JP2013121743A

JP2013121743A - 流体制御装置

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Publication number: JP2013121743A
Application number: JP2011270226A
Authority: JP
Inventors: Yukihide Kimura; 雪秀木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: CN103987618B; US20140361578A1; WO2013084047A1; EP2788248B1; US9102368B2; JP5879995B2; EP2788248B8; CN103987618A; EP2788248A1

Abstract

【課題】移動体のボデー表面において、気流の主流の減速を抑制できる流体制御装置を提供する。
【解決手段】移動体１のボデー２の下面３ａにおける気流ＳＴの境界層ＢＬと気流ＳＴの主流ＭＦとを分離する境界層分離板１１ａと、境界層分離板１１ａよりも下流において、境界層分離板１１ａにより分離された境界層ＢＬを境界層分離板１１ａにより分離された主流ＭＦに噴出する噴出部１３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体制御装置に関するものである。

負の揚力（ダウンフォース）を増大させることにより車体の安定性を高める技術がある。この負の揚力は、車体の下を流れる空気の速度を増加させることによって増加することが知られている。しかし、車体の表面近傍に形成される境界層と呼ばれる速度の小さい層によって車体の下を流れる空気の速度が減少し、負の揚力が減少する。そこで、下記の特許文献１に記載の境界層吸引システムでは、フロア表面付近の境界層を吸引することにより負の揚力を確保している。

特表２００９−５０４４７２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された境界層吸引システムでは、境界層をある程度吸引して境界層の割合を減らしたとしても、車体の表面において気流の境界層と気流の主流とを確実に分離することができない。また、気流の主流が車体の表面に再付着することによって、主流の一部が境界層に変化することがある。したがって、主流が境界層によって減速されて負の揚力が減少し、車体の安定性が損なわれるおそれがある。この境界層を完全に吸引するためには装置が大型化し車載できない。

そこで本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、移動体のボデー表面において、気流の主流の減速を抑制できる流体制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る流体制御装置は、移動体のボデーの表面における気流の境界層と気流の主流とを分離する境界層分離板と、境界層分離板よりも下流において、境界層分離板により分離された境界層を境界層分離板により分離された主流に噴出する噴出部と、を備えることを特徴とする。

この流体制御装置においては、移動体のボデーの表面における気流の境界層と気流の主流とを、境界層分離板によって分離することにより、気流の主流が気流の境界層によって減速されるのを抑制できる。また、分離された境界層を分離された主流に噴出することにより、分離された主流のボデーへの再付着を抑制でき、分離された主流が境界層に変化するのを抑制できる。その結果、移動体のボデーの表面において、気流の主流の減速を抑制でき、気流による抵抗を低減することが可能となる。例えば車両の下面において、ダウンフォースの減少を抑制することが可能となる。

また、境界層分離板は、ボデーの表面に対して一定の距離を隔てて設けられてもよい。この場合、ボデーの表面に設けられた境界層分離板によって、ボデーの表面における気流の境界層と主流とを機械的に分離することができる。

また、分離された境界層の流れる方向を変更するガイド部をさらに備えてもよく、噴出部は、ガイド部によって流れる方向が変更された境界層を分離された主流に噴出してもよい。また、ガイド部は、分離された境界層の流れる方向をボデーの表面から離れる方向に変更してもよい。この場合、ガイド部を設けるだけの簡易な構成によって、分離された主流のボデーへの再付着を抑制できる。

分離された境界層を圧縮する圧縮部をさらに備えてもよく、噴出部は、圧縮部によって圧縮された境界層を分離された主流に噴出してもよい。この場合、境界層を圧縮することによって、噴出される境界層の流体速度を大きくすることができ、分離された主流のボデーへの再付着をさらに抑制できる。

