JP6840172B2 - 流体機器 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機、掃除機、空調機等の、翼を備えた流体機器に関する。

遠心圧縮機、掃除機、空調機等の流体機器においては、複数の翼の間に流路が形成されており、その流路において断面積が変化する。流路断面積が変化することによって、流速が変化する。ベルヌーイの定理によれば、圧力が増加すると流速が減少する。また、流体の境界層内の流れは粘性により減速しているため、運動エネルギーが小さくなっている。このため、流体機器において流体が流れる翼の表面付近では、流体は翼の表面に沿って流れることができずに流れが剥離する場合がある。

このような流体機器における流れの剥離は、流体機器のサージマージンの低下や騒音を引き起こすという問題がある。
また、翼の表面で流れの摩擦抵抗が生じ、これが流体機器のエネルギー損失を引き起こすという問題がある。

本技術分野に関連する技術として、例えば特許文献１〜５に記載の技術が存在する。
特許文献１には、熱交換器および他の部品に用いられる熱伝達管の内面にフィンが設けられており、これにより熱伝達性能を向上させる技術が開示されている。

特許文献２には、吸込管の壁面もしくは吸込管内に配置されたフラップの表面に凹凸の構成をした不規則表面が設けられており、これによって流れの剥離および渦流形成を回避する内燃機関の吸気系のための吸込管が開示されている。

特許文献３には、ハブの表面に複数本の溝を形成することで境界層の拡大あるいは流れの剥離を防止し、圧縮機の高効率化を図るインペラが開示されている。

特許文献４には、垂直軸風車のブレード翼にリブレットが設けられており、これによって回転特性の改善と回転に伴う騒音を抑制する技術が開示されている。

特許文献５には、遠心圧縮機のインペラ内側流路の側壁面に、インペラの出口に向けて徐々に高くなるリブレットが設けられており、これによって速度及びエネルギーの欠損を抑制し、インペラの効率低下を抑制する技術が開示されている。

特表２００４−５２４５０２号公報 特表２００５−５２５４９７号公報 特開２００５−１６３６４０号公報 特開２００８−００８２４８号公報 特開平９−２６４２９６号公報

岡本史紀、他２名、「リブレットを用いた管内流の摩擦抵抗減少について」、日本機械学会論文集（Ｂ編）、２００２年４月２５日、第６８巻、第６６８号、ｐ．１０５８−１０６４

流体機器における流れの剥離を防止するためには、境界層と主流との間に運動量交換を発生させ、境界層内の弱い流れに主流の強い流れを与えることで、境界層内の運動エネルギーを増加させることが有効と考えられる。そして、境界層内の運動エネルギーを増加させ、流れの剥離を防止するためには、境界層内に小さい渦を発生させ、さらにその渦を主流方向に運ぶことで、境界層と主流との間で運動量交換を発生させることが有効と考えられる。

特許文献１に記載の技術では、熱交換器および他の部品に用いられる熱伝達管の内面に、互いに交差する２方向のフィンが設けられている。そのため、フィンによって形成された溝内に小さな渦が発生する可能性がある。しかし、溝内に形成された小さい渦を主流方向に運ぶ機構が無く、渦は溝内に留まったままである。

特許文献２に記載の技術では、フラップの表面に凹凸が形成されている。そして、特許文献２の図５に記載されている凹凸（鮫鱗）は、流れ方向に対して傾斜を有しているが、小さい渦が発生した場合にそれを主流に運ぶ効果については不明である。また、凹凸の流れに垂直な断面の形状については記載されていない。そのため、境界層に小さい渦が発生するか否かも不明である。

このように、特許文献１，２に記載の技術のいずれも、境界層内に渦を発生させてそれを主流方向に運ぶ機構を備えるものではない。したがって、境界層と主流との間で運動量交換が起こりにくいため、境界層内の運動エネルギーを増加させることができず、流れの剥離を十分に抑制することができない。また、特許文献１，２に記載の技術においては、流路表面に凹凸を設けると、その凹凸によって流れの摩擦抵抗が増加してしまう可能性がある。

特許文献３〜５の技術は、いずれも流れに沿った方向のみに溝を形成する凹凸構造が設けられている。このような構造を、以下リブレットと呼ぶ。リブレットを設けることによって流れの摩擦抵抗が低減することが、例えば非特許文献１に記載されている。このことから、特許文献３〜５の技術によれば、流れの摩擦抵抗が低減する可能性がある。しかし、リブレットは、溝内に形成された小さい渦を主流方向に運ぶ機構を有しておらず、渦はリブレット内に留まったままであるため、流れの剥離を抑制する効果は期待できない。

前記したように、特許文献１〜５の技術では、流れの剥離の抑制と、流れの摩擦抵抗の低減との両方を実現することはできない。

本発明は、前記した事情に鑑みなされたものであり、流体機器において流れの剥離を抑制するとともに流れの摩擦抵抗を低減することを課題とする。

上記課題を達成すべく、本発明に係る流体機器は、間を通って流体が流れる複数の翼と、前記翼の表面である翼表面に設けられ該翼表面から突出した形状を呈する複数の構造体と、前記翼表面に設けられ該翼表面から陥没した形状を呈する複数のリブレットと、を備え、前記流体の流れに平行であり且つ前記翼表面に垂直に交わる平面で前記構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面は、前記翼表面上の点から前記流体の流れの下流側であり且つ前記翼表面から離れた点へ延びる辺を有し、複数の前記構造体のうちの隣り合う２つの構造体の間に、構造体間流路が形成されており、前記構造体間流路は複数形成されており、複数の前記構造体間流路の各々において、前記構造体間流路を流れる前記流体が接触する前記２つの構造体の一方における部分である平面の面積と、他方における部分である平面の面積とが異なることを特徴とする。

