JP2012057839A - 換気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】換気効率を向上できる換気装置を提供する。
【解決手段】上部筒３０に対して間隔を隔てて庇状の導風体５０を設ける。導風体５０は、周縁から中心に向けて上向きに傾斜する形態をなしており、周縁から途中までの第１傾斜部５１と、第１傾斜部５１に連なるとともに第１傾斜部５１よりも水平方向に対して寝ている第２傾斜部５２とからなる。この導風体５０と上部筒３０の間に形成される外気流路ＯＲは、下部開口５３の側から上部開口５４に向けて流路幅が狭くなる絞り流路となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、家屋などの建物の内部の換気を行う装置に関する。

省エネルギの観点から、電力消費を伴う換気扇を用いることなく家屋の換気を行うことが検討されている。例えば、家屋の屋根上に動力を有しない換気装置を設けることが提案されている（特許文献１）。この換気装置１００は、図８に示されるように、家屋の屋根１０１上に設けられるものであり、集熱箱１０２を備える。この集熱箱１０２には、太陽光を集熱箱１０２内に入射させる光入射面１０３と、集熱箱１０２内に入射した太陽光により、集熱箱１０２内の空気（内気）に熱を与える熱放射板１０４と、集熱箱１０２の内部を外部と連通させる外部接続口１０５と、集熱箱１０２の内部を家屋内の部屋１０６と連通させる内部接続口１０７とが設けられている。熱放射板１０４は、集熱箱１０２内に入射した太陽光により、集熱箱１０２内の内気に熱を与えて膨張させるように配置されている。

排気筒として機能するこの換気装置１００によれば、集熱箱１０２の内部は、太陽光により暖められる。その結果、集熱箱１０２内の内気は、膨張し、外部接続口１０５から外部へ流れる。集熱箱１０２から外部へ向かう内気の流れにより、内部接続口１０７を介して部屋１０６から集熱箱１０２内へ内気が導入される。すなわち、部屋１０６の内気は、集熱箱１０２を介して外部へ流れる。この際、内気の流れは自然に発生するので、換気に電力エネルギを必要としない。

換気装置１００は、熱放射板１０４が鉛直方向に伸びていることにより、太陽光は大面積で熱放射板１０４に照射される。その結果、集熱箱１０２内の内気を効率よく暖めることができる。つまり、換気装置１００は、熱放射板１０４を設けることで換気効率の向上を図っている。

屋根１０１の上に設けられる換気装置１００は、内部に雨水が浸入するのを阻止する必要がある。この点を考慮した換気装置１１０が特許文献２に開示されている。この換気装置１１０は、図９に示されるように、建物内の被排気室（部屋）につながる排気筒１１１を備え、その上端が蓋１１２で閉塞され、上端付近の側面に排気口１１３を設ける。換気装置１１０の上端部を外筒１１４で包囲し、換気装置１１０との間に排気道１１５を形成する。外筒１１４の下部は底板１１６で閉塞し、上端部は開放する。換気装置１１０の外部に吹く自然の風の通過により、排気道１１５内に負圧が生じ、排気口１１３から排気筒１１１内の内気を吸引し、外筒１１４の上部開放部から外部へ放出する。外筒１１４の上部開放部には、金網１１７を張り、異物の浸入を阻止する。外筒１１４の下部には、蓋１１８により開閉自在に排水口１１９を設けて雨水の排水を図る。

特開２０１０−７９９０号公報 特開平６−２０１１６５号公報

図９に示されるように、雨水の浸入防止や、異物の浸入防止のため、換気装置１１０の排気流路は上面の蓋や外筒で折り返されており、加えて狭小流路となるために、圧力損失が大きくなる。
本発明は、排気流路の圧力損失に抗して換気効率を向上できる換気装置の提供を課題とする。

特許文献２の換気装置１１０は外部に吹く自然の風の力を利用して、排気口１１３から排気筒１１１内の内気を誘引する。したがって、換気効率の向上に外部に吹く風の吸引効果を最大限に活用することが望まれる。しかし、外部の風は常に吹くとは限らず、また、吹いていたとしても風力が強いときもあれば弱いときもある。そこで本発明では、外部の風（外気流）による誘引力を高くすることを検討した。その結果、外気流を導く特定の部材を設けることで、誘引作用が必要な領域に、外気流を増速させて供給することができることを知見した。

