(57)【要約】  規定された寸法「ｄ」を有する連続的な液状実体（たとえば水滴）を保持するための支持部材を含む液体原動機が提供される。イオン透過性交換膜が支持部材上に搭載される。また、正電極および負電極がその間に距離を置いて支持部材上に搭載される。重要なのは、イオン透過性交換膜が各電極および液状実体間に配置されることである。電圧源が電極間に接続され、「ｄ」が電極間距離を覆う時に交換膜中、および液体実体中を通過するイオン流を確立し、それによって液状実体を支持部材上で移動させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体媒体用原動機であって、
液体媒体の一部を寸法「ｄ」を有する連続的な実体として保持するための支持部材と、
前記支持部材上に搭載された正電極と、
前記支持部材上に搭載された負電極と、
液状実体と前記正電極間、および前記液状実体と前記負電極間で前記支持部材上に配置されて第１タイプのイオンを不動化する少なくとも１つのイオン透過性交換膜と、
前記正電極および前記負電極に接続されてその間に第２タイプのイオンの流れを確立する電圧源であって、前記イオン流は前記液状実体中を通過して前記液状実体を前記支持部材上で移動させる電圧源と、
を含む原動機。
【請求項２】
請求項１記載の原動機であって、前記支持部材は第１の端部および第２の端部を有する細長い導管であり、前記導管はそれらの端部間に流体経路を画定し、前記正電極は前記導管の前記第１の端部および前記第２の端部間に配置され、前記負電極は前記正電極および前記導管の前記第２の端部間に配置される原動機。
【請求項３】
請求項１記載の原動機であって、前記支持部材は第１面および第２面を有する実質的な平板であり、前記イオン交換膜は前記平板の前記第１面に対して配置され、前記原動機は、さらに、
マトリクス・アレイとして搭載される複数の電極であって、前記マトリクス・アレイは複数の行および複数の列を有し、前記行内の各電極は前記行内の隣接する各電極から「Ｌ」の距離にあり、前記列内の各電極は前記列内の隣接する各電極から「Ｌ」の距離にある複数の電極と、
各電極を正電極として、あるいは負電極として選択的に規定するためのコントローラと、
を含む原動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般的に、水滴等の連続する液体の小さな実体を定められた経路に沿って移動させるためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、本発明は液状実体（ｌｉｑｕｉｄ  ｅｎｔｉｔｙ）をオーム抵抗により移動させるシステムおよび方法に関する。本発明は、排他的にではないが、他のタイプのイオン（たとえば正イオン）の流れが液状実体に対する原動力を作り出す間、１つのタイプのイオン（たとえば負イオン）を不動化するためのシステムまたは方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
電解質溶液中に電流が通されると、その効果として溶液内で化学分解が生じる。この分解の結果、正および負イオンは電極において中和され、これが電気分解として知られる現象である。
【０００３】
電気分解中に、正イオンおよび負イオンの各密度はほぼ等しく、正および負イオンが共に存在するため、溶液に作用するイオンの正味の力は実質的にゼロである。一方、１つのタイプのイオン（たとえば負イオン）が電気的手段以外により不動化されると、他のタイプのイオン（たとえば正イオン）が溶液に力を加える。詳しく言えば、この力は可動イオンが溶液中を移動する時のオーム抵抗による。実証されてきたように、この合力は液体を移動させることができる。
【０００４】
たとえば、２つのイオン透過性膜が液体（たとえば水）内に位置した配置を考える。この配置において、各膜はそれぞれ面積「Ｓ」を有し、各膜は同じタイプのイオン（たとえば正イオン）に対して透過性である。さらに、膜は互いに「Ｌ」の距離に置かれ、電極は互いに、その一対の膜の反対側に位置しているものとする。２つの膜間の領域内の体積流束（ｖｏｌｕｍｅ  ｆｌｕｘ）「Ｉ」、およびこの領域内のポンプ圧力「Δｐ」を数学的に表現することができる。重要なのは、これらの式は、その配置に対する流体の流れ効率を示す演算パラメータを含むことである。この関係において、正イオンに対して数学的に次式で示すことができる。
【数１】
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ここで、ｊは電流密度、Ｋは膜の透水係数、μ＋は水中の正イオン移動度である。しかしながら、前記数式には制約があることを理解する必要がある。これらの制約は正イオンの密度、および電流密度に関わるものである。それにもかかわらず、これらの制約を考慮しつつ、さらなる数学的操作により、最大ポンプ能力「Ｐｐｕｍｐ」は
【数２】
2011523991.tif 000004
である時に生じることが示される。
【０００５】
