JPH05507781A - ガス状流体アスピレータまたはポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス状流体アスピレータまたはポンプ 本発明は、ガス状流体アスピレータまたはポンプ、もっばらではないが特に光学 的大気汚染測定装置、特に煙濃度が人命または精密装置にとって危険となる前に 人の介入を喚起するのに通した早期警告用煙感知装置に関するものである。この 装置は、電源を早期に、または順序正しく切り、自動火災鎮火装置を作動させる ことができる。

この発明は、早期警告用煙感知装置に使用するアスピレータに関して述べる。煙 感知装置の熱感知・気体サンプリング装置に関する本出願人の米国特許第４　、 ６０８　、５５６号に記載されたこの型式の煙感知装置は、図１に示すサンプリ ング室を設けた米国特許第４．６６５．３１１号に記載された型式の煙ｉ知装置 に関するサンプリング管と開口ケーシングとを具備している。米国特許第４．６ ０８．５５６号の図７には、様々なサンプリング区域に通じ、それらの区域から 連続的に空気を採取する綱状の流体／煙の混合物輸送装置が概略示しである。こ の輸送装置は、例えば、前記米国特許第４．６６５．３１１号に記載された型式 のサンプリング室に逆戻りしている。しかし、この輸送装置は、低電力で、効率 的で長寿命運転のアスピレータを必要とする他の装置にも同様に適用することが できる。

この煙感知装置は、監視すべき区域内の空気の代表試料を連続的にアスピレータ で吸引する気密室を利用している。空気試料は強い広帯域光パルスによって刺激 される。微量の入射光が散乱し、空気中浮遊粒子を高感度受信器の方へ移動して 信号を発し、この信号が処理されて、この例では煙の汚染レベルを示す、この装 置は、極めて感度が良く、光の散乱による空気中分子だけを感知することができ る。そのため、軽度の汚染は信号の増加により、直ちに感知することができる。

したがって、商業用に利用できるこの感知装置は、非常に感度が良く、しかも誤 警報は少ない。

監視すべき空気の連続試料を得る装置は、信頼性があって効率的であり、消費電 力も少なく、長寿命であることが極めて重要である。

また、アスピレータは比較的高い圧力を生じ、危険な状況において、煙やこれに 類する汚染を感知するのにわずかな遅れで、または全く遅れがないように、低出 力定格の場合は、比較的多量の空気を吸引する。

現在使用されている様な従来のアスピレータは、比較的低価格、長寿命で、しか も、随時入手可能な細流ファンを利用している。しかし、既知の装置は、１分当 たり４０リツトルの流量において２％以下と効率が非常に低い。この様な低効率 では、特に低電力入力に対して流量を増加するには不十分と考えられる。

したがって、この発明の目的は、高効率、低電力の比較的高圧の出力のある気体 アスピレータまたはポンプを提供することである。

また、この発明の目的は、約２ワツトの入力に対して、３００パスカルのオーダ ーの圧力で毎分６０リツトルオーダーの容量があり、長寿命で、信頼性のある効 率２０％オーダーの効率的なアスピレータを提供することである。

本発明によれば、半径方間に延びる羽根を備えた曲り羽根羽根車を具備する気体 アスピレータまたはポンプが提供される。この羽根車は、ガス状流体の吸込口と 吐出し口を備えたハウジング内に取り付けられており、吸込口から吐出し口へ移 動するガス状流体は、羽根車へ入る軸流から羽根車から出る半径流に変わり、前 記羽根車とケーシングの関連部分は、羽根車の影響を受けている間、ガス伏流体 の流れの中に流れの分離や乱流を防止する形状とされている。

特に、羽根車吸込口は湾曲形状の入口構成であり、円錐台形の３断面を羽根流路 に達するまで入口スロートの回りに突出させることにより、断面積は一定に保た れる。

斯くして、流体の流れを９０度方向転換させながら、流れの分離を防止し、流体 流の加速や減速をおおむね防止し、損失を最小限度に抑えている。

乱流渦は最小化され、かつ均一な速度分布が達成されている。羽根の大口角は、 従来の速度線図法により設定することができ、羽根数は任意に１２枚に設定しで ある。

添付図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。図１は羽根車とケーシン グ人口の形状を示すアスピレータの断面図である。

