流体噴射装置及び医療機器
【課題】強いパルス流が噴射できる流体噴射装置を提供する。
【解決手段】流体噴射装置は、容積が変更可能な流体室２４と、流体室２４に連通する入口流路５６及び出口流路２６と、出口流路２６に連通された流体噴射開口部５２と、入口流路５６に連通され、入口流路５６に流体を供給する流体供給部１２と、入口流路５６に配置され、入口流路５６内の流体を沸騰させる流体沸騰部５８と、を有する。
【解決手段】流体噴射装置は、容積が変更可能な流体室２４と、流体室２４に連通する入口流路５６及び出口流路２６と、出口流路２６に連通された流体噴射開口部５２と、入口流路５６に連通され、入口流路５６に流体を供給する流体供給部１２と、入口流路５６に配置され、入口流路５６内の流体を沸騰させる流体沸騰部５８と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体噴射装置及び医療機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体供給部から供給される流体を脈動発生部（圧電素子含む部分）で脈動させてパルス流を発生させる。つまりは、パルス状の流体を噴射する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−８２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、流体室の入口流路側に流体の逆流を防ぐために、逆止弁を付けないで入口流路側のイナータンスを大きくすることで、流体の逆流を抑制している。しかしながら、逆止弁がないため、ノズルからの噴射を強めるために、容積変更を大きくすればするほど、流体室の入口流路側への流体の逆流しようとする流れも大きくなり、ノズルからの噴射の損失も徐々に大きくなる。また、逆流を抑制するために流体室の入口流路側のイナータンスを大きくしも、その場合には、入口流路の断面積をより小さく、流路を長くする必要があるため、流体を供給する圧力発生部である流体供給部の負荷が増えてしまうという課題がある。よって、本発明では、入口流路側に流体の逆流を防ぐ効果を高めて、より強いパルス流が噴射できる流体噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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なされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］容積が変更可能な流体室と、前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、前記出口流路に連通された流体噴射開口部と、前記入口流路に連通され、該入口流路に流体を供給する流体供給部と、前記入口流路に配置され、該入口流路内の流体を沸騰させる流体沸騰部と、を有することを特徴とする流体噴射装置。
【０００７】
これによれば、容積変更可能な流体室に連通した入口流路に流体を沸騰させる流体沸騰部を備え、入口流路内の流体を流体沸騰部で沸騰させることで、入口流路内の流体沸騰部付近の流体が瞬間的に蒸気となり、入口流路内の流体を押し出し、圧力が高まる。したがって、流体室の容積を変更した際の入口流路側への逆流を防ぐことができる。このとき、蒸発の体積膨張による圧力で流体室から入口流路側への逆流を抑える効果があるが、蒸発の体積膨張だけではなく、入口流路内のイナータンスを利用することで逆流を抑えやすくなる。そして、入口流路内の蒸気は流体沸騰部をオフすることで冷却され流体に戻り、これを繰り返すことができる。
【０００８】
また、入口流路のイナータンス効果を合わせて利用することで、蒸気の圧力だけで逆流を抑えるのではなく、蒸気によって押されて加速した入口流路内のイナータンスを利用して効果的に逆流を抑制することができる。これにより、強いパルス流を噴射することができる。
【０００９】
［適用例２］上記流体噴射装置であって、前記流体沸騰部は、前記入口流路の中間より前記流体室側に近い位置に配置することを特徴とする流体噴射装置。
【００１０】
これによれば、入口流路内の流体沸騰部付近の流体が沸騰した際、入口流路内の流体は、その蒸気により、流体室側と流体供給部側に押される。このとき、入口流路において流体沸騰部から流体供給部側の管路が長くなり、流体沸騰部から流体室側のイナータンスよりも、流体沸騰部から流体供給部側のイナータンスが大きくなるので、流体沸騰部付近の流体が沸騰した際、入口流路内の流体は、流体供給部側に押されるよりも流体室側へ効果的に押し込まれる。
【００１１】
［適用例３］上記流体噴射装置であって、前記流体沸騰部から前記流体室側の前記入口流路のイナータンスは、前記出口流路側のイナータンスよりも大きいことを特徴とする流体噴射装置。
【００１２】
これによれば、入口流路内の流体沸騰部付近の流体が沸騰したことにより、流体沸騰部から流体室側の入口流路の流体は流体室側へ勢いよく流れるが、このイナータンスが出口流路側のイナータンスより大きいことで、流体室において入口流路側よりも出口流路側へ効果的に流体を押し込むことができる。
【００１３】
［適用例４］上記流体噴射装置であって、前記流体沸騰部の加熱開始時間は、前記流体室内を加圧するように容積を変更し始める時間よりも先に行うことを特徴とする流体噴射装置。
【００１４】
これによれば、流体沸騰部の沸騰開始により、十分に入口流路中の流体を加速させてから、流体室内を加圧することで、流体室での入口側への逆流を抑制し易くなる。また、熱伝導の時間を考慮することができる。
【００１５】
［適用例５］上記流体噴射装置であって、前記流体室内を加圧するように容積を減少している時間は、少なくとも前記流体沸騰部で加熱していることを特徴とする流体噴射装置。
【００１６】
これによれば、流体室内を加圧（容積を減少）させている時間は、流体沸騰部が加熱（入口流路内の流体を沸騰させる）することで、入口流路内の沸騰して気化した蒸気が消滅する前に、流体室内を加圧（容積を減少）させられる。
【００１７】
［適用例６］容積が変更可能な流体室と、前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、前記出口流路に連通された流体噴射開口部と、前記入口流路に連通され、該入口流路に流体を供給する流体供給部と、前記入口流路に配置され、該入口流路内の流体を沸騰させる流体沸騰部と、を有する流体噴射装置を用いたことを特徴とする医療機器。
【００１８】
これによれば、医療機器に本発明の流体噴射装置を備えることで、上記の流体噴射装置が享受する各種効果と同様の効果を享受することができる。つまり、このため、上記した本発明の流体噴射装置が享受する各種効果と同様の効果を享受することができる生体組織の切開、その他に、結石等の破砕や、生体細胞に流体を導入、血管内塞栓の除去などの各種医療機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る流体噴射装置を示す図。
【図２】本実施形態に係る脈動発生部の詳細を示す図。
【図３】本実施形態に係る入口流路内の液体の沸騰の様子を示す図。
【図４】本実施形態に係る入口流路内の液体のヒーターに接触している面の体積と通過時間との関係を示す図。
【図５】本実施形態に係る流体室の容積を変更するタイミングと入口流路内の液体が蒸発し始めるタイミングについて示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
【００２１】
また、本実施形態による流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の洗浄、手術用メス等様々に採用可能であるが、以下に説明する実施形態では、生体組織を切開又は切除することに好適な流体噴射装置を例示して説明する。したがって、実施形態にて用いる流体は、水又は生理食塩水である。
【００２２】
図１は、本実施形態に係る流体噴射装置を示す図である。本実施形態に係る流体噴射装置２は、図１に示すように、基本構成として流体（液体）を収容する流体容器１０と、流体供給部としてのポンプ１２と、ポンプ１２から供給される液体を脈動流動する脈動発生部１４と、から構成されている。
【００２３】
脈動発生部１４には、細いパイプ状の流体噴射管１６が接続され、流体噴射管１６の先端部には流路が縮小されたノズル１８が挿着されている。
