JPH07111200B2 - 超音波による流体駆動方法 - Google Patents
超音波による流体駆動方法Info
- Publication number
- JPH07111200B2 JPH07111200B2 JP2079678A JP7967890A JPH07111200B2 JP H07111200 B2 JPH07111200 B2 JP H07111200B2 JP 2079678 A JP2079678 A JP 2079678A JP 7967890 A JP7967890 A JP 7967890A JP H07111200 B2 JPH07111200 B2 JP H07111200B2
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- Japan
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- fluid
- electric signal
- ultrasonic waves
- energy density
- wave
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
- B01F31/80—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、トーンバースト波からなる超音波を流体に放
射して流体を駆動させる方法の改良に関する。
射して流体を駆動させる方法の改良に関する。
流体に強力な超音波を放射すると振動エネルギの吸収減
衰作用によって流体に流れが生じる現象は、既に知ら
れ、アコースティック・ストリーミング（Acoustic Str
eaming）と称されている。
衰作用によって流体に流れが生じる現象は、既に知ら
れ、アコースティック・ストリーミング（Acoustic Str
eaming）と称されている。
従来、このアコースティック・ストリーミングに使用す
る超音波として専ら連続波が研究対象とされている。
る超音波として専ら連続波が研究対象とされている。
ところで、上記アコースティク・ストリーミングを利用
してポンプ等の流体流動装置を作ることが考えられる。
してポンプ等の流体流動装置を作ることが考えられる。
その場合、流体に与える駆動力が同一ならば、超音波の
エネルギはできるだけ小さい方が望ましい。機器を小型
化でき、エネルギコストも低減できるからである。
エネルギはできるだけ小さい方が望ましい。機器を小型
化でき、エネルギコストも低減できるからである。
一方、トーンバースト波からなる超音波によって流体に
流動を起こさせ、この流動を利用してこれを洗浄装置と
して使用した装置も公知である。（実開昭63−173390号
公報参照） しかしながら、この公知の洗浄装置は、トーンバースト
波による洗浄効果の増大を狙いとするものであり、機器
の小型化やエネルギコストを考慮したものではなかっ
た。
流動を起こさせ、この流動を利用してこれを洗浄装置と
して使用した装置も公知である。（実開昭63−173390号
公報参照） しかしながら、この公知の洗浄装置は、トーンバースト
波による洗浄効果の増大を狙いとするものであり、機器
の小型化やエネルギコストを考慮したものではなかっ
た。
本発明の目的は、小さいエネルギの超音波でも局所的に
大きな駆動力をもつ超音波による流体駆動方法を提供す
ることにより、機器の小型化やエネルギコストの低減を
得るにある。
大きな駆動力をもつ超音波による流体駆動方法を提供す
ることにより、機器の小型化やエネルギコストの低減を
得るにある。
上記目的を達成するため、本発明の特徴とするところ
は、流体に駆動力を与える超音波がトーンバースト波
（Tone Burst 波）からなり、同一の時間平均エネル
ギ密度で流体の駆動力を局所的に大きくしてなるところ
にある。
は、流体に駆動力を与える超音波がトーンバースト波
（Tone Burst 波）からなり、同一の時間平均エネル
ギ密度で流体の駆動力を局所的に大きくしてなるところ
にある。
ここでトーンバースト波とは、間欠的な波動のことであ
る。
る。
次に、超音波の時間平均エネルギ密度が同一の場合、ト
ーンバースト波は連続波より局所的に大きい駆動力を発
生させる理由を説明する。
ーンバースト波は連続波より局所的に大きい駆動力を発
生させる理由を説明する。
第１図には連続波とトーンバースト波とが示されてい
る。
る。
この第１図を参照して、超音波の時間平均エネルギ密度
ｗは次式で与えられる。
ｗは次式で与えられる。
ｗ＝ρAV2/2 …… ρ：流体の密度 w:超音波の時間平均エネルギ密度 A:超音波のデューティ比 V:超音波の振幅 式から、デューティ比Ａの異なる超音波の時間平均エ
ネルギ密度ｗを同一とするには、デューティ比Ａが小さ
い波ほどＶを大きくする必要があることがわかる。別言
すれば、デューティ比Ａの大小に拘らずＶを調整するこ
とにより同一の時間平均エネルギ密度となる。
ネルギ密度ｗを同一とするには、デューティ比Ａが小さ
い波ほどＶを大きくする必要があることがわかる。別言
すれば、デューティ比Ａの大小に拘らずＶを調整するこ
とにより同一の時間平均エネルギ密度となる。
一方、アコースティック・ストリーミングの駆動力Ｆは
次式により与えられる。
次式により与えられる。
Ｆ＝−（1/ρ）（dw/dx） …… ρ：流体の密度 w:超音波の時間平均エネルギ密度 x:超音波が流体中を伝搬した距離 式から、駆動力Ｆは、（dw/dx）に影響を受けること
がわかる。（dw/dx）は、超音波の時間平均エネルギ密
度の空間的な勾配であり、伝搬に伴い減衰するから符号
は−である。従って、−（dw/dx）が大きくなるほど、
駆動力Ｆが大きくなることがわかる。
がわかる。（dw/dx）は、超音波の時間平均エネルギ密
度の空間的な勾配であり、伝搬に伴い減衰するから符号
は−である。従って、−（dw/dx）が大きくなるほど、
駆動力Ｆが大きくなることがわかる。
