(57)【要約】チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの別の部分に対して可動である部分を含み、可動部分が、可動部分の移動によってチャンバの容積を第一の容積から第二の容積まで変化させるように適合されている、流体を受けるためのチャンバを含む、流体エネルギー伝達装置。装置は、可動部分に取り付けられたベンダーアクチュエータをさらに含み、ベンダーアクチュエータは、(i)可動部分に直接接続されている状態および(ii)可動部分にリンクされている状態の少なくとも一方であって、ベンダー／可動部分アセンブリを形成し、ベンダーは、可動部以外の他の装置部品のいずれにも実効的に接続されておらず、かつ実効的にリンクされておらず、ベンダー／可動部分アセンブリは、実質的にある駆動周波数でのベンダーの揺動だけによって動くように適合されている。2008525709.tif 000003
2008525709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの別の部分に対して可動である部分を含み、可動部分が、可動部分の移動によってチャンバの容積を第一の容積から第二の容積まで変化させるように適合されている、流体を受けるためのチャンバと、
ベンダーアクチュエータの一部が可動部分とは独立に動けるように可動部分に取り付けられているベンダーアクチュエータとを含み、
ベンダーアクチュエータが、(i)可動部分に直接接続されている状態および(ii)可動部分にリンクされている状態の少なくとも一方であって、ベンダー／可動部分アセンブリを形成し、
ベンダーが、可動部以外の他の装置部品のいずれにも実効的に接続されておらず、かつ実効的にリンクされておらず、
ベンダー／可動部分アセンブリが、ある駆動周波数でのベンダーの揺動だけによって実質的に動くように適合されている、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項２】
ベンダーが、電気をベンダーに導通させるように適合されている電気リードに接続されている、請求項1記載の装置。
【請求項３】
ベンダーが、可動部分とは別個の装置部品に弾性的に接続されている、請求項1記載の装置。
【請求項４】
ベンダーが、非剛性接続を介して、可動部分とは別個の装置部品に接続されている、請求項1記載の装置。
【請求項５】
ベンダーアクチュエータが、実質的にアクチュエータの曲げのみによってベンダーおよび移動部分が第一の位置と第二の位置との間で動くような周波数で曲がるように適合されており、第一の位置と第二の位置との間の距離がアクチュエータのピーク間曲げの距離よりも実質的に大きい、請求項1記載の装置。
【請求項６】
ベンダーアクチュエータが、可動部分をある周波数で揺動させてエネルギーを装置のシステム共振に貯蔵するように適合されている、請求項1記載の装置。
【請求項７】
ベンダー／可動部分アセンブリに接続されており、ベンダー／可動部分アセンブリの軸方向移動を許し、かつベンダー／可動部分アセンブリの横方向移動を阻止するように適合されている、軸方向安定化構造をさらに含む、請求項1記載の装置。
【請求項８】
システム共振周波数の変化に応答して駆動周波数を変化させるように適合されている、ベンダーに動作的に接続されている制御装置をさらに含む、請求項1記載の装置。
【請求項９】
性能が、装置から出る流体の流量および装置を通過して出る流体の流体圧の少なくとも一つを含み、制御装置も装置のモニタされた性能に応答してベンダーの駆動力を自動的に変化させるように適合されている、装置の性能をモニタするように適合されている制御装置をさらに含む、請求項1記載の装置。
【請求項１０】
制御装置が、ベンダーアクチュエータの駆動力を自動的に変化させて、可動部分の行程距離を第一の工程距離から第一の行程距離とは異なる第二の行程距離まで自動的に変化させるようにさらに適合されている、請求項9記載の装置。
【請求項１１】
可動部分がダイヤフラムである、請求項1記載の装置。
【請求項１２】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの別の部分に対して可動である部分を含み、可動部分が、チャンバの容積を第一の容積から第二の容積までの変化させるように適合されている、流体を受けるためのチャンバと、
可動部分に取り付けられているベンダーアクチュエータとを含み、
ベンダーアクチュエータが、(i)可動部分に直接接続されている状態および(ii)可動部分にリンクされている状態の少なくとも一方であって、ベンダー／可動部分アセンブリを形成し、
ベンダーアクチュエータが、ベンダー／ダイヤフラムアセンブリが実質的にアクチュエータの曲げによって第一の位置と第二の位置との間で動くような周波数で曲がるように適合されており、
第一の位置と第二の位置との間の距離がアクチュエータのピーク間曲げの距離よりも大きい距離および小さい距離の少なくとも一方である、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項１３】
第一の位置と第二の位置との間の距離がアクチュエータのピーク間曲げの距離よりも少なくとも約1桁大きい、請求項12記載の装置。
【請求項１４】
請求項12記載の装置と、
少なくとも一部分がチャンバ中に存在する流体とを含み、
ベンダーアクチュエータが、ある駆動周波数で作動してエネルギーをシステム共振に貯蔵するように適合されている、流体システム。
【請求項１５】
請求項12記載の装置と、
少なくとも一部分がチャンバ中に存在する流体とを含み、
装置が、機械部品と流体との組み合わせ実効移動質量および機械部品と流体との組み合わせ実効ばね剛性によって統制されるシステム共振周波数を有し、
ベンダーアクチュエータが、システム共振周波数またはそれに近い駆動周波数で作動可能であるように適合されている、流体システム。
【請求項１６】
ベンダーが、可動部分以外のポンプの他の部品のいずれにも実効的に接続されておらず、かつ実効的にリンクされていない、請求項12記載の装置。
【請求項１７】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの別の部分に対して可動である部分を含み、可動部分が、可動部分の移動によってチャンバの容積を第一の容積から第二の容積まで変化させるように適合されている、流体を受けるためのチャンバと、
可動部分に取り付けられているベンダーアクチュエータとを含む、
流体をポンピングするためのポンプを提供する段階、
ベンダーをある駆動周波数で揺動させて、ベンダーの揺動に対する反動で力が可動部分に伝達されるようにして、可動部分を、可動部分の変位距離が、ベンダーの揺動中に遭遇するベンダーのピーク間曲げ変位よりも大きいかまたは小さいの少なくとも一方であるようなやり方で変位させる段階、および
可動部品を動かしてチャンバの容積を増すことによって流体をチャンバに引き込む段階
を含む、流体を動かす方法。
【請求項１８】
ベンダーをある周波数で揺動させて、ベンダーの揺動中に遭遇するベンダーの最大ピーク間曲げ変位を少なくとも約1桁超える可動部分の変位距離を得る段階をさらに含む、請求項17記載の方法。
【請求項１９】
ベンダーを、ポンプのシステム基本共振周波数に近い周波数およびそれに等しい周波数の少なくとも一方である駆動周波数で揺動させる段階をさらに含む、請求項17記載の方法。
【請求項２０】
ベンダーをある駆動周波数で揺動させて、ベンダーの揺動に対する反動で力が可動部分に伝達されるようにすることにより、可動部分を、エネルギーをシステム共振に貯蔵するやり方で変位させて、ベンダーの揺動中に遭遇するベンダーの最大ピーク間曲げ変位を超える可動部品の変位距離を得る段階をさらに含む、請求項17記載の方法。
【請求項２１】
チャンバへの入口を開け、チャンバへの出口を閉じる段階、
チャンバへの入口を閉じ、チャンバへの出口を開ける段階
をさらに含み、
流体をチャンバに引き込むために、チャンバへの入口を開け、チャンバへの出口を閉じる操作を、チャンバの容積を増す可動部分の第一の移動と時間的に同調させ、
流体をチャンバの外に向けて送るために、チャンバへの入口を閉じ、チャンバの出口を開ける動作を、チャンバの容積を減らす可動部分の第二の移動と時間的に同調させ、
流体が、入口が開いている時間の少なくとも一部分の間にチャンバに流れ込み、かつ
流体が、出口が開いている時間の少なくとも一部分の間にチャンバから流れ出る、請求項17記載の方法。
【請求項２２】
ポンプのベンダーアクチュエータが、(i)可動部分に直接接続されている状態および(ii)可動部分にリンクされている状態の少なくとも一方であり、
ベンダーが、可動部以外の他の装置部品のいずれにも実効的に接続されておらず、かつ実効的にリンクされていない、請求項17記載の方法。
【請求項２３】
ベンダーアクチュエータを揺動させて可動部分をある周波数で揺動させてエネルギーをポンプのシステム共振に貯蔵する段階をさらに含む、請求項17記載の方法。
【請求項２４】
ベンダーが、電気をベンダーに導通させるように適合されている電気リードに接続されている、請求項22記載の方法。
【請求項２５】
ベンダーが、可動部分とは別個の装置部品に弾性的に接続されている、請求項22記載の方法。
【請求項２６】
ベンダーをある駆動周波数で作動させてエネルギーをポンプのシステム共振に貯蔵する段階をさらに含み、システム共振周波数が、機械部品と流体との組み合わせ実効移動質量および機械部品と流体との組み合わせ実効ばね剛性によって統制されている、請求項17記載の方法。
【請求項２７】
ベンダーを、ポンプのシステム共振周波数またはそれに近い駆動周波数で作動させる段階をさらに含む、請求項17記載の方法。
【請求項２８】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの別の部分に対して可動である部分を含み、可動部分が、可動部分の移動によってチャンバの容積を第一の容積から第二の容積まで変化させるように適合されている、流体を受けるためのチャンバと、
ベンダーアクチュエータの曲げ部分が可動部分とは独立に動けるように可動部分に取り付けられている、曲げ部分を含むベンダーアクチュエータとを含み、
ベンダーアクチュエータが、(i)可動部分に直接接続されている状態および(ii)可動部分にリンクされている状態の少なくとも一方であって、ベンダー／可動部分アセンブリを形成し、
ベンダーが、可動部以外の他の装置部品のいずれにも(a)固く接続されていない状態および(b)固くリンクされていない状態の少なくとも一方であり、
ベンダー／可動部分アセンブリが、実質的にある駆動周波数でのベンダーの揺動だけによって動くように適合されている、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項２９】
請求項1記載の装置を含む冷媒コンプレッサと、
凝縮器と、
圧力降下毛管と、
蒸発器とを含み、
冷媒コンプレッサ、凝縮器、圧力降下毛管、および蒸発器が冷媒ループ中にある、冷媒システム。
【請求項３０】
請求項12記載の装置を含む冷媒コンプレッサと、
凝縮器と、
蒸発器とを含み、
冷媒コンプレッサ、凝縮器、および蒸発器が冷媒ループ中にある、冷媒システム。
【請求項３１】
液体が冷媒である請求項17記載の方法を実行することによって冷媒に動きを付与し、かつ圧力上昇を提供して、気体冷媒を蒸発器から凝縮器に移動させて冷媒を凝縮する段階を含む、熱伝達法。
【請求項３２】
請求項1記載の装置と、
チャンバと流体連絡している流体入口ポートと、
チャンバと流体連絡している流体出口ポートとを含み、
装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を増すようなやり方で入口ポートを介して流体をチャンバに引き込むように適合されており、
装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を減らすようなやり方で出口ポートを介して流体をチャンバから放出するように適合されている、ポンプ。
【請求項３３】
請求項1記載の装置を含む合成ジェットを含む、流体装置。
【請求項３４】
請求項12記載の装置と、
チャンバと流体連絡している流体入口ポートと、
チャンバと流体連絡している流体出口ポートとを含み、
装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を増すようなやり方で入口ポートを介して流体をチャンバに引き込むように適合されており、
装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を減らすようなやり方で出口ポートを介して流体をチャンバから放出するように適合されている、ポンプ。
【請求項３５】
請求項12記載の装置を含む合成ジェットを含む、流体装置。
【請求項３６】
電気リードを除き、ベンダーが可動部分とは別個の部品に接続されていない、請求項1記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
1) 発明の分野
本発明は一般に、エネルギーを大量の流体に運び込むための装置および方法に関し、より具体的には、リニアポンプ、リニアコンプレッサおよび他の流体装置の分野に関する。
【０００２】
関連特許出願の相互参照
本出願は、2004年12月23日出願の米国特許仮出願第60/638,195号の恩典を主張し、同出願の内容がすべて参照により本明細書に組み入れられる。
【背景技術】
【０００３】
2) 関連技術の説明
画定された囲い内の流体にエネルギーを運ぶために、従来技術は、確実動作的変位、たとえば機械的かき混ぜまたは進行性もしくは定在性音波の適用による攪拌、遠心力の適用および熱エネルギーの付加を含む多数の手法を用いてきた。これら種々の方法による流体への機械的エネルギーの伝達は、たとえば、いくつか挙げるだけでも圧縮、ポンピング、混合、噴霧化、合成ジェット、流体計量、サンプリング、生物兵器の空気試験、インクジェット、ろ過または化学反応による物理的変化の駆動または懸濁粒子状物質中の他の材料変化、たとえば微粉砕もしくは凝集またはそれらの工程の組み合わせを含む多様な用途に用いることができる。
【０００４】
確実動作的変位機械のカテゴリーでは、ダイヤフラムが広く使用されている。摩擦エネルギー損失の不在は、高いエネルギー効率を維持しようとしながらも確実動作的機械を小型化する際にダイヤフラムを特に有用にする。MESOおよびMEMSスケールの装置における関心が、小さなポンプ内で液圧エネルギーを流体に運び込むためのダイヤフラム型装置に対するさらなる依存を招いた。本明細書で使用する「ポンプ」とは、液体または気体のいずれかに対して圧縮および／または流れを提供するために設計された装置をいう。本明細書で使用する「流体」とは、液体および気体状物質の両方を含むものと理解される。
