JP2000257610A

JP2000257610A - 固定回転体の表面流れを利用した自生旋回流による乱流抑制方法と自生旋回流生成装置ならびに自生旋回流生成と持続の制御方法および乱流抑制効果の検証方法

Info

Publication number: JP2000257610A
Application number: JP11063164A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Marui; 丸井智敬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2000-09-19

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】公知の自生旋回流動生成装置は、内面に滑らか
な精密加工仕上げが必要で製作、メンテナンスが共に困
難であった。これを改善すべく外面をコアンダ流れが形
成できる構造とした内面精密加工仕上げの不要な外面型
自生旋回流生成装置を提供する。【解決手段】従来のコアンダ内曲面による生成装置群と
は異なり、回転半径が一定、ないしは流れ方向に回転半
径が漸縮小する固定回転体の側面に沿った流体流れを形
成し、該流体流の下流にて旋回速度成分を自生させるこ
とにより外曲面に自生旋回流を生成させる。

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」や「流れ
の乱れ度」である。本発明はこの「流れの乱れ度」を低
減させることで、工業プロセスの処理量やプロセス品質
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】この技術は一部公知であり以下の代表的な
特許がある。登録特許１７９９１４４「管路に安定な螺
旋気流を生成させる装置（川鉄）」、登録特許１８５９
７４９「螺旋気流による気流搬送装置（川鉄）」、登録
特許１７１４７４０「管路に螺旋気流を生成かつ制御す
る装置（川鉄・堀井）」、特公平６−６０６４０「管路
に螺旋気体流を生成させる装置（堀井）」、登録特許２
８０２８２０「旋回流動を自生させ乱流を抑制する方法
及び装置（川鉄）」、登録特許２７０９１８２「気相成
長装置と制御方法（川鉄）」、登録特許２７９４３２７
「パイプ内面処理装置（川鉄）」、登録特許２７９４３
２７「流体噴出ノズル（川鉄）」。

【０００４】

【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。

【０００５】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３４）

【０００６】学問的には図３３に示すように、ナビエ・
ストークス方程式の新たな「極座標解析解」から得られ
る次の知見を述べたものである。すなわち、縮小流れに
おいて図３３下方に示すような流速分布の極大極小が発
生すると、流れに旋回方向成分が発生する。ついで、旋
回方向成分の発生によって乱流エネルギーが相対的に減
少し、流れの乱れ度が下がる（乱流が抑制される）、と
いう新知見である。

【０００７】この乱流抑制方法のポイントは、旋回方向
流れを流れガイドやインペラ、アジテータなどで強制的
に起こすのではなく、上記の極大極小をもつ特異的な流
速分布をきっかけとして「自発的」に「自生（自然発
生）」させることである。

【０００８】一方、流れの特性として「気体液体」流れ
はなぜか「固体」になつきやすいという不思議な性質が
ある。流れの固体付着性などと呼称される。流れの固体
付着性は、たとえば、図３５のように固体の棒で液体を
ガイドするなど、日常生活でも見受けられ利用している
現象である。

【０００９】この現象は、工業的にはフランス人コアン
ダ（Ｃｏａｎｄａ）の発見によるコアンダ効果として知
られている。日常の付着流との相違は、流れが「高圧・
高速」であることである。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３６に示す。

【００１０】この図で、技術ルーツはコアンダリング５
である。そこから派生して、コアンダスパイラル装置１
０１（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ＤＴ２５２７７１０：ＢＰ社）
などが発明された。

【００１１】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複数の発明の上に
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装置から得るとともに、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。

【００１２】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るが。

【００１３】細かなはなしではあるが、コアンダスパイ
ラル装置１０１は、この種の装置のルーツではない。実
際はこれ以前に、登録特許１７９９１４４「管路に安定
な螺旋気流を生成させる装置（川鉄）」、登録特許１８
５９７４９「螺旋気流による気流搬送装置（川鉄）」が
発明者から創造されている。とはいえ、これらよりコア
ンダスパイラル装置１０１の方が製作面その他で優位で
あった。コアンダスパイラル装置の特許図を図２６、ノ
ズルとしての応用装置図を図２７、図２８、図２９に示
す。参照されたい。

【００１４】さて本発明は、こういった公知の自生旋回
流生成の方法に、前記の流れの表面付着現象の利用であ
るコアンダ効果を異なった観点から見直し、新たなアイ
デアとして構築したものである。すなわち、公知のコア
ンダ効果の利用は固体の「内面流れ」においてであった
が、本案は固体の「外面流れ」におけるコアンダ効果を
利用する。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】公知の技術はどれも重
大な欠陥がある。それは、固体の「内面流れ」において
コアンダ効果を発現させなければならない、という事情
からくる。コアンダ効果は、流れの乱れが発生しやすい
高圧・高速流れの領域での流れの固体表面付着現象であ
る。