図２は羽根の正面図である。

図３は従来のアスピレータと本発明によるアスピレータとの性能曲線の測定比較 を示す。

図４は任意長の管に対する応答時間の比較を示す。

図５および図６は羽根車スロート寸法および吸込口ボスの輪郭の構成の誘導の概 略を示す。

図７はＥｃｋによる羽根車入口領域の計算を説明するための図であ図９は先丸前 縁部（丸みを付けられた前縁部）によって生じせしめられる入口領域の減少を示 す。

図１０は羽根前縁部の変形態様を示す。

図１に示すアスピレータは、羽根車１０と、表面１５．１６で湾曲吸込口キャビ ティを形成する貫通吸込口１１とを具備する。これらの表面１５、１６は、流入 する空気を受け入れてこの空気を９０°方向転換させて羽根車の羽根の中へ、さ らに丸みの付いた台形状のボリュート（渦形室）を形成する周辺室１４へ移動さ せるように、流体の流れに対して一定の断面積を呈する。

羽根車の小型の直流ブラシレスモータ（図示しない）を収容するためのキャビテ ィ１７を具備する。温度上昇を最小限度に抑えて軸受寿命を長くするため、モー タには冷却ファンを取り付けることが望ましい。Ｈ擦損失を最小限度に抑えるた めに、ラビリンスシール１８゜１９が設けられる。

図２を参照すると、羽根車の羽根２Ｑはエネルギー損失を減らすために、厚さが 最小（ＩＱ！１１）にしである。羽根の前縁部２１は、溝幅が狭くなるのを避け 、気流の加速を最小にするために、放物線状に丸くしである。

羽根車吸込ロスコートの幾何学的形状（ボスの輪郭を含む）の設計に関する詳細 な質料はないが、その重要性は、一般に、余りにも簡単に片付けられてしまって いる。しかし、これは高効率を得るための要点であり、エネルギー損失を最小に するための一つの方法が主要な原則から導かれた。即ち、 本気流を９０°方向転換させつつ流れの分離（流れの剥離（ｆｌｏｗｓｅｐａｒ ａ　ｔｉｏｎ）　）を防止すること、水気流の加速または減速を防止すること、 によって、また、羽根溝内において、 ＊流れの分離および渦が最小化され、かつ＊均一な速度分布が得られる ように羽根溝入口への気流を調整することによって、エネルギー損失を最小化す るために一つの方法が導き出された。

この方法は放物線状のボスの輪郭に帰着し、短い円弧を指定することによってこ の形状を高精度で模倣することができた。

羽根人口角は従来の速度線図手段（速度三角形手段）により設定され、また羽根 の個数は１２枚に設定された。

羽根前縁部によって生じるエネルギー損失を最小にするために、羽根は最小限度 の厚さく１ｍ）で設計しである。しかし、所望の角度に設定すれば、羽根の在勤 厚さは２．７Ｍである。１２枚の羽根の厚さを合わせると吸込口断面積が非常に 減るので、前縁部の溝深さを（平滑な推移により）増加し、平均空気速度を一定 に維持している。

さらに、気流を加速する溝幅の挟まりを除くために、羽根前縁部は（従来のくさ び形ではなく）放物線状に丸くしであるＣ図１０参照）。

羽根溝は平行な側板により３．３ＩＩｆｆｉの一定の深さに維持することが望ま しい。羽根は先端が半径方向に延び、渦巻き形ボリュートに取りつけた吐出しロ ディフユーザ内の静水頭に変換する必要のある動水頭に適合する最大静水頭を生 じるように、湾曲しているのが望ましい。渦巻き形ボリュートの幾何学的形状は 、利用できるスペースに合うように修正した、広がった先丸台形状の構造を有し 、８度のディフューザノズルを完備し、これには台形から円形に移行する必要が あった。サンプリング用のガス状流体を運ぶための２５閣の標準バイブ加工物に 正確に合うように、吸込継手と吐出継手を適合させることができる。こうするこ とによって、高圧が必要な多数のアスピレータのステージングが可能になり、ま た例えば、コンピユータ室などで発生することのある部屋の圧力差を克服するた めの排気管の取り付けが容易になる。

図１、図５および図６を参照して吸込スロー）１５．１６の形成の詳細を説明す る。

損失を最小にするために、気流はスロート壁に平行に流れるように向けられなけ ればならない。したがって、断面積はその流れに垂直に、すなわち、スロート壁 に垂直に測定しなければならない。しかし、実際には、均一な断面積を達成する 場合には（９０度方向転換する）スロート壁自体が平行であることは不可能であ る。さらに、スロート面積の計算には、第−例では、単にひとつの壁形状が定義 されただけで、第二（ボス）壁がどの程度まで平行でないかは未知であった。両 壁に対する直角度（すなわち、中央線に対して直角）を平均した角度で測定した 断面積を得るには、手順を反復する必要があると思われる。

