JP2018003988A - Fluid equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、遠心圧縮機、掃除機、空調機等の流体機器に関する。 The present invention relates to fluid equipment such as a centrifugal compressor, a vacuum cleaner, and an air conditioner.
遠心圧縮機、掃除機、空調機等の流体を扱う流体機器においては、その流路において断面積が変化する領域が存在する。流路断面積が変化することによって、流速が変化する。ベルヌーイの定理によれば、圧力が増加すると流速が減少する。また、流体の境界層内の流れは粘性により減速しているため、運動エネルギーが小さくなっている。このため、流体機器において流体が流れる部材の壁面(表面)付近では、流体は部材の表面に沿って流れることができずに流れが剥離する場合がある。 In a fluid device that handles fluid such as a centrifugal compressor, a vacuum cleaner, and an air conditioner, there is a region where the cross-sectional area changes in the flow path. By changing the cross-sectional area of the flow path, the flow velocity changes. According to Bernoulli's theorem, the flow rate decreases as the pressure increases. Further, since the flow in the boundary layer of the fluid is decelerated due to the viscosity, the kinetic energy is small. For this reason, in the fluid equipment, in the vicinity of the wall surface (surface) of the member through which the fluid flows, the fluid may not flow along the surface of the member and the flow may be separated.
このような流体機器における流れの剥離は、流体機器の作用効率の低下や騒音を引き起こすという問題がある。 The separation of the flow in such a fluid device has a problem in that the working efficiency of the fluid device is reduced and noise is caused.
本技術分野に関連する技術として、例えば特許文献1〜4に記載の技術が存在する。
特許文献1には、ハブの表面に複数本の溝を形成することで境界層の拡大あるいは流れの剥離を防止し、圧縮機の高効率化を図るインペラが開示されている(要約等参照)。
As technologies related to this technical field, for example, technologies described in
特許文献2には、熱交換器および他の部品に用いられる熱伝達管の内面にフィンが設けられており、これにより熱伝達性能を向上させる技術が開示されている(段落0001等参照)。 Patent Document 2 discloses a technique in which fins are provided on the inner surfaces of heat transfer tubes used for heat exchangers and other components, thereby improving the heat transfer performance (see paragraph 0001 and the like).
特許文献3には、熱交換器の内面にらせんリブが設けられており、これにより熱伝達性能を向上させる技術が開示されている(要約等参照)。
特許文献4には、吸込管の壁面もしくは吸込管内に配置されたフラップの表面に凹凸の構成をした不規則表面が設けられており、これによって流れの剥離および渦流形成を回避する内燃機関の吸気系のための吸込管が開示されている(要約等参照)。
In
流体機器における流れの剥離を防止するためには、境界層と主流との間に運動量交換を発生させ、境界層内の弱い流れに主流の強い流れを与えることで、境界層内の運動エネルギーを増加させることが有効と考えられる。そして、境界層内の運動エネルギーを増加させ、流れの剥離を防止するためには、境界層内に小さい渦を発生させ、さらにその渦を主流方向に運ぶことで、境界層と主流との間で運動量交換を発生させることが有効と考えられる。 In order to prevent the flow separation in the fluid equipment, the momentum exchange is generated between the boundary layer and the main flow, and the strong flow of the main flow is given to the weak flow in the boundary layer, so that the kinetic energy in the boundary layer is reduced. Increasing this is considered effective. In order to increase the kinetic energy in the boundary layer and prevent flow separation, a small vortex is generated in the boundary layer, and the vortex is further transported in the main flow direction, so that the boundary layer and the main flow are separated. It is considered to be effective to generate momentum exchange.
特許文献1に記載の技術では、ハブの表面に流れ方向に沿った溝を形成することで、溝内に小さな渦が発生する可能性がある。しかし、溝内に形成された小さい渦を主流方向に運ぶ機構が無く、渦は溝内に留まったままであり、境界層と主流との間で運動量交換は起こりにくい。
In the technique described in
特許文献2に記載の技術では、熱交換器および他の部品に用いられる熱伝達管の内面に、互いに交差する2方向のフィンが設けられている。そのため、フィンによって形成された溝内に小さな渦が発生する可能性がある。しかし、溝内に形成された小さい渦を主流方向に運ぶ機構が無く、渦は溝内に留まったままである。 In the technique described in Patent Document 2, fins in two directions intersecting each other are provided on the inner surface of a heat transfer pipe used for a heat exchanger and other components. Therefore, a small vortex may be generated in the groove formed by the fin. However, there is no mechanism for carrying the small vortex formed in the groove in the main flow direction, and the vortex remains in the groove.
特許文献3に記載の技術では、熱交換器の内面に、らせんリブが設けられている。そのため、らせんリブによって形成された溝内に小さな渦が発生する可能性がある。しかし、溝内に形成された小さい渦を主流方向に運ぶ機構が無く、渦は溝内に留まったままである。
In the technique described in
特許文献4に記載の技術では、フラップの表面に凹凸が形成されている。そして、特許文献4の図5に記載されている凹凸(鮫鱗)は、流れ方向に対して傾斜を有しており、小さい渦が発生した場合にはそれを主流に運ぶことが可能と考えられる。しかし、凹凸の傾斜角度については記載が無く、その効果については不明である。また、凹凸の流れに垂直な断面の形状については記載されていない。そのため、境界層に小さい渦が発生するか否かも不明である。
In the technique described in
このように、特許文献1〜4に記載の技術のいずれも、境界層内に渦を発生させてそれを主流方向に運ぶ機構を備えるものではない。したがって、境界層と主流との間で運動量交換が起こりにくいため、境界層内の運動エネルギーを増加させることができず、流れの剥離を十分に抑制することができない。
As described above, none of the techniques described in
本発明は、前記した事情に鑑みなされたものであり、流体機器における流れの剥離をより抑制することを課題とする。 This invention is made | formed in view of an above described situation, and makes it a subject to suppress the peeling of the flow in a fluid apparatus more.
