JPH0735800B2 - 振動柱ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、振動柱ポンプ、即ち、一端を水中に浸漬し他
端を空中にあるように配し且つ該他端をばねで弾接され
た弁板を介して吐出側導液管に連通させるようにしたパ
イプ（振動管）を、長手方向に振動させ、該パイプ内を
経て揚液させるようにしたポンプに関する。

〔従来の技術〕

従来、この種の振動柱ポンプは、下端を液中に浸漬し上
端を空中にあるように配したパイプの上端を、ばねで弾
接された弁板を介して吐出側導液管に連通させるように
したパイプ自身を、長手方向に振動させ、該パイプ（振
動管）内を経て揚液させるようになっているもの（一例
として特開昭58-144700公報参照）、或いは、下端が液
中に連通し、上端が、吐出口を備えた導液管中に密封し
て挿通され該導液管中にて開口している振動管の上端
に、ばねで弾接された弁板を当接させ、上記振動管を長
手方向に振動させ、該振動管を経て揚液させるようにな
っているもの（本出願人らが先に出願した特願昭63-421
23号（特開平1-219400号公報参照）などがある。

ところが、この種の振動柱ポンプは、上記のように振動
管の上端が密封して挿通している導液管を備えているだ
けで、振動管は一つの直管で形成されており、該振動を
二つに分離して互いに逆位相の振動をおこさせ、二つの
振動の相互作用と静止管の接続部の断面積変化を積極的
に利用して吐出圧力の上昇を得るように考慮されたもの
ではなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような振動柱ポンプが循環ポンプとして作動する
場合は、振動管内の圧力が導液管内の圧力より大きくな
って弁が開放する必要があるが、吐出口の圧力が振動管
の長手方向の振動によって振動管内の弁直下に発生する
圧力変動の最大値よりも大きい場合には弁が開放しな
い。従って、高い吐出圧でポンプ作用を行なうために
は、振動管内に発生する圧力変動の振幅をできるだけ大
きくすることが重要である。

振動柱ポンプの吸込管、つまり吸込口から振動管上端ま
での管を、第１図（ｃ）に示すように、内径一定の単一
直管で作ると、振動管内弁直下の最大圧力Ｐは、 Ｐ＝Pa−ρＨ−ρｇ（Ｌ＋ｘ） ……（１） ここで、Pa:大気圧 ρ：液体の密度 L :吸込液面から振動管上端までの高さ x :振動管の変位 ：振動管の加速度 g :重力加速度 H :吸込管の全長 となり、現実的な値を代入して計算すると、余り大きな
値とならない。また、振動柱ポンプでは、導液管内の圧
力が一定の場合は、振動管内に発生する最高圧力までし
か圧力が取り出せないので、ポンプとしては低ヘッドで
の使用に限られる恐れがあるという問題点があった。

本発明は、上記した従来技術の有する問題点に鑑みてな
されたものであり、簡単な構造で高い吐出圧力の得られ
る振動柱ポンプを提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明は、下端が液中に
浸漬し上端が弾接された弁を介して導液管中に開口して
いる振動管を、長手方向に加振する加振手段を備えた振
動柱ポンプにおいて、振動管を上下二つの部分に分離し
て互いに逆位相で振動させるようにし、これによって振
動管内の液柱に対して振動管が一つである場合と比較し
て相対的に２倍の振幅で加振するようにし、さらに該振
動管と静止管の間の流路断面積急変化部も有効に利用
し、振動管外径と静止管内径との差で静止管内の液体の
流速変動を増大し、振動管内弁直下圧力の最大値を大幅
に増大できるようにしたことを特徴としている。

〔作用〕

本発明は上記のように構成されているので、振動管の長
手方向の振動により、弁の閉鎖中に振動管内に発生する
圧力変動は、普通、振動管の変位と同位相であるから、
最大圧力が発生するのは最高位置に達したときである。
このとき、振動管内の弁直下の圧力が、導液管、即ち振
動管より弁を経て吐出された液を吐出口へ導く管部分
（吐出ケーシング部分に相当する。）の内部圧力よりも
大きければ弁が開放するための必要条件を満足する。

