回転円柱を用いた多段式粘性圧縮マイクロポンプ開発のための基礎研究

2004 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16560144
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 横田 和彦 名古屋工業大学, 工学研究科, 助教授 (70260635)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 光太郎 工学院大学, 工学部, 助教授 (80252625)
• Keywords: マイクロポンプ / 粘性圧縮式 / 二重円筒間流れ / 潤滑理論 / Sommerfeld解

Research Abstract

本研究は,従来から研究が行われている円柱を用いた粘性圧縮マイクロ(μ)ポンプに,潤滑理論を適用し,かつ多段化することによって,圧力性能の高い新しい粘性μポンプを開発することを目的としている.本年度は,その第一段階として,潤滑理論の効果を検証するために,単段式を対象として理論解析および数値シミュレーションを行うと共に,それらの結果を実験的に確かめるためのμポンプモデル実験装置を設計・製作した.
二重円筒間流れにおいて,周方向の隣接した位置に入口出口を設けて入口出口を隔壁で隔て,内円筒を回転させると,粘性のために入口から出口へ流体が輸送される.この時,内円筒の軸が偏心していなければ,流路隙間は流れ方向に一定であり従来型の粘性ポンプに類似した粘性μポンプと言える.これに対して,内円筒軸が偏心していれば,二重円筒間流れは,回転軸の潤滑流れと見なすことができる.
理論解析では,回転軸の潤滑理論におけるSommerfeld解を適用することができ,入口出口における二重円筒隙間の積の逆数に比例することが示された.また3次元数値シミュレーションでは,偏心率ゼロと0.5の場合についてシミュレーションを実行した結果,偏心率ゼロの場合と比較して偏心率0.5の場合には,ゼロ流量時の無次元圧力が1.5倍程度となるという結果を得た.いずれの結果も,偏心により圧力性能が向上する結果と言え,本研究の着眼点の有効性が示された.これを実験的に確かめるために,センチオーダーのマイクロポンプモデルを設計・製作した.粘度の高いグリセリン水溶液を用いることにより,実機μポンプのReynolds数を実現し,実機μポンプの流量-圧力性能の予測が可能となるものと考えている.