WO2017221976A1

WO2017221976A1 - 吸引装置および駆動装置

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Publication number: WO2017221976A1
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Inventors: 洋平森西; 真司玉野; 理博本郷
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Filing date: 2017-06-21
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Abstract

吸引装置（１）は、流体を吸引しながら公転軸（１１）周りに公転する吸引口（５）を備えることで、人工竜巻（３１）を発生させる。

Description

吸引装置および駆動装置

　本発明は、流体を吸引する吸引口を有する吸引装置および駆動装置に関する。

　図２０に、従来の吸引口による流れを示す。図２０の（ａ）に示す例では、通常の静止した吸引口１０５によって発生するポテンシャル流れが矢印のように発生する。（ａ）の例では、流体である空気がポテンシャル流れを形成して吸引口１０５からの距離に反比例した速度で均一に吸引口１０５に吸い込まれている。よって、吸引流れは指向性なく分散し、床面１２５まで吸引気流が到達していない。

　図２０の（ｂ）に示す従来技術では、空気が人工竜巻１３１を形成しながら吸引口１０５に吸い込まれる。この例では、吸引口１０５及び吸引口ダクト１０６が自転方向１１９に自転する。すると吸引口ダクト１０６の内壁と空気との摩擦抵抗により、矢印で示す空気の渦すなわち人工竜巻１３１が発生する。人工竜巻１３１により吸引流れの分散が減少して吸引流れの指向性が生じるので、床面１２５まで吸引気流が到達する。

　図２１に、図２０の例（ｂ）に示したような人工竜巻１３１を発生させる吸引装置１０１の例を示す。吸引装置１０１は、吸引口１０５を有する円筒形状の吸引口ダクト１０６を回転させることで人工竜巻１３１を発生させている。吸い込まれた空気は、吸引ポンプ１０３、流量計１５３を経て吸引装置１０１の外へ排気される。

　人工竜巻１３１は、円筒形状の吸引口ダクト１０６が回転することで発生する。しかし、吸引口ダクト１０６の内壁による空気を回転させる力が弱いので、人工竜巻１３１の回転力は弱く且つ不安定である。したがって、人工竜巻１３１を継続的に発生させることは困難である。

　人工竜巻１３１を発生させて吸引する装置が、特許文献１乃至５に示されている。特許文献１には、吸引口に吸引口の口径より大きいファンと同じ大口径の円筒ダクトファンと共にして回転させて人工竜巻１３１を発生させる換気装置が示されている。この換気装置では、円筒ダクトの全長がファンの厚みの２倍以上必要なので、換気装置の体格が大きくなってしまう。また、円筒ダクトの内側にガイドベーン等を設けファンと一体で設置する必要がある。

　特許文献２には、吸引口に円錐型のダクトを付け、ダクトの大口径側の周辺に、旋回流を発生させるように吸気口を設ける吸気ノズルが示されている。この吸気ノズルは大型となり、吸気口に噴流を供給する送風機が必要である。

　特許文献１、２の装置は、吸引のみの構造で人工竜巻を発生させるが、自転する大口径の円筒ダクト、または円錐型のダクトおよび噴流を供給する送風機を必要とする。

　特許文献３には、吸引口周りに吸引流を集める大型のフードをつけ、フードの下流側にエアカーテンでゾーンを作り、ゾーン内部にエアカーテンを構成する４本のパイプのエア吐出口から旋回流を構成するようにエアを吐出し人工竜巻１３１を発生させ吸引口に吸引する排気装置が示されている。この排気装置には、大型フード、エアカ－テン用のパイプ、及びエアカーテン用の専用の噴流を発生させる送風装置が必要である。

　特許文献４には、吸引口周りに、大型のフードをつけ、フード内側に外気を周方向に噴流を吐出して旋回流を発生して上流側に１次竜巻として床面に吐出し、床面の反射流として２次竜巻を発生させて吸引口に吸引させる換気装置が示されている。この排気装置には、大型フード、1次竜巻を発生させる噴流専用の送風装置、及び２次竜巻（人工竜巻１３１）を発生させる床面が必要である。

　特許文献５には、一方に吸引口、他方に吐出口を設け、吐出口の上流に円筒ダクトを設け、円周に沿って噴流を吐出旋回流を発生させ吐出口から人工竜巻を発生させ、吸引口に吸引する換気装置を有する焼成調理装置が示されている。この焼成調理装置は、吸引口の他方に吐出装置が必要である。

　特許文献３乃至５の装置は、吸引側だけでなく、その他方側に床面や噴流を吹きだす装置が必要で、大掛かりな設備を必要とする。

　よって、従来の人工竜巻を利用する装置は、いずれも人工竜巻を発生させるために大型のダクトやフード、旋回流を発生させる噴流用の送風装置が必要となる問題がある。

特開平５－２９６５１１号公報特開２０１４－１８１８８８号公報特開平８－２８５３４０号公報特開２０００－２３４７７３号公報特開２００８－２５６２９２号公報

　本発明の課題は、吸引側が安定的に人工竜巻を発生させることのできる吸引装置を提供することである。

　本開示の１つの観点によれば、吸引装置は、流体を吸引しながら公転軸周りに公転する吸引口を備える。このように、吸引口が流体を吸引しながら公転軸周りに公転することで、従来よりも安定的に人工竜巻を発生することができる。

　また、別の観点によれば、前記吸引口が前記公転軸周りに公転することにより、前記吸引口の最外周部が描く形状の内側の領域に公転ゾーンが形成される。

　吸引口を公転させ公転ゾーンを構成することで、吸引口に空気が円周方向に引きずられることにより公転ゾーンの円周方向速度ベクトルＶθを発生させる。円周方向速度ベクトルＶθは、強くて安定な人工竜巻を発生させる吸引装置を提供する。吸引装置の吸引口を公転させる機構のみでも人工竜巻を発生させることができる。

