(57)【要約】【課題】本発明は、分解、組み立て、搬送が容易な簡易型風洞装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の縦型風洞装置は、空気導入部と、第１の整流部と、縮流部と、透明な円筒状の可視化供試部と、第２の整流部と、気流生成部とを備えており、分離・接合自在に構成された上記各部を鉛直方向に積み上げて接合することによって形成される。可視化供試部は、その形状が円筒状であるため、風洞内壁から乱れが発生しにくく、また、気流の流れ方向が鉛直下方向となるように縦置きに設置されるため、トレーサの軌跡と気流の流線のずれを最小限に抑えることができる。さらに、その組立て・分解・操作が至って容易であるため、小中高生対象の理化学教育現場で用いる実験装置に最適である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦置きに設置される透明な円筒状の可視化供試部を備え、該可視化供試部内の気流の流れ方向を鉛直下方向とすることを特徴とする縦型風洞装置。
【請求項２】
空気導入部と、第１の整流部と、縮流部と、透明な円筒状の可視化供試部と、第２の整流部と、気流生成部とを備える縦型風洞装置であって、分離・接合自在に構成された前記各部を鉛直方向に積み上げて接合することによって形成され、前記可視化供試部は、気流の流れ方向が鉛直下方向となるように縦置きに設置されることを特徴とする縦型風洞装置。
【請求項３】
前記各部間が嵌め合いによってボルトレスで接合されることを特徴とする、請求項２に記載の縦型風洞装置。
【請求項４】
前記可視化供試部がアクリルパイプによって形成される、請求項２または３に記載の縦型風洞装置。
【請求項５】
前記可視化供試部の内部空間には供試物体を固定するための支持柱が突設されており、該支持柱が回転自在に構成されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載の縦型風洞装置。
【請求項６】
前記整流部がハニカム部材によって形成される、請求項２〜５のいずれか１項に記載の縦型風洞装置。
【請求項７】
スリットを有する投光器に対して水を満たした円筒状の透明容器を集光レンズとして機能させた光学系をさらに備える、請求項２〜６のいずれか１項に記載の縦型風洞装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気流の流れを可視化する風洞装置に関し、より詳細には、分解、組み立て、搬送が容易な簡易型風洞装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人工的に発生させた気体の流れの中に縮小模型などの供試物体を置き、気体の流れを可視化して観測する風洞実験が種々の目的のために行なわれている。一般に風洞実験おいては、気体の流れを可視化するためにトレーサを用いるが、トレーサの比重は、通常、流体のそれと異なるため、トレーサの軌跡と実際の気体の流線がずれてしまうことがある。
【０００３】
この点につき、特開平５−２６４３９７号公報（特許文献１）は、風洞内に加熱しした気体を導入することによって、流入気体の密度とトレーサ（煙）の密度をほぼ等しくし、トレーサが自身の浮力によって浮き上がることを防止した流線観測用風洞を開示するものの、特許文献１の装置では、その構成が複雑にならざるをえなかった。
【０００４】
また、従来の風洞は、一般に、空間断面が四角に形成されていたため、内壁の四隅から気流の乱れが発生しやすいという問題があり、さらに、従来の風洞実験装置は、その多くは大がかりなものであったため、教室などの日常空間で気軽に風洞実験を行なうことは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２６４３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、分解、組み立て、搬送が容易な簡易型風洞装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、分解、組み立て、搬送が容易な簡易型風洞装置につき鋭意検討した結果、可視化供試部を透明な円筒状部材で構成し、且つ、これを縦置きに設置して気流の流れ方向を鉛直下方向にとることによって、風洞内壁から発生する乱れを抑制するとともに、トレーサの軌跡と気流の流線のずれを最小限に抑えることができることを見出し、本発明に至ったのである。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、縦置きに設置される透明な円筒状の可視化供試部を備え、該可視化供試部内の気流の流れ方向を鉛直下方向とすることを特徴とする縦型風洞装置が提供される。