【０００５】
大きめのダイヤフラムポンプを駆動するために使用されるアクチュエータは、サイズを縮小されると効率および低コストを維持することが困難であるため、MESOまたはMEMS機械の場合に問題があることがわかった。たとえば、高い変換効率を維持するためには、電磁およびボイスコイル型アクチュエータに伴うエアギャップをスケールダウンしなければならず、それが製造の複雑さおよびコストを増す。また、一定の機械的出力を維持しようとしながらモーターがスケールダウンされると、モーターラミネーションが磁気飽和する。受け入れられる製品コスト目標の範囲内では、これらの変換器の電気機械的効率がサイズ縮小とともに有意に低下するということは広く認められている。
【０００６】
磁気アクチュエータに伴うこれらスケーリングの課題が、MESOおよびMEMS用途のための他の技術、たとえばピエゾセラミクスおよび磁気ひずみアクチュエータの使用の拡大を招いた。ピエゾディスクは当然、流体ダイヤフラムとアクチュエータとを単一部品に組み合わせたものである。
【０００７】
ピエゾを流体ダイヤフラムとして使用する利点はピエゾ固有の変位制限によって相殺される。セラミクスは比較的脆弱であるため、ピエゾセラミックダイヤフラム／ディスクは、他の材料、たとえば金属、プラスチックおよびエラストマーによって提供される変位のごく一部しか提供することができない。圧締めされた円形ピエゾセラミックディスクが破損せずに提供することができるピーク揺動変位は通常、ディスクの圧締め直径の1％未満である。ダイヤフラム変位は、1行程あたり伝達される流体エネルギーに正比例するため、ピエゾは、小さな流体装置、たとえばMESOポンプおよびコンプレッサの出力密度および全体性能に対して有意な制限を課す。これらの変位関連のエネルギー制限は気体の場合に特に当てはまる。
【０００８】
ピエゾ材料のバルク撓み特性に依存するピエゾアクチュエータの他のタイプは、非常に高い周波数かつさらに小さな行程で作動することにより、液体への高いエネルギー伝達を提供することができる。これらの小さなアクチュエータ行程はポンプの設計を実施不可能にする。さらに、高性能ポンプは、各ポンピングサイクルを開閉して最適なポンピング効率を提供する受動的な弁を使用する。これらのポンプ弁は、バルクピエゾアクチュエータのkHz〜MHz周波数範囲で必要な性能を提供しないかもしれない。
【０００９】
現在、現在のピエゾポンプ技術では達成可能ではない、または機能的に堅実には有用ではないかもしれない、さらに小さな流体装置に対する要求が増している。たとえば、より高い比流量(すなわち、流体体積流量をポンプの物理的容積で割ったもの)をより高い圧力ヘッドおよびさらに小さなサイズのユニットで提供することができるポンプおよびコンプレッサが求められている。高性能MESOサイズポンプを要する用途の例としては、ポータブル電子装置、たとえばポータブルコンピューティング装置、PDAおよび携帯電話、回路カードに装着し、マイクロプロセッサおよび他の半導体電子部品の冷却を提供することができる自給式熱管理システムならびに歩行性患者のための個人用ポータブル医療装置のための燃料電池の小型化がある。したがって、現在のピエゾポンプの欠点の少なくともいくつかを救済するコンパクトで経済的に存立可能なピエゾポンプが要望されている。
【発明の開示】
【００１０】
発明の概要
これらの必要性を満たし、以前の努力の限界を解消するため、本発明は、ダイヤフラム流体装置、たとえばポンプおよびコンプレッサをそれらのシステム共振またはその近くで駆動するための新規な反動駆動アクチュエータを使用する流体エネルギー伝達装置として提供される。一つの態様の流体エネルギー伝達装置は、チャンバ容積を形成するように付形された内壁を有し、開口を有する流体チャンバおよび開口の周囲に固着された流体ダイヤフラムを、流体ダイヤフラムに取り付けられたベンダー型アクチュエータとともに含む。本発明のいくつかの態様の反動駆動エネルギー伝達装置は、従来のピエゾダイヤフラムの変位よりも1桁大きいものであることができる流体ダイヤフラムの変位を駆動するための特有のシステムを提供する。
【００１１】
本発明の大部分の態様の反動駆動システムは、MESOサイズのポンプおよびコンプレッサならびに合成ジェットのような装置の高い性能を可能にする。本発明のいくつかの態様のポンプおよびコンプレッサは、周期的圧縮に応答して低圧流体が圧縮チャンバに入り、高圧流体が圧縮チャンバから出ることを可能にする、チューニングされたポートおよび弁を含むことができる。反動駆動システムは、多様なベンダーアクチュエータ、たとえばユニモルフ、バイモルフおよび多層PZTベンダー、ピエゾ／ポリマー複合材、たとえばPVDF、結晶質材料、磁気ひずみ材料、電気活性ポリマー変換器(EPT)、電気ひずみポリマーおよび種々の「賢い材料」、たとえば形状記憶合金(SMA)ならびにラジアルフィールドPZTダイヤフラム(RFD)アクチュエータを使用することができる。
【００１２】
本発明の流体装置は、エネルギーをシステムの機械的共振に貯蔵することができる駆動周波数で作動して、それにより、ベンダーアクチュエータの実際の曲げ変位よりも大きい、通常はずっと大きいダイヤフラム変位を提供する。システム共振は、ダイヤフラム、ベンダーアクチュエータおよび関連部品の実効移動質量ならびに流体、流体ダイヤフラムおよび他の任意の機械ばねおよび／または共振周波数に影響する他の部品／環境のばね剛性に基づいて決定することができる。
【００１３】
本発明のいくつかの態様のポンプは、単なる例として、気体、たとえば空気、炭化水素、プロセスガス、高純度ガス、危険な腐食性ガスの一般的圧縮、冷蔵のための相変化冷媒の圧縮、液体を用いる空調および熱ポンプならびに他の特殊蒸気圧縮または相変化伝熱用途を含む多様な用途で使用することができる。本発明のいくつかの態様のポンプはまた、具体的なポンプ設計に依存して、液体、たとえば燃料、水、油、潤滑剤、冷却剤、溶剤、圧媒流体、毒性または反応性化学物質をポンピングすることもできる。本発明のポンプはまた、気体または液体の動作のための可変容量を提供することができる。
【００１４】
より具体的には、本発明の例示的な態様は、チャンバ容積を形成するように付形された内壁を有し、開口を有する流体チャンバを含む。流体ダイヤフラムが流体チャンバの開口の周囲に固着され、ダイヤフラムは、外周に対して複数の第一の位置と複数の第二の位置との間で動くことができる可撓部分を有し、第一および第二の位置は、流体チャンバの内壁から異なる距離にある。チャンバは、システムの荷重の一部を構成する流体で満たされている。流体チャンバ内の流体がばねを構成し、流体ダイヤフラムも同じくばねを構成する。付着点を有するベンダーアクチュエータが流体ダイヤフラムに取り付けられている。ベンダーアクチュエータと流体ダイヤフラムとの組み合わせ実効移動質量ならびに機械ばねおよび気体ばねによって質量ばね機械的共振周波数が決定され、ベンダーアクチュエータは、ある駆動周波数で作動して、エネルギーを質量ばね機械的共振に貯蔵し、ベンダーアクチュエータの曲げ変位よりも大きい(多くの場合、ずっと大きい)流体ダイヤフラムの変位を提供することができ、その結果、増大したエネルギーが流体チャンバ内の流体荷重に伝達される。
【００１５】
本発明のもう一つの態様では、
所定の流体を受けるように適合された、流体ダイヤフラムを含む流体チャンバであって、流体ダイヤフラムが、ダイヤフラムの実質的に周囲で流体チャンバの構造に固着されており、構造に取り付けられた周囲に対して第一の位置と第二の位置との間で動くように適合された可撓部分を含むものである流体チャンバと、
ベンダーアクチュエータとを含み、
ベンダーアクチュエータが、流体ダイヤフラムに取り付けられてベンダー／ダイヤフラムアセンブリを形成し、
ベンダーアクチュエータが、ベンダー／ダイヤフラムアセンブリが実質的にアクチュエータの曲げの周波数のみによって第一の位置と第二の位置との間で動くような周波数で曲がるように適合されており、
第一の位置と第二の位置との間の距離がアクチュエータのピーク間曲げの距離よりも実質的に大きく、典型的には、ピーク間曲げの距離よりも約1桁大きい、流体エネルギー伝達装置がある。
【００１６】
本発明のもう一つの態様では、
所定の流体を受けるように適合された、流体ダイヤフラムを含む流体チャンバであって、流体ダイヤフラムが、ダイヤフラムの実質的に周囲で流体チャンバの構造に固着されており、取付け構造の周囲に対して第一の位置と第二の位置との間で動くように適合された可撓部分を含むものである流体チャンバと、
ベンダーアクチュエータとを含み、
ベンダーアクチュエータが、(i)流体ダイヤフラムに直接接続されている状態および(ii)流体ダイヤフラムに直接リンクされている状態の少なくとも一方であり、
ベンダーが、ダイヤフラム以外の他のポンプ部品のいずれにも実効的に接続されておらず、実効的にリンクされておらず、
ベンダーが、場合によっては、電子をベンダーに導通させるように適合された電気リードに接続されている、流体エネルギー伝達装置がある。
【００１７】
本発明のもう一つの態様では、
チャンバ容積を形成するように付形された内壁を有し、開口を有する流体チャンバと、
流体チャンバの開口の周囲に固着され、流体チャンバの内壁から異なる距離にある複数の第一の位置と複数の第二の位置との間で外周に対して動くことができる可撓部分を有する流体ダイヤフラムと、
流体チャンバ内の流体と、
流体チャンバ内の流体を含む流体ばねと、
ダイヤフラムを含む機械ばねと、
流体ダイヤフラムに取り付けられた付着点を有するベンダーアクチュエータとを含み、
ベンダーアクチュエータとダイヤフラムとの組み合わせ実効移動質量ならびに機械ばねおよび気体ばねによって質量ばね機械的共振周波数が決定され、ベンダーアクチュエータが、駆動周波数で作動して、エネルギーを質量ばね機械的共振に貯蔵し、それにより、エネルギーを流体チャンバ内の流体に伝達する、流体エネルギー伝達装置がある。
【００１８】
本発明のもう一つの態様では、流体ダイヤフラムへのベンダーアクチュエータの付着点がパワー取出し点を含み、反動質量(reaction mass)が、パワー取出し点とは反対の時間位相で動くベンダーアクチュエータ上の点に取り付けられている、上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００１９】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータと流体ダイヤフラムとの間の付着点がチューニングばねをさらに含み、ベンダーアクチュエータによって発生した力がチューニングばねを介して流体ダイヤフラムに伝達され、チューニングばねの剛性が、機械的力率を改善するように選択されている、上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００２０】
本発明のもう一つの態様では、軸方向安定化部材の第一の点がスタンドオフに取り付けられ、スタンドオフの他端が流体ダイヤフラムの移動部分に取り付けられ、軸方向安定化部品の第二の点が流体チャンバの外部に取り付けられ、それにより、軸方向安定化部品が流体ダイヤフラムの平面から軸方向にオフセットしており、それにより、移動する質量の軸方向運動を許すが、移動する質量の横方向運動を阻止する、上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００２１】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータがピエゾセラミックベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００２２】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータがピエゾ／ポリマー複合材ベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００２３】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータが磁気ひずみベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００２４】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータがラジアルフィールドPZTダイヤフラムベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００２５】
本発明のもう一つの態様では、流体チャンバの壁が、流体チャンバの内部を流体チャンバの外部に流体的に連絡する合成ジェットポートをさらに含み、それにより、流体チャンバ内の圧力が駆動周波数で揺動し、それによって流体チャンバの外で合成ジェットを発生させて、流体を、合成ジェットポートの円柱軸に沿って流体チャンバから離れる方向に流れさせる、上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００２６】
本発明のもう一つの態様では、
流体を流体チャンバの中に流し込むための、流体チャンバと連絡して接続されている入口ポートと、
流体を流体チャンバの外に流し出すための、流体チャンバと連絡して接続されている出口ポートとをさらに含む、
上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００２７】
本発明のもう一つの態様では、入口ポートが、流体チャンバの中への流れを提供するように設計された整流プロフィールを有し、出口ポートが、流体チャンバの中への流れを提供するように設計された整流プロフィールを有し、
それにより、流体ダイヤフラムの変位が、流体内に駆動周波数で圧力揺動を発生させて、それにより、流体を、入口ポートを介して流体チャンバの中に流し込み、出口ポートを介して流体チャンバの外に流し出す、上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００２８】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーがピエゾセラミックベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記の流体伝達装置がある。
【００２９】
本発明のもう一つの態様では、
チャンバ容積を形成するように付形された内壁を有し、開口を有する流体チャンバと、
流体チャンバの開口の周囲に固着され、流体チャンバの内壁から異なる距離にある複数の第一の位置と複数の第二の位置との間で外周に対して動くことができる可撓部分を有する流体ダイヤフラムと、
