JP7490223B2 - 流体制御装置、流体制御方法、発電装置、および細胞培養装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 一般社団法人日本機械学会第９７期流体工学部門講演会 講演論文集、一般社団法人日本機械学会、発行日：令和１年１１月７日

特許法第３０条第２項適用 一般社団法人日本機械学会第９７期流体工学部門講演会、開催日：令和１年１１月７日、開催場所：ホテルアソシア豊橋（愛知県豊橋市花田町西宿）

本発明は、流体制御装置、流体制御方法、発電装置、および細胞培養装置に関する。

近年、身の回りにありながらも利用の難しいエネルギー源を用い、発電するエネルギーハーベスティングへの注目が高まっている。特に、国立公園などをはじめとする環境下において、設置可能とするための環境調和型の技術として、環境負荷を最小化し、効果的にエネルギーを変換する技術が求められている。エネルギー密度の観点から、潮流や海流、河川流等の水の流れのエネルギーを活用する技術が注目されており、水流エネルギーを利用した発電システムの開発が行われている（非特許文献１）。水流によって誘起される振動を、活用しやすい流動に変換する技術が確立されれば、効率的なエネルギー変換を、実現することが可能になると考えられる。例えば、水流によって誘起される振動を、循環する流れに変換することができれば、発電機を駆動することが可能となり、細胞培養液を循環させる流動に変換することができれば、シンプルな構造の細胞培養装置が実現できる。この場合、循環流を発生させるための回転部材が不要になるため、細胞が回転部材に接触した場合にダメージを受けてしまう問題を、回避することができると考えられる。

長屋茂樹,水中浮遊式海流発電システムの開発,ながれ(2016）Vol.35,pp3－6

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、水流によって誘起される振動から、流体の一方向の流れを形成することが可能な流体制御装置および流体制御方法と、それらを用いた発電装置および細胞培養装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。

（１）本発明の一態様に係る流体制御装置は、流体と、前記流体を収容するチューブと、前記流体の流れ方向を固定するように、前記チューブの一部に取り付けられたチェックバルブと、を備える。

（２）上記（１）に記載の流体制御装置において、前記流体が循環するように、前記チューブの両端の開口部同士が連結されていてもよい。

（３）上記（１）または（２）に記載の流体制御装置において、前記チューブの少なくとも一部を、固定した状態で支持する支持手段を、さらに備えていることが好ましい。

（４）上記（１）～（３）のいずれか一つに記載の流体制御装置において、前記チューブの重さが、前記チューブの長さ方向において、前記一方の側と前記他方の側とで異なっていてもよい。

（５）上記（１）～（３）のいずれか一つに記載の流体制御装置において、前記チューブの長さ方向において、前記一方の側または前記他方の側のいずれかに、重りが取り付けられていてもよい。

（６）本発明の一態様に係る流体制御方法は、上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の流体制御装置を用いた流体制御方法であって、前記チューブを振動源に接触させて振動させ、前記チューブの一方から他方に前記流体を流す。

（７）本発明の一態様に係る発電装置は、上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の流体制御装置を備えた発電装置であって、前記流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように、前記チューブの一部に取り付けられたタービンを、さらに備える。

（８）本発明の一態様に係る細胞培養装置は、上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の流体制御装置を備えた細胞培養装置であって、前記流体が細胞培養液である。

本発明の流体制御装置および流体制御方法によれば、チューブに対して非対称な振動を与えることにより、チューブ内の流体を一方向に循環させることができる。チューブの一部にタービンを接続することにより、このタービンを介して、循環する流体の運動エネルギーを、電気エネルギーに変換する発電装置を提供することができる。また、流体を細胞培養液とすることによって、循環する細胞培養液の中での細胞培養を可能とする、細胞培養装置を提供することができる。

（ａ）、（ｂ）本発明の一実施形態に係る流体制御装置の斜視図、平面図である。 （ａ）～（ｆ）流体制御装置の動作の一例を説明する図である。 流体制御装置を備えた発電装置の断面図である。 実施例１の流体制御装置における、流体の速度の時間変化示すグラフである。 実施例１の流体制御装置における、流体の量の時間変化示すグラフである。 実施例２の流体制御装置における、流体の量の時間変化示すグラフである。 実施例３の流体制御装置における、出力電圧の時間変化示すグラフである。