上記の必要条件を満足するために、本発明は次のような
方法（手段）を用いている。第１図（ａ）は、単一直管
で構成した振動管を短縮して静止管と接続し、これら両
管の接続部に図示のような吸込流路断面積の拡大部（管
径d₂の部分）を形成しており、このときの弁直下の圧力
（Ｐ）変動は、次のようにして求められる。

即ち、それぞれの流路内液柱の運動方程式は、管径d₁の
振動管では、 −ρL₁＝Ｐ−P₁＋ρL₁ｇ ……（２） 管径d_2aの管端では、（流量をQ₂とおく）流動損失を無
理すると、 −ρ₂L₂／A_2a＝P₁−P₂＋ρL₂ｇ ……（３） 管径d_3aの管路では、同様に −ρ₃L₃／A_3a＝P₂−P₃＋ρL₃ｇ ……（４） （ここで、A_2a、A_3aはそれぞれ流路断面積を表わし、ま
た、記号の上の「・」は一階微分を表わす。）一方、連
続の式は、 Q₂＝Q₃ ……（５） 上記式（３）、（４）、（５）をまとめて、 −ρ（L₂／A_2a＋L₃／A_3a）₂＝P₁−P₃＋ρ（L₂＋L₃）
ｇ ……（６） x₂＝ｘであるから、上式のP₁とｘの伝達関係は、ラプラ
ス変換して、 P₁/x＝−ρS²（L₂＋L₃A_2a／A_3a） ……（７） 又、式（２）から P/x＝−ρS²L₁＋P₁/X ……（８） 式（７）を代入して、 P/x＝−ρS²（L₁＋L₂＋L₃A_2a／A_3a） ……（９） ここで、Ｓはラプラス演算子である。

なお、第１図（ｃ）に示されたような、単一直管からな
る振動管の下端部に吸込流路断面積の拡大部を有しない
従来のものでは、管振動と弁直下圧力との伝達関数は、
式（１）のラプラス変換して、 P/x＝−ρHS²−ρｇ ここで、ρHS²≫ρｇに注意すれば、 P/x＝ρHS² ……（1a） 上記式（９）と式（1a）とを比較すると、第１図（ａ）
のように流路断面積を拡大した管接続部があることによ
り、該管接続部のない従来のもの（第１図（ｃ））に比
べて、P/xは（L₁＋L₂＋L₃A_2a／A_3a）/H倍となり、A_2a／
A_3aが大きい程、またL₃は他の管長L₁、L₂に比べて長い
程、圧力振幅が増大し、大きな圧力上昇が得られること
が分かる。

上記した第１図（ａ）に示すように、振動管と静止管と
の間に流路断面積の拡大部を有し且つ振動管を単一直管
で構成した場合に対し、第１図（ｂ）に示すように、振
動管を上下二つの部分に分離して構成した場合は、次の
ようになる。

管径d₀の振動管では −ρl₀＝Ｐ−P₁＋ρl₀ｇ ……（10） 管径d₁の管路では、流動損失を無視すると 管径d₂の管路では同様に 以下同様に 連続の式は Q₁＝Q₂＝Q₃＝Q₄ 式（11）〜（15）より ここで流量Q₁は₁ ＝A_{1 1}−（A₁−A₂）_{2 1} ＝−₂（逆位相）とおくと 式（16）に代入すると 式（10）、式（17）をラプラス変換すると ただし よって最終的に 第１図（ａ）との比較のために、今仮りに、 d_1a＝d₀、d_2a＝d₁＝d₃、d_3a＝d₄＝d₂、L₁＝l₀、L₂＝l₁
＋l₃、L₃＝l₂＋l₄とおけば、 A_2a＝A₃、A_3a＝A₂であるから、 式（９）と比較して式（20）は 寸法的に普通 であるから、必ず式（20）の方が、値が大きい。即ち、
振動管を上下二つの部分に分離し、逆位相で振動させる
と、振動管内の弁直下の圧力変動を増加させることが可
能である。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面と共に説明する。

第２図は、本発明の一実施例を示す振動柱ポンプの縦断
面図である。

図において、１は磁性材で作られた振動管で、該振動管
１の上端には、ばね２によって弾発された板状の弁３が
圧接（弾接）され、下端には、コイルばね４を介して、
分離された第２の振動管11が挿入され、弾発して連接し
ている。該振動管11の下端には、同じコイルばね４が介
装され該振動管11を弾性支持している。

