JP3749714B2

JP3749714B2 - 空気吹出ダクト

Info

Publication number: JP3749714B2
Application number: JP2003072167A
Authority: JP
Inventors: 哲郎佐藤; 昭彦鳥居; 修二中村
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd; Central Japan Railway Co
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd; Central Japan Railway Co
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: JP2004276792A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調機により調和された空気を室内に吹き出させるための吹出ダクトに関し、特に、気流を円滑に室内に拡散させることを可能にした空気吹出ダクトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高速で走行する鉄道車両には、特開平１１−３４８７８１号公報（以下、「特許文献１」という。）に記載された空調装置が設置されている。すなわち、車体１の床構体２の左右に長手方向に沿って主ダクト１８、２０が設けられている。主ダクト１８、２０は床構体２に取り付けられた図略の空調装置本体に接続されており、空調装置本体からの調和空気が主ダクト１８、２０に供給され、座席１０、１２の下側に開口されている吸入孔２６、２８から戻しダクト２２、２４を介して空調装置本体に戻されるように構成されている。（特許文献１の「０００８」及び第１図参照）
【０００３】
主ダクト１８、２０には、車体１の長手方向に沿って形成された複数の窓枠３４の中を左右側構体６、８に沿って立ち上げられる縦ダクト３０、３２の下端が接続されている。縦ダクト３０、３２の上端は、荷棚１４、１６の下側にまで立ち上げられており、その先端に吹出ダクト３６、３８が接続されている。
吹出ダクト３６、３８は荷棚１４、１６の下面１４ａ、１６ａに沿って屈曲成形されおり、その先端に吹出口４０が形成されて、荷棚１４、１６の下面１４ａ、１６ａに沿った方向に開口されている。（特許文献１の「０００９」〜「００１０」及び第４図、第５図参照）
【０００４】
ところで、上記、従来の縦ダクト３０及び吹出ダクト３６では、長方形の断面の縦ダクト３０（特許文献１の第３図参照）の上端に吹出ダクト３６の源流側が接続されているため、送給される空気は長方形の断面のまま吹出口４０に入り、拡散フィン４６、４８により僅かに斜め方向に拡散されながら大部分は真っ直ぐに車両室内に吹き出される。
すると、吹出ダクト３６の正面は強い気流となり、左右には弱い気流となって吹き出すため、車両室内の気流が一様ではなくなって、直接人体に当たったり空気が澱んだりして、快適性を損なう恐れがあった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３４８７８１号公報（「０００８」〜「００１０」および第１図、第４図、第５図参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、吹出口では、空気の流れを減速し角度を広げ（拡散し）つつ、圧力を高めるように構成されている。空気の流れを減速させる部分では、流れが不安定になりやすいので、ダクトの形状がこの流れに沿ったものでないと、壁面に沿って境界層が厚く発達したり、流れが剥離して逆流域が生じることがある。この境界層の発達や逆流域等により流路内で速度が不均一になると、有効な断面積が減少し、容積効率が低下したり、圧力損失が大きくなったり、流体騒音が発生するといった問題を生じる。
【０００７】
特に、前述の鉄道車両で多く採用されているような、空気が室内壁からほぼ垂直な方向に吹き出す形式では、吹出口の直前で空気の流れが９０゜近く曲がるので、この曲げ部分で流速が不均一となるため、有効面積の減少、容積効率の低下、流体騒音の発生といった上記と同様な問題が生じる。
このため、空調装置本体を細かく制御して吹出流速を調整したり、吹出口の拡散フィンを細かく設けたりする必要があった。
しかし、空調装置本体の制御では電圧の変動や車両速度の変化に追従できるような複雑な制御装置を必要とし、また、複雑な構造の吹出口が必要になるといった問題が発生し易かった。
【０００８】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、吹出口直前での空気の流れを滑らかに減速し、滑らかに向きを変え、さらに、ダクト内で風向きを予め拡散させることができる空気吹出ダクトを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る請求項１に記載の空気吹出ダクトは、源流側が空調機に接続され、出口側が車両の室内に設けられた吹出口に接続されて、前記空調機により調和された空気を室内に吹き出させる空気吹出ダクトであって、吹出ダクトの前記源流側から出口側に向かって、一定間隔の距離でとった各位置の断面積について、連続する前後位置の断面積同士を比較した場合に、その断面積比が略一定になるように断面積を増加させるようにしたものであることを特徴とする。
