JP2003301811A - 整流装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 拡大流路内で発生する流体の乱流や壁面の剥
離を抑え、低騒音化、拡大流路出口での流速分布の平均
化を図ることができて、コンパクトにすることができる
整流装置を提供するものである。 【解決手段】 拡大流路入り口では流入管部１の流速分
布を基に整流板２３ｂで区切られた区間の流量がそれぞ
れ一定となるように整流板２３ｂの位置を設定し、拡大
流路出口では出口面積を均等に分割する様な整流板２３
ｂの位置に設定する。整流板で区切られた部分に流れる
流量が一定になり、拡大管出口から吐出される流速がよ
り均一化できる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流れの中で
流路断面積が拡大する流路を有する管に流れる流体を整
流し、流体エネルギの損失を防ぎ、騒音の低減、拡大流
路出口での流速分布の平滑化を図る整流装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】拡大管を設計する場合、最も重要となる
のが流路断面積が拡大する流路内での流体のエネルギ損
失をできるだけ小さくして流すことにある。拡大管につ
いてはこれまでかなりの研究がなされており、代表的な
形状については、ほぼ設計手法は確立されていると言っ
てもよい。たとえば図１８に示すＧｉｂｓｏｎの実験結
果によると円錐型の場合は、拡大管の広がり角度２θと
拡大管の効率は図のような関係があり、流路断面積比
２．３〜９の範囲で最適な広がり角度は６〜８°である
といわれている。また、断面形状が正方形の角錐型では
最適な広がり角度は約６°、二次元拡大管では約１１°
である。このように拡大管形状毎に流路断面積比と拡大
管長さから最適な拡大管形状を設計する。しかし、ここ
にあげた例から分かるように最適な広がり角度は非常に
小さいため、流路断面積比が大きくなると拡大管長さも
かなりの長さを要するので、本体が非常に大きくなる。
そこで、前記の広がり角度より大きい拡大管の場合はそ
の管の中に整流板を挿入して、広がり角度の小さい流路
に分割する手法を用いている。これにより、流体が拡大
管壁面や整流板に沿って流れるため、剥離が抑えられ、
エネルギ損失の低減が可能となる。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の手法では図１８に示した広がり角度よりもかなり大
きい急拡大管では広がり角度が大きい整流板を配置しな
ければならないため、流体が整流板に沿って流れる面と
剥離する面ができ、拡大管出口で流速分布のバラツキが
非常に大きくなる。また、整流板の広がり角度が大きく
ならないよう整流板枚数を増やすと、整流板が流路を縮
小させて流れを妨げるため、エネルギ損失の低減が期待
できないなど問題があった。 【０００４】本発明の目的は、このような従来の問題を
解決するため、拡大流路内で発生する流体の乱流や壁面
の剥離を抑え、低騒音化、拡大流路出口での流速分布の
平均化を図ることができる整流装置を提供するものであ
る。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明は、流入管から流
れ込む流体の流路を拡大する拡大管と、該拡大管内に流
路に沿って配置されて流路を仕切る整流板とを備え、前
記整流板の配置位置を、前記拡大管の流路入口では流入
管の流速分布を基に整流板で仕切られた流路に流入する
流量がそれぞれ同じとなるように設定し、流路出口では
流路面積を均等に分割するように設定したことを特徴と
する整流装置である。この発明においては、拡大管出口
から吐出される流速がより均一化できる。 【０００６】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。 【０００７】〔第１実施形態〕図１は、本発明に係る整
流装置の第１実施形態を示す概要説明図である。この整
流装置は、断面矩形状の流入管１に接続し拡大流路を形
成する拡大管２と、その拡大管２内部に配置した、例え
ば８枚の整流板３ａ，３ｂとからなる。拡大管２は、断