上記課題を達成すべく、本発明に係る流体機器は、流体が流れる表面を有する部材と、前記表面に設けられ該表面から突出した形状を呈する複数の構造体と、を備え、前記流体の流れに平行であり且つ前記表面に垂直に交わる平面で前記構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第1断面は、前記表面上の点から前記流体の流れの下流側であり且つ前記表面から離れた点へ延びる辺を有し、前記辺の前記表面に対する傾斜角が10度以上45度以下であり、複数の前記構造体のうちの隣り合う2つの構造体の間に、構造体間流路が形成されており、前記構造体間流路を流れる前記流体が接触する前記2つの構造体の一方における部分の面積と、前記構造体間流路を流れる前記流体が接触する前記2つの構造体の他方における部分の面積とが異なることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a fluid device according to the present invention includes a member having a surface through which a fluid flows, and a plurality of structures provided on the surface and projecting from the surface, and the fluid flow A first cross-section when the structure is cut through the top of the structure in a plane that is parallel to and perpendicular to the surface is downstream of the fluid flow from a point on the surface; A side extending to a point away from the surface, an inclination angle of the side with respect to the surface is not less than 10 degrees and not more than 45 degrees, and a structure between two adjacent structures among the plurality of structures An inter-body flow path is formed, and an area of a portion of one of the two structures that the fluid flowing through the inter-structure flow path contacts, and the fluid that flows through the inter-structure flow path contacts Surface of the part of the other of the two structures DOO are different from each other.
本発明によれば、流体機器における流れの剥離をより抑制することができる。 According to the present invention, flow separation in a fluid device can be further suppressed.
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
In addition, in each figure, about the same component or the same component, the same code | symbol is attached | subjected and those overlapping description is abbreviate | omitted suitably.
(第1実施形態)
まず、図1〜図4を参照しながら、本発明の第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る流体機器100における流路2の断面を模式的に示す図である。ここでは、流体機器100として、遠心圧縮機を例に挙げて説明する。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a flow path 2 in a fluid device 100 according to the first embodiment of the present invention. Here, a centrifugal compressor will be described as an example of the fluid device 100.
図1に示すように、流体機器100は、流体が流れる表面3を有する部材としての流路2と、流路2の内面である表面3に設けられた複数の構造体4と、を備えている。構造体4は、流路2の表面3から突出した形状を呈している。
As shown in FIG. 1, the fluid device 100 includes a flow path 2 as a member having a
本実施形態では、液体または気体の流れ1において流路断面積が変化し、流れの剥離が生じるリスクのある流路2の表面3に、構造体4が形成されている。流路2は、流れ1の上流から下流に向かって流路断面積が拡大する形状を呈しており、ここでは、遠心圧縮機である流体機器100のディフューザとして構成されている。ディフューザは、羽根車(図示せず)の下流側に配置されており、羽根車の出口から流入する流体の動圧を静圧へと変換するものである。ただし、流路2は、ディフューザに限定されるものではなく、流路断面積が変化する他の流路であってもよい。
In the present embodiment, the
流路2を流れる流体は、例えば空気であり、流速は、例えば100m/sであるが、これに限定されるものではない。また、流路2と構造体4の材質は、例えばアルミニウム材料であるが、これに限定されるものではなく、アルミニウム材料以外の金属材料や、有機材料、無機材料であってもよい。
The fluid flowing through the flow path 2 is, for example, air, and the flow rate is, for example, 100 m / s, but is not limited thereto. Moreover, although the material of the flow path 2 and the
図2は、第1実施形態に係る流体機器100における流路2(図1参照)の表面3に設けられた構造体4を示す斜視図である。図2に示すように、複数の構造体4は、少なくとも2種類以上の異なる錐体形状を呈する構造体5,6を含んでいる。
FIG. 2 is a perspective view showing the
図3(a)は、流体の流れ1に平行であり且つ流路2(図1参照)の表面3に垂直に交わる平面で構造体4の頂点である頂部51,61を通って当該構造体4を切断したときの第1断面7を示す図である。
なお、図3(a)では、断面のハッチングを省略している(他の断面図でも同様)。
FIG. 3 (a) shows the structure passing through the tops 51, 61 which are the vertices of the
In FIG. 3A, cross-sectional hatching is omitted (the same applies to other cross-sectional views).