よって、源流側から供給される空気が、断面積の増加した出口側に向かって流れる際に、その流れに沿って減速し、拡散するので、吹出口から広い角度で吹き出すことが可能となり、車両室内の快適性を高めることができる。
【００１０】
また、本発明に係る請求項２に記載の空気吹出ダクトは、請求項１に記載の空気吹出ダクトにおいて、断面積を増加させる部分が、高さ寸法を一定にして前記連続する前後位置の断面積比を略一定に保ちながら徐々に幅寸法を拡大する導入部と、前記連続する前後位置の断面積比を略一定に保ちながら徐々に高さ寸法を縮小しつつ幅寸法をさらに拡大する拡散部と、からなることを特徴とする。
よって、導入部では、空気の所定の流量の供給を受け入れることができ、拡散部では、受け入れた空気をその流れに沿って逆らわずに拡散させることができ、ダクトの壁面に渦等を発生させることなく断面積を有効に活用して、空気を吹出口に吹き出すことができる。
【００１１】
また、本発明に係る請求項３に記載の空気吹出ダクトは、請求項２に記載の空気吹出ダクトにおいて、前記導入部は高さ方向の辺が直線状であり、前記拡散部は、前記導入部に対して高さ方向の辺を湾曲させたことを特徴とする。
よって、ダクトの高さ寸法を縮小した部分で湾曲させたので、湾曲部での流れの不安定化を最小限に抑えることを実現し、空気の流れは湾曲部では比較的内側を通り、出口側において高さ寸法の広い範囲に広げることができ、吹出口にほぼ均一の気流を供給することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る空気吹出ダクトの一の実施の形態について図面を参照して以下に説明する。本実施の形態の空気吹出ダクトは、高速走行する鉄道車両に設けられたものである。
ここで、図１は、高速走行する鉄道車両の断面図であり、図２は、吹出ダクトに吹出口が接続された状態の断面図である。
なお、車両の進行方向を前後方向、進行方向の左右を左右方向というが、ダクトについては、車両の前後方向を幅方向といい、車両の左右方向を高さ方向という。
【００１３】
（構成）鉄道車両の車体１０は、図１に示すように、床構体１と左右の側構体２と、屋根構体３とから前後方向の断面で四角形に形成されている。床構体１中の左右の側構体２側には、図略の空調装置本体に接続された主ダクト１１が前後方向に配設されて調和された空気の源流となっている。主ダクト１１には、側構体２に設けられた窓枠の縦壁内に埋設されるように複数の縦ダクト２２がその下端で接続されている。
縦ダクト２２の上端には、図２の側面断面図に示すように、上端が室内側に湾曲した吹出ダクト４の源流側４２１が接続され、さらに吹出ダクト４の出口側４４１が室内の荷棚２４の下に取り付けられる吹出口５に接続されている。
【００１４】
本発明の主要部であるこの吹出ダクト４の大まかな形状は、図３、図４に示すように、下端の源流側４２１の断面が長方形で、その幅方向の辺４８が車体１０の前後方向に沿い、高さ方向の辺４６が車体１０の幅方向に沿うように取り付けられ、上部で高さ方向辺４６が室内側に湾曲しつつ、幅方向辺４８が徐々に拡がるように変化して、上辺が長辺の台形の出口側４４１となっている。
この高さ方向の辺４６と幅方向辺４８の変化の仕方の詳細については後述する。
【００１５】
吹出ダクト４の出口側４４１は、車両１０の側構体２の窓枠の縦壁で荷棚２４の下部に設けられた開口部に接続される。縦壁に設けられた開口部には、奥部がその開口部に取り付けられ、上部が荷棚２４に支持された平面視半円形の吹出口５が取り付けられている。
したがって、主ダクト１１に接続された縦ダクト２２を介して空調機本体から送られる調和空気は、吹出ダクト４を通って吹出口５から室内に吹き出されるが、この吹き出しの際に、気流を円滑にして吹き出させることが望ましい。
【００１６】
気流を円滑に圧力回復させ吹き出させるための吹出ダクト４の形状を、図５、図６に基づき詳細に説明する。
吹出ダクト４は、下端の源流側４２１（位置Ｒ０）から上方に一定間隔の距離の位置Ｒ１からＲ６までは、高さ方向辺４６が一定高さであり、幅方向辺４８が上記各位置Ｒ０からＲ６における断面積を指数関数的に変化させるように徐々に拡がる導入部４２となし、導入部４２から連続して位置Ｒ６から一定間隔の距離の位置Ｒ７からＲ１２の高さ方向辺４６を縮小しつつ、断面積を指数関数的に変化させながら幅方向辺４８をさらに拡大して出口側４４１で開口するように構成されている。
【００１７】
その前に、原則として吹出ダクト４の出口側４４１まで調和空気の流れの向きを変更しない直線状態の場合において説明する。
（１）導入部４２においては、源流側４２１の断面積をＡ_０、λを長さの次元を有する定数、位置Ｒ０からダクト中心に沿った行程をχとすると、位置χにおける断面積Ａは、下記の数式１で表わされる指数関数の曲線を描かせ、λの値を小さくすると断面積Ａは急拡大し、λの値を大きくすると断面積Ａは緩やかな拡大となる。
調和された空気の流れを安定に保つためには、急拡大は好ましくなく、したがって、λを小さくする方には限界があり、下記の数式２とすることが望ましい。
【００１８】
【数１】