面矩形状であり、流路入口４から出口５にかけて断面積
が拡大するように形成されている。整流板３は、その表
面が流れ方向に沿うように配置される。そして、１枚で
流路を完全に仕切るのではなく、流れ方向の上流側に整
流板３ａ、下流側に整流板３ｂを間隔をおいて配置し、
流路の中間部に仕切りがない開口部分６を形成する。 【０００８】図２は、拡大管内を流体が流れる方向を示
す説明図である。整流板２は、流路の中間部に開口部分
６を形成するように配置されているので、整流板２が完
全に流路を分割することなく、整流板２の間で流体の流
出入が生じる。このため、自然に乱流が発生しないよう
に、また整流板３ａ，３ｂと流体の剥離及び拡大管２壁
面部と流体の剥離が抑制されるように、流体が流れてい
く。こうして、流体の乱流等による騒音を低減でき、ま
た、整流板３ａ，３ｂに沿って流体が流れるため流速分
布のバラツキも小さくなり拡大管出口５の流速分布が平
均化される。また、整流板３ａ，３ｂが流れを妨げるこ
ともなく、エネルギ損失も少ない。そして、拡大管２の
広がり角度を大きくしても、整流板２と流体の剥離及び
拡大管２壁面部と流体の剥離が抑制されるので、拡大管
２の広がり角度の大きい、非常にコンパクトな整流装置
を製作できる。 【０００９】図３は、整流板の他の形状を示す構成図で
ある。図のように整流板７の中間部にスリットや孔を設
け、この整流板７を流路にそって配置する。この整流板
７を用いれば、中間部に開口部分が存在するので、前記
と同様の効果が得られ、流れ方向に１枚の整流板７を配
置するだけでよいので、整流装置の組み立てが簡便とな
る。 【００１０】図４は、円筒型の拡大管の整流装置を示す
概略説明図である。この整流装置は、断面円形状の流入
管１１に接続し拡大流路を形成する拡大管１２と、その
拡大管１２内部に配置した整流板１３ａ、１３ｂとから
なる。拡大管１２は、断面円形状であり、流路入口から
出口にかけて断面積が拡大するように形成されている。
整流板１３ａ、１３ｂは、その表面が流れ方向に沿うよ
うに配置され、１枚で流路を完全に仕切るのではなく、
流れ方向の上流に整流板１３ａを、下流に整流板１３ｂ
を配置して、その間に開口部分６を形成するようにして
いる。このように整流板や拡大管の形状は、ここに示し
た形状に限らず、様々な形状に応用できる。 【００１１】〔第２実施形態〕図５は、本発明に係る整
流装置の第２実施形態を示す概要説明図である。この整
流装置は、第１実施形態の拡大管２の内部に配置した整
流板に特長がある。すなわち、第１実施形態の拡大管２
に開口部分のない整流板３ｃを設け、拡大管２の中心部
に配置することによって、拡大管２を仕切って２つに分
割する。整流板３ｃによって仕切られた空間において
は、それぞれ整流板３ａ，３ｂが、例えば２枚ずつ配置
されている。すなわち、流入管１からの流路に平行に配
置した整流板３ｃには開口部分を設けず、流路を拡大す
る方向に配置した整流板３ａ，３ｂには開口部分を設け
ている。この図の場合、拡大管２の中央部の流れは流入
管１の流れ方向と平行であるため、中央に配置した整流
板３ｃは流れ方向と平行で、流体との剥離は小さい。こ
のため開口部分がない整流板３ｃを配置すれば、流体は
整流板に沿って流れるため、さらにエネルギ損失が低減
できる。よって本実施形態によれば、広がり角度の大き
い壁面近傍は整流板間で流体の流出入が図れて、整流板
と流体の剥離が抑えられ、中央部は開口部分のない整流
３ｃ板により流れが安定し、更にエネルギ損失の低減を
図ることができる。 【００１２】ここで第２実施形態の整流装置を数値解析
により検討した結果を示す。図６は流入管から流れてき
た流体の流れを解析し、それを流線で表した説明図であ
る。図６（Ａ）は従来の解放部分をもたない整流板３ｄ
の場合、図６（Ｂ）は本発明の開口部分をもつ整流板３
ａ，３ｂを配置した場合である。太線が流線であり、こ
の流線の出発地点はどちらも同じ位置からのものであ
る。図６（Ａ）は整流板３ｄを境として流れが異なり、
整流板３ｄに沿う流れと整流板３ｄから剥離する流れが
はっきりと流線に現れていることがわかる。図６（Ｂ）
は整流板３ａに沿う流れの一部が整流板の開口部分を通
って内側に流れており、この流れはまた整流板３ｂに沿
