JP2017020380A - 流体輸送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、流体輸送装置に関し、輸送対象の流体が流れる管の内壁が流路の径方向に拡大および縮小するという態様にて進行波状の変形を当該内壁に対して適切に与えることを目的とする。
【解決手段】伸縮性を有するチューブ１４ａを螺旋状に巻き回して形成され、輸送対象流体が内部を流れる螺旋管１４を備える。そして、チューブ１４ａの内部の作動流体を媒質として、チューブ１４ａの流路断面積を変化させる圧力波を発生させるスピーカ２２を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、管を利用して流体を輸送する流体輸送装置に関する。

特許文献１には、流体の中を進行する移動体に生じる摩擦抵抗を低減させる摩擦抵抗低減装置が開示されている。この摩擦抵抗低減装置は、移動体外壁に対して、移動体の進行方向に沿う進行波を発生させるように構成されている。このように発生させられた進行波によれば、移動体外壁の表面と流体との間に発生する乱流に対して規則的な振動（進行波状の壁面変形）を与えることができ、その結果として、流体摩擦抵抗を低減することができる。

また、非特許文献１には、流体が流れる流体輸送管の内壁に対して流路の長さ方向に進む進行波状の変形を与えることにより、流体輸送管の摩擦抵抗（乱流摩擦抵抗）の低減が可能となることが開示されている。

特開２０１１−１８５４０９号公報 特許第５１０５２９２号公報

深潟 康二、"進行波状壁面入力による乱流摩擦抵抗低減"、第６０回理論応用力学講演会（平成２３年３月）

流体を輸送する管の摩擦抵抗の低減のために、進行波状の変形を当該管の内壁に適用する場合には、この管の内壁が流路の径方向に拡大および縮小するという態様にて当該内壁に対して流路の長さ方向に進む進行波状の変形を与えることが必要とされる。現実的には、このような態様での進行波状の変形を上記管の内壁に対して適切に与えられる構成をどのように実現できるかが問題となる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、輸送対象の流体が流れる管の内壁が流路の径方向に拡大および縮小するという態様にて進行波状の変形を当該内壁に対して適切に与えることができる流体輸送装置を提供することを目的とする。

本発明に係る流体輸送装置は、螺旋管と、第１の圧力波発生機と、を備える。螺旋管は、伸縮性を有するチューブを螺旋状に巻き回して形成されるとともに、輸送対象流体が内部を流れるように構成されている。第１の圧力波発生機は、前記チューブの内部の作動流体を媒質として、前記チューブの軸方向に垂直な当該チューブの断面の面積である前記チューブの流路断面積を変化させる圧力波を発生させるように構成されている。

前記螺旋管は、前記チューブ内を伝播する圧力波の進行方向の前方側の部位であって当該圧力波を減衰させる圧力波減衰部を含むことが好ましい。

前記螺旋管は、前記圧力波減衰部における前記チューブの流路断面積が前記圧力波減衰部以外の部位における前記チューブの流路断面積よりも大きくなるように構成されていてもよい。

前記圧力波減衰部における前記チューブの内部には、吸音材が封入されていてもよい。

前記螺旋管は、前記圧力波減衰部が前記圧力波減衰部以外の部位と比べて軟質な材質で構成されていてもよい。

前記圧力波減衰部における前記チューブの内壁は、多孔質の素材で構成されていてもよい。

前記圧力波減衰部では、螺旋状に巻き回されていることで隣り合う前記チューブの内部通路間を隔てるチューブ壁のうちの一部が切り欠かれていてもよい。

前記流体輸送装置は、前記チューブ内を伝播する圧力波の進行方向の前方側における前記チューブの端部に接続され、前記端部に到達する圧力波に対して逆位相の圧力波を発生させる第２の圧力波発生機をさらに備えるものであってもよい。

前記流体輸送装置は、前記チューブよりも硬質の素材を用いて前記螺旋管を覆うように形成された外管をさらに備えるものであってもよい。

前記チューブ内を圧力波が伝播することにより前記螺旋管の内壁に生成されて前記輸送対象流体の流れ方向に進む進行波の振幅ａは、次の（１）式の関係を満たすことが好ましい。

ただし、上記（１）式において、係数αは３≦α≦１０であり、νは前記輸送対象流体の動粘度であり、ｕ_τは壁面摩擦速度である。

前記チューブ内を圧力波が伝播することにより前記螺旋管の内壁に生成されて前記輸送対象流体の流れ方向に進む進行波の波長λは、次の（２）式の関係を満たすことが好ましい。

ただし、上記（２）式において、係数βは２３５≦β≦４７１であり、νは前記輸送対象流体の動粘度であり、ｕ_τは壁面摩擦速度である。

前記チューブ内を圧力波が伝播することにより前記螺旋管の内壁に生成されて前記輸送対象流体の流れ方向に進む進行波の位相速度ｃは、次の（３）式の関係を満たすことが好ましい。

ただし、上記（３）式において、係数γは２／３≦γ≦１であり、Ｕ_lamは螺旋管の内部を流れる前記輸送対象流体の流速である。

本発明によれば、伸縮性を有するチューブを螺旋状に巻き回して形成された螺旋管のチューブ内に第１の圧力波発生機を用いて圧力波を発生させることにより、チューブ内を螺旋状に伝播していく圧力波を生成することができる。その結果、輸送対象の流体が内部を流れる螺旋管の内壁が流路の径方向に拡大および縮小するという態様にて進行波状の変形を当該内壁に対して適切に与えることができる。