流体を流体チャンバの中に流し込むための、流体チャンバと連絡して接続されている入口ポートと、
流体を流体チャンバの外に流し出すための、流体チャンバと連絡して接続されている出口ポートと、
流体チャンバ内の流体と、
流体チャンバ内の流体を含む流体ばねと、
ダイヤフラムを含む機械ばねと、
流体ダイヤフラムに取り付けられた付着点を有するベンダーアクチュエータとを含み、
ベンダーアクチュエータとダイヤフラムとの組み合わせ実効移動質量ならびに機械ばねおよび気体ばねによって質量ばね機械的共振周波数が決定され、ベンダーアクチュエータが、駆動周波数で作動して、エネルギーを質量ばね機械的共振に貯蔵し、それにより、エネルギーを流体チャンバ内の流体に伝達させる、ポンプがある。
【００３０】
本発明のもう一つの態様では、流体ダイヤフラムへのベンダーアクチュエータの付着点がパワー取出し点を含み、反動質量が、パワー取出し点とは異なる時間位相で動くベンダーアクチュエータ上の点に取り付けられている、上記および／または下記のポンプがある。
【００３１】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータと流体ダイヤフラムとの間の付着点がチューニングばねをさらに含み、ベンダーアクチュエータによって発生した力がチューニングばねを介して流体ダイヤフラムに伝達され、チューニングばねの剛性が、機械的力率を改善するように選択されている、上記および／または下記のポンプがある。
【００３２】
本発明のもう一つの態様では、軸方向安定化部材の第一の点がスタンドオフに取り付けられ、スタンドオフの他端が流体ダイヤフラムの移動部分に取り付けられ、軸方向安定化部品の第二の点が流体チャンバの外部に取り付けられ、それにより、軸方向安定化部品が流体ダイヤフラムの平面から軸方向にオフセットしており、それにより、移動する質量の軸方向運動を許すが、移動する質量の横方向運動を阻止する、上記および／または下記のポンプがある。
【００３３】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータがピエゾセラミックベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００３４】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータがピエゾ／ポリマー複合材ベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００３５】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータが磁気ひずみベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００３６】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータがラジアルフィールドPZTダイヤフラムベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００３７】
本発明のもう一つの態様では、質量ばね機械的共振周波数の変化に応答して駆動周波数を変化させるためにベンダーアクチュエータと動作的に接続された制御手段をさらに含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００３８】
本発明のもう一つの態様では、駆動周波数が質量ばね機械的共振周波数に等しい、上記および／または下記のポンプがある。
【００３９】
本発明のもう一つの態様では、制御手段がさらに、
ポンプにおける選択された動作条件を計測するための手段と、
計測された動作条件を最大化するために、計測された動作条件に応答してモーターの駆動周波数を変化させるための手段とを含む、
上記および／または下記のポンプがある。
【００４０】
本発明のもう一つの態様では、動作条件が、ポンプに印加される電力を含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００４１】
本発明のもう一つの態様では、流体が気体である、上記および／または下記のポンプがある。
【００４２】
本発明のもう一つの態様では、気体が、空気、炭化水素、プロセスガス、高純度ガス、危険な腐食性ガス毒性流体、高純度流体、反応性流体および環境的に危険な流体からなる群より選択される、上記および／または下記のポンプがある。
【００４３】
本発明のもう一つの態様では、流体が液体である、上記および／または下記のポンプがある。
【００４４】
本発明のもう一つの態様では、液体が、燃料、水、油、潤滑剤、冷却剤、溶剤、圧媒液、毒性または反応性の化学物質からなる群より選択される、上記および／または下記のポンプがある。
【００４５】
本発明のもう一つの態様では、流体ダイヤフラムの第一の位置が、各圧縮行程の最上部で流体チャンバの壁にもっとも近い位置にあり、第二の位置が、各吸込み行程の最後で流体チャンバの壁からもっとも遠い位置にあり、第一および第二のもっとも近い位置が流体チャンバの壁から異なる距離にあり、第一および第二のもっとも遠い位置が流体チャンバの壁から異なる距離にあり、ダイヤフラムが、ベンダーアクチュエータの駆動力の変化に応答して、第一のもっとも近い位置ともっとも遠い位置との間での揺動から第二のもっとも近い位置ともっとも遠い位置との間での揺動まで動作的に動くことができる、上記および／または下記のポンプがある。
【００４６】
本発明のもう一つの態様では、ベンダーアクチュエータの駆動力の変化が、ダイヤフラムを、第一のもっとも近い位置ともっとも遠い位置との間での揺動から第二のもっとも近い位置ともっとも遠い位置との間での揺動まで動作可能に動かし、それにより、流体の流量の変化を提供する、上記および／または下記のポンプがある。
【００４７】
本発明のもう一つの態様では、入口ポートが、流体チャンバ中への流れを提供するように設計された整流プロフィールを有し、出口ポートが、流体チャンバ中への流れを提供するように設計された整流プロフィールを有し、
それにより、流体ダイヤフラムの変位が、流体内に駆動周波数で圧力揺動を発生させて、それにより、流体を、入口ポートを介して流体チャンバの中に流し込み、出口ポートを介して流体チャンバの外に流し出す、上記および／または下記のポンプがある。
【００４８】
本発明のもう一つの態様では、入口ポートに動作的に接続された入口弁および出口ポートに動作的に接続された出口弁をさらに含み、入口弁および出口弁がそれぞれ所定の剛性および弁デューティーサイクルを有し、入口弁が、閉止位置では入口ポートを通過する流れを阻止し、開放位置では入口ポートを通過する流れを許し、出口弁が、閉止位置では出口ポートを通過する流れを阻止し、開放位置では出口ポートを通過する流れを許し、出口弁および入口弁それぞれの剛性およびサイズが、入口弁および出口弁のデューティーサイクルのタイミングが、流体流の充填および／または入口ポートを通過する流体流および出口ポートを通過する流体流の放出のタイミングならびに圧縮チャンバにおける圧縮サイクルと同調されて、ポンプ内の流体の一つの方向の正味の流れを提供するよう、入口弁および出口弁をチューニングするために選択されている、上記および／または下記のポンプがある。
【００４９】
本発明のもう一つの態様では、入口弁がリード弁であり、出口弁がリード弁である、上記および／または下記のポンプがある。
【００５０】
本発明のもう一つの態様では、入口リード弁および出口リード弁それぞれが、流体チャンバ内の揺動する流体圧に応答して正しい順序で開閉するように適合されたばね剛性および質量を有し、それにより、弁ストッパなしでも正しい弁タイミングが維持される、上記および／または下記のポンプがある。
【００５１】
本発明のもう一つの態様では、流体ダイヤフラムが、平面的に移動する平坦な区分をさらに含み、入口ポートおよび入口弁がダイヤフラムの平坦な区分に位置しており、それにより、入口弁の作動を提供する、上記および／または下記のポンプがある。
【００５２】
本発明のもう一つの態様では、流体ダイヤフラムが、平面的に移動する平坦な区分をさらに含み、出口ポートおよび出口弁がダイヤフラムの平坦な区分に位置しており、それにより、出口弁の作動を提供する、上記および／または下記のポンプがある。
【００５３】
本発明のもう一つの態様では、
流体を流体チャンバの中に流し込むための、流体チャンバと連絡して接続されている複数の入口ポートと、
流体を流体チャンバの外に流し出すための、流体チャンバと連絡して接続されている複数の出口ポートとをさらに含む、
上記および／または下記のポンプがある。
【００５４】
本発明のもう一つの態様では、流体チャンバの壁が、半径方向に成形された壁区分をさらに含み、移動部分が複数の第一の位置に循環するときダイヤフラムの可撓部分が自由に撓んで半径方向に成形された壁区分に対して形が概ね適合して、流体チャンバ中の隙間容積を最小化する、上記および／または下記のポンプがある。
【００５５】
本発明のもう一つの態様では、流体ダイヤフラムが流体チャンバ内の第一の面および流体チャンバの内部の外側の第二の面をさらに含み、ポンプがさらに、ダイヤフラムの第二の面と流体的に連絡した外部チャンバ、流体チャンバと外部チャンバとの間をそれらの連絡して延びる穴を含み、穴が、ダイヤフラムの第一および第二の面に加わる圧を均等化するのに十分な量の流体を流体チャンバと外部チャンバとの間の穴に通して送るようにサイズ決めされ、選択された外形を有する、上記および／または下記のポンプがある。
【００５６】
本発明のもう一つの態様では、穴がダイヤフラム中に配置されている、上記および／または下記のポンプがある。
【００５７】
本発明のもう一つの態様では、
チャンバ容積を形成するように付形された内壁を有し、第一および第二の開口を有する流体チャンバと、
流体チャンバの第一の開口の周囲に固着され、流体チャンバの内壁から異なる距離にある複数の第一の位置と複数の第二の位置との間で外周に対して動くことができる可撓部分を有する第一の流体ダイヤフラムと、
流体チャンバの第一の開口の周囲に固着され、流体チャンバの内壁から異なる距離にある複数の第一の位置と複数の第二の位置との間で外周に対して動くことができる可撓部分を有する第二の流体ダイヤフラムと、
流体を流体チャンバの中に流し込むための、流体チャンバと連絡して接続されている少なくとも一つの入口ポートと、
流体を流体チャンバの外に流し出すための、流体チャンバと連絡して接続されている少なくとも一つの出口ポートと、
流体チャンバ内の流体と、
流体チャンバ内の流体を含む流体ばねと、
第一のダイヤフラムを含む第一の機械ばねと、
第二のダイヤフラムを含む第二の機械ばねと、
第一の流体ダイヤフラムに取り付けられた第一の付着点を有する第一のベンダーアクチュエータと、
第二の流体ダイヤフラムに取り付けられた第二の付着点を有する第二のベンダーアクチュエータとを含み、
第一のベンダーアクチュエータと第一のダイヤフラムとの組み合わせ実効移動質量ならびに第一の機械ばねおよび気体ばねによって、および同様に、第二のベンダーアクチュエータと第二のダイヤフラムとの組み合わせ実効移動質量ならびに第二の機械ばねおよび気体ばねによって質量ばね機械的共振周波数が決定され、第一および第二のベンダーアクチュエータが同じ駆動周波数で作動して、第一および第二のダイヤフラムをしてそれぞれの圧縮および出口行程を同時にトラバースさせて、それにより、エネルギーを質量ばね機械的共振に貯蔵し、エネルギーを流体チャンバ内の流体に伝達することができる、ポンプがある。
【００５８】
本発明のもう一つの態様では、第一の流体ダイヤフラムへの第一のベンダーアクチュエータの付着点が第一のパワー取出し点を含み、第一の反動質量が、第一のパワー取出し点とは異なる時間位相で動く第一のベンダーアクチュエータ上の点に取り付けられ、第二の流体ダイヤフラムへの第二のベンダーアクチュエータの付着点が第二のパワー取出し点を含み、第二の反動質量が、第二のパワー取出し点とは異なる時間位相で動く第二のベンダーアクチュエータ上の点に取り付けられている、上記および／または下記のポンプがある。
【００５９】
本発明のもう一つの態様では、第一のベンダーアクチュエータと第一の流体ダイヤフラムとの間の第一の付着点が第一のチューニングばねをさらに含み、第一のベンダーアクチュエータによって発生した力が第一のチューニングばねを介して第一の流体ダイヤフラムに伝達され、第一のチューニングばねの剛性が、第一のベンダーアクチュエータの機械的力率を改善するように選択され、第二のベンダーアクチュエータと第二の流体ダイヤフラムとの間の第二の付着点が第二のチューニングばねをさらに含み、第二のベンダーアクチュエータによって発生した力が第二のチューニングばねを介して第二の流体ダイヤフラムに伝達され、第二のチューニングばねの剛性が、第二のベンダーアクチュエータの機械的力率を改善するように選択されている、上記および／または下記のポンプがある。
【００６０】
本発明のもう一つの態様では、第一の軸方向安定化部材の第一の点が第一のスタンドオフに取り付けられ、第一のスタンドオフの他端が第一の流体ダイヤフラムの移動部分に取り付けられ、第一の軸方向安定化部品の第二の点が流体チャンバの外部に取り付けられ、第二の軸方向安定化部材の第一の点が第二のスタンドオフに取り付けられ、第二のスタンドオフの他端が第二の流体ダイヤフラムの移動部分に取り付けられ、第二の軸方向安定化部品の第二の点が流体チャンバの外部に取り付けられており、
それにより、第一および第二の軸方向安定化部品がそれぞれの第一および第二の流体ダイヤフラムの平面から軸方向にオフセットしており、それにより、移動する質量の軸方向運動を許すが、移動する質量の横方向運動を阻止する、上記および／または下記のポンプがある。
【００６１】
本発明のもう一つの態様では、第一のベンダーアクチュエータがピエゾセラミックベンダーアクチュエータを含み、第二のベンダーアクチュエータがピエゾセラミックベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００６２】
本発明のもう一つの態様では、第一のベンダーアクチュエータがピエゾ／ポリマー複合材ベンダーアクチュエータを含み、第二のベンダーアクチュエータがピエゾ／ポリマー複合材ベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００６３】
本発明のもう一つの態様では、第一のベンダーアクチュエータが磁気ひずみベンダーアクチュエータを含み、第二のベンダーアクチュエータが磁気ひずみベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００６４】