以下、本発明を適用した実施形態に係る流体制御装置、流体制御方法、発電装置、および細胞培養装置について、図面等を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る流体制御装置１００を動作させる、動作手段１０の一例を示す斜視図である。図１（ａ）において、左右方向（水平方向）をＸ方向とし、上下方向（鉛直方向）をＺ方向とし、それらと直交する奥行方向（水平方向）をＹ方向とする。図１（ｂ）は、動作手段１０をＹ方向から見た平面図である。

流体制御装置１００は、主に、流体（液体）１０１と、流体１０１を収容するチューブ１０２と、流体１０１の流れ方向を固定するように、チューブ１０２の一部に取り付けられたチェックバルブ（逆流防止弁）１０３と、を備える。

流体１０１は、例えば粘性が水と同様の１ｍＰａ・ｓの液体であってもよく、チューブ１０１の振動に伴って流れを形成可能であればどのような粘度、レオロジー特性を有していてもよく、流体制御装置１００の用途に応じて選択される。

チューブ１０２は、しなやかな管状部材であって、様々な振動に応じて自由に変形する（曲がる）ことができるものとする。チューブ１０２の材料としては、どのようなものでも利用可能であり、例えば、シリコンゴムやポリ塩化ビニル、生分解性プラスティック、金属製のフレキシブルチューブ等が挙げられる。チューブ１０２の長さ、太さについては、用途に応じて決定される。用途の例について後述する。

チューブ１０２の両端（一端１０２ａと他端１０２ｂ）の開口部同士は、チェックバルブ１０３を介して連結され、流体１０１の閉じた流路が形成されており、流体１０１をチューブ１０２の長さ方向に循環させることができる。

チェックバルブ１０３は、チューブ１０２内の流体１０１が、一方向のみに流れるように制御する機能を有し、取り付けるチューブ１０２の形状、材質等に応じて適宜選択されるものである。

流体制御装置１００を用いた流体制御方法は、チューブ１０２を振動手段（振動源）に接触させて非対称に振動させ、チューブ１０２内の一方から他方に流体１０１を流すことによって実施される。

図１の動作手段１０は、流体制御装置１００と、その支持手段２００、振動手段（不図示）とで構成される。支持手段２００の構成については、特に限定されるものではなく、チューブ１０２の一部を固定（把持）した状態で支持し、他の一部が、他の物体（壁、床等）に接触しないで振動できるように構成されていればよい。ここでの支持手段２００は、主に、チューブ１０２を固定するチューブ固定部２０１と、鉛直方向（Ｚ方向）に延在し、チューブ固定部２０１を床Ｆから離間させるように支持するＬ字状の支持部２０２と、で構成されている。

振動手段の構成についても、特に限定されるものではなく、チューブ１０２に対し、位相差に対応する非対称な変形が行われるように（捻れるように）、振動を与える機能を有するものであればよい。ここでの駆動手段は、チューブ１０２のうち、チューブ固定部２０１に固定されていないＵ字状の振動部１０２Ｖを把持して、所定の高さの位置まで引き上げ、位置エネルギーを増加させた上で、この振動部１０２Ｖを解放し、振り子運動（振動）させる。これにより、チューブ１０２に振動を与えることができる。振動部１０２Ｖの引き上げ、解放の動作は、手動で行ってもよい。

非対称な振動を発生させる振動手段としては、ランダムな流れを含む海流（潮流、河川流）等の自然現象を用いてもよい。例えば、流体制御装置１００を海中に設置し、ランダムな方向に発生する海流の力を利用することにより、チューブ１０２を、非対称に変形するように振動させることができる。

チューブ１０２の振動部１０２Ｖの重心部分Ｃを境にして、一方の側（右側）を第一振動部１０２Ａとし、他方の側（左側）を第二振動部１０２Ｂとする。第一振動部１０２Ａと第二振動部１０２Ｂの長さが等しい場合、両者の振り子運動には位相差が生じず、チューブ１０２の非対称な変形を伴う振動は得られない。これに対し、第一振動部１０２Ａと第二振動部１０２Ｂの長さが等しくない場合、両者の振り子運動には位相差が生じ、チューブ１０２の非対称な変形を伴う振動が得られる。そこで、重心部分Ｃの位置は、第一振動部１０２Ａ、第二振動部１０２Ｂのうち、一方の側に寄っており、第二振動部１０２Ｂが第一振動部１０２Ａより長くなっているものとする。

