(57)【要約】【目的】  液体移送システムにおいて、流量の周期的変動をなくし、小型でエネルギー低下が少なく、キャビテーションを発生しない回転型ポンプあるいは送風機を創製する。【構成】  両面を深さが１ｍｍ以下で１４０〜１５０本の所要の形状を有する螺旋溝を加工した円板をローターとし、そのローターの回転によって流体にエネルギーを与える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板両面に１４０〜１５０本の所要な螺旋形状を有する深さ１ｍｍ以下の溝を創成し、該円板を、円板の中心部に吸い込み口を設け、吐き出し口を該円板の外周部に１ヶ所あるいは複数ヶ所設けたケーシング内に設置し、該円板をローターとして、ポンプ作用を行うことを特徴とする回転型ポンプ。
【請求項２】
上記該円板を複数枚一定間隔で回転軸に取り付け、該ケーシング内に積層したローターとしたことを特徴とした、請求項１の回転型ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本願発明は回転型のマイクロポンプに関する。
【背景の技術】
【０００２】  近年、マイクロマシンの発達により、低揚程で微小流量を連続的に移送するシステムにおけるポンプの必要性が高まってきた。
【０００３】  通常、それに用いられるポンプはシリンジや壁面などの移動による往復動型ポンプと羽根車などのローターを回転させる回転型ポンプに大別される。前者は外部からの電気信号により流体と接するシリンジや壁面を移動させて、流体にエネルギーを与えるものであり、後者はモーターの駆動によってローターを介して、ポンプ作用を行うものである。
【０００４】  往復動型のうちシリンジポンプはシリンジを一定速度で送ることによって高い圧力で正確な流量を送り出すことが可能であり、壁面の移動は主としてダイアフラム（薄膜）の振動を利用するポンプで、それは微小流量を送り出すことが可能である。しかしながら、これら往復動型ポンプは得られる流量の範囲が狭く、その流量は周期的に変動する振動流となる欠点を有し、使用範囲が限定される。
【０００５】  一方、回転型ポンプは流量の調整できる範囲が比較的広く、得られる流量も連続的である特長を有する。しかしながら、その流量制御は通常出口側に設けたバルブで行なわれ、またローターの構造が複雑になり、低流量域ではキャビテーションを発生しやすいなどの欠点を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  上述したように、周期的な流量変動をする振動流でなく、連続的に流量を得ようとする場合は回転型ポンプが優位と言えるが、従来技術においてはローターやケーシング形状の複雑さや、流量制御に伴うバルブ設置などのシステムの複雑さが避けられず、これらが小型化、微小化を妨げる要因となっている。さらに、小型化に伴うエネルギー効率の低下が欠点となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明は，上述の従来の課題を解決する目的としてなしたものであり、流体の流れを乱すことのないように、表面に所要の形状を有する１ｍｍ以下の螺旋溝を約１４０〜１５０本だけ加工した円板をローターとして用い、そのローターの回転によって、円板表面上の流体の境界層特性を利用した流れを制御することを特徴とするエネルギー低下の少ない回転型のマイクロポンプである。
【発明の効果】
【０００８】  回転する円板上の流れは、３次元境界層の特性を明らかにする問題として従来から多くの研究がなされてきた。その表面には、回転する円板上に固定された多数の螺旋渦が存在し、円板の回転数の増加に伴って、その渦が崩壊して流れは層流から乱流に遷移することが明らかにされている。
【学術文献】
【０００９】
【学術文献１】
Ｇｒｅｇｏｒｙ，Ｎ．，Ｓｔｕａｒｔ，Ｊ．Ｔ．，ａｎｄ  Ｗａｌｋｅｒ，Ｗ．Ｓ．，“Ｏｎ  ｔｈｅ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｌａｙｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｆｌｏｗ  ｄｕｅ  ｔｏ  ａＲｏｔａｔｉｎｇ  Ｄｉｓｋ”，Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒｏｙａｌ  Ｓｏｃ．ｏｆ  Ｌｏｎｄｏｎ，Ａ２４８，（１９５５），ｐ．１５５．