しかし、方向転換が不十分で、気流の一部が剪断で流れる可能性があるので、こ のような余分な努力も効果がないかもしれない。さらに、パイプ・スロート界面 では、質量流量の大部分が第−壁の方へ付勢される（これは、所与の幅の環状リ ングの断面積が環状半径の２乗に比例しているためにほかならない）。したがっ て、この第−壁に垂直な断面積を計算するのが最も適当であると思われる。

この領域を３次元的に見たときに、スロートに沿った任意の点における断面積は 円錐台状の表面により記述されることが発見された（図５参照）。

使用した文献では、正円誰形の斜面面積（底面を除く）をめるための公式、例え ば、Ｓ＝πｒ　（ｒｌｈ）が与えられている。しかしながらこの式は正確ではな く、（例えば）円錐または「インディアンのテント小屋」の形状になるように引 っ張られた既知の半円の面積を数学的に比較するという単純な試験に失敗した。

別の式が主要な原則から導き出され、厳密な試験を受けた。その結果、底面半径 がｒ、高さがｈの円錐の表面積Ａ、は次式で与えられる。

Ａ、＝ｘｒｈ　（１＋　（ｒ／ｈ）”）”また、円錐台については、表面積は次 のようになる。

Ａｓ　＝ｒｔ　Ｃｒｚ　ｈｚ　−ｒｌ　ｈ＋　）（１＋　ｌｒｚ　／ｈｚ）”） ”図５に示されたような羽根車形状に対してこの公式を適用することにより、ｒ 普通筆記法（ｌｏｎｇｈａｎｄ）　Ｊによる計算によって厳密に試験された次式 を導き出すことができた。

ｒｂ　＝（（ｒｌ　Ｘ”）”　ｒｏ”ｘ／　（ｒｌ　ｒｏ））”’この一般的な 解法は、この特別な羽根車の設計のために設定したｒｏ＝１０．５およびｒ＋＝ ２０を代入して次式のように簡単にすることができる。

ｒｂ　＝（（２０−ｘ）”−１１，６ｘ）”この弐でＸのいろいろな値に対する 解答が得られる。しかし、これによって得られるｒ、の値はｙ′に換算すればも っと簡単に処理縦座標ｙ及びｙ′は、第１のスロート壁の曲率と三角形の合同と により、Ｘの値によって次式のように決定される。

ｙ＝　（ｒ”　−ｘ”）”　＝　（９０−ｘ”）”ｙｒ　＝　ｙＸｒ　／ｘ Ｘのいくつかの値に対して得られた座標（ｘ’　、ｙ’　）をプロットすること により、図６に示されるようにベストフィツトされた曲線を定めることができる 。

都合よく、円形曲線を使ってこの放物線にぴったり合わせることができた。この 羽根車の場合は、曲率の最適半径は、羽根溝に接線的に引くと、２２ｍであった 。この方法で必要なことは、部分円を構成するのに、その中心を羽根車の中心線 から設定距離ｒ＋＝２０閣に置くことである。

最適曲線は、ボスに対して中央先端部が非常に尖っていて、金型の成形を助け、 各成形部品を破損しないように取り出し、従来よりさらに空力を利用した前縁部 を提供する必要があるので、中央点は、図６に示すように、丸みを付けられた２ ４にすべきであると提案されている。実際には、先をわずかに丸くしても、羽根 車の性能にはほとんど影響はないと思われる。実際、この種の丸み付け（ずっと 大きい半径が使っであるが）はダイカスト遠心ポンプに一般に用いられている人 頭の羽根車保持ナンドを連想させる。

羽根流路入口 羽根の前縁部には、面積が突然変化して損失を招く可能性が存在する。このよう な面積の変化は羽根の厚さから生じるものである。

もし、羽根の直前のスロート幅を羽根幅に等しくすれば、羽根流路に入ると面積 が減る。また、スロート幅を減らしてスロート面積が羽根流路面積と等しくなれ ば、幅に差のあることが必要なために、同様に損失になる切れ目ができることに なる。

この解決法は、羽根前縁部の形状に従って羽根流路入口を形成することにある。

気流が羽根前縁部に当たると、流路幅は所望のスロート幅から所望の羽根幅へ円 滑に膨張し、均一な断面積が維持される。この膨張テーパは羽根を成形する長さ 以下で完了されなければならない。