本発明によれば、流体機器において流れの剥離を抑制するとともに流れの摩擦抵抗を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る流体機器に用いられるディフューザを中心軸方向から見た図である。 図１に示されるディフューザの翼を模式的に示す斜視図である。 第１実施形態に係る流体機器における翼表面に設けられた構造体を示す斜視図である。 （ａ）は、流体の流れに平行であり且つ翼表面に垂直に交わる平面で構造体の頂点である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。 （ａ）は、流体の流れに垂直な平面でリブレットを切断したときの第３断面図の一例を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面でリブレットを切断したときの第３断面図の他の一例を示す図である。 （ａ）は、上昇流の発生を説明するための図である。（ｂ）は、渦の発生を説明するための図である。 第２実施形態に係る流体機器における翼表面に設けられた構造体を示す斜視図である。 （ａ）は、流体の流れに平行であり且つ翼表面に垂直に交わる平面で構造体の頂点である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。 第３実施形態に係る流体機器における翼表面に設けられた構造体を示す斜視図である。 （ａ）は、流体の流れに平行であり且つ翼表面に垂直に交わる平面で構造体の上側底面である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。 第４実施形態に係る流体機器における翼表面に設けられた構造体を示す斜視図である。 （ａ）は、流体の流れに平行であり且つ翼表面に垂直に交わる平面で構造体の上側底面である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。 第５実施形態に係る流体機器における翼表面に設けられた構造体を示す斜視図である。 （ａ）は、流体の流れに平行であり且つ翼表面に垂直に交わる平面で構造体の頂点である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。 第６実施形態に係る流体機器における翼表面に設けられた構造体を示す斜視図である。 （ａ）は、流体の流れに平行であり且つ翼表面に垂直に交わる平面で構造体の上側底面である頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面を示す図である。（ｂ）は、流体の流れに垂直な平面で構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面を示す図である。 数値流体解析で使用した解析モデルの全体構成を示す斜視図である。 上昇流の発生効果についての解析に使用した構造体モデルを示す拡大斜視図である。 傾斜角と、解析領域における流速のｚ方向成分の平均値との関係をプロットして表すグラフである。 （ａ）は、渦の発生効果について解析するための、一つ目の構造体モデルを示す拡大斜視図である。（ｂ）は、流れに垂直な平面で構造体モデルの頂部を通って当該構造体モデルを切断したときの断面を示す図である。 三角形の高さの比と、解析領域における渦度のｙｚ成分の平均値との関係をプロットして表すグラフであり、（ａ）が流速５０ｍ／ｓの場合の解析結果を示し、（ｂ）が流速１００ｍ／ｓの場合の解析結果を示す。 （ａ）は、渦の発生効果について解析するための、二つ目の構造体モデルを示す拡大斜視図である。（ｂ）は、流れに垂直な平面で構造体モデルの頂部を通って当該構造体モデルを切断したときの断面を示す図である。 三角形の底辺の長さの比と、解析領域における渦度のｙｚ成分の平均値との関係をプロットして表すグラフであり、（ａ）が流速５０ｍ／ｓの場合の解析結果を示し、（ｂ）が流速１００ｍ／ｓの場合の解析結果を示す。 流量と圧力差との関係をプロットして表すグラフであり、（ａ）は、流量Ｑが０から１の範囲の実験結果を示し、（ｂ）は、流量Ｑが０から２の範囲の実験結果を示す。 流量と、翼表面に構造体のみを設けたときの圧力差に対して構造体およびリブレットを設けたときの圧力差の増加分の比率との関係をプロットして表すグラフである。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。

（第１実施形態）
まず、図１〜図５を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体機器１００に用いられるディフューザ１０２を中心軸方向から見た図である。図２は、図１に示されるディフューザ１０２の翼１０１を模式的に示す斜視図である。ここでは、流体機器１００として、遠心圧縮機を例に挙げて説明する。

図１に示すように、ディフューザ１０２は、リング状のハブ板１０３と、ハブ板１０３の表面に立設された翼１０１とを有している。ディフューザ１０２に用いられる翼１０１は、複数存在することにより、複数の翼１０１の間が流路１となり、液体または気体の流れＦが発生する。すなわち、複数の翼１０１の間を通って流体が流れる。

図２に示すように、流体機器１００は、翼１０１の表面である翼表面２に設けられた複数の構造体４と、翼表面２に設けられた複数のリブレット３とを備えている。構造体４は、翼表面２から突出した形状を呈している。一方、リブレット３は、翼表面２から陥没した形状を呈している。リブレット３は、流れＦに沿った方向に溝を形成している。

図１〜図２に示すように、本実施形態では、液体または気体の流れＦにおいて流路断面積が変化し、流れＦの剥離が生じるリスクのある流路１を形成する翼表面２に、構造体４とリブレット３とが形成されている。流路１は、流れＦの上流から下流に向かって流路断面積が拡大する形状を呈しており、ここでは、遠心圧縮機である流体機器１００のディフューザ１０２として構成されている。ディフューザ１０２は、羽根車（図示せず）の下流側に配置されており、羽根車の出口から流入する流体の動圧を静圧へと変換するものである。ただし、流路１は、ディフューザ１０２に限定されるものではなく、流路断面積が変化する他の流路であってもよい。

翼表面２は、羽根車（図示せず）の回転方向に対して背面側になる面である負圧面と、その反対側の面である圧力面との総称である。したがって、リブレット３および構造体４は、ここでは翼１０１の負圧面および圧力面の双方に設けられているが、一方に設けられていてもよい。構造体４は、実験または流体解析によって把握される流れＦの剥離が生じやすい領域（例えば翼表面２の上流側端部領域）に設けられ、それ以外の領域の全体または一部にリブレット３が設けられることが好ましい。また、構造体４は、翼表面２の例えば２〜２０％の領域に設けられるが、これに限定されるものではない。

