(57)【要約】【目的】  液体や気体のエネルギー変化を行なうターボ式流体機械の羽根車の円板摩擦損失や液体中を回転する回転円板の粘性摩擦抵抗に対して、その羽根車の側壁やケーシングの内壁、あるいは円板表面を、流れ角を変数とする対数螺旋曲線と一致する螺旋溝を多数付した表面にすることによって、それらの摩擦損失を低減させる。【構成】  流れ角を変数とする対数螺旋曲線と一致する螺旋溝を多数、等間隔で付した表面にする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の式で与えられる所要の流れ角φを変数とする所要半径ｒの対数螺旋曲線を溝形状とし、円板表面に該螺旋溝のｎ＝１５０〜１６０オーダーの所要本数を等間隔に付したことを特徴とする液体あるいは気体を作動流体とするターボ式流体機械の羽根車表面やケーシング内壁、あるいは流体の流動システムにおける回転円板表面。
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【請求項２】
該螺旋溝の深さが０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍオーダーにあることを特徴とする請求項１に記載の表面あるいは内壁。
【請求項２】
該螺旋溝の断面形状がＶ字型、Ｕ字型あるいは台形型などにあることを特徴とする請求項１に記載の表面あるいは内壁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は液体や気体など流体のエネルギー変換を行なうターボ式流体機械の円板摩擦損失や流体の流動システムにおける回転円板の摩擦損失低減化に関する。
【背景の技術】
【０００２】  近年、流体の損失や抵抗の低減を低減させる試みは、地球温暖化や省エネルギーに直接関連して国内外で大きな注目を浴びている。流体が流動する際、それと接する固体壁面の摩擦抵抗は実在流体では無視することが出来ず、その低減化は従来から流体工学の主要な研究や技術的課題となってきた。
【０００３】  一方、回転円板摩擦抵抗はポンプ、送風機、ブロワーや水車など液体や気体などのエネルギー変換を行なう流体機械であるターボ機械の羽根車の機械的摩擦損失動力に直接関連し、それら流体機械の効率向上と直接結びつくため、その低減化は工業的にも非常に重要である。
【０００４】  通常，その損失動力は容器内回転円板摩擦抵抗の解析および実験結果から算定・予測することが出来る。そして、流体の流動における抵抗や損失は流体と固体壁の相互作用により生じると見なせば、その抵抗減少を実現させる方法は流体の特性を変える方法と固体表面の特性を変える方法の二つに大きく分けることができる。
【０００５】  前者の流体の特性を変える方法としては水溶性高分子や界面活性剤などの抵抗低減剤を添加する方法を上げることができる。しかしながら、これらは長時間高いせん断速度場で流動させるとその特性が失われる劣化の問題や流動後投棄された場合の環境への影響を考えると、一般的なターボ機械の運転状態では応用することが困難である。さらに、それは液体のみが対象とされる。それ故，ターボ機械の羽根車や流動システムにおける回転円板への抵抗減少効果の応用は後者の固体表面の特性に着目した方法が適し、その応用範囲も広いと考えられる。
【０００６】  固体表面の特性に注目した例として、壁面における流体の滑りを生じさせる超はっ水性壁を固体表面に適用する方法がある（例えば、学術文献１参照）。しかしながら、これは層流域での抵抗減少効果を得ることが可能であるが、液体のみが対象であり、ポンプ羽根車など大きな機械的せん断力が長時間作用する流れ場では塗膜のはがれや磨耗などが避けられず、その効果が失われる為、現時点でのその実用化は難しい。
【０００７】  それ故，抵抗減少効果を有する固体表面の実用化に際しては耐久性に優れた壁面が必要となる。この耐久性に優れた壁面の一つとしてリブレットが考えられる。（例えば、学術文献２参照）。リブレットは固体表面に設けられたある種の規則性をもった溝であり、ある流れの領域で流体摩擦抵抗を低減させる効果をもつ。この抵抗減少効果の回転円板への応用は気体や液体ともに対象とすることが可能であり、耐久性の点においても優れていると考えられる。
