(57)【要約】【課題】機械的開閉弁の個数を減らして、圧力損失を減らすとともに信頼性を高め、高負荷圧力に対応し、高周波駆動に対応し、さらに、吐出流路内流体の運動エネルギーを増加させ、エネルギー効率の良いポンプの提供を目的とする。【解決手段】ケース７の底部に配置した円形のダイヤフラム５は、外周縁がケース７に固定支持されている。ダイヤフラムの底面には、ダイヤフラム５を動かすための圧電素子６が配置されている。ダイヤフラム５とケース７の上壁との間の空間がポンプ室３であり、このポンプ室へ向けて流体抵抗要素である逆止弁４を設けた入口流路１と、ポンプ動作時にポンプ室と運通した出口流路２とが開口している。このポンプは、一周期のポンプ動作の中で前記出口流路内の流体に貯えられる最大運動エネルギーが、該最大運動エネルギーを貯えるまでに流路抵抗によって消費されるエネルギーの１／３以上となる吐出流路の寸法関係であることを特徴とするポンプ。【選択図】　　図１
2004060636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記入口流路には、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記出口流路は、一周期のポンプ動作の中で前記出口流路に貯えられる最大運動エネルギーが該最大運動エネルギーを貯えるまでに流路抵抗によって消費されるエネルギーの１／３以上となる、寸法関係であることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
出口流路のイナータンスをＬ、前記可動壁が下死点から上死点まで変位する際の排除体積をＶ０、出口流路の管路抵抗をＲ、前記アクチュエータが一周期における出力エネルギーを出力した際の出口流路内流速をＱ（Ｔ）とした時に、式
2004060636.tif 000020
を満たすことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
【請求項３】
ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記入口流路には、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記出口流路内の流体のコンプライアンスは、前記アクチュエータのコンプライアンスの３倍以下とすることを特徴とするポンプ。
【請求項４】
前記出口流路の長さは等価直径の平均の１／２以上であることを特徴とする請求項１乃至３記載のポンプ。
【請求項５】
前記出口流路の長さは４５［ｍｍ］以下であることを特徴とする請求項１乃至４記載のポンプ。
【請求項６】
前記出口流路の平均直径は７０［μｍ］以上であることを特徴とする請求項１乃至５記載のポンプ。
【請求項７】
前記出口流路の平均直径は３［ｍｍ］以下であることを特徴とする請求項１乃至６記載のポンプ。
【請求項８】
前記アクチュエータは圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至７記載のポンプ。
【請求項９】
前記アクチュエータは超磁歪素子であることを特徴とする請求項１乃至７記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等により、ポンプ室内の容積を変更して流体の移動を行う容積形ポンプに関連し、特に、信頼性が高くかつ流量が多いポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のポンプとしては、入口流路及び出口流路と容積が変更可能なポンプ室との間に、逆止弁が取り付けられている構成のものが一般的である。（例えば特許文献１参照）
【０００３】
また、流体の粘性抵抗を利用して一方向への流れを生じさせるポンプ構成として、出口流路に弁を備え、その弁の開弁時には入口流路が出口流路よりも大きい流体抵抗を有するようにした構成のものがある。（例えば特許文献２参照）
【０００４】
さらに、弁部に可動部品を使わず、ポンプの信頼性を向上させるポンプ構成として、入口流路、出口流路ともに圧力降下が流れの方向によって異なる流路形状をした圧縮構成要素を備えた構成のものがある。（例えば特許文献３及び非特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２２０３５７号公報
【特許文献２】
特開平０８−３１２５３７号公報
【特許文献３】
特表平０８−５０６８７４号公報
【非特許文献１】