次に、種々のデューティ比ＡにおけるＶを調整して時間
平均エネルギ密度を同一にした（式参照）超音波を水
中に放射して、流れの発生を調べる実験を行った。
平均エネルギ密度を同一にした（式参照）超音波を水
中に放射して、流れの発生を調べる実験を行った。
この実験は、直径10mmの圧電セラミックス振動子を水面
直下に設置し、5.14MHzの超音波を放射して行なった。
直下に設置し、5.14MHzの超音波を放射して行なった。
また、この実験では、デューティ比Ａ＝１（連続波）か
らＡ＝0.05（トーンバースト波）までの超音波を放射し
て行った。第２図にはデューティ比Ａ＝１、Ａ＝0.5、
Ａ＝0.25の波形の例を示している。デューティ比Ａが小
さいほど、超音波の時間平均エネルギ密度を同一とする
ためＶを大きくしてある（式参照）。
らＡ＝0.05（トーンバースト波）までの超音波を放射し
て行った。第２図にはデューティ比Ａ＝１、Ａ＝0.5、
Ａ＝0.25の波形の例を示している。デューティ比Ａが小
さいほど、超音波の時間平均エネルギ密度を同一とする
ためＶを大きくしてある（式参照）。
上記すべての超音波について水に流れが生じたことを確
認した。
認した。
また、第３図には、流体中での平面波の超音波の伝搬距
離ｘに対するそれぞれの超音波の時間平均エネルギ密度
ｗの減衰の理論試算結果の一例を示している。この図か
ら超音波の時間平均エネルギ密度が同一でデューティ比
Ａの小さい（つまり振幅の大きい）波ほど、超音波のエ
ネルギ密度ｗの減衰が増大することがわかる。
離ｘに対するそれぞれの超音波の時間平均エネルギ密度
ｗの減衰の理論試算結果の一例を示している。この図か
ら超音波の時間平均エネルギ密度が同一でデューティ比
Ａの小さい（つまり振幅の大きい）波ほど、超音波のエ
ネルギ密度ｗの減衰が増大することがわかる。
第３図のグラフから−（dw/dx）を導いて第４図に示し
ている。
ている。
この第４図により、デューティ比Ａが小さい波ほど、時
間平均エネルギ密度の空間的な勾配−（dw/dx）が局所
的に大きくなることがわかる。
間平均エネルギ密度の空間的な勾配−（dw/dx）が局所
的に大きくなることがわかる。
ところで、前記式から−（dw/dx）が大きくなるほど
駆動力Ｆが大きくなる。
駆動力Ｆが大きくなる。
従って、デューティ比が小さい波ほど、振動子に投入す
る時間平均エネルギ密度が同一時における駆動力が局所
的に大きくなる結果となる。
る時間平均エネルギ密度が同一時における駆動力が局所
的に大きくなる結果となる。
この発明では、トーンバースト波を流体に向けて放射す
るので、波の時間平均エネルギ密度の減衰の勾配が局所
的に大きく、従って同一の時間平均エネルギ密度投入時
における駆動力を連続波の場合と比べて局所的に大きく
できる。
るので、波の時間平均エネルギ密度の減衰の勾配が局所
的に大きく、従って同一の時間平均エネルギ密度投入時
における駆動力を連続波の場合と比べて局所的に大きく
できる。
また、トーンバースト波のデューティ比を変更すること
により、駆動力を変更できる。
により、駆動力を変更できる。
第５図にこの発明の一実施例に係るポンプに示してい
る。
る。
このポンプは、電気信号を発生させると共にデューティ
比を変更できる信号発生器１と、前記電気信号を増幅す
るパワーアンプ２と、増幅された電気信号を機械的振動
に変換して超音波を発生させる振動子３とから構成され
ている。振動子は水中に設置されている。
比を変更できる信号発生器１と、前記電気信号を増幅す
るパワーアンプ２と、増幅された電気信号を機械的振動
に変換して超音波を発生させる振動子３とから構成され
ている。振動子は水中に設置されている。
即ち、信号発生器１において電気信号を発生させ、この
電気信号をパワーアンプ２において増幅し、増幅された
電気信号を振動子３において機械的振動に変換して超音
波を放射し、水にアコーステック・ストリーミングによ
り流れを生じさせる。
電気信号をパワーアンプ２において増幅し、増幅された
電気信号を振動子３において機械的振動に変換して超音
波を放射し、水にアコーステック・ストリーミングによ
り流れを生じさせる。
信号発生器１においてデューティ比を変更して駆動力を
変更することができる。即ち、デューティ比をより小さ
くすることにより、振動子３に投入する時間平均エネル
ギ密度が同一でも局所的に駆動力を大きくできる。
変更することができる。即ち、デューティ比をより小さ
くすることにより、振動子３に投入する時間平均エネル
ギ密度が同一でも局所的に駆動力を大きくできる。
これによれば、小型の機器により、アコーステック・ス
トリーミングを利用したポンプを実現できる。また、振
動子の他に可動部分がないので、従来のポンプに比較し
て故障が少ない。
トリーミングを利用したポンプを実現できる。また、振
動子の他に可動部分がないので、従来のポンプに比較し
て故障が少ない。
この発明の流体駆動方法では、トーンバースト波を流体
に向けて放射するので、波の時間平均エネルギ密度の減
衰の勾配が局所的に大きく、従って振動子に投入する時
間平均エネルギ密度が同一でも駆動力を局所的に大きく
でき、機器の小型化を得ることができると共に、エネル
ギコストを低減することができるものとなる。
に向けて放射するので、波の時間平均エネルギ密度の減
衰の勾配が局所的に大きく、従って振動子に投入する時
間平均エネルギ密度が同一でも駆動力を局所的に大きく
でき、機器の小型化を得ることができると共に、エネル
ギコストを低減することができるものとなる。
また、トーンバースト波のデューティ比を変更すること
により、駆動力を変更できる。
により、駆動力を変更できる。
また、振動子の他に可動部分がないので、従来のポンプ
に比較して故障が少ない。
に比較して故障が少ない。
第１図は連続波とトーンバースト波を示す波形図、第２
図は実験で用いた超音波の波形図、第３図は流体での平
面波の超音波の伝搬距離に対する時間平均エネルギ密度
の減衰の理論試算結果を示すグラフ、第４図は第３図の
