JP4098720B2 - 定在波空洞ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプに関し、特に定在波ポンプに関する。

ポンプは、被ポンプ移送流体（すなわち液体または気体）を移動または圧縮するために多くの用途で使用される。ポンプは、典型的に、動的型ポンプと容積型ポンプとに分類される。動的型ポンプは、被ポンプ移送流体へエネルギーを加えて、その流体の速度を増加する。容積型ポンプは、流体を圧縮またはポンプ移送するために、容積変化を利用して被ポンプ移送流体を変位させる。いずれの場合も、従来のポンプの大部分は、可動部材を使用する。可動部材を使用することにより、摩擦力に対するエネルギー損失を通してポンプ効率が低下する。また可動部材は、機械的故障と疲労を受けて保守を必要とするので、ポンプ全体の信頼性が減少し、かつ運転コストが増加する。さらに可動部材は、一般に潤滑剤の付与を必要とするので、その潤滑剤を補給し、かつ被ポンプ移送流体から隔離しなければならない。

従来の機械的可動部材ポンプの問題の幾つかを克服するために、可動部材のより少ない、または可動部材を有しないポンプが提案されている。これらのポンプは、流体を圧縮または変位させるために、流体と直接機械的な相互作用することなく流体をポンプ移送することが多い。可動部材のより少ないポンプは、同一の速度と圧力で流体をポンプ移送できる可動ポンプよりも典型的に軽い。そのような例のポンプは、熱を利用して流体を加圧するか、または種々の方法により流体を励振する。一部のポンプは、定在波の特性を利用してポンプ移送作用を達成し、またそれらのポンプは、「定在波ポンプ」と呼ばれることがある。

一般にこれらの定在波ポンプは、ポンプ空洞を形成するチャンバを備える。そのチャンバは、被ポンプ移送流体が出入りする流体入口と出口を有する。励振源が、チャンバ内の被ポンプ移送流体内に定在波を生成するために励振エネルギーを発生する。励振源は、励振源により発生される進行波が、チャンバ内でそれ自体に反射して定在波を生成するように、被ポンプ移送流体と、励振チャンバの長さとに適合される。励振源は、機械的、電気的、熱的または電磁的などのものでよい。定在波は、チャンバと被ポンプ移送流体内に１または複数の圧力波節及び圧力波腹を生じる。一般に圧力波節における圧力は、被ポンプ移送流体の非擾乱圧力においてほぼ比較的に一定である一方、圧力波腹における圧力は、被ポンプ移送流体の非擾乱圧力の上下で変動する。入口および出口は、チャンバの圧力波節および圧力波腹にそれぞれ近接して置くことができる。かくして流体を、圧力波腹において、サイクルの低圧力段階中に被ポンプ移送流体がチャンバに再流入するのを防止する逆止弁を通して出口から導くことができる。

従来の定在波ポンプにおいて励振源は、被ポンプ移送流体に直接作用し、かつ被ポンプ移送流体内の進行波の速度と、および励振チャンバの長さとに適合される。したがって単一の種類の流体をポンプ移送するために、特定のポンプだけが適合できる。さらに不都合なことには、特定の励振源は、有効でないことがあり、限定された種類の被ポンプ移送流体にだけ作用できる。たとえば、電気式または磁気式の励振源は、一定の電気的または磁気的な特性を有する流体にだけ作用できる。さらに微視的には、励振源の作用は、苛酷なことがあり、被ポンプ移送流体に悪影響を有する恐れがある。

したがって、定在波の特性を利用する改良されたポンプのニーズがある。

したがって本発明の目的は、流体をポンプ移送するために励振媒体内に定在波を使用するポンプを提供することにある。

本発明によれば、定在波は、内蔵される励振可能媒体内に生成される。励振可能媒体により、壁により励振可能媒体から隔離されたポンプ移送空洞に圧力が加えられる。定在波は、その壁を通して作用して、ポンプ移送空洞内の被ポンプ移送流体に圧力を加えるので、流体が、ポンプ移送空洞を通して入口から出口へポンプ移送される。

本発明の１つの態様によれば、ポンプが、ポンプ移送空洞を形成する外側本体を備える。外側本体は、ポンプ移送空洞と連通する入口と出口を備える。ハウジングが、駆動空洞を形成する。ハウジングは、ポンプ移送空洞内に少なくとも部分的に含まれる外面を備える。励振可能媒体が、駆動空洞内に内蔵される。励振源が、励振可能媒体と連通して、励振可能媒体内に定在波を生成し、その定在波によりハウジングの外面が変形される。被ポンプ移送流体が、励振源が作動されるときに、ハウジングの外面の変形により、入口からポンプ移送空洞を通して出口へポンプ移送される。

