JP3894121B2 - pump - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等により、ポンプ室内の容積を変更して流体の移動を行う容積形ポンプに関連し、特に、信頼性が高くかつ流量が多いポンプに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種のポンプとしては、入口流路及び出口流路と容積が変更可能なポンプ室との間に、逆止弁が取り付けられている構成のものが一般的である。(例えば特許文献1参照)
【0003】
また、流体の粘性抵抗を利用して一方向への流れを生じさせるポンプ構成として、出口流路に弁を備え、その弁の開弁時には入口流路が出口流路よりも大きい流体抵抗を有するようにした構成のものがある。(例えば特許文献2参照)
【0004】
さらに、弁部に可動部品を使わず、ポンプの信頼性を向上させるポンプ構成として、入口流路、出口流路ともに圧力降下が流れの方向によって異なる流路形状をした圧縮構成要素を備えた構成のものがある。(例えば特許文献3及び非特許文献1参照)
【0005】
【特許文献1】
特開平10-220357号公報
【特許文献2】
特開平08-312537号公報
【特許文献3】
特表平08-506874号公報
【非特許文献1】
Anders Olsson, An improved valve‐less pumpfabricate using deep reactive ion etching,1996 IEEE 9th Internationa1 Workshop on Micro E1ectro Mechanical Systems,p.479-484
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1の構成では、入口流路及び出口流路ともに逆止弁が必要であり、流体が2個所の逆止弁を通過すると圧力損失が大きいという問題がある。また、逆止弁は繰り返し開閉するために疲労損傷する危険があり、逆止弁の数が多いほど信頼性が低くなるという問題もある。
【0007】
特許文献2の構成では、ポンプ吐出行程時に入口流路に生じる逆流を少なくするために、入口側流路の流体抵抗を大きくする必要がある。すると、ポンプ吸入行程では、その流体抵抗に逆らって流体をポンプ室内へ導入するために、吐出行程に比べ吸入行程がかなり長くなる。従って、ポンプの吐出吸入サイクルの周波数はかなり低くなってしまう。
【0008】
ピストンあるいはダイヤフラムを上下動させるポンプは、ピストンあるいはダイヤフラムの面積が等しい場合、一般的に上下動させる周波数が高いほど流量が多くなり出力が高くなる。しかし、特許文献2の構成では前述したように低い周波数でしか駆動できないため、小型で高出力なポンプを実現できない問題がある。
【0009】
特許文献3の構成は、ポンプ室体積の増減に従い圧縮構成要素を通過する流体の、流れの方向による圧力降下の違いにより正味流量を一方向に流す構成のため、ポンプ出口側の外部圧力(負荷圧力)が高くなるにつれて逆流量が増えてしまい、高負荷圧力ではポンプ動作をしなくなる問題がある。非特許文献1によると、最大負荷圧力は0.760気圧程度である。
【0010】
そこで本発明は、機械的開閉弁の個数を減らして、圧力損失を減らすとともに信頼性を高め、さらに、単位体積当たりのPZTの保有エネルギーを効率良くポンプ出力エネルギーに変換可能なポンプの提供を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記入口流路には、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記出口流路は、一周期のポンプ動作の中で前記出口流路内の流体に貯えられる最大運動エネルギーが該最大運動エネルギーを貯えるまでに流路抵抗によって消費されるエネルギーの1/3以上となる、寸法関係とした。
【0012】
この請求項1のポンプによると、アクチュエータの出力エネルギーの25%以上を出口流路内の流体の運動エネルギーとして保存できる。
その際、出口流路内の流体に貯えられる運動エネルギーと流路抵抗によって消費されるエネルギーを算出する請求項2記載の式に従い、出口流路の寸法を決めることが望ましい。
【0013】
また、請求項3の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記入口流路には、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記出口流路内の流体のコンプライアンスは、前記アクチュエータのコンプライアンスの3倍以下とした。この請求項3のポンプによると、圧電素子6の保有エネルギーの約25%は取り出せる。
【0014】
また、以上の請求項において、請求項4に記載したように、前記出口流路の長さは出口流路の等価直径の平均の1/2以上であることが好ましい。
【0015】
さらに、以上の請求項において、請求項5に記載したように、前記出口流路の長さは45[mm]以下とするのが好ましい。
【0016】
さらに、以上の請求項において、請求項6に記載したように、前記出口流路の平均直径は70[μm]以上であることが好ましい。
【0017】
さらに、以上の請求項において、請求項7に記載したように、前記出口流路の平均直径は3[mm]以下であるが好ましい。
【0018】
さらに、以上の請求項において、請求項8に記載したように、前記アクチュエータは圧電素子であることが好ましい。
【0019】
また、請求項9に記載したように、前記アクチュエータは超磁歪素子であることが好ましい。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。
【0021】
先ず、本発明に係わるポンプの実施形態の構造について図1で説明する。図1は、本発明のポンプの縦断面を示している。円筒形状のケース7の底部に円形のダイヤフラム5を配置している。ダイヤフラム5は、外周縁がケース7に固定支持されて弾性変形自在となっている。ダイヤフラム5の底面には、ダイヤフラム5を動かすためのアクチュエータとして、図面の上下方向に伸縮する圧電素子6が配置されている。
【0022】
ダイヤフラム5とケース7の上壁との間の狭い空間がポンプ室3であり、このポンプ室3へ向けて流体抵抗要素である逆止弁4を設けた入口流路1と、ポンプ動作中でも常にポンプ室と連通した細い穴のあいた管路である出口流路2とが開口している。そして、入口流路1を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部配管を接続するための入口接続管8となっている。また、出口流路2を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部配管を接続するための出口接続管9となっている。また、入口流路、出口流路ともに、動作流体の入口側を丸めた丸め部分15a,15bがある。また、外部配管としては、シリコンゴムなどのゴム系の材質や、その他の樹脂や薄い金属等、管内の圧力によって変形しやすい材質の配管を使用している。
【0023】
ここで、イナータンスLの定義を行なう。流路の断面積をS、流路の長さをl、動作流体の密度をρとした場合に、L=ρ×l/Sで与えられる。流路の差圧をΔP、流路を流れる流量をQとした場合に、イナータンスLを用いて流路内流体の運動方程式を変形することで、ΔP=L×dQ/dtという関係が導き出される。
【0024】
つまりイナータンスLとは、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示しており、イナータンスLが大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンスLが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
