電気流体力学ポンプのポンピングカと安定動作条件に関する研究

安定動作条件 に関す る研究

中   野    茂 要    旨

近年 ,携 帯用情報機器 の小型化 に ともない ,狭 い空間に冷却液 を送 る小型 ポンプのような冷却技 術 の開発が重要な課題 となっている。 また ,医 療技術やバイオテクノロジーの発展 に ともない ,化

学分析 システムの小型化 を図 る研究 を始 め とし ,微 小流体の制御や ,微 量サ ンプルの検 出な ど ,分

析 に必要な機能部品のマイクロ化 を目指す研究が盛 んに行われ るようにな りつつある。この中で ,基 板上の高精度で微小 な流路 に送液す るマイクロポンプが必要 とされている。 これ まで ,ポ ンプ とし ては回転翼 を用いる電磁型 ポンプが主流であったが ,そ の構造上 ,微 小サイズのポンプを実現す る のは容易ではない。回転翼な どの可動部があるために ,軸 受部 の機械的磨耗 による液中への不純物 の混入 な ども問題 となる。

これ らの技術的課題 を克服す るポ ンプ として ,静 電型 ポンプの一つである電気流体力学 (EHD)ポ ンプは有利 な特徴 を備 えている。 EHDポ ンプは _,リ ング電極対 円盤電極 のような非対称電極だけで 構成 され ,二 つの電極 のいずれか一方に直流高電圧 を印加 して ,他 方 をアースす ることによ り ,誘

電性液体 をポ ンピングで きる。従来の電磁型 ポンプのような機械的な可動部 を持たないため ,軸 受 部 の摩擦 によ り作動流体 を汚す心配がな く ,ま た静止型の故 に騒音が出ない。 さらに ,印 加電圧 を 変 えることによ り ,流 体 の流量 ,速 度 を容易 に制御で きるな どの有利 な特長 を有す る。

これ まで様々なタイプの EHDポ ンプが作製 され,基礎的な特性が明 らかにされているが,典型的 な EHDポ ンプ としては ,ィ ォ ン ドラッグ型 と誘導型 の二つが良 く知 られている。イオ ン ドラッグポ ンプは 1959年 OM.Stuetzerら によって提案 された。このポンプでは ,誘 電性液体 中に多量 のイオ ンを注入 し ,イ オ ンと直流高電界 との相互作用によるクーロンカ を利用 して液体 をポンピングす る。

ところが ,ポ ンピングカ を得 るために ,コ ロナ放電 な どにより液中に真電荷 を注入す る必要があ り

これが液体の絶縁劣化 を招 くとい う問題 を抱 えていた。その後 ,Melcherら によって誘導電荷 と交 流進行波電界 の相互作用 を動力源 とす る誘導型静電ポンプが提案 された。ポンプを構成す る電極 と 液体が非接触 なため ,液 体 の絶縁劣化 による トラブルを払拭で きたが ,装 置 は複雑 になって しまっ た。

本論文では ,真 電荷 を注入 しないで電気歪み力 をポンピングカ とす る新 しい EHDポ ンプの開発 を究極の目的 として,様 々な形状 の電極か ら成 る EHDポ ンプを作製 し,ポ ンピングの中心的な力 に ついて検討 した。初 めに EHDポ ンプの基礎的な特性 を明 らかにす るためにポ ンプで発生す る電気 的な圧力 を検討 した。 U字 管の片側 に ,数 mmサ ィズの リング電極 と数十 二 1lmサ _{イズの円筒電極で} 構成 され る EHDポ ンプを取 り付 け ,U字 管左右の液面差か ら電気圧 を計算で求 めた。ところが ,印

学位記番号 と学位 :第 12号 ,博 士 (工 学

授与年月 日    :平 成 14年 3月 20日

授与時の所属   :大 学院工学研究科電気電子工学専攻博士後期課程

加電圧 を上 げていって も液体 はポンピングされず ,遂 には電極間で放電が発生す るという不安定現 象が時々見 られた。そこで ,EHDポ ンプの安定動作条件 を明 らか にするために ,電 極構成 ,作 動流 体の種類 ,  リング電極 と円筒電極のなす角度 ,作 動流体温度お よび電極 の極性 な どを変 えて実験的 に検討 を行 った。形状 とサイズの異 なる数種類 の電極 を作製 して検討することにより ,  ^{リング電極} と円盤電極で水平方向送液 EHDポ ンプを構成すれば ,ポ ンピングカ として電気歪 み力 を安定 に発 現で きることを明 らかにした。