また、本発明によれば、空気導入部と、第１の整流部と、縮流部と、透明な円筒状の可視化供試部と、第２の整流部と、気流生成部とを備える縦型風洞装置であって、分離・接合自在に構成された前記各部を鉛直方向に積み上げて接合することによって形成され、前記可視化供試部は、気流の流れ方向が鉛直下方向となるように縦置きに設置されることを特徴とする縦型風洞装置が提供される。本発明においては、前記各部間が嵌め合いによってボルトレスで接合することができる。また、本発明においては、前記可視化供試部がアクリルパイプによって形成することができ、前記可視化供試部の内部空間には供試物体を固定するための支持柱を突設し、該支持柱を回転自在に構成することができる。さらに、本発明においては、前記整流部をハニカム部材によって形成することができる。
【発明の効果】
【０００９】
上述したように、本発明によれば、分解、組み立て、搬送が容易な縦型風洞装置が提供される。本発明の縦型風洞装置においては、風洞内壁から発生する乱れを抑制するとともに、トレーサの軌跡と気流の流線のずれを最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の縦型風洞装置を示す図。
【図２】気流の流れ方向とトレーサの軌跡の関係を示す図。
【図３】本実施形態の縦型風洞装置の断面図を示す図。
【図４】供試物体の入れ替えの様子を示す概念図。
【図５】本実施形態の縦型風洞装置の分解・収納の様子を示す概念図。
【図６】本実施形態の縦型風洞装置の光学系を示す図。
【図７】縦型風洞装置の実機による風洞実験の結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態である縦型風洞装置１０を示す。縦型風洞装置１０は、空気導入部１２と、第１の整流部１３と、縮流部１４と、可視化供試部１６と、第２の整流部１８と、気流生成部２０とを含んで構成される。本実施形態においては、空気導入部１２は、円錐台形筒状のフードで構成され、第１の整流部１３ならびに第２の整流部１８は、いずれも直方体状のハニカム部材で構成されている。また、気流生成部２０は、プロペラファン２２と、プロペラファン２２の回転制御を行なうためのスライダック２４と、プロペラファン２２を載置するための台座２６を含んで構成されている。
【００１３】
本実施形態における整流部１３,１８は、十分な整流効果が得られるように、適切な目の細かさと厚みを有するハニカムで構成することが好ましい。また、整流部１３,１８をアルミ製のハニカムで構成すれば、上流側の整流部１３（ハニカム）の上に火のついた線香（トレーサ）を直接置くことができるため好都合である。仮に火のついた線香や供試物体が落下した場合であっても、下流側の整流部１８（ハニカム）の存在により、これらがプロペラファン２２に直撃することが防止される。また、本実施形態においては、空気導入部１２や縮流部１４をプラスチックやブリキ等の軽い材料で形成して縦型風洞装置１０の上部を軽量化することが好ましい。本実施形態においては、重量のある気流生成部２０が最下部に配置されているので、上部を軽量化することによって装置全体が安定化し、その結果、供試物体の着脱に伴う分解組み立てが容易になる。
【００１４】
本実施形態における可視化供試部１６は、透明な円筒状部材によって構成されている。使用できる透明な円筒状部材としては、汎用部材であるアクリルパイプを挙げることができる。可視化供試部１６の内部空間には供試物体を固定するための供試体支持柱３０が突設されており、供試体支持柱３０はモータ等の回転駆動手段３２によって回転自在に構成されている。なお、本実施形態においては、プロペラファン２２と第２の整流部１８の間に円筒状の渦伝播防止部１７を配置することによって、プロペラファン２２の回転によって生じる流れの回転の影響が可視化供試部１６に及ばないように担保されている。なお、渦伝播防止部１７を可視化供試部１６と同様の部材（アクリルパイプ）で作製することもできる。
【００１５】
以上、本実施形態の縦型風洞装置１０の構成要素について説明してきたが、上述した空気導入部１２、整流部１３，１８、縮流部１４、および気流生成部２０を構成する材料・形状・部品等については、従来の風洞装置におけるそれが果たす機能と同等の機能を果たすものであればよく、各部の詳細な構成については、種々の設計変更が可能であることはいうまでもないので、これ以上の説明は省略する。
【００１６】
