JP6794456B2 - 電気流体力学的制御装置 - Google Patents

Description

本明細書で開示される発明は、流体を循環させる装置に関する。より正確には、閉ループ系に関し、熱管理液体などの循環流体（circulating fluid）の流れが、流れユニットによって調節され得る。

電子システムの性能は、電子機器を適切な温度範囲内に維持するために使用可能な熱管理技術によって、大きく制限されている。小型電子機器の性能が向上しているのは、比較的小さい領域にわたる放熱が増大したことと関係している。言い換えれば、空間効率、およびエネルギー効率のよい、電子機器の熱管理の需要が高まっている。

例として、通信衛星などの衛星は、既存の搭載熱管理システムの技術限界に近づいている。放送、ブロードバンドマルチメディア、およびモバイル通信サービスの増大する要件を満たすために、このような衛星の電力損失が増加している。電子部品（衛星オンチップ）からの低質量な熱除去を必要とする、マイクロサット、ナノサット、または「キューブ」サットは、高性能を維持するために、より小型の熱管理システムを同様に必要としている。

このような問題は、冷却効率を改善するために流体の強制流動を用いる、能動的な冷却系を用いることによって対処されてきた。このような能動冷却系の一例には、電気流体力学（ＥＨＤ）ポンプが含まれ、これは、イオン化した粒子、または分子が電場と相互作用して、熱管理媒体の流れを取り込むものである。

様々な熱管理用途に、このようなＥＨＤポンプが使用されてもよいとはいえ、流体の流れを制御し、熱管理を向上させるための装置、および方法を改善することがまだ必要とされている。

熱管理流体の流れの制御を改善した装置を提供することが、本発明の少なくともいくつかの実施形態の目的である。具体的な目的は、流体装置内で循環流体の制御を改善することである。

したがって、本発明は、特許請求の範囲の独立項の特徴を有する装置、およびこのような装置における方法を提供する。従属項には、好適な実施形態を定義した。

第１の態様において、流体装置が提供される。流体装置は、循環流体を搬送するように適合された密閉通路（enclosed passage）を有する。密閉通路は例えば、流体が循環し得る閉ループを画定してもよい。また、密閉通路には流れユニットが配置される。流れユニットは、第１電極と第２電極とを備え、第２電極は、循環流体の流れの下流方向に第１電極から偏位される（offset）。第１電極と第２電極は、電圧源に接続することが可能である。本態様によれば、第１電極は、循環流体が第１電極を通って流れることができるようにするグリッド構造として形成される。

第２の態様において、第１の態様による流体装置における方法が提供される。本方法は、流体装置内で流体の流れを誘起するように流れユニットを活動化し（activate）、流体装置内の流体の流れを妨げるように流体装置を非活動化する（deactivate）ステップを含む。

本発明は、好適には、流体装置が、密閉通路内の循環流体の流れの制御または調節用に使用され得る。言い換えれば、流れユニットが、通路を開く、縮小する、または場合によっては閉じる弁として作用または動作してもよい。

流れユニットを活動化することによって、すなわち流れユニットの電極同士の間に電圧差を印加することによって、流体は、密閉通路内を流れる、または循環するようになり、流体装置の２つのポイント、または２つの部分同士の間、具体的には密閉通路に、比較的高温の（または熱抵抗が低い）流れを含む経路を提供し得る。循環流体は、加熱または冷却の目的で、熱輸送に使用されてもよい。熱は、例えば、電子回路または電子装置などの発熱用途から離して輸送され、周囲に放散されるか、または密閉通路に熱接触しているヒートシンクに移送されてもよい。例えば、衛星では、ヒートシンクの例には、ラジエータ、ヒートパイプ、または各種の機械構造が含まれ得る。

流れユニットを非活動化、すなわちオフにすることによって、流体装置が動作モードにされてもよく、流れユニットを通る流れが減少または排除され得る。これは、例えば、電極同士の間の電圧差を減少させる、または除去するか、あるいは流れユニットを通る流れを妨げる電圧差を印加することによって達成されてもよい。流れユニットを通る流れを減少させる、または除去することによって、密閉通路、またはループ内の流体の循環が減少するか、場合によっては停止する。これにより、流体装置の２つのポイント、具体的には密閉通路に、比較的低温の（または熱抵抗が高い）流れを含む経路が提供され得る。これは特に、例えば、熱放散部品、またはヒートシンクなどのシステムの部品が、太陽または冷空間などに面しているときに冷却システムを「オフ」にできる宇宙用途において、特に注目される。流体の循環を減少させる、または停止することで、熱的に管理する必要がある、あるいは過熱したり冷たくなったりすることから保護する必要があるシステムの部品に、周囲からシステムに入った熱が到達するのを防止し得る。

したがって、本発明は、例えば、熱管理の改善が必要な熱管理用途に使用できる、閉じたシステムを提供する。例えば、環境条件が厳しく、保守点検できる可能性が限られるかまたは全くないことに対する、効率的で信頼性が高い解決策、ならびに熱管理システムの熱輸送能力を調節できる解決策が必要とされている宇宙用途において、本流体装置は特に注目され得る。

