JP4517153B2 - 流体制御方法及びそれを用いた流体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、流体制御方法及びそれを用いた流体デバイスに関する。

ある種の絶縁性液体に電場を与えると伝導率と誘電率の不均一性に起因して流体内部に循環流や二次流れが発生することがある。これは電気流体力学効果（Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ効果、以下「ＥＨＤ効果」という。）と呼ばれている。

これに関する技術として、例えば特許文献１乃至１２に絶縁性の液体に電圧を印加して高速のジェット水流を発生させる技術が開示されている。

特許２８１７６５４号公報 特許３１０９２６８号公報 特許３１０９２７３号公報 特許３１５７８０４号公報 特許３１７９０１５号公報 特許３１７９０１６号公報 特許３１７９０３５号公報 特許３２２４９８５号公報 特許３２２５０１５号公報 特許３２２５０１６号公報 特許３２４５３８６号公報 特許３２６３３４６号公報

しかしながら、上記特許文献はいずれも絶縁性オイル等であって、可燃性がある、臭気がある、環境汚染物質として廃棄する場合に制限がある、揮発性が強い、プラスチックを溶解する等の取扱における課題が残ってしまう。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、より取扱が容易な流体制御方法及び流体デバイスを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行ったところ、水がもっとも取扱が容易であることに着目し、試行錯誤の実験を行い、水においても流体デバイスとして機能させることができることを解明し、本発明を完成するに至った。

即ち、上記課題を解決するための第一の手段として、流体制御方法を、水中に一対の電極を配置し、直流電圧を印加することにより水流を発生させるものとする。

また、この手段において、水流はジェット水流であることが望ましく、また、一対の電極の間に印加される電圧は、１ｋＶ以上８ｋＶ以下であることが望ましく、この一対の電極の距離としては筒状電極と針状電極を組み合わせた場合、０以上１ｃｍ以下であることが望ましく、針状電極と、複数の針状電極を束ねた電極群とを組み合わせた場合、０より大きく１ｃｍ以下である。また、水の導電率は、２０ｋＶ／ｍ以上７０ｋＶ／ｍ以下の範囲で電場を印加した場合において、０より大きく１ｍＳ／ｍ以下であること、更には１０^−５Ｓ／ｍ以上１ｍＳ／ｍ以下であることが望ましい。

また、この手段において、一対の電極は、筒状電極と、針状電極を有してなることが望ましく、更にこの針状電極は、先端部分が露出し、該先端部分以外の部分が絶縁物により被覆されていることが望ましい。なお、筒状電極の電圧を前記針状電極の電圧よりも高くすることが更に望ましい。

また、上記課題を解決するための他の手段として、流体デバイスとして、水を収納可能なハウジングと、該ハウジング内に配置される一対の電極と、を有するものとする。

なおこの手段において、ジェット水流を発生させることが望ましく、また、一対の電極の間に印加される電圧は、１ｋＶ以上８ｋＶ以下であることが望ましく、この一対の電極の距離としては筒状電極と針状電極を組み合わせた場合、０以上１ｃｍ以下であることが望ましく、針状電極と、複数の針状電極を束ねた電極群とを組み合わせた場合、０より大きく１ｃｍ以下である。また、収納する水の導電率は、２０ｋＶ／ｍ以上７０ｋＶ／ｍ以下の範囲で電場を印加した場合において、０より大きく１ｍＳ／ｍ以下であること、より望ましくは１０^−５Ｓ／ｍ以上１ｍＳ／ｍ以下であることが望ましい。

またこの手段において、一対の電極は、筒状電極と、針状電極を有してなること、針状電極は、先端部分が露出し、先端部分以外の部分が絶縁物により被覆されていることが望ましく、更には一対の電極に接続され、筒状電極の電圧を前記針状電極の電圧よりも高くする電源装置を有することも望ましい。

以上により本発明は、より取扱が容易な流体制御方法及びそれを用いる流体デバイスを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書においては同一又は同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施形態１）
図１に、本実施形態に係る流体デバイスの概略図を示す。本実施形態に係る流体デバイス１（以下、「本流体デバイス」という。）は、ハウジング２と、このハウジング内に配置される一対の電極３と、を有することを特徴とする。本流体デバイスは、インクジェットデバイスとして用いることができる。本流体デバイス１は、このような構成を採用することで一対の電極の間に水を供給し、電圧を印加してジェット水流を発生させ、流体デバイスとして機能する。

本実施形態に係るハウジング１は、特段に制限されるものではないが、水の吸引及び吐出を行うことができるように、開口部を少なくとも二つ有することが望ましく、例えば図１で示すような両端が開口した筒状のものであることが望ましい。また、ハウジング２の材質としては特段に制限はないが、この内部に配置される一対の電極３により印加される電圧に影響を与えないよう絶縁性のある物質であることが望ましく、例えばガラスやプラスチックなど種々のものを好適に用いることができる。

