(57)【要約】【課題】流体循環装置において、流体を安定して循環させることのできる技術を提供する。【解決手段】密閉構造の循環系で構成される流体循環装置であって、流体を吸入し加圧して吐出するポンプ動作を行うポンプ室と、該ポンプ室への流体の吸入路と、ポンプ室から吸入路へ向かう流体の流れを抑制または抑止する流体抵抗要素と、ポンプ室からの流体の吐出口と、吐出口から吐出された流体が吸入路へ循環する流路であって、形状を変形させて容積を減少可能である変形手段を有する循環流路とを備える。【選択図】図２
2013213447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉構造の循環系で構成される流体循環装置であって、
流体を吸入し加圧して吐出するポンプ動作を行うポンプ室と、
該ポンプ室への前記流体の吸入路と、
前記ポンプ室から前記吸入路へ向かう前記流体の流れを抑制または抑止する流体抵抗要素と、
前記ポンプ室からの前記流体の吐出口と、
前記吐出口から吐出された流体が前記吸入路へ循環する流路であって、形状を変形させて容積を減少可能である変形手段を有する循環流路と
を備える
流体循環装置。
【請求項２】
請求項１記載の流体循環装置であって、
前記ポンプ室における前記流体の加圧量をΔＰｓとし、
圧力の変化に対する前記循環流路の容積変化の比をＣｔとしたときに、
前記変形手段は、式（１）を満たすΔＶｆに相当する前記循環流路の容積を減少させる
流体循環装置。
【数１】
2013213447.tif 000019
【請求項３】
請求項１記載の流体循環装置であって、さらに、
前記吐出口と前記循環流路との間に設けられ、内部圧力に応じて容積の変更可能な吐出側バッファ室を備え、
前記ポンプ室による前記流体の加圧量をΔＰｓとし、
内部圧力の変化に対する前記循環流路の容積変化の比をＣｔとし、
内部圧力の変化に対する前記吐出側バッファ室の容積変化の比をＣｂとしたときに、
前記変形手段は、式（２）を満たすΔＶｆに相当する前記循環流路の容積を減少させる
流体循環装置。
【数２】
2013213447.tif 000020
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の流体循環装置であって、
前記変形手段は、前記ポンプ室がポンプ動作を行っている間は、前記形状を変形させた状態を保持可能である
流体循環装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の流体循環装置と、
前記流体循環装置の前記循環流路と熱交換を行う熱交換部と
を備える冷却装置。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の流体循環装置を用いた医療機器。
【請求項７】
密閉構造の循環系で構成される流体循環装置の安定動作方法であって、
前記流体循環装置は、流体を吸入し加圧して吐出するポンプ動作を行うポンプ室と、該ポンプ室への前記流体の吸入路と、前記ポンプ室から前記吸入路へ向かう前記流体の流れを抑制または抑止する流体抵抗要素と、前記ポンプ室からの前記流体の吐出口と、前記吐出口から吐出された流体が前記吸入路へ循環する流路であって形状を変形させて容積を減少可能である変形手段を有する循環流路とを備え、
前記ポンプ室における前記流体の加圧量をΔＰｓとし、
圧力の変化に対する前記循環流路の容積変化の比をＣｔとしたときに、
前記変形手段によって式（３）を満たすΔＶｆに相当する前記循環流路の容積を減少させる
流体循環装置の安定動作方法。
【数３】
2013213447.tif 000021
【請求項８】
密閉構造の循環系で構成される流体循環装置の安定動作方法であって、
前記流体循環装置は、流体を吸入し加圧して吐出するポンプ動作を行うポンプ室と、該ポンプ室への前記流体の吸入路と、前記ポンプ室から前記吸入路へ向かう前記流体の流れを抑制または抑止する流体抵抗要素と、前記ポンプ室からの前記流体の吐出口と、前記吐出口から吐出された流体が前記吸入路へ循環する流路であって形状を変形させて容積を減少可能である変形手段を有する循環流路と、前記吐出口と前記循環流路との間に設けられ内部圧力に応じて容積の変更可能な吐出側バッファ室を備え、
前記ポンプ室による前記流体の加圧量をΔＰｓとし、
内部圧力の変化に対する前記循環流路の容積変化の比をＣｔとし、
内部圧力の変化に対する前記吐出側バッファ室の容積変化の比をＣｂとしたときに、
前記変形手段は、式（８）を満たすΔＶｆに相当する前記循環流路の容積を減少させる
流体循環装置の安定動作方法。
【数４】
2013213447.tif 000022
