MX2011012974A - Bomba con cavidad en forma de disco. - Google Patents
Bomba con cavidad en forma de disco.Info
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Abstract
Se describe una bomba que tiene una forma sustancialmente cilíndrica y define una cavidad formada por una pared lateral cerrada en ambos extremos por paredes extremas en las cuales la cavidad contiene un fluido. La bomba además comprende un accionador asociado operativamente con por lo menos una de las paredes extremas para provocar un movimiento oscilatorio de la pared extrema impulsada para generar oscilaciones de desplazamiento de la pared extrema impulsada dentro de la cavidad. La bomba además comprende un aislador asociado operativamente con una porción periférica de la pared extrema impulsada para reducir el amortiguamiento de las oscilaciones de desplazamiento. La bomba además comprende una válvula para controlar el flujo de fluido a través de la válvula. La válvula tiene primeras y segundas placas con aberturas de compensación y una pared lateral dispuesta entre las placas alrededor del perímetro de las placas para formar una cavidad en comunicación de fluido con las aberturas. La válvula además comprende una charnela dispuesta y movible entre la primera y segunda placas y tiene aberturas sustancialmente compensadas de las aberturas de una placa y sustancialmente alineadas con las aberturas de la otra placa. La charnela se motiva entre las dos placas en respuesta a un cambio de dirección de la presión diferencial del fluido a través de la válvula.
Description
BOMBA CON CAVIDAD EN FORMA DE DISCO
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Las modalidades ilustrativas de la invención se relacionan generalmente con una bomba para fluido, y más específicamente, a una bomba que tiene una cavidad sustancialmente en forma de disco que tiene paredes extremas sustancialmente circulares y una pared lateral y una válvula para controlar el flujo de fluido a través de la bomba.
La generación de oscilaciones de presión de amplitud alta en cavidades cerradas ha recibido atención significativa en los campos de compresores tipo termo-acústicos y de bomba. Recientes desarrollos en acústica no lineal han permitido la generación de ondas de presión con amplitudes más altas de lo que anteriormente se pensaba posible.
Se sabe que utilizar resonancia acústica para lograr bombeo de fluido desde entradas y salidas definidas. Esto puede lograrse mediante el uso de una cavidad cilindrica con un impulsor acústico en un extremo, el cual impulsa una onda estacionaria acústica. En tal cavidad cilindrica, la onda de presión acústica tiene amplitud limitada. Distintas cavidades en corte transversal, tales como, cono de bocina, y bulbo se han utilizado para lograr oscilaciones de presión de amplitud alta que por lo tanto incrementan el efecto de bombeo significativamente. En tales ondas de amplitud alta los mecanismos no lineales con disipación de energía se han suprimido. Sin embargo, la resonancia acústica de amplitud alta no se ha empleado dentro de cavidades en forma de disco en las cuales oscilaciones de presión radial se excitan hasta recientemente. La Solicitud de Patente Internacional No. PCT/GB2006/001487, publicada como WO2006/111775 (la Solicitud v 487), describe una bomba que tiene una cavidad sustancialmente en forma de disco con una relación de aspecto alta, es decir, la relación del radio de la cavidad a la altura de la cavidad.
Tal bomba tiene una cavidad sustancialmente cilindrica que comprende una pared lateral cerrada en cada extremo por paredes extremas. La bomba también comprende un accionador que impulsa cualquiera de las paredes extremas para oscilar en una dirección sustancialmente perpendicular a la superficie de la pared extrema impulsada. El perfil espacial del movimiento de la pared extrema impulsada se describe como correlacionado con el perfil espacial de las oscilaciones de presión de fluido dentro de la cavidad, un estado descrito en la presente como modo de correlación. Cuando la bomba tiene modo correlacionado, el trabajo hecho por el accionador en el fluido en la cavidad se añade constructivamente por toda la superficie de pared extrema impulsada, con lo cual se mejora la amplitud de la oscilación de presión en la cavidad y suministro eficiencia de bombeo alta. En una bomba la cual no tiene modo correlacionado pueden existir áreas de la pared extrema en las cuales el trabajo hecho por la pared extrema en el fluido reduce en vez de mejorar la amplitud de la oscilación de presión de fluido en el fluido dentro de la cavidad. Por lo tanto, el trabajo útil hecho por el accionador en el fluido se reduce y la bomba se vuelve menos eficiente. La eficiencia de una bomba de modo correlacionado depende de la interconexión entre la pared extrema impulsada y la pared lateral. Para mantener la eficiencia de tal bomba es deseable estructurar la interconexión de modo que no disminuya o amortigüe el movimiento de la pared extrema impulsada con lo cual se mitiga cualquier reducción en la amplitud de las oscilaciones de presión de fluido dentro de la cavidad.
Tales bombas también requieren de una válvula para controlar el flujo de fluido a través de la bomba y, más específicamente, una válvula que sea capaz de operar a frecuencias altas. Las válvulas convencionales típicamente operan a frecuencias bajas por debajo de 500 Hz para una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, muchos compresores convencionales operan típicamente a 50 ó 60 Hz . Los compresores de resonancia lineal conocidos en la técnica operan entre 150 y 350 Hz . Sin embargo, muchos dispositivos electrónicos portátiles incluyendo dispositivos médicos requieren bombas para suministrar una presión positiva o proporcionar un vacío que es relativamente pequeño en tamaño y es ventajoso para tales bombas ser inaudibles en la operación para proporcionar una operación discreta. Para lograr estos objetivos, las bombas deben operar a frecuencias muy altas que requieren válvulas capaces de operar a alrededor de 20 kHz y más altas las cuales no se encuentran comúnmente disponibles. Para operar a estas frecuencias altas, la válvula debe ser responsiva a presión oscilatoria de frecuencia alta que pueda rectificarse para crear un flujo neto de fluido a través de la bomba.
De acuerdo con una modalidad de la invención, el accionador de la bomba descrito anteriormente provoca un movimiento oscilatorio de la pared lateral impulsada ("oscilaciones de desplazamiento") en una dirección sustancialmente perpendicular a la pared extrema o sustancialmente paralela al eje longitudinal de la cavidad cilindrica, referida en la presente de ahora en adelante como "oscilaciones axiales" de la pared extrema impulsada dentro de la cavidad. Las oscilaciones axiales de la pared extrema impulsada generan "oscilaciones de presión" sustancialmente proporcionales de fluido dentro de la cavidad lo que crea una distribución de presión radial que se aproxima a aquella de una función Bessel del primer tipo como se describe en la Solicitud '487 lo cual se incorpora para referencia en la presente, tales oscilaciones referidas en la presente de ahora en adelante como "oscilaciones radiales" de la presión del fluido dentro de la cavidad. Una porción de la pared extrema impulsada entre el accionador y la pared lateral proporciona una interconexión con la pared lateral de la bomba que disminuye el amortiguamiento de las oscilaciones de desplazamiento para mitigar cualquier reducción de las oscilaciones de presión dentro de la cavidad, esa porción será referida en la presente de ahora en adelante como un "aislador" . Las modalidades ilustrativas del aislador se asocian operativamente con la porción periférica de la pared extrema impulsada para reducir el amortiguamiento de las oscilaciones de desplazamiento.
De acuerdo con otra modalidad de la invención, una bomba comprende un cuerpo de bomba que tiene una forma sustancialmente cilindrica que define una cavidad formada por una pared lateral cerrada en ambos extremos por paredes extremas sustancialmente circulares, por lo menos una de las paredes extremas es una pared extrema impulsada que tiene una porción central y una porción periférica adyacente a la pared lateral, en la cual la cavidad contiene fluido cuando se encuentra en uso. La bomba además comprende un accionador asociado operativamente con la porción central de la pared extrema impulsada para provocar un movimiento oscilatorio de la pared extrema impulsada en una dirección sustancialmente perpendicular a esta con una amplitud máxima por el centro de la pared extrema impulsada, con lo cual se generan oscilaciones de desplazamiento de la pared extrema impulsada cuando se encuentra en uso. La bomba además comprende un aislador asociado operativamente con la porción periférica de la pared extrema impulsada para reducir el amortiguamiento de las oscilaciones de desplazamiento provocadas por la conexión de la pared extrema con la pared lateral de la cavidad. La bomba además comprende una primer abertura dispuesta por el centro de una de las paredes extremas, y una segunda abertura dispuesta en cualquier otra ubicación en el cuerpo de bomba, en el cual las oscilaciones de desplazamiento generan oscilaciones radiales de presión de fluido dentro de la cavidad del cuerpo de bomba lo que provoca flujo de fluido a través de las aberturas .
De acuerdo aun con otra modalidad de la invención, la bomba comprende una válvula dispuesta ya sea en la primera o segunda abertura para controlar el flujo de fluido a través de la bomba. La válvula comprende una primera placa que tiene aberturas que se extienden generalmente perpendiculares a través de la misma y una segunda placa que también tiene aberturas que se extienden generalmente perpendiculares a través de la misma, en donde las aberturas de la segunda placa se encuentran sustancialmente compensadas de las aberturas de la primera placa. La válvula además comprende una pared lateral dispuesta entre la primera y segunda placas, en donde la pared lateral se cierra alrededor del perímetro de la primera y segunda placas para formar una cavidad entre la primera y segunda placas en comunicación de fluido con las aberturas de la primera y segunda placas. La válvula además comprende una charnela dispuesta y movible entre la primera y segunda placas, en donde la charnela tiene aberturas sustancialmente compensadas de las aberturas de la primera placa y sustancialmente alineadas con las aberturas de la segunda placa. La charnela es motivada entre la primera y segunda placas en respuesta a un cambio de dirección de la presión diferencial del fluido a través de la válvula.
Otros objetos, características, y ventajas de las modalidades ilustrativas se describen en la presente y se volverán aparentes con referencia a los dibujos y descripción detallada a continuación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las Figuras 1A a 1C muestran una visa en corte transversal esquemática de una primera bomba de acuerdo con una modalidad ilustrativa de las invenciones que proporciona una presión positiva, una gráfica de las oscilaciones de desplazamiento de la pared extrema impulsada de la bomba, y una gráfica de las oscilaciones de presión de fluido dentro de la cavidad de la bomba .
La Figura 2 muestra una vista superior esquemática de la primera bomba de la Figura 1A.
La Figura 3 muestra una vista en corte transversal esquemática de una segunda bomba de acuerdo con una modalidad ilustrativa de las invenciones que proporciona una presión negativa .
La Figura 4 muestra una vista en corte transversal esquemática de una tercera bomba de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la invención que tiene una base frusto-cónica .
La Figura 5 muestra una vista en corte transversal esquemática de una cuarta bomba de acuerdo con otra modalidad ilustrativa de la invención que incluye dos accionadores .
La Figura 6A muestra una vista en corte transversal esquemática de la bomba de la Figura 3 y la Figura 6B muestra una gráfica de oscilaciones de presión de fluido dentro de la bomba como se muestra en la FIGURA 1C.
La Figura 6C muestra una vista en corte transversal esquemática de una modalidad ilustrativa de una válvula utilizada en la Figura 3.
La Figura 7A muestra una vista en corte transversal esquemática de una modalidad ilustrativa de una válvula en una posición cerrada, y la Figura 7B muestra una vista en corte en despiece, de la válvula de la Figura 7A tomada a lo largo de la linea 7B-7B en la Figura 7D.
La Figura 7C muestra una vita en perspectiva esquemática de la válvula de la Figura 7B.
La Figura 7D muestra una vista superior esquemática de la válvula de la Figura 7B.
La Figura 8A muestra una vista en corte transversal esquemática de la válvula en la Figura 7B en una posición abierta cuando el fluido fluye a través de la válvula.
