(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入管から流れ込む流体の流路を拡大する拡大管と、該拡大管内に流路に沿って配置されて流路を仕切る整流板とを備え、
前記拡大管の流路入口側の左右の壁面奥に閉空間を設け、流路と空間を仕切る部分をスライドさせて開閉するシャッタ構造とすることを特徴とする整流装置。
【請求項２】
前記空間を流路入口側の左右の壁面奥に設け、流出後の流体を右方向に流したい場合は左側の仕切り部分のみを開け、左に流したい場合は右側の仕切り部分のみを開けることを特徴とする請求項１記載の整流装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流れの中で流路断面積が拡大する流路を有する管に流れる流体を整流し、流体エネルギの損失を防ぎ、騒音の低減、拡大流路出口での流速分布の平滑化を図る整流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
拡大管を設計する場合、最も重要となるのが流路断面積が拡大する流路内での流体のエネルギ損失をできるだけ小さくして流すことにある。拡大管についてはこれまでかなりの研究がなされており、代表的な形状については、ほぼ設計手法は確立されていると言ってもよい。たとえば図１８に示すＧｉｂｓｏｎの実験結果によると円錐型の場合は、拡大管の広がり角度２θと拡大管の効率は図のような関係があり、流路断面積比２．３〜９の範囲で最適な広がり角度は６〜８°であるといわれている。また、断面形状が正方形の角錐型では最適な広がり角度は約６°、二次元拡大管では約１１°である。このように拡大管形状毎に流路断面積比と拡大管長さから最適な拡大管形状を設計する。しかし、ここにあげた例から分かるように最適な広がり角度は非常に小さいため、流路断面積比が大きくなると拡大管長さもかなりの長さを要するので、本体が非常に大きくなる。そこで、前記の広がり角度より大きい拡大管の場合はその管の中に整流板を挿入して、広がり角度の小さい流路に分割する手法を用いている。これにより、流体が拡大管壁面や整流板に沿って流れるため、剥離が抑えられ、エネルギ損失の低減が可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
流体の流れ方向は常に最も流体が流れやすい方向に流れることが知られている。特に、流体の流れの方向と壁面が平行の場合、流体は壁面に沿って流れやすい。従って、上記従来の手法では、流出後の流体の流れ方向はほぼ一定で、これを制御できるようにはなっていなかった。
【０００４】
本発明の目的は、このような従来の問題を解決するため、流出後の流体の流れ方向を制御することができる整流装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、流入管から流れ込む流体の流路を拡大する拡大管と、該拡大管内に流路に沿って配置されて流路を仕切る整流板とを備え、前記拡大管の流路入口側の左右の壁面奥に閉空間を設け、流路と空間を仕切る部分をスライドさせて開閉するシャッタ構造とすることを特徴とする整流装置である。
【０００６】
また、本発明は、前記空間を流路入口側の左右の壁面奥に設け、流出後の流体を右方向に流したい場合は左側の仕切り部分のみを開け、左に流したい場合は右側の仕切り部分のみを開けることを特徴とする。
【０００７】
この発明においては、仕切る部分を開閉するという構造により空間内に流体を流入させて流体と壁面の剥離を促して流体の流れ方向を制御できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【０００９】
図１は、整流装置の第１実施例を示す概要説明図である。この整流装置は、断面矩形状の流入管１に接続し拡大流路を形成する拡大管２と、その拡大管２内部に配置した、例えば８枚の整流板３ａ，３ｂとからなる。拡大管２は、断面矩形状であり、流路入口４から出口５にかけて断面積が拡大するように形成されている。整流板３は、その表面が流れ方向に沿うように配置される。そして、１枚で流路を完全に仕切るのではなく、流れ方向の上流側に整流板３ａ、下流側に整流板３ｂを間隔をおいて配置し、流路の中間部に仕切りがない開口部分６を形成する。
