JP3959002B2 - 電気応答流体及び流体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＨＤ（Electro Hydro Dynamics）流動効果を有する電気応答流体に関し、特に高い流動効果が得られる電気応答流体並びにそれを用いた流体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ある種の流体に金属電極を浸して直流高電圧を印加すると、ＥＨＤ現象により、流体の流動が起こることは良く知られている。このような流体を、ここでは「電気応答流体」と呼ぶ。近年、このＥＨＤ現象を応用しようとする研究が種々なされている。例えば特開平６−１６５５４２号には、図２０に示すように、面電極１３１に対向してリング電極１３２を設置し、これらを電気応答流体１３３中に浸漬させるようにしたＥＨＤ効果を利用した流れ発生装置が開示されている。この装置では、電気応答流体１３３として電気伝導度の高い媒体、例えばフロン系媒体であるＲ１１３にエタノールを混合させることによって電気伝導度を高めた媒体を使用している。面電極１３１とリング電極１３２との間に高電圧を印加すると、リング電極１３２の回りに不平等電界が生じ、電気応答流体１３３は、図２０のＰａで示すようなジェットとなって噴流する。このジェットをポンプやアクチュエータの動力として利用することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来、使用されている電気応答流体としては、上述したようにフロン系媒体にエタノールを混合したもの、ハイドロカーボン、ハイドロカーボンにアルコールを添加したもの等が利用されている。しかし、このような電気応答流体では、圧力発生装置やモータとして実用に耐えうる出力が得られないのが現状である。本発明者等もハイドロフルオロエーテルやＤＢＤＮ（ドデカン二酸ジ−ｎ−ブチル）等の電気応答流体を使用して研究を重ねたが、十分な出力を得ることはできなかった。
【０００４】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、高い流動効果が得られ、出力を向上させることができる電気応答流体及び流体装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、好ましい電気応答流体について鋭意研究を重ねたところ、エーテル結合を持ちハロゲン元素を含む流体が、その流体中で放電を行うと、放電を行う前後において得られる出力が変化し、放電を行うことで出力を向上させることができることを見出した。その原理は定かではないが、流体中にマスクロクラスタによる誘導流動が発生しているものと推定される。
【０００６】
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、本発明に係る電気応答流体は、エーテル結合を持ちハロゲン元素を含む、放電処理がなされた電気に応答する流体であることを特徴とする。ここで、好ましい放電条件は、電極形状や電極サイズ等により異なるが、１００Ｖを下回ると、一般的には放電が発生し難くなる。また、放電電圧として２０ｋＶを超える電圧を印加するのは、現状の技術では難しくなる。従って、好ましい放電電圧は、例えば放電電圧１００Ｖ〜２０ｋＶ、より好ましくは２ｋＶ〜１３ｋＶである。また、好ましい放電時間は１秒〜２０秒、より好ましくは５〜２０秒である。２０秒を超えると、流体の内部に混入する煤の量が極端に多くなるので好ましくない。
【０００７】
なお、ここで、「放電」とは、液中に配置した対向する電極間おいてストリーマが発生する現象を言う。また、「平等電界」とは、同じ形状、同じ材質の電極を対向配置して電極間のどこでも電界強度が一定の状態のことを言い、「不平等電界」とは、「平等電界」ではない電界の状態のことを言う。
【０００８】
本発明に係る流体装置は、エーテル結合を持ちハロゲン元素を含む、放電処理がなされた電気に応答する電気応答流体と、この電気応答流体内に不平等電界を付与する電極と、この電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電極によって前記電気応答流体に不平等電界を与えることにより、前記電気応答流体と前記電極との間に相対的な力を生じさせるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