Ａｎｄｅｒｓ　Ｏｌｓｓｏｎ，　Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｖａｌｖｅ‐ｌｅｓｓ　ｐｕｍｐｆａｂｒｉｃａｔｅ　ｕｓｉｎｇ　ｄｅｅｐ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｉｏｎ　ｅｔｃｈｉｎｇ，１９９６　ＩＥＥＥ　９ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏ　Ｅ１ｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐ．４７９−４８４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の構成では、入口流路及び出口流路ともに逆止弁が必要であり、流体が２個所の逆止弁を通過すると圧力損失が大きいという問題がある。また、逆止弁は繰り返し開閉するために疲労損傷する危険があり、逆止弁の数が多いほど信頼性が低くなるという問題もある。
【０００７】
特許文献２の構成では、ポンプ吐出行程時に入口流路に生じる逆流を少なくするために、入口側流路の流体抵抗を大きくする必要がある。すると、ポンプ吸入行程では、その流体抵抗に逆らって流体をポンプ室内へ導入するために、吐出行程に比べ吸入行程がかなり長くなる。従って、ポンプの吐出吸入サイクルの周波数はかなり低くなってしまう。
【０００８】
ピストンあるいはダイヤフラムを上下動させるポンプは、ピストンあるいはダイヤフラムの面積が等しい場合、一般的に上下動させる周波数が高いほど流量が多くなり出力が高くなる。しかし、特許文献２の構成では前述したように低い周波数でしか駆動できないため、小型で高出力なポンプを実現できない問題がある。
【０００９】
特許文献３の構成は、ポンプ室体積の増減に従い圧縮構成要素を通過する流体の、流れの方向による圧力降下の違いにより正味流量を一方向に流す構成のため、ポンプ出口側の外部圧力（負荷圧力）が高くなるにつれて逆流量が増えてしまい、高負荷圧力ではポンプ動作をしなくなる問題がある。非特許文献１によると、最大負荷圧力は０．７６０気圧程度である。
【００１０】
そこで本発明は、機械的開閉弁の個数を減らして、圧力損失を減らすとともに信頼性を高め、さらに、単位体積当たりのＰＺＴの保有エネルギーを効率良くポンプ出力エネルギーに変換可能なポンプの提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記入口流路には、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記出口流路は、一周期のポンプ動作の中で前記出口流路内の流体に貯えられる最大運動エネルギーが該最大運動エネルギーを貯えるまでに流路抵抗によって消費されるエネルギーの１／３以上となる、寸法関係とした。
【００１２】
この請求項１のポンプによると、アクチュエータの出力エネルギーの２５％以上を出口流路内の流体の運動エネルギーとして保存できる。
その際、出口流路内の流体に貯えられる運動エネルギーと流路抵抗によって消費されるエネルギーを算出する請求項２記載の式に従い、出口流路の寸法を決めることが望ましい。
【００１３】
また、請求項３の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記入口流路には、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記出口流路内の流体のコンプライアンスは、前記アクチュエータのコンプライアンスの３倍以下とした。この請求項３のポンプによると、圧電素子６の保有エネルギーの約２５％は取り出せる。
【００１４】
また、以上の請求項において、請求項４に記載したように、前記出口流路の長さは出口流路の等価直径の平均の１／２以上であることが好ましい。
【００１５】
さらに、以上の請求項において、請求項５に記載したように、前記出口流路の長さは４５［ｍｍ］以下とするのが好ましい。
【００１６】
さらに、以上の請求項において、請求項６に記載したように、前記出口流路の平均直径は７０［μｍ］以上であることが好ましい。
【００１７】
さらに、以上の請求項において、請求項７に記載したように、前記出口流路の平均直径は３［ｍｍ］以下であるが好ましい。
【００１８】
さらに、以上の請求項において、請求項８に記載したように、前記アクチュエータは圧電素子であることが好ましい。
【００１９】
また、請求項９に記載したように、前記アクチュエータは超磁歪素子であることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