本発明の換気装置はこの知見に基づいており、建物内の被排気室から流入する内気を外部に流出させる排気筒本体を備えている。この排気筒本体は、建物に接続され内気が流入する流入口と、内気が外部に向けて流出される排出口と、を備えている。排気筒本体の排出口の側には上蓋が設けられている。内気は、排気筒本体と上蓋の間の内気流路から外部に流出される。
本発明の換気装置は、排気筒本体の上部に庇状の導風体を備えている。この導風体は、一方端と他方端を備え、一方端から他方端に向けて上向きに傾斜する。一方端は、排気筒本体よりも水平方向に突き出している。
本発明の換気装置において、当該導風体と排気筒本体の間に形成される外気流路は、一方端から他方端に向けて流路幅が狭くなる絞り流路を構成することを特徴とする。

本発明の換気装置によると、庇状の導風体によって、換気装置の側面に突き当たって上方へ吹き上がる外気流を捉える。この外気流は、導風体に沿って外気流路内を斜め上方に向かう。外気流路は他方端から一方端に向けて流路幅が狭くなる絞り流路なので、外気流路から流出される外気流は周囲より増速される。増速された外気流によって内気が誘引され、換気効率を向上することができる。

本発明の換気装置において、排気筒本体の側面には、排気筒本体の上下方向に延びる受風壁を備えることが好ましい。
水平方向から排気筒本体の側面に突き当たった外気流が、上向きに流れることが本発明の換気装置にとって好ましい。そこで、換気筒本体が側面で受けた外気流の中で水平方向に向かう分を逃がさずに上向きの流れとするために受風壁を設ける。そうすることで、導風体と排気筒本体の間に形成される外気流路から流出される外気流をより高速にして、内気を誘引する効果をさらに強化することができる。
受風壁は、後述するように種々の形態で実施できるが、例えば排気筒本体が直方体状の場合には、その四隅に受風壁を設けることができる。

本発明の換気装置において、導風体は弦長及び傾斜角度の一方または双方が可変であることが好ましい。
例えば、外気流が弱い場合はより多くの外気を集められるように導風体の弦長を伸ばす。また、外気流の流入角度に合わせて導風体の傾斜角度を調整し、導風体の他方端での外気流の剥離を低減することが期待できる。そうすることで、外気流路から流出される外気流をより高速にして、外気流による内気の誘引力を強くすることができる。

本発明によれば、導風体を設けることで外気流を増速させて内気を誘引することができるので、排気流路の圧力損失に抗して換気効率を向上できる。

本実施の形態における換気装置の断面図である。 本実施の形態における換気装置の内気及び外気の流れを示す図である。 実験に用いた換気装置の概略構成を示す図であり、（ａ）、（ｂ）は本発明に対する比較例、（ｃ）は本発明の実施例に該当する。 ＣＦＤの解析によるシミュレーション結果（流速コンター）を示し、（ａ）、（ｂ）は本発明に対する比較例、（ｃ）は本発明の実施例に該当する。 本実施の形態における換気装置に受風壁を設けた例を示す図であり、（ａ）はその要部断面図、（ｂ）は平面図である。 本実施の形態における導風体の形状の変形例を示す図である。 本実施の形態における導風体を可変とした変形例を示す図である。 特許文献１に記載される換気装置の構成を示す図である。 特許文献２に記載される換気装置の構成を示す断面図である。

以下、添付する図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施の形態に係る換気装置１０は、家屋などの建物の屋根の上に取り付けられて、建物内の部屋（被排気室）から排出される内気を外部に流出させることで、建物内の換気を行う装置である。
換気装置１０は、図１に示されるように、排気筒本体２０と、導風体５０とから構成される。

排気筒本体２０は、下部筒２１と、スペーサ２５と、上部筒３０と、上蓋４０とから構成される。なお、換気装置１０において、その上・下は、換気装置１０が屋根に設置された状態で特定されるものとする。

＜下部筒２１＞
屋根に直接接続される下部筒２１は、平面視した外形が矩形をなした筒状の部材である。上端に開口部２３が設けられている下部筒２１には、下端には流入口２２が形成されている。被排気室からの内気は、例えば円形の流入口２２から換気装置１０内に流入する。下部筒２１は、ガラス板を組み立てることで構成され、その内部にはキャビティ２４が形成される。太陽光を下部筒２１内に入射させることで、キャビティ２４内の空気（内気）を暖め、膨張させる。キャビティ２４内の内気が膨張することにより浮力が生じて、家屋内の被排気室から換気装置１０を介して外部へ流れる内気流が生成される。ただし、本発明は導風体を設けることで外気流を増速させて内気を誘引することを目的とするものであるから、内気の膨張に基づく外部へ流れる内気流の生成は好ましい形態に過ぎない。
なお、下部筒２１を構成する材料はガラスに限るものでなく、太陽光の入射によりキャビティ２４内の内気を暖めることができる材料を広く用いることができる。上部筒３０も同様である。

