(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯電成分を含む液体を搬送するための流路と、
該流路内に位置する導電性の柱状部材又は、導電性の粒子部材と、
前記流路に電気接続されたインピーダンスと、
前記流路と前記インピーダンスとの間に温度差を付与する手段と、を備え、
前記流路が前記液体の搬送される方向に対して非対称な形状を有するか、前記搬送される方向に対して前記導電性の柱状部材が非対称に配置されているか、又は、前記導電性の粒子部材自体が非対称性を有しており、
前記付与される温度差により生ずる熱ノイズに起因する電圧が前記流路内に電界を生じ、該電界が前記導電性の柱状部材又は、前記導電性の粒子部材に作用して、前記流路内に前記液体の電気浸透流または電気泳動流を発生させることにより、前記温度差相応の熱エネルギーを機械的エネルギーとして前記液体の流れに変換することを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
前記温度差は、１０Ｋ以上であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項３】
前記温度差を付与する手段は、レーザー照射又は、冷却した流体もしくは加熱した流体の噴射であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項４】
前記流路の周囲に一対の電極を備え、該電極に０．１ｆＦ以下の容量性インピーダンスが接続されたことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項５】
前記流路が環状をなすことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項６】
浮遊可能な基体に前記流路を配置し、前記流路に生ずる前記液体の流れを利用して、流体内を移動することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微視的な熱エネルギーを巨視的な機械的エネルギーに変換する装置に関する。より詳しくは、温度差を利用して温度差相応の熱エネルギーを機械的エネルギーとして液体の流れに変換するエネルギー変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気浸透を用いるマイクロポンプは、構造が比較的簡単である、微小流路（マイクロ流路）内への実装が容易、等の理由でμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ‐Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）等の分野で使用されている。
【０００３】
こうした中、近年、誘起電荷電気浸透（ＩＣＥＯ：Ｉｎｄｕｃｅｄ‐Ｃｈａｒｇｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｏｓｍｏｓｉｓ）を用いたマイクロポンプが、液体の流速を大きくできる、電極と液体の間に生ずる化学反応をＡＣ駆動が可能なことにより抑制できる等の理由から着目されている。
【０００４】
特許文献１は、誘起電荷電気浸透を用いたミキサ（混合装置）及びポンプ（送液装置）であって、円柱状の金属ポスト周囲のＩＣＥＯ流れによる渦を利用したマイクロミキサ、及び、ＩＣＥＯ流れを利用したマイクロポンプを開示する。
【０００５】
一方、非特許文献１では、２つのインピーダンス間に温度差があれば、熱ノイズに由来する電気エネルギーの移動がインピーダンス間に発生することを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７０８１１８９号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｌ．Ｃａｌｌｅｇａｒｏ  ａｎｄ  Ｍ．Ｐｉｓａｎｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．．Ｌｅｔｔ．８９，０３４１０５  （２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載のミキサ及びポンプは、今後の利用が期待されるものであるが、ＩＣＥＯ流れを発生させるために円柱状の金属ポストに電界を与える電源を必要とする。
