JP5961733B1 - 脈動流体または断続流体の生成装置 - Google Patents
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Abstract
Description
従来から一般家庭や商業施設などにおいて水道水が広く使用されている。
水道蛇口から流れ出る流水などは、物理的に完全に均一で滑らかな流体というわけではなく揺らぎや乱れなどもあるが、通常の状態では流れが途切れることのない連続流体となっている。
物体表面の洗浄において、その表面に水道水をかけて洗浄することが一般的に行われている。洗浄の効果を上げるために洗剤とスポンジなどの洗浄具を用いて擦浄することも多いが、基本的には物体表面を流れ落ちる水により表面上の汚れを押し流すことにより洗浄する。
図16は従来の連続流水を用いた洗浄の様子を分かりやすく示した図である。水道蛇口から物体表面にかけ落とした水は切れ目なく連続しているため、物体表面に到達した水は物体表面上に沿って周囲に拡散してゆくが、当然、強く当たった水は物体表面で反射もするので、図16(b)および図16(c)に示すように、物体表面のやや上方の空間で落下してくる水と物体表面で跳ね返った水が衝突して勢いを相殺する状況が発生する。そのため、いわば物体表面の上に水膜が形成され、また表面張力も働く。そのため図16(d)に示すように、上から切れ目なく連続して流れてきた流水は、跳ね返りの水で勢いを相殺された上、その盛り上がった水膜の上を滑るように横方向に移動するようになり、水道水が汚れに対して直接当たる割合が減り、横に逃げる割合が増えるという現象が発生する。
つまり、洗浄に用いた水のうち、汚れに対して直接当接して当該汚れを押し流す洗浄水の割合が少なく、図16(e)に示すように多くの割合の洗浄水が当該汚れの上に形成される水膜の上を滑るように移動するようになる。
しかし、従来技術において、連続流体である流水を断続流または脈動流に変化させる技術に乏しいことが分かった。
その他に、排出口通過直後から断続流または脈動流に変化させるものとしては、例えば、電気的なアクチュエーターを利用し、噴射ポンプのオンオフを繰り返したり、いわゆる洗浄機能付き便座などでピエゾ素子を用いた微小噴射のオンオフを繰り返したりする技術があるが、装置が複雑かつ電気的駆動が必要となってしまう。そこで、装置を簡素化しかつ電気的駆動要素を低減した状態で脈動流や断続流を形成することが求められている。
製造技術として脈動流または断続流の形成が求められる。例えば、半導体製造において、キャリア流体を用いて出発化合物を反応チャンバに導入する際などにも脈動流や断続流の形成が必要とされている。ここでキャリア流体は不活性気体などがある。また、一例としては、金属製の構造部材表面に対するウォータージェットピーニングにおいて脈動流や断続流を形成する際にも如何に装置を簡素化しかつ電気的駆動要素を低減することが求められている。
第1のパターンは、噴射流体が導通孔前面を沿って流れて導通孔前面を瞬間的に完全に塞ぎ、気圧低下が大きくなると導通孔から外気を吹き込み力が強くなって噴射流体を破って内部に通気するものであり、これを繰り返すパターンである。いわゆる外気の通気と噴射流体の破断のオンオフを繰り返すパターンである。
第2のパターンは、噴射流体と導通孔前面との間が完全には塞がれておらずに小さな隙間があり、小さな隙間を介した通気はあるもののその通気量が制御されているパターンである。いわゆる外気の通気が大小を繰り返し、通気量大のときに外気が噴射流体を破って大きく通気するパターンである。
第3のパターンは、外気と噴射流体または噴射飛沫が導通孔付近で衝突し合って外気の通気量が制御されるものである。いわゆる外気の通気が大小を繰り返し、通気量大のときに外気が噴射流体を押し破って大きく通気するパターンである。
上記構成により、衝突により生じる振動または脈動により外気の吹き込みの強弱リズムを生じせしめ、噴射流体から脈動流または断続流を生成することができる。
上記構成により、脈動流体または断続流体が複数本出射されるが、それぞれの脈動流体または断続流体の強弱がランダムとなり、物体表面に当接すれば当接の勢いのある箇所が水平方向にも変動するような特性のある脈動流体または断続流体が得られる。
例えば、水道栓に取り付ける泡沫水生成コマに組み込めば、洗浄効果に優れた脈動水流または断続水流の洗浄水を生成することができる。その他にも様々な水流利用装置に組み込むことができる。
例えば、加工技術の分野の装置に組み込むこともできる。例えば、半導体製造において、キャリア流体を用いて出発化合物を反応チャンバに導入する際などにもキャリア流体を脈動流や断続流とする装置として適用できる。ここでキャリア流体は不活性気体などがある。また、金属製の構造部材表面に対するウォータージェットピーニングにおいて水流を脈動流や断続流として形成する装置に組み込むことができる。その他にも様々な加工装置に組み込むことができる。