La Figura 8B muestra una vista en corte transversal esquemática de la válvula en la Figura 7B en transición entre las posiciones abierta y cerrada.
La Figura 9A muestra una gráfica de una presión diferencial oscilatoria aplicada a través de la válvula de la Figura 7B de acuerdo con una modalidad ilustrativa.
La Figura 9B muestra una gráfica de un ciclo operativo de la válvula de la Figura 7B entre una posición abierta y cerrada.
La Figura 10 muestra una vista en corte transversal esquemática de una porción de la válvula de la Figura 7B en la posición cerrada de acuerdo con una modalidad ilustrativa.
La Figura 11A muestra una vista en corte transversal esquemática de una versión modificada de la válvula de la Figura 7B que tiene aberturas de liberación.
La Figura 11B muestra una vista en corte transversal esquemática de una porción de la válvula en la Figura 11A.
La Figura 12A muestra una vista en corte transversal esquemática de dos válvulas de la Figura 7B, una de las cuales se invierte para permitir flujo de fluido en la dirección opuesta de la otra de acuerdo a una modalidad ilustrativa .
La Figura 12B muestra una vista superior esquemática de las válvulas que se muestran en la Figura 12A.
La Figura 12C muestra una gráfica de los ciclos operativos de las válvulas de la Figura 12A entre una posición abierta y cerrada.
La Figura 13 muestra una vista en corte transversal esquemática de la válvula bidireccional que tiene dos porciones de válvula que permiten flujo de fluido en direcciones opuestas con ambas porciones de válvula que tienen una posición normalmente cerrada de acuerdo a una modalidad ilustrativa.
La Figura 14 muestra una vista superior esquemática de las válvulas bidireccionales de la Figura 13.
La Figura 15 muestra una vista en corte transversal esquemática de una válvula bidireccional que tiene dos porciones de válvula que permiten flujo de fluido en direcciones opuestas con una porción de válvula que tiene una posición normalmente cerrada y la otra que tiene una posición normalmente abierta de acuerdo a una modalidad ilustrativa.
En la siguiente descripción detallada de varias modalidades ilustrativas, se hace referencia a los dibujos anexos que forman parte de la presente, y en los cuales se muestra por medio de ilustración modalidades preferidas especificas en las cuales la invención puede practicarse. Estas modalidades se describen en suficiente detalle para permitir a aquellos con experiencia en la técnica practicar la invención, y se entiende que otras modalidades pueden utilizarse y que cambios estructurales, mecánicos, eléctricos y químicos lógicos pueden realzarse sin apartarse del espíritu o alcance de la invención. Para evitar detalles que no son necesarios para permitir a aquellos con experiencia en la técnica practiquen las modalidades descritas en la presente, la descripción puede omitir cierta información conocida por aquellos con experiencia en la técnica. La siguiente descripción detallada, por lo tanto, no debe tomarse en un sentido limitante, y el alcance de las modalidades ilustrativas se define solo mediante las reivindicaciones anexas.
La Figura 1A es una vista en corte transversal esquemática de una bomba 10 de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la invención. Con referencia también a la Figura IB, la bomba 10 comprende un cuerpo de bomba que tiene una forma sustancialmente cilindrica que incluye una pared 19 cilindrica cerrada en un extremo por una base 18 y cerrada en el otro extremo por una placa 17 extrema y un aislador 30 en forma de anillo dispuesto entre la placa 17 extrema y el otro extremo de la pared 19 cilindrica del cuerpo de bomba. La pared 19 cilindrica y base 18 pueden ser un componente sencillo que comprende el cuerpo de bomba y puede montarse a otros componentes o sistemas. Las superficies internas de la pared 19 cilindrica, la base 18, la placa 17 extrema, y el aislador 30 forman una cavidad 11 dentro de la bomba 10 en la cual la cavidad 11 comprende una pared 14 lateral cerrada en ambos extremos por las paredes 12 y 13 extremas. La pared 13 extrema es la superficie interna de la base 18 y la pared 14 lateral es la superficie interior de la pared 19 cilindrica. La pared 12 extrema comprende una porción central que corresponde a la superficie interior de la placa 17 extrema y una porción periférica que corresponde a la superficie interior del aislador 30. Aunque la cavidad 11 es sustancialmente circular en forma, la cavidad 11 puede también ser elíptica u otra forma. La base 18 y la pared 19 cilindrica del cuerpo de bomba pueden formarse a partir de cualquier material rígido adecuado incluyendo, sin limitación, metal, cerámica, vidrio, o plástico que incluye, sin limitación, plástico moldeado por inyección.
La bomba 10 también comprende un disco 20 piezoeléctrico conectado operativamente a la placa 17 extrema para formar un accionador 40 que se asocia operativamente con la porción central de la pared 12 extrema mediante la placa 17 extrema. El disco 20 piezoeléctrico no requiere formarse de un material piezoeléctrico, pero puede formarse de cualquier material eléctricamente activo que vibre tal como, por ejemplo, un material electroestrictivo o magnetoestrictivo . La placa 17 extrema preferiblemente cuenta con una rigidez de curvatura similar a la del disco 20 piezoeléctrico de un material eléctricamente inactivo tal como metal o cerámica. Cuando el disco 20 piezoeléctrico se excita mediante una corriente eléctrica, el accionador 40 se expande y contrae en una dirección radial relativa al eje longitudinal de la cavidad 11 lo que provoca que la placa 17 extrema se doble, con lo cual se induce una deflexión axial de la pared 12 extrema en una dirección sustancialmente perpendicular a la pared 12 extrema. La placa 17 extrema puede también de manera alternativa formarse a partir de material eléctricamente activo tal como, por ejemplo, un material piezoeléctrico, magnetoestrictivo, o electroestrictivo. En otra modalidad, el disco 20 piezoeléctrico puede reemplazarse por un dispositivo en una relación de transmisión de fuerza con la pared 12 extrema tal como, por ejemplo, un dispositivo mecánico, magnético o electroestático, en el cual la pared 12 extrema puede formarse como una capa de material eléctricamente inactivo o pasivo impulsada hacia la oscilación mediante tal dispositivo (no mostrado) en la misma manera que se describe anteriormente
La bomba 10 además comprende por lo menos dos aberturas que se extienden desde la cavidad 11 hasta el exterior de la bomba 10, en la cual por lo menos una de las primeras aberturas puede contener una válvula para controlar el flujo de fluido a través de la abertura. Aunque la abertura que contiene una válvula puede ubicarse en cualquier posición en la cavidad 11 donde el accionador 40 genera un diferencial de presión como se describe a continuación en más detalle, una modalidad preferente de la bomba 10 comprende una abertura con una válvula ubicada en aproximadamente el centro de cualquiera de las paredes 12, 13 extremas. La bomba 10 que se muestra en las Figuras 1A y IB comprende una abertura 16 primaria que se extiende desde la cavidad 11 a través de la base 18 del cuerpo de bomba por el centro de la pared 13 extrema y contiene una válvula 46. La válvula 46 se monta dentro de la abertura 16 primaria y permite el flujo de fluido en una dirección como se indica por la flecha de modo que funcione como una salida para la bomba 10. La segunda abertura 15 puede ubicarse en cualquier posición dentro de la cavidad 11 distinta de la ubicación de la abertura 16 con la válvula 46. En una modalidad preferente de la bomba 10, la segunda abertura se dispone entre el centro de cualquiera de las paredes 12, 13 extremas y la pared 14 lateral. La modalidad de la bomba 10 que se muestra en las Figuras 1A y IB comprende dos aberturas 15 secundarias que se extienden desde la cavidad 11 a través del accionador 40 que se dispone entre el centro de la pared 12 extrema y la pared 14 lateral.
Aunque las aberturas 15 secundarias no tienen válvula en esta modalidad de la bomba 10, estas pueden también tener válvula para mejorar el desempeño de ser necesario. En esta modalidad de la bomba 10, la abertura 16 primaria tiene válvula de modo que el fluido se absorba en la cavidad 11 de la bomba 10 a través de las aberturas 15 secundarias y sea bombeado hacia fuera de la cavidad 11 a través de la abertura 16 primaria como se indica por las flechas para proporcionar una presión positiva en la abertura 16 primaria.
Con referencia ahora a la Figura 3, la bomba 10 de la Figura 1 se muestra con una configuración alternativa de la abertura 16 primaria. Más específicamente, la válvula 46' en la abertura 16' primaria se invierte de modo que el fluido se absorba en la cavidad 11 a través de la abertura 16' primaria y sea expulsado de la cavidad 11 a través de las aberturas 15 secundaria como se indica por las flechas, con lo cual proporciona succión o una fuente de presión reducida en la abertura 16' primaria. El término "presión reducida" como se utiliza en la presente se refiere generalmente a una presión menor que la presión ambiental donde la bomba 10 se ubica. Aunque los términos "vacío" y "presión negativa" pueden utilizarse para describir la presión reducida, la reducción de presión actual puede ser significativamente menor que la reducción de presión normalmente asociada con un vacío completo. La presión es "negativa" en el sentido que es una presión manométrica, es decir, la presión se reduce por debajo de la presión atmosférica ambiental. A menos que se indique de otra manera, los valores de presión estipulados en la presente son presiones manométricas . Referencias a incrementos en presión reducida típicamente se refieren a una disminución en presión absoluta, mientras que disminuciones en presión reducida típicamente se refieren a un incremento en presión absoluta.
Con referencia ahora a la Figura 4, se muestra una bomba 70 de acuerdo con otra modalidad ilustrativa de la invención. La bomba 70 es sustancialmente similar a la bomba 10 de la Figura 1 excepto que el cuerpo de bomba tiene una base 18' que tiene una superficie superior que forma la pared 13' extrema la cual es de forma frusto-cónica . Por consiguiente, la altura de la cavidad 11 varía de la altura en la pared 14 lateral a una altura más pequeña entre las paredes 12, 13' extremas en el centro de las paredes 12, 13' extremas. La forma frusto-cónica de la pared 13' extrema intensifica la presión en el centro de la cavidad 11 donde la altura de la cavidad 11 es pequeña relativa a la presión en la pared 14 lateral de la cavidad 11 donde la altura de la cavidad 11 es más grande. Por lo tanto, al comparar las cavidades 11 cilindrica y frusto-cónica que tienen amplitudes de presión central iguales, es aparente que la cavidad 11 frusto-cónica generalmente tendrá una amplitud de presión más pequeña en posiciones lejos del centro de la cavidad 11: la altura en aumento de la cavidad 11 actúa para reducir la amplitud de la onda de presión. A medida que las pérdidas de energía viscosa y térmica experimentadas durante las oscilaciones del fluido en la cavidad 11 incrementan con la amplitud de las oscilaciones, es ventajoso para la eficiencia de la bomba 70 para reducir la amplitud de las oscilaciones de presión lejos del centro de la cavidad 11 mediante el empleo de un diseño de cavidad 11 frusto-cónica . En una modalidad ilustrativa de la bomba 70 donde el diámetro de la cavidad 11 es de aproximadamente 20 mm, la altura de la cavidad 11 en la pared 14 lateral es de aproximadamente 1.0 mm ahusada a una altura en el centro de la pared 13' extrema de aproximadamente 0.3 mm. Cualquiera de las paredes 12, 13 extremas o ambas paredes 12, 13 extremas pueden tener una forma frusto-cónica .
