JP2006503537A - 界面動電デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
(1)第1及び第2の電極と、
(2)導管であって、
(a)第1の電極に隣接した(すなわち第1の電極と接触し、又は第1の電極から分離された)第1の端部、及び
(b)第2の電極に隣接した(すなわち第2の電極と接触し、又は第2の電極から分離された)第2の端部を有する導管とを含み、
それによって、デバイスが適当な電解質溶液で満たされたときに、電極に適当な電位を適用することによって、導管の中に電解質溶液の電気浸透流が生じる、デバイスを示す目的に使用する。電解質溶液の正味の流量は、流量に影響を及ぼす他の任意の因子、例えば静水圧によって修正された電気浸透流である。
(1)第1及び第2の電極と、
(2)導管であって、
(a)記第1の電極に隣接した第1の端部、及び
(b)前記第2の電極に隣接した第2の端部を含む導管とを含み、
それによって、デバイスが電解液で満たされたときに、導管の中の電解液が、下文に定義する容量性電極対を構成する第1の電極と第2の電極の間に電気接続を提供する、界面動電デバイスを提供する。本発明の多くのデバイスでは導管が多孔質誘電体媒質を含む。この明細書では多孔質誘電体媒質がPDMと略記される。
A.検査及び測定によって両方の電極の総電気的活性面積(A)を求める。
B.デバイスを以下の電解液の1つで満たす。
ii)1規定酢酸ナトリウム水溶液
iii)1規定硫酸(H2SO4)水溶液
iv)過塩素酸リチウム(LiClO4)の0.5M無水炭酸プロピレン溶液
Liインターカレーション擬似容量性電極を有するデバイスでは、過塩素酸リチウム溶液だけを使用する。他の全てのデバイスでは水溶液だけを使用する。
D.電極リード線に電圧計を接続したまま、定電流DC電源を電極リード線に接続する。電源によって供給する電流はA×Jマイクロアンペアに等しい。ただしJは25マイクロアンペア/cm2である。
F.以下の2つの条件(a)及び(b)のうちどちらか一方が満たされるまで電源を電極リード線に接続したままにする。
(b)V1と観察された電極間の電圧との差が0.5ボルトに達する。
G.電源を切り離してから20秒後に、電極リード線間の電圧(V2)を記録する。
H.電源を切り離してから60秒後に、電源を電極リード線に再び接続する。
J.以下の2つの条件(c)及び(d)のうちどちらか一方が満たされるまで電源を電極リード線に接続したままにする。
(d)V3と観察された電極間の電圧との差が0.5ボルトに達する。
K.電源を切り離してから20秒後に、電極リード線間の電圧(V4)を記録する。
(A)本発明の第1の態様に基づく界面動電デバイスと、
(B)第1及び第2の電極に接続することができる電源であって、電源が電極に接続されており、デバイスが適当な電解液で満たされているときに、導管の中に電解液の電気浸透流を生じさせる電源とを含む装置を提供する。
(A)本発明の第1の態様に基づく界面動電デバイスと、
(B)界面動電デバイスを満たす電解液と、
(C)第1及び第2の電極に接続され、導管の中に電解液の電気浸透流を生じさせる電源とを含む電気回路を提供する。
(A)電解液の重大な化学変化が起こらない時間の間、電解液が導管の中を第1の方向に流れるように回路を動作させるステップと、
(B)電源の極性を逆転させて、電解液の重大な化学変化が起こらない時間の間、電解液が導管の中を反対方向に流れるようにするステップとを含む。
〔電極の数〕 本発明のデバイスは多くの場合に電極を2つだけ含み、本発明は一般に、このようなデバイスに関して説明される。しかし、本発明のデバイスは電極を3つ以上、例えば3つ含むことができ、ある1つの動作期間にはそのうちの1対が活動状態となり、別の動作期間には別の電極対が活動状態となる。例えばデバイスは、電極間で交番する反対の符号のゼータ電位を有するPDMを有する3つ以上の電極を含むことができる。デバイスの電極は同じでも又は異なっていてもよい。容量性電極対の一方の電極が非容量性材料から構成されているとき、非容量性電極では電解液の化学変化が起こり、容量性電極では起こらない。
〔容量性電極の材料〕 容量性電極対の少なくとも一方の電極は容量性材料、すなわち2重層静電容量(double−layer capacitance)又は擬似静電容量(pseudocapacitance)を示す材料から構成されていなければならない。それぞれの電極が容量性材料を含むことが好ましい。容量性電極対のそれぞれの電極が、電極間の静電容量の少なくとも30%を提供することが好ましい。
