JPH0475791B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は流体の流動装置、特に流体の層流を
発生させる噴水用デイスプレイの層流発生装置に
関する。

（従来技術の説明） 流体たとえば水を、デイスプレイまたはアトラ
クシヨンの一部として利用することがしばしば望
まれる。たとえば、種々のタイプの噴水が公衆お
よび私有プラザ、公園、広告体、および娯楽公園
を装飾している。これらのデイスプレイの一部と
して、固形ガラスまたは透明プラスチツクロツド
の外観を与える滑らかな水の層流を発生させるこ
とが望まれる。

従来、水の層流ストリームを提供するために
種々の方法が用いられている。たとえば、ウイル
ソン（Wilson）の米国特許第2432641号明細書に
おいては、流体たとえばガソリンの乱流を減衰さ
せるために、内面に形成された半円形チヤンネル
を有する円筒部材を包含する施与ノズルが開示さ
れている。ジエフラス（Jefbras）、外の米国特許
第4393991号明細書においては、水の乱流を減衰
させると共に水の層流を形成するフイン状部材を
包含する長円錐ノズルを利用する音速水ジエツト
ノズルが開示されている。パーキソン
（Parkison）、外の米国特許第3321140号明細書に
おいては、水溜めまたは水槽の底部におけるはね
返りを減少させるために層流水を形成させるため
の、円筒ノズル内に一連のフインを利用する蛇口
用付属具が開示されている。バーカー（Barker）
の米国特許第2054964号明細書において、滑らか
な水流を吐出することを容易にするために、流体
の流動に平行なチヤンネルを形成する一連の平行
プレートを利用する流体吐出装置が開示されてい
る。ワツト（Watts）の米国特許第2408588号明
細書においては、金属を分割または表面除去する
ために利用される酸化ガスの円柱状の流れを形成
する方法が開示されている。この方法においては
非円形横断面形状、たとえば楕円形、３角形また
は正方形断面の通路が利用されている。パーキソ
ン（Parkison）の米国特許第3730440号明細書に
おいては、層流特性を有する複数のストリームを
形成するようにした。単一噴出口内に配置された
複数の動立ノズルを利用する層流噴出口が開示さ
れている。

層流流体を得るために利用される他の方法は、
はね返りのない層流流出口を形成するために、ノ
ズル内に挿入された屈曲有孔デイスクの利用を包
含しており、たとえばパーキソン、外の米国特許
第3851825号明細書；ネルソン（Nelson）の米国
特許第3630444号明細書；およびパーキソンの米
国特許第3730439号明細書に開示されている。ネ
ル（Nel）の米国特許第4119276号明細書におい
ては、はね返りのない透明な層流流体を形成する
ために孔の度合いを変化させた、複数の直状有孔
スクリーンが利用されている。

（発明が解決しようとする問題点） これらの従来の方法は水流中の乱流の量を減少
させるのには有用であるが、いずれの方法も、実
質的にすべての乱流が円柱状水流から除去された
噴水デイスプレイを提供するには適さない。これ
らの従来の方法における欠点の一つは、ノズルの
直前に乱流が導入されることである。前述の各方
法はノズル領域に対して、軸心方向または半径方
向の吸水口を利用している。このような方法では
ノズルの直ぐ上流側の流体中に多量の乱流が生じ
る。たとえば軸心方向の吸水口が利用される時
は、吸水口からノズルへ流入する水は、静止状態
または流入流体と反対方向に移動している水に出
会う。これによりこの接触面において乱流面が発
生し、ノズル領域を通過する水の乱流面は一様で
はない。その結果、渦巻きおよび乱流はノズル装
置に送られて、波動、はね返り、およびさざ波を
包含する流れが生じる。

同様に、軸心方向の吸水口はノズル装置の直ぐ
下流側に、一様でない乱流面を発生させる。これ
により最終の流出ストリーム内に望ましくない乱
流が導入されることになる。

