JP2022184559A - 内部構造体、流体特性変化装置及びその利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の特性を変化させる流体特性変化装置及びその内部構造体並びにその利用装置であって、特に流体特性変化装置から出力する（吐出する）流体の流量を更に増やすようにするものである。つまり、より多量の流体を必要とする場合に有用である。また、かかる装置の圧力損失を低減することで、より粘性の高い流体にも有用である。【解決手段】収納体に収納されて、流体に対し流動特性を与える内部構造体であって、内部構造体は、拡散部分と渦巻発生部分と流動特性付与部分とを有する。拡散部分は、流入される流体を軸体部材の半径方向に拡散させ、渦巻発生部分は、拡散部分によって拡散された流体に渦巻流を発生させるようにするものであって、複数の翼を有し、翼の一部には、穴が開いていて、流体の一部を下流に通過させるようにする。流動特性付与部分は、渦巻発生部分からの渦巻流となった流体ならびに穴を通過した流体が与えられ、流動特性付与部分は、流体が流れる外周面に複数の突出部を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、流体の特性を変化させる流体特性変化装置及びその内部構造体並びにその利用装置に関する。

従来、マイクロバブルやウルトラファインバブルなどのファインバブル（微細気泡）を発生したり、複数の流体を混合したり、供給流体を撹拌・拡散或いはせん断したりすることの、少なくとも一つの流体特性変化機能を実現する装置がある。例えば、このような装置として、本願特許出願人により、特許第６２４５３９７号に係る発明が提案されている。そして、その装置から出力する流体の流量を増やすように改善した発明も特願２０１９－２１４５３９号にて提案されている。

特許第６２４５３９７号

本発明は、本願特許出願人の先に提案した発明をさらに改善するものである。具体的には、流体の特性を変化させる流体特性変化装置及びその内部構造体並びにその利用装置であって、特にかかる流体特性変化装置から出力する（吐出する）流体の流量を更に増やすようにするものである。つまり、より多量の流体を必要とする場合に有用である。また、かかる装置の圧力損失を低減することで、より粘性の高い流体についても流体特性変化を生じさせる際にも有用である。このように、本発明は、流体の特性を変化させる流体特性変化装置及びその内部構造体並びにその利用装置であって、特に流体特性変化装置から出力する流体の流量を適切なものとすることを目的とするものである。

本発明は、上述の課題を解決するために、具体的には次のような構成である。即ち、流体特性変化装置の内部構造体に係る一実施形態によれば、収納体に収納されて、流体に対し流動特性を与える内部構造体であって、内部構造体は、拡散部分と渦巻発生部分と流動特性付与部分とを有する。拡散部分は、流入される流体を軸体部材の半径方向に拡散させ、渦巻発生部分は、拡散部分によって拡散された流体に渦巻流を発生させるようにするものであって、複数の翼を有し、翼の一部には、穴が開いていて、流体の一部を下流に通過させるようにする。流動特性付与部分は、渦巻発生部分からの渦巻流となった流体ならびに穴を通過した流体が与えられ、流動特性付与部分は、流体が流れる外周面に複数の突出部を有する。
更に、別の実施形態では、収納体に収納されて、流体に対し流動特性を与える内部構造体であって、内部構造体は、拡散部分と渦巻発生部分と流動特性付与部分とを有する。拡散部分は、流入される流体を軸体部材の半径方向に拡散させ、渦巻発生部分は、拡散部分によって拡散された流体に渦巻流を発生させるようにするものであって、複数の翼を有し、翼には内側が相対的に厚くて外側が相対的に薄くなった少なくとも一つの段差が形成されているようにし、流動特性付与部分は、渦巻発生部分からの渦巻流となった流体が与えられ、流動特性付与部分は、流体が流れる外周面に複数の突出部を有する。
加えて、他の実施形態による内部部構造体は、流動特性付与部分より下流側に、流体を流れの中心に向かって誘導するドーム形の誘導部分を更に含み、ドーム形の誘導部分には、先端に向けて複数の溝が形成されている。

本発明の内部軸体によれば、マイクロバブルやウルトラファインバブルなどのファインバブル（微細気泡）を発生したり、複数の流体を混合したり、供給流体を撹拌・拡散或いはせん断したりすることができる。そして、拡散部分によって拡散された流体に渦巻流を発生させるようにする渦巻発生部分の複数の翼の一部には、穴が開いていて、流体の一部を下流に通過させることで、流体の流量を増量するなどして適切なものとすることができる。本発明の流体特性変化装置の利用装置の一例においては、流体特性変化装置からの流体を、冷却剤、洗浄剤、殺菌剤、伝熱剤のいずれかとして用いることができる。更に、複数の翼には、外側が薄く、内側が厚くなった少なくとも一つの段差が形成されているようにすることで、流体の流量を更に増やすことができる。また、流体の粘性が高いと、装置の圧力損失が高くなって流体の流量が減少することが起きるが、本発明の内部構造体を用いることにより装置の圧力損失を低減することで、適切な流量を確保できることになり、より粘性の高い流体の場合にも有用である。

