JP2020535349A - 高流量低圧吸引デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、高流量低圧吸引デバイスを開示する。デバイスは、空気／流体／スラリーを引き込むファン（複数可）または回転インペラ（複数可）を備え、デバイスと吸引される表面との間にシールが全くない状態で動作する乱流を利用した多段低圧吸引機構に基づく非接触吸引デバイスである。デバイスは、この乱流を利用した低圧力生成をＢｅｒｎｏｕｌｌｉ（ベルヌーイ）の定理と組み合わせて高効率吸引デバイスを創出する。デバイスは上のコンセプトを、空気／流体／スラリーが、加速ゾーン（複数可）、乱流ゾーン（複数可）（高乱流ゾーン）、および平滑ゾーン（複数可）（最小乱流ゾーン）から選択される２つ、または３つのゾーン内を流れるようにすることにより実行する。デバイスは、空気／流体／スラリーを真空チャンバに引き込み、空気／流体／スラリーを加速し、乱流を周縁部近傍の薄い領域内の空気／流体／スラリーに生じさせて圧力降下を生じさせ、次に圧力を大きな底面領域にわたって維持し、最後に空気／流体／スラリーを、ファン（複数可）／回転インペラ（複数可）を介して排出することにより作用する。【選択図】図３

Description

本発明は高流量低圧吸引デバイスに関する。特に、本発明は、吸引される表面に接触する必要がなく、乱流を利用した多段高流量低圧吸引を伴う吸引機構およびデバイスについて記述する流体力学の分野に属する。この吸引デバイスは、ウォールクライマーおよび他のモバイルロボット、または傾斜面、垂直面、または上下逆さまの面に用いる玩具に使用することができる。このデバイスは、マニピュレータのエンドエフェクタとして使用することもできる。別の重要な用途は、飛行機のプッシュバックトラクタのような高い牽引力を必要とするデバイス向けであり得る。

本発明は、非接触吸引機構に基づく高流量低圧吸引デバイスの分野に関する。これらのデバイスは、向きに関係なく全ての表面上を移動することができるモバイルロボットに大規模に使用されている。ウォールクライミングロボットは、壁塗装ロボット、窓クリーニングロボット、監視ロボット、太陽電池パネルクリーニングロボット、原子力発電所の点検ロボット、および上下逆さまの面、垂直面、または極端に傾斜した表面の上を移動する必要がある多くの任意の他のロボットシステムを製造する商業用途をもつ。

磁気システム、静電システムなどのような表面に接着するための多くの技術が開発されており、各技術は、当該技術固有の利点および不具合を有している。これらの技術のうち、流体ベースの吸引技術は、流体を利用した吸引技術は、表面の材質に関係なく、様々な表面を処理することができる。流体を利用した吸引技術は、２つのカテゴリーに、すなわち接触吸引システム（可撓性シールをロボットと表面との間に使用する）および非接触システムに大きく分類することができる。接触システムまたは吸引カップは一般に、使用される単位エネルギー当たりに生成される力の点で、より効率的である。しかしながら、これらのシステムは、特に粗面の上を移動するモバイルロボットには適していない。吸引カップは、歩行用ロボットに使用され、シールを引き剥がす車輪付きロボットに使用される。この技術はいくつかの問題に遭遇する。主な問題のうちの１つの問題は、ゴムスカート（シール（引き剥がされるシールの形態））と表面の間の摩擦である。これは運動を妨げ、ゴム跡を壁に残す可能性もある。また、（ロボットが移動している）表面の特定の不均一性によりシールが接触したままになる場合、空気圧が失われ、壊滅的な不具合が生じる（シールを引き剥がすタイプおよび歩行タイプの両方に当てはめることができる）。可撓性シールおよび分割シールを使用して、特許文献１、特許文献２、および特許文献３におけるような粗面に関する問題を低減してきたが、これらは、限られた範囲でのみ効果的である。

非接触吸引システムは、モバイルロボットの状況では接触吸引システムよりも優れているが、発生する単位力当たり非常に多量のエネルギーを本質的に使用する。先行技術のこれらのシステムは通常、低い圧力を生成するＢｅｒｎｏｕｌｌｉ（ベルヌーイ）の定理に基づいている。これは、これらのシステムが、下面の大部分を特許文献４における平坦面として使用することを意味している。吸引機構／モバイルロボットの下面は、吸引される表面と連結して特許文献５におけるようなベンチュリ管を形成する。本発明のデバイスは、平坦下面を有することがないので、下面は吸引される表面と連結してベンチュリ管を形成することがない。Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ（ベルヌーイ）の定理を利用した機構は、吸引力を内向きの流体流および外向きの流体流の両方から生成することができ、これが、ベルヌーイの定理を利用したシステムを本発明のデバイスから識別するための重要な差別化因子となる。加圧空気を使用する特許文献６のような外向きの空気流を使用する多くの先行技術を見出すことができる。

他の種類の非接触吸引機構が渦吸い込み防止装置である。これらは通常、ほぼ全体がインペラからなるアンダーボディを有し、インペラは、空気（または、他の流体）をアンダーボディと吸引される表面との間の領域から押し出すことにより、低い圧力を当該領域に生成する。流れは渦状である。特許文献７および特許文献８が、渦吸い込み防止装置のいくつかの例である。これらは、高い慣性モーメントをインペラに関して有しているので、より短い応答時間および大きなジャイロスコープ歳差運動を有する。また、これらは常に、インペラがいくつかの表面の突起にぶつかることにより、表面およびインペラを損傷する危険を伴いながら動作する。

現在説明されている本発明は、乱流を利用した吸引である吸引の生成に対して根本的に新しい手法を使用する。本発明は、非接触吸引機構を利用した吸引デバイスであるので、接触吸引機構を利用した吸引デバイスと比較して優れた粗面性能を有する。本発明は、Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ（ベルヌーイ）の定理を利用した吸引デバイスよりも高いエネルギー効率を有する。また、機構およびデバイスは、Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ（ベルヌーイ）の定理を利用した吸引デバイス／吸引装置と比較して、表面突出部に対して低い感度を有する。

本発明の主たる目的は、高流量低圧吸引デバイスを設計および／または提供することにある。

本発明の１つの目的は、優れた性能および高い効率を有する乱流を利用した非接触多段高流量低圧吸引機構および／または吸引デバイスを設計および／または提供することにある。

本発明の別の目的は、上の吸引コンセプトを含む、および／または本発明の乱流を利用した３段高流量低圧吸引機構を含む非接触吸引デバイスを提供することにある。

本発明の別の目的は、上の吸引コンセプトを含む、および／または本発明の乱流を利用した２段高流量低圧吸引機構を含む非接触吸引デバイスを提供することにある。

本発明の別の目的は、上の吸引コンセプトを含む、および／または本発明の乱流を利用した３段よりも多くの段数の高流量低圧吸引機構を含む非接触吸引デバイスを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、優れた性能および高い効率を有する非接触吸引デバイス／システム／装置を提供することにあり、非接触吸引デバイス／システム／装置は、ガス（例えば、空気）、液体（例えば、水）、またはガスおよび液体の任意の組み合わせを含む任意の流体およびスラリーに作用することができ、非接触吸引デバイス／システム／装置を使用して、オブジェクトを吸引する、吊るす、保持する、持ち上げる、裁断することができ、表面に付着することができ、デバイスは、粗さ、および表面凹凸が変化する状況で堅牢に動作する。

米国特許第４，０９５，３７８号明細書 米国特許第４，８０９，３８３号明細書 米国特許第５，０１４，８０３号明細書 米国特許出願第２０１１／０１９２６６５Ａ１号明細書 米国特許出願第２００６／０１４４６２４号明細書 米国特許出願第２０１１／０１９２６６５Ａ１号明細書 米国特許第５１９４０３２号明細書 米国特許第６５６５３２１号明細書

本発明は、高流量低圧吸引デバイスを開示する。特に、本発明は、吸引される表面に接触する必要がなく、乱流を利用した多段高流量低圧吸引を伴う吸引機構、デバイス、および装置について記述する。この吸引デバイスは、傾斜面、垂直面または上下逆さまの面に用いるウォールクライマーおよび他のモバイルロボット、または玩具に、マニピュレータのエンドエフェクタとして使用することができ、飛行機のプッシュバックトラクタのような高い牽引力を必要とするデバイスに使用することもできる。

本発明の非接触吸引デバイス／システム／装置は、優れた性能および高い効率を有し、ガス（例えば、空気）、液体（例えば、水）、またはガスおよび液体の任意の組み合わせを含む任意の流体およびスラリーに作用することができ、非接触吸引デバイス／システム／装置を使用して、オブジェクトを吸引する、吊るす、保持する、持ち上げる、裁断することができ、表面に付着することができ、デバイスは、粗さ、および表面凹凸が変化する状況で堅牢に動作する。