したがつて、この発明の目的は、一様な乱流面
を有する流体がノズル領域に送られるようにして
実質的に乱流を全く含まない層流ストリームを形
成する、噴水用デイスプレイの層流発生装置を提
供することである。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は、流入口１
１および流出口１２を有し、層流を発生するため
の加圧流体を収容する容器１０と、 この容器内で、前記流入口と流出口との間に配
置され、前記容器内の回転流および乱流を減衰さ
せ、かつ前記流体のレイノズル数を減少させて前
記容器内に層流を作り出すために、前記流入口と
流出口との間の流れ領域に流量面積が小さい多数
の流路を有する乱流減衰装置１８〜２２とを備
え、 前記流体を容器内に導入する流入口１１は、前
記流体が容器内を通過して前記流出口１２へ流出
するように前記容器に対してほぼ接線方向に取付
けられており、前記流出口１２は、流出する層流
の乱れを最小にするために開口縁が鋭角によつて
形成されるシヤープエツジとなつており、噴水デ
イスプレー用の十分な速度でガラスロツド状の層
流を形成することを特徴としている。

（実施例） 第１図において、この発明の斜視図が示されて
いる。この発明は流入タンクまたは容器１０を備
えており、その一端には実質的に接線方向の流入
口１１が、他端には流出口１２が設けられると共
に、通過する流体中の乱流を実質的に除去する乱
流減衰装置が収容されており、タンクの流出口１
２を通して圧出された時の層流状態を維持して、
所望の水からなるガラス状ロツドを提供するよう
に層流流体を形成するようになつている。

乱流減衰装置は、たとえば従来から知られてい
るような任意の適切な装置とすることができる。
特別の例として、複数のスクリーン、複数のチヤ
ンネル（溝路）、あるいはその組合せが利用され
る。乱流減衰装置の目的は比較的小さい流動通路
をそれ自体に形成して、流体のレイノルズ数をそ
れが乱流を発生するレイノルズ数よりはるかに低
く減少させることである。特に、レイノルズ数は
下式により与えられる。

Re＝ρVD／μ ここでRe：レイノルズ数 ρ：密度 Ｖ：速度 Ｄ：ストリームが通過する開口の径 μ：流体の粘度 一般に、流体のレイノルズ数がほぼ500より低
ければ、流体は全体的に層流となり、もし低レイ
ノルズ数領域に流入された流体が乱流の場合は、
この流体は低レイノルズ数領域を進行するにつれ
て鎮静化して層流になる。他方、レイノルズ数が
2000より大きい場合は、高レイノルズ数領域にお
ける流体は全体的に乱流となり、たとえ高レイノ
ルズ数領域に流入された流体が層流であつても、
それが高レイノルズ数領域を進行するにつれて乱
流になる。もちろん前述のレイノルズ数は概数で
あり、中間のレイノルズ数における流体は種々の
因子、たとえば初期条件、表面あらさ、等に依存
して決まる。もちろん、望ましい最終結果はタン
ク１０内に層流を確保し、流出１６においても層
流状態を維持することである。層流は流体中に滑
らかで平行な流線を有することが特徴であるか
ら、層流ストリーム１６は流出口１２の形状を複
製した断面形状を有し、したがつて円形流出口を
用いた場合はガラスロツド状の外観を有すること
になる。

水の濃度および粘度は実質的に一定であるか
ら、乱流減衰装置における速度および径は、レイ
ノルズ数を所望値に減少するために低く保持しな
ければならない。乱流減衰装置を通る有効速度
は、乱流減衰装置を形成する材料の充満率を考慮
しながら、十分な径のタンク１０を利用すること
により比較的低くされる。利用される材料を適切
に選択することにより、流動通路の有効径は、比
較的低い速度と共に所望の層流状で乱流のない流
体を形成するように選択することが容易にでき
る。たとえば、多数の小径開口をそれぞれ有する
複数のスクリーンを利用する場合は、個々のスト
リーム中でそれぞれ低レイノルズ数を有する複数
のストリームが、所望の層流流体を形成するよう
になる。