本実施形態の縦型風洞装置１０は、可視化供試部１６が円筒状に構成されている点を特徴とする。従来の風洞装置の多くは、直方体状の可視化供試部を採用していたため、内壁の四隅から気流の乱れが発生しやすかった。その点、本実施形態においては、円筒状の可視化供試部を採用したため、風洞の内壁面から発生する乱れを最小限に抑えることができる。
【００１７】
また、本実施形態の縦型風洞装置１０は、気流の流れ方向を鉛直下方向とすることを特徴とする。本実施形態においては、図１に示すように、各構成要素が鉛直方向に積み上げられ、可視化供試部１６が縦置きに設置されている。このように積み上げられた縦型風洞装置１０においては、可視化供試部１６内を気流が鉛直下方向に流下する。空気導入部１２内に配置された図示しないトレーサ発生源から発生したトレーサＴは、この鉛直下方向に流下する気流に追従して可視化供試部１６内を流下する。このとき、可視化供試部１６に対して図示しない光源から光を照射することによって、気流の流線をトレーサＴの軌跡として観測することができる。
【００１８】
ここで、気流の流れ方向を鉛直下方向とする意義について、図２を参照して以下説明する。なお、図２においては、気流の流れ方向を白抜き矢線で示し、トレーサの軌跡を破線矢線で示す。従来の風洞装置における可視化供試部は、気流の流れ方向を水平にとっているため、以下のような問題が生じる。例えば、線香の煙のように空気より比重が小さいトレーサＴＬを使用した場合、図２（ａ）に示すように、下流に向う程、トレーサＴＬが流線からずれ、鉛直上方向に浮き上がってしまう一方で、ドライアイスの煙（二酸化炭素）のように空気より比重が大きいトレーサＴＨを使用した場合、図２（ｂ）に示すように、下流に向う程、トレーサＴＨが流線からずれ、鉛直下方向に沈んでしまうといったことが起こり、いずれの場合も、流線を正確に可視化することができないという問題が生じる。
【００１９】
この点につき、本実施形態の縦型風洞装置１０は、可視化供試部を縦置きに設置することによって、気流の流れ方向と重力の作用方向を一致させている。その結果、図２（ｃ）に示すように、トレーサの比重が空気より軽い場合および重い場合のいずれであっても、トレーサの軌跡と流線のずれを最小限に抑えることができるので、流線の正確な可視化が可能になる。また、装置を縦置きにすることによって、設置面積が小さくなることも好都合である。以上、本実施形態の縦型風洞装置１０の２つの特徴について説明してきたが、次に、本実施形態の縦型風洞装置１０の第３の特徴である、使用上の簡便性について、図３〜図５を参照して、以下説明する。
【００２０】
図３は、本実施形態の縦型風洞装置１０の断面図を示す。なお、図３においては、気流の流れ方向を白抜き矢線で示す。図３に示す例においては、縦型風洞装置１０の内部にプロペラファン２２の回転によって負圧が生じており、空気が空気導入部１２から装置内部に流入する。空気導入部１２から流入した空気は、第１の整流部１３および縮流部１４を経て整流・縮流された後、可視化供試部１６に導入される。可視化供試部１６に導入された空気は、鉛直下方向に流下し、第２の整流部１８・渦伝播防止部１７を経て、台座２６に設けられた開口から排気される。本実施形態の縦型風洞装置１０においては、可視化供試部１６の下流側にプロペラファン２２を設ける、いわゆる吸い込み型を採用し、さらに、可視化供試部１６の下流側に第２の整流部１８を設けているので、可視化供試部１６がプロペラファン２２による乱れを受けにくい構造となっている。また、空気導入部１２から流入した外気は、可視化供試部１６の上流側に設けた第１の整流部１３によってその乱れが抑えられ、縮流部１４を経て、可視化供試部１６に乱れのない一様流として導入される。
【００２１】
ここで、本発明においては、縦型風洞装置１０の各構成部材間をボルト等によって固着するように構成することも当然できるが、本実施形態においては、各構成部材が鉛直方向に積み上げられることを利用して、ボルトレスで接合する構成を採用する。図３に示す例においては、縦型風洞装置１０の各構成部材間は、破線で囲んで示すように、嵌め合いによってボルトレスで接合されている。本実施形態においては、各構成部材を鉛直方向に積み上げるため、それぞれの自重が各接合部に作用する。したがって、各構成部材間を単に緩く嵌合するだけでも、装置全体として風洞試験に支障の無い程度の安定性が得られる。このように、装置をボルトレスで構成することによって、簡便な組立て・分解が可能になる。なお、整流部１３,１８にハニカム部材を採用する場合、ハニカム部材を穴の開いた二枚の板（１３ａ,ｂならびに１８ａ,ｂ）で挟持することによって、加工が難しいハニカム部材を切削することなく、各構成部材が嵌合するための凹部を形成することができる。
【００２２】