本発明の実施の形態１に係る流体輸送装置の全体構成を説明するための図（側面図（Ａ）および流体の流れ方向から見た図（Ｂ））である。 図１（Ｂ）中に示す流体輸送管の軸心を通るＡ−Ａ線で流体輸送管を切断した断面図である。 螺旋管の全体を表した斜視図である。 狙いとする進行波状の壁面変形が行われている様子（Ａ）と、適切ではない進行波状の壁面変形が行われている様子（Ｂ）とを表した図である。 流体輸送管の内壁に進行波状の変形が与えられている様子を表した図である。 好ましい進行波の特性を得られるようにするための螺旋管の各部の寸法の設定例を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において用いられる螺旋管の全体を表した斜視図である。 第１螺旋部と第２螺旋部との接続位置の近傍における各チューブの断面を示す断面図である。 本発明における圧力波減衰部の他の例を説明するための図である。 本発明における圧力波減衰部の他の例を説明するための図である。 本発明における圧力波減衰部の他の例を説明するための図である。 本発明における圧力波減衰部の他の例を説明するための図である。 圧力波の反射を抑制するために好適な構成を備えた流体輸送装置の構成例を説明するための図である。 本発明に係る他の流体輸送装置の要部の構成を説明するための断面図である。 本発明に係る他の流体輸送装置の要部の構成を説明するための断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図面において、同一または類似の構成要素には同一の符号を付している。本発明は、以下に示す実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

実施の形態１．
以下、図１〜図６を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

［実施の形態１の流体輸送装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る流体輸送装置１０の全体構成を説明するための図（側面図（Ａ）および流体輸送管１２の流体入口側から見た図（Ｂ））である。図１に示す流体輸送装置１０は、輸送対象の流体が流れる流体輸送管１２を備えている。

本実施形態の流体輸送管１２の用途は、特に限定されるものではないが、一例として、内燃機関の運転に必要な流体を輸送する管に好適に適用することができる。また、流体輸送管１２による輸送対象の流体は、気体および液体の何れであってもよいが、本実施形態では、一例として、気体が用いられているものとする。流体が気体である場合には、内燃機関であれば、流体輸送管１２は、例えば、空気を輸送する吸気管に適用することができる。

本明細書中においては、図１に示すように、流体が流体輸送管１２内を上流側から下流側に向けて移動する方向のことを、「流体の流れ方向ＦＤ」もしくは単に「流れ方向ＦＤ」と称する。流れ方向ＦＤは、流体輸送管１２の流路長さ方向に等しい。なお、流体輸送管１２のように流体輸送管が直管である場合には、「流体の流れ方向ＦＤ」は、直管の中心線と平行な方向となる。

図１（Ｂ）に示すように、本実施形態の流体輸送管１２は、螺旋管１４と、螺旋管１４を覆う外管１６とによって構成された多重管である。図２は、図１（Ｂ）中に示す流体輸送管１２の軸心を通るＡ−Ａ線で流体輸送管１２を切断した断面図である。図３は、螺旋管１４の全体を表した斜視図である。

螺旋管１４は、伸縮性を有する細長いチューブ（換言すると、中空の線状部材）１４ａを素材として、当該チューブ１４ａを螺旋状に巻き回して管状に形成されている。より具体的には、チューブ１４ａは、チューブ１４ａの内部圧力の変化に伴ってチューブ１４ａを伸縮させられる材質（基本的には、弾性体）で構成されている。ここでは、チューブ１４ａの材質は、上記性質を有する材質の一例としてエチレンプロピレンゴムであるものとする。

図２に示すように、本実施形態のチューブ１４ａの断面形状は、一例として、長方形（より具体的には、流体の流れ方向ＦＤに沿う辺の方が流れ方向ＦＤに直交する方向に沿う辺よりも長い長方形）とされている。また、螺旋状に巻き回されることによって隣接し合うチューブ１４ａの外壁面同士は、接着剤１８によって接着されている。螺旋管１４の伸縮を極力妨げないようにするため、接着剤１８は伸縮性を有するものであることが好ましい。本実施形態の螺旋管１４の内壁は、輸送対象の流体と接する流体輸送管１２の内壁１２ａに相当する。また、図２に示すように長方形断面のチューブ１４ａを利用することで、他の部材を必要とすることなく、内壁１２ａの凹凸をできるだけ抑制して内壁１２ａを滑らかに構成することができる。

外管１６は、直管であり、螺旋管１４（チューブ１４ａ）よりも硬質の素材を用いて構成されている。外管１６の材質は、螺旋管１４の材質よりも硬質なものであればよく、例えば、このような条件を満たす金属もしくは樹脂を用いることができる。外管１６は、螺旋管１４の外径とほぼ等しい内径を有しており、螺旋管１４は圧入により外管１６に挿入されている。また、図２に示すように、流れ方向ＦＤにおける螺旋管１４の両端には、円環状に形成された蓋状部材２０が配置されている。蓋状部材２０は、圧入により外管に挿入されている。これにより、螺旋管１４と外管１６とは、蓋状部材２０によって流れ方向ＦＤにおける相対的な移動が規制されている。なお、外管１６は、螺旋管１４が後述の圧力波によって径方向に膨らむことを抑制できるようになっていれば、図１に示すように螺旋管１４の全体を完全に覆う管として構成されたものに限られず、例えば、メッシュ状に形成された管であってもよい。

流体輸送管１２の輸送対象の流体は、内側の管である螺旋管１４の内部を流れることになる。流れ方向ＦＤにおける螺旋管１４の上流側端部の側のチューブ１４ａの端部は、開口端であり、圧力波導入口１４ａ１として機能する。図１に示すように、圧力波導入口１４ａ１には、圧力波発生機としてのスピーカ２２（第１の圧力波発生機に相当）が接続されている。スピーカ２２は、電気信号を空気振動に変換することによって圧力波（より具体的には音波）を発生させるものである。スピーカ２２が発生させる圧力波の特性は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２４により制御される。好ましい圧力波の特性の制御例については、（１）〜（１１）式を参照して後述する。スピーカ２２およびＥＣＵ２４には、バッテリ２６から電力が供給される。なお、圧力波発生機は、スピーカ２２に代え、例えば、流体を圧送するポンプであってもよい。