【００１６】流れの乱れの抑制を目標とする限り、コア
ンダ効果が乱れの発生源になっては無意味である。よっ
て、コアンダ効果を発現されるための固体曲面は流体力
学的に滑らかであって、流れの剥離、乱流の源である微
小渦（乱流コア）の発生しない材料と表面仕上げが必須
となる。

【００１７】そのため、公知技術ではどれも「内面」の
精密加工仕上げを余儀なくされる。内面加工は外面と比
較すれば、当然作業性が悪いだけに高価である。本案は
この問題を「外面流れ」のコアンダ効果を利用する、と
いうコロンブスの卵的発想で解決した。当然ながら、外
面にメンテナンス領域が露出するので、メンテナンス性
もきわめてよい。汚れなどの不具合もすぐに見ることが
できる。

【００１８】

【課題を解決するための手段】図３６では、本案装置１
０５の位置づけは開発の流れの最後である。課題解決手
段「外面流れ」の環状コアンダ効果の利用としては、１
０３の外面コアンダフレアがあった。しかし、これは開
く流れであって公知の知見として流れが不安定である。
開く流れの不安定性の厳密な理論はないが、開くことで
減速されるため、流れが不統一になると説明されてい
る。

【００１９】本案は、結果的に外面コアンダフレアから
ヒントを得たようだが、外面コアンダフレアのような開
く流れではない。閉じる加速する流れであり安定で工業
的利用に十分な信頼性、再現性を有する。詳細はあとで
述べるとして問題解決のための付帯技術を先に説明す
る。

【００２０】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」は常
識的には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。

【００２１】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。これら
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。

【００２２】図３０、図３１にトリッピングワイヤー、
図３２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、と説明して
いる。しかし、まだその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にこれらは実用利
用されている。

【００２３】さて本案は、外面コアンダ効果を利用する
ことで加工性、メンテナンス性がよい乱流抑制効果を有
する自生旋回流の生成方法、生成装置、制御方法、効果
の検証方法を提供する。さらに表面の乱流抑制装置を利
用して乱流抑制効果も向上させる。これを以下に説明す
る。

【００２４】図２０が、公知の軸対称縮小管３３の管内
壁に沿った高速流による自生旋回流生成方法の概念図で
ある。本案はこれとは一線を画すものであるが、比較の
ため、以下公知の方法と装置を列挙する。図２１が縮小
管と内部コーン体間の環状隙間の高速流による自生旋回
流の生成装置であって、縮小管３３と内部のコーン体と
の環状間隙に高速流を流すタイプである。

【００２５】図２２が、本案の外面コアンダ効果を使っ
たものである。縮小管３３内部における回転半径が一定
ないしは流れ方向に回転半径が漸縮小する回転体２の側
面に沿った高速流によって自生旋回流の生成条件である
極大極小をもつ流れ分布をつくる。公知技術との差は、
図２０、図２１とこの図２２から明らかであろう。

【００２６】図２３は、公知技術との組み合わせであ
る。軸対称縮小管３３の管内壁に沿った高速流、および
回転体２の側面に沿った高速流の両方によって前記の流
速分布を形成する自生旋回流の生成方法である。

【００２７】図２４は、本案のオリジナルである「開放
型の」自生旋回流生成方法である。回転半径が一定ない
しは流れ方向に回転半径が漸縮小する回転体２の側面に
沿った高速流によって自生旋回流を生成させる。

【００２８】図２５は、本案開放型の第２例で、最下流
端が円錐形（回転半径ゼロ）をなす回転体４７の側面に
沿った高速流によって自生旋回流を生成させる。こうい
った比較から本案の自生旋回流の生成方法をまとめると
次のようになる。

【００２９】（請求項１）本案の第一の自生旋回流の生
成方法は回転半径が一定、ないしは流れ方向に回転半径
が漸縮小する固定回転体の側面に沿った流体流れを形成
し、該流体流の下流にて旋回速度成分を自生させるもの
である。

【００３０】また本案の方法をいいかえれば、（請求項
２）回転半径が一定、ないしは流れ方向に回転半径が漸
縮小する固定回転体の側面の下流側の速度分布に、回転
体の回転軸芯と同心の環状の流速極大部を有する流体流
を形成し、該流体流の下流にて旋回速度成分を自生させ
るものである。

【００３１】また、本案は（請求項３）固定回転体の側
面の下流側の速度分布に、回転体の回転軸芯と同心の環
状の流速極小部が生じることで旋回流が自生して乱流を
抑制する。特に、（請求項４）固定回転体表面は、流体
力学的に滑らかな材質、表面仕上げであり、かつ回転半
径が漸縮小する形状が流体力学的に滑らかな形状である
必要がある。しかしこれは外面であるので、従来よりは
るかにクリアしやすい条件である。

【００３２】（請求項５）前述のように流体力学的に滑
らかとは、表面流れと回転体表面が剥離しにくく、かつ
下流の乱流の源になる乱流コア（微細渦）の発生しにく
い特性である。

