JP6179993B2 - デュアルキャビティポンプ - Google Patents

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関連出願の相互参照
本発明は、米国特許法第１１９条（ｅ）下で２０１１年９月２１日に出願された「ディスクポンプおよびバルブ構造」という名称の米国仮特許出願第６１／５３７，４３１号明細書の利益を主張するものであり、同明細書はあらゆる目的において参照により本明細書中に組み込まれる。

本発明の例証的な実施形態は、全般的に、流体用ポンプ、特に、ポンピングキャビティが、端壁と、それらの間の側壁とを有する実質的に円筒形状であり、アクチュエータが端壁間に配置されたポンプに関する。本発明の例証的な実施形態は、特に、アクチュエータ内に取り付けられたバルブと、端壁の１つに取り付けられた少なくとも１つの追加のバルブとを有するディスクポンプに関する。

閉じたキャビティ内における高振幅圧力振動の生成は熱音響学およびポンプ型圧縮機の分野において大きな注目を受けている。非線形音響学における最近の発展により、従前可能と考えられていたものよりも高い振幅を有する圧力波の生成が可能になった。

規定の入口および出口からの流体の圧送を実現するために音響共振を使用することは周知である。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のキャビティを使用して実現することができる。このような円筒状のキャビティでは、音響圧力波は限定された振幅を有する。高振幅圧力振動を実現し、それによって、圧送効果を大幅に増加するために円錐、ホーン型円錐、バルブなどの様々な断面を有するキャビティが使用されてきた。このような高振幅波では、エネルギ散逸を伴う非線形メカニズムが抑制される。しかしながら、近時まで、ディスク形状のキャビティ内において半径方向圧力振動が励起される高振幅音響共振は利用されていない。国際公開第２００６／１１１７７５号パンフレットとして公開されている国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２００６／００１４８７号明細書では、高いアスペクト比、すなわち、キャビティの半径とキャビティの高さの比率を有する実質的にディスク形状のキャビティを有するポンプを開示している。

このようなポンプは各端部が端壁によって閉じられた側壁を含む実質的に円筒状のキャビティを有する。ポンプは、また、端壁のいずれか１つが従動端壁の表面に実質的に垂直な方向に振動するように駆動するアクチュエータを含む。従動端壁の動きの空間的プロファイルはキャビティ内の流体圧力振動の空間的プロファイルに整合するものとして記載されるが、これは本明細書中においてはモード整合として記載される状態である。ポンプがモード整合される場合、アクチュエータがキャビティ内の流体に実施する仕事が構造的に従動端壁表面全体に付加され、それによって、キャビティ内の圧力振動の振幅が増加し、高いポンプ効率が伝達される。モード整合されるポンプの効率は従動端壁と側壁との間のインターフェースに依拠する。このようなポンプの効率を、インターフェースが従動端壁の動きを減少も減衰もせず、それによって、キャビティ内における流体圧力振動の振幅のあらゆる減少を軽減するようにインターフェースを構成することによって維持することが望ましい。

上に記載したポンプのアクチュエータにより、端壁に対して実質的に垂直な方向に、または円筒状のキャビティの長手方向の軸線に対して実質的に平行する方向に従動端壁の振動動作（「変位振動」）を生じさせる。以下、この振動はキャビティ内における従動端壁の「軸方向振動」と呼ばれる。従動端壁の軸方向振動は、キャビティ内における流体の実質的に比例する「圧力振動」を生じさせ、参照によって本明細書中に組み込まれる国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２００６／００１４８７号明細書に記載されるような、第１種ベッセル関数の分布を近似する半径方向圧力分布を形成する。以下、このような振動はキャビティ内における流体圧力の「半径方向振動」と呼ばれる。アクチュエータと側壁との間の従動端壁の一部は、変位振動の減衰を減少し、キャビティ内における圧力振動のあらゆる低下を軽減するインターフェースをポンプの側壁に提供する。このような部分は、特に、参照によって本明細書中に組み込まれる米国特許出願第１２／４７７，５９４号明細書に記載されるように、以下、「アイソレータ」と呼ばれる。アイソレータの例証的な実施形態は従動端壁の周辺部分と作動的に組み合わされ、変位振動の減衰を低減する。

このようなポンプには、ポンプを通過する流体の流れを制御するための１つまたは複数のバルブ、より具体的には、高周波で動作することができるバルブも必要である。種々の用途における従来のバルブは、一般に、５００Ｈｚ未満の低周波で動作する。例えば、従来の圧縮機の多くは、一般に、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで動作する。当技術分野において公知の線形共振圧縮機は１５０Ｈｚ〜３５０Ｈｚで動作する。しかしながら、医療デバイスを含む多くの可搬式電子デバイスは、比較的小型サイズの、正圧を送達する、または真空を提供するためのポンプを必要とする。また、個別の動作を提供するために、動作時、このようなポンプが不可聴であると有利である。これら目的を達成するために、このようなポンプは超短波で動作せねばならず、約２０ｋＨｚ以上での動作が可能なバルブを必要とする。これら高周波での動作のために、バルブは、ポンプを通過する流体の正味の流れを形成するために整流されうる高周波振動圧力（ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）に応動するものでなければならない。

このようなバルブは、参照によって本明細書中に組み込まれる国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０６１４号明細書により詳細に記載されている。ポンプを通過する流体の流れを制御するために、バルブを第１の孔もしくは第２の孔のいずれか、または両孔内に配置してもよい。各バルブは、第１のプレート内に略垂直に延在する孔を有する第１のプレートと、また、第２のプレート内に略垂直に延在する孔を有する第２のプレートとを含む。第２のプレートの孔は第１のプレートの孔から実質的にずれている。バルブは、第１のプレートと第２のプレートとの間に配置された側壁をさらに含み、側壁は第１のプレートおよび第２のプレートの外周部の周りにおいて閉じられ、第１のプレートと第２のプレートとの間に、第１のプレートの孔と第２のプレートの孔とに流体連通するキャビティを形成する。バルブは、第１のプレートと第２のプレートとの間に配置され、かつ可動のフラップをさらに含み、フラップは、第１のプレートの孔から実質的にずれており、かつ第２のプレートの孔と実質的に整列した孔を有する。フラップは、バルブ全体における流体の差圧の方向の変化に応答して第１のプレートと第２のプレートとの間において誘導される。

上記のポンプキャビティの従動端部壁内に配置される場合に、動作中に流体の流れがさらされる振動下において流体の流れを高周波で制御するのに適したアクチュエータ搭載型バルブのデザインを開示する。

参照により本明細書中に組み込む関連の国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０６１４号明細書に高周波での動作に適したバルブの一般的な構造が記載されている。本発明の例証的な実施形態は、ポンプのキャビティ間に共通の内壁を含むデュアルキャビティ構造を有するディスクポンプに関する。

より具体的には、ポンプの１つの好適な実施形態は、２つの端壁によって閉じられた実質的に楕円形状の側壁と、互いに隣接し、かつ側壁によって支持され、前記ポンプ本体内に、流体を収容するための２つのキャビティを形成する一対の内部プレートとを有するポンプ本体を含む。各キャビティは高さ（ｈ）および半径（ｒ）を有し、半径（ｒ）と高さ（ｈ）の比率が約１．２超である。

このポンプは、また、内部プレートによって形成されたアクチュエータを含み、内部プレートの１つを他方の内部プレートの中心部分と作動的に組み合わせて振動動作を生じさせるようになっているため、使用時にアクチュエータに印加されている駆動信号に応答し、少なくとも１つの環状圧力ノードを含むキャビティのそれぞれの内部において流体の半径方向圧力振動を発生させる。

ポンプは、アクチュエータ内に延在して流体が１つのキャビティから他方のキャビティに流れることを可能にする第１の孔をさらに含み、前記第１の孔には第１の孔を通過する流体の流れを制御するための第１のバルブが配置されている。ポンプは、端壁のうち第１の端壁に隣接するキャビティ内を流体が流れることを可能にする、端壁のうち第１の端壁内に延在する第２の孔をさらに含む。第２のバルブは第２の孔内に配置され、第２の孔を通過する流体の流れを制御する。

ポンプは、端壁のうち第２の端壁内に延在し、端壁のうち第２の端壁に隣接するキャビティ内を流体が流れることを可能にする第３の孔をさらに含み、それにより、使用時に流体が１つのキャビティ内に流れ、他方のキャビティから出る。ポンプは、第３の孔内に配置された、使用時に第３の孔を通過する流体の流れを制御するための第３のバルブをさらに含んでもよい。