本発明によれば、移動体のボデー表面において、気流の主流の減速を抑制できる。

第１実施形態に係る流体制御装置が搭載された移動体の概略構成図である。図１のボデー下の気流を説明するための図である。比較例のボデー下の気流を説明するための図である。第２実施形態に係る流体制御装置が搭載された移動体の概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る流体制御装置の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体制御装置が搭載された移動体の概略構成図である。図１に示されるように、流体制御装置１０は、移動体１に搭載される装置であって、移動体１が移動することにより移動体１の周囲に発生する気流ＳＴを、気流ＳＴの主流ＭＦ（以下、単に「主流ＭＦ」という。）と気流ＳＴの境界層ＢＬ（以下、単に「境界層ＢＬ」という。）とに分離するための装置である。ここで、主流ＭＦとは、気流ＳＴに含まれる部分であって、移動体１の移動速度と同程度の一様な流体速度を有する部分をいう。また、境界層ＢＬとは、気流ＳＴに含まれる部分であって、移動体１の表面付近に形成され、主流ＭＦよりも流体速度の小さい部分をいう。

流体制御装置１０は、例えば車両などの移動体１のボデー２の下面３ａ（表面）に対して設けられ、境界層分離部１１と、噴出部１３とを備える。なお、以下の説明において、流体制御装置１０の上下、前後、左右とは、ボデー２側を上、路面Ｒ側を下、進行方向ＦＷ側を前、進行方向ＦＷと逆側を後としたときの方位を意味するものとする。また、主流ＭＦの流体速度および境界層ＢＬの流体速度は、移動体１に対する相対速度を意味するものとする。

境界層分離部１１は、気流ＳＴを境界層ＢＬと主流ＭＦとに分離するための構造を有している。具体的に説明すると、境界層分離部１１は、例えば、境界層分離板１１ａと、一対の支持部材１１ｂ，１１ｂとを備えている。境界層分離板１１ａは、気流ＳＴを境界層ＢＬと主流ＭＦとに分離する板材であって、例えば下面３ａにおける気流ＳＴの境界層ＢＬと主流ＭＦとの境界付近に位置するよう下面３ａから所定の距離を隔てて、下面３ａに対して平行に設けられている。この境界層分離板１１ａは、例えば、下面３ａの左右方向の幅と同程度の幅を有し、前後方向に延びる板材である。また、境界層分離板１１ａは、その前端縁において分離された主流ＭＦがボデー２の下面３ａ（又は境界層分離板１１ａ）に再付着するまでの距離に応じた長さを有する。ここで、下面３ａに対して平行とは、境界層分離板１１ａが境界層ＢＬと主流ＭＦとを機械的に分離でき、かつ、気流ＳＴによる抵抗をほとんど受けない程度に略平行であることを含む。

支持部材１１ｂ，１１ｂは、境界層分離板１１ａを下面３ａに取り付けるための部材であって、境界層分離板１１ａの前後方向に亘って境界層分離板１１ａの左右方向の両端部と下面３ａとを接続している。境界層分離板１１ａと、支持部材１１ｂ，１１ｂと、下面３ａとによって、ダクトＤが形成され、境界層分離板１１ａの前端と、支持部材１１ｂ，１１ｂの前端と、下面３ａとによって、前方に開口する開口部Ｄｉｎが形成される。この開口部Ｄｉｎは、境界層分離板１１ａによって分離された境界層ＢＬを吸入する吸入口であり、ダクトＤは、境界層分離板１１ａによって分離された境界層ＢＬを噴出部１３に運ぶ管である。

噴出部１３は、境界層分離部１１よりも後方において、境界層分離部１１によって分離された境界層ＢＬを境界層分離部１１により分離された主流ＭＦに噴出する部分である。この噴出部１３は、例えば、境界層分離板１１ａの後端から後方に向かって境界層分離板１１ａと平行に設けられ、境界層分離板１１ａと同程度の幅を有する。また、噴出部１３には、複数の噴出孔が設けられている。ダクトＤを通った境界層ＢＬは、この噴出孔を介して下面３ａから路面Ｒに向かって噴出される。ここで、主流は、その下流においてボデーに再付着する性質を有する。このため、噴出部１３は、例えば境界層分離部１１によって分離された主流ＭＦが下面３ａ又は境界層分離板１１ａに再付着し始める位置付近において、境界層分離部１１によって分離された境界層ＢＬを噴出する。

