JP4779126B2 - バルブレスマイクロポンプ - Google Patents
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Description
3 ディフーザ流れの入口(=ノズル流れの出口)
4 ディフューザ流れの出口(=ノズル流れの入口)
5 狭い流路
6 広い流路
7 圧電素子
8 体積変動室
9 連絡流路
10 流体
12 ディフューザ形状流路
13 流路形成板
14,15 流路管
20 マイクロポンプ
a ディフューザ開き角度
性能試験装置に使用したマイクロポンプ20は,予備実験に用いたものと同じ構成である。マイクロポンプ20には,ディフューザ入口管14とディフューザ出口管15が接続されている。マイクロポンプ20の性能試験に当たってはストップウォッチ21を用いて行った。ディフューザ入口管14の所定の間隔Lにおいて,CCD(チャージ・カップルド・ディバイス)カメラ19が設置され,CCDカメラ19で得た情報はカメラ増幅器18で増幅されてVCR(ビデオ・カセット・レコーダ)17に入力される。VCR17の情報はモニタ16で表示される。性能試験装置で得られた各値は以下のように計測した。揚程Hは,上側のガラス製の流路管14と下側のガラス製の流路管15との間の距離hの垂直方向の上下間距離とし,性能試験装置の傾き角度θを変えることで流路管14と流路管15との高さ即ち揚程Hを調節した。この時,性能試験装置の傾き角度をθ,上下の流路管14,15の距離をhとした時,揚程はH=h・sinθとなる。流量Qは,流出側のガラス管にマーキングされた100mm区間を液界面が走り抜ける様子をストップウォッチ21と一緒にCCDカメラ19で記録し,その時間tと区間の距離L,ガラス管断面積Aから流量Qを求めた。つまり,流量は,Q=L・A/tとなる。周波数fはファンクションジェネレータで設定した周波数を用いた。
ディフューザ入口管14とディフューザ出口管15とが成す傾き角度θを変化させて流量Qと揚程Hの関係を計測した。与えた条件は,周波数を60Hz,電圧を250V,用いた流体は水である。ディフューザ開き角度aは10°,30°,50°,70°,90°のそれぞれについて行った。性能試験装置の角度θを変化させることによって揚程を0mmから2mm刻みで上げてそのときの流量Qを計測した。計測結果を図8に示す。図8に示すように,流量Qと揚程Hはほぼ直線の関係にあることが分かった。即ち,ディフューザ開き角度aは10°〜90°の範囲で所望の流れが発生することが分かった。特に,ディフューザ形成流路12のディフューザ開き角度aは,50°の場合(四角印しで示す)が流量Qが最も効率良く流体送りを達成できることが確認できた。また,傾きの角度θが大きくなるに従って,流量Qが小さくなることが確認できた。従って,このバルブレスマイクロポンプは,ディフューザ開き角度aが50°近傍で揚程Hが低い方が流量Qが大きくなることが確認できた。また,図9には,ディフューザ開き角度aと最大流量Qとの関係が示されている。ディフューザ開き角度aが50°〜70℃の領域で流量Qが2ml/min以上となって最高値を示した。従って,図8の流量‐揚程特性曲線と図9のディフューザ開き角度−最大流量の関係線図から考慮すると,このバルブレスマイクロポンプについては,ディフューザ形状流路12は,ディフューザ開き角度aが50°に形成されている場合が最も効率良く流体送りができることが確認できた。
マイクロポンプ20の周波数特性を調べるために,周波数を変化させたときの流量Qを計測した。マイクロポンプ20に与えた条件は,ディフューザの開き角度aを50°,電圧を250V,揚程Hを0mm,用いた流体は水である。なお,このときの揚程0mmは静止状態から毛細管現象で界面が上昇した高さを差し引いて0(mm)となるようにした。ファンクションジェネレータで周波数を2Hz刻みで変化させ,流量Qを計測した。計測結果を図10に示す。図10に示すように,40Hzから60Hzあたりに流量Qの1つの大きな極大値を持つ分布となった。また,20Hz付近にも流量Qの小さな極値が確認できた。このことから,マイクロポンプ20では,流量Qを増加させるため周波数を40Hz〜60Hzに設定することが好ましいことが分かった。
図11に示すように,体積変動室8は,流路10に連通する連絡流路9を流路2におけるディフューザ形状流路12に可及的に近接した位置に形成することが好ましいことが分かった。即ち,連絡流路9をディフューザ形状流路12の端部11に接して設けることによって,流量Qが最高値,9ml/minを示した。また,連絡流路9を,ディフューザ形状流路12の途中や広い流路6に位置させて流路2と体積変動室8を連絡した場合には流量Qは最低であり,体積変動室8を設けた効果は無かった。従って,連絡流路9は,狭い流路5と広い流路6との境界の狭い流路5側に設けることが有効であり,重要であることが分かる。また,体積変動室8は,ディフューザ形状流路12に近接した狭い流路5に連通させることが好ましいことが確認できた。
Claims (8)
- 流体流れの流路にディフューザ形状流路を形成し,前記流路をディフューザ流れの入口側を狭い流路に且つディフューザ流れの出口側を広い流路に形成し,前記狭い流路に連通する体積変動室を配設し,前記体積変動室に振動付勢手段を設け,前記振動付勢手段を付勢して発生した振動によって,前記体積変動室内の流体に圧力変動を発生させ,前記流体の前記圧力変動を前記流体の振動流に変換し,前記流路における前記流体の前記振動流によって前記流路に前記流体の一方向流れを発生させることを特徴とするバルブレスマイクロポンプ。
- 前記振動付勢手段は,圧電素子であることを特徴とする請求項1に記載のバルブレスマイクロポンプ。
- 前記狭い流路には前記ディフューザ流れの前記入口側として機能し且つノズル流れの出口側として機能する流路管が接続され,また,前記広い流路には前記ディフューザ流れの前記出口側として機能し且つ前記ノズル流れの入口側として機能する流路管が接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のバルブレスマイクロポンプ。
- 前記振動付勢手段を付勢して前記流体に前記振動流を与えると,前記流体は,前記ディフューザ流れよりも流路抵抗が低い前記ノズル流れで流れ,前記広い流路から前記狭い流路へと搬送されることを特徴とする請求項3に記載のバルブレスマイクロポンプ。
- 前記圧電素子は,前記体積変動室に直接配設されていることを特徴とする請求項2に記載のバルブレスマイクロポンプ。
- 前記体積変動室は,前記流路における前記ディフューザ形状流路に近接した位置で連絡流路によって連通するように配設されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のバルブレスマイクロポンプ。
- 前記ディフューザ形状流路のディフューザ開き角度は,10°〜90°の範囲であることを特徴とする請求項6に記載のバルブレスマイクロポンプ。
- 前記ディフューザ形状流路の前記ディフューザ開き角度は,50°前後であることを特徴とする請求項7に記載のバルブレスマイクロポンプ。
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