(57)【要約】【課題】流体機器における流れの剥離をより抑制する。【解決手段】流体機器は、流路の表面３から突出した形状を呈する複数の構造体４を備えている。そして、構造体４の流れ１に平行であり且つ表面３に垂直に交わる第１断面７は、表面３上の点８から下流側であり且つ表面３から離れた点である頂部５１，６１へ延びる傾斜した辺９を有している。また、複数の構造体４のうちの隣り合う２つの構造体５，６の間には、構造体間流路１４が形成されている。そして、構造体間流路１４を流れる流体が接触する２つの構造体５，６のうちの一方の構造体５における面５３の面積Ｓ１と、他方の構造体６における面６３の面積Ｓ２とが異なっている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる表面を有する部材と、
前記表面に設けられ該表面から突出した形状を呈する複数の構造体と、を備え、
前記流体の流れに平行であり且つ前記表面に垂直に交わる平面で前記構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面は、前記表面上の点から前記流体の流れの下流側であり且つ前記表面から離れた点へ延びる辺を有し、
前記辺の前記表面に対する傾斜角が１０度以上４５度以下であり、
複数の前記構造体のうちの隣り合う２つの構造体の間に、構造体間流路が形成されており、
前記構造体間流路を流れる前記流体が接触する前記２つの構造体の一方における部分の面積と、前記構造体間流路を流れる前記流体が接触する前記２つの構造体の他方における部分の面積とが異なることを特徴とする流体機器。
【請求項２】
前記流体の流れに垂直な平面で前記構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面は、少なくとも２種類の異なる多角形を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体機器。
【請求項３】
前記構造体は、錐体形状を呈しており、
前記第１断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する三角形を含み、
前記傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
前記第２断面は、少なくとも２種類の異なる三角形を含むことを特徴とする請求項２に記載の流体機器。
【請求項４】
前記第２断面は、高さの比が０．１以上０．６以下である異なる三角形を含むことを特徴とする請求項３に記載の流体機器。
【請求項５】
前記第２断面は、底辺の長さの比が０．１以上０．６以下である異なる三角形を含むことを特徴とする請求項３に記載の流体機器。
【請求項６】
前記構造体は、錐台形状を呈しており、
前記第１断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する四角形を含み、
前記傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
前記第２断面は、少なくとも２種類の異なる四角形を含むことを特徴とする請求項２に記載の流体機器。
【請求項７】
前記第２断面は、高さの比が０．１以上０．６以下である異なる四角形を含むことを特徴とする請求項６に記載の流体機器。
【請求項８】
前記第２断面は、底辺の長さの比が０．１以上０．６以下である異なる四角形を含むことを特徴とする請求項６に記載の流体機器。
【請求項９】
前記流体の流れに垂直な平面で前記構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面は、非対称な多角形を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体機器。
【請求項１０】
前記構造体は、錐体形状を呈しており、
前記第１断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する三角形を含み、
前記傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
前記第２断面は、底辺の両端点から延びる２つの斜辺の長さが互いに異なる三角形を含むことを特徴とする請求項９に記載の流体機器。
【請求項１１】
前記２つの斜辺の長さの比が０．１以上０．６以下であることを特徴とする請求項１０に記載の流体機器。
【請求項１２】
前記構造体は、錐台形状を呈しており、
前記第１断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する四角形を含み、
前記傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
前記第２断面は、底辺の両端点から延びる２つの対辺の長さが互いに異なる四角形を含むことを特徴とする請求項９に記載の流体機器。
【請求項１３】
前記２つの対辺の長さの比が０．１以上０．６以下であることを特徴とする請求項１２に記載の流体機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機、掃除機、空調機等の流体機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機、掃除機、空調機等の流体を扱う流体機器においては、その流路において断面積が変化する領域が存在する。流路断面積が変化することによって、流速が変化する。ベルヌーイの定理によれば、圧力が増加すると流速が減少する。また、流体の境界層内の流れは粘性により減速しているため、運動エネルギーが小さくなっている。このため、流体機器において流体が流れる部材の壁面（表面）付近では、流体は部材の表面に沿って流れることができずに流れが剥離する場合がある。