「グリッド」とは、格子、ネット、またはハニカム構造などで互いに結合されたブリッジを含む、任意の構造と理解される。ブリッジおよびジョイントは、流体の流れを可能にする、グリッドの開放領域を画定する。

「流れの方向」または「流れ方向」という用語は、動作中に装置を通過する、結果として生じたガス状流体の純流動の主方向と理解されるべきである。また、この用語は、「意図した流れの方向」と呼ばれてもよい。

「通路」とは、流体の流れを搬送するのに適した任意のダクト、管、室、または流路と理解されるべきである。流体は、例えば、閉ループを形成しながら通路内で、かつ／または流体が前述の室内を循環できるようにしながら室内で循環してもよい。

本発明の実施形態を使用して圧送できる流体、すなわち液体および気体の例には、例えば、アセトン、アルコール、ヘリウム、窒素、ならびにフロリナート（商標）、またはノベック（商標）などのフルオロカーボン系流体の誘電体が含まれる。

また、第１電極は、「エミッタ」または「エミッタ電極」と呼ばれてもよく、第２電極は、「コレクタ」または「コレクタ電極」と呼ばれてもよい。使用中に、エミッタは、流体中に電子を放出するように、かつ／あるいはエミッタの近くで、流体の粒子または不純物などの物質に、マイナス電気を帯電させるように適合されてもよい。

第１電極／または第２電極は、好適には、比較的良好に電子を放出する性能を有し、かつ圧送される流体に関して化学的に安定しているか、または不活性の材料を含み得る。また、材料は、比較的高い温度耐性を有してもよい。このような材料の例には、例えば、白金、金、およびステンレス鋼が含まれ得る。

一実施形態によれば、第１電極は、グリッド構造を形成する複数のブリッジおよび複数のジョイントを含んでもよい。また、これらのブリッジのうちの少なくとも１つの少なくとも一部は、流れの方向と平行な方向の最大高さと、流れの方向に垂直な方向の最大ゲージとを有してもよく、最大高さは、前述の最大ゲージよりも大きくてもよい。

そのゲージに対して、高さが比較的高いブリッジのグリッドを形成することによって、グリッドは、ブリッジの高さ方向、すなわち流れの方向に荷重を支持するその性能に関して、比較的強固になり得る。これにより、特に流れの方向において、曲がったり変形したりしにくい比較的強固な電極が提供され、したがって装置の短絡などの危険性が低減され得る。また、比較的強固で安定したグリッドは、比較的大きい開放領域をさらに有し、グリッドを通過する流体の流動抵抗が比較的低くなるようにすることができる。また、ブリッジが比較的高くて狭いことにより、比較的安定し、かつ強固なグリッドの形成に必要な材料の量が削減され、装置の重量および費用の両方が削減され得る。比較的強固なグリッドを使用することにより、支持構造を追加する必要性が減少し、第１電極と第２電極との間隔を比較的明確かつ一定に画定することが達成され得る。間隔は、例えば、１０μｍ〜２０００μｍの範囲内であってもよく、より好ましくは、５０μｍ〜１０００μｍの範囲内であってもよい。

高さが比較的高いことで、ブリッジは、グリッド構造と、通過する流体との間に比較的大きい接触面をさらに提供し、物質の拡散、および／あるいはイオンまたは電子の注入などの、電極と流体との間の相互作用が容易になり得る。

第１電極と第２電極との間の距離、または間隔は、電極間で誘起される電場の強度を制御するように異なっていてもよい。隙間が小さいために強い電場が誘起されることにより、隙間が大きく、かつ同電力を供給されている装置と比較して、ポンプ効率、または流量を向上できることが実証されている。

いくつかの実施形態によれば、流れユニットは、密閉通路の断面の少なくとも一部を覆うように配置されてもよい。好ましくは、流れユニットは、密閉通路の断面全体を覆うように配置されてもよい。通路の断面全体を覆わない流れユニットによってリーク流が可能になる、すなわち流体が流れユニットを通るのではなく、その横を通過することが可能になる。結果的に、通路の断面全体を覆う流れユニットは、このようなリーク流を防止し得る。また、流れユニットの覆う範囲が大きいと、ポンプ効率、および／または遮断効率を向上させた流体装置になり得る。

これに代えて、またはこれに加えて、流れユニットは、（好ましくは１つの）室に配置されてもよく、その結果、循環する流れは室内に達する。流れユニットは、例えば、室の壁部に隣接して配置され、流れユニットを通過する流体が、室内の流体の循環を誘起し得る向きにされてもよい。

一実施形態によれば、流体装置は、共通の横方向平面（lateral plane）内に横方向に拡がるように配置された複数の流れユニットの配列（array）を含み、循環流体が上記複数の流れユニットのうちの第１および第２の流れユニットを通過することができるように、上記複数の流れユニットのうちの上記第１の流れユニットの下流側が、上記複数の流れユニットのうちの上記第２の流れユニットの上流側と流体連通（flow communication）し得る。

