JP2000249115A

JP2000249115A - 放射状流れ発生器とそれを用いた自生旋回流生成装置と生成および持続制御方法、並びに自生旋回流効果の検証方法

Info

Publication number: JP2000249115A
Application number: JP5544799A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Marui; 丸井智敬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-09-12

Abstract

(57)【要約】公知の自生旋回流動生成装置の欠点であった流れの上流
側で発生する乱れ要因を、流体力学的に滑らかな形状と
するという設計概念を持ち込むことで要因排除した。ま
た球体と縮小流管（レデューサ）との接合面で環状コア
ンダ装置と組み合わせる構成を提案した。さらに流れの
旋回成分を必要に応じて付与する制御を行い、流動の安
定性、持続性を向上させた。またこの流れの効果の検証
も方法論を提示した。【課題】特に起動時など非定常時の流れの乱れの改善。
乱れの少ない流れの安定と持続。効果の検証方法。【解決手段】流体力学的設計手法、航空力学的設計手
法。およびリブレットやボルテックス・ジェネレータな
ど経験的に得られている表面流れ制御装置の利用。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】気体流、液体流ならびに、固
気、固液、気液、固気液の混相流は、工業プロセスに密
接に関連している。その流動現象に関する重要な工学指
標は、「乱流度」もしくは「流れの乱れ強さ」である。
本発明はこの「流れの乱れ強さ」を低減させることで、
工業プロセスの処理量とプロセス品質を向上させる乱流
抑制技術に関するものである。

【０００２】特に、円筒管内に螺旋（Ｓｐｉｒａｌ）状
の流れを強制することなく生成（自生）する「円筒管内
自生旋回流動」を利用する技術である。

【０００３】

【従来の技術】円筒管内自生旋回流動は、発明者が東京
大学工学部航空学科（当時）の相原康彦教授（現運輸省
航空機事故調査委員長）に審査委員になっていただき取
得した論文博士号の論文テーマでもある。論文名称は、
「円筒管内自生旋回流動の研究」平成２年１０月５日
（東京大学大学院工学系研究科博士学位記第９８８２
号）である。（図３７参照：説明略）

【０００４】これは簡単には、風呂の栓を抜いたとき
や、一升ビンをさかさにしたときのごとく、流体を小さ
な排出孔へ流動させる時に自然発生する「渦巻」の研究
である。（図３１）

【０００５】風呂の栓抜き渦については、フランスの流
体力学者、シャピロ（Ａ．Ｈ．Ｓｈａｐｉｒｏ）が雑誌
ネイチャーに書いた「ＢａｔｈＴｕｂＶｏｒｔｅｘ
（Ｎａｔｕｒｅ，Ｄｅｃ．１５，ｖｏｌ．１９６，ｐ．
１０８０、１９６２）」で解説している。

【０００６】気体の場合の高エネルギー自生旋回流動は
「竜巻」「トルネード」、および「台風」「サイクロ
ン」などである。しかしながら、工業的にこういった高
エネルギー自生旋回を生成せしめるのは困難であるし、
生成したとしてもエネルギー的にペイするものではな
い。

【０００７】それでは自生旋回流動現象の工業的価値は
何か、というと「流れの乱れ強さ」の低下をうまく利用
することにある。自生旋回流動は「乱流」「層流」とい
ったフローパターンとは別次元の流体の「安定的な」流
動パターンである。したがって、この流動の未発生時か
ら生成後を見ると、流れの乱れ強さの劇的な減少が観測
される。

【０００８】発明者が洞察するに、こういった自生旋回
流動現象の発生後には「流れの乱れ」に関与する「乱流
エネルギー」が、別のエネルギー形態に変化していると
思われる。

【０００９】仮説であるが、発生前には「流れの乱れ」
に費やされていたエネルギーが、旋回方向流れの速度エ
ネルギーになり、結果的に旋回流が発生し流れの乱れが
減少する。

【００１０】風呂の栓抜きや一升ビンでも渦巻ができた
とたんに流がスムーズになって一気に流れ出る、と観察
されるだろう。

【００１１】この現象はすでに工学的に利用されてい
る。発明者は、かつて堀井清之氏と共同研究を実施し
た。その成果は、特開昭６０−５６７２３「管路に安定
な螺旋気流を生成させる装置」ないしは、登録特許１７
１４７４０「管路に螺旋気流を生成させ且つ制御する装
置」、あるいは登録特許１８５９７４９「気流搬送装
置」に公開されている。（図３８、図３９、図４０参
照：説明略）

【００１２】これらの成果にともなう知的財産権は、そ
の貢献度に応じて出願人を割りつけていた。昭和５９年
から２，３年の間は、堀井氏より基本特許を購入した川
崎製鉄が主たる知的財産の権利者となっている。