本発明の他の態様によれば、駆動空洞を形成する中空円筒形ハウジングを備えるポンプが提供される。中空円筒形外側本体が、その本体との間にポンプ移送空洞を形成するハウジングよりも大きい径を有し、かつハウジングと同軸で位置決めされる。励振可能媒体が、駆動空洞内に内蔵される。励振源が、励振可能媒体内に定在圧力波を生成する。定在波は、励振可能媒体内に圧力波節と圧力波腹を形成する。外側本体における入口が、定在波の圧力波節に隣接する。外側本体における出口が、定在波の圧力波腹に隣接する。被ポンプ移送流体が、励振源が作動されるときに、入口からポンプ移送空洞を通して出口へポンプ移送される。

本発明のさらに他の態様によれば、中に定在波を生成し、それによりハウジング内に変形を生じるようにハウジングに内蔵される励振可能媒体を励振するステップと、およびその変形によりポンプ移送空洞内に容積変化を発生するようにハウジングと連通するポンプ移送空洞へ被ポンプ移送流体を送るステップを含む、被ポンプ移送流体をポンプ移送する方法が提供される。被ポンプ移送流体は、かくしてポンプ移送空洞を通してポンプ移送される。

本発明のさらに別の態様によれば、励振可能媒体を内蔵する駆動空洞を形成するハウジングを備えるポンプが提供される。外側本体が、ポンプ移送空洞を形成する。ポンプ移送空洞は、ハウジングの外壁を少なくとも部分的に含む。入口と出口がポンプ移送空洞と連通して、ポンプ移送空洞へおよびそこから被ポンプ移送流体を導く。励振源が、励振可能媒体と連通し、また励振可能媒体内に進行力学波を生成するように作動可能である。励振源、励振可能媒体および駆動空洞は、進行力学波の結果として励振可能媒体内に定在圧力波を生成するように適合される。ハウジングの外壁は、定在圧力波の結果として変形するので、ポンプ移送空洞内の被ポンプ移送流体に圧力を加える。被ポンプ移送流体上の圧力により、被ポンプ移送流体が、ポンプ移送空洞から出口を通して送出される。

本発明の態様によれば、定在波を二次流体内に生成するステップと、二次流体に被ポンプ移送流体と接触する壁へ圧力を加えてその壁を変形させるステップと、および壁の変形を利用して、被ポンプ移送流体を入口から出口へポンプ移送するステップとを含む、被ポンプ移送流体をポンプ移送する方法が提供される。

本発明の態様によれば、外側本体、および外側本体内の壁を備えるポンプが提供される。外側本体および壁は、外側本体内にポンプ移送空洞および励振空洞を形成する。励振可能媒体が、励振空洞内に内蔵される。被ポンプ移送流体が、ポンプ移送空洞内にある。励振源が、励振可能媒体へ結合される。励振源は、励振可能媒体を励振し、かつその媒体内に定在波を生成するように作動可能である。定在波は、その壁を通して作用して、流体をポンプ移送空洞を通してポンプ移送する。

本発明の他の態様と特徴は、添付図面と連係して本発明の特定の実施例の下記の説明を読めば、当業者にとり明らかになる。

図面において、本発明の実施例が、一例としてのみ図示される。

図１から図３は、本発明の実施例の代表例であるポンプ１０を図示する。図示されるようにポンプ１０は、外側本体１４内に少なくとも部分的に含まれるハウジング１２を備える。ハウジング１２は、中空駆動（または励振）空洞１８を形成する外壁３０により形成される。外側本体１４は、外壁３２により形成され、また同様に中空であり、外側本体１４の外壁３２とハウジング１２の外壁３０との間にポンプ移送空洞１６を形成する。外側本体１４は、本体１４から、かつポンプ１０の中心軸から離れて延びる入口２６と、出口２８ａおよび２８ｂとを備える。入口２６と、出口２８ａおよび２８ｂは、被ポンプ移送流体４６をポンプ移送できるように、ポンプ移送空洞１６と流体連通する。ポンプ１０の長さ方向に沿う入口２６と、出口２８ａおよび２８ｂとの好ましい位置は、後述される。

この図示される実施例においてハウジング１２および外側本体１４は、図２に最も良く示されるように、互いに同軸で通常の円筒形体である。ハウジング１２は、外側本体１４よりも小さい径を有する。好ましくはハウジング１２および外側本体１４は、長さが同一である。

代表的な一方向逆止弁２４ａと２４ｂが、出口２８ａと２８ｂとそれぞれ連通される。これらの弁２４ａと２４ｂは、必要に応じて、被ポンプ移送流体４６のポンプ移送空洞１６中への逆流を制限することができる。弁２４ａと２４ｂは、テラス弁、リード弁、または当業者に知られている他の適切な弁でよい。