１つの態様では、本発明は高流量低圧吸引デバイスを提供し、高流量低圧吸引デバイスは、
−ベースプレートであって、ベースプレートの内面が、ベースプレート内に物理的に作製された細分割流路セクション（物理ゾーン）を含む、当該ベースプレートと、
−ベースプレートに取り付けられ、真空チャンバの方を向いた吸引ファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）と、を備え、
−吸引ファン（複数を含む）は空気または流体もしくはスラリーを、ベースプレートの周縁部からデバイスおよびベースプレートに吸引し、ベースプレートの細分割流路セクションとしての内部幾何学設計は、空気または流体もしくはスラリーの流速を制御し、
−吸引デバイスは、吸引される表面に接触する必要がない。

１つの実施形態では、ベースプレートは、加速ゾーン、乱流ゾーン、および平滑ゾーンから選択される複数の細分割流路セクションを含む。

１つの実施形態では、ベースプレートの内面に存在する複数の細分割流路セクションは、１つの乱流ゾーンと、１つの平滑ゾーンと、を含む。

１つの実施形態では、ベースプレートの内面に存在する複数の細分割流路セクションは、１つの加速ゾーンと、１つの乱流ゾーンと、１つの平滑ゾーンと、を含む。

１つの実施形態では、ベースプレートの内面に存在する複数の細分割流路セクションは、２つの加速ゾーンと、１つの乱流ゾーンと、１つの平滑ゾーンと、を含む。

１つの実施形態では、デバイスの平滑ゾーンは分流器を含む。分流器は、吸引される表面に必ずしも触れる必要がない。分流器は、吸引される表面に触れても触れなくてもよい。

１つの実施形態では、デバイスの平滑ゾーンの分流器は、吸引される表面に触れる必要がない。

１つの実施形態では、デバイスの平滑ゾーンの分流器は、吸引される表面に触れる。

１つの実施形態では、真空チャンバは、チャンバと表面との間にシールが全くない状態で動作するように固有に設計されている。

１つの実施形態では、加速ゾーンは、存在する場合、流入する空気または流体もしくはスラリーの速度を増加させるのに役立つ吸引デバイスの外側周縁部を形成し、いくらかの乱流を空気または流体もしくはスラリーに生じさせることもでき、最終的に高速の、または高速で移動する空気または流体もしくはスラリーを乱流ゾーンに送り込む。

１つの実施形態では、乱流ゾーンは、加速ゾーンがなく、流体エネルギーの減少が生じて流体圧が減少する場合に、加速ゾーンから、またはデバイスの周縁部から高速で移動する空気または流体もしくはスラリーに乱流を生じさせる。

１つの実施形態では、ベースプレートの内面に存在する細分割流路セクション、具体的には乱流ゾーンは、複数の凹凸を有し、
（ａ）バックステップまたは軸対称凹凸が後ろに続く半環状体、
（ｂ）複数の突出部を含む非軸対称凹凸、
（ｃ）波状の幾何学形状を含む非軸対称凹凸、
（ｄ）剛毛構造、および
（ｅ）可撓性構造から選択される幾何学設計とすることができる。

１つの実施形態では、乱流ゾーンは、乱流をデバイスの周縁部に近接して位置する薄い空間に生じさせる、乱流を生じさせるための複数の凹凸または起伏のある切り欠き面によって構造または形状が異なり得る。

１つの実施形態では、平滑ゾーンの表面構造は、流れる空気または流体もしくはスラリーの断面積の変化を最小限に抑える特殊な幾何学形状を有することにより、空気または流体もしくはスラリーが向かって進むことになる断面積を一定にすることができる。

１つの実施形態では、平滑ゾーンの理想形状は、吸引される表面からのデバイスの設計高さが中心からの半径方向距離に反比例する軸対称形状である。

１つの実施形態では、流路全体にわたる一定の断面状態は、平滑ゾーンに存在する分流器により満たされる。

１つの実施形態では、デバイスは、空気または流体もしくはスラリーを真空チャンバに引き込み、空気または流体もしくはスラリーを加速し、乱流を空気または流体もしくはスラリーに生じさせて圧力降下を生じさせ、圧力を大きな底面領域にわたって維持し、最後に空気または流体もしくはスラリーを、ファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）を介して排出することにより作用する。

１つの実施形態では、吸引デバイスの基本的な全体幾何学構造は、円形または多角形もしくは自由形態の形状とすることができる。

１つの実施形態では、デバイスは吸引装置として使用することができる、またはガス（例えば、空気）、液体（例えば、水）、またはガスおよび液体の組み合わせ、ならびに固体および固体中に分散させた微粒子を有するガスまたは液体を含む流体およびスラリーに作用することができる吸引装置に使用することができる。

１つの実施形態では、吸引ファン（複数を含む）またはインペラ（複数を含む）は、ラジアルファンまたは軸流ファンもしくは両方のファンの組み合わせとすることができ、ファン（複数を含む）またはインペラ（複数を含む）のドライブシャフトは、駆動源のベルト、任意に、ギアを備えるシャフトのベルトを接続して逆方向の回転を可能にする、またはファン（複数を含む）またはインペラ（複数を含む）の速度の制御を可能にすることにより直接駆動する、または間接的に駆動することができる。

１つの実施形態では、動力源は、ＡＣ電動モータまたはＤＣ電動モータ、ガスモータまたは燃料燃焼モータ、蒸気動力、圧縮ガスまたは圧縮空気、フライホイール、または機械式巻き取り機、もしくは他の水力機構、風力機構、または磁気機構とすることができる。

１つの実施形態では、本発明は高流量低圧吸引デバイスを提供し、高流量低圧吸引デバイスは、
−ベースプレートに取り付けられ、ベースプレートの内部に形成される真空チャンバの方を向いた吸引ファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）は、空気または流体もしくはスラリーを周囲からデバイスの周縁部を介して吸引し、３つの細分割流路セクションとしてのベースプレートの内部幾何学設計は、加速ゾーン、乱流ゾーン、および平滑ゾーンを含み、
−空気または流体もしくはスラリーはデバイスの周縁部から加速ゾーンに真っ直ぐ流入し、空気または流体もしくはスラリーは加速され、次に乱流ゾーンに進入し、空気または流体もしくはスラリーは、ゾーンに生じる乱流による大量のエネルギー損失により急激な圧力降下を受け、次にその後、空気または流体もしくはスラリーは平滑ゾーンに流入し続け、平滑ゾーンの中心に存在して吸引される表面に触れる必要がない分流器の支援により、流れを分流させて制御し、一定の断面状態を、空気または流体もしくはスラリーが向かう流路全体にわたって可能とし、平滑ゾーンは圧力を、大きな底面領域表面構造全体にわたって維持し、最終的に流れが、ファン（複数を含む）により吸引され、周囲（または、サンプ）に戻るように排出されることにより、デバイスは吸引力を生成して表面を吸引し、
−吸引デバイスは、吸引される表面に接触する必要がない。

別の実施形態では、本発明は高流量低圧吸引デバイスを提供し、
−ベースプレートに取り付けられ、ベースプレートの内部に形成される真空チャンバの方を向いた吸引ファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）は、空気または流体もしくはスラリーを周囲からデバイスの周縁部を介して吸引し、２つの細分割流路セクションとしてのベースプレートの内部幾何学設計は、乱流ゾーンおよび平滑ゾーンを含み、
−空気または流体もしくはスラリーはデバイスの周縁部から、乱流を加速して空気または流体もしくはスラリーに生じさせる乱流ゾーンに直ぐ流入して、ゾーンに生じる乱流による大量のエネルギー損失により圧力降下を受け、次にその後、空気または流体もしくはスラリーは平滑ゾーンに流入し続け、平滑ゾーンの中心に存在して吸引される表面に触れる必要がない分流器の支援により、流れを分流させて制御し、一定の断面状態を、空気または流体もしくはスラリーが向かう流路全体にわたって可能とし、平滑ゾーンは乱流を最小限に抑えた状態を保つように設計され、圧力を大きな底面領域表面構造全体にわたって維持し、最終的に流れが、ファン（複数を含む）により吸引され、周囲（または、サンプ）に戻るように排出されることにより、デバイスは吸引力を生成して表面を吸引し、
−吸引デバイスは、吸引される表面に接触する必要がない。

別の実施形態では、本発明は高流量低圧吸引デバイスを提供し、
−ベースプレートに取り付けられ、ベースプレートの内部に形成される真空チャンバの方を向いた吸引ファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）は、空気または流体もしくはスラリーを周囲からデバイスの周縁部を介して吸引し、４つの細分割流路セクションとしてのベースプレートの内部幾何学設計は、２つの加速ゾーン、１つの乱流ゾーン、および１つの平滑ゾーンを含み、
−空気または流体もしくはスラリーはデバイスの周縁部から第１加速ゾーンに真っ直ぐ流入し、空気または流体もしくはスラリーは加速され、次に乱流ゾーンに進入し、空気または流体もしくはスラリーは、ゾーンに生じる乱流による大量のエネルギー損失により急激な圧力降下を受け、次に再び、第２加速ゾーンに流入し、次にその後、空気または流体もしくはスラリーは平滑ゾーンに流入し続け、平滑ゾーンの中心に存在して吸引される表面に触れる必要がない分流器の支援により、流れを分流させて制御し、一定の断面状態を、空気または流体もしくはスラリーが向かう流路全体にわたって可能とし、平滑ゾーンは圧力を、大きな底面領域表面構造全体にわたって維持し、最終的に流れが、ファン（複数を含む）により吸引され、周囲（または、サンプ）に戻るように排出されることにより、デバイスは吸引力を生成して表面を吸引し、
−吸引デバイスは、吸引される表面に接触する必要がない。

