(57)【要約】【課題】実用可能な十分な圧力が得られる電気応答流体ポンプを提供する。【課題手段】昇圧ユニット１０は、電気応答流体を導入し対向壁が導入側から排出側にかけて徐々に狭まる導入路１３と、この導入路１３の対向壁に設けられて所定の角度をなして対向する電極１５，１６と、導入路１３の排出側に接続されて導入路１３を通過した電気応答流体を通流過程で昇圧させる狭隘路１４とを備える。直流電源２０は、電極１５，１６に直流電圧を印加する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気応答流体を導入する導入路、この導入路に設けられ導入側から排出側にかけて間隔が徐々に狭まる電極対、及び前記導入路の排出側に接続されて前記導入路を通過した電気応答流体を通流過程で昇圧させる狭隘路を備えた昇圧ユニットと、
前記電極対に電圧を印加する電圧印加手段と
を備えたことを特徴とする電気応答流体ポンプ。
【請求項２】
電気応答流体を導入又は排出し対向壁が一方の側から他方の側にかけて徐々に狭まり前記対向壁が狭まっている側同士が対向するように対称的に配置された第１及び第２の導入排出路、この第１及び第２の導入排出路の対向壁にそれぞれ設けられて所定の角度をなして対向する第１及び第２の電極対、及び前記第１及び第２の導入排出路の前記対向壁が狭まっている側に接続されて前記第１又は第２の導入排出路を通過した電気応答流体を通流過程で昇圧させる狭隘路を備えた昇圧ユニットと、
前記第１又は第２の電極対に印加する電圧を発生させる電源と、
前記第１及び第２の電極対のいずれか一方に前記電圧を印加するスイッチ手段と
を備えたことを特徴とする電気応答流体ポンプ。
【請求項３】
前記昇圧ユニットは、複数直列に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の電気応答流体ポンプ。
【請求項４】
前記昇圧ユニットは、複数並列に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の電気応答流体ポンプ。
【請求項５】
前記電極対のなす角度は、０°より大きく９０°以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電気応答流体ポンプ。
【請求項６】
前記電極対の少なくとも一方が平面又は曲面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の電気応答流体ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気応答流体中で発生するＥＨＤ（Electro Hydro Dynamics Phenomenon）ポンピング現象を利用した電気応答流体ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＨＤポンピング現象を利用した電気応答流体ポンプとしては、これまでに種々のものが提案されている（例えば、特許文献１，２等）。これらの電気応答流体ポンプは、第１及び第２の電極を、電気応答液体中に所定の間隔を空けて対向配置させた状態で両電極間に数ｋＶ〜数十ｋＶの直流電圧を印加し、これにより液体から電離したイオンからなるヘテロチャージ層と電極対との間に生じる引力によって液体が流動することを利用している。この電気応答流体ポンプは、電気応答流体の連続的な流動を利用していることから、脈動の無い低騒音ポンプを実現することができる。
【特許文献１】特開２００３−２８４３１６号公報
【特許文献２】特開２００５−２６９８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した従来の電気応答流体ポンプは、実用可能な十分な圧力を得るには至っていないという問題がある。
【０００４】
本発明は、実用可能な十分な圧力が得られる電気応答流体ポンプ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】
【０００５】
本発明の第１の形態に係る電気応答流体ポンプは、電気応答流体を導入する導入路、この導入路に設けられ導入側から排出側にかけて間隔が徐々に狭まる電極対、及び前記導入路の排出側に接続されて前記導入路を通過した電気応答流体を通流過程で昇圧させる狭隘路を備えた昇圧ユニットと、前記電極対に電圧を印加する電圧印加手段とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
