JPH09112500A - ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 吐出圧の変動を実質的に０にする。 【解決手段】 超音波振動子２０でポンプケーシング１
１に定在波を発生させる。このポンプケーシング１１に
は、定在波の腹となるケーシング端面１５に吸込口１３
が形成され、この吸込口１３から振動伝達方向１７へλ
／４の位置、つまり定在波の節となる位置に吐出口１４
が形成されている。固体に定在波を発生させると、固体
上の物体を定在波の腹に相当する位置から節に相当する
位置に移動させようとする定常的な力が生まれる。この
ポンプは、この定常的な力で流体９を移送する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体、粉体、粒状
物等の流動性物質を移送するポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】液体や粉体を位置エネルギーの高い状態
にする手段として、一般にポンプが用いられる。

【０００３】ポンプとしては、例えば、図５〜図７に示
すようなものがある。図５に示すポンプは、内部に流体
溜り空間２が形成されているケーシング本体１と、流体
溜り空間２内の圧力を変えるための容積変更体３とを備
えている。このポンプは、容積変更体３の内部容積を小
さくて、流体溜り空間２内の空気を吐出口５から排出し
た後、容積変更体３の内部容積を大きくして、流体溜り
空間２内の圧力を大気圧より低くし、大気圧の力で外部
の液体等９を吸込口４から流体溜り空間２内に押し入
れ、再び、容積変更体３の内部容積を小さくして、流体
溜り空間２内の液体等を吐出口５から排出するというも
のである。この方式は、家庭で灯油を扱う時に使用する
手動式のポンプや、井戸水を汲み上げる時に用いるポン
プなどに採用されている。

【０００４】図６に示すポンプは、シリンダ１ａと、こ
のシリンダ１ａ内を往復運動するピストン６と、シリン
ダ１ａに形成された吸込口４ａ及び吐出口５ａに設けえ
られた弁７ａ，７ａとを備えている。このポンプは、往
復動ポンプと呼ばれるもので、ピストン６を往復移動さ
せて、シリンダ１ａ内への液体等９の流入と、シリンダ
１ａ内からの液体等９の流出とを繰り返して、液体等９
ａを移送するものである。この方式は、圧縮空気を得る
ためのコンプレッサーに多く用いられている。

【０００５】また、往復動ポンプと同様に、内部容積を
変化させるものとして、ピストンを用いずにシリンダ自
身を弾性体で形成し、シリンダを外力で変形させること
により、液体等を移送するポンプもある。この方式は、
熱帯魚や金魚などを水槽で飼う場合に、水の入った水槽
内に空気を供給するためのポンプとして多く用いられて
いる。

【０００６】図７に示すポンプは、渦巻き状の羽根を有
する羽根車８と、この羽根車８を収容し吸込口４ｂ及び
吐出口５ｂが形成されているケーシング１ｂとを備えて
いるものである。このポンプは、回転ポンプと呼ばれる
もので、羽根車８をケーシング１ｂ内で回転させて、流
体９を移送するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来技術では、いずれも吐出圧が変動、つまり吐出
圧が脈動するという問題点がある。

【０００８】具体的には、図５及び図６に示すように、
内部容積を変えるものでは、内部空間内に流体を導く過
程と、内部空間から流体を排出する過程とが別々に存在
するため、吐出圧が非常に大きく変動してしまう。さら
に、図５に示すポンプは、大気圧差を利用しているため
に、原理上、大気圧に応じた高さ、例えば、水であれば
１０ｍ以上の高さに、流体を汲み上げることができない
という問題点もある。

【０００９】また、図７に示すように、回転ポンプで
は、内部空間内に流体を導く過程と、内部空間から流体
を排出する過程とが、同時に且つ連続して行われるため
に、図５や図６に示すものよりも、吐出圧の変動は非常
に小さいものの、羽根車１ｂに形成されている羽根の数
量が有限である以上、僅かなながら脈動が残ってしま
う。

