JP4151851B1

JP4151851B1 - 風力排気装置

Info

Publication number: JP4151851B1
Application number: JP2007302336A
Authority: JP
Inventors: 眞一藤田
Original assignee: 眞一藤田
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JP2008286513A

Abstract

【課題】
外気流の自然差圧を増幅させ強制排出が可能な風力排気装置を提供する。
【解決手段】
通風と風向性とを有して回転自在の風洞体Ａの内部に、排気誘導管Ｇを立ち上げその排気口を風下方向へ曲折延長して配し、風洞体Ａと排気誘導管Ｇの風下側端部を拡大させて空気抵抗体Ｆ１とＦ２とし、その相乗効果により風下側の負圧域Ｍが増幅され、その増幅負圧域Ｍに排気口を配設された排気誘導管Ｇ内の排気が強制吸引されて排出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、外気流の風圧差を利用した風力排気装置に関する。

風力を利用した自然換気の方法は古来より様々な用途に活用され、現在に引き継がれて実動しているものも数多くある。
しかし、実用現場に於いては、自然条件に左右される換気量の不安定性を許容範囲として、補助的な限定使用がなされている事が多い。

現在、化石エネルギー多用による温暖化を初めとする地球環境とその気象変動が、地球規模の社会現象としてクローズアップされ、世界中で資源エネルギーの見直し方向へと向かう中で、住宅建築等においても生活空間の空調に係る省エネルギー効率を求め、気密断熱化が進行するのは必至であり、その気密空間による室内空気の汚染が健康課題として浮上している。
その対応策としての換気設備に係る動力エネルギー選択基準として、化石エネルギーを必用としない、自然の温度差や風力を利用した自然エネルギー利用の換気装置が注目されている。

そこで、様々な自然換気装置が提案されており、そのなかで風力を利用した多くの先行技術は、特許文献１（特許第３１９２７４８号）のように、排気構造が風車による回転動力利用の送風装置であり、この場合はその構造特性から、強風による高速回転時の損傷や耐久性等による不具合が指摘され、その維持管理や補修に掛かる負荷も懸念される。
又、回転機能の性能化に比例して機能維持も複雑となり、自然の換気装置に求められる、「構造が簡単で、故障が少なく、耐候性及び耐久性が高い」といった、自然エネルギー利用の基本的な付加価値要素から外れることが課題として指摘される。

尚、特許文献２（特開平１０−３３９４８６）のように、風見鶏機能を備えた風向性によって、外気流入口を風上に向けて給気を促し、又は屋内空気の排出口を風下へ向け排気を促すなど簡単な装置も開示されているが、自然条件下の不安定性及び信頼性については放任したままで、自然の気象条件を免罪符として妥協を強いる結果となり実用にあたっては適用範囲が限定されることになる。

特許文献３（特開２００３−３２８９２２）では、通風機能を有する導風筒の風下側を拡大させ、その空気抵抗により後方域の背圧が減圧される流体特性を応用した外気流の増速装置によって、効率的な発電を行う構造体として開示されている。
このような抵抗体及びディフューザの後方背圧に係る流体作用は、流体の抵抗体通過に伴う加速乱流に後方域の流体が粘性により伴流となって流速後方へ引き流される結果、その抵抗体後方内域の流体密度が一時的に低下し周囲とに圧力差が生じ、その差圧調整としての緩和流が渦流及び乱流となって低圧域を構成する流体動向の複合作用であり、抵抗体形状が縦壁状の場合はその後方に、差圧拡大と共に後方流を引き戻そうとする差圧調整作用が働き、また、抵抗体形状が中空風洞型で風下側を円環状に拡大させた抵抗形状においては、風上より流入した外気流が後方の差圧緩和に係る流速分を加速されて風洞内を通り抜け抵抗体後方乱流と融合する。
尚、その中空風洞の形状特性については、内径が左右異なる中空風洞体を使った風洞実験の結果として、風下側へ縮小形状とした押圧放射による風下放射口の流速に比べ、その逆向きの風下側へ開放形状とした風上流入による吸引流速の方が大きくなることが、その実証データー及び追加機能として抵抗体を付設した場合の作用効果と共に、抵抗体後方の差圧緩和に伴う集風吸引効果として発表されている。
尚、抵抗体後方の差圧緩和に伴って発生する流速エネルギーについては、自然風力エネルギーとして多方面で注目されている。

