(57)【要約】【課題】流量を確保して流体を循環させることのできる技術を提供する。【解決手段】流体循環装置であって、ポンプ動作を行うポンプ室と、流入流路と、ポンプ室から流入流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、吐出口と、吐出口から流入流路へ流体が循環する管状の流路である循環流路と、循環流路上に設けられ、ポンプ動作の停止時に、流体を収容するとともに、ポンプ動作時に、収容している流体を循環する流体の一部として供給する流体収容部とを備え、ポンプ動作時における循環流路を循環する流体の流量をＱとし、流体収容部から流入流路側端部にかけての循環流路の単位長さあたりの流路抵抗をＲとし、ポンプ室が流体を吸入する圧力である吸入圧力をＰｖ（Ｐｖ＞０）とした場合に、流体収容部は、循環流路上における流入流路側の端部から所定の関係式を満たす長さｈの位置に設けられている。【選択図】図５
2013194533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体循環装置であって、
流体を吸入して吐出するポンプ動作を行うポンプ室と、
該ポンプ室へ流体が流入する流路である流入流路と、
前記ポンプ室から前記流入流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流体の吐出口と、
前記吐出口から前記流入流路へ前記流体が循環する管状の流路である循環流路と、
前記循環流路上に設けられ、前記ポンプ動作の停止時に、前記流体を収容するとともに、前記ポンプ動作時に、前記収容している前記流体を前記循環する流体の一部として供給する流体収容部と
を備え、
前記ポンプ動作時における前記循環流路を循環する前記流体の流量をＱとし、
前記ポンプ動作時における前記流体収容部から前記流入流路側端部にかけての前記循環流路の単位長さあたりの流路抵抗をＲとし、
前記ポンプ室が前記流体を吸入する圧力である吸入圧力をＰｖ（Ｐｖ＞０）とした場合に、
前記流体収容部は、前記循環流路上における前記流入流路側の端部から式（１）の関係を満たす長さｈの位置に設けられている
流体循環装置。
【数１】
2013194533.tif 000011
【請求項２】
請求項１記載の流体循環装置であって、
前記流体の粘度をμとし、
前記循環流路の直径をｄとした場合に、
前記流体収容部は、前記循環流路上における前記流入流路側の端部から式（２）の関係を満たす長さｈの位置に設けられている
流体循環装置。
【数２】
2013194533.tif 000012
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の流体循環装置であって、
前記循環流路は、前記流入流路と一体として形成された管状の吸入流路と、該吸入流路と前記吐出管路との間を接続する管状の流体流路とを備え、
前記流体収容部は、前記吸入流路から分岐して設けられている
流体循環装置。
【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、
前記流体収容部は、前記供給に用いる前記流体を収容する流体収容室を含み、前記内部に収容されている前記流体の量に応じて変形可能である
流体循環装置。
【請求項５】
請求項４記載の流体循環装置であって、
前記流体収容室は、フィルムを袋状に封止することによって形成されたパックである
流体循環装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の流体循環装置であって、
前記流体収容部は、前記循環流路から分岐した分岐流路である
流体循環装置。
【請求項７】
請求項６記載の流体循環装置であって、
前記分岐流路の内部には、前記収容された前記流体を封止するとともに、前記分岐流路内の前記流体の圧力と大気圧との圧力差に応じて移動する封止材が配置されている
流体循環装置。
【請求項８】
請求項７記載の流体循環装置であって、
前記流体は、第１の液体であり、
前記分岐流路の内部のうち、前記第１の液体と前記封止材との間には、前記第１の液体と相分離可能な第２の液体が封止されており、
前記第２の液体の気化熱は、前記第１の液体の気化熱よりも大きい
流体循環装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体循環装置および流体循環装置を用いた医療機器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、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を解決するためになされたものであり、所定の流量を確保して流体を循環させ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。
【０００６】
［適用例１］