【０００３】
このような流体機器における流れの剥離は、流体機器の作用効率の低下や騒音を引き起こすという問題がある。
【０００４】
本技術分野に関連する技術として、例えば特許文献１〜４に記載の技術が存在する。
特許文献１には、ハブの表面に複数本の溝を形成することで境界層の拡大あるいは流れの剥離を防止し、圧縮機の高効率化を図るインペラが開示されている（要約等参照）。
【０００５】
特許文献２には、熱交換器および他の部品に用いられる熱伝達管の内面にフィンが設けられており、これにより熱伝達性能を向上させる技術が開示されている（段落０００１等参照）。
【０００６】
特許文献３には、熱交換器の内面にらせんリブが設けられており、これにより熱伝達性能を向上させる技術が開示されている（要約等参照）。
【０００７】
特許文献４には、吸込管の壁面もしくは吸込管内に配置されたフラップの表面に凹凸の構成をした不規則表面が設けられており、これによって流れの剥離および渦流形成を回避する内燃機関の吸気系のための吸込管が開示されている（要約等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１６３６４０号公報
【特許文献２】特表２００４−５２４５０２号公報
【特許文献３】特開平８−１４５５８３号公報
【特許文献４】特表２００５−５２５４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
流体機器における流れの剥離を防止するためには、境界層と主流との間に運動量交換を発生させ、境界層内の弱い流れに主流の強い流れを与えることで、境界層内の運動エネルギーを増加させることが有効と考えられる。そして、境界層内の運動エネルギーを増加させ、流れの剥離を防止するためには、境界層内に小さい渦を発生させ、さらにその渦を主流方向に運ぶことで、境界層と主流との間で運動量交換を発生させることが有効と考えられる。
【００１０】
特許文献１に記載の技術では、ハブの表面に流れ方向に沿った溝を形成することで、溝内に小さな渦が発生する可能性がある。しかし、溝内に形成された小さい渦を主流方向に運ぶ機構が無く、渦は溝内に留まったままであり、境界層と主流との間で運動量交換は起こりにくい。
【００１１】
特許文献２に記載の技術では、熱交換器および他の部品に用いられる熱伝達管の内面に、互いに交差する２方向のフィンが設けられている。そのため、フィンによって形成された溝内に小さな渦が発生する可能性がある。しかし、溝内に形成された小さい渦を主流方向に運ぶ機構が無く、渦は溝内に留まったままである。
【００１２】
特許文献３に記載の技術では、熱交換器の内面に、らせんリブが設けられている。そのため、らせんリブによって形成された溝内に小さな渦が発生する可能性がある。しかし、溝内に形成された小さい渦を主流方向に運ぶ機構が無く、渦は溝内に留まったままである。
【００１３】
特許文献４に記載の技術では、フラップの表面に凹凸が形成されている。そして、特許文献４の図５に記載されている凹凸（鮫鱗）は、流れ方向に対して傾斜を有しており、小さい渦が発生した場合にはそれを主流に運ぶことが可能と考えられる。しかし、凹凸の傾斜角度については記載が無く、その効果については不明である。また、凹凸の流れに垂直な断面の形状については記載されていない。そのため、境界層に小さい渦が発生するか否かも不明である。
【００１４】
このように、特許文献１〜４に記載の技術のいずれも、境界層内に渦を発生させてそれを主流方向に運ぶ機構を備えるものではない。したがって、境界層と主流との間で運動量交換が起こりにくいため、境界層内の運動エネルギーを増加させることができず、流れの剥離を十分に抑制することができない。
【００１５】
本発明は、前記した事情に鑑みなされたものであり、流体機器における流れの剥離をより抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を達成すべく、本発明に係る流体機器は、流体が流れる表面を有する部材と、前記表面に設けられ該表面から突出した形状を呈する複数の構造体と、を備え、前記流体の流れに平行であり且つ前記表面に垂直に交わる平面で前記構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面は、前記表面上の点から前記流体の流れの下流側であり且つ前記表面から離れた点へ延びる辺を有し、前記辺の前記表面に対する傾斜角が１０度以上４５度以下であり、複数の前記構造体のうちの隣り合う２つの構造体の間に、構造体間流路が形成されており、前記構造体間流路を流れる前記流体が接触する前記２つの構造体の一方における部分の面積と、前記構造体間流路を流れる前記流体が接触する前記２つの構造体の他方における部分の面積とが異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、流体機器における流れの剥離をより抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る流体機器における流路の断面を模式的に示す図である。