本発明のもう一つの態様では、第一のベンダーアクチュエータがラジアルフィールドPZTダイヤフラムベンダーアクチュエータを含み、第二のベンダーアクチュエータがラジアルフィールドPZTダイヤフラムベンダーアクチュエータを含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００６５】
本発明のもう一つの態様では、質量ばね機械的共振周波数の変化に応答して駆動周波数を変化させるために第一および第二のベンダーアクチュエータと動作的に接続された制御手段をさらに含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００６６】
本発明のもう一つの態様では、駆動周波数が質量ばね機械的共振周波数に等しい、上記および／または下記のポンプがある。
【００６７】
本発明のもう一つの態様では、制御手段がさらに、
ポンプにおける選択された動作条件を計測するための手段と、
計測された動作条件を最大化するために、計測された動作条件に応答して駆動周波数を変化させるための手段とを含む、
上記および／または下記のポンプがある。
【００６８】
本発明のもう一つの態様では、動作条件が、ポンプに印加される電力を含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００６９】
本発明のもう一つの態様では、ポンプの振動を最小化するために必要に応じて第一および第二のベンダーアクチュエータの個々の駆動電圧振幅を変化させるために第一および第二のベンダーアクチュエータと動作的に接続された制御手段をさらに含む、上記および／または下記のポンプがある。
【００７０】
本発明のもう一つの態様では、流体が気体である、上記および／または下記のポンプがある。
【００７１】
本発明のもう一つの態様では、気体が、空気、炭化水素、プロセスガス、高純度ガス、危険な腐食性ガス毒性流体、高純度流体、反応性流体および環境的に危険な流体からなる群より選択される、上記および／または下記のポンプがある。
【００７２】
本発明のもう一つの態様では、流体が液体である、上記および／または下記のポンプがある。
【００７３】
本発明のもう一つの態様では、液体が、燃料、水、油、潤滑剤、冷却剤、溶剤、圧媒液、毒性または反応性の化学物質からなる群より選択される、上記および／または下記のポンプがある。
【００７４】
本発明のもう一つの態様では、第一および第二の流体ダイヤフラムの第一の位置が、各圧縮行程の最上部で流体チャンバの壁にもっとも近い位置にあり、第二の位置が、各吸込み行程の最後で流体チャンバの壁からもっとも遠い位置にあり、第一および第二のもっとも近い位置が流体チャンバの壁から異なる距離にあり、第一および第二のもっとも遠い位置が流体チャンバの壁から異なる距離にあり、第一および第二の流体ダイヤフラムが、第一および第二のベンダーアクチュエータの駆動力の変化に応答して、第一のもっとも近い位置ともっとも遠い位置との間での揺動から第二のもっとも近い位置ともっとも遠い位置との間での揺動まで動作的に動くことができる、上記および／または下記のポンプがある。
【００７５】
本発明のもう一つの態様では、第一および第二のベンダーアクチュエータの駆動力の変化が、第一および第二の流体ダイヤフラムを、第一のもっとも近い位置ともっとも遠い位置との間での揺動から第二のもっとも近い位置ともっとも遠い位置との間での揺動まで動作可能に動かし、それにより、流体の流量の変化を提供する、上記および／または下記のポンプがある。
【００７６】
本発明のもう一つの態様では、入口ポートが、流体チャンバ中への流れを提供するように設計された整流プロフィールを有し、出口ポートが、流体チャンバ中への流れを提供するように設計された整流プロフィールを有し、
それにより、第一および第二の流体ダイヤフラムの変位が、流体内に駆動周波数で圧力揺動を発生させて、それにより、流体を、入口ポートを介して流体チャンバの中に流し込み、出口ポートを介して流体チャンバの外に流し出す、上記および／または下記のポンプがある。
【００７７】
本発明のもう一つの態様では、入口ポートに動作的に接続された入口弁および出口ポートに動作的に接続された出口弁をさらに含み、入口弁および出口弁がそれぞれ所定の剛性および弁ディユーティーサイクルを有し、入口弁が、閉止位置では入口ポートを通過する流れを阻止し、開放位置では入口ポートを通過する流れを許し、出口弁が、閉止位置では出口ポートを通過する流れを阻止し、開放位置では出口ポートを通過する流れを許し、出口弁および入口弁それぞれの剛性およびサイズが、入口弁および出口弁のデューティーサイクルのタイミングが、入口ポートを通過する流体流の充填および出口ポートを通過する流体流の放出のタイミングならびに圧縮チャンバにおける圧縮サイクルと同調されて、ポンプ内の流体の一つの方向の正味の流れを提供するよう、入口弁および出口弁をチューニングするために選択されている、上記および／または下記のポンプがある。
【００７８】
本発明のもう一つの態様では、入口弁がリード弁であり、出口弁がリード弁である、上記および／または下記のポンプがある。
【００７９】
本発明のもう一つの態様では、入口リード弁および出口リード弁それぞれが、流体チャンバ内の揺動する流体圧に応答して正しい順序で開閉するように適合されたばね剛性および質量を有し、それにより、弁ストッパなしでも正しい弁タイミングが維持される、上記および／または下記のポンプがある。
【００８０】
本発明のもう一つの態様では、第一の流体ダイヤフラムが、平面的に移動する第一の平坦な区分をさらに含み、第二の流体ダイヤフラムが、平面的に移動する第二の平坦な区分をさらに含み、入口ポートおよび入口弁が第一のダイヤフラムの第一の平坦な区分に位置し、出口ポートおよび出口弁が第二のダイヤフラムの第二の平坦な区分に位置し、それにより、入口弁および出口弁の作動を提供する、上記および／または下記のポンプがある。
【００８１】
本発明のもう一つの態様では、
流体を流体チャンバの中に流し込むための、流体チャンバと連絡して接続されている複数の入口ポートと、
流体を流体チャンバの外に流し出すための、流体チャンバと連絡して接続されている複数の出口ポートとをさらに含む、
上記および／または下記のポンプがある。
【００８２】
本発明のもう一つの態様では、流体チャンバの壁が、半径方向に成形された壁区分をさらに含み、第一および第二の流体ダイヤフラムの移動部分が複数の第一の位置に対して循環するとき第一および第二の流体ダイヤフラムの可撓部分が自由に撓み、半径方向に成形された区分に対して形状で概ね適合して、流体チャンバ中の隙間容積を最小化する、上記および／または下記のポンプがある。
【００８３】
本発明のもう一つの態様では、
チャンバ容積を形成するように付形された内壁を有し、開口を有する流体チャンバと、
流体チャンバの開口の周囲に固着され、流体チャンバの内壁から異なる距離にある複数の第一の位置と複数の第二の位置との間で外周に対して動くことができる可撓部分を有する流体ダイヤフラムと、
流体を流体チャンバの中に流し込むための、流体チャンバと連絡して接続されている入口ポートと、
流体を流体チャンバの外に流し出すための、流体チャンバと連絡して接続されている出口ポートと、
流体チャンバ内の流体と、
流体チャンバ内の流体を含む流体ばねと、
ダイヤフラムを含む機械ばねと、
流体ダイヤフラムに取り付けられた付着点を有するベンダーアクチュエータとを含む、
流体を圧縮するためのポンプを用意する段階を含み、
変化する圧力条件下で流体ばねとして作用する流体を第一の圧力で流体チャンバに導入する段階、
ダイヤフラムとベンダーアクチュエータとの組み合わせ移動質量ならびに機械ばねおよび流体ばねによって質量ばね機械的共振周波数を決定する段階、
ベンダーアクチュエータをある駆動周波数で作動させて、エネルギーを質量ばね機械的共振に貯蔵する段階、
ダイヤフラムを複数の第一の位置と第二の位置との間で揺動させることと、
流体を所望の第二の圧まで圧縮する段階、
流体を第二の圧で圧縮チャンバから排出させる段階
をさらに含む、流体をポンピングする方法がある。
【００８４】
本発明のもう一つの態様では、
チャンバ容積を形成するように付形された内壁を有し、開口を有する、特定の流体を受けるための流体チャンバと、
流体チャンバの開口の周囲に固着され、流体チャンバの内壁から異なる距離にある複数の第一の位置と複数の第二の位置との間で外周に対して動くことができる可撓部分を有する流体ダイヤフラムと、
流体ダイヤフラムに取り付けられた付着点を有するベンダーアクチュエータとを含み、
組み合わせ実効移動質量および動的部品と特定の流体との組み合わせ実効ばね剛性によって質量ばね機械的共振周波数が決定され、ベンダーアクチュエータが、駆動周波数で作動して、エネルギーを質量ばね機械的共振に貯蔵することができる、流体エネルギー伝達装置がある。
【００８５】
本発明のもう一つの態様では、
チャンバ容積を形成するように付形された内壁を有し、開口を有する流体チャンバと、
流体チャンバの開口の周囲に固着され、流体チャンバの内壁から異なる距離にある複数の第一の位置と複数の第二の位置との間で外周に対して動くことができる可撓部分を有する流体ダイヤフラムと、
流体チャンバ内の流体と、
流体を含む流体荷重と、
流体チャンバ内の流体を含む流体ばねと、
ダイヤフラムを含む機械ばねと、
流体ダイヤフラムに取り付けられた付着点を有するベンダーアクチュエータとを含み、
ベンダーアクチュエータとダイヤフラムとの組み合わせ実効移動質量ならびに機械ばねおよび気体ばねによって質量ばね機械的共振周波数が決定され、ベンダーアクチュエータが、駆動周波数で作動して、エネルギーを質量ばね機械的共振に貯蔵し、ベンダーアクチュエータの曲げ変位よりも大きい流体ダイヤフラムの変位を提供し、エネルギーが流体チャンバ内の流体荷重に伝達される、流体エネルギー伝達装置がある。
【００８６】
本発明のもう一つの態様では、
所定の流体を受けるように適合された、流体ダイヤフラムを含む流体チャンバであって、流体ダイヤフラムが、ダイヤフラムの実質的に周囲で流体チャンバの構造に固着されており、構造に取り付けられた周囲に対して第一の位置と第二の位置との間で動くように適合された可撓部分を含むものである流体チャンバと、
ベンダーアクチュエータとを含み、
ベンダーアクチュエータが、流体ダイヤフラムに取り付けられてベンダー／ダイヤフラムアセンブリを形成し、
ベンダーアクチュエータが、ベンダー／ダイヤフラムアセンブリが実質的にアクチュエータの曲げの周波数のみによって第一の位置と第二の位置との間で動くような周波数で曲がるように適合されており、
第一の位置と第二の位置との間の距離がアクチュエータのピーク間曲げの距離よりも実質的に大きく、典型的には、ピーク間曲げの距離よりも約1桁大きい、流体エネルギー伝達装置がある。
【００８７】
態様の詳細な説明
図1を参照すると、本発明の反動駆動システムの一つの態様の断面図が示されている。円柱形の流体充填キャビティ2が囲い4および円形のダイヤフラム6によって画定されている。ダイヤフラム6は、ねじ込みクランプリング11によって囲い4中に圧締めされたOリング8とOリング10との間にその周囲が保持されている。スタンドオフ12がダイヤフラム6の中央に固く接続され、スタンドオフ12の他端はベンダーアクチュエータディスク14の中央に固く接続されている。これらの部品接続は、接着剤、ロウ付けまたは他のタイプの偏平接合法によって実施することができる。本発明の大部分の態様では、ベンダーディスク14は、スタンドオフ12以外への他の機械的接続を有さず、したがって、その周囲はいかなる機械的拘束をも受けない。しかし、他の態様では、エネルギーをシステムの機械的共振に貯蔵して所望のダイヤフラムまたはピストン変位を提供することを可能にする駆動周波数における反動駆動システムの作動を実質的に妨害しないならば、機械的接続が存在してもよい。電線15がベンダーディスク14を外部電圧源に取り付けるように働き、たとえば細いワイヤ、編組み線または薄い金属片で構築されているため、機械的に弾性である。ピエゾディスクへのワイヤ付着点は、ピエゾベンダーのタイプに基づいて異なることができる。ワイヤ15に対する揺動関連の応力を最小化するため、ワイヤは、絶縁し、ベンダー14、スタンドオフ12に接着したのち、ダイヤフラム6の中央から囲い4に出すことにより、囲い4(機械的接地)に戻るように取り回してもよい。このようにして、ワイヤは、その経路全体に沿って機械的に支持されるであろう。ベンダーディスク14は、印加電圧によって励起されると、図2に示すような軸対称ドーム形に曲がり、偏向した形16および18は、ベンダーディスク14が反対極性の電圧に応答して曲がるようすを示す。偏向16および18は、わかりやすく示すため誇張されている。
【００８８】
動作中、周波数fの交流電圧波形が図1のベンダーディスク14に印加されて、それを、図2の曲げ偏向16と18との間で周波数fで揺動させる。ベンダーディスク14が偏向16と18との間で周波数fで揺動すると、偏向に対する反動として力がスタンドオフ12を介してダイヤフラム6に伝達されて、それにより、ダイヤフラム6をも、その基本変位モードの二つの極端の間で周波数fで揺動させ、それにより、エネルギーをキャビティ2内の流体に伝達する。図1の態様では、ベンダーディスク14からのパワー取出し(PTO)点はベンダーディスク14の中心にある。図1の反動駆動流体システムは、機械的共振周波数f0＝(1/2π)(K/M)1/2を有することができる(Kは、機械ばねと流体ばねとの合わせた剛性であり、Mは、ダイヤフラム6、スタンドオフ12およびベンダーアクチュエータ14の合わせた実効移動質量であり、f0は、その最低次モード形で揺動する圧締めされた流体ダイヤフラム6中に結果的に得られるシステム共振周波数を指す)。集中素子機械的および電気的類似数値モデルおよび他のモデルを使用して図1の流体システムの基本共振周波数を予測／推定することもできる。さらに、システムの組み合わせモード範囲中の他のモードの励起のせいで駆動周波数fが基本システム共振周波数f0を超えるならば、ダイヤフラム6はその基本モードで応答することができないということが理解されよう。これらのより高次のモードの励起は、ダイヤフラムの部分が反対の位相で動き、したがって、相殺によって正味エネルギー伝達を減らすため、流体への正味エネルギー伝達の効果が落ちる、場合によっては大きく落ちるおそれがある。
【００８９】
駆動周波数fがシステムの基本共振周波数f0に近くなる、または等しくなるように選択されるならば、エネルギーは、駆動周波数fでのシステムの共振線質係数Qに比例して、揺動に貯蔵することができる。エネルギーがシステムの共振に貯蔵されると、ダイヤフラム6の変位はベンダーディスク8の実際の曲げ変位を超えることができる。このようにして、低変位ベンダーディスクアクチュエータを使用して、現在のMESOおよびMEMSフルイディックス用途によって求められる、より高いダイヤフラム変位を提供することができる。図1のベンダーディスク14への唯一の実質的(または他のやり方で効果的)な機械的接続はスタンドオフ12への接続であるため、ピエゾディスク14の曲げ振幅16および18がダイヤフラム6の撓み振幅のごく一部にとどまる場合でも、ベンダーディスク14は、ダイヤフラム6のより大きな変位とともに振れることができる。