以下の詳細な記述が以下の図面と合わせて考慮されると、本発明のより深い理解が得られる。これらの図面は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
本発明の流体特性変化装置を用いる利用装置を示す図である。 本発明の流体特性変化装置の一実施形態に係る流体供給管の３次元分解斜視図である。 一実施形態に係る内部構造体の３次元外観斜視図である。 一実施形態に係る内部構造体の側面図(ａ)と正面図（ｂ）とである。 本発明の一実施形態の内部構造体に形成される突起部の拡大図であり、一つの段差を示す図（ａ）と二つの段差を示す図（ｂ）とである。 内部構造体の流動特性付与部分における複数の螺旋流路と複数の円環流路との交点に多数の多数の突起が形成されることを示す図である。 本発明の比較対象である内部構造体の側面と正面の一部を示す図（Ａ）、（Ｂ）、と、本発明の実施形態に係る内部構造体の側面と一部正面を示す図（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）である。 本発明の比較対象の内部構造体と本発明の実施形態に係る内部構造体とを用いた流体特性変化装置における流体の圧力別の吐出量を比較した図である。 本発明の他の一実施形態に係る内部構造体の３次元外観斜視図である。 他の一実施形態に係る内部構造体の左側面図(ａ)と正面図（ｂ）と右側面図（ｃ）である。

以下、本発明の流体特性変化装置Ｓを用いた利用装置を示す。１は、流体（例えば水）を溜めるタンク（水槽）である。このタンク１の流体は、ポンプ２によって吸い上げられ、配管を通り流体特性変化装置Ｓに与えられる。流体特性変化装置Ｓには、タンク１からの流体（第１の流体）が供給されるほかに、特に図示しないが必要に応じて第２の流体が吸入され、流体特性変化がなされたうえで、バルブ３を経由して対象機器４に供給される。第２の流体が空気の場合は、流体特性変化装置Ｓでは、外気を取り込むだけでよい。例えば、タンク１からの第１の流体を水として、第２の流体を空気とした場合、流体特性変化装置Ｓにてウルトラファインバブル（バブルの内部は主に気化した水）を直接的に発生しながら、吸入された空気を攪拌・拡散あるいはせん断等して、バブル内部に主に空気を含むマイクロバブル（その一部はウルトラファインバブルになる可能性もある）をも多量に発生することになる。従って、マイクロバブルの作用とあわせて、ウルトラファインバブルの作用も実現できる。また、流体特性変化装置Ｓは、２つの流体（液体どうし、液体と気体、気体どうし、或いは気液混合流体どうし）を混合したり、攪拌・拡散或いはせん断したりする。

タンク１の第１の流体の状態（水温など）を検知するセンサ５や、流体特性変化装置Ｓを通過する流体の状態（流量、圧力など）を検知するセンサ６の出力に基づいて制御装置７がバルブ３の開閉制御を行い、その制御状態を表示盤８にてオペレータに明示する。そして、バルブ３を経由した流体は対象機器４に供給される。対象機器４で、供給流体が消費される場合を除き、流体を循環利用する場合は、対象機器４にて使用された流体は濾過器９（場合によっては、チラー（Ｃｈｉｌｌｅｒ））などを経由して異物や不純物を濾過した上（場合によっては温度を元に戻した上）でタンク１に戻される。

