2022-21557 電気流体力学ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022021557

(43)【公開日】2022-02-03

(54)【発明の名称】電気流体力学ポンプ

(51)【国際特許分類】

   H02K 44/04 20060101AFI20220127BHJP

   F04B 9/00 20060101ALI20220127BHJP

【ＦＩ】

H02K44/04

F04B9/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020125197

(22)【出願日】2020-07-22

(71)【出願人】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(72)【発明者】

【氏名】笹尾 智浩

(72)【発明者】

【氏名】古川 英夫

【テーマコード（参考）】

3H075

【Ｆターム（参考）】

3H075AA18

3H075BB08

3H075BB19

3H075CC34

3H075DB01

(57)【要約】

【課題】差圧が大きい電気流体力学ポンプを提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る電気流体力学ポンプは、絶縁性を有する対象流体に電圧を印加することで前記対象流体に流れを生じさせる電気流体力学ポンプ１であって、下流側に向かって断面積が減少する作用流路１１を有する流路部材１０と、前記作用流路１１の上流側に配設される負極２０と、前記作用流路１１の下流側に配設される正極３０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁性を有する対象流体に電圧を印加することで前記対象流体に流れを生じさせる電気流体力学ポンプであって、
下流側に向かって断面積が減少する作用流路を有する流路部材と、
前記作用流路の上流側に配設される負極と、
前記作用流路の下流側に配設される正極と、
を備える、電気流体力学ポンプ。

【請求項2】

前記負極及び前記正極の少なくとも一方は、メッシュ状である、請求項１に記載の電気流体力学ポンプ。

【請求項3】

前記負極はメッシュ状であり、前記正極はパイプ状又は針状である、請求項１に記載の電気流体力学ポンプ。

【請求項4】

前記正極の長手方向は、前記対象流体の流れ方向と平行である、請求項３に記載の電気流体力学ポンプ。

【請求項5】

前記作用流路に前記対象流体を供給する吸込流路を画定すると共に、前記負極を保持する吸込保持部材と、
前記作用流路から流出する前記対象流体を案内する吐出流路を画定すると共に、前記正極を保持する吐出保持部材と、
をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載の電気流体力学ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気流体力学ポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

絶縁性を有する流体に電圧を印加することで流体に流れが生じる電気流体力学効果が知られている。この電気流体力学効果を利用して、流体を吐出する電気流体力学ポンプが提案されている。電気流体力学ポンプは、インペラのような可動部材を必要としないため、小型化が可能である。

【0003】

具体例として、棒状又はメッシュ状に形成され、直流電圧が印加される１又は複数の電極対（正極及び負極）を有し、流路の上流側に流路を横断するよう負極を配置し、下流側に正極を負極と平行に配置した電気流体力学ポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０－６３３４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の電気流体力学ポンプは、差圧（全揚程）が小さいため、用途が限定される。このため、本発明は、差圧が大きい電気流体力学ポンプを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る電気流体力学ポンプは、絶縁性を有する対象流体に電圧を印加することで前記対象流体に流れを生じさせる電気流体力学ポンプであって、下流側に向かって断面積が減少する作用流路を有する流路部材と、前記作用流路の上流側に配設される負極と、前記作用流路の下流側に配設される正極と、を備える。

【0007】

前記電気流体力学ポンプにおいて、前記負極及び前記正極の少なくとも一方は、メッシュ状であってもよい。

【0008】

前記電気流体力学ポンプにおいて、前記負極はメッシュ状であり、前記正極はパイプ状又は針状であってもよい。

【0009】

前記電気流体力学ポンプにおいて、前記正極の長手方向は、前記対象流体の流れ方向と平行であってもよい。

【0010】

前記電気流体力学ポンプは、前記作用流路に前記対象流体を供給する吸込流路を画定すると共に、前記負極を保持する吸込保持部材と、前記作用流路から流出する前記対象流体を案内する吐出流路を画定すると共に、前記正極を保持する吐出保持部材と、をさらに備えてもよい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、差圧が大きい電気流体力学ポンプを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１実施形態に係る電気流体力学ポンプを示す断面図である。

