JP4884547B2 - 案内羽根入り吹出エルボ - Google Patents

Description

本発明は、管路やダクト等の流体流路に使用するエルボに関するものである。

流体の流れを整流減速させる拡大流路には、ディフューザ（直流路）や拡大エルボ（直角曲がり流路）がある。
ディフューザの技術特性は既に解明されている。羽根車の周囲にディフューザ案内羽根を配設したディフューザポンプはディフューザの代表的応用例である。ディフューザポンプには、羽根車から出た高速度水頭の液体を案内羽根で効率良く減速して圧力水頭に変換する効果、即ち静圧再取得効果があり、ポンプの揚程を高める効果がある。また送風機から出た高速空気流を減速して静圧再取得するディフューザダクトが風洞装置に使用されている。
しかし、拡大エルボ整流技術は、強い要望にも関わらず未開発であった。この課題を解決すべく、本願発明者は、特許文献１において案内羽根入り吹出エルボを提案した。
特許文献１の案内羽根入り吹出エルボは、曲板の前後に平板を接続した案内羽根を、矩形断面で拡大率ｆが１＜ｆ≦５のエルボ内に配設し、エルボ内壁及び外壁と案内羽根とにより、次式に基づいてｍ個の相似部分流路を形成したことを特徴とする。
ｐ＝ｈ／〔｛ｆ／（ｆ−ｒ）｝^ｍ−１〕
・・・・（１式）
ａ_ｎ＝ｐｒ｛ｆ／（ｆ−ｒ）｝^ｎ
・・・・・・・（２式）
ｂ_ｎ＝ａ_ｎ／ｆ
・・・・・・・・・・・・・・・（３式）
ｐ：案内羽根流出端張出し長さ
ｈ：流入口幅
Ｗ：流出口幅
ｆ：エルボ拡大率（ｆ＝Ｗ／ｈ）
ｒ：部分流路縦横比（ただし、ｒ＜ｆ）
ｍ：部分流路数
ａ_ｎ：ｎ番目の部分流路出口幅（ただし、ｎがｏの場合は内壁半径、ｎがｍの場合は外壁半径を示す）
ｂ_ｎ：ｎ番目の部分流路入口幅
特許文献１の案内羽根入り吹出エルボの一例である拡大エルボ１を図１に示す。
拡大エルボ１において、案内羽根５、６、７は１／４円弧の曲板の前後に平板を接続した直角曲り案内板である。
図１において、矩形Ａ_１Ｃ_１Ｂ_２Ａ_２、Ａ_２Ｃ_２Ｂ_３Ａ_３、Ａ_３Ｃ_３Ｂ_４Ａ_４・・・におけるＡ_１Ｃ_１／Ａ_１Ａ_２、Ａ_２Ｃ_２／Ａ_２Ａ_３、Ａ_３Ｃ_３／Ａ_３Ａ_４・・・が、部分流路縦横比ｒである。
特許文献１の案内羽根入り吹出エルボは、案内羽根を配設して複数の相似部分流路を形成する事により、流速分布が均一で流動方向が同一の均一平行流の流出を実現するものである。
特許文献１の案内羽根入り吹出エルボは、縮小エルボ（拡大率ｆ：ｆ＜１）、等寸エルボ（拡大率ｆ：ｆ＝１）、拡大エルボ（拡大率ｆ：１＜ｆ≦２５）の何れにも適用可能であるが、特に案内羽根入り拡大吹出エルボは多くの分野に適用が期待される。

