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粒体噴流化式身体洗浄・入浴介護装置の開発−洗浄槽内流体シミュレーション解析−

平成 1 3 年 2 月 2 8 日

知能機械システム工学科

学籍番号 1 0 1 0 2 1 9

水口拓也

指導教授

横川明

38 枚

目次頁

１．緒言
２．装置の概要

1 頁
2 頁

３．解析及び計算
３．１ 解析の順序
３．２ 数値計算
３．３ 解析装置

２頁

４．解析結果及び考察

３頁

５．結言

４頁

謝辞
参考文献

1.

緒言
今日における社会問題になっている高齢者の介護。年々高齢化が進むにつれ、介護者の人手が不足し、介護労力は大きなものとなっている。中でも入浴介護は大きな労力を必要としている。
この装置は、下から送られた空気によって浴槽底部にある粒体を吹き上げ、粒体と皮膚との摩擦により身体を洗浄するもので、これにより従来の入浴介護の労力を削減させる事が可能で、企業との共同で装置の開発を行なっている。
これまでに、著者らは、洗浄に使用する粒体の選定や感応評価実験、洗浄評価実験などを様々な実験を行なってきた。そして現在、老人ホームにてモニターを実施する為の試作機を製作している。
それに伴い、著者は、現在製作中である洗浄装置の洗浄槽内における空気の流れの様子を見る事、及びこの装置に使用する送風機の選定を行う為、3 次元流体解析ソフトを用いたシミュレーション解析を行なった。
記号
Ui：時間的に変動する速度（m/s）

Uj：時間的に変動する速度（m/s）

Ｕi ：時間平均の速度（m/s）

Ｕ ：時間平均の速度（m/s）

u i：変動分の速度（m/s）

u j：変動分の速度

（m/s）

j

x i：位置座標（m）x j：位置座標（m）（kg/m3）

ρ：空気の密度μ：空気の粘性係数（kg/m・s）

P：圧力（N/m2）

ν：動粘性係数（m2/s）

k：乱れエネルギー（m2/s2）

σk：係数 （＝1.0）（m2/s3）ε：散逸率σε：係数 （＝1.3）
μt ：乱流粘性係数
Ｃμ：係数 （＝0.09）
C1：係数 （＝1.44）
C2：係数 （＝1.92）

C1、C2、Ｃμ、σk、σεの係数については、格子乱流やチャンネル乱流などの基礎実験データをもとに推奨されている値を用いた。

−1−

2.

装置の概要
装置の概略図を図１に示す。この装置の空気の流れは、流入口から入り、バッファタンクから洗浄槽内に吹き上がった後、左右の排気ダクトを通って流出口から排出される。洗浄される側の人は、車椅子に座ったまま装置後部から入るようにする。
3.

解析及び計算3.1 解析の順序
解析を行なうには、初めに、洗浄装置外観部を除いた部分（x=1.937m，y=0.9m，z=1256m）のモデルを作成（図 2 参照）し、メッシュ（計算格子）を作成（図 3参照）する。そして、解析条件を以下の様に設定した。
・ 乱流解析：ｋ‐εモデル
・ 非定常解析：時間間隔 0.5 秒で 15 秒間
・ 流入条件：流速規定（20.37m/s=必要流量 60m3/ min／流入口面積）
・ 流出条件：自然流出
また、送風機選定の際、流入口と流出口の圧力損失を求める必要があるため、流入口と流出口の中心の圧力を時系列ファイルに出力するよう設定した。
その後計算を行ない、ポスト処理で解析結果を確認するという順に進めた。
3.2 数値計算
流体の運動の基礎式である、連続の式、ナビエ・ストークス方程式は∂ui=0∂xi（１）∂Ｕi∂Ｕi
1 ∂Pµ ∂ 2Ｕi+Ｕj=−+∂t∂ｘjρ ∂ｘiρ ∂ｘj ∂ｘj（２）と表される。乱流解析を行なう為、これらの時間平均を考える。速度の時間平均は以下の様にする。また、圧力についても同様にする。

Ui ≡1t1U (t)dt∫
t1 − t0 t2 i（３）U i ≡ U i + ui

（４）

よって、（１）式と（２）式に（４）式を代入する。
∂U i= 0∂xi（５）

∂U i
∂U i
∂U i
1 ∂P
1 ∂(+U j=−+µ− ρu i u j∂t∂x jρ ∂x iρ ∂x j∂x j)（６）

ここで、ナビエ・ストークス方程式に未知数の項 − ρu u が生じる。これをレイノルズ応i−2−j力という。方程式を閉じる為、
 ∂U∂U− ρu u = µ +∂x ∂xjiijtj

 2 − ρk δ 3


iji（７）と仮定する。δij はクロネッカーのδである。
μt は乱流粘性係数といい、乱流運動の特性長さと特性速度によって決まる値で、ｋ−εモデルを使用し求める。乱流粘性係数はµt =C µ ρκ2（８）εで与えられる。乱れエネルギーｋは、

k =(1 2u + u22 + u322 1)（９）と定義され、輸送方程式は、
ρU i∂k∂  µt ∂k ∂U i=− ρu iu j− ρε∂xi∂x i  σk ∂x i ∂x j（１０）となる。これは一部の項を簡略化したものの最終形で、散逸率εの輸送方程式についても、ｋと同様にして得る。εの定義は、∂ui ∂ui∂xl ∂x lε = ν（１１）で与えられる。輸送方程式の最終形は、
ρU i∂ε∂  µt ∂ε ε∂U iε2=− C1 ρu iu j− C2 ρ∂x i∂x i  σ ε ∂x i k∂x jk（１２）となる。