流路１を流れる流体は、例えば空気であり、流速は、例えば１００ｍ／ｓであるが、これに限定されるものではない。また、翼１０１と構造体４の材質は、例えばアルミニウム材料であるが、これに限定されるものではなく、アルミニウム材料以外の金属材料や、有機材料、無機材料であってもよい。

図３は、第１実施形態に係る流体機器１００における翼表面２に設けられた構造体４を示す斜視図である。図３に示すように、複数の構造体４は、少なくとも２種類以上の異なる錐体形状を呈する構造体５，６を含んでいる。

図４（ａ）は、流体の流れＦに平行であり且つ翼表面２に垂直に交わる平面で構造体４の頂点である頂部５１，６１を通って当該構造体４を切断したときの第１断面７を示す図である。
なお、図４（ａ）では、断面のハッチングを省略している（図４（ｂ）、図６（ａ）（ｂ）、図８（ａ）（ｂ）、図１０（ａ）（ｂ）、図１２（ａ）（ｂ）、図１４（ａ）（ｂ）、図１６（ａ）（ｂ）、図２０（ｂ）、図２２（ｂ）でも同様）。

図４（ａ）に示すように、第１断面７は、翼表面２上の点８から流体の流れＦの下流側であり且つ翼表面２から離れた点である頂部５１，６１へ延びる辺９と、翼表面２上に位置する底辺１０とを有する三角形を含んでいる。辺９と底辺１０とは、流れＦの上流側の点８を共有している。底辺１０と辺９とのなす角度αは、辺９の翼表面２に対する傾斜角を構成している。

図４（ｂ）は、流体の流れＦに垂直な平面で構造体４の頂部５１，６１を通って当該構造体４を切断したときの第２断面１１を示す図である。図４（ｂ）に示すように、第２断面１１は、少なくとも２種類の異なる多角形としての三角形１２，１３を含んでいる。

複数の構造体４のうちの隣り合う２つの構造体５，６の間には、構造体間流路１４が形成されている。そして、構造体間流路１４を流れる流体が接触する２つの構造体５，６のうちの一方の構造体５における部分である面５３の面積Ｓ１と、構造体間流路１４を流れる流体が接触する２つの構造体５，６のうちの他方の構造体６における部分である面６３の面積Ｓ２とが異なっている。

図４（ｂ）に示す第２断面１１は、高さの比（Ｈ２／Ｈ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる三角形１２，１３を含んでいる。かかる範囲において下限値以上とすることによって、小さい方の構造体６が実質的に存在しない状態を避けることができる。また、かかる範囲において上限値以下とすることによって、構造体間流路１４を流れる流体が接触する一方の構造体５における部分の面積Ｓ１と他方の構造体６における部分の面積Ｓ２との差異を顕著化できる。これにより、後記するように、翼表面２付近の境界層内に渦がより発生しやすくなる。

また、図４（ａ）に示す第１断面７において、辺９の翼表面２に対する傾斜角αは、１０度以上４５度以下、好ましくは２０度以上３０度以下である。かかる範囲において下限値以上とすることによって、辺９に対応する傾斜面５２，６２（図３参照）に沿った上昇流１５（図６参照）を効果的に生じさせることができる。また、かかる範囲において上限値以下とすることによって、傾斜面５２，６２が堰のように作用して流体の流れＦ自体を阻害してしまうことを抑制できる。これにより、後記するように、発生した渦が主流方向に、より効果的に運ばれる。

図５は、流体の流れＦに垂直な平面でリブレット３，３ａを切断したときの第３断面３１，３１ａを示す図である。図５（ａ）は、一つの例に係る第３断面３１の形状を示したものである。第３断面３１には、幅がＷｒ、高さがＨｒである三角形の溝断面３２が複数含まれている。図５（ｂ）は、もう一つの例に係る第３断面３１ａの形状を示したものである。第３断面３１ａには、幅がＷｒ、高さがＨｒである四角形の溝断面３２ａが複数含まれている。溝断面３２，３２ａの構成によれば、リブレット３，３ａをより簡易な形状とすることができる。

流体の流れＦに垂直な平面でリブレット３，３ａを切断したときの第３断面３１，３１ａの形状は、翼１０１のどの位置でリブレット３，３ａを切断しても同じ形状となっている。また、第３断面３１，３１ａの形状は、図５に限定されるものではない。

以下、翼表面２への構造体４およびリブレット３，３ａの形成方法に関して説明する。
本実施形態の構造体４およびリブレット３，３ａは、切削加工で形成することができる。切削加工には、例えば超精密立形加工機が使用され得る。工具としては、例えばｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）製のフラットエンドミルが使用され得る。工具の回転速度は、例えば６００００ｒｐｍとされる。このような切削加工を流れＦに平行な方向と流れＦに垂直な方向へ行うことによって、図３〜図４に示す構造体４、および図５に示すリブレット３，３ａを得ることができる。ただし、構造体４およびリブレット３，３ａの形成方法は、前記方法に限定されるものではない。

次に、流れの剥離を抑制できるメカニズムについて、図６を用いて説明する。
図６（ａ）は、上昇流の発生を説明するための図である。図６（ｂ）は、渦の発生を説明するための図である。

図６（ａ）の流れＦに平行であり且つ翼表面２に垂直に交わる第１断面７に示すように、流れＦに平行な方向に対する傾斜面５２，６２が存在するため、翼表面２から主流方向に流れる上昇流１５が生じる。

また、図６（ｂ）の流れＦに垂直な第２断面１１に示すように、第２断面１１に含まれる三角形１２，１３の高さＨ１，Ｈ２に違いが存在すると、構造体間流路１４において、流れＦの上流側から見て左右で流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に違いが生じる。その結果、流れＦの上流側から見て左右で構造体間流路１４が非対称となるため、面５３近傍の点と面６３近傍の点とでは流速が異なる。