本発明の第２の形態に係る電気応答流体ポンプは、電気応答流体を導入又は排出し対向壁が一方の側から他方の側にかけて徐々に狭まり前記対向壁が狭まっている側同士が対向するように対称的に配置された第１及び第２の導入排出路、この第１及び第２の導入排出路の対向壁にそれぞれ設けられて所定の角度をなして対向する第１及び第２の電極対、及び前記第１及び第２の導入排出路の前記対向壁が狭まっている側に接続されて前記第１又は第２の導入排出路を通過した電気応答流体を通流過程で昇圧させる狭隘路を備えた昇圧ユニットと、前記第１又は第２の電極対に印加する電圧を発生させる電源と、前記第１及び第２の電極対のいずれか一方に前記電圧を印加するスイッチ手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、所定の角度をなして対向する電極対により流体が狭隘路の方へ移動し、狭隘路を流体が通過する過程で流体が十分に昇圧されるので実用可能な十分な圧力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付の図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。
【０００９】
図１は本発明の第１の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図で、同図（ａ）は一部を切り欠いた平面図、同図（ｂ）は要部の斜視図、同図（ｃ）は（ｂ）の一部を切り欠いた斜視図である。
【００１０】
このＥＨＤポンプは、昇圧ユニット１０と直流電源２０とを備えて構成されている。昇圧ユニット１０は、一端を液体の導入口１１ａ、他端を液体の排出口１１ｂとした矩形断面を有する筒状の通流管１１と、この通流管１１の内部に配置されたセル１２とを備える。セル１２は、導入口１１ａ側の端面が通流管１１の側壁に対して所定の角度をなすように斜めに形成されると共に、排出口１１ｂ側の端面が通流管１１の側壁に対して直角に形成され、長い側面側を通流管１１の側壁内面に密接させ、短い側面側と通流管１１の側壁内面との間に所定の間隙を形成してなる。そして、通流管１１の側壁内面に対して斜めに形成された端面とこれと対向する側壁内面との間に、液体の導入路１３が形成され、上記端面とこれに対向する側壁内面とに平板状の電極１５，１６が設けられている。また、導入路１３に続くセル１２の短い側面側と通流管１１の側壁内面との間の間隙は狭隘路１４を形成している。
【００１１】
このように構成されたＥＨＤポンプによれば、直流電源２０から電極１５，１６に直流電圧を印加することにより、導入路１３内の液体から電離したイオンと電極１５，１６との引力によって液体が導入路１３から狭隘路１４に向かって移動する。狭隘路１４に導入された液体は、昇圧されて排出口１１ｂ側から排出される。なお、この実施形態では、電極１５，１６に直流電圧を印加しているが、電圧の極性によっても流体の流れの方向は変わらないので、電極１５，１６に直流電圧に代えて交流電圧を印加しても良い。
【００１２】
ここで、図２に示すように、電極角度θを７５°、狭隘路１４の流路長ｌを１０ｍｍ、幅ｗを１０ｍｍ、間隙ｇを１ｍｍとし、印加する直流電圧を１〜１０Ｖ／ｍｍまで変化させ、電気応答流体として、ハイドロフルオロエーテル（住友スリーエム社製のＨＦＥ−７２００，ＨＦＥ−７３００）、フッ素変成シリコーンオイル、シリコーンオイル及びＤＢＤＮ（ドデカン二酸ジ−ｎ−ブチル）をそれぞれ使用して電気応答流体の吐出圧力を圧力センサ１７によって測定した。印加電圧に対する吐出圧力のグラフを図３に示す。また、同じく印加電圧に対する電流値のグラフを図４に示す。
【００１３】
図３から明らかなように、使用した流体全てにおいて、電圧印加に伴い圧力が上昇し、最も高い圧力を示したフッ素変成シリコーンオイルを使用した場合、印加電圧が１０ｋＶ／mmの時に、圧力は３．５ｋＰａまで上昇した。また、電流値は、最も高い流体でも最大１６μＡであり、格別高い値ではなかった。
【００１４】
図５に電極角度θと圧力との関係、図６に電極角度θと電流との関係を示す。昇圧ユニット１の寸法関係は前述の通り、使用した流体はＨＦＥ−７２００で、印加電圧は、５〜１０ｋＶ／ｍｍまで１ｋＶ／ｍｍずつ変化させた。その結果、図５から明らかなように、電極角度が０°を超えてから圧力が上昇し、９０°以上でも高い圧力が得られ、特に６０〜７５°が望ましいことが分かった。最も高い圧力は、印加電圧１０ｋＶ／ｍｍのとき電極角度が７５°で４ｋＰａであった。また、図６に示すように、電極角度が１５〜９０゜の範囲では、電流値も低い値に安定していた。