図3(a)に示すように、第1断面7は、表面3上の点8から流体の流れ1の下流側であり且つ表面3から離れた点である頂部51,61へ延びる辺9と、表面3上に位置する底辺10とを有する三角形を含んでいる。辺9と底辺10とは、流れ1の上流側の点8を共有している。底辺10と辺9とのなす角度αは、辺9の表面3に対する傾斜角を構成している。
As shown in FIG. 3 (a), the
図3(b)は、流体の流れ1に垂直な平面で構造体4の頂部51,61を通って当該構造体4を切断したときの第2断面11を示す図である。図3(b)に示すように、第2断面11は、少なくとも2種類の異なる多角形としての三角形12,13を含んでいる。
FIG. 3B is a diagram showing the
複数の構造体4のうちの隣り合う2つの構造体5,6の間には、構造体間流路14が形成されている。そして、構造体間流路14を流れる流体が接触する2つの構造体5,6のうちの一方の構造体5における部分である面53の面積S1と、構造体間流路14を流れる流体が接触する2つの構造体5,6のうちの他方の構造体6における部分である面63の面積S2とが異なっている。
An
図3(b)に示す第2断面11は、高さの比(H2/H1)が0.1以上0.6以下、好ましくは0.1以上0.3以下である異なる三角形12,13を含んでいる。かかる範囲において下限値以上とすることによって、小さい方の構造体6が実質的に存在しない状態を避けることができる。また、かかる範囲において上限値以下とすることによって、構造体間流路14を流れる流体が接触する一方の構造体5における部分の面積S1と他方の構造体6における部分の面積S2との差異を顕著化できる。これにより、後記するように、表面3付近の境界層内に渦がより発生しやすくなる。
The
また、図3(a)に示す第1断面7において、辺9の表面3に対する傾斜角αは、10度以上45度以下、好ましくは20度以上30度以下である。かかる範囲において下限値以上とすることによって、辺9に対応する傾斜面52,62(図2参照)に沿った上昇流15(図4参照)を効果的に生じさせることができる。また、かかる範囲において上限値以下とすることによって、傾斜面52,62が堰のように作用して流体の流れ1自体を阻害してしまうことを抑制できる。これにより、後記するように、発生した渦が主流方向に、より効果的に運ばれる。
Further, in the
以下、流路2の表面3への構造体4の形成方法に関して説明する。
本実施形態の構造体4は、切削加工で形成することができる。切削加工には、例えば超精密立形加工機が使用され得る。工具としては、例えばcBN(立方晶窒化ホウ素)製のフラットエンドミルが使用され得る。工具の回転速度は、例えば60000rpmとされる。このような切削加工を流れに平行な方向と流れに垂直な方向へ行うことによって、図2〜図3に示す構造体4を得ることができる。ただし、構造体4の形成方法は、前記方法に限定されるものではない。
Hereinafter, a method for forming the
The
次に、流れの剥離を抑制できるメカニズムについて、図4を用いて説明する。
図4(a)は、上昇流の発生を説明するための図である。図4(b)は、渦の発生を説明するための図である。
Next, a mechanism capable of suppressing flow separation will be described with reference to FIG.
FIG. 4A is a diagram for explaining the generation of the upward flow. FIG. 4B is a diagram for explaining the generation of vortices.
図4(a)の流れ1に平行であり且つ表面3に垂直に交わる第1断面7に示すように、流れ1に平行な方向に対する傾斜面52,62が存在するため、表面3から主流方向に流れる上昇流15が生じる。
As shown in the
また、図4(b)の流れ1に垂直な第2断面11に示すように、第2断面11に含まれる三角形12,13の高さH1,H2に違いが存在すると、構造体間流路14において、流れ1の上流側から見て左右で流体が接触する面53,63の面積S1,S2に違いが生じる。その結果、流れ1の上流側から見て左右で構造体間流路14が非対称となるため、面53近傍の点と面63近傍の点とでは流速が異なる。
Further, as shown in the
ここで、密度をρとすると、ベルヌーイの定理は以下の(1)式で表される。 Here, when the density is ρ, Bernoulli's theorem is expressed by the following equation (1).
(1)式より流体の速度Uが減少すると圧力Pは増加する。したがって、構造体間流路14に非対称性が存在することで、流れ1の上流側から見て左右で圧力差が生じ、この圧力差によって回転する流れ場16が生じ、渦が発生しやすくなる。
When the fluid velocity U decreases from the equation (1), the pressure P increases. Therefore, the presence of asymmetry in the
前記したように、本実施形態に係る流体機器100は、流路2の表面3から突出した形状を呈する複数の構造体4を備えている。そして、構造体4の流れ1に平行であり且つ表面3に垂直に交わる第1断面7は、表面3上の点8から下流側であり且つ表面3から離れた点である頂部51,61へ延びる傾斜した辺9を有している。また、複数の構造体4のうちの隣り合う2つの構造体5,6の間には、構造体間流路14が形成されている。そして、構造体間流路14を流れる流体が接触する2つの構造体5,6のうちの一方の構造体5における面53の面積S1と、他方の構造体6における面63の面積S2とが異なっている。
As described above, the fluid device 100 according to the present embodiment includes the plurality of
このように、本実施形態に係る構造体4は、渦を発生させる機構と、渦を主流に運ぶ機構とが備わっている。したがって、渦が、表面3付近に形成される境界層と主流との間の運動量交換を発生させる役割を果たす。このため、境界層の弱い流れに主流の強い流れを与えることができ、境界層の運動エネルギーが増加する。これにより、流体機器100における流れの剥離をより抑制することができる。
また、流れの剥離を抑制することで、流体機器100の作用効率の低下や騒音を抑制することができる。
Thus, the
Moreover, the fall of the working efficiency of the fluid apparatus 100 and noise can be suppressed by suppressing flow separation.
