KR20150063366A - 유체반송장치 및 유체반송방법 - Google Patents

유체반송장치 및 유체반송방법 Download PDF

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KR20150063366A
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이사오 하라가
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각꼬우호우진 후쿠오카다이가쿠
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Abstract

기체나 액체 등의 피반송 유체를 분출부로부터 공간 내로 분출하여, 분출부로부터 떨어진 목표 개소까지 확산을 억제하면서 국소적으로 반송하는 것이 가능한 유체반송장치 및 유체반송방법을 제공한다. 본 발명에서는, 분출구(2a)로부터 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출함으로써 와륜(4)을 형성함과 함께, 반송 유체(F0)의 외측으로 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급함으로써, 피반송 유체(F1)가, 분출구(2a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜(4) 내로 직접적으로 격납되어, 와륜(4)과 함께 반송된다.

Description

유체반송장치 및 유체반송방법{FLUID TRANSPORTATION DEVICE AND FLUID TRANSPORTATION METHOD}
본 발명은, 기체나 액체 등의 피반송 유체를 분출부로부터 공간 내로 분출하여, 분출부로부터 떨어진 목표 개소까지 확산을 억제하면서 국소적으로 반송하는 유체반송장치 및 유체반송방법에 관한 것이다.
피반송 기체를 분출구로부터 목표 개소를 향하여 공간 내로 분출함으로써, 그 피반송 기체를 목표 개소로 도달시키는 기체 반송 방법으로서, 예를 들면 특허문헌 1에는, 분출구로부터 분출한 피반송 기체를, 환형상이고, 또한, 그 환형상의 둘레방향에 대하여 직교하는 단면의 형태로서 환형상 형성 기체가 단면 중심부 둘레에서 와류 형상으로 회전하는 와륜(渦輪) 상태로, 목표 개소를 향하여 공간 내를 진행시키는 방법이 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 평7-332750호
상기 종래의 방법에서는, 피반송 기체 자체를 펄스 형상의 유량 변동에 의하여 분출구로부터 분출시킴으로써, 와륜의 형성과 피반송 기체의 와륜 내로의 격납을 동시에 행하고 있지만, 이 방법으로는 실제로 피반송 기체를 와륜 내로 연속하여 격납할 수 없다. 즉, 종래의 방법으로는, 피반송 기체를 떨어진 목표 지점까지 확산을 억제하면서 연속하여 반송하는 것은 어렵다.
따라서, 본 발명에 있어서는, 기체나 액체 등의 피반송 유체를 분출부로부터 공간 내로 분출하여, 분출부로부터 떨어진 목표 개소까지 확산을 억제하면서 국소적으로 반송하는 것이 가능한 유체반송장치 및 유체반송방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 유체반송장치는, 분출구로부터 공간 내로 반송 유체를 분출함으로써 와륜을 형성하는 분출부와, 반송 유체의 외측으로 피반송 유체를 반송 유체의 중심의 속도보다 저속도로 공급하는 피반송 유체 공급수단을 가지는 것이다. 또, 본 발명의 유체반송방법은, 분출구로부터 공간 내로 반송 유체를 분출함으로써 와륜을 형성함과 함께, 반송 유체의 외측으로 피반송 유체를 반송 유체의 중심의 속도보다 저속도로 공급하는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 의하면, 반송 유체의 외측으로 반송 유체의 중심의 속도보다 저속도로 공급된 피반송 유체가, 분출구에서 반송 유체가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되어, 와륜과 함께 반송된다.
여기에서, 피반송 유체 공급수단은, 분출부의 벽면을 따라 피반송 유체를 토출하는 유로인 것이 바람직하다. 이로써, 분출부의 벽면을 따라 토출된 피반송 유체를 중심으로 분출구에서 반송 유체가 휘말려 올라감으로써 와륜이 형성되므로, 피반송 유체가 와륜의 중심부로 격납된다.
또, 가열된 유체 또는 냉각된 유체를 목표 개소까지 반송할 때에는, 피반송 유체 공급수단은, 분출부의 벽면에 마련된 가열원 또는 냉각원에 의하여 상기 피반송 유체를 생성하는 것으로 할 수 있다. 이로써, 와륜을 형성하는 반송 유체를 분출부의 벽면에 마련된 가열원 또는 냉각원에 의하여 가열 또는 냉각함으로써, 이 반송 유체의 가열 또는 냉각된 부분을 중심으로 휘말려들게 하여 와륜을 형성할 수 있다.
또, 본 발명의 다른 유체반송장치는, 피반송 유체를 층류 분류(噴流)가 되는 조건으로 분출하는 제1 분출구와, 제1 분출구의 외주부를 둘러싸도록 제1 분출구의 내접원의 직경의 1/2 이하의 폭으로 환형상으로 형성되어, 제2 유체를 환형상 분류로서 분출하는 제2 분출구를 가지는 것이다.
또, 본 발명의 다른 유체반송방법은, 제1 분출구로부터 피반송 유체를 층류 분류가 되는 조건으로 분출함과 함께, 제1 분출구의 외주부를 둘러싸도록 제1 분출구의 내접원의 직경의 1/2 이하의 폭으로 환형상으로 형성된 제2 분출구로부터, 제2 유체를 환형상 분류로서 분출하는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 의하면, 제2 분출구로부터 분출되는 환형상 분류가, 에어 커튼으로서의 역할을 하여, 제1 분출구로부터 층류 분류가 되는 조건으로 분출되는 피반송 유체(이하, “주분류”라고도 함.)의 확산을 억제하므로, 피반송 유체를 환형상 분류 내에 유지한 채로 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
여기에서, 제1 분출구로부터 분출하는 피반송 유체(주분류)의 속도(제1 분출구로부터 분출하는 피반송 유체의 체적 유량을 제1 분출구의 단면적으로 제산한 것)를 Um, 제2 분출구로부터 분출하는 제2 유체(환형상 분류)의 속도(제2 분출구로부터 분출하는 제2 유체의 체적 유량을 제2 분출구의 단면적으로 제산한 것)를 Ua로 했을 때,
0.25≤Ua/Um≤2
인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Ua/Um≤1이다.
최적의 속도비는, 주분류의 속도에 따라 변화하지만, 실용 범위 내의 분출 속도에 있어서, 제1 분출구의 직경(D)에 대하여, 10D의 피반송 거리까지 확산을 완전하게 방어하기 위해서는, 0.25≤Ua/Um≤2로 한다. 또한, Ua/Um=0.75가 목표 거리까지 피반송 유체를 환형상 분류 내에 유지한 채로 국소적으로 반송하기 위한 최적의 속도비이다. 또한, Ua/Um≥1이 되면, 환형상 분류의 에어 커튼으로서의 기능은 서서히 저하되고, Ua/Um＞2에서는 거의 기능하지 않게 된다. 또, Ua/Um＜0.25에서는, 확산은 억제되지만 10D의 피반송 거리까지 확산을 완전하게 방어할 수 없게 된다.
(발명의 효과)
본 발명의 유체반송장치 및 유체반송방법에 의하면, 분출구로부터 공간 내로 반송 유체를 분출함으로써 와륜을 형성함과 함께, 반송 유체의 외측으로 피반송 유체를 반송 유체의 중심의 속도보다 저속도로 공급함으로써, 반송 유체의 외측으로 반송 유체의 중심의 속도보다 저속도로 공급된 피반송 유체가, 분출구에서 반송 유체가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되어, 피반송 유체를 와륜과 함께 분출구로부터 떨어진 목표 개소까지 확산을 억제하면서, 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
또, 본 발명의 다른 유체반송장치 및 유체반송방법에서는, 제1 분출구로부터 피반송 유체를 층류 분류가 되는 조건으로 분출함과 함께, 제1 분출구의 외주부를 둘러싸도록 제1 분출구의 내접원의 직경의 1/2 이하의 폭으로 환형상으로 형성된 제2 분출구로부터, 제2 유체를 환형상 분류로서 분출함으로써, 환형상 분류가 에어 커튼으로서의 기능을 하여, 피반송 유체의 확산을 억제하여, 피반송 유체를 환형상 분류 내에 유지한 채로 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다.
도 2는 도 1의 노즐의 B-B’ 단면도이다.
도 3a는 도 1의 노즐의 선단부의 변형예를 나타내는 A부 확대도이다.
도 3b는 도 1의 노즐의 선단부의 변형예를 나타내는 A부 확대도이다.
도 4a는 도 1의 유체반송장치에 의한 유체 반송의 모습을 나타내는 설명도이다.
도 4b는 도 1의 유체반송장치에 의한 유체 반송의 모습을 나타내는 설명도이다.
도 4c는 도 1의 유체반송장치에 의한 유체 반송의 모습을 나타내는 설명도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다.
도 7a는 도 6의 피반송 유체를 공급하는 노즐의 예를 나타내는 종단면도이다.
도 7b는 도 6의 피반송 유체를 공급하는 노즐의 예를 나타내는 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다.
도 11a는 본 발명의 실시예에 있어서의 수치 시뮬레이션을 위한 계산 격자 모델의 외관도이다.
도 11b는 본 발명의 실시예에 있어서의 수치 시뮬레이션을 위한 계산 격자 모델의 외관도이다.
도 11c는 본 발명의 실시예에 있어서의 수치 시뮬레이션을 위한 계산 격자 모델의 외관도이다.
도 12는 본 발명의 실시예로서 이용한 분류의 유량 변동의 파형도이다.
도 13a는 무차원 와도(渦度) 분포를 이용한 수중에 있어서의 와륜(수와륜)의 형성 과정을 나타내는 도이다.
도 13b는 무차원 와도 분포를 이용한 수중에 있어서의 와륜(수와륜)의 형성 과정을 나타내는 도이다.
도 13c는 무차원 와도 분포를 이용한 수중에 있어서의 와륜(수와륜)의 형성 과정을 나타내는 도이다.
도 14a는 와륜 도달 위치의 위상 변화를 나타내는 도이다.
도 14b는 와륜 직경의 위상 변화를 나타내는 도이다.
도 15a는 무차원 와도 분포를 이용한 공기 중에 있어서의 와륜(공기 와륜)의 형성 과정을 나타내는 도이다.
도 15b는 무차원 와도 분포를 이용한 수중에 있어서의 와륜(수와륜)의 형성 과정을 나타내는 도이다.
도 16은 와륜의 무차원 순환과 맥동 분류의 스트로우홀 수(Str)의 관계를 나타내는 도이다.