【学術文献２】
加藤  宏、渡辺敬三、納谷孝太郎“希薄高分子溶液中の回転円板摩擦”、日本機械学会論文集、４０巻、３３２号（１９７４−４）、ｐ．１０２２．
【００１０】  それゆえ、この渦を境界層内に固定してやれば、流れは乱れのないスムースな流れとなり、円板から流体に与えるエネルギーの損失も少なくなる。このように、従来の研究で明らかにされた回転円板の境界層特性を考慮して、円板表面に多数の螺旋溝を加工し、それをローターとして用いれば、構造が簡単で、エネルギー低下の少ない、そして流量制御の容易な回転型のマイクロポンプの実現が可能となる。
【００１１】  ポンプ羽根車に相当する本発明のローターは、従来の円板摩擦ポンプあるいは遠心ポンプに見られる、単純な壁面の摩擦力や動翼による遠心力によって流体にエネルギーを与えるものでなく、円板表面上の境界層特性を利用し、固定された渦の抑制を図るもので、そのポンプ作用は従来のポンプと基本的に異なる。
【００１２】  それゆえ、ケーシングに吐き出し口を複数取り付け、流量を取り出すことや、円板を積層させで回転軸に取り付け、多段式のローターにしてより高い圧力を得るようなポンプとして使用することも可能となる。また、当然のことながら、作動流体として空気を用いれば、送風機あるいはブロアーとして使用することも可能になる。
【００１３】  螺旋溝付き円板回転型ポンプの一例として、螺旋溝を１５０本、深さ約２０μｍにした直径ｄ＝５０ｍｍの円板を１枚、ローターとして製作した該ポンプを試作した。その回転数Ｎ＝３０００ｒｐｍ性能試験結果を図１に示す。図にはポンプ性能として流量Ｑを横軸に、揚程Ｈ及びポンプ効率ηをそれぞれ縦軸に示してある。比較のために円板表面になにも加工しない滑面円板型ポンプの特性をそれぞれ◇及び○印で示してある。図から明らかなように、滑面円板型ポンプはその得られる流量範囲も狭く、効率も最大約１０％であるにも拘わらず、本発明の螺旋溝付き円板回転型ポンプは、流量Ｑ＝３００ｍｌ／ｍｉｎのとき楊程Ｈ＝１．３ｍが得られ、その時約６０％の高いポンプ効率を得ることができ、エネルギー消費の非常に少ないポンプであることが分かる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明する。図１はローター１、吸い込みカバー２、ケーシング３、ローターを駆動するモーター４から構成された本発明による螺旋溝付き回転型ポンプの組立断面図である。図２はその正面図である。流体はローターの中心部に所要な直径で作られた吸い込みカバーの吸い込み口から流入する。流体は円板表面上にある溝によって境界層内の渦が固定されるので、それに沿って流れケーシングに設けられた吐き出し口から流出する。【００１５】  円板表面に加工される螺旋溝の任意半径ｒにおける円板断面を展開したものを図３に示す。溝の創成方法によってその断面形状がＵ字型，Ｖ字型あるいは矩形になると考えられるが、その間隔は最適な溝本数が与えられるのでそこから決定される。【００１６】  尚、本発明は上記実施例にのみ限定されるものでなく、ローター表面に螺旋溝をつけた、フイルムを貼ることによって製作するなどの方法は本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明によれば、流体移送システムで重要な役割を果たす、エネルギー低下が少なく、キャビテーションを発生しない回転型のマイクロポンプとして優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】  本発明の方法の一実施例である螺旋溝付回転型ポンプの流量−揚程曲線及び効率を示す特性曲線である。
【図２】  本発明の方法の一実施例に用いる螺旋溝付回転型ポンプの組立断面図である。
【図３】  第１図の螺旋溝付回転型ポンプの組立断面図の正面図である。
【図４】  第１図のローターの任意半径における断面の展開図である。
【符号の説明】
【００１８】１ローター
２吸い込みカバー
３ケーシング
４モーター
５オイルシール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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