先ず、本発明に係わるポンプの実施形態の構造について図１で説明する。図１は、本発明のポンプの縦断面を示している。円筒形状のケース７の底部に円形のダイヤフラム５を配置している。ダイヤフラム５は、外周縁がケース７に固定支持されて弾性変形自在となっている。ダイヤフラム５の底面には、ダイヤフラム５を動かすためのアクチュエータとして、図面の上下方向に伸縮する圧電素子６が配置されている。
【００２２】
ダイヤフラム５とケース７の上壁との間の狭い空間がポンプ室３であり、このポンプ室３へ向けて流体抵抗要素である逆止弁４を設けた入口流路１と、ポンプ動作中でも常にポンプ室と連通した細い穴のあいた管路である出口流路２とが開口している。そして、入口流路１を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部配管を接続するための入口接続管８となっている。また、出口流路２を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部配管を接続するための出口接続管９となっている。また、入口流路、出口流路ともに、動作流体の入口側を丸めた丸め部分１５ａ，１５ｂがある。また、外部配管としては、シリコンゴムなどのゴム系の材質や、その他の樹脂や薄い金属等、管内の圧力によって変形しやすい材質の配管を使用している。
【００２３】
ここで、イナータンスＬの定義を行なう。流路の断面積をＳ、流路の長さをｌ、動作流体の密度をρとした場合に、Ｌ＝ρ×ｌ／Ｓで与えられる。流路の差圧をΔＰ、流路を流れる流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内流体の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。
【００２４】
つまりイナータンスＬとは、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示しており、イナータンスＬが大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンスＬが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
【００２５】
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンスは、個々の流路のイナータンスを、電気回路におけるインダクタンスの並列接続、直列接続と同様に合成して算出すれば良い。
【００２６】
また、ここで言う入口流路とは、ポンプ室３内から入口接続管８の流体流入側端面までの流路のことを言う。ただし、管路の途中に脈動吸収手段が接続されている場合は、ポンプ室３内から脈動吸収手段との接続部までの流路のことを言う。さらに、複数のポンプの入口流路１が合流している場合は、ポンプ室３内から合流部までの流路のことを言う。出口流路についても同様である。
【００２７】
図１に基づいて、入口流路１、出口流路２の流路長さ、面積の記号関係を説明する。入口流路１において、逆止弁４近傍の縮径管路部の長さをＬ１、面積をＳ１とし、残りの拡大された管路部の長さをＬ２、面積をＳ２とする。また、出口流路２において、出口流路２の管路の長さをＬ３、面積をＳ３とする。
【００２８】
以上の記号と、動作流体の密度ρを用いて、入口流路１、出口流路２のイナータンス関係を説明する。
【００２９】
入口流路１のイナータンスは、ρ×Ｌ１／Ｓ１＋ρ×Ｌ２／Ｓ２として算出される。一方、出口流路２のイナータンスは、ρ×Ｌ３／Ｓ３として算出される。そして、これら流路は、ρ×Ｌ１／Ｓ１＋ρ×Ｌ２／Ｓ２＜ρ×Ｌ３／Ｓ３を満たす寸法関係となっている。
【００３０】
以上の構成において、ダイヤフラム５の形状は円形に限定するものではない。また、例えばポンプ停止時に万一加えられる過大な負荷圧力からポンプ構成部品を守るために、出口流路２に弁要素が配置されても、少なくともポンプ動作時にポンプ室と連通していれば構わない。また、逆止弁４は、流体の圧力差によって開閉するものだけではなく、流体の圧力差以外の力で開閉を制御することができるタイプのものを使用しても構わない。
【００３１】
さらに、ダイヤフラム５を動かすアクチュエータ６には伸縮するものであれば何を使用しても良いが、本発明のポンプ構造は、アクチュエータとダイヤフラム５とが変位拡大機構を介さずに接続され、ダイヤフラムを高い周波数で運転可能なため、本実施形態のように応答周波数が高く単位体積当たりの出力が大きい圧電素子６を使用することで、高周波駆動による流量増加や出口流路内の流体に保存されるエネルギーを大きくすることができ、小型高出力なポンプが実現できる。同様の理由で超磁歪素子を使用しても良い。
