JP6953891B2 - 移動体 - Google Patents

Description

本発明は、外部へ向けて流体を放出する手段を備える移動体に関する。

従来から、車両エンジン及びエンジンルーム内を必要時にエアで冷却するエンジンなど冷却装置が知られている（特許文献１）。エンジンルームが一定温度以上になると、エンジンルーム内からのエアが、エンジンの車室側端部上方の隙間から車外へ流出する。

実開昭５７−４８１２３号マイクロフィルム

一方、本発明の発明者等は、移動体の空気抵抗を低減する為に、移動体の近傍の空気の流速が遅くなる領域（境界層）の外側の領域（主流）の空気密度を下げることが有効であるという知見を得た。

しかし、特許文献１では、エンジンの車室側端部上方の隙間から、エンジンルーム内のエアを放出するため、移動体の周囲の主流の内、限られた狭い範囲の主流の空気密度を下げることしかできない。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、移動体の周囲の主流の空気密度を低下させて移動体の空気抵抗を低減することである。

上記目的を達成するため、本願発明は、外気に比べて移動体の表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体を蓄積するタンクと、タンクから放出される流体を、移動体の外部に放出する流体放出装置を備える。

本発明に係る移動体は、外気に比べて移動体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体が移動体の外部に放出されるので、主流の空気密度を低下させることができ、移動体の空気抵抗を低減することができる。

図１は、走行中の車両の周囲に発生する車両の表面に沿った空気の流れを示す模式図、及び流体の圧力係数Ｃｐを示すグラフである。 図２は、図１の領域Ｘｅを拡大して表示する拡大断面図である。 図３は、フロントバンパのバンパフェイシア上に形成された放出口を示す斜視図である。 図４は、放出口の構成を示す斜視図である。 図５は、エンジンの排気ガスを放出口から放出する実施例を示す模式図である。 図６は、空気の温度と空気密度との関係を示すグラフである。 図７は、車体に入射する入射光、吸収光、及び反射光を示す説明図である。 図８は、車両のフロントバンパのバンパフェイシアを示す断面図である。 図９は、外気よりも水蒸気の分圧が高い流体を生成する装置の例を示す模式図である。 図１０は、外気よりも二酸化炭素の分圧が高い流体を生成する装置の例を示す模式図である。 図１１は、外気よりも酸素の分圧が高い流体を生成する装置の例を示す模式図である。 図１２は、排気ガスの放出流量を制御する装置の例を示すブロック図である。 図１３は、車速と放出する流体流量との関係を示すマップの例を示すグラフである。 図１４Ａは、流体流量が少ないときの、流量調整弁の開閉を示すタイミングチャートである。 図１４Ｂは、流体流量が多いときの、流量調整弁の開閉を示すタイミングチャートである。 図１５は、放出する流体流量の制御を示すフローチャートである。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。以下では、移動体が車両である場合を挙げて説明する。
初めに、走行中の車両の回りの空気の流れについて説明する。図１に示すように、車両１０の静止系で見たとき、走行中の車両１０の周りには、車両１０の表面に沿った空気の流れが発生する。図２は、図１の領域Ｘｅを拡大して表示する。車両１０の表面２０Ｆ近傍では、空気と車体２０の表面２０Ｆとの間に生じる粘性摩擦によって空気の流れは遅くなっており、境界層４１が形成されている。境界層４１では、車体２０の表面２０Ｆから離れるほど空気の速度は大きくなり、空気の速度は、空気に対する車両１０の相対速度に近づいていく。

車体２０の表面２０Ｆから離れて境界４２よりも外側の外部領域４３では、もはや空気と車体２０の表面２０Ｆとの間に生じる粘性摩擦の影響はなくなっており、空気の速度は、空気に対する車両の相対速度にほぼ等しくなっている。外部領域４３における空気の流れを主流２と呼ぶ。

図１に戻り、車両１０は、車両１０の進行方向前方の車両１０の表面に定めた流体放出位置から、外気に比べて移動体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体を車両１０の外へ向けて放出する流体放出装置を備える。図１の上部の断面図に示すように、流体放出位置は、例えば、車両１０の進行方向前方のよどみ点Ｐ１である。よどみ点Ｐ１は、図１の下部のグラフに示すように、流体の圧力が最大となる点であるため、よどみ点Ｐ１から放出された流体は、主流２として、車両１０の表面全体へ流れる。よって、広い範囲の主流２の温度を高めることができる。また、よどみ点Ｐ１からの湧き出しは、一様流の流線を乱しにくく最も影響が小さい。よって、流体は車両１０の表面全体へ流れるため、車両１０の空気抵抗を低減させることができる。図１の下部のグラフの横軸は、車両１０の進行方向の位置を示し、縦軸は、圧力係数Ｃｐを示す。