なお、流体装置としては、例えばポンプ、アクチュエータ等が挙げられる。上述した電気応答流体と電極との間の相対的な力は、例えば流路（チューブ、スリット等）を流れる電気応答流体の流動エネルギーとして、又は電極に対する駆動エネルギーに変換される。前者の場合、流路における電気応答流体の移動を動力として取出す動力取出し手段（バルーン、ベローズ、ダイアフラム、ピストン、羽根車等）を介して動力を外部に取り出すことができる。また、後者の場合、電極は、例えば互いに対向する第１電極及び第２電極を備え、第１電極は、第２電極に対して移動可能に配置され、且つ電気応答流体に対する不平等電界の付与によって生じた電気応答流体と電極との間の相対的な力によって移動するように構成することができる。この場合、第１電極の移動力を動力として取り出す動力取出し手段（回転軸、直動軸等）を介して動力を外部に取出すことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
電気応答流体として、ハイドロフルオロカーボン（住友スリーエム社製のＨＦＥ−７２００）の溶液を用い、この電気応答流体に対する放電処理を行うための放電装置として、図１に示すような装置を用いた。この放電装置は、ガラス製のビーカ１の中に、電気応答流体の溶液２を入れ、溶液２の中に平板電極３を垂直に浸漬し、この平板電極３に対して垂直に所定のギャップを介して対向するように針状電極４を浸漬する。各電極３，４は、電線５によって高電圧電源６に接続する。
【００１１】
このような放電装置を用い、放電条件として下記表１に示す条件で放電処理を行った。また、比較例として放電処理を行わない電気応答流体を用意した。
【００１２】
【表１】

【００１３】
実施例１,２は、電極ギャップが０．５ｍｍであるため、やや放電し難かった。メンブランフィルタは、φ０．４５μｍのメッシュを使用した。放電によってメンブレンフィルタ上には、僅かに黒色残渣が残った。また、実施例２の５Ａろ紙でろ過後の液体は、黄色であった。実施例３，４は、実施例１，２よりも液体の色は薄かった。実施例５，６は、煤が少なく、殆ど着色はなかった。実施例７，８は、煤が実施例５，６よりも多かった。実施例９は、実施例１，２と同じくややハロゲン臭が強く、煤は多量であった。液体も黄色であった。
【００１４】
次に、表１の条件で生成された放電処理後の実施例１〜９の電気応答流体と、放電処理を行わない比較例の電気応答流体の流動効果を測定するため、図２に示すような実験装置を使用した。すなわち、ガラス製のシャーレ１１の中に、線状電極１２と環状電極１３とを配置した。図３にその詳細を示すように、線状電極１２は、先端を上方に向けて立設し、環状電極１３をシャーレ１１の底部に線状電極１２と同軸で配置した。線状電極１２の基端側を９０°曲げて環状電極１３の下部を通し、線状電極１２の傾斜を防止した。線状電極１２及び環状電極１２のリード部１４，１５には、電界の影響をなくすため、被覆１６，１７を施した。線状電極１２にノズル型ガラス管１８を、細いほうを下にして被せ、ガラス管１８を固定台１９で固定した。そして、シャーレ１１の中に上記の実施例１〜９と比較例の電気応答流体を入れ、線状電極１２及び環状電極１３に、直流電源２０からアンプ２１及びリード部１４，１５を介して直流電圧を０〜１０ｋＶまで順次変化させて印加した。そして、そのときのガラス管１８を上昇する電気応答流体の高さから圧力を求めた。その結果を図４に示す。
【００１５】
図４からも明らかなように、比較例の電気応答流体を使用した場合、印加電圧を０〜１０ｋＶに上昇させても、得られる圧力は、０.３〜０．８ｋＰａであったが、実施例１の電気応答流体を使用した場合、０〜１０ｋＶに上昇させたときに得られる圧力は、０．３〜５ｋＰａと、比較例の６倍以上であった。また、実施例２〜９の電気応答流体を使用した場合、１０ｋＶで得られる圧力は、２．１〜３．９ｋＰａと、比較例の２．６〜４．９倍であった。
【００１６】
次に、本発明の電気応答流体を使用した流体装置の実施形態を説明する。
図５及び図６は、本発明の電気応答流体を流体装置として回転アクチュエータに応用した例を示す図である。