도 17a는 와륜의 순환이 최대가 되는 맥동 조건에 있어서의 공기 와륜의 형성 과정을 나타내는 도이다.
도 17b는 와륜의 순환이 최대가 되는 맥동 조건에 있어서의 공기 와륜의 형성 과정을 나타내는 도이다.
도 18a는 열유체를 와륜 내로 격납하기 위한 방법을 나타내는 개략도이다.
도 18b는 열유체를 와륜 내로 격납하기 위한 방법을 나타내는 개략도이다.
도 18c는 열유체를 와륜 내로 격납하기 위한 방법을 나타내는 개략도이다.
도 19a는 열유체의 와륜 내로의 격납 결과를 나타내는 도이다.
도 19b는 열유체의 와륜 내로의 격납 결과를 나타내는 도이다.
도 19c는 열유체의 와륜 내로의 격납 결과를 나타내는 도이다.
도 19d는 열유체의 와륜 내로의 격납 결과를 나타내는 도이다.
도 19e는 열유체의 와륜 내로의 격납 결과를 나타내는 도이다.
도 20은 방법 4의 경우에 있어서의 와륜 중심점 온도와 와륜의 도달 거리의 관계를 나타내는 도이다.
도 21은 본 발명의 제7 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 이중 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다.
도 22는 도 21의 이중 노즐의 선단부로부터 분출되는 유체의 가시화 사진을 나타내는 도이다.
도 23은 단일 노즐의 분출구로부터의 거리(Z)에 대한 속도 분포의 변화를 나타내는 설명도이다.
도 24는 이중 노즐의 제1, 제2 분출구로부터의 거리(Z)에 대한 속도 분포의 변화를 나타내는 설명도이다.
도 25는 이중 노즐의 제1, 제2 분출구로부터의 거리(Z)에 대한 속도 분포의 변화를 나타내는 설명도이다.
(실시형태 1)
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도, 도 2는 도 1의 노즐의 B-B’ 단면도이다. 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 유체반송장치(1)는, 분출구(2a)로부터 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출함으로써 와륜을 형성하는 분출부로서의 원통 형상의 노즐(2)을 구비한다. 또, 유체반송장치(1)는, 분출구(2a)의 근방의 반송 유체(F0)의 외측으로 피반송 유체(F1)를 공급하는 피반송 유체 공급수단으로서, 노즐(2)의 내벽면(2b)을 따라 피반송 유체(F1)를 토출하는 유로(3)를 가진다.
유로(3)는, 도 2에 나타내는 바와 같이 원통 형상의 노즐(2)의 벽 내에 형성된 환형상의 소형 유로이다. 피반송 유체(F1)는, 노즐(2)의 내측의 반송 유체(F0)의 유동장(Flow Field)을 향하여 유로(3)의 분출구(3a)로부터 송출된다. 유로(3)의 분출구(3a)의 노즐(2)의 분출구(2a)로부터의 거리(a), 유로(3)의 노즐(2)로의 합류 각도(θ) 및 유로(3)의 폭(b)은 임의로 설정하는 것이 가능하지만, 피반송 유체(F1)가 노즐(2)의 내벽면(2b)을 따라 분출구(2a)까지 운반되도록 설정하는 것이 바람직하다. 다만, 유로(3)는 전체둘레에 걸쳐 환형상으로 형성하지 않고, 부분적 또는 소정 간격을 두고 형성해도 된다.
반송 유체(F0)에 의한 와륜의 연속 형성은, 분출구(2a)로부터 분출시키는 반송 유체(F0)의 분출 유량을 시간 변동시킴으로써 행한다. 유량 변동의 파형은, 예를 들면, 이하의 주기적, 간헐적 혹은 임의로 변동하는 파형을 이용하는 것이 가능하다.
(1) 정현파형
(2) 정현파형의 상승 또는 하강의 가속도를 변화시킨 파형
(3) 방형파형
(4) 삼각파형
(5) 사다리꼴 형상의 파형
(6) 상기 (1)~(5)의 파형에 있어서, 각 주기의 사이에 유량이 제로인 정지 구간을 포함한 간헐 형상의 파형
(7) 상기 (1)~(6)의 파형을 조합한 파형
또, 형성되는 와륜의 크기, 체적, 진행 속도, 강도(감쇠의 난이성) 및 도달 가능 거리는, 이상에서 나타낸 파형의 진폭, 주기, 간헐 기간의 길이 및 파형의 조합의 순서를 변화시킴으로써 조절하는 것이 가능하다.
피반송 유체(F1)는, 예를 들면, 유로(3)의 상류측에 임의의 압력을 가하여 가압하거나, 흐름의 유량 변동에 맞추어 유로(3)의 상류측의 압력을 변동시키면서 가압하거나 함으로써, 분출구(3a)로부터 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 송출된다. 혹은, 노즐(2) 내의 흐름의 변동에 의하여 발생하는 압력차를 이용하여 가압하는 일 없이 송출하는 것도 가능하다.
와륜의 연속 형성은, 분출구(2a)로부터 분출시키는 반송 유체(F0)의 분출 유량을 일정하게 하여, 유로(3)로부터 송출되는 피반송 유체(F1)의 분출 유량을, 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도가 되는 조건으로 시간 변동시키는 것에 의해서도 가능하다. 피반송 유체(F1)의 분출 유량의 변동 파형은, 상기 (1)~(7)의 파형을 이용하는 것이 가능하다.
또한, 노즐(2)의 선단부는, 도 1의 A부에 나타내는 바와 같이 노즐(2)의 중심 축에 대하여 수직으로 하는 것 외에, 도 3a에 나타내는 바와 같이 외벽면(2c)측을 테이퍼 형상으로 하거나, 도 3b에 나타내는 바와 같이 내벽면(2b)측을 테이퍼 형상으로 하는 경우도 있다. 다만, 깔끔한 와륜을 형성하기 위해서는, 도 3a에 나타내는 것이 가장 바람직하며, 다음으로 바람직한 것은 도 1의 A부에 나타내는 것이다. 또, 노즐(2) 대신에 오리피스 등의 분출부로 하는 것도 가능하다.
도 4a~도 4c는 도 1의 유체반송장치(1)에 의한 유체 반송의 모습을 나타내는 설명도이다. 유로(3)로부터 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급하면서, 상기 서술과 같이 예를 들면 간헐적으로 분출구(3a)로부터 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출하면, 도 4a에 나타내는 바와 같이 피반송 유체(F1)가, 분출구(3a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜(4) 내로 직접적으로 격납되어, 도 4b에 나타내는 바와 같이 와륜(4)과 함께 반송된다. 이것을 간헐적으로 행함으로써, 도 4c에 나타내는 바와 같이, 소정의 시간 간격으로 연속적으로 분출구(3a)로부터 떨어진 목표 개소까지 피반송 유체(F1)의 확산을 억제하면서, 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
다만, 본 실시형태에 있어서는, 피반송 유체(F1)를 토출하는 유로(3)의 분출구(3a)를 노즐(2)의 내벽면(2b)에 마련한 구성으로 하고 있지만, 분출구(3a)는 노즐(2)의 외벽면(2c)측에 마련하거나, 내벽면(2b) 및 외벽면(2c)의 양방에 마련하거나 하는 것도 가능하다. 요컨대, 반송 유체(F0)의 외측으로 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급하여, 분출구(3a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜(4) 내로 직접적으로 격납되도록 구성하면 된다.
(실시형태 2)
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제2 실시형태에 있어서의 유체반송장치(5)는, 원통 형상의 노즐(6)의 내측으로 더욱 원통 형상의 노즐(7)을 구비하고 있다. 반송 유체(F0)는 내측의 노즐(7)에 의하여 공급되어, 간헐적으로 노즐(6)의 분출구(6a)로부터 공간 내로 분출된다. 피반송 유체(F1)는, 노즐(6)과 노즐(7)과의 사이에 형성되는 환형상의 유로(8)로부터 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급된다.
또는, 반송 유체(F0)는 노즐(7)로부터 분출 유량이 일정하게 공급되고, 노즐(6)의 분출구(6a)로부터 공간 내로 일정 유량으로 분출된다. 피반송 유체(F1)는, 환형상의 유로(8)로부터 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도가 되는 조건으로 간헐적으로 공급된다.
또한, 유로(8)의 분출구(8a)로부터 노즐(6)의 분출구(6a)까지의 거리(노즐(7)의 분출구(7a)로부터 분출구(6a)까지의 거리)(a), 및, 유로(8)의 폭(b)은 임의로 설정하는 것이 가능하지만, 피반송 유체(F1)가 노즐(6)의 내벽면(6b)을 따라 분출구(6a)까지 운반되도록 설정하는 것이 바람직하다. 또, 피반송 유체(F1)의 유로(8)로부터의 송출 방법에 대해서는, 제1 실시형태와 동일하다. 또한, 노즐(6, 7)의 선단부의 형상에 대해서도, 제1 실시형태와 동일하다.
이러한 구성에 있어서도, 유로(8)로부터 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급하면서, 간헐적으로 분출구(6a)로부터 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출하면, 피반송 유체(F1)가, 분출구(6a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되어, 와륜과 함께 반송된다. 이것을 간헐적으로 행함으로써, 소정의 시간 간격으로 연속적으로 분출구(6a)로부터 떨어진 목표 개소까지 피반송 유체(F1)의 확산을 억제하면서, 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
또는, 노즐(7)로부터 공급되는 반송 유체(F0)의 분출 유량을 일정하게 하여, 노즐(6)의 분출구(6a)로부터 공간 내로 일정 유량으로 분출시키면서, 유로(8)로부터 공급되는 피반송 유체(F1)의 분출 유량을, 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도가 되는 조건으로 간헐적으로 공급하는 것에 의해서도 반송 유체(F0)가 휘말려 올라가 와륜의 형성이 행해지고, 또한 피반송 유체(F1)의 와륜 내로의 직접적인 격납이 가능해진다.
다만, 본 실시형태에 있어서는, 반송 유체(F0)를 공급하는 노즐(7)의 분출구(7a)가 노즐(6)의 분출구(6a)보다 내측으로 배치된 구성이지만, 노즐(7)의 분출구(7a)가 노즐(6)의 분출구(6a)보다 외측에 배치된 구성이나, 노즐(7)의 분출구(7a)와 노즐(6)의 분출구(6a)는 동일면 상에 배치된 구성으로 하는 것도 가능하다. 이 경우도 마찬가지로, 노즐(6)과 노즐(7)과의 사이에 형성되는 환형상의 유로(8)로부터 반송 유체(F0)의 외측으로 피반송 유체(F1)가 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급됨으로써, 노즐(7)의 분출구(7a)로부터 공간 내로 분출되는 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로, 피반송 유체(F1)가 직접적으로 격납되어, 와륜과 함께 반송된다.