【００２４】
この流体噴射装置２における液体の流動を簡単に説明する。流体容器１０に収容された液体は、接続チューブ２０を介してポンプ１２によって吸引され、一定の圧力で接続チューブ２２を介して脈動発生部１４に供給される。脈動発生部１４には流体室２４（図２参照）と、この流体室２４の容積変更手段とを備えており、容積変更手段を駆動して脈動を発生して、流体噴射管１６、ノズル１８を通して液体を高速で噴射する。脈動発生部１４の詳しい説明については、図２を参照して後述する。
【００２５】
なお、流体供給部としてはポンプ１２に限らず、輸液バッグをスタンド等によって脈動発生部１４よりも高い位置に保持するようにしてもよい。したがって、ポンプ１２は不要となり、構成を簡素化することができる他、消毒等が容易になる利点がある。
【００２６】
ポンプ１２の吐出圧力は概ね０．３気圧（０．０３ＭＰａ）以下に設定する。また、輸液バッグを用いる場合には、脈動発生部１４と輸液バッグの液上面との高度差が圧力となる。輸液バックを用いるときには０．１〜０．１５気圧（０．０１〜０．０１５ＭＰａ）程度になるように高度差を設定することが望ましい。
【００２７】
なお、この流体噴射装置２を用いて手術をする際には、術者が把持する部位は脈動発生部１４である。したがって、脈動発生部１４までの接続チューブ２２はできるだけ柔軟であることが好ましい。そのためには、柔軟で薄いチューブで、液体を脈動発生部１４に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。
【００２８】
また、特に、脳手術の時のように、機器の故障が重大な事故を引き起こす虞がある場合には、接続チューブ２２の切断等において高圧な液体が噴出することは避けなければならず、このことからも低圧にしておくことが要求される。
【００２９】
次に、本実施形態による脈動発生部１４の構造について説明する。
図２は、本実施形態に係る脈動発生部１４の詳細を示す図である。脈動発生部１４には、図２に示すように、液体の脈動を発生させる脈動発生手段を含み、液体を吐出する流路としての出口流路２６を有する流体噴射管１６が接続されている。
【００３０】
脈動発生部１４は、上ケース２８と下ケース３０とをそれぞれ対向する面において接合され、４本の固定螺子３２（図示は省略）によって螺着されている。下ケース３０は、鍔部を有する筒状部材であって、一方の端部は底板３４で密閉されている。この下ケース３０の内部空間に圧電素子３６が配設されている。
【００３１】
圧電素子３６は、積層型圧電素子であってアクチュエーターを構成している。圧電素子３６の一方の端部は上板３８を介してダイアフラム４０に、他方の端部は底板３４の上面４２に固着されている。
【００３２】
また、ダイアフラム４０は、円盤状の金属薄板からなり、下ケース３０の凹部４４内において周縁部が凹部４４の底面に密着固着されている。容積変更手段としての圧電素子３６に駆動信号を入力することで、圧電素子３６の伸張、収縮に伴いダイアフラム４０を介して流体室２４の容積を変更する。
【００３３】
ダイアフラム４０の上面には、中心部に開口部を有する円盤状の金属薄板からなる補強板４６が積層配設されている。
【００３４】
上ケース２８は、下ケース３０と対向する面の中心部に凹部が形成され、この凹部とダイアフラム４０とから構成され、液体が充填された状態の回転体形状が流体室２４である。つまり、流体室２４は、上ケース２８の凹部の封止面４８と内周側壁５０とダイアフラム４０とによって囲まれた空間である。流体室２４の略中央部には出口流路２６が穿設されている。
【００３５】
出口流路２６は、流体室２４から上ケース２８の一方の端面から突設された流体噴射管１６の端部まで貫通されている。出口流路２６の流体室２４の封止面４８との接続部は、流体抵抗を減ずるために滑らかに丸められている。
【００３６】
なお、以上説明した流体室２４の形状は、本実施形態では、両端が封止された略円筒形状としているが、側面視して円錐形や台形、あるいは半球形状等でもよく限定されない。例えば、出口流路２６と封止面４８との接続部を漏斗のような形状にすれば、後述する流体室２４内の気泡を排出しやすくなる。
【００３７】
流体噴射管１６には出口流路２６が穿設されており、流体噴射管１６の管部の厚さは、液体の圧力脈動を吸収しない剛性を有する範囲に形成されている。
【００３８】
流体噴射管１６の先端部には、ノズル１８が挿着されている。このノズル１８には流体噴射開口部５２が穿設されている。流体噴射開口部５２の直径は、出口流路２６の直径より小さくなるように構成されている。
【００３９】
上ケース２８の端面には、ポンプ１２から液体を供給する接続チューブ２２を挿着する入口流路管５４が突設されており、入口流路管５４に入口流路５６が穿たれている。入口流路５６は流体室２４に連通している。
【００４０】
入口流路管５４は細管が流体室２４に接続している。入口流路管５４の中間部より流体室２４側に流体沸騰部としてのヒーター５８が取り付けられている。なお、ヒーター５８は瞬間的に液体の温度を高めることができればよいので、ヒーター５８の代わりにファイバーで導光したレーザー光を用いても構わない。
【００４１】
上ケース２８と下ケース３０との接合面において、ダイアフラム４０の外周方向の離間した位置には、下ケース３０側にパッキンボックス６０、上ケース２８側にパッキンボックス６２が形成されており、パッキンボックス６０，６２にて形成される空間にリング状のパッキン６４が装着されている。
【００４２】
ここで、上ケース２８と下ケース３０とを組み立てたとき、ダイアフラム４０の周縁部と補強板４６の周縁部とは、上ケース２８の封止面４８の周縁部と下ケース３０の凹部４４の底面によって密接されている。この際、パッキン６４は上ケース２８と下ケース３０とによって押し圧されて、流体室２４からの液体漏洩を防止している。
【００４３】
流体室２４内は、液体吐出の際に３０気圧（３ＭＰａ）以上の高圧状態となり、ダイアフラム４０、補強板４６、上ケース２８、下ケース３０それぞれの接合部において液体が僅かに漏洩することが考えられるが、パッキン６４によって漏洩を阻止している。
【００４４】
図２に示すようにパッキン６４を配設すると、流体室２４から高圧で漏洩してくる液体の圧力によってパッキン６４が圧縮され、パッキンボックス６０，６２内の壁にさらに強く押し圧するので、液体の漏洩を一層確実に阻止することができる。このことから、駆動時において流体室２４内の高い圧力上昇を維持することができる。
【００４５】
次に、本実施形態における動作について図１及び図２を参照して説明する。本実施形態の脈動発生部１４の液体吐出は、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンス側のイナータンスＬ１（合成イナータンスＬ１と呼ぶことがある）と出口流路側のイナータンスＬ２（合成イナータンスＬ２と呼ぶことがある）、そして、ヒーター５８からポンプ１２側の入口流路５６のイナータンスＬ３（合成イナータンスＬ３と呼ぶことがある）が影響する。
【００４６】
まず、イナータンスについて説明する。イナータンスＬは、液体の密度をρ、流路の断面積をＳ、流路の長さをｈとしたとき、Ｌ＝ρ×ｈ／Ｓで表される。流路の圧力差をΔＰ、流路を流れる液体の流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。
【００４７】
つまり、イナータンスＬは、流量の時間変化に与える影響度合いを示しており、イナータンスＬが大きいほど流量の時間変化が少なく、イナータンスＬが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
【００４８】
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンスは、個々の流路のイナータンスを電気回路におけるインダクタンスの並列接続、又は直列接続と同様に合成して算出することができる。
【００４９】
なお、イナータンスＬ１は、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６の範囲において算出される。そして、イナータンスＬ３は、ヒーター５８からポンプ１２側の入口流路５６の範囲において算出される。この際、ポンプ１２と入口流路５６とを接続する接続チューブ２２は柔軟性を有するため、イナータンスＬ３の算出から削除してもよい。