a)特定の擬似容量性材料に必要なイオンを供給し不要な化学反応を防ぐために電解液と電極を相関させ、
b)イオン濃度の増大(可逆的電極反応をサポートするため)と減少するイオン濃度の低下(電流を少なくしランタイムを増大させるため)の間のバランスを保つ、ことに注意が必要である。
いくつかのデバイスでは、デバイスの動作中に電解液が電極を透過して流れなければならない。これらのデバイスでは、電極の幾何学的面積の好ましくは少なくとも25%、より好ましくは少なくとも50%が開いており、かつ/又は電極材料の流れ透過性が、導管のPDMの流れ透過性の少なくとも10倍、具体的には少なくとも100倍である。このような電極は、電極を透過して電解液が流れる必要のないときにも使用することができる。
〔電極の形状、サイズ及び配置ならびに電極上の電流束〕 電極の静電容量は、電極の組成ならびに電極の電気化学的活性表面のサイズ及び形状によって決まる。導管が比較的に短く幅が広いとき、例えば導管が,その長さの1から30倍、例えば5から20倍の等価直径を有するとき、電極の電気化学的活性表面の面積は、導管の断面積の0.6から1.1倍、例えば0.8から1.0倍であることが好ましい。本明細書では用語「等価直径」が、導管の断面積と同じ面積を有する円の直径を意味するために使用される。導管が比較的に長く幅が狭いとき、例えば導管が,その長さの0.01から0.3倍、例えば0.05から0.1倍の等価直径を有するとき、電極の電気化学的活性表面の面積は、導管の断面積の少なくとも2倍、具体的には少なくとも10倍、特に少なくとも100倍であることが好ましい。
b)導管を出た後にその中を電流が流れるスロットの形態のバイアの両側に配置された一対のストリップ。
d)概ね長方形の断面の導管の端部又は導管を出た後にその中を電流が流れる概ね長方形の断面のバイアの端部にその軸があり、その軸がその断面の長軸と一致するように配置された円筒形シェルの内部凹面の少なくとも一部分。円筒形シェルの内径は長方形断面の短軸の例えば4から6倍、例えば約5倍とすることができ、円筒形シェルの端部は開けておくことができ、又は導管から離れる方向に延び、その中心が導管又はバイアの長方形の断面の一端にくるように配置された半球形シェルの内部凹面の少なくとも一部分によって閉じることができる。
〔ランタイム(実行時間)〕 いくつかの実施形態ではランタイムが比較的に短く、例えば1秒から60秒である。他の実施形態では、ランタイムが比較的に長く、例えば少なくとも24時間、例えば24時間から240時間、あるいはさらに長く、例えば少なくとも144時間、例えば144時間から480時間である。
〔電解液〕 本発明で使用される電解液は多くの場合に水性溶液だが、非水性溶液を使用することもできる。適当な1つの非水性電解液は、テトラフルオロホウ酸テトラアルキルアンモニウムの炭酸プロピレン溶液である。電解液のイオン強度は、デバイスの動作に起因するイオン強度の低減によってイオン強度が好ましい最小値よりも低くならない程度に十分に高くなければならない。
〔流量〕 電解液が導管を流れる流量は一定又は可変とすることができる。導管が比較的に幅が広く短いいくつかの実施形態では、流量は比較的に大きく、例えば1ml/分を超える。例えば、約3Vで動作中の図6に示した種類の大径の扁平ポンプは、約1.2ml/分・cm2、したがって面積が約8.8cm2の場合には約10ml/分のオープンロード流量を有することができる。導管が比較的に幅が狭く長い他の実施形態では、流量が比較的に小さく、例えば5又は25nl/分から10μl/分である。