＜スペーサ２５＞
下部筒２１の上にスペーサ２５が設けられている。スペーサ２５は、配水口を確保しながら上部筒３０を固定することを目的に設けられている。
平面視した外形が矩形をなしているスペーサ２５は、下方に位置し鉛直方向に延びる額縁状の基部２６と、基部２６から中心に向けて上向きに傾斜する配水案内部２７とを備える。基部２６の下縁が下部筒２１の上縁に接触することで、スペーサ２５は下部筒２１の上に載せられる。また、換気装置１０に雨水が浸入した場合、配水案内部２７の上面を辿って後述する配水口を通って外部に排出される。
スペーサ２５は、下端に下部開口２８が、また、上端に上部開口２９が形成されており、下部筒２１を通過した内気は、下部開口２８及び上部開口２９を通って、上部筒３０に流入する。
スペーサ２５は、ステンレス鋼板を打ち抜き成形及びプレス成形することで作製することができるが、構成材料、作製方法は任意である。上蓋４０も同様である。

＜上部筒３０＞
スペーサ２５の上に設けられる上部筒３０は、雨水の浸入を防ぐ上蓋４０を支持するとともに、導風体５０を支持する。
上部筒３０は、平面視した外形が矩形をなした筒状の部材である。本実施の形態では、平面方向の寸法が下部筒２１と一致するように作製されているが、これに限るわけではない。
上部筒３０は、下方に位置し鉛直方向に延びる基部３１と、基部３１から中心に向けて上向きに傾斜する頂部３４とを備える。
上部筒３０は、下端に下部開口３５が、また、上端に上部開口３６が形成されており、スペーサ２５を通過した内気は、下部開口３５及び上部開口３６を通って、上部筒３０外に流出される。
基部３１の下縁には、４つの角部に設けられる支持部３２を除いてスリット３３が形成されている。支持部３２がスペーサ２５の配水案内部２７の上面に接触することで、上部筒３０はスペーサ２５の上に載せられる。配水案内部２７の上面には支持部３２を除いてスリット３３により隙間が設けられる。開口部３６から侵入する雨水は上蓋４０によって上部筒３０内の外周部に位置する配水案内部２７上面へ導かれて上記隙間から排出され、家屋への雨水の浸入を阻止する。

基部３１の内側面には、蓋保持アーム３７が設けられている。断面がコ字状の蓋保持アーム３７は、鉛直方向の同じ位置に、かつ、水平方向に所定の間隔を空けて一つの辺に２つずつ配置されている。これら複数の蓋保持アーム３７により、上蓋４０が上部筒３０に保持される。
基部３１の外側面には、導風体保持アーム３８が設けられている。断面がＬ字状の導風体保持アーム３８は、鉛直方向の同じ位置に、かつ、水平方向に所定の間隔を空けて一つの辺に２つずつ配置されている。これら複数の導風体保持アーム３８により、導風体５０は上部筒３０に保持される。
以上の蓋保持アーム３７及び導風体保持アーム３８の形態、数はあくまで一例であって、その目的を達成するものである限り、その形態、数は任意である。

上部筒３０は、基部３１に比べて縮径された頂部３４を設けることで、上蓋４０とともに、雨水が換気装置１０内に直接浸入するのを防止する。また、頂部３４は、その外側面で外気の流れを案内すること、導風体５０と協働して外気流路ＯＲを形成する。

＜上蓋４０＞
上蓋４０は、上部筒３０内の上部に配置されることで、雨水が換気装置１０内に直接浸入するのを防止する。
平面視した外形が矩形をなしている上蓋４０は、下方に位置し鉛直方向に延びる額縁状の基部４１と、基部４１から中心に向けて上向きに傾斜する傾斜部４２と、傾斜部４２に連なり上蓋４０の中央部に位置する水平部４３とを備える。基部４１の下縁が蓋保持アーム３７の底部に接触することで、上蓋４０は上部筒３０に保持される。
上蓋４０は、下端が開口しているが、上部は傾斜部４２、水平部４３により閉塞されている。したがって、内気は上蓋４０を迂回して内気流路ＩＲを流れる。

