(57)【要約】【課題】  ＥＨＤポンプの性能を数値解析の手段により有効に評価する装置を提供する。【解決手段】  ＥＨＤポンプの解析において、まず、作動液、電極の形状をメニューから選択する。次に、ポンプの寸法、電極の寸法、駆動電圧の入力を行い、電界解析モデルを生成する。そして、電界解析を実行し、得られた電界強度から、ＥＨＤポンプの動作性能の評価に重要な電極表面の電界強度の分布、積分値、平均値、最大値を算出する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界駆動ポンプの性能を評価するための電界解析装置であって、
作動液、電極の形状、ポンプの寸法、電極の寸法、駆動電圧を設定し、電界解析モデルを生成する電界解析モデル生成手段と、
該電界解析モデルに基づいて、電界解析を行う解析手段と、
該電界解析の結果から、電極の表面の電界強度分布を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする電界解析装置。
【請求項２】
作動液の設定、及び、電極の形状の設定は、所定のメニューからの選択によって行うことを特徴とする請求項１に記載の電界解析装置。
【請求項３】
前記作動液は、エチレングリコール、エタノール、フッ素系冷媒の中から選択されることを特徴とする請求項２に記載の電界解析装置。
【請求項４】
電界解析においては、前記作動液についての物性値として、選択された作動液の比誘電率が用いられることを特徴とする請求項３に記載の電界解析装置。
【請求項５】
前記算出手段は、前記電極表面の電界強度分布、電界の積分値、平均値、最大値を算出することを特徴とする請求項１に記載の電界解析装置。
【請求項６】
電界駆動ポンプの性能を評価するための電界解析方法であって、
作動液、電極の形状、ポンプの寸法、電極の寸法、駆動電圧を設定し、電界解析モデルを生成する電界解析モデル生成ステップと、
該電界解析モデルに基づいて、電界解析を行う解析ステップと、
該電界解析の結果から、電極の表面の電界強度分布を算出する算出ステップと、
を備えることを特徴とする電界解析方法。
【請求項７】
電界駆動ポンプの性能を評価するための電界解析方法であって、
作動液、電極の形状、ポンプの寸法、電極の寸法、駆動電圧を設定し、電界解析モデルを生成する電界解析モデル生成ステップと、
該電界解析モデルに基づいて、電界解析を行う解析ステップと、
該電界解析の結果から、電極の表面の電界強度分布を算出する算出ステップと、
を備えることを特徴とする電界解析方法をコンピュータに実現させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒循環式冷却システム等に応用されるＥＨＤポンプの性能予測を目的として実施する電界解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュール等の冷却を行う冷却システムとしては、櫛型フィンと風冷ファンを組み合わせて冷却を行う風冷方式が広く採用されている。本方式は、ファンによる冷却風をフィンに送ることにより強制冷却するもので、低コストであるが、放熱量に限界がある。
【０００３】
一方、放熱効率の大きな冷却システムとして、冷媒循環方式等が提案されている。
図８は、冷媒循環方式による冷却ユニットの構成を示す図である。
本方式はファン１を使用して風冷を行う他にも、冷媒を循環させるポンプ２の併用によってフィン３の冷却を行う方式である。ＩＧＢＴモジュール４から放出される熱は、フィンベース５に伝導され、冷媒冷却フィン３において放熱される。放熱効率が大きいので、冷却ユニットの小型化が可能である。一方では、電源とポンプを用いた冷媒循環技術が必要とされる。
【０００４】
通常の冷媒循環方式では、冷媒の輸送に液送ポンプが使用される。液送ポンプはモータを使用して冷媒循環を行うので、回転部の保守のために長期信頼性の確保が問題となる。上記の問題を解決するために、モータを使用しない代わりに高電界によりＥＨＤ現象を発生させて冷媒の流動循環を行うＥＨＤポンプを利用する冷媒循環システムが考えられている。
【０００５】
図９は、ＥＨＤポンピングの概念を示す図である。
ＥＨＤポンピングは、電気流体力学（Electrohydrodynamic, EHD）に属する分野であり、ポンプ内部で対を成す電極部に駆動電圧をかけると電極間で流動が起きる現象である。その原因は流体特性、及び電極部での高電界の発生等によるものと考えられている。ＥＨＤポンプは上記の現象をポンプ内部の冷媒の流動循環に利用したものである。
【０００６】
ＥＨＤポンプを利用した冷却システムの課題は、ポンプの駆動電圧が低電圧でも高電界の発生を可能とし、それによって流量の大容量化を達成することである。達成手段の一つは、駆動電圧を発生させる電極形状を最適化して、これにより高電界の発生を可能にすることである。そのため種々のポンプ形状、駆動電極部の形状に対してポンプ性能の比較検討を実施する必要が生じる。
【０００７】
従来のポンプ性能に関する検討方法としては、種々のポンプ形状に対して実機試験を行い、性能測定及び比較検討を実施する方法が基本である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