【図２】第１実施形態に係る流体機器における流路の表面に設けられた構造体を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は、流体の流れに平行であり且つ流路の表面に垂直に交わる平面で構造体の頂点である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。
【図４】（ａ）は、上昇流の発生を説明するための図である。（ｂ）は、渦の発生を説明するための図である。
【図５】第２実施形態に係る流体機器における流路の表面に設けられた構造体を示す斜視図である。
【図６】（ａ）は、流体の流れに平行であり且つ流路の表面に垂直に交わる平面で構造体の頂点である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。
【図７】第３実施形態に係る流体機器における流路の表面に設けられた構造体を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は、流体の流れに平行であり且つ流路の表面に垂直に交わる平面で構造体の上側底面である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。
【図９】第４実施形態に係る流体機器における流路の表面に設けられた構造体を示す斜視図である。
【図１０】（ａ）は、流体の流れに平行であり且つ流路の表面に垂直に交わる平面で構造体の上側底面である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。
【図１１】第５実施形態に係る流体機器における流路の表面に設けられた構造体を示す斜視図である。
【図１２】（ａ）は、流体の流れに平行であり且つ流路の表面に垂直に交わる平面で構造体の頂点である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。
【図１３】第６実施形態に係る流体機器における流路の表面に設けられた構造体を示す斜視図である。
【図１４】（ａ）は、流体の流れに平行であり且つ流路の表面に垂直に交わる平面で構造体の上側底面である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。
【図１５】数値流体解析で使用した解析モデルの全体構成を示す斜視図である。
【図１６】上昇流の発生効果についての解析に使用した構造体モデルを示す拡大斜視図である。
【図１７】傾斜角と、解析領域における流速のｚ成分の平均値との関係をプロットして表すグラフである。
【図１８】（ａ）は、渦の発生効果について解析するための、一つ目の構造体モデルを示す拡大斜視図である。（ｂ）は、流れに垂直な平面で構造体モデルの頂部を通って当該構造体モデルを切断したときの断面を示す図である。
【図１９】三角形の高さの比と、解析領域における渦度のｙｚ成分の平均値との関係をプロットして表すグラフであり、（ａ）が流速５０ｍ／ｓの場合の解析結果を示し、図（ｂ）が流速１００ｍ／ｓの場合の解析結果を示す。
【図２０】（ａ）は、渦の発生効果について解析するための、二つ目の構造体モデルを示す拡大斜視図である。（ｂ）は、流れに垂直な平面で構造体モデルの頂部を通って当該構造体モデルを切断したときの断面を示す図である。
【図２１】三角形の底辺の長さの比と、解析領域における渦度のｙｚ成分の平均値との関係をプロットして表すグラフであり、（ａ）が流速５０ｍ／ｓの場合の解析結果を示し、（ｂ）が流速１００ｍ／ｓの場合の解析結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。
【００２０】
（第１実施形態）
まず、図１〜図４を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体機器１００における流路２の断面を模式的に示す図である。ここでは、流体機器１００として、遠心圧縮機を例に挙げて説明する。
【００２１】
図１に示すように、流体機器１００は、流体が流れる表面３を有する部材としての流路２と、流路２の内面である表面３に設けられた複数の構造体４と、を備えている。構造体４は、流路２の表面３から突出した形状を呈している。
【００２２】
本実施形態では、液体または気体の流れ１において流路断面積が変化し、流れの剥離が生じるリスクのある流路２の表面３に、構造体４が形成されている。流路２は、流れ１の上流から下流に向かって流路断面積が拡大する形状を呈しており、ここでは、遠心圧縮機である流体機器１００のディフューザとして構成されている。ディフューザは、羽根車（図示せず）の下流側に配置されており、羽根車の出口から流入する流体の動圧を静圧へと変換するものである。ただし、流路２は、ディフューザに限定されるものではなく、流路断面積が変化する他の流路であってもよい。
【００２３】
流路２を流れる流体は、例えば空気であり、流速は、例えば１００ｍ／ｓであるが、これに限定されるものではない。また、流路２と構造体４の材質は、例えばアルミニウム材料であるが、これに限定されるものではなく、アルミニウム材料以外の金属材料や、有機材料、無機材料であってもよい。
【００２４】
図２は、第１実施形態に係る流体機器１００における流路２（図１参照）の表面３に設けられた構造体４を示す斜視図である。図２に示すように、複数の構造体４は、少なくとも２種類以上の異なる錐体形状を呈する構造体５，６を含んでいる。
【００２５】
図３（ａ）は、流体の流れ１に平行であり且つ流路２（図１参照）の表面３に垂直に交わる平面で構造体４の頂点である頂部５１，６１を通って当該構造体４を切断したときの第１断面７を示す図である。