【００９０】
たとえば、直径25.4mmのピエゾベンダーディスク、圧締め直径32mmを有する「フラッパー弁」鋼製の厚さ3.5ミルのダイヤフラムを使用し、流体充填キャビティ2の高さが60ミルである、図1に示すものに類似したシステムを試験した。使用した流体は1気圧の空気であった。ピエゾディスクは、反動駆動システムに設置された場合、破損なしで0.20mmのピーク間曲げ変位しか提供することができなかったが、3.0mmを超えるピーク間ダイヤフラム変位を駆動することができた。したがって、この反動駆動システムは、流体ダイヤフラムがピエゾベンダー変位の15倍の大きさの変位を受けることを可能にした。システムのチューニングに依存して、15倍よりも大きい変位振幅および15倍よりもずっと大きい変位振幅ならびに15倍よりも小さい振幅および15倍よりもずっと小さい振幅を提供することもできる。ベンダーアクチュエータの共振変位振幅は、本発明の特徴的な原動力を構成し、本明細書では「反動駆動」と呼ばれる。
【００９１】
反動駆動システムの態様は、簡単かつロバストであり、アセンブリにおいて比較的低い精度しか要しない。ベンダーアクチュエータによって駆動される態様では、電磁およびボイスコイル型アクチュエータに伴うエアギャップがなく、システムは非軸方向揺動を許容する。 
【００９２】
圧締めされていないベンダーアクチュエータ(または実効的には圧締めされていないベンダーアクチュエータ)を使用して別個の流体ダイヤフラムを駆動する結果として、ベンダーアクチュエータは、事実上、変位発生源とは逆に力発生源とみなすことができる。本発明の大部分の態様の範囲内で多くの異なるピエゾベンダー形状およびトポロジーを使用することができる。たとえば、本発明のいくつかの態様では、長方形、正方形、多角形対称を有するユニモルフおよびバイモルフベンダーを使用することができる。本発明のいくつかの態様では、ベンダー特性、たとえばアクチュエータ材料、剛性、質量、質量分布、出力とベンダーの機械的共振周波数との間の兼ね合いを考慮することにより、ベンダーアクチュエータ設計を使用に備えて最適化することができる。また、印加電圧に応答して曲げ偏向を受けるいかなるベンダーをも本発明の大部分の態様の反動駆動システムとで使用することができる。ユニモルフ、バイモルフおよび多層ベンダーは、多数の異なるクラスのセラミクス、ピエゾ／ポリマー複合材、たとえばPVDF、結晶質材料、磁気ひずみ材料、電気活性ポリマー変換器(EPT)、電気ひずみポリマーおよび種々の「賢い材料」、たとえば形状記憶合金(SMA)から構築することができる。たとえば、Nitinolのような材料から作られたアクチュエータを使用することもできる。もう一つのクラスのPZTベンダーは、同じく本発明で使用することができるラジアルフィールドPZTダイヤフラム(RFD)である。要するに、本発明の範囲内で、周期的なエネルギー負荷に応答して曲がるいかなる材料をもほぼ確実に反動駆動システムにおけるベンダーとして使用することができ、それを本明細書中まとめて「ベンダーアクチュエータ」と呼ぶ。
【００９３】
反動駆動システムチューニング
本発明の大部分の態様では、ベンダーアクチュエータから流体荷重に伝達されるパワーを変化(たとえば増大／最大化)させ、パワー伝達効率を変化させるために、システム部品のチューニングが実施される。所与のベンダーアクチュエータの場合、流体荷重に加えられるパワーは、多数の方法で最適化することができる。このような態様では、システム共振は典型的には、ベンダーアクチュエータの有効動作範囲内であるべきである。先に論じたように、システム共振f0は、たとえば、機械ばねと流体ばねとの組み合わせ剛性およびシステムの組み合わせ実効移動質量の選択によって変化させることができる。たとえば図1では、システム共振周波数は、ダイヤフラム6の剛性および／または質量を変えることによって変化させることもできるし、スタンドオフ12の質量および／または剛性を変えることによって変化させることもできるし、ベンダーアクチュエータ14の質量を変えることによって変化させることもできるし、あるいはキャビティ2内の流体の性質および／または圧を変えることによって変化させることもできる。
【００９４】
図3は、パワー伝達を改善することができるベンダーアクチュエータへの反動質量の付加を含む本発明の態様を提供する。図3では、円柱形の流体充填キャビティ22が囲い20および円形ダイアグラム24によって画定されている。ダイヤフラム24は、ねじ込みクランプリング30によって囲い20中に圧締めされたOリング26とOリング28との間にその周囲が保持されている。スタンドオフ32の一端がダイヤフラム24の中央に固く接続され、スタンドオフ32の他端はベンダーアクチュエータ34の中央に固く接続されている。環状の反動質量36がベンダーディスク34の周囲に固く接続されている。
【００９５】
次に、いくつかの態様で使用することができる反動質量の役割を説明する。ベンダーアクチュエータの周囲における実効移動質量が比較的小さいならば、ベンダーの出力の多くは脇にそれて、図2に示す変位極端16および17の間でベンダーの周囲を揺動させて、おそらくは、スタンドオフ32を介して流体荷重に加えられるパワーを減らす結果となる。反動質量36は、ベンダー34が押す質量を提供し、したがって、より多くの力(反動質量36なしの場合と比べて)をダイヤフラム24に加え、ひいてはより多くのパワーを流体荷重に加えることができる。所与の設計性能目標を達成するために加えることができる最適質量は、たとえばモデル化または実験によって決定することができる。また、環状反応質量36の質量の変化は典型的には、システムの実効移動質量Mを変化させ、それが他方でシステム共振周波数f0＝(1/2π)(K/M)1/2を変化させる。
【００９６】
本発明のいくつかの態様は、力率を考慮に入れることによって改善することができる。典型的な力率はcosθの形で表され(θは、時変性の力F(t)＝Fcos(ωt)と、被動部品に得られる速度Vとの間の時間位相角である)、よって加えられるパワーはFVcosθである。荷重への最大パワー伝達の場合、理想的な力率は1であり、θがゼロであることを暗示する。所与のパワー負荷設計目標の場合、力率cosθが1未満に低下するならば、パワー負荷目標を維持するためには積FVが比例的に増大しなければならない。パワー伝達を維持するためのFを増すと効率が下がり、パワー伝達を維持するためにVを増すと装置の応力、振動および結果的な騒音が増す。本発明の場合、ベンダーの力は、ベンダー自体の内部ばねを含む経路を介して加えられる。そのようなものとして、所与の設計の場合のFとVとの間の時間位相θは、共振状態で必ずしもゼロに等しくはならない。エネルギー効率を最適化し、騒音および振動を最小化するためには、システムをチューニングして位相角θをできるだけゼロに近く維持することが望ましい。
【００９７】
本発明のいくつかの態様の性能は、実効移動質量Mの大きさおよびMが種々の移動部品の間でいかに分布しているかによって変化させることができる。図3を参照すると、合計実効移動質量Mは、流体ダイヤフラム質量MDおよび反動質量MRと定義される二つの別個の移動質量として概ね定義することができる。MDは、ダイヤフラム24の実効動的質量、スタンドオフ32の質量およびベンダー34の中央部分の合計に等しい。MRは、環状反動質量36およびベンダー34の一部(反動質量36からベンダー34の中央に向かって半径方向に延びる部分)の合計に等しい。MDおよびMRはベンダー34のばね剛性によって接続され、それぞれの運動の間の時間位相は、具体的な設計、成分値および動作条件に依存する。本発明のもう一つの態様の場合、流体荷重への力学的パワー伝達を増すために、MR/MDの比が1よりも大きくてもよい。一定のピーク駆動力の場合、MDを一定に保持しながらMRをゼロの値から増すと変換効率が一般に増し、どこかのMR/MD値でパワー伝達が最大値に達するということがわかる。所与の用途の場合のM＝(MR＋MD)の大きさを最小値に維持して、荷重から脇にそれる力の量を最小化して質量Mを加速することにより、性能を高めることができる。このようにして、Mの大きさを最小化すると、システム全体のエネルギー効率を最大化することができる。
【００９８】
力率を最適化するために上記の質量およびばね定数のすべてを変更することができるが、さらなる部品を加えて機械的力率をさらに変更(改善)することができる。たとえば図4では、図3のスタンドオフ26に代えて楕円ばね38が用いられている。ばね38は、ベンダーアクチュエータ40とダイヤフラム42との間で弾性接続を提供する。ばね38のばね剛性、質量および減衰定数の変化を使用して位相角θをチューニングし、そのようにしてベンダーアクチュエータ40の非理想的な力率特性を補正することができる。図4の態様では、ばね38に選択される特性は、所与の用途の性能規格に依存することができるが、一般には、時間位相角θを最小化するように選択される。これらの考察では、ダイヤフラム反動力に応答するポンプボディの揺動をも考慮しなければならない。
【００９９】
図5は、ベンダーアクチュエータ44、ベンダー44の中央に取り付けられた円柱形反動質量46、下面がベンダー44の周囲に取り付けられた環状スタンドオフ48、周囲が環状スタンドオフ48の上面に取り付けられたディスクチューニングばね50および下面がチューニングばね50の中央に取り付けられ、上面が流体ダイヤフラム54の中央に取り付けられた円柱形スタンドオフ52を有する、もう一つのチューニングばね構造を示す。 図5の態様では、ベンダー44の周囲がPTO点として働く。他方、ベンダー44からの揺動力がベンダー44の周囲からスタンドオフ48、ディスクチューニングばね50、スタンドオフ52を介して最後に流体ダイヤフラム42に伝達される。または、図5では、反動質量46をベンダーディスク34の両面に接続することもできる。図5の態様では、ばね50の特性は、所与の用途の性能規格に依存することができ、時間位相角θを最適化するように選択することができる。
【０１００】
図4および5ならびに他の例示的態様で示すチューニングばねに代えて種々のスタイルのばね、たとえば板ばねおよびコイルばねを用いてもよく、線形または非線形の剛さ特性を提供することができるであろう。
【０１０１】
本発明の具体的な用途および設計に依存して、ベンダーアクチュエータの曲げ振幅は、ダイヤフラムおよび／またはピストンの変位よりも小さくてもよいし、それに等しくてもよいし、それよりも大きくてもよい。たとえば、MR/MDの比を変化させると、結果的に、ダイヤフラムおよび／またはピストンの変位よりも小さい、それに等しい、またはそれよりも大きいベンダーアクチュエータの曲げ振幅を得ることができる。さらには、システム中の機械および流体ばねの線形性および非線形性の程度が、結果的に、ダイヤフラムおよび／またはピストンの変位よりも小さい、それに等しい、またはそれよりも大きいベンダーアクチュエータの曲げ振幅を生じさせることができる。ダイヤフラム／ピストンとベンダーアクチュエータとの間の変位の比は、動作中、必ずしも一定ではない。ポンプまたはコンプレッサのようないくつかの用途では、ベンダー対ダイヤフラム／ピストン変位の比は、動作中、1未満から1または1超まで変化することができる。
【０１０２】
また、システム共振周波数に対するベンダーディスクの機械的共振周波数が、システム性能を改善し、機械的力率を最大化するのに有益であるかもしれない。しかし、いくつかの態様では、システム共振周波数がベンダーディスク共振周波数と合致することを防ぐため、システム設計において注意を払うこともできる。多くの態様では、選択されるベンダー共振周波数がシステムの予測動作範囲を超えることがある。システム共振周波数が変化することができるポンプおよびコンプレッサのような用途では、共振制御装置を使用して、電気駆動周波数を、変化するシステム共振周波数にロックされた状態に維持することもできる。本発明のいくつかの態様では、ベンダーディスクの機械的共振周波数をシステム共振周波数の近くにチューニングしなくてもよく、そのため、動作中に二つの共振周波数が重複する可能性は低く、したがって、共振反発現象のせいで共振制御装置に関して起こりうる問題を軽減する。 
【０１０３】
軸方向安定性
図1、3、4および5の反動駆動態様の場合、有効な仕事を実行する所望の変位は軸方向である。そのようなものとして、多くの態様は、移動部品、たとえばベンダーディスク、反動質量またはばねの重心を運動軸に近づけている。軸方向センタリングは、ダイヤフラムに対するさらなる応力および望まれないシステム振動を発生させるおそれのある移動質量の横方向揺動を招きかねない軸外れ慣性モーメントを最小化するのに役立つ。また、図1、3、4および5の態様は、アンバランスな移動質量によって励起されることができる非軸方向共振モードを有することができ、それによってダイヤフラムの機械的応力を増強する。多くの態様では、設計は、非軸モード周波数と駆動周波数との合致を避けようとする。
【０１０４】
横方向モードは、横方向運動を拒絶しながらも軸方向運動を許す安定化部品を加えることによってさらに抑制することができる。図6は、横方向運動を拒絶または実質的に拒絶するための、円柱形の流体充填キャビティ56が囲い58および円形の流体ダイヤフラム60によって画定されている本発明の態様を提供する。ダイヤフラム60は、ねじ込みクランプリング66によって囲い58中に圧締めされたOリング62とOリング64との間にその周囲が保持されている。流体ダイヤフラム60が円柱形スタンドオフ68に取り付けられ、スタンドオフ68の他端はベンダーアクチュエータ70に取り付けられている。ベンダーアクチュエータ70の周囲には環状の反動質量72が取り付けられている。安定化ディスク76が、クランプリング66と第二のクランプリング78との間に圧締めされることによって囲い58に固く接続され、安定化ディスク76は、円柱形の安定化スタンドオフ74によってベンダー70に固く接続されている。安定化ディスクばね76は、軸方向には順応性であるが、所望の軸方向運動に対して横向きの方向には比較的剛性であるように設計されている。安定化ディスク76は、過度な運動減衰／実質的な運動減衰が回避される限り、金属、プラスチックまたはエラストマーを含む数多くの材料で構築することもできる。図6の安定化ディスクばね76は、必ずしもディスクである必要はなく、それどころか、たとえば、数多くの板ばね形状またはプロフィールをも含むことができる。この態様のベンダー70のPTO点がベンダー70の中央に提示されている。
