JP5071318B2 - 流体流吹出装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体が流出する出口部近傍に設けられ、出口部より吹き出される流体流を制御する流体流吹出装置に関するものであり、例えば、車両車室内の天井部に設置されて乗員にスポット的に流体を供給する吹出部に用いて好適なものである。

従来技術として、例えば下記の特許文献１に開示された流体流吹出制御装置がある。この装置では、気流が環状に吹き出されるように構成されており、吹き出された気流が内側に巻き込まれることで、自由吹出気流に比べて吹き出した気流が拡散しにくいようになっている。
特開平６−８７３２５号公報

しかしながら、上述した従来技術では、自由吹出気流に比べれば気流が拡散しにくいものの、環状気流外周の風速が速いことで周囲空気との空気摩擦が大きく、この周囲空気との空気摩擦によって周囲空気中に気流が拡散していってしまうという課題がある。本発明は、このような従来技術に残された課題に着目して成されたものであり、その目的は、周囲空気との摩擦による拡散を抑制して、吹き出す流体の濃度、温度、湿度などの成分の到達率を向上させることのできる流体流吹出装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、流体が流出する出口部近傍に設けられて出口部より吹き出される流体流を制御する流体流吹出装置であり、流体通路を形成する略円筒状の外周筒部（１０）と、外周筒部（１０）の中心部において前記外周筒部（１０）と同軸状に配置されて、吹き出される流体流を環状に形成する略円柱状の環状流生成柱（１１）と、
外周筒部（１０）と環状流生成柱（１１）との間に形成される環状流体通路に、流出する流体の方向を整える整流格子（１４）を配置するとともに、
整流格子（１４）を、環状流生成柱（１１）周りに配置された主流整流格子（１４Ａ）と、主流整流格子（１４Ａ）の外周側で外周筒部（１０）内側近傍に配置されて主流整流格子（１４Ａ）よりも格子が密になった副流整流格子（１４Ｂ）とで構成していることを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、外周筒部（１０）の出口部近傍の中心部に環状流を形成する環状流生成柱（１１）と、その周りに内外２層となるよう主流／副流整流格子（１４Ａ、１４Ｂ）とを設け、内側の主流整流格子（１４Ａ）の格子を粗く、外側の副流整流格子（１４Ｂ）の格子を密に構成することにより、主流整流格子（１４Ａ）からの主環状流の外周側に、副流整流格子（１４Ｂ）からの副環状流が、主環状流に対して遅い流速で吹き出されることとなる。

このように、２層環状流としたうえ、中心側の主環状流に対して外側の副環状流の流速を遅く設定することで周囲流体との流体摩擦が低減される。つまり、流体流と静止流との摩擦による拡散が抑えられ、主環状流となって吹き出される流体の濃度、温度、湿度などの成分の到達率を向上させることができる。これは、流体流をスポット的に供給する装置においては、成分の到達率を向上させることで装置本体の必要能力を抑えることができるため、装置本体の小型化や省エネルギー化をすることもできる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の流体流吹出装置において、流体を出口部近傍にまで導く供給管部（２２）に対して、吹き出し方向を変えられる構成としていることを特徴としている。この請求項２に記載の発明によれば、流体流をスポット的に供給する装置に適用した場合、流体流の供給先を容易に調節することができる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の流体流吹出装置において、車両車室内の天井部に設置された車両用空調装置の空調風吹出部に適用されていることを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、車室内天井部に設置された吹出部から乗員に向けて、酸素富化空気、冷／温風、加温／除湿風などをスポット的に供給する装置に適用して好適である。なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１参考形態）
以下、本発明の第１参考形態について図１〜５を用いて詳細に説明する。まず図１は、本発明の流体流吹出装置（以下、吹出ノズルとする）２３を用いた清浄ガス供給装置２０の全体構成を示す模式図である。本参考形態の清浄ガス供給装置２０は、図１に示すように車両に搭載され、車室内空気を導いて清浄ガスを生成し、その清浄ガスを運転者に向けて吹き出す装置である。

