JP2018173088A - 流路機器 - Google Patents

Abstract

【課題】流路表面に発生する流れの剥離を防止し、作用効率の低下や騒音を防止することができる流路機器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、頂点の底面への投影領域が、底面の外部に位置することを特徴とする構造体３が流路２表面に形成されていることを特徴とする。または、流路２表面に、流れに平行方向に延びる溝と、流れに垂直方向に延びる溝とを有し、流れに垂直方向に設けられた溝が傾斜していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は流路機器に関する。

遠心圧縮機、掃除機、空調機等の流路機器においては、その流路において流路面積が変化する領域が存在する。流路面積が変化することにより、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。このため流体壁面付近では、流体は物体に沿って流れることができず、流れが剥離する場合がある。

上述の遠心圧縮機、掃除機、空調機等の流路機器においては特に、この流れの剥離現象が生じる場合がある。流れの剥離は流路機器の作用効率の低下や騒音を引き起こす問題がある。

特許文献１では、翼の表面に流れに沿った方向に伸びる多数のリブレットを形成することで、翼の表面における摩擦抵抗を低減できるクロスフローファンを提供している。

特許文献２では、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ことのできるインペラを提供している。

特許文献３では、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部の構成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ことのできる内燃機関の吸気系のための吸込管を提供している。

特開平９−１４１８２号広報 特開２００５−１６３６４０号広報 特表２００５−５２５４９７号広報

流れの剥離を防止するためには、境界層と主流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である。

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、境界層と主流の間で運動量交換を発生させることが有効である。

特許文献１によれば、流れに沿った方向に多数のリブレットを形成することで、リブレット内に小さな渦を発生させることができる。しかしながら、流れに垂直な方向には構造が形成されていない。そのため、リブレット内に形成された小さい渦を主流方向に運ぶ機構が無く、渦はリブレット内に留まったままであり、境界層と主流の間で運動量交換は起こりにくい。

特許文献２においても、特許文献１と同様、ハブの表面に流れ方向に沿った溝が形成されているため、溝内に小さな渦を発生させることができる。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。

特許文献３では、流れの剥離防止に有効とされるフラップ表面の凹凸部が形成されているが、特許文献３の図５に記載されている凹凸部は、頂点の底面への投影位置が底面の外側には無く、また、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どうかが不明であり、また、たとえ小さい渦が発生したとしても、それを主流方向に運ぶ機構がない。

以上の理由から、特許文献１、特許文献２、特許文献３ともに、流れの剥離防止には有効でない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、流れの剥離を防止し、流体機器の作用効率の低下や騒音を防止する流路機器を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明は、頂点の底面への投影領域が、底面の外部に位置することを特徴とする構造体が流路表面に形成されていることを特徴とする。または、流路表面に、流れに平行方向に延びる溝と、流れに垂直方向に延びる溝とを有し、流れに垂直方向に設けられた溝が傾斜していることを特徴とする。

本発明によれば、流路機器において流れの剥離を防止し、流路機器の作用効率の低下や騒音を防止することができる。

流路の概略図である。 流路の概略図である。 実施例１の構造体である。 実施例２の構造体である。 実施例３の構造体である。 実施例４の構造体である。 数値流体解析の解析モデルを示す。 溝の傾斜方向と流れの方向とがなす角が６０度の流路の断面図である。 溝の傾斜方向と流れの方向とがなす角が９０度の流路の断面図である。 溝の傾斜方向と流れの方向とがなす角が１５０度の流路の断面図である。 溝の傾斜方向と流れの方向とがなす角と、z方向の流速との関係を表すグラフである。 流体機器において液体または気体が流れる表面の概略図である。

以下、本実施形態の詳細について図を用いて説明する。本実施形態で説明する流体機器は、遠心圧縮機、掃除機、空調機等に用いることができる。

図１、図２は流路の概略図である。本実施形態では、図１に示すように、液体または気体の流れ１において流路面積が変化し、流れの剥離が生じるリスクのある流路２の表面に構造体３が形成されている。または、図２に示すように、液体または気体の流れ１において流路面積が変化し、流れの剥離が生じるリスクのある流路２の表面に溝４が形成されている。

流路機器の液体または気体が流れる側の表面に構造体３や溝４が形成されていない場合、流体の流れが剥離する可能性がある。それに対し、流路機器の液体または気体が流れる側の表面に構造体３や溝４が形成されている場合、流れの剥離を回避することができる。

