JP2016090094A - 噴流発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】渦輪Ｖを所望地点にまで確実に到達させることができる噴流発生装置１００を提供する。【解決手段】ノズル１３から空間Ｒに向かって流体を噴出し、該空間Ｒ中に前記噴出流体の渦輪Ｖを発生させる渦輪発生器１と、前記ノズル１３の大きさ、空間流体の密度及び噴出流体の密度をパラメータとして前記噴出流体の速度を制御する速度制御機構２とを具備するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、流体の渦輪を噴出する噴流発生装置に関するものである。

ノズルから噴出されて渦輪を形成した噴出流体は、周囲空間の流体にすぐに混ざって拡散することなく、ある程度の距離まで到達することが可能なため、例えば温調空気や加湿空気、香り成分を含んだガスなどを渦輪にして吹き出することによって、これらをターゲットに対して効率よく届かせることができる。

かかる渦輪の到達距離を決める代表的なパラメータとしては、特許文献１の段落００６９〜００７０、特許文献２の段落００１６等に示されているように、噴出流体のノズルからの吹き出し速度が知られている。また、その他のパラメータとして渦輪の質量も挙げることができる。例えば特許文献３には、その段落００１５に、加湿空気を渦輪にして水平方向に飛ばす際に、加湿空気の温度が高ければ渦輪が軽くなる、すなわち、渦輪の質量が小さくなるため、ニュートン力学における運動の第２法則に基づいて、渦輪をより遠くまで飛ばせる旨が開示されている。

しかしながら、例えば天井にノズルがあって、床に向かって下方に空気を吹き出す空調機器に渦輪を用いた場合、渦輪の温度が周りの空気に比べて高いと、前記特許文献２とは逆に、渦輪に浮力が作用してブレーキとなり、所望の高さ（距離）にまで渦輪が届かないことが生じ得る。

特開２０００−１７６３３９号公報 ＥＰ０２８３３０７Ｂ１ 特開２０１０−５４１４６号公報

つまり、渦輪の特に上下方向における到達距離を考える場合、従来は、渦輪を形成する噴出流体の密度と周囲空間流体の密度との差に基づく浮力を従来は考慮していないから上述した問題が生じるわけである。
そこで、本願発明は、渦輪の浮力を考慮することにより、上述した不具合を解決すべく図ったものである。

すなわち、本発明に係る噴流発生装置は、ノズルから空間に向かって流体を噴出し、該空間中に前記噴出流体の渦輪を発生させる渦輪発生器と、前記ノズルの大きさ、空間流体の密度及び噴出流体の密度をパラメータとして前記噴出流体の速度を制御する速度制御機構とを具備することを特徴とする。

このようなものであれば、従来のように、噴出流体の質量（すなわち密度）のみならず、空間流体の密度をもパラメータとしているので、噴出流体の密度と周囲空間流体の密度との差に基づく渦輪の浮力を考慮し、前記噴出流体の速度を制御することによって、所望の地点まで確実に渦輪を到達させることができるようになる。
本発明の効果が特に顕著となるのは、ノズル出口での噴出流体の吹き出し方向に上下方向成分が含まれている場合である。

渦輪の到達必要距離が変わる場合は、前記速度制御機構が、渦輪の到達必要距離をもパラメータとして前記噴出流体の速度を制御するものであることが好ましい。

前記ノズルからの噴出流体の吹き出し方向に下向き成分が含まれており、空間流体の密度よりも噴出流体の密度が低い場合、前記速度制御機構は、空間流体の密度と噴出流体の密度との差が大きいほど、該噴出流体の速度を大きく設定することによって渦輪の到達距離を保つことができる。

一方、前記ノズルからの噴出流体の吹き出し方向に上向き成分が含まれており、空間流体の密度よりも噴出流体の密度が高い場合、前記速度制御機構は、噴出流体の密度と空間流体の密度との差が大きいほど、該噴出流体の速度を大きく設定することによって渦輪の到達距離を保つことができる。

本願発明者が鋭意検討して求めたより具体的なパラメータとしては以下の式（数１）で表されるＰ_ρを挙げることができる。
ここでρ_ａは空間流体密度、ρ_０は噴出流体密度である。

また、ノズル出口での好ましい噴出流体の速度Ｕ_０は以下の式（数２）またはこれと均等な式で算出することが好ましい。
ここでＺは到達必要距離、Ｕ_０はノズル出口流速、Ｄ_０はノズル内径、ρ_ａは空間流体密度、ρ_０は噴出流体密度、ｇは重力定数である。また、Ｃは０．５以上１．５以下の定数であり、０．５５以上１．２以下であればより好ましい。

