(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を収容するためのキャビティを画定する実質的に円筒状の形状を有し、前記キャビティが両端において実質的に円形の端壁により閉じられた側壁により形成され、前記端壁のうちの少なくとも一方は駆動される端壁であり、前記駆動される端壁が中央部と、該駆動される端壁の前記中央部から半径方向外側に向かって延びる周縁部とを有するポンプ本体と、
前記駆動される端壁の前記中央部に動作的に関連されて、該駆動される端壁の振動運動を生じさせ、これにより、使用時において前記駆動される端壁の該端壁に実質的に垂直な方向の変位振動を、前記駆動される端壁の中心と前記側壁との間に環状のノードを伴って発生させるアクチュエータと、
前記駆動される端壁の前記周縁部と動作的に関連されて、前記変位振動の減衰を減少させるアイソレータと、
前記キャビティにおける前記環状のノードの位置以外の何れかの位置に配設されると共に、前記ポンプ本体を経て延在する第１開口と、
前記ポンプ本体における前記第１開口の位置以外の何れかの位置に配設されると共に、前記ポンプ本体を経て延在する第２開口と、
前記第１開口及び前記第２開口のうちの少なくとも一方に配設されるフラップバルブと、
を有し、使用時に、前記変位振動が前記ポンプ本体の前記キャビティ内に前記流体の対応する半径方向の圧力振動を発生して、前記第１及び第２開口を経る流体の流れを生じさせ、
前記フラップバルブが、
自身を介して概ね垂直に延びる開口を有する第１プレートと、
自身を介して概ね垂直に延びる第１開口を有し、該第１開口が前記第１プレートの前記開口から実質的にオフセットされている第２プレートと、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置されて、これらプレートの間に前記第１プレートの前記開口及び前記第２プレートの前記第１開口と流体的に連通するキャビティを形成するスペーサと、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置されると共に、これらプレートの間で移動可能であり、前記第１プレートの前記開口から実質的にオフセットされ且つ前記第２プレートの前記第１開口と実質的に整列された開口を有するフラップと、
を有し、
前記フラップが、前記フラップバルブの両端間の前記流体の差圧の方向の変化に応答して前記第１プレートと前記第２プレートとの間で移動されるポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプであって、前記キャビティの前記側壁の高さ（ｈ）に対する前記キャビティの長軸から前記側壁まで延びる該キャビティの半径（ｒ）の比が、約１.２より大きいポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載のポンプであって、前記キャビティの高さ（ｈ）及び前記キャビティの半径（ｒ）が、更に、ｈ２／ｒ＞４×１０-10メートルなる式により関係づけられるポンプ。
【請求項４】
請求項２に記載のポンプであって、前記第２開口が、前記端壁の一方において、該端壁の中心から約０.６３(ｒ)±０.２(ｒ)の距離に配設されるポンプ。
【請求項５】
請求項２に記載のポンプであって、前記アクチュエータが該アクチュエータに関連する前記端壁を駆動して、前記振動運動を周波数（ｆ）で発生させるポンプ。
【請求項６】
請求項２に記載のポンプであって、前記アクチュエータが該アクチュエータに関連する前記端壁を駆動して、前記振動運動を周波数（ｆ）で発生させ、前記半径（ｒ）が、
【数１０】
0005623515.tif 000011
なる式により前記周波数（ｆ）に関係付けられ、ここでｃｓ≒１１５ｍ／ｓであり、ｃｒ≒１９７０ｍ／ｓであり、ｋ０＝３.８３であるポンプ。
【請求項７】
請求項１に記載のポンプであって、前記半径方向の圧力振動の最低共振周波数が約５００Ｈｚより高いポンプ。
【請求項８】
請求項１に記載のポンプであって、前記駆動される端壁の前記変位振動の周波数が、前記半径方向の圧力振動の最低共振周波数に概ね等しいポンプ。
【請求項９】
請求項１に記載のポンプであって、前記駆動される端壁の前記変位振動の周波数と、前記半径方向の圧力振動の最低共振周波数との差の絶対値が、前記半径方向の圧力振動の前記最低共振周波数の２０％以内であるポンプ。
【請求項１０】
請求項１に記載のポンプであって、前記駆動される端壁の前記変位振動が、前記半径方向の圧力振動に対してモード形状が整合されているポンプ。
【請求項１１】
請求項１に記載のポンプであって、前記バルブが、前記流体が前記キャビティを介して実質的に一方向に流れるのを可能にするポンプ。
【請求項１２】
請求項２に記載のポンプであって、前記キャビティ内で使用する前記流体が気体である場合に、前記比が約１０と約５０との間の範囲内であるポンプ。
【請求項１３】
請求項３に記載のポンプであって、前記キャビティ内で使用する前記流体が気体である場合に、前記ｈ２／ｒの比が約１０−３メートルと約１０−６メートルとの間であるポンプ。
【請求項１４】
請求項２に記載のポンプであって、前記キャビティの容積が約１０ｍｌより小さいポンプ。
【請求項１５】
請求項１に記載のポンプであって、
前記端壁のうちの他方の端壁の中央部に動作的に関連されて、前記他方の端壁の該端壁に実質的に垂直な方向の振動運動を生じさせる第２アクチュエータと、
前記他方の端壁の周縁部に動作的に関連されて、前記キャビティ内の前記側壁による前記他方の端壁の振動運動の減衰を減少させる第２アイソレータと、
を更に有するポンプ。
【請求項１６】
請求項１に記載のポンプであって、前記アクチュエータが前記振動運動を生じさせる圧電部品を有するポンプ。
【請求項１７】
請求項１に記載のポンプであって、前記アクチュエータが前記振動運動を供給する磁歪部品を有するポンプ。
【請求項１８】
請求項２に記載のポンプであって、前記アクチュエータの半径が０.６３(ｒ)以上であるポンプ。
【請求項１９】
請求項１８に記載のポンプであって、前記アクチュエータの半径が前記キャビティの半径（ｒ）以下であるポンプ。
【請求項２０】
２つの端面により閉じられた側壁を備える流体を収容するための実質的に円筒状の形状のキャビティを有し、前記キャビティは高さ（ｈ）及び半径（ｒ）を有し、前記高さ（ｈ）に対する前記半径（ｒ）の比が約１.２より大きいポンプ本体と、
前記端面のうちの一方の端面の中央部に動作的に関連されると共に、使用時において該端面の振動運動を、該端面の中心と前記側壁との間に環状のノードを伴って発生させるアクチュエータと、
前記端面の周縁部と動作的に関連されて、前記振動運動の減衰を減少させるアイソレータと、
前記キャビティにおける前記環状のノードの位置以外の何れかの位置に配設されると共に、前記ポンプ本体を経て延在する第１バルブ開口と、
前記ポンプ本体における前記第１バルブ開口の位置以外の何れかの位置に配設されると共に、前記ポンプ本体を経て延在する第２バルブ開口と、
前記第１バルブ開口及び前記第２バルブ開口のうちの少なくとも一方内に配設されて、使用時に前記流体が前記キャビティを経て流れるのを可能にするフラップバルブと、
を有するポンプ。
【請求項２１】
請求項１に記載のポンプであって、前記第２プレートは、該第２プレートを介して概ね垂直に延在すると共に該第２プレートの前記第１開口の間に隔てて配置された第２開口を有し、これら第２開口は前記フラップの開口からオフセットされているポンプ。
【請求項２２】
請求項１に記載のポンプであって、前記フラップは、前記差圧が実質的に零である場合に前記第１プレート及び第２プレートの何れか一方に隣接して第１位置に配置される一方、差圧が供給された場合に前記第１プレート及び第２プレートの他方に向かって第２位置に移動可能であり、これにより、前記フラップは前記フラップバルブの両端間の前記流体の差圧の方向の変化に応答して前記第１位置から前記第２位置へ移動される一方、前記流体の前記差圧の方向の反転に応答して前記第１位置に戻るポンプ。
【請求項２３】
請求項２２に記載のポンプであって、前記フラップは常開位置では前記第２プレートに隣接して配置され、これにより、前記フラップが前記第１位置にある場合に前記流体は前記フラップバルブを介して流れ、前記フラップが前記第２位置にある場合に前記流体の流れは前記フラップバルブにより阻止されるポンプ。
【請求項２４】
請求項２３に記載のポンプであって、前記第２プレートは、該第２プレートを介して概ね垂直に延在すると共に該第２プレートの前記第１開口の間に隔てて配置された第２開口を更に有し、これら第２開口は前記フラップが前記第２位置にある場合に該フラップの開口からオフセットされるポンプ。
【請求項２５】
請求項２２に記載のポンプであって、前記フラップは常閉位置では前記第１プレートに隣接して配置され、これにより、前記フラップが前記第１位置にある場合に前記流体の流れは前記フラップバルブにより阻止され、前記フラップが前記第２位置にある場合に前記流体は前記フラップバルブを介して流れるポンプ。
【請求項２６】
請求項２２に記載のポンプであって、前記第２プレートは、該第２プレートを介して概ね垂直に延在すると共に該第２プレートの前記第１開口の間に隔てて配置された第２開口を更に有し、これら第２開口は前記フラップが前記第２位置にある場合に該フラップの開口からオフセットされるポンプ。
【請求項２７】
請求項１に記載のポンプであって、前記第１及び第２プレートが、金属、プラスチック、シリコン及びガラスからなる群から選択される実質的に剛性の材料から形成されるポンプ。
【請求項２８】
請求項２７に記載のポンプであって、前記金属が約１００ミクロンと約２００ミクロンとの間の厚さを持つスチールであるポンプ。
【請求項２９】
請求項１に記載のポンプであって、前記フラップと前記第１及び第２プレートの何れか一方とが、前記フラップが前記第１及び第２プレートの他方に隣接して位置された場合に約５ミクロンと約１５０ミクロンとの間の距離により隔てられるポンプ。
【請求項３０】
請求項２９に記載のポンプであって、前記フラップが約３ミクロンの厚さを持つポリマから形成され、前記フラップと前記第１及び第２プレートの何れか一方との間の前記距離は、該フラップが前記第１及び第２プレートの他方に隣接して位置される場合に約１５ミクロンと約５０ミクロンとの間であるポンプ。
【請求項３１】