【0025】
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンスは、個々の流路のイナータンスを、電気回路におけるインダクタンスの並列接続、直列接続と同様に合成して算出すれば良い。
【0026】
また、ここで言う入口流路とは、ポンプ室3内から入口接続管8の流体流入側端面までの流路のことを言う。ただし、管路の途中に脈動吸収手段が接続されている場合は、ポンプ室3内から脈動吸収手段との接続部までの流路のことを言う。さらに、複数のポンプの入口流路1が合流している場合は、ポンプ室3内から合流部までの流路のことを言う。出口流路についても同様である。
【0027】
図1に基づいて、入口流路1、出口流路2の流路長さ、面積の記号関係を説明する。入口流路1において、逆止弁4近傍の縮径管路部の長さをL1、面積をS1とし、残りの拡大された管路部の長さをL2、面積をS2とする。また、出口流路2において、出口流路2の管路の長さをL3、面積をS3とする。
【0028】
以上の記号と、動作流体の密度ρを用いて、入口流路1、出口流路2のイナータンス関係を説明する。
【0029】
入口流路1のイナータンスは、ρ×L1/S1+ρ×L2/S2として算出される。一方、出口流路2のイナータンスは、ρ×L3/S3として算出される。そして、これら流路は、ρ×L1/S1+ρ×L2/S2<ρ×L3/S3を満たす寸法関係となっている。
【0030】
以上の構成において、ダイヤフラム5の形状は円形に限定するものではない。また、例えばポンプ停止時に万一加えられる過大な負荷圧力からポンプ構成部品を守るために、出口流路2に弁要素が配置されても、少なくともポンプ動作時にポンプ室と連通していれば構わない。また、逆止弁4は、流体の圧力差によって開閉するものだけではなく、流体の圧力差以外の力で開閉を制御することができるタイプのものを使用しても構わない。
【0031】
さらに、ダイヤフラム5を動かすアクチュエータ6には伸縮するものであれば何を使用しても良いが、本発明のポンプ構造は、アクチュエータとダイヤフラム5とが変位拡大機構を介さずに接続され、ダイヤフラムを高い周波数で運転可能なため、本実施形態のように応答周波数が高く単位体積当たりの出力が大きい圧電素子6を使用することで、高周波駆動による流量増加や出口流路内の流体に保存されるエネルギーを大きくすることができ、小型高出力なポンプが実現できる。同様の理由で超磁歪素子を使用しても良い。
【0032】
また、機械的開閉弁は吸入側のみに配置すれば良いため、弁による流量減少を減らすとともに信頼性も高くなる。
【0033】
次に、本実施形態のポンプを脱気した純水を動作流体として運転した場合の内部状態について説明する。
【0034】
図2には、ポンプを運転したときの、ダイヤフラム5の変位の波形W1、ポンプ室3の内圧の波形W2、出口流路2を通過する流体の体積速度(出口管路の断面積×流体の流速であり、流量と等しい量。)の波形W3、逆止弁4を通過する流体の体積速度の波形W4を示している。また、図2に示している負荷圧力Pfuは、出口流量2より下流側位置の流体圧力であり、吸入側圧力Pkyは、入口流路1より上流側の流体圧力である。
【0035】
ダイヤフラム5の変位の波形W1に示すように、波形の傾きが正の領域が、圧電素子6が伸びてポンプ室3の容積が減少している過程である。また、波形の傾きが負の領域は、圧電素子6が縮んでポンプ室3の容積が増大している過程である。
【0036】
そして、4.5μm変位した平坦な波形区間が、ダイヤフラム5が変位してポンプ室3の容積が最小となるダイヤフラム5の変位位置(上死点)である。
【0037】
ポンプ室3の内圧の波形W2に示すように、ポンプ室3の容積を減少する過程が始まると、ポンプ室3の内圧が上昇を開始する。そして、ポンプ室3の容積を減少する過程が終了する前に、ポンプ室3の内圧最大値を迎えて減少し始めている。この内圧最大の地点は、ダイヤフラム5による排除流体の体積速度と、波形W3で示した出口流路2の流体の体積速度とが等しくなる点である。
【0038】
この理由は、この時刻より前では、
「排除流体の体積速度 − 出口流路2の流体の体積速度 > 0」
の関係を有しているので、その分ポンプ室3内の流体が圧縮され、ポンプ室3内の圧力が上昇し、この時刻より後では、
「排除流体の体積速度 − 出口流路2の流体の体積速度 < 0」
の関係を有しているので、その分ポンプ室3内の流体の圧縮量が減少し、ポンプ室3内の圧力は降下するからである。
【0039】
各時刻によるポンプ室3内の流体の体積変化をΔVとすると、
「ΔV = ダイヤフラムによる排除流体体積 + 吸入流体体積 − 吐出流体体積」
なる関係があるので、ポンプ室3内の圧力はΔVと流体の圧縮率に従って変化する。したがって、ポンプ室3の容積が減少している過程であっても、負荷圧力Pfuよりもポンプ室3内の圧力が低下する場合もある。しかし、吸入流体体積が零であるうちに圧電素子6が上死点まで変位するような急峻な変位をさせた場合、ダイヤフラムによる排除流体体積と吐出流体体積とが等しくなるまでは、ポンプ室内圧は負荷圧力Pfuよりも高い。そして、その間は出口流路の流体は増速する。
【0040】
さらに、図2の場合では、ポンプ室3内圧力が吸入側圧力Pkyよりも低下し、絶対0気圧に近づいたところで、動作流体中に溶けていた成分がガス化して気泡となるエアレーションやキャビテーンヨンが起こり、絶対0気圧付近で飽和している。ただし、ポンプを含んだ流路系全体が加圧され吸入側圧力Pkyも十分に高い場合は、エアレーションやキャビテーションは発生しない場合もある。
【0041】
また、出口流路2内流体の体積速度の波形W3に示すように、出口流路2内では、ポンプ室3内圧力が負荷圧力Pfuよりも大きい期間が、ほぼ流体の体積速度の増加期間となっている。そして、ポンプ室3内圧力が負荷圧力Pfuより低下すると、出口流路2内の流体の体積速度も減少し始める。
【0042】
ポンプ室3内圧力と負荷圧力Pfuとの差圧をΔPout、出口流路2での流体抵抗をRout、イナータンスをLout、流体の体積速度をQoutとおくと、出口流路2内の流体には、
【0043】
【式1】
【0044】
という関係が成り立つため、これら流体の体積速度の変化率は、ΔPoutとRout×Qoutとの差をイナータンスLoutで割ったものと等しい。そして、1周期分の波形W3で示されている流体の体積速度を積分した値が、1周期当たりの吐出流体体積となる。
【0045】
また、逆止弁4を通過する流体の体積速度変化の波形W3に示すように、入口流路1では、ポンプ室3内圧力が吸入側圧力Pkyよりも減少すると、その圧力差によって逆止弁4が開き、流体の体積速度が増加し始める。また、ポンプ室3内圧力が上昇し、吸入側圧力Pkyよりも増加すると、流体の体積速度が減少し始める。そして、逆止弁4の逆止効果によって逆流は防がれている。
【0046】
ポンプ室3内圧力と吸入側圧力Pkyとの差圧をΔPin、出口流路2での流体抵抗をRin、イナータンスをLin、流体の体積速度をQinとおくと、入口流路1内の流体でも、
【0047】
【式2】
【0048】
という関係が成り立つため、これら流体体積速度の変化率も、ΔPinとRin×Qinとの差を入口流路1のイナータンスLinで割ったものと等しい。
【0049】
そして、1周期分の波形W4で示されている流体の体積速度を積分した値が、1周期当たりの吸入流体体積である。そして、この吸入流体体積は、波形W3で算出した吐出流体体積と等しい。
【0050】
