JP2011089444A - 超薄型パネル式層流送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の平面から広範囲に層流を発生させる層流送風機は考案されておらず、軽量簡易にして少ないエネルギーで駆動可能な、高効率の平面型層流送風機を提供する。
【解決手段】回転軸が回転翼の前縁と後縁を超えないインハブタイプの電動ファンを二次元平面に等間隔に配置し、電気的にも並列に接続して等電圧を加え、回転方向への気体圧縮を近接するファンの間で打ち消す。これにより乱流の発生をともなわない層流送風が実現する。このように吸気方向と回転軸ならびに送気方向が一致し、任意の平面から直接に層流を生み出すことができる軽量簡易かつ省エネルギーの送風機。
【選択図】図５

Description

本発明は、二次元平面に並列したインハブタイプの電動ファンから構成される超薄型パネル式層流送風機に関するものである。

人為的に気流を作り出す送風機の歴史は古く、電動機によって翼を回転させる扇風機が代表的である。しかし巨大な大気の運動によって起きる自然の風が層流であるのに対し、回転翼によって発生させられる気流は必然的に乱流となる。ところが皮膚表面で知覚される気流に乱れが生じると、汗の拡散蒸発による生じる快適性の向上に対して、乱流の与える不快感が優越してしまう。また回転翼から発生する特有の低周波騒音も不快感を増加させる。このためサーキュレーター（空気循環器）と呼ばれる送風機が一般化した。これはクロスフローファンなどによって発生させた層流を、直接に人体に向って吹きつけるのではなく、間接的に室内の空気を循環させて疑似な定常気流を人体表面へ到達させることを目的とする装置である。低騒音の層流ファンが実用化されたことで、サーキュレーターによる換気が一般化した。さらにフィルターを用いて大気中に浮遊する微細粒子を捕捉し、あるいは気温を低下させる温度調節機能を付加した空気調節装置（エアーコンディショナー）が考案された。

しかしフィルターによる空気清浄機能および温度調節ユニットを組み込むことは、これらを駆動するエネルギーを消費して熱を発生することを意味する。排熱を屋外に排出する空気調節装置であっても、自らが発生する余分な熱を屋外へ導かなければならない。しかも熱交換機を通じて排熱すれば、建物周辺の外気温を上昇させるばかりである。個々の屋内環境を向上させようとする努力が全体として外気温を上昇させ、屋外環境の悪化を招くと同時にエネルギー多消費社会を作り上げてきたと言えよう。

これに対して屋外の空気を室内に引込んで換気量を増大させ、室内環境を向上させようという試みも散見されるが（特許文献１）、伝統的な換気扇を超える効果を期待することはできない。とくに都会地では外気温が高く、外気を引込むだけで室内環境が向上するとは言えない。たとえばベランダに排気された室内の大気が、ふたたび窓から内部へ導かれるとすれば、単なる外気の引き込みは合理性を失う。実際にクーラーから排出される高温の気体を室内に引き入れれば、却って室内の温度上昇を齎してしまう。

こうした矛盾は個人の生活空間（居室）のみならず、事務所や工場など閉鎖的な空間に人間が熱源と同居する場合でも、必ず直面する課題と考えられる。とくに都市型住宅では断熱効果を高めることが重要視され、換気効率が著しく低い閉鎖空間が建設されてきた。省エネルギーへの要求が強まるにつれて、閉鎖空間における居住環境の改善が重要な課題となっている。このため種々のサーキュレーターやエアーコンディショナーが考案されてきた（特許文献２、３、４）。このような取り組みの中で人間にとって心地良い気流とは何かが問題となり、自然界の風に近い層流の必要性が認識された。しかし現在の層流ファンは吸気の方向と送気方向が直行するもので、気流方向の偏向が避けられない。（特許文献５、６、７）。すなわち整流板によって気流方向を偏向するため、比較的大きな空気抵抗を受けることになる。また送気の気流断面積が拡大するにつれて、効率良く層流を発生させる装置の実現は困難とされてきた（特許文献８）。このため一般的な空気調和機では狭い吹き出し口の方向を人為的に操作し、擬似的に広範囲な気流を吹き出したような効果を期待せざるを得ない。しかし狭い範囲の層流が繰り返し人体に吹き付けられる場合、必ずしも快適性の向上が感じられない。

また閉鎖空間全体を同一の環境条件に揃えることが、必ずしも各個人にとって快適とは言えない。なぜなら個人の選好する環境条件そのものが異なるためで、とくに気流条件については個別の調節が必要とされる。たとえば同一の室内に二人以上の居住者が居る場合、風向や風速に個人的選好が作用する。このため閉鎖的大空間を任意に仕切って気流条件を調節可能にする試みが行なわれてきた。たとえば特許文献９では床下のダクトを通して空気を循環させ、個人用熱交換機と送風機を設置して調和を達成しようとする。また衝立型の送風機あるいは空気清浄機によって、個別の環境条件を達成しようとする試みもある（特許文献１０、１１）。