機能的に、前記した数式の重要性は、膜のイオン透過性と、液状実体上に原動力を発生するのに必要な電流密度との間に演算関係を確立できることである。より詳細には、前記したように、液体中をあるタイプ（正または負）のイオンしか流れない場合、オーム抵抗により液体上に合力が加えられる。適切な条件下で、この力により流体はイオン流の方向に移動される。前記したように、これが起こるための条件は使用する膜の特性に影響を受ける。
【０００６】
膜の特性を考慮する時、流体を流動させる力の発生は、主としてイオン・モーメントが膜内でどれだけ失われるかによって決まる。これは、今度は膜内でのイオンおよび液体（水）の両方の透過率によって決まるであろう。典型的には、膜内でのイオンおよび水の両方に対する透過率の値は小さい。これはイオン・モーメントの損失が主として膜の格子との相互作用によるものであり、水との相互作用によるものではないことを示す。制限されたイオン透過率による力は主として水にではなく膜に対してである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の観点から、同種のイオンに対して透過性の膜により両端で境界が定められた電解質溶液の領域を有し、この領域中を電流が通過する時に透過性イオンのオーム抵抗により、この領域を通って液体を移動させるための液体原動機を提供することが本発明の目的である。本発明のもう１つの目的は、使い易く、比較的簡単に製作でき、比較的費用効果的な液体原動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（発明の概要）
本発明によれば、支持部材上の液状実体を移動させるための装置は、液状実体中をイオン流が流れる時に実体内に発生するオーム抵抗に依存している。本発明に対して想定されるように、正イオンまたは負イオンを使用して液状実体に対する原動力を与えることができる。いずれの場合も、液状実体の規定された部分を１つのタイプのイオン（正または負）しか流れないようにするのにイオン透過性交換膜が使用される。溶液が酸性であれば、この目的のためにプロトン交換膜を使用することができる。一方、食塩水に対しては、ナトリウムまたは塩素イオンに対して透過性の膜を使用することができる。本発明の目的に対して、液状実体は規定された部分内で連続的であり、液状実体の規定された部分は寸法「ｄ」を有する。典型的には、液滴の場合寸法「ｄ」は液滴の直径である。一方、液状実体がトラフ上にある時は、寸法「ｄ」は液体で充填されたトラフの長さに沿って指定された距離とすることができる。
【０００９】
構造的に、本発明の装置は、液状実体が動かされる時に保持する支持部材を含む。異なる実施例では、支持部材は開放導管（すなわち「トレンチ」）、閉鎖導管（すなわちチューブ）または平板とすることができる。その構成には無関係に、支持部材は液状実体の経路を実質的に確立する。重要なのは、いずれの場合もイオン透過性交換膜は支持部材上の経路と関連付けられることである。しかしながら、全ての構成において、液体実体の規定された部分（すなわち、原動力が加えられる液体の体積）は何らかの形でイオン透過性交換膜により境界を定められなければならないことが重要である。
【００１０】
本発明の電流経路を確立するために、正電極は支持部材上の膜に隣接する第１の場所に配置される。そして負電極は支持部材上の膜に隣接する第２の場所に配置される。重要なのは、正電極および負電極は共に液状実体の規定された部分から膜とは反対側に配置されることである。こうして、陽極から延びて、膜中を通り液状実体の規定された部分へ入る電流経路が確立される。次に、電流経路は規定された部分から、再度膜中を通り陰極へと延びる。全ての実施例に対して、距離「Ｌ」（すなわち、膜から膜までの電流経路に沿った距離）は液状実体の寸法「ｄ」よりも小さくなければならない。言い換えれば、液体は膜から膜へ連続していなければならない。そして、規定された部分（すなわち膜間の溶液領域）内で水へのポンピング作用が生じる。単位体積当たりのこのポンピング力の大きさ「ｆ」は、
【数３】
2011523991.tif 000005
で示すことができる。ここで、ｊは電流密度であり、μ＋は正イオンの移動度である。
【００１１】
当業者には理解されるように、本発明は２つの電極しか必要としない。それにもかかわらず、開示の目的で、複数の電極を採用して支持部材上に配置できることが理解されるであろう。さらに、複数の電極が採用される時は、特定の電極を正電極または負電極として選択的に定めるコントローラを提供することができる。
【００１２】
本発明の原動機の動作において、正電極および負電極は同時に活性化される。この活性化は選択的に行うことができるが、連続する液状実体の寸法「ｄ」が膜表面間の距離「Ｌ」を覆うかまたはそれを通って延びる時に行われなければならない。活性化された電極と液状実体はイオン透過性交換膜の両側にあることを思い出していただきたい。これらの条件下で、使用されるイオン透過性膜のタイプに応じて、透過型のイオンだけが距離「Ｌ」を通って液状実体に流入する。そして、合成オーム抵抗により液状実体は支持部材上で移動される。
