JPH05240155A - 流体装置 - Google Patents
流体装置Info
- Publication number
- JPH05240155A JPH05240155A JP4043978A JP4397892A JPH05240155A JP H05240155 A JPH05240155 A JP H05240155A JP 4043978 A JP4043978 A JP 4043978A JP 4397892 A JP4397892 A JP 4397892A JP H05240155 A JPH05240155 A JP H05240155A
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- JP
- Japan
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- liquid
- heating element
- heating
- pulse
- liquid chamber
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- Pending
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
- F04B19/20—Other positive-displacement pumps
- F04B19/24—Pumping by heat expansion of pumped fluid
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Electromagnetic Pumps, Or The Like (AREA)
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 流体を輸送する装置の輸送機構を小型・軽量
化するとともに低消費エネルギーで大きな輸送量を得、
かつ輸送量の制御を精密に行う。 【構成】 発熱体が表面に形成された基板上に一方向弁
を有する液体吸引ノズルおよび吐出ノズルとを付加され
た液室を形成し、発熱体をパルス加熱により急熱し、発
熱体に接した部分の液体に生じる気泡膜の膨張・収縮の
挙動を輸送圧力源として用いる。
化するとともに低消費エネルギーで大きな輸送量を得、
かつ輸送量の制御を精密に行う。 【構成】 発熱体が表面に形成された基板上に一方向弁
を有する液体吸引ノズルおよび吐出ノズルとを付加され
た液室を形成し、発熱体をパルス加熱により急熱し、発
熱体に接した部分の液体に生じる気泡膜の膨張・収縮の
挙動を輸送圧力源として用いる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はポンプなどの流体輸送装
置における輸送機構として新規の原理に基づく機構を提
供するものであり、特に小型・軽量，高速応答性，輸送
量の精密制御などが必要とされる、流体の微量輸送を行
うためのマイクロポンプに関するものである。
置における輸送機構として新規の原理に基づく機構を提
供するものであり、特に小型・軽量，高速応答性，輸送
量の精密制御などが必要とされる、流体の微量輸送を行
うためのマイクロポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】微小ポンプ機構における流体輸送のため
の圧力源としては従来よりいくつかの方式が考案されて
いる。例えば実開平３−６１１８０号公報、実開平２−
１３７５８２号公報および特開昭６３−２４２２６６号
公報などに示されているように、液室内に振動体を設
け、該振動体を圧電素子の伸縮やモータの回転制御など
の手段で振動させ、この振動によって発生する圧力によ
り流体を輸送させようとする方式がある。また特開昭６
１−１２６３８７号公報、特公昭５７−３２２３１号公
報などには、圧電素子の伸縮を利用して液室自体の体積
を変化させ、これにより発生する圧力を利用する方式が
示されている。
の圧力源としては従来よりいくつかの方式が考案されて
いる。例えば実開平３−６１１８０号公報、実開平２−
１３７５８２号公報および特開昭６３−２４２２６６号
公報などに示されているように、液室内に振動体を設
け、該振動体を圧電素子の伸縮やモータの回転制御など
の手段で振動させ、この振動によって発生する圧力によ
り流体を輸送させようとする方式がある。また特開昭６
１−１２６３８７号公報、特公昭５７−３２２３１号公
報などには、圧電素子の伸縮を利用して液室自体の体積
を変化させ、これにより発生する圧力を利用する方式が
示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方式はいずれも機構部品の機械的運動を圧力源とする
ものであり、ポンプ機構の小型化，軽量化，低電力化を
図る上では大きな制約がある。すなわち必要とされる流