とりわけ液体のＥＨＤポンピングの現象は、工業的応用としても比較的新しい分野であり、解明の必要な点も多く残されている。現状では、ＥＨＤポンプの性能測定は実機試験が中心であり、有効な数値解析の適用例はそれほど多くは無い。また、数値解析の手段によらずに発生する電界強度分布を把握することは困難である。
【０００９】
本発明の課題は、ＥＨＤポンプの性能を数値解析の手段により有効に評価する装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の電界解析装置は、電界駆動ポンプの性能を評価するための電界解析装置であって、作動液、電極の形状、ポンプの寸法、電極の寸法、駆動電圧を設定し、電界解析モデルを生成する電界解析モデル生成手段と、該電界解析モデルに基づいて、電界解析を行う解析手段と、該電界解析の結果から、電極の表面の電界強度分布を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
電界駆動ポンプの性能評価において、作動液、電極の形状、ポンプの寸法、電極の寸法、駆動電圧をパラメータとして電界解析モデルを生成し、最終的に、電界駆動ポンプの性能評価に重要な電極表面の電界強度分布を求める。これにより、電界駆動ポンプを試作して性能を評価するよりも高速に、さまざまな仕様の電界駆動ポンプの性能を評価できる。
【発明の効果】
【００１２】
・冷媒循環式冷却システム等に応用されるＥＨＤポンプに対して、駆動電圧の負荷によって作動液中に発生する電界強度を、数値解析手法を用いて算出する。実機試験による確認の困難なポンプ内部の電界強度分布の把握を可能にする。
・各種ポンプ寸法、電極形状・寸法の電界解析を実行することにより、仕様変更時にポンプ性能がどの程度向上するかを、実機試験によらずに数値解析手法に基づく電界強度（分布、積分、平均値、最大値）の算出によって見積もることを可能とする。形状、寸法等のパラメータを変更するだけで、何ケースもの仕様を実規模の装置試作よりも手軽に評価することを可能にする。１ケースの評価にかかる時間は、装置試作による設計・試作・試験に要する数週間から、本発明の数値解析装置を利用することにより、１0分程度に短縮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態においては、ポンプ寸法、ポンプ駆動電極部の形状と寸法、作動液の種類を入力し、ＥＨＤポンプ内部の作動液を対象とする電解解析のモデルを構築する。本解析モデルによる電界解析を実行し、作動液中に発生する電界強度分布を計算する。本解析結果を基にポンプ駆動電極部表面の電界強度の分布、積分、平均値、最大値を算出する。
【００１４】
図１は、ＥＨＤポンプの電界解析装置の構成図を示す図である。
また、図２に本装置を使用した処理手順を示し、図３に本装置の一部であるＥＨＤポンプ電界強度評価プログラムの処理手順の詳細を示す。図４〜７に本装置による解析モデル、解析結果の実行例を示す。
【００１５】
図１においては、ＣＰＵ１０には、メモリ装置１１が接続される。メモリ装置１１には、電界解析に必要なプログラムが格納される他、ディスク装置１２から読み込んだデータが格納され、電界解析に使用される。メモリ装置１１には、ＥＨＤポンプ解析モデル生成プログラム１１−１、電界解析プログラム１１−２、ＥＨＤポンプ電界強度評価プログラム１１−３が格納されている。ディスク装置１２には、電界解析モデルデータ１２−１、電界解析結果ファイル１２−２、電界強度結果リスト１２−３が格納される。入出力装置１３は、ユーザからのモデルの指定を入力するキーボードやマウスなどと、電界解析結果を表示するディスプレイ等からなる。印刷装置１４は、電界解析結果を印刷して出力するプリンタである。
【００１６】
以下に本装置の実施形態について図２の手順に従って説明する。
（１）ＥＨＤポンプ解析モデル生成プログラムの処理
ステップＳ１において、ポンプの作動液、電極形状を選択する。これにより、プログラムに組み込まれているデータベースにより、作動液の物性値が設定される。なお、電界解析に関して、作動液の選択により比誘電率を設定する。データベースで参照できる物性値の作動液の種類は、例えば、以下のような液体が挙げられる。これらは、ＥＨＤポンピングによる流動の生起に有利な液体である。
【００１７】
作動液の種類：エチレングリコール、エタノール、フッ素系冷媒（ＨＣＦＣ−１２３、ＨＦＣ−４３１０等）等。
更に、ここでの電極形状の選択では、
図４に示した種類の中から選択する。陽極３種類、陰極２種類の中から、各１種類を選択する。
【００１８】
次に、ステップＳ２において、ポンプ及び電極の寸法、電極部の駆動電圧を入力する。そして、ポンプ内部の作動液を対象とする有限要素法の解析モデルのデータが作成される。寸法の設定では、図４に示した種類から、長さ、内径、外径等を設定する。他にポンプ寸法、陽極／陰極電極間距離を設定する。デフォルトの設定値を使っても良い。形状、寸法の設定は物性値の設定とは独立で、互いに影響しない。
【００１９】