ハウジング１２は、駆動空洞１８を形成する。励振可能媒体２０が、駆動空洞１８を満たす。励振源２２が、励振可能媒体２０と連通して設けられ、かつ励振可能媒体２０へ結合されるので、励振源２２は、励振可能媒体２０内に対応する変位波と圧力波を発生できる。明らかになるように、この配置により、励振源２２が励振可能媒体２０に作用して、その媒体内に定在圧力波を発生できる。好ましくは駆動空洞１８は、その端部において変換器３４ａと３４ｂにより封止される。変換器３４ａと３４ｂは、励振源２２の一部分を形成し、また駆動空洞１８の端部間でその空洞の長さ方向に沿って進行する進行波を発生するのに使用される。理解されるように、そのように封止されると、駆動空洞１８は閉じられる。すなわち通常の作動において、励振可能媒体２０は、駆動空洞１８から出入りできない。

好ましくは励振可能媒体２０は、励振源２２へ組合せられるか、または結合されるので、励振源２２が励振可能媒体２０を確実に励振できる。励振可能媒体２０は、被ポンプ移送流体４６と異なる二次流体とすることができる。励振可能媒体２０は好ましくは、液体である。適切な励振可能媒体の例としては、水、油、炭素燃料、またはここに記載されるように励振できる他の任意の媒体がある。また励振可能媒体２０は好ましくは、選択された静圧になるように駆動空洞１８内で予め加圧される。このようにして、励振可能媒体２０を、この静圧の上下に圧力が変動するように励振できる。

外側本体１４の外壁３２は、比較的剛性の物質から形成される。他方では、ハウジング１２の外壁３０は好ましくは、励振可能媒体２０が駆動空洞１８内で励振されるときに外壁３０を変形させ、それにより駆動空洞１８の変形効果をポンプ移送空洞１６へ伝達させる物質から形成される。外壁３０は、励振可能媒体２０の作動周波数と圧力に応じて、たとえば、金属、鋼、ゴムまたはプラスチックなどから形成できる。

理解されるように、ハウジング１２および外側本体１４は、他の仕方で配置できる。たとえば、ハウジング１２および外側本体１４は、形状が円筒形である必要がない。ハウジング１２および外側本体１４は、ドーナツ形または直線形、もしくは当業者に知られている任意の他の適切な形状のものでよい。さらにハウジング１２および外側本体１４は、形状および長さが同一である必要がない。同様にハウジング１２および外側本体１４は、同様に同軸である必要がない。当業者は、適切な駆動空洞１８およびポンプ移送空洞１６を形成するハウジング１２および外側本体１４の他の配置を容易に理解するであろう。たとえば、適切な壁は、ハウジング１２の内部を駆動空洞１８とポンプ移送空洞１６とに分割するのに使用できる。

ポンプ移送空洞１６を、変換器３４ａと３４ｂから外壁３２へ半径方向外方へ延びる環状壁３６ａと３６ｂにより、その端部それぞれにおいて封止できる。図３に図示されるように、環状壁３６ｂと変換器３４ｂは、静止時に、共面にできるので、ポンプ１０用の円板状端壁を形成する。

励振可能媒体２０および励振源２２は、駆動空洞１８内に適切な定在音波を生成するように選択および設計される。励振源２２を、たとえば図１に示されるように、駆動空洞１８の両端における２つの変換器３４ａと３４ｂを使用して形成できる。これらの変換器３４ａと３４ｂは、振動器として作用し、また圧電変換器、または当業者に知られている他の電気機械変換器でよい。代わりに励振源２２は、励振可能媒体２０を励振するように、ハウジング１２の長さ方向に沿う中間箇所に位置決めされる単一の変換器（図示せず）を備えることができる。

代案として、励振源２２は、変換器３４の代わりに、外側本体１４よりも短い長さを有するハウジング１２の一部分として形成される軸方向に移動自在な端壁を備えることができる。

別の代案として、励振源２２は、励振可能媒体２０内に非常に高圧の静圧波を生成する電気火花を出すようになっている、駆動空洞１８内に載置される放電素子（図示せず）を備えることができる。そのような静圧波は、急激で極端な局部的熱放出と、および結果として生じる励振可能媒体２０の局部的蒸発と再凝縮とから生成される。さらに別の代案として、励振源２２は、駆動空洞１８に沿って長さ方向に載置される複数の発熱体（図示せず）から形成できる。制御ユニット（図示せず）が、そのような個別の発熱体を順次加熱して、駆動空洞１８内に使用される励振可能媒体２０を縦方向に局部的に加熱し、それにより圧力差を生成して、励振可能媒体２０内に進行波を発生することができる。同様に、局部的な熱発生器の代わりに、励振可能媒体２０を電気ひずみ的または磁気ひずみ的な媒体にできるし、また磁束または電界の対応源を配置して、対応する音波を生成するように励振可能媒体２０に作用する長さ方向に進行する磁気波または電磁波を発生できる。さらに他の励振源は、レーザーダイオード、または抵抗加熱器などのような局部的な加熱源を備えることができる。励振可能媒体２０内の振動は、液体形成励振可能媒体を、液相と気相との間で相を急速に変化させることにより生成できる。直流または交流は、そのような熱源を駆動できる。他の代わりの励振源２２は、たとえば、内容がここに参照として組込まれる、ルーカス（Ｌｕｃａｓ）へ付与された米国特許第５，０２０，９７７号に記載されるか、または当業者に知られている。