つまり、本実施形態に係る構造体4においては、流れ1に平行な方向に対して傾斜面52,62が存在することと、構造体間流路14を流れる流体が接触する面53,63の面積S1,S2に差異が存在することとが本質である。
That is, in the
また、本実施形態では、構造体4の流れ1に平行であり且つ表面3に垂直に交わる第1断面7は、表面3に対する傾斜角αが10度以上45度以下、好ましくは20度以上30度以下の辺9を有している。この構成によれば、発生した渦を上昇流15によって主流方向に、より効果的に運ぶことができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、流体の流れ1に垂直な平面で構造体4の頂部51,61を通って当該構造体4を切断したときの第2断面11は、少なくとも2種類の異なる多角形を含んでいる。これにより、構造体間流路14を流れる流体が接触する一方の構造体5側の面53の面積S1と、他方の構造体6側の面63の面積S2とが異なる形状を具体的に構成することができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、構造体4は、錐体形状を呈している。また、第1断面7は、底辺10を有する三角形を含み、第2断面11は、少なくとも2種類の異なる三角形として、高さが異なる三角形12,13を含んでいる。この構成によれば、構造体4をより簡易な形状とすることができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、第2断面11は、高さの比が0.1以上0.6以下、好ましくは0.1以上0.3以下である異なる三角形を含んでいる。この構成によれば、表面3付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。
In the present embodiment, the
なお、図2に示した構造体4は、四角形の底面を有する四角錐体を呈しているが、底面の形状は、四角形に限らず、円形や多角形等の他の形状であってもよい。
The
(第2実施形態)
次に、図5〜図6を参照しながら、本発明の第2実施形態について、前記した第1実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, with reference to FIGS. 5 to 6, the second embodiment of the present invention will be described with a focus on differences from the first embodiment described above, and description of common points will be omitted.
図5は、第2実施形態に係る流体機器100における流路2(図1参照)の表面3に設けられた構造体4aを示す斜視図である。図5に示すように、複数の構造体4aは、少なくとも2種類以上の異なる錐体形状を呈する構造体5a,6aを含んでいる。
FIG. 5 is a perspective view showing the
図6(a)は、流体の流れ1に平行であり且つ流路2(図1参照)の表面3に垂直に交わる平面で構造体4aの頂点である頂部51,61を通って当該構造体4aを切断したときの第1断面7を示す図である。図6(b)は、流体の流れ1に垂直な平面で構造体4aの頂部51,61を通って当該構造体4aを切断したときの第2断面11aを示す図である。図6(b)に示すように、第2断面11aは、少なくとも2種類の異なる多角形として、底辺21,22の長さW1,W2が異なる三角形12a,13aを含んでいる。
FIG. 6A shows the structure passing through the tops 51 and 61 that are the vertices of the
このような第2実施形態に係る構造体4aにおいても、流れ1に平行な方向に対する傾斜面52,62が存在し、構造体間流路14を流れる流体が接触する面53,63の面積S1,S2に差異が存在する。したがって、第2実施形態によっても、流体機器100における流れの剥離をより抑制することができる。
Also in the
また、第2実施形態では、図6(b)に示す第2断面11aは、底辺21,22の長さの比(W2/W1)が0.1以上0.6以下、好ましくは0.1以上0.3以下である異なる三角形12a,13aを含んでいる。これにより、表面3付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができ、その結果、表面3からの流れの剥離を防止できる。
In the second embodiment, the
(第3実施形態)
次に、図7〜図8を参照しながら、本発明の第3実施形態について、前記した第1実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, with reference to FIGS. 7 to 8, the third embodiment of the present invention will be described with a focus on differences from the first embodiment described above, and description of common points will be omitted.
図7は、第3実施形態に係る流体機器100における流路2(図1参照)の表面3に設けられた構造体4bを示す斜視図である。図7に示すように、複数の構造体4bは、少なくとも2種類以上の異なる錐台形状を呈する構造体5b,6bを含んでいる。
FIG. 7 is a perspective view showing the
図8(a)は、流体の流れ1に平行であり且つ流路2(図1参照)の表面3に垂直に交わる平面で構造体4bの上側底面である頂部51a,61aを通って当該構造体4bを切断したときの第1断面7aを示す図である。図8(a)に示すように、第1断面7aは、表面3上の点8aから流体の流れ1の下流側であり且つ表面3から離れた頂部51a,61aへ延びる辺9aと、表面3上に位置する底辺10aとを有する四角形を含んでいる。辺9aと底辺10aとは、流れ1の上流側の点8aを共有している。底辺10aと辺9aとのなす角度αは、辺9aの表面3に対する傾斜角を構成している。第1断面7aにおいて、表面3に対する辺9aの傾斜角αは、10度以上45度以下、好ましくは20度以上30度以下である。これにより、発生した渦を主流方向に、より効果的に運ぶことができる。
FIG. 8A shows the structure passing through the tops 51a and 61a which are parallel to the
図8(b)は、流体の流れ1に垂直な平面で構造体4bの頂部51a,61aを通って当該構造体4bを切断したときの第2断面11bを示す図である。図8(b)に示すように、第2断面11bは、少なくとも2種類の異なる多角形として、高さH1,H2が異なる四角形12b,13bを含んでいる。
FIG. 8B is a diagram showing the
このような第3実施形態に係る構造体4bにおいても、流れ1に平行な方向に対する傾斜面52,62が存在し、構造体間流路14を流れる流体が接触する面53,63の面積S1,S2に差異が存在する。したがって、第3実施形態によっても、流体機器100における流れの剥離をより抑制することができる。
Also in the
また、第3実施形態では、図8(b)に示す第2断面11bは、高さの比(H2/H1)が0.1以上0.6以下、好ましくは0.1以上0.3以下である異なる四角形12b,13bを含んでいる。これにより、表面3付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。
In the third embodiment, the
なお、図7に示した構造体4bは、四角形の上側底面および下側底面を有する四角錐台を呈しているが、上側底面および下側底面の形状は、四角形に限らず、円形や多角形等の他の形状であってもよい。
The
(第4実施形態)
次に、図9〜図10を参照しながら、本発明の第4実施形態について、前記した第3実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Next, with reference to FIGS. 9 to 10, the fourth embodiment of the present invention will be described with a focus on differences from the third embodiment described above, and description of common points will be omitted.