【００１３】その判断に堀井氏は川鉄サイドに不満をも
ったようだ。そのため、その後両者は分かれ、それぞれ
独自に研究するようになった。堀井氏はこの現象を「螺
旋流（スパイラルフロー）」と命名し、その生成装置と
してコアンダ現象を利用した「コアンダ・スパイラル生
成装置」：特公平６−６０６４０」を発明されている。

【００１４】「螺旋流（スパイラルフロー）」と「自生
旋回流動」とは同じ現象を異なった２人の技術開発者
（発明者）が別々にネーミングをしたものである。堀井
氏は現象を特殊な反応場「スパイラル場」の形成として
捉えている。

【００１５】これに対し、発明者は流体工学的見地か
ら、前述した乱流エネルギーの転移というエネルギー現
象であって、エネルギー低下方向に自然転移する意味合
いを込め「自生」旋回流動と命名した。どちらが妥当で
あるかはわからない。

【００１６】さて、かようないきさつから従来技術とし
ては、堀井氏の特公平６−６０６４０「管路に螺旋流体
流を生成させる装置」およびその応用特許が１００件ち
かく提案されている。また、発明者らの登録特許２８０
２８２０「旋回流動を自生させ乱流を抑制する方法及び
その装置」、同２７０９１８２「気相成長装置及び気相
成長方法」、同２７９４３２７「流体噴出ノズル」もあ
る。

【００１７】これらすべて、発明者の言う自生旋回流動
をうまく工業的に生成する装置と方法、そして応用の具
体的手段などを提案しているものである。本案は、これ
らをふまえ新規性と進歩性を主張する。

【００１８】さて公知技術を把握するのに便利なので、
まずフランス人コアンダ（Ｃｏａｎｄａ）のコアンダ効
果の工業的利用に注目する。特に管路での「環状のコア
ンダ効果」の工業的応用技術の流れを図３２に示す。

【００１９】この図で、技術ルーツはコアンダリング１
００である。そこから派生して、コアンダスパイラル生
成装置１０１（特公平６−６０６４０：堀井）、内面コ
アンダフレア１０２（独ＤＴ２５２７７１０：ＢＰ
社）、外面コアンダフレア１０３（独ＤＴ２５２７７１
０：ＢＰ社）などが発明された。

【００２０】本発明者が過去に発明した自生旋回流動生
成装置１０４は、さらに過去にあった３種の発明の上に
立脚したものである。すなわち、旋回流の生成の条件は
コアンダスパイラル生成装置から、生成流れの新しい構
成を外面内面コアンダフレアから得た。

【００２１】つまり、外面コアンダフレアの流れである
外にひろがる放射状の流れを、内面コアンダフレアのよ
うに装置内部にもってきたということである。もっとも
これは結果論であり、発想の原点はインスピレーション
である。

【００２２】さて本発明は、この自生旋回流動生成装置
特許：登録特許２８０２８２０、同２７０９１８２、同
２７９４３２７の欠点を補完し、より実用的な自生旋回
流の生成装置と生成制御方法、持続制御方法、さらに効
果の検証方法を提供する。

【発明が解決しようとする課題】

【００２３】自生旋回流動の工業的価値は、前記のよう
に流れの乱れを減らすことである。前記の公知技術はど
れも重大な見逃しをしている。それは、流れの上流側に
おける流れの乱れに関するケアである。つまり公知技術
は、流体流入部分にて流れの乱れ抑制がほとんどなされ
ていない。

【００２４】ここで、堀井氏の特許図面で環状コアンダ
の断面図を図３３、図３４、図３５に示す。ここで強調
したいのは、コアンダ効果で流体の大部分は滑らかなコ
アンダ曲面に沿って流動するものの、ごく少量の流体は
その対抗面である段差（ステップ）近傍を通過する、と
いう事実である。

【００２５】図１に段差（ステップ）後面の流れの乱れ
を示す。ここで、流れの主流の方向３０に該平行な線
（ｍａｉｎｆｌｏｗｌｉｎｅ）１に対して、固体表
面の延長線２を定義し、１と２のなす角αを考える。

【００２６】図１の段差（ステップ）では、αは該９０
°であり、この角度あたりがもっとも流れの乱れが現れ
やすいとされる。流れの段差後空間の乱れである。こう
いった後面乱れが発生しやすいゾーンを「Ｚ」であらわ
すことにする。

【００２７】環状コアンダ図３３、図３４でも同様に
「Ｚ」が存在する。特にコアンダ効果は、流れがある程
度高速でないと発現しないものであるゆえ、装置起動後
しばらくはこの乱れが著しい。堀井氏のコアンダスパイ
ラル生成装置の特許図面、図３６、および発明者の過去
の特許図面、図３９、図４０にて「Ｚ」ゾーンを指摘し
ておく。