好ましい実施態様におけるタンク１０は総体的
に円筒形を有すると共に、密閉状に形成されて、
流出口１２から流出される流出ストリーム１６に
所望の速度を与えるために、必要に応じて流入口
１１から加圧できるようになつている。その点に
関連して多くの適用例において、装置をできるだ
け視界外に配置することが望ましく、そのため延
長部１５を備えるオプシヨンカバー１３により延
長部の頂部へのストリーム１６を保護するように
なつている。別の適用例においては、層流ノズル
をプール内またはその下方に配置することが望ま
しく、その場合は延長部１５が噴水デイスプレイ
の水面の直上位置まで延長される。こうすること
により、少なくとも延長部１５が透明プラスチツ
クから形成されることと組合されて、装置全体を
障害のないものとすることができる。

第２および３図において、この発明の好ましい
実施態様の一部断面と、第２図の３−３線に沿う
断面が示されている。第３図に示されるように、
水は流出口１１を通つて実質的に接線方向にプリ
ナム（充満室）領域２６へ注入され、こうして第
３図に矢印で示されるような渦巻きが形成され
る。しかし、水を接線方向に導入することによ
り、前記渦巻きは一様になり、それ自体は水流に
何ら軸心方向成分を生じさせることはなく、さら
に重要な点は、水の導入のみによつては水流にい
かなる不均一な軸心方向成分も発生または導入さ
れない、ということである。

プリナム１７の上方に、合理的に小さいセルサ
イズの開放セル発泡体１８が配置されている。発
泡体は比較的剛性の発泡体として、動的水圧を受
けた時に変形または崩壊しないようにすることが
好ましいが、発泡体の保持のために、有孔金属ス
クリーン１９が発泡体の各面に設けられている。
発泡体の上方に小さいプリナムまたは流体進展室
２０が配置され、その上方に総体的に２１で示さ
れる複数の直線状かつ平行な貫通流路を備えるチ
ユーブ状部材の堆積体が配置されており、それに
よりチユーブを通り、かつチユーブ間に小径およ
び小有効径の流動通路が画定されている。その点
に関して、個々のチユーブ２６を示すチユーブ状
部材２１の堆積体を通る横断面形状が第７図に示
されている。これらのチユーブ状部材は、適切な
接着剤により相互に接合されたプラスチツク部
材、あるいはさらに便利には、チユーブ状部材の
堆積体を一時的に保持し、それを適切な溶媒中に
浸漬することにより溶媒接合されたプラスチツク
部材とすることができる。明らかなように、チユ
ーブ状部材は他の材料にすることができ、あるい
は他の方法により所定位置に保持することがで
き、あるいは円形以外の横断面形状にすることが
できるが、薄壁プラスチツクチユーブの溶媒接合
は特に容易かつ安価であり、さらにチユーブ間の
流動通路の均一性を妨げることなく良好な剛性装
置が得られる。

第２，３および７図に関連して説明した構造体
の作動状態は以下の通りである： プリナム１７に注入された水は第３図に示され
るように渦巻き運動を行ない、この回転の角速度
は通常の渦巻きにおけるのと同様に、周辺におけ
るよりも中心に向かう方が大きい。追加の水が注
入されると、渦巻き水はプリナムの頂部の発泡体
１８を通過するように上昇して行く。比較的小さ
い回路状の通過通路を有する発泡体はその部材全
体にわたつて、比較的一様に上方へ流体を流動さ
せることができるが、接線方向における流動には
非常に高い抵抗と、非常に大きい粘性面を与えて
いる。したがつて、第３図に示される接線方向ま
たは渦巻流動体は、水が発泡体を通して移動を始
めるにつれて全体的に消滅される。またセル中の
流体はセルサイズ内で渦巻き運動を行なう（たと
えば、一つの大きな渦巻きが多数の小さい渦巻き
に分解される）が、セル中の水に対する表面粘度
が非常に大きいから、セル中の回転流は粘性エネ
ルギー損失の結果、急速に消失される。さらに、
開放セルの相互連結部の不規則性により、小さな
渦巻きでさえも継続的に消滅させられ、したがつ
て、発泡体１８の頂部から流出する流体は、発邦
体の領域を横断する垂直速度成分が比較的一様で
あると共に、実質的にすべての回転効果からは開
放されるので、発泡体の表面および上部スクリー
ン１９における不規則部において、わずかに乱さ
れるだけである。