例証的な実施形態の他の目的、特徴および利点が本明細書中に開示され、かつ図面および以下の詳細な説明を参照すると明らかになろう。

図１Ａは、本発明の例証的な実施形態による第１のポンプの概略断面図を示す。 図１Ｂは、図１Ａの第１のポンプの概略斜視図を示す。 図１Ｃは、図１Ａの線１Ｃ−１Ｃに沿って切った図１Ａの第１のポンプの概略断面図を示す。 図２Ａは、本発明の例証的な実施形態による第２のポンプの概略断面図を示す。 図２Ｂは、本発明の例証的な実施形態による第３のポンプの概略断面図を示す。 図３は、本発明の例証的な実施形態による第４のポンプの概略断面図を示す。 図４Ａは、図１Ａの第１のポンプのアクチュエータの基本屈曲モード（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｄｅ）の軸方向変位振動のグラフを示す。 図４Ｂは、図４Ａに示される屈曲モードに応答した図１Ａの第１の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５Ａは、３つのバルブが図７Ａ〜７Ｄに示した単一バルブによって示される、図１Ａの第１のポンプの概略断面図を示す。 図５Ｂは、図７Ａ〜７Ｄのバルブの中心部分の概略断面分解図を示す。 図６は、図４Ｂに示すような図５Ａの第１のポンプのキャビティ内の流体の圧力振動のグラフを示し、破線によって示される、図５Ａのバルブ全体に印加される差圧を示す。 図７Ａは、閉位置にあるバルブの例証的な実施形態の概略断面図を示す。 図７Ｂは、図７Ｄの線７Ｂ−７Ｂに沿って切った図７Ａのバルブの分解断面図を示す。 図７Ｃは、図７Ｂのバルブの概略斜視図を示す。 図７Ｄは、図７Ｂのバルブの概略頂面図を示す。 図８Ａは、流体がバルブを流れるとき、開位置にある図７Ｂのバルブの概略断面図を示す。 図８Ｂは、閉鎖前に開位置と閉位置との間において移行する図７Ｂのバルブの概略断面図を示す。 図８Ｃは、流体流がバルブによって遮断される場合の、閉位置にある図７Ｂのバルブの概略断面図を示す。 図９Ａは、例証的な実施形態による図５Ｂのバルブ全体に印加される振動差圧の圧力グラフを示す。 図９Ｂは、開位置と閉位置との間にある図５Ｂのバルブの動作サイクルの流体流のグラフを示す。 図１０Ａは、バルブの中心部分の分解図ならびにキャビティ内において印加される振動圧力波の正部分および負部分それぞれのグラフを含む図３の第４のポンプの概略断面図を示す。 図１０Ｂは、バルブの中心部分の分解図ならびにキャビティ内において印加される振動圧力波の正部分および負部分それぞれのグラフを含む図３の第４のポンプの概略断面図を示す。 図１１は、第４のポンプのバルブの開状態および閉状態を示す。図１１Ａは、第４のポンプが自由流モードにある場合に生じる流れ特性を示す。図１１Ｂは、第４のポンプが自由流モードにある場合に生じる圧力特性を示す。 図１２は、ポンプが失速状態に達した場合に第４のポンプによって提供される最大差圧のグラフを示す。 図１３Ａは、バルブの中心部分の分解図ならびに２つのキャビティ内において印加される振動圧力波の正部分および負部分それぞれのグラフを含む図２Ｂの第３のポンプの概略断面図を示す。 図１３Ｂは、バルブの中心部分の分解図ならびに２つのキャビティ内において印加される振動圧力波の正部分および負部分それぞれのグラフを含む図２Ｂの第３のポンプの概略断面図を示す。 図１４は、第３のポンプのバルブの開状態および閉状態を示す。図１４Ａは、第３のポンプが自由流モードにある場合に生じる流れ特性を示す。図１４Ｂは、第３のポンプが自由流モードにある場合に生じる圧力特性を示す。 図１５は、ポンプが失速状態に達するときに第３のポンプによって提供される最大差圧のグラフを示す。 図１６は、第３のポンプが失速状態近辺で動作する場合の第３のポンプのバルブの生じる圧力特性を示す。図１６Ａは、第３のポンプが失速状態近辺で動作する場合の第３のポンプのバルブの開状態および閉状態を示す。図１６Ｂは、第３のポンプが失速状態近辺で動作する場合の第３のポンプのバルブの生じる流れ特性を示す。

いくつかの例証的な実施形態の以下の詳細な説明においては、本発明の一部分を形成し、かつ本発明を実施してもよい特定の好適な実施形態の実例として示される添付の図面について述べる。これら実施形態は当業者が本発明を実施することが可能になるよう十分に詳細に記載されており、他の実施形態を使用してもよく、かつ本発明の精神または範囲から逸脱することなく論理的、構造的、機械的、電気的および化学的変更を施してもよいと理解される。当業者が本明細書中に記載される実施形態を実施することを可能にするのに必要のない詳細を避けるため、記載においては当業者に公知の特定の情報を省略する場合がある。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるものではなく、例証的な実施形態の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。

図１Ａは、本発明の例証的な実施形態によるポンプ１０の概略断面図である。また、図１Ｂおよび図１Ｃを参照すると、ポンプ１０は、各端部が端板１２、１３によって閉じられた円筒状の壁１１を含むほぼ楕円形状を有するポンプ本体を含む。ポンプ１０は、ポンプ本体の円筒状の壁１１に固定された環状のアイソレータ３０によってポンプ１０内に支持された一対のディスク形状の内部プレート１４、１５をさらに含む。円筒状の壁１１の内部表面と、端板１２と、内部プレート１４と、環状のアイソレータ３０とがポンプ１０内に第１のキャビティ１６を形成し、円筒状の壁１１の内部表面と、端板１３と、内部プレート１５と、環状のアイソレータ３０とがポンプ１０内に第２のキャビティ１７を形成する。第１のキャビティ１６の内部表面は、両端が端壁２０、２２によって閉じられた円筒状の壁１１の内部表面の第１の部分である側壁１８を含む。端壁２０は端板１２の内部表面であり、端壁２２は、内部プレート１４の内部表面と、アイソレータ３０の第１の側とを含む。したがって、端壁２２は、内部プレート１４の内部表面に相当する中心部分と、環状のアイソレータ３０の内部表面に相当する周辺部分とを含む。第２のキャビティ１７の内部表面は、両端が端壁２１、２３によって閉じられた円筒状の壁１１の内部表面の第２の部分である側壁１９を含む。端壁２１は端板１３の内部表面であり、端壁２３は、内部プレート１５の内部表面と、アイソレータ３０の第２の側とを含む。したがって、端壁２３は、内部プレート１５の内部表面に相当する中心部分と、環状のアイソレータ３０の内部表面に相当する周辺部分とを含む。ポンプ１０およびその構成要素は実質的に楕円形状であるが、本明細書中に開示される特定の実施形態は丸い、楕円形状である。

円筒状の壁１１および端板１２、１３は、図１Ａに示すようなポンプ本体を含む単一構成要素であっても、図２Ａに示されるポンプ６０のポンプ本体のような別個の構成要素であってもよい。端板１２は、ポンプ６０が取り付けられるアセンブリボードであってもプリント配線アセンブリ（ＰＷＡ：ｐｒｉｎｔｅｄ ｗｉｒｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）であってもよい別個の基板１２’により形成される。キャビティ１１は実質的に円形であるが、キャビティ１１は、また、より略楕円形状であってもよい。図１Ａおよび図２Ａに示される実施形態では、キャビティ１６、１７を画定する端壁は略平坦および平行なものとして示される。しかしながら、キャビティ１６、１７それぞれの内部表面を画定する端壁１２、１３は、また、截頭円錐面を含んでもよい。特に図２Ｂを参照すると、ポンプ７０は、参照によって本明細書中に組み込まれる国際公開第２００６／１１１７７５号パンフレットにより詳細に記載されるような截頭円錐面２０’、２１’を含む。端板１２、１３およびポンプ本体の円筒状の壁１１は、金属、セラミック、ガラス、または射出成形プラスチックを含むがこれに限定されないプラスチックを含むがこれらに限定されない任意の適切な剛性材料から形成してもよい。