いま、図５（ａ）に示すように、平板電極２１を電気応答流体の中に水平に配置し、その上に線状電極２２を平板電極２１に対して直角に配置し、両電極２１，２２に高電圧を印加すると、電気応答流体には、ＥＨＤ現象により、同図白抜き矢印で示すような、液面上昇を発生させる流れが発生する。平板電極２１と線状電極２２とを同図（ｂ）に示すように９０°回転させると、流体の流れはそのまま横方向に発生する。次に、同図（ｃ）に示すように、線状電極２２を平板電極２１よりも下方の位置に移動させると、流体の流れは線状電極２２の片側を沿うように発生する。更に同図（ｄ）に示すように、線状電極２２を平板電極２１の下を通して向こう側まで延長すると、流体の流れは線状電極２２の平板電極２１に対して両側に発生する。そこで、同図（ｅ）に示すように、平板電極２１を線状電極２２に対して傾斜させると、流体の流れは平板電極２１の一方の側にのみ発生し、その流れの反作用により平板電極２１に直線方向の移動力が付与される。続いて、同図（ｆ）に示すように、両電極２１，２２の間の電界が均一にかかるように、線状電極２２を板状電極２３に変更し、更に同図（ｇ）に示すように、板状電極２３を環状電極２４とし、回転軸２５と連結することにより、直線運動を回転運動に変えることができる。
【００１７】
以上の原理に基づいて構成されたのが、図６に示す回転型アクチュエータである。この回転型アクチュエータは、アクリルパイプ３１の両端をアクリル製の下板３２と上板３３とで塞ぎ、下板３２と上板３３とをボルト３４で固定し、アルミテープで製作した環状電極（第２電極）３５を下板３２の窪みに配置し、アルミテープで製作した羽根電極（第１電極）３６をステンレス製の回転軸３７に取り付けたものである。なお、回転軸３７の回転部分にはベアリング３８を用い、回転軸３７のぶれを防止した。
アクリルパイプ３１の内部に上記実施例１〜９のいずれかの電気応答流体を充填し、電極３５，３６間に高電圧を印加することにより、回転軸３８を回転駆動する。この回転駆動力を動力取出し手段としての回転軸３７を介して外部に取出すことで、回転型アクチュエータとして機能させることができる。この実施形態によれば、高い回転数及び始動トルクを得ることができる。
【００１８】
図７及び図８は、本発明の他の実施形態に係るポンプ型アクチュエータを示す図である。
このポンプ型アクチュエータは、同軸結合されるアクリル製の円板状の底部４１及び蓋部４２と、蓋部４２の上部に取り付けられるポンプ部４３とから構成されている。底部４１には、その上面中央の窪みの中心に同軸的に線状電極４４が立設され、底部４１と蓋部４２とはボルト４５で固定される。ポンプ部４３はバルーン構造の可動部４６を装着したもので、このポンプ部４３は、蓋部４２の中央の穴に装着されている。
【００１９】
図８は、ポンプ部４３の詳細を示した図である。このポンプ部４３は、アクリル製の円筒状のポンプ本体４７の両端に窪み４８，４９を形成すると共に、その軸中心に線状電極４４が所定ギャップを介して挿入される貫通孔５０（流路）を形成してなる。下端側の窪み４８の側壁には、アルミテープ製の環状電極５１が装着されている。底部４１に装着した線状電極４４は、ステンレス製とし、その先端が貫通孔５０から僅かに上部に突出する構造とした。
【００２０】
ポンプ部４３の内部に、上述した実施例１〜９のいずれかの電気応答流体５２が充填された状態で、線状電極４４と環状電極５１との間に図示しない電源から高電圧を印加すると、ＥＨＤ現象により、図中矢印で示すように、流体５２が貫通孔５０内を上昇し可動部４６を突出させる。この突出力を用いてポンピング動作を行うことができる。
【００２１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
図９は、シャーレ６１に収容された本発明に係る電気応答流体６２に浸漬された細線による環状電極６３と、この環状電極６３に対して同軸配置された線状電極６４とに、直流電源６５からリード部６８ａ，６８ｂを介して直流電圧を印加するようにしてものである。これにより、線状電極６４の周囲にガラス管６６によって形成された流路６７に電気応答流体６２の流れを生じさせて、この流体の流れを図示しない動力取出し手段によって動力に変換して外部に取出すポンプ部６０が形成されている。この例では、線状電極６４に直流電圧を印加するリード部６８ａがガラス管６６の上端で線状電極６４に接続されている。
【００２２】
図１０は、図９の環状電極６３に代えて、平板電極７１を使用した例である。
図１１は、図９の環状電極６３に代えて、線状電極７２を使用した例である。