次に、具体的な実施形態について説明する。図３は、第１実施形態に係る流体放出装置が搭載された車両を示す説明図、図４は放出口１２（流体放出装置）の構成を示す説明図である。図４に示すように、流体を放出する放出口１２は、ダクト１８、及びダクト１８内を複数の流体放出孔に仕切る複数のルーバー１６を備えている。図３に示すように、放出口１２は、フロントバンパ４のバンパフェイシア上に設けられている。放出口１２は、外気に比べて車体表面から放出される放射熱の吸収率が高い流体をダクト１８から放出する。放出口１２は、その一端がダクト１８に接続された配管１５を備える。配管１５の他端は、例えば、図５に示すように、車両１０の駆動源の一例であるエンジン１３の排気部１３ａに接続されている。エンジン１３から排出される排気ガスは配管１５を通り、放出口１２から車両１０の外へ放出される。即ち、流体放出装置は、外気に比べて、車体の表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体の一例として、エンジン１３から排出される排気ガスを放出する。

エンジン１３から排出される排気ガスは、大気よりも水蒸気（Ｈ2Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）を多く含む。水蒸気及び二酸化炭素は、車体の表面より放射される放射熱の吸収率が高い。従って、放出口１２より放出された排気ガスは、車体より放射される放射熱を吸収することにより、大気よりも温度上昇が高く高温である。このため、主流２の温度が上昇する。よって、車体の周囲の主流２の空気密度が低下するので、車両１０の空気抵抗を低減させることができる。外気に比べて車体表面から放出される放射熱の吸収率が高い流体として、水蒸気、二酸化炭素のほかに、酸素（Ｏ2）が挙げられる。

なお、車両１０の駆動源には、エンジン１３のみならず、燃料電池及びモータも含まれる。つまり、車両１０は、燃料電池車（ＦＣＶ）、電気自動車（ＥＶ）、及びこれら２以上の駆動源を持つハイブリッドカー（ＨＶ、ＰＨＶ）が含まれる。燃料電池には、少なくとも、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が含まれる。燃料電池から排出されるガスは水蒸気を多く含む。よって、駆動源の周囲の水蒸気、二酸化炭素を含むガスを回収し、放出口１２から放出することにより、主流２の空気密度を低下させる。

次に、主流２の空気密度を低下させることによって車両１０の空気抵抗が低減されるメカニズムを説明する。

一般に、走行中の車両１０が空気から受ける力は、車両１０の前後、左右、上下の各軸方向の力と各軸周りのモーメントで表され、総称して空力六分力と呼ばれる。通常、走行中の車両１０が空気から受ける力は無次元化して表され、特に前後方向の力である空気抵抗Ｆは、次の（１）式によって表される空気抵抗係数Ｃｄによって表される。ここで、ρは、外部領域４３（図２参照）の空気の密度、Ａは、車両１０の進行方向に対する前面投影面積、Ｖは、主流に対する車両１０の相対速度である。

空気抵抗係数Ｃｄは、空気の動圧「ρＶ^２／２」と前面投影面積Ａの積によって、空気抵抗Ｆを除した値である。空気抵抗係数Ｃｄは、車両１０の形状に依存して決まる量であり、走行時の燃費、最高速度、加速性能などに影響を及ぼす。車両１０のような物体の空気抵抗Ｆは、車両１０全体でみたときには圧力抵抗が支配的であり、航空機で問題となる摩擦抵抗は車両１０では小さい。そのため、車両１０において空気抵抗Ｆを低減するためには、圧力抵抗を小さくすることに着目するのが効果的である。

上記着目に基づいて上記（１）式を見直すと、通常の自動車の設計において、前面投影面積Ａは、圧力抵抗を小さくするために車両の設計で対応可能なパラメータとしてみなされる。一方、主流の空気密度ρ、および、速度Ｖについては、自動車の走行環境に応じて変動しうるものであるため、車両の設計で対応可能なパラメータとしてみなされない。

しかしながら、上記の既存概念の枠にとらわれることなく、本発明の発明者は、主流の空気密度ρは、圧力抵抗を小さくするために車両の設計で対応可能なパラメータとなりうると考えた。そして、空気抵抗Ｆの大部分を占める圧力抵抗が主流の空気密度ρに比例することに着目し、主流２の空気密度ρを下げることで、空気抵抗Ｆを低減することが可能であるとの知見を得た。