スピーカ２２が発する圧力波は、圧力波導入口１４ａ１を介してチューブ１４ａの内部に導入される。本実施形態では、チューブ１４ａの内部で圧力波を伝播させる媒質（換言すると、作動流体）の一例として、ヘリウムを利用する。具体的には、チューブ１４ａ内には、媒質としてのヘリウムが封入されているものとする。なお、流れ方向ＦＤにおける螺旋管１４の下流側端部の側のチューブ１４ａの端部は、本実施形態の構成ではチューブ１４ａの内部にヘリウムを封入する必要があるため、閉口端であるものとする。しかしながら、上記端部は、開口端であってもよい。具体的には、例えば、上記端部を開口端とし、空気（大気）もしくは水などの媒質が外部からチューブ１４ａ内に供給されて圧力波を伝播した後に上記端部から外部に排出されるようになっていてもよい。また、チューブ１４ａ内に封入される媒質は、例えば、アルゴンであってもよい。

［進行波状の壁面変形］
（流体輸送管の内壁への進行波状の変形の付与による効果と付与実現に関する課題）
図４は、狙いとする進行波状の壁面変形が行われている様子（Ａ）と、適切ではない進行波状の壁面変形が行われている様子（Ｂ）とを表した図である。図４（Ａ）は、流体輸送管の内壁に対して、流路の長さ方向に進む進行波状の変形であって当該内壁が流路の径方向に拡大および縮小するという態様の変形を付与することができている様子を表している。このような壁面変形が付与されると、壁面近傍の流れにおいて渦の生成を抑制することができ、流体輸送管内の流れを層流に近づけることができる。その結果、流体輸送管の摩擦抵抗（乱流摩擦抵抗）を低減することができる。進行波状の壁面変形の付与による摩擦抵抗の低減のメカニズムの詳細については、既述した非特許文献１などにおいて報告されている。ここで、現実的には、流体輸送管の内壁が流路の径方向に拡大および縮小するという態様での進行波状の変形を当該内壁に対して適切に与えられる構成をどのように実現できるかが問題となる。

上記構成の実現のために、例えば、流体輸送管としてゴム製の管を用い、かつ、この流体輸送管の外周に円周方向に等角度間隔で複数（例えば、３つ）の圧電素子を配置するようにし、これらの圧電素子を用いて径方向外側から流体輸送管に対して振動を与えるようにすることが考えられる。しかしながら、このような構成では、例えば、各圧電素子に対する入力信号の僅かなずれが流体の流れ方向における進行波の位相の変化に影響するという問題がある。このような進行波の位相の変化が生じると、図４（Ｂ）に示すように、流体輸送管の内壁が全体として同じ方向に振動する（変形する）振動モードが得られることになる。このような振動モードの下では、流体輸送管の内壁の多くの部分において内壁の円周方向に振動する成分が生成される。円周方向への振動は、流れに対して乱れを増加させる要因となるため、摩擦抵抗が却って増加してしまう。

（実施の形態１の流体輸送装置による進行波状の壁面変形）
図５は、流体輸送管１２の内壁１２ａに進行波状の変形が与えられている様子を表した図である。スピーカ２２により生成された圧力波は、螺旋管１４のチューブ１４ａ内の媒質中を螺旋状に伝播していく。その結果として、チューブ１４ａの流路断面積が変化する。より具体的には、チューブ１４ａの流路断面が拡大および縮小するという態様でチューブ１４ａが伸縮する。圧力波が継続して生成されると、チューブ１４ａ内に周期的な圧力脈動が生じ、チューブ１４ａが周期的に伸縮するようになる（径方向において周期的に拡大および縮小するようになる）。なお、ここでいうチューブ１４ａの流路断面積とは、チューブ１４ａの軸方向に垂直な当該チューブ１４ａの断面（流路断面）の面積のことである。

図１〜図３を参照して説明した構成では、チューブ１４ａにより形成された螺旋管１４の内壁が流体輸送管１２において輸送対象の流体が接する壁面（すなわち、内壁１２ａ）に相当する。また、圧力波は、流れ方向ＦＤの上流側の端部からチューブ１４ａ内に与えられている。換言すると、圧力波は、流れ方向ＦＤで見た場合には、流れ方向ＦＤと同一方向においてチューブ１４ａ内を進むように付与されている。したがって、圧力波によってチューブ１４ａが周期的に伸縮すると、そのようなチューブ１４ａが螺旋状に巻き回されて形成された内壁１２ａには、図５中に「進行波あり」と付して示すように、内壁が流路の径方向に拡大および縮小するという態様にて流れ方向ＦＤと同一方向に進む進行波状の変形が内壁に対して周期的に生じることになる。一方、図５中に「進行波なし」と付して示す２本の直線は、進行波状の壁面変形が生じていないときの内壁１２ａを示している。なお、同図中に２種類の破線で示すラインは、螺旋管１４の螺旋形状を示している。

以上説明した本実施形態の手法によれば、チューブ１４ａを螺旋状に巻き回して形成された螺旋管１４のチューブ１４ａの内部に圧力波を生成する構成を用いて、進行波状の壁面変形が実現される。これにより、図４（Ｂ）に示す手法を用いた場合とは異なり、流体輸送管１２の内壁１２ａの円周方向に対しては壁面変形（振動）を生じさせないようにしつつ、内壁１２ａの全周において径方向に対する壁面変形を適切に与えられるようになる。また、本実施形態の流体輸送装置１０は、汎用性の高いゴム製のチューブ１４ａとスピーカ２２とを利用して簡便に実現することができる。すなわち、簡素な構成を用いて上記の効果を得られる流体輸送装置１０を低コストに実現できるようになる。

また、本実施形態の流体輸送管１２では、螺旋管１４は、螺旋管１４よりも硬質な素材が用いられた外管１６によって覆われている。チューブ１４ａの伸縮により壁面に進行波状の変形を生じさせたい部位は、流体輸送管１２の内壁１２ａ（本構成では、螺旋管１４の内壁と同じ）である。硬質な外管１６を備えていることで、チューブ１４ａが螺旋管１４の径方向外側に向けて膨らむことを抑制することができる。このため、同じ振幅の圧力波を与えたとした場合に、外管１６を備えていない場合と比べて、チューブ１４ａを螺旋管１４の径方向内側に向けてより効果的に膨らませることができる。このため、外管１６を備えていない場合と比べて、スピーカ２２の消費電力を抑制しつつ、狙いとする大きさの振幅の進行波を内壁１２ａに与えることができる。また、径方向外側への螺旋管１４の変形が自由に行えるようになっていると、圧力波の付与に伴う螺旋管１４の伸縮によって螺旋管１４自体が共振してしまう可能性がある。したがって、外管１６によって螺旋管１４を径方向外側から拘束しておくことにより、別途対策を必要とせずに、そのような共振の発生を抑制することができる。

