JPH03149373A - 波動型ポンプ、脈流発生装置、流量測定装置、および熱交換システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、流体の流路を形成する流路形成部材に波を発
生させて前記流体を移送する波動型ポンプと流体の移送
方法、および、脈動流発生装置、流量測定装置、熱交換
システムに関する。

［従来の技術］ 従来の波動型ポンプとしては、例えば、特開昭６１−１
５２９８１号公報に記載されたものある。

この波動型ポンプは、２つの弾性体のそれぞれの両端に
圧電体が設けられ、一方の端部の圧電体に駆動回路が設
けられ、他方の端部の圧電体にインピーダンス整合器を
備えている受波側回路が設けられているものである。

圧電体の駆動により弾性体に生じる弾性進行波は、弾性
体を蠕動運動させて、２つの弾性体間の流体を移送する
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来技術では、受波側回路に設けら
れているインピーダンス整合器がインピーダンスのりア
クタンス分を−１分に除去できない。

このため、弾性体の下流側の端部に到達した弾性進行波
を十分に吸収しきれず、反射波が生じてしまう。

反射波は、弾性進行波（入射波）と重なり定在波を形成
することがある。定在波が生じると、脈動のみが強調さ
れ、弾性体の蠕動運動によるポンプ作用は打ち消される
。また、定在波を形成するまでには至らない場合でも、
反射波により、弾性体の燗動運動によるポンプ作用を著
しく低下させられる。

このように、従来の波動型ポンプでは、弾性進行波に対
して、反射波が形成され、弾性体の蠕動運動によるポン
プ作用を低下させられるため、流体の移送効率があまり
よくないという問題点がある。

本発明の目的は、このような従来の波動型ポンプの問題
点に着目してなされたもので、進行波に対する反射波が
全く形成されず、ポンプ作用の低下を防ぐことができ、
流体の移送効率を向上させることができる波動型ポンプ
および流体の移送方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本願は、以下の発明を提供す
る。

波動型ポンプにかかる発明は、 移送する流体の流路を形成する流路形成部材と、前記流
路に沿って進行する波を前記流路形成部本瓢に発生させ
るための媒体を供給する供給手段とを有することを特徴
とするものである。

波動型ポンプにかかる他の発明は、 可撓性を有する膜体を境界面として、一方に、移送する
流体の移送流体流路が形成され、他方に、該移送流体流
路に沿って進行する波を前記膜体に発生させるための媒
体の媒体流路が形成され、該媒体流路に該媒体を供給す
る媒体供給手段を有することを特徴とするものである。

ここで、前記波動型ポンプは、前記移送流体流路を、前
記膜体で形成される内筒と該内筒を覆う外筒とで構成さ
れている２重管構造体の前記内筒内または前記外筒と前
記内筒間のいずれか一方に形成し、他方に前記媒体流路
を形成したものでもよい。

また、前記波動型ポンプは、筒体内を前記膜体で仕切り
、一方に前記移送流体流路を形成し、他方に前記媒体流
路を形成したものでもよい。

また、前記媒体供給手段は、前記媒体流路の上流端と下
流端とを結ぶ接続流路と、前記媒体流路と前記接続流路
により形成される循環流路内に前記媒体の循環流を発生
させる循環流発生手段とを有していてもよい。

また、前記媒体供給手段が、前記媒体流路における媒体
の流速を変えることができる媒体流速可変手段を有して
いてもよい。

前記膜体の対数減衰率は、０．００１以下であることが
好ましい。

前記膜体は、炭素繊維強化樹脂で形成してもよい。

なお、これらの波動型ポンプは、脈動発生装置として用
いてもよい。また、これらの波動型ポンプは、前記媒体
流速可変手段を有していれば、流量調節装置として用い
ることもできる。

流体の移送方法にかかる発明は、 移送する流体の流路を形成する流路形成部材の表面に沿
って、該流路形成部材に波を発生させるための媒体を所
定の流速で流し、前記流路形成部材に波を発生させて該
流路形成部材を蛎動運動させ、前記流体を移送させるこ
と勢特徴とするものである。

流量測定装置にかかる発明は、 可撓性を有する膜体を境界面として、一方に、測定する
流体の流路を形成し、他方に、特定の流体の流路を形成
するとともに、前記特定の流体の流路の上流端と下流端
とを接続して循環流路を形成し、前記特定の流体の流量
を検出する流量検出手段を前記循環流路に設けたことを
特徴とするものである。

