利点を有する。
（５） 貫通穴支持腕１２は、角振動子１の外半径を小さくしつつも、径貫通穴２を長くするために用いる。角振動子１の外半径が小さい方が、角振動子１の慣性モーメントが小さいため、角振動子１の共鳴周波数を高くでき、従って強い遠心力を得やすい。つまり角振動子１の外半径が小さい方が、ポンプ出力を高くし易い。一方、径貫通穴２が長い方が、共通の周波数に対して強い遠心力を取り出し易く、ポンプ出力を高くし易い。

図４（ａ）と図４（ｂ）の遠心力ポンプによれば、弁が不要で軸シールドが不要な小型ポンプを、装置サイズは１辺約３ｃｍ、装置重量は約４０ｇで実現できる。角振動子１は、中空円筒のネオジウム磁石であり、角振動子１の外半径ｒ₂ は８．５ｍｍ、内半径ｒ₁ は３ｍｍ、軸方向寸法は１５ｍｍである。吸入管８は、外径約１ｍｍ、内径約０．４ｍｍのシリコーンゴムホースを２本束ねて用いた。電磁コイル７は、径０．２６ｍｍのエナメ
ル線を１００巻きした。

電磁コイル７に５０Ｈｚ程度のパルス電流を流し、順次、パルス電流の周波数を調整すると、約７０Ｈｚの近辺で、角振動子１は固有周波数に共鳴した角振動運動した。振動角つまり振幅角度は、概ね２ラジアンになる。この結果、角振動子１は遠心ポンプとして働き、約１１０ｃｍまでの揚水能力を発揮した。即ちポンプ圧力は、約１１ｋｐａである。吐出管９に対する負荷圧０での吐出流量は約５０ｍｌ／分であり、ポンプ仕事量は約０．０１Ｗである。汲み上げ高さ５０ｃｍへの揚水能力は、約３０ｍｌ／分を示すことができる。

図５（ａ）、図５（ｂ）、および図６は、人工心臓ポンプに適する出力が可能な第４実施形態を示す。この遠心力ポンプは、血液を破壊しない特性を示す。
図５（ａ）と図５（ｂ）に示すように、扁平な円筒状のケース３は、中空シャフト１１を収容する。中空シャフト１１に繋いだ径貫通穴２から吐出される流体は、ケース３の内部流路３ｃを通り吐出管９に流れてゆく。ケース３の天板と底板は、それぞれ中央部にシャフト受け穴を有しており、このシャフト受け穴の周面が軸受部４として機能し、中空シャフト１１を回転可能に支持する。ケース３の天板と底板それぞれの軸受部４のケース内側面を、弾性シール材１５で覆う。ケース３の天板と底板それぞれの軸受部４のケース外側面は、補助ケース３ｄによって覆われている。中空シャフト１１は弾性シール材１５を貫いているが、中空シャフト１１の側面は弾性シール材１５と密封接着されている。弾性シール材１５によって、ケース３内側の流体（つまりケース内部流路３ｃの流体）は、軸受部４から遮断される。

中空シャフト１１の両端には、それぞれ吸入管８が接続される。中空シャフト１１のそれぞれ端部は、軸受部４を通過する。吸入管８は、補助ケース３ｄに形成された吸入口用空隙６を通り抜けつつ、補助ケース３ｄに密着固定される。つまり、補助ケース３ｄの外部に流体が存在しても、この補助ケース３ｄの外部の流体は、補助ケース３ｄによって、軸受部４から遮断される。

図５（ａ）と図５（ｂ）の装置は、更に以下の利点を有する。
（６） 上述の構成は、本実施形態の装置が体内に埋め込まれる事を想定している。つまり、軸受部４は、弾性シール材１５と補助ケース３ｄによって、密閉されている。その結果、吸入管８から遠心力ポンプに流入して、そして遠心力を付与されて吐出管９から外部に吐出される流体は、軸受部４に接することがない。ここで、微細な粒子を搬送する流体すなわち「搬送流体」として、例えば赤血球などの粒子を搬送する血液を本実施形態のポンプによって圧送する場合を考える。その場合、搬送流体に含まれる粒子（例えば、血液中の赤血球）などは、軸受部４によってすり潰されることが防止される。