また、清掃技術や除去技術としても求められている。従来のスクレーパーに代えて脈動流または断続流の媒質を用いて清掃したり不要物を除去したりする装置や製造過程で生じた切削残渣やカレットを除去するための装置に組み込むこともできる。その他にも様々な機械装置に組み込むことができる。
また、計測装置や測定装置に組み込むことができる。例えば、試験系における気体媒質や液体媒質の流れの影響を分析する装置や、脈動流による影響をシミュレーションするために媒体の脈動流を形成する測定装置がある。その他にも様々な計測装置や測定装置に組み込むことができる。
また、例えば、ガスの燃焼効率を挙げるためガスタービン燃焼器や蓄熱式ラジアントチューブバーナやジェットエンジンなどにおいて脈動ガス流を生成する装置に組み込むことができる。その他にも様々なガス利用機器に組み込むことができる。
また、医療機器や組織化学用自動反応装置などのマイクロ流体デバイスにおいて脈動流発生装置として組み込むことができる。その他にも様々な医療機器に組み込むことができる。
図1は、脈動流体または断続流体の生成装置100の一部のみを取り出して示した図となっている。図1では、噴射機構110、空間キャビティ120、連続流体管130、通気路140と導通孔141、脈動流体または断続流体の排出部150が図示されている。
噴射機構110の噴射角度が、その噴射先または噴射飛沫先が導通孔141またはその近傍に当接し、跳ね返りながらその一部が導通孔141を含む側壁面を覆いつつ下方に流れる水流となる角度となっている。
図2に示すように、基本的な動きとして、気密が維持されている空間キャビティ120内に、噴射機構110から勢いよく噴射流体が流入し、空間キャビティ120内部の気体を巻き込みつつ排出部150から水が流出して行くものとなっている。
噴射機構110から流入した噴射流体が空間キャビティ120内部の空気を巻き込んで押し流しつつ排出部150から排出されるので、空間キャビティ120内の気圧が低下する。そのため、気圧低下に伴って導通孔141を介して通気路140から外気が高速に吹き込まれることとなる。
図2に示すように、空間キャビティ120内を噴射流体が内部の空気を巻き込んで押し出しつつ下方に流れることにより、空間キャビティ120内の気圧低下が生じる。空間キャビティ120内から噴射流体とともに気体が下方に押し出されてゆき、狭く密閉している空間キャビティ120内の気圧が低下すること理解されよう。
ここで、この気圧低下と気圧回復は整然と平衡状態を保つものではなく、導通孔141の開口を塞いでいる噴射流体の液流膜があることから、図2(b)の左右に示す状態が交互に繰り返されることとなる。
空間キャビティ120内の気圧が回復してゆくと、空間キャビティ120内への外気の引き込む力が小さくなり、やがて導通孔141の開口を沿って流れる液流膜の勢いが勝り、導通孔141の開口を液流膜が封止する図2(b)左側の状態に戻る。
このように、図2(b)左側の外気の吹き込みがない気圧低下進行状態と、図2(b)右側の外気の吹き込みがある気圧回復進行状態との繰り返しの変動によって、外気の吹き込みの強弱リズムを生じ、噴射流体から脈動流または断続流の泡沫水が生成される。
図3に示すように、排水路150の中においては液塊の先に気体塊が押し込まれた状態となる。このように液塊の間に気体塊が存在すると、あたかも先行する液塊と後続の液塊が独立し、その間に気体塊が入り込んだ状態となり、脈動流またはパルス状の断続流として排出部150から系外へ放出されることとなる。
泡沫水であるので、先行する泡沫液塊によって盛り上がるような水膜は形成されておらず、常に汚れの上面が剥き出しに近い状態となっており、次々と到来する泡沫液塊が汚れに直接打撃を加え続け、泡沫液塊のエネルギーが汚れに印加され続ける。このように、本発明の脈動流体または断続流体生成装置100により生成された泡沫水流が高い洗浄効果を示す。
図5(a)は、連続水流が物体表面の汚れに当たり始める様子を示す図である。
この図5に示した従来の単純な連続水流の洗浄効果に比べて、図4に示した本発明の脈動流体または断続流体の生成装置100により生成された泡沫水流の持つ高い洗浄効果が理解されよう。
以上に説明したように、脈動流体または断続流体の生成装置の第1の原理を適用することにより連続流体から脈動流体または断続流体が生成される。
図6は、本発明の実施例2にかかる脈動流体または断続流体の生成装置100aの一構成を簡単に示した図である。
図6は、脈動流体または断続流体の生成装置100aの一部を取り出して示した図となっている。
図6に示すように、噴射機構110a、空間キャビティ120、液体導入管130、通気路140aと導通孔141a、脈動流体または断続流体の排出部150が図示されている。