図１２は、図９の環状電極６３に代えて、シャーレ６１の底部全面に広がる平板電極７３を使用した例である。
図１３は、図１０の線状電極６４からのリード部６８ａの取り出し方向を逆にした例である。
図１４は、図１１の線状電極６４及びガラス管６６を曲げた曲線電極７４及び曲線状のガラス管７５を使用してポンプ部７０を構成した例である。
【００２３】
図１５は、ポンプ部８０に、スリット状の流路を形成した流体装置の例である。角型のシャーレ８１には、電気応答流体８２が収容され、電気応答流体８２には、数ｍｍの間隙を介して２枚のアクリル板８３，８４を対向配置させて、その両側をシリコーンゴムのスペーサ８５，８６で塞ぎ、スペーサ８５，８６の間に棒状の電極８７を配置し、電極８７の両側にスリット状の流路８８，８９を形成したものである。スペーサ８５，８６の下面には、電極９０，９１が配置され、電極８７と電極９０，９１との間に直流電源９２からリード部９３ａ，９３ｂを介して直流電圧が印加されるようになっている。
【００２４】
図１６は、回転型アクチュエータの他の例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。この実施形態は、図６に示した羽電極（第１電極）３６を複数枚にした例である。
シャーレ１０１の底面に設けられた環状電極１０２(第２電極)には、互いに９０°の角度で回転軸１０３の周りに配置された４枚の羽根電極１０４が、環状電極１０２に対して傾斜するように対向配置されている。シャーレ１０１の中に電気応答流体１０５を充填し、回転軸１０３と環状電極１０２とに直流電源１０６からリード部１０７ａ，１０７ｂを介して直流電圧を印加すると、前述した原理により、羽根電極１０４が環状電極１０２に対して回転移動して、回転軸１０３が回転する。この回転力を外部動力として取出すことにより、回転型アクチュエータを構成することができる。
【００２５】
図１７は、図１６の環状電極１０２及び羽根電極１０４に代えて、シャーレ１０１の側壁内面に配置された環状電極１１１及びこの環状電極１１１の内側で回転する線状電極１１２を使用した例を示している。線状電極１１２は、回転軸１０３から半径方向に互いに逆向きに延びる２つの部分と、これら部分からそれぞれ９０°の角度を変えて互いに逆向きに延びる２つの部分とから構成され、その先端が環状電極１１１に所定のギャップを介して対向する。この例の場合にも、線状電極１１２が環状電極１１１に対して傾斜しているので、回転軸１０３には、回転駆動力が生じる。この回転駆動力を外部に取出すことにより、回転型アクチュエータが構成される。
【００２６】
図１８は、図１７の線状電極１１２に代えて、環状電極１１１に所定角度を持って対向する４つの羽根電極１１３を使用した例を示している。
【００２７】
図１９は、直動型のアクチュエータの例を示していいる。
電気応答流体１２０を収容する長尺状のシャーレ１２１の底部には長手方向に延びる平板電極１２２（第２電極）が設けられ、この平板電極１２２に対向し平板電極１２２の長手方向に往復動するキャリッジ１２３が設けられている。キャリッジ１２３の平板電極１２２と対向する面には、平板電極１２２に対して互いに逆方向に傾斜した一対の電極１２４，２５（第１電極）が配置されている。これら電極１２４，１２５は、スイッチ１２６を介して直流電源１２７から択一的に直流電圧を印加される。このため、キャリッジ１２３は、スイッチ１２６によって電極１２４に直流電圧が印加されている場合と、スイッチ１２６によって電極１２５に直流電圧が印加されている場合とで、図中矢印で示すように、互いに逆向きに直線移動する。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、高い流動効果が得られ、アクチュエータとしての出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１〜９に係る電気応答流体を得るための放電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 同実施例１〜９および比較例の電気応答流体の印加電圧対圧力の関係を示すための実験装置の構成を示す図である。
【図３】 同実験装置の一部を拡大して示す図である。
【図４】 同実験装置を用いて測定された結果を示すグラフである。
【図５】 同電気応答流体を用いた回転型アクチュエータの原理を説明するための図である。