以下 に本論文の概要 を述 べる。

第 1章 は緒言であ り ,本 研究の背景 と目的 ,お ^よび EHDポ ンプの応用 について述べている。

第 2章 では ,す でに作製 されているイオ ン ドラッグ型 ,誘 導型 の 2種 類 の EHDポ ンプを取 り上 げ,そ の特徴 および残 されていた課題 について述べている。続 いて ,本 研究で提案す る EHDポ ンプ の特徴 について

''モ

説 した。

第 3章 では,リ ング電極 と円筒電極か ら成 る EHDポ ンプをアク リル製 U字 管内の片側 に取 り付 け ,電 圧 を印力日 す ることによ り ,重 力 に逆 らって垂直方向に誘電性液体 の輸送が可能であることを 明 らか にした。またぅ EHDポ ンプの基礎特性 を把握す るために ,ポ ンプの電気圧 を液面変位か ら計 算する簡易 な方法 を述べ ,つ いで電気圧の印加電圧特性 を検討 した。電気圧が発生開始す る印加電 圧 には ,閾 値があ り ,印 加電圧の上昇 とともに電気圧 は上昇 し ,印 加電圧 30 kVの もとで 810 Pa程 度 とな ることを明 らかにした。

第 4章 は ,EHDポ ンプを構成す る電極の形状お よびサイズ と,こ れにより発現す るポンピングカ の相関 について実験的に検討 した結果 を述べている。

数 mmサ ィズの リング電極 と数十 mmサ ィズの角筒電極か ら成 る EHDポ ンプでは,電 極か らの コロナ放電が検出された。 また ,電 極の極性 を変 えて も作動流体がカソー ド側か らアノー ド側へ向 かって流れ ることか ら ,コ ロナ放電 および陰極か らの電子放射 に起囚す るクーロンカが中心的なポ ンピングカであると述べてい る。 リング電極対 円筒電極 を垂直方向に平行 に配置 した垂直方向送液

EHDポ ンプの場合 には ,円 筒電極か らリング電極 に向かって液体がポンピングされ ,こ の時 コロナ 検 出器 によってコロナ放電の検 出が確認 されたので ,こ の放電で供給 され る電荷 に働 くクーロンカ と電気歪み力が同時 に液体 に作用 した と推論 してい る。円筒電極 に対 して リング電極 を垂直 に配置 した場合 は ,電 界 の強い リング電極か ら電界 の弱 い円筒電極 に向かって液体がポンピングされ ,コ ロナ放電 に起因す るクーロンカが中心的なポンピングカ と述べた。マイクロ EHDポ ンプの開発 の 前段階 として ,数 mmサ ィズの リング電極対角筒電極か ら成 る細管内 EHDポ ンプでは ,コ ロナ放 電が発生 しないにも関わ らず ,電 極の極性 とは無関係 に常 にカソー ド側か らアノー ド側へ向かって 液体 は流れた。 これ より ,陰 極か ら液中への電子放射 に起囚す るクーロンカが中心的なポンピング カであると述べている。 リング電極対円盤電極 を循環パイプ内に水平方向に配置 した場合 は ,電 極 間でコロナ放電 は発生せず ,電 極の極性 を換 えて も液体 は円盤か らリング電極 に向かって流れたの で ,中 心的なポンピングカ は ,電 界 の 2乗 の勾配で決 まる電気歪 み力であると述べている。

以上 の結果 より ,リ ング電極対 円盤電極で EHDポ ンプを構成すれば ,真 電荷 を注入 しないで ,電 気歪み力 による水平方向送液 EHDポ ンプの開発が可能であると見通 しを立てている。

第 5章 では ,EHDポ ンプの作動流体 としてシリコー ン油な どの無極性液体 を用いる場合 ,電 気歪 み力が電界 の 2乗 の空間勾配 に比例す ることを定量的に確認 した。

第 6章 で は ,EHDポ ンプの実用上問題 となる安定動作条件 を ,電 極の形状 と組 み合わせ ,リ ング

電極 と円筒電極 のなす角度 ,作 動流体 の温度お よび物性 ,電 極 の極性 ,送 液の方向の観点か ら検討

してい る。

第 7章 で は ,本 研 究 で提 案 す る EHDポ ンプの将来 的 な応用 について述 べた。初 め に ,医 療 やバ イ オ テ クノ ロ ジー に利 用 され るマイ クロ化学分析装置へ のマイ クロ EHDポ ンプの適 用 につ いて述 べ た。つ いで ,マ ク ロ的 な応用 として ,大 容量 長 距離熱輸送 が可能 な EHDヒ ー トパ ィプの凝縮液還流 に EHDポ ンプの適用が有用 で あ る と述 べた。

