(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直管内に第１の端部から第２の端部に向けて、
第１の常圧部と、
低圧部と、
高圧部と、
第２の常圧部と
が設けられ、前記第１の常圧部、前記低圧部、前記高圧部及び前記第２の常圧部は開放可能な複数の隔壁により分離された衝撃波管。
【請求項２】
前記複数の隔壁を同時に開放し、前記第２の常圧部を前記第２の端部に向けて進む衝撃波を生成する請求項１に記載の衝撃波管。
【請求項３】
前記直管は、内径が一定である請求項１又は２に記載の衝撃波管。
【請求項４】
前記直管は、前記低圧部及び前記高圧部の内径が前記第１及び第２の常圧部の内径より小さい請求項１又は２に記載の衝撃波管。
【請求項５】
前記低圧部及び前記高圧部は、前記第１の端部から前記第２の端部に向けた方向に略同じ長さを有する請求項１から４のいずれか一項に記載の衝撃波管。
【請求項６】
前記第２の常圧部は、被検体を設置して観察することができる観察部を含む請求項１から５のいずれか一項に記載の衝撃波管。
【請求項７】
前記複数の隔壁は、フィルム状の隔膜によって形成され、針状部材によって破断して開放される請求項１から６のいずれか一項に記載の衝撃波管。
【請求項８】
前記複数の隔壁は、開閉可能な弁によって形成された請求項１から６のいずれか一項に記載の衝撃波管。
【請求項９】
前記第２の端部に接続され、前記第２の端部に到達した圧力変化を緩衝させる第２のダンプタンクをさらに含む請求項１から８のいずれか一項に記載の衝撃波管。
【請求項１０】
前記第１の端部に接続され、前記第１の端部に到達した圧力変化を緩衝させる第１のダンプタンクをさらに含む請求項１から９のいずれか一項に記載の衝撃波管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力波形を制御可能な衝撃波管に関し、詳しくは、負圧を生成することができるとともに圧力波形を制御可能な衝撃波管に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、衝撃波の生体に与える影響に関する研究が活発化している。衝撃波には、空気中を伝播する圧縮波と、圧縮波の背後にできる波形構造を含む負圧から構成され、伝播速度が音速以上であり、波面が不連続で波面の前後で密度と圧力の急激な変化があり、衝撃波の圧縮波の後には負圧を伴うという特徴を持つものがある。
【０００３】
生体の細胞は、正圧に対してはある程度耐えられるが、負圧に対して細胞壁が崩壊したり、キャビテーションが生じたりする性質がある。このため、衝撃波の中でも特に負圧の影響に対して注目が集まっている。
【０００４】
図１は、衝撃波による圧力の時間依存性を説明するグラフである。空中で発生した衝撃波は、正圧継続時間ｔｐに負圧継続時間ｔｎが続き、これらを併せて継続時間ｔ１とする。正圧力積Ｉｐを有する正圧継続時間ｔｐにおいて、圧力は最大値Ｐｍａｘから０まで単調に減少し、負圧力積Ｉｎを有する負圧継続時間ｔｎにおいて、圧力は０から最小値Ｐｍｉｎまで単調に減少した後で０まで単調に増加する。
【０００５】
従来、衝撃波の研究にはレーザー誘起衝撃波が用いられることが多かった（非特許文献１を参照）。最近では、衝撃波の生体に与える研究に用いられる衝撃波管の開発に関する研究も増えている。衝撃波管は、衝撃波の研究に用いる１次元の直管であり、一端に高圧部を設け、その圧力を急速に解放させ、直管内を伝播する過程で衝撃波を作りだすものである。
【０００６】
例えば、小径の高圧部から大径で常圧の直管に拡幅する形状とすることで正圧部に続き負圧部を生成する衝撃波管が開示されている（非特許文献２を参照）。また、直管の１次元衝撃波が大空間に解放される際の膨張に伴う負圧を利用する衝撃波管が開示されている（非特許文献３を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】佐藤、レーザー誘起衝撃波の生体作用：Pros & Cons、平成24年度衝撃波シンポジウム