【００１０】
図２は、拡大管内を流体が流れる方向を示す説明図である。整流板２は、流路の中間部に開口部分６を形成するように配置されているので、整流板２が完全に流路を分割することなく、整流板２の間で流体の流出入が生じる。このため、自然に乱流が発生しないように、また整流板３ａ，３ｂと流体の剥離及び拡大管２壁面部と流体の剥離が抑制されるように、流体が流れていく。こうして、流体の乱流等による騒音を低減でき、また、整流板３ａ，３ｂに沿って流体が流れるため流速分布のバラツキも小さくなり拡大管出口５の流速分布が平均化される。また、整流板３ａ，３ｂが流れを妨げることもなく、エネルギ損失も少ない。そして、拡大管２の広がり角度を大きくしても、整流板２と流体の剥離及び拡大管２壁面部と流体の剥離が抑制されるので、拡大管２の広がり角度の大きい、非常にコンパクトな整流装置を製作できる。
【００１１】
図３は、整流板の他の形状を示す構成図である。図のように整流板７の中間部にスリットや孔を設け、この整流板７を流路にそって配置する。この整流板７を用いれば、中間部に開口部分が存在するので、前記と同様の効果が得られ、流れ方向に１枚の整流板７を配置するだけでよいので、整流装置の組み立てが簡便となる。
【００１２】
図４は、円筒型の拡大管の整流装置を示す概略説明図である。この整流装置は、断面円形状の流入管１１に接続し拡大流路を形成する拡大管１２と、その拡大管１２内部に配置した整流板１３ａ、１３ｂとからなる。拡大管１２は、断面円形状であり、流路入口から出口にかけて断面積が拡大するように形成されている。整流板１３ａ、１３ｂは、その表面が流れ方向に沿うように配置され、１枚で流路を完全に仕切るのではなく、流れ方向の上流に整流板１３ａを、下流に整流板１３ｂを配置して、その間に開口部分６を形成するようにしている。このように整流板や拡大管の形状は、ここに示した形状に限らず、様々な形状に応用できる。
【００１３】
図５は、整流装置の第２実施例を示す概要説明図である。この整流装置は、第１実施例の拡大管２の内部に配置した整流板に特長がある。すなわち、第１実施例の拡大管２に開口部分のない整流板３ｃを設け、拡大管２の中心部に配置することによって、拡大管２を仕切って２つに分割する。整流板３ｃによって仕切られた空間においては、それぞれ整流板３ａ，３ｂが、例えば２枚ずつ配置されている。すなわち、流入管１からの流路に平行に配置した整流板３ｃには開口部分を設けず、流路を拡大する方向に配置した整流板３ａ，３ｂには開口部分を設けている。この図の場合、拡大管２の中央部の流れは流入管１の流れ方向と平行であるため、中央に配置した整流板３ｃは流れ方向と平行で、流体との剥離は小さい。このため開口部分がない整流板３ｃを配置すれば、流体は整流板に沿って流れるため、さらにエネルギ損失が低減できる。よって本実施例によれば、広がり角度の大きい壁面近傍は整流板間で流体の流出入が図れて、整流板と流体の剥離が抑えられ、中央部は開口部分のない整流３ｃ板により流れが安定し、更にエネルギ損失の低減を図ることができる。
【００１４】
ここで第２実施例の整流装置を数値解析により検討した結果を示す。図６は流入管から流れてきた流体の流れを解析し、それを流線で表した説明図である。図６（Ａ）は従来の解放部分をもたない整流板３ｄの場合、図６（Ｂ）は開口部分をもつ整流板３ａ，３ｂを配置した場合である。太線が流線であり、この流線の出発地点はどちらも同じ位置からのものである。図６（Ａ）は整流板３ｄを境として流れが異なり、整流板３ｄに沿う流れと整流板３ｄから剥離する流れがはっきりと流線に現れていることがわかる。図６（Ｂ）は整流板３ａに沿う流れの一部が整流板の開口部分を通って内側に流れており、この流れはまた整流板３ｂに沿って流れている。整流板３ａの内側を通ってきた流れは整流板の開口部分を通ってきた流れに導かれて図６（Ａ）よりもさらに整流板３ｂに沿って流れていることがわかる。