ハウジング１の内部に配置される一対の電極３は、これらの間に充填される水に電場を発生させるためのものであって、この電場を用いてジェット水流を発生させることができる。一対の電極３は、図１で示すとおり筒状電極３１と、針状電極３２と、を有して構成され、これらは所定の間隔を保って配置されている。筒状電極３１は、電場の発生によって発生したジェット水流を通過させるための開口部を有しており、材質としては、導電性を有している限り特段に制限はなく、銅やアルミ等の金属、これらの合金などを公的に用いることができる。また針状電極３２は、筒状電極３１に流れ込むジェット水流を阻害しないようできる限り細い針状であることが望ましく、材質としては筒状電極３１と同様の材質を用いることができる。なお、特に本流体デバイスでは水を用いており、水にジェット流を発生させるためには針状電極３２は、先端部が鋭利な針状であるとともに、先端部分以外の部分については絶縁物により被覆されていることが極めて望ましい。絶縁物で被覆することにより、先端近傍に電場を集中させ、水中における電場の不均一性を向上させて効率よくジェット流を発生させることができる。露出する先端部分の長さとしては、一対の電極間に発生する電場の強さにもよるが先端から５ｍｍ以下であることが望ましく、より望ましくは３ｍｍ以下である。なお図２に針状先端部分の例についての拡大図を示す。また、一対の電極は、それぞれ電圧を印加する必要があるため、配線を通じてハウジング外部の電源と接続される必要がある（但し図示省略）。

また、本流体デバイスにおいて、一対の電極間の距離の望ましい範囲としては、電極の短絡を避け、十分な電圧を印加するために０より大きく１ｃｍ以下であることが望ましく、より望ましくは５ｍｍ以下、更に望ましくは３ｍｍ以下である。電圧間の距離とは、下記に限定されるわけではないが、例えば一対の電極が針状電極と筒状電極（後述する）である場合、筒状電極の中心軸と電極に近い側の開口面とが交差する仮想の点と針状電極の先端との距離をいい、特に針状電極と筒状電極との組み合わせの場合は０を含めても良い。また、一対の電極が針状電極と少なくとも一つの針状電極を組み合わせた電極群とである場合は、対向する針状電極の先端同士の距離のうち、もっとも短いものをいう。

また、電極間に印加される電圧としては、上記の望ましい範囲内において１ｋＶ以上８ｋＶ以下であることが望ましい。但し、ジェット水流を発生させるための条件には電場の強さも大きく影響するため、一対の電極の間に印加する電圧を上記一対の電極間の距離で割った値において、３００ｋＶ／ｍ以上３０００ｋＶ／ｍ以下であることが望ましく、より望ましくは２５００ｋＶ／ｍ以下である。

本流体デバイスは、針状電極よりも筒状電極に印加する電圧を高くすることによってジェット水流を発生させることができる。発生させる電場の強度は電極間の距離にも依存するが、電場強度と導電率に大きく依存する。電場強度としては例えば２０ｋＶ／ｍ以上７０ｋＶ以下であることが望ましく、水の導電率としては、上記電場強度の下で１ｍＳ／ｍ以下であることが望ましく、より望ましくは１０^−５Ｓ／ｍより大きく１ｍＳ／ｍ以下である。なおこの導電率の測定における電場強度とは、一対の平板を一定の距離配置し、この間に電圧を印加することで求めることができるものである。

以上、本実施形態に係る流体デバイス、流体制御方法によると、水を作動液体として用いているためより取扱が容易となり、その応用範囲を飛躍的に広げることができる。

（実験例）
上記流体デバイスの効果を確認するために、実際の流体デバイスのモデルを作成し、効果を確認した。以下具体的に説明する。

まず、内径４．０ｍｍ、外径６．０ｍｍ、長さ３７０ｍｍのシリコーンチューブ２１内に外径４．０ｍｍ、内径２．４ｍｍ、長さ８．０ｍｍのすずめっきを施してある銅製の筒状電極３１と、その下側に径０．１２ｍｍ、長さ１．０ｍｍの銅製の針状電極３２を、３．０ｍｍの間隔をあけて配置した。そして導線を各電極に接合した後、円筒外部の金属面露出部分を絶縁し、スタンドのアームを用いて固定し、流体デバイスとした。なお、本実施例において針状電極３２は、先端部１ｍｍだけ露出させた形状とした。