【数２】

【００１９】
（２）吹出ダクト４の断面の高さ方向辺４６と幅方向辺４８との関係は、調和空気の流れに沿って指数関数的に幅を広げ、指数関数的に高さを減少させることが望ましい。ただし、幅と高さの変化のさせ方は数式１を守る。
すなわち、位置χにおける幅ｂは、位置Ｒ０における幅をｂ_０、μを長さの次元を有する定数とすると、下記の数式３とし、同じく位置Ｒ０における高さをｈ_０、νを長さの次元を有する定数とすると、位置χにおける高さｈは、下記の数式４で表わされる。
【００２０】
【数３】

【数４】

【００２１】
ただし、λとμ、νの関係は下記の数式５とする。μ、νの値を正の値で小さくすると幅ｂと高さｈは急拡大し、大きくすると緩やかな拡大となる。また、μ、νを負の値で小さくすると幅ｂと高さｈは緩やかに減少し、負の値で大きくすると急減少となる。
調和空気の流れを安定に保つためには、μ、νの値を小さくする方には限界があり、下記の数式６とするのが望ましい。
【００２２】
【数５】

【数６】

【００２３】
つぎに、本実施の形態のように吹出ダクト４の出口側４４１の直前において、調和空気の流れの向きを変更する場合は、導入部４２と拡散部４４に分けて説明する。
（１）流れの向きを変更する前の導入部４２では、流れに沿って幅ｂを指数関数的に広げることが望ましい。ただし、幅と高さの変化のさせ方は数式１を守る。
すなわち、前式と同様に、位置χにおける幅ｂは、位置Ｒ０における幅をｂ_０、μ_１を長さの次元を有する定数とすると、下記の数式７で表され、同じく位置Ｒ０における高さをｈ_０とすると、位置χにおける高さｈは下記の数式８で表される。すなわち、導入部４２では高さ方向辺４６は一定の高さとするのが望ましい。
ただし、λとμ_１の関係は下記の数式９とする。
【００２４】
【数７】

【数８】

【数９】

【００２５】
（２）つぎに、調和空気の流れの向きを変更する拡散部４４では、流れに沿って幅ｂを指数関数的に広げつつ、高さｈを指数関数的に減少させることが望ましい。ただし、幅と高さの変化のさせ方は数式１を守る。
すなわち、前式と同様に、位置Ｒ０からダクト中心に沿った行程χにおける幅ｂは、位置Ｒ０における幅をｂ_０とし、μ_１、μ_２を長さの次元を有する定数、χ_１を導入部４２の位置Ｒ０から終端Ｒ６までのダクト中心に沿った行程とすると、下記の数式１０とするのが望ましく、同じく位置χにおける高さｈは、位置Ｒ０における高さをｈ_０とし、ν_２を長さの次元を有する定数とすると、下記の数式１１とするのが望ましい。
ただし、λとμ_２、ν_２の関係は下記の数式１２とする。
この場合のおおよその値として、下記の数式１３とするのが望ましい。
【００２６】
【数１０】