横方向平面に拡がる配列に流れユニットを配置することによって、比較的平坦かつ／または薄い流れユニットが実現され、これは、いくつかの積層された段を有する流れユニットに対して有利になり得る。複数の流れユニットを、互いの上方に積み重ねるのではなく、並行して配置することによって、全体の高さを減少させることができ、空間が限られる用途に使用できる流れユニット、または配列が可能になる。また、より薄く、かつ／またはより平坦なポンプが、より大きい比表面積を有することができ、配列の外面を介した冷却または放散を容易にすることができる。

第１の流れユニットの下流側を、第２のまたは隣の流れユニットの上流側と接続することによって、流体をいくつかの段階で圧送または加速することが可能になり、これにより、例えば、ポンプ効率、流速、および配列の体積流量が増加し得る。この配列は、流体の流れを増強、制御、または操作するために直列接続、または従属接続された、流れユニットの配列と同様であってもよい。圧力、体積流量、または流体の流れの速度が、配列におけるそれぞれの、または少なくともいくつかの流れユニットで増加し得る。

配列の流れユニットは、同じ方向に向けられてもよく、すなわちその結果、各流れユニットの下流側が同じ方向に面する。言い換えれば、流れユニットは、流体の流れの方向が、各流れユニットに対して平行になるように、並行して配置されてもよい。このような向きにすることにより、配列の製造および組み立てが容易になり得る。例えば、上流側が第１の方向に面し、下流側が第２の、おそらくは反対の方向に面している状態で、全ての流れユニットを同じ向きで配置することにより、流れユニットの電気接続もまた容易になり得る。一例では、これにより、第１電極が全て配列の第１の側に電気接続され、かつ／または第２電極が配列の第２の側に電気接続されることが可能になる。

あるいは、配列は、配列の他の流れユニットと比較して反対方向を指している、または反対方向に向けられた、少なくとも１つの流れユニットを備えてもよい。これにより、流体の流れは、配列の同じ側で、上記複数の流れユニットのうちの第１の流れユニットから出て、上記複数の流れユニットのうちの第２の流れユニットに入ることができるので、対向して配置された２つの流れユニット同士の間の流体連通が容易になる、または簡素化され得る。１つまたはいくつかの流体ユニットの向きをずらす、または交互にすることによって、配列の大きさをさらに減少させてもよく、これにより、より小さく、さらに相対的に効率のよい配列が可能になる。

一実施形態によれば、循環流体と流体装置の周囲との間で熱を伝達できるように、密閉通路の少なくとも一部が、熱伝達手段に熱接続されるように適合されてもよい。

いくつかの実施形態によれば、密閉通路は、熱交換器に熱的に接続される、かつ／あるいは流体連通するように適合されてもよい。熱交換器は、例えば、ヒートシンクまたはコールドプレート、あるいは熱源またはホットプレートであってもよい。

一実施形態によれば、密閉通路は、第２の室（chamber）と流体連通する第１の室で形成されてもよい。また、流れユニットは、第１の室および第２の室のうちの１つに配置されてもよい。

一実施形態によれば、密閉通路の少なくとも一部は、管として形成されてもよい。

一実施形態によれば、第２電極は、流体が第２電極を通れるようにする、グリッド構造として形成されてもよい。少なくとも１つのブリッジは、流れの方向と平行な方向の最大高さと、流れの方向に直角な方向の最大ゲージとを有する部分を含んでもよく、最大高さは最大ゲージよりも大きくてもよく、好ましくは最大ゲージの少なくとも２倍であってもよい。本実施形態は、第１電極のグリッドの構造に対して述べた、同様の利点および効果に関する。

これに代えて、またはこれに加えて、第１電極および／または第２電極は、最大高さに対応する高さまたは長さ、または最大幅に対応する幅、または厚さを有するロッドとして形成されるか、あるいはこれを備えてもよい。ロッドは、例えば、シリンダ、ピラー、またはニードルとして形成されてもよく、かつ中空、中実、または多孔性であってもよい。一例では、ロッドは、ガス状流体の流れがその内部を通るように適合されてもよい。さらに、ロッドは、好ましくは流体の流れの方向に先細になった、または尖った端部を有してもよい。別の例では、第１電極および／または第２電極は、複数のロッドで形成されるか、またはこれを備えてもよく、例えば、流体の流れに本質的に平行な長さで延長するように配置される、かつ／あるいは二次元または三次元配列で配置されてもよい。複数のロッドを使用し、したがって複数の放出ポイントを使用することは、エミッタの冗長性を増加させ得る点において有利である。