って流れている。整流板３ａの内側を通ってきた流れは
整流板の開口部分を通ってきた流れに導かれて図６
（Ａ）よりもさらに整流板３ｂに沿って流れていること
がわかる。 【００１３】次に拡大管出口の流速分布を見る。図７は
図６の拡大管出口の流速分布を示すグラフである。ここ
で、１４−ａは図６（Ａ）に示す整流装置のデータであ
り、１４−ｂは図６（Ｂ）に示す整流装置のデータであ
る。全体的に見ると流速は強弱が交互に現れている。整
流板は流速が弱から強に変化する破線で示したところに
位置している。中央の整流板以外は拡大管出口に向かっ
て広がる方向に挿入しているので、この整流板の２面を
拡大管壁側と中央側に分けて考えると、整流板の拡大管
壁側の面は気流が整流板に沿って流れるため流速は速い
が、中央側の面では流体が剥離するため遅くなることが
わかる。１４−ａよりも１４−ｂの方が中央部での流速
は下がり、整流板前後の流速差も小さくなっている。こ
のことから拡大管出口での流速も平滑化されていること
がわかる。 【００１４】ここで出口の流速分布のバラツキがどれだ
け小さくなったかを見るため、出口流速の目標流速に対
する偏差を求めた。出口流速の目標流速に対する偏差と
は、拡大管出口での流速目標値（流量と出口面積から算
出した平均値）を設定し、その目標値と出口流速の偏差
を求めて２乗平均した値で、数値が小さいほどバラツキ
が小さいことを示す。その結果、１４−ａにおける整流
装置は６．２、１４−ｂにおける整流装置は３．６とな
り、流速分布のバラツキが大幅に改善されていることが
わかる。 【００１５】次に圧力損失がどれだけ低減できたかを見
るためディフューザ効率を求めた。ディフューザ効率と
は気流の運動エネルギー減少分の何％が静圧の回復に使
われたかを示し、圧力損失が０であればディフューザ効
率は１００％となる。ディフューザ効率の算出式を以下
に示す。 ディフューザ効率＝（実際に得られる静圧上昇）／（入
口平均流速の動圧−出口平均流速の動圧） これは１４−ａの整流装置が６４％、１４−ｂの整流装
置が７４％という結果が得られた。このことから１４−
ｂの整流装置は１４−ａの整流装置より１０％もディフ
ューザ効率が改善されたことがわかる。 【００１６】〔第３実施形態〕図８は本発明に係る整流
装置の第３実施形態を示す概要説明図である。この整流
装置は、第１実施形態の拡大管２の内部に層流翼形状の
整流板２１を流れ方向に沿って、例えば４個配置したも
のである。一般に、翼形が流体中を進むときに揚力が生
ずる場合、翼下面における平均の圧力が大きく、上面に
おける平均圧力は小さくなっている。これは、ベルヌイ
の定理により翼上面の速度が平均して大きく下面の速度
がより小であること、さらに上面の流れの速度をより大
にし、下面の流れが減速するように働く循環流が翼形周
りに存在していることを示している（図８（Ｂ）参
照）。このことから、拡大管内に翼形状の整流板２１を
配置すれば、整流板２１から流体が剥離しにくくなり、
流速が速くなるところはある程度抑えられることにな
る。また、翼形に沿う境界層は上流で圧力降下、下流で
圧力上昇を伴う。圧力上昇を伴う翼形後縁付近では境界
層は、剥離しやすくなり、じょう乱の増幅が著しくほと
んど乱流となる。逆に、圧力降下を伴う境界層では層流
の状態が続く可能性がある。層流境界層での摩擦抵抗は
乱流境界層のそれより小さいので、翼形の最大厚さの位
置を後退させた層流翼（例えばＮＡＣＡ６５系翼形）を
用いることによって圧力降下領域を広げ、境界層の遷移
を遅らせ、摩擦抵抗を減少させることができる。これに
より拡大管内に流れる流体のエネルギ損失が低減でき
る。 【００１７】〔第４実施形態〕図９は、本発明に係る整
流装置の第４実施形態を示す概要説明図である。この整
流装置は、拡大管２の拡大流路内の流れ方向に設置する
整流板１８を流入管１にまで延長したものである。整流
板２２は、例えば４枚配置されており、これらは開口部
分が有っても無くてもよい。整流板２２を拡大管２より
も長くすることにより、拡大管長さが長くなったと同様
の効果があるため、拡大流路内で発生する流体の乱流を
抑え、エネルギ損失を低減し、拡大流路出口での流速分