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体循環装置の技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の温度を調整する技術として、流体循環装置を用いた技術が知られている（例えば特許文献１）。この技術では、温度を調整しようとする物体（以下、温度調整対象とも呼ぶ）に対して、内部に流体が循環する循環流路を接触させ、循環する流体の熱によって、温度調整対象の温度を調整する。しかし、従来の流体循環装置においては、流体の循環時における圧力が考慮されていないため、動作条件によっては、例えば流路断面積が小さくなることで、流路抵抗が大きくなり、予め設定した流量を確保して流体を循環させることができない場合があるといった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２４２４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、流体を安定して循環させることのできる技術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】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
［適用例１］
密閉構造の循環系で構成される流体循環装置であって、流体を吸入し加圧して吐出するポンプ動作を行うポンプ室と、該ポンプ室への前記流体の吸入路と、前記ポンプ室から前記吸入路へ向かう前記流体の流れを抑制または抑止する流体抵抗要素と、前記ポンプ室からの前記流体の吐出口と、前記吐出口から吐出された流体が前記吸入路へ循環する流路であって、形状を変形させて容積を減少可能である変形手段を有する循環流路とを備える流体循環装置。
この流体循環装置によると、変形手段によって循環流路の容積を減少させることにより、ポンプ動作時の循環流路の内部圧力を調整することができる。従って、流体循環装置が流体を安定して循環させることのできる内部圧力に調整することができる。
【０００６】
［適用例２］
適用例１記載の流体循環装置であって、
前記ポンプ室における前記流体の加圧量をΔＰｓとし、圧力の変化に対する前記循環流路の容積変化の比をＣｔとしたときに、前記変形手段は、式（５）を満たすΔＶｆに相当する前記循環流路の容積を減少させる流体循環装置。
【０００７】
【数５】
2013213447.tif 000003
【０００８】
この流体循環装置によると、式（５）の要件を満たして循環流路の容積を減少させることによって、ポンプ動作中に、循環流路の内部の圧力が大きく低下するのを抑制することができる。従って、循環流路に流体を安定的に循環させることができる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１記載の流体循環装置であって、さらに、前記吐出口と前記循環流路との間に設けられ、内部圧力に応じて容積の変更可能な吐出側バッファ室を備え、前記ポンプ室による前記流体の加圧量をΔＰｓとし、内部圧力の変化に対する前記循環流路の容積変化の比をＣｔとし、内部圧力の変化に対する前記吐出側バッファ室の容積変化の比をＣｂとしたときに、前記変形手段は、式（６）を満たすΔＶｆに相当する前記循環流路の容積を減少させる流体循環装置。
【００１０】
【数６】
2013213447.tif 000004
【００１１】
この流体循環装置によると、吐出側バッファを備える構成の場合に、式（６）の要件を満たして循環流路の容積を減少させることによって、ポンプ動作中に、循環流路の内部の圧力が大きく低下するのを抑制することができる。従って、循環流路に流体を安定的に循環させることができる。
【００１２】
［適用例４］
適用例１から適用例３のいずれか一項に記載の流体循環装置であって、前記変形手段は、前記ポンプ室がポンプ動作を行っている間は、前記形状を変形させた状態を保持可能である流体循環装置。
この流体循環装置によると、ポンプ動作中に、循環流路の内部の圧力が大きく低下するのを、定常的に抑制することができる。
【００１３】
［適用例５］
適用例１から適用例４のいずれか一項に記載の流体循環装置と、前記流体循環装置の前記循環流路と熱交換を行う熱交換部とを備える冷却装置。
この冷却装置によると、循環流路に流体を安定的に循環させることができる流体循環装置を用いているので、安定的に冷却をすることができる。
【００１４】
［適用例６］
適用例１から適用例４のいずれか一項に記載の流体循環装置を用いた医療機器。
この構成によれば、循環流路に流体を安定的に循環させることができる流体循環装置を用いているので、医療機器の信頼性を向上させることができる。
【００１５】
［適用例７］
密閉構造の循環系で構成される流体循環装置の安定動作方法であって、前記流体循環装置は、流体を吸入し加圧して吐出するポンプ動作を行うポンプ室と、該ポンプ室への前記流体の吸入路と、前記ポンプ室から前記吸入路へ向かう前記流体の流れを抑制または抑止する流体抵抗要素と、前記ポンプ室からの前記流体の吐出口と、前記吐出口から吐出された流体が前記吸入路へ循環する流路であって形状を変形させて容積を減少可能である変形手段を有する循環流路とを備え、前記ポンプ室における前記流体の加圧量をΔＰｓとし、圧力の変化に対する前記循環流路の容積変化の比をＣｔとしたときに、前記変形手段によって式（７）を満たすΔＶｆに相当する前記循環流路の容積を減少させる流体循環装置の安定動作方法。
【００１６】
【数７】
2013213447.tif 000005
【００１７】
この流体循環装置の安定動作方法によると、式（７）の要件を満たして循環流路の容積を減少させるので、ポンプ動作中に、循環流路の内部の圧力が大きく低下するのを抑制することができ、安定した動作を確保することができる。
【００１８】
［適用例８］