ここで、密度をρとすると、ベルヌーイの定理は以下の（１）式で表される。

（１）式より流体の速度Ｕが減少すると圧力Ｐは増加する。したがって、構造体間流路１４に非対称性が存在することで、流れＦの上流側から見て左右で圧力差が生じ、この圧力差によって回転する流れ場１６が生じ、渦が発生しやすくなる。

前記したように、本実施形態に係る流体機器１００は、翼表面２から突出した形状を呈する複数の構造体４を備えている。そして、流れＦに平行であり且つ翼表面２に垂直に交わる平面で切断した構造体４の第１断面７は、翼表面２上の点８から下流側であり且つ翼表面２から離れた点である頂部５１，６１へ延びる傾斜した辺９を有している。また、複数の構造体４のうちの隣り合う２つの構造体５，６の間には、構造体間流路１４が形成されている。そして、構造体間流路１４を流れる流体が接触する２つの構造体５，６のうちの一方の構造体５における面５３の面積Ｓ１と、他方の構造体６における面６３の面積Ｓ２とが異なっている。

このように、本実施形態に係る構造体４は、渦を発生させる機構と、渦を主流に運ぶ機構とが備わっている。したがって、渦が、翼表面２付近に形成される境界層と主流との間の運動量交換を発生させる役割を果たす。このため、境界層の弱い流れに主流の強い流れを与えることができ、境界層の運動エネルギーが増加する。これにより、流体機器１００における流れＦの剥離をより抑制することができる。
また、流れＦの剥離を抑制することで、流体機器１００の作用効率の低下や騒音を抑制することができる。

つまり、本実施形態に係る構造体４においては、流れＦに平行な方向に対して傾斜面５２，６２が存在することと、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在することとが本質である。

また、本実施形態では、流れＦに平行であり且つ翼表面２に垂直に交わる平面で切断した構造体４の第１断面７は、翼表面２に対する傾斜角αが１０度以上４５度以下、好ましくは２０度以上３０度以下の辺９を有している。この構成によれば、発生した渦を上昇流１５によって主流方向に、より効果的に運ぶことができる。

また、本実施形態では、流体の流れＦに垂直な平面で構造体４の頂部５１，６１を通って当該構造体４を切断したときの第２断面１１は、少なくとも２種類の異なる多角形を含んでいる。これにより、構造体間流路１４を流れる流体が接触する一方の構造体５側の面５３の面積Ｓ１と、他方の構造体６側の面６３の面積Ｓ２とが異なる形状を具体的に構成することができる。

また、本実施形態では、構造体４は、錐体形状を呈している。また、第１断面７は、底辺１０を有する三角形を含み、第２断面１１は、少なくとも２種類の異なる三角形として、高さが異なる三角形１２，１３を含んでいる。この構成によれば、構造体４をより簡易な形状とすることができる。

また、本実施形態では、第２断面１１は、高さの比が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる三角形１２，１３を含んでいる。この構成によれば、翼表面２付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。

なお、図３に示した構造体４は、四角形の底面を有する四角錐体を呈しているが、底面の形状は、四角形に限らず、円形や多角形等の他の形状であってもよい。

さらに、本実施形態では、翼表面２に、図５に示すリブレット３，３ａが形成されている。これにより、翼表面２における流れＦの摩擦抵抗を低減する。流れＦの摩擦抵抗の低減を最も実現するためのリブレット３，３ａの溝断面３２，３２ａの幅Ｗｒ、および高さＨｒは、レイノルズ数によって決定することが非特許文献１に記載されている。非特許文献１を参考にして溝断面３２，３２ａの幅Ｗｒ、および高さＨｒを決定するとよい。
したがって、本実施形態によれば、流体機器１００において流れＦの剥離を抑制するとともに流れＦの摩擦抵抗を低減することができる。
なお、以下の実施形態では、リブレット３，３ａの形状が全て第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。

（第２実施形態）
次に、図７〜図８を参照しながら、本発明の第２実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。

図７は、第２実施形態に係る流体機器１００における翼表面２に設けられた構造体４ａを示す斜視図である。図７に示すように、複数の構造体４ａは、少なくとも２種類以上の異なる錐体形状を呈する構造体５ａ，６ａを含んでいる。

図８（ａ）は、流体の流れＦに平行であり且つ翼表面２に垂直に交わる平面で構造体４ａの頂点である頂部５１，６１を通って当該構造体４ａを切断したときの第１断面７を示す図である。図８（ｂ）は、流体の流れＦに垂直な平面で構造体４ａの頂部５１，６１を通って当該構造体４ａを切断したときの第２断面１１ａを示す図である。図８（ｂ）に示すように、第２断面１１ａは、少なくとも２種類の異なる多角形として、底辺２１，２２の長さＷ１，Ｗ２が異なる三角形１２ａ，１３ａを含んでいる。

このような第２実施形態に係る構造体４ａにおいても、流れＦに平行な方向に対する傾斜面５２，６２が存在し、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在する。したがって、第２実施形態によっても、流体機器１００における流れＦの剥離をより抑制することができる。

また、第２実施形態では、図８（ｂ）に示す第２断面１１ａは、底辺２１，２２の長さの比（Ｗ２／Ｗ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる三角形１２ａ，１３ａを含んでいる。これにより、翼表面２付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができ、その結果、翼表面２からの流れＦの剥離を防止できる。

（第３実施形態）
次に、図９〜図１０を参照しながら、本発明の第３実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。