流体循環装置であって、流体を吸入して吐出するポンプ動作を行うポンプ室と、該ポンプ室へ流体が流入する流路である流入流路と、前記ポンプ室から前記流入流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流体の吐出口と、前記吐出口から前記流入流路へ前記流体が循環する管状の流路である循環流路と、前記循環流路上に設けられ、前記ポンプ動作の停止時に、前記流体を収容するとともに、前記ポンプ動作時に、前記収容している前記流体を前記循環する流体の一部として供給する流体収容部とを備え、前記ポンプ動作時における前記循環流路を循環する前記流体の流量をＱとし、前記ポンプ動作時における前記流体収容部から前記流入流路側端部にかけての前記循環流路の単位長さあたりの流路抵抗をＲとし、前記ポンプ室が前記流体を吸入する圧力である吸入圧力をＰｖ（Ｐｖ＞０）とした場合に、前記流体収容部は、前記循環流路上における前記流入流路側の端部から式（３）の関係を満たす長さｈの位置に設けられている流体循環装置。
【数３】
2013194533.tif 000003
この流体循環装置によると、ポンプ室が循環流路を介して流体収容部から流体を吸入するために必要な圧力に比べて、ポンプ室の吸入圧力Ｐｖが大きくなる位置に流体収容部を備えるので、ポンプ室は流体収容部から流量Ｑで流体を吸入することができる。結果として、流量Ｑを確保して循環流路に流体を循環させることができる。
【０００７】
［適用例２］
適用例１記載の流体循環装置であって、前記流体の粘度をμとし、前記循環流路の直径をｄとした場合に、前記流体収容部は、前記循環流路上における前記流入流路側の端部から式（４）の関係を満たす長さｈの位置に設けられている流体循環装置。
【数４】
2013194533.tif 000004
この流体循環装置によると、循環流路の流路断面形状が所定の大きさの円形である場合に、流量Ｑを確保して流体を循環させることができる。
【０００８】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の流体循環装置であって、前記循環流路は、前記流入流路と一体として形成された管状の吸入流路と、該吸入流路と前記吐出管路との間を接続する管状の流体流路とを備え、前記流体収容部は、前記吸入流路から分岐して設けられている流体循環装置。
この流体循環装置によると、流体収容部は吸入流路と一体として形成された管状の吸入管路から分岐して設けられているので、強度の高い構造とすることができる。
【０００９】
［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、前記流体収容部は、前記供給に用いる前記流体を収容する流体収容室を含み、前記内部に収容されている前記流体の量に応じて変形可能である流体循環装置。
この流体循環装置によると、流体収容部として、内部に収容されている流体の量に応じて変形可能な流体収容室を用いるので、内部に収容される流体の量が変化しても、内部の圧力を一定に保つことができる。
【００１０】
［適用例５］
適用例４記載の流体循環装置であって、前記流体収容室は、フィルムを袋状に封止することによって形成されたパックである流体循環装置。
この流体循環装置によると、流体収容室としてパックを用いるので、簡易な構成とすることができる。
【００１１】
［適用例６］
適用例１から適用例５のいずれか一項に記載の流体循環装置であって、前記流体収容部は、前記循環流路から分岐した分岐流路である流体循環装置。
この流体循環装置によると、流体収容部として分岐流路を用いるので、流体収容部を簡易な構造とすることができる。
【００１２】
［適用例７］
適用例６記載の流体循環装置であって、前記分岐流路の内部には、前記収容された前記流体を封止するとともに、前記分岐流路内の前記流体の圧力と大気圧との圧力差に応じて移動する封止材が配置されている流体循環装置。
この流体循環装置によると、分岐流路に封止材が配置されているので、分岐流路から液体が外部に流出するのを防止することができる。
【００１３】
［適用例８］
適用例７記載の流体循環装置であって、前記流体は、第１の液体であり、前記分岐流路の内部のうち、前記第１の液体と前記封止材との間には、前記第１の液体と相分離可能な第２の液体が封止されており、前記第２の液体の気化熱は、前記第１の液体の気化熱よりも大きい流体循環装置。
この流体循環装置によると、分岐流路から第１の液体が気化するのを抑制することができる。
【００１４】
［適用例９］
適用例１から適用例８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、流体循環装置において流体が安定して循環するので、医療機器の信頼性を向上させることができる。
【００１５】
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】
【００１６】
【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】循環ポンプの内部における液体の流れを示す説明図である。
【図４】フィルムパックの構成を示す説明図である。
【図５】液体流路の内部圧力を説明する説明図である。
【図６】分岐流路の構成を説明する説明図である。
【図７】変形例１における流体循環装置を説明する説明図である。