【０００９】
電源としては一般的には、電池や、これに代わるＤＣ電源や、ＡＣ電源等が考えられるが、これらの電源とは性質を異にするエネルギーを電気エネルギーに変換して用いることができれば、流体素子の活用範囲を広げられる可能性がある。
【００１０】
また、流体素子を用いてエネルギー変換が可能となれば、新たなエネルギー変換手法としての活用の可能性を秘めていることとなる。
【００１１】
一方、非特許文献１では、インピーダンス間の電気エネルギーの移動についての記載はあるものの、電気エネルギーを如何にして取り出すかについての具体的な開示はない。
【００１２】
本発明は、微視的な熱エネルギーを巨視的な機械的エネルギーに変換し得る装置を提供すること、及び、温度差相応の熱エネルギーを流体素子を利用して機械的エネルギーに変換する装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明により提供されるエネルギー変換装置は、帯電成分を含む液体を搬送するための流路と、
該流路内に位置する導電性の柱状部材又は、導電性の粒子部材と、
前記流路に電気接続されたインピーダンスと、
前記流路と前記インピーダンスとの間に温度差を付与する手段と、を備え、
前記流路が前記液体の搬送される方向に対して非対称な形状を有するか、前記搬送される方向に対して前記導電性の柱状部材が非対称に配置されているか、又は、前記導電性の粒子部材自体が非対称性を有しており、
前記付与される温度差により生ずる熱ノイズに起因する電圧が前記流路内に電界を生じ、該電界が前記導電性の柱状部材又は、前記導電性の粒子部材に作用して、前記流路内に前記液体の電気浸透流または電気泳動流を発生させることにより、前記温度差相応の熱エネルギーを機械的エネルギーとして前記液体の流れに変換することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のエネルギー変換装置は、一対の電極と、該一対の電極間に電圧を印加することで液体の電気浸透流または電気泳動流を発生させる流路と、を備えた液体駆動装置と、前記一対の電極に接続されたインピーダンスと、を有する。そして、前記流路と前記インピーダンスとの間に温度差を与えることにより熱ノイズに起因する電圧が前記一対の電極に印加され、前記温度差相応の熱エネルギーが機械的エネルギーとして前記液体の流れに変換される。本発明によると微量な熱ノイズを、液体駆動装置を利用して巨視的な機械的エネルギーに変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のエネルギー変換装置の特徴を示す模式図
【図２】本発明のエネルギー変換装置の等価回路を示す図
【図３】実施例１の流路の流速分布を示す図
【図４】（ａ）は熱ノイズ電圧の容量依存性を示すグラフ、（ｂ）は温度差と代表流速との関係を示すグラフ、（ｃ）は温度差と平均流速との関係を示すグラフ
【図５】本発明のエネルギー変換装置の一例を示す模式図
【図６】本発明のエネルギー変換装置の一例を示す模式図
【図７】本発明のエネルギー変換装置の一例を示す模式図
【図８】本発明のエネルギー変換装置の一例を示す模式図
【図９】本発明のエネルギー変換装置の一例を示す模式図
【図１０】本発明のエネルギー変換装置の一例を示す模式図
【図１１】本発明のエネルギー変換装置の一例を示す模式図
【図１２】本発明のエネルギー変換装置の一例を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明のエネルギー変換装置について、図を参照して説明する。
【００１７】
本発明に係るエネルギー変換装置は、一対の電極と、該一対の電極間に電圧を印加することで液体の電気浸透流または電気泳動流を発生させる流路と、を備えた液体駆動装置と、前記一対の電極に接続されたインピーダンスと、を有して構成される。
【００１８】
そして、本発明の装置では、前記流路と前記インピーダンスとの間に温度差を与えることにより熱ノイズに起因する電圧が前記一対の電極に印加され、前記温度差相応の熱エネルギーを機械的エネルギーとして前記液体の流れに変換する。