図２に示すように、主流２の空気は、車体２０の表面２０Ｆから離れた場所にあるため、直接に加熱することはできない。しかしながら、流体放出装置が、車両１０の進行方向前方の車両１０の表面に定めた流体放出位置から、外気に比べて車体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体を車両１０の外へ向けて放出する。放出された流体は、流体放出位置よりも進行方向後方に位置する主流２を形成する。これにより、主流２は放射熱を吸収して温度が上昇し空気密度ρが下がるため、車両１０の空気抵抗Ｆを低減することができる。

次に、流体放出位置から放出される流体の温度と空気密度との関係を説明する。図６は、空気の温度と空気密度との関係を示すグラフである。空気の温度が高いほど、空気の密度は低くなる。

また、水蒸気、二酸化炭素等の外気に比べて車体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体が、よどみ点Ｐ１から放出されることにより、外気に比べて主流の温度が上昇する。即ち、図７に示すように、車体２０に太陽光等の入射光ｘ１が照射すると、このうちの一部が吸収光ｘ３となって車体２０の温度を上昇させる。吸収光ｘ３以外の入射光は、反射光ｘ２となって車体２０の外へ出力される。

この際、車体表面の周囲には、外気に比べて車体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体が存在する。熱吸収率の高い流体は、車両１０の表面で反射する反射光による放射熱を吸収しやすいので外気に比べて主流がより多く加熱され、主流の空気温度が上昇する。よって、外気に比べて車体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体を車両１０の外へ向けて放出することにより、主流２の温度を高めることができ、主流２の空気密度を下げることできる。

実施形態において、放出口１２を設置する流体放出位置はよどみ点Ｐ１に限らない。この他にも、例えば、図８に示すように、車両１０のフロントバンパ４のバンパフェイシアに、流体放出位置を定めることもできる。つまり、流体放出装置は、車両１０のフロントバンパ４のバンパフェイシア上に定めた流体放出位置から、外気に比べて車体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体を車両１０の外へ向けて放出してもよい。詳細には、フロントバンパ４の上端４ａから下端４ｂの間において、流体放出位置を任意に定めることができる。

また、以下に示すように、放出口１２に、外気に比べて車体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体を含む空気を供給してもよい。

図９に示すように、エアコンの凝縮水を蓄積する水貯留タンク２３を設置し、水貯留タンク２３の入口をブロワー２１に接続し、出口を配管１５に接続する。更に、水貯留タンク２３の内部に超音波振動子２４を設け、超音波振動子２４を駆動させて水蒸気を発生させる。発生した水蒸気はブロワー２１より出力される空気に混入して、配管１５に送出され放出口１２（図３参照）より外部に放出される。

図１０に示すように、二酸化炭素を充填したボンベ２２の出力バルブ２５にブロワー２１を接続する。ブロワー２１を作動し、且つ出力バルブ２５を調整することにより、二酸化炭素はブロワー２１より出力される空気に混入して、配管１５に放出され放出口１２より外部に放出される。また、図１１に示すように、酸素が充填したボンベ２６を用いることにより、酸素が混入した空気を放出口１２より外部に放出する。

なお、図１のよどみ点Ｐ１が、フロントバンパ４のバンパフェイシア上に位置するか否かにかかわらず、フロントバンパ４のバンパフェイシアに、流体放出位置を定めることができる。フロントバンパ４のバンパフェイシアから放出される流体は、主流２として、車両１０の表面の広い範囲へ流れる。よって、広い範囲の主流２の空気密度を低下することができる。

以上説明したように、第１実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。
車両１０は、車両の進行方向前方の車両１０の表面に定めた流体放出位置から、外気に比べて移動体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体を車両１０の外へ向けて放出する流体放出装置を備える。これにより、車両１０の周囲の主流２の内、広い範囲の主流２の空気密度が低下するので、車両１０の空気抵抗を低減することができる。

流体放出位置は、進行方向前方のよどみ点Ｐ１である。よどみ点Ｐ１は流体の圧力が最大となる点であるため、よどみ点Ｐ１から放出される流体は車両１０の表面全体へ流れる。よって、広い範囲の主流２の空気密度を低下させることができる。よどみ点Ｐ１からの湧き出しは、一様流の流線を乱しにくく最も影響が小さい。よって、よどみ点Ｐ１から放出される流体は車両１０の表面全体へ流れ、車両１０の空気抵抗を低減することができる。