１つの実施形態では、本発明は、本発明の図１〜図２６の概略図で図示および例示される吸引デバイスを提供する。

１つの好適な実施形態では、本発明の吸引デバイスは、本発明の図１〜図３に図示および例示される通りである。

別の好適な実施形態では、本発明の吸引デバイスは、本発明の図４〜図６に図示および例示される通りである。

別の好適な実施形態では、本発明の吸引デバイスは、本発明の図７〜図９に図示および例示される通りである。

別の好適な実施形態では、本発明の吸引デバイスは、本発明の図１０〜図１２に図示および例示される通りである。

別の好適な実施形態では、本発明の吸引デバイスは、本発明の図１３〜図１５に図示および例示される通りである。

別の好適な実施形態では、本発明の吸引デバイスは、本発明の図１６〜図１８に図示および例示される通りである。

別の好適な実施形態では、本発明の吸引デバイスは、本発明の図１９に図示および例示される通りである。

本発明の下面を示す。 図１のＡ−Ａに沿った装置の切断断面図を示す。 本発明の等角図を示す。 同じ全体構造を有しているが乱流ゾーン幾何学形状が異なっているクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。この特定の事例では、乱流ゾーン幾何学形状は軸対称凹凸である。 同じ全体構造を有しているが乱流ゾーン幾何学形状が異なっているクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。この特定の事例では、乱流ゾーン幾何学形状は軸対称凹凸である。 同じ全体構造を有しているが乱流ゾーン幾何学形状が異なっているクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。この特定の事例では、乱流ゾーン幾何学形状は軸対称凹凸である。 同じ全体構造を有しているが乱流ゾーン幾何学形状が異なっているクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。この特定の事例では、乱流ゾーン幾何学形状は非軸対称系の凹凸である。構造は、剛性材料ならびに剛毛状の構造により形成することができる。乱流ゾーン幾何学形状は、完全な非対称とすることもできる。 同じ全体構造を有しているが乱流ゾーン幾何学形状が異なっているクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。この特定の事例では、乱流ゾーン幾何学形状は非軸対称系の凹凸である。構造は、剛性材料ならびに剛毛状の構造により形成することができる。乱流ゾーン幾何学形状は、完全な非対称とすることもできる。 同じ全体構造を有しているが乱流ゾーン幾何学形状が異なっているクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。この特定の事例では、乱流ゾーン幾何学形状は非軸対称系の凹凸である。構造は、剛性材料ならびに剛毛状の構造により形成することができる。乱流ゾーン幾何学形状は、完全な非対称とすることもできる。 同じ体系のゾーンを有しているが、全体構造が円形ではなく多角形であるクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。このクラスのデバイスは、他の多角形または任意の自由形態の形状をデバイスの基本構造として有することができる。 同じ体系のゾーンを有しているが、全体構造が円形ではなく多角形であるクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。このクラスのデバイスは、他の多角形または任意の自由形態の形状をデバイスの基本構造として有することができる。 同じ体系のゾーンを有しているが、全体構造が円形ではなく多角形であるクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。このクラスのデバイスは、他の多角形または任意の自由形態の形状をデバイスの基本構造として有することができる。 物理加速ゾーンを装置に有していないクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。しかしながら、図１９および図２０から分かるように、加速ゾーンは、実際の物理デバイス／装置を超えて延在している。したがって、この代替実施形態は、加速ゾーンを有しているようには見えず、代替実施形態は実際には、デバイス／装置領域を超えてのみ存在するゾーンを有する。 物理加速ゾーンを装置に有していないクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。しかしながら、図１９および図２０から分かるように、加速ゾーンは、実際の物理デバイス／装置を超えて延在している。したがって、この代替実施形態は、加速ゾーンを有しているようには見えず、代替実施形態は実際には、デバイス／装置領域を超えてのみ存在するゾーンを有する。 物理加速ゾーンを装置に有していないクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図を示す。しかしながら、図１９および図２０から分かるように、加速ゾーンは、実際の物理デバイス／装置を超えて延在している。したがって、この代替実施形態は、加速ゾーンを有しているようには見えず、代替実施形態は実際には、デバイス／装置領域を超えてのみ存在するゾーンを有する。 １つが乱流ゾーンの前にあり、１つが乱流ゾーンの後ろにある２つの加速ゾーンを有するクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図をそれぞれ示す。 １つが乱流ゾーンの前にあり、１つが乱流ゾーンの後ろにある２つの加速ゾーンを有するクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図をそれぞれ示す。 １つが乱流ゾーンの前にあり、１つが乱流ゾーンの後ろにある２つの加速ゾーンを有するクラスである代替実施形態クラスの下面図、切断断面図、および等角図をそれぞれ示す。 本発明の代表的なシナリオにおける流動パターンおよび方向を示す。方向は、純粋なＢｅｒｎｏｕｌｌｉ（ベルヌーイ）の定理を利用した非接触吸引システムとは異なり重要であり、本発明は、吸引力を内向きの気流方向にのみ生成する。 本発明のデバイス／システムによる概略圧力分布を示しており、図２０を図１９と比較して各ゾーンにおける圧力降下を理解することができる。 分流器の可能な取り付け方法を示す。これまでの全ての図面では、分流器は、取り付けを、明瞭性を期して示していないので、浮遊しているように見える。 分流器の可能な取り付け方法を示す。これまでの全ての図面では、分流器は、取り付けを、明瞭性を期して示していないので、浮遊しているように見える。 本発明をマニピュレータに取り付ける可能な取り付け方法を示す。 本発明をマニピュレータに取り付ける可能な取り付け方法を示す。 本発明を、傾斜面、垂直面、または上下逆さまの面の上を移動することができるモバイルロボットに使用する可能な方法を示す。 本発明を、傾斜面、垂直面、または上下逆さまの面の上を移動することができるモバイルロボットに使用する可能な方法を示す。

本発明は、高流量低圧吸引デバイスに関する。特に、本発明は、吸引される表面に接触する必要のない多段乱流を利用した高流量低圧吸引を伴う吸引機構および／またはデバイスについて記述する流体力学の分野に属する。本発明の吸引デバイスは、非接触吸引力を新規に、かつより効率的に生成する。ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ（非接触）という単語は、吸引機構のいずれの部分も表面に触れることができないことを主張している訳ではない。これは単に、表面との適切なシールが必要ではないことを意味している。

当該デバイスを使用して、物体を吸引する、吊るす、保持する、持ち上げる、および裁断することができる。当該デバイスを使用して、ウォールクライマーの必要に応じて表面に接着することもできる。デバイスは、単独で、または他の機械システムまたは電子システムと連結して使用することができる。デバイスは、ガス（例えば、空気）、液体（例えば、水）、またはガスおよび液体の任意の組み合わせ、スラリー、または固体および／または固体内に分散されている微粒子を有する任意の他のガスおよび／または液体を含む任意の流体およびスラリーに作用することができる。

１つの態様では、本発明は、乱流を利用した非接触多段（２段および／または３段および／または４段のような３段よりも多くの段）の吸引機構およびデバイスを提供する。デバイスは新規なコンセプトに基づいており、デバイスが乱流のコンセプトを使用して圧力降下を、吸引デバイス用に形成される機構の周縁部で生じるのに対し、デバイスの内部では、幾何学形状により確実に、流速の変化を無視することができるので、流動エネルギー損失を低減することができる。この構成により、より均一な圧力プロファイルが生成され、これにより今度は、効率を高めることができる。

デバイス内の上記機構は、空気／流体／スラリーを引き込むファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）および真空チャンバにより実行され、真空チャンバは、シールをチャンバと表面との間に全く用いることなく動作するように固有に設計されている。デバイスは、乱流を利用して低い圧力を生成する新規の方法を使用する。デバイス用に形成される機構は、この乱流を利用した低圧力生成をＢｅｒｎｏｕｌｌｉ（ベルヌーイ）の定理と組み合わせて高効率吸引デバイスを創出する。デバイスは、上記コンセプトを、空気／流体／スラリーが２つのゾーン内を、すなわち乱流ゾーン（複数を含む）（高乱流ゾーン）内、および平滑ゾーン（最小乱流ゾーン）内を流れるようにすることにより実行する。デバイスはまた、３つの物理ゾーンを、加速ゾーンをさらに含むことにより含むことができる。加速ゾーン（複数を含む）は、デバイスの周縁部に、または乱流ゾーンの後段に、または両方に存在することができる。空気／流体／スラリーは加速ゾーン内を流れ、次に乱流ゾーン（高乱流ゾーン）に進入する。さらに、加速ゾーンは、乱流ゾーンの直ぐ後段に存在して、平滑ゾーンに流入する乱流を低減することもできる。本発明の１つの変形例では、デバイスは、図１６〜図１８のそれぞれの図面に示されているように、２つの加速ゾーンを乱流ゾーンおよび平滑ゾーンと併せて含むことができる。