熱交換システムにかかる発明は、 可撓性を有する膜体を境界面として、一方に、フー 第ユの流体が流れる第１の流路が形成され、他方に、前
記第１の流体と熱交換を行う第２の流体が流れる第２の
流路が形成され、前記第２０流路に所定の流速で第２の
流体を供給する流体供給手段を有することを特徴とする
ものである。

［作用］ 波動型ポンプの作用について説明する。

媒体供給手段により、媒体を媒体流路に供給する。

媒体流路における媒体の流速が次第に増加してくると、
膜体が流体力学的に不安定となり、膜休に媒体の流れの
方向と同一方向に進む進行波が発生し始める。

媒体の流速がある値となり、媒体から膜体および移送流
路内の移送流体に供給される振動エネルギーと、膜体お
よび移送流路内の移送流体から散逸する振動エネルギー
とが、平衡になると、定常的な進行波を形成する。

この進行波に対する反射波は、媒体の流れの方向と逆方
向に進もうとするので、媒体の流れにより直ちに打ち消
されて、全く生じない。

膜休に形成される進行波により、移送流体流路内の移送
流体は、媒体の流れの方向と同一方向へ移送される。こ
の際、進行波に対する反射波はほとんど形成されないの
で、進行波によるポンプ作用は、反射波によって低下さ
せられることはなく、移送流体は効率よく移送される。

波動型ポンプの吐出圧力は、膜体に発生する横波の周期
と同期して変動する。この変動は、正弦波形状の変動で
ある。この波動型ポンプは、その吐出圧力が変動するの
で、脈動流発生装置として用いることができる。

流量測定装置の作用について説明する。

流路に流量を測定する流体が流れると、膜休に進行波が
発生して、特定の流体は、流量を測定する流体の流れの
方向と同一の方向に移送される。

特定の流体は、流量を測定する流体の流速に対応して、
循環流路内を一定の流速で循環する。特定の流体の流速
は、流量検出手段により検出される。

流量を測定する流体の流速と、膜休に発生する進行波で
循環流路内を循環する特定の流体の流速とには、一定の
相関関係があり、この相関関係により検出された特定の
流体の流速を補正すると、流量を測定する流体の流速が
求めらｉする。

この流量測定装置は、測定する流体の流量を間接的に測
定することができるので、オリフィス流量計やオーバル
流量計等で直接測定することができない流体の流量を測
定するのに適している。

熱交換システムの作用について説明する。

所定の温度の第２の流体を流体供給手段により、第２の
流路に供給する。

膜体には、第２の流体の流れにより、この流れの方向と
同一の方向の進行波が形成される。この進行波により第
１の流体は、進行波と同一の方向に移送される。

第１の流体は、第１の流路内において移送される過程で
、膜休を介して第２の流体と熱交換する。

したがって、この熱交換システムによれば、第１の流体
を直接移送するためのポンプ等の流体供給手段がなくて
も、第１の流体を移送することができ、製造コス１−を
低減させろことができる。

［実施例］ 以下、第１図〜第５図に基づき本発明の各種実施例につ
いて説明する。なお、各種実施例を説明するにつき、同
一部位については同一の符弼を付し、その説明を省略す
る、 波動型ポンプの第１の実施例について第］図に基づき説
明する。

炭素繊維強化樹脂で形成された内円筒１５を外円筒１１
で覆い２重管構造体１０が構成さね、内筒１５内には移
送する流体の移送流体流路１７が形成され、外円筒１１
と内円筒１５との間隙には内円筒１５に横波を発生させ
るための媒体の媒体流路１６が形成されている。

内円筒１５の移送流体流路１７と媒体流路１６との境界
面部は、膜状に形成されている。

外円筒１１の両端部における内円筒１５との間隙には、
シール材１４が施されている、外円筒１１の上流端部１
２には、媒体を移送すＩＩ− る媒体移送ポンプ２ｏの吐出口と接続するポンプ吐出口
側配管２１が設けられている。また、外円筒１１の下流
端部１３には、媒体移送ポンプ２゜の吸込口と接続する
ポンプ吸込口側配管２２が設けられている。媒体流路１
６とポンプ吐出［１側配管２１とポンプ吸込口側配管２
２とで媒体の循環流路２３が形成されている。