【非特許文献２】Nicholas N. Kleinschmit, A shock tube technique for blast wave simulation and studies of flow structure interaction in shock tube blast experiments, Thesis of the graduate college at the University of Nebraska, 2011
【非特許文献３】Neveen Awad, Study of blast-induced mild traumatic brain injury - Laboratory simulation of blast shock wave, Thesis of doctor of philosophy at the McMaster University, 2014
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、レーザー誘起衝撃波は、圧力波形が不明であり、負圧を生成することができなかった。また、衝撃波管を利用する場合には、負圧を生成することができるものの十分に波形を制御することができなかった。
【０００９】
この発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、負圧を生成することができるとともに波形を制御可能な衝撃波管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、この出願に係る衝撃波管は、直管内に第１の端部から第２の端部に向けて、第１の常圧部と、低圧部と、高圧部と、第２の常圧部とが設けられ、前記第１の常圧部、前記低圧部、前記高圧部及び前記第２の常圧部は開放可能な複数の隔壁により分離されたものである。
【００１１】
前記複数の隔壁を同時に開放し、前記第２の常圧部を前記第２の端部に向けて進む衝撃波を生成してもよい。前記衝撃波は、正圧部と、正圧部に続く負圧部とを含んでもよい。
【００１２】
前記直管は、内径が一定であってもよい。前記直管は、前記低圧部及び前記高圧部の内径が前記第１及び第２の常圧部の内径より小さくてもよい。
【００１３】
前記低圧部及び前記高圧部は、前記第１の端部から前記第２の端部に向けた方向に略同じ長さを有してもよい。前記第２の常圧部は、被検体を設置して観察することができる観察部を含んでもよい。
【００１４】
前記複数の隔壁は、フィルム状の隔膜によって形成され、針状部材によって破断して開放されてもよい。前記複数の隔壁は、開閉可能な弁によって形成されてもよい。
【００１５】
前記第２の端部に接続され、前記第２の端部に到達した圧力変化を緩衝させる第２のダンプタンクをさらに含んでもよい。前記第１の端部に接続され、前記第１の端部に到達した圧力変化を緩衝させる第１のダンプタンクをさらに含んでもよい。
【００１６】
前記直管は、円状の断面形状を有してもよい。前記直管は、矩形状の断面形状を有してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の衝撃波管は、負圧を生成することができるとともに波形を制御可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】衝撃波による圧力の時間依存性を説明するグラフである。
【図２】本実施の形態の衝撃波管を組み込んだ衝撃波試験装置の全体の構成を示す概観図である。
【図３】本実施の形態の衝撃波管の構成を説明する模式図である。
【図４】本実施の形態の衝撃波管のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】比較例１の衝撃波管のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】比較例２の衝撃波管のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】比較例３の衝撃波管のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明に係る衝撃波管の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面は説明のために供するものであり、図面中の寸法や比率は一例を示すものである。