　また、別の観点によれば、前記吸引口が前記公転軸の周りを公転するときに前記公転ゾーンの内側に負圧領域が発生する。

　このように、公転ゾーン内部に負圧領域を有することで、半径方向速度ベクトルＶｒを更に強力にすることができる。よって、円周方向速度ベクトルＶθと半径方向速度ベクトルＶｒの合成速度ベクトルＶｔにより、強力で安定した人工竜巻を発生させることができる。

　また、別の観点によれば、前記公転ゾーンの吸引速度は、前記公転軸側の内部から外周部にかけて小さくなる速度勾配を有する。このようになっていることで、公転中心１０を中心とする円の半径方向に作用する半径方向速度ベクトルＶｒが発生する。

　また、別の観点によれば、前記吸引口が前記流体を吸引しているときに前記吸引口を前記公転軸周りに公転させる駆動装置を、吸引装置が備える。このような駆動装置により、従来よりも安定的に人工竜巻を発生することができる。

　また、別の観点によれば、吸引装置は、前記吸引口を備える吸引口ダクトと、前記吸引口ダクトに接続される連結ダクトと、前記連結ダクトに接続される吸引ダクトと、を備える。また、前記吸引ダクトは、前記公転軸が内部に位置するように、前記公転軸を取り囲んで伸びる。また、前記連結ダクトは、前記吸引ダクト側の開口部から前記吸引口ダクト側の開口部まで、前記公転軸から遠ざかるように伸びる。また、前記吸引口ダクトは、前記公転軸から離れた位置にある。また、前記吸引ダクトが前記公転軸を中心として自転すると、前記連結ダクトおよび前記吸引口ダクトが前記公転軸の周りに公転し、その結果、前記吸引口が前記公転軸の周りを公転する。このような簡素な構成により、従来よりも安定的に人工竜巻を発生することができる。

　また、別の観点によれば、吸引装置は、前記吸引口が開けられた回転板と、前記回転板に接続される吸引口ダクトと、前記吸引口ダクトに接続される吸引ダクトと、を備える。また、前記吸引口は、前記回転板において、前記公転軸から離れた位置に開けられる。また、前記回転板が前記公転軸を中心として自転すると、前記吸引口が前記公転軸の周りを公転する。このような簡素な構成により、従来よりも安定的に人工竜巻を発生することができる。

　また、別の観点によれば、前記吸引口が自転する。吸引口が自転することで、人工竜巻を更に、強力で安定させることができる。吸引口ダクトの内壁に発生する摩擦力が利用できるからである。

　また、別の観点によれば、駆動装置は、吸引口が流体を吸引しているときに前記吸引口を公転軸周りに公転させる。このように、吸引口が流体を吸引しながら公転軸周りに公転するよう、駆動装置が作動することにより、従来よりも安定的に人工竜巻を発生することができる。

第１実施形態に係る吸引装置を示す。第２実施形態に係る吸引装置の正面図である。第２実施形態に係る吸引装置の側面図である。実験状態の模式図を示す。実験装置を示す。実施例１、実施例２の実験条件を示す。実施例１の結果を示す（ドライアイスミスト）。実施例１の結果を示す（ドライアイスミスト）。実施例１の結果を示す（タフト）。実施例１の結果を示す（タフト）。ポテンシャル流の速度分布を示す図である。吸引口を公転された場合の速度分布を示す図である。渦度の水平面内分布を示す図である。周方向速度の水平面内分布を示す図である。周方向速度の水平面内分布を示す図である。周方向速度の径方向分布を示すグラフである。周方向速度の最大値と公転の回転数との関係を示すグラフである。人工竜巻が発生するメカニズムを示す（公転半径＜吸引口半径）。人工竜巻が発生するメカニズムを示す（公転半径＞吸引口半径）。実施例２の結果を示す（ドライアイスミスト）。実施例２の結果を示す（ドライアイスミスト）。実施例３の実験条件を示す。実施例３の結果を示す（ドライアイスミスト）。実施例３の結果を示す（ドライアイスミスト）。実施例３の結果を示す（タフト）。実施例３の結果を示す（タフト）。第３実施形態に係る空調装置を示す図である。従来の吸引口の流れを示す。従来の人工竜巻を発生させる吸引装置の例を示す。

　以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

　（第１実施形態）
　図１に、本発明の第１実施形態を示す。第１実施形態は、吸引口５の公転が、吸引ダクト８の公転軸１１周りの自転により、実現されている。

　本実施形態の吸引装置１は、吸引口ダクト６と、連結ダクト７と、吸引ダクト８と、吸引ポンプ３と、吐出ダクト９と、不図示の駆動装置を有している。吸引口ダクト６は、連結ダクト７から遠い側の端部に、吸引口５を有している。吸引口ダクト６、連結ダクト７、および吸引ダクト８は、一体的に回転する。

　吸引口ダクト６、連結ダクト７、および吸引ダクト８が一体的に回転すると、吸引口５は、公転中心１０の回りを公転する。公転中心１０は公転軸１１上にある。吸引口５は、円形をしており円の中心点を公転ポイント１３とする。公転ポイント１３と公転中心１０との距離を公転半径Ｒとする。公転ゾーン１５は、吸引口５が公転中心１０の周りを公転するときに吸引口５の最外周部が描く形状（すなわち円弧）の内側の領域である。なお、
最外周部とは、公転軸１１を中心とする径方向の最も外側の周をいう。吸引口５が公転中心１０の周りを公転するときに吸引口５の最内部が描く吸引口内側軌跡１６の内側も、公転ゾーン１５に含まれる。なお、最内部とは、公転軸１１を中心とする径方向の最も内側の部分をいう。

　吸引口５が公転中に吸引ポンプ３が作動すると、空気が吸引口５から吸引口ダクト６内に流入し、その後、連結ダクト７、吸引ダクト８、吸引ポンプ３、吐出ダクト９をこの順に通って、吐出ダクト９から流出する。

　すなわち、吸引口５を有する吸引口ダクト６の連結ダクト７に近い側の開口部は、連結ダクト７の一方の開口部に接続されている。連結ダクト７の他方の開口部は、吸引ダクト８の一方の開口部と接続されている。吸引ダクト８の他方の開口部は、吸引ポンプ３の吸入口に接続されている。吸引ポンプ３の吐出口には吐出ダクト９の一方の開口部が接続されている。吐出ダクト９の他方の開口部は、開放されている。