任意選択的には、圧力センサ３８が、励振源２２と連通される。以下に述べるように、センサ３８で検知された圧力の測定値により、励振源２２の作動周波数を制御できる。圧力センサ３８は、測定された圧力に比例する電気信号を生成する従来の圧力変換器でよい。

さらに励振源２２は、励振源２２の作動周波数を、したがって駆動空洞１８内の励振周波数を制御するように作動できる制御装置（特に図示せず）を備えることができる。この制御装置は、たとえば、圧力センサ３８により送られる検知された測定値に応答するように構成される比例積分微分（「ＰＩＤ」）制御装置でよい。

ハウジング１２の長さは、励振可能媒体２０および励振源２２と連係して、励振可能媒体２０の励振により駆動空洞１８内に定在波２４が生成できるように設計される。好ましくはハウジング１２の長さおよび励振源２２は、ハウジング１２の長さが、励振可能媒体２０内の進行波の半波長（λ／２）（ここで、λ＝ｃ／ｆ）に等しいように適合される。励振可能媒体２０内の有効特性音速（ｃ）は、励振可能媒体２０内の音の速度である。勿論、その空洞の長さは、波長の２分の１の奇数整数倍数（すなわち、ｎλ／２、ここで、ｎは奇数整数である）であるように選択できる。

作動に際して励振源２２は、駆動空洞１８内の励振可能媒体２０内に波長λを有する進行音波を発生する。図１の実施例において縦進行波が、変換器３４ａと３４ｂの同期される振動により発生される。上述のように、同様な進行波を、幾つかの既知の方法で励振可能媒体２０内に形成できる。理解されるように進行波は、縦方向ではない方向にも伝播できる。いずれの場合も、この進行波は、変換器３４ａまたは３４ｂに入射すると、反射されて、距離λ／２だけ進行して、同相で変換器３４ａと３４ｂに達する。上述のようにハウジング１２の長さ、および励振源２２の周波数は、かくして駆動空洞１８を共振空洞として作用させる。ついで定在音波４８（図４参照）が、励振可能媒体２０内に生成される。理解されるように音波４８は、駆動空洞１８の長さ方向に沿って高圧と低圧の交互領域において、それ自体現れる。それは、波節と波腹によりさらに特徴づけられる。空洞の長さ方向に沿う各箇所における圧力は、時間に応じて周期的に変わる。波節において圧力は、励振可能媒体の非擾乱圧力において一定のままである。変換器３４における進行音波の進行中の反射により、進行中の強化、および結果として共振が生じる。

特に、駆動空洞１８内の有効特性速度（ｃ）は、励振可能媒体２０の物理的特性と、ならびに壁３０の特性、およびポンプ移送空洞１６の内容とその有効全体弾性率とに左右される。実際には、励振源が作用する有効機械的負荷は、壁３０を通して作用する、励振可能媒体２０および被ポンプ移送流体４６の組合せられた負荷である。ついで媒体２０における音波の速度は、この機械的負荷の関数である。励振媒体と被ポンプ移送流体との特に選択された組合せの場合、この有効負荷および有効音速は、ほとんど予測可能である。

柔軟性を大きくするために、任意選択的のセンサ３８は、駆動空洞１８を適切な周波数で確実に駆動できるように制御信号を生成できるので、駆動空洞１８内に定在波が生成される。好都合には、このセンサを、空洞１８内の波節（図示される）または波腹の箇所に対応する、空洞１８の長さ方向に沿う軸方向位置に沿って載置できる。かくして任意選択的の制御装置は、励振源２２の周波数を調整して、センサ３８の位置における波節（または波腹）を確保できる。ついでこれにより、駆動空洞１８が確実に共振する。かくして駆動空洞１８内の振動を、レーザー管の同調に類似の仕方で同調できる。

図４に示されるように、励振可能媒体２０においてそのように生成される定在圧力波４０は、ハウジング１２の変換器３４ａと３４ｂに横方向に近接する圧力波腹４４ａと４４ｂを有し、かつハウジング１２の長さ方向に沿う中間において圧力波節４２ａを有する。圧力波腹４４ａと４４ｂにおける瞬時圧力は、励振可能媒体２０の非擾乱圧力（すなわち予め加圧された静圧）の上下を変動する一方、圧力波節４２ａにおける瞬時圧力は、励振可能媒体２０の非擾乱圧力において比較的一定のままである。かくして変動圧力差が、圧力波節４２と圧力波腹４４との間に生成される。特に圧力波腹４４ａと４４ｂにおける圧力変動は、逆位相のものである。