【００２０】
図２は、本実施の形態の衝撃波管を組み込んだ衝撃波試験装置の全体の構成を示す概観図である。図３は、本実施の形態の衝撃波管を説明する模式図である。
【００２１】
衝撃波試験装置は、この衝撃波試験装置の略中央に設置された衝撃波管１と、衝撃波管１を支持する基台２と、衝撃波管１を含むこの衝撃波試験装置の全体を制御する制御装置３と、衝撃波管１の状態などを表示する表示装置４とを含んでいる。
【００２２】
衝撃波管１は、直管１０と、直管１０の第１の端部１１に接続された第１のダンプタンク２１と、直管１０の第２の端部１９に接続された第２のダンプタンク２２とを含んでいる。衝撃波管１は、鋼鉄製で内面が滑らかに仕上げられ、内径は長手方向に一定であってもよい。
【００２３】
衝撃波管１は、直管１０の内部に、第１の端部１１から第２の端部１９に向けた長手方向に、第１の常圧部１２と、低圧部１３と、高圧部１４と、第２の常圧部１５とを含んでいる。低圧部１３と高圧部１４は、衝撃波管１の長手方向に、略同一の長さを有している。
【００２４】
第１の常圧部１２と低圧部１３は、直管１０において第１のフランジ４１の内側に設けられた第１の隔膜３１によって分離されている。同様に、低圧部１３と高圧部１４は第２のフランジ４２の内側に設けられた第２の隔膜３２によって分離され、高圧部１４と第２の常圧部１５は第３のフランジ４３の内側に設けられた第３の隔膜３３によって分離されている。
【００２５】
第１の隔膜３１、第２の隔膜３２、第３の隔膜３３は、フィルム状であり、図示しない針状部材によって破断して開放することができる。第１の隔膜３１、第２の隔膜３２、第３の隔膜３３は、第１のフランジ４１、第２のフランジ４２、第３のフランジ４３の部分で直管１０を切り離して交換することができる。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、開放可能な複数の隔壁にはフィルム状の第１の隔膜３１、第２の隔膜３２、第３の隔膜３３を用いたが、代わりに開閉可能な弁などを使用することもできる。
【００２７】
第２の常圧部１５は、被検体を設置して観察することができる観察部１６を含んでいる。この観察部１６は、第４のフランジ４４と第５のフランジ４５の部分で直管１０を切り離して取り外すことができる。観察部１６には、直管１０の外側から被検体を観察できるように窓１７が形成されている。
【００２８】
第１のダンプタンク２１は、直管１０の第１の端部１１に接続され、直管１０の管内から第１の端部１１に到来した圧力変化を減衰させる。第１のダンプタンク２１の内部には、圧力変化を吸収する緩衝材２７が内貼りされている。
【００２９】
第２のダンプタンク２２は、直管１０の第２の端部１９に接続され、直管１０の管内から第２の端部１９に到来した圧力変化を減衰させる。第２のダンプタンク２２の内部には、圧力変化を吸収する緩衝材２８が内貼りされている。
【００３０】
基台２は、衝撃波管１が所定の高さにおいて水平方向に延びるように支持している。制御装置３は、所定のシーケンスに従い、衝撃波管１の動作の監視や関連するバルブ操作などの各種の制御を行う。表示装置４には、例えば液晶ディスプレイが用いられ、この衝撃波試験装置のオペレータに対して各種情報を提供する。
【００３１】
例えば、制御装置３は、衝撃波管１に取り付けられた図示しない圧力センサなどの各種のセンサからの測定結果を常に監視するとともに、低圧部１３と高圧部１４へのバルブ操作、第１の隔膜３１、第２の隔膜３２、第３の隔膜３３の開放など、衝撃波管１における動作が適切に実施されるように制御する。
【００３２】
また、衝撃波試験装置は、衝撃波管１に所定の圧力の空気を供給する圧力発生装置５と、建屋から電源の供給を受ける分電盤６とを有している。圧力発生装置５は、制御装置３から制御を受け、衝撃波管１の低圧部１３と高圧部１４に所定の圧力の空気を供給する。分電盤６は、ブレーカなどを備え、衝撃波試験装置に電力を供給する。
