JP2013215548A - 液体循環装置および医療機器 - Google Patents

Abstract

【課題】液体循環装置において循環効率を安定して確保することのできる技術を提供する。
【解決手段】液体を大気と非接触で循環させる液体循環装置であって、容積変更手段によって容積が変化するポンプ室と、該ポンプ室への液体の流入路である入口流路ポンプ室から入口流路へ向かう液体の流れを抑制または抑止する液体抵抗要素と、ポンプ室からの液体の流出口である出口流路と、出口流路から入口流路へ液体が循環する長さＬの循環流路と、容積変更手段の非動作時に、体積Ｖｂの液体を収容するとともに、容積変更手段の動作時に、収容している液体を循環している液体の一部として供給する圧力調整機構とを備え、循環流路のコンプライアンスをＣｓとし、出口流路から長さｘの位置の循環流路における容積変更手段の動作時の液体の圧力をＰ（ｘ）とした場合に、体積Ｖｂは、所定の関係を満たす。
【選択図】図５

Description

本発明は、液体循環装置に関するものである。

従来、物体の温度を調整するための技術として、液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）。この技術は、温度を調整しようとする対象（以下、温度調整対象とも記載する）に、液体が循環する循環流路を接触させ、循環する液体の温度によって、温度調整対象の温度を調整する。しかし、従来の液体循環装置は、動作時の循環流路の内部の圧力を考慮して構成されていないため、動作条件によっては、例えば流路断面積が小さくなり、液体の循環効率が低下するとの問題が指摘されていた。

特開平８−２４２４６３号公報

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、循環効率を安定して確保することを目的とする。

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］
適用例１として、液体を大気と非接触で循環させる液体循環装置であって、容積変更手段によって容積が変化するポンプ室と、該ポンプ室への液体の流入路である入口流路と、前記ポンプ室から前記入口流路へ向かう前記液体の流れを抑制または抑止する液体抵抗要素と、前記ポンプ室からの液体の流出口である出口流路と、前記出口流路から前記入口流路へ前記液体が循環する長さＬの循環流路と、前記容積変更手段の非動作時に、体積Ｖｂの前記液体を収容するとともに、前記容積変更手段の動作時に、前記収容している前記液体を前記循環している液体の一部として供給する圧力調整機構とを備え、前記循環流路のコンプライアンスをＣｓとし、前記出口流路から長さｘの位置の前記循環流路における前記容積変更手段の動作時の前記液体の圧力をＰ（ｘ）とした場合に、前記体積Ｖｂは、式（３）の関係を満たすことを要旨としている。

この液体循環装置によると、容積変更手段の動作時に、圧力調整機構が、収容している体積Ｖｂの液体を、循環流路を循環する液体の一部として供給する。従って、容積変更手段の動作時の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。また、γを１以上に設定して圧力調整機構に体積Ｖｂの液体を収容した場合には、容積変更手段の動作時の循環流路の内部の圧力Ｐ（ｘ）の値が、容積変更手段の非動作時の循環流路の内部の圧力以下になることを抑制することができる。従って、循環効率を安定して確保することができる。

［適用例２］
適用例１に記載の液体循環装置において、前記出口流路から前記循環流路へ流出する前記液体の圧力をＰｓとした場合に前記体積Ｖｂは、式（４）の関係を満たすものとしてもよい。

この液体循環装置によると、容積変更手段の動作時に、圧力調整機構が、収容している体積Ｖｂの液体を、循環流路を循環する液体の一部として供給する。従って、容積変更手段の動作時の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。特にγを１以上に設定し圧力調整機構に体積Ｖｂの液体を収容すれば、容積変更手段の動作時の循環流路の内部の圧力を、容積変更手段の非動作時の循環流路の内部の圧力以下になることをより確実に抑制することができる。

［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の液体循環装置において、前記圧力調整機構は、前記供給に用いる前記液体を収容する液体収容室を含み、前記内部に収容されている前記液体の量に応じて変形可能としてもよい。
この液体循環装置によると、圧力調整機構として、内部に収容されている液体の量に応じて変形可能な液体収容室を用いるので、内部に収容される液体の量が変化しても、内部の圧力を所定の範囲に保つことができる。

［適用例４］
適用例３に記載の液体循環装置において、前記液体収容室は、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としてもよい。
この液体循環装置によると、圧力調整機構としてパックを用いるので、容易に液体を供給可能な構成とすることができる。

［適用例５］
適用例４に記載の液体循環装置において、前記液体収容室は、前記液体循環装置から着脱可能であるとしてもよい。
この液体循環装置によると、液体収容室は脱着可能なので、液体収容室のみを取り替えることができる。