〔電源〕 デバイスの電極に適用される電力は、電圧及び電流に関して、あるいはあるときはこのうちの一方に関して、またあるときは他方に関して制御することができる。流量は、導管での電位降下によって決まり、この電位降下は、容量性電極が充電されるにつれて低下し、特に適用された電位が電気分解電位に匹敵するときにはそうである。所望ならば、例えば定電流源を使用することによって、又は導管の中のPDMの端部の近くに配置されたセンサ(ただしこれは電極とPDMの間の直接場経路の外側に配置することが好ましい)によって導管の両端の電位降下を監視し、電源を適当に調整することによって、電極に適用する電力を増大させて、この低下を補償することができる。あるいは、又はこれに加えて、例えば測定デバイスからの信号、例えばフィードバックループを通した測定デバイスからの信号に応答して、温度又は他の変量に応じて電力を調整し、例えば所望の熱伝達率、温度、流量、圧力、又はアクチュエータ変位を生み出すことができる。(電源の極性が時間変化する)後述する循環モードでデバイスを動作させるときには、時間平均して正又は負の電位を電極が獲得することがないようそれぞれのサイクルで供給される総電荷が同じになるようにサイクル持続時間及び電源を制御することができる。定電流電源を使用するときには、それぞれのサイクルの電流と持続時間の積が同じであることが好ましい。定電圧電源を使用するときには、それぞれのサイクルの時間積分された電流が同じであることが好ましい。いくつかのケースでは、デバイスが、バッテリ、例えば1つ又は複数の3ボルトリチウム電池によって給電され、より高い電圧、例えば18〜30ボルトを得るためにオプションでアップコンバータが使用される。
〔電圧降下〕 導管の両端間で低下する印加電圧の割合が大きいほど、所与の流量を得るために必要な印加電圧は小さくなる。したがって、デバイスは、導管の両端の電圧降下が、電極間の電圧降下の少なくとも10%、より好ましくは少なくとも50%、具体的には少なくとも85%となるように設計されることが好ましい。
〔導管及びPDM〕 電極間の導管は任意の形状をとることができる。いくつかの実施形態では、導管が比較的に長く幅が狭い。他の実施形態では、導管が比較的に短く幅が広い。導管はPDMを含むことが好ましく、本発明は一般に、PDMを含む導管に関して説明される。PDMは導管の外へ延び、又は導管の端部で止まり、あるいは導管の内部で終端することができる。しかし、導管が「開いた」導管すなわち充填材料を含まない導管であること、又は複数の微細な平行流路からなることも可能である。導管には2つ以上のPDMを配置することができる。一実施形態では、導管が、異なるゼータ電位(ゼータ電位は符号が反対であることが好ましい)を有するPDMを含む2つの区画、例えば2つの比較的に長く幅の狭い区画に分割され、この2つの区画はそれぞれ、電極に隣接した一端及び電極を含まない中心室と連絡した反対端を有する。このようなデバイスの電極に適当な電源の適用することによって、両方の区画の界面動電流体を、中心室に向かって又は中心室から離れる方向へポンピングすることができる。
〔スペーサ、支持体、電気リード線及び組立体〕 デバイスは、デバイスの構成要素を分離するために1つ又は複数の電解液透過性内部スペーサを含むことができる。このようなスペーサは、例えば電極内の不規則性に起因する望ましくない効果を低減させるために、図6に示した種類の扁平な大径デバイスで特に望ましい。このようなスペーサは、例えば5〜10ミクロンの細孔、1.7のフォーメーションファクタ(formation factor)、及び50ミクロンの厚さを有することができる。このような内部スペーサの電気及び流動抵抗は、導管の電気及び流動抵抗よりずっと小さいことが好ましい。スペーサは一般に大きな細孔の誘電材料、例えば発泡ポリプロピレン又はアクリルポリマーからなる。
動作時、電力はリード線を通して電極に供給されなければならず、これらのリード線は大抵の場合、デバイスとは一体の部分である。リード線は電解液と接触しないことが好ましく、接触する場合には、リード線は白金又は電気化学的に安定した他の金属からなることが好ましい。
〔デバイスのタイプ及びデバイスの使用法〕 本発明の界面動電デバイスは任意の種類のデバイスとすることができる。好ましいデバイスは界面動電ポンプであり、本発明は一般に界面動電ポンプに関して説明される。このポンプは、電解液が唯一の液体である直接ポンプとすることができる。直接ポンプは例えば、電解液が有用な機能、例えば熱交換を実行する流路に沿って、電解液を単純に分配し、又は電解液をポンピングすることができる。あるいはこのポンプを、電解液のポンピングによって、電極の電場の影響を受けない部分にある別の流体の流動を引き起こす間接ポンプとすることもできる。本明細書ではこの別の流体を「作動流体」と呼ぶ。
デバイスが金属を実質的に含まないとき、このデバイスは、強い電磁場を利用するシステム、例えば医療用の撮像システムの動作を妨害しない。