【図８】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】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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る。耐圧性及び柔軟性を有するチューブとは、例えば、ＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、ＰＶＣ系の樹脂などの熱可塑性樹脂や、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。
【００２２】
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とによって密閉系の循環経路が構成されている。密閉系の循環流路とは、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。密閉系の循環流路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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
液体流路１９０上には、液体流路１９０から分岐した位置に、接続部材１６２を介してフィルムパック１６０が気密に接続されている。フィルムパック１６０は、循環流体への気泡の混入を防止するために、ガスバリア性と耐熱性とを備えた柔軟なフィルムによって形成されている。また、フィルムパック１６０は、接続部材１６２に対して着脱可能となっている。液体流路１９０上におけるフィルムパック１６０の設置位置については後で詳しく説明する。
【００２８】
以上のように構成された流体循環装置１００は、循環ポンプ１１０の圧電素子１１４を駆動することによって、液体流路１９０内の液体を循環させる。次に、循環ポンプ１１０の動作の詳細について説明する。
【００２９】
（Ａ２）循環ポンプ１１０の動作：
図３は、循環ポンプ１１０の内部における液体の流れを示す説明図である。図３（Ａ）は、循環ポンプ１１０が動作していない状態（圧電素子１１４に駆動電圧が印加される前の状態）を示す説明図である。以下、循環ポンプ１１０が動作している状態を動作状態、循環ポンプ１１０が動作していない状態を停止状態とも呼ぶ。停止状態においては、ポンプ室１３０および液体流路１９０の内部の圧力は大気圧である。停止状態では、ポンプ室１３０には液体が満たされている。また、停止状態では、フィルムパック１６０にも、予め、所定量の液体が収容されている。停止状態においてフィルムパック１６０内に収容されている液体（以下、圧力調整液体ＢＦとも呼ぶ）は、動作状態において、液体流路１９０の内部を適切な圧力に調整するために用いられる。圧力調整液体ＢＦについては、後で詳細を説明する。
【００３０】
図３（Ｂ）は、圧電素子１１４に駆動電圧が印加された状態を示す説明図である。ポンプ室１３０に液体が満たされた状態で、圧電素子１１４に駆動電圧が印加されると、圧電素子１１４は、印加された駆動電圧によって伸長し、補強板１１６を介してダイアフラム１１８をポンプ室１３０の方向に押し上げる。ポンプ室１３０がダイアフラム１１８によって押されると、ポンプ室１３０の容積は減少し、ポンプ室１３０内の液体が加圧される。このとき、逆止弁１４８は閉状態となり、ポンプ室１３０から液室１４６への液体の逆流が阻止されるので、ポンプ室１３０の容積が減少した分の液体が、ポンプ吐出流路１４２を通って、液体流路１９０に向けて圧送される。
【００３１】
このようにして液体流路１９０に液体が送り込まれると、液体流路１９０内の液体が次々に下流側へ押し流されることになる。また、前述したように、本実施例の流体循環装置１００では、液体流路１９０と循環ポンプ１１０とによって密閉系が構成されており、液体流路１９０へ押し流された液体は、液体流路１９０から分岐して接続されているフィルムパック１６０へと流入する。ここで、フィルムパック１６０は、柔軟なフィルムで形成されているとともに、液体が充填されて完全に張った状態ではなく、まだ膨らむ余裕を残した状態で取り付けられている。したがって、液体がフィルムパック１６０に流入しても、フィルムパック１６０が膨らむことによって、フィルムパック１６０内や、フィルムパック１６０と連通する液体流路１９０内の圧力が高まることが抑制される。
【００３２】
図３（Ｃ）は、圧電素子１１４に印加される駆動電圧が減少した状態を示す説明図である。駆動電圧が減少すると、圧電素子１１４は、収縮して元の長さに戻る。そうすると、ポンプ室１３０の容積が増加（元の容積に復元）する。このとき、ポンプ室１３０内は負圧になるので、逆止弁１４８が開放状態となって、液室１４６およびポンプ吸入流路１４４を介して、フィルムパック１６０からポンプ室１３０に液体が吸い込まれる。なお、負圧とは、大気圧以下の圧力を言う。
【００３３】
ポンプ室１３０内の負圧は、ポンプ吐出流路１４２にも作用する。しかし、ポンプ吐出流路１４２の流路抵抗は、フィルムパック１６０から逆止弁１４８までの流路抵抗よりも大きく設定されている。従って、ポンプ吐出流路１４２と比べて、液室１４６からポンプ室１３０へ液体が流入しやすくなっている。また、液室１４６は、液体流路１９０を介してフィルムパック１６０と連通しているため、フィルムパック１６０内の液体が滞ることなくポンプ室１３０に流入する。