Con referencia ahora a la Figura 4, se muestra una bomba 70 de acuerdo con otra modalidad ilustrativa de la invención. La bomba 70 es sustancialmente similar a la bomba 10 de la Figura 1 excepto que el cuerpo de bomba tiene una base 18' que tiene una superficie superior que forma la pared 13' extrema la cual es de forma frusto-cónica . Por consiguiente, la altura de la cavidad 11 varía de la altura en la pared 14 lateral a una altura menor entre las paredes 12, 13' extremas en el centro de las paredes 12, 13' extremas. -La forma frusto-cónica de la pared 13' extrema intensifica la presión en el centro de la cavidad 11 donde la altura de la cavidad 11 es menor relativa a la presión en la pared 14 lateral de la cavidad 11 donde la altura de la cavidad 11 es mayor. Por lo tanto, al comparar cavidades 11 cilindricas y frusto-cónicas que tienen amplitudes de presión central iguales, es aparente que la cavidad 11 frusto-cónica generalmente tendrá una amplitud de presión menor en posiciones lejos del centro de la cavidad 11: la altura en aumento de la cavidad 11 actúa para reducir la amplitud de la onda de presión. A medida que las pérdidas de energía viscosa y termal experimentadas durante las oscilaciones del fluido en la cavidad 11 ambas incrementan con la amplitud de dichas oscilaciones, es ventajoso para la eficiencia de la bomba 70 para reducir la amplitud de las oscilaciones de presión lejos del centro de la cavidad 11 al emplear un diseño de cavidad 11 frusto-cónica . En una modalidad ilustrativa de la bomba 70 donde el diámetro de la cavidad 11 es de aproximadamente 20 mm, la altura de la cavidad 11 en la pared 14 lateral es de aproximadamente 1.0 mm que se ahúsa a una altura en el centro de la pared 13' extrema de aproximadamente 0.3 mm. Cualquiera de las paredes 12, 13 extremas o ambas paredes 12, 13 puede tener una forma frusto-cónica .
Con referencia ahora a la Figura 5, se muestra una bomba 60 de acuerdo con otra modalidad ilustrativa de la invención. La bomba 60 es sustancialmente similar a la bomba 10 de la Figura excepto que esta incluye un segundo accionador 62 que reemplaza a la base 18 del cuerpo de bomba. El accionador 62 comprende un segundo disco 64 y un aislador 66 en forma de anillo dispuesto entre el disco 64 y la pared 14 lateral. La bomba 60 también comprende un segundo disco 68 piezoeléctrico conectado operativamente al disco 64 para formar el accionador 62. El accionador 62 se encuentra asociado operativamente con la pared 13 extrema la cual comprende las superficies internas del disco 64 y aislador 66. El segundo accionador 62 también genera un movimiento oscilatorio de la pared 13 extrema en una dirección sustancialmente perpendicular a la pared 13 extrema en una manera similar al accionador 40 con respecto a la pared 12 extrema como se describió anteriormente. Cuando los accionadores 40, 62 se activan, circuitos de control (no mostrados) se proporcionan para coordinar las oscilaciones de desplazamiento axial de los accionadores . Es preferible que los accionadores se impulsen en la misma frecuencia y aproximadamente fuera de fase, es decir, de modo que los centros de las paredes 12, 13 extremas se muevan primero una hacia la otra y después se separen.
Las dimensiones de las bombas descritas en la presente deben preferiblemente satisfacer ciertas desigualdades con respecto a la relación entre la altura (h) de la cavidad 11 y el radio (r) de la cavidad lo cual es la distancia desde el eje longitudinal de la cavidad 11 hasta la pared 14 lateral. Estas ecuaciones son de la siguiente manera :
r/h>1.2; y
h2/r>4xl0"10 metros
En una modalidad de la invención, la relación del radio de cavidad con la altura (r/h) de cavidad se encuentra entre más o menos 10 y más o menos 50 cuando el fluido dentro de la cavidad 11 es un gas. En este ejemplo, el volumen de la cavidad 11 puede ser menor que alrededor de 10ml. Adicionalmente la relación de h2/r se encuentra preferiblemente dentro de un margen entre alrededor de 10"3 y alrededor de 10"6 metros donde el fluido en operación es un gas a diferencia de un líquido.
En una modalidad de la invención las aberturas 15 secundarias se ubican donde la amplitud de las oscilaciones de presión dentro de la cavidad 11 se encuentra cerca a cero, es decir, los puntos "nodales" de las oscilaciones de presión. Donde la cavidad 11 es cilindrica, la dependencia radial de la oscilación de presión puede aproximarse mediante una función Bessel del primero tipo y el nodo radial de la oscilación de presión de orden más bajo dentro de la cavidad 11 ocurre en una distancia de aproximadamente 0.63r±0.2r del centro de la pared 12 extrema o el eje longitudinal de la cavidad 11. Por lo tanto, las aberturas 15 secundarias se ubican preferiblemente en una distancia (a) radial del centro de las paredes 12, 13 extremas, donde (a) * 0.63r±0.2r, es decir, cerca de los puntos nodales de las oscilaciones de presión.
Adicionalmente, las bombas descritas en la presente deben preferiblemente satisfacer la siguiente desigualdad en relación con el radio (r) de cavidad y frecuencia (f) de operación la cual es la frecuencia en la cual el accionador 40 vibra para generar el desplazamiento axial de la pared 12 extrema. La ecuación de desigualdad es de la siguiente manera :
= r= r) [Ecuación 1]
2?? Irá
en donde la velocidad del sonido en el fluido en operación dentro de la cavidad 11 (c) puede abarcar entre una velocidad (cs) lenta de alrededor de 115 m/s y una velocidad (Cf) rápida igual a alrededor de 1,970 m/s como se expresa en la ecuación anterior, y k0 es una constante (k0=3.83). La frecuencia del movimiento oscilatorio del accionador 40 es preferiblemente aproximadamente igual a la frecuencia resonante más baja de oscilaciones de presión radial en la cavidad 11, pero puede encontrarse dentro de 20% del mismo. La frecuencia resonante más baja de oscilaciones de presión radial en la cavidad 11 es preferiblemente mayor que 500Hz.
Con referencia ahora a la bomba 10 en operación, el disco 20 piezoeléctrico se excita para expandirse y contraerse en una dirección radial hacia la placa 17 extrema la cual provoca que el accionador 40 se curve, lo cual induce un desplazamiento axial de la pared 12 extrema impulsada en una dirección sustancialmente perpendicular a la pared 12 extrema impulsada. El accionador 40 se asocia operativamente con la porción central de la pared 12 extrema como se describe anteriormente de modo que las oscilaciones de desplazamiento axial del accionador provocan oscilaciones de desplazamiento axial a lo largo de la superficie de la pared 12 extrema con amplitudes máximas de oscilaciones, es decir, oscilaciones de desplazamiento anti-nodo, en más o menos el centro de la pared 12 extrema. Con referencia de vuelta a la Figura 1A, las oscilaciones de desplazamiento y las oscilaciones de presión resultantes de la bomba 10 como generalmente se describen anteriormente se muestran de manera más específica en las Figuras IB y 1C, respectivamente. La relación de fase entre las oscilaciones de desplazamiento y oscilaciones de presión puede variar, y una relación de fase particular no debe implicarse de ninguna figura.
La Figura IB muestra un posible perfil de desplazamiento que ilustra la oscilación axial de la pared 12 extrema impulsada de la cavidad 11. La línea curveada y flecha sólida representan el desplazamiento de la pared 12 extrema impulsada en un punto en el tiempo, y la línea curveada punteada representa el desplazamiento de la pared 12 extrema impulsada un medio ciclo después. El desplazamiento como se muestra en esta figura y en las otras figuras es exagerado. Debido a que el accionador 40 no se encuentra rígidamente montado en su perímetro, más bien suspendido por el aislador 30, el accionador 40 es libre para oscilar alrededor de su centro de masa en su modo fundamental . En este modo fundamental, la amplitud de las oscilaciones de desplazamiento del accionador 40 es sustancialmente cero en un nodo 22 de desplazamiento anular ubicado entre el centro de la pared 12 extrema y la pared 14 lateral. Las amplitudes de las oscilaciones de desplazamiento en otros puntos en la pared 12 extrema tienen amplitudes mayores que cero como se representa por las flechas verticales. Un anti-nodo 21 de desplazamiento central existe cerca del centro del accionador 40 y el anti-nodo 21' de desplazamiento periférico existe cerca del perímetro del accionador 40.
La Figura 1C muestra un posible perfil de oscilación de presión que ilustra la oscilación de presión dentro de la cavidad 11 resultante de las oscilaciones de desplazamiento axial que se muestran en la Figura IB. La línea curveada y flechas sólidas representan la presión en un punto en el tiempo, y la línea curveada punteada representa la presión un medio ciclo después. En este modo y modos de orden más alto, la amplitud de las oscilaciones de presión tiene un anti-nodo 23 de presión central cerca del centro de la cavidad 11 y un anti-nodo 24 de presión periférica cerca de la pared 14 lateral de la cavidad 11. La amplitud de las oscilaciones de presión es sustancialmente cero en el nodo 25 de presión anular entre el anti-nodo 23 de presión central y el anti-nodo 24 de presión periférica. Para una cavidad cilindrica la dependencia radial de la amplitud de las oscilaciones de presión en la cavidad 11 puede aproximarse mediante una función Bessel del primer tipo. Las oscilaciones de presión descritas anteriormente resultan a partir del movimiento radial del fluido en la cavidad 11, y se referirá como las "oscilaciones de presión radial" del fluido dentro de la cavidad 11 como se distingue de las oscilaciones de desplazamiento axial del accionador 40.
Con referencia adicional a las Figuras IB y 1C, puede verse que la dependencia radial de la amplitud de las oscilaciones de desplazamiento axial del accionador 40 (el "modo de forma" del accionador 40) debe aproximarse a una función Bessel del primer tipo para correlacionar de manera más cercana la dependencia radial de la amplitud de las oscilaciones de presión deseadas en la cavidad 11 (el "modo de forma" de la oscilación de presión) . Al no montar rígidamente el accionador en su perímetro y al permitir que vibre más libremente alrededor de su centro de masa, el modo de forma de las oscilaciones de desplazamiento sustancialmente correlaciona el modo de forma de las oscilaciones de presión en la cavidad 11, por lo tanto se logra la correlación de modo de forma o, de manera, más simple, modo de correlación. Aunque el modo de correlación puede no ser siempre perfecto en este sentido, las oscilaciones de desplazamiento axial del accionado 40 y las oscilaciones de presión correspondientes en la cavidad 11 tienen sustancialmente la misma fase relativa por toda la superficie completa del accionador 40 en el cual la posición radial del nodo 25 de presión anular de las oscilaciones de presión en la cavidad 11 y la posición radial del nodo 22 de desplazamiento anular de las oscilaciones de desplazamiento axial del accionador 40 son sustancialmente coincidentes.
A medida que el accionador 40 vibra alrededor de su centro de masa, la posición radial del nodo 22 de desplazamiento anular necesariamente se ubicará dentro del radio del accionador 40 cuando el accionador 40 vibra en su modo fundamental como se ilustra en la Figura IB. Por lo tanto, para asegurar que el nodo 22 de desplazamiento anular sea coincidente con el nodo 25 de presión anular, el radio del accionador (racC) debe ser preferiblemente mayor que el radio de nodo 25 de presión anular para optimizar el modo de correlación. Al asumir de nuevo que la oscilación de presión en la cavidad 11 se aproxima a una función Bessel del primer tipo, el radio del nodo 25 de presión anular puede ser de aproximadamente 0.63 de radio desde el centro de la pared 13 extrema hasta la pared 14 lateral, es decir, el radio de la cavidad 11 (r) como se muestra en la Figura 1A. Por consiguiente, el radio del accionador 40(ract) debe satisfacer preferiblemente satisfacer la siguiente desigualdad: racC>0.63r.