【００１５】
次に拡大管出口の流速分布を見る。図７は図６の拡大管出口の流速分布を示すグラフである。ここで、１４−ａは図６（Ａ）に示す整流装置のデータであり、１４−ｂは図６（Ｂ）に示す整流装置のデータである。全体的に見ると流速は強弱が交互に現れている。整流板は流速が弱から強に変化する破線で示したところに位置している。中央の整流板以外は拡大管出口に向かって広がる方向に挿入しているので、この整流板の２面を拡大管壁側と中央側に分けて考えると、整流板の拡大管壁側の面は気流が整流板に沿って流れるため流速は速いが、中央側の面では流体が剥離するため遅くなることがわかる。１４−ａよりも１４−ｂの方が中央部での流速は下がり、整流板前後の流速差も小さくなっている。このことから拡大管出口での流速も平滑化されていることがわかる。
【００１６】
ここで出口の流速分布のバラツキがどれだけ小さくなったかを見るため、出口流速の目標流速に対する偏差を求めた。出口流速の目標流速に対する偏差とは、拡大管出口での流速目標値（流量と出口面積から算出した平均値）を設定し、その目標値と出口流速の偏差を求めて２乗平均した値で、数値が小さいほどバラツキが小さいことを示す。その結果、１４−ａにおける整流装置は６．２、１４−ｂにおける整流装置は３．６となり、流速分布のバラツキが大幅に改善されていることがわかる。
【００１７】
次に圧力損失がどれだけ低減できたかを見るためディフューザ効率を求めた。ディフューザ効率とは気流の運動エネルギー減少分の何％が静圧の回復に使われたかを示し、圧力損失が０であればディフューザ効率は１００％となる。ディフューザ効率の算出式を以下に示す。
ディフューザ効率＝
（実際に得られる静圧上昇）／（入口平均流速の動圧−出口平均流速の動圧）
これは１４−ａの整流装置が６４％、１４−ｂの整流装置が７４％という結果が得られた。このことから１４−ｂの整流装置は１４−ａの整流装置より１０％もディフューザ効率が改善されたことがわかる。
【００１８】
図８は、整流装置の第３実施例を示す概要説明図である。この整流装置は、第１実施例の拡大管２の内部に層流翼形状の整流板２１を流れ方向に沿って、例えば４個配置したものである。一般に、翼形が流体中を進むときに揚力が生ずる場合、翼下面における平均の圧力が大きく、上面における平均圧力は小さくなっている。これは、ベルヌイの定理により翼上面の速度が平均して大きく下面の速度がより小であること、さらに上面の流れの速度をより大にし、下面の流れが減速するように働く循環流が翼形周りに存在していることを示している（図８（Ｂ）参照）。このことから、拡大管内に翼形状の整流板２１を配置すれば、整流板２１から流体が剥離しにくくなり、流速が速くなるところはある程度抑えられることになる。また、翼形に沿う境界層は上流で圧力降下、下流で圧力上昇を伴う。圧力上昇を伴う翼形後縁付近では境界層は、剥離しやすくなり、じょう乱の増幅が著しくほとんど乱流となる。逆に、圧力降下を伴う境界層では層流の状態が続く可能性がある。層流境界層での摩擦抵抗は乱流境界層のそれより小さいので、翼形の最大厚さの位置を後退させた層流翼（例えばＮＡＣＡ６５系翼形）を用いることによって圧力降下領域を広げ、境界層の遷移を遅らせ、摩擦抵抗を減少させることができる。これにより拡大管内に流れる流体のエネルギ損失が低減できる。
【００１９】
図９は、整流装置の第４実施例を示す概要説明図である。この整流装置は、拡大管２の拡大流路内の流れ方向に設置する整流板１８を流入管１にまで延長したものである。整流板２２は、例えば４枚配置されており、これらは開口部分が有っても無くてもよい。整流板２２を拡大管２よりも長くすることにより、拡大管長さが長くなったと同様の効果があるため、拡大流路内で発生する流体の乱流を抑え、エネルギ損失を低減し、拡大流路出口での流速分布を平均化できる。
【００２０】