一実施形態によれば、第１電極、および第２電極の少なくとも１つが、懸架構造を含んでもよい。懸架構造は、好適には、第１電極または第２電極のそれぞれにおける、熱による変形を吸収するために配置されてもよい。懸架構造はしたがって、特に、流体の流れの方向に直角な平面において、ならびに／あるいは第１電極または第２電極の少なくとも一部の主な長さ方向において、熱による応力を軽減、または吸収するために使用されてもよい。変形構造は、例えば、流れの方向に直角な平面で湾曲される、ブリッジによって形成されてもよい。ブリッジが、その高さに直角な（すなわち流れの方向の）平面で、応力またはねじりトルクにさらされると、ブリッジは、その高さが比較的高く、ゲージが小さいために、流れ方向、または高さ方向よりも、その平面で変形しやすい場合がある。あるいは、懸架構造は、電極に引張り応力を印加するように適合されてもよく、その結果、電極は熱膨張中に、主な長さ方向にその形状を維持し得る。変形（または懸架）構造により、好適には、装置が熱による応力、および熱膨張の影響を受けにくくなるようにすることができる。これにより、比較的明確に規定された寸法、および比較的信頼性の高い形状を有する装置が実現され得る。さらに、変形構造により、異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する材料を組み合わせることが可能になり得る。一例として、第１電極および／または第２電極は、第１のＣＴＥを有する材料で形成されてもよく、第１電極および／または第２電極が取り付けられ得る支持構造は、別のＣＴＥを有してもよい。このような事例では、電極、および／または支持構造に変形構造が提供されることによって、ＣＴＥの相違によって生じ得る内部熱応力を、流体の流れの方向に直角な平面で変形される、変形構造によって吸収することができる。したがって、変形構造により、寿命の長い、より信頼性の高い装置が可能になる。

第１電極、および／または第２電極、ならびに／あるいは支持構造は、所望の構造を形成するように、選択的に堆積された材料で形成されてもよいことは理解されよう。材料は、例えば、１つまたはいくつかの金属の積層構造を含んでもよい。堆積方法は、例えば、成形、めっき、スクリーン印刷、グレージング、スパッタリング、蒸着、または焼結を含んでもよい。これに代えて、またはこれに加えて、製造には、例えば、基材から材料を選択的に除去することによる、材料の除去が含まれてもよい。適切な技術の例には、切断、粉砕、エッチング、および吹き付け加工が含まれ得る。

第１電極／または第２電極は、好適には、比較的良好に電子を放出する性能を有し、かつ圧送される流体に関して化学的に安定しているか、または不活性の材料を含み得る。また、材料は、比較的高い温度耐性を有してもよい。このような材料の例には、例えば、白金、金、ニッケル、タングステン、ジルコニウム、およびステンレス鋼が含まれ得る。

本明細書では、「流れユニット」、あるいは「ポンプ」または「ポンプユニット」という用語は、置き換え可能に使用される。

上に概説されているように、流体装置における方法は、コンピュータプログラム製品の形式で配布され使用される、コンピュータで実行可能な命令として具体化されてもよく、コンピュータプログラム製品は、このような命令を記憶するコンピュータ可読媒体を含む。例として、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体、および通信媒体を含んでもよい。当業者にはよく知られているように、コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュールその他のデータなどの情報を記憶するための、任意の方法または技術に実装された、揮発性および不揮発性、取り外し可能および取り外し不可の媒体の両方を含む。コンピュータ記憶媒体（または非一時的な媒体）は、これに限定されないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリその他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）その他の光ディスク記憶媒体、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置その他の磁気記憶装置が含まれる。また、通信媒体（または一時的な媒体）は、通常は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュールその他のデータを、搬送波その他の移送機構などの変調したデータ信号に具体化し、任意の情報送達媒体を含むことが当業者には知られている。

本発明の別の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な開示、図面、および添付の特許請求の範囲を検討すれば、明らかになるであろう。本発明の異なる特徴は、異なる請求項に記載されていたとしても、以下に記載されている以外の実施形態と組み合わせてもよいことが、当業者には理解されよう。

本発明の前記の、ならびにさらなる目的、特徴、および利点は、以下の具体的であって限定的でない、本発明の実施形態の詳細な説明によってよりよく理解されよう。以下で説明する、添付の図面を参照されたい。

本発明の実施形態による、密閉通路と、流れユニットとを備える流体装置を概略的に示す。 いくつかの実施形態による、流体装置の概略断面図である。 いくつかの別の実施形態による、流体装置の概略断面図である。 密閉通路が熱交換器に熱的に接続されている、一実施形態による流体装置の概略図である。 一実施形態による、流れユニットの第１電極および第２電極の概略斜視図である。 一実施形態による、流れユニットの第１電極および第２電極の断面部分を示す。 一実施形態による、別の流れユニットの第１電極および第２電極の断面部分を示す。 一実施形態による、さらに別の流れユニットの第１電極および第２電極の断面部分を示す。 一実施形態による、さらに別の流れユニットの第１電極および第２電極の断面部分を示す。 本発明の実施形態による、流れユニットの配列の概略図である。 本発明の実施形態による、流れユニットの配列の別の概略図である。 本発明の実施形態による、変形構造を備えた、流れユニットの電極の上面図である。 本発明の実施形態による、別の変形構造を備えた、流れユニットの電極の上面図である。 複数の電極の積層を含む、一実施形態による流れユニットの断面である。

図は全て概略図であり、概して縮尺率は一定ではなく、かつ概して本発明を説明するために必要な部分のみを示し、それに対して他の部分は、省略されるか、または示唆するに留める場合がある。

図１は、例えば、ループを形成する、密閉通路２００と、流れユニット１００とを備える流体装置１を示す。密閉通路２００は、例えば、管または流路として形成されてもよく、循環流体が閉ループ系で継続的に繰り返し流れられるように、終端が開始端に接続される。流れユニット１００は、図１に示すように、密閉通路２００の断面全体を覆うように、あるいは流体が流れユニット１００の横を通過できるようにするために、断面の一部のみを覆うように配置されてもよい。通路２００の断面全体を覆うように流れユニット１００を配置することによって、流体は全て、循環するためには流れユニット１００を通過しなければならない。これにより、流れの制御を改善することができる。

