JP2007538201A - 調整管 - Google Patents

Abstract

【課題】調整管（ノズル、ディフューザー及びヴェンチュリー）のエネルギー損失を低減することにより用途を拡大する。
【解決手段】調整管の流路を流れる流体が渦流を発生するように内表面を形成する。内表面の形状は、実質的に黄金分割に従う対数曲線とする。また、内表面の湾曲が黄金分割に従って変化し、特に等角螺旋に従って変化する一次元、二次元又は三次元の曲線とする。
さらに、流路の断面積が実質的に黄金分割に従って変化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ノズル、ディフューザー及びヴェンチュリーに関するものであり、通常これらが使用されている全ての用途に適用することができる。

ノズル、ディフューザー及びヴェンチュリーは、流体を移送する配管系で使用する流れの調整管である。本明細書ではこれらを以下のように定義する。すなわち、「ノズル」とは断面積が縮小する調節管であり、流れる流体は入口から出口に向かって流速が加速されると共に圧力が低減される。また、「ディフューザー」とは断面が拡大する調整管であり、流れる流体は入口から出口に向かって減速されると共に圧力が増加される。また、「ヴェンチュリー」とはノズルとディフューザーとを繋ぎ合わせて一体とした配管部品である。

ノズルは、流体の流れを加速する調整管であり、流体移送において多くの用途に広く用いられている。また、ディフューザーは、流体の流れを減速する調整管として広く用いられている。そして、ヴェンチュリーは、流路の一部において流体の流れを加速する調整管として用いられている。熱力学の法則で良く知られているように、加速された流体の圧力は低くなるので、この低減された圧力を応用して種々の用途に用いられている。

ノズル、ディフューザー及びヴェンチュリー等の調整管は広く用いられている。しかしながら良く知られているように、このような調整管の性能は乱流及び摩擦損失によって大きな影響を受けるものである。そして、この要因によって、これらの調整管の用途が非常に大きな制限を受けている。

そこで、本発明は乱流及び摩擦損失が低減され、用途を拡大することが可能なノズル、ディフューザー及びヴェンチュリーを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係る調整管は、内部に流路を備えた流体の調整管であって、該流路の断面積が該流路に沿って変化すると共に、該流路を流れる流体が渦流を発生するように形成された内表面を備えている手段を採用している。
また、本発明の請求項２に係る調整管は、請求項１に記載の調整管において、前記内表面の形状が、実質的に黄金分割に従う対数曲線に従っている手段を採用している。
また、本発明の請求項３に係る調整管は、請求項１又は２に記載の調整管において、前記内表面の湾曲が一次元である手段を採用している。
また、本発明の請求項４に係る調整管は、請求項１又は２に記載の調整管において、前記内表面の湾曲が二次元である手段を採用している。

また、本発明の請求項５に係る調整管は、請求項１乃至４の何れかに記載の調整管において、前記内表面の湾曲が黄金分割に従って変化している手段を採用している。
また、本発明の請求項６に係る調整管は、請求項１乃至５の何れかに記載の調整管において、前記内表面の湾曲が等角螺旋に従って変化している手段を採用している。
また、本発明の請求項７に係る調整管は、請求項１乃至６の何れかに記載の調整管において、前記内表面の湾曲が前記流路の中心軸を横断している手段を採用している。
また、本発明の請求項８に係る調整管は、請求項１乃至６の何れかに記載の調整管において、前記内表面の湾曲が前記流路の中心軸に平行している手段を採用している。

また、本発明の請求項９に係る調整管は、請求項１乃至６の何れかに記載の調整管において、前記内表面の湾曲が実質的に黄金分割に従う三次元であり、前記流路の中心軸を横断していると同時に平行している手段を採用している。
また、本発明の請求項１０に係る調整管は、請求項１乃至９の何れかに記載の調整管において、前記流路が螺旋形である手段を採用している。
また、本発明の請求項１１に係る調整管は、請求項１０に記載の調整管において、前記螺旋形が対数螺旋形又は渦巻き形である手段を採用している。
また、本発明の請求項１２に係る調整管は、請求項１乃至１１の何れかに記載の調整管において、前記流路の断面積が、実質的に黄金分割に従う対数曲線に従って変化している手段を採用している。