(실시형태 3)
도 6은 본 발명의 제3 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제3 실시형태에 있어서의 유체반송장치(9)는, 간헐적으로 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출하는 원통 형상의 노즐(10)의 내벽면(10b) 상에, 피반송 유체(F1)를 공급하는 유로를 구성하는 노즐(11)을 마련한 것이다. 노즐(11)은, 도 7a에 나타내는 바와 같이, 내벽면(10b) 상에 1개 또는 소정 간격으로 복수 개의 원관 형상의 분출구(11a)를 배치한 구성이나, 도 7b에 나타내는 바와 같이, 내벽면(10b)을 따르는 원환 형상의 분출구(11a)를 배치한 구성으로 하는 것이 가능하다.
또는, 반송 유체(F0)는 노즐(10)로부터 공간 내로 일정 유량으로 분출된다. 피반송 유체(F1)는, 노즐(11)의 분출구(11a)로부터 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도가 되는 조건으로 간헐적으로 공급된다.
또한, 노즐(11)의 분출구(11a)로부터 노즐(10)의 분출구(10a)까지의 거리(a), 노즐(10)의 내벽면(10b)으로부터 노즐(11)의 분출구(11a)의 중앙까지의 높이(c), 원환 형상의 분출구(11a)의 내경(φd) 및 원환 형상의 분출구(11)의 폭(e)은, 임의로 설정하는 것이 가능하지만, 노즐(11)의 분출구(11a)로부터 분출되는 피반송 유체(F1)가 노즐(10)의 내벽면(10b)을 따라 분출구(10a)까지 운반되도록 설정하는 것이 바람직하다. 또, 피반송 유체(F1)의 노즐(11)로부터의 송출 방법에 대해서는, 제1 실시형태와 동일하다. 또한, 노즐(10)의 선단부의 형상에 대해서도, 제1 실시형태와 동일하다.
이러한 구성에 있어서도, 노즐(11)의 분출구(11a)로부터 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급하면서, 간헐적으로 분출구(10a)로부터 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출하면, 피반송 유체(F1)가, 분출구(10a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되어, 와륜과 함께 반송된다. 이것을 간헐적으로 행함으로써, 소정의 시간 간격으로 연속적으로 분출구(10a)로부터 떨어진 목표 개소까지 피반송 유체(F1)의 확산을 억제하면서, 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
또는, 노즐(11)의 분출구(11a)로부터 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도의 조건으로 간헐적으로 공급하면서, 분출구(10a)로부터 공간 내로 반송 유체(F0)를 일정 유량으로 분출하면, 피반송 유체(F1)가, 분출구(10a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되어, 와륜과 함께 반송된다. 이것을 간헐적으로 행함으로써, 소정의 시간 간격으로 연속적으로 분출구(10a)로부터 떨어진 목표 개소까지 피반송 유체(F1)의 확산을 억제하면서, 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
다만, 본 실시형태에 있어서는, 피반송 유체(F1)를 토출하는 노즐(11)을 노즐(10)의 내벽면(10b)에 마련한 구성으로 하고 있지만, 노즐(11)을 노즐(10)의 외벽면(10c)측에 마련하거나, 내벽면(10b) 및 외벽면(10c)의 양방에 마련하는 것도 가능하다. 요컨대, 반송 유체(F0)의 외측으로 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급하여, 분출구(10a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되도록 구성하면 된다.
(실시형태 4)
도 8은 본 발명의 제4 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제4 실시형태에 있어서의 유체반송장치(12)는, 간헐적으로 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출하는 원통 형상의 노즐(13)의 벽면 내로 피반송 유체(F1)를 공급하는 유로를 구성하는 소공간(14)을 마련한 것이다. 노즐(13)의 내벽면(13b)에는, 소공간(14)으로부터 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 외측으로 공급하기 위한 구멍이나 슬릿 등의 개구부(14a)가 마련되어 있다.
또는, 반송 유체(F0)는 노즐(13)로부터 공간 내로 일정 유량으로 분출된다. 피반송 유체(F1)는, 소공간(14)에 마련한 개구부(14a)로부터 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도가 되는 조건으로 간헐적으로 공급된다.
또한, 소공간(14)의 치수 및 체적, 개구부(14a)의 치수, 설치 위치, 설치 간격 및 개수는, 임의로 설정하는 것이 가능하지만, 개구부(14a)로부터 분출되는 피반송 유체(F1)가 노즐(13)의 내벽면(13b)을 따라 분출구(13a)까지 운반되도록 설정하는 것이 바람직하다. 또, 피반송 유체(F1)의 송출 방법에 대해서는, 제1 실시형태와 동일하다. 또한, 노즐(13)의 선단부의 형상에 대해서도, 제1 실시형태와 동일하다.
이러한 구성에 있어서도, 소공간(14)의 개구부(14a)로부터 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급하면서, 간헐적으로 분출구(13a)로부터 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출하면, 피반송 유체(F1)가, 분출구(13a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되어, 와륜과 함께 반송된다. 이것을 간헐적으로 행함으로써, 소정의 시간 간격으로 연속적으로 분출구(13a)로부터 떨어진 목표 개소까지 피반송 유체(F1)의 확산을 억제하면서, 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
또는, 소공간(14)의 개구부(14a)로부터 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도가 되는 조건으로 간헐적으로 공급하면서, 분출구(13a)로부터 공간 내로 반송 유체(F0)를 일정 유량으로 분출하면, 피반송 유체(F1)가, 분출구(13a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되어, 와륜과 함께 반송된다. 이것을 간헐적으로 행함으로써, 소정의 시간 간격으로 연속적으로 분출구(13a)로부터 떨어진 목표 개소까지 피반송 유체(F1)의 확산을 억제하면서, 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
다만, 본 실시형태에 있어서는, 소공간(14)으로부터 피반송 유체(F1)를 분출하는 개구부(14a)를 노즐(13)의 내벽면(13b)에 마련한 구성으로 하고 있지만, 노즐(13)의 외벽면(13c)측에 마련하거나, 내벽면(13b) 및 외벽면(13c)의 양방에 마련하는 것도 가능하다. 요컨대, 반송 유체(F0)의 외측으로 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급하여, 분출구(13a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되도록 구성하면 된다.
(실시형태 5)
도 9는 본 발명의 제5 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제5 실시형태에 있어서의 유체반송장치(15)는, 간헐적으로 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출하는 원통 형상의 노즐(16)의 벽면 내로 피반송 유체(F1)를 공급하는 유로를 구성하는 소공간(17)을 마련한 것이다. 노즐(16)의 내벽면(16b)에는, 소공간(17)으로부터 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 외측으로 공급하기 위한 개구부(17a)가 마련되어 있다. 또, 이 개구부(17a)에는, 다공질재, 섬유재나 침투막 등에 의하여 구성된 필터재(18)가 마련되어 있다.
또한, 소공간(17)의 치수 및 체적, 개구부(17a) 및 필터재(18)의 치수, 설치 위치, 설치 간격 및 개수는, 임의로 설정하는 것이 가능하지만, 개구부(17a)로부터 필터재(18)를 통하여 분출되는 피반송 유체(F1)가 노즐(16)의 내벽면(16b)을 따라 분출구(16a)까지 운반되도록 설정하는 것이 바람직하다. 또, 피반송 유체(F1)의 송출 방법에 대해서는, 제1 실시형태와 동일하다. 또한, 노즐(16)의 선단부의 형상에 대해서도, 제1 실시형태와 동일하다.
이러한 구성에 있어서도, 소공간(17)의 개구부(17a)로부터 필터재(18)를 통하여 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 외측으로 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급하면서, 간헐적으로 분출구(16a)로부터 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출하면, 피반송 유체(F1)가, 분출구(16a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되어, 와륜과 함께 반송된다. 이것을 간헐적으로 행함으로써, 소정의 시간 간격으로 연속적으로 분출구(16a)로부터 떨어진 목표 개소까지 피반송 유체(F1)의 확산을 억제하면서, 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
다만, 본 실시형태에 있어서는, 소공간(17)으로부터 피반송 유체(F1)를 분출하는 개구부(17a) 및 필터재(18)를 노즐(16)의 내벽면(16b)에 마련한 구성으로 하고 있지만, 노즐(16)의 외벽면(16c)측에 마련하거나, 내벽면(16b) 및 외벽면(16c)의 양방에 마련하는 것도 가능하다. 요컨대, 반송 유체(F0)의 외측으로 피반송 유체(F1)를 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급하여, 분출구(16a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되도록 구성하면 된다.
(실시형태 6)
도 10은 본 발명의 제6 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다. 본 발명의 제6 실시형태에 있어서의 유체반송장치(19)는, 가열된 유체를 목표 개소까지 반송하는 것이며, 도 10에 나타내는 바와 같이, 간헐적으로 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출하는 원통 형상의 노즐(20)의 내벽면(20b) 및 외벽면(20c)에 가열원(21)을 마련한 것이다. 또한, 가열원(21)을 마련하는 영역의 치수, 설치 위치 및 설치 면적은, 임의로 설정하는 것이 가능하다. 또, 노즐(20)의 선단부의 형상에 대해서는, 제1 실시형태와 동일하다.
이러한 구성에 있어서, 간헐적으로 노즐(20)의 분출구(20a)로부터 공간 내로 반송 유체(F0)를 분출하면, 노즐(20)의 내주면(20b) 및 외주면(20c)에 가열원(21)에 의하여 가열된 피반송 유체(F1)가 생성된다. 그리고, 이 생성된 피반송 유체(F1)가, 분출구(20a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되어, 와륜과 함께 반송된다. 이것을 간헐적으로 행함으로써, 소정의 시간 간격으로 연속적으로 분출구(20a)로부터 떨어진 목표 개소까지 피반송 유체(F1)의 확산을 억제하면서, 국소적으로 반송하는 것이 가능해진다.
