JP2006300235A

JP2006300235A - 壁面噴流の制御装置、壁面噴流による対象物の処理装置、壁面噴流を制御する方法及び壁面噴流により対象物を処理する方法。

Info

Publication number: JP2006300235A
Application number: JP2005123814A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Mochizuki; 信介望月; Seiji Yamada; 誠治山田
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2025-04-21
Also published as: JP4735952B2

Abstract

【課題】
壁面噴流における壁面からの噴流の剥離を抑制し、流れの乱れを少なくし、流れの抵抗を効果的に低減させる。
【課題を解決するための手段】
壁面噴流が流れる壁面から所定距離の位置に流れを横切る方向に翼を設置する。翼の設置位置は、壁面からの距離に応じた流れの速度が最大速度となる位置と、それより壁面から離れて流れの速度と外部一様流の速度との差が最大速度と外部一様流の速度との差の値のほぼ１／２となる位置での壁面からの距離の１．８倍の位置との間の位置とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、壁面噴流の制御装置に関し、例えば空調装置、冷却装置、乾燥装置，メッキ装置等において形成される壁面噴流の制御装置に関するものである。

空調装置、冷却装置、乾燥装置、メッキ装置等においては流体が壁面に沿って流れるいわゆる壁面噴流の状態が生じる。この壁面噴流は効率、製品品質の観点から壁面に沿って均一に流れることが重要であり、流れが剥離すると乱れが生じるため効率低下、騒音の発生流れの不均一化が生じるといった不都合があった。流れの剥離を防止することについて特許文献１に開示されている。
特開２００２―２５０５３４号

特許文献１においては、空気調和機空気吹出し面に壁面上に渦発生手段を設けて縦渦を発生させ、上層側の流れと下層側の流れとを攪拌し、流れの剥離を防止することが示されているが、その効果は不十分であり、また、渦発生手段そのものによる抵抗の増加が生じると言った問題点がある。また、製品（例えば紙，鋼板）の冷却，乾燥、メッキのように流体が沿って流れる壁面自体が製品である場合には上記のような渦発生手段を用いることができないといった問題点がある。
壁面噴流は壁面側の境界層的性質を示す内層と、それより外側の（壁面から離れる側の）負の速度勾配を有する外層とからなるが、このような壁面噴流については非特許文献１に示されるような研究がなされている。

大坂英雄他３名「日本機械学会論文集Ｂ編」、５２巻、４８３号（１９８６）、３７２９−３７３５非特許文献１に示されるように、内層及び外層において一対の大規模渦構造の存在が確認されているが、流れの乱れ、生成等におけるその役割については解明されていない。

従来技術においては、壁面噴流の壁からの剥離防止効果が不十分であり、流体が沿って流れる壁面上に渦発生手段を設けた場合、それ自身による抵抗増加が生じる。また流体が沿って流れる壁面自体が製品であるような場合には、その壁面上に渦発生手段のような剥離防止措置を講ずることは困難であった。壁面噴流においては壁面に沿って流れる噴流の流れと垂直方向への広がりが抑制され、噴流速度の低減が抑制され、噴流をより下流方向へ長く維持することが求められていた。また、このように壁面噴流を制御する場合に摩擦抵抗が増加しないことも重要な点である。

本発明は、従来技術における課題を解決すべくなしたものであり、壁面噴流が流れる壁面から所定距離の位置において、流れを横切る方向に翼を設置したものである。

また、本発明は、噴流を排出するノズルと、前記ノズルからの噴流を受ける位置に配置され噴流を当てて処理される対象物を載置する載置台と、を備えてなる対象物の処理装置において、前記載置台上に載置された対象物に沿って前記ノズルからの流れが壁面噴流として流れ、該壁面噴流を横切る方向に前記載置台の表面から間隔をおいて翼が支持部を介して設置され、前記翼は載置台上に載置された対象物の表面から所定距離の位置にあるようにしたものである。