【数１１】

【数１２】

【数１３】

【００２７】
以上のような理論式に基づいて、本実施の形態の実際の寸法を表に示すと、つぎの表１のようになる。
【表１】

【００２８】
つぎに、上記のように構成された吹出ダクト４の出口側４４１に接続される吹出口５は、車体１０の内壁に取り付けられ、内壁に設けられた開口部と同一の大きさの開口部を有する接続部５１と、該接続部５１から室内に向かって延在する複数の横フィン５２と、各横フィン５２を上下で連結し、吹出す調和空気の吹出し方向を案内するガイドフィン５４、５６とから構成されている。
横フィン５２は、図２乃至図４に示すように、平面視で半円形を呈し、最上部の横フィン５２１から最下部の横フィン５２４まで同心の円弧状の板体で構成したもので、高さ方向で間隔をあけて取り付けてある。
【００２９】
そして、各々の横フィン５２１と５２２、横フィン５２２と５２３、横フィン５２３と５２４との間には、それぞれ平面視でわずかにハ字状に広がるようにガイドフィン５４が取り付けられて、各横フィン５２１から５２４を接続して補強すると同時に空気の流れをガイドしている。
このガイドフィン５４と出口側４４１の開口との間で、最上部の横フィン５２１と次の高さの横フィン５２２との間隙には、開口部からハ字状に広がりその途中から内壁と略平行に折れ曲がった断面く字状のガイドフィン５６が左右対称に取り付けられている。
なお、図２乃至図４に示される吹出口５に設けられた中央ガイド部５８は、空気の流れの一部を直下に案内するものである。
【００３０】
（作用）以上のように構成した吹出ダクト４の作用を、吹出状況を実験した実験結果に基づき説明する。
本実施の形態の吹出ダクト４を接続した吹出口５の中段の横フィン５２３に、図７に示すように、その円周を略等間隔のＳ１からＳ９の９カ所に印を付け、この位置に短く切った毛糸の一端を張り付けて、空気の吹出方向及び風速を調べた。吹出方向は、図７に示すように円周の放射状に略万遍なく吹き出していることがわかる。なお、この実験では風量を２．２１ｍ^３/分とした。
また、その時の風速も、図８の黒丸点のグラフに示すように、中央部（Ｓ５）を最高にして左右端へ行くに従い徐々に減少する理想的な状態が得られているのがわかる。
【００３１】
同様の実験を従来の特許文献１に記載の吹出しダクトおよび吹出口を利用して行った結果、吹出し方向は図１０に示すように吹出口に設けられたガイドフィンの配置に影響されて吹出方向が決められ、且つ、ガイドフィンの後の流れの影響により毛糸の方向が一定していないのがわかる。
また、その時の風速も、図８の白丸点のグラフに示すように、位置によって風速のバラツキが大きく、風速の大きな部分ではその前方の遠くまで空気が届き、風速が低い部分では近くにしか届かないという、所謂平準化されない空気流が発生していた。
【００３２】
また、吹出ダクト４の出口側４４１における風速を、吹出しダクト４の断面積の変化を指数関数的にした本実施の形態のもの（図９）と、単に単純Ｒで変化させたもの（図１１）との比較をした実験結果では、本実施の形態のものでは、最大流速が小さく、略一様に出口側から吹出しており、気流が幅方向へ広がる角度も大きい。
一方、単純Ｒで変化させたものでは、僅かではあるが最大流速が大きく、また、幅方向へ広がる角度も小さく、出口側の両端で流速の小さい部分が増えていることがわかる。
【００３３】
このように、本実施の形態の吹出ダクトでは、源流側の断面積に対して、出口側に向かう断面積の変化率を指数関数的に増加させるようにしたので、調和空気の流れを無理なく滑らかに減速させて吹出口から調和空気を吹出すことができるようになり、吹出空気の流速のバラツキを無くし、吹出口から万遍なく吹出させることが可能となった。
【００３４】