図9は、第4実施形態に係る流体機器100における流路2(図1参照)の表面3に設けられた構造体4cを示す斜視図である。図9に示すように、複数の構造体4cは、少なくとも2種類以上の異なる錐台形状を呈する構造体5c,6cを含んでいる。
FIG. 9 is a perspective view showing a
図10(a)は、流体の流れ1に平行であり且つ流路2(図1参照)の表面3に垂直に交わる平面で構造体4cの上側底面である頂部51a,61aを通って当該構造体4cを切断したときの第1断面7aを示す図である。図10(b)は、流体の流れ1に垂直な平面で構造体4cの頂部51a,61aを通って当該構造体4cを切断したときの第2断面11cを示す図である。図10(b)に示すように、第2断面11cは、少なくとも2種類の異なる多角形として、底辺21a,22aの長さW1,W2が異なる四角形12c,13cを含んでいる。
FIG. 10A shows the structure passing through the tops 51a and 61a which are parallel to the
このような第4実施形態に係る構造体4cにおいても、流れ1に平行な方向に対する傾斜面52,62が存在し、構造体間流路14を流れる流体が接触する面53,63の面積S1,S2に差異が存在する。したがって、第4実施形態によっても、流体機器100における流れの剥離をより抑制することができる。
Also in the
また、第4実施形態では、図10(b)に示す第2断面11cは、底辺21a,22aの長さの比(W2/W1)が0.1以上0.6以下、好ましくは0.1以上0.3以下である異なる四角形12c,13cを含んでいる。これにより、表面3付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。
Further, in the fourth embodiment, the
(第5実施形態)
次に、図11〜図12を参照しながら、本発明の第5実施形態について、前記した第1実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
(Fifth embodiment)
Next, with reference to FIGS. 11 to 12, the fifth embodiment of the present invention will be described with a focus on differences from the first embodiment described above, and description of common points will be omitted.
図11は、第5実施形態に係る流体機器100における流路2(図1参照)の表面3に設けられた構造体4dを示す斜視図である。図11に示すように、構造体4dは、錐体形状を呈している。
FIG. 11 is a perspective view showing a
図12(a)は、流体の流れ1に平行であり且つ流路2(図1参照)の表面3に垂直に交わる平面で構造体4dの頂点である頂部51を通って当該構造体4dを切断したときの第1断面7を示す図である。図12(b)は、流体の流れ1に垂直な平面で構造体4dの頂部51を通って当該構造体4dを切断したときの第2断面11dを示す図である。図12(b)に示すように、第2断面11dは、流れ1の上流側から見て左右が非対称な多角形を含んでいる。具体的には、第2断面11dは、底辺21bの両端点から延びる2つの斜辺23,24の長さL1,L2が互いに異なる三角形を含んでいる。
FIG. 12A shows the
このような第5実施形態に係る構造体4dにおいても、流れ1に平行な方向に対する傾斜面52が存在し、構造体間流路14を流れる流体が接触する面53,63の面積S1,S2に差異が存在する。したがって、第5実施形態によっても、流体機器100における流れの剥離をより抑制することができる。
Also in the
また、第5実施形態では、図12(b)に示す第2断面11dは、2つの斜辺23,24の長さL1,L2の比(L2/L1)が0.1以上0.6以下、好ましくは0.1以上0.3以下である異なる三角形を含んでいる。これにより、表面3付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。
In the fifth embodiment, the
(第6実施形態)
次に、図13〜図14を参照しながら、本発明の第6実施形態について、前記した第3実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
(Sixth embodiment)
Next, with reference to FIGS. 13 to 14, the sixth embodiment of the present invention will be described with a focus on differences from the third embodiment described above, and description of common points will be omitted.
図13は、第6実施形態に係る流体機器100における流路2(図1参照)の表面3に設けられた構造体4eを示す斜視図である。図13に示すように、構造体4eは、錐台形状を呈している。
FIG. 13 is a perspective view showing the
図14(a)は、流体の流れ1に平行であり且つ流路2(図1参照)の表面3に垂直に交わる平面で構造体4eの上側底面である頂部51aを通って当該構造体4eを切断したときの第1断面7aを示す図である。図14(b)は、流体の流れ1に垂直な平面で構造体4eの頂部51aを通って当該構造体4eを切断したときの第2断面11eを示す図である。図14(b)に示すように、第2断面11eは、流れ1の上流側から見て左右が非対称な多角形を含んでいる。具体的には、第2断面11eは、底辺21cの両端点から延びる2つの対辺23a,24aの長さL1,L2が互いに異なる四角形を含んでいる。
FIG. 14A shows a
このような第6実施形態に係る構造体4eにおいても、流れ1に平行な方向に対する傾斜面52が存在し、構造体間流路14を流れる流体が接触する面53,63の面積S1,S2に差異が存在する。したがって、第6実施形態によっても、流体機器100における流れの剥離をより抑制することができる。
Also in the
また、第6実施形態では、図14(b)に示す第2断面11eは、2つの対辺23a,24aの長さL1,L2の比(L2/L1)が0.1以上0.6以下、好ましくは0.1以上0.3以下である異なる四角形を含んでいる。これにより、表面3付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。
Further, in the sixth embodiment, the
(流れの解析)
以下、流体機器100における流れの剥離を抑制できる効果について、流体解析結果に基づいて説明する。ただし、以下の解析結果は、本発明の効果について説明するために用いられており、本発明の技術的範囲が以下の解析結果によって限定されるものではない。
(Flow analysis)
Hereinafter, the effect of suppressing flow separation in the fluid device 100 will be described based on the fluid analysis result. However, the following analysis results are used to explain the effects of the present invention, and the technical scope of the present invention is not limited by the following analysis results.
