JP2020085398A - シャッター機構 - Google Patents

Abstract

【課題】送風気流の風量が少ない場合でも開抵抗の小さいシャッター機構を提供する。【解決手段】上流側から下流側へ気流が流れる円筒形状の管路４を開閉するためのシャッター機構であって、管路４内に設けられた回転軸６ａを中心に回動し、管路４を開放するシャッター開の状態と、管路４を閉塞するシャッター閉の状態とに位置取ることが可能なシャッター板５を備える。シャッター板５は、シャッター閉の状態においてメイン流路１０を塞ぐメイン領域５ａとサブ流路１１を塞ぐサブ領域５ｂとを有している。サブ領域５ｂは、回転軸６ａと垂直な平面でのシャッター板５の側断面では、シャッター閉の状態において回転軸６ａよりも上流側に位置するように形成され、サブ領域５ｂにおけるシャッター板５の外縁側には、サブ領域５ｂにおけるシャッター板５の厚みよりも厚い領域が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、建物の天井等に設置され、排気により室内空気を換気する換気扇等に利用されるシャッター機構に関するものである。

従来、この種のシャッター機構としては、送風気流（換気扇等の送風機によって排気される排気流）が流れる管路の内部に、回転軸を中心に回動可能な平板状のシャッター板を取り付けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、従来のシャッター機構について、図７を参照しながら説明する。

図７は、従来のシャッター機構１００を示す側断面図である。図７に示すように、従来のシャッター機構１００では、通風口として用いられる管路１０１の内部に、平板状のシャッター板１０２が回転軸１０３を中心に回動可能に取り付けられており、また回動する角度を制限するためのストッパー部１０４が設けられている。従来のシャッター機構１００には、管路１０１の上流１０５に位置する送風機（図示せず）からシャッター板１０２に向けて送風気流（排気流）１０６が送風される。

上記構成において、シャッター板１０２は、管路１０１の上流１０５からの送風気流１０６の風圧により、管路１０１を開放する状態（以下、「シャッター開の状態」と称する）に回動する。また、送風気流１０６の送風がない場合には、シャッター板１０２は、自重により管路１０１を閉塞する状態（以下、「シャッター閉の状態」と称する）に回動する。さらに、従来のシャッター機構１００では、管路１０１を逆流してくる外風の風圧を受けても、シャッター板１０２がストッパー部１０４により回動が制限されるため、上流１０５への逆流が防止される。

特開平９−１３７９８７号公報

従来のシャッター機構１００では、シャッター板１０２に対して送風された送風気流１０６の風圧によって、回転軸１０３の回転方向にシャッター閉の状態からシャッター開の状態に向かう回転力が作用する。しかしながら、送風される送風気流１０６の風量（空気量）が少ない場合には、送風気流１０６の風圧による回転力が十分に得られず、シャッター板１０２は、シャッター開の状態となるまで開ききらないことがある。

送風機の運転時において、シャッター板１０２の開きが十分でないと、シャッター板１０２によって管路１０１を通過する送風気流１０６を遮る面積が大きくなる。このため、シャッター板１０２は、通風抵抗を生じさせ、送風機の送風効率を悪化させる。つまり、送風機の送風効率が悪いと、所望の風量を排気するために必要な送風機の仕事量が増大し、換気扇としての消費電力が上昇する。さらに、シャッター板１０２の開き度合いが小さいと、シャッター板１０２自体に送風気流１０６が衝突することで発生する干渉音が大きくなり、換気扇としての騒音値が上昇してしまう。

そこで本発明は、上記課題を解決するものであり、送風気流の風量が少ない場合でも開抵抗の小さいシャッター機構を提供することを目的とする。

そして、本発明に係るシャッター機構は、上流側から下流側へ気流が流れる円筒形状の管路を開閉するためのシャッター機構であって、管路内に設けられた回転軸と、回転軸を中心に回動し、管路を開放するシャッター開の状態と、管路を閉塞するシャッター閉の状態とに位置取ることが可能なシャッター板と、を備える。管路は、シャッター開の状態において、シャッター板によって気流が流れるメイン流路とメイン流路よりも面積が小さいサブ流路の二つの流路に分割される。シャッター板は、シャッター閉の状態においてメイン流路を塞ぐメイン領域とサブ流路を塞ぐサブ領域とを有している。サブ領域は、回転軸と垂直な平面でのシャッター板の側断面では、シャッター閉の状態において回転軸よりも上流側に位置するように形成され、サブ領域におけるシャッター板の外縁側には、サブ領域におけるシャッター板の厚みよりも厚い領域が形成されているとしたものであり、これにより所期の目標を達成するものである。