上記の試みは室内環境の個別（部分的）調節を目的とするものであるが、定常気流の層流化と閉鎖空間全体のエネルギー消費を減少させるという前提を踏まえなければならない。こうした観点から、特許文献１２では層流送風機を衝立（パーティション）に組み込んでいるが、整流板を用いて層流化を行なっているため装置全体の体積と重量が増大し、かつエネルギー消費や騒音も比較的大きい。広範囲に弱い定常気流を発生させ、低騒音で省エネルギーの層流送風システムを開発しない限り、任意の閉鎖空間で個人が選好する環境条件を達成することは困難である。

特開２００９ー３０９４６ 特開２００７ー１１７０７５ 特開平１０ー１３２３４２ 特開２００６ー１８９１８２ 特開平７ー４９０９６ 特開平７ー４９０９７ 特開平５ー２３１３７９ 特開平１０ー２５２６９７ 特開平７ー１２３６５ 特開平６ー５８５８８ 実開平６ー１８８３８ 特開２０００ー３４２９２１

本発明が解決しようとする課題は、簡易軽量にして騒音やエネルギー消費が少なく、吸気と送気の方向が平行するのみならず、送気の断面積が広くかつ設置面積の少ない層流送風機を提供することである。

本発明は、回転軸が翼の前縁と後縁を超えないインハブタイプの電動ファンを等間隔に二次元平面上で並列し、翼の回転によって生じる乱流部分を相互に打ち消すことで広い断面の層流を発生させる、超薄パネル型の層流送風機（空気清浄機）を提供する。

図１に示すように、通常の回転翼によって発生する気体の圧縮は、回転軸方向と回転方向に大別される。回転軸方向の成分が本来の期待される層流成分であるが、回転翼に「捻り」が存在する限り回転方向への圧縮が避けられない。もちろんクロスフローなど「捻り」を持たない回転翼の場合であれば、回転方向への圧縮が層流成分として利用可能である。しかし捻りを伴う回転翼を利用する場合、回転方向と回転軸方向への気体圧縮が合成されて乱流が発生する。このため仮に回転方向への圧縮が発生しなければ、回転軸方向への気流は原則的に層流となる。

ここで二つの回転翼が並列して同期的に同方向へ回転する場合を考えると、二つの回転翼間で回転方向への圧縮が逆方向になる。すなわち二つの同期的に回転する同規格のファンは、最も近接した点あるいは線で回転方向の気流成分（空気圧縮）を打ち消しあうことになる（図２）。

この原理を二次元平面に拡張すると、同規格のファンが同期的に回転する限り、隣接するファンの間で常に回転方向の気体圧縮が打ち消し合う。もちろん実際の気体圧縮は三次元の現象であり、正確には斜め方向への圧縮が行なわれるのであるが、概念的には二次元すなわち二方向成分に分解して理解できる。したがって図３に示すように、複数の同一規格ファンを二次元平面上で等間隔に配置して同期的に回転させると、周辺部を除いて回転軸方向への気体圧縮のみが残って層流化が生じる。

このような形で層流化が行なわれる場合には回転翼の回転半径が短くなり、全体として送風効率（開口部断面積）が低下するのではないかとの疑問が生じる。ところが正方形に内接する円の面積を合計する限り、より大きな円（回転半径）を想定しても、あるいは小さな円（回転半径）の集合体を仮定しても、回転翼が占める面積は原理的に同一である（図４）。したがって任意の正方形内に円形の回転翼ユニットを置くと仮定すれば、大口径の単一ファンであっても小口径の複数並列ファンであっても、吸送気の面積は一定となる。ただし回転力を生み出す電動機部分の面積は別の要因によって決定され、必ずしも常に同一とは言えない。

図５はインハブタイプの電動ファンを二次元に並列した層流送風機の正面図であるが、同一規格のインハブタイプの電動ファンが電気的にも並列されており、配線による電圧低下は発生しない。このため隣接するファンは常に同一速度で回転し、回転翼方向への大気圧縮が打ち消し合う。また回転翼の素材がプラスチックなどであれば自由な着色が可能であり、さらに光線を透過する透明素材を用いることもできる。このため室内でのレイアウト（設置形式）が自在となり、デザイン上も大きな利点となる。

図６は超薄型パネル式層流送風機の側面断面図であるが、衝立型パネルの厚味は主として個々のインハブタイプファンによって決定される。たとえばパソコン用の冷却ファンを例に取ると、ハブが２５ミリ厚の場合でも層流送風機全体の厚味は４０ミリを超えない。より薄いインハブタイプの電動ファンを並列すれば、送風機全体の厚味は更に薄くなる。このため超薄型パネル式層流送風機を実現する上で、インハブタイプの電動ファンが最適である。