【００２８】流れ乱れの解消策は、αをクリティカル角
度９０°から離隔する形状にすることである。装置サイ
ズを小さくコンパクトにするという実用条件から角度は
小さくした方がよい。これを図２に示す。図２のように
αを鋭角にする、という表現でこの対策法は一般化され
る。具体的に、環状コアンダ装置では図３５のような設
計をおこなえば、乱れの発生は低減される。

【００２９】発明者の過去の特許でも、図３のような構
成が提案されていた。本案は、上記のαの鋭角化という
方法論に立脚して、自生旋回流生成装置の効果である乱
流抑制を「根元からの乱流要素の低減」という基本的見
直しによって発明された。特に流体現象は「上流」の影
響が長々と「下流」におよぼされるという常識から、自
生旋回流生成装置の上流部分の乱流抑制対策は必須であ
るのだが、従来はこれをあまり考慮していなかったので
ある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】前記の角度αの鋭角化と
いう方法論のほか、逆転の発想的な方法論がある。それ
は「乱れ」で「乱れ」を解消しようというもので流体力
学、航空力学でも経験的に知られてはいるが、理屈はま
だ明確になっていない方法論である。

【００３１】図４１は、航空機の翼や胴体に設置される
「表面流の制御装置」の一種「ボルテックス・ジェネレ
ータ」である。常識的には、航空機の機体表面にこのよ
うな邪魔物をつけたら抵抗になる、と思うが、これが非
定常状態では抵抗低減に役に立つ。

【００３２】さらに、よく知られた例は「ゴルフボール
のディンプル」である。凸凹がある方が抵抗が少なく、
ボール近傍の流れの乱れが緩和されているのだ。これと
類似の表面制御装置として、リブレット、トリッピング
ワイヤーがある。

【００３３】図４２にトリッピングワイヤー、図４３に
リブレットについての特許の例を示す。共にミリメート
ル以下のサイズの線状の表面障害物が流れの乱れの原因
である「縦渦」の発生を抑制するらしい、といわれてい
るが、まだ理論は確立されていない。しかし、女性用競
泳水着、スキースケート競技用スーツ、アメリカスカッ
プのヨットのキールなど、実用利用されている。

【００３４】本案は、「α鋭角化」「表面流制御装置」
の２つを過去の公知特許に適用することで、おおきな乱
流低減効果を得る改善を行う。さらに、これらの改善を
反映させた装置設計を行い実用的な設計構成を提供す
る。またさらに制御方法と効果検証方法を提供する。

【００３５】（請求項１）本発明は、円柱３２とそれに
接合された流れガイド３１によって、円柱側面に沿った
流体流を、該９０度転向させることを特徴とする放射状
流れ発生器である。特に（請求項３）流れガイドの形状
を軸対称のラッパ状としてαを鋭角化している。これ
は、発明者の過去の特許図、図４に対して図５のように
改善し流れの乱れ低減を実現したものである。

【００３６】図６のように３１を外部に出す方が、図７
のような３１を管の「そとつら」あわせで設計するより
もαは小さく出来るので好ましい。ここで、α１は図で
いう上部面でのα、α２は下部面でのαである。

【００３７】３次元の複雑形状装置では、αはもっと多
様化するが、工業用装置では対称部分が多いので、この
２つの角度を指標に鋭角化を心がければまず問題はな
い。製造コストを下げるには図８のような直線部分の多
い部材で組む上げた方が望ましく、これでも図３の構成
（α：クリティカル＝９０°）よりも乱れレベルの改善
効果はある。図９のような張り出しラッパ形状なら十分
な効果が得られる。

【００３８】ここで例示した設計方法論をクレーム的に
表現すると、（請求項６）流れの方向と流れの後面とな
る発生器の面とがなす角度αを鋭角となるように形状デ
ザインする、となる。またデザイン上「滑らか」という
より、流動させる流体抵抗が小さいという表現で「流体
力学的滑らか」という技術用語がある。

【００３９】この用語で（請求項７）表面を流体力学的
に滑らかになるように形状と材料をデザインする、とい
うことである。材料選定では、概してガラス材料がつな
ぎ目が無く、表面凹凸も少ないことから好適である（請
求項８）

【００４０】さらに、複数の流体の混合、反応などのプ
ロセスに対応する装置を図１０、図１１に示す。これ
は、（請求項２）円柱とそれに接合された流れガイド３
１によって、円柱側面に沿った流れを、該９０度転向さ
せる流れガイド面から外側に、各々隙間をあけて配備さ
れた複数の流れガイド３３を有する構成である。３３
は、流体セパレータでかつ流れの乱れの少ないラッパ型
形状である。

【００４１】さてアプリケーションによっては、自生旋
回流の中心部に流体あるいは固体材料（主に粉体）を供
給する必要がある。これに対応するためには、（請求項
４）円柱３１、ガイド３２の内部に流体あるいは材料の
供給円筒管３４を設ければよい。良好な自生旋回流れが
形成されると軸心部分は低圧化するので、３４の出口は
低圧で材料供給はきわめて容易である。