本発明の流体特性変化装置Ｓからの流体は、各種の利用装置に用いられる。例えば、利用装置は、工作機械であって、ワークや砥石やドリルなどの刃物に、ノズルから流体特性変化装置Ｓからの流体を吐出して工作部分を冷却する。あるいは、利用装置を、工場の生産ライン（特に精密機器）の洗浄システムとすることができる。このように、流体特性変化装置Ｓからの供給流体は、対象機器４において、冷却剤や洗浄剤として機能する。つまり、ファインバブルを含む液体は、流体の表面張力を下げ浸透性が向上することによって、流体が細部にまで行き渡ることで冷却効果や洗浄能力を上げる。後述するキャビテーション現象で液中の気圧が飽和蒸気圧以下になると、液体が水の場合は水蒸気による泡が発生する。この泡は負圧でできており、当然、圧力の高いところで消滅し、その際に大きな衝撃が発生する。この衝撃を洗浄に活用して、洗浄能力を高める。同様に、利用装置をビンや容器、機材の洗浄装置とすることもできる。さらには、タンク１からの水に第２の流体としてオゾンを混合し、流体特性変化装置Ｓにてオゾンファインバブル水に特性変化して、対象機器４において目的とするプロダクトにオゾンバブル水を吐出する。このようにすれば、脱臭・脱色・殺菌効果が得られる。オゾンは酸素分子へ分解され、その過程でＯＨラジカルなどが生成されることで、殺菌性能が上がる。従って、流体特性変化装置Ｓからの供給流体は、例えば、殺菌剤として用いられる。

更に、対象機器４を含む利用装置としては、家庭内の洗面・風呂・洗濯・洗浄等の流体システムなどがあり、洗浄効果が期待される。この場合は、タンク１は不要で、水道管から供給される水道水（第１の流体）を直接、流体特性変化装置Ｓを通過させる（第２の流体は、空気である）ことで実現できる。同様に、工場やオフイス、店舗でも水道水を直接利用する流体システムに適用できる。あるいは、タンク１からの水に第２の流体として酸素を混合し、流体特性変化装置Ｓにて酸素ファインバブル水に特性変化し、農業、水産分野あるいはその他の分野の水処理のための流体システムに適用できる。ファインバブルを含んだ液体は、植物や魚などの生物に吸収されて、成長の速度を加速することができる。また、食材、例えば米や農作物、鮮魚などの洗浄にも用いられる。更には、地下水や井戸水、汚染水の浄化など水処理システムに適用できる。タンク１からの水に第２の流体として水素、二酸化炭素、その他の気体を混合し、流体特性変化装置Ｓにて水素ファインバブル水、二酸化炭素ファインバブル水、その他の特性を持つファインバブル水に特性変化させて、各種用途に用いることができる。

また、対象機器４を含む利用装置としては、各種機器の発する熱を熱交換する流体システムに適用でき、流体特性変化装置Ｓからの流体をかかる熱交換器に供給し、冷却或いは加熱することも実現できる。流体特性変化装置Ｓからの流体（ファインバブルを含み、温度変化の効果が期待される）を対象機器４内の熱交換器内のパイプに通す。対象機器４において、熱交換器を経た流体は、図示しないチラーにて、本来の温度に戻して、タンク１に循環供給される。このようにして、対象機器４に供給される流体が、対象機器の冷却或いは加熱を実現する伝熱剤として機能する。

特定の流体を消費する（流体を循環使用しない）流体システムであれば、タンク１に適宜、当該流体を補給しながら利用することになる。そのような対象機器は、種々の製造・生産ラインであり、種々の物品（食品、薬品、エマルジョン燃料など）の製造や生産に流体特性変化装置Ｓからの流体を利用することができる。

本発明において、流体特性変化装置Ｓには、供給流体の特性を変化させる１個もしくは複数の内部構造体が含まれるが、この内部構造体は、流体にファインバブル（マイクロバブルやウルトラファインバブル）を発生するものや、流体を撹拌・拡散あるいはせん断して、流体の特性を変更する装置で、流体の分子間の連結構造に変化をもたらすと考えられる構造体も含む。内部構造体を複数直列に配列する、並列に配列することなども流体特性変化装置Ｓの構成として取り得る。

（一実施形態）
図２は、本発明の流体特性変化装置Ｓの一実施形態に係る流体供給管１００の３次元分解斜視図であり、図３は流体供給管１００の内部構造体１４０の３次元斜視図であり、図４は、内部構造体１４０の側面図（ａ)と正面図（ｂ）である。図２に示されたように、流体供給管１００は管本体１１０と内部構造体１４０とを含む。図２において、流体は流入口１１１から流出口１１２側へ流れる。

管本体１１０は、その内部空間に内部構造体１４０を収納するための収納体として機能する。管本体１１０は、流入側部材１２０と流出側部材１３０とから構成される。流入側部材１２０と流出側部材１３０とは、円筒形の中が空いている管の形態を有する。流入側部材１２０は、一端部に所定の直径の流入口１１１を有し、他の端部側には流出側部材１３０との接続のために内周面をねじ加工することによって形成された雌ねじ（図示せず）を備える。流入口１１１の側には連結部が形成されており、連結部の内周面に形成された雌ねじ１２２と図示しない上流側のジョイント部の端部の外周面に形成された雄ねじとのねじ結合により、流入側部材１２０と上流側のジョイント部とが連結される。