また、本発明の請求項１３に係る調整管は、請求項１乃至１２の何れかに記載の調整管において、前記流路の断面積が、その流路容積が次第に対数的に増加している手段を採用している。
また、本発明の請求項１４に係る調整管は、請求項１３に記載の調整管において、前記流路容積の増加が、黄金比に従って変化している手段を採用している。
また、本発明の請求項１５に係る調整管は、請求項１乃至１４の何れかに記載の調整管において、前記内表面が、腹足類及び頭足類等の軟体動物の殻の外部形状に従っている手段を採用している。
また、本発明の請求項１６に係る調整管は、請求項１５に記載の調整管において、前記内表面が、ホタル貝、アオイ貝、オウム貝、タマ貝又はウズ貝の殻の外部形状に従っている手段を採用している。

また、本発明の請求項１７に係る調整管は、請求項１乃至１４の何れかに記載の調整管において、前記内表面が、腹足類及び頭足類等の軟体動物の殻の内部形状に従っている手段を採用している。
また、本発明の請求項１８に係る調整管は、請求項１７に記載の調整管において、前記内表面が、ホタル貝、アオイ貝、オウム貝、タマ貝又はウズ貝の殻の内部形状に従っている手段を採用している。
また、本発明の請求項１９に係る調整管は、請求項１乃至１８の何れかに記載の調整管において、前記調整管がノズルとして構成されている手段を採用している。
また、本発明の請求項２０に係る調整管は、請求項１乃至１８の何れかに記載の調整管において、前記調整管がディフューザーとして構成されている手段を採用している。

また、本発明の請求項２１に係る調整管は、請求項１乃至１８の何れかに記載の調整管において、前記調整管がヴェンチュリーとして構成されている手段を採用している。
また、本発明の請求項２２に係る調整管は、請求項１乃至２１の何れかに記載の調整管において、前記調整管の形状が実質的に層流の形成を促進する手段を採用している。
また、本発明の請求項２３に係る調整管は、実質的に本明細書に記載されている調整管であり、本発明の請求項２４に係る調整管は、実質的に本明細書の図面に記載されている調整管である。

本発明の調整管の構造は、流通する流体の速度を変化させるものである。そして、上記の手段を採用することにより乱流及び摩擦損失が低減されるので、用途を拡大することが可能なノズル、ディフューザー及びヴェンチュリーを提供することができる。

自然界において、天然の力の作用を受けて流れている全ての流体は、螺旋流又は渦巻流となって流れる傾向にある。そして、このような螺旋流又は渦巻流は、一般に黄金比又はフィボナッチ数列として知られる数列に従うことが分かっている。
ここに掲げる実施例は、流体を自然に近い好ましい状態で流すことが可能であり、したがって、通常の流体移送に用いられている配管部品に見られる、乱流及び摩擦によるエネルギー損失を低減することが可能である。

ここで述べる調整管の実施例は、内表面の大部分が黄金分割に従って設計されている。或いは、流れる流体の容積が、黄金分割に従って拡大したり縮小したりするように設計されている。そして、黄金分割（黄金比）の特性に従う螺旋形の流路を備えていることを特徴としている。

黄金分割の特性は、黄金分割（黄金比）に従って展開した螺旋状曲線を表した図１に示されている。螺旋の展開において、等角の半径（例えば、E、F、G、H、I及びJ）で測定された曲率半径の増加率は一定である。これらの半径は、ａ：ｂ＝ｂ：ａ＋ｂという式に対応する数列を三角形上で表すことによって得ることができる。そして、その比率は首尾一貫しておよそ１：１．６１８である。

本発明の調整管は、形成される内表面の湾曲が、自然に起こる渦流で見られる渦流線又は層流線と同様に、二次元又は三次元の形状であることを特徴としている。そして、その内表面の湾曲は、その大部分が実質的に黄金分割（黄金比）の特性に従っており、さらに、その断面積の変化においてもまた、その大部分が実質的に黄金分割（黄金比）の特性に従っている。そして幾つかの実施例では、内表面が等角螺旋形状となっている。