上部筒３０の内側面と上蓋４０の外側面の間に間隙が形成される。下部筒２１及びスペーサ２５を通ってきた内気は、この間隙からなる内気流路ＩＲを通り、その上端である排出口から換気装置１０の外部に流出される。

＜導風体５０＞
導風体５０は、排気筒本体２０の側面に突き当たって上方へ吹き上がる外気流を捉える。さらに、この外気流を増速させて外気流路ＯＲから流出させる。
平面視した外形が矩形をなしている皿状の導風体５０は、周縁から中心に向けて上向きに傾斜する形態をなしており、周縁から途中までの第１傾斜部５１と、第１傾斜部５１に連なるとともに第１傾斜部５１よりも水平方向に対して寝ている（傾斜角が小さい）第２傾斜部５２とからなる。導風体５０の周縁は、上部筒３０及び下部筒２１よりも水平方向に突き出している。したがって、導風体５０は、排気筒本体２０の側面に突き当たって上方へ吹き上がる外気流を捉えることができる。
第２傾斜部５２は、外気流路ＯＲの流路幅をさらに絞るために設けているが、本発明は単一の傾斜部だけを有する導風体５０とすることを許容する。

導風体５０は、下端に下部開口５３が、また、上端に上部開口５４が形成されており、内気流路ＩＲから流入した内気は、下部開口５３及び上部開口５４を通って、外部に流出される。また、導風体５０は、上部筒３０と一部が重なるように配置されており、その内側面と上部筒３０の頂部３４の外側面との間に間隙が形成される。この間隙が外気流路ＯＲを構成する。
外気流路ＯＲは、下部開口５３の側から上部開口５４に向けて流路幅が狭くなる絞り流路となっている。なお、絞り流路は、連続的に流路幅が狭くなる。

換気装置１０の特徴的な作用・効果を、図２を参照して説明する。なお、図２は図１の下部筒２１を省略したものであり、最小限の符号のみを記載している。
下部筒２１を通過した内気は、矢印ａで示されるように進み、内気流路ＩＲを通って上部筒３０の外部に流出される。
一方、外気が上部筒３０及びその下部の下部筒２１に突き当たると、矢印ｂで示されるように進み、外気流路ＯＲから流出される。外気流路ＯＲは流路幅が狭くなる絞り流路となっているので、外気流路ＯＲから流出される外気流は増速され、特に、内気流路ＩＲから流出される内気よりも速度が速い。したがって、内気流路ＩＲに大きな負圧が生じることで、内気流路ＩＲを流れる内気が強く誘引される。その結果、内気流路ＩＲからの内気の排出を促進できる。

＜数値シミュレーションによる検証＞
本発明者等はＣＦＤ(Computational Fluid Dynamics：数値流体力学)を用いた数値シミュレーションを行うことで、この効果を確認した。
図３に示す３つの形態をモデル化して意図的に外気流を当てた場合の換気風量をシミュレーションした。なお、図３の（ａ）及び（ｂ）は比較例による換気装置をモデル化して示し、（ｃ）は本実施形態による換気装置の形態をモデル化して示している。（ａ）は導風体５０を除いた以外は本実施形態と同様の構成を有している。（ｂ）は本実施形態とは異なる導風体７０を設けたものであり、この導風体７０と上部筒３０との間に形成される流路は流路幅が一定である。

数値シミュレーションで得られた流速コンターを図４に示す。なお、図４の（ａ）〜（ｃ）は図３の（ａ）〜（ｃ）に対応している。
図３の（ｂ）の導風体７０は、上部筒３０に突き当たる水平の外気流を集めることで流速を上げること狙った。しかし、図４（ｂ）に示されるように、流速の早い部分は、内気流路ＩＲより流出される内気から遠いところに形成されており、内気の誘引力を結果として損ねた。これに対して、図３（ｃ）の導風体５０を用いると、流速の早い部分が内気流路ＩＲに隣接して形成されており、内気流路ＩＲを通る内気の誘引を図ることができる。
換気風量は、図３（ａ）を１００とすると、図３（ｂ）が８５、図３（ｃ）が１１７であり、導風体５０を設けることで換気風量を１７％向上できた。