El aislador 30 puede ser una membrana flexible la cual permita al borde del accionador 40 moverse más libremente como se describe anteriormente al curvearse y estirarse en respuesta a la vibración del accionador 40 como se muestra por el desplazamiento de las oscilaciones 21' de desplazamiento periférico en la Figura IB. La membrana flexible supera los efectos potenciales de amortiguamiento de la pared 14 lateral en el accionador 40 al proporcionar un soporte de impedancia mecánica baja entre el accionador 40 y la pared 19 cilindrica de la bomba 10 con lo cual se reduce el amortiguamiento de las oscilaciones axiales de las oscilaciones 21' de desplazamiento periférico del accionador 40. Esencialmente, la membrana 31 flexible minimiza la energía que se transfiere desde el accionador 40 a la pared 14 lateral, la cual permanece sustancialmente estacionaria. Por consiguiente, el nodo 22 de desplazamiento anular permanecerá sustancialmente alineado con el nodo 25 de presión anular para mantener la condición de modo de correlación de la bomba 10. Por lo tanto, las oscilaciones de desplazamiento axial de la pared 12 extrema impulsada continúan generando eficientemente oscilaciones de la presión dentro de la cavidad 11 desde el anti-nodo 23 de presión central hasta el anti-nodo 24 de presión periférica en la pared 14 lateral como se muestra en la Figura 1C .
La Figura 6A muestra una vista en corte transversal esquemática de la bomba de la Figura 3 y Figura 6B una gráfica de las oscilaciones de presión de fluido dentro de la bomba como se muestra en la Figura 1C . La válvula 46' (al igual que la válvula 46) permite al fluido fluir solo en una dirección como se describe anteriormente. La válvula 46' puede ser una válvula de retención o cualquier otra válvula que permita al fluido fluir solo en una dirección. Algunos tipos de válvulas pueden regular el flujo del fluido al alternar entre una posición abierta y cerrada. Para que tales válvulas operen en las frecuencias altas generadas por el accionador 40, las válvulas 46 y 46' deben de tener un tiempo de respuesta extremadamente rápido de tal modo que puedan abrir y cerrar en una escala de tiempo significativamente más corta que la escala de tiempo de la variación de presión. Una modalidad de las válvulas 46 y 46' logra esto al emplear una válvula de charnela extremadamente ligera la cual tiene baja inercia y por consiguiente puede moverse rápidamente en respuesta a cambios en presión relativa en toda la estructura de la válvula.
Con referencia a las Figuras 7A-D tal válvula de charnela, la válvula 110 se muestra de acuerdo a una modalidad ilustrativa. La válvula 110 comprende una pared 112 sustancialmente cilindrica que es de forma de anillo y cerrada en un extremo por una placa 114 de retención y en el otro extremo por una placa 116 de sellado. La superficie interior de la pared 112, la placa 114 de retención, y la placa 116 de sellado forman una cavidad 115 dentro de la válvula 110. La válvula 110 comprende además de una charnela 117 sustancialmente circular dispuesta entre la placa 114 de retención y la placa 116 de sellado, pero adyacente a la placa 116 de sellado. La charnela 117 puede disponerse adyacente a la placa 114 de retención en una modalidad alternativa como se describirá en más detalle a continuación, y en este sentido la charnela 117 se considera a estar "predispuesta" contra ya sea la placa 116 de sellado o la placa 114 de retención. La porción periférica de la charnela 117 se intercala entre la placa 16 de sellad y la pared 112 en forma de anillo para que el movimiento de la charnela 117 se restringa en el plano sustancialmente perpendicular a la superficie de la charnela 117. El movimiento de la charnela 117 en tal plano puede también restringirse por la porción periférica de la charnela 117 que se une directamente ya sea a la placa 116 de sellado o a la pared 112, o por la charnela 117 siendo un ajuste cerrado dentro de la pared 112 en forma de anillo, en modalidades alternativas. El restante de la charnela 117 es suficientemente flexible y movible en una dirección sustancialmente perpendicular a la superficie de la charnela 117, para que una fuerza aplicada a cualquier superficie de la charnela 117 motive la charnela 117 entre la placa 116 de sellado y la placa 114 de retención.
La placa 114 de retención y la placa 116 de sellado ambas tienen orificios 118 y 120, respectivamente, los cuales se extienden a través de cada placa. La charnela 117 también tiene orificios 122 que se encuentran generalmente alineados con los orificios 118 de la placa 114 de retención para proporcionar un pasaje a través del cual el fluido puede fluir como se indica por las flechas 124 punteadas en las Figuras 6C y 8A. Los orificios 122 en la charnela 117 pueden también encontrarse parcialmente alineados, es decir, teniendo solo un traslapo parcial, con los orificios 118 en la placa 114 de retención. Aunque los orificios 118, 120, 122 se muestran para ser sustancialmente de tamaño y forma uniformes, estos pueden ser de diferentes diámetros o hasta de diferentes formas sin limitar el alcance de la invención. En una modalidad de la invención, los orificios 118 y 120 forman un patrón alterno por toda la superficie de las placas como se muestra por los círculos sólidos y punteados, respectivamente, en la Figura 7D. En otras modalidades, los orificios 118, 120, 122 pueden disponerse en diferentes patrones sin efectuar de la operación de la válvula 10 con respecto al funcionamiento de las parejas individuales de los orificios 118, 120, 122 como se ilustra por conjuntos individuales de flechas 124 punteadas. El patrón de orificios 118, 120, 122 puede designarse para incrementar o disminuir el número de orificios para controlar el flujo total de fluido a través de la válvula 110 como sea requerido. Por ejemplo, el número de orificios 118, 120, 122 puede incrementarse para reducir la resistencia de flujo de la válvula 110 para incrementar la tasa de flujo total de la válvula 110.
Cuando no se aplica fuerza a cualquier superficie de la charnela 117 para superar la predisposición de la charnela 117, la válvula 110 se encuentra en una posición "normalmente cerrada" porque la charnela 117 se dispone adyacente a la placa 116 de sellado donde los orificios 122 de la charnela se encuentran desalineados o no alineados con los orificios 118 de la placa 116 de sellado. En esta posición "normalmente cerrada", el flujo de fluido a través de la placa 116 de sellado se sustancialmente bloqueado o cubierto por las porciones no perforadas de la charnela 117 como se muestra en las Figuras 7A y 7B. Cuando se aplica presión contra cualquier lado de la charnela 117 que supera la predisposición de la charnela 117 y motiva la charnela 117 lejos de la placa 116 de sellado hacia la placa 114 de retención como se muestra en las Figuras 6C y 8A, la válvula 110 se mueve de la posición normalmente cerrada a una posición "abierta" durante un periodo de tiempo, un retardo de tiempo de abertura (T0) permite al fluido fluir en la dirección indicada por las flechas 124 punteadas . Cundo la presión cambia de dirección como se muestra en la Figura 8B, la charnela 117 se motivarán de vuelta hacia la placa 116 de sellado a la posición normalmente cerrada. Cuando esto sucede, el fluido fluirá por un periodo corto de tiempo, un retardo de tiempo de cierre (Tc) , en la dirección opuesta como se indica por las flechas 132 punteadas hasta que la charnela 117 selle los orificios 120 de la placa 116 de sellado para bloquear sustancialmente el flujo de fluido a través de la placa 116 de sellado como se muestra en la Figura 7B. En otras modalidades de la invención, la charnela 117 puede encontrarse predispuesta contra la placa 114 de retención con los orificios 118, 122 alineados en una posición "normalmente abierta" . En esta modalidad, se necesitará aplicar presión positiva contra la charnela 117 para motivar la charnela 117 en una posición "cerrada" . Cabe notar que los términos "sellado" y "bloqueado" como se utilizan en la presente en relación con la operación de válvula se pretenden para incluir casos en los cuales sello o bloque sustancial (pero incompleto) ocurre, de tal modo que la resistencia de flujo de la válvula es mayor en la posición "cerrada" que en la posición "abierta" .
La operación de la válvula 110 es una función del cambio de dirección de la presión diferencial (??) del fluido a través de la válvula 110. En la Figura 7B, a la presión diferencial se le ha asignado un valor negativo (-??) como se indica por la flecha que apunta hacia abajo. Cuando la presión diferencial tiene un valor negativo ( -??) , la presión de fluido en la superficie exterior de la placa 114 de retención es mayor que la presión de fluido en la superficie de la placa 116 de sellado. Esta presión diferencial negativa (-??) impulsa la charnela 117 en la posición totalmente cerrada como se describe anteriormente en donde la charnela 117 se presiona contra la placa 116 de sellado para bloquear los orificios 120 en la placa 116 de sellado, con lo cual se previene sustancialmente el flujo de fluido a través de la válvula 110. Cuando la presión diferencial a través de la válvula 110 se invierte para convertirse en una presión diferencial positiva (+??) como se indica por la flecha que apunta hacia arriba en la Figura 8A; la charnela 117 se motiva lejos de la placa 116 de sellado y hacia la placa 114 de retención en la posición abierta. Cuando la presión diferencial tiene un valor positivo (+??), la presión de fluido en la superficie exterior de la placa 116 de sellado es mayor que la presión de fluido en la superficie exterior de la placa 114 de retención. En la posición abierta, el movimiento de la charnela 117 desbloquea los orificios 120 de la placa 116 de sellado de modo que el fluido pueda ser capaz de fluir a través de ellos y a través de los orificios 122 y 118 alineados de la charnela 117 y de la placa 114 de retención, respectivamente, como se indica por las flechas 124 punteadas.
Cuando la presión diferencial a través de la válvula 110 cambia de vuelta a una presión diferencial negativa (-??) como se indica por la flecha que apunta hacia abajo en la Figura 8B, el fluido comienza a fluir en la dirección opuesta a través de la válvula 110 como se indica por las flechas 132 punteadas, lo cual obliga a la charnela 117 a regresar hacia la posición cerrada que se muestra en la Figura 7B. En la Figura 8B, la presión de fluido entre la charnela 117 y la placa 116 de sellado es menor que la presión de fluido entre la charnela 117 y la placa 114 de retención. Por lo tanto, la charnela 117 experimenta una fuerza neta, representada por las flechas 138, lo cual acelera la charnela 117 hacia la placa 116 de sellado para cerrar la válvula 110. De esta manera, los ciclos de presión diferencial cambiantes de la válvula 110 entre las posiciones cerradas y abiertas basadas en la dirección (es decir, positivo o negativo) de la presión diferencial a través de la válvula 110. Debe entenderse que la charnela 117 puede predisponerse contra la placa 114 de retención en una posición abierta cuando no se aplique presión diferencial a través de la válvula 110, es decir, la válvula 110 puede entonces encontrarse en una posición "normalmente abierta" .