成形とテーパが全体の遷移の中で、確実に互いに補足し合うのが理想的に思える が、これはくさび形状を提案することになり、実際には、ただ両寸法の平滑な曲 線を提供することによって損失が最小になると思われる。

図６に示すように、膨張テーパ２２は一枚の側板上にだけ、すなわち、モーター 側にだけ設けるのが望ましい。こうすると、吸込側の側板は変わらないので、設 計が簡単になる。さらに重要なことは、吸込側側板のテーパ膨張は、羽根流路内 の流れの分離を促進する傾向があるということである。

図７から図１０を参照して羽根入口構造の詳細を説明する。

Ｅｃｋによると、各羽根の有効厚さくｔ′）は、大口角（Ｂ１）の角度で決まる が、実際の厚さく１）より大である。これが図７に示してあり、そこでは、わか り易いように、入口の円形がまっすぐにしである（Ｅｃｋは異なる記号、すなわ ち、ｓ＝ｔ、σ＝ｔ’を用いている）。有効厚さは幾何学的形状から容易にめら れる。

ｔ　’　＝　ｔ　／５ｉｎ（Ｂ　＋）−１／５ｉｎ（２５）　＝　２．４ｍ図８ はＥｃｋのたがね状の前縁部を使用した場合と望ましい先光形を使用した場合の 効果を比較したものである。この先光形は成形にｔ；より実用的であり、羽根裏 での流れの分離を含む入口ショック損失が減る。これは、流量が羽根車の定格容 量よりかなり小さい場合特にそうである（この場合、先光形は異なる速度角にも 容易に適応できる）。

（図８に関して）先光形の場合は、有効厚さは次のような修正方程式によってめ られることを示すことができる。

ｔ’　＝ｔ　（１＋１／５ｉｎ（Ｂ＋））／２−ＬＸ　（１＋１／５ｉｎ（２５ ））／２＝　１．７ａｍ 残念ながら、図９から、吸込口の円形を真直ぐにするというＥｃｋの考えは、別 の効果を隠しているように見える。実際には、羽根は平行とは考えられず、気流 が先丸前縁部を通過する場合、羽根流路がある程度狭くなる。このように狭くな ると、空気速度が瞬間的に増加（加速）し、損失が生じる。この挟まりは次の羽 根の背面の急角度が原因である。１２枚羽根羽根車の場合は、次の羽根は３６０ ／１２＝３０＠だけ前進する。

それゆえ、前縁部は、羽根流路面積が瞬間的に狭くなるのを防ぐために、図１０ に示すように「鋭く」なければならない。これは、点ａで示すように、入口接線 と（半径２０ｍで）交わる（３０度前進している）次の羽根に平行な線を構成す ることにより達成される。この線は、吸込口接線に対して必要なすくい角（Ｂ　 ＋　＋　３６０／　ｚ　）　＝５ｓ。

で傾斜し、点すで羽根の縁と交わっている。対称を得るために羽根の反対側も同 様に扱う。

理想的には、このように鋭くすることによって生じる突然の推移（鋭い縁部）は （破線で）示したように、適当な曲線を用いて滑らかにしなければならない。こ の結果得られる形状は、従来の空力的翼形に一層よく似ている。

型成形を簡単にするために、半円前縁部の使用が重要であると最初は考えられい てたが、このように薄い（１，０ｍｍ）羽根厚さでは、どんな場合でも火花侵食 フライス加工が必要になり、空力的翼形は、フライス加工でも費用はわずか多く かかるだけである。

興味があるのは、１２枚羽根の羽根車に対するＢ１のとりうる値（０〜９０度） の範囲については、Ｂ、が６０度以上であれば、羽根を鋭くする必要がないとい うことである。鋭さが最大（すくい角３０度）になるのはＢ、＝Ｏの場合である 。

図１０に示す前縁部の輪郭によれは、前に計算した有効羽根厚さ、すなわち１． ７ｍ１１を保持することが可能である。この形態を使うと、−使用できる吸込口 周囲は下記まで減じることができる。

Ｃ１’　＝Ｃ＋　ｚ　ｔ　’　＝　１２６　１２Ｘ　１．７＝　１０６ｍ５パイ プ面積に等しい吸込口面積を得るためには、羽根車入口における羽根の幅は次の ようでなければならない。

Ｗ、＝Ａ、／Ｃ，’　＝　３４６／１０６＝　３．３閣ポンプケーシングの構造 上の別の特長は、周辺空気から吸引した空気を隔離して、危険区域における運転 を可能にすることである。