さらに、黄金分割（黄金比）の特性は、腹足類及び頭足類等の軟体動物の殻の外部形状又は内部形状に見られることが分かった。そこで、幾つかの実施例では、調整管の流路を概ね腹足類及び頭足類等の軟体動物の殻の外部形状又は内部形状に等しくしていることを共通の特徴としている。

また、大部分が実質的に黄金分割（黄金比）に従った内表面を備えた流路内を流れる流体は、その表面上では実質的に乱流を起こさず、したがって、キャビテーションを減少させる傾向があるという特徴が明らかになった。この結果、このような内表面を備えたノズル等は、黄金分割を用いていない従来のものと比べて、効率的な流れとすることができる。そして、流路を流れる流体が引き起こす乱流が減少する結果として、従来用いられてきた同サイズの通常の調整管よりも、高い効率で流体を流すことができる様々な形状の調整管が使用可能となる。

注目すべきことは、本発明の具体例の特徴を簡単な二次元の図面で表すことができないということである。そこで、読者に具体例を理解していただくために、調整管の外表面を描いた図を用いて示すこととする。これは、調整管の壁が一定の厚みとすれば、内表面を示すことにもなるからである。この方法で、内表面の螺旋形状の概念をある程度まで示すことができる。そして、実際の調整管では、外表面の形状はあまり重要ではなく、したがって円錐等の簡単な形状とすることができる。

第１の実施例は、図２に示すようにノズルを構成する調整管である。すなわち、ノズル１１はノズル本体２１、出口２２及び入口２３を備えて、圧力を持った流体源となるパイプやホース等の流路（図示していない）に取り付けられる。ノズル本体２１は、出口２２に向かって断面が減少するような内表面２５を備えている。また、ノズルの内表面は入口と出口との間で捻られて螺旋状となっている。

前述のように、外形上の捩れは黄金分割（黄金比）の特性に従うものであり、流体に作用する内表面を形成する。すなわち、この捩れによってノズルを流れる流体には、ノズルの長手方向軸に対する回転運動が与えられて渦流が発生する。この渦流により、ノズル内で発生する乱流や摩擦は、単純な円錐状の内面を備えた通常のノズルに比べて著しく減少するのである。

第２の実施例は、図３に示すようなノズルを構成する調整管である。第２の実施例は、基本的に第１の実施例と同様の構成であり、両図において同じ部分は同じ符号で表示している。第２の実施例が第１の実施例と唯一異なる点は、発明の特徴が強調されてノズルの長さが長く、捩れが大きくなっていることである。このように限定要因を変えることによって、ノズルの出口から吐出される渦流の形態を調節することができる。ある場合には、出口から狭い渦流を作ることが望ましく、またある場合には、周囲の流体との混合を促進するために、拡大する流れとすることが望まれる。

第３の実施例は、図４に示すようなノズルを構成する調整管である。このノズルでは、流れ表面の捩れによって流れの方向が脇に反れており、流入方向を横切る構成となっている。このような方向転換は、損失を殆ど起こすことなく達成することができる。なぜならば、ノズルの内表面は、ここでも大部分が黄金分割（黄金比）の特性に従って形成されているからである。この結果、実質的に乱流を起こさない構造となっている。そして、本発明の調整管は、全てこのように流体の出口方向を入口の方向に対して斜めに設けることが可能であり、大きな利点となっている。

第４の実施例は、図５に示すようにディフューザーを構成する調整管である。ディフューザーは、ノズルとは全く異なる調整管であるが、幸いにもノズルの流れ方向を逆にしたものとなっている。そして、図５に示すディフューザーは図２のノズルと同一であるが、その内表面２５が出口２２に向かって拡大する断面積を備えている点で異なっている。したがって、両図において、同じ符号は同じ部分を示している。図５のディフューザーは、ノズルの場合と同様に流体の流れに渦流を引き起こす。出口流の細かい性質はディフューザーの限定要因を変えることにより調整することができるが、その内表面は大部分が黄金分割（黄金比）の特性に従うことが保たれている。