Con referencia de nuevo a la Figura 6A, la válvula
110 se dispone dentro de la abertura 46' primaria de la bomba 10 de modo que el fluido se absorba en la cavidad 11 a través de la abertura 46' primaria y se expulse de la cavidad 11 a través de las aberturas 15 secundarias como se indica por las flechas sólidas, con lo cual se proporciona una fuente de presión reducida en la abertura 46' primaria de la bomba 10. El flujo de fluido a través de la abertura 46' primaria como se indica por la flecha sólida que apunta hacia arriba corresponde al flujo de fluido a través de los orificios 118, 120 de la válvula 110 como se indica por las flechas 126 punteadas que también apuntan hacia arriba. Como se indica anteriormente, la operación de la válvula 110 es una función del cambio de dirección de una presión diferencial (??) del fluido por toda la superficie de la placa 114 de retención de la válvula 110 para esta modalidad de una bomba de presión negativa. La presión diferencial (??) se asume a ser sustancialmente uniforme por toda la superficie de la placa 114 de retención porque el diámetro de la placa 114 de retención es pequeño relativo a la longitud de onda de las oscilaciones de presión en la cavidad 115 y además porque la válvula 110 se ubica en la abertura 46' primaria cerca del centro de la cavidad 115 donde la amplitud del anti-nodo 71 de presión central es relativamente constante. Cuando la presión diferencial a través de la válvula 110 se invierte para convertirse en presión diferencial positiva (+??) como se muestra en las Figuras 6C y 8A, la charnela 117 predispuesta se motiva lejos de la placa 116 de sellado contra la placa 114 de retención en la posición abierta. En esta posición, el movimiento de la charnela 117 desbloquea los orificios 120 de la placa 116 de sellado de modo que se le permita al fluido fluir a través de ellos y a través de los orificios 118 alineados de la placa 114 de retención y de los orificios 122 de la charnela 117 como se indica por las flechas 124 punteadas. Cuando la presión diferencial cambia de vuelta a la presión diferencial negativa (-??), el fluido comienza a fluir en la dirección opuesta a través de la válvula 110 (ver Figura 8B) , lo cual obliga a la charnela 117 a regresar hacia la posición cerrada (ver Figura 7B) . Por lo tanto, a medida que las oscilaciones de presión en la cavidad 11 alterna la válvula 110 entre las posiciones normalmente cerradas y abiertas, la bomba 160 proporciona una presión reducida cada medio ciclo cuando la válvula 110 se encuentra en la posición abierta.
La presión diferencial (??) se asume a ser sustancialmente uniforme por toda la superficie completa de la placa 114 de retención porque corresponde al anti-nodo 71 de presión central como se describe anteriormente, por lo tanto es una buena aproximación en cuanto a que no hay variación espacial en la presión a través de la válvula 110. Mientras se encuentra en práctica la dependencia de tiempo de la presión a través de la válvula puede ser aproximadamente sinusoidal, en el análisis que sigue debe asumirse que los valores de la presión diferencial (??) entre la presión diferencial positiva (+??) y la presión diferencial negativa (-??) pueden representarse por una onda cuadrada sobre el periodo de tiempo de presión positiva (Tp+) y el periodo de tiempo de presión negativa (Tp.) de la onda cuadrada, respectivamente, como se muestra en la Figura 9A. A medida que la presión diferencial (??) alterna la válvula 110 entre posiciones normalmente cerradas y abiertas, la bomba 10 proporciona una presión reducida cada medio ciclo cuando la válvula 110 se encuentra en la posición abierta sometida al retardo de tiempo de abertura (TD) y el retardo de tiempo de cierre (Tc) como también se describe anteriormente y se muestra en la Figura 9B. Cuando la presión diferencial a través de la válvula 110 es inicialmente negativa con la válvula 110 cerrada (ver Figura 7A) y se invierte para convertirse en una presión diferencial positiva (+??), la charnela 117 predispuesta se motiva lejos de la placa 116 de sellado hacia la placa 114 de retención en la posición abierta (ver Figura 7B) después del retardo de tiempo de abertura (T0) . En esta posición, el movimiento de la charnela 117 desbloquea los orificios 120 de la placa 116 de sellado de modo que se le permita al fluido fluir a través de ellos y a través de los orificios 118 alineados de la placa 114 de retención y de los orificios 122 de la charnela 117 como se indica por las flechas 124 punteadas, con lo cual se proporciona una fuente de presión reducida fuera de la abertura 46' primaria de la bomba 10 durante un periodo de tiempo de abertura (T0) . Cuando la presión diferencial a través de la válvula 110 cambia de vuelta a la presión diferencial negativa (-??), el fluido comienza a fluir en la dirección opuesta a través de la válvula 110 (ver Figura 7C) lo cual obliga a la charnela 117 de vuelta hacia la posición cerrada después del retardo de tiempo de cierre (Tc) . La válvula 110 permanece cerrada por el resto del medio ciclo o periodo de tiempo de cierre (Tc) .
La placa 114 de retención y la placa 116 de sellado deben ser lo suficientemente fuertes para resistir las oscilaciones de presión de fluido a las cuales se someten sin deformación mecánica significativa. La placa 114 de retención y la placa 116 de sellado pueden formarse a partir de cualquier material rígido adecuado tal como vidrio, silicón, cerámica, o metal. Los orificios 118, 120 en la placa 114 de retención y la placa 116 de sellado pueden formarse por cualquier proceso adecuado incluyendo grabado al aguafuerte químico, maquinado por láser, taladrado mecánico, granallado con material pulverizado, y estampado. En una modalidad, la placa 114 de retención y la placa 116 de sellado se forman a partir de lámina de acero de entre 10 y 200 mieras de espesor, y los orificios 118, 120 en las mismas se forman por grabado al aguafuerte químico. La charnela 117 puede formarse a partir de cualquier material liviano, tal como película de metal o polímero. En una modalidad, cuando las oscilaciones de presión de fluido de 20 kHz o mayores se presentan ya sea en el lado 134 de placa de retención o en el lado 136 de la placa de sellado, la charnela 117 puede formarse a partir de una lámina de polímero delgada de entre 1 miera y 20 mieras de espesor. Por ejemplo, la charnela 117 puede formarse a partir de tereftalato de polietileno (PET) o de una película de polímero de cristal líquido de aproximadamente 3 mieras de espesor .
Para obtener un orden de estimado de magnitud para la masa máxima por área de unidad de la charnela' 117 de acuerdo a una modalidad de la invención, de nuevo se asume que la oscilación de presión a través de la válvula 110 es una onda cuadrada como se muestra en la Figura 9A y que el diferencial de presión completo desciende por toda la charnela 117. Al asumir además que la charnela 117 se mueve como un cuerpo rígido, la aceleración de la charnela 117 lejos de la posición cerrada cuando la presión diferencial se invierte del valor negativo al positivo puede expresarse de la siguiente manera:
[Ecuación 2]
donde x es la posición de la charnela 117, p representa la aceleración de la charnela 117, P es la amplitud de la onda de presión oscilatoria, y m es la masa por unidad de área de la charnela 117. Al integrar esta expresión para encontrar la distancia, d, transitada por la charnela 117 en un tiempo 7, arroja lo siguiente:
[Ecuación 3]
Esta expresión puede utilizarse para estimar el retardo de tiempo de abertura (TD) y el retardo de tiempo de cierre (Tc) , en cada caso desde el punto de inversión de presión .
En una modalidad de la invención, la charnela 117 debe transitar la distancia entre la placa 114 de retención y la placa 116 de sellado, la separación (vgap) de válvula es la distancia perpendicular entre las dos placas, dentro de un periodo de tiempo menor que alrededor de un cuarto (25%) del periodo de tiempo de la oscilación de presión diferencial que impulsa el movimiento de la charnela 117, es decir, el periodo de tiempo de la onda (tpres) cuadrada de aproximación. Basándose en esta aproximación y en las ecuaciones anteriores, la masa por área de unidad de la charnela 117 (m) se encuentra sometida a la siguiente desigualdad:
p t 2 P 1
m < , o alternativamente m < - [Ecuación 4]
2dm, 16 2cigap \6j-
donde dgap es la separación de charnela, es decir, la separación (vgap) de válvula menos el espesor de la charnela 117, y / es la frecuencia de la oscilación de presión diferencial aplicada (como se ilustra en la Figura 10) . En una modalidad, P puede ser de 15 kPa, / puede ser de 20kHz, y dgap puede ser de 25 mieras, indicando que la masa por área de unidad de la charnela 117 (m) debe ser menor que alrededor de 60 gramos por metro cuadrado. Al convertir la masa por área de unidad de la charnela 117 (m) , el espesor de la charnela 117 se encuentra sometido a la siguiente desigualdad :
[Ecuación 5]
2dgt¡p 16 2 Pftap
donde pfiap es la densidad del material de la charnela 117. Al aplicar una densidad de material típica para un polímero (por ejemplo, de aproximadamente 1400 kg/m3) , el espesor de la charnela 117 de acuerdo con esta modalidad es menor que alrededor de 45 mieras para la operación de la válvula 110 bajo las condiciones anteriores. Debido a que la onda cuadrada que se muestra en la Figura 9A sobrevalora en general la forma de onda de presión oscilatoria sinusoidal a través de la válvula 110, y además porque solo una proporción de la diferencia de presión aplicada a través de la válvula 110 actuará como una diferencia de presión de aceleración en la charnela 117, la aceleración inicial de la charnela 117 será menor que lo estimado anteriormente y el retardo de tiempo de abertura (T0) en práctica será más alto. Por lo tanto, el límite en el espesor de charnela derivado anteriormente es como un límite superior, y en práctica, para compensar por la aceleración disminuida de la charnela 117, el espesor de la charnela 117 puede reducirse para satisfacer la desigualdad de la Ecuación 5. La charnela 117 es más delgada para que acelere más rápido para asegurar que el retardo de tiempo de abertura (Tc) sea menor que alrededor de un cuarto (25%) del periodo de tiempo de la oscilación de presión (tpres) diferencial.
Minimizar la caída de presión incurrida a medida que el aire fluye a través de la válvula 110 es importante para maximizar el desempeño de la válvula ya que afecta tanto a la tasa de flujo máximo como a la presión de detención que pueden lograrse. Reducir el tamaño de la separación de válvula (vgap) entre las placas o el diámetro de los orificios 118, 120 en las placas incrementa la resistencia de flujo e incrementa la caída de presión a través de la válvula 110. De acuerdo con otra modalidad de la invención, el siguiente análisis que emplea ecuaciones de flujo de estado estable para aproximar la resistencia de flujo a través de la válvula 110 puede utilizarse para mejorar la operación de la válvula 110. La caída de presión para el flujo a través de un orificio 118 o 120 en cualquier placa puede estimarse mediante el uso de la ecuación Hagan-Pousille :
na ' h,.ok
donde µ es la viscosidad dinámica de fluido, q es la tasa de flujo a través del orificio, tpiate es el espesor de placa, y dhoie es el diámetro de orificio.
Cuando la válvula 110 se encuentra en la posición abierta como se muestra en la Figura 7B, el flujo de fluido a través de la separación entre la charnela 117 y la placa 116 de sellado (el mismo valor que la separación dgap de charnela) se propagará de manera general radialmente a través de la separación a una primera aproximación después de salir del orificio 120 en la placa 116 de sellado antes de contraerse radialmente dentro del orificio 118 en la placa 114 de retención. Si el patrón de los orificios 118, 120 en ambas placas es una disposición cuadrada con una longitud de sellado, s, entre los orificios 118 de la placa 114 de retención y los orificios 120 de la placa 116 de sellado como se muestra en las Figuras 7B y 7D, la caída de presión a través de la cavidad 115 de la válvula 110 puede aproximarse mediante la siguiente ecuación:
( 2\
?7 ln 2 + 1 [Ecuación 7]
V
Por lo tanto, la caída de presión total (aproximadamente Apga + 2* Aphoie) puede ser muy sensitiva a cambios en el diámetro de los orificios 118, 120 y la separación dgap de charnela entre la charnela 117 y la placa 116 de sellado. Debe notarse que una separación dgap de charnela más pequeña la cual puede ser deseable para minimizar el retardo de tiempo de abertura (T0) y el retardo de tiempo de cierre (Tc) de la válvula 110, puede incrementar la caída de presión significativamente. De acuerdo con la ecuación anterior, reducir la separación dgap de charnela de 25 mieras a 20 mieras duplica la perdida de presión. En muchas modalidades prácticas de la válvula, es este intercambio entre tiempo de respuesta y caída de presión el que determina la separación dgap de charnela óptima entre la charnela 117 y la placa 116 de sellado. En una modalidad, la separación dgap de charnela óptima cae dentro de una tasa aproximada de entre 5 mieras y alrededor de 150 mieras.