また、本発明は、シート状またはウェブ状の対象物を支持する支持手段と、該支持手段に支持された対象物の両面側にそれぞれ噴流を与えるように配設された複数のノズルと、を備えてなる対象物の処理装置において、前記支持部に支持された対象物に沿って前記ノズルからの流れが壁面噴流として流れ、該壁面噴流を横切る方向に前記載置台の表面から間隔をおいて翼が支持部を介して設置され、前記翼は載置台上に載置された対象物の表面から所定距離の位置にあるようにしたものである。

また、本発明は、ノズルから排出された噴流を壁面に当て、該壁面に沿って壁面噴流が流れるようにする際に、該壁面から所定距離の位置に壁面噴流を横切る方向に翼を配置して流れのはく離を抑制するようにした壁面噴流を制御する方法でもある。
さらに、本発明は、ノズルから排出された噴流を対象物に当て、該対象物の表面に沿って壁面噴流が流れるようにする際に、該対象物の表面から所定距離の位置に壁面噴流を横切る方向に翼を配置して流れのはく離を抑制するようにした壁面噴流により対象物を処理する方法でもある。

前記壁面または対象物の表面からの距離に応じた流れの速度が最大速度となる位置と、それより壁面または対象物の表面から離れて流れの速度と外部一様流の速度との差が最大速度と外部一様流の速度との差のほぼ１／２となる位置での壁面または対象物の表面からの距離の１．８倍の位置との間の位置を前記壁面から所定距離、または前記対象物の表面からの所定の距離の位置とするのが好ましく、また、翼の流れの方向の翼長さがその厚さの５〜２０倍の寸法のものとするのが好ましい。

本発明は壁面噴流に対して壁面、あるいは処理される対象物の表面から所定の距離の位置に流れを横切る方向に翼を配置したことにより、翼を配置しない場合に比較して壁面または対象物の表面に沿う壁面噴流の速度低減、流れに垂直な方向への広がりが抑制され、壁面からの噴流の剥離を抑制することができ、流れの乱れを少なくすることができる。それにより、壁面噴流の生じる装置内部での騒音を抑制し，エネルギー効率を向上することができるとともに、乾燥、冷却，メッキ等の効率を向上させることができ、壁面に沿う流れをより均一にすることによって、乾燥、冷却，メッキ等の処理を行う際の処理が均一、良好になされるようになる。また、同時に流れの抵抗を低減させることができ、装置におけるエネルギー効率の向上が更にできる。

本発明において、壁面噴流の制御の効果を確認するために行った実験装置及び実験条件について図１を参照して説明する。なお、以下の説明で、流れにおける速度分布に関して、時間的に変動する速度の時間的な平均速度（ｍｅａｎｖｅｌｏｃｉｔｙ）を単に「速度」と言うことにする。

実験装置は、図１に示されるように風洞１の出口において、風洞の下側壁面に連続して壁面２を延在させ、風洞１の出口において壁面２に近い側に噴流出口流速度Ｕ_ｊ、その上側に外部一様流速度Ｕ_ｅ（Ｕ_ｅ＜Ｕ_ｊ）の２段階の流れを与えるようにした風洞を用いて行った。風洞の噴流の出口寸法は６００ｍｍ（横）×１０ｍｍ（縦）、外部一様流の出口寸法は６００ｍｍ（横）×４００ｍｍ（縦）とし、風洞内において噴流と外部一様流とは厚さ１ｍｍの境板３で仕切られている。

風洞１の出口の下側壁面の中央を座標系の原点とし、流れの方向をｘ₀、高さ方向をｙ、横方向をｚとする。また翼設置後の翼後端を座標xの原点とする．外部一様流速度Ｕ_ｅ０＝２．９ｍ／ｓ、噴流速度Ｕｊ＝１７．９５ｍ／s、噴流出口高さに基づくレイノルズ数Ｕ_ｊＳ_ｌ／ν＝１．２×１０^４とした。ｘ₀／Ｓ_ｌ＝５７〜１６２の範囲で速度比Ｕ_ｍ／Ｕ_ｅ＝４の壁面噴流の自己保存条件が満たされる。