ここで、入口流路管５４の中間部より流体室２４側に流体沸騰部としてのヒーター５８が取り付けられ、入口流路管５４の断面積がほぼ一定であれば、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１は、ヒーター５８からポンプ１２側の入口流路５６のイナータンスＬ３よりも大きくなる。よって、入口流路５６内の液体をヒーター５８で沸騰させることで、ヒーター５８付近の液体が沸騰した際、入口流路５６内の液体は、ポンプ１２側に押されるよりも流体室２４側へ効果的に押し込まれる。
【００５０】
また、出口流路２６側の合成イナータンスＬ２は、流体噴射開口部５２やノズル１８を含む出口流路２６の範囲において算出される。
ここで、出口流路２６側の合成イナータンスＬ２よりも、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１の方が大きくなっているため、入口流路５６内のヒーター５８付近の液体が沸騰することにより、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６の液体は流体室２４側へ勢いよく流れ、このヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１が出口流路２６側の合成イナータンスＬ２より大きいことで、後述する脈動発生部１４の動作時に、流体室２４において入口流路５６側よりも出口流路２６側へ効果的に液体を押し込むことができる。
【００５１】
本実施形態では、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１は、ヒーター５８からポンプ１２側の入口流路５６のイナータンスＬ３よりも大きくなるように、また、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１が出口流路２６側の合成イナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路５６の流路長及び断面積、出口流路２６の流路長及び断面積、ヒーター５８が取り付けられている位置を設定する。
【００５２】
次に、脈動発生部１４の動作について説明する。ポンプ１２によって入口流路５６には、常に一定圧力の液圧で液体が供給されている。その結果、圧電素子３６が動作を行わない場合、ポンプ１２の吐出力と入口流路５６側全体の流体抵抗値の差によって液体は流体室２４内に流動する。
【００５３】
ここで、圧電素子３６に駆動信号が入力され、急激に圧電素子３６が伸張したとすると、流体室２４内の圧力が急速に上昇して数十気圧に達する。
【００５４】
この圧力は、入口流路５６に加えられていたポンプ１２による圧力よりはるかに大きいため、入口流路５６側から流体室２４内への液体の流入はその圧力によって減少し、出口流路２６からの流出は増加する。したがって、前述した特許文献１による流体噴射装置のような、入口流路側に設けられる逆止弁は必要ない。
【００５５】
また、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１が出口流路２６側の合成イナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路５６から液体が流体室２４へ流入する流量の減少量よりも、出口流路２６から吐出される液体の増加量のほうが大きくなり、流体室２４において入口流路５６側よりも出口流路２６側に液体を押し込むことができる。そして、出口流路２６に脈動流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、流体噴射管１６内を伝播して、先端のノズル１８の流体噴射開口部５２から液体が噴射される。
【００５６】
ここで、ノズル１８の流体噴射開口部５２の直径は、出口流路２６の直径よりも小さいので、液体は、さらに高圧、高速のパルス状の液滴として噴射される。
【００５７】
一方、流体室２４内は、入口流路５６からの液体流入量の減少と出口流路２６からの液体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。その結果、ポンプ１２の圧力と、流体室２４内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路５６の液体は圧電素子３６の動作前と同様な速度で流体室２４内に向かう流れが復帰する。
【００５８】
入口流路５６内の液体の流動が復帰した後、圧電素子３６の伸張があれば、ノズル１８からの脈動流を継続して噴射することができる。
【００５９】
図３は、本実施形態に係る入口流路５６内の液体の沸騰の様子を示す図である。先ず、図３（Ａ）に示すように、ヒーター５８の加熱により、入口流路５６の液体はヒーター５８に近い部分から沸騰して、液体の一部が蒸発し気化した蒸気６６が発生する。
【００６０】
次に、図３（Ｂ）に示すように、気化した蒸気６６が大きくなり、入口流路５６の液体は流体室２４側とポンプ１２側とに押し出される。このとき、ヒーター５８から流体室２４側のイナータンスよりも、ヒーター５８からポンプ１２側のイナータンスが大きいので、ポンプ１２側に押されるよりも流体室２４側へ効果的に押し込むことができる。そして、流体室２４側へ押し込まれた液体に関して、流体室２４の出口流路２６側のイナータンスよりも、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスの方が大きいので、流体室２４において入口流路５６側よりも出口流路２６側へ効果的に液体を押し込むことができる。
【００６１】
そして、図３（Ｃ）に示すように、ヒーター５８がＯＦＦになり、冷却され沸騰して蒸発して気化した蒸気６６は消滅する。
【００６２】
なお、図３（Ｂ）において、ポンプ１２側へ液体が押された場合、細管の入口流路５６内での蒸発であるので蒸発後の体積も小さく、例えば入口流路５６とポンプ１２とを繋ぐ接続チューブ２２の弾性に吸収される。
【００６３】
ここで、入口流路５６の液体が蒸気６６になるには、どれぐらいの熱のやり取りを考えればよいか、簡易計算を行う。例えば、入口流路５６のイナータンスを大きくするため、入口流路５６をφ０．３ｍｍの細い円管とし、ヒーター５８が１ｍｍ程度の幅の大きさで入口流路管５４を介して液体に接する場合を考える。ここで、ポンプ１２で約４．２ｍｌ／ｍｉｎ（７．０×１０-8ｍ3／ｓ）の流量を供給する。流体噴射開口部５２からパルス流を噴射して組織を切断する場合、流体噴射開口部５２から噴射されるパルス流の流速を高めるために、比較的大流量を流す必要があるが、本実施形態では、容積変更手段でパルス流を噴射することで、流速が高くなるので問題ない。よって、このとき、入口流路５６では約１ｍ／ｓの流速で液体が流れる。そして、１ｍｍ程度の幅の大きさのヒーター５８なので、約１ｍ／ｓの流速の場合は、液体が１ｍｓｅｃで通過する。
【００６４】
以下に熱交換の概要を説明する。
図４は、本実施形態に係る入口流路５６内の液体のヒーター５８に接触している面の体積と通過時間との関係を示す図である。
先ず、入口流路５６の断面積Ａ〔ｍ2〕は以下となる。
【００６５】
Ａ＝（０．３×１０-3／２）2×π＝約７．１×１０-8〔ｍ2〕
上述の流量Ｑ＝４．２ｍｌ／ｍｉｎ（７．０×１０-8ｍ3／ｓ）で断面積Ａの流路を通過する時の流速ｖ〔ｍ／ｓ〕は以下となる。
【００６６】
ｖ＝Ｑ／Ａ＝約１〔ｍ／ｓ〕
約１ｍ／ｓの流速の場合は、液体の通過開始を０ｍｓｅｃとして２ｍｓｅｃで通過し終わるため、ヒーター５８に接触している体積は、図４のようになる。つまり、１ｍｓｅｃの間には、流量Ｑの半分の熱量しか交換できないが、１ｍｓｅｃで一定の熱の交換ができていると置き換えることができる。
【００６７】
次に、φ０．３ｍｍ、幅１ｍｍの入口流路５６内部の液体の体積は、約７．１×１０-11〔ｍ3〕、例えば液体を水とした場合、水の比熱容量が約４．２〔ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）〕なので、熱容量は、約３．０×１０-7〔ｋＪ／Ｋ〕となり、仮に２０℃から沸点の１００℃まで液体の温度を上げるためには、約２．４×１０-5ｋＪの熱量が必要になる。そして、水の気化熱は、約２２５０ｋＪ／ｋｇであるので、液体を気化させるためには、さらに、約１．６×１０-7ｋＪ必要となる。よって、合計１．８×１０-7ｋＪの熱量が必要となる。