【００１９】
図１は本発明のエネルギー変換装置の一例を示す模式図である。
【００２０】
図１において、１０２ａ及び１０２ｂは対向して設けられた一対の電極、１０３は電極１０２に電圧を印加することによって電気浸透流または電気泳動流を発生する流路である。ここで、流路１０３は、長さＬ、入口部幅ｗ１（＝ｗ）、出口部幅ｗ２、深さｄ（＞ｗ）を有し、一対の電極１０２を伴って液体駆動素子（流体素子）を構成する。
【００２１】
また、１０１は、電極１０２ａ、１０２ｂに並列に接続したインピーダンスであり、流路１０３とインピーダンス１０１間に温度差ΔＴ（＝  Ｔ１−Ｔ２）を与えることにより、熱ノイズに起因する電圧（熱ノイズ電圧）が電極１０２ａ、１０２ｂ間に印加される。
【００２２】
図１において、Ｚ１、Ｔ１はインピーダンス１０１におけるインピーダンス値と温度をそれぞれ示し、Ｚ２、Ｔ２は流路１０３と一対の電極１０２ａ及び１０２ｂを含む液体駆動素子１０６におけるインピーダンス値と温度を示す。
【００２３】
図１の装置においては、インピーダンス１０１と液体駆動素子１０６（現実的には流路１０３）との間の温度差ΔＴを利用して電極１０２ａと１０２ｂとの間にインピーダンス１０１に由来する熱ノイズ電圧１０５（平均電圧Ｖ０）が印加され、流路１０３内に電界が生ずる。この電界により円柱状の導電性部材１０４の表面に電荷が誘起される。
【００２４】
誘起された電荷に液体中の帯電成分（陽イオン、負イオン等）が吸い寄せられて、所謂、電気二重層が形成される。誘起される電荷と対をなして形成される電気二重層部分に起こる電気浸透流に起因して渦流（四極型）が発生する。また、非対称形状を有する流路１０３内では、導電性部材１０４により発生する電気浸透流により流路方向に正味の流れが発生する。
【００２５】
すなわち、本発明のエネルギー変換装置では、流路１０３とは温度の異なるインピーダンス１０１を流路１０３に電界を発生させる電極１０２ａ、１０２ｂに接続することにより、正味の電気浸透流を発生させることが可能となる。
【００２６】
つまり、微視的な熱エネルギーを巨視的な機械エネルギーに変換すること、及び、小さな温度差の熱エネルギーを機械エネルギーに変換することが可能となる。
【００２７】
本発明において、インピーダンスとは、一対の電極間電圧をＥ、電流Ｉをそれぞれ複素数表示の正弦関数で表したとき、
その比であるＺ＝Ｅ／Ｉ＝（Ｅ０／Ｉ０）ｅｘｐ  ｊφ＝Ｚ０ｅｘｐ  ｊφのことをいい、また、この比Ｚ＝Ｅ／Ｉを生じさせる一対の電極に接続された部材のことをいう。
【００２８】
ここで、ｊは√−１、φは初期位相である。形式的にはインピーダンスは直流回路における抵抗と同様に扱われ、一般的には、Ｚ＝Ｒ＋ｊＸと表される。このとき、実部Ｒが抵抗で虚部Ｘがリアクタンスである。
【００２９】
本発明において、熱ノイズとは、抵抗体の内部で熱運動をする電子またはイオンの分布が空間的時間的に一様ではない（つまり揺らぎ）ために、抵抗体に生ずる不規則な電位差のことをいう。
【００３０】
従来の液体駆動装置が電極間に電位差を生じさせるために電極に接続された一般的な電源（電池、ＤＣ電源、ＡＣ電源等）を必要とするのに対し、本発明では流路とインピーダンスとの間に温度差を与えることにより生ずる熱ノイズを駆動源とする。
【００３１】
従って、本発明は、一般的な電源を接続した装置を含むものではなく、一般的な電源を必要とする装置とは明確に区別される。
【００３２】
つまり、本発明でいう一対の電極に接続されたインピーダンスは、一般的な電源が有するインピーダンス及び電源を包含しない。具体的なインピーダンスとして機能する部材は、実施例で詳述するが、液体駆動素子のインピーダンスと大きさが略等しくなる形状あるいは材質の部材で構成することが熱ノイズに起因する電圧を大きくする観点から好ましい。
【００３３】
導電性部材１０４を構成する材料は、電界により電荷を誘起する材料が用いられ、金属（例えば、金、白金）の他、炭素や炭素系の材料等が挙げられる。しかしこの部材についても搬送する液体に対して安定な材料で構成するのが好適である。
【００３４】