デバイスは、空気／流体／スラリーを真空チャンバに引き込み、空気／流体／スラリーを加速し、乱流を空気／流体／スラリーに生じさせて圧力降下を生じさせ、圧力を広い底面領域にわたって維持し、最後に空気／流体／スラリーを、ファン（複数を含む）／回転インペラ（複数を含む）を介して排出することにより作用する。

１つの好適な実施形態では、デバイスは２つのゾーン、すなわち乱流ゾーン（複数を含む）（高乱流ゾーン）および平滑ゾーン（複数を含む）（最小乱流ゾーン）を含む。

１つの好適な実施形態では、デバイスは３つのゾーン、すなわち加速ゾーン（複数を含む）、乱流ゾーン（複数を含む）（高乱流ゾーン）および平滑ゾーン（複数を含む）（最小乱流ゾーン）を含む。

１つの好適な実施形態では、デバイスは、４つのゾーン、すなわち２つの加速ゾーン、１つの乱流ゾーン（高乱流ゾーン）、および１つの平滑ゾーン（最小乱流ゾーン）を含む。

別の態様では、本発明は、上述の吸引デバイス、または本発明の乱流を利用した２段／３段／３段よりも多くの段の非接触吸引デバイスを備える装置を提供する。

当業者であれば、本発明の乱流を利用したコンセプトに従うことにより、ゾーンの数を変更することができ、本発明に記載されるように、２つ、または３つ、もしくは４つよりも多くのゾーンを含む吸引デバイスを製造することができる。さらに当業者であれば、本発明の乱流を利用したコンセプトに従うことにより、異なるゾーンのうち１つ以上のゾーンの繰り返し、または２つ、または３つ、もしくは４つのゾーンの機構の繰り返しをデバイスに含む吸引デバイスを設計することができる。１つのこのような例が、最初の２つのゾーン、すなわち加速ゾーン、加速ゾーンの後に続く乱流ゾーン、乱流ゾーンの後に続く加速ゾーン、加速ゾーンの後に続く乱流ゾーンの繰り返しを、平滑ゾーンと併せて最内側ゾーンとして含むデバイスである。同様の他の変形例も可能である。設計を乱流のコンセプトに基づいて行う変形例を有する全てのこのようなデバイスは本発明の範囲内である。

デバイス：
本発明のデバイスは、多段物理ゾーンを含む乱流コンセプトを、例えば
−２つのゾーン、すなわち乱流ゾーン（複数を含む）（高乱流ゾーン）および平滑ゾーン（複数を含む）（最小乱流ゾーン）を含めることにより、または
−３つのゾーン、すなわち加速ゾーン（複数を含む）、乱流ゾーン（複数を含む）（高乱流ゾーン）、および平滑ゾーン（複数を含む）（最小乱流ゾーン）を含めることにより、または
−２つの加速ゾーン、乱流ゾーン（複数を含む）（高乱流ゾーン）、および平滑ゾーン（複数を含む）（最小乱流ゾーン）のような３つよりも多くのゾーンを含めることにより実行する上に説明した新規のコンセプト／機構に基づいている。

吸引デバイスは、内部またはアンダーボディ部分、外側部分／外側本体部分を保有する。

吸引デバイスは、
−ベースプレートであって、ベースプレートの内面が、内側表面に物理的に作製された細分割流路セクション（物理ゾーン）を含む、当該ベースプレートと、
−全体領域をベースプレートと吸引される表面の間に含む真空チャンバと、
−ベースプレートに取り付けられ、真空チャンバの方を向いて空気を真空チャンバから引き出す吸引ファン（複数を含む）／回転インペラ（複数を含む）と、を備える。

−デバイスは、流路内の空気／流体／スラリーの流れを分流させる分流器（複数を含む）を中心にさらに備える。分流器は平滑ゾーンの一部であり、分流器は、平滑ゾーン領域に存在する。この分流器はまた、一定の断面状態をデバイスの流路全体にわたって維持する。分流器は、必ずしも表面に触れる必要がない。分流器は、吸引される表面に触れても吸引される表面に触れないようにすることができる。

本発明の１つの好適な実施形態では、分流器は、吸引される表面に触れない。しかしながら、乱流コンセプトに基づく本発明の吸引デバイスは、表面に触れる分流器を用いて設計することもできる。このように、別の好適な実施形態では、デバイスの平滑ゾーンの分流器は、吸引される表面に触れる。

デバイスのアンダーボディまたは内部が、重要な唯一のセクションである。デバイスの上部表面／外側表面に適用される設計制約はない。デバイスの全体外側形状または全体外側構造は、変えることができ、任意の形状とすることができる。

アンダーボディ部分／内部では、本発明のデバイスは、セクションが空気／流体／スラリーの流れに与える影響に基づいた様々な細分割流路セクションをベースプレート上に含む。ベースプレートのセクションは、すなわち加速ゾーン、乱流ゾーン、および平滑ゾーンである。

第１セクションは加速ゾーンであり、加速ゾーンは通常、本吸引機構／吸引デバイスの外側周縁部にあるが、乱流ゾーンの後段に追加する、または一方が外側周縁部にあり、一方が乱流ゾーンの後段になるように両方の後段に追加することもできる。このゾーンは基本的に、流入する空気／流体／スラリーの速度を増加させるのに役立つ。このセクションは、いくらかの乱流を空気／流体／スラリーに生じさせることもできる。加速ゾーンは通常小さい（０．１ｍｍ〜数ミリメートル）が、大きく保つこともできる。加速ゾーンは、乱流ゾーンの直ぐ後段に存在して平滑ゾーンに流入する乱流を低減することもできる。

第２セクションは、加速ゾーンからの高速で移動する空気／流体／スラリーに乱流を生じさせるための複数の凹凸および起伏のある切り欠き面を有する乱流ゾーンである。これにより、空気／流体／スラリーのエネルギーが減少し、これにより、空気／流体／スラリーの圧力が低下する。乱流ゾーンは、乱流と境界層の分離を最大化するように設計される（このゾーンは出来る限り薄いことが望ましいが、十分なエネルギー損失を得るために、ゾーンは通常、厚さ半径の約１０〜１５％に及ぶ）。このゾーンの操作方法は、空力学的シールとみなすことができる。このゾーンは、本発明を先行技術から視覚的に区別する。

第３ゾーンは、空気／流体／スラリーのエネルギー損失を最小限に抑えることに重点を置いた平滑ゾーンである。この最終セクションにより、インペラが最終的に空気／流体／スラリーをサンプ（または、周囲）に排出するようになる。平滑ゾーンは、空気／流体／スラリーのエネルギー損失を最小限に抑えるように設計される。このシステムは、ほぼ均一な低い圧力を、底面が平滑ゾーン全体（ほぼ全表面）に広がっている状態で生成する。この理由から、平滑ゾーンは非常に大きい必要があり、正味の投影面積の最小４５％を有する。圧力絶対値が小さい場合でも、下の大きな領域から非常に大きな力が発生する。分流器は平滑ゾーンの一部である。

平滑ゾーンは、流れている空気／流体／スラリーの断面積の変化を最小限に抑える特殊な幾何学形状を有する。この場合の理想的な形状は、軸対称の形状であり、吸引される表面からの装置の設計高さは、中心からの半径方向距離に反比例する。しかしながら、面積の無視できる変化を流れ全体にわたって維持するために、第２表面として機能する分流器をインペラの前段の領域の吸引される表面の代わりに追加する必要がある。平滑ゾーンは、最大４０％の流速の変化を、平滑ゾーンであると考えられる平滑ゾーン全体にわたって有することができる。

このように、１つの実施形態では、本発明のデバイスは、
−ベースプレートであって、ベースプレートの内面が、３つの細分割流路セクション、すなわち加速ゾーン、乱流ゾーン（高乱流）、および平滑ゾーン（最小乱流）を含み、全てのゾーンが内側表面に物理的に作製された、当該ベースプレートと、
−ベースプレートに取り付けられ、真空チャンバの方を向いて空気をチャンバから吸引する吸引ファン（複数を含む）／回転インペラ（複数を含む）と、
−中心にあって、流路内の空気／流体／スラリーの流れを分流させる分流器と、を備える。

別の実施形態では、本発明のデバイスは、
−ベースプレートであって、ベースプレートの内面が、２つの細分割流路セクション、すなわち乱流ゾーン（高乱流）、および平滑ゾーン（最小乱流）を含み、両方のゾーンが内側表面に物理的に作製された、当該ベースプレートと、
−ベースプレートに取り付けられ、真空チャンバの方を向いて空気をチャンバから吸引する吸引ファン（複数を含む）／回転インペラ（複数を含む）と、
−中心にあって、流路内の空気／流体／スラリーの流れを分流させる分流器と、を備える。

しかしながら、加速ゾーンは、実際の物理的なデバイス／装置を超えて延在している。したがって、この代替実施形態（２つのゾーン）が加速ゾーンを有するようには見えない場合でも、当該実施形態は実際には、デバイス／装置領域を超えてのみ存在するゾーンを有する（図１３〜図１５および図１９〜図２０を参照）。１つの好適な実施形態では、本発明のデバイスは、３つの細分割流路セクションを含む。別の好適な実施形態では、本発明のデバイスは、２つの細分割流路セクションを含む。