送風プロペラ不要の自然風力換気における排気促進機能の多くは、外気流の収縮開放型のノズル噴射による放射拡散エネルギーの応用であり、その押圧放流を排気出口周りに吹き付けて伴流を促し、排気管内の排気排出を期待するもので、構造上の特徴である放射エネルギーの拡散により、対象とする排気口への吸引エネルギー変換率が低く、その排気能力は不安定で補助的効果の範囲に止まる。
対して、抵抗体及びディフューザの背圧減少作用による圧力差の緩和伴う吸引エネルギーを応用する場合、その差圧緩和に伴う吸引作用が排気口へ集中されて排気管内の排気が吸出されるもので、後述する差圧増幅を生み出す空気抵抗体の重複構造により、流速エネルギーが差圧緩和に係る吸引力に効果的に転化され、自然外気圧を効率的に能動活用することができる。
よって、自然風力による排出効果と構造の耐久性とを両立させた野外排気装置において、空気抵抗体を付設し、その抵抗作用として風下側後方域に周囲との圧力差（以下、「後方差圧」という）を生む構造とし、更にその後方域周囲との圧力差を拡大させる重複構造とすることにより、耐候性と安定性に優れた自然風力排気装置を提供する。

気密空間における自然換気の場合、確保できる排気能力如何により、空間内の内部圧と外気圧との差圧に見合う外気が自然流入し、その吸排気の通風経路設定が差圧誘導によって容易となることから、本件の野外排気装置を外気流による強制吸引排気システムとし、風洞体の風下側端部を外側へ拡大させ抵抗体とする事で、風洞体の風上側前方が受ける抗力に対し風下側後方が低圧傾向となる差圧が生じ、風上からの流入外気はその差圧緩和相当分が加速されて風洞内を通過することになり、その風速エネルギーを主動力とし電力ファンを補助動力としたハイブリット風力排気装置とする。

前記の通風性を有した風洞体Ａは、風下方向への緩やかな開放形状であり、回転自在の接続部Ｄを備えて立ち上がる円筒柱ＲとＴ字状に連結され、その回転軸Ｙを風上側へ偏る位置に定め偏芯体とすることで、風洞体Ａは風力によって自在回転をなし常に風向性を確保することが可能となる。
また、風洞体Ａは上述したように風下端部を外へ拡大させて空気抵抗体Ｆ１とすることで、風洞体Ａの風下側後方に背圧減少に伴う後方差圧域を生じさせ、外気流Ｔ２が風洞体Ａ内をその後方差圧域へ向って吹き抜ける中空通風機能を有している。
尚、差圧緩和に伴い風上から風洞内へ流入した外気流Ｔ２が、風洞体Ａの風下後方域へ抜け出る際の後方差圧の緩和と風速との推移状況は、その外気流Ｔ２が風洞体Ａの風下後方へ離脱するにつれ段階的解消がなされる。
また、その後方差圧への緩和流の強弱と緩急は、外気流Ｔ１の風速に比例し、風洞体Ａや抵抗体Ｆ１及び内部形状と出口端部の通風許容空間との諸条件に左右される。図１参照

円筒柱Ｒ内にあって屋内の換気空間に連通する排気誘導管Ｇを風洞体Ａ内に立ち上げ、風洞Ａ内の外気流Ｔ２の通風域を確保しつつ、その排出口を風洞体Ａの風下側端部より突出させない範囲で風下方向へ曲折延長することで、風洞内に屋内と連通する排気管を備え、双方が風下側の内外に出口を揃える内外二重構造となり、排気遊動管Ｇ内の排気は、風洞体Ａの空気抵抗体Ｆ１によって発生する抵抗体後方差圧の緩和対象として、風洞内を吹き抜ける外気流Ｔ２と共に風洞体後方へ誘導排出される。
尚、上述するように空気抵抗体の後方差圧調整作用により、風洞外の外気流Ｔ１に比べて風洞内を通過する外気流Ｔ２は加速されている。