［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液体循環装置において、前記圧力調整機構は、前記循環流路から分岐した分岐流路を含むものとしてもよい。
この液体循環装置によると、圧力調整機構として分岐流路を用いるので、容易に液体を供給可能とすることができる。

［適用例７］
適用例６に記載の液体循環装置において、前記分岐流路の内部には、前記収容された前記液体を封止するとともに、前記分岐流路内の前記液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ものとすることができる。
この液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。封止材は分岐流路内の液体の圧力と大気圧との圧力差に応じて移動するため、内部の圧力を所定の範囲に保つことができる。

［適用例８］
適用例７に記載の液体循環装置において、前記液体は、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としてもよい。
この液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。

［適用例９］
適用例１から適用例８のいずれかに記載の液体循環装置において、前記容積変更手段は、電圧の変化によって動作する動作素子を用いるとしてもよい。
この液体噴射装置によると、ポンプ室の容積変化を電気的に制御することができる。

［適用例１０］
また、適用例１から適用例９のいずれか一項に記載の液体循環装置を用いた医療機器としてもよい。
この医療機器によると、安定した循環効率を確保する液体循環装置を用いることができる。

［適用例１１］
また、適用例１から適用例９のいずれか一項に記載の液体循環装置を用いた液体噴射装置としてもよい。
この液体噴射装置によると、安定した循環効率を確保する液体循環装置を用いることができる。

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、液体循環方法および装置、その他、液体循環システム、温度調整装置などの形態で実現することができる。

液体噴射システムの概略構成を示す説明図である。 液体循環装置の構成を概略的に示す模式図である。 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。 フィルムパックの構成を示す説明図である。 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。 分岐流路の構成を説明する説明図である。 変形例６を説明する説明図である。

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液体噴射システム１０の概略構成を示す説明図である。液体噴射システム１０は、液体噴射装置２０と、液体噴射装置２０を冷却する液体循環装置１００とを備えている。液体噴射装置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、本実施例の液体噴射装置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。

液体噴射装置２０は、ジェット水流を噴射する脈動発生部３０と、水を収容する液体容器４０と、液体容器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、液体容器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。

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液体室３２と、液体室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３４と、液体室３２に連通し、圧電アクチュエータ３４によって脈動を与えられた水が通過する液体噴射管３６と、圧電アクチュエータ３４を内部に収容する下ケース３８と、液体室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。

圧電アクチュエータ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、液体室３２の容積を変化させる。液体室３２の容積が小さくなると、液体室３２に貯留された水は、液体噴射管３６を通って、ジェット水流として外部に噴射される。また、液体室３２の容積を変化させる別の手段としては、ピストンを駆動してピストンの変位によって液体室３２の容積を変更しても良い。

液体循環装置１００は、液体噴射装置２０の圧電アクチュエータ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。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３４に巻き付けられている。このため、圧電アクチュエータ３４に生じた熱は、液体流路１９０の内部を循環する液体（循環液体）に伝わり、圧電アクチュエータ３４は冷却される。温度が上昇した循環液体は、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液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、循環液体は液体である。液体循環装置１００においては液体として水や油など様々な液体を採用できる。例えば、揮発性の低い、特定の粘度を持ったシリコーンオイルを液体循環装置１００に採用すれば、循環液体が蒸発しにくくなり、長期使用が可能な液体循環装置１００を提供できる。

図２は、液体循環装置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、液体循環装置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、循環液体が外部（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、循環液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、循環液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液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。

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。

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。

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。

液室１４６は、一端が流路ケース１４０の上面側（圧電素子ケース１１２と向かい合う側とは反対側）に開口するとともに、他端がポンプ室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の径が縮小している部分には、ポンプ吸入流路１４４が接続されている。液室１４６のポンプ室１３０側の端部には、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。

流路ケース１４０の上面側に形成された液室１４６の開口部には、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、循環液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。なお、本実施例では、フィルムパック１６０は、流路ケース１４０に対して着脱可能となっており、フィルムパックの交換、フィルムパック内の気泡の排除、液体の補充が容易となっている。尚、循環液体によっては、フィルムはガスバリア性と耐熱性とを備える必要はなく、フィルムの材質は適宜選択される。また、本実施例においては、フィルムパック１６０は流路ケース１４０に対して着脱可能としたが、フィルムパック１６０が流路ケース１４０と一体として形成されているものとしてもよい。

以上のように構成された液体循環装置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。

（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記載する。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。停止状態においては、ポンプ室１３０、フィルムパック１６０および液体流路１９０の内部の圧力は、ほぼ大気圧である。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とも記載する）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。