【０１０５】
図6では、アライメントディスク76は、ダイヤフラム60の平面から距離Dだけ変位している。Dを増すと結果的に横方向拒絶を増すことができる。所与の設計の場合に選択されるDの正確な値は、横方向拒絶の所望のレベルとシステムの物理的サイズとの間の妥協を表すことができる。アライメントディスク76はまた、その軸方向コンプライアンスを増すため、半径方向に曲がりくねったプロフィールで構築することもできる。要するに、軸方向安定性は、流体ダイヤフラムの平面から距離Dだけ離れた地点で移動部品に取り付けられる、軸方向には順応性で横方向には剛性の部品を設けることによって高めることができる。そのようなものとして、数多くの安定化部品、たとえば滑動ブッシュ、スラスト軸受けまたはばねなどを使用することができる。
【０１０６】
図6aは、横方向運動を拒絶または実質的に拒絶するための、円柱形の流体充填キャビティ300が囲い302および円形の流体ダイヤフラム304によって画定されている本発明の態様を提供する。ダイヤフラム304は、ねじ込みクランプリング310によって囲い302中に圧締めされたOリング306とOリング308との間にその周囲が保持されている。流体ダイヤフラム304が円柱形スタンドオフ312に取り付けられ、スタンドオフ312の他端はベンダーアクチュエータ314に取り付けられている。ベンダーアクチュエータ314の周囲には環状の反動質量316が取り付けられている。安定化ディスク318が、クランプリング310と第二のクランプリング320との間に圧締めされることによって囲い302に固く接続され、安定化ディスク318は、ベンダー314の周囲322に固く接続されている。安定化ディスクばね318は、軸方向運動に対して低いばね剛性を示すが、所望の軸方向運動に対して横向きの方向には高いばね剛性を示すように設計されている。安定化ディスク318は、過度なばね剛性および過度な運動減衰／実質的な運動減衰が回避される限り、金属、プラスチックまたはエラストマーを含む数多くの材料で構築することもできる。図6aの安定化ディスクばね318は、必ずしもディスクである必要はなく、それどころか、たとえば、数多くの板ばね形状またはプロフィールをも含むことができる。
【０１０７】
図6aを参照すると、本発明の利点の多くは、囲い302とベンダー314の他のパーツとの間の強固な二次的接続を避けながらもベンダー314が流体ダイヤフラム304または類似の流体ピストンに接続されている結果として生じる。そのような二次的接続が強固になること防ぐため、そのような二次的接続は、いかなるものであれ、弾性であるべきである。すなわち、二次的接続は、本発明の有利な原動力を過度に拘束しないよう、小さなばね定数値kを有するべきである。たとえば、ベンダー314の周囲322を囲い302に効果的に接地するために図6aの安定化ばね318がきわめて剛性に作られるならば、ダイヤフラム304の変位がベンダー312の曲げ変位を超えることは決してないであろう。しかし、任意の二次的接続のばね剛性kは一定範囲の剛性値を有することができ、対応する範囲の性能値、たとえば結果的に得られるダイヤフラムまたはピストン行程、流体荷重に加えられるパワー、機械的変換効率などがあってもよいということが理解される。
【０１０８】
コンプライアンスの点では、ばね318の剛性kは、理想的には、一定範囲で変化させることができ、それにより、ベンダー314に課される拘束はコンプライアンス範囲で無限(拘束なし)からゼロ(完全に剛性)まで相応に変化するであろう。性能は、ばね318のコンプライアンスC＝1/kとともに高まるであろう。たとえば、ばね318のコンプライアンスCが無限値からゼロの値まで漸減する間にベンダー314のピーク力が一定に保持されるならば、ダイヤフラム(またはピストン)304の変位は、最大値(成分値および流体特性のすべてによって決まる)からベンダーの最大変位に等しい値まで変化するであろう。したがって、一定のピーク力の場合、ダイヤフラム304の変位が10％減るようにばね318のコンプライアンスCを減らすならば、性能はおよそ10％低下するであろう。ダイヤフラム304の変位が20％減るようにばね318のコンプライアンスCを減らすならば、性能はおよそ20％低下するであろう。ダイヤフラム304の変位が30％減るようにばね318のコンプライアンスCを減らすならば、性能はおよそ30％低下するであろう。ダイヤフラム304の変位が40％減るようにばね318のコンプライアンスCを減らすならば、性能はおよそ40％低下するであろう。ダイヤフラム304の変位が50％減るようにばね318のコンプライアンスCを減らすならば、性能はおよそ50％低下するであろうし、以後、コンプライアンスCがゼロの値に達し、ダイヤフラムまたはピストン変位がベンダー314の変位に制限されるまで同様である。前記は、当然、システムが、変化するCの値とともにシフトすることができるそのシステム共振f0またはその近くで駆動されていると仮定したものである。したがって、非ゼロコンプライアンスを有する二次的ベンダー接続は本発明の範囲内にあるとみなされる。
【０１０９】
反動駆動ポンプ
上記の反動駆動法は、本発明のダイヤフラムポンプおよびコンプレッサのためのコンパクトなダイヤフラムアクチュエータシステムを提供する。反動駆動システムの偏平なトポロジーがMESOおよびMEMSサイズ範囲へのダイヤフラム型ポンプの高性能小型化を可能にする。
【０１１０】
図7は、ポンプ79の平面図および側面図を示す本発明の反動駆動ポンプ態様を示し、平面は、プレナムカバープレート88を取り外した状態で示されている。図7中、ポンプボディ80は、ポンプボディ80とアクチュエータカバープレート86との間に圧力シールを形成するOリングシール82を備え、ポンプボディ80は、ポンプボディ80とプレナムカバープレート88との間に圧力シールを形成するOリングシール84を備えている。ポンプ79はさらに、ねじ込みクランプリング96によってポンプボディ80中に圧締めされたOリング92とOリング94との間にその周囲を保持された流体ダイヤフラム90を備えている。流体ダイヤフラム90は典型的には、金属で構築されているが、他の材料で構築することもできる。スタンドオフ98がダイヤフラム90の中央に固く接続され、スタンドオフ98の他端はベンダーアクチュエータ100の中央に固く接続されている。環状の反動質量102がベンダーアクチュエータ100の周囲に接続されている。電線104がベンダーアクチュエータ100を気密電気フィードスルー106に接続し、この気密電気フィードスルーすべてがベンダーアクチュエータを外部電圧波形発生器に接続するように働く。圧縮チャンバ108が流体ダイヤフラム90およびポンプボディ80によって画定されている。
【０１１１】
図7のポンプボディ80はまた、環状の排出プレナム110および円柱形の入口プレナム112を備え、排出プレナム110と円柱形の入口プレナム112とがポンプボディ80中に同軸に位置している。排出プレナム110は、図7の平面図に示すが、側面図の面では見えない6個の排出ポート114によって圧縮チャンバ108に接続されている。入口プレナム112は6個の入口ポート116によって圧縮チャンバ108に接続されている。排出プレナム110の床118に着座し、排出ポート114を覆っているのが排出リード弁120であり、その輪郭が図7の平面図に示されている。入口プレナム112の床122に着座し、入口ポート116を覆っているのが入口リード弁124であり、その輪郭が図7の平面図に点線で示されている。排出リード弁120は、その周囲を環状のスペーサ126によって排出プレナム110の床118に押し当てられ、スペーサは逆にプレナムカバープレート88によって圧締めされている。入口リード弁124は、その周囲をOリング92によって圧縮キャビティ108の上面128に押し当てられている。本態様の入口および排出リード弁は典型的には、フラッパー弁鋼から構築され、200〜300Hzの周波数範囲で作動する小さなコンプレッサの場合で厚さ0.001〜0.004ミルである。ガスケット130が排出プレナム110と入口プレナム112との間に圧力シールを形成している。プレナムカバープレート88の中には、流れをポンプ79の外から入口プレナム112に向けて送る入口通路132および流れを排出プレナム110からポンプ79の外に向けて送る排出通路134がある。
【０１１２】
動作中、周波数fの交流電圧波形がベンダーアクチュエータ100に印加されてそれを曲げ偏向、たとえば図2に示す曲げ偏向の間で周波数fで揺動させる。ベンダーアクチュエータ100が周波数fで機械的に揺動すると、揺動力がスタンドオフ98を介して流体ダイヤフラム90に伝達されてダイヤフラム90を同じく周波数fで揺動させ、それにより、圧縮チャンバ108内の圧を周波数fで揺動させることができる。図7の態様では、ベンダーアクチュエータ100からのパワー取出し(PTO)点はベンダーアクチュエータ100の中心にある。電気駆動周波数fがシステム共振周波数f0に等しい、または近いならば、流体ダイヤフラム90の変位は、周波数fでのシステムの共振線質係数Qに比例して、または実質的に比例して増大するはずである。そのような態様では、所与の動作条件におけるシステムの共振周波数f0は、機械的ばねと流体ばねとの合わせた剛性、実効移動質量および、弁損失などを含む、ポンピング仕事に関連する減衰によって決定することができる。
【０１１３】
吸込み行程は、ダイヤフラム90が圧縮チャンバ108の上面128から下に離れるときに起こり、排出行程は、ダイヤフラム90が圧縮チャンバ108の上面128から上に動くときに起こる。吸込み行程中、圧縮キャビティ108内の流体圧は、入口プレナム112内の流体圧よりも低くなり、得られる圧力差が入口リード弁124を開き、それにより、流体を入口プレナム112から入口ポート116を通過させて圧縮キャビティ108中に流れさせる。ダイヤフラム90は、その行程の最下部に達すると、方向転換して圧縮行程の開始をマーキングし、圧縮チャンバ内の流体圧は増大し始める。圧縮キャビティ108内の流体圧が入口プレナム112内の流体圧を超えると、結果的に生じる圧力差が入口リード弁124を閉じて、それにより、入口ポート116をシールし、入口プレナム112から圧縮キャビティ108中への流体流を停止させる。圧縮行程中、圧縮キャビティ108内の流体圧は排出プレナム110内の流体を超え、結果的に生じる圧力差が排出リード弁120を開き、それにより、流体を圧縮キャビティ108から出口ポート114を通過させて排出プレナム110中に流れさせる。ダイヤフラム90は、その行程の最上部に達すると、方向転換して吸込み行程の開始をマーキングし、圧縮チャンバ内の流体圧は低下し始める。圧縮キャビティ108内の流体圧が排出プレナム110内の流体圧よりも低くなると、結果的に生じる圧力差が排出リード弁120を閉じて、それにより、圧縮キャビティ108から排出プレナム110中への流体流を停止または事実上停止させる。このようにして、ポンプ79を通過する正味流体流が発生し、流体が入口通路132を介して引き込まれ、排出通路134を介して排出される。同じく、吸込み弁および排出弁の閉止を支援するものは、常に弁を閉止位置に復元しようとする弁のばね剛性である。
【０１１４】
図7に示す態様のポンプ79のダイヤフラム90は、固定された変位を有しない。ダイヤフラム90の変位限界内で、ダイヤフラム90の変位振幅は、駆動電圧波形の振幅を変えることによって変化させることもできるし、システム共振周波数に対する駆動周波数を変えることによって変化させることもできるし、または電圧振幅および周波数の両方を変えることによって変化させることもできる。そのようなものとして、ダイヤフラム90は、複数の第一の位置と複数の第二の位置との間で自由に動くことができ、第一の位置は、各圧縮行程の最上部で圧縮チャンバ108の表面128にもっとも近い位置にあり、第二の位置は、各吸込み行程の最後で圧縮チャンバ108の表面128からもっとも遠い位置にある。ダイヤフラムは、変化する駆動電圧または駆動周波数に応答して、連続圧縮行程では複数の第一の位置に動作可能に移動することができ、連続吸引行程では複数の第二の位置に動作可能に移動することができる。この複数のダイヤフラム変位振幅が、ポンプ79および本発明の他のポンプ態様の場合に、ダイヤフラムの変位を変化させることがポンプの容量を変化させる容量可変性動作を提供する。この容量可変性の特徴は、液体または気体のいずれとでも使用することができる。
【０１１５】
図7のポンプ79は、ポンプボディにかけて計測して直径約2.25インチである。使用されるダイヤフラムは典型的には、厚さおよそ0.002〜0.005インチのフラッパー弁鋼製である。空気の場合、典型的な動作周波数は、システムの圧縮比、流量および具体的な設計に基づいて200〜400Hzで異なる。
【０１１６】
本発明の多くの他の態様では、ベンダーアクチュエータおよび流体ダイヤフラムの相対的直径は、本明細書で例として挙げるものとは異なる。ベンダーの直径は、流体ダイヤフラムの直径よりも大きくてもよいし小さくてもよい。流体ダイヤフラムを駆動するために必要な力およびポンプの流れ容量の両方が流体ダイヤフラムの直径とともに増す。所望の力を提供するために必要なベンダーアクチュエータの直径はベンダーアクチュエータのタイプとともに変化する。
【０１１７】
加圧動作および圧力均等化
図7のOリング82および84は、ポンプボディ80のための圧力シールを提供し、高圧流体とでの動作を可能にする。たとえば、本発明の多くの態様のポンプは、冷凍またはヒートポンプループ中のコンプレッサとして使用することができ、小さなコンプレッサが必要であるスポット冷却または加熱用途に役立つ。図8は、冷媒コンプレッサ140、凝縮器142、圧力低下毛管144、蒸発器146および被冷却領域148を有する蒸気圧縮伝熱サイクルを示す。動作中、コンプレッサ140は、気体冷媒が、凝縮器142中で液体に凝縮し、毛管144中で圧力降下を受け、被冷却領域148からの熱を吸収し、蒸発機146中で沸騰し、最後に気体状態でコンプレッサ140に戻るループに沿って右回りに流れる冷媒のための流れおよび圧力上昇を提供する。
【０１１８】
流体の圧力上昇を要する図7のポンプ79の用途の場合、ダイヤフラム90は、圧縮チャンバ108内での平均圧の上昇に応答してゆがむことを阻止されることができる。圧縮チャンバ108内の高めの平均圧は、ダイヤフラム90を膨らませて圧縮チャンバ108の内面128から離れさせることができる。所与のピーク間ダイヤフラム変位の場合、このダイヤフラムゆがみがポンプの隙間容積を増し、ダイヤフラム90の曲げ応力を増すことがある。
【０１１９】