そしてこの下部にガラス製のリザーバー４を用意し、水面が筒状電極の上面の１ｃｍの位置となるように水を入れた（図３参照）。その後、作成したこの流体デバイスを導線を介して電源５に接続し、針状電極をマイナス（アース）、上部の筒状電極をプラスとして、電圧を印加した。なお、ここで水としては、水道水、蒸留水、イオン交換水の３種類の水を用い、そのそれぞれについて水面の昇降について測定した。この結果を図４に示す。
この図の横軸には、印加電圧を電極間隔（３．０ｍｍ）で割った値を電場強度として示している。

図４の結果によると、水道水では水中の電解質等の影響により過度の電流が流れるため、０．２ｋＶの電圧までしか印加することができず、水面の上昇は見られなかった。一方、蒸留水、イオン交換水は７ｋＶまでの範囲で測定でき、電圧が高くなるほど水面が上昇するのを確認した。なお、７ｋＶの場合、電圧の印加によりチューブ内の水面が最高点に達した後、電圧を一定に保っても水面は徐々に下降してしまった。ただし、その反対に電流の増大を確認することができた。また、７ｋＶの電圧を印加した場合において、蒸留水は０．２ｍＡ、イオン交換水は１．２ｍＡを示していたが、７ｋＶより高い電圧を印加し、電流が３ｍＡを越えてしまうと放電が起こり、それとともに水面が激しく上下し、安定的なデータを得ることはできなかった。なお図４より、イオン交換水のほうが蒸留水よりも水面が高くなることが確認できた。

また、上記結果に加え、更に、導電率の電場強度依存性を調べた。この結果を図５に示す。この結果、水道水よりも蒸留水の導電率は低く、更に、イオン交換水は蒸留水の導電率よりも低いことが確認できた。この結果、望ましい水の伝導率の範囲としては、２０ｋＶ／ｍ以上７０ｋＶ／ｍ以下の電場強度の範囲内において、１ｍＳ／ｍ以下であることが望ましく、より望ましくは０．５ｍＳ／ｍ以下である。なおこの場合の電場強度とは、対向して配置した一対の導電板に電圧を印加し、導電板間の距離で割った値をいう（ここでは半径３．５ｍｍの円板を使用し測定した）。

また、本流体デバイスは、インクジェットデバイスとしても応用でき、その構成を図６に示す。図６に示す流体デバイスは、上記構造に加え、更にノズル６を配置している点を特徴とする。そして、このデバイスにイオン交換水を用い、７ｋＶの電圧を印加したところ、針状電極から筒状電極の方向に毎秒２．０×１０^３ｍｍ^３、高さ３３ｍｍの噴出が確認できた。この結果、インクジェットデバイスとしての応用を確認できた。

（実施形態２）
本実施形態は、流体デバイスをモーターに適用した場合の例であり、本実施形態に係る流体デバイスも、水を収納可能なハウジング２と、該ハウジング内に配置される一対の電極３と、を有していることを特徴とする。図７に本実施形態に係る流体デバイスの断面概略図を、図８に本流体デバイスの上面図を、及びその一部拡大図を示す。

図７、８で示すように本流体デバイス１は、水を収納可能な円筒形のハウジング８と、このハウジング８内に配置される中心軸９と、この中心軸９に接続される複数の羽根１０と、ハウジング８の外周部分であって、かつ、中心軸と垂直な平面上に形成される一対の電極３と、を有して構成されている。ハウジング８内には水が収納され、一対の電極に電圧を印加することでジェット水流を発生させ、羽根及び回転軸を回転させ、モーターとして機能させることができる。

ハウジング８の材質は、実施形態１とほぼ同様のものを使用することができるが、本実施形態におけるハウジング８は、水を吐出させるものではないため、開口部は必ずしも必要ではない。但し、中心軸９及び複数の羽根１０を配置するため、円筒形状であって、少なくとも中心軸を支持する底部を有することが望ましい。また、水を空気中で放置する場合、空気中の不純物により導電率が上がってしまう場合があるため、蓋を有し、密封されている構成とすることも好ましい。

中心軸９は、円筒形状であるハウジング８の軸に沿って配置されるものであり、複数の羽根１０が接続されている。中心軸９、羽根１０の材質としては特段に制限はないが、電極により印加される電圧に影響を及ぼさないよう絶縁性を有することが極めて望ましく、例えばプラスチックなどを好適に用いることができる。そして本流体デバイスでは、一対の電極間に電場を発生させることで先の実施形態同様ジェット水流を発生させ、羽根を回転させ、モーターとして機能させることができるようになる。

なお、一対の電極としては、実施形態１と同様に筒状電極と針状電極の組であってもよいが、本流体デバイスでは水を吐出させる必要がないため、一対の針状電極としてもよい。本実施形態では、一対の電極３として、針状電極３３と、複数の針状電極を組み合わせた複合電極３４と、を用いている。なお、複合電極３４は、ハウジング８内で針状電極側３４に折り曲げられている。