体輸送量を得るためには振動体の一定以上の大きさの変
位が必要であり、大きな変位を生じさせるには振動体は
大きなものにならざるを得ない。また振動体を変位させ
るためには多くのエネルギーを必要とする。さらに可動
部分を含むためポンプ機構全体としても複雑なものとな
る、など従来の方式はポンプ機構の小型・軽量化，低電
力化，制御の精密化を図る上で原理的な困難を有してい
る。
の方式はいずれも機構部品の機械的運動を圧力源とする
ものであり、ポンプ機構の小型化，軽量化，低電力化を
図る上では大きな制約がある。すなわち必要とされる流
体輸送量を得るためには振動体の一定以上の大きさの変
位が必要であり、大きな変位を生じさせるには振動体は
大きなものにならざるを得ない。また振動体を変位させ
るためには多くのエネルギーを必要とする。さらに可動
部分を含むためポンプ機構全体としても複雑なものとな
る、など従来の方式はポンプ機構の小型・軽量化，低電
力化，制御の精密化を図る上で原理的な困難を有してい
る。
【０００４】本発明は上記課題を解決して簡単な構造の
ポンプ構造を提供することを目的とする。
ポンプ構造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】上記の課題を解決するた
めに、本発明では流体を輸送するための圧力源としては
機械的振動体などを廃し、輸送すべき液体自体を瞬時に
高温にまで加熱することにより起こる膜沸騰現象を応用
し、この膜沸騰によって生じる気泡の運動を圧力源とし
て用いることとした。
めに、本発明では流体を輸送するための圧力源としては
機械的振動体などを廃し、輸送すべき液体自体を瞬時に
高温にまで加熱することにより起こる膜沸騰現象を応用
し、この膜沸騰によって生じる気泡の運動を圧力源とし
て用いることとした。
【０００６】
【作用】上記の構成であるので本発明は簡単な構造のポ
ンプ機構が実現できる。
ンプ機構が実現できる。
【０００７】
【実施例】本発明の原理である膜沸騰現象とそれによっ
て生じる気泡の挙動を図３により説明する。図３（ａ）
において１は発熱体、発熱体１は発熱体基板２の上に形
成され、３は液体である。発熱体１に、短時間τ0 で液
体３が過熱状態に達するまでに十分な熱量をパルス状に
与える。このような高熱流束が伝熱面４から液体３に流
入した場合、伝熱面４に接する部分の液体３は膜沸騰を
起こし、図３（ｂ）のように伝熱面４に膜状の気泡５が
形成される。この気泡膜５の初期内部圧力は非常に高い
ため、気泡膜５はある体積にまで急速に膨張する。気泡
膜５は成長しつつ周囲の液体３によって冷却され急激に
その内部圧力を失うため、図３（ｃ）のように一定の体
積にまで成長した後は直ちにかつ急速に収縮を始める。
この時点では発熱体１への熱パルス印加は終了している
ため、気泡膜５は再び膨張へ向かうことはなく消滅す
る。
て生じる気泡の挙動を図３により説明する。図３（ａ）
において１は発熱体、発熱体１は発熱体基板２の上に形
成され、３は液体である。発熱体１に、短時間τ0 で液
体３が過熱状態に達するまでに十分な熱量をパルス状に
与える。このような高熱流束が伝熱面４から液体３に流
入した場合、伝熱面４に接する部分の液体３は膜沸騰を
起こし、図３（ｂ）のように伝熱面４に膜状の気泡５が
形成される。この気泡膜５の初期内部圧力は非常に高い
ため、気泡膜５はある体積にまで急速に膨張する。気泡
膜５は成長しつつ周囲の液体３によって冷却され急激に
その内部圧力を失うため、図３（ｃ）のように一定の体
積にまで成長した後は直ちにかつ急速に収縮を始める。
この時点では発熱体１への熱パルス印加は終了している
ため、気泡膜５は再び膨張へ向かうことはなく消滅す
る。
【０００８】このように、熱パルスを印加するごとに気
泡膜５は発生，膨張，収縮，消滅を繰り返す。この一サ
イクルにおいて気泡膜５が膨張する過程では、液体３に
は伝熱面４を中心として放射状に拡散方向への圧力が生
じ、逆に収縮過程では伝熱面４方向への収縮圧力が生じ
る。従って、発熱体基板２の発熱体１が形成された面を
一つの壁面とする液室を構成し、該液室に液体吐出用の
一方向弁を有するノズルと液体吸入用の一方向弁を有す
るノズルとを付加することにより液体３を一方向へ輸送
することができる。
泡膜５は発生，膨張，収縮，消滅を繰り返す。この一サ
イクルにおいて気泡膜５が膨張する過程では、液体３に
は伝熱面４を中心として放射状に拡散方向への圧力が生
じ、逆に収縮過程では伝熱面４方向への収縮圧力が生じ
る。従って、発熱体基板２の発熱体１が形成された面を
一つの壁面とする液室を構成し、該液室に液体吐出用の
一方向弁を有するノズルと液体吸入用の一方向弁を有す
るノズルとを付加することにより液体３を一方向へ輸送
することができる。
【０００９】（実施例１）発熱体として発熱抵抗体を用
い、該発熱抵抗体へのパルス通電により発生するジュー
ル熱を沸騰熱源とする実施例を図１に示す。発熱体基板
