JP5901836B2 - 換気扇およびシャッター開閉機構 - Google Patents
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Description
すなわち、換気扇は壁に形成された貫通孔に据え付けられるものであって、全体を支持し壁に固定する機能を持ち、室内側と室外側とがそれぞれ開口した枠体(フレーム)と、枠体に支持された電動機と、電動機の回転軸にスピンナー(固定手段)によって着脱可能に固定されたファンと、枠体に固定され、ファンを包囲して風洞を形成する着脱可能なオリフィスを備えている。
そして、電源ケーブルによって供給される電源を、電源スイッチ等により制御することによってファン(電動機)を回転駆動させ、室内側の空気と室外側の空気との間に気流を形成し、室内を換気している。
また、枠体には、換気を行わないときに室内と室外とを遮断するためのシャッターが備えられている。例えば、風圧式のシャッターは、ファン(電動機)を起動しファンによる気流が形成されると、シャッターを押す圧力によって開放(室内と室外とが連通)され、ファン(電動機)を停止しファンによる気流が形成されないと、シャッターを押す圧力が無くなりシャッターは閉鎖(室内と室外とを遮断)する。
そして、複数のシャッター板の上縁寄りの位置にはシャッター軸に平行な連結軸が設けられ、かかる連結板を回動自在に保持する連結板によって、複数のシャッター板は互いに連結されている。
すなわち、本発明に係るシャッター開閉機構は、ばねが一対のシャッター腕(同様な移動をする)に跨がって取り付けられているから、特許文献1の図1に示すようなばね配置用のスペースを必要としない分、シャッター開閉機構を薄く(小さく)することができ、また、特許文献1の図3に示すような、ばねが連結板と枠体(移動しない)とに跨がって取り付けられたものと相違し、ばねの変形量が小さくなっている。
図1〜図3は、本発明の実施の形態1に係るシャッター開閉機構を説明するものであって、図1は全体を示す斜視図、図2はシャッターが閉じたときを示す側面図、図3はシャッターが開いたときを示す側面図である。なお、各図は、部材の一部(枠体の側壁)を透視したものであって、模式的に示しているから、本発明は図示された形態に限定するものではない。
図1〜図3において、シャッター開閉機構100は、側壁11、12、13、14によって包囲された矩形状の枠体10と、側壁11のうちの対向する側壁12、14に回動自在に設置されたシャッター板20a、20b、20cとを有している(シャッター板20aの下方および上方に、それぞれシャッター板20bおよびシャッター板20cが配置されている)。
シャッター板20a、20b、20cは、略矩形状のシャッター面21a、21b、21cを有し、シャッター面21a、21b、21cの一方(図1において、上側)の側縁22a、22b、22c寄りの位置に設けられたシャッター回動軸41a、41b、41cにおいて、枠体10に回動自在に設置されている。
また、一方の側縁22a、22b、22c寄りの位置には、シャッター面21a、21b、21cに対して傾斜した(シャッター面21a等に対して平行または同一面でない)シャッター腕40a、40b、40cが固定され、シャッター腕40a、40b、40cは、シャッター腕40a、40b、40cに設けられた連結回動軸43a、43b、43cにおいて、連結板30によって互いに連結されている。
このとき、ばね50は伸長または圧縮された状態で取り付けられているから、シャッター腕40aとシャッター腕40bとには(シャッター板20aとシャッター板20bとには)、互いに反対方向に回転させようとするトルクが作用している。
また、本発明は3枚のシャッター板20a、20b、20cに限定するものではなく、シャッター板は複数であれば何枚であってもよい。
なお、以下、それぞれの部材(部位)について共通の内容を説明する場合には、部材(部位)に付した符号の小番「a、b、c」の記載を省略する。