【００３３】いままでは開放型の説明であった。本案
は、準閉鎖型の応用もある。それは（請求項６）軸対称
の縮小管路に、該流路と同心の回転半径が一定、ないし
は流れ方向に回転半径が漸縮小する回転体が内包されて
いる構成である。その構成で、（請求項７）軸対称の縮
小管路の「内壁近傍」に、該流路と同心の環状の流速極
大部を形成してもよい。この「内壁近傍」の極大部形成
は、公知の生成方法である。

【００３４】前記の公知の生成方法との組み合わせで、
（請求項８）形成された２つの流速極大部が下流でひと
つの流速極大部となる。結果的に同じ現象、つま自生旋
回流が生成される（図２３）。

【００３５】さて、表面流れを効果的に形成するにはコ
アンダ効果の利用が適切である。そこで、（請求項９）
回転体側面に沿った流体流れが、上流側回転体側端と滑
らかに接続されたコアンダ効果を生ぜしめる曲面ででき
た表面高速流れの下流として形成する。

【００３６】（請求項１０）環状の流速極大部は、上流
側回転体側端と滑らかに接続されたコアンダ効果を生ぜ
しめる曲面でできた表面高速流れの下流として形成され
るだろう。また公知の技術から類推して、（請求項１
１）縮小管路の内壁近傍の流速極大部が、縮小管路の上
流側の管路内面の端と滑らかに接続されたコアンダ効果
を生ぜしめる曲面でできた表面高速流れの下流として形
成されるだろう。

【００３７】一般的に、（請求項１２）コアンダ効果を
生ぜしめる曲面が、流体力学的に滑らかな材質、表面仕
上げでなければならない。（請求項１３）流体力学的に
滑らかとは、表面高速流れと曲面が剥離しにくく、かつ
下流の乱流の源になる乱流コア（微細渦）の発生しにく
い特性のことである。

【００３８】一方、流れ内部にさらに別の流体や物体を
導入する必要性がなければ、流体力学的に滑らかになる
ように、（請求項１４）流れ方向に回転半径が漸縮小す
る固定回転体の最下流端が円錐形（回転半径ゼロ）とす
れば好適であろう。

【００３９】

【発明の実施の形態】以降、具体的装置を説明する。
（請求項１５）軸対称環状のコアンダ外曲面が、回転半
径が漸縮小する固定回転体の回転半径が大きな側端と滑
らかに接続されている自生旋回流生成装置。その第一の
装置例の断面図を図１、斜視図を図２に示す。その他４
通りの装置例断面図を図４、図５、図６、図７に示す。
これらのうち、内部供給管４については後で説明する。

【００４０】（請求項１６）あとでクレームする内部供
給管４が必要ない場合、回転半径が漸縮小する固定回転
体のコアンダ外曲面と接続されない端部は、流体力学的
に滑らかで乱流の原因にならないよう円錐形（回転半径
ゼロ）とすれば適切である。

【００４１】また、その端部についてバーナーノズルや
火口の場合、流れを「点」に絞ることが理想である。そ
こで、そのターゲット「点」をＴとする。流れが完璧に
表面に付着するのであれば、図４２の４７表面の延長を
Ｔとすればよい。

【００４２】しかしながら、実際は流れ要素の相互作用
から上記のようなシャープな流れではなく「だれた」流
れになり、Ｔより遠方に収束しやすい。そこで、最先端
にＯＦＣ（表面流収束装置：ＯｕｔｅｒＦｌｏｗＣ
ｏｎｖｅｒｇｅｒ）をつけた形態とする。

【００４３】すなわち、（請求項１７）回転半径が漸縮
小する固定回転体のコアンダ外曲面と接続されない端部
が、流れのターゲット点Ｔよりもかかる端部に近いダミ
ーターゲット点Ｄに表面流れを誘導する側面形状である
砲弾形あるいは切頭砲弾形の流れ収束部材（ＯＦＣ）と
する。

【００４４】ここで、（請求項１８）砲弾形あるいは切
頭砲弾形の流れ収束部材（ＯＦＣ）の底部から流れのタ
ーゲット点ＴまでをＷ、底部からダミーターゲット点Ｄ
までをＣとして、Ｃが０．２〜０．８×Ｗであるのが適
切であろう。

【００４５】また最先端部は表面流が表面から離れるも
っとも乱れの発生しやすい部位である。剥離に伴う流れ
の乱れを避けたい。そこで、（請求項１９）砲弾形ある
いは切頭砲弾形の流れ収束部材（ＯＦＣ）の側面に表面
流の制御装置を取り付けるとよい。図４３、図４４、図
４５を参照されたい。表面制御装置については後で説明
する。

【００４６】以上は、単一ガスバーナのように単相流れ
の話であった。次に「混合」「混相」がある場合の装置
アプリケーションを説明する。（請求項２０）コアンダ
外曲面ないしは固定回転体の内部に、流体あるいは材料
の供給円筒管が配設することで「混合」「混相」に対応
できる。典型例を図３、別の例を図４、図５、図７に示
す。また、縮小管３３のある閉鎖型（次項で説明）タイ
プを図１０、図１１、図１３に示す。