また、流路内に設けられる導電性部材の数は、効率的に渦流を発生させるためには複数とするのが好ましく、流路の長さと導電性部材の大きさ、搬送する液体の粘性等を考慮して選択することができる。
【００３５】
導電性部材の配置は、流路の中心が渦流の効率的発生の観点から好ましい。個数は適宜選択することができる。
【００３６】
導電性部材に電界を与える電極は、図１では対向する一対の電極１０２ａ及び１０２ｂが設けられているが、導電性部材に電荷が効果的に誘起できる配置であれば、同一平面上に複数個数を配置することも可能である。電極を構成する材料としては、金属等からなる一般的な電極材料の他、金、白金、炭素、炭素系導電体等が挙げられる。
【００３７】
本発明において、電極に接続され熱ノイズ電圧源となるインピーダンス１０１には、各種のインピーダンスを採用することができるが、特に０．１ｆＦ以下の低容量性インピーダンスを接続することが小型化の観点及び高い平均熱ノイズ電圧を得る観点から好ましい。
【００３８】
本発明において、流体を搬送する流路は、μＴＡＳ等の分野で一般的に使用される材料で構成することができる。具体的には、搬送する液体に対して安定な材料で構成でき、そのような材料としては、ＳｉＯ２やＳｉ等の無機材料の他、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ系樹脂などの高分子樹脂等が挙げられる。
【００３９】
流路の大きさは、低い熱ノイズ電圧で大きな電界を流路内に発生させ、大きな流れを発生させるために１μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以下、望ましくは０．２μｍ以下である。流路幅が狭くなるにつれ、流路内の電界が強くなり、流速の増加につながる。
【００４０】
また、流路の深さについては、流量を大きくするという観点から流路幅よりも深い（大きい）ことが好ましい。
【００４１】
具体的には、深さ／流路幅は０．２以上、より好ましくは０．５以上、更に好ましくは１以上が好ましい。
【００４２】
本発明において、流路内を搬送可能な液体は、基本的には、帯電成分を含有する極性分子を含むものであり、水や、各種電解質を含む溶液等が挙げられる。
【００４３】
本発明の装置において、流路とインピーダンスとの間に温度差を付与するには、局所的な温度差を与える手段を適用することができる。このような手段としては、レーザー照射や、冷却した流体もしくは加熱した流体を噴射させる手法等が挙げられる。
【００４４】
また、本発明の装置を作成するには、流路は所謂、マイクロＴＡＳ等の微小流路を用いた流体搬送装置を一般的に作成するＭＥＭＳ技術、リソグラフィー技術等を用いることができる。
【００４５】
本発明の装置においては、インピーダンスの実部と液体駆動素子のインピーダンスの実部を等しくするのが好適である。
【００４６】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。尚、図面を参照した以降の説明では、図面中の同一の部材には原則、同一の番号を付して重複した説明は省略することとする。
【実施例１】
【００４７】
図１は、実施例１のエネルギー変換装置を示す模式図である。
【００４８】
図１において、１０２ａ及び１０２ｂは一対の電極、１０３は電極１０２に電圧を印加することによって電気浸透流または電気泳動を発生する流路である（長さＬ、入口部幅ｗ１（＝ｗ）、出口部幅ｗ２、深さｄ（＞ｗ））。そして電極１０２ａ、１０２ｂと流路１０３を含んで流体駆動素子が構成される。
【００４９】
１０１は電極１０２ａ、１０２ｂに並列に接続したインピーダンスであり、流路１０３とインピーダンス１０１間に温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）を与えることにより、熱ノイズ電圧が電極１０２ａ及び１０２ｂに印加される。
【００５０】
本実施例では、導電性部材１０４は、半径ｃ（直径２ｃ）の円柱で構成されている。図１において、φは、円柱上の位置を表すパラメータであり、Ｅは電極１０２ａ−１０２ｂに垂直な垂直電界を示す。
【００５１】