ボルトレスであることは、例えば、供試物体の入れ替えをする際に便利である。すなわち、本実施形態の縦型風洞装置１０においては、供試物体の入れ替えをする場合（●→★）、図４に示すように、上から、空気導入部１２、第１の整流部１３、縮流部１４の順に嵌合を解くだけで可視化供試部１６内に手を入れて供試物体を入れ替えることができ、入れ替えが終った後は、縮流部１４、第１の整流部１３、空気導入部１２の順に再び嵌合してすぐに次の風洞実験を行なうことができるので便利である。
【００２３】
さらに、本実施形態の縦型風洞装置１０は、使用しないときは、図５に示すように、ただちに分解して所定の専用ケース５０に収納することができるので、置き場所に困ることがなく、また、これを搬送することも容易である。
【００２４】
次に、本実施形態の縦型風洞装置１０に適用可能な光学系の実施形態について、図６を参照して説明する。市販の投光器６０（例えば、ハロゲンランプ）のガラス面に対し、適当な幅（例えば、約３０ｍｍ）のスリットを残して板６２,６２を貼り付けたものを用意する。これに対し、円筒状の透明容器６４（たとえば、アクリル容器）に水を満たしたものを集光レンズとして機能させ、上記スリットから出射した光を透明容器６４を通して縦型風洞装置１０の可視化供試部１６に照射する。このような手順で光学系を構成することによって、装置の製造コストを安価に抑えることができる。さらに、透明容器６４に貯留した水は、線香（トレーサ）に起因する不測の出火に対する備えとして、防火に役立てることができる。
【００２５】
加えて、空気導入部１２や縮流部１４については市販のプラスチック製植木鉢などを流用し、気流生成部２０（プロペラファン２２）については家庭用換気扇を流用したり、スライダックの代わりに市販のファン用回転制御装置を用いたりすれば、本実施形態の縦型風洞装置１０全体を安価に作製することができる。
【００２６】
以上、説明したように、本発明の縦型風洞装置は、既存の汎用材料を使用して安価なコストで簡単に作製することができるだけでなく、本格的な流線観察を可能にする。また、本発明の縦型風洞装置は、その組立て・分解・操作も至って容易であるため、小中高生対象の理化学教育現場で用いる実験装置に最適である。また、教育目的以外にも、低コストで簡易形式の風洞実験を行ないたいユーザにとって、本発明の縦型風洞装置は非常に有用であろう。
【００２７】
以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明の縦型風洞装置について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。
【００２９】
図１に示したのと同等の縦型風洞装置の実機を作製した。なお、本実施例においては、整流部として、セルサイズ1/8インチ、厚さ80mmのアルミニウムハニカムを使用した。さらに、可視化供試部については、３種類の直径（80 mm、190 mm、250 mm）の透明のアクリル製円筒を用いて３種類の実機を作製した。作製した各実機を使用して風洞実験を実施した。具体的には、棒状の円柱７０を供試物体とし、円柱７０の軸に垂直にスリット光源から平行光線をあてて、円柱７０の軸に垂直な平面内の流れ模様を、線香の煙を用いて可視化した。なお、上記風洞実験はプロペラファンの回転数を360 rpm〜600 rpm（気流の流速＝0.25 m/s 〜 0.6 m/s ）に制御して行なった。その結果、上述した３種類の実機の全てにおいて、明瞭な流線を観測することができた。
【００３０】
図７は、実験結果を示す写真である。円柱７０が静止している場合、図７（ａ）に示すように、明瞭なカルマン渦列を観測することができた。一方、円柱７０を回転させた場合には、図７（ｂ）に示すように、回転円柱周りのポテンシャル流れに類似した流れ模様を明瞭に観測することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上、説明したように、本発明によれば、分解、組み立て、搬送が容易な縦型風洞装置が提供される。本発明の縦型風洞装置は、学校教育現場をはじめ広汎な分野で利用されることが期待される。
【符号の説明】
【００３２】
１０…縦型風洞装置、１２…空気導入部、１３…第１の整流部、１４…縮流部、１６…可視化供試部、１７…渦伝播防止部、１８…第２の整流部、２０…気流生成部、２２…プロペラファン、２４…スライダック、２６…台座、３０…供試体支持柱、３２…回転駆動手段、５０…専用ケース、６０…投光器、６２…板、６４…透明容器、７０…円柱
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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