流体装置１は、活動化状態と、非活動化状態、すなわちオフ状態との、少なくとも２つの異なる状態で動作されてもよい。活動化状態では、流れユニット１００は、流れユニット１００を通る流れを誘起することによって、密閉通路２００内で循環する流れを誘起する、電位差によって動作されてもよい。オフ状態では、流れユニット１００は、電位差ゼロで、あるいは流れユニット１００を通る流体の純流動が減少する、またはゼロになる電位差で動作されてもよく、その結果、密閉通路内の流体の循環は、妨げられるか、場合によっては停止する。流れユニット１００は、したがって密閉通路内の流れを調節する制御弁として動作されてもよい。

図２ａおよび図２ｂは、図１に関して説明した実施形態と同様に構成され得る実施形態による、流体装置１を示す。図２ａに示す実施形態によれば、密閉通路は、仕切り壁２１５、または隔壁によって離間された、第１の室２１０と、第２の室２２０とによって画定されてもよい。仕切り壁２１５は、第１の室２１０と、第２の室２２０とを互いに結合する、隙間、または局部的な通路を有してもよく、これによって流体が循環し得る閉ループを画定する。流体は、第１の室２１０を通り、仕切り壁２１５の隙間の１つを介して第２の室２２０に入り、第２の室２２０を通過して、壁２１５の２つ目の隙間を介して第１の室に入るように循環してもよい（図２ａでは、循環流体が矢印で示されている）。

前述したように、第１の室２１０などの少なくとも１つの室が、流れユニット１００を備えてもよい。流れユニット１００は、活動化状態で動作されると流体の流れを誘起し、非活動化状態で、または活動化状態に比べて電圧差を低減して動作されると、流体の流れを妨げる、または減少させるように構成されてもよい。したがって、流れユニット１００は、第１の室２１０と、第２の室２２０との間の流体の循環に影響を及ぼす、または制御するために使用されてもよい。

これに代えて、またはこれに加えて、密閉通路２００は、図２ｂに示すような単一の室を形成してもよい。このような事例では、流れは、矢印で示されているように、密閉通路によって画定された室内を循環してもよい。流れユニット１００は、流れを誘起するために、好ましくは室の壁部に比較的近接した、または隣接した位置に配置されてもよい。このような位置から、流れユニット１００は、壁部に沿った方向に、流体の動き、または流れを誘起してもよく、流体はこれに応じて循環する。

図３は、前述したいずれか１つの実施形態と同様に構成され得る実施形態による、システムまたは流体装置を略図で表したものである。図３では、密閉通路は線２００で表され、流れユニットはボックス１００で表されている。密閉通路は、流体に熱を加えたり除去したりできる、１つまたはいくつかの熱交換器Ｃ、Ｈに接続されてもよい。この接続は、例えば、熱的な接続、および／または流体的な接続であってもよく、熱伝達手段Ｃ、Ｈは、例えば、ヒートシンクＣ、および／または熱源Ｈを含んでもよい。

図４は、図１〜図３の実施形態と同様の実施形態による、流体装置の流れユニット１００の例を示す。流れユニット１００は、ブリッジ１１１、およびジョイント１１２を含む第１電極、すなわちエミッタ１１０を備えてもよく、ブリッジ１１１、およびジョイント１１２は、グリッドを形成して、流体がエミッタ１１０を通れるようにする。エミッタ１１０は、意図する流れの方向に垂直な平面において横方向に延長してもよく、これは図４では矢印で示されている。この実施形態によれば、第２電極、すなわちコレクタ１２０は、ブリッジ１２１と、ジョイント１２２とを含み、これらはエミッタ１１０に対して説明したものと同様のグリッドに配置される。したがって、コレクタ１２０は、エミッタ１１０とコレクタ１２０との両方が互いに平行になるように、流れの方向に垂直な平面に横方向に延長してもよい。図４には示されていないが、第２電極１２０は、グリッド以外の他の形状、および構成で設けられてもよいことは理解されよう。第２電極１２０は、例えば、１本または何本かの電線（第１電極１１０と本質的に平行な平面に延びる、主方向を有してもよい）、あるいはピラー、ニードル、シリンダ、またはロッドとして形成されるか、またはこれらを備えてもよく、これらは例えば、流れの方向に沿った向きにされてもよい。

この図に示されているように、エミッタ１１０とコレクタ１２０とは、正の距離ｄだけ、流れの方向に互いに離間されて配置されてもよい。例えば、エミッタ１１０とコレクタ１２０との間に配置される支持配置、すなわちグリッドスペーサ１３０（図４には図示せず）によって離間が維持されてもよい。隙間ｄは比較的狭いことが望ましく、このような隙間は比較的高い電場をもたらし、したがって流量に影響する電気流体力学効果を高め得る。グリッドスペーサ１３０を使用することによって、明確に画定された厚さを有することができ、好適には、エミッタ１１０とコレクタ１２０との間でショートカット、または破壊が生じる危険性が低減され得る。以下でより詳細に説明するように、グリッドスペーサ１３０は、例えば、エミッタ１１０、および／またはコレクタ１２０と同様の構成を有してもよく、すなわち、ブリッジ１１１、１２１、およびジョイント１１２、１２２のグリッドを備える。グリッドスペーサ１３０は、しかしながら、他の構成を有してもよく、例えば、エミッタ１１０、および／またはコレクタ１２０の横方向縁部を支持するフレームとして形成されてもよい。