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。

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、本実施例の液体循環装置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から押出されて循環ポンプ１１０へ戻ってきた液体は、ポンプ吸入流路１４４を通ってフィルムパック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、液体流路１９０から戻った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と連通する液室１４６内の圧力が高まることが抑制される。

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意味する。

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、液室１４６や逆止弁１４８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、フィルムパック１６０と連通しており、フィルムパック１６０内の液体が滞ることなくポンプ室１３０に流入するので、液室１４６内は、負圧になりにくい。

このようにして容積が回復したポンプ室１３０が液室１４６からの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、液体循環装置１００は、液体流路１９０内の液体を循環させる。

（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。

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。

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容易に変形可能であるので、内部の液体の圧力を所定の範囲に保つことができる。

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。フィルムパック１６０変形が容易であるため、循環ポンプ１１０を覆うケースがあったとしても、ケース内で変形することができる。その結果、ケースの形状に制約されにくいため、循環ポンプ１１０を覆うケースを小型にすることができる。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、経済的である。さらに、フィルムパック１６０は液室１４６と着脱可能であるため、フィルムパック１６０を交換することが容易であって、経済的である。

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の一部または全て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。

（Ａ４）圧力調整液体ＢＦ：
次に、圧力調整液体ＢＦについて説明する。圧力調整液体ＢＦ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、循環する液体の一部としてフィルムパック１６０から液室１４６に供給される。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、内部圧力とも記載する）を大気圧以上に保つことを言う。液体流路１９０内部圧力が圧力調整液体ＢＦ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、圧力調整液体ＢＦによって、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。

圧力調整液体ＢＦが液室１４６に供給されることによって、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５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。

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液体循環装置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、ポンプ吸入流路１４４と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５においては、流路終点Ｅとポンプ吸入流路１４４とは分離したように示しているが、実際の液体循環装置１００においては、流路終点Ｅとポンプ吸入流路１４４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。

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。

図５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５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。

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（５）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。

図５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５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５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。

ここで、内部圧力が、均一に大気圧である状態（循環ポンプ１１０の停止状態）から、図５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（６）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。

従って、液体流路１９０全体（長さＬ）における容積変化量をΔＶｓとすると、ΔＶｓは下記式（７）として表される。

さらに、液体流路１９０のコンプライアンスをＣｓとすると、コンプライアンスＣｓは、液体流路１９０に均一に内部圧力がかかったときの、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（８）の関係が成立するので、式（７）は下記式（９）のように表すことができる。

また、内部圧力Ｐ（ｘ）として式（５）を適用すると、式（９）は、下記式（１０）のように表わされる。

すなわち、停止状態に比べて、さらにΔＶｓ（＝１／２・Ｃｓ・Ｐｓ）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、フィルムパック１６０に予め収容している圧力調整液体ＢＦを、液体流路１９０の容積変化量ΔＶｓに対応する液体に用いる。具体的には、循環ポンプ１１０の停止状態において、フィルムパック１６０に圧力調整液体ＢＦを収容しておき、循環ポンプ１１０の動作状態において、圧力調整液体ＢＦを、液室１４６に供給する。

循環ポンプ１１０の停止状態においてフィルムパック１６０に収容する圧力調整液体ＢＦの体積Ｖｂとして、下記の式（１１）を満たす値を適用する。なお、式（１１）において、γは係数である。「γ≧０．８」としているのは、フィルムパック１６０に収容する圧力調整液体ＢＦの体積Ｖｂが、液体流路１９０の容積変化量ΔＶｓよりわずかに小さい場合であっても、循環ポンプ１１０が動作することを考慮したものである。

フィルムパック１６０に収容された体積Ｖｂの圧力調整液体ＢＦは、循環ポンプ１１０が動作を開始すると、フィルムパック１６０にかかる大気圧によって、自動的にポンプ室１３０内に供給される。具体的には以下の原理による。