なお、本実施例において、流路形成部材は、内円筒１５
により構成され、供給手段は、外円筒１１とボンブ吐出
口側配管２１とボンブ吸込［１側配管２２と媒体移送ポ
ンプ２ｏとで構成されている。

第１の実施例の波動型ポンプの動作について説明する。

循環流路２３に密度ρ２の媒体を満たすとともに、移送
流体流路１−７に密度ρ、の移送流体を満たしてから、
媒体移送ポンプ２ｏを屏動させる。

媒体流路１６での媒体の流速が過渡的に次第に増加して
くると、内円筒１５の表面が流体力学的に不安定となり
、媒体の流れの方向と同一方向に進む進行波が発生し始
める。

そして、媒体の流速がある値■となり、媒体がら内円筒
１５（内円筒１５内の移送流体を含む）に供給される振
動エネルギーと、内円筒１５（内円筒１５内の移送流体
を含む）から散逸する振動エネルギーとが、平衡になる
と、定常的な進行波が形成される。

この進行波が、下流側端部１３に到達すると、反射波を
形成するが、この反射波は、媒体の流れの方向と逆方向
に進もうとするので、媒体の流れにより、直ちに打ち消
されてしまう、 進行波により内円筒１５の表面は蠕動運動して、内円筒
１５内の移送流体は、媒体の流量の方向と同一方向へ移
送される。この際、進行波１二対する反射波は全く形成
されないので、前記蠕動運動によるポンプ作用は、反射
波によって低下させＩ）れることはなく、移送流体は効
率よく移送される。

二の波動型ポンプの吐出圧力は、内円筒１５の蠕動運動
により変動する。この変動は、正弦波形状の滑らかな変
動なので、移送流体中に例えばゼラチン質のものが含ま
れていても、ゼラチン質のものを圧力の変動により崩し
てしまう恐れが少ない。

移送流体の流量Ｑは、次式で示される値となる。

Ｑ＝αｕ′Ｑ２　　　　　　　　　　　・（１）ｕ＝ｃ
ρ２ｖ／（ρ１＋ｃρ２）°（２）ｃ＝（１＋ｅ　　　
）／（１−ｅ　　　）　　＝（Ａ）α；定数、Ｕ；横波
の伝搬速度、η；横波の振幅、ρ、；移送流体の密度、
Ｖｌ媒体流路１こおける媒体の流速、ρ２；媒体の密度
、Ｓ；媒体流路の幅、ｋ（＝２π／λ）：波数 移送流体の流量を増加させる方法としては、式（１）に
示すように、横波の伝搬速度と横波の振幅を増加させる
方法がある。

横波の伝１１１速度は、式（２）に示すように、媒体の
流速に比例するので、媒体の流速を増加させることによ
り、移送流体の流量を増加させることができる。媒体の
流速を変化させると、前述した媒体から内円筒１５に供
給される振動エネルギーと内円筒１５から散逸する振動
エネルギーとの平衡状態が一時的に崩れるが、横波の振
幅が変化して再び平衡となり、定常的な横波を形成する
ようになる。

また。横波の振幅は、内円筒１５の媒体と移送流体の境
界面を形成する膜の密度、弾性係数、対数減衰率と−・
定の関係を有しており、これらの値を低下させることで
、横波の振幅は増加し、移送流体の流量を増加させるこ
とができる。なお、対数減衰率は、横波の振幅を増加さ
せるために、０゜００１以下であることが好ましい。

なお、本実施例の内円筒１５は、炭素繊維強化樹脂によ
り形成されているので、一般的なゴムや金属等に比入で
、密度、弾性係数、対数減衰率が低く、ゴムや金属等に
より形成された内円筒よりも、振幅が太きく、移送効率
がよい。また、炭素繊維強化樹脂は、耐熱性が高くかつ
熱伝導率が低いので、高温の流体を移送するのに適して
いる。

次に、移送流体か予めＡ速■、て流れている場１５一 合について説明する。

媒体流路１６における媒体の流速を移送流体の流速より
速くすると、媒体の流速と移送流体の流速との流速差に
よって、前述と同様に内円筒１５の表面に横波が生じ、
内円筒１５は螺動）■動して、移送流体の流速はＶｌか
らさらに加速する。