Al establecer el diámetro de los orificios 120 de la placa 116 de sellado, debe darse consideración tanto a mantener la tensión experimentada por la charnela 117 dentro de límites aceptables durante la operación de la válvula 110 (tal tensión se reduce mediante el uso de un diámetro más pequeño para los orificios 120 de la placa 116 de sellado) y para asegurar que la caída de presión a través de los orificios 120 no domine la caída de presión total a través de la válvula 110. Con respecto a la última consideración, una comparación entre las ecuaciones 6 y 7 anteriores para las caídas de presión de orificio y separación arrojan un diámetro mínimo para los orificios 120 en los cuales la caída de presión de orificio es aproximadamente igual a la caída de presión de separación de válvula. Este cálculo establece un límite menor en el diámetro deseable de los orificios 120 citados anteriormente cuyo diámetro la caída de presión de orificio rápidamente se vuelve negligentemente pequeña.
Con respecto a la consideración anterior en relación con la tensión experimentada por la charnela 117 en operación, la Figura 10 ilustra una porción de la válvula 110 de la Figura 7B en la posición normalmente cerrada. Es esta posición, la charnela 117 es sometida a tensión a medida que la charnela 117 sella y bloquea el orificio 120 en la placa 116 de sellado lo que provoca que la charnela 117 se deforme en la forma de un hoyuelo extendiéndose en la abertura de los orificios 120 como se ilustra. El nivel de tensión en la charnela 117 en esta configuración incrementa con el diámetro de los orificios 120 en la placa 116 de sellado para un espesor de charnela 117 dado. El material de charnela 117 tenderá a fracturarse más fácilmente si el diámetro de los orificios 120 es demasiado grande, por lo tanto conduce a la falla de la válvula 110. Para reducir la probabilidad de que el material de la charnela 117 se fracture, el diámetro del orificio 120 puede reducirse para limitar la tensión experimentada por la charnela 117 en operación a un nivel el cual se encuentra por debajo de la tensión de fatiga del material de la charnela 117.
La tensión máxima experimentada por el material de la charnela 117 en operación puede estimarse mediante el uso de las siguientes dos ecuaciones:
mmrL =K y + K (? [Ecuación 8]
Et4 t t )
y [Ecuación 9]
donde rhoie es el radio del orificio 120 de la placa
116 de sellado, t es el espesor de la charnela 117, y es la deflexión de la charnela 117 en el centro del orificio 120, Apma es la diferencia de presión máxima experimentada por la charnela 117 cuando se encuentra sellada, E es el Módulo de Young del material de la charnela 117, y i a K4 son constantes dependientes de los detalles de las condiciones de limite y la relación de Poisson de la charnela 117. Para un material de charnela 117 dado y geometría de los orificios 120, la ecuación puede resolverse para la deformación, y, y entonces el resultado se utiliza en la ecuación 9 para calcular la tensión. Para valores de y<<t, los términos cúbicos y cuadrados y/t en las ecuaciones 8 y 9 respectivamente se vuelven pequeños y estas ecuaciones se simplifican para correlacionar la teoría de deflexión de placa pequeña. Simplificar estas ecuaciones resulta en la tensión máxima siendo proporcional al radio de los orificios 120 al cuadrado e inversamente proporcionales al espesor cuadrado de la charnela 117. Para valores de y>>t o para charnelas que no tienen rigidez flexional, los términos cúbicos y cuadrados y/t en las dos ecuaciones se vuelven más significantes de modo que la tensión máxima se vuelve proporcional al radio del orificio 120 a la potencia 2/3 e inversamente proporcional al espesor de la charnela 117 a la potencia 2 /3.
En una modalidad de la invención, la charnela 117 se forma a partir de una lámina de polímero delgada, tal como Mylar con una relación Poisson de 0.38, y se fija a la placa 116 de sellado en el borde de los orificios 120. Las constantes Kx a K4 pueden estimarse como 6.23, 3.04, 4.68 y 1.73, respectivamente. Al utilizar estos valores en las Ecuaciones 8 y 9 y asumir que el espesor de la charnela 117 es de alrededor 3 mieras con un Módulo de Young de 4.3 GPa bajo una diferencia de presión de 500 mbar, la deflexión (y) de la charnela 117 será de aproximadamente lum para un radio de orificio de 0.06 mm, alrededor de 4µ?? para un radio de orificio de 0.1 mm, y alrededor de 8um para un radio de orificio de 0.15 mm. Las máximas tensiones bajo estas condiciones serán de 16, 34 y 43 MPa, respectivamente. Considerando el alto número de ciclos de tensión aplicados a la charnela 117 durante la operación de la válvula 110, la tensión máxima por ciclo tolerada por la charnela 117 debe ser significativamente menor que la tensión de rendimiento del material de la charnela 117 para reducir la posibilidad de que la charnela 117 sufra de una fractura de fatiga, especialmente en la porción de hoyuelo de la charnela 117 que se extiende en los orificios 120. Basándose en los datos de fatiga compilados para un alto número de ciclos se ha determinado que la tensión de rendimiento actual del material de la charnela 117 debe ser por lo menos cuatro veces mayor que la tensión aplicada al material de la charnela 117 (por ejemplo, 16, 34 y 43 MPa como se calculó anteriormente) . Por lo tanto, el material de la charnela 117 debe tener una tensión de rendimiento tan alta como 150 MPa para minimizar la probabilidad de tales fracturas para un diámetro de orificio máximo en este caso de aproximadamente 200 mieras.
Reducir el diámetro de los orificios 120 más allá de este punto puede ser deseable ya que además reduce la tensión de la charnela 117 y no tiene efecto significativo en la resistencia de flujo de válvula hasta que el diámetro de los orificios 120 se acerquen al mismo tamaño que la separación dgap de charnela. Adicionalmente, la reducción en el diámetro de los orificios 120 permite las inclusiones de un número incrementado de orificios 120 por área de unidad de la superficie de la válvula 110 para una o unas longitudes de sellado dadas. Sin embargo, el tamaño del diámetro de los orificios 120 puede limitarse, por lo menos en parte, por la manera en la cual las placas de la válvula 110 fueron fabricadas. Por ejemplo, el grabado al aguafuerte químico limita el diámetro de los orificios 120 para ser mayor que aproximadamente el espesor de las placas para lograr resultados de grabado al aguafuerte químico repetibles y controlables. En una modalidad, los orificios 120 en la placa 116 de sellado tienen entre alrededor de 20 mieras y alrededor de 500 mieras de diámetro. En otra modalidad, la placa 114 de retención y la placa 116 de sellado se forma a partir de lámina de acero de alrededor de 100 mieras de espesor, y los orificios 118, 120 son de alrededor de 150 mieras de diámetro. En esta modalidad la charnela 117 de válvula se forma a partir de tereftalato de polietileno (PET) y es de alrededor de 3 mieras de espesor. La separación (vga ) de válvula entre la placa 116 de sellado y la placa 114 de retención es de alrededor de 25 mieras.
Las Figuras 11A y 11B ilustran aún otra modalidad de la válvula 110, válvula 310, que comprenden orificios 318 de liberación que se extienden a través de la placa 114 de retención entre los orificios 118 en la placa 114 de retención. Los orificios 322 de liberación facilitan la aceleración de la charnela 117 lejos de la placa 114 de retención cuando la presión diferencial a través de la válvula 310 cambia de dirección, con lo cual además reduce el tiempo de respuesta de la válvula 310, es decir, reduce el retardo de tiempo de cierre (Tc) . A medida que la presión diferencial cambia de signo y comienza el flujo en reversa (como se ilustra por las flechas 322 punteadas) , la presión de fluido entre la charnela 117 y la placa 112 de sellado disminuye y entonces la charnela 117 se mueve lejos de la placa 114 de retención hacia la placa 116 de sellado. Los orificios 318 de liberación exponen la superficie 317 exterior de la charnela 117 en contacto con la placa 114 de retención al diferencial de presión que actúa para cerrar la válvula 310. También, los orificios 318 de liberación reducen la distancia 360 que el fluido debe penetrar entre la placa 114 de retención y la charnela 117 para liberar la charnela 117 de la placa 114 de retención como se ilustra en la Figura 11B. Los orificios 318 de liberación pueden tener un diámetro diferente que los otros orificios 118, 120 en las placas de válvula. En las Figuras 11A y 11B, la placa 114 de retención actúa para limitar el movimiento de la charnela 117 y para soportar la charnela 117 en la posición abierta mientras que tiene un área de contacto de superficie reducida con la superficie 317 de la charnela 117.
Las Figuras 12A y 12B muestran dos válvulas 110 como' se muestra en la Figura 7A donde una válvula 410 se orienta en la misma posición que la válvula 110 de la Figura 7A y la otra válvula 420 se invierte o invierte con la placa 114 de retención en el lado inferior y la placa 116 de sellado en el lado superior. Las válvulas 410, 420 operan como se describe anteriormente con respecto a la válvula 110 de las Figuras 7A-7C y 8A-8B, pero con los flujos de aire en direcciones opuestas como se indica por la flecha 412 punteada para la válvula 410 y flecha 422 punteada para la válvula 420 done una válvula actúa como una válvula de entrada y la otra actúa como una válvula de salida. La Figura 12C muestra una gráfica del ciclo de operación de las válvulas 410, 420 entre una posición cerrada y abierta que se modulan por el ciclo de onda cuadrada del diferencial de presión (??) como se ilustra por las líneas punteadas (ver Figuras 9A y 9B) . La gráfica muestra un medio ciclo para cada una de las válvulas 410, 420 a medida que cada una se abre a partir de la posición cerrada. Cuando la presión diferencial a través de la válvula 410 es inicialmente negativa y se invierte para volverse presión diferencial positiva (+??), la válvula 410 abre como se describe anteriormente y se muestra por la gráfica 414 con fluido que fluye en la dirección indicada por la flecha 412. Sin embargo, cuando la presión diferencial a través de la válvula 420 es inicialmente positiva y se invierte para convertirse en presión diferencial negativa (-??), la válvula 420 se abre como se describe anteriormente y como se muestra por la gráfica 424 con fluido que fluye en la dirección opuesta como se indica por la flecha 422. Por consiguiente, la combinación de las válvulas 410, 420 funciona como una válvula bidireccional que permite el flujo de fluido en ambas direcciones en respuesta al ciclo de la presión diferencial (??) . Las válvulas 410, 420 pueden montarse convenientemente una a la otra dentro de la abertura 46' primaria de la bomba 10 para proporcionar flujo de fluido en la dirección indicada por la flecha sólida en la abertura 46' primaria como se muestra en la Figura 6A para un medio ciclo, y después en la dirección opuesta (no mostrada) para el medio ciclo opuesto.