［好ましい流体輸送装置の構成例］
（良好な摩擦抵抗低減効果を得るうえで好ましい進行波の特性）
上述のように、流体輸送管１２の内壁１２ａに対して進行波状の変形であって流体輸送管１２の径方向の変形を与えることにより、流体輸送管１２の摩擦抵抗を低減させることができる。本件発明者は、数値流体力学（ＣＦＤ）を利用した流れのシミュレーションを実施し、壁面変形による摩擦抵抗の低減効果は、流体輸送管１２の例がそうであるように進行波の進行方向が流体の流れ方向ＦＤと同一である場合に限らず、進行波の進行方向が流れ方向ＦＤと逆方向である場合にも得られることを確認している。

既述した特許文献１には、流体の中を進行する移動体に関して、摩擦抵抗（動力）を削減する進行波を形成するうえで適切な進行波の振幅、波長および位相速度に関する知見が記載されている。本件発明者は、さらにＣＦＤを利用した流れのシミュレーションを実施し、既述した特許文献１に記載の知見は、移動体外壁に対して進行波状の変形を与える場合だけでなく、流体輸送管に対して流れ方向ＦＤと同一方向の進行波を用いた変形を与える場合にも適用可能であることを確認した。すなわち、本件発明者は、流体輸送管１２の摩擦抵抗を効果的に低減するためには、この知見を応用し、摩擦抵抗を低減する進行波を形成するうえで重要なパラメータである進行波の振幅ａ（ｍ）、波長λ（ｍ）および位相速度ｃ（ｍ／ｓ）のうちの少なくとも１つ、好ましくはすべてを、以下の（１）〜（３）式に従って設定することが好ましいことを確認した。

ただし、上記（１）〜（３）式中の係数α、βおよびγは、それぞれ、３≦α≦１０、２３５≦β≦４７１、および、２／３≦γ≦１というＣＦＤを利用した流れのシミュレーションにより得られた数値範囲を有している。これらのα、βおよびγが各数値範囲内に収まっているときに、摩擦抵抗を効果的に低減させられる進行波の振幅ａ、波長λおよび位相速度ｃがそれぞれ得られる。
また、上記の式において、既述されていない各記号は以下の通りである。
ν：流体の動粘度（ｍ^２／ｓ）
ｕ_τ：壁面摩擦速度（ｍ／ｓ）
Ｕ_lam：流体輸送管（螺旋管）の内部を流れる流体の流速（ｍ／ｓ）

なお、上記（１）および（２）式中の壁面摩擦速度ｕ_τは、例えば、壁面摩擦応力τ_ｗ（Ｐａ）と流体の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）とを用いて次の（４）式に従って算出することができる。そして、壁面摩擦応力τ_ｗは、例えば、次の（５）式に従って算出することができる。

ただし、上記（５）式において、Ｌは流れ方向ＦＤにおける流体輸送管の長さ、すなわち、流路長さ（ｍ）である。

（流体輸送装置の具体例）
次に、進行波の振幅ａ、波長λおよび位相速度ｃの３つのパラメータが（１）〜（３）式に従うように構成された流体輸送装置１０の具体的な一例について説明する。これらのパラメータが（１）〜（３）式に従う流体輸送装置１０は、輸送対象の流体の流速の情報を基に、螺旋管１４の各寸法と圧力波の特性とを適切に選択することによって実現することができる。

具体的には、ここでは、輸送対象の流体の流速Ｕ_lamが２５ｍ／ｓであり、流体輸送管１２の流路長さＬ（図１（Ａ）参照）が０．３ｍである条件を対象とした一例を示す。この具体例の前提として、輸送対象の流体は、一例として常温の空気であるものとし、動粘度νは、１．５８×１０^−５ｍ^２／ｓを用い、密度ρは１．１８ｋｇ／ｍ^３を用いた。その結果、壁面摩擦速度ｕ_τは、（４）および（５）式により、約１．２７ｍ／ｓとして算出することができる。

そのうえで、好ましい進行波の振幅ａの一例は、（１）式中の係数αに例えば３を代入し、動粘度νに１．５８×１０^−５を代入し、かつ、壁面摩擦速度ｕ_τに１．２７を代入することで、約３．７×１０^−５ｍ（３７μｍ）として算出することができる。

好ましい進行波の波長λの一例は、（２）式中の係数βに例えば４７１を代入し、動粘度νに１．５８×１０^−５を代入し、かつ、壁面摩擦速度ｕ_τに１．２７を代入することで、約５．９×１０^−３ｍ（５．９ｍｍ）として算出することができる。

さらに、好ましい進行波の位相速度ｃの一例は、（３）式中の係数γに例えば２／３を代入し、流速Ｕ_lamに２５を代入することで、約１６．７ｍ／ｓとして算出することができる。なお、ここでは、流速Ｕ_lamが一定である流れ場を例に挙げて説明を行ったが、本発明に係る流体輸送装置は、流速Ｕ_lamが変化する流れ場に対しても適用することができる。流速Ｕ_lamが変化する場合には、流速Ｕ_lamをセンサなどで検出したうえで、検出された流速Ｕ_lamに対応する位相速度ｃを計算するようにすればよい。

図６は、好ましい進行波の特性を得られるようにするための螺旋管１４の各部の寸法の設定例を説明するための図である。なお、図６（Ｂ）は、チューブ１４ａの内壁の形状を示している。以上説明したように、進行波の３つのパラメータ（振幅ａ、波長λおよび位相速度ｃ）のそれぞれの目標値は、（１）〜（３）式を用いて上述のように算出することができる。これらの目標値を満足する圧力波をチューブ１４ａ内に付与することができれば、摩擦抵抗の低減効果の優れた流体輸送装置１０を得ることができる。