密閉構造の循環系で構成される流体循環装置の安定動作方法であって、前記流体循環装置は、流体を吸入し加圧して吐出するポンプ動作を行うポンプ室と、該ポンプ室への前記流体の吸入路と、前記ポンプ室から前記吸入路へ向かう前記流体の流れを抑制または抑止する流体抵抗要素と、前記ポンプ室からの前記流体の吐出口と、前記吐出口から吐出された流体が前記吸入路へ循環する流路であって形状を変形させて容積を減少可能である変形手段を有する循環流路と、前記吐出口と前記循環流路との間に設けられ内部圧力に応じて容積の変更可能な吐出側バッファ室を備え、前記ポンプ室による前記流体の加圧量をΔＰｓとし、内部圧力の変化に対する前記循環流路の容積変化の比をＣｔとし、内部圧力の変化に対する前記吐出側バッファ室の容積変化の比をＣｂとしたときに、前記変形手段は、式（８）を満たすΔＶｆに相当する前記循環流路の容積を減少させる流体循環装置の安定動作方法。
【００１９】
【数８】
2013213447.tif 000006
【００２０】
この流体循環装置の安定動作方法によると、流体循環装置が吐出側バッファを備える構成の場合に、式（８）の要件を満たして循環流路の容積を減少させることによって、ポンプ動作中に、循環流路の内部の圧力が大きく低下するのを抑制することができ、安定した動作を確保することができる。
【００２１】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、流体循環方法および装置、その他、流体循環システム、温度調整装置などの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】流体噴射システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】流体循環装置の断面の構成を概略的に示す模式図である。
【図３】形状変形部を説明する説明図である。
【図４】内部圧力が適切に保たれた液体流路を説明する説明図である。
【図５】第２実施例における流体循環装置の断面の構成を概略的に示す模式図である。
【図６】変形例１を説明する説明図である。
【図７】採用可能な流体抵抗要素を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
Ａ．第１実施例：
（Ａ１）システム構成：
本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例としての流体噴射システム１０の概略構成を示す説明図である。流体噴射システム１０は、流体噴射装置２０と、流体噴射装置２０を冷却する流体循環装置１００とを備えている。流体噴射装置２０は、皮膚等の生体組織に対してジェット水流を噴射し、その衝撃エネルギーによって生体組織を剥離、切開するウォータージェットメスである。特に、本実施例の流体噴射装置２０は、ジェット水流を断続的に噴射するウォータージェットパルスメスである。
【００２４】
流体噴射装置２０は、ジェット水流を噴射する脈動発生部３０と、水を収容する流体容器４０と、流体容器４０に収容されている水を吸い上げて脈動発生部３０に供給する供給ポンプ４２と、流体容器４０と供給ポンプ４２とを接続する接続チューブ４４と、供給ポンプ４２と脈動発生部３０とを接続する接続チューブ４６とを備えている。
【００２５】
脈動発生部３０は、接続チューブ４６から供給された水を一時的に貯留する流体室３２と、流体室３２に貯留された水に対して脈動を与える圧電アクチュエーター３４と、流体室３２に連通し、圧電アクチュエーター３４によって脈動を与えられた水が通過する流体噴射管３６と、圧電アクチュエーター３４を内部に収容する下ケース３８と、流体室３２を構成し、下ケース３８に接続された上ケース３９とを備えている。
【００２６】
圧電アクチュエーター３４は、積層型圧電素子であり、圧電素子（ピエゾ素子）の圧電効果を利用してダイアフラムを変形させることによって、流体室３２の容積を変化させる。流体室３２の容積が小さくなると、流体室３２に貯留された水は、流体噴射管３６を通って、ジェット水流として外部に噴射される。
【００２７】
流体循環装置１００は、流体噴射装置２０の圧電アクチュエーター３４を冷却する装置であり、循環ポンプ１１０と、両端が循環ポンプ１１０に接続された循環流路である液体流路１９０とを備えている。液体流路１９０は、耐圧性及び柔軟性を有するチューブであり、例えば、塩化ビニル樹脂などの熱可塑性樹脂、ＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂や、シリコーンゴムからなる、医療用チューブや一般工業用チューブが適用可能であるが、これに特に限定されない。圧電アクチュエーター３４に巻き付けられている。このため、圧電アクチュエーター３４に生じた熱は、液体流路１９０の内部を循環する流体（循環流体）に伝わり、圧電アクチュエーター３４は冷却される。温度が上昇した循環流体は、液体流路１９０を循環中に空冷によって冷却される。その他、別途、ラジエータを用いて循環流体を冷却するとしてもよい。本実施例では、熱の交換効率を考慮し、循環流体は液体である。また、流体循環装置１００においては液体として水を採用する。
【００２８】