【図2】本発明の第２実施形態に係る電気流体力学ポンプを示す断面図である。

【図3】本発明の第３実施形態に係る電気流体力学ポンプを示す断面図である。

【図4】本発明の第４実施形態に係る電気流体力学ポンプを示す断面図である。

【図5】本発明に係る電気流体力学ポンプの実施例における印加電圧に対する差圧の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明に係る電気流体力学ポンプの各実施形態について、図面を参照しながら説明をする。なお、以下の説明において、後から説明する実施形態の先に説明した実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。

【0014】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態の電気流体力学ポンプ１の断面図である。電気流体力学ポンプ１は、絶縁性を有する対象流体に電圧を印加することで対象流体に流れを生じさせるポンプである。図１において、電気流体力学ポンプ１の左右の矢印は、対象流体の流れ方向を示す。本実施形態の電気流体力学ポンプ１は、流路部材１０と、負極２０と、正極３０と、吸込保持部材４０と、吐出保持部材５０と、吸込キャップ６０と、吐出キャップ７０と、を備える。

【0015】

流路部材１０は、対象流体が流れる作用流路１１を有する隔壁部１２と、隔壁部１２の外側に設けられ、負極２０、正極３０、吸込保持部材４０及び吐出保持部材５０を収容する筒状のハウジング部１３とを有する。

【0016】

隔壁部１２は、所望の形状の作用流路１１を画定し、対象流体の流路を作用流路１１のみに限定するために、ハウジング部１３の内部を封止して上流側の空間と下流側の空間とを隔離するよう形成することができる。

【0017】

作用流路１１の断面積は、下流側に向かって減少する。これによって、作用流路１１内で対象流体の圧力を増大することができる。本実施形態の電気流体力学ポンプ１において、作用流路１１は円錐状に形成されている。

【0018】

作用流路１１の入口の径の出口の径に対する比の下限としては、例えば５以上２０以下、好ましくは８以上１５以下とすることができる。これによって、対象流体の圧力を十分に増大することができる。

【0019】

作用流路１１の径の流路長さ（入口と出口の距離、ひいては負極２０と正極３０との距離）に対する比としては、例えば１以上１０以下、好ましくは２以上８以下とすることができる。これによって、比較的小さい流路長さで対象流体の圧力を大きくできる。特に、作用流路１１の径の流路長さを小さくすることによって、電気流体力学ポンプ１の差圧をより大きくできる。

【0020】

ハウジング部１３は、隔壁部１２の上流側に吸込保持部材４０を保持するために、例えば吸込保持部材４０が螺合する内ねじ等の吸込取付構造１４を有してもよい。同様に、ハウジング部１３は、隔壁部１２の下流側に吐出保持部材５０を保持するための吐出取付構造１５を有してもよい。

【0021】

また、ハウジング部１３は、対象流体を漏出することなく、内部に配置される負極２０及び正極３０に外部の電池Ｂから電圧を印加するための配線Ｌを接続可能にする配線部１６が設けられている。配線部１６は、例として、配線Ｌを引き出す開口と配線Ｌとの隙間を封止する封止構造、ハウジング部１３に気密に取り付けられ、内側に配線Ｌが接続され、外側に電池Ｂからの給電線を接続する端子構造などとすることができる。

【0022】

負極２０は、例えばメッシュ状、格子状等の対象流体が通過できる開口又は隙間を有する形状を有し、好ましくは対象流体との接触面積が大きいメッシュ状とされる。具体的には、負極２０は、金属金網、好ましくは比較的強度が大きいステンレス金網によって形成することができる。

【0023】

負極２０は、作用流路１１に流入する対象流体と効率よく接触できるよう、作用流路１１の入口を覆うよう配置されることが好ましい。また、負極２０は、正極３０との距離を一定にするよう、対象流体の流れ方向に略垂直に配置されることが好ましい。

【0024】

負極２０の開口率としては、１５％以上８０％以下が好ましく、２０％以上６５％以下がより好ましく、２５％以上５０％以下さらに好ましい。これによって、負極２０による流路抵抗の増大を抑制しつつ負極２０と対象流体との接触面積を確保して、対象流体に差圧を付与することができる。