流出側部材１３０は、一端部に所定の直径の流出口１１２を有し、他の端部側には流入側部材１２０との接続のために外周面をねじ加工することによって形成された雄ねじ１３２を備える。流出側部材１３０の雄ねじ１３２の外周面の直径は流入側部材１２０の雌ねじの内径と同一である。流出口１１２の側には連結部が形成されており、連結部は図示しない下流側のジョイント部と結合される。例えば、連結部の内周面に形成された雌ねじ(図示せず)とジョイント部の端部の外周面に形成された雄ねじとのねじ結合により、流出側部材１３０とジョイント部とが連結される。流入側部材１２０の一端部の内周面の雌ねじと流出側部材１３０の一端部の外周面の雄ねじ１３２とのねじ結合によって、流入側部材１２０と流出側部材１３０とが連結されることで管本体１１０が形成される。

管本体１１０の上記構成は一つの実施形態に過ぎず、本発明は上記構成に限定されない。例えば、流入側部材１２０と流出側部材１３０との連結は上記のねじ結合に限定されず、当業者に知られた機械部品の結合方法はどれでも適用可能である。また、流入側部材１２０と流出側部材１３０との形態は、図２の形態に限定されず、設計者が任意に選択したり、流体供給管１００の用途によって変更したりすることができる。流入側部材１２０又は流出側部材１３０は、例えば、スチールのような金属、又はプラスチックや樹脂等の非金属から成る。図２及び図３を一緒に参照すれば、流体供給管１００は、内部構造体１４０を流出側部材１３０に収納した後に、流出側部材１３０の外周面の雄ねじ１３２と流入側部材１２０の内周面の雌ねじとを結合させることによって構成されることが理解される。

内部構造体１４０は、例えば、スチールのような金属からなる円柱部材を加工する方法又はプラスチックを成形する方法（射出成型する方法なども含まれる）等によって形成される。図３及び図４に示されたように、本実施形態の内部構造体１４０は、上流側から下流側に向けて、断面が円形の共通の軸部１４１の上に一体化して形成されている流体拡散部１４２と、渦巻発生部１４３と、流体特性付与部１４５と、誘導部１５０とを含む。流体拡散部１４２、渦巻発生部１４３、流体特性付与部１４５及び誘導部１５０のそれぞれは、例えば、一つの円柱部材の一部を切削、旋削、研削の加工を単独で或いはこれらを組み合わせて行うことにより形成される。或いは、３Ｄプリンターによって金属または樹脂の材料から３次元プリント形成することもできる。

流体拡散部１４２は、円錐の形態を有し、例えば、円柱部材の一端部を円錐加工することによって形成される。流体拡散部１４２は流入口１１１を経て流入側部材１２０に流入する流体を管の中心部から外側へ、即ち、半径方向へ拡散させる。本実施形態においては流体拡散部１４２が円錐の形態を有するが、本発明はこの実施形態に限定されない。他の実施形態では、流体拡散部１４２がドームの形態を有する。流体拡散部１４２は、その他の形態をとることもでき、先端の一点から徐々に同心円的に拡大する形状であればよい。

渦巻発生部１４３は、管本体１１０に内部構造体１４０が収納された際に、管本体１１０の上流側に位置する内部構造体１４０の頭部の一部であって、流体拡散部１４２の下流に位置する。図示されたように、渦巻発生部１４３は、円形の断面を有し、長さ方向に沿って直径が一定した軸部１４１と、５個の螺旋状に形成された翼１４３－１～１４３－５とを含む。図３に示されたように、流体拡散部１４２の軸部方向の長手方向（流体が全体として流れる方向）の長さは、渦巻発生部１４３の軸部１４１の長手方向の長さより短く、渦巻発生部１４３の軸部１４１の長手方向の長さは、流体特性付与部１４５の軸部１４１の長手方向の長さよりは短い。流体拡散部１４２の断面積が最大である部分の直径は、渦巻発生部１４３の軸部１４１の直径と同一である。他の実施形態では、流体拡散部１４２の断面積が最大である部分の直径が渦巻発生部１４３の軸部１４１の直径より小さくすることも、大きくすることもできる。いずれの場合にも、流体拡散部１４２の断面積が最大である部分の半径は渦巻発生部１４３の半径（渦巻発生部１４３の軸部１４１の中心から各翼の先端までの距離）より小さいことが好ましい。

