(57)【要約】【課題】混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制が求められる場面において、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進する変動発生装置の提供することを解決すべき課題とする。【解決手段】１種類以上の流体の流れ中に、弾性体もしくは剛体またはその両方で構成された一つもしくは複数の可動システムを、単独もしくは支えを用いて、弾性板は流れに直交しない方向に、また弾性板以外の可動システムは任意の方向に設置し、前記可動システムを自励振動により変動させることによって、流れを変動させることで、もしくは可動システムが接続された物体を変動させることで、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を必要とする装置において、１種類以上の流体の流れ中に、弾性体もしくは剛体またはその両方で構成された一つもしくは複数の可動システムを、単独もしくは支えを用いて、弾性板は流れに直交しない方向に、また弾性板以外の可動システムは任意の方向に設置し、前記可動システムを自励振動により変動させることによって、流れを変動させることで、もしくは可動システムが接続された物体を変動させることで、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進することを特徴とする変動発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を行うことを目的とした変動発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
噴流の工業的応用として、噴流自体の混合、拡散あるいは噴流と周囲の流体との混合、拡散させることで、燃焼、化学反応、伝熱、攪拌などの物質、エネルギー、運動量の移動を促進させる効果を得る例がある。また、振動を用いることで構造体における汚れの付着を抑制する例がある。
【０００３】
たとえば、燃焼器における公知技術例として以下の２つがある。
【０００４】
特許文献１．特開平6-18036号公報、ガスタービン燃焼器の予混合器
ガスタービンエンジンやボイラーなどの燃焼器においては燃焼排ガス中のNOｘ（窒素酸化物）を低減するためや燃焼効率を向上するために、空気と水蒸気の混合拡散および燃料と空気の混合拡散を促進させる必要がある。この公知技術は、曲がり部を仕切板により空気用流路が複数に分割され、曲がり部により旋回を与えられた空気に燃料を噴出することで燃料の混合拡散を促進するものである。さらに、仕切板に開口部を設けることで混合流体の一部を、開口部を通じて隣接する分割流路へと流出することで分割流路内の偏流の影響による燃料の偏在をなくし予混合器出口の燃料濃度の分布を均一にする。
【０００５】
特許文献２．特開平5-180073号公報、スクラムジェットエンジン
この公知技術は、超音速流中において燃料と空気の混合促進するものである。燃焼器の空気流入側に燃料供給用のストラットを備え、ストラットの燃焼器側の端部を櫛歯状の凹凸に形成すると共に、凹凸の凸部の先端に燃料噴射口を備え、凹部を通過した空気流と凸部を通過した空気流との間で生じる擾乱によって燃料を拡散させる。
また、柔軟体の振動により流体の攪拌、伝熱促進、あるいは混合拡散を行う技術として、以下の３つの公知技術例がある。
【０００６】
特許文献３．特開2004-141701号公報、渦発生機構を備えた流体管路
この公知技術は、弾性変形能の大きな炭素長繊維成形体でできた複数の渦発生器を流体配管に対して直交する方向に複数配置し、隣接する渦発生器の間に流体を流下させる隙間を設ける配置となっている。流体の流量が少ないとき、渦発生器はほぼ起立し流体を堰き止め攪拌する。一方で、流量が多くなると渦発生器が曲げ振動、曲げ捩れ振動し、流体の攪拌を促進させる。さらに、流量が閾値を超えると渦発生器が倒伏し流体を放流する。
【０００７】
特許文献４．特開平8-159689号公報、流体用導管
この公知技術は、流体の流れる管内に、上流側端が固定され、かつ、下流側端が自由とされた可撓性条体を配設し、これが管内を流れる流体の流体力を受けて揺動又は振動することによって管の内面付近の流体と中央付近の流体とを混合又は入れ換えて伝熱を促進するものである。
【０００８】
非特許文献１．日本機械学会流体工学部門ニューズレター流れ2006年４月号、柔らかいフィンを持つ円管から流出する噴流
この公知技術は、円形ノズルのリップ部に柔軟性のある人工セルロース製の短冊状フィンを取り付け、噴流の流出にともないフィンが上下左右に振動することで大規模渦を発生させ、混合拡散を促進するものである。
一方で、振動を用いることで構造体における汚れの付着を抑制する方法として、以下の公知技術例がある。
特許文献５．特開平6−265291、熱交換器の除霜装置
この公知技術は、熱交換器などにおけるフィンなどに付着した結露水または氷霜を、超音波振動を用いることにより氷霜を除去するものである。