なお、図３（ａ）では、断面のハッチングを省略している（他の断面図でも同様）。
【００２６】
図３（ａ）に示すように、第１断面７は、表面３上の点８から流体の流れ１の下流側であり且つ表面３から離れた点である頂部５１，６１へ延びる辺９と、表面３上に位置する底辺１０とを有する三角形を含んでいる。辺９と底辺１０とは、流れ１の上流側の点８を共有している。底辺１０と辺９とのなす角度αは、辺９の表面３に対する傾斜角を構成している。
【００２７】
図３（ｂ）は、流体の流れ１に垂直な平面で構造体４の頂部５１，６１を通って当該構造体４を切断したときの第２断面１１を示す図である。図３（ｂ）に示すように、第２断面１１は、少なくとも２種類の異なる多角形としての三角形１２，１３を含んでいる。
【００２８】
複数の構造体４のうちの隣り合う２つの構造体５，６の間には、構造体間流路１４が形成されている。そして、構造体間流路１４を流れる流体が接触する２つの構造体５，６のうちの一方の構造体５における部分である面５３の面積Ｓ１と、構造体間流路１４を流れる流体が接触する２つの構造体５，６のうちの他方の構造体６における部分である面６３の面積Ｓ２とが異なっている。
【００２９】
図３（ｂ）に示す第２断面１１は、高さの比（Ｈ２／Ｈ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる三角形１２，１３を含んでいる。かかる範囲において下限値以上とすることによって、小さい方の構造体６が実質的に存在しない状態を避けることができる。また、かかる範囲において上限値以下とすることによって、構造体間流路１４を流れる流体が接触する一方の構造体５における部分の面積Ｓ１と他方の構造体６における部分の面積Ｓ２との差異を顕著化できる。これにより、後記するように、表面３付近の境界層内に渦がより発生しやすくなる。
【００３０】
また、図３（ａ）に示す第１断面７において、辺９の表面３に対する傾斜角αは、１０度以上４５度以下、好ましくは２０度以上３０度以下である。かかる範囲において下限値以上とすることによって、辺９に対応する傾斜面５２，６２（図２参照）に沿った上昇流１５（図４参照）を効果的に生じさせることができる。また、かかる範囲において上限値以下とすることによって、傾斜面５２，６２が堰のように作用して流体の流れ１自体を阻害してしまうことを抑制できる。これにより、後記するように、発生した渦が主流方向に、より効果的に運ばれる。
【００３１】
以下、流路２の表面３への構造体４の形成方法に関して説明する。
本実施形態の構造体４は、切削加工で形成することができる。切削加工には、例えば超精密立形加工機が使用され得る。工具としては、例えばｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）製のフラットエンドミルが使用され得る。工具の回転速度は、例えば６００００ｒｐｍとされる。このような切削加工を流れに平行な方向と流れに垂直な方向へ行うことによって、図２〜図３に示す構造体４を得ることができる。ただし、構造体４の形成方法は、前記方法に限定されるものではない。
【００３２】
次に、流れの剥離を抑制できるメカニズムについて、図４を用いて説明する。
図４（ａ）は、上昇流の発生を説明するための図である。図４（ｂ）は、渦の発生を説明するための図である。
【００３３】
図４（ａ）の流れ１に平行であり且つ表面３に垂直に交わる第１断面７に示すように、流れ１に平行な方向に対する傾斜面５２，６２が存在するため、表面３から主流方向に流れる上昇流１５が生じる。
【００３４】
また、図４（ｂ）の流れ１に垂直な第２断面１１に示すように、第２断面１１に含まれる三角形１２，１３の高さＨ１，Ｈ２に違いが存在すると、構造体間流路１４において、流れ１の上流側から見て左右で流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に違いが生じる。その結果、流れ１の上流側から見て左右で構造体間流路１４が非対称となるため、面５３近傍の点と面６３近傍の点とでは流速が異なる。
【００３５】
ここで、密度をρとすると、ベルヌーイの定理は以下の（１）式で表される。
【００３６】
【数１】
2018003988.tif 000003
【００３７】
（１）式より流体の速度Ｕが減少すると圧力Ｐは増加する。したがって、構造体間流路１４に非対称性が存在することで、流れ１の上流側から見て左右で圧力差が生じ、この圧力差によって回転する流れ場１６が生じ、渦が発生しやすくなる。
【００３８】
前記したように、本実施形態に係る流体機器１００は、流路２の表面３から突出した形状を呈する複数の構造体４を備えている。そして、構造体４の流れ１に平行であり且つ表面３に垂直に交わる第１断面７は、表面３上の点８から下流側であり且つ表面３から離れた点である頂部５１，６１へ延びる傾斜した辺９を有している。また、複数の構造体４のうちの隣り合う２つの構造体５，６の間には、構造体間流路１４が形成されている。そして、構造体間流路１４を流れる流体が接触する２つの構造体５，６のうちの一方の構造体５における面５３の面積Ｓ１と、他方の構造体６における面６３の面積Ｓ２とが異なっている。
【００３９】
このように、本実施形態に係る構造体４は、渦を発生させる機構と、渦を主流に運ぶ機構とが備わっている。したがって、渦が、表面３付近に形成される境界層と主流との間の運動量交換を発生させる役割を果たす。このため、境界層の弱い流れに主流の強い流れを与えることができ、境界層の運動エネルギーが増加する。これにより、流体機器１００における流れの剥離をより抑制することができる。