請求項１に記載するように、風洞体Ａ内に配設された排気誘導管Ｇの風下側端部を外側へ拡大させ、外気流Ｔ２が風洞体Ａ内を後方へ吹き抜ける際の空気抵抗体Ｆ２とすることで、排気誘導管Ｇの排出口に相対する風下後方に低圧傾向となる差圧域を生み出す機能を有し、風洞外縁部に沿って流れる外気流Ｔ１の抵抗となる風洞体Ａの空気抵抗体Ｆ１との内外二重の抵抗体とすることで、上述したように風洞Ａ内を通過する外気流Ｔ２は既に加速されており、風洞Ａ内の通過後に排気誘導管Ｇ風下端部の抵抗体Ｆ２を越える際の外気流Ｔ２は更に加速され、その加速外気流Ｔ２が抵抗体Ｆ２によって排気誘導管Ｇの出口後方域に新たな加速乱流Ｈを発生させ、風洞体Ａの空気抵抗体Ｆ１との相乗効果により風洞体Ａの風下側後方の差圧が増幅され、排気誘導菅Ｇ内の排気が粘性により排気誘導管Ｇ出口端部を離脱する加速乱流への伴流となって引き流されることに加え、風下後方低圧域の差圧拡大に伴う後方流引き戻し差圧調整作用への反作用として、相対位置にある排気誘導菅Ｇ内の排気が効果的に引き出される。
よって、後方差圧緩和に係る流体動向の機能効果として、外気流Ｔ１が風洞Ａの抵抗体Ｆ１で生み出す後方差圧は、風洞内を抜け出る外気流Ｔ２で緩和され、その外気流Ｔ２が風洞Ａ内を抜け出る際に排気誘導管Ｇの抵抗体Ｆ２によって生み出す後方域の差圧は、屋内に連通する排気誘導管Ｇ内の排気で緩和されることになり、外気の増速（Ｔ１＜Ｔ２）と内外二重の抵抗体（Ｆ１，Ｆ２）との重複構造による相乗効果で、自然風力による排気を安定して行うことができる。図２参照

風洞体Ａ内を風下側へ曲折する排気誘導管Ｇの取り付け形状において、曲折部より風上側流入口Ｃへ向かってロケット形状の流線型からなる突起部Ｚを付設し、排気誘導管Ｇの立ち上げ首部の外郭形状を、船形流線型とする事によって、風洞体Ａ内を通過する外気流Ｔ２への抵抗発生を抑え、外気流Ｔ２は風洞体Ａ内を通過する過程で安定層流として加速され、空気抵抗体Ｆ１とＦ２によって発生する風下後方の増幅負圧域Ｍによる吸引力と相まって、安定した排気効率を維持する機能効果を有する。図２参照

排気誘導管Ｇ内の風下側出口位置に、排気流Ｓに平行する整流版及び整流管Ｅを付設し、屋内に連通する排気誘導管Ｇ内の不規則な慣性乱流を、安定した層流へと調整する事で、後方負圧域Ｍによる差圧吸引作用の安定性とその効力が促進される。図２参照

気象条件に左右される自然風力をエネルギーとする場合、効力の不安定要因として、強風時の排気過剰や無風時の能力低下等が指摘されており、その補助付属設備として、図３のハイブリットシステムハード概念図に示すように、電力ファンによる送風装置を補助的に併設したハイブリット換気システムとし、排気誘導管Ｇの配管設備経路に集約的調圧タンクｂを設け、強風時の過剰排気による異常減圧時は、外気流入調整弁ｈにより調圧タンク内ｂへの外気流入を促し、外気が無風でタンクの内圧が静圧となる場合は、調圧センサーｇを有する自動調圧装置ｆとの連絡配線ｕによって、バイパス排気路ｅに備えた電力ファンｄの補助稼動を促すハイブリット方式とし、常に調圧タンクｂ内の負圧を一定範囲に維持する内圧調整設備の併設によって、安定した排気機能を有する自然エネルギー主体の省エネルギー自動換気システムとなる。図３参照

尚、住宅及び生活関連施設等については、自然給気設備ｔを有する換気空間ｒに通連する連通排気管ｍを調圧タンクｂに接続し、その調圧タンクｂに付設する自動調圧装置ｆにより、調圧タンクｂ内負圧を一定範囲に保持し得る機能を付加することで、常に適正な換気能力の維持が可能となり、更に個々の換気空間ｒ別に換気量が異なる調整を必要とする場合は、各換気対象空間との通連排気管ｍと調圧タンクｂとの各接続部にそれぞれに風量風圧調整装置ｊを個別に備え、換気空間ｒ別の条件に応じた適正換気量の範囲を予め設定しておくことで、所定の計画換気が常に無意識の生活空間の中で自動調整され、快適で健康的な自然空間を保持し得ることになる。図３参照

本発明の風力排気装置の適用対象とその効果は、要換気生活空間（住宅・集会所・小屋裏・倉庫・畜舎・地下室・停留小型船舶）等、又、長期閉鎖の施設（別荘・作事小屋・作物保存庫・ポンプ小屋・機械室・）等の自然換気において、電力ファンを補助仕様とするハイブリット換気を含め、要求される排気量及び能力規模とに適応した効果が発揮される。
しかし、換気対象空間の条件とその規模によっては、自然風の不規則性をある範囲内で許容し、屋外の風力排気装置と吸排気の配管設備のみとする簡単な自然吸排機能設備としても優れた換気効力を発揮する。