【００６８】
ただし、液体が通過している間、周囲の熱伝導を無視してφ０．３ｍｍ、幅１ｍｍの入口流路５６内部の液体に加えれば、おおよそ沸騰することになる。よって、周囲への熱伝導やヒーター５８の熱容量等を考慮すればヒーター５８は約１８０Ｗ以上のエネルギーを生み出す必要がある。
【００６９】
以下にヒーター５８のエネルギーの必要量の概要を説明する。
先ず、ヒーター５８上の液体の体積Ｖは以下となる。
【００７０】
Ｖ＝Ａ×１＝７．１×１０-8×１×１０-3＝７．１×１０-11〔ｍ3〕
そして、水の比重１０００ｋｇ／ｍ3より、Ｖの重さｍは７．１×１０-8〔ｋｇ〕よなる。ここで、水の比熱容量ｃが約４．２〔ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）〕なので、熱容量Ｃは以下となる。
【００７１】
Ｃ＝ｃ×ｍ＝３．０×１０-7〔ｋＪ／Ｋ〕
２０℃から沸点の１００℃まで液体の温度を上げるための熱量Ｑ１は以下となる。
【００７２】
Ｑ１＝Ｃ×ΔＴ＝２．４×１０-5〔ｋＪ〕
また、水の気化熱は、約２２５０〔ｋＪ／ｋｇ〕であるので、液体を気化させるための熱量Ｑ２は以下となる。
【００７３】
Ｑ２＝２２５０×ｍ＝１．６×１０-4〔ｋＪ〕
よって、体積Ｖの液体を沸騰させるための熱量Ｑは以下となる。
【００７４】
Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２＝１．８×１０-4〔ｋＪ〕
前述したように、液体が流れているが、１ｍｓｅｃで一定の熱の交換ができていると置き換えができるので、エネルギーＥは以下となる。
【００７５】
Ｅ＝Ｑ／ｔ＝（１．８×１０-1）／（１×１０-3）＝１８０〔Ｗ〕
また、上記の簡易計算では、流速一定としたが、容積変更すると入口流路５６側の流速は少なからず減速をするため、そのタイミングを利用すれば入口流路５６内の加熱は容易となる。
【００７６】
また、ポンプ１２の流量を挙げた場合でも、ヒーター５８の大きさや加熱時間や加熱のための発生エネルギーなど大きくすればよいので、適宜設計変更すればよい。
【００７７】
図５は、本実施形態に係る流体室２４の容積を変更するタイミングと入口流路５６内の液体が蒸発し始めるタイミングについて示す図である。先ず、図５（Ａ）に示すように、ヒーター５８がＯＮ、ＯＦＦを繰り返すなかで、ヒーター５８がＯＮされてから、圧電素子３６に脈動する駆動電圧が供給される。つまり、ヒーター５８の加熱開始時間は、熱伝導の時間も考慮し、流体室２４内を加圧するように容積を変更し始める時間よりも先に行うことになる。これにより、ヒーター５８の沸騰開始により、十分に入口流路５６中の液体を加速させてから、流体室２４内を加圧することで、流体室２４での入口側への逆流を抑制し易くなる。また、熱伝導の時間を考慮することができる。
【００７８】
また、沸騰して気化した蒸気６６が消滅する前に、流体室２４内を加圧したいので流体室２４内を加圧（容積を減少）させている時間はヒーター５８がＯＮされている。
【００７９】
また、流体室２４内を加圧（容積を減少）させている時間は、ヒーター５８が加熱（入口流路５６内の流体を沸騰させる）することで、容積変更で入口流路５６側の流速が減速して、入口流路５６内の加熱は容易となる。また、流体室２４内を加圧（容積を減少）させている時間は、ヒーター５８が加熱（入口流路５６内の液体を沸騰させる）することで、入口流路５６内の沸騰して気化した蒸気６６が消滅する前に、流体室２４内を加圧したいので流体室２４内を加圧（容積を減少）させられる。
【００８０】
よって、ヒーター５８の沸騰開始により、十分に入口流路５６中の液体を加速させてから、流体室２４内を加圧することで、流体室２４での入口側への逆流を抑制し易くなる。
【００８１】
本実施形態では、圧電素子３６に電圧を印加すると圧電素子３６が伸張するものとしている。例えば、印加する電圧として、図５（Ｂ）に示すように、ＳＩＮ関数の波形で、位相が９０度遅れ、正へ振幅分オフセットした波形とする（グラフ１参照）。
【００８２】
流体室２４は、圧電素子３６の伸張による内部の体積変化により圧力を生じるため、グラフ１を１回微分したグラフ２の波形は、流体室２４の内部圧力に相似となる。したがって、グラフ２が正になっている時間は、略内部圧力が上昇している状態を表す。尚、液体は飽和水蒸気圧以下にならないので、グラフ２において負のあたりの部分はない。
【００８３】
したがって、内部圧力が上昇している時間はできる限り入口流路５６での逆流を抑えたいことを考えれば、流体室２４内を加圧するように容積を減少している時間（図５（Ｂ）の矢印Ａの範囲）は、少なくともヒーター５８で加熱していることが望ましい。
【００８４】
本実施形態によれば、容積変更可能な流体室２４に連通した入口流路５６に液体を沸騰させるヒーター５８を備え、入口流路５６内の液体をヒーター５８で沸騰させることで、入口流路５６内のヒーター５８付近の液体が瞬間的に蒸気６６となり、入口流路５６内の液体を押し出し、圧力が高まる。したがって、流体室２４の容積を変更した際の入口流路５６側への逆流を防ぐことができる。このとき、蒸発の体積膨張による圧力で流体室２４から入口流路５６側への逆流を抑える効果があるが、蒸発の体積膨張だけではなく、イナータンス効果で液体を活用することで逆流を抑えやすくなる。そして、入口流路５６内の蒸気６６はヒーター５８をオフすることで冷却され液体に戻り、これを繰り返すことができる。
【００８５】
また、入口流路５６のイナータンス効果を合わせて利用することで、蒸気６６の圧力だけで逆流を抑えるのではなく、蒸気６６によって押されて加速した入口流路５６内のイナータンスを利用して効果的に逆流を抑制することができる。これにより、強いパルス流を噴射することができる。
【００８６】
また、医療機器に本実施形態の流体噴射装置２を備えることで、上記の流体噴射装置２が享受する各種効果と同様の効果を享受することができる。つまり、このため、上記した本実施形態の流体噴射装置２が享受する各種効果と同様の効果を享受することができる生体組織の切開、その他に、結石等の破砕や、生体細胞に流体を導入、血管内塞栓の除去などの各種医療機器を実現することができる。
【符号の説明】
【００８７】
２…流体噴射装置 １０…流体容器 １２…ポンプ（流体供給部） １４…脈動発生部 １６…流体噴射管 １８…ノズル ２０，２２…接続チューブ ２４…流体室 ２６…出口流路 ２８…上ケース ３０…下ケース ３２…固定螺子 ３４…底板 ３６…圧電素子 ３８…上板 ４０…ダイアフラム ４２…上面 ４４…凹部 ４６…補強板 ４８…封止面 ５０…内周側壁 ５２…流体噴射開口部 ５４…入口流路管 ５６…入口流路 ５８…ヒーター（流体沸騰部） ６０，６２…パッキンボックス ６４…パッキン ６６…蒸気。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体噴射装置及び医療機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体供給部から供給される流体を脈動発生部（圧電素子含む部分）で脈動させてパルス流を発生させる。つまりは、パルス状の流体を噴射する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−８２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、流体室の入口流路側に流体の逆流を防ぐために、逆止弁を付けないで入口流路側のイナータンスを大きくすることで、流体の逆流を抑制している。しかしながら、逆止弁がないため、ノズルからの噴射を強めるために、容積変更を大きくすればするほど、流体室の入口流路側への流体の逆流しようとする流れも大きくなり、ノズルからの噴射の損失も徐々に大きくなる。また、逆流を抑制するために流体室の入口流路側のイナータンスを大きくしも、その場合には、入口流路の断面積をより小さく、流路を長くする必要があるため、流体を供給する圧力発生部である流体供給部の負荷が増えてしまうという課題がある。よって、本発明では、入口流路側に流体の逆流を防ぐ効果を高めて、より強いパルス流が噴射できる流体噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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なされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］容積が変更可能な流体室と、前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、前記出口流路に連通された流体噴射開口部と、前記入口流路に連通され、該入口流路に流体を供給する流体供給部と、前記入口流路に配置され、該入口流路内の流体を沸騰させる流体沸騰部と、を有することを特徴とする流体噴射装置。