【００３２】
また、機械的開閉弁は吸入側のみに配置すれば良いため、弁による流量減少を減らすとともに信頼性も高くなる。
【００３３】
次に、本実施形態のポンプを脱気した純水を動作流体として運転した場合の内部状態について説明する。
【００３４】
図２には、ポンプを運転したときの、ダイヤフラム５の変位の波形Ｗ１、ポンプ室３の内圧の波形Ｗ２、出口流路２を通過する流体の体積速度（出口管路の断面積×流体の流速であり、流量と等しい量。）の波形Ｗ３、逆止弁４を通過する流体の体積速度の波形Ｗ４を示している。また、図２に示している負荷圧力Ｐｆｕは、出口流量２より下流側位置の流体圧力であり、吸入側圧力Ｐｋｙは、入口流路１より上流側の流体圧力である。
【００３５】
ダイヤフラム５の変位の波形Ｗ１に示すように、波形の傾きが正の領域が、圧電素子６が伸びてポンプ室３の容積が減少している過程である。また、波形の傾きが負の領域は、圧電素子６が縮んでポンプ室３の容積が増大している過程である。
【００３６】
そして、４．５μｍ変位した平坦な波形区間が、ダイヤフラム５が変位してポンプ室３の容積が最小となるダイヤフラム５の変位位置（上死点）である。
【００３７】
ポンプ室３の内圧の波形Ｗ２に示すように、ポンプ室３の容積を減少する過程が始まると、ポンプ室３の内圧が上昇を開始する。そして、ポンプ室３の容積を減少する過程が終了する前に、ポンプ室３の内圧最大値を迎えて減少し始めている。この内圧最大の地点は、ダイヤフラム５による排除流体の体積速度と、波形Ｗ３で示した出口流路２の流体の体積速度とが等しくなる点である。
【００３８】
この理由は、この時刻より前では、
「排除流体の体積速度　−　出口流路２の流体の体積速度　＞　０」
の関係を有しているので、その分ポンプ室３内の流体が圧縮され、ポンプ室３内の圧力が上昇し、この時刻より後では、
「排除流体の体積速度　−　出口流路２の流体の体積速度　＜　０」
の関係を有しているので、その分ポンプ室３内の流体の圧縮量が減少し、ポンプ室３内の圧力は降下するからである。
【００３９】
各時刻によるポンプ室３内の流体の体積変化をΔＶとすると、
「ΔＶ　＝　ダイヤフラムによる排除流体体積　＋　吸入流体体積　−　吐出流体体積」
なる関係があるので、ポンプ室３内の圧力はΔＶと流体の圧縮率に従って変化する。したがって、ポンプ室３の容積が減少している過程であっても、負荷圧力Ｐｆｕよりもポンプ室３内の圧力が低下する場合もある。しかし、吸入流体体積が零であるうちに圧電素子６が上死点まで変位するような急峻な変位をさせた場合、ダイヤフラムによる排除流体体積と吐出流体体積とが等しくなるまでは、ポンプ室内圧は負荷圧力Ｐｆｕよりも高い。そして、その間は出口流路の流体は増速する。
【００４０】
さらに、図２の場合では、ポンプ室３内圧力が吸入側圧力Ｐｋｙよりも低下し、絶対０気圧に近づいたところで、動作流体中に溶けていた成分がガス化して気泡となるエアレーションやキャビテーンヨンが起こり、絶対０気圧付近で飽和している。ただし、ポンプを含んだ流路系全体が加圧され吸入側圧力Ｐｋｙも十分に高い場合は、エアレーションやキャビテーションは発生しない場合もある。
【００４１】
また、出口流路２内流体の体積速度の波形Ｗ３に示すように、出口流路２内では、ポンプ室３内圧力が負荷圧力Ｐｆｕよりも大きい期間が、ほぼ流体の体積速度の増加期間となっている。そして、ポンプ室３内圧力が負荷圧力Ｐｆｕより低下すると、出口流路２内の流体の体積速度も減少し始める。
【００４２】
ポンプ室３内圧力と負荷圧力Ｐｆｕとの差圧をΔＰｏｕｔ、出口流路２での流体抵抗をＲｏｕｔ、イナータンスをＬｏｕｔ、流体の体積速度をＱｏｕｔとおくと、出口流路２内の流体には、
【００４３】
【式１】
2004060636.tif 000003
【００４４】
という関係が成り立つため、これら流体の体積速度の変化率は、ΔＰｏｕｔとＲｏｕｔ×Ｑｏｕｔとの差をイナータンスＬｏｕｔで割ったものと等しい。そして、１周期分の波形Ｗ３で示されている流体の体積速度を積分した値が、１周期当たりの吐出流体体積となる。
【００４５】
また、逆止弁４を通過する流体の体積速度変化の波形Ｗ３に示すように、入口流路１では、ポンプ室３内圧力が吸入側圧力Ｐｋｙよりも減少すると、その圧力差によって逆止弁４が開き、流体の体積速度が増加し始める。また、ポンプ室３内圧力が上昇し、吸入側圧力Ｐｋｙよりも増加すると、流体の体積速度が減少し始める。そして、逆止弁４の逆止効果によって逆流は防がれている。
【００４６】
ポンプ室３内圧力と吸入側圧力Ｐｋｙとの差圧をΔＰｉｎ、出口流路２での流体抵抗をＲｉｎ、イナータンスをＬｉｎ、流体の体積速度をＱｉｎとおくと、入口流路１内の流体でも、