清浄ガス供給装置２０は、本体部２１、供給管部２２、流体流吹出装置２３、および図示しない制御装置とから構成されている。本体部２１は、車室内空気を導いて清浄ガスとして高濃度の酸素を生成し、吹出ノズル２３に供給する酸素富化膜式発生装置である。この本体部２１は、車両後方のトランクルーム内に設置され、車室内空気を吸入するように図示しない吸入管を介して車室内と連通するように構成している。

そして、後で詳述する吹出ノズル２３は、清浄ガスを運転者の顔面近傍に向けて吹き出すよう車両車室内の天井部に設けられており、供給管部２２を介して本体部２１に接続されている。なお、供給管部２２は、ゴム材や樹脂材からなるチューブ状に形成されており、トランクルームからリアピラー内を通って車両天井部の内装材の内部に配設されている。

図２は、図１中の清浄ガス供給装置２０における本体部２１の内部構成を示す模式図である。この図に示すように、本体部２１の内部には、酸素富化膜２１１、空気ポンプ手段としての真空ポンプ２１２、吸込みフィルタ２１３および送風機２１４から構成されている。

そして、酸素富化膜２１１は単数もしくは複数個のモジュールで構成され、その酸素富化膜２１１の片側が連通管２１２ａによって真空ポンプ２１２の吸入側に連通するように接続され、真空ポンプ２１２からの吐出管２１２ｂは、先の供給管部２２に接続されている。

送風機２１４は、酸素富化膜２１１の一方側から新鮮な車室内空気を流通させる換気用の送風機であり、吸込みフィルタ２１３は、その車室内空気に含まれる塵埃を除去するフィルタである。そして、真空ポンプ２１２を作動させて酸素富化膜２１１の内側を真空状態に減圧すると、外側の空気が圧力差により酸素富化膜２１１を通って真空ポンプ２１２内に吸引される。このとき、外側の空気の分子が酸素富化膜２１１を通過することで溶解、拡散、離脱する。

これは、通常の空気中の窒素は約７９％であるが、酸素は窒素に比べて酸素富化膜２１１を通過する速さが約２．５倍程度早いため、酸素富化膜２１１から離脱（通過）するときに生成される空気は、酸素富化膜２１１を通過する前の空気の組成よりも酸素濃度が高くなる。その結果、高濃度の酸素が約３０％含まれた空気を吐出管２１２ｂから吹出ノズル２３に供給することができる。なお、真空ポンプ２１２と送風機２１４は、図示しない制御装置に接続されて電気的に制御されるようになっている。

次に、本参考形態の要部である吹出ノズル２３について、図３および図４を用いて詳細に説明する。図３は、吹出ノズル２３Ａの構造を示す断面図であり、図４は、図３中のIV矢視図である。吹出ノズル２３Ａは、運転者から離れた場所に設置しても高濃度の清浄ガスを運転者に向けて吹き出せるように構成している。

具体的には、図３および図４に示すように、清浄ガスが流出する出口部近傍に設けられて出口部より吹き出される清浄ガス流を制御する吹出ノズルとして、外周筒部１０、環状流生成柱１１、分流筒１２および支持部１３から構成されている。外周筒部１０は、供給管部２２からの清浄ガス通路の出口部を形成する外側ダクトであり、略円筒状に形成されている。

環状流生成柱１１は、その外周筒部１０の中心部で、かつ同軸状に配置された略円柱状の部材である。外周筒部１０から吹き出される清浄ガス流を環状に形成する働きを成すものであり、清浄ガス流の上流側に向かって若干先尖りの形状となっている。なお、本参考形態では中実の部材となっているが、清浄ガス流の下流側から肉盗みを施した中空の部材であっても良い。

分流筒１２は、外周筒部１０と環状流生成柱１１との間でかつ外周筒部１０および環状流生成柱１１と同軸状に配置された略円筒状の部材である。支持部１３は、外周筒部１０の中に環状流生成柱１１および分流筒１２を同軸状に配置して保持するための支持部材であり、本参考形態では外周筒部１０、環状流生成柱１１、分流筒１２および支持部１３を樹脂材で成形して一体に形成している。