吸入管８は、補助ケース３ｄに密着固定されるが、補助ケース３ｄの内側の吸入管８の部分は、中空シャフト１１の角振動運動に応じて滑らかに変形できる。その結果、中空シャフト１１はケース３に対して回転可能である。弾性シール材１５には、例えば飴ゴムや、シリコーンゴムが適用できる。

さらに図５（ａ）と図５（ｂ）に示すように、中空シャフト１１には、振動子としての扁平な振動子円盤（回転円盤）１６が、一体回転可能に取付けられている。振動子円盤１６は、比重が小さな非磁性体材料によって形成され、例えばプラスチックで形成される。振動子円盤１６には、それぞれ第１双極子としての２個の振動子磁石１７を、軸線周りに１８０°間隔で取付ける。それぞれの振動子磁石１７のＮ極とＳ極は、軸線方向に並ぶ。２個の振動子磁石１７は、互いに同じ方向を向いている。たとえば２個の振動子磁石１７のＮ極は、いずれもケース３の天板に向かい、２個の振動子磁石１７のＳ極は、いずれも
ケース３の底板に向かう。このように振動子円盤１６は、２個の第１双極子（１７）を有する角振動子として機能する。

振動子円盤１６は４本の径貫通穴２を９０°間隔に有する。それぞれ径貫通穴２は、中空シャフト１１の内部に連通し、振動子円盤１６の内周面から外周面まで延びる。
ケース３の天板には、２個の固定子磁石１４を１８０°間隔で配置し、更に６個の電磁コイル７を、図５（ａ）に示すように取付ける。２個の固定子磁石１４のＮ極とＳ極は、互いに同じ方向に向かい、且つ振動子磁石１７とは逆方向に向かって取付けられる。つまり、固定子磁石１４のＳ極は、振動子磁石１７のＳ極に向かい、固定子磁石１４のＮ極は振動子磁石１７のＮ極に向かう。６個の電磁コイル７は、固定子磁石１４とは重ならないように配置されている。具体的には、６個の電磁コイル７のうちの４個は、９０°間隔で、それぞれ固定子磁石１４から４５°の位置に配置されている。そして残りの２個の電磁コイル７は、固定子磁石１４を避けて、他の電磁コイル７から４５°の位置に配置されている。

ケース３の底板にも、同様に２個の固定子磁石１４と、６個の電磁コイル７を取付ける。ケース３の天板の固定子磁石１４は、ケース３の底板の固定子磁石１４に対向し、磁力は互いに引き合うように働いている。ケース３の天板と底板の１対（２個）の固定子磁石が、第２双極子を構成する。つまりケース３には２個の第２双極子が、それぞれ振動子円盤１６の２個の第１双極子とは反発する方向に取り付けられた事になる。従って、振動子円盤１６は軸線を中心としてその周りに回転可能であるが、振動子磁石１７が固定子磁石１４に対して軸心周りに９０°となる位置で、静止位置となる。ケース３の底板の電磁コイル７は、それぞれケース３の天板の電磁コイル７と軸方向に向き合う。

上述の装置は、更に以下の利点を有する。
（７） 振動子磁石１７を軸線に近く配置すると、振動子円盤１６の角振動運動が高い共鳴周波数を得るように調整し易い。一方、振動子円盤１６の半径を大きくすると、径貫通穴２を長くでき、大きな遠心力を径貫通穴２内の流体に作用させることができる。

この構造は、ケース３内部にある搬送流体に含まれる粒子を、すり潰さないにしつつ、搬送流体にポンプ特性を与える。つまり、軸受部４を、弾性シール材１５と補助ケース３ｄによって、搬送流体から遮断した。すなわち、中空シャフト１１と、シャフト受け穴としての吸入口用空隙６との接触面を、搬送流体から密封遮断した。その結果、搬送流体中の粒子のすり潰しを防いでいる。

