JP2016509640A - 高エネルギー効率トンネル換気装置 - Google Patents

Abstract

換気装置は、排出気流を送風機周辺のトンネル表面から遠ざけると共に、ノズルの中心線（８）に対して角度（１６）を形成する様にノズル後縁（６）を斜めにすることにより、トンネル内部に設けられた送風機の長手方向の推進効率を向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル内に設置されトンネル内の換気を行う換気装置に関する。

長大なトンネルの換気に送風機を用いることは、長さや危険性の観点からトンネル内に送風機の設置が可能である限り、費用対効果の高い解決方法として広く知られている。しかしながら、送風機は、通常の設備では、供給電力の過半数を浪費するため、エネルギー効率はあまり高くない。

送風機の非効率性の主な理由として、コアンダ効果が挙げられる。このコアンダ効果により、送風機から流れ出る高速気流は、トンネルの壁や下端等の隣接物の固体表面に付着する。これにより、空力による推進力の内の相当な割合、通常２０〜３０％が、送風機からの噴出物と送風機周辺のトンネル表面との摩擦を介して浪費される。

同一出願人による特許済みの先願である特許文献１には、送風機の片側または両側に先細ノズルを取り付け、トンネル内の気流を加速させて、トンネル表面から遠ざける技術が開示されている。実際には、本願発明は、円錐ノズルを送風機に取り付けることにより、実用化されている。

しかしながら、送風機に先細ノズルを取り付けると、その様なノズルが、可逆性を有する送風機の吸気側に取り付けられた場合に、エネルギー性能が低下する。なぜなら、吸気側の圧力低下により消費される電力が補償不能となるからである。これとは反対に、排気側では、排出気流の運動エネルギーが、トンネル内の気流を加速させる役割を果たす。

送風機における吸気側の圧力損失を減らすため、送風機の吸気側に環状鐘形口を取り付けて、円滑な気流を確保するのが一般的である。可逆性気流の送風機では、その様な鐘形口は、通常、送風機の両側に取り付けられる。製造上の理由から、一般的に、鐘形口は、金属薄板を環状に加工して製造される。鐘形口は環状であるため、送風機のノズル形状は相当に制限される。特に、先細ノズルを送風機に取り付けて吸気側の流動損失を抑制しつつ、コアンダ効果を低減させることは、以前はできなかった。

特許文献２には、円筒ケーシングの下側に刻み目を入れて、排出気流をトンネルの下端から遠ざける送風機が開示されている。

特許文献３には、並列接続された複数の送風機が、回転羽根の取り付けられたノズルに順次空気を供給する公用のプレナムに気流を送り込む技術が開示されている。この複雑な構成は、単一の送風機を用いて換気される殆どのトンネルに適さない。

特許文献２及び特許文献３は何れも、実用的または効率的なシステムを開示するものではない。出願人は、長大なトンネルの換気システムのエネルギー効率を改善する余地は、依然として残されていると考える。

英国特許第２４６５２６１号明細書 特開平１−２３７４００号公報 特開平１−１３００９９号公報

本発明の一側面によれば、トンネル内に設置されトンネル内の換気を行う送風装置が提供される。該送風装置は：換気流を生成すると共に、自ファン回転部への流入気流が自ファン回転部からの流出気流に対して実質的に平行であるファン回転部と；ファンに接続され、該ファンからの遠位端に後縁を有するノズルと；を有する。上記送風装置は、上記ファンにより生成された換気流が、上記送風装置から出て換気対象のトンネルに入る前に上記ノズルを通過する様に、構成されまたは構成可能である。上記ノズルは、その貫通孔の少なくとも１つの端部が、上記ファンの中心線に対して所定の角度を有することにより、気流を送風装置周辺のトンネル表面から遠ざける構成を採る。上記ノズルの後縁と上記ノズルの中心線との為す角度は、４５度〜８５度の範囲内である。

上記送風機からの気流は、軸流ファンにより生成され、トンネル内の空気の流れに勢いを与える。本発明は、送風機からの気流を送風機周辺のトンネル表面から遠ざけて、これにより、送風機における圧力損失に伴う気流の減退を抑え、トンネル内の空力による推進力の増大を実現する方法に存する技術的課題を解決する手段を提供するものである。

本発明の別の側面によれば、トンネル内の換気を行う送風装置が提供される。該送風装置は：第１方向の換気流を生成するファンと；上記換気流が換気対象のトンネルに流出する前にノズルを通過する様に、第１方向に上記ファンに隣接するノズルと；を有する。上記ノズルは、上記ファンの近位にある第１近位端と、上記ファンから遠位にあり後縁を有する第２遠位端とを有し、該後縁と上記ノズルの中心線との為す角度は、およそ４５度〜８５度の範囲内である。そして、上記ノズルは、装置周辺のトンネル表面から換気流を遠ざける様に配置される。