吹出ノズル２３Ａは、上述の構成により、環状流生成柱１１と分流筒１２との間に形成される主環状流体通路Ａと、外周筒部１０と分流筒１２との間に形成される副環状流体通路Ｂとを備えている（図４参照）。

そして、図３に示すように、主環状流体通路Ａの流入側通路面積をＡｉ、流出側通路面積をＡｏ、副環状流体通路Ｂの流入側通路面積をＢｉ、流出側通路面積をＢｏとすると、清浄ガスの流入側と流出側との面積比の大小関係がＡｉ／Ａｏ≧Ｂｉ／Ｂｏとなるように構成している。また、清浄ガスの流出側において、図３に示すように、環状流生成柱１１の外径をΦＡ、外周筒部１０の内径をΦＢとすると、その口径比ΦＡ／ΦＢが０．２〜０．５となるように構成したものである。

次に、本参考形態の特徴と、その効果について述べる。まず、清浄ガスが流出する出口部近傍に設けられて出口部より吹き出される清浄ガス流を制御する吹出ノズル２３Ａであり、清浄ガス通路を形成する略円筒状の外周筒部１０と、外周筒部１０の中心部において外周筒部１０と同軸状に配置されて、吹き出される清浄ガス流を環状に形成する略円柱状の環状流生成柱１１と、外周筒部１０と環状流生成柱１１との間で、かつ外周筒部１０および環状流生成柱１１と同軸状に配置された略円筒状の分流筒１２とを備えている。

そして、環状流生成柱１１と分流筒１２との間に形成される主環状流体通路Ａの流入側通路面積をＡｉ、流出側通路面積をＡｏ、外周筒部１０と分流筒１２との間に形成される副環状流体通路Ｂの流入側通路面積をＢｉ、流出側通路面積をＢｏとすると、清浄ガスの流入側と流出側との面積比の大小関係がＡｉ／Ａｏ＞Ｂｉ／Ｂｏとなるように構成している。

これによれば、流出側通路面積Ａｏ（Ｂｏ）に対する流入側通路面積Ａｉ（Ｂｉ）の大小は、絞り程度の大小を表している。つまり本参考形態では、中心側の主環状流体通路Ａの絞り程度に対して外側の副環状流体通路Ｂの絞り程度が小さくなるように構成している。これにより、主環状流体通路Ａからの主環状流の外周側に、副環状流体通路Ｂからの副環状流が、主環状流に対して遅い流速で吹き出されることとなる。

このように、２層環状流としたうえ、中心側の主環状流に対して外側の副環状流の流速を遅く設定することで周囲空気との摩擦が低減される。つまり、清浄ガス流と静止空気流との摩擦による拡散が抑えられ、主環状流となって吹き出される清浄ガスの酸素濃度などの成分の到達率を向上させることができる。これは、清浄ガスなどをスポット的に供給する本参考形態のような装置においては、成分の到達率を向上させることで装置本体の必要能力を抑えることができるため、装置本体の小型化や省エネルギー化をすることもできる。

また、清浄ガス流出側において、環状流生成柱１１の外径をΦＡ、外周筒部１０の内径をΦＢとすると、その口径比ΦＡ／ΦＢが０．２〜０．５となるように構成している。図５は、口径比ΦＡ／ΦＢと清浄ガスの到達率との関係を示すグラフである。なお、清浄ガスの到達率は以下のように定義したものである。

清浄ガスの到達率＝（Ｘ−Ｓ）／（Ｏ−Ｓ）
Ｘ：吹出口から距離Ｘ（試験ではＸ＝３２０ｍｍ）地点の噴流中心の酸素濃度
Ａ：周囲空気の酸素濃度
Ｏ：吹出口から流出する清浄ガスの酸素濃度、である。

この試験結果によれば、到達率が最大となる口径比はΦＡ／ΦＢ＝０．３３であった。図５の試験結果を用いて到達率の高い口径比で構成することにより、吹き出す清浄ガスの成分の到達率を向上させることができる。これは、清浄ガス流をスポット的に供給する本参考形態の装置などにおいては、成分の到達率を向上させることで装置本体の必要能力を抑えることができるため、装置本体の小型化や省エネルギー化をすることもできる。