図９は、第３実施形態に係る流体機器１００における翼表面２に設けられた構造体４ｂを示す斜視図である。図９に示すように、複数の構造体４ｂは、少なくとも２種類以上の異なる錐台形状を呈する構造体５ｂ，６ｂを含んでいる。

図１０（ａ）は、流体の流れＦに平行であり且つ翼表面２に垂直に交わる平面で構造体４ｂの上側底面である頂部５１ａ，６１ａを通って当該構造体４ｂを切断したときの第１断面７ａを示す図である。図１０（ａ）に示すように、第１断面７ａは、翼表面２上の点８ａから流体の流れＦの下流側であり且つ翼表面２から離れた頂部５１ａ，６１ａへ延びる辺９ａと、翼表面２上に位置する底辺１０ａとを有する四角形を含んでいる。辺９ａと底辺１０ａとは、流れＦの上流側の点８ａを共有している。底辺１０ａと辺９ａとのなす角度αは、辺９ａの翼表面２に対する傾斜角を構成している。第１断面７ａにおいて、翼表面２に対する辺９ａの傾斜角αは、１０度以上４５度以下、好ましくは２０度以上３０度以下である。これにより、発生した渦を主流方向に、より効果的に運ぶことができる。

図１０（ｂ）は、流体の流れＦに垂直な平面で構造体４ｂの頂部５１ａ，６１ａを通って当該構造体４ｂを切断したときの第２断面１１ｂを示す図である。図１０（ｂ）に示すように、第２断面１１ｂは、少なくとも２種類の異なる多角形として、高さＨ１，Ｈ２が異なる四角形１２ｂ，１３ｂを含んでいる。

このような第３実施形態に係る構造体４ｂにおいても、流れＦに平行な方向に対する傾斜面５２，６２が存在し、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在する。したがって、第３実施形態によっても、流体機器１００における流れＦの剥離をより抑制することができる。

また、第３実施形態では、図１０（ｂ）に示す第２断面１１ｂは、高さの比（Ｈ２／Ｈ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる四角形１２ｂ，１３ｂを含んでいる。これにより、翼表面２付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。

なお、図９に示した構造体４ｂは、四角形の上側底面および下側底面を有する四角錐台を呈しているが、上側底面および下側底面の形状は、四角形に限らず、円形や多角形等の他の形状であってもよい。

（第４実施形態）
次に、図１１〜図１２を参照しながら、本発明の第４実施形態について、前記した第３実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。

図１１は、第４実施形態に係る流体機器１００における翼表面２に設けられた構造体４ｃを示す斜視図である。図１１に示すように、複数の構造体４ｃは、少なくとも２種類以上の異なる錐台形状を呈する構造体５ｃ，６ｃを含んでいる。

図１２（ａ）は、流体の流れＦに平行であり且つ翼表面２に垂直に交わる平面で構造体４ｃの上側底面である頂部５１ａ，６１ａを通って当該構造体４ｃを切断したときの第１断面７ａを示す図である。図１２（ｂ）は、流体の流れＦに垂直な平面で構造体４ｃの頂部５１ａ，６１ａを通って当該構造体４ｃを切断したときの第２断面１１ｃを示す図である。図１２（ｂ）に示すように、第２断面１１ｃは、少なくとも２種類の異なる多角形として、底辺２１ａ，２２ａの長さＷ１，Ｗ２が異なる四角形１２ｃ，１３ｃを含んでいる。

このような第４実施形態に係る構造体４ｃにおいても、流れＦに平行な方向に対する傾斜面５２，６２が存在し、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在する。したがって、第４実施形態によっても、流体機器１００における流れＦの剥離をより抑制することができる。

また、第４実施形態では、図１２（ｂ）に示す第２断面１１ｃは、底辺２１ａ，２２ａの長さの比（Ｗ２／Ｗ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる四角形１２ｃ，１３ｃを含んでいる。これにより、翼表面２付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。

（第５実施形態）
次に、図１３〜図１４を参照しながら、本発明の第５実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。

図１３は、第５実施形態に係る流体機器１００における翼表面２に設けられた構造体４ｄを示す斜視図である。図１３に示すように、構造体４ｄは、錐体形状を呈している。

図１４（ａ）は、流体の流れＦに平行であり且つ翼表面２に垂直に交わる平面で構造体４ｄの頂点である頂部５１を通って当該構造体４ｄを切断したときの第１断面７を示す図である。図１４（ｂ）は、流体の流れＦに垂直な平面で構造体４ｄの頂部５１を通って当該構造体４ｄを切断したときの第２断面１１ｄを示す図である。図１４（ｂ）に示すように、第２断面１１ｄは、流れＦの上流側から見て左右が非対称な多角形を含んでいる。具体的には、第２断面１１ｄは、底辺２１ｂの両端点から延びる２つの斜辺２３，２４の長さＬ１，Ｌ２が互いに異なる三角形を含んでいる。

このような第５実施形態に係る構造体４ｄにおいても、流れＦに平行な方向に対する傾斜面５２が存在し、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在する。したがって、第５実施形態によっても、流体機器１００における流れＦの剥離をより抑制することができる。

また、第５実施形態では、図１４（ｂ）に示す第２断面１１ｄは、２つの斜辺２３，２４の長さＬ１，Ｌ２の比（Ｌ２／Ｌ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる三角形を含んでいる。これにより、翼表面２付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。

（第６実施形態）
次に、図１５〜図１６を参照しながら、本発明の第６実施形態について、前記した第３実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。

