(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スリット流体噴流の片方の表面あるいは両面に、複数の交差溝を有する網目構造を流れる流体噴流を随伴させ、安定したスリット流体噴流を形成することを特徴とするスリット流体噴流の安定方法。
【請求項２】
請求項１のスリット流体噴流の安定方法を実現するための装置であって、所定の間隔を隔てて対向した２枚の平板を備え、前記平板の一方の対向面は平滑であり、他方は複数のＸ字形の交差溝を有する網目構造を有し、前記２枚の平板同士の間隔をスリットとし、装置に供給された流体が、スリットおよび前記網目構造を流れ、噴出口から噴出されることを特徴とするスリット流体噴流の安定化装置。
【請求項３】
網目構造を通過した流体が、網目構造の出口部で合流するように網目構造の流路が配置されていることを特徴とする請求項２のスリット流体噴流の安定化装置。
【請求項４】
交差部背後に発生する剥離渦の再付着点までの長さが、Ｘ字形溝によって形成される菱形突起部の一辺の長さ以上であることを特徴とする請求項２または３のスリット流体噴流の安定化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、スリット流体噴流の安定方法とその装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、制御空間への外界からの流体・固体の進入防止、あるいは制御空間からの流体・固体の流出防止に特に有用であるスリット流体噴流の安定方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、建築構造物や機械装置などの一定の制御空間においては、制御空間への外界からの流体・固体の進入を防止するために、あるいは、制御空間からの流体・固体の流出を防止するための手段としてスリット流体噴流が用いられている。
【０００３】
例えば、一般的な建築構造物においては、その出入口に、スリット流体噴流の一種であるエアーカーテンを噴出させ、制御空間と外気との遮断を行い、冷暖房効率を上げることに成功している。
また、冷凍食品の加工装置においては、その加工部の周囲から、エアーカーテンを噴出させ、食品の低温保存のための冷風空間の形成を行っている。
【０００４】
さらに、工作機械においては、その加工部の周囲から、液状カーテンやシャフーカーテンを噴出させ、加工空間からの切削屑等の飛散や流出を防止している。
そして、このようなエアーカーテン、液状カーテンおよびシャワーカーテンなどのスリット流体噴流は、一対の平滑な平面あるいは曲面を用いた装置、または、ノズルを並べた装置から、流体を噴出させることにより、形成している。
【０００５】
しかしながら、このような従来のスリット流体噴流は、制御空間の形成に大きな貢献をしているものの、大きな制御空間を効率的に形成するには、未だ多くの問題点が存在する。
すなわち、このようなスリット流体噴流により、大きな制御空間を形成するには、そのスリット流体噴流の流速を上げる必要があるが、一般的に流体の速度を上げると、流体内部の不安定性は増加してしまい、スリット流体噴流の膜状流体が破断しやすくなるという問題がある。
【０００６】
このスリット流体噴流の流体膜の破断容易性は、流体の持っている乱れ成分（変動速度成分）に起因する。この乱れ成分は、スリット内壁の剪断層の剥離、剥離渦、および、スリット出口の空気巻き込み現象等を提起し、スリット流体噴流の流体膜厚を不均一にし、結果として、その流体膜は僅かな外乱により破断してしまう。
【０００７】
そこで、ひとつの対策として、スリット流体噴流の流速を低下させ、流体内部の安定化を図ることが考えられるが、流速を遅くすると流体膜は、僅かな外乱でも破断してしまう。
またさらに、このような流体膜の破断容易性は、スリット孔からの距離が長いほど、深刻な問題となる。すなわち、スリット流体噴流は、スリット孔からの距離が遠くなると、その厚さが極端に薄くなり、非常に僅かな外乱でも容易に壊れてしまう。
【０００８】
このような流体膜の破断容易性の問題に対処するために、現在においては一般的に、スリット流体噴流の流体膜を厚くしているが、これはスリット流体噴流の流量を増加させることであり、結果的にランニングコストを引き上げる要因となっている。
そこでこの出願の発明は、以上の通りの従来技術の欠点を鑑みてなされたものであり、噴出口からスリット流体噴流が破断することなく、長距離にわたって安定した流体膜を形成させることを可能とするスリット流体噴流の安定方法とその装置を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、スリット流体噴流の片方の表面あるいは両面に、複数の交差溝を有する網目構造を流れる流体噴流を随伴させ、安定したスリット流体噴流を形成することを特徴とするスリット流体噴流の安定方法を提供する。
【００１０】