発泡体部材の上方の小室２０は流動進展室とし
て作用し、その空間内において前述の小さな乱れ
は消失して、室２０内では実質的に回転流動のな
い、実質的に一様な垂直流が発生される。この室
内におけるレイノルズ数は、室径が比較的大きい
ことから、比較的高いことが明らかであり、前に
そこで何らかの乱流が発生していたとしても、流
体はチユーブ状部材２１へ流入し、そこでレイノ
ルズ数は再び非常に低下する。装置２１はいかな
る回転効果をもさらに抑制し、かつ総体的に各通
路において完全な層流が形成されることになり、
たとえば、任意の通路から流出する流体は通路の
中央において最大速度を有すると共に、速度プロ
フイルは通路の表面または端部における零まで放
物線状に減少している。その結果、装置２１から
流出してスクリーン２２方向に進行される流体
は、平均的にみて装置の領域を横切つて比較的一
様な垂直速度を有しているが、非常に局部的には
通路の中央の微小部分の方が、通路の端部の微小
部分より高い値を有している。スクリーン２２
は、隣接する低い速度の水に対するよりも、そこ
を通る高い速度の水に拘束作用を与えることによ
り、不均一な流速を平滑にして層流を形成してお
り、したがつて上部スクリーン２２の頂部から流
出すると共に、その上方の流動進展小室を通して
進行させれる水は、実質的にあらゆる乱流から解
放されている。その結果、放出口１２を通して外
方へ圧出される水は層流であると共に、実質的に
何の乱れもなく、内部における乱れが非常に小さ
いガラスロツド状ストリーム１６（第１図参照）
が提供され、したがつて従来技術の層流ノズルに
おけるより良好なガラスロツド状の外観がもたら
される。

前述のように、従来技術では、第５および第６
図に示すように水を軸方向または半径方向に流出
させる形式が含まれている。しかし、この発明に
おけるように、水を接線方向に注入することによ
り、水流ストリーム内に乱流が存しないという
点、およびストリーム全体において低周波数の波
動が存しないという点が従来技術と異なる特徴と
なる。この点に関しては種々の理由が存するが、
この発明のテストにおいて、これまで認識または
考慮されなかつた何らかのフアクターが存するこ
とが示されている。特に、第５図におけるように
水を軸心方向に噴出させることにより直ちに、ノ
ズル装置の側部におけるより中央を通して高速の
軸心方向流動が生じる。この結果は、ノズルの流
動平担化および回転流動除去装置内に流体が滞留
する時間が総体的に減少され、したがつて、これ
ら装置の乱流消散能力が強く滞留時間に関連を有
することから、装置の効率が減少されるというこ
とである。他方、第６図の半径方向の噴出におい
ても、噴出領域から比較的一様でない垂直流がも
たらされ、第５図の軸心方向の噴出におけるのと
類似の結果になる。これら両噴出形態とも、比較
的局部的な乱れ、小さいが強い渦巻き、等を発生
するようであり、これらはその性質上、この発明
において発生される第３図に示した単一の大きな
渦巻きよりもスクリーン；小チユーブ、等を通過
する時に長く残存する強い能力を有している。最
後に、これまで考慮されなかつたように思われる
外見上のフアクターは、この発明におけるよう
に、あるいは従来技術におけるように噴出するか
どうかにかかわらず、層流ノズルへ流体を送るパ
イプ装置である。水の源となるパイプは通常、ノ
ズルからあまり遠くない位置にひじ管を有してい
る。パイプ中の流体は通常、完全に展開されて高
速流動がパイプの中央に存するから、粒動断面の
周縁における低速水は当然小さいモーメントを有
しており、したがつてひじ管においては容易に回
転が行なわれる。その場合、高速の中央ストリー
ム部分の慣性は、水をひじ管の転回部の遠い壁に
向けて進める。その効果として、ひじ管により２
つの逆回転渦巻きが発生され、これは層流ノズル
から十分な距離にない場合は、第３，５および６
図において示唆されるようにノズルに向けて比較
的一様な速度の流体を提供しないで、内部に比較
的強い局部的な乱れを包含する流体を提供するこ
とになる。この発明においては、これらの乱れに
対してプリナム１７において消失するための最大
量の時間が与えられており、また当然、その局部
性により、合理的に迅速に消失するが、従来技術
においては、この乱流はノズル内の流速が一様で
ないのでノズルを通過して急速に進行することか
ら、少なくともこの発明におけると同様の程度ま
で自然に消失することはない。