本実施形態のポンプ構造では、入口流路1のイナータンスを出口流路2のイナータンスよりも小さくしてあるので、入口流路1の流体は、大きな流体速度の変化率で流入し、吸入流体体積(=吐出流体体積)を増加させることができる。
【0051】
以上のように、本実施の形態のポンプは、出口流路内の流体の運動エネルギーが大きいほど、吐出流体体積が多くなりポンプの出力が大きくなるという特徴を持つ。したがって、ポンプの運転効率を向上させるうえで、圧電素子6が出力するエネルギーを効率良く出口流路の流体の運動エネルギーに変換することが重要である。また、圧電素子の保有エネルギーを、できるだけ圧電素子から出力エネルギーとして取り出すことが、圧電素子を小型化する上で重要である。
【0052】
次に、エネルギー関係について説明する。
【0053】
ある時刻tまでの圧電素子の出力エネルギーは、出口流路内の流体の運動エネルギーと、その時刻tまでに流体抵抗で損失されるエネルギーの和となる。ダイヤフラムが下死点から上死点まで変位した時間をT、その時の排除体積をV0とする。また、このとき圧電素子は下死点から上死点まで変位したので、一周期分の出力エネルギーEmaxを出力している。
【0054】
このときのエネルギー式は、出口流路のイナータンスをL、出口流路内が層流である場合にハーゲン・ポアズイユの式から導かれる流路内の流体抵抗をR、流量をQとすると、
【0055】
となる。ここで、出口流路の直径d、長さl、動作流体の密度ρ、動粘度νとすると、
であり、ともに出口流路の直径d、長さl、の関数となっている。また、Emaxは、圧電素子の材料と寸法とによって決まる保有エネルギーE、出口管路のコンプライアンスをC、圧電素子のコンプライアンスをCpztとすると、
【0056】
という関係で求められる。ここで、出口流路の直径d、長さl、流体の圧縮率をβとすると、
とすれば良く、やはり、出口流路の直径d、長さl、の関数となっている。
【0057】
一方、圧電素子6が下死点から上死点まで変位して排除体積V0となっている場合、この過程ではまだ吸入弁が開かないので、出口流路からの吐出流体体積がV0と等しくなるまでは、ポンプ室内の圧力が負荷圧力よりも上昇しており、出口流路の流体体積速度は単調増加となる。そこで、圧電素子が一周期分の出力エネルギーEmaxを出力した際の出口流路内流速をQ(T)とすると、流量Qを時間の一次関数
で近似でき、時刻Tまでの流量Qの積分値が、排除体積V0と等しいため、
なる関係がある。ここで、(3)式に(4)式を代入すると、
【0058】
となる。(5)式において、出口流路の長さl、直径d、及び使用する圧電素子の保有エネルギーE、コンプライアンスCpztが決まっていると、Q(T)以外の値が定数となるので、Q(T)を求めることができる。その算出した値Q(T)を用いて、出口流路内の流体に保存された運動エネルギー(以降の説明に出てくる、出口流路のイナータンスに保存されたエネルギーと同じ。)
【0059】
と抵抗で消費されたエネルギー
【0060】
とを算出することができる。以上の方法により算出した出口流路のイナータンスに保存されたエネルギーと抵抗で消費されたエネルギーとを比較した場合、請求項1に記載したように、「出口流路のイナータンスに保存されたエネルギー>1/3×抵抗で消費されたエネルギー」の関係にあるように吐出管の長さl及び直径dを決めてやれば、圧電素子の出力エネルギーの25%以上を出口管路のイナータンスに保存できる。より望ましくは、「出口流路のイナータンスに保存されたエネルギー>抵抗で消費されたエネルギー」の関係にあるように吐出管の長さl及び直径dを決めてやれば、圧電素子の出力エネルギーの50%以上を出口管路のイナータンスに保存できる。より望ましくは、「出口流路のイナータンスに保存されたエネルギー>3×抵抗で消費されたエネルギー」の関係にあるように吐出管の長さl及び直径dを決めてやれば、圧電素子の出力エネルギーの75%以上を出口管路のイナータンスに保存できる。
【0061】
一方、本実施形態のポンプで使用している圧電素子や、超磁歪素子などのアクチュエータは、外部からエネルギーを加えた場合、変位が零の時が最大発生力となる。そして、発生力が零となった時が、最大変位となる。そこで、これらアクチュエータの保有エネルギーは最大発生力×最大変位として求められる。一方、圧電素子にコンプライアンス要素が取り付けられた場合は、変位量が少ない間の発生力の上昇が難くなり、圧電素子の出力エネルギーEmaxは著しく低下する。本実施形態のポンプにおいては、ポンプをどんなに剛性を高く製作しても流体のコンプライアンスは存在し、特に出口流路の流体のコンプライアンスは必ず存在する。そのためEmaxは最大でも、圧電素子の寸法によって決まる保有エネルギーE、出口流路のコンプライアンスをC、圧電素子のコンプライアンスをCpztとすると、
【0062】
という関係で求められる値となる。ここで、出口管路の直径d、長さl、流体の圧縮率をβとすると、
【0063】
したがって、請求項3に記載したように、少なくとも出口流路に存在する流体のコンプライアンスは、アクチュエータである圧電素子6のコンプライアンスの3倍以下とすることで、圧電素子6の保有エネルギーの約25%は取り出せる。さらに、出口流路とポンプ室とを含んだポンプ内部の流体のコンプライアンスが、圧電素子6のコンプライアンスの3倍以下とすることで、圧電素子6の保有エネルギーの約25%以上は取り出すことができる。
【0064】
より望ましくは、出口流路に存在する流体のコンプライアンスは、アクチュエータである圧電素子6のコンプライアンス以下とすることで、圧電素子6の保有エネルギーの約50%は取り出せる。さらに、出口流路とポンプ室とを含んだポンプ内部の流体のコンプライアンスが、圧電素子6のコンプライアンス以下とすることで、圧電素子6の保有エネルギーの約50%以上は取り出すことができる。
【0065】
より望ましくは、出口流路に存在する流体のコンプライアンスは、アクチュエータである圧電素子6のコンプライアンスの1/3以下とすることで、圧電素子6の保有エネルギーの約75%は取り出せる。さらに、出口流路とポンプ室とを含んだポンプ内部の流体のコンプライアンスが、圧電素子6のコンプライアンスの1/3以下とすることで、圧電素子6の保有エネルギーの約75%以上は取り出すことができ圧電素子を大幅に小型にすることができる。もしくは、圧電素子への印加電圧を大幅に低下させることができる。
【0066】
以上の関係を実際の値を用いて算出する。
【0067】
圧電素子はヤング率4.4E10[N/m2]、直径5[mm]、長さ10[mm]、最大変位量6[μm]の物を用いており、ダイヤフラムは圧電素子と同じ直径5[mm]の場合である。このとき、圧電素子の最大発生力は518[N]、圧電素子の保有エネルギーは1.56E-3[J]、圧電素子のコンプライアンスCpztはポンプ室内の圧力が加わったときの圧電素子の体積変化量であり、4.46E-7[cm3/atm]と求められる。また、ダイヤフラムの排除体積V0は1.18E-4[cm3]となる。
【0068】
出口流路の直径φと長さlとを変化させた場合の、出口流路の流体抵抗R、イナータンスL、コンプライアンスCの値を下表に示す。ただし、動作流体の圧縮率4.9E-10[1/Pa]、動粘度を1E-6[m2/s]、密度1E3[kg/m3]の場合である。
【0069】
【0070】
また、出口流路の直径φと長さlとを変化させた場合について、圧電素子の出力エネルギーEmaxを(6)式によって、圧電素子が出力エネルギーEmaxを出力した際の出口流路内流速をQ(T)を(5)式によって算出し、求められた出口流路内流体のイナータンスに保存されたエネルギーと圧電素子の保有エネルギーEとの比率とを下の表に示す。
【0071】