本発明の上記側面は、ノズルの片側（加圧側）が反対側（吸引側）よりも長くなる様に、ノズルの後縁を斜めにすることにより、実現される。この様に上記ノズルの加圧側と呼ぶのは以下の理由による。送風機の排出側に上記ノズルが配置された場合、送風機の使用中、上記加圧側は、周辺のトンネル表面から遠ざける方向に気流を「押す」からである。従って、上記加圧側における静圧は、反対側の吸引側における静圧よりも大きくなる。

特許文献１に記載されている様に、先細ノズルが使用される場合、ノズルの後縁を斜めにすると、ノズルの空力による推進力が増大するために、ノズルの貫通孔による圧力損失が減少する効果がある。従って、送風機の電力消費は、有意に減少する。

上記後縁と上記ノズルの中心線との為す角度の範囲は、その様な送風機の設計、製造、試験を通じた実験上の証拠に基づいて選択される。ファンの直径に対する典型的なノズルの全長の比率及び上記ファンと直径が同一の環状の後縁のために、上記後縁と上記ノズルの中心線との為す角度の下限値である４５度は、ファンの有る空間に対する貫通孔の比率である約１．４に対応する値となり、送風機の推進力の殆どを抑制する。上記後縁と上記ノズルの中心線との為す角度の上限値である８５度は、従来の送風機ノズルの構成からの最小変化に対応する値であり、経験上、商業的にその製造は有益である。

実際、製造業者は標準範囲の鐘形口を保持している。本発明では、ノズル中心線に対して斜めに取り付け可能な標準サイズの鐘形口の選択が可能である。とりわけ、ノズルが取り付けられるファンと公称直径が等しい鐘形口の使用が可能である。一般的な送風機の部品を使用可能であるという特徴は、本発明の主要な利点である。

一般的に、上記ノズルは、周辺のトンネル表面から排出気流をそらすためだけでなく、静音のためにも有益である。以前の検査測定において、静音性能は、ファンの排気口に対して静音器の表面の為す立体角に依存することが実証されている。適切なノズル形状を選択することで、十分な静音が実現されると共に、ノズルの「加圧側」がファンの排気口と咬合可能となる。

ファンの環状の排気口が、傾いた鐘形口に接続される構成を採ることで、ノズルは非円錐形状となるため、金属薄板の切削加工に際して、ノズルの外皮に対する複雑な成形が必要となる。上述した様に、本発明に係るノズルの形状は、特許文献１及び特許文献２に開示されている形状とは異なる。後者の文献の場合、ノズルの後縁が楕円形状であるため、上記ノズルの後縁に鐘形口を取り付けることができず、このことが圧力損失の増大を招く恐れがある。更に、ノズルが真っ直ぐであるため、排出気流の方向を効果的に変えることができない。従って、従来技術の構成は、トンネル内換気のための実用的または効率的な解決策を提供するものではない。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態の幾つかを一例として説明する：

図面では、同一の構成部分には、同一の参照番号が付される；

本発明に係るノズルがファンの両側に取り付けられた換気装置の一実施形態を示す図である。 本発明に係るノズルを有する換気装置の端面図である。 本発明に係るノズルがファンの片側に取り付けられた換気装置の一実施形態を示す図である。 金属薄板の切削加工により得られる、ノズル外皮のための代表的な平面加工パターンを示す図である。

図１は、完全に可逆的に運転可能な様に設計された、本発明の一実施形態に係る双方向型換気装置の側面図である。

本実施形態では、モータ（４）により駆動するファン回転部（３）を有する送風装置は、ファン収容部（１５）内に設けられる。気流（５）は、鐘形口（１）及び吸気ノズルの貫通孔（１０Ａ）を経由してファン回転部（３）に流入した後、排気ノズルの貫通孔（１０Ｂ）を経由して排出される。

図１に示す様に、ノズルは、加圧側（１１）及び吸引側（１２）の各線の幾何平均として定義される中心線（８）を有する。角度（１３）は、ファンの中心線（７）及びノズルの中心線（８）の為す角度として定義される。ノズルの加圧側（１１）は、装置使用中に、排出気流が周辺のトンネル表面から離れて流れる様に、気流方向を変える構成を採る。

更に、角度（１６）は、ノズルの中心線（８）及びノズルの後縁（６）の為す角度として定義される。好ましくは、角度（１６）は、４５度から８５度の間である。より好ましくは、角度（１６）は、約６５度である。

図１に示す実施形態では、ノズルの加圧側の角度（１７）は７度である。吸気側及び排気側の双方のノズルには、ノズルの中心線（８）及び後縁（６）の為す角度（１６）だけノズルの後縁（６）を傾けることにより、大きな幾何学的気管（１）が配設されるものとしてもよい。これにより、圧力損失が低減され、エネルギー効率が向上する。

吸引側の長さをファンの直径とほぼ同等になる様にして、かつ、ノズルの加圧側の角度（１７）を６度とするものとしてもよい。かかる好適な実施形態によれば、図１に示した実施形態と比較して、より静音な構成となる。

図１に示す好適な実施形態では、ノズルの貫通孔の吸引側（１２）は、ファンの中心線（７）と平行となる様に構成される。

次に、図２は、本発明の実施形態に係る換気装置の端面図である。図２に示す様に、ノズル形状は、気流の方向を、所定方向に、好ましくは周辺のトンネル表面から遠ざかる方向に変える様に構成される。