図6に示した構成要素のうち、空間キャビティ120、液体導入管130、脈動流体または断続流体排出部150は図1の構成と同様であり、ここでの詳しい説明は省略する。
実施例1の図1に示した構成例では噴射機構110の噴射先に対向する側壁面に導通孔141が設けられていた例であるが、本実施例2の構成例では、噴射機構110aの噴射先と略平行に位置する側壁面に導通孔141が設けられていた例となっている。
図7に示すように、基本的な動きとして、気密が維持されている空間キャビティ120内に、噴射機構110aから勢いよく水流が流入し、内部の気体を巻き込みつつ排出部150から水が流出して行く点は実施例1と同様である。
噴射機構110aから流入した噴射流体が空間キャビティ120内部の空気を巻き込んで押し流しつつ排出部150から排出されるので、空間キャビティ120内の気圧が低下する。そのため、気圧低下に伴って導通孔141aを介して通気路140aから外気が高速に吹き込まれることとなる。
図7に示すように、導通孔141aの開口が下方に流れる噴射流体で封止される状態が現れる。
図7に示すように、空間キャビティ120内を噴射流体が内部の空気を巻き込んで押し出しつつ下方に流れることにより、空間キャビティ120内の気圧低下が生じ得る。噴射流体の形や勢いにもよるが空間キャビティ120内から気体が下方に押し出され、狭く密閉している空間キャビティ120内の気圧が低下すること理解されよう。
ここで、導通孔141の開口を塞いでいる噴射流体の液流膜があることから、図7(b)の左右に示す状態が交互に繰り返されることとなる。
このように、図7(b)左側の外気吹込みがない気圧低下進行状態と、図7(b)右側の外気吹込みがある気圧回復進行状態との繰り返しの変動によって、外気の吹き込みの強弱リズムを生じ、噴射流体から脈動流または断続流が生成される。
ここで、図8に示すように、噴射機構110aからの噴射流体は空気キャビティ120の壁面に衝突し、内部の空気キャビティ120の大きさが過剰に大きくなく壁面の形状や角度の条件によっては噴射流体が勢いよく反射し、散乱することがあり得る。そしてその跳ねた噴射飛沫が導通孔141aを覆うことがある。ここでは、空気キャビティ120の形状や角度がその散乱条件が満たしているものとする。
図8ではその散乱している噴射水流の一部によって導通孔141aを塞ぐように描かれている。
図8(b)の左側の状態は、導通孔141aの開口が散乱噴射液流により形成される液流膜により封止されている状態である。この状態では瞬間的に導通孔141aから外気の吹き込みが停止または低下しており、その一方、空間キャビティ120内から空気が下方に押し出されてゆくため、狭く密閉している空間キャビティ120内の気圧が低下してゆく。
空間キャビティ120内の気圧変化により、図8(b)の左側の状態と右側の状態を繰り返す点は、上記図7(b)と同様である。
図9は、本発明の実施例3にかかる脈動流体または断続流体の生成装置100bの一構成例を簡単に示した図である。
図9に示した構成要素のうち、空間キャビティ120、液体導入管130、脈動流体または断続流体の排出部150は図2の構成と同様であり、ここでの詳しい説明は省略する。
図10に示すように、基本的な動きとして、気密が維持されている空間キャビティ120内に、噴射機構110bから勢いよく水流が流入し、内部の空気を巻き込みつつ排出部150から水が流出して行くものとなっている。
なお、この衝突は、偶然に内部の飛沫が導通孔付近に飛散するというものではなく、噴射機構110bの角度付けにより意図的に連続して衝突を起こすよう制御されたものである。
図10に示すように、空間キャビティ120内を噴射流体が内部の空気を巻き込んで押し出しつつ下方に流れることにより、空間キャビティ120内の気圧低下が生じ得る。噴射流体の形や勢いにもよるが空間キャビティ120内から空気が下方に押し出され、狭く密閉している空間キャビティ120内の気圧が低下すること理解されよう。
このように、図10(b)左側の外気吹込みが少ない気圧低下進行状態と、図10(b)右側の外気吹込みが多い気圧回復進行状態との繰り返しの変動によって、外気の吹き込みの強弱リズムを生じ、噴射流体から脈動流または断続流の泡沫水が生成される。その結果、通過する噴射流体も脈動流となったり、断続的に切れたパルス状の断続流となったりする。
図11は、本発明の実施例4にかかる脈動流体または断続流体の生成装置100cの一構成例を簡単に示した図である。
図11に示した構成要素のうち、空間キャビティ120、液体導入管130、脈動流体または断続流体の排出部150は図2の構成と同様であり、ここでの詳しい説明は省略する。
図11に示した構成要素のうち噴射機構110cの噴射角度は、噴射流体の噴射先または噴射飛沫先が導通孔141cのやや下方となっている。
