JP2008229432A

JP2008229432A - 機械的稼働部を持たない旋回流発生装置

Info

Publication number: JP2008229432A
Application number: JP2007069991A
Authority: JP
Inventors: Kakuji Ogawara; 加久治小河原; Masayuki Kitazawa; 雅之北澤; Takehiro Higuchi; 丈浩樋口; Takahiro Nakagawa; 貴裕中川; Jimii Uchiyama; 児美伊内山
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】既存のプラズマシンセティックジェットを用い、旋回流を生じさせることで、機械的稼働部を持たない旋回流発生装置、及び前記旋回流発生装置を備えたマイクロスワーラーおよびマイクロポンプを提供する。
【解決手段】筐体と、前記筐体の一つの端面の内壁面にそのほぼ中心部から放射状に分離して設けられた複数個のPSJAと、を備え、前記複数個のPSJAに交流電圧を印加し、前記筐体内に旋回流を発生させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、既存のプラズマシンセティックジェットを用い、その特性を利用した機械的稼働部を持たない旋回流発生装置、特に前記旋回流発生装置を備えたマイクロスワーラーおよびマイクロポンプに関する。

現在、様々な分野において、軽量化、小型化など物のマイクロ化の必要性が高まっている。流体工学の分野においてマイクロ化が可能となれば、大きなメリット得ることができる。

連続的な噴流での運動量供給に対して、吸い込みと吹き出しを交互に繰り返し、平均として質量流量をゼロとするアクチュエータはシンセティックジェットアクチュエータ（ＳＪＡ）と呼ばれ、剥離制御に有効であることが示されている。

近年、これと同様な噴流誘起装置であるプラズマアクチュエータを流れ制御に適用する研究が進んでいる。ここで、プラズマアクチュエータをシンセティックジェットアクチュエータの延長上の噴流誘起装置として、プラズマシンセティックジェットアクチュエータ（Plasma Synthetic Jet Actuator、以下、「ＰＳＪＡ」という。）と呼ぶ。これは絶縁体を挟んだ陽極と陰極の二つの電極間に比較的高い電圧を印加させ、グロー放電を発生させることにより、その近傍に平均質量ゼロの噴流を誘起する電気的なデバイスである。シンセティックジェットアクチュエータ等の流れ制御用アクチュエータは機械的なデバイスであり、使用とともに劣化等の問題が生じる。しかし、プラズマアクチュエータは可動部を有しないため、その問題が生じる可能性は低いと考えられる。

最近、翼体、平板等に沿った流れ制御について、ＰＳＪＡが注目されている。
この技術をＣＰＵ等の冷却装置として適用することが特許文献１に開示されている。
特許文献１によると、発熱部分が取り付けられ導電性材料からなる複数のフィンが一定的に形成されたヒートシンクを有する冷却装置において、前記複数のフィンの各々の先端の縁辺に沿って間に絶縁体を介在して電極が取り付けられ、該電極と前記フィンとの間に交流電圧を印加してプラズマシンセティックジェット作用による前記フィンの面に沿った空気流を生ぜしめ、冷却を行うものである。

また、特許文献２には、電磁調理器、ＩＨジャー炊飯器等の電気機器の冷却装置として、コロナ放電を利用した技術が開示されている。

さらに、特許文献３には、直流電源を用いたイオン風発生手段を設け、イオン風によりコンピュータ用半導体の放熱に利用する点が記載されている。

さらに、非特許文献１には、針電極と平板電極間に直流電圧を印加し、コロナ放電を生じさせ、イオン風を利用したマイクロ送風機構が開示されている。

そして、いずれの先行文献においても、直流高電圧を用い、一様流を生じさせるものである。
特開２００６−３０２９１８号公報特開平８−９７５８２号公報実用新案登録第３０８８０１４号早稲田大学修士論文概要書、「コロナ放電を利用したマイクロ送風機構」、２００６年１月

本発明の目的は、既存のプラズマシンセティックジェットを用い、旋回流を生じさせることで、機械的稼働部を持たない旋回流発生装置、特に前記旋回流発生装置を備えたマイクロスワーラーおよびマイクロポンプを提供することである。