【００４２】ここで、３４の出口のαがクリティカル
（９０°）であるので、それを改善する。（請求項５）
流体あるいは材料供給円筒管の供給出口を逆ラッパ状の
流れ後面安定化形状として接合しておけばよい。

【００４３】さて、（請求項９）装置表面に表面流の制
御装置を取り付けた構成について説明する。これらは経
験的に抵抗が減る、流れが安定化するという制御装置で
あり効果の理由や使用法は理論化されていない。図２
２、図２３、図２４図のように、（請求項１０）ボルテ
ックス・ジェネレータ、ないしはリブレット、ないしは
トリッピングワイヤを表面に取り付ける。また、（請求
項１１）ひとつ以上のガイド面流れ方向谷型の溝、ガイ
ド面流れ方向山型の突起、ガイド面の球状突起、ガイド
面の球状孔のいずれか、あるいはこれらの組み合わせで
抵抗低減、流れの安定化をはかる。（図４５、図４６参
照）

【００４４】ここで、流体の導入について説明する。自
生旋回流は過度に旋回方向の流れベクトルを与えると消
失してしまう。有名な関係知見は、渦崩壊現象である。
（ＶｏｒｔｅｘＢｒｅａｋＤｏｗｎ現象）とはい
え、旋回成分が全くない「純」一方向ベクトル流である
とかえって不安定状態が持続する。

【００４５】そこで折衷的なコントロールを行う。基本
的には、純一方向流れに近く、恣意的に旋回させない導
入を行う。すなわち（請求項１１）下流の流れの旋回方
向成分を減少さすため、軸対称の管軸に向けて流体を導
入する流体導入装置を上流に設けておく。

【００４６】これに対して、旋回のきっかけを与えるた
め、（請求項１２）下流に流れの旋回方向成分を付与す
るため、軸対称円断面の接線方向に流体を導入する流体
導入装置も上流に設けておく。

【００４７】具体的には、図１２の３５が後者、３６が
前者である。これらは独立に流体導入の圧力、量をコン
トロールできる。よって、（請求項３０）上流での流体
導入において、下流側の自生旋回が生成不完全であると
き、あるいは下流側に乱流抑制効果が見られないとき
に、一時的に旋回方向の流れ成分を与える流体導入を行
う。旋回のきっかけがないと不安定だから短時間それを
与えてやる。

【００４８】このコントロールについて、図２９にフロ
ーチャート、図４７にプロセスセンサーと旋回方向成分
付与流体導入弁に関する制御ブロックを示す。プロセス
ごとに適切なセンサーを選択し、制御方式を個別に決定
すればよい。

【００４９】（請求項３１）自生旋回の生成不完全を流
速センサー、（請求項３２）乱流抑制効果を流速センサ
ーによる乱流強さ測定で直接的におこなってもよい。あ
るいは、下流側の乱流抑制効果による物理量変化を測定
して間接的におこなってもよい。

【００５０】（請求項３３）結晶成長プロセスでは、結
晶基板の膜厚測定量、これもさらに間接的に（請求項３
４）反射や透過に関する光学的物理量であってもよい。
また、切削プロセス（請求項３５）であれば、切削ジェ
ット流の物理的サイズ、あるいは切削幅に関する物理量
であればよい。燃焼プロセス（請求項３６）であれば、
流体燃料の燃焼装置の燃焼に関する物理量であればよ
い。

【００５１】

【発明の実施の形態】図１５に生成装置の上流部分の構
成例を示す。（請求項１３）これは、円柱と同軸の円筒
管に設置された逆方向の円筒管内環状流れの形成部、お
よびかかる環状流れを軸芯方向へ該９０度方向転向し、
さらに円柱側壁に沿った流れに該９０度方向転向させる
方向転換器をもつ構成である。

【００５２】（請求項１４）環状流れの形成部はコアン
ダリングであればよく、図１５はその例である。また、
（請求項１５）方向転換器の形状は、図のようにドーナ
ツ雌型のトーラス状である。

【実施例】

【００５３】（請求項１６）さて、いままで述べた上流
の放射状流れ発生器を組み込んだ自生旋回流生成装置の
構成を例示する。図１６が、球体とレデューサによる自
生旋回流動生成装置である。これは、（請求項２１）縮
小角θの縮小管の内壁と、断面円周角が２θ＋１８０°
の中空の部分球体の内壁とを接線接合した形態の自生旋
回流生成装置である。

【００５４】ここで、流れの乱れの原因となるのは、接
線接合部である。そこで、（請求項２２）縮小管と中空
部分球体との接線接合部に狭間隙を設け、その間隙に軸
心方向に向かう環状流れの形成装置を配備しその問題を
解消する。これを図１７に示す。ここで環状流れの形成
装置はコアンダリングでもよい（請求項２３）。