圧力誘発ダイヤフラムゆがみは、ダイヤフラム90の剛性を増すことによって減らすことができる。圧力誘発ダイヤフラムゆがみを抑制するもう一つの方法は、流体ダイヤフラム90の両側の圧を均等化する方法であるかもしれない。図7に示すように、ダイヤフラム90中の圧力均等化穴136が本発明のポンプの圧力均等化を提供することができる。圧縮チャンバ108内の平均流体圧がアクチュエータチャンバ138内の流体圧よりも上昇するならば、結果的に生じる圧力差が、圧力が均等化するまで、流体を圧縮チャンバ108からアクチュエータチャンバ138中に流れさせることができる。
【０１２０】
圧力均等化穴136の直径は、期間中の多くのポンピングサイクルである圧力均等化時定数を提供するように選択することができる。流量時定数が短すぎる(穴が大きすぎる)ならば、ポンピングサイクルごとに流体を穴136に出し入れするのにエネルギーが浪費されるかもしれないため、ポンプの流れ容量および効率が低下するかもしれない。流量時定数が比較的長い(たとえば穴が小さすぎる)ならば、圧力均等化は、ダイヤフラムゆがみを防ぐには遅すぎるかもしれない。穴136のサイズ決めは、穴をはさんでの所与の圧力差およびアクチュエータチャンバ138の容積に基づくオリフィス流量計算から決定することができる。ダイヤフラム穴136の代替として、圧縮チャンバ108をアクチュエータチャンバ138に接続する、ポンプボディ80を通過する穿孔を使用することもできる。
【０１２１】
隙間容積
本発明の大部分の態様では、圧縮比＝(Ys＋Vc)/Vc(式中、Vsは行程容積であり、Vcは隙間容積である)であるため、達成することができる圧縮比はポンプの隙間容積に基づく。隙間容積とは、ダイヤフラムがその行程の最上部にあるときの圧縮チャンバの容積である。
【０１２２】
図7のポンプ79のダイヤフラム90がその行程の最上部にあるとき、圧縮チャンバ108の周囲に実質的な隙間容積が残る。ポンプ79のような設計の場合、最大行程における隙間容積は、たとえば、行程容積の1/3の大きさであることもできる。圧力上昇が求められない用途の場合、ポンプ79の設計が必要な性能を提供することができる。
【０１２３】
図9は、隙間容積を減らす本発明の態様を示す。図9では、側面図および平面図が提示され、平面図は、プレナムキャップを取り外した状態で示されている。図9中、ポンプ162が設けられ、図7のOリング92に代えてテーパー状リング150が用いられている。排出ポートを覆うことを避けるため、テーパー状リング150は、コンプレッサボディ160中の排出ポートと合致するポートを有するが、断面の平面がポートを通過しないため、ポートは図9の断面図には示されていない。ポンプ162はまた、図7の入口リード弁124に代えて、図9の平面図で点線で示す入口リード弁154を用いている。入口リード154は、テーパー状Oリング150を妨害しないよう、圧縮チャンバ152の上面158の中央に位置している。動作中、ダイヤフラム156が圧縮チャンバ152の上面158に向かって変位すると、ダイヤフラム156の、その周囲の曲げプロフィールが、テーパー状リング150の半径方向輪郭と綿密に適合して、それにより、圧縮チャンバ152の隙間容積を減らすものと期される。または、テーパー状リング150の輪郭をポンプボディ160中にその一体構造の一部として含めることもできる。本発明のこのような態様を実施するためには、ダイヤフラムコンプレッサの隙間容積を減らすための多くの方法および構造を使用することができる。
【０１２４】
図10は、ポンプ168のスタンドオフ170が、ダイヤフラム166に固着されている直径Dの上寄り区分164を有する、揺動ポンプの隙間容積をさらに減らすための本発明の態様を提供する。スタンドオフ170の区分164に取り付けられているダイヤフラム166の区域は、ピストン面のように平面的に動くように制約されることができるが、Dよりも大きく、かつ圧締め直径よりも小さい直径を有するダイヤフラム166の外側区分は、取り囲む膜のように自由に撓むと考えられる。このピストンダイヤフラム構造がテーパー状の圧縮チャンバと組み合わさって、結果的に図9のポンプ162よりも小さい隙間容積を生じさせる。ポンプ168のピストン様設計は、所与の変位の場合でダイヤフラム166に対する応力を増すことができ、したがって、ダイヤフラム材料および厚さの選択を強いるかもしれない。しかし、性能の向上が、所与の動作条件の場合の変位を減らすことができ、それにより、ダイヤフラムに対するより高い応力を相殺する傾向を示す。
【０１２５】
図9および10に示す圧縮チャンバの高さおよび輪郭は、わかりやすく示すためにいくらか誇張されている。隙間容積を最小化するように圧縮チャンバを付形する場合、使用される具体的な輪郭は、最大行程におけるダイヤフラムピストンの形状によって決まり、それは逆に、選択される具体的な設計の関数である。
【０１２６】
本発明のいくつかの態様の場合、具体的な設計は、低い隙間容積と、圧縮キャビティ内の流体のばね性質がシステム原動力に影響する方法との間の妥協を表すことができる。圧縮行程の最後に残る少なめ流体、ひいては低めの流体ばね剛性および対応する復元力において低い隙間容積が結果的に生じることができる。非常に低い隙間容積が望まれるならば、機械ばねを追加して、失われた流体ばね剛性を補足することができる。このような機械ばねは、図6のアライメントディスク76の形態をとることもできるし、板ばねの形態をとることもできるし、単に、より剛性の高い流体ダイヤフラムの使用を含むこともできる。
【０１２７】
当業者は隙間容積を減らすための多くの他の態様を思いつくと考えられる。ピストンが圧縮チャンバに干渉して隙間容積を減らすことができる方法の他の変形が、従来技術特許米国特許第3,572,908号、米国特許第6,514,047号、英国特許第428,632号、英国特許第700,368号および米国特許第4,874,299号に見られる。これらの特許の内容はすべて参照により本明細書に組み入れられる。
【０１２８】
弁
本発明の相対的に高い動作周波数は、受動弁設計が、多くの場合、高めの周波数でますます重大になる特定の流体および機械的原動力問題を考慮に入れるということを意味する。これらの周波数関連の効果としては、たとえば、動く弁の慣性およびばね剛性ならびに関連する開閉時間、弁および弁ポート流路を通過しながら加速するときの流体の慣性タイミング効果ならびに弁ポートのサイズおよび断面プロフィールが流体流動タイミングに及ぼす影響がある。これらのパラメータは、所与のポンプ設計の流量および圧力性能を高めるために使用することができ、多数の数値的集中素子モデルを用いてうまくモデル化することができる。態様のいくつかのポンプでは、偏平な弁を提供するため、弁ストッパを有しないリード弁を使用することもできる。弁ストッパがない場合、弁は、特定のポンプ動作周波数、流量および圧縮比に良好な弁タイミングを達成するのに適切な弁剛性および弁質量を選択することによってチューニングされなければならない。
【０１２９】
本発明のいくつかの態様は、弁ポートの適切なチューニングにより、機械的弁、たとえばリード弁を動かすことなく作動することができる。弁ポートチューニングは、当技術分野で周知である種々の弁ポートタイプの形態、たとえば、いくつか挙げるならば、ディフューザ弁、ノズル弁およびテスラ弁の形態をとることができる。これらの弁ポートは典型的には、ポートを通過する流体流に対し、変化する断面積を提示し、一つの方向には低い流れ障害を提示し、および反対方向には高い流れ障害を提示するように設計されている。指向性流れ障害におけるこの差が、揺動する流れを一つの方向への正味流れに変換する整流効果を生じさせる。チューニングされたポートだけでは機械的弁、たとえばリード弁の流れおよび圧力性能を提供することはできないが、簡素さおよび信頼性を提供し、小さなサイズおよび高い周波数にスケーリングすることができる。
【０１３０】
本発明のいくつかの態様のポンプはまた、ベンダーアクチュエータ、電磁アクチュエータ、静電アクチュエータまたは所与の用途によって求められる変位および周波数応答を提供することができる他のアクチュエータによって動かすことができる作動弁を使用することができる。また、いくつかの態様のポンプは、ポンプ弁の技術で周知であるように、弁性能を最適化するために弁の開口高さを制限する弁ストッパを用いることもできる。
【０１３１】
図11は、入口リード弁が可動ダイヤフラム／ピストンアセンブリ上に位置する本発明のもう一つのポンプ態様を示す。図11では、ポンプ172は、ポンプボディ174、ベンダーアクチュエータ176、下端がベンダーアクチュエータ176に固く接続され、上端が流体ダイヤフラム180に固く接続されているスタンドオフ178を含む。スタンドオフ178は6個の入口ポート182を円状に備え、それら6個の入口ポート182のうちの2個だけがポンプ172の断面図の平面に示されている。入口リード弁184がダイヤフラム180の中央に固着されて、入口リード弁184の花弁が入口ポート182を覆うようになっている。ポンプボディ174は6個の出口ポート186を円状に備え、それら6個の出口ポート186のうちの2個だけがポンプ172の断面図の平面に示されている。出口リード弁188は、その周囲がポンプボディ174の表面190に固く接続されて、出口リード弁188の花弁が出口ポート186を覆うようになっている
【０１３２】
動作中、周波数fの電圧波形がベンダーアクチュエータ176に印加されると、それが前記のようにポンプ172のシステム共振を励起させ、流体ダイヤフラム180が応答して二つの変位極端の間で揺動し、それによって圧縮キャビティ196内の流体圧を周波数fで揺動させる。圧縮キャビティ196内の揺動する流体圧に応答して、入口弁184および出口弁188が、1サイクルに1回、順に開閉し、それにより、低圧流体をポンプボディ入口194に通し、アクチュエータチャンバ200に通し、入口ポート182に通して圧縮チャンバ196に引き込み、次いで、高圧の流体を出口ポート186に通し、出口プレナム198に通し、ポンプボディ出口192に通してポンプ172の外に放出する。入口ポートおよび入口リード弁をスタンドオフ178上に位置付けると、設計の融通性が提供され、ポンプのさらなる小型化が可能になる。もう一つの利点は、ピストンの運動が、弁の慣性およびピストンの運動が弁を圧力サイクルとの正しい位相で開閉させる傾向を示す入口弁の自然な作動を提供するということである。
【０１３３】
図11のポンプ172のためのリード弁の簡単な再設計が、出口弁をスタンドオフ178上に位置付けて、それにより、ポート182の背面を覆わせ、入口弁をポンプボディ174の表面190に位置付けることを可能にするであろう。この場合、入口弁ではなく出口弁が作動の利を得ると考えられる。
【０１３４】
ポンプ揺動の軽減
本発明のいくつかの態様では、流体圧縮が高ければ高いほど、ポンプの潜在的な振動振幅は大きくなる。図12は、ポンプの振動を減らすことができる本発明の態様を示す。ここでは、2個の対向する流体ダイヤフラムが存在する。図12では、ポンプボディ204、第一のベンダーアクチュエータ206、下端が第一のベンダーアクチュエータ206に固く接続され、上端が第一の流体ダイヤフラム210に固く接続されている第一のスタンドオフ208を含むポンプ202が提示されている。第一のスタンドオフ208は6個の出口ポート212を円状に備え、それら6個の出口ポート212のうちの2個だけがポンプ202の断面図の平面で示されている。出口リード弁214が第一のスタンドオフ208の下面216と同一面に取り付けられて、出口リード弁214の花弁が出口ポート212を覆うようになっている。出口リード弁214の内側リング218が第一のスタンドオフ208の下面216に固着されて、出口リード弁214の花弁がカンチレバー式に自由に開閉するようにしている。
【０１３５】
ポンプ202はさらに、第二のベンダーアクチュエータ220、上端が第二のベンダーアクチュエータ220に固く接続され、上端が第二の流体ダイヤフラム224に固く接続されている第二のスタンドオフ222を備えている。第二のスタンドオフ222は6個の入口ポート226を円状に備え、それら6個の出口ポート226のうちの2個だけがポンプ202の断面図の平面で示されている。入口リード弁228が第二の流体ダイヤフラム224の下面230と同一面に取り付けられて、入口リード弁228の花弁が入口ポート226を覆うようになっている。入口リード弁228の中央区域232が第二の流体ダイヤフラム224の下面230に固着されて、入口リード弁228の花弁がカンチレバー式に自由に開閉するようにしている。ポンプ202はまた、円柱形のハウジング236、上囲いキャップ238および下囲いキャップ240を含むポンプ囲いを備えている。円柱形ハウジング236は、ハウジング入口250およびハウジング出口248を有する。円柱形ハウジング236は、排出プレナム244と入口プレナム246との間に圧力シールを提供する弾性の環状リング242によってポンプボディ204に接続されている。
【０１３６】
動作中、周波数fの電圧波形が第一および第二のベンダーアクチュエータ206および220の両方に印加されて、それにより、第一および第二の流体ダイヤフラム210および224の両方を応答させてそれぞれの変位極端の間で揺動させる。周波数fの電圧波形は、第一および第二のベンダーアクチュエータ206および220に同じ時間位相で印加されて、それにより、各流体ダイヤフラムが調和しながらその圧縮および吸込み行程をトラバースして、それにより、圧縮キャビティ234内の流体圧を周波数fで揺動させることを保証する。圧縮キャビティ234内の揺動する流体圧に応答して、出口弁214および入口弁228は、1サイクルに1回、順に開閉し、それにより、低圧流体をハウジング入口250に通し、入口プレナム246に通し、入口ポート226に通して圧縮チャンバ234に引き込み、次いで、高圧の流体を出口ポート212に通し、出口プレナム244に通し、ハウジング出口248から放出させる。
【０１３７】
図12のポンプ202は以下の局面を有することができる。出口弁214および入口弁228をそれぞれ第一および第二のスタンドオフ208および222上に位置付けると、設計の融通性が提供され、ポンプのさらなる小型化が可能になる。この態様のもう一つの局面は、第一および第二のスタンドオフ208および222の運動が、弁の慣性およびそれぞれのスタンドオフの運動が弁を圧力サイクルとの正しい位相で開閉させる傾向を示す排出弁214および入口弁228の自然な作動を提供することができるということである。さらなる利点が、ポンプボディ204とポンプハウジングとの間に一定レベルの振動絶縁を形成する弾性の環状リング242によって提供される。環状リング242の剛性は、設計者により、制振技術で十分に理解されているように、ポンプボディ204からポンプハウジング242への振動伝達を最小化するように選択される。または、図12のポンプ202の弁を、ポンプボディ204内で圧縮チャンバ234の周囲に固定的に取り付けることもできる。