循環ポンプ１１０の動作が開始されると、液体流路１９０の内部圧力に圧力勾配が生じる。内部圧力の圧力勾配は、液体流路１９０を変形させる。その際、液体流路１９０における流路始点Ｓの内部圧力（Ｐｏｕｔ）は、循環ポンプ１１０によるΔＰｓの加圧によって高くなる方向に移動する。その結果、流路始点Ｓ近傍の液体流路１９０は膨張する。液体流路１９０の流路始点Ｓが膨張すると、膨張した体積分を液体が補う方向に働くため、流路終点Ｅ近傍の液体の体積は少なくなり、流路終点Ｅ近傍の内部圧力は低くなる方向に移動する。その際、流路終点Ｅの近傍とフィルムパック１６０内の圧力差により、圧力調整液体ＢＦがフィルムパック１６０から液室１４６に供給される。そして、供給された体積Ｖｂの圧力調整液体ＢＦによって、液体流路１９０の容積変化量ΔＶｓが補われ、液体流路１９０の内部圧力は適切な状態に保たれる。また、フィルムパック１６０に収容する圧力調整液体ＢＦの体積Ｖｂが不足すると、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、液体流路１９０の容積変化量ΔＶｓよりわずかに小さい範囲（０．８≦γ＜１）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。

以上説明したように、液体循環装置１００は、循環ポンプ１１０の停止状態において、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。そして、循環ポンプ１１０が動作した際に、フィルムパック１６０から圧力調整液体ＢＦが液室１４６に供給され、圧力調整液体ＢＦが液体流路１９０の容積変化量ΔＶｓを補う。従って、循環ポンプ１１０の動作時において、圧力調整液体ＢＦは液体流路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。結果的に、液体循環装置１００は、液体流路１９０における液体の流路断面積は十分に確保され、循環効率の低下を防止することができる。また、フィルムパック１６０に収容されている圧力調整液体ＢＦは、流路終点Ｅ近傍の内部圧力とフィルムパック１６０にかかる大気圧との圧力差によって、自動的に液室１４６に供給されるので、別途、圧力センサー等を用いて圧力調整液体ＢＦの供給を制御することを必要としない。

また、仮に、液体循環装置１００がフィルムパック１６０を備えない場合には、動作状態で内部圧力を適切な状態を保つために、循環ポンプ１１０の停止状態において液体流路１９０に体積Ｖｂの液体を追加的に補充し、停止状態において内部圧力が大気圧以上になるようにしておく方が良い。この場合、液体流路１９０は通常の形状より膨張した状態を停止状態における定常状態とすることになり、液体流路１９０に負荷が加えられた状態となるため、液体流路１９０全体（特に流路終点Ｅ近傍）の耐久性が低下する。本実施例における液体循環装置１００は、循環ポンプ１１０の停止状態においては、圧力調整液体ＢＦをフィルムパック１６０に収容しているので、循環ポンプ１１０の停止状態において液体流路１９０に内部圧力を大気圧で保つことができ、内部圧力による不要な負荷を液体流路１９０に加えることを回避することができるので、特に流路終点Ｅ近傍の耐久性が向
上する。

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、液体循環装置として、液体循環装置１００に代えて液体循環装置２００を用いる。第１実施例における液体循環装置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実施例における液体循環装置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。

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、液体流路１９０におけるポンプ吸入流路１４４に近い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とも記載する。

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。

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、高粘度ゲル状液体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、液体循環装置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。

可動部２１６の構成要素である高粘度ゲル状液体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。高粘度ゲル状液体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。高粘度ゲル状液体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。

また、高粘度ゲル状液体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液体２１４を使用する場合において、高粘度ゲル状液体２１４の気体透過性が高い場合や、乾燥しやすい場合には、高粘度ゲル状液体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。

第２液体Ｌｑ２は、高粘度ゲル状液体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。可動部２１６が上記構成を有することにより、第１液体Ｌｑ１は、直接大気に接触しない。

上記説明した構成の液体循環装置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近傍の圧力は低くなる方向に移動する。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、液体流路１９０の内部圧力は大気圧以上を維持し、循環ポンプ１１０は内部圧力を適切な状態にして動作することができる。

以上説明したように、液体循環装置２００は、圧力調整液体ＢＦとしての第１液体Ｌｑ１を収納する分岐流路２１０を備えるので、第１実施例と同様に、循環ポンプ１１０の動作状態において、液体流路１９０の内部圧力を大気圧よりも大きく低下することを抑制し、適切な状態で動作することができる。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。

また、液体循環装置２００は、センサー２３０を備えるので、循環ポンプ１１０が停止状態から動作状態に変化したときの、可動部２１６の移動量を測定することができる。そして、測定した可動部２１６の移動量に基づいて、第１液体Ｌｑ１が圧力調整液体ＢＦとして液体流路１９０に供給された量を取得することができる。圧力調整液体ＢＦの供給量は液体流路１９０の容積変化量に等しいことから、結果として、動作状態における液体流路１９０の内部圧力の状態をリアルタイムに取得することができる。