【００１５】
図７は、狭隘部１４の流路長ｌと圧力の関係を示したグラフである。
【００１６】
電極角度θを３０°とし、電極への印加電圧が１，２，３，…，９，１０ｋＶ／ｍｍである場合のそれぞれについて、狭隘路１４の間隙ｇを２ｍｍ、幅ｗを２０ｍｍ、流路長を１，２，３，４，５，１０，１５，２０，２５，３０ｍｍと変化させて圧力を測定した。なお、流体としては前述のＨＦＥ−７２００を使用した。図７から明らかなように、流路長は２ｍｍ以上になると安定した圧力が得られ、流路長が長くなっても一定の圧力を維持し、長くなるほど変動要素が少なくなることが分かった。なお、流路長２ｍｍ以上というのは、あくまで上述の実験条件下での最適値であって、実験装置のサイズ及び流体の粘度等の流体の特性により変わる値である。
【００１７】
図８は、本発明の第２の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図で、同図（ａ）は一部を切り欠いた平面図、同図（ｂ）は要部の一部を切り欠いた斜視図である。
【００１８】
この実施形態では、昇圧ユニット３０を構成する通流管３１の内部に配置したセル３２が、第１の実施形態におけるセル１２を流体の流れの方向に２つ直角端面同士を当接させて対称的に配置させてなるものである。また、通流管３１の側壁内面に対して斜めに形成された一方の端面とこれと対向する側壁内面との間に第１の導入排出路３３が形成され、斜めに形成された他方の端面とこれと対向する側壁内面との間に第２の導入排出路３４が形成されている。これらの導入排出路３３，３４を形成する端面には平板状の電極３５，３６が設けられ、これら電極３５，３６と対向するように、通流管３１の側壁内面には、電極３５から電極３６を覆う１枚の平板状の電極３７が設けられている。更に、導入排出路３３，３４を連絡するセル３２の短い側面側と通流管３１の側壁内面との間の間隙は狭隘路３８を形成している。
【００１９】
電極３５，３６及び電極３７には、直流電源２０からの直流電圧が切替スイッチ２１を介して択一的に印加されるようになっている。
【００２０】
このような構成によれば、切替スイッチ２１の切り替えによって流体の通流方向を切り替えることができる。
【００２１】
図９は、本発明の第３の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図で、同図（ａ）は一部を切り欠いた平面図、同図（ｂ）は要部の一部を切り欠いた斜視図である。
【００２２】
この実施形態では、昇圧ユニット４０を構成する通流管４１の内部に配置したセル４２が、第２の実施形態におけるセル３２を、更に流体の流れの方向と直交する方向に長い側面同士を当接させて対称的に配置させてなるものである。これにより、セル４２の流体の流れ方向の両端は、それぞれ鋭角な所定角度をなす２面により形成されており、これら両端のそれぞれの両側の面とこれと対向する通流管４１の両側壁内面との間に第１及び第２の導入排出路４３，４４が形成されている。セル４２の両端には、所定角度をなす２面に沿った所定角度をなすＶ字型の電極４５，４６が設けられ、これら電極４５，４６に対向する通流管４１の両側壁内面には、平板状の電極４７，４８がそれぞれ設けられている。更に、セル４２の両側面と通流管４１との間の間隙は、それぞれ狭隘路４９，５０が形成されている。
【００２３】
この実施形態においても、電極４５，４６及び電極４７，４８には、直流電源２０からの直流電圧が切替スイッチ２１を介して択一的に印加されるようになっており、これにより流体の通流方向を切り替えることができる。
【００２４】
この実施形態によれば、少ないスペースに狭隘路を２つ設けることができるので、更に昇圧効果を高めることができる。
【００２５】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【００２６】
この実施形態は、第１の実施形態の昇圧ユニット１０を複数段直列に配置したものである。通流管５１の内部には、第１の実施形態におけるセル１２が複数段直列に配置されている。各段の電極１５には、スイッチ２２を介して直流電源２０から直流電圧が印加される。電極１７は、複数の電極１５の全体を覆うように１枚の電極１７として形成されている。このように昇圧ユニット１０を直列に多段接続することにより、更に高い圧力を得ることができる。