２上に発熱抵抗体１２，発熱抵抗体１２に通電するため
の電極６ａおよび６ｂ、発熱抵抗体１２を保護するため
の保護層７が形成されている。これらの積層膜形成には
スパッタリングなどの成膜技術およびフォトリソグラフ
ィ技術が応用される。液室８は発熱抵抗体１２が形成さ
れた面を一つの構成面として作られ、吸引用一方向弁９
ａを備えた吸引ノズル１０および吐出用一方向弁９ｂを
備えた吐出ノズル１１とが付加されている。
い、該発熱抵抗体へのパルス通電により発生するジュー
ル熱を沸騰熱源とする実施例を図１に示す。発熱体基板
２上に発熱抵抗体１２，発熱抵抗体１２に通電するため
の電極６ａおよび６ｂ、発熱抵抗体１２を保護するため
の保護層７が形成されている。これらの積層膜形成には
スパッタリングなどの成膜技術およびフォトリソグラフ
ィ技術が応用される。液室８は発熱抵抗体１２が形成さ
れた面を一つの構成面として作られ、吸引用一方向弁９
ａを備えた吸引ノズル１０および吐出用一方向弁９ｂを
備えた吐出ノズル１１とが付加されている。
【００１０】電極６ａ，６ｂ間に電圧パルスを印加する
と発熱抵抗体１２にジュール熱が発生する。このジュー
ル熱は保護層７を介して伝熱面４に接触している液体３
を急熱する。伝熱面４に発生した気泡膜５が成長する際
の膨張圧により一方向弁９ｂが開き、かつ９ａは閉じた
ままであるため液体３は液室８から外へ吐出される。気
泡膜５が収縮する際には伝熱面４方向への収縮圧により
９ｂは閉じ、９ａは開くため液体３は液室８内へ再充填
される。こうして液体３は一定方向へ輸送される。
と発熱抵抗体１２にジュール熱が発生する。このジュー
ル熱は保護層７を介して伝熱面４に接触している液体３
を急熱する。伝熱面４に発生した気泡膜５が成長する際
の膨張圧により一方向弁９ｂが開き、かつ９ａは閉じた
ままであるため液体３は液室８から外へ吐出される。気
泡膜５が収縮する際には伝熱面４方向への収縮圧により
９ｂは閉じ、９ａは開くため液体３は液室８内へ再充填
される。こうして液体３は一定方向へ輸送される。
【００１１】膜沸騰現象を安定的に生じさせるには、一
定値以上の発熱量と加熱速度が必要とされる。本発明者
らが研究した例では、液体として純水を用い発熱抵抗体
１２のサイズを１５０×５０μｍ2 とし、加熱速度を７
×１０9 watt/m2 、また印加パルス幅を１０μsec とし
た場合、最大成長時で約１５０×５０×５０μｍ3 の気
泡膜が発生した。電圧パルスの印加開始から気泡膜が消
滅するまでに要する時間は約１５μsec であった。また
一定の加熱速度以上では最大気泡体積は加熱速度（すな
わち電圧）によって変化し、高い加熱速度ほど大きな体
積の気泡膜が得られることが観察された。
定値以上の発熱量と加熱速度が必要とされる。本発明者
らが研究した例では、液体として純水を用い発熱抵抗体
１２のサイズを１５０×５０μｍ2 とし、加熱速度を７
×１０9 watt/m2 、また印加パルス幅を１０μsec とし
た場合、最大成長時で約１５０×５０×５０μｍ3 の気
泡膜が発生した。電圧パルスの印加開始から気泡膜が消
滅するまでに要する時間は約１５μsec であった。また
一定の加熱速度以上では最大気泡体積は加熱速度（すな
わち電圧）によって変化し、高い加熱速度ほど大きな体
積の気泡膜が得られることが観察された。
【００１２】ダイアフラムなどの振動体を圧力源とする
従来の方式で、上記の気泡体積と同程度の変位体積を得
るためには必要なエネルギーは膨大なものとなり、かつ
振動体の強度を考慮すれば上記のサイズで５０μｍの変
位を起こさせることは現実には不可能である。大変位を
起こさせるには振動体のサイズを極端に拡大しなければ
ならない。
従来の方式で、上記の気泡体積と同程度の変位体積を得
るためには必要なエネルギーは膨大なものとなり、かつ
振動体の強度を考慮すれば上記のサイズで５０μｍの変
位を起こさせることは現実には不可能である。大変位を
起こさせるには振動体のサイズを極端に拡大しなければ
ならない。
【００１３】このように膜沸騰を応用した本発明の方式
では、従来方式に比べてポンプ機構を非常に小型・軽量
にするとともに、低消費エネルギーで大きな輸送量を得
ることができる。また、発熱体の面積，加熱速度，パル
ス幅，パルス周波数により輸送量を精密に制御すること
ができるなど、流体装置として必要な優れた性能を得る
ことができる。
では、従来方式に比べてポンプ機構を非常に小型・軽量
にするとともに、低消費エネルギーで大きな輸送量を得
ることができる。また、発熱体の面積，加熱速度，パル
ス幅，パルス周波数により輸送量を精密に制御すること
ができるなど、流体装置として必要な優れた性能を得る
ことができる。
【００１４】（実施例２）熱源としてレーザー光を用い
た実施例を図２に示す。本実施例２では発熱体基板２の
裏面より導波されたパルスレーザー光により発熱体１が
パルス加熱される。以後の動作は実施例１と全く同様で