例えば2002年1月31日に出願され同一の譲受人に譲渡されたRakestraw他の同時係属米国特許出願第10/066,528号(事件整理番号14131)に記載されているように、2台以上のポンプを、流量を増大させるために並列に、又は圧力を増大させるために直列に接続することができる。このデバイスの動作は、排気しなければならず、又は電解液の組成の変化を引き起こす気体を生み出さないので、デバイスを密封されたシステムの一部とすることができる。このデバイスを、電気浸透流によって、システムから制御された方法で液体が分配され、液体源から制御された方法で液体が吸い出されるシステムの一部とすることもできる。
〔図面〕 図1では、導管1が、その端部が導管を出てバイア(通路)12a及び12bの中へ延びるPDM11を含む。バイア12a及び12bはそれぞれ円形断面を有する。バイア12a及び12bは、ポート21a及び21bを有する貯留部2a及び2bと連絡している。バイア12a及び12bの端部を中心にして半球形の多孔質電極3a及び3bが配置されており、これらは電源6から給電を受ける。センサ電極51a及び51bはバイア12a及び12bの中にそれぞれ位置しており、その結果、センサ電極51a及び51bは、PDMと電極との間の直接場の外側となる。センサはデバイス5と連絡し、デバイス5は電源6と連絡し、所望ならばその電力出力を変化させて、例えばPDM11の両端間の所望の電位差、したがってPDM11内の流量を維持する。
Claims (25)
- (1)第1及び第2の電極と、
(2)導管であって、
(a)前記第1の電極に隣接した第1の端部、及び
(b)前記第2の電極に隣接した第2の端部を含む導管とを含み、
それによって、デバイスが電解液で満たされたときに、前記導管の中の電解液が、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電気的接続を提供し、
前記第1の電極及び前記第2の電極が下文に定義する容量性電極対を構成する、界面動電デバイス。 - 前記容量性電極対が少なくとも10−2ファラド/cm2の静電容量を有する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記容量性電極対が少なくとも1ファラド/cm2の静電容量を有する、請求項2に記載のデバイス。
- 前記第1及び第2の電極のうちの少なくとも一方の電極が電気的活性表面を有し、前記電気的活性表面のあらゆる点が、前記導管の前記隣接する端部から、前記電気的活性表面の任意の点と前記導管の前記隣接する端部との間の最短距離の1.2倍よりも大きくない距離だけ分離されている、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記第1及び第2の電極がそれぞれ、環状の電気的活性表面を有するか、あるいは球形シェルの内部凹面の少なくとも一部であるか、あるいは円形又は楕円形の断面を有する円筒形シェルの内部凹面の少なくとも一部である、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記第1及び第2の電極がそれぞれ、炭素エーロゲルを含浸させたカーボン紙、炭素織布、一体的な炭素発泡体、内部にカーボン粒子を分散させたポリマー、カーボンナノチューブ、炭素粒子のフリット、炭素エーロゲル、deLevieブラシ及びナノポーラス金をから構成される群から選択された材料を含む、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記第1及び第2の電極がそれぞれ擬似容量性電極である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記第1及び第2の電極がそれぞれ、それらの間の静電容量の少なくとも30%を提供する、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記第1及び第2の電極が前記デバイスの唯一の電極であり、互いに実質的に同じである、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記導管が多孔質誘電材料を含む、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記導管の両端間の電圧降下を測定するためのセンサをさらに含む、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記デバイスが界面動電ポンプである、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 開いた端部又は開くことができる端部を有する第2の導管を備え、それによって、前記デバイスは、使用中に、前記第2の導管の前記開いた端部を通して前記第2の導管の中に作動流体を引き込むか、又は前記第2の導管の前記開いた端部を通して電解液又は作動流体を分配するように操作することができる、請求項12に記載のデバイス。