【００２７】
図１１は、本発明の第５の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【００２８】
この実施形態は、第１の実施形態の昇圧ユニット１０を複数並列に配置したものである。通流管６１の内部には、第１の実施形態におけるセル１２が複数並列に配置されている。このように昇圧ユニット１０を複数並列に接続することにより、１つの昇圧ユニットよりも流量を高めることができる。
【００２９】
図１２は、本発明の第６の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【００３０】
この実施形態では、圧力を発生する基本原理は変えずに電極の配置を変更している。即ち、この実施形態では、昇圧ユニット７０を構成する通流管７１の側壁が厚肉部７１ａと薄肉部７１ｂとを有し、これら厚肉部７１ａと薄肉部７１ｂとが傾斜面７１ｃを介して接続されたものとなっている。そして、一方の側壁は流体の導入側（又は排出側）を薄肉部７１ｂとし、他方の側壁は流体の排出側（又は導入側）を薄肉部７１ｂとしている。これにより、通流管７１の両端に第１及び第２の導入排出路７３，７４が形成されている。そして厚肉部７１ａ同士が対向する部分に狭隘路７５が形成されている。通流管７１の両側壁の傾斜面７１ｃには電極７６，７７が設けられ、これら電極７６，７７に対向する厚肉部７１ａには、それぞれ電極７８，７９が設けられている。
【００３１】
図１３は、本発明の第７の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【００３２】
この実施形態は、第６の実施形態の昇圧ユニット７０を複数並列に設けた例である。通流管８１の内部には、平行四辺形のセル８２が所定間隙を空けて複数並列に配置されており、これらセル８２及び通流管８１の側壁に第６の実施形態と同様の電極構造が形成されている。
【００３３】
この実施形態によっても、ポンプの流量を増加させることができる。
【００３４】
図１４は、本発明の第８の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【００３５】
この実施形態は、第６の実施形態の昇圧ユニット７０を複数段直列に配置した例である。この実施形態では、通流管９１の側壁内面が傾斜面を組み合わせたなだらかなジクザク面になっており、これら側壁内面をずらして対向配置することにより、狭隘路９２とその両側の導入排出路９３とを形成している。
【００３６】
この実施形態によってもポンプ圧力を高めることができる。
【００３７】
図１５は、本発明の第９の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図で、同図（ａ）は一部を切り欠いた平面図、同図（ｂ）は同じく斜視図である。
【００３８】
この実施形態では、図９に示した第３の実施形態の昇圧ユニット４０を複数段直列に配置した例である。
【００３９】
ポンプケース１０１には、平行に４本の溝１０２ａ〜１０２ｄが形成され、１段目の溝１０２ａの一端側に導入口（又は排出口）１０３が設けられ、４段目の溝１０２ｄの一端側に排出口（又は導入口）１０４が設けられている。１段目の溝１０２ａと２段目の溝１０２ｂの他端側、並びに３段目の溝１０２ｃと４段目の溝１０２ｄの他端側がそれぞれＵ字溝１０５によって連結され、２段目の溝１０２ｂと３段目の溝１０２ｃの一端側がＵ字溝１０６によって連結されている。これにより、各溝１０２ａ〜１０２ｄが直列に連結される。これら溝１０２ａ〜１０２ｄの中に、第３の実施形態におけるセル４２が多段に直列に配置されている。
【００４０】
この構造によれば、少ないスペースで、昇圧ユニット４０を十分な段数だけ配置して十分な距離を確保することができるので、更に高い圧力を得ることかできる。
【００４１】
図１６は、本発明の第１０の実施形態に係るＥＨＤポンプの要部を示す一部切り欠いた斜視図である。
【００４２】
この実施形態では、円筒状の通流管１１１の内部に円錐と円柱を結合させたセル１１２を同軸配置して、昇圧ユニット１１０が形成されている。この昇圧ユニット１１０には、円筒電極１１３と円錐電極１１４とが用いられる。
【００４３】