渦巻発生部１４３の翼１４３－１～１４３－５の各々は、図４に示される通りその先端が軸部１４１の円周方向に互いに７２°ずつずらされており、軸部１４１の渦巻発生部１４３に対応する間の外周面に、所定の間隔をあけて反時計まわりに螺旋状に形成されている。図４の（ａ）は左側面図、（ｂ）は正面図である。本実施形態では翼の個数を５個にしたが、本発明はこのような実施形態に限定されない。そして、各翼には、流れ方向に垂直な面のほか、螺旋状の面（例えば、流れ方向に垂直な面からの角度は２０°である）に長穴が開いているとともに、段差が設けられている。より詳細には、例えば、翼１４３－１には、図３及び図４に示す通り、流れ方向に垂直な面に小さい丸穴１４３－１ａがあいている。そして螺旋状の面は、内側が相対的に厚くて外側が相対的に薄くなった少なくとも一つの段差１４３－１ｂが形成され、また複数の丸穴が連続し繋がった長穴１４３－１ｃがあいている。他の翼１４３－２～１４３－５の形状も同様である。このようにして、渦巻発生部１４３は、流体に対して反時計回りの渦巻流を作るほか、流体の一部が丸穴や長穴を直接通過して下流に流れるようにする。また、段差によって翼の厚みが薄い部分が形成されによって、流体の流量を増やすことになる。渦巻発生部１４３の翼１４３－１～１４３－５の形態は、流体が各翼の間を通過する間に渦巻流を起こすことができる形態であれば、翼の枚数や角度、形成される段差の数は特に制限されない。このような様々な変形は後述する他の実施形態にも同様に適用可能である。そして、本実施形態では、渦巻発生部１４３は、内部構造体１４０を管本体１１０に収納した時に、管本体１１０の流出側部材１３０の内部空間の壁面に近接する程度の外径を有する。

流体特性付与部１４５は、渦巻発生部１４３より所定の区間１４４を隔てて下流側に形成され、内部構造体１４０のボディー部の一部又は全部に対応する。図３及び図４に示されたように、流体特性付与部１４５は、円形の断面を有し直径が一定した軸部１４１と、軸部１４１の外周面から突出した網状に形成された複数の突起部（凸部）１４５ｐとを含む。本実施形態において、流体特性付与部１４５の軸部１４１の直径は、渦巻発生部１４３及び所定の区間１４４の軸部１４１の直径と同じである。そして、渦巻発生部１４３から所定の区間１４４を経由して流体特性付与部１４５に流れる間、流路の断面積が急激に小さくなって流体の流動特性を変化させる。

図５は、流体特性付与部１４５に形成される一つの突起部１４５ｐの形状を拡大して示す。突起部１４５ｐの夫々は、円柱部材を切削等の加工をして形成した場合は、天面（上面）は元の円柱部材の外周面であって、略菱形（頂角は略３０度）である。底面（下面）が軸部１４１の外周面であり、略平行四辺形である。本実施形態においては、突起部１４５ｐの高さ方向（軸部１４１の半径方向）の底面から全体の高さの略１／３のところに段差１４５ｐ－ｄ１が設けられていて（図（ａ）のとおり）、上段と第２段目が構成される。勿論、この段差１４５ｐ－ｄ１の高さは、全体の高さの１／２のところにする、あるいは、２／３のところにするなど適宜変更可能である。別の実施形態では、この段差１４５ｐ－ｄ１と段差１４５－ｄ２とを全体の高さの略１／３及び２／３のところにそれぞれ設ける（図（ｂ）のとおり）。段差１４５ｐ－ｄ１或いは段差１４５ｐ－ｄ２は、円周方向に平行であって、半径方向には垂直となる。この段差１４５ｐ－ｄ１、１４５ｐ－ｄ２を作るのは、エンドミルを用いた切削工程など、切削、旋削、研削の加工を単独で或いはこれらを組み合わせて行うことにより形成される。