【００４７】「混合」「混相」する場合は、開放型では
コンタミネーション防止、汚染防止（環境保全）の観点
から閉鎖型が望ましい。そこで、（請求項２１）固定回
転体の回転軸と対称軸が一致する縮小管（レデューサ）
が、固定回転体を内包している形態とする。図８、図
９、図１０、図１１に構成例を示す。

【００４８】パイプライン輸送、あるいは管路内乾燥と
いった移動させながらのプロセスも工業的に多く見受け
られる。そういった応用に対応するのは容易で、（請求
項２２）縮小管（レデューサ）の小径側端部を管路に接
続すればよい。

【００４９】特に自生旋回流を管路内に持続させるに
は、直管（ストレート管）よりも管径の拡大部、縮小部
があった方がよい。拡大管（デフューザ）は流れ速度の
現象があり不安定流れを誘起しやすいので、拡大角を小
さくとることが肝要である。参考の図４６は、それを強
調して描いていないので注意されたい。

【００５０】以上を表現すると、本装置が（請求項３
４）ひとつ以上の管径縮小管と管径拡大管を有する管路
に接続され場合にて、（請求項３５）管径拡大管の拡大
角度が、管径縮小管の縮小角度基準に設定され、基準縮
小角度の６０％以下の角度であるのが経験的に望まし
い。

【００５１】以下本案装置のバリエーションを記載す
る。（請求項２３）縮小管（レデューサ）の小径側端部
の径に該一致する径のリングを下流側とする回転軸と同
軸のコアンダリングを配設したもの。これは、図９、図
１１に示すバリエーションである。

【００５２】上記記載にて、（請求項２４）小径側端部
の径に該一致する径のリングが、かかる径の管路と接続
されていれば、前述の管路プロセスへの適用が可能であ
る。

【００５３】上記は、縮小管先端に「内面コアンダ」を
コアンダリングとして配設したものであるが、ここも
「外面コアンダ」に置換できる。つまり、（請求項２
５）縮小管（レデューサ）の小径側端部の一部の外表面
が、軸対称環状の第2のコアンダ外曲面とすればよい。
これを図１２、図１３に例示する。利用関係が発生する
ので好適ではないが、公知のコアンダスパイラル装置と
の合体構成も可能で図１４に示す。

【００５４】（請求項２６）ここで、第2のコアンダ外
曲面の下流側端部が、かかる下流側端部の径より該大き
な径の管路に接続すれば、管路プロセスへの適用が可能
となる。

【００５５】さて、高速流をもちいるコアンダ曲面部分
は乱れが発生しがちである。そこで、（請求項２７）コ
アンダ外曲面ないしは固定回転体表面に表面流の制御装
置を取り付けることは乱れ抑制上望ましい。

【００５６】（請求項２８）表面流制御装置は、リブレ
ット（図３２）、ないしはトリッピングワイヤ（図３
０、図３１）、あるいは（請求項２９）ひとつ以上の流
れ方向の谷型の溝、流れ方向の山型の突起のいずれか、
あるいはこれらの組み合わせなどの選択肢のうち効果の
あるものを採用すればよい。例として、図１６と図１７
を示す。参照されたい。

【００５７】特に、（請求項３０）谷型の溝、山形の突
起が、流れ方向螺旋状を描くように配設されていると自
生旋回の発生と持続のきっかけとなって好ましい。この
「きっかけ」を以下に説明する。

【００５８】自生旋回に対して、「強制」旋回がある。
この強制旋回は持続性がなく、すぐに消失（渦崩壊）し
てしまう。したがって、恣意的に旋回方向の流れ成分を
与えて自生旋回流を生成しようとしてもできない。ま
た、理想的は主流方向成分「のみ」を与え続けても同じ
である

【００５９】経験的に、自生旋回の発生時にわずかな旋
回方向が必要である。自生旋回を持続するためにも、
「ときどき少しの」旋回成分を付与するのが効果的でな
のである。バスタブ渦や一升瓶を逆さにしたとも、ちょ
っとした旋回成分の付与をきっかけにして自生旋回がは
じまる。

【００６０】通常は、旋回成分の恣意的付与を避ける。
（請求項３１）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
を上流にもてばよい。

【００６１】（請求項３２）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あわせもてばよい。図１５参
照。

【００６２】一般的な条件であるが、（請求項３３）コ
アンダ外曲面の環状流れを安定化するため、供給流体圧
力の緩衝室を配備するとよい。

【００６３】

【実施例】自生旋回の生成と持続制御についてを、実施
例として述べる。（請求項３６）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、および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
る第2の流体導入装置が上流に必要である。