　吸引ダクト８は、公転軸１１がその内部に位置するように、公転軸１１を取り囲んで、公転軸１１に沿って、伸びる。連結ダクト７は、吸引ダクト８側の開口部から吸引口ダクト６側の開口部まで、公転軸１１から遠ざかるように、伸びている。吸引口ダクト６は、公転軸１１から離れた位置で、公転軸１１に平行に、伸びている。

　吸引ダクト８が、不図示の駆動装置（例えば電気モータ）によって駆動されて、公転軸１１を中心として向き１２に自転すると、連結ダクト７および吸引口ダクト６が公転軸１１の周りに公転する。その結果、上述の通り、吸引口５が公転中心１０の周りを公転する。公転ポイント１３の公転軌道は公転中心１０を中心とする円である。

　公転軸１１は吸引装置１の吸引ダクト８の中心線に一致している。したがって、不図示の駆動装置が、吸引ダクト８を、吸引ダクト８の中心線回りに回転させると、吸引口５は、公転軸１１回りに、公転半径Ｒを有して公転する。

　吸引口５が公転しながら空気を吸引すると、吸引口５には、空気が人工竜巻３１を形成して吸引される。空気は連続流体であるので、吸引口５の公転回転数Ｎは人工竜巻３１の渦の回転数とほぼ同じになる。人工竜巻３１は、吸引口５の上流側の公転軸１１方向に形成される。よって、人工竜巻３１による公転軸１１の方向への指向性をもつ吸引流が形成されることになる。

　人工竜巻３１の周囲の空気は、人工竜巻３１に殆ど吸引されず、速度の小さい随伴流３３として吸引装置１側へ流れる。

　（第２実施形態）
　図２Ａ、図２Ｂに、本発明の第２実施形態を示す。図２Ａは、本実施形態における吸引装置１の正面図、本実施形態における吸引装置１の図２Ｂは、側面図を示す。第２実施形態は、吸引口５の公転を、回転板４の公転中心１０を中心とする自転により実現している。公転中心１０は、第１実施形態と同様、公転軸１１上にある。回転板４は、円盤形状を有しているが、他の形状であってもよい。

　図２Ｂにおいて、回転板４は、モータ等の駆動装置（図示せず）により、公転軸１１の回りに回転する。吸引口ダクト６および吸引ダクト８は、回転板４と一体に回転してもよいし回転しなくてもよい。

　回転板４に開けられた孔が吸引口５である。回転板４は、吸引口ダクト６の一方の開口部に接続する。吸引口ダクト６の他方の開口部は、吸引ダクト８の一方に接続される。吸引口ダクト６と吸引ダクト８の中心線は共通しており公転軸１１であり、回転板４の中心は、公転軸１１上にあり公転中心１０となる。

　吸引ダクト８の他方の開口部は、吸引ポンプ３の吸引口５に接続される。吸引ポンプ３の吐出口には、吐出ダクト９の一方の開口部が接続される。吐出ダクト９の他方の開口部は、開放されている。

　吸引口ダクト６の口径は、吸引ダクト８の口径より大きくなるが、一方の回転板４側の開口部より、他方の吸引ダクト８側の開口部に向けてテーパ状にして、吸引口ダクト６の内部の空気抵抗を小さくしても良い。

　回転板４が回転しているときに吸引装置１の吸引ポンプ３が駆動されると、空気は、吸引口５から吸引され、吸引口５から吸引口ダクト６内に流入し、その後、吸引ダクト８、吸引ポンプ３、吐出ダクト９をこの順に通って、吐出ダクトの他方の開口部から流出する。

　図２Ａにおいて、回転板４に設けられた吸引口５は、回転板４において、公転軸１１から離れた位置に開けられている。したがって、回転板４が回転すると、公転中心１０の周りに、公転方向１２に公転する。

　空気は連続流体であるので、吸引口５の公転回転数Ｎは人工竜巻３１の渦の回転数とほぼ同じになる。吸引口５は円形をしており、円の中心点が公転ポイント１３である。公転ポイント１３と公転軸１１の距離が、公転半径Ｒである。回転板４の回転により、公転ポイント１３は、公転半径Ｒの円形の公転軌跡１４を描く。

　公転ゾーン１５は、吸引口５が公転中心１０の周りを公転するときに吸引口５の最外周部が描く円弧の領域である。吸引口５が公転中心１０の周りを公転するときに吸引口５の最内部が描く吸引口内側軌跡１６の内側も、公転ゾーン１５に含まれる。

　このように、本実施形態では、吸引口ダクト６および吸引ダクト８は、公転軸１１が内　部に位置するように、公転軸１１を取り囲んで伸びる。また、吸引口５は、回転板４において、公転軸１１から離れた位置に開けられる。また、回転板４が公転軸１１を中心として自転すると、吸引口５が公転軸１１の周りを公転する。

　なお、第１実施形態、第２実施形態共に、以下のような特徴を共有する。吸引口内側軌跡１６は、公転半径Ｒが吸引口半径より大きい場合に存在し、公転半径Ｒが吸引口半径より小さい場合には存在しない。

　吸引口５の公転ポイント１３は、公転軸１１周りに、公転半径Ｒを有して公転する。吸引口５の形状は円形だけでなく楕円形、正方形等でもよい。公転ポイント１３は、吸引口５の公転を規定できるポイントであれば、吸引口５の中心でなくてもよい。公転ポイント１３の公転した軌跡は公転軌跡１４で示される。公転方向１２は、図１、図２Ａに示した方向とは逆方向でもよい。この場合、人工竜巻３１の渦の流れも逆方向となる。