図２は、流体循環装置１００の断面の構成を概略的に示す模式図である。本実施例では、流体循環装置１００は、循環ポンプ１１０と液体流路１９０とによって密閉構造の循環系が構成されている。密閉構造の循環系とは、循環流体が外部（大気）と接する部分を有しない循環系の流路を言う。密閉構造の循環系を採用することにより、循環流体に気泡やその他の異物等が混入することを防ぐことができる。また、循環流体自体が揮発して量が減少することを防ぐことで循環する流体の流量を安定して確保することができ、安定した循環効率を維持することに寄与する。
【００２９】
循環ポンプ１１０は、積層型の圧電素子１１４と、圧電素子１１４を内部に収容する圧電素子ケース１１２と、内部に流路が形成された流路ケース１４０とを備えている。圧電素子１１４は、その底部が圧電素子ケース１１２とは固定されている。圧電素子１１４の上端には、円形の補強板１１６が取り付けられており、補強板１１６の上面には、金属薄板などで形成された円形のダイアフラム１１８が接着されている。補強板１１６は、ダイアフラム１１８の強度を補強している。補強板１１６の厚さは、ダイアフラム１１８の下面が圧電素子ケース１１２の上端面に接するように設定されている。
【００３０】
流路ケース１４０の下面側（圧電素子ケース１１２と向かい合う側）には、凹部１４０Ｃが形成されており、この凹部１４０Ｃには、環状の環状部材１２０が嵌め込まれている。環状部材１２０の内径は、ダイアフラム１１８の外径よりも小さくなっている。圧電素子ケース１１２と流路ケース１４０とを向かい合わせてネジ止め等で固定すると、ダイアフラム１１８は、環状部材１２０と圧電素子ケース１１２との間に挟まれ、流路ケース１４０とダイアフラム１１８との間の気密は、環状部材１２０によって確保された状態となる。この結果、ケース１４０の凹部１４０Ｃと、環状部材１２０の内周面と、ダイアフラム１１８とによって囲まれた空間であるポンプ室１３０が形成される。このポンプ室１３０の容積は、圧電素子１１４が伸長または収縮してダイアフラム１１８が変形することによって変化する。
【００３１】
流路ケース１４０には、さらに、ポンプ室１３０に液体を導く液室１４６と、液体流路１９０の一端に接続され、ポンプ室１３０内の液体を液体流路１９０へと導くポンプ吐出流路１４２と、液体流路１９０の他端に接続され液体流路１９０から供給される液体を液室１４６へと導くポンプ吸入流路１４４とが形成されている。
【００３２】
液室１４６は、ポンプ室１３０に連通しており、ポンプ室１３０側に向かって径が縮小するように（断面積が小さくなるように）形成されている。液室１４６とポンプ室１３０との境界部分には、逆止弁１４８が設けられている。逆止弁１４８は、液室１４６からポンプ室１３０への液体の流入を許容するとともに、ポンプ室１３０から液室１４６への液体の逆流を阻止する。
【００３３】
ポンプ室１３０は、圧電素子１１４の動作による容積増加によって、液室１４６から液体を吸入する。そして、ポンプ室１３０は、圧電素子１１４の動作による容積減少によって、吸入した液体を加圧し、ポンプ吐出流路１４２を介して液体流路１９０に液体を吐出する。この一連の動作（以下、ポンプ動作とも呼ぶ）を繰り返すことによって、流体循環装置１００は、液体流路１９０に液体を循環させる。
【００３４】
また、流体循環装置１００は、ポンプ吸入流路１４４と液体流路１９０との間に形状変形部１９２を有する。図３は、形状変形部１９２を説明する説明図である。形状変形部１９２は、ベローズによって構成される。ベローズは、外部からの力によってその長さが伸縮し、内部容積を変化させることができる。本実施例に用いるベローズは、外部の力によって変形すると、その変形させるための外力を保持することにより、変形後の形状を保持させることが出来る。すなわち外部からの力によって伸長させた場合には、その外力を保持する限りベローズは伸長した状態を保持し、外部からの力によって収縮させた場合には、その外力を保持する限りベローズは収縮した状態を保持する。本実施例においては、樹脂製のベローズや金属製のベローズを用いることができる。
【００３５】
本実施例においては、循環ポンプ１１０が停止した状態（以下、単に停止状態とも呼ぶ）では、形状変形部１９２を伸長させた状態とし、循環ポンプ１１０および液体流路１９０および形状変形部１９２から成る循環系の内部圧力はほぼ大気圧（１気圧）である。一方、循環ポンプ１１０が動作している状態（以下、単に動作状態）においては、外部からの力（例えば、流体噴射装置２０の操作者による操作）によって形状変形部１９２を収縮させる。本実施例では、伸縮による形状変形部１９２の内部の容積変化量を容積変化量ΔＶｆとする。以下、形状変形部１９２および容積変化量ΔＶｆについて詳しく説明する。
【００３６】
（Ａ２）形状変形部：
形状変形部１９２について説明する。形状変形部１９２は、循環ポンプ１１０が停止状態から動作状態となったときに、液体流路１９０の内部を適切な圧力に保つために用いられる。本実施例において、「液体流路１９０の内部を適切な圧力に保つ」とは、循環ポンプ１１０の動作状態において、液体流路１９０の内部の圧力（以下、内部圧力とも呼ぶ）を大気圧以上に保つことを言う。液体流路１９０内部圧力が形状変形部１９２によって大気圧以上の状態に保たれることにより、液体流路１９０が大気圧の力により内向きに変形し流路が狭くなることを回避する。結果として、循環ポンプ１１０は、循環する液体の循環効率の低下を回避することができる。