（８） また、従来の遠心力ポンプは、モータなどの駆動源を、ケース３の外部に配置する必要があったため、駆動源とシャフトの間のシールが不可欠であった。しかし、本実施形態の遠心力ポンプでは、駆動源をケース３の外部に配置しなくて済むため、ケース３の密封を確実にし易い。

ケース３は、複数の吐出口用空隙５を有し、それぞれに吐出管９が取付けられる。ケース３の内部は、流体が一定方向に流れ易い形状にする。図５（ｂ）に矢印で示すように、振動子円盤１６の外周面から吐出された流体は、一旦、振動子円盤１６の上面と下面にそれぞれ沿って径方向内方に向かって流れ、そして吐出管９に入り、ケース３の外部に吐出される。

例えば、それぞれ径貫通穴２の長さを概ね３．５ｃｍとする。それぞれ径貫通穴２の断面は矩形であり、４本の径貫通穴２の合計した断面積を概ね０．５ｃｍ² に構成しておく。角振動子１が４０サイクル以上で固有の共鳴振動数を持つように、振動子磁石１７と固定子磁石１４の大きさと距離を調整して配置しておく。また、振動子円盤１６は外径７０
ｍｍ、厚み８ｍｍとする。

電磁コイル７は周期駆動するが、１周期を位相分割して個々のコイルを駆動するタイミングと電流の正逆を、角振動運動し易いように制御する。「表１」に、制御の一例を示す。ここで、６個の電磁コイル７を、１８０°間隔の電磁コイル７毎に、２個の第１コイル７ａ、２個の第２コイル７ｂ、２個の第３コイル７ｃの計３組として便宜上名付け、第０相から第７相までの計８相の励磁パターンを表１に示す。表１において、「＋」は、励磁した電磁コイル７からの振動子磁石１７に対する引力駆動を示し、「−」は励磁した電磁コイル７からの振動子磁石１７に対する斥力駆動を示す。

遠心力ポンプの負荷圧が変動する場合、振動子円盤１６の固有周波数も変動する。振動子円盤１６の周波数変動を、遠心力ポンプの駆動制御にフィードバックするために、振動子円盤１６の位置と回転方向を感知する位置センサ２０（図５（ａ）に示す）をケース３に取付け、そして図７の駆動制御回路２１を用いる。駆動制御回路２１は、第１駆動回路２２ａによって第１コイル７ａを駆動し、第２駆動回路２２ｂによって第２コイル７ｂを駆動し、そして第３駆動回路２２ｃによって第３コイル７ｃを駆動する。図７の発振回路２３と駆動制御回路２１は、振動子円盤１６を、振動角が概ね１．５ラジアン、振動周波数が概ね４０サイクル／秒で初期駆動する。その後、駆動制御回路２１は、位置センサ２０の検出結果を位置判定回路２４を介して受取り、そして振動角が約２ラジアン、振動周波数が約４０サイクル／秒になるように制御モードを切替えることによって、振動子円盤１６の共鳴角振動運動を継続させる。つまり駆動制御回路２１は、電磁コイル７を表１に示すように順次励磁することによって、振動子円盤１６の共振振動を継続させる。

その結果、図５（ａ）の流体ポンプは、負荷圧１３ｋｐａの状態で、７５００ｍｌ／分の吐出流量の液体ポンプとして機能する。この液体ポンプは、血液の内容物を壊さない特性を発揮するため、血液ポンプに適用でき、人工心臓ポンプを実施することができる。

図７は、エアーポンプに適する出力が可能な第５実施形態を示す。
つまり図７の装置は、簡潔な構造で、水中に空気を送ることが出来る。吸入管８としてのシリコーンゴムの管を、中空シャフト１１の内部を通して振動子１を貫き、そして径貫通穴２に通している。装置を水槽１８の底あるいは壁面に固定し、吸入管８の先端を水面１９から外に出しておく。