【００４７】
【式２】
2004060636.tif 000004
【００４８】
という関係が成り立つため、これら流体体積速度の変化率も、ΔＰｉｎとＲｉｎ×Ｑｉｎとの差を入口流路１のイナータンスＬｉｎで割ったものと等しい。
【００４９】
そして、１周期分の波形Ｗ４で示されている流体の体積速度を積分した値が、１周期当たりの吸入流体体積である。そして、この吸入流体体積は、波形Ｗ３で算出した吐出流体体積と等しい。
【００５０】
本実施形態のポンプ構造では、入口流路１のイナータンスを出口流路２のイナータンスよりも小さくしてあるので、入口流路１の流体は、大きな流体速度の変化率で流入し、吸入流体体積（＝吐出流体体積）を増加させることができる。
【００５１】
以上のように、本実施の形態のポンプは、出口流路内の流体の運動エネルギーが大きいほど、吐出流体体積が多くなりポンプの出力が大きくなるという特徴を持つ。したがって、ポンプの運転効率を向上させるうえで、圧電素子６が出力するエネルギーを効率良く出口流路の流体の運動エネルギーに変換することが重要である。また、圧電素子の保有エネルギーを、できるだけ圧電素子から出力エネルギーとして取り出すことが、圧電素子を小型化する上で重要である。
【００５２】
次に、エネルギー関係について説明する。
【００５３】
ある時刻ｔまでの圧電素子の出力エネルギーは、出口流路内の流体の運動エネルギーと、その時刻ｔまでに流体抵抗で損失されるエネルギーの和となる。ダイヤフラムが下死点から上死点まで変位した時間をＴ、その時の排除体積をＶ０とする。また、このとき圧電素子は下死点から上死点まで変位したので、一周期分の出力エネルギーＥｍａｘを出力している。
【００５４】
このときのエネルギー式は、出口流路のイナータンスをＬ、出口流路内が層流である場合にハーゲン・ポアズイユの式から導かれる流路内の流体抵抗をＲ、流量をＱとすると、
2004060636.tif 000005
【００５５】
となる。ここで、出口流路の直径ｄ、長さｌ、動作流体の密度ρ、動粘度νとすると、
2004060636.tif 000006
であり、ともに出口流路の直径ｄ、長さｌ、の関数となっている。また、Ｅｍａｘは、圧電素子の材料と寸法とによって決まる保有エネルギーＥ、出口管路のコンプライアンスをＣ、圧電素子のコンプライアンスをＣｐｚｔとすると、
2004060636.tif 000007
【００５６】
という関係で求められる。ここで、出口流路の直径ｄ、長さｌ、流体の圧縮率をβとすると、後述する理由により、
2004060636.tif 000008
とすれば良く、やはり、出口流路の直径ｄ、長さｌ、の関数となっている。
【００５７】
一方、圧電素子６が下死点から上死点まで変位して排除体積Ｖ０となっている場合、この過程ではまだ吸入弁が開かないので、出口流路からの吐出流体体積がＶ０と等しくなるまでは、ポンプ室内の圧力が負荷圧力よりも上昇しており、出口流路の流体体積速度は単調増加となる。そこで、圧電素子が一周期分の出力エネルギーＥｍａｘを出力した際の出口流路内流速をＱ（Ｔ）とすると、流量Ｑを時間の一次関数
2004060636.tif 000009
で近似でき、時刻Ｔまでの流量Ｑの積分値が、排除体積Ｖ０と等しいため、
2004060636.tif 000010
なる関係がある。ここで、（３）式に（４）式を代入すると、
2004060636.tif 000011
【００５８】
となる。（５）式において、出口流路の長さｌ、直径ｄ、及び使用する圧電素子の保有エネルギーＥ、コンプライアンスＣｐｚｔが決まっていると、Ｑ（Ｔ）以外の値が定数となるので、Ｑ（Ｔ）を求めることができる。その算出した値Ｑ（Ｔ）を用いて、出口流路内の流体に保存された運動エネルギー（以降の説明に出てくる、出口流路のイナータンスに保存されたエネルギーと同じ。）
2004060636.tif 000012
【００５９】
と抵抗で消費されたエネルギー
2004060636.tif 000013
【００６０】
とを算出することができる。以上の方法により算出した出口流路のイナータンスに保存されたエネルギーと抵抗で消費されたエネルギーとを比較した場合、請求項１に記載したように、「出口流路のイナータンスに保存されたエネルギー＞１／３×抵抗で消費されたエネルギー」の関係にあるように吐出管の長さｌ及び直径ｄを決めてやれば、圧電素子の出力エネルギーの２５％以上を出口管路のイナータンスに保存できる。より望ましくは、「出口流路のイナータンスに保存されたエネルギー＞抵抗で消費されたエネルギー」の関係にあるように吐出管の長さｌ及び直径ｄを決めてやれば、圧電素子の出力エネルギーの５０％以上を出口管路のイナータンスに保存できる。より望ましくは、「出口流路のイナータンスに保存されたエネルギー＞３×抵抗で消費されたエネルギー」の関係にあるように吐出管の長さｌ及び直径ｄを決めてやれば、圧電素子の出力エネルギーの７５％以上を出口管路のイナータンスに保存できる。