【００１３】
本発明の好ましい実施例としては、支持部材は第１面および第２面を有する実質的に平らな板である。この実施例では、イオン交換部材は平板の第１面に対して配置される。さらに、複数の電極を平板の第２面にマトリクス・アレイとして搭載することができる。このマトリクス・アレイ内に複数の行および複数の列がある。この実施例の構造的構成により、行内の各電極は行内の各隣接電極から実質的に「Ｌ」の距離となる。また、列内の各電極は列内の各隣接電極から実質的に「Ｌ」の距離となる。次に、コントローラを使用して電圧源を活性化させ、各電極を正電極または負電極として選択的に定めることができる。
【００１４】
本発明のそれに代わる好ましい実施例では、支持部材の第２面は、分岐の有るまたは無い細長い開放導管（すなわちトレンチ）により形成することができる。この実施例では、細長い導管は第１の端部および第２の端部を有し、少なくとも１つの正電極は導管の第１の端部および第２の端部間に配置されるものと規定することができる。次に、少なくとも１つの負電極を正電極と導管の第２の端部間に配置することができる。ここでも、コントローラを使用して液状実体を導管に沿って移動させるための電圧源を活性化させることができる。
【００１５】
本発明のそれに代わる好ましい実施例では、導管は縦軸を規定する管腔（ｌｕｍｅｎ）により形成された壁を有する管状構造として形成することができる。この実施例では、イオン透過性膜は導管の管腔を囲むように導管の壁に対して配置される。あるいは、イオン透過性膜は導管の管腔を横切って配置される第１の膜と、第１の膜から導管の管腔を横切って配置される第２の膜とを含むことができる。この場合、第１および第２の膜は共に正電極と負電極間に配置される。この実施例のバリエーションとしては、導管の断面は矩形状とされ、上部パネル、下部パネルおよび両側壁を規定する。また、第１および第２の膜も矩形状とされ、各側縁は導管の両側壁上にジグザグ・パターンで搭載され、各第１の端部は下部パネルに固定され各第２の端部は上部パネルに固定される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に従った閉鎖導管、液体原動機の斜視図である。
【図２Ａ】図１の線２−２に沿って見た図１に示す原動機の閉鎖導管、２膜の実施例の断面図である。
【図２Ｂ】図１の線２−２に沿って見た図１に示す原動機の閉鎖導管、１膜の実施例の断面図である。
【図３】本発明に従った液体原動機の開放導管（すなわちトレンチ）バージョンの斜視図である。
【図４】図３の線４−４に沿って見た図３に示す原動機の断面図である。
【図５】本発明に従った閉鎖導管原動機の代替実施例の斜視図である。
【図６】図５の線６−６に沿って見た図５に示す閉鎖導管原動機の断面図である。
【図７】本発明に従った液体原動機の平板バージョンを示す図である。
【図８】図７の線８−８に沿って見た平板原動機に対する電極アレイの底面図である。
【図９】図７の線９−９に沿って見た平板原動機の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（好ましい実施例の説明）
本発明自体だけでなく、その構造およびその動作に関する本発明の新規の特徴は、添付説明と共に添付図を見れば最も良く理解される。同じ参照文字は同じ部品を示す。最初に図１を見ると、本発明に従った原動機が一般的に１０で示されている。図１において、原動機１０は密閉流体チャネル１４が形成されている中空チューブ１２を含むことが分かる。原動機１０は、２つの電極、正電極１８および負電極２０によりチューブ１２に接続される電圧源１６も含んでいる。本発明に対して、明らかに電極１８および２０よりも多くの電極が有っても良い。さらに、本発明に対して想定されるように、電圧源１６は電極１８または２０の極性を選択的に規定または変更することができるプロセッサ／コントローラ（図示せず）を含むことができる。
【００１８】
原動機１０に対して可能な内部構造は、図２Ａおよび２Ｂを参照して最も良く理解することができる。図２Ａにおいて、原動機１０の１つの実施例はイオン透過性膜２２およびイオン透過性膜２４を内蔵している。本発明の目的に対して、膜２２および２４は正または負イオンに対して透過性とすることができる。しかしながら、両方の膜２２および２４は同じタイプの膜である必要があり、したがって同じタイプのイオンに対して透過性とする必要がある。好ましくは、膜２２および２４は各々が、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ」等のいわゆるプロトン交換膜（ＰＥＭ）である。このような構造により、原動機１０は負イオンを不動化してそれらが膜２２および２４間の領域２６（すなわち、液状実体２８の規定された部分）へ入るのを防止する。一方、正イオン（たとえばプロトン）は膜２２および２４に対して透過性であるため、それらは領域２６を通過することができる。また、膜２２および２４は領域２６内の液体に対しても透過性であるため、正イオンと液体間のオーム抵抗により液体は領域２６を通過させられる。前記したように、ＰＥＭは好ましくは酸性溶液で使用され、ナトリウムおよび塩素イオンに対して透過性の膜が食塩水で使用される。寸法的に、図２Ａの原動機１０の実施例は液体が寸法「ｄ」の端から端までチューブ１２内に広がることを示している。さらに、図２Ａは両方の膜２２および２４が電極１８および２０間に配置され、互いに距離「Ｌ」だけ離されることを示している。