【００５５】図１８は別の実施例であり（請求項２４）
縮小管と中空部分球体の接線接合部が一体成形されてい
て、かかる球体の他の部分に一つ以上の環状狭間隙を設
け、その間隙に軸心方向に向かう環状流れの形成装置を
設けたものであり、ここでも、（請求項２５）環状流れ
の形成装置がコアンダリングでもよい。

【００５６】図１９も別の実施例であり（請求項２６）
縮小管が管拡大方向に延長されていて、その内面と中空
部分球体の内面とが該平行の狭間隙を保って固定されて
いて、その間隙に軸心方向に向かう環状流れの形成装置
をもうけたものである。

【００５７】これら実施例共通に、（請求項２７）軸心
方向に向かう環状流れを形成するため、供給流体圧力の
緩衝室（圧力バッファー）を設けておけば圧力変動によ
る流れの乱れは抑えられる。

【００５８】繰り返しにあるが、図１７は球体とレデュ
ーサの接合部をコアンダリングとして流れの乱れを防い
でいる生成装置、図１８は底部（上流）にコアンダリン
グを有する自生旋回流動生成装置、図１９は球体とレデ
ューサの接合部に該平行で環状の隙間を設けた自生旋回
流動生成装置である。

【００５９】さて、高度に乱流抑制された流れを作るに
は、本案装置を繰り返し通過させるのがよい。これは、
図２０に示す自生旋回流動生成装置のタンデム（直列）
接続で実現される。すなわち、（請求項２８）一つの自
生旋回流生成装置により生成された自生旋回流が、他の
自生旋回流生成装置内へ、放射状流れ発生器の円柱内部
の円筒管を通じて供給されているタンデム接続である。

【００６０】また、自生旋回流は、直管（ストレート
管）では不安定である。縮小管（レデューサ）あるいは
拡大管（デフューザ）で安定化、強化される。そこで
（請求項２９）ひとつ以上の管径縮小管と管径拡大管を
有する管路に接続されていれば、長距離にわたって自生
旋回流が維持される。

【００６１】最後に自生旋回流効果の検証方法を説明す
る。（請求項３７）自生旋回流を作る種々の条件を保持
したまま、通常流れを作ることができればよい。そこ
で、円柱内部の供給円筒管を利用する。すなわち、円柱
内部の供給円筒管のみから流体供給することで自生旋回
でない流れを生成し、その観測結果を自生旋回流れと比
較すればよい。

【００６２】図３０に、上記の非自生旋回流動による比
較データ取得方法の流れ図を示す。

【００６３】

【発明の効果】公知の自生旋回流動生成装置の欠点であ
った流れの上流側で発生する乱れ要因を、流体力学的に
滑らかな形状とするという設計概念を持ち込むことで要
因排除した。また球体と縮小流管（レデューサ）との接
合面で環状コアンダ装置と組み合わせる構成を提案し
た。さらに流れの旋回成分を必要に応じて付与する制御
を行い、流動の安定性、持続性を向上させた。またこの
流れの効果の検証も方法論を提示した。

【００６４】特に起動時など非定常時の流れの乱れが改
善された。乱れの少ない流れの安定と持続。効果の検証
方法も確立した。

【００６５】図２５に、流れの乱れ強度の比較測定結果
を示す。本案が最良の乱流抑制効果を達成している。図
２６に、気相薄膜成長に本案装置を用いて積層膜の平行
度をあげた例の模式図を示す。図２７に、本案固液２相
流ウォータジェットカッタの切削幅とコアンダスパイラ
ル流との比較を示す。図２８では、コアンダスパイラル
流では、スタートアップ時に不安定であるため切削幅が
大きくなるが、本案ではそのような問題がなく切削幅は
常に狭く安定している。

【００６６】上記の実施例図中、本案ｌは、表面流制御
装置なしの実験結果であり、本案ｌｌは表面制御装置を
つけた場合の実験結果である。これから表面制御装置が
効果的であることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】段差（ステップ）後面の流れの乱れ

