NAKANO Shigeru

中野 茂

English

八戸工業大学博士（工学）thesi

中野, 茂

1527

ナカノ, シゲル

NAKANO, Shigeru

Hachinohe Institute of Technology Repository / 八戸工業大学学術リポジトリ

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-232-八戸工業大学紀要 第22巻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-233-電気流体力学ポンプのポンピングカの安定動作条件に関する研究 (中野)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-234-八戸工業大学紀要 第22巻Study on pumping force and stable operating condition ofelectro―hydro―dynanlical pump]Doctorate in Electricaland Electronic Engineering]Doctor of EngineeringShigeru NAKANOAbstractThe recent development of smaH size portable information equipment has led to a strongdemand for cooling technology such as smaH size pumps that send coolant to narroⅥ/spac sResearch and development has focused on microscopic active parts such as the miniaturizationof the chemical analysis systenl, control of ricrometeoroid, and detection of■licro sampleswith the development of medical treatment and biotechnology  A micro pump that suppliesliquid 、アith h堪封l precision to the microscopic space on a substrate is urgently requiredPreviously,an electromagnetic type pump utilizing a rotor has been adopted but it is not easyto reahze a rlicroscopic electromagnetic pump because of its complex structure.  A furtherproblem is that impurities contanlinate the liquid due to the rnechanical friction of the bearingsAn electro―hydro―dynanlical(EHD)pump has vattous desirable features that resolve some ofthese technical problems.  The EXlD pump is composed solely of unsymmetrical electrodessuch as a ring and a disk.  ヽヽ「hen direct high voltage is apphed at one electrode and the otherelectrode is electrically earthed, the dielectric hquid is pumped.  Bearing friction does notcontaHlinate the、vorking nuid and there is no generated noise because the EIID pump has norotating part and is electrostatic.  Furthermore,the mass nottr rate and fluid velocity is easyto control.ⅣIany types of EHD pumps,such as the ion drag type(Proposed by Oふ江.Stuetze  in 1959)and the induction type,have been made in the past and their fundamental characteristics havealready been determined.  The ion type pumps liquid by utilizing Coulomb force derived fromthe interaction bet、vee a direct electric field and a large quantity of ions emitted into adielectric liquid  However,the insulation of the liquid is poor as a result of the emission of truecharges to obtain the pumping force  The inductively static pump (prOposed byふ/1elcher,etal), 、ア1■ich is driven by interaction between the inductive electric charge and an alternativetraveling electric lield, attempts to avoid this poor liquid insulation quality by removing thecontact between the electrodes and liquid.  The maior dOヽVnside of this method is that thestructure of the equipment becomes very complex.This paper discusses the main pumping forces of pumps constructed by electrOdes ofvarious configurations as a background to the development of a ne、v type EHD pump utilizingelectrostriction force Ⅵrithout the emission of true charges  The fundamental characteristicsOf the EIID pump are clarined through a discussion of the electrical pressure generated in the-235-電気流体力学ポンプのポンピングカの安定動作条件に関する研究 (中野)pump  On One side of the l」type,the EIID pump is composed of a severalrnilhmeter ring andten several milhmeter cylindrical electrodes and the electrical pressure is calculated frona thedirerence between the right and left levels of the liquid  HO、vever,in spite of increas ng theapphed voltage,the liquid was still not pumped and a discharge occurred bet、、アeen lectrodesTherefOre,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 experimentallyexanined 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 ringelectrode 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 thecontents of the paperChapter 2 describes features ofion drag pumps and induction pumps and the features of theEIID pump propOsed in this paper.Chapter 3 describes attempts to transport dielectric liquid against gravitational forceThe vertical transportation of dielectric liquid against gravitational force is conarmed to bepossible by applying voltage to the EHD pump placed in one side ofthe U type acryhc pipe.  Inthis case, the EIID pump was composed of a ring electrode and a cylindrical electrode,  Asummary of a method for calculating the electrical pressure frona liquid displacement is alsodescribed and the fundamental characteristics and apphed voltage characteristics under electri_cal pressure are examined.  The apphed voltage required to generate the electrical pressurewas found to have a threshold value  The electrical pressure was increased with a rise in theapplied voltage and reached 810 Pa at a voltage of 30 kヽπChapter 4 describes the results Of experilnents aiined at deter■inil■g the correl tion amongthe electrOde shape and the si5e of an EIttD pump and its pumping forceCorona discharge from electrodes、、アas detected in pumps consisting of several millimeterring electrodes and tens of rnillimeter square cyhndrical electrodes.  Because the working nuidn。、vs fr。lxl the cathode to anode乱ア1len the polarity changes,the pumping force seems to consistmainly 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 parallelin the vertical direction,1lquid、ん′as pumped frollュthe cyhndrical to the ring electrodes and thecorona discharge Ⅵ/as detected,so the Coulomb force supplied to the electric charges by thisdischarge, along with the electrostriction force, apparently acts on the liquid.  When a ringelectrode is arranged perpendicularly to a cylindrical electrode,liquid is pumped fronュthe ringelectrode with a strong field to the cylndrical electrode with a、、アeak neld,so the Coulomb forcegenerated by the corona discharge is the pivotal pumping force,  In an intravascular EHDpump consisting of several millimeter ring and square cyhndrical electrodes, which 、キアasdeveloped prior to an EIID micropump,liquid nows frorll the cathOde to the anode regardlessof the polarity of the electrode in the absence of the corona discharge.  This result indicates-236-八戸工業大学紀要 第22巻that the Coulomb force generated by electron emission froni the cathode into the liquid is thepivotal pumping force  lf the ring and the disk electrodes are placed horizontany within acirculation pipe,the corona discharge does not occur between electrodes,and the liquid no、′、「sfroln the disk to the ring electrodes when the polarity of the electrodes changes,so the pumpingforce is shown to consist chiefly of an electrostriction force, which is deterHlined from thesquare of electric fieldThe above results indicate that a horizontal transHlission EIID pump,which utilizes theelectrostriction force and does nOt require true charges,can be developed using the ring and thedisk electrodesChapter 5 quantitatively demOnstrates that the electrostriction force is proportional to thespace slope representing the square of the electric neld.、アhen n npolar iquids such as siliconeoil are used as the working fluid for EHD pumpsChapter 6 discusses the practical conditions for stable operation of EHD pumps fronュtheperspectives of the shape and combination of electrodes,angles formed between the ring andthe 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 paperThe chapter begins、vith a discussion of the applications of EHI)pumps to rnicropumps ofrnicrochemical 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 l ng―range EHD heat pipesChapter 8 concludes and su■rllarizes the results of this study.  The main points are asfoHows:(1) The cOrrelation bet、veen the electrode configuration and the pumping force 、キアasstudied by using various shapes and sizes of electrodes for EIID pumps  Developing anEIID pump that uses electrostriction force as the pumping force and does not need addedelectric charges is possible when ring and disk electrodes are used.(2)An EHD pump consisting of a several rnillinleter ring and cylindrical electrodes isattached to one side of a U―tube and dielectric liquid is pumped up in the vertical directioncontrary to specinc gravity.  Electrical pressure is then calculated frona the difference inthe surface levels between the two ends of the U―tube and an electrical pressure of about810 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 chargesin the hquid is shorter, since the temperature of the ゃ、アorking nuid is loMr and electricconductivity is about 10-10S/m.Professor(Chairperson) ′ヽIasaki SATO-237-

Study on pumping force and stable operating condition of electro-hydro-dynamical pump Doctorate in Electrical and Electronic Engineering Doctor of Engineering

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電気流体力学ポンプのポンピング力と安定動作条件に関する研究

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