【００６１】
一方、本実施形態のポンプで使用している圧電素子や、超磁歪素子などのアクチュエータは、外部からエネルギーを加えた場合、変位が零の時が最大発生力となる。そして、発生力が零となった時が、最大変位となる。そこで、これらアクチュエータの保有エネルギーは最大発生力×最大変位として求められる。一方、圧電素子にコンプライアンス要素が取り付けられた場合は、変位量が少ない間の発生力の上昇が難くなり、圧電素子の出力エネルギーＥｍａｘは著しく低下する。本実施形態のポンプにおいては、ポンプをどんなに剛性を高く製作しても流体のコンプライアンスは存在し、特に出口流路の流体のコンプライアンスは必ず存在する。そのためＥｍａｘは最大でも、圧電素子の寸法によって決まる保有エネルギーＥ、出口流路のコンプライアンスをＣ、圧電素子のコンプライアンスをＣｐｚｔとすると、
2004060636.tif 000014
【００６２】
という関係で求められる値となる。ここで、出口管路の直径ｄ、長さｌ、流体の圧縮率をβとすると、
2004060636.tif 000015
【００６３】
したがって、請求項３に記載したように、少なくとも出口流路に存在する流体のコンプライアンスは、アクチュエータである圧電素子６のコンプライアンスの３倍以下とすることで、圧電素子６の保有エネルギーの約２５％は取り出せる。さらに、出口流路とポンプ室とを含んだポンプ内部の流体のコンプライアンスが、圧電素子６のコンプライアンスの３倍以下とすることで、圧電素子６の保有エネルギーの約２５％以上は取り出すことができる。
【００６４】
より望ましくは、出口流路に存在する流体のコンプライアンスは、アクチュエータである圧電素子６のコンプライアンス以下とすることで、圧電素子６の保有エネルギーの約５０％は取り出せる。さらに、出口流路とポンプ室とを含んだポンプ内部の流体のコンプライアンスが、圧電素子６のコンプライアンス以下とすることで、圧電素子６の保有エネルギーの約５０％以上は取り出すことができる。
【００６５】
より望ましくは、出口流路に存在する流体のコンプライアンスは、アクチュエータである圧電素子６のコンプライアンスの１／３以下とすることで、圧電素子６の保有エネルギーの約７５％は取り出せる。さらに、出口流路とポンプ室とを含んだポンプ内部の流体のコンプライアンスが、圧電素子６のコンプライアンスの１／３以下とすることで、圧電素子６の保有エネルギーの約７５％以上は取り出すことができ圧電素子を大幅に小型にすることができる。もしくは、圧電素子への印加電圧を大幅に低下させることができる。
【００６６】
以上の関係を実際の値を用いて算出する。
【００６７】
圧電素子はヤング率４．４Ｅ１０［Ｎ／ｍ２］、直径５［ｍｍ］、長さ１０［ｍｍ］、最大変位量６［μｍ］の物を用いており、ダイヤフラムは圧電素子と同じ直径５［ｍｍ］の場合である。このとき、圧電素子の最大発生力は５１８［Ｎ］、圧電素子の保有エネルギーは１．５６Ｅ−３［Ｊ］、圧電素子のコンプライアンスＣｐｚｔは４．４６Ｅ−７［ｃｍ３／ａｔｍ］と求められる。また、ダイヤフラムの排除体積Ｖ０は１．１８Ｅ−４［ｃｍ３］となる。
【００６８】
出口流路の直径φと長さｌとを変化させた場合の、出口流路の流体抵抗Ｒ、イナータンスＬ、コンプライアンスＣの値を下表に示す。ただし、動作流体の圧縮率４．９Ｅ−１０［１／Ｐａ］、動粘度を１Ｅ−６［ｍ２／ｓ］、密度１Ｅ３［ｋｇ／ｍ３］の場合である。
【００６９】
2004060636.tif 000016
【００７０】
また、出口流路の直径φと長さｌとを変化させた場合について、圧電素子の出力エネルギーＥｍａｘを（６）式によって、圧電素子が出力エネルギーＥｍａｘを出力した際の出口流路内流速をＱ（Ｔ）を（５）式によって算出し、求められた出口流路内流体のイナータンスに保存されたエネルギーと圧電素子の保有エネルギーＥとの比率とを下の表に示す。
【００７１】
2004060636.tif 000017
【００７２】