【００６４】たとえば、図２ないしは図１５の３６と３
５、およびその制御弁５７と５６、さらに図１８中に示
すコントローラである。

【００６５】軸対称環状のコアンダ外曲面と、回転半径
が漸縮小する固定回転体の回転半径が大きな側端とが滑
らかに接続された自生旋回流生成装置の上流での流体導
入において、上記コントローラによって下流側の自生旋
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。具体的には５６を操作する。
制御フローチャートを図１９に示す。

【００６６】ここで、（請求項３７）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
判定したり、（請求項３８）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ればよ
い。

【００６７】実施例としてまず例示するのは（請求項３
９）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り、プロセスは薄膜成
長プロセスである。ここで、（請求項４０）基板の膜厚
に関する物理量が反射、吸収など光学的物理量でよい。

【００６８】次の実施例は、（請求項４１）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に関する物理量で
あり、プロセスは水ジェット切断（ウォータジェットカ
ッタ）である。

【００６９】さらに、下流側の乱流抑制効果により変化
する物理量が、流体燃料の燃焼バーナー火炎の物理的サ
イズあるいは加熱領域に関する物理量であり、プロセス
はバーナー加熱やガス溶接、ガス溶断である。

【００７０】バーナー加熱やガス溶接、ガス溶断にて
（請求項４３）下流側の乱流抑制効果により変化する物
理量が、溶接バーナーの火口火炎の物理的サイズあるい
は溶断ないしは溶着に関する物理量であってこれを各種
センサーで測定すればよい。

【００７１】こういったプロセス応用にて実施する際
に、自生旋回とそうでない流れとが、どう違うのかを明
確にしなければ技術導入されえない。とりわけガス流な
どは可視化のテクニックはあるものの、通常目にみえな
いのでわかりにくい。ここで主張している自生旋回は、
ガス流ではゆったりとした長い螺旋であるのでわかりに
くさに輪をかける。

【００７２】ここで、流れパターンの可視化に労力をつ
ぎこむより「結果オーライ（結果重視）」の考え方か
ら、各種用途にテスト的に自生旋回生成装置を設置す
る。そして図４７のフローチャートのように、通常流れ
のデータをもオンライン（稼働中）に取得できるように
する。アイデアのポイントは、４を通常流れの生成管と
して使用することである。その制御には５８の制御弁を
使用する。

【００７３】（請求項４４）本案自生旋回流生成装置に
おいて、コアンダ外曲面ないしは固定回転体の内部の供
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ればよい。

【００７４】

【発明の効果】図３７に、流れの乱れ強度の比較測定結
果を示す。本案（２０５）が最良の乱流抑制効果を達成
している。図３８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３９に、
本案固液２相流ウォータジェットカッタの切削幅と１０
４との比較を示す。結果のグラフ図４０でも本案（２０
５）の優位性が見られる。

【００７５】図４１は、本案図９の二つのガス混合タイ
プの装置をガス溶接の火口に応用する目的で試作したも
のの試験結果である。試作品は表面制御装置をつけたも
のとそうでないものの二種類作成した。結果は図４１か
ら明らかに市販の田中製作所やヤマト産業のＪＩＳ規格
製品と比較して、段違いの火炎フォーカス特性があるこ
とが実証された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本案による第１の開放型自生旋回流生成装置
例の断面図