　（実験結果）
　図３に、図１に示した第１実施形態の吸引装置１が床面２５上に鉛直に設置された実験環境の模式図を示す。吸引口５の公転方向１２と吸引口ダクト６の自転方向１９は、同じ回転方向である。吸引口ダクト６を自転方向１９に自転させた場合、人工竜巻３１には、自転による回転方向３５の回転が加わる。なお、吸引口ダクト６の自転とは、吸引口５と共に公転軸１１を中心に回転する座標系に対する、吸引口ダクト６の自転をいう。

　吸引口５が公転すると、随伴流３３は、床面２５上を水平に人工竜巻３１に向かって引き寄せられるように流れ、人工竜巻３１の近傍で吸引装置１のある鉛直上方へ流れる。

　図４に、図３に示す実験状態の模式図を具体化した実験装置を示す。吸引ポンプ３の吐出側に風量を測定する流量計５３が設置されている。

　吸引口５と床面２５との間が観察領域５９である。観察領域５９の高さは２００ｍｍである。被駆動部５５は、図３に示す吸引口ダクト６、連結ダクト７、及び吸引ダクト８に相当する。第１モータ５７は、被駆動部５５を回転させることで吸引口５を公転させる駆動装置である。

　また、被駆動部５５の下部には吸引口５を自転させる第２モータ５８が搭載されている。第２モータ５８は被駆動部５５と共に移動する。第２モータ５８に電源を供給するために被駆動部５５の上部にブラシ機能を持つスリップリング５１が搭載されている。観察領域５９における人工竜巻３１の可視化観察を、ドライアイスミスト、タフトを使って行った。

　（実施例１）
　実施例１では、吸引口５の公転のみと自転のみによる人工竜巻３１の発生が確認された。図５に、実施例１および実施例２の実験条件を示す。風量Ｑは、６０ｍ^３/ｈ。吸引口５の内径は、３２ｍｍである。これは、実施例３も同様である。

　Ｃａｓｅ１－１、１－２、１－３は、吸引口５が自転のみする例の実験条件を示す。これは、図２０の例（ｂ）に示す従来の吸引口１０５及び吸引口ダクト１０６の自転のみの例の条件である。

　この実験条件では、第２モータ５８をオフし、公転半径Ｒを０ｍｍとして、第１モータ５７をオンすることにより行った。よって、図５の公転回転数Ｎは、実際には吸引口５公転回転数ではなく吸引口５の自転回転数ｎに相当する。よって、自転回転数ｎは、それぞれ１２０ｒｐｍ、１５０ｒｐｍ、１８０ｒｐｍとしたことになる。

　公転のみの実験条件を、Ｃａｓｅ１－４～１－１２に示す。Ｃａｓｅ１－４、１－５、１－６は、公転半径Ｒを１０ｍｍとした。Ｃａｓｅ１－７、１－８、１－９は、公転半径Ｒを２０ｍｍとした。Ｃａｓｅ１－１０、１－１１、１－１２は、公転半径Ｒを３０ｍｍとした。

　公転回転数Ｎは、それぞれ１２０ｒｐｍ、１５０ｒｐｍ、１８０ｒｐｍとした。人工竜巻３１の発生状況の観察は、それぞれ３分間行った。

　図６Ａ、図６Ｂに、実施例１の結果を示す。この実験結果では、空気流の可視化のためにドライアイスミストが用いられている。図６Ａは、Ｃａｓｅ１－１２に対応し、公転半径Ｒ＝３０ｍｍ、公転回転数Ｎ＝１８０ｒｐｍ、自転回転数ｎ＝０ｒｐｍ、公転のみの条件である。

　図６Ｂは、Ｃａｓｅ１－３に対応し、公転半径Ｒ＝０ｍｍ、公転回転数Ｎ＝０ｒｐｍ、自転回転数ｎ＝１８００ｒｐｍ、自転のみの条件である。

　図６Ａの公転のみの例では、人工竜巻３１は、観察中、３分間途切れることなく継続し、渦管の太さはほぼ一定であった。一方、図６Ｂの自転のみの例では、人工竜巻３１は、長くても１２０秒程度の継続で３分継続することは無かった。また、渦管の太さは吸引口５に近づくにつれて細くなった。以上のように、自転のみの場合に比べて、公転のみの場合は、人工竜巻３１が強くかなり安定して観察された。

　図７Ａ、図７Ｂに、実施例１の結果を示す。この実験結果では、空気流の可視化のためにタフトが用いられている。それ以外の条件については、図７Ａと図６Ａで同じであり、かつ、図７Ｂと図６Ｂとで同じである。

　床面２５上の公転軸１１との交差部近傍にタフト２３をつけて、人工竜巻３１の床面２５での吸引力を観察した。図７Ａの公転のみの例では、人工竜巻３１は、観察中、３分間途切れることなくタフト２３が鉛直に持ち上げられることを確認した。よって、遠隔吸引が可能であることを確認した。一方、図７Ｂの自転のみでは、人工竜巻３１は、タフト２３は、鉛直方向に持ちあげられないことを観察した。よって、遠隔吸引は困難であることを確認した。

　図８に、図４の実験環境において公転も自転もない状態で吸引を行った場合の、上方向への空気の流速分布を示す。黒塗り部分の流速が５ｍ/ｓ以上、白部分の流速が５ｍ/ｓ未満である。この流速分布は、周知のＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｉｍａｇｅ　Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）により計測された。図中、縦軸が、吸引口５の位置をゼロ点とする上下方向位置、横軸が、水平方向位置に対応する。図８の例では、上向き５ｍ/ｓ以上の流速は、吸引口５の公転中心１０を中心とする半円状の領域にて実現する。この例では、空気のポテンシャル流れの速度場が実現するので、吸引口５から３０ｍｍ以上離れた位置では、空気の速度がほぼ０ｍ/ｓである。