流体制御装置１０は、ガイド部１５をさらに備えてもよい。ガイド部１５は、境界層分離部１１によって分離された境界層ＢＬの流れる方向を変更する板材である。このガイド部１５は、ダクトＤの後端に設けられており、噴出部１３の上に位置するガイド面１５ａを有する。ガイド面１５ａは、移動体１の進行方向ＦＷに対して傾斜した面であって、下面３ａと噴出部１３の後端との間に設けられる。具体的には、ガイド面１５ａは、下面３ａから下方に離れるに従って後方に傾斜している。ダクトＤを通った境界層ＢＬは、このガイド部１５によって、流れる方向を変更され、下面３ａから路面Ｒに向かって後方に流れる。

このように構成された流体制御装置１０を備えた移動体１の周囲の気流について説明する。移動体１が進行方向ＦＷに移動することにより、移動体１の前方から後方に向かって、主流ＭＦと境界層ＢＬとが連続的に繋がった状態の気流ＳＴが生じる。この気流ＳＴは、境界層分離部１１の境界層分離板１１ａの前端縁によって、主流ＭＦと境界層ＢＬとに機械的に分離される。このとき、分離された境界層ＢＬは、境界層分離板１１ａと支持部材１１ｂと下面３ａとによって形成されたダクトＤに開口部Ｄｉｎから流入し、ダクトＤを通って後方へ流れる。

そして、ダクトＤを流れる境界層ＢＬは、ガイド部１５によってその流れる方向を下面３ａから離れる方向に変更される。一方、分離された主流ＭＦは、境界層分離板１１ａの前端縁から後方へ流れる。この主流ＭＦは、後方に向かうに従い、境界層分離板１１ａに再付着し始める。流れる方向を変更された境界層ＢＬは、主流ＭＦが境界層分離板１１ａに再付着し始める位置付近において、分離された主流ＭＦに噴出部１３によって噴出され、主流ＭＦの流れを下面３ａから離れる方向に変更する。

次に、図２および図３を参照して、流体制御装置１０の作用効果を説明する。図２は、流体制御装置１０を搭載した移動体１のボデー２の下面３ａの下の気流を説明するための図である。図３は、流体制御装置１０を搭載していない移動体のボデー下面の下の気流を説明するための図である。図２および図３において、横軸は下面の前端の位置を０とした場合の前後方向の位置を示し、縦軸は下面の高さを０とした場合の下面から下方向の距離を示している。また、各矢印は、その高さにおける流体速度の大きさを示し、各矢印の先端を結ぶ線は、流体速度の状態を示している。

図３に示されるように、流体制御装置１０を搭載していない従来の移動体では、その下面の下の気流は、下面近傍に形成された境界層と、下面から一定の距離以上離れた位置に形成された主流とが連続的に繋がってなる。この境界層は、粘性により移動体に引きずられるので流体速度が小さく、下面から離れるに従って粘性の影響が小さくなるので流体速度が大きくなる。一方、主流は、粘性の影響をほとんど受けないので、流体速度が移動体の移動速度と略同じである。しかし、従来の移動体では、境界層と主流とが確実に分離されていないので、主流は後方ほど境界層に付着（合流、混合ともいう）しやすくなり、主流は境界層によって減速されてしまう。このように、主流が境界層によって減速されると、負の揚力が減少し、移動体の安定性が損なわれるおそれがある。

また、従来の移動体では、主流と境界層とは連続的に繋がっているので、境界層を吸引するだけでは境界層と主流とが確実に分離されず、主流は粘性による影響を受ける。さらに、気流には再付着する性質があり、主流はボデー（下面）へ再付着して境界層に変化する。このため、境界層を十分に吸引するためには、広い面積又は長い距離の吸引部が必要となる。

一方、図２に示されるように、流体制御装置１０を搭載した移動体１では、ボデー２の下面３ａの下の気流ＳＴは、下面３ａの前端から位置Ｐ１までは、従来の移動体と同様に、下面３ａ近傍に形成された境界層ＢＬと、下面３ａから距離Ｄ１以上離れた位置に形成された主流ＭＦとが連続的に繋がっている。しかし、移動体１では、前後方向の位置Ｐ１から位置Ｐ２に亘って、下面３ａから下方向に距離Ｄ１を隔てた位置に境界層分離板１１ａが設けられている。このため、下面３ａの下の気流は、この境界層分離板１１ａによって、下面３ａ側の境界層ＢＬと、路面Ｒ側の主流ＭＦとに機械的に分離される。したがって、位置Ｐ１より後方では、主流ＭＦは、境界層ＢＬによって減速されない。