次に第４実施例を数値解析により検討した結果を示す。図１０は、拡大管内のみ整流板を取り付けた場合と、整流板を流入管にまで延長した場合の拡大管出口の流速分布を示すグラフである。１５−ａが拡大管内のみ整流板を取り付けた場合であり、１５−ｂが整流板を流入管にまで延長した場合である。１５−ａ，１５−ｂにおける拡大管内の整流板は、長さが異なるのみで、配置位置は同じである。破線は拡大管出口の整流板位置を示す。この結果から、１５−ｂは１５−ａよりも中央部で流速が下がり、整流板前後での流速差が小さくなった。これは整流板が長くなったために拡大管自身が長くなったと同様の効果をもたらしたと考えられる。整流板が開口部分を有する場合の出口流速の目標流速に対する偏差は３．６から３．１、ディフューザ効率は７４％から８２％に向上した。
【００２１】
次に、整流装置の第５実施例について説明する。一般に、管径が一様な管内を流れる流体の流速は、中心部が最も速く、壁面に近づくに従い壁面と流体の粘性の影響で遅くなっており、これは拡大管に流入する流体も同様である。そこで、拡大流路入り口では流入管部の流速分布を基に整流板で区切られた区間の流量がそれぞれ一定となるように整流板の位置を設定し、拡大流路出口では出口面積を均等に分割する様な整流板の位置に設定する。例えば流入管内で流れる流体の流速分布が図１１のようになっているとすると、流速と管径から流量が計算できる。拡大管に取り付ける整流板が５枚であるとすると、整流板及び拡大管壁面で区切られる領域は６つとなる。よって流量を１／６した値が整流板及び拡大管壁面で区切られる１つの領域に流す流量となる。後は１つの領域に流す流量が計算した値になるように、図１１の流速分布図から拡大管流路入口部の整流板位置を決定すればよい。図１１の細線は、上記説明したように算出した拡大管入口における整流板位置を示す。このように拡大流路入口では、流入管の流速分布を基に整流板で区切られた断面積に流入する流量がそれぞれ同じとなるように整流板の位置を設定し、出口では、拡大流路面積を均等に分割するように整流板の位置を設定すれば、整流板で区切られた部分に流れる流量が一定になり、拡大管出口から吐出される流速がより均一化できる。
【００２２】
次に、第５実施例を数値解析により検討した結果を示す。図１２は拡大管入口での流速分布図である。この図から管壁と中央部の流速差は１５ｍ／ｓ以上になっていることがわかる。そこで整流板挿入位置を図１２の流速分布曲線を基準に整流板の位置を図１３に示すとおり決定した。図１３（Ａ）は比較用データをとるため整流板２３ａを均等分割した場合、図１３（Ｂ）は図１２の拡大管入口の流速分布から整流板２３ｂ間の風量が同じになる整流板位置を設定し、拡大管出口では出口面積を均等に分割するように挿入した場合である。
【００２３】
図１４は、拡大管出口の流速分布を示す。１７−ａは、図１３（Ａ）の整流装置のデータ、１７−ｂは、図１３（Ｂ）の整流装置のデータを示す。整流板は流速が弱から強に変化するところに位置している。中央の整流板以外は拡大管２出口に向かって広がる方向に挿入しているので、この整流板の２面を拡大管壁側と中央側に分けて考えると、整流板の拡大管壁側の面は気流が整流板に沿って流れるため流速は速いが、中央側の面では気流が剥離するため遅くなることがわかる。整流板２３ａを均等に入れた１７−ａと比較すると１７−ｂは整流板２３ｂの広がり角度が大きいため、整流板２３ｂ前後の流速差が大きいが、出口部では壁面近傍でも流速は２ｍ／ｓ以上あり剥離流れを起こしていない。出口流速の目標流速に対する偏差を調べると１７−ａの１１．６に対して１７−ｂは６．２であるため、流速分布のバラツキは小さく、出口での流速分布が平滑化されていることがわかる。
【００２４】
〔本発明に係る整流装置の実施形態〕