図３〜図６に、本実施形態において流路表面に形成される構造体または溝の実施例を示す。

図３は、実施例１の構造体を示す。構造体２１は錐体形状の錐体構造体である。構造体２１は、頂点５の底面６への投影領域７が、底面６の外部に位置する。

さらに、流れの剥離を防止する効果を高めるためには、頂点５の底面６への投影領域７が、液体または気体の流れ１の下流側に位置することが望ましい。

図３に示した錐体構造体の底面６は四角形であるが、これは四角形に限らず、円形や多角形など、どのような形状でも良い。

図１２は、流体機器において液体または気体が流れる表面の概略図である。このように、流体機器の表面に、構造体２１を液体または気体の流れ１と平行方向に複数並べ、液体または気体の流れ１と垂直方向にも複数並べる。

図４に、実施例２の構造体を示す。構造体２２は錐台形状の錐台構造体である。構造体２２は、上側底面８と下側底面９の２つの底面を含み、上側底面８の下側底面９への投影領域１０の少なくとも一部が下側底面９の外部に位置する。

さらに、流れの剥離を防止する効果を高めるためには、上側底面８の下側底面９への投影領域１０が、液体または気体の流れ１の下流側に位置することが望ましい。

図４に示した錐台構造体の上側底面８と下側底面９は四角形であるが、これは四角形に限らず、円形や多角形など、どのような形状でも良い。

図１２は、流体機器において液体または気体が流れる表面の概略図である。このように、流体機器の表面に、構造体２２を液体または気体の流れ１と平行方向に複数並べ、液体または気体の流れ１と垂直方向にも複数並べる。

図５に、実施例３の構造体を示す。実施例３の構造体は、実施例２の錐台形状の錐台構造体の上側底面に、液体または気体の流れ１と平行方向に延びる溝１１を有する構造体２３である。

流体機器の表面において、構造体２３を液体または気体の流れ１と平行方向に複数並べ、液体または気体の流れ１と垂直方向にも複数並べる。

図１２は、流体機器において液体または気体が流れる表面の概略図である。このように、流体機器の表面に、構造体２３を液体または気体の流れ１と平行方向に複数並べ、液体または気体の流れ１と垂直方向にも複数並べる。

図６に、実施例４の構造体を示す。実施例４の構造体は、液体または気体の流れ１の方向と平行方向に延びる第１の溝１２と、液体または気体の流れ１の方向と垂直方向に延びる第２の溝１３とを有する。さらに、液体または気体の流れ１の方向と垂直方向に延びる溝は傾斜しており、溝の傾斜方向と、液体または気体の流れ１とのなす角αが０度より大きく、９０度未満である。また、本実施形態における流れの剥離を防止する効果を高めるためには、αが６０度未満であることが望ましい。さらに、本実施形態における流れの剥離を防止する効果を高めるためには、αが３０度未満であることが望ましい。

図１２は、流体機器において液体または気体が流れる表面の概略図である。このように、流体機器の表面に、液体または気体の流れの方向と平行方向に延びる第１の溝が複数形成され、液体または気体の流れの方向と垂直方向に延びる第２の溝が複数形成される。

以下、流路表面への実施例１から実施例４の形成方法に関して述べる。本実施例において、図３から図６の構造は切削加工で形成した。切削加工には，東芝機械製の超精密立形加工機（UVM-450c）を使用した。使用した工具はcBN（立方晶窒化ホウ素）製のフラットエンドミルで工具の回転数は60,000/minである。上記の切削加工を、液体または気体の流れ１と平行方向へ、液体または気体の流れ１と垂直方向へ行うことにより、図３から図６の構造を得た。

本実施形態において、流れの剥離を防止できる効果について説明する。

図７は数値流体解析の解析モデルを示す。図７に示すように、流れ方向xに平行方向に延びた溝と、流れ方向xに垂直方向に溝を有する流路を作成し、この流路にx方向に空気が流れたときの流れの様子を数値流体解析により解析した。

図８〜１０は、図７に示した解析モデルの図における、y=0.1mmの位置におけるx-z断面図のいくつかを示した図である。図８は、流れに垂直な方向に延びる溝の傾斜方向と、流れとのなす角αが６０度、図９は９０度、図１０は１５０度のときの断面図を示している。解析は、流れに垂直な溝の傾斜方向と流れの方向とがなす角αを０度から１８０度まで変化させて解析を行った。

図１１は、溝の傾斜方向と流れの方向とがなす角と、z方向の流速との関係を表すグラフである。αと、x=0.35mm、y=0.1mm、z=0.11mmの位置における流速のz成分との関係をプロットした。

図１１より、αが０度より大きく９０度未満の範囲で、流速のz成分が正の値になっている。すなわち、境界層から主流方向に向かう流れが発生している。上述したように、流れ方向と平行方向に延びる溝が存在すると、その溝内に小さな渦が発生する。さらに、本実施形態のように、流れに垂直方向に溝が存在することで、境界層から主流の方向に流れが発生する。これにより、溝内に発生した小さな渦が溝内に留まることなく主流の方に向かい、渦が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。この結果、境界層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ため、流れの剥離を防止できる。