図15は、数値流体解析で使用した解析モデルの全体構成を示す斜視図である。
図15に示すように、解析領域は、x方向に9mm、y方向に3mm、z方向に5mmの直方体である。この直方体の底面に、構造体モデルを配列した。そして、この直方体で示される流路にx方向に空気が流れたときの流れ1の様子を数値流体解析により解析することで、流れの剥離を抑制するために必要な、上昇流の発生機構と渦の発生機構とについて検討した。
FIG. 15 is a perspective view showing the overall configuration of the analysis model used in the numerical fluid analysis.
As shown in FIG. 15, the analysis region is a rectangular parallelepiped of 9 mm in the x direction, 3 mm in the y direction, and 5 mm in the z direction. A structure model was arranged on the bottom of the rectangular parallelepiped. Then, by analyzing the state of the
初めに、上昇流の発生効果について解析した。
図16は、上昇流の発生効果についての解析に使用した構造体モデルを示す拡大斜視図である。構造体モデルは、高さH=0.1mm、幅W=0.05mm、傾斜角αのくさび型構造体である。構造体モデルのy方向の配置間隔Dは、D=0.05mmとした。解析は、傾斜角αを変化させて行った。また、解析は、流速50m/sと100m/sとで行った。
First, the generation effect of upward flow was analyzed.
FIG. 16 is an enlarged perspective view showing the structure model used for the analysis of the upward flow generation effect. The structure model is a wedge-shaped structure having a height H = 0.1 mm, a width W = 0.05 mm, and an inclination angle α. The arrangement interval D in the y direction of the structure model was set to D = 0.05 mm. The analysis was performed by changing the inclination angle α. The analysis was performed at flow rates of 50 m / s and 100 m / s.
図17は、傾斜角αと、解析領域における流速のz成分の平均値との関係をプロットして表すグラフである。図17において、上に示すグラフが流速100m/sの場合の解析結果を示しており、下に示すグラフが流速50m/sの場合の解析結果を示している。 FIG. 17 is a graph plotting the relationship between the inclination angle α and the average value of the z component of the flow velocity in the analysis region. In FIG. 17, the upper graph shows the analysis result when the flow velocity is 100 m / s, and the lower graph shows the analysis result when the flow velocity is 50 m / s.
図17に示すように、流速50m/s、流速100m/sともに、傾斜角αが約25度のときに流速のz成分が最大になり、最も上昇流の発生効果が高いことが分かった。そして、流れの剥離抑制の効果を高めるためには、傾斜角αを10度以上45度以下にすることが望ましく、さらに20度以上30度以下にすることが望ましいことが分かった。
As shown in FIG. 17, it was found that the z component of the flow velocity becomes the maximum when the inclination angle α is about 25 degrees, and the effect of generating the upward flow is the highest for both the
次に、渦の発生効果について、2つの構造体モデルで解析した。
図18(a)は、渦の発生効果について解析するための、一つ目の構造体モデルを示す拡大斜視図である。18(b)は、流れに垂直な平面で構造体モデルの頂部を通って当該構造体モデルを切断したときの断面を示す図である。図18に示す構造体モデルは、図2〜図3に示す第1実施形態に対応するものである。
Next, the effect of vortex generation was analyzed using two structure models.
FIG. 18A is an enlarged perspective view showing a first structural body model for analyzing the effect of generating vortices. FIG. 18B is a diagram illustrating a cross section when the structure model is cut through the top of the structure model in a plane perpendicular to the flow. The structure model shown in FIG. 18 corresponds to the first embodiment shown in FIGS.
図18(a)に示すように、構造体モデルには、前記解析で上昇流の発生効果が明らかになった、27度の傾斜角αを設けた。図18(b)に示す断面には、高さH1、底辺の長さW1の三角形と、高さH2、底辺の長さW2の三角形を交互に配列した。解析では、H1=0.1mm、W1=0.2mm、W2=0.2mmとし、H2の値を変化させて解析を行った。また、解析は、流速50m/sと100m/sとで行った。 As shown in FIG. 18 (a), the structure model was provided with an inclination angle α of 27 degrees, which revealed the effect of generating the upward flow in the analysis. In the cross section shown in FIG. 18B, triangles having height H1 and base length W1 and triangles having height H2 and base length W2 were alternately arranged. In the analysis, H1 = 0.1 mm, W1 = 0.2 mm, and W2 = 0.2 mm, and the analysis was performed by changing the value of H2. The analysis was performed at flow rates of 50 m / s and 100 m / s.