本発明によれば、送風気流の風量が少ない場合でも開抵抗の小さいシャッター機構を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るシャッター機構におけるシャッター開の状態を示す側断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係るシャッター機構におけるシャッター閉の状態を示す側断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係るシャッター機構におけるシャッター開の状態を示す管路軸と垂直な面への投影図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係るシャッター機構におけるシャッター閉の状態を示す管路軸と垂直な面への投影図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係るシャッター機構における回動開始直後の回転軸部付近の状態を示す拡大側断面図である。 図６（ａ）は、湾曲部のない比較例に係るシャッター機構におけるシャッター板に流入する送風気流の様子を示す拡大側断面図であり、図６（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係るシャッター機構におけるシャッター板に流入する送風気流の様子を示す拡大側断面図である。 図７は、従来のシャッター機構を示す側断面図である。

本発明に係るシャッター機構は、上流側から下流側へ気流が流れる円筒形状の管路を開閉するためのシャッター機構であって、管路内に設けられた回転軸と、回転軸を中心に回動し、管路を開放するシャッター開の状態と、管路を閉塞するシャッター閉の状態とに位置取ることが可能なシャッター板と、を備える。管路は、シャッター開の状態において、シャッター板によって気流が流れるメイン流路とメイン流路よりも面積が小さいサブ流路の二つの流路に分割される。シャッター板は、シャッター閉の状態においてメイン流路を塞ぐメイン領域とサブ流路を塞ぐサブ領域とを有している。サブ領域は、回転軸と垂直な平面でのシャッター板の側断面では、シャッター閉の状態において回転軸よりも上流側に位置するように形成され、サブ領域におけるシャッター板の外縁側には、サブ領域におけるシャッター板の厚みよりも厚い領域が形成されていることを特徴とするものである。

こうした構成によれば、シャッター板は、回転軸よりも上流側に位置するサブ領域の外縁側の質量が、シャッター板の厚みが厚い分だけ増加することになる。シャッター板は、送風機が運転を開始すると、送風機からの送風気流を受けて回転軸を中心としてサブ領域側の先端（外縁側）に、上流側に向かって動く回転力が作用し、メイン領域側の先端（外縁側）に、下流側に向かって動く回転力が作用する。これにより、シャッター板は、送風機が運転を開始すると、シャッター閉の状態から開き動作を開始する。この際、シャッター板は、シャッター板の厚みが厚い分だけサブ領域の外縁側の質量が大きくなっているので、シャッター板のサブ領域側の先端（外縁側）が上流側に傾く効果が促進され、シャッター開の状態に向かって作用する回転力が増大する。この結果、送風機からの送風気流の風量が少ない場合でも、シャッター板の十分な開き角度を得ることができる。つまり、送風気流の風量が少ない場合でも開抵抗の小さいシャッター機構とすることができる。

また、シャッター板は、シャッター開の状態において、サブ流路側に対向する表面と、表面の背面である裏面と、を有し、サブ領域は、シャッター板の外縁側における表面上に、凸状の曲面を有する湾曲部を有して形成されるように構成してもよい。

こうした構成によれば、シャッター板は、シャッター開の状態となった際に、シャッター板のサブ領域の湾曲部によって、サブ領域側の先端（外縁側）に衝突する送風気流の剥離に起因した剥離渦を抑制することができ、送風気流をシャッター板の表面上に滑らかに導くことができる。これにより、送風気流の剥離渦によって生じる騒音を低減することができるとともに、通風抵抗を増加によって生じる送風機の送風効率の悪化を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながらその構成の詳細を説明する。

（実施の形態１）
まず、図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態１に係るシャッター機構１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るシャッター機構におけるシャッター開の状態を示す側断面図であり、図２は、同シャッター機構におけるシャッター閉の状態を示す側断面図である。図３は、本発明の実施の形態１に係るシャッター機構におけるシャッター開の状態を示す管路軸と垂直な面への投影図であり、図４は、同シャッター機構におけるシャッター閉の状態を示す管路軸と垂直な面への投影図である。なお、側断面は、後述する回転軸６ａに垂直な平面で切断した断面を、シャッター板５の側方からみた状態の断面である。

シャッター機構１は、図１に示すように、送風機２の吹出口３と連通する管路４の内部に設置されている。シャッター機構１は、シャッター板５と、回転軸部６と、軸受部７と、ストッパー部８と、を備える。なお、換気扇等の送風装置は、送風機２と、管路４と、シャッター機構１とを含む構成となる。