流体放出位置は、車両１０のフロントバンパ４のバンパフェイシアに定められていてもよい。バンパフェイシア上の流体放出位置から放出される流体は車両１０の表面全体へ流れる。よって、広い範囲の主流２の空気密度を低下することができる。

流体放出位置から放出される流体は、外気よりも水蒸気の分圧が高い流体である。主流２が外気よりも水蒸気を多く含むため、外気に比べて移動体表面より放射される放射熱の吸収率を高めることができる。車両１０の周囲の主流２の内、広い範囲の主流２の空気密度が低下するので、車両１０の空気抵抗を低減することができる。

流体放出位置から放出される流体は、外気よりも二酸化炭素の分圧が高い流体である。主流２が外気よりも二酸化炭素を多く含むため、外気に比べて移動体表面より放射される放射熱の吸収率を高めることができる。車両１０の周囲の主流２の内、広い範囲の主流２の空気密度が低下するので、車両１０の空気抵抗を低減することができる。

流体放出位置から放出される流体は、外気よりも酸素の分圧が高い流体である。主流２が外気よりも酸素を多く含むため、外気に比べて移動体表面より放射される放射熱の吸収率を高めることができる。車両１０の周囲の主流２の内、広い範囲の主流２の空気密度が低下するので、車両１０の空気抵抗を低減することができる。

流体放出位置から放出される流体は、車両１０が備えるエンジン１３から排出される排気ガスである。エンジン１３から排出される排気ガスは、大気よりも水蒸気及び二酸化炭素を多く含むため、外気に比べて移動体表面より放射される放射熱の吸収率を高めることができる。車両１０の周囲の主流２の内、広い範囲の主流２の空気密度が低下するので、車両１０の空気抵抗を低減することができる。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、車両１０の走行速度に応じて、放出口１２より放出する流体流量を制御する。本実施形態では、放出口１２より放出する流体として、図５に示したエンジン１３の排気ガスを用いる例について説明する。

図１２は、第２実施形態に係る流体放出装置の構成を示す説明図である。図１２に示すように、車両１０に搭載されるエンジン１３の排気部１３ａは２系統に分岐され、一方の分岐路は、流量調整弁１７及び配管１５を介して放出口１２に接続されている。他方の分岐路は、排気ラインに接続されて車外へ排出される。

流量調整弁１７は、該流量調整弁１７の開度を制御する制御回路３１に接続されている。制御回路３１は、車両１０に搭載されるＥＣＵ（図示省略）と接続され、該ＥＣＵから車速データを取得する。

また、制御回路３１は、各種のデータを記憶するメモリ３２を有している。該メモリ３２には、車速と排気ガス流量との関係を示すマップが記憶されている。

図１３は、マップの例を示すグラフである。車速と、該車速で車両が走行しているときに最も空気抵抗が低下する流量との関係を予め測定し、測定結果をマップとしてメモリ３２に記憶する。図１３では、複数のマップ（ｑ１、ｑ２、ｑ３）が記憶されている。車両に応じて、各マップｑ１、ｑ２、ｑ３のうちのいずれかが設定される、そして、後述するように、車速が取得された際には、このマップを参照することにより車速に適した排気ガスの流量が決定される。

制御回路３１は、車速データが取得されると、マップを参照して車速に対応する排気ガス流量の基準値を求める。そして、現在の流量と基準値との差分に応じて流量調整弁１７の開閉を制御し、放出口１２より放出する排気ガスの放出量が基準値となるように調整する。
なお、制御回路３１は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶手段からなる一体型のコンピュータとして構成することができる。

次に、図１５に示すフローチャートを参照して、第２実施形態に係る流体放出装置の作用について説明する。この処理は、図１２に示した制御回路３１により実行される。初めに、ステップＳ１１において、制御回路３１は、ＥＣＵ（図示省略）より車速データを取得する。更に、ステップＳ１２において、現在の車速が予め設定した下限値を下回っているか否かを判断する。下限値は、例えば、１０ｋｍ／ｈである。

車速が下限値未満である場合には（ステップＳ１２でＹＥＳ）、ステップＳ１６において、制御回路３１は、流量調整弁１７を閉鎖する。即ち、車速が遅い場合には、車両走行時に空気抵抗の影響はほとんど受けないので、放出口１２より排気ガスを放出する必要はなく、流量調整弁１７を閉鎖する。

車速が下限値以上である場合には（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１３において、制御回路３１は、メモリ３２に記憶したマップを参照して、現在の車速に応じた排気ガス流量を取得する。具体的には、図１３に示したマップから例えばマップｑ２を選択し、更に、車速をマップｑ２に当てはめて排気ガス流量を取得する。