【００３４】
このようにして容積が回復したポンプ室１３０が液室１４６から流入した液体により満たされた後、圧電素子１１４が駆動電圧の増加によって再び伸長すると、図３（Ｂ）に示すように、ポンプ室１３０内で加圧された液体が、ポンプ吐出流路１４２及び液体流路１９０に向けて圧送される。循環ポンプ１１０が以上のような動作を繰り返すことによって、流体循環装置１００は、液体流路１９０内の液体を循環させる。
【００３５】
（Ａ３）フィルムパックの構成：
図４は、フィルムパック１６０の構成を示す説明図である。図４（Ａ）には、フィルムパック１６０の分解斜視図が示されている。フィルムパック１６０は、ガスバリア性と耐熱性とを備えた一対の柔軟なフィルム１６４と、連通穴１６２ａを有しフィルムパック１６０を液室１４６と着脱可能に接続する接続部材１６２と、開閉可能な開放口が設けられた開放口部材１６６とから構成されている。一対のフィルム１６４は、略長方形状に形成されている。フィルムパック１６０は、一対のフィルム１６４の長手方向の一端側に接続部材１６２を挟み、他端側に開放口部材１６６を挟み、周囲を熱圧着などで気密に貼り合わせることによって形成される。
【００３６】
図４（Ｂ）には、一対のフィルム１６４を貼り合わせることによって形成されたフィルムパック１６０が示されている。尚、図４（Ｂ）では、熱圧着などによって貼り合わされたシール部がハッチングを付して表されている。図４（Ｂ）に示すように、フィルムパック１６０は、内部に液体を収容していない状態では、一対のフィルム１６４が互いに接した状態となる。
【００３７】
これに対して、接続部材１６２の連通穴１６２ａを通ってフィルムパック１６０に液体が流入すると、図４（Ｃ）に示すように、一対のフィルム１６４が互いに離れることによってフィルムパック１６０が膨らむ（容積が増加する）ので、液体を収容することができる。また、フィルムパック１６０内の液体が接続部材１６２の連通穴１６２ａを通って流出すると、一対のフィルム１６４が互いに接近してフィルムパック１６０が萎む（容積が減少する）。このようにフィルムパック１６０は、内部に収容する液体量に応じて変形可能である。
【００３８】
図４（Ｄ）には、フィルムパック１６０に用いられるフィルム１６４の構造が例示されている。図示したフィルム１６４は、多層構造になっており、アルミ箔（ＡＬ）の両面に耐液体性に優れたポリプロピレン（ＰＰ）を貼り合わせ、さらにその上から、両面に、耐衝撃性に優れたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を貼り合わせた構造を採る。各層は接着剤によって張り合わされている。アルミ箔の中層を設けることによって、フィルムの強度を高めるとともに、ガスバリア性を高めることができる。このような構成のフィルムパック１６０は、耐熱性に優れ、高温（例えば、１５０℃）での取り扱いが可能であるとともに、柔軟性を有し、変形が容易である。また、フィルムパック１６０は、軽量化を実現できることに加えて、熱圧着で簡単に形成することができる。
【００３９】
フィルムパック１６０に用いられるフィルム１６４の構造は、図４（Ｄ）に示した構造に限られるわけではなく、例えば、中層としてアルミ箔に代えて、エチレンービニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）や、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）等を用いてもよい。また、ポリアミド（ナイロン）の外層とポリプロピレン（ＰＰ）の内層とを、直接に接着剤で貼り合わせて透明なフィルムとしてもよい。フィルムパック１６０を透明にすることにより、フィルムパック１６０の内部（液体の量や、液体の流れ）を視認することが可能となる。
【００４０】
（Ａ４）フィルムパック１６０の設置位置：
次に、フィルムパック１６０は液体流路１９０における設置位置について説明する。本実施例における流体循環装置１００においては、所定の流量Ｑ（単位：［ｍｌ／ｍｉｎ］）を確保して液体流路１９０内を液体が循環するようにフィルムパック１６０の設置位置を決定する。図５は、液体流路１９０内を所定の流量Ｑを確保して液体が循環している場合における、液体流路１９０内の内部圧力を説明する説明図である。
【００４１】
図５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を直線上に示すとともに、フィルムパック１６０を簡易的に図示している。また、本実施例における内部圧力考察モデルにおいては、液体流路１９０とポンプ吸入流路１４４とを、断面形状が円形である一連の管状の流路（以下、循環流路１９５とも呼ぶ）とみなして、内部圧力の考察をする。また、ポンプ吐出流路１４２と循環流路１９５とが接続点を流路始点Ｓとし、循環流路１９５と液室１４６との境界を流路終点Ｅとする。すなわち、流路終点Ｅは、ポンプ吸入流路１４４と液室１４６との境界点である。
【００４２】