別の実施形態では、本発明のデバイスは、
−ベースプレートであって、ベースプレートの内面が、４つの細分割流路セクション、すなわち２つの加速ゾーン、乱流ゾーン（高乱流）、および平滑ゾーン（最小乱流）を含み、全ての４つのゾーンが内側表面に物理的に作製された、当該ベースプレートと、
−ベースプレートに取り付けられ、真空チャンバの方を向いて空気をチャンバから吸引する吸引ファン（複数を含む）／回転インペラ（複数を含む）と、
−中心にあって、流路内の空気／流体／スラリーの流れを分流させる分流器と、を備える。

２つの加速ゾーンは、乱流ゾーンが２つの加速ゾーンの間に存在するように配置する、すなわち最初に加速ゾーン、次に乱流ゾーン、次に再び加速ゾーンとなるように配置することができる。

上記デバイス（複数を含む）では、
−吸引ファンは、空気／流体／スラリーをデバイスのシステム、およびベースプレートに吸引し、ベースプレートの細分割流路セクションとしての内部幾何学設計は、空気／流体／スラリーの流速を制御し、
−デバイスは、空気／流体／スラリーを真空チャンバに引き込み、空気／流体／スラリーを加速し、乱流を空気／流体／スラリーに生じさせて圧力降下を生じさせ、圧力を大きな底面領域全体にわたって維持し、最終的に空気／流体／スラリーを、ファン／回転インペラを介して排出することにより作用し、
−吸引デバイスは、吸引される表面に接触する必要がない。

吸引ファン（複数を含む）／インペラ（複数を含む）は、ラジアルファン（複数を含む）または軸流ファン（複数を含む）、もしくは両方のファンとすることができる。１つの実施形態では、ラジアルファン（複数を含む）が使用される。１つの実施形態では、軸流ファン（複数を含む）が使用される。１つの実施形態では、ラジアルファン（複数を含む）および軸流ファン（複数を含む）の組み合わせを使用することができる。ファン（複数を含む）の機能は、空気／流体／スラリーを吸引することである。ファン／インペラの数は、必要に応じて変えてデバイスの吸引機能を十分に可能とすることができる。本発明のデバイスは、１つのファンを用いる、または２つ、または３つ、もしくは４つなどのような１つよりも多くのファンを用いることができる。当業者であれば、ファン／インペラの種類を選択することができ、ファン／インペラの数を必要に応じて変更することができる。インペラのドライブシャフトは、ＡＣ電動モータまたはＤＣ電動モータ、ガスモータまたは燃料燃焼モータ、蒸気動力、圧縮ガスまたは圧縮空気、フライホイール、または機械式巻き取り機のような考えられる任意の手段により駆動することができる。ドライブシャフトは、任意の長さ、または形状とすることができ、可撓性とすることができる。動力は、モータからドライブシャフトに直接供給することができる、または１つ以上の駆動ベルトまたは駆動チェーンでドライブシャフトをモータに接続することにより供給することができる。ドライブシャフトが回転方向を反転することができるようにする、またはインペラの速度を一定のモータ速度に制御することができるようにする任意のギアを設けることができる。水力機構、風力機構、または磁気機構のような代替の駆動機構を使用することもできる。さらに、動力源からエネルギーを追加のデバイスに供給することもできる。

本吸引デバイス／装置は、柔軟性ゴム状材料を含む任意の材料から製造することができる。他のセクションよりも吸引される表面に近接している装置の特定のセクションは、可撓性材料により製造して、横切ることができる障害物の最大高さを低くすることができる。デバイス／装置は、単純な軸対称バックステッププロファイルから非常に複雑な非対称プロファイルに至る様々な乱流ゾーンプロファイルに設計することができるが、乱流をデバイス／装置の周縁部近くに位置する薄い空間に生じさせるという最終目標は同じままである。

本発明のアンダーボディが唯一の重要なセクションであり、設計制約は上部表面に適用されない。

先行技術よりも優れるデバイスの全体的な利点は、他の非接触吸引方法と比較したときの高いエネルギー効率、吸引される表面への負荷を最小限に抑え、負荷をより長い距離にわたって分散させる低圧動作として要約することができる。

全てのデバイスよりも優れる別の大きな利点は、このデバイスの高い堅牢性である。接触を利用した吸引システムでは、わずかな粗さにより吸引力を劇的に低減することができるので、壊滅的な障害を引き起こす可能性がある。しかしながら、Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ（ベルヌーイ）パッドのような非接触吸引機構はより堅牢であり、これらの非接触吸引機構は、表面突起が吸引プレートの内側セクションに接触するようになる場合、非常に大きな影響をさらに受ける。しかしながら、本発明は、デバイス／装置の本発明の内側セクションを、新規の吸引方式であることから本体の残りの部分と比較して、吸引される表面から見てより高い高さに有するのでデバイス／装置の堅牢性が向上する。

吸引カップを利用した設計よりも優れる他の利点は、分割ゴムシールと比較して幾何学形状がさほど複雑ではないのでコストがより低く、装置と吸引される表面との接触および摩耗がないので耐久性が高いことである。

作用原理
本発明の吸引デバイスおよび／または吸引装置は、非接触多段乱流を利用した吸引機構に基づいており、この吸引機構は、３段または２段もしくは４段のような多段の乱流コンセプトを、流体が、３つのゾーン内、または２つのゾーン内、もしくは４つのゾーンのような複数のゾーン内を流れるようにすることにより実行し、ゾーンは、すなわち加速ゾーン（複数を含む）、乱流ゾーン（複数を含む）（高乱流ゾーン）、および平滑ゾーン（複数を含む）（最小乱流ゾーン）から選択される。デバイスが２つのゾーンに基づいている場合、デバイスは２つのゾーン、すなわち乱流ゾーン（複数を含む）および平滑ゾーン（複数を含む）を備える必要がある。

デバイス／装置は、空気／流体／スラリーを引き込むファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）および真空チャンバを含む。真空チャンバは、チャンバと表面との間にシールが全くない状態で動作するように特殊設計される。コンセプトは乱流を使用して圧力降下をデバイスの周縁部で生じさせるのに対し、デバイスの内部では、幾何学形状により確実に、流速の変化を無視することができるので、流動エネルギー損失を低減することができる。この構成により、より均一な圧力プロファイルを生成することができ、これにより今度は、効率を高めることができる。デバイスは、この乱流を利用した低圧力生成をＢｅｒｎｏｕｌｌｉ（ベルヌーイ）の定理と組み合わせて高効率吸引デバイスを創出する。

デバイスは、空気／流体／スラリーを真空チャンバに引き込み、空気／流体／スラリーを加速し、乱流を空気／流体／スラリーに生じさせて圧力降下を生じさせ、圧力を大きな底面領域にわたって維持し、最後に空気／流体／スラリーを、ファン（複数を含む）／回転インペラ（複数を含む）を介して排出することにより作用する。

３段の細分割ゾーンを含む高流量低圧吸引デバイスの組み付け、および作用は以下の通りである。

−ベースプレート（４９）に取り付けられ、ベースプレートの内部に形成される真空チャンバの方を向いた吸引ファン／回転インペラ（４８）は、空気／流体／スラリー（５１）を周囲からデバイスの周縁部（５０）を介して吸引し、３つの細分割流路セクションとしてのベースプレート（４９）の内部幾何学設計は、加速ゾーン（４４）と、乱流ゾーン（４５）と、平滑ゾーン（４６）と、を備え、
−周縁部（５０）からの空気／流体／スラリーは、加速ゾーン（４４）に真っ直ぐ流入し、空気／流体／スラリーが加速され、次に乱流ゾーン（４５）に進入し、空気／流体／スラリーが、ゾーン（４５）に生じる乱流による大量のエネルギー損失により急激な圧力降下を受け、次にその後、空気／流体／スラリーが平滑ゾーン（４６）に流入し続け、中心に存在して吸引される表面（５２）に触れる必要がない分流器（４７）の支援により、流れを分流させて制御し、一定の断面状態を、空気／流体／スラリーが向かう流路全体にわたって可能とし、ゾーン（４６）は圧力を、大きな底面領域表面構造全体にわたって維持し、最終的に流れが、ファン（４８）により吸引され、周囲（または、サンプ）に戻るように排出されることにより、デバイスは吸引力を生成して表面を吸引し、
−吸引デバイスは、吸引される表面に接触する必要がない。

２段細分割ゾーンを含む高流量低圧吸引デバイスの組み付け、および作用は以下の通りである。

−ベースプレート（３４）に取り付けられ、ベースプレートの内部に形成される真空チャンバの方を向いた吸引ファン／回転インペラ（３２）は、空気／流体／スラリーを周囲からデバイスの周縁部（３５）を介して吸引し、２つの細分割流路セクションとしてのベースプレート（３４）の内部幾何学設計は、乱流ゾーン（２９）と、平滑ゾーン（３０）と、を備え、
−周縁部（３５）からの空気／流体／スラリーは、乱流ゾーン（２９）に直ぐ流入し、この乱流ゾーンが乱流を加速して空気／流体／スラリーに生じさせ、ゾーン（２９）に生じる乱流による大量のエネルギー損失により急激な圧力降下を受け、次にその後、空気／流体／スラリーが平滑ゾーン（３０）に流入し続け、中心に存在して吸引される表面に触れる必要がない分流器（３１）の支援により、流れを分流させて制御し、一定の断面状態を、空気／流体／スラリーが向かう流路全体にわたって可能とし、ゾーン（３０）は、乱流を最小限に抑えた状態を保つように設計され、圧力を、大きな底面領域表面構造全体にわたって維持し、最終的に流れが、ファン（３２）により吸引され、周囲（または、サンプ）に戻るように排出されることにより、デバイスは吸引力を生成して表面を吸引し、
−吸引デバイスは、吸引される表面に接触する必要がない。