角振動子１の一部あるいは全体が磁石で構成され、そして角振動子１の磁力は、固定子磁石１４と図７の上下方向に引き合っている。電磁コイル７に周波電流を流した状態で、角振動子１が共鳴して角振動運動になるよう、周波数を調整する。角振動運動によって径貫通穴２に生じるポンプ圧力は、吸入管８から取り込んだ気体たとえば空気を、水中に、細かな多数の気泡として吐き出す。この作用は、例えば観賞用水槽に用いるようなエアー
ポンプに適している。

以下、本発明の遠心力ポンプの論理及びポンプ能力試算を詳述する。
説明のために、図１（ａ）に示すように、角振動子１の内半径をｒ₁ ［ｍ］、外半径をｒ₂ ［ｍ］とする。また、角振動子１の軸線Ｃから、径貫通穴２の先端までの長さ（径貫通穴長さ）をｒ₃ ［ｍ］とする。図１では径貫通穴長さｒ₃ ＝外半径ｒ₂ であるが、図４のような場合は径貫通穴長さｒ₃ ＞外半径ｒ₂ になる。径貫通穴２の直径Φ［ｍ］とする。径貫通穴２を複数にする事も可能であるので、１つの角振動子１における径貫通穴２の個数をｓ［個］とする。角振動運動の角速度は、正弦波状に変化する場合とする。

角振動子１の角振動運動の振動角をα［ラジアン］（図２（ｄ）参照）、角振動運動の周波数をｆ［サイクル／ｓ］とする。角振動運動中では、角速度ω［ラジアン／ｓ］は変化するが、平均した角速度ω₁ とすると、ω₁ ＝２αｆである。径貫通穴２内に存在する物体には、遠心加速度ａ［ｍ／ｓ² ］が作用する。等加速度の円運動において角速度がω₁ の場合、円筒中心からｒ［ｍ］の径貫通穴２中央位置の物体には、遠心加速度ａ＝ｒω₁ ²が作用する。

角振動運動で角速度ωが正弦波状に変化して、１周期平均の角速度がω₁ の場合、周期の位相位置をθ［ラジアン］、１周期＝２π［ラジアン］とすると、周期位相位置に対する角速度ω（θ）は、
ω（θ）＝（π／２）ω₁sinθである。この場合、円筒中心からｒ［ｍ］位置の径貫通穴２内の物体に作用する遠心加速度ａは、
ａ（θ）＝（π² ／４）ｒω₁ ²ｓｉｎ²θである。

１周期平均の遠心加速度をａ₁ は、１サイクルの積分を平均した算定から、
ａ₁ ＝（π² ／４）ｒω₁ ²である。
従って、径貫通穴２内部に満たした液体には、平均した遠心加速度
ａ₁ ＝（π² ／４）ｒω₁ ²＝π² ｒα² ｆ²
が、円筒中心から円筒側面に作用すると想定できる。

径貫通穴２の断面積をＳ［ｍ² ］とすると、Ｓ＝πｓ（Φ／２）² である。径貫通穴２内の液体容量ｙ［ｍ³ ］は、ｙ＝Ｓｒ₃ である。液体比重をｇ［ｇ／ｃｍ³ ］、径貫通穴２内液体重量をｍ［ｋｇ］とすると、ｍ＝１０００ｇｙである。径貫通穴２内液体には、円筒中心から円筒側面に向かう遠心力Ｆ［Ｎ］が作用し、平均するとＦ［Ｎ］＝ｍａ₁ 、即ちＦ＝６２．５π² ｇＳｒ₃ ²α² ｆ² である。この遠心力がポンプ吐出力であり、ポンプ圧力をＡ［Ｎ／ｍ² ］とすると、Ａ＝Ｆ／Ｓ、即ちＡ＝２５０π² ｇｒ₃ ²α² ｆ²
である。 Ａ［Ｎ／ｍ² ］はＡ［ｐａ］と同じである故、ポンプ圧力をＢ［ｋｐａ］で表わす場合、Ｂ＝Ａ／１０００である。