また、循環流路１９５におけるフィルムパック１６０の設置位置から流路終点Ｅまでの長さ（以下、離隔距離とも呼ぶ）をｈ（単位：［ｍ］）とする。なお、図５においては、流路終点Ｅと液室１４６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と液室１４６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の循環流路１９５の内部圧力を圧力Ｐｏｕｔ、循環ポンプ１１０の動作状態における循環流路１９５の流路終点Ｅの内部圧力の値を圧力Ｐｉｎとする。
【００４３】
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から循環流路１９５に向けて圧力Ｐｉｎで圧送する。そして、循環ポンプ１１０による液体の圧送によって、循環流路１９５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量Ｑで循環流路１９５を流れ、フィルムパック１６０に流入する。
【００４４】
そして、ポンプ室１３０の容積が増加することによって（図３（Ｃ）参照）、ポンプ吸入流路１４４を介して所定の圧力でフィルムパック１６０から液体を吸入することにより、フィルムパック１６０と流路終点Ｅとの間においても流量Ｑを確保して液体を循環させることができる。なお、本実施例においては、循環流路１９５は管状の構造をしていることから、循環流路１９５内の液体の流れを層流として扱う。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。
【００４５】
図５下段には、循環流路１９５を流量Ｑで液体が循環しているとした場合における循環流路１９５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、横軸を循環流路１９５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。なお、内部圧力Ｐ（ｘ）は、相対圧力（大気圧を０）として表している。ポンプ吐出流路１４２から循環流路１９５内に流出する液体の内部圧力は、位置ｘが増加するに伴って、循環流路１９５の流路抵抗によって減少する。つまり、上述したように、液体流路１９０の内部圧力には圧力勾配が生じる。本実施例においては、循環流路１９５における圧力勾配は線形のモデルを採用する。
【００４６】
フィルムパック１６０の設置位置における循環流路１９５の内部圧力は０（大気圧）となる。これは、フィルムパック１６０の設置位置近傍の循環流路１９５の内部圧力と大気圧との差に応じて、フィルムパック１６０内の液体が循環流路１９５との間で流入または流出するためである。このことからわかるように、フィルムパック１６０は、その設置位置における循環流路１９５の内部圧力を大気圧にすることができる。従って、その設置位置を制御することによって、循環ポンプ１１０が流量Ｑを確保して液体を循環させている際に、循環流路１９５の内部圧力が所定の圧力以下になることを防止することができる。例えば、フィルムパック１６０を流路終点Ｅの近傍に設置すれば、流路終点Ｅ近傍の内部圧力が０（大気圧）になるように制御することができる。
【００４７】
また、フィルムパック１６０は停止状態において予め圧力調整液体ＢＦを収容している。これは、循環ポンプ１１０の動作状態においては、循環流路１９５の一部の内部圧力が大気圧以上となり、当該部分が膨張することに対応するためである。すなわち、循環ポンプ１１０と循環流路１９５とが液体を収容する総容積（以下、流体収容総容積とも呼ぶ）が、循環流路１９５の膨張により、循環流体の総体積（以下、循環流体総体積とも呼ぶ）より大きくなるため、その差分を補うために、停止状態において予めフィルムパック１６０に圧力調整液体ＢＦを収容している。循環ポンプ１１０の動作状態において、流体収容総容積と循環流体総体積との差分が生じ、循環流路１９５の内部圧力が大気圧以下に低下する方向に移動した場合には、フィルムパック１６０の圧力調整液体ＢＦが大気圧によって自動的に循環流路１９５に供給され、流体収容総容積と循環流体総体積との差分を補う。
【００４８】
このように、フィルムパック１６０を流路終点Ｅの近傍へ設置し、圧力調整液体ＢＦによって循環流路１９５の内部圧力を大気圧以上に調整した場合には、循環流路１９５の大凡の部分で内部圧力は大気圧以上となり、内部圧力と大気圧との差による循環流路１９５の内向き方向の変形を回避することができる。従って、フィルムパック１６０は、流路終点Ｅの近傍に備えるのが好適である。
【００４９】
一方、図５の内部圧力分布モデルに示すように、離隔距離ｈを大きくした場合には、フィルムパック１６０から液室１４６に流量Ｑで液体を吸入するために、循環ポンプ１１０は循環流路１９５から所定の圧力以上で液体を吸入する必要がある。以下、詳しく説明する。
【００５０】
循環流路１９５の単位長さあたりの流路抵抗を流路抵抗Ｒ（単位：ｋｇ／ｍ＾５・Ｓ）とした場合、循環流路１９５に流量Ｑの流れを生じさせるためには、フィルムパック１６０と流路終点Ｅとの間の内部圧力に、「Ｒ・Ｑ」の大きさの圧力勾配を付与する必要がある。フィルムパック１６０の内部圧力が「０」であることを考慮すると、流路終点Ｅにおける内部圧力を内部圧力Ｐｉｎ＝−Ｒ・Ｑ・ｈとした場合に、フィルムパック１６０と流路終点Ｅとの間に「Ｒ・Ｑ」の大きさの圧力勾配を付与することができる。