　図９に、ＰＩＶによる吸引口５を公転された場合の速度分布を示す。黒塗り部分の流速が５ｍ/ｓ以上、白部分の流速が５ｍ/ｓ未満である。図９の上段に、公転半径Ｒを８ｍｍ（すなわち、吸引口５の内径φ３２ｍｍの０．２５倍）として、公転のみを実現した種々の公転速度における、上方向への空気の流速分布を示す。図９の下段に、公転半径Ｒを１２ｍｍ（すなわち、吸引口５の内径φ３２ｍｍの０．３７５倍）として、公転のみを実現した（左から公転回転数１２０、１５０、１８０、２１０ｒｐｍ）の実験兼結果における、上方向への空気の流速分布を示す。いずれの場合も、上部の吸込口５の付近には吸込口５の公転に伴う高速域が発生し、その高速域の鉛直下端に向かって上方への流速が高い渦管の速度場（人工竜巻３１）が床面２５から発生している。よって、床面２５に置かれた物の遠隔吸引が可能である。ここで、吸込口５と床面２５の間隔は２００ｍｍであるが、図９においてＰＩＶの計測上の制約から吸込口５から１４０ｍｍである。即ち、人工竜巻３１は、吸引口５から遠い場所においても実現している。

　図１０は、公転半径Ｒが８ｍｍ（すなわち、吸引口５の内径φ３２ｍｍの０．２５倍）、公転速度が１５０ｒｐｍ、公転のみの実験における、水平面内の空気の渦度ｗｚの、所定時間幅に亘る平均値を示す図である。この水平面の吸引口からの鉛直方向の距離は、吸引口５の内径と同じ３２ｍｍである。また、この図の中心位置は、上記所定時間幅において常に空気の渦管の中心位置に位置するように調整されている。すなわち、この図の中心位置は、空気の渦管の中心位置と共に移動する座標系の原点である。渦度ｗｚは、黒塗り部分が５０００（１/ｓ）以上、白部分が５０００（１/ｓ）未満である。よって、空気の渦管の中心部には大きな渦度が発生している。尚、白部分に記載されている矢印は水平面内の空気の周方向速度Ｖθである。

　図１１Ａは、公転半径Ｒが８ｍｍ、公転速度が１５０ｒｐｍ、公転のみの実験における、水平面内の空気の周方向速度Ｖθの、所定時間幅に亘る平均値を示す。この水平面の吸引口からの距離は、吸引口５の内径の４倍である１２８ｍｍである。この図の中心位置は、上記所定時間幅において常に空気の渦管の中心位置に位置するように調整されている。なお、周方向とは、渦管の中心位置を中心とする周方向である。周方向速度Ｖθは、黒塗り部分が３ｍ/ｓ以上、白部分が３ｍ/ｓ未満である。よって、空気の渦管の中心部は周方向速度Ｖθが３ｍ/ｓ以上の範囲がドーナッツ状に存在し、ドーナッツの中心は周方向速度Ｖθが小さく、図９に示す上方向の空気流れが大きくなっている。

　図１１Ｂは、公転半径Ｒが８ｍｍ、公転速度が１２０ｒｐｍ、公転のみの実験における、水平面内の空気の周方向速度Ｖθの、所定時間幅に亘る平均値を示す。この水平面の吸引口からの距離は、吸引口５の内径の４倍である１２８ｍｍである。この図の中心位置は、上記所定時間幅において常に空気の渦管の中心位置に位置するように調整されている。周方向速度Ｖθは、黒塗り部分が３ｍ/ｓ以上、白部分が３ｍ/ｓ未満である。よって、空気の渦管の中心部は周方向速度Ｖθが３ｍ/ｓ以上の範囲がドーナッツ状に存在し、ドーナッツの中心は周方向速度Ｖθが小さく、図９に示す上方向の空気流れが大きくなっている。

　また、図１２Ａは、空気の周方向速度Ｖθの所定時間幅に亘る平均値の、径方向分布を示す。図１２Ａに示された結果は、公転半径Ｒを８ｍｍとした場合において、７種類の公転回転数Ｎについて得られた結果である。ここでいう径方向は、各時点における渦管の中心を中心とする径方向である。この水平面の吸引口からの距離は、吸引口５の内径の４倍である１２８ｍｍである。この図の中心位置は、上記所定時間幅において常に空気の渦管の中心位置に位置するように調整されている。

　この図１２Ａに示すように、空気の渦の周方向速度Ｖθは極大値を有する。極大値の径方向内側は、急激に減少し中心部がほぼ０ｍ/ｓとなる剛体渦として振る舞う。極大値の径方向外側は緩やかに減少する自由渦として振る舞う。つまり、この渦は、一般的なランキン渦状タイプの竜巻と同等の周方向速度分布を有している。

　ここで、公転速度Ｎが１５０ｒｐｍの黒丸のグラフにおいて、縦軸の周方向速度Ｖθが３０００ｍｍ／ｓ（３ｍ／ｓ）で水平線を引いて、グラフの上部を黒塗り、下部を白で表示したのが図１１Ａとなる。

　図９、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａに示すように、人工竜巻３１は、吸込口５に向かう大きな速度をもつ気流と極大値を有する周方向速度Ｖθと極大値の内側には大きな吸込口５に向かう気流を有している。

　図１２Ｂは、図１２Ａで示した結果において、各公転回転数Ｎにおける、周方向速度Ｖθの径方向分布における極大値を示すグラフである。横軸が公転回転数Ｎに対応し、縦軸が、周方向速度Ｖθの径方向分布における極大値に対応する。

　この図に示すように、周方向速度Ｖθの径方向分布における極大値は、Ｎ＜１２０ｒｐｍでは、Ｎが増大するにつれて増大し、Ｎ＝１２０ｒｐｍにおいて最大値に達し、Ｎ＞１２０ｒｐｍでは、Ｎが増大するにつれて減少する。

　図１３に、公転半径Ｒ＜吸引口半径における人工竜巻が発生するメカニズムを示す概念図を示す。吸引口５は、公転中心１０の周りを、公転方向１２に公転している。吸引口５が９０°づつ３回回転した回転位置を破線で３点示す。円形である吸引口５の中心点を公転ポイント１３で示す。公転半径Ｒである公転ポイント１３の軌跡を公転軌跡１４で示す。吸引口５の公転によりカバーする吸い込み範囲を公転ゾーン１５とする。

