(57)【要約】【課題】音響流体機械において、ピストンに作用する負荷を極力低減させることにより、小容量の加振装置によっても、高圧の吐出気体が得られるようにする。【解決手段】音響共振管１の大径の基端部内側に、加振装置２をもって、微小振幅で軸線方向に高速で往復運動させられるピストン５を設け、このピストン５の往復運動に伴う音響共振管１内の圧力変動によって、気体を音響共振管１内へ吸入して、小径の先端部より吐出させるようになっている音響流体機械において、音響共振管１内におけるピストン５の表裏の空間の一部同士を、通気路をもって互いに連通させることにより、加振装置２によりピストン５の表裏面に作用する圧力を、可及的に相殺させる。【選択図】        図２
2004293357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響共振管の大径の基端部内側に、加振装置をもって、微小振幅で軸線方向に高速で往復運動させられるピストンを設け、このピストンの往復運動に伴う音響共振管内の圧力変動によって、気体を音響共振管内へ吸入して、小径の先端部より吐出させるようになっている音響流体機械において、音響共振管内におけるピストンの表裏の空間の一部同士を、通気路をもって互いに連通させることにより、加振装置によりピストンの表裏面に作用する圧力を、可及的に相殺させるようにしたことを特徴とする音響流体機械。
【請求項２】
ピストンに、軸線方向を向く適数の小径の通気孔を穿設することにより、ピストンの表裏の空間の一部同士を互いに連通させたことを特徴とする請求項１記載の音響流体機械。
【請求項３】
音響共振管の内面とピストンの外周面との間に、  軸線方向を向く通気路を設けることにより、ピストンの表裏の空間を互いに連通させたことを特徴とする請求項１記載の音響流体機械。
【請求項４】
ピストンの外周面に適数の軸線方向の切込溝を設け、この切込溝と音響共振管の内面との空間をもって通気路としたことを特徴とする請求項３記載の音響流体機械。
【請求項５】
ピストンの外周面に適数の軸線方向を向くフラット面を設け、このフラット面と音響共振管の内面との空間をもって、通気路としたことを特徴とする請求項３記載の音響流体機械。
【請求項６】
音響共振管の内面におけるピストンが往復運動する領域をやや超えて、軸線方向を向く適数の通気用凹条を設け、この通気用凹条をもって通気路としたことを特徴とする請求項３記載の音響流体機械。
【請求項７】
音響共振管に、ピストンの表裏の空間を互いに連通させる通気孔を設け、この通気孔をもって通気路としたことを特徴とする請求項３記載の音響流体機械。
【請求項８】
音響共振管の内圧を高めておき、ピストンを高圧下で作動させるようにしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の音響流体機械。
【請求項９】
音響共振管の小径の先端部に、外気吸入用逆止弁と、開弁抵抗が、外気吸入用逆止弁の開弁抵抗よりも大きい加圧気体吐出用逆止弁を設けたことを特徴とする請求項８記載の音響流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響共振に基づく振幅圧力変動を利用した、気体用音響流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音響共振管の大径の基端の内側に、駆動音源をもって、微小振幅で軸方向に高速で往復運動させられるピストンを設け、このピストンの往復運動に伴う音響共振管内の圧力変動によって、気体を、小径の先端から音響共振管内へ吸入して吐出させるようになっている音響流体機械は公知である。
【０００３】
この音響流体機械は、ピストンを軸線方向に微小振幅で往復させた際のピストンの運動に伴う管内気柱の共振現象により生じる音響定在波の振幅圧力変動を利用しているもので、作動部としては、音響共振管の基端部内側に設けたピストンを、高速で往復運動させる加振装置を備えているのみである。
【０００４】
従って、構造がきわめて簡単で、故障のおそれも小さいという特長を有し、今後広く利用されるものと期待されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した音響流体機械は、微振動するピストンのみによって、気体を吸入吐出させるものであるから、得られる圧縮比並びに流量が比較的小さいという本質的な問題がある。
【０００６】
高圧大流量を得るためには、ピストンの受圧面積と、加振装置が発生する振幅と振動数をできるだけ大とすることが必要であることは言うまでもない。