【図２】鋭角的な段差による流の乱れの解消

【図３】登録特許２８０２８２０の放射ノズル

【図４】登録特許２８０２８２０の放射ノズルと自
生旋回流動生成装置

【図５】本発明による典型的な放射ノズルと自生旋
回流動生成装置

【図６】本発明の放射ノズルの例１

【図７】本発明の放射ノズルの例２

【図８】本発明の放射ノズルの例３

【図９】本発明の放射ノズルの例４

【図１０】２種の流体流入を可能ならしめる本発明の
放射ノズル

【図１１】３種の流体流入を可能ならしめる本発明の
放射ノズル

【図１２】旋回ベクトルを付与する流体流入法と付与
しない流入法

【図１３】自生旋回流動中心部に物体（流体も含む）
を供給する供給管をもつノズル断面図

【図１４】自生旋回流動中心部に物体（流体も含む）
を供給する供給管をもつノズル斜視図

【図１５】コアンダリングによる逆方向環状流を底面
で逆転させて放射流生成する装置

【図１６】球体とレデューサによる自生旋回流動生成
装置

【図１７】球体とレデューサの接合部をコアンダリン
グとして流れの乱れを防いでいる生成装置

【図１８】底部（上流）にコアンダリングを有する自
生旋回流動生成装置

【図１９】球体とレデューサの接合部に環状の隙間を
設けた自生旋回流動生成装置

【図２０】自生旋回流動生成装置のタンデム接続

【図２１】管路の途中にレデューサとデフューザを入
れることで旋回を持続させる例の模式図

【図２２】流れガイド表面にリブレットを取り付けた
図

【図２３】流れガイド表面にボルテックス・ジェネレ
ータを取り付けた図

【図２４】レデューサの内面にトリッピングワイヤー
を取り付けた図

【図２５】流れの乱れ強度の測定、本案が最良の乱流
抑制効果を達成している

【図２６】気相薄膜成長に本案装置を用いて積層膜の
平行度をあげた例の模式図

【図２７】本案固液２相流ウォータジェットカッタの
切削幅とコアンダスパイラル流との比較

【図２８】コアンダスパイラル流では、スタートアッ
プ時に不安定であるため切削幅が大きくなる

【図２９】本案の自生旋回流動の発生方法流れ図（初
期にわずかな旋回流成分を付与する）

【図３０】非自生旋回流動による比較データ取得方法
の流れ図

【図３１】バスタブ渦

【図３２】環状流でのコアンダ効果を工業的に利用し
た装置の開発の流れ

【図３３】コアンダ効果を用いた環状流導入部の断面
図例１

【図３４】コアンダ効果を用いた環状流導入部の断面
図例２

【図３５】コアンダ効果を用いた環状流導入部の断面
図例３

【図３６】コアンダスパイラル流生成装置（特公平６
−６０６４０）

【図３７】ナビエ・ストークス方程式から得られた自
生旋回流動の生成メカニズムの説明図（説明略）

【図３８】自生旋回流動生成装置の例（登録特許２８
０２８２０）

【図３９】登録特許２８０２８２０の流体導入部の例

【図４０】登録特許２７０９１８２の気相成長装置

【図４１】ボルテックス・ジェネレータ

【図４２】トリッピングワイヤ

【図４３】トリッピングワイヤ断面拡大図（特開平１
−２４７２９６）

【図４４】リブレットとその断面拡大図（特開昭６１
−２７８５００）

【図４５】ガイド面流れ方向谷型の溝とガイド面流
れ方向山型の分流突起

【図４６】ガイド面の球状突起とガイド面の球状孔

【図４７】プロセスセンサーと旋回方向成分付与流体
導入弁に関する制御ブロック図

【符号の説明】

１流れの主流線（ｍａｉｎｆｌｏｗｌｉｎｅ）２固体表面の延長線３絞り管（レデューサ）４直管（ストレート管）５管径方向に見た主流の速度分布６管壁の高速流れを示す速度分布の山７主流の速度分布での速度極小部８管周方向（旋回）速度９直管における疑似的な絞り流れを示す速度分布１０半球体の底面にある放射状流れ形成ノズル１１流れガイドの表面２０ボルテックス・ジャネレータ（渦生成用障害物）２１トリッピングワイヤ（表面流安定化、剥離防止用
線状突起物）２２リブレット（表面流安定化、剥離防止用線状突起
物）２３高速移動体表面２４コアンダ・スパイラル流の初期不安定による流れ
の乱れ過剰部分２５コアンダ・スパイラル流の初期不安定による過剰
切削部分２６本案による自生旋回流によるＣＶＤで反応ガス分
子を表面反応させた積層膜３０主流の方向３１ラッパ状で中空ではない軸対称流れガイド３２円柱状の流れガイド３３ラッパ状で中空の軸対称流れガイド３４３１の内部の材料供給円筒管３５旋回方向の流れ成分を付与する接線方向流体導入
管３６旋回方向の流れ成分が少なくなる管軸方向の流体
導入管３７逆ラッパ状の流れ後面安定化形状とした材料供給
円筒管の供給出口３８逆方向の円筒管内軸対称環状流れ３９環状流れを軸芯方向へ９０度方向転向、続いて円
柱側壁に沿った流れに９０度方向転向させる方向転換器