請求項１に記載のポンプであって、前記フラップが、ポリマ及び金属からなる群から選択される軽量材料から形成されるポンプ。
【請求項３２】
請求項３１に記載のポンプであって、前記軽量材料が約２０ミクロンより薄い厚さを持つポリマであるポンプ。
【請求項３３】
請求項３２に記載のポンプであって、前記ポリマが約３ミクロンの厚さを持つポリエチレンテレフタレートであるポンプ。
【請求項３４】
請求項３２に記載のポンプであって、前記ポリマが約３ミクロンの厚さを持つ液晶フィルムであるポンプ。
【請求項３５】
請求項２１に記載のポンプであって、前記第１プレートにおける前記開口は、直径が約５００ミクロンより小さいポンプ。
【請求項３６】
請求項１に記載のポンプであって、前記フラップが約３ミクロンの厚さを持つポリマから形成され、前記第１プレートにおける前記開口は直径が約１５０ミクロンより小さいポンプ。
【請求項３７】
請求項１に記載のポンプであって、前記第１及び第２プレートが、約１００ミクロンの厚さを持つスチールから形成され、前記第１プレートの開口、前記第２プレートの第１開口及び前記フラップの開口は直径が約１５０ミクロンであり、前記フラップが約３ミクロンの厚さを持つポリマフィルムから形成されるポンプ。
【請求項３８】
請求項１に記載のポンプであって、前記差圧の方向の変化が、約２０ｋＨｚより高い周波数での振動であるポンプ。
【請求項３９】
請求項３８に記載のポンプであって、前記フラップが、前記差圧の振動の周期の約２５％より短い応答時間遅延を有するポンプ。
【請求項４０】
請求項１に記載のポンプであって、前記第１及び第２プレート、前記スペーサ並びに前記フラップは第１バルブ部を有し、前記フラップバルブは更に第２バルブ部を有し、該第２バルブ部が、
自身を介して概ね垂直に延びる開口を有する第１プレートと、
自身を介して概ね垂直に延びる第１開口を有し、該第１開口が前記第１プレートの前記開口から実質的にオフセットされている第２プレートと、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置されて、これらプレートの間に前記第１プレートの前記開口及び前記第２プレートの前記第１開口と流体的に連通するキャビティを形成するスペーサと、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置されると共に、これらプレートの間で移動可能であり、前記第１プレートの前記開口から実質的にオフセットされ且つ前記第２プレートの前記第１開口と実質的に整列された開口を有するフラップと、
を有し、
前記フラップが、前記フラップバルブの両端間の前記流体の差圧の方向の変化に応答して前記第１プレートと前記第２プレートとの間で移動され、
前記第１及び第２バルブ部が、前記差圧に対して、流体が前記フラップバルブの両端間の前記流体の差圧の周期的繰り返しに応答して該フラップバルブの前記２つのバルブ部を介して反対方向に流れるのを可能にするように向けられている、
ポンプ。
【請求項４１】
請求項４０に記載のポンプであって、前記バルブ部の各々における前記フラップは、前記差圧が実質的に零である場合に前記第１プレート及び第２プレートの何れか一方に隣接して第１位置に配置される一方、差圧が供給された場合に前記第１プレート及び第２プレートの他方に向かって第２位置に移動可能であり、これにより、前記フラップの各々は前記フラップバルブの両端間の前記流体の差圧の方向の変化に応答して前記第１位置から前記第２位置へ移動される一方、前記流体の前記差圧の方向の反転に応答して前記第１位置に戻るポンプ。
【請求項４２】
請求項４０に記載のポンプであって、前記第１及び第２バルブ部は前記差圧に対して反対方向に向けられ、前記第１及び第２バルブ部の各々の前記フラップは常開位置では前記第２プレートに隣接して配置され、これにより、前記フラップが前記第１位置にある場合に前記流体は前記第１及び第２バルブ部の各々を介して流れ、前記フラップが前記第２位置にある場合に前記流体の流れは前記第１及び第２バルブ部により阻止されるポンプ。
【請求項４３】
請求項４０に記載のポンプであって、前記第１及び第２バルブ部は前記差圧に対して反対方向に向けられ、前記第１及び第２バルブ部の各々の前記フラップは常閉位置では前記第１プレートに隣接して配置され、これにより、前記フラップが前記第１位置にある場合に前記流体の流れは前記第１及び第２バルブ部により阻止され、前記フラップが前記第２位置にある場合に前記流体は前記第１及び第２バルブ部を介して流れるポンプ。
【請求項４４】
請求項４０に記載のポンプであって、前記第１及び第２バルブ部は前記差圧に対して反対方向に向けられ、前記第１バルブ部の前記フラップは常開位置では前記第１プレートに隣接して配置され、これにより、前記フラップが前記第１位置にある場合に前記流体の流れは前記第１バルブ部により阻止され、前記フラップが前記第２位置にある場合に前記流体は前記第１バルブ部を介して流れ、前記第２バルブ部の前記フラップは常開位置では前記第２プレートに隣接して配置され、これにより、前記フラップが前記第１位置にある場合に前記流体は前記第２バルブ部を介して流れ、前記フラップが前記第２位置にある場合に前記流体の流れは前記第２バルブ部により阻止されるポンプ。
【請求項４５】
請求項２０に記載のポンプであって、前記振動運動が前記キャビティ内に前記流体の半径方向の圧力振動を発生し、前記第１開口及び第２開口を経る流体の流れを生じさせるポンプ。
【請求項４６】
請求項４５に記載のポンプであって、前記半径方向の圧力振動の最低共振周波数が約５００Ｈｚより高いポンプ。
【請求項４７】
請求項４５に記載のポンプであって、前記振動運動の周波数が、前記半径方向の圧力振動の前記最低共振周波数に概ね等しいポンプ。
【請求項４８】
請求項４５に記載のポンプであって、前記振動運動の周波数が、前記半径方向の圧力振動の前記最低共振周波数の２０％以内であるポンプ。
【請求項４９】
請求項４５に記載のポンプであって、前記振動運動が、前記半径方向の圧力振動に対してモード形状が整合されているポンプ。
【請求項５０】
請求項２０に記載のポンプであって、前記キャビティの高さ（ｈ）及び前記キャビティの半径（ｒ）が、更に、ｈ２／ｒ＞４×１０-10メートルなる式により関係づけられるポンプ。
【請求項５１】
請求項２０に記載のポンプであって、前記アクチュエータは該アクチュエータに関連する前記キャビティの端壁を駆動して、前記振動運動を周波数（ｆ）で発生させ、前記半径（ｒ）が、
【数１１】
0005623515.tif 000012
なる式により前記周波数（ｆ）に関係付けられ、ここでｃｓ≒１１５ｍ／ｓであり、ｃｒ≒１９７０ｍ／ｓであり、ｋ０＝３.８３であるポンプ。
【請求項５２】
請求項２０に記載のポンプであって、前記アクチュエータの半径が０.６３(ｒ)以上であるポンプ。
【請求項５３】
請求項５２に記載のポンプであって、前記アクチュエータの半径が前記キャビティの半径（ｒ）以下であるポンプ。
【請求項５４】
請求項２０に記載のポンプであって、前記第２バルブ開口が、前記端面の一方において、該端面の中心から約０.６３(ｒ)±０.２(ｒ)の距離に配設されるポンプ。
【請求項５５】
請求項２０に記載のポンプであって、前記バルブは、前記流体が前記キャビティを介して実質的に一方向に流れるのを可能にするポンプ。
【請求項５６】
請求項２０に記載のポンプであって、前記キャビティ内で使用する前記流体が気体である場合に、前記比が約１０と約５０との間の範囲内であるポンプ。
【請求項５７】
請求項２０に記載のポンプであって、前記キャビティ内で使用する前記流体が気体である場合に、前記ｈ２／ｒの比が１０−３メートルと約１０−６メートルとの間であるポンプ。
【請求項５８】
請求項２０に記載のポンプであって、前記キャビティの容積が約１０ｍｌより小さいポンプ。
【請求項５９】
請求項２０に記載のポンプであって、
前記キャビティの前記端面のうちの他方の端面の中央部に動作的に関連されて、前記他方の端面の振動運動を生じさせる第２アクチュエータと、
前記他方の端面の周縁部に動作的に関連されて、前記振動運動の減衰を減少させる第２アイソレータと、
を更に有するポンプ。
【請求項６０】
請求項２０に記載のポンプであって、前記アクチュエータが前記振動運動を生じさせる圧電部品を有するポンプ。
【請求項６１】
請求項２０に記載のポンプであって、前記アクチュエータが前記振動運動を供給する磁歪部品を有するポンプ。
【請求項６２】
請求項２０に記載のポンプであって、前記キャビティの前記端面のうちの一方の端面が切頭円錐形状を有し、前記キャビティの高さ（ｈ）が、前記一方の端面の概ね中心における第１の高さから前記側壁に隣接する前記第１の高さより小さな第２の高さまで変化するポンプ。
【請求項６３】
請求項２０に記載のポンプであって、前記キャビティの前記端面のうちの一方の端面が切頭円錐形状を有し、前記キャビティの高さ（ｈ）が、前記一方の端面の概ね中心における第１の高さから前記側壁に隣接する第２の高さまで増加するポンプ。
【請求項６４】
請求項６３に記載のポンプであって、前記第２の高さに対する前記第１の高さの比が約５０％以上であるポンプ。
【請求項６５】
請求項２０に記載のポンプであって、前記フラップバルブは前記流体の２つの方向の流れを制御する双方向バルブであり、該双方向バルブは前記流体の流れを制御する少なくとも２つのバルブ部を有し、これらバルブ部の各々が、
自身を介して概ね垂直に延びる開口を有する第１プレートと、
自身を介して概ね垂直に延びる開口を有し、前記第１開口が前記第１プレートの開口から実質的にオフセットされている第２プレートと、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置されて、これらプレートの間に前記第１プレートの開口及び前記第２プレートの開口と流体的に連通するキャビティを形成するスペーサと、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置されると共に、これらプレートの間で移動可能であり、前記第１プレートの開口から実質的にオフセットされ且つ前記第２プレートの開口と実質的に整列された開口を有するフラップと、
を有し、
前記フラップが、前記バルブの両端間の前記流体の差圧の方向の変化に応答して前記第１プレートと前記第２プレートとの間で移動され、
前記第１及び第２バルブ部が、前記差圧に対して、流体が前記バルブの両端間の前記流体の差圧の周期的繰り返しに応答して該バルブの前記２つのバルブ部を介して反対方向に流れるのを可能にするように向けられている、