다만, 본 실시형태에 있어서는, 가열원(21)을 노즐(20)의 내주면(20b) 및 외주면(20c)의 양방에 마련한 구성으로 하고 있지만, 어느 일방에만 마련한 구성으로 하는 것도 가능하다. 요컨대, 반송 유체(F0)의 외측으로 가열된 피반송 유체(F1)를 생성시켜, 반송 유체(F0)의 중심의 속도보다 저속도로 공급하여, 분출구(20a)에서 반송 유체(F0)가 휘말려 올라감으로써 형성되는 와륜 내로 직접적으로 격납되도록 구성하면 된다. 또, 가열원(21) 대신에 냉각원을 마련한 구성으로 함으로써, 냉각된 유체를 목표 개소까지 반송하는 것이 가능해진다.
(실시형태 7)
도 21은 본 발명의 제7 실시형태에 있어서의 유체반송장치를 구성하는 이중 노즐의 분출구 근방의 확대 단면도이다. 본 발명의 제7 실시형태에 있어서의 유체반송장치는, 도 21에 나타내는 바와 같이, 제1 분출구(31)와, 제1 분출구(31)의 외주부를 둘러싸도록 형성된 환형상의 제2 분출구(32)로 이루어지는 이중 노즐(30)을 구비한다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 제1 분출구(31)는 원통 형상이며, 제2 분출구(32)는 제1 분출구(31)와 중심축이 동축이고, 제1 분출구(31)의 직경의 1/2 이하의 폭으로 형성된 원환 형상이다.
제1 분출구(31)로부터는, 피반송 유체를 층류 분류가 되는 조건으로 분출한다. 구체적으로는, 제1 분출구(31)로부터 분출하는 피반송 유체의 레이놀즈 수 Re(=ρU0D/μ=U0D/ν, ρ: 밀도, U0: 분류의 단면 평균 속도, D: 분출구(31)의 직경, μ: 점성 계수, ν: 동점성 계수)를, 0보다 크고, 또한, 2000 이하로 한다. 한편, 제2 분출구(32)로부터는, 제1 분출구(31)로부터 분출하는 피반송 유체와는 다른 제2 유체를 환형상 분류로서 분출한다. 다만, 제2 유체는, 피반송 유체와 동일한 유체로 하는 것도 가능하다.
여기에서, 제1 분출구(31)로부터 분출하는 피반송 유체의 속도를 Um, 제2 분출구(32)로부터 분출하는 제2 유체의 속도를 Ua로 했을 때, 피반송 유체의 속도(Um)와 제2 유체의 속도(Ua)의 비(Ua/Um)가,
0.25≤Ua/Um≤2
가 되도록 한다.
도 22는 도 21의 이중 노즐(30)의 선단부로부터 분출되는 유체의 가시화 사진을 나타내고 있다. 도 22에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 유체반송장치에서는, 제2 분출구(32)로부터 분출되는 환형상 분류가 에어 커튼으로서 기능하여, 제1 분출구(31)로부터 층류 분류가 되는 조건으로 분출되는 피반송 유체의 확산을 억제하므로, 피반송 유체를 환형상 분류 내에 유지한 채로 확산을 억제하면서 국소적으로 반송하는 것이 가능하다.
또한, 피반송 유체의 확산 상황은 Ua/Um에 따라 변화하는데, Ua/Um=0.75가 목표 거리까지 피반송 유체를 환형상 분류 내에 유지한 채로 확산을 억제하면서 국소적으로 반송하기 위한 최적의 속도비이다. 본 실시형태에 있어서의 유체반송장치에서는, 이중 노즐(30)의 선단으로부터 50cm 이상 떨어진 개소를, 목표 거리로 하여, 피반송 유체를 환형상 분류 내에 유지한 채로 반송하는 것이 가능하다.
또, 분출구의 흐름 방향에 대한 위치에 대하여, 제1 분출구(31)의 위치와 제2 분출구(32)의 위치는, 도 21에 나타내는 바와 같이 동일 위치로 하는 것이 바람직하지만, 분출구(31)의 직경의 범위 내이면 양자의 분출구의 위치에 차가 발생해도, 제2 분출구(32)로부터 분출되는 환형상 분류가 에어 커튼으로서 기능하여, 제1 분출구(31)로부터 층류 분류가 되는 조건으로 분출되는 피반송 유체의 확산을 억제하는 것이 가능하다.
또, 제1 분출구(31)의 위치 및 제2 분출구(32)의 선단부는, 노즐의 외벽면측을 테이퍼 형상으로 하거나, 노즐의 내벽면을 테이퍼 형상으로 하거나 하는 경우도 있다. 다만, 피반송 유체의 확산을 억제하기 위해서는, 도 21에 나타내는 것이 가장 바람직하고, 다음으로 바람직한 것은 노즐의 외벽면측을 테이퍼 형상으로 한 것이다. 또, 노즐 대신에 오리피스 등의 분출부로 하는 것도 가능하다.
본 실시형태에 있어서의 유체반송장치는, 수술 중의 환자의 청결한 피부면에 청결한 온풍을 비접촉으로 반송하여, 따뜻하게 함으로써, 종래, 체온 저하의 위험성이 높았던 광범위 화상 환자의 체온을 유지할 수 있어, 안전한 환자 관리에 공헌할 수 있을 가능성이 있다. 동일한 사용법으로서, 물리적인 덮임이 적고, 관리가 용이한 새로운 보육기로 이용할 수 있을 가능성도 있다. 내시경 수술 시에, 내시경의 주위로부터 청결하고 건조한 온풍을 반송하고, 그 외층으로부터는, 가습된 온풍을 반송함으로써, 환자를 따뜻하게 하여, 체온 저하를 방지하면서, 내시경의 흐려짐을 방지하여, 복강 내의 환경을 생리적으로 유지하는 것도 가능하고, 액체를 흘려 보내는 내시경의 경우에도, 내시경의 시야의 주위에 온도 관리한 액류를 만듦으로써, 체온 조절 효과와, 시야를 방해하는 출혈을 시야 밖으로 빼버리는 효과를 기대할 수 있어, 안전한 환자 관리와, 수술의 조작성을 개선하는 것을 기대할 수 있다.
또, 열악한 환경하의 공장 내 또는 작업 현장에 있어서의 작업원, 및 불순 물질이나 알레르기 물질을 포함한 대기 중에서 활동하는 사람에 대하여 오염 물질, 불순 물질 및 알레르기 물질을 제거한 신선한 공기를 직접적으로 공급하기 위한 공기 청정 장치로서 이용하거나, 비닐 하우스 내에서 온도 조절한 이산화탄소를 핀 포인트로 농작물을 향하여 반송하여, 농작물의 온도 관리나 성장 촉진에 이용하는 것도 가능하다.
다만, 본 실시형태에 있어서는, 제1 분출구(31)는 진원 통형상이며, 제2 분출구(32)는 제1 분출구(31)와 중심축이 동축인 진원 환형상이지만, 제1 분출구(31) 및 제2 분출구(32)의 형상은 이들에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제1 분출구(31)의 단면을 타원 형상으로 하고, 제2 분출구(32)를 이에 대응하는 환형상으로 하거나, 제1 분출구(31)의 단면을 다각형상으로 하고, 제2 분출구(32)를 이에 대응하는 환형상으로 하는 것도 가능하다. 이러한 경우, 제2 분출구(32)의 폭은, 제1 분출구(31)의 내접원의 직경의 1/2 이하로 한다.
다음으로, 본 실시형태에 있어서의 이중 노즐(30)의 속도비(Ua/Um)와 피반송 유체의 확산 상황에 대하여 상세하게 설명한다.
(1) 층류 분류의 속도 분포와 피반송 유체의 확산
먼저, 비교를 위하여 단일 노즐(외겹 노즐)의 선단으로부터 피반송 유체를 층류 분류로서 분출한 경우에 대하여 설명한다. 도 23은, 단일 노즐의 선단으로부터 피반송 유체를 층류 분류로서 분출한 경우의, 노즐의 중심축을 포함한 종단면 상에 있어서의 노즐 분출구로부터의 거리(Z)에 대한 속도 분포의 변화를 나타내는 설명도이다.
도 23에 나타내는 바와 같이, 단일 노즐(40)의 분출구(41)(Z=0)에 있어서의 분류(피반송 유체)의 속도 분포는, 0≤r≤D/2(r: 단일 노즐(40)의 중심축으로부터의 거리, D: 분출구(41)의 직경)에서는 속도 U0인 균일한 분포가 되고, 단일 노즐(40)의 내벽보다 외측인 r＞D/2에서는 약간의 폭 중(도면 중의 파선 A-A’간)에서 속도가 급격하게 작아져 0이 되는 분포를 나타내고 있으며, 그 형상은 직사각 형상(3차원에서는 원기둥 형상)에 가까운 형상을 나타내고 있다.
이 때, 속도가 급격하게 변화하고 있는 피반송 유체와 주위의 유체와의 사이(파선 A-A’간)에서는, 속도차에 의하여 큰 전단력이 작용하여 유체의 혼합 효과가 발생한다. 이 혼합 효과는 피반송 유체가 반경 방향 외측(r이 정의 방향)으로 넓어지는 작용, 즉 피반송 유체의 확산을 발생시킨다. 그리고, 피반송 유체의 혼합 효과는 하류로 나아감에 따라 서서히 진행되고, 이로써 피반송 유체의 속도는, 반경 외측으로부터 서서히 저하되며, 반대로 주위 유체의 속도는 서서히 증가한다. 그 결과, 유체의 혼합이 발생하고 있는 영역의 폭(파선 A-A’간의 폭)은, 하류로 나아감에 따라 넓어지고(즉 확산됨), 반대로 속도가 U0인 균일 분포를 나타내는 영역의 폭은 작아진다. 또한 하류로 나아가 Z=10D의 위치에서는, 속도가 U0인 균일 분포를 나타내는 영역은 소멸한다. 이보다 하류의 위치에서는, 분류의 최대 속도(U1)는 U0보다 작아지고, 또 피반송 유체의 확산은 급격하게 진행되어 파선 A-A’간의 폭은 급격하게 증가한다.
상기 서술한 속도 분포의 변화는, 피반송 유체의 분출 속도 U0을 레이놀즈 수 Re(=U0D/ν)≤1500이 되는 조건으로 설정한 경우에 볼 수 있다. 여기에서, D는 단일 노즐(40)의 분출구(41)의 직경을, ν는 피반송 유체의 동점성 계수이다. 한편, 피반송 유체의 분출 속도(U0)를 Re＞1500으로 설정하여 파선 A-A’간의 속도차를 크게 한 경우에는, 피반송 유체와 주위 유체와의 사이에서는 매우 큰 전단력이 작용함으로써 유체의 혼합 효과가 강해져, 결과적으로 피반송 유체는 급격하게 확산된다.