また、円柱の位置は（ｘｂ，ｙｂ）で示される。また、Ｌ（＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）は流路長であり、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は非対称流路の各部の長さを表している。ｗ１は流路入口部（左端）の流路幅であり、ｗ２は流路出口部（右端）の流路幅である。また、ｗは電極幅であり、ここでは、ｗ＝ｗ１とする。
【００５２】
本実施例では、（ｘｂ，ｙｂ）＝（０．５ｗ，１．１２５ｗ）、Ｌ＝２．２５，Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝０．７５、ｗ１＝０．１μｍ、ｗ２／ｗ１＝０．４，ｃ／ｗ＝０．２とする。即ち、本例における流路１０３は、非対称構造をとる。
【００５３】
また、図２に示すように、大きなインピーダンスＺ１＝Ｒ１＋ｊＸ１が液体駆動素子１０６の同じく大きなインピーダンスＺ２＝Ｒ２＋ｊＸ２に接続されている。
【００５４】
図２は、実施例１の等価回路図である。本実施例では、一対の電極１０２ａ、１０２ｂ間に０．１ｆＦ以下の低容量性インピーダンスが接続されている。
【００５５】
これにより、熱ノイズの高帯域化が可能となり、大きな平均熱ノイズ電圧を得ることが可能となる。
【００５６】
図２に示すように、Ｚ１は容量成分Ｃ１０に高抵抗成分Ｒ１０が並列に接続されたインピーダンスである。同様に、Ｚ２は容量成分Ｃ２０に高抵抗成分Ｒ２０が並列に接続されたインピーダンスである。
【００５７】
ただし、Ｚ２では、図２に示すように、厳密には、高抵抗成分Ｒ２０に直列接続された電気二重層の容量Ｃｂ（＝ε２Ａ２／λＤ）が考えられるが、Ｃｂ＞＞Ｃ２０のため、無視できる。
【００５８】
ここで、ε２（〜８０ε０）は液体駆動素子１０６の誘電率、ε０は真空の誘電率、Ａ２は液体駆動素子１０６の電極面積、λＤ（水では〜１ｎｍ）はデバイ長である。
【００５９】
また、この場合、Ｒｉ（ω）＝Ｒｉ０／［１＋（ω／ωｃｉ）２］、及びＸｉ（ω）＝−ωＣｉ０Ｒｉ０２／［１＋（ω／ωｃｉ）２］であり、ωｃｉ＝１／（Ｒｉ０Ｃｉ０）、ｉ＝１，２である。
【００６０】
また、Ｒ２０＝ｗ／σ２Ａ２、Ｃ２０＝ε２Ａ２／ｗであり、σ２は液体駆動素子１０６のバルク導電率である。
【００６１】
非特許文献１の記載と同様に、周波数間隔ｄν中のＲｉのノイズ電圧の２乗がＥｉ２ｄνで表され、ＲｉからＲｊに移動するエネルギーＰｉｊは、Ｎｙｑｕｉｓｔの熱力学的考察により、以下の式１で表される。
Ｐｉｊ＝４ｋＴｉＲ１Ｒ２ｄν／（Ｒ１＋Ｒ２）２                        （式１）
ここで、ＴｉはＲｉの絶対温度、ｋはボルツマン定数である。
【００６２】
それゆえ、非特許文献１と同様に、Ｒ１からＲ２に伝わる正味電力量ｄＰ（＝Ｐ１２−Ｐ２１）は、以下の式２で表される。
ｄＰ＝４ｋΔＴＲ１Ｒ２ｄν／（Ｒ１＋Ｒ２）２                        （式２）
ここで、ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２である。そして、Ｒ１＝Ｒ２のとき最大の電力移動が生じ、ｄＰ＝ｋΔＴｄνなる最大値となる。それゆえ、周波数間隔ｄν中のＲ２で消費される正味の熱ノイズ電圧の２乗値は、以下の式３で表される。
ｄＶ０２＝Ｒ２ｄＰ＝Ｒ２４ｋΔＴＲ１Ｒ２ｄν／（Ｒ１＋Ｒ２）２        （式３）
特に、Ｒ１＝Ｒ２（すなわち、Ｒ１０＝Ｒ２０，Ｃ１０＝Ｃ２０）とすると、式４に示される熱ノイズ電圧の２乗値が得られる。
ｄＶ０２＝Ｒ２ｄＰ＝Ｒ２ｋΔＴｄν＝ｋΔＴｄν｛Ｒ２０／［１＋（ω／ωｃ２）２］｝    （式４）
ただし、Ｒｉ＞＞Ｘｉとした。
【００６３】
また、式４を０から無限大の区間で積分することにより、式５で示されるＺ２で消費される正味の熱ノイズ電圧の２乗平均値が得られる。
Ｖ０ｍ２＝０．２５ｋΔＴＲ２０ωｃ２＝０．２５ｋΔＴ／Ｃ２０          （式５）
つまり、この電圧が液体駆動素子１０６の一対の電極１０２ａ、１０２ｂに実質的に印加され、流路１０３内に流体の流れが生ずる。また、式５から、平均熱ノイズ電圧Ｖｍは、式６で示したものとなる。
Ｖｍ＝［Ｖ０ｍ２］０．５＝［０．２５ｋΔＴ／Ｃ２０］０．５            （式６）