特許第２７０６２２２号

特許文献１の案内羽根入り吹出エルボには、エルボ内壁に沿うｎ＝１部分流路に剥離停滞渦が残存し、流動が該部で停滞するという問題がある。このため、エアカーテンや熱交換器等に特許文献１の案内羽根入り吹出エルボを利用すると、気流幕部分欠損や部分的ダスト堆積等が発生する可能性がある。
図１の案内羽根入り吹出拡大エルボ１の流線を図２に示す。エルボ流入口２からエルボ１に流入した流体は、エルボ内壁４、案内羽根５、６、７、エルボ外壁８で構成される４個の部分流路に分散して流入し減速される。エルボ内壁４、案内羽根５、６、７の凸状裏面上に複数の小渦で構成される剥離停滞渦が発生し、エルボ流出口３の位置に停滞する。案内羽根５、６、７の凹状表面上を流れる高速流体が、エルボ流出口３の位置で、案内羽根５、６、７の凸状裏面上に形成された剥離停滞渦と接触し誘引することにより、ｎ＝２部分流路、ｎ＝３部分流路、ｎ＝４部分流路に、且つエルボ流出口３の位置に、固定単一渦１０、１１、１２が形成される。固定単一渦１０、１１、１２の大きさは部分流路の大きさに比例し、固定単一渦１０、１１、１２の中心はエルボ流出口３が形成する直線であって、エルボ流出方向に直交する直線上に整列する。剥離停滞渦が高速流体の誘引で固定単一渦化する現象については、論文「つば付きディフューザ風車の集風効果に関する数値解析」（数値流体力学シンポジウム講演論文集 九州大学 古谷雅人他 ２００３）において、発電用プロペラ風車にディフューザ外枠を付設し、外枠内側に発生した剥離停滞渦が高速外気流によって低圧固定単一渦化する現象を利用して、増風効果を得る方法が報告されている。
ｎ＝２部分流路、ｎ＝３部分流路、ｎ＝４部分流路においては、固定単一渦１０、１１、１２に隣接する流れがエルボ流出口３よりも下流側で縮流することなく固定単一渦１０、１１、１２を回り込んで拡大減速し均一平行流になる。
しかしｎ＝１部分流路においては、エルボ内壁４の凸状裏面上に形成された剥離停滞渦９に隣接する高速流がないので、剥離停滞渦９が固定単一渦化せずに残存し、エルボ流出口３を越えて内壁下流側のダクトに沿って拡大し、エルボ流出口３からの距離の増加と共に縮小して消滅する。
図２の流線に対応する流速分布を図３に示す。エルボ流出口３の位置であるＸ_０位置に固定単一渦１０、１１、１２及び剥離停滞渦９の中心部が存在する。固定単一渦領域よりも下流のＸ_１位置では、案内羽根５、６、７の凹状表面に沿った同一速度の高速流と、固定単一渦１０、１１、１２を回り込んで拡大した流れが形成する減速流とが存在し、波状速度分布が形成される。エルボ外壁８の凹状表面に沿った高速流は壁に沿う流れとなり減速率は低い。エルボ内壁４の凸状裏面に沿った剥離停滞渦９は残存しておりエルボ内壁下流側のダクトに沿って逆流を形成している。Ｘ_１位置よりも下流のＸ_２位置では、エルボ内壁下流側のダクト近傍部を除いて流速分布は均一平行化するが、エルボ内壁下流側のダクトに沿って逆流が残存する。当該逆流は、エルボ流出口３からの距離の増加と共に減衰する。
拡大率ｆ＝５の案内羽根入り吹出エルボに、１２ｍ／秒の高速空気流を流入させた時の減速噴流の写真を図４に示す。図３のエルボ流出口３位置に形成された固定単一渦が透明部分として可視化されている。この固定単一渦は、気流に白煙を注入した直後に、固定単一渦内に白煙が充満する直前に１秒以下の短時間のみ可視化され、白煙の充満後に不可視化される。図４の減速噴流は全体が整然とした矩形を形成しており、流出空気の流線が同一方向に収束していることが分かる。ｎ＝１部分流路に相当するエルボ出口３の左端部には、逆流により白煙が見られない。従って噴流の場合にはｎ＝１部分流路には流出口の機能は無い。噴流使用、ダクト内使用の何れの場合でも、エルボ内壁に沿うｎ＝１部分流路に流出欠落が発生する。
上記説明から分かるように、特許文献１の案内羽根入り吹出エルボは、エルボを直角曲がり案内羽根で相似部分流路に分割し、案内羽根の凸状裏面上に発生する剥離停滞渦を、案内羽根の凹状表面上を流れる高速流体の誘引によって固定単一渦化することにより、ｎ＝１部分流路を除く部分流路からの均一平行流の流出を可能にするものであるが、ｎ＝１部分流路では剥離停滞渦の残存により流出欠落を発生させるという問題を有している。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、均一平行流の流出と流出欠落の防止とを実現できる案内羽根入り吹出エルボを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、曲板の前後に平板を接続した案内羽根をエルボ内に配設した案内羽根入り吹出エルボにおいて、次式に基づきｍ個の相似部分流路を形成し、エルボ内壁を隣接する案内羽根の曲板と同心の曲板に変形させ、ｎ＝１部分流路を流路幅が流路入口幅ｂ_１の同心ベンド等幅流路としたことを特徴とする矩形断面で拡大率ｆが１＜ｆ≦５の案内羽根入り吹出エルボを提供する。
ｐ＝ｈ／〔｛ｆ／（ｆ−ｒ）｝^ｍ−１〕
・・・・（１式）
ａ_ｎ＝ｐｒ｛ｆ／（ｆ−ｒ）｝^ｎ
・・・・・・・（２式）
ｂ_ｎ＝ａ_ｎ／ｆ
・・・・・・・・・・・・・・・（３式）
ｐ：案内羽根流出端張出し長さ
ｈ：流入口幅
Ｗ：流出口幅
ｆ：エルボ拡大率（ｆ＝Ｗ／ｈ）
ｒ：部分流路縦横比（ただし、ｒ＜ｆ）
ｍ：部分流路数
ａ_ｎ：ｎ番目の部分流路出口幅（ただし、ｎがｏの場合は内壁半径、ｎがｍの場合は外壁半径を示す）
ｂ_ｎ：ｎ番目の部分流路入口幅
本発明においては、特許文献１の案内羽根入り吹出拡大エルボにおいて、ｎ＝１部分流路を流路幅ｂ_１の同心ベンド等幅流路に変形して、ｎ＝２部分流路に隣接しエルボ内壁に沿う高速流路を形成し、前記高速流路を流れる高速流体の誘引によって、ｎ＝２部分流路内の剥離停滞渦を固定単一渦化することにより、ｎ≧２部分流路で固定単一渦を形成し、且つエルボ内壁に沿う剥離停滞渦の発生を防止して、均一平行流の流出と流出欠落の防止とを実現した。