上記の実施例では、入口と出口との間で断面積が変化すること、すなわち、ノズルでは断面積が減少し、ディフューザーでは増加することを述べた。さらに、上記の考えを発展させることにより、場合によっては、調整管の流路に沿って増加する容積を、黄金分割（黄金比）の特性に従って変化させると有利であることが分かった。この利点を活かすために、上記の調整管をさらに改良し、この特性を備えるものとした。その結果、調整管を流れる流体の容積を、黄金比に従って拡大又は縮小することができる。

第５の実施例は、図７に示すように新しいヴェンチュリー管を構成する調整管である。この新型ヴェンチュリー管は、図６に示すような通常のヴェンチュリー管に比べて非常に優れている。図６に示す通常のヴェンチュリー管において、ヴェンチュリー５１は、入口５２、出口５３及び収縮域５４で構成されている。そして、収縮域５４は、入口部５５、出口部５６及び最大収縮部５７で構成されている。なお、図には流れが流線５８で示されている。

ヴェンチュリー５１の入口５２に流体が流入すると、流路の直径が次第に減少している入口部５５の影響を受けながら最大収縮部５７に到達する。この流路の収縮は、流れている流体の速度を速めることになる。そして、良く知られた熱力学の法則に従って、流体の速度が増加することにより、流体の圧力は減少することになる。最大収縮部５７に続いて、流体は、流路の直径が次第に増加している出口部５６の影響を受けながら出口５３に到達する。出口部５６では、流体の速度は次第に低下する。

良く知られているように、ヴェンチュリーのエネルギー損失は重要である。上述のように、これらの損失は摩擦及び乱流によるものである。特に、入口５２の直径と最大収縮部５７の直径との比が大きくなるほど、ヴェンチュリーの性能は向上するのであるが、実際には、最大収縮部を小さくしていくと、得られる効果が急速に低下していくことが知られている。

図７に示すように、新しいヴェンチュリー６１は、入口６２、出口６３、最大収縮部６４、入口部６５及び出口部６６で構成されている。これらの各部については、図６に示す通常のヴェンチュリーと大体同じである。しかし、入口部６５及び出口部６６については、流体が自然の法則に従うように特別に設計されている。すなわち、本発明の調整管は、流路の湾曲が実質的に黄金分割（黄金比）に従うように設計されている。したがって、流体は黄金分割（黄金比）に従うような渦流となって流れる。そして、この渦流に伴うエネルギー損失は、通常のヴェンチュリーで発生するエネルギー損失よりも著しく小さくなるのである。

第５の実施例である新型ヴェンチュリーは、エネルギー損失が著しく低減されるので、従来よりも効果的に使用することができる。まず第一に、入口部と最大収縮部との比率を大きくすることができる。これによって、入口と最大収縮部との間の圧力差を大きくすることができる。したがって、ヴェンチュリーの用途を拡大することができる。

第６の実施例は、図８に示すような新しいヴェンチュリー管を構成する調整管である。第６の実施例は、第５の実施例とは外観が少し異なっているが、実質上これと同様に作用するので、図において同じ部分は同じ符号で表している。そして、流路の断面積は入口から最大収縮部に向かって小さくなり、そこから出口に向かって大きくなっている。二つの調整管が異なる点は、第５の実施例では、発生する渦流が入口の中心軸と平行する回転軸
を備えているのに対して、第６の実施例では、渦流の回転軸が入口の中心軸を横断するように配置されていることである。

上述のように新しいヴェンチュリー管は、その断面積が流路に沿って、入口部では縮小し、出口部では拡大している。ノズル及びディフューザーの例と同様に、ある場合には、調整管の流路に沿って増加する容積を、黄金分割（黄金比）の特性に従って変化させると有利であることが分かった。この利点を活かすために、上記の新しいヴェンチュリー管をさらに改良し、この特性を備えるものとした。その結果、ヴェンチュリーの入口部及び出口部を流れる流体の容積を、黄金比に従って縮小又は拡大することができる。