【００３７】
形状変形部１９２によって、液体流路１９０の内部圧力が適切に保たれる原理について説明する。図４は、内部圧力が適切に保たれた液体流路１９０における、内部圧力の分布と、形状とを模式的に説明する説明図である。
【００３８】
図４上段には、液体流路１９０における内部圧力を考察するための流体循環装置１００のモデル（内部圧力考察モデル）を示した。図示するように、内部圧力考察モデルにおいては、考察を容易にするために液体流路１９０を直線上に示す。また、液体流路１９０における、ポンプ吐出流路１４２と接続されている端点を流路始点Ｓとし、形状変形部１９２と接続されている端点を流路終点Ｅとする。さらに、液体流路１９０における流路始点Ｓから流路終点Ｅまでの長さをＬとする。なお、図４においては、流路終点Ｅと形状変形部１９２とは分離したように示しているが、実際の流体循環装置１００においては、流路終点Ｅと形状変形部１９２とは接続されている。図中に示した破線の矢印は、液体の流れる方向を示す。また、循環ポンプ１１０の動作状態における流路始点Ｓの内部圧力を圧力Ｐｏｕｔ、循環ポンプ１１０の動作状態における流路終点Ｅの内部圧力をＰｉｎとする。
【００３９】
循環ポンプ１１０は、ポンプ吸入流路１４４からポンプ室１３０に流入した液体を加圧して、ポンプ吐出流路１４２から液体流路１９０に向けて圧送する。そして、循環ポンプ１１０による液体の圧送によって、液体流路１９０の内部圧力に圧力勾配が生じ、生じた圧力勾配によって液体が流れる。内部圧力考察モデルにおいては、内部圧力Ｐｉｎでポンプ室１３０に流入してきた液体に対して、ポンプ室１３０が、圧電素子１１４の駆動によって、さらにΔＰｓの圧力を加える。従って、内部圧力考察モデルにおいては、Ｐｉｎ＋ΔＰｓ＝Ｐｏｕｔの関係が成り立つ。本実施例においては、液体流路１９０の内部圧力を、このような内部圧力考察モデルによって考察する。
【００４０】
図４中段には、内部圧力が適切な状態における液体流路１９０の内部圧力分布モデルを示した。内部圧力分布モデルにおいては、横軸を液体流路１９０における流路始点Ｓからの位置ｘとし、縦軸を位置ｘにおける内部圧力Ｐ（ｘ）とする。上述したように、本実施例において、内部圧力が適切な状態とは、内部圧力が大気圧以上であることを言う。従って、本実施例における内部圧力分布モデルにおいては、内部圧力が最も低くなる流路終点Ｅ（ｘ＝Ｌ）における内部圧力Ｐｉｎを大気圧とする。図４においては、圧力を相対気圧（大気圧を基準）によって示している。この場合、上述したＰｉｎ＋ΔＰｓ＝Ｐｏｕｔの関係を考慮すると、流路始点Ｓにおける内部圧力はＰｏｕｔ＝Ｐｓとなる。
【００４１】
また、本実施例においては、液体流路１９０における圧力勾配は線形のモデルを採用する。従って、Ｐ（ｘ）と位置ｘとの関係は下記の式（９）によって表すことができる。本実施例においては、このような内部圧力分布モデルを採用する。また本実施例においては、Ｐ（ｘ）が線形であるとするが、Ｐ（ｘ）が減衰曲線や二次曲線であるとしてもよい。
【００４２】
【数９】
2013213447.tif 000007
【００４３】
図４下段には、内部圧力が適切な状態における、液体流路１９０の形状模式図を示した。つまり、内部圧力が図４中段に示したＰ（ｘ）のように分布している場合の、液体流路１９０の形状を模式的に示している。図示するように、内部圧力が変化する前（停止状態）の液体流路１９０の形状を破線で示し、循環ポンプ１１０の動作による内部圧力の変化によって液体流路１９０の形状が変化した部分を斜線で示した。なお、停止状態における内部圧力はほぼ均一に大気圧である。上述のように、液体流路１９０は、柔軟性を有するチューブである。この場合、内部圧力は大気圧以上であるので、圧力差による外向きの力によって液体流路１９０は外側に向かって歪む。すなわち、図４中段のように内部圧力が変化した場合には、液体流路１９０は膨張し、液体流路１９０の内部の容積は大きくなる。液体流路１９０を構成するチューブのヤング率が位置ｘに依存せず均一であるとすると、液体流路１９０の各位置ｘにおける液体流路１９０の外向きへの歪み量は、各位置ｘにおける内部圧力Ｐ（ｘ）の大きさに応じた値となる。内部圧力は液体流路１９０の位置ｘに対して線形であるため、液体流路１９０の歪み量も位置ｘに対して線形となる。
【００４４】
ここで、内部圧力が、均一にほぼ大気圧である状態（循環ポンプ１１０の停止状態）から、図４に示す内部圧力分布の状態（循環ポンプ１１０の動作状態）に変化したときの、液体流路１９０の内部圧力Ｐ（ｘ）と流路断面積の増加量との比率をＳｅとし、液体流路１９０の微小長さΔｘあたりの容積変化量をΔＶｅ（ｘ）とすると、下記式（１０）の関係が成り立つ。なお、Ｓｅは、液体流路１９０を構成するチューブの、ヤング率、ポアソン比、内径、外径によって定まる定数であり、流路の位置ｘによらず一定である。
【００４５】
【数１０】
2013213447.tif 000008
【００４６】
従って、液体流路１９０全体（長さＬ）における容積の変化量を流路容積変化量ΔＶｓとすると、流路容積変化量ΔＶｓは下記式（１１）として表される。
【００４７】
【数１１】