ここで、励振可能媒体２０内の圧力が、全ての方向に作用するので、外壁３０は、圧力波４０における変動に従って半径方向に膨張または収縮する。これは、図５Ａと５Ｂにおいて一層詳細に図示される。具体的には図５Ａは、時間ｔ０で作動するポンプ１０を図示する。図示されるように、この時間ｔ０において、定在圧力波４０の振幅は、変換器３４ａに近接する波腹４４ａにおいてその最大値にある。図５Ｂは、半周期（すなわち１／（２ｆ））後における時間ｔ１でのポンプ１０を図示する。この時間ｔ１において、定在圧力波４０の振幅は、波腹４４ａにおいてその最小値にある。上述のように駆動空洞１８内の圧力は、外壁３０へ力を加える。ついでこれにより、励振可能媒体２０内の圧力波の進行方向に交差する方向に、外壁３０の長さ方向に沿って外壁３０の局部的な膨張と収縮が生じる。これは、図５Ａと５Ｂに再び図示される。図５Ａと５Ｂに図示される膨張と収縮は、説明のために誇張される。図示されるように、ハウジング１２の半分が膨張すると、その反対側の半分が収縮する一方、圧力波節４２ａに近接する中間箇所は膨張も収縮もしない。これは、励振源に結合されるシステムの共振周波数において生じる。

膨張および収縮する外壁３０は、ついで半径方向外方への力と圧力を、ポンプ移送空洞１６内の被ポンプ移送流体４６へ加える。外壁３０は、フックの法則に従う。しかしながら、ポンプ移送空洞１６内の被ポンプ移送流体は、外壁に作用する。理解されるようにポンプ移送空洞１６内の圧力変動は、外壁３０の膨張と収縮、および外壁３０と外壁３２との間の距離により左右される。ここで理解されるように、かつ上述のように、ポンプ移送空洞１６内の共振周波数は、励振可能媒体２０、壁３０の剛性、およびポンプ移送空洞１６内の流体のこの壁に対する影響に左右される。すなわちポンプ移送空洞１６内の共振周波数は、励振されている有効な機械的システムの複合インピーダンスに左右される。しかしながら好都合には、励振源２２は、励振可能媒体２０にだけ直接に作用する。

上述のように、励振源２２の制御装置と連通するセンサ３８により、励振源２２に空洞１８内の励振可能媒体２０を励振させて、各種の被ポンプ移送流体のために共振できる。

ここで明らかなように圧力センサ３８は、歪み計などの形態の変位計と置換えることができ、かつ波節に近接する表面本体３０上に位置決めできる。空洞１８内の共振を、センサ３８からの信号を使用して制御できる。

ここで、被ポンプ移送流体４６は、入口２６を通してポンプ移送空洞１６中に導入される。空洞１６の長さ方向に沿う空洞１６内の被ポンプ移送流体４６における結果として生じた圧力勾配も、図５Ａと５Ｂに図示される。図示されるように被ポンプ移送流体４６内の圧力は、波節４２に近接して最も小さく、かつ波腹４４ａと４４ｂ近くでは最も大きく変化する。好都合には入口２６および出口２８は、これらの圧力波節４２および波腹４４に横方向に近接して、それぞれ位置決めされる。したがって、図１の実施例に示されるように、入口２６を、圧力波節４２ａに近接するハウジング１２の変換器３４間の中間に横方向に位置決めできる。出口２８を、壁３０の端部に近接し、かつ圧力波腹４４ａと４４ｂに近接して位置決めできる。加えて、一方向逆止弁２４ａと２４ｂにより、ポンプ移送空洞１６から送られる被ポンプ移送流体４６は、関連する出口２８に近接する圧力が低下するときにポンプ移送空洞１６に再流入しないことが保証される。好都合には、センサ３８を、波節４２ａと入口２６に近接して横方向に位置決めできる。

明らかに、図示される実施例において、変換器３４ａと３４ｂ近くにおける空洞１８のたわみ最大値は、ハウジング１２の端部（すなわち、壁３０が変換器３４と接合する場所）における境界条件により生じる半径方向抑制により制限される。理解されるように、駆動空洞１８内の圧力変動により、空洞１６内の駆動空洞１８における定在波圧力を反映する圧力勾配が生じる。

上述のように、圧力波腹４４ａと４４ｂにおける駆動空洞１８内の圧力が、励振可能媒体２０の非擾乱圧力の上下で振動するので、外壁３０の変形と外壁３２の剛性とにより、同様な圧力変動がポンプ移送空洞１６内に生じる。この圧力変動が、ポンプ移送空洞１６の圧力波腹４４ａと４４ｂそれぞれにおいて（すなわち出口２８のそれぞれに近接して）逆位相のものであるので、出口２８ａと２８ｂは、差動的なポンプ移送出力流を生じる。すなわち一方の出口２８ａがポンプ移送するが、他方の出口２８ｂはポンプ移送しないし、およびこれらの出口が互いに逆に機能する。好都合には、出口２８ａと２８ｂの下流側にある弁２４ａと２４ｂの出口を結合して、ポンプ１０から適度の一定な定常流を生じさせることができる。代わりに入口と出口の弁２４と２８を、ポンプ移送空洞１６の長さ方向に沿って横方向に同一場所に位置決めできる。このようにしてポンプ１０を、任意選択的に、各端部に１つを設けた２つのポンプ移送チャンバに分割できる。この２つのチャンバを、適切な膜により隔離できる。図４ｂを参照すると、別の実施例において同様に、入口（１つまたは複数）を波腹において位置決めでき、また出口（１つまたは複数）を波節に位置決めできる。