図19は、三角形の高さの比(H2/H1)と、解析領域における渦度ω(ベクトル量)のyz成分ωyzの平均値との関係をプロットして表すグラフであり、図19(a)が流速50m/sの場合の解析結果を示し、図19(b)が流速100m/sの場合の解析結果を示す。
ここで、ωyzは流れに平行な方向の軸を持つ渦の強さを表す指標であり、以下の(2)式、(3)式で表される。(2)式におけるUは流体の速度(ベクトル量)である。
FIG. 19 is a graph plotting the relationship between the ratio of the height of the triangle (H2 / H1) and the average value of the yz component ω yz of the vorticity ω (vector quantity) in the analysis region. a) shows an analysis result when the flow velocity is 50 m / s, and FIG. 19B shows an analysis result when the flow velocity is 100 m / s.
Here, ω yz is an index representing the strength of a vortex having an axis in a direction parallel to the flow, and is represented by the following equations (2) and (3). U in the equation (2) is the fluid velocity (vector quantity).
図19に示すように、流速50m/s、流速100m/sともに、三角形の高さが等しいH2/H1=1.0のときにωyzが最小となり、三角形の高さが異なるときに渦の発生効果が高くなることが分かった。そして、流れの剥離防止の効果を高めるためには、三角形の高さの比(H2/H1)を0.1以上0.6以下にすることが望ましく、さらに0.1以上0.3以下にすることが望ましいことが分かった。 As shown in FIG. 19, ω yz is minimum when the height of the triangle is equal to H2 / H1 = 1.0 at both the flow velocity of 50 m / s and the flow velocity of 100 m / s, and the vortex of the triangle is different when the height of the triangle is different. It was found that the generation effect is high. In order to increase the effect of preventing flow separation, the ratio of the heights of the triangles (H2 / H1) is preferably 0.1 or more and 0.6 or less, and further 0.1 or more and 0.3 or less. It turns out to be desirable.
図20(a)は、渦の発生効果について解析するための、二つ目の構造体モデルを示す拡大斜視図である。20(b)は、流れに垂直な平面で構造体モデルの頂部を通って当該構造体モデルを切断したときの断面を示す図である。図20に示す構造体モデルは、図5〜図6に示す第2実施形態に対応するものである。 FIG. 20A is an enlarged perspective view showing a second structural body model for analyzing the vortex generation effect. FIG. 20B is a diagram showing a cross section when the structure model is cut through the top of the structure model in a plane perpendicular to the flow. The structure model shown in FIG. 20 corresponds to the second embodiment shown in FIGS.
図20(a)に示すように、構造体モデルには、前記解析で上昇流の発生効果が明らかになった、27度の傾斜角αを設けた。図20(b)に示す断面には、高さH1、底辺の長さW1の三角形と、高さH2、底辺の長さW2の三角形を交互に配列した。解析では、H1=0.1mm、W1=0.2mm、H2=0.1mmとし、W2の値を変化させて解析を行った。また、解析は、流速50m/sと100m/sとで行った。 As shown in FIG. 20 (a), the structure model was provided with an inclination angle α of 27 degrees, which revealed the effect of generating the upward flow in the analysis. In the cross section shown in FIG. 20B, triangles having a height H1 and a base length W1 and triangles having a height H2 and a base length W2 were alternately arranged. In the analysis, H1 = 0.1 mm, W1 = 0.2 mm, and H2 = 0.1 mm, and the analysis was performed by changing the value of W2. The analysis was performed at flow rates of 50 m / s and 100 m / s.
図21は、三角形の底辺の長さの比(W2/W1)と、解析領域における渦度ωのyz成分ωyzの平均値との関係をプロットして表すグラフであり、図21(a)が流速50m/sの場合の解析結果を示し、図21(b)が流速100m/sの場合の解析結果を示す。 FIG. 21 is a graph plotting the relationship between the ratio of the base lengths of the triangles (W2 / W1) and the average value of the yz component ω yz of the vorticity ω in the analysis region. Shows the analysis result when the flow velocity is 50 m / s, and FIG. 21B shows the analysis result when the flow velocity is 100 m / s.
図21に示すように、流速50m/s、流速100m/sともに、三角形の底辺の長さが等しいW2/W1=1.0のときにωyzが最小となり、三角形の底辺の長さが異なるときに渦の発生効果が高くなることが分かった。そして、流れの剥離防止の効果を高めるためには、三角形の底辺の長さの比(W2/W1)を0.1以上0.6以下にすることが望ましく、さらに0.1以上0.3以下にすることが望ましいことが分かった。
As shown in FIG. 21, in both the
前記解析では、特定の寸法や形状、条件で解析を行った。ただし、本発明は、前記したように、流れに平行な方向に対して傾斜面が存在することと、構造体間流路を流れる流体が接触する部分(面)の面積に差異が存在することとが本質である。したがって、構造体の寸法や設置数、設置間隔、液体または気体の流速を変更した場合でも、流れの剥離抑制の効果を得ることが可能である。 In the analysis, analysis was performed with specific dimensions, shapes, and conditions. However, in the present invention, as described above, there is an inclined surface with respect to a direction parallel to the flow, and there is a difference in the area of the portion (surface) where the fluid flowing through the inter-structure flow path contacts. Is the essence. Therefore, it is possible to obtain the effect of suppressing the separation of the flow even when the dimensions and the number of the structures, the installation interval, and the flow rate of the liquid or gas are changed.