グリッドは、広範な形状のうちの１つを有してもよく、縁部およびジョイントは、エミッタ１１０および／またはコレクタ１２０を流れが通れるようにするのに適した、例えば、格子、ネット、ホールパターン、ハニカム構造その他の構造、またはパターンを形成してもよいことも理解されよう。

図５ａ〜図５ｄは、前記の図のいずれか１つに対して説明した流れユニットと同様に構成された、流れユニットのエミッタ１１０、およびコレクタ１２０の一部の断面を示す。断面は、３対のブリッジ１１１、１２１を通り、かつ流れの方向と平行な平面に沿ったものである。この実施形態によれば、エミッタ１１０のブリッジ１１１は、コレクタ１２０のブリッジ１２１から一定の距離ｄで配置され、流れの方向における、エミッタのブリッジ１１１の最大高さはｈ_１であり、流れの方向に直角な方向における最大ゲージはｗ_１である。グリッド構造を比較的安定させ強固にすることが可能なように、最大高さｈ_１は、最大ゲージｗ_１よりも大きく、これにより、変形または潰れる危険性なく、流れの方向において比較的大きい負荷を支持することができ、流体を流すことが可能な、比較的大きい開放領域をさらに有することができる。この実施形態によれば、コレクタ１２０は、ブリッジ１２１の最大高さｈ_２と、最大ゲージｗ_２との間が同様の関係になる、グリッドで形成されてもよい。最大高さｈ_１、ｈ_２と、最大ゲージｗ_１、ｗ_２との間の比率は、例えば、１よりも大きくてもよく、より好ましくは、２よりも大きくてもよい。

エミッタ１１０のブリッジ１１１の断面は、コレクタ１２０に面する、縁部またはポイント１１４を形成する先細の形状を有する、下流部１１３を有してもよい。先細の形状は、例えば、ブリッジ１１１の下流部１１３に沿って延びる、縁部または狭い端部１１４、あるいは先端、ニードル、ピラミッド、ドームなどと一致する形状を有する、１つまたはいくつかの突起として顕在化されてもよい。エミッタ１１０が電位差にさらされると、先細部分１１３の縁部１１４に電界集中が生じ、電子の放出が容易になる、または促進され得る。

これに応じて、エミッタ１１０に面する、コレクタ１２０のブリッジ１２１の一部が、放出された電子の収集を増進する専用の形状、または表面構造を備えてもよい。コレクタ１２０のブリッジ１２１、および／またはジョイント１２２は、例えば、表面積を増加させる凹曲面部１２３、ならびに／あるいは有効表面積を増加させる微細な突起、および／または凹所１２４を備える、構造化表面を備えてもよい。構造１２４は、例えば、成形、電気めっき、表面処理によって、あるいは吹き付け加工、エッチング、フライス加工、研削などで材料を選択的に追加および／または除去することによって形成されてもよい。

図５ａは、エミッタ１１０とコレクタ１２０とが、約１００〜２００μｍの最大高さｈ_１、ｈ_２、および約５０μｍの最大ゲージｗ_１、ｗ_２を有する、ブリッジのグリッドを形成するように、約８００℃で焼結された、スクリーン印刷された白金ペーストで形成される例示的な実施形態を示す。図２ｂに示すように、コレクタ１２０は、エミッタ１１０に面する、マイクロブラスト加工による微細構造の表面部１２４を有しており、表面は、鋭利なマイクロメートルサイズの粒子を衝突させることによって、表面積を増加させている。

図５ｂ〜図５ｄの流れユニット１００は、図５ａを参照して説明した流れユニット１００と同様である。図５ｂによれば、エミッタ１１０は、先細の上流部１１７をさらに備え、上流部１１７は、流動抵抗を減少させて、エミッタ１１０を通る流れを増強するように、流体の流れの方に向けた、比較的鋭利な縁部１１８を形成する。図５ｃおよび図５ｄに示すように、コレクタ１２０は、流動抵抗を減少させるために、グリッドのブリッジ１２１および／またはジョイント１２２（図示せず）を通って延びる、流路１２６をさらに画定してもよい。流路１２６は、例えば、反応性イオンエッチング、ウェットエッチングなどのエッチングによって作られてもよい。