一般的に、駆動空洞１８内およびポンプ移送空洞１６内双方の圧力変動は、励振可能媒体２０および被ポンプ移送流体４６それぞれの非擾乱圧力の周りに対称的である。空洞１８内およびポンプ移送空洞１６内の圧力が正圧のままであるので、圧力変動は、空洞１６と１８それぞれにおける非擾乱圧力の二倍の最高最低間値を有することがある。しかしながら後述するように、ポンプの段数を組合せて、望ましい大きい圧力比を得ることができる。

ここで理解されるように、励振可能媒体２０を、図示されるように、適切な進行波を生成し、かくして定在圧力波を生成するために、その長さ方向に沿う任意の箇所（波節における以外の）において励振できる。好都合には、励振可能媒体２０を励振する任意の励振源２２の位置は、波節と波腹との間の圧力差の大きさに影響する。すなわち、その圧力差を、励振源２２入力をハウジング１２の中間箇所へ向けた位置に位置決めすることにより、調整できる。励振源２２が作用するのが波節に近いほど、図示されるように、依然定在波を生成しながら、励振源２２が励振可能媒体２０の圧力を変える必要性がそれだけ少なくなる。（駆動空洞１８内の）励振源２０の交番圧力の圧力増幅を達成できるので、駆動空洞１８の作動圧力値と利用できる交番圧力値との間の適正な合致を可能にする。

ここでも理解されるように、環状壁３６は、環状である必要も、または変換器３４と共面である必要もない。ポンプ移送空洞１６を、駆動空洞１８を封止する端壁（図示せず）から分離されるか、または端壁の一部を形成する剛性の端壁で封止することができる。この場合に励振源２２は、駆動空洞１８内に位置決めされ、かつ剛性の端壁（図示せず）を使用して、定在波を生成できる。さらに励振源２２は、図４、５Ａと５Ｂに示される定在波パターンを発生する必要はない。任意の数の波節と波腹を含む定在波パターンの多くの適切な変形を、ポンプ１０と同様なポンプにおいて液体をポンプ移送するために同様に使用できる。圧力波節を、ハウジング１２の端部に形成する必要はない。代わりに、ハウジング１２の端壁を剛性にでき、また圧力波腹をこれらの端壁に形成できる。同様に、駆動空洞１８および励振源２２の構成は、駆動空洞１８の長さ方向の周りに対称的である定在波を発生する必要はない。代わりに、単一の変換器または他の振動器を、駆動空洞１８内に位置決めすることができる。勿論、そのような入口と出口を、別の定在波パターンで、圧力波節と波腹に近接して適切に位置決めする必要がある。その上、ハウジング１２を、外側本体１４内に全体を内蔵させる必要はない。代わりに、外壁３２の一部分だけを、外側本体１４の外壁３２とハウジング１２の外壁３０との間に形成されるポンプ移送空洞内に延ばす必要がある。

好都合には、励振源２２が、被ポンプ移送流体４６に直接作用しないので、ポンプ１０は、ポンプ移送される各種の媒体をポンプ移送できる。さらに励振可能媒体２０および励振源２２を、自由に選択して、被ポンプ移送流体４６に関係なく、有効なポンプ移送作用を実現できる。たとえば、励振源２２が放電装置を備える場合、励振可能媒体２０は、この放電現象に対応しなければならないし、かつ好ましくは、励振可能媒体２０を大幅に劣化しない仕方で対応しなければならない。この場合に励振可能媒体の例として、水、燃料または油などがある。

図６は、それぞれが図１の代表的なポンプ１０と同一の複数の単段ポンプ５０を使用する多段ポンプ６０を概略図示する。この複数の単段ポンプ５０は、直前の単段ポンプ５０により加圧された流体をさらに加圧するために、１台の単段ポンプ５０の加圧された出力が隣接する下流側のポンプ５０の入力へ供給されるように、直列に配置される。単段ポンプ５０それぞれについての励振源（図１の励振源２２と同一の）は、図６には示されない。多段ポンプ６０における、これらの励振源を好ましくは、同相で作動するように結合できる。代わりに、単一で共通の励振源（図示せず）を、単段ポンプ５０それぞれを駆動するように使用できる。ポンプ１０の場合と同様に、多段ポンプ６０の合計流量は、励振源の大きさと周波数により制御される。好都合には多段ポンプのそれぞれは、被ポンプ移送液体を部分的に加圧した。単段ポンプ５０それぞれのポンプ移送空洞は、その段の分担圧力までに予め加圧されるだけでよい。好都合には多段ポンプ６０を、当業者が容易に分かる仕方で、単一のコンパクトなパッケージ内に一体化された多段ポンプ６０を形成するように微細機械加工技法を使用して組立できる。そのような多段ポンプ６０の考えられる１つの用途は、エンジン（図示せず）の燃料ノズル（図示せず）に、およびその一体部分として使用できることである。