本発明の調整管は、上述の形状としたことにより、実質的に層流の形成を促進するものであり、管内の流体が効率的に流れることを促進することが分かった。
なお、本発明の調整管は、上述の実施例だけに限定されるものではない。

黄金分割及びフィボナッチ数列を示す図表である。 第１の実施例によるノズルを示す斜視図である。 第２の実施例によるノズルを示す斜視図である。 第３の実施例によるノズルを示す斜視図である。 第４の実施例によるディフューザーを示す斜視図である。 通常のヴェンチュリー管を示す断面図である。 第５の実施例によるヴェンチュリー管を示す斜視図である。 第６の実施例によるヴェンチュリー管を示す斜視図である。

符号の説明

１１ ノズル
２１ ノズル本体
２２ 出口
２３ 入口
２５ 内表面
５１、６１ ヴェンチュリー
５２、６２ 入口
５３、６３ 出口
５４ 収縮域
５５、６５ 入口部
５６、６６ 出口部
５７、６４ 最大収縮部
５８ 流線

Claims (24)

1. 内部に流路を備えた流体の調整管であって、該流路の断面積が該流路に沿って変化すると共に、該流路を流れる流体が渦流を発生するように形成された内表面を備えていることを特徴とする調整管。
2. 前記内表面の形状が、実質的に黄金分割に従う対数曲線に従っていることを特徴とする請求項１に記載の調整管。
3. 前記の内表面湾曲が一次元である請求項１又は２に記載の調整管。
4. 前記内表面の湾曲が二次元である請求項１又は２に記載の調整管。
5. 前記内表面の湾曲が黄金分割に従って変化していることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の調整管。
6. 前記内表面の湾曲が等角螺旋に従って変化していることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の調整管。
7. 前記内表面の湾曲が前記流路の中心軸を横断していることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の調整管。
8. 前記内表面の湾曲が前記流路の中心軸に平行していることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の調整管。
9. 前記内表面の湾曲が実質的に黄金分割に従う三次元であり、前記流路の中心軸を横断していると同時に平行していることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の調整管。
10. 前記流路が螺旋形であることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の調整管。
11. 前記螺旋形が対数螺旋形又は渦巻き形である請求項１０に記載の調整管。
12. 前記流路の断面積が、実質的に黄金分割に従う対数曲線に従って変化していることを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の調整管。
13. 前記流路の断面積が、その流路容積が次第に対数的に増加していることを特徴とする請求項１乃至１２の何れかに記載の調整管。
14. 前記流路容積の増加が、黄金比に従って変化していることを特徴とする請求項１３に記載の調整管。
15. 前記内表面が、腹足類及び頭足類等の軟体動物の殻の外部形状に従っていることを特徴とする請求項１乃至１４の何れかに記載の調整管。
16. 前記内表面が、ホタル貝、アオイ貝、オウム貝、タマ貝又はウズ貝の殻の外部形状に従っている請求項１５に記載の調整管。
17. 前記内表面が、腹足類及び頭足類等の軟体動物の殻の内部形状に従っていることを特徴とする請求項１乃至１４の何れかに記載の調整管。
18. 前記内表面が、ホタル貝、アオイ貝、オウム貝、タマ貝又はウズ貝の殻の内部形状に従っている請求項１７に記載の調整管。
19. 前記調整管がノズルとして構成されている請求項１乃至１８の何れかに記載の調整管。
20. 前記調整管がディフューザーとして構成されている請求項１乃至１８の何れかに記載の調整管。
21. 前記調整管がヴェンチュリーとして構成されている請求項１乃至１８の何れかに記載の調整管。
22. 前記調整管の形状が実質的に層流の形成を促進することを特徴とする請求項１乃至２１の何れかに記載の調整管。
23. 実質的に本明細書に記載されている調整管。
24. 実質的に本明細書の図面に記載されている調整管。

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