【0072】
このように、出口流路の直径φと長さlとによって、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子(PZT)保有エネルギーとの比率が変化する様子が求められている。そこで、圧電素子の保有エネルギーを効率よく出力させ、さらに、その出力エネルギーを効率よく出口流路の流体の運動エネルギーに変換するためには、出口流路内流体のイナータンス保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が少なくとも25%以上となるように、出口流路の直径φと長さlとを決定する必要がある。より好ましくは、出口流路内流体のイナータンス保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が少なくとも50%以上となるように、出口流路の直径φと長さlとを決定すればよい。
【0073】
上表の算出時と同様の条件のもと、出口流路の直径φと長さlとをより広い範囲で変化させ、それぞれの場合における出口流路内流体のイナータンス保存されるエネルギーと圧電素子(PZT)保有エネルギーとの比率を示すグラフを図3に示す。
【0074】
図3において、横軸が出口流路の直径φ[mm]で、縦軸が出口流路の長さl[mm]である。そして、実線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が75%以上の領域であり、一点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が50%以上の領域であり、二点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が25%以上の領域である。
【0075】
次に、圧電素子の直径10[mm]、ダイヤフラムも圧電素子と同じ直径10[mm]の場合を示す。このとき、圧電素子の最大発生力は2070[N]、圧電素子の保有エネルギーは6.22E-3[J]、圧電素子のコンプライアンスCpztは1.78E-6[cm3/atm]と求められる。また、ダイヤフラムの排除体積V0は4.71E-4[cm3]となる。
【0076】
出口流路の直径φと長さlとを変化させた場合について、圧電素子の出力エネルギーEmaxを(6)式によって、圧電素子が出力エネルギーEmaxを出力した際の出口流路内流速をQ(T)を(5)式によって算出し、求められた出口流路内流体のイナータンスに保存されたエネルギーと圧電素子の保有エネルギーEとの比率とを下の表に示す。
【0077】
上表の算出時と同様の条件のもと、出口流路の直径φと長さlとをより広い範囲で変化させ、それぞれの場合における出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子(PZT)保有エネルギーとの比率を示すグラフを図4に示す。
【0078】
図4において、横軸が出口流路の直径φ[mm]で、縦軸が出口流路の長さl[mm]である。そして、実線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が75%以上の領域であり、一点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が50%以上の領域であり、二点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が25%以上の領域である。
【0079】
次に、圧電素子の直径2[mm]、ダイヤフラムも圧電素子と同じ直径2[mm]の場合を示す。このとき、圧電素子の最大発生力は82.9[N]、圧電素子の保有エネルギーは2.49E-4[J]、圧電素子のコンプライアンスCpztは7.14E-8[cm3/atm]と求められる。また、ダイヤフラムの排除体積V0は1.88E-5[cm3]となる。
【0080】
出口流路の直径φと長さlとを変化させた場合について、圧電素子の出力エネルギーEmaxを(6)式によって、圧電素子が出力エネルギーEmaxを出力した際の出口流路内流速をQ(T)を(5)式によって算出し、求められた出口流路内流体のイナータンスに保存されたエネルギーと圧電素子の保有エネルギーEとの比率とを下の表に示す。
【0081】
上表の算出時と同様の条件のもと、出口流路の直径φと長さlとをより広い範囲で変化させ、それぞれの場合における出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子(PZT)保有エネルギーとの比率を示すグラフを図5に示す。
【0082】
図5において、横軸が出口流路の直径φ[mm]で、縦軸が出口流路の長さl[mm]である。そして、実線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が75%以上の領域であり、一点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が50%以上の領域であり、二点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が25%以上の領域である。
【0083】
一方、出口流路の長さと等価直径との関係において、等価直径に比較して長さが短すぎる場合、出口流路は管路形状というよりオリフィス形状に近くなり流体抵抗が激増して流体抵抗で消費されるエネルギーも激増し、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率は大幅に低下する。そのような状態を防止するためには、出口流路の長さは流路の等価直径の1/2以上とするのが良い。出口流路の流路断面積が変化している場合は、出口流路の長さは等価直径の平均値の1/2以上とすれば良い。
ここで、等価直径とは、等価直径をDeとすると
De=4Af/Wp
Af:流路断面積
Wp:断面にある壁面の長さ
として定義されるものである。
【0084】
上述の内容と図3、図4、図5とにより、圧電素子保有エネルギーを有効に出口流路内流体のイナータンスに保存させるための出口流路の寸法範囲は、流路直径φは概略70[μm]以上で3[mm]以下、流路長さは概略45[mm]以下の範囲である。
【0085】
以上であるが、本発明で記載しているイナータンス、コンプライアンスは、従来からある電気系と音響系とのアナロジーで使用されているものと同様のものである。
【0086】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のポンプは、弁を入口流路だけに配置すればよく、弁等の流体抵抗要素を入口流路だけに配置すればいいので、流体抵抗要素での圧力損失を減らすとともに、ポンプの信頼性を高めることができる。
【0087】
また、ピストン或いはダイヤフラムと、それを駆動するアクチュエータとの間には変位拡大機構が配置されておらず、弁に粘性抵抗を利用していないので高周波駆動に対応し、高周波駆動することでポンプの出力を増加することができる。特に、アクチュエータとして請求項8乃至9に記載したような圧電素子や超磁歪素子を使用するときには、素子の高い周波数応答性を十分に生かし小型軽量で高出力のポンプを実現できる。
【0088】
さらに、請求項1乃至2のような出口流路寸法とすることで、圧電素子6が出力するエネルギーの25%以上を出口流路の流体の運動エネルギーに変換することができ、ポンプの効率が向上する。
さらに、請求項3のような出口流路寸法とすることで、圧電素子6の保有エネルギーの約25%を出力エネルギーとして取り出すことでき、圧電素子を小型化することができる。