ポンプ。
【請求項６６】
請求項６５に記載の双方向ポンプであって、前記バルブ部の各々における前記フラップは、前記差圧が実質的に零である場合に前記第１プレート及び第２プレートの何れか一方に隣接して第１位置に配置される一方、差圧が供給された場合に前記第１プレート及び第２プレートの他方に向かって第２位置に移動可能であり、これにより、前記フラップの各々は前記バルブの両端間の前記流体の差圧の方向の変化に応答して前記第１位置から前記第２位置へ移動される一方、前記流体の前記差圧の方向の反転に応答して前記第１位置に戻るポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の解説的実施例は、広くは流体用のポンプに係り、更に詳細には実質的に円形の端壁及び側壁を備えた実質的にディスク状のキャビティ並びに流体の流れを制御するためのバルブ（弁）を有するようなポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
閉じたキャビティ内での大振幅圧力振動の発生は、熱音響及びポンプ型圧縮機の分野で大きな注目を浴びている。非線形音響学における近年の発展は、以前に可能であると考えられていたものより大きな振幅の圧力波の発生を可能にしている。
【０００３】
定められた流入口（インレット）及び流出口（アウトレット）からの流体のポンプ送りを達成するために音響共振を使用することが知られている。これは、一端に音響定在波を駆動する音響ドライバを備えた円筒状キャビティを用いて達成することができる。このような円筒状キャビティにおいては、上記音響圧力波は限られた振幅を有する。円錐、ホーン円錐、球等の変化する断面のキャビティが大振幅圧力振動を達成するために使用され、これにより、ポンプ送り効率を大幅に向上させている。このような大振幅の波では、エネルギ放散を伴う非線形なメカニズムは抑圧されている。しかしながら、大振幅音響共振は、半径方向（放射方向）圧力振動が励起されるディスク状キャビティ内では最近まで使用されていなかった。WO2006/111775として公開された国際特許出願第PCT/GB2006/001487号（’487出願）は、高アスペクト比（即ち、キャビティの高さに対するキャビティの半径の比）を持つ実質的にディスク状のキャビティを有するポンプを開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなポンプは、各端部が端壁により閉じられた側壁を有する実質的に円筒状のキャビティを備えている。また、斯かるポンプは、上記端壁の何れか一方を駆動して、該駆動される端壁の面に実質的に垂直な方向に振動させるアクチュエータも有している。該駆動される端壁の運動の空間的プロファイルは、当該キャビティ内の流体圧振動の空間的プロファイルに整合されると説明されており、これは、ここではモード整合（モードマッチング）と称される状態である。ポンプがモード整合された場合、当該アクチュエータによりキャビティ内の流体に対してなされる仕事は、駆動される端壁の表面にわたり建設的に加わり、これにより該キャビティ内の圧力振動の振幅を向上させると共に高いポンプ効率を実現させる。モードが整合されていないポンプにおいては、上記端壁における、該端壁により当該流体に対してなされる仕事が当該キャビティ内の流体における流体圧振動の振幅を向上させるというよりは減少させるような領域が存在し得る。このように、当該アクチュエータにより流体に対してなされる有効な仕事が減少され、ポンプは低い効率となる。モード整合されたポンプの効率は、駆動される端壁と側壁との間の境界に依存する。このようなポンプの効率を、斯かる境界を、駆動される端壁の運動を減少又は減衰させないように構成し、これによりキャビティ内の流体圧振動の振幅の如何なる低下も軽減することにより維持することが望ましい。
【０００５】
このようなポンプは、当該ポンプを経る流体の流れを制御するためのバルブ、更に特定的には、高い周波数で動作することが可能なバルブも必要とする。従来のバルブは、典型的には、種々のアプリケーションに対して５００Ｈｚより下の低い周波数で動作する。例えば、多くの従来の圧縮機は、典型的には、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚで動作する。従来技術で知られているリニア共振圧縮機は、１５０Ｈｚと３５０Ｈｚとの間で動作する。しかしながら、医療装置を含む多くの携帯型電子装置は、相対的に寸法が小さい、正圧を供給し又は真空を形成するためのポンプを必要としており、斯様なポンプは個別の動作を提供するために動作時に不可聴的であることが有利である。これらの目的を達成するために、このようなポンプは非常に高い周波数で動作しなければならず、普通では入手可能ではない約２０ｋＨｚ及びそれ以上で動作することが可能なバルブを必要とする。このような高い周波数で動作するために、斯かるバルブは、整流して当該ポンプを経る正味の流体の流れを生成することができる高周波振動圧力に応答しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施例によれば、上述したポンプのアクチュエータは、駆動される端壁の、該端壁に実質的に垂直な方向の又は円筒状キャビティの長軸に実質的に平行な方向の振動運動（“変位振動”）を生じさせる（この振動は、以下、キャビティ内の駆動される端壁の“軸方向振動”と称する）。該駆動される端壁の軸方向振動は、当該キャビティ内の流体の実質的に比例した“圧力振動”を発生し、’487出願（参照により本明細書に組み込まれる）に記載された第１種のベッセル関数のものに近似した半径方向圧力分布を形成する。このような振動は、以下、キャビティ内の流体圧の“半径方向振動”と称する。上記駆動される端壁の、アクチュエータと側壁との間の部分は、当該ポンプの側壁との、上記変位振動の減衰を減少させて当該キャビティ内の圧力振動の如何なる低下も軽減する境界を形成する。上記部分は、以下、“アイソレータ（隔絶体）”と称す。該アイソレータの解説的実施例は、上記変位振動の減衰を低減するために上記駆動される端壁の周縁部に動作的に関連される。
【０００７】
本発明の他の実施例によれば、ポンプは、実質的に円形の端壁により両端部が閉じられた側壁により形成されたキャビティを画定する、実質的に円筒状の形状を持つポンプ本体を有し、上記端壁のうちの少なくとも一方は中央部及び前記側壁に隣接する周縁部を有する駆動される端壁であり、上記キャビティは使用時に流体を含む。該ポンプは、更に、上記駆動される端壁の中央部に動作的に関連されて、この駆動される端壁の該端壁に実質的に垂直な方向で且つ該駆動される端壁の概ね中心に最大振幅を持つ振動運動を生じさせるアクチュエータを有し、これにより使用時に上記駆動される端壁の変位振動を発生する。該ポンプは、更に、上記駆動される端壁の周縁部と動作的に関連されて、前記キャビティの側壁に対する当該端壁の接続に起因する上記変位振動の減衰を減少させるアイソレータを有する。該ポンプは、更に、前記端壁のうちの一方の概ね中心に配設された第１開口と、前記ポンプ本体における何れか他の位置に配設された第２開口とを有し、これにより前記変位振動は当該ポンプ本体のキャビティ内に流体圧の半径方向振動を発生し、上記開口を介しての流体の流れを生じさせる。
【０００８】
本発明の更に他の実施例によれば、当該ポンプは、該ポンプを介しての流体の流れを制御するために上記第１又は第２開口のいずれかに配置されたバルブ（弁）を有する。このバルブは第１及び第２プレートを有し、第１プレートは該第１プレートを介して概ね垂直に延びる開口を有し、第２プレートは該第２プレートを介して概ね垂直に延びる開口を有し、上記第２プレートの開口は上記第１プレートの開口から実質的に（大幅に）オフセットされている。該バルブは、上記第１プレートと第２プレートとの間に配設された側壁を更に有し、該側壁は上記第１及び第２プレートの周縁に沿って閉じられて、第１プレートと第２プレートとの間に、これら第１及び第２プレートの上記開口と流体的に連通するキャビティを形成する。該バルブは、更に、第１プレートと第２プレートとの間に配置されると共に、これらプレートの間で移動可能なフラップを有し、該フラップは、上記第１プレートの開口からは実質的にオフセットされる一方、上記第２プレートの開口とは実質的に整列された開口を有する。該フラップは、当該バルブの両端間の流体の差圧の方向の変化に応答して第１プレートと第２プレートとの間で移動される。
【０００９】
解説的実施例の他の目的、フィーチャ及び利点は、図面及び後述する詳細な説明を参照して説明されると共に、これらから明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の解説的実施例による、正圧を供給する第１ポンプの概略断面図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの第１ポンプの駆動される端壁の変位振動のグラフを示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａの第１ポンプのキャビティ内の流体の圧力振動のグラフを示す。
【図２】図２は、図１Ａの第１ポンプの概略上面図を示す。
【図３】図３は、本発明の解説的実施例による、負圧を供給する第２ポンプの概略断面図を示す。
【図４】図４は、本発明の解説的実施例による、切頭円錐状ベースを有する第３ポンプの概略断面図を示す。
【図５】図５は、本発明の他の解説的実施例による、２つのアクチュエータを含む第４ポンプの概略断面図を示す。
【図６】図６Ａは、図３のポンプの概略断面図を示し、図６Ｂは、図１Ｃに示したような、該ポンプ内の流体の圧力振動のグラフを示し、図６Ｃは、図３のポンプに使用されるバルブの解説的実施例の概略断面図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、バルブの解説的実施例の閉位置での概略断面図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａのバルブの、図７Ｄにおける７Ｂ−７Ｂ線に沿う分解断面図を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７Ｂのバルブの概略斜視図を示す。