【特許文献１】特開平6-18036号公報、ガスタービン燃焼器の予混合器
【特許文献２】特開平5-180073号公報、スクラムジェットエンジン
【特許文献３】特開2004-141701号公報、渦発生機構を備えた流体管路
【特許文献４】特開平8-159689号公報、流体用導管
【特許文献５】特開平6−265291、熱交換器の除霜装置
【非特許文献１】日本機械学会流体工学部門ニューズレター流れ2006年４月号、柔らかいフィンを持つ円管から流出する噴流
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した公知技術にはそれぞれ問題点を含んでいる。
【００１０】
上記特許文献１においては、仕切板の曲がり部による旋回流によってのみ混合を促進させているため、いまだその混合が不充分であり、燃焼効率の向上およびNOｘ低減が充分に達成されているとはいえない。また、構造が複雑であるためコストが掛かる問題もある。
【００１１】
上記特許文献２においては、流れが超音速中であるため圧縮性の影響により擾乱の成長が抑制され、混合層の成長率は小さい。したがって、ストラットに櫛歯状の凹凸を形成するだけでは混合が不充分であり、より大規模に流れ場に変化を与える必要がある。また、この例も特許文献１と同様に構造が複雑となるためコストが掛かる問題もある。
【００１２】
上記公知技術３においては、弾性体渦発生器が流れに対して垂直に設置されているため、流体の慣性力が大きい場合には渦発生器が倒れてしまう、あるいは傾いてしまうため、得られる振幅は結果として小さなものとなり、大きな振幅および流れ場への大規模な影響は期待できない。
【００１３】
上記特許文献４および上記非特許文献１においては、復元能を持たない柔軟体を用いているため、柔軟体の振動が流れ方向に変化を与えることはできない。そのため、大きな混合拡散・伝熱・攪拌効果は期待できない。
【００１４】
上記特許文献５においては、構造体を加振するために外部動力が必要となるため、構造体に取り付ける装置が肥大化しサイズや重量が大きくなること、また余分な外部動力装置を必要とすることによりコストも大きくなる問題がある。
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制が求められる場面において、自励振動を利用して、非常に広い流れ条件において、大規模に流れを変動させることで、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進する変動発生装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の変動発生装置は、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を必要とする装置において、１種類以上の流体の流れ中に、弾性体もしくは剛体またはその両方で構成された一つもしくは複数の可動システムを、単独もしくは支えを用いて、弾性板は流れに直交しない方向に、また弾性板以外の可動システムは任意の方向に設置し、前記可動システムを自励振動により変動させることによって、流れを変動させることで、もしくは可動システムが接続された物体を変動させることで、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進することを特徴とする。
【００１６】
本発明は、構造を簡単にするために、もしくは外部動力を不要にするために、さらには混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制の促進効果を高めるために、前記可動システムの自励振動を利用する。
【００１７】
前記可動システムとして１つもしくは複数の弾性板を用いる場合は、弾性板を流れに直交しない方向に設置し、この弾性板が流体力を受けて自励振動することにより変動することによって、大規模に流れを変動させることで、もしくは可動システムが接続された物体を変動させることで、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進することを特徴とする。
【００１８】
前記可動システムとして弾性板以外の弾性体を用いる場合は、任意の方向に設置が可能で、この弾性体が流体力を受けて自励振動することにより変動することによって、大規模に流れを変動させることで、もしくは可動システムが接続された物体を変動させることで、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進することを特徴とする。
【００１９】
一方で、前記可動システムの一部として剛体を用いる場合には、任意の方向に設置が可能で、この剛体が流体力を受けて自励振動することにより変動することによって、大規模に流れを変動させることで、もしくは可動システムが接続された物体を変動させることで、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進することを特徴とする。
【００２０】