ポンプ１０の内部プレート１４、１５は、丁寧に（ｒｅｓｐｅｃｔｆｕｌｌｙ）キャビティ１６、１７の内部表面である端壁２２、２３の中心部分と作動的に組み合わされたアクチュエータ４０を共に形成する。内部プレート１４、１５の１つは、印加された電気信号に応答して歪みを呈する、例えば、電歪または磁歪材料などのいずれかの電気的に活性な材料を含んでもよい圧電材料で形成しなければならない。１つの好適な実施形態では、例えば、内部プレート１５は印加された電気信号に応答して歪みを呈する圧電材料で形成されており、すなわち、活性な内部プレートである。内部プレート１４，１５のもう一方は、好ましくは、活性な内部プレートに類似する曲げ剛性を有し、圧電材料で形成しても、金属またはセラミックなどの電気的に不活性な材料で形成してもよい。この好適な実施形態では、内部プレート１４は活性な内部プレート１５に類似する曲げ剛性を有し、金属またはセラミックなどの電気的に不活性な材料で形成されており、すなわち、不活性な内部プレートである。活性な内部プレート１５が電流によって励起されると、活性な内部プレート１５はキャビティ１６、１７の長手方向の軸線に対して半径方向に膨張および収縮し、内部プレート１４、１５を曲げ、それによって、端壁２２、２３に対して実質的に垂直な方向におけるそれら各々の端壁２２、２３の軸方向のたわみを誘発する（図４Ａを参照）。

不図示の他の実施形態では、アイソレータ３０は、活性な内部プレートであるか不活性な内部プレートであるかに関わらず、ポンプ１０の特定の設計および配向に応じて上面または底面から内部プレート１４、１５のいずれかを支持してもよい。別の実施形態では、アクチュエータ４０の代わりに、例えば、機械的なデバイス、磁気デバイスまたは静電デバイスなどの、内部プレート１４、１５の１つのみと力伝達関係にあるデバイスを使用してもよい。内部プレートは、そのようなデバイス（図示せず）によって上述と同じ手法で振動状態にされる材料の電気的に不活性な、すなわち受動的な層として形成してもよい。

ポンプ１０は、キャビティ１６、１７のそれぞれからポンプ１０の外側まで延びる少なくとも１つの孔をさらに含む。孔の少なくとも１つは孔を通過する流体の流れを制御するためのバルブを含む。以下により詳細に記載されるように、アクチュエータ４０が差圧を発生させる場合、キャビティ１６、１７内の任意の位置に孔を配置してもよいが、図１Ａ〜１Ｃに示されるポンプ１０の一実施形態は入口孔２６と出口孔２７とを含み、そのそれぞれが、端板１２、１３のほぼ中心に配置されており、かつ端板１２、１３内に延びている。孔２６、２７は少なくとも１つの端部バルブを含む。１つの好適な実施形態では、孔２６、２７は、矢印によって示される１つの方向に流体の流れを調整する端部バルブ２８、２９を含む。そのため、端部バルブ２８はポンプ１０の入口弁として機能する一方で、バルブ２９はポンプ１０の出口弁として機能する。端部バルブ２８、２９を含む孔２６、２７への言及はいずれも、端部バルブ２８、２９の外側、すなわち、ポンプ１０のキャビティ１６、１７それぞれの外側の開口部の部分を意味する。

ポンプ１０は、キャビティ１６とキャビティ１７との間において、アクチュエータ４０内に延びる少なくとも１つの孔をさらに含む。孔の少なくとも１つは孔を通過する流体の流れを制御するためのバルブを含む。以下により詳細に記載されるように、アクチュエータ４０が差圧を発生させる場合、キャビティ１６とキャビティ１７との間のアクチュエータ４０上の任意の位置にこれら孔を配置してもよいが、図１Ａ〜１Ｃに示されるポンプ１０の１つの好適な実施形態は、内部プレート１４、１５のほぼ中心に配置されており、かつ内部プレート１４、１５内に延びるアクチュエータ孔３１を含む。アクチュエータ孔３１は、キャビティ１６とキャビティ１７との間における流体の流れを、矢印によって示される１つの方向に（この実施形態では、第１のキャビティ１６から第２のキャビティ１７に）調整するアクチュエータバルブ３２を含む。このため、アクチュエータバルブ３２は第１のキャビティ１６からの出口弁として、および第２のキャビティ１７への入口弁として機能する。以下にさらに詳細に記載されるように、アクチュエータバルブ３２は、キャビティ１６とキャビティ１７との間における流体の流れを増大し、出口弁２７とともに入口弁２６の動作を補足することによってポンプ１０の出力を向上する。

本明細書中に記載されるキャビティ１６、１７の寸法はそれぞれ、好ましくは、キャビティ１６、１７の高さ（ｈ）と、キャビティ１６、１７の長手方向の軸線から側壁１８、１９までの距離であるそれらの半径（ｒ）との間の関係に関する特定の不等式を満たすべきである。これらの式は以下の通りである。
ｒ／ｈ＞１．２および
ｈ^２／ｒ＞４ｘ１０^−１０メートル

本発明の一実施形態においては、キャビティ１６、１７内の流体が気体である場合、キャビティ半径とキャビティ高さの比率（ｒ／ｈ）は約１０〜約５０である。この例では、キャビティ１６、１７の容量は約１０ｍｌ未満であってもよい。さらに、作動流体が液体ではなく気体である場合、ｈ^２／ｒの比率は、好ましくは、約１０^−６〜約１０^−７メートルの範囲内である。

さらに、本明細書中に開示されるキャビティ１６、１７のそれぞれは、好ましくは、キャビティ半径（ｒ）およびアクチュエータ４０が振動して端壁２２、２３の軸方向変位を発生させる周波数である動作周波数（ｆ）に関する以下の不等式を満たすべきである。不等式は以下の通りである。

［式１］
ここで、キャビティ１６、１７（ｃ）内の作動流体音速は上記の式に表される約１１５ｍ／ｓの低速（ｃ_ｓ）〜約１，９７０ｍ／ｓに等しい高速（ｃ_ｆ）の範囲であってもよく、ｋ_０は定数（ｋ_０＝３．８３）である。アクチュエータ４０の振動動作の周波数は、好ましくは、キャビティ１６、１７内の半径方向圧力振動の最低共振周波数にほぼ等しいが、その値の２０％以内であってもよい。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約５００Ｈｚ超である。

本明細書中に開示されるキャビティ１６、１７のそれぞれは上に示した不等式を個々に満たすべきであることが好ましいが、キャビティ１６、１７の相対寸法は同じ高さおよび半径を有するキャビティに限定されるべきではない。例えば、２つのキャビティ１４、１５が所望の様式で共振し、ポンプ１０から最適な出力を生じさせるように、キャビティ１６、１７のそれぞれは、異なる周波数応答を生成する、異なる半径または高さを必要とする、わずかに異なる形状を有してもよい。

動作時、ポンプ１０は、出口弁２７に隣接する、負荷（図示せず）を加圧するための正圧の供給源として機能してもよく、矢印によって示されるように、入口弁２６に隣接する、負荷（図示せず）を減圧するための負圧または減圧の供給源として機能してもよい。例えば、この負荷は処理に負圧を利用する組織処理システムであってもよい。本明細書では、用語「減圧」は、一般に、ポンプ１０が配置される周囲圧力よりも低い圧力を意味する。減圧を説明するために「真空」および「負圧」という用語を使用してもよいが、実際の減圧は、通常、完全真空を伴う減圧よりも大幅に低くてもよい。圧力はそれがゲージ圧であるという意味で「負」である。すなわち、圧力は周囲大気圧未満に減少する。特に記載しない限り、本明細書中に記載される圧力の値はゲージ圧である。減圧の増加への言及は、一般に、絶対圧の減少を意味する一方で、減圧の減少は、一般に、絶対圧の増加を意味する。

上に示したように、ポンプ１０は、少なくとも１つのアクチュエータバルブ３２と、少なくとも１つの端部バルブ、すなわち端部バルブ２８、２９の１つと、を含む。例えば、ポンプ７０は、端部バルブ２８、２９の１つのみを含み、孔２６、２７のもう一方を開いたままにしてもよい。さらに、キャビティ１６、１７の１つを端部バルブ２８、２９の１つとともに排除するために端壁１２、１３のいずれか１つを完全に取り除いてもよい。特に図３を参照すると、ポンプ８０は、わずか１つの端部バルブ、すなわち、出口孔２７内に収容された端部バルブ２９とともに、わずか１つの端壁およびキャビティ、すなわち端壁１３およびキャビティ１７を含む。この実施形態では、アクチュエータバルブ３２はポンプ８０の入口として機能する。このため、矢印によって示されるように、アクチュエータ４０内に延びる孔が入口孔３３としての機能を果たす。ポンプ８０のアクチュエータ４０は、内部プレート１４がキャビティ１７内部に配置された状態で内部プレート１４、１５の配置が反転されるように配向される。しかしながら、ポンプ８０が、例えば、プリント回路基板８１などの任意の基板上に配置される場合、活性な内部プレート１５が中に配置された二次キャビティ１６’を形成してもよい。