- 変形可能な障壁部を構成し前記デバイスの使用中に電解液を包含する室を含み、それによって、前記デバイスの使用中に、電解液の電気浸透流が、前記変形可能な障壁部の変形及び作動流体の分配を引き起こす、請求項12又は13に記載のデバイス。
- 前記変形可能な障壁部が、ピストン及び当該ピストンの周囲のシリンダを含む、請求項14に記載のデバイス。
- (3)第1の囲い部であって、(i)前記第1の電極及び前記導管の前記第1の端部を取り囲み、(ii)第1の変形可能な障壁部を含む第1の囲い部(enclosure)と、
(4)第2の囲い部であって、(i)前記第2の電極及び前記導管の前記第2の端部を取り囲み、(ii)第2の変形可能な障壁部を含む第2の囲い部と、
(5)第3の囲い部であって、その1つの壁が前記第1の変形可能な障壁部である第3の囲い部と、
(6)第4の囲い部であって、その1つの壁が前記第2の変形可能な障壁部である第4の囲い部とを含み、
それによって、前記第1及び第2の囲い部ならびに前記導管が電解液を包含し、前記第1の囲い部と前記第2の囲い部との間に前記電解液の電気浸透流があるときに、前記第3及び第4の囲い部の体積が変化する、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。 - (A)請求項1乃至16のいずれか一項に記載の界面動電デバイスと、
(B)前記第1及び第2の電極に接続することができる電源であって、当該電源が前記電極に接続されており、前記デバイスが適当な電解液で満たされているときに、前記導管の中に前記電解液の電気浸透流を生じさせる電源とを含む装置。 - (A)請求項1乃至16のいずれか一項に記載の界面動電デバイスと、
(B)前記界面動電デバイスを満たす電解液と、
(C)前記第1及び第2の電極に接続され、前記導管の中に前記電解液の電気浸透流を生じさせる電源とを含む電気回路。 - 前記第1及び第2の電極のそれぞれの前記電気的活性表面の全ての点の電流束が20マイクロアンペア/cm2未満である、請求項18に記載の回路。
- 前記電源が前記電極に接続された後、前記デバイスが、少なくとも1日の間、前記電解液の重大な化学変化を生じることなく動作する、請求項18又は19に記載の回路。
- 前記電源が前記電極に接続された後、前記デバイスが、少なくとも6日間、前記電解液の重大な化学変化を生じることなく動作する、請求項20に記載の回路。
- 前記導管を跨ぐ電圧降下が、前記電極間の電圧降下の少なくとも85%である、請求項18乃至21のいずれか一項に記載の回路。
- 請求項18乃至22のいずれか一項に記載の回路を動作させる方法であって、
(A)前記回路を動作させるステップであって、前記電解液の重大な化学変化が起こらない時間の間、前記電解液が前記導管の中を第1の方向に流れるようにする、前記回路を動作させるステップと、
(B)前記電源の極性を逆転させるステップであって、前記電解液の重大な化学変化が起こらない時間の間、前記電解液が前記導管の中を反対方向に流れるようにする、前記電源の極性を逆転させるステップとを含む方法。 - 請求項1乃至16のいずれか一項に記載の界面動電デバイスの中で使用するのに適した電極であって、球形シェル、円形又は楕円形断面を有する円筒形シェル、あるいは放物線又は双曲線断面を有する部分円筒形シェルの内面の少なくとも一部である内面を有する電極。
- 炭素エーロゲルを含浸させたカーボン紙、炭素織布、一体的な炭素発泡体、内部にカーボン粒子を分散させたポリマー、カーボンナノチューブ、炭素粒子のフリット、炭素エーロゲル、deLevieブラシ及びナノポーラス金から構成される群から選択された材料を含む、請求項24に記載の電極。
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