【００５１】
ここで、循環ポンプ１１０が液体を吸入時に流路終点Ｅに加えることのできる圧力を吸入圧力Ｐｖ（Ｐｖ＞０）と定義し、循環ポンプ１１０が液体を吸入する圧力の基準値として用いる。すなわち、循環ポンプ１１０が吸入圧力Ｐｖで循環流路１９５から液体を吸入した場合には、相対気圧（大気圧を０）において、流路終点Ｅの内部圧力Ｐｉｎ＝−Ｐｖとなる。このように定義した場合、下記式（５）を満たすことによって、循環ポンプ１１０は、フィルムパック１６０と流路終点Ｅとの間に流量Ｑの流れを生じさせることができ、フィルムパック１６０から流量Ｑで液体を吸入することができる。
【数５】
2013194533.tif 000005
【００５２】
また、式（５）を離隔距離ｈについての制限として表した場合には、下記式（６）として表すことができる。
【数６】
2013194533.tif 000006
【００５３】
式（６）は、離隔距離ｈの上限値を表す。一方、離隔距離ｈの下限値については、フィルムパック１６０が流路終点Ｅの近傍であるほど、流路終点Ｅに加える吸入圧力Ｐｖは小さくても流量Ｑを生じさせることができるため、離隔距離ｈの下限値はｈ＞０となる。従って、離隔距離ｈが下記式（７）を満たす場合、吸入圧力Ｐｖの循環ポンプ１１０は、フィルムパック１６０から流量Ｑで液体を吸入することができる。
【数７】
2013194533.tif 000007
【００５４】
ここで、循環流路１９５の流路直径をｄ、液体流路１９０を循環する液体の粘度をμ（単位：Ｐａ・ｓ）とすると、ハーゲン・ポアズイユの法則から、単位長さあたりの流路抵抗Ｒは下記式（８）として表すことができる。
【数８】
2013194533.tif 000008
【００５５】
従って、式（７）および式（８）より、下記式（９）が導出される。
【数９】
2013194533.tif 000009
【００５６】
本実施例においては、循環ポンプ１１０の吸入圧力Ｐｖ＝１０［ｋｐａ］、液体流路１９０の流路直径ｄ＝０．０００５［ｍ］、液体（水）の粘度μ＝０．００１［Ｐａ・ｓ］、流量Ｑ＝５［ｍｌ／ｍｉｎ］である。従って、離隔距離ｈ［ｍ］が下記式（１０）を満たす位置にフィルムパック１６０を設置することによって、循環ポンプ１１０は、流量Ｑ＝５［ｍｌ／ｍｉｎ］を確保して液体を循環させることができる。
【数１０】
2013194533.tif 000010
【００５７】
本実施例の流体循環装置１００においては、上記導出した離隔距離ｈの制限に基づき、離隔距離ｈが式（１０）を満たす位置にフィルムパック１６０を設ける。結果として、循環ポンプ１１０は、ポンプ特性が低下することなく、流量Ｑ＝５［ｍｌ／ｍｉｎ］を確保して液体を循環させることができる。特に、離隔距離ｈは、その値が０に近いほど、内部圧力Ｐｉｎが吸入圧力Ｐｖより十分に小さくなるので、循環ポンプ１１０への負担が軽減され、循環ポンプ１１０は安定して動作する。また、式（１０）から分かるように、離隔距離ｈは流路終点Ｅの近傍に設けるとしてもよいので、後述する変形例１で説明するように、フィルムパック１６０をポンプ吸入流路１４４に設けるとしてもよい。
【００５８】
以上説明したように、流体循環装置１００は、フィルムパック１６０を備えるので、循環流路１９５の内部圧力を制御することができる。また、流体循環装置１００は、フィルムパック１６０を、離隔距離ｈが式（１０）を満たす循環流路１９５の位置に設けるので、フィルムパック１６０から流量Ｑで液体を吸入するために必要な流路終点Ｅにおける圧力低下量「Ｒ・Ｑ・ｈ」と比較して、吸入圧力Ｐｖを大きくすることができる。従って、循環ポンプ１１０は、流量Ｑで循環流路１９５に液体を循環させることができる。また、フィルムパック１６０を液体流路１９０上に設けることにより、フィルムパック１６０を流体循環装置１００から容易に着脱することができ、組み立てやメンテナンスを容易に行うことができる。
【００５９】
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。第１実施例における流体循環装置１００は、圧力調整液体ＢＦをフィルムパック１６０に収容するとしたが、第２実施例における流体循環装置２００は、フィルムパック１６０に代えて、液体流路１９０に設けた分岐流路２１０に圧力調整液体ＢＦを収容する。分岐流路２１０以外の構成は、第１実施例と同じであるので、分岐流路２１０以外の構成についての説明は省略する。なお、第１実施例と第２実施例とにおける同じ構成については、同じ符号を用いる。
【００６０】
図６は、本実施例における分岐流路２１０の構成を説明する説明図である。分岐流路２１０は、式（１０）を満たす循環流路１９５上の離隔距離ｈの位置に設けられている。分岐流路２１０は、ガスバリア性が高く、内部の液体が揮発しにくい材質で構成されている。分岐流路２１０内には、圧力調整液体ＢＦを含め、循環ポンプ１１０の動作によって液体流路１９０を循環する液体が収容されている。以下、循環ポンプ１１０および液体流路１９０を循環する液体を第１液体Ｌｑ１とも呼ぶ。
【００６１】
分岐流路２１０は、第１液体Ｌｑ１の液頭の位置が循環ポンプ１１０より高い位置となるように設置されている。分岐流路２１０内には、体積Ｖｂの第１液体Ｌｑ１が収容されており、循環ポンプ１１０の動作状態において圧力調整液体ＢＦとして機能する。