図４Ａは、各々のキャビティ１６、１７の従動端壁２２、２３の軸方向振動を示す１つの可能な変位プロファイルを示す。実線の曲線および矢印はある時点における従動端壁２３の変位を示し、破線の曲線は半サイクル（ｏｎｅ ｈａｌｆ−ｃｙｃｌｅ）後の従動端壁２３の変位を示す。この図およ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はその外周部において強固に取り付けられておらずむしろ環状のアイソレータ３０によって吊されているため、その基本モードにおいてアクチュエータ４０はその質量中心を中心として自由に振動する。この基本モードでは、従動端壁２２、２３の中心と、側壁１８、１９との間に配置された環状変位ノード４２におけるアクチュエータ４０の変位振動の振幅は実質的にゼロである。垂直矢印によって示されるように、端壁１２上の他の点における変位振動の振幅はゼロよりも大きい。中心変位アンチノード４３がアクチュエータ４０の中心近辺にあり、周辺変位アンチノード４３’がアクチュエータ４０の外周部近辺にある。中心変位アンチノード４３は半サイクル後の破線の曲線によって示される。

図４Ｂは、図４Ａに示される軸方向変位振動から生じるキャビティ１６、１７のそれぞれ内部の圧力振動を示す１つの可能な圧力振動プロファイルを示す。実線の曲線および矢印はある時点における圧力を示す。このモードおよび高次のモードにおいては、圧力振動の振幅は、キャビティ１７の中心近辺に正の中心圧力アンチノード４５およびキャビティ１６の側壁１８近辺に周辺圧力アンチノード４５’を有する。中心圧力アンチノード４５と周辺圧力アンチノード４５’との間にある環状圧力ノード４４における圧力振動の振幅は実質的にゼロである。同時に、破線によって示される圧力振動の振幅は、周辺圧力アンチノード４７’および同じ環状圧力ノード４４を有するキャビティ１６の中心近辺に負の中心圧力アンチノード４７を有する。円筒状のキャビティでは、キャビティ１６、１７内の圧力振動の振幅の半径依存性を第１種ベッセル関数によって近似してもよい。上に記載した圧力振動はキャビティ１６、１７内における流体の半径方向の動きから生じるものであるため、アクチュエータ４０の軸方向変位振動とは区別され、キャビティ１６、１７内における流体の「半径方向圧力振動」と呼ばれる。

さらに図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、キャビティ１６、１７のそれぞれ１つの所望の圧力振動の振幅の半径依存性（圧力振動の「モード形」）によりぴったりと一致するようにアクチュエータ４０の軸方向変位振動（アクチュエータ４０の「モード形」）の振幅の半径依存性が第１種ベッセル関数を近似すべきであることがわかる。アクチュエータ４０をその外周部において強固に取り付けず、その質量中心を中心としてより自由に振動することを可能にすることによって、変位振動のモード形はキャビティ１６、１７内の圧力振動のモード形に実質的に整合し、したがって、モード形整合（ｍｏｄｅ−ｓｈａｐｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ）または、より簡潔にはモード整合を実現する。モード整合はこの点においては常に完全でないかもしれないが、アクチュエータ４０の軸方向変位振動と、対応するキャビティ１６、１７内における圧力振動とがアクチュエータ４０の全表面において実質的に同じ相対位相を有し、キャビティ１６、１７内の圧力振動の環状圧力ノード４４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４２の半径方向位置とが実質的に一致している。

アクチュエータ４０はその質量中心を中心として振動するため、図４Ａに示されるようにアクチュエータ４０がその基本屈曲モードにおいて振動する場合、必然的に環状変位ノード４２の半径方向位置はアクチュエータ４０の半径の内部に配置される。したがって、環状変位ノード４２が環状圧力ノード４４に一致することを確実にするために、モード整合の最適化のためアクチュエータの半径（ｒ_ａｃｔ）を好ましくは環状圧力ノード４４の半径よりも大きくすべきである。再度、キャビティ１６、１７内の圧力振動が第１種ベッセル関数を近似すると想定すると、環状圧力ノード４４の半径は端壁２２、２３の中心から側壁１８、１９までの半径の約０．６３、すなわち、図１Ａに示されるようなキャビティの半径１６、１７（「ｒ」）である。したがって、アクチュエータ４０（ｒ_ａｃｔ）の半径は好ましくは以下の不等式、ｒ_ａｃｔ≧０．６３ｒを満たすべきである。

環状のアイソレータ３０は、図４Ａの周辺変位アンチノード４３’における変位によって示されるようにアクチュエータ４０の振動に応答して屈曲および延伸することによって上述のようにアクチュエータ４０の縁端がより自由に動くことを可能にする可撓性膜であってもよい。可撓性膜は、アクチュエータ４０とポンプ１０の円筒状の壁１１との間に低い機械的インピーダンスによる支持を提供することによってアクチュエータ４０の側壁１８、１９の潜在的減衰効果に打ち勝ち、それによって、アクチュエータ４０の周辺変位アンチノード４３’における軸方向振動の減衰を低減する。本質的に、可撓性膜は、可撓性膜の外部周辺縁部が実質的に静止したままの状態で、アクチュエータ４０から側壁１８、１９に伝達されるエネルギを最小にする。したがって、環状変位ノード４２はポンプ１０のモード整合状態を維持するために環状圧力ノード４４と実質的に整列したままになる。したがって、従動端壁２２、２３の軸方向変位振動は、図４Ｂに示すように、キャビティ１６、１７内における、側壁１８、１９の中心圧力アンチノード４５、４７から周辺圧力アンチノード４５’、４７’までの圧力の振動を効率的に発生させ続ける。

図５Ａを参照すると、バルブ２８、２９、３２を備えた図１Ａのポンプ１０が示される。バルブ２８、２９、３２は全て、例えば、図７Ａ〜７Ｄに示され、かつ図５Ｂに示される中心部分１１１を有するバルブ１１０によって示されるように構造が実質的に類似している。図５〜９に関連する以下の説明は全て、ポンプ１０またはポンプ６０、７０もしくは８０の孔２６、２７、３１のいずれか１つに配置してもよい単一バルブ１１０の機能に基づく。図６は、図４Ｂに示すようなポンプ１０内の流体の圧力振動のグラフを示す。上述のように、バルブ１１０は流体が１つの方向にのみ流れることを可能にする。バルブ１１０は、逆止弁であっても流体が１つの方向にのみ流れることを可能にする任意の他のバルブであってもよい。いくつかのバルブタイプでは開位置と閉位置との間において切り換えることによって流体の流れを調整してもよい。このようなバルブがアクチュエータ４０によって発生した高周波で動作するためには、バルブ２８、２９、３２が圧力変動の時間尺度よりも大幅に短い時間尺度で開閉することができるようにそれらは極めて速い応答時間を有していなければならない。バルブ２８、２９、３２の一実施形態は、低慣性を有するため、バルブ構造全体の相対圧力の変化に応答して迅速に動くことができる極めて軽量のフラップバルブを用いることによってこれを実現する。

図７Ａ〜Ｄおよび５Ｂを参照すると、上に記載したバルブ１１０は例証的な実施形態によるポンプ１０のフラップバルブである。バルブ１１０は、環状であり、一端が保持プレート１１４によって閉じられ、他端が密閉プレート１１６によって閉じられた実質的に円筒状の壁１１２を含む。壁１１２の内部表面と、保持プレート１１４と、密閉プレート１１６とがバルブ１１０内にキャビティ１１５を形成する。バルブ１１０は、保持プレート１１４と密閉プレート１１６との間に配置されるが密閉プレート１１６に隣接する実質的に円形のフラップ１１７をさらに含む。円形のフラップ１１７は、以下にさらに詳細に記載される別の実施形態においては保持プレート１１４に隣接して配置してもよく、この意味において、フラップ１１７は密閉プレート１１６または保持プレート１１４のいずれか１つに対して「付勢される」とみなされる。フラップ１１７の周辺部分は密閉プレート１１６と環状壁１１２との間に挟まれるため、フラップ１１７の動きはフラップ１１７の表面に実質的に垂直な面内に制限される。このような面内におけるフラップ１１７の動きは、また、密閉プレート１１６または壁１１２のいずれかに直接取り付けられたフラップ１１７の周辺部分によって制限してもよく、別の実施形態においては環状壁１１２内に締りばめされたフラップ１１７によって制限してもよい。フラップ１１７の残部は十分に可撓性があり、かつフラップ１１７の表面に対して実質的に垂直な方向に可動のため、フラップ１１７のいずれかの表面に印加される力が密閉プレート１１６と保持プレート１１４との間のフラップ１１７を作動させる。