【０００８】  このことに関連し、ある種の表面形状をもつ流体機械が提案されている（例えば、学術文献３参照）。また、円板表面の流れの様相を実験的に明らかにした結果をもとにして、多条な溝をもつ羽根車として応用したものも提案されている。（例えば、学術文献４参照）。
【学術文献】
【０００９】
【学術文献１】
渡辺、小方、超はっ水性回転円板のニュートン流体における摩擦抵抗の低減について、日本機械学会論文集、Ｂ編、６３巻６１２号、（１９９７）、ｐ．２７５２。
【学術文献２】
Ｗａｌｓｈ，Ｗ．Ｊ．，Ｒｉｂｌｅｔｓ  ａｓ  ａ  Ｖｉｓｃｏｕｓ  Ｄｒａｇ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＡＩＡＡ  Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４，（１９８２），ｐ．４８５．
【学術文献３】
ゼンゲ・プロダーセン、流体機械、特許第３４５５５８６号（２００３）
【学術文献４】
渡辺、側壁に多条な細溝を有するターボ機械の羽根車、特開平−１２１３１６、（１９９６）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  しかしながら、すでに提案されている上述した方法は回転円板表面上の乱流境界層特性やその流れの様相を十分に把握していないため、実際に適用すると摩擦抵抗が逆に増加する条件まで内蔵し、そのことからは本来の抵抗低減を得ることが出来ない。学術文献３において、対象とした条溝構造はＳ＝＋５〜２５としているが、溝本数を逆算すると４５０本以上となり、また、条溝構造面積はμｍｍ２オーダーとしており、あまりに微少でありこれからは回転円板の境界層制御は不可能である。このことは単純に従来用いられているリブレットの円管や平板からその形状を適用したに過ぎないことによると考えられる。さらに、最大に低減する最適かつ有効な円板の表面形状を特定することが出来ず、現実に実現される方法とは言い難い。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  本発明は、上述の従来の課題を解決することを目的としてなしたものであり、流体力学的に円板表面上の流れの挙動を捉え、その結果に基づいて決定された表面形状をもち、流れの遷移域及び乱流域において摩擦抵抗を減少させることを特徴とする表面で、従来提案されたリブレットの表面構造から類推することやそれらを参考にすることからは到底実現できない独創性と新規性を有する。
【発明の効果】
【００１２】  従来から行なわれた回転円板表面上の流れの可視化によって、円板表面上に滞留する渦や主流の方向が層流及び乱流域で明らかにされてきた（例えば、学術文献５参照）。すなわち、回転円板上の境界層の流れは、その主流の流れ方向と固定された渦を有する、ある種の組織構造をもった流れであると言える。
【学術文献】
【００１３】
【学術文献５】
加藤、渡辺、納谷、高分子溶液中における回転円板付近の流れについて、日本機械学会論文集、Ｂ編、４４巻３７９号、（１９７８）、ｐ．９７０。
【００１４】  可視化結果から明らかにされた円板近傍の流れに着目すれば、リブレットの効果よりも流れの整流効果すなわち制御をおこなうことにより、回転円板摩擦抵抗の低減化が得られると考えられる。この円板表面上の流れの制御は円板表面の流れに沿う螺旋状の円板の接線方向と半径方向の壁面せん断応力の比である流れ角φを関数とする対数螺旋曲線に従う一定本数の溝を等間隔に付すことで可能となる。
【００１５】  これらの溝の製作は、エッチングや機械的加工によって可能であり、当然のことながらそれらの加工が困難であれば、薄い膜やフイルムに所要螺旋形状をもつ溝をプレス加工して、それを対象となる表面に接着することでも実現可能であることは言うまでもない。