2013213447.tif 000009
【００４８】
さらに、液体流路１９０のコンプライアンスをＣｔとすると、コンプライアンスＣｔは、液体流路１９０に均一に内部圧力が加わったときの、内部圧力と内容積の増加量との比率であるから、Ｓｅにチューブ長さＬを乗じたもので表される。従って、下記式（１２）の関係が成立するので、式（１１）は下記式（１３）のように表すことができる。
【００４９】
【数１２】
2013213447.tif 000010
【００５０】
【数１３】
2013213447.tif 000011
【００５１】
また、内部圧力Ｐ（ｘ）として式（９）を適用すると、式（１３）は、下記式（１４）のように表わされる。
【００５２】
【数１４】
2013213447.tif 000012
【００５３】
すなわち、停止状態に比べて、さらに流路容積変化量ΔＶｓ（＝１／２・Ｃt・ΔＰｓ）の液体を液体流路１９０に供給することにより、内部を適切な状態な圧力に保って循環ポンプ１１０を動作させることができる。本実施例においては、流路容積変化量ΔＶｓに相当する液体を、形状変形部１９２を収縮させることにより供給する。具体的には、停止状態において、形状変形部１９２を伸長状態とし、流体循環装置１００における循環ポンプ１１０、液体流路１９０、形状変形部１９２等の、液体が循環する循環系に液体が満たされた状態で内部圧力を大気圧にする。そして、循環ポンプ１１０を動作させた際に（動作状態）、外部から力によって形状変形部１９２を収縮状態にし、形状変形部１９２を容積変化量ΔＶｆだけ減少させる。このとき、容積変化量ΔＶｆ＝流路容積変化量ΔＶｓとなるようにすることで、実質的に、形状変形部１９２から液体流路１９０に流路容積変化量ΔＶｓの液体を供給することができる。結果的に、内部を適切な状態な圧力に保って循環ポンプ１１０を動作させることができる。従って、本実施例においては、形状変形部１９２の容積変化量ΔＶｆは、流路容積変化量ΔＶｓに基づいて、下記式（１５）を満たす値を採用する。
【００５４】
【数１５】
2013213447.tif 000013
【００５５】
式（１５）はΔＶｆの下限値を定める式である。式（１５）において、αは係数である。理論上はΔＶｓ≦ΔＶｆの場合に、液体流路１９０の内部圧力を大気圧以上に保つことができる。すなわち、液体流路１９０の内部を適切な状態な圧力に保って循環ポンプ１１０を動作させることができる。形状変形部１９２から液体流路１９０に供給す液体の量、すなわち容積変化量ΔＶｆが流路容積変化量ΔＶｓより小さい場合には、大気圧による液体流路１９０の内部方向への流路変形が生じる。しかし、容積変化量ΔＶｆが流路容積変化量ΔＶｓよりわずかに小さい範囲（０．８・ΔＶｓ≦ΔＶｆ）においては、大気圧による液体流路１９０の内部方向への流路変形が多少生じても大きな抵抗要素とならないので、循環ポンプ１１０による液体の循環効率が大きく低下しない。従って、本実施例においては、経験則から、式（１５）において、α＝０．８とする。
【００５６】
容積変化量ΔＶｆの上限値については、理論上は制限は無い。しかし、容積変化量ΔＶｆが大きい場合には、液体流路１９０の内部圧力が高圧になる。そのため、液体流路１９０と形状変形部１９２との接続部分、および液体流路１９０とポンプ吐出流路１４２との接続部分など、循環系の構成部材の各接続部分へ不要な圧力負荷が加わる。従って、本実施例においては、これら循環系の内部圧力の上昇に伴うこれら接続部分の耐久性を考慮し、経験則から、容積変化量ΔＶｆの上限値は下記式（１６）を満たす値とする。
【００５７】
【数１６】
2013213447.tif 000014
【００５８】
従って、本実施例においては、式（１４）〜式（１６）より、容積変化量ΔＶｆは、下記式（１７）を満たす値を採用する。
【００５９】
【数１７】
2013213447.tif 000015
【００６０】
本実施例では、循環ポンプ１１０を停止状態から動作状態に変化させた際に、容積変化量ΔＶｆが式（１７）を満たすように、形状変形部１９２を伸長状態から収縮状態に変化させる。このようにすることで、循環ポンプ１１０の動作状態における液体流路１９０の内部は適切な圧力となる。従って、流体循環装置１００は、液体流路１９０に液体を安定して循環させることができる。
【００６１】
以上説明したように、本実施例における流体循環装置１００は、循環ポンプ１１０が動作状態になった際に、外部からの力によって形状変形部１９２を変形させる。その際、形状変形部１９２の容積変化量ΔＶｆは、式（１７）を満たすので、液体流路１９０の内部圧力が大気圧よりも大きく低下することを抑制し、大気圧による液体流路１９０の内部方向への流路変形は回避される。結果として、流体循環装置１００は安定した動作をすることができる。
【００６２】
特に、式（１５）においてα≧１．０とすると、液体流路１９０の内部圧力を大気圧以上に保つことができる。この場合、大気圧による液体流路１９０の内部方向への流路変形を回避することができる。結果的に、流体循環装置１００は、動作状態において、液体流路１９０における液体の流路断面積が十分に確保され、循環効率の低下を防止することができる。また、循環ポンプ１１０の動作を開始させる際、もしくは、開始をさせた後に、形状変形部１９２を収縮させることで、循環駆動ポンプ１１０が動作をしていない状態では、内部に不要な圧力負荷をかけることがないので、流体循環装置１００の寿命を延ばすことができる。また、形状変形部１９２としてベローズを採用することによって、比較的簡易な構成とすることができる。