【図２】本案による第１の開放型自生旋回流生成装置
例の斜視図

【図３】物体（流体）を供給する供給管を兼備した開
放型自生旋回流生成装置例の断面図

【図４】本案による第２の開放型自生旋回流生成装置
例の断面図

【図５】本案による第３の開放型自生旋回流生成装置
例の断面図

【図６】本案による第４の開放型自生旋回流生成装置
例の断面図

【図７】本案による第５の開放型自生旋回流生成装置
例の断面図

【図８】本案による閉鎖型自生旋回流生成装置例の断
面図

【図９】コアンダリングを組み合わせた閉鎖型装置例
の断面図

【図１０】物体（流体）供給管を兼備した閉鎖型装置例
の断面図

【図１１】コアンダリングを組み合わせた物体（流体）
供給管を兼備した閉鎖型装置例の断面図

【図１２】コアンダ外曲面を２段階（タンデム）に組み
合わせた閉鎖型装置例の断面図

【図１３】コアンダ外曲面を２段階（タンデム）に組み
合わせ、かつ物体（流体）供給管を兼備した閉鎖型装置
例の断面図

【図１４】公知（特公平６−６０６４０）のコアンダス
パイラル装置と本案の組み合わせ例

【図１５】旋回ベクトルを付与する流体流入法３５と付
与しない流入法３６の説明図

【図１６】螺旋ガイド溝ないしは螺旋ガイド突起を有す
る漸縮小径回転体

【図１７】トリッピングワイヤないしはリブレットを有
する漸縮小径回転体

【図１８】本案自生旋回流の生成および持続制御のブロ
ック図

【図１９】本案自生旋回流の生成および持続制御のフロ
ーチャート

【図２０】軸対称縮小管３３の管内壁に沿った高速流に
よる自生旋回流生成

【図２１】縮小管と内部コーン体間の環状隙間の高速流
による自生旋回流の生成

【図２２】縮小管内部における回転半径が一定ないしは
流れ方向に回転半径が漸縮小する回転体２の側面に沿っ
た高速流による自生旋回流の生成

【図２３】軸対称縮小管３３の管内壁に沿った高速流、
および回転体２の側面に沿った高速流の両方による自生
旋回流の生成

【図２４】（開放型の）回転半径が一定ないしは流れ方
向に回転半径が漸縮小する回転体２の側面に沿った高速
流による自生旋回流の生成

【図２５】（開放型の）最下流端が円錐形（回転半径ゼ
ロ）をなす回転体４７の側面に沿った高速流による自生
旋回流の生成

【図２６】公知（特公平６−６０６４０）のコアンダ内
曲面と漸縮小径管（レデューサ）を用いたコアンダスパ
イラルフロー生成器

【図２７】公知（特開平５−０３０１４８）のウォータ
ージェットノズル

【図２８】公知（特開平４−２９４７７２）の固化剤噴
出ノズル

【図２９】公知（特開平４−００３４１４）のウォータ
ージェットノズル

【図３０】トリッピングワイヤ

【図３１】トリッピングワイヤ断面拡大図（特開平１−
２４７２９６）

【図３２】リブレットとその断面拡大図（特開昭６１−
２７８５００）

【図３３】自生旋回流の解析モデル（博士論文：平成２
年１０月、丸井智敬）

【図３４】バスタブ渦（風呂の栓を抜いたときの渦巻
き）

【図３５】表面付着流の身近な応用、ガラス棒などによ
る液体ガイド（流動流体は表面に付着しやすい；コアン
ダ）

【図３６】コアンダ効果による環状の高速表面付着流を
工業的利用した装置の開発流れ図

【図３７】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３８】気相薄膜成長に本案装置を用いて積層膜の平
行度をあげたプロセス結果例の模式図