【図７Ｄ】図７Ｄは、図７Ｂのバルブの概略上面図を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、図７Ｂのバルブの、該バルブを介して流体が流れる場合の開位置での概略断面図を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７Ｂのバルブの、開位置と閉位置との間の移行時における概略断面図を示す。
【図９】図９Ａは解説的実施例による図７Ｂのバルブの両端間に印加される振動する差圧のグラフを示し、図９Ｂは図７Ｂのバルブの開位置と閉位置との間での動作サイクルのグラフを示す。
【図１０】図１０は、解説的実施例による閉位置における図７Ｂのバルブの一部の概略断面図を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図７Ｂのバルブの解放開口を有する変更バージョンの概略断面図を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａのバルブの一部の概略断面図を示す。
【図１２Ａ】図１２Ａは、解説的実施例による図７Ｂの２つのバルブの概略断面図を示し、これらバルブの一方は他方からの反対方向の流体の流れを可能にするために反転されている。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａに示すバルブの概略上面図を示す。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、図１２Ａのバルブの開位置と閉位置との間での動作サイクルのグラフを示す。
【図１３】図１３は、解説的実施例による２つのバルブ部を有する双方向バルブの概略断面図を示し、これら２つのバルブ部は両バルブ部が常閉位置を有することにより反対方向の流体の流れを可能にしている。
【図１４】図１４は、図１３の双方向バルブの概略上面図を示す。
【図１５】図１５は、解説的実施例による２つのバルブ部を有する双方向バルブの概略断面図を示し、これらバルブ部は一方のバルブ部が常閉位置を有すると共に他方のバルブ部が常開位置を有することにより反対方向の流体の流れを可能にしている。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
幾つかの解説的実施例の下記の詳細な説明においては、これら実施例の一部を形成する添付図面が参照される。これら図面には、本発明を実施することが可能な特定の好ましい実施例が例示として示されている。これらの実施例は、当業者が本発明を実施することを可能にする程度に十分に詳細に説明されており、他の実施例も利用することが可能であると共に、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなしに論理的、構造的、機械的、電気的及び化学的変更を行うこともできると理解されるものである。当業者が本明細書で説明された実施例を実施するのを可能にするためには不必要な詳細を回避するために、本説明は当業者により知られた特定の情報は省略し得るものである。従って、下記の詳細な説明は、限定する意味でとらえられるべきではなく、これら解説的実施例の範囲は添付請求項によってのみ定められるものである。
【００１２】
図１Ａは、本発明の一解説的実施例によるポンプ１０の概略断面図である。図１Ｂも参照すると、ポンプ１０は実質的に円筒状の形状を持つポンプ本体を有し、該ポンプ本体は一端がベース１８により閉じられると共に他端が端部プレート１７及び環状アイソレータ（隔絶体）３０により閉じられた円筒状の壁（円筒壁）１９を含んでいる。上記環状アイソレータ３０は、端部プレート１７と、当該ポンプ本体の上記円筒壁１９の他端との間に配設されている。上記円筒壁１９及びベース１８は、当該ポンプ本体を有する単一部品とすることができ、他の構成部品又は系に取り付けることができる。円筒壁１９、ベース１８、端部プレート１７及びアイソレータ３０の内側表面は当該ポンプ１０内のキャビティ（空洞）１１を形成し、該キャビティ１１は、両端が端壁１２及び１３により閉じられた側壁１４を有している。上記端壁１３はベース１８の内側表面である一方、側壁１４は円筒壁１９の内側表面である。上記端壁１２は、端部プレート１７の内側表面に対応する中央部と、アイソレータ３０の内側表面に対応する周縁部とを有している。キャビティ１１は形状が実質的に円形であるが、該キャビティ１１は楕円形又は他の形状とすることもできる。当該ポンプ本体のベース１８及び円筒壁１９は、限定するものではないが、金属、セラミック、ガラス又はプラスチック（限定するものではないが、射出成形されたプラスチックを含む）を含む如何なる好適な剛性材料から形成することもできる。
【００１３】
また、ポンプ１０は、端部プレート１７に動作的に接続されてアクチュエータ４０を形成する圧電ディスク２０も有し、該アクチュエータは端部プレート１７を介して端壁１２の前記中央部に動作的に関連されている。圧電ディスク２０は、圧電材料から形成される必要はなく、例えば電歪材料又は磁歪材料等の、振動する如何なる電気的に活性な材料から形成することもできる。端部プレート１７は、好ましくは、圧電ディスク２０と同様の曲げ剛性を有し、金属又はセラミック等の電気的に不活性な材料から形成することができる。圧電ディスク２０が電流により励起された場合、アクチュエータ４０は前記キャビティ１１の長軸に対し半径方向に膨張及び収縮して、端部プレート１７を湾曲させ、これにより、端壁１２の該端壁１２に実質的に垂直な方向の軸方向たわみを誘起する。代わりに、端部プレート１７が、例えば圧電材料、磁歪材料又は電歪材料等の電気的に活性な材料から形成されることもできる。他の実施例では、圧電ディスク２０を、例えば機械的、磁気的又は静電的デバイス等の、端壁１２に対して力伝達関係にあるデバイスにより置換することもでき、その場合、端壁１２は、斯様なデバイス（図示略）により上述したのと同様の態様で振動状態に駆動される電気的に不活性な又は受動的な材料層として形成することができる。
【００１４】
ポンプ１０は、更に、キャビティ１１から該ポンプ１０の外側まで延びる少なくとも２つの開口を有し、これら開口のうちの少なくとも第１のものは当該開口を介しての流体の流れを制御するためのバルブ（弁）を含むことができる。バルブを含む開口は、キャビティ１１における、アクチュエータ４０が後に詳細に説明するような圧力差を発生する如何なる位置にも配置することができるが、ポンプ１０の１つの好ましい実施例は、端壁１２、１３の何れかの概ね中心に配置されたバルブ付き開口を有する。図１Ａ及び１Ｂに示すポンプ１０は、キャビティ１１から端壁１３の概ね中心において当該ポンプ本体のベース１８を介して延びると共に、バルブ４６を含む一次側開口１６を有している。バルブ４６は、該一次側開口１６内に取り付けられ、矢印により示されるように一方向の流体の流れを許し、従ってポンプ１０の流出口（アウトレット）として機能する。第２開口１５は、キャビティ１１内の、バルブ４６を備える開口１６の位置以外の如何なる位置にも配置することができる。ポンプ１０の１つの好ましい実施例において、該第２開口は、端壁１２、１３の何れか一方の中心と側壁１４との間に配設される。図１Ａ及び１Ｂに示すポンプ１０の実施例は、キャビティ１１からアクチュエータ４０を介して延在する、端壁１２の中心と側壁１４との間に配置された２つの二次側開口１５を有している。これら二次側開口１５はポンプ１０の本実施例ではバルブ付きではないが、これら開口は、もし必要なら、性能を改善するためにバルブ付きとすることもできる。ポンプ１０の本実施例において、一次側開口１６は、流体が二次側開口１５を介して当該ポンプ１０のキャビティ１１内に引き込まれると共に、矢印により示されるように一次側開口１６を介して該キャビティ１１からポンプ送出されて、該一次側開口１６に正圧をもたらすようなバルブ付きである。
【００１５】
図３を参照すると、一次側開口１６の代替構成を備える図１のポンプ１０が示されている。更に詳細には、一次側開口１６’のバルブ４６’は、流体が該一次側開口１６’を介してキャビティ１６内に引き込まれると共に、矢印により示されるように二次側開口１５を介してキャビティ１１から放出され、これにより該一次側開口１６’に吸引力又は減圧源をもたらすように逆転されている。ここで使用される“減圧”なる用語は、当該ポンプ１０が配置された場所の周囲圧力より低い圧力を広く指す。該減圧を説明するために、“真空”及び“負圧”なる用語を使用することもできるが、実際の圧力低下は、完全な真空に通常に関連する圧力低下よりも大幅に少ない可能性がある。該圧力はゲージ圧という意味で“負”である。即ち、該圧力は周囲大気圧より低く減少される。そうでないと示さない限り、ここで述べる圧力の値は、ゲージ圧である。減圧の増加に対する言及は、典型的には、絶対圧の減少を指す一方、減圧の減少は、典型的には、絶対圧の増加を指す。
【００１６】
ここで図４を参照すると、本発明の他の解説的実施例によるポンプ７０が示されている。ポンプ７０は、ポンプ本体が切頭円錐状の形状である端壁１３’を形成する上側表面を備えたベース１８’を有する点を除き、図１のポンプ１０と実質的に同様である。結果として、キャビティ１１の高さは、側壁１４における高さから端壁１２、１３’の中心における斯かる端壁１２、１３’の間の一層小さな高さまで変化する。上記端壁１３’の切頭円錐状の形状は、キャビティ１１の高さが一層大きな該キャビティ１１の側壁１３における圧力に対して、キャビティ１１の高さが一層小さな該キャビティ１１の中心における圧力を増強する。従って、等しい中心圧力振幅を持つ円筒状キャビティ１１と切頭円錐状キャビティ１１とを比較すると、切頭円錐状キャビティ１１が一般的に該キャビティ１１の中心から離れた位置において一層小さな圧力を有するであろうことは明らかである。即ち、キャビティ１１の高さを増加させることは、圧力波の振幅を減少させるように作用する。キャビティ１１内の流体の振動の間に受ける粘性的及び熱的エネルギ損失は、両者とも、斯様な振動の振幅と共に増加するので、ポンプ７０の効率にとり、切頭円錐キャビティ１１の設計を採用することにより該キャビティ１１の中心から離れた振動の振幅を減少させることが有利である。キャビティ１１の直径が約２０ｍｍであるポンプ７０の一解説的実施例において、側壁１４におけるキャビティ１１の高さは約１.０ｍｍであり、約０.３ｍｍなる端壁１３’の中心における高さまで先細りとなる。端壁１２、１３の何れか一方、又は端壁１２、１３の両方が、切頭円錐形状を有することができる。