風洞１から出て平板状の壁面２に沿う流れは、流れの方向にあるｘ_０の位置で図１において風洞１の出口から右方の位置において示した速度分布になる。この速度分布において、ｘ_０／Ｓ_ｌ＝６２の位置で壁面２からの高さｂ_ｍ０＝７ｍｍの位置で最大速度Ｕ_ｍになり、それより高い位置に向かって速度が小さくなる。Ｕ_ｍ−Ｕ_ｅ＝Ｕ_０として、Ｕ−Ｕ_ｅがＵ_０／２となる高さｂ_２０＝３５ｍｍは速度分布曲線の変曲点近くになる。

このような壁面２上の流れに対して、壁面２の上方に二次元翼４を配置した。二次元翼２の形状は、翼弦長ｃ＝２０ｍｍ、翼厚２．０ｍｍ、幅７００ｍｍであり、抗力係数Ｃ_ｄが０．０００６（α＝０°）のもので、桧材を用いたが、他の材質，形状および突起等により翼に三次元性をもたせてもよく，速度欠損の少ないものであれば差し支えない。翼厚は翼弦長さの１０分の１程度であるのがよく、材質によってはさらに薄くできる。このような二次元翼の翼弦長の方向が流れに交差する方向にし、壁面に平行な状態になるように二次元翼を配置して、ｘ_０方向の位置は翼の後端が自己保存成立地点のやや下流側の位置（ｘ_０／Ｓ_ｌ＝６２）とした。翼の取り付け角は平行ではなく流れに対してある角度（迎角）をもたせてもよい。

翼４を壁面２から高さｈ＝ｂ_ｍ０（＝７ｍｍ）に設置した場合の流れの平均速度分布と回復過程は図２（ａ）に示されるようになる。速度成分の測定にはＩ型及びＸ型熱線プローブと定温度形熱線流速計を用いた。平均速度は外部一様流速度Ｕｅを差し引いてU_０で除し、高さ方向距離は翼の設置高さｈで除して無次元化してある。図２で非撹乱流（翼４がない流れ）の平均速度分布を実線で示し、非攪乱流をＮＤで表している。図２で翼の挿入直後のｘ方向位置（ｘ／ｃ＝０．５近く）では速度欠損が見られ、それより下流のｘ／ｃ＝３では速度欠損は少なくなり、外層の速度は非撹乱流のものに比較して少し増加する。その後回復を続け、ｘ／ｃ＝５０では非撹乱流とほぼ同様になる。

翼４を壁面２から高さｈ＝ｂ_２０（＝３５ｍｍ）に設置た場合の流れの平均速度分布と回復過程は図２（ｂ）に示されるようになり、翼設置位置では速度の欠損は顕著でなく、それより下流側の外層では非撹乱流に比較して平均速度が小さくなっている。さらに、翼４を壁面２から高さｈ＝ｍｐ＝１．２ｂ_２０（＝４２ｍｍ）に設置した場合の流れの平均速度分布と回復過程は図２（ｃ）に示されるようになる。

図３は半値幅ｂ_２／Ｓ_ｌと内層厚さｂ_ｍ／Ｓ_ｌの流れ方向における変化を示す。ｂ_ｍ，ｂ_２はそれぞれ速度分布において速度が最大値Ｕ_ｍ、Ｕ_０／２となるｙ方向位置であり、流れの方向における位置（ｘ）とともに変化する。データは○が非撹乱流、△が翼の高さｈ＝ｂ_ｍ０の場合、□がｈ＝ｂ_２０の場合、▽がｈ＝ｍｐの場合を示している。半値幅の変化についてみると、最大速度位置に翼を挿入した流れ場においてｂ_２／Ｓ_ｌの値は非撹乱流と同程度である。一方、ｈ＝ｂ_２０に翼を設置した場合、非攪乱流よりもｂ_２／Ｓ_ｌの値が小さい。さらに、ｈ＝ｍｐに翼を設置した場合においてｂ_２／Ｓ_ｌの値は最も小さくなる。