図６は本実施形態に係る突起部１４５ｐと流路１４５ｒの形成方法の一例を示す。図６に示されたように、円柱部材の長さ方向（図面の左右方向）に対して９０度の方向に一定の間隔を持つ複数のライン（平行に流れる例えば１４本の円環状の閉流路）と、上記長さ方向に対して所定の角度（例えば、６０度）に傾いた一定の間隔のライン（複数本、例えば１２本の螺旋状に流れる螺旋流路）を交差させ、９０度の方向のラインの間を一回ずつ飛ばして切削等加工すると共に、傾いたラインの間を一回ずつ飛ばして切削等加工する。このようにして、軸部１４１の外周面から突出した複数の突起部１４５ｐが上下（円周方向）、左右（軸部１４１の長さ方向）に一つずつ飛ばして規則的に形成される。このとき、突起部１４５ｐには上述したように、段差１４５ｐ－ｄ１を形成することで、軸部１４１の半径方向においては、中心に近い方から下面（又は底面）、２段目、上段（天面又は上面）の３層構成となる。それぞれの突起部１４５ｐの間に流路１４５ｒが形成される。本実施形態において、流体特性付与部１４５は、内部構造体１４０を管本体１１０に収納した時に、管本体１１０の流出側部材１３０の筒形の内部空間の壁面に近接する程度の外径（つまり突起部１４５ｐの天面（上面）が壁面に接触する程度に近接する）を有する。なお、複数の突起部１４５ｐの形状は、種々の形状を取り得て、例えば、三角形、多角形、その他の形状と変形することもでき（このとき、夫々の突起部に、少なくとも一つの段差を底面からある高さに設ける）、その配列も図６から適宜（角度、幅など）変更できる。この変更は、以下に説明する他の実施形態においても同様に適用可能である。

本実施形態では流体特性付与部１４５の最下流に、ドーム形状の誘導部１５０が設けられている。誘導部１５０によって、中心に向かって誘導された流体は、流出口１１２を通じて吐き出される。この誘導部１５０の形状もドーム形に限られるものではなく、円錐形、角錐形なども取り得る。

以下、流体が流体供給管１００を通過する間の流動について説明する。ポンプ２によってタンク１からくみ上げられ配管を経由して流入口１１１を通じて流入された流体は、流入側部材１２０の内側の内部壁面と流体拡散部１４２との間を通過しながら管の中心部から外側へ拡散させられる。そして流体は、渦巻発生部１４３の螺旋状に形成された５個の翼１４３－１乃至１４３－５の間を通過して行く。その結果、流体は渦巻発生部１４３の各翼によって強烈な渦巻流になって、流体特性付与部１４５に送られる。このとき、一部の流体は、各翼に形成された穴（翼１４３－１では、丸穴１４３－１ａ、長穴１４３－１ｃであって、他の翼１４３－２～１４３－５においてもそれぞれ同様に設けられた丸穴と長穴）を通過して下流の流体特性付与部１４５に送られる。また、翼１４３－１～１４３－５に形成された、内側が相対的に厚くて外側が相対的に薄くなった少なくとも一つの段差(翼１４３－１では、１４３－１ｂ)によって、流体の流れる流量が増やされる。

そして、流体は流体特性付与部１４５の複数の略菱形の突起部１４５ｐの間の複数の狭い流路１４５ｒを通り過ぎる。具体的には、この流路１４５ｒのうち、例えば１２本の螺旋流路の流れが急峻であり、１４本の円環状の閉流路の流れは緩慢である。この螺旋流路と円環状の閉流路とは交差する交差流路となり、流体は交差する位置で衝突を繰り返しながら全体として下流に進むことになる。その結果、流体には乱流が生じ多数の微小な渦を発生させる。このような現象によって、流体の混合及び拡散を誘発する。流体特性付与部１４５の上記構造は、異なる性質を有する二つ以上の流体を混合する場合にも有用である。

また、内部構造体１４０では、流体が、断面積が大きい上流側（渦巻発生部１４３、所定区間１４４）から断面積が小さい下流側（流体特性付与部１４５の複数の突起部１４５ｐの間に形成された流路１４５ｒ）へ流れるようにする構造を有する。この構造は以下に説明するように流体の静圧力（ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を変化させる。流体に外部エネルギーが加えられない状態での圧力、速度、及び位置エネルギーの関係は次のようなベルヌーイ方程式（Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ）として表される。

ここで、Ｐは流線内の一点での圧力、つまり、静圧又は静圧力、ρは流体の密度、Ｖはその点での流動の速度、ｇは重力加速度、ｈは基準面に対するその点の高さ、Ｋは定数である。上記方程式として表現されるベルヌーイ定理は、エネルギー保存法則を流体に適用したものであり、第１項は、圧力のエネルギー（静圧）、第２項は運動エネルギー（動圧）、第３項は位置エネルギーに相当し、流れる流体に対して流線上ですべての形態のエネルギーの合計はいつも一定であるということを説明する。ベルヌーイ定理によると、断面積が大きい上流では、流体の速度が遅くて静圧は高い。これに対して、断面積が小さい下流では、流体の速度が速くなり静圧は低くなる。