【００１６】  本発明によれば、ターボ機械の羽根車の側壁やケーシング内壁、あるいは流体中で回転する円板の表面を微細な螺旋溝を付すことによって粘性損失が最大約１５％低減する。遠心ポンプを例にとると、通常円板摩擦損失はポンプ全効率の１０〜２０％を占め、この低減化によってその性能は２〜３％の効率上昇が期待でき、本発明は優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】  以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明する。第１図は円板表面に付す本発明による螺旋溝の対数螺旋曲線である。流れ角φは、円板の半径を代表寸法とする局所レイノルズ数ＲｅＬの関数として与え、対数螺旋曲線の半径ｒがそれを変数として与えられる。
【数１】
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ただし、φ＝流れ角（ｒａｄ）、τθ＝接線方向の壁面せん断応力（Ｐａ）、τｒ＝半径方向の壁面せん断応力（Ｐａ）、ＲｅＬ＝円板の半径を代表寸法とする局所レイノルズ数（・／・）、ｒ＝円板上の任意半径（ｍ）、ｒｌ＝基準となる半径（ｍ）、θ＝円周方向座標（ｒａｄ）【００１８】  図２に示すように、円板表面あるいは内壁に、上述した対数螺旋曲線を１５０〜１６０オーダーで等間隔に付す。該螺旋曲線に従う螺旋溝の幅は等間隔に付したことにより、自動的に決まる。図３〜図５は該螺旋溝形状の例である。【００１９】  この螺旋曲線に一致する深さ約ｈ＝０．２ｍｍの溝本数ｎ＝１５０本の表面で、容器内回転円板の容器と円板の側壁とのすき間ｓと半径ａの比（ｓ／ａ）が小さい場合に、図６の円板の摩擦抵抗モーメント係数Ｃｍとレイノルズ数Ｒｅの関係に示すように、乱流域で平滑の円板と比較して水における円板の摩擦抵抗モーメント係数（図中の●印）を約１５％低減させることができた。【００２０】  このときの流れの状態を表面が平滑な円板と該螺旋溝を付した円板付近の流れの可視化結果を図７及び図８に示した。図７の平滑な円板表面の流れは円周方向外向きで大きな渦の流れが生じているが。図８から該螺旋溝を付すことで流れは円周方向に向けられ制御されていることが判り、その効果が明確に確認できる。【００２１】  尚、本発明は上記実施例にのみ限定されるものでなく、流体攪拌システムのタンク内に設置された回転円板や空気など気体の流れに対して、所要な表面にすることによってその粘性摩擦を減少させることも可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の方法の一実施例に用いる１本の螺旋溝の対数曲線図である。
【図２】第１図を円板に等間隔で付した円板の実施例である。
【図３】第２図の螺旋溝に対する断面形状が台形型の実施例である。
【図４】第２図の螺旋溝に対する断面形状がＵ字形型の実施例である。
【図５】第２図の螺旋溝に対する断面形状がＶ字形型の実施例である。
【図６】本発明に基づいて製作した、軸方向すき間が比較的狭い場合に対する回転円板摩擦モーメン係数の実験結果の例である。
【図７】第６図の実験条件と一致する円板表面が平滑な回転円板近傍の流れに対する可視化結果の例である。
【図８】第６図及び図７の実験条件と一致する本発明による螺旋溝を付した回転円板近傍の流れに対する可視化結果の例である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成16年4月30日(2004.4.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の式で与えられる所要の流れ角φを変数とする所要半径ｒの対数螺旋曲線を溝形状とし、円板表面に該螺旋溝のｎ＝１５０〜１６０オーダーの所要本数を等間隔に付したことを特徴とする液体あるいは気体を作動流体とするターボ式流体機械の羽根車表面やケーシング内壁、あるいは流体の流動システムにおける回転円板表面。
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【請求項２】
該螺旋溝の深さが０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍオーダーにあることを特徴とする請求項１に記載の表面あるいは内壁。
【請求項３】
該螺旋溝の断面形状がＶ字型、Ｕ字型あるいは台形型などにあることを特徴とする請求項１に記載の表面あるいは内壁。