そこで、ここでは、上記の目標値を満足する圧力波をチューブ１４ａ内に付与できるようにするために、以下に説明する手法により、螺旋管１４の寸法（具体的には、内径Ｄ（ｍ）と螺旋のピッチｐ（ｍ））が決定されるとともに、圧力波の特性（具体的には、振幅ａｐ（ｍ）と周波数ｆｐ（Ｈｚ））が決定される。なお、圧力波は、チューブ１４ａ内の圧力（音圧）をＰｒｅｓとすると、以下の（６）式のように表すことができる。

ただし、上記（６）式において、πは円周率であり、ｔは時間（ｓ）である。なお、圧力Ｐの変動の中心は大気圧Ｐ０（ここでは、１００ｋＰａを想定する）である。

まず、螺旋管１４の寸法と圧力波の特性とに関して、（７）〜（１１）式を参照して、進行波の波長λおよび位相速度ｃのそれぞれの目標値を満足するための具体的な決定手法を説明する。既述したように、圧力波を伝播する媒質（作動流体）として本実施形態において用いられる流体はヘリウムである。媒質が常温のヘリウムである場合の音速Ｃは、約９９７ｍ／ｓとなる。

ただし、上記（７）〜（１１）式において、既述されていない各記号は以下の通りである。
λｐ：圧力波の波長（ｍ）
Ｌｒ：螺旋管１４の周長（ｍ）
Ｎ：圧力波の１波長中に圧力波が螺旋状のチューブ１４ａ内を周回した回数を示す指標値
λＬ：螺旋管１４の流路長さＬの方向（すなわち、流体の流れ方向ＦＤ）で圧力波を見たときの圧力波の擬似波長（ｍ）
ＵＬ：Ｌ方向（＝ＦＤ方向）で圧力波を見たときの圧力波の伝播速度（ｍ／ｓ）

（９）式中に示されるＬ方向の擬似波長λＬは、流体輸送管１２の内壁１２ａに与えられる進行波の波長λに対応し、（１１）式に示されるＬ方向の伝播速度ＵＬは、上記進行波の位相速度ｃに対応する。したがって、（７）〜（１１）式によれば、摩擦抵抗の低減効果に優れた流体輸送装置１０を得るためには、圧力波の擬似波長λＬが進行波の波長λの目標値に合致するように、かつ、圧力波の伝播速度ＵＬが進行波の位相速度ｃの目標値に合致するように、圧力波の周波数ｆｐと螺旋管１４の内径Ｄと螺旋管１４のピッチｐとを決定すればよいことが分かる。

上記の要求を満たす周波数ｆｐ、内径Ｄおよびピッチｐとして、本具体例では、２８５０Ｈｚ、５７ｍｍおよび３ｍｍが用いられる。（７）〜（１１）式中に示す数値は、本具体例のための以下の計算結果と対応している。圧力波の波長λｐは、（６）式に示すように、媒質（ここでは、ヘリウム）の音速Ｃを周波数ｆｐで除することにより算出することができる。このため、（７）式中の音速Ｃに９９７を代入し、かつ、周波数ｆｐに２８５０を代入することで、圧力波の波長λｐは、約０．３５ｍ（３５０ｍｍ）として算出することができる。

螺旋管１４の周長（内周の長さ）Ｌｒは、（８）式中の螺旋管１４の内径Ｄに５７を代入することで、約０．１８ｍ（１８０ｍｍ）として算出することができる。圧力波の１波長当たりの圧力波の周回数を示す指標値Ｎは、（９）式中の波長λｐに０．３５を代入し、かつ、周長Ｌｒに０．１８を代入することで、約１．９５として算出することができる。Ｌ方向における圧力波の擬似波長λＬは、（１０）式中の指標値Ｎに１．９５を代入し、かつ、ピッチｐに３を代入することで、約０．００５９ｍ（５．９ｍｍ）として算出することができる。そして、Ｌ方向における圧力波の伝播速度ＵＬは、（１１）式中の周長Ｌｒに０．１８を代入し、ピッチｐに３を代入、かつ、音速Ｃに９９７を代入することで、約１６．７ｍ／ｓとして算出することができる。

以上の計算例が示すように、周波数ｆｐ、内径Ｄおよびピッチｐを適切に決定することにより、進行波の波長λの目標値に合致する圧力波の擬似波長λＬが得られるとともに、進行波の位相速度ｃの目標値に合致する圧力波の伝播速度ＵＬが得られることが分かる。

一方、進行波の振幅ａの目標値を満足するために必要とされる圧力波の振幅ａｐは、例えば、次の手法によって決定することができる。すなわち、圧力波の振幅ａｐは、チューブ１４ａの材質と厚さｔｉ（図２参照）とを考慮し、進行波の振幅ａを満足する値（音圧）となるように決定される。また、外管１６を備えているか否かで同一の振幅ａｐの圧力波によるチューブ１４ａの変形の仕方が異なるので、上記の決定は、本実施形態のように外管１６を備えている場合には、外管１６の存在による変形の仕方も考慮して行われる。より具体的には、圧力波を発生させるためにスピーカ２２を用いる本実施形態の流体輸送装置１０では、最終的には、進行波の振幅ａを満足する音圧を得るために必要な出力（ｗ）が決定される。

以上説明した手法によれば、進行波の３つのパラメータ（振幅ａ、波長λおよび位相速度ｃ）のそれぞれの目標値を満足させるために必要とされる流体輸送装置１０の設定（より具体的には、螺旋管１４の内径Ｄと螺旋のピッチｐ、および圧力波の振幅ａｐと周波数ｆｐ）を取得することができる。したがって、寸法に関する上記設定を満足する螺旋管１４を用意し、そのうえで、圧力波に関する上記設定を満たす振幅ａｐおよび周波数ｆｐが得られるようにするために、スピーカ２２が発生させる圧力波の特性をＥＣＵ２４が制御することにより、上記目標値への配慮がない場合と比べて優れた摩擦抵抗の低減効果が得られるようになる。