図４は速度分布の図心位置の流れの方向における変化を示しており、ここで図心位置ｙ_ｇは

で与えられる量であり、ｂ_∝は流れの乱れエネルギーが十分に低下した位置である。図４では翼を設置した場合のｙ_ｇＤを非撹乱流の場合のｙ_ｇＮＤで除したものを図示してあり、データは△がｈ＝ｂ_ｍ０、○がｈ＝ｂ_２０、□がｈ＝ｍｐの場合をそれぞれ示している。ｈ＝ｂ_ｍ０の場合以外では図心位置が壁面側に移っていく。ｈ＝ｂ_２０とｈ＝ｍｐの場合には外層で速度が低下しレイノルズせん断応力が小さくなると考えられる。

図５はプレストン管を用いて局所壁面せん断応力を計測した結果を示している。壁面せん断応力の値は無次元化せずに示してあり、データは○が非攪乱流、△がｈ＝ｂ_ｍ０、▽がｈ＝ｂ_２０、□がｈ＝ｍｐの場合をそれぞれ示す。この結果から、翼を設置した場合には、設置しない場合に対して壁面せん断応力が低下し、その程度はｈ＝ｍｐで最大６％となる。これにより壁面噴流における流れ方向範囲の全抵抗が翼設置によって７〜１０％程度減少することがわかった。

翼の設置位置は、ｈ＝ｍｐ＝１．２ｂ_２０の場合が最も効果的であるが、ｈ＝１．８ｂ_２０程度までは十分な噴流速度の低減の抑制，噴流の流れの垂直方向への広がりの抑制および抵抗の低減がなされるが、ｈがｂ_ｍ０〜１．５ｂ_２０の範囲がより好ましい。この噴流の垂直方向への広がりの抑制は噴流のもつ高速の流体塊がより壁面側に維持されていることを示し、この結果は流れのはく離抑制や伝熱促進等にとって大変重要な効果を与える。

この壁面噴流における流れの剥離の抑制、抵抗の減少は、本発明により壁面から所定距離の位置に翼を配置したことで、外層の大規模渦構造に対して影響を与え、エントレインメントが抑制されることによるものと考えられる。

本発明は、基本的にはこのように壁面から所定距離の位置に翼を配置して流れのはく離を抑制し抵抗を低減させるように壁面噴流を制御する方法、あるいは壁面から所定距離の位置に翼を設置した壁面噴流の制御装置であるが、その特徴を用いた具体的な形として、噴流により冷却、乾燥等の処理を行う処理装置、あるいは処理方法としても具現される。噴流流体としては、気体、液体のいずれも含まれる。

［実際の装置における翼の設置］
前述の実験結果が示すように、壁面噴流の生ずる壁面上の所定高さに流れを横切る方向に翼を設置することにより、噴流の速度低減、流れに垂直方向へ広がりが抑制され、さらに、流れにおける抵抗を低減させられる。実際の装置として、流れの剥離を抑制し壁面での抵抗を低減させるためには、壁面噴流が形成された後に対象となる壁面から所定距離離れた位置に翼を流体の流れを横切る方向に渡して配置する。

翼の流れの方向の寸法は厚さの５〜２０倍、好ましくは１０倍程度とする。壁面からの所定距離は、装置の通常の使用状態での流れの速度が壁面側から増大して最大値になる位置ｂ_ｍ０における速度をＵ_ｍとｂ_ｍ０の位置に対して壁面と反対側の外側の流れの速度U_ｅ（U_ｅ＝０であってもよい）として、速度が（Ｕ_ｍ−Ｕ_ｅ）／２になる壁面からの位置（平均速度分布の変曲点位置とほぼ等しい）をｂ_２０とした時に、壁面からｂ_ｍ０〜１．８ｂ_２０の範囲、好ましくはｂ_ｍ０〜１．５ｂ_２０に二次元翼を設置するのがよい。

図６は実際に壁面に翼を配置した状態を示しており、ノズル１１から壁面１２に向けて噴流が排出される。ノズル１１から排出口の両横側に１対の支持棒１３が取り付けられ、支持棒の先端に二次元翼１４が噴流を横切る方向に取り付けられている。二次元翼１４は壁面から所定の高さｈとなるようにしてある。