(2) 이중 노즐로부터 분출한 분류의 속도 분포와 피반송 유체의 확산
다음으로, 본 실시형태에 있어서의 이중 노즐(30)에 대하여 설명한다.
［환형상 분류 속도 Ua/주분류 속도 Um≤1의 경우］
도 24는, 이중 노즐(30)의 제1 분출구(31)로부터 피반송 유체(A)를 단면 평균 속도 Um의 주분류(층류 분류)로 하고, 제2 분출구(32)로부터 제2 유체로서의 유체(B)를 단면 평균 속도 Ua의 환형상 분류로 하여, 양 분류의 속도비 Ua/Um≤1의 조건으로 유체(C) 중에 분출시킨 경우의 제1, 제2 분출구(31, 32)로부터의 거리(Z)에 대한 속도 분포의 변화를 나타내는 설명도이다.
도 24에 나타내는 바와 같이, 이중 노즐(30)의 제1 분출구(31)(Z=0)에 있어서의 주분류(피반송 유체(A))의 속도 분포는, 0≤r≤Dm/2(Dm: 제1 분출구(31)의 직경)에서는 속도 Um1인 균일한 분포가 되고, r＞Dm/2에서는 약간의 폭 중(도면 중의 파선 E-E’간)에서 속도가 급격하게 작아져 0이 되는 분포를 나타내고 있으며, 그 형상은 직사각 형상(3차원에서는 원기둥 형상)에 가까운 형상을 나타내고 있다. 마찬가지로, 이중 노즐(30)의 제2 분출구(Z=0)에 있어서의 환형상 분류(유체(B))의 속도 분포도, Dm/2＜r≤Da/2에서는 속도 Ua1인 균일한 분포가 되고, r＞Da/2에서는 약간의 폭 중에서 속도가 급격하게 작아져 0이 되는 분포를 나타내고 있으며, 그 형상은 직사각 형상(3차원에서는 r＜Dm/2의 범위가 유지된 원기둥 형상)에 가까운 형상을 나타내고 있다.
이 때, 환형상 분류의 반경 외측(유체(B)와 유체(C)의 경계부)에서는, 층류 분류의 경우와 마찬가지로, 속도차에 의하여 발생한 전단력에 기인하여 유체의 혼합 효과가 발생하고, 이 효과에 의하여 유체(B)는 반경 외측으로, 유체(C)는 반경 내측으로 확산된다. 이 혼합 효과는 하류 방향으로 나아감에 따라 서서히 진행되며, 이로써 유체(B)의 속도는 반경 외측으로부터 서서히 저하되고, 반대로 유체(C)의 속도는 서서히 증가한다. 그 결과, 유체의 혼합이 발생하고 있는 영역의 폭(파선 E’-F간의 폭)은 넓어지고, 속도가 Ua1인 균일 분포를 나타내는 영역의 폭은 작아진다.
한편, 주분류와 환형상 분류의 사이에서는, 역시 속도차에 의하여 발생한 전단력에 기인하여 유체의 혼합 효과가 발생하고, 이로써 피반송 유체(A)는 반경 외측으로, 유체(B)는 반경 내측으로 서서히 확산된다. 그러나, 유체의 확산이 진행되면 양 유체의 경계부에 있어서의 속도차는 작아지므로, 속도차에 의하여 발생하는 유체의 혼합 효과도 작아져, 그 결과 양 유체의 확산이 어느 정도 억제되어 확산 영역의 폭(파선 E-E’간의 폭)이 작은 상태를 유지할 수 있다. 이 확산의 억제는, 유체(B)의 반경 외측의 확산이 진행될 때까지 계속된다.
이상의 결과로부터, 이중 노즐에 의하여 피반송 유체(A)를 주분류, 유체(B)를 환형상 분류로 하여 양 분류의 속도비 Ua/Um≤1의 조건으로 유체(C) 중에 분출시킨 경우에는, 유체(B)의 확산이 진행될 때까지는 유체(B)가 에어 커튼과 동일한 효과를 나타내는 점에서 피반송 유체(A)의 확산이 억제되기 때문에, 피반송 유체(A)를 층류 분류로서 분출시킨 경우에 비해 확산되는 범위를 억제할 수 있다. 또한, 이상에서 나타낸 피반송 유체(A)의 확산 억제의 효과는, 유체(B)와 유체(C)가 동질인 경우에도 동일하게 얻을 수 있고, 피반송 유체(A)와 유체(B)가 동질인 경우에도 동일하게 얻을 수 있다.
［1＜Ua/Um≤2의 경우］
도 25는, 이중 노즐(30)의 제1 분출구(31)로부터 피반송 유체(A)를 단면 평균 속도 Um의 주분류(층류 분류)로 하고, 제2 분출구(32)로부터 제2 유체로서의 유체(B)를 단면 평균 속도 Ua의 환형상 분류로 하여, 양 분류의 속도비 1＜Ua/Um≤2의 조건으로 유체(C) 중에 분출시킨 경우의 제1, 제2 분출구(31, 32)로부터의 거리(Z)에 대한 속도 분포의 변화를 나타내는 설명도이다.
도 25에 나타내는 바와 같이, 이중 노즐(30)의 제1, 제2 분출구(31, 32)(Z=0)에 있어서의 주분류 및 환형상 분류의 속도 분포의 형상은, 속도의 값의 차이를 제외하면 Ua/Um≤1의 경우와 유사하다. 주분류(피반송 유체(A))의 속도 분포는, 0≤r≤Dm/2에서는 속도 Um1인 균일한 분포가 되고, r＞Dm/2에서는 약간의 폭 중(도면 중의 파선 D-D’간)에서 속도가 급격하게 작아져 0이 되는 분포를 나타내고 있으며, 그 형상은 직사각 형상(3차원에서는 원기둥 형상)에 가까운 형상을 나타내고 있다. 마찬가지로, 환형상 분류(유체(B))의 속도 분포도, Dm/2＜r≤Da/2에서는 속도 Ua1인 균일한 분포가 되고, r＞Da/2에서는 약간의 폭 중에서 속도가 급격하게 작아져 0이 되는 분포를 나타내고 있으며, 그 형상은 직사각 형상(3차원에서는 r＜Dm/2의 범위가 유지된 원기둥 형상)에 가까운 형상을 나타내고 있다.
이 때, 환형상 분류의 반경 외측(유체(B)와 유체(C)의 경계부)에서는, 이 속도비의 조건에 있어서도 층류 분류의 경우와 마찬가지로, 속도차에 의하여 발생한 전단력에 기인하여 유체의 혼합 효과가 발생하고, 이 효과에 의하여 유체(B)는 반경 외측으로, 유체(C)는 반경 내측으로 확산된다. 이 혼합 효과는 하류 방향으로 나아감에 따라 서서히 진행되며, 이로써 유체(B)의 속도는 반경 외측으로부터 서서히 저하되고, 반대로 유체(C)의 속도는 서서히 증가한다. 그 결과, 유체의 혼합이 발생하고 있는 영역의 폭(파선 E’-F간의 폭)은 넓어지고, 속도가 Ua1인 균일 분포를 나타내는 영역의 폭은 작아진다.
한편, 주분류와 환형상 분류의 사이에서는, 역시 속도차에 의하여 발생한 전단력에 기인하여 유체의 혼합 효과가 발생하고, 이로써 피반송 유체(A)는 반경 외측으로, 유체(B)는 반경 내측으로 서서히 확산된다. 그러나, 이 속도비의 조건에 있어서의 피반송 유체(A)의 확산량은 Ua/Um≤1의 경우보다 많다. 그 이유는, 유체(B)의 속도가 높아짐으로써 피반송 유체(A)를 끌어들이는 양, 즉 고속도의 유체(B)에 끌려가 유체(B) 중에 유입되는 피반송 유체(A)의 양이 증가했기 때문이다.
그리고, 하류 방향의 위치가 제1, 제2 분출구(31, 32)로부터 떨어짐에 따라, 유체의 확산은 진행되어 피반송 유체(A)와 유체(B)의 경계부에 있어서의 속도차가 작아지므로, 속도차에 의하여 발생하는 유체의 혼합 효과도 작아지고, 그 결과 피반송 유체(A) 및 유체(B)의 확산이 어느 정도 억제되어 확산 영역의 반경 방향의 확산(파선 E-E’간의 폭의 확산)을 억제할 수 있다. 그러나, 확산 영역의 폭은, Ua/Um≤1의 경우보다 넓다. 이 확산의 억제는, 유체(B)의 반경 외측의 확산이 진행될 때까지 계속된다.
이상의 결과로부터, 이중 노즐에 의하여 피반송 유체(A)를 주분류, 유체(B)를 환형상 분류로 하여, 양 분류의 속도비 1＜Ua/Um≤2의 조건으로 유체(C) 중에 분출시킨 경우에는, 유체(B)에 의하여 얻어지는 에어 커튼과 동일한 효과에 의하여 피반송 유체(A)의 확산이 억제되기 때문에, 피반송 유체(A)를 층류 분류로서 분출시킨 경우에 비해 확산되는 범위를 억제할 수 있다. 그러나, 피반송 유체(A)의 확산량은 Ua/Um≤1의 경우보다 커진다. 다만, 이상에서 나타낸 피반송 유체(A)의 확산 억제의 효과는, 유체(B)와 유체(C)가 동질인 경우에도 동일하게 얻을 수 있고, 피반송 유체(A)와 유체(B)가 동질인 경우에도 동일하게 얻을 수 있다.
［2＜Ua/Um의 경우］
제1, 제2 분출구(31, 32)(Z=0)에 있어서의 주분류 및 환형상 분류의 속도 분포의 형상은, 속도의 값의 차이를 제외하면 Ua/Um≤1의 경우와 유사하다. 그러나, 이 조건에서는 환형상 분류의 반경 외측에서 발생하는 유체(B)의 확산의 효과, 및 주분류와 환형상 분류의 사이에서 발생하는 피반송 유체(A) 및 유체(B)의 확산의 효과는 매우 높아진다. 이로 인하여, 피반송 유체(A)는 제1 분출구(31)의 하류 1~2D 정도의 위치에서 급속히 확산된다.
실시예
본 발명의 유체반송장치 및 유체반송방법에 대하여, 이하의 3개의 수치 시뮬레이션을 이용한 평가를 행했다.