【００１７】
ここで図５を参照すると、本発明の他の解説的実施例によるポンプ６０が図示されている。該ポンプ６０は、当該ポンプ本体のベース１８を置換する第２アクチュエータ６２を含んでいる点を除き、図１のポンプ１０と実質的に同様である。該アクチュエータ６２は、第２ディスク６４、及び該ディスク６４と側壁１４との間に配設された環状のアイソレータ６６を有している。該ポンプ６０は、アクチュエータ６２を形成するためにディスク６４に動作的に接続された第２圧電ディスク６８も有している。アクチュエータ６２は、ディスク６４及びアイソレータ６６の内側表面を有する端壁１３に動作的に関連されている。第２アクチュエータ６２も、前述した端壁１２に対するアクチュエータ４０のものと同様の態様で、端壁１３の該端壁に対して実質的に垂直な方向の振動運動を発生する。アクチュエータ４０、６２が駆動される場合に、これらアクチュエータの軸方向変位振動を協調させる制御回路（図示略）が設けられる。これらアクチュエータは、同一周波数であるが概ね逆位相（out-of-phase）で、即ち端壁１２、１３の中心が先ず互いに向かい、次いで離れるように運動するように、駆動されることが好ましい。
【００１８】
ここで説明するポンプの寸法は、好ましくは、キャビティ１１の高さ（ｈ）と、キャビティ１１の長軸から側壁１４までの距離である該キャビティの半径（ｒ）との間の関係に関して、特定の不等式を満足すべきである。これらの式は、下記の通りである：
ｒ／ｈ＞１.２；及び
ｈ2／ｒ＞４×１０-10メートル。
【００１９】
本発明の一実施例において、キャビティの高さに対するキャビティの半径の比（ｒ／ｈ）は、キャビティ１１内の流体が気体である場合、約１０と約５０との間である。本例では、キャビティ１１の容積は約１０ｍｌ未満であり得る。更に、ｈ２／ｒの比は、作動流体が液体とは反して気体である場合、好ましくは、約１０-3メートルと約１０-6メートルとの間の範囲内である。
【００２０】
本発明の一実施例において、二次側開口１５は、キャビティ１１内の圧力振動の振幅が零に近い場所、即ち該圧力振動の“ノード（節）”点に配置される。キャビティ１１が円筒状である場合、当該圧力振動の半径方向依存性は、第１種ベッセル関数により近似することができ、当該キャビティ１１内の最低次圧力振動の半径方向ノードは、端壁１２の中心又はキャビティ１１の長軸から約０.６３ｒ±０.２ｒの距離に発生する。このように、二次側開口１５は、好ましくは、端壁１２、１３の中心から半径方向距離（ａ）に｛ここで、（ａ）≒０.６３ｒ±０.２ｒ｝、即ち当該圧力振動のノード点の近くに配置される。
【００２１】
更に、ここに開示されるポンプは、好ましくは、キャビティ半径（ｒ）と、端壁１２の軸方向変位を発生させるためにアクチュエータ４０が振動する周波数である動作周波数（ｆ）とに関係する下記の不等式を満足すべきである。該不等式は、下記の通りである：
【００２２】
【数１】
0005623515.tif 000002
ここで、キャビティ１１内の作動流体における音速（ｃ）は、上記式に表されているように約１１５ｍ／ｓなる遅い速度（ｃｓ）と約１,９７０ｍ／ｓに等しい速い速度（ｃｆ）との間の範囲であり得、ｋ０は定数である（ｋ０＝３.８３）。アクチュエータ４０の振動運動の周波数は、好ましくは、キャビティ１１内の半径方向圧力振動の最低共振周波数に概ね等しくされるが、該最低共振周波数から２０％以内とすることもできる。キャビティ１１内の半径方向圧力振動の最低共振周波数は、好ましくは、５００Ｈｚより高いものとする。
【００２３】
次に、動作時のポンプ１０を参照すると、圧電ディスク２０が励起されて端部プレート１７に対して半径方向に膨張及び収縮し、これがアクチュエータ４０を湾曲させ、これにより、駆動される端壁１２の、該駆動される端壁１２に対して実質的に垂直な方向の軸方向変位を誘起する。該アクチュエータ４０は前述したように端壁１２の中央部と動作的に関連されているので、該アクチュエータ４０の軸方向変位振動は、端壁１２の表面に沿って、該端壁１２の概ね中心において最大振動振幅、即ち波腹変位振動を伴う軸方向変位振動を生じさせる。図１Ａに戻ると、上記に全般的に説明したポンプ１０の変位振動及び結果としての圧力振動が、各々、図１Ｂ及び１Ｃに一層詳細に示されている。上記変位振動と圧力振動との間の位相関係は変化し得、如何なる図からも特定の位相関係が示唆されるべきものではない。
【００２４】
図１Ｂは、キャビティ１１における駆動される端壁１２の軸方向振動を示す１つの可能性のある変位プロファイルを図示している。実線の曲線及び矢印は或る時点における駆動される端壁１２の変位を表す一方、点線の曲線は該駆動される端壁１２の半サイクル後の変位を表している。この図及び他の図に示される変位は誇張されている。アクチュエータ４０は自身の周部において剛性的に取り付けられるのではなく、アイソレータ３０により懸架されているので、該アクチュエータ４０は自身の基本モードにおいて重心に対し（重心を中心にして）自由に振動する。この基本モードにおいて、アクチュエータ４０の変位振動の振幅は、端壁１２の中心と側壁１４との間に位置する環状の変位ノード２２において実質的に零となる。端壁１２上の他の点における当該変位振動の振幅は、垂直方向の矢印により表されるように零より大きな振幅を有している。中心変位波腹２１が当該アクチュエータ４０の中心の近傍に存在する一方、周縁変位波腹２１’が該アクチュエータ４０の周縁の近傍に存在する。
【００２５】
図１Ｃは、図Ｂに示した軸方向変位振動から生じるキャビティ１１内の圧力振動を示す１つの可能性のある圧力振動プロファイルを図示している。実線の曲線及び矢印は或る時点における圧力を表す一方、点線の曲線は半サイクル後の圧力を表している。このモード及び一層高次のモードにおいて、該圧力振動の振幅はキャビティ１１の中心の近傍に中心圧力波腹２３を有する一方、キャビティ１１の側壁１４の近傍に周縁圧力波腹２４を有している。該圧力振動の振幅は、中心圧力波腹２３と周縁圧力波腹２４との間の環状の圧力ノード２５において実質的に零となる。円筒状キャビティの場合、キャビティ１１内の圧力振動の振幅の半径方向依存性は、第１種ベッセル関数により近似することができる。上述した圧力振動はキャビティ１１内の流体の半径方向の移動の結果生じるので、アクチュエータ４０の軸方向変位振動から区別されるように、キャビティ１１内の流体の“半径方向圧力振動”と称する。
【００２６】
図１Ｂ及び１Ｃを更に参照すると、アクチュエータ４０の軸方向変位振動の振幅の半径方向依存性（アクチュエータ４０の“モード形状（mode-shape）”）は、キャビティ１１内の所望の圧力振動の振幅の半径方向依存性（圧力振動の“モード形状”）に一層密に合致するために、第１種ベッセル関数を近似すべきであることが分かる。アクチュエータ４０を該アクチュエータの周部において剛性的に取り付けるのではなく、該アクチュエータを自身の重心に対して一層自由に振動するのを可能にすることにより、変位振動のモード形状はキャビティ１１内の圧力振動のモード形状に実質的に合致し、かくしてモード形状の整合、又は一層簡単にはモード整合（モードマッチング）、を達成する。この点に関して、該モード整合は常に完全であるとは限らないが、アクチュエータ４０の軸方向変位振動及びキャビティ１１内の対応する圧力振動は、当該アクチュエータ４０の全表面にわたり実質的に同一の相対位相を有することになり、キャビティ１１内の圧力振動の環状圧力ノード２５の半径方向位置とアクチュエータ４０の軸方向変位振動の環状変位ノード２２の半径方向位置とは実質的に一致する。
【００２７】
当該アクチュエータ４０は重心に対して（重心を中心に）振動するので、該アクチュエータ４０が図１Ｂに図示されるように基本モードで振動する場合、環状変位ノード２２の半径方向位置は該アクチュエータ４０の半径内に必ず位置する。このように、上記環状変位ノード２２が上記環状圧力ノード２５と一致することを保証するためには、当該アクチュエータの半径（ｒact）は、好ましくは、モード整合を最適化するために環状圧力ノード２５の半径より大きくなければならない。再びキャビティ１１内の圧力振動が第１種ベッセル関数を近似すると仮定すると、環状圧力ノード２５の半径は、端壁１３の中心から側壁１４までの半径、即ち図１Ａに示されたキャビティ１１の半径（ｒ）の約０.６３である。従って、アクチュエータ４０の半径（ｒact）は、好ましくは、ｒact≧０.６３ｒなる不等式を満足すべきである。
【００２８】
アイソレータ３０は可撓膜とすることができ、該可撓膜は、図１Ｂに周縁変位振動の変位２１’により示されたようなアクチュエータ４０の振動に応答して折曲及び伸張することにより前述したようにアクチュエータ４０の縁部が一層自由に運動するのを可能にする。該可撓膜は、当該ポンプ１０のアクチュエータ４０と円筒状の壁１９との間に低い機械的インピーダンスの支持を設け、これにより該アクチュエータ４０の周縁変位振動の軸方向振動２１’の減衰を減少させることにより、該アクチュエータ４０に対する側壁１４の潜在的な減衰効果を克服する。可撓膜３０は、本質的に、エネルギがアクチュエータ４０から実質的に静止状態に留まる側壁１４へ伝達されることを最少にする。従って、環状変位ノード２２は、当該ポンプ１０のモード整合条件を維持するように、環状圧力ノード２５に実質的に整列されたままとなる。このように、駆動される端壁１２の軸方向変位振動は、図１Ｃに示されるようなキャビティ１１内の中心圧力波腹２３から側壁１４における周縁圧力波腹２４までの圧力の振動を効率的に発生し続ける。
【００２９】
図６Ａは図３のポンプの概略断面図を示し、図６Ｂは、図１Ｃに示されたような、該ポンプ内の流体の圧力振動のグラフを示す。バルブ４６’（及びバルブ４６）は、流体が前述したように一方向のみに流れるのを可能にする。幾つかのバルブタイプは、開位置と閉位置との間で切り換えることにより流体の流れを調整することができる。このようなバルブがアクチュエータ４０により発生される高い周波数で動作するためには、バルブ４６及び４６’は、当該圧力変化の時間スケールより大幅に短い時間スケールで開閉することができるように、極めて速い応答時間を有さねばならない。バルブ４６及び４６’の一実施例は、小さな慣性を有し、従って当該バルブ構造の両端間の相対圧の変化に応答して高速で動くことが可能な極めて軽いフラップバルブを使用することにより、これを達成する。
【００３０】