この式より、与える温度差が大きい程、大きな熱ノイズ電圧が得られることが理解される。本発明で与える温度差は大きいことが望ましいが、微視的な熱ノイズを利用するという観点から、１０Ｋ以上、望ましくは２０Ｋ以上とすることが好適である。
【００６４】
また、このとき、金属柱１０４のまわりに発生する流れの代表速度Ｕ０は、式７で示される。
Ｕ０＝（ε２／μ）（ｃ／ｗ）（Ｖ０ｍ２／ｗ）                      （式７）
ここでμは粘性を表し、流路１０３内を流れる液体が水の場合には１ｍＰａ・ｓである。また、温度差ΔＴに由来する熱ノイズ電圧による正味の平均流速Ｕｐは、式８で示される。
Ｕｐ＝βＵ０                        （式８）
ここで、βは、流体素子６の構造等によって決まるポンプ性能を示す定数である。
【００６５】
図３に本実施例の装置の液体駆動装置１０６における流体の流速分布の計算図を示す。
【００６６】
図３より、対称な形状の流路であれば円柱電極１０４のまわりに対称な四極渦が発生するが、非対称形状を有する流路１０３により四極渦が変形し、狭い流路幅の方向に向かう正味流れが発生していることが理解される。
【００６７】
ここで、Ｔ０Ｕ０／ｗ＝０．０８の時、入口部で計測した（無次元化された）平均流速はＴ０Ｕｐ／ｗ＝０．００６３となり、ポンプ性能定数βはβ＝０．０７８７５〜０．１である。ただし、Ｔ０は計算時の時間単位でありＴ０＝１ｍｓである。
【００６８】
また、この計算結果は、ｗ＝０．１μｍのとき、Ｖ０＝２．３８ｍＶの印加電圧に対して平均流速がＵｐ＝０．６３μｍ／ｓを意味する。
【００６９】
ここでの計算値は誘起電荷浸透効果を考慮したストークス流体方程式を用いた計算による。
【００７０】
ｃ／ｗ＝０．２、流路１０３の入口と出口の圧力差ΔＰ＝０Ｐａ（圧力勾配ΔＰ／Ｌ）、Ｌ／ｗ＝２．２５として計算している。
【００７１】
図４（ａ）は、式６を使って、ΔＴ＝１０Ｋの場合の平均熱ノイズ電圧ＶｍのＣ１０（＝Ｃ２０）依存性を計算したグラフである。
【００７２】
図４（ａ）よりＣ１０を０．１ｆＦ以下、好ましくは、０．０２ｆＦ以下とすることで、温度差が１０Ｋ程度と小さい場合にもｍＶオーダーの実質的な熱ノイズ電圧をＩＣＥＯを利用した液体駆動素子（ＩＣＥＯポンプ）１０６に印加できることが理解される。
【００７３】
特に、深さｄ＝０．５ｗ、ｗ＝０．１μｍとするとき、Ｃ２０〜８０ε０Ｌｄ／ｗだから、Ｃ２０〜０．０８ｆＦとなる。
【００７４】
図４（ｂ）は、式７を使って、Ｃ２０＝０．０８ｆＦの場合の代表流速Ｕ０の温度差ΔＴ依存性を計算したグラフである。
【００７５】
図４（ｂ）より温度差２０Ｋ程度で、１．２μｍ／ｓ程度の代表流速が得られることが理解される。
【００７６】
図４（ｃ）は、式８を使って、Ｃ２０＝０．０８ｆＦの場合の平均流速Ｕｐの温度差ΔＴ依存性を計算したグラフであり、温度差２０Ｋ程度で、０．１μｍ／ｓ程度の平均流速が得られることが理解される。すなわち、単位温度差あたり、０．００５μｍ／ｓ程度の平均流速が得られることが分かる。
ここで、Ｒ１０＝Ｒ２０，Ｃ１０＝Ｃ２０としている。
【００７７】
また、液体駆動素子１０６に充填する電解質溶液として、比抵抗ρ＝１０ＭΩ・ｃｍの純水を使用すると、Ｒ２０〜ρｗ／（Ｌｄ）だから、Ｒ２０〜１ＧΩとなる。また、ωｃ２＝１／（Ｒ２０Ｃ２０）〜１２．５Ｍｒａｄ／ｓとなる。
【実施例２】
【００７８】
図５は、本実施例のエネルギー変換装置の特徴を示す模式図である。
【００７９】
本実施例の装置は、電気浸透流または電気泳動流を発生する流路を組み合わせて環状としている点が、実施例１の装置との最も大きな違いである。
【００８０】
図５において、１５１は、電極１０２ａ、１０２ｂ間に電圧を印加することにより第一の方向（左から右）への正味流れを発生させる第一の液体駆動素子である。１５２は、電極１０２ｂ、１０２ｃ間に電圧を印加することにより第二の方向（右から左）への正味流れを発生させる第二の液体駆動素子である。
【００８１】
液体駆動素子１５１の流路１０３ａの出口部は、液体駆動素子１５２の流路１０３ｂの入口部と接続流路１５４ａにより接続されている。そして、液体駆動素子１５２の流路１０３ｂの出口部は、液体駆動素子１５１の入口部に接続流路１５４ｂにより接続され、環状の流路が構成されている。