【0025】

負極２０は、対象流体を流れやすくするために、部分的に大きい開口又は隙間を有してもよい。具体例として、負極２０は、メッシュ状の材料に開口を形成したものであってもよい。

【0026】

正極３０は、負極２０と同様に、メッシュ状に形成され、作用流路１１の出口を覆うよう配置することができる。正極３０は、開口面積が小さい作用流路１１の出口を覆うため、対象流体との接触面積を確保するために、均等なメッシュ状であることが好ましい。

【0027】

吸込保持部材４０は、作用流路１１に対象流体を供給する吸込流路４１を画定すると共に、負極２０を保持する。具体的には、吸込保持部材４０は、中央部を貫通する吸込流路４１と、外周部に設けられ、流路部材１０に固定するための固定構造４２と、先端部に設けられ、負極２０を保持するための保持構造４３と、配線Ｌを配置する配線孔４４と、を有する構成とすることができる。

【0028】

吸込流路４１の流路面積は、作用流路１１の入口の開口面積以上とされる。具体例として、吸込流路４１は、作用流路１１と同軸に形成され、作用流路１１の入口の開口と等しい一定の断面形状を有する。

【0029】

固定構造４２は、例えば流路部材１０のハウジング部１３の内周面に形成される内ねじに螺合する外ねじとすることができる。また、固定構造４２は、流路部材１０の隔壁部１２に形成されるネジ穴に螺合するボルトが挿通されるボルト孔等であってもよい。

【0030】

保持構造４３は、負極２０の形状等に応じて適宜設計することができる。具体例として、保持構造４３は、吸込保持部材４０の先端面に当接させた負極２０の外周部を吸込保持部材４０の外周に沿うよう上流側に折り曲げることができるようにする小径部とすることができる。このような構成では、折り曲げた負極２０の外周部をバンド等で締め付けることによって吸込保持部材４０に負極２０を固定してもよい。また、保持構造４３は、吸込保持部材４０の先端面に負極２０を接着剤によって接着する構成とされてもよく、例えばフランジ、キャップ等で吸込保持部材４０の先端面に負極２０を固定する構成とされてもよい。保持構造４３を省略して、負極２０を隔壁部１２に直接位置決め及び固定できるようにしてもよいが、吸込保持部材４０が保持構造４３を有することで、容易且つ確実に負極２０を作用流路１１の入口に配置することができる。

【0031】

吐出保持部材５０は、吸込保持部材４０と対をなすよう、作用流路１１から流出する対象流体を案内する吐出流路５１を画定すると共に、正極３０を保持する。具体的には、吐出保持部材５０は、吸込保持部材４０と同様に、中央部を貫通して形成する吐出流路５１と、外周部に設けられ、流路部材１０に固定するための固定構造５２と、先端部に設けられ、正極３０を保持するための保持構造５３と、配線Ｌを配置する配線孔５４と、を有する構成とすることができる。

【0032】

吸込キャップ６０は、流路部材１０の上流側の端部を閉鎖し、対象流体を供給する配管（不図示）を接続できるよう構成される。吸込キャップ６０の流路部材１０に固定するための構造は、技術常識に基づいて適宜選択できるが、本実施形態ではフランジ状の構造とされている。また、吸込キャップ６０の配管を接続するための構造は、技術常識に基づいて適宜選択できるが、本実施形態では管用の雌ねじとされている。

【0033】

吐出キャップ７０は、吸込キャップ６０と対をなすように、流路部材１０の下流側の端部を閉鎖し、対象流体を吐出する配管（不図示）を接続できるよう構成される。吐出キャップ７０の構造も、技術常識に基づいて適宜選択できる。

【0034】

以上の構成を有する電気流体力学ポンプ１は、負極２０が対象流体に電荷を付与し、電荷が付与された対象流体を正極３０が静電気力によって吸引して対象流体から電荷を回収する。これにより、対象流体が作用流路１１の中を上流側から下流側に移動する。このとき、作用流路１１の断面積が下流側に向かって減少していることで、差圧を増大することができる。