第 8章 _{は結言で あ り} ,本 研 究 で得 られた結果 をま とめてい る。主 な内容 を以下 に記 す。

(1)EHDポ ンプ を構 成 す る電極 の形状 お よびサ イズ を換 え ,電 極構 成 とポ ンピ ングカ の相 関 に つ いて検討 した結果 ,  リング電極対 円盤電極 で ポ ンプ を構成 すれ ば ,電 荷 注入 の不必 要 な ,電 気 歪 み力 をポ ンピングカ とす る新 しい EHDポ ンプの 開発 が可能 で あ る との見 通 しを明 らか に し た。

(2)U字 管 の片側 に ,数 mmサ ィズ の リング電極 と数十 mmサ ィ ズ の円筒電極 か ら成 る EHD

ポ ンプ を取 り付 け ,重 力 に逆 らって垂直 方 向に誘 電性液体 をポ ンピングす る こ とに成功 した。 さ らに ,U字 管左右 の液面差 か ら電気圧 を計算 で求 め,印 加電圧 30 kVの もとで 810 Pa程 _{度 の電気} 圧 を得 た。

(3)リ ング電極 と円盤電極 で EHDポ ンプ を構成 して電気歪 み力 を利 用 し ,水 平 方 向 に送液 す る 場 合 にはポ ンピング は安定 す る。

(4)作 動流体 の温度が低 く ,導 電率 は 1010S/mの _{程度 で ,液} 中の電 荷 の緩和 時間が短 いほ ど

ポ ンプの動作 は安定 す る。

主指導教員   佐 藤   正 毅

Study on pumping force and stable operating condition of

electro― hydro― dynanlical pump]Doctorate in Electrical and Electronic Engineering]Doctor of Engineering

Shigeru NAKANO

Abstract

The recent development of smaH size portable information equipment has led to a strong demand for cooling technology such as smaH size pumps that send coolant to narroⅥ /spaces Research and development has focused on microscopic active parts such as the miniaturization of the chemical analysis systenl, control of ricrometeoroid, and detection of■ licro samples with the development of medical treatment and biotechnology  A micro pump that supplies liquid  、 、 ア _ith h堪 封 l precision to the microscopic space on a substrate is urgently required Previously,an electromagnetic type pump utilizing a rotor has been adopted but it is not easy to reahze a rlicroscopic electromagnetic pump because of its complex structure.  A further problem is that impurities contanlinate the liquid due to the rnechanical friction of the bearings An electro― hydro― dynanlical(EHD)pump has vattous desirable features that resolve some of these technical problems.  The EXlD pump is composed solely of unsymmetrical electrodes such as a ring and a disk.  ヽヽ 「hen direct high voltage is apphed at one electrode and the other electrode is electrically earthed, the dielectric hquid is pumped.  Bearing friction does not contaHlinate the、 vorking nuid and there is no generated noise because the EIID pump has no rotating part and is electrostatic.  Furthermore,the mass nottr rate and fluid velocity is easy to control.

Ⅳ Iany types of EHD pumps,such as the ion drag type(Proposed by Oふ 江.Stuetzer in 1959) and the induction type,have been made in the past and their fundamental characteristics have already been determined.  The ion type pumps liquid by utilizing Coulomb force derived from the interaction bet、 veen a direct electric field and a large quantity of ions emitted into a dielectric liquid  However,the insulation of the liquid is poor as a result of the emission of true charges to obtain the pumping force  The inductively static pump (prOposed byふ /1elcher,et al),  、 、 ア

ich is driven by interaction between the inductive electric charge and an alternative traveling electric lield, attempts to avoid this poor liquid insulation quality by removing the contact between the electrodes and liquid.  The maior dOヽ Vnside of this method is that the structure of the equipment becomes very complex.

This paper discusses the main pumping forces of pumps constructed by electrOdes of

various configurations as a background to the development of a ne、 v type EHD pump utilizing

electrostriction force  Ⅵrithout the emission of true charges  The fundamental characteristics

Of the EIID pump are clarined through a discussion of the electrical pressure generated in the

pump  On One side of the l」 type,the EIID pump is composed of a severalrnilhmeter ring and ten several milhmeter cylindrical electrodes and the electrical pressure is calculated frona the direrence between the right and left levels of the liquid  HO、vever,in spite of increasing the apphed voltage,the liquid was still not pumped and a discharge occurred bet、 、 ア een electrodes TherefOre,unstable phenOmena such as those caused by the lllnuence Of the electrode construc‐

tion, kind Of working nuid, angle at  Ⅵ/hich the ring electrode meets the cylindrical electrode, temperature of the working nuid, and the polarity of the electrode were experimentally exanined to deterHine the stable conditions for the EHD pump  As a result,the electrostric‐

tion force was fOund to be generated stably in a horizontal EIID pump consisting of a ring electrode and a disk electrode.

The summaries in each chapter are as follows:

Chapter l,the introduction,gives a historical background of the EHD,the purpose and the contents of the paper

Chapter 2 describes features ofion drag pumps and induction pumps and the features of the EIID pump propOsed in this paper.