【００８２】
また、電極対（１１２ａ、１１２ｂ）で誘電体１２０ａ（エポキシ樹脂）を挟持して得られるインピーダンスを第一の液体駆動素子１５１に接続し、電極対（１１２ｂ、１１２ｃ）で誘電体（エポキシ樹脂）を挟持して得られるインピーダンスを第二の液体駆動素子１５２に接続している。
【００８３】
１５８ａ、１５８ｂ、１５８ｃはインピーダンスを第一及び第二の液体駆動素子の電極対に接続するための接続電極であり、１５７はＳｉなどで構成される流路等を形成するための基板である。
【００８４】
本実施例では、電気浸透流または電気泳動流を発生する流路を環状としたことによって、高温側の熱をより効果的に低温側に輸送することができる。その理由は、熱の拡散に加えて熱源の移動が作用するからである。
【実施例３】
【００８５】
図６は、本実施例のエネルギー変換装置の特徴を示す模式図である。
【００８６】
本実施例の装置は、液体駆動素子１５１及び１５２に接続されるインピーダンスとして、これらの液体駆動素子と略同様の構造（同構造）の液体駆動素子１６１及び１６２を接続していることが実施例２の装置との最も大きな違いである。
【００８７】
図６の装置では、液体駆動素子１５１は、一対の電極１０２ａ及び１０２ｂを伴い構成され、液体駆動素子１５２は、一対の電極１０２ｃ及び１０２ｄを伴って構成されている。
【００８８】
液体駆動素子１６１は、一対の電極１０２ｅ及び１０２ｆを伴い構成され、液体駆動素子１６２は、一対の電極１０２ｇ及び１０２ｈを伴って構成されている。
【００８９】
液体駆動素子１５１の流路の出口部は、液体駆動素子１５２の流路の入口部に接続され、更に液体駆動素子１５２の流路と、液体駆動素子１６２の流路と、が接続されてループを構成している。
【００９０】
そして、液体駆動素子１５１の電極１０２ａ及び１０２ｂは、接続電極１５８ａ及び１５８ｂにより液体駆動素子１６１の電極１０２ｅ及び１０２ｆに接続されている。
【００９１】
また、液体駆動素子１５２の電極１０２ｃ及び１０２ｄは、接続電極１５８ｂ及び１５８ｃにより液体駆動素子１６２の電極１０２ｇ及び１０２ｈに接続されている。
【００９２】
本例の装置では、液体駆動素子１５１及び１５２に接続されるインピーダンスとしてこれらの素子と略同様の構造の素子１６１及び１６２を用いることにより、略Ｚ１＝Ｚ２の条件が満たされ、最大の熱ノイズの印加ができる。
【実施例４】
【００９３】
図７は、本実施例のエネルギー変換装置の特徴を示す模式図である。
【００９４】
本例の装置は、図５に示した装置に類似するものである。
【００９５】
本装置は、図５に示した装置から液体駆動素子１５２とそれに接続されたインピーダンスを取り除き、流路１０３の入口部と出口部で流路の幅を等しくすると共に、円柱電極２つ（１０４ａ、１０４ｂ）を配している点が図５の装置との違いである。
【００９６】
このように円柱電極１０４ａ、１０４ｂを配置することで、渦流１７１を生じさせることができる。
【００９７】
本例の装置では、液体駆動素子が熱ノイズ電圧によって渦流を生じることにより、熱拡散率を見かけ上増加させ、高温側の熱をより効果的に低温側に輸送できると共に、液体の混合を行なうことができる。
【実施例５】
【００９８】
図８は、本例のエネルギー変換装置の特徴を示す図である。
【００９９】
本例の装置は、液体駆動素子１５１に比べ、抵抗値が大きく容量が小さい伝送路１８３ａ及び１８３ｂを接続したこと、インピーダンスとして接続する液体駆動素子１８１と液体駆動素子１５１との間に気泡部１８４を設けたことがこれまでの実施例の装置とは異なる点である。
【０１００】
図８において、１８２ａ及び１８２ｂは非誘電率が約３の樹脂材料であり、樹脂１８４は、樹脂材料１８２ａ及び１８２ｂによって構成され、伝送路１８３ａ及び１８３ｂは金で構成されている。ここで、Ｌ４＝２μｍ、＝２μｍ、Ｌ５＝１μｍ、ｄ＝０．５ｗである。
【０１０１】
このとき、伝送路１８３ａ及び１８３ｂの抵抗値は、略無限大、容量は〜３ε０ｄ（＝１．５ε０）＜＜Ｃ２０となる。
【０１０２】