これを実現するには、モーターラビリンスをフレームトランプとしてオーストラ リア基準に一致するように設計する。

図３、図４は、ここに述べたようなアスピレータの性能を、早期警告用煙感知装 置に最近用いられている従来のアスピレータと比較して図示したものである。

図３は、新規アスピレータで可能な増圧を示す。１００ｍパイプを使用した一例 では３．８０Ｏｒｐｍの速度で３００パスカルを越える圧力上昇が、以前のアス ピレータの半分以下の、わずか２ワツトの電力ドレンで達成された。比較的大き い流量で優れた性能を持続できるため、個々のパイプ装置の運転に制限されるこ となく、多数のパイプやサンプリング穴に対して使用しても、際立った利点があ る。

図４は、１００メートルのパイプで、煙輸送時間を係数４だけ低減させるパイプ 長と比較した、応答時間を徹底的に改善したこの発明によるアスピレータを示す 。短く、制限の少ないパイプでは、応答時間は驚くほど改善されるわけではない が、５０メートルのパイプの場合、時間は半分になる。

アスピレータのピーク全効率は２１％であることが計算で明らかである。そこで 、既知のモーター効率を考慮すると、ピーク羽根車効率は４９％であった。この 例のように低比速度の羽根車ポンプでは、このような結果は正常な期待をはるか に越えるものである。その上、吸込ロスロートの幾何学的形状や羽根の構造に特 別な注意を払えば、羽根車は８１％の内部効率を達成することがわかっている。

アスピレータの部品は射出成形し、自動生産が可能であり、繰り返し精度も保証 されている。これらの要素により、工場能力は大いに改善され、増大する市場需 要に素早く対応するという責任を果たし、国際的に競合できる価格構造を維持す るための一層になる。この発明は、早期の火災感知のための改善された装置性能 を提供するが、このアスピレータに対する適用範囲は、電池や太陽を電源とする 大気汚染監視への適用のように低電力入力および迅速な応答が必要とされる分野 にかなり拡大される。

Ｆｉｇ　２゜ Ｆｉｇ　３．　−　測定された性能曲線Ｆｉｇ　４．　−　応答時間対ノくイブ 長Ｆｉｇ、６ Ｆｉｇ、１０ 浄書（内容に変更なし） 要約書 半径方向に延びる羽根を取り付けた回転羽根車（１ｏ）を具備し、羽根車はガス 状流体の入口と出口を有するハウジング内に取り付けられ、入口（１５）から出 口（１４）へ移動するガス状流体が羽根車の中へ流入する軸流から羽根車から流 出する半径流に変り、前記羽根車とハウジング（１６）の関連部分とが、羽根車 の影響を受けている間、ガス状流体の流れの中において流れの分離や乱流を防ぐ ように形成して成るガス状流体アスピレータまたはポンプ装置。羽根車入口（１ ５）は、入口開口部の領域におけるハウジング（１６）の構造に整合した湾曲し た円錐形状の入口構造を具備している。この構造は流体の流れを約９０度の大角 度で方向転換させる働きをし、流体の流れの加速および減速をほぼ防ぐ。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成４年１２月２．１５俗

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．半径方向に延びる羽根を有する湾曲した羽根車を具備し、この羽根車はガス 状流体の入口および出口を有するハウジング内に取り付けられ、入口より出口へ 移動するガス状流体が羽根車へ流入する軸流から羽根車から流出する半径流に変 わり、前記羽根車とハウジングの関連部分は羽根車の影響を受けている間、ガス 状流体の流れの中に流れの分離や乱流の発生するのを防止するような形状とされ たガス状流体アスピレータ／ポンプ装置。
2. ２．羽根車入口と関連するハウジング部分とが、中を流れる流体の流れの分離を 防ぎまたは制限する働きをし、流体の流れを９０度のような実質的な角度で方向 転換して装置内における前記流体の流れの加速及び減速をほぼ防ぎまたは制限す る、吸込口開口部において湾曲した円錐形状に構成された請求の範囲１に記載の 装置。
3. ３．羽根車の羽根が羽根流路の前縁部において、一定の断面積を維持するために 、放物曲線に沿って丸み付けして前記羽根間の幅が狭くなるのを避け、気流の加 速または減速を最小にする、請求の範囲１または２に記載の装置。
4. ４．煙感知装置に用いられる、請求の範囲１から３までのいずれか一項に記載の ガス状流体アスピレータ／ポンプ装置。