【0035】

＜第２実施形態＞
図２は、本発明の第２実施形態の電気流体力学ポンプ１Ａの断面図である。本実施形態の電気流体力学ポンプ１Ａは、複数組の流路部材１０、負極２０、正極３０、吸込保持部材４０、及び吐出保持部材５０と、１組の吸込キャップ６０及び吐出キャップ７０と、を備える。

【0036】

図２の電気流体力学ポンプ１Ａは、図１の電気流体力学ポンプ１の吸込キャップ６０及び吐出キャップ７０を除く要部を直列に複数並べて配設したもの、つまり図１の電気流体力学ポンプ１を多段化したものである。この構成によって、本実施形態の電気流体力学ポンプ１Ａは、図１の電気流体力学ポンプ１よりも高い差圧を得ることができる。

【0037】

＜第３実施形態＞
図３は、本発明の第３実施形態の電気流体力学ポンプ１Ｂの断面図である。本実施形態の電気流体力学ポンプ１Ｂは、流路部材１０Ｂと、負極２０と、正極３０と、吸込保持部材４０と、吐出保持部材５０と、吸込キャップ６０と、吐出キャップ７０と、を備える。

【0038】

流路部材１０Ｂは、対象流体が流れる作用流路１１Ｂを有する隔壁部１２Ｂと、隔壁部１２Ｂの外側に設けられ、吸込保持部材４０及び吐出保持部材５０を収容する筒状のハウジング部１３とを有する。

【0039】

作用流路１１Ｂは、対象流体の流れ方向（作用流路１１Ｂの中心軸）に対する外壁の傾斜角度が下流に向かって減少するベルマウス状に形成されている。これによって、作用流路１１Ｂにおける対象流体の流路抵抗が小さくなるので、対象流体の流量を大きくした場合の差圧の落ち込みを抑制することができる。

【0040】

＜第４実施形態＞
図４は、本発明の第４実施形態の電気流体力学ポンプ１Ｃの断面図である。本実施形態の電気流体力学ポンプ１Ｃは、流路部材１０Ｃと、負極２０と、正極３０Ｃと、吸込保持部材４０と、吐出保持部材５０Ｃと、吸込キャップ６０と、吐出キャップ７０と、を備える。

【0041】

流路部材１０Ｃは、対象流体が流れる作用流路１１と、作用流路１１の下流側に連続する吐出流路１７と、吐出保持部材５０Ｃを保持する吐出取付構造１５Ｃと、を有する隔壁部１２Ｃと、隔壁部１２Ｃの外側に設けられる筒状のハウジング部１３Ｃとを有する。

【0042】

正極３０Ｃは、針状に形成され、吐出流路１７の中心軸上に長手方向が対象流体の流れ方向と平行に延びるよう保持される。対象流体は、吐出流路１７の外壁と正極３０Ｃの外周面との間の空間を流れる。これによって、正極３０Ｃの対象流体との接触面積を大きくできるので、より確実に負極２０で付与された電荷を回収することができる。これにより、電荷を回収できずに正極３０を通過した対象流体に上流側に引き戻す力が作用することを防止できるので、電気流体力学ポンプ１Ｃが生じさせる差圧を大きくすることができる。なお、正極３０Ｃは、対象流体との接触面積を増大するために、中空のパイプ状に形成されてその内部にも対象流体の流路を形成してもよい。

【0043】

吐出保持部材５０Ｃは、正極３０Ｃを保持する保持部５５と、ハウジング部１３Ｃの吐出取付構造１５Ｃに係合する取付部５６と、保持部５５と取付部５６を接続するよう放射状に延びる接続部５７と、を有することができる。

【0044】

以上、本発明の電気流体力学ポンプの好ましい各実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

【0045】

例として、本発明の電気流体力学ポンプにおいて、流路部材以外の構成要素が他の部材を収容するハウジングを有してもよく、他の部材を収容するハウジングを有さず、流路部材、吐出保持部材、及び排出保持部材が互いに気密に接続されてもよい。

【0046】

また、本発明の電気流体力学ポンプでは、吸込流路も流路部材によって画定されてもよい。この場合、吸込流路の中に負極が保持される。

【0047】

また、本発明の電気流体力学ポンプについて、作用流路は、外壁の流れ方向に対する傾斜角度が下流側に向かって増大する形状であってもよく、外壁の流れ方向に対する傾斜角度が中央部から上流側及び下流側の両側に向かってそれぞれ減少する形状であってもよい。