例えば、前記した第1実施形態から第6実施形態に示した構造体4,4a〜4eは、流路2の表面3にいくつ形成されていてもよい。また、前記解析は、それぞれ流速50m/sと100m/sとの2つのケースで行われ、異なるレイノルズ数において解析結果を得た。その結果、いずれの解析結果においても、流れの剥離抑制の効果を高めるのに有効であった。したがって、他の流速においても、流れの剥離抑制に有効と考えられる。
For example, any number of the
以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to above-described embodiment, Various modifications are included. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described. It is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of the above-described embodiment.
例えば、前記した実施形態では、流体機器として、遠心圧縮機について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、遠心圧縮機、掃除機、空調機等の流体を扱う流体機器全般に適用可能である。 For example, in the above-described embodiment, the centrifugal compressor has been described as the fluid device, but the present invention is not limited to this. The present invention is applicable to all fluid devices that handle fluids, such as centrifugal compressors, vacuum cleaners, and air conditioners.
また、前記した実施形態では、構造体がディフューザとして構成されている流路の表面に設けられている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。構造体は、例えば羽根車等の他の各種部材における、流体が流れる表面に設けられていてもよい。 In the above-described embodiment, the case where the structure is provided on the surface of the flow path configured as a diffuser has been described, but the present invention is not limited to this. The structure may be provided on a surface through which a fluid flows in other various members such as an impeller.
2 流路(部材)
3 表面
4,4a〜4e 構造体
5,5a〜5c 構造体
6,6a〜6c 構造体
7,7a 第1断面
8,8a 点
9,9a 辺
10,10a 底辺
11,11a〜11e 第2断面
12,13,12a,13a 三角形
12b,13b,12c,13c 四角形
14 構造体間流路
15 上昇流
16 回転する流れ場
21,22,21a,22a,21b,21c 底辺
23,24 斜辺
23a,24a 対辺
51,61 頂点(頂部)
51a,61a 上側底面(頂部)
52,62 傾斜面
53,63 面(部分)
100 流体機器
S1,S2 面積
α 傾斜角
2 Channel (member)
3
51a, 61a Upper bottom surface (top)
52, 62
100 Fluid equipment S1, S2 Area α Inclination angle
Claims (13)
前記表面に設けられ該表面から突出した形状を呈する複数の構造体と、を備え、
前記流体の流れに平行であり且つ前記表面に垂直に交わる平面で前記構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第1断面は、前記表面上の点から前記流体の流れの下流側であり且つ前記表面から離れた点へ延びる辺を有し、
前記辺の前記表面に対する傾斜角が10度以上45度以下であり、
複数の前記構造体のうちの隣り合う2つの構造体の間に、構造体間流路が形成されており、
前記構造体間流路を流れる前記流体が接触する前記2つの構造体の一方における部分の面積と、前記構造体間流路を流れる前記流体が接触する前記2つの構造体の他方における部分の面積とが異なることを特徴とする流体機器。 A member having a surface through which fluid flows;
A plurality of structures provided on the surface and projecting from the surface;
A first cross-section when the structure is cut through the top of the structure in a plane that is parallel to the fluid flow and perpendicular to the surface is downstream of the fluid flow from a point on the surface. Side and extending to a point away from the surface,
The inclination angle of the side with respect to the surface is 10 degrees or more and 45 degrees or less,
An inter-structure flow path is formed between two adjacent structures of the plurality of structures,
The area of one part of the two structures that the fluid flowing through the inter-structure flow path contacts, and the area of the other part of the two structures that the fluid flowing through the inter-structure flow path contact A fluid device characterized by being different from
前記第1断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する三角形を含み、
前記傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
前記第2断面は、少なくとも2種類の異なる三角形を含むことを特徴とする請求項2に記載の流体機器。 The structure has a cone shape;
The first cross section includes a triangle having a base that shares a point upstream of the flow with the side;
The inclination angle is an angle formed by the base and the side,
The fluid device according to claim 2, wherein the second cross section includes at least two different types of triangles.
前記第1断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する四角形を含み、
前記傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
前記第2断面は、少なくとも2種類の異なる四角形を含むことを特徴とする請求項2に記載の流体機器。 The structure has a frustum shape,
The first cross section includes a quadrilateral having a base that shares a point upstream of the flow with the side;
The inclination angle is an angle formed by the base and the side,
The fluid device according to claim 2, wherein the second cross section includes at least two different types of quadrangles.
前記第1断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する三角形を含み、
前記傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
前記第2断面は、底辺の両端点から延びる2つの斜辺の長さが互いに異なる三角形を含むことを特徴とする請求項9に記載の流体機器。 The structure has a cone shape;
The first cross section includes a triangle having a base that shares a point upstream of the flow with the side;
The inclination angle is an angle formed by the base and the side,
The fluid device according to claim 9, wherein the second cross section includes a triangle in which two oblique sides extending from both end points of the base are different in length.
前記第1断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する四角形を含み、
前記傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
前記第2断面は、底辺の両端点から延びる2つの対辺の長さが互いに異なる四角形を含むことを特徴とする請求項9に記載の流体機器。 The structure has a frustum shape,
The first cross section includes a quadrilateral having a base that shares a point upstream of the flow with the side;
The inclination angle is an angle formed by the base and the side,
The fluid device according to claim 9, wherein the second cross section includes a quadrilateral in which two opposite sides extending from both end points of the bottom are different in length.
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