令和3年度EIIRISプロジェクト研究成果報告会 2022年3月1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

試作したポンプ
試作ポンプの各寸法

EHD(Electrohydrodynamic) ポンプ◼

電極部
Groundelectrode

HVelectrode

EHDポンプ原理
EHDポンプ課題

ラジエータ

L2=500μm

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。

A-A’断面3.0(チューブを差し込む)搭載機器（発熱部）

機器搭載面（構体内側）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。
11271550500

L4pair(pair pitch) number3811270
931015505001505005015005000560010009008007006005004003002001000

pumpA L2=500μm
pumpB L2=50μm

500400300200100

電極間距離：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

002468Displacement

h実験内容

flow direction

Electrode①ポンプ内をフッ素系冷媒であるVertrel XFで満たす②電極に100～300Vを印加③液面変位差 h よりポンプによる発生圧力を、データロガーにより電圧、電流を測定する。

(ΔP/C0)∝Pe

|ΔPe|

10-2
10-310-4

Pump with L2 = 50 µm

10-510-2

10-1

100C0101102103

無次元化した発生圧力 － C010-210-1

100101C0-1∝ E0102

300

100200501004680020001000time (s)64

正負のヘテロチャージ層長さ
Heterocharge
layer length(left) (µm)

Heterocharge
layer length(right) (µm)

ratio

L2 = 500 µm

1020

1910

1 : 1.873

L2 = 50 µm

281316

1 : 1.125

L2 = 5 µm

53.1

53.6

1 : 1.009

C/m3C/m3◼ 先行研究*で観測された，ヘテロチャージ層の重なりが観測された.
◼ ポンプのスケールが低下するに従い，ヘテロチャージ層の非対称性も低下した.

103

有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•210-110-410-3150

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
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

Pump with L2 = 500 µm

102101
100

10-6
10-7 -310400

流路高さは低いほど発生圧力は大きくなる⇒クーロン力が流路全体にわたって作用
今後の予定

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）

10-3200

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

COMSOLを用いて電気流体解析を行い，得られた発生圧力を無次元数C0を用いて整理した．

10-2500

流路高さが発生圧力に及ぼす影響〇流路高さによる圧力変動〇電圧印加時の圧力変動
印加電圧時の応答 (pumpB)（Pump B）

Charge density distribution( E0 = 6kV/mm)

10-1600

250

Electric field strength ( kV/mm )

電荷密度分布100•0

発生圧力の数値解析結果

101VΔP [Pa]
Pa300

•

3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

Voltage [V]0Electric field strength ( kV/mm )実際にポンプに電圧を印加し、動作を確認すると共に、印加電圧，電流と発生圧力の関係を調査する。

350

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

ΔP (Pa )L3(wide)ΔP (Pa )L1
L2(narrow) (gap)
127
1
550
500

電極スケールが発生圧力に及ぼす影響〇電極スケールによる圧力変動

1/8inch tube

2

実験結果と今後の予定
実験結果

フォトリソグラフィによって作製
M.R. Pearson, J. Seyed-Yagoobi, Experimental Study of Linear and Radial TwoPhase Heat Transport Devices Driven by Electrohydrodynamic Conduction
Pumping, Journal of Heat Transfer. 137 (2014) 022901.

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する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④ ポンプと管路の接続には、1/8inchのチューブを用いる

電極寸法・実験方法
Ref. (μm)
Ratio(-)
5 μm
50 μm
500 μmInlet

37.5126*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

3.00.2

Outlet

L2=50μm

ΔP (Pa)◼

電圧を印加することにより発生するクーロン力を駆動力とするポンプ
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。

(mm3)

Voltage (V)

◼

[mm]

Flow

Pump with L2 = 5 µm

ヘテロチャージ層
C/m3

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。
*P.A. VÁZQUEZ, M. TALMOR, J. SEYED- YAGOOBI, et al, In-depth description of electrohydrodynamic
conduction pumping of dielectric liquids: Physical model and regime analysis Physics of Fluids 31,113601 (2019).

5*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

豊橋技術科学大学

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