また、本参考形態ではこの吹出ノズル２３Ａを車両車室内の天井部に設置された車両用空調装置の空調風吹出部に適用している。これによれば、車室内天井部に設置された吹出部から乗員に向けて、酸素富化空気のほか、冷／温風や加温／除湿風などをスポット的に供給する装置に適用して好適である。

（第２参考形態）
次に、本発明の第２参考形態について説明する。図６は、本発明の第２参考形態における吹出ノズル２３Ｂの構造を示す断面図である。なお、以降の各形態においては、上述した第１参考形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成および特徴について説明する。本参考形態では、分流筒１２を清浄ガスの流出側に向かってすぼまった略円錐状の形状としている。これによれば、中心側の主環状流の流速を上げるとともに、外側の副環状流の流速を積極的に遅く設定することができる。

（第３参考形態）
次に、本発明の第３参考形態について説明する。図７は、本発明の第３参考形態における吹出ノズル２３Ｃ、２３Ｄの構造を示す断面図である。上述した参考形態と異なる特徴部分を説明する。本参考形態では、少なくとも主環状流体通路Ａの清浄ガス流出側に、流出する流体の方向を整える整流格子１４を設けたものである。

整流格子１４が無い場合、環状流生成柱１１に沿って主環状流の流速ベクトルが外向きになり、吹出口での流体拡散が大きくなることが懸念されるが、これによれば、主環状流体通路Ａの流体流出側に整流格子１４を取り付けることで、主環状流の流速ベクトルを吹き出し方向に整えることが可能となり、流体拡散が抑えられる。なお、図７（ａ）は、主環状流体通路Ａ側にだけ整流格子１４を設けたものであるが、図７（ｂ）に示すよう副環状流体通路Ｂにも整流格子１４を設けたものであっても良い。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態について説明する。図８は、本発明の第１実施形態における吹出ノズル２３Ｅの構造を示す断面図である。上述した参考形態と異なる特徴部分を説明する。本実施形態では、流体通路を形成する略円筒状の外周筒部１０と、外周筒部１０の中心部かつ同軸状に配置されて吹き出される清浄ガス流を環状に形成する略円柱状の環状流生成柱１１と、外周筒部１０と環状流生成柱１１との間に形成される環状流体通路に、流出する流体の方向を整える整流格子１４を配置している。

また、その整流格子１４を、環状流生成柱１１周りに配置された主流整流格子１４Ａと、主流整流格子１４Ａの外周側で外周筒部１０内側近傍に配置されて主流整流格子１４Ａよりも格子が密になった副流整流格子１４Ｂとで構成している。

これによれば、外周筒部１０の出口部近傍の中心部に環状流を形成する環状流生成柱１１と、その周りに内外２層となるよう主流／副流整流格子１４Ａ、１４Ｂとを設け、内側の主流整流格子１４Ａの格子を粗く、外側の副流整流格子１４Ｂの格子を密に構成することにより、主流整流格子１４Ａからの主環状流の外周側に、副流整流格子１４Ｂからの副環状流が、主環状流に対して遅い流速で吹き出させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図９は、本発明の第２実施形態における吹出ノズル２３Ｆ、２３Ｇの構造を示す断面図である。上述した形態と異なる特徴部分を説明する。本実施形態では、清浄ガスを出口部近傍にまで導く供給管部２２に対して、吹き出し方向を変えられる構成としている。

より具体的に説明すると、図９（ａ）では、供給管部２２の先端部に、樹脂製の蛇腹２４を介して第２参考形態で説明した吹出ノズル２３Ｂを取り付けて吹出ノズル２３Ｆとしたものである。なお、吹出ノズル２３Ｂの清浄ガス流出側には、運転者などの車両乗員が吹き出し方向を調節するためのつまみ部１５が形成されている。