　吸引口５は、空気を吸引しながら１２０ｒｐｍ程度で公転するので、公転ゾーン１５の面内の空気には、２種類の速度ベクトル（円周方向速度ベクトルＶθ、半径方向速度ベクトルＶｒ）が作用する。

　なお、円周方向速度ベクトルＶθと周方向速度Ｖθは同じ記号表記であるが、前者は３次元ベクトル量であり、後者はスカラー量である。円周方向速度ベクトルＶθの大きさが、周方向速度Ｖθに相当する。

　円周方向速度ベクトルＶθは、吸引口５の公転により連続流体である空気が円周方向に引きずられることにより発生し、公転中心１０を中心とする円の円周方向に作用する。なお、円周方向速度ベクトルＶθのみでも人工竜巻３１は発生する。

　半径方向速度ベクトルＶｒは、吸引口５の公転により公転ゾーン１５内の吸引風量に速度勾配が発生することにより発生し、公転中心１０を中心とする円の半径方向に作用する。公転ゾーン１５内の吸引速度の速度勾配は、公転中心１０の周囲が大きくなり、外側に移るほど小さくなる。吸引口５は、公転軸１１の周囲では常時吸引しているが、外側では公転により間欠的に吸引するからである。よって、半径方向速度ベクトルＶｒは、公転中心１０を中心とする円の半径方向に作用する。

　よって、人工竜巻３１は、円周方向速度ベクトルＶθと半径方向速度ベクトルＶｒの合成速度ベクトルＶｔにより更に強力で安定して発生する。合成速度ベクトルＶｔは、人工竜巻３１の渦の方向になる。

　図１４に、公転半径Ｒ＞吸引口半径における人工竜巻が発生するメカニズムを示す概念図を示す。吸引口５は、公転軸１１の周りを、公転方向１２に公転している。吸引口５が９０°づつ３回回転した位置を破線で３点示す。円形である吸引口５の中心点を公転ポイント１３で示す。公転半径Ｒである公転ポイント１３の軌跡を公転軌跡１４で示す。吸引口５の公転によりカバーする吸い込み範囲を公転ゾーン１５とする。公転中心１０の近傍には、吸引口５の内側軌跡である吸引口内側軌跡１６が存在する。

　吸引口５は、空気を吸引しながら１２０ｒｐｍ程度で公転するので、公転ゾーン１５の空気には、２種類の速度ベクトルが作用する。

　半径方向速度ベクトルＶｒは、吸引口５の公転により公転ゾーン１５内の吸引風量に速度勾配が発生することにより発生し、公転中心１０を中心とする円の半径方向に作用する。公転ゾーン１５内の吸引速度の速度勾配は、吸引口内側軌跡１６の外部近傍が大きくなり、外側に移るほど小さくなる。吸引口５は、公転により間欠的に吸引するが、吸引口内側軌跡１６の外部近傍の吸引の間隔時間は短く、一方、公転ゾーン１５部の外側では吸引の間隔時間が長くなるからである。よって、半径方向速度ベクトルＶｒは、公転軸１１を中心とする円の半径方向に作用する。

　また、吸引口内側軌跡１６の内側は大気圧（静圧）に比べ負圧になる。即ち、吸引口内側軌跡１６の内側では閉塞空間からの吸引と同等の状態になり静圧は負圧となる。吸引口内側軌跡１６の内側が閉塞空間と同等の状態になるのは、吸引口５は、１２０ｒｐｍ（２回／秒）程度の高速回転と同時に空気を吸引しているので、公転ゾーン１５の外側の空気の吸引は解放空間からの吸引状態になるのに対して、吸引口内側軌跡１６の内側からの吸引は限定された空間からの吸引になるからである。よって、この負圧により、公転中心１０を中心とする円の半径方向に作用する半径方向速度ベクトルＶｒは、大きくなる。

　以下、大気圧（静圧）からある位置の圧力（静圧）を減算した結果の量を、その位置の負圧レベルという。公転ゾーン１５内では、径方向中心部における負圧レベルは、公転中心１０を中心とする径方向中心部よりも当該径方向外側にある径方向外周部における負圧レベルよりも大きい。より具体的には、公転ゾーン１５内における負圧レベルは、公転中心１０から離れるほど小さくなる。

　よって、強力な人工竜巻３１は、円周方向速度ベクトルＶθと半径方向速度ベクトルＶｒの合成速度ベクトルＶｔにより発生する。合成速度ベクトルＶｔは、人工竜巻３１の渦の方向になる。

　なお、図１３に示す公転半径Ｒ＜吸引口半径においても、公転ゾーン１５の内部に限定された範囲から吸引する状況が発生するので負圧が発生している。以上より、吸込口５を公転させることにより、吸込流れを、指向性を有する流れである人工竜巻３１にすることができる。

　上述したメカニズムで人工竜巻３１が、公転ゾーン１５に発生すると、人工竜巻３１は、公転軸１１の吸引口５の上流側に向けて発達していく。空気は連続流体であるので、吸引口５の公転回転数Ｎは人工竜巻３１の渦の回転数とほぼ同じになる。

　この際、人工竜巻３１は、その先端部から主に空気を吸引し、その側面からはあまり吸引しない。人工竜巻３１の側面には、随伴流３３がゆるやかに吸引装置１の公転ゾーン１５の外側に向かって流れる。

　よって、吸引装置１は、指向性のある吸引を行える。この指向性のある吸引は、大気の自由空間の特定空間に存在する気体や、浮遊物を、効率的に吸引する遠隔吸引を可能にする。

　これらのようにして発生する人工竜巻３１は、上向きの流れ、周方向の流れ、負圧による内向きの流れで構成される。そして、公転ゾーン１５の構成が、人工竜巻３１のうち、周方向の流れ、と内向きの流れを誘引する。上向きの流れは、公転ゾーン１５が無くても（すなわち、吸込口５が公転しなくても）発生する。