Las Figuras 13 y 14 muestran aún otra modalidad de las válvulas 410, 420 de la Figura 12A en la cual dos válvulas 510, 520 correspondientes a las válvulas 410, 420, respectivamente, se forman dentro de una estructura 505 sencilla. Esencialmente, las dos válvulas 510, 520 comparten una pared común o barrera 540 divisora la cual en este caso se forma como parte de la pared 112, aunque otras construcciones pueden ser posibles. Cuando la presión diferencial a través de la válvula 510 es inicialmente negativa y se invierte para volverse presión diferencial positiva (+??), la válvula 510 se abre de su posición normalmente cerrada con el fluido que fluye en la dirección indicada por la flecha 512. Sin embargo, cuando la presión diferencial a través de la válvula 520 es inicialmente positiva y se invierte para volverse una presión diferencial negativa (-??), la válvula 520 se abre de su posición normalmente cerrada con fluido que fluye en la dirección opuesta como se indica por la flecha 522. Por consiguiente, la combinación de las válvulas 510, 520 funciona como una válvula bidireccional que permite el flujo de fluido en ambas direcciones en respuesta al ciclo de la presión diferencial (??) .
La Figura 15 muestra aún otra modalidad de una válvula 555 bidireccional que tiene una estructura similar que la válvula bidireccional 505 de la Figura 14. La válvula 551 bidireccional también se forma dentro de una estructura sencilla que tiene dos válvulas 510, 530 que comparten una pared común o barrera 560 divisora la cual también se forma como parte de la pared 112. La válvula 510 opera en la misma forma como se describe anteriormente con la charnela 117 que se muestra en la posición normalmente cerrada bloqueando los orificios 20 como también se describe anteriormente. Sin embargo, la válvula 550 bidireccional tiene una charnela 117 sencilla que tiene una primera porción de charnela 117A dentro de la válvula 510 y una segunda porción de charnela 117B dentro de la válvula 530. La segunda porción de charnela 117B se predispone contra la placa 516 y comprende^ orificios 522 que se encuentran alineados con los orificios 120 de la placa 516 en vez de los orificios 118 de la placa 514 a diferencia de las válvulas descritas anteriormente. Esencialmente, la válvula 130 se predispone por la porción 117B de charnela en una posición normalmente abierta como se distingue de una posición normalmente cerrada de otras válvulas descritas anteriormente. Por lo tanto, la combinación de las válvulas 510, 530 funcionan como una válvula bidireccional que permite el flujo de fluido en ambas direcciones en respuesta al ciclo de la presión diferencial (??) con las dos válvulas abriendo y cerrando en ciclos alternos .
Debe ser aparente a partir de lo anterior que se ha proporcionado una invención que tiene ventajas significativas. Aunque la invención se muestra solamente en pocas de sus formas, no sólo se limita pero es susceptible a varios cambios y modificaciones sin apartarse del espíritu de la misma.
Claims (67)
1. Una bomba caracterizada porque comprende: un cuerpo de bomba que tiene una forma sustancialmente cilindrica que define una cavidad para contener un fluido, la cavidad se forma por una pared lateral cerrada en ambos extremos por paredes extremas sustancialmente circulares, por lo menos una de las paredes extremas es una pared extrema impulsada que tiene una porción central y una porción periférica que se extienden radialmente hacia afuera de la porción central de la pared extrema impulsada; un accionador asociado operativamente con la porción central de la pared extrema impulsada para provocar un movimiento oscilatorio de la pared extrema impulsada, con lo cual se generan oscilaciones de desplazamiento de la pared extrema impulsada en una dirección sustancialmente perpendicular a la misma con un nodo anular entre el centro de la pared extrema impulsada y la pared lateral cuando se encuentra en uso; un aislador asociado operativamente con la porción periférica de la pared extrema impulsada para reducir el amortiguamiento de las oscilaciones de desplazamiento; una primera abertura dispuesta en cualquier ubicación en la cavidad diferente a la ubicación del nodo anular y que se extiende a través del cuerpo de bomba; una segunda abertura dispuesta en cualquier ubicación en el cuerpo de bomba diferente a la ubicación de la primera abertura y que se extiende a través del cuerpo de bomba ; y , una válvula de charnela dispuesta en por lo menos una de las primeras aberturas y segundas aberturas; en donde las oscilaciones de desplazamiento generan oscilaciones de presión radial correspondientes del fluido dentro de la cavidad del cuerpo de bomba que provoca que el fluido fluya a través de la primera y segunda aberturas cuando se encuentran en uso.
2. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la relación del radio (r) de la cavidad se extiende desde el eje longitudinal de la cavidad a la pared lateral a la altura de la pared latera de la cavidad (h) es mayor que 1.2.
3. La bomba de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la altura (h) de la cavidad y el radio (r) de la cavidad además se relacionan mediante la siguiente ecuación: h2/r>4xl0~10 metros.
4. La bomba de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la segunda abertura se dispone en una de las paredes extremas en una distancia de alrededor de 0.63 (r) ± 0.2 (r) del centro de la pared extrema.
5. La bomba de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el accionador impulsa a la pared extrema asociada con este para provocar el movimiento oscilatorio en una frecuencia (f ) .
6. La bomba de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el accionador impulsa a la pared extrema asociada con este para provocar un movimiento oscilatorio en una frecuencia (f) en la cual el radio (r) se relaciona con la frecuencia (f) mediante la siguiente ecuación: k «cs < k0cf donde cs ~ 115 m/s, cr ~ l 970 m/s, y k0 = 3.83.
7. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la frecuencia resonante más baja de las oscilaciones de presión radial es mayor que alrededor de 500Hz .
8. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la frecuencia de las oscilaciones de desplazamiento de la pared extrema impulsada es aproximadamente igual a la frecuencia resonante más baja de las oscilaciones de presión radial.
9. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la frecuencia de las oscilaciones de desplazamiento de la pared extrema impulsada se encuentra dentro del 20% de la frecuencia resonante más baja de las oscilaciones de presión radial.
10. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque las oscilaciones de desplazamiento de la pared extrema impulsada se correlacionan en modo de forma a las oscilaciones de presión radial.
11. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la válvula permite al fluido fluir a través de la cavidad sustancialmente en una dirección.
12. La bomba de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la relación se encuentra entre alrededor de 10 y alrededor de 50 cuando el fluido en uso dentro de la cavidad es un gas .
13. La bomba de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque la relación de h2/r se encuentra entre alrededor de 10"3 metros y alrededor de 10"6 metros cuando el fluido en uso dentro de la cavidad es un gas.
14. La bomba de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el volumen de la cavidad es menor que alrededor de 10 mi.
15. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada además porque comprende: un segundo accionador asociado operativamente con la porción central de la otra pared extrema para provocar un movimiento oscilatorio de la pared extrema en una dirección sustancialmente perpendicular a la misma; y un segundo aislador asociado operativamente con la porción periférica de la pared extrema para reducir el amortiguamiento del movimiento oscilatorio de la pared extrema por la pared lateral dentro de la cavidad.
16. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el accionador comprende un componente piezoeléctrico para provocar el movimiento oscilatorio.
17. La bomba de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el accionador comprende un componente magnetoestrictivo para proporcionar el movimiento oscilatorio .
18. La bomba de conformidad con la reivindicación 2, "caracterizada porque el radio del accionador es mayor que o igual a 0.63(r).
19. La bomba de conformidad con la reivindicación 18, caracterizada porque el radio del accionador es menor o igual al radio de la cavidad (r) .
20. Una bomba caracterizada porque comprende: un cuerpo de bomba que tiene una cavidad sustancialmente de forma cilindrica que tiene una pared lateral cerrada por dos superficies extremas para contener un fluido, la cavidad tiene una altura (h) y un radio (r) , en el cual la relación de los radios (r) a la altura (h) es mayor que alrededor de 1.2; un accionador asociado operativamente con una porción central de una superficie extrema y adaptado para provocar un movimiento oscilatorio de la superficie extrema con un nodo anular entre el centro de la superficie extrema y la pared lateral cuando se utiliza; un aislador asociado operativamente con una porción periférica de la superficie extrema para reducir el amortiguamiento del movimiento oscilatorio; una primera abertura de válvula dispuesta en cualquier ubicación en la cavidad diferente a la ubicación del nodo anular y que se extiende a través del cuerpo de bomba ; una segunda abertura de válvula dispuesta en cualquier ubicación en el cuerpo de bomba diferente a la ubicación de la primera abertura y que se extiende a través del cuerpo de bomba; y una válvula de charnela dispuesta en por lo menos una de las primeras aberturas de válvula y segundas aberturas de válvula para permitir que el fluido fluya a través de la cavidad cuando se utiliza.
21. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque la válvula de charnela comprende: una primera placa que tiene aberturas que se extienden generalmente perpendiculares a través de la primera placa; una segunda placa que tiene primeras aberturas que se extienden generalmente perpendiculares a través de la segunda placa, las primeras aberturas se encuentran sustancialmente compensadas de las aberturas de la primera placa; un espaciador dispuesto entre la primera placa y la segunda placa para formar una cavidad entre las mismas en comunicación de fluido con las aberturas de la primera placa y las primeras aberturas de la segunda placa; y una charnela dispuesta y movible entre la primera placa y la segunda placa, la charnela tiene aberturas sustancialmente compensadas de las aberturas de la primera placa y sustancialmente alineadas con las primeras aberturas de la segunda placa; por lo cual la charnela se motiva entre la primera y segunda placas en respuesta a un cambio de dirección de la presión diferencial del fluido a través de la válvula de charnela .
22. La bomba de conformidad con la reivindicación 21, caracterizada porque la segunda placa comprende segundas aberturas que se extienden generalmente perpendiculares a través de la segunda placa y se encuentran separadas entre las primeras aberturas de la segunda placa, por lo cual las segundas aberturas se encuentras compensadas de las aberturas de la charnela.
23. La bomba de conformidad con la reivindicación 21, caracterizada porque la charnela se dispone adyacente ya sea a la primera o segunda placas en una primera posición cuando la presión diferencial es sustancialmente cero y es movible a otra de la primera y segunda placas en una segunda posición cuando se aplica una presión diferencial, por lo cual la charnela se motiva de la primera posición a la segunda posición en respuesta a un cambio de dirección de la presión diferencial del fluido a través de la válvula de charnela y de regreso a la primera posición en respuesta a una inversión en la dirección de la presión diferencial del fluido .
24. La bomba de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque la charnela se dispone adyacente a la segunda placa en una posición normalmente abierta, por lo cual el fluido fluye a través de la válvula de charnela cuando la charnela se encuentra en la primera posición y el flujo de fluido se bloquea por la válvula de charnela cuando la charnela se encuentra en la segunda posición.
25. La bomba de conformidad con la reivindicación 24, caracterizada porque la segunda placa además comprende segundas aberturas que se extienden generalmente perpendiculares a través de la segunda placa y se encuentran separadas entre las primeras aberturas de la segunda placa, por lo cual las segundas aberturas se encuentran compensadas de las aberturas de la charnela cuando se encuentra en la segunda posición.
26. La bomba de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque la charnela se dispone adyacente a la primera placa en una posición normalmente cerrada, por lo cual el flujo de fluido se bloquea por la válvula de charnela cuando la charnela se encuentra en la primera posición y el fluido fluye a través de la válvula de charnela cuando la charnela se encuentra en la segunda posición.
27. La bomba de conformidad con la reivindicación 26, caracterizada porque la segunda placa además comprende segundas aberturas que se extiende generalmente perpendiculares a través de la segunda placa y se encuentran separadas entre las primeras aberturas de la segunda placa, por lo cual las segundas aberturas se encuentran compensadas de las aberturas de la charnela cuando se encuentra en la segunda posición.
28. La bomba de conformidad con la reivindicación 21, caracterizada porque la primera y segunda placas se forman a partir de material sustancialmente rígido seleccionado del grupo que consiste de metal, plástico, silicón, y vidrio.
29. La bomba de conformidad con la reivindicación 28, caracterizada porque el metal es acero que tiene un espesor entre alrededor de 100 y alrededor de 200 mieras.