ただし、前記可動システムの一部として剛体を用いる場合には、この剛体を可動とするために、弾性体・ヒモなどによる支持、回転支持、スライド支持など適切な支持方法を単独もしくは複数用いる事により、剛体を可動とする必要がある。
【００２１】
可動システムの自励振動を利用した方法では、流れの変動の発生もしくは可動システムが接続された物体の変動の発生のために、流れのエネルギーを利用していることから、変動に外部からのエネルギー供給を必要としないことから、省エネルギー的である。また振動を発生させるために、噴射ノズルや噴射制御系などを設ける必要がなく、構造が簡素である。
【００２２】
なお、可動システムの自励振動は超音速流れの条件下でも発生するため、流れの条件は特に限定されず、効果を得ることができる。
【００２３】
本発明の可動システムの一部として、バネなどの復元能を持つ装置、あるいはダッシュポットなどの減衰能を持つ装置を使用することも可能である。この場合、復元能を持つ装置や減衰能を持つ装置によって、可動システムの変動を制御することが可能となる。更に、復元能、減衰能を能動的または受動的に制御することによって、制御範囲を拡張することもできる。
【００２４】
本発明の変動発生装置の一部として、壁や棒などの可動システムの変動を制限する装置を使用することも可能である．この場合、可動システムの変動を制限する装置によって、可動システムの変動を制御することが可能となる。可動システムの変動を制限する装置を能動的または受動的に制御することによって、制御範囲を拡張することもできる。
【００２５】
本発明の可動システムに対して、可動システムの一部に噴流を衝突させることが可能である。この場合、噴流の衝突によって、可動システムの変動を制御することが可能となる。噴流または噴流の衝突を能動的または受動的に制御することによって、制御範囲を拡張することもできる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を必要とする装置において、可動システムを流れの流体力により自励振動させることで、可動システムを大きく変動させ、それにより流れの変動、さらには可動システムを取り付けた装置の変動を発生させることにより、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進する効果を得るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
請求項１記載の最良の形態について、以下に９つの実施例を示す。実施例１〜４は、可動システムに弾性板を用いた場合の実施例であり、実施例５〜７は可動システムに剛体を用いた場合である。実施例８〜９は弾性体および剛体の双方に適応可能な実施例である。
【００２８】
図１に、可動システム１を接続具２を用いて、流れ３中の壁面４に設置した実施例１の構成例である。可動システム１は、流れ３と迎え角５を持って設置する。可動システムの設置の一例として、可動システムは壁面４に垂直に描かれているが、任意の角度を持たせることが可能である。また、下端を固定端、その他を自由端としているが、上流端固定、下流端固定、上端固定もしくはそれらの組み合わせにより設置することでも効果が得られる。設置方法は、図１の接続具２の様な接続具を用いることや、接続具を用いず直接壁面に設置しても効果が得られる。なお、以下に述べる他の実施例を含め、可動システムの設置方法に関する限定はない。また可動システム１には、全ての部分に、弾性変形能および形状復元能の大きなゴム、プラスチック、金属、繊維材料、複合材などの弾性体を用いることが可能であるが、さらに可動システム１の接続具２の近くを前記弾性体とし、その他の部分には変形能がほとんど無い剛体を使用することも可能である。ところで断面形状は、多角形、円形、楕円形、翼型など、断面形状を問わず効果が得られる。また、弾性体の外観形状も多角形板や棒状、紐状、コイル状など、外観形状を問わず効果が得られる。そして以下に述べる他の実施例を含め、可動システムの断面形状、外観形状に関する限定は無い。なお、可動システム１を弾性板とする場合には、迎え角５としては、９０度以外の値とする必要がある。
【００２９】
図２は実施例１の可動システム１を可動部板に平行な方向から見た時の、可動システム１の変動の様子である。可動システム１および接続具２は支持具８を用いて下壁４に設置されている。可動システム１は、流れの流体力による自励振動により変動振幅７を生じて変動する。本発明では、以下の実施例を含め、この変動振幅７が非常に大きいことを特徴とする。そして、この可動システム１の変動振幅７は、さらに流れに変動を発生させる。図１には、この流れの変動６が示されている。
【００３０】
図３は、実施例１の迎え角５がゼロ度で、かつ接続具２を傾斜角９だけ傾けた実施例２の図を示す。傾斜角９としては-９０度から＋９０度の値において効果が得られる。
【００３１】
本発明においては、図１、図２、図３における可動システム２の自励振動による変動によって、流れの変動、もしくは可動システムに接続された物体すなわち下壁の変動が生じるため、可動システム後流と、下壁面表面およびその近傍において、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進する効果が得られる。