液体が径貫通穴２を通過するために必要な平均時間ｔ［ｓ］は、ｔ＝√（ｒ₃ ／ａ₁ ）
であり、液体の平均した径貫通穴２の通過速度ｖ［ｍ／ｓ］は，ｖ＝ｒ₃ ／ｔ である。ポンプ出力側の負荷圧が０の場合の、１秒間の吐出容量をＹ［ｍ² ／ｓ］とし、１秒間の吐出重量をＭ［ｋｇ／ｓ］とすると、Ｙ＝ｙ／ｔ であり、Ｍ＝ｍ／ｔ である。負荷圧が０での１分間の吐出流量Ｚ［ｍｌ／分］は、Ｚ＝６×１０⁷ Ｙ である。ポンプ作用で消費する１秒当りの仕事量をＰ［Ｎ・ｍ／ｓ］とすると、Ｐ＝Ｆｖであり、単位は［Ｎ・ｍ／ｓ］、即ち［Ｗ］である。

整理して、３つのポンプ出力諸元、すなわちポンプ圧力Ｂ［ｋｐａ］、負荷圧０での１分間吐出流量Ｚ［ｍｌ／分］、およびポンプ仕事量Ｐ［Ｗ］をそれぞれ以下のポンプ与諸元で示す。ポンプ与諸元としては、径貫通穴の長さｒ₃ ［ｍ］、径貫通穴２の直径Φ［ｍ
］、径貫通穴個数ｓ［個］、角振動運動の振動角α［ラジアン］、角振動運動の周波数ｆ［サイクル／ｓ］、および液体比重ｇ［ｇ／ｃｍ³ ］がある。

Ｂ＝（π² ／４）ｇｒ₃ ²α² ｆ²
Ｚ＝７５０００００π² ｓΦ² ｒ₃ αｆ
Ｐ＝３１．２５π⁴ ｓｇΦ² ｒ₃ ³α³ ｆ³
これらＢ，Ｚ，Ｐの３式は、径貫通穴の長さｒ₃ と振動角αと周波数ｆに対して、ポンプ圧力Ｂは２乗に比例し、負荷圧０での１分間吐出流量Ｚは比例し、ポンプ仕事量Ｐは３乗に比例する事を明示する。さらに、負荷圧０での１分間吐出流量Ｚとポンプ仕事量Ｐは共に、径貫通穴２の数ｓに比例し、径貫通穴２の直径Φの２乗に比例する事を示している。

さらに、負荷圧A₁ [ｐa]がかかる場合の流量を算定する。負荷圧分を減じた補正ポンプ圧力をA₂ [ｐa]、これに対応する補正遠心力をF₂[N] 、補正遠心加速度をa₂[m／s²] とすると、A₂=A−A₁， F₂＝A₂S ， a₂＝F₂／m である。

この場合に液体が径貫通穴２を通過するために必要な補正平均時間をｔ₂ とすると、T₂＝√（r₃／a₂） である。１秒間の補正吐出容量 Y₂［m³］は、 Ｙ₂ ＝ｙ／ｔ₂ となり、求める１分間補正流量をＺ₂ ［ｍｌ／分］とすると、
Z₂＝６０００００００Ｙ₂ である。

これをポンプ与諸元と負荷圧A₁ で示す。
Ｚ₂ ＝１５０００００πｓΦ² √（２５π² ｒ₃ ²α² ｆ² −A₁／１０ｇ₂ ）
上述の各式に、具体的な数値を代入すると、ポンプ能力を試算できる。代入例を、表２に示す。表２は、扱う液体を、比重１の水とした場合の算定である。

