JP2006528750A

JP2006528750A - 流体用流動チャネル

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Publication number: JP2006528750A
Application number: JP2006520675A
Authority: JP
Inventors: アロイス・ヴォベン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2004-03-20
Publication date: 2006-12-21
Also published as: CN1833109A; ZA200600103B; MXPA06000733A; CA2533042A1; WO2005019658A1; BRPI0412883A; DE10333477A1; AR046398A1; AU2004267143A1; KR20060036468A; US7487799B2; US20070017588A1; EG23928A; EP1649173A1; IS8317A; IL173185A0; NO20060842L

Abstract

本発明は流体用流動チャネルに関する。本発明の目的は、流れに生じる損失、特に摩擦損失が可能な限り最小限になるよう具現化された、液体あるいは気体用の流動チャネルを提供することである。本発明のさらなる目的は、さまざまな流動領域を調えることが可能な流体用流動チャネルを提供することである。この目的は、流動チャネルを形成する壁の少なくとも一つが、流体流れによって、軸方向流動成分および接線方向流動成分を同時に有する少なくとも一つの流動領域を形成するよう具現化された流体用流動チャネルによって達成される。

Description

本発明は流体用の流動チャネルに関する。

周知のとおり、液体あるいはまた気体は、かなり大きく異なる生活領域において、かなり広範に変化する形状の流動チャネルを経て流れる。この点に関する目的は、しばしば、物質および／またはエネルギーを輸送することである。液体用の流動チャネルの例は、たとえば家庭内技術あるいは処理あるいはエネルギー技術におけるパイプ、あるいはたとえば水力タービンあるいは下水処理設備のような流体流動装置における流動チャネルである。生物学的分野においては、流動チャネルはたとえば血液を輸送するための血管の形態で具現化される。

従来技術の状況としては、現時点では、概して特許文献１ないし５が注目される。

流動チャネルを通る流れの決定的特性パラメーターは流動抵抗であり、これは実質的に摩擦および方向変化に支配されると共に、しばしばそれはドラッグ抵抗係数のような標準化された特性値の形態で表される。流動抵抗を考慮することは、管路のような流動チャネルの設計、およびポンプあるいは他の圧力発生ユニットの寸法設定に関して重要な意義を持つ。

たとえば圧送に要するエネルギー量、したがって設備のエネルギー消費が可能な限り低く維持されるよう、流れに関して生じる流動抵抗および摩擦損失は可能な限り最小限に抑える必要がある、ということが理解されるであろう。これは、流動チャネルの設計に当たって考慮されるべきである。
独国特許発明第198 06 513号明細書国際公開第01/18406号パンフレット国際公開第00/38591号パンフレット米国特許第2 935 906号明細書米国特許第1 958 577号明細書

本発明の目的は、流れに生じる損失が可能な限り小さなものとなるよう、特に摩擦損失が小さくなるよう設計された液体あるいはまた気体用の流動チャネルを提供することである。本発明のさらなる目的は、異なる流動領域が設定された流体用流動チャネルを提供することである。

本発明では、当明細書の冒頭部分で言及した種類の流動チャネルに関する目的を、流動チャネルを形成する少なくとも一つの壁を、流体がそれを通って流れるとき、軸方向流動成分とそれと同時に存在する接線方向流動成分とを有する少なくとも一つの流動領域が形成されるような構造のものとすることによって達成する。

驚くべきことに、試験で、本発明による流動チャネルによって、その壁形状に基づいて、軸方向流動成分および接線方向流動成分を持つ流れが少なくとも局所的に形成され、これによって従来型流動チャネルに比べて流動抵抗が著しく低減されることが判明した。この流動抵抗の低下によって、有利なことには、流れのエネルギー損失、圧力損失および抵抗係数が低減される。それゆえ、従来型の流動チャネルの場合よりも、流体の所定の体積流れあるいは質量流れを生成するのに必要なポンプ出力は低下する。このようにして、たとえば管路の場合には、使用されるポンプ出力を著しく低減させることができる。だが、流体流動装置、水力発電所などの場合にも、本発明によって、やはり流動損失を低減でき、それゆえ効率レベルを向上させることができる。