図１５は、第６実施形態に係る流体機器１００における翼表面２に設けられた構造体４ｅを示す斜視図である。図１５に示すように、構造体４ｅは、錐台形状を呈している。

図１６（ａ）は、流体の流れＦに平行であり且つ翼表面２に垂直に交わる平面で構造体４ｅの上側底面である頂部５１ａを通って当該構造体４ｅを切断したときの第１断面７ａを示す図である。図１６（ｂ）は、流体の流れＦに垂直な平面で構造体４ｅの頂部５１ａを通って当該構造体４ｅを切断したときの第２断面１１ｅを示す図である。図１６（ｂ）に示すように、第２断面１１ｅは、流れＦの上流側から見て左右が非対称な多角形を含んでいる。具体的には、第２断面１１ｅは、底辺２１ｃの両端点から延びる２つの対辺２３ａ，２４ａの長さＬ１，Ｌ２が互いに異なる四角形を含んでいる。

このような第６実施形態に係る構造体４ｅにおいても、流れＦに平行な方向に対する傾斜面５２が存在し、構造体間流路１４を流れる流体が接触する面５３，６３の面積Ｓ１，Ｓ２に差異が存在する。したがって、第６実施形態によっても、流体機器１００における流れＦの剥離をより抑制することができる。

また、第６実施形態では、図１６（ｂ）に示す第２断面１１ｅは、２つの対辺２３ａ，２４ａの長さＬ１，Ｌ２の比（Ｌ２／Ｌ１）が０．１以上０．６以下、好ましくは０．１以上０．３以下である異なる四角形を含んでいる。これにより、翼表面２付近の境界層内に渦をより効果的に発生させることができる。

（流れの解析）
以下、流体機器１００における流れＦの剥離を抑制できる効果について、流体解析結果に基づいて説明する。ただし、以下の解析結果は、本発明の効果について説明するために用いられており、本発明の技術的範囲が以下の解析結果によって限定されるものではない。

図１７は、数値流体解析で使用した解析モデルの全体構成を示す斜視図である。
図１７に示すように、解析領域は、ｘ方向に９ｍｍ、ｙ方向に３ｍｍ、ｚ方向に５ｍｍの直方体である。この直方体の底面に、構造体モデルを配列した。そして、この直方体で示される流路にｘ方向に空気が流れたときの流れＦの様子を数値流体解析により解析することで、流れＦの剥離を抑制するために必要な、上昇流の発生機構と渦の発生機構とについて検討した。

初めに、上昇流の発生効果について解析した。
図１８は、上昇流の発生効果についての解析に使用した構造体モデルを示す拡大斜視図である。構造体モデルは、高さＨ＝０．１ｍｍ、幅Ｗ＝０．０５ｍｍ、傾斜角αのくさび型構造体である。構造体モデルのｙ方向の配置間隔Ｄは、Ｄ＝０．０５ｍｍとした。解析は、傾斜角αを変化させて行った。また、解析は、流速５０ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとで行った。

図１９は、傾斜角αと、解析領域における流速のｚ方向成分の平均値との関係をプロットして表すグラフである。図１９において、上に示すグラフが流速１００ｍ／ｓの場合の解析結果を示しており、下に示すグラフが流速５０ｍ／ｓの場合の解析結果を示している。

図１９に示すように、流速５０ｍ／ｓ、流速１００ｍ／ｓともに、傾斜角αが約２５度のときに流速のｚ方向成分が最大になり、最も上昇流の発生効果が高いことが分かった。そして、流れＦの剥離抑制の効果を高めるためには、傾斜角αを１０度以上４５度以下にすることが望ましく、さらに２０度以上３０度以下にすることが望ましいことが分かった。

次に、渦の発生効果について、２つの構造体モデルで解析した。
図２０（ａ）は、渦の発生効果について解析するための、一つ目の構造体モデルを示す拡大斜視図である。図２０（ｂ）は、流れＦに垂直な平面で構造体モデルの頂部を通って当該構造体モデルを切断したときの断面を示す図である。図２０に示す構造体モデルは、図３〜図４に示す第１実施形態に対応するものである。

図２０（ａ）に示すように、構造体モデルには、前記解析で上昇流の発生効果が明らかになった、２７度の傾斜角αを設けた。図２０（ｂ）に示す断面には、高さＨ１、底辺の長さＷ１の三角形と、高さＨ２、底辺の長さＷ２の三角形を交互に配列した。解析では、Ｈ１＝０．１ｍｍ、Ｗ１＝０．２ｍｍ、Ｗ２＝０．２ｍｍとし、Ｈ２の値を変化させて解析を行った。また、解析は、流速５０ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとで行った。

図２１は、三角形の高さの比（Ｈ２／Ｈ１）と、解析領域における渦度ω（ベクトル量）のｙｚ成分ω_ｙｚの平均値との関係をプロットして表すグラフであり、図２１（ａ）が流速５０ｍ／ｓの場合の解析結果を示し、図２１（ｂ）が流速１００ｍ／ｓの場合の解析結果を示す。
ここで、ω_ｙｚは流れＦに平行な方向の軸を持つ渦の強さを表す指標であり、以下の（２）式、（３）式で表される。（２）式におけるＵは流体の速度（ベクトル量）である。

図２１に示すように、流速５０ｍ／ｓ、流速１００ｍ／ｓともに、三角形の高さが等しいＨ２／Ｈ１＝１．０のときにω_ｙｚが最小となり、三角形の高さが異なるときに渦の発生効果が高くなることが分かった。そして、流れＦの剥離防止の効果を高めるためには、三角形の高さの比（Ｈ２／Ｈ１）を０．１以上０．６以下にすることが望ましく、さらに０．１以上０．３以下にすることが望ましいことが分かった。

図２２（ａ）は、渦の発生効果について解析するための、二つ目の構造体モデルを示す拡大斜視図である。図２２（ｂ）は、流れＦに垂直な平面で構造体モデルの頂部を通って当該構造体モデルを切断したときの断面を示す図である。図２２に示す構造体モデルは、図７〜図８に示す第２実施形態に対応するものである。