超薄型パネル式層流送風機であれば、衝立式（据え置きパネル形状）のみならず机取付け式（図７）や背後に吸気用の隙間を必要とする壁掛式（図８）あるいは天井吊り下げ式の送風装置も、まったく同じ基本ユニットから構成できる（図９）。とくに壁掛け式では垂直線と一定の傾斜角をもつ超薄型パネル式層流送風機を用いて、上下方向の成分を含む定常気流を維持することができる。別に温度調節機能をもつ空気調和機を併設する場合を考えると、パネル式層流送風機によって空気循環の自由度が向上することは自明である。

インハブタイプの小型ファンを並列する最大の利点は、任意の広い面積から送気できることである。しかも気流を偏向するための整流板などを必要とせず、気流に抵抗を与える部分が存在しない（吸気と送気の方向は常に一致する）。このため回転軸方向の気流エネルギーは、回転翼と電動機の性能のみによって決定され、いわゆるエネルギーロスは最小限に抑制される。このため空気調和機と併用する場合でも、消費される電力量を全体として減少させることが可能である。図１０はオフィスあるいは工場において建物全体に定常気流を維持する場合の説明図であり、天井取付け式の層流送風機によって閉鎖空間内部の環境条件を、至適ないし任意に制御できることを示している。

また本発明は同一規格のインハブタイプ薄型ファンを並列する構造のため、個別に電動ファンを設計および製作する必要がない。いわゆる主要部品の共通規格部品化によって、製造コストの低減とリサイクルあるいはリユース可能性が飛躍的に高まる。たとえば一部のファンが性能劣化を来したとしても当該ファンのみを部品として交換すれば、層流送風機全体の機能は維持される。また並列に配線されたファンの一部が停止したとしても、残りのファンが全て停止することはない。すなわち若干の性能低下を許容するのであれば、部品交換を行なわなくても製品全体の長寿命化が達成される。こうしたユニット化によって製品廃棄過程でのエネルギー損失を逓減することができる。

本発明の層流送風機は複数のファンつき電動機から構成されるため、電気エネルギーが気流エネルギーに転換される過程も、二次元平面に均等に分散していると見なせる。このため熱エネルギーの放散も容易で、部品の機械強度を高める必要もない。たとえば従来の扇風機であれば、回転軸および軸受け部品およびコイルの重量が大きく、回転にともなうエネルギー損失も大きい。ところがインハブタイプの電動ファンでは、回転翼の慣性重量を小さくできることから、回転にともなうエネルギー損失が小さい。このため回転に必要なエネルギー量の合計は一般的に単一の回転翼（大口径）よりも小さくなる。

さらに本発明の超薄型パネル式層流送風機は、任意の断面積を持つ層流を発生させることが可能で、閉鎖的な室内空間における大気の循環あるいは換気効率の向上に大きく寄与する一方、設置面積が極めて少ない（壁掛け式あるいは天井吊り下げ式も可能である）ため、狭小な住宅でも広く用いることができる（図８、９および実施例を参照のこと）。また回転翼の回転にともなって支持部に発生するトルク（逆回転力）が並列ファンの間で打ち消されるため、装置全体に逆回転力が加わらない。軽量にして逆回転力が発生しないため、天井吊り下げの場合でも支持（固定）台を必要としない。ワイヤーによって周辺部を固定するだけで済むため、振動等も建物部材に伝達されない。

さらに小口径の回転翼を用いる場合、送風機特有の低周波振動を発生しない。これは乱流に伴う空気振動の発生が抑制されるためであり、人間が不快と感じる領域の騒音が逓減できる。たとえばパソコン用冷却ファンの騒音は、およそ１０００ヘルツ前後とされ、低周波成分が比較的少ないと考えられている。夜間の耳障りな騒音が数百ヘルツ以下であることを考えると、超薄型パネル式層流送風機は人間工学的にも優れた騒音特性を備えている。したがって深夜の居室などで実用的なサーキュレーターとなる。

回転翼による気体圧縮の原理を示す説明図 二つの並列ファンの間で生じる気体圧縮の干渉を示す説明図 複数の並列ファンに生じる回転方向の打ち消し合いを示す説明図 正方形に内接する円の合計面積が円の径に拠らないことを示す説明図 超薄型層流送風機の正面図 超薄型層流送風機の側面断面図 個人用（机取付け式）層流送風機を用いる場合の説明図 壁掛け式層流送風機を用いる場合の説明図 小閉鎖空間（居室）で定常気流を維持する場合の側面説明図 閉鎖的な大空間に設置して定常気流を維持する場合の平面説明図 複数の衝立型層流送風機を組み合わせる場合の平面説明図 受付カウンターなどで天井吊り下げ式とする場合の断面説明図 建物開口部に取付けて、外気導入あるいは排気装置として用いる場合の平面説明図