なお、下記式（数４）により求められるＵ_０を用いた場合の下記式（数３）から求められるＦ_ｄが２以上の場合においては、下記式（数４）またはこれと均等な算出式を用いて噴出流体の速度を設定してもよい。
ここでＵ_０はノズル出口流速、Ｄ_０はノズル内径、ρ_ａは空間流体密度、ρ_０は噴出流体密度である。また、ｋは０．５以上１．５以下の定数であり、０．６５以上１．４以下であればより好ましい。

噴出流体や空間流体の密度が時間的に変動する場合でも渦輪の到達距離を応答性良く制御するには、空間流体の密度及び噴出流体の密度をそれぞれ測定する密度測定センサをさらに具備し、前記速度制御機構が、該密度測定センサの測定した空間流体の密度及び噴出流体の密度を受け付けてこれらを前記パラメータとするようにしたものが好ましい。前記密度測定センサとしては、温度センサまたは湿度センサを用いたものを挙げることができる。

また、到達必要距離を測定する測距センサをさらに具備し、前記速度制御機構が、該測距センサの測定した到達必要距離を前記パラメータとするものであればより好ましい。距離センサとしては、赤外線センサ、超音波センサ、画像センサなどを用いたものを挙げることができる。

上述したように、本発明の噴流発生装置によれば、噴出流体の密度のみならず、空間流体の密度をもパラメータとしているので、噴出流体の密度と周囲空間流体の密度との差に基づく渦輪の浮力を考慮し、前記噴出流体の速度を制御することによって、所望の地点まで確実に渦輪を到達させることができるようになる。

本発明の一実施形態における噴流発生装置を示す全体模式図。 同実施形態における渦輪到達距離の実験結果を示すグラフ。 同実施形態における渦輪到達距離の実験結果を示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

本実施形態に係る噴流発生装置１００は、図１に示すように、例えば、空気調和装置（図示しない）によって温度調整され、暖められた温調空気を渦輪Ｖにして部屋Ｒの空間内に吹き出すものである。

より具体的には、前記温調空気を噴出して温調空気の渦輪Ｖを発生させる渦輪発生器１と、前記渦輪発生器１から噴出される温調空気の速度を制御する速度制御機構２と、前記渦輪発生器１から噴出される温調空気の方向を変化させる方向調節機３と、前記方向調節機３を駆動して前記渦輪発生器１から噴出される温調空気の方向を制御する方向制御機構４とを具備する。

各部を説明する。
前記渦輪発生器１は、前記空気調和装置から温調空気が供給される加圧室１ａを内部に形成してなる筐体１１と、前記加圧室１ａ内の温調空気を加圧して、前記筐体１１に設けたノズル１３から噴出させる加圧機構１２とを具備したものである。

前記筐体１１は、例えば部屋Ｒの天井裏に設置してあり、前記ノズル１３が天井に設けた開口から床に向かって下向きに温調空気を噴出するように構成したものである。このノズル１３は内周の断面が円形状をなすものであるが、その他に楕円形状や多角形状のようなものでも構わない。

前記加圧機構１２は、ここでは、筐体１１の内壁に気密状態を保ったまま進退可能に嵌合するシリンダ部材１２１と、このシリンダ部材１２１を進退駆動するシリンダアクチュエータ１２２とを具備したものであり、このシリンダ部材１２１が加圧室１ａに所定距離だけ進入することにより、加圧室１ａの実質的な空間体積を縮小させて内部の温調空気を加圧することができるようにしてある。なお、加圧機構１２は上述した構成のものに限られず、前記特許文献１に記載されているようなスピーカを用いたものやコンプレッサーを用いたもの等でも構わない。

速度制御機構２は、前記加圧機構１２を制御して（すなわち、シリンダ部材１２１の進入速度を指令する指令信号を出力することによって当該シリンダ部材１２１の進入速度を制御して）、ノズル１３の出口での温調空気の吹き出し速度を制御するものである。この実施形態では、例えば、ＣＰＵ、メモリ、ＡＤコンバータ、ＤＡコンバータなどを有したコンピュータ５が、そのメモリに格納された所定のプログラムにしたがって動作することにより、当該速度制御機構２としての機能を発揮するようにしてある。