また、流れの剥離を抑制することで、流体機器１００の作用効率の低下や騒音を抑制することができる。
【００４０】
つまり、本実施形態に係る構造体４においては、流れ１に平行な方向に対して傾斜面５２，６２が存在することと、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在することとが本質である。
【００４１】
また、本実施形態では、構造体４の流れ１に平行であり且つ表面３に垂直に交わる第１断面７は、表面３に対する傾斜角αが１０度以上４５度以下、好ましくは２０度以上３０度以下の辺９を有している。この構成によれば、発生した渦を上昇流１５によって主流方向に、より効果的に運ぶことができる。
【００４２】
また、本実施形態では、流体の流れ１に垂直な平面で構造体４の頂部５１，６１を通って当該構造体４を切断したときの第２断面１１は、少なくとも２種類の異なる多角形を含んでいる。これにより、構造体間流路１４を流れる流体が接触する一方の構造体５側の面５３の面積Ｓ１と、他方の構造体６側の面６３の面積Ｓ２とが異なる形状を具体的に構成することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、構造体４は、錐体形状を呈している。また、第１断面７は、底辺１０を有する三角形を含み、第２断面１１は、少なくとも２種類の異なる三角形として、高さが異なる三角形１２，１３を含んでいる。この構成によれば、構造体４をより簡易な形状とすることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、第２断面１１は、高さの比が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる三角形を含んでいる。この構成によれば、表面３付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。
【００４５】
なお、図２に示した構造体４は、四角形の底面を有する四角錐体を呈しているが、底面の形状は、四角形に限らず、円形や多角形等の他の形状であってもよい。
【００４６】
（第２実施形態）
次に、図５〜図６を参照しながら、本発明の第２実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
【００４７】
図５は、第２実施形態に係る流体機器１００における流路２（図１参照）の表面３に設けられた構造体４ａを示す斜視図である。図５に示すように、複数の構造体４ａは、少なくとも２種類以上の異なる錐体形状を呈する構造体５ａ，６ａを含んでいる。
【００４８】
図６（ａ）は、流体の流れ１に平行であり且つ流路２（図１参照）の表面３に垂直に交わる平面で構造体４ａの頂点である頂部５１，６１を通って当該構造体４ａを切断したときの第１断面７を示す図である。図６（ｂ）は、流体の流れ１に垂直な平面で構造体４ａの頂部５１，６１を通って当該構造体４ａを切断したときの第２断面１１ａを示す図である。図６（ｂ）に示すように、第２断面１１ａは、少なくとも２種類の異なる多角形として、底辺２１，２２の長さＷ１，Ｗ２が異なる三角形１２ａ，１３ａを含んでいる。
【００４９】
このような第２実施形態に係る構造体４ａにおいても、流れ１に平行な方向に対する傾斜面５２，６２が存在し、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在する。したがって、第２実施形態によっても、流体機器１００における流れの剥離をより抑制することができる。
【００５０】
また、第２実施形態では、図６（ｂ）に示す第２断面１１ａは、底辺２１，２２の長さの比（Ｗ２／Ｗ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる三角形１２ａ，１３ａを含んでいる。これにより、表面３付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができ、その結果、表面３からの流れの剥離を防止できる。
【００５１】
（第３実施形態）
次に、図７〜図８を参照しながら、本発明の第３実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
【００５２】
図７は、第３実施形態に係る流体機器１００における流路２（図１参照）の表面３に設けられた構造体４ｂを示す斜視図である。図７に示すように、複数の構造体４ｂは、少なくとも２種類以上の異なる錐台形状を呈する構造体５ｂ，６ｂを含んでいる。
【００５３】
図８（ａ）は、流体の流れ１に平行であり且つ流路２（図１参照）の表面３に垂直に交わる平面で構造体４ｂの上側底面である頂部５１ａ，６１ａを通って当該構造体４ｂを切断したときの第１断面７ａを示す図である。図８（ａ）に示すように、第１断面７ａは、表面３上の点８ａから流体の流れ１の下流側であり且つ表面３から離れた頂部５１ａ，６１ａへ延びる辺９ａと、表面３上に位置する底辺１０ａとを有する四角形を含んでいる。辺９ａと底辺１０ａとは、流れ１の上流側の点８ａを共有している。底辺１０ａと辺９ａとのなす角度αは、辺９ａの表面３に対する傾斜角を構成している。第１断面７ａにおいて、表面３に対する辺９ａの傾斜角αは、１０度以上４５度以下、好ましくは２０度以上３０度以下である。これにより、発生した渦を主流方向に、より効果的に運ぶことができる。
【００５４】