(1) 수송에 최적인 와륜을 맥동 분류에 의하여 연속 형성하기 위한 조건의 해명
(2) 열유체를 와륜 내로 효과적으로 격납하기 위한 수법의 해명
(3) 와륜이 가지는 열유체의 수송 능력의 평가
먼저, 본 실시예에서는 검토의 수단으로서 수치 시뮬레이션을 이용하고 있는 점에서, 본 시뮬레이션 결과의 타당성에 대한 검증을 각 시험 항목의 검토에 앞서 실시했다. 이하에 나타내는 결과에서는, 먼저 수치 시뮬레이션의 검증 결과에 대하여 나타내고, 그 후에 각 항목의 검토 결과를 나타낸다.
(1) 수치 시뮬레이션 결과의 타당성의 검증
본 검토에서 이용한 계산 수법, 계산 코드, 계산 격자 모델 및 계산 조건의 타당성에 대하여 검증을 행했다. 검증은, 수중에서의 와륜 형성을 검증 대상으로서 이용하여, 해석 결과와 실험 결과를 비교하는 것에 의하여 행했다.
［수치 시뮬레이션의 수법에 대하여］
계산에 관한 설정 조건을 표 1에, 계산에 이용한 2종류의 격자 모델(이하, “전체둘레 모델” 및 “축대칭 모델”이라고 칭함.)의 개략을 도 11a~도 11c에 나타냈다. 도 11a는 축대칭 모델도, 도 11b는 전체둘레 모델도, 도 11c는 전체둘레 모델의 노즐부 확대도이다. 해석 영역은 노즐로부터 넓은 공간을 향하여 분류를 주기적으로 분출시키는 유동장을 상정하고 있으며, 실험 환경에 맞추어 설정하고 있다.
Figure pct00001
전체둘레 모델은, 해석 대상으로 하는 영역을 충실히 재현한 3차원의 격자 모델이며, 난류 해석의 실시를 고려하여 계산 격자의 공간 해상도를 높게 설정하고 있다. 이로써 와륜의 형성으로부터 확산까지의 거동 변화를 상세하게 시뮬레이트할 수 있다. 이에 대하여, 축대상 모델은 전체둘레 모델의 1/4의 영역만을 이용한 격자 모델이며, 절단면에 주기 경계 조건을 만족하는 것(유동장에 축대칭 조건을 만족하는 것에 상당)에 의하여 3차원의 유동장의 해석을 단시간에 실시하는 것을 가능하게 하고 있다.
［분류의 맥동 조건에 대하여］
맥동 분류의 유량 변동의 파형은, 도 12에서 나타내는 정현파형으로 하고 있다. 이 경우, 유량 변동의 조건을 나타내는 속도 진폭(V0) 및 주기(T)는 와륜의 형성 조건이 되며, 조건의 표기에서는 상기의 V0 및 T에 더해 분출구의 직경(dn)을 이용한 다음 식으로 나타나는 무차원 파라미터를 이용하고 있다.
Figure pct00002
［실험 결과에 의한 와륜의 형성 과정의 확인］
도 13a~도 13c는, 무차원 와도 분포를 이용한 수중에 있어서의 와륜(이하, “수와륜”이라고 칭함.)의 형성 과정을 나타내는 도로서, 유량 변동의 1주기간에 있어서의 와륜의 형성 과정의 위상 변화에 대하여, 실험 결과 및 2개의 격자 모델에 의한 계산 결과를 이용하여 나타내고 있다. 도 13a는 실험 결과도, 도 13b는 전체둘레 모델에 의한 결과도, 도 13c는 축대칭 모델에 의한 결과도이다. 도면의 칸투어는, 국소 영역의 회전각속도에 상당하는 와도의 분포를 나타내고 있으며, 도면 중의 화살표는 소용돌이의 회전 방향을 나타내고, 그레이색이 진할수록 회전이 빠른 것을 나타내고 있다.
도 13a의 실험 결과로부터 와륜의 형성 과정을 확인하면, 분류의 토출 기간에 노즐 내의 벽면 상에 형성된 경계층을 나타내는 와도층(S1)이 노즐의 출구에서 휘말려 올라감으로써, 수송에 이용하는 와륜(V1)이 형성되고 있다. 한편, 노즐의 흡입 기간에서는 흡입 흐름에 의하여 노즐 내벽면 상에 경계층(S2)이 형성되지만, 이 S2는 결국 벽면으로부터 박리되어 박리 와륜(VS2)을 형성한다. 분류가 흡입으로부터 토출로 변화함에 따라 VS2는 노즐 분출구로 이동하여, 형성 도중의 V1과 간섭하고 있다. 이로부터, V1의 소용돌이의 강도(와륜의 순환)에 미치는 VS2의 영향은 매우 큰 것을 예측할 수 있다.
［수치 시뮬레이션의 검증 결과］
이상에서 나타낸 와륜의 형성 과정에 대하여 수치 시뮬레이션(이하, “CFD(Computational Fluid Dynamics)”라고 칭함.)의 결과(도 13b, 도 13c)를 확인하면, 전체둘레 모델 및 축대칭 모델 모두, VS2가 실험 결과에 비해 확산되기 어려워 V1과 간섭하고 있는 시간이 긴 결과로 되어 있으며, 특히 축대칭 모델의 결과에서는 이 경향이 강하게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다. 이것은, 본 CFD에서는 V1의 강도(순환)가 약간 과소하게 예측되어, 그 정도는 축대칭 모델 쪽이 커지는 것을 의미하고 있다. 그러나, 그 이외의 점에서는 실험 결과와 양호한 일치를 나타내고 있어, V1의 정성적인 거동 변화는 충분히 평가할 수 있다고 생각된다.
도 14a 및 도 14b는, 와륜 도달 위치(와륜 단면의 중심 위치) 및 와륜 직경의 위상 변화를 나타내고 있다. 검게 칠한 심볼로 나타난 실험 결과와 공백의 심볼로 나타난 CFD 결과는 양호한 일치를 나타내고 있어, 와륜의 거동 및 치수에 관해서는 정량적인 평가가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
이상의 결과로부터, 본 시뮬레이션에서는 와륜의 강도가 실제보다 약하게 예측될 가능성이 있지만, 와륜의 형성 과정에 대해서는 정성 평가가 가능하고, 와륜의 거동 및 치수에 대해서는 정량 평가도 가능한 것을 확인했다.
(2) 수송에 최적인 와륜을 맥동 분류에 의하여 연속 형성하기 위한 조건의 해명
수송에 최적인 와륜은, 와륜의 체적(수송물을 격납하는 용적)이 크고, 또한 와륜의 강도를 나타내는 순환의 값이 큰(확산까지 시간을 필요로 함) 와륜이라고 생각할 수 있다. 따라서, 열수송에 최적인 와륜의 형성 조건을 분명히 하기 위해서는, 공기 중에서 형성되는 와륜(이하, “공기 와륜”이라고 칭함.)의 체적 및 순환과 분류의 맥동 조건과의 관계에 대하여 분명히 할 필요가 있다.
그런데, 상기 서술한 수중에서의 와륜(수와륜) 형성의 실험 결과에 의하면, 와륜의 체적과 순환은 정비례의 관계에 있는 것, 및 와륜의 순환은 맥동 분류의 스트로우홀 수(Str)(식 (2) 참조.)를 이용하여 나타낼 수 있어 Str≒0.05의 조건에서 순환이 최대가 되는 것을 알 수 있다. 이들 실험 결과가 공기 와륜의 형성 과정에 대해서도 동일하게 성립한다면, 즉 와륜 형성에 관하여 유체 역학적인 유사성이 확인된다면, 수와륜의 실험에서 얻어진 모든 지견은 공기 와륜에 대해서도 적용할 수 있게 된다.
따라서, 본 실시예에서는, 와륜 형성에 관한 유체 역학적 유사성의 유무를 확인한 후에, 공기 와륜의 최적 형성 조건에 대한 검토를 행했다. 검토는, 수와륜에서 순환이 최대가 된 조건을 포함하는 이하의 3개의 맥동 조건에 대하여 행했다.
조건 A：Re0=2350, α=23.3, Str=0.146
조건 B：Re0=4473, α=19.3, Str=0.053
조건 C：Re0=5926, α=19.3, Str=0.040
［공기 중에 있어서의 와륜의 형성 과정］
도 15a에는, 조건 A의 맥동 조건에 있어서의 공기 와륜의 위상 변화에 대하여, 무차원 와도 분포를 이용하여 나타내고 있다. 본 CFD에서는, 전체둘레 모델을 이용했다. 또, 도 15b에는, 동일한 맥동 조건에 있어서의 수와륜의 축대칭 모델을 이용한 CFD 결과에 대해서도 비교를 위하여 나타내고 있다. 도 15a 및 도 15b로부터, 수송에 이용하는 와륜(V1) 및 박리 와륜(VS2)의 형성으로부터 확산까지의 거동 변화에 있어서, 양자는 매우 양호한 일치를 나타내고 있다. VS2의 확산 과정에 있어서 수와륜이 확산에 시간을 필요로 하는 상이점, 및 와륜(V1)의 단면 형상에 약간의 상이점을 볼 수 있지만, 이것은 상기 서술한 시뮬레이션의 검증 결과로부터, 계산에서 이용한 격자 모델의 차이에 의한 것이며 작동 유체의 물성의 차이에 의한 것은 아니라고 판단할 수 있다. 이상에서 나타낸 공기 와륜과 수와륜의 형성 과정의 일치는, 조건 B 및 C에 있어서도 동일하게 확인된 점에서(도면은 생략), 와륜의 형성 과정에서는 유체 역학적인 유사성이 성립하는 것이 확인되었다.
［와륜의 강도와 분류의 맥동 조건과의 관계］
도 16에는, 와륜의 무차원 순환과 맥동 분류의 스트로우홀 수(Str)와의 관계에 대하여, 실험 및 CFD로부터 얻어진 결과를 나타내고 있다. 이 도면에 있어서, 무차원 순환(ReΓ／Re0)의 값이 Str에 의하여 변화한다는 것은, 맥동 분류의 진폭(Re0)이 동일한 값이어도 주기 T가 다르면(즉 Str이 다르면) 와륜의 순환(ReΓ)이 변화하는 것을 나타내고 있다. 실험치(도면 중의 ○) 및 실험 결과와 소용돌이 이론에 근거하여 확립한 추정식의 값(녹색의 심볼)으로부터, Str를 작게 하면, 수와륜의 무차원 순환은 증대하여 Str≒0.05의 조건에서 최대치가 된 후에 급격하게 감소하는 변화를 나타낸다. 이것은, 순환이 크게 확산되기 어려운 와륜(즉, 수송에 최적인 와륜)은 Str≒0.05가 되는 속도 진폭(V0) 및 주기(T)의 맥동 조건에서 형성되는 것을 나타내고 있다.