ポンプ１０および上の実施例で説明された多段ポンプ６０は、考えられる例において個別の燃料ノズルまたはポンプとしての燃料供給装置に使用されるのが意図され、かつ燃料と油の加圧にも使用できる。ポンプ１０は、油、冷媒および燃料などのようなほぼ全ての流体に使用できる。そのポンプは、水中推進装置、および考えられる例において気体のポンプ移送と圧縮の用途についても有用である。

理解されるように、ポンプ１０または上の実施例で説明された多段ポンプ６０は、ほぼ全ての流体、比較的大きいサイズの懸濁固形物を含有する流体でもポンプ移送するのに有効であり得る。というのは、懸濁固形物と接触して機械的故障を生じる可動部材が少ないからであり、かつ被ポンプ移送流体を直接励振する必要が無いからでもある。

本発明が、本発明を実施する好ましい実施例の単なる説明上のものであり、かつ部材の形態、配置、作動の工程、詳細および順序の変形を受けやすい、ここで説明された実施例に限定されないことがさらに理解される。むしろ本発明は、特許請求項に明示される本発明の範囲内における全てのそのような変形を包含しようとするものである。

本発明の実施例の代表例であるポンプの概略線図。 ＩＩ−ＩＩ線に沿ってとった図１のポンプの概略断面図。 図１のポンプの端面図である。 作動中の図１のポンプ内の機械的変位と圧力波を図示する概略線図。 図１のポンプの別の実施例の同様な概略線図。 作動中の図１のポンプを概略図示する図。 作動中の図１のポンプを概略図示する図。 図１のポンプ組立体を使用する多段ポンプ配置の概略線図。

Claims (29)