【００６２】
図示するように、分岐流路２１０は、その内部に可動部２１６を備える。分岐流路２１０は、空気流通路としての通気孔２１８を有し、可動部２１６が外気と接するように構成されている。可動部２１６は、第２液体Ｌｑ２と、高粘度ゲル状流体２１４とから構成される。第２液体Ｌｑ２は、第１液体Ｌｑ１の液頭と接して位置している。第１液体Ｌｑ１の液頭の位置が移動すると、可動部２１６は、第１液体Ｌｑ１の液頭に接した状態で分岐流路２１０の高さ方向に移動する。分岐流路２１０の内壁面は、可動部２１６の移動が円滑になされるように、滑らかな表面を有する。また、流体循環装置２００は、分岐流路２１０の近傍に、可動部２１６の移動量を測定可能なセンサー２３０を備えており、可動部２１６の移動量を測定可能である。
【００６３】
可動部２１６の構成要素である高粘度ゲル状流体２１４は、分岐流路２１０からの第１液体Ｌｑ１の漏れ防止、および蒸発防止のための封止材として封入されている（水性ボールペンの液栓と同様の原理）。高粘度ゲル状流体２１４は、平均分子量６３０のポリブテンを基材とし、粘弾性と透明性を有する。高粘度ゲル状流体２１４として、平均分子量３００〜３７００のポリブテンやαオレフィンなどを用いることができる。
【００６４】
また、高粘度ゲル状流体２１４は、実質的に第１液体Ｌｑ１と相溶しないものであることが望ましい。第１液体Ｌｑ１に油性媒体を使用する場合には、水を媒体とした水性系の高粘度ゲルを使用することができる。水性系の高粘度ゲル状流体２１４を使用する場合において、高粘度ゲル状流体２１４の気体透過性が高い場合や、乾燥しやすい場合には、高粘度ゲル状流体２１４の上にさらに有機溶剤を溶媒とした油性系の層を形成し、透過及び乾燥の防止を行うとしてもよい。
【００６５】
第２液体Ｌｑ２は、高粘度ゲル状流体２１４が第１液体Ｌｑ１に溶解するのを防止するために分岐流路２１０に収容されている。第２液体Ｌｑ２は、第１液体Ｌｑ１より気化熱が大きい液体であり、かつ、第１液体Ｌｑ１と相分離可能な液体である。また、第２液体Ｌｑ２は第１液体Ｌｑ１より密度が小さい。本実施例においては、第２液体Ｌｑ２として流動パラフィンを用いる。その他、第２液体Ｌｑ２としてアルギン酸カルシウムを用いることもできる。
【００６６】
上記説明した構成の流体循環装置２００において、循環ポンプ１１０が動作すると、第１実施例において説明したように、液体流路１９０の内部圧力に圧力勾配が生じる。そして、液体流路１９０の容積変化により、液体流路１９０の流路終点Ｅ近傍の圧力は、大気圧を下回る方向に移動する。その際、流路終点Ｅ近傍の内部圧力と分岐流路２１０にかかる大気圧との圧力差により、分岐流路２１０内の第１液体Ｌｑ１（圧力調整液体ＢＦに相当）が液体流路１９０に供給される。結果的に、分岐流路２１０の設置位置における循環流路１９５の内部圧力は０（大気圧）を維持し、循環ポンプ１１０は循環流路１９５の内部圧力を適切な状態にして動作することができる。
【００６７】
以上説明したように、流体循環装置２００は、分岐流路２１０は、式（１０）を満たす循環流路１９５上の離隔距離ｈの位置に設けられているので、分岐流路２１０から流路終点Ｅまでの流路抵抗と比較して吸入圧力Ｐｖを大きくすることができる。従って、循環ポンプ１１０は、所定の流量Ｑを確保して循環流路１９５に液体を循環させることができる。また、分岐流路２１０を液体流路１９０上に設けることにより、フィルムパック１６０を流体循環装置１００から容易に着脱することができ、組み立てやメンテナンスを容易に行うことができる。また、分岐流路２１０には可動部２１６が備えられているので、第１液体Ｌｑ１が分岐流路から外部に漏れることを防止し、さらに、第１液体Ｌｑ１が気散するのを防止することができる。
【００６８】
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、フィルムパック１６０は循環流路１９５としての液体流路１９０に設けるとしたが、上記説明した離隔距離ｈの制限（式（７），式（９），式（１０））を満たす範囲であれば、フィルムパック１６０を他の位置に設置するとしてもよい。例えば、循環流路１９５としてのポンプ吸入流路１４４に設けるとしてもよい。図７は、変形例１における流体循環装置１００を説明する説明図である。図示するように、流路ケース１４０にポンプ吸入流路１４４と連通する流路（以下、連通流路１４５とも呼ぶ）を設け、フィルムパック１６０を連通流路１４５を介してポンプ吸入流路１４４と接続することによって、フィルムパック１６０をポンプ吸入流路１４４に設けることができる。このようにすることで、循環ポンプ１１０とフィルムパック１６０とを一体的な構造とすることができ、コンパクト化、耐久性の向上を実現することができる。
【００６９】
（Ｃ２）変形例２：
上記実施例においては、流体収容部としてフィルムパック１６０、又は、分岐流路２１０を用いるとしたが、それに限ることなく他の流体収容部を採用するとしてもよい。例えば、ダイアフラム（ダイアフラムポンプ）、シリンジ、ベローズ等の流体収容部を採用することができる。上記実施例と同様に、各流体収容室を、接続部材を介して液体流路１９０と接続することや、変形例１で説明したポンプ吸入流路１４４と連通した連通流路に接続することで実現することができる。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。