位相差θは、図１（ｂ）に示すように、チューブ１０２の振動面（ＹＺ面）において、チューブ固定部２０１の近傍における、第一振動部１０２Ａの長さ方向と第二振動部１０２Ｂの長さ方向とのなす角度として定義されるものとする。

図２（ａ）～（ｆ）は、動作手段１０を用いた流体制御装置１００の動作、すなわち、チューブ１０２の振動動作の一例を説明する図である。

まず、図２（ａ）に示すように、鉛直方向（Ｚ方向）においてチューブ固定部２０１と同程度の高さまで、第一振動部１０２Ａがたるまないように、振動部１０２Ｖの重心部分Ｃを把持して引き上げる。このとき、第二振動部１０２Ｂは、第一振動部１０２Ａに比べて長い分、より大きいたるみを有するため、第一振動部１０２Ａより低い位置にある。したがって、第二振動部１０２Ｂの位置エネルギーは、第一振動部１０２Ａより小さい。

次に、振動部１０２Ｖの重心部分Ｃを解放することによって、図２（ｂ）～（ｆ）に示すように、チューブ固定部２０１を支点とする、チューブ１０２全体の振り子運動を開始する。

第一振動部１０２Ａは、第二振動部１０２Ｂに比べて大きい位置エネルギーを有しており、それを運動エネルギーに変換することができるため、第二振動部１０２Ｂより高速で運動することができる。したがって、重心部分Ｃの解放後の第一振動部１０２Ａは、図２（ｂ）に示すように第二振動部１０２Ｂとの距離を縮め、図２（ｃ）に示すように第二振動部１０２Ｂを追い越す。続いて、第一振動部１０２Ａは、運動エネルギーを使い果たしたところで折り返し、図２（ｄ）に示すように、遅れて運動している第二振動部１０２Ｂとすれ違う。続いて、第二振動部１０２Ｂも、運動エネルギーを使い果たしたところで折り返し、図２（ｅ）に示すように、第一振動部１０２Ａに追従するように運動する。続いて、図２（ｆ）に示すように、反対側で折り返した第一振動部１０２Ａが、第二振動部１０２Ｂと再度すれ違う。

このような振り子運動を続けることによって、チューブ１０２の第一振動部１０２Ａと第二振動部１０２Ｂとを、位相差がある状態で非対称に振動させ、チューブ１０２内の流体１０１を循環させることができる。チェックバルブ１０３によって、流体１０１の循環は一方向に制限される。循環流の流速は、チューブ１０２を長さの約二乗に比例して変化する。

第一振動部１０２Ａと第二振動部１０２Ｂとで、振動を非対称にする一例として、ここでは、両者の長さを変えて重さを非対称とする方法を用いている。振動を非対称にする他の例としては、チューブ１０２の長さ方向において、一方の側と他方の側とで重さが異なるように、両者の構成材料を変える方法を用いてもよい。また、振動を非対称にする他の例としては、チューブ１０２の長さ方向において、一方の側または他方の側のいずれかに、重りを取り付ける方法を用いてもよい。

図３は、流体制御装置１００を備えた発電装置２０の構成を模式的に示し、その適用例について説明する図である。発電装置２０は、主に、流体制御装置１００と、タービン（発電手段）１０４とを備えている。タービン１０４は、流体制御装置１００において、チューブ１０２内を循環させた流体１０１の運動エネルギーを、電気エネルギーに変換するように、チューブ１０２の一部に取り付けられている。

発電装置２０は、タービン１０４を陸（島）Ｌに設置し、チューブ１０２の一部をタービン１０４に固定し、タービン１０４に固定されていないＵ字状の振動部１０２Ｖを、海Ｓの中に入れた状態で動作させることができる。ここでのタービン１０４は、発電手段としてだけでなく、チューブ１０２の支持手段としての役割も担い、海Ｓの中でランダムに発生する海流が、振動手段として機能する。

以上のように、本実施形態の流体制御装置１００によれば、チューブ１０２に対して非対称な振動を与えることにより、チューブ１０２内の流体１０１を一方向に循環させることができる。チューブ１０２の一部にタービン１０４を接続することにより、このタービン１０４を介して、循環する流体１０１の運動エネルギーを、電気エネルギーに変換する発電装置２０を得ることができる。