【図６】 同回転型アクチュエータの分解斜視図である。
【図７】 同電気応答流体を用いたポンプ型アクチュエータの分解斜視図である。
【図８】 同アクチュエータのポンプ部の斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図９】 本発明の他の実施形態に係るポンプ型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１０】 本発明の他の実施形態に係るポンプ型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１１】 本発明の他の実施形態に係るポンプ型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１２】 本発明の他の実施形態に係るポンプ型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１３】 本発明の他の実施形態に係るポンプ型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１４】 本発明の他の実施形態に係るポンプ型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１５】 本発明の他の実施形態に係るポンプ型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１６】 本発明の他の実施形態に係る回転型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１７】 本発明の他の実施形態に係る回転型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１８】 本発明の他の実施形態に係る回転型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図１９】 本発明の他の実施形態に係る直動型アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図２０】 ＥＨＤ現象を説明するための図である。
【符号の説明】
１…ビーカ、
２…溶液、
３，２１，７１，７３，１２２…平板電極、
４…針状電極、
５…電線、
６…高電圧電源、
１１，６１，８１，１０１，１２１…シャーレ、
１２，２２，４４，６４，７２，１１２…線状電極、
１３，２４，３５，５１，６３，１０２，１１１…環状電極、
１８，６６，７５…ガラス管、
２０，６５，９２，１２７…直流電源、
２３…板状電極、
２５，３７，１０３…回転軸、
３６，１０４，１１３…羽根電極、
４３，６０，７０，８０…ポンプ部、
５２，６２，８２，１０５，１２０…電気応答流体、
６７，８９…流路、
１２３…キャリッジ。

Claims (6)

1. エーテル結合を持ちハロゲン元素を含む、放電処理がなされた電気応答流体。
2. エーテル結合を持ちハロゲン元素を含む、放電処理がなされた電気応答流体と、
   この電気応答流体内に不平等電界を付与する電極と、
   この電極に電圧を印加する電圧印加手段と
   を備え、前記電極によって前記電気応答流体に不平等電界を与えることにより、前記電気応答流体と前記電極との間に相対的な力を生じさせるようにした
   ことを特徴とする流体装置。
3. 前記不平等電界の付与によって生じた前記電気応答流体と電極との間の相対的な力によって前記電気応答流体が移動する流路を備えたことを特徴とする請求項２記載の流体装置。
4. 前記電極は、互いに対向する第１電極及び第２電極を備え、
   前記第１電極は、前記第２電極に対して移動可能に配置され、前記電気応答流体に対する不平等電界の付与によって生じた前記電気応答流体と電極との間の相対的な力によって移動するものである
   ことを特徴とする請求項２記載の流体装置。
5. 前記流路における前記電気応答流体の移動を動力として取り出す動力取出し手段を更に備えたことを特徴とする請求項３記載の流体装置。
6. 前記第１電極の移動力を動力として取り出す動力取出し手段を更に備えたことを特徴とする請求項４記載の流体装置。

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