そして、ステップＳ３において、電界解析モデルの生成が行われる。解析モデルの一例を図５に示す。ここでは、軸対称解析モデルが構成されており、中心軸１８の右側のみが示されている。このモデルでの陽極１５は、図４の陽極の形状の内、（Ａ）の形状を選択した場合であり、陰極１６は、図４の陰極の形状の内、（Ａ）を選択した場合を示している。作動液１７は、陽極１５と陰極１６の間の他、周囲に充満している。ＥＨＤポンピングの作用は、陽極１５と陰極１６の間で起きるので、これらの周辺を電界強度の評価個所としている。
（２）電界解析プログラムの処理
ステップＳ４において、上記作成の解析モデルのデータを用いて電界解析を実行し、ステップＳ５において、作動液中に発生する電界強度分布を出力する。この電界解析は、従来の電界解析プログラムを用いて行う。通常、電界解析を行う場合には、解析を行う領域をメッシュに分割して計算を行う。解析モデルをメッシュに分割した例を図６に示す。
【００２０】
ステップＳ６において、ポンプ駆動電極部の表面上の一定領域（ＥＨＤポンピングに寄与すると考えられる領域）における解析モデルの節点の座標と電界強度を出力する。
（３）ＥＨＤポンプ電界強度評価プログラムの処理
ステップＳ７において、上記出力データに対して、節点の座標を用いて電極部の表面上の領域に沿ってソート（並べ替え）を行い、電界強度分布データを作成する。
【００２１】
ステップＳ８において、節点の座標と電界強度のデータを使用して、電極部の表面領域における電界強度の積分、及び最大値を算出し、同時に同領域の面積を計算する。電界強度の積分と面積との比により平均値を算出する。
【００２２】
ステップＳ９において、電極部の表面領域における電界強度の分布、積分、平均値、最大値を出力する。一例として、本結果を基に作成した電極部表面上の電界強度分布図を図７に示す。図７においては、陽極１５の丸くなった先端に沿って、電界強度分布が求められている。従って、横軸は、陽極１５の先端部分のどの位置かを示す、基準位置からの角度を示している。縦軸は、電界強度である。
【００２３】
図３は、ＥＨＤポンプの電界強度評価プログラムの処理手順を説明するフローチャートである。
ステップＳ１０において、出力データの有無を判断する。ステップＳ１０において、出力データがあると判断された場合には、ステップＳ１１において、変数ｉを１だけ増加して、ステップＳ１２において、出力データからｉ番目の節点番号ｎ（ｉ）を取得する。そして、ステップＳ１３において、出力データから節点番号ｎ（ｉ）に対応する節点座標ｘ（ｉ）、ｙ（ｉ）を取得する。ステップＳ１４においては、ｘ（ｉ）、ｙ（ｉ）によって節点の電極部の表面上における位置ｌ（ｉ）を計算する。例えば、先端部のＲ表面の中心からの角度を計算する。ステップＳ１５において、出力データから節点番号ｎ（ｉ）に対応する電界強度（絶対値）ｅ（ｉ）を取得する。そして、ステップＳ１０に戻る。
【００２４】
ステップＳ１０において、出力データが無いと判断された場合には、ステップＳ１６において、電極表面ｌ（ｉ）を使用してｘ（ｉ）、ｙ（ｉ）、ｅ（ｉ）のソート（並べ替え）を行う。ステップＳ１７においては、電極部表面の電界強度分布データｌ（ｉ）、ｅ（ｉ）の出力を行う。ステップＳ１８においては、電極部表面の表面積、電界強度の積分値、電界強度の最大値の算出を行う。ステップＳ１９においては、電界強度の積分値と表面積の比により電界強度の平均値を算出する。ステップＳ２０において、電極部表面の電界強度（積分値、平均値、最大値）を出力して、処理を終了する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ＥＨＤポンプの電界解析装置の構成図を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に従った装置を使用した処理手順を示す図である。
【図３】ＥＨＤポンプ電界強度評価プログラムの処理手順の詳細を示すフローチャートである。
【図４】解析モデル、解析結果の実行例を示す図（その１）である。
【図５】解析モデル、解析結果の実行例を示す図（その２）である。
【図６】解析モデル、解析結果の実行例を示す図（その３）である。
【図７】解析モデル、解析結果の実行例を示す図（その４）である。
【図８】冷媒循環方式による冷却ユニットの構成を示す図である。
【図９】ＥＨＤポンピングの概念を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０      ＣＰＵ（制御演算装置）
１１      メモリ装置
１１−１      ＥＨＤポンプ解析モデル生成プログラム
１１−２      電界解析プログラム
１１−３      ＥＨＤポンプ電界強度評価プログラム
１２      ディスク装置
１２−１      電界解析モデルデータ
１２−２      電界解析結果ファイル
１２−３      電界強度リスト
１３      入出力装置
１４      印刷装置
【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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