そして、シャッター板20の一部を折り曲げ加工して、シャッター腕40をシャッター板20と一体的に形成してもよいから、シャッター回動軸41は、シャッター板20の回動軸、あるいはシャッター腕40の回動軸に相当している。また、シャッター回動軸41の構造は限定するものではなく、軸部または軸受部を、それぞれ固定側または回動側の何れに設けてもよい。
そうすると、前記回転に伴って、シャッター腕40aに作用するトルクのトルクアーム長さC(図4参照)と、シャッター腕40bに作用するトルクのトルクアーム長さD(図3参照)とが変動するため、かかる2つのトルクの差分として「開閉補助トルク」が発生する(これについては別途詳細に説明する)。
図4において、シャッター回動軸41aとばね取付部45aと結ぶ線分を回転線分46aとして、回転線分46aの長さである回転半径を「A」とし、シャッター回動軸41bとばね取付部6bと結ぶ線分を回転線分46bとして、回転線分46bの長さである回転半径を「B」としたとき、前記回転半径には「A>B」の関係がある。
また、ばね50(ばね50の荷重方向)が回転線分46aとなす角度である荷重角度を「α」とし、ばね50(ばね50の荷重方向)が回転線分46bとなす角度である荷重角度を「β」としたとき、シャッター板20が開く(開き角度「θ」が増加する)につれて、荷重角度αは直角に向かって増加し、一方、荷重角度βは0°に向かって減少するように、ばね取付部45a、45bは配置されている。
そうすると、シャッター腕40aには、「ばね荷重Q」と「Asinα」で算出されるトルクアーム長さCとの積「QC=QAsinα」であるシャッター板20aを開く方向の「トルクTa」が作用し、一方、シャッター腕40bには、「ばね荷重Q」と「Bsinβで」算出されるトルクアーム長さDとの積「QD=QBsinβ」であるシャッター板20bを閉じる方向の「トルクTb」が発生するが、シャッター腕40aとシャッター腕40bとは連結板30によって繋がれていることにより、シャッター開閉機構100は、2つのトルクの差分(Ta−Tb)を開閉補助トルクとして発生させる。
また、シャッター板20が回動する際、ばね取付部45a、45bは何れも同じ方向に回転移動するから、ばね50の一端を枠体10に取付けた場合よりも、ばね50の変形量が小さくなることによりばね荷重の低下が抑制され、発生するトルク(開閉補助トルク)の増加率を大きくすることができる。
なお、以上は、ばね50が引っ張りばね(伸長することによってばね荷重が発生する)であるものを説明しているが、本発明は引っ張りばねに限定するものではなく、圧縮ばね(圧縮することによってばね荷重が発生する)であってもよい。
そのため、シャッター板20の開き角度θが小さい範囲において、トルクアームに「C<D」の関係があったとしても、シャッター開閉機構の発生する閉じる方向の補助トルクは「To−Ts」よりも小さく、動作上の問題はない。
そして、トルクアームに「C>D」の関係が必要になるのは、開き角度θが大きくなり、「To<Ts」になった場合であって、このときにばね50の変形を抑制して必要な開閉補助トルクを発生させる効果が得られる。
図5において、シャッター回動軸41aとシャッター回動軸41bとを結ぶ直線(シャッター回動軸41cとシャッター回動軸41bとを結ぶ直線に同じ)を基準線15とし、基準線15と回転線分46aとがなす角度を「α’」と、基準線15と回転線分46bとがなす角度を「β’」とし、シャッター回動軸41aとシャッター回動軸41bとの距離を「E」としたとき、シャッター板20の開き角度θ(基準線15とシャッター面21とがなす角度に相当する)との関係で、トルクアーム長さC、Dおよびばね50の長さSは以下の式で表すことができる。
なお、ばね取付部45aとばね取付部45bとの基準線15に対して垂直な方向の距離を「x」と、ばね取付部45aとばね取付部45bとの基準線15に対して平行な方向の距離を「y」としている。
よって、小型(薄型)でありながら、所望の開閉特性を選定して有することができる。