図２２（ａ）に示すように、構造体モデルには、前記解析で上昇流の発生効果が明らかになった、２７度の傾斜角αを設けた。図２２（ｂ）に示す断面には、高さＨ１、底辺の長さＷ１の三角形と、高さＨ２、底辺の長さＷ２の三角形を交互に配列した。解析では、Ｈ１＝０．１ｍｍ、Ｗ１＝０．２ｍｍ、Ｈ２＝０．１ｍｍとし、Ｗ２の値を変化させて解析を行った。また、解析は、流速５０ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとで行った。

図２３は、三角形の底辺の長さの比（Ｗ２／Ｗ１）と、解析領域における渦度ωのｙｚ成分ω_ｙｚの平均値との関係をプロットして表すグラフであり、図２３（ａ）が流速５０ｍ／ｓの場合の解析結果を示し、図２３（ｂ）が流速１００ｍ／ｓの場合の解析結果を示す。

図２３に示すように、流速５０ｍ／ｓ、流速１００ｍ／ｓともに、三角形の底辺の長さが等しいＷ２／Ｗ１＝１．０のときにω_ｙｚが最小となり、三角形の底辺の長さが異なるときに渦の発生効果が高くなることが分かった。そして、流れＦの剥離防止の効果を高めるためには、三角形の底辺の長さの比（Ｗ２／Ｗ１）を０．１以上０．６以下にすることが望ましく、さらに０．１以上０．３以下にすることが望ましいことが分かった。

前記解析では、特定の寸法や形状、条件で解析を行った。ただし、本発明は、前記したように、流れＦに平行な方向に対して傾斜面が存在することと、構造体間流路を流れる流体が接触する部分（面）の面積に差異が存在することとが本質である。したがって、構造体の寸法や設置数、設置間隔、液体または気体の流速を変更した場合でも、流れＦの剥離抑制の効果を得ることが可能である。

例えば、前記した第１実施形態から第６実施形態に示した構造体４，４ａ〜４ｅは、翼表面２にいくつ形成されていてもよい。また、前記解析は、それぞれ流速５０ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとの２つのケースで行われ、異なるレイノルズ数において解析結果を得た。その結果、いずれの解析結果においても、流れＦの剥離抑制の効果を高めるのに有効であった。したがって、他の流速においても、流れＦの剥離抑制に有効と考えられる。

（圧力の測定）
以下、流体機器１００におけるサージマージン（以下で説明）の向上効果、および流れＦの摩擦抵抗の低減効果について、圧力測定実験に基づいて説明する。ただし、以下の実験結果は、本発明の効果について説明するために用いられており、本発明の技術的範囲が以下の実験結果によって限定されるものではない。

初めに、図１に示すディフューザ１０２の翼１０１において、本発明の特徴である構造体およびリブレットを有していないものと、図７〜図８に示す第２実施形態に対応する構造体を有しているものとで、ディフューザ１０２の流路１内の圧力測定実験を行った。実験に用いた構造体の形状は、図２２と同じであり、本発明の第２実施形態に対応するものである。Ｈ１＝０．１ｍｍ、Ｗ１＝０．２ｍｍ、Ｈ２＝０．１ｍｍ、Ｗ２＝０．１ｍｍとした。また、α＝２７度とした。ただし、リブレットは設けていない。

実験では、ディフューザ１０２の径方向内側に羽根車（インペラ）を設け、羽根車を４５０００ｒｐｍで回転させた。

図２４は、圧力の測定結果のグラフである。横軸は、流量Ｑ、縦軸は、図１に示す流れＦの上流側に位置する測定点Ａの圧力（ＰＡ）と、流れＦの下流側に位置する測定点Ｂの圧力（ＰＢ）との差である圧力差δＰ（＝ＰＢ−ＰＡ）である。縦軸、横軸ともに、設計点での値を１として規格化して表示している。図２４（ａ）は、流量Ｑが０．４から１．０の範囲を示したグラフ、図２４（ｂ）は、流量Ｑが０から２．０の範囲を示したグラフである。

図２４（ａ）に示すように、翼１０１の表面である翼表面に本発明の構造体を有していないディフューザでは、Ｑ＝０．７５でδＰが最大となり、Ｑ＝０．５８に向かってδＰが減少する。即ち、低流量側で失速が生じている。一方、翼表面に本発明の構造体を有するディフューザでは、Ｑ＝０．５８でもδＰは減少しておらず、失速が生じていない。設計点であるＱ＝１から、δＰが最大となる流量の範囲が、装置が安定的に作動する範囲であり、この範囲はサージマージンと呼ばれる。図２４（ａ）において、Ｍ１は構造体無しの場合のサージマージンを示し、Ｍ２は構造体有りの場合のサージマージンを示している。翼表面に本発明の構造体を有することで、剥離が抑制され、サージマージンが向上する効果があることが分かった。

また、図２４（ｂ）から、翼表面に本発明の構造体を有していないディフューザと比較して、翼表面に本発明の構造体を有するディフューザは、概ねδＰの値が小さいことが分かる。特に、流量が高いＱ＝１．５では、翼表面２に本発明の構造体を有していないディフューザと比較して、翼表面に本発明の構造体を有するディフューザのδＰの値は６％小さい。これは、翼表面に構造体を設けたことで流れＦの摩擦抵抗が増加し、ディフューザにおける圧力上昇率が減少したことを意味する。

次に、翼表面に上記実験で用いた構造体と、さらにリブレットとを設けたディフューザにおいて、同様の圧力測定実験を行なった。リブレットの断面形状は、図５（ａ）と同じであり、Ｗｒ＝０．０５６ｍｍ、Ｈｒ＝０．０５６ｍｍである。