さらに、請求項4乃至7記載の出口流路寸法とすることで、圧電素子保有エネルギーを有効に出口流路内流体の運動エネルギーに変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る実施形態のポンプ構造の縦断面を示す図である。
【図2】 実施形態のポンプ動作時の各状態量を示すグラフである。
【図3】 本実施形態のポンプにおいて圧電素子とダイヤフラムの直径がφ5[mm]である場合の、出口流路寸法と、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率との関係を示したグラフである。
【図4】 本実施形態のポンプにおいて圧電素子とダイヤフラムの直径がφ10[mm]である場合の、出口流路寸法と、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率との関係を示したグラフである。
【図5】 本実施形態のポンプにおいて圧電素子とダイヤフラムの直径がφ2[mm]である場合の、出口流路寸法と、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
1 入口流路
2 出口流路
3 ポンプ室
4 逆止弁
5 ダイヤフラム(可動壁)
6 圧電素子(アクチュエータ)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a positive displacement pump that moves a fluid by changing a volume in a pump chamber by using a piston or a diaphragm, and more particularly, to a highly reliable pump having a high flow rate.
[0002]
[Prior art]
As a conventional pump of this type, a structure in which a check valve is attached between an inlet channel and an outlet channel and a pump chamber whose volume can be changed is generally used. (For example, see Patent Document 1)
[0003]
Also, as a pump configuration that generates a flow in one direction using the viscous resistance of the fluid, a valve is provided in the outlet channel, and the inlet channel has a larger fluid resistance than the outlet channel when the valve is opened. There is a thing of the structure made like this. (For example, see Patent Document 2)
[0004]
In addition, as a pump configuration that improves the reliability of the pump without using moving parts in the valve part, a configuration including a compression component in which the pressure drop of the inlet flow channel and the outlet flow channel is different depending on the flow direction. There are things. (For example, see
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-220357
[Patent Document 2]
JP 08-312537 A
[Patent Document 3]
Japanese National Patent Publication No. 08-506874
[Non-Patent Document 1]
Anders Olsson, An improved valve-less pumpfabricate using deep reactive ion etching, 1996 IEEE 9th Internationa1 Workshop on Micro E1ectro Mechanical Systems, p.479-484
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the configuration of
[0007]
In the configuration of
[0008]
A pump that moves a piston or diaphragm up and down generally has a higher flow rate and higher output as the frequency of the piston or diaphragm moving up and down is higher. However, since the configuration of
[0009]
The configuration of
[0010]
Accordingly, the present invention aims to provide a pump capable of reducing the number of mechanical on-off valves, reducing pressure loss and improving reliability, and further efficiently converting the energy held by PZT per unit volume into pump output energy. And
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, an invention according to
The inlet channel is provided with a fluid resistance element that is smaller than the fluid resistance when the working fluid flows into the pump chamber when the working fluid flows out. The dimensional relationship is such that the maximum kinetic energy stored in the fluid in the outlet channel is 1/3 or more of the energy consumed by the channel resistance until the maximum kinetic energy is stored.
[0012]
According to the pump of the first aspect, 25% or more of the output energy of the actuator can be stored as the kinetic energy of the fluid in the outlet channel.