【００６３】
本実施例と特許請求の範囲との対応関係としては、液室１４６が特許請求の範囲に記載の吸入路に対応し、逆止弁１４８が特許請求の範囲に記載の流体抵抗要素に対応し、ポンプ吐出流路１４２が特許請求の範囲に記載の吐出口に対応する。また、液体流路１９０と形状変形部１９２とが特許請求の範囲に記載の循環流路に対応し、そのうち、形状変形部１９２が特許請求の範囲に記載の変形手段に対応する。
【００６４】
Ｂ．第２実施例：
次に本発明の第２実施例について説明する。第２実施例においては、流体循環装置として、流体循環装置１００に代えて流体循環装置２００を用いる。図５は、流体循環装置２００の断面の構成を概略的に示す模式図である。流体循環装置２００と流体循環装置１００の異なる点は、ポンプ吐出流路１４２と液体流路１９０との間に吐出側バッファ室１５０を備えることである。吐出側バッファ室１５０以外の構成は、流体循環装置１００と同じであるので、吐出側バッファ室１５０以外の構成についての説明は省略する。なお、流体循環装置１００と流体循環装置２００とにおける同じ構成については、同じ符号を用いる。
【００６５】
吐出側バッファ室１５０は、流路断面積が液体流路１９０より広く、所定容量の循環流体を収容する。吐出側バッファ室１５０は、弾性を有する材料で構成されており、収容される流体の内部圧力の変化に対して膨張および収縮をする。本実施例においては、吐出側バッファ室１５０は、弾性を有する樹脂で構成されている。その他、吐出側バッファ室１５０として、所定の容積の流体を収容可能な筐体の一部が、ダイアフラムや、その他弾性体で構成される筐体を採用するとしてもよい。吐出側バッファ室１５０は、ポンプ吐出流路１４２から吐出される液体の脈動を和らげる機能を有する。
【００６６】
このような、吐出側バッファ室１５０を有する場合、循環ポンプ１１０が動作状態となると、液体流路１９０に加え、吐出側バッファ室１５０の容積も変化する。第１実施例における図４の内部圧力分布モデルから分かるように、吐出側バッファ室１５０の内部には、圧力ΔＰｓが加わる。吐出側バッファ室１５０のコンプライアンスをＣｂとすると、循環ポンプ１１０が停止状態から動作状態に変化した時の、吐出側バッファ室１５０の容積変化量ΔＶｂは、下記式（１８）で表される。
【００６７】
【数１８】
2013213447.tif 000016
【００６８】
流体循環装置２００において、循環ポンプ１１０の動作状態において、内部を適切な圧力に保つためには、液体流路１９０の流路容積変化量ΔＶｓに加え、吐出側バッファ室１５０の容積変化量ΔＶｂを考慮する必要がある。第２実施例においては、流路容積変化量ΔＶｓおよび容積変化量ΔＶｂに相当する液体を、形状変形部１９２を伸縮させることにより供給する。したがって、本実施例においては、式（１５）および式（１６）を考慮すると、形状変形部１９２の容積変化量ΔＶｆとして、下記式（１９）を満たす値を採用する。
【００６９】
【数１９】
2013213447.tif 000017
【００７０】
式（１９）に、上記式（１４）および式（１８）を適用し、本実施例においては、形状変形部１９２の容積変化量ΔＶｆとして、下記式（２０）を満たす値を採用する。
【００７１】
【数２０】
2013213447.tif 000018
【００７２】
本実施例では、循環ポンプ１１０を停止状態から動作状態に変化させた際に、状変形容積変化量ΔＶｆが式（１７）を満たすように、形状変形部１９２を、伸長状態から収縮状態に変化させる。このようにすることで、循環ポンプ１１０の動作状態における１９０の内部圧力は、第１実施例と同様に図４の内部圧力分布モデルのようになる。従って、循環ポンプ１１０の動作状態において液体流路１９０の内部圧力は大気圧以上になり、適切な内部圧力を保つことができる。
【００７３】
以上説明したように、流体循環装置２００は、吐出側バッファ室１５０を備えるのでポンプ吐出流路１４２から吐出された液体の脈動を和らげることができる。また、流体循環装置２００は、液体流路１９０の流路容積変化量ΔＶｓおよび吐出側バッファ室１５０の容積変化量ΔＶｂを考慮し、式（２０）を満たす容積変化量ΔＶｆを採用する。従って、液体流路１９０の内部圧力を適切に保つことができる。結果的に、流体循環装置２００は、動作状態において、液体流路１９０における液体の流路断面積が十分に確保され、循環効率の低下を防止することができる。また、上記第１実施例と同様、式（１９）においてα≧１．０とすると、液体流路１９０の内部圧力を大気圧以上に保つことができる。この場合、大気圧による液体流路１９０の内部方向への流路変形を回避することができる。
【００７４】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
（Ｃ１）変形例１：