流体が液体である場合、気圧が下がると沸点が下がるので、ボイル・シャルルの法則（Ｂｏｙｌｅ－Ｃｈａｒｌｅｓ’ｌａｗ）に従って、低くなった静圧が液体の飽和蒸気圧に到達すると液体の気化が始まる。このようにほぼ同一の温度において静圧Ｐがきわめて短い時間内に飽和蒸気圧Ｐｖより低くなって（水の場合、３０００－４０００Ｐａ）、液体が急激に気化する現象をキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）と称する。流体供給管１００の内部構造はこのようなキャビテーション現象を誘発する。キャビテーション現象によって液体のうちに存在する１００ミクロン以下の微小な気泡核を核として液体が沸騰したり溶存気体の遊離によって小さい気泡が多数生じたりする。すなわち、流体が流動特性付与部分１４５を通過する過程で多数のマイクロバブルやウルトラファインバブルを含むファインバブル（微細気泡）が発生する。

また、流体が、水の場合、１つの水分子が他の４個の水分子と水素結合を形成するが、この水素結合ネットワークを破壊することは容易ではない。そのために、水は水素結合を形成しない他の液体に比べて沸点や融点が非常に高く、高い粘度を示す。水の沸点が高い性質は優秀な冷却効果をもたらすので、加工装置分野あるいは工作機械分野では、冷却水として頻繁に用いられるが、水分子の大きさが大きくて加工箇所への浸透性や潤滑性は良くないという問題がある。そこで、通常は水でない特殊な潤滑油（例えば、切削油）を単独に、または、水と混合して用いる場合も多い。ところで、流体供給管１００を用いれば、上記したキャビテーション現象によって水の気化が起き、その結果、水の水素結合ネットワークが破壊されると考えられる。また、気化によって発生するファインバブルは流体（水）の浸透性及び潤滑性を向上させる。浸透性の向上は結果的に冷却効率を増加させる。

流体特性付与部１４５を通過した流体は、誘導部１５０を経由して内部構造体１４０の端部に向かって流れる。流体特性付与部１４５の複数の狭い流路から流出側部材１３０の下流の内部空間へ流れると流路が急激に広くなる。流体は流出口１１２を通じて流出される。

ここで、図７と図８を参照して、比較対象の内部構造体（図７、図８の（Ａ）、（Ｂ））をもって、本実施形態の内部構造体（図７、図８の（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ））との流体の圧力別の吐出量を比較する。実験に用いた内部構造体は全て、全長が４４．４ｍｍであり、渦巻発生部１４３の流れの方向の長さは３．５ｍｍ、軸の最大直径（突起部１４５ｐの天面（上面）の位置）が２０ｍｍ、軸の最小直径（突起部１４５pの底面の位置）が１１ｍｍであり、流体特性付与部１４５のすべての突起部１４５ｐは、図５の(ａ)の一段の段差が形成されている。

更に、具体的には、そして、図７（Ａ）は、穴や段差が形成されていない４枚の翼をもち、それぞれの翼の角度は流れに対して垂直面から１５°である。図７（Ｂ）は、上述した実施形態同様に、５枚の翼をもつが、各翼には穴や段差が形成されていない。これに対して図７（Ｃ）は、５枚の翼のそれぞれには一段の段差が形成されているが、翼には、穴はあいていない。図７（Ｄ）は、５枚の翼をもち、各翼は丸穴や長穴が形成されているが、段差の形成は無い。図７（Ｅ）は、５枚の翼をもち、各翼には一段の段差が形成されていて、各翼は丸穴や長穴が形成されている。

図８の流体の圧力（単位はメガパスカル）別の吐出量（毎分当たりの流量：単位はリットル）を比較すると、４枚の翼のものより、５枚の翼をもつものが、流量が多いことがわかる。また、総じて翼に穴（丸穴、長穴）の開いているものが、穴の開いていないものに比べて流量が多い。或いは、翼に段差がついているものが、流量が多いことがわかる。

（他の実施形態）
図９は、本発明の他の実施形態に係る内部構造体１１４０の３次元外観斜視図を示し、図１０は、内部構造体１１４０の左側面図（ａ）と正面図（ｂ）と右側面図（ｃ）である。この内部構造体１１４０は、上述した一実施形態に係る内部構造体１４０と同様の構成をもつもので、同一構成のところは同一符号を付しその説明を省略する。本実施形態において、上述した実施形態１４０との相違点は、誘導部１１５０にある。