グラフから−（dw/dx）を導いてプロットしたグラフ、
第５図はこの発明の実施例に係るポンプのブロック図で
ある。 （符号の説明） 1:信号発生器、2:パワーアンプ、3:振動子
図は実験で用いた超音波の波形図、第３図は流体での平
面波の超音波の伝搬距離に対する時間平均エネルギ密度
の減衰の理論試算結果を示すグラフ、第４図は第３図の
グラフから−（dw/dx）を導いてプロットしたグラフ、
第５図はこの発明の実施例に係るポンプのブロック図で
ある。 （符号の説明） 1:信号発生器、2:パワーアンプ、3:振動子
Claims (1)
- 【請求項１】超音波を流体に放射し、超音波の吸収減衰
を駆動力源とするアコースティック・ストリーミングに
て流体を駆動させる装置において、 間欠的に電気信号を発生させると共に該電機信号のデュ
ーティ比を変更できる信号発生器と、該電気信号のデュ
ーティ比の大きさに反比例して振幅の大きさを変更する
パワーアンプと、該増幅された電気信号を機械的振動に
変換してトーンバースト波を発生させる振動子とからな
り、同一の時間平均エネルギ密度で流体の駆動力を局所
的に大きくしてなることを特徴とする超音波による流体
駆動方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2079678A JPH07111200B2 (ja) | 1990-03-28 | 1990-03-28 | 超音波による流体駆動方法 |
| US07/673,407 US5151883A (en) | 1990-03-28 | 1991-03-22 | Fluid drive method using ultrasonic waves |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2079678A JPH07111200B2 (ja) | 1990-03-28 | 1990-03-28 | 超音波による流体駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03279700A JPH03279700A (ja) | 1991-12-10 |
| JPH07111200B2 true JPH07111200B2 (ja) | 1995-11-29 |
Family
ID=13696860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2079678A Expired - Lifetime JPH07111200B2 (ja) | 1990-03-28 | 1990-03-28 | 超音波による流体駆動方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5151883A (ja) |
| JP (1) | JPH07111200B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5372634A (en) * | 1993-06-01 | 1994-12-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Sonic apparatus for degassing liquids |
| JP3828818B2 (ja) * | 2002-03-01 | 2006-10-04 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 化学分析装置及び化学分析方法 |
| JP2007232522A (ja) * | 2006-02-28 | 2007-09-13 | Olympus Corp | 攪拌装置と分析装置 |
| JP2011165911A (ja) * | 2010-02-10 | 2011-08-25 | Pre-Tech Co Ltd | 洗浄装置及び被洗浄物の洗浄方法並びに超音波の発振方法 |
| US9915274B2 (en) * | 2013-03-15 | 2018-03-13 | Novartis Ag | Acoustic pumps and systems |
| US11732927B2 (en) * | 2020-04-09 | 2023-08-22 | Rheem Manufacturing Company | Systems and methods for preventing and removing chemical deposits in a fluid heating device |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4316734A (en) * | 1980-03-03 | 1982-02-23 | Battelle Memorial Institute | Removing inclusions |
| US4684328A (en) * | 1984-06-28 | 1987-08-04 | Piezo Electric Products, Inc. | Acoustic pump |
| JPS63173390U (ja) * | 1986-09-18 | 1988-11-10 |
-
1990
- 1990-03-28 JP JP2079678A patent/JPH07111200B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1991
- 1991-03-22 US US07/673,407 patent/US5151883A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03279700A (ja) | 1991-12-10 |
| US5151883A (en) | 1992-09-29 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |