令和3年度EIIRISプロジェクト研究成果報告会 2021年2月22日

マイクロスケールEHDポンプ特性の解明
プロジェクトメンバー： 機械工学系

岡田光太朗、西川原 理仁、柳田 秀記、横山 博史

緒言
緒言

電極形状設計EHD(Electro Hydro Dynamic) ポンプ

コンセプト

電圧を印加することにより発生するクーロン力を動力源とするポンプ
ファンなどの可動部がないため振動・騒音が少ない
小型化が可能である
宇宙分野などでの応用が期待されている。

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*M.R. Pearson, J. Seyed-Yagoobi, Electrohydrodynamic Conduction Driven Single- and Two-Phase Flowin Microchannels With Heat Transfer, Journal of Heat Transfer. 135 (2013) 101701.

先行研究*の寸法比をもとに決定
電界強度10 kV/mmが 5VのACアダプタで実現できるようにGap(L2)を決定

V5(V )L2 = == 0.5mE 10(kV / mm)

EHDポンプ原理(Conduction)

課題

概略図

EHDポンプ*横田、マイクロ液圧、第68回精研シンポジウム、pp. 35-50,2015.

目的Ref. (μm)
Ratio(-)
0.5 μm5 μm
50 μm
500 μm

搭載機器（発熱部）

機器搭載面（構体内側）

126 mm基板(絶縁)EIIRISの微細集積回路技術(MEMS)によって、電極間距離が数百μmから数μm以下の電極形状を製作し、マイクロスケールにおけるEHDポンプ特性を調査する。

M.R. Pearson, J. Seyed-Yagoobi, Experimental Study of Linear and Radial Two-Phase Heat Transport
Devices Driven by Electrohydrodynamic Conduction Pumping, Journal of Heat Transfer. 137 (2014)
022901.

L1配線（電極）流れ

126 mm

電極サイズをマイクロ化すると体積当たりの性能が向上することが分かっている*。
しかし、統一的な基準のもとでスケールの影響については明確にされていない。

ラジエータ(*電極ペア数は省略)

L3配線（電極）

Table 電極寸法
L1L2L3L4
pair n0(narrow)(gap)(wide)(pair pitch)
1271273811270
9113100.50
0.50
1.50
5.00
5000
5515505005050150
50050500500
1500
5000
5

フォトリソグラフィによって作製
ギャップ幅：これまでの最小
流路高さ：ギャップの4倍(Ref.*にならって)
長さ、幅：マスク製作の照射領域の制約より1試作したポンプ

2

実験方法

試作ポンプの各寸法

目的[mm]

相似形状のマイクロEHDポンプに電圧を印加し、電極スケールや流路高さがポンプ特性に及ぼす影響を調査する。

電極部

実験内容
①ポンプ内をフッ素系冷媒であるVertrel XFで満たす②各電極に電解強度1～6 kV/mmとなる電圧を印加③データロガーにより発生圧力，電流値を測定する。
L2=500μm

A-A’断面

3.0
Outlet(1/8 inchを差し込む)L2=50μm

Table Vertrel XF物性値(25℃)*

3.0
Inlet

0.2

Physical properties
37.5126

Boiling point [℃]]
Freezingpoint [℃]
Density : ρf [kg/m3]
Conductivity : σ [S/m]]Relative permitivity[: ε [-]
Viscosity : μf [mPa・s]

L2=5μm① ガラス基板にフォトリソグラフィによって電極を形成② PDMS樹脂を鋳型に流し込み、流路カバーを形成する③ PDMS流路カバーをプラズマ処理してガラス基板と結合させることによりシールする⑤ 流路接続方法は、1/8inchを差し込む
3*Vertrel Technical Information，三井・デュポンフロロケミカル株式会社
https://www.chemours.com/Vertrel/en_US/assets/downloads/pdf/vertrel-xf-technical-information.pdf

実験結果と今後の予定

200100002468

Electric field strength ( kV/mm )〇電極スケールによる圧力変動

60025050020040015030010020050

100002468010-210-310-410-210-510-302000

10-410-310-210-1

実験結果
実験結果
・電極寸法をマイクロ化することによって発生圧力は大きくなる⇒電極対数の増大により，ポンプ効率が向上した可能性• 電極寸法をマイクロ化することで発生圧力は大きくなる
・流路高さは低いほど発生圧力は大きくなる．
⇒電極対数の増大により、ポンプ効率が向上した可能性⇒クーロン力が流路全体に渡って作用

•

今後の予定
• 流路高さは低いほど発生圧力は大きくなる
各ポンプにおける流量を測定し，PQ曲線により評価を行う予定⇒クーロン力が流路全体にわたって作用
また，さらに小さい電極スケールのEHDポンプ(L2=5μm)も試作・実験予定•••65100C010110210-610-7 -31010-210-1100101C0-1∝ E0102103

次元化した発生圧力 － 電界強度

: 電荷素量: 電気伝導率 ：電極間距離 ：誘電率
：イオン移動度：ボルツマン定数：絶対温度：発生圧力：流体密度：電界強度
はConduction number と呼ばれ、イオンが電極間を移動するのにかかる時間とイオンが再結合する時間の比である。
は解離傾向を表す無次元数であり、大きいほど解離イオンが生じやすくなる。
上図より、本実験で得たデータと他論文*のデータを比較すると、同じ でも本実験のほうが発生圧力が大きくなっている。また、右図ではE0の上昇に伴い、発生圧力が増加している。
今後はより小さい 、 、つまりより小さいスケールでの特性について調査していく。

*P.A. Vazquez et al, Physics of Fluid 31, 113601 (2019)

技術を究め、技術を創る
国立大学法人103

無次元化した発生圧力 － C0

〇電圧印加時の圧力変動(pumpB)

102
101
10010-1

10-1time (s)Electric field strength ( kV/mm )〇流路高さによる圧力変動

1000

100(ΔP/C0)∝Pe

300

4平行平板電極での結果*と比較（本実験の結果は赤丸内に示す）

101

|ΔPe|

400

平行平板電極での結果*と比較（本実験の結果は赤丸内に示す）

700

V
Pa

300

Voltage (V)pumpA L2=500μm
pumpB L2=50μm

350pumpB h=50μm
pumpB h=200μm
pumpB h=1000μm

ΔP (Pa )ΔP (Pa )

1000
900
800
700
600
500
400
300
200
10005

スケールの影響

ΔP (Pa)600
500

Vertrel XF(C5H2F10)
55-80
1580
3.45×10-8
7.20.67

豊橋技術科学大学

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