本発明の好ましい態様においては、上記の案内羽根入り吹出エルボを直列に２個連結したことを特徴とする拡大率ｆが１＜ｆ≦２５の複式案内羽根入り吹出エルボを提供する。
本願発明の案内羽根入り吹出エルボを直列に２個連結することにより、拡大率を大幅に増加させることができる。

特許文献１の案内羽根入り吹出エルボの構造図である。 特許文献１の案内羽根入り吹出エルボの流線図である。 特許文献１の案内羽根入り吹出エルボの流速分布図である。 特許文献１の案内羽根入り吹出エルボの噴流写真である。 本発明の実施例に係る案内羽根入り吹出エルボの構造図である。 本発明の実施例に係る案内羽根入り吹出エルボの流線図である。 本発明の実施例に係る案内羽根入り吹出エルボの流速分布図である。 本発明の実施例に係る複式案内羽根入り吹出エルボの構造図である。（ａ）は側面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。

本発明の実施例に係る案内羽根入り吹出エルボを説明する。
図５に示すように、特許文献１と同一の式を用いて形成した案内羽根入り吹出拡大エルボ１００において、エルボ内壁１４を隣接する案内羽根１５の曲板と同心の曲板に変形させ、ｎ＝１部分流路を流路幅が流路入口幅ｂ_１の同心ベンド等幅流路とした。
図５の案内羽根入り吹出拡大エルボ１００の流線を図６に示す。エルボ流入口１２からエルボに流入した流体は、各部分流路に分散して流入し、エルボ流出口１３から流出する。ｎ＝３部分流路とｎ＝４部分流路とから流出した流体はエルボ流出口１３位置に固定単一渦２１、２２を形成した後、固定単一渦２１、２２を回り込んで拡大減速し均一平行流になる。ｎ＝２部分流路から流出した流体は、ｎ＝１部分流路である同心ベンド等幅流路から流出した高速流体に吸引されてエルボ流出口１３位置に固定単一渦２０を形成した後、固定単一渦２０を回り込んで拡大減速し均一平行流になる。ｎ＝１部分流路である同心ベンド等幅流路から流出した流体は、エルボ内壁に沿う流れを維持した後、拡大する。エルボ内壁に沿う剥離停滞渦は発生しない。エルボ外壁１８に沿って流出した流体も、エルボ外壁１８に沿う流れを維持した後、拡大する。
図６の流線図に対応する流速分布を図７に示す。エルボ流出口１３の位置であるＸ_０位置には互いに相似の固定単一渦２０、２１、２２から成る固定単一渦列が形成される。Ｘ_０位置よりも下流のＸ_１位置では、エルボ内壁１４とエルボ外壁１８とに沿う流速が大きく、中間部は最大流速が等しい安定した波形流速分布になる。エルボ内壁近傍の流出欠落は発生しない。この結果、Ｘ_１位置よりも下流のＸ_２位置では、流出欠落の無い均一平行流速分布になる。