ステップＳ１４において、制御回路３１は、現在の流量調整弁１７の開度で規定される排気ガス流量と、マップを参照して取得される現在の車速に応じた排気ガス流量を比較し、現在の排気ガス流量が基準値よりも小さい場合には、ステップＳ１８に処理を進め、そうでない場合には、ステップＳ１５に処理を進める。

ステップＳ１８において、制御回路３１は、流量調整弁１７の開度を増加する。即ち、現在の排気ガス流量が基準値よりも小さいということは、放出口１２より放出する排気ガス流量が不足していると見なせるので、流量調整弁１７の開度を増加することにより、放出口１２より放出する排気ガス流量を増加させる。或いは、図１４Ｂに示すように、流量調整弁１７を開閉する際のデューティ比を増加する。

ステップＳ１５において、制御回路３１は、現在の流量調整弁１７の開度で規定される排気ガス流量と、マップを参照して取得される現在の車速に応じた排気ガス流量を比較し、現在の排気ガス流量が基準値よりも大きい場合には、ステップＳ１７に処理を進め、そうでない場合には、本処理を終了する。

ステップＳ１７において、制御回路３１は、流量調整弁１７の開度を減少する。即ち、現在の排気ガス流量が基準値よりも大きいということは、放出口１２より放出する排気ガス流量が過多であると見なせるので、流量調整弁１７の開度を減少することにより、放出口１２より放出する排気ガス流量を減少させる。或いは、図１４Ａに示すように、流量調整弁１７を開閉する際のデューティ比を減少する。

一方、ステップＳ１５において、現在の排気ガス流量が基準値よりも大きくないと判断された場合には（ステップＳ１５でＮＯ）、現在の排気ガス流量が適正な流量であると見なせるので、流量調整弁１７の開度を変更しない。こうして、車速に応じた排気ガス流量の制御が行われるのである。

このようにして、本実施形態では、現在の車速を取得し、且つ、マップに記憶されている車速に応じた排気ガス流量を取得する。そして、放出口１２より放出する現在の流体流量とマップに記憶された基準値とに応じて流量調整弁１７の開度を制御する。従って、車速に適した流量の排気ガス（外気に比べて移動体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体）を放出口１２より放出することが可能となり、車両走行時の空気抵抗を低減することができる。また、放出する排気ガスの流量が過多となることを防止するので、車体が過熱するという問題の発生を回避することが可能となる。

以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

上述の実施例では、移動体が車両である場合を挙げて説明したが、車両の他にも、空気中を運動する移動体に対して本発明は適用可能である。移動体の例としては、車両の他に、二輪車、鉄道、航空機、ロケットなどが挙げられる。

２ 主流
４ フロントバンパ
４ａ 上端
４ｂ 下端
１０ 車両
１２ 放出口
１３ エンジン
１３ａ 排気部
１５ 配管
１６ ルーバー
１７ 流量調整弁
１８ ダクト
２０ 車体
２０Ｆ 表面
２１ ブロワー
２２ ボンベ
２３ 水貯留タンク
２４ 超音波振動子
２５ 出力バルブ
２６ ボンベ
３１ 制御回路
３２ メモリ
４１ 境界層
４２ 境界
４３ 外部領域
ｘ１ 入射光
ｘ２ 反射光
ｘ３ 吸収光

Claims (7)

1. 外気に比べて移動体の表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体を蓄積するタンクと、
   前記タンクから放出される流体を、前記移動体の表面に定めた流体放出位置から前記移動体の外部に放出する流体放出装置と、
   を備えることを特徴とする移動体。
2. 前記流体は、外気よりも水蒸気の分圧が高い流体であること
   を特徴とする請求項１に記載の移動体。
3. 前記流体は、外気よりも二酸化炭素の分圧が高い流体であること
   を特徴とする請求項１に記載の移動体。
4. 前記流体放出装置は、前記移動体のよどみ点に設置されること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動体。
5. 前記移動体は車両であり、前記流体放出装置は、前記車両のバンパに設置されること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の移動体。
6. 前記移動体の走行速度を取得し、前記走行速度に応じて前記流体の放出量を変更すること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の移動体。
7. 移動体の表面に定めた流体放出位置から、外気に比べて移動体表面より放射される放射熱の吸収率が高い流体を、移動体の外部に放出する流体放出装置を備え、
   前記流体は、外気よりも酸素の分圧が高い流体であること
   を特徴とする移動体。

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