図２５は、圧力の測定結果のグラフである。横軸は、流量Ｑ、縦軸は、翼表面に構造体のみ有するときの圧力差δＰ（δＰ_ｓ）に対して、翼表面に構造体およびリブレットを有するときの圧力差δＰ（δＰ_ｓ＋ｒ）の増加分の比率（（δＰ_ｓ＋ｒ−δＰ_ｓ）／δＰ_ｓ）である。

図２５に示すように、翼表面に本発明の構造体のみを有するディフューザと比較して、本発明の構造体およびリブレットを有するディフューザはδＰの値が大きく、特にＱ＝１．５では、１５％以上大きい。これは、翼表面にリブレットを設けたことで、流れＦの摩擦抵抗が低下し、ディフューザにおける圧力上昇率が増加したことを意味する。

以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、前記した実施形態では、流体機器として、遠心圧縮機について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、遠心圧縮機、掃除機、空調機等の流体を扱う流体機器全般に適用可能である。

また、前記した実施形態では、構造体およびリブレットがディフューザの翼表面に設けられている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。構造体およびリブレットは、例えば羽根車等の他の各種部材における、流体が流れる翼表面に設けられていてもよい。

１ 流路
２ 翼表面
３，３ａ リブレット
４，４ａ〜４ｅ 構造体
５，５ａ〜５ｃ 構造体
６，６ａ〜６ｃ 構造体
７，７ａ 第１断面
８，８ａ 点
９，９ａ 辺
１０，１０ａ 底辺
１１，１１ａ〜１１ｅ 第２断面
１２，１３，１２ａ，１３ａ 三角形
１２ｂ，１３ｂ，１２ｃ，１３ｃ 四角形
１４ 構造体間流路
１５ 上昇流
１６ 回転する流れ場
２１，２２，２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２１ｃ 底辺
２３，２４ 斜辺
２３ａ，２４ａ 対辺
３１，３１ａ 第３断面
３２ 三角形の溝断面
３２ａ 四角形の溝断面
５１，６１ 頂点（頂部）
５１ａ，６１ａ 上側底面（頂部）
５２，６２ 傾斜面
５３，６３ 面（部分）
１００ 流体機器
１０１ 翼
１０２ ディフューザ
Ｓ１，Ｓ２ 面積
α 傾斜角

Claims (16)

1. 間を通って流体が流れる複数の翼と、
   前記翼の表面である翼表面に設けられ該翼表面から突出した形状を呈する複数の構造体と、
   前記翼表面に設けられ該翼表面から陥没した形状を呈する複数のリブレットと、
   を備え、
   前記流体の流れに平行であり且つ前記翼表面に垂直に交わる平面で前記構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第１断面は、前記翼表面上の点から前記流体の流れの下流側であり且つ前記翼表面から離れた点へ延びる辺を有し、
   複数の前記構造体のうちの隣り合う２つの構造体の間に、構造体間流路が形成されており、
   前記構造体間流路は複数形成されており、複数の前記構造体間流路の各々において、前記構造体間流路を流れる前記流体が接触する前記２つの構造体の一方における部分である平面の面積と、他方における部分である平面の面積とが異なることを特徴とする流体機器。
2. 前記辺の前記翼表面に対する傾斜角が１０度以上４５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の流体機器。
3. 前記流体の流れに垂直な平面で前記構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面は、少なくとも２種類の異なる多角形を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体機器。
4. 前記構造体は、錐体形状を呈しており、
   前記第１断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する三角形を含み、
   前記辺の前記翼表面に対する傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
   前記第２断面は、少なくとも２種類の異なる三角形を含むことを特徴とする請求項３に記載の流体機器。
5. 前記第２断面は、高さの比が０．１以上０．６以下である異なる三角形を含むことを特徴とする請求項４に記載の流体機器。
6. 前記第２断面は、底辺の長さの比が０．１以上０．６以下である異なる三角形を含むことを特徴とする請求項４に記載の流体機器。
7. 前記流体の流れに垂直な平面で前記リブレットを切断したときの第３断面は三角形の溝断面を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体機器。
8. 前記流体の流れに垂直な平面で前記リブレットを切断したときの第３断面は四角形の溝断面を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体機器。
9. 前記構造体は、錐台形状を呈しており、
   前記第１断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する四角形を含み、
   前記辺の前記翼表面に対する傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
   前記第２断面は、少なくとも２種類の異なる四角形を含むことを特徴とする請求項３に記載の流体機器。
10. 前記第２断面は、高さの比が０．１以上０．６以下である異なる四角形を含むことを特徴とする請求項９に記載の流体機器。
11. 前記第２断面は、底辺の長さの比が０．１以上０．６以下である異なる四角形を含むことを特徴とする請求項９に記載の流体機器。
12. 前記流体の流れに垂直な平面で前記構造体の頂部を通って当該構造体を切断したときの第２断面は、非対称な多角形を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体機器。
13. 前記構造体は、錐体形状を呈しており、
    前記第１断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する三角形を含み、
    前記辺の前記翼表面に対する傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
    前記第２断面は、底辺の両端点から延びる２つの斜辺の長さが互いに異なる三角形を含むことを特徴とする請求項１２に記載の流体機器。
14. 前記２つの斜辺の長さの比が０．１以上０．６以下であることを特徴とする請求項１３に記載の流体機器。
15. 前記構造体は、錐台形状を呈しており、
    前記第１断面は、流れの上流側の点を前記辺と共有する底辺を有する四角形を含み、
    前記辺の前記翼表面に対する傾斜角は、前記底辺と前記辺とのなす角度であり、
    前記第２断面は、底辺の両端点から延びる２つの対辺の長さが互いに異なる四角形を含むことを特徴とする請求項１２に記載の流体機器。
16. 前記２つの対辺の長さの比が０．１以上０．６以下であることを特徴とする請求項１５に記載の流体機器。

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