【図３９】１０４と本案の同仕様ウォータジェットカッ
タ切削幅の比較試験の模式図

【図４０】１０１、１０４、１０５の同仕様ウォータジ
ェットカッタ切削幅比較試験の結果図

【図４１】本案図９の構造によるガス溶接火口と従来火
口との溶断比較試験の結果図

【図４２】ＯＦＣ（ＯｕｔｅｒＦｌｏｗＣｏｎｖｅ
ｒｇｅｒ）の説明図

【図４３】ＯＦＣ（ＯｕｔｅｒＦｌｏｗＣｏｎｖｅ
ｒｇｅｒ）に表面制御装置２１ないしは２２が配設され
ている例

【図４４】ＯＦＣ（ＯｕｔｅｒＦｌｏｗＣｏｎｖｅ
ｒｇｅｒ）に表面制御装置１９ないしは２０が配設され
ている例

【図４５】４を内包するタイプの固定回転体におけるＯ
ＦＣ（ＯｕｔｅｒＦｌｏｗＣｏｎｖｅｒｇｅｒ）の
例

【図４６】本案装置が複数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構成図

【図４７】４に５８制御弁から流体導入して非旋回流動
を生成することによる比較データ取得の流れ図

【符号の説明】

１コアンダ外曲面２回転半径が一定、ないしは流れ方向に回転半径が
漸縮小する回転体３供給流体の圧力緩衝（均圧）室４流動中心に物体（流体）を供給する供給管５コアンダリング１９らせんガイド溝２０らせんガイド突起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）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拡大管（デフューザ）あるいは軸対称の拡大管路３３絞り管（レデューサ）あるいは軸対称の縮小管路３４直管（ストレート管）３５管径方向に見た主流の速度分布３６管壁の高速流れを示す速度分布の山３７主流の速度分布での速度極小部３８管周方向（旋回）速度３９直管における疑似的な絞り流れを示す速度分布４２回転体の回転軸芯と同心かつ回転体側壁に沿った
環状の流速極大部４３回転体の回転軸芯と同心かつ回転体下流に形成さ
れる環状の流速極小部４５軸対称の縮小管路の内壁近傍に形成された、該流
路と同心の環状の流速極大部４６円錐形部の先端近傍における回転軸芯と同心の環
状の流速極大部と、その中心に単独の速度極小部をもつ
速度分布４７最下流端が円錐形（回転半径ゼロ）をなす回転体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流れ状態センサー５６旋回方向成分を付与する流体導入制御弁５７旋回方向成分は付与しない流体導入制御弁５８４への流体導入制御弁６０コアンダ内曲面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登録特許２８０２８２０「旋回流動を自生させ
乱流を抑制する方法及び装置（川鉄）」の自生旋回流動
生成装置１０５本案による表面流れを利用した自生旋回流生成
装置２０１１０１によるプロセス結果データをグラフ化し
たライン２０４１０４によるプロセス結果データをグラフ化し
たライン２０５１０５によるプロセス結果データをグラフ化し
たライン２１０本案の検証方法の確かさをしめすデータ欄
（従来の流れの基準１００％に近い値である）２１１本案図９の構造の火口が、無制御状態でも従
来の２０％強の溶断幅、溶断時間であることを示すデー
タ欄２１２生成持続制御によって２１１よりさらに１０
％減の溶断幅、溶断時間であることを示すデータ欄２１３表面制御装置をつけた本案図９の構造の火口
が、無制御状態で従来の３０％の溶断幅、溶断時間であ
ることを示すデータ欄２１４生成持続制御によって２１３よりさらに１０
％減の溶断幅、溶断時間であることを示すデータ欄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：０．５〜２ｍｍＴプロセスのターゲット、特にバーナの加熱やカッ
タの切断など面積を「点」に絞ることが必要なものＤダミーのターゲットＷ４７の先端からのプロセスターゲットまでの距
離：ワーク距離Ｃ流れ収束目標距離、実際はこれより長くなってし
まう（Ｗの２０〜８０％に設定）ＯＦＣ（ＯｕｔｅｒＦｌｏｗＣｏｎｖｅｒｇｅ
ｒ）ダミーターゲットに流れを誘導してプロセスのワー
ク距離を適切な値にコントロールする表面装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転半径が一定、ないしは流れ方向に回転
半径が漸縮小する固定回転体の側面に沿った流体流れを
形成し、該流体流の下流にて旋回速度成分を自生させる
ことを特徴とする自生旋回流による乱流抑制方法。
【請求項２】回転半径が一定、ないしは流れ方向に回転
半径が漸縮小する固定回転体の側面の下流側の速度分布
に、回転体の回転軸芯と同心の環状の流速極大部を有す
る流体流を形成し、該流体流の下流にて旋回速度成分を
自生させることを特徴とする自生旋回流による乱流抑制
方法。
【請求項３】固定回転体の側面の下流側の速度分布に、
回転体の回転軸芯と同心の環状の流速極小部が生じる請
求項１ないしは請求項２の自生旋回流による乱流抑制方
法。
【請求項４】固定回転体表面が、流体力学的に滑らかな
材質、表面仕上げであり、かつ回転半径が漸縮小する形
状が流体力学的に滑らかな形状である請求項１ないしは
請求項２の自生旋回流による乱流抑制方法。
【請求項５】流体力学的に滑らかとは、表面流れと回転
体表面が剥離しにくく、かつ下流の乱流の源になる乱流
コア（微細渦）の発生しにくい表面特性である請求項４
の自生旋回流による乱流抑制方法。
【請求項６】軸対称の縮小管路に、該流路と同心の回転
半径が一定、ないしは流れ方向に回転半径が漸縮小する
回転体が内包されている請求項１ないしは請求項２の自
生旋回流による乱流抑制方法。
【請求項７】軸対称の縮小管路の内壁近傍に、該流路と
同心の環状の流速極大部を形成した請求項６の自生旋回
流による乱流抑制方法。
【請求項８】形成された２つの流速極大部が下流でひと
つの流速極大部となる請求項７の自生旋回流による乱流
抑制方法。
【請求項９】回転体側面に沿った流体流れが、上流側回
転体側端と滑らかに接続されたコアンダ効果を生ぜしめ
る曲面でできた表面高速流れの下流として形成されたも
のである請求項１の自生旋回流による乱流抑制方法。
【請求項１０】回転軸芯と同心かつ環状の流速極大部
が、上流側回転体側端と滑らかに接続されたコアンダ効
果を生ぜしめる曲面でできた表面高速流れの下流として
形成されたものである請求項２の自生旋回流による乱流
抑制方法。
【請求項１１】縮小管路の内壁近傍の流速極大部が、縮
小管路の上流側の管路内面の端と滑らかに接続されたコ
アンダ効果を生ぜしめる曲面でできた表面高速流れの下
流として形成されたものである請求項７の自生旋回流に
よる乱流抑制方法。
【請求項１２】コアンダ効果を生ぜしめる曲面が、流体
力学的に滑らかな材質、表面仕上げである請求項９ない
しは請求項１０ないしは請求項１１の自生旋回流による
乱流抑制方法。
【請求項１３】流体力学的に滑らかとは、表面高速流れ