方向調節機３は、例えば、前記筐体１１の姿勢を変更可能に支持するものであり、筐体１１の姿勢変化に伴って、それに取り付けられているノズル１３の方向を変え、ノズル１３の出口での温調空気の吹き出し方向を変えるものである。具体的な方向調節機３としては、３次元ロボットアームなどを挙げることができる。その他、湾曲可能なノズル１３を筐体１１から突出させ、そのノズル１３の湾曲方向や湾曲度を変えて温調空気の吹き出し方向を変えるようにしたものなどでも構わない。なお、この方向調節機３によるノズル方向の調整範囲は鉛直下向きを中心としてやや斜めまでの範囲（例えば精々±３０°の範囲）であり、水平方向や上向きにまでは方向を変えることはできない。

方向制御機構４は、前記方向調節機３を駆動して（すなわち、ノズル１３の方向を指令する指令信号を出力して）、ノズル１３出口での温調空気の吹き出し方向を制御するものである。この実施形態では、例えば、前記コンピュータ５が、そのメモリに格納された所定のプログラムにしたがって動作することにより、当該方向制御機構４としての機能を発揮するようにしてある。

さらにこの実施形態での噴流発生装置１００は、部屋Ｒ内の人の位置を検知する位置検知センサ６に加え、部屋Ｒ内の空気の密度（以下、部屋Ｒ空気密度ともいう。）及び温調空気の密度（以下、温調空気密度ともいう。）をそれぞれ測定する密度測定センサ７１、７２と、渦輪Ｖの到達必要距離を測定する測距センサ８とを具備している。

位置検知センサ６は、部屋Ｒの天井や壁に取り付けられた例えば赤外線センサを利用したものであり、部屋Ｒに人がいるとその人の位置を示す人位置情報を出力するものである。なお、この位置検知センサ６として、超音波センサや画像センサなどを用いてもよい。

密度測定センサ７１、７２は、例えば温度センサと、該温度センサの検出値から空気の密度を算出して出力する密度算出回路とを備えたものである。しかして、部屋Ｒの空気密度を測定するための密度測定センサ７１は、部屋Ｒの天井や壁に取り付けてあり、温調空気密度を測定するための密度測定センサ７２は、筐体１１内の加圧室１ａに配置してある。なお、この密度測定センサ７１、７２において、温度センサと密度算出回路とは別体であってよく、例えば密度算出回路の機能を前記コンピュータ５に担わせてもよい。

測距センサ８は、筐体１１にノズル１３と同方向を向くように取り付けられて、ノズル１３から出た渦輪Ｖが最初に当接して消散する面（例えば床面やソファの座面、テーブル面など）までのノズル１３からの距離である到達必要距離を測定し、その到達必要距離を示す到達必要距離情報を出力する例えばレーザ型のものである。

次に、上述した噴流発生装置１００の動作について説明する。
まず、方向制御機構４が、前記位置検知センサ６からの人位置情報を受信し、その人位置情報に基づいて、渦輪Ｖが部屋Ｒにいる人に直接当たらず、かつ、その周囲に向かうようにノズル１３の方向を制御する。

次に、速度制御機構２が、測距センサ８からの到達必要距離情報を受信し、その到達必要距離情報が示す到達必要距離だけ渦輪Ｖが飛ぶように、ノズル１３の出口における温調空気の吹き出し速度を制御する。その際、該速度制御機構２は、前記メモリに設定した速度算出式格納部Ｄに格納されている下記の速度算出式（数５）あるいはそれと均等な式に基づいて、ノズル１３の出口での温調空気の吹き出し速度を算出する。

ここでＺは到達必要距離、Ｕ_０はノズル１３出口流速、Ｄ_０はノズル１３内径、ρ_ａは部屋Ｒの空気密度、ρ_０は温調空気密度、ｇは重力定数である。Ｃは、部屋Ｒ等の状況に応じて予め適宜定められた定数であり、０．５以上１．５以下であればよく、より好ましくは、０．５５以上１．２以下に定めればよい。

ただし、下記式（数７）により求められるＵ_０を用いた場合の下記式（数６）から求められるＦ_ｄが２以上の場合は、前記速度制御機構２は、下記式（数７）またはそれと均等な算出式を用いて温調空気の速度を設定する。
ここで、Ｕ_０はノズル１３出口流速である。ｋは、部屋Ｒ等の状況に応じて予め適宜定められた定数であり、０．５以上１．５以下であればよく、より好ましくは、０．６５以上１．４以下に定めればよい。