【０００７】
これによれば、容積変更可能な流体室に連通した入口流路に流体を沸騰させる流体沸騰部を備え、入口流路内の流体を流体沸騰部で沸騰させることで、入口流路内の流体沸騰部付近の流体が瞬間的に蒸気となり、入口流路内の流体を押し出し、圧力が高まる。したがって、流体室の容積を変更した際の入口流路側への逆流を防ぐことができる。このとき、蒸発の体積膨張による圧力で流体室から入口流路側への逆流を抑える効果があるが、蒸発の体積膨張だけではなく、入口流路内のイナータンスを利用することで逆流を抑えやすくなる。そして、入口流路内の蒸気は流体沸騰部をオフすることで冷却され流体に戻り、これを繰り返すことができる。
【０００８】
また、入口流路のイナータンス効果を合わせて利用することで、蒸気の圧力だけで逆流を抑えるのではなく、蒸気によって押されて加速した入口流路内のイナータンスを利用して効果的に逆流を抑制することができる。これにより、強いパルス流を噴射することができる。
【０００９】
［適用例２］上記流体噴射装置であって、前記流体沸騰部は、前記入口流路の中間より前記流体室側に近い位置に配置することを特徴とする流体噴射装置。
【００１０】
これによれば、入口流路内の流体沸騰部付近の流体が沸騰した際、入口流路内の流体は、その蒸気により、流体室側と流体供給部側に押される。このとき、入口流路において流体沸騰部から流体供給部側の管路が長くなり、流体沸騰部から流体室側のイナータンスよりも、流体沸騰部から流体供給部側のイナータンスが大きくなるので、流体沸騰部付近の流体が沸騰した際、入口流路内の流体は、流体供給部側に押されるよりも流体室側へ効果的に押し込まれる。
【００１１】
［適用例３］上記流体噴射装置であって、前記流体沸騰部から前記流体室側の前記入口流路のイナータンスは、前記出口流路側のイナータンスよりも大きいことを特徴とする流体噴射装置。
【００１２】
これによれば、入口流路内の流体沸騰部付近の流体が沸騰したことにより、流体沸騰部から流体室側の入口流路の流体は流体室側へ勢いよく流れるが、このイナータンスが出口流路側のイナータンスより大きいことで、流体室において入口流路側よりも出口流路側へ効果的に流体を押し込むことができる。
【００１３】
［適用例４］上記流体噴射装置であって、前記流体沸騰部の加熱開始時間は、前記流体室内を加圧するように容積を変更し始める時間よりも先に行うことを特徴とする流体噴射装置。
【００１４】
これによれば、流体沸騰部の沸騰開始により、十分に入口流路中の流体を加速させてから、流体室内を加圧することで、流体室での入口側への逆流を抑制し易くなる。また、熱伝導の時間を考慮することができる。
【００１５】
［適用例５］上記流体噴射装置であって、前記流体室内を加圧するように容積を減少している時間は、少なくとも前記流体沸騰部で加熱していることを特徴とする流体噴射装置。
【００１６】
これによれば、流体室内を加圧（容積を減少）させている時間は、流体沸騰部が加熱（入口流路内の流体を沸騰させる）することで、入口流路内の沸騰して気化した蒸気が消滅する前に、流体室内を加圧（容積を減少）させられる。
【００１７】
［適用例６］容積が変更可能な流体室と、前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、前記出口流路に連通された流体噴射開口部と、前記入口流路に連通され、該入口流路に流体を供給する流体供給部と、前記入口流路に配置され、該入口流路内の流体を沸騰させる流体沸騰部と、を有する流体噴射装置を用いたことを特徴とする医療機器。
【００１８】
これによれば、医療機器に本発明の流体噴射装置を備えることで、上記の流体噴射装置が享受する各種効果と同様の効果を享受することができる。つまり、このため、上記した本発明の流体噴射装置が享受する各種効果と同様の効果を享受することができる生体組織の切開、その他に、結石等の破砕や、生体細胞に流体を導入、血管内塞栓の除去などの各種医療機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る流体噴射装置を示す図。
【図２】本実施形態に係る脈動発生部の詳細を示す図。
【図３】本実施形態に係る入口流路内の液体の沸騰の様子を示す図。
【図４】本実施形態に係る入口流路内の液体のヒーターに接触している面の体積と通過時間との関係を示す図。
【図５】本実施形態に係る流体室の容積を変更するタイミングと入口流路内の液体が蒸発し始めるタイミングについて示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
【００２１】
また、本実施形態による流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の洗浄、手術用メス等様々に採用可能であるが、以下に説明する実施形態では、生体組織を切開又は切除することに好適な流体噴射装置を例示して説明する。したがって、実施形態にて用いる流体は、水又は生理食塩水である。
【００２２】
図１は、本実施形態に係る流体噴射装置を示す図である。本実施形態に係る流体噴射装置２は、図１に示すように、基本構成として流体（液体）を収容する流体容器１０と、流体供給部としてのポンプ１２と、ポンプ１２から供給される液体を脈動流動する脈動発生部１４と、から構成されている。
【００２３】
脈動発生部１４には、細いパイプ状の流体噴射管１６が接続され、流体噴射管１６の先端部には流路が縮小されたノズル１８が挿着されている。
【００２４】
この流体噴射装置２における液体の流動を簡単に説明する。流体容器１０に収容された液体は、接続チューブ２０を介してポンプ１２によって吸引され、一定の圧力で接続チューブ２２を介して脈動発生部１４に供給される。脈動発生部１４には流体室２４（図２参照）と、この流体室２４の容積変更手段とを備えており、容積変更手段を駆動して脈動を発生して、流体噴射管１６、ノズル１８を通して液体を高速で噴射する。脈動発生部１４の詳しい説明については、図２を参照して後述する。
【００２５】
なお、流体供給部としてはポンプ１２に限らず、輸液バッグをスタンド等によって脈動発生部１４よりも高い位置に保持するようにしてもよい。したがって、ポンプ１２は不要となり、構成を簡素化することができる他、消毒等が容易になる利点がある。
【００２６】
ポンプ１２の吐出圧力は概ね０．３気圧（０．０３ＭＰａ）以下に設定する。また、輸液バッグを用いる場合には、脈動発生部１４と輸液バッグの液上面との高度差が圧力となる。輸液バックを用いるときには０．１〜０．１５気圧（０．０１〜０．０１５ＭＰａ）程度になるように高度差を設定することが望ましい。
【００２７】
なお、この流体噴射装置２を用いて手術をする際には、術者が把持する部位は脈動発生部１４である。したがって、脈動発生部１４までの接続チューブ２２はできるだけ柔軟であることが好ましい。そのためには、柔軟で薄いチューブで、液体を脈動発生部１４に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。
【００２８】
また、特に、脳手術の時のように、機器の故障が重大な事故を引き起こす虞がある場合には、接続チューブ２２の切断等において高圧な液体が噴出することは避けなければならず、このことからも低圧にしておくことが要求される。
【００２９】
次に、本実施形態による脈動発生部１４の構造について説明する。
図２は、本実施形態に係る脈動発生部１４の詳細を示す図である。脈動発生部１４には、図２に示すように、液体の脈動を発生させる脈動発生手段を含み、液体を吐出する流路としての出口流路２６を有する流体噴射管１６が接続されている。
【００３０】