保持プレート１１４および密閉プレート１１６は両方とも、各プレート内に延びる、それぞれ穴１１８および穴１２０を有する。フラップ１１７は、また、図５Ｂおよび図８Ａの破線矢印１２４によって示されるように流体が流れてもよい通路を提供するために保持プレート１１４の穴１１８と全般的に整列した穴１２２を有する。フラップ１１７内の穴１２２は、また、保持プレート１１４内の穴１１８と部分的に整列してもよく、すなわち部分的な重なりのみを有する。穴１１８、１２０、１２２は実質的に均等な大きさおよび形状のものとして示されるが、それらは本発明の範囲を限定することなく異なる直径のものであってもさらには異なる形状のものであってもよい。本発明の一実施形態においては、図７Ｄの実線および点線の円によってそれぞれ示されるように穴１１８および穴１２０はプレートの表面全体に交互するパターンを形成する。他の実施形態では、破線矢印１２４の個々の組によって示されるように穴１１８、１２０、１２２の個々の組み合わせの機能に関してバルブ１１０の動作を生じさせることなく穴１１８、１２０、１２２を異なるパターンで配置してもよい。必要に応じてバルブ１１０を通過する流体の総流を制御するため、穴の数を増加または減少するように穴１１８、１２０、１２２のパターンを設計してもよい。例えば、バルブ１１０の総流量を増加するためにバルブ１１０の流れ抵抗を低減するため、穴１１８、１２０、１２２の数を増加してもよい。

また、図８Ａ〜８Ｃを参照すると、バルブ１１０の中心部分１１１は、フラップ１１７の表面のいずれかに力が印加された場合にフラップ１１７が密閉プレート１１６と保持プレート１１４との間においていかに誘導されるかを示す。フラップ１１７の付勢に打ち勝つための力がフラップ１１７のいずれの表面にも印加されない場合、バルブ１１０は、フラップの穴１２２が密閉プレート１１６の穴１１８からずれているか整列していない「常時閉」位置にあるため、フラップ１１７は密閉プレート１１６に隣接して配置されている。この「常時閉」位置においては、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、密閉プレート１１６を通過する流体の流れはフラップ１１７の非多孔部分によって実質的に遮断またはカバーされる。図５Ｂおよび図８Ａに示すようにフラップ１１７の付勢に打ち勝ち、かつフラップ１１７を密閉プレート１１６から離して保持プレート１１４の方に誘導する圧力がフラップ１１７の両側に印加されると、バルブ１１０は、ある時間をかけて、すなわち開時間遅延（ｏｐｅｎｉｎｇ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ）（Ｔ_ｏ）において常時閉位置から「開」位置に動き、流体が破線矢印１２４によって示される方向に流れることを可能にする。図８Ｂに示すように圧力が方向を変化すると、フラップ１１７は密閉プレート１１６の方、常時閉位置に再び誘導される。これが起こると、フラップ１１７が密閉プレート１１６の穴１２０を密閉し、図８Ｃに示すように密閉プレート１１６を通過する流体の流れを実質的に遮断するまで破線矢印１３２により示される反対方向に短時間、すなわち閉時間遅延（ｃｌｏｓｉｎｇ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ）（Ｔ_ｃ）流体が流れる。本発明の他の実施形態では、穴１１８、１２２を「常時開」位置に位置合わせした状態でフラップ１１７を保持プレート１１４に対して付勢してもよい。この実施形態では、フラップ１１７に対する正圧の印加はフラップ１１７を「閉」位置に誘導するのに必要である。本明細書ではバルブ動作に関する「密閉される」および「遮断される」という用語は、バルブの流れ抵抗が「開」位置よりも「閉」位置において大きくなるように相当な（だが完全ではない）密閉または遮断が生じる場合を含むことを意図することに留意されたい。

バルブ１１０の動作は、バルブ１１０全体の流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化の関数である。図８Ｂでは、差圧には下向きの矢印によって示される負値（−ΔＰ）が割り当てられている。差圧が負値（−ΔＰ）を有する場合、保持プレート１１４の外部表面の流体圧力は密閉プレート１１６の外部表面の流体圧力よりも大きい。上述のように、この負差圧（−ΔＰ）はフラップ１１７を完全な閉位置に駆動し、完全な閉位置では、フラップ１１７が密閉プレート１１６に押しつけられ、密閉プレート１１６内の穴１２０を遮断し、それによって、バルブ１１０を通過する流体の流れを実質的に防止する。バルブ１１０全体の差圧が反転し、図８Ａの上向きの矢印によって示される正差圧（＋ΔＰ）になる場合、フラップ１１７は密閉プレート１１６から離れる方におよび保持プレート１１４に向かう方に開位置に誘導される。差圧が正値（＋ΔＰ）を有する場合、密閉プレート１１６の外部表面の流体圧力は保持プレート１１４の外部表面の流体圧力よりも大きい。開位置では、フラップ１１７の動きが密閉プレート１１６の穴１２０を遮断しないため、破線矢印１２４によって示されるように、流体が密閉プレート１１６の穴１２０ならびに整列したフラップ１１７および保持プレート１１４それぞれの穴１２２および穴１１８を流れることができる。

図８Ｂの下向きの矢印によって示されるようにバルブ１１０全体の差圧が正差圧（＋ΔＰ）から再び負差圧（−ΔＰ）に変化すると、破線矢印１３２によって示されるように流体がバルブ１１０内を反対方向に流れ始め、これにより、フラップ１１７を図８Ｃに示される閉位置に強制的に戻す。図８Ｂでは、フラップ１１７と密閉プレート１１６との間の流体圧力はフラップ１１７と保持プレート１１４との間の流体圧力よりも低い。したがって、フラップ１１７に矢印１３８により示される正味の力がかけられ、これがフラップ１１７を密閉プレート１１６に向かって加速させ、バルブ１１０を閉じる。このようにして、差圧の変化により、バルブ１１０を、バルブ１１０全体の差圧の方向（すなわち正または負）に基づき閉位置と開位置との間において循環させる。差圧がバルブ１１０全体に印加されない場合、フラップ１１７を保持プレート１１４に対して開位置にて付勢することができる、すなわち、したがって、バルブ１１０が「常時開」位置にあることを理解すべきである。

図５Ｂおよび図８Ａに示すようにバルブ１１０全体の差圧が反転し、正差圧（＋ΔＰ）になると、付勢されたフラップ１１７は、密閉プレート１１６から離れて保持プレート１１４に対して誘導され開位置になる。この位置においては、フラップ１１７の動きが密閉プレート１１６の穴１２０を遮断しないため、破線矢印１２４によって示されるように、流体が密閉プレート１１６の穴１２０ならびに整列した保持プレート１１４の穴１１８とフラップ１１７の穴１２２を流れることが可能となる。差圧が正差圧（＋ΔＰ）から再び負差圧（−ΔＰ）に変化すると、流体がバルブ１１０内を反対方向に流れ始め（図８Ｂを参照）、これがフラップ１１７を閉位置に向かって強制的に戻す（図８Ｃを参照）。したがって、バルブ１１０が開位置にある場合、キャビティ１６、１７内の圧力振動がバルブ１１０を常時閉位置と開位置との間において循環するとポンプ１０は半サイクル毎に減圧を提供する。

上に示したように、バルブ１１０の動作はバルブ１１０全体における流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化の関数である。差圧（ΔＰ）は保持プレート１１４の全面にわたり実質的に均一であると想定される。この理由は、（１）保持プレート１１４の直径がキャビティ１１５内の圧力振動の波長に対して小さいこと、および（２）バルブ１１０が、図６に示される正の中心圧力アンチノード４５の正の矩形部分５５および負の中心圧力アンチノード４７の負の矩形部分６５により示されるように正の中心圧力アンチノード４５の振幅が比較的一定な、キャビティ１６、１７の中心近辺に位置することである。したがって、バルブ１１０の中心部分１１１における圧力の空間的変動は事実上ない。

図９は、バルブ１１０が時間とともに正値（＋ΔＰ）と負値（−ΔＰ）との間において変化する差圧にさらされる場合のバルブ１１０の動的動作をさらに示す。実際にはバルブ１１０全体の差圧の時間依存はほぼ正弦波であってもよいが、バルブの動作の説明を容易にするため、バルブ１１０全体の差圧の時間依存は図９Ａに示される矩形波形態において変化するものと想定される。正差圧５５は正圧時限（ｔ_Ｐ＋）にわたりバルブ１１０全体に印加され、負差圧６５は矩形波の負圧時限（ｔ_Ｐ−）にわたりバルブ１１０全体に印加される。図９Ｂは、この時間変動圧力に応じたフラップ１１７の動きを示す。また、上に記載したように、および図９Ｂのグラフによって示されるように、差圧（ΔＰ）が負６５から正５５に切り替わると、バルブ１１０が開き始め、バルブフラップ１１７が保持プレート１１４に接触するまで開時間遅延（Ｔ_ｏ）にわたり開き続ける。また、上に記載したように、および図９Ｂに示すように、その後、差圧（ΔＰ）が再び正差圧５５から負差圧６５に切り替わると、バルブ１１０は閉じ始め、閉時間遅延（Ｔ_ｃ）にわたり閉じ続ける。