（ドーナツ雌型のトーラス状の転換器）４０中空球体４１縮小流管（レデューサ）４２供給流体の圧力緩衝（均圧）室４３縮小管内壁面と中空部分球体面との間の該平行の
狭間隙４４拡大流管（ディフューザ）５０ガイド面流れ方向谷型の溝５１ガイド面流れ方向山型の分流突起５２ガイド面の球状突起５３ガイド面の球状孔５４プロセス状態センサー（膜厚センサー、光学セン
サー、切削幅センサーその他）５５流速センサー５６旋回方向成分を付与する流体導入弁５７旋回方向成分は付与しない流体導入弁５８自生旋回流動中心部に物体（流体も含む）供給す
る供給弁１００コアンダリング１０１コアンダスパイラル装置１０２内面コアンダフレア（ＩｎｄａｉｒＣｏａｎ
ｄａＦｌａｒｅ）１０３外面コアンダフレア（ＭａｒｄａｉｒＣｏａ
ｎｄａＦｌａｒｅ）１０４自生旋回流生成装置２００マイクロ・ボルテックス・ジャネレータ（渦生
成用障害物）２１０マイクロ・トリッピングワイヤー（表面流安
定化、剥離防止用線状突起物）２２０マイクロ・リブレット（表面流安定化、剥離防
止用線状突起物）２３０高速流体流接触表面 α 流れの主流線（１）と固体表面の延長線（２）と
のなす角 α１図で上部の固体表面に対するα α２図で下部の固体表面に対するα θ 縮小管（レデューサ）の管径縮小角ｈトリッピングワイヤ高さ：６０〜１００μｍＪリブレット凹凸高さ：７５〜５００μｍＳトリッピングワイヤ間隔：０．５〜２ｍｍＺ固体の流れ後面で流れの乱れが発生しやすい空間
（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅＺｏｎｅ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円柱とそれに接合された流れガイドによっ
て、円柱側面に沿った流体流を、該９０度転向させるこ
とを特徴とする放射状流れ発生器。
【請求項２】円柱とそれに接合された流れガイドによっ
て、円柱側面に沿った流れを、該９０度転向させる流れ
ガイド面から外側に、各々隙間をあけて配備された複数
の流れガイドを有する複数流体の放射状流れ発生器。
【請求項３】流れガイドの形状が軸対称のラッパ状であ
る請求項１、あるいは請求項２の流れ発生器。
【請求項４】円柱、流れガイド内部に流体あるいは材料
の供給円筒管を配備した請求項１、あるいは請求項２の
流れ発生器。
【請求項５】流体あるいは材料供給円筒管の供給出口が
逆ラッパ状の流れ後面安定化形状である請求項４の流れ
発生器
【請求項６】流れの方向と流れの後面となる発生器の面
とがなす角度を鋭角となるように形状デザインした請求
項１、あるいは請求項２の流れ発生器。
【請求項７】表面を流体力学的に滑らかになるように形
状と材料をデザインした請求項１、あるいは請求項２の
流れ発生器。
【請求項８】材料をガラス材とした請求項７の流れ発生
器。
【請求項９】表面に表面流の制御装置を取り付けた請求
項１、あるいは請求項２の流れ発生器。
【請求項１０】表面流制御装置が、ボルテックス・ジェ
ネレータ、ないしはリブレット、ないしはトリッピング
ワイヤである請求項９の流れ発生器。
【請求項１１】表面流制御装置が、ひとつ以上のガイド
面流れ方向谷型の溝、ガイド面流れ方向山型の突起、ガ
イド面の球状突起、ガイド面の球状孔のいずれか、ある
いはこれらの組み合わせである請求項９の流れ発生器。
【請求項１２】下流の流れの旋回方向成分を減少さすた
め、軸対称の管軸に向けて流体を導入する流体導入装置
を上流に有する請求項１、あるいは請求項２の流れ発生
器。
【請求項１３】下流に流れの旋回方向成分を付与するた
め、軸対称円断面の接線方向に流体を導入する流体導入
装置を上流に有する請求項１、あるいは請求項２の流れ
発生器。
【請求項１４】円柱と同軸の円筒管に設置された逆方向
の円筒管内環状流れの形成部、およびかかる環状流れを
軸芯方向へ該９０度方向転向し、さらに円柱側壁に沿っ
た流れに該９０度方向転向させる方向転換器をもつ請求
項１、あるいは請求項２の流れ発生器。
【請求項１５】環状流れの形成部がコアンダリングであ
る請求項１３の流れ発生器。
【請求項１６】方向転換器の形状が、ドーナツ雌型のト
ーラス状である請求項１３の流れ発生器。
【請求項１７】軸対称縮小管の壁面に軸対称高速流をつ
くり、環状の速度極小ゾーンをもつ速度分布を形成する
ことで、旋回速度成分を自生させ乱流を抑制する装置に
おいて、請求項１あるいは請求項２の放射状流れ発生器
を有する自生旋回流生成装置。
【請求項１８】材料をガラス材料とした請求項１６の自
生旋回流生成装置。
【請求項１９】内面に表面流の制御装置を取り付けた請
求項１６の自生旋回流生成装置。
【請求項２０】表面流制御装置が、ボルテックス・ジェ
ネレータ、ないしはリブレット、ないしはトリッピング