【００３２】
可動システムが矩形弾性平板の場合に、弾性体密度ρ、弾性体厚さt、流体密度ρ_f、弾性体長さLを用いた無次元数βを以下に定義する。
β＝(ρ*t)/(ρ_f*L)
また、弾性体の縦弾性係数Eと断面二次モーメントI、流体の速度Uを用いた無次元数γを以下に定義する。
γ=E*I/(ρ_f*U^2*L^4/2)
これらの無次元数は、レイノルズ数の範囲が数百から数千万における効果的な範囲が、β＝1.0×10^(-4)乃至10000、γ＝1.0×10^(-8)乃至1.0、望ましくはβ＝10乃至1000、γ＝1.0×10^(-6) 乃至1.0×10^(-1)である。これは、以下の実施例において、矩形弾性板を用いた変動発生装置の場合に共通である。
【００３３】
次に図４に実施例３の構成図を示す。この実施例以降については、実施例１、実施例２と同様の構成部には同一番号を付し、相違点のみ説明する。
【００３４】
実施例３の変動発生装置は、実施例１と異なり、接続具２と下壁４が離れている。そのため、図２と異なり、支持具８が流れ中に突き出している。図４の傾斜角１０、傾斜角１１、傾斜角１２は任意に設定しても効果が得られる。
【００３５】
図５は実施例３の可動システム１を可動部板に平行な方向から見た時の、可動システム１の変動の様子である。可動システム１は、流れの流体力による自励振動により変動振幅７を生じて変動する。この可動システム１の変動は、さらに流れに変動を発生させる。図５には、この流れの変動６が示されている。支持具８を実施例３の様に使用することにより、下壁４から離れた流れ中の任意の場所に可動システム１を設置することが可能となった結果、流れ中の任意の場所に変動を発生させることが可能となっている。また、支持具８を弾性体で構成することによって、変動を助長することも可能である。これら全ての変動により、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進する効果が得られる。
【００３６】
図６に実施例４の構成図を示す。実施例４では、可動システムである弾性体が、接続具や支持具を使用せずに、噴流出口１３の周囲に直接設置されているため、変動発生装置は弾性体そのものである。弾性体の数は１つもしくは複数で効果が得られる。ところで図６は、噴流断面形状１３が矩形の例であるが、噴流断面形状は任意形状に対して効果が得られる。また図６は、出口流路形態が先細流路１４の例であるが、末広流路や、ストレート流路に対しても効果が得られる。さらに図６は可動システムを流れに平行に設置した例であるが、角度を持たせて設置しても効果が得られる。
【００３７】
図７は実施例４の側面図である。ダクト流れ１５もしくは周囲流れ１６もしくはその両方が存在する場合、可動システム１は、流れの流体力による自励振動により変動振幅７を生じて変動する。この可動システム１の変動は、流れの変動６を発生させるとともに、噴流を１７の様に曲げ、噴流変動１８を発生させる。この噴流変動１８は周囲流体の変動１９を生じる。これら全ての変動により、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進する効果が得られる。
【００３８】
図８に実施例５の構成図を示す。実施例５では、図８に示すように、実施例４において噴流出口１３の周囲に設置していた可動システム１を、噴流出口１３の断面を横切る様に設置した例である。この様に可動システム１を設置することにより、より効果的に噴流の方向変化１７を発生させることができる。なお弾性体の数、噴流断面形状、出口流路形態に制限が無いのは実施例４と同様である。
【００３９】
図９に実施例６の構成図を示す。図９(a)を側面図、図９(b)を上面図としても良いし、図９(a)を上面図、図９(b)を側面図としても良い。また実施例６では、可動システムの一部に剛体２０を用いており、回転支持棒２１を用いることによって、回転運動が可能な可動システムを構成している。実施例６では、この可動システムを噴流出口付近に設置している。また、回転支持棒２１は側壁２２および側壁２３に設けられた孔に差し込まれ、支持具としての役割を兼ねている。ただし、設置位置に関しては噴流出口付近に限定されない。なお片壁のみに設置することも可能である。また可動システムの数、噴流断面形状、出口流路形態に制限が無いのは実施例４と同様である。
【００４０】
図１０は実施例６の側面図である。ダクト流れ１５もしくは周囲流れ１６もしくはその両方が存在する場合、剛体２０は、流れの流体力による自励振動により変動振幅７を生じて変動する。この剛体２０の変動は、流れの変動６を発生させるとともに、噴流を１７の様に曲げ、噴流変動１８を発生させる。この噴流変動１８は周囲流体の変動１９を生じる。これら全ての変動により、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を促進する効果が得られる。剛体２０における回転支持棒２１の設定位置は、可動システムの前縁から後縁までの支持可能ないずれの場所でも効果を得る事が可能であるが、空力中心もしくは図心が望ましい。