図２に示す様に、ノズルの後縁は環状形状を有するため、環状の鐘形口への取り付けが可能である。この様な環状の鐘形口は、吸気側の圧力低下を十分に抑制する。

次に、図３は、本発明の他の実施形態に係る換気装置の側面図である。図３に示す様に、該換気装置は、（常にではないが）通常は単方向に運転される。

本実施形態では、左から右に向かう方向の気流が示されている。すなわち、気流は、まず、鐘形口（１）を介して真っ直ぐなノズルに入り、その後、ファン回転部（３）により加速されて、貫通孔（１０）を有する成形されたノズルに入る。このファンからの排出気流は、装置の使用中に周辺のトンネル表面から遠ざかる様に、吸引側（１２）よりも長い加圧側（１１）により方向を変えられる。本実施形態では、真っ直ぐな吸気ノズルが用いられるため、ファンに対する吸気側の圧力低下は、図１に示した実施形態の圧力低下よりも少なくて済む。従って、空力による推進力についても、図１に示した実施形態と比較して、図３に示した実施形態の方が高くなることが見込まれる。

図３においても、必要に応じて、ファン回転部を反対方向に動作させることにより、気流方向を反転させることができる。図３に示した実施形態では、気流方向を反転させる（すなわち、右から左）と、コアンダ効果及び吸気側の圧力低下が増大するため、トンネル内における空力による推進力が低下することが予想される。

本発明に係るノズルをファンの少なくとも片側に装着して従来の送風装置を改良することで、装置性能の改善が可能となる。

本発明に係る貫通孔の領域の発散又は集中の程度に制限はない。具体的には、吸気側及び排気側の貫通孔領域は、ファンの領域と同等かそれよりも大きくなる様に形成可能である。この様な柔軟性は、ファンの気流特性に合わせて、送風装置のエネルギー効率を向上させることができる。本発明は、特許文献１の発明で発生し得る吸気流量の「減退」を抑制するため、ファン性能は著しく改善する。

図４は、金属薄板の切削加工により得られる、ノズル外皮のための平面加工パターンを示す。該平面加工パターンは、図１及び図２に示した送風機に用いられる。本発明は、ノズル外皮を一方向に屈曲させる構成のため、ノズル外皮は、引き伸ばす必要無く、平板から作成可能である。従って、本発明におけるノズル外皮の形態は、板金加工に特に適している。

本発明に係るノズルの製造可能性及び費用対効果は、製造試験を通して証明されている。ファンの直径が短い場合（約５００ｍｍ）には、ノズル外皮は、単一の金属平板から作成可能であるが、最大で２ｍの直径を有する大きなファンの場合、ノズル外皮の各部分毎に１つの平板を用いて作成する必要があることが判明した。内側と外側の双方のノズル外皮は、ファン作動中の騒音抑制のために上記ノズル外皮の間に挿入された吸音材と共に、所望の形状に成形することができる。

当然のことながら、上述の実施形態及びその用途は、単なる幾つかの例示に過ぎない。当業者であれば、その趣旨を逸脱することなく本発明を変形可能であることは容易に理解することができる。

Claims (8)

1. トンネル内に設置されトンネル内の換気を行う送風装置であって：
   換気流を生成すると共に、自ファン回転部への流入気流が自ファン回転部からの流出気流に対して実質的に平行であるファン回転部と；
   ファンに接続され、該ファンからの遠位端に後縁を有するノズルと；を有し、
   前記送風装置は、前記ファンにより生成された換気流が、前記送風装置から出て換気対象のトンネルに入る前に前記ノズルを通過する様に、構成されまたは構成可能であり；
   前記ノズルの形状は、その貫通孔の少なくとも１つの端部が、前記ファンの中心線に対して所定の角度を有することにより、気流を送風装置周辺のトンネル表面から遠ざける様になっており；
   前記ノズルの後縁と前記ノズルの中心線との為す角度は、４５度〜８５度の範囲内である、送風装置。
2. 前記ノズルの後縁は円形状を有する、請求項１に記載のノズルを有する送風装置。
3. 前記ノズルの貫通孔の少なくとも片側は、前記ファンの中心線と平行である、請求項１または２に記載のノズルを有する送風装置。
4. 前記ノズルの端部に鐘形口が取り付けられた、請求項１〜３の何れか一項に記載のノズルを有する送風装置。
5. 前記ノズルを２つ有し、前記ファンの両側に前記ノズルが１つずつ取り付けられた、請求項１〜４の何れか一項に記載のノズルを有する送風装置。
6. 添付図面の何れか１つを参照して実質的に記載されている、トンネル内に設置されトンネル内の換気を行う送風装置。
7. 添付図面の何れか１つを参照して実質的に記載されている、トンネル内に換気流を提供するためのファンを有する送風装置の改良方法。
8. 添付図面の何れか１つを参照して実質的に記載されている、トンネル内に換気流を提供するためのファンに装着するノズル。

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