上記実施例においては、形状変形部１９２としてベローズを採用したが、それに限ることなく、他の構成を採用するとしてもよい。図６は、変形例１として採用可能な形状変形部１９２の一例を説明する説明図である。図６（Ａ）は、形状変形部１９２としてのシリンダ１９６を示している。シリンダ１９６は伸縮可能であり、循環ポンプ１１０の動作時に、上記説明した容積変化量ΔＶｆの容積分が減少するように収縮させることによって、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
図６（Ｂ）は、形状変形部１９２としての液体収容部１９７を示している。液体収容部１９７は液体流路１９０と同じ材質で構成されているとしてもよいし、他の弾性材料によって構成されているとしてもよい。液体収容部１９７に収容できる液体の量は上記説明した容積変化量ΔＶｆである。そして、循環ポンプ１１０の動作時に、液体収容部１９７を挟持可能な挟持部材１９８によって挟持し、液体収容部１９７の内部の液体を液体流路１９０に供給する。このようにすることで、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
図６（Ｃ）は、形状変形部１９２としてのバイバス流路１９９を示している。バイパス流路１９９は液体流路１９０が二股に分岐した構成である。バイパス流路１９９に収容できる液体の量を容積変化量ΔＶｆとする。そして、循環ポンプ１１０の動作時に、バイパス流路１９９を挟持部材１９８によって挟持し、バイパス流路１９９の内部の液体を液体流路１９０に供給する。このようにすることで、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
（Ｃ２）変形例２：
上記実施例では、流体循環装置１００は、流体噴射装置２０（ウォータージェットメス）の圧電アクチュエーター３４を冷却するために利用されている。しかし、流体循環装置１００は、ウォータージェットメス以外の他の医療機器の温度を調整するために利用されてもよい。例えば、流体循環装置１００は、医療用ドリルのモーター部や、超音波によって歯石を除去する超音波スケーラーの超音波発生部等の温度を調整するために利用されてもよい。また、流体循環装置１００は、発熱部を冷却するために用いる場合に限らず、物体を加熱する場合に用いるとしてもよい。例えば、人体の一部を加熱または保温する場合に用いることができる。この場合には、上記流体循環装置１００に、別途、循環流体を加熱する加熱部を備えることにより実現することができる。特に安全性を重視する医療機器においては、流体循環装置１００は安定した循環効率を確保するため、医療機器に適用することが可能である。
【００７８】
（Ｃ３）変形例３：
上記実施例においては、流体循環装置１００を循環する流体として液体、特に水を採用したが、それに限ることなく、種々の流体を採用することができる。例えば、気体として窒素や二酸化炭素を採用するとしてもよい。また、液体として、熱交換可能であれば水や油に限定されない。
【００７９】
（Ｃ４）変形例４：
上記実施例においては、上記実施例においては、流体抵抗要素として逆止弁１４８を採用したが、それに限らず、種々の流体抵抗要素を採用することができる。図７は、採用可能な流体抵抗要素を示した説明図である。図示した流体抵抗要素（Ａ）は、第１実施例とは異なる位置に設置された逆止弁である。流体抵抗要素（Ｂ）は、逆止弁を用いずにポンプ室１３０から液室１４６への液体の流れを抑制する。流体抵抗要素（Ｃ）は、上記実施例において逆止弁１４８を設置しない構成である。流体抵抗要素（Ｃ）であっても、その形状によって、ポンプ室１３０から液室１４６への液体の流れを抑制することができる。また、流体抵抗要素（Ｂ）、および流体抵抗要素（Ｃ）は、逆止弁１４８のような可動部が無いので、耐久性を向上させることができる。
【００８０】
（Ｃ５）変形例５：
上記実施例においては、説明の便宜上、形状変形部１９２をポンプ吸入流路１４４と液体流路１９０との間に設けるとしたが、それに限らず、液体流路１９０上の任意の位置に設けるとしてもよい。例えば、液体流路１９０の長さ方向の中心に設けるとしてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００８１】
１０…流体噴射システム
２０…流体噴射装置
３０…脈動発生部
３２…流体室
３４…圧電アクチュエーター
３６…流体噴射管
３８…下ケース
３９…上ケース
４０…流体容器
４２…供給ポンプ
４４…接続チューブ
４６…接続チューブ
１００…流体循環装置
１１０…循環ポンプ
１１２…圧電素子ケース
１１４…圧電素子
１１６…補強板
１１８…ダイアフラム
１２０…環状部材
１３０…ポンプ室
１４０…流路ケース
１４０Ｃ…凹部
１４２…ポンプ吐出流路
１４４…ポンプ吸入流路
１４６…液室
１４８…逆止弁
１５０…吐出側バッファ室
１９０…液体流路
１９２…形状変形部
１９６…シリンダ
１９７…液体収容部
１９８…挟持部材
１９９…バイパス流路
２００…流体循環装置
Ｓ…流路始点
Ｅ…流路終点
【図１】
2013213447.tif 000023
【図２】
2013213447.tif 000024
【図３】
2013213447.tif 000025
【図４】
2013213447.tif 000026
【図５】
2013213447.tif 000027
【図６】
2013213447.tif 000028
【図７】
2013213447.tif 000029