これらの目的を達成するため本発明は次のように構成する。
請求項１に係る発明は、筐体と、前記筐体の一つの端面の内壁面にそのほぼ中心部から風車状に分離して設けられた複数個のPSJAと、を備え、前記複数個のPSJAに交流電圧を印加し、前記筐体内に旋回流を発生させることを特徴とする旋回流発生装置である。
また、請求項２に係る発明は、前記PSJAは、絶縁体の両面にアノードとカソードを互いに位置をずらせて対向配置したものであることを特徴とする請求項１記載の旋回流発生装置である。
そして、請求項３に係る発明は、前記絶縁体はポリイミドからなることを特徴とする請求項２記載の旋回流発生装置である。
また、請求項４に係る発明は、前記筺体は、ほぼ円筒形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか1項記載の旋回流発生装置である。
また、請求項５に係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の旋回流発生装置を備えたマイクロスワーラーである。
さらに、請求項６記載の発明は、前記筺体は両端面が閉じた円筒形状のケーシングであり、前記円筒形状のケーシングの一方の端面のほぼ中心部であって、前記風車状に分離して設けられた複数個のPSJAの内方部に設けられた流入口と、前記円筒形状のケーシングの側壁面部に設けられた流出口と、をさらに備え、前記複数個のPSJAに交流電圧を印加し、前記円筒形状のケーシング内に旋回流を発生させ、前記流入口から流体を吸い込み、前記流出口から前記流体を吹き出させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか1項記載の旋回流発生装置である。
そして、請求項７に係る発明は、前記流出口は、先細形状であることを特徴とする請求項６記載の旋回流発生装置である。
請求項８に係る発明は、請求項６または請求項７記載の旋回流発生装置を備えたマイクロポンプである。

本発明では、プラズマシンセティックジェットを用い、その特性を利用した機械的稼働部を持たないマイクロスワーラーおよびマイクロポンプを提供することができる。また、マイクロスワーラーおよびマイクロポンプ等は小型化が可能であると共に、マイクロスワーラーは小型気体混合機として、マイクロポンプは小型局所冷却装置として応用することができ、コンピュータ用半導体等に対する冷却装置として有用である。更に、小型化による能力劣化がないと考えられる。
また、マイクロポンプの流体の流出口を先細形状とすることで、風力を強くすることができる。

プラズマシンセティックジェットアクチュエータは、陰極と陽極の二つの電極間に比較的高い交流電圧を印加させ、グロー放電によるプラズマ発生を利用して噴流を誘起させている。図１にプラズマアクチュエータの概略図を示す。印可電圧を大きくすることで、噴流の速度を増大することができる。

誘起流の発生機構は次のとおりである。電極周りに形成される電界によって電気流体力学（Electro Hydro Dynamics ;EHD）効果が発生する。それにより誘電力と呼ばれる体積力Ｆ［Ｎ/ｍ^３］が気体に作用するため誘起力が発生する。体積力Ｆ［Ｎ/ｍ^３］は、次式で与えられる。
Ｆ＝１/２・ε_０∇｜Ｅ｜^２
ここで、ε_０は真空の誘電率（＝8.554×10^−１２［F/m］）で、Ｅは電場の強さＥ［V/m］を表す。

ところで、ストリップ型PSJAとは、ストリップ（金属の薄片）状の電極対により構成されるPSJAである。図２にストリップ型PSJAの概略図を示す。この際、電極には、銅テープを使用し、絶縁体としてカプトン（登録商標）（ポリイミド）を使用した。それぞれの厚さは数μm〜数十μmが基本であり、絶縁体も同様の厚さで構成される。

また、図３には、誘起される流れの概略図を示す。図３（ａ）に示すように、陽極側から陰極側へ向かって周囲の流体を引き込み、図３（ｂ）に示すように吹き出しを行う。この一連の動作により、図３（ｃ）に示すような渦が形成され、噴流が誘起される。

なお、電極の素材は電気を通す金属であれば問題はなく、銅、アルミを中心にプラチナも使用可能である。また、絶縁体は、ポリイミドに限られることなく、耐電圧の性能を満たせば他の素材も使用可能である。

次に、このストリップ型PSJAを図４に示すように、＋型の配置を行うことにより、電極と垂直に流体を流し、これを旋回流に変換させる。
これにより、それ単体で気体混合を促進するためのスワーラー（混合機）としての活用が可能であり、概略を図４（ａ）に示す。
さらに、エンジン内での混合機としても使用可能であると考えられる。
このスワーラー（混合機）をケーシング内に配置することで、ポンプ形状にすることにより、局所冷却装置として応用することが可能である。マイクロポンプの概略を図４（ｂ）に示す。
なお、PSJAは旋回流を生じさせるべく、旋回流中心に関して分離した状態で複数あれば良く、＋型の配置に限られない。