本発明の実施例に係る複式案内羽根入り吹出エルボを図８に示す。
複式案内羽根入り吹出エルボ２００は、本発明の実施例に係る１次案内羽根入り吹出エルボ２３を備えている。１次エルボ２３は流入口２４と流出口２５とを有している。複式案内羽根入り吹出エルボ２００は、本発明の実施例に係る２次案内羽根入り吹出エルボ２６を備えている。２次エルボ２６は流入口２７と流出口２８とを有している。１次エルボ２３と２次エルボ２６とは、１次エルボ２３の流出口２５に２次エルボ２６の流入口２７が当接し、２次エルボ２６の流出口２８が１次エルボ２３の流入口２４に直交するように、直列に連結されている。１次エルボ２３、２次エルボ２６の拡大率ｆは、共にｆ＝５である。従って、複式案内羽根入り吹出エルボ２００の流入口２４と流出口２８の面積比は２５である。複式案内羽根入り吹出エルボ２００は、急拡大用エルボとして自動車用空調ユニットの吹出口等に有用である。

本発明を、各種産業用装置の流体流入部、風洞装置やエアカーテン等の減速噴流吐出部、ガスタービンや発電プラント等の高速排気減速部、燃焼・乾燥装置用風箱の整流部等に利用してこれら装置の性能向上、小型化を図ることができる。拡大エルボの減速効果による静圧再取得により、ファンやポンプの負荷を軽減して、省エネを図ることができる。

１、１００、２３、２６ 案内羽根入り吹出エルボ
２、１２、２４、２７ エルボ流入口
３、１３、２５、２８ エルボ流出口
４、１４ エルボ内壁
５、６、７、１５、１６、１７ 案内羽根
８、１８ エルボ外壁
９ 剥離停滞渦
１０、１１、１２、２０、２１、２２ 固定単一渦
２００ 複式案内羽根入り吹出エルボ

Claims (2)

1. 曲板の前後に平板を接続した案内羽根をエルボ内に配設した案内羽根入り吹出エルボにおいて、次式に基づきｍ個の相似部分流路を形成し、エルボ内壁を隣接する案内羽根の曲板と同心の曲板に変形させ、ｎ＝１部分流路を流路幅が流路入口幅ｂ_１の同心ベンド等幅流路としたことを特徴とする矩形断面で拡大率ｆが１＜ｆ≦５の案内羽根入り吹出エルボ。
   ｐ＝ｈ／〔｛ｆ／（ｆ−ｒ）｝^ｍ−１〕
   ・・・・（１式）
   ａ_ｎ＝ｐｒ｛ｆ／（ｆ−ｒ）｝^ｎ
   ・・・・・・・（２式）
   ｂ_ｎ＝ａ_ｎ／ｆ
   ・・・・・・・・・・・・・・・（３式）
   ｐ：案内羽根流出端張出し長さ
   ｈ：流入口幅
   Ｗ：流出口幅
   ｆ：エルボ拡大率（ｆ＝Ｗ／ｈ）
   ｒ：部分流路縦横比（ただし、ｒ＜ｆ）
   ｍ：部分流路数
   ａ_ｎ：ｎ番目の部分流路出口幅（ただし、ｎがｏの場合は内壁半径、ｎがｍの場合は外壁半径を示す）
   ｂ_ｎ：ｎ番目の部分流路入口幅
2. 請求項１に記載の案内羽根入り吹出エルボを直列に２個連結したことを特徴とする拡大率ｆが１＜ｆ≦２５の複式案内羽根入り吹出エルボ。

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