1. ポンプ移送空洞と連通する入口と出口を有する、ポンプ移送空洞を形成する外側本体と、
   前記ポンプ移送空洞内に少なくとも部分的に含まれる外面を備える、駆動空洞を形成する中空円筒形ハウジングと、
   前記駆動空洞内に内蔵される励振可能媒体と、
   前記励振可能媒体内に前記中空円筒形ハウジングの長手方向に沿って定在波を生成してこの定在波により前記ハウジングの前記外面を変形させる、前記励振可能媒体と連通する励振源であって、前記励振源が作動されるときに前記ハウジングの前記外面の前記変形により、前記入口から前記ポンプ移送空洞を通して前記出口へ被ポンプ移送流体がポンプ移送されるように作動される励振源と、
   を備えることを特徴とするポンプ。
2. 前記励振源は、前記駆動空洞内にあり、かつ前記励振可能媒体と接触する変換器を備えることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
3. 前記励振源は、前記励振可能媒体内に放電を生成することを特徴とする請求項１記載のポンプ。
4. 前記励振源は、前記励振可能媒体内に熱を生成することを特徴とする請求項１記載のポンプ。
5. 前記外側本体と前記ハウジングは、円筒形であり、かつ同軸であることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
6. 前記入口は、前記定在波の圧力波節に隣接することを特徴とする請求項１記載のポンプ。
7. 前記励振可能媒体は、前記励振可能媒体において前記励振源により生成される圧力の２分の１よりも大きい静圧まで予め加圧されることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
8. 前記ポンプ移送空洞中への逆流を防止するために前記出口と流れ連通する一方向逆止弁をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
9. 前記ポンプ移送空洞からの逆流を防止するために前記入口と流れ連通する一方向逆止弁をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
10. 前記励振可能媒体内に前記定在波を生成するため前記励振源の作動周波数を制御するように、前記駆動空洞と連通し、かつ前記励振源と連通するセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
11. 前記センサは、変位センサまたは圧力センサから構成されることを特徴とする請求項１０記載のポンプ。
12. 直列に配置される請求項８に記載の複数のポンプから構成される多段ポンプであって、前記複数のポンプの励振源は、同期化されることを特徴とする多段ポンプ。
13. 駆動空洞を形成する中空円筒形ハウジングと、
    前記ハウジングよりも大きい径を有し、前記ハウジングと同軸で位置決めされ、かつ前記ハウジングとの間にポンプ移送空洞を形成する中空円筒形外側本体と、
    前記駆動空洞内に内蔵される励振可能媒体と、
    前記励振可能媒体内に定在圧力波を生成する励振源であって、前記定在波は、前記励振可能媒体内に圧力波節と圧力波腹を形成する励振源と、
    前記定在波の前記圧力波節に隣接する前記外側本体内の入口と、
    前記定在波の前記圧力波腹に隣接する前記外側本体内の出口と、
    を備えるポンプであって、
    被ポンプ移送流体は、前記励振源が作動されるときに、前記入口から前記ポンプ移送空洞を通して前記出口へポンプ移送されることを特徴とするポンプ。
14. 被ポンプ移送流体をポンプ移送する方法であって、
    中空円筒形ハウジング内に内蔵される励振可能媒体を励振して、前記中空円筒形ハウジングの長手方向に沿って定在波を生成し、それにより前記ハウジング内に変形を生じさせるステップと、
    前記変形によりポンプ移送空洞内に容積変化が発生するように、前記ハウジングと連通するポンプ移送空洞へ前記被ポンプ移送流体を送るステップと、
    を含み、それにより、前記被ポンプ移送流体が、前記ポンプ移送空洞を通してポンプ移送されることを特徴とする方法。
15. 励振可能媒体を内蔵する駆動空洞を形成するハウジングと、
    前記ハウジングの外壁を少なくとも部分的に含むポンプ移送空洞を形成する外側本体と、
    被ポンプ移送流体を前記ポンプ移送空洞へおよびそこから導くように、前記ポンプ移送空洞と連通する入口および出口と、
    前記励振可能媒体内に進行力学波を生成するように作動可能である、前記励振可能媒体と連通する励振源と、
    を備えるポンプであって、
    前記励振源、前記励振可能媒体および前記駆動空洞は、前記進行力学波の結果として、前記励振可能媒体内に定在圧力波を生成するように適合され、
    前記ハウジングの前記外壁は、前記定在圧力波の結果として変形し、それにより、前記ポンプ移送空洞内の前記被ポンプ移送流体に圧力を加え、
    前記被ポンプ移送流体に加えられる圧力は、前記被ポンプ移送流体を、前記ポンプ移送空洞から前記出口を通して送出することを特徴とするポンプ。
16. 前記外側本体は、円筒形であることを特徴とする請求項１５記載のポンプ。
17. 前記ハウジングは、円筒形であり、前記外側本体内に設けられ、かつ前記外側本体と同軸であることを特徴とする請求項１６記載のポンプ。
18. 前記駆動空洞は、前記励振可能媒体内の前記力学波の半波長の整数倍数に等しい長さを有することを特徴とする請求項１７記載のポンプ。
19. 前記入口は、前記定在圧力波の波節に近接する前記ハウジングの長さ方向に沿う位置に位置決めされることを特徴とする請求項１８記載のポンプ。
20. 前記出口は、前記定在圧力波の波腹に近接する前記ハウジングの長さ方向に沿う位置に位置決めされることを特徴とする請求項１９記載のポンプ。
21. 前記励振源は、前記ハウジングの端部に変換器を備えることを特徴とする請求項１８記載のポンプ。
22. 前記励振可能媒体は、水、油および炭素燃料のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１８記載のポンプ。
23. 前記励振源は、前記励振可能媒体内で電気を放電する放電発生器を備えることを特徴とする請求項１８記載のポンプ。
24. 前記ポンプ移送空洞中への前記被ポンプ移送流体の逆流を防止するために前記出口と流れ連通する一方向逆止弁をさらに備えることを特徴とする請求項１５記載のポンプ。
25. 被ポンプ移送流体をポンプ移送する方法であって、
    中空円筒形ハウジング内の二次流体に前記ハウジングの長手方向に沿って定在波を生成するステップと、
    前記二次流体に前記被ポンプ移送流体と接触する前記ハウジングの壁へ圧力を加えさせて前記壁を変形するステップと、
    前記壁の変形を利用して、前記壁の長さ方向に沿って交差する方向に互いに離間する入口から出口へ前記被ポンプ移送流体をポンプ移送するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
26. 直列に配置される請求項１５に記載の複数のポンプから構成される多段ポンプであって、前記複数のポンプの励振源は、同期化されることを特徴とする多段ポンプ。
27. 前記入口は、前記定在圧力波の波腹に近接する前記ハウジングの長さ方向に沿う位置に位置決めされることを特徴とする請求項１８記載のポンプ。
28. 前記出口は、前記定在圧力波の波節に近接する前記ハウジングの長さ方向に沿う位置に位置決めされることを特徴とする請求項２７記載のポンプ。
29. 外側本体と、
    前記外側本体内の中空円筒形の壁と、
    を備えるポンプであって、前記外側本体および前記中空円筒形の壁は、前記外側本体内にそれぞれポンプ移送空洞と励振空洞を形成し、さらにポンプは、
    前記励振空洞内の励振可能媒体と、
    前記ポンプ移送空洞内の被ポンプ移送流体と、
    前記励振可能媒体へ結合される励振源と、
    を備え、
    前記励振源は、前記励振可能媒体を励振し、かつその媒体内に前記中空円筒形の壁の長手方向に沿って定在波を生成するように作動可能であり、
    前記定在波は、前記ポンプ移送空洞を通して前記流体をポンプ移送するように前記壁を通して作用することを特徴とするポンプ。

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