このように二次元翼１４を設置することによって流れのはく離が抑制され、さらに抵抗が低減される。二次元翼１４は壁面に平行に設置するのが標準的であるが、状況に応じて若干の迎角をもたせて設置してもよい。また二次元翼面を突起等により三次元性をもたせてもよい。

このように二次元の壁面噴流の場合には、各壁面から所定距離の位置に二次元翼を設置することになるが、図７に示すように、ノズル１１から排出した噴流が壁面１２に垂直に衝突した後に放射状に生じるような壁面噴流に対しては，中心部分に穴のあいた円盤状の翼１４を壁面から所定距離ｈの位置に配置することによりやはり壁面からの噴流のはく離が抑制され、流れの抵抗が低減する。
図８は乾燥、冷却等の処理を行う場合の形態を示しており、二次元翼１４がシート状、平板状の対象物１５を載置する載置台１６の両側に設けた支持部１７を介して流れを横切る方向に設置される。

二次元翼１４は載置台１６に載置された対象物１５の上面からの所定の高さｈとなるようにする。対象物が薄い可撓性のシート状のもので壁面噴流により移動、浮き上がり等が考えられる場合には、流れに影響を与えない程度の抑え部材（網状等）で対象物を上面側から支持できるようにするのがよい。シート状の材料が押さえ部材で支持されていれば、載置台１６は特に水平でなくてもよく、任意の角度に配置できる。

図９は、シート状ないしウェブ状の対象物の両面に乾燥、冷却、メッキ等の処理を行う場合について示している。シート状の対象物１５の場合には両端側を図示しない支持部により撓まないように支持され、好ましくは対象物１５の両面を流れに影響を与えない程度の網状等の押さえ部材で支持する。可撓性のウェブ状の対象物１５の場合は適度な張力を与えながら連続的に走行する状態で噴流による処理がなされるようにしてもよい。

図示の例では、対象物１５の両側に配置されたノズル１１，１１からの噴流が対象物の表面に垂直に当たった後、図で上下方向に対象物１５の表面に沿った壁面噴流となる。この場合対象物１５の両側において、それぞれ表面から所定距離ｈとなる上下の位置に翼１４が対象物の表面から所定距離ｈとなる位置に図示しない支持部を介して取り付けられる。このように対象物１５の両面側に壁面噴流を当てることにより、対象物の両面を同時に処理することができる。

壁面噴流の特性を確認するための実験装置における風洞出口、風洞出口から流れの方向に離れた位置における流れの速度分布を示す図である。（ａ）流れの速度が最大速度となる位置に翼を設置した時の風洞出口からの距離に応じた流れの速度分布の変化を示す図である。（ｂ）流れの速度と外部一様流の速度との差が最大速度と外部一様流の速度との差のほぼ１／２となる壁面からの距離の位置に翼を設置した時の風洞出口からの距離に応じた流れの速度分布の変化を示す図である。（ｃ）流れの速度と外部一様流の速度との差が最大速度と外部一様流の速度との差のほぼ１／２となる位置の壁面からの距離の１．２倍となる距離の位置に翼を設置した時の風洞出口からの距離に応じた流れの速度分布の変化を示す図である。流れの速度分布の半値幅と内層厚さの流れ方向における変化を示す図である。速度分布の図心位置の流れの方向における変化を示す図である。壁面からの距離に応じた流れのせん断応力の変化を示す図である。本発明により壁面上に翼を設置した場合を示す図である。軸対称の壁面噴流に対して円盤状の翼を設置した場合を示す図である対象物の表面に壁面噴流を当てて処理を行う形態を示す図である。対象物の両面に壁面噴流を当てて処理を行う場合を示す図である。