４段の細分割ゾーンを含む高流量低圧吸引デバイスの組み付け、および作用は以下の通りである。

−ベースプレート（４２）に取り付けられ、ベースプレートの内部に形成される真空チャンバの方を向いた吸引ファン／回転インペラ（４１）は、空気／流体／スラリーを周囲からデバイスの周縁部（４３）を介して吸引し、４つの細分割流路セクションとしてのベースプレート（４２）の内部幾何学設計は、２つの加速ゾーン（３６，３８）と、乱流ゾーン（３７）と、平滑ゾーン（３９）と、を備え、
−周縁部（４３）からの空気／流体／スラリーは、第１加速ゾーン（３６）に真っ直ぐ流入し、空気／流体／スラリーが加速され、次に乱流ゾーン（３７）に進入し、空気／流体／スラリーが、ゾーン（３７）に生じる乱流による大量のエネルギー損失により急激な圧力降下を受け、次に再び、第２加速ゾーン（３８）に流入し、次にその後、空気／流体／スラリーが平滑ゾーン（３９）に流入し続け、中心に存在して吸引される表面に触れる必要がない分流器（４０）の支援により、流れを分流させて制御し、一定の断面状態を、空気／流体／スラリーが向かう流路全体にわたって可能とし、ゾーン（３９）は圧力を、大きな底面領域表面構造全体にわたって維持し、最終的に流れが、ファン（４１）により吸引され、周囲（または、サンプ）に戻るように排出されることにより、デバイスは吸引力を生成して表面を吸引し、
−吸引デバイスは、吸引される表面に接触する必要がない。

上に説明される参照番号は、本発明のデバイスの異なる実施形態を図面に示される図を参照して、より良好に理解するためのものである。番号は例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明のデバイスおよび上に説明されるデバイスの作用は、図面および以下の異なる実施形態に示される図および表示図によりさらに説明および提示される。本発明は、図に提示される吸引デバイス／装置の全体的な構造／形状に限定されず、構造／形状は、自由形態とすることもできる。

当業者であれば、本発明の乱流を利用したコンセプトに従うことにより、ゾーンの数を変更することができ、本発明において説明される２つ、または３つ、もしくは４つよりも多くのゾーンを含む吸引デバイスを製造することができる。さらに当業者であれば、本発明の乱流を利用したコンセプトに従うことにより、デバイス内の異なるゾーンのうち１つ以上のゾーンの繰り返し、または２つ、または３つ、もしくは４つのゾーンの機構の繰り返しを含む吸引デバイスを設計することができる。分流器は必ずしも表面に触れる必要がない。平滑ゾーンの分流器は、吸引される表面に触れても触れなくてもよい。上に説明した本発明の１つの好適な実施形態では、分流器は、吸引される表面に触れない。しかしながら、乱流コンセプトに基づく本発明の吸引デバイスは、分流器が表面に触れるように設計することもできる。ゾーンの数、またはゾーン（複数を含む）の繰り返し、および／または表面に乱流のコンセプトに基づいて触れる分流器のような設計の変形例を有する全てのこのようなデバイスは、本発明の範囲内である。

本発明のデバイスは、図１〜図２６に提示される図面から理解することができ、図１〜図１８は、本発明の様々な実施形態（６つの実施形態）を表わしており、デバイス（図１〜図１９に示す）は（各実施形態／各図それぞれにおいて）、２／３／４細分割流路セクションを、加速ゾーン（１＝８＝１５＝２３＝３６＝３８＝４４）、乱流ゾーン（２＝９＝１６＝２４＝２９＝３７＝４５）、および平滑ゾーン（３＝１０＝１７＝２５＝３０＝３９＝４６）から選択される物理ゾーンとして含むベースプレート（６＝１３＝２０＝２７＝３４＝４２＝４９）と、吸引ファン（５＝１２＝１９＝３３＝３２＝４１＝４８）と、分流器（４＝１１＝１８＝２６＝３１＝４０＝４７）と、を備える。上の全ての実施形態（加速ゾーンが物理的に存在せず、２つのゾーン（２９）および（３０）のみを含む第５の実施形態を除く）では、全ての他の実施形態において、ベースプレート（６＝１３＝２０＝２７＝４２＝４９）は、３つの物理ゾーン、すなわち加速ゾーン（１、８、１５、２３、３６、３８、４４）、乱流ゾーン（２、９、１６、２４、３７、４５）、および平滑ゾーン（３、１０、１７、２５、３９、４６）から選択される３つ／４つのゾーンを含み、これらの形態は、以下にさらに説明されるそれぞれの実施形態および図に見ることができる異なる流路セクション（ゾーン）の幾何学形状および／または形状、および／または吸引デバイスの全体形状として変化する。第６の実施形態は、３つのゾーンを追加の加速ゾーンと併せて含む。

本発明の好適な実施形態（第１の実施形態）を図１、図２、および図３に示し、これらの図は、本発明の下面図、切断断面図、および等角図をそれぞれ示している。図１〜図３に示す吸引デバイスは、３つの細分割流路セクションを物理ゾーン（１）、（２）、および（３）として含むベースプレート（６）と、吸引ファン（複数を含む）（５）と、分流器（４）と、を備える。周囲からの流体は、基本的にはシステムの縁端部である周縁部（７）からデバイスに流入し、加速ゾーン（１）に真っ直ぐに進入する。このゾーンは、好適な実施形態では薄い縁端部である。次に、空気は乱流ゾーン（２）に進入する。好適な実施形態は、半環状体または環状半体のセクションを有し、このセクションの後ろに、バックステップが乱流ゾーンとして続く。空気は、この領域において、乱流による大量のエネルギー損失により急激な圧力降下を受ける。空気は、平滑ゾーン（３）に流入し続け、平滑ゾーンでは、表面構造は、流体が向かって進む断面積がほとんど一定のままとなるような構造となる。この一定の断面状態を流路全体にわたって満たすために、分流器（４）を中心に使用する。分流器（４）は、吸引される表面に触れる必要がない。流れは、最終的にファン（５）により吸引され、周囲（または、サンプ）に排出される。図１９および図２０は、好適な実施形態における流体の流れ、および対応する圧力降下を示している。

代替実施形態（第２の実施形態）を図４、図５、および図６に示し、これらの図は、本発明の下面図、切断断面図、および等角図をそれぞれ示しており、これらの図は、図１〜図３とは、乱流ゾーンが異なる幾何学形状を有するという意味で異なっている、すなわち当該乱流ゾーンが、図１〜図３の場合における構造と同じ全体構造を有するが、乱流ゾーンの幾何学形状は軸対称の凹凸になっているという意味で異なっている。

乱流ゾーンの幾何学形状は、図７、図８、図９、図１０、図１２、および図１３に示すような軸対称とする必要もない波状の幾何学形状とすることができる。したがって、図４、図５、および図６では、流れは周縁部（１４）から流入し、加速ゾーン（８）内を進入して乱流ゾーン（９）に流入する。この後、空気は平滑ゾーン（１０）に流入し、最終的にファン（複数を含む）／インペラ（複数を含む）（１２）に到達する。デバイスは、流体の流れを制御する分流器（１１）を備える。

代替実施形態（第３の実施形態）を図７、図８、および図９に示し、これらの図は、本発明の下面図、切断断面図、および等角図をそれぞれ示しており、乱流ゾーンは非軸対称である。流体は、周縁部（２１）からデバイスに流入し、加速ゾーン（１５）に進入する。次に、空気は、乱流を流れに生じさせる複数の突出部（２２）により構成される乱流ゾーン（１６）に流入する。図９では、乱流ゾーン（１６）の一部が拡大されて、突出部（２２）を示す部分Ｂに示される。次に、流れは、ファン（複数を含む）またはインペラ（複数を含む）まで在している平滑ゾーン（１７）に流入する。平滑ゾーンは、乱流を最小限に抑えた状態を保つように設計される。これは、流動面積をほぼ一定に保って、流体の平均速度がゾーン全体にわたってほぼ一定となったままにすることにより行われる。この状態は、分流器（１８）を使用して実現される。流れは最終的に、空気を周囲に戻るように排出するインペラ（複数を含む）またはファン（複数を含む）（１９）に流入する。