表２において、条件１と出力１と負荷出力１は、径貫通穴２の長さｒ₃ が１ｃｍで、径貫通穴２の直径Φが１ｍｍの場合に、振動角が１ラジアンで１００サイクルの共鳴角振動運動をさせた場合を示す。この場合、出力としてのポンプ圧力は２．４ｋｐａであり、負荷圧０での吐出流量は７３ｍｌ／分である。更に、ポンプ出力は０．００３Ｗであり、負荷圧が１ｋｐａの場合の吐出流量は５７ｍｌ／分になる事を示す。

条件２は、既述した図４の実施事例に対応する。条件３はパソコンサーバー冷却用に適合できるマイクロポンプの能力に対応し、３ｃｍサイズで実施できる事を示す。条件４は人工心臓ポンプの能力に対応している。条件５は、１ｃｍサイズのマイクロポンプとして実施できる能力事例を示している。条件６は、８ｃｍサイズのマイクロポンプとして実施できる能力事例を示している。

このように表２は、長さ１ｃｍ〜４ｃｍの径貫通穴２が、１ラジアン〜２ラジアンの振動角で、５０サイクル〜２００サイクルの角振動運動を行なった場合に、以下のようなポンプ諸元を与える。ポンプ圧力は２ｋｐａ〜４０ｋｐａ、負荷圧０での流量は５ｍｌ／分〜１３０００ｍｌ／分、そしてポンプ仕事量は１ｍＷ〜８Ｗの幅広い性能設定ができるポンプである。

上記各実施形態は、以下のように変更可能である。
・径貫通穴２の延びる方向は、角振動子１に対して径方向であることに限らず、斜めであったり途中で曲がっていても構わない。換言すれば、角振動子１の往復回転運動によって生じる遠心力を受けて、流路内の流体が吐出口に向かって圧送されるように流路が延びていればよい。

・径貫通穴２の本数は、２本であることに限らず、１本だけでも良いし３本以上でも良い。

１…角振動子。１ａ…軸方向穴。１ｂ…外周面。２…圧送流路を構成する径貫通穴。２ａ…圧送入口。２ｂ…圧送出口。３，１３…ケース。３ｃ…ケース内部流路。４…軸受部。５…吐出口用空隙。６…吸入口用空隙。７…電磁コイル。８…吸入管。９…吐出管。１０…吐出口カバー。１１…中空シャフト。１２…径貫通穴支持腕。１３ａ…ケース内周面。１４…保持部と第２磁気双極子をそれぞれ構成する固定子磁石。１５…弾性シール材。１６…振動子円盤。１７…第１磁気双極子を構成する振動子磁石。１８…水槽。１９…水面。２０…位置センサ。２１…駆動制御回路。２２ａ…第１駆動回路。２２ｂ…第２駆動回路。２２ｃ…第３駆動回路。２３…発振回路。２４…位置判定回路。

Claims (9)