【００４１】
図１１に実施例７の側面図もしくは上面図を示す。実施例７は可動システムの一部に剛体２０を用いており、単数もしくは複数の弾性体２４を用いて、側壁２２および側壁２３に設置される。弾性体の代わりに紐などを用いることも可能である。また、片壁のみに設置することも可能である。また可動システムの数、噴流断面形状、出口流路形態に制限が無いのは実施例４と同様である。
【００４２】
実施例７の場合、剛体は回転運動のみならず、並進運動も生じるため、実施例６よりも大きな効果が得られることがある。
【００４３】
図１２に実施例８の構成図を示す。可動システム１は支持具２５により、構造体２６に設置され、構造体２６は更に、装置２７に接続される。ここで、装置２７とは、その内部あるいは周囲において、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を必要とする装置である。これら全体が流れ２８中に設置されている。この可動システム１は、流れの流体力による自励振動により変動振幅７を生じて変動する。第一に、変動振幅７により発生した流れの変動によって、装置２７の内部あるいは周囲において、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制が促進される。第二に、変動振幅７により支持具２５、構造体２６を介して、装置２７が変動することによって、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制がさらに促進される。なお、可動システムの形態、数、設置方法、支持方法、設置場所などは限定されるものではない。
【００４４】
図１３に実施例９の構成図を示す。可動システム１を装置２９に直接設置している。装置２９とは、その内部あるいは周囲において、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制を必要とする装置である。これら全体が流れ２８中に設置されている。この可動システム１は、流れの流体力による自励振動により変動振幅７を生じて変動する。第一に、変動振幅７により発生した流れの変動によって、装置２９の内部あるいは周囲において、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制が促進される。第二に、変動振幅７により装置２９が変動することによって、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、物質付着抑制がさらに促進される。なお、可動システムの形態、数、設置方法、支持方法、設置場所などは限定されるものではない。実施例８と異なり、実施例９では、装置２９に直接、変動発生装置を取り付けることによって、構造が簡単になる、あるいは可動システム１の変動があまり減衰すること無く装置２９に伝わるなどの利点があるため、より大きな効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、混合、拡散、伝熱、撹拌、洗浄、燃焼等の流体をハンドリングする様々な装置の分野に産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例１の構成図である。
【図２】実施例１の正面図である。
【図３】実施例２の側面図である。
【図４】実施例３の構成図である。
【図５】実施例３の側面図である。
【図６】実施例４の構成図である。
【図７】実施例４の側面図である。
【図８】実施例５の構成図である。
【図９】実施例６の構成図である。
【図１０】実施例６の側面図である。
【図１１】実施例７の側面図である。
【図１２】実施例８の構成図である。
【図１３】実施例９の構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ 可動システム
２a 接続具甲
２b 接続具乙
３ 流体の流れ
４ 壁面
５ 迎え角
６ 流れの変動
７ 弾性体の変動振幅
８ 支持具
９ 傾斜角
１０ 傾斜角
１１ 傾斜角
１２ 傾斜角
１３ 噴流断面形状
１４ 先細流路出口
１５ ダクト流れ
１６ 周囲流れ
１７ 噴流
１８ 噴流変動振幅
１９ 周囲流体の変動
２０ 剛体
２１ 回転支持棒
２２ 側壁
２３ 側壁
２４ 弾性体
２５ 支持具
２６ 構造体
２７ 装置
２８ 流体
２９ 装置
【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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【図８】
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【図９】
2008207119.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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