【００３３】
衝撃波試験装置は、図示はしていないシュリーレン装置や高速度カメラなど衝撃波を可視化して測定する測定装置を含んでもよい。また、衝撃波管１の第２の端部１９に第２のダンプタンク２２に代えて、被検体を観察するための観察室を設けてもよい。
【００３４】
なお、本実施の形態においては、直管１０の断面形状は矩形状であるとしたが、これに限られず断面形状は円状など他の形状であってもよい。また、直管１０の内径は長手方向に一定としたが、これに限られず、例えば低圧部１３と高圧部１４の内径を第１の常圧部１２と第２の常圧部１５の内径より小さくしてもよい。
【００３５】
図４は、本実施の形態の衝撃波管のシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションは、図４（ａ）に示すように、衝撃波管１の直管１０の第１の端部１１から第２の端部１９に向かう長手方向を１次元の方向として、数値流体力学（ＣＦＤ）により行った。
【００３６】
このシミュレーションでは、衝撃波管１の各部の寸法は、例えば、直管１０の第１の端部１１から第２の端部１９に向かう長手方向に、第１の常圧部１２は１４ｍ、低圧部１３は０．５ｍ、高圧部１４は０．５ｍ、第２の常圧部１５は１５ｍとしてもよい。また圧力の初期状態は、例えば、第１の常圧部１２と第２の常圧部１５は１気圧、低圧部１３は０．５気圧、高圧部１４は８気圧で０．５ｍとしてもよい。
【００３７】
初期状態に設定した衝撃波管１において、第１の常圧部１２、低圧部１３、高圧部１４、第２の常圧部１５を同時に解放して圧力の変化を求めた。なお、実際には、第１の常圧部１２、低圧部１３、高圧部１４、第２の常圧部１５の解放は、第１の常圧部１２、低圧部１３、高圧部１４、第２の常圧部１５を分離する第１の隔膜３１、第２の隔膜３２、第３の隔膜３３を図示しない針状部材で同時に破断して開放することにより実現できる。
【００３８】
図４（ｂ）は、直管の各位置における圧力の時間変化を示すグラフである。横軸は、０秒において第１の常圧部１２、低圧部１３、高圧部１４、第２の常圧部１５を解放してから経過した時間である。図中の曲線ｐ１は、第２の常圧部１５において高圧部１４との境界から第２の端部１９の方向に０ｍ進んだ位置Ｐ１における圧力を示している。同様に、曲線ｐ２は０．１ｍ進んだ位置Ｐ２、ｐ３は０．２ｍ進んだ位置Ｐ３、ｐ４は０．３ｍ進んだ位置Ｐ４、ｐ５は０．４ｍ進んだ位置Ｐ５、ｐ６は０．５ｍ進んだ位置Ｐ６、ｐ７は０．６ｍ進んだ位置Ｐ７、ｐ８は０．７ｍ進んだ位置Ｐ８における圧力を示している。
【００３９】
このグラフに見られるように、第２の常圧部１５においては、正圧部と、この正圧部に続く負圧部を含む衝撃波が第２の端部１９に向けて進んでいることが見られる。この衝撃波は、正圧部と負圧部の形状は乱れが少なく滑らかであり、波形はよく制御されている。
【００４０】
また、この衝撃波は、正圧部において最大値から０まで単調に減少し、正圧部に続く負圧部において０から最小値まで単調に減少した後で０まで単調に増加する形状を示している。したがって、この衝撃波は、図１に示したような衝撃波の特徴をよく再現し、衝撃波の生体に与える影響に関する基礎研究に適用することができる。
【００４１】
なお、このシミュレーションでは、直管１０の長手方向に、第１の常圧部１２は１４ｍ、低圧部１３は０．５ｍ、高圧部１４は０．５ｍ、第２の常圧部は１５ｍとしたが、これに限られず、第１の常圧部１２と第２の常圧部１５の長さが低圧部１３と高圧部１４の長さに対して十分大きければよい。
【００４２】
図５は、比較例１の衝撃波管のシミュレーション結果を示す図である。比較例１では、第１の端部が閉じた断面の内径が長手方向に一定である直管において、第１の端部から所定長さにわたる高圧部を設け、高圧部を解放して高圧部から直管の第２の端部まで続く常圧部を進む衝撃波を生成した。
【００４３】