ある。発熱体１としては高い発熱耐久性と高い熱伝導率
を有する窒化アルミニウム薄膜などの材料を用いること
ができる。
た実施例を図２に示す。本実施例２では発熱体基板２の
裏面より導波されたパルスレーザー光により発熱体１が
パルス加熱される。以後の動作は実施例１と全く同様で
ある。発熱体１としては高い発熱耐久性と高い熱伝導率
を有する窒化アルミニウム薄膜などの材料を用いること
ができる。
【００１５】本実施例２ではレーザー光を用いるためパ
ルス制御性が極めて高く、かつ実施例１の場合のような
液体と発熱体との電気化学的相互作用に基づく発熱体の
劣化などの影響をなくすことができ、装置の耐久性が大
きく向上するなどの利点をもたらす。
ルス制御性が極めて高く、かつ実施例１の場合のような
液体と発熱体との電気化学的相互作用に基づく発熱体の
劣化などの影響をなくすことができ、装置の耐久性が大
きく向上するなどの利点をもたらす。
【００１６】
【発明の効果】以上のように本発明では、流体輸送機構
における圧力源として、発熱体のパルス加熱条件下にお
ける液体の膜沸騰現象によって生じる気泡膜の膨張・収
縮の挙動を利用しているため、流体装置を小型・軽量化
することができ、かつ低消費エネルギーで大きな液体輸
送量を得ることができるとともに、輸送量の精密な制御
が可能になるなどの効果をもたらすことができる。
における圧力源として、発熱体のパルス加熱条件下にお
ける液体の膜沸騰現象によって生じる気泡膜の膨張・収
縮の挙動を利用しているため、流体装置を小型・軽量化
することができ、かつ低消費エネルギーで大きな液体輸
送量を得ることができるとともに、輸送量の精密な制御
が可能になるなどの効果をもたらすことができる。
【図１】本発明の第一の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の第二の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明の原理を説明する図である。
１ 発熱体 ２ 発熱体基板 ３ 液体 ４ 伝熱面 ５ 気泡膜 ６ａ，６ｂ 電極 ７ 保護層 ８ 液室 ９ａ，９ｂ 一方向弁 １０ 吸引ノズル １１ 吐出ノズル １２ 発熱抵抗体
Claims (3)
- 【請求項１】 発熱体が表面に形成された発熱体基板
と、該発熱体基板の該発熱体が形成された該表面を含む
ように構成された液室と、該液室に液体を充填するため
に該液室側にのみ開く一方向弁を備えた第一のノズル
と、該液室より液体を吐出するために該液室の外側にの
み開く一方向弁を備えた第二のノズルとからなり、該発
熱体をパルス発熱させることにより該発熱体に接触して
いる該液体を沸騰させ、該沸騰により生じる気泡が膨張
する過程で該第二のノズルより該液体を吐出させ、該気
泡が収縮する過程で該第一のノズルより該液体を該液室
内に充填することにより該液体を一定方向に輸送するこ
とを特徴とする流体装置。 - 【請求項２】 該発熱体が発熱抵抗体であり、該発熱体
をパルス発熱させる手段が該発熱抵抗体にパルス通電し
ジュール熱を発生させる手段であることを特徴とする請
求項１記載の流体装置。 - 【請求項３】 該発熱体を発熱させる手段がレーザー光
の該発熱体へのパルス照射であることを特徴とする請求
項１記載の流体装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4043978A JPH05240155A (ja) | 1992-02-28 | 1992-02-28 | 流体装置 |
| US08/016,712 US6071081A (en) | 1992-02-28 | 1993-02-11 | Heat-powered liquid pump |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4043978A JPH05240155A (ja) | 1992-02-28 | 1992-02-28 | 流体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05240155A true JPH05240155A (ja) | 1993-09-17 |
Family
ID=12678811
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4043978A Pending JPH05240155A (ja) | 1992-02-28 | 1992-02-28 | 流体装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6071081A (ja) |
| JP (1) | JPH05240155A (ja) |
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