図８（ｂ）は、流体の流れ１に垂直な平面で構造体４ｂの頂部５１ａ，６１ａを通って当該構造体４ｂを切断したときの第２断面１１ｂを示す図である。図８（ｂ）に示すように、第２断面１１ｂは、少なくとも２種類の異なる多角形として、高さＨ１，Ｈ２が異なる四角形１２ｂ，１３ｂを含んでいる。
【００５５】
このような第３実施形態に係る構造体４ｂにおいても、流れ１に平行な方向に対する傾斜面５２，６２が存在し、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在する。したがって、第３実施形態によっても、流体機器１００における流れの剥離をより抑制することができる。
【００５６】
また、第３実施形態では、図８（ｂ）に示す第２断面１１ｂは、高さの比（Ｈ２／Ｈ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる四角形１２ｂ，１３ｂを含んでいる。これにより、表面３付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。
【００５７】
なお、図７に示した構造体４ｂは、四角形の上側底面および下側底面を有する四角錐台を呈しているが、上側底面および下側底面の形状は、四角形に限らず、円形や多角形等の他の形状であってもよい。
【００５８】
（第４実施形態）
次に、図９〜図１０を参照しながら、本発明の第４実施形態について、前記した第３実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
【００５９】
図９は、第４実施形態に係る流体機器１００における流路２（図１参照）の表面３に設けられた構造体４ｃを示す斜視図である。図９に示すように、複数の構造体４ｃは、少なくとも２種類以上の異なる錐台形状を呈する構造体５ｃ，６ｃを含んでいる。
【００６０】
図１０（ａ）は、流体の流れ１に平行であり且つ流路２（図１参照）の表面３に垂直に交わる平面で構造体４ｃの上側底面である頂部５１ａ，６１ａを通って当該構造体４ｃを切断したときの第１断面７ａを示す図である。図１０（ｂ）は、流体の流れ１に垂直な平面で構造体４ｃの頂部５１ａ，６１ａを通って当該構造体４ｃを切断したときの第２断面１１ｃを示す図である。図１０（ｂ）に示すように、第２断面１１ｃは、少なくとも２種類の異なる多角形として、底辺２１ａ，２２ａの長さＷ１，Ｗ２が異なる四角形１２ｃ，１３ｃを含んでいる。
【００６１】
このような第４実施形態に係る構造体４ｃにおいても、流れ１に平行な方向に対する傾斜面５２，６２が存在し、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在する。したがって、第４実施形態によっても、流体機器１００における流れの剥離をより抑制することができる。
【００６２】
また、第４実施形態では、図１０（ｂ）に示す第２断面１１ｃは、底辺２１ａ，２２ａの長さの比（Ｗ２／Ｗ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる四角形１２ｃ，１３ｃを含んでいる。これにより、表面３付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。
【００６３】
（第５実施形態）
次に、図１１〜図１２を参照しながら、本発明の第５実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
【００６４】
図１１は、第５実施形態に係る流体機器１００における流路２（図１参照）の表面３に設けられた構造体４ｄを示す斜視図である。図１１に示すように、構造体４ｄは、錐体形状を呈している。
【００６５】
図１２（ａ）は、流体の流れ１に平行であり且つ流路２（図１参照）の表面３に垂直に交わる平面で構造体４ｄの頂点である頂部５１を通って当該構造体４ｄを切断したときの第１断面７を示す図である。図１２（ｂ）は、流体の流れ１に垂直な平面で構造体４ｄの頂部５１を通って当該構造体４ｄを切断したときの第２断面１１ｄを示す図である。図１２（ｂ）に示すように、第２断面１１ｄは、流れ１の上流側から見て左右が非対称な多角形を含んでいる。具体的には、第２断面１１ｄは、底辺２１ｂの両端点から延びる２つの斜辺２３，２４の長さＬ１，Ｌ２が互いに異なる三角形を含んでいる。
【００６６】
このような第５実施形態に係る構造体４ｄにおいても、流れ１に平行な方向に対する傾斜面５２が存在し、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在する。したがって、第５実施形態によっても、流体機器１００における流れの剥離をより抑制することができる。
【００６７】
また、第５実施形態では、図１２（ｂ）に示す第２断面１１ｄは、２つの斜辺２３，２４の長さＬ１，Ｌ２の比（Ｌ２／Ｌ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる三角形を含んでいる。これにより、表面３付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。
【００６８】
（第６実施形態）
次に、図１３〜図１４を参照しながら、本発明の第６実施形態について、前記した第３実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
【００６９】
図１３は、第６実施形態に係る流体機器１００における流路２（図１参照）の表面３に設けられた構造体４ｅを示す斜視図である。図１３に示すように、構造体４ｅは、錐台形状を呈している。
【００７０】