しかし、気流には再付着する性質があるので、境界層分離板１１ａによって分離された主流ＭＦは位置Ｐ２付近で境界層分離板１１ａに再付着しようとし、主流ＭＦの流体速度が減少し始める。そこで、移動体１では、前後方向の位置Ｐ２から位置Ｐ３に亘って噴出部１３が設けられ、境界層分離板１１ａにより分離された主流ＭＦに境界層分離板１１ａによって分離された境界層ＢＬが噴出部１３によって噴出される。このとき、境界層ＢＬが下面３ａから路面Ｒに向かって噴出されることによって、主流ＭＦの流れを下面３ａから離れる方向に変えることができ、主流ＭＦが境界層分離板１１ａおよび下面３ａに再付着するのを抑制できる。その結果、位置Ｐ２より後方においても、主流ＭＦの減速を抑制でき、主流ＭＦの流体速度は、下面３ａの後端まで移動体１の移動速度と同程度に維持される。

さらに、流体制御装置１０は、噴出部１３の上にガイド部１５を備える。境界層分離板１１ａによって分離された境界層ＢＬは、このガイド部１５によって、流れる方向を変更され、下面３ａから路面Ｒに向かって後方に流れる。ガイド部１５によって流れる方向を変更された境界層ＢＬは、噴出部１３を介して主流ＭＦに噴出されることによって、主流ＭＦが境界層分離板１１ａおよび下面３ａに再付着するのを抑制できる。すなわち、境界層分離板１１ａによって分離された境界層ＢＬは、ガイド部１５によって、流れる方向を主流ＭＦが境界層分離板１１ａおよび下面３ａに再付着するのを妨げる方向に変更され、噴出部１３を介して主流ＭＦに噴出される。したがって、ガイド部１５を設けるだけの簡易な構成によって、主流ＭＦの再付着を抑制できる。

このように、流体制御装置１０は、下面３ａの前端から後端までの広い範囲にわたり、主流ＭＦと境界層ＢＬとを分離し、境界層ＢＬに引きずられて減速される主流ＭＦの割合を低減している。その結果、下面３ａの下において、負の揚力の減少を抑制でき、移動体１の安定性の向上が可能となる。例えば、路面Ｒの凹凸による移動体１の振動および急操舵時のロールなどが低減される。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る流体制御装置が搭載された移動体の概略構成図である。図４に示されるように、流体制御装置２０は、移動体１Ａに搭載される装置であって、移動体１Ａが移動することにより移動体１Ａの周囲に発生する気流ＳＴを、主流ＭＦと境界層ＢＬとに分離するための装置である。流体制御装置２０は、例えば車両などの移動体１Ａのボデー２の下面３ａ（表面）に対して設けられ、境界層分離部２１と、ダクトＤと、圧縮部２７と、噴出部２３とを備える。なお、以下の説明において、流体制御装置２０の上下、前後、左右とは、ボデー２側を上、路面Ｒ側を下、進行方向ＦＷ側を前、進行方向ＦＷと逆側を後としたときの方位を意味するものとする。また、主流ＭＦの流体速度および境界層ＢＬの流体速度は、移動体１Ａに対する相対速度を意味するものとする。

境界層分離部２１は、気流ＳＴを境界層ＢＬと主流ＭＦとに分離するための構造を有している。具体的に説明すると、境界層分離部２１は、例えば、境界層分離板２１ａと、支持部材２１ｂとを備えている。境界層分離板２１ａは、気流ＳＴを境界層ＢＬと主流ＭＦとに分離する板材であって、下面３ａにおける気流ＳＴの境界層ＢＬと主流ＭＦとの境界付近に位置するよう下面３ａから所定の距離を隔てて、下面３ａに対して平行に設けられている。この境界層分離板２１ａは、例えば、下面３ａの左右方向の幅と同程度の幅を有する。ここで、下面３ａに対して平行とは、境界層分離板２１ａが境界層ＢＬと主流ＭＦとを機械的に分離でき、かつ、移動体１Ａの周囲に発生する気流ＳＴによる抵抗をほとんど受けない程度に略平行であることを含む。