最後にもちろん、噴水および類似物用の層流ノ
ズルは通常、ストリーム１６を上方の空中へ、典
型的には或る角度をもつて放出されるように取付
けられている。このノズルの具体的な向きによ
り、この発明の構成および第６図におけるものに
おいては、ノズルに近接してエルボを配置するこ
とは避けることができるが、第５図の構成におい
ては、少なくとも一つのひじ管を比較的ノズルに
近接して配置しない限り、流入パイプを地中へ十
分に延長させなければならないから、前述の点は
非常に困難である。

第４図において、層流ノズルのための別の形態
のシールドが示されている。特に、第１図に示さ
れる装置は非常に良好に作動するが、延長部１５
が浸水されるか、他の手段で水が充填された場合
は、この装置は特に始動時、透明ではなくなる。
したがつて、延長部１５内に何らかの水が入るこ
とを避けるため、あるいはそのような水をノズル
の作動前に注意深く除去するために、特別の予防
措置が必要になる。しかし第４図の延長部１５ａ
はその下端部が、別のベントチユーブ２４を介し
て大気中へ開放される一種の捕集空所２３を有す
るように形成されており、前記チユーブ２４も水
面２５の上方へ延長している。その効果は、延長
部１５ａ全体およびベント２４に雨または他によ
り水が充満されたとしても、始動時、ストリーム
１６は領域２３の水を同伴して、それを移送する
ことになる。これにより室２３内の圧力が減少さ
れ、水がベント２４外へ下方へ吸引されて、スト
リームに同伴されるようになり、最終的にベント
２４は真空状態が破れて、その領域において、水
を延長部１５ａに保持する吸引力が防止される。
その結果、ストリーム１６は良好な部分の水を延
長部１５ａから、それを有効に圧出することによ
り追い出し、残りの水がストリーム１６に接触
し、それによりストリーム１６を形成する範囲ま
でストリームに同伴されて、それと共に移送され
る。したがつて第４図の構成のものは、始動時に
水が充填されていたとしても、迅速かつ自動的に
それ自体が透明になる。

また、始動；少なくとも初期始動を容易にする
ため、タンク１０の最も高い部分に小孔または開
口が設けられている。これは重大な水の損失をも
たらすことはないが、タンク内の流動を妨げると
共に、その圧縮性がノズル内およびノズルからの
望ましくない圧力および流量変動をもたらすタン
ク内の空気を、自動的に放出するのに役立つ。

以上説明したことから、特許請求の範囲第７項
に記載の発明において、 容器内に流入する流体は、容器に対して接線方
向に供給されるため容器の方向成分を有すること
なく一様な回転流となり、この水流は渦巻流とし
て容器の中心へ向かい、それから上方に流れるの
で、乱流を作らずに軸方向への流れは均一な層流
を形成することができる。