このように、出口流路の直径φと長さｌとによって、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子（ＰＺＴ）保有エネルギーとの比率が変化する様子が求められている。そこで、圧電素子の保有エネルギーを効率よく出力させ、さらに、その出力エネルギーを効率よく出口流路の流体の運動エネルギーに変換するためには、出口流路内流体のイナータンス保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が少なくとも２５％以上となるように、出口流路の直径φと長さｌとを決定する必要がある。より好ましくは、出口流路内流体のイナータンス保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が少なくとも５０％以上となるように、出口流路の直径φと長さｌとを決定すればよい。
【００７３】
上表の算出時と同様の条件のもと、出口流路の直径φと長さｌとをより広い範囲で変化させ、それぞれの場合における出口流路内流体のイナータンス保存されるエネルギーと圧電素子（ＰＺＴ）保有エネルギーとの比率を示すグラフを図３に示す。
【００７４】
図３において、横軸が出口流路の直径φ［ｍｍ］で、縦軸が出口流路の長さｌ［ｍｍ］である。そして、実線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が７５％以上の領域であり、一点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が５０％以上の領域であり、二点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が２５％以上の領域である。
【００７５】
次に、圧電素子の直径１０［ｍｍ］、ダイヤフラムも圧電素子と同じ直径１０［ｍｍ］の場合を示す。このとき、圧電素子の最大発生力は２０７０［Ｎ］、圧電素子の保有エネルギーは６．２２Ｅ−３［Ｊ］、圧電素子のコンプライアンスＣｐｚｔは１．７８Ｅ−６［ｃｍ３／ａｔｍ］と求められる。また、ダイヤフラムの排除体積Ｖ０は４．７１Ｅ−４［ｃｍ３］となる。
【００７６】
出口流路の直径φと長さｌとを変化させた場合について、圧電素子の出力エネルギーＥｍａｘを（６）式によって、圧電素子が出力エネルギーＥｍａｘを出力した際の出口流路内流速をＱ（Ｔ）を（５）式によって算出し、求められた出口流路内流体のイナータンスに保存されたエネルギーと圧電素子の保有エネルギーＥとの比率とを下の表に示す。
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【００７７】
上表の算出時と同様の条件のもと、出口流路の直径φと長さｌとをより広い範囲で変化させ、それぞれの場合における出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子（ＰＺＴ）保有エネルギーとの比率を示すグラフを図４に示す。
【００７８】
図４において、横軸が出口流路の直径φ［ｍｍ］で、縦軸が出口流路の長さｌ［ｍｍ］である。そして、実線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が７５％以上の領域であり、一点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が５０％以上の領域であり、二点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が２５％以上の領域である。
【００７９】
次に、圧電素子の直径２［ｍｍ］、ダイヤフラムも圧電素子と同じ直径２［ｍｍ］の場合を示す。このとき、圧電素子の最大発生力は８２．９［Ｎ］、圧電素子の保有エネルギーは２．４９Ｅ−４［Ｊ］、圧電素子のコンプライアンスＣｐｚｔは７．１４Ｅ−８［ｃｍ３／ａｔｍ］と求められる。また、ダイヤフラムの排除体積Ｖ０は１．８８Ｅ−５［ｃｍ３］となる。
【００８０】
出口流路の直径φと長さｌとを変化させた場合について、圧電素子の出力エネルギーＥｍａｘを（６）式によって、圧電素子が出力エネルギーＥｍａｘを出力した際の出口流路内流速をＱ（Ｔ）を（５）式によって算出し、求められた出口流路内流体のイナータンスに保存されたエネルギーと圧電素子の保有エネルギーＥとの比率とを下の表に示す。
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【００８１】
上表の算出時と同様の条件のもと、出口流路の直径φと長さｌとをより広い範囲で変化させ、それぞれの場合における出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子（ＰＺＴ）保有エネルギーとの比率を示すグラフを図５に示す。
【００８２】