【０１３８】
図12のポンプ202は、本明細書で開示する他の態様の他の局面、たとえば、機械的力率を改善するためのチューニングばね、軸方向安定性を改善するための安定化ばねなどから利を得ることができる。
【０１３９】
駆動回路および制御
本発明のポンプ態様は、システムの機械的共振に依存して大きな流体ダイヤフラム変位を提供する。動作条件の変更がシステムの共振周波数をシフトさせることができる。たとえば、本発明のポンプは、システムの共振周波数が駆動振幅とともに変化することができるという点で非線形機械的揺動器といえる。そのようなものとして、用途がポンプの流れ容量および圧力を変化させるために駆動電圧の変化を要する場合、共振制御装置を使用することができる。本発明のポンプ252が関数発生器254、駆動増幅器256、マイクロプロセッサ258および低抵抗抵抗器260を備える一つの例示的な共振制御装置が図13に示されている。動作中、関数発生器254が周波数fの電圧波形を増幅器256に提供すると、増幅器が他方で、増幅された電圧波形をポンプ252のベンダーアクチュエータ端子に印加する。所与の電圧振幅V0の場合、マイクロプロセッサ258が、ポンプ252の端子間の時変性電圧V(t)、抵抗器260にかかる時変性電流I(t)およびV(t)とI(t)との間の時間位相角φを計測する。そして、マイクロプロセッサ258は、電力率cosφを計算し、さらに印加電力P＝V(t)・I(t)・cosφを計算する。印加電力Pはシステム共振周波数f0で最大値に達する。したがって、マイクロプロセッサ258は、周波数fの増分変化を生じさせるサーチルーチンを絶えず実行することによって駆動周波数fをシステム共振周波数f0に近く維持し、次いで、Pが増大したのか減少したのかを決定する。所与の周波数変化に関してPが減少するならば、マイクロプロセッサ258は、直前の周波数変化階段とは反対である算術符号を有する周波数の階段状変化を生じさせる。所与の周波数変化に関してPが増大するならば、マイクロプロセッサ258は、直前の周波数変化階段と同じである算術符号を有する周波数の階段状変化を生じさせる。
【０１４０】
他にも多くの共振制御法を使用することができる。たとえば、共振制御装置によって最大化されるパラメータは、ベンダーアクチュエータにもっとも近い変位センサ、ポンプの出口における圧力センサまたはポンプボディに取り付けられた加速度計によって提供される信号であることもできる。もう一つの手法は、位相固定ループPLLを使用して、システム共振周波数に等しい、またはそれに近い所望の駆動周波数に一致する、駆動電圧と電流との間の標的時間位相角を維持することであろう。
【０１４１】
2個の対向する流体ダイヤフラムを有するポンプ、たとえば図12のポンプ202の場合、さらなる制御によって力の相殺を高めることもできる。図14に示す回路は、力相殺制御および図13のような共振制御装置の一つの態様を提供する。図14では、本発明のデュアルダイヤフラムポンプ262は、第一のベンダーアクチュエータ280および第二のベンダーアクチュエータ282を有し、さらに、第一の増幅器264、第二の増幅器266、マイクロプロセッサ268、関数発生器270、第一の電流感知抵抗器272、第二の電流感知抵抗器274、第一の変位センサ276、第二の変位センサ278および加速度計284を含む制御回路を備えている。
【０１４２】
動作中、関数発生器270が周波数fの電圧波形を第一および第二の増幅器264および266に提供すると、各増幅器がそれぞれの増幅された電圧波形をポンプ262の第一および第二のベンダーアクチュエータ280および282に印加する。所与の電圧振幅V0の場合、マイクロプロセッサ268が、ベンダーアクチュエータ280および282の端子間の時変性電圧V(t)を計測し、抵抗器272および274にかかる時変性電流I(t)を計測し、ベンダーアクチュエータ280および282の各V(t)とI(t)との間の時間位相角φを計測する。そして、マイクロプロセッサ268は、電力率cosφを計算し、さらにベンダーアクチュエータごとに印加電力P＝V(t)・I(t)・cosφを計算する。印加電力Pはシステム共振周波数f0で最大値に達する。したがって、マイクロプロセッサ268は、周波数fの増分変化を生じさせるサーチルーチンを絶えず実行することによって関数発生器270の駆動周波数fをシステム共振周波数f0に近く維持し、次いで、Pが増大したのか減少したのかを決定する。所与の周波数変化に関してPが減少するならば、マイクロプロセッサ268は、直前の周波数変化階段とは反対である算術符号を有する周波数の階段状変化を生じさせる。所与の周波数変化に関してPが増大するならば、マイクロプロセッサ268は、直前の周波数変化階段と同じである算術符号を有する周波数の階段状変化を生じさせる。
【０１４３】
マイクロプロセッサ268は、図14の共振制御装置と同時に稼働しながら、ベンダーアクチュエータ280および282の変位振幅をそれぞれの変位センサ276および278によって計測し、増幅器264および266の利得に対し、ポンプ262の2個のダイヤフラムが等しい変位振幅を有するように調節を加える。マイクロプロセッサ268はまた、加速度計284の出力をモニタし、加速度計284の加速信号を最小化するために増幅器264および266の相対利得におけるさらなる調節を加え、それにより、ポンプ262の振動を最小化する。当業者には、本発明の2ダイヤフラムコンプレッサの相対変位を制御することによってポンプ振動を最小化することができる同等な制御方式が他にも数多く思いつくであろう。制御回路のための他のフィードバックソースとして、ベンダーの端子から見たベンダーアクチュエータの電気特性を感知することがある。
【０１４４】
合成ジェット
本発明のいくつかの態様の反動駆動システムのもう一つの用途は合成ジェットの作動における用途である。図15は、本発明の反動駆動アクチュエータ態様を有する合成ジェット装置286を示し、合成ジェット286は、反動質量290が周囲に固く接続されているベンダーアクチュエータ288、流体ダイヤフラム292、ダイヤフラム292の中央に固く接続され、スタンドオフ294の他端がベンダーアクチュエータ288の中央に固く接続されているスタンドオフ294、流体充填キャビティ296および口298を備えている。
【０１４５】
動作中、ベンダーアクチュエータ288は、エネルギーがシステム共振に貯蔵され、それにより、流体ダイヤフラム292の変位がベンダーアクチュエータ288の曲げ変位を超えることを許すような周波数fで流体ダイヤフラム292を駆動する。ダイヤフラム292の変位揺動がキャビティ296内に周波数fで揺動圧を発生させ、それにより、流体をポート298中で周波数fで前後に揺動させる。合成ジェットの技術で公知であるように、ポート298内での流体の揺動は、ポート298の円柱軸に沿って合成ジェット286から離れて進行する脈動ジェット流を発生させる。反動駆動ダイヤフラムアクチュエータを使用する一つの可能な結果は、同サイズのユニット中でより多くのエネルギーを流体に伝達することができ、その結果、より高いジェット流が得られるということである。
【０１４６】
流体用途
本発明のいくつかの態様の反動駆動アクチュエータは、エネルギーを流体に加えなければならない数多くの用途、特に小さめの流体用途に適用することができる。いくつかの態様の反動駆動アクチュエータは、燃料を含む数多くの液体のための噴霧器、燃料、ガス、二相混合、たとえば液体と気体との混合および粉末のためのミキサ、化学薬品製造、呼吸的薬物送達と関連する混合のためのマイクロリアクタのような用途に使用することができる。いくつかの態様のポンプは、ポンプおよびコンプレッサが消費者、商業的、工業的、医療的および科学的用途で見られる場合に使用することができ、小さなサイズ、高い性能、低い騒音および低い振動が求められる場合に特に有利である。本発明のポンプはさらに、気体、たとえば空気、炭化水素、プロセスガス、高純度ガス、危険な腐食性ガスの一般的な圧縮ならびに冷凍、空調およびヒートポンプのための相変化冷媒の圧縮を含む用途ならびに他の専用蒸気圧縮伝熱用途で使用することができる。
【０１４７】
本明細書に記載するポンプのいくつかの態様は、種々の消費製品および工業製品とで使用することができる。単なる例として、いくつかのポンプは、ポータブル電子装置、たとえばポータブルコンピューティング装置、PDAおよび携帯電話、回路カードにフィットし、マイクロプロセッサおよび他の半導体電子部品のための冷却を提供することができる自給式熱管理システムならびに歩行性患者のためのポータブル個人用医療装置などのための小型化燃料電池とで使用することができる。したがって、本発明は、ポンプをそのようなやり方で使用する装置およびシステムおよび方法に及ぶ。
【０１４８】
本発明は、本発明を実施する方法、本発明を実施するためのソフトウェアおよび本発明を具現化するように構成された装置を含む。したがって、本発明は、本発明を実施するためのアルゴリズムを具現化するためのプログラム製品ならびにハードウェアおよびファームウェアならびに、本明細書に記載されている装置の制御および方法の具現化のための本明細書に記載されているシステムおよび方法を含む。したがって、一例として、本発明は、本発明にしたがってポンプまたはポンプの部品を制御するための論理を備えたプロセッサを含む。本明細書で使用する「プロセッサ」は、簡単な回路および複雑な回路ならびにコンピュータプロセッサを包含することが理解されよう。
【０１４９】
本発明は小型化を可能にするが、本発明の範囲は、いかなる所与のサイズの態様にも決して限定されない。本発明の様々な態様および機能強化が本明細書に開示され、当業者には、これらの態様および機能強化の多くの異なる組み合わせを使用することが思いつくであろう。これらの態様の様々な組み合わせはすべて、所与の用途の要件によって決まり、本発明の範囲内であると考えられる。たとえば、使用される弁の数、追加的な軸方向安定性が求められるかどうか、1個または2個のダイヤフラム使用、制御が必要であるかどうか、部品を連結する方法のタイプ、使用されるベンダーアクチュエータのタイプ、使用されるシールのタイプおよびポンプの直列または並列使用はすべて、所与の用途の性能およびコスト要件によって決まる。当業者に思いつく本発明の範囲内の用途の他の例は、それ自体の圧縮チャンバをそれぞれが有する2個の隣接する流体ダイヤフラムの間に1個のベンダーアクチュエータを位置付けて、1個のベンダーアクチュエータによってプッシュプル構造で2個のダイヤフラムを駆動することであろう。さらには、本発明のポンプは、サイズを増減することができ、当業者には明らかであるように、開放システムだけでなく閉サイクルシステムででも使用することができる。
【０１５０】
本発明の態様のいくつかの前記記載は、例示および説明のために提示したものである。網羅的であることを意図したものでもないし、本発明を開示したとおりの形態に限定することを意図したものでもなく、明らかに、上記教示を鑑みて多くの改変および変形が可能である。態様は、本発明の原理およびその実用をわかりやすく説明して、それにより、他の当業者が、本発明を、考慮される具体的な用途に適するような様々な態様で、また様々な改変を加えながらうまく利用することができるように選択し、記載したものである。上記説明は多くの特定化を含むが、これらは、本発明の範囲に対する限定とみなされるべきではなく、むしろ、その代替態様の具体例とみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の態様を例示し、詳細な説明とともに本発明の原理を説明するように働く。
【図１】ベンダーディスクを非偏向状態で示す、本発明の反動駆動システムの態様の断面図である。
【図２】交流電圧波形に応答するベンダーディスクの偏向形状を示すベンダーアクチュエータの断面図である。
【図３】ベンダーディスクからの機械的パワー伝達を改善することができる反動質量を有する本発明の態様の断面図である。
【図４】ベンダーアクチュエータの機械的力率を改善することができる楕円形のチューニングばねを有する本発明の態様の断面図である。
【図５】ベンダーアクチュエータの機械的力率を改善することができるディスクチューニングばねを有する本発明の態様の断面図である。
【図６】軸方向安定性を改善することができる軸方向アライメントディスクを有する本発明の態様の断面図である。
【図６Ａ】本発明のもう一つの態様の断面図である。
【図７】本発明の反動駆動ポンプ態様の断面図である。
【図８】閉ループ蒸気圧縮伝熱システム中で冷媒圧縮および流れを提供する本発明の反動駆動ポンプ態様の断面図である。
【図９】減少した隙間容積を提供する本発明の反動駆動ポンプ態様の断面図である。
【図１０】ダイヤフラムが図1の態様と比較してその変位においてよりピストン様であるダイヤフラムスタンドオフの増大した直径を有する、隙間容積をさらに減らすための本発明の反動駆動ポンプ態様の断面図である。
【図１１】入口弁を流体ダイヤフラム上に位置付けることによってポンプサイズを減らし、弁作動を提供する本発明の反動駆動ポンプ態様の断面図である。
【図１２】対向する2個の流体ダイヤフラムを駆動し、したがって、いくつかの態様では、ポンプハウジングに伝達される力を力相殺によって最小化し、ポンプ振動を減らす本発明の反動駆動ポンプ態様の断面図である。
【図１３】本発明の態様のいくつかのポンプとで使用するための共振制御装置を有する駆動回路のブロック図である。
【図１４】共振制御装置およびダイヤフラム駆動力を平衡化するための制御を有するデュアルダイヤフラム駆動回路のブロック図である。
【図１５】本発明の合成ジェット態様の断面図である。
【図１】
2008525709.tif 000004
【図２】
2008525709.tif 000005
【図３】
2008525709.tif 000006
【図４】
2008525709.tif 000007
【図５】
2008525709.tif 000008
【図６】
2008525709.tif 000009
【図６Ａ】
2008525709.tif 000010
【図７】
2008525709.tif 000011
【図８】
2008525709.tif 000012
【図９】
2008525709.tif 000013
【図１０】
2008525709.tif 000014
【図１１】
2008525709.tif 000015
【図１２】
2008525709.tif 000016
【図１３】
2008525709.tif 000017
【図１４】
2008525709.tif 000018
【図１５】
2008525709.tif 000019
【国際調査報告】
2008525709.tif 000020