수와륜의 CFD 결과(도면 중의 ●)를 보면, 무차원 순환은 조건 A, B, C 중 어느 것에 있어서도 실험치에 비해 작은 값을 나타내고 있다. 그 이유로서는, 본 CFD에서는 축대칭 모델을 이용하고 있기 때문에, 모든 맥동 조건에 있어서 박리 와륜이 실제보다 확산되기 어려운 결과가 된다. 그 결과 박리 와륜이 와륜과 간섭하고 있는 시간은 길어져, 와륜의 순환이 작아졌다고 생각된다. 그러나, 무차원 순환의 값의 실험치에 대한 감소율은 조건 A, B, C 중 어느 것도 대략 동일한 점에서, Str에 대한 무차원 순환의 변화율은 실험 결과와 일치하고 있어, 실험에 의하여 얻어진 무차원 순환이 최대가 되는 조건에 대해서는 축대칭 모델을 이용한 CFD에 의해서도 확인할 수 있음을 알 수 있다.
공기 와륜의 CFD 결과(도면의 ◆)를 보면, 조건 A에 있어서의 무차원 순환은 실험치에 비해 작은 값을 나타내고 있어, 수와륜의 경우와 대략 동일한 값을 나타내고 있다. 그 이유도 수와륜의 CFD의 경우와 동일하여, 전체둘레 모델을 이용한 경우에도 박리 와륜은 실제보다 확산되기 어려운 결과가 되기 때문에 와륜의 순환이 작아졌다고 생각된다. 이에 대하여, 조건 B 및 C에서는, 무차원 순환은 수와륜의 결과와 크게 달라, 실험치와 대략 동일한 값을 나타내고 있다. 그 이유로서는, 이하의 점을 생각할 수 있다.
도 17a 및 도 17b는, 조건 B에 있어서의 무차원 와도 분포를 나타내고 있다. 이 맥동 조건에서는, 분류의 흡입 기간에 형성되는 박리 경계층(S2)의 흐름 방향의 길이가 조건 A의 경우(도 15 참조.)에 비해 길고, 상류 방향으로 뻗어 있는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 박리 경계층이 길게 뻗은 경우에는 와도층이 하나의 영역에 모이기 어렵기 때문에, 조건 A와 같은 큰 단면 영역을 가지는 박리 와륜(VS2)은 형성되기 어려워진다. 이로 인하여, 박리 와륜은 확산되기 쉬운 상태가 되고, 또한 계산에 있어서도 축대칭 조건을 만족하고 있지 않은 점에서 박리 와륜의 확산은 더욱 진행되어 와륜의 형성에 미치는 박리 와륜의 영향이 작아지기 때문에, 결과적으로 와륜의 순환이 커졌다고 생각된다. Str에 대한 무차원 순환의 변화의 경향은 실험 결과와 일치하고 있어, 공기 와륜의 무차원 순환은 수와륜의 경우와 마찬가지로 Str≒0.05의 조건에서 최대가 되는 것을 알 수 있다. 또 이 결과는, 와륜의 순환(와륜의 강도)에 있어서도 유체 역학적인 유사성이 성립되는 것을 나타내고 있다.
이상의 결과로부터, 맥동 분류의 Re0, α 및 Str의 조건이 동일하면, 유체의 물성의 차이에 상관없이 와륜의 형성 과정 및 순환은 동일해져 유체 역학적인 유사성이 성립하는 것, 및 와륜의 순환은 Str≒0.05의 조건에서 최대가 되는 것이 확인되었다. 또한 이로부터, 수송에 최적인 와륜의 형성 조건은 Str≒0.05인 것이 확인되었다.
(3) 열유체를 와륜 내로 효과적으로 격납하기 위한 조건의 해명
열유체의 국소 공간 내 집중 수송을 실현하기 위해서는, 열유체를 와륜 내로 격납할 필요가 있다. 그런데, 도 13, 도 15 및 도 17에서 나타낸 바와 같이, 와륜은 분류의 토출 기간에 노즐 내의 벽면 상에서 형성된 경계층(S1)이 노즐의 출구에서 휘말려 올라감으로써 형성된다. 따라서, 열유체를 와륜 내로 격납하기 위해서는, 열유체를 맥동 분류로서 분출시키는 것이 아니라, S1 내로 직접적으로 주입하는 방법이 효과적이라고 생각된다. 본 실시예에서는, 열유체를 와륜 내로 격납하기 위한 효과적인 방법에 대하여 검토를 행했다.
［격납 방법의 검토 조건］
격납 방법의 검토는, 이하의 4개의 방법(개략도를 도 18a~도 18c에 나타냄.)에 따라 행했다.
방법 1：열유체를 맥동 분류로서 분출시킨 경우(가장 단순한 방법)(도시하지 않음.)
방법 2：노즐 내의 벽면 상에 열원을 설치하여 경계층을 가열하는 방법(도 18a 참조.)
방법 3：노즐의 내측과 외측의 벽면 상에 열원을 설치하여 경계층을 가열하는 방법(도 18b 참조.)
방법 4：노즐 내의 벽면에 폭이 0.5mm인 유로를 마련하여, 열유체를 경계층 내로 자연 주입하는 방법(열유체의 이동은, 유로 출구 주변의 유동에 의하여 발생하는 압력차로 발생된다)(도 18c 참조.)
열유체의 시뮬레이션의 계산에서는, 지금까지 행한 계산과는 달리 사용하는 기초 방정식이 1개 증가하기 때문에, 결과를 얻기까지는 공기 와륜의 경우의 약 3배의 계산 시간을 필요로 한다. 이로 인하여, 검토는 본 연구의 개시 단계에서 실험 실적이 있었던 수와륜의 경우에 대하여 행하고, 계산에는 축대칭 모델을 이용했다. 검토에 이용한 유동장의 조건으로서는, 수온이 20℃인 수중을 Str=0.053의 맥동 조건에서 형성한 와륜을 이용하여 80℃의 열수를 국소 공간 내 집중 수송하는 경우를 상정하고 있다. 열수 수송은, 냉수의 경우에 비해 분자 확산의 효과가 강해지므로, 가장 까다로운 수송 조건하에 있어서의 수송 능력의 평가가 가능해진다.
［열유체의 격납 방법의 검토 결과］
도 19a~도 19d에는, 4개의 방법에 있어서의 열유체의 수송 결과에 대하여, 온도 분포를 이용하여 나타내고 있다. 도 19a에 나타낸 방법 1(종래예)의 결과를 보면, 와륜 내로는 열유체가 거의 격납되고 있지 않아, 이 방법으로는 국소 공간 내 집중 수송이 불가능한 것을 알 수 있다. 본 방법에서는, 노즐 내 전체가 80℃의 열수로 채워져 있는 상태로부터 맥동을 개시시키고 있으므로, 맥동의 1주기째에는 열유체가 와륜 내로 격납되지만, 2주기째 이후에는 열유체가 경계층 내로 유입되지 않기 때문에, 열유체는 와륜 내로 격납되지 않는다.
도 19b에 나타낸 방법 2의 결과를 보면, 노즐 내벽면의 열원에 의하여 경계층 내의 유체가 가열되기 때문에, 와륜 내로는 열수가 격납되어 국소 공간 내 집중 수송이 가능하다는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 와륜 내의 열수의 온도는, 와륜 형성 직후의 위상에서 가장 온도가 높은 와륜 중심점에 있어서도 약 25℃로 가열원의 온도의 약 31% 정도 밖에 되지 않아, 열유체를 효과적으로 격납하고 있다고는 할 수 없다. 또, 와륜 내로 격납되는 열량은 유체의 열전달 계수에 크게 의존하게 되어, 열전달 계수가 작은 공기에 대해서는 적합하지 않다고 생각된다.
도 19c에 나타낸 방법 3의 결과를 보면, 열원을 노즐의 외측의 벽면으로까지 확대함으로써, 이 열원에 의하여 가열된 유체가 분류의 흡입 시에 노즐 내로 유입되기 때문에, 경계층 내로 유입되는 열량이 방법 2의 경우보다 증가하여 와륜 중심점의 온도가 약 5℃ 상승하는 결과가 얻어졌다. 그러나, 이 방법도 격납되는 열량은 유체의 열전달 계수에 크게 의존하는 점에서, 최적의 격납 방법이라고는 할 수 없다.
도 19d에 나타낸 방법 4의 결과를 보면, 이 방법에서는 80℃의 열수가 직접적으로 경계층 내로 유입되므로, 가장 효과적인 방법이라고 추측된다. 경계층에 유입된 열유체는 와륜 내로 유입되고 있어, 열유체의 국소 공간 내 집중 수송이 가능하다는 것을 확인할 수 있다. 와륜 형성 직후의 위상에 있어서의 와륜 중심점의 온도는 약 30℃이며, 방법 3의 경우와 대략 동일한 결과가 되었다. 본 유로 폭의 조건에서는, 와륜의 체적에 대하여 유로로부터 경계층으로 유입된 열유체의 체적이 과소였기 때문에, 와륜 내로 유입된 열유체는 곧바로 확산되어 버려 온도는 급격하게 저하되어 버린다. 그러나 이 점에 대해서는, 유로 폭을 넓혀 유입시키는 열유체의 체적을 증가시킴으로써 개선할 수 있다고 생각된다.
도 19e에는, 참고로서 열유체를 일정한 유량으로 분출한 경우(즉, 일반적인 분출 방법)의 열유체의 온도 분포를 나타내고 있지만, 수온은 흐름의 혼합·확산 효과에 의하여 노즐로부터 떨어짐에 따라 저하되고 있어, 방법 2, 3 및 4에서 볼 수 있었던 국소 공간 내 집중 수송은 불가능하다는 것을 알 수 있다.
이상의 결과로부터, 열유체를 와륜 내로 격납하는 방법으로서는, 열유체를 노즐 내의 벽면에 마련한 유로로부터 경계층 내로 자연 주입하는 방법 4가 가장 효과적인 것이 확인되었다. 또, 방법 2, 3에 대해서는, 방법 4보다 효과는 뒤떨어지지만, 와륜 내로 열유체를 격납할 수 있어, 방법 1과 비교하여 효과적인 것이 확인되었다.