すなわち、本例では、液体駆動素子１５１に比べ、抵抗値が大きく容量が小さい伝送路１８３ａ及び１８３ｂを用いて、液体駆動素子１５１とインピーダンス（液体駆動素子１８１）を接続することにより、伝送路の容量と抵抗値を無視してインピーダンスを配置できる効果がある。
【０１０３】
また、樹脂１８２ａ及び１８２ｂによって構成される気泡を流路内に配置することにより、温度差ΔＴを気泡部の界面移動速度として観測できる効果があり、温度勾配センサーとして利用できる。
【０１０４】
例えば、レーザー光を流体素子８１部に断続的に照射し、約２μｍ離れた液体駆動素子１５１部の温度差を検知することも可能である。
【実施例６】
【０１０５】
図９は、本例のエネルギー変換装置の特徴を示す図である。
【０１０６】
本例の装置は、流路１０３内の２つの円柱電極１０４ａ、１０４ｂを設けずに非対称性を有する導電粒子１９１ａ−１９１ｄを配したことを除いて実施例４に示した装置とほぼ同様の構成を有する。
【０１０７】
非対称性を有する導電性粒子１９１ａ−１９１ｄは、例えば、楕円導電性粒子の半分に絶縁層を配置したものや、四角錘体や円錐体など多角錘体の導電体等を用いることができる。
【０１０８】
これらの導電性粒子は、電圧印加によって、流路１０２内を右方向に進むものと左方向に発生するものに分かれる。
【０１０９】
導電性粒子１９１ａ−１９１ｄの左右への移動により、熱拡散率を見かけ上増加させ、高温側の熱をより積極的に低温側に輸送することができると共に、液体の混合を行なうことができる。
【実施例７】
【０１１０】
図１０は、本例のエネルギー変換装置の特徴を示す図である。
【０１１１】
本例の装置は、浮遊可能な基体１１００に液体駆動素子１５１と１６１を配置し、液体駆動素子１５１が噴射する流れ１１０２を利用して、流体内を移動することができる装置である。
【０１１２】
１１０３は、水などの電解質流体を示し、１１０４は、温度勾配が流体１１０３内にあることを示している。よって、高温側にある液体駆動素子１６１の熱ノイズが電気信号の形で低温側にある液体駆動素子１５１に伝わり、実質的なＡＣ電圧を発生し、低温側から流れ１０２を噴射する。
【０１１３】
本例の装置は、高温側から低温側に向かう流れを低温側から噴射することにより、温度勾配に沿って、自立的な運動をして、熱源に到着しようとする、生物の走性に類似の機能を有する人工デバイスに応用することが可能である。
【実施例８】
【０１１４】
図１１は、本例のエネルギー変換装置の特徴を示す図である。
【０１１５】
本例の装置は、流路１０３内に、電気浸透によって発生する順方向流れと逆方向流れのバランスを崩すように配置された導電性ポスト１２０１ａ−１２０１ｃを有することを除いて、図７に示した装置と同様の構成を有している。
【実施例９】
【０１１６】
図１２に本例の装置の模式図を示す。図１２において１２０１はヒーター、１２０２は鉄ブロック、１２３０はコイルを示す。図１２の装置では、コイル１２０２が液体駆動素子１５１の電極１０２ａ及び１０２ｂに接続されており、コイルに生ずる熱ノイズに起因する電圧が電極に印加され、液体駆動素子１５１内の流体が移動する。
【０１１７】
また、本例では、平均熱ノイズ電圧（Ｖ０）はコイル１２３０の巻数Ｎにおおよそ比例することから、巻き数Ｎ大きくすることで大きなノイズ電圧が得られ、液体の流速を可変とすると共に、大きくすることができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１０１  インピーダンス
１０２    電極
１０３  流路
１０４  導電性部材
１０５  熱ノイズ電圧
【図１】
0005618598.tif 000002
【図２】
0005618598.tif 000003
【図３】
0005618598.tif 000004
【図４】
0005618598.tif 000005
【図５】
0005618598.tif 000006
【図６】
0005618598.tif 000007
【図７】
0005618598.tif 000008
【図８】
0005618598.tif 000009
【図９】
0005618598.tif 000010
【図１０】
0005618598.tif 000011
【図１１】
0005618598.tif 000012
【図１２】
0005618598.tif 000013