上記第１の振動管１の外側には電磁コイル５が配設さ
れ、該コイル５に正弦波電流を流すことにより、第１の
振動管１を長手方向に振動させるようになっている。ま
た第２の振動管11の下方には、静止管６がケーシング７
に固設されており、該静止管６の下端は液中に没してい
る。

上記ケーシング７は、電磁コイル５を振動管１を中心に
して輪状に巻くようにして内装し、且つ中心部には、振
動管１を密封して挿通する通路7aを形成しており、該通
路7aは、下方が静止管６を経て液中に連通し、上方は、
振動管１より弁３を経て吐出される液を吐出口８へ導く
ように内径を大きく形成した導液管９に連通している。
図中10は吸込口である。

上記両振動管１及び11は軸方向長さが短縮されており、
下方の第２振動管11の下端と静止管６との間には、静止
管６の内径d₄から、振動管11の外径に相当する振動管通
路7aの内径d₁へ拡大する吸込流路断面積の拡大部が形成
されている。

また、下方の第２振動管11とコイルばね４とで形成され
る振動系の固有振動数を、上方の第１振動管１の加振振
動数よりも低くしておけば、第２振動管11は自動的に第
１振動管１と逆位相で振動する。なお、図中、振動管
１、11の内径はd₀、同外径（振動管通路7aの内径にほぼ
相当する）はd₁、静止管６の内径はd₄である。

上記のように構成されているので、前記した〔作用〕の
項で、第２図の実施例の吸込流路をモデル化した説明図
である第１図（ｂ）について説明したように、第１振動
管１の弁３直下の圧力Ｐは、振動管が一つである場合
（第１図（ａ））に比べて、式（21）で示す倍率にな
る。

上記の効果は、例えばL₁及びL₃≫L₂、３L₁＝L₃、d_1a＝d
_3a、d_2a＝1.5d_3aである場合、約1.5倍となり、大きな圧
力上昇が得られる。

〔発明の効果〕

本発明は上述のように構成されているので、次のような
効果を奏する。

下端が液中に浸漬し上端が弾接された弁を介して導液管
中に開口している振動柱ポンプの振動管を、短縮し、該
振動管下端と静止管との接続部に吸込流路断面積の拡大
部を形成し、該拡大部の流路断面積急変化部を有効に利
用して、振動管外径と静止管内径との差で静止管内の液
体の流速変動を増大させるようにすると共に、上記振動
管を上下二つの部分に分離し、これら上下の振動管が互
いに逆位相で振動させるようにしたことにより、振動管
内の圧力変動を増大し、より高い吐出圧力を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の流路断面積
変化による圧力増加の原理及び従来例を説明する吸込流
路モデル図、第２図は本発明の一実施例を示す振動柱ポ
ンプの縦断面図である。 1,11……振動管、２……ばね、３……弁、４……コイル
ばね、５……電磁コイル、６……静止管、７……ケーシ
ング、7a……振動管通路、８……吐出口、９……導液
管、10……吸込口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桧山 浩国 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 山本 和義 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 橋本 弘之 宮城県仙台市鶴ケ谷８丁目12番16号 (56)参考文献 特開 昭61−55378（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下端が液中に連通し、上端が吐出口を備え
   た導液管中に密封して挿通され該導液管中にて開口して
   いる振動管と、不動部分に一端が当接して弾発している
   ばねの他端にて振動管の上端に当接している弁板と、振
   動管を長手方向に加振する加振手段を備え、該振動管を
   短縮して該振動管下端に静止管を取付けた構造の振動柱
   ポンプにおいて、上記振動管と静止管との間に吸込流路
   断面積の拡大部を形成し、該拡大部を有効に利用して振
   動管外径と静止管内径の差で静止管内の液体の流速変動
   を増大すると共に、上記振動管を上下二つの部分に分離
   し、これら上下の振動管が互いに逆位相で振動するよう
   にして振動管内の圧力変動を増大し、より高い吐出圧力
   を得られるようにしたことを特徴とする振動柱ポンプ。