送風機２は、中空箱型形状であり、室内の空気を吸い込む吸込口（図示せず）と、吸い込んだ空気を吹き出す吹出口３と、内部にモータ（図示せず）と、羽根（図示せず）と、を備える。送風機２は、モータが羽根を回転させることで、吸込口から吹出口３方向への気流（送風気流）を発生させ、吹出口３から気流を吹き出す。つまり、送風機２は、シャッター板５に向けて送風する。

管路４は、円筒形状を有し、管路４の上流側において送風機２の吹出口３が接続される。管路４の下流側は、室外との換気口（図示せず）に接続される。つまり、管路４には、送風機２から送風される送風気流９が上流側（図１の左側）から下流側（図１の右側）に流れるようになっている。

管路４の内壁には、図４に示すように、シャッター板５に設けられた軸受部７に挿通されてシャッター板５を保持する２つの回転軸部６が同一直線状に設けられている。

また、管路４の内壁には、図１に示すように、シャッター板５の回動（回転）を制限するためのストッパー部８が設けられている。

シャッター板５は、厚みの薄い円板形状を有し、回転軸部６（後述する回転軸６ａ）として回動することで管路４を開閉する。シャッター板５は、送風気流９の送風がある場合には、図１に示すように、管路４の上流側からの送風気流９の風圧により、管路４を開放する状態（シャッター開の状態）に回動する。一方、シャッター板５は、送風気流９の送風がない場合には、図２に示すように、シャッター板５の自重により管路４を閉塞する状態（シャッター閉の状態）に回動する。つまり、シャッター板５は、管路４を開放するシャッター開の状態と、管路４を閉塞するシャッター閉の状態とに位置取ることが可能となっている。なお、シャッター板５の詳細については後述する。

回転軸部６は、図３、図４に示すように、管路４の同一断面上に軸心を互いに共通させて配置され、管路４の内壁から内側に向けて突出した円柱形状の突出部である。回転軸部６は、管路４の管路軸４ａよりも、管路４の内壁側に偏った位置に配置される。回転軸部６は、シャッター板５に設けられた軸受部７の挿入孔と係合され、管路４を開閉可能に回動するシャッター板５を軸支する。つまり、回転軸部６は、シャッター板５の回転軸６ａとして機能する。

ストッパー部８は、図２に示すように、シャッター板５がシャッター閉の状態となる際に、シャッター板５の後端部分（後述するメイン領域５ａの外縁側）と接触させてシャッター板５の位置を決めるための部位である。ストッパー部８は、管路４の内壁から管路４の中心に向かって伸びた突起形状を有する。ストッパー部８は、管路４の下流側から逆流してくる外風の風圧を受けた場合に、シャッター板５の回動を制限する。

次に、シャッター板５の詳細について、図１〜図５を参照して説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係るシャッター機構１における回動開始直後の回転軸部６付近の状態を示す拡大側断面図である。

シャッター板５は、図１、図３に示すように、シャッター開の状態において、管路４を、シャッター板５を境にして、メイン流路１０と、メイン流路１０よりも断面積が小さいサブ流路１１の二つの流路に分割する。メイン流路１０は、シャッター板５の最大開状態において、シャッター板５が二分割する管路４のうち、流路面積が大きい方の流路を指す。サブ流路１１は、シャッター板５の最大開状態において、シャッター板５が二分割する管路４のうち、流路面積が小さい方の流路を指す。言い換えると、サブ流路１１は、メイン流路１０よりも断面積が小さい流路である。ここで、最大開状態とは、シャッター板５に想定範囲で最大量の送風気流９が送風された際のシャッター板５の開度を指す。また、流路面積とは、送風気流９の流れ方向となる管路軸４ａに対して垂直な平面で管路４を切断した場合における断面積を指す。

シャッター板５は、図２、図４に示すように、シャッター閉の状態において、メイン流路１０を塞ぐ領域をメイン領域５ａと規定され、サブ流路１１を塞ぐ領域をサブ領域５ｂと規定される。また、シャッター板５は、図１、図３に示すように、シャッター開の状態において、サブ流路１１に対向する側を表面５ｃと規定され、メイン流路１０に対向する側を裏面５ｄと規定される。なお、裏面５ｄは、表面５ｃの背面となる面である。

シャッター板５は、図１に示すように、回転軸６ａに垂直な平面で切断した断面において、上流側から下流側にかけてサブ流路１１側に凸である曲線形状を有する。また、シャッター板５は、図３に示すように、管路軸４ａに垂直な平面で切断した断面において、サブ流路１１側に凸である曲線形状を有する。つまり、シャッター板５は、シャッター開の状態における円板形状において、メイン流路１０側からサブ流路１１側に向かって中央部が膨出する曲面となる表面５ｃおよび裏面５ｄを有する。