保持プレート１１４および密閉プレート１１６は大きな機械的変形なくそれらがさらされる流体圧力振動に耐えるのに十分なほど頑丈にすべきである。保持プレート１１４および密閉プレート１１６はガラス、シリコン、セラミックまたは金属などの任意の適切な剛性材料から形成してもよい。保持プレート１１４および密閉プレート１１６内の穴１１８、１２０は、化学エッチング、レーザーマシニング、機械的な穴あけ、粉末吹きつけおよび打ち抜きを含む任意の適切なプロセスによって形成してもよい。一実施形態においては、保持プレート１１４および密閉プレート１１６は、厚さ１００μｍ〜２００μｍの鋼板から形成され、その中の穴１１８、１２０は化学エッチングによって形成される。フラップ１１７は金属または高分子フィルムなどの任意の小型軽量材料から形成してもよい。一実施形態において、２０ｋＨｚまたはそれを超える流体圧力振動がバルブ１１０の保持プレート側または密閉プレート側のいずれかに存在する場合、フラップ１１７は厚さ１μｍ〜２０μｍの薄い高分子シートから形成してもよい。例えば、フラップ１１７は、厚さ約３μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）または液晶高分子フィルムから形成してもよい。

ここで図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、バルブ１１０をバルブ２９およびバルブ３２として使用する２弁ポンプ（ｔｗｏ−ｖａｌｖｅ ｐｕｍｐ）８０の分解図が示される。この実施形態では、アクチュエータバルブ３２がポンプ８０の入口孔３３とキャビティ１７との間の空気流２３２をゲート制御する（図１０Ａ）一方で、端部バルブ２９がポンプ８０のキャビティ１７と出口孔２７との間の空気流をゲート制御する（図１０Ｂ）。図のそれぞれは、また、アクチュエータ４０が振動するとキャビティ１７内に発生する圧力を示す。バルブ２９およびバルブ３２の双方は、上述のように正の矩形部分５５および負の矩形部分６５それぞれによって示されるように正の中心圧力アンチノード４５および負の中心圧力アンチノード４７それぞれの振幅が比較的一定であるキャビティ１７の中心近辺に配置される。この実施形態においては、バルブ２９およびバルブ３２は双方ともフラップ１１７によって示されるように閉位置に付勢され、フラップ１１７’によって示されるようにフラップ１１７が開位置に誘導されると上述のように動作する。図は、また、中心圧力アンチノード４５、４７の正および負の矩形部分５５、６５の分解図、ならびにそれらの、両バルブ２９、３２の動作およびそれぞれを通じて発生した対応する空気流２２９および空気流２３２それぞれに対する同時の影響を示す。

また、図１１、１１Ａおよび１１Ｂの関連部分を参照すると、バルブ２９およびバルブ３２（図１１）の開状態および閉状態ならびに結果として生じるそれぞれの流れ特性（図１１Ａ）をキャビティ１７（図１１Ｂ）内の圧力に関連して示す。ポンプ８０の入口孔３３および出口孔２７が双方とも周囲圧力であり、上述のように、アクチュエータ４０が振動を開始しキャビティ１７内において圧力振動を発生させる場合、空気がバルブ２９、３２内を交互に流れ始め、空気をポンプ８０の入口孔３３から出口孔２７に流す、すなわち、ポンプ８０が「自由流」モードにおいて動作し始める。一実施形態において、ポンプ８０の入口孔３３に周囲圧力の空気を供給してもよい一方で、ポンプ８０の出口孔２７はポンプ８０の動きにより加圧されることになる負荷（図示せず）に空気的に結合する。別の実施形態では、ポンプ８０の入口孔３３は負荷に負圧を発生させるためにポンプ８０の動きにより減圧されることになる創傷包帯（ｗｏｕｎｄ ｄｒｅｓｓｉｎｇ）などの負荷（図示せず）に空気的に結合してもよい。

特に図１０Ａならびに図１１、１１Ａおよび１１Ｂの関連部分を参照すると、上述のように、ポンプサイクルの半分（ｏｎｅ ｈａｌｆ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｃｙｃｌｅ）の間におけるアクチュエータ４０の振動により正の中心圧力アンチノード４５の矩形部分５５がキャビティ１７内に発生する。ポンプ８０の入口孔３３および出口孔２７が双方とも周囲圧力である場合、正の中心アンチノード４５の矩形部分５５は、端部バルブ２９全体において正差圧、アクチュエータバルブ３２全体において負差圧を形成する。この結果、アクチュエータバルブ３２は閉じ始め、端部バルブ２９は開き始める。このため、アクチュエータバルブ３２が入口孔３３を通過する空気流２３２ｘを遮断する一方で、端部バルブ２９が開き、キャビティ１７内から空気を放出し、空気流２２９が出口孔２７を通じてキャビティ１７を出ることが可能になる。アクチュエータバルブ３２が閉じ、端部バルブ２９が開く（図１１）ため、ポンプ８０の出口孔２７における空気流２２９は端部バルブ２９のデザイン特性に応じて最大値まで増加する（図１１Ａ）。開いた端部バルブ２９は、アクチュエータバルブ３２が閉じている間、空気流２２９がポンプキャビティ１７を出ることを可能にする（図１１Ｂ）。端部バルブ２９全体の正差圧が減少し始めると、空気流２２９は端部バルブ２９全体の差圧がゼロに到達するまで減少し始める。端部バルブ２９全体の差圧がゼロ未満に低下すると、端部バルブ２９は閉じ始め、図１０Ｂに示すように端部バルブ２９が完全に閉じて空気流２２９ｘを遮断するまで空気のいくらかの逆流３２９が端部バルブ２９を通過することを可能にする。

特に図１０Ｂならびに図１１、１１Ａおよび１１Ｂの関連部分を参照すると、上述のように、負の中心アンチノード４７の矩形部分６５はポンプサイクルの第２の半分の間におけるアクチュエータ４０の振動によりキャビティ１７内に発生する。ポンプ８０の入口孔３３および出口孔２７が双方とも周囲圧力である場合、矩形部分６５負の中心アンチノード４７は端部バルブ２９全体にわたり負差圧およびアクチュエータバルブ３２全体に正差圧を形成する。その結果、アクチュエータバルブ３２は開き始め、端部バルブ２９が出口孔２７を通過する空気流２２９ｘを遮断するように端部バルブ２９は閉じ始める一方で、アクチュエータバルブ３２が開き、空気流２３２により示されるように入口孔３３を通過してキャビティ１７内に空気が流れることを可能にする。アクチュエータバルブ３２が開き、端部バルブ２９が閉じる（図１１）ため、ポンプ８０の出口孔２７の空気流は上述のように少量の逆流３２９以外は実質的にゼロである（図１１Ａ）。開いたアクチュエータバルブ３２は、端部バルブ２９が閉じている間、空気流２３２をポンプキャビティ１７（図１１Ｂ）内に入ることを可能にする。アクチュエータバルブ３２全体の正差圧が減少し始めると、アクチュエータバルブ３２全体の差圧がゼロに到達するまで空気流２３２が減少し始める。アクチュエータバルブ３２全体の差圧がゼロを超えて上昇すると、アクチュエータバルブ３２は閉じ始め、図１０Ａに示すようにアクチュエータバルブ３２が完全に閉じて空気流２３２ｘを遮断するまで、再度、空気のいくらかの逆流３３２がアクチュエータバルブ３２を通過することを可能にする。その後、図１０Ａに関して上述したようにサイクル自体を繰り返す。したがって、ポンプ８０のアクチュエータ４０が図１０Ａおよび図１０Ｂに関して上記した２つの半サイクル中に振動するため、バルブ２９およびバルブ３２全体の差圧により、空気流２３２、２２９それぞれによって示されるように空気がポンプ８０の入口孔３３から出口孔２７に流れる。