符号の説明

１１ノズル
１２壁面
１３支持棒
１４翼
１５対象物
１６載置台
１７支持部

Claims

壁面噴流が流れる壁面から所定距離の位置において、流れを横切る方向に翼を設置してなることを特徴とする壁面噴流の制御装置。
前記壁面からの距離に応じた流れの速度が最大速度となる位置と、それより壁面から離れて流れの速度と外部一様流の速度との差が最大速度と外部一様流の速度との差のほぼ１／２となる位置での壁面からの距離の１．８倍の位置との間の位置を前記壁面から所定距離の位置としたことを特徴とする請求項１に記載の壁面噴流の制御装置。
前記翼の流れの方向における翼長がその厚さの５〜２０倍の寸法のものであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の壁面噴流の制御装置。
前記翼がノズルの排出口の両横側に設けられた支持棒の先端に、流れを横切る方向に設置されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の壁面噴流の制御装置。
前記翼が前記壁面上で流れを渡って両側に設けられた支持部を介して設置されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の壁面噴流の制御装置。
噴流を排出するノズルと、前記ノズルからの噴流を受ける位置に配置され噴流を当てて処理される対象物を載置する載置台と、を備えてなる対象物の処理装置において、
前記載置台上に載置された対象物に沿って前記ノズルからの流れが壁面噴流として流れ、該壁面噴流を横切る方向に前記載置台の表面から間隔をおいて翼が支持部を介して設置され、
前記翼は載置台上に載置された対象物の表面から所定距離の位置にある
ようにしたことを特徴とする壁面噴流による対象物の処理装置。
シート状またはウェブ状の対象物を支持する支持手段と、該支持手段に支持された対象物の両面側にそれぞれ噴流を与えるように配設された複数のノズルと、を備えてなる対象物の処理装置において、
前記支持部に支持された対象物に沿って前記ノズルからの流れが壁面噴流として流れ、該壁面噴流を横切る方向に前記載置台の表面から間隔をおいて翼が支持部を介して設置され、
前記翼は載置台上に載置された対象物の表面から所定距離の位置にある
ようにしたことを特徴とする壁面噴流による対象物の処理装置。
前記対象物の表面からの距離に応じた流れの速度が最大速度となる位置と、それより対象物の表面から離れて流れの速度と外部一様流の速度との差が最大速度と外部一様流の速度との差のほぼ１／２となる位置での対象物の表面からの距離の１．８倍の位置との間の位置を前記対象物の表面から所定距離の位置としたことを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の壁面噴流による対象物の処理装置。
前記翼の流れの方向における翼長がその厚さの５〜２０倍の寸法のものであることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の壁面噴流による対象物の処理装置。
ノズルから排出された噴流を壁面に当て、該壁面に沿って壁面噴流が流れるようにする際に、該壁面から所定距離の位置に壁面噴流を横切る方向に翼を配置して流れのはく離を抑制するようにすることを特徴とする壁面噴流を制御する方法。
前記壁面からの距離に応じた流れの速度が最大速度となる位置と、それより壁面から離れて流れの速度と外部一様流との差が最大速度と外部一様流の速度との差のほぼ１／２となる位置での壁面からの距離の１．８倍の位置との間の位置を前記壁面から所定距離の位置としたことを特徴とする請求項１０に記載の壁面噴流を制御する方法。
前記翼の流れの方向における翼長がその厚さの５〜２０倍の寸法のものであることを特徴とする請求項１０または１１のいずれかに記載の壁面噴流を制御する方法。
ノズルから排出された噴流を対象物に当て、該対象物の表面に沿って壁面噴流が流れるようにする際に、該対象物の表面から所定距離の位置に壁面噴流を横切る方向に翼を配置して流れの剥離を抑制するようにすることを特徴とする壁面噴流により対象物を処理する方法。
前記対象物の表面からの距離に応じた流れの速度が最大速度となる位置と、それより対象物の表面から離れて流れの速度と外部一様流の速度との差が最大速度と外部一様流の速度との差のほぼ１／２となる位置での対象物の表面からの距離の１．８倍の位置との間の位置を前記対象物の表面から所定距離の位置としたことを特徴とする請求項１２に記載の壁面噴流により対象物を処理する方法。
前記翼の流れの方向における翼長がその厚さの５〜２０倍の寸法のものであることを特徴とする請求項１２または１３のいずれかに記載の壁面噴流により対象物を処理する方法。