【０００７】
しかし、ピストンの受圧面積を大とすると、その重量および作用圧力が増すので、加振装置の負荷が大となり、その容量を大とすることが必要となる。
【０００８】
このようなことは、音響共振管の内圧を高めておき、ピストンを高圧下で作動させることにより、高圧で大流量の圧縮気体を効果的に得ようとする着想を実施する場合において、特にその必要性が高い。
【０００９】
従って、前述したような音響流体機械においてその性能を上げるためには、ピストンをできるだけ軽量化して、その慣性を小とし、かつ加振装置を、できるだけ出力の大きいものとすることが必要である。
【００１０】
しかし、材料を選択し、かつ構造的に補強手段を講じても、強度的にピストンの薄肉化と軽量化には限度がある。また加振装置を大容量のものとすると、コスト的および寸法的に不利となる。
【００１１】
本発明は、前述したような音響圧縮機を含む音響流体機械において、ピストンに作用する負荷を極力低減させることにより、小容量の加振装置によっても、高圧の吐出気体が得られるようにすることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決するため、次のような手段を採用している。
（１）音響共振管の大径の基端部内側に、加振装置をもって、微小振幅で軸線方向に高速で往復運動させられるピストンを設け、このピストンの往復運動に伴う音響共振管内の圧力変動によって、気体を音響共振管内へ吸入して、小径の先端部より吐出させるようになっている音響流体機械において、音響共振管内におけるピストンの表裏の空間の一部同士を、通気路をもって互いに連通させることにより、加振装置によりピストンの表裏面に作用する圧力を、可及的に相殺させるようにする。
【００１３】
（２）上記１項において、ピストンに、軸線方向を向く適数の小径の通気孔を穿設することにより、ピストンの表裏の空間の一部同士を互いに連通させる。
【００１４】
（３）上記（１）項において、音響共振管の内面とピストンの外周面との間に、  軸線方向を向く通気路を設けることにより、ピストンの表裏の空間を互いに連通させる。
【００１５】
（４）上記（３）項において、ピストンの外周面に適数の軸線方向の切込溝を設け、この切込溝と音響共振管の内面との空間をもって通気路とする。
【００１６】
（５）上記（３）項において、ピストンの外周面に適数の軸線方向を向くフラット面を設け、このフラット面と音響共振管の内面との空間をもって、通気路とする。
【００１７】
（６）上記（３）項において、音響共振管の内面におけるピストンが往復運動する領域をやや超えて、軸線方向を向く適数の通気用凹条を設け、この通気用凹条をもって通気路とする。
【００１８】
（７）上記（３）項において、音響共振管に、ピストンの表裏の空間を互いに連通させる通気孔を設け、この通気孔をもって通気路とする。
【００１９】
（８）上記（１）〜（７）項のいずれかにおいて、音響共振管の内圧を高めておき、ピストンを高圧下で作動させるようにする。
【００２０】
（９）上記（８）項において、音響共振管の小径の先端部に、外気吸入用逆止弁と、開弁抵抗が、外気吸入用逆止弁の開弁抵抗よりも大きい加圧気体吐出用逆止弁を設ける。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、請求項１または２記載、並びに請求項８または９記載の発明に係る音響流体機械の一実施形態を略示する縦断正面図である。
【００２２】
この音響流体機械は、音響共振管（１）の下端である大径の基端部に加振装置（２）を取付け、同じく上端である小径の先端部にバルブ装置（３）を取付けて構成されている。
【００２３】
音響共振管（１）は、下端部が大径で、上端部が小径となっている共鳴孔（４）を有し、共鳴孔（４）の内面形状は、次式により表される１／２周期余弦関数形状となっている。すなわち、
【数式１】
2004293357.tif 000003
Ｌ：共鳴孔の長さ
ｒＰ：下端部（加振側基端部）の半径
ｒｏ：上端部（吸込・吐出側先端部）の半径
で形成される１／２周期余弦関数形状となっている。
【００２４】
加振装置（２）は支持台を兼ね、上面に、図に表れない適宜の振動ユニットによって、上下に振動させられるピストン（５）を備えている。ピストン（５）は軽合金からなり、共鳴孔（４）の下端部に嵌合され、その外周縁には、シール部材（６）が嵌設されている。
【００２５】
音響共振管（１）は、下端に外向フランジ（７）を有し、この外向フランジ（７）を加振装置（２）の上面に重合し、外向フランジ（７）と加振装置（２）は、適数のボルト（８）をもって締着されている。