図７Ａ〜７Ｄを参照すると、このようなフラップバルブのバルブ１１０が、解説的実施例に従って示されている。該バルブ１１０は実質的に円筒状の壁１１２を有し、該円筒状の壁は環状であって、一端が保持プレート１１４により閉じられ、他端が密閉プレート１１６により閉じられている。上記壁１１２、保持プレート１１４及び密閉プレート１１６の内側表面は、当該バルブ１１０内のキャビティ１１５を形成している。該バルブ１１０は、更に、保持プレート１１４と密閉プレート１１６との間に、該密閉プレート１１６に隣接して配置された実質的に円形のフラップ１１７を有している。フラップ１１７は、後に一層詳細に説明するように、代替実施例では保持プレート１１４に隣接して配置することができ、この意味では、フラップ１１７は密閉プレート１１６又は保持プレート１１４の何れか一方に向かって“付勢（バイアス）”されていると考えられる。フラップ１１７の周縁部は密閉プレート１１６と環状の壁１１２との間に挟持され、かくして、フラップ１１７の動きは該フラップ１１７の表面に実質的に垂直な面内に拘束される。斯様な面内での該フラップ１１７の運動は、代替実施例では、フラップ１１７の周縁部が密閉プレート１１６若しくは壁１１２の何れかに直接取り付けられることにより、又は該フラップ１１７が環状の壁１１２内への密な嵌りであることによっても拘束することができる。フラップ１１７の残部は十分に可撓的であって、該フラップ１１７の表面に実質的に垂直な方向に移動可能であり、かくして、フラップ１１７の何れかの表面に印加される力は該フラップ１１７を密閉プレート１１６と保持プレート１１４との間で移動させる。
【００３１】
保持プレート１１４及び密閉プレート１１６の両者は、各プレートを介して延びる孔１１８及び１２０を各々有している。フラップ１１７も孔１２２を有し、これら孔は保持プレート１１４の孔１１８と概ね位置合わせされて、図６Ｃ及び８Ａに点線矢印１２４により示されるように流体が流れ得る通路を形成する。フラップ１１７の孔１２２は、保持プレート１１４における孔１１８と、部分的に位置合わせされる、即ち部分的な重なりのみを有するようにすることもできる。孔１１８、１２０、１２２は実質的に一様な大きさ及び形状のもののように示されているが、本発明の範囲を限定することなく、異なる直径のもの又は異なる形状のものとさえすることができる。本発明の一実施例において、孔１１８及び１２０は、図７Ｄに実線及び点線の円により各々示されているように、当該プレートの表面にわたって交互のパターンを形成する。他の実施例において、孔１１８、１２０、１２２は、点線矢印の個々の組により示されるような、これら孔１１８、１２０、１２２の個々の組み合わせの機能に関する当該バルブ１０の動作に影響を与えることなく、異なるパターンで配列することもできる。孔１１８、１２０、１２２のパターンは、必要に応じて当該バルブ１１０を経る流体の全流量を制御するために孔の数を増加又は減少させるよう設計することができる。例えば、孔１１８、１２０、１２２の数は、当該バルブ１１０の全流量を増加させるべく該バルブ１１０の流れ抵抗減少させるために増加させることができる。
【００３２】
フラップ１１７の前記付勢（バイアス）に打ち勝つように該フラップ１１７の何れかの表面に力が印加されていない場合、バルブ１１０は“常閉”位置にある。何故なら、フラップ１１７は密閉プレート１１６に隣接して配置され、ここでは、該フラップの孔１２２が該密閉プレート１１６の孔１２０に対してオフセットされている又は整列されていないからである。この“常閉”位置において、密閉プレート１１６を経る流体の流れは、図７Ａ及び７Ｂに示されるように、フラップ１１７の非穿孔部分により実質的に阻止又は遮蔽される。フラップ１１７の前記付勢に打ち勝つような圧力が該フラップ１１７の何れかの側に印加され、該フラップ１１７を図６Ｃ及び８Ａに示されたように密閉プレート１１６から保持プレート１１７に向かって移動させた場合、バルブ１１０は或る期間、即ち開時間遅延（Ｔｏ）にわたり上記常閉位置から“開”位置へと移動し、流体が点線矢印１２４により示された方向に流れるのを可能にする。該圧力が図８Ｂに示されるように方向を変化させると、フラップ１１７は前記常閉位置へと密閉プレート１１６に向かって戻るように移動される。これが生じた場合、流体は、図７Ｂに示されるようにフラップ１１７が密閉プレート１１６を介する流体の流れを実質的に阻止するように該密閉プレート１１６の孔１２０を密閉するまで、短時間、即ち閉時間遅延（Ｔｃ）の間にわたり点線１３２により示されるように反対方向に流れる。本発明の他の実施例において、フラップ１１７は、孔１１８、１２２を“常開”位置に合わせて保持プレート１１４に向かって付勢（バイアス）することもできる。この実施例において、フラップ１１７を“閉”位置に移動させるためには、該フラップ１１７に対して正圧を供給することが必要である。尚、“密閉された”及び“阻止された”なる用語は、ここでは、バルブ動作に関連して、当該バルブの流れ抵抗が“開”位置におけるよりも“閉”位置において大きくなるような、実質的な（不完全であるが）密閉又は阻止が生じる場合を含むことを意図するものである。
【００３３】
バルブ１１０の動作は、該フラップバルブ１１０の両端間の流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化の関数である。図７Ｂにおいて、当該差圧には、下方を指す矢印により示されるように負の値（−ΔＰ）が割り当てられている。上記差圧が負の値（−ΔＰ）を有する場合、保持プレート１１４の外側表面における流体圧は、密閉プレート１１６の外側表面における流体圧より大きい。この負の差圧（−ΔＰ）は、上述したようにフラップ１１７を完全に閉じた位置へと駆動し、その場合、フラップ１１７は密閉プレート１１６に対して押圧されて、該密閉プレート１１６の孔１２０を遮断し、これにより当該バルブ１１０を経ての流体の流れを実質的に防止する。当該バルブ１１０の両端間の差圧が、図８Ａに上側を指す矢印により示されるように正の差圧（＋ΔＰ）となるように逆転すると、フラップ１１７は、密閉プレート１１６から離れ保持プレート１１４に向かって“開”位置へと移動される。該差圧が正の値（＋ΔＰ）を有する場合、密閉プレート１１６の外側表面における流体圧は、保持プレート１１４の外側表面における流体圧より大きくなる。この開位置では、フラップ１１７の上記動きが密閉プレート１１６の孔１２０の遮断を解くので、流体は、点線矢印１２４により示されるように、上記孔１２０、次いでフラップ１１７及び保持プレート１１４の各々の整列された孔１２２及び１１８を介して流れることが可能となる。
【００３４】
バルブ１１０の両端間の上記差圧が、図８Ｂに下側を指す矢印により示されるように負の差圧（−ΔＰ）に戻るように変化すると、流体は点線矢印１３２により示されるように当該バルブ１１０を介して反対方向に流れ始め、これは、フラップ１１７を図７Ｂに示された閉位置に向かって戻るようにさせる。図８Ｂにおいて、フラップ１１７と密閉プレート１１６との間の流体圧は、フラップ１１７と保持プレート１１４との間の流体圧よりも低い。このように、フラップ１１７は矢印１３８により表される正味の力を受け、該力はフラップ１１７を密閉プレート１１６に向かって加速し、当該バルブ１１０を閉じる。このように、変化する差圧は、当該バルブ１１０を、該バルブ１１０の両端間の差圧の方向（即ち、正又は負）に基づいて閉位置と開位置との間で反復運動させる。尚、フラップ１１７は、当該バルブ１１０の両端間に差圧が供給されない場合、“開”位置へと保持プレート１１４に向かって付勢することもできると理解されたい。即ち、この場合、該バルブ１１０は常開位置にある。
【００３５】
図６Ａを再び参照すると、バルブ１１０は当該ポンプ１０の一次側開口４６’内に、流体が実線矢印により示されるように該一次側開口４６’を介してキャビティ１１内に引き込まれると共に二次側開口１５を介してキャビティ１１から放出され、これにより該ポンプ１０の一次側開口４６’に減圧源を形成するように配設される。上側を指す実線矢印により示された一次側開口４６’を経る流体の流れは、これも上側を指す点線矢印１２４により示された当該バルブ１１０の孔１１８、１２０を経る流体の流れに対応している。前述したように、バルブ１１０の動作は、負圧ポンプの本実施例に関しては当該バルブ１１０の保持プレート１１４の全表面にわたる流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化の関数である。斯かる差圧（ΔＰ）は保持プレート１１４の全表面にわたり実質的に均一であると仮定される。何故なら、保持プレート１１４の直径は、キャビティ１１内の圧力振動の波長に対して小さく、更に、バルブ１１０は、中央圧力波腹２３の振幅が相対的に一定しているキャビティ１１の中心の近傍の一次側開口４６’内に配置されているからである。バルブ１１０の両端間の上記差圧が図６Ｃ及び８Ａに示されるように正の差圧（＋ΔＰ）となるように逆転した場合、付勢されたフラップ１１７は密閉プレート１１６から離れ保持プレート１１４に向かって開位置へと移動される。この位置では、フラップ１１７の上記移動が密閉プレート１１６の孔１２０の遮断を解くので、流体は点線矢印１２４で示されるように該孔１２０を、次いで整列されたフラップ１１７の孔１２２及び保持プレート１１４の孔１１８を介して流れるのを可能にされる。上記差圧が負の差圧（−ΔＰ）に戻るように変化すると、流体は当該バルブ１１０を介して反対方向に流れ始め（図８Ｂ参照）、このことは、フラップ１１７を閉位置に向かって戻させる（図７Ｂ参照）。このように、キャビティ１１内の圧力振動がバルブ１１０を常閉位置と開位置との間で反復させる際に、ポンプ１０は該バルブ１１０が開状態である半サイクル毎に減圧を形成する。
【００３６】