さらに、この出願の発明においては、第２には、前記のスリット流体噴流の安定方法を実現するための装置であって、所定の間隔を隔てて対向した２枚の平板を備え、前記平板の一方の対向面は平滑であり、他方は複数のＸ字形の交差溝を有する網目構造を有し、前記２枚の平板同士の間隔をスリットとし、装置に供給された流体が、スリットおよび前記網目構造を流れ、噴出口から噴出されることを特徴とするスリット流体噴流の安定化装置を、第３には、網目構造を通過した流体が、網目構造の出口部で合流するように網目構造の流路が配置されていることを特徴とするスリット流体噴流の安定化装置を、第４には、交差部背後に発生する剥離渦の再付着点までの長さが、Ｘ字形溝によって形成される菱形突起部の一辺の長さ以上であることを特徴とするスリット流体噴流の安定化装置をも提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
一般的には、流体膜の不安定性は、流れの乱れ、すなわち、変動速度成分にあり、流体は必ず変動速度を内包するので、この乱れを除去するのは非常に困難である。
そこで、この出願の発明は、従来の単純なスリット流体噴流に対して、流体力学的な制御をなし、より具体的には、流体の乱れに起因する膜厚の不均一性を均一化するために、スリット流体噴流とフリップフロップ流れの２層構造を有する流体膜の形成を行い、結果として、スリット流体噴流に内包する変動速度成分を継時的に吸収する機構を付加したことに大きな特徴がある。
【００１２】
この発明の発明者らは、この発明に至る過程において、まずはじめに、変動速度をエネルギーとする流体特有の現象を、スリット流体噴流に随伴させれば、安定流体膜は形成されると考え、変動速度成分に起因する物体後流流れに現れるカルマン渦に代表される剥離渦の周期的発生に着目した。
すなわち、物体は千鳥状に配置した流路においては、交差部において流れの半径方向に周期振動を起こすフリップフロップ現象が生じる。このフリップフロップ現象は、変動速度成分を継時的に吸収する機構であり、この変動速度成分を主軸流れの半径方向の周期的振動に転換することで知られている。
【００１３】
そして、この発明の発明者らは、このフリップフロップ現象を実際のスリット流体噴流の安定化に応用し、この発明に至った。
この発明のスリット流体噴流の安定方法について、より具体的には、スリット口から流体を流出させてスリット流体噴流を形成し、このスリット流体噴流にフリップフロップ現象の伴う交差流を重畳し、スリット流体噴流の変動速度成分エネルギーをフリップフロップ交差流の振動成分に吸収させれば、安定した流体膜が形成される。フリップフロップ交差流は、複数の交差溝により形成されるネットワーク端末によって形成され、噴流を半径方向に周期振動させる。この周期的振動は流体の流れに起因し、流体の吹き出し間の相互作用によって、増幅する。この複数の溝流れ構造は、流体の乱流成分を半径方向の周期的振動成分に変換する。
【００１４】
すなわち、溝によって形成される流路のネットワーク構造は、流体の乱れ成分を制御し、その溝流れの合流点においてフリップフロップ現象を起こし、溝の半径方向に溝流れを周期振動させることになる。
このフリップフロップ交差流に随伴するスリット流体噴流は安定する。それは、スリット流体噴流の液膜の何れかの表面にフリップフロップ現象を伴う噴流が存在すれば、スリット流体噴流の変動成分は噴流のフリップフロップ現象エネルギーに変換されるからである。
【００１５】
この発明のスリット流体噴流の安定化装置は、例えば、図１に例示したものをひとつの態様として示すことができる。
このスリット流体噴流の安定装置は、所定間隔を隔てて対向した２枚の平板（１０）よりなり、その一方の内側は平滑であり、他方は複数のＸ字形の交差溝（１１）を有する網目構造を有している。
【００１６】
そして、網目構造を通過した流体が、網目構造の出口部で合流するように網目構造の流路が配置されていることが望ましく、交差部背後に発生する剥離渦の再付着点までの長さが、Ｘ字形溝によって形成される菱形突起部の一辺の長さ以上であることが望ましい。なお、平板（１０）は平面部材が望ましいが、曲面部材でも良く、その場合、その対峙間隔であるクリアランスの等しいことを要件とすることが望ましい。
【００１７】
また、クリアランスの片側に流体のバッファー領域（１２）を形成してもよい、流体供給管（１３）により供給された流体は、一対の対峙する部材間を流れ、スリット流体噴流として噴出する。
図２は、スリット内側のネットワーク構造を有する部材を平面にして表した図でわる。ここには流体の流路として複数の溝１ａ，ｂ，ｃ．．．．．．．ｎおよび溝２ａ，ｂ，ｃ．．．．．．．ｎが網目状に設けられている。溝１ａ，ｂ，ｃ．．．．．．．ｎのそれぞれの溝は、それぞれ平行に等間隔で設けられており、溝２ａ，ｂ，ｃ．．．．．．．ｎも同様である。
【００１８】
流れの主軸となす角度（Ａ）の複数の溝と角度（−Ａ）の複数の溝は各々対をなして流体が合流して噴出口から流出するよう設けられている。すなわち、流体の入口部（１Ｌ）から供給された流体は、出口部（ＯＬ）で合流するように設けられており、合流部分で紙面左右方向の周期的振動成分をもつ流体噴流を作り出す。
【００１９】
図３において、バッファー領域から流体が所定の圧力で供給されているので、流体は溝１Ｃに流体噴流Ｌ１ａとして流れ、また溝１ｂから流体噴流Ｌ１ｂとして流れる。そして二つの液流は交差路Ｍ１で合流する。この合流に伴い流速は加速され、この交差部において流速が最大で圧力が最小になるエネルギー供給点が存在する。この交差部背後に形成される非対称な剥離渦は、エネルギー供給点の影響を受け、時間と共に位置と形を代え、Ｖ１、Ｖ２の位置（図４も参照）に交互に現れる。交互に現れる周期はレイノルズ数とほぼ反比例関係にあるストローハル数に依存する。