この構成によれば、電極及び周辺形状を円曲面としているので、周方向の利用効率が高まり、より効率的な昇圧が可能になる。なお、セル１１２の保持は、周方向の一部を通流管１１１と連結するか、又は軸中心部を延長させて通流管１１１の一部と連結させるようにすれば良い。
【００４４】
図１７は、本発明の第１１の実施形態に係るＥＨＤポンプの要部を示す一部切り欠いた斜視図である。
【００４５】
この実施形態は、円筒状の通流管１２１の内部に、図１６の実施形態のセル１１２の下流側にも円錐を結合したセル１２２を同軸配置して、昇圧ユニット１２０を双方向型としたものである。
【００４６】
図１８は、このような昇圧ユニット１２０を複数多段に配置した例、図１９は、昇圧ユニット１２０を複数並列に設けた例である。
【００４７】
また、以上の各実施形態では、電極対がそれぞれ平面状であったが、図２０に示すように、電極対の一方を曲面状とすることもできる。
【００４８】
同図（ａ）は、昇圧ユニット１３０を構成する通流管１３１とセル１３２のうち、セル１３２の導入口側の面を斜めに傾斜する凸曲面とし、この凸曲面に凸曲面を持つ電極１３５が設けられ、これに対向する通流管１３１の側壁内面に電極１３６が設けられたものである。また、同図（ｂ）は、昇圧ユニット１４０を構成する通流管１４１とセル１４２のうち、セル１４２の導入口側の面を斜めに傾斜する凹曲面とし、この凹曲面に凹曲面を持つ電極１３５が設けられ、これに対向する通流管１３１の側壁内面に電極１３６が設けられたものである。
【００４９】
凸面の場合も凹面の場合も、図２１及び図２２にそれぞれ示すように、印加電圧に対して十分な圧力を得ることができる。
【００５０】
以上、各種の例を説明したが、このようなポンプは静圧軸受、流体軸受、ロボットアームの動力、密閉空間内の冷却など、種々の用途に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図２】同ポンプの要部の寸法を説明するための図である。
【図３】同ポンプの印加電圧と吐出圧力の関係を示すグラフである。
【図４】同ポンプの印加電圧と電流値の関係を示すグラフである。
【図５】同ポンプの電極角度と圧力の関係を示すグラフである。
【図６】同ポンプの電極角度と電流値の関係を示すグラフである。
【図７】同ポンプの狭隘路の流路長と圧力の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図１４】本発明の第８の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図１５】本発明の第９の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図１６】本発明の第１０の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図１７】本発明の第１１の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図１８】本発明の第１２の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図１９】本発明の第１３の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図２０】本発明の第１４の実施形態に係るＥＨＤポンプを示す図である。
【図２１】図２０（ａ）に示すＥＨＤポンプの印加電圧に対する圧力の関係を示すグラフである。
【図２２】図２０（ｂ）に示すＥＨＤポンプの印加電圧に対する圧力の関係を示すグラフである
【符号の説明】
【００５２】
１０，３０，４０，７０，１１０，１２０，１３０，１４０…昇圧ユニット、１１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１，１１１，１２１，１３１，１４１…通流管、１２，３２，４２，８２，１１２，１２２，１３２，１４２…セル、１３…導入路、１４，３８，４９，５０，７５，９２…狭隘路、１５，１６，３５〜３７，４５〜４８，７６〜７９，１３５，１３６，１４５，１４６…電極、２０…直流電源、３３，３４，７３，７４，９３…導入排出路。
【図１】
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【図２】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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