このときの流量の変化量ΔＱは、次式で示される値とな
る。

ΔＱ＝α１ｕη２　　　　　　　　　・・・（４）ｕ＝
（ρ１■、＋ｃρ２ｖｚ）、”（ｐ□＋〔２ρの　（５
）ｃ　　＝（１＋　　ｅ　　　　　　　）／　（］　　
−ｅ　　　　　　　）　　　　　　（ｂ）α□；定数、
す；横波の伝搬速度、η；横波の振幅、ρ、；移送流体
の密度、ｖ１；予め得られ、ている移送流体の療法、Ｖ
２；媒体流路における媒体の流速、ρ２；媒体の密度、
９；媒体流路の幅、ｋ（＝２π／λ）；波数 流量の変化量は、前）ホしたように、媒体の流速を変化
により、変化する。

したがって、一定の流速を有する移送ｄＦ、体の配１ロ
ー 管に本装置を接続し媒体の流速を変えることにより、移
送流体の僚量を変えることができ、本装置を流量調節装
置として用いることができる。なお、本装置を流量調節
装置として用いる場合には、媒体移送ポンプ２ｏの吐出
流量を変えることができるように、媒体移送ボンブ２０
を回転数制御型のものを用いることが好ましい。

また、本装置から吐出される移送流体は、前述したよう
に、圧力変動をともなうので、本装置を脈動発生装置と
しても用いることができる。

なお、本実施例では、移送流体が内円筒］−５内を通り
、媒体が内円筒１５と外周筒１−１−との間を通るよう
にしたが、媒体が内円筒１５内を通り、移送流体が内円
筒１５と外円筒１１との間を）ｍろようにしてもよい。

次に、波動型ポンプの第２の実施例について第２図およ
び第３図に基づき説明する。

本実施例の波動型ポンプは、筒体３０内を炭素繊維強化
樹脂で形成された膜体３」で２つに仕切り、一方を移送
流体流路３２として移送流体配管３３と接続し、他方を
媒体流路３４として第りの実施例と同様にポンプ吐出口
側配管２１、ポンプ吸込口側配管２２と接続したもので
ある。

膜体３１と筒体３０との接合部は、移送流体または媒体
がそれぞれの流路から他方の流路に流れ込まないように
、しっかりとシールされている。

このように構成したものでも、第」の実施例と同様の作
用効果を得ることができる。

なお、本実施例では、移送流体流路３２と媒体流路３４
とを互いに平行に直線的に配したが、これらを螺旋状に
配してもよい。また、本実施例も第１の実施例も媒体流
路１６．３４と移送流体流路１７．３２とが直線的であ
る必要はなく、内払に曲げてもよい。このようにするこ
とにより、波動型ポンプの全長を短くすることができる
。

次に、波動型ポンプの第３の実施例について、第４図に
基づき説明する。

本実施例は、第１の実施例と同じ構成の２重管構造体１
０に、所定の流速を有する流体の配管４０を接続したも
のである。

このようにすると、第１の実施例のように媒体移送ポン
プ２０を設ける必要がなく、製造コストを低下させる二
とができる。

特に、化学プラン１〜や発電プラン１へのよう（二配管
が錯綜しているようなところにおいては、容易に、既存
の配管を２重間構造体１０に接続ができるので、本実施
例は有効である。

前述した各種波動型ボンブは、熱交換システムとしても
用いることができる、、 この場合、移送流体流路と媒体流路の境界面を形成する
内円筒または膜休を介して、２つの流体の熱交換が行わ
れる１ このような熱交換システムでは、流体を移送するための
ボンブなとの流体供給手段のうち、いずれか一方の流体
の流体供給手段を設けろ必要がなく、製造コストを低減
させろことができる、次に、流量測定装置の実施例につ
いて第３図に基づき説明する、 本実施例の流量ｌｔ１１１定装置は、第１の実施例の媒
体移送ボンブの換わりに流旦検出手段を構成するオリフ
ィス流量計５０が設けられている以外は、第１の実施例
の構造とまったく同一である。

媒体流路ｌＧ内には、水が満たされている。

内円筒１５内に流量を測定する流体が流れると、内円筒
１５の表面に進行波が生じ、内円筒１５が燗動運動して
、媒体流路ｉ　Ｅｉ内の媒体が測定する流体の流れる方
向と同し方向に移送される。