図１４（ａ）は、流体の流れ１に平行であり且つ流路２（図１参照）の表面３に垂直に交わる平面で構造体４ｅの上側底面である頂部５１ａを通って当該構造体４ｅを切断したときの第１断面７ａを示す図である。図１４（ｂ）は、流体の流れ１に垂直な平面で構造体４ｅの頂部５１ａを通って当該構造体４ｅを切断したときの第２断面１１ｅを示す図である。図１４（ｂ）に示すように、第２断面１１ｅは、流れ１の上流側から見て左右が非対称な多角形を含んでいる。具体的には、第２断面１１ｅは、底辺２１ｃの両端点から延びる２つの対辺２３ａ，２４ａの長さＬ１，Ｌ２が互いに異なる四角形を含んでいる。
【００７１】
このような第６実施形態に係る構造体４ｅにおいても、流れ１に平行な方向に対する傾斜面５２が存在し、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在する。したがって、第６実施形態によっても、流体機器１００における流れの剥離をより抑制することができる。
【００７２】
また、第６実施形態では、図１４（ｂ）に示す第２断面１１ｅは、２つの対辺２３ａ，２４ａの長さＬ１，Ｌ２の比（Ｌ２／Ｌ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる四角形を含んでいる。これにより、表面３付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。
【００７３】
（流れの解析）
以下、流体機器１００における流れの剥離を抑制できる効果について、流体解析結果に基づいて説明する。ただし、以下の解析結果は、本発明の効果について説明するために用いられており、本発明の技術的範囲が以下の解析結果によって限定されるものではない。
【００７４】
図１５は、数値流体解析で使用した解析モデルの全体構成を示す斜視図である。
図１５に示すように、解析領域は、ｘ方向に９ｍｍ、ｙ方向に３ｍｍ、ｚ方向に５ｍｍの直方体である。この直方体の底面に、構造体モデルを配列した。そして、この直方体で示される流路にｘ方向に空気が流れたときの流れ１の様子を数値流体解析により解析することで、流れの剥離を抑制するために必要な、上昇流の発生機構と渦の発生機構とについて検討した。
【００７５】
初めに、上昇流の発生効果について解析した。
図１６は、上昇流の発生効果についての解析に使用した構造体モデルを示す拡大斜視図である。構造体モデルは、高さＨ＝０．１ｍｍ、幅Ｗ＝０．０５ｍｍ、傾斜角αのくさび型構造体である。構造体モデルのｙ方向の配置間隔Ｄは、Ｄ＝０．０５ｍｍとした。解析は、傾斜角αを変化させて行った。また、解析は、流速５０ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとで行った。
【００７６】
図１７は、傾斜角αと、解析領域における流速のｚ成分の平均値との関係をプロットして表すグラフである。図１７において、上に示すグラフが流速１００ｍ／ｓの場合の解析結果を示しており、下に示すグラフが流速５０ｍ／ｓの場合の解析結果を示している。
【００７７】
図１７に示すように、流速５０ｍ／ｓ、流速１００ｍ／ｓともに、傾斜角αが約２５度のときに流速のｚ成分が最大になり、最も上昇流の発生効果が高いことが分かった。そして、流れの剥離抑制の効果を高めるためには、傾斜角αを１０度以上４５度以下にすることが望ましく、さらに２０度以上３０度以下にすることが望ましいことが分かった。
【００７８】
次に、渦の発生効果について、２つの構造体モデルで解析した。
図１８（ａ）は、渦の発生効果について解析するための、一つ目の構造体モデルを示す拡大斜視図である。１８（ｂ）は、流れに垂直な平面で構造体モデルの頂部を通って当該構造体モデルを切断したときの断面を示す図である。図１８に示す構造体モデルは、図２〜図３に示す第１実施形態に対応するものである。
【００７９】
図１８（ａ）に示すように、構造体モデルには、前記解析で上昇流の発生効果が明らかになった、２７度の傾斜角αを設けた。図１８（ｂ）に示す断面には、高さＨ１、底辺の長さＷ１の三角形と、高さＨ２、底辺の長さＷ２の三角形を交互に配列した。解析では、Ｈ１＝０．１ｍｍ、Ｗ１＝０．２ｍｍ、Ｗ２＝０．２ｍｍとし、Ｈ２の値を変化させて解析を行った。また、解析は、流速５０ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとで行った。
【００８０】
図１９は、三角形の高さの比（Ｈ２／Ｈ１）と、解析領域における渦度ω（ベクトル量）のｙｚ成分ωｙｚの平均値との関係をプロットして表すグラフであり、図１９（ａ）が流速５０ｍ／ｓの場合の解析結果を示し、図１９（ｂ）が流速１００ｍ／ｓの場合の解析結果を示す。
ここで、ωｙｚは流れに平行な方向の軸を持つ渦の強さを表す指標であり、以下の（２）式、（３）式で表される。（２）式におけるＵは流体の速度（ベクトル量）である。
【００８１】
【数２】
2018003988.tif 000004
【００８２】
図１９に示すように、流速５０ｍ／ｓ、流速１００ｍ／ｓともに、三角形の高さが等しいＨ２／Ｈ１＝１．０のときにωｙｚが最小となり、三角形の高さが異なるときに渦の発生効果が高くなることが分かった。そして、流れの剥離防止の効果を高めるためには、三角形の高さの比（Ｈ２／Ｈ１）を０．１以上０．６以下にすることが望ましく、さらに０．１以上０．３以下にすることが望ましいことが分かった。
【００８３】
