流体素子

流体素子とは

流体素子とは、気体や液体などの流体を利用して、電気回路のスイッチングのような動作を実現する部品です。この素子は、流体の流れを制御することで、機械的な可動部分なしに、特定の動作を実現できる点が特徴です。

流体素子の基本原理

流体素子の動作原理は、流体力学の基礎に基づいています。安定した流れの中に、微量の制御流を加えることで、流れの方向や強さを大きく変化させることができます。例えば、Y字型の溝を持つ流体素子では、Y字の下から流体を流すと、流れは二つに分かれます。しかし、分岐部に小さな穴から微量の流体を直角に加えることで、流れを片方に偏らせることができます。この現象は、微小な流れが分岐部に渦を作り、流れを阻害することによって起こります。

流体素子の特徴

流体素子は、トランジスタのように、微弱な入力で大きな出力を制御できる点が特徴です。複数の流体素子を組み合わせることで、ラッチやNANDゲートのような論理回路を構成することも可能です。これにより、理論的にはコンピュータも実現可能です。また、アナログ計算機としての応用も可能で、過去には経済モデルを模擬する計算機も開発されました。

長所

高信頼性: 機械的な作動部分がないため、故障しにくく、長寿命です。
極限環境への耐性: 放射線や超低温環境下でも安定して動作します。

短所

動力源が必要: 流体を駆動するための動力源が別途必要です。電気回路のように、電池で簡単に動作させることはできません。
エネルギー消費: スタンバイ状態でも流体を流しておく必要があるため、電気回路に比べてエネルギー消費が大きいです。
計算速度の限界: 流体の速度に依存するため、計算速度に限界があります。特に液体を使用する場合は速度がさらに遅くなります。
小型化の限界: 近年、微細加工技術によって小型化が進んでいますが、大規模な集積化には課題が残ります。
変換器が必要: スイッチング素子として使用する場合、電気系への変換器が必要になります。

流体素子の応用例

流体素子は、その特性からさまざまな分野で応用されています。

新幹線融雪スプリンクラー: 早稲田大学と鉄道技術研究所の共同研究により、豪雪地帯を走る上越新幹線の融雪用スプリンクラーに流体素子が使われています。このスプリンクラーは、可動部がなく、凍結による作動不良の心配がありません。
航空宇宙分野: 1960年代のアポロ計画では、宇宙環境に耐える制御回路として検討されました。ロケットエンジンの噴射ガスを利用した姿勢制御などが考えられています。近年ではジェットエンジンの推力偏向ノズルへの応用も研究されています。境界層制御の一環として、推力偏向ノズルの試験では、ジェットエンジンの排気を15度まで偏向させることに成功しました。これにより、重量とコストを削減し、応答性を高め、複雑さを軽減できるとされています。また、ステルス機に適しているとも言われています。
その他: ガスタービンエンジンの燃焼器の燃料噴射機、エアシャワーのノズル、自動車の自動変速機、扇風機など、さまざまな製品に流体素子の技術が応用されています。また、初期のミューロケットの推力偏向にも使用されました。

近年の動向

近年では、MEMS 技術によって流体素子の集積化が可能になり、マイクロマシンや化学反応の制御などへの応用が期待されています。微小流体素子の研究も進んでおり、バイオリアクターでの酵素反応の制御などにも応用されています。

流体素子の歴史

流体素子の歴史は古く、古代には酒船石が流体素子として使用されていたという説もあります。また、1949年には、アルバン・ウィリアム・フィリップスによって、パイプを通る水の流れで経済を模擬するアナログ計算機MONIACが開発されました。

まとめ

流体素子は、機械的な可動部分がないため、信頼性が高く、極限環境でも安定して動作するという特徴を持っています。この特性を活かし、様々な分野での応用が期待されています。

参考文献

尾崎省太郎、原美明「純流体素子入門」、日刊工業新聞社、1967年
Forbes T. Brown (1967年). Advances in Fluidics. The American Society of Mechanical Engineers.
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「制御をつかさどる流体素子」『日立』1968年3月
「流体素子」『電子展望』、誠文堂新光社、1968年7月
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外部リンク

高砂電気工業株式会社 Chip Mart

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