At that time, it is desirable to determine the size of the outlet channel according to the equation of
[0013]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an actuator for displacing a movable wall such as a piston or a diaphragm, a pump chamber whose volume can be changed by the displacement of the movable wall, and an inlet flow path for flowing a working fluid into the pump chamber. , In a pump comprising an outlet channel for letting a working fluid flow out of the pump chamber,
The inlet channel includes a fluid resistance element that is smaller than the fluid resistance when the working fluid flows into the pump chamber, and the fluid compliance in the outlet channel Less than 3 times the compliance. According to the pump of
[0014]
Moreover, in the above claim, as described in
[0015]
Furthermore, in the above claims, as described in
[0016]
Furthermore, in the above claims, as described in
[0017]
Furthermore, in the above claims, as described in
[0018]
Furthermore, in the above claims, as described in
[0019]
According to a ninth aspect of the present invention, the actuator is preferably a giant magnetostrictive element.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0021]
First, the structure of an embodiment of a pump according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a longitudinal section of the pump of the present invention. A
[0022]
A narrow space between the
[0023]
Here, the inertance L is defined. When the cross-sectional area of the flow path is S, the length of the flow path is l, and the density of the working fluid is ρ, L = ρ × l / S. When the differential pressure of the flow path is ΔP and the flow rate flowing through the flow path is Q, the relation of ΔP = L × dQ / dt is derived by modifying the equation of motion of the fluid in the flow path using the inertance L. .
[0024]
That is, the inertance L indicates the degree of influence of the unit pressure on the time change of the flow rate. The larger the inertance L, the smaller the time change of the flow rate, and the smaller the inertance L, the greater the time change of the flow rate.
[0025]
In addition, the combined inertance related to the parallel connection of a plurality of flow paths and the series connection of a plurality of flow paths having different shapes is performed by synthesizing the inertance of individual flow paths in the same manner as the parallel connection and series connection of inductances in an electric circuit. What is necessary is just to calculate.
[0026]
In addition, the inlet channel referred to here is a channel from the inside of the
[0027]
Based on FIG. 1, the symbol relationship of the flow path length and area of the
[0028]
The inertance relationship between the
[0029]
The inertance of the
[0030]
In the above configuration, the shape of the
[0031]
Furthermore, any
[0032]
Further, since the mechanical on-off valve has only to be arranged on the suction side, the flow rate decrease due to the valve is reduced and the reliability is also increased.
[0033]
Next, an internal state when the pure water deaerated from the pump of the present embodiment is operated as a working fluid will be described.
[0034]
FIG. 2 shows the waveform W1 of the displacement of the
[0035]
As shown by the displacement waveform W1 of the
[0036]
The flat waveform section displaced by 4.5 μm is the displacement position (top dead center) of the
[0037]
As shown in the waveform W2 of the internal pressure of the
[0038]
This is because before this time,
“Volume velocity of the excluded fluid−volume velocity of the fluid in the
Therefore, the fluid in the
“Volume velocity of excluded fluid−volume velocity of fluid in
This is because the compression amount of the fluid in the
[0039]
If the volume change of the fluid in the
"ΔV = Exhaust fluid volume by diaphragm + Intake fluid volume-Discharge fluid volume"
Therefore, the pressure in the
[0040]
Furthermore, in the case of FIG. 2, the pressure in the
[0041]
Further, as shown in the waveform W3 of the volume velocity of the fluid in the
[0042]
[0043]
[Formula 1]
[0044]
Therefore, the rate of change in volume velocity of these fluids is ΔP out And R out × Q out Inertance L out Equal to dividing by. Then, a value obtained by integrating the volume velocity of the fluid indicated by the waveform W3 for one cycle is the discharged fluid volume per cycle.
[0045]
Further, as shown in the waveform W3 of the change in volume velocity of the fluid passing through the
[0046]
[0047]
[Formula 2]
[0048]
Therefore, the rate of change of these fluid volume velocities is also ΔP in And R in × Q in Is the difference between the inertance L of the
[0049]
A value obtained by integrating the volume velocity of the fluid indicated by the waveform W4 for one cycle is the suction fluid volume per cycle. The suction fluid volume is equal to the discharge fluid volume calculated by the waveform W3.
[0050]
In the pump structure of the present embodiment, the inertance of the
[0051]
As described above, the pump according to the present embodiment has a feature that the larger the kinetic energy of the fluid in the outlet channel, the larger the volume of discharged fluid and the larger the output of the pump. Therefore, in order to improve the operation efficiency of the pump, it is important to efficiently convert the energy output from the
[0052]
Next, the energy relationship will be described.
[0053]
The output energy of the piezoelectric element up to a certain time t is the sum of the kinetic energy of the fluid in the outlet channel and the energy lost by the fluid resistance up to that time t. The time when the diaphragm is displaced from the bottom dead center to the top dead center is T, and the displacement volume at that time is V 0 And At this time, since the piezoelectric element is displaced from the bottom dead center to the top dead center, the output energy Emax for one cycle is output.
[0054]
The energy equation at this time is expressed as follows: L is the inertance of the outlet channel, R is the fluid resistance in the channel derived from the Hagen-Poiseuille equation when the outlet channel is laminar, and Q is the flow rate.
[0055]
It becomes. Here, when the diameter d of the outlet channel, the length l, the density ρ of the working fluid, and the kinematic viscosity ν,
Both are functions of the diameter d and length l of the outlet channel. Also, Emax is the stored energy E determined by the material and dimensions of the piezoelectric element, the compliance of the outlet pipe is C, and the compliance of the piezoelectric element is Cpzt.
[0056]
It is required in the relationship. Here, when the diameter d of the outlet channel, the length l, and the fluid compressibility are β,
It is a function of the diameter d and the length l of the outlet channel.
[0057]
On the other hand, the
The integral value of the flow rate Q up to time T is the excluded volume V 0 Is equal to
There is a relationship. Here, when substituting equation (4) into equation (3),
[0058]
It becomes. In the formula (5), when the length l of the outlet channel, the diameter d, the energy E of the piezoelectric element to be used, and the compliance Cpzt are determined, Q (T) Since values other than are constants, Q (T) Can be requested. The calculated value Q (T) Is used to store the kinetic energy stored in the fluid in the outlet channel (same as the energy stored in the inertance of the outlet channel that appears in the following description).