30. La bomba de conformidad con la reivindicación 21, caracterizada porque la charnela y ya sea una de la primera o segunda placas se encuentran separadas por una distancias entre alrededor de 5 mieras y alrededor de 150 mieras cuando la charnela se dispone adyacente a la otra placa .
31. La bomba de conformidad con la reivindicación 30, caracterizada porque la charnela se forma a partir de un polímero que tiene un espesor de alrededor de 3 mieras y la distancia entre la charnela y cualquiera de la primera y segunda placas es de alrededor de 15 mieras y alrededor de 50 mieras cuando la charnela se dispone adyacente a la otra placa .
32. La bomba de conformidad con la reivindicación 21, caracterizada porque la charnela se forma a partir de un material de peso ligero seleccionado del grupo que consiste de un polímero y metal.
33. La bomba de conformidad con la reivindicación 32, caracterizada porque el material de peso ligero es un polímero que tiene un espesor menor que alrededor de 20 mieras .
34. La bomba de conformidad con la reivindicación 33, caracterizada porque el polímero es tereftalato de polietileno que tiene un espesor de alrededor de 3 mieras.
35. La bomba de conformidad con la reivindicación 33, caracterizada porque el polímero es una película de cristal líquido que tiene un espesor de alrededor de 3 mieras .
36. La bomba de conformidad con la reivindicación 21, caracterizada porque las aberturas en la primera placa son menores que alrededor de 500 mieras en diámetro.
37. La bomba de conformidad con la reivindicación 21, caracterizada porque la charnela se forma a partir de un polímero que tiene un espesor de alrededor de 3 mieras y las aberturas en la primera placa son menores que alrededor de 150 mieras en diámetro.
38. La bomba de conformidad con la reivindicación 21, caracterizada porque la primera y segunda placas se forman a partir de acero que tiene un espesor de alrededor de 100 mieras, y en donde las aberturas de la primera placa, las primeras aberturas de las segundas placas, y las aberturas de la charnela son de alrededor de 150 mieras de diámetro, y en donde la charnela se forma a partir de una película de polímero que tiene un espesor de alrededor de 3 mieras.
39. La bomba de conformidad con la reivindicación 21, caracterizada porque el cambio de dirección de la presión diferencial oscila en una frecuencia de mayor que alrededor de 20 kHz.
40. La bomba de conformidad con la reivindicación 39, caracterizada porque la charnela tiene un retardo de tiempo de respuesta menor que alrededor de veinticinco por ciento del periodo de tiempo de las oscilaciones de presión diferencial .
41. La bomba de conformidad con la reivindicación 21, caracterizada porque la primera y segunda placas, el espaciador, y la charnela comprenden una primera porción de válvula, y la válvula de charnela además comprende una segunda porción de válvula que comprende: una primera placa que tiene aberturas que se extienden generalmente perpendiculares a través de la primera placa; una segunda placa que tiene primeras aberturas que se extienden generalmente perpendiculares a través de la segunda placa, las primeras aberturas se encuentran sustancialmente compensadas de las aberturas de la primera placa; un espaciador dispuesto entre la primera placa y las segundas placas para formar una cavidad entre las mismas en comunicación de fluido con las aberturas de la primera placa y las primeras aberturas de la segunda placa; y una charnela dispuesta y movible entre la primera placa y segunda placa, la charnela tiene aberturas sustancialmente compensadas de las aberturas de la primera placa y sustancialmente alineadas con las primeras aberturas de la segunda placa; por lo cual la charnela se motiva entre la primera y segunda placas en respuesta a un cambio de dirección de la presión diferencial del fluido a través de la válvula de charnela; y en donde la primera y segunda porciones de válvula se orientan con respecto a la presión diferencial para permitir al fluido a través de las dos porciones de la válvula en direcciones opuestas en respuesta al ciclo de la presión diferencial del fluido a través de la válvula.
42. La bomba de conformidad con la reivindicación 41, caracterizada porque la charnela de cada porción de válvula se dispone adyacente ya sea a una de la primera y segunda placas en una primera posición cuando la presión diferencial es sustancialmente cero y movible a otra de la primera y segunda placas en una segunda posición cuando se aplica una presión diferencial, por lo cual cada una de las charnelas se motiva desde la primera posición hasta la segunda posición en respuesta a un cambio de dirección de la presión diferencial del fluido a través de la válvula de charnela y de regreso a la primera posición en respuesta a una inversión de dirección de la presión diferencial del fluido .
43. La bomba de conformidad con la reivindicación 41, caracterizada porque la primera y segunda porciones de válvula se orientan en direcciones opuestas con respecto a la presión diferencial, y la charnela de cada porción de válvula se dispone adyacente a la segunda placa en una posición normalmente abierta, por lo cual el fluido fluye a través de cada porción de válvula cuando las charnelas se encuentran en la primera posición y el flujo de fluido se bloquea por las porciones de válvula cuando las charnelas se encuentran en la segunda posición.
44. La bomba de conformidad con la reivindicación 41, caracterizada porque la primera y segunda porciones de válvula se orientan en direcciones opuestas con respecto a la presión diferencial, y la charnela de cada porción de válvula se dispone adyacente a la primera placa en una posición normalmente cerrada, por lo cual el flujo de fluido se bloquea por las porciones de válvula cuando las charnelas se encuentran en la primera posición y el fluido fluye a través de las porciones de válvula cuando las charnelas se encuentran en la segunda posición.
45. La bomba de conformidad con la reivindicación 41, caracterizada porque la primera y segunda porciones de válvula e orientan en direcciones opuestas con respecto a la presión diferencial, la charnela de la primera porción de válvula se dispone adyacente a la primera placa de una posición normalmente cerrada por lo cual el flujo de fluido se bloquea por la primera porción de válvula cuando la charnela se encuentra en la primera posición y el fluido fluye a través de la primera porción de válvula cuando la charnela se encuentra en la segunda posición, y la charnela de la segunda porción de válvula se dispone adyacente a la segunda placa en una posición normalmente abierta por lo cual el fluido fluye a través de la segunda porción de válvula cuando la charnela se encuentra en la primera posición y el flujo de fluido se bloquea por la segunda porción de válvula cuando la charnela se encuentra en la segunda posición.
46. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque el movimiento oscilatorio genera oscilaciones de presión radial del fluido dentro de la cavidad lo que provoca que el fluido fluya a través de la primera abertura y la segunda abertura.
47. La bomba de conformidad con la reivindicación 46, caracterizada porque la frecuencia resonante más baja de las oscilaciones de presión radial es mayor que alrededor de 500 Hz.
48. La bomba de conformidad con la reivindicación 46, caracterizada porque la frecuencia del movimiento oscilatorio es aproximadamente igual a la frecuencia de resonancia más baja de las oscilaciones de presión radial.
49. La bomba de conformidad con la reivindicación 46, caracterizada porque la frecuencia del movimiento oscilatorio se encuentra dentro del 20% de la frecuencia resonante más baja de las oscilaciones de presión radial.
50. La bomba de conformidad con la reivindicación 46, caracterizada porque el movimiento oscilatorio se correlaciona en modo de forma a las oscilaciones de presión radial .
51. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque la altura (h) de la cavidad y el radio (r) de la cavidad además se relacionan mediante la siguiente ecuación: h2/r>4xl0"10 metros.
52. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque el accionador impulsa la superficie extrema de la cavidad asociada con el mismo para provocar el movimiento oscilatorio en una frecuencia (f) en donde el radio (r) se relaciona a la frecuencia (f) mediante la siguiente ecuación: 2p? 2p? donde cs ~ 1 15 m/s, c, ~ 1970 m/s, y k0 = 3.83.
53. La bomba de conformidad con la reivindicación 20 , caracterizada porque el radio del accionador es mayor que o igual a 0 . 63 (r) .
54. La bomba de conformidad con la reivindicación 53 , caracterizada porque el radio del accionador es menor que o igual al radio de la cavidad (r) .
55. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque la segunda abertura de válvula se dispone en una de las superficies extremas en una distancia de alrededor de 0.63 (r) ± 0.2 (r) desde el centro de la superficie extrema.
56. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque la válvula permite al fluido fluir a través de la cavidad en sustancialmente una dirección.
57. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque la relación se encuentra dentro del margen de alrededor de 10 y alrededor de 50 cuando el fluido en uso dentro de la cavidad es un gas .
58. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque la relación de h2/r se encuentra entre alrededor de 10~3 metros y alrededor de 10"6 metros cuando el fluido en uso dentro de la cavidad es un gas.
59. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque el volumen de la cavidad es menor que alrededor de 10 mi.
60. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada además porque comprende: un segundo accionador asociado operativamente con una porción central de la otra superficie extrema de la cavidad para provocar un movimiento oscilatorio de la superficie extrema; y un segundo aislador asociado operativamente con una porción periférica de la superficie extrema para reducir el amortiguamiento del movimiento oscilatorio.
61. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque el accionador comprende un componente piezoeléctrico para provocar el movimiento oscilatorio .
62. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque el accionador comprende un componente magnetoestrictivo para proporcionar el movimiento oscilatorio.
63. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque una de las superficies extremas de la cavidad tiene una forma frusto-cónica en donde la altura (h) de la cavidad varía desde una primera altura en alrededor del centro de una superficie extrema a una segunda altura adyacente a la pared lateral más pequeña que la primera altura .
64. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque una de las superficies extremas de la cavidad tiene una forma frusto-cónica en donde la altura (h) de la cavidad incrementa desde una primera altura en alrededor del centro de una superficie extrema a una segunda altura adyacente a la pared lateral.
65. La bomba de conformidad con la reivindicación 64, caracterizada porque la relación de la primera altura con la segunda altura es no menor que alrededor de 50%.
66. La bomba de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque la válvula de charnela es una válvula bidireccional para controlar el flujo de fluido en dos direcciones, la válvula bidireccional comprende por lo menos dos porciones de válvula para controlar el flujo de fluido, cada porción de válvula comprende: una primera placa que tiene aberturas que se extienden generalmente perpendiculares a través de la primera placa; una segunda placa que tiene aberturas que se extienden generalmente perpendiculares a través de la segunda placa, las primeras aberturas se encuentran sus ancialmente compensadas de las aberturas de las primeras placas; un espaciador dispuesto entre la primera placa y las segundas placas para formar una cavidad entre las mismas en comunicación de fluido con las aberturas de la primera placa y las aberturas de la segunda placa; y una charnela dispuesta y movible entre la primera y segunda placas, la charnela tiene aberturas sustancialmente compensadas de las aberturas de la primera placa y sustancialmente alineadas con las aberturas de la segunda placa ; por lo cual la charnela se motiva entre la primer y segunda placas en respuesta al cambio de dirección de la presión diferencial del fluido a través de la válvula; y en donde la primera y segunda porciones de válvula se orientan con respecto a la presión diferencial para permitir al fluido fluir a través de las dos porciones de la válvula en direcciones opuestas en respuesta al ciclo de la presión diferencial del fluido a través de la válvula.
67. La válvula bidireccional de conformidad con la reivindicación 66, caracterizada porque la charnela de cada porción de válvula se dispone adyacente a cualquiera de la primera y segunda placas en una primera posición cuando la presión diferencial es sustancialmente cero y movible a otra primer y segunda placas en una segunda posición cuando se aplica presión diferencial, por lo cual cada charnela se motiva de la primera posición a la segunda posición en respuesta a un cambio de dirección de la presión diferencial del fluido a través de la válvula y de regreso a la primera posición en respuesta a una inversión en la dirección de la presión diferencial del fluido.
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