代替実施形態（第４の実施形態）を図１０、図１１、および図１２に示し、これらの図は、本発明の下面図、切断断面図、および等角図をそれぞれ示しており、デバイスは非軸対称ゾーンを備える。装置の基本幾何学形状が多角形幾何学形状に変更されている。この表示図の幾何学形状は方形状である。基本幾何学形状は、任意の自由形態形状とすることができる。流体は、周縁部（２８）からデバイスに流入し、加速ゾーン（２３）に進入する。加速ゾーンは不均一な厚さである。次に、空気は、乱流を流れに生じさせる複数の突出部により構成される乱流ゾーンに流入する。このゾーンは（２４）で区切られる。次に、流れは、ファン（複数を含む）またはインペラ（複数を含む）（３３）まで延在している平滑ゾーン（２５）に流入する。平滑ゾーンは、乱流を最小限に抑えた状態を保つように設計される。これは、流動面積をほぼ一定に保って、流体の平均速度がゾーン全体にわたってほぼ一定となったままにすることにより行われる。この状態は、分流器（２６）を使用して実現される。流れは最終的に、空気を周囲に戻るように排出するインペラ（複数を含む）またはファン（複数を含む）（３３）に流入する。

本発明の下面図、切断断面図、および等角図をそれぞれ示している図１３、図１４、および図１５に示す代替実施形態（第５の実施形態）は、物理加速ゾーンがないデバイスを示している。流体は、基本的に外縁端部である周縁部（３５）からデバイスに流入し、乱流ゾーン（２９）に真っ直ぐに進入する。しかしながら、図１９および図２０を使用して、空気がデバイスに流入する前に加速することを理解することができる。加速ゾーンがないことを拡大図Ｂで強調している。乱流ゾーンは、乱流を流れに生じさせる複数の突出部により構成される。次に、流れは、ファンまたはインペラまで延在している平滑ゾーン（３０）に流入する。平滑ゾーンは、乱流を最小限に抑えた状態を保つように設計される。これは、流動面積をほぼ一定に保って、流体の平均速度がゾーン全体にわたってほぼ一定となったままにすることにより行われる。この状態は、分流器（３１）を使用して実現される。流れは最終的に、空気を周囲に戻るように排出するインペラ（複数を含む）またはファン（複数を含む）（３２）に流入する。

本発明の下面図、切断断面図、および等角図をそれぞれ示している図１６、図１７、および図１８に示す代替実施形態（第６の実施形態）は、２つの物理加速ゾーンを備えるデバイスを示している。流体は、基本的に外縁端部である周縁部（４３）からデバイスに流入し、加速ゾーン（３６）に進入する。加速された高速空気は、乱流ゾーン（３７）に進入する。乱流ゾーンは、乱流を流れに生じさせる複数の突出部により構成される。次に、流れは、空気を加速する第２加速ゾーン（３８）に流入する。これにより、乱流の量を低減することができ、平滑ゾーンに到達する空気のより良好な品質を実現することができる。しかしながら、このゾーンは非常に薄い必要がある。次に、流れは、ファン（複数を含む）またはインペラ（複数を含む）（４１）まで延在している平滑ゾーン（３９）に流入する。平滑ゾーンは、乱流を最小限に抑えた状態を保つように設計される。これは、流動面積をほぼ一定に保って、流体の平均速度がゾーン全体にわたってほぼ一定となったままにすることにより行われる。この状態は、分流器（４０）を使用して実現される。流れは最終的に、空気を周囲に戻るように排出するインペラ（複数を含む）またはファン（複数を含む）（４１）に流入する。

図１９は、好適な実施形態における流れの方向および流れの種類を示している。流れ（５１）は、周縁部（５０）に流入するものとして示されている。周縁部とは、ベースプレート（４９）の外縁端部を指している。次に、流れは加速ゾーン（４４）に流入し、加速ゾーン（４４）は、物理的な表面であり、当該表面の法線ベクトルが軸線（５３）に沿っている。軸線（５３）は対称軸線である。次に、流れは、凹凸および鋭利な縁端部が存在することにより乱流を生じる乱流ゾーン（４５）に流入する。流れは最終的に、流速の変化を最小限に抑えて流動エネルギーを維持する平滑ゾーン（４６）に流入する。平滑ゾーンは、最小限の速度変化基準を流路全体にわたって満たすのに役立つ分流器を有する。図から分かるように、装置のどの部分も吸引される表面（５２）に触れていない。

上の図では、ベースプレート（６＝１３＝２０＝２７＝３４＝４２＝４９）への分流器（４＝１１＝１８＝２６＝３１＝４０＝４７）の取り付けを、（５８）が分流器を表わしている図２１および図２２に示している。

図２０は、吸引デバイスの下の圧力分布を示している。加速ゾーン（５４）、乱流ゾーン（５５）、平滑ゾーン（５６）、および対称軸線（５７）が図示されている。流体が加速ゾーンに流入する前でも、圧力が大気圧を下回って降下することを確認することができる。これは、空気がデバイス／装置に流入するときに空気が特定の速度を有しているが、穏やかな停滞した理想的な雰囲気では、空気が停滞しているからである。このようなことから、運動エネルギーが入口に、Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ（ベルヌーイ）の方程式で正しく予測される圧力エネルギーを消費しながら流れ込む。次に、圧力降下が加速ゾーン（５４）および乱流ゾーン（５５）で大きくなる。次に、圧力は、平滑ゾーン（５６）において、等速ファンネル形状を使用して維持される。等速ファンネルは、設計高さで完全に作用するが、当該作用は他の高さでは悪化する。このようなことから、平滑ゾーン全体にわたる速度変化が４０％未満である場合にのみ平滑ゾーンであると考えることができる。

図２１および図２２は、ベースプレートへの分流器（５８）の可能な取り付けを示している。これまでの全ての図では、これらの取り付けは明瞭性を期して図示されておらず、浮遊している分流器が図示されている。分流器は、ベースプレートに取り付けられる薄い軸流フィン（５９）を有する。取り付け箇所（６０）の縁端部が拡大図Ａに図示されている。

図２３〜図２６は、本発明の吸引デバイスの２つの代表的な使用を表わしており、支持システムへのデバイスの取り付けを示している。しかしながら、これらの使用は、本発明の範囲を限定しない。本発明の吸引デバイスは、多くの吸引方法に使用することができ、支持システム（複数を含む）に必要に応じて、かつ使用の種類に応じて取り付けることができる。

図２３および図２４は、本発明（６１）をマニピュレータのアームに取り付ける可能な方法を示している。ファン／インペラ（６４）の駆動システム（６３）は、吸引デバイス（６１）に取り付けることができ、可動関節（６５）は、吸引デバイス（６１）をマニピュレータ（６２）に接続する。

図２５および図２６は、本発明の別の可能な使用事例を示している。本発明は、傾斜面、垂直面、または上下逆さまの面の上を移動することができるモバイルロボットに使用することができる。ベースプレート（６９）の上側表面は、モバイルロボットの主本体として使用されるように変更することができる。これは、ロボットの上側表面に関する制約がないので可能である。車輪／軌道の駆動機構（６８）は、ベースプレート（６９）の変更後の上部表面に直接取り付けることができる。車輪／軌道（６７）は、ロボットに力を与えて吸引される表面（６６）の上を並進移動させる駆動機構に取り付けられる。ファン／インペラ（７１）の駆動機構（７０）は、ベースプレート（６９）の変更後の上部表面に直接取り付けることもできる。ます。電子機器および他の機器／積載物（７２）は、吸引デバイスの変更後の上部表面に直接取り付けることもできる。分流器は、ベースプレートに軸流フィン（７３）構造を使用して取り付けることができる。ロボットは、吸引力、および吸引力により生成される車輪／軌道の摩擦力の組み合わせを使用して、垂直面、傾斜面、または上下逆さまの面に留まり、これらの面の上を移動する。

Claims (22)