本発明の実施の形態１に係るシャッター機構１では、シャッター板５は、図２に示すように、サブ領域５ｂの外縁側における厚みが、サブ領域５ｂにおける回転軸部６側の厚みよりも厚く形成されている。言い換えれば、サブ領域５ｂにおけるシャッター板５の外縁側には、サブ領域５ｂにおけるシャッター板５の厚みよりも厚い領域が形成されている。具体的には、シャッター板５は、図５に示すように、サブ領域５ｂにおける外縁側の厚みＴ１は、サブ領域５ｂにおける回転軸部６側の厚みＴ２よりも厚く形成されている。なお、サブ領域５ｂの厚みＴ２は、メイン領域５ａにおけるシャッター板５の厚みＴ３と同じである。サブ領域５ｂの厚みＴ２とメイン領域５ａの厚みＴ３は、いずれもシャッター板５の厚みとも言える。

シャッター板５の外縁側の厚みＴ１を有する領域は、図５に示すように、シャッター板５の表面（表面５ｃ）上に、凸状の曲面を有する湾曲部１２として形成されている。湾曲部１２では、シャッター板５は、サブ領域５ｂの先端側から回転軸部６側に向かって徐々に厚みが厚くなるように形成され、途中で最大となる厚みＴ１となる部分があり、その後、回転軸部６側の厚みＴ２に向けて徐々に薄くなっていく形状をしている。また、湾曲部１２は、図４に示すように、サブ領域５ｂにおけるシャッター板５の外縁に沿って形成されている。但し、サブ領域５ｂの表面上において軸受部７が配置される領域は除く。シャッター板５は、この湾曲部１２によって、サブ領域５ｂの外縁側の質量が、湾曲部１２がない場合（回転軸部６側の厚みＴ２と同じ場合）と比較して、シャッター板５の厚みが厚い分だけ増加している。

シャッター板５のサブ領域５ｂは、図２に示すように、シャッター閉の状態において、回転軸部６（回転軸６ａ）の上流側に位置するように配置されている。そして、シャッター板５は、図５に示すように、送風機２が運転を開始すると、送風機２からの送風気流９を受けて回転軸６ａを中心としてサブ領域５ｂ側の先端部分（外縁側）に、上流側に向かって動く回転力が作用するとともに、メイン領域５ａ側の先端部分（外縁側）に、下流側に向かって動く回転力が作用する。これにより、シャッター板５は、送風機２が運転を開始すると、シャッター閉の状態から開き動作を開始する。この際、シャッター板５は、シャッター板５の厚みが厚い分だけサブ領域５ｂの外縁側の質量が大きくなっているので、シャッター板５のサブ領域５ｂ側の先端部分（外縁側）が上流側に傾く効果が促進され、シャッター開の状態に向かって作用する回転力１３が増加する。この結果、送風機２からの送風気流９の風量が少ない場合でも、シャッター板５の十分な開度を得ることができる。つまり、送風気流９の風量が少ない場合でも開抵抗の小さいシャッター機構１とすることができる。

次に、シャッター開の状態において、シャッター板５に流通する送風気流９の様子について、図６を参照して説明する。図６（ａ）は、湾曲部１２のない比較例に係るシャッター機構におけるシャッター板に流入する送風気流の様子を示す拡大側断面図であり、図６（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係るシャッター板５に流入する送風気流の様子を示す拡大側断面図である。なお、湾曲部１２のない比較例では、本実施の形態１に係るシャッター板５のサブ領域５ｂにおける湾曲部１２部分（厚みＴ１を有する部分）が、回転軸部６側と同じ厚みＴ２となっている。

図６（ａ）に示すように、シャッター板５に流入した送風気流９は、シャッター板５の先端部分（上流側の端部）に衝突して剥離し、シャッター板５の表面５ｃ側に剥離渦１４が生じる。こうした剥離渦１４は、気流（空気）のエネルギーを散逸させるため、通風抵抗となり、送風機２の仕事量が増大する。さらに、剥離渦１４から音が発生し、送風装置としての騒音値が増大する。一方、本実施の形態１に係るシャッター板５では、図６（ｂ）に示すように、シャッター板５のサブ領域５ｂにおける先端部分に湾曲部１２が形成されている。このため、サブ領域５ｂ側の先端部分に衝突する送風気流９の剥離に起因した剥離渦１４を抑制することができ、送風気流９をシャッター板５の表面５ｃ上に滑らかに導くことができる。これにより、送風気流９の剥離渦１４によって生じる騒音を抑制できるとともに、通風抵抗の増加によって生じる送風機２の送風効率の悪化を低減することができる。