図12に示すように、基本的な動きとして、気密が維持されている空間キャビティ120内に、噴射機構110cから勢いよく水流が流入し、内部の空気を巻き込みつつ排出部150から水が流出して行くものとなっている。
図12ではその散乱している噴射水流によって導通孔141cを塞ぐように描かれている。
図12(b)の左図に示すように、空間キャビティ120内を噴射流体が内部の空気を巻き込んで押し出しつつ下方に流れることにより、空間キャビティ120内の気圧低下が生じ得る。噴射流体の形や勢いにもよるが空間キャビティ120内から空気が下方に押し出され、狭く密閉している空間キャビティ120内の気圧が低下すること理解されよう。
上記した実施例1から4に記載した脈動流体または断続流体生成装置を用いることにより、脈動流体または断続流体が出射される。ここでは水を用いた例であるので脈動流体または断続流体は泡沫化されており、例えば、図4に示したような脈動流体または断続流体の泡沫液塊流となっている。
この内部構造が複数化された脈動流体または断続流体生成装置100−2からは4本の脈動流体または断続流体が出射される。
図15(a)には4つの円が破線で描かれているが、これは、落下してくる脈動流体または断続流体の落下中心の位置を簡単に示したものである。
次に、引き続き、図15(d)に示すように、右下の位置に一つの液塊が物体表面に到達して衝突し、図15(e)に示すように、左下の位置に一つの液塊が物体表面に到達して衝突し、さらに、図15(f)に示すように、左下の位置に一つの液塊が物体表面に到達して衝突している。このように、液塊が様々な位置にランダムに物体表面に到達する。
本発明の脈動流体または断続流体生成装置を組み込む装置も多様であり、例えば、例えば、水道栓に取り付ける泡沫水生成コマに組み込めば、洗浄効果に優れた脈動水流または断続水流の洗浄水を生成することができる。
例えば、加工技術の分野の装置に組み込むこともできる。例えば、半導体製造装置に組み込めば、キャリア流体を用いて出発化合物を反応チャンバに導入する際などにも脈動流や断続流の形成装置として適用できる。また、金属製の構造部材表面に対するウォータージェットピーニング装置に組み込めば、ピーニング用の脈動流や断続流を形成する装置に組み込むことができる。
また、清掃装置や不要物の除去装置にも組み込み可能である。従来のスクレーパーに代えて脈動流または断続流の媒質を用いて清掃したり、また、製造過程で生じた切削残渣やカレットなどの不要物を除去したりすることができる。
また、計測装置や測定装置に組み込むことができる。例えば、試験系における気体媒質や液体媒質の流れの影響を分析する装置や、脈動流による影響をシミュレーションするために媒体の脈動流を形成する測定装置がある。
また例えば、ガスの燃焼効率を挙げるためガスタービン燃焼器や蓄熱式ラジアントチューブバーナやジェットエンジンなどにおいて脈動ガス流を生成する装置に組み込むことができる。
また、医療機器や手術機器や組織化学用自動反応装置などのマイクロ流体デバイスにおいて脈動流発生装置として組み込むことができる。
これら装置の例は一例に過ぎず、脈動流または断続流を必要とする装置は限定されず多様にあり、本発明の脈動流体または断続流体の生成装置を様々な装置に対して組み込むことができる。
110 節水コマ
111 噴射機構
120 空間キャビティ
140 通気路
141 導通孔
150 排出部
Claims (15)
- 液体または気体の流体を噴射する噴射機構と、前記噴射機構の下流に位置する閉鎖空間であり、その下方に流体排出部、その側面に外気を導通する通気路につながる導通孔を備え、その内部が外気で満たされた空間キャビティを備え、
前記噴射機構の噴射流体の噴射先または前記噴射流体の前記空気キャビティ壁面での衝突による変化により、前記噴射流体の一部が前記導通孔を一時的に覆いつつ流れて前記導通孔からの外気の通気量を制限するよう前記噴射流体を形成する構成であり、
前記空間キャビティ内を前記噴射流体が下方に流れることにより生じる前記空間キャビティ内の一時的な圧力低下と、前記導通孔からの外気の吹き込みによる前記空間キャビティ内の一時的な圧力回復との繰り返しの変動によって、前記外気の吹き込みの強弱リズムを生じせしめ、前記噴射機構から前記流体の脈動流または断続流を生成することを特徴とする脈動流体または断続流体の生成装置。 - 前記流体排出部が、前記噴射機構から噴射される噴射流体によって全面が覆われつつ前記流体が排出され、下方から外気が逆流しない径および形状を備えたものである請求項1に記載の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 前記外気の吹き込みの強弱リズムのうち強い期間において、前記外気の吹き込みの強さが、前記導通孔近傍を通過する前記流体を切断する強さであることを特徴とする請求項1または2に記載の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 前記流体が内部に流れる本体構造物に対して、その外側を取り囲む外側体を備え、前記本体構造物と前記外側体に設けられた間隙によって前記通気路が形成されている請求項1から3のいずれか1項に記載の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 前記空間キャビティが前記噴射流体の通り道として設けられ、系内に流入するものが前記噴射機構を介した前記噴射流体と前記導通孔を介した前記外気のみで、系外へ流出するものが前記流体排出部からの前記脈動流体または前記断続流体のみであり、前記空間キャビティはそれ以外の流入および流出がない閉鎖空間であり、前記噴射流体が流れ込んだ状態でも密閉状態にて空気が充満された状態が保持されるものであることを特徴とする請求項1から4いずれか1項に記載の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 前記噴射機構が、下流側に打ち出される前記噴射流体が周回方向に連続した立体的な周回液流膜となるよう周回帯状の噴射口を備えており、前記周回液流膜が前記導通孔の近傍を通過するものである請求項5に記載の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 前記流体が水流から導かれた水であり、前記外気が空気であり、前記流体排出部から排出されるものが泡沫水の脈動流体または断続流体であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 前記流体が除菌液混合水であり、前記外気が空気であり、前記流体排出部から排出されるものが、除菌液含有の泡沫洗浄水の脈動流体または断続流体であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 前記流体がガス流体であり、前記外気が空気であり、前記流体排出部から排出されるものが、ガス空気混合気体の脈動流体または断続流体であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 前記流体が溶質混合の溶媒液であり、前記外気が気体であり、前記流体排出部から排出されるものが、溶質混合溶媒液の脈動流体または断続流体であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 前記流体が溶質混合の溶媒気体であり、前記外気が気体であり、前記流体排出部から排出されるものが、溶質混合溶媒気体の脈動流体または断続流体であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 請求項1から11のいずれか1項に記載の単数の脈動流体または断続流体の生成装置を複数セット含み、それぞれの前記流体排出部を所定間隔空けて配設した構造とし、各々の前記流体排出部から出射する各々の前記脈動流体または前記断続流体の流れの強弱リズムを同期させずランダムとしたことを特徴とする複数の脈動流体または断続流体の生成装置。
- 請求項1から12のいずれか1項に記載の脈動流体または断続流体の生成装置を含む機械装置。
- 液体または気体の流体を噴射する噴射機構と、前記噴射機構の下流に位置する閉鎖空間であり、その下方に流体排出部、その側面に外気を導通する通気路につながる導通孔を備え、その内部に外気が満たされた空間キャビティを備えた脈動流体または断続流体の生成装置を用い、
前記噴射機構のの噴射流体の噴射先または前記噴射流体の前記空気キャビティ壁面での衝突による変化により、噴射流体の一部が前記導通孔を一時的に覆いつつ流れて前記導通孔からの外気の通気量を制限するよう前記噴射流体を形成せしめ、
前記空間キャビティ内を前記噴射流体が下方に流れることにより生じる前記空間キャビティ内の一時的な圧力低下と、前記導通孔からの外気の吹き込みによる前記空間キャビティ内の一時的な圧力回復との繰り返しの変動によって、前記外気の吹き込みの強弱リズムを生じせしめ、前記噴射機構から前記流体の脈動流または断続流を生成することを特徴とする脈動流体または断続流体の生成方法。 - 前記脈動流体または断続流体の生成装置を複数セット用い、それぞれの前記流体排出部を所定間隔空けて配設した構造とし、各々の前記流体排出部から出射する各々の前記脈動流体または前記断続流体の流れの強弱リズムを同期させずランダムとしたことを特徴とする請求項14に記載の脈動流体または断続流体の生成方法。
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