【００１０】本発明は、このような従来の問題点につい
て着目してなされたもので、吐出圧変動のないポンプを
提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
のポンプは、内部空間（１２，１２ａ）が形成されてい
ると共に、この内部空間（１２，１２ａ）から外部へ貫
通した吸込口（１３，１３ａ）及び吐出口（１４）が形
成されている振動体（１０＝１１，１１ａ＋１８）と、
振動体（１０）に定在波を発生させる振動発生手段（２
０，２５）と、を備え、定在波の腹となる位置に吸込口
（１３，１３ａ）が形成され、定在波の伝達方向（１
７）において吸込口（１３，１３ａ）から定在波の波長
の１／４の長さの位置に吐出口（１４）が形成されてい
ることを特徴とするものである。

【００１２】ここで、前記振動発生手段は、定在波の振
幅を変える振幅変更手段（２６）を有していることが好
ましい。

【００１３】また、前記振動発生手段が、振動体（１
０）に定在波としての縦振動を発生させ、吸込口（１３
ａ）が、定在波の伝達方向（１７）に内部空間（１２
ａ）から外部へ貫通している場合、振動体（１０）は、
内部空間（１２ａ）から外部に向かうに連れて、定在波
の伝達方向（１７）に対して垂直な方向の断面積が次第
に小さくなり、吸込口縁（１３ｂ）において実質的に０
になるよう、形成されていることが好ましい。

【００１４】なお、以上において、（ ）内の符号は、
以下に述べる実施形態の対応部位の符号である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施形態とし
ての各種ポンプについて、図１〜図４を用いて説明す
る。

【００１６】まず、本発明に係る一実施形態としてのポ
ンプについて、図１及び図２を用いて説明する。このポ
ンプは、図１に示すように、超音波振動子２０と、この
超音波振動子２０に電力を供給して振動させる発振器２
５と、超音波振動子２０の振動振幅を増幅する振幅拡大
ホーン１８と、内部に流体９が通る空間１２が形成され
ているポンプケーシング１１とを備えている。

【００１７】ポンプケーシング１１は、円筒状を成し、
その円筒の中心軸に沿って同じく円筒状の内部空間１２
が形成されている。この内部空間１２は、円筒状のポン
プケーシング１１の一方の端面１５から、円筒の中心軸
が伸びている方向におけるポンプケーシング１１のほぼ
中心近傍まで形成されている。この一方の端面１５に形
成された内部空間１２に通じる開口は、吸込口１３を成
す。円筒状のポンプケーシング１１の他方の端面１６に
は、振幅拡大ホーン１８の振動放射面１９が接触してい
る。この振幅拡大ホーン１８の振動放射面１９の対向面
には、超音波振動子２０の振動放射面２１が接触してい
る。

【００１８】超音波振動子２０は、発振器２５により駆
動されると、振幅拡大ホーン１８とポンプケーシング１
１とで構成される振動体１０に定在波としての縦振動を
発生させる。定在波を発生させるには、振動の伝達方向
における振動体１０の長さがλ／２（λは波長）の整数
倍の長さであればよい。このため、この実施形態では、
振動体１０の振動伝達方向（＝ポンプケーシング１１の
中心軸が伸びている方向）の長さがλ（＝λ／２×２）
になるよう、超音波振動子２０の振動数を設定してい
る。また、この超音波振動子２０の振動数は、振動体１
０及び超音波振動子２０から成る振動系の固有振動数の
うちの一つにもなっている。つまり、振幅拡大ホーン１
８とポンプケーシング１１と超音波振動子２０とから成
る振動系は、共振系となっている。

【００１９】振動体１０中に定在波が発生すると、その
振動伝達方向における振動体１０の両端は、振動の腹
（振幅が最大の箇所）となる。従って、振動体１０の一
方の端部１５に位置している吸込口１３は、定在波の腹
になる位置に位置していることになる。吐出口１４は、
図２に示すように、振動伝達方向おいて、この吸込口１
３からλ／４の位置、つまり定在波の節（振幅が原理上
０の箇所）になる位置に、内部空間１２からポンプケー
シング１１の外周面に貫通するよう形成されている。

【００２０】次に、このポンプの動作原理について、図
３を用いて説明する。固体の振動体３０に定在波を発生
させると、前述したように、その振動伝達方向における
両端部３１，３１は、振動の腹３５となる。また、この
振動の腹３５からλ／４の位置は、振動の節３６にな
る。このように、定在波が発生している振動体３０の表
面に物体３９を置くと、振動の腹３５から振動の節３６
の方向へ物体３９を移動させる力が作用して、この方向
に物体３９が移動する。