[0059]
And energy consumed by resistance
[0060]
And can be calculated. When the energy stored in the inertance of the outlet channel calculated by the above method is compared with the energy consumed by the resistance, as described in
[0061]
On the other hand, actuators such as piezoelectric elements and giant magnetostrictive elements used in the pump of the present embodiment have a maximum generated force when the displacement is zero when energy is applied from the outside. The maximum displacement is when the generated force becomes zero. Therefore, the energy held by these actuators is obtained as maximum generated force × maximum displacement. On the other hand, when the compliance element is attached to the piezoelectric element, it is difficult to increase the generated force while the amount of displacement is small, and the output energy Emax of the piezoelectric element is significantly reduced. In the pump of this embodiment, no matter how rigid the pump is made, fluid compliance exists, and in particular, there is always fluid compliance in the outlet channel. Therefore, even if Emax is the maximum, the retained energy E determined by the dimensions of the piezoelectric element, the compliance of the outlet channel is C, and the compliance of the piezoelectric element is Cpzt.
[0062]
This is the value obtained from the relationship. Here, when the diameter d of the outlet pipe, the length l, and the fluid compressibility are β,
[0063]
Therefore, as described in
[0064]
More desirably, the compliance of the fluid existing in the outlet channel is set to be equal to or less than the compliance of the
[0065]
More desirably, the compliance of the fluid existing in the outlet channel is set to 1/3 or less of the compliance of the
[0066]
The above relationship is calculated using actual values.
[0067]
The piezoelectric element has a Young's modulus of 4.4E10 [N / m 2 ], A diameter of 5 [mm], a length of 10 [mm], and a maximum displacement of 6 [μm] are used, and the diaphragm has the same diameter of 5 [mm] as the piezoelectric element. At this time, the maximum generated force of the piezoelectric element is 518 [N], the retained energy of the piezoelectric element is 1.56E-3 [J], and the compliance C of the piezoelectric element pzt Is the volume change of the piezoelectric element when the pressure in the pump chamber is applied, 4.46E-7 [cm Three / atm]. In addition, the excluded volume V of the diaphragm 0 1.18E-4 [cm Three It becomes.
[0068]
The values of the fluid resistance R, inertance L, and compliance C of the outlet channel when the diameter φ and the length l of the outlet channel are changed are shown in the table below. However, working fluid compressibility 4.9E-10 [1 / Pa], kinematic viscosity 1E-6 [m 2 / s], density 1E3 [kg / m Three ].
[0069]
[0070]
Further, when the diameter φ and the length l of the outlet channel are changed, the output energy Emax of the piezoelectric element is expressed by the equation (6), and the flow velocity in the outlet channel when the piezoelectric element outputs the output energy Emax is calculated. Q (T) Is calculated by the equation (5), and the obtained ratio of the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the energy E held by the piezoelectric element is shown in the table below.
[0071]
[0072]
Thus, it is required that the ratio between the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the energy held by the piezoelectric element (PZT) varies depending on the diameter φ and the length l of the outlet channel. Therefore, in order to efficiently output the retained energy of the piezoelectric element and further convert the output energy into the kinetic energy of the fluid in the outlet channel, the energy stored in the inertance fluid of the fluid in the outlet channel and the piezoelectric element It is necessary to determine the diameter φ and the length l of the outlet channel so that the ratio with the retained energy is at least 25% or more. More preferably, the diameter φ and the length l of the outlet channel may be determined so that the ratio between the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the energy stored in the piezoelectric element is at least 50% or more.
[0073]
Under conditions similar to those in the calculation in the above table, the diameter φ and the length l of the outlet channel are changed in a wider range, and the energy stored in the outlet channel in each case and the energy stored in the piezoelectric element A graph showing the ratio with (PZT) retained energy is shown in FIG.
[0074]
In FIG. 3, the horizontal axis represents the diameter φ [mm] of the outlet channel, and the vertical axis represents the length l [mm] of the outlet channel. The region surrounded by the solid line is a region where the ratio of the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the piezoelectric element holding energy is 75% or more, and the region surrounded by the alternate long and short dash line is the region inside the outlet channel. The ratio between the energy stored in the fluid inertance and the piezoelectric element holding energy is 50% or more, and the area surrounded by the two-dot chain line is the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the piezoelectric element holding This is a region where the ratio to energy is 25% or more.
[0075]
Next, the case where the piezoelectric element has a diameter of 10 [mm] and the diaphragm has the same diameter as the piezoelectric element of 10 [mm] is shown. At this time, the maximum generated force of the piezoelectric element is 2070 [N], the retained energy of the piezoelectric element is 6.22E-3 [J], and the compliance C of the piezoelectric element pzt 1.78E-6 [cm Three / atm]. In addition, the excluded volume V of the diaphragm 0 Is 4.71E-4 [cm Three It becomes.
[0076]
In the case where the diameter φ and the length l of the outlet channel are changed, the output energy Emax of the piezoelectric element is expressed by the equation (6), and the flow velocity in the outlet channel when the piezoelectric element outputs the output energy Emax is expressed as Q. (T) Is calculated by the equation (5), and the obtained ratio of the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the energy E held by the piezoelectric element is shown in the table below.
[0077]
Under the same conditions as in the calculation in the above table, the diameter φ and the length l of the outlet channel are changed in a wider range, and the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the piezoelectricity in each case FIG. 4 shows a graph showing the ratio with the element (PZT) retained energy.
[0078]
In FIG. 4, the horizontal axis is the diameter φ [mm] of the outlet channel, and the vertical axis is the length l [mm] of the outlet channel. The region surrounded by the solid line is a region where the ratio of the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the piezoelectric element holding energy is 75% or more, and the region surrounded by the alternate long and short dash line is the region inside the outlet channel. The ratio between the energy stored in the fluid inertance and the piezoelectric element holding energy is 50% or more, and the area surrounded by the two-dot chain line is the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the piezoelectric element holding This is a region where the ratio to energy is 25% or more.
[0079]
Next, the case where the piezoelectric element has a diameter of 2 [mm] and the diaphragm has the same diameter of 2 [mm] as the piezoelectric element will be described. At this time, the maximum generated force of the piezoelectric element is 82.9 [N], the retained energy of the piezoelectric element is 2.49E-4 [J], and the compliance C of the piezoelectric element pzt Is 7.14E-8 [cm Three / atm]. In addition, the excluded volume V of the diaphragm 0 Is 1.88E-5 [cm Three It becomes.