【００７０】
（Ｃ３）変形例３：
上記実施例においては、循環流路の一態様として、断面積が円形の管状の循環流路１９５を採用したが、それに限ることなく、種々の循環流路を採用することができる。この場合、採用する循環流路の単位長さ当たりの流路抵抗Ｒを所定の演算により算出し、式（７）の流路抵抗Ｒに適用することで離隔距離ｈの制限を導出することができる。そして、導出した離隔距離ｈの制限を満たす循環流路１９５の位置にフィルムパック１６０を設ける。このようにすることで、循環ポンプ１１０は、種々の形状の循環流路において、流量Ｑを確保して流体を循環させることができる。
【００７１】
また、上記実施例においては、循環ポンプ１１０の吸入圧力Ｐｖ＝１０［ｋｐａ］、液体流路１９０の流路直径ｄ＝０．０００５［ｍｍ］、液体（水）の粘度μ＝０．００１［Ｐａ・ｓ］、流量Ｑ＝５［ｍｌ／ｍｉｎ］として導出された式（１０）を満たす離隔距離ｈを採用してフィルムパック１６０を設けるとした。しかし、循環ポンプの種類を変更することによって吸入圧力Ｐｖを他の値とすることや、流路直径ｄ、粘度μ、流量Ｑとして他の値を採用して流体循環装置１００を構成するとしてもよい。この場合には、採用した吸入圧力Ｐｖ、流路直径ｄ、粘度μ、流量Ｑの各値を、式（９）に適用することによって、具体的な離隔距離ｈの制限を導出し、導出した離隔距離ｈを満たす位置にフィルムパック１６０を設置することで、循環ポンプ１１０は、流量Ｑを確保して循環流路１９５に流体を循環させることができる。
【００７２】
（Ｃ４）変形例４：
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。特に高い安全性が要求される医療機器においては、上述した実施例および変形例の流体循環装置１００は安定した循環効率を確保するため、様々な医療機器に適用することが可能である。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。
【００７３】
（Ｃ５）変形例５：
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、水、油などの他に、プロピレングリコール、エチレングリコール、グリセリンや、これらの水溶液などを用いるとしてもよい。この場合、採用する液体の粘度の値を粘度μとして適用することで、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
（Ｃ６）変形例６：
第２実施例においては、分岐流路２１０は可動部２１６を備えるとしたが、可動部を備えない分岐流路を採用するとしてもよい。このようにすることで、分岐流路の構成を簡易なものとすることができる。
【００７５】
（Ｃ７）変形例７：
上記実施例においては、動作素子として圧電素子を採用したが、それに限らず種々の素子を採用するとしてもよい。例えば、電歪素子、電磁アクチュエーター、静電アクチュエーター、誘電型ポリアクチュエーターなどの駆動素子を用いることができる。これら駆動素子を採用しても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。また、上記実施例においては、圧電素子として、積層型のものを採用したが、他に、結晶単体の圧電素子や、モノモルフ型や、バイモルフ型の圧電素子を採用するとしてもよい。
【００７６】
（Ｃ８）変形例８：
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８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実施例とはこと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。
【符号の説明】
【００７７】
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
１６０…フィルムパック
１６２…接続部材
１６２ａ…連通穴
１６４…フィルム
１６６…開放口部材
１９０…液体流路
１９５…循環流路
２００…流体循環装置
２１０…分岐流路
２１４…高粘度ゲル状流体
２１６…可動部
２１８…通気孔
２３０…センサー
Ｑ…流量
Ｓ…流路始点
Ｅ…流路終点
ｈ…離隔距離
Ｌｑ１…第１液体
Ｌｑ２…第２液体
【図１】
2013194533.tif 000013
【図２】
2013194533.tif 000014
【図３】
2013194533.tif 000015
【図４】
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【図５】
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【図６】
2013194533.tif 000018
【図７】
2013194533.tif 000019
【図８】
2013194533.tif 000020