【００１９】
原動機１０のもう１つの実施例が図２Ｂに示されている。この場合、チューブ１２の流体経路（チャネル）１４内の液体は、互いに寸法「ｄ」だけ離れた端部３０および３２を有する連続的な液状実体２８として示されている。しかしながら、ここで、イオン透過性膜３４は１つしかない。図から分かるように、膜３４はチューブ１２の壁３６上に配置されている。重要なのは、膜３４が液状実体２８と両方の電極１８および２０との間にあることである。言い換えれば、液状実体２８は両方の電極１８および２０に亘って広がる（すなわち覆う）。確かに、この寸法関係は図２Ｂに示す実施例に対してだけでなく、図２Ａに示す原動機の実施例に対しても必要である。いかなる場合でも、電極１８から電極２０への電流経路は異なる場所で膜３４を通過し、これらの場所間で液状実体２８中を通過する（すなわち、ｄ＞Ｌ）。
【００２０】
図３は開放流体経路（チャネル）３８（すなわちトレンチまたは溝）により形成される原動機１０’の構成を示す。より詳細には、開放流体経路３８は平板４０の表面上に形成される。原動機１０’に対して、イオン透過性膜４２は開放流体経路３８に対してライナを提供する。図４に示すように、電極１８および２０は開放流体経路３８の下に配置されて、電極１８および２０と、開放流体経路３８に沿って移動する連続的な液状実体２８との間に膜４２を配置する。全ての本質的な動作の点で、原動機１０’は図２Ｂに示す原動機１０の実施例と実質的に同様に機能する。前と同様に、膜４２上の電極位置間の距離「Ｌ」は液状実体２８の寸法「ｄ」よりも小さくする必要がある。
【００２１】
原動機１０のもう１つの実施例が図５に示されており、密閉流体チャネル１４は矩形状である。図から分かるように、矩形状の流体チャネル１４は上部パネル４４、下部パネル４６および対向する側壁４８および５０により境界を定められている。このような構成の有用性は図６を参照すれば最も良く理解できる。そこには対向する側壁４８および５０を使用してイオン透過性膜５２およびイオン透過性膜５４を支持できることが示されている。この場合、膜５２および５４は距離「Ｌ」だけ互いに直接離されており、両方の膜５２および５４がジグザグ・パターンで構成される。本発明のこの実施例に対して、液体（すなわち水）が密閉流体チャネル１４を充填することが理解される。また、この場合、距離「Ｌ」は膜５２および５４間の離間距離として示される。重要なのは、液状実体２８が平板上の水滴であるか、あるいはチューブ１２中に広がるかにかかわらず、常に電極１８および２０は互いに少なくとも「Ｌ」よりも大きい距離でなければならないことである。
【００２２】
本発明のさらにもう１つの実施例において、原動機１０”が図７に示されている。この場合、平板５６が複数の液状実体２８（実体２８ａ，ｂおよびｃは例にすぎない）に対する支持部材として使用される。図８を相互参照すれば最も良く理解できることであるが、電極アレイ５８は平板５６の下側に配置され、イオン透過性膜６０が平板５６と電極アレイ５８との間に配置される。原動機１０”に対して、アレイ５８内の個別の電極６２を正電極１８または負電極２０として規定することができる。たとえば、電極６２ａを正とし電極６２ｂを負とすることができ、その逆とすることもできる。要するに、平板５６上の液状実体２８の所望の動きに応じて選択された電位となるように、電極６２をプログラムできることである。
【００２３】
原動機１０の動作において（注意、原動機１０’および１０”は同じように作動する）液状実体２８（または液体）はその寸法「ｄ」が２つの電極（たとえば電極１８および２０［図２Ａ参照］）を同時に覆うように配置される。図２Ａに示すこの例では、電極１８および２０に電位が印加されると、負イオン「−」は透過性膜２２および２４により領域２６へ入らないように不動化される。しかしながら、プロトン（すなわち正イオン「＋」）は膜２２および２４に対して透過性であるため、領域２６を通って移動する。合成オーム抵抗が原動機１０内の液体を矢符６４方向へ移動させる力を発生する。
【００２４】
ここに示され詳細に開示された特定の液体電気機械原動機は、前記した目的を完全に達成して利点を提供することができるが、それは本発明の好ましい実施例を単に例示するにすぎず、特許請求の範囲に記述されているものを除いて、ここに示された構造や設計の詳細を制約する意図はないことは理解されるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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