【００２１】従って、以上で説明したポンプのように、
振動体１０の腹に相当する位置に吸込口１３があり、振
動体１０の節に相当する位置に吐出口１４があると、流
体９は、吸込口１３から吸い込まれて吐出口１４から排
出されることになる。

【００２２】ところで、このような移送力が発生するの
は、振幅の大きな部分よりも振幅の小さな部分の方が物
体３９の状態が安定しているために、物体３９が安定し
た状態になろうとする作用が働くことに起因するものと
考えられる。従って、物体３９を移動させる力は、１波
長分の長さに対する最大振幅の比、つまり振幅勾配が急
であるほど大きくなる。このため、最大振幅が大きくて
も、１波長の長さが非常に大きい場合には、物体３９の
移送力が弱くなってしまう。例えば、数百Ｈｚの低い振
動周波数で振動体３０を振動させると、振動伝達速度と
の関係で、その１波長分の長さが非常に大きくなるた
め、急な振幅勾配を得ずらく、物体３９の移送力を高め
ることは難しい。また、このように低周波数で振動体３
０を振動させると、１波長分の長さが非常に大きくなる
ために、振動体３０自体の長さが非常に長くなってしま
う。そこで、振動体３０の振動周波数は、超音波域の高
い周波数であることが好ましい。

【００２３】以上のような観点から、この実施形態で
は、振幅勾配を急にするため、振動子として超音波振動
子２０を用い、この振動子２０及び振動体１０を２０ｋ
Ｈｚで振動させている。また、超音波振動子２０の場
合、振動周波数２０ｋＨｚのとき、振動振幅は、通常、
数μｍ程度であるため、ここで、超音波振動子２０の振
動放射面２１に取り付けられた振幅拡大ホーン１８で、
振動振幅を数十μｍ程度に増幅している。

【００２４】この実施形態では、流体９の移送力は、前
述したように、振動の振幅勾配で決まるため、振幅勾配
を急にすれば、図５で示したポンプと異なり、大気圧以
上の圧力で流動性物質を移送することができる。さら
に、図５で示したポンプと異なり、大気圧差を利用して
いないので、真空中での粉体移送も可能である。

【００２５】このポンプの吐出量を変えるためには、振
動の振幅勾配を変えればよい。この振動の振幅勾配を変
える方法としては、振幅を変える方法と、振動周波数を
変えて波長を変える方法とがある。しかしながら、振動
周波数を変えると、振動体１０の振動が定在波でなくな
る。そこで、この実施形態では、発振器２５の出力調整
ボリューム２６を操作して、発振器２５から超音波振動
子２０へ供給される電力を変えることで、振動振幅を変
え、ポンプ吐出力を調整できるようにしている。

【００２６】以上で説明したように、物体３９の移送力
は、振動体３０に一定の振幅で定常的に発生している定
在波で発生するものであるから、この移送力も一定の力
で且つ定常的なものである。従って、この実施形態にお
けるポンプは、原理的に吐出圧の変動がまったくないと
言える。

【００２７】また、この実施形態におけるポンプは、ポ
ンプケーシング１１内にピストンや羽根車等の作動部材
が存在しないため、ゲル状の物質でも、その形状を崩さ
ずに移送することができる。さらに、ポンプケーシング
１１内にピストン等の作動部材がないために、メインテ
ナンス作業を非常に簡単にすることができる。

【００２８】次に、本発明に係る実施形態としての他の
ポンプについて、図４を用いて説明する。このポンプ
は、先の実施形態におけるポンプと、ポンプケーシング
１１ａの吸込口１３ａ近傍の形状が異なっている以外、
先の実施形態におけるポンプと同様である。

【００２９】このポンプケーシング１１ａは、内部空間
１２ａの内径が吸込口縁１３ｂに近づくにつれて、次第
に大きくなり、振動伝達方向１７に対して垂直な方向に
おけるポンプケーシング１１ａの吸込口縁１３ｂでの断
面積は実質的に０になっている。