ここで、式中のサフィクス i，j（=1，2，3）は（x，y，z）座標に対応しており、アインシュタインの総和規約を適用する。すなわち、i，j が 1 つの項で重なっているときは、その 1 から 3 まで順に展開して和をとることにする。
解析には、（５）、（６）、（１０）、（１２）の４式を連立させ、有限体積法を用いて離散化して、数値計算より解いた。
3.3 解析装置
本解析には、ソフトウェア

クレイドル社の 3 次元熱流体解析ソフト STREAM を使用した。また計算は、PentiumⅢ550MHz、主記憶 512MB で OS が WindowsNT4.0 のマシンで行なった。尚、計算に要した時間は、約 126 時間であった。
4.解析結果及び考察
図４に x=1.595m 断面の速度ベクトル図を示す。この断面は排気ダクトの開口部の半分の長さの位置にあたるものである。吹き始めの流れは左側に偏っていたのが、時間が経過するにつれ、右側に傾いていく様子が見られる。そして、6.0 秒後、10.5 秒後、14.5 秒後あたりから、左側へ流れが傾いている様子が見られる。これは、浴槽内部に発生した渦が−3−不安定な為、その大きさの変化により流れが変わるものと考えられる。
また、図５に時間毎の流入口と流出口の圧力損失のグラフを示す。縦軸に圧力、横軸に時間を示す。グラフより、3 秒以降の圧力損失は、1.21〜1.24kPa あたりで安定していると考えられる。よって、流入口と流出口の圧力損失は約 1.2kPa であるといえる。
5.結論
解析結果から、洗浄槽内の空気の流れは、左右にスイングしているといえる。スイングすることについては、洗浄効果の点で良いということは確認されている為、特に問題はないとするが、スイングすることについてのはっきりとした原因は解っていないので、今後の課題とし、検討していく。
この装置に使用する送風機については、流量 60m3/min、圧力 6.4kPa のものを使用する。
謝辞
この研究を進めるにあたり、高知工科大学知能機械システム工学科教授

横川明氏に終始ご指導、ご協力いただいた。また、兼松エンジニアリング㈱の方々には、洗浄装置の提供、研究のご指導、ご協力いただきいた。ソフトウェア

クレイドル社の方々には、流体解析ソフトを使用するにあたり、ご助言を頂いた。同研究室

園山司君、中西良太君には、研究に協力を得た。光森琢磨君、山崎敬一君、高知県工業技術センタ−の本川高男氏には、基本実験で噴流のスイングによる洗浄効果を確認して頂いた。本大学 2 回生

坂本顕史君には、解析を行うにあたりご助力頂いた。本研究の終わりにのぞみ上記の諸氏に心から感謝の意を表する。
参考文献
荒川忠一，数値流体力学，東京大学出版会，（1997），95−100

−4−

1081

1205.8
155°

75°
2287
39.4

1365
図１

洗浄装置概略図−5−284

図2

洗浄槽モデル−6−

図3

洗浄槽モデル（メッシュ作成）−7−（要素数 2 3 2 8 0 0 0 ）図４−１

速度ベクトル図−8−（0 . 5 秒後）

図４−２

速度ベクトル図−9−（1 . 0 秒後）図４−３速度ベクトル図−10−（1 . 5 秒後）

図４−４速度ベクトル図−11−（2 . 0 秒後）

図４−５速度ベクトル図−12−（2 . 5 秒後）

図４−６速度ベクトル図−13−（3 . 0 秒後）

図４−７速度ベクトル図−14−（3 . 5 秒後）

図４−８速度ベクトル図−15−（4 . 0 秒後）

図４−９速度ベクトル図−16−（4 . 5 秒後）

図４−１０速度ベクトル図−17−（5 . 0 秒後）

図４−１１速度ベクトル図−18−（5 . 5 秒後）

図４−１２速度ベクトル図−19−（6 . 0 秒後）

図４−１３速度ベクトル図−20−（6 . 5 秒後）

図４−１４速度ベクトル図−21−（7 . 0 秒後）

図４−１５速度ベクトル図−22−（7 . 5 秒後）

図４−１６速度ベクトル図−23−（8 . 0 秒後）

図４−１７速度ベクトル図−24−（8 . 5 秒後）

図４−１８速度ベクトル図−25−（9 . 0 秒後）

図４−１９速度ベクトル図−26−（9 . 5 秒後）

図４−２０速度ベクトル図−27−（1 0 . 0 秒後）

図４−２１速度ベクトル図−28−（1 0 . 5 秒後）

図４−２２速度ベクトル図−29−（1 1 . 0 秒後）

図４−２３速度ベクトル図−30−（1 1 . 5 秒後）

図４−２４速度ベクトル図−31−（1 2 . 0 秒後）

図４−２５速度ベクトル図−32−（1 2 . 5 秒後）

図４−２６速度ベクトル図−33−（1 3 . 0 秒後）

図４−２７速度ベクトル図−34−（1 3 . 5 秒後）

図４−２８速度ベクトル図−35−（1 4 . 0 秒後）

図４−２９速度ベクトル図−36−（1 4 . 5 秒後）

図４−３０速度ベクトル図−37−（1 5 . 0 秒後）

圧力損失（kPa）

時間の経過による圧力損失の変化
1.45E+03
1.40E+03
1.35E+03
1.30E+03
1.25E+03
1.20E+03 0.5

369

時間 （ｓ）
図５

流入口と流出口の圧力損失−38−1215