Chapter 3 describes attempts to transport dielectric liquid against gravitational force The vertical transportation of dielectric liquid against gravitational force is conarmed to be possible by applying voltage to the EHD pump placed in one side ofthe U type acryhc pipe.  In this case, the EIID pump was composed of a ring electrode and a cylindrical electrode,  A summary of a method for calculating the electrical pressure frona liquid displacement is also described and the fundamental characteristics and apphed voltage characteristics under electri̲

cal pressure are examined.  The apphed voltage required to generate the electrical pressure was found to have a threshold value  The electrical pressure was increased with a rise in the applied voltage and reached 810 Pa at a voltage of 30 kヽ π

Chapter 4 describes the results Of experilnents aiined at deter■ _inil■ g the correlation among the electrOde shape and the si5e of an EIttD pump and its pumping force

Corona discharge from electrodes、 、 ア as detected in pumps consisting of several millimeter ring electrodes and tens of rnillimeter square cyhndrical electrodes.  Because the working nuid

n。 、 vs fr。 lxl the cathode to anode乱 ア 1len the polarity changes,the pumping force seems to consist mainly of Coulomb force generated by corona discharge Or electron emission frona the cathode.

In a vertical transH五 ssion pump in which ring and cylindrical electrOdes are arranged in parallel

in the vertical direction,1lquid、ん ′ as pumped frollュ the cyhndrical to the ring electrodes and the

corona discharge  Ⅵ /as detected,so the Coulomb force supplied to the electric charges by this

discharge, along with the electrostriction force, apparently acts on the liquid.  When a ring

electrode is arranged perpendicularly to a cylindrical electrode,liquid is pumped fronュ the ring

electrode with a strong field to the cylndrical electrode with a、 、 ア eak neld,so the Coulomb force

generated by the corona discharge is the pivotal pumping force,  In an intravascular EHD

pump consisting of several millimeter ring and square cyhndrical electrodes, which  _{、 キ} ア as

developed prior to an EIID micropump,liquid nows frorll the cathOde to the anode regardless

of the polarity of the electrode in the absence of the corona discharge.  This result indicates

that the Coulomb force generated by electron emission froni the cathode into the liquid is the pivotal pumping force  lf the ring and the disk electrodes are placed horizontany within a circulation pipe,the corona discharge does not occur between electrodes,and the liquid no、 ′ 「 、 s froln the disk to the ring electrodes when the polarity of the electrodes changes,so the pumping force is shown to consist chiefly of an electrostriction force, which is deterHlined from the square of electric field

The above results indicate that a horizontal transHlission EIID pump,which utilizes the electrostriction force and does nOt require true charges,can be developed using the ring and the disk electrodes

Chapter 5 quantitatively demOnstrates that the electrostriction force is proportional to the space slope representing the square of the electric neld.、 ア hen nonpolar liquids such as silicone oil are used as the working fluid for EHD pumps

Chapter 6 discusses the practical conditions for stable operation of EHD pumps fronュ the perspectives of the shape and combination of electrodes,angles formed between the ring and the cyhndrical electrodes,temperature and properties of working nuids,p01arity of electrodes, and the direction of liquid transHlission.

Chapter 7 describes future apphcations of EIID pumps that are proposed in this paper The chapter begins、 vith a discussion of the applications of EHI)pumps to rnicropumps ofrnicro chemical analyzers used in medical and biotechnological nelds  This is foHowed by a discus―

sion of the usefulness of EHD pumps for the reflux of condensate fronl large― capacity long

― range EHD heat pipes

Chapter 8 concludes and su■ lrllarizes the results of this study.  The main points are as foHows:

(1) The cOrrelation bet、veen the electrode configuration and the pumping force  ^{、 キ ア as} studied by using various shapes and sizes of electrodes for EIID pumps  Developing an EIID pump that uses electrostriction force as the pumping force and does not need added electric charges is possible when ring and disk electrodes are used.

(2)An EHD pump consisting of a several rnillinleter ring and cylindrical electrodes is attached to one side of a U― tube and dielectric liquid is pumped up in the vertical direction contrary to specinc gravity.  Electrical pressure is then calculated frona the difference in the surface levels between the two ends of the U― tube and an electrical pressure of about 810 Pa is obtained at an apphed voltage of 30 kV

(3) Stable pumping can be achieved by using a pump,consisting of ring and disk elec‐

trodes,and using an electrostriction force to transport the llquid horizontany

(4) Pumping operation is lnore stable when the relaxation tilne for the electric charges in the hquid is shorter, since the temperature of the  ゃ 、 ア orking nuid is loMr and electric conductivity is about 10‑10S/m.

Professor(Chairperson)  ヽ ′ ′ Iasaki SATO