1. ケース（３）と、前記ケース（３）に往復回転運動可能に収容される角振動子（１）と、前記角振動子（１）を保持するために前記ケース（３）に設けられる保持部（１４）と、前記ケース（３）に設けられる電磁コイル（７）とを備える角振動遠心力ポンプであって、
   前記角振動子（１）は第１磁気双極子（１７）と圧送流路（２）を有し、前記圧送流路（２）は、流体を受け入れる圧送入口（２ａ）と、前記流体の出口としての圧送出口（２ｂ）とを有し、
   前記保持部（１４）は前記第１磁気双極子（１７）から発せられる磁力に基づき前記角振動子（１）を保持し、前記保持部（１４）は第２磁気双極子（１４）あるいは磁性体を含み、前記角振動子（１）は前記保持部（１４）に対して振動可能であり、前記磁力は前記角振動子（１）の振動の静止点と、前記振動の固有振動数とを規定することと、
   前記固有振動数に同調させられた電流が前記電磁コイル（７）に供給されると前記角振動子（１）は共振し、その結果、前記圧送流路（２）内の前記流体に遠心力が作用することによって、前記圧送出口（２ｂ）から前記流体が吐出されることを特徴とする、角振動遠心力ポンプ。
2. 前記角振動子（１）は軸線回りに回転運動し、前記角振動子（１）は、軸方向に延びる軸方向穴（１ａ）を有し、前記圧送流路（２）は前記軸方向穴（１ａ）から径方向外方に延びることを特徴とする、請求項１記載の角振動遠心力ポンプ。
3. 前記角振動子（１）は、前記軸方向穴（１ａ）を有する中空シャフト（１１）と、前記中空シャフト（１１）に一体回転可能に取付けられる振動子円盤（１６）とによって構成され、前記振動子円盤（１６）は前記圧送流路（２）を区画形成するための径貫通穴（２）を有し、前記振動子円盤（１６）に前記第１磁気双極子（１７）が設けられ、
   前記電磁コイル（７）と前記第２磁気双極子（１４）は、それぞれ前記軸線に沿った方向で前記振動子円盤（１６）に対向可能なように前記ケース（３）に配置されることを特徴とする、請求項２記載の角振動遠心力ポンプ。
4. 前記ケース（３）は、前記圧送流路（２）から吐出された流体を外部に流すためのケース内部流路（３ｃ）を区画形成し、
   前記角振動遠心力ポンプは更に、
   前記角振動子（１）を前記ケース（３）に対して回転可能に支持する軸受部（４）と、
   前記軸受部（４）を前記ケース内部流路（３ｃ）に対して密閉する弾性シール材（１５）と
   を備えることを特徴とする、請求項３記載の角振動遠心力ポンプ。
5. 複数の前記電磁コイル（７）が、前記振動子円盤（１６）の周方向に並べられ、
   前記ケース（３）には、前記振動子円盤（１６）の位置と回転方向を検出する位置センサ（２０）が設けられ、
   前記角振動遠心力ポンプは、前記位置センサ（２０）の検出結果が入力される駆動制御回路（２１）に接続され、前記駆動制御回路（２１）は、複数の前記電磁コイル（７）を順次励磁することによって前記振動子円盤（１６）の共振振動を継続させることを特徴とする、請求項３または４記載の角振動遠心力ポンプ。
6. 前記角振動子（１）は、前記軸線の周りを取り囲む外周面（１ｂ）を有し、前記ケース（１３）は、前記角振動子（１）の前記外周面（１ｂ）を回転運動可能に支持するケース内周面（１３ａ）を有することを特徴とする、請求項２〜５何れか一項記載の角振動遠心力ポンプ。
7. 前記圧送出口（２ｂ）は、前記角振動子（１）の前記外周面（１ｂ）において開口し、
   前記ケースには、前記圧送出口（２ｂ）と前記ケース内周面（１３ａ）との間を密閉する吐出口カバー（１０）が設けられ、前記吐出口カバー（１０）は、前記角振動子（１）が共振状態の場合の前記圧送出口（２ｂ）の往復動範囲を包囲するように、前記ケース内周面（１３ａ）において周方向に延び、
   前記吐出口カバー（１０）から吐出管（９）が延び、前記圧送出口（２ｂ）から吐出された流体は、前記吐出管（９）を通って前記ケース（３）の外部に吐出されることを特徴とする、請求項６記載の角振動遠心力ポンプ。
8. 前記角振動子（１）には、前記圧送流路（２）を区画形成する径貫通穴（２）を有して径方向に延びる径貫通穴支持腕（１２）が設けられ、前記径貫通穴支持腕（１２）は、前記角振動子（１）よりも径方向外方に突出するように形成されることを特徴とする、請求項１〜７何れか一項記載の角振動遠心力ポンプ。
9. 前記角振動遠心力ポンプは更に、前記ケース（３）の外部から前記角振動子（１）の軸方向穴（１ａ）の内部に連結される吸入管（８）を有し、前記角振動遠心力ポンプは、前記吸入管（８）から取り込んだ気体を、液体中に送り込むエアーポンプとして機能することを特徴とする、請求項１〜８何れか一項記載の角振動遠心力ポンプ。

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