＜受風壁６０＞
換気装置１０は、図５に示されるように、上部筒３０及びその下部の下部筒２１の側面に、上部筒３０及びその下部の下部筒２１の上下方向に延びる受風壁６０を備えてもよい。
水平方向から上部筒３０及びその下部の下部筒２１の側面に突き当たった外気流が、上向きに流れることが換気装置１０にとって好ましい。そこで、換気筒本体が側面で受けた外気流の中で水平方向に向かう成分（図５（ｂ）の矢印Ｃ）を逃がさずに上向きの流れとするために受風壁６０を設ける。そうすることで、外気流路ＯＲから流出される外気流をより高速にして、内気を誘引する力をさらに強くすることができる。
受風壁６０は、図５では各角部に加えて、各辺の中間に設けた例を示しているが、これは一例であり、水平方向に向かう成分（矢印Ｃ）を逃がさずに上向きの流れにできるものであれば、配置位置、数を問わない。

＜剥離防止＞
図４（ｃ）に示されるように、導風体５０の下端縁で外気流が剥離している。この剥離を低減すれば、より導風体５０に沿って高速な流れを形成することができる。そこで、導風体５０の下端縁を、図６（ａ）に示されるようにＲ形状とすること、または、図６（ｂ）に示されるように導風体５０を翼形状の断面とすることが好ましい。

＜可変＞
以上説明した導風体５０は形態が固定されたものであるが、本発明はこれに限定されない。
図７（ａ）に示されるように、導風体５０の第１傾斜部５１の角度を可変とする。そして、外気流路ＯＲから流出される外気流の流速を検出する流速センサ６５を設け、流速センサ６５で検出される流速が最大になるように、第１傾斜部５１の角度を調整する。そうすることで、導風体５０の前縁における剥離を低減することができる。
また、図７（ｂ）に示されるように、導風体５０の第１傾斜部５１に対して進退可能に伸長部５０ａを設ける。そして、流速センサ６５で検出される流速が最大になるように、伸長部５０ａを進退調整する。このように弦長を伸縮可能にしておき、外気流の風速が弱い場合に、より広く外気流を集められるように弦長を伸ばす。
以上のように、導風体５０の角度またはその弦長を可変とすることで、風向きや風の強さに適切に対応した内気の誘引効果を得ることができる。

以上説明した以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。例えば、本実施の形態では、平面視した外形が矩形の換気装置１０を示したが、これに限るものでなく円形、矩形以外の多角形とすることもできる。
また、導風体５０は一体で形成したが、矩形の各辺に対応して独立した導風体とすることもできる。
また、導風体５０の上表面にボルテックスジェネレーション（三角形状の突起）を設けること、また、外気の流れ方向に沿う溝（セレーション）を設けること、により内気の流れを制御して内気をの誘引する力を強くすることもできる。
さらに、可変とするのは導風体５０に限るものでなく、上部筒３０の頂部３４の角度を可変にすることもできるし、また、上蓋４０の鉛直方向の位置を可変にすることもできる。
さらにまた、上部筒３０、上方から下方に向けて末広がりの側面を有していることが好ましい。側面に突き当たった外気流は、上向き（鉛直方向）の流れになる他に、水平方向の流れになる分がある。本発明は、より多く上向き（鉛直方向）の流れを生み出すことを志向する。そこで、水平方向と当該側面とがなす角度を鈍角とすることにより、側面に突き当たった外気流が上向きになりやすいようにするのである。

１０…換気装置
２０…排気筒本体、２１…下部筒、２５…スペーサ、３０…上部筒、４０…上蓋
５０，７０…導風体、５０ａ…伸長部、５１…第１傾斜部、５２…第２傾斜部
６０…受風壁、６５…流速センサ
ＩＲ…内気流路、ＯＲ…外気流路

Claims (3)

1. 建物に接続され内気が流入する流入口と、前記内気が外部に向けて流出される排出口と、を有し、前記建物内の被排気室から流入する前記内気を外部に流出させる排気筒本体と、
   前記排出口の側に設けられる上蓋と、を備え、
   前記内気が前記排気筒本体と前記上蓋の間の内気流路から外部に流出される換気装置であって、
   前記排気筒本体の上部に庇状の導風体を備え、
   前記導風体は、一方端と他方端を備え、前記一方端から前記他方端に向けて上向きに傾斜し、かつ、前記一方端は前記排気筒本体よりも水平方向に突き出しており、
   前記導風体と前記排気筒本体の間に形成される流路は、前記一方端から前記他方端に向けて流路幅が狭くなる絞り流路を構成する
   ことを特徴とする換気装置。
2. 前記排気筒本体の側面には、前記排気筒本体の上下方向に延びる受風壁を備える、
   請求項１に記載の換気装置。
3. 前記導風体は弦長及び傾斜角度の一方または双方が可変である、
   請求項１または２に記載の換気装置。

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