上記差圧（ΔＰ）は保持プレート１１４の全表面にわたり実質的に均一であると仮定される。何故なら、これは前述したように中心圧力波腹７１に対応し、従ってバルブ１１０の両端間の圧力には空間的変化はないということは良好な近似であるからである。実際には、当該バルブの両端間の圧力の時間依存性は概ね正弦状であり得るが、以下の分析では、正の差圧（＋ΔＰ）値と負の差圧（−ΔＰ）値との間の差圧（ΔＰ）は、図９Ａに示されるように矩形波の正圧期間（ｔp+）及び負圧期間（ｔp-）の各々にわたる矩形波により表されると仮定される。差圧（ΔＰ）がバルブ１１０を常閉位置と開位置との間で繰り返し運動させる際に、ポンプ１０は、前述し且つ図９Ｂに示すような開時間遅延（Ｔｏ）及び閉時間遅延（Ｔｃ）に従って、バルブ１１０が開位置にある半サイクル毎に減圧を供給する。バルブ１１０の両端間の差圧が初期的に負で該バルブ１１０が閉じており、そして、正の差圧（＋ΔＰ）となるように反転すると、付勢されているフラップ１１７は密閉プレート１１６から離れて保持プレート１１４に向かい、開時間遅延（Ｔｏ）後に開位置となる（図７Ｂ参照）。この位置において、フラップ１１７の上記運動は密閉プレート１１６の孔１２０の遮断を解くので、流体は、点線矢印１２４により示されるように上記孔１２０並びに整列された保持プレート１１４の孔１１８及びフラップ１１７の孔１２２を介して流れるのを可能にされ、これにより、開期間（ｔｏ）にわたりポンプ１０の一次側開口４６’の外側に減圧源を形成する。バルブ１１０の両端間の差圧が負の差圧（−ΔＰ）に戻るように変化すると、流体は該バルブ１１０を介して反対方向に流れ始め（図７Ｃ参照）、このことは、閉時間遅延（Ｔｃ）後にフラップ１１７を閉位置に戻させる。バルブ１１０は当該半サイクルの残部又は閉期間（ｔｃ）の間は閉じたままとなる。
【００３７】
保持プレート１１４及び密閉プレート１１６は、曝される流体圧振動に対して大きな機械的変形無しに耐えるほど十分に強靱でなければならない。保持プレート１１４及び密閉プレート１１６は、ガラス、シリコン、セラミック又は金属等の如何なる好適な剛性材料からも形成することができる。保持プレート１１４及び密閉プレート１１６の孔１１８、１２０は、化学エッチング、レーザ加工、機械穿孔、粉体ブラスト及び打ち抜き加工を含む如何なる好適な処理により形成することもできる。一実施例において、保持プレート１１４及び密閉プレート１１６は、１００ミクロン厚と２００ミクロン厚との間のシート状スチールから形成され、孔１１８、１２０は該シート状スチールに化学エッチングにより形成される。フラップ１１７は、金属又は高分子（ポリマ）膜等の如何なる軽量の材料からも形成することができる。一実施例において、２０ｋＨｚ又はそれ以上の流体圧振動が当該バルブの保持プレート側１３４又は密閉プレート側１３６の何れかに存在する場合、フラップ１１７は、厚さが１ミクロンと２０ミクロンとの間の薄いポリマシートから形成することができる。例えば、フラップ１１７は厚さが約３ミクロンのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又は液晶ポリマフィルムから形成することができる。
【００３８】
本発明の一実施例によるフラップ１１７の単位面積当たりの最大質量に対する大きさの推定値を得るために、ここでも、バルブ１１０の両端間の圧力振動は図９Ａに示されるような矩形波であり、全差圧がフラップ１１７の両端間で降下されると仮定する。更に、フラップ１１７は剛体として移動すると仮定すると、差圧が正の値から負の値へ反転した場合のフラップ１１７の閉位置から離れる加速度は、
【００３９】
【数２】
0005623515.tif 000003
と表すことができ、ここで、ｘはフラップ１１７の位置であり、ｘ（ダブルドット）はフラップ１１７の加速度を表し、Ｐは当該振動圧力波の振幅であり、ｍはフラップ１１７の単位面積当たりの質量である。時間ｔ内にフラップ１１７が進行する距離ｄを見付けるために、この式を積分すると、
【００４０】
【数３】
0005623515.tif 000004
となる。この式は、各々圧力反転時点からの開時間遅延（Ｔｏ）及び閉時間遅延（Ｔｃ）を推定するために使用することができる。
【００４１】
本発明の一実施例において、フラップ１１７は、保持プレート１１４と密閉プレート１１６との間の距離、即ち斯かる２つのプレートの間の垂直距離であるバルブギャップ（ｖgap）を、該フラップ１１７の運動を行わせる差圧振動の周期、即ち前記近似する矩形波の周期（ｔpres）の約四分の一（２５％）より短い期間内で進行しなければならない。この近似及び前記式に基づいて、フラップ１１７の単位面積当たりの質量（ｍ）は、下記の不等式に従い：
【００４２】
【数４】
0005623515.tif 000005
ここで、ｄgapはフラップギャップ、即ち前記バルブギャップ（ｖgap）から該フラップ１１７の厚みを引いたものであり、ｆは供給される差圧振動の周波数である（図１０に示されるように）。一実施例において、Ｐは１５ｋＰａとすることができ、ｆは２０ｋＨｚとすることができ、ｄgapは２５ミクロンとすることができ、これは、フラップ１１７の単位面積当たりの質量（ｍ）が、平方メートル当たり約６０グラム未満でなければならないことを示す。フラップ１１７の単位面積当たりの質量（ｍ）から換算すると、該フラップ１１７の厚さは下記の不等式に従い：
【００４３】
【数５】
0005623515.tif 000006
ここで、ρflapはフラップ１１７の材料の密度である。ポリマの典型的な物質密度（例えば、約１４００kg／ｍ３）を適用すると、この実施例によるフラップ１１７の厚さは、上記条件下でのバルブ１０の動作に対して約４５ミクロン未満となる。図９Ａに示した矩形波は、概して、バルブ１１０の両端間の概ね正弦状の振動圧力波を過大評価しており、更に、バルブ１１０の両端間に印加される差圧の一部しかフラップ１１７に対する加速させる差圧として作用しないであろうから、フラップ１１７の初期的加速は上記で推定したものより低く、開時間遅延（Ｔｏ）は、実際には、もっと大きいであろう。従って、上記で導出したフラップ厚の限界は、正に上限であり、実際には、フラップ１１７の減少される加速度を補償するために、該フラップ１１７の厚さは式５の不等式を満たすために低減されるであろう。前記開時間遅延（Ｔｏ）が差圧振動の周期（ｔpres）の約四分の一（２５％）未満となることを保証するために、フラップ１１７は一層迅速に加速するように一層薄くする。
【００４４】
バルブ１１０を介して空気が流れる際に受ける圧力降下を最小にすることは、斯かる圧力降下が、達成可能な最大流量及び失速（ストール）圧の両方に影響を及ぼすので、バルブ性能を最大にするために重要である。前記プレート間のバルブギャップ（ｖgap）の寸法又は斯かるプレートにおける孔１１８、１２０の直径を減少させることは、共に、流れ抵抗を増加させると共に、当該バルブ１１０を経る圧力降下を増加させる。本発明の他の実施例によれば、バルブ１１０を経る流れ抵抗を近似するために定常状態流動方程式を採用した下記の分析を、該バルブ１１０の動作を改善するために使用することができる。何れかのプレートにおける孔１１８又は１２０を経る流れに対する圧力降下は、下記のハーゲン・ポアズイユの式を用いて推定することができ：
【００４５】
【数６】
0005623515.tif 000007
ここで、μは流体動粘性係数であり、ｑは上記孔を介しての流量（flow rate）であり、ｔplateはプレート厚であり、ｄholeは孔の直径である。
【００４６】
バルブ１１０が図７Ｂに示すような開位置にある場合、フラップ１１７と密閉プレート１１６との間のギャップ（フラップギャップｄgapと同じ値）を経る流体の流れは、密閉プレート１１６の孔１２０を出た後、保持プレート１１４の孔１１８へと半径方向に縮まるまで、第１の近似としては、上記ギャップを介して概ね半径方向に伝搬する。両プレートにおける孔１１８、１２０のパターンが、図７Ｂ及び７Ｄに示されるように、保持プレート１１４の孔１８８と密閉プレート１１６の孔１２０との間に密閉長さｓを伴う四角アレイである場合、バルブ１１０のキャビティ１１５を経る圧力降下は、下記の式により近似することができる：
【００４７】
【数７】
0005623515.tif 000008
このように、全圧力降下（概ね、ΔＰgap＋２＊ΔＰhole）は、孔１１８、１２０の直径及びフラップ１１７と密閉プレート１１６との間のフラップギャップｄgapの変化に非常に敏感であり得る。バルブ１１０の開時間遅延（Ｔｏ）及び閉時間遅延（Ｔｃ）を最小にするために望ましい小さなフラップギャップｄgapは、上記圧力降下を著しく増加させることに注意すべきである。上記方程式によれば、フラップギャップｄgapを２５ミクロンから２０ミクロンに減少させることは、圧力損失を２倍にすることになる。バルブの多くの実際的な実施例において、フラップ１１７と密閉プレート１１６との間の最適なフラップギャップｄgapを決定するものは、この応答時間と圧力降下との間の取引である。一実施例において、最適フラップギャップｄgapは、約５ミクロンと約１５０ミクロンとの間の概算範囲内に入る。
【００４８】
密閉プレート１１６の孔１２０の直径を設定する際には、バルブ１１０の動作の間にフラップ１１７が受ける応力を許容可能な限界内に維持すること（このような応力は密閉プレート１１６の孔１２０に対する一層小さな直径の使用により低減される）、及び孔１２０を介しての圧力降下がバルブ１１０を介しての全圧力降下を支配することがないことを保証することの両方に配慮されねばならない。後者の配慮に関しては、孔の圧力降下及びギャップの圧力降下に関する上述した式６及び７の間の比較が、孔の圧力降下がバルブギャップの圧力降下に概ね等しくなるような孔１２０の最小直径をもたらす。この計算は、孔１２０の所望の直径に対して、それより上の直径では孔の圧力降下が急速に無視することができるほど小さくなるような下限を設定する。
【００４９】
動作時にフラップ１１７が受ける応力に関係する前者の配慮に関して、図１０は、常閉位置における図７Ｂのバルブ１１０の一部を示す。この位置では、フラップ１１７は密閉プレート１１６の孔１２０を密閉及び遮断し、フラップ１１７を図示のように孔１２０の開口内に延びる窪みの形状に変形させるので、該フラップ１１７は応力を受ける。この構成におけるフラップ１１７に対する応力のレベルは、所与のフラップ１１７の厚さに対しては、密閉プレート１１６の孔１２０の直径と共に増加する。フラップ１１７の材料は、孔１２０の直径が大き過ぎると、一層容易に壊れる傾向があり、かくして、バルブ１１０の故障につながる。フラップ１１７の材料が壊れる尤度を低減するために、孔１２０の直径は、動作時のフラップ１１７が受ける応力を該フラップ１１７の材料の疲労応力（fatigue stress）より低いレベルに制限するよう減少させることができる。
【００５０】
動作時にフラップ１１７の材料が受ける最大応力は、下記の２つの式を用いて推定することができ：
【００５１】
【数８】
0005623515.tif 000009
【００５２】
【数９】