支持部材２１ｂは、境界層分離板２１ａを下面３ａに取り付けるための板材であって、境界層分離板２１ａの左右方向に亘って境界層分離板２１ａの後端部と下面３ａとを接続している。境界層分離板２１ａの前端縁と下面３ａとによって、前方に開口する開口部Ｄｉｎが形成される。この開口部Ｄｉｎは、境界層分離板２１ａによって分離された境界層ＢＬを吸入する吸入口である。ダクトＤは、境界層分離板２１ａによって分離された境界層ＢＬを噴出部２３に運ぶ管であって、ボデー２に設けられている。

圧縮部２７は、境界層分離板２１ａによって分離された境界層ＢＬを圧縮する部分である。この圧縮部２７は、ダクトＤの経路中に設けられ、ダクトＤを通過する境界層ＢＬを圧縮して、境界層ＢＬおよび主流ＭＦよりも高圧の境界層ＢＬｃとし、境界層ＢＬｃを噴出部２３に供給する。

噴出部２３は、境界層分離部２１よりも後方において、圧縮部２７により圧縮された境界層ＢＬｃを境界層分離部２１により分離された主流ＭＦに噴出する部分である。この噴出部２３は、例えば、下面３ａに沿って設けられ、下面３ａの左右方向の幅と同程度の幅を有する。また、噴出部２３には、複数の噴出孔が設けられている。圧縮部２７によって圧縮された境界層ＢＬｃは、この噴出孔を介して下面３ａから路面Ｒに向かって噴出される。ここで、主流は、下流においてボデーに再付着する性質を有する。このため、噴出部２３は、例えば境界層分離部２１によって分離された主流ＭＦが下面３ａに再付着する位置付近において、圧縮部２７によって圧縮された境界層ＢＬｃを噴出する。

流体制御装置２０は、ガイド部２５をさらに備えてもよい。このガイド部２５は、流体制御装置１０のガイド部１５と同様であるので、その説明を省略する。

このように構成された流体制御装置２０を備えた移動体１Ａの周囲の気流について説明する。移動体１Ａが進行方向ＦＷに移動することにより、移動体１Ａの前方から後方に向かって、主流ＭＦと境界層ＢＬとが連続的に繋がった状態の気流ＳＴが生じる。この気流ＳＴは、境界層分離部２１の境界層分離板２１ａの前端縁によって、主流ＭＦと境界層ＢＬとに機械的に分離される。このとき、分離された境界層ＢＬは、ダクトＤに開口部Ｄｉｎから流入し、圧縮部２７によって圧縮されて高圧の境界層ＢＬｃとされる。

そして、高圧の境界層ＢＬｃは、ガイド部２５によってその流れる方向を下面３ａから路面Ｒに向かう方向に変更される。一方、分離された主流ＭＦは、境界層分離板２１ａの前端縁から後方へ流れる。この主流ＭＦは、後方に向かうに従い、下面３ａに再付着し始める。流れる方向を変更された高圧の境界層ＢＬｃは、噴出部２３によって、分離された主流ＭＦに噴出され、主流ＭＦの流れを下面３ａから離れる方向に変更する。

このように、流体制御装置２０では、圧縮部２７を備えることによって、境界層ＢＬを圧縮して高圧の境界層ＢＬｃとし、噴出される境界層ＢＬｃの流体速度を大きくすることができる。このため、流体制御装置１０と比較して、流体制御装置２０では、主流ＭＦの流れを下面３ａからさらに離れる方向に変えることができ、主流ＭＦのボデー２への再付着をさらに抑制できる。