好ましくは、循環する渦流が局所的にあるいは完全に形成される。実験的研究により、流動チャネルを通る一種の循環渦流を引き起こす壁構造によって流動抵抗が低下し、したがって流動損失が低下することが明らかになった。

特に好ましい実施形態では、それ自身が一度完全に捩じれるチューブ部の長さ(波長)が、流動チャネルの断面積の最小二等分線の長さに対して所定の比率をなすことを提案し、これは６ないし７の範囲に、特に好ましくは６.４４の近傍にある。流れ断面が非円柱形状であり、しかも軸方向に捩じれているかあるいは曲がりくねっているので、構造的に簡単な手法で、流動抵抗の程度が低い、軸方向流動成分および接線方向流動成分を備えた少なくとも部分的に螺旋状の流れを生成することが可能である。

試験に基づいて、波長と断面積の大きさとの間の上記比率によって、特に低い抵抗係数を実現できることがわかった。構造的観点から、そして流動技術に関して特に好ましい実施形態は、流動チャネルを画定している壁が、流動チューブの自由流れ断面が実質的に長円形であるよう形成されていることによって特徴付けられる。同時に流れ断面がそれ自身に関して捩じれている、そうした長円形状は、流動チューブ内に特に都合よく形成することができる。

展開に関しては、長円形流れ断面の短軸の長さに対する、流れ断面の長軸の長さの比率を、際立って１より大きくすることを、好ましくはおよそ２の平方根(すなわち２^1/2)よりも大きくするかあるいはそれと同じにすることを提案する。これによっても、流動チャネルの抵抗係数を最小限に抑えることができる。

さらに好ましい実施形態では、流れ断面を流動方向に縮小するかあるいは拡大することを提案する。これによって、本発明による利点を維持しながら、流動条件、特に流速を高くあるいは低くすることがそれぞれ可能となる。

本発明はさらに流体用流動チャネルによってその目的を達成し、あるいはそれによってさらに発展させられるが、これは、チャネル内に、それを通って流体が流れるとき、実質的に二つの流動領域が生成されるよう設計され、この二つの流動領域は相互浸透しないかあるいはほとんど相互浸透せず、しかもそれは二重螺旋状に絡み合っている。

そうした流動チャネルの構造および実質的に二つの流動領域を備えた流れによって、流動抵抗の程度を低くすることもまた可能であり、これによって終極的には、ポンプ出力が低減し、かつ流体流動装置の効率レベルが向上する。さらに、異なる相の流れ、たとえば異なる流体は、流動チャネルを部分的に分離した関係で通過でき、あるいは流動チャネルを通って流れているときでさえ、少なくとも部分的に異なる相へと分割できる。そうした分離はたとえば、密度あるいは粘度のような物性の異なる、好ましくは流動断面の所定の領域を動く、流体の異なる成分によって生じ得る。この結果、混合物のその構成要素部への分離が生じ得る。

本発明による流動チャネルのさらなる展開では、各流動領域内に、また互いに絡み合うさらなる副流動領域が生成される。これによって流動条件をさらに改善でき、しかもことによると上記分離効果を向上させることができる。

さらなる有利な形態では、二つのコア流動チャネルは実質的に円形状のものでありかつ主流体流れを形成し、かつ主流動コアによって占有されていない流動チューブの領域に一つ以上の二次的流れが形成されることを提案する。ここで、主流れと二次的流動領域との間では流体交換は生じないか、あるいは好ましくは僅かな流体交換しか生じず、しかも流体流れ全体の中の異なる部分は好ましくは二次的流動領域内を輸送される。このようにしてやはり固体および液体あるいは異なる液相の流れを形成できる。