図５において、横軸が出口流路の直径φ［ｍｍ］で、縦軸が出口流路の長さｌ［ｍｍ］である。そして、実線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が７５％以上の領域であり、一点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が５０％以上の領域であり、二点鎖線で囲まれる領域が、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率が２５％以上の領域である。
【００８３】
一方、出口流路の長さと等価直径との関係において、等価直径に比較して長さが短すぎる場合、出口流路は管路形状というよりオリフィス形状に近くなり流体抵抗が激増して流体抵抗で消費されるエネルギーも激増し、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率は大幅に低下する。そのような状態を防止するためには、出口流路の長さは流路の等価直径の１／２以上とするのが良い。出口流路の流路断面積が変化している場合は、出口流路の長さは等価直径の平均値の１／２以上とすれば良い。
ここで、等価直径とは、等価直径をＤｅとすると
Ｄｅ＝４Ａｆ／Ｗｐ
Ａｆ：流路断面積
Ｗｐ：断面にある壁面の長さ
として定義されるものである。
【００８４】
上述の内容と図３、図４、図５とにより、圧電素子保有エネルギーを有効に出口流路内流体のイナータンスに保存させるための出口流路の寸法範囲は、流路直径φは概略７０［μｍ］以上で３［ｍｍ］以下、流路長さは概略４５［ｍｍ］以下の範囲である。
【００８５】
以上であるが、本発明で記載しているイナータンス、コンプライアンスは、従来からある電気系と音響系とのアナロジーで使用されているものと同様のものである。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のポンプは、弁を入口流路だけに配置すればよく、弁等の流体抵抗要素を入口流路だけに配置すればいいので、流体抵抗要素での圧力損失を減らすとともに、ポンプの信頼性を高めることができる。
【００８７】
また、ピストン或いはダイヤフラムと、それを駆動するアクチュエータとの間には変位拡大機構が配置されておらず、弁に粘性抵抗を利用していないので高周波駆動に対応し、高周波駆動することでポンプの出力を増加することができる。特に、アクチュエータとして請求項８乃至９に記載したような圧電素子や超磁歪素子を使用するときには、素子の高い周波数応答性を十分に生かし小型軽量で高出力のポンプを実現できる。
【００８８】
さらに、請求項１乃至２のような出口流路寸法とすることで、圧電素子６が出力するエネルギーの２５％以上を出口流路の流体の運動エネルギーに変換することができ、ポンプの効率が向上する。
さらに、請求項３のような出口流路寸法とすることで、圧電素子６の保有エネルギーの約２５％を出力エネルギーとして取り出すことでき、圧電素子を小型化することができる。
さらに、請求項４乃至７記載の出口流路寸法とすることで、圧電素子保有エネルギーを有効に出口流路内流体の運動エネルギーに変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態のポンプ構造の縦断面を示す図である。
【図２】実施形態のポンプ動作時の各状態量を示すグラフである。
【図３】本実施形態のポンプにおいて圧電素子とダイヤフラムの直径がφ５［ｍｍ］である場合の、出口流路寸法と、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率との関係を示したグラフである。
【図４】本実施形態のポンプにおいて圧電素子とダイヤフラムの直径がφ１０［ｍｍ］である場合の、出口流路寸法と、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率との関係を示したグラフである。
【図５】本実施形態のポンプにおいて圧電素子とダイヤフラムの直径がφ２［ｍｍ］である場合の、出口流路寸法と、出口流路内流体のイナータンスに保存されるエネルギーと圧電素子保有エネルギーとの比率との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１　　入口流路
２　　出口流路
３　　ポンプ室
４　　逆止弁
５　　ダイヤフラム（可動壁）
６　　圧電素子（アクチュエータ）
【図１】
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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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