以上、本実施形態に係る流体デバイス、流体制御方法によると、水を作動液体として用いているためより取扱が容易となり、その応用範囲を飛躍的に広げることができる。

（実施例２）
実施形態２に係る流体デバイスの効果について確認するために、実際に流体デバイスを作成し、効果を確認した。

本実施例に係る流体デバイスにおいては、ハウジングの内径を１２．５ｍｍ、長さを４０ｍｍとし、羽根は１枚当たり幅８ｍｍ、長さ３０ｍｍのものを使用し、４５度ずつずらして中心軸に８枚接続した。一対の電極としては、直径が０．１２ｍｍ、先端部が１ｍｍ露出した針状電極と、直径が０．１２ｍｍ、先端部が３ｍｍ露出した針状電極を１０本束ねた電極郡と、を用い、これらを３ｍｍ離して配置した。なお水は、羽根すべてが水に漬かるようハウジング８に充填した。

ここで、水に蒸留水を用いた本流体デバイスの動作における電圧と回転数との関係を調べた。図９にこの結果を示す。なお、回転数は、電圧を印加してから１０秒後にハイスピードカメラでモーターの回転する様子を撮影し、モーターの回転数を求めることで定めた。この結果、電圧が高いときは、印加とほとんど同時に回転運動が始まり、このときローターは反時計方向に回転した。回転数は電圧とともに二次関数的に増加し、高電圧における回転ほど速く、例えば７ｋＶでは、約３００ｒｐｍであった。この結果は実用モーターに近いものであった。なおこのときの電流は一組当たり０．７ｍＡ、モーター全体としての消費電力は約１０Ｗであった。

以上のとおり、上記実施形態における流体デバイス、流体制御方法の有用性を確かめることができた。

以上のとおり、本発明によれば、流体制御方法、流体デバイスとして産業上利用が可能である。より具体的には、これを用いてモーター、ポンプ、インクジェットデバイスなどの製品として産業上の利用が可能である。

実施形態１に係る流体デバイスの斜視図。 実施形態１に係る針状電極の先端部の部分拡大図。 実施例１に係る流体デバイスの概略図。 実施例１に係る流体デバイスにおける電場強度と高さとの関係を示す図。 実施例１に係る流体デバイスにおける電場強度と誘電率との関係を示す図。 実施形態１に係る流体デバイスをインクジェットデバイスに用いた場合の図。 実施形態２に係る流体デバイスの断面図。 実施形態２に係る流体デバイスの上面図。 実施例２に係る流体デバイスにおける電圧と回転数との関係を示す図。

符号の説明

１…流体デバイス、２…ハウジング、３…一対の電極、４…リザーバー、５…電源、６…ノズル、８…ハウジング、９…中心軸、１０…羽根、２１…シリコーンチューブ、３１…筒状電極、３２…針状電極

Claims (6)

1. 水中に、筒状電極と針状電極とを有する一対の電極を配置し、直流電圧を印加することによりジェット水流を発生させる流体制御方法であって、
   前記水の導電率は、２０ｋＶ／ｍ以上７０ｋＶ／ｍ以下の範囲で電場を印加した場合に、１０ ^−５ Ｓ／ｍ以上１ｍＳ／ｍ以下であり、
   前記筒状電極と前記針状電極の距離は、０より大きく１ｃｍ以下であり、この間に１ｋＶ以上８ｋＶ以下の電圧を印加する流体制御方法。
2. 前記針状電極は、先端部分が露出し、該先端部分以外の部分が絶縁物により被覆されていることを特徴とする請求項１記載の流体制御方法。
3. 前記筒状電極の電圧を前記針状電極の電圧よりも高くすることを特徴とする請求項１記載の流体制御方法。
4. 水を収納可能な筒状のハウジングと、該ハウジング内に配置される筒状電極と針状電極とを有する一対の電極と、を有し、ジェット水流を発生させる流体デバイスであって、
   前記水の導電率は、２０ｋＶ／ｍ以上７０ｋＶ／ｍ以下の範囲で電場を印加した場合において、１０ ^−５ Ｓ／ｍ以上１ｍＳ／ｍ以下であり、
   前記筒状電極と前記針状電極の距離は、０より大きく１ｃｍ以下である流体デバイス。
5. 前記針状電極は、先端部分が露出し、該先端部分以外の部分が絶縁物により被覆されていることを特徴とする請求項４記載の流体デバイス。
6. 前記一対の電極に接続され、前記筒状電極と前記針状電極の間に１ｋＶ以上８ｋＶ以下の電圧を印加し、かつ、筒状電極の電圧を前記針状電極の電圧よりも高くする電源装置を有することを特徴とする請求項４記載の流体デバイス。