実施の形態２．
次に、図７および図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

［実施の形態２の流体輸送装置の構成］
上述した実施の形態１の螺旋管１４においてチューブ１４ａ内に付与される圧力波は、進行方向に進むにつれて徐々に減衰していく。減衰を終えて消滅せずに圧力波がチューブ１４ａの進行方向の前方側の端部に到達すると、圧力波が反射するという現象が生じる。この際、入射波と反射波との合成により、定在波が生じる可能性がある。定在波が生じると、進行波状の壁面変形を利用した摩擦抵抗の低減効果が目減りするか、無くなるか、もしくは逆に摩擦抵抗が増加してしまう。以下の本実施形態では、圧力波の反射の影響を抑制するうえで好適な構成について説明する。

図７は、本発明の実施の形態２において用いられる螺旋管３０の全体を表した斜視図である。本実施形態の流体輸送装置は、実施の形態１の流体輸送装置１０の螺旋管１４を螺旋管３０に置き換えて得られるものに相当する。図７に示すように、螺旋管３０は、第１螺旋部３２と第２螺旋部３４とを備えている。第１螺旋部３２は、チューブ３２ａを螺旋状に巻き回して管状に形成されている。ここでは、第１螺旋部３２は、チューブ１４ａを利用する螺旋管１４と同じように構成されているものとする。具体的には、チューブ３２ａの一端である圧力波導入口３２ａ１には、図７では図示を省略するがスピーカ２２が接続されている。第１螺旋部３２では、進行波状の壁面変形による摩擦抵抗の低減効果を得るべく、チューブ３２ａ内に付与される圧力波が積極的に利用される。

一方、第２螺旋部３４は、進行波の進行方向の前方側において第１螺旋部３２に続く部位である。第２螺旋部３４は、チューブ３４ａを螺旋状に巻き回して管状に形成されている。第１螺旋部３２のチューブ３２ａの他端（進行波の進行方向の前方側の端部）は、開口端とされており、この他端において第２螺旋部３４のチューブ３４ａの一端（進行波の進行方向の後方側の端部）と連通している。なお、チューブ３４ａの他端は、開口端および閉口端の何れであってもよい。

図８は、第１螺旋部３２と第２螺旋部３４との接続位置の近傍におけるチューブ３２ａおよび３４ａの断面を示す断面図である。図８に示すように、チューブ３４ａの断面形状は、その流路断面積がチューブ３２ａの流路断面積よりも大きくなるように設定されている。なお、この設定を実現するうえでは、流体が通過する流路が第１螺旋部３２から第２螺旋部３４に切り替わることに伴って螺旋管３０の内径が変化しないように、かつ、本実施形態の構成は外管１６を有するので螺旋管３０の外径も変化しないようにするために、チューブ３４ａは、進行波の進行方向の幅がチューブ３２ａのそれよりも大きくなるように形成されている。なお、第２螺旋部３４の流路長さは、チューブ３４ａ内を伝播する圧力波が減衰し終えて消滅するために必要な長さに設定されている。

第２螺旋部３４のチューブ３４ａの流路断面積が第１螺旋部３２のチューブ３２ａの流路断面積よりも大きくされていることにより、チューブ３２ａからチューブ３４ａ内に進入した圧力波がチューブ３４ａ内で減衰し易くすることができる。このように、本実施形態の螺旋管３０によれば、圧力波を第２螺旋部３４内で十分に減衰させられるようになる。すなわち、第２螺旋部３４は、圧力波を減衰させる圧力波減衰部として機能する。このため、螺旋管３０における進行波の進行方向の前方側の端部（すなわち、第２螺旋部３４における進行波の進行方向の前方側の端部）において、第２螺旋部３４内を伝播し終えた圧力波が反射することを効果的に抑制することができる。その結果、定在波の発生に起因する摩擦抵抗の低減効果の低下を抑制することができる。なお、圧力波が伝播するチューブの流路断面積を急激に大きくしてしまうと、逆に圧力波が反射し易くなってしまうことがある。このため、チューブ３４ａの流路断面積は、そのような反射が生じない範囲内で設定されている。また、この点に配慮し、第２螺旋部３４のチューブ３４ａは、圧力波の進行方向の前方側に向かうにつれ流路断面積が徐々に大きくなるものとしてもよい。

以上説明したように、本実施形態の螺旋管３０は、圧力波減衰部として機能する第２螺旋部３４を備えている。このため、圧力波を伝播させ、かつ、その後に圧力波の減衰を完了させられる螺旋管（換言すると、定在波の発生を抑制しつつ圧力波を伝播させられる螺旋管）を、第２螺旋部３４を備えない螺旋管１４と比べ、より短い流路長さの範囲内で実現できるようになる。したがって、本構成によれば、本発明の流体輸送装置の設置場所を検討する際に、上記螺旋管の実現のために必要とされる流体輸送管の流路長さによる制約の影響を受けにくくすることができる。

また、圧力波減衰部内では、減衰していても圧力波が残っている区間がある。本実施形態の構成では、螺旋管３０の一部を利用して圧力波減衰部を構成している。このため、摩擦抵抗の低減効果を得ることを期待できる態様で圧力波減衰部を構成することができる。

ところで、上述した実施の形態２の螺旋管３０においては、第１螺旋部３２のチューブ３２ａの流路断面積よりも大きな流路断面積のチューブ３４ａを用いる第２螺旋部３４を備えることによって、圧力波の反射を抑制することとしている。しかしながら、本発明における圧力波減衰部の具体的な構成は、上記に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するものであってもよい。

図９は、本発明における圧力波減衰部の他の例を説明するための図である。図９に示す螺旋管４０は、圧力波減衰部として機能する第２螺旋部４２の構成が第２螺旋部３４と異なる点において図８に示す螺旋管３０と相違している。図９は、第１螺旋部３２と第２螺旋部４２との接続位置付近のチューブ３２ａおよび４２ａの断面を表している。