回転軸が回転翼の前縁と後縁を超えない薄型インハブタイプのファンを二次元平面に等間隔で配置し電気的にも並列することで、低騒音かつ省エネルギーのみならず、小型軽量簡易で任意の気流断面（無制限の断面）を設定できる層流送風機を実現した。

図１０は工場や事務所など閉鎖的な大空間において、内部に一定の気流を維持したい場合に層流送風機を多段式に設置する例を示した。たとえば室内球場のような閉鎖空間で、任意の場所に送風機を吊り下げるだけで、意図した定常気流を発生させられる。このような場合にも低電力で軽量かつ低騒音という本発明の諸特徴が活用できる。また食品加工場などでは、閉鎖空間の温度を一定に保つことが必要であり、一般的に余剰の冷気を強力に噴き出して目的を達している。しかし作業を行なう人間にとって、気流速度の上昇は体感気温を大きく引き下げることに繋がり、労働衛生上は好ましくない。このような場合にも本発明の層流送風機は気温制御（均一化）に寄与する。床面上に障害物が固定されているばあい、上部の空間に定常気流を発生させることで徐々に室内環境を一定化して行くことができる。逆に大空間の一部に換気装置などが設置されている場合、定常気流によって換気効率を上昇させることも可能となる。

すでに図５および６に示したのは床置きパネル式の装置であり、周囲のフレームと中央部の網状ステーにインハブタイプ電動ファンを取り付けたものである。ファンの吸気側にフィルターを取り付ければ、空気清浄機とくに床置式の空気清浄機として機能する。また図７のように机に取付けて個人用の送風ユニットとして利用可能である。一般的に衝立（パーティション）式の場合、安定的に装置を設置するための支持部を必要とするが、オフィスなどでは複数のパーティションを連結することで、支持部を省略することができる（図１２）。このような設置法を用いれば、閉鎖空間の内部に複雑な障害物が存在する場合でも、超薄型パネル式層流送風機の組合わせによって、良好な換気状態を維持することが可能となる。

超薄型パネル式層流送風機を、家庭内などの小空間に設置する場合を示した説明図である（図１０）。夜間の寝室などで冷房機を連続使用するとベッド付近に冷気が貯留し、天井近くに設置されたエアコンの制御部で検知される温度との間に差異が生じる。いわゆる寝冷えの原因となる過剰な冷気の供給が発生する。本発明の層流送風機をエアコンと別に設置すれば、室温を一定化するとともに体感温度を低下させることが可能である。しかも本発明の特徴である低騒音のため、睡眠を妨げることが少ない。同様に超薄型層流送風機を天井と平行に設置すれば、いわゆるシーリングファンと同様な気流を生み出すこともできる。

天井吊り下げ式の超薄型パネル式層流送風機によって、受付カウンターなどに定常気流を発生させ、飛沫感染を防止するなどの目的を達成できる（図１１）。室内に固定式カウンターを設けると、カウンター内部の換気効率が低下するが、これは天井および床付近の気流が低下するためであり、低騒音で省エネルギーの空気循環器が必要とされる。このような課題を解決する上で、設置スペースを取らない超薄型パネル式層流送風機は有用である。

建物開口部に超薄型パネル式層流送風機を取付けて、外気を導入するか室内空気を外部に排出する場合の説明図である（図１３）。このような換気装置としての使用は従来の換気扇と大きな相違はないが、低騒音で省エネルギーをいう本発明の特徴を生かすことができる。

本発明は医療機関で飛沫感染予防に用いられるばかりではなく、食品加工場やオフィスなど広く産業分野において、閉鎖空間内部に任意の定常気流を維持することができる。また家庭内における空気循環器（サーキュレーター）として用いられる。またフィルターを装着することで、空気清浄機機能を付加できる。さらに温度調節機構と組み合わせれば、空気調和機として用いることが可能である。天井吊り下げ型あるいは壁掛タイプとして用いることで、設置床面積をゼロにできるため、あらゆる産業分野で利用の可能性がある。

１ 気流方向
２ 回転翼
３ インハブタイプ薄型ファン
４ 超薄型パネル式層流送風機

Claims (3)

1. 回転軸が回転翼の前縁と後縁を超えない薄型ファンを並列し、これらを同期的に回転させることで層流を作り出す超薄型パネル式送風機
2. 同一規格のインハブタイプ電動ファンを二次元平面に等間隔に設置し、電気的にも並列して等電圧を加えることで同期的な気体圧縮をなし、近接するファンの間で回転方向への気体圧縮を打ち消すことで層流を発生させることを特徴とする。
3. 吸気と回転軸および層流送気の方向が平行あるいは一致し、整流板を用いずに任意の平面から層流を送り出せることを特徴とする。
   

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