また、湾曲部１２は、シャッター板５の表面５ｃ上に形成されている。一般的に、送風機２から送風される送風気流９は、円筒形状の管路４の中心軸である管路軸４ａを中心として、管路４の中心部における送風気流９の流速が最も早く、管路４の内壁に近づくほど内壁との摩擦力の影響により送風気流９の流速が遅くなるような分布を有している。このため、シャッター板５の表面５ｃ上の湾曲部１２は、シャッター板５の裏面（裏面５ｄ）側に形成されている場合と比較して、より流速の遅い管路４の内壁に近い領域に位置することになるので、送風気流９に対する通風抵抗自体を低減することができる。つまり、送風機２の送風効率の悪化を抑制することができる。

また、シャッター板５は、図１に示すように、回転軸６ａに垂直な平面で切断した断面において、サブ流路１１側に中央が凸である曲線形状を有している。こうした構成としたことで、シャッター開の状態において、メイン流路１０を流れる送風気流９が、裏面５ｄ側の曲面に沿って流れる際、シャッター板５のメイン領域５ａにおける下流側部分（メイン領域５ａの外縁部分）に衝突して、シャッター板５を開かせる方向に作用するモーメントを増加させることができる。つまり、送風気流９の風量が少ない場合でも開抵抗を小さくすることができる。

以上、本実施の形態１に係るシャッター機構１によれば、送風機２からの送風気流９の風量が少ない場合でも開抵抗の小さいシャッター機構１とすることができる。また、湾曲部１２がない場合において送風気流９の剥離渦１４によって生じる騒音を低減することができるとともに、通風抵抗を増加によって生じる送風機２の送風効率の悪化を抑制することができる。

以上、本発明に関して実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本実施の形態１に係るシャッター機構１では、シャッター板５の表面５ｃ上に、シャッター板５と一体的に形成した湾曲部１２を用いたが、これに限られない。例えば、図６（ａ）の比較例で示したシャッター板５の表面５ｃ上に、湾曲部１２に対応する部材を固着して設けるようにしてもよい。このようにすることで、シャッター板５のサブ領域５ｂ側の先端部分（外縁側）が上流側に傾く効果の調整自由度が向上する。なお、湾曲部１２に対応する部材を、シャッター板５の材質よりも比重の重い材質とすることで、より効果的に開抵抗を小さくすることができる。

本発明に係るシャッター機構は、送風気流の風量が少ない場合でも開抵抗が小さいため送風機にかかる負荷が小さく省電力であり、通風抵抗が小さく騒音も抑制でき、換気扇等の送風装置におけるシャッター機構として有用である。

１ シャッター機構
２ 送風機
３ 吹出口
４ 管路
４ａ 管路軸
５ シャッター板
５ａ メイン領域
５ｂ サブ領域
５ｃ 表面
５ｄ 裏面
６ 回転軸部
６ａ 回転軸
７ 軸受部
８ ストッパー部
９ 送風気流
１０ メイン流路
１１ サブ流路
１２ 湾曲部
１３ 回転力
１４ 剥離渦
１００ シャッター機構
１０１ 管路
１０２ シャッター板
１０３ 回転軸
１０４ ストッパー部
１０５ 上流
１０６ 送風気流

Claims (2)

1. 上流側から下流側へ気流が流れる円筒形状の管路を開閉するためのシャッター機構であって、
   前記管路内に設けられた回転軸と、
   前記回転軸を中心に回動し、前記管路を開放するシャッター開の状態と、前記管路を閉塞するシャッター閉の状態とに位置取ることが可能なシャッター板と、
   を備え、
   前記管路は、前記シャッター開の状態において、前記シャッター板によって、前記気流が流れるメイン流路と前記メイン流路よりも面積が小さいサブ流路の二つの流路に分割され、
   前記シャッター板は、前記シャッター閉の状態において、前記メイン流路を塞ぐメイン領域と前記サブ流路を塞ぐサブ領域とを有し、
   前記サブ領域は、前記回転軸と垂直な平面での前記シャッター板の側断面では、前記シャッター閉の状態において前記回転軸よりも上流側に位置するように形成され、
   前記サブ領域における前記シャッター板の外縁側には、前記サブ領域における前記シャッター板の厚みよりも厚い領域が形成されていることを特徴とするシャッター機構。
2. 前記シャッター板は、前記シャッター開の状態において、前記サブ流路側に対向する表面と、前記表面の背面である裏面と、を有し、
   前記サブ領域は、前記シャッター板の外縁側における前記表面上に、凸状の曲面を有する湾曲部を有して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシャッター機構。

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