脈動発生部１４は、上ケース２８と下ケース３０とをそれぞれ対向する面において接合され、４本の固定螺子３２（図示は省略）によって螺着されている。下ケース３０は、鍔部を有する筒状部材であって、一方の端部は底板３４で密閉されている。この下ケース３０の内部空間に圧電素子３６が配設されている。
【００３１】
圧電素子３６は、積層型圧電素子であってアクチュエーターを構成している。圧電素子３６の一方の端部は上板３８を介してダイアフラム４０に、他方の端部は底板３４の上面４２に固着されている。
【００３２】
また、ダイアフラム４０は、円盤状の金属薄板からなり、下ケース３０の凹部４４内において周縁部が凹部４４の底面に密着固着されている。容積変更手段としての圧電素子３６に駆動信号を入力することで、圧電素子３６の伸張、収縮に伴いダイアフラム４０を介して流体室２４の容積を変更する。
【００３３】
ダイアフラム４０の上面には、中心部に開口部を有する円盤状の金属薄板からなる補強板４６が積層配設されている。
【００３４】
上ケース２８は、下ケース３０と対向する面の中心部に凹部が形成され、この凹部とダイアフラム４０とから構成され、液体が充填された状態の回転体形状が流体室２４である。つまり、流体室２４は、上ケース２８の凹部の封止面４８と内周側壁５０とダイアフラム４０とによって囲まれた空間である。流体室２４の略中央部には出口流路２６が穿設されている。
【００３５】
出口流路２６は、流体室２４から上ケース２８の一方の端面から突設された流体噴射管１６の端部まで貫通されている。出口流路２６の流体室２４の封止面４８との接続部は、流体抵抗を減ずるために滑らかに丸められている。
【００３６】
なお、以上説明した流体室２４の形状は、本実施形態では、両端が封止された略円筒形状としているが、側面視して円錐形や台形、あるいは半球形状等でもよく限定されない。例えば、出口流路２６と封止面４８との接続部を漏斗のような形状にすれば、後述する流体室２４内の気泡を排出しやすくなる。
【００３７】
流体噴射管１６には出口流路２６が穿設されており、流体噴射管１６の管部の厚さは、液体の圧力脈動を吸収しない剛性を有する範囲に形成されている。
【００３８】
流体噴射管１６の先端部には、ノズル１８が挿着されている。このノズル１８には流体噴射開口部５２が穿設されている。流体噴射開口部５２の直径は、出口流路２６の直径より小さくなるように構成されている。
【００３９】
上ケース２８の端面には、ポンプ１２から液体を供給する接続チューブ２２を挿着する入口流路管５４が突設されており、入口流路管５４に入口流路５６が穿たれている。入口流路５６は流体室２４に連通している。
【００４０】
入口流路管５４は細管が流体室２４に接続している。入口流路管５４の中間部より流体室２４側に流体沸騰部としてのヒーター５８が取り付けられている。なお、ヒーター５８は瞬間的に液体の温度を高めることができればよいので、ヒーター５８の代わりにファイバーで導光したレーザー光を用いても構わない。
【００４１】
上ケース２８と下ケース３０との接合面において、ダイアフラム４０の外周方向の離間した位置には、下ケース３０側にパッキンボックス６０、上ケース２８側にパッキンボックス６２が形成されており、パッキンボックス６０，６２にて形成される空間にリング状のパッキン６４が装着されている。
【００４２】
ここで、上ケース２８と下ケース３０とを組み立てたとき、ダイアフラム４０の周縁部と補強板４６の周縁部とは、上ケース２８の封止面４８の周縁部と下ケース３０の凹部４４の底面によって密接されている。この際、パッキン６４は上ケース２８と下ケース３０とによって押し圧されて、流体室２４からの液体漏洩を防止している。
【００４３】
流体室２４内は、液体吐出の際に３０気圧（３ＭＰａ）以上の高圧状態となり、ダイアフラム４０、補強板４６、上ケース２８、下ケース３０それぞれの接合部において液体が僅かに漏洩することが考えられるが、パッキン６４によって漏洩を阻止している。
【００４４】
図２に示すようにパッキン６４を配設すると、流体室２４から高圧で漏洩してくる液体の圧力によってパッキン６４が圧縮され、パッキンボックス６０，６２内の壁にさらに強く押し圧するので、液体の漏洩を一層確実に阻止することができる。このことから、駆動時において流体室２４内の高い圧力上昇を維持することができる。
【００４５】
次に、本実施形態における動作について図１及び図２を参照して説明する。本実施形態の脈動発生部１４の液体吐出は、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンス側のイナータンスＬ１（合成イナータンスＬ１と呼ぶことがある）と出口流路側のイナータンスＬ２（合成イナータンスＬ２と呼ぶことがある）、そして、ヒーター５８からポンプ１２側の入口流路５６のイナータンスＬ３（合成イナータンスＬ３と呼ぶことがある）が影響する。
【００４６】
まず、イナータンスについて説明する。イナータンスＬは、液体の密度をρ、流路の断面積をＳ、流路の長さをｈとしたとき、Ｌ＝ρ×ｈ／Ｓで表される。流路の圧力差をΔＰ、流路を流れる液体の流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。
【００４７】
つまり、イナータンスＬは、流量の時間変化に与える影響度合いを示しており、イナータンスＬが大きいほど流量の時間変化が少なく、イナータンスＬが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
【００４８】
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンスは、個々の流路のイナータンスを電気回路におけるインダクタンスの並列接続、又は直列接続と同様に合成して算出することができる。
【００４９】
なお、イナータンスＬ１は、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６の範囲において算出される。そして、イナータンスＬ３は、ヒーター５８からポンプ１２側の入口流路５６の範囲において算出される。この際、ポンプ１２と入口流路５６とを接続する接続チューブ２２は柔軟性を有するため、イナータンスＬ３の算出から削除してもよい。
ここで、入口流路管５４の中間部より流体室２４側に流体沸騰部としてのヒーター５８が取り付けられ、入口流路管５４の断面積がほぼ一定であれば、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１は、ヒーター５８からポンプ１２側の入口流路５６のイナータンスＬ３よりも大きくなる。よって、入口流路５６内の液体をヒーター５８で沸騰させることで、ヒーター５８付近の液体が沸騰した際、入口流路５６内の液体は、ポンプ１２側に押されるよりも流体室２４側へ効果的に押し込まれる。
【００５０】
また、出口流路２６側の合成イナータンスＬ２は、流体噴射開口部５２やノズル１８を含む出口流路２６の範囲において算出される。
ここで、出口流路２６側の合成イナータンスＬ２よりも、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１の方が大きくなっているため、入口流路５６内のヒーター５８付近の液体が沸騰することにより、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６の液体は流体室２４側へ勢いよく流れ、このヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１が出口流路２６側の合成イナータンスＬ２より大きいことで、後述する脈動発生部１４の動作時に、流体室２４において入口流路５６側よりも出口流路２６側へ効果的に液体を押し込むことができる。
【００５１】
本実施形態では、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１は、ヒーター５８からポンプ１２側の入口流路５６のイナータンスＬ３よりも大きくなるように、また、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１が出口流路２６側の合成イナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路５６の流路長及び断面積、出口流路２６の流路長及び断面積、ヒーター５８が取り付けられている位置を設定する。
【００５２】