図９に示す第２螺旋部４２のチューブ４２ａの内部には、吸音材（例えば、ウール材）４４が封入されている。このような構成によれば、チューブ３２ａからチューブ４２ａ内に進入した圧力波は、吸音材４４の効果によって減衰し易くなる。したがって、このような第２螺旋部４２を備えることによっても、圧力波の反射を積極的に抑制することができる。ただし、チューブ４２ａ内への吸音材４４の封入量が多過ぎると、逆に、圧力波を反射させ易くなる。このため、吸音材４４の封入量は、そのような反射が生じない範囲内で設定されている。

図１０は、本発明における圧力波減衰部の他の例を説明するための図である。図１０に示す螺旋管５０は、圧力波減衰部として機能する第２螺旋部５２の構成が第２螺旋部３４と異なる点において図８に示す螺旋管３０と相違している。図１０に示すように、第２螺旋部５２は、第１螺旋部３２のチューブ３２ａよりも軟質な材質で構成されたチューブ５２ａを備えるものであってもよい。より軟質なチューブ５２ａは、その内部を圧力波が伝播する際に、チューブ３２ａと比べて、より伸縮し易くなる。これにより、圧力波は、チューブ５２ａ内を伝播するときに減衰し易くなる。

図１１は、本発明における圧力波減衰部の他の例を説明するための図である。図１１に示す螺旋管６０は、圧力波減衰部として機能する第２螺旋部６２の構成が第２螺旋部３４と異なる点において図８に示す螺旋管３０と相違している。図１１に示すように、第２螺旋部６２は、伸縮性を有するとともに多孔質の素材（例えば、多孔質ゴム）で構成されたチューブ６２ａを備えるものであってもよい。このように、チューブ６２ａの内壁が多孔質な素材で構成されていることで、チューブ６２ａの内壁の表面の細孔を利用して圧力波を減衰し易くすることができる。

図１２は、本発明における圧力波減衰部の他の例を説明するための図である。図１２に示す螺旋管７０は、圧力波減衰部として機能する第２螺旋部７２の構成が第２螺旋部３４と異なる点において図８に示す螺旋管３０と相違している。図１２に示すように、第２螺旋部７２では、螺旋状に巻き回されているチューブ７２ａの１単位を螺旋の１周としたときに、それぞれの単位チューブ７２ａ１は、隣接する２つの単位チューブ７２ａ１のうちの一方と連通孔７４を介して連通している。このような態様によって、図１２に示す構成では、螺旋状に巻き回されていることで隣り合うチューブ７２ａの内部通路間を隔てるチューブ壁のうちの一部が切り欠かれている。このような構成によっても、流路断面積を大きくする図８の例に近い考え方で、圧力波を減衰し易くすることができる。なお、切り欠きの対象となるチューブ壁の範囲を広げ過ぎることは、チューブの流路断面積を急激に大きくすることに相当し、その結果、逆に圧力波が反射し易くなってしまうことがある。このため、切り欠きの対象となるチューブ壁の範囲は、そのような反射が生じない範囲内で設定されている。

また、本発明における圧力波減衰部は、図８〜図１２に示す構成例を適宜組み合わせて実現されるものであってもよい。さらに、圧力波の反射を抑制するためには、このような圧力波減衰部に代え、あるいはそれとともに、以下に図１３に示すような対策がなされていてもよい。

図１３は、圧力波の反射を抑制するために好適な構成を備えた流体輸送装置の構成例を説明するための図である。図１３に示す流体輸送装置８０は、以下の点を除き、図１に示す流体輸送装置１０と同じように構成されている。すなわち、図１３に示すように、流体輸送装置８０では、流れ方向ＦＤにおける螺旋管１４の下流側端部の側のチューブ１４ａの端部が、圧力波出口１４ａ２として機能する開口端とされている。そして、圧力波出口１４ａ２には、スピーカ８２（第２の圧力波発生機に相当）が接続されている。スピーカ８２は、バッテリ２６から電力の供給を受ける。スピーカ８２は、スピーカ２２により生成されて圧力波出口１４ａ２に到達する圧力波を検出する機能を有している。そして、スピーカ８２は、ＥＣＵ２４により、検出した圧力波と逆位相の圧力波を発生させられるように制御される。このような構成によれば、圧力波出口１４ａ２に到達する圧力波をスピーカ８２が発する逆位相の圧力波によって打ち消すことができる。これにより、スピーカ２２が生成した圧力波の反射を抑制することができる。なお、本構成を図８〜図１２に示す圧力波減衰部を有する構成と組み合わせる場合には、スピーカ８２は、圧力波減衰部における進行波の進行方向の前方側の端部に配置されることになる。

ところで、上述した実施の形態１および２においては、スピーカ２２は、流れ方向ＦＤにおける螺旋管１４の上流側端部の側のチューブ１４ａの端部に配置されている。しかしながら、スピーカ２２などの圧力波発生機によってチューブ内に圧力波を付与する部位（圧力波導入口１４ａ１）は、上記の例のように、螺旋状に巻き回して管状に形成された状態におけるチューブの端部に限られない。すなわち、圧力波導入口は、チューブの端部にできるだけ近い部位に配置されている方が、摩擦抵抗の低減効果の対象となる流体輸送管の流路長さを稼ぐことができるので好ましいといえる。しかしながら、例えば、流体輸送装置の搭載上の理由により、圧力波導入口を上記の例のようにチューブの端部に配置することが難しい場合には、圧力波導入口は、チューブの端部から離れた位置に設けられていてもよい。

また、上述した実施の形態１および２においては、四角（より具体的には長方形）断面を有するチューブ１４ａを例に挙げて説明を行った。一方、図１４は、本発明に係る他の流体輸送装置９０の要部の構成を説明するための断面図である。図１４に示す流体輸送装置９０は、流体輸送管９２を備えている。流体輸送管９２は、円形断面のチューブ９４ａを巻き回して形成された螺旋管９４を備えている。螺旋状に巻き回されることによって隣接し合うチューブ９４ａの外壁面同士は、接着剤１８によって接着されている。