　また、公転半径Ｒ＞吸引口半径の場合、吸引口内側軌跡１６の内側の静圧が大気圧（静圧）に比べて低い負圧になる。これにより、吸引口内側軌跡１６の外側にある人工竜巻３１が、吸引口内側軌跡１６の内側に引っ張られる。その結果、人工竜巻３１が従来よりも安定して長時間持続することができる。

　また、公転半径Ｒ≦吸引口半径の場合も、公転軸１１の近傍（具体的には、公転軌跡１４よりも内側）の静圧が大気圧に比べて低い負圧になる。これにより、吸引口内側軌跡１６の外側にある人工竜巻３１が、負圧領域に引っ張られる。その結果、人工竜巻３１が従来よりも安定して長時間持続することができる。

　（実施例２）
　実施例２では、公転半径Ｒによる人工竜巻３１の発生状況を観察した。図１５Ａ、図１５Ｂに、実施例２の結果を示す。この実験結果では、空気流の可視化のためにドライアイスミストが用いられている。

　図１５Ａは、Ｃａｓｅ１－１０に対応し、公転半径Ｒ＝３０ｍｍ、公転回転数Ｎ＝１２０ｒｐｍ、自転回転数ｎ＝０ｒｐｍで、公転のみの公転半径Ｒ＝３０ｍｍの条件である。図１５Ｂは、Ｃａｓｅ１－５に対応し、公転半径Ｒ＝１０ｍｍ、公転回転数Ｎ＝１２０ｒｐｍ、自転回転数ｎ＝０ｒｐｍで、公転のみの公転半径Ｒ＝１０ｍｍの条件である。人工竜巻３１は、公転半径Ｒ＝３０ｍｍのほうが公転半径Ｒ＝１０ｍｍより、低速回転数（１２０ｒｐｍ）から安定して発生した。

　（実施例３）
　実施例３では、吸引口５の公転に吸引口５の自転を同時に与えて人工竜巻３１を観察した。なお、自転方向は公転方向１２と同じ方向である。吸引口５の公転により発生する人工竜巻３１を、吸引口ダクト６の自転により補強するためである。

　図１６に、実施例３の実験条件を示す。Ｃａｓｅ２－１～２－３６まで、３６条件で人工竜巻３１を観察した。

　図１７Ａ、図１７Ｂに、実施例３の結果を示す。この実験結果では、空気流の可視化のためにドライアイスミストが用いられている。図１７Ａは、Ｃａｓｅ１－５に対応し、公転半径Ｒ＝１０ｍｍ、公転回転数Ｎ＝１２０ｒｐｍ、自転回転数ｎ＝０ｒｐｍで、公転のみの条件である。

　図１７Ｂは、Ｃａｓｅ２－１１に対応し、公転半径Ｒ＝１０ｍｍ、公転回転数Ｎ＝１２０ｒｐｍ、自転回転数ｎ＝１２０ｒｐｍで、公転と自転を同時に与えた条件である。人工竜巻３１は、公転のみの場合と比べて、自転を加えるとさらに安定化した。

　図１８Ａ、図１８Ｂに、実施例３の結果を示す。この実験結果では、空気流の可視化のためにタフト２３が用いられている。それ以外の条件については、図１７Ａと図１７Ｂの条件と同じである。タフト２３は、公転のみに比べ、公転に自転を加えると、より高く上昇し、吸引力が大きくなっていることを確認した。

　吸引口ダクト６を自転方向１９に自転させることにより、人工竜巻３１には、図３に示すように、回転方向３５の回転が加わる。その結果、人工竜巻３１は更に強力になる。

　公転軌跡１４の公転軌跡の形状は、円形だけでなく楕円形でもよいし、四角形でもよいし、六角形でもよい。吸引口５の形状は、円形だけでなく楕円形でもよいし、四角形でもよいし、六角形でもよい。吸引口５のサイズ（半径等）、吸引流量、公転半径Ｒ、及び公転回転数Ｎによって人工竜巻の強度を調節できる。図４の実験装置は、吸引口５を自転させる事もできるが、本発明の吸引装置１の人工竜巻３１の発生作用は、吸引口５の公転に起因する。

　（第３実施形態）
　次に、第３実施形態について図１９を用いて説明する。本実施形態の空調装置６０は、室内の天井または横壁に固定される。空調装置６０は、室内を暖房するために、空気を加熱し、加熱された空気６１を室内の鉛直斜め下方に吹き出す。従来は、室内の暖房時には、冷気６４が室内下方に滞留し、暖気が室内上方に滞留しがちである。このような温度分布は、室内下方の居住スペースが温まらないので暖房効率の悪化に繋がる。

　これに対し、本実施形態の空調装置６０は、図１９に示すように、第１実施形態または第２実施形態に係る吸引装置１を有している。この吸引装置１の吸引口５は、室内鉛直下方または鉛直斜め下方に開口している。

　吸引装置１の作動形態は、第１、第２実施形態と同様である。吸引口５が空気を吸引しているときに吸引口５が公転軸１１周りに公転することで、人工竜巻６３が発生する。人工竜巻６３が発生すると、室内下方の冷気が吸引口５に吸引される。これにより、空調装置６０から吹き出された空気（暖気）は、室内を矢印６２のように室内下方に移動する。その結果、暖気が矢印６２のように、室内の下端まで届き、室内下方の温度が上昇し上下の温度差が低減され暖房効率は向上する。

　なお、吸引装置１によって吸引された冷気は、空調装置６０の内部で加熱され、その後、再度室内に吹き出される。

　以上、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、及び実施例により、本発明は以下の作用および効果がある。

　まず、流体を吸引する吸引口５を有する吸引装置１が、吸引口５を公転軸１１周りに公転させることにより公転ゾーン１５を有する。吸引口５を公転させ公転ゾーン１５を構成することで、吸引口５に空気が円周方向に引きずられることにより公転ゾーン１５の円周方向速度ベクトルＶθを発生させる。円周方向速度ベクトルＶθは、強くて安定な人工竜巻３１を発生させる。