次に、脈動発生部１４の動作について説明する。ポンプ１２によって入口流路５６には、常に一定圧力の液圧で液体が供給されている。その結果、圧電素子３６が動作を行わない場合、ポンプ１２の吐出力と入口流路５６側全体の流体抵抗値の差によって液体は流体室２４内に流動する。
【００５３】
ここで、圧電素子３６に駆動信号が入力され、急激に圧電素子３６が伸張したとすると、流体室２４内の圧力が急速に上昇して数十気圧に達する。
【００５４】
この圧力は、入口流路５６に加えられていたポンプ１２による圧力よりはるかに大きいため、入口流路５６側から流体室２４内への液体の流入はその圧力によって減少し、出口流路２６からの流出は増加する。したがって、前述した特許文献１による流体噴射装置のような、入口流路側に設けられる逆止弁は必要ない。
【００５５】
また、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスＬ１が出口流路２６側の合成イナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路５６から液体が流体室２４へ流入する流量の減少量よりも、出口流路２６から吐出される液体の増加量のほうが大きくなり、流体室２４において入口流路５６側よりも出口流路２６側に液体を押し込むことができる。そして、出口流路２６に脈動流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、流体噴射管１６内を伝播して、先端のノズル１８の流体噴射開口部５２から液体が噴射される。
【００５６】
ここで、ノズル１８の流体噴射開口部５２の直径は、出口流路２６の直径よりも小さいので、液体は、さらに高圧、高速のパルス状の液滴として噴射される。
【００５７】
一方、流体室２４内は、入口流路５６からの液体流入量の減少と出口流路２６からの液体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。その結果、ポンプ１２の圧力と、流体室２４内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路５６の液体は圧電素子３６の動作前と同様な速度で流体室２４内に向かう流れが復帰する。
【００５８】
入口流路５６内の液体の流動が復帰した後、圧電素子３６の伸張があれば、ノズル１８からの脈動流を継続して噴射することができる。
【００５９】
図３は、本実施形態に係る入口流路５６内の液体の沸騰の様子を示す図である。先ず、図３（Ａ）に示すように、ヒーター５８の加熱により、入口流路５６の液体はヒーター５８に近い部分から沸騰して、液体の一部が蒸発し気化した蒸気６６が発生する。
【００６０】
次に、図３（Ｂ）に示すように、気化した蒸気６６が大きくなり、入口流路５６の液体は流体室２４側とポンプ１２側とに押し出される。このとき、ヒーター５８から流体室２４側のイナータンスよりも、ヒーター５８からポンプ１２側のイナータンスが大きいので、ポンプ１２側に押されるよりも流体室２４側へ効果的に押し込むことができる。そして、流体室２４側へ押し込まれた液体に関して、流体室２４の出口流路２６側のイナータンスよりも、ヒーター５８から流体室２４側の入口流路５６のイナータンスの方が大きいので、流体室２４において入口流路５６側よりも出口流路２６側へ効果的に液体を押し込むことができる。
【００６１】
そして、図３（Ｃ）に示すように、ヒーター５８がＯＦＦになり、冷却され沸騰して蒸発して気化した蒸気６６は消滅する。
【００６２】
なお、図３（Ｂ）において、ポンプ１２側へ液体が押された場合、細管の入口流路５６内での蒸発であるので蒸発後の体積も小さく、例えば入口流路５６とポンプ１２とを繋ぐ接続チューブ２２の弾性に吸収される。
【００６３】
ここで、入口流路５６の液体が蒸気６６になるには、どれぐらいの熱のやり取りを考えればよいか、簡易計算を行う。例えば、入口流路５６のイナータンスを大きくするため、入口流路５６をφ０．３ｍｍの細い円管とし、ヒーター５８が１ｍｍ程度の幅の大きさで入口流路管５４を介して液体に接する場合を考える。ここで、ポンプ１２で約４．２ｍｌ／ｍｉｎ（７．０×１０-8ｍ3／ｓ）の流量を供給する。流体噴射開口部５２からパルス流を噴射して組織を切断する場合、流体噴射開口部５２から噴射されるパルス流の流速を高めるために、比較的大流量を流す必要があるが、本実施形態では、容積変更手段でパルス流を噴射することで、流速が高くなるので問題ない。よって、このとき、入口流路５６では約１ｍ／ｓの流速で液体が流れる。そして、１ｍｍ程度の幅の大きさのヒーター５８なので、約１ｍ／ｓの流速の場合は、液体が１ｍｓｅｃで通過する。
【００６４】
以下に熱交換の概要を説明する。
図４は、本実施形態に係る入口流路５６内の液体のヒーター５８に接触している面の体積と通過時間との関係を示す図である。
先ず、入口流路５６の断面積Ａ〔ｍ2〕は以下となる。
【００６５】
Ａ＝（０．３×１０-3／２）2×π＝約７．１×１０-8〔ｍ2〕
上述の流量Ｑ＝４．２ｍｌ／ｍｉｎ（７．０×１０-8ｍ3／ｓ）で断面積Ａの流路を通過する時の流速ｖ〔ｍ／ｓ〕は以下となる。
【００６６】
ｖ＝Ｑ／Ａ＝約１〔ｍ／ｓ〕
約１ｍ／ｓの流速の場合は、液体の通過開始を０ｍｓｅｃとして２ｍｓｅｃで通過し終わるため、ヒーター５８に接触している体積は、図４のようになる。つまり、１ｍｓｅｃの間には、流量Ｑの半分の熱量しか交換できないが、１ｍｓｅｃで一定の熱の交換ができていると置き換えることができる。
【００６７】
次に、φ０．３ｍｍ、幅１ｍｍの入口流路５６内部の液体の体積は、約７．１×１０-11〔ｍ3〕、例えば液体を水とした場合、水の比熱容量が約４．２〔ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）〕なので、熱容量は、約３．０×１０-7〔ｋＪ／Ｋ〕となり、仮に２０℃から沸点の１００℃まで液体の温度を上げるためには、約２．４×１０-5ｋＪの熱量が必要になる。そして、水の気化熱は、約２２５０ｋＪ／ｋｇであるので、液体を気化させるためには、さらに、約１．６×１０-7ｋＪ必要となる。よって、合計１．８×１０-7ｋＪの熱量が必要となる。
【００６８】
ただし、液体が通過している間、周囲の熱伝導を無視してφ０．３ｍｍ、幅１ｍｍの入口流路５６内部の液体に加えれば、おおよそ沸騰することになる。よって、周囲への熱伝導やヒーター５８の熱容量等を考慮すればヒーター５８は約１８０Ｗ以上のエネルギーを生み出す必要がある。
【００６９】
以下にヒーター５８のエネルギーの必要量の概要を説明する。
先ず、ヒーター５８上の液体の体積Ｖは以下となる。
【００７０】
Ｖ＝Ａ×１＝７．１×１０-8×１×１０-3＝７．１×１０-11〔ｍ3〕
そして、水の比重１０００ｋｇ／ｍ3より、Ｖの重さｍは７．１×１０-8〔ｋｇ〕よなる。ここで、水の比熱容量ｃが約４．２〔ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）〕なので、熱容量Ｃは以下となる。
【００７１】
Ｃ＝ｃ×ｍ＝３．０×１０-7〔ｋＪ／Ｋ〕
２０℃から沸点の１００℃まで液体の温度を上げるための熱量Ｑ１は以下となる。
【００７２】
Ｑ１＝Ｃ×ΔＴ＝２．４×１０-5〔ｋＪ〕
また、水の気化熱は、約２２５０〔ｋＪ／ｋｇ〕であるので、液体を気化させるための熱量Ｑ２は以下となる。
【００７３】
Ｑ２＝２２５０×ｍ＝１．６×１０-4〔ｋＪ〕
よって、体積Ｖの液体を沸騰させるための熱量Ｑは以下となる。
【００７４】
Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２＝１．８×１０-4〔ｋＪ〕
前述したように、液体が流れているが、１ｍｓｅｃで一定の熱の交換ができていると置き換えができるので、エネルギーＥは以下となる。
【００７５】
Ｅ＝Ｑ／ｔ＝（１．８×１０-1）／（１×１０-3）＝１８０〔Ｗ〕
また、上記の簡易計算では、流速一定としたが、容積変更すると入口流路５６側の流速は少なからず減速をするため、そのタイミングを利用すれば入口流路５６内の加熱は容易となる。
【００７６】
また、ポンプ１２の流量を挙げた場合でも、ヒーター５８の大きさや加熱時間や加熱のための発生エネルギーなど大きくすればよいので、適宜設計変更すればよい。
【００７７】