【0048】

また、本発明の電気流体力学ポンプでは、負極が作用流路の上流側に、正極が作用流路の下流側に配置されるが、これは負極と正極との位置関係を意図するものであって、負極が作用流路よりも上流側、正極が作用流路よりも下流側に配置されることを要求するものではない。従って、本発明の電気流体力学ポンプにおける負極及び正極は、流路部材が画定する作用流路の途中に配置されてもよい。

【実施例0049】

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0050】

上述の実施形態に準じ、作用流路、負極及び正極の形状が異なる電気流体力学ポンプの試作例１～３を作成し、３Ｍ社の「ノベック」を対象流体として、１０ｋＶの電圧を印加することにより生じる差圧を測定した。

【0051】

試作例１の電気流体力学ポンプは、作用流路を断面積が一定の円筒状とし、負極及び正極としてステンレス鋼製金網を使用した。作用流路の口径は２０ｍｍ、作用流路の長さは５ｍｍとした。負極及び正極のメッシュサイズは、＃２００（素線径０．０５ｍｍ、開口率３６．８％）とした。

【0052】

試作例２の電気流体力学ポンプは、作用流路を下流側ほど断面積が小さい円錐台状とし、負極及び正極としてステンレス鋼製金網を使用した。作用流路の入口の口径は２５ｍｍ、作用流路の出口の口径は２ｍｍ、作用流路の長さは５ｍｍとした。負極及び正極のメッシュサイズは、＃６３５（素線径０．０２ｍｍ、開口率２５％）とした。

【0053】

試作例３の電気流体力学ポンプは、作用流路を下流側ほど断面積が小さい円錐台状とし、負極及び正極としてステンレス鋼製金網を使用し、負極には開口を形成した。作用流路の入口の口径は２５ｍｍ、作用流路の出口の口径は２ｍｍ、作用流路の長さは５ｍｍとした。負極及び正極のメッシュサイズは、＃２５０（素線径０．０３ｍｍ、開口率４９．７％）とした。負極の開口の径は５ｍｍとした。

【0054】

差圧の測定方法としては、透明な水槽から対象流体を電気流体力学ポンプに供給し、電気流体力学ポンプの吐出配管として透明なチューブを使用し、水槽の液面の高さと吐出配管の液面との高さの差を測定することで、電気流体力学ポンプが発生する差圧を算出した。つまり、今回の試験では、流量がゼロであるときの電気流体力学ポンプの差圧を測定した。

【0055】

この結果、試作例１の電気流体力学ポンプの差圧は３９１ＭＰａ、試作例２の電気流体力学ポンプの差圧は１６１５ＭＰａ、試作例３の電気流体力学ポンプの差圧は１７８０ＭＰａであった。

【0056】

これらの結果から、作用流路を下流側ほど断面積が小さい円錐台状にすることで、電気流体力学ポンプの差圧を大きく向上できることが確認できた。

【0057】

また、図５に、試作例３の電気流体力学ポンプの差圧の印加電圧に対する関係を示す。図示するように、印加電圧を高くするほどの差圧が直線的に大きくなるため、この電気流体力学ポンプは対象流体の流れを制御する場合に好適であることが分かる。

【符号の説明】

【0058】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 電気流体力学ポンプ
１０，１０Ｂ，１０Ｃ 流路部材
１１，１１Ｂ 作用流路
１２，１２Ｂ，１２Ｃ 隔壁部
１３，１３Ｃ ハウジング部
１４ 吸込取付構造
１５，１５Ｃ 吐出取付構造
１６ 配線部
１７ 吐出流路
２０ 負極
３０ 正極
４０ 吸込保持部材
４１ 吸込流路
４２ 固定構造
４３ 保持構造
４４ 配線孔
５０，５０Ｃ 吐出保持部材
５１ 吐出流路
５２ 固定構造
５３ 保持構造
５４ 配線孔
５５ 保持部
５６ 取付部
５７ 接続部
６０ 吸込キャップ
７０ 吐出キャップ
Ｂ 電池
Ｌ 配線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】