本発明は、自然外気流を利用しその風圧差の増幅機能を有する風力排気装置であり、連続長期使用に関する維持管理負担が少ない簡単な構造であって、耐久性と共に排気機能の安定維持が容易であり、特に密閉度の高い気密空間に於いては、屋内への自然給気機能を有する関連設備を併用することにより、本装置の排気能力に比例した自然換気が計画的に且つ永続的に行われ、自然風力エネルギーを主体とする動力源によって環境保全と人の健康に貢献する。

本風力排気装置における排気の強制吸出に係る構造及び形状の有効条件として、風洞体Ａの風上側流入口先端部分を拡大させることで、流入外気が集圧され後方減圧部との圧力差が強調されて外気流Ｔ２の流入速度を増し、その流速を風下端部直前まで妨げない風洞内空間条件を有する構造に加え、重複抵抗体（Ｆ１，Ｆ２）の形状で構成される空間の通風許容値が、風洞Ａの風下側後方域の差圧増減につながり、相対する排気口からの排気能力が左右される事になる。
また、風洞体Ａ及び抵抗体（Ｆ１，Ｆ２）や排気配管口径等の有効寸法と形状は、換気対象となる諸物件の条件に添って設定され、形状及び構造に起因する騒音や反射光による対応等、周辺環境保全と排気能力とのバランス確保が重要となる。

本風力排気装置の構成素材として野外設備のため、耐候性を考慮した素材物性が要求されることは元より、本排気装置唯一の駆動箇所である回転連結部Ｄに関しても、耐久性を重視したボールベアリング等の部品適用が望ましい。

円筒柱Ｒの回転連結部Ｄ以下の野外露出部に関して、断熱被覆とする等の結露対策を施す必要性を有し、風洞Ａ体内の外気温が屋内気温より低くなる季節気候条件下に於いては、屋内排気温と外気温が接触する円筒柱Ｒの立ち上がり回転連結部Ｄより上部域の円筒柱Ｒ内の排気管Ｇの内壁部に結露発生の可能性があり、特に本装置を直立設置する場合、その対策として円筒柱Ｒ内の排気管Ｇに被覆する回転接続部Ｄの被覆壁構造を、トラップ排水機能及び外圧緩和機能を有する構造とし、排気管Ｇ内の結露水を外部へ自然流出させる対処構造が求められる。

風力排気装置全体イメージ図本装置に係る外気流と排気流イメージ図ハイブリットシステムハードウエアー概念図

符号の説明

Ａ風洞体
Ｃ風上外気流入口
Ｄ回転接続部
Ｅ整流版及び整流管
Ｆ１風洞体Ａの空気抵抗体
Ｆ２排気管Ｇの空気抵抗体
Ｇ排気誘導管
Ｈ乱流
Ｍ負圧域
Ｒ円筒柱
Ｓ排気の流れ
Ｔ１風洞体Ａの外部通過の外気流
Ｔ２風洞体Ａの内部通過の外気流
Ｘ風洞体Ａ中心軸
Ｙ円筒柱Ｒの中心回転軸
Ｚ突起部
ａ風力排気装置
ｂ調圧タンク
ｄ電力ファン
ｅバイパス排気路
ｆ自動調圧装置
ｇ調圧センサー
ｈ外気流入調整弁
ｊ風量風圧調整装置
ｍ連通排気菅
ｒ換気空間
ｔ自然給気設備
ｕ連動配線

Claims

換気空間に連通する排気誘導管（Ｇ）を内有し、水平方向に自在回転する円筒柱（Ｒ）にＴ字状に連結され、風下方向に所定の開放形状をなし通風と風向性とを有する風洞体（Ａ）の風下側端部を外側へ拡大させ、風洞外縁部を通過する外気流（Ｔ１）の空気抵抗体（Ｆ１）とし、その風洞体（Ａ）内に立ち上げた排気誘導管（Ｇ）出口を、風洞体（Ａ）内の外気流（Ｔ２）通風域を確保しつつ風下側へ曲折延長し、風洞体（Ａ）内に排気誘導管（Ｇ）を備えた重複構造の風力排気装置において、風洞体（Ａ）内の排気誘導管（Ｇ）風下側端部を外側へ拡大し、風洞内を通過する外気流（Ｔ２）の空気抵抗体（Ｆ２）とし、風洞体（Ａ）の風下側端部に備えた空気抵抗体（Ｆ１）との内外二重の空気抵抗体を備えたことを特徴とする風力排気装置。