本実施形態の発電装置２０の構成においては、実施例として後述するように、長さが１ｍ程度のチューブ１０２を手動で振動させた場合にも、Ｖオーダーの出力電圧が得られている。このことから、例えば、ｋｍオーダーの長さのチューブ１０２を海中に配置し、海流のエネルギーを振動源として用いる発電装置２０であれば、さらに巨大な出力が得られると考えられる。この場合、海中にタービン等の大規模な設備を配置する必要がないため、海中生物にとっての環境悪化、景観の悪化等の問題がなく、また、タービン用の潤滑油による海洋汚染の問題を回避することもできる。

本実施形態では、チューブ１０２の両端（一端１０２ａと他端１０２ｂ）の開口部同士は、チェックバルブ１０３を介して連結されている場合について例示しているが、両端の開口部同士は連結されていなくてもよい。つまり、チューブ１０２内における流体１０１の流路は開いていてもよい。ただし、流路が開いている場合には、所定のタイミングで、流路内に流体１０１を供給する手段が必要となる。

流体制御装置１００は、チューブ１０２内を流れる流体１０１を、細胞培養液とすることによって、細胞培養装置として活用することもできる。チューブ１０２の非対称な振動に伴って循環する細胞培養液に、培養対象の細胞を浸漬することにより、優れた細胞培養効果が得られると考えられる。従来の細胞培養装置では、循環流を発生させる手段としてスクリュー等の回転部材を用いる必要がある。そのため、培養対象の細胞が回転部材に接触した場合に、ダメージを受けてしまうことが問題となっているが、本実施形態の細胞培養装置では、回転部材が不要であるため、このような問題を回避することができる。

以下、実施例により、本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（実施例１）
流体制御装置１００において、長さが異なる五本のチューブ１０２のそれぞれに対し、図１の動作手段１０を用い、図２に示すような非対称な振動を与えた際に、チューブ１０２内を流れる流体の流速および流量を、流量計を用いて測定した。流体１０１としては水を用いた。五本のチューブ１０２のそれぞれの長さを、３２１ｍｍ、２９３ｍｍ、２６３ｍｍ、２３４ｍｍ、２０３ｍｍとした。いずれのチューブ１０２も、内径を４ｍｍとし、外径６ｍｍとした。

図４は、五本のチューブ１０２に対応する、流体１０１の流速の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸は振動開始からの経過時間［ｍｓ］を示し、グラフの縦軸は、流体１０１の流速［ｍｌ／ｓ］を示している。図５は、五本のチューブ１０２に対応する、流体１０１の流量の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸は振動開始からの経過時間［ｍｓ］を示し、グラフの縦軸は、流体１０１の流量［ｍｌ／ｓ］を示している。図５に示す各プロットの流量の値は、図４において、チューブ１０２の長さごとに、流速を時間で積分した結果に相当する。

これらの結果から、チューブ１０２が長いほど、チューブ１０２内の流体１０１の流量が増加し、また、誘起される流れの持続時間も増加していることが分かる。流体１０１の流量は、チューブ１０２の長さの約二乗に比例して単調増加していることが分かる。チューブ１０２の長さと流体１０１の流量の関係から、チューブ１０２が振動する際に発生する遠心力の大きさが、流体１０１の流量に影響していると考えられる。長さが３２１ｍｍのチューブ１０２を用いた場合、他の四本のチューブ１０２を用いた場合とは異なる特性が見られる。長さが３２１ｍｍのチューブ１０２では、流速の分布が、複数の時刻において極大を示している。極大を示すそれぞれの時刻は、チューブ１０２が、図２（ｃ）～（ｆ）で示すような変形（捻れ）状態になる時刻に対応している。

（実施例２）
流体制御装置１００において、異なる質量（重り）を付加した五本のチューブ１０２のそれぞれに対し、図１の動作手段１０を用い、図２に示すような非対称な振動を与えた際に、チューブ１０２内を流れる流体の流速を、流量計を用いて測定した。質量を付加する位置を、チューブ１０２のＵ字状の振動部のうち、最下点からＸ方向に７０ｍｍずれた位置とした。チューブ１０２の長さを１０００ｍｍとした。流体１０１、チューブ１０２の内径、外径については、実施例１と同様とした。

図６は、五本のチューブ１０２に対応する、流体１０１の流速の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸は振動開始からの経過時間［ｍｓ］を示し、グラフの縦軸は、流体１０１の流速［ｍｌ／ｓ］を示している。

