流体素子

流体素子の2状態（U.S. Patent #4,000,757より）

流体素子（りゅうたいそし）とは、水や空気などの流体を利用して、電気回路のスイッチングと同様の作用を行うことを目的とした部品の総称。その原理は、安定して流れている流体の中にわずかな流量の制御流を加えると、流れが大きく変化するという流体力学に基づいた効果を利用したものである。従って、バルブのような機械的な作動部分は存在しない。

例えば、Y字形の溝が彫られた流体素子では、Y字の下から流体を流すと、流れは分岐部分で分割され、Y字形の両腕の部分から出てくる。ここでY字の分岐部分に開けた小さな穴から、流れに直角な方向に微小な流量を流すと、下からの流れの大部分はY字の片腕に流れ、反対の腕には流れなくなる。微小な流量を流すのをやめれば、下からの流れは、元通りY字の両腕に流れる。

これは、微小な流れによって分岐部の片側に渦が発生し、一方の流れを阻害するためである。

原理はまったく異なるが、効果だけを見れば、微弱な電流を流すことで主回路の電流をスイッチングするトランジスタと同等の作用をしたことになる。

このような流体素子を複数個組み合わせる事により、NAND、OR等の論理回路を形成する事も出来る。従って、理論的には、流体素子のみで構成された流体コンピュータも実現可能である。

元々、1960年代のアポロ計画において、放射線が飛び交う過酷な宇宙環境でも影響を受けない制御回路の研究からスタートしたもので、当初はロケットエンジンの噴射ガスを利用して、ミサイルや宇宙船の姿勢制御への応用が考えられていた。

その後、電子機器の信頼性向上や、大規模集積回路（LSI）の登場といった電子技術の急速な進歩によって、流体素子の長所も急速に薄れ、次第に顧みられなくなった。

近年、MEMSにより、集積化が可能となったことから、マイクロマシンへの応用、化学反応の制御といった可能性が期待されている。

流体素子の特長

長所

1. 機械的な作動部分がないため、信頼性が高い。
2. 放射線、超低温といった極限環境でも安定した作動が可能。

短所

1. 流体素子を駆動するための動力源が別に必要なため、電子回路（電池を利用できる）のように軽便に扱うことができない。
2. スタンバイ状態でも流体を流しておかなければならないため、電気に比べてエネルギー消費が大きい。
3. 計算（反応）速度に限界があり、流体に気体を使用する場合では音速程度、液体ではさらにひと桁低くなる。
4. 小型化に限界がある。近年では、微細加工技術の進歩によって小型化の壁は突破されつつあるが、それでも大規模な集積は困難と考えられている。シリコンやガラスの基板上に流路を形成した微小流体素子の研究が進められ、化学反応やバイオリアクターで酵素による反応を厳密に制御する研究が進められつつある。
5. 流体の流れの変化をそのまま使う場合は問題ないが、センサーのようなスイッチング素子として使う場合、電気系への変換器が必要になる。

応用例

日本では豪雪地帯を走る上越新幹線の融雪用スプリンクラーなどに使われた例がある。このスプリンクラーは、一般家庭に見られるような水の反動で自らが回転するタイプではなく、流体素子によって散布されるもので、凍結による作動不良の心配がない。

このほか、ガスタービンエンジンの燃焼器の燃料噴射機や、エアシャワーのノズル等に使用されている。一時、自動車のウインドウウォッシャーにも用いられたが、現在では廃れている。

油圧及び気圧システムでも採用されており、いくつかの自動車の自動変速機に搭載されている。デジタル回路は産業用の制御に使用されている。

航空機のジェットエンジンや船舶の推力偏向ノズルへの研究が進められている。[1][2][3].試験ではジェットエンジンの排気が15度まで偏向された。このノズルは重量とコストを最大50%削減でき、慣性を減らし(素早く強力な応答性)、複雑性(機械的に単純、表面に可動部がない)、レーダー反射断面積が減りステルス機に適している。この成果は多くの無人機や第6世代の戦闘機に適用される見通しである。

その他

• 微小流体素子
• 酒船石 古代の流体素子であるという説がある。

関連

• オイラー方程式 (流体力学)
• トリチェリの定理
• サイフォン
• キャブレター
• 水理学
• ベンチュリ効果
• オリフィス板
• ブンゼンバーナー
• en:Choked flow
• ピトー管
• インジェクタ
• アスピレーター
• ベルヌーイの定理

文献

• 純流体素子入門 尾崎 省太郎, 原 美明 日刊工業新聞社 (1967)
• Advances in Fluidics Forbes T. Brown The American Society of Mechanical Engineers （1967）
• Hydraulic Machines Lal J. Metropolitan Book
• A Guide to Fluidics A. Conway ISBN 9780444196019
• Fluidics Russell, Jesse (Editor), and Cohn, Ronald (Editor) Book on Demand Ltd. （2012） ISBN 9785511413044
• Fluidics: Components and Circuits Foster, Kenneth John Wiley & Sons （1970）ISBN 9780471267706