なお、本発明に係る流体制御装置は上記第１および第２実施形態に記載したものに限定されない。例えば、流体制御装置１０，２０は、車両に限らず、飛行機などの種々の移動体１，１Ａに搭載することができる。また、流体制御装置１０，２０は、移動体１，１Ａのボデー２の下面３ａに限らず、移動体１，１Ａのボデー２の表面に設けることができる。また、上記第１および第２実施形態では、境界層分離板１１ａ，２１ａの幅および噴出部１３，２３の幅は、下面３ａの幅と同程度としたが、下面３ａの幅よりも小さくてもよく、必要に応じて適宜調整される。

また、上記第１および第２実施形態では、ガイド部１５，２５は、下面３ａから下方に離れるに従って後方に傾斜しているガイド面１５ａ，２５ａを有する板材であるが、これに限定されない。ガイド部１５は、境界層分離板１１ａによって分離された境界層ＢＬの流れる方向を下面３ａから路面Ｒに向かう方向に変更できればよい。ガイド部２５は、圧縮部２７によって圧縮された境界層ＢＬｃの流れる方向を下面３ａから路面Ｒに向かう方向に変更できればよい。

また、上記第１および第２実施形態では、噴出部１３，２３は、予め定められた位置に設けられているが、これに限定されない。主流ＭＦの状態を検出し、主流ＭＦが再付着する位置を推定して、噴出部１３，２３の位置を調整してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、境界層分離板１１ａ，２１ａは、下面３ａに対して予め定められた距離を隔てて設けられているが、これに限定されない。流体制御装置１０，２０は、例えば、移動体１，１Ａの移動速度を検出する手段と、検出した移動速度に応じて境界層ＢＬと主流ＭＦとの境界位置を推定する手段と、境界層分離板１１ａ，２１ａの下面３ａからの距離を境界層ＢＬと主流ＭＦとの境界位置に調整する手段と、をさらに備えてもよい。この場合、移動体１，１Ａの移動速度に応じて、境界層ＢＬと主流ＭＦとの境界位置に境界層分離板１１ａ，２１ａを設けることができる。

さらに、上記第１および第２実施形態では、流体制御装置１０，２０は、移動体１，１Ａの周囲の空気の流れＳＴを制御しているが、移動体１，１Ａの周囲に空気以外の流体が存在する場合には、同様にしてその流体の流れを制御することができる。移動体１，１Ａのボデー２の表面において、流体の流れの境界層では、粘性によるせん断力が移動体１，１Ａに対する流体の流れの抵抗の原因となり、移動体１，１Ａが減速される。このため、移動体１，１Ａのボデー２の表面において、流体の流れを境界層と主流とに分離し、分離された境界層を分離された主流に噴出することにより、主流のボデー２への再付着を抑制できる。これにより、主流の減速を抑制でき、流体の流れによる抵抗を低減することが可能となる。その結果、燃費等を改善できる。

１，１Ａ…移動体、２…ボデー、３ａ…下面（表面）、１０，２０…流体制御装置、１１，２１…境界層分離部、１１ａ，２１ａ…境界層分離板、１３，２３…噴出部、１５，２５…ガイド部、２７…圧縮部、ＢＬ…境界層、ＭＦ…主流、ＳＴ…気流。

Claims

移動体のボデーの表面における気流の境界層と前記気流の主流とを分離する境界層分離板と、
前記境界層分離板よりも下流において、前記境界層分離板により分離された前記境界層を前記境界層分離板により分離された前記主流に噴出する噴出部と、
を備える流体制御装置。
前記境界層分離板は、前記ボデーの表面に対して一定の距離を隔てて設けられている、
請求項１に記載の流体制御装置。
前記分離された前記境界層の流れる方向を変更するガイド部をさらに備え、
前記噴出部は、前記ガイド部によって流れる方向が変更された前記境界層を前記分離された前記主流に噴出する、
請求項１又は請求項２に記載の流体制御装置。
前記ガイド部は、前記分離された前記境界層の流れる方向を前記ボデーの表面から離れる方向に変更する、
請求項３に記載の流体制御装置。
前記分離された前記境界層を圧縮する圧縮部をさらに備え、
前記噴出部は、前記圧縮部によって圧縮された前記境界層を前記分離された前記主流に噴出する、
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の流体制御装置。