0005623515.tif 000010
ここで、ｒholeは密閉プレート１１６の孔１２０の半径であり、ｔはフラップ１１７の厚みであり、ｙは孔１２０の中心におけるフラップ１１７の撓みであり、Δｐmaxは密閉された場合にフラップ１１７が受ける最大差圧であり、Ｅはフラップ１１７の材料のヤング率、Ｋ１〜Ｋ４はフラップ１１７のポアッソン比及び境界条件の細部に依存する定数である。所与のフラップ１１７の材料及び孔１２０の幾何学構造に対して、式８を変形ｙに関して解くことができ、次いで、その結果を式９に使用して応力を計算することができる。ｙ≪ｔの値に対して、式８及び９の各々におけるｙ／ｔの三乗及び二乗の項は小さくなり、これらの式は小さいプレートの撓み理論に合致するように簡単になる。これらの式を簡略化する結果、最大応力は孔１２０の半径の二乗に比例すると共に、フラップ１１７の厚みの二乗に逆比例する。ｙ≫ｔの値に対して、又は曲げ剛性を有さないフラップに対しては、上記２つの式におけるｙ／ｔの三乗及び二乗の項は一層重要となり、最大応力は孔１２０の半径の２／３乗に比例すると共に、フラップ１１７の厚みの２／３乗に逆比例するようになる。
【００５３】
本発明の一実施例において、フラップ１１７は、０.３８なるポアッソン比を持つマイラ（Mylar）等の薄いポリマシートから形成され、密閉プレート１１６に孔１２０の縁部において取り付けられる。定数Ｋ１〜Ｋ４は、６.２３、３.０４、４.６８及び１.７３と各々推定することができる。これらの値を式８及び９に使用すると共に、フラップ１１７の厚さが約３ミクロンで、５００mbarの差圧の下で４.３GPaのヤング率を持つと仮定すると、該フラップ１１７の撓み（ｙ）は、０.０６mmなる孔半径に対して約１μｍ、０.１mmなる孔半径に対して約４μｍ、及び０.１５mmなる孔半径に対して約８μｍとなるであろう。これらの条件下での最大応力は、各々、１６、３４及び４３MPaとなるであろう。バルブ１１０の動作の間においてフラップ１１７に印加される大きな数の応力サイクルを考慮すると、該フラップ１１７により許容されるサイクル当たりの最大応力は、特に孔１２０内へと延びるフラップ１１７の前記窪み部において該フラップ１１７が疲労破壊を被る可能性を低減するために、フラップ１１７の材料の降伏応力より大幅に小さくすべきである。大きなサイクル回数に関して蓄積された疲労データに基づいて、フラップ１１７の材料の実際の降伏応力は、当該フラップ１１７の材料に印加される応力（上記で計算されたように、例えば１６、３４及び４３MPa）より少なくとも約４倍大きくなければならないと決定された。このように、フラップ１１７の材料は、この場合は約２００ミクロンである最大孔直径に対して斯様な破壊の尤度を最小にするために、１５０MPaもの大きい降伏応力を有さねばならない。
【００５４】
この点を超えて孔１２０の直径を減少させることが望ましいであろう。というのは、このことは、フラップ１１７の応力を更に減少させると共に、孔１２０の直径が前記フラップギャップｄgapと同じ寸法に近づくまでバルブの流れ抵抗に対して大きな影響を有さないからである。更に、孔１２０の直径の減少は、所与の密閉長（ｓ）に対して、バルブ１１０の表面の単位面積当たりに一層多くの数の孔１２０を含めることを可能にする。しかしながら、孔１２０の直径の大きさは、少なくとも部分的に、バルブ１１０の当該プレートが製造される方法により限定され得る。例えば、化学エッチングは、再現可能な且つ制御可能な結果を達成するために、孔１２０の直径が当該プレートの厚みよりも概ね大きいことに限定される。一実施例において、密閉プレート１１６における孔１２０は、直径が約２０ミクロンと約５００ミクロンとの間である。他の実施例において、保持プレート１１４及び密閉プレート１１６は約１００ミクロン厚のシート状スチールから形成され、孔１１８、１２０は直径が約１５０ミクロンである。この実施例において、バルブフラップ１１７はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から形成され、約３ミクロン厚である。密閉プレート１１６と保持プレート１１４との間のバルブギャップ（ｖgap）は、約２５ミクロンである。
【００５５】
図１１Ａ及び１１Ｂは、前記バルブ１１０の更に他の実施例であるバルブ３１０を示し、該バルブ３１０は保持プレート１１４における孔１１８の間に該保持プレート１１４を介して延びる解放孔３１８を有している。これら解放孔３１８は、当該バルブ３１０の両端間の差圧が方向を変えた場合にフラップ１１７の保持プレート１１４から離れる方向の加速を促進し、これにより該バルブ３１０の応答時間を更に減少させる（即ち、閉時間遅延（Ｔｃ）を減少させる）。上記差圧が符号を変え、逆方向の流れ（点線矢印３２２により示される）が開始する際に、フラップ１１７と密閉プレート１１６との間の流体圧が減少し、従って、フラップ１１７は保持プレート１１４から離れ密閉プレート１１６に向かって移動する。解放孔３１８は、保持プレート１１４に接触したフラップ１１７の外側表面３１７を上記差圧に曝し、当該バルブ３１０を閉じるように作用する。また、解放孔３１８は、図１１Ｂに示されるようにフラップ１１７を保持プレート１１４から釈放するために該保持プレート１１４とフラップ１１７との間に流体が侵入しなければならない距離３６０も減少させる。解放孔３１８は、当該バルブのプレートにおける他の孔１１８及び１２０とは異なる直径を有することができる。図１１Ａ及び１１Ｂにおいて、保持プレート１１４は、フラップ１１７の動きを制限すると共に、該フラップ１１７を開位置において支持するように作用する一方、フラップ１１７の表面３１７に対して減少された表面接触面積を有する。
【００５６】
図１２Ａ及び１２Ｂは、２つの図７Ａに示したバルブ１１０を示し、その場合において、一方のバルブ４１０は図７Ａのバルブ１１０と同じ配置に向けられ、他方のバルブ４２０は保持プレート１１４を下側にし、密閉プレート１１６を上側にして反転又は逆転されている。これらバルブ４１０、４２０は、図７Ａ〜７Ｃ及び８Ａ〜８Ｂのバルブ１１０に関して上述したように動作するが、バルブ４１０に関しては点線矢印４１２により、バルブ４２０に対しては点線矢印４２２により示されるように反対方向の空気の流れを伴い、その場合に、一方のバルブは流入（インレット）バルブとして働き、他方は流出（アウトレット）バルブとして働く。図１２Ｃは、開位置と閉位置との間でのバルブ４１０、４２０の動作サイクルのグラフを示し、これらバルブは点線により示されるように差圧（ΔＰ）の矩形状繰り返しにより変調される（図９Ａ及び９Ｂ参照）。該グラフは、バルブ４１０、４２０の各々に関して、各バルブが閉位置から開く際の半サイクルを示している。バルブ４１０の両端間の差圧が初期的に負であり、正の差圧（＋ΔＰ）となるように反転すると、該バルブ４１０は、前述したようにしてグラフ線４１４により示すように開き、流体は矢印４１２により示される方向に流れる。しかしながら、バルブ４２０の両端間の差圧が初期的に正であり、負の差圧（−ΔＰ）となるように反転すると、バルブ４２０は上述したようにしてグラフ線４２４により示すように開き、流体は矢印４２２により示されるように反対方向に流れる。従って、バルブ４１０、４２０の該組み合わせは、差圧（ΔＰ）の繰り返しに応答して両方向への流体の流れを可能にするような双方向バルブとして機能する。バルブ４１０、４２０は、ポンプ１０の一次側開口４６’内に適宜並べて取り付けることができ、一方の半サイクルの間は図６Ａに示されるように一次側開口４６’に実線矢印により示す方向の、次いで、反対の半サイクルの間には反対方向の（図示略）流体の流れを形成する。
【００５７】
図１３及び１４は、図１２Ａのバルブ４１０、４２０の更に他の実施例を示し、この場合、バルブ４１０、４２０に各々対応するバルブ５１０、５２０は単一の構造体５０５内に形成される。本質的に、これら２つのバルブ５１０、５２０は共通壁又は分割障壁５４０を共有している。該共通壁５４０は、他の構成も可能であるが、この場合は壁１１２の一部として形成されている。バルブ５１０の両端間の差圧が初期的に負であり、正の差圧（＋ΔＰ）となるように反転すると、該バルブ５１０は常閉位置から開き、流体は矢印５１２に示す方向に流れる。しかしながら、バルブ５２０の両端間の差圧が初期的に正であり、負の差圧（−ΔＰ）となるように反転すると、該バルブ５２０は常閉位置から開き、流体は矢印５２２により示されるように反対方向に流れる。従って、バルブ５１０、５２０の該組み合わせは、差圧（ΔＰ）の繰り返しに応答して両方向への流体の流れを可能にする双方向バルブとして機能する。
【００５８】
図１５は、図１４の双方向バルブ５０５と同様の構造を持つ双方向バルブの更に他の実施例５５０を示す。双方向バルブ５５０も、２つのバルブ５１０、５３０を有する単一構造体内に形成され、上記２つのバルブ５１０、５３０は、これも壁１１２の一部として形成された共通壁又は分割障壁５４０を共有している。バルブ５１０は、常閉位置で示すフラップ１１７が前述したように孔１２０を遮断するような前述したのと同様の態様で動作する。しかしながら、該双方向バルブ５５０は、バルブ５１０内に第１フラップ部１１７ａを、バルブ５３０内に第２フラップ部１１７ｂを有するような単一のフラップ１１７を有している。第２フラップ部１１７ｂは、プレート５１６に向かって付勢されると共に、前述したバルブとは異なりプレート５１４の孔１１８というよりもプレート５１６の孔１２０に整列された孔５２２を有する。本質的に、バルブ１３０は、前述した他のバルブの常閉位置と区別されるように、フラップ部１１７ｂにより常開位置に付勢される。このように、バルブ５１０、５３０の該組み合わせは、２つのバルブが交互のサイクルで開き及び閉じるように、差圧（ΔＰ）の繰り返しサイクルに応答して両方向の流体の流れを可能にする双方向バルブとして機能する。
【００５９】
上述した説明から、大きな利点を有する発明が提供されたことは明らかであろう。また、本発明は、その形態のうちの僅かしか示されていないが、本発明は、これらに限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱することなく種々の変更及び変形を受けることが可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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