(4) 와륜이 가지는 열유체의 수송 능력의 평가
상기 서술한 격납 방법의 검토에 의하여 가장 효과적이라고 판단한 방법 4를 이용한 경우의 와륜의 수송 능력에 대하여 평가를 행했다. 유동장의 조건은 격납 방법의 검토에서 이용한 조건과 동일하여, 수온이 20℃인 수중을 Str=0.053의 맥동 조건으로 형성한 와륜을 이용하여 80℃의 열수를 국소 공간 내 집중 수송하는 경우를 상정하고 있다. 수송 능력의 평가는, 도 19d에서 나타낸 유로 폭이 0.5mm인 경우에 더해, 유로 폭이 1.5mm인 경우에 대해서도 행했다. 또한, 본 시뮬레이션에서는 축대칭 모델을 이용하고 있다.
［열유체의 수송 능력의 평가 결과］
도 20에는, 각각의 유로 폭에 있어서의 와륜 중심점의 온도와 중심점의 도달 위치와의 관계를 나타내고 있다. 유로 폭이 0.5mm인 결과를 보면, 와륜의 형성 시에는 40℃였던 와륜 중심의 온도는, 와륜이 노즐로부터 떨어진 직후에는 30℃까지 급격하게 저하하고 있어, 열유체의 확산이 급격하게 진행된 것을 확인할 수 있다. 그 후에는, 확산은 완만하게 진행되지만, 수송을 개시한 시점에서의 와륜 내의 온도가 높지 않기 때문에, 도달 거리가 4d(노즐 직경(d)의 4배)의 위치에서는 주위의 수온과 대략 동일한 온도로 되어 있다.
한편, 유로 폭이 1.5mm인 결과를 보면, 이 경우에도 와륜 중심의 온도는 와륜이 노즐로부터 떨어진 직후에 급격하게 저하되고 있어, 열유체의 확산이 급격하게 진행된 것을 확인할 수 있다. 그러나, 유로 폭을 넓혀 와륜 내로 유입하는 열유체의 체적을 증가시킴으로써 와륜 중심점의 온도는 0.5mm의 경우보다 높은 값을 나타내고 있으며, 도달 거리가 4d인 위치에서도 45℃로 열원의 약 56%의 온도를 유지하고 있다. 주유로 폭에 있어서의 와륜 중심점의 온도는, 도달 거리가 10d인 위치에서는 35.5℃(열원의 약 44%), 도달 거리가 20d인 위치에서는 22.5℃(열원의 약 28%)였다. 본 시뮬레이션에서는 축대칭 모델을 이용하는 점에서, 와륜의 순환이 실제보다 작게 예측되어 있다. 따라서 와륜의 실제의 수송 능력은, 상기의 결과보다 높다고 생각된다.
이상에서 나타낸 수와륜의 열수송 능력의 평가 결과에 근거하여, 공기 와륜의 수송 능력을 추정해 본다. 공기 와륜의 경우에는, 확산의 효과가 물의 경우의 약 10배로 크기 때문에, 이 값에 의하면 수송 능력은 물의 경우의 1/10로 낮아지게 된다. 그러나, 공기 와륜의 이동 속도는, 맥동 조건이 동일한 수와륜의 이동 속도의 약 20~30배로 매우 빨라, 도달 거리는 늘어나게 된다. 이러한 점을 고려하면, 공기 와륜의 수송 능력은 물의 경우(도 20)의 2~3배 정도 높아진다고 생각된다. 즉, 유로 폭을 1.5mm로 했을 경우의 공기 와륜에 있어서의 와륜 중심점의 온도 변화는, 도달 거리가 20d인 위치에서 35.5℃ 정도(온도 저하 44.5℃), 도달 거리가 40d인 위치에서는 22.5℃ 정도(온도 저하 57.5℃)라고 추측된다.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 유체반송장치 및 유체반송방법은, 넓은 공간 혹은 관로나 덕트내 등의 폐쇄된 공간 내에 있어서 이용할 수 있으며, 이들 공간 내에 채워진 액체 중에 있어서의 이종 또는 동종의 액체의 반송 수단으로서, 기체 중에 있어서의 이종 또는 동종의 기체의 반송 수단으로서, 또는, 액체 중에 있어서의 기체의 반송 수단으로서 이용하는 것이 가능하다.
또, 구체적인 이용 용도로서는, 이하를 들 수 있다.
(1) 가정용 및 업무용의 공조 기기에 있어서의 송풍 방법으로서의 이용.
(2) 차재 공조 기기의 송풍 방법으로서의 이용.
(3) 퍼스널 컴퓨터, 대형 서버, 및 IT 기기 내의 전자 디바이스의 집중 냉각법으로서의 이용.
(4) 가정용 및 업무용의 각종 공기 청정 장치의 송풍 방법으로서의 이용
(5) 가전품, 업무 기기, 및 OA 기기 내의 전자 디바이스의 집중 냉각법으로서의 이용.
(6) 하이브리드 자동차에 있어서 배출되는 배열을 촉매의 난기에 이용할 때의 열반송의 수단으로서의 이용.
(7) 하이브리드 자동차에서 배기가스로부터 회수한 배열을, 엔진 및 그 주변 기기의 난기, 또는 차내 난방으로서 이용할 때의 배열의 반송 수단으로서의 이용.
(8) 냉동차의 냉동고 출입구에 있어서의 에어 커튼으로서의 이용.
(9) 공장의 냉동고 출입구에 있어서의 에어 커튼으로서의 이용.
(10) 의료 현장에 있어서, 산소 흡인 시의 산소를, 산소 마스크를 사용하지 않고 환자의 입과 코에 보내기 위한 반송 방법으로서의 이용.
(11) 의료 현장에 있어서, 마취재 흡인 시의 마취재를, 마스크를 사용하지 않고 환자의 입과 코에 보내기 위한 반송 방법으로서의 이용.
(12) 의료 현장에 있어서, 수술 중의 환자의 체온 유지를 목적으로, 난기를 환자에게 보내기 위한 반송 방법으로서의 이용.
(13) 의료 현장에 있어서, 수술 중에 발생하는 기체로부터 시술자인 의사를 보호하기 위한 산소의 반송 방법으로서의 이용.
(14) 항공기 내의 비상용 산소 마스크의 산소 공급에 있어서, 산소 마스크를 사용하지 않고 산소를 환자의 입과 코에 보내기 위한 반송 방법으로서의 이용.
(15) 공장 내의 배관에 있어서의 난기 및 냉기의 반송 방법으로서의 이용.
(16) 상수도의 정화 탱크 내에 있어서의 소독약품의 확산 촉진 방법으로서의 이용.
(17) 비닐 하우스 내 및 식물 공장 내에 있어서의 농작물, 또는 식물의 성장 촉진을 목적으로 한 난기 및 CO2의 고농도 반송법으로서의 이용.
(18) 화학 플랜트 공장에 있어서, 반응로 내의 화학 반응속도 및 농도를 국소적으로 제어하기 위한 약품의 반송 방법으로서의 이용.
(19) 기체 중 및 액체 중에 있어서의 미소 입자군의 반송 방법으로서의 이용.
F0 : 반송 유체 F1 : 피반송 유체
1, 5, 9, 12, 15, 19 : 유체반송장치
2, 6, 7, 10, 11, 13, 16, 20 : 노즐
2a, 6a, 7a, 10a, 11a, 13a, 16a, 20a : 분출구
2b, 6b, 10b, 13b, 16b, 20b : 내벽면
2c, 10c, 13c, 16c, 20c : 외벽면
3, 8 : 유로 3a, 8a : 분출구
4 : 와륜 14, 17 : 소공간
14a, 17a : 개구부 18 : 필터재
21 : 가열원 30 : 이중 노즐
31 : 제1 분출구 32 : 제2 분출구
40 : 단일 노즐 41 : 분출구

Claims (10)

  1. 분출구로부터 공간 내로 반송 유체를 분출함으로써 와륜을 형성하는 분출부와,
    상기 반송 유체의 외측으로 피반송 유체를 상기 반송 유체의 중심의 속도보다 저속도로 공급하는 피반송 유체 공급수단
    을 가지는 유체반송장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 피반송 유체 공급수단은, 상기 분출부의 벽면을 따라 상기 피반송 유체를 토출하는 유로인 유체반송장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 피반송 유체 공급수단은, 상기 분출부의 벽면에 마련된 가열원 또는 냉각원에 의하여 상기 피반송 유체를 생성하는 것인 유체반송장치.
  4. 분출구로부터 공간 내로 반송 유체를 분출함으로써 와륜을 형성함과 함께, 상기 반송 유체의 외측으로 피반송 유체를 상기 반송 유체의 중심의 속도보다 저속도로 공급하는 것을 특징으로 하는 유체반송방법.
  5. 피반송 유체를 층류 분류가 되는 조건으로 분출하는 제1 분출구와,
    상기 제1 분출구의 외주부를 둘러싸도록 상기 제1 분출구의 내접원의 직경의 1/2 이하의 폭으로 환형상으로 형성되어, 제2 유체를 환형상 분류로서 분출하는 제2 분출구
    를 가지는 유체반송장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 분출구로부터 분출하는 피반송 유체의 속도를 Um, 상기 제2 분출구로부터 분출하는 제2 유체의 속도를 Ua로 했을 때,
    0.25≤Ua/Um≤2
    인 유체반송장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 분출구로부터 분출하는 피반송 유체의 레이놀즈 수는, 0보다 크고, 또한, 2000 이하인 유체반송장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 분출구로부터 분출하는 피반송 유체의 레이놀즈 수는, 0보다 크고, 또한, 2000 이하인 유체반송장치.
  9. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피반송 유체를 상기 환형상 분류 내에 유지한 채로 반송하는 목표까지의 거리는, 50cm 이상인 유체반송장치.
  10. 제1 분출구로부터 피반송 유체를 층류 분류가 되는 조건으로 분출함과 함께, 상기 제1 분출구의 외주부를 둘러싸도록 상기 제1 분출구의 내접원의 직경의 1/2 이하의 폭으로 환형상으로 형성된 제2 분출구로부터, 제2 유체를 환형상 분류로서 분출하는 것을 특징으로 하는 유체반송방법.
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