【００２０】
この発明の重要な基本原理であるフリップフロップ現象の詳細についてさらい以下に説明する。
このフリップフロップ現象は物体後流の速度変動が周期性を持つことを利用している。例えば、速度Ｖの流れの中に、物体があるとその物体から互に反対に回転する渦が交互に生じて後方に流されていくため、物体後流の速度変動に周期性が生ずる。この渦の生ずる頻度は、無次元数ストロハル数Ｓｔ＝ｆＬ／Ｖで与えられる。ここで、ｆは流体の周期変動現象における周波数、Ｌは流れに垂直な面への物体の投影長さ（一般的には物体形状の有意な長さ、円柱であれば直径）、Ｖは流体の速度である。例えば、風の強い日に電線がヒューとなるのは、この渦が放出される現象である。
【００２１】
一般的にストロハル数は物体形状に依存し、例えば円柱の場合でレイノルズ数Ｒｅが１，０００〜１００，０００では、０．２であることが分かっている。
自然界には、物体後流の渦に周期性がある性質を上手に利用している生物がある。Lighthill[Mathcmetical Biofluid mecanics, Society for Industrial and Applied Mathematics, 1975] は、魚の後方に対角線上に位置して泳いでいるＸ字形ネットワーク構造をなした魚群は、前方の魚から放出される周期性のある渦流によって前方に移動しようとしている魚群の抗力を減少させるとしている。
【００２２】
特にＸ字形ネットワーク構造の位置関係は、渦の周期性を維持しなら、そのエネルギーを増大させている。よって、複数の交差溝によって形成されるＸ字形ネットワーク構造は、この様な自然現象からも有用であると思われる。
次に、図４を用いて、Ｘ字形ネットワーク構造の流れにおけるフリップフロップ現象について説明する。Ｓｔｅｐ１では、Ｘ字形ネットワーク構造の右上に起泡（１４）が発生し渦が起き始めていることを示している。Ｓｔｅｐ２は、Ｓｔｅｐ１から０．３秒経過したものであり、その気泡は大きくなり、渦が増大する。Ｓｔｅｐ３はＳｔｅｐ２より、さらに０．３秒経過したものであり、この渦は剥離し後方に流れ去ると同時に、Ｘ字形ネットワーク構造の右下に渦（１５）の発生が観測された。Ｓｔｅｐ４では、この渦が増大し、Ｓｔｅｐ５では、その渦が剥離をする。
【００２３】
このように、周期的に渦の剥離が起こり、後流噴出口において噴流を上下に振動させるフリップフロップ現象を起こす。
また、この複数の交差溝により形成されるネットワーク溝内の流れでは、ネットワーク端末に現れる噴流の周期振動現象だけではなく、流体の吹き出し間の相互作用が色々な形で現れる。例えば、ラム効果の発現（薄い固体表面に生ずる超音波振動）、流れの衝突による剪断層の振動現象、剥離渦による吸引特性、コアンダ効果等が挙げられる。
【００２４】
以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明について説明する。
【００２５】
【実施例】
実際にこの発明のスリット流体噴流の安定装置を用いて、スリット流体噴流を形成し、そのスリット流体噴流の観察を行った。
その装置は幅１ｍ、溝の角度１５度、溝幅２ｍｍ、深さ１ｍｍ、Ｘ字形ネットワーク構造とＸ字形ネットワーク構造のついてない面とのクリアランスは０．５ｍｍとした。
【００２６】
水を０．５ｍ／ｓの流速でスリットから噴出させたところ、１０００ｍｍにわたって破断のない安定した水膜を形成した。さらには、その水膜厚さは下流においても上流とほぼ同じ厚みであった。このときの水量は３０リットル／分であった。
一方、ネットワーク構造のない通常のスリット流体噴流で流量を同じくして実験を行ったところ、破断が２０ｍｍ近傍で起こると共に、下流に行くに従って水膜の厚みが極端に厚くなった。通常のスリット流体噴流で安定した液膜を１０００ｍｍ下流まで持続させるには２００リットル／分の水が必要であった。
【００２７】
空気を使用し５ｍ／ｓの流速で水と同じ実験を行った。アルゴンレーザーシートを用いて可視化した。通常のスリット流体噴流では１５ｍｍ下流で破断現象が起き、この発明から噴出したスリット流体噴流では、６５０ｍｍ下流まで安定した空気膜の形成がみられた。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この出願の発明により、噴出口からスリット流体噴流が破断することなく、長距離にわたって安定した流体膜が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を示した概略図である。
【図２】この発明の流れの構造を示した平面図である。
【図３】この発明の流れの構造を示した平面図である。
【図４】この発明の基本的な概念であるフリップフロップ現象を示した概略図である。
【符号の説明】
１０  平板
１１  交差溝
１２  バッファー領域
１３  流体供給管
１４  気泡
１５  渦
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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