Ｃ．変形例：
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：
上記実施例では、液体循環装置１００は、液体噴射装置２０（ウォータージェットメス）の圧電アクチュエータ３４を冷却するために利用されている。しかし、液体循環装置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、液体循環装置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く、薬液を生体に噴射する噴射装置でも良い。また、液体循環装置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、上記液体循環装置１００に、別途、循環液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、液体循環装置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。

（Ｃ２）変形例２：
上記実施例においては、液体循環装置１００を循環する液体として液体、特に水を採用したが、それに限ることなく、種々の液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、水の他に、油を用いるとしてもよく、熱交換可能であれば水や油に限定されない。

（Ｃ３）変形例３：
上記実施例においては、液体収容室として、フィルムパックを採用したが、それに限ることなく、例えば、ダイアフラムを有する筐体からなる液体収容室を採用するとしてもよい。その他、弾性の袋状のゴムパックや、ベローズなど、収容される液体の量に応じて変形可能な液体収容室を採用するとしてもよい。このような液体収容室を採用しても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

（Ｃ４）変形例４：
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。

（Ｃ５）変形例５：
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、静電アクチュエータ、誘電型ポリアクチュエータ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。

（Ｃ６）変形例６：
上記実施例においては、上記実施例においては、液体抵抗要素として逆止弁１４８を採用したが、それに限らず、種々の液体抵抗要素を採用することができる。図７は、採用可能な液体抵抗要素を示した説明図である。図示した液体抵抗要素（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。液体抵抗要素（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。液体抵抗要素（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。液体抵抗要素（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、液体抵抗要素（Ｂ）、および液体抵抗要素（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。

１０…液体噴射システム
２０…液体噴射装置
３０…脈動発生部
３２…液体室
３４…圧電アクチュエータ
３６…液体噴射管
３８…下ケース
３９…上ケース
４０…液体容器
４２…供給ポンプ
４４…接続チューブ
４６…接続チューブ
１００…液体循環装置
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
２００…液体循環装置
２１０…分岐流路
２１４…高粘度ゲル状液体
２１６…可動部
２１８…通気孔
２３０…センサー
Ｓ…流路始点
Ｅ…流路終点
ＢＦ…圧力調整液体
Ｐｏｕｔ…始点Ｓの内部圧力
Ｐｉｎ…終点Ｅの内部圧力
Ｌｑ１…第１の液体
Ｌｑ２…第２の液体

Claims (11)

1. 液体を大気と非接触で循環させる液体循環装置であって、
   容積変更手段によって容積が変化するポンプ室と、
   該ポンプ室への液体の流入路である入口流路と、
   前記ポンプ室から前記入口流路へ向かう前記液体の流れを抑制または抑止する液体抵抗要素と、
   前記ポンプ室からの液体の流出口である出口流路と、
   前記出口流路から前記入口流路へ前記液体が循環する長さＬの循環流路と、
   前記容積変更手段の非動作時に、体積Ｖｂの前記液体を収容するとともに、前記容積変更手段の動作時に、前記収容している前記液体を前記循環している液体の一部として供給する圧力調整機構と
   を備え、
   前記循環流路のコンプライアンスをＣｓとし、
   前記出口流路から長さｘの位置の前記循環流路における前記容積変更手段の動作時の前記液体の圧力をＰ（ｘ）とした場合に、
   前記体積Ｖｂは、式（１）の関係を満たす
   液体循環装置。
   

   
2. 請求項１に記載の液体循環装置であって、
   前記出口流路から前記循環流路へ流入する前記液体の圧力をＰｓとした場合に
   前記体積Ｖｂは、式（２）の関係を満たす
   液体循環装置。
   

   
3. 請求項１または請求項２に記載の液体循環装置であって、
   前記圧力調整機構は、前記供給に用いる前記液体を収容する液体収容室を含み、前記内部に収容されている前記液体の量に応じて変形可能である
   液体循環装置。
4. 請求項３に記載の液体循環装置であって、
   前記液体収容室は、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
   液体循環装置。
5. 請求項４に記載の液体循環装置であって、
   前記液体収容室は、前記液体循環装置から着脱可能である液体循環装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液体循環装置であって、
   前記圧力調整機構は、前記循環流路から分岐した分岐流路を含む
   液体循環装置。
7. 請求項６に記載の液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液体を封止するとともに、前記分岐流路内の前記液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
   液体循環装置。
8. 請求項７に記載の液体循環装置であって、
   前記液体は、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
   液体循環装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の液体循環装置であって、
   前記容積変更手段は、電圧の変化によって動作する動作素子を用いることを特徴とする
   液体循環装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の液体循環装置を用いた医療機器。
11. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の液体循環装置を用いた液体噴射装置。

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