以下、本発明について、実施形態により例証として添付図面を参照して説明する。

図１に流動チューブ２の一実施形態の側面図を示す。この流動チューブ２内には、本発明による流動チャネル４が設けられている。流体、すなわち液体または気体は、チューブ２を、すなわち流動チャネル４を通って流動できる。これはまた、異なる液体成分およびたとえば粒子などの固体を備えた混相流を含むことができる。さらに、たとえば、液体、気体および固体成分を備えた三相流もまた、流動チャネル４を通って流動できる。チューブ２はプラスチック素材あるいは金属から形成できる。

チューブ２は好ましくは、流れ断面が図２ａ)および２ｂ)の概略図に示すように実質的に長円形であるような構造のものである。図１が概略的に示しているように、チューブ２は軸方向すなわち長手方向軸線３の方向に、それ自体曲がりくねっている。すなわち捩じれている。

図１に示すチューブ２の一部において、捩じれの程度は線５によって示され、この線５は、チューブ部の図示された長さにわたって、３６０度完全に回転している。単一の完全な捩じれの長さをここでは波長と呼ぶ。図１の側面図において、より大きな幅およびより小さな幅のチューブ部分は、長円形断面(図２ａおよび図２ｂ)ならびに捩じれによってもたらされる。実質的に長円形の流れ断面の短軸および長軸の長さは、図２ａおよび図２ｂに示されている。試験的研究によって、長軸ａの長さの短軸ｂに対する比率は、好ましくは２の平方根(すなわち２^1/2)よりも大きいか、あるいは２の平方根に等しくあるべきであることが判明した。図２ａに示すチューブ２の壁の形状は、図２ｂに示す実施形態の壁の形状に比べて湾曲の程度が少ない。

本発明による流動チャネル４を通って液体が流れるとき、流動チャネル４内には流れが生じるが、これは、軸方向すなわち軸線３の方向の流動成分を持つだけでなく、軸線３に関する接線方向の流動成分をも持つ。これは、流動チャネル４すなわちチューブ２の捩じれた形状に由来するものである。これは図１および図２ａに矢印７によって概略的に示される。したがって、これにより、流動チャネル４内には、チューブ２を通る実質的に循環する螺旋状流れが生じる。

図２ｃ〜図２ｆに示される代替的な流れ断面も、同様に、流動チャネル４内に、軸方向流動成分および接線方向流動成分を備えた本発明による流れを、したがって一種の渦流を生じる。図２ｃは長方形の流れ断面を、図２ｄは正方形の流れ断面を、図２ｅは三角形の流れ断面を、そして図２ｆは八角形の流れ断面を示している。六角形の流れ断面あるいは対応する流動チューブ２も本発明に従って実施可能である。例証としての上記実施形態はやはり好ましくは、流れ断面が軸方向(軸線３)にそれ自身捩じれた構造のものである。

上記波長の、流れ断面４の断面積の最小二等分線の長さに対する比率は、６ないし７の範囲にある所定の比率である。

本発明による流動チャネルを用いた実験的研究の結果を図３に示す。液体として水を用い、従来型円筒形チューブおよび本発明によるそれ自身捩じれた長円形チューブを用いてポンプの出力測定を行った。同図においては、記録されたポンプ出力を垂直なＹ軸上に示し、そして個々のチューブを通る水の流量を水平なＸ軸上に示している。曲線８は従来型円筒形チューブに関する異なる体積流量についての記録されたポンプ出力を示し、曲線１０は本発明による長円形チューブに関する異なる体積流量についてのポンプ出力を比較して示す。円筒形および長円形チューブの断面積はそれぞれ一定であった。本発明によるチューブに関する曲線１０による記録されたポンプ出力は、同じ体積流量について、従来型チューブの場合よりも小さなものであることが分かる。