また、図９（ｂ）では、供給管部２２の先端側に球面部２２１を形成するとともに、吹出ノズル２３Ｂの外周筒部１０の外面にも球面部１６を形成し、球面部１６、２２１間で摺動することで吹き出し方向が変えられる構成の吹出ノズル２３Ｇとしたものである。これらの吹出ノズル２３Ｆ、２３Ｇを、清浄ガス流をスポット的に供給する装置に適用した場合、清浄ガス流の供給先を容易に調節することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上述した形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。例えば、上述の形態では、酸素富化膜式発生装置としたが、これに限らず、ガス分離膜と加圧ポンプとを組み合わせてガス分離膜による加圧濾過によりガスを分離する膜分離方式の清浄ガス供給装置や、吸着剤に対する吸着速度の違いを利用してガスを分離するＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）式の清浄ガス供給装置であっても良い。

また、以上のガスを分離して酸素を富化する方式の他に、酸素を含む化学物質に水と反応させて酸素を生成する化学反応ガス発生装置や、酸素ボンベなどで車室内空気に生成した酸素を付与する清浄ガス供給装置であっても良い。これによれば、例えば、酸素を富化する方式で車両用空調装置が内気モードで作動していると、車室内空気の酸素濃度が徐々に低下するが、酸素を付与させて生成した清浄ガスを吹出ノズル２３に供給する装置であれば、酸素濃度低下を防止することができる。

さらに、車両乗員に限らず、室内に居る人に向かって清浄ガスを供給する装置の吹出ノズルに適用しても良いし、清浄ガスに限らず、冷／温風や加温／除湿風などをスポット的に供給する装置の吹出ノズルに適用しても良い。

本発明の流体流吹出装置２３を用いた清浄ガス供給装置２０の全体構成を示す模式図である。 図１中の清浄ガス供給装置２０における本体部２１の内部構成を示す模式図である。 本発明の第１参考形態における吹出ノズル２３Ａの構造を示す断面図である。 図３中のIV矢視図である。 口径比ΦＡ／ΦＢと清浄ガスの到達率との関係を示すグラフである。 本発明の第２参考形態における吹出ノズル２３Ｂの構造を示す断面図である。 本発明の第３参考形態における吹出ノズル２３Ｃ、２３Ｄの構造を示す断面図である。 本発明の第１実施形態における吹出ノズル２３Ｅの構造を示す断面図である。 本発明の第２実施形態における吹出ノズル２３Ｆ、２３Ｇの構造を示す断面図である。

符号の説明

１０…外周筒部
１１…環状流生成柱
１２…分流筒
１４…整流格子
１４Ａ…主流整流格子
１４Ｂ…副流整流格子
２２…供給管部
Ａ…主環状流体通路
Ａｉ…流入側通路面積
Ａｏ…流出側通路面積
Ｂ…副環状流体通路
Ｂｉ…流入側通路面積
Ｂｏ…流出側通路面積
ΦＡ…環状流生成柱の外径
ΦＢ…外周筒部の内径

Claims (3)

1. 流体が流出する出口部近傍に設けられて前記出口部より吹き出される流体流を制御する流体流吹出装置であり、
   流体通路を形成する円筒状の外周筒部（１０）と、
   前記外周筒部（１０）の中心部において前記外周筒部（１０）と同軸状に配置されて、吹き出される流体流を環状に形成する略円柱状の環状流生成柱（１１）と、
   前記外周筒部（１０）と前記環状流生成柱（１１）との間に形成される環状流体通路に、流出する流体の方向を整える整流格子（１４）を配置するとともに、
   前記整流格子（１４）を、前記環状流生成柱（１１）周りに配置された主流整流格子（１４Ａ）と、前記主流整流格子（１４Ａ）の外周側で前記外周筒部（１０）内側近傍に配置されて前記主流整流格子（１４Ａ）よりも格子が密になった副流整流格子（１４Ｂ）とで構成していることを特徴とする流体流吹出装置。
2. 流体を出口部近傍にまで導く供給管部（２２）に対して、吹き出し方向を変えられる構成としていることを特徴とする請求項１に記載の流体流吹出装置。
3. 車両車室内の天井部に設置された車両用空調装置の空調風吹出部に適用されていること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体流吹出装置。

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