【００２６】
バルブ装置（３）は、一側面に入口孔（９）を備え、かつ底壁（３ａ）の下面に外気吸入用の内向き逆止弁（１０）付き吸入孔（１１）を備える吸込室（１２）と、他側面に出口孔（１３）を備え、かつ底壁（３ａ）の上面に加圧気体吐出用の外向き逆止弁（１４）付き吐出孔（１５）を備える吐出室（１６）を並設したもので、音響共振管（１）の小径の頂部に装着されている。
【００２７】
吸込室（１２）と吐出室（１６）は、画室（１７）で区分されている。
【００２８】
内向きおよび外向き逆止弁（１０）（１４）は、それぞれ一端を、吸込室（１２）の底面の下側、および吐出室（１６）の底面の上側に止着した薄肉鋼板等からなるリード弁、あるいはゴム板弁からなっている。しかし、ボール式その他の型式のものであってもよい。
【００２９】
外向き逆止弁（１４）の開弁抵抗力は、内向き逆止弁（１０）のそれに比して、かなり大きく定められている。
【００３０】
加振装置（２）の駆動周波数は、図示しないファンクションシンセサイザーにより制御され、ピストン（５）の加速度を、０．１Ｈｚ程度の精度で調整しうるようになっている。
【００３１】
ピストン（５）が、音響共振管（１）の下端である大径の基端部で、軸線方向に微小振幅で往復運動すると、これに伴い、音響共振管（１）内の圧力振幅が極小となったときに、外気は、入口孔（９）より吸入されて、吸込室（１２）へ流入し、吸入孔（１１）および内向き逆止弁（１０）を経て、音響共振管（１）内へ吸入される。また、音響共振管（１）内の圧力振幅が極大となったときに、音響共振管（１）内から、吐出孔（１５）および外向き逆止弁（１４）を経て、加圧状態で、吐出室（１６）より出口孔（１３）を経て吐出する。
【００３２】
前述したように、吐出孔（１５）における外向き逆止弁（１４）の開弁抵抗力を、吸入孔（１１）における内向き逆止弁（１０）のそれよりもかなり大としてある。
【００３３】
そのため、運転の初期において、ピストン（５）の作動により、吸入孔（１１）および内向き逆止弁（１０）を経て共鳴孔（４）内へ吸込まれた空気は、それに追随して、直ちに吐出孔（１５）から吐出することはなく、共鳴孔（４）内の圧力が一定以上に上昇した後に、始めて外向き逆止弁（１４）を開いて、吐出孔（１５）および出口孔（１３）より吐出させられる。
【００３４】
従って、ピストン（５）の往復運動により共鳴孔（４）内へ吸入吐出される気体の密度は高められ、ひいては、大きな吐出圧力および吐出量が得られる。
【００３５】
前記ピストン（５）には、本発明に従って、軸線方向を向く小径の複数の通気孔（１８）が、中心対称的に設けられている。
【００３６】
そのため、ピストン（５）が高速で軸線方向に振動させられた際、ピストン（５）の表裏の気体の一部は、ピストン（５）の反対側へ流通し、ピストン（５）の表裏面に作動する圧力は、緩和低減される。
【００３７】
従って、ピストン（５）を比重の軽い材料よりなるものとすることができるとともに、薄肉化して軽量化することができ、その寿命を延ばすことができ、また加振装置（２）を、小容量のものとすることができる。
【００３８】
図２は、請求項３または４記載の発明の一実施形態を示す要部拡大縦断正面図、図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線横断面図である。
【００３９】
基本的構成は、図１のものと同様であるので、異なる部分についてのみ説明する（以下同じ）。
【００４０】
ピストン（５）の外周面に、軸線方向を向く適数の切込溝（１９）を設け、シール部材（６）を、音響共振管（１）の内面の対応する個所に嵌設してある。
【００４１】
切込溝（１９）により、ピストン（５）の表裏の空間は連通され、所期の目的を達成することができる。
【００４２】
図４は、請求項３または５記載の発明の一実施形態を示す要部拡大縦断正面図、図５は、図４におけるＶ−Ｖ線横断面図である。
【００４３】
ピストン（５）の外周面に、軸線方向を向く適数のフラット面（２０）を設け、シール部材（６）を、音響共振管（１）の内面の対応する個所に嵌設してある。
【００４４】
フラット面（２０）により、ピストン（５）の表裏の空間は連通され、所期の目的を達成することができる。
【００４５】
図６は、請求項３または６記載の発明の一実施形態を示す要部拡大縦断面図、図７は、図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線横断面図である。
【００４６】