図５（ａ）は、高圧部を解放した直後の圧力分布を示している。図５（ｂ）は、所定時間が経過した後の圧力分布を示している。図（ａ）と図５（ｂ）を比較すると、衝撃波が直管の第２の端部に向けて進んでいることが見られる。
【００４４】
図５（ｃ）は、直管の各位置における圧力の時間変化を示すグラフである。横軸は、０秒において解放してから経過した時間である。図中の曲線ｐ１１は、常圧部において高圧部１４の境界から第２の端部の方向に２ｍ進んだ位置Ｐ１１における圧力を示している。同様に、曲線ｐ１２は２．５ｍ進んだ位置Ｐ１２、ｐ１３は３ｍ進んだ位置Ｐ１３、ｐ１４は３．５ｍ進んだ位置Ｐ１４、ｐ１５は４ｍ進んだ位置Ｐ１５、ｐ１６は４．５ｍ進んだ位置Ｐ１６、ｐ１７は５ｍ進んだ位置Ｐ１７における圧力を示している。
【００４５】
図５（ｃ）の波形に見られるように、比較例１の衝撃波は、正圧部において最大値から０まで単調に減少する衝撃波の正圧部の形状が再現されているものの、負圧部は再現されていない。
【００４６】
図６は、比較例２の衝撃波管のシミュレーション結果を示す図である。比較例２は、非特許文献２に開示された技術を適用し、小径の高圧部から大径で常圧部に拡幅する形状とすることで正圧部に続き負圧部を生成するものである。
【００４７】
図６（ａ）は、高圧部を解放した直後の圧力分布を示している。第１の端部が閉じた直管において、第１の端部から所定長さにわたる小径の高圧部が設けられ、第２の端部に至る常圧部は高圧部の小径を大径に拡幅するテーパー部を含んでいる。
【００４８】
図６（ｂ）は、直管の各位置における圧力を示すグラフである。図中の曲線ｐ２１は、常圧部において高圧部との境界から第２の端部の方向に３ｍ離れた位置Ｐ２１における圧力を示している。同様に、曲線ｐ２２は５ｍ、ｐ２３は７ｍ、ｐ２４は９ｍの位置における圧力を示している。
【００４９】
図６（ｂ）の波形に見られるように、比較例２の衝撃波は、正圧部において最大値から０まで単調に減少する衝撃波の正圧部の形状が再現されている。負圧部も形成されているが、高周波成分が多く、急速に正圧に戻ってその後乱れ、波形はよく制御されていない。
【００５０】
図７は、比較例３の衝撃波管のシミュレーション結果を示す図である。比較例３は、非特許文献３に開示された技術であり、直管の１次元衝撃波が大空間に解放される際の膨張に伴う負圧を利用するものである。
【００５１】
図７（ａ）は、高圧部を解放する前の圧力分布を示している。第１の端部が閉じた直管において、第１の端部から所定長さにわたる小径の高圧部が設けられている。また、第２の端部は大空間に突き出している。図７（ｂ）は高圧部を解放後に衝撃波が直管の第２の端部から大空間に到達した直後の圧力分布、図７（ｃ）は所定時間が経過して衝撃波が大空間を進む時点での圧力分布を示している。
【００５２】
図７（ｄ）は、直間の端部から５０ｍｍの距離における圧力の時間変化を示すグラフである。曲線ｐ３１は、直管内で高圧部を常圧部から分離する隔膜の鋼鉄の厚さが０．１２７ｍｍの圧力を示している。同様に、曲線ｐ３２は０．０７６ｍｍ、ｐ３３は０．０２５ｍｍの場合の圧力を示している。
【００５３】
図７（ｄ）の曲線ｐ３１に見られるように、隔膜の厚さによっては衝撃波には高圧の部分に続いて低圧の部分が続いて形成される。しかしながら、図７（ｃ）の圧力分布に見られるように、直管から大空間に進む衝撃波は球面波状に広がるため、圧力に空間分布ができてしまう。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本実施の形態の衝撃波管は、衝撃波の生体に与える影響の基礎研究に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１  衝撃波管
２  基台
１０  直管
１１  第１の端部
１２  第１の常圧部
１３  低圧部
１４  高圧部
１５  第２の常圧部
１９  第２の端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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