ポンプ８０の入口孔３３が周囲圧力に保持され、ポンプ８０の出口孔２７がポンプ８０の動きにより加圧されることになる負荷に空気的に結合される場合、入口孔３３から出口孔２７までの空気流がごくわずかであるとき、すなわち「失速」状態であるとき、ポンプ８０の出口孔２７の圧力がポンプ８０の出口孔２７が最大圧力に到達するまで増加し始める。図１２は、ポンプ８０が失速状態にある場合の、キャビティ１７内およびキャビティ１７外の入口孔３３および出口孔２７における圧力を示す。より具体的には、キャビティ１７内の平均圧力は入口圧力を約１Ｐ超えており（すなわち周囲圧力の１Ｐ超）、キャビティ１７の中心の圧力はほぼ周囲圧力とほぼ周囲圧力プラス２Ｐとの間において変化する。失速状態において、キャビティ１７内の圧力振動により、入口弁３２または出口弁２９のいずれか全体における十分な正差圧がいずれかのバルブを大きく開き、任意の空気流がポンプ８０を通過することを可能にする時点はない。ポンプ８０では２つのバルブを使用するため、上に記載した２つのバルブ２９、３２の相乗的な動作により出口孔２７と入口孔３３との間の差圧を単一バルブポンプの最大差圧の２倍である２Ｐの最大差圧に増加することが可能である。したがって、前の段落に記載した状況下において、ポンプ８０が失速状態に達すると２弁ポンプ８０の出口圧力は自由流モードにおける周囲圧力からほぼ周囲プラス２Ｐの圧力に増加する。

ここで図１３Ａおよび図１３Ｂを参照すると、バルブ１１０をバルブ２８、２９および３２として使用する３弁ポンプ７０の分解図が示される。この実施形態では、端部バルブ２８がポンプ７０の入口孔２６とキャビティ１６との間の空気流２２８をゲート制御する一方で、端部バルブ２９がポンプ７０のキャビティ１７と出口孔２７との間の空気流２２９をゲート制御する（図１３Ａ）。アクチュエータバルブ３２がキャビティ１６とキャビティ１７との間に配置され、これらキャビティ間の空気流２３２をゲート制御する（図１３Ｂ）。フラップ１１７によって示されるようにバルブ２８、２９および３２は全て閉位置に付勢され、フラップ１１７’によって示されるようにフラップ１１７が開位置に誘導される場合は上述のように動作する。動作時、３弁ポンプ７０のアクチュエータ４０は、キャビティ１６およびキャビティ１７のそれぞれの内部において圧力振動を形成するが、この圧力振動には、アクチュエータ４０の一方の側のキャビティ１７内の主要圧力振動およびアクチュエータ４０の他方の側におけるキャビティ１６内の相補的な圧力振動を含む。図１３Ａ、１３Ｂおよび１４Ｂの実線および破線の曲線それぞれにより示されるようにキャビティ１７、１６内の主要な圧力振動と相補的な圧力振動は互いに約１８０°位相がずれている。バルブ２８、２９および３２の全３つがキャビティ１６およびキャビティ１７の中心近辺に配置され、（ｉ）上述のように、正の矩形部分５５および負の矩形部分６５それぞれによって示されるようにキャビティ１７内における主要な正の中心圧力アンチノード４５および負の中心圧力アンチノード４７それぞれの振幅は比較的一定である、および（ｉｉ）正および負の矩形部分５６および６６それぞれによって示されるように、キャビティ１６内の相補的な正の中心圧力アンチノード４６および負の中心圧力アンチノード４８それぞれの振幅は、また、比較的一定である。これら図は、また、（ｉ）キャビティ１７内における正および負の矩形部分５５、６５の、端部バルブ２９およびアクチュエータバルブ３２の双方により発生し、出口孔２７を出る対応する空気流２２９および空気流２３２それぞれを含む、端部バルブ２９およびアクチュエータバルブ３２の動作に対する影響、ならびに（ｉ）キャビティ１６内における正および負の矩形部分５６、６６の、端部バルブ２８およびアクチュエータバルブ３２の双方により入口孔２６から発生した対応する空気流２２８および２３２それぞれを含む、端部バルブ２８およびアクチュエータバルブ３２の動作に対する影響を示すポンプ７０の分解図を示す。

特に図１４、１４Ａおよび１４Ｂの関連部分を参照すると、端部バルブ２８、２９およびアクチュエータバルブ３２の開状態および閉状態（図１４）、ならびに端部バルブ２８、２９およびアクチュエータバルブ３２それぞれの生じる流れ特性（図１４Ａ）がキャビティ１６、１７（図１４Ｂ）内の圧力に関連して示される。ポンプ７０の入口孔２６および出口孔２７が双方とも周囲圧力であり、上述のようにアクチュエータ４０が振動を開始し、キャビティ１６、１７内に圧力振動を発生させる場合、空気が端部バルブ２８、２９とアクチュエータバルブ３２を交互に流れ始め、空気がポンプ７０の入口孔２６から出口孔２７に流れる。すなわち、ポンプ７０は上述のように「自由流」モードにおいて動作し始める。一実施形態においては、ポンプ７０の入口孔２６に周囲圧力の空気を供給してもよい一方で、ポンプ７０の出口孔２７をポンプ７０の動作により加圧されることになる負荷（図示せず）に空気的に結合する。別の実施形態では、ポンプ７０の入口孔２６を、負圧を発生させるためにポンプ７０の動作により減圧されることになる負荷（図示せず）に空気的に結合してもよい。

特に図１３Ａならびに図１４、１４Ａおよび１４Ｂの関連部分を参照すると、上述のようにポンプサイクルの半分の間におけるアクチュエータ４０の振動により主要な正の中心圧力アンチノード４５の正の矩形部分５５がキャビティ１７内に発生する一方で、同時に、相補的な負の中心圧力アンチノード４８の相補的な負の矩形部分６６がキャビティ１６内のアクチュエータ４０の他方の側に発生する。入口孔２６および出口孔２７が双方とも周囲圧力である場合、正の中心アンチノード４５の正の矩形部分５５が端部バルブ２９全体に正差圧を形成し、負の中心アンチノード４８の負の矩形部分６６は端部バルブ２８全体に正差圧を形成する。主要な正の矩形部分５５と相補的な負の矩形部分６６とを組み合わせた作用がバルブ３２全体に負差圧を形成する。その結果、アクチュエータバルブ３２が閉じ始め、同時に端部バルブ２８、２９が開き始めるため、アクチュエータバルブ３２が空気流２３２ｘを遮断する一方で、端部バルブ２８、２９が開き、（ｉ）キャビティ１７内から空気を放出し、空気流２２９が出口孔２７を通じてキャビティ１７を出ることを可能にする、および（ｉｉ）キャビティ１６内に空気を引き込み、空気流２２８が入口孔２６を通じてキャビティ１６内に入ることを可能にする。アクチュエータバルブ３２が閉じ、端部バルブ２８、２９が開く（図１４）と、ポンプ７０の出口孔２７の空気流２２９が端部バルブ２９のデザイン特性に応じて最大値まで増加する（図１４Ａ）。開いた端部バルブ２９は、アクチュエータバルブ３２が閉じている間に空気流２２９がポンプキャビティ１７を出ることを可能にする（図１１Ｂ）。端部バルブ２８、２９全体の正差圧が減少し始めると、端部バルブ２８、２９全体の差圧がゼロに到達するまで空気流２２８、２２９が減少し始める。端部バルブ２８、２９全体の差圧がゼロ未満に低下すると、端部バルブ２８、２９は閉じ始め、図１３Ｂに示すようにそれらが完全に閉じて空気流２２８ｘ、２２９ｘを遮断するまで端部バルブ２８、２９を通過する空気のいくらかの逆流３２８、３２９を可能にする。

図１３Ｂならびに図１４、１４Ａおよび１４Ｂの関連部分をより具体的に参照すると、ポンプサイクルの第２の半分の間にアクチュエータ４０の振動により主要な負の中心圧力アンチノード４７の主要な負の矩形部分６５がキャビティ１７内に発生する一方で、同時に、アクチュエータ４０の振動により相補的な正の中心圧力アンチノード４６の相補的な正の矩形部分５６がキャビティ１６内に発生する。入口孔２６および出口孔２７が双方とも周囲圧力である場合、主要な負の中心アンチノード４７の主要な負の矩形部分６５は端部バルブ２９全体に負差圧を形成し、相補的な正の中心アンチノード４６の相補的な正の矩形部分５６は端部バルブ２８全体に負差圧を形成する。主要な負の矩形部分６５と相補的な正の矩形部分５６を組み合わせた作用がバルブ３２全体に負差圧を形成する。その結果、アクチュエータバルブ３２が開き始め、端部バルブ２８、２９が閉じ始めるため、端部バルブ２８、２９が入口孔２６および出口孔２７を通過する空気流２２８ｘ、２２９ｘをそれぞれ遮断する一方で、アクチュエータバルブ３２は開き、空気流２３２がキャビティ１６からキャビティ１７内に入ることを可能にする。アクチュエータバルブ３２が開き、端部バルブ２８、２９が閉じる（図１４）ため、ポンプ７０の入口孔２６および出口孔２７の空気流は各バルブ（図１４Ａ）を通過する少量の逆流３２８、３２９以外は実質的にゼロである。アクチュエータバルブ３２全体の正差圧が減少し始めると、アクチュエータバルブ３２全体の差圧がゼロに到達するまで空気流２３２が減少し始める。アクチュエータバルブ３２全体の差圧がゼロを超えて上昇すると、アクチュエータバルブ３２は閉じ始め、図１３Ａに示すようにアクチュエータバルブ３２が完全に閉じて空気流２３２ｘを遮断するまで、再度、空気のいくらかの逆流３３２がアクチュエータバルブ３２を通過することが可能になる。その後、図１３Ａに関して上記したようにサイクル自体が繰り返す。したがって、図１３Ａおよび図１３Ｂに関して上に記載した２つのハブサイクル（ｔｗｏ ｈａｖｅ ｃｙｃｌｅｓ）の間にポンプ７０のアクチュエータ４０が振動すると、空気流２２８、２３２および２２９によって示されるように、バルブ２８、２９および３２全体の差圧が空気をポンプ７０の入口孔２６から出口孔２７に流す。