音響共振管（１）の内面におけるピストン（５）が往復する領域をやや超えて、軸線方向を向く適数の通気用凹条（２１）を設け、シール部材（６）をピストン（５）の外周面に嵌設してある。
【００４７】
通気用凹条（２１）により、ピストン（５）の表裏面の空間は連通されるので、所期の目的を達成することができる。
【００４８】
図８は、請求項３または７記載の発明の一実施形態を示す要部拡大縦断面図、図９は、図８におけるＩＸ−ＩＸ線横断面図である。
【００４９】
音響共振管（１）の壁体におけるピストン（５）が往復する領域をやや超えて、上下端がそれぞれ通孔（２２ａ）（２２ｂ）により、音響共振管（１）内のピストン（５）の表面側空間、および裏面側空間と連通する軸線方向の通気孔（２２）を穿設してある。
【００５０】
シール部材（６）は、ピストン（５）の外周面に設けてある。このようにしても、所期の目的を達成しうることは明白である。
【００５１】
通気孔（２２）を音響共振管（１）の壁体に穿設する代わりに通気孔（２２）と同様同効の通気管を、音響共振管（１）の外面に止着してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明：加振装置によりピストンを往復運動させた際、その表裏面に作用する圧力はかなり相殺されるので、ピストンは効果的に機能するとともに、その強度を下げることができ、軽量化とコストの低減を図ることができる。また加振装置も、従来に比して小型とすることができる。
【００５３】
請求項２記載の発明：ピストンの表裏面に作用する圧力を減少させるべく、ピストンの表裏面を連通させる手段として、通気孔を穿設するだけでよいから、加工が簡単である。
【００５４】
請求項３記載の発明：ピストンの外周面もしくは音響共振管の内面に、若干の加工を施すのみでよいから、既存の音響流体機械に対して、容易に実施することができる。
【００５５】
請求項４記載の発明：ピストンの外周面に切込溝を設けるだけでよいから、その加工が簡単であり、また切込溝の増設および寸法拡大も容易である。
【００５６】
請求項５記載の発明：ピストンの外周面にフラット面を削成するのみでよいから、加工が簡単である。
【００５７】
請求項６記載の発明：ピストンになんらの加工を施こす必要もない。
【００５８】
請求項７記載の発明：シール部材が通気路によって傷められることはない。
【００５９】
請求項８記載の発明：気体を高圧で加圧して吐出させることができる。
【００６０】
請求項９記載の発明：運転に伴い、音響共振管の内部を自動的に加圧して、高圧かつ大量の吐出気体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１、２、８、９のいずれかに記載の発明の一実施形態を略示する縦断正面図である。
【図２】請求項３または４記載の発明の一実施形態を示す要部拡大縦断正面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線横断面図である。
【図４】請求項３または５記載の発明の一実施形態を示す要部拡大縦断正面図である。
【図５】図４におけるＶ−Ｖ線横断面図である。
【図６】請求項３または６記載の発明の一実施形態を示す要部拡大縦断面図である。
【図７】図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線横断面図である。
【図８】請求項３または７記載の発明の一実施形態を示す要部拡大縦断面図である。
【図９】図８におけるＩＸ−ＩＸ線横断面図である。
【符号の説明】
（１）音響共振管
（２）加振装置
（３）バルブ装置
（３ａ）底壁
（４）共鳴孔
（５）ピストン
（６）シール部材
（７）外向フランジ
（８）ボルト
（９）入口孔
（１０）内向き逆止弁
（１１）吸入孔
（１２）吸込室
（１３）出口孔
（１４）外向き逆止弁
（１５）吐出孔
（１６）吐出室
（１７）画壁
（１８）通気孔
（１９）切込溝
（２０）フラット面
（２１）通気用凹条
（２２）通気孔
（２２ａ）（２２ｂ）通孔
【図１】
2004293357.tif 000004
【図２】
2004293357.tif 000005
【図３】
2004293357.tif 000006
【図４】
2004293357.tif 000007
【図５】
2004293357.tif 000008
【図６】
2004293357.tif 000009
【図７】
2004293357.tif 000010
【図８】
2004293357.tif 000011
【図９】
2004293357.tif 000012