前記各式（数５〜数７）は、本願発明者が実験やシミュレーションなどを行って初めて導き出したものであり、その根拠となる実験データを図２、図３に示す。

このようなものであれば、式（数５、数７）から明らかなように、ノズル１３の内径が大きいほど、ノズル１３の出口での温調空気の吹き出し速度が大きくなるだけでなく、温調空気に作用する浮力が大きいほど、ノズル１３の出口での温調空気の吹き出し速度が大きくなるので、所望の下方地点にまで確実に渦輪Ｖを到達させることができるようになる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、ノズルから噴出される噴出流体は、前記実施形態では温調空気であったが、これに限られず、例えば加湿空気や香り成分を含んだガスなどでもかまわない。

方向制御機構４や方向調節機３は必ずしも必要なく、ノズル方向が固定でも構わない。その場合、渦輪の到達必要距離も固定となるから、その値を予めメモリに格納しておけばよく、前記実施形態のように、到達必要距離を測定するための測距センサ８も不要となる。

ところで、ノズルの方向を固定する場合、その方向は、鉛直下向きよりもやや斜めに設定することが好ましい。なぜならば、先に射出された渦輪Ｖは消散後、上昇気流となるところ、ノズル方向を鉛直下向きにすると、次に射出された渦輪がその上昇気流にぶつかって減速し、所望の到達必要距離まで届かなくなる恐れが生じるからである。

噴出流体のノズル出口での速度Ｕ_０は、前記式（数５または数７）で算出した値以上にしてもよい。ただし、その分だけ余分なエネルギを消費することになるから、省エネの観点でいえば、速度Ｕ_０を前記式（数５または数７）で算出された値に近づけておくことが好ましい。

ノズル方向が上向き（より正確には上向き成分を含む方向）に設定したものにも、本発明を適用することができる。その場合、空間流体の密度よりも噴出流体の密度が大きいことが前提で、前記速度制御機構は、噴出流体の密度と空間流体の密度との差が大きいほど、該噴出流体の速度を大きく設定することによって渦輪の到達距離を保つことができる。
その他、本発明は、その趣旨に反しない限りにおいて様々な変形が可能である。

１００・・・噴流発生装置
Ｖ・・・渦輪
１・・・渦輪発生器
１３・・・ノズル
２・・・速度制御機構
７１、７２・・・密度測定センサ
８・・・測距センサ

Claims (9)

1. ノズルから空間に向かって流体を噴出し、該空間中に前記噴出流体の渦輪を発生させる渦輪発生器と、前記ノズルの大きさ、空間流体の密度及び噴出流体の密度をパラメータとして前記噴出流体の速度を制御する速度制御機構とを具備すること特徴とする噴流発生装置。
2. 前記ノズルからの噴出流体の吹き出し方向が上下方向成分を含んだものであること特徴とする請求項１記載の噴流発生装置。
3. 前記速度制御機構が、渦輪の到達必要距離をもパラメータとして前記噴出流体の速度を制御するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の噴流発生装置。
4. 前記ノズルからの噴出流体の吹き出し方向に下向き成分が含まれているものにおいて、前記速度制御機構は、空間流体の密度よりも噴出流体の密度が小さければ小さいほど、該噴出流体の速度を大きく設定することを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の噴流発生装置。
5. 前記速度制御機構は、下記式（数１）から求められるＰ_ρをパラメータとして、噴出流体の速度を設定するものであることを特徴とする請求項４記載の噴流発生装置。
   ここでρ_ａは空間流体密度、ρ_０は噴出流体密度である。
6. 前記速度制御機構は、下記式（数２）またはこれと均等な算出式を用いて噴出流体の速度を設定するものであることを特徴とする請求項４記載の噴流発生装置。
   ここでＺは到達必要距離、Ｕ_０はノズル出口流速、Ｄ_０はノズル内径、ρ_ａは空間流体密度、ρ_０は噴出流体密度、ｇは重力定数である。
7. 前記速度制御機構は、下記式（数４）により求められるＵ_０を用いた場合の下記式（数３）から求められるＦ_ｄが２以上の場合において、下記式（数４）またはこれと均等な算出式を用いて噴出流体の速度を設定するものであることを特徴とする請求項４記載の噴流発生装置。
   ここでＺは到達必要距離、Ｕ_０はノズル出口流速、Ｄ_０はノズル内径、ρ_ａは空間流体密度、ρ_０は噴出流体密度である。
8. 空間流体の密度及び噴出流体の密度をそれぞれ測定する密度測定センサをさらに具備し、前記速度制御機構が、該密度測定センサの測定した空間流体の密度及び噴出流体の密度を前記パラメータとするものである請求項１ないし請求項７いずれか記載の噴流発生装置。
9. 到達必要距離を測定する測距センサをさらに具備し、前記速度制御機構が、該測距センサセンサの測定した到達必要距離を前記パラメータとするものである請求項３記載の噴流発生装置。