図４および図５は、本発明によるさらなる流動チャネルおよびその内部に生じる流れの概略図である。流動チャネルの概略的に示す長手方向軸線３に対する流動チャネルに関する捩じれによって、液体がそれを通って流れるとき、まず実質的に二つの大きな流動領域１２,１４が生じ、これらは流動中、二重螺旋状に絡み合う。領域１２,１４の混じり合いの程度は僅かなものである。各流動領域１２,１４内には、副流動領域１６,１８および２０,２２がそれぞれ形成されるが、これらもやはり二重螺旋状に絡まり合う。また再び、副流動領域１６〜２０内には、相互に絡み合う副流動領域が生じ得る。

図示するとおり、二つの主流動領域すなわちコア流動チャネル１２,１４は実質的に円形断面形状のものである。このコア流動チャネル１２,１４に隣接して、二次的流れすなわち二次的流動領域２４,２６を形成でき、ここには、おそらく、ある成分、たとえば固体成分が集まり得る。液体の要素部分の分離はこのようにして実現できる。

流動チューブ内に設けられた流動チャネルの概略図である。本発明による流動チャネルの各実施例を示す図である。本発明による流動チャネルの各実施例を示す図である。本発明による流動チャネルの各実施例を示す図である。本発明による流動チャネルの各実施例を示す図である。本発明による流動チャネルの各実施例を示す図である。本発明による流動チャネルの各実施例を示す図である。本発明による流動チャネルを用いた試験の測定結果を示す図である。本発明による流動チャネル内の、概略的に示された異なる流動領域を持つ流れを示す図である。図４に示す流れの概略断面図である。

符号の説明

２流動チューブ
３軸線
４流動チャネル
５線
１２,１４流動領域
１６,１８,２０,２２副流動領域
２４,２６二次的流動領域

Claims

流体用の流動チャネルであって、この流動チャネルを形成している少なくとも一つの壁は、流体がそれを通って流動する際、軸方向流動成分および同時に存在する接線方向流動成分を有する少なくとも一つの流動領域が形成されるような構造となっていることを特徴とする流動チャネル。
前記壁は、循環渦流が局所的にあるいは完全に形成されるような構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の流動チャネル。
流動チャネルの流れ断面は非円柱形であり、かつそれ自身軸方向に捩じれており、これによって、流体がそれを通って流れる際、渦流が少なくとも局所的に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流動チャネル。
一度それ自身が完全に捩じれるチューブ部の長さ(波長)は、流動チャネルの断面積の最小二等分線の長さに対して、６ないし７の範囲の、特に好ましくは６.４４近傍の所定の比率をなしていることを特徴とする請求項３に記載の流動チャネル。
流動チャネルを画定する前記壁は、流動チューブの自由流れ断面が実質的に長円形であるよう形成されていることを特徴とする特に請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の流体用流動チャネル。
前記長円形流れ断面の長軸の長さの、前記流れ断面の短軸に対する比率は１より大きく、好ましくは２の平方根(２^1/2)よりも大きいかあるいはそれと等しいことを特徴とする請求項５に記載の流動チャネル。
前記流れ断面は流動方向に縮小することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の流動チャネル。
前記流れ断面は流動方向に拡大することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の流動チャネル。
前記流れ断面は、四角形、三角形、六角形あるいは八角形であることを特徴とする少なくとも請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の流動チャネル。
チューブ形態であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の流動チャネル。
チャネル内には、流体がそれを通って流れるとき、実質的に二つの流動領域が形成され、これらは相互浸透しないかあるいはほとんど相互浸透せず、しかも二重螺旋状に絡み合うよう構成されてなることを特徴とする特に請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の流体用流動チャネル。
各流動領域内には、再び互いに絡み合う、さらなる副流動領域が形成されることを特徴とする請求項１１に記載の流動チャネル。
二つのコア流動チャネルは実質的に円形断面形状のものでありかつ主流体流れを形成すると共に、主流動コアによって占有されていない流動チューブの領域には一つ以上の二次的流れが形成され、主流動領域と二次的流動領域との間では流体交換は発生しないか、あるいは好ましくは僅かな流体交換しか生じず、かつ流体流れ全体の中の異なる部分は好ましくは前記二次的流動領域内を輸送されることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の流動チャネル。