1. 高流量低圧吸引デバイスであって、
   −ベースプレートであって、前記ベースプレートの内面が、前記ベースプレート内に物理的に作製された加速ゾーン、乱流ゾーン、および平滑ゾーンから選択される複数の細分割流路セクション（物理ゾーン）を含む、前記ベースプレートと、
   −前記ベースプレートに取り付けられ、真空チャンバの方を向いた吸引ファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）と、を備え、
   −前記吸引ファン（複数を含む）は空気または流体もしくはスラリーを、前記ベースプレートの周縁部から前記吸引デバイスおよび前記ベースプレート内に吸引し、前記ベースプレートの細分割流路セクションとしての内部幾何学設計は、空気または流体もしくはスラリーの流速を制御し、
   −前記吸引デバイスは、吸引される表面に接触する必要がない、高流量低圧吸引デバイス。
2. 前記ベースプレートの前記内面に存在する前記複数の細分割流路セクションは、１つの乱流ゾーンと、１つの平滑ゾーンと、を含む、請求項１に記載の吸引デバイス。
3. 前記ベースプレートの前記内面に存在する前記複数の細分割流路セクションは、１つの加速ゾーンと、１つの乱流ゾーンと、１つの平滑ゾーンと、を含む、請求項１に記載の吸引デバイス。
4. 前記ベースプレートの前記内面に存在する前記複数の細分割流路セクションは、２つの加速ゾーンと、１つの乱流ゾーンと、１つの平滑ゾーンと、を含む、請求項１に記載の吸引デバイス。
5. 前記吸引デバイスの前記平滑ゾーンは分流器を含む、請求項１に記載の吸引デバイス。
6. 前記分流器は、吸引される前記表面に触れる必要がない、請求項５に記載の吸引デバイス。
7. 前記真空チャンバは、前記真空チャンバと前記表面との間にシールが全くない状態で動作するように特殊設計されている、請求項１に記載の吸引デバイス。
8. 前記加速ゾーンは、存在する場合、前記吸引デバイスの外側周縁部を形成し、流入する空気または流体もしくはスラリーの速度を増加させるのに役立ち、いくらかの乱流を前記空気または流体もしくはスラリーに生じさせることもでき、最終的に高速の、または高速で移動する空気または流体もしくはスラリーを乱流ゾーンに送り込む、請求項１に記載の吸引デバイス。
9. 前記乱流ゾーンは、前記加速ゾーンから、または前記加速ゾーンがない場合は前記吸引デバイスの周縁部からの高速で移動する空気または流体もしくはスラリーに、流体圧を減少させる、流体エネルギーの減少を引き起こす乱流を生じさせ、乱流と境界層の分離を最大化する、請求項１に記載の吸引デバイス。
10. 前記ベースプレートの前記内面に存在する前記細分割流路セクション、特に前記乱流ゾーンは、複数の凹凸を有し、かつ
    （ａ）バックステップまたは軸対称凹凸が後ろに続く半環状体、
    （ｂ）複数の突出部を含む非軸対称凹凸、
    （ｃ）波状の幾何学形状を含む非軸対称凹凸、
    （ｄ）剛毛構造、および
    （ｅ）可撓性構造から選択される幾何学設計とすることができる、請求項１に記載の吸引デバイス。
11. 前記乱流ゾーンは、乱流を前記吸引デバイスの前記周縁部に近接して位置する薄い空間に生じさせる、乱流を生じさせるための複数の凹凸または起伏のある切り欠き面によって設計または形状が異なり得る、請求項１０に記載の吸引デバイス。
12. 前記平滑ゾーンの表面構造は、設計高さで流れる空気または流体もしくはスラリーの断面積の変化を最小限に抑える特殊な幾何学形状を有し、高さの変化により、この状態が悪化するが、速度変化は４０％未満に留まる、請求項１に記載の吸引デバイス。
13. 前記平滑ゾーンの理想形状は、吸引される表面からのデバイスの設計高さが所定の有限設計高さの中心からの半径方向距離に反比例する軸対称形状である、請求項１２に記載の吸引デバイス。
14. 設計高さにおける流路全体にわたる一定の断面状態は、前記平滑ゾーンに存在する分流器により満たされる、請求項１２に記載の吸引デバイス。
15. 前記吸引デバイスは、前記空気または流体もしくはスラリーを前記真空チャンバに引き込み、前記空気または流体もしくはスラリーを加速し、乱流を前記空気または流体もしくはスラリーに生じさせて圧力降下を生じさせ、圧力を大きな底面領域にわたって維持し、最後に前記空気または流体もしくはスラリーを、前記吸引ファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）を介して排出することにより作用する、請求項１に記載の吸引デバイス。
16. 前記吸引デバイスの基本的な全体幾何学構造は、円形または多角形もしくは自由形態の形状とすることができる、請求項１に記載の吸引デバイス。
17. 前記吸引デバイスは吸引装置として使用することができる、またはガス（例えば、空気）、液体（例えば、水）、またはガスおよび液体の組み合わせ、ならびに固体および固体中に分散させた微粒子を有するガスまたは液体を含む流体およびスラリーに作用することができる吸引装置に使用することができる、請求項１に記載の吸引デバイス。
18. 前記吸引ファン（複数を含む）またはインペラ（複数を含む）は、ラジアルファンまたは軸流ファンもしくは両方のファンの組み合わせとすることができ、前記ファン（複数を含む）またはインペラ（複数を含む）のドライブシャフトは、駆動源のベルト、任意に、ギアを備えるシャフトのベルトを接続して、逆方向の回転を可能にする、またはファン（複数を含む）またはインペラ（複数を含む）の速度の制御を可能にすることにより直接駆動する、または間接的に駆動することができる、請求項１又は請求項１７に記載の吸引デバイスまたは装置。
19. 動力源は、ＡＣ電動モータまたはＤＣ電動モータ、ガスモータまたは燃料燃焼モータ、蒸気動力、圧縮ガスまたは圧縮空気、フライホイール、または機械式巻き取り機、もしくは他の水力機構、風力機構、または磁気機構とすることができる、請求項１８に記載の吸引デバイスまたは装置。
20. 高流量低圧吸引デバイスであって、
    −ベースプレートに取り付けられ、前記ベースプレートの内部に形成される真空チャンバの方を向いた吸引ファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）は、空気または流体もしくはスラリーを周囲から前記吸引デバイスの周縁部を介して吸引し、３つの細分割流路セクションとしての前記ベースプレートの内部幾何学設計は、加速ゾーン、乱流ゾーン、および平滑ゾーンを含み、
    −前記空気または流体もしくはスラリーは前記吸引デバイスの前記周縁部から前記加速ゾーンに真っ直ぐ流入し、前記空気または流体もしくはスラリーは加速され、次に前記乱流ゾーンに進入し、前記空気または流体もしくはスラリーは、ゾーンに生じる乱流による大量のエネルギー損失により急激な圧力降下を受け、次にその後、前記空気または流体もしくはスラリーは前記平滑ゾーンに流入し続け、前記平滑ゾーンの中心に存在して吸引される表面に触れる必要がない分流器の支援により、流れを分流させて制御し、一定の断面状態を、前記空気または流体もしくはスラリーが向かう流路全体にわたって可能とし、前記平滑ゾーンは圧力を、大きな底面領域表面構造全体にわたって維持し、最終的に前記流れが、前記吸引ファン（複数を含む）により吸引され、前記周囲（または、サンプ）に戻るように排出されることにより、前記吸引デバイスは吸引力を生成して前記表面を吸引し、
    −前記吸引デバイスは、前記吸引される表面に接触する必要がない、高流量低圧吸引デバイス。
21. 高流量低圧吸引デバイスであって、
    −ベースプレートに取り付けられ、前記ベースプレートの内部に形成される真空チャンバの方を向いた吸引ファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）は、空気または流体もしくはスラリーを周囲から前記吸引デバイスの周縁部を介して吸引し、２つの細分割流路セクションとしての前記ベースプレートの内部幾何学設計は、乱流ゾーンおよび平滑ゾーンを含み、
    −前記空気または流体もしくはスラリーは前記吸引デバイスの前記周縁部から、乱流を加速して前記空気または流体もしくはスラリーに生じさせる前記乱流ゾーンに直ぐ流入して、ゾーンに生じる乱流による大量のエネルギー損失により急激な圧力降下を受け、次にその後、前記空気または流体もしくはスラリーは前記平滑ゾーンに流入し続け、前記平滑ゾーンの中心に存在して吸引される表面に触れる必要がない分流器の支援により、流れを分流させて制御し、一定の断面状態を、前記空気または流体もしくはスラリーが向かう流路全体にわたって可能とし、前記平滑ゾーンは前記乱流を最小限に抑えた状態を保つように設計され、圧力を大きな底面領域表面構造全体にわたって維持し、最終的に前記流れが、前記吸引ファン（複数を含む）により吸引され、前記周囲（または、サンプ）に戻るように排出されることにより、前記吸引デバイスは吸引力を生成して前記表面を吸引し、
    −前記吸引デバイスは、前記吸引される表面に接触する必要がない、高流量低圧吸引デバイス。
22. 高流量低圧吸引デバイスであって、
    −ベースプレートに取り付けられ、前記ベースプレートの内部に形成される真空チャンバの方を向いた吸引ファン（複数を含む）または回転インペラ（複数を含む）は、空気または流体もしくはスラリーを周囲から前記吸引デバイスの周縁部を介して吸引し、４つの細分割流路セクションとしての前記ベースプレートの内部幾何学設計は、２つの加速ゾーン、１つの乱流ゾーン、および１つの平滑ゾーンを含み、
    −前記空気または流体もしくはスラリーは前記吸引デバイスの前記周縁部から第１加速ゾーンに真っ直ぐ流入し、前記空気または流体もしくはスラリーは加速され、次に前記乱流ゾーンに進入し、前記空気または流体もしくはスラリーは、ゾーンに生じる乱流による大量のエネルギー損失により急激な圧力降下を受け、次に再び、第２加速ゾーンに流入し、次にその後、前記空気または流体もしくはスラリーは前記平滑ゾーンに流入し続け、前記平滑ゾーンの中心に存在して吸引される表面に触れる必要がない分流器の支援により、流れを分流させて制御し、一定の断面状態を、前記空気または流体もしくはスラリーが向かう流路全体にわたって可能とし、前記平滑ゾーンは圧力を、大きな底面領域表面構造全体にわたって維持し、最終的に前記流れが、前記吸引ファン（複数を含む）により吸引され、前記周囲（または、サンプ）に戻るように排出されることにより、前記吸引デバイスは吸引力を生成して前記表面を吸引し、
    −前記吸引デバイスは、前記吸引される表面に接触する必要がない、高流量低圧吸引デバイス。