と曲面が剥離しにくく、かつ下流の乱流の源になる乱流
コア（微細渦）の発生しにくい特性である請求項１２の
自生旋回流による乱流抑制方法。
【請求項１４】流れ方向に回転半径が漸縮小する固定回
転体の最下流端が円錐形（回転半径ゼロ）である請求項
１ないしは請求項２の自生旋回流による乱流抑制方法。
【請求項１５】軸対称環状のコアンダ外曲面と、回転半
径が漸縮小する固定回転体の回転半径が大きな側端とが
滑らかに接続された自生旋回流生成装置。
【請求項１６】回転半径が漸縮小する固定回転体のコア
ンダ外曲面と接続されない端部が、円錐形（回転半径ゼ
ロ）である請求項１５の自生旋回流生成装置。
【請求項１７】回転半径が漸縮小する固定回転体のコア
ンダ外曲面と接続されない端部が、流れのターゲット点
Ｔよりも端部に近いダミーターゲット点Ｄに表面流れを
誘導する側面形状とした砲弾形あるいは切頭砲弾形の流
れ収束部材である請求項１５の自生旋回流生成装置。
【請求項１８】砲弾形あるいは切頭砲弾形の流れ収束部
材の底部から流れのターゲット点ＴまでをＷ、底部から
ダミーターゲット点ＤまでをＣとして、Ｃが０．２〜
０．８×Ｗである請求項１７の自生旋回流生成装置。
【請求項１９】砲弾形あるいは切頭砲弾形の流れ収束部
材の側面に表面流の制御装置を取り付けた請求項１７の
自生旋回流生成装置。
【請求項２０】コアンダ外曲面ないしは固定回転体の内
部に、流体あるいは材料の供給円筒管が配設された請求
項１５の自生旋回流生成装置。
【請求項２１】固定回転体の回転軸と対称軸が一致する
縮小管（レデューサ）が、固定回転体を内包している請
求項１５あるいは請求項１６あるいは請求項１７の自生
旋回流生成装置。
【請求項２２】縮小管（レデューサ）の小径側端部が管
路に接続されている請求項２１の自生旋回流生成装置。
【請求項２３】縮小管（レデューサ）の小径側端部の径
に該一致する径のリングを下流側とする回転軸と同軸の
コアンダリングを配設した請求項２１の自生旋回流生成
装置。
【請求項２４】小径側端部の径に該一致する径のリング
が、かかる径の管路と接続されている請求項２３の自生
旋回流生成装置。
【請求項２５】縮小管（レデューサ）の小径側端部の一
部の外表面が、軸対称環状の第2のコアンダ外曲面であ
る請求項２１の自生旋回流生成装置。
【請求項２６】第2のコアンダ外曲面の下流側端部が、
かかる下流側端部の径より該大きな径の管路に接続され
ている請求項２５の自生旋回流生成装置。
【請求項２７】コアンダ外曲面ないしは固定回転体表面
に表面流の制御装置を取り付けた請求項１５の自生旋回
流生成装置。
【請求項２８】表面流制御装置が、リブレット、ないし
はトリッピングワイヤである請求項１９あるいは請求項
２７の自生旋回流生成装置。
【請求項２９】表面流制御装置が、ひとつ以上の流れ方
向の谷型の溝、流れ方向の山型の突起のいずれか、ある
いはこれらの組み合わせである請求項１９あるいは請求
項２７の自生旋回流生成装置。
【請求項３０】谷型の溝、山形の突起が、流れ方向螺旋
状を描くように配設されている請求項２９の自生旋回流
生成装置。
【請求項３１】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１５の自生旋回流生成装置。
【請求項３２】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１５の自生旋回流生成装置。
【請求項３３】コアンダ外曲面の環状流れを安定化する
ため、供給流体圧力の緩衝室を配備した請求項１５の自
生旋回流生成装置。
【請求項３４】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２２あるいは請求項
２６の自生旋回流生成装置。
【請求項３５】管径拡大管の拡大角度が、管径縮小管の
縮小角度基準に設定され、かかる基準縮小角度の６０％
以下の角度である請求項３４の自生旋回流生成装置。
【請求項３６】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、および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第2の流体導
入装置を上流に有する軸対称環状のコアンダ外曲面と、
回転半径が漸縮小する固定回転体の回転半径が大きな側
端とが滑らかに接続された自生旋回流生成装置の上流で
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低下傾向に
あるときに、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３７】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３６の
自生旋回流の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項３８】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３６の自生
旋回流の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項３９】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
８の自生旋回流の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項４０】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３９の自生旋回流の生成制御方法と持続
制御方法。
【請求項４１】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
いは切削に関する物理量である請求項３８の自生旋回流
の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項４２】下流側の乱流抑制効果により変化する物
理量が、流体燃料の燃焼バーナー火炎の物理的サイズあ
るいは加熱領域に関する物理量である請求項３８の自生
旋回流の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項４３】下流側の乱流抑制効果により変化する物
理量が、溶接バーナーの火口火炎の物理的サイズあるい
は溶断ないしは溶着に関する物理量である請求項３８の
自生旋回流の生成制御方法と持続制御方法。
【請求項４４】コアンダ外曲面ないしは固定回転体の内
部に、流体の供給円筒管が配設された軸対称環状のコア
ンダ外曲面と、回転半径が漸縮小する固定回転体の回転
半径が大きな側端とが滑らかに接続された自生旋回流生
成装置において、コアンダ外曲面ないしは固定回転体の
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。