本実施例で用いた構成回路の概略を図５に示す。本アクチュエータは、ファンクションジェネレータ（HEWLETT PACKARD 3312A）により矩形波を入力し、電力増幅器（SONY製、PURE&DYNAMIC
OPTICAL V7700）、昇圧トランス（ユニオン電機製、巻数比75）により、電圧を増幅し駆動する。入力波形の周波数は、グロー放電の発生が容易とされる500［Hz］とした。また、陰極と陽極の間にかける電圧は、約10〜15［V］にした。

貼り付けるPSJAの仕様を図６に示す。ストリップ型PSJAであり、銅板の大きさは、幅4［mm］、長さ20［mm］である。
なお、アノードの形状は問わない。

絶縁体であるアクリル板の上に、風車のように複数個、例えば４個のPSJAを貼り付ける（図４参照）。このように貼り付けることにより、それぞれのPSJAから誘起される噴流が組み合わさり、新たに旋回流（渦）が発生する。

厚さ１［mm］のプラスチック製の板を組み合わせて図７に示すような遠心ポンプの外枠を作った。PSJAを囲む部分の外枠は、直径60［mm］の円形になっており、流出口の部分は、幅16［mm］、高さ5［mm］の仕様になっている。 PSJAを貼り付けたアクリル板と、プラスチック製の外枠とを接合させる。接合させる際、円形の流入口の中心と円形の外枠部分の中心が一致するように接合する。そして上からカバーとなる、もう一枚のアクリル板をかぶせる。
なお、４個のPSJAの中心部分のアクリル板には直径10［mm］の円形の穴が開けてあり、この穴が、流入口となる。

PSJAを駆動させて、流入口から煙を送ると、流入口から流体を吸い込み、流出口から流体を安定して吹き出すことが確認された。即ち、PSJAを用いて作った遠心ポンプは、遠心ポンプとして機能していると考えられる。
また、流出口を先細形状とすることで、吹き出す風力を強くすることができる。

また、流速は、約0.15［m/s］であったことから、流出口の面積と合わせて流量を算出すると、１秒あたりの流量は約12［ml/s］、１分間あたりの流量は約0.72［l/min］だと考えられる。

プラズマアクチュエータの概略図である。ストリップ型PSJAの概略図である。ストリップ型PSJAの誘起流の概略図である。本発明の旋回流発生装置を備えたマイクロスワーラーおよびマイクロポンプを示す図である。本発明のプラズマシンセティックジェットアクチュエータの回路図の一例である。ストリップ型PSJAの設計図の一例である。遠心ポンプの外枠の上面図及び側面図である。

Claims

筐体と、前記筐体の一つの端面の内壁面にそのほぼ中心部から風車状に分離して設けられた複数個のPSJAと、を備え、前記複数個のPSJAに交流電圧を印加し、前記筐体内に旋回流を発生させることを特徴とする旋回流発生装置。
前記PSJAは、絶縁体の両面にアノードとカソードを互いに位置をずらせて対向配置したものであることを特徴とする請求項１記載の旋回流発生装置。
前記絶縁体はポリイミドからなることを特徴とする請求項２記載の旋回流発生装置。
前記筺体は、ほぼ円筒形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか1項記載の旋回流発生装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の旋回流発生装置を備えたマイクロスワーラー。
前記筺体は両端面が閉じた円筒形状のケーシングであり、前記円筒形状のケーシングの一方の端面のほぼ中心部であって、前記風車状に分離して設けられた複数個のPSJAの内方部に設けられた流入口と、前記円筒形状のケーシングの側壁面部に設けられた流出口と、をさらに備え、前記複数個のPSJAに交流電圧を印加し、前記円筒形状のケーシング内に旋回流を発生させ、前記流入口から流体を吸い込み、前記流出口から前記流体を吹き出させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか1項記載の旋回流発生装置。
前記流出口は、先細形状であることを特徴とする請求項６記載の旋回流発生装置。
請求項６または請求項７記載の旋回流発生装置を備えたマイクロポンプ。