図２０（ａ）は、渦の発生効果について解析するための、二つ目の構造体モデルを示す拡大斜視図である。２０（ｂ）は、流れに垂直な平面で構造体モデルの頂部を通って当該構造体モデルを切断したときの断面を示す図である。図２０に示す構造体モデルは、図５〜図６に示す第２実施形態に対応するものである。
【００８４】
図２０（ａ）に示すように、構造体モデルには、前記解析で上昇流の発生効果が明らかになった、２７度の傾斜角αを設けた。図２０（ｂ）に示す断面には、高さＨ１、底辺の長さＷ１の三角形と、高さＨ２、底辺の長さＷ２の三角形を交互に配列した。解析では、Ｈ１＝０．１ｍｍ、Ｗ１＝０．２ｍｍ、Ｈ２＝０．１ｍｍとし、Ｗ２の値を変化させて解析を行った。また、解析は、流速５０ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとで行った。
【００８５】
図２１は、三角形の底辺の長さの比（Ｗ２／Ｗ１）と、解析領域における渦度ωのｙｚ成分ωｙｚの平均値との関係をプロットして表すグラフであり、図２１（ａ）が流速５０ｍ／ｓの場合の解析結果を示し、図２１（ｂ）が流速１００ｍ／ｓの場合の解析結果を示す。
【００８６】
図２１に示すように、流速５０ｍ／ｓ、流速１００ｍ／ｓともに、三角形の底辺の長さが等しいＷ２／Ｗ１＝１．０のときにωｙｚが最小となり、三角形の底辺の長さが異なるときに渦の発生効果が高くなることが分かった。そして、流れの剥離防止の効果を高めるためには、三角形の底辺の長さの比（Ｗ２／Ｗ１）を０．１以上０．６以下にすることが望ましく、さらに０．１以上０．３以下にすることが望ましいことが分かった。
【００８７】
前記解析では、特定の寸法や形状、条件で解析を行った。ただし、本発明は、前記したように、流れに平行な方向に対して傾斜面が存在することと、構造体間流路を流れる流体が接触する部分（面）の面積に差異が存在することとが本質である。したがって、構造体の寸法や設置数、設置間隔、液体または気体の流速を変更した場合でも、流れの剥離抑制の効果を得ることが可能である。
【００８８】
例えば、前記した第１実施形態から第６実施形態に示した構造体４，４ａ〜４ｅは、流路２の表面３にいくつ形成されていてもよい。また、前記解析は、それぞれ流速５０ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとの２つのケースで行われ、異なるレイノルズ数において解析結果を得た。その結果、いずれの解析結果においても、流れの剥離抑制の効果を高めるのに有効であった。したがって、他の流速においても、流れの剥離抑制に有効と考えられる。
【００８９】
以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００９０】
例えば、前記した実施形態では、流体機器として、遠心圧縮機について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、遠心圧縮機、掃除機、空調機等の流体を扱う流体機器全般に適用可能である。
【００９１】
また、前記した実施形態では、構造体がディフューザとして構成されている流路の表面に設けられている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。構造体は、例えば羽根車等の他の各種部材における、流体が流れる表面に設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００９２】
２      流路（部材）
３      表面
４，４ａ〜４ｅ  構造体
５，５ａ〜５ｃ  構造体
６，６ａ〜６ｃ  構造体
７，７ａ  第１断面
８，８ａ  点
９，９ａ  辺
１０，１０ａ  底辺
１１，１１ａ〜１１ｅ  第２断面
１２，１３，１２ａ，１３ａ  三角形
１２ｂ，１３ｂ，１２ｃ，１３ｃ  四角形
１４    構造体間流路
１５    上昇流
１６    回転する流れ場
２１，２２，２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２１ｃ  底辺
２３，２４  斜辺
２３ａ，２４ａ  対辺
５１，６１  頂点（頂部）
５１ａ，６１ａ  上側底面（頂部）
５２，６２  傾斜面
５３，６３  面（部分）
１００  流体機器
Ｓ１，Ｓ２  面積
α      傾斜角
【図１】
2018003988.tif 000005
【図２】
2018003988.tif 000006
【図３】
2018003988.tif 000007
【図４】
2018003988.tif 000008
【図５】
2018003988.tif 000009
【図６】
2018003988.tif 000010
【図７】
2018003988.tif 000011
【図８】
2018003988.tif 000012
【図９】
2018003988.tif 000013
【図１０】
2018003988.tif 000014
【図１１】
2018003988.tif 000015
【図１２】
2018003988.tif 000016
【図１３】
2018003988.tif 000017
【図１４】
2018003988.tif 000018
【図１５】
2018003988.tif 000019
【図１６】
2018003988.tif 000020
【図１７】
2018003988.tif 000021
【図１８】
2018003988.tif 000022
【図１９】
2018003988.tif 000023
【図２０】
2018003988.tif 000024
【図２１】
2018003988.tif 000025