布を平均化できる。 【００１８】次に第４実施形態を数値解析により検討し
た結果を示す。図１０は、拡大管内のみ整流板を取り付
けた場合と、整流板を流入管にまで延長した場合の拡大
管出口の流速分布を示すグラフである。１５−ａが拡大
管内のみ整流板を取り付けた場合であり、１５−ｂが整
流板を流入管にまで延長した場合である。１５−ａ，１
５−ｂにおける拡大管内の整流板は、長さが異なるのみ
で、配置位置は同じである。破線は拡大管出口の整流板
位置を示す。この結果から、１５−ｂは１５−ａよりも
中央部で流速が下がり、整流板前後での流速差が小さく
なった。これは整流板が長くなったために拡大管自身が
長くなったと同様の効果をもたらしたと考えられる。整
流板が開口部分を有する場合の出口流速の目標流速に対
する偏差は３．６から３．１、ディフューザ効率は７４
％から８２％に向上した。 【００１９】〔第５実施形態〕次に、整流装置の第５実
施形態について説明する。一般に、管径が一様な管内を
流れる流体の流速は、中心部が最も速く、壁面に近づく
に従い壁面と流体の粘性の影響で遅くなっており、これ
は拡大管に流入する流体も同様である。そこで、拡大流
路入り口では流入管部の流速分布を基に整流板で区切ら
れた区間の流量がそれぞれ一定となるように整流板の位
置を設定し、拡大流路出口では出口面積を均等に分割す
る様な整流板の位置に設定する。例えば流入管内で流れ
る流体の流速分布が図１１のようになっているとする
と、流速と管径から流量が計算できる。拡大管に取り付
ける整流板が５枚であるとすると、整流板及び拡大管壁
面で区切られる領域は６つとなる。よって流量を１／６
した値が整流板及び拡大管壁面で区切られる１つの領域
に流す流量となる。後は１つの領域に流す流量が計算し
た値になるように、図１１の流速分布図から拡大管流路
入口部の整流板位置を決定すればよい。図１１の細線
は、上記説明したように算出した拡大管入口における整
流板位置を示す。このように拡大流路入口では、流入管
の流速分布を基に整流板で区切られた断面積に流入する
流量がそれぞれ同じとなるように整流板の位置を設定
し、出口では、拡大流路面積を均等に分割するように整
流板の位置を設定すれば、整流板で区切られた部分に流
れる流量が一定になり、拡大管出口から吐出される流速
がより均一化できる。 【００２０】次に、第５実施形態を数値解析により検討
した結果を示す。図１２は拡大管入口での流速分布図で
ある。この図から管壁と中央部の流速差は１５ｍ／ｓ以
上になっていることがわかる。そこで整流板挿入位置を
図１２の流速分布曲線を基準に整流板の位置を図１３に
示すとおり決定した。図１３（Ａ）は比較用データをと
るため整流板２３ａを均等分割した場合、図１３（Ｂ）
は図１６の拡大管入口の流速分布から整流板２３ｂ間の
風量が同じになる整流板位置を設定し、拡大管出口では
出口面積を均等に分割するように挿入した場合である。 【００２１】図１４は、拡大管出口の流速分布を示す。
１７−ａは、図１３（Ａ）の整流装置のデータ、１７−
ｂは、図１３（Ｂ）の整流装置のデータを示す。整流板
は流速が弱から強に変化するところに位置している。中
央の整流板以外は拡大管２出口に向かって広がる方向に
挿入しているので、この整流板の２面を拡大管壁側と中
央側に分けて考えると、整流板の拡大管壁側の面は気流
が整流板に沿って流れるため流速は速いが、中央側の面
では気流が剥離するため遅くなることがわかる。整流板
２３ａを均等に入れた１７−ａと比較すると１７−ｂは
整流板２３ｂの広がり角度が大きいため、整流板２３ｂ
前後の流速差が大きいが、出口部では壁面近傍でも流速
は２ｍ／ｓ以上あり剥離流れを起こしていない。出口流
速の目標流速に対する偏差を調べると１７−ａの１１．
６に対して１７−ｂは６．２であるため、流速分布のバ
ラツキは小さく、出口での流速分布が平滑化されている
ことがわかる。 【００２２】〔第６実施形態〕図１５は、本発明に係る
整流装置の第６実施形態を示す概要説明図である。この
整流装置は、図１の第１実施形態の整流装置において、
拡大管２の流路入口側の両壁面奥に空間２５を設け、そ
の空間と流路を仕切る部分に開閉するシャッタを設けた
構造である。この空間２５を開閉するシャッタ２６は、