図7Aおよび図7Bは、ばねの変形量抑制状況を説明するものであって、図7Aは本発明のリンク機構におけるばねの動作を表す模式図および該模式図中のパラメータに関する数式、図7Bは比較のための特許文献1の図3に示されたリンク機構におけるばねの動作を表す模式図および該模式図中のパラメータに関する数式である。
また、シャッター全閉時のばね長(S0(以降、シャッター開き角度θの関数である記号については、シャッター全閉時のものには添え字0を付けて表す))に対する変形後のばね長(S)の割合(S/S0)は、式3aであるから、前記式を代入して式3bのように書き表すことができる。なお、三平方の定理上、式3bの右辺の平方根の中は、分母も分子も正の数である。この式の平方根内を展開し、三角関数の加法定理を用いて整理すると、式3cのように書き表すことができる。
そして、式を簡単にするために各部位の寸法を揃えれば、右辺に、「F=A」、「ε=α´」、G=E−Bcosβ´」および「H=Bsinβ´」を代入して整理すると式5cがえられる。このとき、式5c中の各パラメータは式6a〜式6gである。
さらに、式5cの両辺を二乗して共通項を整理すると式7が得られ、式7中の各パラメータに式6を戻して計算すれば、式8が得られる。
すなわち、式8が成り立てば、ばね変形量抑制の効果が得られる。
このときの開閉補助トルクの増加率を、発明の構造のばね定数ks、ばね自然長Sfと、比較のためのリンク構造のばね定数kr、ばね自然長Rf、図8に示すトルクアーム長さJを用いて比較すれば、以下の式9aになる。ただし、実施の形態1の用途から、開閉補助トルクの増加率は正の数で、また、「Sf<S<S0、Rf<R<R0」とする。
そして、両構造の各部位の寸法およびばね特性を揃えて「S0=R0、D0=J0、ks=kr、Sf=Rf」とし、式9aを整理すれば、式9bが得られる。
よって、式9aや式9bが成り立てば開閉補助トルクの増加率が大きくなる効果を得られる。また、式9bにおいて、(S/S0)が(R/R0)より大きいほど(左辺−右辺)が大きくなることから、ばね変形量が抑制されることで開閉補助トルクの増加率が大きくなることが分かる。
Dが小さく、D0が大きくなる条件を考えれば、数1より、D=Bsin{180−(β´+θ)+γ}=Bsin(β´+θ−γ)、D0=Bsin(β´−γ0)であるので、角度(β´+θ−γ)が0°に近く、角度(β´−γ0)が90°に近ければ良い。ここで、角度θ、γ、γ0の範囲について考えれば、角度θはシャッター開き角度なので0°〜70°程度であり、角度γやγ0は、シャッター開閉機構の奥行寸法を小さくするという本発明の目的により、寸法Aが寸法Eに対し小さい構造とするならば、数1の式から、γは25°程度、γ0は0〜10°程度である。よって、β´を100°〜120°程度にすれば、Dが小さく、D0が大きくなり、開閉補助トルクの増加率が大きくなる効果を得易い。
図9は、このときの両構造の開閉補助トルクおよび、シャッター板が自重により閉じる方向のトルクTsを、シャッター開き角度θとの相関で表しグラフにしたものである。Tsは「シャッター軸を中心に回転するシャッター重心」の水平位置の関数であるため、sin曲線で増加するが、本発明の構造の開閉補助トルクはTsの曲線に沿った特性を描き、シャッターの回動範囲全てで、シャッターが開きやすい特性を得ていることが分かる。
なお、比較のためのリンク構造でも、角度εと寸法Hを0に近づけることで、計算の上では本発明の構造に近いトルク特性を得られるが、実際には連結板やばねがシャッター軸に近づきすぎて干渉しないよう、特許文献1の図3のようにばね取付部をシャッター軸から離した寸法にせざるを得ず、実現できない。
図10は本発明の実施の形態2に係る換気扇を説明するものであって、各部材を分離して模式的に示す斜視図である。なお、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図10において、換気扇200は、建造物の壁に形成された貫通孔(図示しない)に据え付けられるものであって、実施の形態1において説明したシャッター開閉機構100と、シャッター開閉機構100の枠体10の側壁11、13に跨がって固定された電動機固定梁211と、電動機固定梁211に固定された電動機212と、電動機212の電動機回転軸213にスピンナー(固定手段)214によって着脱可能に固定されたファン215と、枠体10に着脱自在に設置され、ファン215を包囲して風洞を形成する(ファン215からの送風をシャッター板20に向かって案内する風路を形成する)着脱可能なオリフィス216と、を備えている。