図１４に示す構成では、螺旋管９４の内周側に、螺旋管９４と接するように内管９６が設けられている。内管９６は、直管であり、流体輸送管９２の内壁９２ａを滑らかにするために備えられている。本構成の場合には、内管９６を介して螺旋管９４の内部を流体が流れることになる。このような構成を採用した場合には、圧力波によって螺旋管９４が伸縮する際に内管９６も連動して伸縮することが必要とされる。したがって、内管９６は、螺旋管９４（チューブ９４ａ）と同等の軟らかさの素材を用いて構成されている。

上記構成を有する流体輸送管９２は、例えば、内管９６の外周に対して螺旋管９４を巻き回すことによって内管９６を芯とする螺旋管９４を形成したうえで、この螺旋管９４を外管１６に圧入することによって作製することができる。なお、円形断面のチューブ９４ａを用いる場合には、必ずしも内管９６を備えている必要はない。内管９６を備えていない構成において、流体輸送管９２の内壁を滑らかにする必要がある場合には、伸縮性のあるシール剤などによって、隣接するチューブ９４ａの間の隙間Ｒ（図１４参照）を埋めるようにしてもよい。また、四角断面を有する上述のチューブ１４ａ等に対しても、必要に応じて、内管９６と同様の内管を組み合わせてもよい。

また、上述した実施の形態１および２においては、螺旋管１４等を覆うように外管１６を備える構成を例に挙げて説明を行った。一方、図１５は、本発明に係る他の流体輸送装置１００の要部の構成を説明するための断面図である。図１５に示す流体輸送装置１００は、外管１６を備えていない点において図１に示す流体輸送装置１０と相違している。すなわち、流体輸送装置１００では、チューブ１４ａを螺旋状に巻き回して形成された螺旋管１４のみによって流体輸送管１１２が構成されている。

また、上述した実施の形態１および２においては、内部を流れる流体の進行方向ＦＤが直線的となる直管である流体輸送管１２等を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明の対象となる螺旋管からなる流体輸送管、もしくは当該螺旋管を含んで構成される流体輸送管は、流体の進行方向ＦＤが変化する基本形状を有する曲がり管として構成されたものであってもよい。

１０、８０、９０、１００ 流体輸送装置
１２、９２、１０２ 流体輸送管
１４、３０、４０、５０、６０、７０、９４ 螺旋管
１４ａ、９４ａ 螺旋管のチューブ
１４ａ１、３２ａ１ 圧力波導入口
１４ａ２ 圧力波出口
１６ 外管
１８ 接着剤
２０ 蓋状部材
２２、８２ スピーカ
２４ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２６ バッテリ
３２ 第１螺旋部
３２ａ 第１螺旋部のチューブ
３４、４２、５２、６２、７２ 第２螺旋部
３４ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａ、７２ａ 第２螺旋部チューブ
４４ 吸音材
７２ａ１ 単位チューブ
７４ 連通孔

Claims (12)

1. 伸縮性を有するチューブを螺旋状に巻き回して形成され、輸送対象流体が内部を流れる螺旋管と、
   前記チューブの内部の作動流体を媒質として、前記チューブの軸方向に垂直な当該チューブの断面の面積である前記チューブの流路断面積を変化させる圧力波を発生させる第１の圧力波発生機と、
   を備えることを特徴とする流体輸送装置。
2. 前記螺旋管は、前記チューブ内を伝播する圧力波の進行方向の前方側の部位であって当該圧力波を減衰させる圧力波減衰部を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
3. 前記螺旋管は、前記圧力波減衰部における前記チューブの流路断面積が前記圧力波減衰部以外の部位における前記チューブの流路断面積よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の流体輸送装置。
4. 前記圧力波減衰部における前記チューブの内部には、吸音材が封入されていることを特徴とする請求項２または３に記載の流体輸送装置。
5. 前記螺旋管は、前記圧力波減衰部が前記圧力波減衰部以外の部位と比べて軟質な材質で構成されていることを特徴とする請求項２〜４の何れか１つに記載の流体輸送装置。
6. 前記圧力波減衰部における前記チューブの内壁は、多孔質の素材で構成されていることを特徴とする請求項２〜５の何れか１つに記載の流体輸送装置。
7. 前記圧力波減衰部では、螺旋状に巻き回されていることで隣り合う前記チューブの内部通路間を隔てるチューブ壁のうちの一部が切り欠かれていることを特徴とする請求項２〜６の何れか１つに記載の流体輸送装置。
8. 前記チューブ内を伝播する圧力波の進行方向の前方側における前記チューブの端部に接続され、前記端部に到達する圧力波に対して逆位相の圧力波を発生させる第２の圧力波発生機をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７の何れか１つに記載の流体輸送装置。
9. 前記チューブよりも硬質の素材を用いて前記螺旋管を覆うように形成された外管をさらに備えることを特徴とする請求項１〜８の何れか１つに記載の流体輸送装置。
10. 前記チューブ内を圧力波が伝播することにより前記螺旋管の内壁に生成されて前記輸送対象流体の流れ方向に進む進行波の振幅ａは、次の（１）式の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜９の何れか１つに記載の流体輸送装置。
    

    

    ただし、上記（１）式において、係数αは３≦α≦１０であり、νは前記輸送対象流体の動粘度であり、ｕ_τは壁面摩擦速度である。
11. 前記チューブ内を圧力波が伝播することにより前記螺旋管の内壁に生成されて前記輸送対象流体の流れ方向に進む進行波の波長λは、次の（２）式の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜１０の何れか１つに記載の流体輸送装置。
    

    

    ただし、上記（２）式において、係数βは２３５≦β≦４７１であり、νは前記輸送対象流体の動粘度であり、ｕ_τは壁面摩擦速度である。
12. 前記チューブ内を圧力波が伝播することにより前記螺旋管の内壁に生成されて前記輸送対象流体の流れ方向に進む進行波の位相速度ｃは、次の（３）式の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１つに記載の流体輸送装置。
    

    

    ただし、上記（３）式において、係数γは２／３≦γ≦１であり、Ｕ_lamは螺旋管の内部を流れる前記輸送対象流体の流速である。

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