図５は、本実施形態に係る流体室２４の容積を変更するタイミングと入口流路５６内の液体が蒸発し始めるタイミングについて示す図である。先ず、図５（Ａ）に示すように、ヒーター５８がＯＮ、ＯＦＦを繰り返すなかで、ヒーター５８がＯＮされてから、圧電素子３６に脈動する駆動電圧が供給される。つまり、ヒーター５８の加熱開始時間は、熱伝導の時間も考慮し、流体室２４内を加圧するように容積を変更し始める時間よりも先に行うことになる。これにより、ヒーター５８の沸騰開始により、十分に入口流路５６中の液体を加速させてから、流体室２４内を加圧することで、流体室２４での入口側への逆流を抑制し易くなる。また、熱伝導の時間を考慮することができる。
【００７８】
また、沸騰して気化した蒸気６６が消滅する前に、流体室２４内を加圧したいので流体室２４内を加圧（容積を減少）させている時間はヒーター５８がＯＮされている。
【００７９】
また、流体室２４内を加圧（容積を減少）させている時間は、ヒーター５８が加熱（入口流路５６内の流体を沸騰させる）することで、容積変更で入口流路５６側の流速が減速して、入口流路５６内の加熱は容易となる。また、流体室２４内を加圧（容積を減少）させている時間は、ヒーター５８が加熱（入口流路５６内の液体を沸騰させる）することで、入口流路５６内の沸騰して気化した蒸気６６が消滅する前に、流体室２４内を加圧したいので流体室２４内を加圧（容積を減少）させられる。
【００８０】
よって、ヒーター５８の沸騰開始により、十分に入口流路５６中の液体を加速させてから、流体室２４内を加圧することで、流体室２４での入口側への逆流を抑制し易くなる。
【００８１】
本実施形態では、圧電素子３６に電圧を印加すると圧電素子３６が伸張するものとしている。例えば、印加する電圧として、図５（Ｂ）に示すように、ＳＩＮ関数の波形で、位相が９０度遅れ、正へ振幅分オフセットした波形とする（グラフ１参照）。
【００８２】
流体室２４は、圧電素子３６の伸張による内部の体積変化により圧力を生じるため、グラフ１を１回微分したグラフ２の波形は、流体室２４の内部圧力に相似となる。したがって、グラフ２が正になっている時間は、略内部圧力が上昇している状態を表す。尚、液体は飽和水蒸気圧以下にならないので、グラフ２において負のあたりの部分はない。
【００８３】
したがって、内部圧力が上昇している時間はできる限り入口流路５６での逆流を抑えたいことを考えれば、流体室２４内を加圧するように容積を減少している時間（図５（Ｂ）の矢印Ａの範囲）は、少なくともヒーター５８で加熱していることが望ましい。
【００８４】
本実施形態によれば、容積変更可能な流体室２４に連通した入口流路５６に液体を沸騰させるヒーター５８を備え、入口流路５６内の液体をヒーター５８で沸騰させることで、入口流路５６内のヒーター５８付近の液体が瞬間的に蒸気６６となり、入口流路５６内の液体を押し出し、圧力が高まる。したがって、流体室２４の容積を変更した際の入口流路５６側への逆流を防ぐことができる。このとき、蒸発の体積膨張による圧力で流体室２４から入口流路５６側への逆流を抑える効果があるが、蒸発の体積膨張だけではなく、イナータンス効果で液体を活用することで逆流を抑えやすくなる。そして、入口流路５６内の蒸気６６はヒーター５８をオフすることで冷却され液体に戻り、これを繰り返すことができる。
【００８５】
また、入口流路５６のイナータンス効果を合わせて利用することで、蒸気６６の圧力だけで逆流を抑えるのではなく、蒸気６６によって押されて加速した入口流路５６内のイナータンスを利用して効果的に逆流を抑制することができる。これにより、強いパルス流を噴射することができる。
【００８６】
また、医療機器に本実施形態の流体噴射装置２を備えることで、上記の流体噴射装置２が享受する各種効果と同様の効果を享受することができる。つまり、このため、上記した本実施形態の流体噴射装置２が享受する各種効果と同様の効果を享受することができる生体組織の切開、その他に、結石等の破砕や、生体細胞に流体を導入、血管内塞栓の除去などの各種医療機器を実現することができる。
【符号の説明】
【００８７】
２…流体噴射装置 １０…流体容器 １２…ポンプ（流体供給部） １４…脈動発生部 １６…流体噴射管 １８…ノズル ２０，２２…接続チューブ ２４…流体室 ２６…出口流路 ２８…上ケース ３０…下ケース ３２…固定螺子 ３４…底板 ３６…圧電素子 ３８…上板 ４０…ダイアフラム ４２…上面 ４４…凹部 ４６…補強板 ４８…封止面 ５０…内周側壁 ５２…流体噴射開口部 ５４…入口流路管 ５６…入口流路 ５８…ヒーター（流体沸騰部） ６０，６２…パッキンボックス ６４…パッキン ６６…蒸気。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容積が変更可能な流体室と、
前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、
前記出口流路に連通された流体噴射開口部と、
前記入口流路に連通され、該入口流路に流体を供給する流体供給部と、
前記入口流路に配置され、該入口流路内の流体を沸騰させる流体沸騰部と、
を有することを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体噴射装置において、
前記流体沸騰部は、前記入口流路中間より前記流体室側に近い位置に配置することを特徴とする流体噴射装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の流体噴射装置において、
前記流体沸騰部から前記流体室側の前記入口流路のイナータンスは、前記出口流路側のイナータンスよりも大きいことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の流体噴射装置において、
前記流体沸騰部の加熱開始時間は、前記流体室内を加圧するように容積を変更し始める時間よりも先に行うことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の流体噴射装置において、
前記流体室内を加圧するように容積を減少している時間は、少なくとも前記流体沸騰部で加熱していることを特徴とする流体噴射装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体噴射装置を用いた医療機器。
【請求項１】
容積が変更可能な流体室と、
前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、
前記出口流路に連通された流体噴射開口部と、
前記入口流路に連通され、該入口流路に流体を供給する流体供給部と、
前記入口流路に配置され、該入口流路内の流体を沸騰させる流体沸騰部と、
を有することを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体噴射装置において、
前記流体沸騰部は、前記入口流路中間より前記流体室側に近い位置に配置することを特徴とする流体噴射装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の流体噴射装置において、
前記流体沸騰部から前記流体室側の前記入口流路のイナータンスは、前記出口流路側のイナータンスよりも大きいことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の流体噴射装置において、
前記流体沸騰部の加熱開始時間は、前記流体室内を加圧するように容積を変更し始める時間よりも先に行うことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の流体噴射装置において、
前記流体室内を加圧するように容積を減少している時間は、少なくとも前記流体沸騰部で加熱していることを特徴とする流体噴射装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体噴射装置を用いた医療機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１４４９８９（Ｐ２０１２−１４４９８９Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７２１（Ｐ２０１１−１７２１）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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