【００３０】ポンプケーシング１１ａに定在波としての
縦振動１７ａを発生させる場合、先の実施形態のよう
に、その振動伝達方向１７のケーシング端部が振動伝達
方向に対して垂直な面１５であると、この端面１５に接
触している流体９は、縦振動１７ａによりキャビテーシ
ョンを起こし、流体９を吸込みづらくなるおそれがあ
る。そこで、この実施形態では、ケーシング１１ａの端
面の面積を実質的に０にすることで、以上のような現象
が起こるのを回避している。

【００３１】なお、ここでは、内部空間１２ａの内径を
吸込口縁１３ｂに近づくにつれて大きくしているが、ケ
ーシング１１ａの外径を吸込口縁１３ｂ近づくにつれれ
て小さくするようにしても、同様の効果を得ることがで
きる。

【００３２】また、以上の各実施形態では、振幅方向が
振動伝達方向である超音波振動子２０を用いたが、この
ポンプの動作原理は、ポンプケーシング中に定常的に振
動している部分と振動していない部分とを発生させるこ
とであり、振幅方向には関係がないので、定在波であれ
ば、振動形態としては、振幅方向が振動伝達方向に対し
て垂直な方向である横振動、振幅方向が振動伝達方向の
軸回りにねじれる方向である捩じれ振動、振幅方向が動
体を曲げる方向であるたわみ振動であってもよい。

【００３３】また、以上の各実施形態における吸込口１
３，１３ａは、内部空間１２，１２ａから振動伝達方向
へ外部空間に貫通しているが、吸込口１３，１３ａは、
定在波の腹の位置あれば、内部空間１２，１２ａから振
動伝達方向に対して垂直な方向へ外部空間に貫通するも
のであってもよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、振動体に一定の振幅で
定常的に発生している定在波で、流動物質の移送力を発
生させているので、この移送力も一定の力で且つ定常的
なものになり、ポンプ吐出圧の変動を原理的に０にする
ことができる。

【００３５】また、本発明では、流動物質が流れ込む内
部空間内にピストンや羽根車等の作動部材が存在しない
ため、ゲル状の物質でも、その形状を崩さずに移送する
ことができると共に、メインテナンス作業を大幅に簡略
化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施形態としてのポンプの構成
を示す説明図である。

【図２】図１に示すポンプの吸込口及び吐出口近傍の断
面図である。

【図３】本発明に係るポンプの動作原理を説明するため
の説明図である。

【図４】本発明に係る一実施形態としての他のポンプの
吸込口及び吐出口近傍の断面図である。

【図５】従来のポンプの断面図である。

【図６】従来の他のポンプの断面図である。

【図７】従来のさらに他のポンプの断面図である。

【符号の説明】

１０…振動体、１１，１１ａ…ポンプケーシング、１
２，１２ａ…内部空間、１３，１３ａ…吸込口、１３ｂ
…吸込口縁、１４…吐出口、１５…ポンプケーシングの
一方の端面、１７…振動伝達方向、１７ａ…縦振動、１
８…振幅拡大ホーン、２０…超音波振動子、２５…発振
器、２６…出力調整ボリューム。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流動性物質を吸い込んで、これを外部に吐
   出するポンプにおいて、 内部空間が形成されていると共に、該内部空間から前記
   外部へ貫通した吸込口及び吐出口が形成されている振動
   体と、 前記振動体に定在波を発生させる振動発生手段と、 を備え、 前記定在波の腹となる位置に前記吸込口が形成され、該
   定在波の伝達方向において該吸込口から該定在波の波長
   の１／４の長さの位置に前記吐出口が形成されているこ
   とを特徴とするポンプ。
2. 【請求項２】請求項１記載のポンプにおいて、 前記振動発生手段は、前記定在波の振幅を変える振幅変
   更手段を有していることを特徴とするポンプ。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載のポンプにおいて、 前記振動発生手段は、前記振動体に定在波としての縦振
   動を発生させ、 前記吸込口は、前記定在波の伝達方向に前記内部空間か
   ら前記外部へ貫通しており、 前記振動体は、前記内部空間から前記外部に向かうに連
   れて、前記定在波の伝達方向に対して垂直な方向の断面
   積が次第に小さくなり、前記吸込口の縁において実質的
   に０になるよう、形成されていることを特徴とするポン
   プ。