図６ａは、複数の流れユニット１００を含む、配列１０、またはポンプ組立体を示す。流れユニット１００は、蓋部１８と、底部１９とを有する、セル構造で配置されてもよい。図６ａでは、セル構造の各セル１１の輪郭は破線で示され、流れユニット１００を含むセル１１は、斜線の網掛けで示されている。配列１０は、配列１０に流体を供給するための第１の開口１２を有してもよい。第１の開口１２は、例えば、蓋部１８に配置されてもよい。また、流体を排出するための第２の開口１４が、底部１９に配置されてもよい（破線で示す）。本実施形態によれば、配列１０は、セル構造のセル１１に１つおきに配置された、例えば、５つの流れユニット１００を含んでもよい。流れユニット１００は、同一方向に、あるいは流体の流れの方向が流れユニット１００のそれぞれに対して本質的に平行になるような向きに配置されてもよい。流体が、好ましくは１つのセル１１から隣のセル１１へとセル間を流れられるように、セル１１は、１つまたはいくつかの他のセル１１と流体連通してもよい。動作中は、流体は第１の開口１２を介してセル構造に入り、第１の流れユニット１００を通過し、隣または中間のセル１１を介して、第２の流れユニット１００に入り、最後に、第２の開口１４を通ってセル構造から出てもよい。したがって、第１の開口１２は、動作中に、密閉通路の上流側、またはループから流体を受けるように配置されてもよく、第２の開口１４は、密閉通路の下流側に流体を送達するように配置されてもよい。

図６ｂは、図６ａの配列１０と同様に構成された配列１０の断面側面図である。流れユニット１００ａ、１００ｃ、１００ｅの配列１０は、セル仕切り壁１７を備える、蓋部１８と底部１９とによって画定された、セル１１ａ、１１ｃ、１１ｅに配置される。セル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅは、流れユニット１００ａの下流側から、空のセル１１ｂを介して、隣の流れユニット１００ｃの上流側に流体の流れを通すように適合された、流路１６によって互いに結合される。流れユニット１００ａ、１００ｃ、１００ｅはそれぞれ、グリッド形状のエミッタなどの第１電極１１０と、貫通孔を備えた金属板などの第２電極１２０とを含む。

動作中は、流体は第１の開口１２を通って入り、セル１１ａに配置された、流れセル１００ａの第１電極１１０と流体接触する。流体は、第１電極１１０と、第２電極１２０との間に誘起された電場によって流されてもよく、流路１６、および隣の空のセル１１ｂを通って、次の流れユニット１００ｃに継続して流れる。流体が第２の開口１４に達するまでこの工程が繰り返され、これによって流体は配列１０から出てもよい。

図６ａおよび図６ｂに示すように、流れユニット１００は、同じ方向に向けられてもよく、流体は、同じ流れ方向で、それぞれの流れユニット１００を通過することができる。流れユニット１００をこのように配置するには、流路１６と、この例によれば、第２の流れユニット１００の上流側に入れるようになる前に、第１の流れユニット１００の下流側から出た流れを「反転させる」ための、中間の空のセル１１ｂ、１１ｄとが必要になる場合がある。

図７ａは、本発明の実施形態による、例えば、流れユニット１００のエミッタ１１０として作用する、グリッドの変形構造１１５を示す。前述の実施形態によれば、グリッドは、ブリッジ１１１と、ジョイント１１２とを備える。図７ａに示すように、変形構造１１５は、流れの方向に垂直な平面で湾曲する、複数のブリッジ１１１からなる。湾曲した形状は、例えば、ブリッジ１１１の製造中に形成されるか、または例えば、流れユニット１００の使用中に生じる熱応力によって生じてもよい。また、湾曲した形状は、例えば、熱による応力で変形させるのが容易になるようにゲージを小さくした、脆弱な部分を含んでもよい。グリッドの材料は、温度が上昇すると膨張する場合があるため、変形構造１２５のブリッジ１１１は、ブリッジ１１１の長さ方向に作用する圧縮力によって圧縮され得る。長さ方向とは、第１のジョイントと、第２のジョイントとの間の延長方向と理解されるべきである。これにより、グリッドの横方向の膨張が変形構造１１５によって吸収されて、熱による応力を減少させることができ、変形構造１１５以外のエミッタ１１０は、熱膨張に関わらず原形を維持し得る。しかしながら、変形構造１１５のブリッジ１１１に作用する力は、同様に、またはこれに代えて、例えば、構造に作用するねじりモーメント、またはトルクによって生じ得ることが理解されるべきである。

図７ｂは、図８ａを参照して説明したものと同様の変形構造１２５を示し、変形構造１２５は、一実施形態による、流れユニット１００のコレクタ１２０のブリッジ１２１からなる。しかしながら、流れユニット１００は、エミッタ１１０、コレクタ１２０、および支持構造１３０のいずれか１つ、またはいくつかに配置された、変形構造１１５、１２５を備えてもよいことは理解されよう。

変形構造１１５、１２５は、支持構造１３０に取り付けられたエミッタ１１０および／またはコレクタ１２０に設けられてもよく、支持構造１３０は、エミッタ１１０および／またはコレクタ１２０の熱膨張係数（ＣＴＥ）とは異なるＣＴＥを有してもよい。エミッタ１１０および／またはコレクタ１２０が、支持構造１３０に強固に取り付けられている場合は、曲がりおよび撓みなどの変形、ならびに割れなどの損傷、ジョイントの接続不良または緩みなどの危険性が、変形構造１１５、１２５によって低減され得る。これによって、流れユニット１００の信頼性および耐用寿命が増加し得る。