なお、本発明は前記実施の形態のものに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施の形態では、吹出ダクト４は上部で高さ方向辺４６が室内側に湾曲したもので説明したが、これに限られず、湾曲せずに下端の源流側４２１から真っ直ぐに立ち上がり、その幅方向の辺４８が断面積を指数関数的に変化させながら車体１０の前後方向に沿い、高さ方向の辺４６が断面積を指数関数的に変化させながら車体１０の幅方向に沿うように取り付けられるようにしたものも可能である。
また、縦ダクト２２が車体１０の前後の縦壁内に埋設され、その縦ダクト２２に吹出ダクト４の源流側４２１を接続し、真っ直ぐ上方にあるいは湾曲して車両の進行方向と平行に吹き出すようにした吹出ダクト４としたものであってもよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は、空調機により調和された空気を室内に吹き出させる空気吹出ダクトであって、吹出ダクトの前記源流側から出口側に向かって、一定間隔の距離でとった各位置の断面積について、連続する前後位置の断面積同士を比較した場合に、その断面積比が略一定になるように断面積を増加させるように構成したので、調和空気の流れを円滑に徐々に広げ、調和空気を吹出口の形状に沿った流速で吹出口から万遍なく吹出させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一の実施の形態に係る吹出ダクトを適用した高速走行する鉄道車両の正面断面図である。
【図２】本発明の一の実施の形態に係る吹出ダクトに吹出口が接続された状態の断面図である。
【図３】本発明の一の実施の形態に係る吹出ダクトに吹出口が接続された状態の正面図である。
【図４】本発明の一の実施の形態に係る吹出ダクトに吹出口が接続された状態の平面図である。
【図５】本発明の一の実施の形態に係る吹出ダクトの側面線図である。
【図６】本発明の一の実施の形態に係る吹出ダクトの正面線図である。
【図７】本発明の一の実施の形態に係る吹出ダクトに接続された吹出口から空気が吹出す状態を実験した平面図である。
【図８】本発明の一の実施の形態に係る吹出ダクトに接続された吹出口からの吹出空気の流速を、従来の吹出口流速と比較して示したグラフである。
【図９】本発明の一の実施の形態に係る吹出ダクトの出口側における吹出空気の流速分布を示した正面図である。
【図１０】従来の吹出口から空気が吹出す状態を実験した平面図である。
【図１１】吹出ダクトの断面積の変化を単純Ｒで拡散した吹出ダクトの出口側における吹出空気の流速分布を示した正面図である。
【符号の説明】
１０車体
１床構体
１１主ダクト
２側構体
２２縦ダクト
４吹出ダクト
４２導入部
４２１源流側
４４拡散部
４４１出口側
４６高さ方向辺
４８幅方向辺
５吹出口

Claims

源流側が空調機に接続され、出口側が車両の室内に設けられた吹出口に接続されて、前記空調機により調和された空気を室内に吹き出させる空気吹出ダクトであって、
吹出ダクトの前記源流側から出口側に向かって、一定間隔の距離でとった各位置の断面積について、連続する前後位置の断面積同士を比較した場合に、その断面積比が略一定になるように断面積を増加させるようにしたものであることを特徴とする空気吹出ダクト。
請求項１に記載の空気吹出ダクトにおいて、
断面積を増加させる部分は、高さ寸法を一定にして前記連続する前後位置の断面積比を略一定に保ちながら徐々に幅寸法を拡大する導入部と、前記連続する前後位置の断面積比を略一定に保ちながら徐々に高さ寸法を縮小しつつ幅寸法をさらに拡大する拡散部と、からなることを特徴とする空気吹出ダクト。
請求項２に記載の空気吹出ダクトにおいて、
前記導入部は高さ方向の辺が直線状であり、前記拡散部は、前記導入部に対して高さ方向の辺を湾曲させたことを特徴とする空気吹出ダクト。