本解析結果によれば、流れに垂直な溝の傾斜方向と流れの方向とがなす角αを、０度よりも大きく、９０度未満にすることで流れの剥離を防止できるが、本実施形態における流れの剥離を防止する効果を高めるためには、αを６０度未満にすることが望ましい。さらに本実施形態における流れの剥離防止の効果を高めるためには、αを３０度未満にすることが望ましい。

上記の数値流体解析で解析した流路のモデルは、本実施形態における実施例１から実施例４全てに共通するものである。実施例１で示した錐体形状の錐体構造体や、実施例２と実施例３で示した錐台構造体により形成される流路は、図７に示すように、流れ方向に平行方向に延びた溝と、流れ方向に垂直方向に溝を有する。

図３に示した錐体構造体において、頂点５の底面６への投影領域７が、液体または気体の流れ１の下流側に位置するというのは、図７におけるαが０度より大きく９０度未満であることを意味する。

同様に、図４に示した錐台構造体において、上側底面８の上側底面９への投影領域１０が、液体または気体の流れ１の下流側に位置するというのは、図７に示した図におけるαが０度より大きく９０度未満であることを意味する。

さらに、図５に示した錐台構造体において、上側底面に流れに平行方向に溝が有することにより、この溝内にも渦を発生させることができるため、図４に示した錐台構造体よりもさらに流れの剥離を防止できることが期待される。

また、上記の解析では、図７に示したような特定の寸法、および、流れに平行方向と流れに垂直方向に一つずつ溝を有する形状で解析を行った。本実施形態では、流れに平行方向と流れに垂直方向の溝が流路に存在していることが本質的である。したがって、本実施形態の実施例１から実施例４に示した構造体や溝の数が複数の場合においても、剥離を防止する効果が期待できる。特に、剥離が発生し易い箇所に多くの溝を設けることにより、剥離防止効果を高めることができる。また、上記構造体や溝の寸法に関して、解析で用いた寸法は一例であり、流路を流れる液体または気体の粘度と、それらの速度で決まる境界層厚さと同等であることが望まれる。

１ 液体または気体の流れ方向
２ 流路
３ 構造体
４ 溝
５ 頂点
６ 底面
７ 頂点の底面への投影領域
８ 上側底面
９ 下側底面
１０ 上側底面の下側底面への投影領域
１１ 錐台構造体の上側底面に設けられた溝
１２ 第１の溝
１３ 第２の溝
２１ 構造体
２２ 構造体
２３ 構造体
２４ 構造体

Claims (8)

1. 液体または気体が流れる流路と、
   前記流路の表面に設けられた錐体形状の錐体構造体と、を有し、
   前記錐体構造体の頂点の底面への投影領域は、前記底面の外部に位置することを特徴とする流路機器。
2. 請求項１に記載の流路機器において、
   前記錐体構造体の頂点の底面への投影領域は、前記液体または気体の流れの下流側に位置することを特徴とする流路機器。
3. 液体または気体が流れる流路と、
   前記流路の表面に設けられた錐台形状の錐台構造体と、を有し、
   前記錐台構造体は上側底面と下側底面の２つの底面を含み、
   前記上側底面の前記下側底面への投影領域は、少なくとも一部が前記下側底面の外部に位置することを特徴とする流路機器。
4. 請求項１に記載の流路機器において、
   前記上側底面の前記下側底面への投影領域のうち、前記下側底面の外部に位置する領域は前記液体または気体の流れの下流側に位置することを特徴とする流路機器。
5. 請求項４に記載の流路機器において、
   前記上側底面は、液体または気体の流れの方向と平行方向に延びる溝を有することを特徴とする流路機器。
6. 液体または気体が流れる流路を有し、
   前記流路は、液体または気体の流れの方向と平行方向に延びる第１の溝と、液体または気体の流れの方向と垂直方向に延びる第２の溝と、を備え、
   前記第２の溝は傾斜しており、前記第２の溝の傾斜の方向と、前記液体または気体の流れの方向とがなす角度は０度より大きく、９０度未満であることを特徴とする流路機器。
7. 請求項６に記載の流路機器において、
   前記第２の溝は傾斜しており、前記第２の溝の傾斜の方向と、前記液体または気体の流れの方向とがなす角度は６０度未満であることを特徴とする流路機器。
8. 請求項６に記載の流路機器において、
   前記第２の溝は傾斜しており、前記第２の溝の傾斜の方向と、前記液体または気体の流れの方向とがなす角度は３０度未満であることを特徴とする流路機器。

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