　吸引装置１の吸引口５を公転させる機構のみで人工竜巻３１を発生させることができるので、吸引装置１を小型でできる。よって、従来技術で必要であった、大型のダクトやフード、旋回流を発生させる噴流用の送風装置が不要とすることができる。ただし、上記実施形態の吸引装置１が、ダクト、フード、旋回流を発生させる噴流用の送風装置と、組み合わせて用いられてもよい。

　また、公転ゾーン１５の吸引速度は、公転軸側の内部から外周部にかけて小さくなる速度勾配を有する。公転軸側の内部から外周部にかけて小さくなる速度勾配を有することで、公転中心１０を中心とする円の半径方向に作用する半径方向速度ベクトルＶｒが発生する。

　また、公転ゾーン１５の内部に負圧領域がある。公転ゾーン１５の内部に負圧領域を有することで、半径方向速度ベクトルＶｒを更に強力にすることができる。

　よって、円周方向速度ベクトルＶθと半径方向速度ベクトルＶｒの合成速度ベクトルＶｔにより、強力で安定した人工竜巻を発生させることができる。

　また、吸引装置１は、吸引口５を有する吸引口ダクトに連結して、公転軸周りに自転する吸引ダクトを有している。吸引口を有する吸引口ダクト６に連結して、公転軸１１周りに自転する吸引ダクト８があることで、吸引口５の公転を吸引ダクト８の自転のみで行うことができる。これにより吸引口５を公転させる機構を、モータの回転に直結できるので簡素化できる。

　また、吸引口５が公転ポイント周りに自転する。吸引口５を公転ポイント１３周りに自転させることで、人工竜巻を更に、強力で安定にすることができる。吸引口ダクト６の内壁で発生する摩擦力が利用できるからである。

　本発明の吸引装置１は、集塵装置、換気装置、排気装置、低圧発生装置、等に使用できる。具体的には、掃除機、工作機械の切り屑除去装置、高炉の集塵装置、分煙装置、焼肉屋の排煙装置、液面制御装置、等であり、人工竜巻３１により、吸引に指向性を持たせ効率的に集塵、換気、排気等を行うことができる。また、空気中の特定領域に飛散しいている埃等を、人工竜巻３１によりその特定領域にフォーカスして集塵できる。人工竜巻３１により、有害な蚊等の飛行中の捕獲も可能である。吸引装置１に吸引される流体は、空気だけでなく水素、酸素、窒素等の他の気体でも良い。また、液体（水、アルコール等）でも良い。

１　　　　吸引装置　　　　　　　　　　　３　　　　吸引ポンプ
４　　　　回転板　　　　　　　　　　　　５　　　　吸引口
６　　　　吸引口ダクト　　　　　　　　　７　　　　連結ダクト
８　　　　吸引ダクト　　　　　　　　　　９　　　　吐出ダクト
１０　　　公転中心　　　　　　　　　　　１１　　　公転軸
１２　　　公転方向　　　　　　　　　　　１３　　　公転ポイント
１４　　　公転軌跡　　　　　　　　　　　１５　　　公転ゾーン
１６　　　吸引口内側軌跡　　　　　　　　１７　　　吸引口の自転軸
１９　　　吸引口の自転方向　　　　　　　２１　　　ドライアイスミスト
２３　　　タフト　　　　　　　　　　　　２５　　　床面（上流側）
３１　　　人工竜巻　　　　　　　　　　　３３　　　随伴流
３５　　　自転による回転方向
５１　　　スリップリング　　　　　　　　５３　　　流量計
５５　　　被駆動部　　　　　　　　　　　５７　　　公転用第１モータ
５８　　　自転用第２モータ　　　　　　　５９　　　観察領域

Claims

　流体を吸引しながら公転軸（１１）周りに公転する吸引口（５）を備えた吸引装置。
　前記吸引口（５）が前記公転軸（１１）周りに公転することにより、前記吸引口（５）の最外周部が描く形状の内側の領域に公転ゾーンが形成されることを特徴とする請求項１に記載の吸引装置。
　前記吸引口（５）が前記公転軸（１１）の周りを公転するときに前記公転ゾーンの内部に負圧領域が発生することを特徴とする請求項２に記載の吸引装置。
　前記公転ゾーンの吸引速度は、前記公転軸（１１）側の内部から外周部にかけて小さくなる速度勾配を有することを特徴とする請求項２または３に記載の吸引装置。
　前記吸引口（５）が前記流体を吸引しているときに前記吸引口（５）を前記公転軸（１１）周りに公転させる駆動装置を備えた請求項１ないし４のいずれか１つに記載の吸引装置。
　前記吸引口（５）を備える吸引口ダクト（６）と、
　前記吸引口ダクト（６）に接続される連結ダクト（７）と、
　前記連結ダクト（７）に接続される吸引ダクト（８）と、を備え、
　前記吸引ダクト（８）は、前記公転軸（１１）が内部に位置するように、前記公転軸（１１）を取り囲んで伸び、
　前記連結ダクト（７）は、前記吸引ダクト（８）側の開口部から前記吸引口ダクト（６）側の開口部まで、前記公転軸（１１）から遠ざかるように伸び、
　前記吸引口ダクト（６）は、前記公転軸（１１）から離れた位置にあり、
　前記吸引ダクト（８）が前記公転軸（１１）を中心として自転すると、前記連結ダクト（７）および前記吸引口ダクト（６）が前記公転軸（１１）の周りに公転し、その結果、前記吸引口（５）が前記公転軸（１１）の周りを公転することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の吸引装置。
　前記吸引口（５）が開けられた回転板（４）と、
　前記回転板（４）に接続される吸引口ダクト（６）と、
　前記吸引口ダクト（６）に接続される吸引ダクト（８）と、を備え、
　前記吸引口（５）は、前記回転板（４）において、前記公転軸（１１）から離れた位置に開けられ、
　前記回転板（４）が前記公転軸（１１）を中心として自転すると、前記吸引口（５）が前記公転軸（１１）の周りを公転することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の吸引装置。
　前記吸引口が自転することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の吸引装置。
　吸引口（５）が流体を吸引しているときに前記吸引口（５）を公転軸周りに公転させる駆動装置。