[0080]
In the case where the diameter φ and the length l of the outlet channel are changed, the output energy Emax of the piezoelectric element is expressed by the equation (6), and the flow velocity in the outlet channel when the piezoelectric element outputs the output energy Emax is expressed as Q. (T) Is calculated by the equation (5), and the obtained ratio of the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the energy E held by the piezoelectric element is shown in the table below.
[0081]
Under the same conditions as in the calculation in the above table, the diameter φ and the length l of the outlet channel are changed in a wider range, and the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the piezoelectricity in each case FIG. 5 is a graph showing the ratio with the element (PZT) retained energy.
[0082]
In FIG. 5, the horizontal axis is the diameter φ [mm] of the outlet channel, and the vertical axis is the length l [mm] of the outlet channel. The region surrounded by the solid line is a region where the ratio of the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the piezoelectric element holding energy is 75% or more, and the region surrounded by the alternate long and short dash line is the region inside the outlet channel. The ratio between the energy stored in the fluid inertance and the piezoelectric element holding energy is 50% or more, and the area surrounded by the two-dot chain line is the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the piezoelectric element holding This is a region where the ratio to energy is 25% or more.
[0083]
On the other hand, in the relationship between the length of the outlet channel and the equivalent diameter, if the length is too short compared to the equivalent diameter, the outlet channel becomes closer to the orifice shape rather than the pipe shape, and the fluid resistance increases drastically. Also, the energy consumed in the flow rate increases dramatically, and the ratio between the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel and the energy stored in the piezoelectric element is significantly reduced. In order to prevent such a state, the length of the outlet channel is preferably ½ or more of the equivalent diameter of the channel. When the cross-sectional area of the outlet channel has changed, the length of the outlet channel may be ½ or more of the average value of equivalent diameters.
Here, the equivalent diameter means that the equivalent diameter is De.
De = 4 Af / Wp
Af: Channel cross-sectional area
Wp: The length of the wall surface in the cross section
Is defined as
[0084]
3, 4, and 5, the dimension range of the outlet channel for effectively storing the energy stored in the piezoelectric element in the inertance of the fluid in the outlet channel is approximately 70 [ [mu] m] to 3 [mm] and the flow path length is approximately 45 [mm] or less.
[0085]
As described above, the inertance and compliance described in the present invention are the same as those used in the conventional analogy between the electrical system and the acoustic system.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, in the pump of the present invention, the valve only needs to be disposed in the inlet flow path, and the fluid resistance element such as the valve only needs to be disposed in the inlet flow path. As well as reducing, the reliability of the pump can be increased.
[0087]
Also, no displacement magnifying mechanism is arranged between the piston or diaphragm and the actuator that drives it, and no viscous resistance is used for the valve. The output can be increased. In particular, when a piezoelectric element or a giant magnetostrictive element as described in
[0088]
Furthermore, by setting the outlet channel dimensions as in
Furthermore, by setting the size of the outlet channel as in
Furthermore, by setting the size of the outlet channel according to
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a longitudinal section of a pump structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing state quantities during pump operation of the embodiment.
FIG. 3 shows the dimensions of the outlet channel, the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel, and the energy stored in the piezoelectric element when the diameter of the piezoelectric element and the diaphragm is 5 mm in the pump of the present embodiment. It is the graph which showed the relationship with the ratio.
FIG. 4 shows the dimensions of the outlet channel, the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel, and the energy stored in the piezoelectric element when the diameter of the piezoelectric element and the diaphragm is 10 mm in the pump of the present embodiment. It is the graph which showed the relationship with the ratio.
FIG. 5 shows the dimensions of the outlet channel, the energy stored in the inertance of the fluid in the outlet channel, and the energy stored in the piezoelectric element when the diameter of the piezoelectric element and the diaphragm is 2 mm in the pump of the present embodiment. It is the graph which showed the relationship with the ratio.
[Explanation of symbols]
1 Inlet channel
2 outlet channel
3 Pump room
4 Check valve
5 Diaphragm (movable wall)
6 Piezoelectric elements (actuators)
Claims (6)
前記アクチュエータは、圧電素子あるいは超磁歪素子であり、前記入口流路には、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記出口流路は、一周期のポンプ動作の中で前記出口流路に貯えられる最大運動エネルギーが該最大運動エネルギーを貯えるまでに流路抵抗によって消費されるエネルギーの1/3以上となる、寸法関係であり、前記ピストンあるいはダイヤフラムが下死点から上死点への移動を終了した時点から、上死点から下死点への移動開始による前記ポンプ室の容積増大開始までの間に前記ポンプ室内圧力が絶対0気圧付近になるように、前記ピストンあるいはダイヤフラムの駆動波形を形成したことを特徴とするポンプ。An actuator for displacing a movable wall such as a piston or a diaphragm, a pump chamber whose volume can be changed by the displacement of the movable wall, an inlet channel for flowing a working fluid into the pump chamber, and a working fluid flowing out from the pump chamber A pump having an outlet flow path,
The actuator is a piezoelectric element or a giant magnetostrictive element, and the inlet channel includes a fluid resistance element that is smaller than the fluid resistance when the fluid resistance flows when the working fluid flows into the pump chamber, The size of the outlet channel is such that the maximum kinetic energy stored in the outlet channel in one cycle of pump operation is 1/3 or more of the energy consumed by the channel resistance until the maximum kinetic energy is stored. Between the time when the piston or diaphragm finishes moving from bottom dead center to top dead center and the time when the pump chamber starts to increase in volume due to the start of movement from top dead center to bottom dead center. A pump characterized in that the driving waveform of the piston or diaphragm is formed so that the pressure is close to absolute 0 atmosphere.
を満たすことを特徴とする請求項1記載のポンプ。The inertance of the outlet channel is L, the displacement volume when the movable wall is displaced from the bottom dead center to the top dead center is V 0 , the pipe line resistance of the outlet channel is R, and the actuator outputs the output energy in one cycle When the flow velocity in the outlet channel is Q (T)
The pump according to claim 1, wherein:
Priority Applications (4)
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