この結果から、付加質量を増加させることにより、チューブ１０２の振動の非対称性が増大し、チューブ１０２内に誘起される流動が大きくなることが分かる。すなわち、しなやかなチューブ１０２を非対称に振動させることによって、流量を増加させることができる。このことから、付加質量を増加させた部分（右側部分）と、付加質量を増加させていない部分（左側部分）とで、チューブ１０２の挙動の位相差を大きくすることが、チューブ１０２内の流体１０１の流量が増加する要因であると考えられる。

チューブ１０２が振動している間、流体１０１には、遠心力と重力の合力が作用するため、流体１０１は外側に向かって流れようとする。仮に、均一に構成されているチューブ１０２に対し、付加質量を行わない場合には、チューブ１０２の各位置に作用する力が拮抗し、打ち消し合うため、チューブ１０２内に流れは生じない。チューブ１０２の挙動の位相差があることにより、遠心力の最大となる瞬間に差異が生じ、遠心力による作用力の差によって流動が形成されると考えられる。

（実施例３）
流体制御装置１００のチューブ１０２に対し、発電機（タービン）１０４を取り付けてなる発電装置２０を動作させ、出力電圧を測定した。流体１０１としては、実施例１と同様のものを用いた。チューブ１０２の長さを３ｍとし、チューブ１０２の内径を１５ｍｍとし、外径を２０ｍｍとした。発電機としては、マイクロ水流発電機（F50-5V）を用いた。出力電圧は、データロガー（GRAPHTEC製）を用いて測定した。

図７は、出力電圧の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸は振動開始からの経過時間［ｍｓ］を示し、グラフの縦軸は、出力電圧［Ｖ］を示している。ここでは小振幅、大振幅の振動時の結果を示す。振動時には振動に対応して起電力が発生しており、大振幅時においては、ここで用いた発電機の定格である５Ｖに到達する出力が得られている。振動停止後（３５ｓ後以降）は、流体１０１の速度が徐々に減衰することに対応して、出力電圧も徐々に低下している。安定した振動が得られれば、３～４Ｖを連続的に取り出すことが可能であると考えられる。チューブ径や発電機タービンの設計の最適化により幅の広い範囲での発電が可能になると考えられる。従来の振動からエネルギーを得るエネルギーハーベスティングデバイスは、高効率な圧電素子を用いたものであっても、得られる出力電圧はｍＶオーダーであり、本発明の発電装置２０によれば、この１０００倍以上の出力電圧が得られることになる。

１００・・・流体制御装置
１０１・・・流体
１０２・・・チューブ
１０２Ａ・・・第一振動部
１０２Ｂ・・・第二振動部
１０２Ｖ・・・振動部
１０２ａ・・・チューブの一端
１０２ｂ・・・チューブの他端
１０３・・・チェックバルブ
１０４・・・タービン
１０・・・動作手段
２００・・・支持手段
２０１・・・チューブ固定部
２０２・・・支持部
２０・・・発電装置
Ｃ・・・重心部分
Ｌ・・・陸
Ｓ・・・海

Claims (8)

1. 流体と、
   前記流体を収容するチューブと、
   前記流体の流れ方向を固定するように、前記チューブの一部に取り付けられたチェックバルブと、
   前記チューブに接触する振動源と、を備え、
   前記チューブは、非対称に振動する第一振動部と第二振動部とで構成され、
   前記第一振動部および前記第二振動部は、前記振動源の振動に応じて自由に変形できるように構成されていることを特徴とする流体制御装置。
2. 前記流体が循環するように、前記チューブの両端の開口部同士が連結されていることを特徴とする請求項１に記載の流体制御装置。
3. 前記チューブの少なくとも一部を、固定した状態で支持する支持手段を、さらに備えていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の流体制御装置。
4. 前記第一振動部の重さと前記第二振動部の重さが、異なることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の流体制御装置。
5. 前記第一振動部と前記第二振動部のいずれかに、重りが取り付けられていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の流体制御装置。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の流体制御装置を用いた流体制御方法であって、
   前記チューブを振動源に接触させて振動させ、前記チューブの一方から他方に前記流体を流すことを特徴とする流体制御方法。
7. 請求項１～５のいずれか一項に記載の流体制御装置を備えた発電装置であって、
   前記流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように、前記チューブの一部に取り付けられたタービンを、さらに備えることを特徴とする発電装置。
8. 請求項１～５のいずれか一項に記載の流体制御装置を備えた細胞培養装置であって、
   前記流体が細胞培養液であることを特徴とする細胞培養装置。

Images