図８は、前述の実施形態のいずれか１つによる、３つの第１電極１１０と、３つの第２電極１２０との積層構造を有する、流れユニット１００の断面を示す。断面は、流れの方向に沿っており（図８に矢印で示す）、電極１１０、１２０のグリッドの各ブリッジ１１１、１２１を横切っている。グリッドスペーサ１３０は、エミッタ１１０、およびコレクタ１２０の電極を、互いに流れの方向に離間させるように配置される。この実施形態によれば、エミッタ１１０およびコレクタ１２０は、例えば、バルク材料または表面被覆を形成する、白金、金、またはステンレス鋼などを含んでもよい。

グリッドスペーサ１３０は、例えば、エミッタ１１０、および／またはコレクタ１２０を支持するグリッドとして形成されてもよい。図８に示すように、グリッドスペーサ１３０は、エミッタ１１０およびコレクタ１２０の縁部が、例えば、溶接、はんだ付け、または接着によって取り付けられる、ブリッジの外周枠を備えてもよい。これに代えて、またはこれに加えて、グリッドスペーサ１３０は、ピラー、またはスペーサなどの他の離間構造を備えてもよい。グリッドスペーサ１３０は、追加のブリッジまたはピラーなどの、エミッタおよびコレクタの中央部を支持する、１つまたはいくつかの離間部材をさらに備えてもよい。グリッドスペーサ１３０は、図８ａおよび図８ｂを参照して述べた変形構造と同様の変形構造１１５、１２５（図示せず）をさらに備えてもよい。

エミッタおよびコレクタの離間ｄは、グリッドスペーサ１３０のブリッジの高さによって決定されてもよく、したがってエミッタ１１０とコレクタ１２０との間で誘起される電場の大きさを決定し得る。エミッタ１１０とコレクタ１２０との間の距離ｄは、例えば、１０μｍ〜１０００μｍの範囲内であってもよい。

また、グリッドスペーサ１３０は、エミッタ１１０およびコレクタ１２０の位置決め、ならびに／あるいは配列内の流れユニット１００の位置決めを容易にする、位置決め構造を有してもよい。

Claims (13)

1. 循環液体を搬送するように適合された密閉通路（２００）と、
   前記密閉通路内に配置された流れユニット（１００）と、
   を備える流体装置（１）であって、
   前記流れユニットは、
   第１電極（１１０）と、
   前記循環液体の流れの下流方向に前記第１電極から偏位された第２電極（１２０）であって、前記第１電極と前記第２電極は電圧源に接続可能である、第２電極とを備え、
   前記第１電極は、グリッド構造として形成され、かつ前記循環液体が前記第１電極を通って流れることができるように配置され、
   前記密閉通路の少なくとも一部は、前記循環液体と前記流体装置の周囲との間で熱を伝達できるように、熱接続を提供するように構成され、
   前記密閉通路（２００）は、前記循環液体が循環する閉ループを画定する、
   流体装置（１）。
2. 前記第１電極は、前記グリッド構造を形成する複数のブリッジ（１１１）および複数のジョイント（１１２）を備え、
   前記複数のブリッジのうちの少なくとも１つの少なくとも一部は、前記流れの方向に平行な方向の最大高さ（ｈ_１）と、前記流れの方向に垂直な方向の最大ゲージ（ｗ_１）とを有し、
   前記最大高さは、前記最大ゲージよりも大きい、
   請求項１に記載の流体装置。
3. 前記流れユニットは、前記密閉通路の断面の少なくとも一部を覆うように配置されている、請求項１または２に記載の流体装置。
4. 前記流れユニットは、前記密閉通路の断面全体を覆うように配置されている、請求項１または２に記載の流体装置。
5. 共通の横方向平面内に横方向に拡がるように配置された複数の流れユニットの配列（１０）を含み、前記循環液体が前記複数の流れユニットのうちの第１および第２の流れユニットを通過することができるように、前記流れユニットのうちの前記第１の流れユニットの下流側が、前記流れユニットのうちの前記第２の流れユニットの上流側と流体連通している、請求項１から４のいずれか一項に記載の流体装置。
6. 前記密閉通路は、熱交換器（Ｈ、Ｃ）に熱的に接続されるように適合されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の流体装置。
7. 前記熱交換器は、ヒートシンクまたは熱源である、請求項６に記載の流体装置。
8. 前記密閉通路は、第２の室（２２０）と流体連通する第１の室（２１０）で形成されており、前記流れユニットは、前記第１の室および前記第２の室のうちの１つに配置されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の流体装置。
9. 前記密閉通路の少なくとも一部は、管（２００）として形成されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の流体装置。
10. 前記第２電極は、グリッド構造として形成されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の流体装置。
11. 前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも１つは、それぞれ、前記第１電極または前記第２電極における熱による変形を吸収するために配置された懸架（１２５）構造を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の流体装置。
12. 前記流体装置内の前記液体の流れを誘起するように前記流れユニットを活動化し、
    前記流体装置内の前記液体の流れを妨げるように前記流体装置を非活動化する、
    ステップを含む請求項１から１１のいずれか一項に記載の流体装置における方法。
13. 前記流れユニットを活動化するステップは、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧差を印加することを含む、請求項１２に記載の方法。

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