したがって、使用者が図示しない壁スイッチ等により電源線221に通電し電動機212を起動(ON)したとき、シャッター板20はファン215からの送風による風圧を受ける。このとき、シャッター板20には実施の形態1において説明したシャッター板20を開かせる方向に作用する開閉補助トルクが作用しているから、風圧と開閉補助トルクによってシャッター板20は円滑かつ確実に開くことになる。
そして、使用者が、再度壁スイッチ等により電動機212を停止(OFF)すると、シャッター面21に作用する風圧が無くなるため、開閉補助トルクのみではシャッター板20の重さを支えられず、シャッター板20は閉まる方向に回動する。さらに、シャッター開度が小さくなって、トルクアーム長さが「C<D」になった以降は、シャッター板20には閉じる方向の開閉補助トルクが作用するため、シャッター板20はシャッターが閉じた状態において室外からの風に煽られて室内外に気圧差が発生しても、確実に閉じた状態を保持することになる。
なお、本発明は、換気扇200を、室内の壁面に形成された貫通孔に設置され、当該室内を換気するものに限定するものではなく、一方側に向けて送風する「送風機」であってもよい。
Claims (5)
- 矩形状の枠体と、
一方の側縁寄りの位置が、前記枠体に回動自在に設置された複数のシャッター板と、
該複数のシャッター板の一方の側縁寄りに固定され、それぞれ前記複数のシャッター板に対して傾斜したシャッター腕と、
該複数のシャッター腕を互いに連結する連結板と、
前記複数のシャッター腕のうちの何れか一対のシャッター腕に跨がって取り付けられたばねと、
を有し、
前記ばねによる前記一対のシャッター腕の一方のシャッター腕に作用するトルクと、前記ばねによる前記一対のシャッター腕の他方のシャッター腕に作用するトルクとは、大きさおよび方向の一方または両方において相違することを特徴とするシャッター開閉機構。 - 前記ばねは、伸長された状態で取り付けられた引っ張りばね、または圧縮された状態で取り付けられた圧縮ばねであることを特徴とする請求項1記載シャッター開閉機構。
- 前記ばねが取り付けられている一方のシャッター腕において、前記ばねが取り付けられている位置であるばね取付部と、該一方のシャッター腕が固定されている前記シャッター板の前記枠体に対する回動中心であるシャッター軸との距離と、前記ばねが取り付けられている他方のシャッター腕において、前記ばねが取り付けられている位置であるばね取付部と、該他方のシャッター腕が固定されている前記シャッター板の前記枠体に対する回動中心であるシャッター軸との距離とが相違し、
前記一方のシャッター腕における前記ばね取付部と前記シャッター軸とを結ぶ線が前記ばねとなす角度と、前記他方のシャッター腕における前記ばね取付部と前記シャッター軸とを結ぶ線が前記ばねとなす角度と、が相違することを特徴とする請求項1記載のシャッター開閉機構。 - 前記構造において、ばねによって一方のシャッターに発生するトルクと他方のシャッターに発生するトルクの大小が、シャッターが回動する範囲において入れ替わることで、シャッターが閉じた状態ではシャッターが閉じる方向に作用する開閉補助トルクが発生することを特徴とする請求項1記載のシャッター開閉機構。
- 請求項1〜4の何れか一項に記載のシャッター開閉機構と、
前記枠体に設置された電動機と、
該電動機の回転軸に着脱自在に設置されたファンと、
前記枠体に着脱自在に設置され、前記ファンからの送風を前記複数のシャッター板に向けて案内するオリフィスと、
を有することを特徴とする換気扇。
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