この媒体の流量をオリフィス流量計５０により測定して
、所定の補正を行うことにより、内円筒１５内の流体の
流量を間接的に測定することができる。

したがって、この流量測定装置は、測定する流体内にゼ
リー質のものが含んでいるときのように、オリフィス流
量計では直接測定できない場合や。

測定する流体がスラリ一流体のようにオーバル流量計で
は直接測定できない場合にも、用いることができる。

［発明の効果］ 本発明の波動型ポンプによれば、流体を移送するために
発生させる進行波に対して反射波が全く形成されないの
で、進行波によるポンプ作用は、反射波によって低下さ
せられることはなく、移送流体を効率よく移送すること
ができる。

また、本発明の熱交換システ１１によれば、熱交換を行
う２つの流体のうち、いずわか一方の流体を直接移送す
るための流体供給手段を設ける必要がなくなるので、製
造コストの低減を図ることができる。

また、本発明の流量測定装置によれば、測定する流体の
流量を間接的に測定することができるので、オリフィス
流量計やオーバル流量Ｒｊ等で直接測定することができ
ない流体の流量をａｌ！ｌ定する二とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例の波動型ポンプの断面図、第２図
は第２の実施例の波動型ポンプの断面図、第３図は第２
図のＬＩＴ　−ｍ線断面図、第４図は第３の実施例の波
動型ポンプの断面図、第５図は流量測定装置の断面図で
ある。 １０・　２重管構造体、１重　外円筒、］５　内円筒、
１６．３４・・・媒体流路、１７．３２・・・移送流体
流路、２０・・・媒体移送ポンプ（循環流発生手段）、
２３・・・循環流路、３０・・・筒体、３１・・・膜体
、５０・・・オリフィス流量計（流量検出手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、移送する流体の流路を形成する流路形成部材と、 前記流路に沿って進行する波を前記流路形成部材に発生
   させるための媒体を供給する供給手段とを有することを
   特徴とする波動型ポンプ。 ２、可撓性を有する膜体を境界面として、一方に、移送
   する流体の移送流体流路が形成され、他方に、該移送流
   体流路に沿って進行する波を前記膜体に発生させるため
   の媒体の媒体流路が形成され、 前記媒体流路に前記媒体を供給する媒体供給手段を有す
   ることを特徴とする波動型ポンプ。 ３、前記膜体で形成される内筒と該内筒を覆う外筒とで
   構成されている２重管構造体の前記内筒内または前記外
   筒と前記内筒間のいずれか一方に前記移送流体流路が形
   成され、他方に前記媒体流路が形成されていることを特
   徴とする請求項２記載の波動型ポンプ。 ４、筒体内を前記膜体で仕切られ、一方に前記移送流体
   流路が形成され、他方に前記媒体流路が形成されている
   ことを特徴とする請求項２記載の波動型ポンプ。 ５、前記媒体供給手段は、前記媒体流路の上流端と下流
   端とを結ぶ接続流路と、 前記媒体流路と前記接続流路により形成される循環流路
   内に前記媒体の循環流を発生させる循環流発生手段とを
   有することを特徴とする請求項２、３または４記載の波
   動型ポンプ。 ６、前記膜体が炭素繊維強化樹脂で形成されていること
   を特徴とする請求項２、３、４または５記載の波動型ポ
   ンプ。 ７、移送する流体の流路を形成する流路形成部材の表面
   に沿って、該流路形成部材に波を発生させるための媒体
   を所定の流速で流し、前記流路形成部材に波を発生させ
   て該流路形成部材を蠕動運動させ、前記流体を移送させ
   ることを特徴とする流体移送方法。 ８、流体の流路を形成する流路形成部材と、前記流路に
   沿って進行する波を前記流路形成部材に発生させるため
   の媒体を供給する供給手段とを有することを特徴とする
   脈動流発生装置。 ９、可撓性を有する膜体を境界面として、一方に、流量
   を測定する流体の流路を形成し、他方に、特定の流体の
   流路を形成するとともに、前記特定の流体の流路の上流
   部と下流部とを接続して循環流路を形成し、 前記特定の流体の流量を検出する流量検出手段を前記循
   環流路に設けたことを特徴とする流量測定装置。 １０、可撓性を有する膜体を境界面として、一方に、第
   １の流体が流れる第１の流路が形成され、他方に、前記
   第１の流体と熱交換を行う第２の流体が流れる第２の流
   路が形成され、 前記第２の流路に所定の流速で第２の流体を供給する流
   体供給手段を有することを特徴とする熱交換システム。