図１６に示すとおり、開口部を２箇所有する２枚のシャ
ッタ板２６ａ，２６ｂからなり、スライドさせることに
より、自由に開閉できるものである。図１６（Ａ）に示
すように、シャッタ板２６ａ，２６ｂの開口部が重なら
ない場合は、シャッタ２６は閉じており、図１６（Ｂ）
に示すように、シャッタ板２６ａ，２６ｂの開口部が重
なった場合はシャッタが開くことになる。流体の流れ方
向は常に最も流体が流れやすい方向に流れることが知ら
れている。このため流体の流れの方向と壁面が平行の場
合、流体は壁面に沿って流れやすい。そこで左右どちら
かを流れにくくし、流体と壁面の剥離を促せば流体の流
れ方向を制御できる。例えば流出後の流体を右方向に流
したい場合は左側のシャッタを開けて空間を作り左壁面
と流体の剥離を促進すれば、流体は右側に流れやすくな
るため拡大管出口で流体は右に流れることになる。ま
た、左に流したい場合は右側のシャッタを開ければよ
い。このように簡単な装置で流体の流れる方向を制御で
きる。尚、空間を設けるため今回は開閉式シャッタを用
いたが、剥離を促すことができれば流れの方向を制御で
きるため、この方法に限るものではない。 【００２３】次に第６実施形態を数値解析により検討し
た結果を示す。図１７は右に空間を設けた拡大管内を流
れる流体のベクトル図である。この図から右側の流体の
流れが壁面を沿わず、剥離しているため、拡大管内を流
れる流体全体が左側に流れている。このことから拡大管
壁と流体の剥離を促せば簡単に流体の流れの方向を制御
することが可能であることがわかる。 【００２４】 【発明の効果】本発明によれば、整流板の配置位置を、
前記拡大管の流路入口では流入管の流速分布を基に整流
板で仕切られた流路に流入する流量がそれぞれ同じとな
るように設定し、流路出口では流路面積を均等に分割す
るように設定したので、拡大管出口から吐出される流速
がより均一化できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係る整流装置の第１実施形態を示す概
要説明図である。 【図２】拡大管内を流体が流れる方向を示す説明図であ
る。 【図３】整流板の他の形状を示す構成図である。 【図４】円筒型の拡大管の整流装置を示す概略説明図で
ある。 【図５】本発明に係る整流装置の第２実施形態を示す概
要説明図である。 【図６】流入管から流れてきた流体の流れを解析し、そ
れを流線で表した説明図である。 【図７】図６の拡大管出口の流速分布を示すグラフであ
る。 【図８】本発明に係る整流装置の第３実施形態を示す概
要説明図である。 【図９】本発明に係る整流装置の第４実施形態を示す概
要説明図である。 【図１０】拡大管内のみ整流板を取り付けた場合と、整
流板を流入管にまで延長した場合の拡大管出口の流速分
布を示すグラフである。 【図１１】流入管内で流れる流体の流速分布を示す説明
図である。 【図１２】拡大管入口での流速分布図である。 【図１３】整流板２３ａを均等に配置した場合と拡大管
入口で風量が同じになるようにし出口面積を均等に分割
するように整流板を配置した場合の概略説明図である。 【図１４】拡大管出口の流速分布を示すグラフである。 【図１５】本発明に係る整流装置の第６実施形態を示す
概要説明図である。 【図１６】シャッタ動作を示す概略説明図である。 【図１７】右に空間を設けた拡大管内を流れる流体のベ
クトル図である。 【図１８】Ｇｉｂｓｏｎの実験結果による拡大管の広が
り角度とディフューザ効率の関係を示すグラフである。 【符号の説明】 １ 流入管 ２ 拡大管 ３ａ，３ｂ 整流板 ４ 流路入口 ５ 流路出口 ６ 開口部分 ２３ａ，２３ｂ 整流板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 流入管から流れ込む流体の流路を拡大す
   る拡大管と、該拡大管内に流路に沿って配置されて流路
   を仕切る整流板とを備え、 前記整流板の配置位置を、前記拡大管の流路入口では流
   入管の流速分布を基に整流板で仕切られた流路に流入す
   る流量がそれぞれ同じとなるように設定し、流路出口で
   は流路面積を均等に分割するように設定したことを特徴
   とする整流装置。