ワイヤである請求項１８の自生旋回流生成装置。
【請求項２１】表面流制御装置が、ひとつ以上のガイド
面流れ方向谷型の溝、ガイド面流れ方向山型の突起、ガ
イド面の球状突起、ガイド面の球状孔のいずれか、ある
いはこれらの組み合わせである請求項１８の自生旋回生
成装置。
【請求項２２】縮小角θの縮小管の内壁と、断面円周角
が２θ＋１８０°の中空の部分球体の内壁とを接線接合
した形態の請求項１６の自生旋回流生成装置。
【請求項２３】縮小管と中空部分球体との接線接合部に
狭間隙を設け、その間隙に軸心方向に向かう環状流れの
形成装置を配備した請求項２１の自生旋回流生成装置。
【請求項２４】環状流れの形成装置がコアンダリングで
ある請求項２２の自生旋回流生成装置。
【請求項２５】縮小管と中空部分球体の接線接合部が一
体成形されていて、かかる球体の他の部分に一つ以上の
環状狭間隙を設け、その間隙に軸心方向に向かう環状流
れの形成装置を配備した請求項２１の自生旋回流生成装
置。
【請求項２６】環状流れの形成装置がコアンダリングで
ある請求項２４の自生旋回流生成装置。
【請求項２７】縮小管が管拡大方向に延長されていて、
その内面と中空部分球体の内面とが該平行の狭間隙を保
って固定されていて、その間隙に軸心方向に向かう環状
流れの形成装置を配備した請求項２１の自生旋回流生成
装置。
【請求項２８】軸心方向に向かう環状流れを形成するた
め、供給流体圧力の緩衝室を配備した請求項２２、請求
項２４、あるいは請求項２６の自生旋回流動生成装置。
【請求項２９】一つの自生旋回流生成装置により生成さ
れた自生旋回流が、他の自生旋回流生成装置内へ、放射
状流れ発生器の円柱内部の円筒管を通じて供給されてい
るタンデム接続型の請求項１６の自生旋回流生成装置。
【請求項３０】ひとつ以上の管径縮小管と管径拡大管を
有する管路に接続されている請求項１６の自生旋回流生
成装置。
【請求項３１】円柱とそれに接合された流れガイドによ
って、円柱側面に沿った流体流を、該９０度転向させる
ことを特徴とする放射状流れ発生器、あるいは円柱とそ
れに接合された流れガイドによって、円柱側面に沿った
流れを、該９０度転向させる流れガイド面から外側に、
各々隙間をあけて配備された複数の流れガイドを有する
複数流体の放射状流れ発生器の上流での流体導入におい
て、下流側の自生旋回が生成不完全であるとき、あるい
は下流側に乱流抑制効果が見られないときに、一時的に
旋回方向の流れ成分を与える流体導入を行うことを特徴
とした自生旋回流の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項３２】自生旋回の生成不完全を流速センサーに
よる旋回方向の流速測定によって判定する請求項３０の
自生旋回流の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項３３】下流側の乱流抑制効果を流速センサーに
よる乱流強さ測定あるいは、下流側の乱流抑制効果によ
る物理量変化の測定によって判定する請求項３０の自生
旋回流の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項３４】下流側の乱流抑制効果により変化する物
理量が、結晶基板の膜厚に関する物理量である請求項３
２の自生旋回流の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項３５】基板の膜厚に関する物理量が光学的物理
量である請求項３３の自生旋回流の生成制御方法と持続
制御方法。
【請求項３６】下流側の乱流抑制効果により変化する物
理量が、切削装置の切削ジェット流の物理的サイズ、あ
るいは切削幅に関する物理量である請求項３２の自生旋
回流の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項３７】下流側の乱流抑制効果により変化する物
理量が、流体燃料の燃焼装置の燃焼に関する物理量であ
る請求項３２の自生旋回流の生成制御方法と持続制御方
法。
【請求項３８】内部に流体あるいは材料の供給円筒管を
配備した円柱とそれに接合された流れガイドによって、
円柱側面に沿った流体流を、該９０度転向させることを
特徴とする放射状流れ発生器、あるいは内部に流体ある
いは材料の供給円筒管を配備した円柱とそれに接合され
た流れガイドによって、円柱側面に沿った流れを、該９
０度転向させる流れガイド面から外側に、各々隙間をあ
けて配備された複数の流れガイドを有する複数流体の放
射状流れ発生器を有する自生旋回流の生成装置にて、円
柱内部の供給円筒管のみから流体供給することで自生旋
回でない流れを生成し、その観測結果を自生旋回流れと
比較することで自生旋回流の効果を検証する方法。