図１５は、本発明に係る整流装置の実施形態を示す概要説明図である。この整流装置は、図１の第１実施例の整流装置において、拡大管２の流路入口側の両壁面奥に空間２５を設け、その空間と流路を仕切る部分に開閉するシャッタを設けた構造である。この空間２５を開閉するシャッタ２６は、図１６に示すとおり、開口部を２箇所有する２枚のシャッタ板２６ａ，２６ｂからなり、スライドさせることにより、自由に開閉できるものである。図１６（Ａ）に示すように、シャッタ板２６ａ，２６ｂの開口部が重ならない場合は、シャッタ２６は閉じており、図１６（Ｂ）に示すように、シャッタ板２６ａ，２６ｂの開口部が重なった場合はシャッタが開くことになる。流体の流れ方向は常に最も流体が流れやすい方向に流れることが知られている。このため流体の流れの方向と壁面が平行の場合、流体は壁面に沿って流れやすい。そこで左右どちらかを流れにくくし、流体と壁面の剥離を促せば流体の流れ方向を制御できる。例えば流出後の流体を右方向に流したい場合は左側のシャッタを開けて空間を作り左壁面と流体の剥離を促進すれば、流体は右側に流れやすくなるため拡大管出口で流体は右に流れることになる。また、左に流したい場合は右側のシャッタを開ければよい。このように簡単な装置で流体の流れる方向を制御できる。尚、空間を設けるため今回は開閉式シャッタを用いたが、剥離を促すことができれば流れの方向を制御できるため、この方法に限るものではない。
【００２５】
次に本実施形態を数値解析により検討した結果を示す。図１７は右に空間を設けた拡大管内を流れる流体のベクトル図である。この図から右側の流体の流れが壁面を沿わず、剥離しているため、拡大管内を流れる流体全体が左側に流れている。このことから拡大管壁と流体の剥離を促せば簡単に流体の流れの方向を制御することが可能であることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
また、本発明によれば、拡大管の流路入口側の壁面奥に空間を設け、流路と空間を仕切る部分を開閉可能な構造とするので、仕切る部分を開閉するという簡単な構造で空間内に流体を流入させて流体と壁面の剥離を促して流体の流れ方向を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  整流装置の第１実施例を示す概要説明図である。
【図２】  拡大管内を流体が流れる方向を示す説明図である。
【図３】  整流板の他の形状を示す構成図である。
【図４】  円筒型の拡大管の整流装置を示す概略説明図である。
【図５】  整流装置の第２実施例を示す概要説明図である。
【図６】  流入管から流れてきた流体の流れを解析し、それを流線で表した説明図である。
【図７】  図６の拡大管出口の流速分布を示すグラフである。
【図８】  整流装置の第３実施例を示す概要説明図である。
【図９】  整流装置の第４実施例を示す概要説明図である。
【図１０】  拡大管内のみ整流板を取り付けた場合と、整流板を流入管にまで延長した場合の拡大管出口の流速分布を示すグラフである。
【図１１】  流入管内で流れる流体の流速分布を示す説明図である。
【図１２】  拡大管入口での流速分布図である。
【図１３】  整流板２３ａを均等に配置した場合と拡大管入口で風量が同じになるようにし出口面積を均等に分割するように整流板を配置した場合の概略説明図である。
【図１４】  拡大管出口の流速分布を示すグラフである。
【図１５】  本発明に係る整流装置の実施形態を示す概要説明図である。
【図１６】  シャッタ動作を示す概略説明図である。
【図１７】  右に空間を設けた拡大管内を流れる流体のベクトル図である。
【図１８】  Ｇｉｂｓｏｎの実験結果による拡大管の広がり角度とディフューザ効率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  流入管
２  拡大管
３ａ，３ｂ  整流板
４  流路入口
５  流路出口
６  開口部分
２５  空間
２６  シャッタ
２６ａ，２６ｂ  シャッタ板
【図１】
0003781735.tif 000002
【図２】
0003781735.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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