さらに、特許請求の範囲第１項および第７項に
記載の発明において、 流入口と流出口との間の流れ領域に流量面積が
小さい多数の流路を有する乱流減衰装置を備える
とともに、流出口を通過する層流は、流出口の開
口縁を鋭角で形成したシヤープエツジとしたの
で、流出ストリームの外表面と開口縁との間の摩
擦を最小にして、層流は外部に出るときの乱流を
最小限にして十分な速度でガラスロツド状の層流
を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す斜視図、第２図
は流出口およびフイルタ装置を示す本発明の保持
タンクの側面図、第３図は本発明の流体の流動パ
ターンを示す流動ダイアグラム、第４図は本発明
の側面図、第５図は従来の保持タンクの流体の流
動パターンを示す流動ダイアグラム、第６図は従
来の別の保持タンクの流体の流動パターンを示す
流動ダイアグラム、第７図は本発明の流動チユー
ブ装置の横断面図である。 図中、１０……容器（タンク）、１１……流入
口、１２……流出口、１８，１９，２０，２１，
２２……乱流減衰装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流入口１１および流出口１２を有し、層流を
   発生するための加圧流体を収容する容器１０と、 この容器内で、前記流入口と流出口との間に配
   置され、前記容器内の回転流および乱流を減衰さ
   せ、かつ前記流体のレイノズル数を減少させて前
   記容器内に層流を作り出すために、前記流入口と
   流出口との間の流れ領域に流量面積が小さい多数
   の流路を有する乱流減衰装置１８〜２２とを備
   え、 前記流体を容器内に導入する流入口１１は、前
   記流体が容器内を通過して前記流出口１２へ流出
   するように前記容器に対してほぼ接線方向に取付
   けられており、前記流出口１２は、流出する層流
   の乱れを最小にするために開口縁が鋭角によつて
   形成されるシヤープエツジとなつており、噴水デ
   イスプレー用の十分な速度でガラスロツド状の層
   流を形成することを特徴とする、噴水デイスプレ
   ー用の層流発生装置。 ２ 前記容器が円筒タンクからなる、特許請求の
   範囲第１項記載の層流発生装置。 ３ 前記流出口が前記タンクの一端部壁に前記タ
   ンクと実質的に同軸配置されている、特許請求の
   範囲第２項記載の層流発生装置。 ４ 前記流入口が前記流出口に対向する側の端部
   壁に隣接して設けられてなる、特許請求の範囲第
   ３項記載の層流発生装置。 ５ 前記乱流減衰装置が、前記流入口から通過す
   べく進行する流体を受容する開放セル発泡体１８
   と、複数の直線状かつ平行な貫通流路を備えるチ
   ユーブ状部材２１とを備えてなる、特許請求の範
   囲第１項記載の層流発生装置。 ６ 前記開放セル発泡体が前記容器内に配置され
   て、容器内に流入した流体の回転流を分散させ、
   前記チユーブ状部材が前記発泡体と前記流出口と
   の間に配されてなる、特許請求の範囲第１項記載
   の層流発生装置。 ７ 流入口１１および流出口１２を有し、層流を
   発生するための加圧流体を収容する容器１０と、 この容器内で、前記流入口と流出口との間に配
   置され、前記容器内の回転流および乱流を減衰さ
   せ、かつ前記流体のレイノズル数を減少させて前
   記容器内に層流を作り出すために、前記流入口と
   流出口との間の流れ領域に流量面積が小さい多数
   の流路を有する乱流減衰装置１３，１４，１５，
   １６とを備え、 前記流出口１２は、流出する層流の乱れを最小
   にするために開口縁が鋭角によつて形成されるシ
   ヤープエツジとなつており、噴水デイスプレー用
   の十分な速度でガラスロツド状の層流を形成する
   ことを特徴とする、噴水デイスプレー用の層流発
   生装置。 ８ 前記乱流減衰装置が、前記流体の層流に発生
   させる複数の平行流路と、前記平行流路と前記流
   出口との間に配置されて、前記平行流路により発
   生された前記層流に均一な形状を与える複数のス
   クリーンとをさらに備えている特許請求の範囲第
   ７項記載の層流発生装置。 ９ 前記乱流減衰装置が、前記流入口と平行流路
   との間に配置された前記流体の回転流を減衰させ
   る開放セル発泡体層をさらに備えている、特許請
   求の範囲第８項記載の層流発生装置。 １０ 前記容器が円筒タンクを備えている、特許
   請求の範囲第７項記載の層流発生装置。