ポンプ７０の入口孔２６が周囲圧力に保持され、かつポンプ７０の出口孔２７がポンプ７０の動作により加圧されることになる負荷に空気的に結合する場合、出口孔２７における空気流がごくわずかであるとき、すなわち失速状態であるときに、ポンプ７０の出口孔２７の圧力はポンプ７０が最大圧力に到達するまで増加し始める。図１５は、ポンプ７０が失速状態にある場合のキャビティ１６、１７内の圧力、キャビティ１６外の入口孔２６の圧力およびキャビティ１７外の出口孔２７の圧力を示す。さらに具体的には、キャビティ１６内の平均圧力は入口圧力の約１Ｐ超（すなわち周囲圧力の１Ｐ超）であり、キャビティ１６の中心の圧力はほぼ周囲圧力とほぼ周囲圧力プラス２Ｐとの間において変化する。同時に、キャビティ１７内の平均圧力は入口圧力の約３Ｐ超であり、キャビティ１７の中心の圧力はほぼ周囲圧力プラス２Ｐとほぼ周囲圧力プラス４Ｐとの間において変化する。この失速状態においては、キャビティ１６、１７内の圧力振動がバルブ２８、２９または３２のいずれかの全体において任意のバルブを大きく開き、ポンプ７０が任意の空気流を通過させるような十分な正差圧を生じるときはない。

ポンプ７０では２つのキャビティを有する３つのバルブを用いるため、ポンプ７０では、ポンプ７０の入口孔２６と出口孔２７との間の差圧を、単一バルブポンプの最大差圧の４倍、４Ｐの最大差圧に増加することが可能である。したがって、前の段落に記載した状況下において、ポンプが失速状態に達した場合、２キャビティ、３弁ポンプ７０の出口圧力は自由流モードにおける周囲圧力から４Ｐの最大差圧に増加する。

バルブ差圧、バルブの動きおよび空気流動作特性は、初期自由流状態と、事実上空気流がない上記の失速状態（図１２、１５）との間において極めて異なることを理解すべきである。例えば、図１６、図１６Ａおよび図１６Ｂを参照すると、ポンプ７０は、図１６に示すようにポンプ７０が約３Ｐの差圧を送達する「ほぼ失速」状態において示される。示されうるように、端部バルブ２８、２９の開／閉デューティサイクルはバルブが自由流モード（図１６Ａ）にある場合のデューティサイクルよりも大幅に低く、これにより、総差圧が増加するときのポンプ７０の出口からの空気流を実質的に低減する（図１６Ｂ）。

顕著な利点を有する発明が提供されたことは前述から明白であろう。本発明を、その形態のわずかいくつかにおいて示すが、それらのみに限定されるものではなく、その精神から逸脱することなく種々の変更および修正を施すことが可能である。

Claims (20)

1. ポンプ本体であって、２つの端壁によって閉じられかつ内部の半径（ｒ）を有する実質的に楕円形状の側壁を有するポンプ本体と、
   アクチュエータであって、０．６３（ｒ）以上である楕円状の内部プレートと、前記内部プレートの中心部分と機能的に組み合わされ、周波数（ｆ）の振動動作を生じさせることによって前記ポンプ本体内で流体の半径方向圧力振動を発生させるようになっている圧電プレートとにより形成される、アクチュエータと、
   アイソレータであって、前記アクチュエータおよび前記アイソレータが前記ポンプ本体内に高さ（ｈ）を有する２つのキャビティを形成するように、前記内部プレートの外周部分に連結された内側の外周部と、前記側壁に柔軟に連結された外側の外周部とを含み、前記半径（ｒ）および前記高さ（ｈ）の比率が約１．２超である、アイソレータと、
   前記アクチュエータ内に延在し、前記流体が１つのキャビティから他方のキャビティに流れることを可能にする第１の孔と、
   前記第１の孔内に配置され、前記第１の孔を通過する流体の流れを制御する第１のバルブと、
   前記端壁のうち第１の端壁内に延在し、前記流体が前記端壁のうち前記第１の端壁に隣接する前記キャビティ内を流れることを可能にする第２の孔と、
   前記第２の孔内に配置され、前記第２の孔を通過する流体の流れを制御する第２のバルブと、
   前記端壁のうち第２の端壁内に延在し、前記流体が前記端壁のうち前記第２の端壁に隣接する前記キャビティ内を流れることを可能にする第３の孔と、を含み、
   それにより、使用時に流体が１つのキャビティ内に流れ、前記他方のキャビティから出ることを特徴とするポンプ。
2. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記第３の孔内に配置され、使用時に前記第３の孔を通過する流体の流れを制御する第３のバルブをさらに含むことを特徴とするポンプ。
3. 請求項２に記載のポンプにおいて、前記バルブがフラップバルブであることを特徴とするポンプ。
4. 請求項１に記載のポンプにおいて、各キャビティの前記高さ（ｈ）と各キャビティの前記半径（ｒ）が、さらに、以下の式、ｈ^２／ｒ＞４×１０^−１０メートルによって関連付けられることを特徴とするポンプ。
5. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記第２の孔および前記第３の孔が前記端壁の中心から約０．６３（ｒ）±０．２（ｒ）の距離に配置されていることを特徴とするポンプ。
6. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記バルブが、前記キャビティ内を前記流体が実質的に１つの方向に流れることを可能にすることを特徴とするポンプ。
7. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記キャビティ内において使用されている前記流体が気体である場合、各キャビティの前記比率ｒ／ｈが約１０〜約５０の範囲内であることを特徴とするポンプ。
8. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記キャビティ内において使用されている前記流体が気体である場合、各キャビティのｈ^２／ｒの比率が約１０^−３メートル〜約１０^−６メートルであることを特徴とするポンプ。
9. 請求項１に記載のポンプにおいて、各キャビティの容量が約１０ｍｌ未満であることを特徴とするポンプ。
10. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記内部プレートの前記少なくとも１つが前記振動動作を提供するための磁歪材料であることを特徴とするポンプ。
11. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記端壁の１つが截頭円錐形を有し、前記キャビティの前記高さ（ｈ）が前記側壁における第１の高さから、前記端壁のほぼ中心におけるより低い第２の高さまで変化することを特徴とするポンプ。
12. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記第２の孔および前記第３の孔が各１つずつ前記各端壁の実質的に中心に配置されていることを特徴とするポンプ。
13. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記キャビティ内に前記流体の半径方向圧力振動を発生させる前記振動動作により、流体が前記第１の孔と、前記第２の孔と、前記第３の孔とを流れることを特徴とするポンプ。
14. 請求項１３に記載のポンプにおいて、前記半径方向圧力振動の最低共振周波数が約５００Ｈｚ超であることを特徴とするポンプ。
15. 請求項１３に記載のポンプにおいて、前記振動動作の前記周波数が前記半径方向圧力振動の最低共振周波数にほぼ等しいことを特徴とするポンプ。
16. 請求項１３に記載のポンプにおいて、前記振動動作の前記周波数が前記半径方向圧力振動の最低共振周波数の２０％以内であることを特徴とするポンプ。
17. 請求項１３に記載のポンプにおいて、各キャビティ内の前記振動動作が前記半径方向圧力振動にモード形整合されていることを特徴とするポンプ。
18. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記アイソレータが可撓性膜であることを特徴とするポンプ。
19. 請求項１に記載のポンプにおいて、各バルブが、少なくとも２つの金属プレートと、スペーサと、少なくとも１つの高分子層とを含むことを特徴とするポンプ。
20. 請求項１９に記載のポンプにおいて、各バルブが総厚約２００−４２０μｍを有することを特徴とするポンプ。

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