即ち、内部構造体１１４０の下流側の誘導部１１５０は、ドーム形であるが、例えば１８本の溝（細い流路）１１５０ｄがドーム先端に流れに向かって形成されている。このような溝を形成することで、流体にはさらに中心に誘導することになり、また流体が水の場合は、目視によれば、白濁の程度が強まり、マイクロバブルの発生が強められていることが分かる。なお、この誘導部１１４０の形状としては、ドーム形に限らず円錐形、角錐形ほかの形状をとりうるが、その外周面に複数本の流れの方向に平行に溝が複数本設けられることになる。

以上、本発明を、いくつかの構成例や、複数の実施形態を利用して説明したが、本発明はこのような例示の形態に限定されることではない。本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、上記説明及び関連図面から本発明の多くの変形及び他の実施形態を導出することができる。本明細書では、複数の特定用語が使われているが、これらは一般的な意味として単に説明の目的のために使われただけであり、発明を制限する目的で使われたものではない。添付の特許請求の範囲及びその均等物により定義される一般的な発明の概念及び思想を抜け出さない範囲で多様な変形が可能である。

Ｓ 流体特性変化装置
４ 対象機器
１００ 流体供給管
１４０、１１４０ 内部構造体
１４３ 渦巻発生部
１４３－１～１４３－５ 翼
１４３－１ａ 丸穴
１４３－１ｂ 段差
１４３－１ｃ 長穴
１５０、１１５０ 誘導部
１１５０ｄ 溝

Claims (12)

1. 収納体に収納されて、流体に対し流動特性を与える内部構造体であって、
   内部構造体は、拡散部分と渦巻発生部分と流動特性付与部分とを有し、
   拡散部分は、流入される流体を軸体部材の半径方向に拡散させ、
   渦巻発生部分は、拡散部分によって拡散された流体に渦巻流を発生させるようにするものであって、複数の翼を有し、翼の一部には、穴が開いていて、流体の一部を下流に通過させるようにし、
   流動特性付与部分は、渦巻発生部分からの渦巻流となった流体ならびに穴を通過した流体が与えられ、流動特性付与部分は、流体が流れる外周面に複数の突出部を有することを特徴とする、
   内部構造体。
2. 渦巻発生部分の複数の翼には、内側が相対的に厚くて外側が相対的に薄くなった少なくとも一つの段差が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内部構造体。
3. 収納体に収納されて、流体に対し流動特性を与える内部構造体であって、
   内部構造体は、拡散部分と渦巻発生部分と流動特性付与部分とを有し、
   拡散部分は、流入される流体を軸体部材の半径方向に拡散させ、
   渦巻発生部分は、拡散部分によって拡散された流体に渦巻流を発生させるようにするものであって、複数の翼を有し、翼には内側が相対的に厚くて外側が相対的に薄くなった少なくとも一つの段差が形成されているようにし、
   流動特性付与部分は、渦巻発生部分からの渦巻流となった流体が与えられ、流動特性付与部分は、流体が流れる外周面に複数の突出部を有することを特徴とする、
   内部構造体。
4. 翼の一部には、穴が開いていて、流体の一部を下流に通過させるようにし、
   流動特性付与部分は、渦巻発生部分からの渦巻流となった流体ならびに穴を通過した流体が与えられるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の内部構造体。
5. 渦巻発生部分は、５つの翼を含み、翼の各々は、その先端が軸部分の円周方向に互いに７２°ずつずらされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内部構造体。
6. 内部構造体は、流動特性付与部分より下流側に、流体を流れの中心に向かって誘導するドーム形の誘導部分を更に含み、ドーム形の誘導部分には、先端に向けて複数の溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内部構造体。
7. 流動特性付与部分における流体が流れる外周面に形成された複数の突出部は、少なくとも一つの段差が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の内部構造体。
8. 拡散部分、渦巻発生部分、流動特性付与部分、誘導部分は、共通の軸体部材上に一体的化して形成されていることを特徴とする請求項６に記載の内部構造体。
9. 複数の突出部の間にある流路の断面積が、上流の流路の断面積より小さく、複数の突出部の間にある流路を流れる流体の静圧力を低くすることにより、キャビテーション効果を誘発して、微小バブルを発生させることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の内部構造体。
10. 内部構造体は、供給される流体に対して、マイクロバブルやウルトラファインバブルを含む微細気泡を発生し、複数の流体を混合し、供給流体を攪拌・拡散或いはせん断することの少なくとも一つの機能を実現することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の内部構造体。
11. 請求項９又は１０の内部構造体及びそれを収納する収納体からなる流体特性変化装置。
12. 請求項１１の流体特性変化装置を利用する利用装置であって、流体特性変化装置からの流体を、冷却剤、洗浄剤、殺菌剤、伝熱剤のいずれかとして用いることを特徴とする利用装置。
    

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